CN116394153A - 一种晶圆研磨抛光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及晶圆加工技术领域，公开了一种晶圆研磨抛光系统，包括执行系统和控制系统，所述执行系统包括支撑组件，所述支撑组件的上方设有转动组件，所述转动组件的上方设有研磨组件，所述研磨组件的上方设有抛光组件，所述研磨组件的侧方设有抛光液添加组件；所述控制系统包括主控制器、驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块；研磨系统在同一工序可以同时实现对晶圆的上下两面和侧面抛光，降低了设备投入成本，同时，控制系统能实时监测抛光垫状态，便于使用者及时更换抛光垫，提高抛光质量。

Description

一种晶圆研磨抛光系统
技术领域
本发明涉及晶圆加工技术领域，具体涉及一种晶圆研磨抛光系统。
背景技术
随着半导体工业的飞速发展，集成电路制造技术已跨入5nm甚至更小水平。化学机械抛光简称CMP，是目前能提供超大规模集成电路制造过程中全面平坦化的主要技术，同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。
目前的化学机械抛光设备大都是只对晶圆的双面进行研磨抛光，无法同时对晶圆的侧壁抛光，导致研磨成本较高，同时，研磨抛光过程中，抛光垫的作用至关重要，抛光垫长时间工作过程中，若不及时更换将会造成研磨抛光的质量下降，若经常更换，又会增加生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆研磨抛光系统，解决上述技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种晶圆研磨抛光系统，包括执行系统和控制系统，所述执行系统包括支撑组件，所述支撑组件的上方设有转动组件，所述转动组件的上方设有研磨组件，所述研磨组件的上方设有抛光组件，所述研磨组件的侧方设有抛光液添加组件；
所述控制系统包括主控制器、驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块，主控制器与驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块连接，用于控制整个系统运行，
驱动模块，与主控制器连接，用于执行系统中各驱动源工作；
信号采集模块，与主控制器连接，用于采集研磨抛光过程中的压力和振动信号；
信号处理分析模块，与主控制器连接，用于分析信号采集的相关数据，判断抛光垫的磨损程度。
通过上述技术方案，研磨系统用于对晶圆的上下两面和侧面分别进行研磨抛光，在同一工序可以同时实现对晶圆的上下两面和侧面抛光，降低了设备投入成本，同时，用同一驱动源带动研磨盘和承载头以不同速度同一方向旋转，降低研磨成本的同时，提高了研磨精度，控制系统不仅用于驱动执行系统工作，还能实时监测抛光垫状态，便于使用者及时更换抛光垫，提高抛光质量。
作为本发明方案的进一步描述，所述支撑组件包括支撑板，所述支撑板的顶部一侧设有对称分布的两块第一安装板，所述支撑板的顶部另一侧设有第一安装杆，所述第一安装杆的顶部设有对称分布的两块第二安装板，所述支撑板的顶部中间设有第二安装杆，所述第二安装杆的一端设有支撑筒。
作为本发明方案的进一步描述，所述转动组件包括第一电动机，所述第一电动机固定在位于一侧的第一安装板上，所述第一电动机的输出轴贯穿第一安装板固定连接有蜗杆，所述蜗杆的侧方设有蜗轮，所述蜗轮与蜗杆啮合，所述蜗轮的两侧设有对称分布的两个第一齿轮，且两个第一齿轮与蜗轮啮合，所述第一齿轮和蜗轮的底部都与支撑板啮合，位于一侧的第一齿轮的顶部设有连接杆，所述连接杆的顶部设有第二齿轮。
作为本发明方案的进一步描述，所述研磨组件包括第三齿轮，所述第三齿轮和第一齿轮规格一样，所述第三齿轮与第二齿轮啮合，所述第三齿轮的顶部设有转动柱，所述转动柱套设在支撑筒内部，且转动柱与支撑筒转动连接，所述转动柱的顶部设有研磨盘，所述研磨盘底部和侧壁都设有抛光垫。
