楊 師，史 霄，楊元元，李龍飛，王洪宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

隨著人工智能、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)及汽車應(yīng)用等對(duì)芯片需求的爆發(fā)式增長，半導(dǎo)體工業(yè)遇到了巨大的發(fā)展契機(jī)。而半導(dǎo)體設(shè)備所加工的器件尺寸、布線寬度也隨著摩爾定律的發(fā)展而不斷縮小。與此同時(shí)，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的升級(jí)使得晶圓制造過程工序增加，以CPU芯片為例，90 nm節(jié)點(diǎn)需400道，而5 nm則需要超過1 200道，工序增加造成良率降低；行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)10 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)尚存在不穩(wěn)定因素，良品率僅為40%，造成良品率降低的一個(gè)重要因素就是制造過程中的微污染[1]。測(cè)算表明，每提高1%良品率，對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)60 000片的中等工廠來說，會(huì)提高2 000萬元～9 000萬元的凈收益。為此，半導(dǎo)體設(shè)備的設(shè)計(jì)理念已開始由“滿足工藝使用要求，提高加工效率”向“提高設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品良率”的方向傾斜。因此，控制半導(dǎo)體設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境，減少晶圓加工過程中微污染便顯得愈加重要。

本文針對(duì)一種用于晶圓化學(xué)機(jī)械拋光的CMP設(shè)備進(jìn)行微環(huán)境分析與控制研究。

1 現(xiàn)有問題與改進(jìn)技術(shù)方案

工藝節(jié)點(diǎn)的提升伴隨著晶圓加工過程污染控制的愈加嚴(yán)格，以28～14 nm工藝制程為例，需要晶圓表面顆粒度在0.06μm以上的顆粒少于50顆，要求極為嚴(yán)格[2]。在半導(dǎo)體加工設(shè)備中，環(huán)境空氣一般由過濾器產(chǎn)生潔凈氣流，潔凈氣流從設(shè)備上方進(jìn)入，流經(jīng)工藝區(qū)，自下部排風(fēng)口排出，達(dá)到凈化設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境，防止工藝區(qū)污染氣體沉積的目的。此方法對(duì)微環(huán)境的控制存在著一定的缺陷和不足。通過分析研究，確認(rèn)晶圓化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備在微環(huán)境控制方面存在以下問題：

（1）設(shè)備有2個(gè)工藝區(qū)，拋光區(qū)和清洗區(qū)，清洗區(qū)要求對(duì)環(huán)境保持相對(duì)正壓，以免內(nèi)部被拋光區(qū)水氣及外部環(huán)境氣體污染；形成正壓的同時(shí)，清洗封閉區(qū)域內(nèi)不可避免的會(huì)有紊流存在，紊流的形成會(huì)造成清洗氣體與化學(xué)蒸汽凝結(jié)，產(chǎn)生凝結(jié)顆粒后對(duì)清洗效果有所影響。

（2）拋光區(qū)需要對(duì)環(huán)境保持相對(duì)負(fù)壓，以免拋光液揮發(fā)后形成氣體流出設(shè)備，對(duì)環(huán)境中工程師造成身體傷害；根據(jù)設(shè)備中氣流控制現(xiàn)狀，形成負(fù)壓需要在設(shè)備中增加排風(fēng)口，排風(fēng)口設(shè)在工藝區(qū)下部，但與此同時(shí)拋光區(qū)加工晶圓時(shí)會(huì)有化學(xué)液體濺出，濺出液體可能落入排風(fēng)口，從而對(duì)抽風(fēng)系統(tǒng)造成不可預(yù)期的影響。

（3）設(shè)備各清洗工藝腔體，機(jī)械手腔體、拋光區(qū)腔體之間存在周期性開閉窗口，周期性開閉窗口可能會(huì)對(duì)某腔體內(nèi)部氣壓及風(fēng)路路徑造成影響，破壞相對(duì)壓力值與紊流位置，造成不可預(yù)期氣流流動(dòng)或新污染源。

針對(duì)上述3個(gè)問題，提出的改進(jìn)技術(shù)方案及效果如下：

（1）通過風(fēng)路軟件分析及實(shí)例驗(yàn)證，調(diào)整設(shè)備上部空氣過濾器安裝位置和下部排風(fēng)口位置，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量大小和負(fù)壓大小，以及優(yōu)化腔體風(fēng)路結(jié)構(gòu)3種方式，確定紊流位置，將紊流位置驅(qū)趕到對(duì)晶圓加工工藝影響最小的空間區(qū)域。

（2）設(shè)計(jì)一種排風(fēng)結(jié)構(gòu)，使氣體通過回路排出，液體自上而下流出，互不干擾，在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)水氣分離。

（3）結(jié)合微壓差傳感器，采集壓差數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)一種回歸算法，對(duì)空氣過濾器進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，擬合出一種周期性進(jìn)風(fēng)方式，使設(shè)備各腔體內(nèi)部氣壓趨于穩(wěn)定。

2 依托實(shí)例的仿真分析

本文所述的CMP設(shè)備氣體流動(dòng)腔室結(jié)構(gòu)俯視圖分為3個(gè)分區(qū)，如圖1所示。

圖1 實(shí)例區(qū)域劃分圖

根據(jù)工藝潔凈度要求，分區(qū)一潔凈度要求最高，分區(qū)三右部潔凈度要求最低；氣流要求從分區(qū)一右上部向左流經(jīng)分區(qū)二，然后向右流至分區(qū)三后從分區(qū)三右下部流出。其中，分區(qū)二環(huán)境中有液體向下濺出，分區(qū)三右下部根據(jù)設(shè)備功能要求存在周期性開閉窗口；與此同時(shí)，要求3個(gè)分區(qū)內(nèi)部氣壓高于外部環(huán)境。

