基于仿真分析的設備微環境控制技術

楊 師，史 霄，楊元元，李龍飛，王洪宇

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

隨著人工智能、5G通信、物聯網及汽車應用等對芯片需求的爆發式增長，半導體工業遇到了巨大的發展契機。而半導體設備所加工的器件尺寸、布線寬度也隨著摩爾定律的發展而不斷縮小。與此同時，技術節點的升級使得晶圓制造過程工序增加，以CPU芯片為例，90 nm節點需400道，而5 nm則需要超過1 200道，工序增加造成良率降低；行業領軍企業10 nm技術節點尚存在不穩定因素，良品率僅為40%，造成良品率降低的一個重要因素就是制造過程中的微污染[1]。測算表明，每提高1%良品率，對于一個年產60 000片的中等工廠來說，會提高2 000萬元～9 000萬元的凈收益。為此，半導體設備的設計理念已開始由“滿足工藝使用要求，提高加工效率”向“提高設備生產產品良率”的方向傾斜。因此，控制半導體設備內部微環境，減少晶圓加工過程中微污染便顯得愈加重要。

本文針對一種用于晶圓化學機械拋光的CMP設備進行微環境分析與控制研究。

1 現有問題與改進技術方案

工藝節點的提升伴隨著晶圓加工過程污染控制的愈加嚴格，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，要求極為嚴格[2]。在半導體加工設備中，環境空氣一般由過濾器產生潔凈氣流，潔凈氣流從設備上方進入，流經工藝區，自下部排風口排出，達到凈化設備內部微環境，防止工藝區污染氣體沉積的目的。此方法對微環境的控制存在著一定的缺陷和不足。通過分析研究，確認晶圓化學機械拋光設備在微環境控制方面存在以下問題：

（1）設備有2個工藝區，拋光區和清洗區，清洗區要求對環境保持相對正壓，以免內部被拋光區水氣及外部環境氣體污染；形成正壓的同時，清洗封閉區域內不可避免的會有紊流存在，紊流的形成會造成清洗氣體與化學蒸汽凝結，產生凝結顆粒后對清洗效果有所影響。

（2）拋光區需要對環境保持相對負壓，以免拋光液揮發后形成氣體流出設備，對環境中工程師造成身體傷害；根據設備中氣流控制現狀，形成負壓需要在設備中增加排風口，排風口設在工藝區下部，但與此同時拋光區加工晶圓時會有化學液體濺出，濺出液體可能落入排風口，從而對抽風系統造成不可預期的影響。

（3）設備各清洗工藝腔體，機械手腔體、拋光區腔體之間存在周期性開閉窗口，周期性開閉窗口可能會對某腔體內部氣壓及風路路徑造成影響，破壞相對壓力值與紊流位置，造成不可預期氣流流動或新污染源。

針對上述3個問題，提出的改進技術方案及效果如下：

（1）通過風路軟件分析及實例驗證，調整設備上部空氣過濾器安裝位置和下部排風口位置，調節進風量大小和負壓大小，以及優化腔體風路結構3種方式，確定紊流位置，將紊流位置驅趕到對晶圓加工工藝影響最小的空間區域。

（2）設計一種排風結構，使氣體通過回路排出，液體自上而下流出，互不干擾，在設備內部實現水氣分離。

（3）結合微壓差傳感器，采集壓差數據，并設計一種回歸算法，對空氣過濾器進風量進行實時控制，擬合出一種周期性進風方式，使設備各腔體內部氣壓趨于穩定。

2 依托實例的仿真分析

本文所述的CMP設備氣體流動腔室結構俯視圖分為3個分區，如圖1所示。

圖1 實例區域劃分圖

根據工藝潔凈度要求，分區一潔凈度要求最高，分區三右部潔凈度要求最低；氣流要求從分區一右上部向左流經分區二，然后向右流至分區三后從分區三右下部流出。其中，分區二環境中有液體向下濺出，分區三右下部根據設備功能要求存在周期性開閉窗口；與此同時，要求3個分區內部氣壓高于外部環境。

結合本實例，本文所提改進技術方案的具體實施過程：在3個分區頂部分別設置空氣過濾器，下部設置排風口，排風口出風量小于空氣過濾器進風量，設置位置經軟件仿真分析選取最佳效果位置[3]。

在軟件仿真分析基礎上選取風壓平穩處安裝微壓差傳感器，通過實例測量所選位置內部環境壓力是否與軟件仿真效果一致，若不一致，則測量過濾器出風口風量、排風口負壓、以及3個分區各自密閉性進行修正；若一致證明實際與軟件仿真效果吻合則進行下一步。

軟件分析分區二、分區三氣壓效果示意如圖2所示。

圖2 各分區氣壓分析示意圖

設定的環境空氣壓為101 324 Pa，分析實例可以看出各區域實際壓力情況及等壓分界線。證實仿真分析有效情況下，根據結構設計需求，調整各分區間通路大小、位置或結構改善紊流狀況，結合實際設備需求，使理論上的紊流位置分布在分區三右部，并按分析最終設定的各組件實際結構與位置，加工硬件具體執行。執行情況俯視簡圖如圖3所示。其中方框為在設備上部的空氣過濾器，圓圈為在設備下部的排風口，實心箭頭為設備中部常開窗口，空心箭頭為設備中部周期性開閉窗口。

圖3 空氣過濾器位置選取示意圖

按照過濾器位置設定實際過濾器風速，分區二、分區三紊流位置效果如圖4所示。

圖4 軟件分析紊流及風速情況示意圖

從圖4可看出，較大紊流位置已處于分區三右部潔凈度要求較低區域。此時產生的顆粒凝結對整機影響最小，在實際生產中得到了驗證。

3 結構設計與控制算法研究

對于分區二中有液體向下流出的情況，設計一種帶回路的出風口，結構剖面圖如圖5所示。

圖5 排風口結構設計示意圖

氣流流向與液體流向示意圖如圖6所示。

圖6 排風口水氣路流向示意圖

圖6中，實心箭頭代表液體流向，液體自身基本不受分區內氣壓影響，靠重力流向更低處的排液孔排出；空心箭頭代表氣體流向，氣體受分區內正壓與此結構下部排風口負壓影響，順回路流出至設備外廢氣回收系統。通過此結構避免排氣孔受廢液影響，實現初步水汽分離。

對于周期性開閉窗口，設計一種回歸算法，算法實現功能如圖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。

回歸算法中設定的氣壓合理值是根據不同工藝需求和軟件仿真分析得出；設備實際氣壓值的采集周期與運算后的自動調節周期及初始調節量，均根據需求由工藝人員給定。圖8中所述“差異出現前一定時間內”的具體時長，會由設備管理人員根據不同分區各空氣過濾器大小及空間大小設定一個初始范圍，由回歸算法自行找出最優解。圖8中所述的“對應關系”可能是直接相關，也可能在幾次回歸算法運行后形成某種函數關系，需算法自行擬合。

圖8 回歸算法示意圖

4 結束語

集成電路產業的發展，帶動半導體設備市場不斷增大。實現對國際先進制程半導體設備的技術跟蹤與超越，對我國電子工業的穩定發展至關重要。半導體設備微環境控制能夠有效改善晶圓加工過程中顆粒污染對良率造成的影響。本文提出的控制技術已在一種國產半導體設備中得到應用，應用結果表明，該方案能夠有效地優化潔凈風路流通路徑，改善由于紊流產生顆粒凝結對晶圓加工制造的污染現象，從而提高了設備可靠性。