CMP拋光機拋光臺溫度控制的研究

王 偉，王東輝，李 偉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

化學機械拋光（CMP）是一種對半導體材料或是其它類型材料的襯底進行平坦化或拋光的方法，廣泛應用于集成電路（IC）制造業中。化學機械拋光是結合拋光液中化學溶液的腐蝕和磨粒的機械磨削雙重作用，使硅晶片獲得極高的平面度和平整度的一項工藝。如圖1所示，拋光時拋光臺繞中心自傳，拋光墊固定在拋光臺上，攜帶晶圓的拋光頭壓在拋光墊上并旋轉與拋光墊相對運動，由亞微米或納米磨料和化學溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動，并在工件表面產生化學反應，工件表面形成的化學反應物由磨料的機械摩擦作用去除。通過化學與機械的共同作用從工件表面去除極薄的一層材料，最終實現超精密表面加工。兩個過程的快慢綜合和一致性影響著工件的拋光速度和拋光質量。因此，要實現高效率、高質量的拋光，必須使化學作用過程與機械作用過程進行良好的匹配。如果化學腐蝕作用大于機械磨削作用則在拋光面表面產生腐蝕坑、桔皮狀波紋；如果機械磨削作用大于化學腐蝕作用則在拋光表面產生高損傷層和劃道。

圖1 CMP拋光原理示意圖

拋光臺溫度是影響化學反應速率的一個重要參數。拋光臺的溫度越高化學反應速率越快，同時也會引起拋光液的快速揮發，這樣將導致半導體晶圓表面腐蝕嚴重、去除率不均勻，從而使得拋光質量下降。但拋光臺溫度過低又會使化學反應速率降低，進而使得機械作用大于化學作用，硅片機械損傷嚴重[1]。因此，快速、穩定、精確地控制拋光臺的溫度對提高拋光質量具有重要意義。

1 拋光臺的結構及溫度控制原理

拋光臺的溫度控制一般通過熱交換的形式，如圖2所示，在拋光臺內部通入一定溫度和流量的水，水在拋光臺內部的凹槽中循環，拋光臺的內部結構如圖3所示，通過水和拋光臺的熱交換使拋光臺升溫或降溫。根據拋光工藝要求，拋光臺的溫度一般控制在18～40℃。當拋光臺溫度需要控制在18～25℃時，可以用冷水機控制水的溫度；當拋光臺溫度需要控制在25～40℃時，可以用溫水機控制水的溫度。拋光臺的溫度與循環水的溫度和流量有關，通過控制水的溫度和流量可以控制拋光臺的溫度。

圖2 拋光臺溫度控制原理

圖3 拋光臺結構示意圖

2 拋光臺溫度控制參數分析及系統設計

拋光過程中晶圓與拋光液的化學反應發生在拋光臺上表面，影響化學反應速率的主要是拋光臺上表面的溫度，拋光臺結構及組成如圖4所示，拋光臺最下層為鋼板，鋼板上開有環形凹槽，鋼板上面為大理石板，最上層為拋光墊，拋光墊的材料為聚氨酯，大理石板與拋光墊之間為粘合劑，其材料為HDPE。當加熱拋光臺時，凹槽中的循環水和鋼板通過對流換熱進行熱交換，然后熱量通過大理石、粘合劑傳遞到拋光墊上；當冷卻拋光臺時，熱量傳遞剛好相反。為了達到迅速、穩定、精確的控制拋光臺上表面的溫度，有必要對影響拋光臺溫度的參數：水的流量和溫度進行分析，以此來更好的設計拋光臺溫度控制系統。利用ansys有限元模擬分析軟件可以模擬計算拋光臺和循環水的熱交換以及拋光臺的熱傳遞過程。

2.1 拋光臺溫度控制的有限元模擬分析

影響拋光臺溫度的主要因素是循環水的流量和溫度，以下用ansys有限元模擬分析軟件計算出不同流量和不同溫度的循環水與拋光臺的熱交換效率，分析流量與溫度跟熱交換效率之間的關系。以拋光臺加熱過程為例，根據溫水機所能提供的流量和溫度，分別計算循環水的流量為6 L/m in、12 L/m in，18 L/m in、24 L/m in，溫度為 50 ℃、60 ℃、70℃、80℃時，拋光臺上表面溫度升溫至設定溫度40℃時所需要的時間。

拋光臺和循環水的熱量交換過程包含循環水和鋼板的對流換熱和鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊之間的導熱兩個過程。鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊的物理參數如表1所示。

圖4 拋光臺的結構及組成部分

表1 不同材料的物理參數

計算循環水和鋼板之間的傳熱，需要確定水在不同溫度和不同流量下的表面傳熱系數，水的表面傳熱系數h：

式中：λ為導熱系數；d為水流通截面的等效直徑；Nu為平均努賽爾數。

其中：Re為管內雷諾數；Pr為普朗特數。

其中：v為水的運動黏度系數；u為水的運動速度。

在50℃、60℃、70℃、80℃時，水的運動黏度系數v、普朗特數Pr、導熱系數λ的物理參數如表2所示[3]。

表2 不同溫度下水的物理參數

循環水溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃，流量分別為 6 L/m in、12 L/m in、18 L/m in、24 L/min時，根據以上物理參數分別求得水的表面傳熱系數h的值如表3所示。

