CN113084708A - 气压缸保护结构及化学机械研磨装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种气压缸保护结构及化学机械研磨装置。所述气压缸保护结构包括：第一基座；第一套筒，采用化学惰性材料制成，固定于所述第一基座上，所述第一套筒用于容纳气压缸，所述气压缸能够沿所述第一套筒的轴线方向升降运动；第一密封圈，套设于所述第一套筒外表面；第二套筒，采用化学惰性材料制成，套设于所述第一套筒外部且贴附于所述第一密封圈的外表面，所述第二套筒与所述第一套筒同轴设置，且所述第二套筒能够沿其轴线方向升降运动。本发明一方面能够保护位于气压缸保护结构内部的气压缸，另一方面也有助于延长气压缸保护结构的使用寿命。

Description

气压缸保护结构及化学机械研磨装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种气压缸保护结构及化学机械研磨装置。

背景技术

化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是半导体制造过程中的一种重要工艺步骤。化学机械研磨是一个通过化学反应过程和机械研磨过程共同作用的工艺。研磨过程中研磨头施加一定的压力在晶圆背面，使得晶圆正面紧贴研磨垫。研磨垫自身进行旋转，同时，且研磨头带动晶圆与所述研磨垫同方向旋转，使得晶圆正面与研磨垫表面产生机械摩擦。在研磨过程中，通过一系列复杂的机械和化学作用去除晶圆表面的一定厚度的膜层，从而达到晶圆平坦化的目的。

在化学机械研磨装置中，为了防止研磨过程中研磨液的飞溅，通常会在研磨垫的外周设置压板防护罩(Platen Shield)。所述压板防护罩通过与其连接的气压缸实现在竖直方向上的升降运动。为了防止气压缸在化学机械研磨过程中被化学药品或者水腐蚀，通常会在气压缸的外部设置气压缸保护结构。但是，当前的气压缸保护结构一般采用橡胶材料制成，随着气压缸的不断升降和化学品的腐蚀，气压缸保护结构存在如下缺陷：气压缸在升降的同时会拉伸气压缸保护结构，从而造成气压缸保护结构的疲劳老化和破损；相交材料的气压缸保护结构易被酸性或者碱性的化学品腐蚀；气压缸保护结构破损后悔造成化学品的渗漏，腐蚀气压缸内部结构，严重时甚至导致机台的宕机；橡胶材料的气压缸保护结构更换程序复杂，降低了机台产能，增大了人力成本。

因此，如何优化气压缸保护结构，从而降低气压缸保护结构被化学品腐蚀的概率，延长气压缸保护结构的使用寿命，确保化学机械研磨等半导体制程工序持续、稳定的进行，是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种气压缸保护结构及化学机械研磨装置，用于解决现有的气压缸保护结构使用寿命较短的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种气压缸保护结构，包括：

第一基座；

第一套筒，采用化学惰性材料制成，固定于所述第一基座上，所述第一套筒用于容纳气压缸，所述气压缸能够沿所述第一套筒的轴线方向升降运动；

第一密封圈，套设于所述第一套筒外表面；

第二套筒，采用化学惰性材料制成，套设于所述第一套筒外部且贴附于所述第一密封圈的外表面，所述第二套筒与所述第一套筒同轴设置，且所述第二套筒能够沿其轴线方向升降运动。

