EP1137514B1 - Machine modulaire de polissage et de planarisation de substrats - Google Patents

Machine modulaire de polissage et de planarisation de substrats Download PDF

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EP1137514B1
EP1137514B1 EP99937813A EP99937813A EP1137514B1 EP 1137514 B1 EP1137514 B1 EP 1137514B1 EP 99937813 A EP99937813 A EP 99937813A EP 99937813 A EP99937813 A EP 99937813A EP 1137514 B1 EP1137514 B1 EP 1137514B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polishing
arm
unloading
loading
machine according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99937813A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1137514A1 (fr
Inventor
Marc Peltier
Lucien Grisel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mattson Wet Products GmbH
Original Assignee
Steag Elektronic Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Steag Elektronic Systems GmbH filed Critical Steag Elektronic Systems GmbH
Publication of EP1137514A1 publication Critical patent/EP1137514A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1137514B1 publication Critical patent/EP1137514B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/27—Work carriers
    • B24B37/30—Work carriers for single side lapping of plane surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/34—Accessories
    • B24B37/345—Feeding, loading or unloading work specially adapted to lapping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B41/00—Component parts such as frames, beds, carriages, headstocks
    • B24B41/02—Frames; Beds; Carriages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B53/00—Devices or means for dressing or conditioning abrasive surfaces
    • B24B53/017—Devices or means for dressing, cleaning or otherwise conditioning lapping tools

Definitions

  • the invention relates to a machine for polishing and planarizing substrates including the features contained in the preamble of claim 1.
  • Document EP-A 774 323 describes a polishing machine of the kind mentioned, making use of a carousel mechanism to bring the substrates on a polishing table having a predetermined number of positions.
  • the mechanism is located in the work area and above the polishing table. This results in risks of pollution of the substrates at the during polishing. Production must be stopped completely during maintenance or tool change operations on a given station. A such carousel machine is not expandable.
  • the document JP 63207559 on which the preamble of claim 1 is based, describes a modular machine for lapping substrates, which are stored in cassettes and extracted using a loading unit which sends them to two lapping units by through a transfer unit. After lapping, the substrate is mounted on a washing unit table, and is stored after cleaning in unloading unit cassettes.
  • Document US-A-4680893 relates to a polishing machine for semiconductor substrates, having a conventional non-modular structure, equipped with a swivel polishing arm with angular movement between a loading station, cleaning station, first station polishing station, a second polishing station, and a unloading.
  • the object of the invention is to provide a polishing machine modular, which is simpler and compact in comparison with the known machine.
  • the polishing machine according to the invention is defined in claim 1.
  • the polishing arm and the unloading can be pivotally mounted around a first vertical axis.
  • the base unit has a rotary packaging head carried by a conditioning arm, which is pivotally mounted with the loading around a second vertical axis parallel to the first axis.
  • a cleaning station is arranged between the two vertical axes, and between the polishing plate, and the first face of the cell so as to define a cleaning position for the polishing head, and concentric positions of the paddles loading, unloading, and polishing head during handling of substrates.
  • the mechanism includes a geared motor housed in the lower compartment, and coupled to a rotating shaft extending in the direction of the first axis, said shaft driving a pulley and a belt transmission housed in the polishing arm for setting rotation of the polishing head.
  • the rotating shaft extends inside a tubular column secured to the polishing arm and to a connecting rod maneuver, which is controlled by a first cylinder to ensure the pivoting of the polishing arm between the cleaning station and the polishing.
  • the unloading arm is secured to a mounted socket coaxially around the column with the interposition of a tubular sheath, bearings being arranged between the sleeve and the sheath to allow a rotary movement of the unloading arm relative to the polishing arm.
  • a control lever controlled by a second cylinder is secured to the socket to cause the angular movement of the unloading arm.
  • a similar mechanism is used to activate the conditioning arms and loading.
  • the polishing modules are built without any mechanics in the polishing area to limit all risks of pollution.
  • a base unit 10 of a polishing and planarization of substrates comprises a parallelepipedic cell 12 having a first face 14 for loading and unloading, a second face 16 opposite parallel for access to work and control areas, and third and fourth faces 18, 20 formed by solid walls not accessible, perpendicular to the first and second faces 14, 16.
  • the interior of a cell 12 is subdivided into three compartments 22, 24, 26 superimposed, comprising a lower compartment 22 for housing the drive mechanisms 28, 30, an intermediate working compartment 24, and an upper compartment 26 containing an automaton 34 of command and control of the operating cycle of the base unit 10.
  • the working compartment 24 is accessible from the second face 16 by a door 36, and contains a rotary polishing plate 38 equipped on its face upper of a fabric for receiving the liquid abrasive product.
  • the fabric is polyurethane base, but any other material can be used to be soaked with abrasive liquid.
  • a polishing head 40 provided with a rack 42 intended applying a substrate to the polishing plate 38.
  • the polishing head 40 is carried on a polishing arm 44, which is pivotally mounted around a first vertical axis 46 with a predetermined angular offset.
  • the rack 42 of the substrate is rotated by means a belt transmission 43 integrated in the arm 44, and described in detail thereafter with reference to FIG. 5.
