硅片單面化學機械拋光方法和裝置的制作方法

專利名稱：硅片單面化學機械拋光方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于硅片化學機械拋光方法和設備技術領域，尤其是一種硅片化學機械拋 光的方法和裝置。
背景技術：
硅片傳統生產工藝通常主要由單晶生長、切片、倒角、拋光、清洗以及最終的包裝 等工藝過程來完成，每一道工序都是由相應的設備來支撐。隨著集成電路制造技術的快速發展，硅片直徑的增大，對硅片的表面質量提出了 更高的要求。200mm硅片可以通過硅片雙面研磨和拋光工藝就可滿足應用要求。但對300mm 硅片，應用中對硅片的正面不僅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，滿足65nm制造工藝要求的硅片，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納米。在制造工藝中，由 于硅片直徑的增大，機械強度降低。為了去除硅片制造工藝中產生的較差的全局平整度和 硅片表面損傷層等問題，硅片的平面拋光工藝采取二步拋光工藝，首先采用雙面拋光工藝， 使硅片不僅產生一個較好的幾何面型精度，而且消除了硅片表面大部分損傷層。硅片的雙 面拋光一般是多片同時拋光工藝，可提高生產效率。硅片通過雙面拋光工藝后，表面質量仍 然殘留著部分損傷層和雙面拋光工藝帶來的拋光缺陷，一般稱之為Haze缺陷。為了消除或 者降低硅片雙面拋光產生的表面haze缺陷，進一步提高硅片的表面質量，通常還需采用硅 片的第二步拋光工藝，即硅片的單面拋光工藝(一般稱之為硅片HazePolishing)達到應用 要求。在本發明之前的硅片單面拋光工藝中，一般采用二臺拋光設備組合的拋光工藝， 即硅片在其中一臺拋光設備上完成硅片初拋光后，再將硅片轉至第二臺拋光設備上完成硅 片精拋光。這一拋光工藝的缺點是硅片在二次拋光工藝中的滯留時間增長，而且初拋光 后，硅片上殘留的拋光液對硅片有進一步腐蝕作用，影響硅片精拋光后的表面質量。同時二 臺拋光設備的采用，增加了硅片生產線對拋光設備的調整次數以及硅片轉運的輔助環節。為了消除這一工藝缺陷，硅片單面拋光工藝出現了將硅片的初拋光和精拋光工藝 集成在一臺設備上完成的工藝方法_即雙臺拋光工藝，實現雙臺拋光工藝方法的拋光設備 具初拋光臺和精拋光臺。但是經過雙臺拋光工藝后，硅片表面仍殘留拋光液，對硅片產生腐 蝕作用。為了消除這一缺陷，目前也有將集成電路制造中的平坦化(CMP)工藝設備采用的 后清洗系統集成在硅片單面拋光設備中應用的實例，形成所謂的“干進干出”硅片單面拋光 工藝。但是，這種工藝方法中集成的后清洗系統也因硅片清洗質量不高、清洗質量不穩定或 者成本過高而沒有推廣應用。在化學機械拋光過程中，拋光頭起著拾取硅片和帶動硅片旋轉在拋光墊上進行拋 光的作用，硅片拾取和硅片旋轉通過承載器(carrier)實現，承載器與拋光頭心軸裝置上 的承載器法蘭盤通過真空固定，硅片拾取和硅片旋轉通過心軸裝置提供動力。心軸裝置對 承載器(carrier)進行連接、升降、旋轉及在拋光過程實現精確心軸力控制的機構。心軸裝置與承載器組成整個拋光頭系統，在功能上具有硅片夾持、下壓力產生、背壓產生、壓力調 整、旋轉、工位傳遞等多種功能。

發明內容
本發明的目的是提供一種硅片單面化學機械拋光方法和裝置，解決的主要問題是 可有效降低或消除硅片經初拋光或精拋光后拋光液在硅片表面上的殘留，大大提高硅片的 單面拋光質量；其方法方法合理、原理獨特、工藝性好，可大大提高硅片的單面拋光質量； 其裝置結構簡單、配置合理、單面拋光質量高且穩定，可滿足對硅片拋光質量的需求；用途 廣，尤其是可滿足300mm及其以上大直徑硅片對全局及局部平整度和微粗糙度等更高的精 度要求。本發明之一是這樣實現的一種硅片單面化學機械拋光方法，包括在初拋光臺和 /或精拋光臺進行硅片的粗拋光和/或精拋光，其特征在于根據硅片單面拋光的表面質量 要求，由上述的初拋光臺和/或精拋光臺與漂洗臺配合，由漂洗臺再進行硅片的漂洗拋光， 以去除在粗拋光和精拋光工藝過程中的殘留拋光液，消除殘留拋光液對硅片拋光質量的影 響，提高硅片的單面拋光質量。所述的漂洗拋光為用去離子水作為介質進行漂洗拋光較好。也可用純凈水等作為 介質進行漂洗拋光。本發明之二是這樣實現的一種硅片單面化學機械拋光裝置，主要包括初拋光臺 和/或精拋光臺，拋光液供給機構，電氣控制部分，其特征在于設有終拋光臺，即漂洗拋光臺。