CN103522191A - 应用在晶圆化学机械平坦化设备中的抛光垫修整装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于晶圆化学机械平坦化（CMP）过程中的抛光垫修整装置，主要由机架、伺服电机、减速器、气动气囊、钢丝软轴、摆动臂、杠杆支撑轴、支撑底板、底板支撑轴、十字球头结构等部件组成；本装置采用伺服电机和减速器实现修整器摆动臂在抛光台上的摆动以及钻石轮的转动；通过杠杆机构分别对两个气动气囊充气以带动摆动臂抬升、下降及对抛光台施加修整力；采用钢丝软轴传动方式将旋转电机远离抛光区域放置，以避免因长期暴露在抛光液环境中对旋转电机造成一定的腐蚀；在摆动臂修整端设计有十字球头结构，以使钻石轮在抛光垫修整过程中始终与抛光台面保持水平接触。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆化学机械平坦化（CMP）设备，尤其涉及一种应用在晶圆化学机械平坦化设备中的抛光垫修整装置。
背景技术
IC制造中平坦化技术已成为与光刻、刻蚀等技术同等重要且相互依赖的不可缺少的关键技术之一。化学机械平坦化(CMP)是目前最有效、最成熟的平坦化技术，是集清洗、干燥、在线检测、终点检测等技术于一体的技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化发展的产物，是集成电路进入0.25μm以下节点，提高生产效率、降低成本的晶圆全局平坦化技术。
抛光垫在化学机械抛光过程中是除抛光液之外的另一个重要耗材，抛光垫起着输送浆料以及将浆料中的磨蚀粒子送入晶圆表面并去除副产品的作用，但在使用过程中，抛光垫在对若干片晶圆进行抛光后被研磨得十分平整，同时孔内填满了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集物，一旦产生釉化现象就会使抛光垫失去部分保持浆料的能力，抛光速率也随之下降，同时还会使晶圆表面产生划痕。因此，抛光垫表面须定期地用一个钻石轮(尼龙刷)式的修整器进行修整。抛光垫自修整作用，不仅可以改善抛光晶圆的平整度效果，维持抛光垫材料机械的物理去除的效能，而且可以延长抛光垫的寿命。因此为了提高晶圆抛光片的表面质量及平整度等要求特发明此项技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于晶圆化学机械平坦化（CMP）过程中的抛光垫修整装置，采用此装置可以实现结构和控制方式简单，修整效果好，同时显著延长抛光垫的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，该装置包括：机架、摆动电机、减速器、底板支撑轴、支撑底板、气动气囊、旋转电机、摆动臂、修整减速器、钻石轮；其中，气动气囊安装在摆动臂的一侧用于控制摆动臂抬升、下降，修整减速器安装在摆动臂另一侧，修整减速器下端装有钻石轮，旋转电机通过传动机构带动钻石轮旋转；摆动电机安装在机架内，摆动电机上端与减速器连接；摆动臂、气动气囊、旋转电机、修整减速器、钻石轮构成一个整体通过支撑底板和底板支撑轴安装于减速器上，并通过摆动电机和减速器的驱动进行整体的摆动运动。
其中，摆动臂上设有杠杆支撑轴，杠杆支撑轴固定于支撑底板上，利用杠杆机构并通过对气动气囊充气以带动摆动臂抬升、下降及对抛光台施加修整力。
其中，气动气囊包括上气动气囊和下气动气囊，上气动气囊通过固定架固定于摆动臂的上侧并连接摆动臂，下气动气囊固定于支撑底板上并连接摆动臂的下侧。固定架可采用倒U形固定架，倒U形固定架固定于支撑底板上，上气动气囊设于倒U形固定架顶端下侧。
进一步的，该装置还包括接近传感器，用于使控制系统自动识别摆动臂处于抬升或下降状态。
进一步的，旋转电机通过钢丝软轴带动钻石轮旋转并远离钻石轮设置，采用这种传动方式可将旋转电机远离抛光区域放置，以避免因长期暴露在抛光液环境中对旋转电机造成一定程度的腐蚀。
