CN116900927A - 用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法，所述磨轮包括：具有中心轴线的本体；研磨模块；弹性构件，所述弹性构件在所述中心轴线的方向上位于所述本体与所述研磨模块之间并且将所述研磨模块连接至所述本体；其中，所述弹性构件设置成通过弹性形变将来自所述本体的压力转换成弹力传递至所述研磨模块，以由所述研磨模块利用所述弹力对硅片进行研磨。

Description

用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法

技术领域

本公开涉及半导体加工制造技术领域，尤其涉及用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法。

背景技术

半导体硅材料作为最主要的元素半导体材料可直接或间接用于制备半导体器件。硅片的加工技术已逐步成为电子信息产业发展的重要驱动力。随着硅片直径越来越大、集成电路特征尺寸越来越小，对硅片的性能参数和加工效率、特别是对硅片的表面平坦度及厚度的去除速率提出了更高的要求。双面研磨加工由于可以加快厚度去除速率、提升硅片的表面平坦度，因此被认为是提高硅片的性能参数和加工效率的最有效的技术手段之一。

然而，当使用目前的磨轮执行研磨操作时，存在磨轮对硅片施加力不当导致硅片发生碎片的情况，而且碎片也会在掉落或飞溅时损坏磨轮，不仅影响研磨效率，还增加了生产成本。另外，对于研磨工艺，磨轮的状态决定了被其研磨后的硅片的品质，在磨轮使用一段时间之后，就会因磨轮的磨损程度不一致导致研磨后的硅片的品质降低，特别是会使硅片平坦度劣化。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法。通过使用本发明实施例提供的用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法，能够降低研磨过程中硅片因受压力不当而破碎的几率，并且在保证硅片品质的同时延长磨轮的使用寿命，提高研磨效率，降低生产成本。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于研磨硅片的磨轮，所述磨轮包括：

