CMP系統真空供給系統設計

李 偉，高文泉，柳 濱，陳 波

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

化學機械拋光（Chemical Mechanical Polish，CMP）技術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，是制備晶圓的關鍵步驟，廣泛應用于集成電路（IC）制造業中，它能滿足晶圓嚴格的工藝控制、高質量的表面外形及平面度[1]。

圖1為CMP系統真空氣路控制原理圖，真空主要用在以下幾個方面1）晶圓承載器Carrier利用真空吸盤法來吸附硅片；2）拋光主軸首先采用真空吸盤法吸附Carrier，然后利用“運載安全裝置”[2]機械緊固晶圓承載器Carrier，達到雙重保護，以防止Carrier在運轉中掉下，造成不必要的損失和安全事故；3）有些CMP設備中的機械手采用真空吸附法搬運晶圓，但這種方法由于會產生晶圓背部較大的玷污，正逐漸被“邊緣夾持”方式取代。因此穩定、均勻的真空供給是設備正常運轉必不可少的重要部分。當真空施加之前，晶圓大多會浸沒于去離子水中，因此在晶圓吸附過程中，將會有大量的去離子水、拋光液等倒流于真空系統中，這將導致真空負壓逐漸降低甚至停機，對于設備而言，這將會導致掉片、碎片[3]。因此真空供應系統應在保證系統所需的最小真空要求的前提下，具備處理倒流液體的能力。

圖1 CMP系統真空氣路控制原理圖

1 真空供給系統設計

水環真空泵是一種粗真空泵，所能獲得的相對真空度為－0.097MPa，廣泛應用于石油、化工、制藥、食品、制糖工業等領域[4]。其原理是由于轉子偏心旋轉而使水環與葉片間容積發生周期性改變而進行抽氣的機械真空泵。與其他類型機械真空泵相比，具有結構簡單、緊湊，工作簡單可靠、吸氣均勻、不需要對泵潤滑處理、可適用于抽吸含有一定腐蝕性的氣體等優點。水環真空泵的性能與被抽氣體的狀態、工作水溫度及性質有關，通常只給出規定條件下的特性曲線。當實際工作條件與規定條件不同時，必須對其特性曲線進行修正。水環真空泵抽速根據道爾頓公式計算：

Q15為水溫15℃時的抽速；

p1為水環泵的吸入壓力；

pt為水溫t℃時飽和蒸汽壓力；

p15為水溫15℃時的飽和蒸汽壓力；

K為氣量修正系數。

由表1可知水的溫度越高，其飽和蒸汽壓力越高。由公式2可知，15℃水溫時的氣量修正系數為 1，水溫高于 15℃時，k＜1，Qt＜Q15。發現水溫度越高水環真空泵所能抽到的真空度越低。因此設計的真空供給系統必須采取措施降低真空泵供水溫度。

真空供給系統主要由水環式真空泵、水箱、儲氣罐、溫控模塊、水箱供給模塊等組成，如圖2所示。水箱源源不斷地為真空泵供水，在水環真空泵入口處和出口處分別安裝溫度傳感器，工作水溫度為水環真空泵入口水溫和出口水溫的平均值。當工作水溫度超過設定值（15℃）后，PLC控制器控制注水電磁閥1打開，從底部補充低溫度水，當工作水溫度達到設定值后，PLC控制器控制注水閥關閉，水箱溫度控制如圖3所示。水箱中安裝多點浮子傳感器，用來檢測水箱液面高度，當液面低于下限位時，注水電磁閥2打開，自來水源注水水箱；當液面達到上限位時，注水電磁閥2關閉，停止注水；多余的水從水箱溢流孔排出。

表1 水在各種溫度下的飽和蒸汽壓

圖2 真空供給系統原理圖

圖3 水箱溫度控制框圖

真空泵排氣端接入水箱，廢氣和所帶的一部分水排入水箱后，氣體再由水箱的出管跑掉，而水就落入水箱的底部經回水管進入泵內循環使用，達到了節約用水、降低能耗的效果。真空泵的吸氣端通過真空儲氣罐與設備真空氣路連接，經真空調壓閥調整后用于真空吸附Carrier和晶圓等操作。真空儲氣罐用于存儲真空，并具有穩壓、除真空水的功能。在真空泵和儲氣罐之間安裝真空止回閥，防止真空停止時，水倒灌于儲氣罐中。

