CN102753307A - 用于适应性抛光的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供用于对工件进行均匀地抛光的适应性抛光头部的方法和设备。抛光头部包括弹性抛光垫，该弹性抛光垫安装在弹性隔膜上，该弹性隔膜对抛光垫中的空腔进行密封。对空腔进行加压，以使隔膜膨胀并将抛光垫下压在工件的顶面上，使得抛光垫适应于该表面并且横贯工件施加基本上均匀的压力分布，由此横贯工件上的高低点均匀地移除材料。

Description

用于适应性抛光的方法和设备

优先权

本申请要求2009年11月30日提交的题为“Method and Apparatus ForConformable Polishing”的美国专利申请第12/627632的优先权。

背景技术

本发明涉及用于使用化学机械抛光（“CMP”）对平坦刚性工件进行适应性抛光、例如对半导体晶片或瓦片、绝缘基底上的半导体或玻璃基底上的半导体进行适应性CMP抛光的方法和设备。

已使用CMP处理和设备来对诸如用作固态电子装置的基底的半导体晶片之类的基底进行抛光。已使用高电气性能的绝缘体上半导体（SOI）技术、即经工程设计的多层半导体基底来用于CPU的高性能薄膜晶体管，并且可用于太阳能电池和平板显示器，例如主动矩阵液晶（AMLCD）和有机发光二极管（AMOLED）显示器。SOI结构或基底包括绝缘半导体材料上的基本上单晶半导体薄层。例如，SOI基底可包括绝缘非晶或多晶硅材料上的单晶硅薄层。较不昂贵的玻璃或玻璃陶瓷材料可用于形成绝缘或操作基底，来替代更昂贵的半导体材料，由此在适用于显示器、传感器、光伏应用、太阳能电池以及其它应用的玻璃“SOG”基底上产生单晶硅（或其它单晶半导体材料）。

SOG基底可被认为是SOI基底的子集。除非本文中另有陈述或描述，则本发明所包含的对SOI产品和处理的所有描述均意指包括SOG产品和处理以及其它类型的SOI产品和处理。

获得SOI基底所需的薄半导体层的一种方式是使硅（Si）在晶格匹配基底上外延生长。一替代处理包括将单晶硅晶片粘结于其上生长有SiO2氧化层的另一硅晶片，接下来通过抛光或蚀刻，将顶部晶片减小至例如0.05微米至0.3微米的单晶硅层。又一方法包括对于诸如氢、氦或氧化离子的离子注入，从而（a）在氧化离子注入的情形下，在顶上覆有Si的硅晶片中形成隐埋氧化层，或者（b）在氢或氦离子注入的情形下，在硅施主晶片中形成弱化层，以从施主晶片中分离（剥离）出薄Si层来进行成膜。这些处理已用于从施主晶片中分离出硅或其它半导体材料的薄层或薄膜，并将该薄膜转移至操作或绝缘基底来产生SOI基底。这些处理在本文简称为“离子注入薄膜转移处理”或简称为“薄膜转移处理”。

已使用若干方法来在离子注入薄膜转移处理中从施主晶片中分离出薄层或薄膜，并将硅层粘结至绝缘基底。美国专利5,374,564和6,013,563披露了一种热粘结和分离薄膜转移处理来产生SOI基底，其中致使注入离子的单晶硅施主晶片与绝缘半导体基底或操作基底的表面接触。然后，施加热量、例如热能，来将施主晶片热粘结于操作晶片，并从施主晶片中分离出薄硅层，由此留下热粘结于操作晶片的单晶硅（或其它单晶硅半导体材料）薄膜。美国专利7,176,528披露了一种阳极粘结和分离离子注入的薄膜转移处理来产生SOG基底，其中致使注入离子的单晶硅施主晶片与绝缘玻璃或玻璃陶瓷基底的表面接触。对晶片和玻璃基底施加热量和电压（还可施加压力），来将晶片阳极地粘结于玻璃基底，并从晶片中分离出薄硅层，由此留下阳极地粘结于玻璃基底的单晶硅（或其它单晶硅半导体材料）的薄膜。

在SOG处理中，在从施主半导体晶片中移除硅（或其它半导体施主材料）的第一薄层或薄膜之后，这可仅仅移除200纳米至800纳米的材料层，而留下大约99％或以上的施主半导体晶片。由于单晶硅和其它半导体材料的相对较高成本，因而希望尽可能多次重复使用施主晶片的剩余部分。可通过如下方式来产生大面积的SOI结构：对单个绝缘基底（例如玻璃或玻璃陶瓷材料的显示等级板）上多个侧向设置的单个矩形施主晶片（或“瓦片”）进行阵列，从瓦片中分离出多个薄的矩形半导体层，并且将这些薄层粘结至绝缘基底（本文称为“盖瓦”的处理）。使用多个施主晶片或瓦片通过重复使用这些施主晶片可实现大大地节省成本。

在离子分离薄膜转移处理中，在从施主半导体晶片中分离出层之后，施主晶片和SOI基底的剥离或分解出的表面包括来自于注入处理的残余离子和由于注入和分离处理的结晶受损。为了重复使用施主半导体晶片，需要通过对剥离表面进行固化和移除，以将该半导体晶片恢复成相对无损害并且无离子污染的状态，来对施主晶片的剥离表面进行整修或更新。类似地，为了对所产生的SOI基底提供所希望的电气性能，需要对SOI基底的剥离表面的离子污染和受损外层进行固化或通过蚀刻或抛光来移除该外层。已使用传统的化学CMP技术来移除施主晶片和SOI基底的离子污染和受损外层。虽然CMP技术经良好地证明，并且可易于获得现有的设备，但在离子注入薄膜转移处理中重复使用半导体的情形下，存在与现有CMP技术相关的多个缺点。下文描述这些缺点中的若干缺点。