  • the polishing head 40 can be actuated in vertical translation according to the direction of arrow F1 between a raised position and a lowered position. In the raised position, the substrate is not in contact with the platen polishing 38 (case of Figure 2).
  • the actuation of the polishing head 40 towards the lowered position occurs by pneumatic or hydraulic control (not shown) controlled from an energy accumulator 32 housed in the compartment lower 22.
  • the substrate bears against the polishing plate 38, and undergoes the polishing cycle according to the parameters recorded in the controller 34.
  • the routing of the substrate to the head of polishing 40 intervenes by means of a loading pallet 48 carried by a movable loading arm 50, which is pivotally mounted around a second vertical axis 52 parallel to the first axis 46, and separated from it the latter by a cleaning station 54.
  • the loading arm 50 is capable of occupying a position A for loading the pallet 48 and a position B for transfer to the cleaning station 54.
  • the polishing arm 44 can also be moved to position B of the cleaning station 54 for recovering the substrate conveyed by the arm of loading 50, and to bring back the polished substrate at the end of the polishing cycle.
  • the polished substrate is then evacuated to an unloading pallet 56 carried by an unloading arm 58, which is articulated on the first axis vertical 46 between an unloading position C for the pallet 56, and the transfer position B on the cleaning station 54.
  • the regeneration of the fabric on the polishing plate 38 occurs after one or more several polishing cycles by means of a conditioning head 60 rotary, carried by a movable conditioning arm 62, which is mounted at pivoting around the second vertical axis 52 between a rest position D, and a working position E.
  • a conditioning head 60 rotary, carried by a movable conditioning arm 62, which is mounted at pivoting around the second vertical axis 52 between a rest position D, and a working position E.
  • the conditioning head 60 In the rest position D shown in the Figure 1, the conditioning head 60 is waiting outside the surface polishing.
  • the transition to the working position E is carried out by pivoting of the conditioning arm 62 anticlockwise a watch, followed by the descent of the conditioning head 60 onto the polishing plate 38.
  • the rotation of the conditioning head 60 removes the polishing particles, which are discharged to a drain pan (not shown).
  • the injection of liquid abrasive products takes place above the polishing 38 by means of supply ducts attached to the head polishing 40 or at the edge of the tank, and connected to a container in the lower compartment 22. Solenoid valves and pumps are controlled by PLC 34 to control the start-up or stop of the flow abrasive liquid on the polishing plate 38.
  • the substrates are constituted, for example, by semiconductor wafers of cylindrical shapes, in particular based on silicon. It's clear that the invention can be applied to any other field of chemical mechanical polishing.
  • the operation of the base polishing unit 10 is as follows:
  • the operator opens the doors on the side of the first face 14 to install a sample on the loading pallet 48.
  • the doors are closed then followed by locking the sample on the loading pallet 48, and a pivoting of the polishing arm 44 to bring the head 40 into the position B on the cleaning station 54.
  • the loading arm 50 pivots around the axis 52 towards the cleaning station 54 to position the pallet loading 48 under the head 40.
  • the polishing head 40 is actuated automatically to the lowered position for gripping the sample.
  • the head 40 then returns to the raised position, followed by the return of the polishing arm 44 to the working position on the polishing plate 38.
  • the polishing of the sample can then start after injection of the liquid abrasive products.
  • the loading arm 50 reposition the pallet 48 in position A to authorize the loading of the next sample.
  • the head 40 At the end of the polishing cycle of the first sample, and of the rinsing on the tray 38, the head 40 is moved to the raised position, followed by movement of the polishing arm 44 towards position B on the station cleaning 54. After actuation of the head towards the lowered position, the polishing head 40 and polished sample assembly is rinsed with jets of water. The head 40 then returns to the raised position, and the arm of unloading brings the unloading pallet 56 to position B under the head 40. The sample is then deposited and locked on the pallet of unloading 56, and the unloading arm 58 reposition the pallet 56 in position C.
  • the polishing head 40 descends into the lowered position to be cleaned in cleaning station 54, then returns to the raised position, ready to enter the second sample presented on the loading pallet 48 after pivoting of the loading arm 50 towards position B.
  • the rest of the process is identical to that described previously.
  • the work of regeneration of the tissue on the tray 38 by means of the head 60 rotary packaging can intervene during the polishing operation, or when the polishing head 40 is in the cleaning station 54. It just move the conditioning arm 62 to position E to remove the polishing particles from the plate 38.
  • an individual loading module 64 is juxtaposed with the first face 14 of the base unit 10, opposite the loading pallet 48.
  • the module 64 comprises a loading cassette 66 containing a plurality of polishing samples stored in the individual cells.
  • a handling system 68 is mounted on the fixed support 69 to extract the samples from cassette 66, and the carriers individually on the loading pallet 48.
  • the loading module 64 is activated by the automaton 34 following a request for a sample sent by the post of polishing.
  • the samples are arranged vertically extending parallel to the face 14 of the base unit 10.
  • An individual unloading module 70 is placed next to the loading 64, and opposite the unloading pallet 56.
  • the module unloading 70 is identical to loading module 64, and comprises a cassette 72 for receiving the samples after polishing, and a support 74 cassette to keep the cassette submerged.
