300mm半導體代工廠Slurry供應系統設計中的品質管理進入2008年，隨著中國半導體行業的繼續發展，晶圓代工業呈現出一片繁榮之勢。據資料顯示，截至2008年2月，國內已建的12英寸線3條，正在建設的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，但投資成本卻持續增高，由此導致生產線上出現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的持續無故障運行能力以及所提供的制程相關原料品質提出了更高的要求。代工廠的氣體、化學和純水系統為整條生產線提供氣體、化學品和純水，它們與晶圓表面直接接觸，所以這些系統被稱為制程相關系統。制程相關系統的穩定與否直接關系生產線制造是否正常。本文將重點介紹300mm代工廠slurry供應系統的分類、架構、品質保證與監控、安全設計，并且結合工作中出現問題進行了設計上的探討。本論文通過對是slurry供應系統設計的探討，具體解決其中出現的種種關于品質管理的問題。將使得廠務slurry供應系統的運行更加穩定，使其日常操作更加規范與方便，大大地提高該系統所供應的Slurry溶液的品質。CMP及Slurry供應系統概述20世紀80年代后期，IBM開發了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構的銅布線，CMP是實現多層集成的關鍵工藝。與傳統的平坦化技術（反刻、玻璃回流、旋涂膜層等）相比，CMP有著無法比擬的優勢，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。在化學系統中，與CMP制程關系最為密切的即是slurry化學研磨液供應系統。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）等懸浮在液體中形成的懸浮液。Slurry供應系統，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。鑒于CMP的機臺一般沒有配備緩沖容器(buffer tank)，一旦slurry供應系統出現異常，將造成CMP制程極為嚴重的損失。Slurry系統所供應的化學研磨液需要達到的要求有：保證提供的slurry品質（pH值和比重）；穩定的流速與壓力，保證CMP每一臺設備的正常使用；Slurry在輸送過程中不能產生任何不可預計的結晶物，以免對晶圓本身造成損傷（刮傷，如圖1所示）。Slurry供應系統通常與一般的化學供應系統有所不同。為了滿足CMP使用的要求，其系統設計要考慮諸如pH值、比重以及結晶問題。Slurry供應系統應基本滿足兩大要求：第一，供應系統不應對輸送的slurry產生污染（包括結晶的產生）；第二，要配合生產線做無間斷供應。從組成上說，slurry供應系統主要是由主系統部分、管路供應部分系統和監控部分構成。主系統和管路供應部分的示意圖如下（圖2）：Slurry供應系統的品質保證與一般的集成電路化學品供應系統所供應的化學品有所不同，除了有很高的純度要求之外，slurry供應系統還有其特殊的要求。金屬離子的濃度一般控制在十億分之一的數量級，還有濃度、水份、顆粒等其它指標。Slurry供應系統通常會安裝在線的pH計、比重計、H2O2濃度計等儀器，以監控所供應的slurry品質。另外，品質控管部門在其中也有著舉足輕重的作用。他們定期從生產線取樣進行分析。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供應系統的問題，但亦不排除樣品受到污染，故可重復取樣以分析。表1是Slurry溶液的一些性質指標與系統要求：Slurry供應系統中，為了實現slurry的無污染輸送，對于一切和slurry接觸的部件材質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，它的雜質析出量極少且可以很方便的通過焊接或擴管實現連接。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。針對slurry易于結晶的問題，在slurry供應系統中，應設計一套專用的過濾系統，將那些大型的容易對芯片產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，避免對芯片產生不可預計的影響。過濾器的品質對于slurry來說具有舉足輕重的影響。對于供應系統來說，精準的pH值、比重和H2O2濃度控制是必須的。如何使所供應的slurry符合標準與要求，每一種系統的設計都有自己的理念。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（結晶）。對于混和系統的配比，無論是利用體積比還是重量比，均各有優劣。但由于slurry溶液的易于結晶的特殊性，利用體積比混合時監控儀器容易被干擾，所以使用重量比進行混合更為適合。在徹底混和均勻之后，必須進行在線監測，以使供應的化學研磨液能符合CMP使用的標準。Slurry供應系統的品質監控一般來說，品質監控分為兩種：一種是在線監控，另一種是離線監控。鑒于slurry供應系統必須二十四小時不間斷供應的特點，在線監控就顯得非常重要。