300mm半导体代工厂slurry供应系统设计中的品质管理

300mm 半导体代工厂 Slurry 供应系统设计中的品质管理 进入 2008 年，随着中国半导体行业的继续发展，晶圆代工业呈现出一片繁荣之势。 据资料显示，截至 2008 年 2 月，国内已建的 12 英寸线 3 条，正在建设的 2 条，拟建 的 4 条。已建的 8 英寸线 16 条，在建的 7 条，拟建的 2 条。随着晶圆面积的不断增 大，集成电路的单位成本与价格不断降低，但投资成本却持续增高，由此导致生产线 上出现的任何问题都有可能造成极大的损失。另外，由于制程的不断发展，线宽越来 越窄，工艺的要求也越来越高，这些因素都对代工厂各系统的持续无故障运行能力以 及所提供的制程相关原料品质提出了更高的要求。 代工厂的气体、化学和纯水系统为整条生产线提供气体、化学品和纯水，它们与晶圆 表面直接接触，所以这些系统被称为制程相关系统。制程相关系统的稳定与否直接关 系生产线制造是否正常。本文将重点介绍 300mm 代工厂 slurry 供应系统的分类、架 构、品质保证与监控、安全设计，并且结合工作中出现问题进行了设计上的探讨。 本论文通过对是 slurry 供应系统设计的探讨，具体解决其中出现的种种关于品质管理 的问题。将使得厂务 slurry 供应系统的运行更加稳定，使其日常操作更加规范与方便 ，大大地提高该系统所供应的 Slurry 溶液的品质。 CMP 及 Slurry 供应系统概述 20 世纪 80 年代后期，IBM 开发了 CMP(chemical mechanical planarization, 化学机 械平坦化)的全局平坦化方法。它成为 20 世纪 90 年代高密度半导体制造中平坦化的标 准。对于双层大马士革结构的铜布线，CMP 是实现多层集成的关键工艺。与传统的平 坦化技术（反刻、玻璃回流、旋涂膜层等）相比，CMP 有着无法比拟的优势，它能精 确并均匀地把硅片抛光为需要的厚度和平坦度，以便进行下一道工艺。 在化学系统中，与 CMP 制程关系最为密切的即是 slurry 化学研磨液供应系统。所谓 化学研磨液，是由微小颗粒物如二氧化硅或氧化铁（或其它物质）等悬浮在液体中形 成的悬浮液。Slurry 供应系统，是指无间断地（24 小时/天，365 天/年）为 CMP 提供 制程所需要的化学研磨液的系统。鉴于 CMP 的机台一般没有配备缓冲容器(buffer tan k)，一旦 slurry 供应系统出现异常，将造成 CMP 制程极为严重的损失。Slurry 系统所 供应的化学研磨液需要达到的要求有：保证提供的 slurry 品质（pH 值和比重）；稳定 的流速与压力，保证 CMP 每一台设备的正常使用； Slurry 在输送过程中不能产生任 何不可预计的结晶物，以免对晶圆本身造成损伤（刮伤，如图 1 所示）。 Slurry 供应系统通常与一般的化学供应系统有所不同。为了满足 CMP 使用的要求， 其系统设计要考虑诸如 pH 值、比重以及结晶问题。Slurry 供应系统应基本满足两大 要求：第一，供应系统不应对输送的 slurry 产生污染（包括结晶的产生）；第二，要 配合生产线做无间断供应。从组成上说，slurry 供应系统主要是由主系统部分、管路 供应部分系统和监控部分构成。主系统和管路供应部分的示意图如下（图 2）： Slurry 供应系统的品质保证 与一般的集成电路化学品供应系统所供应的化学品有所不同，除了有很高的纯度要求 之外，slurry 供应系统还有其特殊的要求。金属离子的浓度一般控制在十亿分之一的 数量级，还有浓度、水份、颗粒等其它指标。Slurry 供应系统通常会安装在线的 pH 计、比重计、H 2O2 浓度计等仪器，以监控所供应的 slurry 品质。另外，品质控管部门 在其中也有着举足轻重的作用。他们定期从生产线取样进行分析。当分析项目超出控 制指标时，就会启动相关程序查找超标的原因。有些可能是原料的问题，还有可能是 slurry 供应系统的问题，但亦不排除样品受到污染，故可重复取样以分析。