CMP中真空供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周國安

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

化學(xué)機(jī)械拋光 (chemical mechanical polish，CMP)技術(shù)是制備晶圓的關(guān)鍵步驟，它能滿足晶圓嚴(yán)格的工藝控制、高質(zhì)量的表面外形及平面度[1，2]。但是對于CMP機(jī)臺配套的供應(yīng)系統(tǒng)卻研究甚少，但這些供應(yīng)系統(tǒng)卻是影響加工效果的必須因素。CMP機(jī)臺本身是一種特殊的精密設(shè)備，在生產(chǎn)過程中高度依賴穩(wěn)定的供應(yīng)系統(tǒng)。在大型的凈化間內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的集中式供應(yīng)如拋光液、去離子水、壓縮空氣、真空等。但是對于實(shí)驗(yàn)室及小批量生產(chǎn)，卻無法做到，只能靠獨(dú)立的通用供應(yīng)系統(tǒng)來滿足設(shè)備要求。這些中有如真空泵，無法滿足CMP特殊需要，必須加以特殊設(shè)計(jì)改進(jìn)方能滿足要求。

多數(shù)CMP機(jī)臺在晶圓傳輸及抓取過程中都會(huì)使用真空，在真空附加之前，晶圓大多會(huì)浸沒于去離子水中，因此在晶圓吸附過程中，將會(huì)有大量的去離子水、拋光液等倒流于真空系統(tǒng)中，這將導(dǎo)致真空負(fù)壓逐漸降低甚至停機(jī)，對于機(jī)臺而言，這將會(huì)導(dǎo)致掉片、碎片。真空供應(yīng)系統(tǒng)需要具備：（1）處理倒流液體的能力；（2）在任何時(shí)候，必須保證系統(tǒng)所需的最小負(fù)壓；（3）真空泵電機(jī)不可持續(xù)長時(shí)間工作，否則電機(jī)過熱而自動(dòng)停機(jī)，同時(shí)壽命減短。一般通用的真空泵難以滿足上述要求。

1 CMP機(jī)臺內(nèi)真空部件分析

在CMP內(nèi)部通常有兩處需要使用真空：（1）機(jī)械手取片和收片，一般從片盒中取出，拋光完畢后收回到片盒。也有一些拋光機(jī)采用直接接觸，靠重力和前后卡位來拾取晶圓，如IPEC372，但是這種方式極易導(dǎo)致玷污，并且抓取不牢固。（2）承載器拾取晶圓[3]：幾乎所有類型的CMP均采用此方法。

真空在某些拋光機(jī)中也有其他用途，如主軸吸附承載器。由于承載器需要進(jìn)行更換內(nèi)部耗材，如背膜、維持環(huán)等，在拋光較多晶圓的時(shí)候，還需要對內(nèi)部進(jìn)行清洗和維護(hù)，因此需要頻繁的卸載和裝載承載器[4][5]。一般承載器裝載在主軸上，靠機(jī)械緊固件或者卡簧固定，而承載器基板多采用不銹鋼或者陶瓷材料，其本身密度較大，整體質(zhì)量一般超過十多公斤，如果從拋光臺上方或者上下片臺上掉下，后果不堪設(shè)想。為了保證承載器不會(huì)從主軸上脫落，施加真空吸附無疑是另一個(gè)有效保證。即便所有緊固件均未裝載，僅靠真空吸附也足夠保證承載器不會(huì)脫落：裝載真空傳感器，如果真空沒有加載，則主軸將不會(huì)抬起和移動(dòng)，如圖1所示。

圖1 CMP內(nèi)部真空功能部件圖

其中SOL是電磁閥，對于較大真空需要的使用氣動(dòng)電磁閥，以保證動(dòng)作的可靠。

1.1 真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

即便在實(shí)驗(yàn)室條件下，CMP一般也要求位于較低等級的凈化間內(nèi)，而凈化間的建造成本較高，因此力求真空系統(tǒng)簡潔可靠且占地面積較小。本文中將真空供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集中于一個(gè)柜體內(nèi)，這樣完全可以達(dá)到上述要求，并且美觀大方。

1.2 真空系統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 真空系統(tǒng)氣動(dòng)圖

