化学机械抛光技术军民融合发展及推广应用

杨 师，姜家宏，刘雪娇

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

化学机械抛光技术军民融合发展及推广应用

杨 师，姜家宏，刘雪娇

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

介绍了化学机械抛光设备的主要技术特点及功能，技术特点包括抛光盘制造及装配、抛光头压力控制、抛光液流量控制、抛光盘温度控制及晶片蜡粘与断电保护机构等；主要功能介绍了抛光头单独控制、自适应柔性承载器、外形及内部结构特点、人性化操作界面及自动控制程序等。说明了现阶段国内化学机械抛光设备的主要发展方向。

化学机械抛光设备；抛光盘；抛光头控制

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光）的基本原理是将晶片在研磨液存在的情况下相对于抛光垫接触旋转运动，并对其施加一定的压力，借助于机械磨削及化学腐蚀作用来完成其表面抛光。其中，抛光平台在电机的带动下以角速度ω转动，抛光垫粘在平台上。被抛光片通过真空吸附或蜡粘方式附着在承载器上，承载器在抛光头的带动下，以相同角速度ω转动，方向与平台相同。同时，机械压力通过抛光头，承载器和抛光盘将被抛光片压在浸满抛光液的抛光布上，在抛光盘与抛光头转动的作用下，被输送到抛光布上的抛光液均匀地分布到抛光布上，在被抛光片和抛光盘之间形成一层液体薄膜，这层膜起质量传输和传递压力的作用，抛光液中的化学成分与被抛光片发生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质(化学反应过程)，然后通过机械摩擦将这些易溶物从抛光片表面去掉，被流动的液体带走(机械过程)，这两个过程的结合就可以实现化学机械抛光，用这种方法可以真正使被抛光片表面实现全局平面化，是实现硅、锗硅、SiC、TeZnGe等半导体材料表面平坦化的关键技术装备，在军用、航空航天、民用电子制造等领域衬底材料加工具有巨大的需求。

通过“863”计划项目高亮度LED晶片表面纳米级抛光工艺及设备研发、国家“02”专项300 mm硅片抛光设备的开发、以及CMP关键技术国际合作技术的开展，在国家民品技术研发项目经费的支持下，建立了国产CMP设备研发平台，形成了一定的整机研发技术储备，部分关键技术已经达到国际先进水平，打破了国外设备长期垄断国内市场的局面，已成功地为国内多家单位提供了CMP设备、工艺及技术服务，满足了碳化硅、碲锌镉、光学玻璃等材料的抛光工艺及技术要求，加工的材料已广泛应用于汽车电子、计算机、手机、智能手表等民用领域，以及航空航天、卫星制造及控制等军用领域，得到了国内市场认可及用户好评。本文就已掌握的部分关键技术及设备主要功能特点进行了阐述，为更高要求、更难加工的军用、航空航天、国防等领域用宽禁带半导体材料抛光提供借鉴，促进军民两用技术更好地融合发展。

1　精密抛光设备关键技术

1.1大尺寸超精密高刚度抛光盘系统的设计制造及装配技术

抛光盘系统是抛光机的核心部件，是抛光机研制过程中的关键技术之一，抛光盘结构示意图如图1所示。抛光机要求抛光盘系统具有很高的刚度和精度：整机抛光盘直径约600～700 mm，工作时最大要承受数百公斤的抛光压力和较大的弯矩，要求抛光盘平面度≤0.015 mm，端面跳动≤0.030 mm；根据抛光盘系统的精度要求和负载特征，该系统选用圆锥磙子轴承，并采用大跨距背靠背安装形式，大大提高了抛光盘系统的承载能力和结构刚度；并创新性地设计了小托盘结构，不仅降低了抛光盘的设计、加工精度和装配难度，还提高了抛光盘系统的结构刚度；轴承与主轴、轴套间选用过渡或小过盈配合则大大提高了抛光盘主轴的刚度和回转精度；而多层次的分级密封方式则大大提高了抛光盘循环水系统的密封可靠性；在抛光盘的装配技术上也有多项突破，如在①抛光盘主轴轴承的选配和装调方法，②应用研磨精修小托盘、托盘、抛光盘的方法来实现抛光盘平面度及端面跳动的高精度，③通过控制轴承的预紧力来提高抛光盘系统精度和刚度等装配技术方面都有了较大的突破和创新。总之抛光盘对设计、加工、装配等各环节都有非常高的要求，只有每个环节都严格控制，科学合理才能保证抛光盘系统的性能满足设计和实用要求。

