WO2012019334A1

WO2012019334A1 - 化学机械抛光心轴装置

Info

Publication number: WO2012019334A1
Application number: PCT/CN2010/001804
Authority: WO
Inventors: 陈威; 廖垂鑫; 王东辉; 王伟
Original assignee: 中国电子科技集团公司第四十五研究所
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-02-16
Also published as: CN101972983A; CA2806138A1; CN101972983B; CA2806138C

Description

化学机械抛光心轴装置技术领域

本发明涉及化学机械抛光设备技术领域，特别是一种化学机械抛光设备心轴装置。

背景技术

化学机械抛光（CMP ) 是一种对半导体材料或是其它类型的材料的衬底进行平坦化或是抛光的方法。在化学机械抛光过程中，抛光头起着拾取硅片和带动硅片旋转在抛光垫上进行抛光的作用，硅片拾取和硅片旋转通过硅片运载器（carrier)实现，硅片运载器与心轴系统上的运载器法兰盘通过真空固定，硅片拾取和硅片旋转通过心轴系统提供动力。心轴装置对运载器（carrier)进行连接、升降、旋转及在抛光过程实现精确心轴力控制的机构。心轴装置与 carrier组成整个抛光头系统，在功能上具有硅片夹持、下压力产生、背压产生、压力调整、旋转、工位传递等多种功能。传统的 CMP心轴装置采用杠杆结构实现抛光头的升降，此机构的缺点是抛光头只在杠杆处于水平时才与抛光台垂直，而在实际抛光过程中要求抛光头与抛光台一直垂直，因此这种传统依靠杠杆实现的心轴升降装置要求零件机械的加工精度、装配精度很高，并且心轴力精度难以控制。本发明硅片化学机械抛光的心轴装置因采用四连杆结构可以保证在心轴升降过程中抛光头与抛光台一直垂直。在四连杆结构中安装压力传感器，采用闭环控制技术，实现心轴力的精确控制。本装置中可使用两个抛光心轴自转机构或多个抛光心轴自转机构，具有机构紧凑、效率高的优点，使用旋转接头技术很好地解决了心轴连续旋转时的线路间缠绕问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种化学机械抛光心轴装置，该装置可以保证在心轴升降过程中抛光头与抛光台一直垂直，具有结构简单、心轴力易于控制、加工精度高、工作效率高、使用方便的特点；用途广，尤其适用于硅片化学机械抛光设备上，也可适用于其它具有与 CMP相似工艺要求的半导体材料或其它类型的材料的加工半设备上。

本发明装置的主要技术方案是：一种化学机械抛光心轴装置，包括抛光心轴自转机构，其特征在于设有转塔机构，转塔机构通过四连杆升降机构和抛光主轴自转机构相连，并设有硅片吸附机构。

所述的四连杆升降机构的结构可为：具有上活动板、下活动板，竖板和抛光主轴自转机构的外壳及转塔机构的转动架相铰联；转动架和动力机械传动装置相连；上活动板或下活动板和动力升降器相连。

所述的动力升降器为气囊充放气式升降器较佳，运动平稳，易控制，其较好结构为：固定板固定在转架上设的竖板上，压簧和气囊充放气机构分别固定在固定板的上下面上，压簧和气囊充放气机构的另一端分别与上活动板、下活动板连接。

所述的动力升降器也可为活塞式充放气（油）式升降器、或电机机械式升降器等。

所述的四连杆升降机构中设有压力传感器 a及轴力控制闭环控制电路较好。

所述的抛光心轴自转机构的较好结构为：伺服电机通过减速器和心轴相连，心轴通过圆锥滚子轴承和心轴套相连。

所述的转塔机构可设有 1套，或 2套或 3套以上（含 3套）的抛光心轴自转机构及四连杆升降机构；每个四连杆升降机构均和转动架相连; 和转动架相连的动力机械传动装置采用转塔多层轴系传动结构。

所述的转塔多层轴系传动结构较好为：塔轴外装有第 2套式轴，塔轴通过第 1固定架和第 1抛光心轴自转机构相连，第 1转动架一端和第 1 抛光心轴自转机构相连，另一端通过轴承与第 2套式轴相连；第 2套式轴外装有第 3套式轴，第 2套式轴通过第 2固定架和第 2抛光心轴自转机构相连，第 2转动架一端和第 2抛光心轴自转机构相连，另一端通过轴承与第 3套式轴相连或直接与第 2套式轴相连。其多层轴系传动结构可以此类推。硅片吸附及其放置机构的结构可为：气路使硅片抛光过程产生区域背压；真空实现运载器法兰盘与运载器的固定及吸附硅片的功能（可同已有技术）；与转塔机构中塔轴进行连接的三通道旋转接头将流体用软管引入转塔，流出转塔的流体经管接头一分为二，将经过转塔的流体用六通道旋转接头引入两个抛光心轴自转机构，并用软管经抛光心轴自转机构进入运载器，进行流体的控制；实现硅片抛光后从运载器平稳、可靠放到卸载台上。

