TWI806931B - 化學機械研磨設備 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種化學機械研磨設備。研磨模組包含兩行研磨單元陣列，每行研磨單元陣列包含複數組研磨單元，兩行研磨單元陣列對應的裝卸台在位於研磨單元陣列的行方向上縱向排列，晶圓傳輸模組的工作部位於裝卸台的垂直上方，完成晶圓在其他裝卸區與所述裝卸台以及所述裝卸台之間的傳輸。根據需要每組晶圓傳輸單元可以形成級聯，完成晶圓在各個裝卸台之間的傳輸，實現晶圓在整個研磨單元陣列中的運轉。本發明中晶圓傳輸單元因為佈置在所述裝卸台的上方，所以研磨頭在裝卸台進行裝載或者卸載晶圓時，晶圓傳輸單元可以隨時穿越研磨單元而不會受到干擾，採用這種佈局有助於減少傳輸的行程，化學機械研磨設備加工效率同比顯著提升。

Description

化學機械研磨設備

本發明屬於磨削或研磨裝置技術領域，具體涉及一種半導體積體電路晶片製造過程中使用的化學機械研磨設備。

隨著半導體行業的飛速發展，積體電路特徵尺寸不斷趨於微細化，因此半導體薄膜表面的高平坦化對元件的高性能、低成本、高良率有著重要的影響。

化學機械研磨(Chemical Mechanical Planarization,CMP)技術是化學作用和機械作用相結合的技術。其工作原理是，首先工件表面材料與研磨液中的氧化劑、催化劑等發生化學反應，生成一層相對容易去除的軟質層，然後在研磨液中的磨料和研磨墊的機械作用下去除該軟質層，使工作表面重新裸露出來，隨後再進行化學反應，藉此在化學作用過程和機械作用過程的交替進行中完成工作表面研磨。

目前，化學機械研磨技術已經發展成集線上量測、線上終點檢測、清洗等技術於一體的化學機械研磨技術是積體電路向微細化、多層化、薄型化、研磨製程發展的產物。同時也是晶圓由200mm向300mm乃至更大直徑過渡、提高生產率、降低製造成本、基板全域平坦化所必需的製程技術。

一個典型的化學機械研磨設備通常包括複數個研磨單元以及清洗、晶圓運輸、乾燥等輔助裝置。研磨單元通常包括工作台、研磨盤、研磨頭、研磨臂、修整器、研磨液臂等，研磨盤、研磨頭、研磨臂、修整器、研磨液臂按照製程加工位置佈置在工作台上。實際的晶圓加工過程中發現，研磨單元與清洗、晶圓運輸等模組的空間佈置對於化學機械研磨設備整體的研磨產出(throughput)有極大的影響。晶圓在研磨單元與外部以及在研磨單元之間的傳輸通常依靠裝卸台或起類似作用的裝置來實現，關於裝卸台與研磨單元的空間佈局，業界已經有比較成熟的模式，如專利號為US5738574的美國專利文獻披露的技術手段中，其裝卸台作用的transfer station與三個研磨單元為正方形佈局。工作時，一個帶有四個呈正方形分佈研磨頭的、且可以旋轉的裝置(carousel)向下運動，依次與裝卸台完成晶圓的裝卸。值得一提的是，上述裝置中，三個研磨單元自帶一個清洗裝置，位置上與研磨單元近鄰，其中一個位於對應的研磨單元與裝卸台之間。很明顯，由於一個裝卸台需要借助一個共用的carousel給三個研磨單元提供裝卸服務，因此這種技術佈局的缺點是製程過程複雜。另一件美國專利US8795032B2揭露另一種佈局，其中的四個研磨單元並排排列，晶圓傳輸由位於研磨設備端部的裝卸區和沿研磨單元排列方向設置的兩個線性運輸機構完成，線性運輸機構的另一側為清洗區。上述每一個線性運輸機構為兩個研磨單元提供服務，並為每個研磨單元設置兩個傳輸工作，研磨單元的研磨頭可以從其中一個傳輸工作裝卸晶圓。這種佈局採用了研磨單元的直線排列，但其缺點是每個研磨單元雖然設置兩個傳輸工作，但研磨過程中研磨單元只從其中一個直接裝卸晶圓，因此從晶圓傳輸效率的角度說還有需要改進的空間。

