CN101474771B - 用于衬底保持装置中的弹性部件以及衬底抛光装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于衬底保持装置中的弹性部件，其包括与衬底接触的接触部分以及与所述接触部分和所述衬底保持装置的可垂直移动部件相连的周壁，所述周壁能够在所述接触部分与所述衬底保持接触的同时垂直伸展和收缩。本发明还涉及具有所述弹性部件的衬底抛光装置和衬底抛光方法，所述衬底抛光方法包括：通过具有压力腔室的顶环保持衬底；使所述衬底与抛光表面滑动接触，同时将流体供给到所述压力腔室中，以将压力施加到所述衬底上；停止所述流体供给；通过真空抽吸将所述衬底吸附到所述顶环上；将所述顶环与所述衬底一起移动到传送位置；以及通过将流体喷射到所述衬底上使所述衬底脱离所述顶环。

Description

用于衬底保持装置中的弹性部件以及衬底抛光装置和方法

本申请是申请日为2004年2月4日、申请号为200480003897.8、发明名称为“衬底保持装置以及抛光装置”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于保持待抛光衬底并将该衬底压靠在抛光表面上的衬底保持装置，特别是涉及一种用于在将衬底抛光至平整光面的抛光装置中保持衬底、例如半导体晶片的衬底保持装置。本发明还涉及用于衬底保持装置中的弹性部件以及衬底抛光装置和方法。

背景技术

近年来，半导体器件变得更加集成化，并且半导体元件的结构也变得更加复杂。此外，用于逻辑系统的多层互连的层数也被提高。因此，半导体器件表面的不规则性增大，以致于半导体器件表面的阶跃高度趋于更大。这是因为，在半导体器件的制造过程中，在半导体器件上形成一层薄膜，然后对半导体器件进行显微机械加工处理，例如形成图案或孔，这些处理重复多次，以在半导体器件上形成后续薄膜。

当半导体器件表面的不规则性增大时，会出现以下问题。当在半导体器件上形成薄膜时，在具有台阶的部分所形成的薄膜的厚度相对较小。由于互连部分的断开造成断路或由于互连层之间绝缘不充分而造成短路。因此，不能获得好的产品，产量也会降低。此外，即使半导体器件最初工作正常，半导体器件的可靠性在长期使用之后也会降低。当在平版印刷过程中进行曝光时，如果辐射表面具有不规则性，则曝光系统中的透镜系统便在局部不能聚集。因此，如果半导体器件表面的不规则性增大，则会产生难以在半导体器件上形成精细图案的问题。

因此，在半导体器件的制造过程中，平面化半导体器件表面变得越来越重要。平面化技术中最重要的一种为CMP(化学机械抛光)。在化学机械抛光中，使用一抛光装置，在将其中含有磨料颗粒、如硅石(SiO₂)的抛光液供给到抛光表面、例如抛光垫上的情况下，使衬底、例如半导体晶片与抛光表面滑动接触，由此将衬底抛光。

这类抛光装置包括具有抛光表面的抛光台和用来保持半导体晶片的被称作顶环或承载头的衬底保持装置，其中所述抛光表面由抛光垫构成。当利用这种抛光装置对半导体晶片进行抛光时，半导体晶片被衬底保持装置以预定压力保持和压靠在抛光台上。此时，抛光台和衬底保持装置彼此相对移动，以使半导体晶片与抛光表面产生滑动接触，从而将半导体晶片表面抛光至平整镜面光洁度水平。

在这种抛光装置中，如果被抛光的半导体晶片与抛光垫的抛光表面之间的相对压紧力在半导体晶片的整个表面上不均匀，则在某些部分上根据施加在半导体晶片的该部分上的压紧力的不同使得半导体晶片可能不能充分抛光或可能过度抛光。因此，人们试图用由弹性材料、如橡胶制造的弹性膜来形成衬底保持装置的表面，以保持半导体晶片，并向弹性膜的背面施加流体压力、如气压，以使施加在半导体晶片上的压力在半导体晶片的整个表面上均匀分布。

此外，抛光垫的弹性使得施加到被抛光半导体晶片的周边部分上的压力变得不均匀，由此只有半导体晶片的周边部分可能过度抛光，这被称作“边角修圆”。为避免这种边角修圆，采用了一种衬底保持装置，其中半导体晶片在其周边部分处被导环或卡环保持，抛光表面上与半导体晶片的周边部分对应的环形部分被导环或卡环压住。

下面参照图29A和29B对一传统衬底保持装置进行说明。图29A和29B示出了一传统衬底保持装置的局部横截面图。

如图29A所示，该衬底保持装置具有顶环本体2、位于顶环本体2中的卡盘6、以及附着在卡盘6上的弹性膜80。弹性膜80位于卡盘6的外圆周部分上，并与半导体晶片W的圆周边缘接触。环形卡环3被保持在顶环本体2的下端，并在半导体晶片W的圆周边缘附近挤压抛光表面。

卡盘6通过弹性压片13安装在顶环本体2上。卡盘6和弹性膜80在流体压力的作用下在一定范围内相对于顶环本体2和卡环3垂直移动。具有这种结构的衬底保持装置被称为所谓的浮式衬底保持装置。由弹性膜80、卡盘6的下表面以及半导体晶片W的上表面限定了一压力腔室130。在压力腔室130内输入一加压流体，从而抬起卡盘6并同时将半导体晶片W压靠在抛光表面上。在此状态下，向抛光表面上提供抛光液，并彼此独立地旋转顶环(衬底保持装置)和抛光表面，由此将半导体晶片W的下表面抛光至平整光面。

抛光过程结束之后，半导体晶片W受真空吸引并被顶环保持。顶环保持着半导体晶片W移动到一传送位置，然后从卡盘6的下部喷射出一液体(例如加压流体或氮与纯水的混合物)，以便释放半导体晶片W。

然而，在上述传统浮式衬底保持装置中，当卡盘6向上移动以压紧半导体晶片W时，保持与半导体晶片W的外圆周边缘接触的弹性膜80被卡盘6提起，由此导致弹性膜80的外圆周边缘与半导体晶片W脱离接触。因此，施加在半导体晶片W上的压紧力在半导体晶片W的外圆周边缘处被局部地改变。于是，在半导体晶片W的外圆周边缘处抛光率降低，而在位于半导体晶片W的外圆周边缘的径向内部的区域抛光率升高。

随着弹性膜的硬度提高，此问题会更加严重。因此，人们试图使用低硬度的弹性膜，以使弹性膜与半导体晶片之间的接触区域保持不变。但是，在浮式衬底保持装置中，半导体晶片W抛光的同时卡环3与抛光表面保持滑动接触。因此，卡环3势必会随时间发生磨损，从而导致半导体晶片W与卡盘6之间的距离减小(参见图29B)。于是，施加到半导体晶片W的外圆周边缘上的压力发生改变，由此在半导体晶片W的外圆周边缘处抛光率发生变化，从而造成抛光轮廓的改变。此外，由于这种缺陷，必须在初始阶段便替换磨损的卡环，因此卡环的使用寿命很短。

除上述问题之外，传统的衬底保持装置还存在另一问题：当抛光处理将要开始时，加压流体被输入压力腔室，而弹性膜与半导体晶片可能没有保持彼此充分紧密接触。因此，加压流体易于从弹性膜和半导体晶片之间的间隙中渗漏。

此外，在从顶环上释放半导体晶片的步骤中，会发生以下问题：如果在半导体晶片的背面(上表面)上形成有氮化物等的膜，则弹性膜与半导体晶片会彼此粘附。因此，在释放半导体晶片时，弹性膜可能不能与半导体晶片脱离接触。在这种状态下，如果加压流体连续喷射在半导体晶片上，弹性膜在保持与半导体晶片接触的同时被拉伸。因此，半导体晶片由于流体压力而变形，或在最坏的情况下破裂。

此外，传统衬底保持装置中还会产生另一问题：由弹性膜构成的压力腔室由于流体压力而变形。因此，当加压流体输入压力腔室时，弹性膜与半导体晶片局部脱离接触。这样，施加在半导体晶片上的压紧力局部降低，由此不能在半导体晶片的整个被抛光表面上获得均匀的抛光率。

随着弹性膜的硬度提高，此问题会更加严重。因此，如上所述，人们试图使用低硬度的弹性膜，以使弹性膜与半导体晶片之间的接触区域保持不变。但是，由于低硬度弹性膜的机械强度低，弹性膜势必会产生裂缝，从而需要频繁更换。

发明内容

本发明鉴于上述缺陷而提出。根据本发明，提供了一种用于通过向由弹性膜限定的空间中供给加压流体来向衬底施加压紧力的衬底保持装置。该衬底保持装置被构造成能够在包括衬底抛光过程和衬底释放过程在内的所有过程中稳定地处理衬底。具体地说，本发明的第一个目的在于提供一种衬底保持装置以及具有这种衬底保持装置的抛光装置，该衬底保持装置可以向衬底的整个表面施加均匀的压紧力，以使得在衬底的整个表面上获得均匀的抛光轮廓。本发明的第二个目的在于提供一种可以快速释放衬底的衬底保持装置以及具有这种衬底保持装置的抛光装置。本发明的第三个目的在于提供一种可以在衬底的整个抛光表面上获得均匀的抛光率的衬底保持装置以及具有这种衬底保持装置的抛光装置。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于将待抛光衬底保持和压靠在抛光表面上的衬底保持装置，该衬底保持装置包括：一个可垂直移动部件；一个与所述可垂直移动部件相连以用于限定一腔室的弹性部件；所述弹性部件包括一个与所述衬底发生接触的接触部分以及一个从所述接触部分向上延伸并与所述可垂直移动部件相连的周壁，所述周壁具有一个可垂直伸展和收缩的可伸缩部分。

在本发明的一个优选方面，所述周壁包括一个外周壁和一个位于所述外周壁的径向内侧的内周壁；所述外周壁和内周壁中的至少一个具有该可伸缩部分；且该接触部分在所述外周壁和所述内周壁之间的位置处被分开。

由于本发明具有上述结构，当可垂直移动部件(卡盘)向上移动时，由于可伸缩部分被垂直拉伸，所以与衬底保持接触的接触部分可以保持原形。因此，弹性部件与衬底之间的接触区域可以保持不变，由此可以在衬底的整个表面上获得均匀的压紧力。

即使卡环被磨损从而导致可垂直移动部件与衬底之间的距离发生变化，可伸缩部分也可收缩，以跟随距离的变化。因此，与衬底保持接触的接触部分可以保持原形。这样，可以在从衬底中心到其圆周边缘的整个表面上以均匀的压力压紧衬底，由此可在衬底的整个表面上获得均一的抛光率即抛光轮廓。此外，由于可伸缩部分根据卡环的磨损而收缩，所以磨损的卡环仍可使用而不必更换。

在本发明的一个优选方面，周壁具有一个折叠部分，以形成所述可伸缩部分。

在本发明的一个优选方面，所述折叠部分具有基本弧形横截面。

通过此结构，可伸缩部分可以平滑地向下伸展。

在本发明的一个优选方面，可伸缩部分由比接触部分软的材料制成。

在本发明的一个优选方面，周壁的一个预定部分比接触部分薄，以构成可伸缩部分。

在本发明的一个优选方面，周壁具有一个由比接触部分硬的材料制成并位于可伸缩部分之下的部分。

在本发明的一个优选方面，周壁具有一个由比接触部分厚并位于可伸缩部分之下的部分。

在本发明的一个优选方面，在周壁内嵌入一个比弹性部件硬的硬部件，且该硬部件位于可伸缩部分之下。

在本发明的一个优选方面，在周壁上固定一个比弹性部件硬的硬部件，且该硬部件位于可伸缩部分之下。

在本发明的一个优选方面，周壁具有一个表面涂有比弹性部件硬的材料的部分，且该部分位于可伸缩部分之下。

由于本发明具有上述结构，周壁的强度可以得到增强，因此在衬底抛光时可以防止弹性部件被扭曲。

根据本发明的另一方面，提供一种用于将待抛光衬底保持和压靠在抛光表面上的衬底保持装置，该衬底保持装置包括：一个可垂直移动部件；一个与所述可垂直移动部件相连以用于限定一腔室的弹性部件；所述弹性部件包括一个与所述衬底接触的接触部分和一个从所述接触部分向上延伸并与所述可垂直移动部件相连的周壁，其中所述周壁包括一外周壁和一位于所述外周壁的径向内侧的内周壁，所述接触部分在位于所述外周壁和所述内周壁之间的位置处被分开。

