300mm半導體代工廠Slurry供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計中的品質(zhì)管理.docx

300mm半導體代工廠Slurry供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計中的品質(zhì)管理進入2008年，隨著中國半導體行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，晶圓代工業(yè)呈現(xiàn)出一片繁榮之勢。據(jù)資料顯示，截至2008年2月，國內(nèi)已建的12英寸線3條，正在建設(shè)的2條，擬建的4條。已建的8英寸線16條，在建的7條，擬建的2條。隨著晶圓面積的不斷增大，集成電路的單位成本與價格不斷降低，但投資成本卻持續(xù)增高，由此導致生產(chǎn)線上出現(xiàn)的任何問題都有可能造成極大的損失。另外，由于制程的不斷發(fā)展，線寬越來越窄，工藝的要求也越來越高，這些因素都對代工廠各系統(tǒng)的持續(xù)無故障運行能力以及所提供的制程相關(guān)原料品質(zhì)提出了更高的要求。代工廠的氣體、化學和純水系統(tǒng)為整條生產(chǎn)線提供氣體、化學品和純水，它們與晶圓表面直接接觸，所以這些系統(tǒng)被稱為制程相關(guān)系統(tǒng)。制程相關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系生產(chǎn)線制造是否正常。本文將重點介紹300mm代工廠slurry供應(yīng)系統(tǒng)的分類、架構(gòu)、品質(zhì)保證與監(jiān)控、安全設(shè)計，并且結(jié)合工作中出現(xiàn)問題進行了設(shè)計上的探討。本論文通過對是slurry供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計的探討，具體解決其中出現(xiàn)的種種關(guān)于品質(zhì)管理的問題。將使得廠務(wù)slurry供應(yīng)系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定，使其日常操作更加規(guī)范與方便，大大地提高該系統(tǒng)所供應(yīng)的Slurry溶液的品質(zhì)。CMP及Slurry供應(yīng)系統(tǒng)概述20世紀80年代后期，IBM開發(fā)了CMP(chemical mechanical planarization, 化學機械平坦化)的全局平坦化方法。它成為20世紀90年代高密度半導體制造中平坦化的標準。對于雙層大馬士革結(jié)構(gòu)的銅布線，CMP是實現(xiàn)多層集成的關(guān)鍵工藝。與傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)（反刻、玻璃回流、旋涂膜層等）相比，CMP有著無法比擬的優(yōu)勢，它能精確并均勻地把硅片拋光為需要的厚度和平坦度，以便進行下一道工藝。在化學系統(tǒng)中，與CMP制程關(guān)系最為密切的即是slurry化學研磨液供應(yīng)系統(tǒng)。所謂化學研磨液，是由微小顆粒物如二氧化硅或氧化鐵（或其它物質(zhì)）等懸浮在液體中形成的懸浮液。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)，是指無間斷地（24小時/天，365天/年）為CMP提供制程所需要的化學研磨液的系統(tǒng)。鑒于CMP的機臺一般沒有配備緩沖容器(buffer tank)，一旦slurry供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，將造成CMP制程極為嚴重的損失。Slurry系統(tǒng)所供應(yīng)的化學研磨液需要達到的要求有：保證提供的slurry品質(zhì)（pH值和比重）；穩(wěn)定的流速與壓力，保證CMP每一臺設(shè)備的正常使用；Slurry在輸送過程中不能產(chǎn)生任何不可預(yù)計的結(jié)晶物，以免對晶圓本身造成損傷（刮傷，如圖1所示）。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)通常與一般的化學供應(yīng)系統(tǒng)有所不同。為了滿足CMP使用的要求，其系統(tǒng)設(shè)計要考慮諸如pH值、比重以及結(jié)晶問題。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)基本滿足兩大要求：第一，供應(yīng)系統(tǒng)不應(yīng)對輸送的slurry產(chǎn)生污染（包括結(jié)晶的產(chǎn)生）；第二，要配合生產(chǎn)線做無間斷供應(yīng)。從組成上說，slurry供應(yīng)系統(tǒng)主要是由主系統(tǒng)部分、管路供應(yīng)部分系統(tǒng)和監(jiān)控部分構(gòu)成。主系統(tǒng)和管路供應(yīng)部分的示意圖如下（圖2）：Slurry供應(yīng)系統(tǒng)的品質(zhì)保證與一般的集成電路化學品供應(yīng)系統(tǒng)所供應(yīng)的化學品有所不同，除了有很高的純度要求之外，slurry供應(yīng)系統(tǒng)還有其特殊的要求。