CMP設(shè)備中幾種下壓力施加結(jié)構(gòu)簡介

周國安，詹 陽，李 偉，胡興臣，陳 威

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

CMP設(shè)備中幾種下壓力施加結(jié)構(gòu)簡介

周國安，詹 陽，李 偉，胡興臣，陳 威

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

分析了旋轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)的下壓力特點(diǎn)，指出其采用最直接的杠桿原理，是第一代CMP機(jī)型IPEC372M的典型結(jié)構(gòu)，適用于0.8 μm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，并指出其局限性；后分析了橋式下壓力結(jié)構(gòu)，加了垂直于拋光臺(tái)的主軸套及鉸鏈結(jié)構(gòu)，這種改善性的杠桿原理保證氣缸施加下壓力的有效性；研究了中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所特有專利技術(shù)的轉(zhuǎn)塔式結(jié)構(gòu)采用的浮動(dòng)懸掛模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)完全下壓力的垂直性，同時(shí)具備維持壓力的恒定性和微壓力的靈敏性；然后分析應(yīng)用材料的旋轉(zhuǎn)木馬形式結(jié)構(gòu)，并研究了其結(jié)構(gòu)的特色能夠?qū)崿F(xiàn)拋光頭的垂直下降，而且薄膜的壓力完全替代下壓力和背壓的作用，具備更好的晶圓平坦化性能。最后指出今后CMP壓力結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備高響應(yīng)特性、少的移動(dòng)部件。

化學(xué)機(jī)械平坦化；下壓力；旋轉(zhuǎn)臂；橋；轉(zhuǎn)塔；旋轉(zhuǎn)木馬；薄膜

化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）是集成電路（IC）制程中的核心重大裝備之一，而下壓力的機(jī)械結(jié)構(gòu)和施加方式是CMP工藝參數(shù)中重要一項(xiàng)，其不僅直接影響晶圓的平坦化效果，且關(guān)系著設(shè)備的可靠性和維護(hù)性。因此研究下壓力的施加結(jié)構(gòu)對(duì)于CMP（化學(xué)機(jī)械平坦化）設(shè)備的設(shè)計(jì)及工藝都具有重要意義。

1 CMP設(shè)備工作原理

CMP設(shè)備是采用把一個(gè)拋光墊粘在拋光臺(tái)的表面上進(jìn)行平坦化，平坦化之前承載器采用真空方式吸附晶圓；在平坦化的時(shí)候，承載器對(duì)晶圓施加下壓力、區(qū)域背壓和保持環(huán)壓力，與此同時(shí)按照菜單設(shè)定好的轉(zhuǎn)速與拋光臺(tái)同向旋轉(zhuǎn)且擺動(dòng)，拋光液持續(xù)流入拋光墊上，并被帶入到拋光區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓的化學(xué)和機(jī)械的綜合去除作用。修整器可以采用在線和離線修整方式，以維持拋光墊穩(wěn)定的形態(tài)形貌［1］。如圖1所示。

圖1 CMP設(shè)備平坦化示意圖

其中機(jī)械作用的主要方式是由晶圓和拋光墊有效接觸面之間的摩擦力來決定，主要體現(xiàn)于拋光頭和拋光臺(tái)之間的線性速度差及施加于晶圓表面下壓力、背壓及維持環(huán)的壓力。下壓力的施加結(jié)構(gòu)有多種形式，但最重要也是最基本的要求是垂直于拋光臺(tái)表面。

2旋轉(zhuǎn)臂（OVERARM）式下壓力施加結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)80年代后期，IBM開發(fā)采用了CMP技術(shù)，此時(shí)出現(xiàn)了第一代CMP典型設(shè)備為IPEC372M及IPEC472，該設(shè)備就是典型的旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)的下壓力施加方式，如圖2所示。