所述的漂洗拋光臺具有去離子水供給機構較好。如用純凈水等介質供給機構也可。所述的初拋光臺和終拋光臺分別獨立設有2路或3路以上拋光液供給機構，具有 同時、依次或者它們之間組合的方式供給拋光液的結構為佳。所述的初拋光臺、精拋光臺或漂洗拋光臺的拋光頭均和拋光主軸自轉、升降及氣 吸機構相連，拋光主軸自轉、升降及氣吸機構均裝在可轉動換位的轉塔上；此解構較好。所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于硅片裝載部分設有硅片裝載臺、 硅片卸載臺、機械手機構、硅片存儲水槽、硅片掃描，OCL單元和電氣控制人機界面。所述的機械手機構設有硅片轉換臺、2套四維機械手，或者為1套六維機械手和末 端執行器，等結構。所述的電氣控制部分主要由主機PC、主機系統、拋光頭系統、前端模組系統、拋光 液供給站等組成；主機PC是以工業計算機(安裝WindowsXp操作系統)為基礎的設備輸入 /輸出、主邏輯控制和與其他控制單元進行網絡通訊的主單元。主機PC通過以太網交換機 分別與主機系統、拋光頭系統、前端模組系統、拋光液供給站控制單元連結，進行數據交換 和邏輯動作控制；主機系統、拋光頭系統、前端模組系統、拋光液供給站作為四個獨立的控 制單元，可包括專用控制器或邏輯控制器(PLC)、電源模塊、運動控制單元、電機驅動模塊、 通訊模塊和功能擴展模塊電路。電氣控制可以具有以下主要軟件部分Wind0WSXp操作系統作為設備的系統層平 臺，具有設備的人機界面應用層、底層邏輯控制以及I/O控制的實現層和包含控制模塊之
4間的通訊的接口層。本發明的積極效果是有效解決了長期以來現有技術中一直存在的且一直未能解 決的問題，可有效降低或消除硅片經初拋光或精拋光后拋光液在硅片表面上的殘留，從而 大大提高了硅片的單面拋光質量；其方法簡單、原理獨特，工藝性好，可大大提高硅片的單 面拋光質量；其裝置結構簡單、配置合理、單面拋光質量高且穩定，可滿足對硅片拋光質量 的需求，也有利于提高生產效率、降低成本和實現生產過程的自動化；其用途廣，尤其是可 滿足300mm及其以上大直徑硅片對全局及局部平整度和微粗糙度等更高的精度要求。以下結合實施例及其附圖作詳述說明，但不作為對本發明的限定。


圖1為本發明一個較好的實施例_實施例1的立體結構示意圖。圖2為圖1的設備平面布置示意圖。圖3所示為又一實施例六維機械手構成的設備平面布置示意圖。圖4為圖1中前端模組Loadport結構示意圖。圖5為圖1中硅片輸出端結構示意圖。圖6為圖1中裝載臺與拋光頭承載器定位裝片示意圖。圖7為圖1中卸載臺與拋光頭承載器定位卸片示意圖。圖8為圖1中拋光頭在轉塔上安裝示意圖。圖9為圖1的設備電氣控制框圖。圖10為圖1的拋光頭系統電氣控制框圖。圖11為圖1的拋光頭部位流體控制系統圖。圖12為圖1的拋光臺溫度控制系統圖。圖13為圖1的拋光液供給和拋光液流量控制系統圖。圖14為圖1的系統設備軟件框圖。圖中各標號說明1-硅片處理部分、2-電氣控制部分、3-流體控制部分、4-拋光 部分、5_軟件部分、6-硅片轉換臺、7-右機械手裝置、8-漂洗臺、9-拋光頭承載器A、10-精 拋光臺、11"精拋光墊修整器、12-右流體分配箱、13-右拋光液分配管、14-左拋光液分配 管、15-左流體分配箱、16-初拋光墊修整器、17-初拋光臺、18-拋光頭承載器B、19-轉塔、 20-裝載臺、21-卸載臺、22-左機械手裝置、23-硅片輸出端、24-硅片輸入端、25-濕盆、 26-六維機械手、27-末端執行器轉換架、28-0CL單元、29-掃描棒、30-前端模組、31-滑道、 32-輸出OCL單元、33-主機PC、34-主機系統、35-拋光頭系統、36-前端模組系統、37-拋 光液供給站、38-機械手驅動、39-硅片輸入端控制器(LOAD PORT)、40_硅片輸出端控制器 (UNLOAD PORT)、41_ 以太網交換機、42_PLCA、43_PLCA 擴展模塊、44-導電滑環、45-PLCB、 46-機械手控制器、47-運動控制單元、48-電源模塊A、49-驅動模塊、50-電機驅動模塊、 51-運動控制單元C、52-電源模塊B、53-雙軸驅動模塊B、54_去離子水、55-壓縮空氣、 56-真空、57-三通旋轉聯通節、58-六通旋轉聯通節、59-拋光頭A、60_拋光頭氣囊氣缸A、 61-冷熱水機、62-流量比例閥A、63- 