表 1 是 Slu rry 溶液的一些性质指标与系统要求： Slurry 供应系统中，为了实现 slurry 的无污染输送，对于一切和 slurry 接触的部件材 质都提出了极高的要求，例如输送管路通常使用 PFA。PFA 是一种氟塑料，它的杂质 析出量极少且可以很方便的通过焊接或扩管实现连接。其余与化学品接触的配件，如 阀的膜片、桶槽的膜片、泵的腔体等，也会使用 PVDF(Polyvinylidene fluoride，聚偏 二氟乙烯)和 PTFE(Poly tetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)等新型材料。表 2 是部分 全氟聚合物的性质。 针对 slurry 易于结晶的问题，在 slurry 供应系统中，应设计一套专用的过滤系统，将 那些大型的容易对芯片产生危害的颗粒物尽量去除，以减少对 CMP 制程的危害。过 滤系统一般安装于 slurry 进入主输送管路之前，以过滤掉所有超过标准的 slurry 颗粒 物，避免对芯片产生不可预计的影响。过滤器的品质对于 slurry 来说具有举足轻重的 影响。 对于供应系统来说，精准的 pH 值、比重和 H2O2 浓度控制是必须的。如何使所供应的 slurry 符合标准与要求，每一种系统的设计都有自己的理念。由于 slurry 溶液是一种 悬浮液，其微小的颗粒由于电性排斥的作用而悬浮于水中。若 pH 值发生剧烈变化， 微小颗粒外部的电性被中和，必然会很快地凝聚在一起，形成大的颗粒物（结晶）。 对于混和系统的配比，无论是利用体积比还是重量比，均各有优劣。但由于 slurry 溶 液的易于结晶的特殊性，利用体积比混合时监控仪器容易被干扰，所以使用重量比进 行混合更为适合。在彻底混和均匀之后，必须进行在线监测，以使供应的化学研磨液 能符合 CMP 使用的标准。 Slurry 供应系统的品质监控 一般来说，品质监控分为两种：一种是在线监控，另一种是离线监控。鉴于 slurry 供 应系统必须二十四小时不间断供应的特点，在线监控就显得非常重要。可以设计成每 隔一定的时间进行取样分析，分析结果输入至 PLC 进行判断，以自动确定系统是否正 常运行。在 CMP 机台中，对于 slurry 化学研磨液的特性指标都有非常严格的监控。 作为代工厂 slurry 供应系统，同样也有一套完善的在线与离线方式相结合的品质监控 模式。 如前文所述，pH 值对于 slurry 溶液的性质控制起着重要的作用。若 pH 值发生剧烈的 变化，slurry 溶液中的颗粒物将很快凝聚在一起，形成大的颗粒物。这种情况无论是 对于 CMP 制程，还是对于代工厂 slurry 供应系统来说都是不希望看到的。颗粒物不 但会对晶圆造成刮伤，更会对 slurry 供应系统的某些部件产生不可预料的影响。 比重反映了 slurry 溶液中的颗粒物含量。对于 CMP 制程，超乎寻常的颗粒物将会带 来损伤，但倘若研磨的颗粒物不足，则会造成研磨不够，亦会对晶圆产生影响。所以 一般都会根据制程需要给 Slurry 溶液的比重设定一个合适的范围，一旦超出此范围， 系统将产生报警。 在线的 H2O2 浓度计主要安装在 W slurry 供应系统中。众所周知，钨塞在小于 0.13 m 的互连中应用非常广泛。W slurry 主要应用于 W 的 CMP 研磨中，为了达到良好 的效果，对于其中 H2O2 含量的精确控制非常重要。 根据 slurry 供应系统的设计原则，一般并不安装在线的颗粒计数器，以避免产生结晶 ，通过在系统中安装 slurry 专用过滤器，可以保证系统供应的 slurry 研磨液的品质， 当然也可以通过定期的取样分析来监控整个系统的 slurry 品质。但根据某些特殊的需 要，也可以安装在线的颗粒计数器。 Slurry 供应系统的出口压力（Outlet Pressure）的监控非常重要。