CMP拋光液供給及分布系統(tǒng)的研究

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)械平坦化（CMP）是一個復(fù)雜的化學(xué)機(jī)械加工過程，其加工質(zhì)量和水平與被拋光材料的特性、拋光液、拋光墊等多種因素相關(guān)，這些因素對CMP過程的影響并不是孤立的，而是一個復(fù)雜的交互作用過程[1，2]。在CMP加工過程中，拋光液是影響加工質(zhì)量最為關(guān)鍵的因素之一，必須精準(zhǔn)控制和嚴(yán)格的分析[3]。在絕緣材料和金屬材料的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝中，拋光液的供給及分布系統(tǒng)會直接影響其流速及顆粒造成的缺陷。因此根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)節(jié)點(diǎn)選擇合適的拋光液供給系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的。

拋光液供給最基本的要求：(1)要求供給系統(tǒng)不能對拋光液造成額外的污染；(2)供給不間斷[4]。

1 小批量生產(chǎn)及隔膜泵供給系統(tǒng)

對于技術(shù)節(jié)點(diǎn)在0.35 μm及以上技術(shù)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品，一般的FAB(fabrication)廠根據(jù)產(chǎn)品的特性選擇是否使用CMP制程，對于產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的（一級品）通常會選擇CMP，但是這些產(chǎn)品數(shù)量占總體產(chǎn)品數(shù)量的比例較小，因此這些FAB廠購買的CMP數(shù)量并不多，采用小批量拋光液供給系統(tǒng)，完全可以滿足生產(chǎn)需要。一些大學(xué)院校及研究中心也會采用這種拋光的供給系統(tǒng)，具體布局如圖1所示。

圖1 小批量生產(chǎn)供液系統(tǒng)

該拋光液供給系統(tǒng)由壓縮機(jī)、隔膜泵、拋光液槽體、pH計(jì)、蠕動泵及流量計(jì)組成，其中壓縮機(jī)提供壓力范圍為：0～482.30 kPa，隔膜泵采用氣動方式驅(qū)動，所需壓力通常為：172.23 kPa。拋光液槽體一般裝上輪子能夠自由移動，以上功能件的材質(zhì)均由耐酸耐堿的聚四氯乙烯做成。該系統(tǒng)需要人工按照所需比例配置拋光液，比如氧化物拋光液需按照1:1(Cabot SS25E)配比，通常在拋光液槽內(nèi)加上攪拌裝置，以便于充分的混合。隔膜泵采用壓縮空氣作為動力源，結(jié)構(gòu)簡單可靠，是一種由膜片往復(fù)變形造成容積變化的容積泵，其工作原理近似于柱塞泵，具有不會過熱、不會產(chǎn)生電火花，同時(shí)具有自吸功能、無需潤滑、無泄漏等優(yōu)點(diǎn)，因此采用隔膜泵作為拋光液的供給動力非常合適；隔膜泵采用較粗的管子12.70 mm作為進(jìn)口，6.35 mm始終作為循環(huán)使用，而供液的管子采用9.53 mm，可以根據(jù)流量自動調(diào)整和循環(huán)，即便在不供液的情況下也能夠完成循環(huán)，保證拋光液的懸浮，以避免較長時(shí)間擱置而形成沉淀。蠕動泵作為計(jì)量使用，用于控制拋光液的準(zhǔn)確流量，蠕動泵本身具備一定的自吸能力，其具備流體只接觸泵管不接觸泵體、密封性好及維護(hù)簡單的特征。但是蠕動泵工作時(shí)需要不間斷地?cái)D壓甭管，容易導(dǎo)致甭管變形和破裂，因此每隔一周時(shí)間需要進(jìn)行流量校正，每隔一個月左右需要檢查甭管，必要的話需要進(jìn)行更換。

蠕動泵的硬件驅(qū)動及控制電路如圖2所示。

圖2 蠕動泵控制驅(qū)動電路

從圖2中我可以看出，蠕動泵控制系統(tǒng)由智能卡、A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離及伺服驅(qū)動器和電機(jī)構(gòu)成。工作的時(shí)候，由工控機(jī)發(fā)出指令，打開甭管的電氣閥，然后由智能控制卡發(fā)出數(shù)字指令，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換形成模擬量控制，經(jīng)過光電隔離（保護(hù)控制卡），到伺服驅(qū)動器，進(jìn)行線性放大并驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動泵頭轉(zhuǎn)動，從而不斷地?cái)D壓甭管，形成流量控制。