进一步的，旋转电机外部安装有不锈钢护罩，以进一步避免内部电子元器件的腐蚀。
进一步的，修整减速器下设有十字球头结构，钻石轮安装在十字球头结构上，使得钻石轮在杠杆机构的作用下始终与抛光台面保持水平接触，获得均匀的修整力分布。
进一步的，减速器采用法兰盘式减速器，减速器上安装有光电传感器和两个挡片，以实现摆动臂在抛光台边缘及在抛光台中间位置的限位作用。
本发明还提供一种应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置的修整方法，具体如下：首先，上气动气囊缓慢充气，通过杠杆机构使得摆动臂抬升一定高度，在摆动电机和减速器作用下将修整减速器从抛光台边缘旋转到抛光台中心，此时旋转电机带动钻石轮旋转；然后，上气动气囊缓慢放气，下气动气囊缓慢充气，使得修整钻石轮紧紧压在抛光垫上，同时保证钻石轮正面与抛光台保持平行状态，对下气动气囊充以适当的压缩空气就可以实现该修整装置对抛光垫的压力修整，从而完成摆动臂抬升—旋转—下降—摆动修整—抬升—旋转—下降的整个抛光垫修整过程。
本发明还提供一种控制抛光垫修整器下压力大小的气动控制系统，包括：双作用气缸、两位五通电磁换向阀、第一和第二单向节流阀、第一和第二气压调节器、气压传感器，其中，双作用气缸的两侧缸体分别通过管路连接第一和第二单向节流阀的输出端，第一单向节流阀的输入端通过管路连接第一气压调节器的输出端，第一单向节流阀和第一气压调节器间的管路上还设有气压传感器，第二单向节流阀的输入端连接两位五通电磁换向阀的输出端，两位五通电磁换向阀的一个输入端连接第二气压调节器的输出端，第一和第二气压调节器的输入端连同两位五通电磁换向阀的另一个输入端合并为一路连接输气端。
本装置采用伺服电机和减速器实现修整器摆动臂在抛光台上的摆动以及钻石轮的转动，通过杠杆机构分别对两个气动气囊充气以带动摆动臂抬升、下降及对抛光台施加修整力；由于抛光液具有一定的腐蚀性，长期暴露在抛光液环境中会对旋转电机造成一定的腐蚀，故采用钢丝软轴传动方式将旋转电机远离抛光区域放置，同时在旋转电机外部安装有不锈钢护罩以进一步避免内部电子元器件的腐蚀；为了解决钻石轮与抛光台面的接触问题，在摆动臂修整端设计有十字球头结构，以使钻石轮在抛光垫修整过程中始终与抛光台面保持水平接触。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构剖面图；
图3为钢丝软轴的结构示意图；
图4为本发明气动控制系统的原理图。
机架-101，光电传感器-102，挡片-103，法兰盘式减速器-104，上气动气囊-105a，下气动气囊-105b，接近传感器-106，旋转电机-107，钢丝软轴-108，修整减速器-109，摆动臂-110，摆动电机-201，底板支撑轴-202，支撑底板-203，不锈钢护罩-204，塑料外罩-205，十字球头结构-206，钻石轮-207，杠杆旋转轴-208，软轴-301，软轴轴套-302，第一气压调节器-401，第二气压调节器-402，气压传感器-403，电磁换向阀-404，第一单向节流阀-405，第二单向节流阀-406，双作用气缸-407。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1至图3所示，本发明提供的抛光垫修整装置包括：机架101、摆动电机201、减速器104、底板支撑轴202、支撑底板203、气动气囊、旋转电机107、摆动臂110、修整减速器109、钻石轮207；其中，气动气囊安装在摆动臂110的一侧用于控制摆动臂110抬升、下降，气动气囊包括上气动气囊105a和下气动气囊105b，上气动气囊105a通过固定架固定于摆动臂110的上侧并连接摆动臂110，下气动气囊105b固定于支撑底板203上并连接摆动臂110的下侧；修整减速器109安装在摆动臂110另一侧，修整减速器109下端装有钻石轮207，旋转电机107通过传动机构带动钻石轮旋转；摆动电机201安装在机架101内，摆动电机201上端与减速器104连接；摆动臂110、气动气囊、旋转电机107、修整减速器109、钻石轮207构成一个整体通过支撑底板203和底板支撑轴202安装于减速器104上，并通过摆动电机201和减速器104的驱动进行整体的摆动运动。
