CN110026879A - 一种化学机械平坦化设备和晶圆传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械平坦化设备及晶圆传输设备和晶圆传输方法，其中晶圆传输设备包括至少一套晶圆抛光传输机械手；所述晶圆抛光传输机械手包括：水平传动机构、垂直传动机构及晶圆抓取装置；在所述晶圆抓取装置水平直线运动方向上的活动范围内布置有抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台。本发明所提供的晶圆传输设备可以将晶圆在抛光中转台、抛光装载台及清洗中转台之间直接传输，由于无需中转，减少了晶圆的中转次数，缩短了晶圆传输时间，提高了传输效率，减少晶圆因传输产生损坏的概率。本发明所提供的化学机械平坦化设备的布局有助于减少传输的行程，化学机械平坦化设备加工效率同比显著提升。

Description

一种化学机械平坦化设备和晶圆传输方法

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种化学机械平坦化设备及晶圆传输设备和晶圆传输方法。

背景技术

随着半导体行业的飞速发展,集成电路特征尺寸不断趋于微细化,因此半导体薄膜表面的高平坦化对器件的高性能、低成本、高成品率有着重要的影响。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization，CMP)技术是化学作用和机械作用相结合的技术。其工作原理是，首先工件表面材料与抛光液中的氧化剂、催化剂等发生化学反应，生成一层相对容易去除的软质层,然后在抛光液中的磨料和抛光垫的机械作用下去除该软质层，使工件表面重新裸露出来，随后再进行化学反应，藉此在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光。

目前，化学机械抛光技术已经发展成集在线量测、在线终点检测、清洗等技术于一体的化学机械抛光技术是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。

一个典型的化学机械平坦化设备通常包括多个抛光单元以及清洗、晶圆运输、干燥等辅助装置。抛光单元通常包括工作台、抛光盘、抛光头、抛光臂、修整器、抛光液臂等，抛光盘、抛光头、抛光臂、修整器、抛光液臂按照工艺加工位置布置在工作台上。实际的晶圆加工过程中发现，抛光单元与清洗、晶圆运输等模块的空间布置对于化学机械平坦化设备整体的抛光产出(throughput)有极大的影响。晶圆在抛光单元与外部以及在抛光单元之间的传输通常依靠抛光装载台或起类似作用的装置来实现，关于抛光装载台与抛光单元的空间布局，业界已经有比较成熟的模式，如专利号为US5738574的美国专利文献披露的技术方案中，其抛光装载台(transfer station)与三个抛光单元为正方形布局。工作时，一个带有四个呈正方形分布抛光头的、且可以旋转的装置(carousel)向下运动，依次与抛光装载台完成晶圆的装卸。值得一提的是，上述装置中，三个抛光单元自带一个清洗装置，位置上与抛光单元近邻，其中一个位于对应的抛光单元与抛光装载台之间。很明显，由于一个抛光装载台需要借助一个共用的可以旋转的装置给三个抛光单元提供装卸服务，因此这种技术布局的缺点是工艺过程复杂。另一件美国专利US8795032B2公开了另一种布局，其中的四个抛光单元并排排列，晶圆传输由位于平坦化设备端部的装卸区和沿抛光单元排列方向设置的两个线性运输机构完成，线性运输机构的另一侧为清洗区。上述每一个线性运输机构为两个抛光单元提供服务，并为每个抛光单元设置两个传输工位，抛光单元的抛光头可以从其中一个传输工位装卸晶圆。这种布局采用了抛光单元的直线排列，但其缺点是每个抛光单元虽然设置两个传输工位，但抛光过程中抛光单元只从其中一个直接装卸晶圆，因此从晶圆传输效率的角度说还有需要改进的空间。

化学机械抛光平坦化设备通常包括半导体设备前端模块(EFEM)、清洗模块和抛光模块。EFEM主要包括存放晶圆的片盒、传片机械手和空气净化系统等；清洗模块主要包括数量不等的兆声波清洗部件、滚刷清洗部件、干燥部件和各部件之间传输晶圆的装置等；抛光模块包括数量不等的抛光单元，每个抛光单元主要包括抛光台、抛光头、抛光供液系统和抛光垫修整系统等。

通常在清洗模块和抛光模块之间装有可以传输湿晶圆的湿片传输机械手。晶圆在化学机械抛光平坦化设备中的典型路径如下,片盒中需要抛光的晶圆通过EFEM中的传片机械手放置于抛光中转台上，由湿片传输机械手将需要抛光的晶圆转移到抛光模块；晶圆在抛光模块加工完成后，再通过湿片传输机械手转移到清洗模块；晶圆完成清洗后，由EFEM内的传片机械手放回片盒中。

