拋光機的改進

拋光機的改進

硅組件材料（多晶和兼職材料）是電子信息產(chǎn)業(yè)（特別是電路行業(yè)）和新能源和綠色能源硅材料行業(yè)的主要功能材料。隨著半導體產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,半導體芯片不斷地朝小體積、高電路密集度、快速、低耗電方向發(fā)展,集成電路現(xiàn)已進入ULSI亞微米級的技術(shù)階段。硅片拋光設(shè)備是0.25μm以下大規(guī)模集成電路芯片制造工藝中的關(guān)鍵設(shè)備,其結(jié)構(gòu)復雜,控制精度高,研制起點高、技術(shù)難度大,越來越迅速的發(fā)展,對硅晶片表面平整度要求日趨嚴格。處于世界第一位的日本信越半導體公司其12″晶圓生產(chǎn)能力已經(jīng)達到月產(chǎn)70萬片(占全球12″產(chǎn)量的50%)。半個世紀以來,美、日、德國際十大公司一直壟斷著半導體硅材料的技術(shù)、市場和售價。這也就要求我們必須大力加強自主研發(fā)硅材料生產(chǎn)及加工過程中的各類關(guān)鍵設(shè)備。陳毓等在高精度大尺寸硅晶片的雙面研磨拋光機改進設(shè)計中,基于研究6B、9B雙面研磨拋光機主傳動方面的結(jié)構(gòu)改進,優(yōu)化設(shè)計了適用于大尺寸硅片加工設(shè)備18B研磨拋光機主傳動等方面的改進設(shè)計;趙權(quán)等在超薄硅雙面拋光片拋光工藝技術(shù)中,通過對硅片拋光機理、拋光方式、拋光工藝的研究和對拋光工藝實驗結(jié)果的分析,研制出了高質(zhì)量的超薄硅單晶雙面拋光片。在以上國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,采用了最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)及控制方案。針對300mm硅片雙面拋光設(shè)備可能出現(xiàn)的問題,在機械、電控、及后續(xù)維護等各個方面進行了優(yōu)化設(shè)計。對雙面拋光工藝的研究表明,拋光工作過程中壓力的精確控制及上下拋光盤溫度的控制對硅片的幾何參數(shù)都有很關(guān)鍵的影響作用。因此,設(shè)備結(jié)構(gòu)和雙面拋光工藝的優(yōu)化設(shè)計,對提高300mm硅片的加工質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。1機械化學拋光工藝傳統(tǒng)的對基底硅材料的CMP為單面拋光,但是隨著超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展,單面拋光已經(jīng)不能滿足更小線寬的要求,故在對用于線寬為0.09～0.13μm工藝的300mm硅片的加工中需進行雙面化學機械拋光,這也是大直徑硅片加工的發(fā)展趨勢。硅片表面拋光的目的是去除其表面由前工序(雙面研磨或單面磨削)所殘留下的微缺陷及表面損傷層,以求獲得表面局部平整度、表面粗糙度極低的光亮鏡面,以滿足IC工藝要求。對于直徑大于300mm硅片的表面粗、細拋光均采用雙面拋光工藝,然后再利用單面拋光設(shè)備進行最終拋光。