其中，摆动臂110上设有杠杆支撑轴208，杠杆支撑轴208固定于支撑底板203上，利用杠杆机构并通过对气动气囊充气以带动摆动臂110抬升、下降及对抛光台施加修整力。
固定架可采用倒U形固定架，倒U形固定架固定于支撑底板203上，上气动气囊105a设于倒U形固定架顶端下侧。
抛光垫修整装置还包括接近传感器106，用于使控制系统自动识别摆动臂处于抬升或下降状态，接近传感器106可设于固定架或支撑底板203上。
旋转电机107通过钢丝软轴108带动钻石轮207旋转并远离钻石轮207设置，采用这种传动方式可将旋转电机107远离抛光区域放置，以避免因长期暴露在抛光液环境中对旋转电机107造成一定程度的腐蚀。如图3所示，钢丝软轴108包括软轴301和软轴轴套302。
旋转电机107外部安装有不锈钢护罩204，以进一步避免内部电子元器件的腐蚀。
为了使钻石轮207在杠杆机构的作用下始终与抛光台面保持水平接触，获得均匀的修整力分布，修整减速器109下还设有十字球头结构206，钻石轮207安装在十字球头结构206上。
减速器104优选采用法兰盘式减速器，减速器104上安装有光电传感器102和两个挡片103，以实现摆动臂110在抛光台边缘及在抛光台中间位置的限位作用。
如图4所示，本发明还提供一种控制抛光垫修整器下压力大小的气动控制系统，包括：双作用气缸407、两位五通电磁换向阀404、第一和第二单向节流阀405、406、第一和第二气压调节器401、402、气压传感器403，其中，双作用气缸407的两侧缸体分别通过管路连接第一和第二单向节流阀405、406的输出端，第一单向节流阀405的输入端通过管路连接第一气压调节器401的输出端，第一单向节流阀405和第一气压调节器401间的管路上还设有气压传感器403，第二单向节流阀406的输入端连接两位五通电磁换向阀404的输出端，两位五通电磁换向阀404的一个输入端连接第二气压调节器402的输出端，第一和第二气压调节器401、402的输入端连同两位五通电磁换向阀404的另一个输入端合并为一路连接输气端。
本发明的抛光垫修整装置在运作时，首先上气动气囊105a缓慢充气，通过杠杆机构使得摆动臂110抬升一定高度，在摆动电机201和法兰盘式减速器104作用下将修整减速器109从抛光台边缘旋转到抛光台中心，此时旋转电机107通过钢丝软轴108带动钻石轮207旋转，之后上气动气囊105a缓慢放气，下气动气囊105b缓慢充气，使得修整钻石轮207在十字球头结构206的驱动下紧紧压在抛光垫上，同时保证钻石轮207正面(修整面)与抛光台(抛光垫)保持平行状态，对下气动气囊105b充以适当的压缩空气就可以实现该修整装置对抛光垫的压力修整，从而完成摆动臂110抬升—旋转—下降—摆动修整—抬升—旋转—下降的整个抛光垫修整过程。
其中光电传感器102和挡片103可以实现摆动臂110在抛光台边缘及在抛光台中间位置的限位作用；接近传感器106可以使控制系统自动识别摆动臂110处于抬升或下降状态。
在实现控制修整器下压力大小时，通过气压调节器402在气缸407活塞两侧设置不等的气压，使其产生气压差驱动抛光垫修整器抬升或下降；通过调节气压差值的大小控制抛光垫修整器下压力的大小；可根据不同的抛光条件、快速、精确地调节抛光垫修整器的下压力，获得高质量的晶圆抛光效果。
显然，上面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，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。
