晶圆承载装置及化学机械抛光设备

技术领域

本申请涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种晶圆承载装置及化学机械抛光设备。

背景技术

化学机械抛光设备是对晶圆进行化学机械抛光的常用设备。晶圆承载装置(包括但不限于装载杯)是在化学机械抛光设备的化学机械抛光工作中用于承载晶圆的装置。

在一些化学机械抛光设备中，除晶圆承载装置外，还包括机械手、抛光头和带有抛光垫的抛光盘。晶圆承载装置主要需要与机械手和抛光头交互，机械手可以向晶圆承载装置放置待化学机械抛光的晶圆，而抛光头用于从晶圆承载装置上取晶圆并通过带有抛光垫的抛光盘对晶圆进行化学机械抛光。

在实际运行中，机械手的运动轨迹相对固定，因此向晶圆承载装置放置晶圆时，需要有精确的重复放置位置及稳定的相对水平状态；而抛光头则常从不同位置来取晶圆，所以要求晶圆承载装置与抛光头的交互能够有一定的自适应性。如果晶圆承载装置不能同时适应机械手和抛光头的交互需求，容易导致机械手放置晶圆失败和/或抛光头取晶圆失败，进而导致化学机械抛光设备无法正常工作。因此，需要一种新的晶圆承载装置的技术方案来改善这样的问题。

发明内容

本申请提供了一种晶圆承载装置及化学机械抛光设备，以至少部分地改善上述问题。

根据本申请的一方面，本申请提供了一种晶圆承载装置，用于化学机械抛光设备，晶圆承载装置包括：承载盘、导向轴和驱动组件；承载盘，用于承载晶圆，其上设置有第一通孔；导向轴，其固定于化学机械抛光设备的设备主体并穿设于第一通孔，且导向轴包括相连接的第一部分和第二部分；驱动组件，其驱动承载盘沿导向轴移动；在承载盘移动至第一部分穿设于第一通孔时，第一部分抑制承载盘产生偏离第一部分的轴向的移动；在承载盘移动至第一部分退出第一通孔、且第二部分穿设于第一通孔时，导向轴与第一通孔之间形成浮动间隙，以使承载盘能够通过浮动间隙，产生偏离第二部分的轴向的移动，以调整承载盘的位姿。

根据本申请的另一方面，本申请提供了一种化学机械抛光设备，包括：至少一个如前述任一项中的晶圆承载装置。

本申请中的晶圆承载装置，至少能取得如下有益效果：

1、在承载盘移动至导向轴的第一部分穿设于第一通孔时，由于第一部分能够抑制承载盘产生偏离第一部分的轴向的移动，因此，在化学机械抛光设备的机械手朝向晶圆承载装置的承载盘放置晶圆时，可以更容易保持承载盘上放置位置的重复精度，并且更容易保持相对稳定的水平状态，确保与机械手交互的位置准确且不发生位移，有效地实现了晶圆承载装置和机械手交互的精确定位。

2、在承载盘移动至第一部分退出第一通孔、且导向轴的第二部分穿设于第一通孔时，导向轴与第一通孔之间能够形成浮动间隙，承载盘能够通过浮动间隙，产生偏离第二部分的轴向的移动，从而可以调整承载盘的位姿，因此，在晶圆承载装置与化学机械抛光设备的抛光头交互时，承载盘可以通过调整位姿来自适应抛光头的位置，有效地实现了晶圆承载装置和抛光头两者交互的浮动定位，从而可以满足晶圆承载装置与抛光头的交互的自适应性要求。

3、本申请提供的晶圆承载装置，可以有效地同步适应机械手和抛光头的交互需求，从而降低了机械手放置晶圆失败和/或抛光头取片失败的可能性，有利于保证化学机械抛光设备的正常工作，提高化学机械抛光设备的使用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请中的一个可选的晶圆承载装置的一个状态下的截面示意图。

