CN219378347U - 晶圆刷洗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种晶圆刷洗装置，包括摆臂、升降驱动机构、弹性支撑机构、转轴、旋转驱动机构和刷体；升降驱动机构、弹性支撑机构和旋转驱动机构均位于摆臂上方，升降驱动机构、弹性支撑机构和转轴在竖直方向由上至下分布，升降驱动机构与旋转驱动机构在水平方向相邻配置；升降驱动机构通过弹性支撑机构连接转轴，转轴的上端可转动地连接于弹性支撑机构，转轴的下端穿过摆臂连接位于摆臂下方的刷体，旋转驱动机构连接转轴并通过转轴驱动刷体旋转；所述升降驱动机构与弹性支撑机构之间设置力传感器，以检测并反馈调节升降驱动机构施加的压力。

Description

晶圆刷洗装置

技术领域

本实用新型涉及化学机械抛光后处理技术领域，尤其涉及一种晶圆刷洗装置。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平整化的超精密表面加工工艺。由于化学机械抛光中大量使用的化学试剂和研磨剂会在抛光完成后在晶圆表面残留大量的研磨颗粒和研磨副产物等污染物，这些污染物会对后续工艺产生不良影响，并可能导致晶圆良率损失。由于晶圆表面的清洁度是影响半导体器件可靠性的重要因素之一，为了达到晶圆表面无污染物的目的，需要移除晶圆表面的污染物，进行表面清洗，以去除晶圆表面附着的金属离子、原子、有机物及微粒等污染物。

清洗模块的刷洗力对清洗效果会有影响，当毛刷对晶圆施加的压力过大，容易导致晶圆损坏；压力过小，又会导致晶圆刷洗不干净。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种晶圆刷洗装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本实用新型实施例提供了一种晶圆刷洗装置，包括摆臂、升降驱动机构、弹性支撑机构、转轴、旋转驱动机构和刷体；

升降驱动机构、弹性支撑机构和旋转驱动机构均位于摆臂上方，升降驱动机构、弹性支撑机构和转轴在竖直方向由上至下分布，升降驱动机构与旋转驱动机构在水平方向相邻配置；升降驱动机构通过弹性支撑机构连接转轴，转轴的上端可转动地连接于弹性支撑机构，转轴的下端穿过摆臂连接位于摆臂下方的刷体，旋转驱动机构连接转轴并通过转轴驱动刷体旋转；所述升降驱动机构与弹性支撑机构之间设置力传感器，以检测并反馈调节升降驱动机构施加的压力。

在一个实施例中，所述升降驱动机构通过支架固定在摆臂上，升降驱动机构的作业端通过浮动接头连接力传感器。

在一个实施例中，所述弹性支撑机构的顶端抵接所述力传感器，弹性支撑机构的底端抵接所述支架。

在一个实施例中，所述弹性支撑机构包括固定件和弹性件，固定件设置在力传感器的下方，固定件下侧安装弹性件；弹性件用于消除浮动接头、力传感器、固定件、转轴和刷体的重量对刷体的下压力的影响。

在一个实施例中，所述弹性件配置为使得当升降驱动机构的作业端的输出压力为零时刷体的下压力也为零，以提供刷体的下压力为零的初始状态。

在一个实施例中，所述弹性件抵接在固定件和支架之间。

在一个实施例中，所述固定件内部设有轴承，转轴穿过弹性件与固定件中的轴承连接。

在一个实施例中，所述转轴和旋转驱动机构之间为带传动。

在一个实施例中，所述支架用于将升降驱动机构和弹性支撑机构支撑固定于摆臂的自由端。

在一个实施例中，所述升降驱动机构和力传感器分别连接控制单元，控制单元接收力传感器的输出值以反馈调节升降驱动机构的输出压力。

本实用新型实施例的有益效果包括：通过力传感器检测升降驱动机构向下施加的输出压力，实现了压力反馈以及压力的准确控制。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本实用新型的保护范围，其中：

图1示出了本实用新型一实施例提供的晶圆刷洗装置的立体图；

图2示出了图1中晶圆刷洗装置的正视图；

图3示出了晶圆刷洗装置的工作过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本实用新型具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。

在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，晶圆(wafer)也称为晶片、硅片、基片或基板(substrate)等，其含义和实际作用等同。

图1和图2示出了本实用新型一实施例提供的晶圆刷洗装置1的结构示意图。该晶圆刷洗装置1与晶圆保持装置、供液装置配合作业，实现对晶圆表面的擦洗、刷洗。晶圆保持装置，一边保持晶圆一边使其旋转；晶圆刷洗装置1，与晶圆表面接触进行擦洗或刷洗；供液装置，朝向晶圆的表面喷淋化学液或去离子水。

