CN209408216U - 化学机械研磨设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种化学机械研磨设备。该化学机械研磨设备包括传输机构、载板、研磨装置以及设置于载板上的研磨液供液装置，载板用于装载待处理晶片，载板或研磨装置设置于传输机构上。该化学机械研磨设备通过传输机构实现了晶片的连续研磨生产，单台设备产能成倍提升，十分便于大批量连续生产应用。

Description

化学机械研磨设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，具体而言，涉及一种化学机械研磨设备。

背景技术

在半导体制造领域，化学机械研磨是实现晶圆或衬底的平坦化与抛光的主要工艺，一般而言，化学机械研磨工艺是通过晶圆或衬底与设备的研磨垫相接触并加入研磨液，利用相对运动达到平坦化与抛光的目的。

目前半导体领域使用的化学机械研磨设备大多是圆盘式研磨台，研磨装置主要包括：研磨台、设置于研磨台上的研磨垫、设置于研磨垫上方的研磨头及研磨垫修整器。其中，研磨头用来吸附固定晶圆或衬底晶片，研磨垫用于与晶片接触研磨。通俗来讲，通用的研磨设备大多为上下两个圆盘进行旋转研磨。此外还有一些带式研磨设备，一般上盘仍为研磨头，用来吸附晶片，而将通常的下研磨盘改为类似传送带的机构，通过两端马达的水平转动，带动研磨带进行研磨。

此类传统的研磨设备均采用晶片正面朝下的研磨方式，通过研磨头施加的下压力，将晶片压在下方的研磨垫上，由二者的相对运动实现化学机械研磨。由于上下盘尺寸的限制，一般每一批次所能研磨的晶片数量有限，而且晶圆尺寸越大，每批次的研磨数量越小，比如对于12英寸的晶片，大多每次只能研磨一片，即便对于可以放置多个研磨头的大尺寸设备而言，每批次能够研磨的片数一般也不会超过15片。因此，传统研磨设备不利于实现晶片大批量研磨抛光和产线大批量连续生产。

同时，根据化学机械研磨的工艺理论，在研磨过程中同时存在化学腐蚀作用与机械去除作用。研磨垫处于下盘的研磨设备，经过一段时间的使用，在化学腐蚀与机械压力的作用下，研磨垫表面的微观粗糙结构，如凸起、纹理、沟槽等会逐渐变得平坦，研磨抛光下来的碎屑以及研磨液中的浆料也将会慢慢填入研磨垫中，随着使用时间延长，研磨垫表面将发硬发亮，形成釉面，变得打滑，无法继续进行抛光。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种化学机械研磨设备，以解决现有技术中无法实现晶片批量研磨和连续生产的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种化学机械研磨设备，包括传输机构、载板、研磨装置以及设置于载板上的研磨液供液装置，载板用于装载待处理晶片，载板或研磨装置设置于传输机构上。

进一步地，研磨装置包括：研磨盘，设置在载板的上方，研磨盘上设置有研磨垫，研磨垫用于研磨待处理晶片；第一驱动组件，与研磨盘连接，用于驱动研磨盘向下移动使其对装载在载板上的待处理晶片施加压力；第二驱动组件，与研磨盘连接，用于驱动研磨盘旋转。

进一步地，第一驱动组件包括：气缸连杆，与研磨盘连接，用于控制研磨盘移动；压力气缸，与气缸连杆连接，用于通过气缸连杆控制研磨盘对待处理晶片施加压力。

进一步地，第一驱动组件还包括连接装置，连接装置设置在气缸连杆和研磨盘之间，且气缸连杆与连接装置的接触面为弧面。

进一步地，研磨盘的下表面的边缘为曲面。

进一步地，曲面的弧度为5°～10°。

进一步地，载板和研磨盘分别为沿传输机构的传输方向依次设置的多个，第二驱动组件用于控制相邻研磨盘之间的旋转方向相同或相反。

进一步地，化学机械研磨设备还包括清洗水喷射装置，沿传输机构的传动方向设置在研磨液供液装置下游，用于向载板喷射清洗水。

进一步地，化学机械研磨设备还包括压力监测控制装置，压力监测控制装置与研磨盘电连接，用于实时监测研磨过程中的实际压力并进行自动调节。

应用本实用新型的技术方案，提供了一种化学机械研磨设备，包括传输机构、载板、研磨装置以及设置于载板上的研磨液供液装置。该化学机械研磨设备通过传输机构实现了晶片的连续研磨生产，单台设备产能成倍提升，十分便于大批量连续生产应用。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种化学机械研磨设备的结构示意图；

图2示出了图1所示的化学机械研磨设备中研磨装置的剖面结构示意图；以及

图3示出了图2所示的研磨装置中研磨盘的剖面结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

101、传输机构；201、第一载板；202、第二载板；203、第三载板；204、第四载板；301、研磨装置；3001、压力气缸；3002、气缸连杆；3003、连接装置；3004、研磨盘；401、研磨液供液装置；501、清洗水喷射装置；601、晶片装载机构；602、晶片卸载机构；701、晶片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中无法实现晶片批量研磨和连续生产。本实用新型针对上述问题进行研究，提出了一种化学机械研磨设备，如图1所示，包括传输机构101、载板、研磨装置301以及设置于载板上的研磨液供液装置401，载板用于装载待处理晶片701，载板或研磨装置301设置于传输机构101上