CMP機械化學拋光,通過堿性拋光液化學反應的作用,形成大分子的化合物,再通過對上盤施加壓力,游星輪載體承載硅片,其處于上下盤之間,在內(nèi)外齒圈、游星輪不同轉(zhuǎn)速相互配合下去除這些化合物,游星輪在拋光過程中的自轉(zhuǎn),以及圍繞太陽輪的公轉(zhuǎn);在太陽輪和內(nèi)齒圈不同轉(zhuǎn)速的配合下,游星輪的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn),優(yōu)化的轉(zhuǎn)速配合,完成機械化學拋光。張彥等在雙面拋光運動的數(shù)學建模及軌跡優(yōu)化一文中,通過分析雙面拋光加工的運動過程,建立雙面拋光中任意一點相對于上拋光盤的運動軌跡的數(shù)學模型。蔣建忠等分析了機械化學拋光(CMP)過程中氧化劑與磨粒的化學機械協(xié)同作用機理,建立一種新的化學機械拋光模型。如圖1所示為所介紹的雙面拋光機拋光過程的原理示意。2cmp拋光機中拋盤加工設(shè)備的改進措施。根據(jù)初傳統(tǒng)拋光機的不足:1)傳統(tǒng)的研磨拋光機采用一電機,兩電機驅(qū)動,這類型的拋光機可適用的調(diào)速范圍存在一定局限性,配比繁瑣,無法滿足不同的工藝需要。2)傳統(tǒng)的雙面研磨拋光設(shè)備,齒圈及太陽輪均采用整體式齒輪,隨著設(shè)備規(guī)格的加大,零件的尺寸也在加大,齒圈的加工難度加大;同時在使用過程中,會出現(xiàn)齒的磨損,更換則需要整體更換,用戶的使用成本加大;在拋光過程中,拋光液會在齒輪齒部結(jié)構(gòu),不易清理。3)傳統(tǒng)的雙面研磨拋光設(shè)備,對于研磨拋光盤均采用被動式的冷卻方式,通過研磨砂拋光液帶走拋光過程中產(chǎn)生的熱量。對于連續(xù)工作的設(shè)備來說不能起到良好的降溫作用及精確的溫度控制。而溫度變化會引起拋盤的變形,對工件的平整度會造成嚴重影響。針對以上不足所作的改進措施如下:1)300mm雙面拋光機采用四電機拖動,變頻器調(diào)速。最大程度地滿足了拋光過程中調(diào)速要求以及工藝需要。2)在結(jié)構(gòu)傳動方面,創(chuàng)新采用齒圈太陽輪同步升降,便于取放工件,并且避免在加工過程中長期在同一高度位置嚙合,導致齒圈太陽輪局部磨損而造成使用壽命快速縮短的現(xiàn)象。采用銷齒傳動,銷齒為圓弧齒,較傳統(tǒng)的游星片和太陽輪及齒圈的同時嚙合所作的行星運動相比,嚙合線長,提高了零件的接觸剛度也提高了使用壽命;銷齒磨損后,可對單個銷齒進行更換,降低了更換難度和使用成本。3)在上下拋光盤溫度控制方面,種寶春等在CMP拋光機拋光盤溫度的精確控制中介紹了一種對溫度進行控制的方法,上下拋光盤的水冷結(jié)構(gòu)采用迷宮式的水路通道,一進一出的進水口和出水口,在一定程度上逐步帶走拋光過程中產(chǎn)生的大量熱量。上下盤溫度精確控制方式,采用多個進水口與出水口的結(jié)構(gòu)能在最短的時間內(nèi)達到冷卻的效果,上下冷卻盤不同的實用新型結(jié)構(gòu),時時的溫度監(jiān)測系統(tǒng),保證拋光過程中拋盤在一定的溫度變化范圍內(nèi)工作,確保拋盤形狀的精密控制。4)壓力控制方面采用多段壓力,拉力傳感器檢測工件受力,并將信號反饋給控制單元構(gòu)成壓力的閉環(huán)控制。壓力的轉(zhuǎn)換是漸變的,消除了壓力切換時的沖擊現(xiàn)象,排除了工件受力的突變現(xiàn)象。壓力控制氣缸采用新型的緊湊型靈敏氣缸,有效地降低了設(shè)備的整體高度和壓力控制的精確性和靈敏性。5)控制方面,采用多點溫度監(jiān)測,嚴格的控制拋光液的進液溫度。時時監(jiān)測上下盤冷卻水溫度、pad溫度、拋光液進出溫度。