0 引言

    集成電路制造過(guò)程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、擴(kuò)散和引線蒸發(fā)等工序前，采用物理或化學(xué)方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清潔度要求的硅片表面的過(guò)程^[1]。硅片需要及時(shí)進(jìn)行清洗去除其表面的污染顆粒，以避免污染顆粒以初始的物理吸附形式轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附形式^[2]，以及降低污染顆粒在光刻階段對(duì)光刻膠黏附力的影響，避免造成浮膠等問(wèn)題^[3]；同時(shí)由于低k 介質(zhì)材料的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料，還要避免在晶片清洗過(guò)程中化學(xué)藥液浸潤(rùn)到多孔結(jié)構(gòu)中對(duì)器件結(jié)構(gòu)造成腐蝕，形成缺陷^[4]。

    在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中，幾乎每道工序中都需要進(jìn)行清洗，圓片清洗質(zhì)量的好壞對(duì)器件性能有重要的影響^[5-6]。清洗工藝過(guò)程中藥液的流量和濃度對(duì)硅片表面金屬的腐蝕速率和均勻性有很大的影響。流量不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致化學(xué)藥液在晶片表面形成的液膜不均勻，繼而新舊化學(xué)藥液在晶片表面的傳遞速度和化學(xué)藥液在整張晶片表面的反應(yīng)速度不均勻，造成整張晶片清洗效果的一致性較差，最終影響到芯片的良率。圖1是根據(jù)測(cè)算數(shù)據(jù)制作的腐蝕效果圖，可以看出在流量不穩(wěn)定時(shí)，整個(gè)硅片的腐蝕不均衡，如圖1(a)所示，相差達(dá)到0.925 ；在進(jìn)行流量穩(wěn)定性的優(yōu)化之后，硅片的腐蝕均勻性有明顯改善，如圖1(b)所示。因此，保證清洗設(shè)備藥液流量的穩(wěn)定非常重要。

1 單腔室清洗設(shè)備流量控制設(shè)計(jì)

    單腔室硅片清洗設(shè)備主要應(yīng)用于半導(dǎo)體工藝測(cè)試和小批量產(chǎn)品生產(chǎn)，對(duì)控制精度要求很高，以得到良好的試驗(yàn)、生產(chǎn)效果。

    清洗設(shè)備的藥液供給的動(dòng)力由磁懸浮泵提供，泵引入反饋信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液壓力或流量的閉環(huán)控制。磁懸浮泵是一種沒(méi)有軸承、不需要潤(rùn)滑且無(wú)機(jī)械摩擦的電磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)流體泵^[7]，其葉輪和泵體之間沒(méi)有結(jié)構(gòu)連接，可以有效避免葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生污染顆粒的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了工作效率，節(jié)省能源。

    由于只有一個(gè)腔室，磁懸浮泵直接引入腔室的流量信號(hào)作為反饋信號(hào)。此外，單個(gè)腔室總工藝流量較小，藥液在CDS內(nèi)循環(huán)加熱時(shí)，熱量傳輸較慢，因此一般要在循環(huán)管路上增加一段旁路以加大CDS總流量，旁路流量可以通過(guò)針閥調(diào)節(jié)。同時(shí)，在藥液加熱前期，加熱器輸出功率較大，大量的高溫液體需要進(jìn)行快速的流通，因此還要在循環(huán)管路增加一路更大流量的旁路，旁路只需控制通斷。管路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    工藝腔室沒(méi)有進(jìn)行清洗時(shí)，藥液經(jīng)過(guò)流量計(jì)和氣動(dòng)閥2后，從針閥2回到儲(chǔ)存罐；工藝腔室需要藥液時(shí)，只需驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥2，藥液便可從針閥3進(jìn)入腔室。一般情況下，氣動(dòng)閥動(dòng)作切換藥液流經(jīng)管路，管路背壓產(chǎn)生瞬時(shí)變化，會(huì)造成藥液實(shí)際流量突變，然后磁懸浮泵會(huì)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以使流量重新達(dá)到平衡，如圖3所示。這種流量的瞬時(shí)波動(dòng)會(huì)對(duì)清洗過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。

    為了減小氣動(dòng)閥切換時(shí)產(chǎn)生的流量波動(dòng)，可先控制磁懸浮泵以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，然后分別對(duì)供給和返回兩管路的針閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使氣動(dòng)閥2切換時(shí)，其流量穩(wěn)定在工藝流量。

    圖4是磁懸浮泵流量模式運(yùn)行過(guò)程中的流量、速度變化曲線，依照這種流量調(diào)節(jié)方法，藥液在供液和循環(huán)之間切換時(shí)，兩路支路的背壓基本一致，磁懸浮泵的運(yùn)行速度不變，并且氣動(dòng)閥切換時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生流量的瞬時(shí)變化，可以提高硅片清洗時(shí)的工藝效果。