图2示出了本申请中的一个可选的承载盘的示意图。

图3示出了本申请中的一个可选的导向轴的示意图。

图4示出了本申请中的一个可选的弹性组件的示意图。

图5示出了本申请中的一个可选的晶圆承载装置的另一个状态下的截面示意图。

图6示出了本申请中的一个可选的晶圆承载装置的再一个状态下的截面示意图。

图7示出了本申请中的一个可选的化学机械抛光设备的示意图。

附图标记说明：

100、晶圆承载装置；1、承载盘；11、第一通孔；12、第二通孔；13、安装套；14、限位结构；2、导向轴；21、第一部分；22、第二部分；221、过渡段；222、细轴段；3、驱动组件；30、推动板；31、第一气缸；32、第二气缸；33、环形安装座；4、浮动机构；41、弹性组件；411、压缩弹簧；412、弹簧芯轴；413、调整压板；414、防松螺母；5、安装板；6、直线轴承；200、化学机械抛光设备。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面结合附图说明本申请的具体实现。需要说明的是，下面各个附图中为便于进行示意，各结构未必是按照实际比例绘制的。

参照图1所示，本申请提供了一种晶圆承载装置100，用于化学机械抛光设备200，晶圆承载装置100包括：承载盘1、导向轴2和驱动组件3。

其中，承载盘1，用于承载晶圆，其上设置有第一通孔11；导向轴2，其固定于化学机械抛光设备200的设备主体并穿设于第一通孔11，且导向轴2包括相连接的第一部分21和第二部分22；驱动组件3，其驱动承载盘1沿导向轴2移动。

在承载盘1移动至第一部分21穿设于第一通孔11时，第一部分21能够抑制承载盘1产生偏离第一部分21的轴向的移动；在承载盘1移动至第一部分21退出第一通孔11、且第二部分22穿设于第一通孔11时，导向轴2与第一通孔11之间形成浮动间隙，以使承载盘1能够通过浮动间隙，产生偏离第二部分22的轴向的移动，以调整承载盘1的位姿。

下面对本申请中的晶圆承载装置100进行详细说明。

本申请中的晶圆承载装置100可以用于化学机械抛光设备200，可作为对晶圆进行承载和传递的重要部分。本申请中，化学机械抛光设备200可以包括一个或者多个晶圆承载装置100。

本申请中的承载盘1可以承载晶圆。承载盘1可以构造为任意形状。例如，参照图2所示，承载盘1可以为圆盘形状。在其他实施例中，可以按照需要设置为方形形状、正多边形形状，或者也可以设置为别的规则形状或者不规则形状。承载盘1上部包括用于放置晶圆的承载区域，晶圆放置于承载区域内以由承载盘1承载。本申请中可以由机械手向承载盘1放置晶圆，并由抛光头从承载盘1取走晶圆。

本申请中，参照图1、图5、图6所示，导向轴2穿设于承载盘1的第一通孔11。并且，承载盘1在驱动组件3驱动时，可以通过第一通孔11相对于导向轴2移动，使得导向轴2的不同部分穿设于第一通孔11。导向轴2可以在驱动组件3驱动承载盘1移动时起导向作用。导向轴2在化学机械抛光设备200的设备主体上固定不动。可选地，导向轴2固定于安装板5，并通过安装板5固定在设备主体。

本申请中，参照图1、图3、图5和图6所示，导向轴2包括第一部分21和第二部分22，第一部分21的径向尺寸大于第二部分22的径向尺寸。导向轴2的各横截面可以为圆形。第一通孔11可以为圆孔。第一通孔11的孔径可以与第一部分21的径向尺寸相匹配，例如两者可以基本相等，但不影响第一部分21穿设于第一通孔11内移动(可结合图5和图6理解)。在导向轴2的第一部分21的任意部分穿设于第一通孔11时，承载盘1在将出现偏离第一部分21轴向的移动时，第一部分21可以抑制承载盘1出现这样的移动。第一通孔11的孔径大于第二部分22的径向尺寸，在第一部分21退出第一通孔11、且导向轴2的第二部分22穿设于第一通孔11时，因而导向轴2的第二部分22与第一通孔11之间会形成浮动间隙。

本申请中不限定导向轴2的具体结构。示例地，参照图3所示，第二部分22包括过渡段221和细轴段222，第一部分21的径向尺寸大于细轴段222的径向尺寸以及过渡段221的径向尺寸；过渡段221的两端分别与第一部分21以及细轴段222连接，并且，细轴段222借助过渡段221与第一部分21形成平滑过渡。