在本发明的一个优选方面，一个压紧部件与接触部分的上表面接触，从而将接触部分压在衬底上。

由于本发明具有上述结构，压紧部件可以使接触部分的下表面与衬底的上表面紧密接触。因此，可以防止加压流体从接触部分与衬底之间的间隙渗漏。

在本发明的一个优选方面，压紧部件具有形成于其下表面上并径向延伸的多个沟槽。

在本发明的一个优选方面，压紧部件具有一个形成于其下表面上以用来向接触部分的上表面供给流体的流体供给口。

由于本发明具有上述结构，加压流体可以通过所述沟槽或流体供给口快速供给至接触部分的上表面。因此，在接触部分被压紧部件压靠在衬底上的同时，加压流体可以将接触部分压靠在衬底上。

在本发明的一个优选方面，接触部分具有一个形成于其上表面上并沿接触部分的圆周方向延伸的厚部。

在本发明的一个优选方面，所述厚部具有基本呈三角形或弧形的横截面。

在本发明的一个优选方面，在接触部分中嵌入一增强部件。

由于本发明具有上述结构，因为接触部分的强度得到增强，所以当压紧部件将接触部分压靠在衬底上时可防止接触部分沿圆周方向被扭曲。因此，接触部分和衬底可以彼此保持紧密接触，从而防止加压流体渗漏。

在本发明的一个优选方面，接触部分具有形成于其上表面上的多个凹穴和凸起。

由于本发明具有上述结构，接触部分对可垂直移动部件的附着力被削弱。因此，当可垂直移动部件向上移动时，可防止弹性元件的接触部分被可垂直移动部件提起。

根据本发明的另一方面，提供一种抛光装置，它包括：衬底保持装置；以及具有抛光表面的抛光台。

根据本发明的另一方面，提供一种抛光衬底的方法，包括：通过上述衬底保持装置保持衬底；将衬底放置在抛光台的抛光表面上；向下移动可垂直移动部件，以将接触部分压靠在衬底上；在将接触部分压在衬底上的同时向腔室内提供加压流体；以及使衬底与抛光表面发生滑动接触，以抛光衬底。

根据本发明的另一方面，提供一种用于将待抛光衬底保持和压靠在抛光表面上的衬底保持装置，该衬底保持装置包括：一个可垂直移动部件；以及一个用于限定一腔室的弹性部件；所述弹性部件具有一个与所述衬底接触的接触部分，该接触部分具有一个用于促进接触部分从衬底上脱离的脱离促进部分。

在本发明的一个优选方面，脱离促进部分包括一个形成于接触部分的圆周边缘上的切口。

在本发明的一个优选方面，接触部分具有一个由对衬底的附着力比对弹性部件的附着力低的材料制成的区域。

在本发明的一个优选方面，接触部分的一个表面具有多个凹穴和凸起。

在本发明的一个优选方面，弹性部件包括多个接触部分，且脱离促进部分包括一个用来使所述多个接触部分中的一个和另一个相互连接的互连部分。

在本发明的一个优选方面，脱离促进部分包括一个形成于接触部分上的向上凹入的凹槽，且当加压流体输入腔室中时，该凹槽与衬底发生紧密接触。

由于本发明具有上述结构，当流体喷向衬底时，脱离促进部分开始被从衬底上去除，以使接触部分与衬底顺利地脱离。因此，衬底可以传递至衬底升降装置、如推料机而不被流体压力损坏。此外，可以顺利地从弹性部件上释放衬底而不受衬底种类、特别是形成于衬底背面(上表面)上的膜的种类的影响。

根据本发明的另一方面，提供一种抛光装置，它包括：衬底保持装置；以及具有抛光表面的抛光台。

根据本发明的另一方面，提供一种用于将待抛光衬底保持和压靠在抛光表面上的衬底保持装置，该衬底保持装置包括：一个可垂直于抛光表面移动的可动部件；以及一个与所述可动部件相连以用于限定多个腔室的弹性膜；该弹性膜包括一个与所述衬底接触的接触部分和用于连接接触部分和可动部件的多个周壁，多个圆周壁中的每一个具有一可垂直于抛光表面伸展和收缩的可伸缩部分。

由于本发明具有上述结构，在流体输入上述腔室时，由于可伸缩部分垂直于抛光表面伸展，所以弹性部件的接触部分可以保持原形。因此，弹性膜(接触部分)与衬底之间的接触区域可以保持不变，由此可以在衬底的整个抛光表面上获得均匀的抛光率。此外，由于弹性膜和衬底通过可伸缩部分彼此保持良好接触，所以可以使用高硬度的弹性膜。因此，弹性膜的耐久性可以得到提高。在这种情况下，与低硬度的弹性膜相比，高硬度的弹性膜可以保持衬底和弹性膜(接触部分)之间的接触区域。由此，可以获得稳定的抛光率。

在本发明的一个优选方面，弹性膜具有整体结构。

由于本发明具有上述结构，可以防止流体渗漏出所述腔室。此外，在衬底的抛光完成之后，衬底可以很容易地与接触部分脱离。如果弹性膜被分成多个分离部分，则这些分离部分中的某些可能会粘附在衬底上，从而妨碍衬底顺利地脱离。根据本发明，整体成形的弹性膜使得衬底可以顺利地与接触部分脱离。

在本发明的一个优选方面，接触部分具有一个位于其外缘上并向上倾斜的倾斜部分。

在本发明的一个优选方面，所述倾斜部分具有弯曲横截面。

在本发明的一个优选方面，所述倾斜部分具有笔直横截面。

由于本发明具有上述结构，衬底的圆周边缘与弹性膜彼此保持不接触。因此，没有压紧力施加在衬底的圆周边缘上，由此可防止衬底的圆周边缘被过度抛光。

在本发明的一个优选方面，倾斜部分比接触部分薄。

由于本发明具有上述结构，倾斜部分在流体压力下很容易变形。因此，倾斜部分可以与衬底的圆周边缘在期望的压紧力下接触。这样，可以独立地控制衬底的圆周边缘处的抛光率。

根据本发明的另一方面，提供一种抛光装置，它包括：所述衬底保持装置；以及具有抛光表面的抛光台。

此外，本发明还提供一种用于衬底保持装置中的弹性部件，包括：与衬底接触的接触部分；以及与所述接触部分和所述衬底保持装置的可垂直移动部件相连的周壁，所述周壁能够在所述接触部分与所述衬底保持接触的同时垂直伸展和收缩。

本发明还提出一种衬底抛光装置，其包括：用于支撑位于其上的抛光垫的可旋转抛光台；以及具有可垂直移动部件和弹性部件的顶环，所述顶环被构造成保持衬底并通过所述弹性部件将所述衬底压靠在所述抛光垫上，其中所述弹性部件包括与所述衬底接触的接触部分以及与所述接触部分和所述可垂直移动部件相连的周壁。

本发明还提出一种衬底抛光装置，其包括：用于支撑位于其上的抛光垫的可旋转抛光台；以及构造成保持衬底并将所述衬底压靠在所述抛光垫上的顶环，所述顶环具有用于彼此独立地将压力施加到所述衬底上的多个同心设置的压力腔室。

本发明还提出一种衬底抛光方法，包括：通过具有压力腔室的顶环保持衬底；使所述衬底与抛光表面滑动接触，同时将流体供给到所述压力腔室中，以将压力施加到所述衬底上；停止所述流体供给；通过真空抽吸将所述衬底吸附到所述顶环上；将所述顶环与所述衬底一起移动到传送位置；以及通过将流体喷射到所述衬底上使所述衬底脱离所述顶环。

附图说明

图1是一抛光装置的整体结构的横截面图，其中所述抛光装置具有根据本发明的第一实施例的衬底保持装置；

图2是安装在根据本发明的第一实施例的衬底保持装置中的顶环的垂直横截面图；

图3A-3C是图2所示中间气囊的放大横截面图；

图4A是在本发明的第一实施例中的边缘膜的整个结构的横截面图；

图4B和4C是图2所示衬底保持装置的局部横截面图；

图5A和5B是根据本发明的第二实施例的衬底保持装置的局部横截面图；

图6A是根据本发明的第三实施例的衬底保持装置的局部横截面图；

图6B是在本发明的第三实施例中的边缘膜的另一结构的局部横截面图；

图7是根据本发明的第四实施例的衬底保持装置的局部横截面图；

图8A是根据本发明的第五实施例的边缘膜的横截面图；

图8B是在本发明的第五实施例中的边缘膜的另一结构的横截面图；

图9A是根据本发明的第六实施例的边缘膜的横截面图；

图9B是图示根据本发明的第六实施例的边缘膜的伸展性的参考图；

图10A是根据本发明的第七实施例的边缘膜的横截面图；

图10B-10E分别是在本发明的第七实施例中的边缘膜的另一结构的横截面图；

图11A和11B是根据本发明的第八实施例的衬底保持装置的局部横截面图；

图12A是根据本发明的第十实施例的衬底保持装置的一部分的横截面图；

图12B是沿图12A中箭头A所示方向观察到的衬底保持装置的一部分的视图；

图13是沿图12A中箭头B所示方向观察到的中间膜的视图；

图14是结合在根据本发明的第十实施例的衬底保持装置中的气囊的透视图；

图15是结合在根据本发明的第十一实施例的衬底保持装置中的弹性部件的后视图；

图16是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第一例子的后视图；

图17是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第二例子的后视图；

图18是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第三例子的后视图；

图19是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第四例子的后视图；

图20是一抛光装置的整体结构的横截面图，其中所述抛光装置具有根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置；

图21是根据本发明的第十三实施例中的顶环的垂直横截面图；

图22A是根据本发明的第十三实施例的顶环的一部分的视图；

图22B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态；

图23A是根据本发明的第十四实施例的顶环的一部分的视图；

图23B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态；

图24A是根据本发明的第十五实施例的顶环的一部分的视图；

图24B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态；

图25A是根据本发明的第十六实施例的顶环的一部分的视图；

图25B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态；

图26A是根据本发明的第十七实施例的衬底保持装置的一部分的视图；

图26B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态；

图27A是根据本发明的第十八实施例的顶环的第一例子的一部分的放大横截面图；

图27B是根据本发明的第十八实施例的顶环的第二例子的一部分的放大横截面图；

图27C是根据本发明的第十八实施例的顶环的第三例子的一部分的放大横截面图；

图28A是根据本发明的第十九实施例的顶环的第一例子的一部分的放大横截面图；

图28B是根据本发明的第十九实施例的顶环的第二例子的一部分的放大横截面图；

图28C是根据本发明的第十九实施例的顶环的第三例子的一部分的放大横截面图；

图29A和29B是传统衬底保持装置的局部横截面图。

具体实施方式

下面将参照附图对根据本发明的第一实施例的衬底保持装置和抛光装置进行详细说明。

图1是一抛光装置的整体结构的横截面图，其中所述抛光装置具有根据本发明的第一实施例的衬底保持装置。该衬底保持装置用来保持待抛光衬底、如半导体晶片并将该衬底压在抛光台的抛光表面上。如图1所示，在构成根据本发明的衬底保持装置的顶环1下面具有一抛光台100，抛光台100具有附着在其上表面上的抛光垫101。在抛光台100之上具有一抛光液供给喷嘴102，且抛光液Q由抛光液供给喷嘴102施加到置于抛光台100上的抛光垫101的抛光表面101a上。

市场上具有各种抛光垫出售。例如，其中包括RodelInc.制造的SUBA800、IC-1000和IC-1000/SUBA100(双层布)，以及FujimiInc.制造的Surfinxxx-5和Surfin000。SUBA800、Surfinxxx-5和Surfin000是通过聚氨酯树脂粘合的无纺布，而IC-1000由硬质泡沫聚氨酯(单层)制成。泡沫聚氨酯是多孔的，并具有形成在其表面上的大量细小凹槽或孔。

