CN113427393B - 吸盘装置及化学机械研磨设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种吸盘装置及化学机械研磨设备。该吸盘装置包括：密封防护罩；膜组件，设置于所述箱式密封防护罩下侧，所述膜组件内具有内腔；气动组件，设置于所述箱式密封防护罩内、并通过气管与所述膜组件的内腔连通，所述气管的材料为透光材料；以及探测组件，包括相对地设置在所述气管的两侧的光源和传感器，所述传感器用于接收所述光源发出、并经过所述气管的光，以生成检测信号。

Description

吸盘装置及化学机械研磨设备

技术领域

本申请涉及研磨设备领域，更具体的，涉及一种吸盘装置及化学机械研磨设备。

背景技术

化学机械研磨(CMP，chemical mechanical polish)设备是半导体制造领域中经常使用的设备。CMP的原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，在半导体加工领域广泛用于实现表面全局平坦化。

化学机械研磨设备通常包括相对设置的研磨台和吸盘装置。吸盘装置包括箱式密封防护罩、膜组件以及设置在箱式密封防护罩内并与膜组件连通的各种管路。这些管路中，供液管连通到膜组件外部以保持膜组件的湿润，气管连通到膜组件内部以控制膜组件的压力，通过控制膜组件对晶圆作用的力来吸取晶圆并将晶圆压在研磨台。

在化学机械研磨设备运行或待机状态下，都需要保持膜组件的湿润。进而少量的超纯水(upw)会渗入到箱式密封防护罩内，进而可停留在膜组件内部或上部气动组件的气管内部。这些水影响了膜组件的压力控制，进而可能发生晶圆掉落的情况。这些超纯水的渗透对产品造成了安全隐患，可能造成产品的返工，还降低了化学机械研磨设备的设备综合效率，加重了工程师的负担。

发明内容

本申请的实施例提供了一种吸盘装置，该吸盘装置包括：密封防护罩；膜组件，设置于所述箱式密封防护罩下侧，所述膜组件内具有内腔；气动组件，设置于所述箱式密封防护罩内；气管，设置于所述密封防护罩内并用于将所述气动组件与所述膜组件的内腔连通，所述气管的材料包括透光材料；以及探测组件，包括相对地设置在所述气管的两侧的光源和传感器，所述传感器用于接收所述光源发出、并经过所述气管的光，以生成检测信号。

在一个实施方式中，所述传感器是光强传感器。

在一个实施方式中，所述光源和所述传感器设置于所述气管在铅垂方向上的最低位置的两侧。

在一个实施方式中，所述光源和所述传感器在水平方向上相对设置。

在一个实施方式中，所述光源和所述传感器夹持于所述气管并与所述气管贴合。

在一个实施方式中，所述气管的材料包括聚氯乙烯或聚碳酸酯。

在一个实施方式中，吸盘装置还包括处理器和警示装置，所述处理器与所述传感器连接并用于接收所述检测信号，被配置为：基于所述检测信号判断所述气管中是否存在液体；以及响应于所述判断的结果为存在液体，发出报警信号；所述警示装置与所述处理器连接，响应于所述报警信号而发出警示信息。

在一个实施方式中，处理器被配置为：将所述检测信号与预定阈值范围进行比较，若所述检测信号位于所述阈值范围内，则判断所述气管中无液体；若否，则判断所述气管中存在液体。

在一个实施方式中，吸盘装置还包括存储有所述预定阈值范围和可执行指令的存储器；以及其中，所述处理器与所述存储器通信；当所述可执行指令被所述处理器执行时，使所述处理器实现：所述将所述检测信号与预定阈值范围进行比较的步骤；以及根据所述比较的结果，进行所述判断的步骤。

本申请的另一方面提供化学机械研磨设备，该设备包括：前述的吸盘装置，所述吸盘装置用于吸附待研磨的晶圆；以及研磨台，包括与所述膜组件相对设置的用于对所述待研磨的晶圆进行研磨的研磨盘。

