文章来源：学习那些事
原文作者：前路漫漫
本文介绍了抛光设备自动化、检测参数及常见异常处理。
自动化在设备中的应用
在半导体器件规模化量产过程中，抛光设备的自动化水平直接决定生产效率、工艺稳定性与作业安全性，需同时满足交互便捷性、运行可视化、安全可控性等核心诉求。设备不仅要配备完善的人机交互界面，实现运行状态实时可视化以支撑日常运维，还需构建可靠的安全互锁机制与人工操作防呆设计，从源头规避生产安全隐患。结合量产场景的实际应用需求，抛光设备的核心自动化配置要求如下：
（1）具备高质量、全流程的自动化通信交互能力，可兼容主流半导体设备通信标准与协议，包括半导体设备通信标准I（SECS-I）、半导体设备通信标准II（SECS-II）、通用设备模型（GEM）及高速半导体设备通信标准消息服务（HSMS），实现与生产系统的无缝对接；
（2）设备与前开式晶圆传送盒（front opening unified pod，FOUP）之间需配置专属互锁结构，有效防止晶圆在上料（loading）与下料（unloading）过程中发生碰撞破损，保障晶圆转运安全；
（3）预留在线检测系统（如Novai550）安装接口，同时集成自动过程控制（auto process control，APC）功能，可实现工艺参数的实时调控与闭环管理；
（4）配备至少2个及以上可操作界面，支持操作人员在设备不同位置开展作业，提升操作灵活性与应急处理效率；
（5）搭载四色蜂鸣信号灯，信号灯颜色与对应运行状态可由用户自定义配置，核心可定义状态包括空闲（idle）、报警（alarm）、工艺进行中（processing）等，四色分别为红、黄、蓝、绿，实现设备状态直观识别；
（6）设备晶圆装卸机（loadport）需具备晶圆盒身份（ID）识别与读取功能，必须标配4个可适配的针脚（pin），确保与FOUP信息端模块精准匹配，保障信息交互与转运协同的可靠性；
（7）设备供应商需配套提供E84通信电缆与专用传感器，支持设备与工厂天车系统（overhead hoist transport，OHT）的稳定连接，实现晶圆自动化转运衔接；
（8）针对设备自动化编程（equipment automation programming，EAP）下发的指令，设备可自主完成故障诊断与状态反馈，及时定位异常问题；
（9）可通过标准SECS通信协议，向自动化生产系统主机实时上传各类报警信息，以及全流程工艺参数、硬件运行数据等核心信息，支撑生产系统的统筹管控；
（10）具备与工厂自动化生产系统的自动通信能力，可根据生产系统下达的指令，自主启动与终止制品抛光作业，实现生产流程的自动化衔接；
（11）设备软件需具备工艺参数统计分析功能，可将温度、压力、气体流量等核心参数处理为平均值、最大值、最小值等统计数据；同时集成统计过程控制（statistical process control，SPC）功能，并支持先进过程控制（advanced process control，APC），为工艺优化提供数据支撑。
在线检测系统与APC的联动控制，是当前抛光工艺自动化控制的前沿技术方向。其核心应用场景为：基于前一片晶圆的抛光移除量检测数据，自动调整下一片晶圆的抛光时间参数，使抛光后硅（Si）晶圆的厚度更接近目标设定值，提升厚度一致性。该技术已在介质层抛光工艺中实现广泛应用，但在硅晶圆衬底抛光场景中，受测试模块适配性限制，尚未得到大规模推广。此外，除抛光时间外，APC技术正逐步将分区压力等更多核心抛光参数纳入自动化控制体系，形成更强的平整度调控能力，可实现单片硅晶圆的定制化工艺控制，在对平整度要求严苛的高端制造场景中，具备广阔的应用前景。
关键工艺参数
优化晶圆平整度是抛光工艺的核心目标之一，而抛光过程中平整度偏差的产生，核心源于晶圆不同区域材料移除速率的不均衡。结合抛光工艺实际应用场景，以下为影响平整度与加工质量的关键工艺参数：
1) 压力