作为本发明方案的进一步描述，所述抛光组件包括转动杆，所述转动杆与位于另一侧的第一齿轮的顶部固定连接，所述转动杆依次贯穿第三齿轮、转动柱和研磨盘，且所述转动杆的顶部设有第三安装板，所述第三安装板上开设有对称分布的两个安装槽，所述转动杆的两侧设有对称分布的两个抛光机构，所述抛光机构设置在研磨盘的上方。
作为本发明方案的进一步描述，所述抛光机构包括固定板，所述固定板的两侧设有对称分布的两个螺栓组件，固定板通过螺栓组件可拆卸固定在安装槽内，所述固定板的底部设有电动气缸，所述电动气缸的输出轴固定连接有第四安装板，所述第四安装板的一端顶部固定有第二电动机，所述第二电动机的输出轴贯穿第四安装板固定连接有晶圆承载头。
作为本发明方案的进一步描述，所述抛光液添加组件包括安装筒，所述安装筒的两侧设有对称分布的两个转动轴，所述转动轴与第二安装板活动连接，所述安装筒内活动安装有抛光液添加管，所述抛光液添加管的一端设置在研磨盘上方。
作为本发明方案的进一步描述，所述控制系统的的具体工作包括控制执行系统对晶圆进行研磨抛光和在晶圆进行研磨抛光过程中实时监测抛光垫的状态。
通过上述技术方案，驱动模块先启动电动气缸，电动气缸带动待研磨抛光的晶圆向下压紧研磨盘的底部，驱动模块控制第一电动机启动，第二电动机关闭，完成对晶圆的上下两面的研磨抛光，移动抛光机构，使待研磨抛光的晶圆贴紧研磨盘的侧壁，驱动模块控制第一电动机关闭，第二电动机启动，完成对晶圆的侧壁的研磨抛光。
作为本发明方案的进一步描述，所述执行系统对晶圆进行研磨抛光的具体过程为：
当对晶圆的上下两面研磨抛光时，驱动模块先启动电动气缸，电动气缸带动待研磨抛光的晶圆向下压紧研磨盘的底部，驱动模块控制第一电动机启动，第二电动机关闭，第一电动机运转带动蜗杆转动，所述蜗杆转动带动两个第一齿轮转动，位于一侧的第一齿轮转动带动第二齿轮转动，第二齿轮转动带动第三齿轮转动，第三齿轮转动带动研磨盘转动，位于另一侧的第一齿轮转动带动转动杆转动，转动杆转动带动整个抛光组件转动，保证研磨盘快速转动的同时，抛光组件阳研磨盘转动方向低速转动，从而完成对晶圆的上下两面的研磨抛光；
当对晶圆的侧壁研磨抛光时，拧松螺栓组件，移动抛光机构，使待研磨抛光的晶圆贴紧研磨盘的侧壁，驱动模块控制第一电动机关闭，第二电动机启动，然后第二电动机启动带动晶圆承载头转动，从而带动晶圆转动，从而完成对晶圆的侧壁的研磨抛光。
作为本发明方案的进一步描述，所述实时监测抛光垫的状态的具体过程为：
晶圆在研磨抛光的过程中，信号采集模块实时采集加工过程中的一段时间t内的抛光垫的振动信号，构成数据序列P，抛光垫磨损指标记为S：
S＝kPi；
式中，i是数据序列P中的第i个点，k是振动信号的补偿系数；
信号处理分析模块将采集到的序列P代入磨损指标公式并生成曲线，将曲线平滑处理并可视化，取一段抛光垫稳定运行的磨损指标曲线，求取S的平均值S0作为初始阈值，当抛光垫的磨损指标S大于S0时，抛光垫开始进入磨损状态，反之，抛光垫处于稳定状态，当S连续n个点都大于Si时，说明抛光垫已失效。
通过上述技术方案，信号采集模块实时采集加工过程中抛光垫的振动信号，信号处理分析模块将采集到的信号与阈值比较，实时监测抛光垫状态，便于使用者及时更换抛光垫，提高抛光质量。
本发明的有益效果：
本发明研磨系统用于对晶圆的上下两面和侧面分别进行研磨抛光，在同一工序可以同时实现对晶圆的上下两面和侧面抛光，降低了设备投入成本，同时，用同一驱动源带动研磨盘和承载头以不同速度同一方向旋转，降低研磨成本的同时，提高了研磨精度，控制系统不仅用于驱动执行系统工作，还能实时监测抛光垫状态，便于使用者及时更换抛光垫，提高抛光质量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明提供的晶圆研磨抛光系统整体结构示意图；
图2是本发明提供的晶圆研磨抛光系统支撑组件结构示意图；
图3是本发明提供的晶圆研磨抛光系统转动组件结构示意图；
图4是本发明提供的晶圆研磨抛光系统研磨组件结构示意图；
图5是本发明提供的晶圆研磨抛光系统抛光组件结构示意图；
图6是本发明提供的晶圆研磨抛光系统抛光机构结构示意图；
图7是本发明提供的晶圆研磨抛光系统抛光液添加组件结构示意图；
图8是本发明提供的晶圆研磨抛光系统控制系统结构示意图。
