碲鋅鎘晶片精密拋光效果的影響因素分析

種寶春，徐品烈，張文斌

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

碲鋅鎘晶片是碲鎘汞紅外焦平面探測器的襯底材料，通過碲化鎘和碲化鋅多晶體顆粒經(jīng)過高溫熔融生長單晶體，再經(jīng)過切磨拋等精密加工制作而成，其密度為5.8 g/cm3，莫氏硬度值為2.3左右，具有軟脆的特性[1]。碲和鎘在形成晶體時，由于鋅的存在，調(diào)整了晶格常數(shù)，增強(qiáng)碲和鎘在形成晶體時化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，從而使得晶體在低位錯密度生長，增加了禁帶寬度，提高電阻率，是寬禁帶三元化合物半導(dǎo)體材料。

碲鋅鎘晶片采用化學(xué)機(jī)械拋光的主要目的是為了消除晶體表面的損傷層、微裂紋、加工產(chǎn)生的錯位、殘余應(yīng)力等缺陷，獲得平面度高和粗糙度小的光滑平面。晶體表面的損傷層、微裂紋、加工產(chǎn)生的錯位、殘余應(yīng)力等缺陷如果轉(zhuǎn)移到碲鎘汞液相外延的碲鎘汞薄膜中，會導(dǎo)致紅外焦平面器件的失效。因此，化學(xué)機(jī)械拋光超精密加工是紅外焦平面器件制造過程非常重要的工序之一[2]。

1 碲鋅鎘晶片拋光機(jī)械運(yùn)動

實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘晶片的拋光運(yùn)動是由拋光盤轉(zhuǎn)動、拋光晶片承載器轉(zhuǎn)動、拋光晶片承載器的擺動及拋光晶片承載器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組成的。晶片拋光過程中，拋光盤的轉(zhuǎn)動帶動承載器轉(zhuǎn)動，加上擺動臂的切向擺動和水平驅(qū)動，使晶片受到來自3個方向各成120°角的摩擦力的作用，同時，晶片在拋光液顆粒、拋光墊及壓力作用下，達(dá)到表面去除材料的目的。

1.1 碲鋅鎘晶片的拋光機(jī)械機(jī)構(gòu)與功能

碲鋅鎘晶片的拋光機(jī)械結(jié)構(gòu)由拋光盤、拋光晶片承載器和擺動臂三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 拋光機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1.1 拋光盤

拋光盤上粘貼著拋光墊，拋光盤內(nèi)有冷卻水循環(huán)槽，循環(huán)的冷卻水保證拋光盤溫度的恒定，拋光盤安裝到拋光軸上，拋光軸由電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動，如圖2所示。

圖2 拋光軸驅(qū)動

1.1.2 承載器

由于碲鋅鎘材料的軟脆性，碲鋅鎘晶片的拋光壓力必須精確控制。拋光晶片承載器能夠?qū)崿F(xiàn)拋光壓力調(diào)整。經(jīng)過雙面研磨后的碲鋅鎘晶片粘接到玻璃基板上，粘接碲鋅鎘晶片的玻璃基板吸附到拋光承載器的真空吸盤上，放到粘著拋光墊的拋光盤上進(jìn)行拋光。作用于晶片上的拋光壓力是來自于拋光承載器真空吸盤的自身重量，拋光壓力的大小通過壓力調(diào)節(jié)螺母推動壓力調(diào)節(jié)彈簧，壓力調(diào)節(jié)彈簧承擔(dān)了部分真空吸盤的自身重量，實(shí)現(xiàn)了對拋光壓力的調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 承載器結(jié)構(gòu)

1.1.3 擺動臂

擺動臂的功能是拖動拋光晶片承載器在拋光盤上沿徑向移動。擺動臂的擺動由電機(jī)和減速機(jī)驅(qū)動，可以精確地定位和加減速控制，實(shí)現(xiàn)擺動速度平穩(wěn)。擺動臂裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)參與拋光晶片承載器的轉(zhuǎn)速控制，同時擺動臂上安裝位置檢測器，可以實(shí)現(xiàn)對拋光晶片承載器的位置監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 擺動臂結(jié)構(gòu)

1.2 拋光過程材料的去除

碲鋅鎘晶片在拋光拋過程中，滴入拋光液。拋光液是由化學(xué)試劑和磨料組成。在拋光過程中，碲鋅鎘晶片表面與化學(xué)試劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成絡(luò)合物，在拋光液中的磨料、拋光盤、拋光晶片承載器的機(jī)械作用下，對絡(luò)合物進(jìn)行去除，并顯露出新的材料表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光。當(dāng)機(jī)械去除速率和腐蝕速率相等時，得到均勻的拋光去除率。

拋光機(jī)械運(yùn)動對拋光去除率是有影響的，如圖5所示。在拋光過程中，拋光盤在做圓周運(yùn)動，晶片在拋光盤的驅(qū)動下做圓運(yùn)動，如果晶片上的各點(diǎn)與拋光盤的相對速度相等，則晶片獲得的機(jī)械作用相等，獲得均勻的去除率。

圖5 晶片拋光運(yùn)動

A點(diǎn)相對速度為：

B點(diǎn)相對速度為：

當(dāng)

ωp：拋光盤的角速度

ωc：拋光晶圓片的角速度

R：拋光晶圓片中心與拋光盤中心距離

r：拋光晶片半徑

從公式(1)能夠看出，當(dāng)拋光盤角速度與拋光晶片角速度相等時，拋光晶圓片上的各點(diǎn)的相對速度相等，獲得均勻的拋光去除率。

1.3 拋光運(yùn)動的各項(xiàng)參數(shù)

