劉貽兵,錢一聰,帥 垚,吳傳貴,羅文博,張萬里

(1. 重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,重慶 400065;2. 電子科技大學(xué) 重慶微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,重慶 401332;3. 電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 611731)

0 引言

移動手機(jī)日益復(fù)雜的架構(gòu)使得射頻(RF)濾波器向著小型化、高性能的目標(biāo)發(fā)展,而聲表面波(SAW)濾波器低插損、高品質(zhì)因數(shù)(Q)值、易集成的特點(diǎn)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(shù)(TCF)較大,當(dāng)環(huán)境溫度改變時,構(gòu)成聲學(xué)諧振器的各類材料物理特性會發(fā)生相應(yīng)的變化,從而影響聲學(xué)模式的相速度,最終影響頻率響應(yīng),導(dǎo)致頻率發(fā)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(shù)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(bǔ)償問題備受關(guān)注。

為了改善器件的溫度特性,溫度補(bǔ)償型聲表面波(TC-SAW)器件逐漸得到應(yīng)用。傳統(tǒng)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(bǔ)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(bǔ)償性能。

2) 使用藍(lán)寶石/Si/其他材料上鉭酸鋰[5]的結(jié)構(gòu),但其制造困難,需仔細(xì)控制電極厚度和氧化膜厚度。而LT/SiO2/Si的結(jié)構(gòu)[6]同樣可達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?且易通過化學(xué)機(jī)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(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?而減薄的過程會給晶圓表面帶來損傷[7],影響后續(xù)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(shù)與晶圓表面損傷的關(guān)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(shù),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(jìn)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(jìn)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(jīng)過管式爐退火加固后,使其達(dá)到能進(jìn)行晶圓減薄的鍵合強(qiáng)度及翹曲度,再進(jìn)行磨削減薄。

本文使用英吉斯減薄機(jī)(EVG-200)對LT鍵合片進(jìn)行減薄,使其厚度為(25±5) μm,減薄實驗參數(shù)選擇砂輪目數(shù)為1 200目、4 000目、1 200+4 000目,進(jìn)給速率為0.1 μm/s、0.5 μm/s、0.9 μm/s,砂輪與工作臺轉(zhuǎn)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(jìn)行減薄工藝的研究。再使用特思迪拋光機(jī)(TAP-500)對減薄片進(jìn)行拋光,采用無紡布拋光墊和SiO2拋光液,轉(zhuǎn)速設(shè)置為55 r/min,拋光液流量設(shè)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(jìn)行拋光工藝的研究。

晶圓減薄后,使用三維光學(xué)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(shù)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(jié)果與分析

2.1 砂輪目數(shù)對晶圓表面損傷的影響

本文首先研究了不同砂輪目數(shù)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(guī)格的金剛石砂輪,在相同的砂輪轉(zhuǎn)速、工作臺轉(zhuǎn)速和砂輪進(jìn)給率下進(jìn)行實驗。1 200目砂輪減薄厚度為200 μm,因細(xì)砂輪去除速率過慢,所以4 000目砂輪減薄厚度設(shè)置為20 μm。圖1為不同砂輪目數(shù)減薄后晶圓的粗糙度和損傷深度。圖2為不同砂輪參數(shù)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(shù)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(qiáng),導(dǎo)致劃痕較深,損傷比較大,進(jìn)而表現(xiàn)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(jìn)行較大厚度的一次減薄,再使用4 000目砂輪進(jìn)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(shù)減薄晶圓表面顯微形貌圖(50倍)

2.2 不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)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(zhuǎn)速及進(jìn)給率對晶圓表面損傷的影響。首先分析砂輪和工作臺轉(zhuǎn)速對表面損傷的影響,不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速,可有效地降低晶圓的粗糙度和損傷深度。這是因為當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時,砂輪磨粒與晶圓表現(xiàn)為擠壓效應(yīng),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(dǎo)致表面損傷大,這時提高轉(zhuǎn)速能有效地獲得更低的損傷深度。但轉(zhuǎn)速并非越高越好,達(dá)到一定程度后,提高轉(zhuǎn)速對表面損傷的影響作用趨于平緩,且轉(zhuǎn)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(jìn)而影響損傷深度。

圖3 不同砂輪與工作臺轉(zhuǎn)速減薄后晶圓表面粗糙度、損傷深度

選擇較優(yōu)的砂輪與工作臺轉(zhuǎn)速分析砂輪進(jìn)給率對晶圓表面損傷的影響。只改變砂輪進(jìn)給率,晶圓表面粗糙度和損傷深度如圖4所示。由圖可知,當(dāng)進(jìn)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(jìn)給率增大但轉(zhuǎn)速不變時,砂輪磨削的深度增大,進(jìn)而對晶圓表面的切削力和擠壓力也增大,單位時間內(nèi)對晶圓的去除量也增多,材料的脆性斷裂趨勢增大,所以導(dǎo)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(jìn)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(shù)時,需要綜合實際加工條件進(jìn)行設(shè)置,盡可能降低損傷深度,方便后續(xù)的拋光工作。

圖4 不同砂輪進(jìn)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(zhuǎn)速分別為2 000 r/min和3 00 r/min。砂輪進(jìn)給率0.1 μm/s的減薄參數(shù)進(jìn)行減薄,減薄后LT厚度達(dá)到目標(biāo),但晶圓表面還有500 nm的損傷深度,粗糙度為45 nm,需要進(jìn)一步降低表面損傷。使用CMP的方式進(jìn)行拋光,采用無紡布拋光墊和SiO2拋光液,在同一拋光轉(zhuǎn)速、拋光液流量下,探究不同壓力參數(shù)進(jìn)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(jī)械作用和化學(xué)反應(yīng)相互作用的過程,隨著壓力的增大,機(jī)械作用的影響效果增強(qiáng),去除率隨著機(jī)械作用的增大而增大,在未達(dá)到機(jī)械作用與化學(xué)反應(yīng)相平衡的點(diǎn)時,粗糙度隨機(jī)械作用的增強(qiáng)而減小。但當(dāng)壓力進(jìn)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(xué)反應(yīng)慢,導(dǎo)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(fēng)險,因此合適的拋光壓力有利于維持拋光過程中的化學(xué)機(jī)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(dá)到目標(biāo)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(jīng)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(xù)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(jié)構(gòu),其中叉指設(shè)置為100對,反射柵為短路結(jié)構(gòu),數(shù)量為15對。采用Rohde &Schwarz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)對制備的SAW諧振器進(jìn)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(diǎn)和反諧振點(diǎn)無變化,阻抗比也相同。由圖9還可看出,諧振器的諧振點(diǎn)和反諧振點(diǎn)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(jié)束語

本文研究了不同參數(shù)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(shù)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(jié)果表明,高低目數(shù)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(shù)砂輪最后留下的損傷小,使用較高的轉(zhuǎn)速和低的進(jìn)給速度進(jìn)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(dāng)?shù)膲毫Ω欣趯崿F(xiàn)化學(xué)和機(jī)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(jìn)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(jié)果對SAW器件的制備有一定的參考及借鑒意義。