18B型超精密双面抛光机设计【文献综述】

文献综述

机械设计制造及其自动化

18B型超精密双面抛光机设计

一、概述

随着微电子技术和信息技术的快速发展, 各种光电子器件取得惊人的成果，它集成了现

代机械、光学、计算机、电子、测量及材料等先进技术，已成为国家科学技术发展水平的重

要标志。同时，对作为光电子器件基片材料的蓝宝石、单晶硅等人工晶片的表面粗糙度和平

整度的要求越来越高，有的甚至要求获得纳米级的加工精度的超光滑无损伤加工表面，并且制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片等元件基片的最终加工均采用超精密平面抛光, 要求有极高的平面度, 两端面严格平行且无晶向误差。因此如何高效地获得光电子晶片超平

滑无损伤表面已成为超精密抛光加工技术的研究热点。由于双面抛光加工作为晶片超平滑表

面加工最有效的技术手段之一，自然而然的在近年来受到了超精密加工研究领域和光电子材

料生产加工企业的广泛关注与重视。

二、已有文献综述及评价

硅单晶材料发展动态[1]（邓志杰，2000）概述了现代特大规模集成电路对单晶片的质量要求、直拉硅单晶生长工艺及晶片加工技术研究进展和硅单晶材料市场现状及发展趋势.硅单晶作为现代信息社会的关键性支撑材料已有半个世纪的发展历史。为了满足现代盐碱规模集成电路（UISI）对单晶材料越来越严格的要求，单晶硅在水断增大直径的同时，对生长工艺和晶片加工进行了深入的研究，并不断取得新进展。

MS 6BC 型精密双面抛光机的研制[2]（张璟, 胡刚翔,马树林1,李伟,叶怀储，2008）从研磨加工现状及传统研磨的缺点中探讨新的研磨技术，这时固着磨料高速研磨技术应运而生。但固着磨料研磨也存在一个新问题，就是磨具在研磨中会出现磨损，这就导致了磨具面形精度下降，以致被加工件面形精度下降，这就要求人们要经常地及时地修整磨具。固着磨料研磨所用的磨具表面上固结着极为耐磨的磨料，这使磨具修整十分困难，因此限制了固着磨料研磨的广泛应用[2]。同时，浮动研磨也给解决磨具磨损问题带来很多困难。书中分析了平面固着磨料高速研磨中工件的受力，影响工件运动的因素，磨具均匀磨损理论与工件均匀研磨，对工件表面性能的影响；研究了多种研磨机加工原理，如：双平面高速研磨、球面高速研磨、圆柱面高速研磨、二次曲面高速研磨等，最常用的是平面研磨；还对磨具中磨料、

瓦片及制作作了一番说明，是一本目前为止较为详尽的参考文献。

晶片材料的超精密加工技术现状[3]（魏昕,杜宏伟,袁蕙,解振华，2004）探讨了晶片材料在光学元件和超大规模集成电路中的重要性，指出硅片的超精密加工技术已成为硅片加工研究的焦点。

精密与超精密加工技术综述[4]（王先逵，1999）首先提出精密及超精密加工的技术内涵，从先进制造技术的实质而论,主要有精密加工技术和超精密加工技术、制造自动化两大领域。；论述了精密加工和起精密加工技术的范畴、加工方法、系统结构及其在先进制造技术中的作用和地位；分析了21世纪初期对它的需求和技术发展趋势，并提出了相应的技术发展前沿；最终归总了技术发展特点。

精密和超精密加工技术[5]（袁哲俊,王先逵, 1999）里讲到，目前，在工业发达国家中，一般工厂已能稳定掌握的加工精度是0.1μm，与此相应，将加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称为普通机械加工，将加工精度在0.01～0.1μm，加工表面粗糙度在Ra0.01～0.02μm之间的加工方法称为精密加工。本书从精密加工和超精密加工技术现状出发，介绍了精密加工和超精密加工的各种方法，以及对各种方法中的加工影响因素作出具体分析。

超精密加工技术[6]（杨建东，1998）介绍了长春光学精密机械学院在超精密加工技术方面作出的一些研究，主要有超精密车削、超精密铣削、超精密固着磨料研磨及磁性磨料研磨。目前对于超精密加工还没有确切统一的定义，文中对超精密加工的定义为：加工精度高于0.01μm，粗糙度优于0.02μm的加工，就是超精密加工。长春光学精密机械学院是全国唯一所以光学精密机械为主体的学校，专业设置主要是围绕着光学精密机械，许多专业与超精密加工技术有着十分密切韵关系，因此许多教师早就开始了超精密加工技术的研究，并取得了较大成就，成果在许多方面都达到了国际先进水平，为学院的发展和建设以及对超精密加工技术进步起到了很大的促进作用。特别是超精密研磨中的固着磨料高速研磨和磁性磨料研磨上有相当大的造诣，许多著名专家对他们的成果给予高度评价。