一般的化学机械抛光平坦化过程中，晶圆在各个区域间的传输，晶圆从抛光中转台到抛光模块的各抛光装载台需要传片机械手和湿片传输机械手两个机械手一起完成，从晶圆传输效率的角度来说，同样还有需要改进的空间。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有化学机械平坦化设备中存在的晶圆传输效率低、传输机构结构复杂的问题提出一种新型抛光单元阵列布局的化学机械平坦化设备，并基于该阵列布局提出一种晶圆传输模块，该晶圆传输模块设置在抛光单元阵列的上方，因此晶圆传输模块的晶圆传输单元可以随时穿越抛光单元而不会受到干扰。

本发明的目的之二在于提供一种化学机械抛光平坦化晶圆传输设备及其晶圆传输方法，用以负责将晶圆在抛光中转台、抛光装载台和清洗中转台之间整个过程的传输；即在整合传片机械手和湿片传输机械手的同时，还完成晶圆在各个抛光装载台之间的晶圆传输。

为达到上述目的一，本发明采用的技术方案为一种化学机械平坦化设备，包括抛光模块、清洗模块和晶圆传输模块，清洗模块对抛光后的晶圆进行清洗。所述抛光模块包含两列抛光单元阵列，每列抛光单元包含两组或多组抛光单元，两列抛光单元阵列对应的抛光装载台在位于抛光单元阵列的列方向上纵向排列，所述清洗模块排成两列，对应两列抛光单元阵列，所述晶圆传输模块的工作部位于沿纵向排列的抛光装载台的垂直上方，完成晶圆在其他装卸区与所述抛光装载台以及所述抛光装载台之间的传输。

上述其他装卸区为清洗中转台，进出抛光单元的晶圆要经过清洗中转台暂存。

进一步，上述晶圆传输模块包括一组或多组晶圆传输单元，每组晶圆传输单元包括导向装置、水平运动驱动装置、垂直运动机构、晶圆卡盘和晶圆卡爪，水平运动驱动装置驱动垂直运动机构沿导向装置做水平方向滑动，垂直运动机构与晶圆卡盘连接，并可以控制晶圆卡盘在高位和低位两个模式下工作，晶圆卡爪安装于晶圆卡盘上，可以做张开和闭合操作。

如果抛光单元阵列的行数较多，上述多组晶圆传输单元中的每组晶圆传输单元沿两列抛光单元的列方向上形成级联，完成晶圆在其他装卸区，如清洗中转台，与各个抛光装载台以及各个抛光装载台之间的传输。所述多组晶圆传输单元可以互相协作，实现晶圆在整个抛光单元阵列中的流转。

作为优选，上述晶圆卡盘为翻转结构，在其两面布置两套晶圆卡爪机构。

上述抛光装载台可在抛光单元阵列的列方向上纵向移动，这样一个抛光装载台可以对应一个以上的抛光单元，如在2列×3组的布局中，只需3个抛光装载台来就可以对应6个抛光单元。

为防止抛光区的液体和水汽外泄，抛光单元与抛光装载台之间设置可开启闭合的抛光门。

本发明还进一步提出一种利用上述化学机械平坦化设备进行晶圆传输的方法，具体包含以下步骤：

S1：在初始状态下，垂直运动机构控制晶圆卡盘处于高位，使得晶圆卡盘可以沿着水平方向自由行走；

S2：当水平运动驱动装置驱动垂直运动机构沿导向装置运行到清洗中转台或者抛光装载台的上方时，垂直运动机构控制晶圆卡盘下降到低位，晶圆卡盘上安装的晶圆卡爪抓取晶圆；

S3：随后垂直运动机构控制晶圆卡盘上升到高位，水平运动驱动装置驱动垂直运动机构沿导向装置运行到下一个清洗中转台或者抛光装载台的上方；

S4：垂直运动机构控制晶圆卡盘下降到低位，晶圆卡盘上的晶圆卡爪进行释放晶圆操作；

S5：重复以上步骤，使得晶圆可以在清洗中转台和各个抛光装载台之间实现传递。

与现有化学机械平坦化设备技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明中采用抛光单元排成两列、晶圆传输单元居中的布局有助于减少传输的行程，化学机械平坦化设备加工效率同比提升约50％，而且通过采用模块化的布局，设备布局更灵活；

