一种晶圆承载组件及晶圆交互方法与流程

1.本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种晶圆承载组件及晶圆交互方法。


背景技术：

2.集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序。
3.化学机械抛光(chemical mechanical polishing,cmp)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。
4.抛光过程中需要对晶圆进行不同位置的交互作业，机械手从其他工位(如buffer)将晶圆转运至晶圆承载组件(load cup)上，抛光头再从该load cup取片进行下一步抛光作业。因此load cup需要同时满足与机械手及抛光头进行准确装卸片的要求。
5.根据各自的作业要求，机械手所示教的轨迹相对固定，其要求晶圆有唯一精确的重复位置及稳定的相对水平要求；抛光头与load cup交互，主要依靠气膜进行吸取及放置，为保护晶圆及相应机构，同时保障取放片的成功率，其要求load cup具有一定的弹性，以配合气膜下压的动作，这两种结构对load cup的要求是不同的。
6.现有技术中，符合上述应用要求的通常有两种机构，即弹簧及膜片。利用弹簧及膜片的弹性变形，使load cup具有一定的弹性，满足抛光头交互要求；当加载力卸载后，弹簧或膜片恢复原来状态，使其具有一致的位置，以满足机械手的交互要求。然而，弹簧或膜片为被动弹性系统，尽管在容许位移量之内为弹性变形，但随着几万、几十万甚至百万级的不断地重复压缩或拉伸，可能难以保证持续精确恢复到初始状态，这对于机械手交互来说，可能存在取片失败的风险。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
8.为此，本发明实施例的提供了一种晶圆承载组件，其包括：
9.固定板；
10.环状的托架，其同心设置于所述固定板的外周侧；
11.复位组件，其包括气动座和支杆，所述气动座连接于所述固定板；所述支杆一端滑动连接于所述气动座，其另一端连接于所述托架；
12.所述气动座的腔室充放气，支杆能够将托架顶升或下降，使得托架的竖直位置与晶圆交互位置相匹配。
13.作为优选实施例，所述固定板为中空的盘状结构，其通过连接板与所述气动座固定。
14.作为优选实施例，所述支杆通过万向球轴承连接于所述托架的底部。
15.作为优选实施例，所述支杆的外周侧配置有弹簧，其抵接于所述万向球轴承与所述气动座之间。
16.作为优选实施例，所述复位组件的数量为多个，其沿所述托架的中心均匀分布。
17.作为优选实施例，晶圆承载组件还包括检测传感器，所述检测传感器设置于所述托架的底部，使得托架受压下移后，检测传感器的顶端与托架的底面抵接。
18.作为优选实施例，所述检测传感器为模拟量传感器，其数量为多个并通过转接板固定于所述气动座。
19.作为优选实施例，所述托架的上表面配置有限位柱，所述限位柱的顶部为锥台结构，所述锥台结构顶端的轮廓尺寸小于其底端的轮廓尺寸。
20.再者，本发明还公开了一种晶圆交互装置，其包括转盘、顶升组件以及上面所述的晶圆承载组件，所述晶圆承载组件为多个，其以转盘为中心均匀分布；所述顶升组件通过连接组件设置于所述转盘下侧，所述转盘旋转，以带动其上的晶圆交换装置停止于晶圆的交互位置。
21.此外，本发明还提供了一种晶圆交互方法，使用上面所述的晶圆交互装置，其包括以下步骤：
22.s1，转盘带动其上的晶圆承载组件旋转至机械手周向交互位置，顶升组件上升并连接于固定板的下侧，复位组件将托架顶升至高位；
23.s2，顶升组件带动晶圆承载组件上移至机械手竖向交互位置，机械手将晶圆放置于托架的上表面；
24.s3，顶升组件向下移动，晶圆承载组件与顶升组件分离；
25.s4，转盘带动放置有晶圆的晶圆交换装置转动至承载头周向交互位置，顶升组件上升并连接于固定板的下侧；
26.s5，顶升组件带动晶圆承载组件上移至承载头竖向交互位置，承载头吸附托架上表面的晶圆；重复步骤s3。
27.本发明的有益效果包括：
28.(1)为晶圆承载组件配置复位组件，其通过为气动座充气以在通常情况下处于高位，有效保证了晶圆交互位置的准确性；尤其在与机械手交互时，晶圆交互位置的准确保持，能够避免机械手与晶圆发生干涉，保证晶圆交互的顺畅性；
29.(2)晶圆交互装置采用盘式旋转结构，可以预先实现机械手与晶圆承载组件的交互，将晶圆放置到位，有效避免后续承载头交互的等待时间，提高了晶圆交互效率；
30.(3)为晶圆承载组件配置检测传感器，通过模拟量的设定，检测获取承载头下部的保持环的磨损情况，实现保持环的磨损监测，有效掌握了保持环的使用情况。
附图说明
31.通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