本發明目的在於針對習知化學機械研磨設備中存在的晶圓傳輸效率低、傳輸機構結構複雜的問題提出一種新型研磨單元陣列佈局的化學機械研磨設備，並基於該陣列佈局提出一種晶圓傳輸模組，該模組設置在研磨單元陣列的上方，因此晶圓傳輸模組的晶圓傳輸單元可以隨時穿越研磨單元而不會受到干擾。

為實現上述目的，本發明採用的技術手段為一種化學機械研磨設備，包括研磨模組、清洗單元和晶圓傳輸模組，清洗單元對研磨後的晶圓進行清洗。所述研磨模組包含兩行研磨單元陣列，每行研磨單元包含兩組或複數組研磨單元，兩行研磨單元陣列對應的裝卸台在位於研磨單元陣列的行方向上縱向排列，所述晶圓傳輸模組的工作部位於沿縱向排列的裝卸台的垂直上方，完成晶圓在其他裝卸區與所述裝卸台以及所述裝卸台之間的傳輸。

上述其他裝卸區為轉載台，進出研磨單元的晶圓要經過轉載台暫存。

上述清洗單元排成兩行對應兩行研磨單元陣列。

進一步，上述晶圓傳輸模組包括一組或複數組晶圓傳輸單元，每組晶圓傳輸單元包括在水平方向移動的導向裝置、水平運動驅動裝置、垂直運動機構、晶圓卡盤和晶圓卡爪，水平運動驅動裝置可以沿導向裝置滑動，垂直運動機構可以在高位和低位兩個模式下工作，晶圓卡爪安裝於晶圓卡盤上，可以做張開和閉合操作。

如果研磨單元陣列的列數較多，上述複數組晶圓傳輸單元中的每組晶圓傳輸單元沿兩行研磨單元的行方向上形成級聯，完成晶圓在其他裝卸區，如轉載台，與各個裝卸台以及各個裝卸台之間的傳輸。

作為本發明晶圓傳輸模組的重要優點之一，上述複數組晶圓傳輸單元可以互相合作，實現晶圓在整個研磨單元陣列中的運轉。

較佳地，上述晶圓卡盤為翻轉結構，在其兩面佈置兩套晶圓卡爪機構。

上述清洗模組中裝有機械手或類似自動裝置，可以將晶圓在研磨單元和清洗單元之間傳輸，晶圓傳輸時要經過轉載台。

上述裝卸台可在研磨單元陣列的行方向上縱向移動，這樣一個裝卸台可以對應一個以上的研磨單元，如在2行X3組的佈局中，只需3個裝卸台來就可以對應6個研磨單元。

較佳地，上述化學機械研磨設備在工作時可以整合設備前端單元模組(Equipment Front End Module，EFEM)。

較佳地，清洗單元可以選擇採用兆聲波清洗或滾刷刷洗，也可以帶晶圓乾燥功能。

為防止研磨區的液體和水汽外洩，研磨單元與裝卸台之間設置可開啟閉合的研磨門。

本發明還進一步提出一種利用上述化學機械研磨設備進行晶圓傳輸的方法，具體包含以下步驟：S1：在初始狀態下，垂直運動機構處於高位，使得晶圓卡盤可以沿著水平方向自由行走；S2：當導向裝置運行到轉載台或者裝卸台的上方時，垂直運動機構下降到低位，晶圓卡盤上安裝的晶圓卡爪抓取晶圓； S3：隨後垂直運動機構上升到高位，水平運動驅動裝置運行到下一個轉載台或者裝卸台的上方；S4：垂直運動機構下降到低位，晶圓卡盤上的晶圓卡爪進行釋放晶圓操作；S5：重複以上步驟，使得晶圓可以在轉載台和各個裝卸台之間實現傳遞。

與習知化學機械研磨設備技術相比，本發明具有以下有益技術效果：1、本發明中採用研磨單元排成兩行、晶圓傳輸單元居中的佈局有助於減少傳輸的行程，化學機械研磨設備加工效率同比提升約50%，而且藉由採用模組化的佈局，設備佈局更靈活；2、因為裝卸台上方的晶圓傳輸單元可以將晶圓從一個裝卸台轉移到另一個裝卸台，或者將晶圓從研磨單元拿進或者拿出，晶圓傳輸單元因為佈置在所述裝卸台的上方，所以研磨頭在裝卸台進行裝載或者卸載晶圓時，晶圓傳輸單元可以隨時穿越研磨單元而不會受到干擾；3、與上述研磨單元與晶圓傳輸單元的佈局相對應，左右佈置的清洗單元藉由清洗機械手可以選擇將晶圓放至任一個清洗單元，導致研磨加清洗組合單元的效率也得到提升；4、根據產能需要，晶圓傳輸單元可以為兩套或者兩套以上，以滿足2行複數組研磨單元陣列的需要，設備的可伸縮性較好。

