一种化学机械抛光设备及其晶圆缓存装置和晶圆缓存方法与流程

1.本发明涉及半导体制造设备，尤其涉及一种化学机械抛光设备及其晶圆缓存装置和晶圆缓存方法。


背景技术：

2.现有cmpchemical mechanical planarization，化学机械抛光设备通常包括前端模块efem、抛光单元和清洗单元。随着半导体制造工艺不断的发展，对晶圆生产的精密度及洁净度提出了更高的要求。在化学机械抛光平坦化工艺过程中，当晶圆经过抛光单元作业后，晶圆表面附着有抛光液体，如转运晶圆至清洗单元的时间过长，抛光液体干燥附着于晶圆上，将影响晶圆的质量及成品率。如清洗单元或抛光单元在作业完成回收晶圆过程中出现故障或堵塞，则已经进入抛光单元作业的晶圆无法保持表面处于湿润状态，将影响晶圆的质量及成品率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种化学机械抛光设备及其晶圆缓存装置及晶圆缓存方法，减少了晶圆未经清洗而暴露空气中的时间，提高了晶圆的质量和成品率。
4.为了达到上述目的，本发明提供一种晶圆缓存装置，所述晶圆缓存装置包含：缓存箱体，设置在所述缓存箱体上的驱动组件，以及连接所述驱动组件并设置在所述缓存箱体内的晶圆存储组件；所述驱动组件驱动所述晶圆存储组件在所述缓存箱体内做升降运动，以实现所述晶圆存储组件上的晶圆离开或进入缓存箱体内的水环境。
5.所述驱动组件设置在所述缓存箱体外部或内部。
6.所述晶圆存储组件包含：固定连接所述驱动组件的晶圆支架，以及固定连接所述晶圆支架的至少两个晶圆座。
7.所述晶圆座上下平行间隔排布。
8.所述晶圆缓存装置还包含箱盖，其固定连接所述驱动组件，并位于所述晶圆座的上方，所述箱盖的尺寸与所述缓存箱体的开口尺寸匹配。
9.所述缓存箱体上设置给排水口和溢水口。
10.所述晶圆缓存装置还包含机械手，以配合缓存装置使用，所述机械手至少包含升降、水平移动2个自由度。
11.所述晶圆座包含缺口，所述缺口与机械手的方向一致。
12.本发明还提供一种化学机械抛光设备，包含：
13.抛光单元，其用于对晶圆进行抛光处理；
14.清洗单元，其用于对抛光后的晶圆进行清洗处理；
15.至少一个晶圆缓存装置，其设置在所述抛光单元和所述清洗单元之间，用于缓存晶圆，使晶圆处于长时间的水环境保护。
16.所述晶圆缓存装置还包含中转机械手，用于实现对所述晶圆缓存装置进行晶圆抓
取及放置作业。
17.所述中转机械手包含：旋转轴、机械手臂、以及夹爪，所述夹爪通过所述机械手臂安装于所述旋转轴上，所述旋转轴提供绕z轴旋转和z向升降两个自由度，所述机械手臂带动所述夹爪在水平x向移动。
18.本发明还提供一种晶圆缓存方法，驱动组件驱动晶圆存储组件从缓存箱体内升起，晶圆座离开缓存箱体内的水环境；采用机械手将晶圆放置入晶圆座，或采用机械手从晶圆座抓取晶圆；驱动组件驱动晶圆存储组件降入缓存箱体内，晶圆座进入缓存箱体内的水环境。
19.所述机械手为清洗区机械手，或抛光区机械手，或中转机械手。
20.按照从上至下的顺序从晶圆缓存装置的晶圆座中抓取晶圆，率先抓取最上层的晶圆座中的晶圆，下层未被抓取晶圆的晶圆座仍然处于缓存箱体内的水环境中。
21.按照从下至上的顺序将晶圆放置入晶圆缓存装置的晶圆座中，率先将晶圆放置入最下层的晶圆座中，已经放置晶圆的晶圆座下降进入缓存箱体内的水环境。
22.本发明具有以下有益效果：
23.1、晶圆缓存装置布置在抛光单元和清洗单元之间，机械手和晶圆缓存装置的位置灵活布置，可实现机械手分别从抛光单元和清洗单元搬运晶圆至晶圆缓存装置，减少晶圆未经清洗而暴露空气中的时间。
24.2、缓存箱体采用水箱设计，实现晶圆长时间处于水环境保护。
25.3、驱动组件设置在缓存箱体外部，隔离动力机构与水环境。
26.4、晶圆座上下平行间隔排布，实现了晶圆上下层叠存放，结省空间。
27.5、晶圆缓存装置具备升降功能，可实现取放晶圆定位，缓存箱体开合等功能，减少了传动晶圆机械手的行程需求，晶圆放入缓存箱体的晶圆支架上的顺序为由下至上，晶圆支架上升配合机械手取放晶圆时，其他晶圆仍在水环境中，既可以充分利用空间，又增加了可储存晶圆的数量，同时减少了晶圆因传输而暴露在空气中的时间。
附图说明
28.图1是本发明实施例中提供的晶圆缓存装置的布置方法示意图。
29.图2是本发明实施例中提供的晶圆缓存装置的结构示意图。
30.图3a和图3b是晶圆进入晶圆缓存装置的过程示意图。
31.图4是本发明实施例中晶圆缓存装置被布置于抛光单元与清洗单元之间的布局图。
32.图5是图4的侧视图。
