薛书亮，张 博，赵永进，王文丽，潘 峰，陈 威

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京 100176)

碲锌镉(Cadmium Zinc Telluride，CdZnTe，CZT)是一种宽禁带化合物半导体材料，具有优异的光电特性，作为优选的外延衬底材料，用于制备高性能HgCdTe 红外器件[1]。化学抛光工艺是CZT 衬底制备过程中的最后一步。CZT 衬底制备直接关乎到后续外延工艺的效果[2]。目前，用于碲锌镉衬底制备的化学抛光设备均为手动设备，人工干预较多，难以保证产品品质一致性，生产效率较低。因此，研制全自动化学抛光设备尤为必要。

1 CZT 晶片化学抛光工艺

CZT 晶片是用于外延碲镉汞的重要衬底材料，因此在外延工艺前，获取满足粗糙度与TTV指标以及无损伤层的衬底尤为重要[3]。

化学抛光工艺中最为重要的是抛光工艺，其应用化学腐蚀原理，通过抛光液腐蚀晶片表面，同时抛光盘旋转与晶片表面相对物理摩擦，去除晶片表面机械损伤层及隐形缺陷。化学抛光原理示意图如图1 所示。

图1 化学抛光原理示意图

在化学抛光工艺中，除化学腐蚀抛光工艺外，仍需具备如下3 道工艺：

（1）抛光前清洗：通过试剂清洗晶片表面，润湿晶片；

（2）抛光后清洗：通过不同试剂先后清洗，去除腐蚀后晶片表面残留抛光液及杂质；

（3）吹干：通过氮气吹干方式，干燥抛光清洗后的晶片，使其表面无残留清洗试剂。

之前，完整的化学抛光工艺基本使用手动机台，需要人工操作的流程较多，对操作人员的要求较高，工艺效果及重复性无法保证。因此，需要设计一套全自动化学抛光设备。

2 全自动化学抛光机工艺流程及功能设计

化学抛光工艺基本流程如图2 所示。

图2 化学抛光工艺

为了满足工艺需求，全自动化学抛光机需具备自动上料、抛光前清洗、抛光、抛光后清洗、清洗后吹干、自动下料以及溶液供给、废液排放等辅助功能模块。设备主要功能实现如图3 所示。

图3 全自动化学抛光机主要功能模块

（1）自动上料模块：具备Z 向模组，可进行上料片盒Z 向移动，以及对片盒中晶片进行扫描；

（2）X-θ 传输模块：将晶片从上料片盒传送至抛光前清洗工位；

（3）抛光前清洗模块：通过控制溶液供给，对晶片进行抛光前清洗；

（4）Robot1 传输模块：将通过抛光前清洗后的晶片传递至旋转的抛光台上，抛光模块：旋转的抛光台对晶片进行化学腐蚀抛光；

（5）Robot2 传输模块：将抛光后的晶片传递至抛光后清洗工位中；

（6）抛光后清洗模块：通过控制溶液供给，对晶片进行抛光后清洗；

（7）氮气吹干模块：通过对氮气控制，对晶片进行干燥；

（8）X-Y-θ 传输模块：进行晶片从抛光后清洗模块到氮气吹干模块的传输，以及从氮气吹干模块到自动下料模块的传输；

（9）自动下料模块：具备Z 向模组，可进行下料片盒Z 向移动，以及对片盒中晶片进行扫描。根据以上各主要功能模块，进行整体布局设计，如图4 所示。

图4 设备整体布局

3 全自动化学抛光机控制系统设计

全自动化学抛光机的控制系统设计分为硬件设计与软件设计，通过对控制系统设计，实现全自动抛光的流程控制。

3.1 控制系统硬件设计

化学抛光机的控制系统采用PLC+HMI+机器人控制器的总体架构，如图5 所示。HMI 进行控制系统的人机交互；Robot 系统实现机器人运动；PLC 系统实现逻辑控制，单轴或多轴运动控制，以及系统之间的通讯控制等。

图5 全自动化学抛光机控制系统架构

PLC 系统采用EtherCAT 总线方式进行运动控制，利用高速背板总线进行DI/DO、AI/AO、串口通讯控制。

PLC 系统与 Robot 系统之间、PLC 系统与HMI 系统之间通过EtherNet/IP 协议进行通讯，方便数据的传递。控制系统框图如图6 所示。

图6 控制系统框图

3.2 化学抛光机控制系统软件设计

化学抛光机控制系统软件编程系统采用PLC编程、触摸屏编程，以及机器人编程相结合的方式。主控系统应用LAD、ST 语言进行PLC 编程实现；人机交互采用HMI 组态方式编程实现；机器人控制采用V+ 语言编程实现。整体软件架构如图7 所示。通过将各程序模块有效结合，实现全自动抛光流程控制，自动抛光流程如图8 所示。

图7 全自动化学抛光机程序架构

图8 全自动化学抛光控制流程

4 结束语

通过对CZT 晶片化学抛光工艺简要分析，介绍了一种全自动化学抛光设备的工艺实现及整体功能布局设计，同时从硬件设计及软件设计两方面对整机控制系统进行了说明。全自动化学抛光设备满足了工艺需求，提高了生产效率，减少了人员干预，保证了产品质量的一致性和良率。