  • a system of handling 76 identical to that of loading module 64, is capable of extracting the samples from the unloading pallet 56, and place them vertically in the receiving cassette 72 in the cells predetermined extending parallel to the face 14.
  • the drive mechanism 28 comprises a geared motor housed in the lower compartment 22 and mechanically coupled to a rotary shaft 78 extending along the vertical axis 46 inside a tubular column 80 secured to the polishing arm 44.
  • Bearings 82, 84 are arranged between the shaft 78 and the column 80, and the upper end splined 85 of the rotary shaft 78 is fixed to a pulley 86 associated with the belt transmission 43 of the polishing head 40.
  • the belt 43 extends perpendicular to the vertical axis 46, inside the polishing arm 44, and the column 80 rotates around the shaft 78 during the pivoting of the arm of polishing 44 under the action of an operating rod 88 controlled by a first cylinder (not shown).
  • the unloading arm 58 is secured to a socket 90 mounted coaxially around the column 80 with interposition of a tubular sheath 92. 94.96 bearings between the socket 90 and furnace 92 allow relative pivoting movement of the arm unloading 58 with respect to the polishing arm 44.
  • the travel angle of the unloading arm 58 is operated by means of a lever control 98 subject to socket 90, and capable of being actuated by means a second cylinder (not shown).
  • the height adjustment of the polishing 44 is ensured by an adjustment device 100 with tie rods 102.
  • the drive mechanism 30 with vertical axis 52 of the arm of packaging 62 and loading arm 50 is of the same type as that described with reference to Figure 5.
  • an inter-station transfer module 104 cooperates with two base units 10, 10A joined to one another by their faces 18, 20 respective.
  • a charging module 64 is associated with the base unit 10
  • an unloading module 70 is associated with the other adjacent unit 10A.
  • the transfer module 104 is interposed between the two modules 64, 70, and allows in the same polishing action to perform an operation in two steps.
  • the transfer module 104 comprises a slide 105 intended to be move in translation to take a sample on the pallet unloading 56 from unit 10, and put it on the loading pallet 48 of unit 10A.
  • FIG. 7 shows another version of the transfer module 106 using a arm 108 pivoting between two extreme positions located vertically pallets 56, 48 respectively of units 10, 10A.
  • Figure 8 shows multi-user equipment, which consists of four base units 10, 10A, 10B, 10c arranged in line, and cooperating with a robot 110 moving in translation along the aligned faces 14 of the different units 10, 10A, 10B, 10C.
  • the robot 110 ensures the connection of the units with a centralized 112 loading / unloading module, placed in front the base unit 10.
  • the loading / unloading module 112 makes it possible to work with two loading cassettes and two unloading. Thanks to access protections, it is possible to unload and change the set of tapes that was polished while the next set is during work. This avoids waiting for the complete emptying of the machine to relaunch on the next production, thereby resulting in a gain of productivity.
  • Each base unit 10, 10A, 10B, 10C is autonomous thanks to the integration of its own elements of loading and unloading. By the independence of the unit from transfer robot 110, the unit maximizes its time available for the polishing for increased productivity.
  • Control of the assembly by a supervision system allows flexible configuration of the machine. Total freedom is left in the assignment of each station to a given polishing operation, as well as defining the list of operations to be performed on each sample. Reconfiguration is automatic, when, for an event intervening during production, a polishing station becomes unavailable. In this case, the machine management organizes the flow of samples to account for this new situation, and continue the production in this new context.
  • each station allows access to a unit of base previously declared unavailable for maintenance operations without this representing a risk for the intervener.
  • Figure 9 shows a variant of multi-user equipment in which the two base units 10B, 10C are arranged facing the other two units 10, 10A with interposition of the transfer robot 110.
  • Figure 10 shows the rear view of the multi-user equipment in Figure 8.
  • the base units 10, 10A, 10B, 10C have no mechanism in the intermediate compartment where polishing takes place, so that avoid any risk of pollution. All of the mechanics and the system pneumatic is integrated in the lower compartments 22 of the units. All the handling faces 16 are thus accessible for the change of tools, and of the consumable fabric of the polishing plates 38.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Multi-Process Working Machines And Systems (AREA)
  • Grinding-Machine Dressing And Accessory Apparatuses (AREA)
  • Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)

Description

Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à une machine de polissage et de planarisation de substrats comprenant les caractéristiques contenues dans le préambule de la revendication 1.
Etat de la technique antérieure
Le document EP-A 774 323 décrit une machine de polissage du genre mentionné, faisant usage d'un mécanisme à carrousel pour amener les substrats sur une table de polissage ayant un nombre prédéterminé de postes. Le mécanisme est disposé dans la zone de travail et au-dessus de la table de polissage. Il en résulte des risques de pollution des substrats au cours du polissage. La production doit être arrêtée totalement lors des opérations d'entretien ou de changement d'outils sur un poste donné. Une telle machine à carrousel n'est pas extensible.
Le document JP 63207559, sur lequel le préambule de la revendication 1 est basé, décrit une machine modulaire pour roder des substrats, lesquels sont rangés dans des cassettes et extraites au moyen d'une unité de chargement qui les envoie vers deux unités de rodage par l'intermédiaire d'une unité de transfert. Après rodage, le substrat est monté sur une table d'une unité de lavage, et est rangé après nettoyage dans des cassettes d'une unité de déchargement.
