承載器殘余真空分析

李 巖，詹 陽，涂佃柳

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

隨著器件特征尺寸的微細化、布線層數(shù)增加和新型介質(zhì)材料的引入，半導(dǎo)體工藝對平坦化技術(shù)的依賴程度不斷增加?；瘜W機械平坦化（CMP）技術(shù)廣泛應(yīng)用在IC 晶圓及其襯底材料的平坦化過程中[1]。在CMP 過程中，晶圓被固定在承載器和拋光臺之間，通過控制晶圓承載器和拋光臺的相對位置和運動，在機械摩擦和化學刻蝕的共同作用下去除晶圓表面定量的材料，以此實現(xiàn)晶圓全局平整度[2]。

1 承載器

晶圓承載器作為CMP 設(shè)備的關(guān)鍵部件，其性能直接決定晶圓的拋光質(zhì)量。依據(jù)承載器采用的背膜，可將承載器分為Film 型承載器和Membrane 型承載器。承載器以真空方式吸附晶圓，以壓縮空氣卸載晶圓。

1.1 承載器功能與工作原理

承載器作為與晶圓直接接觸的部件，主要功能為：1）承載晶圓：在平坦化生產(chǎn)過程中，如圖2所示，晶圓被限制在承載器內(nèi)，并隨著承載器的擺動而運動，避免晶圓與拋光臺之間產(chǎn)生隨動；2）施加拋光壓力：在晶圓背面施加穩(wěn)定的區(qū)域壓力，以控制晶圓與拋光墊之間的摩擦力，保證機械摩擦效應(yīng)；3）移動晶圓：晶圓和承載器隨著拋光軸的運動而運動，實現(xiàn)晶圓在裝載臺、拋光臺和卸載臺之間的位置轉(zhuǎn)移；4）吸附晶圓：在裝載臺或晶圓與拋光臺脫離時，快速、準確地吸附晶圓；5）卸載晶圓：晶圓進入拋光臺或在卸載工位時，快速卸載晶圓。

圖1 拋光原理

在工位轉(zhuǎn)移過程中，晶圓與承載器的位置關(guān)系如圖2 所示，承載器將晶圓限制在保持環(huán)內(nèi)，并以真空負壓的方式將晶圓“吸附”到背膜上。

圖2 承載器中的晶圓

1.2 壓力區(qū)間的效應(yīng)

多區(qū)域壓力承載器技術(shù)是實現(xiàn)大尺寸晶圓全局平坦化的關(guān)鍵技術(shù)，在晶圓背面不同區(qū)域施加不同的壓力，實現(xiàn)晶圓不同區(qū)域與拋光墊之間不同摩擦力。由晶圓表面在區(qū)域壓力組合下的形貌曲線如圖3 所示，晶圓在無背壓作用時，形貌曲線最接近原貌；真空區(qū)和壓力區(qū)域?qū)A形貌的作用效應(yīng)相反。在CMP 過程中，需消除真空吸附力對晶圓的影響，以實現(xiàn)晶圓形貌的精確控制。

1.3 多區(qū)域壓力控制承載器

如圖4 所示，多區(qū)域壓力控制的Film 型承載器，具有3 個壓力區(qū)域。壓力區(qū)間分布著一定直徑和一定數(shù)量的通孔。

圖3 晶圓表面形貌曲線

圖4 多區(qū)域壓力控制承載器

為了實現(xiàn)承載器的工作要求，承載器的3 個壓力區(qū)域至少包含1 個真空壓力區(qū)，2 個或3 個背壓區(qū)。真空壓力區(qū)是承載器吸附晶圓的關(guān)鍵區(qū)域，直接決定承載器“吸附”晶圓的能力。背壓區(qū)用于控制晶圓的背壓，以保證晶圓去除量的一致性和均勻性。

2 真空壓力區(qū)

真空壓力區(qū)作為承載器的關(guān)鍵區(qū)域，不僅決定承載器“吸附”晶圓的能力，還影響晶圓的平整度產(chǎn)生。晶圓與承載器之間通過真空負壓的方式“吸附”固定，在晶圓拋光過程中，若真空釋放不完全，會造成晶圓表面形貌的變化，影響晶圓拋光的效果，并增加晶圓卸載的難度。

2.1 真空壓力區(qū)的分類

真空壓力區(qū)域即可作為獨立的真空負壓區(qū)，實現(xiàn)承載器“吸附”晶圓的功能；也可作為混合壓力區(qū)：真空負壓和正壓，實現(xiàn)“吸附”晶圓和施加區(qū)域壓力的功能。

