（机械制造及其自动化专业论文）化学机械抛光机机械本体设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路制造技术的发展，晶圆直径不断增大，特征线宽不断减小，对晶圆表 面的全局平坦化和局部平坦化提出了很高要求。目前，化学机械抛光技术( c m p ) 被认 为是能够实现晶圆表面局部平坦化和全局平坦化的最佳方法。 c m p 设备是c m p 技术的必要硬件支持，也是c m p 技术的综合体现。随着c m p 技术的发展，目前的c m p 设备已不仅仅包括机床的机械部件，还包含了c m p 过程的精 确控制、终点监测、在线测量、抛光液输送配给、抛光垫修整等相关技术与系统，并集 成了晶圆的c m p 后清洗、精确传输在内的自动化系统。目前，国内尚没有自主开发的 c m p 设备。 本文首先从c m p 加工的相关理论分析着手，分析了抛光机的运动形式对材料去除 率及材料去除非均匀性的影响。建立了不同运动形式下的材料去除率数学模型，并在此 基础上进行了材料去除率与材料去除非均匀性的数值分析。然后针对轨道式抛光机的两 种基本形式，进行了相关方案的设计。结果表明：弧形轨道式抛光机的运动形式在材料 去除率及材料去除非均匀性上略优于直线轨道式抛光机，但相差很小；而直线轨道式抛 光机在机构实现上明显优于弧形轨道式抛光机。在以上工作的基础上，进行了直线轨道 式化学机械抛光机机械本体及相关零部件的设计工作，并对抛光机的重要部件利用c a e 软件进行了静力学分析。最终完成了直线轨道式抛光机的整体装配件的结构设计和相关 自制零部件设计。 关键词：化学机械抛光；抛光机床：晶圆；平坦化 大连理工大学硕士研究生学位论文 t h em e c h a n i c a ls y s t e md e s i g no fac h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g m a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ei c ( i n t e r g r a t e dc i r c u i t ) p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w a f e rs i z ei s i n c r e a s i n g ，t h ed e v i c ef e a t u r es i z ei ss c a l i n gd o w n , t h ed e m a n d sf o r s u r f a c eq u a l i t ya n d p l a n a r i z a t i o no fw a f e rb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r a tt h ep r e s e n tt i m e ，c h e m i c a lm e c h a n i c a l p l a n a r i z a t i o n ( c m p ) i st h em o s te f f e c t i v et e c h n o l o g yf o rg l o b a la n dl o c a lp l a n a r i z a t i o no f t h e w a f e ri ni cm a n u f a c t u r i n g ac m pm a c h i n ei saa p p l i c a t i o nb a s eo fc m pt e c h n o l o g y ，a n ds h o w st h ed e v e l o p m e n t l e v e lo fc m pt e c h n o l o g y i ti sn o to n l yam e c h a n i c a ls y s t e m ，b u tb e c o m e sc o m p l i c a t e d a u t o m a t i z a t i o ns y s t e mi n t e g r a t i n gm a n yr e l a t i v et e c h n o l o g ya n ds y s t e m ，s u c ha sr e a lt i m e c o n t r o lo fp r o c e s s ，m o n i t o r i n go fe n d - p o i n t ，o n l i n em e a s u r eo fw a f e r ，a p p l y i n go fs l u r r ya n d t r a n s o r t i o no fw a f e r ，p a dd r e s s i n g ，c m pp o s t c l e a n i n ga n ds oo n i ti si m p o r t a n tt od e v e l o p t h ec m