CMP干燥模組控制軟件設(shè)計(jì)

楊 旭，楊元元，王嘉琪，賈若雨

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是集成電路制造中可以有效兼顧加工硅片表面局部與全局平坦度的一項(xiàng)重要技術(shù)。在材料加工技術(shù)的不斷推動下，隨著晶圓表面潔凈度要求的不斷提高，CMP清洗工藝的焦點(diǎn)已逐步由清洗液、兆聲波等轉(zhuǎn)移到晶圓干燥上。干燥作為濕法清洗的最后一個步驟，最終決定了晶圓的表面質(zhì)量，是清洗工藝的核心所在。

為了提高芯片產(chǎn)量并降低制造成本，晶圓直徑不斷增大，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)干燥法、真空干燥法、單純熱氮?dú)飧稍锓ㄔ诮档徒饘俸皖w粒沾污率及干燥速度方面已經(jīng)不能滿足300 mm CMP設(shè)備的需求。本文介紹的干燥模組可在加工時同時使用旋轉(zhuǎn)干燥和異丙醇（IPA）干燥兩種工藝，控制邏輯更復(fù)雜，對軟件的穩(wěn)定性要求更高；另外，為了提高加工效率和硬件的安全性，引入了異丙醇自動補(bǔ)液功能和安全監(jiān)控功能。

1 干燥原理

目前在半導(dǎo)體廠中常用的幾種晶圓干燥方式有：旋轉(zhuǎn)干燥、Marangoni干燥、異丙醇加熱霧化干燥（IPA）。在CMP槽式清洗設(shè)備中，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和設(shè)備廠商的不同，干燥方式也不同。本文針對300 mm CMP設(shè)備的晶圓干燥工藝設(shè)計(jì)，主要介紹旋轉(zhuǎn)干燥和IPA干燥方式。

1.1 旋轉(zhuǎn)干燥

顧名思義，旋轉(zhuǎn)干燥法采用高速旋轉(zhuǎn)的方式甩干晶圓，晶圓表面的水受到離心力作用從晶圓表面去除。為保證晶圓的潔凈，一般在干燥步驟之前，會增加一步去離子水（DIW）噴淋的步驟，對表面進(jìn)行二次清潔[1]。經(jīng)過DIW沖洗后，可以選擇氮?dú)獯祾咂鸬郊铀俑稍铩⒎乐咕A表面氧化的作用。旋轉(zhuǎn)干燥法對于平滑的晶圓表面干燥效果較好，若晶圓表面已做各種圖形工藝而形成淺溝槽，溝槽內(nèi)的水滴根據(jù)伯努利原理會被吸出，晶圓表面蒸發(fā)干燥并且無微粒及水痕。但隨著工藝尺寸的進(jìn)一步縮小，在一些深溝器件中，旋轉(zhuǎn)干燥已經(jīng)不能滿足干燥要求，主要表現(xiàn)為：（1）在溝槽內(nèi)形成水汽殘留，影響溝槽的后續(xù)填充；（2）晶圓在高速旋轉(zhuǎn)中由于離心力不一致導(dǎo)致產(chǎn)生的晶圓內(nèi)應(yīng)力；（3）高速旋轉(zhuǎn)造成干燥腔體內(nèi)部壓力降低，導(dǎo)致排氣倒灌；（4）若腔體幾何形狀設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易使清洗去除物質(zhì)或水滴反彈至晶圓表面造成缺陷。

1.2 IPA干燥

加熱異丙醇的干燥方式，通常稱為IPA干燥法。IPA干燥是將清洗后的晶圓放入干燥槽中，將異丙醇通入霧化器霧化成異丙醇汽霧，其分子在氮?dú)獾臄y帶下更易進(jìn)入器件的溝道內(nèi)，從而帶走溝道內(nèi)的水分子達(dá)到干燥的目的。此方法不僅大大降低了水汽殘留的可能性，而且能減少晶圓表面對微粒的吸附[2]。異丙醇和氮?dú)獾牧髁俊囟燃熬A干燥速度是干燥的主要技術(shù)參數(shù)。對于不同的晶圓表面特性，需要采取不同的干燥步驟。

本文介紹的干燥模組結(jié)合了上述兩種干燥方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)干燥工藝的不足。加工時水平離心甩干晶圓，同時使用氮?dú)夂挽F化異丙醇通過噴頭噴灑，噴淋臂可在固定位置噴淋或做往復(fù)式清掃（Sweep）運(yùn)動，干燥效率進(jìn)一步提高，模組的硬件結(jié)構(gòu)和控制邏輯也更復(fù)雜。要保證更高的運(yùn)行效率，需要具備異丙醇自動補(bǔ)液的功能，同時要對工藝參數(shù)及安全參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和報警以保證設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