2、因为抛光装载台上方的晶圆传输单元可以将晶圆从一个抛光装载台转移到另一个抛光装载台，或者将晶圆从抛光模块拿进或者拿出，晶圆传输单元因为布置在所述抛光装载台的上方，所以抛光头在抛光装载台进行装载或者卸载晶圆时，晶圆传输单元可以随时穿越抛光单元而不会受到干扰；

3、与上述抛光单元与晶圆传输单元的布局相对应，左右布置的清洗模块通过清洗机械手可以选择将晶圆放至任一个清洗模块，导致抛光加清洗组合单元的效率也得到提升；

4、根据产能需要，晶圆传输单元可以为两套或者两套以上，以满足2列多组抛光单元阵列的需要，设备的可伸缩性较好。

为达到上述目的二，本发明提供了一种化学机械抛光平坦化晶圆传输设备，其包括至少一套晶圆传输机械手；所述晶圆传输机械手包括：水平传动机构、与所述水平传动机构连接的垂直传动机构及与所述垂直传动机构连接的晶圆抓取装置；所述垂直传动机构驱动所述晶圆抓取装置做上下垂直直线运动；所述水平传动机构驱动所述垂直传动机构做水平直线运动，进而带动所述晶圆抓取装置做水平直线运动；在所述晶圆抓取装置水平直线运动方向上的活动范围内布置有抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台。

上述的化学机械抛光平坦化晶圆传输设备，其中，该设备包括平行对称设置的两套所述晶圆传输机械手。

上述的化学机械抛光平坦化晶圆传输设备，其中，两套所述晶圆传输机械手各自的晶圆抓取装置沿水平直线同时运动时分别位于高低不同的区域，以避免发生碰撞。

上述的化学机械抛光平坦化晶圆传输设备，其中，所述抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台沿直线依次布置；所述抛光中转台和所述清洗中转台两侧设置有清洗模块；所述抛光装载台两侧设置有抛光模块。

上述的化学机械抛光平坦化晶圆传输设备，其中，所述晶圆传输机械手通过吊装设置在所述抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台的上方。

本发明还提供了一种利用上述的化学机械抛光平坦化晶圆传输设备进行晶圆传输的方法，其包括以下步骤：

S0：将待加工的晶圆首先被放置在抛光中转台上；

S1：水平传动机构带动晶圆抓取装置移动到抛光中转台上方，晶圆抓取装置沿着垂直传动机构下降到抛光中转台位置，抓取晶圆；

S2：晶圆抓取装置携带晶圆沿着垂直传动机构上升到一定高度，再由水平传动机构沿水平直线方向带动到某个抛光装载台位置上方；

S3：晶圆抓取装置携带晶圆沿着垂直传动机构下降到相应抛光装载台位置，释放晶圆；此时晶圆传输机械手可以再搬运其他晶圆；

S4：抛光装载台上的晶圆在抛光模块上完成抛光加工后，被重新放回抛光装载台上；

S5：晶圆抓取装置由水平传动机构带动到装载有抛光加工后晶圆的抛光装载台上方，晶圆抓取装置沿着垂直传动机构下降到抛光装载台位置，抓取晶圆；

S6：晶圆抓取装置携带晶圆沿着垂直传动机构上升到一定高度，由水平传动机构带动到清洗中转台上方，晶圆抓取装置沿着垂直传动机构下降到清洗中转台位置，释放晶圆；

S7：晶圆通过清洗中转台转移到清洗模块，完成抛光后清洗过程。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的晶圆传输机械手可以将晶圆从抛光中转台直接传输到抛光装载台，由于无需中转，减少了晶圆的中转次数，缩短了晶圆传输时间，提高了传输效率，减少晶圆因传输产生损坏的概率。

本发明所提供的化学机械抛光平坦化设备可以对称地布置两套上述晶圆传输机械手，彼此独立工作，可根据抛光需求选择仅使用一套晶圆传输机械手或两套同时使用，可按抛光工作量选择晶圆传输机械手的使用量，使晶圆传输机械手配置和使用更灵活，提升整机生产能力和生产效率。

