PG-300去應力拋光系統的結構設計與優化

楊 師，李 偉，王 錚，史 霄

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

減薄與拋光技術是晶圓加工過程中必不可少的工序，在集成電路(IC)制造中，已成為與光刻、刻蝕等技術同等重要、且相互依賴的不可缺少的技術。是集成電路進入0.25 μm 以下節點，提高生產效率、降低成本的晶圓全局平坦化關鍵技術。隨著微電子技術向32 nm、22 nm 及以下技術節點方向發展，IC 平坦化工藝仍然是集成電路制造重要的支撐技術之一。目前，拋光工藝已成功延伸應用到22 nm 節點，在IC 制造工藝中發揮著重要的作用，已經開始向16 nm 節點制造技術的應用延伸。

在減薄與拋光一體化設備研發過程中，拋光頭主軸及裝載機架是整機必不可少的兩大部件。根據化學機械拋光的傳統方法，設備需實現拋光頭旋轉、升降，并且在拋光過程中加壓的技術要求。另外，由于去應力拋光系統終將與減薄設備集成，實現減薄拋光一體化連續加工的工藝性能，故機架結構既要保證與減薄設備對接，又要保證運行過程中減少變形量，從而確保拋光效果。故此，這兩項結構的設計與優化，對整機設備的研發具有重要意義。

1 整機結構及性能特點概述

PG-300 去應力拋光機是減薄拋光機采用Slurry 拋光方式時的拋光系統，用來去除晶圓減薄過程中的殘余應力。PG-300 調試完成后，再集成到減薄模組中，共同組成可用于超薄晶圓的晶圓減薄拋光機。PG-300 去應力拋光機主要由拋光主軸、承載器單元、拋光頭擺動單元（Y 軸）、PAD修整單元、機架及電氣箱模塊以及拋光液供給單元組成。

依照市場需求分析，我們的設備技術指標、性能指標以及環境要求為：

（1）PG-300 去應力拋光機的主要技術指標應達到：

拋光片直徑：300 mm(12 英寸)、200 mm(8 英寸)

承載器直徑：400 mm

承載器行程：90 mm

拋光頭轉速：10～300 r/min

拋光頭擺動單元（Y 軸）行程：240 mm

PAD 修整單元直徑：210 mm

PAD 修整單元轉速：5～100 r/min

拋光壓力（max）：1800 N

（2）為了滿足設備的技術指標，PG-300 去應力拋光機的機械系統必須具備的性能為：

防腐蝕性及防水功能好；

設備精度穩定可靠；

拋光時晶片受壓均勻，振動小；

承載器端面跳動值≤0.03 mm；

拋光頭花鍵軸與Chuck table 垂直度≤0.008 mm；

操作簡便，維護性好。

2 拋光頭主軸的結構設計

拋光頭主軸系統作為拋光機的重要組成部分，既要旋轉、又要升降，并且在拋光過程中加壓。拋光頭主軸組件主要由拋光壓力加載單元、進給單元、旋轉單元構成，并采用經過預壓消隙的滾珠花鍵軸作為拋光頭主軸，不僅可以傳遞拋光所需要的工作轉矩，而且還可以實現零摩擦滑動加壓，大大提高了控制壓力的控制精度；此外為了調整拋光頭主軸與Chuck Table 的垂直度，還設計了調平機構。

安裝花鍵軸時需要保證它與Chuck table 的垂直要求，控制安裝結構（軸承座）、花鍵套、花鍵軸與承載器連接法蘭、承載器等零件的加工精度，選擇合適的軸承配合，同時還要控制裝配誤差，以實現花鍵軸與拋光盤的垂直度精度要求。

拋光頭調平結構用于調整拋光頭主軸與Chuck table 之間的垂直度，調平機構采用的3 套雙螺栓嵌套結構，其主要由緊固螺栓、調平頂絲、防松法蘭、下基板、Y 向滑板組成，如圖1所示。調整花鍵軸安裝結構的基準——下基板；通過調整3 個調平頂絲，使得下基板與Chuck table 平行。