pe q u i p m e r i ti no u rc o u n t r y t h i st h e s i sm a i n l yd e a l sw i t hd e s i g no ft h em e c h a n i c a ls y s t e mo fac m pm a c h i n e b a s e d o nt h ea n a l y s i so f 恤ec m pp r i n c i p l e s ，f o rd i f f e r e n tk i n e m a t i cf o r m s ，t h em a t h e m 撕cn l o d e l s o ft h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eo nw a f e ri nc m pa r ee s t a b l i s h e d t h ee f f e c t so ft h ek i n e m a t i c f o r m sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dm a t e r i a lr e m o v a ln o n u n i f o 衄畸 a r ea n a l y z e d ，a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s i nd i f f e r e n tt h ek i n e m a t i cf o r m sa r er e v e a l e d t h e nt w ot y p e so fp o l i s h i n gm a c h i n e w i t ha r c o s c i l l a t i n ga n dl i n e a rr e c i p r o c a t i n gp o l i s h i n gh e a d ，a r e s e l e c t e d i ti ss h o w nt h a tt h e m a c h i n i s mo ft h er o n t e ri sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nt h el a t t e r ，t h o u g ht h e r ea r ea l i t t l ed i f f e r e n c e i nm a t e r i a lr e m o v a ln o n u n i f o r m i t ya n dm a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fb o t hm a c h i n e s t h e p o l i s h i n gm a c h i n ew i t ha l i n e a rr e c i p r o c a t i n gp o l i s h i n gh e a di sd e s i g n e di nd e t m l a n dt h e s t m i ca n a y l s i so fs o m ek e yp a r t sa r ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：c h e m i c a lm e c h n i e a lp o l i s h i n g ；p o l i s h e r ；w a f e r ；p l a n a r i z a t i o n 硕士学位论文 化学机械抛光机机械本体设计 t h em e c h a n i c a ls y s t e md e s i g no fac h e m i c a lm e c h a n i c a l p o l i s h i n gm a c h i n e 国家自然科学基金重大项目( 编号：5 0 3 9 0 0 6 1 ) 资助 作者姓名： 学科、专业： 学号： 指导教师： 完成日期： 王噩玲 狃越制遣盈甚自动盆 z q 3 q 垒q 5 q 康型教授 2 q 逝笙1 2 目 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：圣翌兰鉴 导师签名 龟逮隘 丛年旦月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的选题背景 1 1 1 c l i p ( o h m i c 8 im e c h a n i o a ip o | s h i n g ) 技术概述 整个超大规模集成电路制造技术的趋势可以用“微细化的追求”一言以蔽之【l 】。如 果将曝光上使用的光波长以九表示，曝光机镜片的数值孔径大小以n a 表示，则在投影 曝光中的解析度和焦点深度( 景深，d e p t ho ff o c u s ，d o f ) 分别为解析度确 n a ， d o f = 如 n a 2 。