具有中心轴线的本体；

研磨模块；

弹性构件，所述弹性构件在所述中心轴线的方向上位于所述本体与所述研磨模块之间并且将所述研磨模块连接至所述本体；

其中，所述弹性构件设置成通过弹性形变将来自所述本体的压力转换成弹力传递至所述研磨模块，以由所述研磨模块利用所述弹力对硅片进行研磨。

在一些可选的示例中，所述研磨模块呈环形并且包括沿周向方向彼此相邻的多个部段，所述多个部段中的每个部段经由至少一个所述弹性构件连接至所述本体。

在一些可选的示例中，所述多个部段中的每个部段以可拆卸的方式连接至所述弹性构件。

在一些可选的示例中，所述弹性构件设置成相对于所述本体在所述中心轴线的方向上的位置是能够调节的。

在一些可选的示例中，所述弹性构件以可拆卸的方式连接至所述本体。

在一些可选的示例中，所述磨轮包括用于监测所述弹性构件的所述弹性形变的监测器。

第二方面，本发明实施例提供了一种研磨设备，所述研磨设备用于对硅片进行双面研磨，所述研磨设备包括：

对向设置在硅片的两侧的两个静压支撑件，所述两个静压支撑件用于通过提供流体静压以非接触的方式支撑硅片；

对向设置在所述硅片的两侧的两个根据第一方面的用于研磨硅片的磨轮。

第三方面，本发明实施例提供了一种研磨设备，所述研磨设备用于对硅片进行双面研磨，所述研磨设备包括：

对向设置在硅片的两侧的两个静压支撑件，所述两个静压支撑件用于通过提供流体静压以非接触的方式支撑硅片；

对向设置在所述硅片的两侧的两个根据第一方面的用于研磨硅片的磨轮；

与所述磨轮的监测器通信的控制器，所述控制器配置成根据用于监测所述弹性构件的所述弹性形变的监测器所述监测器的监测结果控制所述磨轮相对于所述硅片的移动。

第四方面，本发明实施例提供了一种研磨方法，所述研磨方法通过根据第二方面的研磨设备执行。

第五方面，本发明实施例提供了一种研磨方法，所述研磨方法通过根据第三方面的研磨设备执行，其中，所述研磨方法包括：

通过磨轮的监测器监测所述磨轮的弹性构件的弹性形变；

通过控制器根据所述监测器的监测结果控制所述磨轮相对于所述硅片的移动。

本发明实施例提供了用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法。该磨轮包括设置在本体与研磨模块之间的弹性构件。来自与本体连接的驱动装置的驱动力不是直接作用于硅片，而是由磨轮的弹性构件转换成弹力之后再作用于硅片。由于弹性构件可以通过弹性形变吸收一部分驱动力，因此避免了将过大的驱动力直接传递至硅片而造成对硅片的损伤，从而降低了磨轮导致硅片破碎的几率。另外，由于弹性构件提供的弹力可以始终迫压研磨模块抵靠在硅片上，因此可以有助于研磨模块在研磨操作过程中更好地贴合硅片表面，从而提高研磨后硅片的平整度，改善硅片性质。而且，也可以降低对磨轮的修整频率，降低生产成本。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的研磨设备的示意图；

图2示出了图1中的研磨设备使用的磨轮的正视图；

图3示出了本发明实施例提供的用于研磨硅片的磨轮的示意图；

图4示出了本发明的另一实施例提供的用于研磨硅片的磨轮的正视图；

图5示出了本发明的又一实施例提供的用于研磨硅片的磨轮的侧视图；

图6示出了本发明的再一实施例提供的用于研磨硅片的磨轮的侧视图；

图7示出了本发明的另一实施例提供的研磨设备的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种研磨设备1，该研磨设备1包括：

承载装置11，该承载装置11用于沿径向方向从外周承载硅片S；

两个静压支撑装置，即第一静压支撑装置12和第二静压支撑装置13，第一静压支撑装置12和第二静压支撑装置13分别设置在该硅片S的两侧，以用于通过流体静压以非接触的方式支撑该硅片S；

两个磨轮，即第一磨轮14和第二磨轮15，第一磨轮14和第二磨轮15分别设置在该硅片的两侧，以用于对该硅片S的背面BS和正面FS进行研磨。

下面参照图1对研磨设备1进一步说明。

待处理的硅片S可以在处理操作开始之前配合安装在承载装置11上以由承载装置11承载，承载装置11例如可以呈环形以用于沿周向方向将硅片S承载在该环形的内部。

第一静压支撑装置12和第二静压支撑装置13对向设置在承载装置11的两侧，在硅片S承载在承载装置11的情况下，在图1中示出的示例中，第一静压支撑装置12面向硅片S的背面BS，第二静压支撑装置13面向硅片S的正面FS，第一静压支撑装置12和第二静压支撑装置13用于在硅片S被处理时向承载于承载装置11中的硅片S的背面BS和正面FS提供流体的静压，由此以非接触的方式支撑硅片S，使其保持处于竖向方向。

第一磨轮14和第二磨轮15同样分别设置在承载装置11的两侧，在图1中示出的示例中，第一磨轮14面向硅片S的背面BS，第二磨轮15面向硅片S的正面FS，第一磨轮14和第二磨轮15设置成在绕自身中心轴线旋转的同时朝向硅片S移动，以分别通过面向硅片S的端部同时对硅片S的背面BS和正面FS进行研磨处理。

在研磨操作结束之后，机械臂R通过将硅片S的背面BS抵靠在第一静压支撑装置12上而将硅片S从研磨设备1取走，以进行对硅片S执行下一步操作。

图2中示出了可以用作研磨设备1中的第一磨轮14和第二磨轮15的磨轮的示意图。磨轮可以包括基体BO和固定地设置在基体BO的一个端面上的研磨部分GR。例如，研磨部分GR可以一体地形成在基体BO上，或者单独形成之后结合至基体BO。

在当使用上述磨轮进行研磨操作时，磨轮通过基体BO连接至驱动装置(未示出)。驱动装置提供驱动力来驱动磨轮旋转，并驱动磨轮朝向硅片进给，以在研磨部分GR旋转的同时对硅片施加压力来实现对硅片的研磨。

