Brevet FR2677288A1 — publié le 19921211

DESCRIPTION MACHINE DE POLISSAGE A FEUILLE MICROABRASIVE TENDUE La présente invention a pour objet une machine de poLissage à feuille microabrasive tendue. L'invention trouve une application particulière au poLissage de composants microélectroniques intégrés dans des plaquettes de semiconducteur (en silicium par exemple). Il peut s'agir, notamment, de têtes magnétiques d'écriture et de lecture Des procédés de réalisation de telles têtes sont décrits dans de nombreux documents et notamment dans US-A-4,837,924 et US-A-4,333,229. Le premier document se rapporte à des têtes à structure dite "horizontaLe" -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" -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 réalisation, 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'ensembles 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 avant polissage final. Cet ensemble comprend un substrat de silicium 10 dans lequel un caisson a été gravé, un circuit magnétique 12 en alliage fer-nickel, un double bobinage 14 en cuivre, une couche en silice 16 de 3 à 6Y m d'épaisseur, un espaceur amagnétique 18 en silice de 1fm d'épaisseur environ et deux pièces polaires supérieures 20 en fer-nickel. Le plan de polissage 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 enlève- ment ne doit pas diminuer L'épaisseur de la couche uniforme de silice de plus de 0,38m. 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 générale 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 Le 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 solu tion aqueuse ; une variante consiste à placer, sur un plateau de polissage rota tif, un disque de film abrasif et à arroser celui-ci lors du polissage avec un liquide pour refroidir la pièce et éviter l'encras sement. Le polissage des plaquettes semiconductrices comprenant un très grand nombre de microcomposants intégrés pose des problèmes particuliers et difficiles - tout d'abord, la plaquette est déformée et déformable, - par ailleurs, le rodage doit affecter simultanément plusieurs matériaux de dure tés très différentes : silice, alumine, alliage alumine/carbure de titane, aLLiage fer/nickel, - les pièces à roder sont de surfaces très petites par rapport à La plaquette de silicium, - enfin, il s'agit d'usiner, dans leur épais seur, des couches déposées sur une plaquet te, et, généralement, il faut polir simul tanément 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 300nm. Les machines de polissage connues ne permettent pas de satisfaire à toutes ces exigences. En particulier, l'usage d'un liquide à grains abrasifs ou d'un film abrasif collé sur un support ne convient pas comme on peut s'en convaincre en liaison avec les figures 2 à 6. La figure 2, tout d'abord, illustre Le principe connu du rodage avec liquide chargé de grains abrasifs. La plaquette 10 et ses excroissances 25 sont placées en regard d'un plateau de polissage 23 et Le liquide 24, chargé de grains abrasifs, forme un film entre la plaquette et le plan de référence. Le mouvement de translation de la plaquette provoque l'abrasion des excroissances. Mais des phénomènes hydrodynamiques complexes, liés notamment à la formation de mouvements tourbillonnaires autour des excroissances et à des phénomènes de cavitation, conduisent à un polissage défectueux dont le résultat est illustré sur La figure 3. Sur cette figure, la partie a montre une excroissance 25a avant polissage, dont la forme correspond très sensiblement à celle que l'on rencontre dans le cas des têtes magnétiques intégrées, comme on le verra mieux par la suite. Ce profil prend la forme 25b après un début de polissage (partie b) et, enfin, la forme 25c (partie c) en fin de polissage. On voit qu'on n'a pas obtenu le résultat recherché car Le plan de vol a été atteint et des pics subsistent. En particulier, les matériaux tendres se trouvent plus creusés que les matériaux durs. Une autre technique connue consiste à utiliser un film plastique microabrasif collé sur un plateau de référence. On voit ainsi, sur la figure 4, un plateau de référence 23 sur lequel un film microabrasif 27 a été collé au moyen de points de colle 28 (aéro sols). La couche de colle présente une épaisseur d'environ 1QOzm. L'épaisseur de la feuille est d'environ 50 à 75je. L'ensemble présente donc une épaisseur d'environ 150 à 175pm. La figure 5 montre ce moyen abrasif avec une plaquette 10 et ses excroissances 25 à polir. On observe que la présence des excroissances et la relativement forte épaisseur de La couche de polissage entraînent un