2 需求分析

干燥模組需要具備傳片、干燥加工、異丙醇補(bǔ)液、參數(shù)監(jiān)控等功能。

干燥工位結(jié)構(gòu)如圖1所示，經(jīng)放片門機(jī)械手放片，經(jīng)取片門機(jī)械手取片。晶圓由4個夾爪固定，晶圓的罩子在其旋轉(zhuǎn)時升起，防止晶圓因高速旋轉(zhuǎn)碎裂，碎片飛出造成危險。噴淋臂空閑時停靠在罩子外側(cè)，準(zhǔn)備加工時擺到晶圓中心，加工時按照用戶設(shè)置在罩子內(nèi)擺動。

圖1 干燥工位示意圖

加工時，晶圓旋轉(zhuǎn)，噴頭先開啟DIW清洗晶圓，再打開氮?dú)夂彤惐細(xì)怏w混合后噴淋，對晶圓進(jìn)行干燥，噴頭運(yùn)動模式分為固定點(diǎn)噴淋、Sweep噴淋。可根據(jù)不同的工藝需求設(shè)定DIW、氮?dú)夂彤惐嫉拈_關(guān)和流量，完成晶圓干燥加工的各個步驟。

使用異丙醇干燥時會消耗異丙醇儲液罐內(nèi)的液體，為了提高設(shè)備的自動化水平和運(yùn)行效率，需要開發(fā)異丙醇自動補(bǔ)液功能。在干燥工位處于非加工狀態(tài)時，儲液罐內(nèi)液位低于最低液位時開始補(bǔ)液，補(bǔ)液到目標(biāo)液位后停止。在補(bǔ)液過程中，如果晶圓開始加工，則暫停補(bǔ)液，加工完成后繼續(xù)補(bǔ)液。

加工時，需要對工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)具體工藝參數(shù)設(shè)置容忍值或范圍，超限后報警并執(zhí)行用戶配置的報警動作；設(shè)備安全相關(guān)參數(shù)需要在軟件開啟后全程監(jiān)控，當(dāng)安全參數(shù)異常時，軟件控制設(shè)備執(zhí)行急停操作。由于異丙醇液體易燃，汽化后和空氣混合易發(fā)生爆炸，危險性很高，因此與其相關(guān)的報警除了軟件控制設(shè)備急停，硬件保護(hù)也會執(zhí)行斷電操作。軟件的需求：

（1）工位具有傳片、加工、執(zhí)行手動操作命令的基本功能，可切換手動/自動運(yùn)行狀態(tài)；

（2）加工時每一步晶圓旋轉(zhuǎn)速度、各噴淋閥門和流量、噴頭運(yùn)動模式、噴淋方式可設(shè)置，噴頭的Sweep運(yùn)動可讀取不同的Sweep文件；

（3）工位空閑時可開啟異丙醇自動補(bǔ)液功能，低于最低液位時開始補(bǔ)液，達(dá)到目標(biāo)液位后停止補(bǔ)液，補(bǔ)液超時停止補(bǔ)液并報警；

（4）運(yùn)行時可對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，異常時報警并響應(yīng)報警動作。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及構(gòu)成

3.1 邏輯和功能

干燥工位的狀態(tài)和功能邏輯如圖2所示。

圖2 干燥工位功能示意圖

圖2中所示的功能指令，由調(diào)度、機(jī)械手和工位之間互發(fā)消息完成。工位收到調(diào)度的初始化消息后，進(jìn)行一系列的初始化操作，初始化成功后硬件均在安全位置，工位進(jìn)入準(zhǔn)備完成的空閑狀態(tài)，此狀態(tài)可以進(jìn)行傳片、加工，同時開啟補(bǔ)液功能，監(jiān)控功能生效。

干燥工位對消息的響應(yīng)有狀態(tài)要求，狀態(tài)不符則不響應(yīng)此消息，滿足響應(yīng)條件時工位執(zhí)行操作并切換到下一狀態(tài)。工位每次切換完?duì)顟B(tài)，要通知調(diào)度。工位分為運(yùn)行模式和維護(hù)模式，工位處于空閑狀態(tài)時可進(jìn)行模式切換，所有手動功能必須在工位的維護(hù)模式下使用。異丙醇補(bǔ)液和監(jiān)控功能需要開啟獨(dú)立線程，線程之間通過消息進(jìn)行通訊。

3.2 類圖設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，那么類的設(shè)計(jì)就成為其中最重要的一環(huán)。類圖顯示了模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，特別是模型中存在的類、類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與其他類的關(guān)系等[3]，干燥模組控制軟件類圖如圖3所示。

圖3 干燥系統(tǒng)類圖

CMP清洗機(jī)的各模組有著相似的基礎(chǔ)功能，因此設(shè)計(jì)了模組基礎(chǔ)類，干燥模組類通過繼承獲取基礎(chǔ)類的所有功能，如執(zhí)行調(diào)度的指令、響應(yīng)機(jī)械手消息及給其他模組回復(fù)消息等，在此基礎(chǔ)上添加干燥模組特有的新功能，如補(bǔ)液功能。

