化學機械拋光技術軍民融合發展及推廣應用

楊 師，姜家宏，劉雪嬌

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

化學機械拋光技術軍民融合發展及推廣應用

楊 師，姜家宏，劉雪嬌

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

介紹了化學機械拋光設備的主要技術特點及功能，技術特點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機構等；主要功能介紹了拋光頭單獨控制、自適應柔性承載器、外形及內部結構特點、人性化操作界面及自動控制程序等。說明了現階段國內化學機械拋光設備的主要發展方向。

化學機械拋光設備；拋光盤；拋光頭控制

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化學機械拋光）的基本原理是將晶片在研磨液存在的情況下相對于拋光墊接觸旋轉運動，并對其施加一定的壓力，借助于機械磨削及化學腐蝕作用來完成其表面拋光。其中，拋光平臺在電機的帶動下以角速度ω轉動，拋光墊粘在平臺上。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下，以相同角速度ω轉動，方向與平臺相同。同時，機械壓力通過拋光頭，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動的作用下，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，這層膜起質量傳輸和傳遞壓力的作用，拋光液中的化學成分與被拋光片發生化學反應，將不溶物質轉化為易溶物質(化學反應過程)，然后通過機械摩擦將這些易溶物從拋光片表面去掉，被流動的液體帶走(機械過程)，這兩個過程的結合就可以實現化學機械拋光，用這種方法可以真正使被拋光片表面實現全局平面化，是實現硅、鍺硅、SiC、TeZnGe等半導體材料表面平坦化的關鍵技術裝備，在軍用、航空航天、民用電子制造等領域襯底材料加工具有巨大的需求。

通過“863”計劃項目高亮度LED晶片表面納米級拋光工藝及設備研發、國家“02”專項300 mm硅片拋光設備的開發、以及CMP關鍵技術國際合作技術的開展，在國家民品技術研發項目經費的支持下，建立了國產CMP設備研發平臺，形成了一定的整機研發技術儲備，部分關鍵技術已經達到國際先進水平，打破了國外設備長期壟斷國內市場的局面，已成功地為國內多家單位提供了CMP設備、工藝及技術服務，滿足了碳化硅、碲鋅鎘、光學玻璃等材料的拋光工藝及技術要求，加工的材料已廣泛應用于汽車電子、計算機、手機、智能手表等民用領域，以及航空航天、衛星制造及控制等軍用領域，得到了國內市場認可及用戶好評。本文就已掌握的部分關鍵技術及設備主要功能特點進行了闡述，為更高要求、更難加工的軍用、航空航天、國防等領域用寬禁帶半導體材料拋光提供借鑒，促進軍民兩用技術更好地融合發展。

1　精密拋光設備關鍵技術

1.1大尺寸超精密高剛度拋光盤系統的設計制造及裝配技術

拋光盤系統是拋光機的核心部件，是拋光機研制過程中的關鍵技術之一，拋光盤結構示意圖如圖1所示。拋光機要求拋光盤系統具有很高的剛度和精度：整機拋光盤直徑約600～700 mm，工作時最大要承受數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≤0.030 mm；根據拋光盤系統的精度要求和負載特征，該系統選用圓錐磙子軸承，并采用大跨距背靠背安裝形式，大大提高了拋光盤系統的承載能力和結構剛度；并創新性地設計了小托盤結構，不僅降低了拋光盤的設計、加工精度和裝配難度，還提高了拋光盤系統的結構剛度；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精度；而多層次的分級密封方式則大大提高了拋光盤循環水系統的密封可靠性；在拋光盤的裝配技術上也有多項突破，如在①拋光盤主軸軸承的選配和裝調方法，②應用研磨精修小托盤、托盤、拋光盤的方法來實現拋光盤平面度及端面跳動的高精度，③通過控制軸承的預緊力來提高拋光盤系統精度和剛度等裝配技術方面都有了較大的突破和創新。總之拋光盤對設計、加工、裝配等各環節都有非常高的要求，只有每個環節都嚴格控制，科學合理才能保證拋光盤系統的性能滿足設計和實用要求。

圖1　拋光盤結構示意圖

1.2拋光壓力精確、均勻加載與控制技術

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。拋光機研制所采用的壓力控制、加載系統由PLC、精密減壓閥、數字電-空變換器、超精密氣動繼電器、先導式單向閥、低摩擦隔膜氣缸、載荷傳感器、萬向承載器等組成。可在觸摸屏上進行壓力參數設置，實現拋光壓力的自動控制，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，實現負壓功能，從而實現輕壓甚至零壓的加載；數字電-空變換器、超精密氣動繼電器以及低摩擦隔膜氣缸使加壓系統響應更快，摩擦更小，精度更高；萬向承載器采用萬向軸承及獨特的轉矩傳遞結構，實現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拋光液流量自動控制技術