图1　抛光盘结构示意图

1.2抛光压力精确、均匀加载与控制技术

抛光压力精确、均匀加载与控制好坏直接影响到抛光面型和抛光效率。抛光机研制所采用的压力控制、加载系统由PLC、精密减压阀、数字电-空变换器、超精密气动继电器、先导式单向阀、低摩擦隔膜气缸、载荷传感器、万向承载器等组成。可在触摸屏上进行压力参数设置，实现抛光压力的自动控制，抛光头压力控制原理如图2所示；精密减压阀与气缸下缸体接通，实现负压功能，从而实现轻压甚至零压的加载；数字电-空变换器、超精密气动继电器以及低摩擦隔膜气缸使加压系统响应更快，摩擦更小，精度更高；万向承载器采用万向轴承及独特的转矩传递结构，实现了承载器的柔性连接，使承载器上各晶片的压力加载均匀一致。

图2　抛光头压力控制原理图

1.3抛光液流量自动控制技术

抛光液是抛光机中必不可少的耗材，抛光机在对不同材料进行抛光，或者在抛光的不同阶段往往要求有不同流量的抛光液供给，因此抛光液流量控制同样是抛光机研制的重要技术，抛光液流量控制原理如图3所示。采取抛光液流量自动控制技术能有效降低用户使用成本和减少环境污染的危险。本次设计的抛光液流量控制系统采用PLC、恒流蠕动泵、磁力泵、两路抛光液供给管路组成。PLC根据触摸屏中输入的参数自动控制恒流蠕动泵泵头的转速，可以改变抛光液流量的大小；磁力泵可以大大提高抛光液的最大供给流量，以克服由于蠕动泵动力不足以及抛光液黏度较大而引起的滞流问题；通过流量校核建立流量与蠕动泵泵头转速之间的对应关系，可实现抛光液流量的精确控制。该系统所采用的磁力泵与蠕动泵相结合的流量控制方法为抛光液流量控制的一种全新尝试。经实际生产线的工艺考核，取得良好效果。

1.4抛光盘温度控制技术

在抛光过程中，由于摩擦的作用产生的热量会使抛光盘的温度升高，容易引起抛光盘的热胀变形，使其精度降低；同时还容易引起用于晶片粘接的蜡软化，引起掉片现象。因此抛光盘的温度控制十分关键。抛光盘温度控制系统由恒温水供给系统、旋转接头、PLC、红外温度传感器、信号处理与放大电路、流量阀等组成闭环温控系统，抛光盘温度控制原理如图4所示；恒温水供给系统通过旋转接头与主轴、抛光盘组连接成循环水路，红外温度传感器实时检测抛光盘的温度，目标控制温度可通过触摸屏输入，PLC根据目标控制温度和实际检测温度控制通过流量阀的循环水流量，从而实现抛光过程中抛光盘温度的自动精确控制，控制精度达到±1℃。

1.5晶片蜡粘接工艺及装置

晶片蜡粘接是晶片抛光前的一道重要工序，晶片粘接的质量对晶片抛光效果有重大影响。晶片蜡粘接设备是晶片抛光工艺流程中必不可少的辅助设备，如图5所示。根据项目实际需要，项目组对晶片蜡粘接工艺进行了深入研究，取得大量相关工艺成果和经验，并研制出一种晶片蜡粘接的专用装置——晶片蜡粘台，可实现加热粘片、恒压固化、化蜡卸片等功能。该装置主要由加热台、传输机构、冷压粘接台三部分组成，加热台部分的最主要加热器件选用云母加热板，加热效率高、加热均匀、温度可控，传输机构采用了线性滑轨，能实现自动传输，冷压粘接采用汽缸加压方式，汽缸与压盘采用创新的浮动连接方式，保证粘接过程中压力柔性传递、均匀分布。该装置实现了将加热粘接和恒压固化两种工艺过程在同一台设备完成的功能，改变了传统工艺中加热粘片与恒压固化要在不同设备上进行的模式。

图3　抛光液流量控制原理图

图1-4　抛光盘温度控制原理图

图5　晶片蜡粘接设备

1.6承载器晶片保护技术

本技术是一种应用在抛光设备抛光头承载器上的关键技术。在抛光过程中如果突然断电或真空失效，可能导致陶瓷盘脱落，使晶片摔碎。使用本技术可以针对以上情况对晶片起到保护作用。本技术采用巧妙的机械结构设计，保证在断电和真空故障时陶瓷盘不会脱落，此外该结构中的防护圈采用浮动结构，可减小抛光时的边缘效应，减小晶圆塌边，对晶片抛光的厚度一致性提高有一定作用。

2　精密抛光设备的主要功能

2.1抛光头单独控制

普通抛光机的抛光头只能跟随抛光盘的转动而旋转，不能精确地控制上下盘的转速比；而本设备中配置有4个抛光头，每个抛光头的升降、转速、压力都能实现单独控制，可根据工艺需求精确控制上下盘的转速比，对提高抛光晶片的面形精度及良品率有很大改善。

