CN100415447C - 抛光装置及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的抛光方法，用顶部圆环(23)来保持半导体晶片(W)，把该半导体晶片(W)按压到研磨面(10)上进行研磨的抛光方法，其特征在于：把弹性膜(60)安装到能够上下活动的上下活动部件(62)的下面上，在上述顶部圆环(23)内形成压力室(70)，把加压流体供给到上述压力室(70)内，利用上述流体的流体压力把半导体晶片W按压到上述研磨面(10)上进行研磨，从上述上下活动部件(62)的中央部上所形成的开口(62a)中喷射出加压流体，这样使研磨后的半导体晶片W从上述顶部圆环(23)上脱离。
Description
技术领域
本发明涉及抛光方法，特别涉及用于将表面上形成了薄膜的半导体晶片等研磨对象物研磨成平整镜面状的抛光方法及抛光装置。
背景技术
近几年，半导体晶片日益微细化，器件结构变得复杂，并且，伴随着逻辑系统的多层布线的层数增多，有半导体器件的表面的凹凸日益增多、阶梯(阶差)增大的趋势。这是因为，在半导体器件的制造中，反复地多次进行形成薄膜、制作图形和开孔的微细加工之后接着形成下一层薄膜的工序。
若半导体器件的表面凹凸增加，则形成薄膜时阶梯部的膜厚减薄，或者因布线断开而造成断路或因布线层间绝缘不良而造成短路，所以出现产品不合格或合格率降低的趋势。并且，即使产品初期能正常工作，也会出现长期使用的可靠性问题。再者，在光刻工序中曝光时，若照射表面上有凹凸，则曝光系统的透镜焦点局部不能对准，所以，若半导体器件的表面凹凸增多，则产生难于形成微细图形的问题。
所以，在半导体器件的制造工序中，半导体器件的表面平面化技术越来越重要。在该平面化技术中，最重要的技术是化学机械研磨(CPM(Chemical Mechanical Polishing))。该化学机械研磨是利用研磨设备，一边向研磨垫等研磨面上供给含有二氧化硅(SiO2)等磨粒的研磨液，一边使半导体晶片等基片在研磨面上磨擦滑动进行研磨。
这种研磨设备具有：其研磨面由研磨垫构成的研磨台、以及用于保持半导体晶片的顶部圆环(top ring)或装片头等。在利用这种研磨设备来进行半导体器件研磨的情况下，一边用顶部圆环来保持半导体晶片，一边按规定的压力来把该半导体器件按压到研磨台上。这时，通过使研磨台和顶部圆环进行相对运动，来使半导体晶片在研磨面上进行滑动，磨擦，把半导体晶片的表面研磨成平整的镜面。
在这种研磨设备中，在研磨中的半导体晶片和研磨垫的研磨面之间的相对按压力在整个半导体晶片整个面上不均匀的情况下，由于施加到半导体晶片的各个部分上的按压力而使研磨不足或研磨过度。因此，也有这样的方法：利用由橡胶等弹性材料构成的弹性膜来形成顶部圆环的半导体晶片保持面，在弹性膜的里面上施加空气压等流体压，使得加到半导体晶片上的按压力在整个面上达到均匀一致。
并且，上述研磨垫具有弹性，所以加到研磨中的半导体晶片的外周缘部上的按压力不均匀，有时仅半导体晶片的外周缘部磨损较大，产生所谓“塌边”。为防止这种塌边，也有采用顶部圆环的，其结构是：利用导向环或保持环来保持半导体晶片的外周缘，而且按压位于半导体晶片外周缘侧的研磨面。
利用这种顶部圆环进行研磨时，必须把传送来的半导体晶片吸附保持在顶部圆环上。并且，研磨结束后，再次用顶部圆环把半导体晶片吸住后，必须在传送位置上使半导体晶片脱离顶部圆环。然而，在使用上述弹性膜的顶部圆环中，由于存在弹性膜而有时半导体晶片不能很好地吸附和脱离。
发明内容
本发明是鉴于上述现有技术存在的问题而提出的方案，其目的在于提供一种在通过弹性膜来保持研磨对象物进行研磨的情况下，也能使研磨对象物很好地吸附和脱离的抛光方法。
为解决上述技术问题，本发明的第1方案的抛光方法，用顶部圆环来保持研磨对象物，把该研磨对象物按压到研磨面上进行研磨，其特征在于：通过把弹性膜安装到能够上下活动的上下活动部件的下面上，在上述顶部圆环内形成压力室，通过把加压流体供给到上述压力室内，利用上述流体的流体压力把上述研磨对象物按压到上述研磨面上进行研磨，从上述上下活动部件的中央部上所形成的开口中喷射出加压流体，这样使研磨后的研磨对象物从上述顶部圆环上脱离。
这样，由于从上下活动部件的中央部上所形成的开口中喷射出加压流体，把加压流体也输送入到弹性膜和研磨对象物紧密结合的部分上，所以，能使研磨对象物确实脱离。
本发明的优选实施方式的抛光方法，其特征在于：在形成上述压力室的弹性膜与研磨对象物相搭接的面上形成孔，加压流体除了从上述上下活动部件的中央部上所形成的开口中喷出以外，也从上述弹性膜的孔中喷出，所以能使研磨后的研磨对象物从上述顶部圆环上脱离。这样，不仅从上下活动部件的中央部上所形成的开口中，而且也从弹性膜孔中喷射加压流体，能够确实地使研磨对象物脱离。
本发明的另一抛光方法，其特征在于：在从上述弹性膜的孔中喷射出加压流体之后，从上述上下活动部件的中央部上所形成的开口中喷射加压流体。这样一来，就消除了弹性膜和研磨对象物的紧密结合性，能够更加有效地使研磨对象物脱离。
本发明的第2种方案的抛光方法，用顶部圆环来保持研磨对象物，把该研磨对象物按压到研磨面上进行研磨，其特征在于：通过把弹性膜安装到能够上下活动的上下活动部件的下面上，在上述顶部圆环内形成压力室，通过把加压流体供给到上述压力室内，利用上述流体的流体压力把上述研磨对象物按压到上述研磨面上进行研磨，在研磨结束时，使上述上下活动部件向下方移动，使上述研磨对象物搭接到上述上下活动部件上所设置的吸附部上，利用吸附部来把上述研磨对象物吸附保持在上述顶部圆环上。
