李伟;高文泉;柳滨;陈波
【摘 要】Developed a special vacuum supply system used for chemical mechanical polishing, including liquid ring vacuum pump, vacuum pump chamber, vacuum storage tank, and water tank （steam/gas-water separator） and some control modules. Design the water tank supply control module, the automatic temperature control module, control vacuum pump working liquid temperature by means of the control water tank water temperature, ensure the vacuum degree requirements, but also to save water, reduce the energy consumption demand. With dynamical modal analysis of vacuum pump chamber rack by use of the finite element analysis software ANSYS Workbench, we can get the inherent frequency and vibration model, which can avoid sympathetic vibration.%研制了一套化学机械抛光机（CMP）专用的真空供给系统，主要由水环式真空泵、真空泵箱体、真空储气罐和水箱（汽水分离器）组成及控制模块组成。设计了水箱供水控制模块、水箱温度自动控制模块，通过控制水箱水温进而控制真空泵工作液的温度，保证真空度要求，同时也达 到节约用水、降低能耗的要求。采用有限元分析软件ANSYS Workbench对真空供给系统机架进行了模态分析，研究机架的振型、固有频率，从而在结构设计上避免共振。
【期刊名称】《电子工业专用设备》
【年(卷),期】2012(041)003
【总页数】5页(P45-49)
【关键词】化学机械抛光;真空供给系统;温度自动控制;ANSYS;Workbench;模态分析
【作 者】李伟;高文泉;柳滨;陈波
【作者单位】北京中电科电子装备有限公司,北京100176;北京中电科电子装备有限公司,北京100176;北京中电科电子装备有限公司,北京100176;北京中电科电子装备有限公司,北京100176
【正文语种】中 文
【中图分类】TN948.43
化学机械抛光（Chemical Mechanical Polish，CMP）技术是一种对半导体材料或是其它类型材料的衬底进行平坦化或抛光的方法，是制备晶圆的关键步骤，广泛应用于集成电路（IC）制造业中，它能满足晶圆严格的工艺控制、高质量的表面外形及平面度[1]。
图1为CMP系统真空气路控制原理图，真空主要用在以下几个方面1）晶圆承载器Carrier利用真空吸盘法来吸附硅片；2）抛光主轴首先采用真空吸盘法吸附Carrier，然后利用“运载安全装置”[2]机械紧固晶圆承载器Carrier，达到双重保护，以防止Carrier在运转中掉下，造成不必要的损失和安全事故；3）有些CMP设备中的机械手采用真空吸附法搬运晶圆，但这种方法由于会产生晶圆背部较大的玷污，正逐渐被“边缘夹持”方式取代。因此稳定、均匀的真空供给是设备正常运转必不可少的重要部分。当真空施加之前，晶圆大多会浸没于去离子水中，因此在晶圆吸附过程中，将会有大量的去离子水、抛光液等倒流于真空系统中，这将导致真空负压逐渐降低甚至停机，对于设备而言，这将会导致掉片、碎片[3]。因此真空供应系统应在保证系统所需的最小真空要求的前提下，具备处理倒流液体的能力。
图1 CMP系统真空气路控制原理图
1 真空供给系统设计
水环真空泵是一种粗真空泵，所能获得的相对真空度为－0.097MPa，广泛应用于石油、化工、制药、食品、制糖工业等领域[4]。其原理是由于转子偏心旋转而使水环与叶片间容积发生周期性改变而进行抽气的机械真空泵。与其他类型机械真空泵相比，具有结构简单、紧凑，工作简单可靠、吸气均匀、不需要对泵润滑处理、可适用于抽吸含有一定腐蚀性的气体等优点。水环真空泵的性能与被抽气体的状态、工作水温度及性质有关，通常只给出规定条件下的特性曲线。当实际工作条件与规定条件不同时，必须对其特性曲线进行修正。水环真空泵抽速根据道尔顿公式计算：
Q15为水温15℃时的抽速；
p1为水环泵的吸入压力；
pt为水温t℃时饱和蒸汽压力；
p15为水温15℃时的饱和蒸汽压力；
K为气量修正系数。
由表1可知水的温度越高，其饱和蒸汽压力越高。由公式2可知，15℃水温时的气量修正系数为 1，水温高于 15℃时，k＜1，Qt＜Q15。发现水温度越高水环真空泵所能抽到的真空度越低。因此设计的真空供给系统必须采取措施降低真空泵供水温度。
真空供给系统主要由水环式真空泵、水箱、储气罐、温控模块、水箱供给模块等组成，如图2所示。水箱源源不断地为真空泵供水，在水环真空泵入口处和出口处分别安装温度传感器，工作水温度为水环真空泵入口水温和出口水温的平均值。当工作水温度超过设定值（15℃）后，PLC控制器控制注水电磁阀1打开，从底部补充低温度水，当工作水温度达到设定值后，PLC控制器控制注水阀关闭，水箱温度控制如图3所示。水箱中安装多点浮子传感器，用来检测水箱液面高度，当液面低于下限位时，注水电磁阀2打开，自来水源注水水箱；当液面达到上限位时，注水电磁阀2关闭，停止注水；多余的水从水箱溢流孔排出。
表1 水在各种温度下的饱和蒸汽压温度/℃蒸汽压/Pa温度/℃蒸汽压/Pa温度/℃蒸汽压/Pa温度/℃蒸汽压/Pa温度/℃蒸汽压/Pa温度/℃蒸汽压/Pa-20 102.92 1 657.28 22 2643.78 43 8639.29 64 23904.7 85 57808.58-19 113.32 2 705.28 23 2809.10 44 9100.59 65 24997.94 86 60115.06-18 124.66 3 758.60 24 2983.76 45 9583.21 66 26144.52 87 62488.19-17 136.
