基于DOE优化设计抛光工艺参数.pdf

基于 DOE 优化设计抛光工艺参数 卢海参 何良恩 刘建刚 宁波立立电子股份有限公司 浙江 宁波 315800 摘要 适宜的抛光工艺参数对 Si 片表面平整度 TTV TIR STIR 等参数起到至关重要的作 用 介绍了化学机械抛光 CMP 有效实现 Si 片全局和局部平坦化的方法和设施 指出并说明 CMP 是一种化学作用和机械作用相结合的技术 给出了其影响因素 利用 DOE design of experiment 实验方法 结合实际生产条件 获得并验证了最优化的生产工艺参数 改善了 Si 片 表面平整度 关键词 化学机械抛光 硅片 实验设计 中图分类号 TN304 文献标识码 A 文章编号 1003 353X 2008 05 0401 03 Optimal Process Parameter Design of CMP Based on DOE Lu Haishen He Liang en Liu Jiangang QL Electronics Co Ltd Ningbo 315800 China Abstract Appropriate process conditions of polishing are extremely important for surface flatness of silicon wafer including TTV TIR STIR How effectively realizing local and global planarization of siliconwafer chemical mechanical polishing CMP was introduced It was pointed out and discussed that CMP is a combination of chemical and mechanical technologies The effect factors on CMP was given With practical manufacture conditions and DOE design of experiment the optimal process parameters are obtained and validated for improving the surface flatness of silicon wafer Key words CMP Si wafer DOE EEACC 2550E 0 引言 化学机械抛光 CMP 是一个复杂的化学机械 加工过程 其加工质量和水平与被抛光材料的特 性 抛光液 抛光垫以及抛光工艺参数等多种因素 有关 这些因素对 CMP 过程的影响并不是孤立的 而是一个复杂的交互作用过程 1 2 抛光压力 抛 光头转速与定盘转速比 抛光液流量 抛光液浓度 等抛光工艺参数以不同的方式影响着 CMP 的过程 进而改变 Si 片的表面平整度 抛光压力是抛光工 艺中的一个重要参数 它决定 Si 片与抛光垫的实 际接触面积 影响抛光液的流动 进而制约化学反 应速度及材料去除率等 抛光液流量又不同程度影 响温度 压力等参数的作用 它的变化直接引起化 学反应和材料去除率的变化 抛光头转速与定盘转 速比 决定磨粒在 Si 片表面和抛光垫的运动轨迹 分布 抛光液浓度对 Si 片去除速率又有极大的影 响 3 因此 如何优化这些工艺参数获得 Si 片最 佳的表面平整度 就成为生产中提高产品品质的关 键 虽然传统的试错法可以改善产品的品质 但却 费时 费力 且成本高昂 并不适合规模生产 DOE 试验设计是通过科学的方法对试验方案进行 优化设计 并对试验结果进行系统分析的一种方 法 不但降低试验误差 缩短试验周期减少工作 量 且大大节约生产成本 4 正是基于这一思想 本文通过 DOE 的方法系统研究了抛光压力 抛光 头转速与定盘转速比 抛光液流量和抛光液浓度对 150 mm 111 Si 表面平整度的影响 并得到了优 化的工艺参数 1 实验设置 本试验以抛光压力 C 抛光头转速与定盘 工艺技术与材料 Process Technique and Materials May 2008Semiconductor Technology Vol 33 No 5 401 转速比 A 抛光液流量 B 和抛光液浓度 D 4个工艺参数作为优化的变量参数 不考虑它 们之间的相互交互作用 以抛光片 TTV TIR 和 STIR 为质量指标设计了 4 参数 3水平的正交试验方 案 见表 1 根据表 1 进行相应的试验得到如表 2 所示的正交矩阵及实验数据 根据表 2实验数据得 到各水平组合下的分析结果 如表 3 表 1 中 4 个 参数的水平值是根据经验设定的 表 1 DOE试验参数和水平设置 Tab 1 Factors and levels of DOE 参数水平 1水平 2水平 3 A0 10 51 B L min 1 234 C kg150190230 D1 201 301 40 表 2 实验正交矩阵及实验数据 Tab 2 E xperiments array and the data 实验号AB L min 1 C kgDTTV mTIR mSTIR m 10 121501 201 400 700 39 20 131901 301 100 740 41 30 142301 