單晶片清洗設(shè)備化學(xué)藥液溫度控制系統(tǒng)研制

馬 嘉，吳 儀，王銳廷，李文杰

(北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司IC工藝設(shè)備研發(fā)中心，北京 101312)

按照國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（ITRS）指 引，晶片尺寸進(jìn)一步加大，器件特征尺寸不斷縮小，造成晶片高集成化、器件結(jié)構(gòu)超微小化，從而對(duì)晶片潔凈程度、表面化學(xué)態(tài)、微粗糙度等提出更為嚴(yán)苛的要求。而一些新材料的使用和生產(chǎn)工藝的改變也給清洗工藝帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，如Low-k材料的應(yīng)用、更高的選擇性、腐蝕的均勻性等要求。因而，高性能的晶片清洗設(shè)備是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)清洗的關(guān)鍵。

化學(xué)濕法清洗設(shè)備可分為批量槽式和單晶片清洗兩種方式。與槽式清洗相比，單晶片清洗方式能有效避免晶片清洗的交叉污染，能夠有效清洗晶片的背面、邊緣，能夠滿足多品種小批量的清洗需求，具有清洗藥液回收效率高，良品率高等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)主流工藝從90 nm發(fā)展到65 nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的槽式清洗方法已不能滿足極大規(guī)模集成電路制造中關(guān)鍵步驟的清洗要求，單晶片清洗設(shè)備是大勢(shì)所趨。

化學(xué)藥液傳輸系統(tǒng)是單晶片清洗設(shè)備研制的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，它為整個(gè)設(shè)備在線提供滿足工藝需求的一定溫度、壓力、流量的化學(xué)藥液，從而保證晶片表面腐蝕的均勻性和一致性。

在后道銅互連清洗設(shè)備等應(yīng)用中往往由于化學(xué)藥液昂貴的價(jià)格，需要將藥液回收再循環(huán)使用以降低成本，而工藝處理中由于化學(xué)藥液會(huì)噴淋在晶片表面，存在著藥液與晶片本身以及與空氣間的熱交換，造成藥液溫度損失嚴(yán)重，導(dǎo)致回收的藥液對(duì)化學(xué)藥液供給管路的溫度產(chǎn)生較大干擾；另一方面，不同工藝腔室分時(shí)進(jìn)行工藝處理，時(shí)間不同步，回收藥液的溫度干擾具有不確定性，進(jìn)一步增加了對(duì)化學(xué)藥液溫度控制的難度。

因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)藥液供給管路溫度的穩(wěn)定控制，本文針對(duì)化學(xué)藥液傳輸系統(tǒng)具有大慣性、大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)，采用Smith預(yù)估法設(shè)計(jì)了一種溫度控制算法；基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了化學(xué)藥液溫度控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了化學(xué)藥液溫度控制算法的有效性。

1 化學(xué)藥液傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司研制的65 nm單晶片清洗設(shè)備主要用于銅互連后道工藝中多孔性Low-k介質(zhì)材料的清洗，清除光刻膠殘留、顆粒、通孔內(nèi)的聚合物。而化學(xué)藥液傳輸系統(tǒng)作為單晶片清洗設(shè)備的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，為整個(gè)設(shè)備提供工藝處理所需的化學(xué)藥液、超純水、高純氮?dú)?、潔凈干燥空氣，并具有超純水沖洗和氣體干燥管路等功能。它主要由化學(xué)藥液供給管路、超純水供給管路、氣體供給管路組成。

化學(xué)藥液供給管路作為CDS系統(tǒng)的核心，包括化學(xué)藥液存儲(chǔ)罐、工藝泵、在線加熱器、溫度傳感器、壓力傳感器、超聲波流量計(jì)、各類閥件等，管路示意圖如圖1所示。

