超薄不锈钢基板CMP抛光头和温度在线检测装置研究

摘要

304不锈钢是柔性显示器基板的理想材料，改善它的表面质量是将其应用于下一代软性显示器技术的前提。化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)协同了机械作用与化学作用，以其超精密无损伤表面等良好的加工效果在工件表面平整化中得到了广泛的应用。
　　CMP工艺中所采用的旋转摆动重力式抛光机是一种结构较简单的精密研磨抛光设备，它能够使压力平稳分布在工件上，并且获得复杂的摩擦轨迹。但是，工件的传统夹持方式是采用胶水、可溶性蜡等物质将工件粘贴在压块底面，这种方法会直接影响到工件的全局平坦化。另外，抛光界面的温度会影响抛光液的活性、磨粒的团聚和抛光垫表面纤维特性等，进而影响材料的去除率和工件表面质量。
　　所以，针对上述两个问题，首先，本文设计了一种新型抛光头，该抛光头不仅能够继承重力式抛光机压力平稳的优点，而且采用真空吸盘吸附超薄不锈钢基板，代替了传统粘贴超薄不锈钢基板的方法，从而能实现超薄不锈钢基板的全局平坦化。其次，在该抛光头中集成抛光界面温度在线检测装置，该温度检测装置能够在不影响抛光工艺的提前下，精确地检测出抛光界面的温度。再次，本文还分析了CMP过程中超薄不锈钢基板上热量的流入及流出情况，并利用ANSYS软件对超薄不锈钢基板在抛光过程中的温度变化进行仿真计算。然后，采用集成有温度在线检测装置的抛光头进行抛光实验，将抛光界面的温度检测结果与理论仿真结果进行对比，从而验证温度检测装置的有效性。最后，通过实验分析了不同抛光压力、不同转速和不同抛光液流量对抛光界面温升、材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。
　　本文的主要研究方法及结论如下:
　　(1)在对比CMP设备中的各种加压方式和夹持方式的基础上，提出了抛光头的改进方案。本方案中采用带有小孔的金属真空吸盘吸附超薄不锈钢基板，并选用重力式的加压方式。利用ABAQUS软件分析了超薄不锈钢基板在抛光过程中的变形及其与抛光垫之间的接触压力，确定吸盘孔径为1mm。并且，通过计算得出稳定吸附不锈钢基板的最小真空度为0.19×105Pa、0.05秒吸附的抽速为0.5L/s，从而选定真空发生器为抛光头气路提供负压。
　　(2)当工件为0.1mm厚的304不锈钢基板时，通过计算得知其背面温度仅比被抛光面低0.0886℃，因此，可以选择超薄不锈钢基板的背面作为测温的对象。在综合考虑测温精度、安装、信号传输等各方面因素后，确定采用三线制的STT-F型号表面热电阻温度传感器、SBWV型的温度变送器、ZYX-T012型号的过孔导电滑环和PCI-9118DG数据采集卡搭建抛光界面温度在线检测装置。该抛光界面温度在线检测装置能够在不影响CMP工艺的前提下，高精度的检测出抛光界面的实时温度，并且系统误差仅为0.335％左右。
　　(3)从不锈钢基板温升的原理上分析流入及流出的各部分热量，利用ANSYS软件仿真出温度的变化情况。从分析结果可以看出:当抛光垫与抛光头的转速相同时，流入超薄不锈钢基板的热量是均匀的，且抛光头的摆动不会影响温度分布的均匀性;不锈钢基板的温升速度先大后小，有趋于稳定的趋势，并且温升幅度随着抛光压力、抛光头和抛光盘转速的增加而增加。
　　(4)采用具有温度在线检测功能的抛光头进行超薄不锈钢基板的CMP实验，从实验结果可以看出，温度在线检测装置能够实时检测出超薄不锈钢基板上的温度变化。无论是温度趋势还是数值，该检测装置所测得的实验结果都与理论计算结果十分接近，从而验证了抛光界面温度在线检测装置的有效性。
　　(5)具有真空吸盘的抛光头提高了抛光效率，降低了成本，避免了由于粘性物质厚薄不均匀影响全局平坦化效果，使得不锈钢基板全局的粗糙度几乎一致。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 化学机械抛光设备中抛光头的研究现状

1．3．2 CMP抛光界面温度检测研究现状

1．4 课题来源及其主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 超薄不锈钢基板CMP抛光头的设计

2．1 不锈钢基板CMP设备介绍

2．2 抛光头总体方案的分析

2．2．1 夹持装置方案分析

2．2．2 压力加载装置方案分析

2．2．3 旋转摆动装置方案分析

2．3 夹持装置的设计

2．3．1 金属吸盘的设计

2．3．2 真空发生装置的选型

2．4 压力加载装置的设计

2．5 抛光头的结构和性能

2．6 本章小结

第三章 抛光界面温度在线检测装置的设计

3．1 抛光界面温度在线检测方案的确定

3．1．1 测温对象的选择

3．1．2 传感器类型的选择

3．1．3 抛光界面温度在线检测装置的整体方案

3．2 抛光界面温度在线检测装置的设计

3．2．1 接触式温度传感器型号的确定

3．2．2 温度变送器的选择

3．2．3 信号和能量的传输

3．2．4 信号接收与处理

3．3 抛光界面温度在线检测装置的结构及其误差分析

3．3．1 抛光界面温度在线检测装置的结构

3．3．2 抛光界面温度在线检测装置的系统误差分析

3．4 本章小结

第四章 抛光界面温度的理论分析与仿真

4．1 抛光界面的热量流动

4．2 超薄不锈钢基板上的热量流入和流出

4．2．1 流入超薄不锈钢基板的热量

4．2．2 超薄不锈钢基板通过抛光液流出的热量

4．2．3 超薄不锈钢基板和抛光头通过空气对流流出的热量

4．3 超薄不锈钢基板的热仿真

4．4 本章小结

第五章 具有温度在线检测功能的抛光头抛光超薄不锈钢基板的实验研究

5．1 实验设备和材料

5．1．1 实验设备

5．1．2 实验材料

5．2 抛光界面温度在线检测装置有效性的验证

5．3 超薄不锈钢基板的抛光效果

5．4 抛光工艺参数对CMP过程参数及抛光效果的影响规律研究

5．4．1 抛光压力对CMP过程参数及抛光效果的影响规律

5．4．2 抛光盘和抛光头转速对CMP过程参数及抛光效果的影响规律

5．4．3 抛光液流量对CMP过程参数及抛光效果的影响规律

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