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� �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 Haze

Polishing) 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 法一即双台抛光工艺， 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� �� 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： WindowsXp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。 附图说明

图 1为本发明一个较好的实施例一实施例 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� �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-OCL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 、 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6、 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 、 61-冷 热水机、 62-流量比例阀 A、 63-二通旋转联通节 、 64-流量计 A、 65-流 量比例阀8、 66-流量计 B、 67-二通旋转联通节8、 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� �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（Load Station)、 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 End Effector) ， 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： WindowsXp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 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。

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� �� 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� ��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� ��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、� ��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� ��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� ��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-Γ、 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) 、 LOAD 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 、 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 PORT) 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±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� ��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。