化学机械抛光（“CMP”）是对用在半导体装置制造中的基底进行平面化和抛光的一种可接受的方法。图1是传统的化学CMP装置的示意图，其中工件1使用真空/抽吸或表面张力而安装在载体或抛光头部3上。晶片的露出表面压靠于抛光垫5，该抛光垫可以是标准垫或固定磨蚀垫并且安装在刚性转台7上，以在磨蚀垫和晶片之间产生相对运动。标准垫具有耐久的粗糙表面，而固定磨蚀垫具有保持在容纳介质中的磨蚀颗粒。抛光浆液、包括化学反应试剂（并且如果使用标准垫的话包括磨蚀颗粒）施加于抛光垫的表面。载体头部在基底1上提供可控载荷、即压力，以将该基底推靠于抛光垫5。为了在晶片的整个表面实现更均匀的抛光，可在抛光头部中设有在晶片背面上施加均匀压力的机构，并且在抛光头部3和转台之间可设有往复的、摆动的或轨道运动。CMP处理提供较高的抛光率以及不具有显著大规模表面形貌（例如，基本上平面/平坦）和小规模表面粗糙度（例如，光滑）的所得平坦平面基底表面。

如图1所示，传统的CMP处理将抛光压力施加于具有有限弹性模量的相对刚性工件（例如，SOI制造处理情形中的半导体施主晶片）的背面。此种压力施加方法在整个晶片表面产生不均匀的压力分布。图2中的线A绘制在传统CMP系统中进行抛光的过程中、对整个圆形晶片的压力分布进行有限元分析的结果。在图2中可见，抛光压力在中部最高，而在晶片边缘处减小至零。此种不均匀的压力分布在整个晶片表面产生不均匀的材料移除，而不均匀的材料移除会影响经抛光晶片的平整度。用于SOI应用的半导体施主晶片的平整度或平面度是严格的，并且通常如下范围内，在幅度上小于5μm（5000nm）的变化并且在间距、例如峰与峰的距离上超过20mm。

由于采用传统CMP处理而产生的不均匀材料移除，因而须从施主晶片的剥离表面中移除过量材料，以对施主晶片的表面进行充分地更新，来重复地用于传统的CMP处理。例如，如果需要从施主晶片的剥离表面移除0.150微米（150nm）的实际损害和污染层，为了确保损害和污染层已完全从施主晶片的整个表面移除，考虑到CMP规定的前述不均匀特征，则需要从施主晶片移除至少1.0微米（1000nm）。因此，需要移除实际损害厚度六倍以上的厚度，以确保移除所有的损害和污染层，而这会造成高度浪费并大大不利于成本效益。

传统的CMP处理在对诸如矩形半导体晶片（或瓦片）或者具有尖锐角部的SOI基底之类的非圆形工件进行抛光时具有尤其不利的结果，而在进行盖瓦来产生大面积SOI基底时可使用此种非圆形工件。由于在矩形施主晶片的角部处的较高抛光速度和不均匀抛光压力，因而前述不均匀材料在这些位置处移除放大，与晶片中部相比，这会在晶片的角部处产生更快的材料移除。这称作“枕头”或“枕形效果”，这是由于矩形施主晶片呈现非平面的枕状形状，此种形状在矩形施主晶片或瓦片的角部处具有与中心区域相比减小的厚度。通过此种CMP规定对于矩形施主晶片的多次重复使用使枕形效果倍增，致使给定晶片的重复使用寿命循环过早结束，这是由于表面几何形状（尤其是角部附近）因枕形效果而偏离可接收的重复使用功能限度。因此，使用传统的CMP技术来有效地重复使用矩形桨片的次数受限。因此，需要一种对半导体施主晶片、尤其是矩形半导体施主瓦片的薄膜进行修整或更新的处理，此种处理会使施主晶片或施主瓦片可重复用在离子注入薄膜转移SOI制造处理中的次数增多。

传统的平面化CMP处理和设备通常在用于对其上具有极薄层的基底、例如SOI基底进行抛光时是不尽如人意的。图3（未按比例绘制）示意地示出SOG基底11，该基底例如可用作用于AMLCD或有机发光二极管（AMOLED）显示板、传感器、光伏应用、太阳能电池等的底板基底。

SOG基底包括玻璃或玻璃陶瓷的绝缘基底13。与SIO处理中的半导体晶片相比并且与SOG基底上的薄半导体层相比，玻璃或玻璃陶瓷基底通常具有相对较大的表面形貌变化。例如，如图3所示，玻璃基底可具有大规模或较大的表面变化或起伏，该表面变化或起伏具有高点17和低点19并且具有大约20μm（20000nm）的幅度。然而，玻璃基底13上的半导体层15是与玻璃基底表面的大表面形貌相适应的极其薄的材料层。这些薄的半导体层或膜通常具有在数百纳米厚的量级上的厚度，该厚度比下方玻璃基底的具有20000纳米的大表面形貌变化幅度薄数个数量级。例如，在离子注入薄膜转移处理中，具有大约420nm初始厚度的半导体层可从施主晶片转移到玻璃基底上。然后，应对此种“经转移”的层进行削薄，以移除受离子污染和损害的外层，并且通过移除大约220nm的材料将该外层削薄至大约200nm的所希望最终厚度。因此，下方基底的表面形貌中的20000nm变化比最终硅（Si）层7的200nm厚度大100倍并且比为获得所希望的最终200nm的层厚而须移除的220nm材料层的厚度大100倍。