表3 不同條件下水的表面傳熱系數W/m2·K

根據以上求得的水的表面傳熱系數，和鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊材料的導熱物理參數，應用ansys有限元軟件可以計算出，在不同溫度和流量下，拋光臺表面達到設定溫度40℃時所需要的時間。圖5為循環水流量為6 L/m in,溫度為50℃時，拋光臺表面溫度隨時間的變化曲線，從圖上可以讀出拋光臺表面溫度達到40℃時所需要的時間為 611 s。

圖5 拋光臺表面溫度的變化曲線

用同樣的方法可以計算出在不同流量和溫度的循環水下，拋光臺表面溫度達到40℃時所需要的時間如表4所示。

表4 不同流量和溫度下拋光臺加熱所需時間

根據表4中的數據，可以得出不同溫度下拋光臺加熱所需時間隨循環水流量的變化曲線和不同流量下拋光臺加熱所需時間隨循環水溫度的變化曲線（見圖6、圖7）。

圖6 不同溫度下時間隨流量的變化

圖7 不同流量下時間隨溫度的變化

從圖6可以看出，溫度越高流量越大加熱所需時間越短；循環水的溫度對拋光臺加熱效率的影響比循環水流量對拋光臺加熱效率的影響要顯著得多，且溫度越高循環水流量的變化對拋光臺熱交換效率的影響越小。從圖7可以看出，不同流量下，溫度對拋光臺熱交換率的影響程度相差不大。因此，在拋光臺溫度控制過程中，可以用大溫差和高流量的水對拋光臺初步加熱或冷卻，使拋光臺迅速升溫或降溫。當將要達到拋光臺所設定溫度時，再通過調節循環水的流量使拋光臺和水的熱交換量和拋光臺散失的熱量達到平衡，從而使拋光臺穩定在設定值。由于流量的變化對拋光臺溫度的變化影響較小，因此通過調節循環水的流量來控制拋光臺的溫度可以提高控制的精度。這樣不僅能提高拋光臺溫度控制的效率，又能提高溫度控制的精度。

2.2 拋光臺溫度控制系統的設計

根據以上分析得出的結論，拋光臺溫度控制系統可以設計成如圖8所示，冷水機或溫水機提供一定流量和溫度的循環水，經過減壓閥減壓設定系統的工作壓力，電磁閥控制水的通與斷，當拋光臺溫度即將達到所需溫度時，通過電流信號控制比例閥閥芯的開口大小調節循環水的流量，使拋光臺達到熱平衡，拋光臺上表面溫度穩定在所需溫度的范圍內。當系統流量變小時，系統入口處的壓力升高，通過溢流閥溢流卸壓使系統入口處壓力穩定。

為了驗證上述方法的可靠性，用有限元分析軟件ansys模擬了拋光臺的升溫過程：拋光臺初始溫度為室溫25℃，拋光臺需要達到的溫度為40℃。為了提高拋光臺和水的換熱效率，開始加熱時循環水的流量設為24 L/m in，溫度為80℃，當拋光臺溫度達到35℃時，調節水的流量使拋光臺溫度最終穩定在40℃。圖9為ansys模擬結果，穩定時循環水的流量為218m l/m in。從圖上可以看出，時間為750 s的時候，拋光臺表面溫度基本上穩定在所需溫度40℃左右，精度可以達到±0.2℃，控制迅速而且精度也比較高。每一個溫度值都對應一個合適的流量值，使拋光臺最終達到熱平衡。

當拋光臺溫度達到穩定以后，拋光臺溫度分布如圖10所示：

從溫度分布云圖上可以看出，拋光臺拋光區域的表面溫度基本上都穩定在所需要的溫度40℃，而且溫度分布很均勻；拋光臺邊緣離環形水槽較遠，溫度較低。拋光臺的導熱是一個多維導熱過程，環形水槽的間距越小，分布越均勻，拋光臺表面溫度分布也越均勻。

圖8 拋光臺溫度控制系統原理圖

圖9 拋光臺溫度隨時間的變化

圖10 拋光臺溫度分布云圖

3 結 論

（1）在拋光臺溫度控制系統中，循環水溫度對換熱效率的影響比循環水流量的影響要顯著；在溫度控制過程中，使用大溫差大流量的循環水對拋光臺進行初步加熱或冷卻，再調節循環水的流量使拋光臺達到熱平衡，既可以提高溫度控制的效率又可以提高控制的精度。

（2）通過分析循環水溫度和流量對熱交換效率的影響，設計了一種拋光臺溫度控制系統和方法，并運用有限元軟件模擬拋光臺的熱交換過程，驗證了該控制系統和方法不僅控制迅速而且控制精度比較高，根據有限元模擬的結果，精度可達到±0.2℃。

（3）根據有限元軟件的模擬結果可以得出，拋光臺內部環形水槽間距越小，分布越均勻，拋光臺表面溫度分布也越均勻。

（4）本文得出的結論是通過有限元軟件的模擬，經實際驗證，現已應用到300mm硅片拋光機設備中，效果良好。

[1]閆志瑞，魯進軍，李耀東.300mm硅片化學機械拋光技術分析[J].半導體技術.2006，8（31）：561-564.

[2]種寶春，柳濱，宋文超.CMP拋光機拋光盤溫度的精確控制[J].電子工業專用設備，2007，36（10）：14-16.

[3]張學學，李桂馥.熱工基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.