所述的用转塔多层轴系传动结构采用以下输电电路结构较好：与转塔合作的导电滑环，导电滑环的旋转端固定在固定支架上上，固定支架安装在塔轴上，塔轴带动导电滑环的旋转端旋转，如上面所述，同时塔轴带动第一抛光心轴自转机构旋转，由此导电滑环可以实现将不同的电压和电信号引入到第 1抛光心轴自转机构。用拖链在第一抛光心轴自转机构和第 2抛光心轴自转机构建立联结，使得第 1抛光心轴自转机构通过导电滑环接收的不同的电压和电信号中的被从第一抛光心轴自转机构被引到第 2抛光心轴自转机构。

本发明的积极效果是：利用该装置可以有效解决现有技术中存在的问题，该装置可以保证在心轴升降过程中抛光头与抛光台一直垂直，具有结构简单、心轴力易于控制、加工精度高、工作效率高、使用方便的特点；可使用两个抛光心轴自转机构或多个抛光心轴自转机构，根据需要分别使用它们，这样可以达到灵活使用、机构紧凑、效率高的目的；使用旋转接头技术还可很好地解决了心轴间在连续旋转时线路间缠绕问题。用途广，尤其适用于硅片化学机械抛光设备上，也可适用于其它具有与 CMP相似工艺要求的半导体材料或其它类型的材料的加工半设备上。

以下结合一个较好的实施例及其附图作详述，但本实施例不能作为对本发明的限定。

附图说明

图 1为本发明一个较好的实施例心轴装置的结构示意图。

图 2为图 1中抛光心轴部分的正视图。图 3为图 1中四连杆机构的三维图。

图 4为图 1中气囊充放气机构的运动轨迹图。

图 5为图 1中心轴安装剖面图。

图 6为图 1中转塔的正视图。

图 7为图 1中转塔的剖视图。

图 8为图 1中心轴力控制系统框图。

图 9为图 1中心轴力校正三维图。

图中标号说明如下: 1 运载器（carrier)， 2—抛光心轴自转机构（为多个时，可分为第 1抛光心轴自转机构、第 2抛光心轴自转机构等）， 3_ 转塔系统， 4一六通道旋转接头， 5—同步带轮， 6—调节块， 7—电机（为多个时，可分为第 1电机、第 2电机等）， 8 连杆， 9 气囊充放气机构， 10—心轴套， 1 1一固定板， 12 压簧调整块， 13 压簧， 14一减速器， 15 气嘴， 16—三通道旋转接头， 17—第 1固定架， 18 塔轴， 19 第 1转动架， 20—上活动板， 21—旋转接头法兰， 22—压力传感器 a, 23— 接近开关， 24—下活动板， 25 锁母， 26 心轴， 27 传感器支架， 28— 第 2套式轴（或塔中轴）， 29—第 3套式轴（或塔外轴）， 30 基座， 31—同步带， 32—气缸接头， 33 限位块支架， 34—限位块， 35—伺服电机， 36 压母， 37 轴承， 38—轴承杆， 39 竖板， 40—第 2固定架， 41一第 2转动架， 42—压力传感器 b， 43—抛光台， 44 测试安装板， 45— 运载器法兰盘， 46—圆锥滚子轴承， 47—密封件， 48 锁母， 49一导电滑环， 50—固定支架， 51—轴承 A, 52 带轮；图 4中， H2—气囊充放气机构安装的最小高度， H3—气囊充放气机构安装的最大高度， X—气囊充放气机构安装的中心处的高度， 01_气囊充放气机构倾角的范围。具体实施方式