当使用传统的平面化CMP抛光技术来对SOG基底11上的经沉积硅层削薄，通常会从绝缘玻璃基底13上的大规模起伏的高点17不可接受地移除整个所沉积的硅层15。例如，如果将SOG基底11削薄至图3所示的线P所值的平面，则会从玻璃表面中的起伏的高点17移除整个硅层15，由此产生通过硅层15的孔。然而，所转移的硅层15的受损和受污染的顶层在低点19之上仍保持不被接触和削薄。为了避免移除各层的整个部分并在各层中产生孔，精加工设备应在从薄膜15的起伏表面移除材料的同时补偿该起伏表面或与该起伏表面适应，使得在该薄膜的整个表面基本上均匀地移除材料。共同拥有的待查公开美国专利申请2008/0299871A1披露了一种适应性抛光设备。

因此，需要一种高效且有效的“适应性”抛光处理，用于在离子注入薄膜转移处理中，对SOI、尤其是SOG基底上所转移的薄膜进行均匀地削薄。

发明内容

根据本发明的一个方面，方法和设备通过将工件的底表面安装在刚性转动基部上的真空吸盘上并且借助转动抛光头部将抛光压力施加在工件的顶表面上、来对诸如半导体晶片之类的相对薄且刚性的平坦工件提供抛光。抛光头部包括加压流体腔室，该加压流体腔室通过弹性隔膜限定在其外部下表面处。弹性磨蚀垫安装于弹性隔膜的外部下表面并且压靠于工件，以在工件的表面之上施加均匀的压力分布。工件可以是非圆形的或矩形工件。工件可具有起伏表面和该起伏表面上的薄材料层或膜，且材料层或膜具有基本上小于工件表面上起伏部幅度或高度的厚度。可通过移除基本上大于起伏部高度的材料厚度来将薄层进行削薄，而不会将起伏部高点处的薄层完全移除。

根据本发明的另一方面，提供适应性抛光设备，该适应性抛光设备具有：基部，工件能可释放地联接于该基部；转动抛光器，该转动抛光器具有弹性的适应性环形抛光垫，该环形抛光垫安装在该转动抛光器上，用以与联接于该基部的工件的表面相接触并且弹性地适应于该工件表面；以及基部和抛光器中的一个安装成相对于另一个侧向运动，使得环形抛光垫抵靠于联接于基部的工件的表面转动且侧向地移动，并且从工件的整个表面均匀地移除材料。

基部和抛光器中可安装成相对于另一个进行摆动运动，使得环形抛光垫抵靠于联接于基部的工件的表面转动且侧向地摆动。

该基部包括传送器，多个工件能可释放地联接于该传送器，用以在连续的过程使这些工件一次一个地侧向运动经过抛光器。

根据本发明的另一方面，转动抛光器包括抛光头部、空腔以及加压流体供给通道，该空腔在环形抛光垫之后位于抛光头部中，而该加压流体供给通道与空腔连通，用于以受控的压力将流体供给至空腔，并且将环形抛光垫以均匀压力压靠于联接于基部的工件的表面。

抛光头部可限定向下敞开的空腔，该空腔具有弹性隔膜，且该弹性隔膜跨过该向下敞开的空腔并且将该向下敞开的空腔密封地封闭，以在环形抛光垫安装在弹性隔膜的外表面上的情形下形成压力空腔。流体供给通道在抛光头部中可与压力空腔连通，用于以受控的压力将流体供给至压力空腔，从而使弹性隔膜膨胀并将环形抛光垫以均匀压力压靠于联接于基部的工件的表面。

转动抛光器可包括心轴；转动头部安装在心轴的端部上；供给导管轴向地延伸通过心轴的中部；且在弹性隔膜的中部存在限定弹性隔膜上内周缘的孔，其中弹性隔膜的内周缘密封地附连于供给导管的端部，使得抛光浆液通过供给导管供给至环形抛光垫的中部。

供给导管可以是挠性管。刚性盘可密封地附连于该挠性管的下端，并且定位抵靠于弹性隔膜的外表面，使得挠性管可弯曲并允许刚性盘倾斜。环形抛光垫可附连于刚性盘的外表面。

根据本发明的另一方面，适应性抛光设备包括：转动的抛光头部；挠性的环形抛光垫，该环形抛光垫位于抛光头部上，用以与工件的表面相适应并且对于该表面施加均匀的抛光压力；供给导管，该供给导管轴向地延伸通过抛光头部的中部以及抛光垫的中部，用以将抛光浆液供给至抛光垫的中部。

抛光设备可包括：敞开空腔，该敞开空腔位于抛光头部的外表面上；弹性隔膜，该弹性隔膜将抛光头部中的敞开空腔密封地封闭；环形抛光垫，该环形抛光垫位于弹性隔膜的外表面上；供给导管，该供给导管轴向地延伸通过隔膜的中部和抛光垫的中部；以及供给通道，该供给通道在抛光头部中与空腔连通，用于以受控的压力将流体供给至压力空腔，从而使弹性隔膜膨胀并将环形抛光垫以均匀抛光压力压靠于工件的表面。

根据本发明的另一方面，适应性抛光设备可包括：工作台，工件能可释放地安装在该工作台上；转动抛光头部，该转动抛光头部具有用于对工件进行抛光的外表面；挠性的环形抛光垫，该环形抛光垫位于抛光头部的外表面上；以及固定件，该固定件用于（a）将转动抛光头部安装成，使得抛光垫与安装在工作台上的工件表面相接触，以及（b）在工作台和抛光头部之间产生摆动运动，使得抛光垫抵靠于安装于工作台上的工件的表面转动和摆动，与工件表面挠性地适应，并由此从工件的整个表面均匀地移除基本上均匀厚度的材料。