附图说明

图1为本发明化学机械平坦化设备(2×3阵列)的俯视图；

图2为图1所示化学机械平坦化设备的立体效果图；

图3为一个抛光单元的结构示意图；

图4为本发明的晶圆传输单元的结构示意图；

图5为一个具有双晶圆传输单元的实施例的立体效果图；

图6为一个具有可移动抛光装载台的实施例的立体效果图；

图7为本发明晶圆传输机械手一实施例的结构示意图；

图8为本发明化学机械抛光平坦化晶圆传输设备一实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

根据本发明的化学机械平坦化设备，包括由多个抛光单元组成的抛光模块和多个清洗模块。每个所述抛光单元包括工作台、抛光盘、抛光头、抛光臂、修整器、抛光液臂等。多个抛光单元一侧布置有多个抛光装载台。所述抛光盘、抛光头、抛光臂、修整器、抛光液臂按照工艺加工位置布置在工作台上。所述抛光臂可以携带抛光头在抛光盘与抛光装载台之间运动。所述修整器在抛光盘上以一定的压力修磨抛光盘。所述抛光液臂可以提供抛光所需要的化学药液。需要装载或者卸载晶圆时，抛光单元的抛光门打开，抛光臂携带抛光头旋转至抛光装载台位置。装卸晶圆结束后，抛光臂携带抛光头旋转至抛光盘位置进行抛光加工。这时抛光门闭合，防止抛光区液体和水汽外泄。在抛光加工过程中，抛光液臂流出抛光液，修整器对抛光盘进行修整工作。所述抛光盘以一定的速度旋转，所述抛光头同时以一定的速度自转。

跟所述抛光单元阵列连接有清洗模块。所属清洗模块排成两列或多列，构成抛光加清洗组合单元。在抛光单元阵列和清洗模块衔接处装有清洗中转台，进出抛光模块的晶圆都要经过清洗中转台暂存。

所述清洗模块中间装有机械手，可以将将晶圆在抛光单元和清洗模块之间传输。晶圆传输时要经过清洗中转台。

另外，本发明的化学机械平坦化设备一般还集成设备前端单元模块(EFEM)。清洗单元一般包括兆声波清洗、滚刷刷洗、晶圆干燥等。

本发明中，抛光模块为两列多组抛光单元组成的抛光单元阵列，两列多组抛光单元的所有抛光装载台在两列抛光单元的列方向纵向排列，但根据实际的需要，抛光单元阵列也可以扩展到2列多组。为便于介绍本发明的原理和本领域的技术人员实施本发明，以下的实施例说明都是基于2列3组的布局展开，特此说明。

图1、2所示分别为一个(2×3阵列)的化学机械平坦化设备俯视图和立体图，化学机械平坦化设备包括：抛光单元阵列100、清洗模块组合200和晶圆传输单元120。所述抛光单元阵列100由2列3行抛光单元110组合而成。

每一组抛光单元110包括，如图3所示，工作台115、抛光盘117、抛光头112、抛光臂111、修整器114、抛光液臂113、抛光门119等。

在抛光单元110与抛光装载台116之间设置抛光门119，需要装载或者卸载晶圆时，抛光单元110的抛光门119打开，抛光臂111携带抛光头112旋转至抛光装载台116位置。装卸晶圆结束后，抛光臂111携带抛光头112旋转至抛光盘117位置进行抛光加工。这时抛光门119闭合，防止抛光区液体和水汽外泄。需要进行化学机械抛光的晶圆，通过清洗中转台118或其他起类似晶圆临时装卸区作用的区域进入抛光单元阵列100，化学机械抛光后的晶圆通过清洗中转台118离开抛光单元阵列100。晶圆在清洗中转台118与各个抛光装载台116之间的传输，以及晶圆在各个抛光装载台116之间的传输，通过晶圆传输单元120完成。

如图3所示，抛光盘117、抛光头112、抛光臂111、修整器114、抛光液臂113设置在工作台115上。抛光盘117通过轴承系统与工作台115连接，抛光盘117可以连续旋转。所述抛光臂111可以携带抛光头112在抛光盘117与抛光装载台116之间运动。在抛光过程中抛光臂111携带抛光头112在抛光盘117的范围内小幅摆动。在抛光过程中修整器114在抛光盘117的半径范围内往复运动，通过修整器114头部的旋转砂轮实现对抛光盘117的在线修整。在抛光过程中抛光液臂113会供给抛光液在在抛光盘117上。晶圆抛光结束后，抛光臂113携带抛光头112旋转至抛光装载台116的位置进行卸载晶圆，晶圆卸载后再重新装载另一片晶圆，进行下一个抛光循环。

如图4所示为作为晶圆传输模块的核心部件的晶圆传输单元120的示意图，包括：导向装置121，水平运动驱动装置122，垂直运动机构123，晶圆卡盘124，晶圆卡爪125等。这部分为晶圆传输模块的工作部，其通过晶圆传输模块的连接部(图中未示出)与化学机械平坦化设备连接。

