CN102371535B - 应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，涉及硅片化学机械抛光设备技术领域。其基板通过支杆与上面的装载导向环连接；升降驱动机构上面的伸缩部与上面的晶片夹固定连接；晶片夹和其外面的晶片引导环连接；装载导向环上设有硅片承载装置对接导向机构，以及硅片顶接导向机构；基板或升降驱动机构的下部设有自动位移调整机构及其自动复位机构。本发明能实现硅片的准确定位并将其运送到承载器内以便加工；结构简单、定位准确、装载安全、性能可靠、操作方便，有利于实现硅片的自动化装载，提高硅片的定位装载和加工效率。特别适用于化学机械抛光设备中的硅片装载，也可用于晶体管和集成电路生产各工序中晶圆的装载。

Description

应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置
技术领域
本发明涉及硅片化学机械抛光(CMP)设备及硅片定位装载装置技术领域。
背景技术
在集成电路生产中，绝大多数工序都会涉及到晶圆定位装载这一环节，晶圆定位装载效果的好坏对晶圆加工有重要的影响，处理不当，可能使晶圆报废，或者制造出来的器件性能低劣，稳定性和可靠性很差。因此研制出高定位精度、高效的晶圆定位装载方法，不管是对于从事晶圆加工，还是对于从事半导体器件生产来说都有着重要的意义。正是由于晶圆定位装载是半导体器件制造中最重要最频繁的步骤，而且其效率将直接影响到器件的成品率、性能和可靠性，所以国内外对晶圆定位装载工艺的研究一直在不断地进行。
化学机械抛光(CMP)是目前在硅片表面实现全局平坦化的唯一的方法。在化学机械抛光过程中，硅片定位装载装置是化学机械抛光(CMP)设备中的重要部件，硅片装载装置起着定位硅片和将硅片准确的运送到承载器(抛光头)内以备抛光的作用。随着大规模集成电路的发展，硅片尺寸的不断增大，集成度的不断提高等，对硅片抛光片的表面质量要求也越来越严格。
在目前的化学机械抛光设备中，硅片装载装置主要特点是直接采用承载器真空吸附或水悬浮的方式装载硅片，这些方式在实现装片的同时也带来一些弊端，比如直接控制承载器真空吸附硅片很困难，庞大的系统很有可能将硅片弄碎；当装载直径比较大的硅片时，必须同时采用多个喷射器对硅片进行水悬浮，这就带来调节各喷射器水压的难度，另外在装片过程中也浪费了大量的去离子水，增加了成本。因此为了顺利的将硅片装载到承载器内并提高硅片装载效率急需更先进的硅片装载技术。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，它不仅能实现硅片的准确定位并将其运送到承载器内以便加工；而且其结构简单、定位准确、装载安全、操作方便、性能可靠，有利于实现硅片的自动化装载，提高硅片的定位装载和加工效率。特别适用于化学机械抛光设备中的硅片装载，也可应用于晶体管和集成电路生产各工序中晶圆的装载。
本发明实现上述发明目的所采用的主要技术方案为：一种应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于具有基板，基板通过支杆与上面的装载导向环连接；装载导向环和基板间设有将硅片放入的空间；提升驱动机构的固定部装在基板上，升降驱动机构上面的伸缩部与上面的晶片夹固定连接；晶片夹和其外面的晶片引导环连接，晶片夹和晶片引导环共同形成方便从机械手接收硅片的凹处；晶片夹和晶片引导环位于装载导向环的下中部；装载导向环上设有硅片承载装置对接导向机构，以及硅片顶接导向机构；基板或升降驱动机构的下部设有自动位移调整机构及其自动复位机构。
自动位移调整机构可实现在X和Y方向上的导向对准时整个硅片定位装载装置的位移自动调节校正。自动复位机构可实现整个硅片定位装载装置的位移自动调节校正后，能自动回复到原来位置；以待进行下一个装载循环。
所述的晶片夹和其外面的晶片引导环的连接为具有一定弹性空间的柔性连接较好。一有缓冲作用，二更方便继续上升缓慢对接，安全性更高。