这里，岛是一个与光阻材料及制程条件相关的常数，勃是一个和光 阻相关的常数。从公式中我们可以看出要追求解析度，可以减小曝光波长，或者增加数 值孔径，但同时焦点深度将会变浅。无论采用哪种技术，在解析度提高的同时，曝光的 焦点深度都将会变浅，两者无法兼顾。另一方面，多层互连结构使晶圆表面的平坦化难 度增加。如果晶圆表面的凹凸程度过大，聚焦就有困难，因此随着集成电路特征线宽的 发展，平坦化技术显得尤为重要。 传统的平坦化方法主要有：流动( s p i no i lg l a s s ，s o g ) 热处理法、化学气相沉积 ( c v d ) 、回蚀法等【l 】。但是这些平坦化方法因不同的金属膜或绝缘膜材料的差异性， 其平坦化的能力从数微米到数十微米不等，而且在平坦化过程中，这些方法对于全局平 坦度的调整作用很小，无法满足不断微细化的工艺需求。目前c m p 技术是能实现全局 平坦化和局部平坦化的唯一方法【2 羽。 图1 1 抛光基本原理图 f i 9 1 1s k e l e t o no f t h ec h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gp r o c e s s 化学机械抛光机机械本体设计 化学机械抛光原理如图1 - 1 所示，旋转的工件以一定压力压在旋转抛光垫上，由亚 微米纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件和抛光垫间流动。工件表面在抛光液作用 下产生化学反应，形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除，即在化学成膜和机械去膜 的交替过程中实现超精密表面抛光，人们称这种抛光为游离磨料化学机械抛光。在化学 机械抛光过程中，选用比工件软的磨粒，在化学反应和机械作用的共同作用下从工件表 面去除极薄的一层材料，以获得高精度、低表面粗糙度、无加工损伤层的工件表面f 6 】。 c m p 技术是集化学腐蚀与机械研磨的优点于一体的先进的抛光技术，它可以实现高的 表面质量和零亚表面损伤的加工。 c m p 技术的发展过程与集成电路的发展息息相关，集成电路的不断发展对平坦化 技术不断提出新的挑战，当传统的平坦化技术不能够满足加工要求时，c m p 技术便应 运而生。2 0 世纪8 0 年代中期，i b m 公司利用s t r a s b a u g h 公司生产的抛光机在e a s tf i s h k i l l 工厂进行c m p 工艺开发。1 9 8 8 年m m 公司便将其采用c m p 技术的4 md r a m 工艺转 让给m i c r o nt e c h n o l o g y 公司。不久之后，便与m o t o r o l a 公司联合行动，共同进入功率 p c 机生产力领域。由于i b m 与m i c r o n 和m o t o r o l a 公司联合，技术专家广泛进入c m p 技术领域，使其成为整个半导体工业共同的技术。c m p 技术目前已经拓展到薄膜存储 及微电子机械( m e m s ) 生产领域【7 】。c m p 技术发展主要经历了三个阶段：第一阶段是 在铜布线工艺之前，主要抛光材料为钨和氧化物：第二阶段在1 9 9 7 年2 0 0 0 年，进入 铜双镶嵌工艺之后，抛光材料从二氧化硅扩展到氟硅酸盐玻璃( f s g ) ，这个阶段对应于从 0 2 5um 进入0 1 3pm 节点；第三阶段是采用铜互连和低k 介质材料，抛光对象主要为 铜互连层，层间绝缘膜和浅沟道隔离( s t i ) 等，这个阶段对应于从9 0 r i m 以下节点i s 。 我国在c m p 技术方面的研究起步较晚，目前的c m p 技术研究工作主要集中在4 5 所以及几所大学，而成熟的c m p 工艺开发还不成熟。 1 1 2 国内外c m p 机床发展现状 c m p 技术是超大规模集成电路制造过程中的关键技术之一，c m p 设备作为c m p 技术的载体，是集机械抛光和化学抛光技术优势于一体的先进抛光设备，是原始硅片、 氧化物、钨、层间介质、浅沟道隔离、多晶硅等膜片抛光的优选设备，是铜互连技术中 必不可少的先进制造设备。它己成为设备制造行业进入下一代工艺设备市场的新挑战， 只有迎接挑战，开发工艺及设备，以保障i c 工业持续发展和综合技术逐步提高【刀。 目前半导体制造技术已经跨入9 0 6 5 n m 和3 0 0 m m 时代，到2 0 0 9 年将开始使用直 径4 5 0 m m 的硅片，芯片的特征尺寸将缩小至o 0 7um ，布线结构将达到1 0 层以上，集 成度达到d r a m6 4 g 或9 0 m 个晶体管，c m 2 【9 】。由于金属互连线变的越来越细，层间布 2 大连理工大学硕士学位论文 线将由c u 代替传统的a l 。在i c 制造追求结构微细化、薄膜化和布线立体化的趋势中， i c 特征尺寸达到亚微米级和深亚微米级要求。在多层布线立体结构中，不仅要求在整个 硅片表面的局部平坦化，还要求保证每层的全局平坦化。通常要求每层的全局平整度不 大于特征尺寸的2 3 。