楊 師，姜家宏，劉雪嬌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)軍民融合發(fā)展及推廣應(yīng)用

楊 師，姜家宏，劉雪嬌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

介紹了化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的主要技術(shù)特點(diǎn)及功能，技術(shù)特點(diǎn)包括拋光盤制造及裝配、拋光頭壓力控制、拋光液流量控制、拋光盤溫度控制及晶片蠟粘與斷電保護(hù)機(jī)構(gòu)等；主要功能介紹了拋光頭單獨(dú)控制、自適應(yīng)柔性承載器、外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、人性化操作界面及自動(dòng)控制程序等。說明了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的主要發(fā)展方向。

化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備；拋光盤；拋光頭控制

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機(jī)械拋光）的基本原理是將晶片在研磨液存在的情況下相對(duì)于拋光墊接觸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其施加一定的壓力，借助于機(jī)械磨削及化學(xué)腐蝕作用來完成其表面拋光。其中，拋光平臺(tái)在電機(jī)的帶動(dòng)下以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，拋光墊粘在平臺(tái)上。被拋光片通過真空吸附或蠟粘方式附著在承載器上，承載器在拋光頭的帶動(dòng)下，以相同角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，方向與平臺(tái)相同。同時(shí)，機(jī)械壓力通過拋光頭，承載器和拋光盤將被拋光片壓在浸滿拋光液的拋光布上，在拋光盤與拋光頭轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，被輸送到拋光布上的拋光液均勻地分布到拋光布上，在被拋光片和拋光盤之間形成一層液體薄膜，這層膜起質(zhì)量傳輸和傳遞壓力的作用，拋光液中的化學(xué)成分與被拋光片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將不溶物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶物質(zhì)(化學(xué)反應(yīng)過程)，然后通過機(jī)械摩擦將這些易溶物從拋光片表面去掉，被流動(dòng)的液體帶走(機(jī)械過程)，這兩個(gè)過程的結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光，用這種方法可以真正使被拋光片表面實(shí)現(xiàn)全局平面化，是實(shí)現(xiàn)硅、鍺硅、SiC、TeZnGe等半導(dǎo)體材料表面平坦化的關(guān)鍵技術(shù)裝備，在軍用、航空航天、民用電子制造等領(lǐng)域襯底材料加工具有巨大的需求。

通過“863”計(jì)劃項(xiàng)目高亮度LED晶片表面納米級(jí)拋光工藝及設(shè)備研發(fā)、國(guó)家“02”專項(xiàng)300 mm硅片拋光設(shè)備的開發(fā)、以及CMP關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作技術(shù)的開展，在國(guó)家民品技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持下，建立了國(guó)產(chǎn)CMP設(shè)備研發(fā)平臺(tái)，形成了一定的整機(jī)研發(fā)技術(shù)儲(chǔ)備，部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，打破了國(guó)外設(shè)備長(zhǎng)期壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的局面，已成功地為國(guó)內(nèi)多家單位提供了CMP設(shè)備、工藝及技術(shù)服務(wù)，滿足了碳化硅、碲鋅鎘、光學(xué)玻璃等材料的拋光工藝及技術(shù)要求，加工的材料已廣泛應(yīng)用于汽車電子、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、智能手表等民用領(lǐng)域，以及航空航天、衛(wèi)星制造及控制等軍用領(lǐng)域，得到了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)認(rèn)可及用戶好評(píng)。本文就已掌握的部分關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備主要功能特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，為更高要求、更難加工的軍用、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域用寬禁帶半導(dǎo)體材料拋光提供借鑒，促進(jìn)軍民兩用技術(shù)更好地融合發(fā)展。

1　精密拋光設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

1.1大尺寸超精密高剛度拋光盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造及裝配技術(shù)

