CN103252714B

CN103252714B - 抛光设备

Info

Publication number: CN103252714B
Application number: CN201310158460.2A
Authority: CN
Inventors: 锅谷治; 户川哲二; 安田穗积; 斋藤康二; 福岛诚
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: TWI507268B; CN101422874A; TW201518034A; TW200927383A; TWI527664B; EP2055429A2; EP2055429B1; EP2055429A3; CN103252714A; EP2502705A3; US20090111362A1; CN101422874B; CN106078495A; US8100743B2; JP2009131946A; EP2502705A2; KR101148147B1; JP5464820B2; EP2502705B1; KR20090043447A

Abstract

一种抛光设备用于将诸如半导体晶片的基板抛光到平坦镜面光洁度。该抛光设备包括具有抛光表面的抛光台、设置成用于保持基板以及使基板压靠所述抛光表面的顶环本体、设置在所述顶环本体的外周部分并且设置成用于压靠所述抛光表面的保持环、以及固定到所述顶环本体并且设置成用于与所述保持环的环部件滑动接触从而引导所述环部件的运动的保持环引导部。环部件与保持环引导部的相互滑动接触的滑动接触表面中的任意一个包括低摩擦材料。

Description

抛光设备

本申请是2008年10月28日提交的发明名称为“抛光设备”的中国发明专利申请200810174959.1的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种抛光设备，并且特别涉及一种用于将诸如半导体晶片的待抛光的物体（基板）抛光至平坦镜面光洁度的抛光设备。

背景技术

近年来，半导体装置中的高集成性以及高致密性需要越来越小的布线图案或者互连件以及越来越多的互连层。较小电路中的多层互连导致了反映下部互连层上的表面不规则性的更大阶梯部。互连层数目的增加使得薄膜的阶梯状结构上的膜覆盖性能（阶梯部覆盖）变差。由此，更好的多层互连需要具有改进的阶梯部覆盖以及适当的表面平坦度。此外，由于随着光刻工艺的小型化光刻光学系统的焦深变得较小，因此半导体装置的表面需要被平整从而使得半导体装置的表面上的不规则阶梯部可以落入焦深之内。

由此，在半导体装置的制造过程中，平整半导体装置的表面变得日益重要。最重要的平整技术之一是化学机械抛光（CMP）。由此，已经使用化学机械抛光设备用于平整半导体晶片的表面。在化学机械抛光设备中，当包含有例如硅土（二氧化硅）的磨粒的抛光液被施加到例如抛光垫的抛光表面上时，诸如半导体晶片的基板与抛光表面滑动接触，从而使得基板被抛光。

这种类型的抛光设备包括具有由抛光垫形成的抛光表面的抛光台，以及用于保持诸如半导体晶片的基板的基板保持装置（被称为顶环或抛光头）。当半导体晶片通过这种抛光设备被抛光时，半导体晶片在基板保持装置的预定压力下被保持并且压靠着抛光表面。此时，抛光台和基板保持装置彼此相对移动从而使半导体晶片与抛光表面滑动接触，从而使得半导体晶片的表面被抛光到平坦镜面光洁度。

在这种抛光设备中，如果施加到正被抛光的半导体晶片与抛光垫的抛光表面之间的相关压力在半导体晶片的整个表面上是不均匀的，那么半导体晶片的表面会根据施加到该表面的压力而在其表面的不同区域上被不足地或者过度地抛光。通过在基板保持装置的下部设置由弹性膜形成的压力腔、并且向压力腔供应例如空气的流体以通过弹性膜在流体压力作用下挤压半导体晶片从而使施加到半导体晶片的压力变得均匀已经十分常见，参见日本未审公开专利公开No.2006-255851。

在这种情况下，抛光垫是弹性的使得施加到正被抛光的半导体晶片的边缘部分的压力变得不均匀，因此仅仅半导体晶片的边缘部分被过度地抛光，这被称为“边缘磨圆”。为了防止这种边缘磨圆，用于保持半导体晶片的外围边缘的保持环可以相对于顶环本体（或托架头体）垂直地移动，从而通过保持环挤压与半导体晶片的边缘部分对应的抛光垫的抛光表面的环形部分。

在传统的抛光设备中，横向力（水平力）通过抛光期间半导体晶片与抛光垫的抛光表面之间的摩擦力而施加到保持环，以及横向力（水平力）被设置在保持环外周侧的保持环引导部所接收。由此，当保持环垂直移动从而跟随抛光垫的抛光表面的起伏时，在保持环的外周面与保持环引导部的内周面的滑动接触表面产生了大的摩擦力。由此，保持环的随动能力变得不足，并且不能够向抛光垫的抛光表面施加所需的保持环表面压力。

此外，为了将旋转力从顶环（或托架头）传递到保持环，例如驱动销的旋转驱动单元被设置在保持环和保持环引导部之间。当保持环垂直移动时，在旋转驱动单元上产生了大的摩擦力。由此，保持环的随动能力变得不足，并且不能够向抛光垫的抛光表面施加所需的保持环表面压力。

发明内容

鉴于上述缺点提出本发明。由此，本发明的目的是提供一种抛光设备，其能够提高保持环靠着抛光表面的随动能力，用于保持基板外围边缘的该保持环被设置在用于保持基板的顶环的外围部分，并且能够将所需的保持环表面压力施加到抛光表面。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种用于抛光基板的设备，包括：具有抛光表面的抛光台；设置成用于保持基板、并将基板压靠到所述抛光表面的顶环本体；设置在所述顶环本体的外周部分、并设置成用于压靠所述抛光表面的保持环；以及固定到所述顶环本体的保持环引导部，所述保持环引导部设置成用于与所述保持环的环部件滑动接触以引导所述环部件的运动；其中，所述环部件和所述保持环引导部的相互滑动接触的滑动接触表面中的任意一个包括低摩擦材料。

