CMP系统真空供给系统设计

李 伟，高文泉，柳 滨，陈 波

(北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polish，CMP）技术是一种对半导体材料或是其它类型材料的衬底进行平坦化或抛光的方法，是制备晶圆的关键步骤，广泛应用于集成电路（IC）制造业中，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]。

图1为CMP系统真空气路控制原理图，真空主要用在以下几个方面1）晶圆承载器Carrier利用真空吸盘法来吸附硅片；2）抛光主轴首先采用真空吸盘法吸附Carrier，然后利用“运载安全装置”[2]机械紧固晶圆承载器Carrier，达到双重保护，以防止Carrier在运转中掉下，造成不必要的损失和安全事故；3）有些CMP设备中的机械手采用真空吸附法搬运晶圆，但这种方法由于会产生晶圆背部较大的玷污，正逐渐被“边缘夹持”方式取代。因此稳定、均匀的真空供给是设备正常运转必不可少的重要部分。当真空施加之前，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，对于设备而言，这将会导致掉片、碎片[3]。因此真空供应系统应在保证系统所需的最小真空要求的前提下，具备处理倒流液体的能力。

图1 CMP系统真空气路控制原理图

1 真空供给系统设计

水环真空泵是一种粗真空泵，所能获得的相对真空度为－0.097MPa，广泛应用于石油、化工、制药、食品、制糖工业等领域[4]。其原理是由于转子偏心旋转而使水环与叶片间容积发生周期性改变而进行抽气的机械真空泵。与其他类型机械真空泵相比，具有结构简单、紧凑，工作简单可靠、吸气均匀、不需要对泵润滑处理、可适用于抽吸含有一定腐蚀性的气体等优点。水环真空泵的性能与被抽气体的状态、工作水温度及性质有关，通常只给出规定条件下的特性曲线。当实际工作条件与规定条件不同时，必须对其特性曲线进行修正。水环真空泵抽速根据道尔顿公式计算：

Q15为水温15℃时的抽速；

p1为水环泵的吸入压力；

pt为水温t℃时饱和蒸汽压力；

p15为水温15℃时的饱和蒸汽压力；

K为气量修正系数。

由表1可知水的温度越高，其饱和蒸汽压力越高。由公式2可知，15℃水温时的气量修正系数为 1，水温高于 15℃时，k＜1，Qt＜Q15。发现水温度越高水环真空泵所能抽到的真空度越低。因此设计的真空供给系统必须采取措施降低真空泵供水温度。

真空供给系统主要由水环式真空泵、水箱、储气罐、温控模块、水箱供给模块等组成，如图2所示。水箱源源不断地为真空泵供水，在水环真空泵入口处和出口处分别安装温度传感器，工作水温度为水环真空泵入口水温和出口水温的平均值。当工作水温度超过设定值（15℃）后，PLC控制器控制注水电磁阀1打开，从底部补充低温度水，当工作水温度达到设定值后，PLC控制器控制注水阀关闭，水箱温度控制如图3所示。水箱中安装多点浮子传感器，用来检测水箱液面高度，当液面低于下限位时，注水电磁阀2打开，自来水源注水水箱；当液面达到上限位时，注水电磁阀2关闭，停止注水；多余的水从水箱溢流孔排出。

表1 水在各种温度下的饱和蒸汽压

图2 真空供给系统原理图

图3 水箱温度控制框图

真空泵排气端接入水箱，废气和所带的一部分水排入水箱后，气体再由水箱的出管跑掉，而水就落入水箱的底部经回水管进入泵内循环使用，达到了节约用水、降低能耗的效果。真空泵的吸气端通过真空储气罐与设备真空气路连接，经真空调压阀调整后用于真空吸附Carrier和晶圆等操作。真空储气罐用于存储真空，并具有稳压、除真空水的功能。在真空泵和储气罐之间安装真空止回阀，防止真空停止时，水倒灌于储气罐中。

2 真空供给系统机架有限元分析

真空泵工作时会产生较大的噪声，一方面是由于真空度达到极限时会产生气蚀声，另一方面可能是由于真空泵机架与真空泵发生共振。

在真空储气罐与设备连接管路间设置真空调压阀（可增压、降压作用），以避免真空泵在极限真空状态下使用，从而防止气蚀发生。

模态分析技术是现代机械产品结构动态设计和分析的基础，是系统辨别方法在工程振动领域中得应用，分为计算机模拟分析和试验模态分析两种[5]。由于电机转动等原因，势必会造成振动。在造成很大噪音的同时还会造成真空泵站机架的共振或疲劳，从而破坏结构。因此在设计真空泵站时需要考虑振动现象，了解真空泵站机架的振动特性即结构的固有频率和振型，避免产生不必要的损失。试验模态需要借助于振动传感器、激励器、FFT分析仪、高速数据采集系统等仪器通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别而获得模态参数，成本较高。而采用计算机模拟分析成本低、效率高。

我们采用ANSYS Workbench软件对真空泵站机架进行了模态分析[6][7]。ANSYS Workbench是用ANSYS新一代多物理场协同分析产品，将设计、仿真、优化集成于一体，极大地提高了设计研发的效率。

真空泵机架由方钢和角钢等焊接而成，材料为Q235普通碳素结构钢，材料有关参数如表2所示。真空泵站机架有限元模型如图4所示。

图4 真空泵站机架有限元模型

表2 真空泵站机架材料主要参数

首先在机架底部添加固定约束，然后对所设计的机架有限元模型进行自由模态计算，得到了机架各阶段固有频率及相应的振型。低价固有频率要比高价振型对机架的振动影响大，因此关心的低价模态。提取前6阶振动模态，对应的振型图如图5所示，其振型结果如表3所示。

图5 前六阶振型图

水环真空泵工作状态下，激振主要来自于电机转动等原因。根据频率计算公式，可求出真空泵电机的振动频率为44Hz（1×2840/60）。从模态分析结果表研究发现真空泵站机架低阶频率均远离水环真空泵电机所引起的振动频率，不会引起共振，说明设计机架刚度足够，满足设计要求。

表3 模态分析结果：

3 结 论

针对化学机械抛光机（CMP）设备真空需求特点，设计了一套专用的真空供给系统。设计了水箱温度自动控制模块和水箱自动供水模块，保证水环真空泵在低温工作液下工作，能为设备提供稳定、可靠的真空。同时也达到节约用水、降低能耗的要求。并用有限元分析软件ANSYS Workbench对真空泵箱体机架进行了模态分析，研究发现真空泵机架刚度足够，低阶频率均远离真空泵引起的振动频率。可以推广到晶片减薄机、硅片双面抛光机等其他半导体设备应用中。

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[1]闫志瑞，鲁进军，李耀东.300mm硅片化学机械抛光技术分析[J].半导体技术.2006，8（31）：561-564.

[2]陈威，柳滨，李伟，郭强生.化学机械抛光用运载器安全装置[P].中国专利：200920217253，2010-9-8.

[3]周国安.CMP中真空供应系统的设计[J].电子工业专用设备.2011，(8)：9-11.

[4]上海真空泵厂有限公司.SZ型单级水环式真空泵使用说明书[Z].上海:真空泵厂有限公司.

[5]胡海岩.机械振动基础[M].北京航空航天大学出版社.2005-07.

[6]石广丰，倪坤.基于ANSYS Workbench的激光打孔机模态分析[J].长春理工大学学报（自然科学版）.2010，33(4):95-97.

[7]艾曦锋，巴兴强.基于ANSYS Workbench的4G1发动机支架模态分析[J].交通标准化.2008，(9)：225-228.