CN1943016A - 用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置，其包括：装载杯，其中，在装载杯上，杯板安装在杯形盆缸中，用以容纳晶圆的装载板位于杯板上，以及多个垂直阻尼装置置于杯板与装载板之间，以使装载板在垂直方向被减振；驱动轴，用于使装载杯在化学机械抛光机的平台与心轴之间向右及向左绕轴转动并进行上升及下降运动；以及，将装载杯连接至驱动轴的臂；其中，多个水平阻尼装置沿装载板的底部表面从装载板的中心沿径向以固定角度定位，从而当在抛光托架头和装载板之间装载及卸载晶圆时，根据抛光托架头与装载板之间的位置偏差，在通过在一定的驱动误差限度内沿水平方向细微地摇动该装载板以使装在心轴上的抛光托架头与装载板校准至正常位置之后，抛光托架头与装载板可以分离；且其中每个水平阻尼装置的两端分别固定于杯板及装载板。通过装载装置的结构，本发明实现了装载装置可主动调节装载及卸载晶圆期间产生的装载装置的装载杯与抛光托架头之间的位置偏差的优点。

Description

用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置
技术领域
本发明涉及一种用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置。更明确的说，本发明涉及一种用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置，其中在抛光托架头(polishing carrier head)与装载装置的装载杯之间执行晶圆交换的装载和卸载过程中，即使在装配或操作该装载装置的各个组件时，明显超过了可允许的误差，该抛光托架头及该装载杯也可以在正常位置平稳地拆卸，因此可以避免由于晶圆的偏离所造成的损坏，并且可以快速地装载及卸载晶圆，从而提高生产率。
背景技术
一般来就，化学机械抛光机(CMP)为一种用于平坦化晶圆及其上薄膜，以在制造半导体晶圆期间减少因为遮罩、蚀刻、刻画等重复程序所产生的晶圆及薄膜不平整的工具。
CMP包括：平台，该平台上附着有研磨垫；用于提供在该研磨垫上研磨用的浆液的浆液提供器；用于通过利用抛光托架将晶圆固定在抛光垫上并使晶圆在与抛光垫接触的状态中旋转来提供物理研磨的心轴(spindle)；以及用于将被机械手臂从晶圆匣传送的晶圆运送至抛光托架的位置，以将晶圆装载至抛光托架头及从该抛光托架头上卸载下来的装载装置。
CMP内的装载装置包括：用于容纳晶圆的装载杯、用于使该装载杯在平台与心轴之间绕轴向右侧与左侧转动并进行上升与下降运动的驱动轴、以及将该装载杯连接至该驱动轴的臂。
然而，由于现有技术中的装载装置被构建为在研磨晶圆之前及之后，当在该抛光托架头与其装载杯之间交换晶圆时，仅执行绕着该驱动轴使装载杯向右侧与左侧转动并进行上升与下降运动，除非抛光托架头与该心轴等的装配位置精准地与装载杯的上升与下降位置配合，否则晶圆的装载与卸载无法在正常位置完成。因此，假使抛光托架头与装载杯之间的位置无法精确地控制在可允许的误差极限内(一般来锐，当包括抛光托架头的心轴的驱动精度在±0.1°的限度内时，考虑组装误差在±0.05°的限度内)，则无法执行晶圆的装载与卸载，否则在将晶圆装载至抛光托架头上之后，在晶圆的研磨过程期间，由于晶圆的不良装载，可能会使晶圆损坏。