在使用上述磨轮时，由于研磨部分GR固定地形成在基体BO上，因此由驱动装置提供的驱动力，除了损耗部分之外，将很大程度上以压力的形式被磨轮传递至硅片。然而，一旦驱动装置提供了不适当的驱动力，例如当驱动装置使磨轮相对于硅片在单位时间内的进给量过大时，磨轮将对硅片施加较大压力，甚至构成对硅片的冲击力。在实际的应用中，较大的压力或冲击力会造成对硅片的损伤，特别是在双面研磨操作中，两个磨轮从硅片的两侧同时对硅片施加压力，会使得硅片被两侧的磨轮挤碎。而且，破碎的硅片在重力作用下掉落或者与磨轮碰撞后飞溅时也可能损伤磨轮的研磨部分，造成磨轮无法继续使用，进一步增加了制造成本。

此外，在实际的研磨操作过程中，受待研磨硅片的初始形貌、研磨设备的各部件状态及位置的影响，同一磨轮上的研磨部分在使用之后的磨损程度往往是不同的，使得研磨部分的用于进行研磨的端面可能不再保持在同一平面内。当使用这样的磨轮对硅片进行研磨时，研磨部分仅局部地接触硅片，这会导致研磨后的硅片品质劣化，特别是会导致平整度无法满足要求。在常规技术中，可以通过对磨轮的研磨部分进行修整来以使研磨部分重新达到研磨要求。但是，频繁修整磨轮不仅会影响生产效率，也会加快磨轮的报废节奏，致使生产成本增加。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法。通过使用本发明实施例提供的磨轮、研磨设备和研磨方法，能够降低研磨过程中硅片因受压力不当而破碎的几率，并且在保证硅片品质的同时延长磨轮的使用寿命，提高研磨效率，降低生产成本。

下面参照附图对本发明实施例提供的用于研磨硅片的磨轮、研磨设备和研磨方法进行具体描述。

参见图3，本发明实施例提出了一种用于研磨硅片的磨轮10，磨轮10包括：

具有中心轴线X的本体101；

研磨模块102；

弹性构件103，弹性构件103在中心轴线X的方向上位于本体101与研磨模块102之间并且将研磨模块102连接至本体101；

其中，所述弹性构件103设置成通过弹性形变将来自本体101的压力转换成弹力传递至研磨模块102，以由研磨模块102利用所述弹力对硅片进行研磨。

下面参照图3中对本发明实施例提供的磨轮10进一步说明。

图3中示出的磨轮10总体上可以呈柱形并且可以主要包括三个部分，即具有中心轴线X的本体101、研磨模块102和弹性构件103。在磨轮10用于双面研磨操作的情况下，磨轮10可以被安装成中心轴线X沿水平方向，两个轴向端面与中心轴线X垂直而处于竖向方向。在研磨过程中，磨轮10不仅绕中心轴线X进行旋转移动，而且沿中心轴线X的方向进行平移运动。

本体101可以呈柱形。本体101用于承载研磨模块102和弹性构件103并且可以与驱动装置(图中未示出)直接连接，以在驱动装置的驱动作用下带动研磨模块102和弹性构件103共同运动。例如，本体101可以在驱动装置的驱动作用下带动研磨模块102和弹性构件103共同绕中心轴线X进行旋转运动和沿中心轴线X的方向进行平移运动，并且可以同时进行旋转运动和平移运动。

研磨模块102用于执行研磨操作。在一个示例中，研磨模块102也可以柱形。在该示例中，研磨模块102在一个轴向端面处经由弹性构件103连接至本体101，并且研磨模块102的另一个轴向端面用于与硅片的表面直接接触以对其进行研磨。研磨模块102可以相对于本体101同心地布置，以与本体101一起绕中心轴线X旋转。作为示例性地而非限制性地，研磨模块102可以由用于去除硅片的材料的金刚石磨粒和用于将所述金刚石磨粒结合到一起的结合剂制成。

