CN1078836C - 研磨装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研磨装置，它能够稳定诸如用于制造半导体装置的薄片等的研磨物体周边部分的研磨速度。该研磨装置通过将研磨物体与旋转研磨台上的砂布相对设置并在研磨块上施加负载以及供给研磨液来进行研磨。还设有一个环绕给定厚度的弹性缓冲板的环状卡环，所述缓冲板位于研磨物体固定块和研磨体之间，使得研磨物体和研磨板之间的接触压力均匀，从而使得研磨物体的研磨速度恒定。
Description
总的来说，本发明涉及一种研磨装置。更具体地说，本发明涉及一种用于整平半导体基片或类似物的粗糙或不平坦表面的研磨装置。
近年来，在半导体的加工过程中，研磨工艺已用于整平半导体基片的粗糙或不平坦表面的过程中，或者用于半导体基片表面上的元件和线路的整平步骤中，该研磨工艺通常是采用选择性地研磨突出部分以去除材料的装置，从而达到完全平整的目的。
通常所用的传统研磨装置的结构已公开在日本未经审查的专利公报昭和59(1984)-187456、日本未经审查的专利公报平成7(1995)-221053和日本未经审查的专利公报昭和58(1983)-22657中。例如在图4(a)中，常用的研磨装置由一个研磨物体夹持装置(下面称为“固定块”)302和一个旋转研磨台106组成，所述夹持装置302通过缓冲板303夹持研磨物体101、如半导体薄片或类似物并携带研磨物体旋转。对于吸收施加在研磨物体101上的局部负载并由此提高研磨表面的均匀度来说，该缓冲板303是必需的。通常所用的缓冲板是由美国Rodel公司制造的DF200。DF200具有聚氨基甲酸酯泡沫层和聚酯片基体材料的叠层结构并具有33％的压缩率(按照JIS L-1096标准)。例如，用于6英寸薄片的DF200的外径为150mm、厚度为0.6mm。另一方面，为了防止研磨物体101从固定块302上松脱，使用内径为151mm、厚度为7mm的卡环304与固定块302的外圆周接合。
在带旋转驱动轴105A的旋转研磨台106的上表面上粘接有砂布。该砂布通常用于通过砂布107(上层)和砂布108(下层)进行研磨。对于砂布107，通常用Rodel公司制造的IC1000。砂布107由发泡和硬化的尿烷树脂形成并且较硬，其硬度系数在Asker C硬度表中为95。另一方面，对于砂布108，通常用Rodel Nitta公司制造的Suba400，它由在聚酯无纺纤维中注入尿烷树脂形成并且柔软，其硬度系数在Asker C硬度表中为61。砂布107和108的作用是：砂布107用于增加平滑性，砂布108用于吸收研磨物体101表面的曲度和波动性以提高研磨表面的均匀度。另一方面，研磨液供给喷嘴109设在砂布107上面的中心部分。
下面将描述在典型研磨条件下，上述研磨装置的操作过程。当包含有固体成分、如氧化硅或类似物的研磨液110以200cc/min的流速供应到以30 r.p.m的转速旋转的砂布107上时，研磨液体110沿砂布107的上表面从中心部分扩散到端部。在这种条件下，夹持在固定块302上的研磨物体101在压力作用下压在砂布107上。然后，以加在固定块302上7磅/平方英寸(未表示)的负载进行研磨。此时，为了确保研磨物体101的平面研磨速度均匀一致，固定块302也绕其自身轴线以30r.p.m的速度旋转。
图4C是在穿过由图4A所示装置研磨的研磨物体101中心的直径并垂直于研磨表面的方向上的研磨速度图表。该曲线与任一以研磨物体101的中心作为起始点的直径方向上的曲线一致。由于图4C是以中心为起始点的两侧对称的图形，下面将讨论研磨物体101从正向边缘到起始点的研磨速度。