如采用目前直径3 0 0 m m 、线宽1 3 0 n m 的制造工艺，硅片的全局平 坦度8 7 n m ，在2 6 4 4 衄n 2 区域内的局部平坦度、 5 0 n m , 且硅片正面的微粗糙度 o 1 n m l 6 8 j o 1 1 1 2 1 。如何达到如此高的局部和全局平坦化；如何去除线宽减少和低k 材 料使用所带来的新缺陷；如何在减低抛光压力的情况下提高生产率；如何减少磨料的使 用以清洗疏水性低k 材料等便成为c m p 设备研发所面临的挑战。 早期抛光机是将硅片贴在一个水平旋转的大压盘上，由上向下压在抛光盘上完成抛 光。目前的大多数抛光机仍采用这种机构，但可提供多种辅助装置，如配置有机器人装 载台、抛光垫修整装置、片子清洗和烘干等设备。虽然对于0 2 5u l n 几何尺寸铝的c m p 工艺现已十分清楚，但对于0 1a m 或更小图形尺寸的新材料( 铜和低k 值一高k 值绝缘 材料) 而言，已向c m p 设备提出了新的挑战。o 1a m 以下技术对c m p 设备系统提出了 更高的要求：如设备集成、抛光头改进、多工序加工、无研磨膏c m p 、终点检测、自 动输送接口、千法清洗圆片( 清洗后每个圆片上的粒子数小于2 0 个) 、每小时加工5 0 片 的生产效率、m t b f 达3 0 0 1 1 、片内均匀性3 及片间均匀性2 等【1 3 1 1 4 1 。 目前，对应于9 0 6 5 n m 技术节点工艺研发的c m p 设备，主要有3 种基本类型：一 种是以应用材料、日本荏原制作所为代表的旋转型c m p 装置，第二种则是以l a m r e s e a r c h 公司为代表的皮带平移式直线型c m p 装置，第三种则是以n o v e l l u s 公司为代 表的轨道式c m p 设备【”1 。世界c m p 设备市场基本被美国、日本、欧洲等发达国家占 据，据v l s i2 0 0 4 年1 2 月报道，2 0 0 4 年上半年全球c m p 设备市场达5 8 8 5 亿美元，各 c m p 主要生产厂家的市场份额占有量如图1 2 所示。从图中可以看出美国的应用材料、 日本的荏原制造所、美国的n o v e l l o u s 市场占有份额为9 5 ，其他如l a m r c s e a r c h 、东京 精密、s t r a s b a u g h 、尼康等占有市场份额的5 左右【1 6 1 。 1 一应用材料公司；2 荏原制造所( e b a r at e c h n o l o g i e s ) ；3 - n o v d l u ss y s t e m 公司；4 一其他 图1 22 0 0 4 年上半年c m p 设备市场份额图 f i 9 1 2m a r k e ts h a r e so f t h ec m pe q u i p m e n to f f i r s th a l f y e a ri n2 0 0 4 大连理工大学硕士学位论文 线将由c u 代替传统的舢。在i c 制造追求结构微细化、薄膜化和布线立体化的趋势中， i c 特征尺寸达到亚微米级和深亚微米级要求。在多层布线立体结构中，不仅要求在整个 硅片表面的局部平坦化，还要求保证每层的全局平坦化。通常要求每层的全局平整度不 大于特征尺寸的2 3 。如采用目前直径3 0 0 m m 、线宽1 3 0 r i m 的制造工艺，硅片的全局平 坦度8 7 r i m ，在2 6 4 4 衄n 2 区域内的局部平坦度5 0 r i m , 且硅片正面的微粗糙度 o i n m 6 、8 j o 1 1 1 2 1 。如何达到如此高的局部和全局平坦化；如何去除线宽减少和低k 材 料使用所带来的新缺陷；如何在减低抛光压力的情况下提高生产率；如何减少磨料的使 用以清洗疏水性低k 材料等便成为c m p 设备研发所面临的挑战。 早期抛光机是将硅片贴在一个水平旋转的大压盘上，由上向下压在抛光盘上完成抛 光。目前的大多数抛光机仍采用这种机构，但可提供多种辅助装置，如配置有机器人装 载台、抛光垫修整装置、片子清洗和烘干等设备。虽然对于o 2 5u n l 几何尺寸铝的c m p 工艺现己十分清楚，但对于0 1 啪或更小图形尺寸的新材料( 铜和低k 值一高k 值绝缘 材料) 而言，已向c m p 设备提出了新的挑战。o 1u n l 以下技术对c m p 设备系统提出了 更高的要求：如设备集成、抛光头改进、多工序加工、无研磨膏c m p 、终点检测、自 动输送接口、干法清洗圆片( 清洗后每个圆片上的粒子数小于2 0 个) 、每小时加工5 0 片 的生产效率、m t b f 达3 0 0 h 、片内均匀性3 及片间均匀性2 等【1 3 】 1 4 1 。 目前，对应于9 0 6 5 r i m 技术节点工艺研发的c m p 设备，主要有3 种基本类型：一 种是以应用材料、日本荏原制作所为代表的旋转型c m p 装置，第二种则是以l a m r e s e a r c h 公司为代表的皮带平移式直线型c m p 装置，第三种则是以n o v e l l u s 公司为代 表的轨道式c m p 设备【1 5 1 。