PG-510型单面抛光机的研制

刘 涛，高慧莹，罗 杨，费玖海

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东 燕郊 101601)

随着高亮度LED在照明工程领域需求量的急剧增长，市场的牵引带动了国内蓝宝石衬底材料制备产业的发展。由于蓝宝石晶体(α-Al2O3)具有耐高温、耐腐蚀、透光波段宽的显著特点，是表面生长GaN的首选材料，但也正是由于蓝宝石硬度极高、脆性大、化学性质稳定的特点，给材料加工，尤其是晶片表面纳米级抛光在技术上带来很多困难。目前能够进行蓝宝石纳米级抛光的工艺方法有机械研磨、化学辅助机械抛光、纯化学抛光、热化学抛光、离子束抛光、激光束抛光、电火花抛光、磨料水射流抛光等多中方式，但每种方法都有一定的缺陷，实验研究的结果表明，运用CMP工艺及设备是获得蓝宝石衬底表面纳米级工艺要求的最佳方案，而CMP加工设备是实现CMP工艺技术的三大决定因素之一，产业的发展和工艺需求推动了针对蓝宝石衬底表面纳米级抛光设备的研制和生产。

1 PG-510型单面抛光机的主要用途及性能特点

PG-510型单面抛光机主要用于蓝宝石衬底、碳化硅、砷化镓等硬脆性材料表面纳米级抛光。抛光压力、上下盘转速、抛光液流量、抛光盘温度、抛光时间等主要的工艺参数通过菜单方式进行设置和调整。抛光过程中，每个参数在不同阶段可设定不同数值并采用程序自动控制，抛光结束后，晶片具有纯水自动冲洗功能，建有标准的工艺参数库，对优化、成熟的工艺方案具有采集存储功能，可重复调用，整机外形如图1所示。

图1 产品外形图

2 PG-510型单面抛光机的主要结构特点

PG-510型单面抛光机的结构组成主要由抛光盘组件、抛光头组件、抛光液流量控制系统、晶片纯水冲洗系统、电气控制系统、操作系统等组成。

2.1 抛光盘组件的结构及特点

抛光盘组件主要包括抛光盘部件、主轴系统、抛光盘驱动系统、抛光盘温度控制系统组成。PG-510型单面抛光机抛光盘组件的整体结构如图2所示：

图2 抛光盘组件结构图

抛光盘组件是抛光机的核心部件，他的主要功能是抛光过程中带动粘贴在抛光盘表面的抛光垫作平稳旋转，从而实现CMP工艺过程中磨料对材料表面化学反应物的磨削去除作用。

抛光过程中，不同的阶段对抛光盘的转速要求也不尽相同，在抛光的初始阶段，由于材料表面粗糙度较低，极易造成抛光垫的快速磨损和损伤，一般要求抛光盘要慢启动低转速，而在抛光的中间过程，为了提高抛光效率达到较高的去除率，要求抛光盘的转速相对较高，在抛光结束时为了防止纳米级的抛光表面被划伤，则要求抛光盘能够实现低转速慢停止，整个抛光过程中抛光盘的速度曲线为梯形，如图3所示。

图3 抛光盘、抛光头速度曲线

PG-510型单面抛光机的抛光盘驱动采用变频器与三相异步电机来完成，可实现平稳启动和停止的工艺要求，控制采用PLC模拟量加数字量控制，模拟量控制转速，数字量控制方向，整个抛光过程中抛光盘的速度最多可分为十个阶段，不同阶段可设定不同转速，整个过程中速度的变换由程序自动控制完成。

PG-510型单面抛光机抛光盘的速度控制范围为：0～120 r/min。

由于蓝宝石晶体硬度高、化学性质稳定，抛光过程中需要施加的抛光压力大，抛光所需的时间长，加上抛光液与材料之间化学反应产生的热量，抛光过程中抛光盘表面温度会升高，当温度高于40℃时，粘接晶片的蜡将可能融化，出现掉片、碎片现象，所以蓝宝石衬底材料表面抛光必须对抛光盘表面温度进行控制。

PG-510型单面抛光机采用冷却水循环的方式对抛光盘进行温度控制，抛光过程中磁力泵将冷却水箱中的水经主轴空腔内的管道输送到抛光盘的腔体内，经循环后将抛光盘表面的热量带走，使抛光盘温度降低，从而达到抛光盘温度控制的目的，抛光盘内部结构如图4所示。

