介电泳抛光方法及其电极形状的实验研究

林益波,赵天晨,邓乾发,袁巨龙

(浙江工业大学超精密加工研究中心,杭州310014)

平面抛光技术是广泛地应用于光学零件[1—2]、半导体基片[3—5]、衬底[6—9]及各类高精度、高表面质量平面元器件[10—12]的最终加工手段。该加工方式会使抛光液因受到离心力的作用而被甩出,抛光盘转速越快,抛光液驻留加工区域的时间就越短,这样不仅造成抛光液的浪费,同时也使抛光液分布不均匀,降低了加工效率。为解决上述问题,本文提出一种基于介电泳效应的抛光新方法。这种新方法能延长抛光液和磨粒在加工区域内的驻留时间,改变磨粒在加工区域的分布,增强抛光介质的工件材料的去除能力,提高加工效率。同时,减少抛光液和磨粒甩出造成的无效损耗,降低生产成本。介电泳抛光中,工件表面质量受到很多因素影响,比如抛光盘转速、压力、抛光液、电极形状、电压、极板间距等,本文主要研究电极形状对介电泳抛光的影响。本文进行传统CMP抛光实验和使用不同形状的电极对单晶硅片进行介电泳抛光实验,验证介电泳抛光方法的有效性,研究电极形状与抛光均匀性、抛光效率和去除率之间的关系。

1 实验

1.1 实验原理

介电泳是指中性粒子在非均匀电场中由于极化效应所导致的移动现象[13—14]。在均匀电场中,中性粒子极化后受到大小相等、方向相反的两个力,不会发生移动,如图1a所示;在非均匀电场中,极化后中性粒子的正负电荷中心处于不同的电场强度中,受到不同大小的力,产生位移[15],如图1b所示。本文利用中性粒子在非均匀电场中会向电场强度较大方向移动这一现象,对硅片进行抛光实验。

1.2 实验装置

本实验所用设备为Nanopoli-100超精密抛光机,实验装置示意图如图2所示,主要包括电源、上基盘和下盘等,上基盘和下盘中均有电极。电源可以产生0～50 Hz的频率,幅值为0～3500 V的方波,电源通过电刷与抛光装置中的电极相连接。打开电源,极板之间便会产生非均匀电场,实现介电泳抛光加工;关闭电源,实现传统CMP加工。

1.3 实验方法

本实验共有4组不同电极形状的介电泳抛光实验和1组传统CMP实验,介电泳抛光方法与传统CMP方法的区别是在抛光区域有无非均匀电场,其余实验条件均相同。通过5组对比实验,验证介电泳抛光方法的有效性并找出最优的电极形状。介电泳抛光实验改变的是上基盘中电极的形状,下盘中的电极形状不变,其中上基盘所用的4种电极形状如图3所示,它们的尺寸分别为:电极形状1,直径60 mm的圆;电极形状2,直径90 mm的圆;电极形状3,内径40 mm、外径60 mm的圆环;电极形状4,内径70 mm、外径90 mm的圆环。本文中无特别说明的电极形状均指上基盘电极形状,下盘电极是直径300 mm圆,所有电极形状都是由厚度0.1 mm的紫铜片切割而成。介电泳抛光实验条件为:抛光液为pH=9.5的20%(质量分数)硅溶胶,抛光垫是平面型聚氨酯抛光垫,抛光盘转速为60 r/min,压力为0.85 N/cm2,极板间距为4.45 mm,电源是幅值为2000 V、频率为40 Hz的方波,传统CMP实验条件除了没有打开电源,其余实验条件均与介电泳抛光实验条件相同。本实验的加工工件为直径76.2 mm的单晶硅片,工件初始表面粗糙度Ra=395 nm。在抛光过程中,硅片粘贴在玻璃圆片上,随玻璃圆片和上基盘一起转动。每隔30 min,测量硅片的表面粗糙度和质量,所用测量设备分别为日本三丰Mitutoyo SJ-410表面粗糙度测量仪和丹佛SI-234高精度电子天平。硅片表面粗糙度测量点位置如图4所示,分别测量圆心和直径20,40,60 mm上点的表面粗糙度,最后同直径上的表面粗糙度取平均值。