世界c m p 设备市场基本被美国、日本、欧洲等发达国家占 据，据v l s i2 0 0 4 年1 2 月报道，2 0 0 4 年上半年全球c m p 设备市场达5 8 8 5 亿美元，各 c m p 主要生产厂家的市场份额占有量如图1 2 所示。从图中可以看出美国的应用材料、 日本的荏原制造所、美国的n o v e t l o u s 市场占有份额为9 5 ，其他如l a m r e s e a r c h 、东京 精密、s t r a s b a u g h 、尼康等占有市场份额的5 左右1 1 6 1 。 1 一应用材料公司；2 - 荏原制造所( e b a r a t e c h n o l o g i e s ) ；3 - n o v e l l u ss y s t e m 公司；4 - 其他 图1 22 0 0 4 年上半年c 聍设备市场份额图 f i 9 1 2m a r k e ts h a r e so f t h ec m pe q u i p m e n t o f f i r s th a l f y e a ri n2 0 0 4 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 ( a ) 中所示为多头多片旋转式抛光机，该类型抛光机一般安装有4 6 个抛 光头，抛光头和抛光盘绕着各自的轴线做主动旋转，抛光头不摆动。这种形式的抛光机， 每个抛光头可同时装多个硅片( 一般为3 5 片) ，因此加工效率较高。由于受到抛光 盘尺寸的限制，这种多头多片式抛光机一般多用于加工直径一 晚情况下的材料去除的非均匀性优 于1 晚情况下的材料去除的非均匀性优于l 晚情况，并且当 i _ 2 时材料的去除率和非均匀性最好。( 5 ) 由于当摆动半径 _ 时，弧形摆动形 式趋近于直线摆动形式因此，由相同0 角的直线和弧形摆动形式下材料去除率比较可 知，弧形摆动时材料去除率几乎不受摆长( r 3 ) 影响。以上计算结果与苏建修、张红霞 等人f 2 6 也9 】的计算结果基本一致。 大连理工大学硕士学位论文 3c 肿抛光机总体结构方案设计 第2 章中给出了抛光过程中机床运动形式对材料去除率的影响规律，从中可以看出 在相同的加工条件下，弧形轨道式抛光机的材料去除率与材料去除的非均匀性均略微优 于直线轨道式抛光机( 相差很少) 。因此在抛光机的结构方案设计中，优先考虑弧形轨 道式抛光机，而最终采用何种运动形式还要综合比较抛光机机构实现的难易程度。 3 1 弧形轨道式结构方案 机构运动形式：抛光头实现自旋转运动及小幅弧型摆动，并能实现抛光头大幅弧型 摆动( 从加工位到装卸位置) ，完成卸片动作。主运动为抛光盘旋转。 驱动方式：抛光头、抛光盘的旋转均由交流电机驱动，无级调速；抛光头动压调整 由抛光头气缸实现；抛光头小幅弧型摆动由异步电机带动曲柄四杆机构实现；大幅弧型 摆动由气缸推动实现。 有关规格及技术参数： 1 ) 最大工作转速：抛光盘：l o o t m i r a 抛光头：1 0 0 r m i m 均可实现无级调速。 2 ) 最大工作压力：l o p s i 。 3 ) 工件加工直径：3 0 0 r a m ( 抛光盘直径：8 6 0 m m ) 。 4 ) 抛光盘回转精度： 8 “m ； 5 ) 抛光盘端面跳度： 8 p r o 。 3 1 1 抛光盘支撑部件设计方案 膨氮 爿 彭 么 1 抛光盘2 托盘3 交叉滚子轴承4 压紧法兰5 基座 图3 1 抛光盘支撑部件结构图 f i 9 3 1s k e l e t o n o f t h es u p p o r t i n g p a r t s o f t h e p o l i s h i n g p a d 抛光盘支撑部件是实现抛光主运动的主要部件，其面型精度及旋转精度( 轴向、径 向跳度) 直接影响到工件的加工质量。在抛光过程中要求抛光盘部件达到很高的面型精 化学机械抛光机机械本体设计 度，普通轴承的支撑很难达到要求。另外加工过程中，抛光盘需要承受很大的轴向力、 径向力及翻转力矩。 本方案采用高精度交叉滚子轴承支撑，并将中间连接部件减少为零，使抛光盘的回 转精度直接反映轴承的回转精度，最大限度的减小中间配合误差。如图3 1 所示。 3 1 2 抛光头摆动装置方案 抛光头摆动装置主要实现两个运动：在抛光过程中，与抛光头的旋转运动同步进行 的小幅度摆动，属于连续运动；由装卸位到加工位，实现大幅度摆动，属间歇性运动。 根据以上所要求实现的运动形式，并比较实现这一运动形式的多种机构，本方案采 用曲柄四连杆机构与气缸组合的结构形式。为避免曲柄四连杆机构的急回，在加工过程 中造成不必要的动载荷，本机构设计时采用无急回角设计，设计原理示意图如图3 2 所 示。摆角及两极限位已知，连接c l 、c 2 交a 1 1 ) 直线于a 点，交以a 点为圆心，c ，c 2 2 为半径的圆于b l 、b 2 点，则b l c l 为连杆杆长。当摇杆c d 位于c l c 2 中心点c 时曲柄 位于b 点，a b c d 的各边长为曲柄四连杆机构的对应杆长。 