CN101444897A - 抛光设备和方法 - Google Patents

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Abstract

抛光设备用于抛光基片例如半导体晶片为平坦的镜面加工面。抛光设备包括具有抛光表面的抛光台、具有至少一个设计成形成被供给加压流体的多个压力室的弹性膜的抛光头和设计成控制加压流体向压力室的供给的控制器。控制器控制加压流体的供给，这样当基片与抛光表面接触时，加压流体首先供给位于基片中央部的压力室，然后加压流体供给位于基片中央部的压力室的径向外侧的压力室。

Description

抛光设备和方法
技术领域
本发明涉及一种抛光设备和方法，并且尤其涉及用于将被抛光的对象(基片)例如半导体晶片抛光成平坦的镜面加工面的抛光设备和方法。
相关技术的说明
背景技术
近几年来，半导体装置中的高集成和高密度需要越来越小的布线图或相互连接件而且越来越多的相互连接层。更小电路中的多层相互连接件导致更多台阶，这些台阶反映出下相互连接件层上的表面不平度。相互连接件层数目的增大使得薄膜的台阶式配置中的薄膜涂层性能(台阶覆盖)很差。因此，更好的多层相互连接件需要具有改进的台阶覆盖和适当的表面平面化。另外，因为光刻法光学系统的焦点深度随着光刻法处理的小型化而更小，半导体装置的表面就需要平面化，这样半导体装置的表面上的不规则台阶将落在焦点深度内。
因此，在半导体装置的制造过程中，使半导体装置的表面平面化越来越变得重要了。最重要的平面化技术之一是化学机械抛光(CMP)。因此，已经使用了用于使半导体晶片的表面平面化的化学机械抛光设备。在化学机械抛光设备中，当包含磨粒例如硅(SiO2)的抛光液供给到抛光表面例如抛光垫上时，基片例如半导体晶片就与抛光表面滑动接触，这样基片就被抛光。
这类抛光设备包括具有由抛光垫形成的抛光表面的抛光台，以及用于保持基片例如半导体晶片的被称作顶环或抛光头的基片保持设备。当使用这种抛光设备抛光半导体晶片时，半导体晶片就由基片保持设备在预定压力下保持并且压在抛光表面上。此时，抛光台和基片保持设备相对于彼此移动以使半导体晶片与抛光表面滑动接触，这样半导体晶片的表面就被抛光成平坦的镜面加工面。
在这种抛光设备中，如果相对压紧力施加在被抛光的半导体晶片之间，并且抛光垫的抛光表面在半导体晶片的整个表面上不均匀，那么半导体晶片的表面就会在其不同区域中被不足地或过量地抛光，而这取决于施加在其上的压紧力。惯常做法是通过在基片保持设备下部设置由弹性膜形成的压力室使施加到半导体晶片上的压紧力均匀，并且向压力室供给流体例如空气以通过弹性膜将流体压力下压住半导体晶片，如日本公开专利公布No.2006-255851中所示。
如上所述，在具有在基片保持设备的下部处由弹性膜形成的压力室并且向压力室供给加压流体例如压缩空气以通过弹性膜在流体压力下挤压半导体晶片类型的抛光设备中，已经发现了下面的缺点。
具体地说，在半导体晶片与抛光垫的抛光表面接触之后，通过向压力室供给加压流体例如压缩空气，半导体晶片通过弹性膜在流体压力下被压在抛光表面上，因此开始对半导体晶片进行抛光。然而，就在开始抛光半导体晶片之后，在某些情形下，会出现半导体晶片裂开或损坏的现象。
本发明的发明者已经进行了各种实验并且对实验结果进行了分析以找出为什么半导体晶片会在半导体晶片开始抛光时裂开或损坏。因此，已经发现半导体晶片的一些损坏是由抛光垫的表面状况导致的。更具体地，在抛光垫的表面中形成特定槽或孔已经成为惯例。例如，有一种类型的抛光垫，它在其表面中具有直径为1至2毫米的很多小孔以改进浆料(抛光液)的滞留能力，有一种类型的抛光垫，它在其表面中具有点阵图案、同心图案或螺旋图案的槽以改进浆料(抛光液)的流动性、改进晶片表面的平面度和均一性并防止晶片粘着到抛光垫的表面上，并且还有其它类型的抛光垫。在这种情形下，在无槽类型的抛光垫中，例如在其表面具有小孔的抛光垫或是在其表面中不具有足够数目的槽或足够深度的槽类型的抛光垫中，现已发现，在半导体晶片与抛光垫的表面(抛光表面)接触之后，在开始抛光半导体晶片时，半导体晶片通常会裂开或损坏。
本发明的发明者已经从实验结果的分析中发现，如果抛光垫在其表面中不具有槽或不具有足够数目的槽或足够深度的槽，那么当半导体晶片与抛光表面接触时，空气或浆料会捕获在抛光表面和半导体晶片之间，并且因此当抛光压力如平常那样施加到半导体晶片上时，半导体晶片可能导致比平常更大的变形，因此导致半导体晶片的裂开或损坏。
另外，如上所述，在具有在基片保持设备的下部处由弹性膜形成的压力室并且向压力室供给加压流体例如压缩空气以通过弹性膜在压力下挤压半导体晶片类型的抛光设备中，存在一种抛光设备，它具有多个压力室并且可以通过调节供给各个压力室的加压流体的压力而在沿半导体晶片的径向的各个区域中的不同压力下将半导体晶片压在抛光表面上。在该类抛光设备中，虽然半导体晶片的邻近区域表面内的抛光率可以在半导体晶片的各个区域中进行控制，但是因为抛光头中用于保持和挤压半导体晶片的保持和挤压表面包括柔性弹性膜例如橡胶，所以如果在供给两个邻近区域的加压流体的压力中存在压力差，那么就会在两个邻近区域中的抛光压力之间生成阶差。因此，会在抛光构造(抛光轮廓)中生成阶状高度差。在这种情形下，如果在供给两个邻近区域的加压流体的压力中存在大的压力差，抛光构造(抛光轮廓)中的阶状高度差就会依照供给两个邻近区域的加压流体的压力中的压力差而变得更大。
发明内容
本发明是鉴于发明人的上述发现做出的。因此，本发明的第一目标是提供一种抛光设备和方法，它们可以防止基片与抛光表面接触时空气或浆料(抛光液)捕获在抛光表面和基片例如半导体晶片之间并且抑制当抛光压力施加到基片上时基片的过大变形，即使是抛光表面没有槽或者不具有足够数目的槽或足够深度的槽。
另外，本发明的第二目标是提供一种抛光设备，该抛光设备具有抛光头，抛光头可以在基片的不同区域的不同压力下将基片压在抛光表面上，并且在基片的邻近区域处不同压力下将基片压在抛光表面上时可以施加具有平缓转换的抛光压力而在基片的邻近区域中的抛光压力内不存在阶状差。
为了实现上述目标，依照本发明的第一方面，提供了用于抛光基片的装置，包括：具有抛光表面的抛光台；抛光头，具有至少一个弹性膜，弹性膜设计成形成多个用于被供给加压流体的压力室，弹性膜配置成在所述压力室被供给加压流体时在流体压力下将基片压在抛光表面上；和设计成控制加压流体向压力室的供给的控制器；其中控制器控制加压流体的供给，这样当基片与抛光表面接触时，加压流体首先供给位于基片中央部的压力室，然后加压流体供给位于基片中央部的压力室的径向外侧的压力室。
根据本发明的一个方面，加压流体首先供给位于基片中央部的压力室，并且基片的中央部与抛光表面接触。然后，在经过很短时间后，加压流体供给位于基片中央部的压力室径向外侧的压力室，并且基片的外圆周部分压在抛光表面上。这样，通过使基片的中央部首先与基片接触，空气或浆料就不会捕获在抛光表面和基片之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，基片也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以防止在基片与抛光表面接触之后基片开始抛光时由比平常更大的变形导致的基片的裂开或损坏。
在本发明的一个优选方面中，控制器控制抛光头以将抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在位于基片中央部的抛光室被供给加压流体之前在由抛光头保持的基片的下表面和抛光表面之间形成间隙的位置。
在本发明的一个优选方面中，抛光头包括连接弹性膜的顶环主体和设置在顶环主体的周边部分处的保持器环；并且其中当抛光头降低至预置抛光位置时，保持器环与抛光表面接触。
依照本发明的第二方面，提供了一种用于抛光基片的装置，包括：具有抛光表面的抛光台；抛光头，具有至少一个弹性膜，弹性膜设计成形成用于被供给加压流体的压力室，弹性膜配置成在压力室被供给加压流体时在流体压力下将基片压在抛光表面上；和设计成控制加压流体向压力室的供给的控制器；其中当基片与抛光表面接触时，控制器控制加压流体的供给，这样加压流体首先从位于对应于基片中央部的位置上的供给孔供给压力室，然后加压流体从位于对应于基片中央部的位置上的供给孔的径向外侧上的供给孔供给压力室。
