TWI896992B - 化學機械平坦化設備及晶圓傳輸方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種化學機械平坦化設備，包括：拋光模塊；清洗模塊；清洗輸入模塊，分別與拋光模塊和清洗模塊相鄰佈設，其包括有晶圓傳輸裝置；晶圓傳輸裝置至少具有第一工作狀態和第二工作狀態，在第一工作狀態時，其承接自拋光模塊傳送過來的晶圓，且晶圓處於水準或趨於水準狀態；在第二工作狀態時，其將處於水準或趨於水準狀態的晶圓直接翻轉至豎直狀態。本發明還公開了一種晶圓傳輸方法。本發明拋光模塊和清洗模塊之間的晶圓傳遞通過晶圓傳輸裝置實現，將機械手和中轉檯的部分結構集成到一起，省略了通過濕環境機械手中轉傳輸這一步驟，减少了中間的傳遞環節，簡化了傳遞結構，傳輸效率更高；結構簡單，不易出現故障，傳輸效率高。

Description

化學機械平坦化設備及晶圓傳輸方法

本發明屬於半導體積體電路晶片製造技術領域，尤其是涉及一種化學機械平坦化設備及晶圓傳輸方法。

化學機械拋光平坦化設備通常包括電晶體設備前端模塊（EFEM）、清洗單元和拋光單元。EFEM主要包括存放晶圓的片盒、傳片機械手和空氣淨化系統等；清洗單元主要包括數量不等的兆聲波清洗部件、滾刷清洗部件、乾燥部件和各部件之間傳輸晶圓的裝置等；拋光單元主要包括拋光臺、拋光頭、拋光供液系統和拋光墊修整系統等。

現有的一種化學機械拋光平坦化設備拋光單元與其他區域的晶圓傳輸是通過一個拋光中轉檯和一個機械手實現的。拋光中轉檯主要通過與機械手配合完成晶圓送出及取入，在周邊設備與化學機械拋光平坦化覈心部分之間發揮橋樑作用。

現有的雙爪機械手帶有兩個夾爪，一次能抓取兩片晶圓，可同時取出已拋光完成的晶圓和放入未拋光的晶圓，而後將已拋光完成的晶圓送入清洗單元輸入裝置，再從EFEM處取到EFEM機械手從片盒取出的待拋光晶圓，再進行下一次循環。

但因雙爪的機械手結構複雜，行動較為緩慢，傳輸效率低下，不能滿足高傳片速度的需求。且雙爪機械手價格昂貴，需要在濕環境中運行，製造難度大，且結構複雜，穩定性及可靠性有待驗證。

綜上所述，如何提供一種可提高晶圓傳輸效率的晶圓傳輸設備和方法，是現時本領域技術人員亟待解决的問題。

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種化學機械平坦化設備及晶圓傳輸方法，該化學機械平坦化設備的晶圓傳輸效率高，其將機械手和中轉檯的部分集成到一起，結構簡單，傳輸所需空間小。

本發明解决其技術問題所採用的技術方案是：一種化學機械平坦化設備，包括： 拋光模塊； 清洗模塊； 清洗輸入模塊，分別與所述拋光模塊和清洗模塊相鄰佈設，其包括有晶圓傳輸裝置； 所述晶圓傳輸裝置至少具有第一工作狀態和第二工作狀態，在第一工作狀態時，其承接自所述拋光模塊傳送過來的晶圓，且晶圓處於水準或趨於水準狀態；在第二工作狀態時，其將處於水準或趨於水準狀態的晶圓直接翻轉至豎直狀態。

進一步的，所述清洗輸入模塊還包括有箱體，晶圓轉換至豎直狀態後暫存在箱體內，以等待外部轉移裝置將其轉移至清洗模塊。

進一步的，所述拋光模塊包括晶圓傳輸通道，所述晶圓傳輸裝置對應該晶圓傳輸通道設定。

進一步的，所述晶圓傳輸裝置包括： 背板； 翻轉底板，可轉動地連接於所述背板，設有用於夾持晶圓的晶圓固定座； 所述翻轉底板具有第一工作狀態和第二工作狀態； 在第一工作狀態時，翻轉底板與背板呈夾角，所述晶圓固定座夾持晶圓； 在第二工作狀態時，翻轉底板相對背板轉動至晶圓處於豎直狀態。

