CMP拋光機拋光臺溫度控制的研究

王 偉，王東輝，李 偉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

化學(xué)機械拋光（CMP）是一種對半導(dǎo)體材料或是其它類型材料的襯底進行平坦化或拋光的方法，廣泛應(yīng)用于集成電路（IC）制造業(yè)中。化學(xué)機械拋光是結(jié)合拋光液中化學(xué)溶液的腐蝕和磨粒的機械磨削雙重作用，使硅晶片獲得極高的平面度和平整度的一項工藝。如圖1所示，拋光時拋光臺繞中心自傳，拋光墊固定在拋光臺上，攜帶晶圓的拋光頭壓在拋光墊上并旋轉(zhuǎn)與拋光墊相對運動，由亞微米或納米磨料和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動，并在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由磨料的機械摩擦作用去除。通過化學(xué)與機械的共同作用從工件表面去除極薄的一層材料，最終實現(xiàn)超精密表面加工。兩個過程的快慢綜合和一致性影響著工件的拋光速度和拋光質(zhì)量。因此，要實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的拋光，必須使化學(xué)作用過程與機械作用過程進行良好的匹配。如果化學(xué)腐蝕作用大于機械磨削作用則在拋光面表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋；如果機械磨削作用大于化學(xué)腐蝕作用則在拋光表面產(chǎn)生高損傷層和劃道。

圖1 CMP拋光原理示意圖

拋光臺溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的一個重要參數(shù)。拋光臺的溫度越高化學(xué)反應(yīng)速率越快，同時也會引起拋光液的快速揮發(fā)，這樣將導(dǎo)致半導(dǎo)體晶圓表面腐蝕嚴(yán)重、去除率不均勻，從而使得拋光質(zhì)量下降。但拋光臺溫度過低又會使化學(xué)反應(yīng)速率降低，進而使得機械作用大于化學(xué)作用，硅片機械損傷嚴(yán)重[1]。因此，快速、穩(wěn)定、精確地控制拋光臺的溫度對提高拋光質(zhì)量具有重要意義。

1 拋光臺的結(jié)構(gòu)及溫度控制原理

拋光臺的溫度控制一般通過熱交換的形式，如圖2所示，在拋光臺內(nèi)部通入一定溫度和流量的水，水在拋光臺內(nèi)部的凹槽中循環(huán)，拋光臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過水和拋光臺的熱交換使拋光臺升溫或降溫。根據(jù)拋光工藝要求，拋光臺的溫度一般控制在18～40℃。當(dāng)拋光臺溫度需要控制在18～25℃時，可以用冷水機控制水的溫度；當(dāng)拋光臺溫度需要控制在25～40℃時，可以用溫水機控制水的溫度。拋光臺的溫度與循環(huán)水的溫度和流量有關(guān)，通過控制水的溫度和流量可以控制拋光臺的溫度。

圖2 拋光臺溫度控制原理

圖3 拋光臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 拋光臺溫度控制參數(shù)分析及系統(tǒng)設(shè)計

拋光過程中晶圓與拋光液的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在拋光臺上表面，影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要是拋光臺上表面的溫度，拋光臺結(jié)構(gòu)及組成如圖4所示，拋光臺最下層為鋼板，鋼板上開有環(huán)形凹槽，鋼板上面為大理石板，最上層為拋光墊，拋光墊的材料為聚氨酯，大理石板與拋光墊之間為粘合劑，其材料為HDPE。當(dāng)加熱拋光臺時，凹槽中的循環(huán)水和鋼板通過對流換熱進行熱交換，然后熱量通過大理石、粘合劑傳遞到拋光墊上；當(dāng)冷卻拋光臺時，熱量傳遞剛好相反。為了達到迅速、穩(wěn)定、精確的控制拋光臺上表面的溫度，有必要對影響拋光臺溫度的參數(shù)：水的流量和溫度進行分析，以此來更好的設(shè)計拋光臺溫度控制系統(tǒng)。利用ansys有限元模擬分析軟件可以模擬計算拋光臺和循環(huán)水的熱交換以及拋光臺的熱傳遞過程。