适应性抛光可包括：可膨胀弹性隔膜，该可膨胀弹性隔膜位于抛光头部的外表面上，且挠性环形抛光垫附连于该可膨胀弹性隔膜的外表面；以及膨胀装置，该膨胀装置用于使弹性隔膜膨胀至受控压力，并且以均匀的抛光压力将抛光垫压靠于工件的表面。

根据本发明的另一方面，一种从工件的表面均匀地移除材料的方法可包括以下步骤：将工件安装于工作台；以基本上均匀的压力分布将挠性环形抛光垫压靠于工件的表面；使环形抛光垫转动，同时使环形抛光垫横贯工件的表面移动，藉此从工件表面移除基本上均匀的材料厚度。

使环形抛光垫横贯工件表面移动的步骤可包括：（a）使抛光垫和工作台中的一个摆动，或者（b）以连续的过程在工作台上传送多个工件，且一次一个工件经过环形抛光垫。

将挠性环形抛光垫压靠于工件表面的步骤可包括：在环形抛光垫之后提供可膨胀弹性隔膜，使弹性隔膜膨胀，并由此以基本上均匀的压力将环形抛光垫适应性地压靠于工件的表面。

该方法可通过弹性隔膜的中部和抛光垫的中部将抛光浆液供给至工件的表面。

该方法可对具有起伏表面和起伏表面上的材料层的工件进行抛光，且材料层可具有小于表面上起伏部高度的厚度。材料层可基本上既比起伏部高度又比移除材料厚度薄10或更高的因子。工件可以是非圆形的工件，例如是平坦矩形工件。

从本文结合附图的描述中，本发明的其它方面、特征和优点会对于本领域技术人员显而易见。

附图说明

从本文结合附图的描述中，本发明的其它方面、特征和优点会对于本领域技术人员显而易见，其中类似的附图标记代表类似的构件。然而应理解的是，本发明并不局限于附图中示出的精确构造和手段，附图中：

图1是传统的现有技术CMP抛光系统的示意侧视图；

图2是示出使用有限元分析计算而得的、传统CMP系统和根据本发明一个实施例的CMP系统中横贯工件表面施加的抛光压力的图表；

图3是玻璃（SOG）基底上硅的表面的示意边视图；

图4是根据本发明的CMP抛光系统的示意侧视图；

图5是根据本发明的一个实施例的转动抛光系统的侧剖视图；

图6是用于图5所示抛光系统的转动抛光器的侧剖视图；

图7是图6所示转动抛光器的仰视图；以及

图8是用于图5所示抛光系统的转动抛光器的替代实施例；以及

图9是图8所示转动抛光器的仰视图，且将抛光垫和安装环移除；以及

图10是根据本发明的一个实施例的连续适应性抛光系统的示意俯视图。

具体实施方式

图4是本文所描述的适应性抛光系统和方法的示意图。相对薄的平坦且刚性的工件21、诸如硅晶片、SOI基底或其它工程设计的基底以已知方式安装在真空吸盘（未示出）上，该真空吸盘设在摆动基部或工作台23的顶面中或上。转动的适应性抛光垫25通过转动抛光头部27下压在工件21的顶面上。抛光垫是挠性或弹性垫，该挠性或弹性垫所具有的挠曲弹性模量（例如，20-100MPa）显著地低于诸如半导体晶片（112000MPa）或SOI基底的工件的挠曲弹性模量，致使抛光垫25比相对刚硬的工件5、21更具挠性或适应性。相对挠性的抛光垫比图1所示的传统CMP处理更大程度地适应工件21的表面。

所计算出的传统CMP处理的压力分布通过图2中的线A来表示，而所计算出的本文所述CMP处理的压力分布通过线B来表示。如图1所示，在传统的CMP处理中，抛光压力施加于工件的背面、例如与待抛光的侧部相对的侧部，且晶片材料的硬度横贯工件表面产生不均匀的压力分布，该压力分布在晶片中部处具有最高压力的情形下在晶片边缘线A处逐渐减小至零。在本文所描述的抛光处理中（如图4所示），借助适应性弹性磨蚀垫将压力施加于工件的正面、例如待抛光的侧部。通过与诸如硅晶片或SOI基底的工件相比具有相对较低刚度的适应性弹性磨蚀垫来施加压力，会比传统的CMP处理（线A）横贯抛光区域产生更均匀的压力分布（线B）。

由本文所描述适应性抛光处理所提供的相对更均匀抛光压力横贯工件表面产生更均匀的材料移除，并由此实现：（1）与传统的CMP处理相比，在对不均匀表面进行抛光和削薄过程中，改进对于膜厚均匀性的维持，以及（2）当对非圆形工件进行抛光时，减小枕形效果。如图4所示，抛光垫25的直径可比工件的宽度大，使得从工件表面的整个直径或宽度移除材料。如上所述，在对所具有的不均匀或起伏表面上带有极薄材料层的平坦基底、例如图3所示的SOG基底进行抛光或削薄时，在整个不均匀表面上进行均匀的材料移除是重要的，以避免在薄层上产生孔。如上所述，减小在对矩形施主晶片或瓦片进行抛光时的枕形效果允许更多次地重复使用矩形施主晶片或瓦片。

图5示出用于实践本文所描述适应性CMP处理的转动抛光器50的一个实施例。该抛光器由附连于安装板53的诸如DC伺服电动机之类电动机51构成。抛光器外壳55也附连于安装板53。心轴57通过轴承59转动地安装在抛光器外壳中，且抛光头部61安装于心轴57的下端。传动带63安装在电动机输出轴67上的电动机或主动轮65和心轴57的上端上的从动轮69之间，用以将电动机输出轴65传动地连接于抛光器心轴57，以使抛光头部61转动。可使用除了传动带以外的传动链、例如齿轮传动链来替代传动带，以将电动机输出轴67传动地连接于抛光器心轴57。浆液供给导管71延伸通过心轴的中部。