上述化学机械研磨设备通过传输机构实现了晶片的连续研磨生产，单台设备产能成倍提升，十分便于大批量连续生产应用。

如图1至图3所示，在本实施例的技术方案中，优选地，研磨装置301包括：研磨盘3004，设置在载板的上方，该研磨盘3004上设置有研磨垫，研磨垫用于研磨待处理晶片；第一驱动组件，与研磨盘3004连接，用于驱动研磨盘3004向下移动使其对装载在载板上的待处理晶片701施加压力；第二驱动组件，与研磨盘3004连接，用于驱动研磨盘3004旋转。通过采用研磨盘3004上置的机械结构能够有效降低研磨液及研磨颗粒对研磨垫的长期腐蚀、阻塞，使研磨垫的花纹保持更长时间，提升其长期研磨效率，有效延长研磨垫的寿命，降低生产成本。

如图2所示，在本实施例的技术方案中，优选地，第一驱动组件包括：气缸连杆3002，与研磨盘3004连接，用于控制研磨盘3004移动；压力气缸3001，与气缸连杆3002连接，用于通过气缸连杆3002控制研磨盘3004对待处理晶片施加压力。研磨开始时，第一驱动组件驱动研磨盘3004向下移动至工作位并施加设定的压力，第二驱动组件驱动研磨盘3004旋转至设定转速，开始对晶片进行研磨。

更为优选地，上述第一驱动组件还包括连接装置3003，连接装置3003设置在气缸连杆3002和研磨盘3004之间，且气缸连杆3002与连接装置3003的接触面为弧面，从而有效提升晶片所受研磨压力的均匀性，使得在研磨过程中晶片片间与片内去除均匀性更好，进而晶片最终表面质量得到优化和提升。

在本实施例的技术方案中，研磨盘3004的直径尺寸优选为30～50英寸，或者特殊定制更大尺寸，如50～80英寸，一般原则为研磨盘3004半径大于载板的宽度，从而能够盖住全部晶片。并且，优选地，如图3所示，研磨盘3004的下表面的边缘为曲面，优选地，曲面的弧度为5～10°，以避免撞击晶片，减少滑片和碎片率。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，优选地，载板和研磨盘3004分别为沿传输机构101的传输方向依次设置的多个，如图中所示的第一载板201、第二载板202、第三载板203以及第四载板204,，第二驱动组件用于控制相邻研磨盘3004之间的旋转方向相同或相反，从而降低了晶片表面的方向性效应，降低了晶片产生表面缺陷的可能性，并且，化学机械研磨工艺可采用多步渐进式研磨，通过设定不同压力和研磨液种类，由粗到细，平稳过渡。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，优选地，化学机械研磨设备还包括清洗水喷射装置501，清洗水喷射装置501用于向载板(如图中所示的第一载板201、第二载板202、第三载板203以及第四载板204)喷射清洗水，沿传输机构101的传动方向清洗水喷射装置501设置在研磨液供液装置401下游，便于研磨结束后清洗晶片上的研磨液和磨削物，从而得到表面质量合格的晶片。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，优选地，载板(如图中所示的第一载板201、第二载板202、第三载板203以及第四载板204)还包括位于靠近研磨盘3004一侧表面的晶片槽，用于将晶片国定在载板上，传输机构101还包括卡槽，用于固定载板或研磨装置301。上述结构能够保障研磨工序的顺利进行，以避免撞击晶片，减少滑片和碎片率。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，优选地，化学机械研磨设备还包括晶片装载机构601和晶片卸载机构602，可实现晶片自动化装载和卸载，减少人工操作，提高生产效率。

优选地，化学机械研磨设备还包括压力监测控制装置，压力监测控制装置与研磨盘3004电连接，用于实时监测研磨过程中的实际压力并进行自动调节，从而避免压力过大导致损伤晶片和压力过小导致研磨效果不佳，保障研磨晶片的质量。

下面将结合附图1至图3介绍一种本实用新型提供的化学机械研磨设备的作业方式：

1、对待处理晶片进行厚度分选，保证装入同一个载板内的晶片厚度差在5～10um之内；

2、经过分选的晶片通过晶片装载机构601装载到第一载板201相应的晶片槽内，正面朝上，然后第一载板201被传输机构101的卡槽固定；

3、传输机构101进行传送，传输速度可在0～2m/min内灵活设置。在到达研磨装置301的下方之前，研磨液供液装置401开始供液，同时研磨装置301缓慢下降到工作位。待第一载板201前端到达研磨装置301下方时，研磨装置301开始旋转并加速到设定转速，同时向下施加压力到设定值，同时第一载板201继续匀速前进，直到完成第一阶段的研磨。在进行第一阶段研磨的同时，可以继续装载第二载板202，并放到相应位置，与第一载板201同步传送；

