基于晶圆减薄工艺的LT减薄片制备

刘贻兵,钱一聪,帅 垚,吴传贵,罗文博,张万里

(1. 重庆邮电大学 光电工程学院,重庆 400065;2. 电子科技大学 重庆微电子产业技术研究院,重庆 401332;3. 电子科技大学 电子科学与工程学院,四川 成都 611731)

0 引言

移动手机日益复杂的架构使得射频(RF)滤波器向着小型化、高性能的目标发展,而声表面波(SAW)滤波器低插损、高品质因数(Q)值、易集成的特点使其成为目前移动射频前端最好的选择[1]。由于SAW器件大多采用钽酸锂或铌酸锂(LN) 材料制备,但这两种材料的频率温度系数(TCF)较大,当环境温度改变时,构成声学谐振器的各类材料物理特性会发生相应的变化,从而影响声学模式的相速度,最终影响频率响应,导致频率发生偏移[2]。尤其是通信频带越来越拥挤[3],要求SAW滤波器的有效带宽越来越大,而高的频率温度系数会使SAW滤波器/双工器的有效带宽减小,通带选择变差。这使SAW器件的温度补偿问题备受关注。

为了改善器件的温度特性,温度补偿型声表面波(TC-SAW)器件逐渐得到应用。传统制备TC-SAW的工艺方法有两种:

1) 通过溅射厚氧化物到金属电极上[4]来做温度补偿,但这种方法难以控制氧化物的平坦度,会使顶部表面不均匀,从而恶化器件的温度补偿性能。

2) 使用蓝宝石/Si/其他材料上钽酸锂[5]的结构,但其制造困难,需仔细控制电极厚度和氧化膜厚度。而LT/SiO2/Si的结构[6]同样可达到温度补偿的效果,且易通过化学机械抛光(CMP)的方式来控制Si上氧化物的厚度和平坦度,但需要将LT减薄到一定厚度才能达到温度补偿的效果,而减薄的过程会给晶圆表面带来损伤[7],影响后续制备的SAW器件性能。

本文在对减薄抛光工艺制备LT减薄片的过程中,研究了不同减薄工艺参数与晶圆表面损伤的关系,以及抛光压力对晶圆损伤的去除效果,制定了获得低损伤、高完整度晶圆表面的工艺参数,验证了减薄片制备的SAW谐振器性能,为制备高性能的TC-SAW器件提供了材料支撑。

1 实验

采用LT(250 mm)晶圆与热氧化硅衬底的键合片进行工艺研究。键合片制备是先用酸碱液清洗LT晶圆与热氧化衬底,再将其键合面进行等离子体活化,最后通过亲水性键合方式获得。将键合片经过管式炉退火加固后,使其达到能进行晶圆减薄的键合强度及翘曲度,再进行磨削减薄。

本文使用英吉斯减薄机(EVG-200)对LT键合片进行减薄,使其厚度为(25±5) μm,减薄实验参数选择砂轮目数为1 200目、4 000目、1 200+4 000目,进给速率为0.1 μm/s、0.5 μm/s、0.9 μm/s,砂轮与工作台转速配比为800 r/min:100 r/min、1 200 r/min:150 r/min、2 000 r/min:300 r/min进行减薄工艺的研究。再使用特思迪抛光机(TAP-500)对减薄片进行抛光,采用无纺布抛光垫和SiO2抛光液,转速设置为55 r/min,抛光液流量设置为15 mL/min,抛光实验选择抛光压力为5 kg、8 kg、12 kg、15 kg进行抛光工艺的研究。

晶圆减薄后,使用三维光学轮廓仪(Contour GTX)检测晶圆表面粗糙度和损伤深度,分析减薄参数对表面损伤的影响。抛光后,通过扫描电子显微镜(SEM,JSM-7500F)观测晶圆的表面和截面,采用原子力显微镜(AFM,SPI-3800N)测量晶圆表面形貌,分析抛光对减薄造成表面损伤的去除效果。最后用减薄片制备SAW谐振器,并测试其性能。

2 实验结果与分析

2.1 砂轮目数对晶圆表面损伤的影响

本文首先研究了不同砂轮目数对减薄后晶圆表面损伤的影响。分别采用了1 200目和4 000目两种规格的金刚石砂轮,在相同的砂轮转速、工作台转速和砂轮进给率下进行实验。1 200目砂轮减薄厚度为200 μm,因细砂轮去除速率过慢,所以4 000目砂轮减薄厚度设置为20 μm。图1为不同砂轮目数减薄后晶圆的粗糙度和损伤深度。图2为不同砂轮参数减薄晶圆表面显微形貌图。由图1、2可知,减薄后晶圆粗糙度和损伤深度受砂轮目数影响较大,1 200目砂轮磨粒的粒径较大,对晶圆的切削作用强,导致划痕较深,损伤比较大,进而表现为晶圆表面粗糙度较大。而4 000目砂轮减薄后粗糙度较小,划痕较浅,但存在去除速率慢的问题,不适合直接用来大厚度的减薄。所以可先使用1 200目砂轮进行较大厚度的一次减薄,再使用4 000目砂轮进行二次减薄,二次减薄后晶圆表面粗糙度和损伤深度能接近单一4 000目砂轮的减薄效果。

图2 不同砂轮参数减薄晶圆表面显微形貌图(50倍)