在一些濕度較大的FAB廠，蠕動泵伺服驅(qū)動器在無驅(qū)動信號下，可能會出現(xiàn)漂移電流，這些輕微的電流經(jīng)過放大后，導(dǎo)致蠕動泵電機(jī)誤動作，如果這種電流長期存在也會導(dǎo)致蠕動泵電機(jī)過熱或燒毀。因此采用在工控機(jī)與拋光液供應(yīng)管道電氣閥之間加上一個繼電器的線圈，在蠕動泵伺服驅(qū)動器輸入端或者控制端加上繼電器，這樣就可以完全解決漂移電流的故障。

隔膜泵是一種容積式泵，依據(jù)壓力壓迫拋光液上升，因此導(dǎo)致拋光液（懸浮顆粒）工作顆粒的凝聚，之后經(jīng)過蠕動泵的擠壓，剪切力較大，凝聚效應(yīng)進(jìn)一步放大，這些凝聚的大顆粒將導(dǎo)致拋光晶圓的微刮傷影響產(chǎn)品性能，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品失效。因此在技術(shù)節(jié)點(diǎn)較高的產(chǎn)品（130 nm以下）中，應(yīng)當(dāng)慎用這種拋光液供給及分布系統(tǒng)。

2 集中式拋光液供給及分布系統(tǒng)

在主流FAB廠里，通常采用集中式拋光液供給系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具備自動精確配液、維持拋光液溫度及供應(yīng)穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 集中式供液系統(tǒng)

集中式拋光供給及分配系統(tǒng)主要有拋光液桶（通常是2個）、泵（2個）、拋光液混合中心及日供應(yīng)中心構(gòu)成，采用2個拋光液槽體和其對應(yīng)的無軸承磁懸浮泵（圖中只畫出了1個）是為了更換拋光液的時(shí)候不影響正常的拋光液配比和適用，同時(shí)也是為了相互備用，提高拋光液供給系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。無軸承磁懸浮泵是基于磁懸浮的原理，泵的葉輪懸?。o接觸）在密封的泵殼內(nèi)并且由電機(jī)磁場驅(qū)動。泵的葉輪和殼體都是由耐化學(xué)腐蝕的高純度氟樹脂制造，與磁性轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成了泵的頭部。通過電子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以精確地控制流體流動速度和壓力，并消除震動。

拋光液混合中心帶有溫度控制，可以進(jìn)行冷熱控制，維持拋光液在特定溫度的化學(xué)活性；液面控制采用非接觸的雷達(dá)傳感器，這樣避免接觸帶來的污染和讀數(shù)的不穩(wěn)定。其中熱交換器和冷凝器均采用聚四氯乙烯覆蓋于鋼管上，使其耐高溫（200℃以上）。溫度傳感器對精度要求并不高，但是對響應(yīng)要快，盡量達(dá)到實(shí)時(shí)反饋，形成實(shí)時(shí)控制拋光液溫度。

配比中心需要用戶在電腦上輸入對應(yīng)的拋光液和去離子水的容量比例，然后由電腦控制泵精確抽取所需的拋光液和去離子水，在配比中心中攪拌，形成穩(wěn)定的拋光液。

用戶初步評估當(dāng)天所需要配置好的拋光液容量，然后在電腦上輸入對應(yīng)的量，由無軸承磁選泵抽取到日供應(yīng)中心的槽體中，形成當(dāng)天的供應(yīng)量。在日供應(yīng)中心的槽體中也需要進(jìn)行攪拌和循環(huán)，以保持拋光液的顆粒懸浮于溶液中。

3 兩種供應(yīng)系統(tǒng)對工作顆粒的影響分析

CMP拋光液的研磨顆粒主要分氣相二氧化硅、膠態(tài)二氧化硅、氧化鋁和二氧化鈰，其顆粒分布如圖4所示。

圖4 顆粒分布圖

這些研磨顆粒直徑大小各不相同，但是基本都呈現(xiàn)正態(tài)分布，其正常工作顆粒直徑基本分布在0.02～0.5 μm。這些顆粒懸浮于拋光液中，在CMP拋光過程中，提供機(jī)械去除機(jī)理，這些顆粒都是懸浮于溶液中，但是一旦凝聚形成大的顆粒，則會對晶片產(chǎn)生劃傷。