二通旋轉聯通節A、64-流量計A、65_流量比例閥B、 66-流量計B、67- 二通旋轉聯通節B、68-隔膜泵A、69_隔膜泵B、70_拋光液稀釋攪拌桶A、 71-拋光液稀釋攪拌桶B、72-拋光液分配器、73-蠕動泵A、74-蠕動泵B、75_流量傳感器A、76-流量傳感器B、77-凹槽、78-載片臺、79-噴水裝置、80-卸載凹槽、81-拋光頭上下機 構、82-WindowsXp平臺、83-系統層、84-硬件層、85-驅動層、86-包含控制模塊之間通訊的 接口層、87-底層邏輯控制以及I/O控制的實現層、88-人機界面應用層、89-設備運行支持、 90-用戶程序應用、91-工藝功能實現；圖中所示流體符號，按國標(或ISO)規定畫法。
具體實施例方式此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不適于限定本發明。實施例1 該硅片單面化學機械拋光裝置，主要包括初拋光臺17和/或精拋光臺10，拋光液 供給機構，電氣控制部分，并設有漂洗拋光臺8。漂洗拋光臺8具有去離子水漂洗拋光供給 機構。初拋光臺和精拋光臺分別獨立設有2路或3路以上拋光液供給機構，具有它們之間組 合的方式供給拋光液的結構。初拋光臺17、精拋光臺10或漂洗拋光臺8上的拋光頭均和拋 光主軸自轉、升降及氣吸機構相連，拋光主軸自轉、升降及氣吸機構均裝在可轉動換位的轉 塔19上；硅片轉載部分設有硅片裝載臺(LoadStation)、硅片卸載臺(Unload Station)、機 械手機構、硅片存儲水槽、硅片掃描(Wafer Mapping), OCL(Open Cassettes Loadport)單 元和電氣控制人機界面(HMIM)。機械手機構設有硅片轉換臺、2套四維機械手裝置，或者為 1套六維機械手和末端執行器(Robotic EndEffector)，等結構。電氣控制部分主要由主機 PC33、主機系統34、拋光頭系統35、前端模組系統36、拋光液供給站37等組成。主機PC33 是以工業計算機(安裝WindowsXp操作系統)為基礎的設備的輸入/輸出、主邏輯控制和 與其他控制單元進行網絡通訊的主單元。主機PC33通過以太網交換機41分別與主機系統 34、拋光頭系統35、前端模組系統36、拋光液供給站37控制單元連結，進行數據交換和邏輯 動作控制。主機系統34、拋光頭系統35、前端模組系統36、拋光液供給站37作為四個獨立 的控制單元，可包括專用控制器或邏輯控制器(PLC)、電源模塊、運動控制單元、電機驅動模 塊、通訊模塊和功能擴展模塊電路。電氣控制部分具有以下主要軟件部分Wind0WSXp操作系統作為設備的系統層83 平臺，設備的人機界面應用層88、底層邏輯控制以及1/0控制的實現層87和包含控制模塊 之間的通訊的接口層86。本發明實施例為300mm硅片單面拋光提供了拋光工藝和全自動拋光設備。具體表 現在如圖1、圖2所示，硅片處理部分1中的硅片輸入端24存放待拋光的硅片(圖中未表示 出)，經硅片處理部分1中的右機械手裝置7處理，硅片傳輸到硅片拋光部分4。在拋光部 分4中，硅片經過初拋光、精拋光和漂洗拋光后，硅片再次傳輸到硅片處理部分1中，經左機 械手裝置22處理，硅片被裝載在硅片處理部分1中的硅片輸出端23存放，如此循環往復。 當經過拋光后的硅片存儲滿硅片輸出端23后，硅片輸出端23中的輸出OCL單元32(圖5 所示)可以從本系統設備上取下，運輸到硅片的后續工藝流程處理，如清洗工藝流程。在本發明的系統設備硅片處理部分1、電氣控制部分2、流體控制部分3、拋光區部 分4和軟件部分5的協同作用下，本發明系統設備可控制硅片處理部分1中的機械動作、拋 光部分4中流體加載、流體卸載等邏輯動作。本發明系統設備的流體控制，主要包含壓縮空 氣、真空、去離子水、拋光液流體。圖2、圖4、圖5所示，本發明系統設備采用雙臺拋光和漂洗拋光的組合工藝方法，其主要流程如下硅片(圖中未表示出)通過OCL單元28放置在硅片輸入端24，右機械手 裝置7將硅片臨時放置在硅片轉換臺6，左機械手裝置22從硅片轉換臺6抓取硅片后，把硅 片放置在裝載臺20下部的載片臺78(圖6所示)上定位。當拋光頭承載器A9或拋光頭承 載器B18其中一只圍繞轉塔19軸旋轉在裝載臺20上方后(假設是拋光頭承載器B18的情 形)，拋光頭承載器B18在拋光頭上下機構81 (圖8所示)作用下下降，與裝載臺20接觸并 定位(圖6所示)后，裝載臺20的硅片抬升裝置(圖中未表示出)將硅片移至拋光頭承載 器B18端面的凹槽77內，完成硅片裝載功能。