在研磨结束时，有时研磨对象物和上下活动部件会离开，有时这样保持不变即使要用吸附部来吸附研磨对象物也会不能吸附。若采用本发明，则在研磨结束时，使上下活动部件向下方移动，使研磨对象物搭接到吸附部上后，对研磨对象物进行吸附保持，所以能够牢靠地吸附研磨对象物。
本发明的第3种方案的抛光方法，用顶部圆环来保持研磨对象物，把该研磨对象物按压到研磨面上进行研磨，其特征在于：通过在能够上下活动的上下活动部件的下面上安装弹性膜，在上述顶部圆环内形成压力室，相对于对上述研磨对象物的外周缘进行保持的保持圆环，使上述上下活动部件位于上方，在此状态下，把上述研磨对象物引导到上述顶部圆环内，利用上述上下活动部件上所设置的吸附部来把已被引导到上述顶部圆环内的研磨对象物吸附保持在上述顶部圆环内，使保持在上述顶部圆环内的研磨对象物在上述研磨面上进行移动，通过把加压流体供给到上述压力室内，利用上述流体的流体压力来把上述研磨对象物按压到上述研磨面上进行研磨。
当把研磨对象物传递到顶部圆环上时，若上下活动部件与保持圆环相比向下方突出，则在研磨对象物被吸附到偏移的位置上的情况下，由于以后上下活动部件上升，研磨对象物撞上保持圆环，可能造成研磨对象物脱落或破损。若采用本发明，则由于预先使上下活动部件相对于保持圆环位于上方，所以，研磨对象物，其外周部一边由保持圆环进行导向，一边进行传递。所以，研磨对象物不会由于上下活动部件上升而与保持圆环相撞，能够防止研磨对象物脱落或破损。
附图说明
图1是用示意性表示本发明第1实施方式的抛光装置的平面图。
图2是表示图1所示抛光装置的研磨部的主要部分的纵断面图。
图3是对图2所示的研磨部的顶部圆环装置和流路构成一起进行表示的概要图。
图4是表示图3所示的顶部圆环装置的顶部圆环的纵断面图。
图5是表示图4所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图6是表示图4所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图7是表示图4所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图8是表示图4所示的顶部圆环的研磨结束后的状态的纵断面图。
图9是表示图4所示的顶部圆环的研磨结束后的状态的纵断面图。
图10是表示图4所示的顶部圆环和推进器的关系纵断面图。
图11是表示图4所示的顶部圆环和推进器的关系纵断面图。
图12是表示图4所示的顶部圆环和推进器的关系纵断面图。
图13是表示本发明第2实施方式中的顶部圆环的纵断面图。
图14A～图14G表示图13所示的顶部圆环的圆环管的弹性膜上所形成的孔的形状的概要图。
图15是表示图13所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图16是表示图13所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图17是表示图13所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图18是表示图13所示的顶部圆环研磨结束后的状态的纵断面图。
图19是表示图13所示的顶部圆环研磨结束后的状态的纵断面图。
图20是表示图13所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图21是表示图13所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
图22是表示图13所示的顶部圆环和推进器的关系的纵断面图。
具体实施方式
以下参照图1～图12，详细说明涉及本发明的抛光方法的第1实施方式。图1是用示意性表示本发明第1实施方式中的抛光装置的平面图。如图1所示，在抛光装置中，在整体呈长方形状的地板上的空间的一端侧上以对置状态布置了一对研磨部1a、1b，在另一端侧上布置了用于分别放置半导体晶片的片盒2a、2b的一对装卸装置(装料卸料装置)。在对研磨部1a、1b和装卸装置进行连结的线上，布置了2台用于传送半导体晶片的传送机械手4a、4b，形成传送线。在该传送线的两侧，分别各布置了1台翻转机5、6、以及位于该翻转机5、6两边的2台清洗机7a、7b、8a、8b。
两个研磨部1a、1b，其性能基本相同的装置相对于传输线布置成对称状态，它们分别具有：其上面粘贴了研磨垫的研磨台11；通过真空吸附来对作为研磨对象物的半导体晶片进行位置保持，将其按压到研磨台11上的研磨垫上进行研磨的顶部圆环装置12；以及对研磨台11上的研磨垫进行修整的修整装置13。并且，在研磨部1a、1b上，在各传送线侧，设置了在和顶部圆环装置12之间传递半导体晶片用的推进器14。
传送机械手4a、4b具有在水平面内弯曲自如的关节杆，把2个握持部分别在上下作为干手指和湿手指使用。在本实施方式中使用2台机械手，所以，基本情况是：第1传送机械手4a工作在从翻转机5、6到片盒2a、2b侧的区域；第2传送机械手4b工作在从翻转机5、6到研磨部1a、1b侧的区域。
翻转机5、6用于对半导体晶片的上下进行翻转，传送机械手4a、4b的手布置在能够到达的位置上。在本实施方式中，2台5、6翻转机分别用于处理干基片和处理湿基片。
各台清洗机7a、7b、8a、8b的形式是任意的，例如研磨部1a、1b侧是利用带有海棉的辊轮来处理半导体晶片的正反两面的形式的清洗机7a、7b；片盒2a、2b侧是一边夹持半导体晶片的边缘使其在水平面内旋转，一边供给清洗液的形式的清洗机8a、8b。后者具有离心脱水干燥的干燥机功能。在清洗机7a、7b中，能进行半导体晶片的一次清洗；在清洗机8a、8b中能进行一次清洗后的半导体晶片的2次清洗。