顶环1通过万向接头10连接在顶环驱动轴11上，顶环驱动轴11与一个固定在顶环头盖110上的顶环气缸111连接在一起。顶环气缸111用来垂直移动顶环驱动轴11，以由此整体地升降顶环1并将保持在顶环本体2的下端的卡环3压靠在抛光台100上。顶环气缸111通过调节器R1与压力调节单元120相连。压力调节单元120用来通过从压缩空气源(未示出)供给加压流体、如压缩空气或通过用泵(未示出)产生真空等调节压力。压力调节单元120可以利用调节器R1调节将供给至顶环气缸111的加压流体的流体压力。因此，可以调节压紧抛光垫101的卡环3的压紧力。

顶环驱动轴11通过一个键(未示出)连接到旋转套筒112上。旋转套筒112具有一个固定设置在其周边部分上的同步滑轮113。顶环马达114被固定在顶环头盖110上，且同步滑轮113通过同步皮带115与一个安装于顶环马达114上的同步滑轮116相连。因此，当顶环马达114通电旋转时，旋转套筒112和顶环驱动轴11通过同步滑轮116、同步皮带115和同步滑轮113被彼此同步地旋转，以由此转动顶环1。顶环头盖110由顶环驱动轴117支撑，而顶环驱动轴117由一个支架(未示出)旋转支撑。

下而将对充当根据本发明的第一实施例的衬底保持装置的顶环1进行详细说明。图2是根据第一实施例的顶环1的垂直截面图。

如图2所示，充当衬底保持装置的顶环1包括柱状容器形的顶环本体2以及固定在顶环本体2的下端的环形卡环3，其中顶环本体2具有一个形成于其内的容纳空间。顶环本体2由高强度和高刚性的材料、如金属或陶瓷制成。卡环3由高刚性的树脂、陶瓷等制成。

顶环本体2包括柱状容器形外壳2a、放入外壳2a的柱状部分的环形加压片支撑件2b、以及放入形成于外壳2a的上表面的圆周边缘上的沟槽内的环形密封件2c。卡环3被固定在顶环本体2的外壳2a的下端。卡环3具有一个径向向内突出的较低部分。卡环3可以与顶环本体2整体成形。

顶环驱动轴11位于顶环本体2的外壳2a的中部之上，且顶环本体2通过万向接头10与顶环驱动轴11连接在一起。万向接头10具有一个球形轴承机构和一个用来将顶环驱动轴11的旋转传递给顶环本体2的旋转传动机构，其中顶环本体2和顶环驱动轴11通过所述球形轴承机构可彼此相对倾斜。球形轴承机构和旋转传动机构将压紧力和旋转力从顶环驱动轴11传向顶环本体2，同时允许顶环本体2和顶环驱动轴11彼此相对倾斜。

球形轴承机构包括限定在顶环驱动轴11的下表面中心的半球形凹入凹槽11a、限定在外壳2a上表面中心的半球形凹入凹槽2d、以及由高硬度材料如陶瓷制成并放置在凹入凹槽11a与2d之间的轴承滚珠12。旋转传动机构包括固定在驱动轴11上的驱动销(未示出)和固定在外壳2a上的被驱动销(未示出)。即使顶环本体2相对于顶环驱动轴11倾斜，由于驱动销和被驱动销可彼此相对垂直移动，驱动销和被驱动销保持互相啮合，同时接触点移位。由此，旋转传动机构可靠地将顶环驱动轴11的扭矩传递给顶环本体2。

顶环本体2和整体固定在顶环本体2上的卡环3在其中限定了一容纳空间。在容纳空间内具有一个环形保持环5和一个充当可垂直移动部件的圆盘形卡盘6。卡盘6在形成于顶环本体2之内的容纳空间中可垂直移动。卡盘可以由金属制成。但是，当通过使用在抛光的半导体晶片被顶环保持的状态下的杂散电流方法测量形成于半导体晶片表面的薄膜厚度时，卡盘6应当优选由非磁性物质例如绝缘材料如PPS、PEEK、氟树脂或陶瓷制成。

在保持环5与顶环本体2之间具有一个包括弹性膜的加压片13。加压片13具有夹在外壳2a与顶环本体2的加压片支撑件2b之间的径向外缘和夹在座环5与卡盘6之间的径向内缘。顶环本体2、卡盘6、座环5和加压片13共同在顶环本体2内限定出一压力腔室21。如图2所示，压力腔室21与包括管、连接器等的流体通道32相通。压力腔室21通过位于流体通道32上的调节器R2与压力调节单元120相连。加压片13由强度高且耐用的橡胶材料、如三元乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶制成。

当加压片13由弹性材料如橡胶制成时，如果加压片13被固定地夹持在卡环3和顶环本体2之间，则由于加压片13作为弹性材料的弹性形变，不能在卡环3的下表面上保持期望的水平表面。为避免这种缺陷，在本实施例中，加压片13夹在顶环本体2的外壳2a与以可分离的部件提供的加压片支撑件2b之间。卡环3可相对于顶环本体2垂直移动，或者卡环3可以具有一个可独立于顶环本体2将抛光表面101a压紧的结构。在此情况下，加压片13不一定必须以上述方式固定。

在卡盘6的外圆周边缘上设置一环形边缘膜(弹性部件)7，并与由顶环1保持的半导体晶片W的外圆周边缘接触。边缘膜7的顶端夹在卡盘6的外圆周边缘与环形边缘环4之间，由此边缘膜7附着在卡盘6上。

边缘膜7具有一个形成于其内的压力腔室22，压力腔室22与包含管道、连接器等的流体通道33相通。压力腔室22通过设置在流体通道33上的调节器R3与压力调节单元120相连。边缘膜7由强度高且耐用的橡胶材料如三元乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶制成，如同加压片13一样。边缘膜7的橡胶材料优选具有20-60的硬度(计示硬度)。

当半导体晶片W被抛光时，半导体晶片W被顶环1的旋转转动。边缘膜7与半导体晶片W的接触区域很小，因此易于不能向半导体晶片W传递足够的转动扭矩。于是，在卡盘6的下表面上固定一环形中间(空)气囊19，以与半导体晶片W紧密接触，从而可以通过中间气囊19向半导体晶片W传递足够的扭矩。中间气囊19位于边缘膜7的径向内侧，并与半导体晶片W以足够大的接触区域接触，以向半导体晶片W传递足够的扭矩。

中间气囊19包括与半导体晶片W的上表面接触的弹性膜91和用于可分离地将弹性膜91保持就位的气囊支架92。在卡盘6的下表面形成一环形沟槽6a，且气囊支架92通过螺钉(未示出)固定安装在环形沟槽6a上。构成中间气囊19的弹性膜91的顶端夹在环形沟槽6a与气囊支架92之间，从而弹性膜91可分离地安装在卡盘6的下表面上。

中间气囊19具有一个由弹性膜91和气囊支架92限定于其中的压力腔室23。压力腔室23与包含管道、连接器等的流体通道34相通。压力腔室23通过设置在流体通道34上的调节器R4与压力调节单元120相连。如同加压片13一样，弹性膜91由强度高且耐用的橡胶材料如三元乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶制成。

一个由边缘膜7、中间气囊19、半导体晶片W和卡盘6限定的环形空间充当压力腔室24。压力腔室24与包含管道、连接器等的流体通道35相通。压力腔室24通过设置在流体通道35上的调节器R5与压力调节单元120相连。

一个由中间气囊19、半导体晶片W和卡盘6限定的环形空间充当压力腔室25。压力腔室25与包含管道、连接器等的流体通道36相通。压力腔室25通过设置在流体通道36上的调节器R6与压力调节单元120相连。流体通道32、33、34、35和36通过设置在顶环头盖110顶端上的旋转接头(未示出)分别与调节器R2-R6相连。

在顶环本体2的密封件2c内靠近外壳2a的上表面的外圆周边缘处形成一呈环形沟槽形式的清洗液体通道51。清洗液体通道51与流体通道30相通并通过流体通道30提供清洗液体如纯水。多个连通孔53从清洗液体通道51伸出并穿过外壳2a和加压板支撑件2b。连通孔53和位于边缘膜7的外圆周表面与卡环3内圆周表面之间的小间隙G相通。

由于小间隙G形成于边缘膜7的外圆周表面与卡环3之间，包括支架环5、卡盘6、安装在卡盘6上的边缘膜7在内的部件相对于顶环本体2和卡环3可以以浮动的方式垂直移动。卡盘6具有从其外圆周边缘径向向外突出的多个凸起6c。当凸起6c与卡环3的向内凸出部分的上表面啮合时，包括卡盘6在内的部件的向下运动被限制在特定位置。

下面将参照图3A-3C对中间气囊19进行详细说明。图3A-3C是图2中所示中间气囊的放大横截面图。

如图3A所示，中间气囊19的弹性膜91具有一中间接触部分91b，中间接触部分91b具有向外突出的凸缘91a、从凸缘91a的基部91c向外延伸的延伸部分91d以在延伸部分91d和凸缘91a之间形成凹槽93、以及通过气囊支架92连接到卡盘6上的连接部分91e。延伸部分91d从凸缘91a的基部向外延伸到凸缘91a顶端内侧的位置，而连接部分91e从延伸部分91d的外端向上延伸。凸缘91a、中间接触部分91b、连接部分91e和延伸部分91d彼此形成一整体，并且由相同材料制成。在中间接触部分91b的中心部形成一开口91f。

通过该结构，在半导体晶片与中间气囊19的中间接触部分91b发生紧密接触之后卡盘6被提起以进行抛光的情形(参见图3B)下，连接部分91e的向上的力被延伸部分91d转化成水平或斜向的力，转化后的力被施加在凸缘91a的基部91c上(参见图3C)。因此，施加在凸缘91a的基部91c上的向上的力可以非常小，从而不会有过量的向上力施加到接触部分91b。因此，在基部91c附近不会形成真空，由此可以在中间接触部分91b的除凸缘91a之外的整个表面上获得均一的抛光率。在这种情况下，连接部分91e的厚度或凸缘91a的长度可以在位于径向内侧的连接部分和位于径向外侧的连接部分之间变化。此外，延伸部分91d的长度可以在位于径向内侧的延伸部分和位于径向外侧的延伸部分之间变化。此外，凸缘91a的厚度可以根据形成于待抛光半导体晶片上的膜的类型或抛光垫的类型变化。当传递到半导体晶片上的阻力或抛光扭矩大时，凸缘91a的厚度应当优选更大，以避免凸缘91a的扭曲。

下面将参照图4A-4C对根据本实施例的边缘膜7进行详细说明。图4A是根据本发明的第一实施例的边缘膜的整体结构的截面图，而图4B和4C是图2所示衬底保持装置的局部横截面图。

根据本实施例的边缘膜(弹性部件)7包括与半导体晶片W的外圆周边缘接触的环形接触部分8以及从接触部分8向上延伸并与卡盘6相连的环形周壁9。该周壁9包括外周壁9a和位于外周壁9a的径向内侧的内周壁9b。接触部分8具有从周壁9(即外周壁9a和内周壁9b)向内径向延伸的外形。接触部分8具有一个位于外周壁9a和内周壁9b之间并沿周向延伸的狭缝18。特别地，狭缝18在外周壁9a和内周壁9b之间的位置处将接触部分8分成外接触部分8a和内接触部分8b。

如图4B和4C所示，外周壁9a和内周壁9b分别沿环形边缘环4的外圆周表面和内圆周表面向上延伸。外周壁9a和内周壁9b的上端分别夹在卡盘6和边缘环4的上表面之间。边缘环4通过螺钉(未示出)保持在卡盘6上，从而边缘膜7可分离地附着在卡盘6上。流体通道33垂直延伸穿过边缘环4并在边缘环4的下表面上开口。因此，由边缘环4、边缘膜7和半导体晶片W限定的环形压力腔室22与流体通道33相通，并通过流体通道33和调节器R3与压力调节单元120相连。

