CN114406894A - 一种加工晶圆的化学机械研磨设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种加工晶圆的化学机械研磨设备，涉及晶圆加工，包括机体，设置在机体上且用于放置晶圆的研磨平台，研磨平台呈水平设置；机体上设置有用于研磨晶圆的磨头；所述磨头包括壳体，设置在壳体内壁的驱动电机，驱动电机的输出轴上固定有太阳轮；壳体内壁设置有齿圈，太阳轮和齿圈之间啮合有若干行星小齿轮；行星小齿轮转轴上固定有用于研磨晶圆的研磨块；研磨平台上表面上设置有用于调节磨头高低的升降装置。本申请具有增加研磨设备工作效率的同时，提高磨头平稳性的效果。

Description

一种加工晶圆的化学机械研磨设备

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种加工晶圆的化学机械研磨设备。

背景技术

晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆；晶圆在加工过程中需要用到化学机械研磨设备，其作用是将晶圆表面抛光以及平坦化处理。

相关技术中，授权公告号为102335868A的中国专利中，公开了化学机械研磨装置以及化学机械研磨方法，包括研磨平台、驱动装置、传感器、控制器；驱动装置与所述研磨平台连接，用于驱动所述研磨平台旋转；传感器，与所述研磨平台连接，用于测量所述研磨平台的转速并将所述转速转换为转速信号；控制器，与所述传感器连接，用于接收所述传感器输出的转速信号并根据所述转速信号输出报警信号，以启动报警装置报警。

在实现本申请过程中，发明人发现该技术中至少存在如下问题：研磨过程中，工作人员将晶圆吸附在磨头上，磨头进行绕研磨平台轴线周转和自传，带动晶圆进行周转和自传；但此设备的磨头一般吸附一块晶圆，每次加工仅对一块晶圆，使得其工作效率低；当对多块晶圆进行加工时，晶圆的厚度不同，磨头将出现不能和晶圆呈竖直的可能性。

发明内容

为了增加研磨设备工作效率的同时，提高磨头的平稳性，本申请提供一种加工晶圆的化学机械研磨设备。

本申请提供的一种加工晶圆的化学机械研磨设备采用如下的技术方案：

一种加工晶圆的化学机械研磨设备，包括机体，设置在机体上且用于放置晶圆的研磨平台，研磨平台呈水平设置；机体上设置有用于研磨晶圆的磨头；所述磨头包括壳体，设置在壳体内壁的驱动电机，驱动电机的输出轴上固定有太阳轮；壳体内壁设置有齿圈，太阳轮和齿圈之间啮合有若干行星小齿轮；行星小齿轮转轴上固定有用于研磨晶圆的研磨块；研磨平台上表面上设置有用于调节磨头高低的升降装置。

通过采用上述技术方案，工作人员进行晶圆研磨时，先将晶圆放置在研磨平台上，再将磨头置于升降装置上，启动驱动电机，使得驱动电机带动太阳轮转动，继而实现若干行星小齿轮转动，行星小齿轮实现周转和自传，行星小齿轮并带动研磨块周旋的同时进行自传；该装置实现对多个晶圆进行加工，且通过升降装置调节磨头的高低，使得磨头对晶圆的平坦化处理过程中，先研磨厚度较厚的晶圆，再调节升降装置，使得研磨块可接触到更多晶圆，以此避免磨头由于晶圆厚度不一而导致磨头倾斜。

可选的，所述研磨平台上开设有贯穿研磨平台的通孔；所述升降装置包括设置在机体内壁的推动气缸，推动气缸的活塞杆位于通孔内；所述升降装置还包括转动连接在推动气缸活塞杆端面且用于安装磨头的安装台；安装台上设置有用于使磨头便于安装在安装台上的安装组件。

