CN100509287C - 衬底保持设备以及抛光装置 - Google Patents
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Abstract
一种根据本发明的衬底保持设备，其包括将与衬底的后表面接触的弹性膜，用于固定该弹性膜的至少一部分的附着构件，以及在当衬底与该弹性膜接触时用于保持该衬底的外围部分的保持环。弹性薄膜包括至少一个突出部分，而附着构件包括至少一个啮合部分，该啮合部分与弹性膜的该至少一个突出部分的侧表面啮合。弹性膜进一步包括波纹部分，该波纹部分可以在挤压方向上膨胀，以允许弹性膜挤压衬底，且该波纹部分可以沿着挤压方向收缩。
Description
技术领域
本发明涉及用于抛光例如半导体晶片等的衬底的抛光装置，以在衬底上形成平坦的镜面加工面，并且更特别地，涉及用于将衬底通过弹性膜(membrane)压到抛光装置的抛光表面上的衬底保持设备。
背景技术
近年来，半导体器件的尺寸已变小，并且半导体元件的结构已变得更复杂。另外，用于逻辑系统的多层互连中的层的数量已增加。因此，半导体器件表面上的不均匀性可能会增大，并且台阶高度也可能会变大。这是因为，在半导体器件的制造工艺中，将薄膜形成在半导体器件上，然后在半导体器件上实施微机械加工工艺，例如图案化或孔的形成，而这些工艺被重复许多遍，以形成半导体器件上的后续的薄膜。
当半导体器件表面上的不均匀性增大时，出现以下问题。当半导体器件上形成薄膜时，形成在台阶部分上的膜的厚度相对较小。另外，互连的断开可能导致开路，或者互连层间的不充分绝缘可能导致短路。结果，得不到优质的产品，且成品率趋于降低。即使半导体器件最初正常工作，该半导体器件在长期使用后的可靠性也会降低。另外，在光刻工艺中的曝光时，如果照射表面具有不均匀性，则曝光系统中的透镜单元局部未聚焦。因此，如果半导体器件表面上的不均匀性增大，则在该半导体器件上形成优质的图案变得难以解决地困难。
因此，在半导体器件的制造工艺中，将半导体器件的表面平坦化变得越来越重要。化学机械抛光(CMP)是最重要的平坦化技术之一。使用抛光装置来实施化学机械抛光。具体地，将例如半导体晶片等的衬底与抛光表面滑动接触，同时向抛光表面上提供包含例如硅石(SiO2)等的研磨颗粒的抛光液，从而抛光衬底。
这种抛光装置包括具有形成在抛光垫上的抛光表面的抛光台，以及衬底保持设备，其被称为顶环，用于保持半导体晶片。抛光装置以如下方式来抛光半导体晶片。衬底保持设备保持半导体晶片并将半导体晶片以特定的压力压在抛光表面上。在该状态下，抛光台和衬底保持设备彼此相对运动，使得半导体晶片与抛光表面滑动接触，从而抛光半导体晶片，使其具有平坦的镜面加工面。
在上述抛光装置中，如果在抛光期间，半导体晶片的整个表面上的半导体晶片和抛光垫的抛光表面之间的相对压力不均匀，则半导体晶片在某些部分可能未充分抛光或可能过分抛光，这取决于施加在半导体晶片的这些部分的压力。为克服这种缺点，已尝试通过使用例如橡胶等的弹性材料制成的弹性膜形成衬底保持设备的衬底保持表面，并将例如空气压力等的流体压力施加到该弹性膜的背侧表面上，以便在半导体晶片的整个表面上提供均匀的压力。
然而，使用这种弹性膜可能会遇到以下问题。当旋转半导体晶片时，弹性膜被扭曲和变形。结果，在半导体晶片的外围部分(边缘部分)的抛光速率，即去除速率，较之其它部分低很多。此外，由于弹性膜的这种扭曲和变形，抛光轮廓相对于半导体晶片的中心部分可能会不对称，尤其是在边缘部分。此外，在各个顶环中，弹性膜和保持半导体晶片的外围部分的保持环的个体差异可能导致抛光轮廓的变化。
发明内容
考虑到上述缺点而做出了本发明。因此本发明的目的是提供一种衬底保持设备和一种抛光装置，其可以防止附着到衬底保持表面的弹性膜的扭曲和变形，从而实现高质量抛光。