（1）獨立的真空負壓區(qū)。對于3 區(qū)域壓力承載器，真空壓力區(qū)作為獨立的真空負壓區(qū)時，承載器具有2 個背壓區(qū)和1 個真空負壓區(qū)。晶圓在卸載過程由2 個壓力區(qū)同時執(zhí)行，或者2 個中的一個獨立執(zhí)行。

（2）混合壓力區(qū)。真空壓力區(qū)作為混合壓力區(qū)時，承載器具有3 個背壓區(qū)和1 個真空負壓區(qū)。晶圓在卸載過程中，可有3 個壓力區(qū)同時執(zhí)行，或者兩兩組合執(zhí)行，或者3 個壓力區(qū)獨立執(zhí)行。

在不考慮區(qū)域壓力對晶圓拋光質(zhì)量的影響下，依據(jù)混合壓力區(qū)不同，對承載器的壓力控制區(qū)進行排列組合，得到承載器區(qū)域壓力組合方式如表1 所示。拋光機的承載器采用表1 中的混合壓力控制技術(shù)的組合2，區(qū)域2 作為混合壓力區(qū)，區(qū)域1 和3 作為背壓區(qū)。

表1 承載器區(qū)域壓力組合

2.2 “法蘭型”晶圓

在拋光機進行工藝過程中，如圖5 所示，拋光后晶圓的全局平整度呈“中心、邊緣凹陷，中間凸起”的“法蘭型”分布。分析表明“法蘭型”晶圓產(chǎn)生有兩種原因：

（1）水的吸附力：晶圓與承載器之間的壓力作用，晶圓與背膜之間吸附力分布不均，導(dǎo)致晶圓在拋光過程中的局部壓力分布不均，造成去除量不均；

（2）殘余真空：真空負壓吸附晶圓后，通過電磁閥換向的方式，使真空區(qū)與大氣連通，但由于“小孔現(xiàn)象”，真空釋放不完整，晶圓與承載器背膜之間存在殘余真空壓力，改變了晶圓表面的形貌曲線。

圖5 “法蘭型”晶圓

3 吸附力和殘余真空測試實驗

為了分析“法蘭型”晶圓產(chǎn)生的原因，作者分別設(shè)計了吸附力和殘余真空的測試實驗。

3.1 實驗原理

拋光機承載器的區(qū)域流體原理如圖6 所示，其中EP01-EP02 為電氣比例閥，SQL01-SQL04 為兩位三通換向閥，SN1-SN3 為壓力傳感器，P1-P2為背壓接口，V1 為真空接口。電氣比例閥EP01 和EP02 采用SMC 的ITV0030 系列，輸出設(shè)定壓力0.005 ～0.5 MPa，可分別與換向閥SQL02 和SQL03 組合，實現(xiàn)拋光背壓P1 和P2 的控制；混合壓力區(qū)的正壓由EP01 和SQL01 組合控制，真空負壓由SQL04 控制。傳感器SN1 和SN2 用于記錄背壓的大小，SN3 用于記錄吸附晶圓的真空度。

圖6 承載器流體原理圖

3.2 吸附力測試實驗

（1）將背膜用水浸濕，圖7 所示，取一片用水浸泡后的晶圓放置于承載器中，并使晶圓與背膜“粘貼”在一起，嘗試輕推或轉(zhuǎn)動晶圓；

（2）將晶圓“粘貼”到背膜上，通過控制電氣比例閥和換向閥，依次向3 個壓力區(qū)域獨立的施加一定壓力的氣體，并記錄晶圓被吹離時的氣壓值，見表2 中Po、Pm、Pi。

圖7 拋光頭上的晶圓

（3）將晶圓“粘貼”到背膜上，通過控制電氣比例閥和換向閥，依次向3 個壓力區(qū)域中的2 個區(qū)域同時施加一定壓力的氣體，并記錄晶圓被吹離時的氣壓值，見表2 中PoPm、PmPi、PiPo。

表2 無真空吸附作用時的氣壓值 MPa

3.3 殘余真空的驗證實驗

3.3.1 真空區(qū)與大氣連通

（1）將晶圓“粘貼”到背膜上。依據(jù)表1 中區(qū)域壓力的組合方式1，使用SOL04 換向閥完成真空吸附晶圓，將真空區(qū)與大氣相連，釋放真空。分別向另外兩個壓力區(qū)獨立或者同時施加一定壓力的氣體，將真空吸附晶圓的壓力和晶圓被吹離時的氣壓值記錄在表3 中。

