CN114473847B - 一种旋转式晶圆交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式晶圆交互系统，包括托盘组件和至少一个晶圆交互装置；所述托盘组件包括旋转轴和至少两个用于承接晶圆的托盘，托盘与旋转轴连接并可跟随旋转轴转动以在不同工位轮转；所述晶圆交互装置围绕所述旋转轴布置并位于所述托盘的正下方，所述晶圆交互装置包括托架和升降机构，所述托架与所述升降机构连接以实现升降。

Description

一种旋转式晶圆交互系统

技术领域

本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种旋转式晶圆交互系统。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是一种全局平整化的超精密表面加工工艺。抛光系统的布局直接影响机台WPH(wafer per hour，每小时的出片量)，是决定机台核心竞争力的最大影响因素。对于现有机台的布局而言，抛光头完成晶圆抛光后，回到晶圆交互工位，并将晶圆放置到该交互工位，CMP机械手再将晶圆从该工位取走进行下道工序，随后又由CMP机械手将未抛光的晶圆由前序工位转移至晶圆交互工位，抛光头再从晶圆交互工位吸取晶圆进行抛光作业。在整个过程中，存在抛光头等待机械手取放片的时间，浪费了宝贵的时间，减小了机台WPH。因此如何减少非抛光的辅助过程或时间，是提高机台核心竞争力的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种旋转式晶圆交互系统，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例提供了一种旋转式晶圆交互系统，包括托盘组件和至少一个晶圆交互装置；

所述托盘组件包括旋转轴和至少两个用于承接晶圆的托盘，托盘与旋转轴连接并可跟随旋转轴转动以在不同工位轮转；

所述晶圆交互装置围绕所述旋转轴布置并位于所述托盘的正下方，所述晶圆交互装置包括托架和升降机构，所述托架与所述升降机构连接以实现升降。

在一个实施例中，所述托架可穿过所述托盘上升并接收置于所述托盘上的晶圆。

在一个实施例中，所述托盘为环形结构，所述环形结构的内边缘设有晶圆定位销。

在一个实施例中，所述托架具有用于承接晶圆的环形边缘，所述环形边缘具有与所述环形结构内缘匹配的形状，以实现环形边缘穿过环形结构接收晶圆。

在一个实施例中，所述托盘轮转的工位包括用于与机械手之间进行晶圆传输的机械手交互工位以及用于与晶圆交互装置之间进行晶圆传输的晶圆交互工位。

在一个实施例中，所述晶圆交互装置设置于所述晶圆交互工位，并在该工位实现与抛光头之间的晶圆交互。

在一个实施例中，所述托架上升至第一高度以与所述托盘之间实现晶圆交互，所述托架上升至第二高度以与抛光头之间进行晶圆交互，其中，所述第二高度高于所述第一高度。

在一个实施例中，晶圆交互装置包括由上至下依次连接的托架、托架支撑组件、连接板和升降机构，所述托架通过托架支撑组件固定在连接板上，可跟随连接板升降。

在一个实施例中，所述托架上表面设有多组沿圆周分布的导向销和定位销

在一个实施例中，所述晶圆交互装置还包括挡圈，挡圈同轴设置于所述托架的圆周外围。

本发明实施例的有益效果包括：能够利用托盘组件和晶圆交互装置实现机械手与抛光头之间的晶圆交互，提高了机台的WPH。

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，但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示出了本发明一实施例提供的旋转式晶圆交互系统；

图2至图4示出了本发明一实施例提供的托盘组件；

图5和图6示出了本发明一实施例提供的晶圆交互装置；

图7至图15示意了旋转式晶圆交互系统的工作过程。

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。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，以下对本发明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。

为了说明本发明所述的技术方案，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)，其含义和实际作用等同。

图1示出了本发明一实施例提供的旋转式晶圆交互系统100，其包括托盘组件20和至少一个晶圆交互装置10；托盘组件20位于上方，可绕一竖直中心轴旋转。晶圆交互装置10位于托盘组件20下方。

旋转式晶圆交互系统100的周围布局抛光单元。如图12所示，4个抛光单元呈圆周分布，每个抛光单元包括一抛光盘51和一抛光头50。旋转式晶圆交互系统100位于4个抛光单元的中心位置。每个抛光单元分别对应一个位置固定的晶圆交互装置10。抛光单元的抛光头50可在晶圆交互装置10和抛光盘51之间作直线运动从而进行相关的取放片及抛光作业。每个晶圆交互装置10位于托盘组件20的下方，托盘组件20又位于各抛光头50的下方。

如图2所示，托盘组件20包括旋转轴21和至少两个用于承接晶圆的托盘22，托盘22沿旋转轴21的外周均匀分布。本发明实施例以图2中设有6个托盘22为例，这6个托盘22沿圆周均布，6个托盘22连接在旋转轴21上，旋转轴21位于6个托盘22的中心并提供旋转动力，根据需要可实现顺时针或逆时针N×360°的旋转，旋转过程中托盘22可任意停止在某一精确位置。显然，图2中示出的托盘22的数量仅为一种举例，实际还可以为其他数量，比如2、3、4、5等。

