CN115609468A - 晶圆研磨设备 - Google Patents

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CN115609468A CN202211463258.6A CN202211463258A CN115609468A CN 115609468 A CN115609468 A CN 115609468A CN 202211463258 A CN202211463258 A CN 202211463258A CN 115609468 A CN115609468 A CN 115609468A
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吴社竹
翟新
黄冬梅
陈中杰
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Abstract

本发明揭示了一种晶圆研磨设备，包括机架；下盘，由下盘驱动组件驱动其产生自转，所述下盘上固设有始终饱含有研磨液的研磨垫；上盘，其设置在所述研磨垫的上方；还包括螺旋驱动组件，设置在所述机架上，用于推送所述上盘沿其径向方向滑动并同时驱动所述上盘产生自转，进而使所述上盘产生螺旋运动；施力组件，始终对所述上盘施加垂直于所述研磨垫的作用力，使所述晶圆始终受到所述研磨垫的反作用力。本发明改变了上盘的运行轨迹，在下盘旋转的基础上，上盘自转及径向移动使上盘产生相对下盘的螺旋运动，使晶圆的各个位置打磨量趋于一致，增强打磨效果铜圆柱和铜凸台通电产生电场，可缩减化学反应时间，而可缩减微影处理的碟状化或侵蚀。

Description

晶圆研磨设备
技术领域
本发明涉及半导体材料加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种晶圆研磨设备。
背景技术
晶圆化学机械研磨是一个化学腐蚀与机械摩擦的结合，如授权公告号CN110153873B公开提供一种研磨设备，晶圆被固定在面朝下的研磨头上，晶圆下方的旋转机台表面覆盖有研磨垫，带有小研磨颗粒的研磨料浆流到台面上，晶圆表面物质被研磨颗粒侵蚀，并一点点磨去，再被研磨料浆冲走。通过研磨头与旋转机台的相对转动，以及磨料浆的共同作用来完成对晶圆表面研磨，从而达到抛光或平坦化的目的。
现有技术中研磨垫是固定地设置于下层的旋转平台上，研磨垫是被配置以被旋转平台轴线自转。研磨浆提供器被配置以提供一研磨浆于研磨垫上。现有的结构中，晶圆以其自身轴线产生自转，偏置在研磨垫的一侧，而研磨垫是以相同方向旋转或相反方向自转来实现对晶圆的研磨。这样的研磨方式导致晶圆表面上各个部位的研磨不均匀，具体来讲，靠近于晶圆轴线处的部分明显比远离于晶圆轴线处的部分所接受到的研磨量少。这样导致要么靠近于晶圆轴线处的部分研磨量不够，要么是远离于晶圆轴线处的部分过度研磨。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种能改变晶圆研磨轨迹从而使研磨相对均匀的晶圆研磨设备。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种晶圆研磨设备，包括
一机架；
一下盘，由下盘驱动组件驱动其产生自转，所述下盘上固设有始终饱含有研磨液的研磨垫；
一上盘，用以将晶圆吸附，其设置在所述研磨垫的上方，所述上盘的中轴线与所述下盘的中轴线平行而不共轴；
还包括：
一螺旋驱动组件，设置在所述机架上，用于推送所述上盘沿其径向方向滑动并同时驱动所述上盘产生自转，进而使所述上盘产生螺旋运动；
一施力组件，始终对所述上盘施加垂直于所述研磨垫的作用力，使所述晶圆始终受到所述研磨垫的反作用力。
优选的，所述螺旋驱动组件至少包括与所述上盘固接的转轴，所述转轴和上盘由设置在所述机架上的径向驱动件驱动其径向滑动，所述径向驱动件上集成有用以驱动所述转轴和上盘同时产生自转的自转驱动件。
优选的，所述径向驱动包括固设在所述机架上的滑轨，所述滑轨上设有与其相适配的滑块，所述滑块上固设有一滑动架，所述自转驱动件固定在所述滑动架上，所述转轴枢轴式穿过所述滑动架。
优选的，所述径向驱动件还包括径向动力件，接受其动力的传动丝杆和传动螺母，所述传动螺母上固设有所述滑动架；所述径向动力件包括固定在所述机架上的传动电机，与其电机轴配接的主动轮，设置在所述传动丝杆的一端的从动轮，所述主动轮与从动轮之间通过传动皮带连接。
