應用在晶圓化學機械平坦化設備中的拋光墊修整裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種應用于晶圓化學機械平坦化（CMP）過程中的拋光墊修整裝置，主要由機架、伺服電機、減速器、氣動氣囊、鋼絲軟軸、擺動臂、杠桿支撐軸、支撐底板、底板支撐軸、十字球頭結構等部件組成；本裝置采用伺服電機和減速器實現修整器擺動臂在拋光臺上的擺動以及鉆石輪的轉動；通過杠桿機構分別對兩個氣動氣囊充氣以帶動擺動臂抬升、下降及對拋光臺施加修整力；采用鋼絲軟軸傳動方式將旋轉電機遠離拋光區域放置，以避免因長期暴露在拋光液環境中對旋轉電機造成一定的腐蝕；在擺動臂修整端設計有十字球頭結構，以使鉆石輪在拋光墊修整過程中始終與拋光臺面保持水平接觸。
【專利說明】應用在晶圓化學機械平坦化設備中的拋光墊修整裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及晶圓化學機械平坦化(CMP)設備，尤其涉及一種應用在晶圓化學機械平坦化設備中的拋光墊修整裝置。
【背景技術】
[0002]IC制造中平坦化技術已成為與光刻、刻蝕等技術同等重要且相互依賴的不可缺少的關鍵技術之一。化學機械平坦化(CMP)是目前最有效、最成熟的平坦化技術，是集清洗、干燥、在線檢測、終點檢測等技術于一體的技術，是集成電路向微細化、多層化、薄型化發展的產物，是集成電路進入0.25 以下節點，提高生產效率、降低成本的晶圓全局平坦化技術。
[0003]拋光墊在化學機械拋光過程中是除拋光液之外的另一個重要耗材，拋光墊起著輸送漿料以及將漿料中的磨蝕粒子送入晶圓表面并去除副產品的作用，但在使用過程中，拋光墊在對若干片晶圓進行拋光后被研磨得十分平整，同時孔內填滿了磨料粒子和片子表面的磨屑聚集物，一旦產生釉化現象就會使拋光墊失去部分保持漿料的能力，拋光速率也隨之下降，同時還會使晶圓表面產生劃痕。因此，拋光墊表面須定期地用一個鉆石輪(尼龍刷)式的修整器進行修整。拋光墊自修整作用，不僅可以改善拋光晶圓的平整度效果，維持拋光墊材料機械的物理去除的效能，而且可以延長拋光墊的壽命。因此為了提高晶圓拋光片的表面質量及平整度等要求特發明此項技術。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種應用于晶圓化學機械平坦化(CMP)過程中的拋光墊修整裝置，采用此裝置可以實現結構和控制方式簡單，修整效果好，同時顯著延長拋光墊的使用壽命。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案如下:
一種應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，該裝置包括:機架、擺動電機、減速器、底板支撐軸、支撐底板、氣動氣囊、旋轉電機、擺動臂、修整減速器、鉆石輪；其中，氣動氣囊安裝在擺動臂的一側用于控制擺動臂抬升、下降，修整減速器安裝在擺動臂另一側，修整減速器下端裝有鉆石輪，旋轉電機通過傳動機構帶動鉆石輪旋轉；擺動電機安裝在機架內，擺動電機上端與減速器連接；擺動臂、氣動氣囊、旋轉電機、修整減速器、鉆石輪構成一個整體通過支撐底板和底板支撐軸安裝于減速器上，并通過擺動電機和減速器的驅動進行整體的擺動運動。
[0006]其中，擺動臂上設有杠桿支撐軸，杠桿支撐軸固定于支撐底板上，利用杠桿機構并通過對氣動氣囊充氣以帶動擺動臂抬升、下降及對拋光臺施加修整力。
[0007]其中，氣動氣囊包括上氣動氣囊和下氣動氣囊,上氣動氣囊通過固定架固定于擺動臂的上側并連接擺動臂，下氣動氣囊固定于支撐底板上并連接擺動臂的下側。固定架可采用倒U形固定架，倒U形固定架固定于支撐底板上，上氣動氣囊設于倒U形固定架頂端下側。
[0008]進一步的，該裝置還包括接近傳感器，用于使控制系統自動識別擺動臂處于抬升或下降狀態。
[0009]進一步的，旋轉電機通過鋼絲軟軸帶動鉆石輪旋轉并遠離鉆石輪設置，采用這種傳動方式可將旋轉電機遠離拋光區域放置，以避免因長期暴露在拋光液環境中對旋轉電機造成一定程度的腐蝕。
