专利名称：硅片单面化学机械抛光方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于硅片化学机械抛光方法和设备技术领域，尤其是一种硅片化学机械抛 光的方法和装置。
背景技术：
硅片传统生产工艺通常主要由单晶生长、切片、倒角、抛光、清洗以及最终的包装 等工艺过程来完成，每一道工序都是由相应的设备来支撑。随着集成电路制造技术的快速发展，硅片直径的增大，对硅片的表面质量提出了 更高的要求。200mm硅片可以通过硅片双面研磨和抛光工艺就可满足应用要求。但对300mm 硅片，应用中对硅片的正面不仅要求很高的全局平整度精度，而且要求更高的局部平整度 和微粗糙度精度。例如，满足65nm制造工艺要求的硅片，硅片正面要求全局平整度(GBIR) 小于1微米，局部平整度(SFQR)小于0. 07微米，微粗糙度小于0.2纳米。在制造工艺中，由 于硅片直径的增大，机械强度降低。为了去除硅片制造工艺中产生的较差的全局平整度和 硅片表面损伤层等问题，硅片的平面抛光工艺采取二步抛光工艺，首先采用双面抛光工艺， 使硅片不仅产生一个较好的几何面型精度，而且消除了硅片表面大部分损伤层。硅片的双 面抛光一般是多片同时抛光工艺，可提高生产效率。硅片通过双面抛光工艺后，表面质量仍 然残留着部分损伤层和双面抛光工艺带来的抛光缺陷，一般称之为Haze缺陷。为了消除或 者降低硅片双面抛光产生的表面haze缺陷，进一步提高硅片的表面质量，通常还需采用硅 片的第二步抛光工艺，即硅片的单面抛光工艺(一般称之为硅片HazePolishing)达到应用 要求。在本发明之前的硅片单面抛光工艺中，一般采用二台抛光设备组合的抛光工艺， 即硅片在其中一台抛光设备上完成硅片初抛光后，再将硅片转至第二台抛光设备上完成硅 片精抛光。这一抛光工艺的缺点是硅片在二次抛光工艺中的滞留时间增长，而且初抛光 后，硅片上残留的抛光液对硅片有进一步腐蚀作用，影响硅片精抛光后的表面质量。同时二 台抛光设备的采用，增加了硅片生产线对抛光设备的调整次数以及硅片转运的辅助环节。为了消除这一工艺缺陷，硅片单面抛光工艺出现了将硅片的初抛光和精抛光工艺 集成在一台设备上完成的工艺方法_即双台抛光工艺，实现双台抛光工艺方法的抛光设备 具初抛光台和精抛光台。但是经过双台抛光工艺后，硅片表面仍残留抛光液，对硅片产生腐 蚀作用。为了消除这一缺陷，目前也有将集成电路制造中的平坦化(CMP)工艺设备采用的 后清洗系统集成在硅片单面抛光设备中应用的实例，形成所谓的“干进干出”硅片单面抛光 工艺。但是，这种工艺方法中集成的后清洗系统也因硅片清洗质量不高、清洗质量不稳定或 者成本过高而没有推广应用。在化学机械抛光过程中，抛光头起着拾取硅片和带动硅片旋转在抛光垫上进行抛 光的作用，硅片拾取和硅片旋转通过承载器(carrier)实现，承载器与抛光头心轴装置上 的承载器法兰盘通过真空固定，硅片拾取和硅片旋转通过心轴装置提供动力。心轴装置对 承载器(carrier)进行连接、升降、旋转及在抛光过程实现精确心轴力控制的机构。心轴装置与承载器组成整个抛光头系统，在功能上具有硅片夹持、下压力产生、背压产生、压力调 整、旋转、工位传递等多种功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅片单面化学机械抛光方法和装置，解决的主要问题是 可有效降低或消除硅片经初抛光或精抛光后抛光液在硅片表面上的残留，大大提高硅片的 单面抛光质量；其方法方法合理、原理独特、工艺性好，可大大提高硅片的单面抛光质量； 其装置结构简单、配置合理、单面抛光质量高且稳定，可满足对硅片抛光质量的需求；用途 广，尤其是可满足300mm及其以上大直径硅片对全局及局部平整度和微粗糙度等更高的精 度要求。本发明之一是这样实现的一种硅片单面化学机械抛光方法，包括在初抛光台和 /或精抛光台进行硅片的粗抛光和/或精抛光，其特征在于根据硅片单面抛光的表面质量 要求，由上述的初抛光台和/或精抛光台与漂洗台配合，由漂洗台再进行硅片的漂洗抛光， 以去除在粗抛光和精抛光工艺过程中的残留抛光液，消除残留抛光液对硅片抛光质量的影 响，提高硅片的单面抛光质量。所述的漂洗抛光为用去离子水作为介质进行漂洗抛光较好。也可用纯净水等作为 介质进行漂洗抛光。本发明之二是这样实现的一种硅片单面化学机械抛光装置，主要包括初抛光台 和/或精抛光台，抛光液供给机构，电气控制部分，其特征在于设有终抛光台，即漂洗抛光台。