根据本发明，由于保持环的环部件和保持环引导部的滑动接触表面包括低摩擦材料，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的起伏时，保持环的环部件和保持环引导部的滑动接触表面（滑动表面）的摩擦力能够被显著地减小，从而提高保持环相对于抛光表面的随动能力，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

低摩擦材料被定义为具有0.35或更小的低摩擦系数的材料。理想地，低摩擦材料具有0.25或更小的摩擦系数。摩擦系数在无润滑油的条件下是无量纲值。此外，理想地，低摩擦材料包括具有高耐磨性的滑动材料。

在本发明的优选方面中，对环部件和保持环引导部的滑动接触表面中的另一个进行镜面处理。

根据本发明，保持环的环部件与保持环引导部的摩擦力可以被进一步减小。

在本发明的优选方面中，低摩擦材料包括树脂材料，该树脂材料包括聚四氟乙烯（PTFE）或PEEK（聚醚醚酮）·PPS（聚苯硫醚）。除了上述树脂材料，低摩擦材料包括树脂材料，所述树脂材料包括PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、聚乙烯、聚酰胺、聚缩醛、聚酰亚胺或者聚酰胺-酰亚胺。

在本发明的优选方面中，金属环被安装到环部件上，并且低摩擦材料设置在金属环的外周面上。

根据本发明，由于由SUS或类似材料制成的金属环被装配到环部件上，因此环部件具有提高的刚度。这样，即使由于环部件与抛光表面之间的滑动接触而导致环部件的温度升高，环部件的热变形也可以被抑制。由此，环部件与金属环以及保持环引导部之间的间隙可以变窄，在保持环引导部与环部件之间冲撞时产生的异常噪音或振动能够被抑制，所述冲撞是由于抛光期间在间隙中的环部件的运动所引起。此外，由于金属环的外周面由低摩擦材料构成，因此环部件和保持环引导部之间的滑动性能可以被提高。这样，环部件相对于抛光表面的随动能力可以被显著地提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

在本发明的优选方面中，抛光设备还包括驱动销，用于将顶环本体的旋转力从保持环引导部的传递到环部件；其中驱动销与环部件的接触表面中的任意一个包括低摩擦材料。

根据本发明，由于驱动销与环部件的摩擦力可以被减小从而提高滑动性能，因此环部件相对于抛光表面的随动能力可以被显著地提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。低摩擦材料被限定为具有0.35或更小低摩擦系数的材料。理想地，低摩擦材料具有0.25或更小的摩擦系数。此外，理想地，低摩擦材料包括具有高耐磨性的滑动材料。

在本发明的优选方面中，对驱动销与环部件的接触表面中的另外一个进行镜面处理。

根据本发明，驱动销与环部件的摩擦力可以进一步减小。

在本发明的优选方面中，接触表面的低摩擦材料包括树脂材料，该树脂材料包括聚四氟乙烯（PTFE）或PEEK·PPS。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于抛光基板的设备，包括：具有抛光表面的抛光台；设置成用于保持基板、并将基板压靠到所述抛光表面的顶环本体；设置在所述顶环本体的外周部分、并设置成用于压靠所述抛光表面的保持环；以及固定到所述顶环本体的保持环引导部，所述保持环引导部设置成用于与所述保持环的环部件滑动接触以引导所述环部件的运动；其中，对所述环部件和所述保持环引导部的相互滑动接触的滑动接触表面中的至少一个进行镜面处理。

根据本发明，由于对保持环的环部件和保持环引导部的滑动接触表面进行镜面处理，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的波动时，保持环的环部件与保持环引导部的滑动接触表面的摩擦力可以显著地减小，从而提高保持环相对于抛光表面的随动能力，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

镜面处理被定义为包括抛光、研磨以及磨光的处理。理想地，由镜面处理所实现的表面粗糙度为Ra0.2或更小。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于抛光基板的设备，包括：具有抛光表面的抛光台；设置成用于保持基板、并将基板压靠到所述抛光表面的顶环本体；设置在所述顶环本体的外周部分、并设置成用于压靠所述抛光表面的保持环；以及固定到所述顶环本体的液压轴承，所述液压轴承设置成用于将受压流体喷射到所述保持环的环部件的外周面，以在所述环部件与所述液压轴承之间形成流体膜。

根据本发明，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的起伏时，保持环的垂直移动的环部件可以被流体膜以非滑动（非接触）的方式支撑。这样，保持环相对于抛光表面的随动能力能够被提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

在本发明的优选方面中，液压轴承包括用于喷射受压流体的多孔部件。

根据本发明，由于受压流体能够通过多孔部件被喷射到保持环的环部件，因此形成了具有高负载能力的流体膜，所述多孔部件由于其微孔结构而具有良好的流体渗透性。

在本发明的优选方面中，受压流体包括空气或氮气。

在本发明的优选方面中，多孔部件包括金属、陶瓷或塑料，以及多孔部件具有多个细孔，所述细孔设置成用于使多孔部件内周侧与多孔部件的外周侧相互连通。

在本发明的优选方面中，液压轴承包括设置成用于容纳多孔部件的外壳。

在本发明的优选方面中，外壳具有通路，用于将受压流体供应到多孔部件。

在本发明的优选方面中，多孔部件浸渍有固体润滑剂。

根据本发明，即便环部件与多孔部件万一接触，环部件与多孔部件也可通过固体润滑剂而保持良好的滑动性能。

在本发明的优选方面中，抛光设备还包括设置成用于冷却受压流体的温度调节装置。

根据本发明，当保持环的环部件的温度由于环部件与抛光表面之间的摩擦热而升高时，冷却的受压流体从多孔部件吹到环部件的外周面上，由此使环部件冷却。冷却流体包括例如干燥空气。由此，可以防止环部件的温度升高，从而抑制环部件的热膨胀。这样，多孔部件与环部件之间的间隙可以最小，并且在多孔部件和环部件之间形成的流体膜的压力可以被增加，从而提高空气轴承的效果。由此，保持环的环部件可以垂直移动，并且与多孔部件不存在滑动（非接触），并且由此环部件相对于抛光表面的随动能力进一步提高。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于抛光基板的设备，包括：具有抛光表面的抛光台；设置成用于保持基板、并将基板压靠到所述抛光表面的顶环本体；设置在所述顶环本体的外周部分、并设置成用于压靠所述抛光表面的保持环；以及固定到所述顶环本体的保持环引导部，所述保持环引导部设置成用于与所述保持环的环部件滑动接触以引导所述环部件的运动；其中，所述环部件和所述保持环引导部的相互滑动接触的滑动接触表面被涂覆液体或半固体润滑剂；以及在所述环部件的外周面与所述保持环引导部之间设置有连接片。

