單晶片清洗設備化學藥液溫度控制系統研制

2013-08-09 07:41:42王銳廷李文杰

電子工業專用設備 2013年8期

馬嘉，吳儀，王銳廷，李文杰

(北京七星華創電子股份有限公司IC工藝設備研發中心，北京 101312)

按照國際半導體技術發展路線圖（ITRS）指引，晶片尺寸進一步加大，器件特征尺寸不斷縮小，造成晶片高集成化、器件結構超微小化，從而對晶片潔凈程度、表面化學態、微粗糙度等提出更為嚴苛的要求。而一些新材料的使用和生產工藝的改變也給清洗工藝帶來新的挑戰，如Low-k材料的應用、更高的選擇性、腐蝕的均勻性等要求。因而，高性能的晶片清洗設備是實現納米級清洗的關鍵。

化學濕法清洗設備可分為批量槽式和單晶片清洗兩種方式。與槽式清洗相比，單晶片清洗方式能有效避免晶片清洗的交叉污染，能夠有效清洗晶片的背面、邊緣，能夠滿足多品種小批量的清洗需求，具有清洗藥液回收效率高，良品率高等優勢。當主流工藝從90 nm發展到65 nm及以下工藝節點時，傳統的槽式清洗方法已不能滿足極大規模集成電路制造中關鍵步驟的清洗要求，單晶片清洗設備是大勢所趨。

化學藥液傳輸系統是單晶片清洗設備研制的關鍵系統之一，它為整個設備在線提供滿足工藝需求的一定溫度、壓力、流量的化學藥液，從而保證晶片表面腐蝕的均勻性和一致性。

在后道銅互連清洗設備等應用中往往由于化學藥液昂貴的價格，需要將藥液回收再循環使用以降低成本，而工藝處理中由于化學藥液會噴淋在晶片表面，存在著藥液與晶片本身以及與空氣間的熱交換，造成藥液溫度損失嚴重，導致回收的藥液對化學藥液供給管路的溫度產生較大干擾；另一方面，不同工藝腔室分時進行工藝處理，時間不同步，回收藥液的溫度干擾具有不確定性，進一步增加了對化學藥液溫度控制的難度。

因此，為了實現對化學藥液供給管路溫度的穩定控制，本文針對化學藥液傳輸系統具有大慣性、大時滯、非線性的特點，采用Smith預估法設計了一種溫度控制算法；基于可編程計算機控制器（PCC）設計開發了化學藥液溫度控制系統，并通過實驗驗證了化學藥液溫度控制算法的有效性。

1 化學藥液傳輸系統設計

北京七星華創電子股份有限公司研制的65 nm單晶片清洗設備主要用于銅互連后道工藝中多孔性Low-k介質材料的清洗，清除光刻膠殘留、顆粒、通孔內的聚合物。而化學藥液傳輸系統作為單晶片清洗設備的關鍵子系統之一，為整個設備提供工藝處理所需的化學藥液、超純水、高純氮氣、潔凈干燥空氣，并具有超純水沖洗和氣體干燥管路等功能。它主要由化學藥液供給管路、超純水供給管路、氣體供給管路組成。

化學藥液供給管路作為CDS系統的核心，包括化學藥液存儲罐、工藝泵、在線加熱器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計、各類閥件等，管路示意圖如圖1所示。

圖1 化學藥液供給管路示意圖

為了縮短工藝等待時間，同時避免化學藥液滋生細菌，化學藥液供給管路具有本地循環和系統循環兩路藥液循環管路，兩種循環管路的切換通過三通閥AOV1實現。在非工藝時間，化學藥液供給管路中的藥液通過三通閥AOV1的常開端回流入藥液存儲罐，在本地循環管路中循環流動，并預加熱化學藥液至工藝設定溫度；在工藝時間，通過三通閥AOV1的切換，使得化學藥液進入系統循環管路。當化學藥液達到工藝溫度，且化學藥液供給管路的出口壓力到達設定值，可以通過切換流向相應工藝腔室的三通閥AOV2～AOVn，使得藥液通過工藝腔室的噴淋臂噴淋至晶片表面，參與清洗工藝處理。噴淋至晶片表面的化學藥液再通過化學藥液回收管路回流至化學藥液存儲罐，未作清洗工藝支路中的化學藥液則通過化學藥液回流管路回流至化學藥液存儲罐。

2 化學藥液溫度硬件控制系統設計

化學藥液是濕法清洗的主要介質，用于清除晶片表面的光刻膠殘留、顆粒、通孔內的聚合物。它的溫度作為關鍵的工藝參數，直接影響到清洗效果。如果藥液溫度過低，其黏性增加，當低于特定溫度時，化學藥液中某些組份將處于惰性狀態，不能有效去除聚合物；溫度過高，則藥液腐蝕性過強，造成對晶片的損傷，使得晶片氧化層及銅表面不平整。根據工藝需求，設定溫度控制精度為設定值的±0.5%。

