Brevet FR2677291A1 — publié le 19921211

DESCRIPTION MACHINE DE POLISSAGE A CONTROLE DE PRESSION La présente invention a pour objet une machine de polissage à contrôLe de pression. L'invention trouve une application particuliè- re au polissage de composants microéLectroniques inté- grés dans des plaquettes de semiconducteur (en silicium par exemple) IL peut s'agir, notamment, de têtes magné- tiques d'écriture et de lecture. Des procédés de réalisation de telles têtes sont décrites dans de nombreux documents et notamment dans US-A-4,837,924 et US-A-4,333,229 Le premier docu- ment se rapporte à des têtes à structure dite "horizon- tale" -car formée d'un empilement de couches déposées sur la face supérieure d'une plaquette semiconductrice- et le second à des têtes à structure dite "verticale"20 -car formée de couches déposées sur la tranche d'une telle plaquette-. Les micro-usinages effectués sur de telles plaquettes consistent, dans le premier cas, à niveler (ou "planariser") et à polir divers sous-ensembles intermédiaires obtenus au cours du procédé de réalisa- tion, à définir un entrefer et à amener l'ensemble de la tête dans le plan général du substrat, dit encore plan de vol. Dans le second cas, les micro-usinages ont pour but de définir un entrefer et d'ajuster la forme des patins de vol. Bien que pouvant s'appliquer éventuellement à la réalisation de têtes de la deuxième catégorie (têtes verticales), la machine objet de la présente invention est avant tout destinée au polissage d'ensem- bles ou sous-ensembles correspondants à la première catégorie (têtes horizontales), car c'est dans ce cas que Les problèmes technologiques sont les plus ardus. La figure 1 montre, à titre d'exemple de pièce à polir, une tête magnétique d'écriture et de lecture en structure horizontale L'ensemble représenté correspond, à La dernière étape de réalisation, juste avant polissage f ina L Cet-ensemble comprend un substrat de si Licium 10 dans Leque L un caisson a été gravé, un circuit magnétique 12 en alliage fer-nickel, un double bobinage 14 en cuivre, une couche en si Lice 16 de 3 à 6 pm d'épaisseur, un espaceur amagnétique 18 en si Lice de l Vm d'épaisseur environ et deux pièces po Laires supérieures 20 en fer-nickel Le plan de polis- sage final est marqué en trait interrompu et référencé 22. L'enlèvement de matière porte sur les pièces polaires 20 et sur les dépassements 23 en silice Pour ne pas altérer Le circuit magnétique, cet enlèvement ne doit pas diminuer l'épaisseur de la couche uniforme de silice de plus de 0,3 pm Le plan final de polissage définit le plan de vol de la tête. Deux telles têtes sont généralement disposées côte à côte sur deux bandes parallèLes dites "skis", définissant deux plans de vol, dans une structure géné- rale en catamaran. Le polissage, qui consiste en un enlèvement de matière en très petite quantité, est une opération bien connue On la rencontre en métallographie, en optique et en microéLectronique L'une ou l'autre des deux techniques suivantes est utilisée: la rectification à L'outil diamanté: il s'agit d'un usinage dans lequel on forme un "copeau" semi-continu ou continu par deux mouvements combinés relatifs entre l'outil et la pièce à usiner (un mouvement d'avance et un mouvement de coupe); le rodage et polissage: il s'agit d'une abrasion plus ou moins fine (ou écrouissage) et contrôlée de la surface par frottement sur des disques très variés non abrasifs par nature, sur lesquels on apporte un abrasif en pâte ou en solution aqueuse; une variante consiste à placer, sur un plateau de polissage rotatif, un disque de film abrasif et à arroser celui-ci lors du polissage avec un liquide pour refroidir la pièce et éviter l'encrassements ces compr intégrés Le polissage des plaquettes semiconductri- renant un très grand nombre de microcomposants pose des problèmes particuliers: tout d'abord, la plaquette est déformée et déformable, par ailleurs, le rodage doit affecter simul- tanément plusieurs matériaux de duretés très différentes: silice, alumine, alliage alumine/carbure de titane, alliage fer/ni- ckel, les pièces à roder sont de surfaces très petites par rapport à la plaquette de sili- cium, enfin, il s'agit d'usiner, dans leur épais- seur, des couches déposées sur une p Laquette, et généralement, i L faut po Lir simulta- nément 600 excroissances correspondant à 600 têtes magnétiques, en dépassement de quelques microns, et cela avec une préci- sion de l'ordre du nanomètre, sans diminuer L'épaisseur de La couche mince qui recouvre La plaquette de plus de 200 à 300 nm. Les machines de polissage connues ne permet- tent pas de satisfaire à toutes ces exigences L'une des raisons de cette incapacité est que la pression exercée sur la pièce à polir n'est pas contrôlée avec1.0 suffisamment de précision tout au long du polissage. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient A cette fin, l'invention propose une machine qui, tout d'abord, et comme toutes15 les machines de polissage comprend: un plateau de polissage, un moyen apte à maintenir un échantillon, face à polir en regard du plateau de polis- sage, des moyens pour exercer une force d'applica- tion de la face à po Lir sur le plateau de polissage et pour déplacer transversa- lement l'échantillon à polir par rapport au plateau de polissage, cette machine étant caractérisée par le fait que les moyens pour exercer la force et dép Lacer l'échanti L Lon et le plateau de polissage l'un par rapport à l'autre sont perfectionnés pour permettre un contrôle très fin de la force appliquée.30 Dans une variante à asservissement, la machine de l'invention permet d'appliquer l'échantillon sur le plateau de polissage avec une pression égale à une valeur de consigne. façon, les caractéristiques et De toute avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et se réfère à des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, montre un exemple de pièce à polir correspondant à une tête magnétique d'écriture et de lecture, la figure 2 montre la structure générale -10 d'une machine à po Lir selon l'invention, Les figures 3 a et 3 b montrent en détai L une machine conforme à l'invention avec ses moyens pour exercer une pression contrô- Lée sur la tête support et pour déplacer cette tête, la figure 4 montre quatre positions de ces différents moyens et illustre le princi- pe de mise en place de la tête support avec contrôle de la pression, la figure 5 montre un sous-ensemble intermé- diaire dans la réalisation d'une tête magné- tique d'écriture et de lecture, la figure 6 montre le profil de ce sous-ensemble avant et après polissage, la figure 7 montre la tête magnétique termi- née, la figure 8 montre le profil de cette tête avant et après polissage. Dans l'exemple qui va être décrit, l'échantil- lon est supposé tenu par une pièce support disposée au-dessus du plateau de polissage Dans ce cas, la force est appliquée sur l'échantillon par l'intermédiai- re de la tête support et le plateau de polissage est fixe Mais l'invention s'applique tout aussi bien à une machine o l'échanti L Lon à polir serait situé en dessous de l'outil de polissage sur une table support d'échantillon, l'outil de polissage étant tenu par la tête support sur Laquelle s'exerce alors la pression. 5 La machine représentée sur la figure 2 com- prend, schématiquement: un plateau de polissage fixe 30, des moyens 34 pour exercer une force F sur la tête support 32 afin d'appliquer l'échantillon 44 à polir sur le plateau de polissage 30 et pour déplacer transversa- lement la tête de support 32 par rapport au plateau fixe 30, ce moyen pouvant comprendre un excentrique 37. L'invention porte essentiellement sur les moyens représentés schématiquement par le bloc 34. La machine représentée sur les figures 3 a (vue de profil) et 3 b (vue en bout) comprend une poten- ce rigide 50 coulissant sur des colonnes verticales 52 et 54 Un électroaimant 56 est alimenté par des moyens 58 Cet électroaimant est fixé à une extrémité de la potence 50, et est muni d'une tige axiale mobile25 60 Cette tige est équipée d'un capteur de pression 62 ayant une sortie 64 reliée à un moyen d'affichage de la pression 65 et aux moyens d'alimentation 58. Dans une variante à asservissement de pres- sion, le capteur de pression 62 (ou le moyen d'affichage ) est relié à un comparateur 67 recevant également un signal de consigne provenant d'un générateur 69. La sortie du comparateur délivre un signal d'erreur égal à la différence, en