根据本发明，由于保持环的环部件与保持环引导部的滑动接触表面涂覆有润滑剂，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的波动时，保持环的环部件与保持环引导部的滑动接触表面（滑动表面）的摩擦力能够被显著地减小，从而提高保持环相对于抛光表面的随动能力，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

此外，根据本发明，由于在环部件的外周面与保持环引导部之间在滑动接触表面（润滑剂涂覆表面）下方的位置设置有连接片，因此能够防止滑动接触表面的润滑剂落到抛光表面上。润滑剂最好为液体或半固体例如硅脂或者润滑油的形式。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于抛光基板的设备，包括：具有抛光表面的抛光台；设置成用于保持基板、并将基板压靠到所述抛光表面的顶环本体；设置在所述顶环本体的外周部分、并设置成用于压靠所述抛光表面的保持环；以及固定到所述顶环本体的保持环引导部，所述保持环引导部设置成用于与所述保持环的环部件滑动接触以引导所述环部件的运动；其中，在所述保持环的所述环部件的外周上设置有低摩擦材料部件，以使所述低摩擦材料部件与所述保持环引导部滑动接触。

根据本发明，由于低摩擦材料部件设置到保持环的环部件的外周上，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的起伏时，保持环的环部件与保持环引导部的滑动接触表面（滑动表面）的摩擦力能够显著地降低，从而提高保持环相对于抛光表面的随动能力，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

低摩擦材料被定义为具有0.35或更小的低摩擦系数的材料。理想地，低摩擦材料具有0.25或更小的摩擦系数。此外，所需的低摩擦材料包括具有高耐磨性的滑动材料。

在本发明的优选方面中，低摩擦材料部件包括树脂材料，该树脂材料包括聚四氟乙烯（PTFE）或PEEK·PPS。

除了上面的树脂材料，低摩擦材料可包括树脂材料，所述树脂材料包括PET、聚乙烯、聚酰胺、聚缩醛、聚酰亚胺或者聚酰胺-酰亚胺。

在本发明的优选方面中，低摩擦材料部件被装配到环部件的外周上。

在本发明的优选方面中，低摩擦材料部件包括柔性膜；以及低摩擦材料部件被安装到环部件上，以形成与环部件外周相对应的环形形状。

在本发明的优选方面中，抛光设备还包括设置在低摩擦材料部件被装配到环部件的位置处的保持装置，该保持装置设置成用于防止低摩擦材料部件从环部件掉落。

根据本发明，保持装置防止低摩擦材料部件从保持环的环部件掉落。该保持装置可由形成在低摩擦材料部件与环部件中的一个上的凸起以及形成在低摩擦材料部件与环部件中的另一个上的凹部所组成。

在本发明的优选方面中，低摩擦材料部件包括具有两个端部的带状或块状部件。

根据本发明，低摩擦材料部件不是由环部件而是由分开的带状或块状低摩擦部件所组成，并且多个带状或块状部件被装配到保持环的环部件中。由此，保持环的环部件的整个圆周覆盖有低摩擦材料部件。

在本发明的优选方面中，多个带状或块状部件以在相邻带状或块状部件之间形成间隙的方式设置在环部件的外周。

根据本发明，当低摩擦材料部件被装配到环部件上时，在两个相邻低摩擦材料部件之间形成小的间隙。该间隙被设置成用于防止两个相邻低摩擦材料部件的端部相互接触，即便在抛光加工进行期间由于保持环的温度升高而导致低摩擦材料部件发生热膨胀。考虑到低摩擦材料部件的热膨胀系数，间隙最好在大约0.1mm到大约1mm的范围内。

在本发明的优选方面中，抛光设备还包括设置成用于阻止低摩擦材料部件相对于环部件旋转的旋转阻止装置。

根据本发明，阻止低摩擦材料部件在抛光期间在环部件的圆周方向上旋转。该旋转阻止装置可由形成在低摩擦材料部件和环部件中的一个上的凸起以及形成在低摩擦材料部件和环部件中的另一个上的凹部所组成。

根据本发明，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的起伏时，保持环与保持环引导部的滑动接触表面的摩擦力可以显著地减小从而提高保持环相对于抛光表面的随动能力，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

此外，根据本发明，当保持环垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的起伏时，垂直移动的保持环可以被流体膜以非滑动（非接触）的方式支撑。这样，保持环相对于抛光表面的随动能力能够提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

通过接下来结合附图进行描述，本发明的上述及其它目的、特征以及优点将变得明显，所述附图通过示例的方式显示了本发明的优选实施例。

附图说明

图1是显示根据本发明实施例的抛光设备的整个结构的示意性视图；

图2是显示图1中所示的顶环的横截面图；

图3是显示图1中所示的顶环的横截面图；

图4是显示图1中所示的顶环的横截面图；

图5是显示图1中所示的顶环的横截面图；

图6是显示图1中所示的顶环的横截面图；

图7是图4中所示保持环的A部分的放大视图；

图8是显示保持环引导部和部件的配置的视图；

图9是图4中所示保持环的B部分的放大视图；

图10是从图9中线X-X观察时的视图；

图11是显示根据本发明另一实施例的顶环的示意性横截面图；

图12是图11中主要部分的放大视图；

图13是显示根据本发明又一实施例的保持环的横截面图，并且是与图8相对应的视图；以及

图14是图13中主要部分的放大视图，显示了下部环部件的凹槽与低摩擦材料部件的配合部分。

具体实施方式

下方参考图1-14描述根据本发明实施例的抛光设备。贯穿整个附图中相似或对应的部件由相似或对应的附图标记所表示并且接下来不再重复描述。

图1是显示根据本发明实施例的抛光设备的整个结构的示意性视图。如图1所示，抛光设备包括抛光台100、以及顶环1，该顶环用于保持作为待抛光物体的诸如半导体晶片的基板、并且使基板压靠到抛光台100上的抛光表面。