为实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供一种衬底保持设备，其包括：将与衬底的后表面接触的弹性膜，用于固定弹性膜的至少一部分的附着构件，以及当衬底与弹性膜接触时用于保持衬底的外围部分的保持(retainer)环。弹性膜至少包括一个突出部分，而附着构件至少包括一个啮合弹性膜的所述至少一个突出部分的啮合部分。
在本发明的优选方案中，所述至少一个突出部分弹性膜径向上向内突出。
在本发明的优选方案中，所述至少一个突出部分包括多个突出部分，而所述至少一个啮合部分包括多个啮合部分。
在本发明的优选方案中，所述多个啮合部分关于衬底的中心对称设置。
在本发明的优选方案中，所述至少一个啮合部分的厚度大于或等于将使其与衬底的后表面接触的弹性膜的厚度。
利用这些结构，当由于衬底保持设备的旋转而使弹性膜将要被扭曲时，弹性膜的突出部分啮合附着构件的啮合部分，从而将弹性膜的扭曲抑制到最低的程度。因此，可以适当地控制抛光轮廓，且可以实现高质量抛光。
根据本发明的另一方面，提供了一种衬底保持设备，其包括将与衬底的后表面接触的弹性膜，用于固定弹性膜的至少一部分的附着构件，以及当衬底与弹性膜接触时用于保持衬底的外围部分的保持环。弹性膜包括具有突出部分的圆周(circumferential)膜。突出部分从弹性膜的圆周边缘向内放射状地突出，且完全沿着弹性膜的圆周边缘延伸。
突出部分从弹性膜的圆周边缘向内放射状地突出，且完全沿着圆周边缘在其圆周方向上延伸，这种结构可以防止弹性膜在其径向上的变形。例如，因此可以防止弹性膜的圆周边缘在径向上延展以致接触到保持环，并且因此防止弹性膜被损坏。为了提高强度，完全沿着弹性膜的圆周边缘延伸的突出部分可以由不同材料制造(例如不锈钢或树脂)，或者可以制得比其它部分更硬。
在本发明的优选方案中，弹性膜包括波纹(bellows)部分，其可以在挤压方向上膨胀(expand)，以便允许弹性膜将衬底压在抛光表面上，且其沿着挤压方向上可收缩。
上述形成在弹性膜上的突出部分可以导致阻碍弹性膜在挤压方向上的膨胀和收缩。然而，形成在弹性膜中的波纹部分可以膨胀和收缩，从而补偿了对弹性膜的膨胀和收缩的这种阻碍。因此，弹性膜的圆周边缘可以弹性地跟随抛光表面。
可以将待用于与衬底的后表面接触的弹性膜制作得较厚。弹性膜的接触衬底的该厚的部分可以防止在弹性膜的径向上运行(running)的波动(surge)的形成。弹性膜的该接触部分优选比波纹部分厚。将波纹部分制作得薄，以提高其拉伸特性，而将接触衬底后表面的部分制作得厚，以防止弹性膜的扭曲。啮合部分优选比波纹部分厚，以防止弹性膜的扭曲。因为最大的力矩施加在最外面的圆周部分上，该部分优选比接触衬底后表面的部分厚。
根据本发明的另一方案，提供一种衬底保持设备，其包括待用于与衬底的后表面接触的弹性膜，用于固定弹性膜的至少一部分的附着构件，以及当衬底与弹性膜接触时用于保持衬底的外围部分的保持环。弹性膜包括具有同心地设置并朝向衬底延伸的多个柱面的圆周膜，以及底部表面膜，其待用于接触衬底并被配置成基本上以直角与圆周膜相交。
因为底部表面膜和圆周膜被设置为基本上以直角相交，因此可以使弹性膜的圆周边缘充分地接触半导体晶片的外围部分，从而挤压半导体晶片。在这种情况下，弹性膜优选由具有低硬度的软材料构成。
根据本发明的另一方案，提供一种抛光装置，其包括具有抛光表面的抛光台，以及上述衬底保持设备。在该抛光装置中，衬底保持设备用于保持衬底并将衬底挤压在抛光表面，从而抛光衬底。
利用这种结构，可以防止附着到衬底保持设备的衬底保持表面的弹性膜的扭曲和变形，从而实现高质量抛光。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的抛光装置的示意图；
图2是示出图1中所示的抛光装置的顶环的垂直剖面图；