所述的晶片夹和其外面的晶片引导环的连接为具有一定弹性空间的柔性连接结构较好为：晶片夹从晶片引导环的中间穿过，晶片夹通过其上的法兰式结构用至少3个拉簧和晶片引导环上的拉簧座连接。
所述的装载导向环上设有的硅片承载装置对接导向机构为倒圆台式倒角较好，其结构简单、可靠。也可为至少具有3个滑面导轨式结构；或为外倒角式接构等。
所述的硅片顶接导向机构为圆台式倒角较好，其结构简单、可靠。也可为至少具有3个滑面导轨式结构等。
所述的升降驱动机构可为油缸活塞式升降驱动机构，活塞杆上端与上面的晶片夹连接；活塞杆外面设有伸缩式防护罩。也可为气压式升降驱动机构，或电机-丝缸式升降驱动机构等。伸缩式防护罩可保护升降驱动机构不受水和抛光液等污染物得影响。
所述的在晶片引导环外侧壁面上设置有确认硅片是否被定位的光电传感器，可便于实现电路的自动控制。
所述的自动位移调整机构可为X、Y二维位移机构，其结构为：包括层叠式的三个底盘：底盘一、底盘二以及底盘三；在底盘一和底盘二之间以及在底盘二(和底盘三之间分别安装有呈相互垂直的、允许该定位装载装置在X和Y方向上的对准调节的线性导轨装置和各一对能够使得该装载装置在装载之后能够返回到原来的中心位置的偏置复位弹簧；所述一对偏置复位弹簧的两端分别与上下底盘相连，每对偏置复位弹簧中两根弹簧所构成的平面平行于和该对偏置复位弹簧对应的线性导轨装置的运行方向。
所述线性导轨装置允许装载装置整体可实现在X和Y方向上的导向对准位移自动调节校正。所述偏置复位弹簧，可使得装载装置在装载之后能够返回到原来的中心位置。该偏置复位弹簧和线性导轨装置一起允许在装载装置与承载器之间以及装载装置与机械手之间存在一定的未对准量。
所述每对偏置复位弹簧中两根弹簧装配呈V字形较佳。也可为多个，非V字形布置。
X、Y二维位移机构可具有支架，支架可支撑整个硅片定位装载装置并可以调节整个装置的平面度使其轴线与承载器轴线平行。
所述X、Y二维位移机构的结构也可为摇杆、双滑轨梁式加移动滑车式位置调整机构等；或其他自动位移调整机构。所述自动复位机构可为相应的可与以上具有不同个数和布置的偏置复位弹簧。只要能将对准时的自动移位复位即可。
本发明具有如下突出的有益效果：和现有技术相比，它克服了定位不准、精度差、安全性差、装片效率低等之不足，很好地解决了上述现有技术中长期存在且一直未能解决的问题，利用该装置，它不仅能实现硅片的准确定位并将其运送到承载器内；而且结构简单、定位准确、装载安全、操作方便，性能可靠、有利于实现硅片的自动化装载，提高硅片的定位装载和加工效率。特别适用于化学机械抛光设备中的硅片装载，也可应用于晶体管和集成电路生产各工序中晶圆的装载。
采用气缸提升方式及机械式自调整定位等结构，可以方便地实现硅片的准确定位、可靠装载，从而使硅片得到高准确度和高效的装载效果。本发明是不同于现有技术的全新结构，其各种技术结构的设置都具有各自的结构优点，而发明本身在综合了各项技术结构的优点之外，体现出其结构简单、装调方便、定位装载准确可靠等整体优点。不仅可大大提高硅片装载的效率，而且还可以得到较好的抛光效果，是一种很好的可应用于300mm硅片化学机械抛光设备中的硅片装载装置。采用此项技术在对硅片进行定位装载以备抛光时，可获得非常精确的硅片定位和高的装载效率。
附图说明
图1为本发明一个较好的实施例的立体结构示意图。
图2为图1中下方部分1的立体结构示意图。
图3为图1中晶片夹组件204的立体结构示意图。
图4为图3中弹性构件404位置的局部剖视图。
图5为图1中的装载导向环302及支杆301的立体结构示意图。
图6为图1的装配中轴线的局部剖视图。
图7为图1与承载装置配合进行硅片定位装载工作过程框图。
