劉福強，張繼靜，吳燕林，史 霄，李 偉

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

晶圓經(jīng)過化學(xué)機械拋光（CMP）工藝后，會在晶圓表面殘留少許的漿料 (拋光液)，需要通過CMP 后清洗將其清除，目的是把CMP 中的殘留粒子和金屬沾污減少到可接受的水平[1]。晶圓清洗是利用物理、化學(xué)或機械作用的方法使吸附在晶圓表面的污染物解吸而離開的過程，是化學(xué)機械拋光（CMP）后對晶圓進(jìn)行處理的關(guān)鍵步驟。整個清洗工藝需要在不同的清洗工位完成，實現(xiàn)晶圓在不同工位之間的傳輸，機械手成為必不可少的機構(gòu)。機械手在充滿各種清洗液的槽體中的適用性和傳輸晶圓過程中的可靠性成為亟待解決的問題。本文對清洗機械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和優(yōu)化，最終提升了清洗機械手的適用性和可靠性。

1 清洗機械手的使用工況及結(jié)構(gòu)分析

1.1 清洗機械手的使用工況

在CMP 工藝中，由于拋光后晶圓表面的化學(xué)反應(yīng)和研磨微粒的存在，必然會引入表面缺陷和沾污。在晶圓進(jìn)行化學(xué)機械拋光后，必須進(jìn)行有效的清洗，否則會導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生從而降低成品率。而清洗是拋光之后的工藝，因此清洗區(qū)對環(huán)境潔凈度要求更高。在清洗槽中具有腐蝕性的清洗液，清洗機械手在進(jìn)入清洗槽取放晶圓過程中手臂部分會與槽體中的清洗液大面積接觸，這就對清洗機械手臂提出了更高的要求，機械手臂的材質(zhì)既要有一定的機械穩(wěn)定性，也必須具有超強的化學(xué)穩(wěn)定性。手臂以及手臂上的相關(guān)零部件不能和清洗液之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，否則會對晶圓造成二次污染和破壞。

1.2 清洗機械手的結(jié)構(gòu)組成

清洗機械手主要由上下運動機構(gòu)、左右運動機構(gòu)以及抓取機構(gòu)組成，上下運動機構(gòu)負(fù)責(zé)將晶圓放入或取出清洗槽，左右運動機構(gòu)負(fù)責(zé)晶圓在不同清洗工位之間轉(zhuǎn)移，抓取結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)對晶圓進(jìn)行取放。抓取機構(gòu)主要包括氣爪、前臂、后臂以及夾爪等，其中手臂和夾爪是直接與清洗液和晶圓接觸的關(guān)鍵部分。手臂與夾爪之間的連接方式、夾爪的結(jié)構(gòu)、以及手臂的材質(zhì)和強度都是構(gòu)成清洗機械手適用性和可靠性的關(guān)鍵因素。清洗機械手基本組成如圖1 所示，主要由氣爪、前臂、后臂、夾爪等組成。

圖1 清洗機械手

2 清洗機械手存在問題及分析

機械手對晶圓的抓取靠氣爪的開合運動實現(xiàn)，由于單作用普通氣爪的穩(wěn)定性和潔凈度問題，往往造成晶圓二次污染，導(dǎo)致清洗區(qū)的潔凈度不能達(dá)標(biāo)。機械手臂和夾爪之間依靠螺釘連接，具有腐蝕性的酸堿清洗液與金屬螺釘之間極有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，污染清洗液，污染晶圓，降低清洗效率。

晶圓在清洗槽中依靠3 個V 形輪支撐，如圖2 所示。清洗過程中左右兩轉(zhuǎn)輪帶動晶圓轉(zhuǎn)動，中間靠下方的從動輪，起到支撐晶圓的作用，晶圓嵌入3 個轉(zhuǎn)輪的V 型槽之中。清洗機械手向上提升晶圓時會受到V 型槽對晶圓的持力、晶圓自身重力以及各噴嘴噴灑液體向下的沖擊力等阻力，其中V 形槽對晶圓的夾持力是晶圓提升的主要阻力，是導(dǎo)致機械手取片過程中脫片甚至碎片的主要因素。

圖2 清洗槽中晶圓承重結(jié)構(gòu)圖

3 清洗機械手的改進(jìn)優(yōu)化

3.1 清洗機械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)清洗機械手的實際工況和CMP 工藝對后清洗潔凈度、可靠性更高的要求，對清洗機械手的結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下：

（1）單作用普通氣爪改進(jìn)為雙作用潔凈氣爪，并在氣爪下方加裝防塵套。單作用氣爪改為雙作用氣爪，氣爪的穩(wěn)定性和可靠性大大提升；潔凈氣爪比普通氣爪多出一個真空通道，依靠負(fù)壓將夾爪內(nèi)的微粒帶走，最大限度的確保夾爪本身的潔凈度；在夾爪的下方加裝防塵套，進(jìn)一步避免了夾爪開合運動產(chǎn)生的微粒掉落到清洗槽或晶圓上，避免了對晶圓造成二次污染。