進一步的，所述背板可沿箱體作升降運動，該箱體包括上部體和下部體，當翻轉底板處於第一工作狀態時，其位於上部體，當翻轉底板從第一工作狀態轉換至第二工作狀態後，其進入下部體。

進一步的，所述箱體內設有晶圓托座，其用於承托翻轉底板上的豎直晶圓，其數量為一個或兩個及以上。

進一步的，所述晶圓固定座包括至少兩個支撐結構，及移動夾爪，所述移動夾爪的至少部分可以活動，以配合支撐結構夾持或放鬆晶圓。

進一步的，所述支撐結構包括與翻轉底板相連的本體，設於本體的第一斜面，及與第一斜面呈擴口狀的第二斜面。

進一步的，所述支撐結構還包括第三斜面，其與第二斜面呈夾角，用於將晶圓引導至夾持在第一斜面和第二斜面之間。

進一步的，所述第一斜面和第二斜面之間具有凹槽。

進一步的，所述清洗模塊包括至少兩列清洗單元，所述箱體向兩側延伸形成與清洗單元對應的左部體和右部體。

進一步的，所述晶圓托座可與滑軌配合，以將豎直狀態的晶圓移動至左部體或右部體；所述箱體內設有噴淋機構。

本發明還公開了一種如上所述化學機械平坦化設備的晶圓傳輸方法，包括以下步驟： 晶圓傳輸裝置處於第一工作狀態，拋光模塊的晶圓傳輸至晶圓傳輸裝置； 晶圓傳輸裝置自第一工作狀態直接翻轉變換至第二工作狀態，晶圓以豎直狀態暫存在箱體內； 晶圓以豎直狀態轉移至清洗模塊。

進一步的，包括以下步驟： 翻轉底板處於第一工作狀態，晶圓固定座水準承托晶圓並將其夾持； 翻轉底板相對背板轉動至第二工作狀態，晶圓處於豎直狀態； 背板下降，帶動翻轉底板和晶圓下移。

進一步的，包括以下步驟： 翻轉底板處於第一工作狀態，拋光模塊的晶圓水準傳輸至晶圓固定座，晶圓固定座夾持晶圓，此時翻轉底板位於箱體內； 翻轉底板相對背板轉動至第二工作狀態，晶圓處於豎直狀態； 背板下降，帶動翻轉底板和晶圓； 晶圓以豎直狀態轉移至清洗模塊。

進一步的，所述晶圓以豎直狀態轉移至清洗模塊的步驟中， 完成清洗輸入模塊的製程後，晶圓平移至清洗輸入模塊箱體的左部體或右部體，再以豎直狀態轉移至清洗模塊。

本發明的有益效果是：1）拋光模塊和清洗模塊之間的晶圓傳遞通過晶圓傳輸裝置實現，將機械手和中轉檯的部分結構集成到一起，省略了通過濕環境機械手中轉傳輸這一步驟，减少了中間的傳遞環節，簡化了傳遞結構，傳輸效率更高；2）晶圓傳輸裝置可以夾持晶圓進行翻轉和移動，實現機械手的功能，結構簡單，不易出現故障，傳輸效率高；3）晶圓傳輸裝置的活動行程相對較小，傳輸更靈活，傳輸速度更快；4）傳輸速度快，且不易出現故障；5）晶圓可由晶圓傳輸裝置直接送入清洗輸入模塊，全程都在濕潤的環境下運動，有效防止晶圓上的拋光液乾燥對晶圓產生不利影響；6）晶圓傳輸裝置可將拋光完成的晶圓直接輸送到清洗模塊，省略了通過濕環境機械手中轉傳輸這一步驟，避免了晶圓在多次轉送的過程受到損傷；7）傳輸佔用空間小；8）清洗輸入模塊可以快速地傳輸晶圓至指定位置，傳片效率更高；9）外部轉移裝置可以將晶圓放置到最靠近清洗輸入模塊的清洗箱內，節約了清洗過程中的傳輸步驟；10）清洗模塊的清洗單元可以設定多列，加快清洗速度。