图中：下方部分-1、中间部分-2、上方部分-3、支架-4；硅片承载装置-100；线性导轨装置-101、偏置复位弹簧-102、底盘一-103、底盘二-104、底盘三-105、限位调整机构-106；(升降驱动机构)提升气缸-201、气缸防护套-202、基板-203、晶片夹组件-204；支杆-301、装载导向环-302；晶片夹-401、晶片引导环-402、伸缩式防护罩-403、弹性构件-404、光电传感器-405、拉簧座-406、拉簧-407、硅片-408；倒圆台式倒角(或称倒角)-501、内环部分-502、外环部分-503、圆台式倒角(或称圆锥形孔)-504。
具体实施方式
下面将结合本发明一个较好的实施例及其附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1～图7，该应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，具有基板203，基板203通过支杆301与上面的装载导向环302连接；装载导向环302和基板203间设有将硅片放入的空间；升降驱动机构201的固定部装在基板203上，升降驱动机构201上面的伸缩部与上面的晶片夹401固定连接；晶片夹401和其外面的晶片引导环402连接，晶片夹401和晶片引导环402共同形成方便从机械手接收硅片的凹处；晶片夹401和晶片引导环402位于装载导向环302的下中部；装载导向环302上设有硅片承载装置对接导向机构以及硅片顶接导向机构；基板203或升降驱动机构201的固定部与下面的位置调整机构相连。晶片夹401和其外面的晶片引导环402的连接为具有一定弹性空间的柔性连接。具有一定弹性空间的柔性连接结构为：晶片夹401从晶片引导环402的中间穿过，晶片夹401通过其上的法兰式搭接结构用4个拉簧407和晶片引导环402上的拉簧座406连接。装载导向环302上设有的方便硅片承载装置对接导向机构与为倒圆台式倒角501。硅片顶接导向向机构为圆台式倒角504。
升降驱动机构201为油缸活塞式升降驱动机构，活塞杆上端与上面的晶片夹401固定连接，活塞杆外面设有伸缩式防护罩202。在晶片引导环402外侧壁面上设置有确认硅片是否被定位的光电传感器405；自动位移调整机构为X、Y二维位移机构，结构为：包括层叠式的三个底盘：底盘一103、底盘二104以及底盘三105；在底盘一103和底盘二104之间以及在底盘二104和底盘三105之间分别安装有呈相互垂直的、允许该定位装载装置在X和Y方向上的对准调节的线性导轨装置101和各一对能够使得该装载装置在装载之后能够返回到原来的中心位置的偏置复位弹簧102；所述一对偏置复位弹簧102的两端分别与上下底盘相连，每对偏置复位弹簧中两根弹簧所构成的平面平行于和该对偏置复位弹簧对应的线性导轨装置的运行方向。每对偏置复位弹簧102中两根弹簧装配呈V字形。
图1也可分为包括支架4、实现位置调整作用的下方部分1、实现提升作用的中间部分2和实现定位作用的上方部分3，支架4安装在硅片化学机械抛光设备中主体部分上，下方部分1、中间部分2和上方部分3依次连接，下方部分1安装在支架4上。
下方部分1包括呈叠加状的三个底盘：底盘一103、底盘二104以及底盘三105，在底盘一103和底盘二104之间以及在底盘二104和底盘三105之间分别安装有呈相互垂直的线性导轨装置101和各一对偏置复位弹簧102，所述一对偏置复位弹簧102的两端分别通过圆柱销和弹簧座与上下底盘相连，装配呈V字形，每对偏置复位弹簧中两根弹簧所构成的平面平行于和该对偏置复位弹簧对应的线性导轨装置的运行方向。在所述三个底盘外罩设有防护外罩。线性导轨装置101允许该定位装载装置在X和Y方向上的对准调节，而偏置复位弹簧102使得装载装置在装载之后能够返回到原来的中心位置。另外，下方部分1还包括用来调节线性导轨装置101的限位调整机构106。呈相互垂直的X、Y线性导轨装置，也可用市场销售的。