結(jié)合本實(shí)例，本文所提改進(jìn)技術(shù)方案的具體實(shí)施過程：在3個(gè)分區(qū)頂部分別設(shè)置空氣過濾器，下部設(shè)置排風(fēng)口，排風(fēng)口出風(fēng)量小于空氣過濾器進(jìn)風(fēng)量，設(shè)置位置經(jīng)軟件仿真分析選取最佳效果位置[3]。

在軟件仿真分析基礎(chǔ)上選取風(fēng)壓平穩(wěn)處安裝微壓差傳感器，通過實(shí)例測(cè)量所選位置內(nèi)部環(huán)境壓力是否與軟件仿真效果一致，若不一致，則測(cè)量過濾器出風(fēng)口風(fēng)量、排風(fēng)口負(fù)壓、以及3個(gè)分區(qū)各自密閉性進(jìn)行修正；若一致證明實(shí)際與軟件仿真效果吻合則進(jìn)行下一步。

軟件分析分區(qū)二、分區(qū)三氣壓效果示意如圖2所示。

圖2 各分區(qū)氣壓分析示意圖

設(shè)定的環(huán)境空氣壓為101 324 Pa，分析實(shí)例可以看出各區(qū)域?qū)嶋H壓力情況及等壓分界線。證實(shí)仿真分析有效情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，調(diào)整各分區(qū)間通路大小、位置或結(jié)構(gòu)改善紊流狀況，結(jié)合實(shí)際設(shè)備需求，使理論上的紊流位置分布在分區(qū)三右部，并按分析最終設(shè)定的各組件實(shí)際結(jié)構(gòu)與位置，加工硬件具體執(zhí)行。執(zhí)行情況俯視簡(jiǎn)圖如圖3所示。其中方框?yàn)樵谠O(shè)備上部的空氣過濾器，圓圈為在設(shè)備下部的排風(fēng)口，實(shí)心箭頭為設(shè)備中部常開窗口，空心箭頭為設(shè)備中部周期性開閉窗口。

圖3 空氣過濾器位置選取示意圖

按照過濾器位置設(shè)定實(shí)際過濾器風(fēng)速，分區(qū)二、分區(qū)三紊流位置效果如圖4所示。

圖4 軟件分析紊流及風(fēng)速情況示意圖

從圖4可看出，較大紊流位置已處于分區(qū)三右部潔凈度要求較低區(qū)域。此時(shí)產(chǎn)生的顆粒凝結(jié)對(duì)整機(jī)影響最小，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制算法研究

對(duì)于分區(qū)二中有液體向下流出的情況，設(shè)計(jì)一種帶回路的出風(fēng)口，結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5所示。

圖5 排風(fēng)口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

氣流流向與液體流向示意圖如圖6所示。

圖6 排風(fēng)口水氣路流向示意圖

圖6中，實(shí)心箭頭代表液體流向，液體自身基本不受分區(qū)內(nèi)氣壓影響，靠重力流向更低處的排液孔排出；空心箭頭代表氣體流向，氣體受分區(qū)內(nèi)正壓與此結(jié)構(gòu)下部排風(fēng)口負(fù)壓影響，順回路流出至設(shè)備外廢氣回收系統(tǒng)。通過此結(jié)構(gòu)避免排氣孔受廢液影響，實(shí)現(xiàn)初步水汽分離。

對(duì)于周期性開閉窗口，設(shè)計(jì)一種回歸算法，算法實(shí)現(xiàn)功能如圖7所示。

圖7 回歸算法功能示意圖

回歸算法示意如圖8所示。

回歸算法中設(shè)定的氣壓合理值是根據(jù)不同工藝需求和軟件仿真分析得出；設(shè)備實(shí)際氣壓值的采集周期與運(yùn)算后的自動(dòng)調(diào)節(jié)周期及初始調(diào)節(jié)量，均根據(jù)需求由工藝人員給定。圖8中所述“差異出現(xiàn)前一定時(shí)間內(nèi)”的具體時(shí)長，會(huì)由設(shè)備管理人員根據(jù)不同分區(qū)各空氣過濾器大小及空間大小設(shè)定一個(gè)初始范圍，由回歸算法自行找出最優(yōu)解。圖8中所述的“對(duì)應(yīng)關(guān)系”可能是直接相關(guān)，也可能在幾次回歸算法運(yùn)行后形成某種函數(shù)關(guān)系，需算法自行擬合。

圖8 回歸算法示意圖

4 結(jié)束語

集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)不斷增大。實(shí)現(xiàn)對(duì)國際先進(jìn)制程半導(dǎo)體設(shè)備的技術(shù)跟蹤與超越，對(duì)我國電子工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。半導(dǎo)體設(shè)備微環(huán)境控制能夠有效改善晶圓加工過程中顆粒污染對(duì)良率造成的影響。本文提出的控制技術(shù)已在一種國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備中得到應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該方案能夠有效地優(yōu)化潔凈風(fēng)路流通路徑，改善由于紊流產(chǎn)生顆粒凝結(jié)對(duì)晶圓加工制造的污染現(xiàn)象，從而提高了設(shè)備可靠性。