CN110039441A - 一种化学机械平坦化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种化学机械平坦化设备，该化学机械平坦化设备包括：多排多个抛光单元；设置在多排抛光单元一侧的转载台，用于放置待抛光的晶圆和清洗干燥后的晶圆；设置在相邻两排抛光单元之间的至少一排多个装卸台，用于临时放置待抛光的晶圆及抛光后的晶圆；与多排抛光单元平行设置的至少一排清洗及干燥单元；设置在多排抛光单元另一侧的输送单元，用于将抛光后的晶圆输送至清洗及干燥单元一侧；以及用于取放晶圆的机械手。本发明将化学机械平坦化和湿法清洗两个工艺步骤简化为一步完成，可以实现晶圆的干进和干出。无需抛光后的自带清洗，减少独立化学机械平坦化设备和湿法清洗设备所占用的净化间面积，简化了工艺步骤。

Description

一种化学机械平坦化设备
技术领域
本发明涉及半导体集成电路芯片制造的设备领域，具体涉及一种化学机械平坦化设备。
背景技术
目前，现有的半导体生产技术领域中，抛光单元和酸槽清洗工艺设备是分离式的，经过抛光后的湿润状态的晶圆需要经过传输单元输送至酸槽清洗工艺设备，存在行程长、效率低、工艺复杂的缺点，对晶圆的批量平坦化构成障碍。同时，现有的分离式设备不利于生产工艺的智能化改造，无法统筹处理过程中各设备之间的配合；在不同处理工艺的间隙中增加了晶圆的排队等待时间，进一步造成晶圆的污染可能性提高。且抛光后的晶圆无法第一时间进行清洗，进一步降低了晶圆的处理效率，不利于工业化大规模生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种化学机械平坦化设备，以将化学机械平坦化及湿法清洗两个工艺步骤通过一台设备一步完成。
为达到上述目的，本发明提供了一种化学机械平坦化设备，其包括：多排多个抛光单元；设置在多排抛光单元一侧的转载台，用于放置待抛光的晶圆和清洗干燥后的晶圆；设置在相邻两排抛光单元之间的至少一排多个装卸台，用于临时放置待抛光的晶圆及抛光后的晶圆；与多排抛光单元平行设置的至少一排清洗及干燥单元；设置在多排抛光单元另一侧的输送单元，用于将抛光后的晶圆输送至清洗及干燥单元一侧；以及用于取放晶圆的机械手。
上述的化学机械平坦化设备，其中，该化学机械平坦化设备还包括设置在上方的用于对机械手进行驱动的驱动机构。
上述的化学机械平坦化设备，其中，该化学机械平坦化设备还包括用于检测晶圆位置信息的视觉定位装置及分别与所述视觉定位装置和机械手连接的控制系统，用于控制机械手根据晶圆位置信息取放晶圆。
上述的化学机械平坦化设备，其中，所述抛光单元包括：抛光头、设置在抛光头下方的抛光台、放置在所述抛光台上的抛光垫、抛光垫修整器及抛光液输送臂；所述抛光垫修整器的一端固定于所述抛光台上，另一端位于所述抛光垫上方；所述抛光液输送臂设置于所述抛光垫上方，用于输送抛光液至所述抛光垫上。
上述的化学机械平坦化设备，其中，所述抛光单元总共至少为2个，每排设置有相同数量的抛光单元。
上述的化学机械平坦化设备，其中，相邻两排抛光单元之间的装卸台呈一排设置，每排抛光单元的数量和每排装卸台的数量相等，每个装卸台由位于其两侧的两个抛光单元共用。
上述的化学机械平坦化设备，其中，所述装卸台能够沿其排列方向来回移动，用以配合晶圆的取放。
上述的化学机械平坦化设备，其中，所述输送单元为传送带结构。
上述的化学机械平坦化设备，其中，所述清洗及干燥单元包括从输送单元向转载台方向依次设置的用于对抛光后的晶圆完成湿法清洗的多个槽体及用于对清洗后的晶圆进行干燥的异丙醇干燥装置。
上述的化学机械平坦化设备，其中，所述多个槽体包括依次设置的DHF槽、第一水槽、SC1槽、第二水槽、SC2槽及第三水槽；所述DHF槽内盛放有HF和H2O的混合液；所述SC1槽内盛放有H2O2、NH4OH和H2O的混合液；所述SC2槽内盛放有H2O2、HCl和H2O的混合液；所述第一水槽、第二水槽及第三水槽内盛放有去离子水。
本发明的主要特点是将化学机械平坦化与湿法清洗工艺由原来的分离式配置改为集成于一台设备上,将化学机械平坦化和湿法清洗两个工艺步骤简化为一步完成，可以实现晶圆的干进和干出。