隔膜泵雖然具備簡單可靠的特征，但是由于工作時(shí)候?qū)伖庖菏┘訅毫Γ瑢?dǎo)致凝聚效應(yīng)較為明顯，如圖5所示。

圖5 隔膜泵工作機(jī)制與顆粒尺寸關(guān)系

從圖5中我們可以看出，當(dāng)隔膜泵的往復(fù)周期為0的時(shí)候，拋光液維持其正常分布，但是當(dāng)往復(fù)周期增大的時(shí)候，工作顆粒數(shù)量減少，而大顆粒數(shù)目卻顯著上升，這些由小顆粒凝聚而成的大顆粒不僅造成去除率的異常上升且導(dǎo)致嚴(yán)重的劃傷。這些大顆粒不僅降低過濾裝置的壽命，且影響正常拋光液的分布，造成工藝的波動。同理，蠕動泵也會導(dǎo)致拋光液工作顆粒的進(jìn)一步凝聚，因此小批量生產(chǎn)及隔膜泵供給系統(tǒng)應(yīng)用于技術(shù)節(jié)點(diǎn)要求不高，且工作時(shí)間較為自由的生產(chǎn)廠家。

集中式拋光液供給及分布系統(tǒng)采用無軸承磁懸浮泵，這個泵是離心泵的一種，其工作原理：采用葉輪的葉片驅(qū)使液體轉(zhuǎn)動，液體轉(zhuǎn)動時(shí)依靠慣性向葉輪外源流出，同時(shí)葉輪的腔室吸入拋光液，從而連續(xù)不斷地供液，而在流出中采用流量計(jì)代替隔膜泵，其控制精度更高，且不產(chǎn)生任何剪切力，如圖6所示。

圖6 隔膜泵工作機(jī)制與顆粒尺寸關(guān)系

從圖6中可以看出，即便是無軸承磁懸浮泵轉(zhuǎn)速增大到1218 r/min，其分布規(guī)律也沒有明顯的改變，大顆粒也沒有明顯的增加。

根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品資料顯示，采用無軸承磁懸浮泵較之容積式泵可減少0.5%～0.1%的可造成刮傷的顆粒，在循環(huán)回路中也只產(chǎn)生1/15的凝膠和大顆粒，可使過濾器壽命延長5～15倍。

無軸承磁懸浮泵所有與流體接觸的部分都是由高純度的氟樹脂（PTFE、PFA、ECTFE、PVDF）制造。此外，磁性轉(zhuǎn)子完全被兩層聚合物層密封和保護(hù)，消除金屬污染同時(shí)能夠耐酸耐堿。

集中式供液系統(tǒng)能夠設(shè)定和維持拋光液的溫度，這能夠最大限度地激活拋光液的化學(xué)活性，同時(shí)其顆粒形狀基本維持原狀態(tài)，只有很少的凝聚產(chǎn)生，因此在大規(guī)模生產(chǎn)和較為苛刻技術(shù)節(jié)點(diǎn)中多采用集中供液系統(tǒng)。其本身具備省人力物力，配比自動化且精準(zhǔn)，減少人為配比帶來的額外玷污等特征。相比于隔膜泵和蠕動泵系統(tǒng)，其流動更為穩(wěn)定，不會產(chǎn)生間歇式的脈沖流。

4 結(jié) 論

小批量生產(chǎn)及隔膜泵系統(tǒng)組裝簡單，可以方便移動及組裝，主要部件基本免維護(hù)，因此在0.35 μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以上小規(guī)模生產(chǎn)及科研院校十分適宜。集中式拋光液供給及分布系統(tǒng)具備自動配液、溫度控制和無軸承磁懸浮泵，自動化程度高且產(chǎn)生較少的顆粒凝聚，因此在大規(guī)模生產(chǎn)中適用。

[1] 雷紅，雒建斌，張朝輝.化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究進(jìn)展[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，9(6):494-502.

[2] 雷紅，雒建斌，馬俊杰.化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用及存在問題[J].潤滑與密封，2002(4):73-76.

[3] Michael Quirk，Julian Serda著，韓鄭生等譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011:487.

[4] 劉濤，于高洋，周國安.選擇性拋光液的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009（6）：36-39.