[0010]進一步的，旋轉電機外部安裝有不銹鋼護罩，以進一步避免內部電子元器件的腐蝕。
[0011]進一步的，修整減速器下設有十字球頭結構，鉆石輪安裝在十字球頭結構上，使得鉆石輪在杠桿機構的作用下始終與拋光臺面保持水平接觸，獲得均勻的修整力分布。
[0012]進一步的，減速器采用法蘭盤式減速器，減速器上安裝有光電傳感器和兩個擋片，以實現擺動臂在拋光臺邊緣及在拋光臺中間位置的限位作用。
[0013]本發明還提供一種應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置的修整方法，具體如下:首先，上氣動氣囊緩慢充氣，通過杠桿機構使得擺動臂抬升一定高度，在擺動電機和減速器作用下將修整減速器從拋光臺邊緣旋轉到拋光臺中心，此時旋轉電機帶動鉆石輪旋轉；然后，上氣動氣囊緩慢放氣，下氣動氣囊緩慢充氣，使得修整鉆石輪緊緊壓在拋光墊上，同時保證鉆石輪正面與拋光臺保持平行狀態，對下氣動氣囊充以適當的壓縮空氣就可以實現該修整裝置對拋光墊的壓力修整，從而完成擺動臂抬升一旋轉一下降一擺動修整一抬升一旋轉一下降的整個拋光墊修整過程。
[0014]本發明還提供一種控制拋光墊修整器下壓力大小的氣動控制系統，包括:雙作用氣缸、兩位五通電磁換向閥、第一和第二單向節流閥、第一和第二氣壓調節器、氣壓傳感器，其中，雙作用氣缸的兩側缸體分別通過管路連接第一和第二單向節流閥的輸出端，第一單向節流閥的輸入端通過管路連接第一氣壓調節器的輸出端，第一單向節流閥和第一氣壓調節器間的管路上還設有氣壓傳感器，第二單向節流閥的輸入端連接兩位五通電磁換向閥的輸出端，兩位五通電磁換向閥的一個輸入端連接第二氣壓調節器的輸出端，第一和第二氣壓調節器的輸入端連同兩位五通電磁換向閥的另一個輸入端合并為一路連接輸氣端。
[0015]本裝置采用伺服電機和減速器實現修整器擺動臂在拋光臺上的擺動以及鉆石輪的轉動，通過杠桿機構分別對兩個氣動氣囊充氣以帶動擺動臂抬升、下降及對拋光臺施加修整力；由于拋光液具有一定的腐蝕性，長期暴露在拋光液環境中會對旋轉電機造成一定的腐蝕，故采用鋼絲軟軸傳動方式將旋轉電機遠離拋光區域放置，同時在旋轉電機外部安裝有不銹鋼護罩以進一步避免內部電子元器件的腐蝕；為了解決鉆石輪與拋光臺面的接觸問題，在擺動臂修整端設計有十字球頭結構，以使鉆石輪在拋光墊修整過程中始終與拋光臺面保持水平接觸。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為本發明的結構剖面圖；
圖3為鋼絲軟軸的結構示意圖；
圖4為本發明氣動控制系統的原理圖。[0017]機架-101，光電傳感器-102，擋片-103，法蘭盤式減速器-104，上氣動氣囊_105a，下氣動氣囊-105b，接近傳感器-106，旋轉電機-107，鋼絲軟軸-108，修整減速器-109，擺動臂-110，擺動電機-201，底板支撐軸-202，支撐底板-203，不銹鋼護罩-204，塑料外罩-205，十字球頭結構-206，鉆石輪-207，杠桿旋轉軸-208，軟軸-301，軟軸軸套-302，第一氣壓調節器-401，第二氣壓調節器-402，氣壓傳感器-403，電磁換向閥-404，第一單向節流閥-405，第二單向節流閥-406，雙作用氣缸-407。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0019]如圖1至圖3所示，本發明提供的拋光墊修整裝置包括:機架101、擺動電機201、減速器104、底板支撐軸202、支撐底板203、氣動氣囊、旋轉電機107、擺動臂110、修整減速器109、鉆石輪207 ;其中，氣動氣囊安裝在擺動臂110的一側用于控制擺動臂110抬升、下降，氣動氣囊包括上氣動氣囊105a和下氣動氣囊105b，上氣動氣囊105a通過固定架固定于擺動臂110的上側并連接擺動臂110，下氣動氣囊105b固定于支撐底板203上并連接擺動臂110的下側；修整減速器109安裝在擺動臂110另一側，修整減速器109下端裝有鉆石輪207，旋轉電機107通過傳動機構帶動鉆石輪旋轉；擺動電機201安裝在機架101內，擺動電機201上端與減速器104連接；擺動臂110、氣動氣囊、旋轉電機107、修整減速器109、鉆石輪207構成一個整體通過支撐底板203和底板支撐軸202安裝于減速器104上，并通過擺動電機201和減速器104的驅動進行整體的擺動運動。
