楊 師，李 偉，王 錚，史 霄

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

減薄與拋光技術(shù)是晶圓加工過(guò)程中必不可少的工序，在集成電路(IC)制造中，已成為與光刻、刻蝕等技術(shù)同等重要、且相互依賴的不可缺少的技術(shù)。是集成電路進(jìn)入0.25 μm 以下節(jié)點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率、降低成本的晶圓全局平坦化關(guān)鍵技術(shù)。隨著微電子技術(shù)向32 nm、22 nm 及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)方向發(fā)展，IC 平坦化工藝仍然是集成電路制造重要的支撐技術(shù)之一。目前，拋光工藝已成功延伸應(yīng)用到22 nm 節(jié)點(diǎn)，在IC 制造工藝中發(fā)揮著重要的作用，已經(jīng)開始向16 nm 節(jié)點(diǎn)制造技術(shù)的應(yīng)用延伸。

在減薄與拋光一體化設(shè)備研發(fā)過(guò)程中，拋光頭主軸及裝載機(jī)架是整機(jī)必不可少的兩大部件。根據(jù)化學(xué)機(jī)械拋光的傳統(tǒng)方法，設(shè)備需實(shí)現(xiàn)拋光頭旋轉(zhuǎn)、升降，并且在拋光過(guò)程中加壓的技術(shù)要求。另外，由于去應(yīng)力拋光系統(tǒng)終將與減薄設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)減薄拋光一體化連續(xù)加工的工藝性能，故機(jī)架結(jié)構(gòu)既要保證與減薄設(shè)備對(duì)接，又要保證運(yùn)行過(guò)程中減少變形量，從而確保拋光效果。故此，這兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)整機(jī)設(shè)備的研發(fā)具有重要意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)概述

PG-300 去應(yīng)力拋光機(jī)是減薄拋光機(jī)采用Slurry 拋光方式時(shí)的拋光系統(tǒng)，用來(lái)去除晶圓減薄過(guò)程中的殘余應(yīng)力。PG-300 調(diào)試完成后，再集成到減薄模組中，共同組成可用于超薄晶圓的晶圓減薄拋光機(jī)。PG-300 去應(yīng)力拋光機(jī)主要由拋光主軸、承載器單元、拋光頭擺動(dòng)單元（Y 軸）、PAD修整單元、機(jī)架及電氣箱模塊以及拋光液供給單元組成。

依照市場(chǎng)需求分析，我們的設(shè)備技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)以及環(huán)境要求為：

（1）PG-300 去應(yīng)力拋光機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到：

拋光片直徑：300 mm(12 英寸)、200 mm(8 英寸)

承載器直徑：400 mm

承載器行程：90 mm

拋光頭轉(zhuǎn)速：10～300 r/min

拋光頭擺動(dòng)單元（Y 軸）行程：240 mm

PAD 修整單元直徑：210 mm

PAD 修整單元轉(zhuǎn)速：5～100 r/min

拋光壓力（max）：1800 N

（2）為了滿足設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，PG-300 去應(yīng)力拋光機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)必須具備的性能為：

防腐蝕性及防水功能好；

設(shè)備精度穩(wěn)定可靠；

拋光時(shí)晶片受壓均勻，振動(dòng)小；

承載器端面跳動(dòng)值≤0.03 mm；

拋光頭花鍵軸與Chuck table 垂直度≤0.008 mm；

操作簡(jiǎn)便，維護(hù)性好。

2 拋光頭主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拋光頭主軸系統(tǒng)作為拋光機(jī)的重要組成部分，既要旋轉(zhuǎn)、又要升降，并且在拋光過(guò)程中加壓。拋光頭主軸組件主要由拋光壓力加載單元、進(jìn)給單元、旋轉(zhuǎn)單元構(gòu)成，并采用經(jīng)過(guò)預(yù)壓消隙的滾珠花鍵軸作為拋光頭主軸，不僅可以傳遞拋光所需要的工作轉(zhuǎn)矩，而且還可以實(shí)現(xiàn)零摩擦滑動(dòng)加壓，大大提高了控制壓力的控制精度；此外為了調(diào)整拋光頭主軸與Chuck Table 的垂直度，還設(shè)計(jì)了調(diào)平機(jī)構(gòu)。