所述的漂洗抛光台具有去离子水供给机构较好。如用纯净水等介质供给机构也可。所述的初抛光台和终抛光台分别独立设有2路或3路以上抛光液供给机构，具有 同时、依次或者它们之间组合的方式供给抛光液的结构为佳。所述的初抛光台、精抛光台或漂洗抛光台的抛光头均和抛光主轴自转、升降及气 吸机构相连，抛光主轴自转、升降及气吸机构均装在可转动换位的转塔上；此解构较好。所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于硅片装载部分设有硅片装载台、 硅片卸载台、机械手机构、硅片存储水槽、硅片扫描，OCL单元和电气控制人机界面。所述的机械手机构设有硅片转换台、2套四维机械手，或者为1套六维机械手和末 端执行器，等结构。所述的电气控制部分主要由主机PC、主机系统、抛光头系统、前端模组系统、抛光 液供给站等组成；主机PC是以工业计算机(安装WindowsXp操作系统)为基础的设备输入 /输出、主逻辑控制和与其他控制单元进行网络通讯的主单元。主机PC通过以太网交换机 分别与主机系统、抛光头系统、前端模组系统、抛光液供给站控制单元连结，进行数据交换 和逻辑动作控制；主机系统、抛光头系统、前端模组系统、抛光液供给站作为四个独立的控 制单元，可包括专用控制器或逻辑控制器(PLC)、电源模块、运动控制单元、电机驱动模块、 通讯模块和功能扩展模块电路。电气控制可以具有以下主要软件部分Wind0WSXp操作系统作为设备的系统层平 台，具有设备的人机界面应用层、底层逻辑控制以及I/O控制的实现层和包含控制模块之
4间的通讯的接口层。本发明的积极效果是有效解决了长期以来现有技术中一直存在的且一直未能解 决的问题，可有效降低或消除硅片经初抛光或精抛光后抛光液在硅片表面上的残留，从而 大大提高了硅片的单面抛光质量；其方法简单、原理独特，工艺性好，可大大提高硅片的单 面抛光质量；其装置结构简单、配置合理、单面抛光质量高且稳定，可满足对硅片抛光质量 的需求，也有利于提高生产效率、降低成本和实现生产过程的自动化；其用途广，尤其是可 满足300mm及其以上大直径硅片对全局及局部平整度和微粗糙度等更高的精度要求。以下结合实施例及其附图作详述说明，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明一个较好的实施例_实施例1的立体结构示意图。图2为图1的设备平面布置示意图。图3所示为又一实施例六维机械手构成的设备平面布置示意图。图4为图1中前端模组Loadport结构示意图。图5为图1中硅片输出端结构示意图。图6为图1中装载台与抛光头承载器定位装片示意图。图7为图1中卸载台与抛光头承载器定位卸片示意图。图8为图1中抛光头在转塔上安装示意图。图9为图1的设备电气控制框图。图10为图1的抛光头系统电气控制框图。图11为图1的抛光头部位流体控制系统图。图12为图1的抛光台温度控制系统图。图13为图1的抛光液供给和抛光液流量控制系统图。图14为图1的系统设备软件框图。图中各标号说明1-硅片处理部分、2-电气控制部分、3-流体控制部分、4-抛光 部分、5_软件部分、6-硅片转换台、7-右机械手装置、8-漂洗台、9-抛光头承载器A、10-精 抛光台、11"精抛光垫修整器、12-右流体分配箱、13-右抛光液分配管、14-左抛光液分配 管、15-左流体分配箱、16-初抛光垫修整器、17-初抛光台、18-抛光头承载器B、19-转塔、 20-装载台、21-卸载台、22-左机械手装置、23-硅片输出端、24-硅片输入端、25-湿盆、 26-六维机械手、27-末端执行器转换架、28-0CL单元、29-扫描棒、30-前端模组、31-滑道、 32-输出OCL单元、33-主机PC、34-主机系统、35-抛光头系统、36-前端模组系统、37-抛 光液供给站、38-机械手驱动、39-硅片输入端控制器(LOAD PORT)、40_硅片输出端控制器 (UNLOAD PORT)、41_ 以太网交换机、42_PLCA、43_PLCA 扩展模块、44-导电滑环、45-PLCB、 46-机械手控制器、47-运动控制单元、48-电源模块A、49-驱动模块、50-电机驱动模块、 51-运动控制单元C、52-电源模块B、53-双轴驱动模块B、54_去离子水、55-压缩空气、 56-真空、57-三通旋转联通节、58-六通旋转联通节、59-抛光头A、60_抛光头气囊气缸A、 