抛光台100经由台轴100a连接到设置在抛光台100下方的马达（未示出）。由此，抛光台100可以绕着台轴100a旋转。抛光垫101安装到抛光台100的上表面。抛光垫101的上表面101a构成抛光半导体晶片W的抛光表面。抛光液供应喷嘴102设置在抛光台100的上方，用于将抛光液Q供应到抛光台100上的抛光垫101上。

顶环1连接到顶环轴111的下端，该顶环轴通过垂直移动机构124可相对顶环头110垂直移动。当垂直移动机构124垂直地移动顶环轴111时，顶环1整体地上升及下降，以相对于顶环头110定位。旋转接头125安装在顶环轴111的上端。

用于使顶环轴111和顶环1垂直移动的垂直移动机构124包括顶环轴111通过轴承126可旋转地支撑在其上的桥部128、安装到桥部128上的滚珠丝杠132、由支承柱130所支撑的支承基座129、以及安装在支承基座129上的AC伺服马达138。其上支撑AC伺服马达138的支承基座129通过支承柱130固定地安装到顶环头110上。

滚珠丝杠132包括联接到AC伺服马达138的丝杠轴132a、以及旋到丝杠轴132a上的螺母132b。顶环轴111通过垂直移动机构124与桥部128一致地垂直移动。当AC伺服马达138被通电时，桥部128经由滚珠丝杠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通过键（未示出）连接到旋转套筒112。旋转套筒112具有绕着其固定地设置的同步带轮113。具有驱动轴的顶环马达114固定到顶环头110。同步带轮113通过同步带115操作性地联接到安装在顶环马达114的驱动轴上的同步带轮116。当顶环马达114被通电时，同步带轮116、同步带115、以及同步带轮113被转动从而使旋转套筒112和顶环轴111相互一致地转动，由此使顶环1转动。顶环头110被支撑在顶环头轴117上，该顶环头轴固定地支撑在框架（未示出）上。

在如图1所示构造的抛光设备中，顶环1被设置成用于将诸如半导体晶片的基板W保持在其下表面上。顶环头110可绕顶环头轴117枢转（摆动）。由此，将半导体晶片W保持在其下表面上的顶环1通过顶环头110的枢转运动从而在顶环1接收半导体晶片W的位置与在抛光台100上方的位置之间移动。顶环1被降低从而使半导体晶片W压靠着抛光垫101的表面（抛光表面）101a。此时，当顶环1和抛光台100分别地被旋转时，抛光液通过设置在抛光台100上方的抛光液供应喷嘴102供应到抛光垫101上。半导体晶片W与抛光垫101的抛光表面101a滑动接触。由此，半导体晶片W的表面被抛光。

图2到6是显示沿着顶环1的多个径向方向的顶环1的示例的横截面图。

如图2到6所示，顶环1基本上包括用于使半导体晶片W压靠抛光表面101a的顶环本体2，以及用于直接地压着抛光表面101a的保持环3。顶环本体2包括形状为圆形板的上部部件300、安装到上部部件300的下表面的中间部件304、以及安装到中间部件304的下表面的下部部件306。保持环3安装到上部部件300的外围部分。如图3所示，上部部件300通过螺栓308连接到顶环轴111。此外，中间部件304通过螺栓309固定到上部部件300，以及下部部件306通过螺栓310固定到上部部件300。包括上部部件300、中部部件304以及下部部件306的顶环本体2由例如工程塑料（例如PEEK）的树脂制成。

如图2所示，顶环1具有安装到下部部件306的下表面的弹性膜314。弹性膜314与由顶环1所保持的半导体晶片的后表面接触。弹性膜314通过径向外侧设置的环形边缘保持件316以及在边缘保持件316径向内侧设置的环形波纹保持件318和319而保持在下部部件306的下表面上。弹性膜314由高强度并且耐用的橡胶材料例如三元乙丙橡胶（EPDM）、聚氨酯橡胶、硅橡胶或类似物所制成。

边缘保持件316被波纹保持件318所保持，并且波纹保持件318通过多个止动件320被保持在下部部件306的下表面上。如图3所示，波纹保持件319通过多个止动件322被保持在下部部件306的下表面上。止动件320和止动件322沿着顶环1的圆周方向以相等间隔设置。

如图2所示，在弹性膜314的中心部分形成中心腔360。波纹保持件319具有与中心腔360连通的通路324。下部部件306具有与通路324连通的通路325。波纹保持件319的通路324与下部部件306的通路325连接到流体供应源（未示出）。由此，受压流体经过通路325和324供应到由弹性膜314形成的中间腔360。

波纹保持件318具有爪318b和318c，用于使弹性膜314的波纹部314b及边缘314c压靠着下部部件306的下表面。波纹保持件319具有爪319a，用于使弹性膜314的波纹部314a压靠着下部部件306的下表面。

如图4所示，在弹性膜314的波纹部314a和314b之间形成环形波纹腔361。弹性膜314的波纹保持件318与波纹保持件319之间形成间隙314f。下部部件306具有与间隙314f连通的通路342。此外，如图2所示，中间部件304具有与下部部件306的通路342连通的通路344。在下部部件306的通路342与中间部件304的通路344之间的连接部分处形成环形凹槽347。下部部件306的通路342经由环形凹槽347和中间部件304的通路344连接到流体供应源（未示出）。由此，受压流体经过这些通路供应到波纹腔361。此外，通路342选择性地连接到真空泵（未示出）。当真空泵被操作时，半导体晶片通过抽吸而吸附到弹性膜314的下表面，由此卡住半导体晶片。