优选的，所述自转驱动件包括套设在所述转轴上的套筒和固设在所述滑动架上的固定筒，所述套筒的内壁上设有花键槽，所述转轴上设有与所述花键槽相适配的花键，所述固定筒与所述套筒之间通过联动轴承连接。
优选的，所述滑动架上固设有一龙门架，所述龙门架上固设有一伺服电机，所述伺服电机的电机轴上固设有一主动齿轮，所述转轴上固设有一从动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。
优选的，所述施力组件至少包括固设在所述滑动架上的施力电机，所述施力电机的电机轴通过联动件与施力丝杆传动连接，所述施力丝杆上设有与其为丝杆传动的施力螺母，所述施力螺母上固设有一压板，所述压板上固设有一按压头，所述按压头通过连接框与所述转轴连接。
优选的，所述下盘驱动组件至少包括固设在所述机架上的驱动电机，所述驱动电机的电机轴上固设一联轴器，所述联轴器上固设有一驱动轴，所述驱动轴贯穿所述设置在所述机架上的容置盒与下盘连接。
优选的，所述机架上固设有一支撑板，所述支撑板上快接有一伸缩弹簧，所述伸缩弹簧的下端上固设有一铜圆柱，所述铜圆柱的自由端与所述研磨垫始终抵接，并与外界电源负极连接；所述上盘的底部设有铜凸台，所述铜凸台与外界电源正极连接。
优选的，所述上盘为氧化铝陶瓷板。
本发明的有益效果主要体现在：
1、改变了上盘的运行轨迹，在下盘旋转的基础上，上盘自转及径向移动使上盘产生相对下盘的螺旋运动，使晶圆的各个位置打磨量趋于一致，增强打磨效果；
2、径向驱动件和自转驱动件实现高度集成，可减少占用空间，便于合理布局；并且套筒和转轴之间采用花键配合，可使转轴在旋转过程中依旧可以上下移动，从而在研磨过程中还可以调节晶圆与研磨垫之间的压力；
3、铜圆柱和铜凸台通电产生电场，可缩减化学反应时间，而可缩减微影处理的碟状化或侵蚀。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明优选实施例第一方向的立体图；
图2：本发明优选实施例第二方向的立体图；
图3：本发明优选实施实例的剖视图；
图4：本发明优选实施例中上盘、推送组件和施力组件的立体图；
图5：本发明优选实施例中上盘、推送组件和施力组件的剖视图；
图6：本发明优选实施例中上盘的立体图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图6所示，本发明揭示了一种晶圆研磨设备，包括机架1，与现有技术一样，所述机架1上设有一下盘2，所述下盘2由下盘驱动组件驱动其产生自转。具体的，所述下盘驱动组件包括固设在所述机架1上的驱动电机91，所述驱动电机91的电机轴上固设一联轴器92，所述联轴器92上固设有一驱动轴93，所述驱动轴93贯穿所述设置在所述机架1上的容置盒90与下盘2连接。所述联轴器92的结构可以采用公知结构，亦可为两个伞齿轮相啮合进行传动，在此不做过多赘述。
所述下盘2上固设有研磨垫3，所述研磨垫3位于所述容置盒90内，所述容置盒90内置有研磨液，所述研磨垫3始终浸泡在研磨液中。
所述研磨垫3的上方设有用以将晶圆吸附的上盘4，所述上盘4为氧化铝陶瓷板，其为一种多孔材质的高分子膜，所述上盘4上设有吸附孔，通过与外界吸附器相配合，例如真空吸附器，完成对晶圆的吸附。与现有技术相同，所述上盘4的中轴线与所述下盘2的中轴线平行而不共轴。
本发明的设计要点在于：所述机架1上设有一螺旋驱动组件5，用于推送所述上盘4沿其径向方向滑动并同时驱动所述上盘4产生自转，进而使所述上盘4产生相对于所述下盘2的螺旋运动，从而使晶圆的各个位置打磨量趋于一致，增强打磨效果。
所述螺旋驱动组件5至少包括与所述上盘4固接的转轴51，所述转轴51由设置在所述机架1上的径向驱动件52驱动其沿其径向滑动，同时所述上盘4也可以同时产生径向移动。所述径向驱动件52上还集成有用以驱动所述转轴51和上盘4同时产生自转的自转驱动件53。所述径向驱动件52和自转驱动件53实现高度集成，可减少占用空间，便于合理布局。
具体的，所述径向驱动件52包括固设在所述机架1上的滑轨521，所述滑轨521上设有与其相适配的滑块522，所述滑块522上固设有一滑动架523，所述自转驱动件53固定在所述滑动架523上，所述转轴51枢轴式穿过所述滑动架523。
