王 偉，王東輝，李 偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種對(duì)半導(dǎo)體材料或是其它類(lèi)型材料的襯底進(jìn)行平坦化或拋光的方法，廣泛應(yīng)用于集成電路（IC）制造業(yè)中?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是結(jié)合拋光液中化學(xué)溶液的腐蝕和磨粒的機(jī)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(xiàng)工藝。如圖1所示，拋光時(shí)拋光臺(tái)繞中心自傳，拋光墊固定在拋光臺(tái)上，攜帶晶圓的拋光頭壓在拋光墊上并旋轉(zhuǎn)與拋光墊相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由亞微米或納米磨料和化學(xué)溶液組成的拋光液在工件與拋光墊之間流動(dòng)，并在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，工件表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由磨料的機(jī)械摩擦作用去除。通過(guò)化學(xué)與機(jī)械的共同作用從工件表面去除極薄的一層材料，最終實(shí)現(xiàn)超精密表面加工。兩個(gè)過(guò)程的快慢綜合和一致性影響著工件的拋光速度和拋光質(zhì)量。因此，要實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的拋光，必須使化學(xué)作用過(guò)程與機(jī)械作用過(guò)程進(jìn)行良好的匹配。如果化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械磨削作用則在拋光面表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋；如果機(jī)械磨削作用大于化學(xué)腐蝕作用則在拋光表面產(chǎn)生高損傷層和劃道。

圖1 CMP拋光原理示意圖

拋光臺(tái)溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的一個(gè)重要參數(shù)。拋光臺(tái)的溫度越高化學(xué)反應(yīng)速率越快，同時(shí)也會(huì)引起拋光液的快速揮發(fā)，這樣將導(dǎo)致半導(dǎo)體晶圓表面腐蝕嚴(yán)重、去除率不均勻，從而使得拋光質(zhì)量下降。但拋光臺(tái)溫度過(guò)低又會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率降低，進(jìn)而使得機(jī)械作用大于化學(xué)作用，硅片機(jī)械損傷嚴(yán)重[1]。因此，快速、穩(wěn)定、精確地控制拋光臺(tái)的溫度對(duì)提高拋光質(zhì)量具有重要意義。

1 拋光臺(tái)的結(jié)構(gòu)及溫度控制原理

拋光臺(tái)的溫度控制一般通過(guò)熱交換的形式，如圖2所示，在拋光臺(tái)內(nèi)部通入一定溫度和流量的水，水在拋光臺(tái)內(nèi)部的凹槽中循環(huán)，拋光臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)水和拋光臺(tái)的熱交換使拋光臺(tái)升溫或降溫。根據(jù)拋光工藝要求，拋光臺(tái)的溫度一般控制在18～40℃。當(dāng)拋光臺(tái)溫度需要控制在18～25℃時(shí)，可以用冷水機(jī)控制水的溫度；當(dāng)拋光臺(tái)溫度需要控制在25～40℃時(shí)，可以用溫水機(jī)控制水的溫度。拋光臺(tái)的溫度與循環(huán)水的溫度和流量有關(guān)，通過(guò)控制水的溫度和流量可以控制拋光臺(tái)的溫度。

圖2 拋光臺(tái)溫度控制原理

圖3 拋光臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 拋光臺(tái)溫度控制參數(shù)分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拋光過(guò)程中晶圓與拋光液的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在拋光臺(tái)上表面，影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要是拋光臺(tái)上表面的溫度，拋光臺(tái)結(jié)構(gòu)及組成如圖4所示，拋光臺(tái)最下層為鋼板，鋼板上開(kāi)有環(huán)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(dāng)加熱拋光臺(tái)時(shí)，凹槽中的循環(huán)水和鋼板通過(guò)對(duì)流換熱進(jìn)行熱交換，然后熱量通過(guò)大理石、粘合劑傳遞到拋光墊上；當(dāng)冷卻拋光臺(tái)時(shí)，熱量傳遞剛好相反。為了達(dá)到迅速、穩(wěn)定、精確的控制拋光臺(tái)上表面的溫度，有必要對(duì)影響拋光臺(tái)溫度的參數(shù)：水的流量和溫度進(jìn)行分析，以此來(lái)更好的設(shè)計(jì)拋光臺(tái)溫度控制系統(tǒng)。利用ansys有限元模擬分析軟件可以模擬計(jì)算拋光臺(tái)和循環(huán)水的熱交換以及拋光臺(tái)的熱傳遞過(guò)程。