如图5所示，波纹保持件318具有与环形外部腔362连通的通路326，该环形外部腔362由弹性膜314的波纹部314b和边缘314c所形成。此外，下部部件306具有通路328，该通路328经由连接器327与波纹保持件318的通路326连通。中间部件304具有与下部部件306的通路328连通的通路329。波纹保持件318的通路326经由下部部件306的通路328以及中间部件304的通路329连接到流体供应源（未示出）。由此，受压流体经过这些通路供应到由弹性膜314形成的外部腔362。

如图6所示，边缘保持件316具有爪，用于将弹性膜314的边缘314d保持到下部部件306的下表面上。边缘保持件316具有与环形边缘腔363连通的通路334，该环形边缘腔363由弹性膜314的边缘314c和314d所形成。下部部件306具有与边缘保持件316的通路334连通的通路336。中间部件304具有与下部部件306的通路336连通的通路338。边缘保持件316的通路334经由下部部件306的通路336以及中间部件304的通路338而连接到流体供应源（未示出）。由此，受压流体经过这些通路供应到由弹性膜314形成的边缘腔363。

如上所述，在根据本发明的顶环1中，用于使半导体晶片压靠着抛光垫101的压力可以通过调节供应到弹性膜314与下部部件306之间形成的各个压力腔（即中心腔360、波纹腔361、外部腔362以及边缘腔363）的流体压力从而在半导体晶片的局部区域进行调节。

图7是图4中所示的保持环3的放大视图。保持环3用于保持半导体晶片的外围边缘。如图7所示，保持环3包括具有封闭上端的圆柱形形状的缸体400、安装到缸体400的上部的保持件402、由保持件402保持在缸体400中的弹性膜404、连接到弹性膜404的下端的活塞406、以及被活塞406向下挤压的环部件408。

环部件408包括连接到活塞406的上部环部件408a，以及与抛光表面101接触的下部环部件408b。上部环部件408a和下部环部件408b通过多个螺栓409连接。上部环部件408a由诸如SUS的金属材料或者诸如陶瓷的材料所构成，并且下部环部件408b由诸如PEEK或PPS的树脂材料所制成。

如图7所示，保持件402具有与由弹性膜404形成的腔413连通的通路412。上部部件300具有与保持件402的通路412连通的通路414。保持件402的通路412经由上部部件300的通路414连接到流体供应源（未示出）。由此，受压流体经过通路414和412供应到腔413。由此，通过调节供应到压力腔413的流体的压力，弹性膜404能够扩张和收缩，从而垂直地移动活塞406。由此，保持环3的环部件408可以所需压力压靠着抛光垫101。

在示意性示例中，弹性膜404使用了由具有弯曲部分的弹性膜形成的滚动膜片。当由滚动膜片限定的腔中的内部压力变化时，滚动膜片的弯曲部分被滚动从而使腔加宽。膜片没有与外部部件滑动接触以及当腔被加宽时几乎不发生膨胀和收缩。因此，由于滑动接触而产生的摩擦急剧减小，并且膜片的寿命可以被延长。此外，保持环3压着抛光垫101的压力可以被精确地调节。

通过上述设置，仅仅保持环3的环部件408被降低。因此，即便保持环3的环部件408被磨损，在下部部件306和抛光垫101之间能够保持恒定距离。此外，由于与抛光垫101接触的环部件408以及缸体400通过可变形弹性膜404连接，因此不会产生由偏移负载引起的弯曲情况。这样，保持环3的表面压力可以是均匀的，并且保持环3变得更容易地跟随抛光垫101。

此外，如图7所示，保持环3具有环状保持环引导部410，用于引导环部件408的垂直移动。环状保持环引导部410包括外部边缘部分410a、内部边缘部分410b以及中间部分410c，所述外部边缘部分位于环部件408的外周侧，从而环绕环部件408的上部的整个圆周，所述内部边缘部分位于环部件408的内周侧，所述中间部分设置用于连接外部边缘部分410a和内部边缘部分410b。保持环引导部410的内部边缘部分410b通过多个螺栓411固定到顶环1的下部部件306。设置用于连接外部边缘部分410a和内部边缘部分410b的中间部分410c具有多个开口410h，所述开口在中间部分410c的圆周方向上以等间隔形成。

图8显示了保持环引导部410以及环部件408的配置。如图8所示，中间部分410c呈作为整个周向连续元件的环的形式，并且在中间部分410c的圆周方向上以等间隔形成多个圆形弧状开口410h。在图8中，圆形弧状开口410h以虚线显示。

另一方面，环部件408的上部环408a包括下部环部分408a1、以及多个上部圆形弧状部分408a2，所述下部环部分408a1呈作为整个周向连续元件的环的形式，所述上部圆形弧状部分408a2在圆周方向上以等间隔从下部环部分408a1向上突出。每个上部圆形弧状部分408a2均穿过圆形弧状开口410h并且连接到活塞406（参见图7）。

如图8所示，由SUS或类似材料制成的薄金属环430装配到下部环部件408b上。由树脂材料（例如填充诸如聚四氟乙烯（PTFE）的填料的PEEK·PPS或PTFE）制成的涂层430c形成在金属环430的外周面上。例如PTFE或PEEK·PPS的树脂材料包括具有低摩擦系数的低摩擦材料、并且具有良好滑动特性。低摩擦材料被定义为具有0.35或更小的低摩擦系数的材料。理想地，低摩擦材料具有0.25或更小的摩擦系数。

另一方面，保持环引导部410的外部边缘部分410a的内周面组成了引导表面410g，该引导表面与涂层430c滑动接触。引导表面410g通过镜面处理从而具有改进的表面粗糙度。镜面处理被定义为包括抛光、研磨和磨光的处理。