参见图 1〜图 9，该较佳实施例中，心轴系统与运载器（carrier) 1 组成整个抛光头系统，在功能上具有硅片夹持、下压力产生、背压产生、压力调整、旋转、工位传递等多种功能。心轴装置包括抛光心轴自转机构 2和转塔机构 3。抛光心轴自转机构 2与承载器 1连接后具有硅片夹持、工位转换、下压力控制功能。转塔 3与两个抛光心轴自转机构 2连接后进行抛光主轴间工位转换，并利用传感器支架 27上的接近开关 23实现精确定位。两个抛光心轴自转机构 2通常在在单个方向旋转处理硅片，每个抛光心轴自转机构 2可以在特定的抛光台 43独立的工作。抛光心轴自转机构 2控制器控制抛光心轴自转机构 2的旋转、升降、背压、保持环力，抛光心轴自转机构 2控制器可以通过可编程逻辑控制器 PLC实现，运动控制器与抛光心轴自转机构 2 中的一个固定在一起驱动两个抛光心轴自转机构 2的旋转。运动控制器独立地驱动两个抛光心轴自转机构 2，使得两个抛光心轴自转机构 2可以独立旋转。第 1抛光心轴自转机构 2 可以在第 2抛光心轴自转机构 2静止时旋转，第 2抛光心轴自转机构 2 可以在第 1抛光心轴自转机构 2静止时旋转。

图 1示出了心轴装置的结构图，图 2示出抛光心轴自转机构的正视图，抛光心轴自转机构实现抛光心轴升降、抛光心轴自转。

抛光心轴升降：抛光心轴的升降通过四连杆机构（图 3所示）实现，参见图 2〜图 3，固定板 11固定在竖板 39上，压簧 13和气囊充放气机构 9分别固定在固定板 11的上下面上，压簧 13和气囊充放气机构 9另一端分别与上活动板 20、下活动板 24连接，上、下活动板 20、 24分别安装在四连杆机构上，四连杆机构与心轴 26相连，心轴 26在压簧 13和气囊充放气机构 9上保持平衡，通过对气囊充放气机构 9充气，实现心轴 26的上升，通过对气囊充放气机构 9放气，实现心轴 26的下降，这一过程也实现对心轴力的控制。

气囊充放气机构 9结构简单，由两块金属板扣住橡胶气囊而成。如果保持气囊充放气机构的充气状态，则该气缸就成了一个气弹簧。气囊充放气机构具有以下特性：具有很好的柔性；倾斜提升角度达 30度；同时气囊充放气机构的行程可以被描述成一个圆周轨迹，这个轨迹不能超过所示倾角 α的范围，倾角 α最大值 30° , 如图 4所示。选用气囊充放气机构可以很好解决 Carrier在四连杆升降过程中产生横向偏移问题。

抛光主轴自转：伺服电机 35通过减速器 14带动心轴 26旋转，心轴 26与圆锥滚子轴承 46安装如附图 5所示。抛光心轴公转：如图 6所示，第 1电机 7通过同步带 31带动带轮 52 旋转，带轮 52带动塔轴 18旋转，塔轴 18分别通过第 1固定架 17、第 1 转动架 19带动第 1抛光心轴自转机构 2独立旋转；同理第 2电机 7通过另一同步带带动另一带轮旋转，另一带轮带动第 2套式轴 28旋转，第 2 套式轴 28分别通过第 2转动架 41、第 2固定架 40带动第 2抛光心轴自转机构 2独立旋转，从而实现两个抛光心轴自转机构 2绕转塔 3独立地进行公转。

图 8为心轴力控制系统框图。在该系统中，其任务是使施加的心轴力等于给定的心轴力。由压力传感器测量的心轴力，把数据反馈与给定的心轴力比较，经 PLC控制器按一定的规律计算后，输出的信号输入到电气比例阀阀去控制气囊充放气机构，从而达到控制心轴力的目的。

精确心轴力控制：通过电气比例阀精确控制通入到心轴 26上的气囊充放气机构 9内部气压，从而控制心轴下压力。在气囊充放气机构 9底部装有压力传感器 a22，通过压力传感器 a22与电气比例阀形成闭环控制，从而提高控制精度。

电气比例阀的校准：根据下压力计算出气囊充放气机构的压力范围为 0〜0.7Mpa，电气比例阀的控制信号为 4〜20mA，将电气比例阀的输出端接上气压传感器 a22，设置输入 4mA对应的输出为 O.OOlMpa; 输入 20mA对应的气压为 0.8Mpa，根据这两个值可以得出电气比例阀输入与输出的关系。