结果，为了在正常位置进行抛光托架头与装载杯之间的操作，需要额外安装能够控制该装载装置的各个组件的位置的如机械致动器的分离位置控制装置，或者必须将抛光托架头与装载杯之间的正常位置处的可允许误差保持在±0.05°的限度内。在额外安装分离位置控制装置的情况下，要考虑到装载杯的尺寸或其防水密处理等，实际上以该装置的结构来说是很困难的。此外，晶圆装载与卸载所需要的时间不可忍受的长，因此使得生产率显著降低。
为了解决现有技术中的上述问题，本发明申请人在韩国专利申请No.2002-0007565中提出了一种新型的装载装置，其中该新型装载装置具有由压缩弹簧构成的垂直阻尼结构，以在装载杯中向上支撑装载板的底部表面。
韩国专利申请No.2002-0007565(以下称为’565申请)中公开的装载装置的装载杯具有杯板安装于杯形盆缸(bath)中的结构。用于容纳晶圆的装载板位于该杯板上。多个压缩弹簧置于该杯板和该装载板之间，其中压缩弹簧在沿垂直方向上升及下降时进行减振。也就是说，压缩弹簧支撑着装载板的底部表面，使得容纳在装载板中的晶圆以真空的方式朝向抛光托架头附着，或可以执行倾斜操作，以在将真空附着在抛光托架头上的晶圆拆卸到装载盘上时，使晶圆在抛光托架头的底部表面与装载板的顶部表面之间稳固接触。
然而，虽然与已知的装载杯结构相比，’565申请所提议的装载杯的结构能够更稳定地装载及卸载晶圆，但是在抛光托架头与装载杯之间的位置偏离了±0.1°的误差允许限度的情况下，可能无法主动地进行装载板的运动，并且因此抛光托架头与装载杯配合不当。因此，’565申请中所提出的装载杯的结构不足以实现实用性。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置来解决现有技术的问题，其中，在抛光托架头与装载装置的装载杯之间执行晶圆交换的装载与卸载过程中，即使在组装或操作装载装置的各个组件时明显超过了允许误差，抛光托架头及装载杯也能在正常位置平稳地被拆卸，因此可以避免因晶圆脱轨而造成的损坏，而且能够快速地装载与卸载晶圆，因此提高了生产率。
为了达到上述目的，根据本发明一个方面的用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置包括：装载杯，其中，在该装载杯上，杯板安装在杯形盆缸中，用于容纳晶圆的装载板位于该杯板上，并且多个垂直阻尼装置置于该杯板与装载板之间，以使该装载板在垂直方向被减振；驱动轴，用于使该装载杯在化学机械抛光机的平台与心轴之间向右及向左绕轴运动并且进行上升及下降运动；以及将该装载杯连接至该驱动轴的臂；其中，多个水平阻尼装置沿着该装载板的底部表面从装载板的中心沿径向方向以固定角度定位，从而当在抛光托架头与装载板之间装载及卸载晶圆时，根据抛光托架头与装载板之间的位置偏差，在通过在一定的驱动误差限度内沿水平方向细微地摇动该装载板以使装设在心轴上的抛光托架头与该装载板校准至正常位置之后，抛光托架头与装载板可以分离；且其中每个水平阻尼装置的两端都分别固定于杯板及装载板。
此外，每个水平阻尼装置由拉伸弹簧构成，该拉伸弹簧的两端分别牢固地钩在固定螺钉上，所述固定螺钉分别固定于杯板的顶部表面及装载板的底部表面。
再者，优选的是多个导引滚轴沿着该装载板的周围、以朝装载板的中心突伸的方式、在该装载板的外围区域等距离地安装，其中沿着抛光托架头的周围安装的限制环被内接(inscribe)，用以将由于该限制环与装载板之间的接触所造成的摩擦减小到最少。特别是，每个导引滚轴由滚珠滚轴(ball-point roller)构成，其沿着球状滚轴体的外部表面具有螺旋螺纹。在与抛光托架头的限制环接触时进行旋转的导引球装在该滚轴体的前端处，并且从该滚轴体部分地向外突伸。能够平稳地转动该导引球的多个小尺寸轴承球设置在其上装有导引球的滚轴体的内侧。