溫度在CMP的拋光過程中是重要的影響因素,是影響硅片幾何參數(shù)的主要因素,嚴格的控制與監(jiān)測是必要的方式。6)電氣系統(tǒng)方面采用PLC控制,設(shè)備運行過程中的速度調(diào)節(jié)具備手動和自動功能兩種操作模式;平板電腦通過觸摸屏可顯示并設(shè)定各項工作參數(shù)(壓力、時間、速度、緩降壓力、浮動啟動時間等)及工作狀態(tài),當參數(shù)設(shè)定有誤或運轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常時,NT會自動列項報警,并提示操作者如何排除故障。充分發(fā)揮機械硬件性能;具有接入以太網(wǎng)、遠程調(diào)試和雙機通訊等先進功能。2.1優(yōu)化措施2.1.1上下盤冷卻水盤的設(shè)計雙面拋光加工過程中,工件放置在游星輪中,處在上下大盤之間,所研發(fā)的用于300mm硅片雙面拋光的設(shè)備,上下大盤采用了復合結(jié)構(gòu),分為工作盤和水冷盤兩層,兩層盤體間設(shè)有腔體,中間通有循環(huán)冷卻水,可對盤體進行強制冷卻,從而實現(xiàn)盤體的溫度控制。對盤溫的有效控制確保了拋盤在加工過程中的幾何精度的保持,能提高硅片的幾何參數(shù),機械摩擦產(chǎn)生熱量,而熱量恰好促進了化學腐蝕作用,機械化學拋光過程速率達到一個平衡的狀態(tài)。如圖2所示下拋光盤的冷卻水盤將冷卻腔體分為12個扇形區(qū)域,并設(shè)有12個冷卻水進出口,當pad溫度持續(xù)上升,并達到設(shè)定值時,冷卻水開關(guān)自動開啟,同時向冷卻水腔體通水,達到對下盤冷卻降溫的作用。多個冷卻水的進出口有利于提高冷卻的效率。冷卻水通過進水口流經(jīng)進水管,到達冷卻腔,只有當冷卻水充滿冷卻腔體時,冷卻水才能通過出水口流出。操作界面可顯示實時監(jiān)測到的上下盤冷卻水進出的溫度。這種冷卻方式結(jié)合精密的測溫系統(tǒng)及冷卻水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng),實現(xiàn)了拋盤溫度的精密控制。為了能達到良好的冷卻效果,防止冷卻水的滲漏,在復合盤的螺釘連接處,盤體內(nèi)外圈處裝有密封圈。如圖3所示,上水冷盤設(shè)有迷宮結(jié)構(gòu),冷卻水腔體分為10個扇形區(qū)域,冷卻水的入口和出口分別位于迷宮的兩端,確保冷卻水充滿冷卻腔體時,冷卻水才能從出水口流出,確保拋盤能得到充分的冷卻。在加工300mm硅片的過程中,硅片某一個質(zhì)點的運動軌跡較為復雜。300mm硅片雙面化學機械拋光中硅片相對于上下拋光墊的運動軌跡分布,是由內(nèi)外齒圈轉(zhuǎn)速和上下拋光盤轉(zhuǎn)速決定,優(yōu)化的工藝使硅片相對于拋光墊的運動軌跡分布區(qū)域均勻,無明顯循環(huán)和突然轉(zhuǎn)向的問題,可使硅片拋光后獲得較好的表面質(zhì)量?；谶@些理論依據(jù),根據(jù)硅片的軌跡分布,確定了冷卻水的路徑通道,并且每個冷卻腔體的冷卻水循環(huán)路徑均勻,能達到均勻降溫的良好效果,較大的冷卻腔體更有利于在相同的時間內(nèi)冷卻水帶走更多在拋光過程中產(chǎn)生的熱量,能很好的保持拋光盤在拋光過程的幾何精度。