化學藥液溫度控制系統的硬件框圖如圖2所示。它主要由PCC控制器、SCR功率調節模塊、在線加熱器、溫度傳感器等組成。

圖2 溫度控制系統硬件框圖

各組成部分具體功能：

(1)PCC控制器：通過溫度模塊采集存儲罐中化學藥液的溫度、管路出口化學藥液的溫度，通過AI模塊采集加熱器出口藥液的溫度，根據溫度控制算法計算出加熱器的輸入功率，并由AO模塊輸出模擬控制量至SCR功率調節器以調節在線加熱器的加熱功率。

(2)在線加熱器：在線加熱器采用加熱絲加熱的方式，將混配好的化學藥液加熱至工藝需求溫度。考慮到所使用的化學藥液具有一定的腐蝕性，因此對在線加熱器有耐腐蝕的要求，這與藥液需要快速加熱以縮短工藝準備時間的需求相互矛盾。具體而言，加熱器產生的熱量必須經過耐腐蝕性的特氟龍涂層后再傳遞給管道中的藥液，而特氟龍涂層的導熱系數較低，因此在選擇加熱器功率時，需要兼顧溫度指標和升溫速度。同時選擇的在線加熱器內部配有RTD熱電阻溫度傳感器，用于檢測其內部加熱絲的溫度并作為過溫保護電路的輸入。

(3)SCR功率調節器：通過4～20 mA控制信號的輸入，經功率調節器控制串聯在主回路中的SCR模塊的通斷，從而改變主回路供電電壓的導通或關斷，以達到調節電壓或功率的目的。SCR功率調節器具體可分為調壓器和調功器兩類。

調壓器采用相位控制模式調節電壓的有效值。輸出的電壓波形呈正負半周對稱，無直流成分，可直接用于感性負載。但是不規則的脈沖負載電流容易引起電網波形的畸變，造成對電網的沖擊，同時對其他用電設備造成干擾。

調功器采用零位控制模式控制負載電壓的周波通斷比，從而控制負載的功率，常應用于阻性負載。采用該控制模式，可有效消除相位控制方式對電網波形和其他用電設備的干擾。

綜合上述原因，本系統選用SCR功率調節器以零位控制模式工作。控制SCR功率調節器的控制信號由PCC控制器的模擬量輸出模塊給出。

(4)限溫控制器：監測在線加熱器內部加熱絲溫度傳感器的值，當該值超過設定溫度時斷開接觸器線圈，切斷SCR功率調節器的交流輸入。它作為硬件互鎖控制單元，防止在線加熱器過熱損壞。

(5)溫度傳感器：用于檢測化學藥液供給管路出口藥液溫度、化學藥液存儲罐中混合回收/回流藥液的溫度。常用的溫度傳感器主要有4種類型：熱電偶、熱敏電阻、RTD熱電阻和IC溫度傳感器。RTD熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度傳感器，它的主要優點是測量精度高，性能穩定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等，其中鉑熱電阻的測量精確度最高，誤差一般在0.01%，被廣泛應用于工業測溫、標定基準儀。因此，本系統中選用鉑熱電阻PT1000作為藥液溫度測量傳感器，其測量范圍-50℃～260℃。

3 化學藥液溫度控制系統軟件算法設計

本文所研究的化學藥液溫度控制系統具有大慣性、大時滯的特點，對于此類系統，如果采用常規的PID控制算法，系統容易出現超調量大、穩定性差的問題。因此，文中基于PID串級控制結合Smith預估補償[1，2]設計了化學藥液溫度控制算法。此算法采用管路出口藥液溫度作為外環反饋，采用加熱器出口藥液溫度作為內環反饋。另外，化學藥液在管路傳輸及工藝過程中存在與傳輸管路、晶片本身及室溫空氣的熱交換，造成回收或者回流至存儲罐中藥液溫度的下降，對管路出口藥液的溫度產生干擾；同時，在同一時間段，清洗設備會有不定數量的工藝腔室進入藥液清洗工藝造成回收藥液溫度衰減擾動的不確定性，為此文中采用存儲罐中化學藥液的溫度作為前饋補償，以縮短系統的響應時間。所設計的溫度控制算法具體為：

定義THeat為加熱器出口藥液溫度，TLoop為管路出口藥液溫度，TTank為化學藥液流經各支路回收或者回流至存儲罐時的溫度，Tset藥液的工藝設定溫度。

為了提高溫控系統的快速響應性，采用THeat為內環控制的反饋量，通過調節加熱器輸入功率，使得加熱器出口的化學藥液溫度快速跟隨前級的輸出設定值。內環控制主要起快速隨動控制作用，允許存在穩態誤差，因此，基于比例調節器設計了內環控制器GCH(s)其具形式為：

