CN111524833B - 一种化学机械抛光系统和化学机械抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光系统和化学机械抛光方法，化学机械抛光系统包括前置单元、抛光单元和清洗单元，所述抛光单元包括抛光装置和晶圆装卸装置；所述抛光装置与晶圆装卸装置水平间隔设置，所述抛光装置具有承载头并且该承载头设置成在抛光装置两侧的晶圆装卸装置之间移动，以使晶圆在抛光单元内部传输。

Description

一种化学机械抛光系统和化学机械抛光方法
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种化学机械抛光系统和化学机械抛光方法。
背景技术
化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平整化的超精密表面加工技术。由于更小线宽需要更精确的制造技术以及对提高产量和降低成本的持续需求驱使不断致力于抛光系统的改进。
化学机械抛光工艺需要在化学机械抛光系统上实施，其一般包括前置单元、抛光单元和清洗单元。待加工的晶圆由前置单元依次传输至抛光单元和清洗单元，实现晶圆“干进干出”的抛光工艺。抛光单元一般包括多个抛光装置，为实现晶圆的良好传输，在抛光模量的临近位置设置实现抛光装置与机械手之间晶圆交接的晶圆装卸装置(load cup)。专利CN206105604U公开的化学机械抛光系统，其包含上述技术方案，在抛光装置的临近位置设置晶圆装卸装置，以保证晶圆的良好传输。
现有的化学机械抛光系统存在以下不足：抛光装置的承载头需等待机械手将晶圆放置于晶圆装卸装置后，再由承载头传输至抛光盘进行抛光；由于对应的晶圆装卸装置还需要放置完成抛光的晶圆。因而，在抛光过程中，机械手无法预先放置下一片待抛光的晶圆，只能等待晶圆抛光完成、由承载头传输至晶圆装卸装置、由机械手抓取传递至下一工序后，才能放置下一片待抛光晶圆。因此，现有的化学机械抛光系统存在抛光装置、晶圆装卸装置及机械手配合不流畅的问题，产生了大量的等待时间。此外，相邻抛光装置之间的工艺存在差异时，也会产生等待时间。化学机械抛光系统等待时间的产生会严重影响系统的产能。
因此，亟需设计一种化学机械抛光系统和化学机械抛光方法，解决现有技术中存在的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一个方面提供了一种化学机械抛光系统，包括前置单元、抛光单元和清洗单元，所述抛光单元包括抛光装置和晶圆装卸装置；所述抛光装置与晶圆装卸装置水平间隔设置，所述抛光装置具有承载头并且该承载头设置成在抛光装置两侧的晶圆装卸装置之间移动，以使晶圆在抛光单元内部传输。
优选地，化学机械抛光系统还包括平移缓存装置，其设置于抛光单元的侧面以缓存待抛光的晶圆，中转机械手将缓存的晶圆传输至晶圆装卸装置。
优选地，所述平移缓存装置沿抛光单元的长度方向设置，其沿竖直方向设置有多层晶圆传输模块；所述晶圆传输模块由直线模组驱动以沿平移缓存装置的长度方向传输晶圆。
优选地，所述晶圆装卸装置的数量多于所述抛光装置的数量。
优选地，所述抛光单元的数量为两组，其并行设置于平移缓存装置的两侧。
优选地，所述清洗单元位于前置单元与抛光单元之间，所述清洗单元的侧面设置有竖直缓存模块。
优选地，化学机械抛光系统还包括水平缓存模块，其位于所述清洗单元的另一侧并沿竖直方向叠落设置；前置单元的机械手将待抛光晶圆传输至水平缓存模块。
优选地，所述抛光装置还包括承载头移动装置，其带动承载头在抛光装置两侧的晶圆装卸装置移动，以实现晶圆在抛光单元内部的传输。
优选地，所述承载头移动装置带动承载头沿直线或曲线移动以实现晶圆在抛光装置的抛光盘与设置于抛光装置两侧的晶圆装卸装置之间移动。
本发明第二个方面提供了一种化学机械抛光方法，其使用上面所述的化学机械抛光系统，包括以下步骤：
中转机械手将平移缓存装置的晶圆传输至抛光单元的晶圆装卸装置以待加工；
承载头移动装置通过承载头将晶圆装卸装置的晶圆移动至抛光装置的抛光盘以实施化学机械抛光；
承载头移动装置将完成抛光的晶圆由抛光盘移动至抛光装置的另一侧的晶圆装卸装置以待下一工序模块的加工。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1是本发明所述一种化学机械抛光系统的布局示意图；
