一种用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构及其运行方法与流程

本发明涉及一种抛光垫施压机构，特别涉及一种用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构及其运行方法。

背景技术：

在半导体集成电路制造行业里，晶圆在前道工序制造器件过程中需要多次化学气相淀积形成介质层，每次淀积都会在原有基础上加剧介质层表面起伏；在后端制造中也需要多次化学及物理气相淀积形成金属层，当达到3层以上，基本上无法形成有效光刻，因此需要对各层的表面光洁度进行平坦化。传统的集成电路平坦化方法包括：热流法、旋涂式玻璃法，回蚀法，电子环绕式共振法。通过上述工艺方法只能获得晶圆的局部平坦化。而化学机械抛光（CMP）技术是化学腐蚀作用和机械磨削作用的组合技术，是唯一可以提供全局平坦化技术，它能够将整个晶圆上的高低起伏全部磨成理想厚度。

用于研磨晶圆的抛光液和抛光垫是CMP设备工作时最重要的两大组件。参与工作的抛光液主要是由超细颗粒，化学氧化剂和液体介质组成的混合液，抛光液被填充在抛光垫的空隙中，工作中会有部分旧浆液残存在抛光垫的缝隙内，有些地方无抛光液，导致新的抛光液无法正常流动更替，从而影响晶圆的全局平坦化。因此，修整抛光垫表面精度的活化器被广泛应用在CMP抛光工艺过程中。

现有技术中，常用活化器施压机构主要由非金属材料组成的气囊腔体实现对抛光垫的压力调整。气囊在频繁上下运动的过程中，损耗大，寿命短，易变形，位置不稳定，导致不稳定的下压力供给，影响晶圆成片率，大大提高了抛光工艺的成本。

技术实现要素：

本发明提供一种用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构及其运行方法，解决现有技术中采用气囊腔体实现对抛光垫的压力调整时，气囊在频繁上下运动的过程中，损耗大，寿命短，易变形，位置不稳定，导致不稳定的下压力供给，影响晶圆成片率，大大提高了抛光工艺的成本的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构，其特征在于：

包括轴承组件、动力臂组件、传动组件和气路组件；

所述轴承组件包括气缸缸体、活塞轴、转动轴和套设在气缸缸体外、中间带圆柱腔体的轴承座；所述轴承座圆柱腔体的内壁面与气缸缸体的外壁面之间套装有用于实现砂轮盘旋转动作的一对球轴承，两个球轴承上下并行设置，在两个球轴承靠近的端面之间套装有轴承隔套；所述气缸缸体的下端面上固连有轴承内端盖，所述轴承内端盖与活塞轴之间的环形间隙内设有密封防损套；所述轴承座的下端面上固连有轴承外端盖；所述转动轴设于活塞轴的内腔腔体内，为顶部带有进气通孔的法兰轴，其法兰盘与气缸缸体的上端面固定，结合端面之间设密封圈进行密封，中间的轴体上固定有用于实现活塞轴上下往复运动的导向键；所述活塞轴的内腔体内有与导向键配合的导向毂孔，外端面上嵌设有O型密封圈和开口磁环，下端面上固连有水平设置的砂轮盘；所述转动轴、气缸缸体和活塞轴配合密封圈、O型密封圈形成密闭腔体；所述轴承座上固连有压力传感器，压力传感器连接数据处理设备；

所述动力臂组件包括基座和旋转座；所述基座为中空腔体，内设动力供给装置；所述旋转座设于基座之上，与动力供给装置的输出端固连；

所述传动组件包括摆臂、主动带轮、从动带轮和气管，所述摆臂设于旋转座之上，其一端固连在底部的旋转座上，另一端与轴承座固连，间接地带动轴承座实现摆动功能；所述主动带轮设在靠近旋转座一端的摆臂之上，与动力供给装置的输出端固连；所述从动带轮固连在转动轴的顶端；所述主动带轮和从动带轮之间通过同步带实现传动；

所述气路组件包括气管，所述气管的一端通过气管接头一与气源控制回路相连，另一端通过气管接头二与转动轴的顶部的进气通孔连通形成气路通道，所述气管接头二旋紧在转动轴的顶部法兰端面的螺纹孔内，从而间接地带动砂轮盘实现转动功能。

其中，作为本发明的优选技术方案，所述转动轴轴体的轴向和径向分别带有通气孔。

进一步优选的，所述气缸缸体为抗磁性干扰材料的缸体。

进一步优选的，所述活塞轴为抗磁性干扰材料的活塞轴，且活塞轴的内腔在底部封闭形成盲孔。

进一步优选的，所述轴承隔套包括轴承内隔套和轴承外隔套，所述轴承内隔套沿球轴承的内边沿设置，所述轴承外隔套沿球轴承的外边沿设置。

进一步优选的，所述转动轴的中间部分设有导向键槽，两个导向键用螺钉固连在转动轴的导向键槽内。

进一步优选的，所述导向键的个数为两个。

进一步优选的，所述活塞轴的外端面上设有密封圈定位槽和磁环定位沟槽，分别用于嵌设O型密封圈和插装开口磁环。

进一步优选的，所述活塞轴的下端面设有用于安装砂轮盘的定位凸台。

本发明还涉及上述用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构的运行方法，其特征在于：

基座内的动力供给装置启动后，相应的动力装置驱动摆臂以一定的速度在持续输送研磨抛光液的抛光垫工作区域摆动，另一动力装置带动主动带轮旋转，将力矩传递给转动轴上的从动带轮，借助传动轴实现固连在活塞轴底部端面的砂轮盘相对于抛光垫作同向连续旋转运动；