周壁9具有一个可以垂直地、即基本垂直于半导体晶片W伸展和收缩的可伸缩部分40。更特别地，构成周壁9的外周壁9a具有一个可以垂直伸展和收缩的可伸缩部分40a。可伸缩部分40a具有这样的结构，以使得外周壁9a的一部分被向内折叠并进一步向外折叠，以形成沿圆周方向延伸的折回部分。可伸缩部分40a位于外接触部分8a附近且位于边缘环4下方。构成周壁9的内周壁9b也具有一个可以垂直伸展和收缩的可伸缩部分40b。可伸缩部分40b具有这样的结构，以使得内周壁9b上靠近其下端的一部分沿圆周方向向内折叠。由于可伸缩部分40a、40b分别设置在外周壁9a和内周壁9b上，外周壁9a和内周壁9b可以自由地在很大程度上伸缩，而接触部分8(即外接触部分8a和内接触部分8b)保持不变。因此，如图4C所示，当卡盘6向上移动时，可伸缩部分40a、40b伸展以跟随卡盘6的移动，从而使边缘膜7和半导体晶片W之间的接触区域保持不变。

位于卡盘6之上的压力腔室21以及压力腔室22、23、24和25内被供给加压流体如压缩空气，或者通过与相应压力腔室相连的流体通道32、33、34、35和36在压力腔室21、22、23、24和25内产生常压或真空。特别地，分别设置在流体通道32、33、34、35和36上的调节器R2-R6可以分别调节提供给相应压力腔室21、22、23、24和25的加压流体的压力。由此，可以独立地控制压力腔室21、22、23、24和25的压力，或独立地在压力腔室21、22、23、24和25内产生常压或真空。

如上所述，边缘膜7在其下端具有径向向内延伸的接触部分8(内接触部分8b)，中间气囊19在其下端具有凸缘91a。接触部分8(内接触部分8b)和凸缘91a通过提供给压力腔室22、23和24的加压流体与半导体晶片W发生紧密接触。因此，压力腔室22、23和24内的加压流体不在边缘膜7和中间气囊19下面流动。特别地，接触部分8和凸缘91a被加压流体压在半导体晶片W上，由此边缘膜7和中间气囊19与半导体晶片W保持紧密接触。因此，可以稳定地控制压力腔室22、23和24中每个腔室内的压力。

在这种情况下，提供给压力腔室22、23、24和25的加压流体或在其中产生常压时所提供给上述压力腔室的大气均可以被独立地控制温度。通过这种结构，可以从待抛光表面的背面直接控制工件如半导体晶片的温度。特别地，当各个压力腔室的温度单独控制时，本化学抛光工艺CMP中的化学反应速度可以得到控制。

下面，对由此构造的顶环1的操作进行详细说明。

在具有上述结构的抛光装置中，当半导体晶片W被送入抛光装置时，顶环1整个地被移动到传送半导体晶片W的传送位置。在半导体晶片W的直径为200mm的情况下，压力调节单元120与压力腔室23通过流体通道34连通。在半导体晶片W的直径为300mm的情况下，压力调节单元120与压力腔室24通过流体通道35连通。然后，压力腔室23或24通过压力调节单元120排空，从而通过压力腔室23或24的抽吸作用使半导体晶片W在真空下被吸到顶环1的下端。半导体晶片W被吸到顶环1上之后，顶环整个地被移动到具有位于抛光垫101上的抛光表面101a的抛光台100之上的位置。半导体晶片W的外圆周边缘被卡环3保持，由此半导体晶片W不会从顶环1上脱离，或者半导体晶片W不会滑动。

之后，停止由压力腔室23或24对半导体晶片W施加的吸引力。大约同时，开动连接在顶环驱动轴11上的顶环气缸111，以将保持在顶环1下面的卡环3以预定压力压靠在抛光台100的抛光表面101a上。然后，将加压流体输入压力腔室21，以向下移动卡盘6，从而将边缘膜7和中间气囊19压靠在半导体晶片W上。这样，边缘膜7的下表面和中间气囊19可以与半导体晶片本的上表面发生紧密接触。在这种状态下，具有各自不同压力的加压流体分别被输入压力腔室22、23、24和25，从而卡盘被向上移动，且同时半导体晶片W被压靠在抛光台100的抛光表面101a上。此时，边缘膜7上的可伸缩部分40a、40b被伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，边缘膜7的下表面、即接触部分8与半导体晶片W的外圆周边缘之间的接触区域可以保持不变。抛光液供给喷嘴102预先在抛光垫101的抛光表面101a上提供抛光液Q，由此抛光液Q保持在抛光垫101上。由此，半导体晶片W在其待抛光(下)表面与抛光垫101之间存在抛光液Q的情况下被抛光。

通过顶环1充当根据本实施例的衬底保持装置，由于边缘膜7与半导体晶片W的外圆周边缘之间的接触区域保持不变，所以可防止施加在半导体晶片W的外圆周边缘上的压紧力被改变。因此，包括半导体晶片W的外圆周边缘在内的整个表面均可以以均匀的压紧力压靠在抛光表面101a上。因此，可以防止半导体晶片W的外圆周边缘处的抛光率降低。此外，还可以防止位于半导体晶片W的外圆周边缘的径向内侧的区域处的抛光率增大。特别地，当半导体晶片的直径为200mm时，可防止距离半导体晶片W的外圆周边缘约20mm的区域处的抛光率增大。当半导体晶片的直径为300mm时，可防止距离半导体晶片W的外圆周边缘约25mm的区域处的抛光率增大。

形成于边缘膜7的接触部分8中的沿圆周方向延伸的狭缝18可有效地提高周壁9(外周壁9a和内周壁9b)在向下方向上的伸展性。因此，即使当提供给压力腔室22的加压流体的压力小时，边缘膜7和半导体晶片W之间的接触区域也可以保持不变。由此，可以以更小的压紧力压紧半导体晶片W。

半导体晶片W上位于压力腔室22、23、24和25之下的局部区域在提供给压力腔室22、23、24和25的加压流体的压力作用下被压靠在抛光表面101a上。因此，提供给压力腔室22、23、24和25的加压流体的压力彼此独立地控制，从而半导体晶片W的整个表面可以以均匀的压紧力压靠在抛光表面上。因此，可以在半导体晶片W的整个表面上获得均匀的抛光率。同样地，调节器R2调节提供给压力腔室21的加压流体的压力，以改变由卡环3施加给抛光垫101的压力。这样，在抛光期间，由卡环3施加给抛光垫101的压力和由各个压力腔室22、23、24和25施加的用来将半导体晶片W压靠在抛光垫101上的压力得到适当调节，以控制半导体晶片W的抛光轮廓。半导体晶片W具有一个由加压流体通过中间气囊19的接触部分施加压紧力的区域，还具有一个直接施加加压流体的压力的区域。施加在这些区域上的压力彼此相等。

如上所述，由顶环气缸111施加的将卡环3压靠在抛光垫101上压力和由输入压力腔室22、23、24和25的加压流体施加的将半导体晶片W压靠在抛光垫101上的压力得到适当调节，以对半导体晶片W进行抛光。在半导体晶片W的抛光处理完成时，停止向压力腔室22、23、24和25提供加压流体，并将压力腔室22、23、24和25的压力降至大气压力。之后，将压力腔室23或压力腔室24排空，以在其中产生负压，从而使半导体晶片W再次被吸附到顶环1的下表面上。此时，在压力腔室21内产生大气压力或负压。这是因为如果压力腔室21保持高压，则半导体晶片W被卡盘6的下表面局部压靠在抛光表面101a上。

在半导体晶片W以上述方式被吸附后，顶环1被整体地移动到传送位置，然后从流体通道35向半导体晶片W喷射流体(例如加压流体或氮与纯水的混合物)，以从顶环1上释放半导体晶片W。

用于抛光半导体晶片W的抛光液Q易于流入边缘膜7的外圆周表面和卡环3之间的小间隙G。如果抛光液Q牢牢地沉积在间隙G内，则会妨碍支架环5、卡盘6和边缘膜7相对于顶环本体2和卡环3顺利地垂直移动。为避免这种缺陷，通过流体通道30向环形清洗液体通道51输入清洗液体如纯水。因此，纯水通过多个连通孔53输入间隙G上面的空间，由此清洁间隙G，以防止抛光液Q牢牢沉积在间隙G中。优选地，纯水在抛光过的半导体晶片W脱离之后输入，并直到下一个待抛光半导体晶片被吸引到顶环1上为止。

下面参照图5A和5B对根据本发明的第二实施例的衬底保持装置进行说明。图5A和5B是根据本发明的第二实施例的衬底保持装置的局部横截面图；根据第二实施例的衬底保持装置的结构细节与根据第一实施例的衬底保持装置的相同，下面将不再进行描述。

如图5A，形成于外周壁9a内的可伸缩部分40a位于外周壁9a的顶端附近。边缘环4具有一个用于容纳位于其中的可伸缩部分40a的环形容纳沟槽4a。容纳沟槽4a形成在边缘环4的外圆周表面内，并沿边缘环4的圆周方向延伸。如图5B所示，容纳沟槽4a的宽度大至足以容许可伸缩部分40a即使在向下伸展时也不会与边缘环4接触。边缘环4具有一个与外接触部分8a(接触部分8)的上表面接触的压紧部件45，用于将外接触部分8a压靠在半导体晶片W的外圆周边缘上。在压紧部件45的下表面上形成有多个径向延伸的沟槽46。通过流体通道33输入压力腔室22的加压流体通过沟槽46提供给构成接触部分的外接触部分8a的上表面。在本实施例中，压紧部件45与边缘环4整体成型。不过，压紧部件45也可以与边缘环4分离。

下面对根据本实施例的具有上述结构的衬底保持装置的操作进行说明。根据本发明的第二实施例的衬底保持装置的操作细节与根据本发明的第一实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

半导体晶片W通过顶环1放置在抛光表面101a上，然后加压流体输入压力腔室21，以向下移动卡盘6和边缘环4。此时，压紧部件45的下表面与外接触部分8a的上表面接触，从而压紧部件45以预定压力将外接触部分8a压靠在半导体晶片W上。边缘膜7和半导体晶片W由此彼此保持足够紧密地接触。在此状态下，将加压流体输入压力腔室22、23、24和25。

通过流体通道33输入压力腔室22的加压流体通过沟槽46迅速提供给外接触部分8a的上表面。因此，在加压流体输入压力腔室22的同时，加压流体将外接触部分8a压靠在半导体晶片W上。随着加压流体输入压力腔室22、23、24和25，卡盘6向上移动，且外周壁9a的可伸缩部分40a和内周壁9b的可伸缩部分40b被伸展。此时，可伸缩部分40a在形成于边缘环4中的容纳凹槽4a内部变形。因此，防止了可伸缩部分40a与边缘环4接触，由此保证了其优异的伸展性。以这种方式，半导体晶片W在被压力腔室22、23、24和25压靠在抛光表面101a上的状态下被抛光。

根据具有上述结构的衬底保持装置，压紧部件45可以使边缘膜7与半导体晶片W发生紧密接触。因此，可以防止输入压力腔室22的加压流体泄漏。此外，加压流体可以通过沟槽46迅速提供给外接触部分8a的上表面。因此，加压流体可以在边缘膜7被压紧部件45挤压的同时开始将外接触部分8a压靠在半导体晶片W上。此外，可伸缩部分40a位于外周壁9a附近。因此，可以提高外周壁9a的伸展性，并防止了外周壁9a沿圆周方向扭曲，从而使得边缘膜7可以始终以同样方式工作。

下面将参照图6A和6B对根据本发明的第三实施例的边缘膜7进行说明。图6A是根据本发明的第三实施例的衬底保持装置的局部横截面图，图6B是在本发明的第三实施例中的边缘膜的另一结构的局部横截面图。根据本发明的第三实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第二实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图6A所示，将被压紧部件45挤压的构成接触部分8的外接触部分8a在其上表面上具有一厚部48。厚部48沿外接触部分8a的圆周方向延伸，并具有基本弧形(弓曲)横截面。在外接触部分8a内嵌入一用于增强外接触部分8a的强度的增强部件50。压紧部件45在其下表面上具有一个台阶，以形成第一压紧表面45a和位于第一压紧表面45a上方的第二压紧表面45b。第一压紧表面45a与外接触部分8a接触，而第二压紧表面45b与厚部48接触。第一压紧表面45a和第二压紧表面45b中分别具有多个径向延伸的沟槽46a和46b。如第二实施例一样，沟槽46a、46b使得加压流体在边缘膜7被压紧部件45挤压的同时开始将外接触部分8a压靠在半导体晶片W上。