拋光盤系統(tǒng)是拋光機(jī)的核心部件，是拋光機(jī)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，拋光盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。拋光機(jī)要求拋光盤系統(tǒng)具有很高的剛度和精度：整機(jī)拋光盤直徑約600～700 mm，工作時(shí)最大要承受數(shù)百公斤的拋光壓力和較大的彎矩，要求拋光盤平面度≤0.015 mm，端面跳動(dòng)≤0.030 mm；根據(jù)拋光盤系統(tǒng)的精度要求和負(fù)載特征，該系統(tǒng)選用圓錐磙子軸承，并采用大跨距背靠背安裝形式，大大提高了拋光盤系統(tǒng)的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度；并創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了小托盤結(jié)構(gòu)，不僅降低了拋光盤的設(shè)計(jì)、加工精度和裝配難度，還提高了拋光盤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度；軸承與主軸、軸套間選用過渡或小過盈配合則大大提高了拋光盤主軸的剛度和回轉(zhuǎn)精度；而多層次的分級(jí)密封方式則大大提高了拋光盤循環(huán)水系統(tǒng)的密封可靠性；在拋光盤的裝配技術(shù)上也有多項(xiàng)突破，如在①拋光盤主軸軸承的選配和裝調(diào)方法，②應(yīng)用研磨精修小托盤、托盤、拋光盤的方法來實(shí)現(xiàn)拋光盤平面度及端面跳動(dòng)的高精度，③通過控制軸承的預(yù)緊力來提高拋光盤系統(tǒng)精度和剛度等裝配技術(shù)方面都有了較大的突破和創(chuàng)新?？傊畳伖獗P對(duì)設(shè)計(jì)、加工、裝配等各環(huán)節(jié)都有非常高的要求，只有每個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格控制，科學(xué)合理才能保證拋光盤系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計(jì)和實(shí)用要求。

圖1　拋光盤結(jié)構(gòu)示意圖

1.2拋光壓力精確、均勻加載與控制技術(shù)

拋光壓力精確、均勻加載與控制好壞直接影響到拋光面型和拋光效率。拋光機(jī)研制所采用的壓力控制、加載系統(tǒng)由PLC、精密減壓閥、數(shù)字電-空變換器、超精密氣動(dòng)繼電器、先導(dǎo)式單向閥、低摩擦隔膜氣缸、載荷傳感器、萬向承載器等組成。可在觸摸屏上進(jìn)行壓力參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)拋光壓力的自動(dòng)控制，拋光頭壓力控制原理如圖2所示；精密減壓閥與氣缸下缸體接通，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓功能，從而實(shí)現(xiàn)輕壓甚至零壓的加載；數(shù)字電-空變換器、超精密氣動(dòng)繼電器以及低摩擦隔膜氣缸使加壓系統(tǒng)響應(yīng)更快，摩擦更小，精度更高；萬向承載器采用萬向軸承及獨(dú)特的轉(zhuǎn)矩傳遞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了承載器的柔性連接，使承載器上各晶片的壓力加載均勻一致。

圖2　拋光頭壓力控制原理圖

1.3拋光液流量自動(dòng)控制技術(shù)

拋光液是拋光機(jī)中必不可少的耗材，拋光機(jī)在對(duì)不同材料進(jìn)行拋光，或者在拋光的不同階段往往要求有不同流量的拋光液供給，因此拋光液流量控制同樣是拋光機(jī)研制的重要技術(shù)，拋光液流量控制原理如圖3所示。采取拋光液流量自動(dòng)控制技術(shù)能有效降低用戶使用成本和減少環(huán)境污染的危險(xiǎn)。本次設(shè)計(jì)的拋光液流量控制系統(tǒng)采用PLC、恒流蠕動(dòng)泵、磁力泵、兩路拋光液供給管路組成。PLC根據(jù)觸摸屏中輸入的參數(shù)自動(dòng)控制恒流蠕動(dòng)泵泵頭的轉(zhuǎn)速，可以改變拋光液流量的大?。淮帕Ρ每梢源蟠筇岣邟伖庖旱淖畲蠊┙o流量，以克服由于蠕動(dòng)泵動(dòng)力不足以及拋光液黏度較大而引起的滯流問題；通過流量校核建立流量與蠕動(dòng)泵泵頭轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)拋光液流量的精確控制。該系統(tǒng)所采用的磁力泵與蠕動(dòng)泵相結(jié)合的流量控制方法為拋光液流量控制的一種全新嘗試。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)線的工藝考核，取得良好效果。

