基于晶圓減薄工藝的LT減薄片制備

劉貽兵,錢一聰,帥 垚,吳傳貴,羅文博,張萬里

(1. 重慶郵電大學 光電工程學院,重慶 400065;2. 電子科技大學 重慶微電子產業技術研究院,重慶 401332;3. 電子科技大學 電子科學與工程學院,四川 成都 611731)

0 引言

移動手機日益復雜的架構使得射頻(RF)濾波器向著小型化、高性能的目標發展,而聲表面波(SAW)濾波器低插損、高品質因數(Q)值、易集成的特點使其成為目前移動射頻前端最好的選擇[1]。由于SAW器件大多采用鉭酸鋰或鈮酸鋰(LN) 材料制備,但這兩種材料的頻率溫度系數(TCF)較大,當環境溫度改變時,構成聲學諧振器的各類材料物理特性會發生相應的變化,從而影響聲學模式的相速度,最終影響頻率響應,導致頻率發生偏移[2]。尤其是通信頻帶越來越擁擠[3],要求SAW濾波器的有效帶寬越來越大,而高的頻率溫度系數會使SAW濾波器/雙工器的有效帶寬減小,通帶選擇變差。這使SAW器件的溫度補償問題備受關注。

為了改善器件的溫度特性,溫度補償型聲表面波(TC-SAW)器件逐漸得到應用。傳統制備TC-SAW的工藝方法有兩種:

1) 通過濺射厚氧化物到金屬電極上[4]來做溫度補償,但這種方法難以控制氧化物的平坦度,會使頂部表面不均勻,從而惡化器件的溫度補償性能。

2) 使用藍寶石/Si/其他材料上鉭酸鋰[5]的結構,但其制造困難,需仔細控制電極厚度和氧化膜厚度。而LT/SiO2/Si的結構[6]同樣可達到溫度補償的效果,且易通過化學機械拋光(CMP)的方式來控制Si上氧化物的厚度和平坦度,但需要將LT減薄到一定厚度才能達到溫度補償的效果,而減薄的過程會給晶圓表面帶來損傷[7],影響后續制備的SAW器件性能。

本文在對減薄拋光工藝制備LT減薄片的過程中,研究了不同減薄工藝參數與晶圓表面損傷的關系,以及拋光壓力對晶圓損傷的去除效果,制定了獲得低損傷、高完整度晶圓表面的工藝參數,驗證了減薄片制備的SAW諧振器性能,為制備高性能的TC-SAW器件提供了材料支撐。

1 實驗

采用LT(250 mm)晶圓與熱氧化硅襯底的鍵合片進行工藝研究。鍵合片制備是先用酸堿液清洗LT晶圓與熱氧化襯底,再將其鍵合面進行等離子體活化,最后通過親水性鍵合方式獲得。將鍵合片經過管式爐退火加固后,使其達到能進行晶圓減薄的鍵合強度及翹曲度,再進行磨削減薄。

本文使用英吉斯減薄機(EVG-200)對LT鍵合片進行減薄,使其厚度為(25±5) μm,減薄實驗參數選擇砂輪目數為1 200目、4 000目、1 200+4 000目,進給速率為0.1 μm/s、0.5 μm/s、0.9 μm/s,砂輪與工作臺轉速配比為800 r/min:100 r/min、1 200 r/min:150 r/min、2 000 r/min:300 r/min進行減薄工藝的研究。再使用特思迪拋光機(TAP-500)對減薄片進行拋光,采用無紡布拋光墊和SiO2拋光液,轉速設置為55 r/min,拋光液流量設置為15 mL/min,拋光實驗選擇拋光壓力為5 kg、8 kg、12 kg、15 kg進行拋光工藝的研究。

晶圓減薄后,使用三維光學輪廓儀(Contour GTX)檢測晶圓表面粗糙度和損傷深度,分析減薄參數對表面損傷的影響。拋光后,通過掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-7500F)觀測晶圓的表面和截面,采用原子力顯微鏡(AFM,SPI-3800N)測量晶圓表面形貌,分析拋光對減薄造成表面損傷的去除效果。最后用減薄片制備SAW諧振器,并測試其性能。

2 實驗結果與分析

2.1 砂輪目數對晶圓表面損傷的影響

本文首先研究了不同砂輪目數對減薄后晶圓表面損傷的影響。分別采用了1 200目和4 000目兩種規格的金剛石砂輪,在相同的砂輪轉速、工作臺轉速和砂輪進給率下進行實驗。1 200目砂輪減薄厚度為200 μm,因細砂輪去除速率過慢,所以4 000目砂輪減薄厚度設置為20 μm。圖1為不同砂輪目數減薄后晶圓的粗糙度和損傷深度。圖2為不同砂輪參數減薄晶圓表面顯微形貌圖。由圖1、2可知,減薄后晶圓粗糙度和損傷深度受砂輪目數影響較大,1 200目砂輪磨粒的粒徑較大,對晶圓的切削作用強,導致劃痕較深,損傷比較大,進而表現為晶圓表面粗糙度較大。而4 000目砂輪減薄后粗糙度較小,劃痕較淺,但存在去除速率慢的問題,不適合直接用來大厚度的減薄。所以可先使用1 200目砂輪進行較大厚度的一次減薄,再使用4 000目砂輪進行二次減薄,二次減薄后晶圓表面粗糙度和損傷深度能接近單一4 000目砂輪的減薄效果。

圖2 不同砂輪參數減薄晶圓表面顯微形貌圖(50倍)

