拋光墊修整系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張瑋琪，王洪建，孫 敏

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

拋光墊修整系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張瑋琪，王洪建，孫 敏

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

拋光墊修整器系統(tǒng)是CMP設(shè)備的重要組成部分，它可以?xún)?yōu)化CMP的工藝結(jié)果，有效延長(zhǎng)拋光墊的壽命；通過(guò)介紹拋光墊修整器裝置的整體結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)控制及建立數(shù)學(xué)模型，并利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，得出全拋光墊均勻修整覆蓋的模型，指出今后拋光墊修整器應(yīng)具備更多功能，以滿(mǎn)足拋光墊的修整需要。

化學(xué)機(jī)械平坦化；拋光墊修整器；拋光墊；集成電路設(shè)備

半導(dǎo)體工藝對(duì)于平坦化技術(shù)的需求主要是由于器件特征線寬進(jìn)一步微細(xì)化、多層布線和一些新型介質(zhì)材料的不斷引入而出現(xiàn)，器件微細(xì)化及多層金屬技術(shù)早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是隨之而來(lái)形成的較大表面起伏成為亞微米圖形制作的不利因素，更多層的加入使得硅片表面變得極不平整。不平整的硅片表面形貌是半導(dǎo)體制造中不希望出現(xiàn)的，它導(dǎo)致諸多的問(wèn)題，其中最嚴(yán)重的是無(wú)法在硅片表面進(jìn)行圖形制作，因?yàn)樗艿焦鈱W(xué)光刻中步進(jìn)透鏡焦距深度的限制。國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種平坦化技術(shù)來(lái)減小或最小化由工藝所導(dǎo)致的表面起伏問(wèn)題，如反刻、玻璃回流和旋涂膜層，這些都是局部平滑技術(shù)，不能從根本上徹底解決整個(gè)晶圓的表面起伏問(wèn)題，直到是20世紀(jì)80年代后期IBM開(kāi)發(fā)出的全局平坦化方法CMP才使得表面起伏問(wèn)題徹底解決，也使得超大規(guī)模集成電路、甚大規(guī)模集成電路及當(dāng)今的單位面積達(dá)到10億甚至更多的晶體管且金屬層達(dá)到15層的芯片制造成為可能，摩爾定律也得以延續(xù)。CMP已經(jīng)成為高密度半導(dǎo)體制造中平坦化的標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)多層集成必不可少的關(guān)鍵工藝，已與光刻、刻蝕、淀積、離子注入等同等重要且相互依賴(lài)的重大關(guān)鍵制程，并且其地位及重要性隨著關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)縮小而日益凸顯。

拋光墊修整裝置是CMP設(shè)備中重要及必不可少的組成部分，其主要功能是使得拋光墊持續(xù)維持最佳的狀態(tài)，這不僅僅可以保證極佳的片內(nèi)非均勻性（WIWNU）、片間非均勻性(WTWNU)及批次間非均勻性（LTLNU）得以實(shí)現(xiàn)，且可以大幅度延長(zhǎng)拋光墊的有效使用壽命。

1 拋光墊修整器的整體結(jié)構(gòu)

拋光墊的修整是用修整器在拋光墊表面細(xì)劃，打開(kāi)拋光墊上的孔，使得拋光液在通道能夠充分流動(dòng)。修整的本質(zhì)是去除拋光墊頂層表面的受損部分，修整的好壞由修整器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速、下壓力、修整器的擺動(dòng)頻率、拋光液流速、整體修整時(shí)間等綜合因素所決定的[2]。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 修整器的結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出，修整裝置由氣缸、電機(jī)及傳動(dòng)裝置所組成，在實(shí)際的晶圓拋光中，每次換新墊子之前，都必須進(jìn)行拋光墊形貌的修整，一般稱(chēng)之為“Break in”，這種修整方式是離線修整。修整的時(shí)候可采用單向（由里到外）或者雙向（來(lái)回）修整方式，一般進(jìn)行20～30 min的修整。通常修整壓力較正常工藝所需壓力要大，每個(gè)周期的修整時(shí)間要長(zhǎng)，此時(shí)設(shè)置菜單包括修整器的轉(zhuǎn)速、下壓力、拋光液流速、修整的起點(diǎn)和終點(diǎn)等。