1.4拋光盤溫度控制技術(shù)

在拋光過程中，由于摩擦的作用產(chǎn)生的熱量會(huì)使拋光盤的溫度升高，容易引起拋光盤的熱脹變形，使其精度降低；同時(shí)還容易引起用于晶片粘接的蠟軟化，引起掉片現(xiàn)象。因此拋光盤的溫度控制十分關(guān)鍵。拋光盤溫度控制系統(tǒng)由恒溫水供給系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭、PLC、紅外溫度傳感器、信號(hào)處理與放大電路、流量閥等組成閉環(huán)溫控系統(tǒng)，拋光盤溫度控制原理如圖4所示；恒溫水供給系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)接頭與主軸、拋光盤組連接成循環(huán)水路，紅外溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)拋光盤的溫度，目標(biāo)控制溫度可通過觸摸屏輸入，PLC根據(jù)目標(biāo)控制溫度和實(shí)際檢測(cè)溫度控制通過流量閥的循環(huán)水流量，從而實(shí)現(xiàn)拋光過程中拋光盤溫度的自動(dòng)精確控制，控制精度達(dá)到±1℃。

1.5晶片蠟粘接工藝及裝置

晶片蠟粘接是晶片拋光前的一道重要工序，晶片粘接的質(zhì)量對(duì)晶片拋光效果有重大影響。晶片蠟粘接設(shè)備是晶片拋光工藝流程中必不可少的輔助設(shè)備，如圖5所示。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，項(xiàng)目組對(duì)晶片蠟粘接工藝進(jìn)行了深入研究，取得大量相關(guān)工藝成果和經(jīng)驗(yàn)，并研制出一種晶片蠟粘接的專用裝置——晶片蠟粘臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)加熱粘片、恒壓固化、化蠟卸片等功能。該裝置主要由加熱臺(tái)、傳輸機(jī)構(gòu)、冷壓粘接臺(tái)三部分組成，加熱臺(tái)部分的最主要加熱器件選用云母加熱板，加熱效率高、加熱均勻、溫度可控，傳輸機(jī)構(gòu)采用了線性滑軌，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸，冷壓粘接采用汽缸加壓方式，汽缸與壓盤采用創(chuàng)新的浮動(dòng)連接方式，保證粘接過程中壓力柔性傳遞、均勻分布。該裝置實(shí)現(xiàn)了將加熱粘接和恒壓固化兩種工藝過程在同一臺(tái)設(shè)備完成的功能，改變了傳統(tǒng)工藝中加熱粘片與恒壓固化要在不同設(shè)備上進(jìn)行的模式。

圖3　拋光液流量控制原理圖

圖1-4　拋光盤溫度控制原理圖

圖5　晶片蠟粘接設(shè)備

1.6承載器晶片保護(hù)技術(shù)

本技術(shù)是一種應(yīng)用在拋光設(shè)備拋光頭承載器上的關(guān)鍵技術(shù)。在拋光過程中如果突然斷電或真空失效，可能導(dǎo)致陶瓷盤脫落，使晶片摔碎。使用本技術(shù)可以針對(duì)以上情況對(duì)晶片起到保護(hù)作用。本技術(shù)采用巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證在斷電和真空故障時(shí)陶瓷盤不會(huì)脫落，此外該結(jié)構(gòu)中的防護(hù)圈采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，可減小拋光時(shí)的邊緣效應(yīng)，減小晶圓塌邊，對(duì)晶片拋光的厚度一致性提高有一定作用。

2　精密拋光設(shè)備的主要功能

2.1拋光頭單獨(dú)控制

普通拋光機(jī)的拋光頭只能跟隨拋光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，不能精確地控制上下盤的轉(zhuǎn)速比；而本設(shè)備中配置有4個(gè)拋光頭，每個(gè)拋光頭的升降、轉(zhuǎn)速、壓力都能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，可根據(jù)工藝需求精確控制上下盤的轉(zhuǎn)速比，對(duì)提高拋光晶片的面形精度及良品率有很大改善。