2.1.2冷卻水及流量控制冷卻水通路中設(shè)有溫度傳感器、減壓閥、流量計、節(jié)流閥等,溫度傳感器用于檢測冷卻水的進出口溫度,減壓閥用于進行冷卻水壓力的調(diào)節(jié),流量計用于冷卻水流量的時時監(jiān)測,節(jié)流閥用于冷卻水流量的調(diào)節(jié),這些措施的實施都為了使溫度的控制更為精確,更為便捷。在操作界面顯示時時檢測到的冷卻水溫度,上盤冷卻水出口溫度,下盤冷卻水出口溫度,上盤冷卻水流量,下盤冷卻水流量。拋光液進出口溫度的時時監(jiān)測以及拋光液回流到拋光液桶溫度的時時監(jiān)測,當檢測到拋光液的進出口溫度低于或是高于設(shè)定值,拋光液桶里的加熱管或循環(huán)冷卻裝置即開啟。以此將拋光液溫度保持在一定范圍內(nèi)。在操作界面顯示時時監(jiān)測到的拋光液進出口溫度及拋光液回流到拋光液桶的溫度。冷卻水溫度及流量的控制,拋光液溫度及流量的控制,均為了確保在拋光過程中,適宜的溫度使得CMP拋光過程達到化學機械拋光的平衡點。溫度的變化會使上下拋光盤產(chǎn)生微量的形變,盡管對于上下盤材質(zhì)的選擇是慎之又慎的,并且選用的是低熱膨脹系數(shù)的合金,但我們不能忽略微量的形變對加工工件產(chǎn)生的影響。所以通過上下盤優(yōu)化的水冷結(jié)構(gòu),冷卻水及拋光液溫度的控制和監(jiān)測等措施來實現(xiàn)盤溫的有效控制。2.1.3拋光盤及冷卻邊界條件在300mm雙面拋光機的工作過程中,由于化學反應、摩擦等產(chǎn)生的熱量通過拋光布,再經(jīng)過復合盤的工作盤到達水冷盤的冷卻腔體,水冷盤的冷卻腔體內(nèi)充滿冷卻水,冷卻水帶走工作過程中產(chǎn)生的熱量。這個導熱的問題可以歸結(jié)為通過平壁的導熱,平壁的長度和寬度都遠大于其厚度(平壁的長度和寬度為厚度的50倍),因而平板兩側(cè)保持均布邊界條件的穩(wěn)態(tài)導熱。當然導熱要通過拋光墊和工作盤,屬于多層壁的類型。假設(shè)拋光墊和工作盤之間接觸良好,并可近似地認為接合面上各處的溫度相等。采用熱阻分析法——串聯(lián)熱阻疊加。設(shè)備的工作環(huán)境為千級凈化廠房,工作環(huán)境的溫度約為22℃,冷卻水的初始溫度約為17℃左右,冷卻水進出水口處溫差約為5℃左右。操作面板上顯示的時時監(jiān)測到的上下盤冷卻水的流量一般在5.5L/min左右浮動。如圖4所示,拋光布的厚度為δ1,拋光布的導熱系數(shù)為λ1;工作盤的厚度為δ2,工作盤的導熱系數(shù)為λ2;PAD的設(shè)定溫度為T1,時時監(jiān)測到的上盤冷卻水的溫度為T3,當T3>T1,利用公式計算出單位時間內(nèi)的熱流量(邊界條件為第三類邊界條件,為給定系統(tǒng)邊界面與流體件換熱系數(shù)和流體溫度):實際工作中,在不同的工藝階段,不同的壓力,不同的轉(zhuǎn)速情況下,產(chǎn)生的熱量是不同的。這里我們將重壓高速的情況作為研究對象,在這種情況下如果能夠很好的起到冷卻的效果,其他的各種狀態(tài)都可以達到要求。我們分析過程中計算出拋光過程中產(chǎn)生的熱量,冷卻水充滿冷卻腔體時可以帶走的熱量,使其達到一個平衡狀態(tài)。使PAD的溫度保持在一定范圍內(nèi),即可很好的保持拋光盤的幾何精度。