国内外硅片磨抛设备发展评述[7]（谢中生，1998）指出硅片磨抛设各的发展较快，成熟较早；八十年代中期业已进入完善阶段，其产品各具特色。本文从总结特点出发，评述其水平与发展。首先提出硅片(包括带图形的晶片)磨／抛设备,通常分三类：化学磨抛、机械磨抛和化学机械磨抛(即CMP)。化学磨抛，已很少采用。文中仅就机械磨抛设备的发展作一评述；然后文中概括了国外硅片磨抛设备特点有: 一、设备趋向刚性化。随着片径的增大(通常为0200 mm)，磨抛机上下定盘的直径明显加大，设备的刚度愈来愈高；二、上下磨抛定盘普遍采用水冷式。为了散失磨抛过程中产生的大量热量，不致使片子和磨抛盘受热而变形，从而使其保

证平面度；三、多主轴结构形式；四、片子加工更加精细化。象GMN公司生产的MRS一2 R300S、MPS—R'I、500等多种系列机，都选用了“向下”进给总量法：即粗进刀一精进－火花磨削一零点－自动切换；五、从发片到收片全部自动化。六、功能齐全化。最后分析了国内现状：和国外的同类设备有一定的差距，关键设备只能依靠进口。

平面研磨加工中工件转速的理论分析[8]（杨鑫宏，张伟，胡孝勇，2003）一文在考虑了磨具上金刚石丸片的实际排列以及接触区压强的实际分布的基础上，通过对加工过程中的力学和运动学的分析，研究了工件转速的影响因素，并重点探讨了工件半径和偏心矩对工件转速的影响。

磨具均匀磨损的研究[9]（杨鑫宏,胡孝勇，2003）从研究磨具与镜盘接触区压强分布和相对运动速度入手，分析了平面研磨时磨具均匀磨损的条件以及各种因素对磨具均匀磨损的影响。固着磨料研磨采用浮动加工方式，工件的面形精度主要靠磨具来保证。而磨具在加工过程中不断发生磨损，其面形精度逐渐变差。为了确保工件的表面质量，势必要经常修整磨具，不仅降低了效率，而且也增加了成本。因此，如果能较好地利用加工过程中工件对磨具的磨削作用，使磨具经过一次修整后，在此后的加工过程中能够保持原有面形，也就是使磨具在加工过程中保持均匀磨损，就能保证在较长时间内加工的工件具有较好的面形精度。

CMP设备市场及技术现状[10]（董志义，2000）为了进一步提高生产效率和降低成本，制备器件衬底的硅片现正在由直径200mm圆片向直径300mm圆片过渡，对这种社底必须进行全民平坦化。多年的研究表明，需要对多层布线互联结构中绝缘体、导体、层间介质（ILD）、镶嵌金属W、Al、Cu、Au、多晶硅、硅氧化物等进行平面化处理，化学机械抛光（CMP）则是唯一的全局平面化技术。本文综述了全球CMP设备市场概况及适应0.18微米工艺平坦化要求的CMP技术现状，给出了向直径300mm圆片转移过程中CMP技术占用成本及CMP设备性能指标。

化学机械抛光（CMP）技术的发展、应用及存在问题[11]（雷红，马俊杰，雒建斌.2003）随着半导体工业沿着摩尔定律的曲线急速下降，驱使加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。由于器件尺寸缩小、光学光刻焦深的减小，要求片子表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级，传统的平面化技术如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG、低压CVD，等离子休增强CVD、偏压溅射和属于结构的溅射兵器回腐蚀、热回流、淀积－腐蚀－淀积等，这些技术在IC工艺中都曾获得应用。但是，它们虽然也能提供“光滑”的表面，却都是局部平面化技术，不能做到全局平面化。目前，已被公认的是，对于最小特征尺寸在0.35微米及以下的器件，必须进行全局平面化，必须发展新的全局平面化技术。在亚微米半导体制造中，器件互连结构的平坦化正越来越广泛采用化学机械抛光（CMP）技术，这几乎是目前唯一的可以提供在整个硅圆晶片上全面平坦化的工艺技术。本文综述了化学机