以下详细说明上述研磨部。图2是表示图1所示的研磨部的主要部分的纵断面图。而且，以下仅说明研磨部1a。对研磨部1b可以看作是和研磨部1a相同。
如图2所示，研磨部1a具有：其上面粘贴了研磨垫10的研磨台11、通过真空吸附来对作为研磨对象物的半导体晶片W进行位置保持，将其按压到研磨台11上进行研磨的顶部圆环装置12、以及对研磨台11上的研磨垫10进行修整的修整装置13。研磨台11通过台轴11a与布置在其下方的电机(无图示)相连结，研磨台11如图2的箭头C所示能够围绕台轴11a进行旋转。研磨台11的研磨垫10的表面构成了与研磨对象物半导体晶片W进行磨擦滑动接触的研磨面。
而且，市场上可以买到的研磨垫有许多种，例如罗德鲁(RODEL)公司制的SUBA800、IC-1000、IC-1000/SUBA400(2层布)、富基米英集团(フジミインコ一ポレイテツド)公司制的Surfin×××-5、Surfin 000等。SUBA800、Surfin ×××-5、Surfin 000是用聚氨酯树脂来固定纤维的无纺布，IC-1000是硬质泡沫聚氨酯(单层)。泡沫聚氨酯是多孔性的，其表面具有许多微细的凹坑或孔。
在研磨台11的上方布置了研磨液供给喷嘴15和供水喷嘴16，从研磨液供给喷嘴15向研磨台11上的研磨面10上供给纯水和药液等研磨液；从供水喷嘴16向上述研磨面10供给修整用的修整液(例如水)。并且，对该研磨液和水进行回收的框体17设置在研磨台11的周围，在该框体下部形成了水槽17a。
顶部圆环装置12具有：能够旋转的支承轴20、与支承轴20的上端相连结的顶部圆环头21、从顶部圆环头21的空端向下垂的顶部圆环轴22、以及与顶部圆环轴22的下端相连结的大体为圆盘状的顶部圆环23。顶部圆环23与由支承轴20的旋转所带动的顶部圆环头21的摇动一起在水平方向上移动，如图1的箭头A所示，能够在推进器14和研磨面10上的研磨位置之间进行往复运动。并且，顶部圆环23通过顶部圆环轴22而连结到顶部圆环头21内部所设置的无图示的电机和升降汽缸上。这样，如图2的箭头D、E所示，能够升降，而且能够围绕顶部圆环轴22进行旋转。再者，作为研磨对象物的半导体晶片W利用真空等而吸附保持在顶部圆环23的下端面上。利用这些机构，顶部圆环23能够一边自转，一边用任意的压力把保持在顶部圆环23下面上的半导体晶片W按压到研磨面10上。
修整装置13用于对经过研磨而损坏的研磨面10进行修整，它布置在相对于研磨台11的中心来说与顶部圆环装置12相反的一侧上。修整装置13与上述顶部圆环装置12一样，具有：能够旋转的支承轴30、与支承轴30的上端相连结的修整头31、从修整头31的空端向下垂的修整轴32、与修整32的下端相连结的修整器33、以及安装在修整器33的下面上的修整部件34。修整器33能够和支承轴30旋转所带动的修整头31的摇动一起在水平方向上移动，如图1的箭头B所示，在研磨面10上的修整位置和研磨台11的外侧的待机位置之间进行往复运动。
图3是对图2所示的研磨部的顶部圆环装置12和流路构成一起进行表示的概要图。图4是表示图3所示的顶部圆环装置12的顶部圆环23的纵断面图。如图3和图4所示，顶部圆环23通过万向接头部40，连接到顶部圆环轴22上，顶部圆环轴22连结到顶部圆环头21上所固定的顶部圆环用汽缸111上。顶部圆环23具有：连结在顶部圆环轴22下端上的圆盘状顶部圆环主体42、以及设置在顶部圆环主体42的外周部上的保持圆环43。顶部圆环主体42由金属和陶瓷等强度和刚性较好的材料制成。并且，保持圆环43由刚性较好的树脂材料或陶瓷等制成。
顶部圆环用汽缸111通过调节器R1而连接在压力调整部120上。该压力调整部120，通过从压缩空气源供给加压空气等加压流体，或者用泵来抽真空而进行压力调整。利用该压力调整部120通过调节器R1能够对供给到顶部圆环用汽缸111内的加压空气的空气压力等进行调整。利用该顶部圆环用汽缸111，使顶部圆环推进器22上下移动，使顶部圆环23整体进行升降，同时能够按规定的按压力来把安装在顶部圆环主体42上的保持圆环43按压到研磨台11上。
并且，顶部圆环轴22通过键(无图示)而连结在旋转筒112上。该旋转筒112在其外周部上具有同步带轮(timing pulley)113。顶部圆环用电机114固定在顶部圆环头21上，上述同步带轮113通过同步皮带115而连接在顶部圆环用电机114上所设置的同步带轮116上。所以，通过对顶部圆环用电机114进行旋转驱动，经过同步带轮116、同步皮带115和同步带轮113，使旋转筒112和顶部圆环轴22一起旋转，使顶部圆环23进行旋转。而且，顶部圆环头21由支承轴20进行支承，该支承轴20由框架(无图示)支持并能旋转。
如图4所示，顶部圆环主体42具有：圆筒容器状的外壳部42a、与外壳部42a的圆筒部内侧相嵌合的环状加压薄片支持部42b、以及与外壳部42a上面的外周缘部相嵌合的环状密封部42c。保持圆环43固定在顶部圆环主体42的外壳部42a的下端上。该保持圆环43的下部向内突出。
上述顶部圆环轴22设置在顶部圆环主体42的外壳部42a的中央部上方。顶部圆环主体42和顶部圆环轴22由万向接头部40进行连结。该万向接头部40具有：能够使顶部圆环主体42和顶部圆环轴22互相偏斜的球面轴承机构；以及把顶部圆环轴22的旋转传递到顶部圆环主体42上的旋转传动机构，一边允许从顶部圆环轴22对顶部圆环主体42互相偏斜，一边传递按压力和旋转力。
