《电子技术应用》
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几种基于PLC的硅片清洗设备流量控制方法
2018年电子技术应用第4期
李文杰1,2,李冬梅1
1.清华大学 电子工程系,北京100084;2.北京北方华创微电子设备有限公司,北京100176
摘要: 主要讲述了在半导体硅片清洗设备中常用的几种流量控制方法,主要包括工艺腔室和药液配比的流量控制,然后根据不同应用场景提出了对应使用的控制方法。单腔室硅片清洗机直接采用流量作为反馈信号进行闭环控制,通过控制喷洒和返回管路开度的平衡,有利于降低气动阀切换时液体流量的波动幅度。多腔室清洗机采用压力闭环的控制方式来间接控制流量, 磁悬浮泵串联控制设计可有效提升泵的使用寿命和压力稳定性,并通过调节各腔室针阀,减小了各个腔室工艺流量的差异性。多种药液配比功能一般通过控制各药液的注入流量来实现,流量精度直接影响药液成分的精度。基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的设备集成控制具有使用灵活、稳定性好、可靠性高的特点,适用于不同控制单元的实时、精确控制。
中图分类号: TP23
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174429
中文引用格式: 李文杰,李冬梅. 几种基于PLC的硅片清洗设备流量控制方法[J].电子技术应用,2018,44(4):69-72,76
英文引用格式: Li Wenjie,Li Dongmei. Flowrate control methods based on PLC in wafer clean tool[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(4):69-72,76
Flowrate control methods based on PLC in wafer clean tool
Li Wenjie1,2,Li Dongmei1
1.Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 2.Beijing NAURA Microelectronics Equipment Co.,Ltd.,Beijing 100176,China
Abstract: Several in common use flowrate control methods in semiconductor wafer clean tool are introduced in this paper, including the flowrate control of process chamber and chemical proportioning, then corresponding control methods are brought forward according to different applications. The chemical flowrate is directly used as the feedback signal of closed control in single chamber clean tool, and the fluctuation of chemical flowrate is reduced when the pneumatic valve is switched by controlling the balance between dispense and return tube opening. The pressure closed loop control method is adopted to control the flowrate indirectly in multi-chamber clean tool, the series control design of magnetic suspension pump can effectively improve the service life and pressure stability of the pump, and by adjusting the needle valve in each chamber, the difference of the flowrate of each chamber is reduced. Generally, by controlling the injection flowrate of each chemical, a variety of chemical mix functions can be realized. Flowrate precision directly affects the accuracy of the composition of process chemical. Clean tool integration control based on PLC has the features of flexble in use, good stability, and high dependability, and is applicable for real-time and precise control of different module.
Key words : wafer clean;flowrate control;chemical proportioning;PLC

0 引言

    集成电路制造过程中的硅片清洗是指在氧化、光刻、外延、扩散和引线蒸发等工序前,采用物理或化学方法去除硅片表面的污染物和自身氧化物,以得到符合清洁度要求的硅片表面的过程[1]。硅片需要及时进行清洗去除其表面的污染颗粒,以避免污染颗粒以初始的物理吸附形式转化为化学吸附形式[2],以及降低污染颗粒在光刻阶段对光刻胶黏附力的影响,避免造成浮胶等问题[3];同时由于低k 介质材料的机械强度远低于传统材料,还要避免在晶片清洗过程中化学药液浸润到多孔结构中对器件结构造成腐蚀,形成缺陷[4]

    在半导体生产工艺中,几乎每道工序中都需要进行清洗,圆片清洗质量的好坏对器件性能有重要的影响[5-6]。清洗工艺过程中药液的流量和浓度对硅片表面金属的腐蚀速率和均匀性有很大的影响。流量不稳定会导致化学药液在晶片表面形成的液膜不均匀,继而新旧化学药液在晶片表面的传递速度和化学药液在整张晶片表面的反应速度不均匀,造成整张晶片清洗效果的一致性较差,最终影响到芯片的良率。图1是根据测算数据制作的腐蚀效果图,可以看出在流量不稳定时,整个硅片的腐蚀不均衡,如图1(a)所示,相差达到0.925 cl1-t1-s1.gif;在进行流量稳定性的优化之后,硅片的腐蚀均匀性有明显改善,如图1(b)所示。因此,保证清洗设备药液流量的稳定非常重要。