概括起来，本发明具有以下技术优势：
(1)可包含2个以上(4，6，8，10...)抛光单元，提高了产能和效率，适合大规模生产；
(2)消除了从化学机械平坦化工艺到清洗工艺之间晶圆传输和排队的时间，简化了工艺步骤；
(3)湿润晶圆可直接进临近输送单元的清洗槽，及时的清洗可以改善晶圆的清洁度；
(4)无需化学机械后的自带清洗，产出多，速度快，质量好，降低了设备成本，集成方案还可以减少独立化学机械平坦化设备和湿法清洗设备所占用的净化间面积；
(5)使用机械手完成晶圆在化学机械平坦化设备各组成部分之间的传递，可以实现生产机械化及自动化，配合视觉定位装置能够进一步实现精细化生产，达到更高的生产效率。
附图说明
图1为本发明化学机械平坦化设备的结构示意图。
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。
如图1所示，为本发明化学机械平坦化设备一实施例的结构示意图，图中的箭头表示晶圆的移动方向。该实施例所示出的化学机械平坦化设备包括：平行设置的两排共6个抛光单元10，每排设置3个抛光单元10；设置在两排抛光单元10一侧的转载台20，用于放置待抛光的晶圆和清洗干燥后的晶圆；设置在两排抛光单元10之间的一排3个装卸台30，用于临时放置待抛光的晶圆及抛光后的晶圆，每个装卸台30位于其两侧的2个抛光单元10之间，并被该2个抛光单元10共用；与两排抛光单元平行设置的一排清洗及干燥单元；设置在两排抛光单元10另一侧的输送单元40，用于将抛光后的晶圆输送至清洗及干燥单元一侧；以及用于取放晶圆的机械手，以实现晶圆在本发明化学机械平坦化设备各组成部分之间的传送，机械手的设置位置可以自由设置，例如可以固定设置在某个需要移动晶圆的位置，也可以通过驱动机构自由地在该实施例各组成部分之间穿梭移动，以实现更大的处理效率以及更具有灵活性。
在该实施例中，为减少化学机械平坦化设备的空间占用面积，提高单位生产面积的工业产出值，两排抛光单元10和位于其之间的一排装卸台30紧凑设置。为实现同样的目的，可以进一步扩展为：两排抛光单元10、一排装卸台30以及一排清洗及干燥单元平行紧凑设置成长方体区域，转载台20和输送单元40紧凑位列在该长方体区域的两侧，且转载台20和输送单元40的长度等于其所对应的该长方体区域的边长。通过这种布置，可以使空间利用率实现最大化，同时也能够减轻机械手的工作负担及布置难度。当然地，为了对清洗及干燥单元进行维护检修作业，该清洗及干燥单元和两排抛光单元10之间可以留出一定的操作空间。
在该实施例中，为了提高化学机械平坦化设备的处理通量，可以平行设置多排多个抛光单元10；每排可以设置相同数量的抛光单元10，排与排之间对齐设置，以进一步提高空间利用率；相邻的两排抛光单元10之间可以设置与该两排抛光单元10平行的一排或更多排的装卸台30，可以根据抛光单元10的处理效率进行选择。抛光单元10的处理效率越高，可以相应地增加装卸台30的数量，以减少晶圆排队等待处理的时间。同样地，为提高化学机械平坦化设备的处理通量，也可以设置多排清洗及干燥单元，例如可以在上述长方体区域的最外侧各设置一排清洗及干燥单元，也可以根据实际情况在多排抛光单元10之间再设置一排或多排清洗及干燥单元。
为了提高机械手的操作效率，该化学机械平坦化设备还包括设置在上方的用于对机械手进行驱动的驱动机构。可选地，该驱动机构可以选择为水平平移机构，用于驱动设置在其上的机械手先水平360度自由移动，确定到某一具体位置后可以进而驱动机械手上下移动，以实现机械手更大范围的使用，并在不影响处理效率的情况下尽可能减少机械手的数量。该水平平移机构可以采用类似于行车的结构，以最大化地减少机构的复杂程度。当然地，该水平位移机构也可以穿插地设置在化学机械平坦化设备的各部分之间以实现相同的目的。