圖2中所示，其工作原理為：在正常工作模式下，SOL2（電磁閥）打開，SOL1（電磁閥）關(guān)閉，80PSI（磅每平方英寸）的壓縮空氣通過SOL2激發(fā)VAL1（氣動(dòng)閥門）打開，VAL2真空通道（通道1）打開，VAL3關(guān)閉，此時(shí)真空泵抽取真空到達(dá)真空槽體和排放槽體內(nèi)。由于此時(shí)真空槽體和排放槽體通過VAL1聯(lián)通，真空值完全一樣，外部液體倒流到真空槽體內(nèi)，則液體通過自身重力流入到排放槽體內(nèi)。一旦排放槽體內(nèi)的液體達(dá)到滿位則觸發(fā)SOL2關(guān)閉，此時(shí)VAL1斷開真空聯(lián)結(jié)，VAL2則偏向通道2，而VAL3打開，與外部大氣聯(lián)通，由于殘存真空的存在，液體尚不能流出。通過短暫延遲后，SOL1打開，則 15-20PSI（約1.0335-1.378個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的壓縮空氣通過2通道施加于排放槽體內(nèi)，迫使液體流出，一旦液體排放完畢，則觸發(fā)SOL1關(guān)閉，SOL2打開，恢復(fù)正常工作模式。需要強(qiáng)調(diào)的是：即便在排液期間，真空槽體內(nèi)依然可以不間斷提供真空，而一旦排液結(jié)束，則排液槽體也將參入存儲真空，這樣可以有效的擴(kuò)充真空使用效率。

1.3 真空系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 真空系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì)

如圖3所示：其工作模式如前所述，當(dāng)頂部傳感器觸發(fā)時(shí)，則控制器觸發(fā)SOL2關(guān)閉，并且延遲片刻，觸發(fā)SOL1打開，排水顯示燈亮，進(jìn)行排水。槽體排空后，底部傳感器觸發(fā)SOL2打開，SOL1關(guān)閉，此時(shí)恢復(fù)到常態(tài)工作模式。在正常加電模式下，電系統(tǒng)開指示燈燈亮，然后手動(dòng)按下開機(jī)開關(guān)，此時(shí)供電回路形成，線圈帶電，吸合繼電器觸點(diǎn)，控制器正常工作。而一旦出現(xiàn)緊急情況，則可以按下緊急開關(guān)，此時(shí)回路斷開，則真空電機(jī)和控制器都將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。圖中的SMC真空開關(guān)，是設(shè)置和控制真空度的。當(dāng)真空度低于設(shè)定最低負(fù)壓值時(shí)則打開，線圈帶電，觸點(diǎn)吸合，真空泵開啟；當(dāng)達(dá)到設(shè)定最高負(fù)壓值時(shí)，則真空開關(guān)關(guān)閉，真空泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 軟件流程圖的設(shè)計(jì)

軟件流程如圖4所示。

圖4 真空檢測控制流程圖

從圖中可以看出，在初始開機(jī)狀態(tài)下，首先檢測真空是否達(dá)到最大，否則就開啟真空電機(jī)，直到滿足要求為止。而此后則是電機(jī)間歇式工作方式，一般正常工作情況下，間隔10多分鐘，持續(xù)抽真空幾分鐘即可停機(jī)。而待機(jī)狀態(tài)下，由于CMP設(shè)備內(nèi)的真空出口均處于常閉狀態(tài)，真空損耗很小，數(shù)小時(shí)內(nèi)均可維持正常真空而無須開啟真空電機(jī)，排水狀態(tài)如圖5。

圖5 排液軟件流程圖

從圖5中可以看出，一旦倒流液體溢滿排水槽體，則立即觸發(fā)控制器相應(yīng)端口予以相應(yīng)。從圖4和圖5流程圖中可以看出，控制流程簡單有效，無論是采用PLC或者單片機(jī)均能滿足要求，如果有必要的話，還可以留下通訊端口，與CMP主機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)真空狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文根據(jù)CMP拋光的實(shí)際需要進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，兼顧場地、可靠性、電機(jī)工作效率、硬件安全性、軟件設(shè)計(jì)簡潔等多方面的實(shí)際生產(chǎn)要素，完全能夠滿足CMP生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)要求。

[1]周國安，劉多勤，凃佃柳，等.CMP綜合終點(diǎn)檢測研究[J].維納電子技術(shù)，2009，46(8):371-374.

[2]賈英茜，劉玉嶺，牛新環(huán)，等.ULSI多層互連中的化學(xué)機(jī)械拋光工藝[J].微納電子技術(shù)，2006，43(8):442-446.

[3]周國安，柳濱，種寶春，等.關(guān)于CMP承載器的初步研究[J].維納電子技術(shù)，2008，45(1):668-671.

[4]孫禹輝，康仁科，郭東明，等.化學(xué)機(jī)械拋光中的硅片加持技術(shù)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2004，(04)：10-14.

[5]蘇建修，康仁科，郭東明.超大規(guī)模集成電路制造中硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003，2810):27-32.