如图1和图2所示，晶圆刷洗装置1包括摆臂10、升降驱动机构20、弹性支撑机构50、转轴60、旋转驱动机构80和刷体70。

在一个实施例中，摆臂10的一端可转动地固定于基座(未示出)并连接电机组件，摆臂10在电机组件的驱动下在平行于晶圆所在平面的水平面内摆动。摆臂10的自由摆动的自由端安装有升降驱动机构20、弹性支撑机构50、转轴60、旋转驱动机构80和刷体70，摆臂10带动刷体70掠过晶圆圆心至晶圆边缘。

如图1和图2所示，在一个实施例中，升降驱动机构20、弹性支撑机构50和旋转驱动机构80均位于摆臂10上方，升降驱动机构20、弹性支撑机构50和转轴60在竖直方向由上至下分布，升降驱动机构20与旋转驱动机构80在水平方向相邻配置。本实施例中，升降驱动机构20用于实现刷体70的升降，控制刷体70对晶圆表面施加的压力大小。旋转驱动机构80用于实现刷体70的旋转。

清洗作业时，摆臂10带动刷体70摆动至晶圆上方，升降驱动机构20将刷体70按压在晶圆表面，旋转驱动机构80带动刷体70旋转同时摆臂10带动刷体70往复摆动并且晶圆在晶圆保持装置的驱动下旋转，供液装置朝向晶圆的表面喷淋流体，在多重作用下实现了刷体70对晶圆完整表面的刷洗。

如图1和图2所示，升降驱动机构20通过支架90固定在摆臂10上。支架90固定在摆臂10的自由摆动的自由端上。支架90包括上支撑板91、支件92和下支撑板93，支件92位于上支撑板91和下支撑板93支件92用于将二者固定连接。下支撑板93固定安装在摆臂10上，从而将整个支架90固定。上支撑板91用于固定升降驱动机构20，上支撑板91设置有第一通孔，升降驱动机构20的作业端穿过该第一通孔抵接其下方的机构。弹性支撑机构50设置在上支撑板91和下支撑板93之间。下支撑板93设有第二通孔，转轴60穿过此第二通孔以及位于摆臂10相应位置的第三通孔连接位于摆臂10下方的刷体70，以驱动刷体70旋转。支架90实现了将升降驱动机构20、弹性支撑机构50、转轴60和刷体70均支撑固定于摆臂10的自由端。

如图1和图2所示，升降驱动机构20的固定端与支架90固定连接，升降驱动机构20的作业端通过伸缩控制下压行程，刷体70在刷洗晶圆过程中的下压力来源于此作业端向下施加的输出压力。具体地，升降驱动机构20可以包括气缸和比例阀，气缸固定在支架90上，气缸的进气口与比例阀连接，气缸的作业端向下输出压力，通过比例阀可以控制气缸的进气量，进而控制气缸的输出压力，通过比例阀的控制可以稳定输出压力。

如图1和图2所示，进一步，在一个实施例中，升降驱动机构20与弹性支撑机构50之间设置力传感器40，以检测并反馈调节升降驱动机构20施加的压力。本实施例通过力传感器40检测升降驱动机构20向下施加的输出压力，实现了压力反馈。升降驱动机构20和力传感器40分别连接控制单元。当力传感器40的输出值高于或低于工艺需求的压力时，控制单元通过已有的PID控制算法，对比例阀实时调整控制，从而实现压力的稳定、精准控制。

如图1和图2所示，升降驱动机构20的作业端通过浮动接头30连接力传感器40，提高了力传导方向的自由度，能够避免硬连接造成损伤。

如图1和图2所示，弹性支撑机构50的顶端抵接力传感器40，弹性支撑机构50的底端抵接支架90。弹性支撑机构50包括固定件51和弹性件52，固定件51设置在力传感器40的下方，固定件51下侧安装弹性件52。固定件51内部设有轴承，转轴60穿过弹性件52与固定件51中的轴承连接。具体地，力传感器40固定在带有轴承的固定件51上，固定件51中的轴承与转轴60上端连接，在固定件51下方安装弹性件52，弹性件52套在转轴60的外周。弹性件52抵接在固定件51和支架90的下支撑板93之间，通过弹性件52的伸缩，可以提供刷体70上下移动的行程空间，还可以消除浮动接头30、力传感器40和固定件51的自身重量对刷体70在刷洗晶圆过程中的下压力的影响。

如图1和图2所示，摆臂10的最外侧由上至下排布的分别是升降驱动机构20、支架90的上支撑板91、浮动接头30、力传感器40、固定件51、弹性件52、支架90的下支撑板93、转轴60和刷体70。升降驱动机构20的自身重量全部作用于支架90。浮动接头30、力传感器40、固定件51、转轴60和刷体70的重量都作用于弹性件52，弹性件52通过弹性形变产生的弹性力能够抵消此重量。