100:研磨單元陣列

110:研磨單元

110a、110b、110c、110d、110e、110f:研磨單元

111:研磨臂

112:研磨頭

113:研磨液臂

114:修整器

115:工作台

116、116a、116b、116c、116d、116e、116f:裝卸台

117:研磨盤

118:轉載台

119:研磨門

120:晶圓傳輸單元

120a、120b:傳輸單元

121、121a:導向裝置

122、122a、122b:驅動裝置

123、123a、123b:運動機構

124、124a、124b:晶圓卡盤

125:晶圓卡爪

200:清洗單元

第1圖為本發明化學機械研磨設備(2×3陣列)的俯視圖； 第2圖為第1圖所示化學機械研磨設備的立體效果圖；第3圖為一個研磨單元的結構示意圖；第4圖為本發明的晶圓傳輸單元的結構示意圖；第5圖為一個具有雙晶圓傳輸單元的實施例的立體效果圖；第6圖為一個具有可移動裝卸台的實施例的立體效果圖。

下面結合圖式對本發明作進一步詳細的說明。

根據本發明的化學機械研磨設備，包括複數個研磨單元和複數個清洗單元。所述研磨單元包括工作台、研磨盤、研磨頭、研磨臂、修整器、研磨液臂、裝卸台等。所述研磨盤、研磨頭、研磨臂、修整器、研磨液臂按照製程加工位置佈置在工作台上。所述研磨臂可以攜帶研磨頭在研磨盤與裝卸台之間運動。所述修整器在研磨盤上以一定的壓力修磨研磨盤。所述研磨液臂可以提供研磨所需要的化學藥液。需要裝載或者卸載晶圓時，研磨單元的研磨門打開，研磨臂攜帶研磨頭旋轉至裝卸台位置。裝卸晶圓結束後，研磨臂攜帶研磨頭旋轉至研磨盤位置進行研磨加工。這時研磨門閉合，防止研磨區液體和水汽外泄。在研磨加工過程中，研磨液臂流出研磨液，修整器對研磨盤進行修整工作。所述研磨盤以一定的速度旋轉，所述研磨頭同時以一定的速度自轉。

跟所述研磨單元陣列連接有清洗單元。所屬清洗單元排成兩行或複數行，構成研磨加清洗組合單元。在研磨單元陣列和清洗單元銜接處裝有轉載台，進出研磨單元的晶圓都要經過轉載台暫存。

所述清洗單元中間裝有機械手，可以將晶圓在研磨單元和清洗單元之間傳輸。晶圓傳輸時要經過轉載台。

另外，本發明的化學機械研磨設備一般還整合設備前端單元模組(EFEM)。清洗單元一般包括兆聲波清洗、滾刷刷洗、晶圓乾燥等。

本發明中，研磨模組為兩行複數組研磨單元組成的研磨單元陣列，兩行複數組研磨單元的所有裝卸台在兩行研磨單元的行方向縱向排列，但根據實際的需要，研磨單元陣列也可以擴展到2行複數組。為便於介紹本發明的原理和所屬技術領域具有通常知識者實施本發明，以下的實施例說明都是基於2行3組的佈局展開，特此說明。

第1圖、第2圖所示分別為一個(2×3陣列)的化學機械研磨設備俯視圖和立體圖，化學機械研磨設備包括：研磨單元陣列100、清洗單元200和晶圓傳輸單元120。所述研磨單元陣列100由2行3列研磨單元110組合而成。

每一組研磨單元110包括，如第3圖所示，工作台115、研磨盤117、研磨頭112、研磨臂111、修整器114、研磨液臂113、裝卸台116、研磨門119等。

在研磨單元110與裝卸台116之間設置研磨門119，需要裝載或者卸載晶圓時，研磨單元110的研磨門119打開，研磨臂111攜帶研磨頭112旋轉至裝卸台116位置。裝卸晶圓結束後，研磨臂111攜帶研磨頭112旋轉至研磨盤117位置進行研磨加工。這時研磨門119閉合，防止研磨區液體和水汽外泄。需要進行化學機械研磨的晶圓，藉由轉載台118或其他起類似晶圓臨時裝卸區作用的區域進入研磨單元陣列100，化學機械研磨後的晶圓藉由轉載台118離開研磨單元陣列100。晶圓在轉載台118與各個裝卸台116之間的傳輸，以及晶圓在各個裝卸台116之間的傳輸，藉由晶圓傳輸單元120完成。