现在参加图6，抛光头部61是盘形或倒置碟形头部，且该头部具有面向下的外表面和位于该外表面中的敞开空腔73。在图6至图8中最佳示出，诸如乳胶隔膜之类的环形弹性隔膜81跨过供给导管71和抛光头部61的缘边82之间的环形间隙。挠性隔膜81的外周缘部分可牢固地夹在外夹环85和抛光头部的缘边82之间。该外夹环可利用螺钉或其它合适的紧固装置附连于抛光头部的缘边。环形挠性隔膜的内周缘部分可密封地夹在软管夹86和供给导管71的下端89的外周缘面之间。挠性隔膜81由此对抛光头部中的空腔73进行密封。在图7中最佳示出，环形的挠性、例如适应性磨蚀抛光垫87粘附于弹性隔膜81的露出下表面。

供给导管71可由金属管82形成。外部橡胶管84可设在金属管82上，以将隔膜更牢固地保持在软管夹和供给导管71之间。内部金属管可例如由不锈钢或铝形成，而外部橡胶管可例如由硅或橡胶形成。

流体端口91位于抛光器外壳55中。套筒95（替代地可以是抛光器外壳55的一体部分）中的流体通道93使流体端口与心轴57的外表面中的周向沟槽97连通。心轴中的纵向流体通道99使心轴中的周向沟槽97与抛光头部61中的空腔73连通。诸如空气或油液之类的加压流体供给至流体端口91并且经由通道93、99和沟槽97输送至抛光头部中的密封空腔73，用于以本领域众所周知的控制方式对空腔73进行加压。

图6示出带有空腔73的抛光头部，该空腔在抛光头部中被加压使得弹性隔膜81膨胀，并使抛光垫187向下偏置抵靠于工件表面（未示出）。空腔73中的压力对于适应性弹性隔膜81的背侧和抛光垫87施加受控且均匀的抛光压力，用以使隔膜膨胀并将抛光垫向下压靠于工件表面（未示出）。隔膜81和抛光垫87的弹性还使得抛光垫能适应于工件的表面，使得抛光压力在不均匀的工件表面、例如SOI基底的经剥离薄硅膜的高低点之上基本上是均匀的。抛光垫和弹性隔膜越有弹性，则横贯不均匀工件表面上的高低点具有越均匀的压力，且横贯工件表面产生越均匀的材料移除。例如，抛光垫可例如具有10至100MPA的弹性模量。弹性隔膜可例如具有1MPa至大约100Mpa、大约10至100MPA或大约3MPa的弹性模量。弹性隔膜可例如具有1MPa至大约100MPa或大约3MPa的弹性模量。供给导管可以是金属管。

在图6所示实施例的一变型（未示出）中，环形弹性隔膜81可替换成圆形弹性隔膜，而该圆形弹性隔膜在中部不具有用于供给导管的孔。在该情形中，可从抛光头部消除供给导管和软管夹。在该情形中，心轴会是实心的或者被堵塞，使得空腔73中的加压流体无法通过心轴逸出。抛光浆液可经由位于抛光头部附近的供给导管或喷嘴提供给工作区域。

现在参见图8，根据本文所描述转动抛光器的另一实施例，环形毂101弹性地悬在板弹簧103上头部61的中部，该板弹簧从抛光头部径向地延伸至毂。在图9中最佳地示出板弹簧103，该图9是图8所示抛光头部8的内部的仰视图，而盘、弹性隔膜和夹环被移除（下文对这些构件进行描述）。环形刚性盘105利用螺钉或其它合适的紧固件附连于毂101。诸如乳胶隔膜之类的环形弹性隔膜181跨过盘105和抛光头部61的缘边82之间的环形间隙。弹性隔膜181的内周缘部分可牢固地夹在内夹环183和盘105之间。内夹环183可利用螺钉或其它合适的紧固装置附连于帽盖。挠性隔膜181的外周缘部分可牢固地夹在外夹环85和抛光头部的缘边82之间。该外夹环可利用螺钉或其它合适的紧固装置附连于抛光头部的缘边。挠性隔膜181对抛光头部中的空腔73进行密封。环形的挠性、例如适应性磨蚀抛光垫87粘附于盘的露出下表面。

根据本文所描述转动抛光器的一个实施例，毂101和刚性盘105安装在供给导管71的下端89上。供给导管71可由内部金属管84和外部橡胶管86形成。供给导管71与毂101（以及下文描述的插塞）、盘105以及抛光垫87中轴向延伸的通孔连通，用以将抛光浆液输送至抛光垫87的中部。内部金属管84用于为外部橡胶管86提供结构刚度。

为了将毂101安装于外部橡胶管84的下端89，外部橡胶管的下端延伸到毂101中的圆锥形扩张通孔188内。将截头锥形插塞190插入橡胶管84的下端。插塞牢固地夹在盘105和毂101之间，该盘和毂利用螺钉或螺栓紧固在一起，使得橡胶管84的下端89牢固地且密封地夹在插塞190的外部截头锥形表面和毂101的内部截头锥形表面之间。外部橡胶管的端部89延伸超出内部金属管，以将毂和盘挠性地安装于心轴57。

毂101和刚性盘105在板弹簧103和挠性外部橡胶管84上的弹性悬置使得毂和盘能够在挠性外部橡胶管84的下端上倾斜或枢转，由此为抛光垫提供适应度。或者，可使用通用的或其它的万向接头或枢转接头，来将刚性供给导管连接于毂101，并且可消除外部橡胶管。