根据本发明的一个方面，加压流体首先从位于对应于基片中央部的位置上的供给孔供给，并且基片的中央部与抛光表面接触并压在抛光表面上。然后，在经过很短时间后，加压流体从位于对应于基片外圆周部分的位置上的供给孔供给压力室的外圆周部分，并且基片的外圆周部分压在抛光表面上。这样，通过使基片的中央部首先与抛光表面接触，空气或浆料就不会捕获在抛光表面和基片之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，基片也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以防止在基片与抛光表面接触之后基片开始抛光时由比平常更大的变形导致的基片的裂开或损坏。
在本发明的一个优选方面中，控制器控制抛光头以将抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在抛光室被供给加压流体之前在由抛光头保持的基片的下表面和抛光表面之间形成间隙的位置。
根据本发明的一个方面，在加压流体供给压力室并且弹性膜膨胀之前，基片并未与抛光表面接触，并且在抛光表面和基片之间形成小间隙。
在本发明的一个优选方面中，抛光头包括连接弹性膜的顶环主体和设置在顶环主体的周边部分处的保持器环；并且其中当抛光头降低至预置抛光位置时，保持器环与抛光表面接触。
依照本发明的第三方面，提供了一种抛光基片的方法，包括：由抛光头保持基片并且由抛光头使基片与抛光台的抛光表面接触，该抛光头具有多个由弹性膜形成的压力室；并且通过向压力室供给加压流体将基片压在抛光表面上以抛光基片；其中当基片与抛光表面接触时，加压流体首先供给位于基片中央部的压力室，然后加压流体供给位于基片中央部的压力室的径向外侧的压力室。
根据本发明的一个方面，加压流体首先供给位于基片中央部的压力室，并且基片的中央部与抛光表面接触并且压在抛光表面上。然后，在经过很短时间后，加压流体供给位于基片中央部的压力室径向外侧的压力室，并且基片的外圆周部分压在抛光表面上。这样，通过使基片的中央部首先与基片接触，空气或浆料就不会捕获在抛光表面和基片之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，基片也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以防止在基片与抛光表面接触之后基片开始抛光时由比平常更大的变形导致的基片的裂开或损坏。
在本发明的一个优选方面中，该方法还包括将抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中位于基片中央部的抛光室被供给加压流体之前由抛光头保持的基片的下表面和抛光表面之间形成间隙的位置。
在本发明的一个优选方面中，抛光头包括连接弹性膜的顶环主体和设置在顶环主体的周边部分处的保持器环；并且其中当抛光头降低至预置抛光位置时，保持器环与抛光表面接触。
依照本发明的第四方面，提供了一种抛光基片的方法，包括：由抛光头保持基片并且由抛光头使基片与抛光台的抛光表面接触，该抛光头具有由弹性膜形成的压力室；并且通过从设置在对应于基片的不同径向位置的位置上的多个供给孔向压力室供给加压流体来将基片压在抛光表面上以抛光基片；其中当基片与抛光表面接触时，加压流体首先从位于对应于基片的中央部的位置上的供给孔供给压力室，然后加压流体从位于对应于基片中央部的位置上的供给孔的径向外侧上的供给孔供给压力室。
根据本发明的一个方面，加压流体首先从位于对应于基片中央部的位置上的供给孔供给，并且基片的中央部与抛光表面接触并压在抛光表面上。然后，在经过很短时间后，加压流体从位于对应于基片外圆周部分的位置上的供给孔供给压力室的外圆周部分，并且基片的外圆周部分压在抛光表面上。这样，通过使基片的中央部首先与抛光表面接触，空气或浆料就不会捕获在抛光表面和基片之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，基片也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以防止在基片与抛光表面接触之后基片开始抛光时由比平常更大的变形导致的基片的裂开或损坏。
在本发明的一个优选方面中，该方法还包括将抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在抛光室被供给加压流体之前在由抛光头保持的基片的下表面和抛光表面之间形成间隙的位置。
在本发明的一个优选方面中，抛光头包括连接弹性膜的顶环主体和设置在顶环主体的周边部分处的保持器环；并且其中当抛光头降低至预置抛光位置时，保持器环与抛光表面接触。
依照本发明的第五方面，提供了一种用于抛光基片的装置，包括：具有抛光表面的抛光台；抛光头，具有至少一个弹性膜，弹性膜设计成形成多个用于被供给加压流体的压力室，弹性膜配置成在压力室被供给加压流体时在流体压力下将基片压在抛光表面上；和隔膜，设计成罩盖至少部分弹性膜并且在两个邻近压力室上延伸，隔膜由比弹性膜具有更高刚度的材料组成；其中隔膜具有从两个压力室之间的边界向弹性膜的内圆周侧和外圆周侧延伸不小于10毫米的区域。
根据本发明的一个方面，当在两个邻近腔中的压力之间存在压力差时，两个邻近区域之间的边界处的抛光压力并因此抛光率从一个室侧(较高压力室侧)向另一个室侧(较低压力室侧)逐渐降低。具体地说，通过设置隔膜，抛光压力(抛光率)的梯度可以在两个邻近区域之间的边界处平缓。
通常地，因为用于界定压力室的弹性膜具有低刚度(纵向弹性模量/杨氏模量小并且厚度小)，如果在邻近区域中存在相对较大的压力差，然后就会在邻近区域及其邻域之间的边界处发生抛光压力分布的阶状差(急剧的变化)。
相反，依照本发明，因为使用了由比弹性膜具有更高刚度(难于弹性地变形，具有大的纵向弹性模量)的材料组成的隔膜，在由压力差导致的局部区域处的隔膜的变形量会变小。因此，经过变形的区域就会扩大，并且抛光压力的梯度可以在邻近区域之间的边界处平缓。因此，隔膜所需的材料包括弹性材料，并且具有比弹性膜更大纵向弹性模量并且难于变形。
在本发明的一个优选方面中，隔膜固定到弹性膜上。
在本发明的一个优选方面中，隔膜由包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或聚酰亚胺的树脂、包括不锈钢或铝的金属和包括氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化硅的陶瓷之一组成。
隔膜的材料可以是一般的工程塑料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)或聚碳酸酯，不同于上述材料。
在本发明的一个优选方面中，弹性膜由乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶组成。
在本发明的一个优选方面中，隔膜配置成罩盖弹性膜的基本上整个表面。
依照本发明，当在两个邻近腔中的压力之间存在压力差时，两个邻近区域之间的边界处的抛光压力并因此抛光率从一个室侧(较高压力室侧)向另一个室侧(较低压力室侧)逐渐降低。具体地说，通过设置隔膜，抛光压力(抛光率)的梯度可以在两个邻近区域之间的边界处平缓。
在本发明的一个优选方面中，该装置还包括设计成罩盖隔膜的第二弹性膜，第二弹性膜构成设计成接触基片并保持基片的基片保持表面。
依照本发明，隔膜由弹性膜罩盖，这样隔膜就不会与基片直接接触。因为弹性膜构成用于保持基片的保持表面，所以弹性膜由高强和耐用橡胶材料例如乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等制成。
在本发明的一个优选方面中，第二弹性膜在隔膜上延伸并且弹性膜设计成形成压力室。
依照本发明的第六方面，提供了一种用于抛光基片的装置，包括：其上具有抛光表面的台；用于保持和将基片压在抛光表面上的抛光头，该抛光头具有至少一个用于形成多个空腔的隔膜，加压流体可以分别供给该多个空腔，从而将基片压在抛光表面上；用于调节加压流体的压力的设备；和用于控制用于调节加压流体压力的设备因此控制加压流体分别向多个空腔的供给的设备；其中用于控制调节加压流体压力设备的设备可以操作从而防止调节加压流体压力的设备在基片首先与抛光表面接触同时向位于隔膜边缘附近的至少一个空腔供给加压流体。
根据本发明的一个方面，当加压流体首先供给位于基片中央部的空腔(即压力室)并且基片的中央部与抛光表面接触时，加压流体未供给位于隔膜边缘处的空腔(即压力室)，并且因此可以防止基片的外圆周部分与抛光表面接触。