球面轴承机构具有：形成在顶部圆环轴22下面中央处的环面状凹部22a、形成在顶部圆环主体42上面中央处的球面状凹部42d、以及介于两个凹部22a、42a之间的像陶瓷这样的高硬度材料构成的轴承用滚珠52。如图4所示，连接螺栓47安装在顶部圆环主体42的顶部圆环轴22附近，在该连接螺栓47和顶部圆环轴22上所设置的弹簧支架22b之间安装了螺旋弹簧28。利用这种结构，使顶部圆环主体42保持能对顶部圆环轴22进行偏斜。
另一方面，旋转传动机构具有：固定在顶部圆环主体42的顶部圆环轴22附近的结合销49、以及形成在顶部圆环轴22上的结合孔22。即使顶部圆环主体42倾斜，也能使结合销49沿上下方向在结合孔22c内移动，所以，结合销49与结合孔22c相结合使接触点偏移，由旋转传动机构把顶部圆环轴22的旋转力矩准确地传递到顶部圆环主体42上。
在顶部圆环主体42和保持圆环43内部划分的空间内，安放了：由顶部圆环23保持的与半导体晶片W相搭接的弹性垫60、环状的支架弹簧61、以及能够在顶部圆环主体42内部的安放空间内上下活动的大体上呈圆盘状的卡板(上下活动部件)62。弹性垫60，其外周部被夹持在支架圆环61和固定在支架圆环61下端上的卡板62之间，对卡板62的下面进行覆盖。这样，在弹性垫60和卡板62之间形成了压力室70。弹性垫60由以下材料构成：乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶等强度和耐久性良好的橡胶材料。在卡板62的中央部，形成了开口62a。该开口62a与管子、接头等构成的流体通路80相连通，通过布置在流体通路80上的调节器R2而连接在压力调整部120上。也就是说，弹性垫60和卡板62之间的压力室70，通过布置在流体通路80上的调节器R2而连接在压力调整部120上。并且，在弹性垫60上，在与开口62相对应的位置上，形成了大直径(例如直径12mm)的中央孔60a。
在支架圆环61和顶部圆环主体42之间设置了由弹性膜构成的加压薄片63。该加压薄片63的一端，被安装在顶部圆环主体42下面的加压薄片支持部42b进行夹持，另一端被夹持在支架圆环61的上端部61a和止动部61b之间。利用顶部圆环主体42、卡板62、支架圆环61和加压薄片63在顶部圆环主体42的内部形成了压力室71。如图4所示，由管子、接头等构成的流体通路81与压力室71相连通，压力室71通过设置在流体通路81上的调节器R3而与压力调整部120相连接。而且，加压薄片63由以下材料构成：乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶等强度和耐久性良好的橡胶材料或者包含纤维的增强橡胶和非常薄的不锈钢片(例如厚0.2mm)等。
在此，在弹性垫60的外周面和保持圆环43之间，有微小的间隙，所以支架圆环61和卡板62等部件，相对于顶部圆环主体42和保持圆环43能够在上下方向上移动，形成浮动结构。在支架圆环61的止动部61b上，在多个部位上设置了从其外周缘部向外突出的突起61c，该突起61c与向保持圆环43内突出的部分的上面相结合，这样，上述支架圆环61等部件向下方的移动被限制在规定位置以内。
在加压薄片63是橡胶等弹性体的情况下，在把加压薄片63夹持在保持圆环43和顶部圆环主体42之间进行固定的情况下，由于作为弹性体的加压薄片63的弹性变形而在保持圆环43的下面得不到良好的平面。所以，为防止这种现象，本实施方式设置了加压薄片支持部42b作为另外的部件，将其夹持到顶部圆环主体42的外壳部42a和加压薄片支持部42b之间进行固定。而且也能够使保持圆环43在顶部圆环主体42上进行上下活动，或者对保持圆环43采用与顶部圆环主体42分离开，能单独按压的结构。在此情况下不一定要采用上述加压薄片63的固定方法。
对上述卡板62和弹性垫60之间的压力室70、以及卡板62上方的压力室71内，可以分别通过与压力室70、71相连通的流体通路80、81来供给加压空气等加压流体，或者保持大气压或真空。也就是说，如图3所示，可以利用压力室70、71的流体通路80、81上所布置的调节器R2、R3，来调整向各压力室内供给的加压流体的压力。这样对各压力室70、71内部的压力可以分别独立地进行控制或者使其保持大气压或真空。
并且，在卡板62上，向下方突出的内侧吸附部64和外侧吸附部65设置在开口62a的外侧。在内侧吸附部64上形成了连通孔64a，用于和管子、接头等所构成的流体通路82相连通，内侧吸附部64通过布置在该流体通路82上的调节器R4而与压力调整部120相连接。同样，在外侧吸附部65上，形成了连通孔65a，用于和管子、接头等所构成的流体通路83相连通，外侧吸附部65通过该流体通路83上所布置的调节器R5而与压力调整部120相连接。利用压力调整部120能够在吸附部64、65的连通孔64a、65a的开口端上形成负压，把半导体晶片W吸附到吸附部64、65上。而且，在吸附部64、65的下端面上，粘贴了由薄的橡胶片或背衬薄膜(底片)等构成的弹性薄片，吸附部64、65以柔软的状态吸附保持半导体晶片W。
在顶部圆环主体42的密封部42c的下面上，形成了由环状沟槽构成的清洗液通路91。该清洗液通路91与流体通路84相连通。并且，从密封部42c的清洗液通路91延伸而穿通外壳部42a、压力调整部42b的连通孔92在多个部位上形成，该连通孔92与弹性垫60的外周面和保持圆环43之间的微小间隙相连通。清洗液(纯水)通过该清洗液通路91而供给到间隙内。
