CN111482894B - 一种晶圆装载杯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆装载杯，其包括：杯体，用于支撑承载头，包括圆环形的侧壁和圆盘状的底部，所述底部配置有贯穿的定位孔；托盘，设置于所述杯体的侧壁中以接收晶圆；连接件，其由圆盘状的盘部和轴部构成，所述盘部同轴连接于所述托盘的底部并且具有与所述定位孔竖直对齐的贯穿的安装孔；驱动装置，其与所述连接件的轴部连接以驱动所述托盘竖直移动；以及导向杆，其由顶端部和主体部构成，所述顶端部搭载于所述连接件的顶面，所述主体部穿过所述连接件的盘部的安装孔并可滑动地延伸穿过所述杯体的底部的定位孔；所述导向杆滑动连接于所述连接件的盘部的安装孔，所述导向杆与所述连接件的轴部平行。

Description

一种晶圆装载杯

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种晶圆装载杯。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局、超精密表面加工技术。化学机械抛光装备一般包括设备前端、抛光部分和清洗部分，待加工的晶圆由设备前端传输至抛光部分和清洗部分，晶圆以“干进干出”的方式实现材料的去除。

抛光部分一般包括多个抛光单元，为实现晶圆的平稳传输，在抛光单元临近位置设置晶圆装载杯(Load cup)晶圆装载杯也称晶圆交换装置、晶圆交接装置、晶圆中转装置，其是抛光单元与传输机械手进行晶圆交接的中转模块。

专利CN109909870A提供了一种装载杯，所述装载杯包括：具有内部空间的杯；基座，所述基座设置在所述内部空间中，能够上升或下降，并且将晶圆装载到抛光头上或将所述晶圆从所述抛光头卸载。专利CN207358839U公开的化学机械研磨设备，其包括晶圆装卸装置，其中，装载杯用于向研磨头加载或卸载晶圆。

晶圆装载杯的稳定运行是晶圆高效传输的前提，其与化学机械抛光装备的WPH(wafer per hour)密切相关。晶圆装载杯的稳定运行是本领域技术人员持续改进的技术问题。

发明内容

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。为此，本发明公开了一种晶圆装载杯，其包括：杯体，用于支撑承载头，包括圆环形的侧壁和圆盘状的底部，所述底部配置有贯穿的定位孔；托盘，设置于所述杯体的侧壁中以接收晶圆；连接件，其由圆盘状的盘部和轴部构成，所述盘部同轴连接于所述托盘的底部并且具有与所述定位孔竖直对齐的贯穿的安装孔；驱动装置，其与所述连接件的轴部连接以驱动所述托盘竖直移动；以及导向杆，其由顶端部和主体部构成，所述顶端部搭载于所述连接件的顶面，所述主体部穿过所述连接件的盘部的安装孔并可滑动地延伸穿过所述杯体的底部的定位孔；所述导向杆滑动连接于所述连接件的盘部的安装孔，所述导向杆与所述连接件的轴部平行。

作为优选实施例，所述导向杆的顶端部与其上方的托盘的底部之间存在间隙，使得所述导向杆可在所述间隙的距离内沿竖直方向移动。

作为优选实施例，所述导向杆由不含有铝和铜的金属材料制成。

作为优选实施例，所述连接件由塑料制成。

作为优选实施例，所述导向杆由不锈钢制成。

作为优选实施例，所述连接件由PEEK、PET、PTFE和/或ABS制成。

作为优选实施例，所述导向杆的顶端部与其上方的托盘的底部之间的间隙不大于0.01mm。

作为优选实施例，所述杯体的定位孔内设置有直线轴承，所述导向杆与所述直线轴承滑动连接；所述导向杆的主体部与所述连接件的盘部的安装孔之间的距离不大于所述导向杆与所述直线轴承之间的距离。