图3 2 曲柄四杆机构结构原理图 f i 妒2s k e l e t o no f t h ec r a n kc o n n e c t i n gl i n k 一歹一f 连杆b c 为气缸，加工过程中气缸锁紧，加工完后，气缸活塞推出，由c 点到f 点， 气缸行程为e f 。经计算得出：若在加工过程中采用气缸保压，则所需选用的气缸尺寸 较大。由图中可以看出，当调整摆动角度z c l d c 2 时，而c d 直线位置不变时，需同时 改变四杆机构中的两杆长度才能够实现，机构调整比较复杂。 图3 3 为抛光头摆动机构结构方案图，驱动电机2 根据作用于抛光头上的摩擦力矩 计算选取。摇杆4 与抛光头转动轴5 固接( 即无相对运动) 。小摆幅运动时，相当于普 通连杆；大摆幅运动时由气缸3 的活塞推动摇杆4 实现。 大连理工大学硕士学位论文 根据第2 章中的分析，摆长对硅片表面材料去除率及材料去除非均匀性影响很小， 可忽略不计，抛光头摆动长度可设计成不可调；抛光头摆幅大小及摆动周期设计成可调 式，以满足实验要求。摆幅大小可通过调节曲柄偏距及摇杆长度实现，摆动周期可通过 控制电机转速来实现。 1 曲柄，2 抛光头电机，3 气缸，4 摇杆，5 抛光头转动轴 图3 3 弧形轨道式抛光机小幅摆动机构结构方案图 f i 9 4 3s c h e m eo f t h el a do s c e l l a t i n gd e v i c eo f t h eo s c i l l a t i o np o l i s h e r 3 1 3 抛光头摆动中心及抛光盘装卸位方案 参照第2 章中的理论分析结果，综合考虑抛光过程中抛光垫的利用率问题。选定e 角。如图3 4 所示，为便于比较，将抛光头位于两种不同位置的情况，同时画在中心线 两侧。这两种情况，具有相同的摆角爷，0 角相差1 8 0 。，但推角中l ，0 2 ( 从加工停止 位至装卸位，抛光头摆过的角度) 相差很大。由3 1 2 中分析可知，o 值的大小，直接 对应于气缸的行程长度。由图3 2 ，连杆b c 为气缸的初始长度，当b c 值小于气缸行程 时，显然方案不能成立，因此。角的大小直接影响到装卸片机构的实现难易程度；此外， 抛光头的摆臂长度将影响到加压气缸尺寸，摆臂长度增加气缸缸径尺寸相应增大，设计 时应尽量减小摆臂尺寸。而摆臂长度又将受抛光盘尺寸的限制，不能无限减小。 以上这些方面都将影响到实验基台的尺寸大小，机床设计应遵循结构紧凑原则，需 综合考虑以上的各种影响因素，才能确定合理的抛光头摆动中心及抛光盘装卸位置。 化学机械抛光机机械本体设计 图3 4 抛光头摆动中心及装卸位关系简图 f i 9 3 4r e l a t i o nb e t w e e nt h eo s c i l l a t i n gc e n t e ra n dt h el o a d u n l o a ds t a t i o n 3 1 4 抛光头传动及加压部件结构方案 该部件实现抛光头的自旋转运动和抛光头加压，其结构如图3 5 所示，在抛光过程 中，抛光头电机3 经过皮带降速，带动抛光头主轴4 ( 抛光头：采用真空吸盘夹持工件) 实现旋转运动。考虑到实验过程中需要对抛光头进行无级调速，采用变频调速电机实现 这一要求。气缸1 在推行程时，实现抛光头加压；拉行程时，实现抛光头仰起动作，便 于卸片。 图3 5 抛光头自旋转、加压部件方案图 f i 9 3 5s c h e m eo f t h ep r e s s u r ep a r ta n dt h er o t a t i o np a r t 大连理工大学硕士学位论文 气缸及电机型号的选择，根据抛光过程中所需要的最大摩擦力及最大正压力经计算 选定。当气缸到摆动中心距离一定时，抛光头摆臂长度越大( 即抛光压力的力臂越长) ， 气缸所需要提供的压力就越大，即气缸缸径就越大。抛光过程中的设计许用最大下压力 较大，为减小气缸尺寸需要增加气缸力臂，同时考虑到抛光头电机的安装闯题，采用框 架式结构。 抛光过程中摩擦系数较大，要保证在足够的下压力下抛光头能够主动旋转，抛光头 需要克服较大的摩擦转矩，要求抛光头电机的扭矩输出较大。同时考虑上述结构的限制， 很多问题需要审慎思考。结构设计没有现成的经验可寻，各构件尺寸需要经过反复分析 确定。 3 1 5 总体结构方案 本方案实验台是一种抛光头、抛光盘均作主动运动的c m p 抛光机：抛光头在自旋 转运动同时实现小幅度弧型摆动，抛光盘实现自旋转运动。如图3 6 所示c m p 抛光机 由抛光头加压、旋转运动实现部件1 ，终点检测装置2 ，抛光盘支撑部件3 ，抛光盘驱动 及传动部件4 ，基座5 ，抛光头摆动装置6 等模块构成。抛光过程实现如下：抛光头从 装卸位抓取工件抛光头在部件1 带动下抬起抛光头在部件6 作用下摆动至 加工位置抛光头落下，在1 、4 、6 作用下实现加工过程加工停止，抛光头 抬起在部件6 作用下摆动至装卸位，卸片。 1 。