plissement de celle-ci, par compression locale de la feuille et écrasement des points de colle. Dans ce cas encore, le poli obtenu finalement n'est pas satisfaisant. Les figures 6 montrent schématiquement le profil d'un patin poli 29, avant polissage (figure 6a) et après polissage (figure 6b). La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un moyen de polissage simple et efficace. Ce moyen consiste à utiliser un film mince microabrasif non pas collé mais tendu sur un plateau de référence. Ce film, de préférence très mince (épaisseur de L'ordre de quelques dizaines de microns, par exemple 25 ou 50 ou 75) est plaqué sur le plan de référence, sans points de col Le. L'épaisseur totale du moyen abrasif est alors de L'or dre de 25 à 75Jm (à comparer avec les 150 à 175ru de l'art antérieur). Il n'y a donc plus de plissements de la feuille abrasive lors du polissage et, partant, plus d'anomalies de polissage. On peut ajouter un autre avantage à l'invention. L'usage des liquides abrasifs est en fait incompatible avec les exigences posées par la technologie de l'électronique intégrée (utilisation de salles "blanches"). L'utilisation d'une feuille mi c roabrasi ve tendue, est en revanche parfaitement compatible avec ces exigences. Le travail à sec facilite aussi les manutentions. Enfin, il est possible, selon L'invention, de régler la tension de la feuille, ce qui donne un paramètre supplémentaire de réglage des conditions de polissage. Les feuilles microabrasives utilisables dans L'invention peuvent être des feuilles du commerce, comme celles que commercialise La Société 3M. Le film dit "Film Imperial Lapping (ILF)" d'épaisseur 12 ou 25 ou 35 ou 50 ou 7511m peut convenir. Ce film est disponible en rouleau. De façon précise, la présente invention a donc pour objet une machine de polissage qui, comme certaines machines connues, comprend - un plateau de polissage, - une tête support apte à maintenir Les échantillons à polir, face à polir en regard du plateau de polissage, - des moyens pour exercer une force sur La tête support pour appliquer La face à polir sur Le plateau de polissage et pour la déplacer transversalement par rapport au plateau de polissage, cette machine étant caractérisée par le fait que le plateau de polissage est constitué par un plateau de référence plan immobiLe et une feuille microabrasive tendue sur ce plateau par des moyens appropriés. Tendre une feuille de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur sur une largeur d'environ 30cm n'est pas une opération aisée. La présente invention a donc également pour objet une machine particulière de polissage munie de moyens aptes à assurer la parfaite tension de la feuille microabrasive sur toute sa largeur. En même temps, ces moyens permettent de faire défiler lentement La bande microabrasive, ce qui assure le renouvellement de la surface abrasive. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumiè- re 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 exem ple de pièce à polir correspondant à une tête magnétique d'écriture et de lecture, - la figure 2, déjà décrite, illustre le principe connu du rodage avec film liquide chargé de grains abrasifs, - La figure 3, déjà décrite, montre le profil d'un motif au cours d'un polissage effectué par le principe précédent, - la figure 4, déjà décrite, illustre le principe connu du rodage par film plastique microabrasif collé sur un plateau de réfé rence, la figure 5, déjà décrite, montre la défor mation subie Lors d'un polissage par une feuille microabrasive collée, La figure 6, déjà décrite, montre le profil d'un patin poli par La technique des figu res 4 et 5, la figure 7 montre La disposition de l'in vention avec feuille microabrasive tendue sur un plateau de référence, les figures 8a et 8b (respectivement vue de dessus et vue de côté) montrent une machine de polissage conforme à L'inven- tion, la figure 9 montre un sous-ensemble inter médiaire dans la réalisation d'une tête magnétique d'écriture et de lecture, la figure 10 montre le profil de ce sous-ensemble avant et après polissage, la figure 11 montre la tête magnétique terminée, La figure 12 montre le profil de cette tête avant et après polissage. La machine représentée sur la figure 7 comprend schématiquement un plateau de polissage fixe 30, une tête support d'échantillon 32, des moyens 34 pour exercer une force F sur la tête support 32 afin d'appliquer l'échantillon à polir 44 sur le plateau de polissage 30 et pour déplacer la tête par rapport au plateau, ce moyen pouvant comprendre un excentrique 37. Selon L'invention, Le moyen