進(jìn)入正常拋光后，有在線修整和離線修整，對(duì)于拋光時(shí)間較長(zhǎng)的，容易導(dǎo)致拋光墊粗糙度下降，且拋光墊表面由于拋光造成聚合物表面回流形成孔的封閉，此時(shí)表現(xiàn)的就是整體去除率明顯下降，此時(shí)宜采取在線修整方式。而對(duì)于拋光時(shí)間較短的材料，多采用離線修整，分為拋光之前修整和拋光之后修整。無(wú)論哪種修整方式，對(duì)于CMP的去除率、片內(nèi)非均勻性的穩(wěn)定性起到的是直接的影響。

2 拋光墊修整器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

拋光墊修整器多采用氣缸方式進(jìn)行抬起或者下降，并施加下壓力，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)修整盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)及修整手臂的擺動(dòng)；修整過(guò)程中的壓力、轉(zhuǎn)速及擺動(dòng)都盡量要求平滑，以避免造成拋光墊過(guò)度磨損及修整盤(pán)中金剛石顆粒的斷落，修整裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 修整器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

修整裝置由前置子系統(tǒng)、修整盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置及外殼擺動(dòng)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中前置子系統(tǒng)由傳送裝置、液體管道及氣體管道形成，也有相關(guān)的設(shè)計(jì)將電機(jī)和變速器整套都放在最前面，但這樣會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)臃腫，電氣組件暴露于化學(xué)環(huán)境中，且修整裝置不能進(jìn)行液體的配置，整體剛性及穩(wěn)定性都不是最為理想的。此種設(shè)計(jì)將修整盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)和修整手臂擺動(dòng)電機(jī)都置于下面，整體簡(jiǎn)潔且便于維修。

3 修整裝置的氣動(dòng)控制系統(tǒng)

氣動(dòng)裝置如圖3所示[3]。

圖3 修整器的氣動(dòng)原理圖

如圖3中，CDA（干凈的壓縮空氣）一般是0.7 MPa，當(dāng)給電磁閥一個(gè)輸出信號(hào)為上的時(shí)候，0.7 MPa將直接通向氣缸的下部，推動(dòng)氣缸迅速抬起，節(jié)約時(shí)間；而當(dāng)給電磁閥輸出為下的信號(hào)的時(shí)候，此時(shí)經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥調(diào)壓的壓縮空氣將通向氣缸底部，以平衡修整裝置的整體重力，并使得修整盤(pán)緩慢下降，避免快速下降造成金剛石顆粒的折斷。當(dāng)下降完成后，由工控機(jī)的模擬量輸出信號(hào)給電氣比例閥，以按照設(shè)定的壓力進(jìn)行控制。

4 修整裝置的數(shù)學(xué)模型

修整器及拋光墊的坐標(biāo)建立如圖4所示。

圖4 拋光墊及拋光修整器的坐標(biāo)