干燥工藝復(fù)雜度高，需要讀寫大量的硬件接口、配置文件、日志數(shù)據(jù)等，因此設(shè)計(jì)了干燥功能類、配置數(shù)據(jù)類、日志管理類。自動運(yùn)行線程和人機(jī)界面通過電機(jī)和IO功能類來控制硬件，使用配置數(shù)據(jù)類來讀寫文件中的數(shù)據(jù)，使用日志管理類來記錄設(shè)備運(yùn)行日志和操作日志、報警日志，加工時通過工藝參數(shù)類讀取文件中的加工參數(shù)。干燥模組控制軟件還需要和其他程序進(jìn)行通訊，使用共享內(nèi)存來傳遞數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了共享內(nèi)存管理類完成各模塊共享內(nèi)存的創(chuàng)建、打開和關(guān)閉。

使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法極大地提高了代碼的可復(fù)用性，簡化了編程思路，提高了編程的效率，能在設(shè)備調(diào)試過程中更好地應(yīng)對功能和需求的變化。

4 關(guān)鍵模塊功能設(shè)計(jì)

4.1 干燥加工功能的實(shí)現(xiàn)

晶圓加工時，先進(jìn)行準(zhǔn)備工作，檢測晶圓存在，噴頭移動到罩子內(nèi)部，關(guān)閉傳片門。完成后，開始進(jìn)入加工邏輯，如圖4所示，首先讀取此次加工的工藝參數(shù)文件，讀取完成后開始干燥加工的第一步；第一步開始計(jì)時，設(shè)置晶圓旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度和加速度，控制噴淋臂運(yùn)動，設(shè)置噴淋開關(guān)和流量，直到計(jì)時時間到，切換到下一個步驟；按當(dāng)前步驟的工藝參數(shù)重復(fù)上述設(shè)置，直到完成所有的加工步驟。其中噴淋臂的運(yùn)動模式分為固定點(diǎn)噴淋和Sweep噴淋，固定點(diǎn)噴淋只需要設(shè)置閥門開關(guān)和流量，將噴淋臂固定在指定位置即可；Sweep噴淋模式下，電機(jī)根據(jù)Sweep文件中的運(yùn)行參數(shù)控制Sweep電機(jī)做周期性運(yùn)動清掃晶圓。加工的步驟、每一步的加工時間、晶圓旋轉(zhuǎn)的速度、加速度、DIW、氮?dú)狻惐嫉牧髁亢烷y門開關(guān)、噴淋臂的運(yùn)動模式是干燥工藝中的重要參數(shù)，用戶可自定義。

圖4 干燥加工邏輯圖

4.2 異丙醇補(bǔ)液功能的實(shí)現(xiàn)

在晶圓干燥系統(tǒng)中，自動補(bǔ)液功能保證了異丙醇干燥功能長時間穩(wěn)定自動運(yùn)行，自動補(bǔ)液為單獨(dú)線程。如圖5所示，其中，開始補(bǔ)液液位、目標(biāo)液位、最大補(bǔ)液時間3個參數(shù)在配置界面可由用戶自定義；開始、停止、暫停為補(bǔ)液的3種狀態(tài)，切換狀態(tài)有一個或多個條件。在液位達(dá)到目標(biāo)液位或者補(bǔ)液時間超限時補(bǔ)液會停止，加工時補(bǔ)液暫停。

圖5 補(bǔ)液功能結(jié)構(gòu)圖

4.3 監(jiān)控功能線程設(shè)計(jì)

3個線程邏輯如圖6所示，監(jiān)控參數(shù)異常時，監(jiān)控線程發(fā)送消息給主線程，主線程執(zhí)行相應(yīng)的故障處理，用戶可設(shè)置報警響應(yīng)的方式，包括無動作、停止自動運(yùn)行、急停3種。若發(fā)生安全相關(guān)的報警，監(jiān)控線程發(fā)送急停消息以中止自動運(yùn)行，主線程執(zhí)行急停操作，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，閥門關(guān)閉，補(bǔ)液中止，將工位狀態(tài)切換成未初始化狀態(tài)，需要用戶處理問題，重新初始化才可恢復(fù)運(yùn)行。

圖6 系統(tǒng)線程活動圖

由于IPA干燥工藝使用密閉儲液罐、加熱器等，且異丙醇為易燃液體，危險系數(shù)高，因此火災(zāi)、可燃?xì)怏w濃度、儲液罐壓力、儲液罐液位超限等信號的監(jiān)控十分重要，發(fā)生異常時，軟件執(zhí)行急停操作，設(shè)備斷電。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)分析了晶圓干燥模組的工作原理，干燥模組的控制需要多個模塊協(xié)同來完成，在整體設(shè)計(jì)中完成了系統(tǒng)功能的劃分和類圖設(shè)計(jì)，以干燥加工和異丙醇補(bǔ)液功能為例詳細(xì)介紹了軟件關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提升了CMP設(shè)備的運(yùn)行效率和工藝性能。