基于質心調整的晶圓振動抑制方法

陳勝華 劉長偉 耿克濤 李朋

寧波潤華全芯微電子設備有限公司 浙江 寧波 315400

引言

作為半導體制程中最重要的環節之一，勻膠單元的穩定性直接決定了產品的良率。如圖1所示，當主軸電機帶動Chuck和晶圓（帶FLAT定位邊）一起高速旋轉時，晶圓定位邊的質量缺失所導致的晶圓的質心與Chuck的質心在軸線方向上產生偏移，這一原因會導致晶圓乃至主軸電機本體產生很嚴重的振動現象[1]。

圖1 運動示意圖

本文針對該問題從理論的角度進行了分析，并提出了對應的解決方案。經過實驗驗證，此方案可以有效解決因為質心偏移導致的振動問題。

1 原因分析

Chuck部分卡槽會通過銷釘與主軸電機連接，所以該部分對質心在軸線方向的偏移影響很小，在分析時將此部分視為對稱且均勻的結構，且與電機主軸之間為剛性連接[2]。對帶FLAT定位邊的晶圓，建立如圖2所示的坐標系，求解其質心。

圖2 晶圓尺寸圖

其中，是晶圓的半徑。

晶圓密度均勻，故可以在平面上先求出其幾何中心，質心即是在幾何中心在厚度方向偏移一半厚度。

晶圓的面積為：

定積分求解可得：

本文中采用的晶圓半徑為75mm，FLAT弦長為55mm，故可以求得積分的上下限分別為：

代入相關數值可以求：

經過試驗分析，如表1所示，當Chuck帶不同類型的晶圓，在不同的轉速下，振動強度（MMI）如下：

表1 不同晶圓的振動強度對比

從上表可得，Notch相比FLAT而言振動強度明顯減小，而兩者在結構上最大的差異就是Notch可以看作全圓晶圓，質心不存在偏移；而FLAT卻存在明顯的質心偏移[3-4]。

2 方案提出

針對不同類型的晶圓，本文提出采用增加材料的方法來彌補質心的偏移。

由計算可知，整體質心偏向X軸的正方向，故可以采用在X軸的負方向上增加配重的方法來調整質心在X方向的偏移，如圖3所示。

圖3 改進后的Chuck結構示意圖

在Chuck上切除配重孔，用于安裝配重片，其中配重片與Chuck之間通過一個M2×8的內六角圓柱頭螺釘連接。配重片采用厚度為0.5mm的圓環。以上螺釘和圓環的材料均為1045鋼，密度為

經過SolidWorks仿真計算，配重片安裝孔尺寸如圖4所示。可以通過配重基本抵消X方向的質心偏移。

圖4 配重分布圖

仿真計算結果如表2所示：

表2 改進后質心仿真結果

3 實驗驗證

實驗中主要對比測試了標準Chuck和改良后的Chuck在不同轉速下，帶FLAT晶圓的振動強度。

圖5 3000rpm時標準Chuck下振動強度

圖6 3000rpm時改進Chuck下振動強度

主軸在3000rpm旋轉時，兩款類型的Chuck產生的振動都非常小。

圖7 4000rpm時標準Chuck下振動強度

圖8 4000rpm時改進Chuck下振動強度

隨著轉速提升，振動強度加強，但是改良后的Chuck相比標準的Chuck而言，振動強度明顯減弱。

圖9 5000rpm時標準Chuck下振動強度

圖10 5000rpm時改進Chuck下振動強度

上述實驗結果統計如下表3所示，顯然經過改進后的Chuck對減緩振動有較好的效果。

表3 兩種Chuck振動強度的對比

4 結束語

經過理論分析和對比實驗，驗證了通過增加配重的方法可以有效改善晶圓在高速旋轉中產生的振動強度.將Chuck和6寸晶圓作為整體去調節質心，使其落在中軸線上可有效改善振動現象。