CN106670955B - 一种无旋转终结点的化学机械研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无旋转终结点的化学机械研磨装置，包括：研磨头承载机构，其包括环形轨道，并通过支架与立柱固定；研磨头控制总成，滑动设于环形轨道外侧，其内部设有控制其及研磨头运行的研磨头控制单元；非接触式供电系统，包括沿环形轨道设置的供电部以及相对间隙设于研磨头控制总成中的受电部；本发明将现有采用电缆连接的电源传输方式改为非接触式的输电方式，通过向供电部供电以产生磁场，使受电部产生磁感应电流，并输出到研磨头控制单元，以驱动研磨头控制总成沿轨道移动，使得研磨头的移动不再受到线缆长度的影响，可以无限制地沿一个方向持续移动，避免了研磨头空载现象，提高了机台利用效率。

Description

一种无旋转终结点的化学机械研磨装置
技术领域
本发明涉及半导体集成电路设备技术领域，更具体地，涉及一种无旋转终结点的化学机械研磨装置。
背景技术
在半导体领域，化学机械研磨(CMP)是半导体工艺不可或缺的一环。但是由于技术关系，CMP和其前后站点的工艺设备比起来产量又是比较低的，这一点在后道铜制程尤其明显。
为改变这一现状，CMP主设备开始往大型化和多研磨头(pol ish head)化方向发展。与此相对应的，研磨台面(platen)也变得更大，研磨垫(pad)的尺寸也随之增加到了42英寸乃至更大，让空间管理变得更加复杂。
同时，CMP的产能与前一个站点ECP(电镀)比起来较低，而2个站点之间又只有8～24小时的等待时间(Q-time)，会给制造部门排货造成很大压力。
由于研磨头逐渐大型化和复杂化，且研磨头、研磨台面的数量越来越多，其承载方式已经由过去安装在固定支架上，变为安装在轨道上，这不可避免地导致线缆的增加，从而提升机械设计上的难度和控制软件编写的难度。但是由于线缆的限制，其数量和活动范围仍然受到了限制。
现有的化学机械研磨装置，都是在若干个研磨头控制总成上铺设供电用的电缆，并连接到机台顶部。线缆在机台顶部留有一定的余量并盘成螺旋形的线盘，当研磨头移动时，线缆会从机台顶部线盘内抽出。这种布置方式的其中一个缺点是，研磨头无法往一个方向连续移动，即研磨头的移动距离无法超过线缆长度。当研磨头的移动距离过长时，就必须回归原点重新进行移动，其中可能存在的问题就是每一个研磨头每隔一段时间都会有一段空载运行以回到原点，日积月累对产能也会有影响。第二个缺点是机台顶部空间对线缆铺设的限制，线缆铺设要求避免线缆之间的相互干涉和具有足够的拉伸空间，导致目前研磨头数量的一般都在4个左右，最多6个。同时，如果由于误操作，还可能导致研磨头过度移动，使线缆受损和发生逻辑错乱，最终引发停机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种无旋转终结点的化学机械研磨装置，可以通过缩短机台闲置时间或因限制时间过长而产生的暖机时间，来缩短晶圆与晶圆之间的工艺等待时间，提高产能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无旋转终结点的化学机械研磨装置，包括：
研磨头承载机构，包括：环形轨道，其通过支架与立柱固定；
研磨头控制总成，滑动设于环形轨道外侧，其内部设有控制其及研磨头运行的研磨头控制单元；
非接触式供电系统，包括沿环形轨道设置的供电部以及相对间隙设于研磨头控制总成中的受电部；
其中，通过向所述供电部供电以产生磁场，使所述受电部产生磁感应电流，并输出到研磨头控制单元，以驱动研磨头在研磨台面上完成研磨，以及驱动研磨头控制总成沿环形轨道往特定方向作持续性移动。
优选地，所述供电部沿环形轨道设有供电线圈，所述受电部设有受电线圈，所述非接触式供电系统通过外部电源向供电线圈输入电流，使受电线圈产生磁感应电流，以向研磨头控制单元进行非接触式输电。
优选地，所述供电部依次连接设有供电部整流单元、变换单元、供电线圈，所述受电部依次连接设有受电线圈、受电部整流单元，所述非接触式供电系统通过外部电源向供电部输入电流，经供电部整流单元整流、变换单元斩波、逆变变换之后进入供电线圈，并通过电磁感应方式和磁场共振方式由受电线圈接受产生磁感应电流，经受电部整流单元整流后，通过设于研磨头控制总成中的受电单元输出到研磨头控制单元。
优选地，所述外部电源通过铺设于立柱及支架中的电缆连接所述供电部。
优选地，所述供电部还设有供电部控制单元，用于控制供电部启闭，所述供电部控制单元通过供电部通信单元接受外部的指令。
优选地，所述受电部还设有受电部通信单元，用于向外部传输供电信息。
优选地，所述供电部和受电部外部设有防止磁场泄漏的磁通屏蔽部。
优选地，所述研磨头控制单元设有控制研磨头下压、抬升、旋转的第一电机、控制研磨头控制总成沿轨道移动的第二电机。
优选地，所述研磨头控制总成通过分设于环形轨道内侧和底部的滑轮安装在环形轨道外侧，所述滑轮受研磨头控制单元驱动，带动研磨头控制总成沿轨道移动。
