拋光墊修整系統的應用研究

張瑋琪，王洪建，孫 敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

拋光墊修整系統的應用研究

張瑋琪，王洪建，孫 敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

拋光墊修整器系統是CMP設備的重要組成部分，它可以優化CMP的工藝結果，有效延長拋光墊的壽命；通過介紹拋光墊修整器裝置的整體結構、機械結構、氣動控制及建立數學模型，并利用Matlab軟件進行仿真，得出全拋光墊均勻修整覆蓋的模型，指出今后拋光墊修整器應具備更多功能，以滿足拋光墊的修整需要。

化學機械平坦化；拋光墊修整器；拋光墊；集成電路設備

半導體工藝對于平坦化技術的需求主要是由于器件特征線寬進一步微細化、多層布線和一些新型介質材料的不斷引入而出現，器件微細化及多層金屬技術早在20世紀70年代就已經出現，但是隨之而來形成的較大表面起伏成為亞微米圖形制作的不利因素，更多層的加入使得硅片表面變得極不平整。不平整的硅片表面形貌是半導體制造中不希望出現的，它導致諸多的問題，其中最嚴重的是無法在硅片表面進行圖形制作，因為他受到光學光刻中步進透鏡焦距深度的限制。國際上已經開發了多種平坦化技術來減小或最小化由工藝所導致的表面起伏問題，如反刻、玻璃回流和旋涂膜層，這些都是局部平滑技術，不能從根本上徹底解決整個晶圓的表面起伏問題，直到是20世紀80年代后期IBM開發出的全局平坦化方法CMP才使得表面起伏問題徹底解決，也使得超大規模集成電路、甚大規模集成電路及當今的單位面積達到10億甚至更多的晶體管且金屬層達到15層的芯片制造成為可能，摩爾定律也得以延續。CMP已經成為高密度半導體制造中平坦化的標準，是實現多層集成必不可少的關鍵工藝，已與光刻、刻蝕、淀積、離子注入等同等重要且相互依賴的重大關鍵制程，并且其地位及重要性隨著關鍵技術節點的持續縮小而日益凸顯。

拋光墊修整裝置是CMP設備中重要及必不可少的組成部分，其主要功能是使得拋光墊持續維持最佳的狀態，這不僅僅可以保證極佳的片內非均勻性（WIWNU）、片間非均勻性(WTWNU)及批次間非均勻性（LTLNU）得以實現，且可以大幅度延長拋光墊的有效使用壽命。

1 拋光墊修整器的整體結構

拋光墊的修整是用修整器在拋光墊表面細劃，打開拋光墊上的孔，使得拋光液在通道能夠充分流動。修整的本質是去除拋光墊頂層表面的受損部分，修整的好壞由修整器的轉速、轉臺的轉速、下壓力、修整器的擺動頻率、拋光液流速、整體修整時間等綜合因素所決定的[2]。整體結構如圖1所示。

圖1 修整器的結構

從圖1中可以看出，修整裝置由氣缸、電機及傳動裝置所組成，在實際的晶圓拋光中，每次換新墊子之前，都必須進行拋光墊形貌的修整，一般稱之為“Break in”，這種修整方式是離線修整。修整的時候可采用單向（由里到外）或者雙向（來回）修整方式，一般進行20～30 min的修整。通常修整壓力較正常工藝所需壓力要大，每個周期的修整時間要長，此時設置菜單包括修整器的轉速、下壓力、拋光液流速、修整的起點和終點等。

進入正常拋光后，有在線修整和離線修整，對于拋光時間較長的，容易導致拋光墊粗糙度下降，且拋光墊表面由于拋光造成聚合物表面回流形成孔的封閉，此時表現的就是整體去除率明顯下降，此時宜采取在線修整方式。而對于拋光時間較短的材料，多采用離線修整，分為拋光之前修整和拋光之后修整。無論哪種修整方式，對于CMP的去除率、片內非均勻性的穩定性起到的是直接的影響。

2 拋光墊修整器的機械結構

拋光墊修整器多采用氣缸方式進行抬起或者下降，并施加下壓力，采用伺服電機驅動修整盤的轉動及修整手臂的擺動；修整過程中的壓力、轉速及擺動都盡量要求平滑，以避免造成拋光墊過度磨損及修整盤中金剛石顆粒的斷落，修整裝置的機械結構如圖2所示：

圖2 修整器的機械結構

修整裝置由前置子系統、修整盤轉動驅動裝置及外殼擺動子系統構成，其中前置子系統由傳送裝置、液體管道及氣體管道形成，也有相關的設計將電機和變速器整套都放在最前面，但這樣會使得整體結構臃腫，電氣組件暴露于化學環境中，且修整裝置不能進行液體的配置，整體剛性及穩定性都不是最為理想的。此種設計將修整盤轉動和修整手臂擺動電機都置于下面，整體簡潔且便于維修。