此外，能够容纳一定尺寸的晶圆的晶圆导引阶梯形成在装载板上表面的内侧周围。该晶圆导引阶梯以5度至45度的倾斜角度倾斜，其倾斜的方式是晶圆导引阶梯的内部侧壁周围从其垂直位置处向外倾斜，因此通过由装载杯绕轴转动所产生的惯性能够容易地将晶圆容纳于该晶圆导引阶梯中。
此外，优选的是垂直阻尼装置由滚珠活塞弹簧构成，其中支撑球安装在球状外壳的上部，其中该支撑球在接触该装载板的底部表面时进行旋转。该支撑球从该外壳的底部表面部分地向外突伸。活塞安装在该外壳内侧，并通过弹簧弹性地支撑该支撑球。该活塞的下部可以通过形成于该外壳底部处的洞孔移进及移出一小段距离而没有任何阻碍。用于平稳地旋转支撑球的多个小轴承球设置在支撑球与活塞之间的接触区域。
此外，优选的是在该抛光托架头与该装载板之间装载与卸载晶圆时的驱动误差设定在±0.3°的限度之内。
根据本发明的装载装置可以实现的有益效果为，在抛光托架头与装载装置的装载杯之间执行晶圆交换的装载与卸载过程中，即使在组装或操作装载装置的各个组件时明显超过了允许误差，抛光托架头及装载杯也能在正常位置平稳地被拆卸，因此可以避免因晶圆脱轨而造成的损坏，而且能够快速地装载与卸载晶圆，因此提高了生产率。
附图说明
图1为表示在正常状态的运转结构的示意图，其中根据本发明的用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置在绕驱动轴转动并上升之后将要研磨的晶圆运送至抛光托架头，或是将已研磨的晶圆1从该抛光托架头运送出来；
图2为根据本发明的装载装置的装载杯的平面图；
图3为根据本发明一种具体实施方式的装载杯沿着图2所示的III-III线的剖面图；
图4为根据本发明一种具体实施方式的装载杯沿着图2所示的IV-IV线的剖面图；
图5为图3所示的A部分的放大图，其中显示了根据本发明的装载杯的结构特征；
图6为垂直阻尼装置(滚珠活塞弹簧)的纵向剖面图，该垂直阻尼装置被应用在图4所示的优选实施方式中；及
图7为根据本发明一个用于控制长度的装置的实施方式的多个导引滚轴的结构的纵向剖面图，所述导引滚轴沿着装载杯中的装载板的周围以一定的固定间距沿径向定位。
具体实施方式
以下，参照附图，对根据本发明优选实施方式的用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置进行更详尽地说明。
图1至图7显示根据本发明的装载装置及应用该装载装置的半导体晶圆的化学机械抛光机的结构。图1为表示在正常状态的运转结构的示意图，其中根据本发明优选实施方式的用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置在绕驱动轴4转动并上升之后将要研磨的晶圆1运送至抛光托架头3，或是将已研磨的晶圆1从该抛光托架头3运送出来。图2为根据本发明的装载装置的装载杯C的平面图。图3为根据本发明一种实施方式的装载杯C沿着图2所示的III-III线的剖面图。图4为根据本发明一种实施方实的装载杯C沿图2所示的IV-IV线的剖面图。图5为图3所示的A部分的放大图，其中显示了根据本发明的装载杯C的结构特征。图6为垂直阻尼装置30(滚珠活塞弹簧)的纵向剖面图，该垂直阻尼装置被应用在图4所示的优选实施方式中。图7为根据本发明一个用于控制长度的装置的实施方式的多个导引滚轴50的结构的纵向剖面图，所述导引滚轴沿着装载杯C中的装载板20的周围以一定的固定间距沿径向定位。