61-冷热水机、62-流量比例阀A、63- 二通旋转联通节A、64-流量计A、65_流量比例阀B、 66-流量计B、67- 二通旋转联通节B、68-隔膜泵A、69_隔膜泵B、70_抛光液稀释搅拌桶A、 71-抛光液稀释搅拌桶B、72-抛光液分配器、73-蠕动泵A、74-蠕动泵B、75_流量传感器A、76-流量传感器B、77-凹槽、78-载片台、79-喷水装置、80-卸载凹槽、81-抛光头上下机 构、82-WindowsXp平台、83-系统层、84-硬件层、85-驱动层、86-包含控制模块之间通讯的 接口层、87-底层逻辑控制以及I/O控制的实现层、88-人机界面应用层、89-设备运行支持、 90-用户程序应用、91-工艺功能实现；图中所示流体符号，按国标(或ISO)规定画法。
具体实施例方式此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不适于限定本发明。实施例1 该硅片单面化学机械抛光装置，主要包括初抛光台17和/或精抛光台10，抛光液 供给机构，电气控制部分，并设有漂洗抛光台8。漂洗抛光台8具有去离子水漂洗抛光供给 机构。初抛光台和精抛光台分别独立设有2路或3路以上抛光液供给机构，具有它们之间组 合的方式供给抛光液的结构。初抛光台17、精抛光台10或漂洗抛光台8上的抛光头均和抛 光主轴自转、升降及气吸机构相连，抛光主轴自转、升降及气吸机构均装在可转动换位的转 塔19上；硅片转载部分设有硅片装载台(LoadStation)、硅片卸载台(Unload Station)、机 械手机构、硅片存储水槽、硅片扫描(Wafer Mapping), OCL(Open Cassettes Loadport)单 元和电气控制人机界面(HMIM)。机械手机构设有硅片转换台、2套四维机械手装置，或者为 1套六维机械手和末端执行器(Robotic EndEffector)，等结构。电气控制部分主要由主机 PC33、主机系统34、抛光头系统35、前端模组系统36、抛光液供给站37等组成。主机PC33 是以工业计算机(安装WindowsXp操作系统)为基础的设备的输入/输出、主逻辑控制和 与其他控制单元进行网络通讯的主单元。主机PC33通过以太网交换机41分别与主机系统 34、抛光头系统35、前端模组系统36、抛光液供给站37控制单元连结，进行数据交换和逻辑 动作控制。主机系统34、抛光头系统35、前端模组系统36、抛光液供给站37作为四个独立 的控制单元，可包括专用控制器或逻辑控制器(PLC)、电源模块、运动控制单元、电机驱动模 块、通讯模块和功能扩展模块电路。电气控制部分具有以下主要软件部分Wind0WSXp操作系统作为设备的系统层83 平台，设备的人机界面应用层88、底层逻辑控制以及1/0控制的实现层87和包含控制模块 之间的通讯的接口层86。本发明实施例为300mm硅片单面抛光提供了抛光工艺和全自动抛光设备。具体表 现在如图1、图2所示，硅片处理部分1中的硅片输入端24存放待抛光的硅片(图中未表示 出)，经硅片处理部分1中的右机械手装置7处理，硅片传输到硅片抛光部分4。在抛光部 分4中，硅片经过初抛光、精抛光和漂洗抛光后，硅片再次传输到硅片处理部分1中，经左机 械手装置22处理，硅片被装载在硅片处理部分1中的硅片输出端23存放，如此循环往复。 当经过抛光后的硅片存储满硅片输出端23后，硅片输出端23中的输出OCL单元32(图5 所示)可以从本系统设备上取下，运输到硅片的后续工艺流程处理，如清洗工艺流程。在本发明的系统设备硅片处理部分1、电气控制部分2、流体控制部分3、抛光区部 分4和软件部分5的协同作用下，本发明系统设备可控制硅片处理部分1中的机械动作、抛 光部分4中流体加载、流体卸载等逻辑动作。本发明系统设备的流体控制，主要包含压缩空 气、真空、去离子水、抛光液流体。图2、图4、图5所示，本发明系统设备采用双台抛光和漂洗抛光的组合工艺方法，其主要流程如下硅片(图中未表示出)通过OCL单元28放置在硅片输入端24，右机械手 装置7将硅片临时放置在硅片转换台6，左机械手装置22从硅片转换台6抓取硅片后，把硅 片放置在装载台20下部的载片台78(图6所示)上定位。当抛光头承载器A9或抛光头承 载器B18其中一只围绕转塔19轴旋转在装载台20上方后(假设是抛光头承载器B18的情 形)，抛光头承载器B18在抛光头上下机构81 (图8所示)作用下下降，与装载台20接触并 定位(图6所示)后，装载台20的硅片抬升装置(图中未表示出)将硅片移至抛光头承载 器B18端面的凹槽77内，完成硅片装载功能。