诸如Politex垫之类的环形抛光垫87附连于刚性盘105的下表面。加压空气供给到抛光头部61中的空腔73，以在弹性隔膜之后产生抛光压力，并且使刚性盘和抛光垫偏置抵靠于工件表面。刚性盘105通过弹簧103悬在抛光头部中，使得该刚性盘105和抛光垫87可向下偏置抵靠于工件表面，并且随着工件表面倾斜，从而为抛光垫84在工件表面上提供一定的适应度。然而，与将适应性抛光垫直接安装在弹性隔膜上相比，刚性盘一定程度上消除抛光垫为适应于不均匀工件表面的弹性能力。弹性隔膜181可例如具有1MPa至大约100MPa或大约3MPa的弹性模量。或者，可消除弹性隔膜81、181，且毂和刚性盘可仅仅通过弹簧103而悬置并且偏置抵靠于工件表面。弹簧的刚度可以是0.502N/nm。

对于三种不同的抛光头部构造进行实验。在所有三个实验中，将所有的其它抛光参数（即，抛光压力为3psi、抛光速度<100rpm以及氧化铈浆液）保持相同。使用以下关系来计算所产生的膜厚不均匀性：（最大厚度-最小厚度）/（最大厚度+最小厚度）×100。

实验1：

利用本文所描述并且图6中示出的抛光器对SOI基底11的转移层15进行削薄和抛光，该抛光器具有适应性挠性磨蚀抛光垫来直接安装于圆形加压弹性隔膜、例如中部不存在浆液孔的隔膜。所使用抛光垫和隔膜的顺应性横贯抛光区域产生相对均匀的压力分布，并且由此产生具有令人满意的膜厚均匀性水平的薄硅层或薄膜。所产生的膜厚不均匀性是7％。

实验2：

利用用在实验1中的抛光器来对SOI基底的转移层进行削薄并抛光，但具有聚酯抛光垫来代替抛光垫87直接安装于加压弹性隔膜。与用在实验1中的抛光垫相比，聚酯材料所具有的更大顺应性横贯抛光区域产生更均匀的压力分布，并且由此产生具有比采用实验1中抛光垫所实现的膜厚均匀性水平更大的膜厚均匀性水平的薄硅层或薄膜。所产生的膜厚不均匀性是2.5％。

实验3：

利用本文所描述并且图8中示出的抛光器对SOI基底的转移层进行削薄和抛光，该抛光器具有安装于加压弹性隔膜上的刚性盘的磨蚀抛光垫。所产生的膜厚不均匀性是33％。此种构造提供三种构造中最小程度的均匀材料移除和最小程度的均匀层厚。

实验1至3清楚地表明，比起在传统的CMP处理中通过刚性的非适应性抛光头部施加压力，通过顺应性的适应性隔膜和抛光垫对于待抛光的工件表面施加抛光压力导致更均匀地对晶片进行抛光并且将薄膜精加工至更均匀的厚度。这是由于通过顺应性隔膜施加压力会在抛光区域之上产生更均匀的压力分布。因此，图5至图8和图10中示出的适应性抛光头部会最有利地用于将SOG或SOI基底上半导体的转移、经剥离的层或膜进行削薄，以移除硅或其它半导体材料的受损和污染外层，并产生最终的SOI或SOG基底，并且降低在对矩形或其它非圆形工件进行抛光时产生的枕形。然而，应理解的是，根据图9的适应性抛光还可用于对SOG或SOI基底的转移、经剥离硅层进行削薄，以移除硅层中的受损和污染外层，并降低在对矩形工件进行抛光时、例如在对矩形半导体施主瓦片进行更新以重新用在离子注入薄膜转移处理中以及在对矩形SOG基底进行抛光时产生枕形的可能性。

根据在此描述的适应性CMP处理的一个实施例。具有诸如SOI基底11之类待抛光不均匀表面的平坦刚性工件21或非圆形工件安装在摆动基部或工作台23上的真空吸盘上，且该真空吸盘启动以将工件在工作台上固定就位。将抛光头部27、61放置在抛光位置中，并使环形抛光头部87与工件表面相接触。如图4所示，抛光垫87的直径可大于工件的宽度。经由供给导管71将诸如氧化铈之类的抛光浆液供给至抛光垫和SOI基底之间的交界部。电动机51启动，以使抛光头部61以高达100转/每分钟的速度转动，且工作台23启动，从而以大约50mm/秒的速度摆动。抛光头部可替代地在工作台和工件保持静止的同时摆动。抛光头部和工作台相对于彼此摆动并转动，以实现横贯工件表面进行均匀抛光。如图10所示，抛光垫87的内直径可比工件的宽度大，从而在工件相对于环形抛光垫摆动时，从工件表面的整个直径或宽度更均匀地移除材料。工作台还可沿与抛光头部的方向相反的方向转动。以大约每平方英寸3磅的受控压力将加压空气供给到抛光头部中的空腔73。持续进行抛光，直到实现所希望的工件厚度或表面光洁度为止，且在SOI基底的情形中，直到实现所希望的半导体或硅膜厚度或表面光洁度为止。

可对抛光浆液中磨蚀颗粒的颗粒尺寸和浓度、抛光垫的抛光垫设计上的磨蚀颗粒或突起部的尺寸和分布（例如，平滑度、开槽等等）、诸如抛光头部中受控压力之类的抛光压力以及抛光头部和工作台的转动速度进行选择，以实现相对较高的移除速率，同时产生良好的表面均匀性和光洁度。