如上所述，根据本实施例，将被压紧部件45挤压的外接触部分8a具有厚部48，且在外接触部分48内嵌入加强部件50。通过此结构，可以增强外接触部分8a的机械强度。因此，当外接触部分8a被压紧部件45压靠在半导体晶片W上时，可防止外接触部分8a沿圆周方向扭曲。因此，边缘膜7和半导体晶片W可以彼此保持紧密接触，从而防止加压流体渗漏。

此外，由于厚部48具有基本呈弧形的横截面，所以已经进入压力腔室22的抛光液比较不易于牢牢沉积在厚部48处。此外，压紧部件45的下表面、即第二压紧表面45b和厚部48彼此不保持紧密接触，由此使得压紧部件45很容易与厚部48脱离接触。可以选择使用厚部48或加强部件50中的一个来增强接触部分8。如图6B所示，厚部48可以具有三角形横截面。

下面将参照图7对根据本发明的第四实施例的衬底保持装置进行说明。图7是根据本发明的第四实施例的衬底保持装置的局部横截面图。根据本发明的第四实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第三实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。根据第四实施例的衬底保持装置与根据第三实施例的衬底保持装置的不同在于：用于向接触部分的上表面提供加压流体的流体供给口设置在边缘环上，而不是在压紧部件的下表面中提供沟槽。

如图7所示，边缘环4具有一个形成于其中并与流体通道33连通的通孔180。通孔180具有三个开口，即向外接触部分8a(接触部分8)敞开充当流体供给口的第一开口180a、向内周壁9b的可伸缩部分40b敞开的第二开口180b、以及在边缘环4的外圆周表面处开口的第三开口180c。通过流体通道33引入通孔180的加压流体被分成边缘环4内的三股流体。特别地，构成第一股的加压流体从第一开口180a向外接触部分8a的上表面提供，构成第二股的加压流体从第二开口180b向内周壁9b的可伸缩部分40b提供，而构成第三股的加压流体从第三开口180c向外周壁9a的背面提供。

通过此结构，在外接触部分8a被压紧部件45挤压的同时，加压流体被提供给外接触部分8a的上表面。因此，如上述第三实施例那样，在边缘膜7被压紧部件45挤压的同时，加压流体可以开始挤压外接触部分8a(接触部分8)。

下面将参照图8A和8B对根据本发明的第五实施例的边缘膜进行说明。图8A是根据本发明的第五实施例的边缘膜的横截面图，图8B是在本发明的第五实施例中的边缘膜的另一结构的横截面图。

在根据第一实施例的边缘膜中，通过沿圆周方向折叠一部分周壁形成可伸缩部分。或者，如图8A所示，周壁9可以由比接触部分8软的材料制成，从而提供可伸缩部分40。或者，如图8B所示，周壁9可以比接触部分8薄，从而提供可伸缩部分40。根据这些结构，正如根据上述实施例的可伸缩部分那样，周壁9可以垂直地、即垂直于半导体晶片伸缩。

下面将参照图9A和9B对根据本发明的第六实施例的边缘膜进行说明。图9A是根据本发明的第六实施例的边缘膜的横截面图，图9B是说明根据本发明的第六实施例的边缘膜的伸展性的参考图。根据本实施例的边缘膜具有与根据第二实施例的边缘膜相同的基本结构。

如图9A所示，可伸缩部分40的折叠部分71和位于周壁9与接触部分8之间的连接部分72分别具有基本弧形横截面。如图9B所示，通常，如果各部件之间的连接部分具有棱角(带尖角)横截面，则该棱角横截面即使在这些部件垂直伸展之后仍保持原形，从而使各部件的伸展性受到限制。另一方面，如果各部件之间的连接部分具有基本弧形横截面，则此连接部分可以灵活地变形，从而为各部件提供优异的伸展性。因此，通过上述结构，包括可伸缩部分40在内的周壁9可以平稳顺畅地伸展。

下面将参照图10A-10E对根据本发明的第七实施例的边缘膜进行说明。图10A是根据本发明的第七实施例的边缘膜的横截面图，图10B-10E分别是本发明的第七实施例中的边缘膜的另一结构的横截面图。根据本实施例的边缘膜具有与根据第二实施例的边缘膜相同的基本结构。

通常，当半导体晶片抛光时，会在由顶环保持的半导体晶片与抛光表面之间产生摩擦力。因此，边缘膜可能沿其圆周方向扭曲，由此边缘膜与半导体晶片之间的紧密接触趋于削弱。因此，在图10A-10E所示的边缘膜7中，为防止边缘膜被扭曲，位于可伸缩部分40下方的周壁9的一部分具有增强的机械强度。

特别地，图10A显示了一个其中位于可伸缩部分40下方的周壁9的一部分由比接触部分8硬的材料制成的边缘膜7。图10B显示了一个其中位于可伸缩部分40下方的周壁9的一部分比接触部分8厚的边缘膜7。图10C显示了一个其中在位于可伸缩部分40下方的周壁9的一部分内嵌入一比边缘膜7硬的硬部件96的边缘膜7。图10D显示了一个其中在位于可伸缩部分40下方的周壁9的一部分上固定了一比边缘膜7硬的硬部件96的边缘膜7。图10E显示了一个其中位于可伸缩部分40下方的周壁9的一部分涂覆了一比边缘膜7硬的硬质材料97的边缘膜7。硬部件96优选包括具有优异抗锈性能的金属如不锈钢或树脂。具有上述结构的边缘膜7在半导体晶片抛光时可以防止沿其圆周方向扭曲，从而使得边缘膜7与半导体晶片W彼此保持紧密接触。

下面参照图11A和11B对根据本发明的第八实施例的衬底保持装置进行说明。图11A和11B是根据本发明的第八实施例的衬底保持装置的局部横截面图。根据本发明的第八实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第一实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图11A所示，外周壁9a在外接触部分8a附近沿其圆周方向径向向内折叠，从而形成可伸缩部分40a。可伸缩部分40a位于边缘环4之下。在外周壁9a(周壁9)的径向外侧具有一保护部件190。保护部件190用来防止边缘膜7与卡环3彼此接触。保护单元190位于卡盘6的外圆周边缘上且与卡盘6整体成型。或者，保护单元190也可以作为一个与卡盘6分离的部件提供。通过此结构，可以防止边缘膜7与卡环3彼此接触，从而容许卡盘6顺利地垂直移动。

下面对根据本发明的第九实施例的衬底保持装置进行说明。根据本发明的第九实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第一实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

构成接触部分8的外接触部分8a和内接触部分8b在其上表面上具有多个细小凸起和凹穴。这种凸起和凹穴优选由例如粗糙化处理过程(grainingprocess)形成。所述粗糙化处理过程是一个在工件表面形成规则或不规则凸起和凹穴从而使表面变粗糙的过程。通过这种在外接触部分8a和内接触部分8b的上表面上具有所述凸起和凹穴的结构，可以削弱内接触部分8b对卡盘6的附着。因此，当卡盘6向上移动时，可防止边缘膜7的内接触部分8b与卡盘6一起向上移动。此外，当如第二实施例中所述压紧部件45与外接触部分8a接触时，压紧部件45可以很容易地与外接触部分8a脱离接触。在本实施例中，接触部分8的外接触部分8a和内接触部分8b的下表面上同样具有多个细小凹穴和凸起，从而在衬底被抛光之后半导体晶片可以很容易地脱离边缘膜7。

在上述实施例中，流体通道32、33、34、35和36以分离的通道提供。这些流体通道可以彼此结合，或者压力腔室可以根据施加到半导体晶片W上的压力大小以及施加压力的部位而彼此相互连通。上述这些实施例可以适当地彼此相互结合。

在上述实施例中，抛光表面由抛光垫构成。但是，抛光表面并不仅限于这种结构。例如，抛光表面可以由固定磨料构成。该固定磨料形成一个包含由粘结剂固定的磨料颗粒的平板。通过固定磨料，由从固定磨料自身产生的磨料颗粒进行抛光处理。固定磨料包括磨料颗粒、粘结剂和孔。例如，平均粒径为0.5μm或更小的二氧化铈(CeO₂)被用作磨料颗粒，环氧树脂被用作粘结剂。这种固定磨料构成较硬的抛光表面。固定磨料包括一个具有双层结构的固定磨料垫，所述双层结构由一个固定磨料薄层和一个附着在所述固定磨料薄层的下表面上的弹性抛光垫构成。如上所述的IC-1000可被用于另一种硬抛光表面。

下面参照图12A-图14对根据本发明的第十实施例的衬底保持装置进行说明。图12A是根据本发明的第十实施例的衬底保持装置的一部分的横截面图，图12B示出了沿图12A中箭头A所示方向观察到的衬底保持装置的一部分。图13示出了沿图12A中箭头B所示方向观察到的中间膜的一部分。图14是结合在根据本发明的第十实施例的衬底保持装置中的气囊的透视图。根据本发明的第十实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第一实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

中间气囊200包括一个具有与半导体晶片W接触的中间接触部分202的中间膜201。中间膜201充当弹性部件并与第一实施例中的弹性膜91相对应。中间接触部分202具有一个外中间接触部分202a和一个内中间接触部分202b。外中间接触部分202a位于内中间接触部分202b的径向外侧。外中间接触部分202a和内中间接触部分202b分别具有从压力腔室23向上延伸的鼻部205a、205b以及位于压力腔室23之内的基部206a、206b。在下文中，外中间接触部分202a和内中间接触部分202b可以总称为中间接触部分202。鼻部205a、205b与第一实施例中的凸缘91a相对应。

中间膜201具有与鼻部205a、205b连接并基本平行地向中间接触部分202延伸的延伸部分203a、203b。中间膜201还具有从延伸部分203a、203b的末端向上延伸并通过气囊支架92与卡盘6相连的连接部分204a、204b。压力腔室23由中间膜201、气囊支架92和半导体晶片W限定。

如图13和14所示，鼻部205a、205b具有多个以周向等距形成于鼻部205a、205b的圆周边缘上的弧形切口210，每个弧形切口充当一脱离促进部分。如图13所示，切口210形成在中间接触部分202的相应区域202c内。区域202c沿中间接触部分202的圆周方向周等距排列。每个区域202c由具有对半导体晶片W的附着力比对中间接触部分202的其它区域的附着力低的材料制成。区域202c的将与半导体晶片W接触的表面通过磨光法或喷丸法进行粗糙化处理，以在其上形成细小的凹穴和凸起。中间接触部分202的整个下表面均可以被粗糙化处理。该粗糙化处理过程为一个在工件表面形成细小凹穴和凸起的过程。

鼻部205a、205b具有形成于其圆周边缘的向上凹入的凹槽225，每个凹槽均充当一个脱离促进部分。如图12B所示，在凹槽225与半导体晶片W之间形成一间隙226。当加压流体输入压力腔室23、24和25(参见图2)时，凹槽225变形，以与半导体晶片W的上表面发生紧密接触，从而使压力腔室23气密密封。此时，未形成间隙226。当压力腔室23、24和25内的压力降到例如大气压力时，凹槽225与半导体晶片W的上表面脱离接触。凹槽225优选地形成在可以使卡盘6的下部在卡盘6向下移动时与凹槽225接触的部位处。在这种部位处，凹槽225被卡盘6向下压靠在半导体晶片W上，从而使压力腔室23的内部被密封。在本实施例中，凹槽225分别形成在各切口210中，如图14所示，但是，凹槽225的位置并不仅限于切口210的位置。

下面参照图2对具有上述结构的顶环即衬底保持装置释放半导体晶片的操作进行说明。在抛光处理完成之后，停止向压力腔室22、23、24和25提供加压流体，并将压力腔室22、23、24和25的压力降至大气压力。然后，向压力腔室21输入加压流体，以向下移动卡盘6，从而接触部分8(参见图4)和中间接触部分202(参见图12A)与半导体晶片W的上表面发生均匀紧密接触。在此状态下，在压力腔室23或压力腔室24内生产负压，以在真空下将半导体晶片W吸附到顶环1的下端。

