晶片雙面磨拋壓力控制系統(tǒng)的研究

孫莉莉，韋 薇，張爭光，徐品烈，高 岳

(1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；2.中電科電子裝備集團有限公司，北京 100176)

目前，晶片的雙面磨拋方法主要包括機械雙面研磨、機械雙面拋光、化學機械拋光和化學拋光。機械雙面研磨和機械雙面拋光是在專用雙面磨拋裝置中，依靠晶片上下兩面在液體磨料、拋光墊及加壓作用下，實現(xiàn)對晶片的研磨和拋光，去除晶片表面損傷層，提高表面平整度，減小表面粗糙度。化學機械拋光和化學拋光是在機械拋光過程的基礎上，加入化學腐蝕液腐蝕晶片表面，有利于減小晶片表面粗糙度，但化學機械拋光過程的機械拋光和化學腐蝕之間的平衡通常較難控制，且化學腐蝕會改變晶體表面的化學計量比，使表面富碲。因此，機械雙面研磨和機械雙面拋光是晶片表面處理的基礎，對其進行深入研究十分必要。

本文涉及的晶片雙面磨拋機是實現(xiàn)這種工藝方法的設備，其壓力控制的精度、速度以及穩(wěn)定性直接影響了晶片的表面質(zhì)量以及磨拋效率。本文針對碲鋅鎘晶片雙面磨拋設備的壓力控制要求，研究滿足雙面磨拋工藝技術要求的壓力控制系統(tǒng)，并進行測試驗證。

1 晶片雙面磨拋機工藝過程和原理

1.1 晶片雙面磨拋機工藝過程

晶片雙面磨拋一般分為兩步：雙面研磨和雙面拋光。在雙面研磨階段，采用底盤+玻璃研磨盤+金剛石顆粒液的方式，研磨壓力控制在1～500 N，雙面研磨去除量較大，目的是迅速地去除晶片絕大部分的多余材料（加工余量的70%）；在雙面拋光階段，采用底盤+絨毛拋光布+專用拋光液的方式，主要是消除研磨時形成的損傷層，達到所要求的精度。

1.2 晶片雙面磨拋機工作原理

采用渦輪蝸桿減速機作為傳動機構(gòu)，通過齒輪組實現(xiàn)芯軸、小齒輪軸、內(nèi)齒輪軸、下拋光盤軸以不同速度、不同方向轉(zhuǎn)動，使上、下研磨拋光盤和游輪片產(chǎn)生速度差以及相對運動，實現(xiàn)上、下磨拋盤以相反方向轉(zhuǎn)動，而晶片置于齒輪組驅(qū)動的游輪片內(nèi)孔中，晶片在游輪片內(nèi)作既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)的游星運動，晶片上下兩面在液體磨料、拋光墊及加壓作用下，達到雙面去除材料的目的，如圖1所示。

圖1 晶片雙面磨拋原理示意圖

1.3 晶片雙面磨拋機壓力控制原理

通過載荷傳感器測得整個浮動機構(gòu)的總重力，浮動機構(gòu)包括支撐座、直線軸承、上磨拋盤以及彈簧，支撐座與直線軸承通過彈簧連接，當拋光盤與晶片未接觸時，如圖2（a）所示，此時彈簧的形變量最大，載荷傳感器測得自重時浮動機構(gòu)的總重力，為載荷傳感器的初始值。當拋光盤向晶片施加一定壓力時，如圖2（b）所示，此時彈簧的形變量變小，載荷傳感器測得浮動機構(gòu)總重力變小。自重時和加壓時傳感器測得浮動機構(gòu)總重力的差值即晶片所受到的壓力值。

圖2 壓力控制原理示意圖

2 壓力控制系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

設備的加壓系統(tǒng)由PLC(可編程控制器)、AD轉(zhuǎn)換模塊、放大器、載荷傳感器、伺服控制器、伺服電機及編碼器等構(gòu)成。其中PLC用于設定目標壓力、控制模式和控制參數(shù)，計算壓力值，讀取過程值、狀態(tài)等。根據(jù)當前壓力與目標壓力的偏差進行閉環(huán)計算，輸出電機的運行速度，伺服控制器根據(jù)速度向電機發(fā)送運動信號，電機運行，使當前壓力值逐漸接近目標值。最后由載荷傳感器檢測信號經(jīng)放大器放大和AD模塊轉(zhuǎn)換后反饋給PLC，得出當前壓力值。

2.2 壓力控制設計

雙面磨拋設備要求在磨拋過程中壓力緩慢增加，在一定時間內(nèi)達到設定壓力且保持穩(wěn)定狀態(tài)，壓力波動范圍不宜過大，否則導致晶片碎裂。為了保證壓力控制的精度、速度以及穩(wěn)定性，建立了壓力控制模型，控制框圖如圖3所示。

圖3 雙面磨拋壓力控制框圖

首先，壓力控制包括實際壓力計算、設定壓力與實際壓力的偏差計算和電機運行速度控制等。假設傳感器信號轉(zhuǎn)換系數(shù)為M，AD轉(zhuǎn)換值為N，傳感器的值為F，載荷傳感器信號轉(zhuǎn)換公式為：