基于此，可以通过径向尺寸较大的第一部分21，在承载盘1移动至第一部分21穿设于第一通孔11时，有效地适应机械手与晶圆承载装置100交互晶圆的需求；另外，可以通过径向尺寸较小的过渡段221以及细轴段222，在承载盘1移动至第一部分21退出第一通孔11、且第二部分22穿设于第一通孔11时，有效地适应抛光头从不同位置与晶圆承载装置100交互晶圆的需求；并且，由于细轴段222通过过渡段221与第一部分21形成平滑过渡，也有利于使得导向轴2的第一部分21和第二部分22穿设在第一通孔11更平滑流畅。

对应于第二部分22中的过渡段221和细轴段222，也可以将第一部分21形象地理解为导向轴2的粗轴段。

可选地，导向轴2的数量为多个，其与第一通孔11匹配设置。这样使得对驱动组件3驱动承载盘1移动的导向效果更好。

本申请中，参照图2所示，多个第一通孔11可沿圆周均匀分布。例如，参照图2所示的示例，承载盘1上设置有3个第一通孔11，且3个第一通孔11沿圆周均匀分布。可以有3个导向轴2，3个导向轴2分别穿设于3个第一通孔11，不同的导向轴2穿设于不同的第一通孔11。

本发明中，导向轴2可以由塑料制成，如聚四氟乙烯、聚醚醚酮及聚苯硫醚等耐磨性的材料制造而成，以使用多化学液的使用环境，延长导向轴2的使用寿命。

本申请中不限定驱动组件3的具体结构，可以采用任意合适的结构来实现。可选地，参照图1、图4、图5、图6所示，驱动组件3包括直线驱动单元和推动板30，直线驱动单元与推动板30连接；推动板30与承载盘1之间设置有浮动机构4。

基于此，可以有效地通过直线驱动单元驱动推动板30沿导向轴2的轴向所在直线移动，以使推动板30通过浮动机构4驱动承载盘1沿导向轴2移动到不同的位置，从而更好地适应与化学机械抛光设备200的机械手和抛光头之间交互晶圆的需求；由于浮动机构4的存在，在当承载盘1受到一定的压力(压力可以来自抛光头)后，可以对浮动机构4进行压缩，则承载盘1可以通过浮动间隙产生偏离第二部分22的轴向的移动，具体可以表现为承载盘1可以沿水平和垂直略微浮动，便于调整承载盘1的位姿，从而在与抛光头交互时实现自适应。

可选地，参照图1和图2所示，浮动机构4包括多个弹性组件41，多个弹性组件41分别连接在推动板30的多个不同位置，且承载盘1通过多个弹性组件41与推动板30连接；直线驱动单元用于驱动推动板30沿导向轴2的轴向移动，以使推动板30通过多个弹性组件41驱动承载盘1沿导向轴2移动。

基于此，使得承载盘1在需要时，可通过多个弹性组件41相对于推动板30实现浮动，从而便于调整承载盘1的位姿，更有利于适应抛光头从不同位置与晶圆承载装置100交互晶圆的需求。

多个弹性组件41的设置位置可以按照需要选择。可选地，参照图2所示，多个弹性组件41沿圆周均匀分布。基于此，可以使得承载盘1在需要时相对于推动板30浮动的范围更均匀，从而更便于调整承载盘1的位姿，自适应的效果更好，更有利于适应与抛光头从不同位置与晶圆承载装置100交互从承载盘1取走晶圆的需求。

本申请中不限定弹性组件41的具体结构，也不限定弹性组件41将承载盘1和推动板30连接起来的具体结构。可选地，参照图1和图4所示，承载盘1包括多个带有第二通孔12的安装套13，且第二通孔12内形成有限位结构14，多个第二通孔12与多个弹性组件41一一对应。

