CMP設(shè)備修整器防撞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

張繼靜，劉福強(qiáng)，張金環(huán)，田知玲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是對(duì)半導(dǎo)體材料或其他類(lèi)型材料襯底進(jìn)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(guò)程。CMP晶圓拋光是通過(guò)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(shí)現(xiàn)精密研磨，同時(shí)使用修整器(Pad Conditioner)對(duì)拋光墊進(jìn)行修整。在控制異常或參數(shù)設(shè)置不合理的情況下，拋光頭和修整器兩個(gè)模塊運(yùn)行的區(qū)域會(huì)有交叉，有可能導(dǎo)致它們相互碰撞，防撞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械拋光（CMP）是將拋光液的化學(xué)腐蝕和拋光墊對(duì)晶圓的機(jī)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(jī)械拋光工作原理

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

1.1 晶圓夾持機(jī)構(gòu)

拋光頭旋轉(zhuǎn)到上片工位后，下降到晶圓裝載機(jī)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(duì)晶圓進(jìn)行夾持，然后上升并旋轉(zhuǎn)，回到拋光臺(tái)上相應(yīng)位置進(jìn)行拋光。拋光時(shí)，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(huì)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(lèi)和技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行供給。

1.3 拋光墊修整機(jī)構(gòu)

圖2 修整運(yùn)動(dòng)示意圖

2 修整器和拋光頭的工作空間與碰撞

在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，拋光頭和修整器都有其運(yùn)行的空間范圍。正常工作時(shí)間內(nèi)，兩者互不干涉，而在控制異常或參數(shù)設(shè)置不合理的情況下，二者會(huì)發(fā)生碰撞。

2.1 碰撞后果

在拋光工作過(guò)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(huì)受到較大損傷，影響拋光工作效率，同時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)確定

拋光過(guò)程中需要進(jìn)行晶圓傳遞時(shí)，拋光頭以設(shè)備中架A點(diǎn)為軸，以拋光頭所在機(jī)構(gòu)擺臂AC為最大半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時(shí)修整器停止擺動(dòng)。當(dāng)拋光頭夾持晶圓進(jìn)行研磨時(shí)，會(huì)在半徑方向不斷進(jìn)行內(nèi)外平移，運(yùn)行位置在近端B和遠(yuǎn)端C之間。此時(shí)，修整器以F點(diǎn)為軸，以其擺臂為半徑在D和E之間擺動(dòng)。位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 拋光頭與修整器運(yùn)動(dòng)范圍示意圖

當(dāng)拋光頭移動(dòng)到近端B時(shí)，與修整器的碰撞點(diǎn)為M，碰撞垂直線與修整器半徑的夾角為α，如圖5所示；當(dāng)拋光頭移動(dòng)到遠(yuǎn)端C時(shí)，與修整器的碰撞點(diǎn)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(diǎn)

圖6 拋光頭與修整器的遠(yuǎn)端碰撞點(diǎn)

3 防撞機(jī)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(hào)輸入裝置，其作用是在碰撞發(fā)生時(shí)，由碰撞傳感器檢測(cè)碰撞信號(hào)，并將信號(hào)輸入到安全PLC中，系統(tǒng)收到碰撞信號(hào)后發(fā)出停止運(yùn)行指令。

碰撞傳感器按結(jié)構(gòu)主要分為以下三種[4]：

（1）機(jī)電結(jié)合式：利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)使電氣觸點(diǎn)的通斷來(lái)控制安全電路；

（2）電子式：利用碰撞時(shí)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(lái)控制安全電路；

（3）水銀開(kāi)關(guān)式：利用水銀的導(dǎo)電特性控制安全電路。

對(duì)于因短距離內(nèi)二次換裝而導(dǎo)致總運(yùn)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(yùn)價(jià)，適當(dāng)降低兩端作業(yè)費(fèi)用，提高效率以縮短兩端作業(yè)時(shí)間，弱化水上“巴士”二次換裝的劣勢(shì).

3.2 防撞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)電結(jié)合式碰撞傳感器實(shí)現(xiàn)防撞設(shè)計(jì)的功能。

圖7 修整器機(jī)構(gòu)

為了使碰撞時(shí)有效地觸發(fā)微動(dòng)傳感器，將傳感器安裝的工件表面盡量設(shè)計(jì)成與運(yùn)動(dòng)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(jì)

考慮到修整器研磨拋光墊的過(guò)程中會(huì)接觸到大量的拋光液，所以對(duì)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(jī)構(gòu)組成

修整器防碰撞系統(tǒng)包括：微動(dòng)傳感器、I/O接口、信號(hào)處理器、修整器擺臂電機(jī)和拋光頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)等。

通過(guò)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(hào)后停止修整器擺臂電機(jī)和拋光頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行。防撞機(jī)構(gòu)的基本工作原理如圖9所示。

圖9 防撞機(jī)構(gòu)基本原理

設(shè)計(jì)選用的HD110S微動(dòng)開(kāi)關(guān)[5]，最大受力130 g，最大行程1 mm。修整器擺臂電機(jī)運(yùn)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(yùn)行距離為0.2 mm（小于1 mm）。在未達(dá)到碰撞傳感器的極限反應(yīng)距離時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)停止拋光頭和修整器擺臂電機(jī)運(yùn)行，不會(huì)對(duì)修整器和拋光頭造成損壞。

試驗(yàn)獲取的修整器碰撞前后擺臂運(yùn)行速度曲線如圖10所示。

圖10 修整器運(yùn)行速度曲線

4 結(jié) 論

該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了防撞功能，目前國(guó)內(nèi)外在同類(lèi)型產(chǎn)品中還尚未使用。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)某客戶的應(yīng)用驗(yàn)證，該功能可以精準(zhǔn)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(jì)損失，安裝后可以達(dá)到一勞永逸的效果。成功的應(yīng)用驗(yàn)證為更多的設(shè)備廠商采用此功能提供了指導(dǎo)作用。