Le document US-A-4680893 se rapporte à une machine de polissage de substrats semiconducteurs, ayant une structure classique non modulaire, équipée d'un bras pivotant de polissage à débattement angulaire entre une station de chargement, une station de nettoyage, une première station de polissage, une deuxième station de polissage, et une station de déchargement.
Objet de l'invention
L'objet de l'invention consiste à réaliser une machine de polissage modulaire, qui est plus simple et compacte en comparaison avec la machine connue.
La machine de polissage selon l'invention est définie dans la revendication 1.
Le bras de polissage et le bras de déchargement peuvent être montés à pivotement autour d'un premier axe vertical. L'unité de base comporte une tête de conditionnement rotative portée par un bras de conditionnement, lequel est monté à pivotement avec le bras de chargement autour d'un deuxième axe vertical parallèle au premier axe .
Selon un mode de réalisation préférentiel, une station de nettoyage est agencée entre les deux axes verticaux, et entre le plateau de polissage, et la première face de la cellule de manière à définir une position de nettoyage de la tête de polissage, et des positions concentriques des palettes de chargement, de déchargement, et de la tête de polissage lors des manipulations des substrats. Le mécanisme comporte un motoréducteur logé dans le compartiment inférieur, et accouplé à un arbre rotatif s'étendant dans la direction du premier axe, ledit arbre entraínant une poulie et une transmission à courroie logée dans le bras de polissage pour la mise en rotation de la tête de polissage. L'arbre rotatif s'étend à l'intérieur d'une colonne tubulaire solidarisée au bras de polissage et à une bielle de manoeuvre, laquelle est pilotée par un premier vérin pour assurer le pivotement du bras de polissage entre la station de nettoyage, et le plateau de polissage. Le bras de déchargement est solidarisé à une douille montée coaxialement autour de la colonne avec interposition d'un fourreau tubulaire, des roulements étant agencés entre la douille et le fourreau pour autoriser un mouvement rotatif du bras de déchargement par rapport au bras de polissage. Un levier de commande piloté par un deuxième vérin est assujetti à la douille pour provoquer le débattement angulaire du bras de déchargement.
Un mécanisme similaire est utilisé pour actionner les bras de conditionnement et de chargement.
La machine complète, configurée à la demande de l'utilisateur peut présenter des structures très différentes :
  • module de polissage isolé utilisé en chargement manuel.
  • module de polissage isolé équipé d'un module de chargement et d'un module de déchargement permettant de travailler en mode automatique sur une cassette de tranche complète.
  • deux ou plusieurs modules de polissage juxtaposés avec transfert de tranche entre chaque module, ceci réalisant un procédé de polissage de type série sur les divers postes constituant l'équipement. Cet ensemble peut être équipé des modules de chargement et déchargement vers la cassette pour en faire un système automatique.
  • deux ou plusieurs modules juxtaposés avec un système de chargement par robot liant les modules de polissage à un module de chargement/déchargement / transfert centralisé. Cette structure autorise tout type de parcours des pièces entre les différents modules de polissage. Chaque module de polissage est configuré sur un procédé élémentaire donné, le pilotage de la machine organise le parcours des tranches pour respecter les étapes de polissage successives (et de mesure éventuelle) définies par l'utilisateur. La même étape élémentaire de polissage peut être affectée à plusieurs modules de polissage pour optimiser la productivité globale de la machine.
Les modules de polissage sont construits sans aucune mécanique dans la zone de polissage pour limiter tous les risques de pollution.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique en plan d'une unité de base de la machine de polissage selon l'invention;
  • la figure 2 montre une vue selon la flèche 2 de la figure 1;
  • la figure 3 représente l'unité de base de la figure 1 avec des modules de chargement et de déchargement individuels;
  • la figure 4 montre une variante de la figure 3;
  • la figure 5 est une vue à échelle agrandie et en coupe selon la ligne 5-5 de la figure 1;
  • les figures 6 et 7 montrent un équipement à deux unités de base et à module de transfert, respectivement coulissant et pivotant;
  • la figure 8 représente un (équipement multipostes à quatre unités en ligne, commandées par un robot;
  • la figure 9 est une variante d'équipement de la figure 8;
  • la figure 10 est une vue retournée selon la flèche 10 de la figure 8.
Description d'un mode de réalisation préférentiel
Sur les figures 1 et 2, une unité de base 10 d'une machine de polissage et de planarisation de substrats, comporte une cellule 12 parallépipédique ayant une première face 14 de chargement et de déchargement, une deuxième face 16 opposée parallèle pour l'accès au zones de travail et de commande, et des troisième et quatrième faces 18, 20 formées par des parois pleines non accessibles, perpendiculaires aux première et deuxième faces 14, 16.
L'intérieur d'une cellule 12 est subdivisé en trois compartiments 22, 24, 26 superposés, comprenant un compartiment inférieur 22 de logement des mécanismes d'entraínement 28, 30, un compartiment intermédiaire de travail 24, et un compartiment supérieur 26 renfermant un automate 34 de commande et de contrôle du cycle de fonctionnement de l'unité de base 10.