以下说明这种结构的抛光装置的动作。首先，利用第1传送机械手4a从片盒2a或2b中取出半导体晶片W，用翻转机5或6对其进行翻转后，用第2传送机械手4b将其传送并放置到推进器14上。在此状态下，对顶部圆环装置12的顶部圆环头21进行摇动，把顶部圆环23移动到推进器14的上方。
图5是表示这时的状态的纵断面图。如图5所示，推进器14具有：能够利用汽缸来进行上下移动的导向台141；设置在该外周部上的晶片导向器142；以及设置在导向台141上方，能与导向台141分开而独立地上下移动的推力台143。晶片导向器142采用了具有上阶部144和下阶部145的双阶的阶梯结构。晶片导向器142的上阶部144是对顶部圆环23的保持圆环43的下面的接触部；下阶部145用于半导体晶片W的定心(引向中心)和保持。在上阶部144的上方，形成了用于引导保持圆环43的锥形面146，在下阶部145的上方形成了用于引导半导体晶片W的锥形面147。半导体晶片W在由晶片导向器142的锥形面147引向中心的状态下，放置在晶片导向器142的下阶部145上。
在此，在图5所示的状态下，把顶部圆环23内的压力室71通过流路81而连接到压力调整部120上，使压力室71保持负压。这样，卡板62如图5所示位于保持圆环43的上方。因此，如下所述，能够牢靠地吸附半导体晶片W。
然后，如图6所示，使推进器14的导向台141上升，利用晶片导向器142的锥形面146来把保持圆环43引导到晶片导向器142的上阶部144上。晶片导向器142的上阶部144与保持圆环43的下面相接触，于是导向台141的上升结束。
在此状态下，如图7所示，推进器14的推力台143上升，对晶片导向器142的下阶部145上所放置的半导体晶片W的图形面进行保持，使半导体晶片W搭接到顶部圆环23的弹性垫60上。然后，通过流体通路82、83把吸附部64、65的连通孔64a、65a连接到压力调整部120上，利用该连通孔64a、65a的吸引作用把半导体晶片W真空吸附到吸附部64、65的下端面上。
在传递该半导体晶片W时，若卡板62与保持圆环43相比向上方突出，则在半导体晶片W被吸附在偏移的位置上的情况下，由于以后卡板62上升，有可能造成半导体晶片W碰撞到保持圆环43上造成晶片脱落或破损。本发明实施方式如上所述，使顶部圆环23内的压力室71保持负压，预先使卡板62位于保持圆环43的上方，所以，半导体晶片W一边由保持圆环43对其外周部进行导向，一边进行传递。所以，半导体晶片W不会因卡板62上升而碰撞到保持圆环43上，能够防止晶片脱落和破损。
当半导体晶片W的吸附结束时，使推进器14下降，使顶部圆环头21水平摇动，在对半导体晶片W进行吸附的状态下，使顶部圆环头21在研磨面10的上方移动。而且，半导体晶片W的外周缘由保持圆环43进行保持，防止半导体晶片W从顶部圆环23中飞出。并且，一边使顶部圆环23旋转，一边下降，把半导体晶片W按压到旋转的研磨台11上的研磨面10上。也就是说，当研磨时，解除吸附部64、65对半导体晶片W的吸附，使半导体晶片W保持在顶部圆环23的下面上，同时，使连结在顶部圆环轴22上的顶部圆环用汽缸111进行动作，按规定的按压力把固定在顶部圆环23下端上的保持圆环43按压到研磨台11的研磨面10上。在此状态下，把规定压力的加压流体供给到压力室70内，把半导体晶片W按压到研磨台11的研磨面上。这时，一边从研磨液供给喷嘴15供给研磨液，一边在半导体晶片W的被研磨面(下面)和研磨面10之间存在研磨液的状态下，对半导体晶片W进行研磨。图4表示该研磨时的状态。
如上所述，利用顶部圆环用汽缸111来把保持圆环43按压到研磨面10上的力、以及利用供给到压力室70内的加压空气来把半导体晶片W按压到研磨面10上的力，进行适当调整后对半导体晶片W进行研磨。而且，若把加压流体供给到压力室10内，则卡板62接受上方向的力，所以，本实施方式通过流体通路81把加压流体供给到压力室71内，防止由于从压力室70来的力，而使卡板62向上方提升。
研磨结束后，如图8所示停止向压力室70内供应加压流体，敞开在大气压下，这样使卡板62下降，使吸附部64、65的下端面搭接到半导体晶片W上。并且使压力室71内的压力敞开为大气压，或者为负压。这是因为若使压力室71的压力继续保持在高压状态下，则只有与吸附部64、65相搭接的半导体晶片W部分才被紧紧地按压在研磨面上。然后，再次把半导体晶片W用真空吸附到吸附部64、65的下端面上。这样，当研磨结束时，使卡板62下降，于是能够确实地把半导体晶片W吸附到吸附部64、65上。
并且，在吸附半导体晶片W的状态下，使顶部圆环23移动到悬空位置上，如图9所示，通过流路81把压力室71连接到压力调整部120上，使顶部圆环23内的压力室71保持负压，使卡板62的位置比保持圆环43偏靠上方。在此状态下使顶部圆环23上升，使顶部圆环头21水平摇动，使顶部圆环23如图10所示再次移动到推进器14的上方。
然后，如图11所示，使推进器14的导向台141上升，利用晶片导向器142的锥形面146把保持圆环43引导到晶片导向器142的上阶部144内。并且，晶片导向器142的上阶部144与保持圆环43的下面相接触，于是，导向台141的上升结束。
在此状态下，如图12所示，卡板62中央部开口62a和吸附部64、65，分别通过流体通路80、82、83而连接在压力调整部120上，从开口62a和吸附部64、65中例如按0.2MPa的压力向下方喷射加压流体(例如压缩空气或者氮气和纯水的混合体)(water spout)。利用该流体的喷射来使半导体晶片W从弹性垫60的下面上脱离下来，半导体晶片W在由晶片导向器142的锥形面147引向中心的状态下，保持在晶片导向器142的下阶部145上。