Claims (10)
1.一种应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于：该装置包括：机架、摆动电机、减速器、底板支撑轴、支撑底板、气动气囊、旋转电机、摆动臂、修整减速器、钻石轮；其中，气动气囊安装在摆动臂的一侧用于控制摆动臂抬升、下降，修整减速器安装在摆动臂另一侧，修整减速器下端装有钻石轮，旋转电机通过传动机构带动钻石轮旋转；摆动电机安装在机架内，摆动电机上端与减速器连接；摆动臂、气动气囊、旋转电机、修整减速器、钻石轮构成一个整体通过支撑底板和底板支撑轴安装于减速器上，并通过摆动电机和减速器的驱动进行整体的摆动运动。
2.根据权利要求1所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，摆动臂上设有杠杆支撑轴，杠杆支撑轴固定于支撑底板上，利用杠杆机构并通过对气动气囊充气以带动摆动臂抬升、下降及对抛光台施加修整力。
3.根据权利要求2所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，气动气囊包括上气动气囊和下气动气囊，上气动气囊通过固定架固定于摆动臂的上侧并连接摆动臂，下气动气囊固定于支撑底板上并连接摆动臂的下侧。
4.根据权利要求1-3所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，该装置还包括接近传感器，用于使控制系统自动识别摆动臂处于抬升或下降状态。
5.根据权利要求1-3所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，旋转电机通过钢丝软轴带动钻石轮旋转并远离钻石轮设置。
6. 根据权利要求1-3所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，旋转电机外部安装有不锈钢护罩。
7. 根据权利要求1-3所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，修整减速器下设有十字球头结构，钻石轮安装在十字球头结构上。
8.根据权利要求1-3所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置，其特征在于，减速器采用法兰盘式减速器，减速器上安装有光电传感器和两个挡片，以实现摆动臂在抛光台边缘及在抛光台中间位置的限位作用。
9.根据权利要求3所述的应用在晶圆化学机械平坦化（CMP）设备中的抛光垫修整装置的修整方法，具体如下：首先，上气动气囊缓慢充气，通过杠杆机构使得摆动臂抬升一定高度，在摆动电机和减速器作用下将修整减速器从抛光台边缘旋转到抛光台中心，此时旋转电机带动钻石轮旋转；然后，上气动气囊缓慢放气，下气动气囊缓慢充气，使得修整钻石轮紧紧压在抛光垫上，同时保证钻石轮正面与抛光台保持平行状态，对下气动气囊充以适当的压缩空气就可以实现该修整装置对抛光垫的压力修整，从而完成摆动臂抬升—旋转—下降—摆动修整—抬升—旋转—下降的整个抛光垫修整过程。
10.一种控制抛光垫修整器下压力大小的气动控制系统，其特征在于，包括：双作用气缸、两位五通电磁换向阀、第一和第二单向节流阀、第一和第二气压调节器、气压传感器，其中，双作用气缸的两侧缸体分别通过管路连接第一和第二单向节流阀的输出端，第一单向节流阀的输入端通过管路连接第一气压调节器的输出端，第一单向节流阀和第一气压调节器间的管路上还设有气压传感器，第二单向节流阀的输入端连接两位五通电磁换向阀的输出端，两位五通电磁换向阀的一个输入端连接第二气压调节器的输出端，第一和第二气压调节器的输入端连同两位五通电磁换向阀的另一个输入端合并为一路连接输气端。
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