CMP系統(tǒng)真空供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 偉，高文泉，柳 濱，陳 波

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polish，CMP）技術(shù)是一種對(duì)半導(dǎo)體材料或是其它類型材料的襯底進(jìn)行平坦化或拋光的方法，是制備晶圓的關(guān)鍵步驟，廣泛應(yīng)用于集成電路（IC）制造業(yè)中，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]。

圖1為CMP系統(tǒng)真空氣路控制原理圖，真空主要用在以下幾個(gè)方面1）晶圓承載器Carrier利用真空吸盤法來吸附硅片；2）拋光主軸首先采用真空吸盤法吸附Carrier，然后利用“運(yùn)載安全裝置”[2]機(jī)械緊固晶圓承載器Carrier，達(dá)到雙重保護(hù)，以防止Carrier在運(yùn)轉(zhuǎn)中掉下，造成不必要的損失和安全事故；3）有些CMP設(shè)備中的機(jī)械手采用真空吸附法搬運(yùn)晶圓，但這種方法由于會(huì)產(chǎn)生晶圓背部較大的玷污，正逐漸被“邊緣夾持”方式取代。因此穩(wěn)定、均勻的真空供給是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的重要部分。當(dāng)真空施加之前，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(duì)于設(shè)備而言，這將會(huì)導(dǎo)致掉片、碎片[3]。因此真空供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)在保證系統(tǒng)所需的最小真空要求的前提下，具備處理倒流液體的能力。

圖1 CMP系統(tǒng)真空氣路控制原理圖

1 真空供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水環(huán)真空泵是一種粗真空泵，所能獲得的相對(duì)真空度為－0.097MPa，廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、食品、制糖工業(yè)等領(lǐng)域[4]。其原理是由于轉(zhuǎn)子偏心旋轉(zhuǎn)而使水環(huán)與葉片間容積發(fā)生周期性改變而進(jìn)行抽氣的機(jī)械真空泵。與其他類型機(jī)械真空泵相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，工作簡單可靠、吸氣均勻、不需要對(duì)泵潤滑處理、可適用于抽吸含有一定腐蝕性的氣體等優(yōu)點(diǎn)。水環(huán)真空泵的性能與被抽氣體的狀態(tài)、工作水溫度及性質(zhì)有關(guān)，通常只給出規(guī)定條件下的特性曲線。當(dāng)實(shí)際工作條件與規(guī)定條件不同時(shí)，必須對(duì)其特性曲線進(jìn)行修正。水環(huán)真空泵抽速根據(jù)道爾頓公式計(jì)算：

Q15為水溫15℃時(shí)的抽速；

p1為水環(huán)泵的吸入壓力；

pt為水溫t℃時(shí)飽和蒸汽壓力；

p15為水溫15℃時(shí)的飽和蒸汽壓力；

K為氣量修正系數(shù)。

由表1可知水的溫度越高，其飽和蒸汽壓力越高。由公式2可知，15℃水溫時(shí)的氣量修正系數(shù)為 1，水溫高于 15℃時(shí)，k＜1，Qt＜Q15。發(fā)現(xiàn)水溫度越高水環(huán)真空泵所能抽到的真空度越低。因此設(shè)計(jì)的真空供給系統(tǒng)必須采取措施降低真空泵供水溫度。

真空供給系統(tǒng)主要由水環(huán)式真空泵、水箱、儲(chǔ)氣罐、溫控模塊、水箱供給模塊等組成，如圖2所示。水箱源源不斷地為真空泵供水，在水環(huán)真空泵入口處和出口處分別安裝溫度傳感器，工作水溫度為水環(huán)真空泵入口水溫和出口水溫的平均值。當(dāng)工作水溫度超過設(shè)定值（15℃）后，PLC控制器控制注水電磁閥1打開，從底部補(bǔ)充低溫度水，當(dāng)工作水溫度達(dá)到設(shè)定值后，PLC控制器控制注水閥關(guān)閉，水箱溫度控制如圖3所示。水箱中安裝多點(diǎn)浮子傳感器，用來檢測水箱液面高度，當(dāng)液面低于下限位時(shí)，注水電磁閥2打開，自來水源注水水箱；當(dāng)液面達(dá)到上限位時(shí)，注水電磁閥2關(guān)閉，停止注水；多余的水從水箱溢流孔排出。

表1 水在各種溫度下的飽和蒸汽壓

圖2 真空供給系統(tǒng)原理圖

圖3 水箱溫度控制框圖

真空泵排氣端接入水箱，廢氣和所帶的一部分水排入水箱后，氣體再由水箱的出管跑掉，而水就落入水箱的底部經(jīng)回水管進(jìn)入泵內(nèi)循環(huán)使用，達(dá)到了節(jié)約用水、降低能耗的效果。真空泵的吸氣端通過真空儲(chǔ)氣罐與設(shè)備真空氣路連接，經(jīng)真空調(diào)壓閥調(diào)整后用于真空吸附Carrier和晶圓等操作。真空儲(chǔ)氣罐用于存儲(chǔ)真空，并具有穩(wěn)壓、除真空水的功能。在真空泵和儲(chǔ)氣罐之間安裝真空止回閥，防止真空停止時(shí)，水倒灌于儲(chǔ)氣罐中。

