CMP干燥模組控制軟件設計

楊 旭，楊元元，王嘉琪，賈若雨

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

化學機械拋光技術是集成電路制造中可以有效兼顧加工硅片表面局部與全局平坦度的一項重要技術。在材料加工技術的不斷推動下，隨著晶圓表面潔凈度要求的不斷提高，CMP清洗工藝的焦點已逐步由清洗液、兆聲波等轉移到晶圓干燥上。干燥作為濕法清洗的最后一個步驟，最終決定了晶圓的表面質量，是清洗工藝的核心所在。

為了提高芯片產量并降低制造成本，晶圓直徑不斷增大，傳統(tǒng)的旋轉干燥法、真空干燥法、單純熱氮氣干燥法在降低金屬和顆粒沾污率及干燥速度方面已經(jīng)不能滿足300 mm CMP設備的需求。本文介紹的干燥模組可在加工時同時使用旋轉干燥和異丙醇（IPA）干燥兩種工藝，控制邏輯更復雜，對軟件的穩(wěn)定性要求更高；另外，為了提高加工效率和硬件的安全性，引入了異丙醇自動補液功能和安全監(jiān)控功能。

1 干燥原理

目前在半導體廠中常用的幾種晶圓干燥方式有：旋轉干燥、Marangoni干燥、異丙醇加熱霧化干燥（IPA）。在CMP槽式清洗設備中，根據(jù)生產工藝要求和設備廠商的不同，干燥方式也不同。本文針對300 mm CMP設備的晶圓干燥工藝設計，主要介紹旋轉干燥和IPA干燥方式。

1.1 旋轉干燥

顧名思義，旋轉干燥法采用高速旋轉的方式甩干晶圓，晶圓表面的水受到離心力作用從晶圓表面去除。為保證晶圓的潔凈，一般在干燥步驟之前，會增加一步去離子水（DIW）噴淋的步驟，對表面進行二次清潔[1]。經(jīng)過DIW沖洗后，可以選擇氮氣吹掃起到加速干燥、防止晶圓表面氧化的作用。旋轉干燥法對于平滑的晶圓表面干燥效果較好，若晶圓表面已做各種圖形工藝而形成淺溝槽，溝槽內的水滴根據(jù)伯努利原理會被吸出，晶圓表面蒸發(fā)干燥并且無微粒及水痕。但隨著工藝尺寸的進一步縮小，在一些深溝器件中，旋轉干燥已經(jīng)不能滿足干燥要求，主要表現(xiàn)為：（1）在溝槽內形成水汽殘留，影響溝槽的后續(xù)填充；（2）晶圓在高速旋轉中由于離心力不一致導致產生的晶圓內應力；（3）高速旋轉造成干燥腔體內部壓力降低，導致排氣倒灌；（4）若腔體幾何形狀設計不當，容易使清洗去除物質或水滴反彈至晶圓表面造成缺陷。

1.2 IPA干燥

加熱異丙醇的干燥方式，通常稱為IPA干燥法。IPA干燥是將清洗后的晶圓放入干燥槽中，將異丙醇通入霧化器霧化成異丙醇汽霧，其分子在氮氣的攜帶下更易進入器件的溝道內，從而帶走溝道內的水分子達到干燥的目的。此方法不僅大大降低了水汽殘留的可能性，而且能減少晶圓表面對微粒的吸附[2]。異丙醇和氮氣的流量、溫度及晶圓干燥速度是干燥的主要技術參數(shù)。對于不同的晶圓表面特性，需要采取不同的干燥步驟。

本文介紹的干燥模組結合了上述兩種干燥方式，彌補了傳統(tǒng)干燥工藝的不足。加工時水平離心甩干晶圓，同時使用氮氣和霧化異丙醇通過噴頭噴灑，噴淋臂可在固定位置噴淋或做往復式清掃（Sweep）運動，干燥效率進一步提高，模組的硬件結構和控制邏輯也更復雜。要保證更高的運行效率，需要具備異丙醇自動補液的功能，同時要對工藝參數(shù)及安全參數(shù)進行監(jiān)控和報警以保證設備安全穩(wěn)定地運行。