抛光头加压，旋转运动实现部件 2 终点检测装置3 抛光盘支撑部件 4 抛光盘驱动及传动部件5 基座 6 抛光头摆动装置 图3 6 弧形轨道式化学机械抛光机方案图 f i 9 3 6s c h e m eo f t h ec h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h e ri no s c i l l a t i n gm o d e 化学机械抛光机机械本体设计 从以上弧形轨道式抛光机的方案设计中可以看出：弧形轨道式抛光机在结构实现 上，抛光头摆动中心点的确定、摆幅的调整、抛光头加压及动力部件的实现上都比较复 杂，而且许多装置在实现上都没有现成的经验可以借鉴。 3 2 直线轨道式结构方案的设计 3 2 1 机床主要技术参数 直线轨道式抛光机的运动形式与弧形轨道式抛光机的运动形式基本相同，区别在于 将弧形轨道式运动变为直线轨道式运动。 在抛光过程中抛光盘线速度太大，抛光液飞溅，化学作用减小。如果抛光速度过小， 由于抛光液需要依靠离心力分布于抛光垫上，可能造成抛光液分布的不均匀。另外，根 据p r e s t o n 方程可以得出，材料去除率与抛光的相对速度有关。参考c e t r 的实验数据， 对于2 i n c h 的抛光片，抛光盘和抛光头的旋转速度分别为4 0 5 0 r r a i n 时，其材料去除非 均匀性最优。在初定抛光盘的最大转速时，考虑到电机功率及转矩要求，为避免电机外 形过大，且造成电机功率和需求转矩的不匹配，采用较大的降速比实现。可同时满足抛 光盘大转矩要求而不需要提高电机功率，可以选定抛光盘的最大转速为1 0 0 r r a i n 。 由第2 章中的理论分析数据可以看出：当抛光头的旋转速度与抛光盘的旋转速度相 近时，其材料去除的非均匀性最好。因此抛光头的最大旋转速度也定为1 0 0 r m i n 。 主要技术参数如下 1 ) 工作转速：抛光盘：6 5 1 0 0 r m i n ：抛光头：0 - 9 5 r m i r a 均可实现无级调速。 2 ) 最大工作压力：1 0 p s i ，抛光压力连续可调。 3 ) 最大加工直径：3 0 0 m m 。 4 ) 抛光头摆幅：5 0 m m ，( 两极限位之间的距离为1 0 0 r a m ) 。 5 ) 抛光盘回转精度：8 t t m ； 6 ) 抛光盘端面跳度：8 t u n 。 3 2 2 直线轨道式抛光机总体结构方案 直线轨道式抛光机在工作台及抛光盘部件的设计方面基本相同，仍采用前例。抛光 头部件的横向直线摆动主要通过将电机的旋转运动转化为直线往复运动来实现，因此电 机仍然是摆动装置的动力元件。 如图3 7 所示，直线轨道式c m p 抛光机由抛光头加压气缸1 ，抛光头旋转运动实现 部件2 ，终点检测装置3 ，抛光盘支撑部件4 ，抛光盘驱动及传动部件5 ，基座6 ，抛光 头摆动装置7 等模块构成。两抛光头均可做主动回转及往复直线摆动，并可分别独立控 大连理工大学硕士学位论文 制运动参数。抛光盘同时做主动回转。抛光过程为：抛光头从装卸位置抓取工件一抛 光头在气缸推动下到达加工位在一定抛光压力下抛光头与抛光盘自旋转进行加工 ( 此时摆动运动同时进行) 加工结束，抛光头抬起。 直线轨道式抛光机在结构实现上较弧形轨道式抛光机容易的多，抛光头的直线摆动 运动形式的实现也有很多比较成熟的机构可以借鉴。抛光机组装部件成本较低。 卜抛光头加压气缸，2 一抛光头旋转运动实现部件，3 - 终点检测装置，4 一抛光盘部件， 5 一抛光盘驱动及传动部件，6 一基座，7 一抛光头摆动装置 图3 7 直线轨道式抛光验台结构图 f i 9 3 7s c h e m eo f t h ec h e m i c a lm e c h a n i c ap 0 1 i s h e r i nr e c i p r o c a t i n gm o d e 3 3 本章小结 结合第2 章中的理论分析结果，直线轨道式抛光机在材料去除率和材料去除非均匀 性方面略差于弧形轨道式抛光机，但是相差很小。从本章中，两种抛光机结构方案的设 计中可以看出：弧形轨道式抛光机无论在抛光头部件、抛光头摆动装置、抛光头加压装 置方面的实现都存在一定的困难；直线轨道式抛光机在机构实现上要优于弧形轨道式抛 光机。 化学机械抛光机机械本体设计 4c m p 机台机械本体设计 4 1 主要设计依据 4 1 1 试验参考数据 化学机械抛光过程中，工件与抛光垫之间有抛光液作用，摩擦系数随抛光头与抛光 盘相对速度的变化有很大差别。因此在设计过程中确定摩擦系数，进而求得最大摩擦力 与摩擦转矩的值作为设计的计算载荷非常重要。 抛光盘转速与摩擦系数的关系如表4 1 所示。其中i i l 为抛光盘的转速( 抛光头转速 与抛光盘转速几乎相等) ；p 为摩擦系数：x - | lx n l ；工作压力l o p s i 。 表4 1 摩擦盘转速与摩擦系数关系表 f i 9 4 1r e l a t i o nb e t w e e nf r i c t i o nf a c t o ra n dr o t a t i o n a ls p do f t h ep a d 注：表4 1 中的数据来源于本课题组苏建修等人的试验数据，实验台为c e t r 用于2 i n c h 、4 i n c h 硅片抛光的c m p 抛光机，最大工作压力5 0 磅，抛光盘直径d = 2 8 0 m m 。 