一种硅片外圆表面抛光装置及抛光方法与流程

本发明属于硅片抛光设备领域，具体涉及一种硅片外圆表面抛光装置及抛光方法。

背景技术：

半导体硅晶圆片是制造超大规模集成电路的主要衬底材料，随着半导体产业的飞速发展，对衬底材料的精度要求也越来越高，特别是对硅片的外圆表面状态越来越严格。对于直径6英寸以上尤其是8英寸和12英寸的硅抛光片来说，一般在衬底加工时是需要对硅片的外圆表面进行抛光处理的，从而确保在外延时硅片边缘处不产生滑移线或外延层错等缺陷，进而提高外延片或器件成品率。硅片的边缘抛光一般在独立的设备上完成，采用化学抛光的方法，使用抛光液和抛光布，在一定温度和转速的工艺条件下实现化学机械抛光的过程。对硅片参考面抛光是整个硅片边缘抛光中的一步工序，硅片参考面通常也是被称为平边参考面，这种参考面是平直的，进行边缘抛光时，参考面各处的抛光程度要一致，抛光后具有相同的表面粗糙度。对硅片的外圆表面均匀抛光，使外圆表面的上部分，中间部分以及下部分抛光程度一致，这样才能保证这个参考面上各点的抛光去除量相同，具有一样的微粗糙度。如果外圆表面的某一部分抛光程度小、损伤层未完全去除，在后序的外延过程中将很容易形成多晶粒聚集的问题。

传统的参考面抛光方法中，一种是抛光布与硅片外圆表面局部接触，抛光布旋转方向与硅片参考面相切，这种方法的缺陷是虽然可以使抛光布与参考面的相对旋转的角度固定，但由于是局部接触而无法保证整个外圆表面上各处的抛光均匀。另一种方法是抛光布与外圆表面全接触，但由于抛光布与硅片参考面的相对运动角度不固定，在抛光过程中施加在硅片表面的作用力波动较大，因此容易使硅片外圆表面出现不规则、各种角度的抛光划伤条纹，从而降低了硅片外圆表面的粗糙度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种硅片外圆表面抛光装置及抛光方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：

提供一种硅片外圆表面抛光装置，包括抛光装置本体、驱动组件与抛光抛头；

所述抛光装置本体包括尺寸相同的圆形的上安装板与圆形的下安装板；上安装板与下安装板的外缘通过沿周向均布的6个支撑柱进行连接；上安装板上端面中心通过连接法兰与驱动组件连接，驱动组件采用变频电机控制，能实现抛光装置的正向和反向的旋转；下安装板上端面中心还设有硅片固定组件，用于放置并固定硅片；硅片固定组件内设有真空吸盘，从而对硅片通过真空吸附进行固定；硅片固定组件连接丝杆，并通过伺服电机进行驱动，使得硅片固定组件能在竖直方向上做往复运动；

抛光抛头包括12个可摆动抛头，包括4个横向抛头，4个上抛抛头以及4个下抛抛头，交错均匀布置于抛光装置本体外缘；

横向抛头，包括摆杆安装块；其中两个摆杆安装块固设于上安装板外缘，两个摆杆安装块固设于下安装板外缘，摆杆安装块内通过轴销连接一摆杆，摆杆能在相对于竖直方向两侧进行摆动；摆杆的上端与下端分别设有配重块与抛光块；摆杆安装块上下端面上分别设有上限位块与下限位块；

上抛抛头，包括摆杆安装块；摆杆安装块固设于上安装板外缘，摆杆安装块内通过轴销连接一摆杆，摆杆能在相对于竖直方向两侧进行摆动；摆杆的上端与下端分别设有抛光块与配重块；摆杆安装块上下端面上分别设有下限位块与上限位块；

下抛抛头，包括摆杆安装块；摆杆安装块固设于下安装板外缘，摆杆安装块内通过轴销连接一摆杆，摆杆能在相对于竖直方向两侧进行摆动；摆杆的上端与下端分别设有配重块与抛光块；摆杆安装块上下端面上分别设有上限位块与下限位块；

