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質(zhì)量流量控制器在半導(dǎo)體CMP設(shè)備中的詳細(xì)應(yīng)用

閱讀:96      發(fā)布時間:2025-4-25
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化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)是半導(dǎo)體制造中實現(xiàn)晶圓表面納米級平坦化的關(guān)鍵工藝,其核心設(shè)備CMP機(jī)臺通過化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同作用,確保芯片多層結(jié)構(gòu)的精確加工。質(zhì)量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)作為高精度氣體流量控制的核心部件,在CMP設(shè)備中扮演了重要角色。

CMP工藝對氣體控制的嚴(yán)苛需求

CMP工藝的核心是通過拋光液與晶圓表面的化學(xué)反應(yīng)及機(jī)械摩擦實現(xiàn)材料去除。在此過程中,多種工藝氣體(如氧氣、氮氣、氬氣)需精確控制,以滿足以下需求:

化學(xué)反應(yīng)調(diào)控:

拋光液的氧化或還原反應(yīng)需通過氣體流量控制實現(xiàn)。例如,氧氣用于增強(qiáng)氧化反應(yīng)速率,而氮氣則用于惰性環(huán)境下的穩(wěn)定性控制。

壓力穩(wěn)定性:

CMP設(shè)備需保持拋光壓力的高穩(wěn)定性(如0.1%-0.2%的波動范圍),而氣體流量波動會直接影響壓力控制精度。

腐蝕性氣體處理:

部分CMP工藝涉及強(qiáng)腐蝕性氣體(如氟化氫),需MFC具備耐腐蝕材料(如316L不銹鋼、金屬密封)以延長使用壽命。

層流壓差式MFC的技術(shù)特性與CMP適配性

層流壓差式MFC基于層流元件兩端的壓差變化與流量之間的線性關(guān)系,通過高精度傳感器和閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)流量調(diào)節(jié),其技術(shù)特點與CMP需求高度契合:

寬量程比與高穩(wěn)定性

采用層流壓差原理的MFC具備寬量程比,可覆蓋從0.5 mL/min至10000 L/min的流量范圍,滿足CMP設(shè)備對不同工藝階段的流量需求。

長期穩(wěn)定性好,適應(yīng)CMP工藝對氣體流量長期穩(wěn)定性的要求。

耐高壓與抗干擾能力

層流壓差式MFC通常耐壓范圍可達(dá)2.5Mpa,能夠適應(yīng)CMP設(shè)備中高壓氣體環(huán)境(如氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣),避免因壓力波動導(dǎo)致控制失效。

通過溫度補(bǔ)償算法和抗振動設(shè)計,有效抑制環(huán)境溫度變化和機(jī)械振動對流量測量的干擾。

材料兼容性與耐腐蝕性

關(guān)鍵流道采用哈氏合金或鍍鎳不銹鋼材質(zhì),密封材料選用全金屬或氟橡膠(視氣體腐蝕性而定),可兼容氟化氫、氯氣等強(qiáng)腐蝕性氣體。

層流壓差式MFC在CMP設(shè)備中的具體應(yīng)用場景

拋光液氣體環(huán)境控制

CMP過程中,拋光液的化學(xué)活性需通過氣體混合比例精確調(diào)控。例如,在銅拋光中,氧氣流量控制直接影響氧化銅層的生成速率,層流壓差式MFC通過高重復(fù)性(±0.15%設(shè)定值)確保氣體配比穩(wěn)定,避免過拋或欠拋。

壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輔助控制

CMP設(shè)備采用電氣比例閥調(diào)節(jié)拋光壓力,傳統(tǒng)單回路PID控制的精度僅1%-2%。通過引入層流壓差式MFC作為氣體供給單元,結(jié)合串級PID控制技術(shù)(雙回路控制),可將壓力穩(wěn)定性提升至0.1%-0.2%,減少晶圓表面缺陷。其高耐壓特性可適配高壓氣源系統(tǒng)。

先進(jìn)制程中的特殊氣體管理

3D封裝TSV工藝:硅通孔(TSV)的銅填充需氫氣還原氧化銅,層流壓差式MFC通過高線性度(±0.1%滿量程)精確調(diào)節(jié)氫氣流量,避免孔內(nèi)空洞形成。

超低流量控制:在淺溝槽隔離(STI)工藝中,層流壓差式MFC可穩(wěn)定控制10 mL/min以下的氬氣流量,確?;瘜W(xué)機(jī)械研磨的均勻性。

尾氣處理與安全監(jiān)控

CMP產(chǎn)生的廢氣(如揮發(fā)性有機(jī)物)需通過MFC控制惰性氣體稀釋或燃燒處理。層流壓差式MFC支持多氣體及混氣使用(如氮氣、氬氣共用同一控制器),結(jié)合報警功能(如上下限報警輸出)實現(xiàn)工藝安全閉環(huán)。

隨著半導(dǎo)體制程向3nm以下節(jié)點邁進(jìn),CMP工藝步驟增加至30余次,對MFC提出將更高要求,層流壓差式質(zhì)量流量控制器憑借其寬量程、高耐壓及長期穩(wěn)定性,已成為CMP設(shè)備中高精度氣體控制的核心組件。從基礎(chǔ)氣體配比到先進(jìn)制程的壓力控制,其技術(shù)特性契合CMP工藝的嚴(yán)苛需求。隨著半導(dǎo)體制造向更高集成度發(fā)展,層流壓差式MFC的技術(shù)升級與國產(chǎn)化進(jìn)程將進(jìn)一步提升中國在裝備領(lǐng)域的核心競爭力。


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