在研磨物体101的边缘位置(+73到+75mm的区域)上，研磨速度很高。相反地，在+60到+73mm的区域上，研磨速度较低，并且在+71到+73mm的区域具有最小点。在0到+60mm的区域中，研磨速度是均匀的。研磨物体101端部的这种研磨速度趋势是由砂布107施加在研磨物体101上的压力不同造成的。由于上层的砂布107硬而下层的砂布软，所以与研磨物体101的边缘部分相接触的砂布107和108出现局部变形。图5B表示了由压力传感器测量到的施加在研磨物体101边缘部分的压力测量结果。在+73到+75mm的区域内，由于砂布107和108变形较大，局部所受压力很高。相反地，在+60到+73mm的区域内，压力逐渐松懈和减小。接着，在0到+60mm的区域内，所施压力均匀。在这些区域内压力的分布与研磨速度的分布是一致的。
为了改进研磨速度的不均匀性，有一种方法是用Rodel Nitta公司制造的Suba800，它与Suba400的材料相同但其硬度更高。Suba800的硬度系数在Asker C硬度表中是82。图6A是用Suba800作为图4A装置中的砂布108的情况下边缘部分的放大剖视图。当它与使用Suba400的情况相似时，由于使用缓冲板303，在固定块302的缓冲板粘接表面与缓冲板之间产生一错位，并在缓冲板303的端部与卡环304之间形成一缝隙316。放大剖视图6A表示了缓冲板303产生一正向位移的例子，其中研磨物体101的正向边缘全都位于缓冲板303上。
下面依照图6B讨论在正向边缘部分的压力分布和研磨速度分布。在这种情况下，用作下层砂布108的Suba800较硬，当研磨物体101压在砂布107和108上时，在研磨物体101边缘部分的砂布107和108的局部变形量小。因此，在图6B中+73到+75mm的区域内，在研磨过程中由研磨物体101的移动产生很大的压力。这样，砂布107施加的压力等于此处用Suba400施加的压力。在+60到+73mm区域内，由于局部变形量小，在研磨物体上施加的压力均匀。因此，如图7所示，在+60到73mm的区域内，研磨速度是均匀的，它比用Suba400的情况下均匀区域宽。
应该注意固定块302的缓冲板粘接表面与缓冲板303之间的错位是由固定块302的结构造成的。因此，依照图4A和4B讨论缓冲板的装配方法。例如，在用于6英寸薄片的固定块302中，在内径为151mm的缓冲板粘接表面上，粘接比粘接表面小1mm的外径为150mm的缓冲板303。然后，卡环304与固定块302连接并用螺钉固定。造成缓冲板303比缓冲板粘接表面小1mm的原因是：如果由于粘接缓冲板303而引起错位，除非缓冲板比缓冲板粘接表面小，否则卡环304将不能连接。也可以粘接外径大于缓冲板粘接表面内径的缓冲板303，然后切除从粘接表面延伸出去的缓冲板部分。但是，在这样的情况下，边缘部分会是不规则的，使研磨物体101在边缘部分的研磨速度不均匀。因此，在所示固定块302的结构中，需要在缓冲板303和缓冲板粘接表面之间设计1mm的尺寸差。当缓冲板303的外径比固定块的缓冲板粘接表面的内径小1mm以内时，可形成最大为1mm的缝隙部分。结果是如图6B中在-75到-71mm区域内压力曲线所示，由于缓冲板303朝缝隙部分316变形，不但从边缘起1mm的区域内而且从边缘在1到4mm的区域内，都可降低从砂布施加到位于缝隙部分上的研磨物体101压力。结果是，如图7中-75到-71mm的区域所示，从边缘起4mm区域内研磨物体101的研磨速度比其它部分的速度低并且是不均匀的。即使采用Suba400当作下层砂布108时，由于缓冲板303的错位，在-75到-71mm的区域内研磨速度降低。然而，由于位于缓冲板上方研磨物体101边缘部分的研磨速度也较低，错位对研磨速度不均匀性的影响比用Suba800作为砂布108下层的情况要小。