同时，外部气路控制系统通过气管、气管接头一、气管接头二和转动轴的进气通孔将气源充满在由转动轴、密封圈、气缸缸体、O型密封圈和活塞轴组成的密闭腔体内，当腔体内气体压力逐渐升高，密闭腔体重心将沿转动轴轴线方向向下膨胀，从而驱动活塞轴以导向键侧面为导向工作面向下运动，产生的下压力直接作用在抛光垫的工作区域；

整个过程中，通过压力传感器在线监测压力值，并对反馈结果进行修正，控制外部气路控制系统调整气源的驱动力；当淀积在抛光垫蜂窝孔中研磨液量少时，给予小的下压力，当淀积在抛光垫蜂窝孔中研磨液量大时，给予大的下压力。

与现有技术相比，本发明利用密封圈、O型密封圈配合独特的转动轴、气缸缸体和活塞轴涉及，形成密闭腔体，替代传统的气囊腔体，有效解决了解决现有技术中采用气囊腔体实现对抛光垫的压力调整时，气囊在频繁上下运动的过程中，损耗大，寿命短，易变形，位置不稳定，导致不稳定的下压力供给，影响晶圆成片率，大大提高了抛光工艺的成本的技术问题，即使长周期工作情况下活塞也能够在缸体内恒定移动，提供持续稳定的下压力；活塞密封圈更换所耗用的时间成本低，损耗小，寿命长，基本上每半年更换一次；可靠性好，精度高，保证压力可控，节约资源，降低成本，提高晶圆的良品率。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明的一种用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构的整体结构示意图；

图2为图1的俯视示意图；

图3为图1中A-A剖面的剖面结构示意图。

附图标记：1-基座、2-旋转座、3-摆臂、4-主动带轮、5-气管接头一、6-同步带、7-气管、8-气管接头二、9-从动带轮、10-轴承座、11-压力传感器、12-气缸缸体、13-球轴承、14-轴承内隔套、15-轴承外隔套、16-轴承内端盖、17-轴承外端盖、18-砂轮盘、19-转动轴、20-密封圈、21-螺钉、22-磁环、23-O型密封圈、24-活塞轴、25-导向键、26-螺钉、27-密封防损套。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构及其运行方法的实施例。

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，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。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和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。

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。请注意，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相同的部分。

如图1至3，本发明提供一种用于CMP设备的抛光垫活化器施压机构，包括用于实现砂轮盘18旋转动作的一对球轴承13，球轴承13外径套装在轴承座10圆柱腔体内，球轴承13内径套装在气缸12外表面上，在两个球轴承13端面之间分别套装轴承内隔套14、轴承外隔套15，密封防损套27套装在轴承内端盖16内，轴承内端盖16固连在气缸缸体12下端面上，轴承外端盖17固连在轴承座10下端面上，两个导向键25用螺钉26固连在转动轴19的导向键槽内，六个螺钉21将转动轴19固连在气缸缸体12的上端面。转动轴19与气缸缸体12结合端面间装有密封圈20进行密封。O型密封圈23安装在内腔体内带有导向毂孔的活塞轴24的外端面定位槽内，开口磁环22插装在活塞轴24环形沟槽内。砂轮盘18固连在带有定位凸台的活塞轴24下端面。附带导向键25的转动轴19与活塞轴24的毂孔配合，从而实现活塞轴24相对于导向键25上下往复运动。压力传感器11固连在轴承座10上。

摆臂3一端与轴承座10固连，另一端固连在旋转座2上，动力供给装置安装在基座1的内腔体中，旋转座2固连在动力供给装置的输出端，间接地带动轴承座10实现摆动功能，主动带轮4安装在动力装置的输出端，从动带轮9固连在转动轴19上，借助同步带6实现从动带轮9的转动，从而间接地带动砂轮盘18实现转动功能。

用一定长度的气管7的一端通过气管接头一5与气源控制回路相连，另一端与气管接头二8相连，气管接头二8旋紧在转动轴19的端面螺纹孔内。

工作时，将砂轮盘18固连在活塞轴24的底部端面上，通电后，基座1内的动力供给装置驱动摆臂3以一定的速度在持续输送研磨抛光液的抛光垫工作区域摆动；另一动力装置带动主动带轮4旋转，将力矩传递给转动轴19上的从动带轮9，借助传动轴19实现固连在活塞轴24底部端面的砂轮盘18相对于抛光垫作同方向的连续旋转运动。同时，外部气路控制系统通过气管7、气管接头一5、气管接头二8和转动轴19的进气通孔将气源充满在由转动轴19、密封圈20、气缸缸体12、O型密封圈23和活塞轴24组成的密闭腔体内，当腔体内气体压力逐渐升高，密闭腔体重心将沿转动轴19轴线方向向下膨胀，从而驱动活塞轴24以导向键25侧面为导向工作面向下运动，产生的下压力直接作用在抛光垫的工作区域。通过压力传感器11在线监测压力值，对反馈结果进行修正，控制系统调整气源的驱动力。当淀积在抛光垫蜂窝孔中研磨液量少时，给予小的下压力，当淀积在抛光垫蜂窝孔中研磨液量大时，给予大的下压力，按控制比例调整，清除缝隙中的残余浆料，从而保证晶圆全局平坦化的顺利进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。