de polissage comprend une feuille microabrasive 33 tendue et plaquée sur un plateau de référence 30. La feuille 33 est tendue par des moyens 35, 35' disposés de part et d'autre du plateau 30. Les figures 8a et 8b illustrent un mode particulier de réalisation des moyens 35, 35' aptes à tendre convenablement une feuille abrasive et à permettre le lent défilement -de celle-ci au-dessus du plateau. Sur ces figures, la machine est représentée en vue de dessus sur la partie a et en vue de côté sur la partie b. Par souci de simplification, la machine représentée ne comprend pas de support de plaquettes à polir, ni d'excentrique, ni de broche rotative, etc. Les figures 8a et 8b s'en tiennent au plateau de référence et aux divers moyens pour tendre sur ce plateau le film microabrasif et le faire défiler. Telle que représentée, la machine comprend une première bobine 40 et une seconde bobine 50 disposées de part et d'autre du plateau de référence 30. Sur ces bobines est enroulée une bande microabrasive 33, laquelle se trouve ainsi tendue entre les deux bobines. La première bobine 40 est une bobine débitrice équipée de moyens pour exercer un couple résistant ; La seconde bobine 50 est une bobine réceptrice commandée par un moteur. La bande microabrasive 33 peut ainsi passer de la première bobine 40 à La seconde 50, en défilant au-dessus du plateau de référence 30, ce qui permet le renouvellement de la surface abrasive. Les deux bobines 40, 50 sont disposées sous la face supérieure du plateau de référence 30, deux tambours 41, 51 étant disposés entre les bobines et le plateau de référence 30. La feuille microabrasive 33 passe sur ces tambours 41, 51 à la sortie de la bobine débitrice 40 et à l'entrée dans la bobine réceptrice 50. Dans la variante illustrée, la bobine débitrice 40 est reliée à un bâti 60 par deux paliers à rotules 41, 42 et deux glissières 43, 44 dont Les extrémités viennent en appui sur deux capteurs de pression 45, 46 liés au bâti par deux butées réglables 47, 48. Le réglage des butées permet d'équilibrer la tension de La bande sur toute sa Largeur. Les moyens pour exercer sur La bobine débitrice 40 un couple résistant peuvent être constitués, dans une première variante, par un moteur annulaire 62 monté directement sur l'un des paliers 41 ou 42, en bout de glissière 43. Des moyens 64 de commande de ce moteur sont également prévus. Dans une seconde variante, ces moyens sont constitués par un moteur 66 séparé de la bobine débitrice 40 et par une courroie de transmission 68 entre ce moteur 66 et la bobine débitrice 40. Le brin tendu 68a de La courroie 68 est dans un plan perpendiculaire aux glissières 43, 44. Des moyens 64 de commande de ce moteur sont également prévus. Par ailleurs, les deux capteurs de pression 45, 46, disposés aux extrémités des deux glissières 43, 44, sont reliés aux moyens de commande 64 des moteurs 62 ou 66 exerçant un couple résistant sur La bobine débitrice 40. De son côté, la bobine réceptrice 50 est commandée en rotation par un motoréducteur 70. Cette bobine peut être reliée au motoréducteur 70 par un moyen 72 d'interruption de La transmission, tel qu'un accouplement mécanique ou un embrayage électro-magnétique. les dispositions qui viennent d'être décrites peuvent être avantageusement combinées à d'autres dispositions prévues dans deux autres demandes de brevets déposées par le présent Demandeur, Le jour même du dépôt de la présente demande, et qui sont intitulées respectivement - -"Machine de polissage à tête support de plaquettes perfectionnée", - "Machine de polissage à contrôle de pres sion". Avec une machine de polissage comprenant le plateau de polissage qui vient d'être décrit, ainsi qu'une tête support de plaquette perfectionnée et des moyens de contrôle de la pression, le Demandeur a obtenu des résultats remarquables qui sont illustrés sur les figures 9 à 12. La figure 9 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. Le sous-ensemble de la figure 9 comprend essentiellement un substrat en silicium 100, deux bords de caisson 102 en silice, 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 de la pièce polaire supérieure. Avant polissage, Le profil du sous-ensemble est représenté sur La partie a de la figure 10. En abscisses, la totalité de l'intervalle relevé mesure 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 fer-nickel. Après polissage, le profil présente La forme de la partie b de la figure 10. La totalité de l'inter- valle 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 dizaines de nanomètres. Le dépassement résiduel dans la courbure