另外，作为研磨物体边缘部分研磨速度的不均匀性的解决办法是使用更宽的卡环与砂布接触来施压，如1995年6月27到29日VMIC会议，pp525到527的材料中所提出的那样。如图8A所示，该方法是通过采用在基板415和卡环404上施加压力来控制研磨速度。下面依照图8A描述在典型研磨条件下的研磨方法。在转速为30r.p.m的砂布107上，以200cc/min的流速从研磨液供给喷嘴(未画出)供给研磨液体。在此条件下，研磨物体101通过缓冲板403和卡环404夹持在基板415上并且在压力下与砂布107相接。通过将空气供给到卡环的气袋414和基板的气袋413中，在卡环404和基板415上加了7磅/平方英寸的负载。固定块402受到驱动而绕其自身的轴线转动。在这样的条件下进行研磨。
在这一方法中，由于砂布107和108在研磨物体的边缘部分的局部变形被卡环404下表面的外圆周部分吸收，所以在+60到+75mm的区域内压力均匀。因此，如图中的曲线所示，在正向边缘部分的研磨速度与平面区域的研磨速度相同。
可是，由于缓冲板403与卡环使用这样的连接方式，与使用Suba800的方式相似，在基板的缓冲板粘接表面和研磨物体101的上表面之间仍可产生错位，从而形成1mm范围的缝隙部分416，如图8A在负向边缘部分的放大剖视图所示。因此，如图8B的压力曲线所示，由于缝隙部分416的出现而在边缘及其附近区域的压力降低。但是，因为卡环404阻止了砂布107和108的变形，位于整个边缘部分上砂布107的变形量比用Suba800的情况小。因此，压力降低的区域是在距边缘3mm的范围内，它比用Suba800的情况下4mm的范围小。因此，如图9中-75到-72mm的区域所示，在距边缘3mm的范围内研磨物体的研磨速度比其它区域低并且是不均匀的。
在现有技术固定块的结构中，如图6A所示，由于缓冲板303的外径比固定块302的缓冲板粘接部分的直径小1mm以内，在缓冲板303的粘接位置形成的最大缝隙部分316为1mm。由于缝隙的影响，在用Suba800作为砂布108的方式中，在距边缘4mm的区域内研磨物体101的研磨速度比其它区域的研磨速度低而使研磨速度出现不均匀性。另一方面，即使在图8所示卡环404与砂布107相接的方式中，在距边缘3mm的区域内研磨物体101的研磨速度也比其它区域的研磨速度低，使研磨速度出现不均匀性。
因此，在传统的研磨工艺中，在研磨物体上不利于半导体装置的加工工作的区域是在用Suba800的方式中距边缘4mm的区域和在用卡环404与砂布相接的方式中距边缘3mm的区域。然而，除研磨工艺外，在生产过程中能被半导体装置加工的有效区域是距边缘2mm的区域。因此，距边缘2到4mm区域内不平滑性是引起制造过程中产品不良的原因。
本发明的目的是提供一种在整个研磨表面上获得均匀研磨速度并由此提高研磨材料产量的研磨装置，该研磨装置借助夹持装置将研磨物体夹持在上表面设有砂布的旋转研磨台上进行研磨。
为了完成上述和其它目的，按照本发明的一个方面，研磨装置包括：
在上表面带有砂布的旋转研磨台；
向旋转研磨台上提供研磨液的装置；
研磨物体夹持装置，它用于通过具有给定弹性的盘状缓冲板面对砂布夹持研磨物体，并用于驱动研磨物体旋转同时保持研磨物体在压力下与砂布相接触；
一设在研磨物体夹持装置中的环状卡环，它可拆卸地固定在研磨物体的外圆周上，环状卡环延伸到并环绕缓冲板的整个周边部分。
按照本发明的另一方面，研磨装置包括：
