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 tank)，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、H2O2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Slurry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0.13μm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。