2.2自適應(yīng)柔性承載器

目前工藝線上使用的其它廠家的拋光機(jī)，在進(jìn)行大壓力拋光的時(shí)候往往會(huì)出現(xiàn)拋光頭跳動(dòng)的問題，不僅會(huì)引起拋光品質(zhì)的降低，而且在采用無蠟?zāi)０鍜伖夤に嚂r(shí)還容易引起跑片等現(xiàn)象，針對(duì)這一問題，采用全新的自適應(yīng)柔性承載器技術(shù)，保證即使在大壓力條件下拋光，仍可以保證拋光頭的穩(wěn)定運(yùn)行，從而避免拋光頭跳動(dòng)、跑片及晶片品質(zhì)下降等問題。

2.3全封閉外型設(shè)計(jì)，防腐性內(nèi)部結(jié)構(gòu)

采用全封閉的外觀設(shè)計(jì)，避免了污水及拋光液對(duì)周圍環(huán)境的污染。內(nèi)部拋光區(qū)（操作區(qū)）采用PP防腐蝕材料，關(guān)鍵部件（拋光盤、拋光頭）采用不銹鋼材料，管路采用進(jìn)口高純管件，有效避免強(qiáng)堿性拋光液對(duì)設(shè)備的腐蝕。

2.4全中文操作界面

設(shè)備為自主設(shè)計(jì)研發(fā)，操作界面分為操作、維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控等模塊，并進(jìn)行了分級(jí)管理。界面設(shè)計(jì)借鑒了世界先進(jìn)拋光機(jī)的操作方式，采用了全中文人性化菜單，便于操作。

2.5拋光壓力、拋光液流量、拋光時(shí)間自動(dòng)控制

拋光壓力、拋光液流量、拋光時(shí)間以及拋光分段控制等均可在操作菜單中設(shè)定、存儲(chǔ)和調(diào)用，拋光過程自動(dòng)完成，使“一鍵”拋光成為可能。

2.6拋光盤溫度自動(dòng)控制

拋光盤采用內(nèi)置冷卻水循環(huán)結(jié)構(gòu)并配有盤面紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與恒溫冷卻水箱連接，可進(jìn)行內(nèi)部冷卻水循環(huán)，從而降低拋光盤溫度控制在40℃以下。

2.7拋光液循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為節(jié)約成本、減少環(huán)境污染、倡導(dǎo)“綠色”拋光理念，采用拋光液循環(huán)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過程序自動(dòng)控制，可進(jìn)行拋光液循環(huán)和排污自動(dòng)控制。

2.8在線自動(dòng)預(yù)清洗功能的設(shè)計(jì)

為了提高晶片表面質(zhì)量，采用自動(dòng)在線預(yù)清洗設(shè)計(jì)，在拋光完成后，晶片可進(jìn)行自動(dòng)去離子水沖洗，沖洗時(shí)間和沖水壓力可根據(jù)要求自行設(shè)定和調(diào)節(jié)。另配有水槍，可進(jìn)行晶片或盤面的手動(dòng)沖洗。

2.9標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)庫(kù)的建立與工藝參數(shù)顯示

大容量的程序存儲(chǔ)空間可滿足用戶包含拋光壓力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間、拋光液流量的分階段工藝參數(shù)庫(kù)的存儲(chǔ)，最多可達(dá)20條。拋光時(shí)可自行調(diào)用，拋光過程中可自動(dòng)顯示拋光狀態(tài)及拋光時(shí)間，減少了人為干預(yù)對(duì)拋光質(zhì)量的不良影響。