由于 CMP 制程设 备通常没有缓冲容器，一旦压力发生波动，将导致所有涉及到的设备全部停机。同时 ，slurry 供应系统中的过滤器必须定期更换，更换频率视 slurry 流量而定。在一般的 8 英寸或 12 英寸厂中，基本采用一周更换一次的频率。图 3 为某品牌过滤器各型号的 过滤曲线。 在每一个混酸槽（Dilution Tank）和供应槽（Day Tank）处，都可以设计一个取样口 ，以便随时监控桶槽内 slurry 溶液的质量。至于原液，一般不设计取样口，由原液供 应商来保证原液的质量。所以原液供应商的选择将是非常重要的，一旦有所闪失，整 个晶圆代工厂将遭受不可预料的损失。 Slurry 供应系统的安全设计 根据 MSDS(Meterial Safety Data Sheet，物质安全资料表) ，slurry 是分散于去离子 水中的二氧化硅悬浮液，因此这些物质不太可能产生气相成份而漫延扩散。然而当它 受到摩擦或干扰时，可能会产生粉尘,接触到皮肤与眼睛后可能会有刺激性反应，同时 对于环境亦有影响。 Slurry 具有较强的酸性或者碱性，若操作不当，会对操作人员的人身安全产生威胁。 有些代工厂的 Slurry 供应系统安装在无尘室中，一旦发生大量泄漏，会污染无尘室环 境。通常可采取的措施有：在供应机台、阀箱和桶槽底部安装泄漏侦测器；主管路采 用双套管管路设计，内管为 PFA 材质，外管为透明的 CPVC 材质。Slurry 在内管中 输送，如果内管发生破裂泄漏，管内的 slurry 就会顺着内外管之间的空隙流到阀箱或 供应柜，然后由安装在该处的泄漏侦测器引发警报；在桶槽顶部安装安全阀，氮气进 气口安装泄压阀，当桶槽内压力过大时，系统将会自动泄压，以避免爆炸的危险性； 在系统周围设置围栏，并设置简易的测漏系统（例如测漏线）。通过采用这些措施， 可以尽快地发现问题并及时解决，最大限度地保证人身安全。 Slurry 供应系统防止结晶物产生的特殊设计 一般而言，为了减少结晶物的产生，Slurry 供应系统的设计通常会遵循的原则有：离 CMP 制程越近越好，由此避免由于输送管路过长而产生的结晶物；循环管路，可参考 图 2。这样的设计可以避免 Slurry 在管路中静止而产生的结晶物；接头、弯头、阀门 、元件（如在线监控仪器）越少越好，同时在设计中应尽量避免产生死角。 由于 slurry 溶液中不可避免的会有一些大的结晶体，某些阀门的膜片会被刮伤而产生 漏液现象。因此，需要选用厂商推荐的 slurry 供应系统专用阀门，并且定期对某些开 关频繁且位置重要的阀门（如系统的出口阀、泵的出口阀、桶槽的泄压阀等等）进行 更换。 对于输送的泵同样如此。由于 slurry 溶液易于结晶的特殊性，在一些隔膜泵（ Bellow Pump）的隔膜的褶皱处会形成大量的颗粒物，既影响了 slurry 溶液的品质，也会造成 泵腔体的损坏。因此，在 0.13m 节点以下的 Cu slurry 中，通常不建议使用隔膜泵 ，可以采用磁力泵等。同时，泵缓冲器（Damper）的选择也尤其重要。缓冲器常常由 于被堵塞漏气而失去缓冲的效果。液体在输送过程中对管路的不断冲击将缩短一些部 件（如阀门、接头等）的使用寿命。因此，找到优秀的厂商并使用他们所推荐的 slurr y 供应系统专用泵是一个明智的选择。 另外，氮气作为密闭气体和制程气体，通常会与 slurry 溶液表面接触（ slurry 应绝对 避免与空气接触）。根据气液传导的基本原理，在接触的过程中，slurry 溶液中的水 分会扩散到氮气中。如果使用绝对干燥的氮气，将使 slurry 溶液表面产生一层结晶物 。因此，在氮气与 slurry 溶液接触之前，应使用加湿器提高含水量（通常应达到 90% 以上），然后才和 slurry 溶液接触，以避免结晶物的产生。 最后，在线仪器的监控、VMB 阀箱的设计、Filter 定期更换的频率、定期的 KOH Flu sh 等都会对该系统的性能产生一定的影响。 总结 在最新代的主流生产技术中，300mm 晶圆已采用