naturelle du "ski" est inférieur ou égal à 30 nm (cette courbure étant une fraction de la déformation du substrat). La figure Il montre la tête après les opérations de formation de L'espacer amagnétique 110 et des pièces polaires supérieures 112 en fer-nickel. Des reliefs 114 apparaissent au centre de la tête. Le plan final de polissage est référencé 116. Sur la partie a de la figure 12, on voit le profil de ce sous-ensemble avant rodage. Les unités sont les mêmes que pour la figure lita : 1,2 mm pour la totalité de l'axe des abscisses et centaines de nanomètres en ordonnées. Les trois pics correspondants aux trois reliefs des pièces polaires sont bien visi bleus. La partie b de la figure 12 montre le relevé après polissage. En abscisses, les unités sont encore en micromètres et en ordonnées, en dizaines de nanomètres. Aucun dépassement résiduel n'est détecté, on ne mesure que la courbure naturelle du patin (cette courbure étant une fraction de la déformation du substrat). REVENDICATIONS 1. Machine de polissage comprenant : - un plateau de polissage (30), - une tête support (32) apte à maintenir les échantillons à polir (44), face à polir en regard du plateau de polissage (30), - des moyens (34) pour exercer une force sur la tête support pour appliquer la face à polir sur Le plateau de polissage (30) et pour La déplacer transversalement par rapport au plateau de polissage (30), cette machine étant caractérisée par le fait que le plateau de polissage est constitué par un plateau de référence plan (30) immobile et une feuille microabrasive (33) tendue sur ce plateau par des moyens appropriés (35, 35'). 2. Machine selon La revendication 1, caractérisée par le fait que les moyens (35, 35') pour tendre la feuille microabrasive (33) sont constitués par une première (40) et une seconde (50) bobines disposées de part et d'autre du plateau de référence (30) et sur lesquelles est enroulée une bande microabrasive (33), laquelle se trouve tendue entre les deux bobines (40, 50). 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la première bobine (40) est une bobine débitrice équipée de moyens (62, 66) pour exercer sur elle un couple résistant et La seconde bobine (50) est une bobine réceptrice commandée par un moteur, La bande microabrasive (33) pouvant ainsi passer de la première (40) à la seconde (50) bobines en défilant au-dessus du plateau de référence (30). 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la première et la seconde bobines (40, 50) sont disposées sous la face supérieure du plateau de référence (30), deux tambours (41, 51) étant disposés entre Les bobines et le plateau de référence (30), la feuille microabrasive (33) passant sur ces tambours (41, 51) à sa sortie de la bobine débitrice (40) et à son entrée sur La bobine réceptrice (50). 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la bobine débitrice (40) est reliée à un bâti (60) par deux paliers à rotules (41, 42) et deux glissières (43, 44) dont les extrémités viennent en appui sur deux capteurs de pression (45, 46) liés au bâti par deux butées réglables (47, 48), Le réglage des butées permettant d'équilibrer la tension de la bande sur sa largeur. 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les moyens pour exercer sur la bobine débitrice un couple résistant sont constitués par un moteur annulaire (62) monté directement sur un des paliers à rotule (41, 42), en bout de glissière (43), et par des moyens (64) de commande de ce moteur. 7. Machine selon La revendication 5, caractérisée par le fait que les moyens pour exercer sur La bobine débitrice un couple résistant sont constitués par un moteur (66) séparé de la bobine débitrice (40) et par une courroie de transmission (68) entre ce moteur (66) et la bobine débitrice (40), cette courroie ayant un brin tendu (68a) dans un plan perpendiculaire aux glissières (43, 44) et par des moyens (64) de commande de ce moteur. 8. Machine selon les revendications 5, 6 et 7, caractérisée par Le fait que les deux capteurs de pression (45, 46) disposés aux extréiités des deux glissières (43, 44) sont reliés aux moyens de commande (64) du moteur (62, 66) exerçant un couple résistant sur La bobine débitrice (40). 9. Machine selon la revendication 4, caracté risée par le fait que la bobine réceptrice (50) est commandée en rotation par un motoréducteur (70). 10. Machine selon la revendication 4, caractérisée par Le fait que La bobine réceptrice (50) est reliée au motoréducteur (70) par un moyen d'interruption (72) de la transmission, tel qu'un accouplement mécanique ou un embrayage électro-magnétique.