图中，1、支撑组件；2、转动组件；3、研磨组件；4、抛光组件；5、抛光液添加组件；11、支撑板；12、第一安装板；13、第一安装杆；14、第二安装板；15、第二安装杆；16、支撑筒；21、第一电动机；22、蜗杆；23、蜗轮；24、第一齿轮；25、连接杆；26、第二齿轮；31、第三齿轮；32、转动柱；33、研磨盘；34、抛光垫；41、转动杆；42、第三安装板；43、安装槽；44、抛光机构；51、安装筒；52、转动轴；53、抛光液添加管；441、固定板；442、螺栓组件；443、电动气缸；444、第四安装板；445、第二电动机；446、晶圆承载头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种晶圆研磨抛光系统，包括执行系统和控制系统。
请参阅图1所示，所述执行系统包括支撑组件1，所述支撑组件1的上方设有转动组件2，所述转动组件2的上方设有研磨组件3，所述研磨组件3的上方设有抛光组件4，所述研磨组件3的侧方设有抛光液添加组件5。
请参阅图8所示，所述控制系统包括主控制器、驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块，主控制器与驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块连接，用于控制整个系统运行，
驱动模块，与主控制器连接，用于执行系统中各驱动源工作；
信号采集模块，与主控制器连接，用于采集研磨抛光过程中的压力和振动信号；
信号处理分析模块，与主控制器连接，用于分析信号采集的相关数据，判断抛光垫的磨损程度。
请参阅图2所示，所述支撑组件1包括支撑板11，所述支撑板11的顶部一侧设有对称分布的两块第一安装板12，所述支撑板11的顶部另一侧设有第一安装杆13，所述第一安装杆13的顶部设有对称分布的两块第二安装板14，所述支撑板11的顶部中间设有第二安装杆15，所述第二安装杆15的一端设有支撑筒16。
请参阅图3所示，所述转动组件2包括第一电动机21，所述第一电动机21固定在位于一侧的第一安装板12上，所述第一电动机21的输出轴贯穿第一安装板12固定连接有蜗杆22，所述蜗杆22的侧方设有蜗轮23，所述蜗轮23与蜗杆22啮合，所述蜗轮23的两侧设有对称分布的两个第一齿轮24，且两个第一齿轮24与蜗轮23啮合，所述第一齿轮24和蜗轮23的底部都与支撑板11啮合，位于一侧的第一齿轮24的顶部设有连接杆25，所述连接杆25的顶部设有第二齿轮26。
请参阅图4所示，所述研磨组件3包括第三齿轮31，所述第三齿轮31和第一齿轮24规格一样，所述第三齿轮31与第二齿轮26啮合，所述第三齿轮31的顶部设有转动柱32，所述转动柱32套设在支撑筒16内部，且转动柱32与支撑筒16转动连接，所述转动柱32的顶部设有研磨盘33，所述研磨盘33底部和侧壁都设有抛光垫34。
请参阅图5所示，所述抛光组件4包括转动杆41，所述转动杆41与位于另一侧的第一齿轮24的顶部固定连接，所述转动杆41依次贯穿第三齿轮31、转动柱32和研磨盘33，且所述转动杆41的顶部设有第三安装板42，所述第三安装板42上开设有对称分布的两个安装槽43，所述转动杆41的两侧设有对称分布的两个抛光机构44，所述抛光机构44设置在研磨盘33的上方。
请参阅图6所示，所述抛光机构44包括固定板441，所述固定板441的两侧设有对称分布的两个螺栓组件442，固定板441通过螺栓组件442可拆卸固定在安装槽43内，所述固定板441的底部设有电动气缸443，所述电动气缸443的输出轴固定连接有第四安装板444，所述第四安装板444的一端顶部固定有第二电动机445，所述第二电动机445的输出轴贯穿第四安装板444固定连接有晶圆承载头446。
请参阅图7所示，所述抛光液添加组件5包括安装筒51，所述安装筒51的两侧设有对称分布的两个转动轴52，所述转动轴52与第二安装板14活动连接，所述安装筒51内活动安装有抛光液添加管53，所述抛光液添加管53的一端设置在研磨盘33上方。
所述控制系统的的具体工作过程如下：
