Brevet FR2677276A1 — publié le 19921211

DESCRIPTION MACHINE DE POLISSAGE A TABLE PORTE-ECHANTILLON PERFECTIONNEE La présente invention a pour objet une ma- chine de polissage à table porte-échantil Lon perfectionnée. L'invention trouve une application particu- Lière au po Lissage de composants microéLectroniques intégrés dans des plaquettes de semiconducteur (en silicium par exemp Le) IL peut s'agir, notamment, de têtes magnétiques d'écriture et de Lecture. Des procédés de réalisation de te L Les 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 semi- conductrice-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 "p Lanariser") 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 correspondant 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 en cuivre 14, une couche en silice 16 de 3 à 6 pm d'épaisseur, un espaceur amagnétique 18 en silice de lpm 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'en Lèvement de matière porte sur les pièces polaires 20 et sur les dépassements 23 en silice. Pour ne pas altérer le circuit magnétique, cet en Lève- ment 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 tel Les 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 polissage: il s'agit d'une abrasion plus ou moins fine (ou écrouis- sage) et contrôlée de la surface par frot- tement sur des disques très variés non abrasifs par nature, sur lesquels on appor- te un abrasif en pâte ou en solution aqueu- se; une variante consiste à placer, sur un plateau de polissage rotatif, un disque de fi Lm 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: 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 po Lir simulta- nément 600 excroissances correspondant à 600 têtes magnétiques, en dépassement de quelques microns, et cela avec une précision 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 En effet, Leur conception générale est telle qu'il s'introduit un couple parasite dans l'effort exercé sur l'échantil Lon à polir, couple qui nuit à l'homogénéité de la pression appliquée lors du polissage et provoque une attaque excessive des bords de l'échantillon. Les figures 2 et 3 permettent de mieux com- prendre L'origine de cet effet nuisible. Sur la figure 2, tout d'abord, on voit une machine connue qui comprend, schématiquement: un plateau de polissage 30, une tête 32 apte à supporter un échantillon 44, des moyens 34 pour exercer une force F sur la tête support 32 afin d'appliquer l'échantillon 44 sur le plateau de polis- sage 30 et pour les déplacer transversale- ment l'un par rapport à l'autre. Le plateau de polissage 30 est animé d'un mouvement de rotation et disposé à La base de la machine. La figure 3 montre plus en détail la tête support 32, avec une pièce ridige 40 de maintien de la plaquette échantillon 44 La pièce rigide 44 est équipée, à sa partie supérieure, d'un roulement à rotule 58 dans Lequel vient prendre appui un axe 60. Le plateau 30 est animé d'un mouvement de coupe symbo- lisé par la flèche MC (en général il s'agit d'un mouve- ment de translation circulaire) La rotule 58, étant à L'intérieur de la masse de la tête support d'échantillon, le point d'application de l'effort de coupe se trouve déca Lé d'une valeur "d" par rapport au plan de polissage Cette valeur est faible mais jamais nulle. L'effort de coupe Fc lors de la mise en mouvement du porte-échantillon, combiné à ce décalage, entraîne qu'un effort T supplémentaire apparaît en un point de la plaque situé à une distance "r" du centre Cet effort est dirigé perpendiculairement à l'échantillon et est proportionnel au rapport d/{ (avec v 0). La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient A cette fin, elle propose une machine de polissage dont le support d'échantillon est perfectionné de te L Le sorte que25 ce couple parasite soit inexistant Pour cela, la machine de l'invention a recours à une table porte-échanti L Lon à cardan, dont les axes sont sécants au centre du plan à roder, (ce qui équivaut à une distance "d" nulle entre Le point d'application de30 La force de coupe et Le plan de polissage) L'outil de polissage est a Lors disposé au-dessus de La table porte-échantillon, tenu dans une tête support C'est sur cette tête qu'est appliqué l'effort de coupe. La disposition est donc inversée par rapport à la35 disposition généralement adoptée. 