通过采用上述技术方案，安装台通过安装组件连接于磨头，使得推动气缸可带动磨头实现调节，以此控制研磨晶圆的厚度；同时可实现磨头先研磨厚度较厚的晶圆，再研磨较薄的。

可选的，所述安装组件包括固定在太阳轮转轴上的固定块，固定块背离太阳轮的表面上设置有若干定位杆，安装台朝向固定块的侧壁开设有供定位杆穿设的连接槽，定位杆位于连接槽内；所述安装组件还包括滑移设置在固定块侧壁的若干移动块，移动块朝安装台方向运动；安装台侧壁开设有和移动块相对应的运动槽，安装台上设置有位于运动槽内的运动块，运动槽内壁设置有使运动块向安装台外侧运动的推动弹簧；移动块上开设有供运动块卡接的凹槽。

通过采用上述技术方案，工作人员在将磨头安装于安装台上时，先将固定块上的定位杆穿设有连接槽内，且将移动块向下滑移，使得运动块穿过凹槽，实现固定块和安装台的固定，减小固定块向上脱离安装台的可能性；驱动电机带动太阳轮转动过程中，将带动固定块转动，固定块通过定位杆将带动安装台转动。

可选的，所述固定块上固定有使移动块朝向太阳轮方向运动的固定弹簧；移动块侧壁开设有第一导向面，运动块侧壁开设有配合第一导向面使推动弹簧收缩的第二导向面。

通过采用上述技术方案，当工作人员操作移动块时，移动块上的第一导向面接触到运动块上的第二导向面，使得运动块被压入运动槽内；继续将移动块向下运动，在推动弹簧的作用下，运动块穿入凹槽；当固定块和安装台分离时，可将运动块推入运动槽内，在固定弹簧的作用下，将移动块和运动块脱离。

可选的，所述研磨块螺纹连接于对应行星小齿轮的转轴，研磨块上穿设有固定螺栓，固定螺栓穿过行星小齿轮的转轴并螺纹连接有固定螺母。

通过采用上述技术方案，研磨块实现可拆卸，便于研磨块的更换。

可选的，所述研磨块的下表面低于固定块的下表面，定位杆螺纹连接于固定块。

通过采用上述技术方案，工作人员将定位杆拆卸下之后，可通过将磨头置于平整的表面上，贯穿研磨块的磨损程度，如果磨头有倾斜的状况或者不稳的情况，可通过固定螺栓和固定螺母，将研磨块拆卸下来。

可选的，所述壳体上开设有供研磨液进入的输入孔；行星小齿轮上开设有供研磨液流到研磨块上的若干经过孔；输入孔内壁连通有可添加研磨液的水管。

通过采用上述技术方案，研磨液通过水管进入壳体内，研磨液顺着进过孔流到晶圆上，使得晶圆上可充分沾染到研磨液。

可选的，所述研磨平下表面固定有用于收集从通孔流入机体内部研磨液的收集盒，机体上穿设有连通收集盒并用于导出研磨液的导向管。

通过采用上述技术方案，位于研磨平台上的研磨液将会从通孔处流入机体内部，为了收集研磨液，在机体内部安装收集盒，并通过导向管将位于收集盒内的研磨液清理出去。

可选的，所述研磨盘上开设有供放置晶圆的若干置放槽，置放槽的底壁开设有贯穿研磨平台下表面的连通孔；机体壁设置有用于将晶圆吸附于置放槽上表面的真空泵。

通过采用上述技术方案，工作人员先将晶圆放置于置放槽内，并通过真空泵实现固定，减小晶圆平坦化处理过程中，出现滑移的现象。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

驱动电机驱动太阳轮转动，太阳轮和齿圈带动行星小齿轮的转动，实现研磨块的自转和周转，磨头可对多个晶圆进行加工，提高研磨效率。

推动气缸通过安装组件固定于固定块，推动气缸带动磨头可调节，实现对晶圆的研磨从较厚的晶圆开始，避免晶圆厚度不一导致磨头不稳的现象，提高研磨的平稳性。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图。