旋转轴21由驱动机构驱动实现旋转，托盘22与旋转轴21连接并可跟随旋转轴21转动，以在不同工位轮转。如图1所示，托盘22轮转的工位包括用于与机械手40之间进行晶圆传输的机械手交互工位S1、S2以及用于与晶圆交互装置10之间进行晶圆传输的晶圆交互工位S3、S4、S5或S6。托盘22可绕旋转轴21在不同的机械手交互工位S1、S2、晶圆交互工位S3、S4、S5或S6之间轮转。

如图3所示，托盘22为环形结构，环形结构的内边缘设有至少三个晶圆定位销221，可在机械手40将晶圆放置在托盘22上时对晶圆进行定位。如图4所示，晶圆定位销221为锥头销，包括位于头部的锥形部和下方的圆柱段；位于晶圆定位销221头部的锥形部可以在一定范围内允许机械手40的放片容错率，当机械手40放片稍微出现偏移时，锥形部可使得晶圆沿其锥度方向下滑至晶圆定位销221的圆柱段进行准确定位。

如图1所示，晶圆交互装置10围绕旋转轴21布置并位于托盘22的正下方。在晶圆交互装置10的对应位置设置有抛光单元。晶圆交互装置10设置在晶圆交互工位S3、S4、S5或S6，并在该工位实现与抛光头50之间的晶圆交互。晶圆交互工位的数量即为晶圆交互装置10的数量。晶圆交互装置10用于转运晶圆w，从而实现在托盘组件20与抛光头50之间传输晶圆w。

在一个实施例中，晶圆交互装置10可以间隔设置至少两个，同时作业，提高生产效率。图1仅示例性地示意出了设置4个晶圆交互装置10的一个具体实施例，实际晶圆交互装置10还可以设置其他数量，比如1、2、3等。

如图5和图6所示，晶圆交互装置10包括由上至下依次连接的托架11、托架支撑组件15、连接板12和升降机构13。托架11通过托架支撑组件15固定在连接板12上，可跟随连接板12升降。连接板12与升降机构13连接，以在升降机构13的驱动下带着托架11升降。其中，托架11主要是晶圆w承载及定位、与抛光头50交互的载体。升降机构13主要由电动执行元件、连接组件等组成，主要作用为将托架11等组件举升到特定交互位置。

托架11可穿过托盘22上升并接收置于托盘22上的晶圆。托架11具有用于承接晶圆的环形边缘，环形边缘具有与环形结构内缘匹配的形状，以实现环形边缘穿过环形结构接收晶圆。

在一个实施例中，如图5和图6所示，晶圆交互装置10还包括挡圈14，挡圈14设置于托架11和连接板12的外围，挡圈14固定在台面上不可移动，挡圈14与托架11同轴设置，挡圈14用于收集清洗和/或保湿过程中的液体。

如图7所示，托盘组件20与机械手40的交互过程为：托盘22旋转至机械手交互工位S1、S2，机械手40将晶圆放置在托盘22上，通过晶圆定位销221进行定位，或者，机械手40将托盘22上的晶圆取下。

如图8至图11所示，托架11可上下做举升动作并用于放置晶圆。晶圆交互转轴、托盘组件20与抛光头50的交互过程为：托盘22旋转到晶圆交互工位S3、S4、S5或S6，即与某一晶圆交互装置10同心的正上方，该晶圆交互装置10驱动托架11作上升运动，贯穿托盘22的同时将晶圆从托盘22上转移至托架11上，托架11继续上升运动到某一高度并与抛光头50交互。

如图8所示，托盘22带着晶圆旋转至托架11的正上方，即晶圆交互工位S3、S4、S5或S6，此时，托架11在托盘22下方，处于初始高度H₀，抛光头50在托盘22上方。

如图9所示，升降机构13驱动托架11向上移动，托架11上升至第一高度H₁，托架11穿过托盘22，托架11的上表面接触晶圆并从托盘22上接收晶圆，从而实现了托架11与托盘22之间的晶圆交互。晶圆从托盘22转移至托架11的过程中，升降机构13不停机，托架11持续上移。其中，图10示意出了托架11与托盘22处于平行位置处的状态，托架11上表面设有多组沿圆周分布的导向销111和定位销112，每一组导向销111和定位销112相邻设置，导向销111为锥头销，定位销112为圆柱销，导向销111的高度大于定位销112的高度。导向销111的主要作用是导向作用，当托架11上升到第一高度H₁时，导向销111可以预先对晶圆进行对正引导，以便晶圆可以准确地落在定位销112的定位尺寸上。导向销111的底部设有可伸缩的弹簧，导向销111的头部是锥形，伸出来比较长，当抛光头50下压取片的时候会把导向销111压下去，导向销111头部的锥形部分此时无法定位，需要定位销112在此时限制晶圆防止晶圆偏移。