弹性构件103设置成在中心轴线X的方向上位于本体101与研磨模块102之间并且分别与本体101和研磨模块102连接。这里应当指出的是，本文中关于第一元件相对于一方向在第二元件和第三元件之间所使用的术语“之间”是指，相比沿着该方向测量时第三元件接近第二元件的程度，沿着该方向测量时第一元件更接近第二元件。术语“之间”包括但不要求第一、第二和第三元件沿该方向对准。弹性构件103可以由能够发生弹性形变的材料制成。本文中的“弹性形变”是指在外力停止作用后，能够恢复原状的形变。弹性构件103在受到外力时将发生形变，而在外力撤消后，弹性构件103可以恢复原状。弹性构件103在发生弹性形变时可以产生弹力。例如，弹性构件103可以是橡胶件、弹簧等。

当磨轮10开始执行研磨操作时，整个磨轮10将在驱动装置提供的驱动力作用下进行运动，其中，本体101可以在驱动装置提供的驱动力的作用下，带动研磨模块102和弹性构件103一起在绕中心轴线X旋转的同时沿中心轴线X的方向朝向硅片移动。当研磨模块102开始与硅片接触时，整个磨轮10将在驱动装置的作用下继续朝向硅片进给。此时，本体101可以将驱动装置沿中心轴线X的方向的驱动力以压力的方式传递至弹性构件103。由于弹性构件103设置在本体101与研磨模块102之间，因此弹性构件103受到来自本体101的压力之后会发生弹性形变，并通过弹性形变将该压力转换为弹性构件103的弹力。

在图3中，以虚线部分示出了本体101和弹性构件103在弹性构件103受到来自本体101的压力F发生弹性形变之后的位置。如图3所示，在弹性构件103受到压力F之前，本体101与研磨模块102之间的距离为D，而在弹性构件103受到压力F之后，本体101与研磨模块102之间的距离为d，其中D＞d。

随着弹性形变量的不断增大，弹力也不断增大。该弹力可以被直接作用于研磨模块102，以迫压研磨模块102抵靠在硅片上。研磨模块102利用该弹力对硅片进行研磨。

由于磨轮10包括设置在本体101与研磨模块102之间的弹性构件103，因此来自驱动装置的沿中心轴线X的方向的驱动力并不是直接作用于硅片，而是由磨轮的弹性构件103转换成弹力之后再作用于硅片。由于弹性构件103可以通过弹性形变吸收一部分驱动力，因此避免了将过大的驱动力直接传递至硅片而造成对硅片的损伤，从而降低了磨轮导致硅片破碎的几率。

另外，由于弹性构件103提供的弹力可以始终迫压研磨模块102抵靠在硅片上，因此可以有助于研磨模块102在研磨操作过程中更好地贴合硅片表面。即使研磨模块102被磨损，也可以在弹性构件103的作用下始终抵靠硅片，从而提高研磨后硅片的平整度，改善硅片性质。此外，也可以降低对磨轮的修整频率，降低生产成本。

在上面的示例中，研磨模块102设置成柱形。可以理解的是，研磨模块102也可以设置成其他形式。在本发明的一个实施例中，参见图4和图5，研磨模块102可以呈环形并且可以包括沿周向方向彼此相邻的多个部段，所述多个部段中的每个部段经由至少一个弹性构件103连接至本体101。

如图4所示，研磨模块102形成为相对于本体101同心地设置的环形形状，并且，研磨模块102可以在本体101的一个轴向端面上紧邻本体101的周向边缘设置，即研磨模块102的最大直径可以与本体101的外径相同，以使研磨模块102可以具有更大的研磨范围。

为了使磨轮的研磨模块102更好地贴合硅片以更好地研磨硅片，可以将研磨模块102分成能够独立于彼此沿中心轴线的方向运动的多个部段。在图4的实施例中，研磨模块102被平均分成沿周向方向彼此相邻的10个部段SE。可以理解的是，也可以以其他方式将研磨模块102分成更多或更少的部分。相应地，如图5所示，磨轮包括多个弹性构件103，使得每个部段SE可以经由至少一个弹性构件103连接至本体101。