為了使本技術領域的人員更好的理解本發明方案，下麵將結合本發明實施例中的附圖，對發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

如圖1、圖2所示，一種化學機械平坦化設備，包括拋光模塊4，清洗輸入模塊5，及清洗模塊6，清洗輸入模塊5與拋光模塊4和清洗模塊6相鄰佈設，在本實施例中三者依次佈設。

清洗輸入模塊5包括箱體3及晶圓傳輸裝置1，晶圓傳輸裝置1至少具有第一工作狀態和第二工作狀態，在第一工作狀態時，其承接從拋光模塊4傳送過來的晶圓2，且晶圓2處於水準或趨於水準狀態；在第二工作狀態時，其將處於水準或趨於水準狀態的晶圓2直接翻轉至豎直狀態，晶圓2轉換至豎直狀態後暫存在箱體3內，以等待外部轉移裝置將其轉移至清洗模塊6。

在本實施例中，拋光模塊4包括晶圓傳輸通道41，晶圓傳輸裝置1對應該晶圓傳輸通道41設定，此處的對應指的是晶圓傳輸通道41和晶圓傳輸裝置1的投影位於同一直線區域，或者說，晶圓傳輸裝置1的投影落在晶圓傳輸通道41內。

晶圓傳輸裝置1，包括背板11，及通過轉軸17可轉動地連接在背板11上的翻轉底板12，翻轉底板12上設定有用於夾持晶圓2的晶圓固定座13。轉軸17設定在背板11的下端部。當然在其他實施例中，也可以不通過轉軸17實現背板11和翻轉底板12的轉動連接，而是通過現有技術中的其他結構實現。

如圖3、圖4所示，晶圓傳輸裝置1的第一工作狀態和第二工作狀態由翻轉底板12實現，具體的，翻轉底板12具有第一工作狀態和第二工作狀態，在第一工作狀態時，翻轉底板12與背板11呈夾角，從而使得晶圓固定座13可以水準夾持晶圓2。在本實施例中，該夾角是90°，當然在其他實施例中夾角也可以不為90°，或者晶圓固定座13是趨於水準地夾持晶圓2。

在第二工作狀態時，翻轉底板12相對背板11轉動至晶圓2處於豎直狀態，此時翻轉底板12和背板11可以是相互平行。此處的豎直狀態不一定是與地面完全垂直，也可以是趨於垂直。

無論是在第一工作狀態還是在第二工作狀態，在晶圓固定座13夾持下的晶圓2都與翻轉底板12相平行。

背板11可以作升降運動，當翻轉底板12處於第二工作狀態時，其可以隨著背板11作升降運動。具體的，背板11與滑動軌16配合，該滑動軌16可以安裝在箱體3的頂部開口。

為了使得翻轉底板12處於第一工作狀態時，也處在一個相對濕潤的環境中，如圖8所示，箱體3包括上部體31和下部體32，上部體31的寬度大於下部體32的寬度。從而，當翻轉底板12處於第一工作狀態時，其位於上部體31內，當翻轉底板12從第一工作狀態轉換至第二工作狀態後，其可以進入下部體32。

如圖10所示，在箱體3內設有晶圓托座33，其用於承托翻轉底板12上的豎直晶圓2，其數量為一個或兩個及以上。當晶圓托座33的數量為兩個時，其一個用於接收翻轉底板12上的晶圓2，另一個可以停留在側方，上面承托有晶圓2、以等待轉移；或者，另一個停留在側方，上面未承托有晶圓，具體狀態不作限制。兩個晶圓托座33可以同步移動，也可以各自獨立控制。

晶圓固定座13包括至少兩個支撐結構14，及移動夾爪15，支撐結構14的位置相對固定，移動夾爪15的至少部分可以活動，從而移動夾爪15和支撐結構14配合夾持或放鬆晶圓2。

