CN115256219B - 一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置及方法 - Google Patents

一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置及方法，其包括：基座；分流盘设置在所述基座的下部，位于所述基座与所述分流盘之间设置有第一级负压流道，提供负压将所述分流盘固定；晶圆安装盘紧密贴合设置在所述分流盘的下部，位于所述分流盘与所述晶圆安装盘中部之间设置有第二级负压流道，位于所述基座与所述晶圆安装盘外周之间设置有正压流道，通过所述第二级负压流道将所述晶圆安装盘固定，通过所述正压流道在所述晶圆安装盘外周提供正压，形成保护气膜。本发明能有效避免抛光液进入负压系统，实现晶圆面型贴合、表面加工的可靠性；可以在半导体晶圆加工领域中应用。

Description

一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种半导体晶圆加工技术领域，特别是关于一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置及方法。
背景技术
在半导体晶圆的抛光、研磨等工艺过程中，由于晶圆及其安装盘的材料特性，往往通过负压将晶圆及其安装装置吸附在固定装置上，保证晶圆表面加工的可靠性。为了提高加工精度，在抛磨过程中会使用大量的抛光液。
然而,由于晶圆和安装盘需要反复地装卸，为了方便安装，在固定装置和晶圆安装盘之间会存在缝隙，在抛磨过程中抛光液会沿着缝隙流入固定装置之中，甚至进入到负压系统之中，影响负压系统的稳定。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置及方法,其能有效避免抛光液进入负压系统，并能实现晶圆面型贴合、表面加工的可靠性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置，其包括：基座；分流盘，设置在所述基座的下部，位于所述基座与所述分流盘之间设置有第一级负压流道，提供负压将所述分流盘固定；晶圆安装盘，紧密贴合设置在所述分流盘的下部，位于所述分流盘与所述晶圆安装盘中部之间设置有第二级负压流道，位于所述基座与所述晶圆安装盘外周之间设置有正压流道，通过所述第二级负压流道将所述晶圆安装盘固定，通过所述正压流道在所述晶圆安装盘外周提供正压，形成保护气膜。
进一步，所述分流盘与所述晶圆安装盘之间接合处外侧套设有挡圈，所述挡圈的外侧套设有固定环。
进一步，所述挡圈与所述晶圆安装盘之间设置有缝隙。
进一步，所述第一级负压流道由设置在所述基座下表面的一级负压腔、贯穿所述基座的中心通孔以及第一压力源构成；
所述一级负压腔，设置为多个，且各所述一级负压腔之间连通；
所述第一压力源，包括第一快拆接头和第一负压源，所述第一快拆接头经管路与位于固定装置外部的所述第一负压源连接；
所述中心通孔，其内设置有所述第一快拆接头，所述中心通孔的底部与靠近该中心通孔的所述一级负压腔连通，所述中心通孔的顶部与所述正压流道连通。
进一步，所述正压流道由设置在所述基座上表面中心位置处的正压腔、沿所述基座径向和轴向开设的径向孔和轴向孔、在所述基座上部的万向节内部开设的通孔、在所述分流盘轴向开设的正压通孔、在所述分流盘的下表面开设的阻液腔以及第二压力源构成；
所述正压腔，其一侧与所述第一级负压流道连通，另一侧与所述径向孔一端连通，所述径向孔的另一端与所述轴向孔连通；
所述通孔，与所述正压腔连通，所述通孔内设置有用于连接外部负压源的管路；
所述正压通孔，对应设置在所述轴向孔的正下方，与所述轴向孔连通；
所述阻液腔，位于所述分流盘下表面边缘处，为一环形凹槽，并且与所述正压通孔连通；
所述第二压力源，包括与所述通孔连接的正压源，所述正压源输出的正压气流依次经所述通孔、所述正压腔、所述径向孔、所述轴向孔和所述正压通孔，进入所述阻液腔，在所述阻液腔内形成正压的所述保护气膜。