本申请的实施例提供的吸盘装置，通过在气管的最低位置设置探测组件，可以监控气管的状态。当该吸盘装置存在泄漏，进而气管中存在有水时，这些水会改变气管的折射能力。由于气管的设置探测组件处的折射能力变化，传感器接收到的光的强度变化，继而发出变化后的信号值。操作者可以通过探测组件知道是否发生泄漏，进而保障吸盘装置的运行。

当化学机械研磨设备包括该吸盘装置时，可用于连续地进行对晶圆的研磨工作，可以保证生产正常进行，避免晶圆掉落等现象，减低生产成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请实施方式的化学机械研磨设备的吸盘装置的示意性结构图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是根据本申请实施方式中探测组件的俯视示意图；以及

图4是根据本申请实施方式中探测组件的结构框图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一探测组件也可被称作第二探测组件。反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。例如，第一探测组件的尺寸与气管的直径并非按照实际生产中的比例。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

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。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是根据本申请实施方式的化学机械研磨设备的吸盘装置的示意性结构图。

本申请一方面提供一种化学机械研磨设备。在一些实施方式中，提供的化学机械研磨设备包括：吸盘装置1和研磨台(未示出)。研磨台可包括与吸盘装置1相对设置的研磨盘。

当化学机械研磨设备用于研磨晶圆等产品时，吸盘装置1从上方吸住待研磨的晶圆并向下压，研磨台的研磨盘从下方靠近待研磨的晶圆，另外还有助于使待研磨的晶圆的底面处于研磨液的浸润状态。伴随着研磨台的研磨盘转动，吸盘装置1吸取的晶圆与研磨盘相对运动，晶圆的表面被研磨。

如图1所示，本申请在另一方面提供一种吸盘装置。在一些实施方式中，本申请提供的吸盘装置1包括：密封防护罩2、气动组件3、多根气管31、研磨头4、供液组件5、主轴组件6和探测组件7。研磨头4可包括扣环8和膜组件9。

密封防护罩2可以为箱式密封防护罩，箱式密封防护罩可包括多个腔体，各个腔体内可用于设置不同的组件，例如，多个腔体可以包括第一腔体21，第一腔体21用于设置主轴组件6；多个腔体还可以包括第二腔体22，第二腔体22用于设置气动组件；多个腔体还可以包括第三腔体23，第三腔体23用于设置供液组件5。如此设计，可以防止各个组件相互干扰，同时还可以降低维护难度。

示例性地，第一腔体21位于密封防护罩2的中部并延伸至密封防护罩2相对的两侧，主轴组件6设置在第一腔体21中，主轴组件6包括轴套61和主轴62。轴套61的一端位于第一腔体21内、另一端可伸出第一腔体21外，且轴套61与密封防护罩2密闭地固定连接，主轴62的一端可被轴套61套设，主轴62的另一端位于轴套61外且位于第一腔体21外。主轴62相对轴套61可沿主轴62的轴线伸缩和/或转动。

主轴组件6的主轴62中，远离轴套61的一端连接有研磨头4。研磨头4包括本体41、扣环8、膜组件9。扣环8固定设置在本体41上，扣环8为环状扣环。膜组件9设置于扣环8的内圈内，参考图2，膜组件9的上部可与研磨头4的本体41固定连接，膜组件9的材料具有弹性并可变形，膜组件9具有由圆心至外层环环相套的、呈环状的多个内腔，通过控制内腔的气压，可以使得膜组件9变形。

气动组件3设置在密封防护罩2内第二腔体22中。示例性地，密封防护罩2内具有至少一个第二腔体22，气动组件3的数量也至少为一个，至少一个气动组件3对应设置在至少一个第二腔体22内。具体的，吸盘装置1中可设置有两个气动组件3，密封防护罩2内具有两个第二腔体22。两个第二腔体22分设于第一腔体21的两侧，一个气动组件3设置在一个第二腔体22内，另一个气动组件3则设置在另一个第二腔体22内。此时，两个气动组件3相对地设置在主轴组件6的两侧，具体地，两个气动组件3相对地设置在主轴62的轴线延长线的两侧，也可以理解为图1中主轴组件6的左右两侧。