依照本发明，即使抛光表面没有槽或不具有足够数目的槽或足够深度的槽，当基片例如半导体晶片与抛光表面接触时，空气或浆料不会捕获在抛光表面和基片之间，并且在抛光压力施加到基片上时可以防止基片过大变形。因此，可以防止基片开始抛光时由比平常更大的变形导致的基片的裂开或损坏。
另外，依照本发明，在可以在基片的各个区域的不同压力下将基片压在抛光表面上的抛光头中，当基片在邻近区域处的不同压力下压在抛光表面上时，抛光压力并且因此抛光率可以平缓地变换而在基片的邻近区域处的抛光压力中不会有阶状差。因此，可以获得最佳抛光构造(抛光轮廓)。
通过结合通过实例显示本发明的优选实施例的附图的下面的说明，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会变得显而易见。
附图说明
图1是显示依照本发明的一个实施例的抛光设备的整体结构的示意图；
图2是显示构成依照本发明第一方面的抛光头的顶环的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片作为将被抛光的对象并且将半导体晶片压在抛光台上的抛光表面上；
图3A和3B图是显示半导体晶片由如图2中所示构成的顶环抛光的方式的剖面示意图；
图4是显示构成抛光头的顶环的改进实施例的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片作为将被抛光的对象并且将半导体晶片压在抛光台上的抛光表面上；
图5A和5B是显示半导体晶片由如图4中所示构成的顶环抛光的方式的剖面示意图；
图6是显示构成抛光头的顶环的另一个改进实施例的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片作为将被抛光的对象并且将半导体晶片压在抛光台上的抛光表面上；
图7是显示依照本发明的第二方面构成抛光头的顶环的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片作为将被抛光的对象并且将半导体晶片压在抛光台上的抛光表面上；
图8A是显示没有隔膜的顶环的操作的示意图；
图8B是显示具有隔膜的顶环的操作的示意图；
图9A和9B是显示在没有隔膜时半导体晶片的压力分布状况和变形状况的视图；
图9C是显示在具有隔膜时半导体晶片的压力分布状况和变形状况的视图；
图10是显示依照本发明的第二方面的顶环的更具体实例的剖视图；
图11是显示适于用于本发明的第一和第二方面中的顶环的结构实例的剖视图；
图12是显示适于用于本发明的第一和第二方面中的顶环的结构实例的剖视图；
图13是显示适于用于本发明的第一和第二方面中的顶环的结构实例的剖视图；
图14是显示适于用于本发明的第一和第二方面中的顶环的结构实例的剖视图；
图15是显示适于用于本发明的第一和第二方面中的顶环的结构实例的剖视图；
图16是图13中所示保持器环的A部分的放大图；
图17是显示保持器环导轨和环形构件的配置的视图；
图18是图13中所示保持器环的B部分的放大图；并且
图19是从图18的线XIX—XIX观察的视图。
具体实施方式
下文中将参照图1-19描述依照本发明的实施例的抛光设备。相似或相应的零件在整个附图中使用相似或相应的参考数字表示并且下面将不再重复地描述。
图1是显示依照本发明的一个实施例的抛光设备的整体结构的示意图。如图1中所示，抛光设备包括抛光台100和构成抛光头的顶环1，该抛光头用于保持基片例如半导体晶片作为将被抛光的对象并且将该基片压在抛光台100上的抛光表面上。
抛光台100经由台轴100a连接到置于抛光台100下的电动机(未显示)上。因此，抛光台100就可以围绕台轴100a旋转。抛光垫101装到抛光台100的上表面上。抛光垫101的上表面101a构成抛光表面以抛光半导体晶片W。抛光液供给喷嘴102设置在抛光台100上方以将抛光液Q供给到抛光台100上的抛光垫101上。
顶环1连接到顶环轴111的下端，而顶环轴111可以由垂直移动机构124相对于顶环头部110垂直地移动。当垂直移动机构124垂直地移动顶环轴111时，顶环1就作为一个整体升高和降低用于相对于顶环头部110放置。旋转接头125安装在顶环轴111的上端上。
用于垂直地移动顶环轴111和顶环1的垂直移动机构124包括在其上顶环轴111由轴承126旋转地支撑的桥接器128、安装在桥接器128上的滚珠丝杆132、由支柱130支撑的支撑底座129和安装在支撑底座129上的交流伺服电动机138。其上支撑着交流伺服电动机138的支撑底座129由支柱130固定地安装在顶环头部110上。
滚珠丝杆132包括连接到交流伺服电动机138上的螺杆轴132a和拧紧到螺杆轴132a上的螺母132b。顶环轴111可由垂直移动机构124与桥接器128一致地垂直地移动。当交流伺服电动机138通电时，桥接器128经由滚珠丝杆132垂直地移动，并且顶环轴111和顶环1垂直地移动。
顶环轴111由键(未显示)连接到转筒112上。转筒112具有围绕其固定地布置的同步滑轮113。具有驱动轴的顶环电动机114固定到顶环头部110上。同步滑轮113在操作上连接到同步滑轮116上，同步滑轮116由同步皮带115安装到顶环电动机114的驱动轴上。当顶环电动机114通电时，同步滑轮116、同步皮带115、和同步滑轮113旋转以使转筒112和顶环轴111彼此一致地旋转，因此旋转顶环1。顶环头部110支撑在顶环头部轴117上，而顶环头部轴117固定地支撑在框架(未显示)上。
在如图1中所示构成的抛光设备中，顶环1配置将基片例如半导体晶片W保持在其下表面上。顶环头部110可以围绕顶环头部轴117枢转(摆动)。因此，将半导体晶片W保持在其下表面上的顶环1就在顶环1接收半导体晶片W的位置和通过顶环头部110的枢转运动而在抛光台100上方的位置之间移动。顶环1降低以将半导体晶片W压在抛光垫101的表面(抛光表面)101a上。此时，当顶环1和抛光台100分别被旋转时，抛光液由抛光台100上方设置的抛光液供给喷嘴102供给到抛光垫101上。半导体晶片W就会与抛光垫101的抛光表面101a滑动接触。因此，半导体晶片W的表面就被抛光。
接下来将参照图2描述依照本发明的第一方面的抛光设备的抛光头。图2是显示构成抛光头的顶环1的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片W作为将被抛光的对象并且将半导体晶片W压在抛光台上的抛光表面上。图2仅仅显示了构成顶环1的主要结构元件。
如图2中所示，顶环1基本上包括用于将半导体晶片W压在抛光表面101a上的顶环主体2和用于直接挤压抛光表面101a的保持器环3。顶环主体2的形式为圆板，并且保持器环3装到顶环主体2的周边部分上。顶环主体2由树脂例如工程塑料(例如PEEK)制成。如图2中所示，顶环1具有装到顶环主体2的下表面上的弹性膜4。弹性膜4与由顶环1保持的半导体晶片的背面接触。弹性膜4由高强和耐用橡胶材料例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等制成。
弹性膜4具有圆形隔壁4a，并且圆形中心腔5和环形外腔7由隔壁4a形成在弹性膜4的上表面和顶环主体2的下表面之间。与中心腔5连通的通道11和与外腔7连通的通道13形成于顶环主体2中。通道11经由包括管、连接器等的通道21连接到流体供给源30上。通道13经由包括管、连接器等的通道23连接到流体供给源30上。开闭阀V1和压力调节器R1设置在通道21中，并且开闭阀V3和压力调节器R3设置在通道23中。流体供给源30用来供给加压流体例如压缩空气。
另外，保持器腔9就紧挨着形成在保持器环3上方，并且保持器腔9经由顶环主体2中形成的通道15和包括管、连接器等的通道25连接到流体供给源30上。开闭阀V5和压力调节器R5设置在通道25中。压力调节器R1、R3和R5具有压力调节功能，用于调节从流体供给源30供给中心腔5、外腔7和保持器腔9的加压流体的压力。压力调节器R1、R3和R5和开闭阀V1、V3和V5连接到控制器33上，并且压力调节器R1、R3和R5和开闭阀V1、V3和V5的操作由控制器33控制。
在如图2中所示构成的顶环1中，压力室即中心腔5和外腔7形成于弹性膜4和顶环主体2之间，并且压力室即保持器腔9紧挨着形成在保持器环3上方。供给中心腔5、外腔7和保持器腔9的流体的压力可以由压力调节器R1、R3和R5独立地控制。
使用该配置，用于将半导体晶片W压在抛光垫101上的挤压力可以通过调节将供给各个压力室的流体的压力而在半导体晶片的各个局部区域调节，并且用于将保持器环3压在抛光垫101上的压紧力可以通过调节将供给压力室的流体的压力而进行调节。