金屬離子的濃度一般控制在十億分之一的數(shù)量級，還有濃度、水份、顆粒等其它指標。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)通常會安裝在線的pH計、比重計、H2O2濃度計等儀器，以監(jiān)控所供應(yīng)的slurry品質(zhì)。另外，品質(zhì)控管部門在其中也有著舉足輕重的作用。他們定期從生產(chǎn)線取樣進行分析。當分析項目超出控制指標時，就會啟動相關(guān)程序查找超標的原因。有些可能是原料的問題，還有可能是slurry供應(yīng)系統(tǒng)的問題，但亦不排除樣品受到污染，故可重復取樣以分析。表1是Slurry溶液的一些性質(zhì)指標與系統(tǒng)要求：Slurry供應(yīng)系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)slurry的無污染輸送，對于一切和slurry接觸的部件材質(zhì)都提出了極高的要求，例如輸送管路通常使用PFA。PFA是一種氟塑料，它的雜質(zhì)析出量極少且可以很方便的通過焊接或擴管實現(xiàn)連接。其余與化學品接觸的配件，如閥的膜片、桶槽的膜片、泵的腔體等，也會使用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質(zhì)。針對slurry易于結(jié)晶的問題，在slurry供應(yīng)系統(tǒng)中，應(yīng)設(shè)計一套專用的過濾系統(tǒng)，將那些大型的容易對芯片產(chǎn)生危害的顆粒物盡量去除，以減少對CMP制程的危害。過濾系統(tǒng)一般安裝于slurry進入主輸送管路之前，以過濾掉所有超過標準的slurry顆粒物，避免對芯片產(chǎn)生不可預(yù)計的影響。過濾器的品質(zhì)對于slurry來說具有舉足輕重的影響。對于供應(yīng)系統(tǒng)來說，精準的pH值、比重和H2O2濃度控制是必須的。如何使所供應(yīng)的slurry符合標準與要求，每一種系統(tǒng)的設(shè)計都有自己的理念。由于slurry溶液是一種懸浮液，其微小的顆粒由于電性排斥的作用而懸浮于水中。若pH值發(fā)生劇烈變化，微小顆粒外部的電性被中和，必然會很快地凝聚在一起，形成大的顆粒物（結(jié)晶）。對于混和系統(tǒng)的配比，無論是利用體積比還是重量比，均各有優(yōu)劣。但由于slurry溶液的易于結(jié)晶的特殊性，利用體積比混合時監(jiān)控儀器容易被干擾，所以使用重量比進行混合更為適合。在徹底混和均勻之后，必須進行在線監(jiān)測，以使供應(yīng)的化學研磨液能符合CMP使用的標準。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)的品質(zhì)監(jiān)控一般來說，品質(zhì)監(jiān)控分為兩種：一種是在線監(jiān)控，另一種是離線監(jiān)控。鑒于slurry供應(yīng)系統(tǒng)必須二十四小時不間斷供應(yīng)的特點，在線監(jiān)控就顯得非常重要?？梢栽O(shè)計成每隔一定的時間進行取樣分析，分析結(jié)果輸入至PLC進行判斷，以自動確定系統(tǒng)是否正常運行。在CMP機臺中，對于slurry化學研磨液的特性指標都有非常嚴格的監(jiān)控。作為代工廠slurry供應(yīng)系統(tǒng)，同樣也有一套完善的在線與離線方式相結(jié)合的品質(zhì)監(jiān)控模式。如前文所述，pH值對于slurry溶液的性質(zhì)控制起著重要的作用。若pH值發(fā)生劇烈的變化，slurry溶液中的顆粒物將很快凝聚在一起，形成大的顆粒物。這種情況無論是對于CMP制程，還是對于代工廠slurry供應(yīng)系統(tǒng)來說都是不希望看到的。顆粒物不但會對晶圓造成刮傷，更會對slurry供應(yīng)系統(tǒng)的某些部件產(chǎn)生不可預(yù)料的影響。比重反映了slurry溶液中的顆粒物含量。對于CMP制程，超乎尋常的顆粒物將會帶來損傷，但倘若研磨的顆粒物不足，則會造成研磨不夠，亦會對晶圓產(chǎn)生影響。所以一般都會根據(jù)制程需要給Slurry溶液的比重設(shè)定一個合適的范圍，一旦超出此范圍，系統(tǒng)將產(chǎn)生報警。在線的H2O2濃度計主要安裝在W slurry供應(yīng)系統(tǒng)中。眾所周知，鎢塞在小于0.13m的互連中應(yīng)用非常廣泛。W slurry主要應(yīng)用于W 的CMP研磨中，為了達到良好的效果，對于其中H2O2含量的精確控制非常重要。根據(jù)slurry供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計原則，一般并不安裝在線的顆粒計數(shù)器，以避免產(chǎn)生結(jié)晶，通過在系統(tǒng)中安裝slurry專用過濾器，可以保證系統(tǒng)供應(yīng)的slurry研磨液的品質(zhì)，當然也可以通過定期的取樣分析來監(jiān)控整個系統(tǒng)的slurry品質(zhì)。但根據(jù)某些特殊的需要，也可以安裝在線的顆粒計數(shù)器。