此處移動夾爪15的至少部分可以活動，包括其做伸縮運動，也包括其作旋轉運動，具體不作限制。

如圖7所示，支撐結構14包括與翻轉底板12相連的本體141，設定在本體141上的第一斜面142，及與第一斜面142呈擴口狀的第二斜面143。第一斜面142自上而下、自外向內傾斜，晶圓2被放置在第一斜面142上，第二斜面143配合第一斜面142夾持晶圓2，使得晶圓2的上下側棱分別與第二斜面143、第一斜面142接觸，以减小支撐結構14與晶圓2的接觸面積，避免損傷晶圓2表面。

支撐結構14還包括第三斜面144，其與第二斜面143呈夾角，且自上而下、自外向內傾斜，斜率較大，起到引導作用，用於將晶圓2引導至夾持在第一斜面142和第二斜面143之間。第一斜面142和第二斜面143可以直接相連，也可以在兩者之間設定凹槽145。

換句話說，晶圓2可以順著第三斜面144滑落在第一斜面142上，再通過移動夾爪15的伸縮擠壓或旋轉擠壓，使得晶圓2抵著第一斜面142和第二斜面143活動至側壁與凹槽145相接觸或接近凹槽145。

如圖5、圖6所示，為了新增晶圓傳輸的效率，翻轉底板12用於承托待清洗的晶圓，在背板11上、位於翻轉底板12的上方還可以設定承托板18，該承托板18用於水準承托待拋光晶圓2，承托板18設計為具有缺口或者具有可開合的視窗結構，可以利用機械手等將承托板18上的晶圓2轉移後，暴露上述缺口或打開視窗，使得晶圓可以轉移至翻轉底板12，其為現有技術可以實現，不再贅述。

為了使得晶圓2保持濕潤的狀態，還可以在翻轉底板12上設定噴嘴19，其可噴出純水濕潤晶圓2，防止待清洗晶圓2上的拋光液乾燥凝結損傷晶圓2。

晶圓2從拋光模塊4水準傳輸至晶圓傳輸裝置1，通過翻轉底板12從第一工作狀態到第二工作狀態的轉換，晶圓2轉換至豎直狀態暫存在箱體3內，等待外部轉移裝置將其轉移至清洗模塊6，此時轉移可以是晶圓2呈豎直的狀態進行轉移，以適應清洗模塊6。

清洗模塊6包括至少兩列清洗單元61，每列清洗單元61包括多個間隔佈設的清洗箱，箱體3向兩側延伸形成預清洗單元61對應的左部體34和右部體35。由於晶圓2可以以豎直狀態向箱體3的兩側移動，囙此該左部體34和右部體35的寬度可以與箱體3下部體32的寬度大致相等。

具體的，晶圓托座33與滑軌37配合，從而將豎直狀態的晶圓2移動至左部體34或右部體35，在對應左部體34和右部體35的位置都設定有噴淋機構36，可以向晶圓托座33上的晶圓2噴射液體。換句話說，箱體3內有液體使得其一直保持濕潤的狀態，晶圓傳輸裝置1的翻轉底板12在箱體3內升降或翻轉時，其一直處於一個相對濕潤的狀態，防止待清洗晶圓上的拋光液乾燥凝結損傷晶圓，對晶圓形成良好的保護作用。

一種晶圓傳輸方法，依託於上述化學機械平坦化設備實現，包括以下步驟： 晶圓傳輸裝置1處於第一工作狀態，拋光模塊4完成拋光的晶圓2傳輸至晶圓傳輸裝置1； 晶圓傳輸裝置1自第一工作狀態直接翻轉變換至第二工作狀態，晶圓2以豎直狀態暫存在箱體3內； 晶圓2以豎直狀態被轉移至清洗模塊6。