作为优选实施例，所述连接件的盘部的安装孔的深度为所述导向杆长度的1/8-1/5。

作为优选实施例，所述导向杆的主体部与所述连接件的盘部的安装孔之间的距离为0.005mm-0.5mm。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：在晶圆装载杯的内部设置导向杆，导向杆与连接件的安装孔精密轴孔配合，有效保证了导向杆与连接件的主体部的平行度。托盘沿竖直方向移动时，导向杆滑动连接于杯体的定位孔，有效保证了托盘沿竖直方向移动的稳定性。

附图说明

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：

图1是本发明所述一种晶圆装载杯的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是现有技术中晶圆装载杯的结构示意图；

图4是图3中B处的局部放大图。

具体实施方式

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。

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。在本发明中，“化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)”也称为“化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)”，基板(substrate)也成称为晶圆(wafer)，其含义和实际作用等同。

图1示出了本发明所述一种晶圆装载杯1的结构示意图。晶圆装载杯1包括杯体10、托盘20、连接件30和驱动装置40。杯体10包括圆环形的侧壁11和圆盘状的底部12，底部12配置有贯通的定位孔13。侧壁11的顶部设置有支撑、定位承载头2的台阶部。托盘20设置于杯体10的侧壁11中以接受承载头2吸合的晶圆W。

连接件30由圆盘状的盘部31和轴部32构成。盘部31同轴连接于托盘20的底部，盘部31配置有图2示出的安装孔311，安装孔311与定位孔13设置对齐并贯穿设置。驱动装置40与连接件30的轴部32连接以驱动托盘20竖直移动。由于承载头2一般不设置沿竖直方向的自由度，即使设置竖直方向的自由度，承载头2在竖直方向的移动量会很小。因此，在晶圆交接时，晶圆装载杯1中的托盘20需要向上移动以接收承载头2吸合的晶圆W。

晶圆卸载时，吸合有晶圆W的承载头2与杯体10的侧壁11的顶面的台阶部同心定位，从而保证了晶圆W与托盘20处于对准状态。为了避免晶圆W远距离掉落于托盘20，需要驱动装置40带动托盘20竖直向上移动，以缩小承载头2底部的晶圆W与托盘20的顶面之间的距离。晶圆W能够平稳地卸载于由驱动装置40移动至高位的托盘20的顶面。

在图1所示的实施例中，驱动装置40为气缸，连接件30的轴部32与气缸的活塞杆连接。由于连接件30的轴部32、驱动装置40的驱动轴都为圆柱形部件，驱动装置40在推动托盘20移动的过程中，驱动装置40的驱动轴可能与连接件30的轴部32发生沿周向的微量的转动。由于驱动装置40与杯体10连接，连接件30与托盘20连接，因此，上述沿周向的微量转动会形成托盘20与杯体10之间的微量转动。若托盘20顶面的晶圆W在受压状态下沿周向转动，则托盘20顶面的晶圆W可能破损。

为了控制或避免设置于杯体10中的托盘20在竖直方向移动过程中产生沿周向的转动，现有技术中，晶圆装载杯1’还包括导向杆50’，如图3所示，导向杆50’的轴线与连接件30’的轴部32’的轴线平行设置，导向杆50’的上端设置有螺纹段，其通过螺纹设置于连接件30’的盘部31’。导向杆50’滑动连接于杯体10’底部的定位孔13’，托盘20’和导向杆50’沿竖直方向移动。导向杆50’进一步限定了托盘20’的转动，即而避免托盘20’相对于杯体10’的转动。

图4是图3中B处的局部放大图。由于导向杆50’与盘部31’螺纹连接，安装于盘部31’的导向杆50’与连接件30’的轴部32’的平行度无法保证。由于无法保证导向杆50’与连接件30’的轴部32’的平行度，导向杆50’相对于连接件30’的轴部32’可能发生微量倾斜。倾斜的导向杆50’增加了托盘20’升降过程中会受到一定的阻力，进而影响了托盘20’无法沿竖直方向顺畅移动。托盘20’可能无法在预定时间内到达指定位置，承载头下部的晶圆会直接掉落至托盘20’的顶面。晶圆从一定高度直接掉落可能会引起晶圆破损。