为了避免机械手常见的操作误差，上述实施例还可以进一步设置用于检测晶圆位置信息的视觉定位装置，以实现对晶圆的准确定位，更大地发挥机械手的处理效率及避免因操作不当而对晶圆造成的破坏。进一步地，所述视觉定位装置和机械手分别与一控制系统连接，该控制系统用于控制机械手根据晶圆位置信息准确取放晶圆；通过控制系统与视觉定位装置的配合，使得机械手的操作精度大为提高，进而避免误操作对成品质量的影响。更进一步地，该控制系统可以对化学机械平坦化设备中的抛光单元10、输送单元40及清洗及干燥单元中的具体操作参数进行综合控制，例如对抛光单元10的抛光时间、输送单元40的传送速度、清洗及干燥单元的处理时间等重要参数进行综合控制，以减少晶圆处理的等待时间，提高处理效率及通量。
在一更具体的实施例中，所述抛光单元10包括：抛光头11、设置在抛光头11下方的抛光台12、放置在所述抛光台12上的抛光垫、抛光垫修整器及抛光液输送臂；所述抛光垫修整器的一端固定于所述抛光台12上，另一端位于所述抛光垫上方；所述抛光液输送臂设置于所述抛光垫上方，用于输送抛光液至所述抛光垫上。为进一步提高平坦化处理效率，所述抛光单元10总共至少为2个，平行对齐设置为多排，每排设置有相同数量的抛光单元10；在具体实施时可以进一步根据清洗及干燥单元产能增加抛光单元10的数量(比如4个，6个，8个，10个等)，实现抛光单元10与清洗及干燥单元产能匹配。装卸台30能够沿其排列方向来回移动，以更靠近其两侧抛光单元10的抛光头11的位置，从而实现配合晶圆取放的目的以及提高平坦化效率和减少等待时间；每排装卸台30的数量与每排抛光单元10的数量相等，每个装卸台30的初始位置设置在其两侧的两个抛光单元10的中间位置，且每个装卸台30由位于其两侧的两个抛光单元10共用，以更进一步简化设备的复杂性，挺高平坦化效率。输送单元40可以采用传送带结构，以更便于实现将抛光后的晶圆从抛光单元10运送至清洗及干燥单元侧。
清洗及干燥单元包括从输送单元40向转载台20方向依次设置的用于对抛光后的晶圆完成湿法清洗的多个槽体及用于对清洗后的晶圆进行干燥的异丙醇干燥装置57，经过干燥后就可以实现晶圆的干出。多个槽体和异丙醇干燥装置57呈一排排列，并依次设置在输送单元40、转载台20之间，且与多排抛光单元10平行设置，以实现化学机械平坦化设备的紧凑设置，并便于机械手进行转移操作；同时多个槽体之间以及槽体和异丙醇干燥装置57之间紧凑设置，以更进一步减少化学机械平坦化设备的占地面积并利于机械手的操作。
进一步地，本发明所提供的化学机械平坦化设备可以采用RCA清洗工艺，以清除有机表面膜、粒子和金属玷污。RCA清洗工艺是1965年由克恩(Kern)和波蒂宁(Puotinen)等人在新泽西州普林斯顿的RCA实验室首创的，并由此而得名。RCA是一种典型的、至今仍为最普遍使用的湿式化学清洗法。在采用该RCA清洗工艺后，上述多个槽体包括从输送单元40向转载台20方向依次设置的DHF(指HF和H2O的混合液)槽51、第一水槽52、SC1(指H2O2、NH4OH和H2O的碱性混合液)槽53、第二水槽54、SC2(指H2O2、HCl和H2O的酸性混合液)槽55及第三水槽56。抛光后的晶圆的清洗步骤为：第一步在DHF槽51内使用HF和H2O的混合液对晶圆进行清洗，将晶圆表面生成的自然氧化膜腐蚀掉，并去除附在自然氧化膜上的金属氢氧化物；第二步在第一水槽52内通过去离子水进行水洗，以除去在第一步所生成的水溶性化合物；第三步在SC1槽53内使用H2O2、NH4OH和H2O的混合液对晶圆进行清洗，通过H2O2的强氧化和NH4OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物；第四步在第二水槽54内通过去离子水进行水洗；第五步在SC2槽55内使用H2O2、HCl和H2O的混合液对晶圆进行清洗，通过酸性混合液极强的氧化性和络合性，与氧以前的金属作用生成盐；第六步在第三水槽56内通过去离子水将第五步所生成的盐去除，完成晶圆的清洗步骤；清洗后的晶圆进而通过异丙醇干燥装置57进行干燥。上述清洗步骤中，晶圆可以浸泡在清洗液中，也可以使用清洗液对其进行淋洗，也可以是这两种方法的结合，可以根据具体实际的清洗效果进行选择。