（2）手臂和夾爪之間由螺釘連接改為過盈銷連接。由于手臂和夾爪是運動部件，出于可靠性考慮，手臂和夾爪之間的聯(lián)接螺釘要做防松處理，即涂螺紋防松膠。無論是金屬螺釘還是螺紋防松膠，都有可能與清洗槽中具有酸堿腐蝕性的清洗液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，對晶圓和清洗槽造成嚴(yán)重污染。由螺釘聯(lián)接改為使用與手臂同種材質(zhì)的銷過盈連接，避免了螺釘連接帶來的風(fēng)險，提高了可靠性。

（3）夾爪對稱結(jié)構(gòu)改為非對稱結(jié)構(gòu)。由圖3 可知，在氣爪行程相同的情況下，非對稱性夾爪比對稱性夾爪在晶圓上的跨度更大，更加有利于晶圓在傳輸過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 不同夾爪抓取晶圓示意圖

3.2 手臂的有限元分析

ANSYS Workbench 是目前最成熟的CAE 分析軟件之一，憑借與CAD 系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動關(guān)系以及簡化的操作窗口得到了廣大CAE 工作者的認(rèn)可。在ANSYS Workbench 中模型的簡化以及網(wǎng)格劃分的質(zhì)量是影響有限元分析結(jié)果的的重要因素，因此在有限元模型的建立中，要對模型進(jìn)行合理的簡化，去除對受力幾乎沒有影響的倒角、安裝孔等特征。在ANSYS Workbench 中網(wǎng)格劃分質(zhì)量Element Quality 在0.7 和 1 之間時有限元分析結(jié)果具有較強的參考價值，Element Quality值越接近1，可參考性越大[2]。本文采用專業(yè)的三維模型軟件建立有限元模型，利用三維軟件與有限元軟件之間無縫參數(shù)互認(rèn)通道將有限元模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中進(jìn)行有限元分析。

機械手臂采用特種高分子材料聚醚醚酮，該種材料具有優(yōu)良的機械強度以及耐酸堿性能，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 PEEK(聚醚醚酮)參數(shù)

經(jīng)過受力分析可知，機械手抓取晶圓向上提拉的過程中，夾爪受力，清洗機械手前后臂產(chǎn)生形變導(dǎo)致間距加大，水平方向形變量≥4 mm 時，兩夾爪夾持點間距大于晶圓直徑，此時會導(dǎo)致晶圓滑落。通過使用拉力器反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)手臂在水平方向受力達(dá)到11 N 時，總變形量接近4 mm。

將簡化的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，采用適應(yīng)性較好的三維實體單元對模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分[3]，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為2 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，模型網(wǎng)格共有67 665 單元數(shù)，281 271 節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量0.87，可信度較高。在水平方向?qū)κ直凼┘?0 N 的載荷，有限元分析總形變云圖如圖5 所示、應(yīng)力云圖如圖6 所示，從形變云圖可知手臂總變形量為3.865 mm，與拉力試驗結(jié)果幾乎一致。

圖4 優(yōu)化前網(wǎng)格模型

圖5 優(yōu)化前形變云圖

根據(jù)手臂有限元分析的應(yīng)力云圖6，同時考慮清洗槽體開口對手臂寬度方向尺寸的限制，對手臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入進(jìn)行有限元分析，分析設(shè)定條件兩次安全一致，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7 所示，模型網(wǎng)格共有12 244 單元數(shù)，52 626 節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量0.82，可信度較高。形變云圖如圖8 所示，總形變量1.197mm，總變形與優(yōu)化前相比降低69%。從客戶現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)顯示，清洗機械手優(yōu)化后的可靠性大大提升，脫片現(xiàn)象沒再發(fā)生。

圖6 魚骨圖分析法

圖6 優(yōu)化前應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后網(wǎng)格模型

圖8 優(yōu)化后總形變云圖

由表2 可知，優(yōu)化后清洗機械手前臂變形量降低72.8%，后臂變形量降低61.8%。優(yōu)化后機械手總變形量為優(yōu)化前的31%，變形量大大降低。

表2 優(yōu)化前后手臂形變量

優(yōu)化前后機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖10 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

通過對清洗機械手的現(xiàn)場觀察和實際工況調(diào)研，改進(jìn)效果明顯，主要體現(xiàn)在三個方面，（1）將機械手的普通氣爪改為潔凈氣爪并加裝防塵套，使清洗區(qū)潔凈等級得以提高；（2）手臂與夾爪的連接方式由螺釘連接改為與手臂同種材質(zhì)的過盈銷連接，避免了螺釘或緊固膠與清洗液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)對晶圓造成二次污染；（3）將對稱夾爪結(jié)構(gòu)改為非對稱結(jié)構(gòu)，提高了晶圓傳輸過程中的穩(wěn)定性。

通過改進(jìn)優(yōu)化，提升了清洗機械手的適用性和可靠性，保證了清洗區(qū)對潔凈度的要求，降低了脫片率和碎片事故的發(fā)生。