單面拋光機(jī)制作工藝
PG-510型單面拋光機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
PG-510型單面拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要由拋光盤組件、拋光頭組件、拋光液流量控制系統(tǒng)、晶片純水沖洗系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等組成。
拋光盤組件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：
拋光盤組件主要包括拋光盤部件、主軸系統(tǒng)、拋光盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、拋光盤溫度控制系統(tǒng)組成。PG-510型單面拋光機(jī)拋光盤組件的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示:
拋光盤組件是拋光機(jī)的核心部件，他的主要功能是拋光過(guò)程中帶動(dòng)粘貼在拋光盤表面的拋光墊作平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)CMP工藝過(guò)程中磨料對(duì)材料表面化學(xué)反應(yīng)物的磨削去除作用。拋光過(guò)程中，不同的階段對(duì)拋光盤的轉(zhuǎn)速要求也不盡相同，在拋光的初始階段，由于材料表面粗糙度較低，極易造成拋光墊的快速磨損和損傷，一般要求拋光盤要慢啟動(dòng)低轉(zhuǎn)速，而在拋光的中間過(guò)程，為了提高拋光效率達(dá)到較高的去除率，要求拋光盤的轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，在拋光結(jié)束時(shí)為了防止納米級(jí)的拋光表面被劃傷，則要求拋光盤能夠?qū)崿F(xiàn)低轉(zhuǎn)速慢停止，整個(gè)拋光過(guò)程中拋光盤的速度曲線為梯形，如圖3所示。
PG-510型單面拋光機(jī)的拋光盤驅(qū)動(dòng)采用變頻器與三相異步電機(jī)來(lái)完成，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)和停止的工藝要求，控制采用PLC模擬量加數(shù)字量控制，模擬量控制轉(zhuǎn)速，數(shù)字量控制方向，整個(gè)拋光過(guò)程中拋光盤的速度最多可分為十個(gè)階段，不同階段可設(shè)定不同轉(zhuǎn)速，整個(gè)過(guò)程中速度的變換由程序自動(dòng)控制完成。PG-510型單面拋光機(jī)拋光盤的速度控制范圍為：0~120r/min。由于藍(lán)寶石晶體硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，拋光過(guò)程中需要施加的拋光壓力大，拋光所需的時(shí)間長(zhǎng)，加上拋光液與材料之間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，拋光過(guò)程中拋光盤表面溫度會(huì)升高，當(dāng)溫度高于40℃時(shí)，粘接晶片的蠟將可能融化，出現(xiàn)掉片、碎片現(xiàn)象，所以藍(lán)寶石襯底材料表面拋光必須對(duì)拋光盤表面溫度進(jìn)行控制。PG-510型單面拋光機(jī)采用冷卻水循環(huán)的方式對(duì)拋光盤進(jìn)行溫度控制，拋光過(guò)程中磁力泵將冷卻水箱中的水經(jīng)主軸空腔內(nèi)的管道輸送到拋光盤的腔體內(nèi)，經(jīng)循環(huán)后將拋光盤表面的熱量帶走，使拋光盤溫度降低，從而達(dá)到拋光盤溫度控制的目的，拋光盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。
拋光盤的溫度控制為：≤40℃。
拋光頭組件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：拋光頭組件主要包括拋光頭驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、壓力加載機(jī)構(gòu)、拋光頭翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、承載器部件等組成，拋光頭組件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
拋光頭驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)固定在承載器上的藍(lán)寶石晶片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用變頻器與三相異步電機(jī)來(lái)完成，其速度控制方式及速度曲線同拋光盤驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相似。升降機(jī)構(gòu)采用氣缸與直線導(dǎo)軌組合的結(jié)構(gòu)，可使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸及承載器部件做上下運(yùn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同樣是通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，升降機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要作用是使拋光過(guò)程中上下料方便。