所述径向驱动件52还包括径向动力件，接受其动力的传动丝杆524和传动螺母525，所述传动螺母525上固设有所述滑动架523。采用丝杆传动是利用其加工容易、成本低、传动轴向力大、可自锁、定位精度高的特点，便于对其位置精准定位。
所述径向动力件包括固定在所述机架1上的传动电机526，与其电机轴配接的主动轮527，设置在所述传动丝杆524的一端的从动轮520，所述主动轮527与从动轮520之间通过传动皮带连接。
所述自转驱动件53至少包括套设在所述转轴51上的套筒531和固设在所述滑动架523上的固定筒532。所述固定筒532与所述套筒531之间通过联动轴承533连接。所述套筒531的内壁上设有花键槽，所述转轴51上设有与所述花键槽相适配的花键。所述套筒和转轴采用花键配合，可使转轴在旋转过程中依旧可以上下移动，从而调节晶圆与研磨垫之间的压力（具体调节方式后文阐述），该结构连接快捷，便于拆卸更换及维修，极大地提高工作效率。
所述滑动架523上固设有一龙门架535，所述龙门架535上固设有一伺服电机536，所述伺服电机536的电机轴上固设有一主动齿轮537，所述转轴51上固设有一从动齿轮534，所述主动齿轮537与所述从动齿轮534啮合。
所述机架1上还设有一施力组件6，始终对所述上盘4施加垂直于所述研磨垫3的作用力，使所述晶圆始终受到所述研磨垫3的反作用力。所述施力组件6包括固设在所述滑动架523上的施力电机61，所述施力电机61的电机轴通过联动件与施力丝杆传动连接，所述施力丝杆上设有与其为丝杆传动的施力螺母，所述施力螺母上固设有一压板62，所述压板62上固设有一按压头64，所述按压头64通过连接框65与所述转轴51连接。具体参考图5，所述转轴51的顶部与所述连接框65通过联轴器和轴承产生枢轴连接，即两者轴向固定而周向不固定。同时，所述转轴51与套筒531之间为花键连接，属于周向固定而轴向不固定。当施力电机61产生的向下的压力时，通过按压头64和连接框65的传递后，驱动所述转轴51也产生向下的轴向移动。与此同时，所述伺服电机536产生的旋转扭矩，通过相互啮合的主动齿轮537和从动齿轮534传递给所述套筒531，所述套筒531和所述转轴51又可以同时产生相对于所述固定筒532的旋转运动。本发明中，所述施力电机61产生压力的目的在于增加晶圆面与研磨垫3之间的摩擦力，提升研磨速度，该压力可以通过一压力传感器得以反馈，确保不会压力过大而导致晶圆破碎。
结合图1和图6所示，所述机架1上固设有一支撑板11，所述支撑板11上快接有一伸缩弹簧12，所述伸缩弹簧12的下端上固设有一铜圆柱13，所述铜圆柱13的自由端与所述研磨垫3始终抵接，并与外界电源负极连接。所述上盘4的底部设有铜凸台41，所述铜凸台41与晶圆的顶面紧贴，所述铜凸台41与外界电源正极连接。所述研磨液流经研磨垫3与晶圆被研磨后的金属表面之间，使晶圆被研磨后的金属表面带有电荷，由于金属去除效率较难控制，容易形成碟形、侵蚀缺陷，而在晶圆表面带有电荷后，晶圆表面的电位改变，晶圆被研磨的金属表面的化学反应被控制，使得金属研磨率可控，晶圆表面的金属带有电荷后可以对金属表面起到保护的作用，从而在研磨的过程中减少碟形、侵蚀缺陷。
下面简单阐述一下本发明的工作过程，包括如下步骤：
S1、所述上盘4将晶圆吸附，所述施力电机61启动，驱动所述转轴51向下移动，直至所述晶圆的待研磨面与研磨垫抵接，并持续下移使压力达到预定值，同时调整铜圆柱13也与研磨垫抵接；
S2、确保所述铜圆柱13和铜凸台41均浸泡在研磨液中后，接通外界电源，分别产生正负电场；
S3、开始研磨，具体包括：
S31、所述驱动电机91启动，通过联轴器92和驱动轴93驱动下盘2转动；
S32、所述伺服电机536启动，通过主动齿轮537和从动齿轮534驱动转轴51自转；
S33、所述传动电机526启动，通过所述传动丝杆524转动驱动传动螺母525和固设在所述传动螺母525上的滑动架523移动，从而驱动上盘4径向移动，结合S32的动作，所述待研磨的晶圆产生螺旋运动，配合S31的下盘转动，快速且完美地完成对晶圆的研磨。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.晶圆研磨设备，包括
一机架（1）；
一下盘（2），由下盘驱动组件驱动其产生自转，所述下盘（2）上固设有始终饱含有研磨液的研磨垫（3）；
一上盘（4），用以将晶圆吸附，其设置在所述研磨垫（3）的上方，所述上盘（4）的中轴线与所述下盘（2）的中轴线平行而不共轴；