2 需求分析

干燥模組需要具備傳片、干燥加工、異丙醇補液、參數(shù)監(jiān)控等功能。

干燥工位結構如圖1所示，經(jīng)放片門機械手放片，經(jīng)取片門機械手取片。晶圓由4個夾爪固定，晶圓的罩子在其旋轉時升起，防止晶圓因高速旋轉碎裂，碎片飛出造成危險。噴淋臂空閑時停靠在罩子外側，準備加工時擺到晶圓中心，加工時按照用戶設置在罩子內擺動。

圖1 干燥工位示意圖

加工時，晶圓旋轉，噴頭先開啟DIW清洗晶圓，再打開氮氣和異丙醇氣體混合后噴淋，對晶圓進行干燥，噴頭運動模式分為固定點噴淋、Sweep噴淋。可根據(jù)不同的工藝需求設定DIW、氮氣和異丙醇的開關和流量，完成晶圓干燥加工的各個步驟。

使用異丙醇干燥時會消耗異丙醇儲液罐內的液體，為了提高設備的自動化水平和運行效率，需要開發(fā)異丙醇自動補液功能。在干燥工位處于非加工狀態(tài)時，儲液罐內液位低于最低液位時開始補液，補液到目標液位后停止。在補液過程中，如果晶圓開始加工，則暫停補液，加工完成后繼續(xù)補液。

加工時，需要對工藝參數(shù)進行監(jiān)控，根據(jù)具體工藝參數(shù)設置容忍值或范圍，超限后報警并執(zhí)行用戶配置的報警動作；設備安全相關參數(shù)需要在軟件開啟后全程監(jiān)控，當安全參數(shù)異常時，軟件控制設備執(zhí)行急停操作。由于異丙醇液體易燃，汽化后和空氣混合易發(fā)生爆炸，危險性很高，因此與其相關的報警除了軟件控制設備急停，硬件保護也會執(zhí)行斷電操作。軟件的需求：

（1）工位具有傳片、加工、執(zhí)行手動操作命令的基本功能，可切換手動/自動運行狀態(tài)；

（2）加工時每一步晶圓旋轉速度、各噴淋閥門和流量、噴頭運動模式、噴淋方式可設置，噴頭的Sweep運動可讀取不同的Sweep文件；

（3）工位空閑時可開啟異丙醇自動補液功能，低于最低液位時開始補液，達到目標液位后停止補液，補液超時停止補液并報警；

（4）運行時可對關鍵參數(shù)進行監(jiān)控，異常時報警并響應報警動作。

3 系統(tǒng)總體設計及構成

3.1 邏輯和功能

干燥工位的狀態(tài)和功能邏輯如圖2所示。

圖2 干燥工位功能示意圖

圖2中所示的功能指令，由調度、機械手和工位之間互發(fā)消息完成。工位收到調度的初始化消息后，進行一系列的初始化操作，初始化成功后硬件均在安全位置，工位進入準備完成的空閑狀態(tài)，此狀態(tài)可以進行傳片、加工，同時開啟補液功能，監(jiān)控功能生效。

干燥工位對消息的響應有狀態(tài)要求，狀態(tài)不符則不響應此消息，滿足響應條件時工位執(zhí)行操作并切換到下一狀態(tài)。工位每次切換完狀態(tài)，要通知調度。工位分為運行模式和維護模式，工位處于空閑狀態(tài)時可進行模式切換，所有手動功能必須在工位的維護模式下使用。異丙醇補液和監(jiān)控功能需要開啟獨立線程，線程之間通過消息進行通訊。

3.2 類圖設計

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用了面向對象的設計理念，那么類的設計就成為其中最重要的一環(huán)。類圖顯示了模型的靜態(tài)結構，特別是模型中存在的類、類的內部結構以及與其他類的關系等[3]，干燥模組控制軟件類圖如圖3所示。

圖3 干燥系統(tǒng)類圖

CMP清洗機的各模組有著相似的基礎功能，因此設計了模組基礎類，干燥模組類通過繼承獲取基礎類的所有功能，如執(zhí)行調度的指令、響應機械手消息及給其他模組回復消息等，在此基礎上添加干燥模組特有的新功能，如補液功能。