如图8所示，因为由SUS或类似材料制成的金属环430被装配到下部环部件408b上，因此下部环部件408b具有提高的刚度。由此，即便由于环部件408b与抛光表面101a之间的滑动接触而引起环部件408b的温度升高，下部环部件408b的热变形也可以被抑制。由此，金属环430和下部环部件408b的外周面与保持环引导部410的外部边缘部分410a的内周面之间的间隙可以变窄，并且在保持环引导部410与环部件408之间的冲撞时产生的异常噪音或振动能够被抑制，所述冲撞是由于环部件408在间隙中的运动所引起的。此外，由于形成在金属环430的外周面上的涂层430c由低摩擦材料构成，以及保持环引导部410的引导表面410g通过镜面处理具有改进的表面粗糙度，因此下部环部件408b与保持环引导部410之间的滑动性能可以被提高。这样，环部件408相对于抛光表面的随动能力可以被显著地提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

在如图8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可以通过涂覆或粘结直接地设置在下部环部件408b的外周面上。此外，环状低摩擦材料可以通过双面胶带设置到下部环部件408b的外周面上。此外，下部摩擦材料可设置到保持环引导部410上，以及镜面处理可被应用到下部环部件408b。

此外，保持环引导部410与下部环部件408b的两个滑动接触表面都可经受镜面处理以提高下部环部件408b与保持环引导部410之间的滑动性能。以这种方式，通过对保持环引导部410和下部环部件408b的两个滑动接触表面进行镜面处理，环部件408相对于抛光表面的随动能力会显著地提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

此外，保持环3的下部环部件408b与保持环引导部410的滑动接触表面可涂覆有液体或半固体润滑剂，从而提高保持环3的下部环部件408b与保持环引导部410之间的滑动性能。以这种方式，在保持环3的下部环部件408b与保持环引导部410的滑动接触表面涂覆有润滑剂的情况下，当保持环3垂直移动以跟随抛光台的抛光表面的波动时，保持环3的下部环部件408b与保持环引导部410的滑动接触表面的摩擦力能够显著地降低，从而提高保持环3相对于抛光表面的随动能力，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

此外，根据本发明，由于在下部环部件408b的外周面与保持环引导部410之间滑动接触表面（润滑剂涂覆表面）下方的位置处设置了连接片420，因此可以防止滑动接触表面的润滑剂掉落到抛光表面上。润滑剂最好为液体或半固体的形式，例如硅脂或润滑油。

图9是图4中所示的保持环的B部分的放大视图，以及图10为从图9中线X-X观察时的视图。如图9和10所示，垂直延伸的大致椭圆形凹槽418形成在保持环3的环部件408的上部环部件408a的外周面内。在上部环部件408a的外周面上以相等间隔形成多个椭圆形凹槽418。此外，多个径向向内突出的驱动销349设置在保持环引导部410的外部边缘部分410a上。驱动销349设置成分别地与环部件408的椭圆形凹槽418接合。环部件408与驱动销349可以在椭圆形凹槽418中彼此相对垂直移动，并且通过驱动销349将顶环本体2的旋转经过上部部件300和保持环引导部410传递到保持环3，从而整体地旋转顶环本体2和保持环3。在驱动销349的外周面上设置有橡胶垫350，以及由低摩擦材料例如PTFE或PEEK·PPS制成的圈351设置在橡胶垫350上。此外，对椭圆形凹槽418的内表面施加镜面处理以提高椭圆形凹槽418的内表面的表面粗糙度，由低摩擦材料制成的圈351与椭圆形凹槽418的内表面滑动接触。

以这种方式，根据本发明，由低摩擦材料制成的圈351设置在驱动销349上，以及对圈351与其滑动接触的椭圆形凹槽418的内表面进行镜面处理，由此提高了驱动销349与环部件408之间的滑动性能。由此，环部件408相对于抛光表面的随动能力能够被显著地提高，并且可以对抛光表面施加所需的保持环表面压力。可对驱动销349进行镜面处理以及低摩擦材料被设置到驱动销349与其接合的环部件408的椭圆形凹槽418上。

如图2到9所示，可在垂直方向上扩展及收缩的连接片420设置在环部件408的外周面与保持环引导部410的下端之间。连接片420被设置用于充满环部件408与保持环引导部410之间的间隙。由此，连接片420用于防止抛光液体（浆料）被引入到环部件408与保持环引导部410之间的间隙。包括带状柔性部件的嵌条421设置在缸体400的外周面与保持环引导部410的外周面之间。嵌条421被设置用于覆盖缸体400与保持环引导部410之间的间隙。由此，嵌条421用于防止抛光液体（浆料）被引入到缸体400与保持环引导部410之间的间隙。

弹性膜314包括在弹性膜314的边缘（外围）314d的位置将弹性膜314连接到保持环3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被设置用于填充弹性膜314和环部件408之间的间隙。密封部分422由可变形材料制成。密封部分422用于防止抛光液体被引入到弹性膜314与环部件408之间的间隙，同时允许顶环本体2与保持环3彼此相对移动。在本实施例中，密封部分422与弹性膜314的边缘314d整体地形成并且具有U形截面。

如果没有设置连接片420、嵌条421以及密封部分422，那么抛光液体将会被引入到顶环1的内部由此影响了顶环1的顶环本体2和保持环3的正常操作。在本实施例中，连接片420、嵌条421以及密封部分422防止抛光液体被引入到顶环1的内部。由此，能够正常地操作顶环1。弹性膜404、连接片420以及密封部分422由高强度且耐用的橡胶材料例如三元乙丙橡胶（EPDM）、聚氨酯橡胶、硅橡胶或类似物制成。