圖1 化學(xué)藥液供給管路示意圖

為了縮短工藝等待時(shí)間，同時(shí)避免化學(xué)藥液滋生細(xì)菌，化學(xué)藥液供給管路具有本地循環(huán)和系統(tǒng)循環(huán)兩路藥液循環(huán)管路，兩種循環(huán)管路的切換通過(guò)三通閥AOV1實(shí)現(xiàn)。在非工藝時(shí)間，化學(xué)藥液供給管路中的藥液通過(guò)三通閥AOV1的常開(kāi)端回流入藥液存儲(chǔ)罐，在本地循環(huán)管路中循環(huán)流動(dòng)，并預(yù)加熱化學(xué)藥液至工藝設(shè)定溫度；在工藝時(shí)間，通過(guò)三通閥AOV1的切換，使得化學(xué)藥液進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)管路。當(dāng)化學(xué)藥液達(dá)到工藝溫度，且化學(xué)藥液供給管路的出口壓力到達(dá)設(shè)定值，可以通過(guò)切換流向相應(yīng)工藝腔室的三通閥AOV2～AOVn，使得藥液通過(guò)工藝腔室的噴淋臂噴淋至晶片表面，參與清洗工藝處理。噴淋至晶片表面的化學(xué)藥液再通過(guò)化學(xué)藥液回收管路回流至化學(xué)藥液存儲(chǔ)罐，未作清洗工藝支路中的化學(xué)藥液則通過(guò)化學(xué)藥液回流管路回流至化學(xué)藥液存儲(chǔ)罐。

2 化學(xué)藥液溫度硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

化學(xué)藥液是濕法清洗的主要介質(zhì)，用于清除晶片表面的光刻膠殘留、顆粒、通孔內(nèi)的聚合物。它的溫度作為關(guān)鍵的工藝參數(shù)，直接影響到清洗效果。如果藥液溫度過(guò)低，其黏性增加，當(dāng)?shù)陀谔囟囟葧r(shí)，化學(xué)藥液中某些組份將處于惰性狀態(tài)，不能有效去除聚合物；溫度過(guò)高，則藥液腐蝕性過(guò)強(qiáng)，造成對(duì)晶片的損傷，使得晶片氧化層及銅表面不平整。根據(jù)工藝需求，設(shè)定溫度控制精度為設(shè)定值的±0.5%。

化學(xué)藥液溫度控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。它主要由PCC控制器、SCR功率調(diào)節(jié)模塊、在線加熱器、溫度傳感器等組成。

圖2 溫度控制系統(tǒng)硬件框圖

各組成部分具體功能：

(1)PCC控制器：通過(guò)溫度模塊采集存儲(chǔ)罐中化學(xué)藥液的溫度、管路出口化學(xué)藥液的溫度，通過(guò)AI模塊采集加熱器出口藥液的溫度，根據(jù)溫度控制算法計(jì)算出加熱器的輸入功率，并由AO模塊輸出模擬控制量至SCR功率調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)在線加熱器的加熱功率。

(2)在線加熱器：在線加熱器采用加熱絲加熱的方式，將混配好的化學(xué)藥液加熱至工藝需求溫度?？紤]到所使用的化學(xué)藥液具有一定的腐蝕性，因此對(duì)在線加熱器有耐腐蝕的要求，這與藥液需要快速加熱以縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間的需求相互矛盾。具體而言，加熱器產(chǎn)生的熱量必須經(jīng)過(guò)耐腐蝕性的特氟龍涂層后再傳遞給管道中的藥液，而特氟龍涂層的導(dǎo)熱系數(shù)較低，因此在選擇加熱器功率時(shí)，需要兼顧溫度指標(biāo)和升溫速度。同時(shí)選擇的在線加熱器內(nèi)部配有RTD熱電阻溫度傳感器，用于檢測(cè)其內(nèi)部加熱絲的溫度并作為過(guò)溫保護(hù)電路的輸入。

(3)SCR功率調(diào)節(jié)器：通過(guò)4～20 mA控制信號(hào)的輸入，經(jīng)功率調(diào)節(jié)器控制串聯(lián)在主回路中的SCR模塊的通斷，從而改變主回路供電電壓的導(dǎo)通或關(guān)斷，以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的。SCR功率調(diào)節(jié)器具體可分為調(diào)壓器和調(diào)功器兩類。

調(diào)壓器采用相位控制模式調(diào)節(jié)電壓的有效值。輸出的電壓波形呈正負(fù)半周對(duì)稱，無(wú)直流成分，可直接用于感性負(fù)載。但是不規(guī)則的脈沖負(fù)載電流容易引起電網(wǎng)波形的畸變，造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)對(duì)其他用電設(shè)備造成干擾。

調(diào)功器采用零位控制模式控制負(fù)載電壓的周波通斷比，從而控制負(fù)載的功率，常應(yīng)用于阻性負(fù)載。采用該控制模式，可有效消除相位控制方式對(duì)電網(wǎng)波形和其他用電設(shè)備的干擾。

綜合上述原因，本系統(tǒng)選用SCR功率調(diào)節(jié)器以零位控制模式工作?？刂芐CR功率調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)由PCC控制器的模擬量輸出模塊給出。

