CN102476349B - 一种化学机械研磨装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学机械研磨装置，包括研磨机构、承载机构和与承载机构相连的旋转机构。所述旋转机构包括驱动器，所述承载机构至少包括旋转轴承，所述旋转轴承为磁悬浮轴承。本发明主要利用磁悬浮轴承作为研磨垫轴承，通过磁悬浮力将研磨垫悬浮于所述磁悬浮轴承之上，使其与磁悬浮轴承之间没有机械接触。本发明旨在将所述磁悬浮轴承技术应用于半导体工艺行业来代替现有的机械轴承，从而改进了使用机械轴承时带来的缺陷，例如，机械摩擦损耗、能量损耗、油污、噪音等问题。通过本发明所述的磁悬浮轴承除上述优点外，寿命比机械轴承更长，在很大程度上减少了由于轴承问题造成晶圆报废所带来的损失。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，特别涉及一种化学机械研磨装置。
背景技术
随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的特征尺寸(Feature Size)不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度。但多层布线技术的应用会造成衬底表面起伏不平，对图形制作极其不利。为此，常需要对衬底进行表面平坦化处理。目前，在平坦化技术中，优选采用化学机械研磨(ChemicalMechanical Polishing，CMP)，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，其已成为一项不可或缺的制作工艺技术。因此化学机械研磨装置也成为了半导体工艺中重要的设备之一。
中国专利号为99100796.4的专利中公开了一种化学机械研磨装置，如图1所示，包括：承载机构、旋转机构、研磨机构和浆料输送机构。所述承载机构包括：承载台23、卡环(未示出)和连接装置(未示出)，所述承载台23中央具有圆形槽；所述卡环位于承载台23承载面上，且位于圆形槽顶部。所述旋转机构包括：旋转轴24、旋转轴承(未示出)和驱动器28，所述旋转轴24与承载台23底面连接；所述旋转轴承位于圆形槽内，由卡环固定；所述旋转轴24通过驱动器28的驱动旋转，并带动承载台23绕着旋转轴转动，进而带动旋转轴承旋转，由旋转轴承控制研磨垫相应转动。所述研磨机构包括：研磨头26、与研磨头26连接的研磨旋转轴27和研磨垫29，所述研磨垫29通过承载机构上的连接装置与承载台23相连，所述研磨头26用于吸附晶圆25，在工作过程中将晶圆25夹于研磨垫29和研磨头26之间。所述浆料输送机构包括：浆料源30和浆料输送口21，工作时浆料源30出浆，浆料通过浆料输送口21输送到研磨垫29上。
在晶圆25被研磨垫29研磨时，研磨浆料22在研磨垫29和晶圆25之间围绕晶圆25的周边输送；晶圆25绕着研磨旋转轴27轴心线旋转，承载台23和研磨垫29绕着旋转轴24的轴心线旋转，所述旋转轴24的轴心线沿着弧形路径运动(即：从研磨旋转轴27的轴心线方向看，旋转轴24的轴心线绕着研磨旋转轴27的轴心线旋转)。
目前用于研磨晶圆片的化学机械研磨装置上驱动承载台旋转的研磨垫轴承是机械轴承，由于机械零件固有的缺陷，在机器运转过程中，机械轴承与研磨垫之间难免会产生一定的机械摩擦。当发生摩擦时，往往会造成机械零件的磨损、机器运转时能量的损耗，还常常会发出噪音，而当发生严重摩擦时，被研磨的产品(例如晶圆等)还可能会掉片，并造成报废。这样不仅会影响工艺制造的效率，还会带来大量财力和时间上的损耗。
因此，半导体工艺领域的工程师们希望能研发一种轴承来替代现有的机械轴承，从而使上述问题可以得到改善，但是目前还没有一种较好的解决方案。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种化学机械研磨装置，防止旋转轴承的磨损导致影响工艺制造的效率。