为了解决托盘升降不顺畅的问题，图1中，晶圆装载杯1还包括导向杆50，其由顶端部51和主体部52构成,顶端部51搭载于连接件30的顶面，主体部52穿过连接件30的盘部31的安装孔并可滑动地延伸穿过杯体10的底部12的定位孔13。

导向杆50滑动连接于连接件30的盘部31的图2示出的安装孔311。导向杆50通过精密的轴孔配合设置于安装孔311，有效保证了导向杆50与连接件30的轴部32之间的平行度。托盘20和导向杆50可沿杯体10的定位孔13顺畅移动，有效控制晶圆交换的时间，保证晶圆传输的顺畅性。

图2是图1中A处的局部放大图。导向杆50的顶端部51搭载于连接件30的顶面，主体部52精密间隙装配于安装孔311。主体部52的外周壁与安装孔311的内侧壁设置一定距离。为了保证导向杆50的轴线与轴部32的轴线的平行度，所述距离不应大于0.5mm且不应小于0.005mm。即导向杆50通过精密的轴孔配合安装于盘部31的安装孔311。在图1所示的实施例中，主体部50的外周壁与安装孔311的内侧壁之间的距离为0.01mm。导向杆50的轴线与连接件30的轴部32的轴线之间的平行度控制在0.08mm以内。进一步地，为了保证导向杆50与连接件30的轴部32的平行度，导向杆50的主体部52的直线度控制在0.05mm以内。

为了保证导向杆50与盘部31之间连接的可靠性，盘部31的安装孔311的深度不宜过小。连接件30的盘部31的安装孔311的深度应为导向杆50长度的1/8-1/5。在一些实施例中，盘部31的安装孔311的深度应不小于10mm。为了保证托盘20的升降的快捷性，设置在托盘20与驱动装置40之间的盘部31也不宜过为厚重。盘部31的安装孔311的深度应不大于30mm。

作为本发明的一个实施例，如图2所示，导向杆50的顶端部51与其上方的托盘20的底部之间存在间隙21，使得导向杆50可在间隙21的距离内沿竖直方向移动。在本实施例中，间隙21不大于0.01mm。间隙21的设置能够增加导向杆50沿竖直方向的自由度。即导向杆50可沿竖直方向适量移动以促进导向杆50相对于定位孔13顺畅的滑动，进而保证了托盘20的顺畅升降。再者，间隙21的设置有利于保证托盘20顶面的平行度。具体地，由于托盘20与连接件30之间的接触面为精加工面，托盘20与连接件30精密连接能够有效保证托盘20顶面的平行度。若导向杆50的顶端部51与托盘20的竖直方向之间不设置间隙21，则导向杆50会与托盘20的底面抵接，这样会影响托盘20与连接件30精密连接，致使托盘20顶面的平行度变差。在图1所示的实施例中，导向杆50的顶端部51与托盘20之间的间隙为0.02mm。

图1中，导向杆50的主体部52为圆柱体，其外径为5mm。主体部52的外径也可以为其他尺寸，主体部52的外径不应大于20mm且不应小于3mm。

作为本发明的一个实施例，导向杆50的轴线与连接件30的轴部32的轴线之间的距离应不大于50mm且应不小于20mm。导向杆50的设置位置与驱动组件40和设置于驱动组件40外侧的防护结构有关，导向杆50应设置在所述防护结构的内侧，同时，导向杆50的外侧壁与轴部32的外侧壁不发生干涉，防护结构的设置能够以防止抛光或清洗过程产生的废液进入主体部52与安装孔311之间的间隙而影响导向杆50与连接件30的轴部32的平行度。