具体地说，用于将半导体晶片压在抛光垫101上的挤压力可以在紧挨着中心腔5下方的半导体晶片的圆形区域和紧挨着外腔7下方的半导体晶片的环形区域(环区域)处独立地调节，并且用于将保持器环3压在抛光垫101上的压紧力可以独立地调节。
接下来，下文将参照图3描述如图2中所示构成的顶环1对半导体晶片的抛光处理。图3仅仅示意性地显示了顶环1的主要结构元件。
顶环1从基片转移设备接收半导体晶片W并且在真空下保持半导体晶片W。虽然未显示在图2和3中，但是弹性膜4具有多个孔用于在真空下保持半导体晶片W，并且这些孔连接到真空源例如真空泵上。在真空下保持半导体晶片W的顶环1被降低到已经预置好的顶环的预置抛光位置。在预置抛光位置处，保持器环3与抛光垫101的表面(抛光表面)101a接触。然而，在半导体晶片W被抛光之前，因为半导体晶片W由顶环1吸引和保持，所以在半导体晶片W的下表面(要抛光表面)和抛光垫101的抛光表面101a之间就有例如大约1毫米的小间隙。此时，抛光台100和顶环1会围绕它们自己的轴线旋转。在这种状态下，开闭阀V1和开闭阀V3同时被打开，并且加压流体从流体供给源30供给中心腔5和外腔7。因此，位于半导体晶片W的上表面(后表面)上的弹性膜4膨胀以使半导体晶片W的下表面与抛光垫101的抛光表面101a接触。此时，如果抛光垫101在其表面中没有槽或不具有足够数目的槽或足够深度的槽，那么空气或浆料就会捕获在抛光垫101的抛光表面101a和半导体晶片W之间，如图3A所示，并且因此当抛光压力像平常那样施加到半导体晶片W上时，半导体晶片W可能比平常导致更大的变形。因此，半导体晶片W会裂开或损坏。
相反，当在真空下保持半导体晶片W的顶环1降低到顶环的预置抛光位置时，然后弹性膜4膨胀，控制器33打开开闭阀V1，并且从流体供给源30向中心腔5供给加压流体以仅仅使弹性膜4的中央部膨胀。因此，半导体晶片W的下表面的中央部与抛光垫101的抛光表面101a接触并且压在抛光垫101的抛光表面101a上。然后，在经过很短时间后，例如在控制器33打开开闭阀V1之后1至3秒内，控制器33打开开闭阀V3，并且从流体供给源30向外腔7供给加压流体以使弹性膜4的外圆周部分膨胀。因此，半导体晶片W的下表面的外圆周部分压在抛光垫101的抛光表面101a上。这样，通过使半导体晶片W的中央部首先与抛光表面接触并且将半导体晶片W的中央部压在抛光表面上，如图3B中所示，空气或浆料不会捕获在抛光垫101的抛光表面101a和半导体晶片W之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，半导体晶片W也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以基本上防止在半导体晶片W与抛光表面101a接触之后半导体晶片开始抛光时由比平常更大的变形导致的半导体晶片W的裂开或损坏。
图4是显示构成抛光头的顶环1的改进实施例的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片W作为将被抛光的对象并且将半导体晶片W压在抛光台上的抛光表面上。图4仅仅示意性地显示了顶环1的主要结构元件。
在图4所示的实施例中，单个压力室5A形成在弹性膜4的上表面和顶环主体2的下表面之间。在顶环主体2的外中央部形成的通道(供给孔)11经由通道21连接到流体供给源30上，并且在顶环主体2的外圆周部分上形成的通道(供给孔)13经由通道23连接到流体供给源30上。开闭阀V1和压力调节器R1设置在通道21中，并且开闭阀V3和压力调节器R3设置在通道23中。保持器腔9紧挨着形成在保持器环3上方，并且保持器腔9经由通道25连接到流体供给源30上。开闭阀V5和压力调节器R5设置在通道25中。压力调节器R1、R3和R5和开闭阀V1、V3和V5连接到控制器33上，并且压力调节器R1、R3和R5和开闭阀V1、V3和V5的操作由控制器33控制。
图5A和5B是显示半导体晶片W由如图4中所示构成的顶环1抛光的方式的剖面示意图。
在真空下保持半导体晶片W的顶环1降低到顶环的预置抛光位置，然后开闭阀V1和开闭阀V3同时打开。加压流体从通道(供给孔)11和通道(供给孔)13同时供给压力室5A的中央部和外圆周部分。因此，位于半导体晶片W的上表面(后表面)上的弹性膜4膨胀以将半导体晶片W的下表面压在抛光垫101的抛光表面101a上。此时，如果抛光垫101在其表面中没有槽或不具有足够数目的槽或足够深度的槽，如图5A中所示，空气或浆料就会捕获在抛光垫101的抛光表面101a和半导体晶片W之间，并且因此当抛光压力像平常那样施加到半导体晶片W上时，半导体晶片W可能比平常导致更大的变形。因此，半导体晶片W会裂开或损坏。
相反，当在真空下保持半导体晶片W的顶环1降低到顶环的预置抛光位置时，然后弹性膜4膨胀，控制器33打开开闭阀V1，并且从通道(供给孔)11向中心腔5A的中央部供给加压流体以仅仅使弹性膜4的中央部膨胀。因此，半导体晶片W的下表面的中央部与抛光垫101的抛光表面101a接触并且压在抛光垫101的抛光表面101a上。然后，在经过很短时间后，例如在控制器33打开开闭阀V1之后1至3秒内，控制器33打开开闭阀V3，并且从通道(供给孔)13向压力室5A的外圆周部分供给加压流体以使弹性膜4的外圆周部分膨胀。因此，半导体晶片W的下表面的外圆周部分压在抛光垫101的抛光表面101a上。这样，通过使半导体晶片W的中央部首先与抛光表面接触并且将半导体晶片W的中央部压在抛光表面上，如图5B中所示，空气或浆料不会捕获在抛光垫101的抛光表面101a和半导体晶片W之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，半导体晶片W也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以基本上防止在半导体晶片W与抛光表面101a接触之后半导体晶片开始抛光时由比平常更大的变形导致的半导体晶片W的裂开或损坏。
图6是显示构成抛光头的顶环1的另一个改进实施例的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片W作为将被抛光的对象并且将半导体晶片W压在抛光台上的抛光表面上。
在图6所示的实施例中，单个压力室5A形成在弹性膜4的上表面和顶环主体2的下表面之间。在本实施例中，通道(供给孔)11仅仅形成在顶环主体2的中央部中。通道(供给孔)11经由通道21连接到流体供给源30上，并且开闭阀V1和压力调节器R1设置在通道21中。
在图6所示的实施例中，当弹性膜4膨胀时，控制器(未显示)打开开闭阀V1，并且从通道(供给孔)11向压力室5A的中央部供给加压流体。因此，弹性膜4的中央部首先膨胀以使半导体晶片W的下表面的中央部与抛光表面101a首先接触。然后，加压流体流向弹性膜4的外圆周部分，并且在经过很短的时间之后，半导体晶片W的外圆周部分与抛光表面101a接触。这样，通过使半导体晶片W的中央部首先与抛光表面接触并且将半导体晶片的中央部压在抛光表面上，如图6中所示，空气或浆料不会捕获在抛光垫101的抛光表面101a和半导体晶片W之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，半导体晶片W也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以基本上防止在半导体晶片W与抛光表面101a接触之后半导体晶片开始抛光时由比平常更大的变形导致的半导体晶片W的裂开或损坏。
在图2至6所示的实施例中，压力调节器R1-R5和开闭阀V1—V5是单独地设置的。然而，如果压力调节器R1-R5布置成具有在从零到期望值之间的范围内调节压力值的开闭阀的功能，然后可以消除开闭阀。
接下来将参照图7描述依照本发明的第二方面的抛光设备的抛光头。图7是显示构成抛光头的顶环1的剖面示意图，该抛光头用于保持半导体晶片W作为将被抛光的对象并且将半导体晶片W压在抛光台上的抛光表面上。图7中所示的顶环1包括顶环主体2、保持器环3和以与图2中所示的顶环1相同的方式装到顶环主体2的下表面上的弹性膜4。弹性膜4具有多个同心隔壁4a，并且圆形中心腔5、环形波纹室6、环形外腔7和环形边缘腔8由隔壁4a界定在弹性膜4的上表面和顶环主体2的下表面之间。具体地说，中心腔5界定在顶环主体2的中央部，并且波纹室6、外腔7和边缘腔8按该顺序从顶环主体2的中央部向周边部分同心地界定。与中心腔5连通的通道11、与波纹室6连通的通道12、与外腔7连通的通道13和与边缘腔8连通的通道14形成在顶环主体2中。各个通道11、12、13和14经由各个通道21、22、23和24连接到流体供给源30上。另外，开闭阀V1、V2、V3和V4和压力调节器R1、R2、R3和R4设置在各个通道21、22、23和24中。