膜组件9的内腔通过气管31与气动组件3连通，气管31自气动组件3连接到轴套62的位于第一腔体21内的部分，再经主轴组件6内部的管路63连通至膜组件9的内腔。膜组件9内腔的气压在气动组件3的控制下变化，进而膜组件9内腔的气压与外部大气压共同作用导致膜组件9的底面变形，当将待研磨的晶圆与膜组件9贴合时，通过膜组件9的变形可实现对晶圆进行吸附。示例性地，膜组件9的每个内腔的气压可在气动组件3的作用下单独地受控。具体的，吸盘装置可以包括一个气动组件3，该气动组件3包括多个气动模块，每个气动模块通过对应的气管31与一个内腔连通，以单独控制对应的内腔的气压；或者，吸盘装置可以包括多个气动组件3，每个气动组件3可包括至少一个气动模块，每个气动模块通过对应的气管31与一个内腔连通，以单独控制对应的内腔的气压。

供液组件5设置在密封防护罩2内第三腔体23中，供液组件5通过供液管51连通至膜组件9的外表面。供液管51的一端连通供液组件5、另一端延伸至第一腔体21中并可与主轴组件6的轴套61上的接口连通。轴套61上的接口可通过主轴组件6内部的液管64连通至膜组件9的外表面，进而供液组件5可通过供液管51、轴套61上的接口向膜组件9提供润湿液如超纯水，以使膜组件9保持湿润。

探测组件7设置于密封防护罩2中，具体地可设置于第一腔体21中，参考图3，探测组件7可包括光源71和传感器72。探测组件7的光源71和传感器72设置在气管31的两侧。气管31中，至少在设置探测组件7处的材料是透明材料。在实际应用中，整根气管31的材料可以是透明材料。光源71可发出光L，光L经气管31后可被传感器72接收，传感器72接收光源71发出、经过气管31后的光L，并生成检测信号。

本申请提供的吸盘装置可以配合不同种类的研磨台等部件组成设备，例如化学机械研磨设备。该吸盘装置能更早地检测到设备隐患，能降低工序损失，能更好地适应不同工况。

将本申请提供的吸盘装置设置于化学机械研磨设备中，该化学机械研磨设备在工作时，包括研磨加工时或待机(idle)时，探测组件7始终工作。如图3所示，光源71发出的光L在光源71与传感器72之间的空间传播，其中光源71发射的光L穿过气管31而到达传感器72，并被传感器72接收。当气管31中只有空气或稀薄的空气时，传感器72接收到穿过气管31后的光L，此时，传感器72接收到穿过气管31后的光L所对应的检测信号可以定义为第一检测信号。对于化学机械研磨设备的操作者而言，第一检测信号意味着气管中无液体或水汽，或者，气管中存在的液体或水汽的量不会对设备造成危害。

气管31与膜组件9的连接处是潜在的渗透液体如超纯水的位置。进而液体如超纯水可渗透至膜组件9的内腔中。在气动组件3通过气管31抽气时，液体或水汽可沿主轴组件6中的管路63而到达气管31位于第一腔体21中的管段内。在水汽或液体经过探测组件10所在的位置时，即当气管31中进入液体例如超纯水时，光源71发射的光L穿过气管31时，会受到气管31内液体的折射、反射等光学影响，使得光源71发射的光L穿过气管31后，被传感器72接收到的光，相比于光源71发射的光L相差较大。同时相比于气管31中只有空气或稀薄的空气时传感器72接收到的光发生变化，此时，传感器72接收到穿过气管31后的光L所对应的检测信号可以定义为第二检测信号，第二检测信号显然与第一检测信号不同。对于化学机械研磨设备的操作者而言，第二检测信号意味着气管31中存在液体，且液体的量会对设备造成危害，进而需要调节或检修设备。