grandeur et en signe, entre la pression mesurée par le capteur et la pression de consigne L'éLectroaimant 56 est alors commandé de telle sorte que le signal d'erreur s'annule. Un bras 70 est monté oscillant autour de deux axes horizontaux 72-74 solidaires de la potence Une broche 80 supporte, à sa partie inférieure, un excentrique réglable 82 muni d'un moyen 84 d'accro- chage de la tête support d'échantillon 86 Cette broche est équipée, à sa partie supérieure, d'une butée 90,10 par exemple une butée à bille La broche 80 est fixée à l'extrémité du bras, sous l'électroaimant 56 La tige axiale 60 de cet électroaimant et son capteur de pression 62 viennent prendre appui sur La butée 90. Un moteur 91 est disposé à l'autre extrémité du bras 70 et forme contrepoids Une masse d'équilibrage 92, réglable en position, est disposé à proximité du moteur 91 et est apte à équilibrer le bras 70 en posi- tion de ce dernier.20 Un moyen 93 de transmission de mouvement, par exemple une courroie crantée, est disposée entre le moteur 91 et l'excentrique 82 pour commander la rotation de l'excentrique 82. Des moyens 94, 95, par exemple des vérins, sont prévus pour déplacer verticalement la potence et tous les moyens qui y sont fixés, le long des colon- nes verticales 52, 54 jusqu'à amener l'échantillon à proximité du plateau de polissage 30. La figure 4 permet de mieux comprendre le fonctionnement de cette machine. Au repos, la potence se trouve en butée hau- te; le bras oscillant se trouve alors légèrement incli- né (figure a); la butée à bille est en appui sur la35 tige de l'électroaimant; l'afficheur de pression 65 indique sensiblement zéro. On accroche le porte-échantillon 86 à l'excen- trique; le bras oscillant 70 bascule vers le bas; on retrouve la position d'équilibre (capteur à zéro)5 en déplaçant la masse d'équilibrage 92 (figure b). La potence descend le long des axes 52-54 et se trouve verrouillée en position basse par les vérins (figure c). Dans cette configuration, le bras oscillant 70 est toujours incliné très légèrement vers le haut et le support d'échantillon est à environ un millimètre du plan abrasif 30. On alimente alors L'électroaimant 56 par une tension continue réglable et stable, jusqu'à ce que l'échantillon vienne au contact du plan de polissage Puis on augmente la charge jusqu'à la valeur d'effort souhaitée (figure d) Le polissage peut alors s'effectuer par la commande du moteur 91. Ce dispositif permet de régler et de contrôler la pression de polissage depuis une valeur quasi nulle jusqu'à une valeur maximum fixée par L'électroaimant choisi de O à 100 kg par exemple. La machine qui vient d'être décrite peut être avantageusement combinée à des dispositions prévues dans quatre autres demandes de brevets déposées par le présent Demandeur, le jour même du dépôt de la pré- sente demande, et qui sont intitulées respectivement: "Machine de polissage à tête support de plaquettes perfectionnée", "Procédé de réalisation d'un outil de polis- sage et outil obtenu par ce procédé", "Machine de polissage à feuille microabra- sive tendue", "Machine de polissage à table porte-échantillon perfectionnée". Avec la machine de polissage qui vient d'être décrite, équipée d'une tête support de plaquettes perfectionnée, selon la première de ces demandes et d'une feuille microabrasive tendue sur le plateau de polissage, selon la troisième de ces demandes, Le Demandeur a obtenu des résultats remarquables qui sont illustrés sur les figures 5 à 8.10 La figure 5 montre, en coupe, un sous-ensemble correspondant à une tête magnétique d'écriture et de lecture en structure horizontale, du genre de celle qui a été déjà évoquée à propos de la figure 1 Le15 sous-ensemble de la figure 5 comprend essentiellement un substrat en silicium 100, deux bords de caisson 102 en si Lice, deux plots verticaux 104 en fer-nickel. Il s'agit de polir ce sous-ensemble selon un plan 106 avant de poursuivre les opérations de formation de20 la pièce polaire supérieure. Avant polissage, le profil du sous-ensemble est représenté sur la partie a de la figure 6 En abscisses, la totalité de l'intervalle relevé mesure25 1,2 mm (les unités indiquées sont donc en micromètres). En ordonnées, les unités sont en centaines