图3是沿着图2中所示的线III-III截取的剖面图；
图4是示出根据本发明的第二实施例的顶环的垂直剖面图；
图5是示出根据本发明的第三实施例的顶环的垂直剖面图；
图6是示出根据本发明的第四实施例的顶环的垂直剖面图；以及
图7是示出根据本发明的第五实施例的顶环的垂直剖面图。
具体实施方式
下面将参考图1到图7，详细说明根据本发明的实施例的包括衬底保持设备的抛光装置。在图1到图7中，以相同的参考标号表示相同的或对应的元件，并且将不进行重复描述。
图1是示出根据本发明第一实施例的包括衬底保持设备的抛光装置的示意图。如图1所示，抛光装置包括具有附着到抛光台2的上表面的抛光垫1的抛光台2，以及顶环3，其用作衬底保持设备，用于保持例如半导体晶片W等的衬底并将其压在抛光台2上的抛光垫1上。在抛光台2之上提供抛光液供应喷嘴4，使得通过抛光液供应喷嘴4将抛光液Q提供到抛光垫1上。顶环3包括可旋转且可垂直移动的顶环轴5，以及耦合到顶环轴5的顶环主体6。在本实施例中，抛光垫1的上表面用作抛光表面。
当抛光半导体晶片W时，独立地旋转抛光台2和顶环3，并且顶环3以预定的压力将半导体硅片W压到抛光台2上的抛光垫1上，同时通过抛光液供应喷嘴4向抛光垫1上提供抛光液Q。在抛光期间，半导体晶片W的待抛光的表面与抛光垫1彼此滑动接触，从而将半导体晶片W的该表面抛光成平坦的镜面加工面。
图2是示出图1中所示的顶环3的细节的垂直剖面图，而图3是沿着图2中所示的线III-III所截取的剖面图。如图2所示，顶环3的顶环主体6包括耦合到顶环轴5的盘状部分10，以及保持环部分12，其被设置用于保持半导体晶片的外围部分。可垂直移动的构件14被容纳在由该盘状部分10和保持环部分12所限定的空间中。将可垂直移动的构件14通过环形弹性薄片16耦合到顶环主体6。
顶环主体6、可垂直移动的构件14，以及弹性薄片16在这些部件内部定义一个压力腔18。通过流体通道19将压力腔18连接到流体供应源(未示出)。在流体通道19内提供调节器(未示出)，从而可以通过该调节器来调整将要供应给压力腔18的流体的压力。该设置可以控制压力腔18中的压力，从而可以在垂直方向上移动该可垂直移动的构件14。
通过附着构件22将弹性膜20附着到可垂直移动的构件14的下表面。提供弹性膜20以覆盖可垂直移动的构件14的下表面，并被设置成直接接触半导体晶片的后表面。在本说明书中，半导体晶片的后表面是指与待抛光的表面相反的表面。弹性膜20由高强度且极耐用的诸如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶等橡胶材料制成。
如图2所示，弹性膜20包括待用于与半导体晶片的后表面接触的底部表面膜24，从底部表面薄膜24的圆周边缘向上延伸的第一圆周膜26，以及在径向上设置成在第一圆周膜26内部且从底部表面膜24向上延伸的第二圆周膜28。在圆周膜26的上边缘部分上形成向内径向延伸的部分30，且在圆周膜28的上边缘部分上形成向外径向延伸的部分32。附着构件22具有基(base)部分34和36，其将弹性膜20的延伸部分30和32压到可垂直移动的构件14上，以固定延伸部分30和32。
底部表面膜24、圆周膜28，以及可垂直移动的构件14在这些部分的内部限定了压力腔38，并通过流体通道39将压力腔38连接到流体供应源。在流体通道39中也提供调节器(未示出)，从而可以通过该调节器调整将要供应给压力腔38的流体的压力。利用这种设置，通过调整将要供应给压力腔38的流体的压力，可以控制压力腔38中的压力。因此，可以调整由底部表面膜24施加给在压力腔38下面的半导体晶片的部分的按压力。