2.2 不同转速和进给率对晶圆表面损伤的影响

采用1 200目的砂轮来研究砂轮、工作台转速及进给率对晶圆表面损伤的影响。首先分析砂轮和工作台转速对表面损伤的影响,不同转速减薄后晶圆表面的粗糙度和损伤深度如图3所示。由图可知,同时提高砂轮和工作台转速,可有效地降低晶圆的粗糙度和损伤深度。这是因为当转速过低时,砂轮磨粒与晶圆表现为挤压效应,无法做到高速切削与磨削的加工效果,晶圆厚度去除较难,导致表面损伤大,这时提高转速能有效地获得更低的损伤深度。但转速并非越高越好,达到一定程度后,提高转速对表面损伤的影响作用趋于平缓,且转速过高可能会给晶圆带来崩边的危险,影响砂轮的平整度,进而影响损伤深度。

图3 不同砂轮与工作台转速减薄后晶圆表面粗糙度、损伤深度

选择较优的砂轮与工作台转速分析砂轮进给率对晶圆表面损伤的影响。只改变砂轮进给率,晶圆表面粗糙度和损伤深度如图4所示。由图可知,当进给率增大时,晶圆的粗糙度和损伤深度也随之增大。因为砂轮进给率增大但转速不变时,砂轮磨削的深度增大,进而对晶圆表面的切削力和挤压力也增大,单位时间内对晶圆的去除量也增多,材料的脆性断裂趋势增大,所以导致表面损伤也增大。为了减少晶圆表面的损伤深度,需要在一定的范围减少砂轮的进给率,不过这样会降低去除率,延长加工时间。所以在选择磨削参数时,需要综合实际加工条件进行设置,尽可能降低损伤深度,方便后续的抛光工作。

图4 不同砂轮进给率减薄后晶圆表面粗糙度、损伤深度

2.3 抛光压力对损伤的去除效果

选择砂轮与工作台转速分别为2 000 r/min和3 00 r/min。砂轮进给率0.1 μm/s的减薄参数进行减薄,减薄后LT厚度达到目标,但晶圆表面还有500 nm的损伤深度,粗糙度为45 nm,需要进一步降低表面损伤。使用CMP的方式进行抛光,采用无纺布抛光垫和SiO2抛光液,在同一抛光转速、抛光液流量下,探究不同压力参数进行抛光的效果。

抛光压力对抛光效果的影响如图5所示。由图可知,随着压力的增大,损伤的去除速率逐渐变大,表面粗糙度随着压力的增加先减小后增大。分析其原因,CMP是机械作用和化学反应相互作用的过程,随着压力的增大,机械作用的影响效果增强,去除率随着机械作用的增大而增大,在未达到机械作用与化学反应相平衡的点时,粗糙度随机械作用的增强而减小。但当压力进一步增大时,抛光液中的磨粒和抛光盘对晶圆的摩擦作用变大,而抛光液传输量小,化学反应慢,导致晶圆表面粗糙度开始变大,并且过大的压力让晶圆有崩边的风险,因此合适的抛光压力有利于维持抛光过程中的化学机械作用平衡。

图5 不同压力对抛光效果的影响

通过对晶圆的减薄与抛光工艺,表面LT厚度达到目标减薄厚度,表面损伤也基本去除完全。图6为抛光后晶圆表面测试与样貌。由图可看出,减薄晶圆经过抛光后,晶圆表面厚度一致性好、光洁无污染、没有划痕和微裂纹,且完整无脱落,粗糙度从抛光前45 nm降到0.187 nm,损伤深度小于1 nm,可用于后续的TC-SAW器件制备。

图6 抛光后晶圆表面测试与样貌

2.4 SAW器件性能表征

为验证减薄抛光后晶圆的性能,在整片晶圆上选取了5处不同位置制备了相同的SAW谐振器(见图7)。制备的谐振器电极厚度为205 nm,周期为2.3 μm,孔径长度为25倍周期,采用单端口结构,其中叉指设置为100对,反射栅为短路结构,数量为15对。采用Rohde &Schwarz矢量网络分析仪(VNA)对制备的SAW谐振器进行GSG探针测试,得到的晶圆上5处不同位置制备的SAW谐振器的阻抗图和Smith圆图,如图8、9所示。由图8、9可知,在晶圆的5处不同位置下,谐振器的谐振点和反谐振点无变化,阻抗比也相同。由图9还可看出,谐振器的谐振点和反谐振点之间无杂散,谐振器性能的一致性充分证明了制备晶圆性能的一致性。

图7 选取的晶圆上5处不同位置

图8 5处不同位置制备的TC-SAW谐振器的阻抗图

图9 5处不同位置制备的TC-SAW谐振器的Smith圆图

3 结束语

本文研究了不同参数下减薄与抛光工艺制备的LT减薄片,通过对晶圆表面微观参数的表征获得了粗糙度为0.187 nm、损伤深度小于1 nm的晶圆表面,并使用减薄片制备了TC-SAW谐振器。由减薄抛光研究的结果表明,高低目数的砂轮配合使用可用于200 μm以上的大厚度减薄,提高减薄效率,且低目数砂轮最后留下的损伤小,使用较高的转速和低的进给速度进行减薄,有利于获得更低的表面粗糙度和损伤深度。在抛光过程中,采用适当的压力更有利于实现化学和机械作用的平衡,既能保证抛光速度,也能有效地降低表面的粗糙度,进而获得较好的抛光效果。通过对晶圆上5处不同位置制备相同的SAW谐振器的测试表明其性能相同,充分证明了制备晶圆性能的一致性。本文的研究结果对SAW器件的制备有一定的参考及借鉴意义。