文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了拋光設備自動化、檢測參數及常見異常處理。

自動化在設備中的應用

在半導體器件規模化量產過程中，拋光設備的自動化水平直接決定生產效率、工藝穩定性與作業安全性，需同時滿足交互便捷性、運行可視化、安全可控性等核心訴求。設備不僅要配備完善的人機交互界面，實現運行狀態實時可視化以支撐日常運維，還需構建可靠的安全互鎖機制與人工操作防呆設計，從源頭規避生產安全隱患。結合量產場景的實際應用需求，拋光設備的核心自動化配置要求如下：

（1）具備高質量、全流程的自動化通信交互能力，可兼容主流半導體設備通信標準與協議，包括半導體設備通信標準I（SECS-I）、半導體設備通信標準II（SECS-II）、通用設備模型（GEM）及高速半導體設備通信標準消息服務（HSMS），實現與生產系統的無縫對接；

（2）設備與前開式晶圓傳送盒（front opening unified pod，FOUP）之間需配置專屬互鎖結構，有效防止晶圓在上料（loading）與下料（unloading）過程中發生碰撞破損，保障晶圓轉運安全；

（3）預留在線檢測系統（如Novai550）安裝接口，同時集成自動過程控制（auto process control，APC）功能，可實現工藝參數的實時調控與閉環管理；

（4）配備至少2個及以上可操作界面，支持操作人員在設備不同位置開展作業，提升操作靈活性與應急處理效率；

（5）搭載四色蜂鳴信號燈，信號燈顏色與對應運行狀態可由用戶自定義配置，核心可定義狀態包括空閑（idle）、報警（alarm）、工藝進行中（processing）等，四色分別為紅、黃、藍、綠，實現設備狀態直觀識別；

（6）設備晶圓裝卸機（loadport）需具備晶圓盒身份（ID）識別與讀取功能，必須標配4個可適配的針腳（pin），確保與FOUP信息端模塊精準匹配，保障信息交互與轉運協同的可靠性；

（7）設備供應商需配套提供E84通信電纜與專用傳感器，支持設備與工廠天車系統（overhead hoist transport，OHT）的穩定連接，實現晶圓自動化轉運銜接；

（8）針對設備自動化編程（equipment automation programming，EAP）下發的指令，設備可自主完成故障診斷與狀態反饋，及時定位異常問題；

（9）可通過標準SECS通信協議，向自動化生產系統主機實時上傳各類報警信息，以及全流程工藝參數、硬件運行數據等核心信息，支撐生產系統的統籌管控；

（10）具備與工廠自動化生產系統的自動通信能力，可根據生產系統下達的指令，自主啟動與終止制品拋光作業，實現生產流程的自動化銜接；

（11）設備軟件需具備工藝參數統計分析功能，可將溫度、壓力、氣體流量等核心參數處理為平均值、最大值、最小值等統計數據；同時集成統計過程控制（statistical process control，SPC）功能，并支持先進過程控制（advanced process control，APC），為工藝優化提供數據支撐。

在線檢測系統與APC的聯動控制，是當前拋光工藝自動化控制的前沿技術方向。其核心應用場景為：基于前一片晶圓的拋光移除量檢測數據，自動調整下一片晶圓的拋光時間參數，使拋光后硅（Si）晶圓的厚度更接近目標設定值，提升厚度一致性。該技術已在介質層拋光工藝中實現廣泛應用，但在硅晶圓襯底拋光場景中，受測試模塊適配性限制，尚未得到大規模推廣。此外，除拋光時間外，APC技術正逐步將分區壓力等更多核心拋光參數納入自動化控制體系，形成更強的平整度調控能力，可實現單片硅晶圓的定制化工藝控制，在對平整度要求嚴苛的高端制造場景中，具備廣闊的應用前景。

關鍵工藝參數

優化晶圓平整度是拋光工藝的核心目標之一，而拋光過程中平整度偏差的產生，核心源于晶圓不同區域材料移除速率的不均衡。結合拋光工藝實際應用場景，以下為影響平整度與加工質量的關鍵工藝參數：

