劉 濤，高慧瑩，羅 楊，費(fèi)玖海

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東 燕郊 101601)

隨著高亮度LED在照明工程領(lǐng)域需求量的急劇增長，市場的牽引帶動(dòng)了國內(nèi)藍(lán)寶石襯底材料制備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于藍(lán)寶石晶體(α-Al2O3)具有耐高溫、耐腐蝕、透光波段寬的顯著特點(diǎn)，是表面生長GaN的首選材料，但也正是由于藍(lán)寶石硬度極高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，給材料加工，尤其是晶片表面納米級(jí)拋光在技術(shù)上帶來很多困難。目前能夠進(jìn)行藍(lán)寶石納米級(jí)拋光的工藝方法有機(jī)械研磨、化學(xué)輔助機(jī)械拋光、純化學(xué)拋光、熱化學(xué)拋光、離子束拋光、激光束拋光、電火花拋光、磨料水射流拋光等多中方式，但每種方法都有一定的缺陷，實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，運(yùn)用CMP工藝及設(shè)備是獲得藍(lán)寶石襯底表面納米級(jí)工藝要求的最佳方案，而CMP加工設(shè)備是實(shí)現(xiàn)CMP工藝技術(shù)的三大決定因素之一，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和工藝需求推動(dòng)了針對(duì)藍(lán)寶石襯底表面納米級(jí)拋光設(shè)備的研制和生產(chǎn)。

1 PG-510型單面拋光機(jī)的主要用途及性能特點(diǎn)

PG-510型單面拋光機(jī)主要用于藍(lán)寶石襯底、碳化硅、砷化鎵等硬脆性材料表面納米級(jí)拋光。拋光壓力、上下盤轉(zhuǎn)速、拋光液流量、拋光盤溫度、拋光時(shí)間等主要的工藝參數(shù)通過菜單方式進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。拋光過程中，每個(gè)參數(shù)在不同階段可設(shè)定不同數(shù)值并采用程序自動(dòng)控制，拋光結(jié)束后，晶片具有純水自動(dòng)沖洗功能，建有標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)庫，對(duì)優(yōu)化、成熟的工藝方案具有采集存儲(chǔ)功能，可重復(fù)調(diào)用，整機(jī)外形如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品外形圖

2 PG-510型單面拋光機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PG-510型單面拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要由拋光盤組件、拋光頭組件、拋光液流量控制系統(tǒng)、晶片純水沖洗系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等組成。

2.1 拋光盤組件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

拋光盤組件主要包括拋光盤部件、主軸系統(tǒng)、拋光盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、拋光盤溫度控制系統(tǒng)組成。PG-510型單面拋光機(jī)拋光盤組件的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 拋光盤組件結(jié)構(gòu)圖

拋光盤組件是拋光機(jī)的核心部件，他的主要功能是拋光過程中帶動(dòng)粘貼在拋光盤表面的拋光墊作平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)CMP工藝過程中磨料對(duì)材料表面化學(xué)反應(yīng)物的磨削去除作用。

拋光過程中，不同的階段對(duì)拋光盤的轉(zhuǎn)速要求也不盡相同，在拋光的初始階段，由于材料表面粗糙度較低，極易造成拋光墊的快速磨損和損傷，一般要求拋光盤要慢啟動(dòng)低轉(zhuǎn)速，而在拋光的中間過程，為了提高拋光效率達(dá)到較高的去除率，要求拋光盤的轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，在拋光結(jié)束時(shí)為了防止納米級(jí)的拋光表面被劃傷，則要求拋光盤能夠?qū)崿F(xiàn)低轉(zhuǎn)速慢停止，整個(gè)拋光過程中拋光盤的速度曲線為梯形，如圖3所示。

