CMP設(shè)備承載臺關(guān)鍵技術(shù)研究

姜家宏，王廣峰，李 偉，王 錚

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

CMP（Chemical Mechanical Planarization）技 術(shù)是化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械磨削作用協(xié)同效應(yīng)的組合技術(shù)。它的基本原理是在研磨拋光液存在條件下，承載在拋光頭底部的晶圓相對于一個(gè)拋光墊作同方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)施加一定的壓力[1]。晶圓表面材料與研磨拋光液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層相對容易去除的表面層，這一表面層通過磨料中的研磨劑和研磨壓力與拋光墊的相對運(yùn)動(dòng)被機(jī)械地磨去。

CMP 設(shè)備不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全局平坦化，而且可以平坦不同材料、多層材料，減小嚴(yán)重表面起伏等，現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，成為半導(dǎo)體行業(yè)加工的主導(dǎo)技術(shù)。而CMP 設(shè)備承載臺是支撐整個(gè)工藝過程的核心部件，本文通過分析承載臺工作性質(zhì)，篩選合適材料，并借助有限元分析軟件對承載臺進(jìn)行模態(tài)分析，研究它的固有頻率，綜合對比后，選擇合適的應(yīng)用材料滿足工藝過程需求。見圖1所示。

圖1 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)原理

1 CMP 設(shè)備承載臺

CMP 拋光機(jī)承載臺主要由承載臺面和承載機(jī)架組成，如圖2所示，根據(jù)CMP 拋光機(jī)功能要求，拋光研磨的核心單元全部布局在承載臺上，包括負(fù)責(zé)承載晶圓的拋光頭單元，它是通過安裝在臺面上十字轉(zhuǎn)盤座間接固連在承載臺上；與晶圓作同方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)拋光盤，負(fù)責(zé)拋光研磨液供給的液體分布器，對拋光墊進(jìn)行修整的拋光墊活化器，還有負(fù)責(zé)晶圓裝卸的LOAD CUP 單元等。因此，承載臺材料選取和臺面布局都將影響晶圓拋光后的整體面型精度和表面質(zhì)量，有必要進(jìn)行深入研究。

圖2 CMP 拋光機(jī)承載臺

2 承載臺材料選取

CMP 拋光機(jī)在工作過程中，需要有持續(xù)供給的拋光液參與。化學(xué)機(jī)械拋光液的組成一般包括超細(xì)固體粒子研磨劑，（如納米SiO2，AI2O3粒子等），表面活性劑，穩(wěn)定劑，氧化劑。固體粒子提供研磨作用，化學(xué)氧化劑提供腐蝕溶解作用。拋光液具有酸堿腐蝕性，因此，要求選取的承載臺材料既有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，又能夠抗酸堿腐蝕。查取相關(guān)手冊，

304 不銹鋼材料特點(diǎn)：（1）具有較高的塑性，韌性和機(jī)械強(qiáng)度；（2）具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能，對于氧化性酸，304 不銹鋼具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，對于堿溶液及大部分有機(jī)酸和無機(jī)酸亦有良好的耐腐蝕能力；（3）304 不銹鋼外形美觀，表面光潔，耐磨損，安全環(huán)保，不易生銹；

鋁合金材料特點(diǎn)：（1）塑性強(qiáng)，抗沖擊，抗壓強(qiáng)度高，且具有良好的機(jī)械加工性能，尺寸穩(wěn)定；可用于制造高載荷構(gòu)件（2）高的阻尼和吸震，減震性能，抗電磁干擾能力強(qiáng)；（3）耐腐蝕性能好；（4）鋁合金板料質(zhì)堅(jiān)量輕，密度低，散熱性較好，在相同面積下。鋁合金的重量低于其他系列。

初步選定304 不銹鋼和鋁合金材料進(jìn)一步分析研究。

4 承載臺有限元分析

現(xiàn)經(jīng)過實(shí)際受力分析，鋁合金臺面工作前后變形0.06 mm，304 不銹鋼臺面工作前后變形0.02 mm，二者均滿足工作時(shí)的靜強(qiáng)度要求。

CMP 拋光機(jī)工作時(shí)，各個(gè)子系統(tǒng)會(huì)相互配合完成晶圓的拋光研磨。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等原因，勢必會(huì)造成振動(dòng)。若電機(jī)振動(dòng)頻率接近承載臺固有頻率，將會(huì)導(dǎo)致共振，從而破壞結(jié)構(gòu)，影響設(shè)備的工作性能。因此在設(shè)計(jì)承載臺時(shí)需要考慮振動(dòng)現(xiàn)象，了解承載臺的振動(dòng)特性。而模態(tài)是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率，通過分析有效階固有頻率進(jìn)行前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避開各種振源的激勵(lì)頻率。

本文采用有限元分析軟件MSC PARTRAN 對承載臺進(jìn)行模態(tài)分析。分兩種方案進(jìn)行對比分析：

第一種方案：承載機(jī)架采用304 不銹鋼，承載臺面也采用304 不銹鋼；材料有關(guān)參數(shù)如表1所示。首先在承載臺底部添加固定約束，然后對設(shè)計(jì)的承載臺有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算，低階固有頻率對振動(dòng)特性的參考價(jià)值大，因此，提取前4階固有頻率進(jìn)行分析。各階頻率圖如圖3所示，頻率值如表2所示。

表1 承載臺材料主要參數(shù)

圖3 前四階頻率圖

表2 承載臺模態(tài)分析結(jié)果

第二種方案：承載機(jī)架采用304 不銹鋼，承載臺面采用鋁合金材料。材料有關(guān)參數(shù)如表3所示。各階頻率圖如圖4所示，頻率值如表4所示。

圖4 前四階頻率圖

表3 承載臺材料主要參數(shù)

表4 承載臺模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對兩種方案前四階模態(tài)分析，二者固有頻率相差不大，均遠(yuǎn)離各子系統(tǒng)電機(jī)的激勵(lì)頻率；說明設(shè)計(jì)剛度足夠，不會(huì)產(chǎn)生共振，均滿足設(shè)計(jì)要求。但承載臺面采用鋁合金材質(zhì)時(shí)，同等尺寸下，鋁合金密度是不銹鋼的1/3，質(zhì)堅(jiān)量輕，高的阻尼和吸震，減震性能，抗電磁干擾能力強(qiáng)，更能滿足CMP 設(shè)備整體規(guī)格的要求。因此，采用第2 種方案進(jìn)行后續(xù)工作的設(shè)計(jì)。通過實(shí)際使用證明了該承載臺性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，能夠滿足該設(shè)備的工藝要求。

[1]費(fèi)玖海，楊師等.集成電路工藝中減薄與拋光設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43(2)：2-8.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.