拋光液是拋光機中必不可少的耗材，拋光機在對不同材料進行拋光，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研制的重要技術，拋光液流量控制原理如圖3所示。采取拋光液流量自動控制技術能有效降低用戶使用成本和減少環境污染的危險。本次設計的拋光液流量控制系統采用PLC、恒流蠕動泵、磁力泵、兩路拋光液供給管路組成。PLC根據觸摸屏中輸入的參數自動控制恒流蠕動泵泵頭的轉速，可以改變拋光液流量的大小；磁力泵可以大大提高拋光液的最大供給流量，以克服由于蠕動泵動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泵泵頭轉速之間的對應關系，可實現拋光液流量的精確控制。該系統所采用的磁力泵與蠕動泵相結合的流量控制方法為拋光液流量控制的一種全新嘗試。經實際生產線的工藝考核，取得良好效果。

1.4拋光盤溫度控制技術

在拋光過程中，由于摩擦的作用產生的熱量會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；同時還容易引起用于晶片粘接的蠟軟化，引起掉片現象。因此拋光盤的溫度控制十分關鍵。拋光盤溫度控制系統由恒溫水供給系統、旋轉接頭、PLC、紅外溫度傳感器、信號處理與放大電路、流量閥等組成閉環溫控系統，拋光盤溫度控制原理如圖4所示；恒溫水供給系統通過旋轉接頭與主軸、拋光盤組連接成循環水路，紅外溫度傳感器實時檢測拋光盤的溫度，目標控制溫度可通過觸摸屏輸入，PLC根據目標控制溫度和實際檢測溫度控制通過流量閥的循環水流量，從而實現拋光過程中拋光盤溫度的自動精確控制，控制精度達到±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，晶片粘接的質量對晶片拋光效果有重大影響。晶片蠟粘接設備是晶片拋光工藝流程中必不可少的輔助設備，如圖5所示。根據項目實際需要，項目組對晶片蠟粘接工藝進行了深入研究，取得大量相關工藝成果和經驗，并研制出一種晶片蠟粘接的專用裝置——晶片蠟粘臺，可實現加熱粘片、恒壓固化、化蠟卸片等功能。該裝置主要由加熱臺、傳輸機構、冷壓粘接臺三部分組成，加熱臺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，傳輸機構采用了線性滑軌，能實現自動傳輸，冷壓粘接采用汽缸加壓方式，汽缸與壓盤采用創新的浮動連接方式，保證粘接過程中壓力柔性傳遞、均勻分布。該裝置實現了將加熱粘接和恒壓固化兩種工藝過程在同一臺設備完成的功能，改變了傳統工藝中加熱粘片與恒壓固化要在不同設備上進行的模式。

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　晶片蠟粘接設備

1.6承載器晶片保護技術

本技術是一種應用在拋光設備拋光頭承載器上的關鍵技術。在拋光過程中如果突然斷電或真空失效，可能導致陶瓷盤脫落，使晶片摔碎。使用本技術可以針對以上情況對晶片起到保護作用。本技術采用巧妙的機械結構設計，保證在斷電和真空故障時陶瓷盤不會脫落，此外該結構中的防護圈采用浮動結構，可減小拋光時的邊緣效應，減小晶圓塌邊，對晶片拋光的厚度一致性提高有一定作用。

2　精密拋光設備的主要功能

2.1拋光頭單獨控制

普通拋光機的拋光頭只能跟隨拋光盤的轉動而旋轉，不能精確地控制上下盤的轉速比；而本設備中配置有4個拋光頭，每個拋光頭的升降、轉速、壓力都能實現單獨控制，可根據工藝需求精確控制上下盤的轉速比，對提高拋光晶片的面形精度及良品率有很大改善。

2.2自適應柔性承載器

目前工藝線上使用的其它廠家的拋光機，在進行大壓力拋光的時候往往會出現拋光頭跳動的問題，不僅會引起拋光品質的降低，而且在采用無蠟模板拋光工藝時還容易引起跑片等現象，針對這一問題，采用全新的自適應柔性承載器技術，保證即使在大壓力條件下拋光，仍可以保證拋光頭的穩定運行，從而避免拋光頭跳動、跑片及晶片品質下降等問題。