图2是驱动电机和太阳轮、齿圈、行星小齿轮的结构示意图。

图3是升降装置的整体结构示意图。

图4是移动块连接于固定块的整体结构示意图。

图5是运动块连接于安装台的整体结构示意图。

图6是研磨块可拆卸连接于行星小齿轮的结构示意图。

图7是真空泵连接于研磨平台的结构示意图。

附图标记说明：

1、机体；2、研磨平台；3、磨头；4、壳体；5、驱动电机；6、太阳轮；7、齿圈；8、行星小齿轮；9、研磨块；10、通孔；11、升降装置；12、推动气缸；13、安装台；14、安装组件；15、固定块；16、定位杆；17、连接槽；18、移动块；19、运动槽；20、推动弹簧；21、凹槽；23、固定弹簧；24、固定螺栓；25、固定螺母；26、输入孔；27、经过孔；28、水管；29、收集盒；30、导向管；31、置放槽；32、连通孔；33、真空泵；34、运动块；35、第一导向面；36、第二导向面；37、外壳；38、移动槽。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种加工晶圆的化学机械研磨设备。参照图1和2，包括机体1，安装在机体1上的研磨平台2，研磨平台2呈水平设置，研磨平台2用于放置晶圆；研磨平台2上设置有用于研磨晶圆的磨头3，磨头3位于研磨平台2的上方；磨头3包括壳体4，壳体4内部中空且壳体4下端面呈开口设置；磨头3还包括焊接有壳体4内壁的齿圈7，齿圈7呈水平设置，设置在壳体4内壁的驱动电机5，驱动电机5的输出轴上焊接有太阳轮6，驱动电机5转轴呈竖直设置，太阳轮6和齿圈7同轴；磨头3还包括啮合于太阳轮6和齿圈7且位于太阳轮6和齿圈7之间的若干行星小齿轮8，使得驱动电机5转动带动太阳轮6转动，继而实现行星小齿轮8绕驱动电机5转轴轴线周转以及自转；行星小齿轮8的转轴上设置有研磨块9，研磨块9用于研磨晶圆，对晶圆进行平坦化处理，研磨块9和行星小齿轮8的转轴先螺纹连接，研磨块9上穿设有固定螺栓24，固定螺栓24穿过行星小齿轮8的转轴并螺纹连接有固定螺母25，固定螺母25抵紧研磨块9的外侧壁，实现研磨块9的可拆卸，以此方便工作人员对研磨块9的更换；机体1上设置有升降装置11，磨头3安装在升降装置11上，并通过升降装置11实现磨头3的高度调节。

工作人员在安装磨头3时，先将磨头3安装至升降装置11上，启动驱动电机5，驱动电机5带动太阳轮6转动，继而实现行星小齿轮8的转动，由此实现研磨块9的自转和绕驱动电机5转轴轴线周转；研磨块9在运动的过程中，通过升降装置11缓慢下降；由于晶圆的厚度可能存在变差，因此研磨块9可先接触到厚度较厚的晶圆进行研磨，随着研磨量的增加，缓慢调节升降装置11，以此让研磨块9研磨到更多的晶圆，最终实现全部晶圆的平坦化处理；通过若干研磨块9的一起运动，可在研磨平台2上绕驱动电机5的转轴轴线放置多块晶圆，继而进行同时加工，提高了效率；通过升降装置11，避免了晶圆厚度不均，导致磨头3放置倾斜的问题。

参照图2和3，研磨平台2上开设有贯穿研磨平台2上下表面的通孔10；升降装置11包括通过螺栓固定在机体1内壁的推动气缸12，推动气缸12的活塞杆呈竖直设置，且推动气缸12的活塞杆位于通孔10内和通孔10同轴；升降装置11还包括转动连接在推动气缸12活塞杆端面的安装台13，安装台13呈水平设置且和通孔10同轴；安装台13通过推动气缸12的可伸缩可实现在通孔10内外运动；安装台13上设置有用于将磨头3安装至安装台13上的安装组件14。