2.2自适应柔性承载器

目前工艺线上使用的其它厂家的抛光机，在进行大压力抛光的时候往往会出现抛光头跳动的问题，不仅会引起抛光品质的降低，而且在采用无蜡模板抛光工艺时还容易引起跑片等现象，针对这一问题，采用全新的自适应柔性承载器技术，保证即使在大压力条件下抛光，仍可以保证抛光头的稳定运行，从而避免抛光头跳动、跑片及晶片品质下降等问题。

2.3全封闭外型设计，防腐性内部结构

采用全封闭的外观设计，避免了污水及抛光液对周围环境的污染。内部抛光区（操作区）采用PP防腐蚀材料，关键部件（抛光盘、抛光头）采用不锈钢材料，管路采用进口高纯管件，有效避免强碱性抛光液对设备的腐蚀。

2.4全中文操作界面

设备为自主设计研发，操作界面分为操作、维护、状态监控等模块，并进行了分级管理。界面设计借鉴了世界先进抛光机的操作方式，采用了全中文人性化菜单，便于操作。

2.5抛光压力、抛光液流量、抛光时间自动控制

抛光压力、抛光液流量、抛光时间以及抛光分段控制等均可在操作菜单中设定、存储和调用，抛光过程自动完成，使“一键”抛光成为可能。

2.6抛光盘温度自动控制

抛光盘采用内置冷却水循环结构并配有盘面红外温度监测系统，与恒温冷却水箱连接，可进行内部冷却水循环，从而降低抛光盘温度控制在40℃以下。

2.7抛光液循环结构设计

为节约成本、减少环境污染、倡导“绿色”抛光理念，采用抛光液循环应用的结构设计，通过程序自动控制，可进行抛光液循环和排污自动控制。

2.8在线自动预清洗功能的设计

为了提高晶片表面质量，采用自动在线预清洗设计，在抛光完成后，晶片可进行自动去离子水冲洗，冲洗时间和冲水压力可根据要求自行设定和调节。另配有水枪，可进行晶片或盘面的手动冲洗。

2.9标准工艺参数库的建立与工艺参数显示

大容量的程序存储空间可满足用户包含抛光压力、转速、时间、抛光液流量的分阶段工艺参数库的存储，最多可达20条。抛光时可自行调用，抛光过程中可自动显示抛光状态及抛光时间，减少了人为干预对抛光质量的不良影响。

2.10故障自动报警功能

设备具有气压、真空、温度及相关设备防护等功能检测、提示，在断电、断气等以外情况发生时，会自动报警、提示并停机，以免发生意外，或造成不必要的浪费。

3　结束语

通过承担“863计划项目”、国家重大专项300 mm硅片抛光设备开发和CMP后清洗及光学终点检测技术的研发及产业化项目，高亮度LED晶片抛光机、300 mm硅片抛光机已国产化，并已实现销售，在军用和民用领域发挥极其重要的作用，支撑和保障了我国半导体工艺技术向大直径、细线条、新材料加工领域的不断进步，后清洗及光学终点检测技术CMP设备已研制成功，已进入实验验证和推广应用阶段，促使45～28 nm工艺CMP技术研发和攻关项目的立项，不久的将来，自主研发的集研磨、抛光、终点检测及后清洗技术的大型CMP设备将上市，与客户对接，进行工艺验证，验证合格后将形成产业化销售，从而进一步保证国产CMP设备在材料加工领域的主导地位。

国际CMP技术飞速发展，属先进的高新技术，需要攻克难点和重点也很多，需要很好的理论基础和解决的技术问题经验，军用技术的高标准和严要求，需要民品生产工艺验证和考核，通过军民融合发展，使民品生产工艺技术提升，开发适合军用生产工艺要求的国产设备，使军民技术在设备中得以物化和融合，解决CMP工艺、设备及抛光液等技术难题，研制成功具有去除速度高、稳定、产品缺陷少、成品率高的先进CMP技术装备是目前和今后国产CMP技术研发的主要课题。目前CMP设备正在由单头、双头抛光机向多头抛光机发展；应用于陶瓷、磁头、硬磁盘、机械磨具、精密阀门、光学玻璃、金属材料等表面加工领域的CMP技术已得到重视。通过CMP技术军民融合发展，借鉴和消化国内外的先进技术和生产工艺线客户的工艺实践经验，大胆改进，勇于创新，必将会使CMP设备国产化取得更大成就。

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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

杨师（1989-），男，学士学位，工程师，就职于中国电子科技集团公司第四十五研究所，主要从事CMP设备与技术研发和产业化工作。