在初始状态下，垂直运动机构123控制晶圆卡盘124处于高位，使得晶圆卡盘124可以沿着水平方向自由行走。当水平运动驱动装置122驱动垂直运动机构123沿导向装置121运行到清洗中转台118或者抛光装载台116的上方时，垂直运动机构123控制晶圆卡盘124下降到低位，晶圆卡盘124上装有可以张开和闭合的晶圆卡爪125。晶圆卡爪125，晶圆卡盘124在低位取放晶圆结束后，垂直运动机构123控制晶圆卡盘124上升到高位，水平运动驱动装置122驱动垂直运动机构123沿导向装置121运行到下一个清洗中转台118或者抛光装载台116的上方，垂直运动机构123控制晶圆卡盘124下降到低位，晶圆卡盘124上的晶圆卡爪125进行取放晶圆操作。如此往复运动，使得晶圆可以在清洗中转台118和各个抛光装载台116之间实现传递。为了提高晶圆的传输效率，如图4所示，晶圆传输单元120中的晶圆卡盘124设计成翻转结构，在晶圆卡盘124的两面布置两套晶圆卡爪125机构。此时实例可以有效减少晶圆传输单元120的行走路线，增加晶圆传输单元120的传输能力。因为抛光装载台上方的晶圆传输单元可以将晶圆从一个抛光装载台转移到另一个抛光装载台，或者将晶圆从抛光模块拿进或者拿出，因为晶圆传输单元布置在所述抛光装载台的上方，所以抛光头在抛光装载台进行装载或者卸载晶圆时，晶圆传输单元可以随时穿越抛光单元而不会受到干扰，构成本发明的最主要优点之一。

如图1所示，经过化学机械抛光后的晶圆，被晶圆传输单元120放在清洗中转台118上，由清洗模块200的机械手将晶圆从清洗中转台118上转移到清洗模块200进行抛光后的清洗及干燥处理。所述清洗模块200布置左右两个，根据需要，清洗机械手可以选择将晶圆放至任一个清洗模块200。

作为本发明另一个实施例，晶圆传输单元120可以设计成两套或者两套以上，在沿两列抛光单元的列方向上形成级联，以满足2列多组抛光单元阵列100的产能需要。

如图5所示，晶圆的传输由晶圆传输单元120a和晶圆传输单元120b协同实现，晶圆传输单元120a和晶圆传输单元120b可以共用一个导向装置121a，此外晶圆传输单元120a还包括水平运动驱动装置122a、垂直运动机构123a、晶圆卡盘124a及设置在晶圆卡盘124a上的晶圆卡爪；晶圆传输单元120b还包括水平运动驱动装置122b、垂直运动机构123b、晶圆卡盘124b及设置在晶圆卡盘124b上的晶圆卡爪。水平运动驱动装置122a和水平运动驱动装置122b布置在导向装置121a的两侧，并仅在导向装置121a的中部区域有活动覆盖的重合。传输单元120a负责晶圆在清洗中转台118、抛光装载台116f、抛光装载台116e、抛光装载台116d之间的传输，传输单元120b负责晶圆在抛光装载台116d、抛光装载台116c、抛光装载台116b、抛光装载台116a之间传输。传输单元120a和传输单元120b可以在不同的时间到达抛光装载台116d的位置，以实现晶圆在整个抛光单元阵列100中的流转。

作为又一个实施例，如图6所示，一个(2×3阵列)的化学机械平坦化设备设置3个可移动的抛光装载台，分别为抛光装载台116a、抛光装载台116b、抛光装载台116c。抛光装载台116a负责抛光单元110a和抛光单元110b；抛光装载台116b负责抛光单元110c和抛光单元110d；抛光装载台116c负责抛光单元110e和抛光单元110f。该化学机械平坦化设备由一个晶圆传输单元120a进行晶圆的传输，该晶圆传输单元120a包括导向装置121a、水平运动驱动装置122a、垂直运动机构123a、晶圆卡盘124a及设置在晶圆卡盘124a上的晶圆卡爪。

上述最后两个实施例集中体现了本发明的晶圆传输单元配置的灵活性，以及晶圆传输单元与所服务的抛光装载台的配对时的灵活性，属于本发明的显著优点之一。

本发明中采用抛光单元排成两列或多列、晶圆传输单元居中的布局有助于减少传输的行程，化学机械平坦化设备加工效率同比大幅提升，而且通过采用模块化的布局，设备的整体布局更加灵活，适应性也更强。