为了防止导向杆50与连接件30之间发生粘连，需要为导向杆50和连接件30选择不同种类的加工材料。在图1所示的实施例中，连接件30选择由非金属材料制成，导向杆50选择由不含有铝和铜的金属材料制成。由于铝、铜可能形成金属离子污染，因此，需要避免使用含有铝和铜的金属材料，以减少晶圆装载杯对化学机械抛光的影响。具体地，导向杆50可由不锈钢制成，其表面淬火以提高导向杆的表面硬度，淬火厚度为0.1mm-0.5mm；与导向杆50轴孔精密配合的连接件30由PPS制成。连接件30与导向杆50分别选择不同的材料，这样能够有效防止导向杆50与连接件30发生粘连，保证导向杆50运行的可靠性。容易理解的是，导向杆50可以选择其他具有足够强度的金属材料，如奥氏体不锈钢、45号钢等。连接件30也可以选择具有化学惰性的其他非金属材料，如PEEK、PET、PTFE和/或ABS。

作为本发明的一个变体，导向杆50也可为空心管结构，以提升导向杆50的刚度。主体部52的直线度控制在0.03mm以内，以控制导向杆50精密装配至盘部31后导向杆50的轴线与轴部32的轴线的平行度，保证托盘20的顺畅移动。

在图1所示的实施例中，杯体10的定位孔13内设置有直线轴承60，导向杆50与直线轴承60滑动连接；导向杆50的主体部52与连接件30的盘部31的安装孔311之间的距离不大于所述导向杆50与所述直线轴承60之间的距离，以保证导向杆50与连接件30的轴部32之间的平行度。托盘20沿竖直方向顺畅移动，确保托盘20可在预定时间内达到指定位置，避免承载头上的晶圆直接远距离掉落至托盘20的顶面而碎片。

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。以上所述实施例及实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制或者约束；尽管已经参照前述实施例对本发明进行了具体化的说明，本领域的普通技术人员不难理解的是：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同或类似的相近替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质或实质或发明点脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应被视为包含在本发明的保护范围之内。

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。

Claims (10)

1.一种晶圆装载杯，其特征在于，包括：

杯体，用于支撑承载头，包括圆环形的侧壁和圆盘状的底部，所述底部配置有贯穿的定位孔；

托盘，设置于所述杯体的侧壁中以接收晶圆；

连接件，其由圆盘状的盘部和轴部构成，所述盘部同轴连接于所述托盘的底部并且具有与所述定位孔竖直对齐的贯穿的安装孔；

驱动装置，其与所述连接件的轴部连接以驱动所述托盘竖直移动；

以及导向杆，其由顶端部和主体部构成，所述顶端部搭载于所述连接件的顶面，所述主体部穿过所述连接件的盘部的安装孔并可滑动地延伸穿过所述杯体的底部的定位孔；

所述导向杆滑动连接于所述连接件的盘部的安装孔，所述导向杆与所述连接件的轴部平行。

2.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述导向杆的顶端部与其上方的托盘的底部之间存在间隙，使得所述导向杆可在所述间隙的距离内沿竖直方向移动。

3.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述导向杆由不含有铝和铜的金属材料制成。

4.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述连接件由塑料制成。

5.如权利要求3所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述导向杆由不锈钢制成。

6.如权利要求4所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述连接件由PEEK、PET、PTFE和/或ABS制成。

7.如权利要求2所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述导向杆的顶端部与其上方的托盘的底部之间的间隙不大于0.01mm。

8.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述杯体的定位孔内设置有直线轴承，所述导向杆与所述直线轴承滑动连接；所述导向杆的主体部与所述连接件的盘部的安装孔之间的距离不大于所述导向杆与所述直线轴承之间的距离。

9.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述连接件的盘部的安装孔的深度为所述导向杆长度的1/8-1/5。

10.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述导向杆的主体部与所述连接件的盘部的安装孔之间的距离为0.005mm-0.5mm。

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