可选的，还包括：

驱动器，连接所述气压缸和所述第二套筒，用于驱动所述第二套筒随所述气压缸同步升降。

可选的，所述第一套筒包括相对分布的第一端部和第二端部；

所述第一端部与所述第一基座固定连接；

所述第一密封圈套设于所述第一套筒的所述第二端部处。

可选的，所述第一套筒的第二端部的外径小于所述第一端部的外径，所述第一密封圈的外径与所述第一端部的外径相等；

所述第一密封圈与所述第二端部过盈配合连接。

可选的，所述第一基座中具有用于容纳所述第一套筒的第一开口；所述气压缸保护结构还包括：

第二密封圈，设置于所述第一开口的内壁与所述第一套筒之间。

可选的，所述第一基座中具有环绕所述第一开口外周分布的多个第一连接孔，所述第一连接孔用于安装第一基座。

可选的，还包括：

第二基座，所述第二基座与所述第二套筒远离所述第一基座的端部连接，用于支撑所述第二套筒。

可选的，所述第二基座中具有多个第二连接孔，所述第二连接孔用于安装第二基座。

可选的，还包括：

外罩，所述外罩的一端连接所述第一基座、另一端连接所述第二基座，以套设于所述第一套筒和所述第二套筒外部。

可选的，所述外罩与所述第一基座的侧面卡合连接，且所述外罩与所述第二基座的侧面卡合连接。

可选的，还包括：

第一气孔，位于所述第一套筒上；

第二气孔，位于所述第一密封圈上，且所述第二气孔与所述第一气孔对准；

管道，一端连通所述第一气孔、另一端与驱动所述气压缸上升的上升进气管连通。

可选的，所述第一密封圈为铁氟龙密封圈。

可选的，在沿所述第一套筒的轴线方向上，所述第一密封圈的高度为10mm～40mm。

可选的，所述第一套筒的材料和所述第二套筒的材料均为透明材料。

可选的，所述第一套筒的材料和所述第二套筒的材料均为氯化聚氯乙烯树脂。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种化学机械研磨装置，包括：

研磨垫；

压板防护罩，环绕所述研磨垫的外周设置；

气压缸，连接所述压板防护罩，用于驱动所述压板防护罩沿垂直于所述研磨垫的表面的方向进行升降运动；

如上述任一项所述的气压缸保护结构，所述气压缸保护结构套设于所述气压缸外部。

本发明提供的气压缸保护结构及化学机械研磨装置，通过设置固定不动的第一套筒以及套设于第一套筒外部的第二套筒，且第二套筒能够沿其轴线方向主动升降运动，避免了对气压缸保护结构的被动拉伸而导致的疲劳破损，从而延长了气压缸保护结构的使用寿命。同时，所述第一套筒和所述第二套筒均采用化学惰性材料制成，能够抵抗酸性或者碱性化学品的腐蚀，一方面能够保护位于气压缸保护结构内部的气压缸，另一方面也有助于延长气压缸保护结构的使用寿命。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中气压缸保护结构的示意图；

附图2是本发明具体实施方式中第二套筒下降后的结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式中第二套筒上升后的结构示意图；

附图4是本发明具体实施方式中第一套筒的结构示意图；

附图5是本发明具体实施方式中第一密封圈的结构示意图；

附图6是本发明具体实施方式中第二套筒的结构示意图；

附图7是本发明具体实施方式中第一基座的结构示意图；

附图8是本发明具体实施方式中第二基座的结构示意图；

附图9是本发明具体实施方式中具有外罩的气压缸保护结构的示意图；

附图10是本发明具体实施方式中气压缸的驱动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的气压缸保护结构及化学机械研磨装置的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种气压缸保护结构，附图1是本发明具体实施方式中气压缸保护结构的示意图，附图2是本发明具体实施方式中第二套筒下降后的结构示意图，附图3是本发明具体实施方式中第二套筒上升后的结构示意图，附图4是本发明具体实施方式中第一套筒的结构示意图，附图5是本发明具体实施方式中第一密封圈的结构示意图，附图6是本发明具体实施方式中第二套筒的结构示意图，附图10是本发明具体实施方式中气压缸的驱动示意图。如图1-图6和图10所示，本具体实施方式提供的气压缸保护结构，包括：