图10示意地示出利用本文所描述的适应性抛光器、以自动方式一次一个工件一个接一个地对运动传送器上的多个工件进行持续抛光的系统和处理。图10中的工件111（仅仅示出一个工件11）示作矩形工件、例如矩形半导体晶片或SOI基底，然而该工件可以是圆形的或任何其它形状。工件111以已知方式通过吸气作用保持在运动传送带或工作台113上。吸气作用可通过多孔传送器施加于工件，或者工件可通过沿着传送器隔开的多个真空吸盘（未示出）来保持。工件通过传送器承载于抛光垫下方，并且在它们一个接一个通过抛光头部下方时由抛光垫87抛光。如图10所示，环形抛光垫87的内直径可大于工件的宽度，使得环形抛光垫跨过工件的整个宽度。在工件在传送器上行经抛光头部时，抛光垫的环形尺寸和形状实现从工件表面的一侧至另一侧相对较均匀的抛光时间和速度。

抛光浆液可以是任何合适的商业上可得到的CMP抛光浆液，例如氧化铈或其它胶体硅浆液。比起使用用在传统CMP中的昂贵浆液，使用氧化铈会降低消费成本。

弹性隔膜可以例如由任何合适的弹性材料形成，例如乳胶或硅酮橡胶。弹性隔膜较佳地具有大约1至大约100MPa的弹性模量。

抛光垫可以是多孔抛光垫，例如通过使聚氨酯凝结尤其是通过使商业上可得到的聚氯乙烯与聚醚氨酯的聚合物凝结而产生的多孔非纤维垫，并且可从路德尔公司售出的POLITEXTM高、规则且低绒毛高度的抛光垫获得。磨蚀垫可包括固定磨蚀结构，该磨蚀结构可以是其接触表面上微米尺寸柱部的微米复制型式。柱部包含在树脂状基质中的磨蚀材料。可从明尼苏达州圣保罗的3M公司获得固定的磨蚀材料。在对玻璃（SOG）基底上的硅进行抛光时，此种实施例被认为是有利的。抛光垫与工件表面配合的表面较佳地深深地开有沟槽或通道。借助示例，这些沟槽可以是在笛卡尔坐标系中大约21mm×21mm量级上的垂直网状阴影结构，并且可以是大约1mm深或更深。合适的抛光垫可从罗门哈斯公司（Rohm-Haas Incorporated）获得，目前作为SUBA 840 PAD 48”D PJ;XA25（供应商的材料号10346084）售卖。沟槽222的替代型式也是可以的，例如钻石形沟槽、螺线形沟槽、径向和/或周向延伸的沟槽等等。

工件可具有任何材料，例如玻璃、玻璃陶瓷、半导体和它们的组合，例如绝缘体上半导体（SOI）或玻璃上半导体（SOG）的结构。在半导体材料的情形中，例如可从包括以下材料的材料组中获得：硅（Si）、掺锗硅（SiGe）、碳化硅（SiC）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、GaP和InP。

所提出处理的各种优点在于：

与传统的CMP处理相比，本申请所披露的设备和方法允许在工件表面之上提供更均匀的抛光压力分布。

所披露的设备和方法将在抛光过程中保持工件的吸盘或其它装置与对于工件表面施加压力并进行抛光的抛光机构分离，提供与传统CMP相比较简单的抛光机构。

所披露的设备和方法通过将晶片保持在刚性工作台上并且借助抛光器头部在顶部施加抛光压力进行抛光可在持续的传送器上执行晶片抛光。在传送器上进行抛光增大生产率并且消除部件在不同处理阶段的操作和转移时间，这会降低成本。将刚性工件保持在转动头部并且转动抵靠于转台上抛光垫的传统CMP抛光无法在传送器类型抛光装置中执行。

尽管在此参照特定实施例对本发明进行了描述，但应当理解，这些实施例仅是对本发明原理和应用的说明。因此，应当理解可对说明性实施例进行多种更改且可设计其它设置而不偏离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种适应性抛光设备，包括：

基部，工件能可释放地联接在所述基部上；

转动抛光器，所述转动抛光器具有弹性适应性环形抛光垫和抛光浆液供给导管，所述环形抛光垫安装在所述转动抛光器上并且用于与联接于所述基部的工件表面接触并且弹性地适应于所述工件表面，而所述抛光浆液供给导管具有位于所述环形抛光垫中部处的出口，用以将抛光浆液供给至所述工件的表面；以及

所述基部和所述抛光器中的一个安装成相对于另一个侧向运动，使得所述环形抛光垫抵靠于联接于所述基部的所述工件的表面转动且侧向地移动，并且从所述工件的整个表面均匀地移除材料。

2.如权利要求1所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述基部和所述抛光器中的一个安装成相对于另一个进行摆动运动，使得所述环形抛光垫抵靠于联接于所述基部的所述工件的表面转动且侧向地摆动。

3.如权利要求1所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述抛光器还包括：

抛光头部、空腔以及加压流体供给通道，所述空腔在所述环形抛光垫之后位于所述抛光头部中，而所述加压流体供给通道与所述空腔连通，用于以受控的压力将流体供给至所述空腔，并且将所述环形抛光垫以均匀压力压靠于联接于所述基部的所述工件的表面。

4.如权利要求2所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述转动的抛光器包括抛光头部，所述抛光头部限定向下敞开的空腔；

弹性隔膜跨过所述向下敞开的空腔，并且将所述向下敞开的空腔密封地封闭以形成压力空腔；

所述环形抛光垫安装在所述弹性隔膜的外表面上；以及

流体供给通道在所述抛光头部中与所述压力空腔连通，用于以受控的压力将流体供给至所述压力空腔，从而使所述弹性隔膜膨胀并将所述环形抛光垫以均匀压力压靠于联接于所述基部的所述工件的表面。