图4 抛光盘结构图

抛光盘的温度控制为：≤40℃。

2.2 抛光头组件的结构及特点

抛光头组件主要包括抛光头驱动控制系统、升降机构、压力加载机构、抛光头翻转机构、承载器部件等组成，抛光头组件的结构如图5所示。

图5 抛光头组件结构图

抛光头驱动控制系统的主要功能是通过旋转驱动轴带动固定在承载器上的蓝宝石晶片做旋转运动，驱动控制系统采用变频器与三相异步电机来完成，其速度控制方式及速度曲线同抛光盘驱动控制系统相似。

升降机构采用气缸与直线导轨组合的结构，可使旋转驱动轴及承载器部件做上下运动，翻转机构同样是通过气缸驱动实现的，升降机构和翻转机构的主要作用是使抛光过程中上下料方便。

抛光压力采用气缸加载的方式，为了实现压力柔性加载避免冲击造成晶片碎裂，加压汽缸选用特殊用途的薄膜汽缸，同时在结构设计上我们将抛光头升降与压力加载设计为两个互不干扰的机构，使压力加载机构的质量和运动惯性大大减小，提高压力控制的精确性和灵敏性。

抛光头组件中的承载器部件主要是完成蓝宝石晶片的夹持固定，在CMP抛光工艺中，晶片夹持固定技术有多种方案，比较成熟且常用的方法有机械夹持与石蜡粘结方法、水表面张力吸附夹持方法、静电吸盘夹持方法、真空吸盘夹持方法、载荷分布完全均匀化夹持系统、多区域压力调整夹持系统等。PG-510抛光机晶片加持技术采用的是石蜡粘接与真空吸附相结合的方法，具体做法是先把要抛光的晶片用石蜡粘接在陶瓷盘上，再利用真空的吸附作用把陶瓷盘吸附在承载器上，承载器的结构如图6所示。

图6 承载器主要结构

PG-510型抛光机的承载器在结构上增加了浮动防护套，防护套在抛光过程中可以起到抛光液在抛光盘表面均匀分布的目的，同时在抛光头升降、翻转、抛光过程中可以防止陶瓷盘脱落，具有断气、断电保护功能。

2.3 抛光液供给、纯水冲洗系统的结构及特点

PG-510型单面抛光机的抛光液供给系统采用超洁净管道与抛光液箱体连接，抛光液流量大小、供给时间通过蠕动泵进行控制，纯水冲洗系统可直接与纯水供给系统连接，两种系统的机构都具有旋转摆动功能，在初始状态，抛光液供给、纯水冲洗机构停放在抛光区域外，当抛光过程中需要供给抛光液或抛光结束后进行晶片冲洗时，抛光液供给机构、冲洗机构可以自动旋转到工作位置，工作过成完成后，再返回到初始位置，两种机构的旋转摆动采用气缸驱动，程序自动控制，抛光液供给机构、冲洗机构在抛光区域不同位置如图7所示。

图7 抛光液供给、纯水冲洗机构旋转摆动位置示意图

2.4 主要工艺参数控制方案

在CMP抛光工艺中，抛光设备的主要功能是对工艺条件、主要工艺参数的调整和控制。虽然，影响CMP抛光机理的因素很多，但是大量的研究结果表明，抛光压力、上下盘转速及速比，抛光液流量大小、抛光液成份、抛光垫类型等是影响抛光效果的主要因素。

PG-510型单面抛光机的抛光压力、抛光液流量、上下盘转速等主要工艺参数均采用模拟量控制，根据工艺要求在触摸屏操作界面上输入工艺参数值后，PLC把输入值转换为模拟量输出信号，控制元器件再将模拟量信号转换为实际需要的工艺参数值输出，从而调节气缸压力、电机转速、流量大小。传感器再把检测到的压力、速度、流量等参数值，经信号放大与处理，以模拟量反馈给PLC，最后将工艺参数值显示在触摸屏上。其原理如图8所示。

图8 工艺参数拟量控制示意图

2.5 电气控制及整机操作系统

PG-510单面抛光机整机电气控制系统主要是由PLC通过触摸屏对整个系统进行控制。系统控制如图9所示主要由电源控制单元、程序控制单元、操作显示单元、驱动控制单元、I/O数字控制单元以及模拟量控制单元等组成。

