CMP設(shè)備承載臺(tái)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(tái)是支撐整個(gè)工藝過程的核心部件，本文通過分析承載臺(tái)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(tái)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(tái)

CMP 拋光機(jī)承載臺(tái)主要由承載臺(tái)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(tái)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(tái)面上十字轉(zhuǎn)盤座間接固連在承載臺(tái)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(tái)材料選取和臺(tái)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(tái)

2 承載臺(tái)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(tái)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(tái)有限元分析

現(xiàn)經(jīng)過實(shí)際受力分析，鋁合金臺(tái)面工作前后變形0.06 mm，304 不銹鋼臺(tái)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(tái)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(tái)時(shí)需要考慮振動(dòng)現(xiàn)象，了解承載臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)底部添加固定約束，然后對設(shè)計(jì)的承載臺(tái)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(tái)材料主要參數(shù)

圖3 前四階頻率圖

表2 承載臺(tái)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(tái)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(tái)材料主要參數(shù)

表4 承載臺(tái)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(tái)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(tái)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.