圖2 IPEC372M

從圖2中可以看出，該結(jié)構(gòu)形成一種杠杠，利用氣缸直接推動(dòng)拋光頭整體結(jié)構(gòu)上升或者下降。該結(jié)構(gòu)的下壓力施加原理簡單直接，對(duì)于當(dāng)時(shí)0.8 μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的氧化物拋光，已經(jīng)滿足其工藝要求。其施加下壓力采用以支點(diǎn)為圓心，拋光頭為半徑形式畫弧施加下壓力，在這個(gè)過程中，承載器是否垂直于拋光臺(tái)的表面需要經(jīng)常精細(xì)校正其主軸；IPEC372M的承載器具備萬向功能，可輕微的自適應(yīng)調(diào)整以最大程度的貼合拋光墊，但如果主軸垂直于拋光臺(tái)的偏向過大，則承載器也無法有效彌補(bǔ)，拋光后的晶圓將會(huì)呈現(xiàn)楔形形狀，直接導(dǎo)致芯片失效。IPEC372M的施加力的結(jié)構(gòu)簡單，且力的作用是剛性，這對(duì)于控制表面形態(tài)形貌并不理想，但該設(shè)備是單拋光頭雙拋光臺(tái)，具備粗和精拋光性能，在拋光過程中是單拋光頭對(duì)應(yīng)單拋光臺(tái)，因此工藝過程便于控制，片與片之間的非均勻性（WTWNU）較好；這種下壓力結(jié)構(gòu)較之其他種類的CMP設(shè)備大，因此目前一些廠商會(huì)選擇做厚SOI（絕緣層上硅）的拋光，能夠基本滿足要求。在150 mm與200 mm的初始晶圓拋光（Prime Wafer）方面，美國Strasbaugh公司的6DZ也采用該種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具備極大的下壓力，在施加大的下壓力的情況下邊旋轉(zhuǎn)變擺動(dòng)，滿足較大襯底材料大去除量及嚴(yán)苛的全局厚度變化 （TTV）及局部平整度（STIR）的要求。由于這種結(jié)構(gòu)較為簡單，因此Strasbaugh打造了實(shí)驗(yàn)室專用設(shè)備6EC和6EG，這些設(shè)備在芯片設(shè)計(jì)初期開發(fā)工藝及芯片制造中進(jìn)行失效分析具備極強(qiáng)的性價(jià)比和靈活性。

3橋式（BRIDGE）下壓力施加結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)臂式下壓力施加結(jié)構(gòu)是簡單的杠杠原理，拋光頭的下壓力不能夠有效保證垂直于拋光臺(tái)的表面，這對(duì)晶圓拋光極其不利；而橋式下壓力的施加結(jié)構(gòu)可以有效改善這種狀況。這種結(jié)構(gòu)在美國Strasbaugh的量產(chǎn)設(shè)備6DS-SP上得以體現(xiàn)，如圖3所示。

圖3美國Strasbaugh的拋光頭結(jié)構(gòu)圖

從圖3可以看出，整個(gè)結(jié)構(gòu)也是一種杠杠原理，但不同的是其主軸位于固定的套筒形式的結(jié)構(gòu)中，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上保證其垂直于拋光臺(tái)平面；另外是增加了鉸鏈，這可以保證即使支桿傾斜于支點(diǎn)，但施加于主軸上的作用力依然是垂直向下的。Strasbaugh的這種下壓力結(jié)構(gòu)配合其特有的VIPRR（可變氣動(dòng)維持環(huán)）型拋光頭廣泛用于0.35 及0.25 μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的芯片生產(chǎn)中。6ds-sp采用的雙拋光頭結(jié)構(gòu)，這在0.25 μm以上技術(shù)節(jié)點(diǎn)中能夠在滿足工藝條件情況下，節(jié)省拋光液和拋光墊，但是在90 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，其工藝的可控性及片間非均勻性卻面臨是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)受制于其集成后清洗技術(shù)的短板，在后續(xù)上基本被美國應(yīng)用材料（AMAT）及荏原（EBARA）所取代。

4　　轉(zhuǎn)塔式下壓力施加結(jié)構(gòu)

隨著CMP技術(shù)的重要性日益凸顯，中國加大了CMP技術(shù)的重視，中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所經(jīng)過多年的研究積累，形成了一系列自主的核心技術(shù)［2］，并取得多項(xiàng)發(fā)明專利。采用浮動(dòng)懸掛裝置的轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)就是其自主研發(fā)的成果之一，如圖4所示。

圖4 PG1201的CMP的轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

該技術(shù)的施加力單元不再是傳統(tǒng)的氣缸，而變成橡膠氣囊式氣缸，其不僅在微壓作用下保持良好的下壓力特性，而且隨著拋光過程在拋光頭旋轉(zhuǎn)且同時(shí)擺動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整姿態(tài)，具有很高的拋光力適應(yīng)柔韌性。主軸在壓簧和氣囊式氣缸上保持平衡，通過氣壓的變化，實(shí)現(xiàn)主軸的垂直升降，有效保證主軸垂直于拋光臺(tái)表面，其下壓力在拋光過程中能夠自適應(yīng)的按照設(shè)定值保持穩(wěn)定。該種結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際晶圓生產(chǎn)中，平坦化后的晶圓具備良好的表面形態(tài)形貌。

5　　旋轉(zhuǎn)木馬形結(jié)構(gòu)