待抛光的晶圆首先放置在转载台20上，根据多排抛光单元10的抛光情况，将待抛光的晶圆临时放置在多排抛光单元10一侧的装卸台30上排队等待被抛光。经抛光单元10抛光后的晶圆再通过机械手临时放置在装卸台30上，进而通过输送单元40运送至清洗及干燥单元一侧。再将抛光后的晶圆依次在清洗及干燥单元中的多个槽体和异丙醇干燥装置57之间进行转移和处理，最后将干燥后的晶圆放置在转载台20上等待下一步工艺。晶圆在本发明化学机械平坦化设备各组成部分之间的传送可以通过机械手的抓取实现。
综上所述，本发明将化学机械平坦化和湿法清洗两个工艺步骤简化为一步完成，可以实现晶圆的干进和干出。无需化学机械后的自带清洗，产出多，速度快，质量好，降低了设备成本，集成方案还可以减少独立化学机械平坦化设备和湿法清洗设备所占用的净化间面积；消除了从化学机械平坦化工艺到清洗工艺之间晶圆传输和排队的时间，简化了工艺步骤。
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 (10)

1.一种化学机械平坦化设备，其特征在于，包括：多排多个抛光单元；设置在多排抛光单元一侧的转载台，用于放置待抛光的晶圆和清洗干燥后的晶圆；设置在相邻两排抛光单元之间的至少一排多个装卸台，用于临时放置待抛光的晶圆及抛光后的晶圆；与多排抛光单元平行设置的至少一排清洗及干燥单元；设置在多排抛光单元另一侧的输送单元，用于将抛光后的晶圆输送至清洗及干燥单元一侧；以及用于取放晶圆的机械手。
2.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，该化学机械平坦化设备还包括设置在上方的用于对机械手进行驱动的驱动机构。
3.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，该化学机械平坦化设备还包括用于检测晶圆位置信息的视觉定位装置及分别与所述视觉定位装置和机械手连接的控制系统，用于控制机械手根据晶圆位置信息取放晶圆。
4.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述抛光单元包括：抛光头、设置在抛光头下方的抛光台、放置在所述抛光台上的抛光垫、抛光垫修整器及抛光液输送臂；所述抛光垫修整器的一端固定于所述抛光台上，另一端位于所述抛光垫上方；所述抛光液输送臂设置于所述抛光垫上方，用于输送抛光液至所述抛光垫上。
5.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述抛光单元总共至少为2个，每排设置有相同数量的抛光单元。
6.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，相邻两排抛光单元之间的装卸台呈一排设置，每排抛光单元的数量和每排装卸台的数量相等，每个装卸台由位于其两侧的两个抛光单元共用。
7.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述装卸台能够沿其排列方向来回移动，用以配合晶圆的取放。
8.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述输送单元为传送带结构。
9.如权利要求1所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述清洗及干燥单元包括从输送单元向转载台方向依次设置的用于对抛光后的晶圆完成湿法清洗的多个槽体及用于对清洗后的晶圆进行干燥的异丙醇干燥装置。
10.如权利要求9所述的化学机械平坦化设备，其特征在于，所述多个槽体包括依次设置的DHF槽、第一水槽、SC1槽、第二水槽、SC2槽及第三水槽；所述DHF槽内盛放有HF和H2O的混合液；所述SC1槽内盛放有H2O2、NH4OH和H2O的混合液；所述SC2槽内盛放有H2O2、HCl和H2O的混合液；所述第一水槽、第二水槽及第三水槽内盛放有去离子水。
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