3 修整裝置的氣動控制系統

氣動裝置如圖3所示[3]。

圖3 修整器的氣動原理圖

如圖3中，CDA（干凈的壓縮空氣）一般是0.7 MPa，當給電磁閥一個輸出信號為上的時候，0.7 MPa將直接通向氣缸的下部，推動氣缸迅速抬起，節約時間；而當給電磁閥輸出為下的信號的時候，此時經過調壓閥調壓的壓縮空氣將通向氣缸底部，以平衡修整裝置的整體重力，并使得修整盤緩慢下降，避免快速下降造成金剛石顆粒的折斷。當下降完成后，由工控機的模擬量輸出信號給電氣比例閥，以按照設定的壓力進行控制。

4 修整裝置的數學模型

修整器及拋光墊的坐標建立如圖4所示。

圖4 拋光墊及拋光修整器的坐標

其中：

拋光臺基坐標系：F0

修整器基坐標系：F1

坐標系F1，原點O1與坐標系F0、原點O0的距離為：a

鉆石輪中心距離修整器極坐標系F1原點O1的距離為：r

拋光臺轉速為：ω1

修整器基坐標系相對拋光臺轉速為：-ω1

修整器在拋光臺上的相對擺動角度范圍為：α

修整器在坐標系F1中任意時刻t的位置為：P

修整器在坐標系F1中的擺動角速度為：ω2

修整器在坐標系F1中的極限位置為：P1和P2

任意時刻坐標系F1相對坐標系F0的齊次變換矩陣

即：P在坐標系F1中的坐標位置：P

依據坐標轉換，則P在坐標系F0中的位置為:Pt

修整器從P1擺動到P2的擺動時間為：T

任意時刻，P在坐標系F1中的位置

任意時刻坐標系F1相對坐標系F0的齊次變換矩陣T01

若：

則：

否則：

通常的修整方式如圖5所示。

圖5 修整區域的劃分

一般CMP的修整可依拋光墊進行區域修整，以達到所需要的形態形貌。在不同的區域可設置不同的駐留時間、下壓力甚至轉速，因此修整盤的轉動必須快速響應且精確控制以適應設置的靈活多變；圖6中是按照10個區域進行修整。一般在更換新的拋光墊之間都需要修整，稱之為PAD break-in，此時一般在每個區域的駐留時間相對較長，修整壓力較大，周期也較長。利用上面的數學模型，進行最優化的參數組合后，其仿真圖形如圖6所示。

圖6 Pad Break-in拋光墊修整區域覆蓋圖

從圖6中的仿真(Matlab)可以看出，經過參數優化后，拋光墊區域基本能夠全部覆蓋到，且呈現標準圓盤分布，在理論上證實參數滿足要求。

拋光墊在進行Break-in后，一般會運行一些擋片（DUMMY wafer），此時多采用在線或者離線修整方式，如果參數設置不當（工藝窗口一般都較窄），則呈現的圖形如圖7所示。

圖7 不合適修整參數下的拋光墊修整覆蓋圖形

圖8 經過最優化后的修整覆蓋圖

從圖7中可以看出，參數設置不當，則在整個拋光墊修整覆蓋的區域將極度不規則，并且有未修整到的區域，這將導致拋光過程中晶圓接觸的拋光墊形貌不規則且不穩定；經過最優化后的拋光墊修整區域圖形如圖8所示。

從圖8中可以看出，拋光墊整個區域基本呈現軸對稱和中心對稱，這樣的拋光修整形貌對于控制晶圓的片內非均勻性較為有益。

5 結論

本文初步研究的CMP裝置的整體結構、機械結構、氣動控制及電動控制，整體的設計滿足工業應用；但今后的CMP修整裝置應更為智能且輕巧，應具備高壓去離子水、清洗液（拋光液）等功能，使得修整后的拋光墊發揮更好的功能。

[1] Michal Quirk，Julian Serda，著.半導體制造技術[M].韓鄭生譯.北京：電子工業出版社，2009.

[2] 周國安，種寶春，柳濱，等.CMP中拋光墊的性質研究[J].微納電子技術.2008(8)：488-491.

[3] 高文泉，李偉，徐存良，等.CMP設備中拋光墊修整結構的研究[J].電子工業專用設備.2012（8）：1-3.

The Primary Study on Pad Conditioner System

ZHANG Weiqi，WANG Hongjian，SUN Min

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The pad conditioner system is the important part of the whole CMP equipment，which can improve the process，and extend the pad's life;The paper introduces the structure of the pad conditioner、pneumatic control system and build the mathematic model，to simulate the formula by the Matlab，then get the result that the track can cover the whole pad，at last figure out the pad conditioner should have more function，which meet the CMP develop in future.

CMP（chemical mechanical planarization）；Pad conditioner device；Pad；Integrated circuitequipment

TN305

：B

：1004-4507(2015)08-0015-04

2015-06-29