弹性组件41包括：压缩弹簧411、弹簧芯轴412、调整压板413和防松螺母414；对于每个弹性组件41：弹簧芯轴412穿设于与该弹性组件41相对应的第二通孔12，弹簧芯轴412的第一端固定连接于推动板30，弹簧芯轴412的第二端穿过该第二通孔12并与防松螺母414形成螺纹连接，调整压板413套设于弹簧芯轴412，且位于防松螺母414和安装套13之间；压缩弹簧411套设在弹簧芯轴412且位于该第二通孔12内，且压缩弹簧411的两端分别抵接于限位结构14以及推动板30。

基于此，在需要时，承载盘1可更有效地通过多个弹性组件41相对于推动板30实现浮动，从而更便于调整承载盘1的位姿，更有利于适应抛光头从不同位置与晶圆承载装置100交互晶圆的需求。

可选地，参照图4所示，安装套13可以嵌入连接于承载盘1。参照图4所示，限位结构14可以形成为台阶结构。压缩弹簧411套设在弹簧芯轴412上，并且其两端分别抵接限位结构14以及推动板30，使得承载盘1可以通过限位结构14对压缩弹簧411进行压缩。多个弹性组件41的压缩弹簧411可以在承载盘1施加压力时产生适当的垂直压缩以及水平的偏移位置，从而可再通过导向轴2的第二部分22与第一通孔11之间形成的浮动间隙，使得承载盘1能够产生偏离第二部分22的轴向的移动，从而承载盘1可实现相对于推动板30的浮动。从而在晶圆承载装置100的承载盘1与抛光头交互时，可以有效地适应抛光头的交互位置。

应理解，压缩弹簧411的两端分别抵接于限位结构14以及推动板30，抵接可以是直接固定连接来实现，也可以是仅接触而不固定连接来实现，只要能够满足需求实现抵接的效果即可。

弹簧芯轴412的第一端可以以任意的连接方式与推动板30连接，例如，螺纹连接、焊接、粘接等等。弹簧芯轴412的第二端可以有螺纹，从而与防松螺母414形成螺纹连接。弹簧芯轴412中间由压缩弹簧411套设的部分可以是螺纹段也可以是光杆段，按照需要设置即可。调整压板413在使用时可以调节压缩弹簧411的压缩量，进而可以调节弹性组件41的刚性；具体可以通过适当调节防松螺母414，使得压缩弹簧411的压缩量增加或者减小。

本申请中不限定直线驱动单元的具体结构。例如，可以采用直线电机、电动缸、气缸等来实现。示例地，参照图1、图5、图6所示，直线驱动单元包括第一气缸31，第一气缸31固定于环形安装座33，并且，其输出端与推动板30连接，以驱动承载盘1沿导向轴2的轴向移动。

第一气缸31的设置，有利于精准控制推动板30的移动，进而精准控制承载盘1的移动，并可提高驱动推动板30沿导向轴2的轴向所在直线移动的稳定性。

应理解，第一气缸31的输出端可以是第一气缸31的气动伸缩元件，通过其伸缩实现驱动功能，并可精准控制伸缩移动量。

可选地，参照图1、图5、图6所示，直线驱动单元还包括第二气缸32，第二气缸32的缸体固定于环形安装座33，其输出端固定于安装板5，安装板5安装于设备主体；第二气缸32能够通过环形安装座33带动承载盘1沿导向轴2的轴向移动。

本申请中，第二气缸32的输出端伸缩时，可带动固定于环形安装座33的缸体上下移动，进而可通过缸体精准地带动承载盘1移动，并提高承载盘1沿导向轴2的轴向移动的稳定性。

应理解，第二气缸32的输出端可以是第二气缸32的气动伸缩元件，通过其伸缩可以实现驱动功能，并可精准控制。

参照图1、图5、图6所示，本申请中的第二气缸32可以有多个，多个第二气缸32的缸体分别固定于环形安装座33的不同位置，多个第二气缸32的缸体输出端分别固定于安装板5的不同位置。例如，第二气缸32可以有3个。

可选地，参照图1、图5、图6所示，本申请中的晶圆承载装置100还包括多个直线轴承6，直线轴承6包括轴承座和伸缩轴，轴承座固定于安装板5，伸缩轴连接于轴承座和推动板30，在推动板30沿导向轴2的轴向移动时，伸缩轴起导向作用。