首先，任何本领域技术人员都了解的是，本发明中当在抛光托架头3及装载板20之间装载和卸载晶圆时，驱动误差被设定在±0.3°的限度之内。任何本领域技术人员应理解的是，由于现有技术中的驱动误差限度为±0.1°，因此本发明中的误差限度能够保证非常高效的驱动性能。
如图1所示，根据本发明的用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置包括装载杯C，晶圆1位于装载杯C上；驱动轴4，用于使该装载杯C在平台(未显示于图中)与心轴2的抛光托架头3之间向右及向左绕轴转动并进行上升及下降运动；以及，臂，用于将该装载杯C连接到该驱动轴4。清洁液提供器12穿过臂5设置且与装设于该装载杯C内侧的喷嘴13、14相连。通过此结构，根据本发明的装载杯C的特征在于其结构的改进，且下文将主要描述装载杯C。
如图2、图3及图4所示，在根据本发明的装载杯C中，杯板11安装在杯形盆缸10中。用于容纳晶圆1的装载板20位于该杯板11上。多个垂直阻尼装置24或30置于该杯板11与该装载板20之间，其中所述垂直阻尼装置24或30通过在垂直方向摇动该装载板20来对其进行减振。而且，多个水平阻尼装置40置于该杯板11与该装载板20之间，其中所述水平阻尼装置40通过在径向且水平的方向摇动装载板20，来将装载板20的位置主动地校正为该抛光托架头3的位置，从而将该装载板20定心于正常状态。
也就是说，所述多个水平阻尼装置40沿着该装载板20的底部表面从装载板20中心沿径向方向以固定角度(例如60°)定位。每个水平阻尼装置40的两端分别固定到该杯板11及该装载板20。因此，当在抛光托架头3与装载板20之间装载与卸载晶圆时，因为根据安装于该心轴2上的抛光托架头3与该装载板20之间的位置偏差，该装载板在一定的驱动误差限度之内在水平方向上细微地摇动，所以该抛光托架头3与该装载板20可以在被校正至正常位置时分离。图中的标记数字15表示O形环，用于提供盆缸10与杯板11之间的密封。
此处，如同在垂直阻尼装置的现有技术的结构中，垂直阻尼装置24或30用于支撑装载板20的底部表面，以使容纳在装载板20中的晶圆1朝向抛光托架头3真空附着，或用于进行倾斜操作，以在将真空附着在抛光托架头3上的晶圆1分离到装载板20上时，使晶圆1在该抛光托架头3的底部表面与该装载板20的顶部表面之间稳固接触。不同实施方式的结构说明于图3及图4中，其中图3所示的垂直阻尼装置24为一种公知的压缩弹簧，而图4所示的垂直阻尼装置30为一种滚珠活塞弹簧。
换句话说，应用于图3所示实施方式中的垂直阻尼装置24有压缩弹簧构成，该压缩弹簧的两端分别直接接触杯板11的顶部表面及装载板20的底部表面。
此外，如图6中更详尽的说明，应用在图4所示优选实施方式中的垂直阻尼装置30由滚珠活塞弹簧构成，其中支撑球32装在球形外壳31的上部上，其中该支撑球32在接触装载板20的底部表面时旋转。该支撑球32从该外壳31的顶部表面部分地向外突伸。活塞34安装在外壳31内侧，并通过弹簧35而弹性地支撑该支撑球32。该活塞34的下部可通过形成于该外壳31的底部表面上的洞孔移进及移出一小段距离，而没有任何阻碍。用以平稳地旋转该支撑球32的多个小轴承球33设置在该支撑球32与该活塞34之间的接触区域。图中的标记数字36指扣环。垂直阻尼装置30(即，滚珠活塞弹簧)的弹性移动宽度在本发明的优选实施方式中被限制在2.5毫米左右。一般来说，考虑到在制造时所决定的滚珠活塞弹簧30的活塞34的行程，该垂直阻尼装置30的弹性移动宽度可选择性地应用于已知的垂直阻尼装置。