2.1 拋光臺(tái)溫度控制的有限元模擬分析

影響拋光臺(tái)溫度的主要因素是循環(huán)水的流量和溫度，以下用ansys有限元模擬分析軟件計(jì)算出不同流量和不同溫度的循環(huán)水與拋光臺(tái)的熱交換效率，分析流量與溫度跟熱交換效率之間的關(guān)系。以?huà)伖馀_(tái)加熱過(guò)程為例，根據(jù)溫水機(jī)所能提供的流量和溫度，分別計(jì)算循環(huán)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(shí)，拋光臺(tái)上表面溫度升溫至設(shè)定溫度40℃時(shí)所需要的時(shí)間。

拋光臺(tái)和循環(huán)水的熱量交換過(guò)程包含循環(huán)水和鋼板的對(duì)流換熱和鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊之間的導(dǎo)熱兩個(gè)過(guò)程。鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊的物理參數(shù)如表1所示。

圖4 拋光臺(tái)的結(jié)構(gòu)及組成部分

表1 不同材料的物理參數(shù)

計(jì)算循環(huán)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?zhèn)鳠嵯禂?shù)，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；d為水流通截面的等效直徑；Nu為平均努賽爾數(shù)。

其中：Re為管內(nèi)雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

其中：v為水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)；u為水的運(yùn)動(dòng)速度。

在50℃、60℃、70℃、80℃時(shí)，水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)v、普朗特?cái)?shù)Pr、導(dǎo)熱系數(shù)λ的物理參數(shù)如表2所示[3]。

表2 不同溫度下水的物理參數(shù)

循環(huán)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(shí)，根據(jù)以上物理參數(shù)分別求得水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的值如表3所示。

表3 不同條件下水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/m2·K

根據(jù)以上求得的水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，和鋼板、大理石、粘合劑、拋光墊材料的導(dǎo)熱物理參數(shù)，應(yīng)用ansys有限元軟件可以計(jì)算出，在不同溫度和流量下，拋光臺(tái)表面達(dá)到設(shè)定溫度40℃時(shí)所需要的時(shí)間。圖5為循環(huán)水流量為6 L/m in,溫度為50℃時(shí)，拋光臺(tái)表面溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，從圖上可以讀出拋光臺(tái)表面溫度達(dá)到40℃時(shí)所需要的時(shí)間為 611 s。

圖5 拋光臺(tái)表面溫度的變化曲線(xiàn)

用同樣的方法可以計(jì)算出在不同流量和溫度的循環(huán)水下，拋光臺(tái)表面溫度達(dá)到40℃時(shí)所需要的時(shí)間如表4所示。

表4 不同流量和溫度下拋光臺(tái)加熱所需時(shí)間

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，可以得出不同溫度下拋光臺(tái)加熱所需時(shí)間隨循環(huán)水流量的變化曲線(xiàn)和不同流量下拋光臺(tái)加熱所需時(shí)間隨循環(huán)水溫度的變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖6、圖7）。

圖6 不同溫度下時(shí)間隨流量的變化

圖7 不同流量下時(shí)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(shí)間越短；循環(huán)水的溫度對(duì)拋光臺(tái)加熱效率的影響比循環(huán)水流量對(duì)拋光臺(tái)加熱效率的影響要顯著得多，且溫度越高循環(huán)水流量的變化對(duì)拋光臺(tái)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(duì)拋光臺(tái)熱交換率的影響程度相差不大。因此，在拋光臺(tái)溫度控制過(guò)程中，可以用大溫差和高流量的水對(duì)拋光臺(tái)初步加熱或冷卻，使拋光臺(tái)迅速升溫或降溫。當(dāng)將要達(dá)到拋光臺(tái)所設(shè)定溫度時(shí)，再通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量使拋光臺(tái)和水的熱交換量和拋光臺(tái)散失的熱量達(dá)到平衡，從而使拋光臺(tái)穩(wěn)定在設(shè)定值。由于流量的變化對(duì)拋光臺(tái)溫度的變化影響較小，因此通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量來(lái)控制拋光臺(tái)的溫度可以提高控制的精度。這樣不僅能提高拋光臺(tái)溫度控制的效率，又能提高溫度控制的精度。