再一方面，具有本申请实施方式提供的吸盘装置的化学机械研磨设备，可有效地监控气管中的液体泄漏情况。避免严重的渗漏所导致的膜组件9功能失灵，进而避免晶圆脱落等情况，避免了批量生产受到影响。该化学机械研磨设备的设备综合效率(OEE)较高，而且可避免晶圆脱离而造成的产品质量问题和对操作者的安全隐患。该设备的安全性高。

在示例性实施方式中，传感器是光强传感器。参考图2，当气管31的材料确定，且探测组件7的光源71的功率确定后，经过气管31的光L的光强可以被确定。具体地，可设置阈值区间以涵盖一定的光强波动。若气管31中不存在液体或存在少量的水汽，则在光源71和传感器72之间的空间的整体折射率较小。若气管31中存在液体，则该空间的整体折射率会大大增加，进而使传感器72所接受到的光的光强显著变化。具体地，传感器72可以是针对不同的光强而发出不同信号的传感器。然后可设置阈值区间，当传感器72所接收到的光的光强在阈值区间内，认为传感器72所检测到的信号为第一检测信号；当传感器72所接收到的光的光强超出所设置的阈值区间，认为传感器72所检测到的信号是第二检测信号。

再参考图1，在示例性实施方式中，探测组件7设置于气管31在铅垂方向的最低位置处。具体地，探测组件7的光源71和传感器72设置于气管31在铅垂方向上的最低位置的两侧。进入气管31的水汽可因温度变化等而凝结。受重力的影响，气管31中的液体更趋向于存积在气管31在铅垂方向的最低位置，即使这些积液会受到气流的扰动。将探测组件7设置于气管31在铅垂方向的最低位置处，可以使光源71发出的光在经气管31和气管31内的液体时获得更大程度的变化。探测组件7可更准确地探测到气管31中的液体。

示例性地，气管31在第一腔体21中的管段的两端通常设置的较高，以连接气动组件3或主轴组件6处的接头。气管31可设置的略长并具有柔性，进而气管31的中部可拖至第一腔体21的底部。继而气管31在第一腔体21中的管段的最低处会更靠近中间的位置而远离两端。示例性地，气管31贴近密封防护罩2底部的管段可以是具有一定长度的一段。由于通常是在气动组件3的吸气进程中，气管31的在连通路线上更靠近膜组件9的一端(即连接主轴组件6的一端)更容易吸入液体，因此探测组件7可设置在气管31靠近膜组件9的一端。

参考图1和图3，在示例性实施方式中，光源71和传感器72在水平方向上相对设置。光源71和传感器72的设置方式可能会影响气管31的放置姿态。通过将光源71和传感器72设置于水平面上，可保证气管31的位于光源71和传感器72之间的管段处于铅垂方向的最低点。

在示例性实施方式中，光源71和传感器72夹持于气管31并分别与气管31贴合。探测组件7可包括例如夹持器，以将光源71和传感器72均通过夹持器固定于气管31。光源71与气管31贴合可避免二者之间形成间隔，进而避免光源71发出的光L受到外界的干扰。同理，传感器72与气管31也贴合设置。探测组件7的抗干扰能力强、变化区间更小，进而可将传感器72的阈值区间设置的更小。

在示例性实施方式中，气管31的材料包括聚氯乙烯或聚碳酸酯。气管31的透明性能较好，可减少光源71发出的光在经过气管31时的衰减，而且可更灵敏地突出液体所导致的折射率变化。

在示例性实施方式中，本申请提供的吸盘装置还包括：处理器73和警示装置75。

处理器73与传感器72连接并用于接受传感器72发出的检测信号。处理器73被配置：基于检测信号判断气管31中是否有液体；以及响应于判断的结果为有液体，发出报警信号。

具体地，处理器73接收到传感器72发出的检测信号时，将该检测信号与预定阈值范围进行比较，进而根据比较的结果判断气管31内是否具有液体。例如该检测信号是位于预定阈值范围内，则认定该检测信号为第一检测信号，且处理器73判断气管31中没有液体或者液体很少。当处理器73接收到传感器72发出的检测信号并比较后发现，该检测信号位于预定阈值范围外，则认定该检测信号为第二检测信号，且处理器73判断气管31中存在对设备有影响的液体，并可发出报警信号。

