CMP中真空供应系统的设计

周国安

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

化学机械抛光 (chemical mechanical polish，CMP)技术是制备晶圆的关键步骤，它能满足晶圆严格的工艺控制、高质量的表面外形及平面度[1，2]。但是对于CMP机台配套的供应系统却研究甚少，但这些供应系统却是影响加工效果的必须因素。CMP机台本身是一种特殊的精密设备，在生产过程中高度依赖稳定的供应系统。在大型的净化间内，可以实现稳定的集中式供应如抛光液、去离子水、压缩空气、真空等。但是对于实验室及小批量生产，却无法做到，只能靠独立的通用供应系统来满足设备要求。这些中有如真空泵，无法满足CMP特殊需要，必须加以特殊设计改进方能满足要求。

多数CMP机台在晶圆传输及抓取过程中都会使用真空，在真空附加之前，晶圆大多会浸没于去离子水中，因此在晶圆吸附过程中，将会有大量的去离子水、抛光液等倒流于真空系统中，这将导致真空负压逐渐降低甚至停机，对于机台而言，这将会导致掉片、碎片。真空供应系统需要具备：（1）处理倒流液体的能力；（2）在任何时候，必须保证系统所需的最小负压；（3）真空泵电机不可持续长时间工作，否则电机过热而自动停机，同时寿命减短。一般通用的真空泵难以满足上述要求。

1 CMP机台内真空部件分析

在CMP内部通常有两处需要使用真空：（1）机械手取片和收片，一般从片盒中取出，抛光完毕后收回到片盒。也有一些抛光机采用直接接触，靠重力和前后卡位来拾取晶圆，如IPEC372，但是这种方式极易导致玷污，并且抓取不牢固。（2）承载器拾取晶圆[3]：几乎所有类型的CMP均采用此方法。

真空在某些抛光机中也有其他用途，如主轴吸附承载器。由于承载器需要进行更换内部耗材，如背膜、维持环等，在抛光较多晶圆的时候，还需要对内部进行清洗和维护，因此需要频繁的卸载和装载承载器[4][5]。一般承载器装载在主轴上，靠机械紧固件或者卡簧固定，而承载器基板多采用不锈钢或者陶瓷材料，其本身密度较大，整体质量一般超过十多公斤，如果从抛光台上方或者上下片台上掉下，后果不堪设想。为了保证承载器不会从主轴上脱落，施加真空吸附无疑是另一个有效保证。即便所有紧固件均未装载，仅靠真空吸附也足够保证承载器不会脱落：装载真空传感器，如果真空没有加载，则主轴将不会抬起和移动，如图1所示。

图1 CMP内部真空功能部件图

其中SOL是电磁阀，对于较大真空需要的使用气动电磁阀，以保证动作的可靠。

1.1 真空系统的设计

即便在实验室条件下，CMP一般也要求位于较低等级的净化间内，而净化间的建造成本较高，因此力求真空系统简洁可靠且占地面积较小。本文中将真空供应系统设计集中于一个柜体内，这样完全可以达到上述要求，并且美观大方。

1.2 真空系统的气动设计

真空系统气动设计如图2所示。

图2 真空系统气动图

图2中所示，其工作原理为：在正常工作模式下，SOL2（电磁阀）打开，SOL1（电磁阀）关闭，80PSI（磅每平方英寸）的压缩空气通过SOL2激发VAL1（气动阀门）打开，VAL2真空通道（通道1）打开，VAL3关闭，此时真空泵抽取真空到达真空槽体和排放槽体内。由于此时真空槽体和排放槽体通过VAL1联通，真空值完全一样，外部液体倒流到真空槽体内，则液体通过自身重力流入到排放槽体内。一旦排放槽体内的液体达到满位则触发SOL2关闭，此时VAL1断开真空联结，VAL2则偏向通道2，而VAL3打开，与外部大气联通，由于残存真空的存在，液体尚不能流出。通过短暂延迟后，SOL1打开，则 15-20PSI（约1.0335-1.378个标准大气压）的压缩空气通过2通道施加于排放槽体内，迫使液体流出，一旦液体排放完毕，则触发SOL1关闭，SOL2打开，恢复正常工作模式。需要强调的是：即便在排液期间，真空槽体内依然可以不间断提供真空，而一旦排液结束，则排液槽体也将参入存储真空，这样可以有效的扩充真空使用效率。

1.3 真空系统的电路设计

真空系统电路设计如图3所示。

图3 真空系统的电路图设计

如图3所示：其工作模式如前所述，当顶部传感器触发时，则控制器触发SOL2关闭，并且延迟片刻，触发SOL1打开，排水显示灯亮，进行排水。槽体排空后，底部传感器触发SOL2打开，SOL1关闭，此时恢复到常态工作模式。在正常加电模式下，电系统开指示灯灯亮，然后手动按下开机开关，此时供电回路形成，线圈带电，吸合继电器触点，控制器正常工作。而一旦出现紧急情况，则可以按下紧急开关，此时回路断开，则真空电机和控制器都将停止运转。图中的SMC真空开关，是设置和控制真空度的。当真空度低于设定最低负压值时则打开，线圈带电，触点吸合，真空泵开启；当达到设定最高负压值时，则真空开关关闭，真空泵停止运转。

2 软件流程图的设计

软件流程如图4所示。

图4 真空检测控制流程图

从图中可以看出，在初始开机状态下，首先检测真空是否达到最大，否则就开启真空电机，直到满足要求为止。而此后则是电机间歇式工作方式，一般正常工作情况下，间隔10多分钟，持续抽真空几分钟即可停机。而待机状态下，由于CMP设备内的真空出口均处于常闭状态，真空损耗很小，数小时内均可维持正常真空而无须开启真空电机，排水状态如图5。

图5 排液软件流程图

从图5中可以看出，一旦倒流液体溢满排水槽体，则立即触发控制器相应端口予以相应。从图4和图5流程图中可以看出，控制流程简单有效，无论是采用PLC或者单片机均能满足要求，如果有必要的话，还可以留下通讯端口，与CMP主机进行连接，实时反馈系统真空状态。

3 结论

本文根据CMP抛光的实际需要进行特别设计，兼顾场地、可靠性、电机工作效率、硬件安全性、软件设计简洁等多方面的实际生产要素，完全能够满足CMP生产和实验要求。

[1]周国安，刘多勤，凃佃柳，等.CMP综合终点检测研究[J].维纳电子技术，2009，46(8):371-374.

[2]贾英茜，刘玉岭，牛新环，等.ULSI多层互连中的化学机械抛光工艺[J].微纳电子技术，2006，43(8):442-446.

[3]周国安，柳滨，种宝春，等.关于CMP承载器的初步研究[J].维纳电子技术，2008，45(1):668-671.

[4]孙禹辉，康仁科，郭东明，等.化学机械抛光中的硅片加持技术[J].半导体技术，2004，(04)：10-14.

[5]苏建修，康仁科，郭东明.超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析[J].半导体技术，2003，2810):27-32.