这样，本实施方式，为了从卡板62的中央部处所形成的大直径的开口62a和吸附部64、65中喷射出加压流体，在弹性垫60和半导体晶片W紧密结合的部分内也送入加压流体，所以能更有效地使半导体晶片W脱离。
这样，研磨后的半导体晶片W从顶部圆环23上传递到推进器14上，根据需要，用纯水或清洗液来对半导体晶片W和顶部圆环23进行清洗。然后，顶部圆环23从推进器14上取下新的半导体晶片W，将其移动到研磨台10上，重新进行研磨。
在按规定的研磨量来对半导体晶片W进行了研磨之后，研磨处理结束。在研磨作业结束时，由于研磨而使研磨面10的特性发生变化，将导致下次研磨时的研磨性能下降，所以，用修整装置13来对研磨面10进行修整。修整的方法是一边使修整器33和研磨台11分别独立地自转，一边按照规定的压力把修正部件34搭接到研磨面10上。这时，在修整部件34与研磨面10相接触的同时或接触之前，从供水喷嘴16中向研磨面10的上面供给水，把研磨面10上残留的使用过的研磨液冲洗掉。修整结束后的修整器33借助于修整头31的驱动而返回到待机位置上，利用设置在该待机位置上的修整器清洗装置18(参见图1)来进行清洗。
放置在推进器14上的研磨后的半导体晶片W，由第2传送机械手4b传送到例如具有用辊轮海棉的双面清洗功能的清洗机7a或7b上，在该清洗机7a或7b中对半导体晶片W的两面进行清洗后，由第2传送机械手4b将其传送到翻转机5或6上进行翻转。然后，由第1传送机械手4a取出翻转机5或6上的半导体晶片W，将其传送到例如具有上面清洗的海棉刷子和离心甩干功能的第2清洗机8a或8b上，进行清洗和干燥，由第1传送机械手4a将其送加到片盒2a、2b内。
以下参照图13～图22，详细说明涉及本发明的抛光方法的第2实施方式。而且，对于作用和功能与上述第1实施方式的部件或要素相同的部分，标准相同的符号，其说明从略。并且，除顶部圆环以外的结构基本上与上述第1实施方式相同。
图13是表示本发明第2实施方式中的顶部圆环的纵断面图。在本实施方式中，在顶部圆环主体42、以及与顶部圆环主体42固定成一个整体的保持圆环43的内部形成的空间内，安放外部隔膜160，它搭接在由顶部圆环123来保持的半导体晶片W的外周部上，未设置第1实施方式中的弹性垫。
外部隔膜160的外周部被夹持在支架圆环61和固定在支架圆环61下端上的卡板62之间，对卡板62的外缘附近的下面进行遮盖。该外部隔膜160的下端面连接到作为研磨对象物的半导体晶片W的上面上。外部隔膜160由下列材料制成：乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性良好的橡胶材料。而且，在半导体晶片W的外缘上设置了缺口(亦称凹口或定位面)，用于识别(确定)半导体晶片的方向。希望外部隔膜160延伸的终点位置，与这种凹口或定位面相比更靠近卡板62的内周侧。
并且，在卡板62和半导体晶片W之间所形成的空间的内部，设置了作为与半导体晶片W相搭接的搭接部件的圆环管170。本实施方式如图13所示圆环管170布置成对卡板62的中央部的开口62a进行包围的状态。并且，本实施方式，在圆环管170的外侧仅设置了外侧吸附部65，未设置内侧吸附部。
圆环管170具有：与半导体晶片W的上面相搭接的弹性膜171、以及对弹性膜171进行支持并使其能装卸的圆环管支架172，利用该弹性膜171和圆环管支架172在圆环管170的内部形成了压力室72。并且，在卡板62和半导体晶片W之间所形成的空间，被上述圆环管170区划成多个空间，在圆环管170的内侧，即卡板62的中央部的开口62a的周围，形成了压力室73；在圆环管170的外侧，即吸附部65的周围，形成了压力室74。而且，圆环管170的弹性膜171由以下材料制成：乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等强度和耐久性良好的橡胶材料。
在圆环管170的弹性膜171上，在与半导体晶片W相搭接的面上形成了孔171a。该孔171a例如图14A和图14B所示，也可以采用由多个椭圆或圆组合而成的形状，如图14c所示也可以在椭圆上形成三角形状的切入痕迹，或者如图14D所示也可以是大的椭圆形状。并且，如图14E所示也可以是正方形菱形；如图14F和图14G所示也可以是单纯的窄缝。
圆环管170内的压力室72连通到由管子、接头等构成的流体通路85上，压力室72通过布置在该流体通路85上的调节器而连接在压力调整部120(参见图3)上。并且，压力室73连通到由管子、接头等构成的流体通路86上，压力室73通过布置在该流体通路86上的调节器而连接在压力调整部120上。
加压空气等加压流体可以通过与各压力室相连通的流体通路81、85、86、83供给到上述卡板62的上方的压力室71和上述压力室72、73、74内，或者使其形成大气压或真空。也就是说，可以利用设置在压力室71～74的流体通路81、85、86、83上的调节器，来调整供给到各压力室内的加压流体的压力。这样，各压力室71～74内部的压力可以分别单独进行控制，或者使其形成大气压或真空。这样，通过调节器来分别单独调整各压力室71～74内部的压力，即可对把半导体晶片W按压到研磨垫10上的按压力，按半导体晶片W的每个部分分别进行调整。