de nanomètres On voit nettement, sur ce relevé, les deux bords du caisson et, au centre, les deux plots verticaux en fernickel.30 Après polissage, le profil présente la forme de la partie b de La figure 6 La totalité de l'intervalle relevé mesure 4 mm (ce qui signifie que le relevé porte sur la totalité du "ski" portant la tête) En ordonnées, l'échelle est en dizaine de35 nanomètres Le dépassement résiduel dans la courbure nature L Le du "ski" est inférieur ou égal à 30 nm (cette courbure étant une fraction de la déformation du substrat). La figure 7 montre La tête après les opéra- tions de formation de l'espaceur amagnétique 110 et des pièces polaires supérieures 112 en fer-nicke L. Des reliefs 114 apparaissent au centre de La tête. Le p Lan final de po Lissage est référencé 116. Sur La partie a de la figure 8, on voit Le profi L de ce sous- ensemble avant rodage Les unités sont Les mêmes que pour La figure 6 a: 1,2 mm pour La totalité de L'axe des abscisses et centaines de15 nanomètres en ordonnées Les trois pics correspondants aux trois reliefs des pièces polaires sont bien visi- bles. La partie b de La figure 8 montre Le re Levé après polissage En abscisses, Les unités sont encore en micromètres et en ordonnées, en dizaines de nano- mètres Aucun dépassement résiduel n'est détecté, on ne mesure que la courbure nature L Le du patin (cette courbure étant une fraction de La déformation du sub- strat). 1 1 REVENDICATIONS 1 Machine de polissage comprenant: un plateau de po Lissage ( 30), un moyen ( 32) apte à maintenir des échantil- Lons à polir ( 44), face à polir en regard du plateau de polissage ( 30), des moyens ( 34) pour exercer une force d'application de la face à polir sur le plateau de polissage ( 30) et pour déplacer transversalement l'échantillon à polir par rapport au plateau de polissage fixe ( 30), cette machine étant caractérisée par le fait que Lesdits moyens pour exercer la force d'application et pour déplacer L'échantillon par rapport au plateau de polis- sage comprennent: une potence rigide ( 50) coulissant sur des colonnes verticales ( 52, 54), un électroaimant ( 56) et ses moyens d'alimentation ( 58), l'électroaimant étant fixé à une extrémité de la potence ( 50), cet électroaimant étant muni d'une tige axiale mobile ( 60), cette tige étant équipée d'un capteur de pression ( 62) ayant une sortie ( 64) reliée aux moyens d'alimentation ( 58) de L'électroaimant ( 56), un bras ( 70) monté oscillant autour de deux axes horizontaux ( 72-74) solidaires de La potence ( 50), une broche ( 80) supportant, à sa partie inférieure, un excentrique réglable ( 82) muni d'un moyen ( 84) d'accrochage d'une tête support et équipé à sa partie supérieu- re, d'une butée ( 90), cette broche ( 80) étant fixée à une extrémité du bras, sous l'électroaimant ( 56) fixé à la potence ( 50), la tige axiale ( 60) de celui-ci et son capteur de pression ( 62) venant prendre appui sur la butée ( 90) de la broche ( 80), un moteur ( 91) disposé à l'autre extrémité du bras ( 70) et formant contrepoids, une masse d'équilibrage ( 92) réglable en position et disposée à proximité du moteur ( 91) apte à équilibrer le bras ( 70) en position sensiblement horizontale, un moyen ( 93) de transmission de mouvement entre le moteur ( 91) et l'excentrique ( 82) pour commander la rotation de l'excentrique ( 82) supporté par la broche ( 80), des moyens ( 94-95) pour dép Lacer verticale- ment La potence et tous les moyens qui y sont fixés le long des colonnes verticales ( 52, 54) jusqu'à amener l'échantillon ( 86) au contact avec le plateau de polissage ( 30). 2 Machine selon la revendication 1, caracté- risée par le fait qu'elle comprend un comparateur ( 67) à deux entrées reliées respectivement au capteur de pression ( 62) et à un générateur de consigne ( 69), et à une sortie reliée au circuit d'alimentation ( 58) de l'électroaimant ( 56). 3 Machine selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que la tête support supporte l'échan- tillon à polir, le plateau de polissage étant situé sous la tête support. 4 Machine selon la revendication 1, caracté- risée par Le fait que La tête support supporte Le p Lateau de po Lissage, L'échanti L Lon à po Lir étant situé sous La tête support.