第一基座10；

第一套筒11，采用化学惰性材料制成，固定于所述第一基座10上，所述第一套筒11用于容纳气压缸25，所述气压缸25能够沿所述第一套筒11的轴线方向升降运动；

第一密封圈13，套设于所述第一套筒11外表面；

第二套筒12，采用化学惰性材料制成，套设于所述第一套筒11外部且贴附于所述第一密封圈13的外表面，所述第二套筒12与所述第一套筒11同轴设置，且所述第二套筒12能够沿其轴线方向升降运动。

本具体实施方式中所述气压缸25能够沿所述第一套筒11的轴线方向升降运动是指，所述气压缸25中的活塞杆能够沿所述第一套筒11的轴线方向伸缩运动。

具体来说，所述第一基座10用于支撑所述第一套筒11，且便于将所述气压缸保护结构放置或者连接于其他机台中。所述第一套筒11呈圆柱形空心筒状，其尺寸可以根据实际需要进行选择，只要能使得气压缸25及其相关组件(例如上升进气管23和下降进气管24)等能够容纳于所述第一套筒11内部即可。所述气压缸25能够沿所述第一套筒11的轴线方向升降运动，从而驱动与所述气压缸25连接的压板防护罩等结构升降。所述第一套筒11的轴线是指穿过所述第一套筒11的中心且沿Z轴方向延伸的轴线。所述第一密封圈13的内表面贴附于所述第一套筒11的外表面，所述第一密封圈13的外表面贴附于所述第二套筒12的内表面，从而避免酸性或者碱性的化学品或者水汽等自所述第一套筒11和所述第二套筒12之间的间隙进入，避免了所述气压缸25被腐蚀。而且，所述第一密封圈13的外表面光滑，摩擦系数小，确保所述第二套筒12能够沿所述第二套筒12的轴线(即穿过所述第二套筒12的中心且沿Z轴方向延伸的轴线)方向顺利升降，且不会对所述第一密封圈13造成磨损。

本具体实施方式通过使得所述第二套筒12能够沿其轴线方向升降运动，从而可以根据所述气压缸25所要升降的距离的长短，灵活调整所述第二套筒12的上升距离(即所述气压缸25进行升降运动之前预先调整所述第一套筒11和所述第二套筒12共同构成的腔体的高度)，使得所述气压缸25能够在所述第一套筒11和所述第二套筒12共同构成的腔体内自由升降运动，而不会对所述第一套筒11或所述第二套筒12造成拉伸或者碰撞，从而避免所述第一套筒11和所述第二套筒12的劳损，提高所述气压缸保护结构的使用寿命。或者，本具体实施方式通过使得所述第二套筒12能够沿其轴线方向升降运动，使得所述第二套筒12与所述气压缸25同步运动(所述第一套筒11和所述第二套筒12共同构成的腔体的高度随所述气压缸25的运动而变化)，使得所述气压缸25能够在所述第一套筒11和所述第二套筒12共同构成的腔体内自由升降运动，而不会对所述第一套筒11或所述第二套筒12造成拉伸或者碰撞，从而避免所述第一套筒11和所述第二套筒12的劳损，提高所述气压缸保护结构的使用寿命。

本具体实施方式中所述的化学惰性材料是指，与酸性或者碱性化学品不发生反应的材料。采用化学惰性材料制造所述第一套筒11和所述第二套筒12，能够避免化学品腐蚀所述第一套筒11和所述第二套筒12，从而延长了所述气压缸保护结构的使用寿命。

为了便于观察位于所述气压缸保护结构内部的所述气压缸25的情况(例如是否被腐蚀)，可选的，所述第一套筒11的材料和所述第二套筒12的材料均为透明材料。本具体实施方式中所述的透明材料是指可见光的透过率在99％以上的材料。