2.1 拋光臺溫度控制的有限元模擬分析

影響拋光臺溫度的主要因素是循環(huán)水的流量和溫度，以下用ansys有限元模擬分析軟件計算出不同流量和不同溫度的循環(huán)水與拋光臺的熱交換效率，分析流量與溫度跟熱交換效率之間的關(guān)系。以拋光臺加熱過程為例，根據(jù)溫水機所能提供的流量和溫度，分別計算循環(huán)水的流量為6 L/m in、12 L/m in，18 L/m in、24 L/m in，溫度為 50 ℃、60 ℃、70℃、80℃時，拋光臺上表面溫度升溫至設(shè)定溫度40℃時所需要的時間。

拋光臺和循環(huán)水的熱量交換過程包含循環(huán)水和鋼板的對流換熱和鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊之間的導(dǎo)熱兩個過程。鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊的物理參數(shù)如表1所示。

圖4 拋光臺的結(jié)構(gòu)及組成部分

表1 不同材料的物理參數(shù)

計算循環(huán)水和鋼板之間的傳熱，需要確定水在不同溫度和不同流量下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；d為水流通截面的等效直徑；Nu為平均努賽爾數(shù)。

其中：Re為管內(nèi)雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

其中：v為水的運動黏度系數(shù)；u為水的運動速度。

在50℃、60℃、70℃、80℃時，水的運動黏度系數(shù)v、普朗特數(shù)Pr、導(dǎo)熱系數(shù)λ的物理參數(shù)如表2所示[3]。

表2 不同溫度下水的物理參數(shù)

循環(huán)水溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃，流量分別為 6 L/m in、12 L/m in、18 L/m in、24 L/min時，根據(jù)以上物理參數(shù)分別求得水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的值如表3所示。

表3 不同條件下水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/m2·K

根據(jù)以上求得的水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，和鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊材料的導(dǎo)熱物理參數(shù)，應(yīng)用ansys有限元軟件可以計算出，在不同溫度和流量下，拋光臺表面達到設(shè)定溫度40℃時所需要的時間。圖5為循環(huán)水流量為6 L/m in,溫度為50℃時，拋光臺表面溫度隨時間的變化曲線，從圖上可以讀出拋光臺表面溫度達到40℃時所需要的時間為 611 s。

圖5 拋光臺表面溫度的變化曲線

用同樣的方法可以計算出在不同流量和溫度的循環(huán)水下，拋光臺表面溫度達到40℃時所需要的時間如表4所示。

表4 不同流量和溫度下拋光臺加熱所需時間

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，可以得出不同溫度下拋光臺加熱所需時間隨循環(huán)水流量的變化曲線和不同流量下拋光臺加熱所需時間隨循環(huán)水溫度的變化曲線（見圖6、圖7）。

圖6 不同溫度下時間隨流量的變化

圖7 不同流量下時間隨溫度的變化

從圖6可以看出，溫度越高流量越大加熱所需時間越短；循環(huán)水的溫度對拋光臺加熱效率的影響比循環(huán)水流量對拋光臺加熱效率的影響要顯著得多，且溫度越高循環(huán)水流量的變化對拋光臺熱交換效率的影響越小。從圖7可以看出，不同流量下，溫度對拋光臺熱交換率的影響程度相差不大。因此，在拋光臺溫度控制過程中，可以用大溫差和高流量的水對拋光臺初步加熱或冷卻，使拋光臺迅速升溫或降溫。當(dāng)將要達到拋光臺所設(shè)定溫度時，再通過調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量使拋光臺和水的熱交換量和拋光臺散失的熱量達到平衡，從而使拋光臺穩(wěn)定在設(shè)定值。由于流量的變化對拋光臺溫度的變化影響較小，因此通過調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量來控制拋光臺的溫度可以提高控制的精度。這樣不僅能提高拋光臺溫度控制的效率，又能提高溫度控制的精度。