1) 壓力

常規情況下，晶圓局部區域所受壓力與該區域材料移除速率呈正相關關系。壓力的增減可直接調節拋光過程中的機械研磨強度，是工藝調試中用于調控平整度的常用且高效手段。在雙面拋光工藝中，壓力控制包含總壓力參數，以及上盤自適應控制（upper platen adaptive control，UPAC）、下盤自適應控制（lower platen adaptive control，LPAC）功能，分別實現全局壓力與局部壓力的精準調控。在單面單片拋光工藝中，通過拋光頭的分區壓力控制系統，可實現對硅晶圓特定區域的壓力精準調節，壓力控制區域通常以晶圓半徑為基準，劃分為環狀區域（如圖1所示）。

圖1

2) 轉速

轉速通過改變晶圓與拋光盤之間的相對移動速率，間接影響材料移除速率。在相同拋光時長下，晶圓與拋光盤的平均相對速度越大，晶圓表面單位面積所經過的研磨路徑越長，材料移除量也就越大。拋光過程中，拋光頭的自轉、擺動與拋光盤的旋轉，共同構成復雜的運動體系。理想狀態下，當拋光頭轉速與拋光盤轉速完全一致時，晶圓各區域相對于拋光盤的移動距離相同，可實現各區域材料均勻移除，被視為理論最優工藝配置。但在實際量產場景中，該配置會導致拋光頭移動路徑局限于拋光盤固定區域，大幅降低拋光墊利用率，增加耗材損耗與生產成本，不利于規模化生產。因此，實際應用中通常會為拋光頭增加擺動功能，且拋光頭與拋光盤的轉速比設置為接近1但不相等，常見的轉速配置包括50/52 rpm、87/90 rpm、119/121 rpm等。此外，轉速參數的選擇需與壓力參數適配，轉速過低會影響拋光液在拋光墊表面的均勻分散，進而導致拋光效果不穩定。

3) 溫度

溫度變化會直接影響拋光過程中化學反應速率，導致整體拋光速率波動，進而影響工藝穩定性。拋光過程中，機械研磨摩擦與化學反應均會釋放熱量，且設備長時間連續運行也可能出現熱量累積。通常情況下，一個完整的拋光流程中，系統溫度波動幅度約為10℃，因此對拋光盤與拋光液的溫度管控至關重要。常規管控措施包括：在拋光盤下方布置冷卻水管道，實現溫度實時穩定控制；每批次拋光作業結束后，通過高壓水沖洗拋光盤，及時散發熱量，減少熱量累積；同時，拋光液供液系統需配備專用控溫模塊，保障拋光液溫度穩定。需要注意的是，溫度并非越低越有利于拋光作業，例如在部分介質層拋光場景中，約40℃的拋光溫度可加快化學反應進程，保障較高的拋光速率。在其他高端制程中，維持穩定的高溫環境或設計精準的變溫拋光流程，也是新工藝開發的重要方向。

關鍵檢測參數

硅晶圓在空間維度上呈現三維分布特性，將其水平放置后，俯視圖為直徑300mm的圓盤結構。由于圓盤不同位置的厚度與波動存在差異，形成了晶圓獨特的三維形貌。為精準表征硅晶圓的幾何形貌，可根據空間波長大小，對其空間分布特征進行分類界定，核心檢測參數如下：

如圖2所示，形狀（shape）對應空間波長較長的形貌特征，與晶圓厚度變化無直接關聯，主要反映晶圓的整體彎曲程度。通常采用翹曲（warp）與彎曲（bow）兩個參數，量化晶圓形狀變化幅度，通過這兩個參數可直觀反映晶圓加工過程中的應力大小與變形程度。

圖2

平整度（flatness）定義于空間波長為幾毫米至幾十毫米的范圍，分為全局平整度與局部平整度兩類，分別反映晶圓整體厚度變化與局部區域厚度波動。全局平整度核心評價指標為GBIR（global flatness back-surface ideal range），其定義是以理想背面為基準面時的全局厚度極差，又稱總厚度變化（total thickness variation，TTV），代表晶圓內最大厚度與最小厚度的差值，是評估晶圓整體平整度的核心指標。