拋光頭承載器B18抬升，圍繞轉塔19軸旋轉 在初拋光臺17的上方，拋光頭承載器B18旋轉并下降與初拋光臺17上端的拋光墊接觸，拋 光頭承載器B18在拋光頭上下機構81作用下，產生預設壓力，使拋光頭承載器B18產生拋 光下壓力作用在拋光墊上，同時拋光頭承載器B18背壓機構根據預設壓力產生背部壓力作 用在硅片背部(為了能清楚地區分說明，硅片的拋光面稱之為硅片的正面，另一面稱之為 硅片的背面)。初拋光臺17與拋光頭承載器B18同向旋轉，同時拋光頭承載器B18圍繞轉 塔19軸按照一定的角度和頻率在初拋光臺17有效的范圍內擺動，進行初拋光過程。拋光 過程的時間是在控制程序中預設的。在初拋光過程中，拋光液經由左流體分配箱15控制，由左拋光液分配管14向初拋 光臺17臺面噴灑拋光液，使拋光液隨初拋光臺的旋轉進入初拋光臺17與拋光頭承載器B18 接觸拋光的區域。左拋光液分配管14向初拋光臺17臺面噴灑拋光液是按照控制軟件預期 設定的流量供給。本發明拋光液流量供給最大可達到2000ml/min。在硅片拋光應用工藝 中，左拋光液分配管14可以供給兩種類型的拋光液，其供給順序和流量是按照控制軟件預 期設定的。同時在其他一些應用場合如CMP工藝中，左拋光液分配管14可以設計成供給三 種以上類型的拋光液應用實例，其供給順序和流量是按照控制軟件預期設定的。左拋光液 分配管14在提供每一種拋光液同時，也可提供去離子水，用于初拋光臺17的沖洗。在拋光頭承載器B18旋轉至初拋光臺17位置進行拋光前，初拋光墊修整器16抬 升一定高度，之后繞其旋轉中心旋轉到初拋光臺17上方，然后下降，使修整器前部的修整 輪與初拋光臺17上端的拋光墊接觸。初拋光墊修整器16的修整輪按照控制程序預設的轉 向、轉速、修整下壓力、擺動角度、擺動頻率、修整時間對拋光墊進行修整。本發明的拋光墊 修整采用在線修整方式，即初拋光墊修整器16在對拋光墊接觸修整開始后，拋光頭承載器 B18同時下降與初拋光臺17接觸開始拋光。拋光墊的修整時間在控制程序預設中小于拋光 頭承載器下降拋光的時間。修整器的修整輪可以選擇金剛石修整輪或尼龍刷修整輪。本發 明系統設備，采用3M公司的修整輪。在其他硅拋光應用實例中，如果初拋光選用硬度較硬 的拋光墊時，修整拋光墊可采取二步修整方法首先選用金剛石修整輪對拋光墊預先修整， 之后再換成尼龍刷修整輪對拋光墊進行修整。本發明對拋光墊的修整也可以采用離線修整方式。離線修整方式是指不對硅片拋 光條件下，直接對拋光墊修整。或者是在硅片拋光條件下，先期完成拋光墊修整，之后再進 行拋光。離線修整同樣按照控制程序預設的轉向、轉速、修整下壓力、擺動角度、擺動頻率、 修整時間對拋光墊進行修整。在初拋光臺17上完成硅片初拋光后，拋光頭承載器B18在拋光頭上下機構81作 用下抬升，距離初拋光臺17達到預設高度距離后，圍繞轉塔19軸旋轉至精拋光臺10的的 上方，拋光頭承載器B18旋轉并下降與精拋光臺10上端的拋光墊接觸，拋光頭承載器B18在拋光頭上下機構81作用下，產生預設壓力，使拋光頭承載器B18產生拋光下壓力作用在 拋光墊上，同時拋光頭承載器B18背壓機構根據預設壓力產生背部壓力作用在硅片背部。 精拋光臺10與拋光頭承載器B18同向旋轉，同時拋光頭承載器B18圍繞轉塔19軸按照一 定的角度和頻率在精拋光臺10有效的范圍內擺動，進行精拋光過程。精拋光過程中，控制 程序預設的拋光下壓力、背部壓力、精拋光時間與初拋光不同。在精拋光過程中，拋光液經由右流體分配箱12控制，由右拋光液分配管13向精拋 光臺10臺面噴灑拋光液，使拋光液隨精拋光臺10的旋轉進入拋光臺與拋光頭承載器接觸 拋光的區域。右拋光液分配管13向精拋光臺10臺面噴灑拋光液是按照控制軟件預期設定 的流量供給，本發明拋光液流量供給最大可達到2000ml/min。在硅片拋光應用工藝中，右拋 光液分配管13可以供給兩種類型的拋光液，其供給順序和流量是按照控制軟件預期設定 的。同時在其他一些應用場合如CMP工藝中，右拋光液分配管13可以設計成供給三種類型 以上的拋光液應用實例，其供給順序和流量是按照控制軟件預期設定的。右拋光液分配管 13在提供每一種拋光液同時，也可提供去離子水，用于拋光臺的沖洗。