Le compartiment de travail 24 est accessible depuis la deuxième face 16 par une porte 36, et contient un plateau de polissage 38 rotatif équipé sur sa face supérieure d'un tissu de réception du produit abrasif liquide. Le tissu est à base de polyuréthanne, mais tout autre matériau peut être utilisé pour être imbibé par le liquide abrasif. Au-dessus du plateau de polissage 38 de forme circulaire est agencée une tête de polissage 40 dotée d'un portoir 42 destiné à appliquer un substrat sur le plateau de polissage 38. La tête de polissage 40 est portée sur un bras de polissage 44, lequel est monté à pivotement autour d'un premier axe vertical 46 avec un décalage angulaire prédéterminé. Le portoir 42 du substrat est animé d'un mouvement de rotation au moyen d'une transmission à courroie 43 intégrée dans le bras 44, et décrite en détail par la suite en référence à la figure 5.
La tête de polissage 40 peut être actionnée en translation verticale selon la direction de la flèche F1 entre une position relevée et une position abaissée. Dans la position relevée, le substrat n'est pas en contact avec le plateau de polissage 38 (cas de la figure 2).
L'actionnement de la tête de polissage 40 vers la position abaissée intervient au moyen d'une commande pneumatique ou hydraulique (non représentée) pilotée à partir d'un accumulateur d'énergie 32 logé dans le compartiment inférieur 22. Dans cette position abaissée, le substrat vient en appui contre le plateau de polissage 38, et subit le cycle de polissage selon les paramètres enregistrés dans l'automate 34. L'acheminement du substrat vers la tête de polissage 40 intervient au moyen d'une palette de chargement 48 portée par un bras de chargement 50 mobile, lequel est monté à pivotement autour d'un deuxième axe vertical 52 parallèle au premier axe 46, et séparé des ce dernier par une station de nettoyage 54. Le bras de chargement 50 est susceptible d'occuper une position A de chargement de la palette 48 et une position B de transfert vers la station de nettoyage 54.
Le bras de polissage 44 est également déplaçable vers la position B de la station de nettoyage 54 pour récupérer le substrat acheminé par le bras de chargement 50, et pour ramener le substrat poli en fin de cycle de polissage. Le substrat poli est ensuite évacué vers une palette de déchargement 56 portée par un bras de déchargement 58, lequel est articulé sur le premier axe vertical 46 entre une position C de déchargement pour la palette 56, et la position B de transfert sur la station de nettoyage 54.
La régénération du tissu sur le plateau de polissage 38 intervient après un ou plusieurs cycles de polissage au moyen d'une tête de conditionnement 60 rotative, portée par un bras de conditionnement 62 mobile, lequel est monté à pivotement autour du deuxième axe vertical 52 entre une position de repos D, et une position de travail E. Dans la position de repos D représentée à la figure 1, la tête de conditionnement 60 est en attente à l'extérieur de la surface de polissage. Le passage vers la position de travail E s'effectue par pivotement du bras de conditionnement 62 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, suivi de la descente de la tête de conditionnement 60 sur le plateau de polissage 38. La rotation de la tête de conditionnement 60 enlève les particules de polissage, lesquelles sont évacuées vers un bac de vidange (non représenté).
L'injection des produits abrasifs liquides s'effectue au-dessus du plateau de polissage 38 au moyen de conduits d'alimentation attachés à la tête de polissage 40 ou au bord de la cuve, et reliés à un récipient dans le compartiment inférieur 22. Des électrovannes et des pompes sont pilotées par l'automate 34 pour commander la mise en service ou l'arrêt de l'écoulement du liquide abrasif sur le plateau de polissage 38.
Les substrats sont constitués à titre d'exemple par des tranches de semiconducteurs de formes cylindriques, notamment à base de silicium. Il est clair que l'invention peut s'appliquer à tout autre domaine de polissage mécano-chimique.
Le fonctionnement de l'unité de base 10 de polissage est le suivant :
L'opérateur ouvre les portes du côté de la première face 14 pour poser un échantillon sur la palette de chargement 48. La fermeture des portes est ensuite suivie d'un verrouillage de l'échantillon sur la palette de chargement 48, et d'un pivotement du bras de polissage 44 pour amener la tête 40 dans la position B sur la station de nettoyage 54. Le bras de chargement 50 pivote autour de l'axe 52 vers la station de nettoyage 54 pour positionner la palette de chargement 48 sous la tête 40. Après déverrouillage de l'échantillon de la palette de chargement 48, la tête de polissage 40 est actionnée automatiquement vers la position abaissée pour la préhension de l'échantillon. La tête 40 revient ensuite en position relevée, suivi du retour du bras de polissage 44 vers la position de travail sur le plateau de polissage 38. Le polissage de l'échantillon peut ensuite démarrer après injection des produits abrasifs liquides. Le bras de chargement 50 repositionne la palette de chargement 48 dans la position A pour autoriser le chargement de l'échantillon suivant.