其中：比例系數K1通過對加熱器內環整定得到。

定義GHeat(s)為加熱器輸入功率至加熱器出口藥液溫度的傳遞函數。定義GLoop(s)為加熱器出口藥液溫度到管路出口藥液溫度的傳遞函數，可表達為：

其中：GL(s)為被控對象不含純滯后環節的傳遞函數，τ為純滯后時間。由于純滯后時間τ的存在，使得被控量不能及時反應系統所受擾動，造成系統超調明顯，調節時間延長，系統穩定性降低。

定義GUL(s)為加熱器輸入功率至管路出口藥液溫度的傳遞函數，可表達為：

為了改善滯后性對控制的影響，在反饋回路中并聯一個Smith補償回路，以減少滯后環節的影響，與被控對象并聯的Smith補償環節的傳遞函數為：

系統開環傳遞函數可以表示為：

其中：up為加熱器的輸入功率。

基于Smith補償的串級控制系統閉環傳遞函數為：

其中：GCL(s)為外環控制器的傳遞函數，GH(S)為內環閉環傳遞函數，即：

由此可見，若系統模型精確，則系統經Smith補償后，傳遞函數的特征方程不含純滯后環節e-τs，系統不會受純滯后的影響，從而提高了系統的控制性能。

本文采用一階純滯后環節來擬合溫控對象，即：

設階躍輸入幅值為△u，則增益K2可按下式求取。根據階躍響應曲線開始出現變化的時刻來確定延時時間τ。截去純延遲部分，并化為無量綱形式的階躍響應TLoop(t)，即利用[t1，TLoop(t1)]和[t2，TLoop(t2)]來確定時間常數t2，則可得到溫控對象的傳遞函數。但所得到的傳遞函數不是被控對象的精確模型，不同流速下傳輸化學藥液的熱量損失不同，增益、慣性時間常數以及純滯后時間會有所變化，但在同一流速下純滯后時間常數相對穩定，可以保證Smith預估器對滯后性的有效補償。

本文采用PID控制方法設計外環控制器GCL(s)，其具體形式為：

其中：比例系數K3、積分時間常數T3及微分時間常數Td通過對加熱器內環整定完成后對外環整定得到。基于Smith補償的串級溫度控制框圖如圖3所示。

圖3 基于Smith補償的串級溫度控制框圖

為了補償化學藥液在管路傳輸及工藝過程中的熱量損失造成對管路出口藥液溫度的擾動，本文根據化學藥液存儲罐中的藥液溫度設計了前饋控制器GCT(s)，以提高系統的響應速度，具體形式為：

其中：比例系數K4和積分時間常數T4通過試驗試湊得到。

整個溫控系統的控制框圖如圖4所示。

圖4 溫度控制系統控制框圖

具體算法實現時，采用帶死區的PID控制方法[3]，即在偏差較大時，使得加熱器以大功率快速加熱，提高溫升速度；當偏差較小時，基于Smith預估補償采用PID調節器進行閉環控制。

4 溫度控制實驗結果

在所研發的65 nm單晶片清洗設備上對上述溫度控制算法進行了實驗。實驗中設定管路出口化學藥液溫度為40℃，化學藥液供給管路的出口壓力為65.5 kPa，此時工藝泵的運行速度為3 335 r/min左右。化學藥液溫度控制的實驗結果如圖5所示。實驗數據表明采用Smith預估補償控制方法可以將管路出口化學藥液溫度控制在±0.2℃以內，調節時間約在8 min左右，基本滿足控制要求。

雖然此溫度控制系統能夠滿足系統控制指標，但是該控制方法的控制效果依賴于溫控模型的精確性，而不同流量時熱量傳導模型不同，造成系統純滯后時間存在差異，將會影響控制效果。因此，該控制方法存在一定局限性，對流量擾動的抗干擾能力稍顯不足，需要進一步加以研究。

圖5 溫度控制曲線

5 結論

本文設計了一種應用于65 nm單晶片清洗設備的化學藥液傳輸溫度控制系統。針對管路化學藥液溫度控制的要求，提出了一種基于Smith預估補償的串級溫度控制方案。在所研制的65 nm單晶片清洗設備上采用了文中設計的化學藥液溫度控制系統，并在此設備上通過實驗驗證了藥液溫度控制方案的有效性。從實驗結果可以看出，所設計的控制系統能夠滿足清洗工藝對化學藥液壓力、溫度的控制精度、響應時間及穩定性的要求，從而為提高設備的工藝效果奠定了良好的基礎。

[1] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2004.78-81.

[2] 陳莉，張鋒.串級-Smith預估控制在溫度大滯后系統中的應用[J].儀表技術，2007(2)：37-39.