另外，保持器腔9紧挨着形成在保持器环3上方，并且保持器腔9经由顶环主体2中形成的通道15和包括管、连接器等的通道25连接到流体供给源30上。开闭阀V5和压力调节器R5设置在通道25中。压力调节器R1、R2、R3、R4和R5具有压力调节功能，用于分别调节从流体供给源30供给中心腔5、波纹室6、外腔7、边缘腔8和保持器腔9的加压流体的压力。压力调节器R1、R2、R3、R4和R5和开闭阀V1、V2、V3、V4和V5连接到控制器33上，并且压力调节器R1、R2、R3、R4和R5和开闭阀V1、V2、V3、V4和V5的操作由控制器33控制。
在图7中所示的顶环1中，环形隔膜10通过粘合剂等固定到弹性膜4(在晶片保持表面一侧)的下表面上从波纹室6和外腔7之间的边界20向弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧的预定区域上。隔膜10包括厚度有10毫米或更小厚度的薄板，优选具有大约0.5毫米至大约2毫米的厚度，并且由树脂例如聚醚醚酮(PEEK)/聚苯硫醚(PPS)和聚酰亚胺、金属例如不锈钢和铝和陶瓷例如氧化铝、氧化锆、碳化硅和氮化硅之一组成。具体地说，隔膜10由比弹性膜4具有更高刚度的材料组成，并且在波纹室6和外腔7之间从边界20向弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧至少L＝10毫米的区域上罩盖弹性膜4。
使用此配置，可以保证压力接收区域，这样波纹室6中的压力和外腔7中的压力就足以施加到隔膜10上。更具体地，隔膜10具有足够的压力接收区域，这样供给两个邻近区域的加压流体的压力就会施加到隔膜10上。刚度定义为材料对外力的变形阻力并且也被称作刚性。具有比弹性膜4更高刚度的材料定义为具有比弹性膜4更低弹性变形的材料，并且作为比弹性膜4具有更大纵向弹性模量的材料。
在弹性膜4中使用的橡胶材料的纵向弹性模量通常在1至10兆帕的范围内，而隔膜10的纵向弹性模量优选为1GPa或更大。
隔膜10由弹性膜26罩盖，这样隔膜10的下表面(晶片保持表面)未直接与半导体晶片W接触。弹性膜26罩盖隔膜10的下表面和弹性膜4的整个下表面。弹性膜26和隔膜10的接触表面由粘合剂等彼此固定，并且弹性膜26和弹性膜4的接触表面由粘合剂等彼此固定。因为弹性膜26的下表面构成保持半导体晶片W的保持表面，弹性膜26在隔膜10出现的区域中薄并且在隔膜10不出现的区域中厚，这样弹性膜26的整个下表面就处于相同的级别上。弹性膜26由高强和耐用橡胶材料例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等制成。
接下来，将参照图8A和8B描述具有图7中所示隔膜10的顶环1的操作。
图8A是显示没有隔膜10的顶环1的操作的示意图。如图8A所示，在边界20处在波纹室6中的压力和外腔7中的压力之间存在压力差(外腔7中的压力>波纹室6中的压力)。因此，如图8A的下部所示，在边界20处两个邻近区域之间在抛光压力并因此在抛光率中生成台阶状差。
图8B是显示具有隔膜10的顶环1的操作的示意图。如图8B所示，在边界20处在波纹室6中的压力和外腔7中的压力之间存在压力差(外腔7中的压力>波纹室6中的压力)。然而，如图8B的下部所示，两个邻近区域之间边界20处的抛光压力并因此抛光率从外腔7一侧向波纹室6一侧逐渐降低。具体地说，通过设置隔膜10，抛光压力(抛光率)的梯度可以在两个邻近区域之间边界20处平缓。
接下来，将参照图9A、9B和9C描述通过设置隔膜10而使抛光压力(抛光率)的梯度在两个邻近区域之间的边界20处平缓的原因。图9A和9B显示了当没有隔膜10时半导体晶片W的压力分布状况和变形状况，并且图9C显示了在具有隔膜10时半导体晶片W的压力分布状况和变形状况。在图9A至9C中所示的所有情形中，从半导体晶片W的后侧的抛光压力和由抛光压力导致的抛光垫101的变形生成的推斥压力平衡。
(1)在均匀压力的情形下
如图9A中所示，当均匀压力(后侧压力)施加到半导体晶片W上时，通过抛光垫101的变形生成的推斥压力变得均匀。
(2)在存在压力分布的情形中
如图9B中所示，在存在施加到半导体晶片W上的压力分布的情形中，抛光垫101的变形量在后侧压力低的位置处小，并且抛光垫101的变形量在其中后侧压力高的位置处大。当半导体晶片W的刚度低时，半导体晶片W会很容易地变形，并且因此半导体晶片W的变形局部地发生并且抛光垫101的变形量在抛光垫101的狭窄区域处改变。因此，抛光压力的分布会在压力边界和其邻域处急剧地改变。
(3)在其中存在压力分布和隔膜10的情形中
情形(3)中的后侧压力与情形(2)中的相同。在情形(3)中，后侧压力和由抛光垫101的变形生成的推斥压力以与情形(2)中相同的方式平衡。在情形(3)中施加到半导体晶片W的表面上的抛光压力的分布与情形(2)中不同，但是作为情形(3)中总值的推斥压力与情形(2)中的推斥压力相同。在远离压力边界的位置处的抛光压力变得与情形(2)中的抛光压力相同。因此，抛光垫101的变形量就变得与情形(2)中的变形量相同。隔膜10在半导体晶片W的上表面的存在具有半导体晶片W的刚度增大的效果。因此，半导体晶片W的变形量在局部区域处变小，并且经历变形的区域膨胀。
在情形(3)中抛光垫101在压力边界及其邻域处的变形量的梯度比情形(2)中的平缓。然后，抛光压力的分布会平缓地改变。
另外，固定到弹性膜4上的隔膜10的宽度(L)在两个邻近区域之间从边界20向弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧延伸不小于10毫米的原因如下：在压力边界及其邻域中生成的抛光压力的分布的步长通常大约为10毫米，并且因此隔膜10的宽度(L)在两个邻近区域之间从边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧优选地不小于10毫米。
在图7所示实施例中，隔膜10从波纹室6和外腔7之间的边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧上方不小于10毫米处固定到弹性膜4的下表面(在晶片保持表面侧)上。然而，环形隔膜10可以从中心腔5和波纹室6之间的边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧不小于10毫米处固定到弹性膜4的下表面(在晶片保持表面侧)上。另外，环形隔膜10可以从外腔7和边缘腔8之间的边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧不小于10毫米处固定到弹性膜4的下表面(在晶片保持表面侧)上。另外，隔膜10可以固定到弹性膜4的整个下表面上。在这种情形下，在两个邻近空间即两个邻近区域之间的全部边界20上的抛光压力(抛光率)的梯度就会平缓。
图10是显示依照本发明的第二个方面的顶环的更具体实例的剖视图，在图10中所示的实例中，为了详细地显示弹性膜4，未显示顶环主体2和保持器环3。
在图10中所示的弹性膜4中，因为弹性膜4需要均匀地膨胀并且需要构成用于将弹性膜4固定到顶环主体2上的部分，所以用于分隔两个邻近区域(两个压力室)的多个同心隔壁4a具有复杂的形状。通过这些隔壁4a，圆形中心腔5、环形波纹室6、环形外腔7和环形边缘腔8就形成在弹性膜4的上表面和顶环主体(未显示)的下表面之间。具体地说，中心腔5形成在顶环主体的中央部，并且波纹室6、外腔7和边缘腔8按该顺序从弹性膜4的中央部向周边部分同心地界定。在顶环主体中，与各个压力室连通的通道以与图7中所示的实施例相同的方式形成。虽然未显示在图10中，但是中心腔5、波纹室6、外腔7和边缘腔8以与图7中所示实施例相同的方式经由开闭阀V1—V5和压力调节器R1-R5连接到流体供给源30上。
