優化半絕緣GaAs雙拋片精拋工藝的可行性探究

張雁敏

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

砷化鎵(GaAs)作為具有直接帶隙的Ⅲ～Ⅴ族化合物半導體材料是第二代半導體材料的代表[1]，而半絕緣砷化鎵(SI-GaAs)的拋光片更是作為微波大功率器件、低噪聲器件等的重要襯底材料而被廣泛應用[2]。面對當前發展形勢，砷化鎵材料的科研和生產部門應當抓住機遇，穩定提高產品質量，合理整合現有資源增加產能，盡可能降低成本創造效益，從而快速拓展市場。

1 試驗目的

現有的半絕緣GaAs雙拋片精拋工藝，是先后經由單面拋光和雙面拋光的兩步精拋法，其具體步驟為：首先將粗拋加工達標的半絕緣砷化鎵，經由單面拋光機分2次拋光，依次將半絕緣GaAs雙拋片的背面和正面由粗拋面加工為精拋面；由于單拋加工時半絕緣 GaAs雙拋片的背面還殘留有與無蠟墊接觸留下的印記，還需雙面拋光機做最后加工將其去除，最終成品流入清洗工序。現有精拋工藝的程序過于繁復，暴露出碎片率高、成品率低等缺點。相對于傳統單面化學機械拋光過程，采用工件運動軌跡為行星運動軌跡的雙面化學機械拋光，在有效控制平整度的同時，也可以有效控制納米形貌[3]。因此，如果能在雙面拋光機上直接加工出精拋面，就能克服上述缺點。為解決現有工藝存在的問題，解放設備、人力，節約物料，對雙拋片精拋工藝進行優化探索。

2 試驗部分

2.1 試驗材料及設備

原材料：經過粗拋加工的半絕緣砷化鎵雙面拋光片，數量若干片，晶向＜100＞，直徑(100±0.1)μm，厚度(625±1)μm。

對比組：與試驗原材料同批次，且加工狀態和幾何尺寸一致，并按現有精拋工藝加工的半絕緣砷化鎵精拋片成品若干片。

SPEEDFAM 9B雙面拋光機。

2.2 精拋試驗

拋光工藝參數和拋光液配比是拋光工藝中最為重要的 2項條件。本次試驗只著重敲定了拋光壓力、LP Speed、拋光時間、拋光液流量這 4個參數；拋光液沿用被廣泛使用的 NaClO-SiO2系這一較為熟悉的類型[4]。

拋光壓力和拋光轉速都是拋光工藝中十分重要的參數，庫黎明等[5]通過 Stribeck曲線，建立了壓力-Hersey number-拋光液層厚度的關系，從而定性地表征了硅片表面與拋光墊的界面狀態，并用試驗驗證了在固-液混合接觸區內優化拋光工藝，使化學作用和機械作用達到平衡，從而可以得到最小粗糙度和峰谷值的硅拋光片的結論。苑澤偉等[6]認為在拋光盤轉速增加的過程中，首先工件與拋光墊的相對運動速度變大，從而增強了機械活化作用；然而界面流體作用也在同時增強，最終外部載荷變為主要由流體壓力承擔，磨料對工件的機械作用反而減小；另外，拋光盤過高的轉速也會導致拋光液過快甩離拋光墊。此外，將估算出能夠去除粗拋層的時間作為此次精拋試驗主程序的運行時間，并調大拋光液流量使之過量。

需要說明的是，相對于單面拋光機，雙面拋光機結構更加復雜，控制拋光轉速的參數有 3個，它們分別是SG Speed(Sun Gear Speed)、RG Speed(Ring Gear Speed)以及LP Speed(Lower Plate Speed)，其中最為關鍵的是LP Speed。另外需要說明的是，SPEEDFAM 9B雙面拋光機的運行程序主要分 3個步驟，第 1、3步分別是逐漸加壓加速和減壓減速的過程，而第2步則是關鍵工藝步驟，稱之為主要進程。

為了得到更加細致均一的表面，將 SiO2磨料從現用的 CM-S700A更換為粒度更小、穩定性更佳的型號NP8040；同時還將現用的拋光墊SUBA IV換成了硬度更小的拋光墊POLITEX HI。

通過上述討論，設定雙面拋光機主要參數為：拋光壓力 40kg，LP Speed 60rpm/min，流量500mL/min，主要進程運行時間 300s。所用拋光液中NaClO∶磨料 SiO2∶高純水的配比為 5∶4∶100。取片后清洗待檢。