如图11所示，托架11持续上升至第二高度H₂，停止移动，此时托架11距离抛光头50很近，抛光头50的气膜动作向下膨胀并从托架11上吸取晶圆，晶圆转移至抛光头50，从而实现了托架11与抛光头50之间的晶圆交互，抛光头50取走晶圆进行抛光。显然，第二高度H₂高于第一高度H₁。另外，抛光头50取得晶圆后，托架11下降回到初始高度H₀，托盘22可执行下一次轮转。

类似地，在抛光头50完成抛光作业后，需要将晶圆放置到托盘22上，以便进行各工位传输。其交互过程类似上述抛光头50吸取晶圆的逆向过程，升降机构13推动未载有晶圆的托架11向上运动到与抛光头50交互的第二高度H₂，抛光头50气膜及保持环向下动作并与托架11交互，从而将晶圆放置到托架11上，然后升降机构13带动托架11再向下运动，托架11贯穿托盘22，并将晶圆过渡放置到托盘22上，此过程升降机构13不停机，继续带动托架11下降至到初始高度H₀，然后载有晶圆的托盘组件20可旋转，将晶圆运输到下一工位。

为了便于理解，下面参照图12至图15，说明旋转式晶圆交互系统100的工作过程：

步骤1，如图12所示，机械手40将晶圆1、晶圆2放置在位于机械手交互工位S1、S2的托盘22上。

步骤2，如图13所示，托盘22旋转，晶圆1和晶圆2分别转移至抛光单元P2和抛光单元P1的对应位置(晶圆交互工位)，随后执行托架11与托盘22、抛光头50的晶圆交互，对应的抛光头50移动(如图中双向箭头所示)吸取晶圆并回到抛光单元进行抛光作业。另外，在抛光单元P2和抛光单元P1的抛光过程中，机械手40将晶圆3、晶圆4传送至托盘22上等候。抛光单元P2和抛光单元P1中的抛光作业完成后，抛光后的晶圆1、晶圆2由抛光头50再放回托盘22。

步骤3，如图14所示，托盘22旋转，晶圆1和晶圆2转移至抛光单元P4和抛光单元P3处，由抛光头50吸取晶圆1、晶圆2进行二次抛光作业，抛完后送回托盘22，同时晶圆3、晶圆4分别在对应的抛光单元进行首次抛光，晶圆5、晶圆6由机械手40放至托盘22。

步骤4，如图15所示，托盘22旋转，完成抛光后的晶圆1和晶圆2重新转移至初始放片位置(机械手交互工位)，再由机械手40将完成抛光后的晶圆1和晶圆2传送到下一工序。

以上整个流程中，因为晶圆通过多个托盘组件20进行循环储存及运输，抛光头50在完成抛光后无需等待机械手40取片再放片，而直接与已经提前准备好的托盘22进行晶圆交互取放片，相比于传统机械手40缓慢的取放片动作时间，托盘22运转一个角度(例如120°)的时间要大大地少于机械手40取片并放片的时间，因此，本申请中的方案能够极大地提高机台WPH。

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。

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 (8)

1.一种旋转式晶圆交互系统，其特征在于，包括托盘组件和至少一个晶圆交互装置；

所述托盘组件包括旋转轴和至少两个用于承接晶圆的托盘，托盘与旋转轴连接并跟随旋转轴转动以在不同工位轮转；

所述晶圆交互装置围绕所述旋转轴布置并位于所述托盘的正下方，所述晶圆交互装置包括托架和升降机构，所述托架与所述升降机构连接以实现升降；所述托架上表面设有多组沿圆周分布的导向销和定位销，每一组导向销和定位销相邻设置，导向销的高度大于定位销的高度；当托架穿过托盘上升并接收置于托盘上的晶圆时，导向销对晶圆进行对正引导，使晶圆落在定位销的定位尺寸上；导向销的底部设有可伸缩的弹簧，导向销的头部是锥形，当抛光头下压取片的时候把导向销压下去，定位销在此时限制晶圆防止晶圆偏移。

2.如权利要求1所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述托盘为环形结构，所述环形结构的内边缘设有晶圆定位销。

3.如权利要求2所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述托架具有用于承接晶圆的环形边缘，所述环形边缘具有与所述环形结构内缘匹配的形状，以实现环形边缘穿过环形结构接收晶圆。

4.如权利要求1所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述托盘轮转的工位包括用于与机械手之间进行晶圆传输的机械手交互工位以及用于与晶圆交互装置之间进行晶圆传输的晶圆交互工位。

5.如权利要求4所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述晶圆交互装置设置于所述晶圆交互工位，并在该工位实现与抛光头之间的晶圆交互。

6.如权利要求5所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述托架上升至第一高度以与所述托盘之间实现晶圆交互，所述托架上升至第二高度以与抛光头之间进行晶圆交互，其中，所述第二高度高于所述第一高度。

7.如权利要求1至6任一项所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述晶圆交互装置包括由上至下依次连接的托架、托架支撑组件、连接板和升降机构，所述托架通过托架支撑组件固定在连接板上并跟随连接板升降。

8.如权利要求1所述的旋转式晶圆交互系统，其特征在于，所述晶圆交互装置还包括挡圈，挡圈同轴设置于所述托架的圆周外围。

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