抛光块上均设有抛光布。

作为一种改进，抛光布通过粘胶设于抛光块上。

本发明还提供了一种利用上述装置进行硅片外圆表面抛光的方法，步骤为：

(1)首先，通过机械手将硅片放置到硅片固定组件上，并通过真空吸盘固定；此时，抛光装置静止，各抛头在配重块自重的作用下，摆杆摆动到最大角度，使硅片具有足够的空间从下进入抛光装置中的抛光起始点位置，即开始对硅片边缘进行抛光的位置；

(2)硅片到达抛光起始点位置以后，根据抛光工艺要求，抛光装置在驱动组件在变频电机驱动下旋转，各抛头上的配重块在抛光装置旋转的过程中产生离心力f，使抛光布紧紧贴合硅片外圆表面；

(3)抛光装置在驱动组件的驱动下旋转，此时，硅片通过真空吸盘固定在硅片固定组件上，不发生旋转作用，这样使抛光布和硅片外圆表面之间产生相对速度n，并在离心力f的作用下，通过杠杆原理对硅片的外圆表面施加一个压力f’，抛光布均匀地对硅片外圆表面进行抛光；

(4)在抛光装置旋转的同时，硅片在伺服电机和丝杆的驱动下在竖直方向做往复运动，这样使上抛抛头和下抛抛头的摆杆绕销轴摆动，使抛光布能紧贴硅片的外圆表面；

(5)硅片的外圆表面抛光完成，抛光装置停止旋转，各抛头在配重块自重作用下，摆杆摆到最大角度，硅片向下运动到初始位置，真空吸盘停止工作，机械手将硅片搬运到其他工位。

作为一种改进，施加在硅片外圆表面的压力f’通过变频电机控制的抛光装置本体的旋转速度来进行控制，其计算公式如下：

f’＝ω²·r·m；

r：配重块旋转半径；m：配重块质量；ω：抛光装置本体的旋转角速度。

作为一种改进，变频电机转速为50r/min～900r/min。

作为一种改进，硅片的运动行程为±9mm。

作为一种改进，硅片固定组件旋转时硅片的同心度在0.1mm以下，抛光装置旋转时与硅片的同轴度在0.05mm以下。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

1、本发明利用抛光装置自转产生的离心力使抛光布均匀地作用在硅片外圆表面，同时可以通过改变抛光装置的自转速度改变施加在硅片外圆表面的作用力，有利于抛光工艺的调节，大大提升了硅片外圆表面的抛光效率。

2、本发明结构紧凑，简单实用。三种可摆动抛头的抛头分别接触硅片外圆表面的上部分，中间部分和下部分，这种全接触的方式保证了抛光布与硅片外圆表面在相对运动时始终处于相切状态，从而使硅片参考面各部位的抛光程度均匀一致，不会出现不规则划伤，能够有效地提高硅片外圆表面的抛光质量。

附图说明

图1为本发明运行状态下剖视图；

图2为本发明等轴测图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明抛头示意图；

图5为本发明硅片外圆表面横向抛光示意图；

图6为本发明硅片外圆上表面抛光示意图；

图7为本发明硅片外圆下表面抛光示意图；

图8为本发明抛光布运动轨迹示意图。

附图标记：1-驱动组件，2-抛光装置，3-硅片固定组件，4-连接法兰，5-上安装板，6-下安装板，7-支撑柱，8-横向抛头，9-上抛抛头，10-下抛抛头，11-硅片，12-配重块，13-摆杆，14-上限位块，15-摆杆安装块，16-下限位块，17-销轴，18-抛光布。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图2所示，硅片外圆表面抛光装置包括抛光装置本体、驱动组件与抛光抛头。

抛光装置本体包括尺寸相同的圆形的上安装板5与圆形的下安装板6。上安装板5与下安装板6的外缘通过沿周向布设的6个支撑柱7进行连接。上安装板5上端面中心通过连接法兰4与驱动组件1连接，驱动组件1采用变频电机控制，能实现抛光装置的正向和反向的旋转。下安装板6上端面中心还设有硅片固定组件3，用于放置并固定硅片11。硅片固定组件3内设有真空吸盘，从而对硅片11通过真空吸附进行固定。硅片固定组件3连接丝杆，并通过伺服电机进行驱动，使得硅片固定组件3能在竖直方向上做往复运动。