进一步，所述阻液腔的内侧与所述晶圆安装盘紧密贴合，形成接触区；所述阻液腔的外侧与所述晶圆安装盘之间设置有用于气体流通的间隙，形成工作面。
进一步，所述第二级负压流道由设置在所述基座中心位置处的中心孔、在所述分流盘中心处开设的分流孔、在所述分流盘下表面设置的分流槽、在所述晶圆安装盘上表面开设的二级负压腔以及第三压力源构成；
所述中心孔，与所述正压流道连通；
所述分流孔，其上端与所述中心孔连通，且所述分流孔贯穿至所述分流盘的下表面并与所述分流槽连通；
所述分流槽，采用环状结构，设置为多个，且各个所述分流槽之间互相连通；
所述二级负压腔，与所述分流孔和各所述分流槽连通；
所述第三压力源，包括第二快拆接头和第二负压源，所述第二快拆接头设置在所述中心孔内，所述第二快拆接头经管路与固定装置外部的所述第二负压源连接。
一种防吸入抛磨基材固定装置的压力设计方法，该设计方法基于上述防吸入抛磨基材固定装置实现，包括：
根据固定装置部件重量，以及第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压关系，确定第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压P1、P2；
根据正压流道在实际工作面产生的压力与第一级负压流道产生的负压P1的关系，以及固定装置部件重量，确定正压流道产生的正压P3。
进一步，根据调整所述分流盘和所述晶圆安装盘的质量关系，能进一步调节第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压P1、P2的范围。
进一步，在所述晶圆安装盘上形成的接触区部分采用镜面级抛磨。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明晶圆材料固定装置采用正负压供气设计，以实现晶圆面型贴合、表面加工可靠。
2、本发明采用两级负压腔体，一级腔体为圆周贯通式，二级腔体通过上表面小尺寸环形沟槽形成气道，在实现负压的同时，保持部件的轴向刚度，提升晶圆抛磨的系统轴向刚度。
3、本发明根据晶圆工作时使用水基抛光液的特性，在装置边缘采用正压设计，形成保护气膜，排开可能吸入至负压系统的抛光液。
4、本发明通过气孔尺寸、气压作用面积和气压值的设计，提升了密封效果，并且实现了气体的节流，降低负压功率要求，提升吸附可靠性。
附图说明
图1是本发明一实施例中基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置示意图；
图2是图1中快拆接头处的局部放大示意图；
图3是图1中正压通孔处的局部放大示意图；
图4是本发明一实施例中实际负压作用表面示意图；
附图标记：
1基座，2分流盘，3晶圆安装盘，4万向节，5挡圈，6固定环，7正压腔，8一级负压腔，9中心通孔，10中心孔，11径向孔，12轴向孔，13分流孔，14分流槽，15正压通孔，16阻液腔，17二级负压腔，18第一快拆接头，19第二快拆接头，20通孔，21间隙，22缝隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明的一个实施例中，提供一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置。本实施例中，如图1所示，该固定装置包括：
基座1，其上部通过万向节4与升降气缸（图中未示出）连接，通过升降气缸和万向节4带动基座1动作；
分流盘2，设置在基座1的下部，位于基座1与分流盘2之间设置有第一级负压流道，通过在分流盘2的上方提供负压，将分流盘2固定在基座1下部；
晶圆安装盘3，紧密贴合设置在分流盘2的下部，位于分流盘2与晶圆安装盘3中部之间设置有第二级负压流道，位于基座1与晶圆安装盘3外周之间设置有正压流道，通过第二级负压流道在晶圆安装盘3中部上方提供负压，使晶圆安装盘3固定在分流盘2下部，通过正压流道在晶圆安装盘3外周提供正压，形成保护气膜，避免将抛光液吸入至分流盘2与晶圆安装盘3之间。