4 1 2 抛光盘最大摩擦力和摩擦转矩 在加工抛光片的过程中，双头同时工作的正常下压力为4 - 5 p s i ，单头工作最大下压 力为1 0 p s i 。参考4 1 1 中的数据，当v = 石砌。6 0 = 厅x 2 8 0 x 2 0 6 0 m m s = o 2 9 3 m m s 时，抛光盘的摩擦系数最大为0 8 。抛光盘直径取8 6 0 m m 时，对应于o 2 9 3 m m s 线速度 的抛光盘转速为：= 6 0 v 石d = 6 5 r l m i n ，此时对应的摩擦系数最大。 为便于计算，将抛光受力过程分解为三个过程：a 、抛光头转动，抛光盘不动；b 、 抛光头不动，抛光盘转动；c 、抛光头摆动，抛光盘不动。 计算过程遵循以下假设：抛光头上的摩擦力可以视为作用于加工工件的中心点处， 且摩擦力方向为b 、c 两个过程中，抛光盘相对于抛光头的相对速度和矢量的反方向；c 过程中的摆动速度为零时，取得最大摩擦转矩，此时摩擦力方向为图4 1 中所示方向。 抛光盘的最大摩擦力为： e = 胁 ( 4 1 ) 一j2 ：生p = 4 8 7 1 n ( 4 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 e 一= 3 8 9 7 n 图4 1 抛光盘受摩擦力示意图 f i 9 4 1s k e l e t o no f t h ef r i c t i o nf o r c eo p e r a t i n go i lp a d 抛光盘所受的摩擦转矩为；t = f l 。当抛光头处于最外缘( 即l m a x = 2 6 2 m m ) ， 且抛光盘摩擦力取最大值时，有 最大摩擦转矩：正一= e 一三一= 1 0 2 1 n m 4 1 3 抛光头最大摩擦力和摩擦转矩 抛光头所受的摩擦力为抛光盘所受摩擦力的反作用力，因此有抛光头的最大摩擦 力：e 一= 一e 一= - 3 8 9 7 n 图4 2 抛光头摩擦扭矩计算示意图 f i 9 4 2s k e l e t o no f t h ef r i c t i o nt o r q u eo p e r a t i n g 0 1 1h e a df o ri n t e r g r a t i o n 、 瓷 化学机械抛光机机械本体设计 抛光头上所受到的摩擦力矩为a 过程中所受到的摩擦力偶值，以工件中心为圆心的 小圆环内的摩擦力矩积分进行计算，如图4 2 所示。当抛光头下压力取得最大时，抛光 头的摩擦力偶取得最大，则有： 五一= r 蒯= f 2 , v u p r 2 d r 22 。，r u p r 3 = 3 9 0 砌 4 2 抛光盘部件结构设计 抛光盘支撑部件结构如图4 3 所示，为了保证加工过程中抛光盘的面型精度及回转 精度，采用高精度数控加工中心用轴承单元支撑，并尽量减少中间连接部件，以减少中 间尺寸链，最大限度的减小中间配合误差。在保证以上精度要求的前提下，为了降低装 配难度，增加轴承座。 图4 3 抛光盘支撑结构图 f i 9 4 3s t r u c t u r ep i c t u r eo f t h es u p p o r t i n gp a r t 4 3 抛光盘动力提供机构设计 抛光盘的动力提供机构包括动力源( 抛光盘电机) 的选择、传动系统设计、降速系 统设计等。 抛光过程中的主切削力来源于工件与抛光垫问的摩擦力，由于在低速高压抛光过程 中，抛光垫与工件间的摩擦系数很大，因此抛光盘承受很大的摩擦力及摩擦转矩。为抛 光盘提供动力的抛光盘电机在选用上，要综合考虑在满足功率及转矩条件的同时，尽量 使两者达到匹配。抛光盘的传动系统设计，应保证在满足结构尺寸限制条件的同时，满 足传递的功率条件及转矩条件。图4 4 所示为抛光盘动力系统结构示意图。 大连理工大学硕士学位论文 卜变频电机，2 一小带轮，3 一减速器，4 - 安装底板 图4 4 抛光盘动力部件 f i 9 4 4p o w e rs y s t e mo f t h ep o l i s h e rp a d 4 3 1 抛光盘传动系统设计 由3 2 1 中，抛光盘的最大工作转速为1 0 0 r m i n ，一般的普通变频调速电机转速 1 5 0 0 f r a i n ，则总的降速比为f = 1 5 。考虑尺寸限制，采用两级传动，则传动比的分配方 案可为：f = f 2 = 5 x 3 1 0 1 5 7 5 2 3 5 1 5 x 1 0 2 7 5 。为减少抛光盘的振动，在二级传动时采用柔性传动。受 基台及抛光盘部件安装尺寸的影响，二级传动中的带轮直径不能太大。多楔带可以实现 比较小的带轮尺寸传递较大的传递功率，因此二级传动中采用多楔带。在上列6 种传动 方案中，后三种传动方案将大的降速比分配在二级传动上，这将增加二级传动中大带轮 尺寸，因此不合理。前三种方案中的两级传动，可采用减速器与带传动协同实现，或者 两级带传动实现。 抛光盘所需要的最大驱动功率 p = f v = z q v r r 2 2 石