在上表面带有砂布的旋转研磨台；
向旋转研磨台上提供研磨液的装置；
研磨物体夹持装置，它用于通过具有给定弹性的盘状缓冲板面对砂布夹持研磨物体，并用于驱动研磨物体旋转同时保持研磨物体在压力下与砂布相接触；
一设在研磨物体夹持装置中的环状卡环，它可拆卸地固定在研磨物体的外圆周上，环状卡环延伸到并环绕缓冲板的整个周边部分；和
加压装置，用于将研磨物体和环状卡环以预设的压力压在砂布上。
在任一结构中，环状卡环最好设有内圆周与缓冲板的周边相接的第一元件和与第一元件形成一体的上表面与缓冲板的下表面相接的第二元件。在这种情况下，第二元件的内圆周可与研磨物体的周边相连。
在最佳结构中，研磨物体夹持装置可包括用于通过固定其上的缓冲板来夹持研磨物体的固定块，和能纵向延伸并且可拆卸地与固定块的周边相接的卡环的第一元件。卡环的第二元件可横向延伸并且其内径比研磨物体的外径稍大。
在本发明的后述情况下，加压装置可由用第一预设压力将研磨物体压在砂布上的第一加压装置，和用第二预设压力将卡环压在砂布上的第二加压装置组成。第一和第二加压装置最好独立调节第一和第二预设压力。加压装置可以是气动装置，即通过一气动压力源产生预设压力。
如上所述，在本发明的研磨装置中，缓冲板的外径比研磨物体的外径大。因此，不会形成研磨物体不与缓冲板接触的缝隙部分。这样，不会产生从砂布施加到研磨物体的不均匀压力，从而减小研磨速度的波动。
另外，在后述实施例中，通过将研磨物体和环状卡环压在砂布上，在整个研磨表面内研磨速度可以是均匀的。
通过下面参照附图对本发明最佳实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明，但是，所述对最佳实施例的描述和附图并不限制本发明，只是用于对本发明进行解释和方便理解。
附图中：
图1A是本发明研磨装置的第一实施例的主要结构的剖视图；
图1B是在图1所示第一实施例的研磨装置中研磨物体固定块的平面视图；
图2A是在图1所示第一实施例的研磨装置中固定块的局部放大剖视图；
图2B是表示薄片截面上的研磨速度与离薄片中心的距离的图表；
图3A是研磨装置的第二实施例固定块的局部放大剖视图；
图3B是表示薄片截面上的研磨速度与离薄片中心的距离的图表；
图4A是传统研磨装置主要结构的局部剖视图；
图4B是沿图4A中B-B线的剖视图；
图4C是表示在薄片直径方向研磨速度分布的图表；
图5A是图4A的研磨装置的局部放大剖视图；
图5B是表示由砂布施加的压力与离薄片中心的距离的图表；
图6A是另一种传统研磨装置的局部放大剖视图；
图6B是表示由砂布施加的压力与离薄片中心的距离的图表；
图7是表示在图6A的研磨装置中研磨速度的图表；
图8A是另一种传统研磨装置的局部放大剖视图；
图8B是表示由砂布施加的压力与离薄片中心的距离的图表；和
图9是表示在图8A的研磨装置中研磨速度的图表；
下面参照附图并借助本发明的最佳实施例对本发明加以讨论。在下面的描述中，为了更好地理解本发明，描述了许多特定细节。但是，很明显，本领域的技术人员在没有这些特定描述的情况下可以实现本发明。另外，为了避免造成本发明不必要的模糊不清，公知的结构不再详细图示。
图1A是本发明研磨装置的第一实施例的主要结构的剖视图，图1B是在图1所示第一实施例的研磨装置中研磨物体固定块的平面视图，图2A是在图1所示第一实施例的研磨装置中固定块的局部放大剖视图，图2B是表示薄片截面上的研磨速度与离薄片中心的距离的图表。