更具體地說，一種晶圓傳輸方法，包括以下步驟： 翻轉底板12處於第一工作狀態，拋光模塊4的晶圓2水準傳輸至晶圓固定座13，晶圓固定座13水準承托晶圓2並將其夾持；此時翻轉底板12就位於箱體3內，具體是位於箱體3的上部體31；或者，此時翻轉底板12即使不位於箱體3內，也靠近箱體3頂部開口； 翻轉底板12相對背板11轉動至第二工作狀態，即翻轉底板12繞著轉軸17向下翻轉成垂直，此處與箱體3底面垂直，此時晶圓2處於豎直狀態； 背板11下降，帶動翻轉底板12和晶圓2下移，進入箱體3的下部體32； 晶圓2通過晶圓托座33平移至清洗輸入模塊5箱體3的左部體34或右部體35，完成清洗輸入模塊5的製程後，晶圓2以豎直狀態轉移至清洗模塊6；此處完成清洗輸入模塊5的製程，可以僅僅是等待進入清洗模塊6的狀態；也可以是在等待的同時，進行初步清洗，如噴淋機構36對晶圓2表面進行沖洗。

上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和申請專利範圍的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。

1:晶圓傳輸裝置 11:背板 12:翻轉底板 13:晶圓固定座 14:支撐結構 141:本體 142:第一斜面 143:第二斜面 144:第三斜面 15:夾爪 16:滑動軌 17:轉軸 18:承托板 19:噴嘴 2:晶圓 3:箱體 31:上部體 32:下部體 33:晶圓托座 34:左部體 35:右部體 36:噴淋機構 37:滑軌 4:拋光模塊 41:晶圓傳輸通道 5:清洗輸入模塊 6:清洗模塊 61:清洗單元

圖1為本發明中化學機械平坦化設備的俯視結構示意圖。 圖2為本發明中化學機械平坦化設備的立體結構示意圖。 圖3為本發明中晶圓傳輸裝置的立體圖，此時翻轉底板處於第一工作狀態。 圖4為本發明中晶圓傳輸裝置的立體圖，此時翻轉底板處於第二工作狀態。 圖5為本發明中晶圓傳輸裝置的立體圖一，此時翻轉底板上方還設有承托板。 圖6為本發明中晶圓傳輸裝置的立體圖二，此時翻轉底板上方還設有承托板。 圖7為本發明中支撐結構的立體結構示意圖。 圖8為本發明中箱體的立體結構示意圖。 圖9為本發明中箱體的主視結構示意圖。 圖10為本發明中箱體的俯視結構示意圖。 圖11為本發明中晶圓傳輸裝置和箱體配合的結構示意圖。

12:底板

2:晶圓

4:拋光模塊

41:晶圓傳輸通道

5:清洗輸入模塊

6:清洗模塊

Claims (15)