在此情况下，对供给到压力室72～74内的加压流体和大气压的温度，也可以分别进行控制。这样一来，能够从半导体晶片等研磨对象物的被研磨面的里侧直接控制研磨对象物的温度。尤其若独立控制各压力室的温度，则能够控制CMP中的化学研磨的化学反应速度。
以下说明本实施方式中的抛光装置的动作。首先，由第1传送机械手4a从片盒2a或2b中取出半导体晶片W，用翻转机5或6进行翻转后，由第2传送机械手4b将其传送并放置到推进器14上。在此状态下，使顶部圆环装置12的顶部圆环头21进行摇动，使顶部圆环123移动到推进器14的上方。
图15是表示这时的状态的纵断面图。在图15所示的状态下，使顶部圆环123内的压力室71通过流路81而连接到压力调整部120上，使压力室71保持负压。这样，卡板62如图15所示与保持圆环43相比位于上方。与第1实施方式一样，这样一来，能牢靠地对半导体晶片W进行吸附。
其次，如图16所示，使推进器14的导向台141上升，利用晶片导向器142的锥形面146来把保持圆环43引导到晶片导向器142的上阶部144上。晶片导向器142的上阶部144与保持圆环43的下面相接触，于是，导向台141的上升结束。
在此状态下如图17所示，推进器14的推力台143上升，对安放在晶片导向器142的下阶部145上的半导体晶片W的图形面进行保持，使半导体晶片W搭接到顶部圆环123的外部隔膜160和圆环管170上。并且，与圆环管170内的压力室72和压力室73、74相连通的流体通路85、86、83连接到压力调整部120上，使流体通路85、86、83保持负压，对半导体晶片W进行真空吸附。例如，使流体通路83的压力达到-80kPa；使流体通路85、86的压力达到-20kPa，对半导体晶片W进行真空吸附。
这时，如上所述，使顶部圆环123内的压力室71保持负压，预先使卡板62相对于保持圆环43位于上方，所以，半导体晶片W，一边使其外周部由保持圆环43进行导向，一边进行传递。所以，半导体晶片W不会因卡板62上升而碰撞保持圆环43，能防止晶片脱落和破损。
当半导体晶片W的吸附结束时，使推进器14下降，使顶部圆环头21水平摇动，在对半导体晶片W进行吸附的状态下，使顶部圆环头21在研磨面10的上方移动。而且，半导体晶片W的外周缘由保持圆环43进行保持，防止半导体晶片W从顶部圆环123中飞出。并且，一边使顶部圆环123旋转，一边下降，把半导体晶片W按压到旋转的研磨台11上的研磨面10上。也就是说，当研磨时，解除对半导体晶片W的吸附，使半导体晶片W保持在顶部圆环123的下面上，同时，使连结在顶部圆环轴22上的顶部圆环用汽缸111进行动作，按规定的按压力把固定在顶部圆环123下端上的保持圆环43按压到研磨台11的研磨面10上。在此状态下，把规定压力的加压流体分别供给到压力室72、73、74内，把半导体晶片W按压到研磨台11的研磨面上。这时，一边从研磨液供给喷嘴15供给研磨液，一边在半导体晶片W的被研磨面(下面)和研磨面10之间存在研磨液的状态下，对半导体晶片W进行研磨。图13表示该研磨时的状态。
如上所述，利用顶部圆环用汽缸111来把保持圆环43按压到研磨面10上的力、以及利用供给到压力室72～74内的加压空气来把半导体晶片W按压到研磨面10上的力，进行适当调整后对半导体晶片W进行研磨。而且，若把加压流体供给到压力室72～74内，则卡板62接受上方向的力，所以，本实施方式通过流体通路81把加压流体供给到压力室71内，防止由于从压力室72来的力，而使卡板62向上方提升。
研磨结束后，如图18所示停止向压力室72～74内供应加压流体，敞开在大气压下，这样使卡板62下降，使吸附部65的下端面搭接到半导体晶片W上。并且使压力室71内的压力敞开为大气压，或者为负压。这是因为若使压力室71的压力继续保持在高压状态下，则只有与吸附部65相搭接的半导体晶片W部分才被紧紧地按压在研磨面上。然后，再次把半导体晶片W用真空吸附到吸附部65的下端面上。当研磨结束时，有时半导体晶片W和卡板62分离，这样，即使想用吸附部65来吸附半导体晶片W，也不能吸附。因此，本实施方式如上所述，当研磨结束时使卡板62下降，于是能够牢靠地把半导体晶片W吸附到吸附部65上。
并且，在吸附半导体晶片W的状态下，使顶部圆环123移动到悬空位置上，如图19所示，通过流路81把压力室71连接到压力调整部120上，使顶部圆环123内的压力室71保持负压，使卡板62相对保持圆环43位于上方。在此状态下使顶部圆环123上升，使顶部圆环头21水平摇动，使顶部圆环123如图20所示再次移动到推进器14的上方。这时希望把加压流体供给到圆环管170内的压力室72内，这样一来，半导体晶片W容易脱离外部隔膜160和圆环管170。
然后，如图21所示，使推进器14的导向台141上升，利用晶片导向器142的锥形面146把保持圆环43引导到晶片导向器142的上阶部144内。并且，晶片导向器142的上阶部144与保持圆环43的下面相接触，于是，导向台141的上升结束。
在此状态下，如图22所示，卡板62中央部开口62a和吸附部65，分别通过流体通路86、83而连接在压力调整部120上，从开口62a和吸附部65中向下方喷射加压流体(例如压缩空气或者氮气和纯水的混合体)。并且，把圆环管170内的压力室72连接到压力调整部120上，从圆环管170的弹性膜171上所形成的孔171a(参见图13)中，向下方喷射加压流体(例如压缩空气或者氮气和纯水的混合体)。利用该流体的喷射来使半导体晶片W从顶部圆环123上脱离下来，半导体晶片W在由晶片导向器142的锥形面147定心的状态下，保持在晶片导向器142的下阶部145上。例如从开口62a按0.03MPa的压力喷射流体；从吸附部65按0.2MPa的压力喷射流体；从圆环管170的孔171a按0.05MPa的压力喷射流体。在此情况下，为了便于消除圆环管170的弹性膜171和半导体晶片W的紧密结合性，首先优选，最初从圆环管170的孔171a中喷射流体，然后，从开口62a和吸附部65中喷射流体。