33.图6是图4的俯视图。
34.图7是本发明实施例中提供的不含箱盖的晶圆缓存装置结构示意图。
具体实施方式
35.以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
36.图1是晶圆缓存装置100的布置方法示意图，中转机械手501及晶圆缓存装置100可被布置于抛光单元400和清洗单元200之间，其中，中转机械手501实现efem前端模块600、清
洗单元200、抛光单元400之间的晶圆传输。当机台出现故障，导致晶圆无法完成全部抛光、清洗、干燥工艺回收至efem前端模块600时，清洗中的晶圆、已进入污染区待抛光的晶圆、抛光中的晶圆的均可由中转机械手501转运至晶圆缓存装置100，使晶圆处于长时间的晶圆水环境保护，以便在机组维护过程中，可以安全储存晶圆，使晶圆不受其上化学液结晶等污染，待机台恢复正常作业时，储存在晶圆缓存装置100中的晶圆可依次恢复至故障前的作业状态。
37.如图2所示，是本实施例中提供的一种晶圆缓存装置100的结构图。所述晶圆缓存装置100包含：缓存箱体105，设置在所述缓存箱体105上的驱动组件，以及连接所述驱动组件并设置在所述缓存箱体105内的晶圆存储组件，所述驱动组件可以驱动所述晶圆存储组件实现在所述缓存箱体105内升降运动，以实现所述晶圆存储组件上的晶圆离开或进入缓存箱体105内的水环境。
38.所述驱动组件包含：设置在所述缓存箱体105外部的直线驱动机构111，连接所述直线驱动机构111的导轨101，以及可沿所述导轨101移动的滑块104。所述驱动组件设置在所述缓存箱体105外部，有利于提高直线驱动机构111的寿命及防腐性能。
39.所述晶圆存储组件包含：固定连接所述滑块104的晶圆支架102，固定连接所述晶圆支架102的多个晶圆座106，所述晶圆座106上下平行间隔排布。
40.在本实施例中，所述晶圆缓存装置100还包含箱盖103，其固定设置在所述滑块104上，并位于所述晶圆座106的上方，所述箱盖103的尺寸与所述缓存箱体105的开口尺寸匹配，当直线驱动机构111驱动滑块104带动多个晶圆座106全部下降进入所述缓存箱体105内部时，所述箱盖103可以完全封闭住所述缓存箱体105的开口。
41.所述缓存箱体105上设置给排水口110和溢水口112。
42.如图2所示，所述中转机械手501包含：旋转轴107、机械手臂108、夹爪109，所述夹爪109通过所述机械手臂108安装于所述旋转轴107上，所述旋转轴107提供绕z轴旋转和z向升降两个自由度，所述机械手臂108可带动所述夹爪109在水平x向和y向移动。当所述滑块104带动所述晶圆座106离开所述缓存箱体105上边沿时，所述夹爪109移动至所述晶圆座106处，实现晶圆抓取及放置作业。
43.图3a和图3b是晶圆进入晶圆缓存装置的过程示意图。如图3a所示，中转机械手501上的夹爪109夹取需要被缓存的晶圆，旋转轴107带动晶圆对齐缓存箱体105内的晶圆座106；缓存箱体105底部给排水口110连接两位三通的管路，可视需要控制进水或排水填充去离子水作业，直至去离子水覆盖溢流口112，水深足够覆盖全部晶圆座106；直线驱动机构111推动滑块104带动晶圆支架102上升，直至最底层的空晶圆座106的高度超过缓存箱体105；中转机械手501上的旋转轴107下降，带动晶圆移动至对齐最底层的空晶圆座106(1)与其上层晶圆座106(2)中间的高度；机械臂108水平移动带动晶圆移动至最底层的空晶圆座106(1)正上方；旋转轴107下降带动晶圆移动至晶圆座106(1)上，夹爪109打开后晶圆落入晶圆座106(1)；机械臂108和旋转轴107再按反行程驱动夹爪109去取第二片待缓存的晶圆。晶圆座106(1)接收晶圆后，滑块104带动晶圆支架102下降，直到晶圆全部被缓存箱体105内的去离子水覆盖，同时其上层的空晶圆座106(2)处于超出缓存箱体105顶边高度，待夹爪109传输第二片晶圆到来。依次类推，如图3b所示，当全部需缓存的晶圆处于缓存箱体105内的去离子水保护状态时，滑块104带动箱盖103下降至封闭缓存箱体105状态。当需要恢复晶
圆之前作业时，滑块104带动晶圆支架102上升，使最顶层晶圆到达超出缓存箱体105的高度，同时下层的晶圆仍处于水保护状态；中转机械手501按类似之前放晶圆的流程，抓取晶圆至缓存前的位置；滑块104带动晶圆支架102上移，以此类推，全部晶圆依次上升超出水面被夹爪109搬运至缓存前状态。当缓存箱体105内全部晶圆被取走后，滑块104下降带动箱盖103封闭缓存箱体105，使其内部不受外部颗粒等污染，有利于长期不使用的状态下保持内部洁净，同时缓存箱体105底部给排水口110打开排水阀，排尽缓存箱体105内全部去离子水。