在精拋光過程中，精拋光墊修整器11的功能與初拋光墊修整器16的功能相同，只 是精拋光墊修整器11的修整輪按照控制程序預設的轉向、轉速、修整下壓力、擺動角度、擺 動頻率、修整時間等參數是適合于精拋光工藝要求設定的。精拋光墊修整器11對精拋光臺 10上的拋光墊進行修整，同樣可采用在線修整或離線修整方式，這里不再贅述。由于精拋光臺10上采用的拋光墊的硬度小于初拋光臺17上的拋光墊硬度，精拋 光墊修整器11的修整輪一般采用尼龍刷修整輪。在精拋光臺10上完成硅片精拋后，拋光頭承載器B18在拋光頭上下機構81作用 下抬升，距離精拋光臺10達到預設高度距離后，圍繞轉塔19軸旋轉在漂洗臺8的上方，拋 光頭承載器B18旋轉并下降與漂洗臺8上端的拋光墊(圖中未表示出)接觸，拋光頭承載 器B18在拋光頭上下機構81作用下，產生預設壓力，使拋光頭承載器B18產生拋光下壓力 作用在拋光墊上，同時拋光頭承載器B18背壓機構根據預設壓力產生背部壓力作用在硅片 背部。漂洗臺8與拋光頭承載器B18同向旋轉進行漂洗過程。在漂洗過程中，拋光頭承載 器B18不擺動，控制程序預設的拋光下壓力、背部壓力、漂洗時間與初拋光和精拋光設置的 參數不同。在漂洗過程中，漂洗臺8臺面上不噴灑拋光液，取而代之的是噴灑去離子水。去離 子水流量和漂洗時間是控制軟件預設的，噴灑去離子水的裝置在圖2中沒有表示。漂洗臺8上采用的拋光墊是具有漂洗作用的拋光墊，其硬度小于初拋光臺17和精 拋光臺10上采用的拋光墊硬度。本系統設備對漂洗臺的拋光墊不采用修整裝置。在漂洗臺8上完成硅片漂洗后，拋光頭承載器B18在拋光頭上下機構81作用下抬 升，距離漂洗臺8達到預設高度距離后，圍繞轉塔19軸旋轉在卸載臺21的上方并初始定 位。如圖7所示，卸載臺21上的噴水裝置79對拋光頭承載器B18噴射去離子水清洗后，拋 光頭承載器B18在拋光頭上下機構81作用下下降，與卸載臺21接觸并定位后，拋光頭承載 器B18部的背壓機構(圖中未表示)噴射壓縮空氣，將硅片卸載到卸載臺21底部的卸載凹 槽80中。卸載臺21上的噴水裝置79對拋光頭承載器B18再次噴射去離子水清洗拋光頭 承載器B18端面的凹槽77，然后拋光頭承載器B18背部的背壓機構再次噴射壓縮空氣，除去 承載器背部的背壓機構內的水分。硅片在卸載臺21上完成卸載后，拋光頭承載器B18在拋
8光頭上下機構81作用下抬升，距離卸載臺21達到預設高度距離后，圍繞轉塔19軸旋轉在 裝載臺20的上方并初始定位，重復下一個循環的拋光過程。硅片在卸載臺21上完成卸載后，左機械手裝置22運動到卸載臺21處抓取硅片。 左機械手裝置22將抓取的硅片傳送到硅片輸出端23存儲。在本發明的系統設備上，設計有兩套拋光頭，每一套拋光頭上的承載器(如拋光 頭承載器A9或拋光頭承載器B18)都可按照上述工作流程完成一個硅片的雙臺拋光和漂洗 拋光組合方法流程。在圖2所示的拋光工藝流程中，硅片處理部分主要由硅片輸入端24、右機械手裝 置7、硅片轉換臺6、左機械手裝置22、硅片輸出端23組成。硅片輸入端24主要由集成電路 設備前端模組30和OCL單元28組成。前端模組30是一個標準輸入/輸出模組，生產商較 多，選擇范圍較大。本發明系統設備采用的前端模組30是一個具有硅片掃描功能的模組。 如圖4所示，前端模組30在安裝OCL單元28前后端安裝有兩個掃描棒29，用來檢查OCL單 元28硅片裝載狀況，并將掃描結果通訊到本發明系統設備控制單元。在其他工藝應用中，如CMP工藝應用中，本發明的OCL單元28可以更換成FOUP單 元的應用實例，以適應該工藝過程中晶圓傳輸需要。如上所述，本發明系統設備設計有兩套機械手裝置(右機械手裝置7、左機械手裝 置22)進行硅片傳輸。采用兩套機械手裝置傳輸的主要目的是為了解決對未拋光硅片的玷 污問題。本發明中，右機械手裝置7專門處理未拋光硅片，機械手進入OCL單元28保持干 燥狀態(或稱之為干機械手臂)，不會沾染拋光液對硅片形成污染。由于已拋光硅片為濕 態，左機械手裝置22專門處理已拋光硅片(或稱之為濕機械手臂)，左機械手裝置22與硅 片輸入端24隔離，避免了左機械手裝置22對未拋光硅片的污染。左機械手裝置22從卸載 臺19抓取硅片后把硅片放置在硅片輸出端23。如圖5所示，硅片輸出端23主要由滑道31 和輸出OCL單元32組成(硅片輸出端其他機構圖中未表示)。左機械手裝置22把硅片放 置在滑道31的前端，滑道31向輸出OCL單元32方向傾斜，同時相對于滑道，向上、向前、向 里注入去離子水。