2.3全封閉外型設計，防腐性內部結構

采用全封閉的外觀設計，避免了污水及拋光液對周圍環境的污染。內部拋光區（操作區）采用PP防腐蝕材料，關鍵部件（拋光盤、拋光頭）采用不銹鋼材料，管路采用進口高純管件，有效避免強堿性拋光液對設備的腐蝕。

2.4全中文操作界面

設備為自主設計研發，操作界面分為操作、維護、狀態監控等模塊，并進行了分級管理。界面設計借鑒了世界先進拋光機的操作方式，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、拋光時間自動控制

拋光壓力、拋光液流量、拋光時間以及拋光分段控制等均可在操作菜單中設定、存儲和調用，拋光過程自動完成，使“一鍵”拋光成為可能。

2.6拋光盤溫度自動控制

拋光盤采用內置冷卻水循環結構并配有盤面紅外溫度監測系統，與恒溫冷卻水箱連接，可進行內部冷卻水循環，從而降低拋光盤溫度控制在40℃以下。

2.7拋光液循環結構設計

為節約成本、減少環境污染、倡導“綠色”拋光理念，采用拋光液循環應用的結構設計，通過程序自動控制，可進行拋光液循環和排污自動控制。

2.8在線自動預清洗功能的設計

為了提高晶片表面質量，采用自動在線預清洗設計，在拋光完成后，晶片可進行自動去離子水沖洗，沖洗時間和沖水壓力可根據要求自行設定和調節。另配有水槍，可進行晶片或盤面的手動沖洗。

2.9標準工藝參數庫的建立與工藝參數顯示

大容量的程序存儲空間可滿足用戶包含拋光壓力、轉速、時間、拋光液流量的分階段工藝參數庫的存儲，最多可達20條。拋光時可自行調用，拋光過程中可自動顯示拋光狀態及拋光時間，減少了人為干預對拋光質量的不良影響。

2.10故障自動報警功能

設備具有氣壓、真空、溫度及相關設備防護等功能檢測、提示，在斷電、斷氣等以外情況發生時，會自動報警、提示并停機，以免發生意外，或造成不必要的浪費。

3　結束語

通過承擔“863計劃項目”、國家重大專項300 mm硅片拋光設備開發和CMP后清洗及光學終點檢測技術的研發及產業化項目，高亮度LED晶片拋光機、300 mm硅片拋光機已國產化，并已實現銷售，在軍用和民用領域發揮極其重要的作用，支撐和保障了我國半導體工藝技術向大直徑、細線條、新材料加工領域的不斷進步，后清洗及光學終點檢測技術CMP設備已研制成功，已進入實驗驗證和推廣應用階段，促使45～28 nm工藝CMP技術研發和攻關項目的立項，不久的將來，自主研發的集研磨、拋光、終點檢測及后清洗技術的大型CMP設備將上市，與客戶對接，進行工藝驗證，驗證合格后將形成產業化銷售，從而進一步保證國產CMP設備在材料加工領域的主導地位。

國際CMP技術飛速發展，屬先進的高新技術，需要攻克難點和重點也很多，需要很好的理論基礎和解決的技術問題經驗，軍用技術的高標準和嚴要求，需要民品生產工藝驗證和考核，通過軍民融合發展，使民品生產工藝技術提升，開發適合軍用生產工藝要求的國產設備，使軍民技術在設備中得以物化和融合，解決CMP工藝、設備及拋光液等技術難題，研制成功具有去除速度高、穩定、產品缺陷少、成品率高的先進CMP技術裝備是目前和今后國產CMP技術研發的主要課題。目前CMP設備正在由單頭、雙頭拋光機向多頭拋光機發展；應用于陶瓷、磁頭、硬磁盤、機械磨具、精密閥門、光學玻璃、金屬材料等表面加工領域的CMP技術已得到重視。通過CMP技術軍民融合發展，借鑒和消化國內外的先進技術和生產工藝線客戶的工藝實踐經驗，大膽改進，勇于創新，必將會使CMP設備國產化取得更大成就。

[1]趙之雯，牛新環，檀柏梅，等.藍寶石襯底材料CMP拋光工藝研究[J].納米材料與結構，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型單面拋光機的研制[J].電子工業專用設備，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，學士學位，工程師，就職于中國電子科技集團公司第四十五研究所，主要從事CMP設備與技術研發和產業化工作。