安裝花鍵軸時(shí)需要保證它與Chuck table 的垂直要求，控制安裝結(jié)構(gòu)（軸承座）、花鍵套、花鍵軸與承載器連接法蘭、承載器等零件的加工精度，選擇合適的軸承配合，同時(shí)還要控制裝配誤差，以實(shí)現(xiàn)花鍵軸與拋光盤的垂直度精度要求。

拋光頭調(diào)平結(jié)構(gòu)用于調(diào)整拋光頭主軸與Chuck table 之間的垂直度，調(diào)平機(jī)構(gòu)采用的3 套雙螺栓嵌套結(jié)構(gòu)，其主要由緊固螺栓、調(diào)平頂絲、防松法蘭、下基板、Y 向滑板組成，如圖1所示。調(diào)整花鍵軸安裝結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)——下基板；通過(guò)調(diào)整3 個(gè)調(diào)平頂絲，使得下基板與Chuck table 平行。

圖1 拋光頭調(diào)平機(jī)構(gòu)示意圖

其基本原理為調(diào)平頂絲和下基板之間形成螺紋配合，通過(guò)調(diào)整調(diào)平頂絲的旋入量就可以調(diào)整下基板和Y 向滑板之間的距離從而調(diào)整各點(diǎn)高度。該結(jié)構(gòu)中一共設(shè)計(jì)有3 個(gè)調(diào)平點(diǎn)，當(dāng)各點(diǎn)高度調(diào)整合適后，擰緊緊固螺釘，并通過(guò)防松法蘭上的4 個(gè)螺釘來(lái)頂緊調(diào)平頂絲，防止其在旋轉(zhuǎn)緊固螺栓的過(guò)程中被摩擦力改變預(yù)先調(diào)好的位置。通常，在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中，可以固定一點(diǎn)不動(dòng)，調(diào)節(jié)其余2 點(diǎn)。

花鍵軸與下基板垂直度保證措施：

（1）通過(guò)花鍵軸安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證花鍵軸與安裝結(jié)構(gòu)垂直——保證軸承座兩軸承安裝孔的同軸度不超過(guò)8 μm；

（2）軸承選用P4 級(jí)角接觸球軸承，軸承外圈與軸承座的配合：JS5/h4，軸承內(nèi)圈與花鍵母之間的配合：H4/k5；

（3）花鍵軸與承載器之間是通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭來(lái)連接的。轉(zhuǎn)接法蘭是通過(guò)錐面和花鍵軸連接，這種連接方法具有很好的定位特性，有助于提高裝配精度，便于拆裝。而轉(zhuǎn)接法蘭和拋光頭之間是通過(guò)一個(gè)平面進(jìn)行剛性連接。如圖2所示。

圖2 花鍵軸與承載器連接結(jié)構(gòu)示意圖

（4）軸承座內(nèi)孔及其軸肩精度保證圓錐滾子軸承外圈與軸承座精密配合；而軸承座法蘭的垂直度則可控制主軸不會(huì)傾斜，保證承載器水平。

3 機(jī)架設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程

拋光過(guò)程中采用的是堿性拋光液，考慮到工作過(guò)程中拋光液中化學(xué)溶液的揮發(fā)性、腐蝕性和工作區(qū)域的潔凈度要求，理想的設(shè)備外形應(yīng)當(dāng)為全封閉結(jié)構(gòu)。另外，機(jī)架部件是拋光盤部件和拋光頭部件的安裝基準(zhǔn)，對(duì)各部件之間的連接精度（拋光頭花鍵軸與拋光盤的垂直度）有重要影響；此外設(shè)備的穩(wěn)定性，抗震性，抗干擾能力，維護(hù)性，及電氣箱的布置，氣路水路布局，設(shè)備與外部的接口等都將在機(jī)架的設(shè)計(jì)中得到充分的體現(xiàn)，經(jīng)工藝調(diào)研可將本設(shè)備機(jī)架的設(shè)計(jì)要求總結(jié)為：