A la fin du cycle de polissage du premier échantillon, et du rinçage sur le plateau 38, la tête 40 est déplacée vers la position relevée, suivie du déplacement du bras de polissage 44 vers la position B sur la station de nettoyage 54. Après actionnement de la tête vers la position abaissée, l'ensemble tête de polissage 40 et échantillon poli subit un rinçage par jets d'eau. La tête 40 revient ensuite dans la position relevée, et le bras de déchargement amène la palette de déchargement 56 dans la position B sous la tête 40. L'échantillon est ensuite déposé et verrouillé sur la palette de déchargement 56, et le bras de déchargement 58 repositionne la palette 56 dans la position C.
La tête de polissage 40 redescend en position abaissée pour être nettoyée dans la station de nettoyage 54, puis revient en position relevée, prête à saisir le deuxième échantillon présenté sur la palette de chargement 48 après pivotement du bras de chargement 50 vers la position B. Le reste du processus est identique à celui décrit préalablement. Le travail de régénération du tissu sur le plateau 38 au moyen de la tête de conditionnement 60 rotative peut intervenir pendant l'opération de polissage, ou lorsque la tête de polissage 40 se trouve dans la station de nettoyage 54. Il suffit de déplacer le bras de conditionnement 62 vers la position E pour procéder à l'enlèvement des particules de polissage sur le plateau 38.
A l'unité de base 10 à chargement manuel décrite en référence aux figures 1 et 2, peuvent être adjoints des modules complémentaires permettant de travailler en mode automatique pour la circulation des substrats ou échantillons. Les différents modules pouvant être associés à une unité de base 10, sont les suivants :
  • un module de chargement individuel robotisé,
  • un module de déchargement individuel robotisé,
  • un module de transfert inter-poste de polissage ;
  • un système intégré de chargement / déchargement avec gestion centralisée du flux des substrats.
Sur la figure 3, un module de chargement individuel 64 est juxtaposé à la première face 14 de l'unité de base 10, en regard de la palette de chargement 48.
Le module 64 comporte une cassette de chargement 66 contenant une pluralité d'échantillons à polir rangés dans les alvéoles individuels. Un système de manipulation 68 est monté sur le support fixe 69 pour extraire les échantillons de la cassette 66, et les transporteurs individuellement sur la palette de chargement 48. Le module de chargement 64 est activé par l'automate 34 suite à une demande d'échantillon émise par la poste de polissage. Les échantillons sont disposés verticalement en s'étendant parallèlement à la face 14 de l'unité de base 10.
Le cycle de fonctionnement du module de chargement 64 comporte les étapes successives suivantes :
  • déplacement du système de manipulation 68 vers l'échantillon à polir se trouvant dans une alvéole prédéterminée de la cassette de chargement 66,
  • extraction de l'échantillon, et orientation de l'échantillon de manière à positionner la face à polir vers le bas,
  • transfert de l'échantillon vers la palette de chargement 48 selon un mouvement de translation perpendiculaire à la face 14,
  • dépose de l'échantillon sur la palette de chargement 48,
  • retrait du système de manipulation 68 et positionnement vers le prochain échantillon à polir.
Un module de déchargement individuel 70 est placé à côté du module de chargement 64, et en regard de la palette de déchargement 56. Le module de déchargement 70 est identique au module de chargement 64, et comporte une cassette de réception 72 des échantillons après polissage, et un support 74 de cassette permettant de maintenir la cassette immergée. Un système de manipulation 76 identique à celui 68 de module de chargement 64, est susceptible d'extraire les échantillons de la palette de déchargement 56, et de les déposer verticalement dans la cassette de réception 72 dans les alvéoles prédéterminés s'étendant parallèlement à la face 14.
Le cycle de fonctionnement du module de déchargement 70 comprend les étapes successives suivantes :
  • déplacement du système de manipulation 76 vers la palette de déchargement 56,
  • extraction d'un échantillon poli entreposé sur la palette 56,
  • transfert de l'échantillon vers la cassette de réception 72, et dépose dans une alvéole de ladite cassette,
  • déplacement du système de manipulation 76 vers une position d'attente.
Dans la variante de la figure 4, les échantillons au lieu d'être disposés verticalement, sont rangés horizontalement dans les cassettes 66, 72 respectives des modules de chargement et de déchargement 64, 70. Le fonctionnement des cycles est identique à celui décrit précédemment en référence à la figure 3.
Sur la figure 5, le mécanisme d'entraínement 28 comprend un motoréducteur logé dans le compartiment inférieur 22 et accouplé mécaniquement à un arbre 78 rotatif s'étendant le long de l'axe vertical 46 à l'intérieur d'une colonne 80 tubulaire solidarisée au bras de polissage 44. Des roulements 82, 84 sont disposés entre l'arbre 78 et la colonne 80, et l'extrémité supérieure cannelée 85 de l'arbre 78 rotatif est fixée à une poulie 86 associée à la transmission à courroie 43 de la tête de polissage 40. La courroie 43 s'étend perpendiculairement à l'axe vertical 46, à l'intérieur du bras de polissage 44, et la colonne 80 tourne autour de l'arbre 78 lors du pivotement du bras de polissage 44 sous l'action d'une bielle de manoeuvre 88 pilotée par un premier vérin (non représenté). Le bras de déchargement 58 est solidarisé à une douille 90 montée coaxialement autour de la colonne 80 avec interposition d'un fourreau 92 tubulaire. Des roulements 94,96 entre la douille 90 et le fourneau 92 permettent un mouvement relatif en pivotement du bras de déchargement 58 par rapport au bras de polissage 44. Le débattement angulaire du bras de déchargement 58 est opéré au moyen d'un levier de commande 98 assujetti à la douille 90, et pouvant être actionné au moyen d'un deuxième vérin (non représenté). Le réglage en hauteur du bras de polissage 44 est assuré par un dispositif d'ajustage 100 à tirants 102.