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 nu L Lement 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, montre la struc- ture générale d'une machine à polir selon l'art antérieur, la figure 3, déjà décrite, montre un sup- port de tête à rotule, la figure 4 montre une table porte-échantillon perfectionnée selon l'invention, la figure 5 montre une tête de polissage adaptée à la table porte-échantillon précé- dente, la figure 6 illustre un exemple de polis- sage d'une excroissance en silice, la figure 7 illustre un autre exemple de polissage dans le cas d'un motif en deux matériaux différents. La figure 4 montre, en coupe, (partie a) et en vue de dessus (partie b), une table porte-échantillon conforme à L'invention Cette table comporte un anneau rigide indéformable 61 relié à la pièce rigide 40 supportant la plaquette échantillon 44 par deux axes 62 et 63 et au bâti de la machine par deux autres axes 65, 66 Les axes 62 et 63, d'une part, et 65 et 66, d'autre part, sont perpendiculaires l'un à l'autre et se coupent au centre O de la plaquette 44. De préférence, des capteurs d'effort de coupe 70, 71, 72, 73 sont disposés sur ces axes Ces capteurs sont reliés à des moyens non représentés, aptes à afficher l'effort moyen de coupe Pour cela, ces moyens font la somme redressée et filtrée des signaux alternatifs délivrés par les quatre capteurs. La figure 5 montre un mode de réalisation de la tête de polis$age Cette tête, référencée 80, comprend un corps 81 qui supporte un disque abrasif 82 fixé par des griffes 83 Les disques abrasifs sont ainsi interchangeables T Un axe 84 pénètre dans le corps 81 par un pivot sans jeu 85 Cet axe 84 est entraîné dans un mouvement de translation circulaire par un excentrique 86 entraîné en rotation par une courroie 87 reliée à un moteur non représenté. Les dispositions qui viennent d'être décrites peuvent être avantageusement combinées à deux autres disposition prévues dans deux autres demandes de brevet déposées par le présent Demandeur, le jour même du dépôt de la présente demande, et intitulées respective- ment: "Procédé de réalisation d'un outil de polissage25 et outil obtenu par ce procédé" et "Machine de polissage à controle de pression". Avec une machine de polissage combinant ces trois dispositions, le Demandeur a obtenu des résultats remarquables qui sont illustrés sur les figures 6 et 7. Sur la figure 6; tout d'abord, on voit (par- tie a) un relief en silice 45 d'environ 2 em de hauteur, sur une couche de silicium 47 d'épaisseur 1 vm présen- tant une rugosité Ra= 50 nm. En cours de polissage (partie b), le profil conserve ses arêtes vives. A la fin du polissage (partie c), le relief a disparu et la couche de base a été ramenée à une épaisseur de 0,91 m, avec une rugosité Ra=l à 2 nm sur l'ensemble de la surface traitée. La figure 7 est relative à une excroissance mettant en jeu des matériaux de duretés différentes: de la si Lice Si O 2 de part et d'autre (référence 51) du motif et dans un espaceur 53 très mince (d'environ 1 Vm) et un alliage fer-nickel Fe Ni 55 de part et d'autre de l'espaceur 53. On voit (partie a) la forme initiale du motif 49 et (partie b) la forme définitive 49 ' après polissage La rugosité du sommet est de l'ordre de Ra=l à 2 nm Ces résultats ont été obtenus sur l'en- semble de la plaque supportant les motifs et en -20 particulier aux bords de celle-ci. REVENDICATIONS 1 Machine de polissage comprenant: un moyen de polissage ( 30), un moyen ( 32) apte à maintenir une plaquet- te échantillon ( 44), face à polir en regard du moyen de polissage ( 30), des moyens ( 34) pour appliquer la face à polir de la plaquette échantil Lon ( 44) sur le moyen de polissage ( 30) et pour les déplacer transversalement l'un par rapport à l'autre, cette machine étant caractérisée par le fait que: le moyen apte à maintenir la plaquette échantillon ( 44) est une table à cardan comprenant un porte-échantillon ( 40) apte à maintenir la plaquette échantillon à polir ( 44) face à polir dirigée vers le haut, ce porte-échantillon ( 40) étant articulé sur un anneau ( 61) par deux premiers axes ( 62, 63) ayant une première direction, lequel anneau est articulé sur un bâti par deux seconds axes ( 65, 66) ayant une seconde direction perpendiculaire à la première, ces premiers et seconds axes se coupant au centre ( 0) de la plaquette échanti L Lon à roder ( 44), le moyen de polissage est constitué par une tête support ( 80) de plaquette abrasive ( 82), cette tête ( 80) étant située au-dessus de la table à cardan, les moyens pour appliquer la face à polir de la plaquette échantillon sur le moyen de polissage et pour les déplacer tranversalement l'un par rapport à L'autre étant constitués par des moyens ( 84, 85, 86, 87) permettant d'appliquer une force sur la tête support ( 80) du p Lateau abrasif ( 82) et pour entraîner celui-ci en translation. 2 Machine de polissage se Lon La revendica- tion 1, caractérisée par Le fait qu'e L Le comprend quatre capteurs d'effort de coupe ( 70, 71, 72, 73)10 situés à 90 Les uns des autres, respectivement sur Les quatre axes d'articulation ( 62, 63, 65, 66) de La tab Le à cardan, un moyen d'affichage de L'effort de coupe étant prévu qui est re Lié à ces quatre capteurs.15 3 Machine de polissage se Lon la revendication 1, caractérisée par le fait que la tête support ( 80) de plaquette abrasive ( 86) est équipée d'un pivot sans jeu ( 85) relié à un excentrique ( 86).