（1）可加工性好，性能穩(wěn)定，精度保持性好，不易變形；

（2）工作區(qū)的防腐蝕設(shè)計(jì)；

（3）維修、維護(hù)的便利性設(shè)計(jì)。

機(jī)架設(shè)計(jì)要保證整機(jī)系統(tǒng)得穩(wěn)定，抗震性好，強(qiáng)度高，最大應(yīng)變位移不得超過(guò)2 μm。因此采用焊接結(jié)構(gòu)，材料為SUS304；此外，下面底座及上表面要為導(dǎo)軌板提供安裝基準(zhǔn)，所以同時(shí)要保證4 個(gè)底座與上表面的平面度要求。（方剛規(guī)格80 mm×120 mm×8 mm）。

對(duì)原機(jī)架結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際裝載定位情況及載荷分布，由最大拋光壓力為1 800 N，均布施加于鋼材上表面。用SOLIDWORKS 軟件中COMMOS進(jìn)行力學(xué)網(wǎng)格化分析，得到機(jī)架壓力應(yīng)變分析圖（見圖3（a）），并找出最大變形點(diǎn)，分析危險(xiǎn)變形區(qū)域數(shù)值（見圖3（b）），發(fā)現(xiàn)變形數(shù)值過(guò)大，不符合要求，遂根據(jù)應(yīng)變情況改變結(jié)構(gòu)。

對(duì)最大變形橫梁添加板筋，板筋厚度30 mm，使得橫梁成為工字梁。并根據(jù)實(shí)際拋光情況，對(duì)機(jī)架拋光時(shí)應(yīng)該為向上壓力改變，故調(diào)整壓力為向上，均布施加于托板導(dǎo)軌槽表面。分析得出最大變形位置改變，變形量下降，但依然不滿足要求。須繼續(xù)改變。機(jī)架正前方變形較大四邊形添加斜鋼結(jié)構(gòu)型材，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，變動(dòng)很小，繼續(xù)改變方案。嘗試與其他外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員協(xié)商移動(dòng)下支梁，應(yīng)變大幅度降低。并在托板下側(cè)添加多條加強(qiáng)筋，減小托板應(yīng)變。

得到機(jī)架壓力應(yīng)變分析圖（見圖4（a）），并找出最大變形點(diǎn)，分析危險(xiǎn)變形區(qū)域數(shù)值（見圖4（b）），發(fā)現(xiàn)變形數(shù)值為1.097 μm，符合要求，遂根據(jù)應(yīng)變情況改變結(jié)構(gòu)，選擇此方案定稿。

圖3 機(jī)架壓力應(yīng)變分析圖（一）

圖4 機(jī)架壓力應(yīng)變分析圖（二）

4 結(jié)束語(yǔ)

集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，與之對(duì)應(yīng)的晶圓加工設(shè)備市場(chǎng)不斷增大。實(shí)現(xiàn)對(duì)減薄與拋光設(shè)備的技術(shù)跟蹤與超越，對(duì)我國(guó)電子工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。PG-300 去應(yīng)力拋光系統(tǒng)在拋光頭組件設(shè)計(jì)、溫度控制系統(tǒng)、機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，綜合考量工藝要求及技術(shù)能力，采用正向設(shè)計(jì)理念，具有一定的先進(jìn)性。我們堅(jiān)信，堅(jiān)持實(shí)事求是的發(fā)展規(guī)律，全面借鑒和消化國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，勇于改進(jìn)創(chuàng)新，終會(huì)使我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)取得更大成就。

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