拋光壓力采用氣缸加載的方式，為了實(shí)現(xiàn)壓力柔性加載避免沖擊造成晶片碎裂，加壓汽缸選用特殊用途的薄膜汽缸，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上我們將拋光頭升降與壓力加載設(shè)計(jì)為兩個(gè)互不干擾的機(jī)構(gòu)，使壓力加載機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)慣性大大減小，提高壓力控制的精確性和靈敏性。拋光頭組件中的承載器部件主要是完成藍(lán)寶石晶片的夾持固定，在CMP拋光工藝中，晶片夾持固定技術(shù)有多種方案，比較成熟且常用的方法有機(jī)械夾持與石蠟粘結(jié)方法、水表面張力吸附夾持方法、靜電吸盤夾持方法、真空吸盤夾持方法、載荷分布完全均勻化夾持系統(tǒng)、多區(qū)域壓力調(diào)整夾持系統(tǒng)等。PG-510拋光機(jī)晶片加持技術(shù)采用的是石蠟粘接與真空吸附相結(jié)合的方法，具體做法是先把要拋光的晶片用石蠟粘接在陶瓷盤上，再利用真空的吸附作用把陶瓷盤吸附在承載器上，承載器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
PG-510型拋光機(jī)的承載器在結(jié)構(gòu)上增加了浮動(dòng)防護(hù)套，防護(hù)套在拋光過(guò)程中可以起到拋光液在拋光盤表面均勻分布的目的，同時(shí)在拋光頭升降、翻轉(zhuǎn)、拋光過(guò)程中可以防止陶瓷盤脫落，具有斷氣、斷電保護(hù)功能。
拋光液供給、純水沖洗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：
PG-510型單面拋光機(jī)的拋光液供給系統(tǒng)采用超潔凈管道與拋光液箱體連接，拋光液流量大小、供給時(shí)間通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制，純水沖洗系統(tǒng)可直接與純水供給系統(tǒng)連接，兩種系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)都具有旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)功能，在初始狀態(tài)，拋光液供給、純水沖洗機(jī)構(gòu)停放在拋光區(qū)域外，當(dāng)拋光過(guò)程中需要供給拋光液或拋光結(jié)束后進(jìn)行晶片沖洗時(shí)，拋光液供給機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到工作位置，工作過(guò)成完成后，再返回到初始位置，兩種機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)采用氣缸驅(qū)動(dòng)，程序自動(dòng)控制，拋光液供給機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)在拋光區(qū)域不同位置如圖7所示。
主要工藝參數(shù)控制方案：
在CMP拋光工藝中，拋光設(shè)備的主要功能是對(duì)工藝條件、主要工藝參數(shù)的調(diào)整和控制。雖然，影響CMP拋光機(jī)理的因素很多，但是大量的研究結(jié)果表明，拋光壓力、上下盤轉(zhuǎn)速及速比，拋光液流量大小、拋光液成份、拋光墊類型等是影響拋光效果的主要因素。PG-510型單面拋光機(jī)的拋光壓力、拋光液流量、上下盤轉(zhuǎn)速等主要工藝參數(shù)均采用模擬量控制，根據(jù)工藝要求在觸摸屏操作界面上輸入工藝參數(shù)值后，PLC把輸入值轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號(hào)，控制元器件再將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的工藝參數(shù)值輸出，從而調(diào)節(jié)氣缸壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量大小。傳感器再把檢測(cè)到的壓力、速度、流量等參數(shù)值，經(jīng)信號(hào)放大與處理，以模擬量反饋給PLC，最后將工藝參數(shù)值顯示在觸摸屏上。其原理如圖8所示。
電氣控制及整機(jī)操作系統(tǒng)：
PG-510單面拋光機(jī)整機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要是由PLC通過(guò)觸摸屏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)控制如圖9所示主要由電源控制單元、程序控制單元、操作顯示單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、I/O數(shù)字控制單元以及模擬量控制單元等組成。整機(jī)操作主要是通過(guò)觸摸屏上的人機(jī)交互界面來(lái)完成，人性化的人機(jī)界面為使用者提供了簡(jiǎn)明扼要的操作流程提示，工藝參數(shù)顯示，故障報(bào)警及故障模式提示。拋光前，操作者可根據(jù)材料工藝要求不同預(yù)先進(jìn)行工藝參數(shù)、拋光時(shí)間設(shè)置，拋光過(guò)程中，操作者也可以對(duì)各工藝參數(shù)直接進(jìn)行修改，對(duì)優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行采集儲(chǔ)存，系統(tǒng)內(nèi)置了可存儲(chǔ)20條工藝方案的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)庫(kù)。
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