32.图1是本发明所述晶圆承载组件的结构示意图；
33.图2是本发明所述晶圆承载组件的立体图；
34.图3是本发明所述检测传感器的固定连接示意图；
35.图4是本发明所述晶圆交互装置的结构示意图；
36.图5是本发明所述晶圆交互装置的部件拆解图；
37.图6是图4所示的晶圆交互装置的主视图；
38.图7是本发明所述晶圆交互方法的流程图。
具体实施方式
39.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术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。
40.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，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发明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。
41.在本发明中，“化学机械抛光(chemical mechanical polishing,cmp)”也称为“化学机械平坦化(chemical mechanical planarization,cmp)”，晶圆(wafer,w)也称基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
42.图1及图2是本发明所述一种晶圆承载组件的结构示意图，晶圆承载组件100包括：
43.固定板10；
44.环状的托架20，其同心设置于固定板10的外周侧；
45.复位组件30，其包括气动座31和支杆32，气动座31连接于固定板10；支杆32一端滑动连接于气动座31，其另一端连接于托架20；
46.气动座31的腔室充放气，支杆32能够将托架20顶升或下降，使得托架20的竖直位置与晶圆交互位置相匹配。
47.本发明中，所谓晶圆的交互是指晶圆承载组件100与机械手或承载头的交互，即机械手将晶圆放置于晶圆承载组件100，或者，承载头将晶圆放置于晶圆承载组件100。或者，机械手将晶圆承载组件100的晶圆转移至其他位置，或者，承载头将晶圆承载组件100的晶圆吸附并转移至抛光垫进行化学机械抛光。
48.图1所示的实施例中，支杆32沿气动座31的腔室移动，以调节固定板10与托架20的相对距离。通常固定板10的相对位置固定，气动座31充放气，能够实现托架20竖直位置的调整。
49.作为本发明的一个实施例，固定板10为中空的盘状结构，其通过连接板40与气动座31固定。固定板10的中间位置可以设置晶圆清洗模块或在位检测模块，以节省晶圆承载组件的占用空间，提高结构设置的紧凑性。
50.托架20在竖向移动的过程中，可能会发生横向的位置偏移，致使晶圆交互位置不
准确。为了解决上述问题，支杆32通过万向球轴承33连接于托架20的底部，如图1所示。
51.为避免托架20过快移动，避免托架20的底面与气动座31的上表面发生碰撞，设置于托架20与气动座31之间的支杆32的外周侧套设有弹簧，以防止托架20与气动座31硬性抵接，致使交接的晶圆破损。图2中，支杆32的外周侧配置有弹簧，其抵接于万向球轴承33与气动座31之间，以防止气动座31内部的气压不稳，造成托架20快速向下移动而导致晶圆碎裂。
52.图2所示的实施例中，复位组件30的数量为三个，其沿托架20的中心均匀分布。可以理解的是，复位组件30也可以为其他数量，如四件、五件等，以保持托架20受到的支撑力相对均匀，保证托架20上表面处于水平状态。
53.通常情况下，图1示出的晶圆承载组件100的托架20处于高位，即气动座31充气，使得支杆32移动至上限位置。托架20始终保持相对稳定的高位，这有利于机械手将晶圆准确放置于托架20的上部。如此设置，能够避免传统技术中的弹簧被动复位不准确的问题，避免机械手夹持的晶圆与托架20等构件发生干涉而致使晶圆碎片。
54.本发明中，通过复位组件30的主动充气，保证了托架20竖向位置的准确性，以便时间晶圆承载组件100与机械手的准确交互。
55.晶圆承载组件100在与承载头交互时，复位组件30的气动座31仍处于充气状态，以充当气体弹簧的作用并维持稳定状态，同时配合支杆32的周侧配置的机械式弹簧形成组合式弹性机构。一般在承载头装卸片的过程中，承载头的保持环先下压至托架20上表面，再由承载头底部配置的气膜动作进行取放片。
56.由于保持环会不断磨损，且保持环行程并非特别精确，因此通常为保持环设置一个预压行程，以保证每次保持环都可以紧贴托架20，从而保证承载头气膜与晶圆之间有一个稳定的取放片间距，提高取放片成功率。因此，在与承载头交互过程中，上述气动座31与机械弹簧所组成的组合式弹性机构可以提供较为稳定的弹力反馈及承载头行程补偿，进一步保证晶圆的顺畅交互。