401 340 790 53 40 521901 401 030 610 35 50 532301 200 980 590 40 60 541501 301 300 620 45 7122301 301 150 630 33 8131501 400 960 570 36 9141901 201 040 660 38 表 3 TTV TIR STIR 实验分析结果 Tab 3 The experiments result of TTV TIR STIR 试验号AB L min 1 C kgD TTV K11 1 281 191 221 14 K21 1 101 011 061 18 K311 051 231 161 11 R1 0 230 220 160 07 TIRK120 740 650 630 65 K220 610 630 670 66 K320 620 690 670 66 R20 130 060 040 01 STIR K13 0 440 360 400 39 K23 0 400 390 380 40 K33 0 360 450 420 41 R30 080 090 040 02 表3 中 Kij是在某个工艺参数第i 个水平下的 第j 个质量指标的平均值 i 1 2 3 代表 3 个水 平 j 1 2 3分别代表 TTV TIR STIR Rj代 表某个工艺参数影响下第j 个质量指标的极差 极 差值越大 说明这个因素的水平改变对该质量指标 影响也越大 卢海参 等 基于 DOE优化设计抛光工艺参数 402 半导体技术第 33 卷第 5 期2008 年 5 月 2 结果分析与讨论 2 1 工艺参数对抛光片表面平整度的影响 图1 2 3 分别为各个因素对抛光片 TTV TIR STIR 的影响 依据表 3 和 DOE 实验设计中 影响程度定义原则 可以得到如下结论 影响 TTV 和TIR 特性的因素依次为抛光头转速与定盘转速 比 抛光液流量 抛光压力 抛光液浓度 影响 STIR 特性的因素依次为抛光液流量 抛光头转速 与定盘转速比 抛光压力 抛光液浓度 由图 1 可 知 抛光头转速与定盘转速比对抛光片 TTV 影响 最大 转速比越接近 1 TTV 越小 抛光压力 抛 光液流量过大均会导致 TTV 变大 抛光液浓度对 TTV 影响较弱 由图 2 可知 同样 抛光头转速与 定盘转速比对抛光片 TIR 影响最大 抛光液流量 抛光压力越大 TIR 越大 由图 3可知 抛光液流 量对 STIR 影响最大 随着抛光液流量的增大 STIR 逐渐增大 随着抛光头转速与定盘转速比增 大 STIR 越小 抛光液浓度和抛光压力对 STIR 影 响较弱 图 1 各个因素对抛光片 TTV 的影响 Fig 1 Influence of factors on TTV of wafer 图 2 各个因素对抛光片 TIR 的影响 Fig 2 Influence of factors on TIR of wafer 图 3 各个因素对抛光片 STIR 的影响 Fig 3 Influence of factors on STIR of wafer 2 2 工艺参数优化 考虑指标越小越好 很容易得到各指标最优方 案 由图 1 2 3 分别可以看出 使抛光片 TTV 最小的参数水平组合A3B2C2D1 使抛光片 TIR 最小的参数组合为A2B2C1D1 使抛光片 STIR 最 小的参数水平组合A3B1C2D1 根据各个工艺参数 对质量指标的影响程度 现对多个质量指标进行综合 比较 得出使抛光片表面平整度最优的工艺组合 因素 A 和C 中 由图 1 2 可以看出 A2和 A3 C1和 C2对TTV 变化的影响程度大于对TIR 变 化的影响 故选 A3 C2 因素 B 中 B1和 B2对 TTV 变化的影响程度大于对STIR 变化的影响 故 选 B2 因素 D 中 三个质量指标选 D1均达到最小 值 故选 D1 最终选取的最优工艺参数为 A3B2 C2D1 即抛光头转速与定盘转速比为 1 抛光液 流量为 3 L min 抛光压力为 190 kg 抛光液浓度 为1 20 可见 优化的工艺参数组合并没有包含 在正交矩阵中 需要对优化的工艺参数组合进行验 证 在优化工艺 组合 A3B2C2D1中 TTV 为 0 95 m TIR 为 0 57 m STIR 为 0 32 m 3 结论 本文通过 DOE 方法得到了优化的工艺参数组 合为 A3B2C2D1 即抛光头转速与定盘转速比值 为 1 抛光液流量为 3 L min 抛光压力为 190 kg 抛光液浓度 1 20 并在此工艺条件下得到 TTV 值 为 0 95 m TIR 值为 0 57 m STIR 值为 0 32 m 的表面参数 有效改善了 Si 片的表面平整度 参考文献 1 雷红 雒建斌 张朝辉 化学机械抛光技术的研究进展 J 上海大学学报 2003 9 6 494 502 2 雷红 雒建斌 马俊杰 化学机械抛光 CMP 技术的发 展 应用及存在问题 J 润滑与密封 2002 4 73 76 3 KIM H J KIM H Y JEONG H D et al Friction and thermal phenomena in chemical mechanical polishing J J of Materials Processing Technology 2002 130 131 334