在图10中所示的顶环1中，隔膜10固定到弹性膜4的整个下表面上。隔膜10由树脂例如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)和聚酰亚胺、金属例如不锈钢和铝和陶瓷例如氧化铝、氧化锆、碳化硅和氮化硅之一组成。隔膜10由弹性膜26罩盖，这样隔膜10的下表面(晶片保持表面)未直接与半导体晶片W接触。弹性膜26通过粘合剂等固定到隔膜10的下表面上，这样隔膜10的整个下表面就由弹性膜26罩盖。因为弹性膜26构成用于保持半导体晶片W的保持表面，所以弹性膜26由高强和耐用橡胶材料例如乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等制成。
如图10所示，在其中隔膜10设置在弹性膜4的整个下表面上的情形中，当两个邻近腔中的压力之间存在压差时，两个邻近区域之间的全部边界20处的抛光压力并因此抛光率从一个室侧(较高压力室侧)向另一个室侧(较低压力室侧)逐渐降低。具体地说，通过设置隔膜10，抛光压力(抛光率)的梯度可以在两个邻近区域之间的边界20处平缓。
在图10中，显示了形成于弹性膜26中用于在真空下保持半导体晶片W的多个孔26h，并且显示了形成于隔膜10中用于与孔26h连通的多个孔10h和形成于弹性膜4中的多个孔4h。
接下来，下文中将参照图11至15详细描述适于用于依照本发明的第一和第二方面的抛光设备中的顶环1。图11至图15是显示沿着顶环1的多个径向方向的顶环1的实例的剖视图。
如图11至15中所示，顶环1基本上包括用于将半导体晶片W压在抛光表面101a上的顶环主体2和用于直接挤压抛光表面101a的保持器环3。顶环主体2包括圆板形式的上部构件300、装到上部构件300的下表面上的中间构件304和装到中间构件304的下表面上的下部构件306。保持器环3装到上部构件300的周边部分上。如图12所示，上部构件300通过螺栓308连接到顶环轴111上。另外，中间构件304通过螺栓309固定至上部构件300上，并且下部构件306通过螺栓310固定到上部构件300上。包括中间构件300、中间构件304和下部构件306的顶环主体2由树脂例如工程塑料(例如PEEK)制成。
如图11中所示，顶环1具有装到下部构件306的下表面上的弹性膜4。弹性膜4与由顶环1保持的半导体晶片的背面接触。弹性膜4通过沿径向向外布置的环形边缘夹持器316和在边缘夹持器316的径向向内布置的波纹夹持器318和319保持在下部构件306的下表面上。弹性膜4由高强和耐用橡胶材料例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等制成。
边缘夹持器316由波纹夹持器318保持，并且波纹夹持器318由多个止动器320保持在下部构件606的下表面上。如图12所示，波纹夹持器319由多个止动器322保持在下部构件306的下表面上。止动器320和止动器322沿顶环1的圆周方向等间隔地布置。
如图11所示，中心腔5形成在弹性膜4的中央部处。波纹夹持器319具有与中心腔5连通的通道324。下部构件306具有与通道324连通的通道325。波纹夹持器319的通道324和下部构件306的通道325连接到流体供给源(未显示)上。因此，加压流体就会通过通道325和324供给由弹性膜4形成的中心腔5。
波纹夹持器318具有用于将弹性膜314的波纹314b和边缘314c压在下部构件306的下表面上的爪318b和318c。波纹夹持器319具有用于将弹性膜4的波纹314a压在下部构件306的下表面上的爪319a。
如图13所示，环形波纹室6形成在弹性膜4的波纹314a和波纹314b之间。间隙314f形成在弹性膜4的波纹夹持器318和波纹夹持器319之间。下部构件306具有与间隙314f连通的通道342。另外，如图11中所示，中间构件304具有与下部构件306的通道342连通的通道344。环形槽347形成在下部构件306的通道342和中间构件304的通道344之间的连接部处。下部构件306的通道342经由环形槽347和中间构件304的通道344连接至流体供给源(未显示)。因此，加压流体就通过这些通道供给波纹室6。另外，通道342可选择地连接至真空泵(未显示)。当真空泵操作时，半导体晶片通过吸力被吸引至弹性膜4的下表面，因此夹住半导体晶片。
如图14所示，波纹夹持器318具有与由弹性膜4的波纹314b和边缘314c形成的环形外腔7连通的通道326。另外，下部构件306具有经由连接器327与波纹夹持器318的通道326连通的通道328。中间构件304具有与下部构件306的通道328连通的通道329。波纹夹持器318的通道326经由下部构件306的通道328和中间构件304的通道329连接至流体供给源(未显示)。因此，加压流体就通过这些通道供给由弹性膜4形成的外腔7。
如图15所示，边缘夹持器316具有用于将弹性膜4的边缘314d保持在下部构件306的下表面上的爪。边缘夹持器316具有与由弹性膜4的边缘314c和314d形成的环形边缘腔8连通的通道334。下部构件306具有与边缘夹持器316的通道334连通的通道336。中间构件304具有与下部构件306的通道336连通的通道338。边缘夹持器316的通道334经由下部构件306的通道336和中间构件304的通道338连接至流体供给源(未显示)。因此，加压流体就通过这些通道供给由弹性膜4形成的边缘腔8。中心腔5、波纹室6、外腔7、边缘腔8和保持器腔9以与图7中所示实施例相同的方式经由压力调节器R1-R5(未显示)和开闭阀V1—V5(未显示)连接到流体供给源上。
如上所述，在依照本实施例的顶环1中，用于将半导体晶片压在抛光垫101上的挤压力可以在半导体晶片的局部区域上通过调节供给在弹性膜4和下部构件306之间形成的各个压力室(即，中心腔5、波纹室6、外腔7和边缘腔8)的流体的压力而进行调节。
图16是图13中所示保持器环3的放大图。保持器环3用来保持半导体晶片的周边。如图16中所示，保持器环3包括具有圆柱形形状且具有闭合上端的缸400、装到缸400的上部的夹持器402、由夹持器402保持在缸400中的弹性膜404、连接到弹性膜404的下端的活塞406和由活塞406向下压的环形构件408。
环形构件408包括连接到活塞406上的上环形构件408a和与抛光表面101接触的下环形构件408b。上环形构件408a和下环形构件408b由多个螺栓409联接。上环形构件408a由金属材料例如SUS或材料例如陶瓷构成，并且下环形构件408b由树脂材料例如PEEK或PPS制成。
如图16中所示，夹持器402具有与由弹性膜404形成的保持器腔9连通的通道412。上部构件300具有与夹持器402的通道412连通的通道414。夹持器402的通道412经由上部构件300的通道414连接至流体供给源(未显示)。因此，加压流体就会通过通道414和412供给至保持器腔9。因此，通过调节将供给保持器腔9的流体的压力，弹性膜404就可以膨胀和收缩从而垂直地移动活塞406。因此，保持器环3的环形构件408就能在期望的压力下压在抛光垫101上。
在所示实例中，弹性膜404使用由具有弯曲部分的弹性膜形成的滚动隔膜。当由滚动隔膜界定的腔中的内部压力改变时，滚动隔膜的弯曲部分就会滚动从而拓宽该腔。当该室扩宽时，隔膜不会与外部部件滑动接触并且很难膨胀和收缩。因此，可以极大地减小由于滑动接触造成的摩擦，并且可以延长隔膜的寿命。另外，保持器环3挤压抛光垫101的挤压力可以精确地进行调节。
使用上述配置，可以仅仅降低保持器环3的环形构件408。因此，即使保持器环3的环形构件408磨损，也可以在下部构件306和抛光垫101之间保持恒定的距离。另外，因为与抛光垫101接触的环形构件408和气缸400通过变形的弹性膜404连接，所以不会由偏移负载生成弯矩。因此，保持器环3生成的表面压力就会均匀，并且保持器环3变成更可能跟随抛光垫101。
另外，如图16所示，保持器环3具有环形保持器环导轨410用于引导环形构件408的垂直运动。环形保持器环导轨410包括位于环形构件408的外圆周侧的外周边部分410a从而围绕环形构件408的上部的整个圆周、位于环形构件408的内圆周侧的内周边部分410b和设计成连接外周边部分410a和内周边部分410b的中间部分410c。保持器环导轨410的内周边部分410b通过多个螺栓411固定到顶环1的下部构件306上。设计成连接外周边部分410a和内周边部分410b的中间部分410c具有多个开口410h，开口410h沿中间部分410c的圆周方向在相等的间隔处形成。
图17显示了保持器环导轨410和环形构件408的配置。如图17所示，中间部分410c为整个地沿圆周连续的元件的环的形式，并且具有沿中间部分410c的圆周方向在相等的间隔处形成的多个圆弧开口410h。在图17中，圆弧开口410h是以点线显示的。