警示装置75与处理器73连接，响应于报警信号而发出警示信息。警示信息可以是操作面板上的文字、图像信息，或者由警示装置75发出的声音等。

示例性地，吸盘装置还可包括存储器74。存储器74存储有预定阈值范围和可执行指令。处理器73与存储器74通信连接，进而处理器73可以获取预定阈值范围，并且处理器73可以执行该可执行指令以实现如下步骤：响应于接收到检测信号，将检测信号与预定阈值范围进行比较的步骤；以及根据比较的结果，进行判断气管中是否存在液体的步骤。示例性地，处理器73还可实现：响应于判断的结果为存在液体，发出报警信号。

可执行指令是指系统中可以执行并产生作用的指令，其中可包含程序代码。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请实施例的判断操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在处理器上执行、部分地在处理器上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在处理器上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到处理器。

示例性地，处理器73还可与光源71连接，处理器73可用于控制光源71的开启或关闭。

在另一方面的一些实施方式中，本申请提供化学机械研磨设备，可包括前述的用于吸附待研磨的晶圆吸盘装置以及研磨台。研磨台包括与膜组件相对设置的用于对待研磨的晶圆进行研磨的研磨盘。

示例性地，研磨台位于吸盘装置的下方。示例性地，一个研磨台上可设置至少一个吸盘装置，例如两个。

示例性地，该化学机械研磨设备还可包括气压机、水泵、防护罩、废液槽等装置。气压机或水泵用于与吸盘装置连通。防护罩可设置在吸盘装置和研磨台外侧。该化学机械研磨设备可较安全地连续工作，不需停机维护，而若有隐患又能及时使操作者知晓。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种吸盘装置，其特征在于，包括：

密封防护罩；

膜组件，设置于所述密封防护罩下侧，所述膜组件内具有内腔；

气动组件，设置于所述密封防护罩内；

气管，设置于所述密封防护罩内并用于将所述气动组件与所述内腔连通，所述气管的材料包括透光材料；以及

探测组件，包括相对地设置在所述气管的两侧的光源和传感器，所述传感器用于接收所述光源发出、并经过所述气管的光，以生成检测信号。

2.根据权利要求1所述的吸盘装置，其中，所述光源和所述传感器设置于所述气管在铅垂方向上的最低位置的两侧。

3.根据权利要求2所述的吸盘装置，其中，所述光源和所述传感器在水平方向上相对设置。

4.根据权利要求1所述的吸盘装置，其中，所述光源和所述传感器夹持于所述气管并与所述气管贴合。

5.根据权利要求1所述的吸盘装置，其中，所述气管的材料包括聚氯乙烯或聚碳酸酯。

6.根据权利要求1所述的吸盘装置，其中，所述传感器是光强传感器。

7.根据权利要求1所述的吸盘装置，其中，还包括处理器和警示装置，

所述处理器与所述传感器连接并用于接收所述检测信号，被配置为：

基于所述检测信号判断所述气管中是否存在液体；以及

响应于所述判断的结果为存在液体，发出报警信号；

所述警示装置与所述处理器连接，响应于所述报警信号而发出警示信息。

8.根据权利要求7所述的吸盘装置，其中，所述处理器被配置为：

将所述检测信号与预定阈值范围进行比较，若所述检测信号位于所述阈值范围内，则判断所述气管中无液体；若否，则判断所述气管中存在液体。

9.根据权利要求8所述的吸盘装置，其中，还包括存储有所述预定阈值范围和可执行指令的存储器；以及

其中，所述处理器与所述存储器通信；

当所述可执行指令被所述处理器执行时，使所述处理器实现：

所述将所述检测信号与预定阈值范围进行比较的步骤；以及

根据所述比较的结果，进行所述判断的步骤。

10.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的吸盘装置，所述吸盘装置用于吸附待研磨的晶圆；以及

研磨台，包括与所述膜组件相对设置的用于对所述待研磨的晶圆进行研磨的研磨盘。

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