2 多腔室清洗設(shè)備流量控制設(shè)計(jì)

    多腔室硅片清洗設(shè)備是半導(dǎo)體制造業(yè)中的主流設(shè)備，具有清洗效果好、使用效率高的特點(diǎn)^[8]。其中，對(duì)于硅片的不同特征尺寸，其相對(duì)應(yīng)的清洗設(shè)備采用了不同的流量控制設(shè)計(jì)：90～45 nm清洗設(shè)備使用磁懸浮泵加壓力傳感器的控制方式，通過(guò)針閥手動(dòng)調(diào)節(jié)各腔室流量；而28 nm以下清洗設(shè)備則增加了流量調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制腔室流量。

    藥液工藝流量一般是通過(guò)磁懸浮泵和反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制的，對(duì)于單腔室的清洗設(shè)備，反饋信號(hào)可以直接采用流量信號(hào)；而對(duì)于多腔室清洗設(shè)備，由于流量信號(hào)較多，一般只采用主傳輸管路中的壓力信號(hào)作為反饋信號(hào)，各腔室通過(guò)調(diào)節(jié)支路管路中的針閥開(kāi)度，調(diào)整各腔室藥液流量值和一致性。多腔室流量控制系統(tǒng)如圖5所示。

    為了保證清洗設(shè)備每個(gè)腔室都有足夠流量的藥液，并降低單個(gè)磁懸浮泵轉(zhuǎn)速，CDS采用2個(gè)磁懸浮泵串聯(lián)設(shè)計(jì)，泵的閉環(huán)控制方案如圖6所示。PLC下發(fā)設(shè)定壓力(P₀)和壓力傳感器檢測(cè)到的實(shí)際壓力(P_V)到主動(dòng)泵，主泵通過(guò)比較設(shè)定壓力和實(shí)際壓力的差值建立運(yùn)行速度與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體方程如下^[9]：

    式(1)表示磁懸浮泵速度算法采用比例積分進(jìn)行調(diào)節(jié)，系數(shù)K_P、K_I可根據(jù)泵響應(yīng)速率進(jìn)行修改。

    為保持兩個(gè)磁懸浮泵的同步性，PLC實(shí)時(shí)讀取主動(dòng)泵實(shí)際速度(V₁)，并將其運(yùn)行速度(V₁)作為設(shè)定速度(V₀)下發(fā)到從泵，兩個(gè)泵串聯(lián)同步同速運(yùn)行，以二級(jí)升壓的方式形成液體的出口壓力。同時(shí)PLC可由壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)變化的實(shí)際壓力(P_ACT)，并且作為新的P_V值下發(fā)到主動(dòng)泵。通過(guò)控制磁懸浮泵自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行速度，使出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值(P₀)，即可實(shí)現(xiàn)藥液壓力的閉環(huán)控制。

    這種磁懸浮泵串聯(lián)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，既降低了磁懸浮泵的轉(zhuǎn)速，增加了泵的使用壽命，還能提供足夠壓力的藥液，保持壓力的穩(wěn)定。

    CDS主供液管路內(nèi)藥液壓力足夠大時(shí)，各工藝腔室的藥液流量則可以通過(guò)流量控制元件調(diào)整。如圖4所示，當(dāng)有工藝腔室需要供液時(shí)，PLC控制打開(kāi)支路管路上氣動(dòng)閥，然后通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)各支路上針閥開(kāi)度，使流量計(jì)檢測(cè)到的流量穩(wěn)定在工藝設(shè)定值。管路流量、壓力關(guān)系如式(2)所示，當(dāng)管路設(shè)計(jì)和液體確定后，流量系數(shù)(C_v)、流體密度(ρ)都是固定值，流量(Q)僅與壓力(P)和管路截面積(S)有關(guān)，因此只要保證壓力穩(wěn)定可控、針閥開(kāi)度不變，藥液流量將保持穩(wěn)定。

    這種藥液流量的控制方法比較容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是需要定期校準(zhǔn)，且流量是開(kāi)環(huán)控制，因此28 nm以下制程的清洗設(shè)備采用壓力和流量雙閉環(huán)的控制方法。壓力控制仍采用磁懸浮泵的控制方法，流量閉環(huán)控制則通過(guò)流量控制閥實(shí)現(xiàn)。PLC輸出4~20 mA流量信號(hào)作為流量控制閥的設(shè)定值，閥體則根據(jù)內(nèi)部流量計(jì)讀取的流量值自動(dòng)調(diào)整開(kāi)度，使流量最終穩(wěn)定在設(shè)定值。圖7是設(shè)定流量在1.2 L/min時(shí)的流量變化曲線，可以看出流量控制閥可以較迅速地控制流量，且控制精度非常高。