4、待第一载板201完成第一阶段的研磨后，研磨盘3004会回到初始位置等待第二载板202的研磨。此时，研磨液供液装置401下游的清洗水喷射装置501会打开，对第一载板201上完成第一阶段的晶片进行清洗，将残留的研磨液及其他杂质冲洗掉，以免对第二阶段的研磨造成不利影响，清洗水喷射装置501的喷射压力可以为30～70psi，以防止将晶片从载板卡槽中冲出；此时第二载板202已进入第一阶段的研磨；

5、第一载板201完成清洗后继续前进，在到达第二阶段的研磨装置301之前，第二阶段的研磨液供液装置401开始供液，同时研磨装置301开始旋转并加速到设定转速，此时研磨装置301的旋转方向与研磨装置301相反，采用研磨液和研磨垫可采用与第一阶段研磨不同的型号。待第二载板202前端到达研磨装置301下方时，研磨装置301下压，施加设定的压力，同时第一载板201继续匀速前进，直到完成第二阶段的研磨，然后研磨盘3004回到初始位置，此时第二载板202也顺序完成第一阶段的研磨和清洗；

6、第一载板201重复以上4、5步骤，完成最终第三阶段的研磨。在经过清洗之后，通过晶片卸载机构602进行卸载并继续进行后面的清洗工艺。第二载板202、第三载板203、第四载板204及后续载板则连续进行研磨工艺，从而实现大批量连续生产的目的。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

1、大批量连续生产。本实用新型提供的化学机械研磨设备是一种新型链式在线研磨设备，可实现晶片的连续研磨生产，单台设备产能能够成倍提升，十分便于大批量连续生产应用。

2、研磨垫寿命延长。相对于传统化学机械研磨设备的研磨垫下置的方法，本实用新型中研磨盘上置的机械结构可有效降低研磨液及研磨颗粒对研磨垫的长期腐蚀、阻塞，能够使研磨垫的花纹保持更长时间，提升其长期研磨效率，能有效延长研磨垫的寿命，降低生产成本。

3、研磨压力均匀性提升。由于连接装置设置在气缸连杆和研磨盘之间，且气缸连杆与连接装置的接触面为弧面，可以有效分配研磨压力，使研磨盘的作用面可以根据下方载板的水平面位置而进行微调，保证载板上每片晶片都受到相同的压力作用，有效提升晶片所受研磨压力的均匀性。

4、晶片表面质量的提高。采用多步渐进式研磨，通过设定不同压力和研磨液种类，由粗到细，平稳过渡；相邻两阶段研磨采用研磨盘旋转方向灵活设置，可降低晶片表面的方向性效应，降低表面缺陷；由于研磨压力均匀性的提升，使得在研磨过程中，晶片片间与片内去除均匀性更好，从而使晶片最终TTV等指标达到更优水平。因此，采用本实用新型的化学机械研磨设备使得晶片表面质量得到优化和提升。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括传输机构(101)、载板、研磨装置(301)以及设置于所述载板上的研磨液供液装置(401)，所述载板用于装载待处理晶片，所述载板或所述研磨装置(301)设置于所述传输机构(101)上。

2.根据权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述研磨装置(301)包括：

研磨盘(3004)，设置在所述载板的上方，所述研磨盘(3004)上设置有研磨垫，所述研磨垫用于研磨所述待处理晶片；

第一驱动组件，与所述研磨盘(3004)连接，用于驱动所述研磨盘(3004)向下移动使其对装载在所述载板上的所述待处理晶片施加压力；

第二驱动组件，与所述研磨盘(3004)连接，用于驱动所述研磨盘(3004)旋转。

3.根据权利要求2所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述第一驱动组件包括：

气缸连杆(3002)，与所述研磨盘(3004)连接，用于控制所述研磨盘(3004)移动；

压力气缸(3001)，与所述气缸连杆(3002)连接，用于通过所述气缸连杆(3002)控制所述研磨盘(3004)对所述待处理晶片施加压力。

4.根据权利要求3所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述第一驱动组件还包括连接装置(3003)，所述连接装置(3003)设置在所述气缸连杆(3002)和所述研磨盘(3004)之间，且所述气缸连杆(3002)与所述连接装置(3003)的接触面为弧面。

5.根据权利要求3所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述研磨盘(3004)的下表面的边缘为曲面。

6.根据权利要求5所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述曲面的弧度为5°～10°。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述载板和所述研磨盘(3004)分别为沿所述传输机构(101)的传输方向依次设置的多个，所述第二驱动组件用于控制相邻所述研磨盘(3004)之间的旋转方向相同或相反。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备还包括清洗水喷射装置(501)，沿所述传输机构(101)的传动方向设置在所述研磨液供液装置(401)下游，用于向所述载板喷射清洗水。

9.根据权利要求2至6中任一项所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备还包括压力监测控制装置，所述压力监测控制装置与所述研磨盘(3004)电连接，用于实时监测研磨过程中的实际压力并进行自动调节。