全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛書亮，張 博，趙永進(jìn)，王文麗，潘 峰，陳 威

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)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(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光電特性，作為優(yōu)選的外延襯底材料，用于制備高性能HgCdTe 紅外器件[1]?；瘜W(xué)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(guān)乎到后續(xù)外延工藝的效果[2]。目前，用于碲鋅鎘襯底制備的化學(xué)拋光設(shè)備均為手動(dòng)設(shè)備，人工干預(yù)較多，難以保證產(chǎn)品品質(zhì)一致性，生產(chǎn)效率較低。因此，研制全自動(dòng)化學(xué)拋光設(shè)備尤為必要。

1 CZT 晶片化學(xué)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(biāo)以及無(wú)損傷層的襯底尤為重要[3]。

化學(xué)拋光工藝中最為重要的是拋光工藝，其應(yīng)用化學(xué)腐蝕原理，通過拋光液腐蝕晶片表面，同時(shí)拋光盤旋轉(zhuǎn)與晶片表面相對(duì)物理摩擦，去除晶片表面機(jī)械損傷層及隱形缺陷?；瘜W(xué)拋光原理示意圖如圖1 所示。

圖1 化學(xué)拋光原理示意圖

在化學(xué)拋光工藝中，除化學(xué)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(rùn)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(zhì)；

（3）吹干：通過氮?dú)獯蹈煞绞剑稍飹伖馇逑春蟮木?，使其表面無(wú)殘留清洗試劑。

之前，完整的化學(xué)拋光工藝基本使用手動(dòng)機(jī)臺(tái)，需要人工操作的流程較多，對(duì)操作人員的要求較高，工藝效果及重復(fù)性無(wú)法保證。因此，需要設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)化學(xué)拋光設(shè)備。

2 全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)工藝流程及功能設(shè)計(jì)

化學(xué)拋光工藝基本流程如圖2 所示。

圖2 化學(xué)拋光工藝

為了滿足工藝需求，全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)需具備自動(dòng)上料、拋光前清洗、拋光、拋光后清洗、清洗后吹干、自動(dòng)下料以及溶液供給、廢液排放等輔助功能模塊。設(shè)備主要功能實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)主要功能模塊

（1）自動(dòng)上料模塊：具備Z 向模組，可進(jìn)行上料片盒Z 向移動(dòng)，以及對(duì)片盒中晶片進(jìn)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(duì)晶片進(jìn)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(zhuǎn)的拋光臺(tái)上，拋光模塊：旋轉(zhuǎn)的拋光臺(tái)對(duì)晶片進(jìn)行化學(xué)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(duì)晶片進(jìn)行拋光后清洗；

（7）氮?dú)獯蹈赡K：通過對(duì)氮?dú)饪刂?，?duì)晶片進(jìn)行干燥；

（8）X-Y-θ 傳輸模塊：進(jìn)行晶片從拋光后清洗模塊到氮?dú)獯蹈赡K的傳輸，以及從氮?dú)獯蹈赡K到自動(dòng)下料模塊的傳輸；

（9）自動(dòng)下料模塊：具備Z 向模組，可進(jìn)行下料片盒Z 向移動(dòng)，以及對(duì)片盒中晶片進(jìn)行掃描。根據(jù)以上各主要功能模塊，進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖4 設(shè)備整體布局

3 全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，通過對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)拋光的流程控制。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

化學(xué)拋光機(jī)的控制系統(tǒng)采用PLC+HMI+機(jī)器人控制器的總體架構(gòu)，如圖5 所示。HMI 進(jìn)行控制系統(tǒng)的人機(jī)交互；Robot 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯控制，單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制，以及系統(tǒng)之間的通訊控制等。

圖5 全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

PLC 系統(tǒng)采用EtherCAT 總線方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，利用高速背板總線進(jìn)行DI/DO、AI/AO、串口通訊控制。

PLC 系統(tǒng)與 Robot 系統(tǒng)之間、PLC 系統(tǒng)與HMI 系統(tǒng)之間通過EtherNet/IP 協(xié)議進(jìn)行通訊，方便數(shù)據(jù)的傳遞?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

3.2 化學(xué)拋光機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

化學(xué)拋光機(jī)控制系統(tǒng)軟件編程系統(tǒng)采用PLC編程、觸摸屏編程，以及機(jī)器人編程相結(jié)合的方式。主控系統(tǒng)應(yīng)用LAD、ST 語(yǔ)言進(jìn)行PLC 編程實(shí)現(xiàn)；人機(jī)交互采用HMI 組態(tài)方式編程實(shí)現(xiàn)；機(jī)器人控制采用V+ 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。整體軟件架構(gòu)如圖7 所示。通過將各程序模塊有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)拋光流程控制，自動(dòng)拋光流程如圖8 所示。

圖7 全自動(dòng)化學(xué)拋光機(jī)程序架構(gòu)

圖8 全自動(dòng)化學(xué)拋光控制流程

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)CZT 晶片化學(xué)拋光工藝簡(jiǎn)要分析，介紹了一種全自動(dòng)化學(xué)拋光設(shè)備的工藝實(shí)現(xiàn)及整體功能布局設(shè)計(jì)，同時(shí)從硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)兩方面對(duì)整機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了說明。全自動(dòng)化學(xué)拋光設(shè)備滿足了工藝需求，提高了生產(chǎn)效率，減少了人員干預(yù)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和良率。