在根据本实施例的顶环1中，使半导体晶片压靠着抛光表面的压力能够通过供应到由弹性膜314形成的中心腔360、波纹腔361、外部腔362以及边缘腔363的流体压力而得到控制。因此，在抛光期间，下部部件306应当位于向上远离抛光垫101的位置。然而，如果保持环3被磨损，那么半导体晶片和下部部件306之间的距离发生变化从而改变弹性膜314的变形方式。这样，表面压力分布在半导体晶片上也发生变化。这种表面压力分布的变化导致了已抛光的半导体晶片的不规则轮廓。

在示意性示例中，由于保持环3可以独立于下部部件306垂直地移动，因此即便保持环3的环部件408被磨损，半导体晶片和下部部件306之间也能保持恒定距离。因此，已抛光的半导体晶片的轮廓可以保持稳定。

在示意性示例中，弹性膜314被设置成大体与半导体晶片的整个表面接触。然而，弹性膜314可以与半导体晶片的至少一部分接触。

接下来，参考图11和12描述根据本发明另一个实施例的顶环。

图11是显示根据本发明另一个实施例的顶环的示意性横截面图，以及图12是图11中主要部分的放大视图。如图11所示，在根据该实施例的顶环1中，保持环3的环部件408包括上部环部件408a和下部环部件408b，并且被称为空气轴承的液压轴承500或类似物所支撑。具体地，固定到顶环本体200的液压轴承500被设置在保持环3的环部件408的外边缘侧。液压轴承500包括固定到顶环本体200的环形外壳501、以及安装在外壳501中的环状多孔部件502。多孔部件502通过粘结、烧结或类似方式固定到外壳501。

用于供应受压流体的通路503形成在外壳501中，以及通路503经过形成在顶环本体200中的通路510连接到流体供应源（未示出）。由此，受压流体例如空气或氮气经过通路510和通路503供应到多孔部件502。多孔部件502包括诸如铜的金属、陶瓷或塑料，并且具有形成在其中的多个空隙（细孔）。由此，受压流体从多孔部件502的外边缘侧经过这些空隙（细孔）供应到内边缘侧。由此，具有高负载能力的流体膜（例如空气膜或氮气膜）形成在环部件408和多孔部件502之间，并且施加到环部件408的横向力可以由流体膜所支撑。

具体地，横向力通过半导体晶片与抛光表面之间的摩擦力被施加到保持环3的环部件408，但横向力由流体膜所支撑。这样，在多孔部件502和环部件408之间保持有几微米的间隙。由此，环部件408可以与多孔部件502无滑动（非接触）的方式垂直移动，由此环部件408相对于抛光表面的随动能力可以被显著地提高。多孔部件502浸渍有固体润滑剂例如Teflon（注册商标），以及即便环部件408万一与多孔部件502形成接触，那么环部件408也能够保持良好的滑动性能。

此外，温度控制装置例如冷却器可以设置在连接通路510和流体供应源的通路中，以冷却从流体供应源供应的受压流体。环部件408的温度由于环部件408与抛光表面之间的摩擦热而升高。然而，冷却的受压流体从多孔部件502吹到环部件408的外周面上，由此冷却环部件408。由此，可以防止环部件408的温度上升从而抑制环部件408的热膨胀。这样，多孔部件502与环部件408之间的间隙可以最小，以及多孔部件502与环部件408之间形成的流体膜的压力可以增加，从而提高空气轴承的效果。由此，环部件408可以与多孔部件502无滑动（非接触）的方式垂直地移动，以及由此环部件408相对于抛光表面的随动能力能够进一步提高。

接下来，参考图13和14描述根据本发明另一个实施例的保持环。图13是显示根据本发明另一个实施例的保持环的横截面图。图13是与图8相对应的视图。在图8所示的实施例中，由SUS或类似材料制成的薄金属环430被装配在保持环3的下部环部件408b上，并且金属环430被低摩擦材料例如PTFE或PEEK·PPS所涂覆。

在图13所示的实施例中，包括低摩擦材料的部件被直接设置在保持环3的下部环部件408的外周上。具体地，如图13所示，具有大致矩形截面的凹槽601形成在保持环3的下部环部件408的整个外周上。具有大致矩形截面的低摩擦材料部件602装配在凹槽601中。低摩擦材料部件602由树脂材料例如聚四氟乙烯（PTFE）或PEEK·PPS制成。树脂材料例如PTFE或PEEK·PPS是具有低摩擦系数的低摩擦材料，并且具有良好的滑动特性。低摩擦材料被定义为具有低摩擦系数0.35或更低的材料。理想地，低摩擦材料具有0.25或更低的摩擦系数。

图14是图13中主要部分的放大视图，显示了下部环部件408b的凹槽601与低摩擦材料部件602的配合部分。图14显示了连接片420被从下部环部件408b上去除的状态。如图14所示，向上挖空的凹部601a形成在下部环部件408b的具有矩形截面的凹槽601的上部内表面中，以及向下挖空的凹部601a形成在下部环部件408b的具有矩形截面的凹槽601的下部内表面中。向上凸出的凸起602a形成在低摩擦材料部件602的上部外表面中，以及向下凸出的凸起602a形成在低摩擦材料部件的下部外表面中。低摩擦材料部件602的上部及下部凸起602a，602a以无间隙的方式分别装配在下部环部件408b的上部及下部凹部601a，601a中。这样，防止了低摩擦材料部件602从下部环部件408b中掉出。即，低摩擦材料部件602的上部及下部凸起602a，602a以及下部环部件408b的上部及下部凹部601a，601a构成了用于防止低摩擦材料部件602从下部环部件408b中掉出的保持装置。该保持装置可由形成在低摩擦材料部件602中的凹部以及形成在下部环部件408上的凸起所构成。当低摩擦材料部件602被安装在下部环部件408b的凹槽601中时，凸起602a，602a会因为低摩擦材料部件602由树脂材料制成而可以发生变形，并且由此凸起602a，602a首先变形以及随后分别地装配在凹部601a，601a中。凸起602a，602a可整体地为山脉形状，并且在两端具有坡度表面，或者整体地为圆形弧状以及在两端具有弯曲表面。