如第3圖所示，研磨盤117、研磨頭112、研磨臂111、修整器114、研磨液臂113設置在工作台115上。研磨盤117藉由軸承系統與工作台115連接，研磨盤117可以連續旋轉。所述研磨臂111可以攜帶研磨頭112在研磨盤 117與裝卸台116之間運動。在研磨過程中研磨臂111攜帶研磨頭112在研磨盤117的範圍內小幅擺動。在研磨過程中修整器114在研磨盤117的半徑範圍內往復運動，藉由修整器114頭部的旋轉砂輪實現對研磨盤117的線上修整。在研磨過程中研磨液臂113會供給研磨液在在研磨盤117上。晶圓研磨結束後，研磨臂113攜帶研磨頭112旋轉至裝卸台116的位置進行卸載晶圓，晶圓卸載後再重新裝載另一片晶圓，進行下一個研磨循環。

如第4圖所示為作為晶圓傳輸模組的核心部件的晶圓傳輸單元120的示意圖，包括：在水平方向移動的導向裝置121，水平運動驅動裝置122，垂直運動機構123，晶圓卡盤124，晶圓卡爪125等。這部分為晶圓傳輸模組的工作部，其藉由晶圓傳輸模組的連接部(圖中未示出)與化學機械研磨設備連接。

在初始狀態下，垂直運動機構123處於高位，使得晶圓卡盤124可以沿著水平方向自由行走。當導向裝置121運行到轉載台118或者裝卸台116的上方時，垂直運動機構123下降到低位，晶圓卡盤124上裝有可以張開和閉合的晶圓卡爪125。晶圓卡爪125，在垂直運動機構123的低位取放晶圓結束後，垂直運動機構123上升到高位，水平運動驅動裝置122運行到下一個轉載台118或者裝卸台116的上方，垂直運動機構123下降到低位，晶圓卡盤124上的晶圓卡爪125進行取放晶圓操作。如此往復運動，使得晶圓可以在轉載台118和各個裝卸台116之間實現傳遞。為了提高晶圓的傳輸效率，如第4圖所示，晶圓傳輸單元120中的晶圓卡盤124設計成翻轉結構，在晶圓卡盤124的兩面佈置兩套晶圓卡爪125機構。此時實例可以有效減少晶圓傳輸單元120的行走路線，增加晶圓傳輸單元120的傳輸能力。因為裝卸台上方的晶圓傳輸單元可以將晶圓從一個裝卸台轉移到另一個裝卸台，或者將晶圓從研磨單元拿進或者拿出，因為晶圓傳輸單元佈置在所述裝卸台的上方，所以研磨頭在裝卸台進行裝載或者卸載 晶圓時，晶圓傳輸單元可以隨時穿越研磨單元而不會受到干擾，構成本發明的最主要優點之一。

如第1圖所示，經過化學機械研磨後的晶圓，被晶圓傳輸單元120放在轉載台118上，由清洗單元200的機械手將晶圓從轉載台118上轉移到清洗單元200進行研磨後的清洗及乾燥處理。所述清洗單元200佈置左右兩個，根據需要，清洗機械手可以選擇將晶圓放至任一個清洗單元200。

作為本發明另一個實施例，晶圓傳輸單元120可以設計成兩套或者兩套以上，在沿兩行研磨單元的行方向上形成級聯，以滿足2行複數組研磨單元陣列100的產能需要。

如第5圖所示，晶圓的傳輸由傳輸單元120a和傳輸單元120b協同實現。傳輸單元120a負責晶圓在轉載台118、裝卸台116f、裝卸台116e、裝卸台116d之間的傳輸，傳輸單元120b負責晶圓在裝卸台116d、裝卸台116c、裝卸台116b、裝卸台116a之間傳輸。傳輸單元120a和傳輸單元120b可以在不同的時間到達裝卸台116d的位置，以實現晶圓在整個研磨單元陣列100中的運轉。

作為又一個實施例，如第6圖所示，一個(2×3陣列)的化學機械研磨設備設置3個可移動的裝卸台，分別為裝卸台116a、裝卸台116b、裝卸台116c。裝卸台116a負責研磨單元110a和研磨單元110b；裝卸台116b負責研磨單元110c和研磨單元110d；裝卸台116c負責研磨單元110e和研磨單元110f。