在研磨模块102被分割成多个部段的情况下，由于每个部段SE可以通过与其连接的弹性构件103的弹性变形产生弹力抵靠在硅片表面上，而不会相互影响，因此，更有利于研磨模块102贴合硅片表面，提高研磨后硅片的平整度。在图5的示例中，弹性构件103采用弹簧。

在本发明的各实施例中，每个弹性构件的弹力阈值可以根据驱动力范围设定，只要弹性构件能够吸收一部分驱动力并且能够确保在发生弹性变形后仍使研磨模块102执行研磨操作即可。

正如上文所提及的，磨轮在执行研磨操作时会发生磨损，而且在实际生产中，受各种因素的影响，同一磨轮的不同研磨部分的磨损程度往往不一致。然而，为了保证研磨后的硅片的平整度，磨轮的研磨部分的整个研磨端面需保持在同一平面内。因此，对于具有固定连接的研磨部分的磨轮，需要定期对整个研磨部分进行修整，以使修正后的研磨部分的末端重新处于一个平面内。如果研磨部分的不同位置的磨损差异过大，那么相应地，对整个研磨部分的修整量也会很大，大量消耗人力物力，严重时可能会导致整个磨轮报废。

针对此问题，根据本发明实施例，所述多个部段SE中的每个部段以可拆卸的方式连接至弹性构件103，例如部段SE可以通过过盈配合、粘接等方式连接至弹性构件。由此，如果研磨模块102中的个别部段SE因磨损过度而无法与其他部段共同执行研磨操作，那么可以将这些部段SE进行更换，而无需过度消耗人力物力对整个磨轮进行修整。对于被替换的部段SE，可以与具有近似磨损程度的部段重新组合成研磨部段，进一步节约了生产成本。

根据本发明实施例，弹性构件103可以以可拆卸的方式连接至本体101。由此，可以将弹性构件103和研磨模块102一起从本体101上拆卸下来。弹性构件103也可以设置成分别以可拆卸的方式连接至本体101和研磨模块102。当弹性构件在多次使用之后因疲劳过度而无法提供预设的弹力时，或者根据实际应用情况，需要对弹性构件的弹力进行调整时，可以通过上述实施例实现弹性构件的更换。更换操作简单，并且操作成本低。

针对研磨部分的磨损程度不一致的问题，上文的实施例中提出了对研磨部分进行局部替换方案，本发明的另一实施例还提出了一种对研磨部分进行局部调整方案。具体而言，参见图6，弹性构件103可以设置成相对于本体101在中心轴线X的方向上的位置是能够调节的。例如，弹性构件103可以在一端设置有连接座CA。连接座CA可以通过例如螺纹连接等方式连接至本体101，由此可以通过调节连接座CA与本体101的螺纹接合长度来调节任意一个部段SE的研磨端面在中心轴线X的方向上相对于本体101的位置。调节后的磨轮仅需要较少的修整量，甚至不需要进行修正就可以使研磨模块的整个研磨端面在同一平面内，进而满足研磨操作的需要。

如上文所说明的，为了避免过大的压力施加至硅片致使硅片破碎，本发明实施例提供的磨轮通过弹性构件的弹性形变来吸收一部分的驱动力。如果能够了解到弹性构件在使用过程中的形变情况，可以有利于对磨轮的进给速度的及时调整，进而使操作过程更为稳定。对此，参见图3，根据本发明的实施例，磨轮10包括用于监测弹性构件103的弹性形变的监测器104。

作为示例，该监测器104可以设置成能够监测弹性构件103在中心轴线X的方向上的形变量。此形变量可以表征弹性构件103在中心轴线X的方向上的变形程度。如果弹性构件103已经达到了其最大变形程度，则表示当前进给速度可能过大，以至于已经对硅片施加了过大的压力，此时，可以应当降低进给速度；相反，如果弹性构件103的变形程度很小，则表示目前可以适当增大进给速度，以提高研磨效率。这样可以使研磨操作以稳定且高效的方式进行。