另一方面，环形构件408的上环408a包括作为整个地沿圆周连续的元件的环形式的下环部分408a1和从下环部分408a1沿圆周方向在相等的间隔处向上伸出的多个上圆弧部分408a2。每个上圆弧部分408a2穿过圆弧开口410h并且连接到活塞406上(参见图16)。
如图17所示，由SUS等制成的薄金属环430装配在下环形构件408b上。由树脂材料例如填充填料例如聚四氟乙烯(PTFE)或PTFE的PEEK·PPS制成的涂层430c形成在金属环430的外圆周表面上。树脂材料例如PTFE或PEEK·PPS包括具有低摩擦系数的低摩擦材料并且具有优良的滑动特性。低摩擦材料定义为具有0.35或更小低摩擦系数的材料。希望低摩擦材料具有0.25或更小的摩擦系数。
另一方面，保持器环导轨410的外周边部分410a的内圆周表面构成与涂层430c滑动接触的导轨面410g。导轨面410g具有通过镜面处理而改进的表面粗糙度。镜面处理定义为包括抛光、研磨和磨光的处理。
如图17所示，因为由SUS等制成的金属环430装配在下环形构件408b上，所以该下环形构件408b具有改进的刚度。因此，即使环形构件408b的温度由于环形构件408b和抛光表面101a之间的滑动接触而升高，下环形构件408b的热变形可以受到抑制。因此，金属环430和下环形构件408b的外圆周表面与保持器环导轨410的外周边部分410a的内圆周表面之间的间隙可以变窄，并且通过环形构件408在间隙内的运动导致的保持器环导轨410和环形构件408之间的碰撞时生成的异常噪音或振动可以受到抑制。另外，因为形成在金属环430的外圆周表面上的涂层430c由低摩擦材料组成，并且保持器环导轨410的导轨面410g具有通过镜面处理改进的表面粗糙度，所以可以改进下环形构件408b和保持器环导轨410之间的滑动特性。因此，可以显著地增强环形构件408相对于抛光表面的下列能力，并且保持器环的期望表面压力可以施加到抛光表面上。
在图17所示的实施例中，金属环430涂覆有低摩擦材料例如PTFE或PEEK·PPS。然而，低摩擦材料例如PTFE或PEEK·PPS可以通过涂层或粘合剂直接设置在下环形构件408b的外圆周表面上。另外，环形低摩擦材料可以通过双面带设置到下环形构件408b的外圆周表面上。另外，低摩擦材料可以设置到保持器环导轨410上，并且镜面处理可以施加到下环形构件408b上。
另外，保持器环导轨410和下环形构件408b这两者的滑动接触表面可以经过镜面处理以改进下环形构件408b和保持器环导轨410之间的滑动特性。这样，通过向保持器环导轨410和下环形构件408b这两者的滑动接触表面施加镜面处理，可以显著地增强环形构件408相对于抛光表面的跟随能力，并且保持器环的期望的表面压力可以施加到抛光表面上。
图18是图13中所示保持器环的B部分的放大图，并且图19是显示从图18的线XIX—XIX观察的视图。如图18和19所示，垂直地延伸的基本上椭圆形的槽418形成在保持器环3的环形构件408的上环形构件408a的外圆周表面中。多个椭圆槽418在上环形构件408a的外圆周表面中相等的间隔处形成。另外，沿着径向向内伸出的多个传动销349设置在保持器环导轨410的外周边部分410a上。传动销349配置成分别与环形构件408的椭圆槽418接合。环形构件408和传动销349相对于彼此在椭圆槽418中垂直地滑动，并且顶环主体2的旋转由传动销349通过上部构件300和保持器环导轨410传递到保持器环3以整体地旋转顶环主体2和保持器环3。橡胶垫350设置在传动销349的外圆周表面上，并且由低摩擦材料例如PTFE或PEEK·PPS制成的套环351设置在橡胶垫350上。另外，镜面处理施加到椭圆槽418的内表面上以改进椭圆槽418的内表面的表面粗糙度，由低摩擦材料制成的套环351与该内表面滑动接触。
这样，依照本实施例，由低摩擦材料制成的套环351设置在传动销349上，并且镜面处理施加到套环351与之滑动接触的椭圆槽418的内表面上，因此增强了传动销349和环形构件408之间的滑动特性。因此，可以显著地增强环形构件408相对于抛光表面的跟随能力，并且保持器环的期望表面压力可以施加到抛光表面上。镜面处理可以施加到传动销349上并且低摩擦材料可以设置在与传动销349接合的环形构件408的椭圆槽418上。
如图11至18所示，可以沿垂直方向膨胀和收缩的连接板420设置在环形构件408的外圆周表面和保持器环导轨410的下端之间。连接板420布置成填充环形构件408和保持器环导轨410之间的间隙。因此，连接板420用来防止抛光液(浆料)导入环形构件408和保持器环导轨410之间的间隙。包括带状柔性构件的带421设置在气缸400的外圆周表面和保持器环导轨410的外圆周表面之间。带421布置成罩盖气缸400和保持器环导轨410之间的间隙。因此，带421用来防止抛光液(浆料)导入气缸400和保持器环导轨410之间的间隙。
弹性膜4包括在弹性膜4的边缘(圆周)314d处将弹性膜4连接到保持器环3上的密封部分422。密封部分422具有向上弯曲的形状。密封部分422布置成填充弹性膜4和环形构件408之间的间隙。密封部分422由可变形材料制成。密封部分422用来防止抛光液导入弹性膜4和环形构件408之间的间隙而允许顶环主体2和保持器环3相对于彼此移动。在本实施例中，密封部分422与弹性膜4的边缘314d形成一个整体并且具有U形横剖面。
如果没设置连接板420、带421和密封部分422，抛光液可以导入顶环1的内部从而阻止顶环1的顶环主体2和保持器环3的正常操作。在本实施例中，连接板420、带421和密封部分422防止抛光液导入顶环1内部。因此，可以正常地操作顶环1。弹性膜404、连接板420和密封部分422由高强和耐用橡胶材料例如乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶等制成。
在依照本实施例的顶环1中，将半导体晶片压在抛光表面上的挤压力由将供给由弹性膜4形成的中心腔5、波纹室6、外腔7和边缘腔8的流体的压力控制。因此，下部构件306在抛光过程中就应该设置得向上远离抛光垫101。然而，如果保持器环3磨损，半导体晶片和下部构件306之间的距离就会改变以改变弹性膜4的变形方式。因此，半导体晶片上的表面压力分布也会改变。表面压力分布的这种变化会导致抛光的半导体晶片的不稳定的轮廓。
在所示实例中，因为保持器环3可以独立于下部构件306而沿垂直地移动，所以即使保持器环3的环形构件408磨损，也可以在半导体晶片和下部构件306之间保持恒定的距离。因此，可以稳定抛光的半导体晶片的轮廓。
如果本发明的第一方面应用于图11至19中所示的顶环1，中心腔5、波纹室6、外腔7、边缘腔8和保持器腔9可以经由开闭阀V1—V5(未显示)和压力调节器R1-R5(未显示)连接到流体供给源30(未显示)上，并且开闭阀V1—V5和压力调节器R1-R5的操作可以由控制器33以与图7中所示实施例相同的方式进行控制。然后，控制器33首先打开开闭阀V1，并且从流体供给源30向中心腔5供给加压流体以仅仅膨胀弹性膜4的中央部。因此，半导体晶片W的下表面的中央部与抛光垫101的抛光表面101a接触并且压在抛光垫101的抛光表面101a上。然后，在控制器33打开开闭阀V1后经过很短时间之后，控制器33连续地打开开闭阀V2、开闭阀V3和开闭阀V4，并且按照从顶环主体2的中央部向周边部分的次序向波纹室6、外腔7和边缘腔8供给加压流体以膨胀弹性膜4的外圆周部分。因此，半导体晶片W的下表面的外圆周部分压在抛光垫101的抛光表面101a上。这样，通过使半导体晶片W的中央部首先与抛光表面接触并且将半导体晶片的中央部压在抛光表面上，空气或浆料不会捕获在抛光垫101的抛光表面101a和半导体晶片W之间，并且因此即使抛光压力如平常那样施加时，半导体晶片W也不可能导致比平常更大的变形。因此，可以基本上防止在半导体晶片W与抛光表面101a接触之后半导体晶片开始抛光时半导体晶片W的裂开或损坏。
如果本发明的第二个方面应用到图11至19中所示的顶环1上，隔膜10可以固定到弹性膜4的整个下表面并且弹性膜26可以固定到隔膜10的下表面(晶片保持表面)，其方式与图10中所示的实施例相同。隔膜10由树脂例如聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)和聚酰亚胺、金属例如不锈钢和铝和陶瓷例如氧化铝、氧化锆、碳化硅和氮化硅之一组成。这样，通过在弹性膜4的整个下表面上设置隔膜10，当两个邻近腔中的压力之间存在压差时，两个邻近区域之间的全部边界20处的抛光压力并因此抛光率从一个室侧(较高压力室侧)向另一个室侧(较低压力室侧)逐渐降低。具体地说，通过设置隔膜10，抛光压力(抛光率)的梯度可以在两个邻近区域之间的所有边界处平缓。