實際壓力值為傳感器初始值與傳感器當前值的壓力差，假設實際壓力為FA，傳感器初始值為FI，傳感器當前值為FC，那么實際壓力的計算公式為：

設定壓力為FS，實際壓力為FA，那么偏差值ΔF=FS-FA。

電機的運行速度V直接影響壓力變化的速度，要保證在一定時間內(nèi)達到設定壓力，且保持壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么隨著壓力偏差ΔF逐漸減小，電機的運行速度V也會減小，假設速度與壓力偏差的關系為：

V=n×ΔF(n為常數(shù))

即V=n×(NC-NS)×M

其中，NC為傳感器當前的AD轉(zhuǎn)換值，

NS為傳感器設定的AD轉(zhuǎn)換值。

為保證壓力在調(diào)整各階段均能平穩(wěn)控制和提高系統(tǒng)的響應速度。首先，將PLC的刷新周期和伺服系統(tǒng)加減速時間[1]調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)；其次，本文將壓力變化分為快增、慢增、慢減、快減4個階段，分別采用不同的系數(shù)n，由工藝根據(jù)壓力變化狀態(tài)自動選取。

2.3 程序設計

設備控制系統(tǒng)采用三菱FX5U系列PLC為主控制器，壓力控制程序主要由壓力的閉環(huán)控制、通信、控制邏輯三個部分構(gòu)成。其中控制邏輯部分包括壓力控制的開/關、報警、保護等邏輯，通信部分包括狀態(tài)讀取和數(shù)據(jù)處理。壓力閉環(huán)控制包括讀取壓力傳感器數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)和命令，進行計算，輸出伺服電機的運行速度和運行方向。

3 測試及結(jié)果分析

當下盤靜止時，上盤在向晶片施加壓力時，壓力到達設定值時，壓力可一直保持恒定狀態(tài)，在下盤開始旋轉(zhuǎn)且?guī)由媳P反方向旋轉(zhuǎn)時，壓力到達設定值后不再調(diào)節(jié)，壓力會在一定的誤差范圍內(nèi)波動。可先確定下盤旋轉(zhuǎn)時壓力的誤差范圍，在確定壓力到達設定值后調(diào)節(jié)誤差電機的運行速度，最后根據(jù)壓力控制要求的時間范圍，確定加壓過程的電機的運行速度。具體方法如下：

（1）分別手動施加50 N、100 N、200 N的壓力，到達設定值時不再調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)下盤轉(zhuǎn)速為5 r/min，觀察壓力的變化范圍，再將轉(zhuǎn)速改為10 r/min和20 r/min，觀察壓力的變化范圍；

（2）壓力到達設定值后，根據(jù)壓力偏差，手動修改系數(shù)n的值，使壓力的精度控制在±1 N以內(nèi)，可確定慢增、慢減階段的系數(shù)n；

（3）根據(jù)雙面設備的工藝要求，實現(xiàn)緩慢加壓的過程，壓力到達設定值的時間控制在20 s內(nèi)，可確定快增、快減階段的系數(shù)n。

通過方法(1)得出，在下盤轉(zhuǎn)速為20 r/min時，壓力的變化范圍最大，誤差在±8 N以內(nèi)，設定壓力的大小對誤差影響較小。

通過方法（2）、（3）壓力得出控制系統(tǒng)的控制參數(shù)如表1所示。

表1 壓力控制系統(tǒng)的控制參數(shù)

在晶片雙面磨拋機上進行實驗，壓力從0增加到100 N并穩(wěn)定，整體的壓力曲線如圖4所示，壓力穩(wěn)定后曲線如圖5所示。

圖4 壓力增大及穩(wěn)定過程曲線

圖5 壓力穩(wěn)定過程曲線

從圖4可以看出，從開始加壓到壓力到達設定值的時間在20 s內(nèi)，且壓力緩慢增大，從圖5可以看出壓力控制的精度在±1 N以內(nèi)，滿足設備壓力控制的要求。

現(xiàn)用晶片雙面磨拋機加工一組硅片，取15片硅片，3片一組，分5組，把硅片放置在游輪片孔洞內(nèi)，編輯工藝參數(shù)，設置合適的壓力和下盤轉(zhuǎn)速，運行10個階段自動雙面磨拋過程，得到實際壓力變化的曲線如圖6（截取其中2個加工階段）所示，以及壓力穩(wěn)定過程放大后的曲線如圖7所示。

圖6 實際壓力控制曲線

圖7 實際壓力穩(wěn)定后曲線

從圖6和圖7可知，加工過程中壓力實際曲線可以很好地跟隨設定值的變化，特別在加工過程中壓力緩慢增加階段，加壓速度和壓力控制精度符合工藝要求。

4 結(jié) 論

通過測試結(jié)果可以看出，設計的壓力控制系統(tǒng)可以滿足晶片雙面磨拋設備的壓力控制的要求。通過對參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，可以保證壓力控制精度、速度以及穩(wěn)定性，實際壓力可以很好地根據(jù)設定值的變化而變化，完全滿足生產(chǎn)工藝要求。