圖3 拋光盤、拋光頭速度曲線

PG-510型單面拋光機(jī)的拋光盤驅(qū)動(dòng)采用變頻器與三相異步電機(jī)來完成，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)和停止的工藝要求，控制采用PLC模擬量加數(shù)字量控制，模擬量控制轉(zhuǎn)速，數(shù)字量控制方向，整個(gè)拋光過程中拋光盤的速度最多可分為十個(gè)階段，不同階段可設(shè)定不同轉(zhuǎn)速，整個(gè)過程中速度的變換由程序自動(dòng)控制完成。

PG-510型單面拋光機(jī)拋光盤的速度控制范圍為：0～120 r/min。

由于藍(lán)寶石晶體硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，拋光過程中需要施加的拋光壓力大，拋光所需的時(shí)間長，加上拋光液與材料之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，拋光過程中拋光盤表面溫度會(huì)升高，當(dāng)溫度高于40℃時(shí)，粘接晶片的蠟將可能融化，出現(xiàn)掉片、碎片現(xiàn)象，所以藍(lán)寶石襯底材料表面拋光必須對(duì)拋光盤表面溫度進(jìn)行控制。

PG-510型單面拋光機(jī)采用冷卻水循環(huán)的方式對(duì)拋光盤進(jìn)行溫度控制，拋光過程中磁力泵將冷卻水箱中的水經(jīng)主軸空腔內(nèi)的管道輸送到拋光盤的腔體內(nèi)，經(jīng)循環(huán)后將拋光盤表面的熱量帶走，使拋光盤溫度降低，從而達(dá)到拋光盤溫度控制的目的，拋光盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 拋光盤結(jié)構(gòu)圖

拋光盤的溫度控制為：≤40℃。

2.2 拋光頭組件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

拋光頭組件主要包括拋光頭驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、壓力加載機(jī)構(gòu)、拋光頭翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、承載器部件等組成，拋光頭組件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 拋光頭組件結(jié)構(gòu)圖

拋光頭驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能是通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)固定在承載器上的藍(lán)寶石晶片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用變頻器與三相異步電機(jī)來完成，其速度控制方式及速度曲線同拋光盤驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相似。

升降機(jī)構(gòu)采用氣缸與直線導(dǎo)軌組合的結(jié)構(gòu)，可使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸及承載器部件做上下運(yùn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同樣是通過氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，升降機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要作用是使拋光過程中上下料方便。

拋光壓力采用氣缸加載的方式，為了實(shí)現(xiàn)壓力柔性加載避免沖擊造成晶片碎裂，加壓汽缸選用特殊用途的薄膜汽缸，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上我們將拋光頭升降與壓力加載設(shè)計(jì)為兩個(gè)互不干擾的機(jī)構(gòu)，使壓力加載機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)慣性大大減小，提高壓力控制的精確性和靈敏性。

拋光頭組件中的承載器部件主要是完成藍(lán)寶石晶片的夾持固定，在CMP拋光工藝中，晶片夾持固定技術(shù)有多種方案，比較成熟且常用的方法有機(jī)械夾持與石蠟粘結(jié)方法、水表面張力吸附夾持方法、靜電吸盤夾持方法、真空吸盤夾持方法、載荷分布完全均勻化夾持系統(tǒng)、多區(qū)域壓力調(diào)整夾持系統(tǒng)等。PG-510拋光機(jī)晶片加持技術(shù)采用的是石蠟粘接與真空吸附相結(jié)合的方法，具體做法是先把要拋光的晶片用石蠟粘接在陶瓷盤上，再利用真空的吸附作用把陶瓷盤吸附在承載器上，承載器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 承載器主要結(jié)構(gòu)

PG-510型拋光機(jī)的承載器在結(jié)構(gòu)上增加了浮動(dòng)防護(hù)套，防護(hù)套在拋光過程中可以起到拋光液在拋光盤表面均勻分布的目的，同時(shí)在拋光頭升降、翻轉(zhuǎn)、拋光過程中可以防止陶瓷盤脫落，具有斷氣、斷電保護(hù)功能。