隔膜10可以从波纹室6和外腔7之间的边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧延伸不小于10毫米处固定到弹性膜4的下表面上，其方式与图7中所示实施例中相同。另外，隔膜10可以从中心腔5和波纹室6之间的边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧或是从外腔7和边缘腔8之间的边界20朝弹性膜4的内圆周侧和外圆周侧延伸不小于10毫米处固定到弹性膜4的下表面上。
虽然已经显示和详细描述了本发明的特定优选实施例，但是应当理解，可以在其中做出各种改变和改进而不脱离所附权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种用于抛光基片的设备，包括：
具有抛光表面的抛光台；
抛光头，具有至少一个弹性膜，弹性膜配置成形成多个用于被供给加压流体的压力室，所述弹性膜配置成在所述压力室被供给加压流体时在流体压力下将基片压在所述抛光表面上；和
控制器，配置成控制加压流体向所述压力室的供给；
其中，当基片与所述抛光表面接触时，所述控制器控制加压流体的供给，从而加压流体就首先供给位于基片中央部的压力室，然后加压流体供给位于基片中央部的所述压力室的径向外侧的压力室。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器控制所述抛光头以将所述抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在位于基片的中央部的所述压力室被供给加压流体之前在由所述抛光头保持的基片的下表面和所述抛光表面之间形成间隙的位置。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述抛光头包括连接所述弹性膜的顶环主体和设置在所述顶环主体的周边部分处的保持器环；和
其中当所述抛光头降低至所述预置抛光位置时，所述保持器环与所述抛光表面接触。
4.一种用于抛光基片的设备，包括：
具有抛光表面的抛光台；
抛光头，具有至少一个弹性膜，弹性膜配置成形成用于被供给加压流体的压力室，所述弹性膜配置成在所述压力室被供给加压流体时在流体压力下将基片压在所述抛光表面上；和
控制器，配置成控制加压流体向所述压力室的供给；
其中，当基片与所述抛光表面接触时，所述控制器控制加压流体的供给，从而加压流体就首先从位于对应于基片的中央部的位置上的供给孔供给到所述压力室，然后加压流体从位于对应于基片的中央部的位置上的所述供给孔的径向外侧上的供给孔供给到所述压力室。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器控制所述抛光头以将所述抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在所述压力腔被供给加压流体之前在由所述抛光头保持的基片的下表面和所述抛光表面之间形成间隙的位置。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述抛光头包括连接所述弹性膜的顶环主体和设置在所述顶环主体的周边部分处的保持器环；和
其中当所述抛光头降低至所述预置抛光位置时，所述保持器环与所述抛光表面接触。
7.一种用于抛光基片的方法，包括：
由抛光头保持基片并且由所述抛光头使基片与抛光台的抛光表面接触，所述抛光头具有多个由弹性膜形成的压力室；和
通过向所述压力室供给加压流体将基片压在所述抛光表面上以抛光基片；
其中当基片与所述抛光表面接触时，加压流体首先供给位于基片中央部的压力室，然后加压流体供给位于基片中央部的所述压力室的径向外侧的压力室。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在位于基片的中央部的所述压力室被供给加压流体之前在由所述抛光头保持的基片的下表面和所述抛光表面之间形成间隙的位置。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述抛光头包括连接所述弹性膜的顶环主体和设置在所述顶环主体的周边部分处的保持器环；和
其中当所述抛光头降低至所述预置抛光位置时，所述保持器环与所述抛光表面接触。
10.一种用于抛光基片的方法，包括：
由抛光头保持基片并且由所述抛光头使基片与抛光台的抛光表面接触，所述抛光头具有由弹性膜形成的压力室；并且
通过从设置在对应于基片的不同径向位置的位置上的多个供给孔向所述压力室供给加压流体来将基片压在所述抛光表面上以抛光基片；
其中当基片与所述抛光表面接触时，加压流体首先从位于对应于基片的中央部的位置上的供给孔供给所述压力室，然后加压流体从位于对应于基片中央部的位置上的所述供给孔的径向外侧上的供给孔供给所述压力室。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述抛光头降低至预置抛光位置，所述预置抛光位置定义为其中在所述压力室被供给加压流体之前在由所述抛光头保持的基片的下表面和所述抛光表面之间形成间隙的位置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述抛光头包括连接所述弹性膜的顶环主体和设置在所述顶环主体的周边部分处的保持器环；和
其中当所述抛光头降低至所述预置抛光位置时，所述保持器环与所述抛光表面接触。
13.一种用于抛光基片的设备，包括：
具有抛光表面的抛光台；
抛光头，具有至少一个弹性膜，弹性膜配置成形成多个用于被供给加压流体的压力室，所述弹性膜配置成在所述压力室被供给加压流体时在流体压力下将基片压在所述抛光表面上；和
隔膜，设计成罩盖至少部分所述弹性膜并且在两个邻近压力室上延伸，所述隔膜由比所述弹性膜具有更高刚度的材料组成；
其中所述隔膜具有从所述两个压力室之间的边界向所述弹性膜的内圆周侧和外圆周侧延伸不小于10毫米的区域。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述隔膜固定到所述弹性膜上。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述隔膜由包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或聚酰亚胺的树脂、包括不锈钢或铝的金属和包括氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化硅的陶瓷之一构成。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述弹性膜由乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶构成。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述隔膜配置成基本上罩盖所述弹性膜的整个表面。
18.如权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括配置成罩盖所述隔膜的第二弹性膜，所述第二弹性膜构成配置成接触基片并且保持基片的基片保持表面。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述第二弹性膜在所述隔膜上延伸并且所述弹性膜设计成形成所述压力室。
20.一种用于抛光基片的设备，包括：
其上具有抛光表面的台；
用于保持和将基片压在抛光表面上的抛光头，该抛光头具有至少一个用于形成多个空腔的隔膜，加压流体可以分别供给该多个空腔，从而将基片压在抛光表面上；
用于调节加压流体的压力的设备；和
用于控制所述用于调节加压流体压力的设备、因此控制加压流体分别向多个空腔的供给的设备；
其中所述用于控制调节加压流体压力设备的设备可以操作从而防止调节加压流体压力的设备在基片首先与抛光表面接触的同时向位于隔膜边缘附近的至少一个空腔供给加压流体。
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