表3 區(qū)域1 為混合壓力區(qū)時，真空吸附晶圓后的氣壓值MPa

（2）同理，區(qū)域壓力組合方式采用表1 中的組合方式2 時，氣壓值記錄在表4 中。

表4 區(qū)域2 為混合壓力區(qū)時，真空吸附晶圓后的氣壓值MPa

（3）同理，區(qū)域壓力組合方式采用表1 中的組合方式3 時，氣壓值記錄在表5 中。

3.3.2 真空區(qū)通入壓縮空氣

（1）將晶圓“粘貼”到背膜上。依據(jù)表1 中區(qū)域壓力的組合方式1，使用SOL04 換向閥完成真空吸附晶圓；斷開真空后，將真空壓力區(qū)與EP1 接通2 s 后斷開，通入氣壓為0.05 MPa 的氣體。分別向另外兩個壓力區(qū)獨立或者同時施加一定壓力的氣體，將真空吸附晶圓的壓力和晶圓被吹離時的氣壓值記錄在表6 中。

表5 區(qū)域3 為混合壓力區(qū)時，真空吸附晶圓后的氣壓值MPa

表6 區(qū)域1 為混合壓力區(qū)時MPa

（2）同理，區(qū)域壓力組合方式采用表1 中的組合方式2 時，氣壓值記錄在表7 中。

表7 區(qū)域2 為混合壓力區(qū)時MPa

（3）同理，區(qū)域壓力組合方式采用表1 中的組合方式3 時，氣壓值記錄在表8 中。

表8 區(qū)域3 為混合壓力區(qū)時MPa

4 實驗結(jié)果分析

（1）吸附力測試實驗中，放置到承載器背膜上的晶圓，不能自由轉(zhuǎn)動，說明晶圓與承載器背膜接觸后形成一定的吸附作用。

（2）比較表2、表3、表4 和表5，表3、表4 和表5 中的獨立氣壓Po、Pm、和Pi，組合氣壓PoPm、PmPi和PiPo的值明顯大于表2 中的值。說明通過真空區(qū)與大氣接通的方式不能完全破壞晶圓與背膜之間真空區(qū)，即存在殘余真空。

（3）對應(yīng)比較表3 和表6、表4 和表7，表5 和表8，在向真空壓力區(qū)通入2 s 壓力為0.05 MPa 的壓縮空氣后，表6、表7 和表8 中的獨立氣壓Po、Pm、Pi和組合氣壓PoPm、PmPi、PiPo的值明顯小于表3、表4 和表5 中的值。說明通過向真空壓力區(qū)通入一定壓力的氣體可以消除晶圓與承載器之間的殘余真空。

（4）由圖5 的形狀可知，若產(chǎn)生原因為水吸附力，其形狀應(yīng)為不規(guī)則的圖形，而圖5 中的晶圓形貌呈“中心、邊緣凹陷，中間凸起”的“法蘭型”分布，說明引起晶圓形貌變化的負壓呈一定的均勻性分布。由承載器區(qū)域壓力分布知，晶圓凸起的位置對應(yīng)承載器的真空壓力區(qū)域。即“法蘭型”形貌晶圓的形成是由于拋光過程中晶圓與承載器的殘余真空引起。消除殘余真空后得到的晶圓形狀如圖8 所示，該晶圓無“法蘭型”形貌。

圖8 消除殘余真空后的晶圓

5 總 結(jié)

化學機械平坦化技術(shù)是晶圓平坦化的關(guān)鍵技術(shù)，隨著晶圓尺寸的增加和晶圓特征尺寸的減小，集成多區(qū)域壓力控制的承載器技術(shù)應(yīng)運而生?；瘜W機械拋光機設(shè)備中承載器的壓力區(qū)域包括1 個混合壓力控制區(qū)和2 個背壓區(qū)。

通過分析拋光過程中的“法蘭型”晶圓產(chǎn)生的原因，本文分別設(shè)計和進行了吸附力和殘余真空的測試實驗。對比實驗結(jié)果：（1）由于水的作用，晶圓與承載器之間存在吸附力；（2）真空負壓吸附晶圓后，接通真空區(qū)和大氣并不能完全消除晶圓與背膜之間的真空效應(yīng)，即晶圓與背膜之間存在殘余真空；而通過向真空區(qū)通入一定壓力的壓縮空氣，可以有效消除晶圓與背膜之間的殘余真空。

[1] Peter Van Zant. 芯片制造-半導(dǎo)體工藝制程實用教程[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 張朝輝. 化學機械拋光中的納米級薄膜流動[J]. 中國機械工程，2005，16 (14)：1282-1284.