57.图2中，托架20的上表面配置有限位柱70，限位柱70的顶部为锥台结构，所述锥台结构顶端的轮廓尺寸小于其底端的轮廓尺寸。限位柱70的外周面能够可靠抵接于晶圆的外沿，保证晶圆放置位置的准确性。在一些实施例中，限位柱70由pps或peek制成，以适用于化学机械抛光使用环境。
58.化学机械抛光过程中，承载头上配置的保持环等耗材会出现不同程度的磨损。通常情况下，现场工艺人员通过抛光晶圆的数量间接判定保持环的磨损情况。这种判定方式存在一定的误差，若保持环严重磨损仍继续抛光晶圆，可能致使晶圆良品率不佳；若保持环未到使用寿命就维护更换保持环，则会出现材料浪费的情况，无形中增加晶圆制造成本。
59.为准确判定保持环的磨损情况，解决上面所述的技术问题，晶圆承载组件100还包括检测传感器50，如图3所示，检测传感器50设置于托架20的底部，使得托架20受压下移后，检测传感器50的顶端与托架20的底面抵接。
60.作为本发明的一个实施例，检测传感器50为模拟量传感器，其数量为多个并通过转接板60固定于气动座31。检测传感器50的端部为陶瓷或硬质塑料的接触头，如接触头可以由peek材料制成。
61.当托架20被承载头下压时，托架20会向下运动，在承载头下压行程的前半段，设定托架20不与检测传感器50的接触头接触，承载头下压行程的后半段，设定托架20与检测传
感器50的接触头接触，并使接触头产生位移，传感器读取该位移的大小。具体地，承载头下压行程的后半段的大小与保持环允许的磨损量有关，可根据情况灵活设定，如1-2mm或其他数值。
62.当承载头更换为新的保持环时，检测传感器50读取承载头第一次下压检测传感器50的接触头的位移大小，并进行存储。软件设置以该次读取的位移值作为基准值，系统设置当保持环磨损超过设定值x0时，则表示保持环磨损达到临界值，并提示需要更换保持环，以免影响晶圆抛光效果或指标。
63.随着抛光的进行，保持环磨损到一定量时，承载头下压行程减小，当减小量达到系统设定的x0值时，则提示保持环寿命已达到临界线，需要更换保持环。
64.作为图3所示实施例的一个变体，气动座31的外周侧配置有检测环，以检测承载头将晶圆卸载于托架20时支杆32底端的竖向位置，以间接测量承载头底部的保持环的磨损。具体地，所述检测环为磁敏传感器，支杆32的底端配置有磁铁，所述检测环通过磁感应检测支杆32的位置。
65.此外，本发明还公开了一种晶圆交互装置，如图4至图6所示，晶圆交互装置包括转盘200、顶升组件300以及上面所述的晶圆承载组件100。
66.具体地，晶圆承载组件100的数量为多个，其以转盘200为中心均匀分布；顶升组件300通过连接组件400设置于转盘200的下侧。当转盘200旋转时，转盘200能够带动其上的晶圆交换装置100旋转并停止于晶圆的交互位置，以便完成晶圆的交互。
67.图5所示的实施例中，转盘200配置有旋转驱动装置(未示出)，当顶升组件300与转盘200分离式，转盘200带动其上的晶圆交换装置100旋转。在需要晶圆交互作业时，顶升组件300需向上移动，以便通过可拆卸地连接于晶圆承载组件100下部的连接组件400。图5及6所示的实施例中，顶升组件300为气缸组件或电缸组件，其设置于圆盘形的固定座，顶升组件300的设置位置与晶圆交互位置相匹配。
68.为了保证晶圆承载组件100上的托架20及其连接组件顺畅移动而不与转盘200发生干涉，转盘200配置有多个贯通的工艺孔。为了实现顶升组件300与晶圆承载组件100的快速吸合及断开，顶升组件300与连接组件400的相对面配置有磁吸结构，
69.此外，本发明还提供了一种晶圆交互方法，使用上面所述的晶圆交互装置，其流程图，如图7所示，其包括以下步骤：
70.s1，转盘带动其上的晶圆承载组件旋转至机械手周向交互位置，顶升组件上升并连接于固定板的下侧，复位组件将托架顶升至高位；
71.s2，顶升组件带动晶圆承载组件上移至机械手竖向交互位置，机械手将晶圆放置于托架的上表面；
72.s3，顶升组件向下移动，晶圆承载组件与顶升组件分离；
73.s4，转盘带动放置有晶圆的晶圆交换装置转动至承载头周向交互位置，顶升组件上升并连接于固定板的下侧；
74.s5，顶升组件带动晶圆承载组件上移至承载头竖向交互位置，承载头吸附托架上表面的晶圆；重复步骤s3。
75.通过上面所述晶圆交互方法，能够实现晶圆的高效、准确交互，转盘200上部配置多个晶圆承载组件100，能够预存晶圆，避免传统晶圆交互过程的等待时间，提高晶圆的交
互效率。
76.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发明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。
77.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。