CMP中真空供應系統的設計

周國安

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

化學機械拋光 (chemical mechanical polish，CMP)技術是制備晶圓的關鍵步驟，它能滿足晶圓嚴格的工藝控制、高質量的表面外形及平面度[1，2]。但是對于CMP機臺配套的供應系統卻研究甚少，但這些供應系統卻是影響加工效果的必須因素。CMP機臺本身是一種特殊的精密設備，在生產過程中高度依賴穩定的供應系統。在大型的凈化間內，可以實現穩定的集中式供應如拋光液、去離子水、壓縮空氣、真空等。但是對于實驗室及小批量生產，卻無法做到，只能靠獨立的通用供應系統來滿足設備要求。這些中有如真空泵，無法滿足CMP特殊需要，必須加以特殊設計改進方能滿足要求。

多數CMP機臺在晶圓傳輸及抓取過程中都會使用真空，在真空附加之前，晶圓大多會浸沒于去離子水中，因此在晶圓吸附過程中，將會有大量的去離子水、拋光液等倒流于真空系統中，這將導致真空負壓逐漸降低甚至停機，對于機臺而言，這將會導致掉片、碎片。真空供應系統需要具備：（1）處理倒流液體的能力；（2）在任何時候，必須保證系統所需的最小負壓；（3）真空泵電機不可持續長時間工作，否則電機過熱而自動停機，同時壽命減短。一般通用的真空泵難以滿足上述要求。

1 CMP機臺內真空部件分析

在CMP內部通常有兩處需要使用真空：（1）機械手取片和收片，一般從片盒中取出，拋光完畢后收回到片盒。也有一些拋光機采用直接接觸，靠重力和前后卡位來拾取晶圓，如IPEC372，但是這種方式極易導致玷污，并且抓取不牢固。（2）承載器拾取晶圓[3]：幾乎所有類型的CMP均采用此方法。

真空在某些拋光機中也有其他用途，如主軸吸附承載器。由于承載器需要進行更換內部耗材，如背膜、維持環等，在拋光較多晶圓的時候，還需要對內部進行清洗和維護，因此需要頻繁的卸載和裝載承載器[4][5]。一般承載器裝載在主軸上，靠機械緊固件或者卡簧固定，而承載器基板多采用不銹鋼或者陶瓷材料，其本身密度較大，整體質量一般超過十多公斤，如果從拋光臺上方或者上下片臺上掉下，后果不堪設想。為了保證承載器不會從主軸上脫落，施加真空吸附無疑是另一個有效保證。即便所有緊固件均未裝載，僅靠真空吸附也足夠保證承載器不會脫落：裝載真空傳感器，如果真空沒有加載，則主軸將不會抬起和移動，如圖1所示。

圖1 CMP內部真空功能部件圖

其中SOL是電磁閥，對于較大真空需要的使用氣動電磁閥，以保證動作的可靠。

1.1 真空系統的設計

即便在實驗室條件下，CMP一般也要求位于較低等級的凈化間內，而凈化間的建造成本較高，因此力求真空系統簡潔可靠且占地面積較小。本文中將真空供應系統設計集中于一個柜體內，這樣完全可以達到上述要求，并且美觀大方。

1.2 真空系統的氣動設計

真空系統氣動設計如圖2所示。

圖2 真空系統氣動圖

圖2中所示，其工作原理為：在正常工作模式下，SOL2（電磁閥）打開，SOL1（電磁閥）關閉，80PSI（磅每平方英寸）的壓縮空氣通過SOL2激發VAL1（氣動閥門）打開，VAL2真空通道（通道1）打開，VAL3關閉，此時真空泵抽取真空到達真空槽體和排放槽體內。由于此時真空槽體和排放槽體通過VAL1聯通，真空值完全一樣，外部液體倒流到真空槽體內，則液體通過自身重力流入到排放槽體內。一旦排放槽體內的液體達到滿位則觸發SOL2關閉，此時VAL1斷開真空聯結，VAL2則偏向通道2，而VAL3打開，與外部大氣聯通，由于殘存真空的存在，液體尚不能流出。通過短暫延遲后，SOL1打開，則 15-20PSI（約1.0335-1.378個標準大氣壓）的壓縮空氣通過2通道施加于排放槽體內，迫使液體流出，一旦液體排放完畢，則觸發SOL1關閉，SOL2打開，恢復正常工作模式。需要強調的是：即便在排液期間，真空槽體內依然可以不間斷提供真空，而一旦排液結束，則排液槽體也將參入存儲真空，這樣可以有效的擴充真空使用效率。

1.3 真空系統的電路設計

真空系統電路設計如圖3所示。

圖3 真空系統的電路圖設計

如圖3所示：其工作模式如前所述，當頂部傳感器觸發時，則控制器觸發SOL2關閉，并且延遲片刻，觸發SOL1打開，排水顯示燈亮，進行排水。槽體排空后，底部傳感器觸發SOL2打開，SOL1關閉，此時恢復到常態工作模式。在正常加電模式下，電系統開指示燈燈亮，然后手動按下開機開關，此時供電回路形成，線圈帶電，吸合繼電器觸點，控制器正常工作。而一旦出現緊急情況，則可以按下緊急開關，此時回路斷開，則真空電機和控制器都將停止運轉。圖中的SMC真空開關，是設置和控制真空度的。當真空度低于設定最低負壓值時則打開，線圈帶電，觸點吸合，真空泵開啟；當達到設定最高負壓值時，則真空開關關閉，真空泵停止運轉。

2 軟件流程圖的設計

軟件流程如圖4所示。

圖4 真空檢測控制流程圖

從圖中可以看出，在初始開機狀態下，首先檢測真空是否達到最大，否則就開啟真空電機，直到滿足要求為止。而此后則是電機間歇式工作方式，一般正常工作情況下，間隔10多分鐘，持續抽真空幾分鐘即可停機。而待機狀態下，由于CMP設備內的真空出口均處于常閉狀態，真空損耗很小，數小時內均可維持正常真空而無須開啟真空電機，排水狀態如圖5。

圖5 排液軟件流程圖

從圖5中可以看出，一旦倒流液體溢滿排水槽體，則立即觸發控制器相應端口予以相應。從圖4和圖5流程圖中可以看出，控制流程簡單有效，無論是采用PLC或者單片機均能滿足要求，如果有必要的話，還可以留下通訊端口，與CMP主機進行連接，實時反饋系統真空狀態。

3 結論

本文根據CMP拋光的實際需要進行特別設計，兼顧場地、可靠性、電機工作效率、硬件安全性、軟件設計簡潔等多方面的實際生產要素，完全能夠滿足CMP生產和實驗要求。

[1]周國安，劉多勤，凃佃柳，等.CMP綜合終點檢測研究[J].維納電子技術，2009，46(8):371-374.

[2]賈英茜，劉玉嶺，牛新環，等.ULSI多層互連中的化學機械拋光工藝[J].微納電子技術，2006，43(8):442-446.

[3]周國安，柳濱，種寶春，等.關于CMP承載器的初步研究[J].維納電子技術，2008，45(1):668-671.

[4]孫禹輝，康仁科，郭東明，等.化學機械拋光中的硅片加持技術[J].半導體技術，2004，(04)：10-14.

[5]蘇建修，康仁科，郭東明.超大規模集成電路制造中硅片化學機械拋光技術分析[J].半導體技術，2003，2810):27-32.