参照图4和5，安装组件14包括焊接在太阳轮6转轴上固定块15，固定块15位于太阳轮6的下方；安装组件14包括螺纹连接在太阳轮6下表面的若干定位杆16，定位杆16呈竖直设置；安装台13上表面开设有和定位杆16一一对应的连通槽，定位杆16位于连通槽内，当固定块15转动的过程中，安装台13将通过定位杆16带动安装台13转动；固定块15的侧壁开设有两移动槽38，移动槽38沿竖直方向延伸并贯穿安装台13的上表面；固定块15上均滑移设置有位于移动槽38内的移动块18，移动块18可沿竖直方向滑移并可运动至位于安装台13上的移动槽38；位于安装台13上的移动槽38内壁开设有运动槽19；安装组件14包括设置在运动槽19内壁的推动弹簧20，和连接于推动弹簧20一端的运动块34；推动弹簧20一端粘接于运动槽19内壁，推动弹簧20的另一端粘接于运动块34的侧壁，推动弹簧20可将运动块34从运动槽19内推出；移动块18上开设有供运动块34卡接的凹槽21；移动块18向安装台13运动后，经过运动块34，将运动块34压入运动槽19内，当运动块34经过凹槽21时，在推动弹簧20的作用下，将运动块34卡接于凹槽21内；实现固定块15和安装台13的连接，减小磨头3在转动过程中，脱离安装台13的可能性。

参照图4和5，位于固定块15上的移动槽38内顶壁粘接有固定弹簧23，移动块18粘接于固定弹簧23的另一端，移动弹簧在固定弹簧23的作用下，有向驱动电机5方向运动的趋势；移动块18可接触于运动块34的侧壁开设有第一导向面35；运动块34可接触于移动块18的侧壁开设有第二导向面36，第一导向面35和第二导向面36相互配合；工作人员现将定位杆16对准连接槽17，将固定块15的下表面抵接于安装台13的上表面，将移动块18向下拨动，第一导向面35第二导向面36接触的过程中，移动块18依旧向下运动，此时筒过第一导向面35将运动块34挤压入运动槽19内，运动块34遇到凹槽21，在推动弹簧20的作用下弹出；当分离磨头3时，将运动块34向运动槽19内挤压，使得运动块34脱离移动块18，移动块18在固定弹簧23的作用下，移动块18缩回位于固定块15上的移动槽38。

参照图3和6，研磨块9的下表面低于固定块15的下表面，研磨块9在长时间使用之后可能会发生磨损，工作人员可通过将定位杆16拆卸下来，将磨头3置于平坦表面，便于观察研磨块9的下表面是否齐平，当其中有研磨块9出现严重破损，可通过固定螺栓24个固定螺母25将研磨块9拆卸下来，进行更换。

参照图1和7，研磨平台2上开设有若干用于放置晶圆的置放槽31，若干置放槽31环绕驱动电机5的转轴轴线均匀分布，置放槽31内壁开设有贯穿研磨平台2下表面的连通孔32；机体1内壁通过螺栓固定有用于将晶圆固定于安装槽内底壁的真空泵33。

参照图1和7，壳体4上端部开设有输入孔26，输入孔26内壁转动连接有用于向壳体4内壁加研磨液的水管28；行星小齿轮8的齿面上开设有经过孔27，经过孔27贯穿行星小齿轮8的上下表面，壳体4内壁焊接有用于将驱动电机5进行包裹的外壳37；研磨液经过水管28进入壳体4内部，研磨液经过经过孔27流到研磨块9；研磨平台2的下表面焊接有用于收集研磨液的收集盒29，在研磨平台2上表面的研磨液可通过通孔10流入收集盒29，机体1穿设有连通收集盒29的导向管30，导向管30用于将收集盒29内的研磨液导出机体1。