2 真空供給系統機架有限元分析

真空泵工作時會產生較大的噪聲，一方面是由于真空度達到極限時會產生氣蝕聲，另一方面可能是由于真空泵機架與真空泵發生共振。

在真空儲氣罐與設備連接管路間設置真空調壓閥（可增壓、降壓作用），以避免真空泵在極限真空狀態下使用，從而防止氣蝕發生。

模態分析技術是現代機械產品結構動態設計和分析的基礎，是系統辨別方法在工程振動領域中得應用，分為計算機模擬分析和試驗模態分析兩種[5]。由于電機轉動等原因，勢必會造成振動。在造成很大噪音的同時還會造成真空泵站機架的共振或疲勞，從而破壞結構。因此在設計真空泵站時需要考慮振動現象，了解真空泵站機架的振動特性即結構的固有頻率和振型，避免產生不必要的損失。試驗模態需要借助于振動傳感器、激勵器、FFT分析儀、高速數據采集系統等儀器通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別而獲得模態參數，成本較高。而采用計算機模擬分析成本低、效率高。

我們采用ANSYS Workbench軟件對真空泵站機架進行了模態分析[6][7]。ANSYS Workbench是用ANSYS新一代多物理場協同分析產品，將設計、仿真、優化集成于一體，極大地提高了設計研發的效率。

真空泵機架由方鋼和角鋼等焊接而成，材料為Q235普通碳素結構鋼，材料有關參數如表2所示。真空泵站機架有限元模型如圖4所示。

圖4 真空泵站機架有限元模型

表2 真空泵站機架材料主要參數

首先在機架底部添加固定約束，然后對所設計的機架有限元模型進行自由模態計算，得到了機架各階段固有頻率及相應的振型。低價固有頻率要比高價振型對機架的振動影響大，因此關心的低價模態。提取前6階振動模態，對應的振型圖如圖5所示，其振型結果如表3所示。

圖5 前六階振型圖

水環真空泵工作狀態下，激振主要來自于電機轉動等原因。根據頻率計算公式，可求出真空泵電機的振動頻率為44Hz（1×2840/60）。從模態分析結果表研究發現真空泵站機架低階頻率均遠離水環真空泵電機所引起的振動頻率，不會引起共振，說明設計機架剛度足夠，滿足設計要求。

表3 模態分析結果：

3 結 論

針對化學機械拋光機（CMP）設備真空需求特點，設計了一套專用的真空供給系統。設計了水箱溫度自動控制模塊和水箱自動供水模塊，保證水環真空泵在低溫工作液下工作，能為設備提供穩定、可靠的真空。同時也達到節約用水、降低能耗的要求。并用有限元分析軟件ANSYS Workbench對真空泵箱體機架進行了模態分析，研究發現真空泵機架剛度足夠，低階頻率均遠離真空泵引起的振動頻率。可以推廣到晶片減薄機、硅片雙面拋光機等其他半導體設備應用中。

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[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]陳威，柳濱，李偉，郭強生.化學機械拋光用運載器安全裝置[P].中國專利：200920217253，2010-9-8.

[3]周國安.CMP中真空供應系統的設計[J].電子工業專用設備.2011，(8)：9-11.

[4]上海真空泵廠有限公司.SZ型單級水環式真空泵使用說明書[Z].上海:真空泵廠有限公司.

[5]胡海巖.機械振動基礎[M].北京航空航天大學出版社.2005-07.

[6]石廣豐，倪坤.基于ANSYS Workbench的激光打孔機模態分析[J].長春理工大學學報（自然科學版）.2010，33(4):95-97.

[7]艾曦鋒，巴興強.基于ANSYS Workbench的4G1發動機支架模態分析[J].交通標準化.2008，(9)：225-228.