此外，如图14所示，销603固定到下部环部件408b的凹槽601的底部表面中，以及低摩擦材料部件602的内表面中形成孔602h。销603的前端部装配到低摩擦材料部件602的孔602h中。这样，防止了低摩擦材料部件602在下部环部件408b的圆周方向上转动。具体地，固定到下部环部件408b的凹槽601中的销603、以及形成在低摩擦材料部件602中的孔602h组成了旋转阻止装置，用于阻止低摩擦材料部件602相对于下部环部件408b发生旋转。该旋转阻止装置可由形成在下部环部件408b的凹槽601和低摩擦材料部件602的内表面中的一个内的凸起、以及形成在下部环部件408b的凹槽601和低摩擦材料部件602的内表面中的另一个内的凹部组成。

低摩擦材料部件602不是由环部件而是由形成为圆形弧的带状部件所组成。由于低摩擦材料部件602具有易曲性，因此低摩擦材料部件602可以首先形成为直线形状、并且随后装配到保持环3的下部环部件408b的凹槽601中，从而变成与保持环3的圆形弧相对应的圆形弧。

低摩擦材料部件602具有大致矩形截面。向上凸出的凸起602a形成在低摩擦材料部件602的上部外表面中，以及向下凸出的凸起602a形成在低摩擦材料部件602的下部外表面中。如上所述，凸起602a，602a被设置用于分别地装配在下部环部件408b的凹部601a，601a中。此外，低摩擦材料部件602的中心部中形成有孔602h。如上所述，孔602h被设置成使得固定到下部环部件408b的凹槽601中的销603被装配到孔602h中。可以形成由销603装配的多个孔602h。

旋转阻止装置可由键和键槽的组合而构成，以取代孔。

低摩擦材料部件602可以不是由环部件而是由分开的带状部件所组成，并且这些带状部件可以装配到保持环3的下部环部件408b的凹槽601中。例如，两端具有大约45度的中心角度（θ）的八个带状部件被装配到保持环3的下部环部件408b的凹槽601中、并且保持环3的下部环部件408b的整个圆周覆盖有包括八个带状部件的低摩擦材料部件602。当这些八个带状部件装配到下部环部件408b的凹槽601中时，在相邻两个带状部件之间形成小间隙。间隙被设置成用于阻止相邻两个带状部件的端部彼此接触，即便由于抛光过程进行时保持环3的温度升高而导致带状部件热膨胀。考虑到低摩擦材料部件602的热膨胀系数，间隙最好在大约0.1mm到大约1mm的范围内。

在低摩擦材料部件602由环部件组成的情况下，热膨胀重复进行从而在低摩擦材料部件602与下部环部件408b之间形成径向间隙，低摩擦材料部件602变得不固定。然而，由于低摩擦材料部件602不是由环部件而是由带状部件所组成，以及相邻两个带状部件之间形成间隙，因此在低摩擦材料部件602与下部环部件408b之间没有形成径向间隙。

带状部件被设置成使得带状部件的两个端部具有大约45度的中心角度（θ）。带状部件的中心角度（θ）可以大约45度或者小于45度。如果带状部件的中心角度（θ）是大的，那么带状部件的数目会减少。如果带状部件的中心角度（θ）是小的，那么带状部件的数目会增加。通过调节带状部件的数目，可使得保持环3的下部环部件408b的整个圆周覆盖有低摩擦材料部件602。如果部件的中心角度（θ）是小的，那么这种部件不是以带的形状，而是以矩形平行六面体或块的形状。低摩擦材料部件602的分区的数目（片段数目）应当是两个或更多，并且理想地是低摩擦材料部件602应被分成相等的片段。

低摩擦材料602可由不分开的环部件所组成。

另一方面，保持环引导部410的外部边缘部分410a的内周面构成了与低摩擦材料部件602滑动接触的引导表面410g。引导表面410g通过镜面处理具有改进的表面粗糙度。镜面处理被定义为包括抛光、研磨以及磨光的处理。

如上所述，低摩擦材料部件602装配到保持环3的下部环部件408b的整个或大体整个外周上。保持环引导部410的引导表面410g通过镜面处理具有改进的表面粗糙度，由此保持环3的下部环部件408b与保持环引导部410之间的滑动性能能够提高。因此，环部件408相对于抛光表面的随动能力可以被显著地提高，并且可以向抛光表面施加所需的保持环表面压力。

尽管已经详细显示和描述了本发明的某些优选实施例，但是可以理解的是，可以进行各种变形和改进，而不会脱离附加权利要求的范围。

Claims

1.一种用于抛光基板的设备，包括：

具有抛光表面的抛光台；

设置成用于保持基板、并将基板压靠到所述抛光表面的顶环本体；

设置在所述顶环本体的外周部分、并设置成用于压靠所述抛光表面的保持环；以及

固定到所述顶环本体的保持环引导部，所述保持环引导部设置成用于与所述保持环的环部件滑动接触以引导所述环部件的运动；

其中，在所述保持环的所述环部件的外周上设置有低摩擦材料部件，以使所述低摩擦材料部件与所述保持环引导部滑动接触，所述低摩擦材料被定义为具有0.35或更小的摩擦系数的材料；

其中，所述低摩擦材料部件包括具有两个端部的带状或块状部件，多个所述带状或块状部件以在相邻带状或块状部件之间形成间隙的方式设置在所述环部件的外周上。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述低摩擦材料部件包括树脂材料，所述树脂材料包括聚四氟乙烯(PTFE)或PEEK·PPS。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述低摩擦材料部件被装配到所述环部件的外周上。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述低摩擦材料部件包括柔性部件；以及

所述低摩擦材料部件被安装在所述环部件上，从而变成与所述环部件的外周对应的圆形形状。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括设置在所述低摩擦材料部件被装配到所述环部件上的位置处的保持装置，所述保持装置设置成用于防止所述低摩擦材料部件从所述环部件掉落。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括设置成用于阻止所述低摩擦部件相对于所述环部件旋转的旋转阻止装置。