中间部分2包括升降驱动机构即提升气缸201、基板203、晶片夹组件204，晶片夹组件204位于装载导向环302和基板203之间，提升气缸201通过基板203与晶片夹组件204连接，提升气缸201的下法兰与下方部分1中的底盘三105固定连接；所述晶片夹组件204包括晶片夹401和晶片引导环402，晶片夹401位于晶片引导环402内，晶片夹401和晶片引导环402采用有一定弹性空间的柔性连接，晶片夹401和晶片引导环402共同形成以方便从机械手接收硅片的凹处，在晶片引导环(402)外侧壁面上设置有确认硅片是否被定位的光电传感器(405)。所述提升气缸201的上部法兰安装在将中间部分2和上方部分3连接到一起的基板203上，提升气缸201的活塞杆穿过基板203与晶片夹401固定连接。所述中间部分2还应包括设置在升降驱动机构201外的防护罩202，其结合定位装载装置整体的安装可以实现保护提升气缸201以下部分不受水和抛光液等污染物影响。在晶片夹401下面中央处还设置有提升气缸防护套403，用来防护提升气缸201的活塞杆。在本实施例中所述晶片夹401和晶片引导环402的柔性连接结构为：晶片夹401和晶片引导环402通过弹性构件404连接在一起，弹性构件404设置为至少三个并且均匀分布在晶片引导环402上，该弹性构件404由设置在晶片引导环402上的拉簧座406，以及两端分别和拉簧座406以及晶片夹401连接的拉簧407构成，所述拉簧407将晶片夹401和晶片引导环402压在一起。
上方部分3包括装载导向环302、支杆301。所述装载导向环302分外环部分503和内环部分502，内环部分502是设置在装载导向环302内部突出的用来限定承载器装载位置的台阶状部分；与承载器的结构相配在装载导向环302中的外环部分503沿内缘表面设有倒圆台式倒角501，在装载导向环302中的内环部分502边缘设置有圆台式倒角504，其允许与晶片夹401外边缘之间具有一定的未对准间隙量，使得气缸提升过程中实现硅片与承载器之间的准确定位；装载导向环302通过设置在装载导向环302外环边缘的至少三个支杆301与基板203连接。
其升降电路控制可为手动或自动控制等结构；该控制电路，一般技术人员均可设计和实施(略)。与本发明配合的硅片承载装置有与其配合的定位结构，以及硅片吸附结构等。
本实施例的工作过程为(参照附图7)：可先调节位置调整装置1中的线性导轨装置101和偏置复位弹簧102，使得该硅片定位装载装置基本处于承载器的正下方某个位置(如加限位调整机构106更好，可使导轨滑动在一个合适的更加准确的范围内)。机械手将待抛光硅片从储存盒中取出从装载导向环302和基板203间放置在晶片夹组件204上，硅片通过边缘与晶片夹组件204接触并很好的定位在晶片夹组件204内，以备将硅片装载到承载器内；硅片边缘与晶片夹组件接触以实现装载前的定位功能，由于是柔性连接，当晶片引导环停止运动时，晶片夹还可以继续运动一段距离。此外，晶片夹和晶片引导环的结构使得硅片仅在硅片的边缘接触晶片夹。所述基板可起支撑装载导向环、承载器和排除积蓄液体的作用。升降驱动机构在将硅片提升到承载器内之后缩回晶片夹组件。
上方部分包括用来定位承载器装载位置的装载导向环，支杆。装载导向环沿内缘表面具有倒角，该倒角与承载器中保持环的倒角合作以提供对承载器和装载装置之间的未对准的补偿量。装载硅片时承载器位于装载导向环内部以方便从装载装置中拾取硅片，装载导向环内部突出台阶部分限定了承载器的装载位置。在装载导向环内环边缘设有具收拢作用的圆锥形孔口(八字形)，其允许装载导向环与硅片和晶片夹组件之间具有一定的间隙量，使得在升降驱动机构提升过程中实现硅片与承载器之间的对准定位，以方便将硅片顺利的吸附在承载器内。位于装载导向环和基板之间的三个支杆主要用来支撑装载导向环和装载时的承载器，其结构简单，安装方便。
当位于晶片引导环402边缘的光电传感器405确认硅片已经被定位在晶片夹401后，承载器开始下降并定位在定位装载装置中的装载导向环302的内部。安装在位置调整装置1中的提升气缸201将晶片夹组件204和硅片一起向上提升直到硅片进入承载器凹处内，此时承载器通过真空将硅片吸附在其内部以备抛光。安装在承载器上面的硅片检测传感器确认硅片已经存在于承载器内部后，提升气缸201将晶片夹组件204下降到初始位置以便接收下一个待抛光硅片，同时吸附有硅片的承载器离开装载导向环302向上提升并运动到抛光台上方准备抛光，至此完成了一个硅片定位装载的完整过程，硅片定位和装载的效率明显得到提高。