干燥工藝復雜度高，需要讀寫大量的硬件接口、配置文件、日志數(shù)據(jù)等，因此設計了干燥功能類、配置數(shù)據(jù)類、日志管理類。自動運行線程和人機界面通過電機和IO功能類來控制硬件，使用配置數(shù)據(jù)類來讀寫文件中的數(shù)據(jù)，使用日志管理類來記錄設備運行日志和操作日志、報警日志，加工時通過工藝參數(shù)類讀取文件中的加工參數(shù)。干燥模組控制軟件還需要和其他程序進行通訊，使用共享內存來傳遞數(shù)據(jù)，設計了共享內存管理類完成各模塊共享內存的創(chuàng)建、打開和關閉。

使用面向對象的設計方法極大地提高了代碼的可復用性，簡化了編程思路，提高了編程的效率，能在設備調試過程中更好地應對功能和需求的變化。

4 關鍵模塊功能設計

4.1 干燥加工功能的實現(xiàn)

晶圓加工時，先進行準備工作，檢測晶圓存在，噴頭移動到罩子內部，關閉傳片門。完成后，開始進入加工邏輯，如圖4所示，首先讀取此次加工的工藝參數(shù)文件，讀取完成后開始干燥加工的第一步；第一步開始計時，設置晶圓旋轉電機的速度和加速度，控制噴淋臂運動，設置噴淋開關和流量，直到計時時間到，切換到下一個步驟；按當前步驟的工藝參數(shù)重復上述設置，直到完成所有的加工步驟。其中噴淋臂的運動模式分為固定點噴淋和Sweep噴淋，固定點噴淋只需要設置閥門開關和流量，將噴淋臂固定在指定位置即可；Sweep噴淋模式下，電機根據(jù)Sweep文件中的運行參數(shù)控制Sweep電機做周期性運動清掃晶圓。加工的步驟、每一步的加工時間、晶圓旋轉的速度、加速度、DIW、氮氣、異丙醇的流量和閥門開關、噴淋臂的運動模式是干燥工藝中的重要參數(shù)，用戶可自定義。

圖4 干燥加工邏輯圖

4.2 異丙醇補液功能的實現(xiàn)

在晶圓干燥系統(tǒng)中，自動補液功能保證了異丙醇干燥功能長時間穩(wěn)定自動運行，自動補液為單獨線程。如圖5所示，其中，開始補液液位、目標液位、最大補液時間3個參數(shù)在配置界面可由用戶自定義；開始、停止、暫停為補液的3種狀態(tài)，切換狀態(tài)有一個或多個條件。在液位達到目標液位或者補液時間超限時補液會停止，加工時補液暫停。

圖5 補液功能結構圖

4.3 監(jiān)控功能線程設計

3個線程邏輯如圖6所示，監(jiān)控參數(shù)異常時，監(jiān)控線程發(fā)送消息給主線程，主線程執(zhí)行相應的故障處理，用戶可設置報警響應的方式，包括無動作、停止自動運行、急停3種。若發(fā)生安全相關的報警，監(jiān)控線程發(fā)送急停消息以中止自動運行，主線程執(zhí)行急停操作，電機停止轉動，閥門關閉，補液中止，將工位狀態(tài)切換成未初始化狀態(tài)，需要用戶處理問題，重新初始化才可恢復運行。

圖6 系統(tǒng)線程活動圖

由于IPA干燥工藝使用密閉儲液罐、加熱器等，且異丙醇為易燃液體，危險系數(shù)高，因此火災、可燃氣體濃度、儲液罐壓力、儲液罐液位超限等信號的監(jiān)控十分重要，發(fā)生異常時，軟件執(zhí)行急停操作，設備斷電。

5 結束語

本文詳細分析了晶圓干燥模組的工作原理，干燥模組的控制需要多個模塊協(xié)同來完成，在整體設計中完成了系統(tǒng)功能的劃分和類圖設計，以干燥加工和異丙醇補液功能為例詳細介紹了軟件關鍵功能的實現(xiàn)細節(jié)，提升了CMP設備的運行效率和工藝性能。