抛光垫修整系统的应用研究

张玮琪，王洪建，孙 敏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

抛光垫修整系统的应用研究

张玮琪，王洪建，孙 敏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

抛光垫修整器系统是CMP设备的重要组成部分，它可以优化CMP的工艺结果，有效延长抛光垫的寿命；通过介绍抛光垫修整器装置的整体结构、机械结构、气动控制及建立数学模型，并利用Matlab软件进行仿真，得出全抛光垫均匀修整覆盖的模型，指出今后抛光垫修整器应具备更多功能，以满足抛光垫的修整需要。

化学机械平坦化；抛光垫修整器；抛光垫；集成电路设备

半导体工艺对于平坦化技术的需求主要是由于器件特征线宽进一步微细化、多层布线和一些新型介质材料的不断引入而出现，器件微细化及多层金属技术早在20世纪70年代就已经出现，但是随之而来形成的较大表面起伏成为亚微米图形制作的不利因素，更多层的加入使得硅片表面变得极不平整。不平整的硅片表面形貌是半导体制造中不希望出现的，它导致诸多的问题，其中最严重的是无法在硅片表面进行图形制作，因为他受到光学光刻中步进透镜焦距深度的限制。国际上已经开发了多种平坦化技术来减小或最小化由工艺所导致的表面起伏问题，如反刻、玻璃回流和旋涂膜层，这些都是局部平滑技术，不能从根本上彻底解决整个晶圆的表面起伏问题，直到是20世纪80年代后期IBM开发出的全局平坦化方法CMP才使得表面起伏问题彻底解决，也使得超大规模集成电路、甚大规模集成电路及当今的单位面积达到10亿甚至更多的晶体管且金属层达到15层的芯片制造成为可能，摩尔定律也得以延续。CMP已经成为高密度半导体制造中平坦化的标准，是实现多层集成必不可少的关键工艺，已与光刻、刻蚀、淀积、离子注入等同等重要且相互依赖的重大关键制程，并且其地位及重要性随着关键技术节点的持续缩小而日益凸显。

抛光垫修整装置是CMP设备中重要及必不可少的组成部分，其主要功能是使得抛光垫持续维持最佳的状态，这不仅仅可以保证极佳的片内非均匀性（WIWNU）、片间非均匀性(WTWNU)及批次间非均匀性（LTLNU）得以实现，且可以大幅度延长抛光垫的有效使用寿命。

1 抛光垫修整器的整体结构

抛光垫的修整是用修整器在抛光垫表面细划，打开抛光垫上的孔，使得抛光液在通道能够充分流动。修整的本质是去除抛光垫顶层表面的受损部分，修整的好坏由修整器的转速、转台的转速、下压力、修整器的摆动频率、抛光液流速、整体修整时间等综合因素所决定的[2]。整体结构如图1所示。

图1 修整器的结构

从图1中可以看出，修整装置由气缸、电机及传动装置所组成，在实际的晶圆抛光中，每次换新垫子之前，都必须进行抛光垫形貌的修整，一般称之为“Break in”，这种修整方式是离线修整。修整的时候可采用单向（由里到外）或者双向（来回）修整方式，一般进行20～30 min的修整。通常修整压力较正常工艺所需压力要大，每个周期的修整时间要长，此时设置菜单包括修整器的转速、下压力、抛光液流速、修整的起点和终点等。

进入正常抛光后，有在线修整和离线修整，对于抛光时间较长的，容易导致抛光垫粗糙度下降，且抛光垫表面由于抛光造成聚合物表面回流形成孔的封闭，此时表现的就是整体去除率明显下降，此时宜采取在线修整方式。而对于抛光时间较短的材料，多采用离线修整，分为抛光之前修整和抛光之后修整。无论哪种修整方式，对于CMP的去除率、片内非均匀性的稳定性起到的是直接的影响。

2 抛光垫修整器的机械结构

抛光垫修整器多采用气缸方式进行抬起或者下降，并施加下压力，采用伺服电机驱动修整盘的转动及修整手臂的摆动；修整过程中的压力、转速及摆动都尽量要求平滑，以避免造成抛光垫过度磨损及修整盘中金刚石颗粒的断落，修整装置的机械结构如图2所示：