本申请实施例一种加工晶圆的化学机械研磨设备的实施原理为：工作人员先将晶圆放置在置放槽31内，启动真空泵33，进晶圆固定于置放槽31内；将磨头3安装至安装平台上，启动驱动电机5，实现研磨块9的转动；推动气缸12带动磨头3向下运动，实现研磨块9研磨晶圆；通过水管28，将研磨块9上加研磨液，使得研磨液可对晶圆的润湿效果更佳，研磨液经过收集箱，再通过导向管30流出。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：包括机体(1)，设置在机体(1)上且用于放置晶圆的研磨平台(2)，研磨平台(2)呈水平设置；机体(1)上设置有用于研磨晶圆的磨头(3)；所述磨头(3)包括壳体(4)，设置在壳体(4)内壁的驱动电机(5)，驱动电机(5)的输出轴上固定有太阳轮(6)；壳体(4)内壁设置有齿圈(7)，太阳轮(6)和齿圈(7)之间啮合有若干行星小齿轮(8)；行星小齿轮(8)转轴上固定有用于研磨晶圆的研磨块(9)；研磨平台(2)上表面上设置有用于调节磨头(3)高低的升降装置(11)。

2.根据权利要求1所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述研磨平台(2)上开设有贯穿研磨平台(2)的通孔(10)；所述升降装置(11)包括设置在机体(1)内壁的推动气缸(12)，推动气缸(12)的活塞杆位于通孔(10)内；所述升降装置(11)还包括转动连接在推动气缸(12)活塞杆端面且用于安装磨头(3)的安装台(13)；安装台(13)上设置有用于使磨头(3)便于安装在安装台(13)上的安装组件(14)。

3.根据权利要求2所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述安装组件(14)包括固定在太阳轮(6)转轴上的固定块(15)，固定块(15)背离太阳轮(6)的表面上设置有若干定位杆(16)，安装台(13)朝向固定块(15)的侧壁开设有供定位杆(16)穿设的连接槽(17)，定位杆(16)位于连接槽(17)内；所述安装组件(14)还包括滑移设置在固定块(15)侧壁的若干移动块(18)，移动块(18)朝安装台(13)方向运动；安装台(13)侧壁开设有和移动块(18)相对应的运动槽(19)，安装台(13)上设置有位于运动槽(19)内的运动块(34)，运动槽(19)内壁设置有使运动块(34)向安装台(13)外侧运动的推动弹簧(20)；移动块(18)上开设有供运动块(34)卡接的凹槽(21)。

4.根据权利要求3所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述固定块(15)上固定有使移动块(18)朝向太阳轮(6)方向运动的固定弹簧(23)；移动块(18)侧壁开设有第一导向面(35)，运动块(34)侧壁开设有配合第一导向面(35)使推动弹簧(20)收缩的第二导向面(36)。

5.根据权利要求4所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述研磨块(9)螺纹连接于对应行星小齿轮(8)的转轴，研磨块(9)上穿设有固定螺栓(24)，固定螺栓(24)穿过行星小齿轮(8)的转轴并螺纹连接有固定螺母(25)。

6.根据权利要求4所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述研磨块(9)的下表面低于固定块(15)的下表面，定位杆(16)螺纹连接于固定块(15)。

7.根据权利要求1所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述壳体(4)上开设有供研磨液进入的输入孔(26)；行星小齿轮(8)上开设有供研磨液流到研磨块(9)上的若干经过孔(27)；输入孔(26)内壁连通有可添加研磨液的水管(28)。

8.根据权利要求6所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述研磨平台(2)下表面固定有用于收集从通孔(10)流入机体(1)内部研磨液的收集盒(29)，机体(1)上穿设有连通收集盒(29)并用于导出研磨液的导向管(30)。

9.根据权利要求5所述的一种加工晶圆的化学机械研磨设备，其特征在于：所述研磨盘上开设有供放置晶圆的若干置放槽(31)，置放槽(31)的底壁开设有贯穿研磨平台(2)下表面的连通孔(32)；机体(1)内壁设置有用于将晶圆吸附于置放槽(31)上表面的真空泵(33)。

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