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1 单腔室清洗设备流量控制设计

    单腔室硅片清洗设备主要应用于半导体工艺测试和小批量产品生产,对控制精度要求很高,以得到良好的试验、生产效果。

    清洗设备的药液供给的动力由磁悬浮泵提供,泵引入反馈信号可实现对药液压力或流量的闭环控制。磁悬浮泵是一种没有轴承、不需要润滑且无机械摩擦的电磁感应驱动流体泵[7],其叶轮和泵体之间没有结构连接,可以有效避免叶轮旋转过程中产生污染颗粒的风险,同时提高了工作效率,节省能源。

    由于只有一个腔室,磁悬浮泵直接引入腔室的流量信号作为反馈信号。此外,单个腔室总工艺流量较小,药液在CDS内循环加热时,热量传输较慢,因此一般要在循环管路上增加一段旁路以加大CDS总流量,旁路流量可以通过针阀调节。同时,在药液加热前期,加热器输出功率较大,大量的高温液体需要进行快速的流通,因此还要在循环管路增加一路更大流量的旁路,旁路只需控制通断。管路结构如图2所示。

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    工艺腔室没有进行清洗时,药液经过流量计和气动阀2后,从针阀2回到储存罐;工艺腔室需要药液时,只需驱动气动阀2,药液便可从针阀3进入腔室。一般情况下,气动阀动作切换药液流经管路,管路背压产生瞬时变化,会造成药液实际流量突变,然后磁悬浮泵会通过自动调节转速以使流量重新达到平衡,如图3所示。这种流量的瞬时波动会对清洗过程产生不利的影响。

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    为了减小气动阀切换时产生的流量波动,可先控制磁悬浮泵以固定转速运行,然后分别对供给和返回两管路的针阀开度进行调节,使气动阀2切换时,其流量稳定在工艺流量。

    图4是磁悬浮泵流量模式运行过程中的流量、速度变化曲线,依照这种流量调节方法,药液在供液和循环之间切换时,两路支路的背压基本一致,磁悬浮泵的运行速度不变,并且气动阀切换时,不会产生流量的瞬时变化,可以提高硅片清洗时的工艺效果。

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2 多腔室清洗设备流量控制设计

    多腔室硅片清洗设备是半导体制造业中的主流设备,具有清洗效果好、使用效率高的特点[8]。其中,对于硅片的不同特征尺寸,其相对应的清洗设备采用了不同的流量控制设计:90~45 nm清洗设备使用磁悬浮泵加压力传感器的控制方式,通过针阀手动调节各腔室流量;而28 nm以下清洗设备则增加了流量调节阀自动控制腔室流量。

    药液工艺流量一般是通过磁悬浮泵和反馈信号进行闭环控制的,对于单腔室的清洗设备,反馈信号可以直接采用流量信号;而对于多腔室清洗设备,由于流量信号较多,一般只采用主传输管路中的压力信号作为反馈信号,各腔室通过调节支路管路中的针阀开度,调整各腔室药液流量值和一致性。多腔室流量控制系统如图5所示。

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    为了保证清洗设备每个腔室都有足够流量的药液,并降低单个磁悬浮泵转速,CDS采用2个磁悬浮泵串联设计,泵的闭环控制方案如图6所示。PLC下发设定压力(P0)和压力传感器检测到的实际压力(PV)到主动泵,主泵通过比较设定压力和实际压力的差值建立运行速度与压力的对应关系,具体方程如下[9]

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    式(1)表示磁悬浮泵速度算法采用比例积分进行调节,系数KP、KI可根据泵响应速率进行修改。

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    为保持两个磁悬浮泵的同步性,PLC实时读取主动泵实际速度(V1),并将其运行速度(V1)作为设定速度(V0)下发到从泵,两个泵串联同步同速运行,以二级升压的方式形成液体的出口压力。同时PLC可由压力传感器实时检测变化的实际压力(PACT),并且作为新的PV值下发到主动泵。通过控制磁悬浮泵自动调整运行速度,使出口压力稳定在设定值(P0),即可实现药液压力的闭环控制。

    这种磁悬浮泵串联设计的优点在于,既降低了磁悬浮泵的转速,增加了泵的使用寿命,还能提供足够压力的药液,保持压力的稳定。

    CDS主供液管路内药液压力足够大时,各工艺腔室的药液流量则可以通过流量控制元件调整。如图4所示,当有工艺腔室需要供液时,PLC控制打开支路管路上气动阀,然后通过手动调节各支路上针阀开度,使流量计检测到的流量稳定在工艺设定值。管路流量、压力关系如式(2)所示,当管路设计和液体确定后,流量系数(Cv)、流体密度(ρ)都是固定值,流量(Q)仅与压力(P)和管路截面积(S)有关,因此只要保证压力稳定可控、针阀开度不变,药液流量将保持稳定。