常规情况下，晶圆局部区域所受压力与该区域材料移除速率呈正相关关系。压力的增减可直接调节抛光过程中的机械研磨强度，是工艺调试中用于调控平整度的常用且高效手段。在双面抛光工艺中，压力控制包含总压力参数，以及上盘自适应控制（upper platen adaptive control，UPAC）、下盘自适应控制（lower platen adaptive control，LPAC）功能，分别实现全局压力与局部压力的精准调控。在单面单片抛光工艺中，通过抛光头的分区压力控制系统，可实现对硅晶圆特定区域的压力精准调节，压力控制区域通常以晶圆半径为基准，划分为环状区域（如图1所示）。
图1
2) 转速
转速通过改变晶圆与抛光盘之间的相对移动速率，间接影响材料移除速率。在相同抛光时长下，晶圆与抛光盘的平均相对速度越大，晶圆表面单位面积所经过的研磨路径越长，材料移除量也就越大。抛光过程中，抛光头的自转、摆动与抛光盘的旋转，共同构成复杂的运动体系。理想状态下，当抛光头转速与抛光盘转速完全一致时，晶圆各区域相对于抛光盘的移动距离相同，可实现各区域材料均匀移除，被视为理论最优工艺配置。但在实际量产场景中，该配置会导致抛光头移动路径局限于抛光盘固定区域，大幅降低抛光垫利用率，增加耗材损耗与生产成本，不利于规模化生产。因此，实际应用中通常会为抛光头增加摆动功能，且抛光头与抛光盘的转速比设置为接近1但不相等，常见的转速配置包括50/52 rpm、87/90 rpm、119/121 rpm等。此外，转速参数的选择需与压力参数适配，转速过低会影响抛光液在抛光垫表面的均匀分散，进而导致抛光效果不稳定。
3) 温度
温度变化会直接影响抛光过程中化学反应速率，导致整体抛光速率波动，进而影响工艺稳定性。抛光过程中，机械研磨摩擦与化学反应均会释放热量，且设备长时间连续运行也可能出现热量累积。通常情况下，一个完整的抛光流程中，系统温度波动幅度约为10℃，因此对抛光盘与抛光液的温度管控至关重要。常规管控措施包括：在抛光盘下方布置冷却水管道，实现温度实时稳定控制；每批次抛光作业结束后，通过高压水冲洗抛光盘，及时散发热量，减少热量累积；同时，抛光液供液系统需配备专用控温模块，保障抛光液温度稳定。需要注意的是，温度并非越低越有利于抛光作业，例如在部分介质层抛光场景中，约40℃的抛光温度可加快化学反应进程，保障较高的抛光速率。在其他高端制程中，维持稳定的高温环境或设计精准的变温抛光流程，也是新工艺开发的重要方向。
关键检测参数
硅晶圆在空间维度上呈现三维分布特性，将其水平放置后，俯视图为直径300mm的圆盘结构。由于圆盘不同位置的厚度与波动存在差异，形成了晶圆独特的三维形貌。为精准表征硅晶圆的几何形貌，可根据空间波长大小，对其空间分布特征进行分类界定，核心检测参数如下：
如图2所示，形状（shape）对应空间波长较长的形貌特征，与晶圆厚度变化无直接关联，主要反映晶圆的整体弯曲程度。通常采用翘曲（warp）与弯曲（bow）两个参数，量化晶圆形状变化幅度，通过这两个参数可直观反映晶圆加工过程中的应力大小与变形程度。
图2
平整度（flatness）定义于空间波长为几毫米至几十毫米的范围，分为全局平整度与局部平整度两类，分别反映晶圆整体厚度变化与局部区域厚度波动。全局平整度核心评价指标为GBIR（global flatness back-surface ideal range），其定义是以理想背面为基准面时的全局厚度极差，又称总厚度变化（total thickness variation，TTV），代表晶圆内最大厚度与最小厚度的差值，是评估晶圆整体平整度的核心指标。