使用时，晶圆（图中未示出）的上表面与晶圆安装盘3的下表面相贴合，在加工过程中下方的加工设备对晶圆的下表面进行加工处理，并通过正负压流道设计，实现了晶圆面型贴合、表面加工可靠。
上述实施例中，基座1、分流盘2和晶圆安装盘3在配合处直径均相同。
上述实施例中，在分流盘2与晶圆安装盘3之间接合处外侧套设有挡圈5，挡圈5的外侧还套设有固定环6。通过挡圈5和固定环6可以使基座1、分流盘2与晶圆安装盘3之间连接更加紧密，提高了气密性。
优选的，在挡圈5与晶圆安装盘3之间设置有缝隙22，以使晶圆安装盘3在加工时便于安装到固定装置上。
上述实施例中，如图1、图2所示，第一级负压流道由设置在基座1下表面的一级负压腔8、贯穿基座1的中心通孔9以及第一压力源构成。其中：
一级负压腔8，设置为多个，且各一级负压腔8之间连通，使得各一级负压腔8之间的气压同步；
第一压力源，包括第一快拆接头18和第一负压源，第一快拆接头18经管路与位于固定装置外部的第一负压源连接，用于为各一级负压腔8提供负压；
中心通孔9，其内设置有第一快拆接头18，中心通孔9的底部与靠近该中心通孔9的一级负压腔8连通，中心通孔9的顶部与正压流道连通。
上述实施例中，如图1、图2所示，正压流道由设置在基座1上表面中心位置处的正压腔7、沿基座1径向和轴向开设的径向孔11和轴向孔12、在万向节4内部开设的通孔20、在分流盘2轴向开设的正压通孔15、在分流盘2的下表面开设的阻液腔16以及第二压力源构成。其中：
正压腔7，其一侧经中心通孔9与一级负压腔8连通，正压腔7的另一侧与径向孔11一端连通，径向孔11的另一端与轴向孔12连通；
通孔20，与正压腔7连通，通孔20内设置有用于连接第一快拆接头18和第二级负压流道中第二快拆接头19的管路；
正压通孔15，对应设置在轴向孔12的正下方，与轴向孔12连通；
阻液腔16，位于分流盘2下表面边缘处，为一环形凹槽，并且与正压通孔15连通；
第二压力源，包括与通孔20连接的正压源，正压源输出的正压气流依次经通孔20、正压腔7、径向孔11、轴向孔12和正压通孔15，进入阻液腔16，在阻液腔16内形成正压的保护气膜。
上述实施例中，如图3所示，阻液腔16的内侧与晶圆安装盘3紧密贴合，形成接触区S4；阻液腔16的外侧与晶圆安装盘3之间设置有微小的间隙21，形成工作面S3，用于气体的流通。
上述实施例中，如图1、图2所示，第二级负压流道由设置在基座1中心位置处的中心孔10、在分流盘2的中心处开设的分流孔13、在分流盘2下表面设置的分流槽14、在晶圆安装盘3上表面开设的二级负压腔17以及第三压力源构成。其中：
中心孔10，与基座1上的正压腔7连通；
分流孔13，其上端与中心孔10连通，且分流孔13贯穿至分流盘2的下表面并与分流槽14连通；
分流槽14，采用环状结构，设置为多个，且各个分流槽14之间互相连通；
二级负压腔17，与分流孔13和各分流槽14连通；
第三压力源，包括第二快拆接头19和第二负压源，第二快拆接头19设置在中心孔10内，第二快拆接头19经设置在通孔20内的管路与固定装置外部的第二负压源连接，用于为二级负压腔17提供负压。
综上，本发明的固定装置使用时，其工作原理如下：在加工过程中，晶圆贴合在晶圆安装盘3的下表面，晶圆安装盘通过第二快拆接头19处传递的负压吸合在分流盘2的下表面；同时，分流盘2通过第一快拆接头18处传递的负压吸合在基座1的下表面，使得晶圆能够在抛磨过程中较为平稳地固定。
在晶圆的抛磨过程中会添加抛光液，由于抛光液会沿着晶圆安装盘3与挡圈5之间存在的缝隙22进入到分流盘2与晶圆安装盘3之间，甚至进入负压系统之中，从而影响晶圆安装盘3的吸附效果。故，本发明从正压源吹出的气体流至阻液腔16时会形成一圈保护气膜，阻止抛光液进入保护气膜内部，从而保证分流盘2与晶圆安装盘3的吸附效果，提高晶圆加工时的稳定性。