当对晶圆的上下两面研磨抛光时，驱动模块先启动电动气缸443，电动气缸443带动待研磨抛光的晶圆向下压紧研磨盘33的底部，驱动模块控制第一电动机21启动，第二电动机445关闭，第一电动机21运转带动蜗杆22转动，所述蜗杆22转动带动两个第一齿轮24转动，位于一侧的第一齿轮24转动带动第二齿轮26转动，第二齿轮26转动带动第三齿轮31转动，第三齿轮31转动带动研磨盘33转动，位于另一侧的第一齿轮24转动带动转动杆41转动，转动杆41转动带动整个抛光组件4转动，保证研磨盘33快速转动的同时，抛光组件4阳研磨盘转动方向低速转动，从而完成对晶圆的上下两面的研磨抛光。
当对晶圆的侧壁研磨抛光时，拧松螺栓组件442，移动抛光机构44，使待研磨抛光的晶圆贴紧研磨盘33的侧壁，驱动模块控制第一电动机21关闭，第二电动机445启动，然后第二电动机445启动带动晶圆承载头446转动，从而带动晶圆转动，从而完成对晶圆的侧壁的研磨抛光。
晶圆在研磨抛光的过程中，信号采集模块实时采集加工过程中的一段时间t内的抛光垫34的振动信号，构成数据序列P，抛光垫34磨损指标记为S：
S(t)＝kPi；
式中，i是数据序列P中的第i个点，k是振动信号的补偿系数；
信号处理分析模块将采集到的序列P代入磨损指标公式并生成曲线，将曲线平滑处理并可视化，取一段抛光垫34稳定运行的磨损指标曲线，求取S的平均值S0作为初始阈值，S0的加权值Si作为变化阈值，当抛光垫34的磨损指标S(t)大于S0时，抛光垫34开始进入磨损状态，反之，抛光垫34处于稳定状态，当S(t)连续n个点都大于某一最大值时，说明抛光垫34已失效。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆研磨抛光系统，包括执行系统和控制系统，其特征在于，所述执行系统包括支撑组件(1)，所述支撑组件(1)的上方设有转动组件(2)，所述转动组件(2)的上方设有研磨组件(3)，所述研磨组件(3)的上方设有抛光组件(4)，所述研磨组件(3)的侧方设有抛光液添加组件(5)；
所述控制系统包括主控制器、驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块，主控制器与驱动模块、信号采集模块和信号处理分析模块连接，用于控制整个系统运行，
驱动模块，与主控制器连接，用于执行系统中各驱动源工作；
信号采集模块，与主控制器连接，用于采集研磨抛光过程中的压力和振动信号；
信号处理分析模块，与主控制器连接，用于分析信号采集的相关数据，判断抛光垫的磨损程度。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述支撑组件(1)包括支撑板(11)，所述支撑板(11)的顶部一侧设有对称分布的两块第一安装板(12)，所述支撑板(11)的顶部另一侧设有第一安装杆(13)，所述第一安装杆(13)的顶部设有对称分布的两块第二安装板(14)，所述支撑板(11)的顶部中间设有第二安装杆(15)，所述第二安装杆(15)的一端设有支撑筒(16)。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述转动组件(2)包括第一电动机(21)，所述第一电动机(21)固定在位于一侧的第一安装板(12)上，所述第一电动机(21)的输出轴贯穿第一安装板(12)固定连接有蜗杆(22)，所述蜗杆(22)的侧方设有蜗轮(23)，所述蜗轮(23)与蜗杆(22)啮合，所述蜗轮(23)的两侧设有对称分布的两个第一齿轮(24)，且两个第一齿轮(24)与蜗轮(23)啮合，所述第一齿轮(24)和蜗轮(23)的底部都与支撑板(11)啮合，位于一侧的第一齿轮(24)的顶部设有连接杆(25)，所述连接杆(25)的顶部设有第二齿轮(26)。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述研磨组件(3)包括第三齿轮(31)，所述第三齿轮(31)和第一齿轮(24)规格一样，所述第三齿轮(31)与第二齿轮(26)啮合，所述第三齿轮(31)的顶部设有转动柱(32)，所述转动柱(32)套设在支撑筒(16)内部，且转动柱(32)与支撑筒(16)转动连接，所述转动柱(32)的顶部设有研磨盘(33)，所述研磨盘(33)底部和侧壁都设有抛光垫(34)。