300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光壓力控制技術(shù)研究

王東輝，郭強(qiáng)生，柳 濱，陳 威，王 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

目前，硅單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，超大規(guī)模集成電路（IC）制造技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入300mm時(shí)代。隨著晶圓尺寸的不斷擴(kuò)大與芯片特征尺寸的不斷縮小，對(duì)硅片表面的平坦化程度提出了更高的要求[1]。

在硅片表面的平坦化過(guò)程中，拋光壓力是一個(gè)重要的物理參數(shù)。通常拋光壓力增加，機(jī)械作用增強(qiáng)，拋光速率也增加，但使用過(guò)高的拋光壓力會(huì)導(dǎo)致拋光速率不均勻、拋光墊磨損量增加、拋光區(qū)域溫度升高且不易控制、使出現(xiàn)劃痕的幾率增加，從而降低了拋光質(zhì)量[2]。

因此，穩(wěn)定、可靠、精確地控制拋光壓力對(duì)于提高拋光速率和質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 主軸壓力控制原理

在硅片拋光過(guò)程中，為了得到較好的硅片拋光去除率以及硅片全局平整度，需要對(duì)主軸壓力進(jìn)行控制。一般情況下，工藝線對(duì)主軸加壓控制系統(tǒng)的具體要求：

(1)壓力控制范圍：硅片表面壓力0～2000 N；

(2)壓力控制精度：±20 N。

為了達(dá)到上述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種主軸加壓控制系統(tǒng)，原理示意圖如圖1所示。

圖1 主軸壓力控制原理圖

在主軸加壓控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵部件為力傳感器、氣缸和彈簧。所述系統(tǒng)的核心部件為力傳感器，它決定了控制系統(tǒng)的控制精度。為了達(dá)到系統(tǒng)所要求的壓力控制范圍和控制精度，選用量程為3000 lbs，精度為±0.1%的力傳感器。氣缸是關(guān)鍵部件，不僅可以用作驅(qū)動(dòng)功能，還可以用作氣動(dòng)彈簧元件。通過(guò)增壓和排氣，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)元件的作用,使主軸上升、下降或者加壓。彈簧的作用是在氣缸無(wú)氣壓時(shí)使主軸處于抬起狀態(tài)，以便在不同工位間切換，其不同載荷下的工作行程如圖2所示。

圖2 不同載荷下彈簧的工作行程

在上述主軸加壓控制系統(tǒng)中，其工作過(guò)程為：當(dāng)氣缸無(wú)氣壓時(shí)，由于彈簧的壓縮彈力，主軸處于抬起狀態(tài)。當(dāng)對(duì)氣缸充入一定氣壓后，氣缸膨脹并克服彈簧的壓縮彈力使主軸下降。當(dāng)氣缸氣壓達(dá)到某一值時(shí)，主軸末端的拋光頭與拋光臺(tái)剛好接觸，此時(shí)，拋光臺(tái)受到的主軸壓力為零。繼續(xù)對(duì)氣缸充氣，主軸將對(duì)拋光臺(tái)施加壓力，主軸施加壓力的大小取決于氣缸充入的氣壓。

同時(shí)，安裝于主軸處的力傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)主軸的壓力，雖然傳感器檢測(cè)的壓力值不等于實(shí)際值，但是通過(guò)對(duì)檢測(cè)儀器檢測(cè)的實(shí)際值與傳感器的檢測(cè)值進(jìn)行比較可知，兩者之間存在一定的線性關(guān)系，找到其中的線性關(guān)系就可以用傳感器的檢測(cè)值來(lái)進(jìn)行主軸壓力的反饋控制，從而有效地控制拋光壓力。

2 主軸壓力檢測(cè)方法

為了對(duì)主軸進(jìn)行壓力標(biāo)定以及實(shí)時(shí)控制拋光壓力，需要對(duì)主軸進(jìn)行線下檢測(cè)以及實(shí)時(shí)檢測(cè)。故主軸壓力的檢測(cè)方法分為在線檢測(cè)和離線檢測(cè)。