應(yīng)用材料基本上所有機(jī)型CMP均采用此種結(jié)構(gòu)形式，并且申請了專利技術(shù)（US005738574A）［3］，這種呈現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中Mirra-Mesa及Reflexion LK均采用了4拋光頭和3拋光臺(tái)結(jié)構(gòu)，在拋光過程中實(shí)現(xiàn)了單拋光頭對(duì)應(yīng)單拋光臺(tái)，對(duì)單片的平坦化效果如片間非均勻性極好，同時(shí)滿足了嚴(yán)格的片間非均勻性。這種結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)三個(gè)拋光臺(tái)同時(shí)拋光，裝載及卸載也同時(shí)在此時(shí)間段內(nèi)完成，最大限度滿足量產(chǎn)的需要，是當(dāng)今的主流CMP設(shè)備，如圖5所示。

圖5 Mirra-Mesa的示意圖

應(yīng)用材料的CMP設(shè)備在拋光主軸整體組件上都沒有采用氣缸結(jié)構(gòu)，因此拋光頭主軸任何時(shí)候都是維持不動(dòng)狀態(tài)，這也在整體上保證了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。以經(jīng)典的TITAN拋光頭為例，其抓取晶圓、卸載晶圓及拋光過程按下晶圓都靠保持環(huán)（retaining ring）的正負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)此功能，而施加于晶圓上的力主要是薄膜的力，其結(jié)構(gòu)和受力如圖6，圖7所示。

圖6 Titan機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

從圖6、圖7中可以看出，在Mirra-Mesa拋光過程中，實(shí)現(xiàn)設(shè)置的力的參數(shù)為保持環(huán)力、薄膜力及內(nèi)管力。保持環(huán)通過正負(fù)壓直接帶動(dòng)整個(gè)下部模塊上下運(yùn)動(dòng)取代了前敘依靠氣缸來推動(dòng)拋光頭模塊上下的功能，并且更為迅速快捷。其主軸一旦原廠校正完畢，后續(xù)維護(hù)基本無需考慮，對(duì)晶圓表面施加的力也必定是垂直的。薄膜力實(shí)際上是一種氣囊性質(zhì)的力，以取代上敘幾種結(jié)構(gòu)設(shè)備的背壓（Insert/Backfilm）和下壓力，不同的是由于采用表面可以膨脹收縮的柔軟的薄膜材料，這種力更為柔性，適合晶圓貼合拋光墊的動(dòng)態(tài)調(diào)整，獲取更好的平坦化效果。因?yàn)槭┘诱龎毫Φ倪^程中，薄膜形成了一種封閉空間，因此保持力的恒定性更好，且作用于晶圓表面是面接觸，避免了點(diǎn)接觸的局部壓強(qiáng)過大［4］。

圖7 Titan拋光頭受力分析簡圖

6結(jié)論

隨著集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)越來越嚴(yán)苛，對(duì)設(shè)備的要求也越來越高，對(duì)下壓力的實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上一方面要充分考慮且可靠性，如盡可能少的移動(dòng)部件；另一方面要達(dá)到其高響應(yīng)特性和微壓力實(shí)現(xiàn)特性，達(dá)到更高精度的平坦化效果。

［1］ Michael Quirk，Julian Serda.半導(dǎo)體制造技術(shù)［M］.韓鄭生，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.7.

［2］ 陳威，廖傳鑫，王東輝，等.化學(xué)機(jī)械拋光心軸裝置［P］.中國，ZL201010249877.6.2013-01-09.

［3］Robert D.Tolles，Santa Clara，NormShendon，etc.Continuous Process System For Chemical Mechanical Polishing ［p］.US，US005738574A，1998-4-14.

［4］ 李偉，周國安，徐存良，等.CMP承載器背壓發(fā)展歷程［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2015，44（3）：23-25.

個(gè)人簡介：

周國安（1981-），河南信陽人，碩士，畢業(yè)于西南交通大學(xué)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備研究。

The introduction about several down pressure structures of CMP tools

Zhou Guoan，Zhan Yang，Li Wei，HuXingchen，Chen Wei
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing，100176，China）

First，the paper analyze the feature of down pressure in the overarm style structure，and figuring out it adoptsthe simple lever principle，which is used in the first generation CMP tool IPEC372M，and suit for 0.8 μm technology node in the IC field..Meanwhile the author indicates its disadvantage.Second，to introduce the bridge structure，adding the shaft sleeve and lever's chains which can make sure the spindle vertically to the platen.The kind of improved lever is very useful for the down pressure；Third，to study the tower structure，the patent belong to CETC 45，and it adopts the floated hanging flame，can achieve the real vertical down pressure to the platen.The tower structure has the pressure stably and very small force sensitively.Then，to analyze the carrousel structure of the AMAT's tool，and giving the structure's feature，it can apply the Membrane pressure instead of down pressureand back pressure，which realize the very excellent uniformity of the wafer.At last，pointing out the down pressure structure should has high reactive sensitively and less movement's parts.

CMP（chemical mechanical planarization）；Down pressure；Overarm；Bridge；Tower；Carrousel；Membrane

TN305.2

A

1004-4507（2016）06-0045-04

2016-03-29