2.10故障自動(dòng)報(bào)警功能

設(shè)備具有氣壓、真空、溫度及相關(guān)設(shè)備防護(hù)等功能檢測(cè)、提示，在斷電、斷氣等以外情況發(fā)生時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警、提示并停機(jī)，以免發(fā)生意外，或造成不必要的浪費(fèi)。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過承擔(dān)“863計(jì)劃項(xiàng)目”、國(guó)家重大專項(xiàng)300 mm硅片拋光設(shè)備開發(fā)和CMP后清洗及光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，高亮度LED晶片拋光機(jī)、300 mm硅片拋光機(jī)已國(guó)產(chǎn)化，并已實(shí)現(xiàn)銷售，在軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用，支撐和保障了我國(guó)半導(dǎo)體工藝技術(shù)向大直徑、細(xì)線條、新材料加工領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，后清洗及光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)CMP設(shè)備已研制成功，已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和推廣應(yīng)用階段，促使45～28 nm工藝CMP技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)項(xiàng)目的立項(xiàng)，不久的將來，自主研發(fā)的集研磨、拋光、終點(diǎn)檢測(cè)及后清洗技術(shù)的大型CMP設(shè)備將上市，與客戶對(duì)接，進(jìn)行工藝驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后將形成產(chǎn)業(yè)化銷售，從而進(jìn)一步保證國(guó)產(chǎn)CMP設(shè)備在材料加工領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

國(guó)際CMP技術(shù)飛速發(fā)展，屬先進(jìn)的高新技術(shù)，需要攻克難點(diǎn)和重點(diǎn)也很多，需要很好的理論基礎(chǔ)和解決的技術(shù)問題經(jīng)驗(yàn)，軍用技術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求，需要民品生產(chǎn)工藝驗(yàn)證和考核，通過軍民融合發(fā)展，使民品生產(chǎn)工藝技術(shù)提升，開發(fā)適合軍用生產(chǎn)工藝要求的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，使軍民技術(shù)在設(shè)備中得以物化和融合，解決CMP工藝、設(shè)備及拋光液等技術(shù)難題，研制成功具有去除速度高、穩(wěn)定、產(chǎn)品缺陷少、成品率高的先進(jìn)CMP技術(shù)裝備是目前和今后國(guó)產(chǎn)CMP技術(shù)研發(fā)的主要課題。目前CMP設(shè)備正在由單頭、雙頭拋光機(jī)向多頭拋光機(jī)發(fā)展；應(yīng)用于陶瓷、磁頭、硬磁盤、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃、金屬材料等表面加工領(lǐng)域的CMP技術(shù)已得到重視。通過CMP技術(shù)軍民融合發(fā)展，借鑒和消化國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝線客戶的工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，大膽改進(jìn)，勇于創(chuàng)新，必將會(huì)使CMP設(shè)備國(guó)產(chǎn)化取得更大成就。

[1]趙之雯，牛新環(huán)，檀柏梅，等.藍(lán)寶石襯底材料CMP拋光工藝研究[J].納米材料與結(jié)構(gòu)，2006，(1)：16～19.

[2]HANH P 0.The 300 mm silicon technology challenge[J]. Engineering，2001，56(1-2)：3-13.

[3]劉濤，高慧瑩，羅楊，等.PG-510型單面拋光機(jī)的研制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(8)：11-15.

[4]K.-S.Chen，H.-M.Yeh，J.-L.Yan，Y.-T.Chen.Finite-element analysis on wafer-level CMP contact stress：reinvestigated issues and the effects of selected process parameters[Z]. IntJAdvManufTechnol.Doi:10.1007/s00170-008-1672-5.

The Introduce of the CMP Equipment Used for Infrared Substrate Material

YANG Shi，JIANG Jiahong，LIU Xuejiao
(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 101601，China)

This article introduces the technical and the function of the Chemical Mechanical Polishing Machine，including the production and the assembly of the polishing pad，pressure control of the polishing head，the temperature control of the polishing pad and the wafer loading and protecting structure.The main function includes the single control of the polishing head，the self-accommodate of the loading pad，the figure and the main structure of the equipment at this time.

CMP equipment；Polishing pad；Polishing head control

TN305.2

B

1004-4507(2016)11-0017-06

2016-11-05

楊師（1989-），男，學(xué)士學(xué)位，工程師，就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，主要從事CMP設(shè)備與技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。