2.3 還原劑添加實驗

在2.2運行精拋試驗工藝后，發現部分試驗片有輕微布印，這是主要進程運行結束至完成取片的過程中殘留拋光液腐蝕晶片造成的。因此，在 2.2精拋實驗工藝基礎上，在拋光主要進程與第3段減壓減速程序之間添加了一段低壓力、低轉速拋光進程，拋光壓力 10kg，LP Speed 20rpm/min，停止拋光液的注入，并在此段共計 20s的進程時間內勻速注入 1500mL質量分數為5%的硫代硫酸鈉。取片后清洗待檢。

3 試驗結果與討論

3.1 試驗組表面粗糙度

將 2.2精拋試驗工藝所得試驗組稱為 A組，將2.1所述對比組稱為 B組，并首先在強光燈下檢驗A組晶片的表面質量。晶片表面平整光亮，沒有發現桔皮、損傷、劃線、霧等缺陷，少量出現布印。然后使用OLYMPUS BX51M電子顯微鏡對比觀察。結果如圖 1所示，a、b、c依次為未經過精拋加工的半絕緣GaAs粗拋片、A組精拋試驗片以及 B組對比片的200倍電子顯微鏡圖片。

圖1 200倍電子顯微鏡圖片Fig.1 200 x electron microscope pictures

從圖 1可以看出 2種精拋工藝都得到了令人滿意的表面質量，粗拋片中表面粗拋的細微痕跡在經過任意一種精拋加工后都不見了蹤影。

3.2 試驗組TTV

從A、B組各抽6片晶片，在 LINT-208GA型幾何尺寸測試儀(集成測厚模組)下測量幾何參數。各組TTV及其均值記錄如表1所示，圖2是每組各1片TTV的三維和二維展示圖譜。

從表1可以看出，A組實驗組TTV均值略優于B組對比組TTV均值0.23μm；而TIR相當，只相差了 0.07μm。仔細觀察還可以發現 A組 TTV數值較B組更集中，B組TTV數值呈離散狀。

圖 2展示出 2組晶片 TTV的差距主要在邊緣處，2組邊緣均有塌陷，但A組邊緣比B組邊緣更整齊，B組則有部分邊緣過拋更嚴重一些。

表1 A、B組抽測TTV及其均值Tab.1 Group A and B sampling TTV and its mean

圖2 各組TTV三維和二維展示圖Fig.2 3D and 2D display of each group of TTV

結合表 1和圖 2，可以肯定的是，由于雙面化學機械拋光過程中晶片雙面同時被加工，并且晶片自由度更高，因而相較單面化學機械拋光在晶片邊緣的質量上有更好的表現，進而加工出的晶片有更好的TTV。同樣可以肯定B組中離散數據的出現，是由于抽測片中含有返修片造成的，因為不止一次的次單面拋光過程會加重晶片邊緣的過拋現象，拉低 TTV的整體表現。

3.3 還原劑對照結果

將2.2精拋工藝修改為2.3添加還原劑中和環節后，重復試驗沒有發現布印。這說明還原劑可以有效減少主要拋光進程結束后至取片的時間內拋光液對晶片的腐蝕，尤其對提高精拋環節的成品率有益。

4 結 論

此次精拋試驗完成了對優化半絕緣砷化鎵雙拋片精拋工藝的可行性探究，驗證了本次試驗的精拋工藝在幾何參數(包括 TTV和 TIR)方面優于現有工藝；表面質量方面在補充添加還原劑環節后，現有監測手段(強光燈和電子顯微鏡)下兩者相當。

更深層次的工藝優化應該主要集中以下 2點：①在固化工藝的前提下，匹配好SG Speed、RG Speed和 LP Speed 3種速度。目前被廣泛采用的雙面化學機械拋光運動原理本質上屬于一種復雜的行星式平面研磨拋光過程，SG Speed、RG Speed和 LP Speed三者不同的排列組合會對晶片表面質量，甚至對拋光墊的損耗產生各種影響[7-8]。②pH值調節劑、分散劑、表面活性劑等試劑，在提高晶片表面質量和幾何參數上也起著不容忽視的作用。鄒微波等[9]在文獻中列舉了大量有關 pH值調節劑、分散劑等拋光液組分的變化對CMP起到重要影響的事例。閆志瑞等[10]在試驗中證明：在藍寶石CMP過程中，由于FA/O型非表面離子活性劑的加入，降低了拋光液表面張力，減小了藍寶石表面粗糙度，同時由于活性劑本身的吸附性和鈍化性，在藍寶石去除速率減小不明顯的情況下實現了較高的高低去除速率差，利于實現藍寶石全局平坦化。因此，完善拋光液配比，合理添加 pH值調節劑、分散劑、表面活性劑等試劑液是穩定產品質量的重要任務之一。未來可據此對工藝優化進行更深入探究。