抛光头承载器B18抬升，围绕转塔19轴旋转 在初抛光台17的上方，抛光头承载器B18旋转并下降与初抛光台17上端的抛光垫接触，抛 光头承载器B18在抛光头上下机构81作用下，产生预设压力，使抛光头承载器B18产生抛 光下压力作用在抛光垫上，同时抛光头承载器B18背压机构根据预设压力产生背部压力作 用在硅片背部(为了能清楚地区分说明，硅片的抛光面称之为硅片的正面，另一面称之为 硅片的背面)。初抛光台17与抛光头承载器B18同向旋转，同时抛光头承载器B18围绕转 塔19轴按照一定的角度和频率在初抛光台17有效的范围内摆动，进行初抛光过程。抛光 过程的时间是在控制程序中预设的。在初抛光过程中，抛光液经由左流体分配箱15控制，由左抛光液分配管14向初抛 光台17台面喷洒抛光液，使抛光液随初抛光台的旋转进入初抛光台17与抛光头承载器B18 接触抛光的区域。左抛光液分配管14向初抛光台17台面喷洒抛光液是按照控制软件预期 设定的流量供给。本发明抛光液流量供给最大可达到2000ml/min。在硅片抛光应用工艺 中，左抛光液分配管14可以供给两种类型的抛光液，其供给顺序和流量是按照控制软件预 期设定的。同时在其他一些应用场合如CMP工艺中，左抛光液分配管14可以设计成供给三 种以上类型的抛光液应用实例，其供给顺序和流量是按照控制软件预期设定的。左抛光液 分配管14在提供每一种抛光液同时，也可提供去离子水，用于初抛光台17的冲洗。在抛光头承载器B18旋转至初抛光台17位置进行抛光前，初抛光垫修整器16抬 升一定高度，之后绕其旋转中心旋转到初抛光台17上方，然后下降，使修整器前部的修整 轮与初抛光台17上端的抛光垫接触。初抛光垫修整器16的修整轮按照控制程序预设的转 向、转速、修整下压力、摆动角度、摆动频率、修整时间对抛光垫进行修整。本发明的抛光垫 修整采用在线修整方式，即初抛光垫修整器16在对抛光垫接触修整开始后，抛光头承载器 B18同时下降与初抛光台17接触开始抛光。抛光垫的修整时间在控制程序预设中小于抛光 头承载器下降抛光的时间。修整器的修整轮可以选择金刚石修整轮或尼龙刷修整轮。本发 明系统设备，采用3M公司的修整轮。在其他硅抛光应用实例中，如果初抛光选用硬度较硬 的抛光垫时，修整抛光垫可采取二步修整方法首先选用金刚石修整轮对抛光垫预先修整， 之后再换成尼龙刷修整轮对抛光垫进行修整。本发明对抛光垫的修整也可以采用离线修整方式。离线修整方式是指不对硅片抛 光条件下，直接对抛光垫修整。或者是在硅片抛光条件下，先期完成抛光垫修整，之后再进 行抛光。离线修整同样按照控制程序预设的转向、转速、修整下压力、摆动角度、摆动频率、 修整时间对抛光垫进行修整。在初抛光台17上完成硅片初抛光后，抛光头承载器B18在抛光头上下机构81作 用下抬升，距离初抛光台17达到预设高度距离后，围绕转塔19轴旋转至精抛光台10的的 上方，抛光头承载器B18旋转并下降与精抛光台10上端的抛光垫接触，抛光头承载器B18在抛光头上下机构81作用下，产生预设压力，使抛光头承载器B18产生抛光下压力作用在 抛光垫上，同时抛光头承载器B18背压机构根据预设压力产生背部压力作用在硅片背部。 精抛光台10与抛光头承载器B18同向旋转，同时抛光头承载器B18围绕转塔19轴按照一 定的角度和频率在精抛光台10有效的范围内摆动，进行精抛光过程。精抛光过程中，控制 程序预设的抛光下压力、背部压力、精抛光时间与初抛光不同。在精抛光过程中，抛光液经由右流体分配箱12控制，由右抛光液分配管13向精抛 光台10台面喷洒抛光液，使抛光液随精抛光台10的旋转进入抛光台与抛光头承载器接触 抛光的区域。右抛光液分配管13向精抛光台10台面喷洒抛光液是按照控制软件预期设定 的流量供给，本发明抛光液流量供给最大可达到2000ml/min。在硅片抛光应用工艺中，右抛 光液分配管13可以供给两种类型的抛光液，其供给顺序和流量是按照控制软件预期设定 的。同时在其他一些应用场合如CMP工艺中，右抛光液分配管13可以设计成供给三种类型 以上的抛光液应用实例，其供给顺序和流量是按照控制软件预期设定的。右抛光液分配管 13在提供每一种抛光液同时，也可提供去离子水，用于抛光台的冲洗。