(4)限溫控制器：監(jiān)測(cè)在線加熱器內(nèi)部加熱絲溫度傳感器的值，當(dāng)該值超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)斷開(kāi)接觸器線圈，切斷SCR功率調(diào)節(jié)器的交流輸入。它作為硬件互鎖控制單元，防止在線加熱器過(guò)熱損壞。

(5)溫度傳感器：用于檢測(cè)化學(xué)藥液供給管路出口藥液溫度、化學(xué)藥液存儲(chǔ)罐中混合回收/回流藥液的溫度。常用的溫度傳感器主要有4種類型：熱電偶、熱敏電阻、RTD熱電阻和IC溫度傳感器。RTD熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器，它的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，典型的有銅熱電阻、鉑熱電阻等，其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度最高，誤差一般在0.01%，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫、標(biāo)定基準(zhǔn)儀。因此，本系統(tǒng)中選用鉑熱電阻PT1000作為藥液溫度測(cè)量傳感器，其測(cè)量范圍-50℃～260℃。

3 化學(xué)藥液溫度控制系統(tǒng)軟件算法設(shè)計(jì)

本文所研究的化學(xué)藥液溫度控制系統(tǒng)具有大慣性、大時(shí)滯的特點(diǎn)，對(duì)于此類系統(tǒng)，如果采用常規(guī)的PID控制算法，系統(tǒng)容易出現(xiàn)超調(diào)量大、穩(wěn)定性差的問(wèn)題。因此，文中基于PID串級(jí)控制結(jié)合Smith預(yù)估補(bǔ)償[1，2]設(shè)計(jì)了化學(xué)藥液溫度控制算法。此算法采用管路出口藥液溫度作為外環(huán)反饋，采用加熱器出口藥液溫度作為內(nèi)環(huán)反饋。另外，化學(xué)藥液在管路傳輸及工藝過(guò)程中存在與傳輸管路、晶片本身及室溫空氣的熱交換，造成回收或者回流至存儲(chǔ)罐中藥液溫度的下降，對(duì)管路出口藥液的溫度產(chǎn)生干擾；同時(shí)，在同一時(shí)間段，清洗設(shè)備會(huì)有不定數(shù)量的工藝腔室進(jìn)入藥液清洗工藝造成回收藥液溫度衰減擾動(dòng)的不確定性，為此文中采用存儲(chǔ)罐中化學(xué)藥液的溫度作為前饋補(bǔ)償，以縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。所設(shè)計(jì)的溫度控制算法具體為：

定義THeat為加熱器出口藥液溫度，TLoop為管路出口藥液溫度，TTank為化學(xué)藥液流經(jīng)各支路回收或者回流至存儲(chǔ)罐時(shí)的溫度，Tset藥液的工藝設(shè)定溫度。

為了提高溫控系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，采用THeat為內(nèi)環(huán)控制的反饋量，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器輸入功率，使得加熱器出口的化學(xué)藥液溫度快速跟隨前級(jí)的輸出設(shè)定值。內(nèi)環(huán)控制主要起快速隨動(dòng)控制作用，允許存在穩(wěn)態(tài)誤差，因此，基于比例調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)了內(nèi)環(huán)控制器GCH(s)其具形式為：

其中：比例系數(shù)K1通過(guò)對(duì)加熱器內(nèi)環(huán)整定得到。

定義GHeat(s)為加熱器輸入功率至加熱器出口藥液溫度的傳遞函數(shù)。定義GLoop(s)為加熱器出口藥液溫度到管路出口藥液溫度的傳遞函數(shù)，可表達(dá)為：

其中：GL(s)為被控對(duì)象不含純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，τ為純滯后時(shí)間。由于純滯后時(shí)間τ的存在，使得被控量不能及時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)所受擾動(dòng)，造成系統(tǒng)超調(diào)明顯，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

定義GUL(s)為加熱器輸入功率至管路出口藥液溫度的傳遞函數(shù)，可表達(dá)為：

為了改善滯后性對(duì)控制的影響，在反饋回路中并聯(lián)一個(gè)Smith補(bǔ)償回路，以減少滯后環(huán)節(jié)的影響，與被控對(duì)象并聯(lián)的Smith補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：

其中：up為加熱器的輸入功率。

基于Smith補(bǔ)償?shù)拇?jí)控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中：GCL(s)為外環(huán)控制器的傳遞函數(shù)，GH(S)為內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)，即：

