CMP設備修整器防撞機構設計

張繼靜，劉福強，張金環，田知玲

(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(CMP)是對半導體材料或其他類型材料襯底進行平坦化或拋光的一種方法，是制備晶圓的關鍵步驟之一，廣泛用于各種高性能和特殊用途的集成電路（IC）制造工藝過程。CMP晶圓拋光是通過拋光頭夾持晶圓并與拋光墊直接接觸，在施加一定壓力的情況下旋轉實現精密研磨，同時使用修整器(Pad Conditioner)對拋光墊進行修整。在控制異常或參數設置不合理的情況下，拋光頭和修整器兩個模塊運行的區域會有交叉，有可能導致它們相互碰撞，防撞機構設計成為避免兩模塊碰撞的有效解決方法。

1 CMP設備拋光原理

化學機械拋光（CMP）是將拋光液的化學腐蝕和拋光墊對晶圓的機械磨削相結合的一種精密拋光方法，其工作原理如圖1所示。

圖1 化學機械拋光工作原理

CMP設備中與本設計相關的主要構成模塊有3個[1]。

1.1 晶圓夾持機構

拋光頭旋轉到上片工位后，下降到晶圓裝載機構內，利用真空將晶圓吸附在拋光頭的夾持器內部，即對晶圓進行夾持，然后上升并旋轉，回到拋光臺上相應位置進行拋光。拋光時，去掉夾持器內的真空，施加拋光壓力。

1.2 拋光液供給系統

拋光液的供給及分布系統會直接影響其流速及顆粒造成的缺陷，所以需要根據被拋光產品的種類和技術節點選擇合適的拋光液，并根據需要設定合適的配比、流速，持續地進行供給。

1.3 拋光墊修整機構

圖2 修整運動示意圖

2 修整器和拋光頭的工作空間與碰撞

在化學機械拋光過程中，拋光頭和修整器都有其運行的空間范圍。正常工作時間內，兩者互不干涉，而在控制異常或參數設置不合理的情況下，二者會發生碰撞。

2.1 碰撞后果

在拋光工作過程中，如果修整器擺臂與拋光頭發生碰撞，如圖3所示[3]，拋光頭和修整器都會受到較大損傷，影響拋光工作效率，同時會造成嚴重的經濟損失。

圖3 拋光頭與修整器碰撞示意圖

2.2 工作空間與碰撞點確定

拋光過程中需要進行晶圓傳遞時，拋光頭以設備中架A點為軸，以拋光頭所在機構擺臂AC為最大半徑進行旋轉，此時修整器停止擺動。當拋光頭夾持晶圓進行研磨時，會在半徑方向不斷進行內外平移，運行位置在近端B和遠端C之間。此時，修整器以F點為軸，以其擺臂為半徑在D和E之間擺動。位置關系如圖4所示。

圖4 拋光頭與修整器運動范圍示意圖

當拋光頭移動到近端B時，與修整器的碰撞點為M，碰撞垂直線與修整器半徑的夾角為α，如圖5所示；當拋光頭移動到遠端C時，與修整器的碰撞點為N，碰撞垂直線與修整器半徑的夾角為β，如圖6所示。為了保證拋光頭在任何位置與修整器碰撞都能觸發碰撞傳感器，所以碰撞傳感器要安裝在M和N之間的位置，精確位置到圓心的連線與修整器擺臂半徑EF之間的夾角γ=

圖5 拋光頭與修整器的近端碰撞點

圖6 拋光頭與修整器的遠端碰撞點

3 防撞機構工作原理

3.1 碰撞傳感器

碰撞傳感器是安全系統中的控制信號輸入裝置，其作用是在碰撞發生時，由碰撞傳感器檢測碰撞信號，并將信號輸入到安全PLC中，系統收到碰撞信號后發出停止運行指令。

碰撞傳感器按結構主要分為以下三種[4]：

（1）機電結合式：利用機械運動使電氣觸點的通斷來控制安全電路；

（2）電子式：利用碰撞時應變電阻的變形使其電阻值變化或壓電晶體受力，使輸出電壓變化來控制安全電路；

（3）水銀開關式：利用水銀的導電特性控制安全電路。

對于因短距離內二次換裝而導致總運輸成本高的地區，如廣州黃埔區、荔灣區.建議樞紐港與支線港合作：調整水上“巴士”運價，適當降低兩端作業費用，提高效率以縮短兩端作業時間，弱化水上“巴士”二次換裝的劣勢.

3.2 防撞機構設計

修整器的整體結構如圖7所示，由于受到安裝空間和線纜布局限制，采用機電結合式碰撞傳感器實現防撞設計的功能。

圖7 修整器機構

為了使碰撞時有效地觸發微動傳感器，將傳感器安裝的工件表面盡量設計成與運動方向垂直，為了不使工件的棱角提前碰撞拋光頭，把工件做成圓弧狀，如圖8所示。

圖8 修整器防撞設計

考慮到修整器研磨拋光墊的過程中會接觸到大量的拋光液，所以對碰撞傳感器的安裝工件及傳感器本身做了密封防水處理。

3.3 防撞機構組成

修整器防碰撞系統包括：微動傳感器、I/O接口、信號處理器、修整器擺臂電機和拋光頭旋轉電機等。

通過安裝在修整器擺臂側面的傳感器，感應到拋光頭后反饋給系統，系統接到碰撞信號后停止修整器擺臂電機和拋光頭旋轉電機運行。防撞機構的基本工作原理如圖9所示。

圖9 防撞機構基本原理

設計選用的HD110S微動開關[5]，最大受力130 g，最大行程1 mm。修整器擺臂電機運行速度根據工藝要求在60～100 mm/s之間，系統所用PLC的任務周期為2 ms，在2 ms內，修整器擺臂最大運行距離為0.2 mm（小于1 mm）。在未達到碰撞傳感器的極限反應距離時，系統已經停止拋光頭和修整器擺臂電機運行，不會對修整器和拋光頭造成損壞。

試驗獲取的修整器碰撞前后擺臂運行速度曲線如圖10所示。

圖10 修整器運行速度曲線

4 結 論

該設計方法實現了防撞功能，目前國內外在同類型產品中還尚未使用。經過國內某客戶的應用驗證，該功能可以精準地防止碰撞的發生，以較小的投入成本，避免較大的經濟損失，安裝后可以達到一勞永逸的效果。成功的應用驗證為更多的設備廠商采用此功能提供了指導作用。