2 结果和分析

在加工区域加电场和不加电场,会产生不同的加工结果;不同的电极形状会产生不同的电场,不同的电场对抛光液的影响不同,也会导致不同的加工结果。图5是传统CMP和4种电极形状的粗糙度在4 h内的变化情况,从图中可以看出,在4 h时,使用4种电极形状介电泳抛光的硅片圆心、直径20 mm、直径40 mm、直径60 mm上的表面粗糙度都在15 nm以下并且比较相近,最大相差6.5 nm;而使用传统CMP方法抛光的硅片各直径上的粗糙度相差很大,最大相差136 nm。这说明使用4种电极形状介电泳抛光的硅片表面粗糙度下降速度均比传统CMP方法快,不同直径上的表面粗糙度相差也比传统CMP方法小,抛光更均匀。在1.5 h时,使用电极形状1介电泳抛光的硅片不同直径上的表面粗糙度都在15 nm以下并且很相近,最大相差4 nm;而使用其它3种电极形状介电泳抛光的硅片不同直径上的表面粗糙度均没有在15 nm以下,而且相差都比较大,最大相差120 nm。使用电极形状2、3、4介电泳抛光的硅片,各直径上表面粗糙度降到15 nm所用时间分别为4,2,3 h。这说明在4种电极形状中使用电极形状1介电泳抛光时表面粗糙度减小最快,不同直径上的表面粗糙度相差最小,抛光最均匀。

图6是硅片表面粗糙度抛光到8 nm以下所用时间,从图中可以看出,硅片在介电泳抛光方法下抛光表面粗糙度达到8 nm以下,所用时间比传统CMP方法所用时间短、效率高;4种电极形状中,使用电极形状1抛光时,硅片表面粗糙度达到8 nm以下所用时间最短、效率最高。这是因为在传统CMP加工时磨粒在离心力的作用下被快速甩出,与硅片中心区域接触的磨粒和抛光液减少,导致硅片从外向内慢慢变亮,如图7a所示(图7a是使用传统CMP方法加工的硅片),当硅片外圈表面粗糙度达到8 nm以下时,硅片中心区域的表面粗糙度依然很大,这样就需要更多的时间抛光中心区域,导致整个硅片表面粗糙度抛光到8 nm所用时间变长;在介电泳抛光加工时,磨粒和抛光液在非均匀电场中受到介电泳力的作用,不容易被甩出,分布在加工区域的磨粒和抛光液更加均匀;因此相比传统CMP方法,介电泳抛光方法加工的硅片更均匀,如图7b所示(图7b是使用电极形状1介电泳抛光的硅片),硅片中心区域表面粗糙度跟外圈表面粗糙度相近,这样就不用在抛光硅片中心区域上浪费时间,所用时间更短、效率更高。

去除率是单位时间内材料质量的变化量。图8是传统CMP和4种电极形状介电泳抛光的去除率,从图中可以看出,4种电极形状介电泳抛光的去除率比传统CMP方法高,去除率最低的电极形状3也达到0.525 mg/min,相比传统CMP方法提高了11.0%。在4种电极形状中,使用电极形状4介电泳抛光去除率最高,达到0.565 mg/min,比传统CMP方法提高了19.5%。

3 结论

对单晶硅片进行传统CMP实验和4种电极形状的介电泳抛光实验,验证了介电泳抛光方法的有效性,研究了电极形状对抛光均匀性、抛光效率和去除率的影响。结果表明:使用介电泳抛光方法加工的硅片表面粗糙度下降速度均比传统CMP方法快,抛光更均匀。其中,在介电泳抛光实验时,4种不同电极形状中直径60 mm圆形电极抛光的硅片表面粗糙度下降速度最快,抛光最均匀,并且表面粗糙度抛光到8 nm以下所用时间最短、效率最高;使用内径70 mm、外径90 mm的圆环电极形状介电泳抛光时去除率最高,比传统CMP提高将近19.5%。研究结果具有一定的工程应用价值。