图2是根据本发明所述平移缓存装置40的结构示意图；
图3是本发明所述晶圆传输模块41的结构示意图；
图4是本发明化学机械抛光系统的结构示意图；
图5是本发明所述竖直缓存模块50的结构示意图；
图6是图5中所述竖直缓存模块50的内部结构图；
图7是本发明所述水平缓存模块60的结构示意图；
图8是晶圆在本发明所述化学机械抛光系统的传输路线图；
图9A至9G是晶圆在本发明所述化学机械抛光系统的分步传输路线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
在本发明中，“化学机械抛光(CMP,Chemical Mechanical Polishing)”也称为“化学机械平坦化(CMP,Chemical Mechanical Planarization)”，“基板(substrate)”也成称为“晶圆(wafer)”，其含义和实际作用等同。
图1是本发明所述化学机械抛光系统1的模块布局图，化学机械抛光系统1包括前置单元10、抛光单元20和清洗单元30，清洗单元30位于前置单元10与抛光单元20之间。晶圆加工时，首先，晶圆自前置单元10进入抛光单元20以进行化学机械抛光；接着，晶圆进入清洗单元30以进行晶圆表面的清洗和干燥；最后，晶圆再次回到前置单元10。这一过程以“干进干出”的方式实现了晶圆的材料去除。
图1中，抛光单元20包括抛光装置21和晶圆装卸装置22。抛光装置21包括承载头211和抛光盘212，承载头211将待抛光的晶圆抵接于抛光盘212并施加载荷，抛光液供给装置将抛光液传输至晶圆与位于抛光盘上部的抛光垫之间，晶圆在化学和机械的作用下完成材料的去除。晶圆装卸装置22是实现抛光装置与机械手之间晶圆交接的模块，即为本领域技术人员所谓的load cup。
在图1所示的实施例中，抛光单元20的抛光装置21与晶圆装卸装置22水平间隔设置，抛光装置21的两侧都设置有晶圆装卸装置22，即晶圆装卸装置22沿抛光单元20的长度方向设置。抛光装置21的承载头212可在抛光装置21两侧的晶圆装卸装置22之间移动，以实现晶圆在抛光单元20内部的传输。晶圆装卸装置22放置的晶圆由抛光装置21的承载头211抓取并移动至抛光装置21的抛光盘212上进行化学机械抛光。
由于完成化学抛光的晶圆无需再次移动至原来放置晶圆的晶圆装卸装置22，而是继续向下一个工序模块对应的晶圆装卸装置22移动。这样，在晶圆进行化学机械抛光的过程中，机械手可将下一片待抛光的晶圆预先放置于晶圆装卸装置22。与传统抛光系统相比，晶圆无需再次转移至原放置晶圆的晶圆装卸装置22，有效缩小了晶圆的等待时间，提高了机械手、晶圆装卸装置22和抛光装置21配合的顺畅性，有利于提升化学机械抛光系统的WPH(WPH,Wafers Per Hour)。
下面借助图1所示的实施例对上述技术方案简要说明，抛光单元20包括抛光装置21a和抛光装置21b，如图1所示。抛光装置21a的两侧设置有晶圆装卸装置22A和晶圆装卸装置22B。机械手预先将待抛光的晶圆放置于抛光装置21a临近设置的晶圆装卸装置22A，抛光装置21a的承载头211a将晶圆装卸装置22A的晶圆真空吸合并传输至抛光装置21a的抛光盘212a，以便实施化学机械抛光。由于完成抛光的晶圆无需再次移动至晶圆装卸装置22A，因此，在抛光装置21a实施化学机械抛光过程中，机械手可以将下一片待抛光的晶圆放置于晶圆装卸装置22A。上述技术方案解决了现有技术中晶圆装卸装置22需要等待抛光装置21的问题，有效提升晶圆在抛光单元内部传输的顺畅性。
作为本发明的另一个实施例，化学机械抛光系统1还包括平移缓存装置40，如图1所示，其设置于抛光单元20的侧面以缓存待抛光的晶圆。中转机械手73设置于平移缓存装置40的端部并位于抛光单元20的侧面，其将缓存于平移缓存装置40的晶圆传输至晶圆装卸装置22，以待抛光装置21的承载头211的真空吸合、传输和化学机械抛光。
进一步地，平移缓存装置40沿抛光单元20的长度方向设置，如图1所示。平移缓存装置40设置有多个晶圆传输模块41，如图2所示，晶圆可借助晶圆传输模块41由平移缓存装置40一端的第一工位40a移动至平移缓存装置40另一端的第二工位40b。作为图2所示的实施例的一个方面，晶圆传输模块41的数量可以为多个，其沿平移缓存装置40的竖直方向设置，以便同时传输并缓存多片晶圆。