同时，图3及图4所示的水平阻尼装置40由拉伸弹簧构成，其两端分别牢固地钩在固定螺钉41、42上，所述固定螺钉分别固定在杯板11的顶部表面与装载板20的底部表面上。
通过水平阻尼装置40(即，拉伸弹簧)的作用，位于垂直阻尼装置24(即，压缩弹簧)或30(即，滚珠活塞弹簧)上的装载板20可以细微地且弹性地在径向水平方向上摇动，使得装载板20能够主动对中。特别是，在应用滚珠活塞弹簧30作为垂直阻尼装置的情况下，该支撑球32在装载板20摇动时旋转，使得该装载板20可以平稳地移动而没有摩擦，并且在适应抛光搬连器头3的限制环3a之后还能够容易地回复到其原始位置。
另外，多个导引滚轴50在该装载板20的外围区域沿着该装载板20的周围以朝向其中心突伸的方式等距离地安装，其中沿着该抛光托架头3的周围安装的限制环3a被内接。通过这种导引滚轴50的结构，可以使由限制环3a与装载板20之间的接触所造成的摩擦减少到最小。
如图1的部分放大图及图7所示的导引滚轴50由滚珠滚轴构成，其沿着球形滚轴体51的外部表面具有螺旋螺纹。在与限制环3a接触时进行旋转的导引球52装在该滚轴体51的前端，并且从该滚轴体51处部分地向外突伸。能够使导引球52平稳地旋转的多个小尺寸的轴承球53设置在滚轴体51的内侧，导引球52装在滚轴体51上。
通过导引滚轴50的作用，即使在该抛光搬连器头3具有135毫米的离心率(大约0.6°)、进而导致该抛光托架头3的限制环3a的最大偏差大约为1.3毫米的情况下，该装载板20也能够主动地适应该限制环3a的适当位置，从而使得晶圆的装载与卸载在正常位置进行。
此外，在组装过程中另外使用单独的夹具，以使所述多个导引滚轴50的各个导引球52以固定距离向内朝向该装载板20的周围突伸。该夹具具有与该装载板20的顶部表面的形状对应的相同形状。当该夹具装在装载板20上时，该夹具的直径稍微小于装载板20的直径，以使其以与装载板20重叠的方式同心地设置。该夹具的周围沿着该装载板20的周围向内保持固定宽度的间隙，并且因此各个导引滚轴50通过旋转该导引滚轴50直到所述导引滚轴50的导引球52与夹具的周围相接触而与该装载板20相配合。
同时，能够容纳特定尺寸的晶圆1的晶圆导引阶梯21形成在本发明所采用的装载板20的上表面上的内侧周围，如图5所示。该晶圆导引阶梯21以5°至45°的倾斜角度“a”倾斜，使得该晶圆导引阶梯21的内部侧壁的周围从其垂直位置向外倾斜，从而通过由该装载杯C的绕轴转动所产生的惯性能够容易地将晶圆1容纳于该晶圆导引阶梯21中。
如图3及图4所示，一个或多个制动孔23穿过该装载板20相对于在特定位置处的原点对称地形成在一个特定位置或多个特定位置。一个或多个制动器22穿入所述制动孔23中固定且与该杯板11相距一定的边缘间隙，用以避免该装载板20与杯板11及盆缸10偏离。在本发明的优选实施方式中，一个制动孔23形成在该装载板20的中心，并且作为制动器22的铆钉穿入该制动孔23中固定，且与该杯板11相距2.5毫米或更大的边缘间隙。
因此，一旦根据本发明的装载装置被设定在正常位置的±0.3°的可允许误差限度内，而该限度比现有技术中的±0.1°内的可允许误差限度更宽，那么该装载装置可以通过装载板20本身、多个导引滚轴50、垂直阻尼装置24或30、及水平阻尼装置40的形状的相互系统化运作而被主动地修改。
如上所述，尽管通过优选实施方式对本发明进行了描述，但是本发明的范围并不限于上述实施方式，而应当包括所有落在所要求保护范围内的各种变例，这些变例可以由本领域的技术人员对本发明所描述的实施方式进行修改而得到。