2 真空供給系統(tǒng)機(jī)架有限元分析

真空泵工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，一方面是由于真空度達(dá)到極限時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣蝕聲，另一方面可能是由于真空泵機(jī)架與真空泵發(fā)生共振。

在真空儲(chǔ)氣罐與設(shè)備連接管路間設(shè)置真空調(diào)壓閥（可增壓、降壓作用），以避免真空泵在極限真空狀態(tài)下使用，從而防止氣蝕發(fā)生。

模態(tài)分析技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中得應(yīng)用，分為計(jì)算機(jī)模擬分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析兩種[5]。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等原因，勢必會(huì)造成振動(dòng)。在造成很大噪音的同時(shí)還會(huì)造成真空泵站機(jī)架的共振或疲勞，從而破壞結(jié)構(gòu)。因此在設(shè)計(jì)真空泵站時(shí)需要考慮振動(dòng)現(xiàn)象，了解真空泵站機(jī)架的振動(dòng)特性即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，避免產(chǎn)生不必要的損失。試驗(yàn)?zāi)B(tài)需要借助于振動(dòng)傳感器、激勵(lì)器、FFT分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別而獲得模態(tài)參數(shù)，成本較高。而采用計(jì)算機(jī)模擬分析成本低、效率高。

我們采用ANSYS Workbench軟件對(duì)真空泵站機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析[6][7]。ANSYS Workbench是用ANSYS新一代多物理場協(xié)同分析產(chǎn)品，將設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化集成于一體，極大地提高了設(shè)計(jì)研發(fā)的效率。

真空泵機(jī)架由方鋼和角鋼等焊接而成，材料為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料有關(guān)參數(shù)如表2所示。真空泵站機(jī)架有限元模型如圖4所示。

圖4 真空泵站機(jī)架有限元模型

表2 真空泵站機(jī)架材料主要參數(shù)

首先在機(jī)架底部添加固定約束，然后對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)架有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算，得到了機(jī)架各階段固有頻率及相應(yīng)的振型。低價(jià)固有頻率要比高價(jià)振型對(duì)機(jī)架的振動(dòng)影響大，因此關(guān)心的低價(jià)模態(tài)。提取前6階振動(dòng)模態(tài)，對(duì)應(yīng)的振型圖如圖5所示，其振型結(jié)果如表3所示。

圖5 前六階振型圖

水環(huán)真空泵工作狀態(tài)下，激振主要來自于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等原因。根據(jù)頻率計(jì)算公式，可求出真空泵電機(jī)的振動(dòng)頻率為44Hz（1×2840/60）。從模態(tài)分析結(jié)果表研究發(fā)現(xiàn)真空泵站機(jī)架低階頻率均遠(yuǎn)離水環(huán)真空泵電機(jī)所引起的振動(dòng)頻率，不會(huì)引起共振，說明設(shè)計(jì)機(jī)架剛度足夠，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 模態(tài)分析結(jié)果：

3 結(jié) 論

針對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)（CMP）設(shè)備真空需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套專用的真空供給系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了水箱溫度自動(dòng)控制模塊和水箱自動(dòng)供水模塊，保證水環(huán)真空泵在低溫工作液下工作，能為設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的真空。同時(shí)也達(dá)到節(jié)約用水、降低能耗的要求。并用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)真空泵箱體機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，研究發(fā)現(xiàn)真空泵機(jī)架剛度足夠，低階頻率均遠(yuǎn)離真空泵引起的振動(dòng)頻率。可以推廣到晶片減薄機(jī)、硅片雙面拋光機(jī)等其他半導(dǎo)體設(shè)備應(yīng)用中。

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[1]閆志瑞，魯進(jìn)軍，李耀東.300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)分析[J].半導(dǎo)體技術(shù).2006，8（31）：561-564.

[2]陳威，柳濱，李偉，郭強(qiáng)生.化學(xué)機(jī)械拋光用運(yùn)載器安全裝置[P].中國專利：200920217253，2010-9-8.

[3]周國安.CMP中真空供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備.2011，(8)：9-11.

[4]上海真空泵廠有限公司.SZ型單級(jí)水環(huán)式真空泵使用說明書[Z].上海:真空泵廠有限公司.

[5]胡海巖.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2005-07.

[6]石廣豐，倪坤.基于ANSYS Workbench的激光打孔機(jī)模態(tài)分析[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2010，33(4):95-97.

[7]艾曦鋒，巴興強(qiáng).基于ANSYS Workbench的4G1發(fā)動(dòng)機(jī)支架模態(tài)分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化.2008，(9)：225-228.