[0020]其中，擺動臂110上設有杠桿支撐軸208，杠桿支撐軸208固定于支撐底板203上，利用杠桿機構并通過對氣動氣囊充氣以帶動擺動臂110抬升、下降及對拋光臺施加修整力。
[0021]固定架可采用倒U形固定架,倒U形固定架固定于支撐底板203上,上氣動氣囊105a設于倒U形固定架頂端下側。
[0022]拋光墊修整裝置還包括接近傳感器106，用于使控制系統自動識別擺動臂處于抬升或下降狀態，接近傳感器106可設于固定架或支撐底板203上。
[0023]旋轉電機107通過鋼絲軟軸108帶動鉆石輪207旋轉并遠離鉆石輪207設置，采用這種傳動方式可將旋轉電機107遠離拋光區域放置，以避免因長期暴露在拋光液環境中對旋轉電機107造成一定程度的腐蝕。如圖3所示，鋼絲軟軸108包括軟軸301和軟軸軸套 302。
[0024]旋轉電機107外部安裝有不銹鋼護罩204，以進一步避免內部電子元器件的腐蝕。
[0025]為了使鉆石輪207在杠桿機構的作用下始終與拋光臺面保持水平接觸，獲得均勻的修整力分布，修整減速器109下還設有十字球頭結構206，鉆石輪207安裝在十字球頭結構206上。
[0026]減速器104優選采用法蘭盤式減速器，減速器104上安裝有光電傳感器102和兩個擋片103，以實現擺動臂110在拋光臺邊緣及在拋光臺中間位置的限位作用。
[0027]如圖4所示，本發明還提供一種控制拋光墊修整器下壓力大小的氣動控制系統，包括:雙作用氣缸407、兩位五通電磁換向閥404、第一和第二單向節流閥405、406、第一和第二氣壓調節器401、402、氣壓傳感器403，其中，雙作用氣缸407的兩側缸體分別通過管路連接第一和第二單向節流閥405、406的輸出端,第一單向節流閥405的輸入端通過管路連接第一氣壓調節器401的輸出端，第一單向節流閥405和第一氣壓調節器401間的管路上還設有氣壓傳感器403，第二單向節流閥406的輸入端連接兩位五通電磁換向閥404的輸出端，兩位五通電磁換向閥404的一個輸入端連接第二氣壓調節器402的輸出端，第一和第二氣壓調節器401、402的輸入端連同兩位五通電磁換向閥404的另一個輸入端合并為一路連接輸氣端。
[0028]本發明的拋光墊修整裝置在運作時，首先上氣動氣囊105a緩慢充氣，通過杠桿機構使得擺動臂110抬升一定高度，在擺動電機201和法蘭盤式減速器104作用下將修整減速器109從拋光臺邊緣旋轉到拋光臺中心，此時旋轉電機107通過鋼絲軟軸108帶動鉆石輪207旋轉，之后上氣動氣囊105a緩慢放氣，下氣動氣囊105b緩慢充氣，使得修整鉆石輪207在十字球頭結構206的驅動下緊緊壓在拋光墊上，同時保證鉆石輪207正面(修整面)與拋光臺(拋光墊)保持平行狀態，對下氣動氣囊105b充以適當的壓縮空氣就可以實現該修整裝置對拋光墊的壓力修整，從而完成擺動臂110抬升一旋轉一下降一擺動修整一抬升一旋轉一下降的整個拋光墊修整過程。
[0029]其中光電傳感器102和擋片103可以實現擺動臂110在拋光臺邊緣及在拋光臺中間位置的限位作用；接近傳感器106可以使控制系統自動識別擺動臂110處于抬升或下降狀態。
[0030]在實現控制修整器下壓力大小時，通過氣壓調節器402在氣缸407活塞兩側設置不等的氣壓，使其產生氣壓差驅動拋光墊修整器抬升或下降；通過調節氣壓差值的大小控制拋光墊修整器下壓力的大小；可根據不同的拋光條件、快速、精確地調節拋光墊修整器的下壓力，獲得高質量的晶圓拋光效果。
[0031]顯然，上面所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
【權利要求】
