超精密砷化镓晶片抛光机的研制

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砷化镓(GaAs)具有高的电子迁移率和禁带宽度 ，是微波、毫米波器件的理想材料 ，在国防及卫星通讯领域有极其重要的作用 .是仅次于硅的重要的半导体材料 。

砷化镓器件 的性能除了与单晶体材料电学参数有关外还与晶片的表面特性有很大关系。在制造 GaAs集成 电路的过程中。GaAs基片 的质量会直接影响光刻工艺水平 ，GaAs基片的表面状况对外延薄层材料也起着重要作用 。

砷化镓材料的制作是由纯砷和镓合成并生长为砷化镓单晶材料，经过切、磨、抛光和清洗等工序制成单晶片。其中抛光工序是实现晶片最终超高精度的表面要求(晶片平面度不大于 1 m；表面粗糙度 Ra为0.0061xm)的关键工序。该产业的发展和工艺需求推动了砷化镓表修稿 日期 ：2013-04-23基金项目：科技型 中小企业创新基金 (i1C26215305878)作者简介：徐敏(1968-)，女，高级工程师。主要从事机电产品研究与开发。

8面纳米级抛光设备的研制和生产 。超精密砷化镓晶片抛光机就是完成砷化镓晶片化学机械抛光工序的设备。

1化学机械抛光(CMP)技术原理化学机械抛光(CMP)技术是化学腐蚀作用和机械磨削作用协同效应的组合技术 ，它克服了单纯化学抛光和单纯机械抛光的缺点 ，综合 了两者的优势 。把化学作用和机械作用结合起来.借助于超微粒子的机械研磨作用以及抛光液的化学腐蚀作用 。在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面 .成为半导体加工行业的主导技术。

CMP机整个系统由-个旋转的晶片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液输送装置三大部分组成 。化学机械抛光时 ，旋转的工件以-定的压力压在旋转的抛光垫上.由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶片与抛光垫之间流动。抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下 ，均匀分布其上，在晶片和抛光垫之间形成-层液体薄膜.液体中的化学成分与晶片产生化学反应.将不溶物质转化为易溶物质 ，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从 晶片表面去除，溶人流动的·开发与创新 ·液体中带走 。即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工 .从而达到平坦化的 目的。CMP可以用 Preston方程式来表示 ：： ×式中，H-凸出部分的高度 ；t-抛光时间；L-压力 ；A-接触面积 ；s-相对位移量 ；KD为 Preston常数(机器性能参数 )。由方程式可见 ，晶片表面的去除速率与晶片和抛光垫的相对速度及抛光压力成正 比。在抛光过程中 。除了机构参数及抛光垫特性 的影响外 ，抛光区域温度及抛光液中磨料颗粒大孝粘度、溶液 pH值等参数均会对平坦化效果造成重要影响。就抛光设备而言.当晶片和抛光垫表面的相对速度、压力及抛光液供应稳定时，晶片会被均匀的抛光。

2 超精密砷化镓晶片抛光机的结构组成超精密砷化镓晶片抛光机主要用于砷化镓 、蓝宝石机械作用力玉 抛光液 抛光垫 ，抛 头 l I 工作台图 l CMP 示意 图Fig。1 CMP schematicdiagram件、抛光液流量控制系统、组成 ，如图 2所示。

3 关键技术衬底等硬脆性材料表面纳米级抛光 。抛光压力、上下盘转速、抛光液流量、抛光盘温度、抛光 时间等主要的工艺参数可以根据需要进行设置和调整 。抛光过程中各参数在不 同阶段可设定不同数值并采用程序 自动转换 。主要 由抛光盘组件 、抛光头组机架、电气控制操作系统等(1)抛光相对转速控制。抛光过程 中，不同的阶段对上下盘的转速要求也不尽相 同.在抛光的初始 阶段.由于材料表面粗糙度较低 ，极易造成抛光垫的快速磨损和损伤 ，-般要求要慢启动低转速 .而在抛光的中间过程，为了提高抛光效率达到较高的去除率，要求转速相对较高 。上下盘驱动均采光 液流量制 系统光头组 件圈 2 超精密砷化镓 晶片抛光机外形图Fig.2 Ultra-precision GaAswafer polishing machineoutline drawings用变频器加变频电机来完成 .可实现平稳启动和停止 的工艺要求，采用PLC模拟量加数字量控制，模拟量控制转速 ，数字量控制方向，整个过程 中速度的变换 由程序自动控制完成。

(2)晶片夹持方式 。晶片夹持固定技术有多种方案 ，比较成熟且常用的方法有机械夹持与石蜡粘结 、静电吸盘夹持 、真空吸盘夹持等。砷化镓晶片硬度较低 ，易于氧化，采用无蜡抛光方式较难保证晶片背表面质量。因此该产品抛光过程晶片夹持选择机械夹持与石蜡粘结相结合方法 ，将承片盘通过红外线加热 ，采用石蜡将晶片固定于陶瓷承片盘上 .冷却后将承片盘用机械锁紧机构夹持在上固定盘上。

(3)抛光液供给系统。抛光液供给系统采用超洁净管道与抛光液箱体连接 .抛光液流量大小 、供给时间通过蠕动泵进行控制 。

(4)防腐处理 。抛光液是-种强腐蚀溶液 ，会对接触到抛光液的设备外露金属表面进行锈蚀，降低设备使用寿命 ；腐蚀了金属的废液污染到抛光晶片上会造成划伤，影 响加工质量 ：