抛光抛头包括4个横向抛头8，4个上抛抛头9以及4个下抛抛头10，交错均匀布置于抛光装置本体外缘。

横向抛头8，包括摆杆安装块15。其中两个摆杆安装块15固设于上安装板5外缘，另两个摆杆安装块15固设于下安装板6外缘，摆杆安装块15内通过轴销连接一摆杆13，摆杆13能在相对于竖直方向两侧进行摆动。摆杆13的上端与下端分别设有配重块12与抛光块。摆杆安装块15上下端面上分别设有上限位块14与下限位块16。

上抛抛头9，包括摆杆安装块15。摆杆安装块15固设于上安装板5外缘，摆杆安装块15内通过轴销连接一摆杆13，摆杆13能在相对于竖直方向两侧进行摆动。摆杆13的上端与下端分别设有抛光块与配重块12。摆杆安装块15上下端面上分别设有下限位块16与上限位块14。

下抛抛头10，包括摆杆安装块15。摆杆安装块15固设于下安装板6外缘，摆杆安装块15内通过轴销连接一摆杆13，摆杆13能在相对于竖直方向两侧进行摆动。摆杆13的上端与下端分别设有配重块12与抛光块。摆杆安装块15上下端面上分别设有上限位块14与下限位块16。

如图3所示，横向抛头8，上抛抛头9以及下抛抛头10呈对称方式安装在上安装板5和下安装板6上。其中，4个横向抛头8之间的角度为90°，4个上抛抛头9之间的角度为60°，4个下抛抛头10之间的角度为60°，同时，12个抛头呈横抛，上抛，下抛顺序均匀分布。

抛光块上均通过粘胶粘接有抛光布18。

本发明还提供了一种利用上述装置进行硅片外圆表面抛光的方法，步骤为：

(1)首先，通过机械手将硅片11放置到硅片固定组件3上，并通过真空吸盘固定；此时，抛光装置2静止，各抛头在配重块12自重的作用下，摆杆13摆动到最大角度，使硅片11具有足够的空间从下进入抛光装置2中的抛光起始点位置，即开始对硅片边缘进行抛光的位置；

(2)硅片11到达抛光起始点位置以后，根据抛光工发明艺要求，抛光装置2在驱动组件1通过变频电机驱动下以一定的转速旋转，各抛头上的配重块12在抛光装置2旋转的过程中产生离心力f，使抛光布18紧紧贴合硅片11外圆表面；

(3)抛光装置在驱动组件1的驱动下旋转，此时，硅片11通过真空吸盘固定在硅片固定组件3上，不发生旋转作用，这样使抛光布18和硅片11外圆表面之间产生相对速度n，并在离心力f的作用下，抛光块通过杠杆原理对硅片11的外圆表面施加一个压力f’，抛光布18均匀地对硅片外圆表面进行抛光；

(4)在抛光装置2旋转的同时，硅片11在在伺服电机和丝杆的驱动下在垂直方向做往复运动，这样使上抛抛头9和下抛抛头10的摆杆13绕销轴17摆动，使抛光布18能紧贴硅片11的外圆表面；

(5)硅片11的外圆表面抛光完成，抛光装置2停止旋转，各抛头在配重块12自重作用下，摆杆13摆到最大角度，硅片11向下运动到初始位置，真空吸盘停止工作，机械手将硅片11搬运到其他工位。

如图5、图6、图7所示，施加在硅片11外圆表面的压力f’通过变频电机控制的抛光装置本体的旋转速度来进行控制，其计算公式如下：

f’＝ω²·r·m；

r：配重块12旋转半径；m：配重块12质量；ω：抛光装置本体的旋转角速度。

如图8所示，抛光装置2在旋转的过程中，上抛抛头9的摆杆13绕销轴17摆动时，抛光布18的运动轨迹始终紧紧贴合硅片11的外圆表面，大大提高了硅片11外圆表面的抛光质量。

其中，变频电机转速为50r/min～900r/min。硅片的运动行程为±9mm。硅片固定组件3旋转时硅片的同心度在0.1mm以下，抛光装置旋转时与硅片的同轴度在0.05mm以下。

最后需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。