为解决上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨装置，包括：研磨机构、承载机构和旋转机构。所述旋转机构包括：旋转轴，所述旋转轴与承载机构连接，旋转轴上具有旋转轴承，所述旋转轴承位于承载机构的承载台内且其中一个表面与承载台承载面在同一平面内，其特征在于，所述旋转轴承为磁悬浮轴承。
优选地，所述磁悬浮轴承是一圆环状的电磁铁。
优选地，所述磁悬浮轴承与旋转轴之间由承载台间隔。
优选地，所述研磨机构包括研磨头、与研磨头连接的研磨旋转轴和连接于承载机构上的研磨垫。
优选地，所述承载机构还包括：卡环，设置于承载台承载面上，与所述磁悬浮轴承配合连接。
优选地，所述承载机构还包括：连接装置，用于将研磨垫同承载台相连。
优选地，所述承载机构上还包括：位置传感器，所述位置传感器位于承载机构两侧，用于检测所述研磨垫的位移变化。
优选地，所述旋转机构还包括：驱动器，驱动旋转轴旋转的同时带动承载机构绕着旋转轴旋转。
优选地，所述驱动器包括：传送带、齿轮箱以及马达，所述马达驱动齿轮箱转动，所述齿轮箱通过传送带与所述旋转轴连接。
优选地，还包括中央处理器，其通过电子线路与所述化学机械研磨装置相连接，并控制所述化学研磨装置中各个部件的运转。
优选地，所述中央处理器包括控制器和功率放大器，用于向所述磁悬浮轴承提供磁悬浮力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：使用磁悬浮轴承作为旋转轴承，在工作过程中，在磁悬浮力的作用下，研磨垫会悬浮于所述磁悬浮轴承之上进行转动，与承载台之间出现空隙；避免了旋转轴承与研磨垫之间产生机械接触，避免了旋转轴承与研磨垫之间接触产生的磨损，也降低了机台运转时的噪音，同时也在很大程度上减少了由于轴承问题造成晶圆报废所带来的损失。
附图说明
图1是现有技术中一种化学机械研磨装置的示意图；
图2是本发明所述一种化学机械研磨装置中所述磁悬浮轴承的工作原理示意图；
图3是本发明所述的一种化学机械研磨装置的示意图；
图4是根据图3所示的一种化学机械研磨装置的变化装置示意图；
图5是本发明所述的一种化学机械研磨装置中所述磁悬浮轴承的局部侧视图。
具体实施方式
发明人在半导体行业领域中对轴承结构进行充分的研究，并积累了大量的生产实践经验，针对存在的问题，提出本发明所述的一种化学机械研磨装置研磨垫的技术方案，与现有技术不同的是，本发明利用了磁悬浮轴承作为研磨垫轴承，其主要原理是通过在所述磁悬浮轴承上产生磁悬浮力将研磨垫悬浮于所述磁悬浮轴承的上方，使其与磁悬浮轴承之间没有机械接触，进而能使研磨垫可以更加平稳地运转，由此减小了机械磨损、能量损耗、并且降低了噪音。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参考图3所示的是本发明所述的一种化学机械研磨装置的研磨垫示意图。具体地，如图3所示，所述研磨装置包括研磨机构3、承载机构5和旋转机构6及浆料输送机构(未示出)。
所述研磨机构3包括：研磨头31、研磨垫32和研磨旋转轴33，所述研磨旋转轴33与研磨头31连接，在工作过程中，所述研磨头31用于吸附晶圆4，在工作过程中将晶圆4夹于研磨垫32和研磨头31之间。
所述承载机构5包括：承载台、卡环及连接装置(未示出)，所述承载台中央具有圆形槽，所述卡环卡于圆形槽顶部；所述连接装置位于承载台的承载面边缘，所述连接装置可调节高度，可使研磨垫32沿其高度方向上下运动。
所述旋转机构6包括：旋转轴61、旋转轴承62和驱动器63，所述旋转轴61与承载台底部连接，且位于承载台底部中间位置；所述旋转轴承62置于承载台的圆形槽内，由卡环固定，所述旋转轴承62为磁悬浮轴承；所述驱动器63由马达633驱动齿轮箱632转动，所述齿轮箱632通过传送带631与所述旋转轴61连接，这样所述旋转轴61将通过驱动器63的驱动旋转，并带动承载台转动，并绕着旋转轴承62旋转；所述旋转轴承62在旋转过程中，通过中央处理器(未示出)提供磁悬浮力，使研磨垫32悬浮在所述旋转轴承62之上，并与承载台之间形成间隙。