可选的，所述第一套筒11的材料和所述第二套筒12的材料均为氯化聚氯乙烯树脂(CPVC)。

可选的，所述第一密封圈13为铁氟龙密封圈。

可选的，所述气压缸保护结构还包括：

驱动器，连接所述气压缸25和所述第二套筒12，用于驱动所述第二套筒12随所述气压缸25同步升降。

具体来说，当第一电磁阀21开启，气体自上升进气管23传输至所述气压缸25的第一腔体252时，所述气压缸25中的活塞杆251上升时，所述驱动器驱动所述第二套筒12同步上升；当第二电磁阀22开启，气体自下降进气管24传输至所述气压缸25的第二腔体253时，所述气压缸25中的活塞杆251下降时，所述驱动器驱动所述第二套筒12同步下降。所述活塞杆251位于所述第二腔体253。所述第二套筒12上升的速度可以大于所述气压缸25中所述活塞杆上升的速度；所述第二套筒12下降的速度可以小于所述气压缸25中活塞杆251下降的速度，从而避免所述第二套筒12与所述气压缸25中的活塞杆251发生碰撞。

可选的，所述气压缸保护结构还包括：

第一气孔19，位于所述第一套筒11上；

第二气孔18，位于所述第一密封圈13上，且所述第二气孔18与所述第一气孔19对准；

管道，一端连通所述第一气孔19、另一端与驱动所述气压缸25上升的上升进气管23连通。

具体来说，所述第一气孔19沿所述第一套筒11的径向方向贯穿所述第一套筒11，所述第二气孔18沿所述第一密封圈13的径向方向贯穿所述第一密封圈13。所述上升进气管23中设置有三通阀，所述三通阀的进口连接气源，第一出口与所述第一气孔19连通，第二出口与所述气压缸25中的所述第一腔体252连通。当所述第一电磁阀21开启时，气体自所述气源同时传输至所述第一气孔19和所述第一腔体252，在所述气压缸25中的所述活塞杆251上升的同时，通过所述第一气孔19和所述第二气孔18向所述第一密封圈13与所述第二套筒12之间的间隙传输气体(图1中的箭头方向表示自所述第二气孔18传出的气体的流向)，在所述第一密封圈13与所述第二套筒12之间形成气体隔绝层，从而有效防止外界的水汽进入所述气压缸保护结构的内部。所述气体可以是但不限于空气。

可选的，所述第一气孔19和所述第二气孔18的数量均为多个(例如4个)，且多个所述第一气孔19关于所述第一密封圈13的中心对称分布，多个所述第二气孔18与多个所述第一气孔19一一对应。本具体实施方式中所述的多个是指2个及2个以上。

可选的，所述第一套筒11包括相对分布的第一端部111和第二端部112；

所述第一端部111与所述第一基座10固定连接；

所述第一密封圈13套设于所述第一套筒11的所述第二端部处112。

可选的，所述第一套筒11的第二端部112的外径小于所述第一端部111的外径，所述第一密封圈13的外径与所述第一端部111的外径相等；

所述第一密封圈13与所述第二端部112过盈配合连接。

可选的，在沿所述第一套筒11的轴线方向上，所述第一密封圈13的高度为10mm～40mm。

具体来说，如图1-图4所示，所述第一套筒11呈台阶状，包括具有所述第一端部111的下台阶以及突出于所述下台阶之上、且具有所述第二端部112的上台阶，所述上台阶和所述下台阶均呈圆筒状结构，且所述上台阶的外径小于所述下台阶的外径，所述上台阶的内径与所述下台阶的内径相等，即所述第一端部111的外径D11大于所述第二端部112的外径D12，且所述第一端部111的内径等于所述第二端部112的内径。所述第一密封圈13与所述第二端部112过盈配合连接，且所述第一密封圈13的外径D32与所述第一端部111的外径D11之间的差值小于1mm，从而使得所述第二套筒12在升降过程中，于所述第一密封圈13的外表面与所述第一套筒11的外表面之间平滑过渡。所述第二套筒12的内径D21与所述第一密封圈13的外径D32之间的差值可以小于1mm。举例来说，所述第一端部111的外径D11为73mm，所述第二端部112的外径D12为67.6mm，所述第一端部111的内径与所述第二端部112的内径均为59mm，所述第一密封圈13的内径D31为67.6mm，所述第一密封圈13的外径为73.6mm，所述第二套筒12的内径D21为73.7mm，所述第二套筒12的外径D22为88.9mm。所述第一密封圈13的高度可以为25mm。