Le mécanisme d'entraínement 30 à axe vertical 52 du bras de conditionnement 62 et du bras de chargement 50 est de même type que celui décrit en référence à la figure 5.
En référence à la figure 6, un module de transfert 104 inter-poste coopère avec deux unités de base 10, 10A accolées l'une à l'autre par leurs faces 18, 20 respectives. Un module de chargement 64 est associé à l'unité de base 10, et un module de déchargement 70 est associé à l'autre unité 10A adjacente. Le module de transfert 104 est intercalé entre les deux modules 64, 70, et permet dans la même action de polissage de réaliser une opération en deux étapes. Le module de transfert 104 comporte un coulisseau 105 destiné à se déplacer en translation pour prendre un échantillon sur la palette de déchargement 56 de l'unité 10, et la mettre sur la palette de chargement 48 de l'unité 10A.
La figure 7 montre une autre version du module de transfert 106 utilisant un bras 108 pivotant entre deux positions extrêmes situées à la verticale des palettes 56, 48 respectives des unités 10, 10A.
La figure 8 montre un équipement multipostes, lequel est composé de quatre unités de base 10 , 10A, 10B, 10c disposées en ligne, et coopérant avec un robot 110 se déplaçant en translation le long des faces 14 alignées des différentes unités 10, 10A, 10B, 10C. Le robot 110 assure la liaison des unités avec un module de chargement / déchargement 112 centralisé, placé devant l'unité de base 10. Le module de chargement / déchargement 112 permet de travailler avec deux cassettes de chargement et deux cassettes de déchargement. Grâce à des protections d'accès , il est possible de décharger et de changer le jeu de cassettes qui a été poli pendant que le jeu suivant est en cours de travail. Cela évite d'attendre le vidage complet de la machine pour relancer sur la production suivante, entraínant de ce fait un gain de productivité.
Le transport des échantillons se fait dans un tunnel 114 humide par projection d'eau pour protéger les échantillons. Chaque unité de base 10, 10A, 10B, 10C est autonome grâce à l'intégration de ses propres éléments de chargement et déchargement. Par l'indépendance de l'unité par rapport au robot de transfert 110, l'unité maximise son temps disponible pour le polissage pour une productivité accrue.
La commande de l'ensemble par un système de supervision (non représenté) permet une configuration souple de la machine. Une liberté totale est laissée dans l'affectation de chaque poste à une opération de polissage donnée, ainsi qu'à la définition de la liste des opérations à réaliser sur chaque échantillon. La reconfiguration est automatique, quand, pour un événement intervenant pendant la production, un poste de polissage devient indisponible. Dans ce cas, la gestion de la machine organise le flux des échantillons pour tenir compte de cette nouvelle situation, et continuer la production dans ce nouveau contexte.
La structure mécanique de chaque poste permet d'accéder dans une unité de base préalablement déclarée indisponible pour des opérations d'entretien sans que cela représente un risque pour l'intervenant. En particulier, il est possible de changer le plateau de polissage 38, ou une tête de polissage 40, ou de conditionnement 60, pendant que la production continue sur le reste de la machine. Il en résulte une augmentation de la productivité globale de l'équipement.
La figure 9 montre une variante d'équipement multipostes dans laquelle les deux unités de base 10B, 10C sont disposés au regard des deux autres unités 10, 10A avec interposition du robot de transfert 110.
Il est clair qu'un nombre différent d'unités de base peut être utilisé en fonction du nombre d'échantillons, et des cycles de polissage souhaités.
La figure 10 représente la vue arrière de l'équipement multipostes de la figure 8. Les unités de base 10, 10A, 10B, 10C ne présentent aucun mécanisme dans le compartiment intermédiaire où intervient le polissage, de manière à éviter tout risque de pollution. L'ensemble de la mécanique et du système pneumatique est intégré dans les compartiments inférieurs 22 des unités. Toutes les faces 16 de manutention sont ainsi accessibles pour le changement des outils, et du tissu consommable des plateaux de polissage 38.