如图7和图8所示，本发明提供了一种化学机械抛光平坦化晶圆传输设备，其包括至少一套晶圆传输机械手310；该晶圆传输机械手310包括：水平传动机构311、与所述水平传动机构311连接的垂直传动机构312及与所述垂直传动机构312连接的晶圆抓取装置313；所述垂直传动机构312驱动所述晶圆抓取装置313做上下垂直直线运动；所述水平传动机构311驱动所述垂直传动机构312做水平直线运动，进而带动所述晶圆抓取装置313做水平直线运动；同时在所述晶圆传输机械手310的晶圆抓取装置313水平直线运动方向上所覆盖的活动范围内布置有抛光中转台101、清洗中转台118及抛光装载台116。晶圆传输机械手310的晶圆抓取装置313可以到达沿直线布置的上述抛光中转台101、清洗中转台118及抛光装载台116的各个位置。

通过上述设置，即可实现晶圆401在抛光中转台101、抛光装载台116和清洗中转台118之间，以及在抛光模块各个抛光装载台116之间整个过程的传输；因而在整合传片机械手和湿片传输机械手的同时，还完成晶圆401在各个抛光装载台116之间的晶圆401传输。因为可以将晶圆401从抛光中转台101直接传输到抛光装载台116，由于无需中转，减少了晶圆401的中转次数，缩短了晶圆401传输时间，提高了传输效率，减少晶圆401因传输产生损坏的概率。

在上述实施例的基础上，上述抛光中转台101、清洗中转台118及抛光装载台116可以沿直线按次序依次布置，当然也可以根据实际生产需求具体布置，以提高传输效率为目的。作为化学机械抛光平坦化设备的具体布局的一实施例中，所述抛光中转台101和所述清洗中转台118两侧分别设置有至少一个清洗模块。例如在如图8所示的实施例中，清洗中转台118和抛光中转台101两侧的清洗模块分别设置为包含第一清洗单元504，第二清洗单元503、第三清洗单元502及干燥单元501的组合。所述抛光装载台116两侧设置有抛光模块，该抛光模块为2×3阵列排布的抛光单元110；抛光装载台116可以根据生产情况选择合适的数量。为了实现更简单更方便的布置，所述晶圆传输机械手310可以通过吊装或其他类似方式设置在所述抛光中转台101、清洗中转台118及抛光装载台116的上方。

为了提升整机生产能力和生产效率，该设备可以包括平行对称设置的两套所述晶圆传输机械手310，以同时实现晶圆401的传输和取放。两套晶圆传输机械手310可以独立工作，互不影响。在水平直线运动过程中，晶圆抓取装置313的定位位置可以设置成高低两个区域；当其位于低区域的位置时应设置成高于抛光单元110中的抛光头等可能存在的障碍物，以避免发生碰撞。两套所述晶圆传输机械手310各自的晶圆抓取装置313沿水平直线同时运动时分别选择位于高低不同的区域，以避免晶圆抓取装置313之间发生碰撞，且两者任一都可选择位于高区域或低区域，具体可根据实际需要进行设置。此外为防止晶圆抓取装置313相撞，两套所述晶圆传输机械手310在工作状态时各自的垂直传动机构312之间的距离大于晶圆401的直径。

本发明中的晶圆传输机械手310可以通过晶圆抓取装置313实现晶圆401的取放，并可以通过水平传动机构311和垂直传动机构312的配合实现晶圆401在水平直线方向上各个位置的传输。通过水平传动机构311和垂直传动机构312的具体尺寸设计，可以根据实际情况改变晶圆抓取装置313升降及水平直线运动的活动范围。

本发明中的水平传动机构311和垂直传动机构312一般由水平/垂直导向装置/机构加水平/垂直驱动装置组成。水平/垂直导向装置可以是直线滚动导轨、直线滑动导轨、直线滚动轴承等形式；水平/垂直驱动装置可以采用直线电机、滚珠丝杠、同步齿形带、钢带等方式。本发明的创新之处在于上述晶圆传输机械手310的结构和位置关系所对传统晶圆401传输方式的改进。至于水平传动机构311和垂直传动机构312的具体结构可以采用现有技术实现，只要实现晶圆抓取装置313能够做水平直线运动和上下垂直直线运动即可。具体地，可以是上述导向机构和驱动装置的具体实施方式的任意组合，皆能够达到本发明所实现的上述有益技术效果。

在一个更为具体的实施例中，所述水平传动机构311包括水平导向装置3111、水平驱动装置3112和水平运动平台3113；所述水平驱动装置3112驱动所述水平运动平台3113沿水平导向装置3111做水平直线运动。所述垂直传动机构312包括垂直驱动装置3122和与所述水平运动平台3113连接的垂直导向装置3121；所述垂直驱动装置3122驱动所述晶圆抓取装置313沿垂直导向装置3121做上下垂直直线运动。所述晶圆抓取装置313包括卡爪3131和与所述垂直驱动装置3122连接的推动爪3132；所述推动爪3132驱动所述卡爪3131水平移动，并与所述卡爪3131配合以取放晶圆401。