底部表面膜24、圆周膜28、圆周膜26以及可垂直移动的构件14在这些部分的内部限定了压力腔40，并通过流体通道41将压力腔40连接到流体供应源。在流体通道41中提供调节器(未示出)，从而可以通过该调节器调整将要供应给压力腔40的流体的压力。利用这种设置，通过调整将要供应给压力腔40的流体的压力，可以控制压力腔40中的压力。因此，可以调整由底部表面膜24施加给在压力腔40下面的半导体晶片的部分的按压力。
根据本实施例，独立地控制压力腔38和压力腔40中的压力，从而可以独立地调整施加到压力腔38下面的半导体晶片的部分的按压力和施加到压力腔40下面的半导体晶片的部分的按压力。因此，可以在半导体晶片的外围部分以及在径向上位于外围部分内部的部分调整抛光速率(即去除速率)。通过这种方式，可以控制半导体晶片的抛光轮廓。
如图2所示，在圆周膜26上设有块状突出部分42，以便从弹性膜20的圆周边缘向内径向突出。另外，如图2和图3所示，在附着构件22的较低部分上设置与突出部分42的侧表面啮合的啮合部分44。优选地，每一啮合部分44的厚度大于或等于底部表面膜24的厚度。采用这种设置，当由于顶环3的旋转使弹性膜20将要被扭曲时，弹性膜20的突出部分42啮合附着构件22的啮合部分44，从而将弹性膜20的扭曲抑制到最低的程度。因此，可以适当地控制抛光轮廓，并且可以实现高质量抛光。
尽管在图3示出的实例中，六个突出部分42和六个啮合部分44以等距交替设置，但是突出部分42和啮合部分44的数量并不限于本实例。另外，突出部分42和啮合部分44的大小并不限于图2和图3中示出的这个实例。此外，突出部分42可以与圆周膜26整体地形成，或者其可以是附着于圆周膜26的不同的材料。优选地，相对于半导体晶片的中心，即保持环部分12的中心对称设置突出部分42和啮合部分44，以使其接受相等的力。
如图2所示，圆周膜26具有位于附着构件22的基部分34的下面的波纹部分46，而圆周膜28具有位于附着构件22的基部分36的下面的波纹部分48。这些波纹部分46和48允许圆周膜26和圆周膜28在一个方向膨胀，使得弹性膜20将半导体晶片压在抛光垫1上，即在按压方向上。
上述形成在圆周膜26上的块状突出部分42可能导致对弹性膜20的圆周膜26在按压方向上的膨胀和收缩的阻碍。然而，形成在圆周膜26和圆周膜28中的波纹部分46和48可以膨胀和收缩，从而补偿了对圆周膜26的膨胀和收缩的这种阻碍。因此，弹性膜20的圆周边缘可以弹性地跟随抛光垫1的抛光表面。
图4是示出根据本发明的第二实施例的顶环103的垂直剖面图。在顶环103的弹性膜20的圆周膜26上设有块状突出部分142。突出部分142从弹性膜20的圆周边缘向内径向突出，且完全沿着圆周膜26在其圆周方向上延伸。因此，本实施例的附着构件22不具有第一实施例的啮合部分44。其它结构与第一实施例相同。
从弹性膜20的圆周膜26向内径向突出且完全沿着圆周膜26延伸的突出部分142，可以防止圆周膜26在其径向上变形。因此，可以防止在顶环103的旋转期间，圆周膜26在径向上膨胀至接触到保持环部分12，并且因此防止圆周膜26受损。
图5是示出根据本发明第三实施例的顶环203的垂直剖面图。顶环203是对第二实施例的顶环103的改进。具体地，弹性膜20的底部表面膜224比第二实施例的底部表面膜24更厚，且比波纹部分46和48更厚。接触半导体晶片的底部表面膜224的具体的厚度优选是在1.2到2.0mm的范围内。根据该实施例，厚的底部表面膜224可以防止在弹性膜20的径向上的起伏(surge)的形成。
图6是示出根据本发明第四实施例的顶环303的垂直剖面图。在该实施例中，尽管在弹性膜20的圆周膜26上未设有第一实施例的突出部分42以及第二和第三实施例的突出部分142，但是如第三实施例那样，将接触半导体晶片的底部表面膜224制作得厚。