可选的，所述第一基座10中具有用于容纳所述第一套筒11的第一开口101；所述气压缸保护结构还包括：

第二密封圈15，设置于所述第一开口101的内壁与所述第一套筒11之间。

附图7是本发明具体实施方式中第一基座的结构示意图。如图1-图3、图7所示，所述第一基座10中具有沿Z轴方向贯穿所述第一基座10的所述第一开口101，所述第二密封圈15紧贴所述第一开口101的内壁设置，以避免化学品自所述第一基座10渗漏进所述第一套筒11，也便于锁紧所述第一套筒11。所述第二密封圈15可以为90mm*5mm的O型圈(O-ring)。所述第一套筒11可以是第一端部111密封、第二端部112开口。

可选的，所述第一基座10中具有环绕所述第一开口101外周分布的多个第一连接孔16，所述第一连接孔16用于安装第一基座10。

具体来说，多个所述第一连接孔16关于所述第一开口101对称分布。所述第一连接孔16可以为螺孔，便于将所述第一基座10安装于半导体机台(例如化学机械研磨机台)内部，从而避免气压缸25在运动过程中发生晃动。

可选的，所述气压缸保护结构还包括：

第二基座14，所述第二基座14与所述第二套筒12远离所述第一基座10的端部连接，用于支撑所述第二套筒12。

可选的，所述第二基座14中具有多个第二连接孔17，所述第二连接孔17用于安装第二基座14。

附图8是本发明具体实施方式中第二基座的结构示意图。具体来说，如图1-图3、图8所示，所述第二基座14中具有沿垂直于所述第二基座14的方向贯穿所述第二基座14的第二开口141，所述第二套筒12远离所述第一基座10的端部安装于所述第二开口141内。所述第二开口141的尺寸大于所述第二套筒12的外径，使得所述第二套筒12能够自由运动。所述第二套筒12远离所述第一基座10的端部密封、所述第二套筒12朝向所述第一基座10的端部开口。

多个所述第二连接孔17关于所述第二开口141对称分布。所述第二连接孔17可以为螺孔，便于将所述第二基座14安装于半导体机台(例如化学机械研磨机台)内部，从而避免所述第二套筒12在运动过程中发生晃动。

可选的，所述气压缸保护结构还包括：

外罩90，所述外罩90的一端连接所述第一基座10、另一端连接所述第二基座14，以套设于所述第一套筒11和所述第二套筒12外部。

附图9是本发明具体实施方式中具有外罩的气压缸保护结构的示意图。所述第一套筒11和所述第二套筒12容纳于所述外罩90围绕而成的腔体内。所述外罩90可以进一步避免化学品或者水汽进入所述气压缸保护结构的内部，防止所述气压缸25被腐蚀。所述外罩90的材料可以是化学惰性的柔性铁氟龙材料。

为了便于对所述气压缸保护结构的内部进行清洁，所述外罩90与所述第一基座10和所述第二基座14可以均为可拆卸连接。可选的，所述外罩90与所述第一基座10的侧面卡合连接，且所述外罩90与所述第二基座14的侧面卡合连接。例如，所述第一基座10的侧面具有第一凹槽或者第一凸起，所述外罩90上端具有与所述第一凹槽匹配的第二凸起或者与所述第一凸起匹配的第二凹槽；所述第二基座14的侧面具有第三凹槽或者第三凸起，所述外罩90上端具有与所述第三凹槽匹配的第四凸起或者与所述第三凸起匹配的第四凹槽。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种化学机械研磨装置，包括：