本发明所提供的化学机械抛光平坦化设备的创新之处在于使用了本发明所提供的晶圆传输机械手310，并在晶圆抓取装置313水平直线运动方向上的活动范围内布置有抛光中转台101、清洗中转台118及抛光装载台116。在整合传片机械手和湿片传输机械手的同时，还完成晶圆401在各个抛光装载台116之间的晶圆401传输。可根据抛光需求选择仅使用一套晶圆传输机械手或更多套同时使用，可按抛光工作量选择晶圆传输机械手的使用量，使晶圆传输机械手配置和使用更灵活，提升整机生产能力和生产效率。

本发明还提供了利用上述化学机械抛光平坦化晶圆传输设备在晶圆401实际加工过程的具体进行晶圆传输的方法，具体包含如下步骤：

S0：将待加工的晶圆401首先被放置在抛光中转台101上；

S1：水平传动机构311带动晶圆抓取装置313移动到抛光中转台101上方，晶圆抓取装置313沿着垂直传动机构312下降到抛光中转台101位置，抓取晶圆401；

S2：晶圆抓取装置313携带晶圆401沿着垂直传动机构312上升到一定高度，再由水平传动机构311沿水平直线方向带动到某个抛光装载台116位置上方；

S3：晶圆抓取装置313携带晶圆401沿着垂直传动机构312下降到相应抛光装载台116位置，释放晶圆401；这时，晶圆传输机械手310可以再搬运其他晶圆401；

S4：抛光装载台116上的晶圆401在抛光模块中的抛光单元110上完成抛光加工后，被重新放回抛光装载台116上；

S5：晶圆抓取装置313由水平传动机构311带动到该抛光装载台116上方，晶圆抓取装置313沿着垂直传动机构312下降到抛光装载台116位置，抓取晶圆401；

S6：晶圆抓取装置313携带晶圆401沿着垂直传动机构312上升到一定高度，由水平传动机构311带动到清洗中转台118上方，晶圆抓取装置313沿着垂直传动机构312下降到清洗中转台118位置，释放晶圆401；

S7：晶圆401通过清洗中转台118转移到清洗模块以进行抛光后清洗流程，分别通过第一清洗单元504，第二清洗单元503，第三清洗单元502和干燥单元501，完成抛光后清洗过程。在S5步骤后，晶圆抓取装置313也可以携带晶圆401沿着垂直传动机构312上升到一定高度，由水平传动机构311带动到其它抛光装载台116上方，以相同的方式释放晶圆401，完成再一次抛光加工。

此外，包含多套晶圆传输机械手310的化学机械抛光平坦化设备的使用方法和步骤与上述相同。

综上所述，本发明所提供的晶圆传输机械手可以将晶圆从抛光中转台直接传输到抛光装载台，由于无需中转，减少了晶圆的中转次数，缩短了晶圆传输时间，提高了传输效率，减少晶圆因传输产生损坏的概率。

本发明所提供的化学机械抛光平坦化晶圆传输设备可以对称地布置两套上述晶圆传输机械手，彼此独立工作，可根据抛光需求选择仅使用一套晶圆传输机械手或两套同时使用，可按抛光工作量选择晶圆传输机械手的使用量，使晶圆传输机械手配置和使用更灵活，提升整机生产能力和生产效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种化学机械平坦化设备，包括抛光模块、清洗模块和晶圆传输模块，清洗模块对抛光后的晶圆进行清洗，其特征在于，所述抛光模块包含两列抛光单元阵列，每列抛光单元包含两组或多组抛光单元，两列抛光单元阵列对应的抛光装载台在位于抛光单元阵列的列方向上纵向排列，所述清洗模块排成两列，对应两列抛光单元阵列，所述晶圆传输模块的工作部位于沿纵向排列的抛光装载台的垂直上方，完成晶圆在其他装卸区与所述抛光装载台以及所述抛光装载台之间的传输。

2.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述其他装卸区为清洗中转台，进出抛光模块的晶圆要经过清洗中转台暂存。