局部平整度核心评价指标为SFQR[site frontside front-surface least-squares fit (site) range]，指局部区域内相对于上参考面的最大偏差与最小偏差的差值，参考面通过局部区域上表面的最小二乘法拟合确定，常见的局部区域划分尺寸为26mm×8mm与25mm×25mm，是评估晶圆局部平整度的核心参数。根据基准面选择的不同，还有SBIR（site flatness back-surface ideal range）指标，其定义为局部区域相对于理想背面的最大距离与最小距离的差值。由于晶圆边缘与中间区域的平整度通常存在显著差异，为精准评估边缘平整度恶化程度，专门引入近边缘扇形区域平整度指标ESFQR[edge site flatness front-surface least-squares fit (site) range]，其计算逻辑与SFQR一致，但聚焦于晶圆边缘区域，通常选取晶圆边缘30mm、5°的扇形区域作为计算范围。
在平整度参数计算过程中，通常会对晶圆边缘进行特殊处理，排除最外围13mm的边缘区域。该处理方式旨在规避边缘非有效加工区域对检测数据的干扰，确保检测结果能精准反映晶圆中心有效加工区域的平坦度，为后续芯片制造提供可靠的数据支撑。
纳米形貌（nanotopography）的空间波长定义为0.2~20mm，主要用于表征晶圆前后表面在短波长范围内的高度变化。该参数是应对高端先进制程需求而制定的新型检测标准，对评估抛光后介电层厚度一致性、保障器件最终良率具有重要意义。评估过程中，通常将晶圆划分为多个正方形小区域（如2mm×2mm、10mm×10mm等），逐区域进行精准检测。
晶圆表面粗糙度（roughness）的空间波长通常不超过100μm，聚焦于表征晶圆表面微观几何特性，是评估表面光滑度的核心参数。上述各类形貌与检测参数的空间波长范围与核心定义，如图2所示。
形状、平整度与纳米形貌的检测通常采用光学检测手段，例如可通过科天公司生产的WaferSight系列光学干涉仪完成检测；而表面粗糙度的检测则主要依赖原子力显微镜（AFM），通过微观扫描实现精准量化。
常见异常及处理
抛光工艺常见异常包括平整度偏差、表面颗粒超标、腐蚀坑与抛光雾、表面划伤、晶圆碎片等，各类异常的成因与核心处理措施如下：
（1）平整度偏差：出现该异常时，需及时开展工艺复盘确认，通过测试片对比实验区分异常来源。常见成因包括：冷却水流量异常导致抛光温度失控、抛光垫超出使用寿命、抛光头漏气引发压力失准等，需针对性开展温度校准、耗材更换、气密性检测等处理措施；
（2）表面颗粒超标：该问题多发生于抛光后清洗阶段，可通过返洗、返抛处理改善，同时对比处理前后的颗粒分布图谱，确认颗粒来源为外来污染或晶圆原生缺陷；
（3）外来污染管控：若颗粒源于外来污染，需重点检查化学液滤芯、抛光液滤芯的运行状态，判断是否存在堵塞、失效等问题，同时排查清洗槽刷子磨损情况，按需进行更换；
（4）腐蚀坑与抛光雾：该类异常通常与抛光液化学腐蚀作用相关，核心成因包括：抛光后晶圆未及时开展清洗作业，表面残留的抛光液持续腐蚀晶圆表面；抛光液稀释比不合理、供液流量异常，或抛光温度过高，导致机械研磨作用不足、化学反应过度，进而引发表面腐蚀，需针对性优化抛光液参数、管控抛光温度、强化清洗时效性；
（5）表面划伤：主要由抛光垫表面附着异物、金刚石修整盘上金刚石颗粒脱落等因素导致，需及时清洗抛光垫，严重时需更换抛光垫与修整盘，同时加强耗材进场检验与设备日常巡检；
（6）晶圆碎片：主要分为内应力集中碎片与压力设置异常碎片两类。内应力集中碎片通常沿晶圆晶相裂解，碎片形态规整、残渣较少，处理难度较低、影响范围较小；压力设置异常碎片多发生于分区间压力配置不平衡，或压力值超出安全系数的场景，每次尝试新压力参数组合时，需依据设备厂家提供的压力安全计算表开展风险评估。碎片发生后，需对设备进行全面预防性维护（preventive maintenance，PM），及时清理抛光盘上的碎片残渣并进行拼图核对，确保所有碎片完全清除；同时检查抛光垫完整性、抛光头背膜完好性，并完成抛光头气密性检测，排除后续运行隐患。