硅片在滑道31去離子水的漂浮下，漂向輸出OCL單元32的一個槽位內， 緊接著輸出OCL單元32向下移動一個槽位距離。輸出OCL單元32在硅片輸出端23浸泡 在去離子水中，防止未清洗的拋光硅片干燥。本發明系統設備在其他應用場合，也可采用一套六維機械手裝置和末端執行器轉 換架替代上述兩套機械手裝置傳輸裝置的應用實例，如圖3所示。采用一套六維機械手的 好處是減小了系統設備體積，以便于本系統設備單元的擴展，同時也增大了系統設備空間 的利用率。圖3所示，六維機械手裝置26安裝在設備上端，機械手臂下垂。末端執行器(末 端執行器是機械手裝置夾持硅片的元件，可與機械手臂分離，圖中未表示出)轉換架27可 以存放兩套末端執行器，分別為干態末端執行器和濕態末端執行器組成，功能與兩套機械 手裝置傳輸裝置功能相似，干態末端執行器只能從硅片輸入端24抓取硅片，然后把硅片放 置在硅片轉換臺6，六維機械手裝置26從末端執行器轉換架27自動換取濕態末端執行器， 從硅片轉換臺6抓取硅片把硅片放置在裝載臺20，或者從卸載臺21抓取硅片把硅片放置 在濕盆25中的OCL單元。濕盆25是硅片輸出端23的另一種形式，結構相對硅片輸出端23 簡單。在本發明的應用實例中，兩套四維機械手、一套六維機械手裝置和末端執行器，由
9市場專業廠家生產制造，可以購置。在圖1、圖2所示的拋光工藝流程中，拋光部分主要由初拋光臺17、精拋光臺10、 漂洗臺8、中心轉塔19、拋光頭承載器B18或拋光頭承載器A9、硅片裝載臺20、硅片卸載臺 21、初拋光墊修整器16或精拋光墊修整器11組成。初拋光臺17和精拋光臺10是結構相 同的兩個系統，由于本發明工藝流程說明需要，按照功能區分命名。同樣，初拋光墊修整器 16和精拋光墊修整器11是結構相同的兩個系統，由于本發明工藝流程說明需要，按照功能 區分命名。在圖2所示的拋光工藝流程中，兩套拋光頭承載器周而復始地旋轉，按照控制軟 件預設的邏輯動作完成各種功能。每套拋光頭，除了拋光頭上下機構外，還安裝有拋光頭的 電氣控制單元及流體控制單元，它是本發明系統設備的電氣控制部分2和流體控制部分3 的一部分。拋光頭的電氣控制需要同本發明系統設備的電源系統連接，同時控制信號和通 訊也要與本發明系統設備的主控系統連接。由于本發明系統設備采用線纜硬連接方式，拋 光頭周而復始地旋轉，會造成線纜的纏繞。為了解決這一問題，本發明系統設備采用導電 滑環連結，如圖9所示。導電滑環44將電氣控制系統的拋光頭系統與主機系統連接，如圖 10所示。導電滑環44是由市場專業廠家生產制造，本發明系統設備選用13路通道(圖中 1-1’、2-2’等表示一路通道)的導電滑環，其中4路通道為動力電源線，9路通道為以太網 通訊線。圖9所示為電氣控制部分2的控制框圖，主要由主機PC33通過以太網交換機41 與底層控制單元PLCA42 (包含PLCA擴展模塊43)、PLCB45、PLCC37、機械手控制器46 (前端 輸出為機械手驅動38)、L0AD PORT 39,UNLOAD PORT 40組成的分布式控制系統。導電滑環 44將電氣控制系統的拋光頭控制系統分離成獨立的控制系統。在圖9所示的電氣控制框圖中，本發明系統設備以控制功能劃分，電氣控制系統 分為主機系統34、拋光頭系統35、前端模組系統36、和拋光液供給站37。主機系統34、拋 光頭系統35和拋光液供給站37分別由相應的PLC控制器控制。例如在主機系統34中， PLCA42和其PLCA擴展模塊43、電源模塊A48作為底層控制單元的邏輯控制中心，與運動控 制單元47 (包含運動控制單元A和運動控制單元B)、驅動模塊49 (包含雙軸驅動模塊A、雙 軸驅動模塊B和單軸)、電機驅動模塊50 (包含電機驅動模塊A、電機驅動模塊B、電機驅動 模塊C、電機驅動模塊D)組成完整的底層控制單元。拋光液供給站37在結構上同系統設備主機分離，但自成一個獨立的控制系統，通 過RS485與主機控制系統通訊。在一些應用場合，拋光液供給站37可以安裝在系統設備主 機邊，也可安裝在遠離系統設備主機的地方。前端模組系統36包含獨立的控制單元，即機 械手控制器46、硅片輸入端控制器(LOAD PORT) 39、硅片輸出端控制器(UNLOAD P0RT)40，通 過10/100B-TX網線與以太網交換機41連結，構成完整的電氣控制系統。圖10所示的拋光頭系統電氣控制中，主要由PLCB45、電源模塊B52和雙軸驅動模 塊B53、運動控制單元C51。