2.3 拋光液供給、純水沖洗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

PG-510型單面拋光機(jī)的拋光液供給系統(tǒng)采用超潔凈管道與拋光液箱體連接，拋光液流量大小、供給時(shí)間通過蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制，純水沖洗系統(tǒng)可直接與純水供給系統(tǒng)連接，兩種系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)都具有旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)功能，在初始狀態(tài)，拋光液供給、純水沖洗機(jī)構(gòu)停放在拋光區(qū)域外，當(dāng)拋光過程中需要供給拋光液或拋光結(jié)束后進(jìn)行晶片沖洗時(shí)，拋光液供給機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到工作位置，工作過成完成后，再返回到初始位置，兩種機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)采用氣缸驅(qū)動(dòng)，程序自動(dòng)控制，拋光液供給機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)在拋光區(qū)域不同位置如圖7所示。

圖7 拋光液供給、純水沖洗機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)位置示意圖

2.4 主要工藝參數(shù)控制方案

在CMP拋光工藝中，拋光設(shè)備的主要功能是對(duì)工藝條件、主要工藝參數(shù)的調(diào)整和控制。雖然，影響CMP拋光機(jī)理的因素很多，但是大量的研究結(jié)果表明，拋光壓力、上下盤轉(zhuǎn)速及速比，拋光液流量大小、拋光液成份、拋光墊類型等是影響拋光效果的主要因素。

PG-510型單面拋光機(jī)的拋光壓力、拋光液流量、上下盤轉(zhuǎn)速等主要工藝參數(shù)均采用模擬量控制，根據(jù)工藝要求在觸摸屏操作界面上輸入工藝參數(shù)值后，PLC把輸入值轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號(hào)，控制元器件再將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的工藝參數(shù)值輸出，從而調(diào)節(jié)氣缸壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量大小。傳感器再把檢測(cè)到的壓力、速度、流量等參數(shù)值，經(jīng)信號(hào)放大與處理，以模擬量反饋給PLC，最后將工藝參數(shù)值顯示在觸摸屏上。其原理如圖8所示。

圖8 工藝參數(shù)擬量控制示意圖

2.5 電氣控制及整機(jī)操作系統(tǒng)

PG-510單面拋光機(jī)整機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要是由PLC通過觸摸屏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)控制如圖9所示主要由電源控制單元、程序控制單元、操作顯示單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、I/O數(shù)字控制單元以及模擬量控制單元等組成。

整機(jī)操作主要是通過觸摸屏上的人機(jī)交互界面來完成，人性化的人機(jī)界面為使用者提供了簡明扼要的操作流程提示，工藝參數(shù)顯示，故障報(bào)警及故障模式提示。拋光前，操作者可根據(jù)材料工藝要求不同預(yù)先進(jìn)行工藝參數(shù)、拋光時(shí)間設(shè)置，拋光過程中，操作者也可以對(duì)各工藝參數(shù)直接進(jìn)行修改，對(duì)優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行采集儲(chǔ)存，系統(tǒng)內(nèi)置了可存儲(chǔ)20條工藝方案的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)庫。

圖9 整機(jī)系統(tǒng)控制框圖

3 PG-510型單面拋光機(jī)主要功能及特點(diǎn)

PG-510型面拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)主要具有以下功能和特點(diǎn)：

(1)拋光盤、拋光頭均采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既可以調(diào)整改變上盤的速比，獲得最佳的拋光效果，又可以滿足慢啟動(dòng)、慢停止的工藝要求，實(shí)現(xiàn)不同階段拋光速度的平穩(wěn)過渡。

(2)拋光壓力選用特殊用途的薄膜氣缸，滿足了壓力加載柔性傳遞的工藝要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)及靈敏性極高的壓力控制系統(tǒng)增強(qiáng)了壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，減小了壓力波動(dòng)和沖擊，同時(shí)提高了壓力的控制精度。