在線檢測(cè)是指在拋光過(guò)程中，通過(guò)安裝在主軸中的力傳感器（如圖1所示）實(shí)時(shí)檢測(cè)主軸的壓力值。在線檢測(cè)的力傳感器示值不等于主軸的實(shí)際壓力值，需要通過(guò)記錄離線檢測(cè)的實(shí)際值和相應(yīng)的在線檢測(cè)的力傳感器示值，找到兩者之間的線性關(guān)系，進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算得出擬合系數(shù)，然后通過(guò)擬合公式把實(shí)時(shí)檢測(cè)的力傳感器示值標(biāo)定為主軸的實(shí)際壓力值。

離線檢測(cè)是指設(shè)備停止工作時(shí)，通過(guò)檢測(cè)儀器檢測(cè)主軸壓力的實(shí)際值。檢測(cè)儀器是一種用來(lái)檢測(cè)主軸壓力而特殊設(shè)計(jì)的裝置（如圖3所示），其托盤(pán)厚度與承載器的厚度一致，以排除厚度不一致而造成的誤差。同時(shí)，檢測(cè)儀器也可以用來(lái)標(biāo)定主軸壓力，即通過(guò)輸入不同的氣壓值得到不同的主軸壓力值。

圖3 主軸壓力檢測(cè)裝置

離線檢測(cè)的具體檢測(cè)方法是，把檢測(cè)儀器的托盤(pán)置于主軸正下方，通過(guò)對(duì)氣缸充入一定氣壓的氣體，使主軸下降。當(dāng)氣壓達(dá)到一定值時(shí)，檢測(cè)儀器有讀數(shù)顯示，且主軸上的傳感器在界面也有相應(yīng)的讀數(shù)，記錄此時(shí)的氣缸氣壓值、檢測(cè)儀器測(cè)試值和主軸傳感器示值；同理，繼續(xù)以當(dāng)量氣壓ΔP(例如0.005 MPa)持續(xù)對(duì)氣缸施加氣壓，同時(shí)記錄下在相應(yīng)氣缸氣壓下的檢測(cè)儀器測(cè)試值和主軸傳感器示值。在本文實(shí)驗(yàn)裝置中，當(dāng)氣缸氣壓值范圍在0.19～0.575 MPa時(shí)，檢測(cè)儀器測(cè)試值范圍為5～2245 N，主軸傳感器示值范圍為2338～6952 N，具體數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

3 主軸壓力數(shù)據(jù)處理

圖4 氣缸氣壓值與檢測(cè)儀器測(cè)試值、主軸傳感器示值的關(guān)系

主軸壓力在界面的設(shè)定值與控制壓力輸出的執(zhí)行器件（氣缸）的氣壓值需要通過(guò)線性標(biāo)定，把單位N轉(zhuǎn)化為MPa，從而控制壓力的輸出；同時(shí)，主軸傳感器在線檢測(cè)的主軸壓力值也需要通過(guò)線性標(biāo)定轉(zhuǎn)化成實(shí)際壓力值，以此來(lái)對(duì)主軸壓力進(jìn)行反饋控制。因此，需要通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)找到檢測(cè)儀器測(cè)試值與氣缸氣壓值、檢測(cè)儀器測(cè)試值與主軸傳感器示值的關(guān)系，計(jì)算出它們之間的擬合系數(shù)。

觀察圖4可知，氣缸氣壓值與檢測(cè)儀器的測(cè)試值之間存在線性關(guān)系。通過(guò)Matlab對(duì)氣缸氣壓值與檢測(cè)儀器測(cè)試值進(jìn)行一次方（y1＝k1×x1＋b1）曲線擬合（如圖5所示）。

圖5 氣缸氣壓值與檢測(cè)儀器測(cè)試值的擬合曲線

根據(jù)Matlab的擬合曲線可知，本裝置在95%置信區(qū)間下，得到氣缸氣壓值與檢測(cè)儀器測(cè)試值的一次方擬合系數(shù)為：

即擬合公式為：當(dāng)通過(guò)界面輸入主軸壓力設(shè)定值x1時(shí)，根據(jù)擬合公式（1）可以求得相應(yīng)氣缸的氣壓值y1，從而通過(guò)控制器控制電氣比例閥來(lái)調(diào)節(jié)氣缸的氣壓值，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制主軸壓力的輸出。