图2 修整器的机械结构

修整装置由前置子系统、修整盘转动驱动装置及外壳摆动子系统构成，其中前置子系统由传送装置、液体管道及气体管道形成，也有相关的设计将电机和变速器整套都放在最前面，但这样会使得整体结构臃肿，电气组件暴露于化学环境中，且修整装置不能进行液体的配置，整体刚性及稳定性都不是最为理想的。此种设计将修整盘转动和修整手臂摆动电机都置于下面，整体简洁且便于维修。

3 修整装置的气动控制系统

气动装置如图3所示[3]。

图3 修整器的气动原理图

如图3中，CDA（干净的压缩空气）一般是0.7 MPa，当给电磁阀一个输出信号为上的时候，0.7 MPa将直接通向气缸的下部，推动气缸迅速抬起，节约时间；而当给电磁阀输出为下的信号的时候，此时经过调压阀调压的压缩空气将通向气缸底部，以平衡修整装置的整体重力，并使得修整盘缓慢下降，避免快速下降造成金刚石颗粒的折断。当下降完成后，由工控机的模拟量输出信号给电气比例阀，以按照设定的压力进行控制。

4 修整装置的数学模型

修整器及抛光垫的坐标建立如图4所示。

图4 抛光垫及抛光修整器的坐标

其中：

抛光台基坐标系：F0

修整器基坐标系：F1

坐标系F1，原点O1与坐标系F0、原点O0的距离为：a

钻石轮中心距离修整器极坐标系F1原点O1的距离为：r

抛光台转速为：ω1

修整器基坐标系相对抛光台转速为：-ω1

修整器在抛光台上的相对摆动角度范围为：α

修整器在坐标系F1中任意时刻t的位置为：P

修整器在坐标系F1中的摆动角速度为：ω2

修整器在坐标系F1中的极限位置为：P1和P2

任意时刻坐标系F1相对坐标系F0的齐次变换矩阵

即：P在坐标系F1中的坐标位置：P

依据坐标转换，则P在坐标系F0中的位置为:Pt

修整器从P1摆动到P2的摆动时间为：T

任意时刻，P在坐标系F1中的位置

任意时刻坐标系F1相对坐标系F0的齐次变换矩阵T01

若：

则：

否则：

通常的修整方式如图5所示。

图5 修整区域的划分

一般CMP的修整可依抛光垫进行区域修整，以达到所需要的形态形貌。在不同的区域可设置不同的驻留时间、下压力甚至转速，因此修整盘的转动必须快速响应且精确控制以适应设置的灵活多变；图6中是按照10个区域进行修整。一般在更换新的抛光垫之间都需要修整，称之为PAD break-in，此时一般在每个区域的驻留时间相对较长，修整压力较大，周期也较长。利用上面的数学模型，进行最优化的参数组合后，其仿真图形如图6所示。

图6 Pad Break-in抛光垫修整区域覆盖图

从图6中的仿真(Matlab)可以看出，经过参数优化后，抛光垫区域基本能够全部覆盖到，且呈现标准圆盘分布，在理论上证实参数满足要求。

抛光垫在进行Break-in后，一般会运行一些挡片（DUMMY wafer），此时多采用在线或者离线修整方式，如果参数设置不当（工艺窗口一般都较窄），则呈现的图形如图7所示。

图7 不合适修整参数下的抛光垫修整覆盖图形

图8 经过最优化后的修整覆盖图

从图7中可以看出，参数设置不当，则在整个抛光垫修整覆盖的区域将极度不规则，并且有未修整到的区域，这将导致抛光过程中晶圆接触的抛光垫形貌不规则且不稳定；经过最优化后的抛光垫修整区域图形如图8所示。

从图8中可以看出，抛光垫整个区域基本呈现轴对称和中心对称，这样的抛光修整形貌对于控制晶圆的片内非均匀性较为有益。

5 结论

本文初步研究的CMP装置的整体结构、机械结构、气动控制及电动控制，整体的设计满足工业应用；但今后的CMP修整装置应更为智能且轻巧，应具备高压去离子水、清洗液（抛光液）等功能，使得修整后的抛光垫发挥更好的功能。

[1] Michal Quirk，Julian Serda，著.半导体制造技术[M].韩郑生译.北京：电子工业出版社，2009.

[2] 周国安，种宝春，柳滨，等.CMP中抛光垫的性质研究[J].微纳电子技术.2008(8)：488-491.

[3] 高文泉，李伟，徐存良，等.CMP设备中抛光垫修整结构的研究[J].电子工业专用设备.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