姜家宏，王广峰，李 伟，王 铮

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

CMP（Chemical Mechanical Planarization）技 术是化学腐蚀作用和机械磨削作用协同效应的组合技术。它的基本原理是在研磨抛光液存在条件下，承载在抛光头底部的晶圆相对于一个抛光垫作同方向的旋转运动，同时施加一定的压力[1]。晶圆表面材料与研磨抛光液发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，这一表面层通过磨料中的研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。

CMP 设备不仅能够实现全局平坦化，而且可以平坦不同材料、多层材料，减小严重表面起伏等，现已成为国内外研究的热点，成为半导体行业加工的主导技术。而CMP 设备承载台是支撑整个工艺过程的核心部件，本文通过分析承载台工作性质，筛选合适材料，并借助有限元分析软件对承载台进行模态分析，研究它的固有频率，综合对比后，选择合适的应用材料满足工艺过程需求。见图1所示。

图1 化学机械抛光技术原理

1 CMP 设备承载台

CMP 抛光机承载台主要由承载台面和承载机架组成，如图2所示，根据CMP 抛光机功能要求，抛光研磨的核心单元全部布局在承载台上，包括负责承载晶圆的抛光头单元，它是通过安装在台面上十字转盘座间接固连在承载台上；与晶圆作同方向旋转运动抛光盘，负责抛光研磨液供给的液体分布器，对抛光垫进行修整的抛光垫活化器，还有负责晶圆装卸的LOAD CUP 单元等。因此，承载台材料选取和台面布局都将影响晶圆抛光后的整体面型精度和表面质量，有必要进行深入研究。

图2 CMP 抛光机承载台

2 承载台材料选取

CMP 抛光机在工作过程中，需要有持续供给的抛光液参与。化学机械抛光液的组成一般包括超细固体粒子研磨剂，（如纳米SiO2，AI2O3粒子等），表面活性剂，稳定剂，氧化剂。固体粒子提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。抛光液具有酸碱腐蚀性，因此，要求选取的承载台材料既有较强的抗压强度，又能够抗酸碱腐蚀。查取相关手册，

304 不锈钢材料特点：（1）具有较高的塑性，韧性和机械强度；（2）具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能，对于氧化性酸，304 不锈钢具有很强的抗腐蚀性，对于碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦有良好的耐腐蚀能力；（3）304 不锈钢外形美观，表面光洁，耐磨损，安全环保，不易生锈；

铝合金材料特点：（1）塑性强，抗冲击，抗压强度高，且具有良好的机械加工性能，尺寸稳定；可用于制造高载荷构件（2）高的阻尼和吸震，减震性能，抗电磁干扰能力强；（3）耐腐蚀性能好；（4）铝合金板料质坚量轻，密度低，散热性较好，在相同面积下。铝合金的重量低于其他系列。

初步选定304 不锈钢和铝合金材料进一步分析研究。

4 承载台有限元分析

现经过实际受力分析，铝合金台面工作前后变形0.06 mm，304 不锈钢台面工作前后变形0.02 mm，二者均满足工作时的静强度要求。

CMP 抛光机工作时，各个子系统会相互配合完成晶圆的抛光研磨。由于电机转动等原因，势必会造成振动。若电机振动频率接近承载台固有频率，将会导致共振，从而破坏结构，影响设备的工作性能。因此在设计承载台时需要考虑振动现象，了解承载台的振动特性。而模态是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域的应用，每一个模态具有特定的固有频率，通过分析有效阶固有频率进行前期结构设计，避开各种振源的激励频率。

本文采用有限元分析软件MSC PARTRAN 对承载台进行模态分析。分两种方案进行对比分析：

第一种方案：承载机架采用304 不锈钢，承载台面也采用304 不锈钢；材料有关参数如表1所示。首先在承载台底部添加固定约束，然后对设计的承载台有限元模型进行自由模态计算，低阶固有频率对振动特性的参考价值大，因此，提取前4阶固有频率进行分析。各阶频率图如图3所示，频率值如表2所示。

表1 承载台材料主要参数

图3 前四阶频率图

表2 承载台模态分析结果

第二种方案：承载机架采用304 不锈钢，承载台面采用铝合金材料。材料有关参数如表3所示。各阶频率图如图4所示，频率值如表4所示。

图4 前四阶频率图

表3 承载台材料主要参数

表4 承载台模态分析结果

4 结 论

通过对两种方案前四阶模态分析，二者固有频率相差不大，均远离各子系统电机的激励频率；说明设计刚度足够，不会产生共振，均满足设计要求。但承载台面采用铝合金材质时，同等尺寸下，铝合金密度是不锈钢的1/3，质坚量轻，高的阻尼和吸震，减震性能，抗电磁干扰能力强，更能满足CMP 设备整体规格的要求。因此，采用第2 种方案进行后续工作的设计。通过实际使用证明了该承载台性能稳定，运行可靠，能够满足该设备的工艺要求。

[1]费玖海，杨师等.集成电路工艺中减薄与抛光设备的现状及发展[J].电子工业专用设备，2014，43(2)：2-8.

[2]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.