弹性件52具有以下作用：通过消除浮动接头30、力传感器40、固定件51、转轴60和刷体70的重量，能够实现刷体70的下压力为零的初始状态。换句话说，当升降驱动机构20的作业端的输出压力为零时，力传感器40的输出值也为零，刷体70的下压力也为零，刷体70的下压力与升降驱动机构20的输出压力、力传感器40的输出值呈完全线性关系，实现了将刷体70的下压力从零开始调节，有利于保障刷体70初始状态的一致性，力传感器40的输出值可直接使用，方便刷体70的下压力的定量调控，提升刷体70向晶圆施加载荷的准确性、可控性。

如图1和图2所示，转轴60和旋转驱动机构80之间为带传动。转轴60的位于摆臂10下方的外周装有齿形带轮，齿形带轮与旋转驱动机构80通过皮带连接，转轴60的下端与刷体70连接。旋转驱动机构80固定在摆臂10上。

如图3所示，本申请中的晶圆刷洗装置1的工作过程包括：

初始化过程：初始状态，升降驱动机构20的作业端处于缩回状态，其输出压力为零，对力传感器40进行调零使其输出值也为零，此时刷体70的下压力也为零。

压力控制过程：

1、预先按照工艺参数设定目标刷洗压力F_O，控制单元输出初始电流信号传给比例阀，比例阀输出对应的气压值P₁，根据气缸的截面积S，可知气缸此时的输出压力F₁＝P₁*S；

2、在气缸作用下刷体70接触到晶圆后，弹性件52压缩变形，产生弹力K；

3、在下压力的作用下，力传感器40内部发生形变，向控制单元反馈输出值，控制单元得出反馈压力F_反，即为刷体70对晶圆的下压力；

4、根据压力关系：F₁＝F_反+K，压力偏差ΔF＝F_O-F_反；可以得到ΔF＝F_O-(F₁-K)，控制单元根据设定的PID控制算法对压力偏差ΔF进行修正，使ΔF＝0，从而实现精准稳定地控制刷洗的下压力。

通过以上过程，控制单元可实时采集到刷体70对晶圆的下压力，进而通过控制比例阀的开度来控制刷体70对晶圆下压力的大小，解决晶圆在刷洗过程中因比例阀输出压力不稳定，造成刷体70对晶圆下压力不稳定及不精准的问题，达到稳定和精准控制刷体70对晶圆下压力的效果。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本实用新型实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种晶圆刷洗装置，其特征在于，包括摆臂、升降驱动机构、弹性支撑机构、转轴、旋转驱动机构和刷体；

升降驱动机构、弹性支撑机构和旋转驱动机构均位于摆臂上方，升降驱动机构、弹性支撑机构和转轴在竖直方向由上至下分布，升降驱动机构与旋转驱动机构在水平方向相邻配置；升降驱动机构通过弹性支撑机构连接转轴，转轴的上端可转动地连接于弹性支撑机构，转轴的下端穿过摆臂连接位于摆臂下方的刷体，旋转驱动机构连接转轴并通过转轴驱动刷体旋转；所述升降驱动机构与弹性支撑机构之间设置力传感器，以检测并反馈调节升降驱动机构施加的压力。

2.如权利要求1所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述升降驱动机构通过支架固定在摆臂上，升降驱动机构的作业端通过浮动接头连接力传感器。

3.如权利要求2所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述弹性支撑机构的顶端抵接所述力传感器，弹性支撑机构的底端抵接所述支架。

4.如权利要求2所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述弹性支撑机构包括固定件和弹性件，固定件设置在力传感器的下方，固定件下侧安装弹性件；弹性件用于消除浮动接头、力传感器、固定件、转轴和刷体的重量对刷体的下压力的影响。

5.如权利要求4所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述弹性件配置为使得当升降驱动机构的作业端的输出压力为零时刷体的下压力也为零，以提供刷体的下压力为零的初始状态。

6.如权利要求4所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述弹性件抵接在固定件和支架之间。

7.如权利要求4所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述固定件内部设有轴承，转轴穿过弹性件与固定件中的轴承连接。

8.如权利要求1所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述转轴和旋转驱动机构之间为带传动。

9.如权利要求2所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述支架用于将升降驱动机构和弹性支撑机构支撑固定于摆臂的自由端。

10.如权利要求1所述的晶圆刷洗装置，其特征在于，所述升降驱动机构和力传感器分别连接控制单元，控制单元接收力传感器的输出值以反馈调节升降驱动机构的输出压力。