Claims (15)

  1. Machine de polissage et de planarisation de substrats, comprenant au moins une unité de base (10, 10A, 10B, 10C) en forme de cellule (12) parallépipédique, ayant :
    une première face (14), une troisième et une quatrième faces (18, 20) à parois pleines transversales s'étendant perpendiculairement à la première face (14),
    au moins un plateau de polissage (38) rotatif sur lequel est poli un substrat,
    une tête de polissage (40) mobile en translation entre une position relevée, et une position abaissée, et pourvue d'un portoir (42) de maintien du substrat,
    un bras de polissage (44) pivotant destiné à déplacer la tête de polissage (40) pour récupérer le substrat à polir sur la palette de chargement (48), et pour l'acheminer après polissage sur une palette de déchargement (56),
    au moins un mécanisme (28, 30) pour l'entraínement en rotation (28) du plateau de polissage (38) et du portoir (42) de la tête de polissage (40), et le déplacement alterné du bras de polissage (44), et des palettes (48, 56) de chargement et de déchargement portées respectivement par un bras de chargement (50) et un bras de déchargement (58) à fonctionnements indépendants l'un de l'autre,
    et un automate (34) de commande du mécanisme (28, 30) au cours du cycle de polissage,
    caractérisé en ce que :
    la première face est une face de chargement et de déchargement,
    une deuxième face (16) de l'unité de base (10, 10A, 10B, 10C) à l'opposé de la première face (14) donne accès à la zone de travail située dans le compartiment intermédiaire (24),
    le mécanisme (28, 30) est situé dans le compartiment inférieur (22) sous le compartiment intermédiaire (24) de la cellule (12), alors que l'automate (34) de l'unité de base (10) est disposé dans le compartiment supérieur (26), le mécanisme (28, 30) étant accessible du côté de la deuxième face (16), et les palettes de chargement et de déchargement étant accessibles toutes les deux du côté de la première face (14),
    une station de nettoyage (54) est agencée entre le plateau de polissage (38) et la première face (14) de la cellule (12), de manière à définir une position de nettoyage de la tête de polissage (40), et des positions concentriques des palettes de chargement (48) et de déchargement (56), et de la tête de polissage (40) lors des manipulations des substrats.
  2. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bras de polissage (44) et le bras de déchargement (58) sont montés à pivotement autour d'un premier axe vertical (46).
  3. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'unité de base (10, 10A, 10B, 10C) comporte une tête de conditionnement (60) rotative portée par un bras de conditionnement (62), lequel est monté à pivotement avec le bras de chargement (50) autour d'un deuxième axe vertical (52) parallèle au premier axe (46).
  4. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le mécanisme (28) comporte un motoréducteur logé dans le compartiment inférieur (22), et accouplé à un arbre (78) rotatif s'étendant dans la direction du premier axe (46), ledit arbre (78) entraínant une poulie (86) et une transmission à courroie (43) logée dans le bras de polissage (44) pour la mise en rotation de la tête de polissage (40).
  5. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'arbre (78) rotatif s'étend à l'intérieur d'une colonne (80) tubulaire solidarisée au bras de polissage (44) et à une bielle de manoeuvre (88), laquelle est pilotée par un premier vérin pour assurer le pivotement du bras de polissage (44) entre la station de nettoyage (54), et le plateau de polissage (38).
  6. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le bras dé déchargement (58) est solidarisé à une douille (90) montée coaxialement autour de la colonne (80) avec interposition d'un fourreau (92) tubulaire, des roulements (94, 96) étant agencés entre la douille (90) et le fourreau (92) pour autoriser un mouvement rotatif du bras de déchargement (58) par rapport au bras de polissage (44).
  7. Machine de polissage et de planansation selon la revendication 6, caractérisée en ce que un levier de commande (98) piloté par un deuxième vérin est assujetti à la douille (90) pour provoquer le débattement angulaire du bras de déchargement (58).
  8. Machine de polissage et de planarisation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que un module de chargement individuel (64) est juxtaposé à la première face (14) dune unité de base (10) en regard de la palette de chargement (48), ledit module ayant une cassette de chargement (66) renfermant une pluralité de substrats rangés horizontalement ou verticalement.
  9. Machine de polissage et de planarisation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que un module de déchargement individuel (70) est juxtaposé à la première face (14) de l'unité de base (10, 10A) en regard de la palette de déchargement (56), ledit module ayant une cassette de réception (72) des substrats polis, lesquels peuvent être rangés horizontalement ou verticalement.
  10. Machine de polissage et de planarisation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'un module de transfert (104, 106) interpostes coopère avec deux unités de base (10, 10A) accolées l'une à l'autre par leur faces transversales (18, 20) respectives, pour réaliser une opération de polissage en deux étapes, après acheminement de la palette de déchargement (56) de l'une des unités (10) vers la palette de chargement (48) de l'autre unité (10A).
  11. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le module de transfert (104) comporte un coulisseau (105) déplaçable en translation entre les deux unités (10, 10A).
  12. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le module de transfert (106) comporte un bras (108) pivotant entre la palette de déchargement (56) de l'unité (10), et la palette de chargement (48) de l'autre unité (10A).
  13. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que plusieurs unités de base (10, 10A, 10B, 10C) sont associées avec un module de chargement / déchargement (112), et coopèrent avec un robot (110) programmé se déplaçant en translation le long des faces (14) alignées des différentes unités, et à l'intérieur d'un tunnel (114) humide et à projection d'eau.
  14. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 13, caractérisée en ce que les unités de base (10, 10A, 10B, 10C) sont disposées en ligne.
  15. Machine de polissage et de planarisation selon la revendication 13, caractérisée en ce que les unités de base (10, 10A) sont disposées en tandem avec d'autres unités (10B, 10C) pour définir un couloir intercalaire de passage du robot (110).
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