圖1 拋光頭調平機構示意圖

其基本原理為調平頂絲和下基板之間形成螺紋配合，通過調整調平頂絲的旋入量就可以調整下基板和Y 向滑板之間的距離從而調整各點高度。該結構中一共設計有3 個調平點，當各點高度調整合適后，擰緊緊固螺釘，并通過防松法蘭上的4 個螺釘來頂緊調平頂絲，防止其在旋轉緊固螺栓的過程中被摩擦力改變預先調好的位置。通常，在實際調節過程中，可以固定一點不動，調節其余2 點。

花鍵軸與下基板垂直度保證措施：

（1）通過花鍵軸安裝結構設計保證花鍵軸與安裝結構垂直——保證軸承座兩軸承安裝孔的同軸度不超過8 μm；

（2）軸承選用P4 級角接觸球軸承，軸承外圈與軸承座的配合：JS5/h4，軸承內圈與花鍵母之間的配合：H4/k5；

（3）花鍵軸與承載器之間是通過轉接法蘭來連接的。轉接法蘭是通過錐面和花鍵軸連接，這種連接方法具有很好的定位特性，有助于提高裝配精度，便于拆裝。而轉接法蘭和拋光頭之間是通過一個平面進行剛性連接。如圖2所示。

圖2 花鍵軸與承載器連接結構示意圖

（4）軸承座內孔及其軸肩精度保證圓錐滾子軸承外圈與軸承座精密配合；而軸承座法蘭的垂直度則可控制主軸不會傾斜，保證承載器水平。

3 機架設計優化過程

拋光過程中采用的是堿性拋光液，考慮到工作過程中拋光液中化學溶液的揮發性、腐蝕性和工作區域的潔凈度要求，理想的設備外形應當為全封閉結構。另外，機架部件是拋光盤部件和拋光頭部件的安裝基準，對各部件之間的連接精度（拋光頭花鍵軸與拋光盤的垂直度）有重要影響；此外設備的穩定性，抗震性，抗干擾能力，維護性，及電氣箱的布置，氣路水路布局，設備與外部的接口等都將在機架的設計中得到充分的體現，經工藝調研可將本設備機架的設計要求總結為：

（1）可加工性好，性能穩定，精度保持性好，不易變形；

（2）工作區的防腐蝕設計；

（3）維修、維護的便利性設計。

機架設計要保證整機系統得穩定，抗震性好，強度高，最大應變位移不得超過2 μm。因此采用焊接結構，材料為SUS304；此外，下面底座及上表面要為導軌板提供安裝基準，所以同時要保證4 個底座與上表面的平面度要求。（方剛規格80 mm×120 mm×8 mm）。

對原機架結構，根據實際裝載定位情況及載荷分布，由最大拋光壓力為1 800 N，均布施加于鋼材上表面。用SOLIDWORKS 軟件中COMMOS進行力學網格化分析，得到機架壓力應變分析圖（見圖3（a）），并找出最大變形點，分析危險變形區域數值（見圖3（b）），發現變形數值過大，不符合要求，遂根據應變情況改變結構。

對最大變形橫梁添加板筋，板筋厚度30 mm，使得橫梁成為工字梁。并根據實際拋光情況，對機架拋光時應該為向上壓力改變，故調整壓力為向上，均布施加于托板導軌槽表面。分析得出最大變形位置改變，變形量下降，但依然不滿足要求。須繼續改變。機架正前方變形較大四邊形添加斜鋼結構型材，分析結構應變情況，變動很小，繼續改變方案。嘗試與其他外部結構設計人員協商移動下支梁，應變大幅度降低。并在托板下側添加多條加強筋，減小托板應變。

得到機架壓力應變分析圖（見圖4（a）），并找出最大變形點，分析危險變形區域數值（見圖4（b）），發現變形數值為1.097 μm，符合要求，遂根據應變情況改變結構，選擇此方案定稿。

圖3 機架壓力應變分析圖（一）

圖4 機架壓力應變分析圖（二）

4 結束語

集成電路產業飛速發展，與之對應的晶圓加工設備市場不斷增大。實現對減薄與拋光設備的技術跟蹤與超越，對我國電子工業的穩定發展至關重要。PG-300 去應力拋光系統在拋光頭組件設計、溫度控制系統、機架結構優化等方面，綜合考量工藝要求及技術能力，采用正向設計理念，具有一定的先進性。我們堅信，堅持實事求是的發展規律，全面借鑒和消化國內外的先進技術和經驗，勇于改進創新，終會使我國集成電路產業取得更大成就。

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