在本发明的一个实施例中，提供一种防吸入抛磨基材固定装置的压力设计方法，该方法基于上述各实施例中的固定装置实现。本实施例中，该压力设计方法包括以下步骤：
1）根据固定装置部件重量，以及第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压关系，确定第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压P1、P2：
在本实施例中，为实现晶圆贴合与定位安装，考虑最终固定装置部件重量，第一级负压流道和第二级负压流道产生的实际负压P1、P2关系为：
Figure 918129DEST_PATH_IMAGE001
， />
Figure 331792DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为晶圆质量，/>
Figure 215435DEST_PATH_IMAGE004
为分流盘2的质量，/>
Figure 689141DEST_PATH_IMAGE005
为晶圆安装盘3的质量。S1，S2分别为实际负压作用表面积, />
Figure 408967DEST_PATH_IMAGE006
为设定的安全系数。
为保证实际吸附效果，P1S1实际值高于P2S2一倍以上，根据结构的尺寸可以得出：
Figure 829584DEST_PATH_IMAGE007
从而得到：
Figure 833312DEST_PATH_IMAGE008
。
优选的，根据调整实际分流盘2和晶圆安装盘3的质量关系，还可以进一步调节P1，P2的范围。
2）根据正压流道在实际工作面S3产生的压力与第一级负压流道产生的负压P1的关系，以及固定装置部件重量，确定正压流道产生的正压P3：
晶圆工作时使用的抛光液为水基抛光液，根据其特性，固定装置采用正压P3，形成保护气膜，排开装置可能吸入至负压系统的抛光液。
工作时，P3在实际工作面S3产生的压力与P1的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
优选的，P3的大小还可以根据实际使用抛光液的表观粘度进行调节，从而能够以最优效率保证抛光液不会吸入至负压系统之中。
上述各步骤中，为了提升正负压耦合工作效率，在接触区S4部分采用镜面级抛磨，在名义接触面积不变的情况下提高实际接触面积，提升密封效果。同时降低负压功率要求，提升吸附可靠性。
上述各步骤中，在实际工作面S3部分的非接触区进行正压气流设计，通过改变进气孔直径，或改变间隙21的尺寸，实现气体的节流，提升装置结构内液-固两相隔离的效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置，其特征在于，包括：
基座（1）；
分流盘（2），设置在所述基座（1）的下部，位于所述基座（1）与所述分流盘（2）之间设置有第一级负压流道，提供负压将所述分流盘（2）固定；
晶圆安装盘（3），紧密贴合设置在所述分流盘（2）的下部，位于所述分流盘（2）与所述晶圆安装盘（3）中部之间设置有第二级负压流道，位于所述基座（1）与所述晶圆安装盘（3）外周之间设置有正压流道，通过所述第二级负压流道将所述晶圆安装盘（3）固定，所述正压流道由设置在所述基座（1）上表面中心位置处的正压腔（7）、沿所述基座（1）径向和轴向开设的径向孔（11）和轴向孔（12）、在所述基座（1）上部的万向节（4）内部开设的通孔（20）、在所述分流盘（2）轴向开设的正压通孔（15）、在所述分流盘（2）的下表面开设的阻液腔（16）以及第二压力源构成，所述阻液腔（16）位于所述分流盘（2）下表面边缘处，为一环形凹槽，并且与所述正压通孔（15）连通，在所述阻液腔（16）内形成正压的保护气膜；
所述正压腔（7），其一侧与所述第一级负压流道连通，另一侧与所述径向孔（11）一端连通，所述径向孔（11）的另一端与所述轴向孔（12）连通；
所述通孔（20），与所述正压腔（7）连通，所述通孔（20）内设置有用于连接外部负压源的管路；