(3)承載器與拋光頭驅(qū)動(dòng)軸采用浮動(dòng)連接的方式，保證了拋光壓力在晶片表面的均勻分布。

(4)承載器浮動(dòng)環(huán)保護(hù)機(jī)構(gòu)既可以起到使拋光液均勻分布的目的，又可以防止拋光頭升降、翻轉(zhuǎn)過程中真空吸附功能出現(xiàn)故障導(dǎo)致陶瓷盤脫落，起到斷氣、斷電時(shí)的保護(hù)作用。

(5)拋光盤采用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，拋光盤溫度≤40℃。

(6)拋光壓力、上下盤速度、拋光液流量等工藝參數(shù)采用模擬量控制方式通過上位機(jī)實(shí)施控制，工藝參數(shù)的設(shè)置調(diào)整通過人機(jī)界面完成，簡單方便，自動(dòng)化程度高。

(7)拋光結(jié)束后晶片具有純水自動(dòng)沖洗功能，在程序設(shè)定下，純水系統(tǒng)可定時(shí)對(duì)拋光墊進(jìn)行浸泡，延緩拋光墊老化過程。

(8)兩個(gè)拋光頭的拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液流量等工藝參數(shù)設(shè)置，拋光頭升降，純水定時(shí)清洗能夠單獨(dú)控制，可進(jìn)行單頭拋光。

(9)整機(jī)外形采用全封閉結(jié)構(gòu)，拋光區(qū)域具有抗腐蝕防污染功能，操作系統(tǒng)采用人性化的人機(jī)交互界面，具有操作流程提示，工藝參數(shù)、工作狀態(tài)顯示等功能。

(10)建有標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)庫，對(duì)拋光工藝研究、工藝實(shí)驗(yàn)過程中優(yōu)化的工藝方案和生產(chǎn)線不同材料、不同批次晶片的拋光工藝方案具有存儲(chǔ)和直接調(diào)用功能。

4 藍(lán)寶石襯底的拋光工藝實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用新研制的PG-510型單面拋光機(jī)對(duì)50mm(2英寸)的藍(lán)寶石襯底材料進(jìn)行了單面拋光實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中各工藝參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)過程中各工藝參數(shù)的設(shè)置

經(jīng)過多次拋光實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)材料的去除率和晶片表面的粗糙度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，去除率可以達(dá)到4～9μm/h，利用電子顯微鏡（AFM）對(duì)晶片表面粗糙度檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果是：晶片的表面粗糙度達(dá)到了0.155 nm。通過拋光工藝實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證PG-510單面拋光機(jī)的性能指標(biāo)能夠滿足藍(lán)寶石襯底表面納米級(jí)拋光的工藝要求。

5 結(jié)束語

PG-510型單面拋光機(jī)主要是針對(duì)高亮度LED襯底材料表面納米級(jí)拋光的技術(shù)要求研制開發(fā)的CMP工藝設(shè)備。產(chǎn)品在拋光頭組件、拋光盤組件，壓力加載機(jī)構(gòu)、承載器的晶片夾持、浮動(dòng)保護(hù)環(huán)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，具有一定的先進(jìn)性，特別是在拋光壓力、拋光液流量、拋光盤(拋光頭)轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)控制方面采用了模擬量控制方式，大大提高了產(chǎn)品操作、調(diào)試的自動(dòng)化程度。產(chǎn)品的拋光盤溫度控制技術(shù)、晶片在線清洗技術(shù)、工藝方案采集存儲(chǔ)技術(shù)在國際同類產(chǎn)品中也具有一定的先進(jìn)性。

產(chǎn)品的整個(gè)研制開發(fā)過程采用的是以工藝要求和用戶需求為目標(biāo)的正向設(shè)計(jì)的理念，產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用全部建立在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)在許多方面具有創(chuàng)新點(diǎn)及自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

PG-510型單面拋光機(jī)在研制開發(fā)過程中做了大量的調(diào)研工作，也得到了許多工藝單位技術(shù)專家支持與幫助，借此一并表示感謝。

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