3.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述晶圆传输模块包括一组或多组晶圆传输单元，每组晶圆传输单元包括导向装置、水平运动驱动装置、垂直运动机构、晶圆卡盘和晶圆卡爪，水平运动驱动装置驱动垂直运动机构沿导向装置水平方向滑动，垂直运动机构与晶圆卡盘连接，并能够控制晶圆卡盘在高位和低位两个模式下工作，晶圆卡爪安装于晶圆卡盘上，能够做张开和闭合操作。

4.如权利要求3所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述多组晶圆传输单元中的每组晶圆传输单元沿两列抛光单元的列方向上形成级联，完成晶圆在其他装卸区与各个抛光装载台以及各个抛光装载台之间的传输，所述多组晶圆传输单元互相协作，实现晶圆在整个抛光单元阵列中的流转。

5.如权利要求3所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述晶圆卡盘为翻转结构，在其两面布置两套晶圆卡爪机构。

6.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述抛光装载台能够在抛光单元阵列的列方向上纵向移动，一个抛光装载台对应一个以上的抛光单元。

7.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，在所述抛光单元与抛光装载台之间设置可开启闭合的抛光门。

8.一种利用权利要求3所述的化学机械平坦化设备进行晶圆传输的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：在初始状态下，垂直运动机构控制晶圆卡盘处于高位，使得晶圆卡盘能够沿着水平方向自由行走；

S2：当水平运动驱动装置驱动垂直运动机构沿导向装置运行到清洗中转台或者抛光装载台的上方时，垂直运动机构控制晶圆卡盘下降到低位，晶圆卡盘上安装的晶圆卡爪抓取晶圆；

S3：随后垂直运动机构控制晶圆卡盘上升到高位，水平运动驱动装置驱动垂直运动机构沿导向装置运行到下一个清洗中转台或者抛光装载台的上方；

S4：垂直运动机构控制晶圆卡盘下降到低位，晶圆卡盘上的晶圆卡爪进行释放晶圆操作；

S5：重复以上步骤，使得晶圆能够在清洗中转台和各个抛光装载台之间实现传递。

9.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述晶圆传输模块包括至少一套晶圆传输机械手；所述晶圆传输机械手包括：水平传动机构、与所述水平传动机构连接的垂直传动机构及与所述垂直传动机构连接的晶圆抓取装置；所述垂直传动机构驱动所述晶圆抓取装置做上下垂直直线运动；所述水平传动机构驱动所述垂直传动机构做水平直线运动，进而带动所述晶圆抓取装置做水平直线运动；在所述晶圆抓取装置水平直线运动方向上的活动范围内布置有抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台。

10.如权利要求9所述的化学机械抛光平坦化设备，其特征在于，该设备包括平行对称设置的两套所述晶圆传输机械手。

11.如权利要求10所述的化学机械抛光平坦化设备，其特征在于，两套所述晶圆传输机械手各自的晶圆抓取装置沿水平直线同时运动时分别位于高低不同的区域，以避免发生碰撞。

12.如权利要求9所述的化学机械抛光平坦化设备，其特征在于，所述抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台沿直线依次布置；所述抛光中转台和所述清洗中转台两侧设置有清洗模块；所述抛光装载台两侧设置有抛光模块。

13.如权利要求9所述的化学机械抛光平坦化设备，其特征在于，所述晶圆传输机械手通过吊装设置在所述抛光中转台、清洗中转台及抛光装载台的上方。

14.一种利用权利要求9所述的化学机械抛光平坦化设备进行晶圆传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0：将待加工的晶圆首先放置在抛光中转台上；

S1：水平传动机构带动晶圆抓取装置移动到抛光中转台上方，晶圆抓取装置沿着垂直传动机构下降到抛光中转台位置，抓取晶圆；

S2：晶圆抓取装置携带晶圆沿着垂直传动机构上升到一定高度，再由水平传动机构沿水平直线方向带动到某个抛光装载台位置上方；

S3：晶圆抓取装置携带晶圆沿着垂直传动机构下降到相应抛光装载台位置，释放晶圆；此时晶圆传输机械手可以再搬运其他晶圆；

S4：抛光装载台上的晶圆在抛光模块上完成抛光加工后，被重新放回抛光装载台上；

S5：晶圆抓取装置由水平传动机构带动到装载有抛光加工后晶圆的抛光装载台上方，晶圆抓取装置沿着垂直传动机构下降到抛光装载台位置，抓取晶圆；

S6：晶圆抓取装置携带晶圆沿着垂直传动机构上升到一定高度，由水平传动机构带动到清洗中转台上方，晶圆抓取装置沿着垂直传动机构下降到清洗中转台位置，释放晶圆；

S7：晶圆通过清洗中转台转移到清洗模块，完成抛光后清洗过程。