本实施例中，还包括中央处理器，其通过电子线路与所述化学机械研磨装置相连接，并控制所述化学研磨装置中各个部件的运转。具体地，所述中央处理器位于如图3中所示标号7所在位置，通过电子线路(电缆)与所述化学研磨装置相连接。进一步地，所述中央处理器至少包括控制器和功率放大器，其用于向所述磁悬浮轴承提供磁悬浮力，具体工作原理可以参考图2所示的工作原理图以及下文中关于图2所述实施例的描述。
本实施例中，所述连接装置可以是若干个螺丝、梢锁等机械零部件，其均匀分布在所述承载台承载面的边缘并与所述研磨垫32相连接。
本实施例中，所述旋转轴61上还具有齿轮结构，所述传送带631将置于所述齿轮结构上，防止传送带631打滑，这样当所述传送带631运转时，将带动所述旋转轴61一起转动。
结合图3所示的化学机械研磨装置，在实际应用中，其具体工作方式如下：首先，将待研磨的晶圆4放在所述研磨头31和所述研磨垫32之间，并通过所述研磨头31来吸附所述待研磨的晶圆4。然后，所述旋转机构6将通过驱动器6中的马达633带动齿轮箱632内的齿轮旋转，并由所述传送带631来带动所述旋转轴61一起转动，进而带动承载台转动，并绕着旋转轴承62旋转。所述旋转轴承62在旋转过程中，通过中央处理器(未示出)提供磁悬浮力，使研磨垫32悬浮在所述旋转轴承62之上，并与承载台之间形成间隙。另一方面，所述中央处理器还将控制所述研磨头31绕着研磨旋转轴33旋转，其中所述研磨头31将和所述研磨垫32作同方向但不同转速的旋转，这样通过所述研磨垫32与所述研磨头31之间的相对运动，所述研磨垫32将对所述晶圆4进行研磨。同时，在实际应用中，整个机台还可以通过一个浆料输送机构(图3中未示出，可参考图1中所示)向研磨垫输送浆料。具体地，所述浆料输送机构包括：浆料源和浆料输送口，工作时浆料源出浆，浆料通过浆料输送口输送到研磨垫上，浆料在研磨垫和晶圆之间围绕晶圆的周边输送。
在上述实施例的一个变化例中，所述化学机械研磨装置中还可以包括位置传感器，其用于检测所述研磨垫的位移变化。具体地，参考图4所示的化学机械研磨装置，与上述图3中所示的研磨装置不同的是，如图4所示，在所述承载机构5的承载台上还分布着若干个位置传感器51，所述位置传感器51可以通过固定连接装置安装在所述承载台上。更为具体地，所述位置传感器51可以安装在承载台的两侧，也可以安装在所述承载台的承载面上，还可以安装在所述承载台的底部等，本领域技术人员可以根据实际需要来选择所述位置传感器51的安装位置，在此不予赘述。
根据图4所示的化学机械研磨装置，在一个实施例中，这里假设在一个参考位置(或者说平衡位置)上，所述研磨垫32受到一个向下的扰动，就会偏离所述参考位置，这时位于承载台上的位置传感器51可以检测出所述研磨垫32偏离该参考位置的位移。接着，所述中央处理器可以通过控制器将检测到的位移距离转换成控制信号，并由中央处理器(未示出)中的功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在所述旋转轴承62中产生磁悬浮力，从而驱动所述研磨垫32返回到原来平衡位置。换句话说，根据上述工作原理，在研磨晶圆过程中，无论所述研磨垫32受到向下或向上的扰动，通过所述旋转轴承62与所述研磨垫32间磁悬浮力的作用，所述研磨垫32能够始终处于稳定的平衡状态。
进一步地，在上述实施例中所述旋转轴承62(即磁悬浮轴承)的工作原理可参考图2所示的工作原理示意图。具体地，如图2所示，电磁铁组14包括上下、左右两对电磁铁，通过与其相对应的传感器15检测所述电磁铁14与转轴16之间气隙的大小，然后将位移信号经传感器信号变送电路13传送至控制器11中，再由所述控制器11进行判断并控制输出电流的大小，经功率放大器12输出至各个电磁铁内(可参考图2中所示的电路线)，从而实现对各方位上电磁铁的磁力大小的实时控制，以确保转轴16在径向上的位置不变，使其始终悬浮在如图2中所示的中心位置上进行转动。
