全自動化學拋光機系統設計

薛書亮，張 博，趙永進，王文麗，潘 峰，陳 威

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京 100176)

碲鋅鎘(Cadmium Zinc Telluride，CdZnTe，CZT)是一種寬禁帶化合物半導體材料，具有優異的光電特性，作為優選的外延襯底材料，用于制備高性能HgCdTe 紅外器件[1]。化學拋光工藝是CZT 襯底制備過程中的最后一步。CZT 襯底制備直接關乎到后續外延工藝的效果[2]。目前，用于碲鋅鎘襯底制備的化學拋光設備均為手動設備，人工干預較多，難以保證產品品質一致性，生產效率較低。因此，研制全自動化學拋光設備尤為必要。

1 CZT 晶片化學拋光工藝

CZT 晶片是用于外延碲鎘汞的重要襯底材料，因此在外延工藝前，獲取滿足粗糙度與TTV指標以及無損傷層的襯底尤為重要[3]。

化學拋光工藝中最為重要的是拋光工藝，其應用化學腐蝕原理，通過拋光液腐蝕晶片表面，同時拋光盤旋轉與晶片表面相對物理摩擦，去除晶片表面機械損傷層及隱形缺陷。化學拋光原理示意圖如圖1 所示。

圖1 化學拋光原理示意圖

在化學拋光工藝中，除化學腐蝕拋光工藝外，仍需具備如下3 道工藝：

（1）拋光前清洗：通過試劑清洗晶片表面，潤濕晶片；

（2）拋光后清洗：通過不同試劑先后清洗，去除腐蝕后晶片表面殘留拋光液及雜質；

（3）吹干：通過氮氣吹干方式，干燥拋光清洗后的晶片，使其表面無殘留清洗試劑。

之前，完整的化學拋光工藝基本使用手動機臺，需要人工操作的流程較多，對操作人員的要求較高，工藝效果及重復性無法保證。因此，需要設計一套全自動化學拋光設備。

2 全自動化學拋光機工藝流程及功能設計

化學拋光工藝基本流程如圖2 所示。

圖2 化學拋光工藝

為了滿足工藝需求，全自動化學拋光機需具備自動上料、拋光前清洗、拋光、拋光后清洗、清洗后吹干、自動下料以及溶液供給、廢液排放等輔助功能模塊。設備主要功能實現如圖3 所示。

圖3 全自動化學拋光機主要功能模塊

（1）自動上料模塊：具備Z 向模組，可進行上料片盒Z 向移動，以及對片盒中晶片進行掃描；

（2）X-θ 傳輸模塊：將晶片從上料片盒傳送至拋光前清洗工位；

（3）拋光前清洗模塊：通過控制溶液供給，對晶片進行拋光前清洗；

（4）Robot1 傳輸模塊：將通過拋光前清洗后的晶片傳遞至旋轉的拋光臺上，拋光模塊：旋轉的拋光臺對晶片進行化學腐蝕拋光；

（5）Robot2 傳輸模塊：將拋光后的晶片傳遞至拋光后清洗工位中；

（6）拋光后清洗模塊：通過控制溶液供給，對晶片進行拋光后清洗；

（7）氮氣吹干模塊：通過對氮氣控制，對晶片進行干燥；

（8）X-Y-θ 傳輸模塊：進行晶片從拋光后清洗模塊到氮氣吹干模塊的傳輸，以及從氮氣吹干模塊到自動下料模塊的傳輸；

（9）自動下料模塊：具備Z 向模組，可進行下料片盒Z 向移動，以及對片盒中晶片進行掃描。根據以上各主要功能模塊，進行整體布局設計，如圖4 所示。

圖4 設備整體布局

3 全自動化學拋光機控制系統設計

全自動化學拋光機的控制系統設計分為硬件設計與軟件設計，通過對控制系統設計，實現全自動拋光的流程控制。

3.1 控制系統硬件設計

化學拋光機的控制系統采用PLC+HMI+機器人控制器的總體架構，如圖5 所示。HMI 進行控制系統的人機交互；Robot 系統實現機器人運動；PLC 系統實現邏輯控制，單軸或多軸運動控制，以及系統之間的通訊控制等。

圖5 全自動化學拋光機控制系統架構

PLC 系統采用EtherCAT 總線方式進行運動控制，利用高速背板總線進行DI/DO、AI/AO、串口通訊控制。

PLC 系統與 Robot 系統之間、PLC 系統與HMI 系統之間通過EtherNet/IP 協議進行通訊，方便數據的傳遞。控制系統框圖如圖6 所示。

圖6 控制系統框圖

3.2 化學拋光機控制系統軟件設計

化學拋光機控制系統軟件編程系統采用PLC編程、觸摸屏編程，以及機器人編程相結合的方式。主控系統應用LAD、ST 語言進行PLC 編程實現；人機交互采用HMI 組態方式編程實現；機器人控制采用V+ 語言編程實現。整體軟件架構如圖7 所示。通過將各程序模塊有效結合，實現全自動拋光流程控制，自動拋光流程如圖8 所示。

圖7 全自動化學拋光機程序架構

圖8 全自動化學拋光控制流程

4 結束語

通過對CZT 晶片化學拋光工藝簡要分析，介紹了一種全自動化學拋光設備的工藝實現及整體功能布局設計，同時從硬件設計及軟件設計兩方面對整機控制系統進行了說明。全自動化學拋光設備滿足了工藝需求，提高了生產效率，減少了人員干預，保證了產品質量的一致性和良率。