研磨垫；

压板防护罩，环绕所述研磨垫的外周设置；

气压缸25，连接所述压板防护罩，用于驱动所述压板防护罩沿垂直于所述研磨垫的表面的方向进行升降运动；

如上述任一项所述的气压缸保护结构，所述气压缸保护结构套设于所述气压缸25外部。

本具体实施方式提供的气压缸保护结构及化学机械研磨装置，通过设置固定不动的第一套筒以及套设于第一套筒外部的第二套筒，且第二套筒能够沿其轴线方向主动升降运动，避免了对气压缸保护结构的被动拉伸而导致的疲劳破损，从而延长了气压缸保护结构的使用寿命。同时，所述第一套筒和所述第二套筒均采用化学惰性材料制成，能够抵抗酸性或者碱性化学品的腐蚀，一方面能够保护位于气压缸保护结构内部的气压缸，另一方面也有助于延长气压缸保护结构的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种气压缸保护结构，其特征在于，包括：

第一基座；

第一套筒，采用化学惰性材料制成，固定于所述第一基座上，所述第一套筒用于容纳气压缸，所述气压缸能够沿所述第一套筒的轴线方向升降运动；

第一密封圈，套设于所述第一套筒外表面；

第二套筒，采用化学惰性材料制成，套设于所述第一套筒外部且贴附于所述第一密封圈的外表面，所述第二套筒与所述第一套筒同轴设置，且所述第二套筒能够沿其轴线方向升降运动。

2.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，还包括：

驱动器，连接所述气压缸和所述第二套筒，用于驱动所述第二套筒随所述气压缸同步升降。

3.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一套筒包括相对分布的第一端部和第二端部；

所述第一端部与所述第一基座固定连接；

所述第一密封圈套设于所述第一套筒的所述第二端部处。

4.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一套筒的第二端部的外径小于所述第一端部的外径，所述第一密封圈的外径与所述第一端部的外径相等；

所述第一密封圈与所述第二端部过盈配合连接。

5.根据权利要求3所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一基座中具有用于容纳所述第一套筒的第一开口；所述气压缸保护结构还包括：

第二密封圈，设置于所述第一开口的内壁与所述第一套筒之间。

6.根据权利要求5所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一基座中具有环绕所述第一开口外周分布的多个第一连接孔，所述第一连接孔用于安装第一基座。

7.根据权利要求3所述的气压缸保护结构，其特征在于，还包括：

第二基座，所述第二基座与所述第二套筒远离所述第一基座的端部连接，用于支撑所述第二套筒。

8.根据权利要求7所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第二基座中具有多个第二连接孔，所述第二连接孔用于安装第二基座。

9.根据权利要求7所述的气压缸保护结构，其特征在于，还包括：

外罩，所述外罩的一端连接所述第一基座、另一端连接所述第二基座，以套设于所述第一套筒和所述第二套筒外部。

10.根据权利要求9所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述外罩与所述第一基座的侧面卡合连接，且所述外罩与所述第二基座的侧面卡合连接。

11.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，还包括：

第一气孔，位于所述第一套筒上；

第二气孔，位于所述第一密封圈上，且所述第二气孔与所述第一气孔对准；管道，一端连通所述第一气孔、另一端与驱动所述气压缸上升的上升进气管连通。

12.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一密封圈为铁氟龙密封圈。

13.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，在沿所述第一套筒的轴线方向上，所述第一密封圈的高度为10mm～40mm。

14.根据权利要求1所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一套筒的材料和所述第二套筒的材料均为透明材料。

15.根据权利要求14所述的气压缸保护结构，其特征在于，所述第一套筒的材料和所述第二套筒的材料均为氯化聚氯乙烯树脂。

16.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

研磨垫；

压板防护罩，环绕所述研磨垫的外周设置；

气压缸，连接所述压板防护罩，用于驱动所述压板防护罩沿垂直于所述研磨垫的表面的方向进行升降运动；

如权利要求1-15中任一项所述的气压缸保护结构，所述气压缸保护结构套设于所述气压缸外部。

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