其特征在于：还包括
一螺旋驱动组件（5），设置在所述机架（1）上，用于推送所述上盘（4）沿其径向方向滑动并同时驱动所述上盘（4）产生自转，进而使所述上盘（4）产生螺旋运动；
一施力组件（6），始终对所述上盘（4）施加垂直于所述研磨垫（3）的作用力，使所述晶圆始终受到所述研磨垫（3）的反作用力。
2.根据权利要求1所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述螺旋驱动组件（5）至少包括与所述上盘（4）固接的转轴（51），所述转轴（51）和上盘（4）由设置在所述机架（1）上的径向驱动件（52）驱动其径向滑动，所述径向驱动件（52）上集成有用以驱动所述转轴（51）和上盘（4）同时产生自转的自转驱动件（53）。
3.根据权利要求2所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述径向驱动件（52）包括固设在所述机架（1）上的滑轨（521），所述滑轨（521）上设有与其相适配的滑块（522），所述滑块（522）上固设有一滑动架（523），所述自转驱动件（53）固定在所述滑动架（523）上，所述转轴（51）枢轴式穿过所述滑动架（523）。
4.根据权利要求3所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述径向驱动件（52）还包括径向动力件，接受其动力的传动丝杆（524）和传动螺母（525），所述传动螺母（525）上固设有所述滑动架（523）；所述径向动力件包括固定在所述机架（1）上的传动电机（526），与其电机轴配接的主动轮（527），设置在所述传动丝杆（524）的一端的从动轮（520），所述主动轮（527）与从动轮（520）之间通过传动皮带连接。
5.根据权利要求4所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述自转驱动件（53）包括套设在所述转轴（51）上的套筒（531）和固设在所述滑动架（523）上的固定筒（532），所述套筒（531）的内壁上设有花键槽，所述转轴（51）上设有与所述花键槽相适配的花键，所述固定筒（532）与所述套筒（531）之间通过联动轴承（533）连接。
6.根据权利要求5所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述滑动架（523）上固设有一龙门架（535），所述龙门架（535）上固设有一伺服电机（536），所述伺服电机（536）的电机轴上固设有一主动齿轮（537），所述转轴（51）上固设有一从动齿轮（534），所述主动齿轮（537）与所述从动齿轮（534）啮合。
7.根据权利要求6所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述施力组件（6）至少包括固设在所述滑动架（523）上的施力电机（61），所述施力电机（61）的电机轴通过联动件与施力丝杆传动连接，所述施力丝杆上设有与其为丝杆传动的施力螺母，所述施力螺母上固设有一压板（62），所述压板（62）上固设有一按压头（64），所述按压头（64）通过连接框（65）与所述转轴（51）连接。
8.根据权利要求1所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述下盘驱动组件至少包括固设在所述机架（1）上的驱动电机（91），所述驱动电机（91）的电机轴上固设一联轴器（92），所述联轴器（92）上固设有一驱动轴（93），所述驱动轴（93）贯穿所述设置在所述机架（1）上的容置盒（90）与下盘（2）连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述机架（1）上固设有一支撑板（11），所述支撑板（11）上快接有一伸缩弹簧（12），所述伸缩弹簧（12）的下端上固设有一铜圆柱（13），所述铜圆柱（13）的自由端与所述研磨垫（3）始终抵接，并与外界电源负极连接；所述上盘（4）的底部设有铜凸台（41），所述铜凸台（41）与外界电源正极连接。
10.根据权利要求9所述的晶圆研磨设备，其特征在于：所述上盘（4）为氧化铝陶瓷板。
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