在精抛光过程中，精抛光垫修整器11的功能与初抛光垫修整器16的功能相同，只 是精抛光垫修整器11的修整轮按照控制程序预设的转向、转速、修整下压力、摆动角度、摆 动频率、修整时间等参数是适合于精抛光工艺要求设定的。精抛光垫修整器11对精抛光台 10上的抛光垫进行修整，同样可采用在线修整或离线修整方式，这里不再赘述。由于精抛光台10上采用的抛光垫的硬度小于初抛光台17上的抛光垫硬度，精抛 光垫修整器11的修整轮一般采用尼龙刷修整轮。在精抛光台10上完成硅片精抛后，抛光头承载器B18在抛光头上下机构81作用 下抬升，距离精抛光台10达到预设高度距离后，围绕转塔19轴旋转在漂洗台8的上方，抛 光头承载器B18旋转并下降与漂洗台8上端的抛光垫(图中未表示出)接触，抛光头承载 器B18在抛光头上下机构81作用下，产生预设压力，使抛光头承载器B18产生抛光下压力 作用在抛光垫上，同时抛光头承载器B18背压机构根据预设压力产生背部压力作用在硅片 背部。漂洗台8与抛光头承载器B18同向旋转进行漂洗过程。在漂洗过程中，抛光头承载 器B18不摆动，控制程序预设的抛光下压力、背部压力、漂洗时间与初抛光和精抛光设置的 参数不同。在漂洗过程中，漂洗台8台面上不喷洒抛光液，取而代之的是喷洒去离子水。去离 子水流量和漂洗时间是控制软件预设的，喷洒去离子水的装置在图2中没有表示。漂洗台8上采用的抛光垫是具有漂洗作用的抛光垫，其硬度小于初抛光台17和精 抛光台10上采用的抛光垫硬度。本系统设备对漂洗台的抛光垫不采用修整装置。在漂洗台8上完成硅片漂洗后，抛光头承载器B18在抛光头上下机构81作用下抬 升，距离漂洗台8达到预设高度距离后，围绕转塔19轴旋转在卸载台21的上方并初始定 位。如图7所示，卸载台21上的喷水装置79对抛光头承载器B18喷射去离子水清洗后，抛 光头承载器B18在抛光头上下机构81作用下下降，与卸载台21接触并定位后，抛光头承载 器B18部的背压机构(图中未表示)喷射压缩空气，将硅片卸载到卸载台21底部的卸载凹 槽80中。卸载台21上的喷水装置79对抛光头承载器B18再次喷射去离子水清洗抛光头 承载器B18端面的凹槽77，然后抛光头承载器B18背部的背压机构再次喷射压缩空气，除去 承载器背部的背压机构内的水分。硅片在卸载台21上完成卸载后，抛光头承载器B18在抛
8光头上下机构81作用下抬升，距离卸载台21达到预设高度距离后，围绕转塔19轴旋转在 装载台20的上方并初始定位，重复下一个循环的抛光过程。硅片在卸载台21上完成卸载后，左机械手装置22运动到卸载台21处抓取硅片。 左机械手装置22将抓取的硅片传送到硅片输出端23存储。在本发明的系统设备上，设计有两套抛光头，每一套抛光头上的承载器(如抛光 头承载器A9或抛光头承载器B18)都可按照上述工作流程完成一个硅片的双台抛光和漂洗 抛光组合方法流程。在图2所示的抛光工艺流程中，硅片处理部分主要由硅片输入端24、右机械手装 置7、硅片转换台6、左机械手装置22、硅片输出端23组成。硅片输入端24主要由集成电路 设备前端模组30和OCL单元28组成。前端模组30是一个标准输入/输出模组，生产商较 多，选择范围较大。本发明系统设备采用的前端模组30是一个具有硅片扫描功能的模组。 如图4所示，前端模组30在安装OCL单元28前后端安装有两个扫描棒29，用来检查OCL单 元28硅片装载状况，并将扫描结果通讯到本发明系统设备控制单元。在其他工艺应用中，如CMP工艺应用中，本发明的OCL单元28可以更换成FOUP单 元的应用实例，以适应该工艺过程中晶圆传输需要。如上所述，本发明系统设备设计有两套机械手装置(右机械手装置7、左机械手装 置22)进行硅片传输。采用两套机械手装置传输的主要目的是为了解决对未抛光硅片的玷 污问题。本发明中，右机械手装置7专门处理未抛光硅片，机械手进入OCL单元28保持干 燥状态(或称之为干机械手臂)，不会沾染抛光液对硅片形成污染。由于已抛光硅片为湿 态，左机械手装置22专门处理已抛光硅片(或称之为湿机械手臂)，左机械手装置22与硅 片输入端24隔离，避免了左机械手装置22对未抛光硅片的污染。左机械手装置22从卸载 台19抓取硅片后把硅片放置在硅片输出端23。如图5所示，硅片输出端23主要由滑道31 和输出OCL单元32组成(硅片输出端其他机构图中未表示)。左机械手装置22把硅片放 置在滑道31的前端，滑道31向输出OCL单元32方向倾斜，同时相对于滑道，向上、向前、向 里注入去离子水。