局部平整度核心評價指標為SFQR[site frontside front-surface least-squares fit (site) range]，指局部區域內相對于上參考面的最大偏差與最小偏差的差值，參考面通過局部區域上表面的最小二乘法擬合確定，常見的局部區域劃分尺寸為26mm×8mm與25mm×25mm，是評估晶圓局部平整度的核心參數。根據基準面選擇的不同，還有SBIR（site flatness back-surface ideal range）指標，其定義為局部區域相對于理想背面的最大距離與最小距離的差值。由于晶圓邊緣與中間區域的平整度通常存在顯著差異，為精準評估邊緣平整度惡化程度，專門引入近邊緣扇形區域平整度指標ESFQR[edge site flatness front-surface least-squares fit (site) range]，其計算邏輯與SFQR一致，但聚焦于晶圓邊緣區域，通常選取晶圓邊緣30mm、5°的扇形區域作為計算范圍。

在平整度參數計算過程中，通常會對晶圓邊緣進行特殊處理，排除最外圍13mm的邊緣區域。該處理方式旨在規避邊緣非有效加工區域對檢測數據的干擾，確保檢測結果能精準反映晶圓中心有效加工區域的平坦度，為后續芯片制造提供可靠的數據支撐。

納米形貌（nanotopography）的空間波長定義為0.2~20mm，主要用于表征晶圓前后表面在短波長范圍內的高度變化。該參數是應對高端先進制程需求而制定的新型檢測標準，對評估拋光后介電層厚度一致性、保障器件最終良率具有重要意義。評估過程中，通常將晶圓劃分為多個正方形小區域（如2mm×2mm、10mm×10mm等），逐區域進行精準檢測。

晶圓表面粗糙度（roughness）的空間波長通常不超過100μm，聚焦于表征晶圓表面微觀幾何特性，是評估表面光滑度的核心參數。上述各類形貌與檢測參數的空間波長范圍與核心定義，如圖2所示。

形狀、平整度與納米形貌的檢測通常采用光學檢測手段，例如可通過科天公司生產的WaferSight系列光學干涉儀完成檢測；而表面粗糙度的檢測則主要依賴原子力顯微鏡（AFM），通過微觀掃描實現精準量化。

常見異常及處理

拋光工藝常見異常包括平整度偏差、表面顆粒超標、腐蝕坑與拋光霧、表面劃傷、晶圓碎片等，各類異常的成因與核心處理措施如下：

（1）平整度偏差：出現該異常時，需及時開展工藝復盤確認，通過測試片對比實驗區分異常來源。常見成因包括：冷卻水流量異常導致拋光溫度失控、拋光墊超出使用壽命、拋光頭漏氣引發壓力失準等，需針對性開展溫度校準、耗材更換、氣密性檢測等處理措施；

（2）表面顆粒超標：該問題多發生于拋光后清洗階段，可通過返洗、返拋處理改善，同時對比處理前后的顆粒分布圖譜，確認顆粒來源為外來污染或晶圓原生缺陷；

（3）外來污染管控：若顆粒源于外來污染，需重點檢查化學液濾芯、拋光液濾芯的運行狀態，判斷是否存在堵塞、失效等問題，同時排查清洗槽刷子磨損情況，按需進行更換；

（4）腐蝕坑與拋光霧：該類異常通常與拋光液化學腐蝕作用相關，核心成因包括：拋光后晶圓未及時開展清洗作業，表面殘留的拋光液持續腐蝕晶圓表面；拋光液稀釋比不合理、供液流量異常，或拋光溫度過高，導致機械研磨作用不足、化學反應過度，進而引發表面腐蝕，需針對性優化拋光液參數、管控拋光溫度、強化清洗時效性；

（5）表面劃傷：主要由拋光墊表面附著異物、金剛石修整盤上金剛石顆粒脫落等因素導致，需及時清洗拋光墊，嚴重時需更換拋光墊與修整盤，同時加強耗材進場檢驗與設備日常巡檢；

（6）晶圓碎片：主要分為內應力集中碎片與壓力設置異常碎片兩類。內應力集中碎片通常沿晶圓晶相裂解，碎片形態規整、殘渣較少，處理難度較低、影響范圍較小；壓力設置異常碎片多發生于分區間壓力配置不平衡，或壓力值超出安全系數的場景，每次嘗試新壓力參數組合時，需依據設備廠家提供的壓力安全計算表開展風險評估。碎片發生后，需對設備進行全面預防性維護（preventive maintenance，PM），及時清理拋光盤上的碎片殘渣并進行拼圖核對，確保所有碎片完全清除；同時檢查拋光墊完整性、拋光頭背膜完好性，并完成拋光頭氣密性檢測，排除后續運行隱患。