之后，将顶环1水平移动到一顶环1悬垂在抛光台100上(参见图1)的悬垂位置，然后在压力腔室21内产生负压从而将卡盘6向上移动。可以在顶环1移向悬垂位置时在压力腔室21内产生负压。尔后，顶环1向上移动到一个位于推料机即衬底升降装置之上的位置，即传送位置。然后，停止由压力腔室23或24对半导体晶片W施加的真空吸引力。

随后，从流体通道35或流体通道34向半导体晶片W喷射流体(例如加压流体或氮和纯水的混合物)。特别地，在半导体晶片W直径为300mm时，流体从流体通道35中喷射。在半导体晶片W直径为200mm时，流体从流体通道34中喷射。当流体喷射到半导体晶片W上时，中间接触部分202的切口210和凹槽225开始从半导体晶片W上脱离，由此周围气体流入压力腔室23。因此，由中间接触部分202制造的压力腔室23的密封态被破坏，从而使得半导体晶片W可以顺利并迅速地脱离中间气囊200。形成于中间接触部分202内的切口210可有效地容许中间接触部分202、特别是鼻部205a、205b容易地与半导体晶片W脱离接触。因此，可以迅速地从中间气囊200上释放半导体晶片W。在本实施例中，中间接触部分202具有径向宽度小于其它区域的区域202c，从而提供切口210。

在此实施例中，如上所述，中间接触部分202部分地由对半导体晶片W的附着力低的材料制成，且中间接触部分202部分地被粗糙化，以在其下表面上形成细小的凹穴和凸起。通过此结构，半导体晶片W可以顺利地从中间气囊200上释放。优选地，在流体从流体通道35或流体通道34喷出的同时在半导体晶片W和中间接触部分202之间提供流体如纯水。通过此结构，半导体晶片W可以更顺利地从中间气囊200上释放。

下面将参照图15对根据本发明的第十一实施例的衬底保持装置进行说明。图15是根据本发明的第十一实施例的衬底保持装置的弹性部件的后视图。根据本发明的第十一实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第一和第十实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图15所示，弹性部件包括一个位于最远圆周区域的边缘膜7和一个位于边缘膜7的径向内侧的中间膜201。边缘膜7的内接触部分8b具有形成在其内圆周边缘内的切口210。外中间接触部分202a的鼻部205a和内中间接触部分202b的鼻部205b分别具有形成在其圆周边缘的切口210。通过此结构，当流体从流体通道35或流体通道34提供时(参见图2)，边缘膜7和中间膜201可以从半导体晶片W上迅速脱离。如上所述，当半导体晶片W的直径为300mm时，流体从流体通道35喷出，而当半导体晶片W的直径为200mm时，液体从流体通道34喷出。在液体从流体通道35或流体通道34喷出的同时，优选地在半导体晶片W与接触部分8之间以及半导体晶片W与中间接触部分202之间提供流体如纯水。

下面参照图16-19对根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置进行说明。图16是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第一例子的后视图。图17是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第二例子的后视图。图18是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第三例子的后视图。图19是结合在根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置中的弹性部件的第四例子的后视图。根据本发明的第十二实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第一和第十实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图16-19所示，弹性部件包括一个位于最远圆周区域的边缘膜7和一个位于边缘膜7的径向内侧的中间膜201。在图16所示的本实施例的第一例子中，边缘膜7的接触部分8与中间膜201的中间接触部分202彼此通过多个互连部分220(每个充当一脱离促进部分)相连。特别地，接触部分8的内接触部分8b和外接触部分202a的鼻部205a通过互连部分220互连。互连部分220从鼻部205a的圆周边缘径向延伸，并沿鼻部205a的圆周方向等距设置。

在图17所示的本实施例的第二例子中，内接触部分8b和外中间接触部分202a的鼻部205a通过一环形互连部分220整体地互相连接在一起。通过此结构，内接触部分8b、外中间接触部分202a和互连部分220整体地形成一单个环形部件。

在图18所示的本实施例的第三例子中，内接触部分8b和鼻部205a通过多个径向互连部分220彼此连接。互连部分220与内接触部分之间的接头部分以及互连部分220与鼻部205a之间的接头部分分别具有用于防止应力集中在这些接头部分上的圆角230。

在图19所示的本实施例的第四例子中，内接触部分8b和鼻部205a通过多个向径向倾斜延伸的互连部分220彼此连接。

通过图16-19所示的结构，鼻部205a的拉伸受互连部分220限制。因此，当半导体晶片W在脱离后向下移动时可以防止鼻部205a被拉伸。因此，当流体从流体通道35或流体通道34喷出时，半导体晶片W可以迅速地与弹性部件即边缘膜7和中间膜201脱离。当半导体晶片W的直径为300mm时，流体从流体通道35喷出，而当半导体晶片W直径为200mm时，液体从流体通道34喷出。优选地，在半导体晶片W与接触部分8之间以及在半导体晶片W与中间接触部分202之间提供流体如纯水。内接触部分8b和鼻部205a的圆周边缘通过互连部分220互连的原因在于，实验表明外中间接触部分202a的鼻部205a必须最不易于从半导体晶片W上脱离。

上面已经描述了本发明的各种实施例。但是，本发明并不仅限于上述实施例。在本发明的技术构思的范围之内可以作出各种变型。

根据本发明，如上所述，由于可伸缩部分向下延伸以跟随可垂直移动部件即卡盘的向上运动，所以与衬底保持接触的接触部分可以保持不变。因此，弹性部件与衬底之间的接触区域可以保持不变，由此可以在衬底的整个表面上获得均匀的压紧力。

即使在卡环被磨损导致可垂直移动部件与衬底之间的距离发生变化时，因为可伸缩部分被伸展，以跟随距离的变化。这样，与衬底接触的接触部分可以保持原形。因此，可以在从衬底中心到其圆周边缘的整个区域内都以均匀的压力压紧衬底。因此，在衬底的整个表面上可以获得均一的抛光率即抛光轮廓。此外，由于可伸缩部分根据卡环的磨损而收缩，所以磨损的卡环仍可使用而不必更换。

此外，根据本发明，当流体喷向衬底的上表面时，脱离促进部分开始被从衬底上去除，以使接触部分顺利地脱离衬底。因此，衬底可以传送至衬底升降装置如推料机而不被流体压力损坏。衬底还可以顺利地从弹性部件上脱离，而不受衬底类型特别是形成于衬底背面(上表面)上的膜的种类的影响。

下面将参照附图对根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置和抛光装置进行详细说明。

图20是一抛光装置的整体结构的横截面图，其中所述抛光装置具有根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置。根据第十三实施例的衬底保持装置和抛光装置的结构和操作细节与本发明的第一实施例的衬底保持装置和抛光装置相同，下面将不再进行描述。

如图20所示，流体通道332、333、334、335和336贯穿顶环驱动轴11的内部，并通过一位于顶环驱动轴11的顶端的旋转接头421与压力调节单元120相连。

下面对充当根据本发明的衬底保持装置的顶环301进行说明。图21是根据第十三实施例的顶环1的垂直横截面图。

如图21所示，顶环本体2和整体保持在顶环本体2上的卡环3在其中限定出一容纳空间。在容纳空间内布置有环形保持环5和充当可垂直移动部件的圆盘形卡盘6。卡盘6在形成于顶环本体2之内的容纳空间内可垂直移动。所述垂直方向指垂直于抛光表面101a的方向。顶环本体2、卡盘6、座环5和加压片13共同在顶环本体2内限定出一压力腔室321。如图21所示，压力腔室321与包括管、连接器等的流体通道332相通。压力腔室321通过位于流体通道332上的调节器R2与压力调节单元120相连。

一个将与半导体晶片W接触的弹性膜307附着在卡盘6的下部。弹性膜307具有一个与半导体晶片W的整个上表面接触的环形接触部分308。弹性膜307还具有多个从接触部分308向上延伸并与卡盘6相连的环形周壁。特别地，周壁包括第一周壁309a、第二周壁309b、第三周壁309c和第四周壁309d，它们总称为周壁309a-309d。弹性膜307具有作为一个一体部件的整体结构。

第一周壁309a位于接触部分308的外圆周边缘处。第二周壁309b位于第一周壁309a的径向内侧并与第一周壁309a相距一预定距离。第三周壁309c位于第二周壁309b的径向内侧并与第二周壁309b相距一预定距离。第四周壁309d位于第三周壁309c的径向内侧并与第三周壁309c相距一预定距离。第一周壁309a、第二周壁309b、第三周壁309c和第四周壁309d彼此同心设置。

第一周壁309a和第二周壁309b具有夹在卡盘6与环形边缘环4之间的相应上端。第三周壁309c和第四周壁309d具有夹在卡盘6与环形夹具315之间的相应上端。边缘环4和支架315通过螺栓(未示出)保持在卡盘6上，因此弹性膜307可分离地安装在卡盘6上。

如同加压片13一样，弹性膜307由强度高且耐用的橡胶材料如三元乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶、硅橡胶制成。弹性膜307的橡胶材料的硬度(计示硬度)优选为20-60。弹性膜307可以具有单个周壁，或者也可以与本实施例一样具有多个周壁。

在弹性膜307的背面即上表面上限定了四个压力腔室322、323、324和325。特别地，接触部分308、第一周壁309a、第二周壁309b和边缘环4限定出一个充当压力腔室322的环形空间。压力腔室322与包含管、连接器等的流体通道333连通。压力腔室322通过位于流体通道333上的调节器R3与压力调节单元120相连。

接触部分308、第二周壁309b、第三周壁309c和卡盘6限定出一充当压力腔室323的环形空间。压力腔室323与包含管、连接器等的流体通道334连通。压力腔室323通过位于流体通道334上的调节器R4与压力调节单元120相连。

接触部分308、第三周壁309c、第四周壁309d和支架315限定出一充当压力腔室324的环形空间。压力腔室324与包含管、连接器等的流体通道335连通。压力腔室324通过位于流体通道335上的调节器R5与压力调节单元120相连。

接触部分308、第四周壁309d和卡盘6限定出一充当压力腔室325的环形空间。压力腔室325与包含管、连接器等的流体通道336连通。压力腔室325通过位于流体通道336上的调节器R6与压力调节单元120相连。流体通道332、333、334、335和336贯穿顶环驱动轴11的内部，并通过旋转接头421分别与调节器R2-R6相连。

限定在卡盘6之上的压力腔室321以及压力腔室322、323、324和325内被供给加压流体如压缩空气，或者，通过与相应压力腔室相连的流体通，332、333、334、335和336在压力腔室321、322、323、324和325内产生常压或真空。特别地，分别设置在流体通道332、333、334、335和336上的调节器R2-R6可以分别调节提供给相应压力腔室321、322、323、324和325的加压流体的压力。由此，可以独立地控制压力腔室321、322、323、324和325的压力，或独立地在压力腔室321、322、323、324和325内产生常压或真空。

各压力腔室322、323、324和325内的压力根据一个或多个嵌入在抛光台100内用来测量半导体晶片W的抛光表面上的膜的厚度的膜厚测定仪所测得的厚度独立地控制。膜厚测定仪可以包括利用光干涉或光反射的光学膜厚测定仪，或涡流型膜厚测定仪。根据半导体晶片W的径向位置分析来自膜厚测定仪的信号，以控制同心设置的各压力腔室322、323、324和325内的内部压力。

在这种情况下，提供给压力腔室322、323、324和325的加压流体或在其中产生大气压力时所提供给上述压力腔室的大气均可以独立地控制温度。通过这种结构，可以从待抛光表面的背面直接控制工件如半导体晶片的温度。特别地，当各压力腔室的温度单独控制时，该化学抛光工艺CMP中化学反应的速度可以得到控制。

压力腔室322、323、324和325内的温度通常根据来自膜厚测定仪的信号控制，其控制方式与上述各压力腔室的内部压力控制方式相同。

卡环3具有一形成于其内的排气孔54。通孔53与排气孔54以及形成在弹性膜307的外圆周表面(第一周壁309a)与卡环3的内圆周表面之间的小间隙G连通。

下面参照图22A和22B对根据本实施例的弹性膜307进行详细说明。图22A示出了根据本发明的第十三实施例的顶环的一部分，图22B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态。为简化附图，除弹性膜之外的结构元件在图22A和22B中均只是示意性地示出。