92 4 813.27 25 3167.74 46 10085.84 67 27331.09 88 64941.33-16 150.39 17 871.93 26 3361.06 47 10612.46 68 28557.65 89 67474.45-15 165.05 16 934.59 27 3565.04 48 11160.42 69 29824.21 90 70007.58-14 180.92 15 1001.25 28 3779.69 49 11735.03 70 31157.44 91 72807.35-13 198.12 14 1073.25 29 4005.01 50 12333.65 71 32517.33 92 75593.78-12 216.92 13 1147.91 30 4242.32 51 12958.93 72 33943.88 93 78473.55-11 237.31 12 1227.90 31 4492.96 52 13612.21 73 35423.75 94 81446.63-10 259.45 11 1311.89 32 4754.28 53 14332.15 74 36956.96 95 84513.05-9 295.31 10 1402.55 33 5030.25 54 15732.04 75 38543.5 96 87672.79-8 309.44 9 1497.21 34 5319.56 55 16505.31 76 40183.36 97 90939.19-7 337.57 8 1598.54 35 5623.54 56 17305.24 77 43636.41 98 94298.91-6 368.10 7 1705.20 36 5940.85 57 18145.17 78 45462.93 99 97751.96-5 401.03 6 1817.18 37 6275.48 58 19011.77 79 47342.77 100 101325-4 436.76 5 1937.17 38 6619.46 59 19918.36 80 49289.28-3 475.43 4 2063.83 39 6991.43 60 20851.62 81 51315.78-2 517.16 3 2197.15 40 7375.40 61 20851.62 82 51315.78-1 562.09 2 2338.47 41 7778.03 62 21838.2 83 53408.940 610.48 1 2486.46 42 8199.33 63 22851.45 84 55568.76
图2 真空供给系统原理图
图3 水箱温度控制框图
真空泵排气端接入水箱，废气和所带的一部分水排入水箱后，气体再由水箱的出管跑掉，而水就落入水箱的底部经回水管进入泵内循环使用，达到了节约用水、降低能耗的效果。真空泵的吸气端通过真空储气罐与设备真空气路连接，经真空调压阀调整后用于真空吸附Carrier和晶圆等操作。真空储气罐用于存储真空，并具有稳压、除真空水的功能。在真空泵和储气罐之间安装真空止回阀，防止真空停止时，水倒灌于储气罐中。
2 真空供给系统机架有限元分析
真空泵工作时会产生较大的噪声，一方面是由于真空度达到极限时会产生气蚀声，另一方面可能是由于真空泵机架与真空泵发生共振。
在真空储气罐与设备连接管路间设置真空调压阀（可增压、降压作用），以避免真空泵在极限真空状态下使用，从而防止气蚀发生。
模态分析技术是现代机械产品结构动态设计和分析的基础，是系统辨别方法在工程振动领域中得应用，分为计算机模拟分析和试验模态分析两种[5]。由于电机转动等原因，势必会造成振动。在造成很大噪音的同时还会造成真空泵站机架的共振或疲劳，从而破坏结构。因此在设计真空泵站时需要考虑振动现象，了解真空泵站机架的振动特性即结构的固有频率和振型，避免产生不必要的损失。试验模态需要借助于振动传感器、激励器、FFT分析仪、高速数据采集系统等仪器通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别而获得模态参数，成本较高。而采用计算机模拟分析成本低、效率高。
我们采用ANSYS Workbench软件对真空泵站机架进行了模态分析[6][7]。ANSYS Workbench是用ANSYS新一代多物理场协同分析产品，将设计、仿真、优化集成于一体，极大地提高了设计研发的效率。
真空泵机架由方钢和角钢等焊接而成，材料为Q235普通碳素结构钢，材料有关参数如表2所示。真空泵站机架有限元模型如图4所示。
图4 真空泵站机架有限元模型
表2 真空泵站机架材料主要参数材料 弹性模量/Pa 泊松比 密度kg·m-3 A3 2E11 0.3 7850
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议