同理，通過(guò)Matlab對(duì)主軸傳感器示值與檢測(cè)儀器測(cè)試值進(jìn)行一次方（y2＝k2×x2＋b2）曲線擬合（如圖6所示）。

根據(jù)Matlab的擬合曲線可知，本裝置在95%置信區(qū)間下，得到主軸傳感器示值與檢測(cè)儀器測(cè)試值的一次方擬合系數(shù)：

圖6 主軸傳感器示值與檢測(cè)儀器測(cè)試值的擬合曲線

即擬合公式為：

當(dāng)氣缸膨脹使主軸受壓下降時(shí)，主軸傳感器受力后輸出信號(hào)為x2，根據(jù)擬合公式（2）可以求得主軸壓力的實(shí)際值y2，通過(guò)對(duì)比主軸壓力設(shè)定值x1和主軸壓力實(shí)際值y2，根據(jù)兩者之間的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸壓力的反饋控制。

4 主軸壓力反饋控制

在拋光過(guò)程中，要求對(duì)拋光壓力連續(xù)可調(diào)，閉環(huán)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)拋光壓力大小連續(xù)可調(diào)的有效途徑。因?yàn)殚]環(huán)控制系統(tǒng)可以從系統(tǒng)的輸入端不斷地檢測(cè)輸出量，反饋到系統(tǒng)的輸入端，與輸入量進(jìn)行比較。當(dāng)系統(tǒng)輸入量的實(shí)際值偏離設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行糾正，從而保證輸入量與輸出量的一定比例關(guān)系，如圖7[3]。

圖7 壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)方框示意圖

在圖7所述的壓力控制系統(tǒng)中，當(dāng)主軸壓力設(shè)定值為x1，根據(jù)擬合公式（1）得到氣缸氣壓值為y1，此時(shí)，氣缸膨脹使主軸下降，主軸傳感器示值為x2，再由擬合公式（2）得到主軸壓力的實(shí)際值y2。

在上述閉環(huán)控制系統(tǒng)中，主軸壓力設(shè)定值x1即為系統(tǒng)的設(shè)定值，主軸壓力的實(shí)際值y2即為系統(tǒng)的實(shí)際值。由此可得系統(tǒng)的偏差Δe＝y(tǒng)2-x1，然后通過(guò)控制器的PID運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)比例閥的輸出氣壓，直到消除穩(wěn)態(tài)誤差，從而有效地控制主軸壓力的實(shí)際值。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)觀察記錄了一組數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 主軸壓力設(shè)定值與主軸傳感器示值比較

根據(jù)圖8可知，實(shí)驗(yàn)所得的主軸壓力設(shè)定值與主軸傳感器示值誤差很小，通過(guò)計(jì)算可得其誤差小于±15 N，且較大的誤差出現(xiàn)在1700 N以上的非工作壓力區(qū)間；在工作壓力區(qū)間(100～1300 N），主軸壓力設(shè)定值與主軸傳感器示值的誤差小于±10 N，基本滿足一般的300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的主軸壓力控制設(shè)計(jì)精度要求。

5 結(jié) 論

本文介紹了一種300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光壓力控制技術(shù)，且已經(jīng)在中國(guó)電電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研發(fā)設(shè)計(jì)的300mm硅片單面拋光機(jī)中得到應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所述的主軸壓力控制技術(shù)的控制可靠、穩(wěn)定、精確，拋光后硅片的平均去除率、全局平整度變化、局部平整度變化等技術(shù)參數(shù)都符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度要求。

[1]閆志瑞，魯進(jìn)軍，李耀東，等.300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)分析[J].半導(dǎo)體技術(shù).2006(8):561-564.

[2]姜培青.三工位CMP控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué)碩士論文.2008:15-16.

[3]陳夕松，汪木蘭.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，2005.