PLCB45又包含模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模 塊、數字量輸出模塊、流體控制閥、傳感器、和各類開關量。流體控制部分3主要由壓縮空氣控制單元、去離子水控制單元、真空控制單元以 及拋光液供給站單元組成。圖11所示為流體控制部分在拋光頭部位控制的一部分，具有代 表性。去離子水54，壓縮空氣55、真空56等流體通過轉塔系統下端的三通旋轉聯通節57引入拋光頭A59 (拋光頭系統的機械部分稱之為拋光頭，下端安裝拋光頭承載器。本系統設 備具備兩套拋光頭，流體控制上為了區分說明，稱之為拋光頭A)。拋光頭中的流體控制單元 (包括各類流體電磁閥、傳感器、比列閥、調節閥、過濾器等)對拋光頭氣囊氣缸A60控制、以 及通過拋光頭六通旋轉聯通節58對拋光頭A59所需的流體和流體壓力進行控制。流體控制部分中另一重要環節是拋光液供給站單元，如圖13所示，為拋光液供給 站單元在初拋光工位應用的一部分，具有代表性。壓縮空氣55流體作用在隔膜泵A68和隔 膜泵B69，使泵體工作，從拋光液稀釋攪拌桶A70和拋光液稀釋攪拌桶B71吸取拋光液，形成 兩路壓力拋光液。拋光液分別由蠕動泵A73和蠕動泵B74計量，經拋光液分配器72輸送到 左拋光液分配管14。拋光液流量的精度分別由流量傳感器A75和流量傳感器B76檢測形成 閉環控制，分別調整蠕動泵A73和蠕動泵B74的輸出精度。在硅片化學機械拋光中，拋光區溫度維持在預期范圍內，可穩定拋光工藝質量。由 于在拋光區(拋光墊與硅片接觸區域)瞬時溫度變化較大，不易控制在預期的溫度范圍內， 只有通過間接方法維持拋光溫度的預期范圍。本發明系統設備采取控制拋光臺溫度，間接 維持拋光溫度的范圍。本發明系統設備，拋光臺預期溫度控制范圍20-60°C 士 1°C。如圖 12所示，圖中的初拋光臺17、精拋光臺10，其下部通過二通旋轉聯通節A63和二通旋轉聯 通節B67將冷熱水機61的熱平衡介質流體引入拋光臺腔體，與拋光臺面和拋光墊進行熱交 換，維持拋光臺面上拋光墊表面溫度的基本穩定。由于拋光墊表面溫度變化，通過測試拋光 墊表面的溫度，改變流量比例閥A62和流量比例閥B65開口，控制進入拋光臺腔體流體的 流量，從而形成溫度穩定的控制。圖12中，流量計A64、流量計B66還可用來顯示熱平衡流 體的流量。熱平衡流體主要由市政自來水和工業乙烯乙二醇混合而成，它們的配比比列為 9 1。本發明的系統設備的軟件如圖14的軟件框圖所示。軟件的系統層83是以 WindowsXp 82操作系統為平臺的系統，支撐設備運行支持89、工藝功能實現91以及用戶程 序應用90操作界面的應用。用戶程序應用90主要是指軟件的應用層88，主要包括工藝參 數管理、日志管理、用戶管理等應用。軟件的實現層87主要指底層軟件，包括運動、邏輯動 作控制以及頂層軟件的讀取和輸出。軟件的硬件層84和驅動層85通過接口層86構成系 統設備的軟件網絡。實施例2、實施例3 初拋光臺17和漂洗拋光臺8組合、精拋光臺10和漂洗拋光臺 8組合。本系統設備采用的單臺拋光和漂洗拋光組合方法流程和雙臺拋光和漂洗拋光組 合方法流程基本相似，硅片在裝載臺20、漂洗臺8和卸載臺21工藝功能相同，不同之處只是 硅片在初拋光臺17或精拋光臺10上完成硅片一次拋光后，拋光頭承載器B18直接旋轉至 漂洗臺8上進行漂洗拋光。在單臺拋光和漂洗拋光組合方法流程中，初拋光臺17或精拋光 臺10的描述名稱并不代表要完成初拋光或者精拋光工藝，只是在本發明雙臺拋光和漂洗 拋光組合方法的說明描述中保留下的名稱。實際上初拋光臺17或精拋光臺10完成的功能 相同，選用的拋光墊或拋光墊修整輪完全相同。實際工作中，本發明的系統設備在單臺拋光 和漂洗拋光組合方法的控制程序中，程序依據初拋光臺17或精拋光臺10的狀態(即有拋 光的狀態或無拋光的狀態)，來控制兩套拋光頭承載器工位位置，極大地提升了本發明硅片 拋光效率。單臺拋光和漂洗拋光組合工藝方法中，初拋光臺17或精拋光臺10上的拋光墊修整裝置的功能與雙臺拋光和漂洗拋光組合工藝方法流程中的功能完全相同。以上的裝置實施例也體現了三種方法的實施例。上述的初拋光臺17和/或精拋光臺10，指只有初拋光臺17 ；或只有精拋光臺10 ； 或既有初拋光臺17，又有精拋光臺10。所說初拋光臺17或拋光臺10，既包括一臺，也包括 幾臺；初拋光臺17，又可稱為粗拋光臺或半精拋光臺。所說電氣控制部分，可為不同結構， 可為各種不同程度的半自動控制或自動控制形式等。特此說明。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種硅片單面化學機械拋光方法，包括在初拋光臺和/或精拋光臺進行硅片的粗拋光和/或精拋光，其特征在于根據硅片單面拋光的表面質量要求，由上述的初拋光臺和/或精拋光臺與漂洗臺配合，由漂洗臺再進行硅片的漂洗拋光，以去除在粗拋光和精拋光工藝過程中的殘留拋光液，消除殘留拋光液對硅片拋光質量的影響，提高硅片的拋光質量。