优选地，所述轨道的内侧和底部分设有用以防止滑轮滑脱的护板和对滑轮进行侧向限定的凹槽。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将现有采用电缆连接的电源传输方式改为非接触式的输电方式，使得研磨头的移动不再受到线缆长度的影响，可以无限制地沿一个方向持续移动，避免了研磨头空载现象，使化学机械研磨机台的利用效率更高。其优点在于：由于没有线缆的束缚，不会发生因为线缆过度拉伸断裂引起的不必要停机，可以减少因为线缆长度问题导致必须回归起始点的动作，以及在将来机台更大型化时可以不断增加研磨头而不需要增加线缆，从而大大减少了设计难度。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置结构俯视图；
图2是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置结构侧视图；
图3是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置供电部结构侧视图；
图4是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置非接触式供电系统结构原理图；
图中：1、立柱，2、外部电源，3、环形轨道，4、供电部，5、受电部，6、受电单元，7、研磨头控制单元，8、研磨头控制总成，9、研磨头，10、磁通屏蔽部，11、研磨台面，12、滑轮，41、供电部整流单元，42、变换单元，43、供电部控制单元，44、供电部通信单元，45、供电线圈，51、受电线圈，52、受电部整流单元，53、受电部通信单元。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置结构俯视图。如图1所示，本发明的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置，包括：研磨头承载机构3和1、研磨头控制总成8、非接触式供电系统4和5几个主要部分。
请参阅图1。研磨头承载机构水平设有一个环形轨道3，例如可以采用椭圆形状的环形轨道。环形轨道3可通过支架与位于化学机械研磨装置中部的立柱1连接固定。
研磨头控制总成8可通过滑动连接方式安装在环形轨道3的外侧，可以沿环形轨道移动。研磨头控制总成8的下方安装有研磨头9，研磨头下方水平设有研磨台面。研磨头控制总成8内部设有控制研磨头控制总成以及研磨头运行的研磨头控制单元。
非接触式供电系统包括间隙设置的供电部4和受电部5两部分；其中，供电部4沿研磨头承载机构的环形轨道3设置，受电部5安装在研磨头控制总成8中，并相对设于供电部4的外侧；研磨头控制总成中受电部5的内侧与环形轨道上供电部4的外侧之间没有硬连接。当将供电部4与外部电源2连接时，非接触式供电系统即可通过向所述供电部4供电，使供电部产生感应磁场，以使所述受电部5产生磁感应电流，并输出到研磨头控制单元，以驱动研磨头9在研磨台面上完成研磨，以及驱动研磨头控制总成8沿环形轨道3往特定方向作持续性移动。
请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置结构侧视图。如图2所示，为了使供电部4产生感应磁场，并使受电部5产生磁感应电流，所述供电部4沿环形轨道设有供电线圈45，所述受电部5相对供电线圈设有受电线圈，受电线圈的内侧与供电线圈的外侧之间没有硬连接，中间可留有4～5mm的空隙。所述非接触式供电系统通过外部电源2向供电线圈45输入电流产生感应磁场，使受电线圈产生磁感应电流，从而可以向研磨头控制单元7进行非接触式输电。
请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置供电部结构侧视图。如图3所示，供电部4沿整个环形轨道3设有一圈供电线圈45，环形轨道3围绕立柱1设置，并通过支架与立柱进行安装固定。这样，当研磨头控制总成在环形轨道上移动时，可使得供电部与受电部之间始终建立非接触的磁感应供电关系，从而可持续对研磨头控制总成进行输电，使研磨头控制总成带动研磨头可一直沿轨道往特定方向作持续性移动。只要此非接触的磁感应供电关系存在，研磨头的旋转工作就不会停止，也无须回归起始点重新开始工作，从而实现本发明化学机械研磨装置结构研磨头无旋转终结点的功能。
请参阅图4，图4是本发明一较佳实施例的一种无旋转终结点的化学机械研磨装置非接触式供电系统结构原理图。如图4所示，所述供电部4可依次连接设有供电部整流单元41、变换单元42、供电线圈45，所述受电部5可依次连接设有受电线圈51、受电部整流单元52。所述非接触式供电系统通过外部电源2向供电部4输入电流，经供电部整流单元41的整流、变换单元42的斩波、逆变变换之后进入供电线圈45，并通过电磁感应方式和磁场共振方式由受电线圈51接受产生磁感应电流，经受电部整流单元52整流后，通过设于研磨头控制总成8中的受电单元6输出到研磨头控制单元7。
所述供电部4还可设有供电部控制单元43，用于控制供电部启闭。所述供电部控制单元43可由外部电源2供电，并可通过供电部通信单元44接受外部的指令。
所述受电部5还可设有受电部通信单元53，用于接受来自受电部整流单元52的供电信息，并向外部传输。