硅片在滑道31去离子水的漂浮下，漂向输出OCL单元32的一个槽位内， 紧接着输出OCL单元32向下移动一个槽位距离。输出OCL单元32在硅片输出端23浸泡 在去离子水中，防止未清洗的抛光硅片干燥。本发明系统设备在其他应用场合，也可采用一套六维机械手装置和末端执行器转 换架替代上述两套机械手装置传输装置的应用实例，如图3所示。采用一套六维机械手的 好处是减小了系统设备体积，以便于本系统设备单元的扩展，同时也增大了系统设备空间 的利用率。图3所示，六维机械手装置26安装在设备上端，机械手臂下垂。末端执行器(末 端执行器是机械手装置夹持硅片的元件，可与机械手臂分离，图中未表示出)转换架27可 以存放两套末端执行器，分别为干态末端执行器和湿态末端执行器组成，功能与两套机械 手装置传输装置功能相似，干态末端执行器只能从硅片输入端24抓取硅片，然后把硅片放 置在硅片转换台6，六维机械手装置26从末端执行器转换架27自动换取湿态末端执行器， 从硅片转换台6抓取硅片把硅片放置在装载台20，或者从卸载台21抓取硅片把硅片放置 在湿盆25中的OCL单元。湿盆25是硅片输出端23的另一种形式，结构相对硅片输出端23 简单。在本发明的应用实例中，两套四维机械手、一套六维机械手装置和末端执行器，由
9市场专业厂家生产制造，可以购置。在图1、图2所示的抛光工艺流程中，抛光部分主要由初抛光台17、精抛光台10、 漂洗台8、中心转塔19、抛光头承载器B18或抛光头承载器A9、硅片装载台20、硅片卸载台 21、初抛光垫修整器16或精抛光垫修整器11组成。初抛光台17和精抛光台10是结构相 同的两个系统，由于本发明工艺流程说明需要，按照功能区分命名。同样，初抛光垫修整器 16和精抛光垫修整器11是结构相同的两个系统，由于本发明工艺流程说明需要，按照功能 区分命名。在图2所示的抛光工艺流程中，两套抛光头承载器周而复始地旋转，按照控制软 件预设的逻辑动作完成各种功能。每套抛光头，除了抛光头上下机构外，还安装有抛光头的 电气控制单元及流体控制单元，它是本发明系统设备的电气控制部分2和流体控制部分3 的一部分。抛光头的电气控制需要同本发明系统设备的电源系统连接，同时控制信号和通 讯也要与本发明系统设备的主控系统连接。由于本发明系统设备采用线缆硬连接方式，抛 光头周而复始地旋转，会造成线缆的缠绕。为了解决这一问题，本发明系统设备采用导电 滑环连结，如图9所示。导电滑环44将电气控制系统的抛光头系统与主机系统连接，如图 10所示。导电滑环44是由市场专业厂家生产制造，本发明系统设备选用13路通道(图中 1-1’、2-2’等表示一路通道)的导电滑环，其中4路通道为动力电源线，9路通道为以太网 通讯线。图9所示为电气控制部分2的控制框图，主要由主机PC33通过以太网交换机41 与底层控制单元PLCA42 (包含PLCA扩展模块43)、PLCB45、PLCC37、机械手控制器46 (前端 输出为机械手驱动38)、L0AD PORT 39,UNLOAD PORT 40组成的分布式控制系统。导电滑环 44将电气控制系统的抛光头控制系统分离成独立的控制系统。在图9所示的电气控制框图中，本发明系统设备以控制功能划分，电气控制系统 分为主机系统34、抛光头系统35、前端模组系统36、和抛光液供给站37。主机系统34、抛 光头系统35和抛光液供给站37分别由相应的PLC控制器控制。例如在主机系统34中， PLCA42和其PLCA扩展模块43、电源模块A48作为底层控制单元的逻辑控制中心，与运动控 制单元47 (包含运动控制单元A和运动控制单元B)、驱动模块49 (包含双轴驱动模块A、双 轴驱动模块B和单轴)、电机驱动模块50 (包含电机驱动模块A、电机驱动模块B、电机驱动 模块C、电机驱动模块D)组成完整的底层控制单元。抛光液供给站37在结构上同系统设备主机分离，但自成一个独立的控制系统，通 过RS485与主机控制系统通讯。在一些应用场合，抛光液供给站37可以安装在系统设备主 机边，也可安装在远离系统设备主机的地方。前端模组系统36包含独立的控制单元，即机 械手控制器46、硅片输入端控制器(LOAD PORT) 39、硅片输出端控制器(UNLOAD P0RT)40，通 过10/100B-TX网线与以太网交换机41连结，构成完整的电气控制系统。图10所示的抛光头系统电气控制中，主要由PLCB45、电源模块B52和双轴驱动模 块B53、运动控制单元C51。