如图22A所示，第一周壁309a具有一个可以垂直即垂直于抛光表面101a伸缩的可伸缩部分340a。可伸缩部分340a包括一径向向内突出的折回部分。可伸缩部分340a基本位于第一周壁309a的中心区域，在此处可伸缩部分340a对接触部分308没有影响。第二周壁309b还具有一可垂直伸缩的可伸缩部分340b。可伸缩部分340b包括径向向外延伸并位于第二周壁309b的下端附近的水平部分340b-1以及从水平部分340b-1向上突出的折回部分340b-2。折回部分340b-2在水平方向即平行于抛光表面101a的方向上可以伸缩。

第三周壁309c具有一可垂直伸缩的可伸缩部分340c。可伸缩部分340c包括径向向内延伸并位于第二周壁309c的下端附近的水平部分340c-1以及从水平部分340c-1向上突出的折回部分340c-2。第四周壁309d也具有一可垂直伸缩的可伸缩部分340d。可伸缩部分340d包括径向向外延伸并位于第四周壁309d的下端附近的水平部分340d-1以及从水平部分340d-1向上突出的折回部分340d-2。折回部分340c-2和折回部分340d-2在水平方向即平行于抛光表面101a的方向上可以伸缩。

由于周壁309a、309b、309c和309d分别具有可伸缩部分340a、340b、340c和340d，周壁309a、309b、309c和309d在接触部分308保持不变的同时可以伸缩。特别地，包括相应的可伸缩部分340a、340b、340c和340d在内的周壁309a、309b、309c和309d可以在垂直方向上均匀伸展。因此，如图22B所示，当加压流体输入压力腔室322、323、324和325以提起卡盘6时(参见图21)，可伸缩部分340a、340b、340c和340d伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，弹性膜307(接触部分308)与半导体晶片W之间的接触区域可以保持不变。

下面，对具有上述结构的顶环301的操作进行详细说明。

在具有上述结构的抛光装置中，当半导体晶片W被送入抛光装置时，顶环301整个地被移动到传送半导体晶片W的传送位置。在半导体晶片W的直径为200mm的情况下，压力调节单元120与压力腔室323通过流体通道334连通。另一方面，在半导体晶片W的直径为300mm的情况下，压力调节单元120与压力腔室324通过流体通道335连通。

构成压力腔室323和压力腔室324的接触部分308分别具有孔和凹槽(未示出)，通过它们半导体W可以直接被顶环301的下端吸引并保持。

随着半导体晶片W被吸到顶环301上之后，顶环整个地被移到具有抛光表面101a的抛光台100之上的位置。半导体晶片W的外圆周边缘被卡环3保持，由此半导体晶片W不会从顶环301上脱离，或者半导体晶片W不会滑动。

之后，释放半导体晶片W的吸引力。大约同时，开动连接在顶环驱动轴11上的顶环气缸111，以将保持在顶环301下端的卡环3以预定压力压靠在抛光台100的抛光表面101a上。然后，向压力腔室321提供加压流体，以向下移动卡盘6，从而使弹性膜307的接触部分308与半导体晶片W接触。接着，具有各自不同压力的加压流体分别被输入压力腔室322、323、324和325，从而卡盘被向上移动，同时半导体晶片W被压靠在抛光台100的抛光表面101a上。此时，边缘膜7上的可伸缩部分340a、340b、340c和340d伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，弹性膜307的下表面(接触部分308)与半导体晶片W之间的接触区域可以保持不变。然后，在抛光液供给喷嘴102向抛光表面101a上提供抛光液Q的同时，顶环301和抛光台100彼此独立地旋转。抛光液Q被保持在抛光垫101的抛光表面101a上，半导体晶片W在其待抛光(下)表面与抛光垫101之间存在抛光液Q的情况下被抛光。

在本实施例中，即使加压流体的压力很小，压力腔室322、323、324和325也可以充分地膨胀。因此，可以以很小的压力压紧半导体晶片W。当具有低k值材料的半导体晶片作为用于Cu互连件的中间层绝缘体被抛光时，半导体晶片被抛光而不会破坏所述低k值材料，其中该半导体晶片具有低介电常数和低硬度。

通过上述结构，由于半导体晶片W的抛光在卡环3与抛光表面101a保持滑动接触的情况下进行，所以卡环3随着时间而磨损。因此，卡盘6的下表面与半导体晶片W之间的距离变小。在传统的衬底保持装置中，当卡盘与半导体晶片之间的距离变小时，弹性膜与半导体晶片之间的接触区域发生变化，从而导致抛光轮廓发生改变。根据本实施例，即使在这种情况下，可伸缩部分340a、340b、340c和340d将随着卡环3的磨损向上收缩，从而使得半导体晶片W与弹性膜307(接触部分308)之间的接触区域可以保持不变。因此，可以防止抛光轮廓发生变化。

虽然在本实施例中采用了整体成型的弹性膜，但本发明并不仅限于这种弹性膜。也可以使用具有多个被形成于接触部分的周向延伸的狭缝分开的分隔部分的弹性膜。在这种情况下，半导体晶片与弹性膜307(接触部分308)之间的接触区域也可以通过提供上述的可伸缩部分而保持不变。因此，可以在半导体晶片W的整个抛光表面上获得均匀的抛光率。

半导体晶片W中位于压力腔室322、323、324和325之下的局部区域在提供给压力腔室322、323、324和325的加压流体的压力下被压靠在抛光垫101的抛光表面101a上。因此，提供给压力腔室322、323、324和325的加压流体的压力彼此独立控制，从而半导体晶片W的整个表面可以以均匀的压紧力压靠在抛光垫101上。这样，可以在半导体晶片W的整个表面上获得均匀的抛光率。同样地，调节器R2调节提供给压力腔室321的加压流体的压力，以改变由卡环3施加给抛光垫101的压力。这样，在抛光期间，由卡环3施加给抛光垫101的压力和由各压力腔室322、323、324和325施加的用来将半导体晶片W压靠在抛光垫101上的压力得到适当调节，以控制半导体晶片W的抛光轮廓。

如上所述，由顶环气缸111所施加的将卡环3压靠在抛光垫101上的压力和由输入各压力腔室322、323、324和325的加压流体所施加的用来将半导体晶片W压靠在抛光垫101上的压力得到适当调节，以对半导体晶片W进行抛光。当半导体晶片W的抛光完成时，停止向压力腔室322、323、324和325提供加压流体，并将压力腔室322、323、324和325内的压力降到大气压力。然后，向压力腔室321提供加压流体，以向下移动卡盘6，从而使接触部分308与半导体晶片W的上表面均匀地发生紧密接触。在此状态下，半导体晶片W再次在真空下被吸引到顶环301的下端。紧接着，在压力腔室321中立即产生大气压力或负压。这是因为，如果压力腔室321保持在高压，则半导体晶片W会被卡盘6的下表面局部地压靠在抛光表面101a上。

在半导体晶片W以上述方式吸附之后，顶环301整体地移动到半导体晶片W被转移的位置即传送位置，并停止穿过形成于压力腔室323下部或压力腔室324内的孔或凹槽(未示出)的真空吸引力。然后，压力腔室322、323、324和325内输入具有预定压力的加压流体，其中加压流体通过上述孔或凹槽喷射到半导体晶片W上，从而释放半导体晶片W。

用于抛光半导体晶片W的抛光液Q易于流入弹性膜307的外圆周表面和卡环3之间的小间隙G。如果抛光液Q牢牢地沉积在弹性膜307的外圆周表面和卡环3上，则会妨碍支架环5、卡盘6、弹性膜307等相对于顶环本体2和卡环3顺利地垂直移动。为避免这种缺陷，通过流体通道30向环形清洗液体通道51输入清洗液体如纯水。这样，清洗液体通过多个连通孔53输入间隙G上方的空间，由此洗去间隙G内的抛光液Q，以防止抛光液Q牢牢沉积在间隙G中。优选地，清洗液体在抛光过的半导体晶片W脱离之后提供，并直到下一个待抛光半导体晶片被吸到顶环301上为止。

下面参照图23A和23B对充当根据本发明的第十四实施例的衬底保持装置的顶环进行说明。图23A示出了根据本发明的第十四实施例的顶环的一部分，图22B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态。为简化附图，除弹性膜之外的结构细节在图23A和23B中均只是示意性地示出。根据本发明的第十四实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图23A所示，第二周壁309b具有一个可以垂直伸缩的可伸缩部分342b。可伸缩部分342b包括两个位于第二周壁309b的下端附近的折回部分342b-1、342b-2。折回部分342b-1径向向内突出，而折回部分342b-2径向向外突出。第三周壁309c和第四周壁309d也同样分别具有可以垂直伸缩的可伸缩部分342c、342d。可伸缩部分342c包括两个位于第三周壁309c的下端附近的折回部分342c-1、342c-2。折回部分342c-1径向向外突出，而折回部分342c-2径向向内突出。可伸缩部分342d包括两个位于第四周壁309d的下端附近的折回部分342d-1、342d-2。折回部分342d-1径向向内突出，而折回部分342d-2径向向外突出。

由于周壁309a、309b、309c和309d分别具有可伸缩部分340a、342b、342c和342d，周壁309a、309b、309c和309d在接触部分308保持不变的同时可以伸缩。特别地，包括相应的可伸缩部分340a、342b、342c和342d在内的周壁309a、309b、309c和309d可以在垂直方向上均匀地伸展。因此，如图23B所示，当加压流体输入压力腔室322、323、324和325以向上移动卡盘6时(参见图21)，可伸缩部分340a、340b、340c和342d伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，弹性膜307(接触部分308)与半导体晶片W之间的接触区域可以保持不变。

下面参照图24A和24B对充当根据本发明的第十五实施例的衬底保持装置的顶环进行说明。图24A示出了根据本发明的第十五实施例的顶环的一部分，图24B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态。为简化附图，除弹性膜之外的结构细节在图24A和24B中均只是示意性地示出。根据本发明的第十五实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图24A所示，第二周壁309b具有一个可以垂直伸缩的可伸缩部分343b。可伸缩部分343b包括径向向外延伸并位于第二周壁309b的下端附近的水平部分343b-1和整体地连接在从水平部分343b-1的内端并径向向内突出的折回部分343b-2。第三周壁309c和第四周壁309d也同样分别具有可以垂直伸缩的可伸缩部分343c、342d。可伸缩部分343c包括径向向外延伸并位于第三周壁309c的下端附近的水平部分343c-1和整体地连接在从水平部分343c-1的外端并径向向外突出的折回部分343c-2。可伸缩部分343d包括径向向外延伸并位于第四周壁309d的下端附近的水平部分343d-1和整体地连接在从水平部分343d-1的内端并径向向内突出的折回部分343d-2。

由于周壁309a、309b、309c和309d分别具有可伸缩部分340a、343b、343c和343d，周壁309a、309b、309c和309d在接触部分308保持不变的同时可以伸缩。特别地，包括相应的可伸缩部分340a、343b、343c和343d在内的周壁309a、309b、309c和309d可以在垂直方向上均匀地伸展。因此，如图24B所示，当加压流体输入压力腔室322、323、324和325以向上移动卡盘6时(参见图21)，可伸缩部分340a、343b、343c和343d伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，弹性膜307(接触部分308)与半导体晶片W之间的接触区域可以保持不变。

下面参照图25A和25B对充当根据本发明的第十六实施例的衬底保持装置的顶环进行说明。图25A示出了根据本发明的第十六实施例的顶环的一部分，图25B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态。为简化附图，除弹性膜之外的结构细节在图25A和25B中均只是示意性地示出。根据本发明的第十六实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图25A所示，第二周壁309b具有一个可以垂直伸缩的可伸缩部分344b。可伸缩部分344b包括一个径向向外突出并基本位于第二周壁309b的中心区域的折回部分。第三周壁309c和第四周壁309d也同样分别具有可以垂直伸缩的可伸缩部分344c、344d。可伸缩部分344c包括一个径向向内突出并基本位于第三周壁309c的中心区域的折回部分。可伸缩部分344d包括一个径向向外突出并基本位于第四周壁309d的中心区域的折回部分。由于周壁309a、309b、309c和309d分别具有可伸缩部分340a、344b、344c和344d，周壁309a、309b、309c和309d在接触部分308保持不变的同时可以伸缩。特别地，包括相应的可伸缩部分340a、344b、344c和344d在内的周壁309a、309b、309c和309d可以在垂直方向上均匀地伸展。因此，如图25B所示，当加压流体输入压力腔室322、323、324和325以向上移动卡盘6时(参见图21)，可伸缩部分340a、344b、344c和344d伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，弹性膜307(接触部分308)与半导体晶片W之间的接触区域可以保持不变。