工业实用性
本发明的装载装置是一项很有用的发明，其中在抛光托架头与装载装置的装载杯之间执行晶圆交换的装载和卸载过程中，即使在装配或操作该装载装置的各个组件时，明显超过了可允许的误差，该抛光托架头及该装载杯也可以在正常位置平稳地拆卸，因此可以避免由于晶圆的偏离所造成的损坏，并且可以快速地装载及卸载晶圆，从而提高生产率。

Claims (7)

1.一种用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置，包括：
装载杯，其中，在该装载杯上，杯板安装在杯形盆缸中，用于容纳晶圆的装载板位于该杯板上，以及多个垂直阻尼装置设置在该杯板和该装载板之间，以使该装载板在垂直方向被减振；
驱动轴，用于使该装载杯在该化学机械抛光机的平台与心轴之间向右及向左绕轴转动及进行上升及下降运动；以及
臂，用于将该装载杯连接至该驱动轴；
其中，多个水平阻尼装置沿着装载板的底部表面从装载板的中心沿径向方向以固定角度定位，从而当在抛光托架头和装载板之间装载及卸载晶圆时，根据抛光托架头与装载板之间的位置偏差，在通过在一定的驱动误差限度内沿水平方向细微地摇动该装载板以使装设在心轴上的抛光托架头与装载板校准至正常位置之后，抛光托架头与装载板可以分离；并且
其中，每个水平阻尼装置的两端分别固定在杯板及装载板上。
2.如权利要求1所述的装载装置，其中，每个水平阻尼装置由拉伸弹簧构成，拉伸弹簧的两端分别牢固地钩在固定螺钉上，所述固定螺钉分别固定在该杯板的顶部表面与该装载板的底部表面上。
3.如权利要求1所述的装载装置，其中，多个导引滚轴沿装载板的周围以朝装载板的中心突伸的方式在装载板的外围区域等距离地安装，其中，沿抛光托架头的周围安装的限制环被内接，以将由该限制环与该装载板之间的接触而造成的摩擦减少到最小。
4.如权利要求3所述的装载装置，
其中，每个导引滚轴由滚珠滚轴构成，所述滚珠滚轴沿球形滚轴体的外部表面具有螺旋螺纹；
其中，在与该抛光托架头的限制环接触时进行旋转的导引球装在该滚轴体的前端处，并且从该滚轴体部分地向外突伸；以及
其中，能够使该导引球平稳旋转的多个小尺寸的轴承球设置在其上安装有导引球的滚轴体的内侧。
5.如权利要求1所述的装载装置，
其中，能够容纳一定尺寸的晶圆的晶圆导引阶梯形成在该装载板上表面的内侧周围；以及
其中，该晶圆导引阶梯以5°至45°的倾斜角度倾斜，其倾斜的方式为该晶圆导引阶梯的内部侧壁的周围从其垂直位置向外倾斜，从而通过由该装载杯的绕轴转动所产生的惯性能够容易地将该晶圆容纳于该晶圆导引阶梯中。
6.如权利要求1所述的装载装置，
其中，该垂直阻尼装置由滚珠活塞弹簧构成，其中支撑球装在球形外壳的上部上，其中，该支撑球在与该装载板的底部表面接触时进行旋转；
其中，该支撑球从该外壳的顶部表面部分地向外突伸；
其中，活塞装在该外壳的内侧，并利用弹簧弹性地支撑该支撑球；
其中，该活塞的下部通过形成在外壳的底部表面上的洞孔可以移进及移出一小段距离，而没有任何阻碍；以及
其中，用以使支撑球平稳旋转的多个小轴承球设置在支撑球与活塞之间的接触区域。
7.如权利要求1所述的装载装置，其中在该抛光托架头与该装载板之间装载与卸载晶圆时的驱动误差设定在±0.3°的限度内。
CNB2005800109268A 2004-04-14 2005-04-08 用于半导体晶圆的化学机械抛光机的装载装置 Active CN100447958C (zh)

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