2.2 拋光臺溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)以上分析得出的結(jié)論，拋光臺溫度控制系統(tǒng)可以設(shè)計成如圖8所示，冷水機或溫水機提供一定流量和溫度的循環(huán)水，經(jīng)過減壓閥減壓設(shè)定系統(tǒng)的工作壓力，電磁閥控制水的通與斷，當(dāng)拋光臺溫度即將達到所需溫度時，通過電流信號控制比例閥閥芯的開口大小調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量，使拋光臺達到熱平衡，拋光臺上表面溫度穩(wěn)定在所需溫度的范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)流量變小時，系統(tǒng)入口處的壓力升高，通過溢流閥溢流卸壓使系統(tǒng)入口處壓力穩(wěn)定。

為了驗證上述方法的可靠性，用有限元分析軟件ansys模擬了拋光臺的升溫過程：拋光臺初始溫度為室溫25℃，拋光臺需要達到的溫度為40℃。為了提高拋光臺和水的換熱效率，開始加熱時循環(huán)水的流量設(shè)為24 L/m in，溫度為80℃，當(dāng)拋光臺溫度達到35℃時，調(diào)節(jié)水的流量使拋光臺溫度最終穩(wěn)定在40℃。圖9為ansys模擬結(jié)果，穩(wěn)定時循環(huán)水的流量為218m l/m in。從圖上可以看出，時間為750 s的時候，拋光臺表面溫度基本上穩(wěn)定在所需溫度40℃左右，精度可以達到±0.2℃，控制迅速而且精度也比較高。每一個溫度值都對應(yīng)一個合適的流量值，使拋光臺最終達到熱平衡。

當(dāng)拋光臺溫度達到穩(wěn)定以后，拋光臺溫度分布如圖10所示：

從溫度分布云圖上可以看出，拋光臺拋光區(qū)域的表面溫度基本上都穩(wěn)定在所需要的溫度40℃，而且溫度分布很均勻；拋光臺邊緣離環(huán)形水槽較遠，溫度較低。拋光臺的導(dǎo)熱是一個多維導(dǎo)熱過程，環(huán)形水槽的間距越小，分布越均勻，拋光臺表面溫度分布也越均勻。

圖8 拋光臺溫度控制系統(tǒng)原理圖

圖9 拋光臺溫度隨時間的變化

圖10 拋光臺溫度分布云圖

3 結(jié) 論

（1）在拋光臺溫度控制系統(tǒng)中，循環(huán)水溫度對換熱效率的影響比循環(huán)水流量的影響要顯著；在溫度控制過程中，使用大溫差大流量的循環(huán)水對拋光臺進行初步加熱或冷卻，再調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量使拋光臺達到熱平衡，既可以提高溫度控制的效率又可以提高控制的精度。

（2）通過分析循環(huán)水溫度和流量對熱交換效率的影響，設(shè)計了一種拋光臺溫度控制系統(tǒng)和方法，并運用有限元軟件模擬拋光臺的熱交換過程，驗證了該控制系統(tǒng)和方法不僅控制迅速而且控制精度比較高，根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，精度可達到±0.2℃。

（3）根據(jù)有限元軟件的模擬結(jié)果可以得出，拋光臺內(nèi)部環(huán)形水槽間距越小，分布越均勻，拋光臺表面溫度分布也越均勻。

（4）本文得出的結(jié)論是通過有限元軟件的模擬，經(jīng)實際驗證，現(xiàn)已應(yīng)用到300mm硅片拋光機設(shè)備中，效果良好。

[1]閆志瑞，魯進軍，李耀東.300mm硅片化學(xué)機械拋光技術(shù)分析[J].半導(dǎo)體技術(shù).2006，8（31）：561-564.

[2]種寶春，柳濱，宋文超.CMP拋光機拋光盤溫度的精確控制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2007，36（10）：14-16.

[3]張學(xué)學(xué)，李桂馥.熱工基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.