化学机械抛光设备负载特性范文

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《机械工程学报》2014年第十二期

1负载特性计算

下面将分别计算抛光盘负载扭矩、抛光头负载扭矩和摩擦径向力，主要计算参数如表1所示。由于抛光垫由多孔聚氨酯材料制成，且抛光液中含有磨粒和化学物质，因此，工件与抛光垫摩擦因数较大，一般在0.2~0.4之间[10]，此处取0.4。

1.1抛光盘负载扭矩从式(15)可以看出，抛光盘所受摩擦力矩是转速比α、平移速比β、中心距e、压力p和摩擦因数f这5个参量的函数，即：Tp=f(α,β,e,p,f)。对于给定的压力和摩擦因数，Tp=f(α,β,e)。由于抛光头平移速度vR远小于抛光盘旋转线速度，即β≈0，抛光头平移运动对摩擦力矩的影响基本可以忽略，则摩擦力矩可进一步简化为两个参量的函数：Tp=f(α,e)。可见，转速比α和中心距e是影响摩擦力矩的主要因素。由于晶圆和保持环所受压力和摩擦因数各不相同，因此需采用分段积分来计算摩擦力矩。图3给出了抛光盘所受摩擦力矩与抛光头转速和抛光盘转速的关系。可以看出，抛光盘转速越高、抛光头转速越低，抛光盘所受摩擦力矩越大。图4给出了抛光盘所受摩擦力矩与转速比和中心距的关系。可以看出，随着抛光头往复运动和转速比的波动，抛光盘所受负载扭矩在一定范围内变化。摩擦力矩随转速比减小而增大，随中心距增大而增大。抛光盘所受最大负载扭矩为240Nm。

1.2抛光头负载扭矩同样，抛光头所受摩擦力矩是转速比α、平移速比β、中心距e、压力p和摩擦因数f这5个参量的函数：Tw=f(α,β,e,p,f)。对于给定的压力和摩擦因数，Tw=f(α,β,e)。忽略平移运动后，Tw=f(α,e)。图5给出了抛光头所受摩擦力矩与抛光头转速和抛光盘转速的关系，可以看出，抛光头转速越高、抛光盘转速越低，抛光头所受摩擦力矩越大。图6给出了抛光头所受摩擦力矩与转速比和中心距的关系。可以看出，抛光头所受摩擦力矩随转速比增大而增大，临界转速比等于1。当α<1时，抛光头所受摩擦力矩为驱动力矩；仅α>1时，抛光头所受摩擦力矩为负载力矩，且最大负载扭矩为125Nm。对于传统抛光设备，抛光头/工件被动旋转，摩擦力矩将成为工件旋转的驱动力矩。工件转速只能小于抛光盘转速，即α<1。而对于实际CMP过程，α≈1，Tw≈0，即摩擦力矩所引入的抛光头负载很小，因相对运动而引起的界面摩擦负载由抛光盘承担。

1.3摩擦径向力当β=0时，式(17)的积分结果为0，即Fx=0。对于实际CMP工艺，β≈0，因此，Fx≈0，即x方向的径向力接近于0。当α=1时，如果压力p分布均匀，则式(18)的积分结果最大，即Fymax=-fpS。Fy与转速比和中心距的关系如图7所示。可以看出，α=1时，Fy最大，Fymax≈800N；α越偏离1，Fy越小；当α≠1时，Fy随中心距增大而增大。

2复合载荷下抛光盘变形分析

由于抛光盘是CMP相对运动动力输入及抛光压力承载的主体，其面形精度是影响抛光质量的一个重要因素，必须加以控制。不仅抛光盘加工精度需要严格控制，运动过程中复合载荷作用下的变形量也要控制。图8给出了抛光盘结构及其受力示意图。抛光盘受螺钉预紧力、轴向偏载和摩擦力矩多种载荷作用。下面将利用COSMOS有限元分析软件对抛光盘在复合载荷下的变形特性进行分析。采用轴承支撑约束，抛光盘与转子螺钉连接(16×内六角圆柱头螺钉M8，分布于Φ774圆周)。计算参数如下：抛光盘直径790mm，厚度40mm，材料AL6061-T6，弹性模量69GPa，切变模量26GPa，泊松比0.33，拉抗强度310MPa。网格划分如图9所示，考虑到螺钉孔等主要细特征的网格细化需求，兼顾计算机性能，划分单元数为104818，节点数为166353。下面将分别考察抛光盘在螺钉预紧力及偏载扭矩复合载荷下的变形特征。(a)在30Nm螺钉预紧力(×16)作用下，抛光盘变形如图10所示。可以看出螺钉预紧力所造成的变形主要集中在外圆周螺钉附近局部，受螺钉拉紧处有2μm的局部变形，同时盘面中部有1~2μm凸变形。盘面变形量RMS值为2.7μm。螺钉预紧力引起的变形主要受预紧力大小和螺钉数影响：拧紧力矩越大，变形越大；螺钉数量越多，局部变形越小。(b)在螺钉预紧力的基础上，抛光头再对抛光盘施加2000N的偏载和240Nm的扭矩。应力分析结果表明最大应力为164MPa，出现在螺钉处，其他部位应力都很小。图11给出了复合载荷下盘面变形结果。可以看出抛光盘受力一侧会比另一侧低2μm，受抛光头向下的压力作用，原盘面的上凸变形被压平，且中部偏载所在侧略有下凹。综合盘面变形量RMS值为1.3μm。抛光垫由多孔聚氨酯材料制成[11]，弹性模量Ep=1MPa，厚度tp=2.5mm。假设盘面变形导致d=1.3μm的压缩量不一致。对应的接触压力为：Ep×d/tp=1×106×1.3×10-3/2.5=520Pa=0.52kPa，相对于3psi(20.685kPa)的工作压力，因盘面受压变形而造成的接触压力不均匀度为：0.52/20.685×100%=2.5%，加之工件旋转而产生的平均效应，对实际加工质量影响会很小，满足实际使用要求。上述计算表明偏载和螺钉预紧力是影响盘面变形的主要因素。总体而言，CMP是一种载荷相对较小的精密加工手段，盘面变形相对较小，40mm厚的铝合金盘即可满足使用要求。实际CMP过程中，随着抛光头往复摆动，中心距小幅波动，盘面变形程度还会有细微波动。

3结论

(1)CMP设备动力学分析表明转速比和中心距是影响主体结构摩擦负载的主要因素。摩擦负载随中心距增大而增大，抛光盘负载扭矩随转速比增大而减小，而抛光头负载扭矩随转速比增大而增大，且存在临界转速比。实际CMP工况下，摩擦扭矩主要由抛光盘承载，最大可达240Nm。(2)有限元分析表明螺钉预紧力和轴向偏载—摩擦力矩复合载荷均会造成抛光盘盘面变形。螺钉预紧力产生2μm量级局部变形和整体凸变形；复合载荷造成偏载侧下沉2μm且中心略有下凹，综合盘面变形量RMS值为1.3μm。因弹性抛光垫作用，微米级盘面变形对接触压力影响较小，满足使用要求。

作者：赵德文路新春何永勇王同庆单位：清华大学摩擦学国家重点实验室