请参阅图2。所述外部电源2可通过铺设于立柱1及支架中的电缆连接所述供电部4。
所述研磨头控制总成8可通过分别定位于环形轨道3顶部内侧和底部的滑轮12来安装在环形轨道外侧；所述滑轮12可受研磨头控制单元7驱动，带动研磨头控制总成8沿轨道移动。在所述轨道3的内侧顶部和底部还分别装有用以防止滑轮滑脱的护板和对滑轮进行侧向限定的凹槽。
可在所述供电部和受电部外部设置磁通屏蔽部10，用以防止磁场泄漏。可在轨道背向研磨头的一侧和整个非接触式供电系统外部都装有磁通屏蔽部。所述供电部可安装在轨道的型材结构非轨道面的内陷空档部位。
研磨头控制总成8的下方安装有研磨头9，研磨头下方水平设有研磨台面11。研磨头控制总成8内部设有控制研磨头控制总成以及研磨头运行的研磨头控制单元7。
所述研磨头控制单元7可设有控制研磨头下压、抬升、旋转的第一电机，第一电机可包括用于研磨头下压、抬升的分电机，以及用于研磨头旋转的分电机。所述研磨头控制单元还可设有控制研磨头控制总成沿轨道移动的第二电机，所述第二电机驱动滑轮转动，从而可带动研磨头控制总成沿轨道移动。研磨头控制单元接受受电单元输入的来自非接触式供电系统的电流，从而实现对第一、第二电机的控制。
综上所述，本发明通过将现有采用电缆连接的电源传输方式改为非接触式的输电方式，使得研磨头的移动不再受到线缆长度的影响，可以无限制地沿一个方向持续移动，避免了研磨头空载现象，使化学机械研磨机台的利用效率更高。其优点在于：由于没有线缆的束缚，不会发生因为线缆过度拉伸断裂引起的不必要停机，可以减少因为线缆长度问题导致必须回归起始点的动作，以及在将来机台更大型化时可以不断增加研磨头而不需要增加线缆，从而大大减少了设计难度。本发明的无旋转终结点的化学机械研磨装置基于SEMI国际产业标准进行设计，并可满足国际通用的关于半导体产业技术标准的规定
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，包括：
研磨头承载机构，包括：环形轨道，其通过支架与立柱固定；
研磨头控制总成，滑动设于环形轨道外侧，其内部设有控制其及研磨头运行的研磨头控制单元；
非接触式供电系统，包括沿环形轨道设置的供电部以及相对间隙设于研磨头控制总成中的受电部；
其中，通过向所述供电部供电以产生磁场，使所述受电部产生磁感应电流，并输出到研磨头控制单元，以驱动研磨头在研磨台面上完成研磨，以及驱动研磨头控制总成沿环形轨道往特定方向作持续性移动。
2.根据权利要求1所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述供电部沿环形轨道设有供电线圈，所述受电部设有受电线圈，所述非接触式供电系统通过外部电源向供电线圈输入电流，使受电线圈产生磁感应电流，以向研磨头控制单元进行非接触式输电。
3.根据权利要求2所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述供电部依次连接设有供电部整流单元、变换单元、供电线圈，所述受电部依次连接设有受电线圈、受电部整流单元，所述非接触式供电系统通过外部电源向供电部输入电流，经供电部整流单元整流、变换单元斩波、逆变变换之后进入供电线圈，并通过电磁感应方式和磁场共振方式由受电线圈接受产生磁感应电流，经受电部整流单元整流后，通过设于研磨头控制总成中的受电单元输出到研磨头控制单元。
4.根据权利要求2或3所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述外部电源通过铺设于立柱及支架中的电缆连接所述供电部。
5.根据权利要求3所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述供电部还设有供电部控制单元，用于控制供电部启闭，所述供电部控制单元通过供电部通信单元接受外部的指令。
6.根据权利要求3或5所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述受电部还设有受电部通信单元，用于向外部传输供电信息。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述供电部和受电部外部设有防止磁场泄漏的磁通屏蔽部。
8.根据权利要求1所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨头控制单元设有控制研磨头下压、抬升、旋转的第一电机、控制研磨头控制总成沿环形轨道移动的第二电机。
9.根据权利要求1所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨头控制总成通过分设于环形轨道内侧和底部的滑轮安装在环形轨道外侧，所述滑轮受研磨头控制单元驱动，带动研磨头控制总成沿环形轨道移动。
10.根据权利要求9所述的无旋转终结点的化学机械研磨装置，其特征在于，所述环形轨道的内侧和底部分设有用以防止滑轮滑脱的护板和对滑轮进行侧向限定的凹槽。
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