可以設計成每隔一定的時間進行取樣分析，分析結果輸入至PLC進行判斷，以自動確定系統是否正常運行。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控。作為代工廠slurry供應系統，同樣也有一套完善的在線與離線方式相結合的品質監控模式。如前文所述，pH值對于slurry溶液的性質控制起著重要的作用。若pH值發生劇烈的變化，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供應系統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供應系統的某些部件產生不可預料的影響。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，亦會對晶圓產生影響。所以一般都會根據制程需要給Slurry溶液的比重設定一個合適的范圍，一旦超出此范圍，系統將產生報警。在線的H2O2濃度計主要安裝在W slurry供應系統中。眾所周知，鎢塞在小于0.13m的互連中應用非常廣泛。W slurry主要應用于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slurry供應系統的設計原則，一般并不安裝在線的顆粒計數器，以避免產生結晶，通過在系統中安裝slurry專用過濾器，可以保證系統供應的slurry研磨液的品質，當然也可以通過定期的取樣分析來監控整個系統的slurry品質。但根據某些特殊的需要，也可以安裝在線的顆粒計數器。Slurry供應系統的出口壓力（Outlet Pressure）的監控非常重要。由于CMP制程設備通常沒有緩沖容器，一旦壓力發生波動，將導致所有涉及到的設備全部停機。同時，slurry供應系統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）和供應槽（Day Tank）處，都可以設計一個取樣口，以便隨時監控桶槽內slurry溶液的質量。至于原液，一般不設計取樣口，由原液供應商來保證原液的質量。所以原液供應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料的損失。Slurry供應系統的安全設計根據MSDS(Meterial Safety Data Sheet，物質安全資料表)，slurry是分散于去離子水中的二氧化硅懸浮液，因此這些物質不太可能產生氣相成份而漫延擴散。然而當它受到摩擦或干擾時，可能會產生粉塵,接觸到皮膚與眼睛后可能會有刺激性反應，同時對于環境亦有影響。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生威脅。有些代工廠的Slurry供應系統安裝在無塵室中，一旦發生大量泄漏，會污染無塵室環境。通常可采取的措施有：在供應機臺、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計，內管為PFA材質，外管為透明的CPVC材質。Slurry在內管中輸送，如果內管發生破裂泄漏，管內的slurry就會順著內外管之間的空隙流到閥箱或供應柜，然后由安裝在該處的泄漏偵測器引發警報；在桶槽頂部安裝安全閥，氮氣進氣口安裝泄壓閥，當桶槽內壓力過大時，系統將會自動泄壓，以避免爆炸的危險性；在系統周圍設置圍欄，并設置簡易的測漏系統（例如測漏線）。通過采用這些措施，可以盡快地發現問題并及時解決，最大限度地保證人身安全。Slurry供應系統防止結晶物產生的特殊設計一般而言，為了減少結晶物的產生，Slurry供應系統的設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生的結晶物；循環管路，可參考圖2。這樣的設計可以避免Slurry在管路中靜止而產生的結晶物；接頭、彎頭、閥門、元件（如在線監控儀器）越少越好，同時在設計中應盡量避免產生死角。由于slurry溶液中不可避免的會有一些大的結晶體，某些閥門的膜片會被刮傷而產生漏液現象。因此，需要選用廠商推薦的slurry供應系統專用閥門，并且定期對某些開關頻繁且位置重要的閥門（如系統的出口閥、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，也會造成泵腔體的損壞。因此，在0.13m節點以下的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，找到優秀的廠商并使用他們所推薦的slurry供應系統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應絕對避免與空氣接觸）。根據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溶液表面產生一層結晶物。因此，在氮氣與slurry溶液接觸之前，應使用加濕器提高含水量（通常應達到90%以上），然后才和slurry溶液接觸，以避免結晶物的產生。最后，在線儀器的監控、VMB閥箱的設計、Filter定期更換的頻率、定期的KOH Flush等都會對該系統的性能產生一定的影響。總結在最新代的主流生產技術中，300m