PLCB45又包含模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模 块、数字量输出模块、流体控制阀、传感器、和各类开关量。流体控制部分3主要由压缩空气控制单元、去离子水控制单元、真空控制单元以 及抛光液供给站单元组成。图11所示为流体控制部分在抛光头部位控制的一部分，具有代 表性。去离子水54，压缩空气55、真空56等流体通过转塔系统下端的三通旋转联通节57引入抛光头A59 (抛光头系统的机械部分称之为抛光头，下端安装抛光头承载器。本系统设 备具备两套抛光头，流体控制上为了区分说明，称之为抛光头A)。抛光头中的流体控制单元 (包括各类流体电磁阀、传感器、比列阀、调节阀、过滤器等)对抛光头气囊气缸A60控制、以 及通过抛光头六通旋转联通节58对抛光头A59所需的流体和流体压力进行控制。流体控制部分中另一重要环节是抛光液供给站单元，如图13所示，为抛光液供给 站单元在初抛光工位应用的一部分，具有代表性。压缩空气55流体作用在隔膜泵A68和隔 膜泵B69，使泵体工作，从抛光液稀释搅拌桶A70和抛光液稀释搅拌桶B71吸取抛光液，形成 两路压力抛光液。抛光液分别由蠕动泵A73和蠕动泵B74计量，经抛光液分配器72输送到 左抛光液分配管14。抛光液流量的精度分别由流量传感器A75和流量传感器B76检测形成 闭环控制，分别调整蠕动泵A73和蠕动泵B74的输出精度。在硅片化学机械抛光中，抛光区温度维持在预期范围内，可稳定抛光工艺质量。由 于在抛光区(抛光垫与硅片接触区域)瞬时温度变化较大，不易控制在预期的温度范围内， 只有通过间接方法维持抛光温度的预期范围。本发明系统设备采取控制抛光台温度，间接 维持抛光温度的范围。本发明系统设备，抛光台预期温度控制范围20-60°C 士 1°C。如图 12所示，图中的初抛光台17、精抛光台10，其下部通过二通旋转联通节A63和二通旋转联 通节B67将冷热水机61的热平衡介质流体引入抛光台腔体，与抛光台面和抛光垫进行热交 换，维持抛光台面上抛光垫表面温度的基本稳定。由于抛光垫表面温度变化，通过测试抛光 垫表面的温度，改变流量比例阀A62和流量比例阀B65开口，控制进入抛光台腔体流体的 流量，从而形成温度稳定的控制。图12中，流量计A64、流量计B66还可用来显示热平衡流 体的流量。热平衡流体主要由市政自来水和工业乙烯乙二醇混合而成，它们的配比比列为 9 1。本发明的系统设备的软件如图14的软件框图所示。软件的系统层83是以 WindowsXp 82操作系统为平台的系统，支撑设备运行支持89、工艺功能实现91以及用户程 序应用90操作界面的应用。用户程序应用90主要是指软件的应用层88，主要包括工艺参 数管理、日志管理、用户管理等应用。软件的实现层87主要指底层软件，包括运动、逻辑动 作控制以及顶层软件的读取和输出。软件的硬件层84和驱动层85通过接口层86构成系 统设备的软件网络。实施例2、实施例3 初抛光台17和漂洗抛光台8组合、精抛光台10和漂洗抛光台 8组合。本系统设备采用的单台抛光和漂洗抛光组合方法流程和双台抛光和漂洗抛光组 合方法流程基本相似，硅片在装载台20、漂洗台8和卸载台21工艺功能相同，不同之处只是 硅片在初抛光台17或精抛光台10上完成硅片一次抛光后，抛光头承载器B18直接旋转至 漂洗台8上进行漂洗抛光。在单台抛光和漂洗抛光组合方法流程中，初抛光台17或精抛光 台10的描述名称并不代表要完成初抛光或者精抛光工艺，只是在本发明双台抛光和漂洗 抛光组合方法的说明描述中保留下的名称。实际上初抛光台17或精抛光台10完成的功能 相同，选用的抛光垫或抛光垫修整轮完全相同。实际工作中，本发明的系统设备在单台抛光 和漂洗抛光组合方法的控制程序中，程序依据初抛光台17或精抛光台10的状态(即有抛 光的状态或无抛光的状态)，来控制两套抛光头承载器工位位置，极大地提升了本发明硅片 抛光效率。单台抛光和漂洗抛光组合工艺方法中，初抛光台17或精抛光台10上的抛光垫修整装置的功能与双台抛光和漂洗抛光组合工艺方法流程中的功能完全相同。以上的装置实施例也体现了三种方法的实施例。上述的初抛光台17和/或精抛光台10，指只有初抛光台17 ；或只有精抛光台10 ； 或既有初抛光台17，又有精抛光台10。所说初抛光台17或抛光台10，既包括一台，也包括 几台；初抛光台17，又可称为粗抛光台或半精抛光台。所说电气控制部分，可为不同结构， 可为各种不同程度的半自动控制或自动控制形式等。特此说明。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种硅片单面化学机械抛光方法，包括在初抛光台和/或精抛光台进行硅片的粗抛光和/或精抛光，其特征在于根据硅片单面抛光的表面质量要求，由上述的初抛光台和/或精抛光台与漂洗台配合，由漂洗台再进行硅片的漂洗抛光，以去除在粗抛光和精抛光工艺过程中的残留抛光液，消除残留抛光液对硅片抛光质量的影响，提高硅片的抛光质量。