例如，参照图5、图6和图1，对本申请中的晶圆承载装置100的一些示例的工作过程进行理解。

参照图5所示，此时晶圆承载装置100处于初始工位，驱动组件3的第一气缸31和第二气缸32均未启动，此时不用于与化学机械抛光设备200的机械手以及抛光头交互。

参照图6所示，驱动组件3驱动承载盘1沿导向轴2移动，此时驱动组件3的多个第二气缸32的输出端回缩，承载盘1移动至导向轴2的第一部分21仍穿设于第一通孔11，未完全退出第一通孔11，因此导向轴2的第一部分21对承载盘1起导向和限位作用，导向轴2的第一部分21可抑制承载盘1产生偏离第一部分21的轴向的移动。

此时机械手可以与晶圆承载装置100进行交互以放置晶圆(例如可以认为晶圆承载装置100处于机械手交互工位)。在此状态下，机械手在向承载盘1上放置晶圆时，可以更容易保持承载盘1上的重复放置位置的精确性，并且更容易保持稳定的相对水平状态，确保与机械手交互的位置准确且不发生位移，有效地实现了晶圆承载装置100和机械手交互的精确定位。

参照图1所示，驱动组件3驱动承载盘1继续沿导向轴2移动，此时驱动组件3的第一气缸31的输出端伸出、且多个第二气缸32的输出端回缩，以带动承载盘1移动至导向轴2的第一部分21退出第一通孔11、且第二部分22穿设于第一通孔11，因此导向轴2的第二部分22与第一通孔11之间形成浮动间隙，因此承载盘1能够通过浮动间隙、以及对浮动机构4进行压缩，产生偏离第二部分22的轴向的移动。

此时抛光头可以按照实际需要从不同位置与晶圆承载装置100进行交互以取走晶圆(例如可以认为晶圆承载装置100处于抛光头交互工位)。在此状态下抛光头在从承载盘1上取走晶圆时，可对抛光头的取晶圆的交互过程进行自适应，有效地实现晶圆承载装置100和抛光头两者交互的浮动定位，从而可以满足晶圆承载装置100与抛光头的交互的自适应性要求。例如，一些抛光头包括气膜，可通过气膜吸附晶圆以取走晶圆，通过在此状态下与本申请中的晶圆承载装置100进行自适应的浮动交互，有利于抛光头在不同位置与承载盘1实现对心导向，并满足气膜取放晶圆时的柔性贴合。

由以上说明可以看出，本申请的晶圆承载装置100可以有效地同步适应机械手和抛光头的交互需求，因而可以降低了机械手放置晶圆失败和/或抛光头取片失败的可能性，有利于保证化学机械抛光设备200的正常工作，提高化学机械抛光设备200的使用效果。

根据本申请的另一方面，参照图7所示，提供了一种化学机械抛光设备200，其包括至少一个如前述的晶圆承载装置100。

在一些可选的实施例中，化学机械抛光设备200还包括：设备主体、机械手、抛光头和抛光单元；晶圆承载装置100、机械手、抛光头和抛光单元均安装于设备主体上；其中，机械手用于：在承载盘1移动至第一部分21穿设于第一通孔11的状态时，向承载盘1放置晶圆；抛光头用于：在承载盘1移动至第一部分21退出第一通孔11、且第二部分22穿设于第一通孔11的状态时，从承载盘1上取走放置于承载盘1的晶圆，以通过抛光单元对晶圆进行化学机械抛光。应理解，上述机械手、抛光头、抛光单元可以任意合适的结构实现，也可以参照相关技术理解，在此不进行赘述。

由于本申请中的化学机械抛光设备200使用了至少一个上述的晶圆承载装置100，因此在使用晶圆承载装置100进行工作时，可有效地同步适应机械手和抛光头的交互需求，从而降低了机械手放置晶圆失败和/或抛光头取晶圆失败的可能性，有利于保证化学机械抛光设备200的正常工作，提高使用效果。

以上结合附图详细描述了本申请的可选实施方式，但是，本申请并不限于此。在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型。本申请各个不同实施例包括的各个技术特征可以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本申请所公开的内容，均属于本申请的保护范围。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。需要注意，本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。