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    这种药液流量的控制方法比较容易实现,缺点是需要定期校准,且流量是开环控制,因此28 nm以下制程的清洗设备采用压力和流量双闭环的控制方法。压力控制仍采用磁悬浮泵的控制方法,流量闭环控制则通过流量控制阀实现。PLC输出4~20 mA流量信号作为流量控制阀的设定值,阀体则根据内部流量计读取的流量值自动调整开度,使流量最终稳定在设定值。图7是设定流量在1.2 L/min时的流量变化曲线,可以看出流量控制阀可以较迅速地控制流量,且控制精度非常高。

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3 药液配比流量控制

    随着芯片特征尺寸的减小,硅片清洗工艺会采用经过配比后的混合药液,混合药液对成分精度要求很高[10],药液配比过程需要精确控制。药液配比一般在药液填充储存罐时进行,即将各种药液以所需的比例同时注入储存罐,因此在注入过程中,只要控制了各药液的流量,即控制了混合药液的比例。

    如图8所示,储存罐的每一路药液支路上都设计有控制流量装置。对于药液比值接近的混合液,各支路药液可采用流量控制器或磁悬浮泵与流量计作为流量控制装置。对于药液比值较大的混合液,较大流量支路设计流量控制器、小流量支路设计脉冲计量泵来控制流量,计量泵每个动作往储存罐补充精确体积的药液,可以提高混合药液比例精度。

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    药液配比一般包括多药液混合和药液稀释,对于一些用于硅片清洗非常用药液,可能需要通过其他常用药液进行配比后才能得到。其中多药液混合一般可以采用上一节的方法,即磁悬浮泵和流量计的闭环控制方法实现,每种药液都设计一个小的循环系统,磁悬浮泵以流量模式往储液罐供给一定流量的药液。药液稀释则是用一定比例的高纯水和药液进行混合,根据不同稀释比例需采用不同的配比方法。稀释比例大(如1:300)的药液配比,药液管路也可以采用磁悬浮泵进行供给,而一般厂务的高纯水系统可提供较大的供给压力,因而水管路可以采用流量控制器来控制供给流量。

    流量控制器由控制器、流量计和阀体3个部分组成,流量控制过程PLC向流量控制器下发4~20 mA的电流信号后,控制器可根据从流量计读取到的管路内流量,通过控制器内部PID算法自动调整阀体开度,使流量计读数等于设定值。一般情况下,流量控制器流量误差可保持在±10 mL/min之内,完全满足控制要求。流量控制器的控制示意图如图9所示。

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    药液稀释比例大(如1:1 000)的情况下,一般厂端高纯水供应流量低于10 L/min,因而药液供给必须在一个比较小的流量范围内进行控制,这种情况下,可以选用一种小流量高精度的流量控制部件——脉冲计量泵,来实现药液的稀释。

    脉冲计量泵是一种接受脉冲泵出液体的特殊的流量控制装置,它不能直接控制流量,只能通过PLC下发不同频率的脉冲间接控制流量。假设脉冲计量泵每次泵出的液体体积为V0(0~1.5 mL可调),每接收一个脉冲泵运行n次行程(1/6~6次可调),脉冲下发频率为f,便可得到流量Q,计算公式为:

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    当药液稀释比例确定后,可计算出高纯水和药液的设定流量,再通过反推得出脉冲下发频率,PLC根据该频率下发脉冲到计量泵,并将高纯水流量对应的电流信号发送到流量控制器,便可实现药液配比功能。

4 结论

    表1总结了本文提出的几种流量控制方法,设备设计阶段可根据不同的硅片清洗设备及工艺特点,选取最适合的控制方式。

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    笔者所在公司研发的65 nm高精细硅片清洗设备为8腔室设计,已在中芯国际产品生产线长期运行,关键参数控制稳定,产品良率达到98.626 8%,超出同类机台平均水平。图10为北京中芯国际硅片在该设备清洗前后表面颗粒图,在保证清洗性能的前提下,硅片表面颗粒污染物数量显著减少,有利于提高芯片的良率。

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参考文献

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作者信息:

李文杰1,2,李冬梅1

(1.清华大学 电子工程系,北京100084;2.北京北方华创微电子设备有限公司,北京100176)