需要说明的是，上述是磁悬浮轴承的工作原理，根据本发明所述的化学机械研磨装置，相对应地，其中所述控制器、功率放大器位于中央处理器内，所述旋转轴承62(磁悬浮轴承)即所述的电磁铁组，所述位置传感器分布在承载机构5的承载台上，所述研磨垫32即所述转轴。更为具体地，本领域技术人员可以结合图3或者图4中所示的化学机械研磨装置示意图来理解。
图5是本发明所述的一种化学机械研磨装置研磨垫中所述磁悬浮轴承的局部侧视图。本领域技术人员理解，本发明所述的磁悬浮轴承在结构上是与现有机械轴承相类似的，其主要特点是通过机台中的中央处理器向所述旋转轴承提供磁悬浮力从而形成一种磁悬浮轴承。所述磁悬浮轴承可以使其与转子(本发明中指所述研磨垫)之间没有机械接触，并保持所述研磨垫在运转过程中处于平衡状态，这样就可以避免因为使用机械轴承必须顶住所述研磨垫作旋转而造成的机械磨损和噪音等问题。
如图5所示的是一种滚珠轴承的局部侧视图。具体地，可以这样理解，如果将所述滚珠轴承看成一个平面图形，其就是一个中空的圆环，在圆环上分布着若干个圆孔(即滚珠)，那么如图所示的就是这个圆环外环的半径。具体地，所述滚珠轴承的各个主要参数，例如厚度、内半径、外半径、相对应位置上两个滚珠的圆心距、四个边角的切线参数等可以根据实际应用中所述化学机械研磨装置的大小和结构来确定，在此不予赘述。
需要说明的是，在实际应用中并不局限于图5中所示的滚珠轴承，本领域技术人员还可以利用其他结构的磁悬浮轴承作为所述旋转轴承。例如，滑动轴承、角接触轴承、球轴承等，这并不影响本发明的实质，在此不予赘述。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种化学机械研磨装置，包括：研磨机构、承载机构和旋转机构；
所述旋转机构包括：旋转轴，所述旋转轴与承载机构连接，旋转轴上具有旋转轴承，所述旋转轴承位于承载机构的承载台内且其中一个表面与承载台承载面在同一平面内，其特征在于，所述旋转轴承为磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承是一圆环状的电磁铁。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述磁悬浮轴承与旋转轴之间由承载台间隔。
3.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨机构包括研磨头、与研磨头连接的研磨旋转轴和连接于承载机构上的研磨垫。
4.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述承载机构还包括：卡环，设置于承载台承载面上，与所述磁悬浮轴承配合连接。
5.根据权利要求1或2或3任一项所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述承载机构还包括：连接装置，用于将研磨垫同承载台相连。
6.根据权利要求4所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述承载机构上还包括：位置传感器，所述位置传感器位于承载机构两侧，用于检测研磨垫的位移变化。
7.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述旋转机构还包括：驱动器，驱动旋转轴旋转的同时带动承载机构绕着旋转轴旋转。
8.根据权利要求7所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述驱动器包括：传送带、齿轮箱以及马达，所述马达驱动齿轮箱转动，所述齿轮箱通过传送带与所述旋转轴连接。
9.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，还包括中央处理器，其通过电子线路与所述化学机械研磨装置相连接，并控制所述化学研磨装置中各个部件的运转。
10.根据权利要求9所述化学机械研磨装置，其特征在于，所述中央处理器包括控制器和功率放大器，用于向所述磁悬浮轴承提供磁悬浮力。
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