1. 一種化學機械平坦化設備，包括：拋光模塊（4）；清洗模塊（6）；清洗輸入模塊（5），分別與所述拋光模塊（4）和所述清洗模塊（6）相鄰佈設，其包括有晶圓傳輸裝置（1）；所述晶圓傳輸裝置（1）包括背板（11）以及可轉動地連接於所述背板（11）的翻轉底板（12），翻轉底板（12）設有用於夾持所述晶圓（2）的晶圓固定座（13），且所述晶圓固定座（13）的支撐結構（14）包括與所述翻轉底板（12）相連的本體（141），設於本體（141）的第一斜面（142），及與所述第一斜面（142）呈擴口狀的第二斜面（143），其中所述晶圓傳輸裝置（1）至少具有第一工作狀態和第二工作狀態，在所述第一工作狀態時，其承接自所述拋光模塊（4）傳送過來的晶圓（2），且所述晶圓（2）處於水平或趨於水平狀態；在所述第二工作狀態時，其將處於水平或趨於水平狀態的所述晶圓（2）直接翻轉至豎直狀態。
2. 如請求項1所述的化學機械平坦化設備，其中：所述清洗輸入模塊（5）還包括有箱體（3），所述晶圓（2）轉換至豎直狀態後暫存在所述箱體（3）內，以等待外部轉移裝置將其轉移至所述清洗模塊（6）。
3. 如請求項1所述的化學機械平坦化設備，其中：所述拋光模塊（4）包括晶圓傳輸通道（41），所述晶圓傳輸裝置（1）對應所述晶圓傳輸通道（41）設定。
4. 如請求項2所述的化學機械平坦化設備，其中，所述晶圓傳輸裝置包括：所述翻轉底板（12）具有所述第一工作狀態和所述第二工作狀態；在所述第一工作狀態時，所述翻轉底板（12）與所述背板（11）呈夾角，所述晶圓固定座（13）夾持所述晶圓（2）；在所述第二工作狀態時，所述翻轉底板（12）相對所述背板（11）轉動至所述晶圓（2）處於豎直狀態。
5. 如請求項4所述的化學機械平坦化設備，其中：所述背板（11）可沿所述箱體（3）作升降運動，所述箱體（3）包括上部體（31）和下部體（32），當所述翻轉底板（12）處於所述第一工作狀態時，其位於所述上部體（31），當所述翻轉底板（12）從所述第一工作狀態轉換至所述第二工作狀態後，其進入所述下部體（32）。
6. 如請求項4所述的化學機械平坦化設備，其中：所述箱體（3）內設有晶圓托座（33），其用於承托所述翻轉底板（12）上的豎直所述晶圓（2），其數量為一個或兩個及以上。
7. 如請求項4所述的化學機械平坦化設備，其中：所述晶圓固定座（13）包括至少兩個所述支撐結構（14），及移動夾爪（15），所述移動夾爪（15）的至少部分可以活動，以配合所述支撐結構（14）夾持或放鬆所述晶圓（2）。
8. 如請求項1所述的化學機械平坦化設備，其中：所述支撐結構（14）還包括第三斜面（144），其與所述第二斜面（143）呈夾角，用於將所述晶圓（2）引導至夾持在所述第一斜面（142）和所述第二斜面（143）之間。
9. 如請求項1所述的化學機械平坦化設備，其中：所述第一斜面（142）和所述第二斜面（143）之間具有凹槽（145）。
10. 如請求項2所述的化學機械平坦化設備，其中：所述清洗模塊（6）包括至少兩列清洗單元（61），所述箱體（3）向兩側延伸形成與所述清洗單元（61）對應的左部體（34）和右部體（35）。
11. 如請求項2所述的化學機械平坦化設備，其中：所述晶圓托座（33）可與滑軌（37）配合，以將豎直狀態的所述晶圓（2）移動至左部體（34）或右部體（35）；所述箱體（3）內設有噴淋機構（36）。
12. 一種如請求項1-11中任一項所述的化學機械平坦化設備的晶圓傳輸方法，包括以下步驟：所述晶圓傳輸裝置處於所述第一工作狀態，所述拋光模塊的所述晶圓傳輸至所述晶圓傳輸裝置；所述晶圓傳輸裝置自所述第一工作狀態直接翻轉變換至所述第二工作狀態，所述晶圓以豎直狀態暫存在箱體內；所述晶圓以豎直狀態轉移至所述清洗模塊。
13. 如請求項12所述的晶圓傳輸方法，包括以下步驟：翻轉底板處於所述第一工作狀態，晶圓固定座水平承托所述晶圓並將其夾持；所述翻轉底板相對背板轉動至所述第二工作狀態，所述晶圓處於豎直狀態；所述背板下降，帶動所述翻轉底板和所述晶圓下移。
14. 如請求項12所述的晶圓傳輸方法，包括以下步驟：所述翻轉底板處於所述第一工作狀態，所述拋光模塊的晶圓水平傳輸至所述晶圓固定座，所述晶圓固定座夾持所述晶圓，此時所述翻轉底板位於所述箱體內；所述翻轉底板相對背板轉動至所述第二工作狀態，所述晶圓處於豎直狀態；所述背板下降，帶動所述翻轉底板和所述晶圓；所述晶圓以豎直狀態轉移至所述清洗模塊。
15. 如請求項14所述的晶圓傳輸方法，其中所述晶圓以豎直狀態轉移至所述清洗模塊的步驟中，完成所述清洗輸入模塊的製程後，所述晶圓平移至所述清洗輸入模塊箱體的左部體或右部體，再以豎直狀態轉移至所述清洗模塊。