图3是晶圆传输模块41的结构示意图，晶圆传输模块41包括直线模组411和晶圆托架412，晶圆托架412连接于直线模组411的滑块上。直线模组411沿平移缓存装置40的长度方向设置，设置于晶圆托架412上的晶圆借助直线模组411由平移缓存装置40一端的第一工位传输至平移缓存装置40另一端的第二工位，实现晶圆沿平移缓存装置40的长度方向的移动。作为本发明的另一实施例，抛光单元20对应的晶圆装卸装置22的数量多于所述抛光装置21的数量。在图1所示的实施例中，晶圆装卸装置22的数量较抛光装置21的数量多一个。
图4示出了化学机械抛光系统另一个实施例的示意图，在该实施例中，每个抛光单元20设置3个抛光装置21及4个晶圆装卸装置22，其并行设置于平移缓存装置40的两侧。在其他实施例中，晶圆装卸装置22的数量较抛光装置21的数量多2个及以上。
图1中，晶圆装卸装置22大致设置于抛光装置21的中心连线上。可以理解的是，晶圆装卸装置22也可临近抛光装置21的一侧设置，如临近平移缓存装置40的一侧设置。晶圆装卸装置22的设置位置与承载头移动装置有关，可综合考虑传输路径的长度，承载头移动装置的配置等因素，确定晶圆装卸装置的最终设置位置。
在图1所示的实施例中，抛光单元20的数量为两组，其平行设置并位于平移缓存装置40的两侧，以便共同使用一套平移缓存装置40。两套抛光单元20互不干涉、同步运行，有效提升了化学机械抛光的运行效率。所述清洗单元30位于前置单元10与抛光单元20之间，所述清洗单元30的侧面设置有竖直缓存模块50。
图5及图6是竖直缓存模块50的结构示意图。竖直缓存模块50包括壳体51和设置与壳体51内的支撑结构52，所述支撑结构52由三个辊轮对称设置而成，以对其上的晶圆W形成三点稳定支撑。在壳体51内形成竖向缓存晶圆W的空间，在壳体51的顶部平行设置有多个喷淋保湿溶剂的喷嘴53，其相关结构的描述详见专利CN209045492U。
化学机械抛光系统1还包括水平缓存模块60，其结构示意图，如图7所示，其位于所述清洗单元30的另一侧并沿竖直方向叠落设置；前置单元10的第一平移机械手71将待抛光晶圆传输至水平缓存模块60。水平缓存模块60可竖向叠落设置多个，以便同时缓冲存储多片晶圆。图7示出了一层水平缓存模块60的结构示意图，其相关结构的详细描述可参见专利CN206672910U。
本发明中，清洗单元30包括兆声清洗模块、辊刷清洗模块、干燥模块。其中，兆声清洗模块与干燥模块可合并设置在同一个腔室内，以移动一次晶圆即可完成清洗及干燥作业。具体地，在清洗腔室内，设置摆臂机构，所述摆臂机构可沿定点旋转，摆臂的端部设置兆声喷头以完成兆声清洗。同时，摆臂的端部设置喷射干燥流体的喷嘴以进行晶圆表面的干燥处理。这种将功能模块合并在同一个腔室的技术方案能够有效缩小清洗单元的占用空间，提高设备的紧凑性。在图1所示的实施例中，兆声清洗模块、辊刷清洗模块和干燥模块依次按照直线方式排列。可以理解的是，其也可以层叠设置，即在机台高度方向上层叠设置，这样在机台高度允许的范围内，有效缩小清洗单元的占地面积。
作为本发明的一个实施例，所述抛光装置20还包括承载头移动装置，其带动承载头211在抛光装置21两侧的晶圆装卸装置22移动，以实现晶圆在抛光单元20内部的传输。作为本实施例的一个方面，所述承载头移动装置带动承载头211沿直线移动以实现晶圆在抛光装置21的抛光盘212与设置于抛光装置21两侧的晶圆装卸装置22之间移动。承载头移动装置可以是直线滑轨，通过滑块结构带动承载头211经由抛光装置21的抛光盘212在抛光装置21两侧的晶圆装卸装置22之间移动。
作为上述实施例的一个变体，承载头移动装置可以带动承载头211沿曲线移动，实现晶圆在抛光装置21两侧的晶圆装卸装置22之间移动。作为上述实施例的另一个变体，承载头移动装置也可带动承载头211沿曲线摆动，实现晶圆在抛光装置21两侧的晶圆装卸装置22之间移动。
同时，本发明还披露了一种化学机械抛光方法，其使用上面所述的化学机械抛光系统，晶圆在本发明所述化学机械抛光系统1的整体传输路线图，如图8所示，包括以下步骤：
中转机械手73将平移缓存装置40的晶圆传输至抛光单元20的晶圆装卸装置22以待加工；
承载头移动装置通过承载头将晶圆装卸装置22的晶圆移动至抛光装置21的抛光盘212以实施化学机械抛光；
承载头移动装置将完成抛光的晶圆由抛光盘212移动至抛光装置21的另一晶圆装卸装置22以待下一工序模块的加工。