上述最後兩個實施例集中體現了本發明的晶圓傳輸單元配置的靈活性，以及晶圓傳輸單元與所服務的裝卸台的配對時的靈活性，屬於本發明的顯著優點之一。

本發明中採用研磨單元排成兩行或複數行、晶圓傳輸單元居中的佈局有助於減少傳輸的行程，化學機械研磨設備加工效率同比大幅提升，而且藉由採用模組化的佈局，設備的整體佈局更加靈活，適應性也更強。

以上具體實施方式的描述並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等效替換、改進等，均應包含在本發明的申請專利範圍之內。

110:研磨單元

111:研磨臂

112:研磨頭

113:研磨液臂

114:修整器

115:工作台

116:裝卸台

117:研磨盤

118:轉載台

119:研磨門

120:晶圓傳輸單元

Claims (13)

1. 一種化學機械研磨設備，其包括一研磨模組、一清洗單元和一晶圓傳輸模組，該清洗單元對研磨後的晶圓進行清洗，其中，該研磨模組包含兩行研磨單元陣列，各該行研磨單元陣列包含兩組或複數組研磨單元，該兩行研磨單元陣列對應的複數個裝卸台在沿著該研磨單元陣列的行方向縱向排列，且該複數個裝卸台位於該兩行研磨單元陣列之間，該晶圓傳輸模組的工作部位於沿著該研磨單元陣列的行方向上排列的該複數個裝卸台的垂直上方，以一併位於該兩行研磨單元陣列之間，完成晶圓在一其他裝卸區與該裝卸台以及各該裝卸台之間的傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該其他裝卸區為一轉載台，進出該研磨單元的晶圓要經過該轉載台暫存。
3. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該清洗單元排成兩行，對應該兩行研磨單元陣列。
4. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該晶圓傳輸模組包括一組或複數組晶圓傳輸單元，各該晶圓傳輸單元包括在水平方向移動的一導向裝置(121)、一水平運動驅動裝置(122)、一垂直運動機構(123)、一晶圓卡盤(124)和一晶圓卡爪(125)，該水平運動驅動裝置(122)可以沿該導向裝置(121)滑動，該垂直運動機構(123)可以在高位和低位兩個模式下工作，該晶圓卡爪(125)安裝於該晶圓卡盤(124)上，可以做張開和閉合操作。
5. 如申請專利範圍第4項所述的化學機械研磨設備，其中該複數 組晶圓傳輸單元中的各該晶圓傳輸單元沿該兩行研磨單元的行方向上形成級聯，完成晶圓在該其他裝卸區與各該裝卸台以及各該裝卸台之間的傳輸。
6. 如申請專利範圍第5項所述的化學機械研磨設備，其中該複數組晶圓傳輸單元互相合作，實現晶圓在整個該研磨單元陣列中的運轉。
7. 如申請專利範圍第4項所述的化學機械研磨設備，其中該晶圓卡盤為一翻轉結構，在其兩面佈置兩套晶圓卡爪機構。
8. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該清洗單元中裝有一機械手，將晶圓在該研磨單元和該清洗單元之間傳輸。
9. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該裝卸台可在該研磨單元陣列的行方向上縱向移動，一個該裝卸台可對應一個以上的該研磨單元。
10. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該化學機械研磨設備可以整合設備前端單元模組。
11. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中該清洗單元包括兆聲波清洗或滾刷刷洗的其中之一以及晶圓乾燥功能。
12. 如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備，其中在該研磨單元與該裝卸台之間設置可開啟閉合的一研磨門。
13. 一種利用如申請專利範圍第1項所述的化學機械研磨設備進行晶圓傳輸的方法，其包含以下步驟：S1：在初始狀態下，一垂直運動機構(123)處於高位，使得一晶圓卡盤(124)可以沿著水平方向自由行走； S2：當一導向裝置(121)運行到一轉載台(118)或者一裝卸台(116)的上方時，該垂直運動機構(123)下降到低位，該晶圓卡盤(124)上安裝的一晶圓卡爪(125)抓取晶圓；S3：隨後該垂直運動機構(123)上升到高位，一水平運動驅動裝置(122)運行到下一個該轉載台(118)或者該裝卸台(116)的上方；S4：該垂直運動機構(123)下降到低位，該晶圓卡盤(124)上的該晶圓卡爪(125)進行釋放晶圓操作；S5：重複以上步驟，使得晶圓可以在該轉載台(118)和各個該裝卸台(116)之間實現傳遞。