本发明实施例还提供了一种研磨设备100，参见图7，该研磨设备100用于对硅片进行双面研磨，该研磨设备100包括：

对向设置在硅片S的两侧的两个静压支撑件，即，第一静压支撑装置12和第二静压支撑装置13，所述两个静压支撑件用于通过提供流体静压以非接触的方式支撑硅片S；

对向设置在硅片S的两侧的两个根据上文说明的用于研磨硅片的磨轮10。

根据本发明实施例，在研磨设备100的磨轮10包括用于监测弹性构件的弹性形变的监测器的情况下，所述研磨设备100还包括与所述磨轮的监测器通信的控制器20，所述控制器20配置成根据用于监测所述弹性构件的所述弹性形变的监测器所述监测器的监测结果控制所述磨轮相对于所述硅片的移动。

本发明实施例还提供了一种研磨方法，该研磨方法通过根据上文说明的研磨设备100执行。

根据本发明实施例，在研磨设备100的磨轮10包括用于监测弹性构件的弹性形变的监测器并且研磨设备100包括与磨轮10的监测器通信的控制器的情况下，该研磨方法包括：

通过磨轮的监测器监测所述磨轮的弹性构件的弹性形变；

通过控制器根据所述监测器的监测结果控制所述磨轮相对于所述硅片的移动。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于研磨硅片的磨轮，其特征在于，所述磨轮包括：

具有中心轴线的本体；

研磨模块；

弹性构件，所述弹性构件在所述中心轴线的方向上位于所述本体与所述研磨模块之间并且将所述研磨模块连接至所述本体；

其中，所述弹性构件设置成通过弹性形变将来自所述本体的压力转换成弹力传递至所述研磨模块，以由所述研磨模块利用所述弹力对硅片进行研磨。

2.根据权利要求1所述的用于研磨硅片的磨轮，其特征在于，所述研磨模块呈环形并且包括沿周向方向彼此相邻的多个部段，所述多个部段中的每个部段经由至少一个所述弹性构件连接至所述本体。

3.根据权利要求2所述的用于研磨硅片的磨轮，其特征在于，所述多个部段中的每个部段以可拆卸的方式连接至所述弹性构件。

4.根据权利要求2所述的用于研磨硅片的磨轮，其特征在于，所述弹性构件设置成相对于所述本体在所述中心轴线的方向上的位置是能够调节的。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于研磨硅片的磨轮，其特征在于，所述弹性构件以可拆卸的方式连接至所述本体。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于研磨硅片的磨轮，其特征在于，所述磨轮包括用于监测所述弹性构件的所述弹性形变的监测器。

7.一种研磨设备，所述研磨设备用于对硅片进行双面研磨，其特征在于，所述研磨设备包括：

对向设置在硅片的两侧的两个静压支撑件，所述两个静压支撑件用于通过提供流体静压以非接触的方式支撑硅片；

对向设置在所述硅片的两侧的两个根据权利要求1至5中的任一项所述的用于研磨硅片的磨轮。

8.一种研磨设备，所述研磨设备用于对硅片进行双面研磨，其特征在于，所述研磨设备包括：

对向设置在硅片的两侧的两个静压支撑件，所述两个静压支撑件用于通过提供流体静压以非接触的方式支撑硅片；

对向设置在所述硅片的两侧的两个根据权利要求6所述的用于研磨硅片的磨轮；

与所述磨轮的监测器通信的控制器，所述控制器配置成根据用于监测所述弹性构件的所述弹性形变的监测器所述监测器的监测结果控制所述磨轮相对于所述硅片的移动。

9.一种研磨方法，其特征在于，所述研磨方法通过根据权利要求7所述的研磨设备执行。

10.一种研磨方法，其特征在于，所述研磨方法通过根据权利要求8所述的研磨设备执行，其中，所述研磨方法包括：

通过磨轮的监测器监测所述磨轮的弹性构件的弹性形变；

通过控制器根据所述监测器的监测结果控制所述磨轮相对于所述硅片的移动。