由此可見(jiàn)，若系統(tǒng)模型精確，則系統(tǒng)經(jīng)Smith補(bǔ)償后，傳遞函數(shù)的特征方程不含純滯后環(huán)節(jié)e-τs，系統(tǒng)不會(huì)受純滯后的影響，從而提高了系統(tǒng)的控制性能。

本文采用一階純滯后環(huán)節(jié)來(lái)擬合溫控對(duì)象，即：

設(shè)階躍輸入幅值為△u，則增益K2可按下式求取。根據(jù)階躍響應(yīng)曲線開(kāi)始出現(xiàn)變化的時(shí)刻來(lái)確定延時(shí)時(shí)間τ。截去純延遲部分，并化為無(wú)量綱形式的階躍響應(yīng)TLoop(t)，即利用[t1，TLoop(t1)]和[t2，TLoop(t2)]來(lái)確定時(shí)間常數(shù)t2，則可得到溫控對(duì)象的傳遞函數(shù)。但所得到的傳遞函數(shù)不是被控對(duì)象的精確模型，不同流速下傳輸化學(xué)藥液的熱量損失不同，增益、慣性時(shí)間常數(shù)以及純滯后時(shí)間會(huì)有所變化，但在同一流速下純滯后時(shí)間常數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，可以保證Smith預(yù)估器對(duì)滯后性的有效補(bǔ)償。

本文采用PID控制方法設(shè)計(jì)外環(huán)控制器GCL(s)，其具體形式為：

其中：比例系數(shù)K3、積分時(shí)間常數(shù)T3及微分時(shí)間常數(shù)Td通過(guò)對(duì)加熱器內(nèi)環(huán)整定完成后對(duì)外環(huán)整定得到?；赟mith補(bǔ)償?shù)拇?jí)溫度控制框圖如圖3所示。

圖3 基于Smith補(bǔ)償?shù)拇?jí)溫度控制框圖

為了補(bǔ)償化學(xué)藥液在管路傳輸及工藝過(guò)程中的熱量損失造成對(duì)管路出口藥液溫度的擾動(dòng)，本文根據(jù)化學(xué)藥液存儲(chǔ)罐中的藥液溫度設(shè)計(jì)了前饋控制器GCT(s)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，具體形式為：

其中：比例系數(shù)K4和積分時(shí)間常數(shù)T4通過(guò)試驗(yàn)試湊得到。

整個(gè)溫控系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。

圖4 溫度控制系統(tǒng)控制框圖

具體算法實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用帶死區(qū)的PID控制方法[3]，即在偏差較大時(shí)，使得加熱器以大功率快速加熱，提高溫升速度；當(dāng)偏差較小時(shí)，基于Smith預(yù)估補(bǔ)償采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制。

4 溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在所研發(fā)的65 nm單晶片清洗設(shè)備上對(duì)上述溫度控制算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定管路出口化學(xué)藥液溫度為40℃，化學(xué)藥液供給管路的出口壓力為65.5 kPa，此時(shí)工藝泵的運(yùn)行速度為3 335 r/min左右?；瘜W(xué)藥液溫度控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明采用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方法可以將管路出口化學(xué)藥液溫度控制在±0.2℃以內(nèi)，調(diào)節(jié)時(shí)間約在8 min左右，基本滿足控制要求。

雖然此溫度控制系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)控制指標(biāo)，但是該控制方法的控制效果依賴于溫控模型的精確性，而不同流量時(shí)熱量傳導(dǎo)模型不同，造成系統(tǒng)純滯后時(shí)間存在差異，將會(huì)影響控制效果。因此，該控制方法存在一定局限性，對(duì)流量擾動(dòng)的抗干擾能力稍顯不足，需要進(jìn)一步加以研究。

圖5 溫度控制曲線

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于65 nm單晶片清洗設(shè)備的化學(xué)藥液傳輸溫度控制系統(tǒng)。針對(duì)管路化學(xué)藥液溫度控制的要求，提出了一種基于Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)拇?jí)溫度控制方案。在所研制的65 nm單晶片清洗設(shè)備上采用了文中設(shè)計(jì)的化學(xué)藥液溫度控制系統(tǒng)，并在此設(shè)備上通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了藥液溫度控制方案的有效性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足清洗工藝對(duì)化學(xué)藥液壓力、溫度的控制精度、響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定性的要求，從而為提高設(shè)備的工藝效果奠定了良好的基礎(chǔ)。

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