基于质心调整的晶圆振动抑制方法

陈胜华 刘长伟 耿克涛 李朋

宁波润华全芯微电子设备有限公司 浙江 宁波 315400

引言

作为半导体制程中最重要的环节之一，匀胶单元的稳定性直接决定了产品的良率。如图1所示，当主轴电机带动Chuck和晶圆（带FLAT定位边）一起高速旋转时，晶圆定位边的质量缺失所导致的晶圆的质心与Chuck的质心在轴线方向上产生偏移，这一原因会导致晶圆乃至主轴电机本体产生很严重的振动现象[1]。

图1 运动示意图

本文针对该问题从理论的角度进行了分析，并提出了对应的解决方案。经过实验验证，此方案可以有效解决因为质心偏移导致的振动问题。

1 原因分析

Chuck部分卡槽会通过销钉与主轴电机连接，所以该部分对质心在轴线方向的偏移影响很小，在分析时将此部分视为对称且均匀的结构，且与电机主轴之间为刚性连接[2]。对带FLAT定位边的晶圆，建立如图2所示的坐标系，求解其质心。

图2 晶圆尺寸图

其中，是晶圆的半径。

晶圆密度均匀，故可以在平面上先求出其几何中心，质心即是在几何中心在厚度方向偏移一半厚度。

晶圆的面积为：

定积分求解可得：

本文中采用的晶圆半径为75mm，FLAT弦长为55mm，故可以求得积分的上下限分别为：

代入相关数值可以求：

经过试验分析，如表1所示，当Chuck带不同类型的晶圆，在不同的转速下，振动强度（MMI）如下：

表1 不同晶圆的振动强度对比

从上表可得，Notch相比FLAT而言振动强度明显减小，而两者在结构上最大的差异就是Notch可以看作全圆晶圆，质心不存在偏移；而FLAT却存在明显的质心偏移[3-4]。

2 方案提出

针对不同类型的晶圆，本文提出采用增加材料的方法来弥补质心的偏移。

由计算可知，整体质心偏向X轴的正方向，故可以采用在X轴的负方向上增加配重的方法来调整质心在X方向的偏移，如图3所示。

图3 改进后的Chuck结构示意图

在Chuck上切除配重孔，用于安装配重片，其中配重片与Chuck之间通过一个M2×8的内六角圆柱头螺钉连接。配重片采用厚度为0.5mm的圆环。以上螺钉和圆环的材料均为1045钢，密度为

经过SolidWorks仿真计算，配重片安装孔尺寸如图4所示。可以通过配重基本抵消X方向的质心偏移。

图4 配重分布图

仿真计算结果如表2所示：

表2 改进后质心仿真结果

3 实验验证

实验中主要对比测试了标准Chuck和改良后的Chuck在不同转速下，带FLAT晶圆的振动强度。

图5 3000rpm时标准Chuck下振动强度

图6 3000rpm时改进Chuck下振动强度

主轴在3000rpm旋转时，两款类型的Chuck产生的振动都非常小。

图7 4000rpm时标准Chuck下振动强度

图8 4000rpm时改进Chuck下振动强度

随着转速提升，振动强度加强，但是改良后的Chuck相比标准的Chuck而言，振动强度明显减弱。

图9 5000rpm时标准Chuck下振动强度

图10 5000rpm时改进Chuck下振动强度

上述实验结果统计如下表3所示，显然经过改进后的Chuck对减缓振动有较好的效果。

表3 两种Chuck振动强度的对比

4 结束语

经过理论分析和对比实验，验证了通过增加配重的方法可以有效改善晶圆在高速旋转中产生的振动强度.将Chuck和6寸晶圆作为整体去调节质心，使其落在中轴线上可有效改善振动现象。