本发明所述的化学机械抛光方法能够实现晶圆在抛光单元20内部的顺畅传输，避免传统方法中机械手的等待时间，有效缩短不必要的等待时间，提升化学机械抛光系统晶圆传输的效率，有利于提升化学机械抛光系统的产能。
图9A至图9G为晶圆在化学机械抛光1的分步骤传输路线图，其主要是围绕晶圆A在本发明所述的化学机械抛光系统1的传输。在图9A中，晶圆A由第一平移机械手71自前置单元10的FOUP传输至水平缓存模块60；第二平移机械手72将设置于水平缓存模块60的晶圆A由水平缓存模块60传输至平移缓存装置40左端的第一工位，如图9B所示；平移缓存装置40上的晶圆传输模块将晶圆A由第一工位传输至位于平移缓存装置40右端的第二工位，位于平移缓存装置40端部的中转机械手73将晶圆A传输至抛光单元20的晶圆装卸装置22，如图9C所示。抛光装置21a在承载头移动装置的带动下，将晶圆A由晶圆装卸装置22A传输至抛光装置21a的抛光盘，以实施化学机械抛光，如图9D所示，抛光装置21a在对晶圆A进行抛光的过程中，中转机械手73将下一片待加工的晶圆传输至晶圆装卸装置22A。当晶圆A在抛光装置21a完成抛光后，承载头移动装置将晶圆A传输至晶圆装卸装置22B，如图9E所示。承载头移动装置将晶圆装卸装置22B的晶圆A传输至抛光装置21b的抛光盘以进行化学机械抛光，如图9F所示。当晶圆A在抛光装置21b完成抛光后，承载头移动装置将晶圆A传输至晶圆装卸装置22C，如图9G所示。第二平移机械手72将完成抛光的晶圆A由晶圆装卸装置22C传输至竖直缓存模块50，传输机械手将竖直缓存模块50内的晶圆传输至清洗单元30以完成晶圆表面的清洗和干燥。完成清洗与干燥的晶圆可缓存至水平缓存模块60，以待第一平移机械手71将晶圆传输至前置单元的FOUP。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种化学机械抛光系统，其特征在于，包括前置单元、抛光单元和清洗单元，所述抛光单元包括抛光装置和晶圆装卸装置；所述抛光装置与晶圆装卸装置水平间隔设置，所述抛光装置具有承载头并且该承载头设置成在抛光装置两侧的晶圆装卸装置之间移动，以使晶圆在抛光单元内部传输；还包括平移缓存装置，其设置于抛光单元的侧面以缓存待抛光的晶圆，中转机械手将缓存的晶圆传输至晶圆装卸装置；所述平移缓存装置沿抛光单元的长度方向设置，其沿竖直方向设置有多层晶圆传输模块；所述抛光单元的数量为两组，其并行设置于平移缓存装置的两侧。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，其特征在于，所述晶圆传输模块由直线模组驱动以沿平移缓存装置的长度方向传输晶圆。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，其特征在于，所述晶圆装卸装置的数量多于所述抛光装置的数量。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，其特征在于，所述清洗单元位于前置单元与抛光单元之间，所述清洗单元的侧面设置有竖直缓存模块。
5.如权利要求4所述的化学机械抛光系统，其特征在于，还包括水平缓存模块，其位于所述清洗单元的另一侧并沿竖直方向叠落设置；前置单元的机械手将待抛光晶圆传输至水平缓存模块。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，其特征在于，所述抛光装置还包括承载头移动装置，其带动承载头在抛光装置两侧的晶圆装卸装置移动，以实现晶圆在抛光单元内部的传输。
7.如权利要求6所述的化学机械抛光系统，其特征在于，所述承载头移动装置带动承载头沿直线或曲线移动以实现晶圆在抛光装置的抛光盘与设置于抛光装置两侧的晶圆装卸装置之间移动。
8.一种化学机械抛光方法，使用权利要求1-7任一项所述的化学机械抛光系统，其特征在于：中转机械手将平移缓存装置的晶圆传输至抛光单元的晶圆装卸装置以待加工；承载头移动装置通过承载头将晶圆装卸装置的晶圆移动至抛光装置的抛光盘以实施化学机械抛光；承载头移动装置将完成抛光的晶圆由抛光盘移动至抛光装置的另一侧的晶圆装卸装置以待下一工序模块的加工。
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