1.一種應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于:該裝置包括:機架、擺動電機、減速器、底板支撐軸、支撐底板、氣動氣囊、旋轉電機、擺動臂、修整減速器、鉆石輪；其中，氣動氣囊安裝在擺動臂的一側用于控制擺動臂抬升、下降，修整減速器安裝在擺動臂另一側，修整減速器下端裝有鉆石輪，旋轉電機通過傳動機構帶動鉆石輪旋轉；擺動電機安裝在機架內，擺動電機上端與減速器連接；擺動臂、氣動氣囊、旋轉電機、修整減速器、鉆石輪構成一個整體通過支撐底板和底板支撐軸安裝于減速器上，并通過擺動電機和減速器的驅動進行整體的擺動運動。
2.根據權利要求1所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，擺動臂上設有杠桿支撐軸，杠桿支撐軸固定于支撐底板上，利用杠桿機構并通過對氣動氣囊充氣以帶動擺動臂抬升、下降及對拋光臺施加修整力。
3.根據權利要求2所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，氣動氣囊包括上氣動氣囊和下氣動氣囊，上氣動氣囊通過固定架固定于擺動臂的上側并連接擺動臂，下氣動氣囊固定于支撐底板上并連接擺動臂的下側。
4.根據權利要求1-3所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，該裝置還包括接近傳感器，用于使控制系統自動識別擺動臂處于抬升或下降狀態。
5.根據權利要求1-3所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，旋轉電機通過鋼絲軟軸帶動鉆石輪旋轉并遠離鉆石輪設置。
6.根據權利要求1-3所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，旋轉電機外部安裝有不銹鋼護罩。
7.根據權利要求1-3所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，修整減速器下設有十字球頭結構，鉆石輪安裝在十字球頭結構上。
8.根據權利要求1-3所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置，其特征在于，減速器采用法蘭盤式減速器，減速器上安裝有光電傳感器和兩個擋片，以實現擺動臂在拋光臺邊緣及在拋光臺中間位置的限位作用。
9.根據權利要求3所述的應用在晶圓化學機械平坦化(CMP)設備中的拋光墊修整裝置的修整方法，具體如下:首先，上氣動氣囊緩慢充氣，通過杠桿機構使得擺動臂抬升一定高度，在擺動電機和減速器作用下將修整減速器從拋光臺邊緣旋轉到拋光臺中心，此時旋轉電機帶動鉆石輪旋轉；然后，上氣動氣囊緩慢放氣，下氣動氣囊緩慢充氣，使得修整鉆石輪緊緊壓在拋光墊上，同時保證鉆石輪正面與拋光臺保持平行狀態，對下氣動氣囊充以適當的壓縮空氣就可以實現該修整裝置對拋光墊的壓力修整，從而完成擺動臂抬升一旋轉一下降一擺動修整一抬升一旋轉一下降的整個拋光墊修整過程。
10.一種控制拋光墊修整器下壓力大小的氣動控制系統，其特征在于，包括:雙作用氣缸、兩位五通電磁換向閥、第一和第二單向節流閥、第一和第二氣壓調節器、氣壓傳感器，其中，雙作用氣缸的兩側缸體分別通過管路連接第一和第二單向節流閥的輸出端，第一單向節流閥的輸入端通過管路連接第一氣壓調節器的輸出端，第一單向節流閥和第一氣壓調節器間的管路上還設有氣壓傳感器，第二單向節流閥的輸入端連接兩位五通電磁換向閥的輸出端，兩位五通電磁換向閥的一個輸入端連接第二氣壓調節器的輸出端，第一和第二氣壓調節器的輸入端連同兩位五通電磁換向閥的另一個輸入端合并為一路連接輸氣端。
【文檔編號】B24B53/12GK103522191SQ201310442858
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】高文泉, 柳濱, 李偉, 王東輝 申請人:中國電子科技集團公司第四十五研究所