所述正压通孔（15），对应设置在所述轴向孔（12）的正下方，与所述轴向孔（12）连通；
所述第二压力源，包括与所述通孔（20）连接的正压源，所述正压源输出的正压气流依次经所述通孔（20）、所述正压腔（7）、所述径向孔（11）、所述轴向孔（12）和所述正压通孔（15），进入所述阻液腔（16）；
所述阻液腔（16）的内侧与所述晶圆安装盘（3）紧密贴合，形成接触区（S4）；所述阻液腔（16）的外侧与所述晶圆安装盘（3）之间设置有用于气体流通的间隙（21），形成工作面（S3）。
2.如权利要求1所述基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置，其特征在于，所述分流盘（2）与所述晶圆安装盘（3）之间接合处外侧套设有挡圈（5），所述挡圈（5）的外侧套设有固定环（6）。
3.如权利要求2所述基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置，其特征在于，所述挡圈（5）与所述晶圆安装盘（3）之间设置有缝隙（22）。
4.如权利要求1所述基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置，其特征在于，所述第一级负压流道由设置在所述基座（1）下表面的一级负压腔（8）、贯穿所述基座（1）的中心通孔（9）以及第一压力源构成；
所述一级负压腔（8），设置为多个，且各所述一级负压腔（8）之间连通；
所述第一压力源，包括第一快拆接头（18）和第一负压源，所述第一快拆接头（18）经管路与位于固定装置外部的所述第一负压源连接；
所述中心通孔（9），其内设置有所述第一快拆接头（18），所述中心通孔（9）的底部与靠近该中心通孔（9）的所述一级负压腔（8）连通，所述中心通孔（9）的顶部与所述正压流道连通。
5.如权利要求1所述基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置，其特征在于，所述第二级负压流道由设置在所述基座（1）中心位置处的中心孔（10）、在所述分流盘（2）中心处开设的分流孔（13）、在所述分流盘（2）下表面设置的分流槽（14）、在所述晶圆安装盘（3）上表面开设的二级负压腔（17）以及第三压力源构成；
所述中心孔（10），与所述正压流道连通；
所述分流孔（13），其上端与所述中心孔（10）连通，且所述分流孔（13）贯穿至所述分流盘（2）的下表面并与所述分流槽（14）连通；
所述分流槽（14），采用环状结构，设置为多个，且各个所述分流槽（14）之间互相连通；
所述二级负压腔（17），与所述分流孔（13）和各所述分流槽（14）连通；
所述第三压力源，包括第二快拆接头（19）和第二负压源，所述第二快拆接头（19）设置在所述中心孔（10）内，所述第二快拆接头（19）经管路与固定装置外部的所述第二负压源连接。
6.一种防吸入抛磨基材固定装置的压力设计方法，其特征在于，该设计方法基于如权利要求1至5任一项所述基于正负压耦合的防吸入抛磨基材固定装置实现，包括：
根据固定装置部件重量，以及第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压关系，确定第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压P1、P2；
根据正压流道在实际工作面产生的压力与第一级负压流道产生的负压P1的关系，以及固定装置部件重量，确定正压流道产生的正压P3。
7.如权利要求6所述压力设计方法，其特征在于，根据调整所述分流盘（2）和所述晶圆安装盘（3）的质量关系，能进一步调节第一级负压流道和第二级负压流道产生的负压P1、P2的范围。
8.如权利要求6所述压力设计方法，其特征在于，在所述晶圆安装盘（3）上形成的接触区部分采用镜面级抛磨。
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