整机操作主要是通过触摸屏上的人机交互界面来完成，人性化的人机界面为使用者提供了简明扼要的操作流程提示，工艺参数显示，故障报警及故障模式提示。抛光前，操作者可根据材料工艺要求不同预先进行工艺参数、抛光时间设置，抛光过程中，操作者也可以对各工艺参数直接进行修改，对优化后的工艺方案进行采集储存，系统内置了可存储20条工艺方案的标准工艺参数库。

图9 整机系统控制框图

3 PG-510型单面抛光机主要功能及特点

PG-510型面抛光机的结构及控制系统主要具有以下功能和特点：

(1)抛光盘、抛光头均采用变频电机驱动，既可以调整改变上盘的速比，获得最佳的抛光效果，又可以满足慢启动、慢停止的工艺要求，实现不同阶段抛光速度的平稳过渡。

(2)抛光压力选用特殊用途的薄膜气缸，满足了压力加载柔性传递的工艺要求，机械结构的特殊设计及灵敏性极高的压力控制系统增强了压力的动态调整功能，减小了压力波动和冲击，同时提高了压力的控制精度。

(3)承载器与抛光头驱动轴采用浮动连接的方式，保证了抛光压力在晶片表面的均匀分布。

(4)承载器浮动环保护机构既可以起到使抛光液均匀分布的目的，又可以防止抛光头升降、翻转过程中真空吸附功能出现故障导致陶瓷盘脱落，起到断气、断电时的保护作用。

(5)抛光盘采用冷却水循环系统进行温度控制，抛光盘温度≤40℃。

(6)抛光压力、上下盘速度、抛光液流量等工艺参数采用模拟量控制方式通过上位机实施控制，工艺参数的设置调整通过人机界面完成，简单方便，自动化程度高。

(7)抛光结束后晶片具有纯水自动冲洗功能，在程序设定下，纯水系统可定时对抛光垫进行浸泡，延缓抛光垫老化过程。

(8)两个抛光头的抛光压力、转速、抛光液流量等工艺参数设置，抛光头升降，纯水定时清洗能够单独控制，可进行单头抛光。

(9)整机外形采用全封闭结构，抛光区域具有抗腐蚀防污染功能，操作系统采用人性化的人机交互界面，具有操作流程提示，工艺参数、工作状态显示等功能。

(10)建有标准的工艺参数库，对抛光工艺研究、工艺实验过程中优化的工艺方案和生产线不同材料、不同批次晶片的抛光工艺方案具有存储和直接调用功能。

4 蓝宝石衬底的抛光工艺实验及结果

利用新研制的PG-510型单面抛光机对50mm(2英寸)的蓝宝石衬底材料进行了单面抛光实验，实验过程中各工艺参数的设置如表1所示。

表1 实验过程中各工艺参数的设置

经过多次抛光实验，我们对材料的去除率和晶片表面的粗糙度两项指标进行了检测，去除率可以达到4～9μm/h，利用电子显微镜（AFM）对晶片表面粗糙度检测，检测的结果是：晶片的表面粗糙度达到了0.155 nm。通过抛光工艺实验可以验证PG-510单面抛光机的性能指标能够满足蓝宝石衬底表面纳米级抛光的工艺要求。

5 结束语

PG-510型单面抛光机主要是针对高亮度LED衬底材料表面纳米级抛光的技术要求研制开发的CMP工艺设备。产品在抛光头组件、抛光盘组件，压力加载机构、承载器的晶片夹持、浮动保护环等结构设计方面，具有一定的先进性，特别是在抛光压力、抛光液流量、抛光盘(抛光头)转速等工艺参数控制方面采用了模拟量控制方式，大大提高了产品操作、调试的自动化程度。产品的抛光盘温度控制技术、晶片在线清洗技术、工艺方案采集存储技术在国际同类产品中也具有一定的先进性。

产品的整个研制开发过程采用的是以工艺要求和用户需求为目标的正向设计的理念，产品的关键技术应用全部建立在实验验证的基础上，主要结构及技术在许多方面具有创新点及自主的知识产权。

PG-510型单面抛光机在研制开发过程中做了大量的调研工作，也得到了许多工艺单位技术专家支持与帮助，借此一并表示感谢。

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