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)的出口壓力（Outlet Pressure）的監(jiān)控非常重要。由于CMP制程設(shè)備通常沒有緩沖容器，一旦壓力發(fā)生波動，將導致所有涉及到的設(shè)備全部停機。同時，slurry供應(yīng)系統(tǒng)中的過濾器必須定期更換，更換頻率視slurry流量而定。在一般的8英寸或12英寸廠中，基本采用一周更換一次的頻率。圖3為某品牌過濾器各型號的過濾曲線。在每一個混酸槽（Dilution Tank）和供應(yīng)槽（Day Tank）處，都可以設(shè)計一個取樣口，以便隨時監(jiān)控桶槽內(nèi)slurry溶液的質(zhì)量。至于原液，一般不設(shè)計取樣口，由原液供應(yīng)商來保證原液的質(zhì)量。所以原液供應(yīng)商的選擇將是非常重要的，一旦有所閃失，整個晶圓代工廠將遭受不可預(yù)料的損失。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)的安全設(shè)計根據(jù)MSDS(Meterial Safety Data Sheet，物質(zhì)安全資料表)，slurry是分散于去離子水中的二氧化硅懸浮液，因此這些物質(zhì)不太可能產(chǎn)生氣相成份而漫延擴散。然而當它受到摩擦或干擾時，可能會產(chǎn)生粉塵,接觸到皮膚與眼睛后可能會有刺激性反應(yīng)，同時對于環(huán)境亦有影響。Slurry具有較強的酸性或者堿性，若操作不當，會對操作人員的人身安全產(chǎn)生威脅。有些代工廠的Slurry供應(yīng)系統(tǒng)安裝在無塵室中，一旦發(fā)生大量泄漏，會污染無塵室環(huán)境。通?？刹扇〉拇胧┯校涸诠?yīng)機臺、閥箱和桶槽底部安裝泄漏偵測器；主管路采用雙套管管路設(shè)計，內(nèi)管為PFA材質(zhì)，外管為透明的CPVC材質(zhì)。Slurry在內(nèi)管中輸送，如果內(nèi)管發(fā)生破裂泄漏，管內(nèi)的slurry就會順著內(nèi)外管之間的空隙流到閥箱或供應(yīng)柜，然后由安裝在該處的泄漏偵測器引發(fā)警報；在桶槽頂部安裝安全閥，氮氣進氣口安裝泄壓閥，當桶槽內(nèi)壓力過大時，系統(tǒng)將會自動泄壓，以避免爆炸的危險性；在系統(tǒng)周圍設(shè)置圍欄，并設(shè)置簡易的測漏系統(tǒng)（例如測漏線）。通過采用這些措施，可以盡快地發(fā)現(xiàn)問題并及時解決，最大限度地保證人身安全。Slurry供應(yīng)系統(tǒng)防止結(jié)晶物產(chǎn)生的特殊設(shè)計一般而言，為了減少結(jié)晶物的產(chǎn)生，Slurry供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計通常會遵循的原則有：離CMP制程越近越好，由此避免由于輸送管路過長而產(chǎn)生的結(jié)晶物；循環(huán)管路，可參考圖2。這樣的設(shè)計可以避免Slurry在管路中靜止而產(chǎn)生的結(jié)晶物；接頭、彎頭、閥門、元件（如在線監(jiān)控儀器）越少越好，同時在設(shè)計中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生死角。由于slurry溶液中不可避免的會有一些大的結(jié)晶體，某些閥門的膜片會被刮傷而產(chǎn)生漏液現(xiàn)象。因此，需要選用廠商推薦的slurry供應(yīng)系統(tǒng)專用閥門，并且定期對某些開關(guān)頻繁且位置重要的閥門（如系統(tǒng)的出口閥、泵的出口閥、桶槽的泄壓閥等等）進行更換。對于輸送的泵同樣如此。由于slurry溶液易于結(jié)晶的特殊性，在一些隔膜泵（Bellow Pump）的隔膜的褶皺處會形成大量的顆粒物，既影響了slurry溶液的品質(zhì)，也會造成泵腔體的損壞。因此，在0.13m節(jié)點以下的Cu slurry中，通常不建議使用隔膜泵，可以采用磁力泵等。同時，泵緩沖器（Damper）的選擇也尤其重要。緩沖器常常由于被堵塞漏氣而失去緩沖的效果。液體在輸送過程中對管路的不斷沖擊將縮短一些部件（如閥門、接頭等）的使用壽命。因此，找到優(yōu)秀的廠商并使用他們所推薦的slurry供應(yīng)系統(tǒng)專用泵是一個明智的選擇。另外，氮氣作為密閉氣體和制程氣體，通常會與slurry溶液表面接觸（slurry應(yīng)絕對避免與空氣接觸）。根據(jù)氣液傳導的基本原理，在接觸的過程中，slurry溶液中的水分會擴散到氮氣中。如果使用絕對干燥的氮氣，將使slurry溶液表面產(chǎn)生一層結(jié)晶物。因此，在氮氣與slurry溶液接觸之前，應(yīng)使用加濕器提高含水量（通常應(yīng)達到90%以上），然后才和slurry溶液接觸，以避免結(jié)晶物的產(chǎn)生。最后，在線儀器的監(jiān)控、VMB閥箱的設(shè)計、Filter定期更換的頻率、定期的KOH Flush等都會對該系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響?？偨Y(jié)在最新代的主流生產(chǎn)技術(shù)中，300m