2.根据权利要求1所述的硅片单面化学机械抛光方法，其特征在于所述的漂洗抛光为 用去离子水作为介质进行漂洗抛光。
3.一种硅片单面化学机械抛光装置，主要包括初抛光台(17)和/或精抛光台(10)，抛 光液供给机构，电气控制部分，其特征在于设有终抛光台，即漂洗抛光台(8)。
4.根据权利要求3所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于漂洗抛光台(8)具 有去离子水供给机构。
5.根据权利要求3所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于初抛光台和精抛光 台分别独立设有2路或3路以上抛光液供给机构，具有同时、依次或者它们之间组合的方式 供给抛光液的结构。
6.根据权利要求3所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于初抛光台(17)、精 抛光台(10)或漂洗抛光台(8)的抛光头均和抛光主轴自转、升降及气吸机构相连，抛光主 轴自转、升降及气吸机构均装在可转动换位的转塔(19)上。
7.根据权利要求6所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于硅片处理部分设有 硅片装载台、硅片卸载台、机械手机构、硅片存储水槽、硅片扫描，OCL单元和电气控制。
8.根据权利要求7所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于所述的机械手机构 设有硅片转换台、2套四维机械手单元，或者为1套六维机械手和末端执行器。
9.根据权利要求7所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于电气控制部分主要 由主机PC(33)、主机系统(34)、抛光头系统(35)、前端模组系统(36)、抛光液供给站(37) 等组成；主机PC(33)是以工业计算机为基础的设备输入/输出、主逻辑控制和与其他控制 单元进行网络通讯的主单元；主机PC(33)通过以太网交换机(41)分别与主机系统(34)、 抛光头系统(35)、前端模组系统(36)、抛光液供给站(37)控制单元连结，进行数据交换和 逻辑动作控制；主机系统(34)、抛光头系统(35)、前端模组系统(36)、抛光液供给站(37) 作为四个独立的控制单元，包括专用控制器或逻辑控制器(PLC)、电源模块、运动控制单元、 电机驱动模块、通讯模块和功能扩展模块电路。
10.根据权利要求9所述的硅片单面化学机械抛光装置，其特征在于电气控制部分具 有以下主要软件部分Wind0WSXp操作系统作为设备的系统层(83)平台，具有设备的人机 界面应用层(88)、底层逻辑控制以及I/O控制的实现层(87)和包含控制模块之间的通讯的 接口层(86)。
全文摘要
本发明提供了一种硅片单面化学机械抛光方法和装置，属于硅片化学机械抛光方法和设备技术领域。其方法是根据硅片单面抛光的表面质量要求，在进行了初抛光和/或精抛光之后，再与进行硅片的漂洗抛光。其装置主要包括初抛光台和/或精抛光台，及漂洗抛光台。本发明能有效降低或消除硅片经初抛光或精抛光后抛光液在硅片表面上的残留，大大提高硅片的单面抛光质量；其方法合理、原理独特，工艺性好；其装置结构简单、配置合理、单面抛光质量高且稳定，也有利于提高生产效率、降低成本和实现生产过程的自动化；本发明用途广，尤其是可满足300mm及其以上大直径硅片对全局及局部平整度和微粗糙度等更高的精度要求。
文档编号B24B37/04GK101934497SQ20101024994
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者廖垂鑫, 李伟, 柳滨, 郭强生 申请人:中国电子科技集团公司第四十五研究所