2.2 拋光臺(tái)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析得出的結(jié)論，拋光臺(tái)溫度控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成如圖8所示，冷水機(jī)或溫水機(jī)提供一定流量和溫度的循環(huán)水，經(jīng)過(guò)減壓閥減壓設(shè)定系統(tǒng)的工作壓力，電磁閥控制水的通與斷，當(dāng)拋光臺(tái)溫度即將達(dá)到所需溫度時(shí)，通過(guò)電流信號(hào)控制比例閥閥芯的開(kāi)口大小調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量，使拋光臺(tái)達(dá)到熱平衡，拋光臺(tái)上表面溫度穩(wěn)定在所需溫度的范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)流量變小時(shí)，系統(tǒng)入口處的壓力升高，通過(guò)溢流閥溢流卸壓使系統(tǒng)入口處壓力穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證上述方法的可靠性，用有限元分析軟件ansys模擬了拋光臺(tái)的升溫過(guò)程：拋光臺(tái)初始溫度為室溫25℃，拋光臺(tái)需要達(dá)到的溫度為40℃。為了提高拋光臺(tái)和水的換熱效率，開(kāi)始加熱時(shí)循環(huán)水的流量設(shè)為24 L/m in，溫度為80℃，當(dāng)拋光臺(tái)溫度達(dá)到35℃時(shí)，調(diào)節(jié)水的流量使拋光臺(tái)溫度最終穩(wěn)定在40℃。圖9為ansys模擬結(jié)果，穩(wěn)定時(shí)循環(huán)水的流量為218m l/m in。從圖上可以看出，時(shí)間為750 s的時(shí)候，拋光臺(tái)表面溫度基本上穩(wěn)定在所需溫度40℃左右，精度可以達(dá)到±0.2℃，控制迅速而且精度也比較高。每一個(gè)溫度值都對(duì)應(yīng)一個(gè)合適的流量值，使拋光臺(tái)最終達(dá)到熱平衡。

當(dāng)拋光臺(tái)溫度達(dá)到穩(wěn)定以后，拋光臺(tái)溫度分布如圖10所示：

從溫度分布云圖上可以看出，拋光臺(tái)拋光區(qū)域的表面溫度基本上都穩(wěn)定在所需要的溫度40℃，而且溫度分布很均勻；拋光臺(tái)邊緣離環(huán)形水槽較遠(yuǎn)，溫度較低。拋光臺(tái)的導(dǎo)熱是一個(gè)多維導(dǎo)熱過(guò)程，環(huán)形水槽的間距越小，分布越均勻，拋光臺(tái)表面溫度分布也越均勻。

圖8 拋光臺(tái)溫度控制系統(tǒng)原理圖

圖9 拋光臺(tái)溫度隨時(shí)間的變化

圖10 拋光臺(tái)溫度分布云圖

3 結(jié) 論

（1）在拋光臺(tái)溫度控制系統(tǒng)中，循環(huán)水溫度對(duì)換熱效率的影響比循環(huán)水流量的影響要顯著；在溫度控制過(guò)程中，使用大溫差大流量的循環(huán)水對(duì)拋光臺(tái)進(jìn)行初步加熱或冷卻，再調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量使拋光臺(tái)達(dá)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(guò)分析循環(huán)水溫度和流量對(duì)熱交換效率的影響，設(shè)計(jì)了一種拋光臺(tái)溫度控制系統(tǒng)和方法，并運(yùn)用有限元軟件模擬拋光臺(tái)的熱交換過(guò)程，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)和方法不僅控制迅速而且控制精度比較高，根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，精度可達(dá)到±0.2℃。

（3）根據(jù)有限元軟件的模擬結(jié)果可以得出，拋光臺(tái)內(nèi)部環(huán)形水槽間距越小，分布越均勻，拋光臺(tái)表面溫度分布也越均勻。

（4）本文得出的結(jié)論是通過(guò)有限元軟件的模擬，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，現(xiàn)已應(yīng)用到300mm硅片拋光機(jī)設(shè)備中，效果良好。

[1]閆志瑞，魯進(jìn)軍，李耀東.300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)分析[J].半導(dǎo)體技術(shù).2006，8（31）：561-564.

[2]種寶春，柳濱，宋文超.CMP拋光機(jī)拋光盤(pán)溫度的精確控制[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2007，36（10）：14-16.

[3]張學(xué)學(xué)，李桂馥.熱工基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.