44.如图4～图6所示，晶圆缓存装置100被布置于抛光单元400与清洗单元200之间，为节省空间，缓存箱体105被放置于抛光中转台302的下方。当抛光单元400中的晶圆需要被缓存时，抛光平台401先将晶圆传输至载片台301，再由抛光区机械手502从载片台301传输晶圆601、602至中转台302；晶圆座106被升至超出缓存箱体105后，中转机械手501依次将晶圆从中转台302传输至晶圆座106上。当清洗单元201、202、203、204中的晶圆需要被缓存时，由中转机械手501从清洗单元200传输晶圆至晶圆座106上。晶圆缓存箱体105可布置于抛光单元200和清洗单元之间的区域，位置灵活。中转机械手501同时作为多个单元中转机械手的应用时，缓存箱体105则需布置于中转机械手501能夹取晶圆的位置即可。同时，可实现单机械手配对个多缓存箱体105的配置。如图6所示，缓存箱体105同时被布置于抛光中转台302的下台和中转机械手501的另一侧，增加了可缓存晶圆的数量。
45.在本发明的一个实施例中，所述驱动组件可用替代方案：滚珠丝杆、电推缸、气动/液压等直线运动机构，所述驱动组件可被设置在晶圆缓存箱体105内部，但需做好防腐措施。采用螺杆传动，具备自锁能力，即电机掉电时可保持晶圆座106高度定位稳定不变。
46.在本发明的另一个实施例中，直线驱动机构111升降驱动采用伺服电机驱动，精准控制定位每一片晶圆取放的高度为离开水面处，可尽量使已放置在晶圆支架102上的晶圆处于水环境保护状态。可替换方案为气缸等单一定位驱动，从而每次取放晶圆时需让全部晶圆暴露在空气中，增加晶圆干燥结晶的风险。
47.在本发明的另一个实施例中，所述晶圆座106平行固定于晶圆支架102上，相互间隔优选10～60mm，能使爪夹109取放不干涉晶圆座106，同时下层的晶圆座106上的晶圆刚好能处于水保护状态，即可以充分利用空间，增加可储存晶圆的数量，同时减少晶圆因传输而暴露在空气中的时间。
48.在本发明的另一个实施例中，缓存箱体105上的溢水口112和给排水口110用于调节缓存箱体105内的水量，优选地，在缓存箱体105的底部设置给排水口110，顶部设置溢水口，底部给排水口110作为主入水口，同时可通过控制阀调节实现底部排水，便于水位高度传感器安装及反馈，为防止水溢出箱体，控制最高水位，多余水可从溢水口112排出。作为替代方案，入水口及排水口可根据实际控制需用新增、互换或变更位置。
49.在本发明的另一个实施例中，缓存箱体105也可不与中转机械手501对接，由清洗区机械手(图中未显示)或抛光区机械手502直接取放晶圆。
50.在本发明的另一个实施例中，晶圆支架102上的晶圆座106具有方向性，即，所述晶圆座106具有缺口，以避让机械手的夹爪，便于抓放晶圆。所述晶圆座106上的缺口应该与机械手的夹爪的方向一致，支撑晶圆的同时避让取放晶圆的机械手。当采用中转机械手501取放晶圆时，所述晶圆座106优先配对前后x方向动作的夹爪109，当采用清洗区机械手或抛光
区机械手502直接取放晶圆时，所述晶圆座106则调整为配对y方向动作的夹爪109。
51.如图7所示，在本发明的另一个实施例中，根据实际情况，所述晶圆缓存装置可不具备箱盖。
52.本发明具有以下有益效果：
53.1、晶圆缓存装置布置在抛光单元和清洗单元之间，机械手和晶圆缓存装置的位置灵活布置，可实现机械手分别从抛光单元和清洗单元搬运晶圆至晶圆缓存装置，减少晶圆未经清洗而暴露空气中的时间。
54.2、缓存箱体采用水箱设计，实现晶圆长时间处于水环境保护。
55.3、驱动组件设置在缓存箱体外部，隔离动力机构与水环境。
56.4、晶圆座上下平行间隔排布，实现了晶圆上下层叠存放，结省空间。
57.5、晶圆缓存装置具备升降功能，可实现取放晶圆定位，缓存箱体开合等功能，减少了传动晶圆机械手的行程需求，晶圆放入缓存箱体的晶圆支架上的顺序为由下至上，晶圆支架上升配合机械手取放晶圆时，其他晶圆仍在水环境中，既可以充分利用空间，又增加了可储存晶圆的数量，同时减少了晶圆因传输而暴露在空气中的时间。
58.需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
59.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。