2.根據權利要求1所述的硅片單面化學機械拋光方法，其特征在于所述的漂洗拋光為 用去離子水作為介質進行漂洗拋光。
3.一種硅片單面化學機械拋光裝置，主要包括初拋光臺(17)和/或精拋光臺(10)，拋 光液供給機構，電氣控制部分，其特征在于設有終拋光臺，即漂洗拋光臺(8)。
4.根據權利要求3所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于漂洗拋光臺(8)具 有去離子水供給機構。
5.根據權利要求3所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于初拋光臺和精拋光 臺分別獨立設有2路或3路以上拋光液供給機構，具有同時、依次或者它們之間組合的方式 供給拋光液的結構。
6.根據權利要求3所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于初拋光臺(17)、精 拋光臺(10)或漂洗拋光臺(8)的拋光頭均和拋光主軸自轉、升降及氣吸機構相連，拋光主 軸自轉、升降及氣吸機構均裝在可轉動換位的轉塔(19)上。
7.根據權利要求6所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于硅片處理部分設有 硅片裝載臺、硅片卸載臺、機械手機構、硅片存儲水槽、硅片掃描，OCL單元和電氣控制。
8.根據權利要求7所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于所述的機械手機構 設有硅片轉換臺、2套四維機械手單元，或者為1套六維機械手和末端執行器。
9.根據權利要求7所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于電氣控制部分主要 由主機PC(33)、主機系統(34)、拋光頭系統(35)、前端模組系統(36)、拋光液供給站(37) 等組成；主機PC(33)是以工業計算機為基礎的設備輸入/輸出、主邏輯控制和與其他控制 單元進行網絡通訊的主單元；主機PC(33)通過以太網交換機(41)分別與主機系統(34)、 拋光頭系統(35)、前端模組系統(36)、拋光液供給站(37)控制單元連結，進行數據交換和 邏輯動作控制；主機系統(34)、拋光頭系統(35)、前端模組系統(36)、拋光液供給站(37) 作為四個獨立的控制單元，包括專用控制器或邏輯控制器(PLC)、電源模塊、運動控制單元、 電機驅動模塊、通訊模塊和功能擴展模塊電路。
10.根據權利要求9所述的硅片單面化學機械拋光裝置，其特征在于電氣控制部分具 有以下主要軟件部分Wind0WSXp操作系統作為設備的系統層(83)平臺，具有設備的人機 界面應用層(88)、底層邏輯控制以及I/O控制的實現層(87)和包含控制模塊之間的通訊的 接口層(86)。
全文摘要
本發明提供了一種硅片單面化學機械拋光方法和裝置，屬于硅片化學機械拋光方法和設備技術領域。其方法是根據硅片單面拋光的表面質量要求，在進行了初拋光和/或精拋光之后，再與進行硅片的漂洗拋光。其裝置主要包括初拋光臺和/或精拋光臺，及漂洗拋光臺。本發明能有效降低或消除硅片經初拋光或精拋光后拋光液在硅片表面上的殘留，大大提高硅片的單面拋光質量；其方法合理、原理獨特，工藝性好；其裝置結構簡單、配置合理、單面拋光質量高且穩定，也有利于提高生產效率、降低成本和實現生產過程的自動化；本發明用途廣，尤其是可滿足300mm及其以上大直徑硅片對全局及局部平整度和微粗糙度等更高的精度要求。
文檔編號B24B37/04GK101934497SQ20101024994
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者廖垂鑫, 李偉, 柳濱, 郭強生 申請人:中國電子科技集團公司第四十五研究所