拋光壓力P，拋光過程中施加于晶片上的壓力。拋光壓力和去除率是成正比，在對碲鋅鎘晶片進(jìn)行拋光時，由于碲鋅鎘材料的軟脆性，碲鋅鎘晶體晶片在拋光時需要小的拋光壓力。拋光壓力的大小可以通過電子天平進(jìn)行測量標(biāo)定，測量精度精確到1 g。

拋光盤轉(zhuǎn)速N，拋光盤的轉(zhuǎn)動是拋光過程的動力來源，拋光盤旋轉(zhuǎn)速度與拋光速率有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高拋光速率越快。

擺動臂頻率f，擺動臂在拋光過程中，做擺動運(yùn)動，推動拋光晶片承載器沿拋光盤徑向方向移動。擺動臂頻率f對晶片的拋光后平整度有影響。驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n，驅(qū)動輪在擺臂上由電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動速度可以改變拋光晶片承載器的轉(zhuǎn)速，對拋光晶片表面的平整度有影響。

拋光液流量L，在拋光過程中要不斷地滴入拋光液。拋光液的流量對拋光效果具有非常大的影響，流量需要精確地控制。拋光液過量造成拋光去除不徹底，晶片表面具有腐蝕物的殘留，不能得到良好的表面平整度同時造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。拋光液不足造成去除率下降，達(dá)不到尺寸要求。

拋光時間t，決定了拋光效率，最好的拋光工藝是用最短的時間達(dá)到拋光要求。

2 碲鋅鎘晶片拋光工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

碲鋅鎘晶片尺寸的不同對應(yīng)的拋光工藝參數(shù)配方也不一樣。工藝參數(shù)的確定需要進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，將獲得合格拋光指標(biāo)的工藝參數(shù)配方固化。

2.1 機(jī)械運(yùn)動參數(shù)的作用和影響

碲鋅鎘晶片的拋光要求有：拋光去除厚度、拋光表面的粗糙度和拋光表面的平面度。拋光去除厚度是晶片拋光前與拋光后晶片厚度差值，拋光后的晶片厚度必須達(dá)到要求尺寸。拋光表面要達(dá)到超級光滑表面，晶片平面度TTV要達(dá)到要求。機(jī)械運(yùn)動拋光工藝參數(shù)如表1所示。

2.2 工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過實(shí)驗(yàn)獲得最佳的拋光工藝參數(shù)配方。根據(jù)拋光后的最終要求進(jìn)行工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，各工藝參數(shù)對拋光工藝指標(biāo)的影響進(jìn)一步細(xì)化，如表2所示。

表2 拋光工藝指標(biāo)的影響因素

從表2中看出，評估拋光效果有3個指標(biāo)，影響因素有6個變量。拋光壓力P、拋光盤轉(zhuǎn)速N、拋光時間t是影響去除厚度的變量；擺動頻率f、拋光液流量L和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n是影響平整度的變量；拋光液流量L、拋光時間t是影響表面光潔度的變量。

以相同規(guī)格尺寸的晶片作為樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先采用單因素設(shè)計(jì)法，對拋光壓力P以及拋光盤轉(zhuǎn)速對拋光去除厚度的指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察，以最短時間作為優(yōu)選，對拋光壓力和拋光盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行標(biāo)定。對拋光壓力P以及拋光盤轉(zhuǎn)速參數(shù)可采用黃金分割法或者對分法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

對其他的變量采用正交法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)表如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)表

對實(shí)驗(yàn)后的測量值采用直接分析法，選擇最佳的拋光工藝配方。

3 碲鋅鎘晶片拋光缺陷分析

3.1 拋光面劃傷

拋光后晶片表面出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象，說明在拋光過程有大顆粒物質(zhì)參與了拋光，大顆粒物質(zhì)的來源首先考慮是環(huán)境因素；其次考慮是拋光液。解決辦法是清洗拋光墊，選擇優(yōu)良合格的拋光液，拋光作業(yè)必須在潔凈的環(huán)境中防止灰塵介入。

3.2 拋光去除厚度

拋光后晶片厚度尺寸不合格，有2種情況，一種是拋光后晶片厚度尺寸小，是因?yàn)閽伖膺^量，另一種情況是晶片厚度尺寸大，是因?yàn)閽伖獠蛔悖枰{(diào)整拋光工藝參數(shù)。

3.3 拋光晶片平面度

拋光后晶片的平面度（TTV）不合格，一般會有3種情況，晶片中心凸起，中心凹陷、邊沿凹陷。對于前兩種情況首先是由于拋光晶片承載器引起，晶圓承載器的吸盤平面度不合格，具有凹陷或凸起狀況，在工作時真空吸盤吸附粘接晶片的玻璃基板，引起玻璃基板變形，拋光結(jié)束后真空解除，玻璃基板恢復(fù)到以前狀態(tài)，造成拋光晶片平面的凹陷或凸起。通過精密研磨拋光晶片承載器，使晶片承載器的支撐環(huán)底面與真空吸盤平面在同一平面且平面度合格。對于拋光晶片邊緣凹陷的情況主要是拋光工藝引起，調(diào)整拋光工藝配方中的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n，可以改變拋光后晶片的平面度。

4 結(jié)束語

通過對碲鋅鎘晶片的化學(xué)機(jī)械加工過程分析，提出了獲得了超精密拋光過程中各參數(shù)對拋光工藝指標(biāo)的影響，同時分析了晶片加工中產(chǎn)生缺陷的原因，提出了解決辦法，對軟脆材料高精密微細(xì)加工具有參考借鑒作用。