3 藥液配比流量控制

    隨著芯片特征尺寸的減小，硅片清洗工藝會(huì)采用經(jīng)過(guò)配比后的混合藥液，混合藥液對(duì)成分精度要求很高^[10]，藥液配比過(guò)程需要精確控制。藥液配比一般在藥液填充儲(chǔ)存罐時(shí)進(jìn)行，即將各種藥液以所需的比例同時(shí)注入儲(chǔ)存罐，因此在注入過(guò)程中，只要控制了各藥液的流量，即控制了混合藥液的比例。

    如圖8所示，儲(chǔ)存罐的每一路藥液支路上都設(shè)計(jì)有控制流量裝置。對(duì)于藥液比值接近的混合液，各支路藥液可采用流量控制器或磁懸浮泵與流量計(jì)作為流量控制裝置。對(duì)于藥液比值較大的混合液，較大流量支路設(shè)計(jì)流量控制器、小流量支路設(shè)計(jì)脈沖計(jì)量泵來(lái)控制流量，計(jì)量泵每個(gè)動(dòng)作往儲(chǔ)存罐補(bǔ)充精確體積的藥液，可以提高混合藥液比例精度。

    藥液配比一般包括多藥液混合和藥液稀釋?zhuān)瑢?duì)于一些用于硅片清洗非常用藥液，可能需要通過(guò)其他常用藥液進(jìn)行配比后才能得到。其中多藥液混合一般可以采用上一節(jié)的方法，即磁懸浮泵和流量計(jì)的閉環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)，每種藥液都設(shè)計(jì)一個(gè)小的循環(huán)系統(tǒng)，磁懸浮泵以流量模式往儲(chǔ)液罐供給一定流量的藥液。藥液稀釋則是用一定比例的高純水和藥液進(jìn)行混合，根據(jù)不同稀釋比例需采用不同的配比方法。稀釋比例大（如1:300）的藥液配比，藥液管路也可以采用磁懸浮泵進(jìn)行供給，而一般廠務(wù)的高純水系統(tǒng)可提供較大的供給壓力，因而水管路可以采用流量控制器來(lái)控制供給流量。

    流量控制器由控制器、流量計(jì)和閥體3個(gè)部分組成，流量控制過(guò)程PLC向流量控制器下發(fā)4～20 mA的電流信號(hào)后，控制器可根據(jù)從流量計(jì)讀取到的管路內(nèi)流量，通過(guò)控制器內(nèi)部PID算法自動(dòng)調(diào)整閥體開(kāi)度，使流量計(jì)讀數(shù)等于設(shè)定值。一般情況下，流量控制器流量誤差可保持在±10 mL/min之內(nèi)，完全滿足控制要求。流量控制器的控制示意圖如圖9所示。

    藥液稀釋比例大（如1:1 000）的情況下，一般廠端高純水供應(yīng)流量低于10 L/min，因而藥液供給必須在一個(gè)比較小的流量范圍內(nèi)進(jìn)行控制，這種情況下，可以選用一種小流量高精度的流量控制部件——脈沖計(jì)量泵，來(lái)實(shí)現(xiàn)藥液的稀釋。

    脈沖計(jì)量泵是一種接受脈沖泵出液體的特殊的流量控制裝置，它不能直接控制流量，只能通過(guò)PLC下發(fā)不同頻率的脈沖間接控制流量。假設(shè)脈沖計(jì)量泵每次泵出的液體體積為V₀(0~1.5 mL可調(diào))，每接收一個(gè)脈沖泵運(yùn)行n次行程(1/6~6次可調(diào))，脈沖下發(fā)頻率為f，便可得到流量Q，計(jì)算公式為：

    當(dāng)藥液稀釋比例確定后，可計(jì)算出高純水和藥液的設(shè)定流量，再通過(guò)反推得出脈沖下發(fā)頻率，PLC根據(jù)該頻率下發(fā)脈沖到計(jì)量泵，并將高純水流量對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)發(fā)送到流量控制器，便可實(shí)現(xiàn)藥液配比功能。

4 結(jié)論

    表1總結(jié)了本文提出的幾種流量控制方法，設(shè)備設(shè)計(jì)階段可根據(jù)不同的硅片清洗設(shè)備及工藝特點(diǎn)，選取最適合的控制方式。

    筆者所在公司研發(fā)的65 nm高精細(xì)硅片清洗設(shè)備為8腔室設(shè)計(jì)，已在中芯國(guó)際產(chǎn)品生產(chǎn)線長(zhǎng)期運(yùn)行，關(guān)鍵參數(shù)控制穩(wěn)定，產(chǎn)品良率達(dá)到98.626 8%，超出同類(lèi)機(jī)臺(tái)平均水平。圖10為北京中芯國(guó)際硅片在該設(shè)備清洗前后表面顆粒圖，在保證清洗性能的前提下，硅片表面顆粒污染物數(shù)量顯著減少，有利于提高芯片的良率。

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作者信息:

李文杰1，2，李冬梅1

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.北京北方華創(chuàng)微電子設(shè)備有限公司，北京100176）