下水冷盤單個冷卻腔體充滿冷卻水時的體積經(jīng)計算可知為:V單下=1.6L(2)下盤的冷卻腔體分為12進12出,進入下水冷盤單個冷卻腔體的流量為:Q=5.5L/min/12=0.46L/min(3)充滿下水冷盤單個冷卻腔體的時間為:t=V單下/Q=3.5min(4)設(shè)上水冷盤單個冷卻腔體的有效冷卻面積為S單上,上盤冷卻腔體的有效深度L單上,計算出上水冷盤單個冷卻腔體體積為:V單上=S單上L單上(5)上水冷盤水冷腔為:V上總=10V單上(6)水的比熱容為C=4.2×103J/kg℃,水的密度為ρ=1.0g/cm3,則:m上=ρV上總(7)Q上=Cm上Δt(8)設(shè)下水冷盤單個冷卻腔體的有效冷卻面積為S單下,下盤冷卻腔體的有效深度L單下,計算出上水冷盤單個冷卻腔體體積為:V單下=S單下L單下(9)上水冷盤水冷腔為:V下總=12V單下(10)水的比熱容為C=4.2×103J/kg℃,水的密度為ρ=1.0g/cm3,則:m下=ρV下總(11)Q下=Cm下Δt(12)當上下盤充滿冷卻水時,可帶走的熱量為:Q總=Q上+Q下(13)經(jīng)計算得:Q總≈4φt(14)當冷卻水充滿上下盤冷卻腔體時,可以及時有效地帶走工作時產(chǎn)生的熱量。特殊上下盤水冷結(jié)構(gòu)由幾個獨立的扇形區(qū)域腔構(gòu)成,每個扇形區(qū)域腔有各自的進出水口,只有在冷卻水充滿腔體后才能從出水口流出,避免了冷卻水走捷徑,確保了冷卻水能對拋盤進行充分冷卻,及時帶走因加工而產(chǎn)生的熱量,對拋盤起到了強制冷卻的作用,較傳統(tǒng)的被動式冷卻及一進一出的冷卻方式更為可靠和高效。結(jié)合精密的測溫系統(tǒng)及冷卻水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng),實現(xiàn)了拋盤溫度的精密控制。2.2主要參數(shù)和測試結(jié)果2.2.1個月的實驗研究在進行拋光實驗時,采用的是直拉法生產(chǎn)的P型300mm硅片,電阻率為15～25,拋光前厚度約為800μm,拋光后厚度約為780μm。設(shè)備連續(xù)拋光10～12盤后,對拋光出的硅片進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。實驗進行周期大致為2個月的時間。采用如圖5所示的設(shè)備進行驗證,該設(shè)備為優(yōu)改進的設(shè)備。2.2.2中心去除量的檢測在連續(xù)進行拋光工作的過程中,PAD的溫度達到并超過設(shè)定值,上下盤冷卻水自動開啟,對上下拋光盤進行冷卻。圖6、7為雙面拋光的硅片經(jīng)設(shè)備AFS-3200檢測之后的結(jié)果。黃軍輝等在300mm硅片雙面拋光運動軌跡模擬和優(yōu)化一文中,通過實驗證明了運動軌跡的路徑長度與去除厚度成正比關(guān)系。通過理論研究可知,邊緣的去除量較中心的去除量略大一些,主要是由于硅片邊緣的運動軌跡長度比硅片中心的運動軌跡長度大。通過檢測出來的大量數(shù)據(jù)表明中心具有更大的去除量。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的主要原因主要是硅片中心處的拋光布溫度比硅片邊緣部分的拋光布溫度高。上述實驗結(jié)果恰恰也說明了這一點。在上下盤轉(zhuǎn)速,內(nèi)外齒圈轉(zhuǎn)速等其他條件未做變化的情況下,當PAD溫度超過設(shè)定值時未開啟上下盤水冷對拋光盤的冷卻,進行試驗。參數(shù)TTV:為硅片厚度最高點與最低點的差值,又叫全局平整度,是衡量硅片幾何參數(shù)好壞的重要表征之一,90nm線寬的集成電路用硅片要求在1.5μm以下。由圖6、7所示檢測出來的數(shù)據(jù)都是滿足要求的。參數(shù)SFQR:在硅片表面,每25mm×32mm方塊內(nèi)的最高點厚度與最低點厚度差的最大值,是最重要的硅