心轴下压力的校准：从抛光心轴自转机构 2上卸下 carrierl , 装上测试安装板如图 9所示，然后将测试安装板 44压在压力传感器 b42上，压力传感器 b42和测试安装板 44的总高度与 carrier相同。根据前面得到的电气比例阀输入与输出的关系，从 0到 0.8Mpa之间每隔 0.05Mpa输入一个气压值，从力传感器 b42得到一组压力值，另外还可以从气囊充放气机构 9底部的压力传感器 a22得到一组压力值，根据这些数据可以得出电气比例阀的输出气压与心轴下压力的关系和心轴下压力与气囊充放气机构 9底部压力传感器 a22测量值的关系，根据这种关系进行心轴下压力的校准。心轴流体控制：流体用管接头与三通道旋转接头 16连接，并经三通道旋转接头 16进入转塔机构 3的塔轴 18内的软管里，从转塔机构 3塔轴 18流出的流体经管接头一分为二，经六通道旋转接头 4引入心轴 26 软管里，流体为真空、压缩空气、去离子水等，水路、气路、真空通过旋转接头 4、心轴 26、运载器法兰盘 45与 carrier相连，其中 4路氮气产生 3区域背压和一路保持环力， 2路真空实现吸附硅片和心轴 26与运载器 1的固定功能，其中产生背压的一路氮气与吸附硅片的一路真空公用一个通道，由一个电磁阀实现控制。水的流量通过比例阀控制，压缩空气的压力通过电气比例阀控制。

本实施例中，抛光心轴自转机构与承载器组成的系统依靠真空作用带动硅片升降及心轴力的调整，转塔机构通过同步带轮、转动架的作用带动抛光心轴自转机构公转进行工位转换。在抛光心轴升降机构中可选用压力传感器，采用闭环控制技术，实现心轴力精确控制。流体通过三通道旋转接头进入转塔机构，从转塔机构流出的流体经管接头一分为二，经六通道旋转接头、心轴、心轴法兰后与 carrier连接，在抛光过程中起到产生背压、吸附硅片、清洗硅片等作用。转塔的顶部处用于电信号和动力的导电滑环提供用于输送电力（不同电压）和电信号以通信到抛光主轴控制器和抛光主轴间；可使用旋转接头、导电滑环技术解决心轴间连续旋转时的线路间缠绕问题。系统使用两个抛光心轴自转机构或多个抛光心轴自转机构，根据需要分别使用它们，这样可以达到灵活使用、机构紧凑的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书

1、一种化学机械抛光心轴装置，包括抛光心轴自转机构（2 ) ，其特征在于设有转塔机构（3 ) ，转塔机构（3 ) 通过抛光主轴四连杆升降机构和抛光主轴自转机构（2) 相连，并设有硅片吸附机构。

2、根据权利要求 1所述的化学机械抛光心轴装置，其特征在于所述的四连杆升降机构的结构为：具有上活动板（20) 、下活动板（24 ) ，竖板（39 ) 和抛光主轴自转机构（2 ) 的外壳及转塔机构（3 ) 的转动架相铰链；转动架和动力机械传动装置相连；上活动板（20) 或下活动板

(24) 和动力升降器相连。

3、根据权利要求 2所述的化学机械抛光心轴装置，其特征在于所述的力升降器为气囊充放气式升降器，其结构为：固定板（11 ) 固定在转架上设的竖板（39) 上，压簧（13 ) 和气囊充放气机构（9 ) 分别固定在固定板（11 ) 的上下面上，压簧（13 ) 和气囊充放气机构（9) 的另一端分别与上活动板（20) 、下活动板（24) 连接。

4、根据权利要求 3所述的化学机械抛光心轴装置，其特征在于所述的四连杆升降机构中设有压力传感器 a (22 ) 及轴力控制闭环控制电路。

5、根据权利要求 1所述的化学机械抛光的心轴装置，其特征在于所述的抛光心轴自转机构（2) 的结构为：伺服电机（35 )通过减速器（14) 和心轴 (26) 相连，心轴 (26) 通过圆锥滚子轴承 (46) 和心轴套 ( 10) 相连。

6、根据权利要求 1、 2、 3、 4或 5所述的化学机械抛光心轴装置，其特征在于所述的转塔机构（3 ) 设有 2套或 3套以上的抛光心轴自转机构（2 )及四连杆升降机构；每个四连杆升降机构均和转动架相连；和转动架相连的动力机械传动装置采用转塔多层轴系传动结构。

7、根据权利要求 6所述的化学机械抛光的心轴装置，其特征在于所述的转塔多层轴系传动结构为：塔轴（18) 外装有第 2套式轴（28 ) ，塔轴（18) 通过第 1固定架（17) 和第 1抛光心轴自转机构（2 ) 相连，第 1转动架（19) 一端和第 1抛光心轴自转机构（2 ) 相连，另一端通过轴承与第 2套式轴（28)相连；第 2套式轴（28)外装有第 3套式轴（29)，第 2套式轴（28) 通过第 2固定架（40) 和第 2抛光心轴自转机构（2) 相连，第 2转动架（41)一端和第 2抛光心轴自转机构（2) 相连，另一端通过轴承与第 3套式轴（29) 相连或直接与第 2套式轴（28) 相连。