这样，在本实施方式中，为了从卡板62的中央部处所形成的大直径的开口62a和吸附部65中，以及从圆环管170的弹性膜171上所形成的孔171a中喷射出加压流体，在外部隔膜160和圆环管170的弹性膜171以及半导体晶片W紧密结合的部分内也送入加压流体，所以能更有效地使半导体晶片W脱离。并且，如果在圆环管170的弹性膜171上所形成的孔171a的形状制成图14C或图14D所示的形状，那么，也不会产生半导体晶片W脱离时的响声，能够更顺利地使半导体晶片W脱离。
在上述实施方式中，分别单独设置了流体通路80～86，但可以对这些流体通路进行统合，或者使各压力室互相连通等，可以根据应当施加到半导体晶片W上的按压力的大小和施加的位置来任意进行改变。并且，在上述实施方式中，说明了圆环管170直接与半导体晶片W相接触的例子，但并非仅限于此，例如，也可以在圆环管170和半导体晶片W之间插入弹性垫，使圆环管170间接地和半导体晶片W相接触。
并且，在上述实施方式中利用研磨垫来形成研磨面，但并非仅限于此，例如也可以利用固定磨粒来形成研磨面。固定磨粒是把磨粒固定到粘合剂中形成板状。利用固定磨粒进行研磨时，依靠从固定磨粒本身中产生的磨粒来进行研磨。固定磨粒由磨粒、粘合剂和气孔构成，例如磨粒采用平均粒径0.5μm以下的氧化铈(CeO2)，粘合剂采用环氧树脂。这种固定磨粒构成硬质的研磨面。并且在固定磨粒中，除上述板状的结构外，也还包括在薄的固定磨粒层的下面粘贴具有弹性的研磨垫，形成双层结构的固定磨粒垫。其他硬质研磨面有前面提到国的IC-1000。
以上说明了本发明的一实施方式，但本发明并非仅限于上述实施方式，不言而喻，在该技术思想范围内可以用各种不同的方式来实施。
如上所述，若采用本发明，则从上下活动部件的中央部上所形成的开口中喷射加压流体，这样，向弹性膜和研磨对象物紧密结合的部分内也送入加压流体，所以，能使研磨对象物容易脱离。并且，如果不仅从上下活动部件的中央部所形成的开口中喷射加压流体，而且，在弹性膜与研磨对象物相搭接的面上形成孔，也从该弹性膜的孔中喷射加压流体，那么，能够更容易地使研磨对象物脱离。
并且，若采用本发明，则在研磨结束时，使上下活动部件向下方移动，使研磨对象物与吸附部相搭接，然后对研磨对象物进行吸附保持，所以能够确实地吸附研磨对象物。
产业上利用的可能性
本发明适用于把表面上形成了薄膜的半导体晶片等研磨对象物研磨成平整且成镜面状的抛光方法。
Claims (8)
1. 一种抛光装置，具备研磨面和顶部圆环，该顶部圆环保持研磨对象物，并把该研磨对象物按压到上述研磨面上，其特征在于：
上述顶部圆环具备：
上下活动部件；
弹性膜，安装在上述上下活动部件的下面上；
压力室，通过上述弹性膜形成在上述顶部圆环内；
流体流路，把加压流体供给到上述压力室内，利用上述加压流体的流体压力把上述研磨对象物按压到上述研磨面上；
开口，形成在上述上下活动部件的中央部；以及
吸附部，具有吸附上述研磨对象物的连通孔；
从上述连通孔中喷射出加压流体后，从上述开口中喷射出加压流体，这样使研磨后的研磨对象物从上述顶部圆环上脱离。
2. 如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于：
上述顶部圆环进行动作，以便上述研磨对象物的研磨结束时停止向上述压力室供给加压流体。
3. 如权利要求2所述的抛光装置，其特征在于：在停止向上述压力室供给加压流体后，将上述压力室内的压力开放为大气压，或者在上述压力室内形成负压。
4. 如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于：
还具备具有锥形面的晶片引导部，从上述顶部圆环上脱离的研磨对象物被上述锥形面引导而位于与上述晶片引导部同心的位置上，而且被该晶片引导部保持。
5. 一种抛光方法，用顶部圆环来保持研磨对象物，把该研磨对象物按压到研磨面上进行研磨，其特征在于：
通过把弹性膜安装到上下活动部件的下面上，在上述顶部圆环内形成压力室，
通过把加压流体供给到上述压力室内，利用上述加压流体的流体压力把上述研磨对象物按压到上述研磨面上进行研磨，
在研磨结束时，使上述上下活动部件向下方移动，使上述研磨对象物搭接到上述上下活动部件上所设置的吸附部上，
利用形成在上述吸附部上的连通孔的吸附作用来把上述研磨对象物吸附保持在上述顶部圆环上，
从上述连通孔中喷射出加压流体后，接着从上述上下活动部件的中央部形成的开口中喷射出加压流体，这样使研磨后的研磨对象物从上述顶部圆环上脱离。
6. 如权利要求5所述的抛光方法，其特征在于：
上述研磨对象物的研磨结束时停止向上述压力室供给加压流体。
7. 如权利要求6所述的抛光方法，其特征在于：
在停止向上述压力室供给加压流体后，将上述压力室内的压力开放为大气压，或者在上述压力室内形成负压。
8. 如权利要求5所述的抛光方法，其特征在于：
使上述研磨对象物从上述顶部圆环上脱离后，利用晶片引导部的锥形面引导上述研磨对象物而使其位于与上述晶片引导部同心的位置上，通过上述晶片引导部保持该研磨对象物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20080903 |