图7是示出根据本发明第五实施例的顶环403的垂直剖面图。该实施例的附着构件422具有环形。附着构件422的整个内圆周表面都与弹性膜20的圆周膜428接触，而附着构件422的整个的外圆周表面都与弹性膜20的圆周膜426接触。在该实施例中，弹性膜20不具有上述实施例的波纹部分46和48，并且弹性膜20的圆周膜426通过在按压方向上延伸的圆柱表面形成。
在前面提到的实施例中，形成在弹性膜中的波纹部分延伸，以允许弹性膜挤压半导体晶片的外围部分。另一方面，该实施例的弹性膜20不具有波纹部分。因此，弹性膜20可能不能充分膨胀以适当地挤压半导体晶片的外围部分。鉴于此，将弹性膜20的底部表面膜24和圆周膜426设置为基本上以直角相交，从而使得弹性膜20的圆周边缘可以充分地与半导体晶片的外围部分接触，由此对其进行挤压。在该实施例中，弹性膜20优选由具有低硬度的软材料构成。
在上述实施例中，附着构件22和422的诸如外圆周部分以及其相邻部分等的某些部分，和/或保持环部分12的内圆周部分可以由例如含氟(fluorine)树脂等的低摩擦材料制成，因为这些部分可能与圆周膜26和426以及圆周膜28和428滑动接触。另外，为了减小表面摩擦，可以使圆周膜26和426以及圆周膜28和428注有硅、氟，或其化合物。这种结构可以防止弹性膜20在抛光期间扭曲，并可以允许圆周膜26和426以及圆周膜28和428相对于可垂直移动的构件14和保持环部分12平滑地移动。因此，可以适当地控制抛光轮廓，并且因此可以实现高质量抛光。
尽管在以上实施例中，抛光垫形成抛光表面，但本发明不限于这种结构。例如，抛光表面可以由固结磨料构成。所述固结磨料是盘状抛光工具，其包括通过粘合剂所固结的磨料颗粒。利用从固结磨料自生成的磨料颗粒来实施使用固结磨料的抛光工艺。固结磨料包括磨料颗粒、粘合剂和孔隙。例如，使用平均颗粒直径最多为0.5μm的二氧化铈(CeO2)作为磨料颗粒，并且使用环氧树脂作为粘合剂。这种固结磨料形成硬的抛光表面。除了上述盘状抛光工具，固结磨料的例子还包括固结磨料垫，其具有由固结磨料薄层和附着到固结磨料薄层的下表面的弹性抛光垫形成的双层结构。
尽管已描述了本发明的特定的优选实施例，但是应该理解的是，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的技术概念的范围的情况下可以做出各种变化和修改。
工业实用性
本发明适用于衬底保持设备，该设备用于通过弹性膜将衬底压到抛光装置的抛光表面上。
Claims (8)
1、一种衬底保持设备，包括：
弹性膜，使其与衬底的后表面接触；
附着构件，用于固定所述弹性膜的至少一部分；以及
保持环，用于在该衬底与所述弹性膜接触时保持该衬底的外围部分，
其中所述弹性膜包括至少一个突出部分，并且
所述附着构件包括与所述至少一个突出部分啮合的至少一个啮合部分。
2、根据权利要求1所述的衬底保持设备，其中所述至少一个突出部分在所述弹性膜径向上向内突出。
3、根据权利要求1所述的衬底保持设备，其中：
所述至少一个突出部分包括多个突出部分，并且
所述至少一个啮合部分包括多个啮合部分。
4、根据权利要求3所述的衬底保持设备，其中所述多个啮合部分关于所述衬底的中心对称设置。
5、根据权利要求1所述的衬底保持设备，其中所述至少一个啮合部分的厚度大于或等于将与所述衬底的所述后表面接触的所述弹性膜的厚度。
6、根据权利要求1所述的衬底保持设备，其中所述弹性膜包括可以在挤压方向上膨胀的波纹部分，以便允许所述弹性膜挤压所述衬底，且其沿着所述挤压方向可收缩。
7、根据权利要求6所述的衬底保持设备，其中将与所述衬底接触的所述弹性膜比所述波纹部分厚。
8、一种抛光装置，包括：
具有抛光表面的抛光台；以及
根据权利要求1到7中的任何一项所述的衬底保持设备，
其中所述衬底保持设备用于保持衬底，并将所述衬底挤压在所述抛光表面上，从而抛光所述衬底。
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