下面参照图26A和26B对充当根据本发明的第十七实施例的衬底保持装置的顶环进行说明。图26A示出了根据本发明的第十七实施例的顶环的一部分，图26B示出了其中流体被输入压力腔室时的状态。为简化附图，除弹性膜之外的结构细节在图26A和26B中均只是示意性地示出。根据本发明的第十七实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图26A所示，第二周壁309b具有一个可以垂直伸缩的可伸缩部分345b。可伸缩部分345b包括径向向外延伸并位于第二周壁309b的下端附近的水平部分345b-1和向向内突出并基本位于第二周壁309b的中心区域的折回部分345b-2。第三周壁309c和第四周壁309d也同样分别具有可以垂直伸缩的可伸缩部分345c、345d。可伸缩部分345c包括径向向内延伸并位于第三周壁309c的下端附近的水平部分345c-1和径向向外突出并基本位于第三周壁309c的中心区域的折回部分345c-2。可伸缩部分345d包括径向向外延伸并位于第四周壁309d的下端附近的水平部分345d-1和径向向内突出并基本位于第四周壁309d的中心区域的折回部分345d-2。

由于周壁309a、309b、309c和309d分别具有可伸缩部分340a、345b、345c和345d，周壁309a、309b、309c和309d在接触部分308保持不变的同时可以伸缩。特别地，包括相应的可伸缩部分340a、345b、345c和345d在内的周壁309a、309b、309c和309d可以在垂直方向上均匀地伸展。因此，如图26B所示，当加压流体输入压力腔室322、323、324和325以向上移动卡盘6时(参见图21)，可伸缩部分340a、345b、345c和345d伸展，以跟随卡盘6的向上运动。因此，弹性膜307(接触部分308)与半导体晶片W之间的接触区域可以保持不变。

下面参照图27A-27C对充当根据本发明的第十八实施例的衬底保持装置的顶环进行说明。图27A是根据本发明的第十八实施例的顶环的第一例子的一部分的放大局部剖视图，图27B是根据本发明的第十八实施例的顶环的第二例子的一部分的放大局部剖视图，图27C是根据本发明的第十八实施例的顶环的第三例子的一部分的放大局部剖视图。根据本发明的第十八实施例的衬底保持装置的结构和操作细节与根据本发明的第十三实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图27A所示，在弹性膜307的接触部分308的外圆周边缘形成一个向上倾斜的倾斜部分308a。倾斜部分308a具有弯曲横截面。通过此结构，即使向压力腔室322、323提供加压流体以提起卡盘6，弹性膜307的接触部分308和半导体晶片W的外圆周边缘也可以彼此不接触。因此，弹性膜307不向半导体晶片W的外圆周边缘施加压力。这样，可以防止其中半导体晶片W的外圆周边缘被过度抛光的所谓“边角修圆”发生。

优选地，倾斜部分308a与半导体晶片W之间的空隙应当尽可能小，因为抛光液易于留在此空隙内。因此，优选地，倾斜部分308a的垂直尺寸小于其水平尺寸。在本实施例中，第二周壁309b具有一可伸缩部分346b。可伸缩部分346b包括一个径向向外延伸并位于第二周壁309b的下端附近的水平部分。第二周壁309b可以还具有一个第十三至第十七实施例中所示的折回部分。

图27B所示的第二例子在第二周壁309b的位置方面不同于图27A所示的第一例子。特别地，第二周壁309b的下端紧靠第一周壁309a，且倾斜部分308a从第二周壁309b的下端向上延伸。因此，压力腔室323内的压力可以施加到半导体晶片W中位于半导体晶片W的外圆周边缘的径向内侧的区域。

图27C所示的第三例子在倾斜部分308a的厚度方面不同于图27A所示的第一例子。特别地，在第三例子中，倾斜部分308a比接触部分308的水平部分薄。因此，当加压流体提供给压力腔室322时，倾斜部分308a可以很容易地膨胀，以在期望的压力下仅将半导体晶片W的外圆周边缘压靠在抛光表面101a(参见图1)上。这样，可以独立控制半导体晶片W的外圆周边缘处的抛光率。

下面参照图28A-28C对充当根据本发明的第十九实施例的衬底保持装置的顶环进行说明。图28A是根据本发明的第十九实施例的顶环的第一例子的一部分的放大局部剖视图，图28B是根据本发明的第十九实施例的顶环的第二例子的一部分的放大局部剖视图，图28C是根据本发明的第十九实施例的顶环的第三例子的一部分的放大局部剖视图。根据本发明的第十九实施例的衬底保持装置的结构细节和优选与根据本发明的第十三和第十八实施例的衬底保持装置相同，下面将不再进行描述。

如图28A所示，在弹性膜307的接触部分308的外圆周边缘中形成一个向上倾斜的倾斜部分308b。倾斜部分308b具有笔直横截面。通过此结构，即使向压力腔室322、323提供加压流体以提起卡盘6，弹性膜307的接触部分308和半导体晶片W的外圆周边缘也可以彼此不接触。为缩小倾斜部分308b与半导体晶片W之间的空隙，优选地，倾斜部分308b的垂直尺寸小于其水平尺寸。

图28B所示的第二周壁309b的下端紧靠第一周壁309a。倾斜部分308b从第二周壁309b的下端向上延伸。因此，压力腔室323内产生的压力可以施加到半导体晶片W中位于半导体晶片W的外圆周边缘的径向内侧的区域上。

在图28C所示的第三例子中，倾斜部分308b比接触部分308的水平部分薄。因此，当加压流体提供给压力腔室322时，倾斜部分308b可以很容易地膨胀，以在期望的压力下仅将半导体晶片W的外圆周边缘压靠在抛光表面101a(参见图1)上。这样，可以独立控制半导体晶片W的外圆周边缘处的抛光率。

在抛光处理期间，卡环3的下端由于与抛光表面101a的滑动接触而逐渐磨损。因此，卡盘6与半导体晶片W之间的距离变小，由此弹性膜307与半导体晶片W之间的接触区域被改变。因此，抛光率趋于局部地被改变。为避免这种问题发生，优选地，可伸缩部分340a-340d、341b-341d、342b-342d、343b-343d、344b-344d、345b-345d、346b在大于卡环3的磨损量的程度内可伸缩。由此，当卡环3磨损时可伸缩部分可以向上收缩，因此可以防止抛光率被局部地改变。

根据本发明，如上所述，由于在流体被提供给压力腔室时可伸缩部分垂直于抛光表面伸展，所以弹性膜的接触部分的形状可以保持不变。因此，弹性膜(接触部分)与衬底之间的接触区域可以保持不变，由此可以在衬底的整个抛光表面上获得均匀的抛光率。可伸缩部分可以有效地使弹性膜与衬底彼此保持充分接触。因此，可以使用高硬度的弹性膜，由此使得弹性膜的耐久性得到提高。在这种情况下，与低硬度的弹性膜相比，高硬度的弹性膜可以维持衬底与弹性膜(接触部分)之间的接触区域。由此可以获得稳定的抛光率。

工业实用性

本发明适用于保持待抛光衬底并将该衬底压靠在抛光表面上的衬底保持装置，特别是适用于在将所述衬底抛光至平整光面的抛光装置中用于保持衬底、例如半导体晶片的衬底保持装置。本发明还适用于具有该衬底保持装置的抛光装置。

Claims (15)

1.一种用于衬底保持装置中的弹性部件，包括：

与衬底接触的接触部分；以及

与所述接触部分和所述衬底保持装置的可垂直移动部件相连的周壁，

其中所述接触部分、所述周壁和所述可垂直移动部件形成用于压紧所述衬底的压力腔室；

其中所述衬底保持装置包括用于保持所述衬底的周边部分并压紧抛光垫的卡环，且所述可垂直移动部件可独立于所述卡环移动；以及

其中所述周壁具有可伸缩部分，所述可伸缩部分可在所述接触部分与所述衬底保持接触的同时垂直伸展和收缩。

2.根据权利要求1所述的弹性部件，其特征在于，所述周壁具有用于形成所述可伸缩部分的至少一个折回部分。

3.根据权利要求1所述的弹性部件，其特征在于，所述接触部分和所述周壁由橡胶制成。

4.一种衬底抛光装置，其包括：

用于支撑位于其上的抛光垫的可旋转抛光台，所述抛光垫具有抛光表面；

用于保持衬底的周边部分并压紧所述抛光垫的卡环；

可垂直于所述抛光表面移动且可独立于所述卡环移动的可动部件；

与所述可动部件相连以用于限定多个腔室的弹性膜；

所述弹性膜包括与所述衬底接触的接触部分以及用于连接所述接触部分和所述可动部件的多个周壁，所述多个周壁中的每一个具有可垂直于所述抛光表面伸展和收缩的可伸缩部分，

所述多个腔室同心设置，以彼此独立地将压力施加到所述衬底上。

5.一种衬底抛光装置，其包括：

用于支撑位于其上的抛光垫的可旋转抛光台；以及

构造成保持衬底并将所述衬底压靠在所述抛光垫上的顶环，所述顶环具有与所述衬底接触的弹性膜，所述弹性膜限定用于彼此独立地将压力施加到所述衬底上的同心设置的压力腔室，其中具有受控温度的气体被供给到所述压力腔室的每一个中。

6.一种衬底抛光装置，其包括：

用于支撑位于其上的抛光垫的可旋转抛光台；以及

构造成保持衬底并将所述衬底压靠在所述抛光垫上的顶环，所述顶环具有与所述衬底接触的弹性膜，所述弹性膜限定用于彼此独立地将压力施加到所述衬底上的同心设置的压力腔室，

其中具有受控温度的流体被供给到所述压力腔室的每一个中，并且

其中在衬底抛光期间，所述压力腔室的温度通过所述流体的供给被彼此独立地控制。

7.根据权利要求6所述的衬底抛光装置，其特征在于，还包括：

嵌入于所述抛光台中的薄膜厚度测量装置，所述压力腔室的温度基于来自所述薄膜厚度测量装置的信号被控制。

8.根据权利要求6所述的衬底抛光装置，其特征在于，所述顶环包括由非磁性材料制成的卡盘。

9.一种衬底抛光方法，包括：

通过具有压力腔室的顶环保持衬底；

使所述衬底与抛光表面滑动接触，同时将流体供给到所述压力腔室中，以将压力施加到所述衬底上；

停止所述流体供给；

通过真空抽吸将所述衬底吸附到所述顶环上；

将所述顶环与所述衬底一起移动到传送位置；以及

通过将流体喷射到所述衬底上使所述衬底脱离所述顶环。

10.一种用于在衬底保持装置中使用的弹性膜，所述弹性膜包括：

与衬底接触的接触部分；

从所述接触部分向上延伸的第一环形周壁，所述第一环形周壁具有可伸缩部分；以及

从所述接触部分向上延伸的第二环形周壁，所述第二环形周壁具有可伸缩部分，

其中所述第一环形周壁位于所述接触部分的外缘处，所述第二环形周壁位于所述第一环形周壁的径向内侧。

11.根据权利要求10所述的弹性膜，其特征在于，所述第一环形周壁具有向内折叠的顶端。

12.根据权利要求10所述的弹性膜，其特征在于，所述第二环形周壁具有向外折叠的顶端。

13.根据权利要求10所述的弹性膜，其特征在于，还包括：

从所述接触部分向上延伸的第三环形周壁。

14.根据权利要求13所述的弹性膜，其特征在于，还包括：

从所述接触部分向上延伸的第四环形周壁。

15.根据权利要求10所述的弹性膜，其特征在于，所述弹性膜具有作为一体部件的整体结构。

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