張繼靜，劉福強，張金環(huán)，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(xué)機械拋光(CMP)是對半導(dǎo)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(guān)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(zhuǎn)實現(xiàn)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?；騾?shù)設(shè)置不合理的情況下，拋光頭和修整器兩個模塊運行的區(qū)域會有交叉，有可能導(dǎo)致它們相互碰撞，防撞機構(gòu)設(shè)計成為避免兩模塊碰撞的有效解決方法。

1 CMP設(shè)備拋光原理

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

圖1 化學(xué)機械拋光工作原理

CMP設(shè)備中與本設(shè)計相關(guān)的主要構(gòu)成模塊有3個[1]。

1.1 晶圓夾持機構(gòu)

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

1.2 拋光液供給系統(tǒng)

拋光液的供給及分布系統(tǒng)會直接影響其流速及顆粒造成的缺陷，所以需要根據(jù)被拋光產(chǎn)品的種類和技術(shù)節(jié)點選擇合適的拋光液，并根據(jù)需要設(shè)定合適的配比、流速，持續(xù)地進行供給。

1.3 拋光墊修整機構(gòu)

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(xué)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(nèi)，兩者互不干涉，而在控制異?；騾?shù)設(shè)置不合理的情況下，二者會發(fā)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(fā)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(jīng)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(shè)備中架A點為軸，以拋光頭所在機構(gòu)擺臂AC為最大半徑進行旋轉(zhuǎn)，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(nèi)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(guān)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(fā)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(gòu)工作原理

3.1 碰撞傳感器

碰撞傳感器是安全系統(tǒng)中的控制信號輸入裝置，其作用是在碰撞發(fā)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(tǒng)收到碰撞信號后發(fā)出停止運行指令。

碰撞傳感器按結(jié)構(gòu)主要分為以下三種[4]：

（1）機電結(jié)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(yīng)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(guān)式：利用水銀的導(dǎo)電特性控制安全電路。

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

3.2 防撞機構(gòu)設(shè)計

修整器的整體結(jié)構(gòu)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(jié)合式碰撞傳感器實現(xiàn)防撞設(shè)計的功能。

圖7 修整器機構(gòu)

為了使碰撞時有效地觸發(fā)微動傳感器，將傳感器安裝的工件表面盡量設(shè)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(shè)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(gòu)組成

修整器防碰撞系統(tǒng)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(zhuǎn)電機等。

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

圖9 防撞機構(gòu)基本原理

設(shè)計選用的HD110S微動開關(guān)[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(jù)工藝要求在60～100 mm/s之間，系統(tǒng)所用PLC的任務(wù)周期為2 ms，在2 ms內(nèi)，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(yīng)距離時，系統(tǒng)已經(jīng)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(jié) 論

該設(shè)計方法實現(xiàn)了防撞功能，目前國內(nèi)外在同類型產(chǎn)品中還尚未使用。經(jīng)過國內(nèi)某客戶的應(yīng)用驗證，該功能可以精準地防止碰撞的發(fā)生，以較小的投入成本，避免較大的經(jīng)濟損失，安裝后可以達到一勞永逸的效果。成功的應(yīng)用驗證為更多的設(shè)備廠商采用此功能提供了指導(dǎo)作用。