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述抛光组件(4)包括转动杆(41)，所述转动杆(41)与位于另一侧的第一齿轮(24)的顶部固定连接，所述转动杆(41)依次贯穿第三齿轮(31)、转动柱(32)和研磨盘(33)，且所述转动杆(41)的顶部设有第三安装板(42)，所述第三安装板(42)上开设有对称分布的两个安装槽(43)，所述转动杆(41)的两侧设有对称分布的两个抛光机构(44)，所述抛光机构(44)设置在研磨盘(33)的上方。
6.根据权利要5所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述抛光机构(44)包括固定板(441)，所述固定板(441)的两侧设有对称分布的两个螺栓组件(442)，固定板(441)通过螺栓组件(442)可拆卸固定在安装槽(43)内，所述固定板(441)的底部设有电动气缸(443)，所述电动气缸(443)的输出轴固定连接有第四安装板(444)，所述第四安装板(444)的一端顶部固定有第二电动机(445)，所述第二电动机(445)的输出轴贯穿第四安装板(444)固定连接有晶圆承载头(446)。
7.根据权利要求1所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述抛光液添加组件(5)包括安装筒(51)，所述安装筒(51)的两侧设有对称分布的两个转动轴(52)，所述转动轴(52)与第二安装板(14)活动连接，所述安装筒(51)内活动安装有抛光液添加管(53)，所述抛光液添加管(53)的一端设置在研磨盘(33)上方。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述控制系统的的具体工作包括控制执行系统对晶圆进行研磨抛光和在晶圆进行研磨抛光过程中实时监测抛光垫的状态。
9.根据权利要求8所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述执行系统对晶圆进行研磨抛光的具体过程为：
当对晶圆的上下两面研磨抛光时，驱动模块先启动电动气缸(443)，电动气缸(443)带动待研磨抛光的晶圆向下压紧研磨盘(33)的底部，驱动模块控制第一电动机(21)启动，第二电动机(445)关闭，第一电动机(21)运转带动蜗杆(22)转动，所述蜗杆(22)转动带动两个第一齿轮(24)转动，位于一侧的第一齿轮(24)转动带动第二齿轮(26)转动，第二齿轮(26)转动带动第三齿轮(31)转动，第三齿轮(31)转动带动研磨盘(33)转动，位于另一侧的第一齿轮(24)转动带动转动杆(41)转动，转动杆(41)转动带动整个抛光组件(4)转动，保证研磨盘(33)快速转动的同时，抛光组件(4)阳研磨盘转动方向低速转动，从而完成对晶圆的上下两面的研磨抛光；
当对晶圆的侧壁研磨抛光时，拧松螺栓组件(442)，移动抛光机构(44)，使待研磨抛光的晶圆贴紧研磨盘(33)的侧壁，驱动模块控制第一电动机(21)关闭，第二电动机(445)启动，然后第二电动机(445)启动带动晶圆承载头(446)转动，从而带动晶圆转动，从而完成对晶圆的侧壁的研磨抛光。
10.根据权利要求8所述的一种晶圆研磨抛光系统，其特征在于，所述实时监测抛光垫的状态的具体过程为：
晶圆在研磨抛光的过程中，信号采集模块实时采集加工过程中的一段时间t内的抛光垫(34)的振动信号，构成数据序列P，抛光垫(34)磨损指标记为S：
S(t)＝kPi；
式中，i是数据序列P中的第i个点，k是振动信号的补偿系数；
信号处理分析模块将采集到的序列P代入磨损指标公式并生成曲线，将曲线平滑处理并可视化，取一段抛光垫(34)稳定运行的磨损指标曲线，求取S的平均值S0作为初始阈值，当抛光垫(34)的磨损指标S(t)大于S0时，抛光垫(34)开始进入磨损状态，反之，抛光垫(34)处于稳定状态，当S(t)连续n个点都大于Si时，说明抛光垫(34)已失效。
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