经常暴露于化学试剂中的装载装置通常由抗腐蚀性的材料加工制作而成，比如工程塑料、不锈钢、铝和其它相关的抗腐蚀性材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于具有基板（203），基板（203）通过支杆（301）与上面的装载导向环（302）连接；装载导向环（302）和基板（203）间设有将硅片放入的空间；升降驱动机构（201）的固定部装在基板（203）上，升降驱动机构（201）上面的伸缩部与上面的晶片夹（401）固定连接；晶片夹（401）和其外面的晶片引导环（402）连接，晶片夹（401）和晶片引导环（402）共同形成方便从机械手接收硅片的凹处；晶片夹（401）和晶片引导环（402）位于装载导向环（302）的下中部；装载导向环（302）上设有硅片承载装置对接导向机构，以及硅片顶接导向机构；基板（203）或升降驱动机构（201）的下部设有自动位移调整机构及其自动复位机构；
所述的自动位移调整机构为X、Y二维位移机构，其结构为：包括层叠式的三个底盘：底盘一（103）、底盘二(104)以及底盘三(105)；在底盘一（103）和底盘二(104)之间以及在底盘二(104)和底盘三(105)之间分别安装有呈相互垂直的、允许该定位装载装置在X和Y方向上的对准调节的线性导轨装置（101）；所述的自动复位机构为：在底盘一（103）和底盘二(104)之间以及在底盘二(104)和底盘三(105)之间分别安装有一对能够使得该装载装置在装载之后能够返回到原来的中心位置的偏置复位弹簧（102）；所述一对偏置复位弹簧（102）的两端分别与上下底盘相连，每对偏置复位弹簧中两根弹簧所构成的平面平行于和该对偏置复位弹簧对应的线性导轨装置的运行方向；
所述的晶片夹（401）和其外面的晶片引导环（402）的连接为具有一定弹性空间的柔性连接。
2.根据权利要求1所述的应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于所述的晶片夹（401）和其外面的晶片引导环（402）的连接为具有一定弹性空间的柔性连接结构为：晶片夹（401）从晶片夹（401）的中间穿过，晶片夹（401）通过其上的法兰式搭接结构用至少3个拉簧（407）和晶片引导环（402）上的拉簧座（406）连接。
3.根据权利要求1所述的应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于所述的装载导向环（302）上的硅片承载装置对接导向机构为倒圆台式倒角（501）。
4.根据权利要求1所述的应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于所述的硅片顶接导向机构为圆台式倒角（504）。
5.根据权利要求1所述的应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于所述的升降驱动机构（201）为油缸活塞式升降驱动机构，晶片夹（401）固定装在活塞杆上端，活塞杆外面设有伸缩式防护罩（202）。
6.根据权利要求1所述的应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于所述的在晶片引导环（402）外侧壁面上设置有确认硅片是否被定位的光电传感器（405）。
7.根据权利要求1所述的应用于化学机械抛光设备中的硅片定位装载装置，其特征在于：所述每对偏置复位弹簧（102）中两根弹簧装配呈V字形。
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