2.2 不同轉速和進給率對晶圓表面損傷的影響

采用1 200目的砂輪來研究砂輪、工作臺轉速及進給率對晶圓表面損傷的影響。首先分析砂輪和工作臺轉速對表面損傷的影響,不同轉速減薄后晶圓表面的粗糙度和損傷深度如圖3所示。由圖可知,同時提高砂輪和工作臺轉速,可有效地降低晶圓的粗糙度和損傷深度。這是因為當轉速過低時,砂輪磨粒與晶圓表現為擠壓效應,無法做到高速切削與磨削的加工效果,晶圓厚度去除較難,導致表面損傷大,這時提高轉速能有效地獲得更低的損傷深度。但轉速并非越高越好,達到一定程度后,提高轉速對表面損傷的影響作用趨于平緩,且轉速過高可能會給晶圓帶來崩邊的危險,影響砂輪的平整度,進而影響損傷深度。

圖3 不同砂輪與工作臺轉速減薄后晶圓表面粗糙度、損傷深度

選擇較優的砂輪與工作臺轉速分析砂輪進給率對晶圓表面損傷的影響。只改變砂輪進給率,晶圓表面粗糙度和損傷深度如圖4所示。由圖可知,當進給率增大時,晶圓的粗糙度和損傷深度也隨之增大。因為砂輪進給率增大但轉速不變時,砂輪磨削的深度增大,進而對晶圓表面的切削力和擠壓力也增大,單位時間內對晶圓的去除量也增多,材料的脆性斷裂趨勢增大,所以導致表面損傷也增大。為了減少晶圓表面的損傷深度,需要在一定的范圍減少砂輪的進給率,不過這樣會降低去除率,延長加工時間。所以在選擇磨削參數時,需要綜合實際加工條件進行設置,盡可能降低損傷深度,方便后續的拋光工作。

圖4 不同砂輪進給率減薄后晶圓表面粗糙度、損傷深度

2.3 拋光壓力對損傷的去除效果

選擇砂輪與工作臺轉速分別為2 000 r/min和3 00 r/min。砂輪進給率0.1 μm/s的減薄參數進行減薄,減薄后LT厚度達到目標,但晶圓表面還有500 nm的損傷深度,粗糙度為45 nm,需要進一步降低表面損傷。使用CMP的方式進行拋光,采用無紡布拋光墊和SiO2拋光液,在同一拋光轉速、拋光液流量下,探究不同壓力參數進行拋光的效果。

拋光壓力對拋光效果的影響如圖5所示。由圖可知,隨著壓力的增大,損傷的去除速率逐漸變大,表面粗糙度隨著壓力的增加先減小后增大。分析其原因,CMP是機械作用和化學反應相互作用的過程,隨著壓力的增大,機械作用的影響效果增強,去除率隨著機械作用的增大而增大,在未達到機械作用與化學反應相平衡的點時,粗糙度隨機械作用的增強而減小。但當壓力進一步增大時,拋光液中的磨粒和拋光盤對晶圓的摩擦作用變大,而拋光液傳輸量小,化學反應慢,導致晶圓表面粗糙度開始變大,并且過大的壓力讓晶圓有崩邊的風險,因此合適的拋光壓力有利于維持拋光過程中的化學機械作用平衡。

圖5 不同壓力對拋光效果的影響

通過對晶圓的減薄與拋光工藝,表面LT厚度達到目標減薄厚度,表面損傷也基本去除完全。圖6為拋光后晶圓表面測試與樣貌。由圖可看出,減薄晶圓經過拋光后,晶圓表面厚度一致性好、光潔無污染、沒有劃痕和微裂紋,且完整無脫落,粗糙度從拋光前45 nm降到0.187 nm,損傷深度小于1 nm,可用于后續的TC-SAW器件制備。

圖6 拋光后晶圓表面測試與樣貌

2.4 SAW器件性能表征

為驗證減薄拋光后晶圓的性能,在整片晶圓上選取了5處不同位置制備了相同的SAW諧振器(見圖7)。制備的諧振器電極厚度為205 nm,周期為2.3 μm,孔徑長度為25倍周期,采用單端口結構,其中叉指設置為100對,反射柵為短路結構,數量為15對。采用Rohde &Schwarz矢量網絡分析儀(VNA)對制備的SAW諧振器進行GSG探針測試,得到的晶圓上5處不同位置制備的SAW諧振器的阻抗圖和Smith圓圖,如圖8、9所示。由圖8、9可知,在晶圓的5處不同位置下,諧振器的諧振點和反諧振點無變化,阻抗比也相同。由圖9還可看出,諧振器的諧振點和反諧振點之間無雜散,諧振器性能的一致性充分證明了制備晶圓性能的一致性。

圖7 選取的晶圓上5處不同位置

圖8 5處不同位置制備的TC-SAW諧振器的阻抗圖

圖9 5處不同位置制備的TC-SAW諧振器的Smith圓圖

3 結束語

本文研究了不同參數下減薄與拋光工藝制備的LT減薄片,通過對晶圓表面微觀參數的表征獲得了粗糙度為0.187 nm、損傷深度小于1 nm的晶圓表面,并使用減薄片制備了TC-SAW諧振器。由減薄拋光研究的結果表明,高低目數的砂輪配合使用可用于200 μm以上的大厚度減薄,提高減薄效率,且低目數砂輪最后留下的損傷小,使用較高的轉速和低的進給速度進行減薄,有利于獲得更低的表面粗糙度和損傷深度。在拋光過程中,采用適當的壓力更有利于實現化學和機械作用的平衡,既能保證拋光速度,也能有效地降低表面的粗糙度,進而獲得較好的拋光效果。通過對晶圓上5處不同位置制備相同的SAW諧振器的測試表明其性能相同,充分證明了制備晶圓性能的一致性。本文的研究結果對SAW器件的制備有一定的參考及借鑒意義。