其中：

拋光臺(tái)基坐標(biāo)系：F0

修整器基坐標(biāo)系：F1

坐標(biāo)系F1，原點(diǎn)O1與坐標(biāo)系F0、原點(diǎn)O0的距離為：a

鉆石輪中心距離修整器極坐標(biāo)系F1原點(diǎn)O1的距離為：r

拋光臺(tái)轉(zhuǎn)速為：ω1

修整器基坐標(biāo)系相對(duì)拋光臺(tái)轉(zhuǎn)速為：-ω1

修整器在拋光臺(tái)上的相對(duì)擺動(dòng)角度范圍為：α

修整器在坐標(biāo)系F1中任意時(shí)刻t的位置為：P

修整器在坐標(biāo)系F1中的擺動(dòng)角速度為：ω2

修整器在坐標(biāo)系F1中的極限位置為：P1和P2

任意時(shí)刻坐標(biāo)系F1相對(duì)坐標(biāo)系F0的齊次變換矩陣

即：P在坐標(biāo)系F1中的坐標(biāo)位置：P

依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，則P在坐標(biāo)系F0中的位置為:Pt

修整器從P1擺動(dòng)到P2的擺動(dòng)時(shí)間為：T

任意時(shí)刻，P在坐標(biāo)系F1中的位置

任意時(shí)刻坐標(biāo)系F1相對(duì)坐標(biāo)系F0的齊次變換矩陣T01

若：

則：

否則：

通常的修整方式如圖5所示。

圖5 修整區(qū)域的劃分

一般CMP的修整可依拋光墊進(jìn)行區(qū)域修整，以達(dá)到所需要的形態(tài)形貌。在不同的區(qū)域可設(shè)置不同的駐留時(shí)間、下壓力甚至轉(zhuǎn)速，因此修整盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)必須快速響應(yīng)且精確控制以適應(yīng)設(shè)置的靈活多變；圖6中是按照10個(gè)區(qū)域進(jìn)行修整。一般在更換新的拋光墊之間都需要修整，稱(chēng)之為PAD break-in，此時(shí)一般在每個(gè)區(qū)域的駐留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，修整壓力較大，周期也較長(zhǎng)。利用上面的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行最優(yōu)化的參數(shù)組合后，其仿真圖形如圖6所示。

圖6 Pad Break-in拋光墊修整區(qū)域覆蓋圖

從圖6中的仿真(Matlab)可以看出，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后，拋光墊區(qū)域基本能夠全部覆蓋到，且呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓盤(pán)分布，在理論上證實(shí)參數(shù)滿(mǎn)足要求。

拋光墊在進(jìn)行Break-in后，一般會(huì)運(yùn)行一些擋片（DUMMY wafer），此時(shí)多采用在線或者離線修整方式，如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng)（工藝窗口一般都較窄），則呈現(xiàn)的圖形如圖7所示。

圖7 不合適修整參數(shù)下的拋光墊修整覆蓋圖形

圖8 經(jīng)過(guò)最優(yōu)化后的修整覆蓋圖

從圖7中可以看出，參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，則在整個(gè)拋光墊修整覆蓋的區(qū)域?qū)O度不規(guī)則，并且有未修整到的區(qū)域，這將導(dǎo)致拋光過(guò)程中晶圓接觸的拋光墊形貌不規(guī)則且不穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)最優(yōu)化后的拋光墊修整區(qū)域圖形如圖8所示。

從圖8中可以看出，拋光墊整個(gè)區(qū)域基本呈現(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)和中心對(duì)稱(chēng)，這樣的拋光修整形貌對(duì)于控制晶圓的片內(nèi)非均勻性較為有益。

5 結(jié)論

本文初步研究的CMP裝置的整體結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)控制及電動(dòng)控制，整體的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用；但今后的CMP修整裝置應(yīng)更為智能且輕巧，應(yīng)具備高壓去離子水、清洗液（拋光液）等功能，使得修整后的拋光墊發(fā)揮更好的功能。

[1] Michal Quirk，Julian Serda，著.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].韓鄭生譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 周?chē)?guó)安，種寶春，柳濱，等.CMP中拋光墊的性質(zhì)研究[J].微納電子技術(shù).2008(8)：488-491.

[3] 高文泉，李偉，徐存良，等.CMP設(shè)備中拋光墊修整結(jié)構(gòu)的研究[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備.2012（8）：1-3.

The Primary Study on Pad Conditioner System

ZHANG Weiqi，WANG Hongjian，SUN Min

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The pad conditioner system is the important part of the whole CMP equipment，which can improve the process，and extend the pad's life;The paper introduces the structure of the pad conditioner、pneumatic control system and build the mathematic model，to simulate the formula by the Matlab，then get the result that the track can cover the whole pad，at last figure out the pad conditioner should have more function，which meet the CMP develop in future.

CMP（chemical mechanical planarization）；Pad conditioner device；Pad；Integrated circuitequipment

TN305

：B

：1004-4507(2015)08-0015-04

2015-06-29