5.如权利要求4所述的适应性抛光设备，其特征在于，

所述转动的抛光器包括心轴；

所述抛光头部安装在所述心轴的端部上；

所述供给导管轴向地延伸通过所述心轴的中部；以及

在所述弹性隔膜的中部存在限定所述弹性隔膜上内周缘的孔，其中所述弹性隔膜的内周缘密封地附连于所述供给导管的端部，使得所述抛光浆液通过所述供给导管供给至所述环形抛光垫的中部。

6.如权利要求5所述的适应性抛光设备，其特征在于，

所述供给导管是挠性管；

刚性盘密封地附连于所述挠性管的下端，并且定位抵靠于所述弹性隔膜的外表面，使得所述挠性管能弯曲并允许所述刚性盘倾斜；以及

所述环形抛光垫附连于所述刚性盘的外表面。

7.如权利要求6所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述刚性盘在所述空腔中的多个板簧上悬在所述抛光头部中，且所述多个板簧从所述抛光头部径向地向内延伸至所述刚性盘。

8.一种适应性抛光设备，包括：

转动的抛光头部；

挠性的环形抛光垫，所述环形抛光垫位于所述抛光头部上，用以与工件的表面相适应并且对于所述表面施加均匀的抛光压力；

供给导管，所述供给导管轴向地延伸通过所述抛光头部的中部以及所述抛光垫的中部，用以将抛光浆液供给至所述抛光垫的中部。

9.如权利要求8所述的适应性抛光设备，其特征在于，还包括：

敞开空腔，所述敞开空腔位于所述抛光头部的外表面上；

弹性隔膜，所述弹性隔膜将所述抛光头部中的敞开空腔密封地封闭；

所述环形抛光垫位于所述弹性隔膜的外表面上；

所述供给导管轴向地延伸通过所述隔膜的中部和所述抛光垫的中部；以及

供给通道，所述供给通道在所述抛光头部中与所述空腔连通，用于以受控的压力将加压流体供给至所述压力空腔，从而使所述弹性隔膜膨胀并将所述环形抛光垫以均匀抛光压力适应性地压靠于工件的表面。

10.如权利要求8所述的适应性抛光设备，其特征在于，还包括：

工作台，工件能可释放地安装在所述工作台上；

转动抛光头部，所述转动抛光头部具有用于对所述工件进行抛光的外表面；

挠性的环形抛光垫，所述环形抛光垫位于所述抛光头部的外表面上；以及

固定件，所述固定件用于（a）将所述转动抛光头部安装成，使得所述抛光垫与安装在所述工作台上的工件的表面相接触，以及（b）在所述工作台和所述抛光头部之间产生摆动运动，使得所述抛光垫抵靠于安装于所述工作台上的所述工件的表面转动和摆动，与所述工件表面挠性地适应，并由此从所述工件的整个表面均匀地移除基本上均匀厚度的材料。

11.如权利要求10所述的适应性抛光设备，其特征在于，还包括：

可膨胀弹性隔膜，所述可膨胀弹性隔膜位于所述抛光头部的外表面上，且所述挠性环形抛光垫附连于所述可膨胀弹性隔膜的外表面；以及

膨胀装置，所述膨胀装置用于使所述弹性隔膜膨胀至受控压力，并且以均匀的抛光压力将所述抛光垫压靠于所述工件的表面。

12.一种从工件的表面均匀地移除材料的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述工件安装于工作台；

以基本上均匀的压力分布将挠性环形抛光垫压靠于所述工件的表面；

使所述环形抛光垫转动，同时使所述环形抛光垫横贯所述工件的表面移动，藉此从所述工件表面移除基本上均匀的材料厚度。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使所述环形抛光垫横贯所述工件表面移动的步骤包括使所述抛光垫和所述工作台中的一个摆动。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使所述环形抛光垫横贯所述工件表面移动的步骤包括以连续的过程在所述工作台上传送多个工件，且一次一个工件经过所述环形抛光垫。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，以基本上均匀的压力将所述挠性环形抛光垫压靠于所述工件表面的步骤包括：在所述环形抛光垫之后提供可膨胀弹性隔膜，使所述弹性隔膜膨胀，并由此以基本上均匀的压力将所述环形抛光垫适应性地压靠于所述工件的表面。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过所述弹性隔膜的中部和所述抛光垫的中部将抛光浆液供给至所述工件的表面。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，

所述工件具有起伏表面和所述起伏表面上的材料层，且所述材料层具有小于所述表面上起伏部高度的厚度；以及

如下步骤：以基本上均匀的压力分布将挠性环形抛光垫压靠于所述工件的表面，使所述环形抛光垫转动，并且使所述环形抛光垫横贯所述工件的表面移动，从所述材料层移除基本上均匀的材料厚度，而不会将所述工件表面上任何起伏部顶部处的材料层完全移除。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述材料层比所述起伏部的高度薄。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述工件是平坦矩形工件。

20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工件是平坦矩形工件。

21.如权利要求1所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述工件是平坦矩形工件。

22.如权利要求21所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述环形抛光垫跨过所述工件表面的整个宽度。

23.如权利要求1所述的适应性抛光设备，其特征在于，所述环形抛光垫的内直径大于所述工件表面的宽度或直径。

24.一种适应性抛光设备，其特征在于，

基部，工件能可释放地联接在所述基部上；

转动抛光器，所述转动抛光器具有弹性适应性环形抛光垫，所述环形抛光垫安装在所述转动抛光器上并且用于与联接于所述基部的工件的表面接触并且弹性地适应于所述工件表面，且所述抛光垫具有大于所述工件的宽度或直径的内直径；以及

所述基部和所述抛光器中的一个安装成相对于另一个侧向运动，使得所述环形抛光垫抵靠于联接于所述基部的所述工件的表面转动且侧向地移动，并且从所述工件的整个表面均匀地移除材料。

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