在图1A中，夹持簿盘状研磨物体101的研磨物体固定块102是一盘状结构并有一用于旋转的旋转轴105B。在其下表面上，研磨物体固定块102有一平的直径为d3的缓冲板粘接表面102a，用于将外径为d2(d2＜d3)的缓冲板103固定在其紧固位置上。剖面为L形的环状卡环104与转轴105B同轴并设在固定块102外圆周部分的下侧。剖面为L形的环状卡环上内径为d3的纵向延伸部分可拆卸地与直径为d3的固定块的圆柱部分相连，用于进一步固定研磨物体101。剖面为L形的环状卡环的横向部分的内端面是一内径为d1(d1＜d2)的圆柱形，并且向内延伸卡住外径为d2的缓冲板103的圆周部分。外径为d0的研磨物体101容纳在卡环104的圆柱部分内。图1B是固定块102下表面的视图，其中所示111部分是卡环104覆盖缓冲板的部分。
旋转研磨台106是一在其中心设有旋转轴105A的水平盘形体。在旋转研磨台106的上表面上粘接有两层砂布。研磨物体101的下表面在砂布上研磨。最好是上层砂布107是在前面背景技术中所述的由发泡和硬化的聚氨基甲酸酯树脂制成的IC1000，下层是将聚氨基甲酸酯树脂注入聚酯纤维无纺布中制成的Suba800(硬)。
还提供研磨液供给喷嘴109，用于将研磨液供应到砂布上。
在用于6英寸直径(d0＝150mm)的半导体薄片的研磨装置中，上述尺寸分别为：卡环104的内径d1是151mm，缓冲板103的外径d2是156mm，缓冲板粘接表面102a的外径d3是160mm。
图2A是在图1所示第一实施例的研磨装置中固定块的局部放大剖视图，图2B是表示薄片截面上的研磨速度与离薄片中心的距离的图表。在图2A中，研磨物体101(薄片)的边缘部分全部位于缓冲板103的端部边缘部分之内，施加在研磨物体101上的压力是均匀的。如图2B所示，除距研磨物体101的边缘部分2mm内的区域外，研磨速度是均匀的。
图3A是本发明研磨装置的另一实施例的主要部件的局部放大剖视图，图3B是表示薄片截面上的研磨速度与离薄片中心的距离的图表。在图3A中，研磨物体固定块202是一在中心设有未画出的转轴的旋转盘形件。在研磨物体固定块202的下表面上，有气袋213和212，它们通过气压源在研磨物体和卡环204上施加负载。在气袋213的下表面上，设有外径为d3的圆盘状基板215。在基板215的下表面上是用于粘接外径为d2(d2＜d3)的缓冲板203的粘接表面。卡环204是环状结构，其剖面为L形。卡环204设计为通过卡环气袋212向下施加的负载而将L形剖面上沿横向延伸的底部压在粘接于旋转研磨台上表面的砂布107和108上，所述研磨台与上面图1A中的实施例相同。外径为d0的研磨物体101设在外径为d2(d2＞d0)的缓冲板203下表面的中心位置。气袋213中的气压经基板215施加在缓冲板203上一负载，并将研磨物体101下压在砂布107的上表面上。另外，研磨物体101在与旋转轴同轴的截面为L形的卡环204横向延伸部分内表面(内径为d1)作用下位于中心位置。另外，截面为L形的卡环204横向延伸部分向内卡紧外径为d2(d1＜d2)的缓冲板203的圆周部分。由于截面为L形的卡环204纵向延伸部分的内径比基板215的外径d3稍大，卡环204可松动地装配在基板215上。
在图3所示用于直径为6英寸的半导体薄片(d0＝150mm)的研磨装置中，最好是卡环204的内径d1为151mm，缓冲板的外径d2是156mm，基板的外径d3是160mm，卡环的外径d4是180mm。
在图3A的研磨装置中，其结构如上所述，设在气袋212和213中的预设可调压力的气压将研磨物体101和卡环204下压设在旋转研磨台106上的砂布107和108上以进行研磨。结果是，表示截面研磨速度与离薄片中心的距离的图表如图3B所示。
在上述条件下，研磨物体101的整个边缘部分都位于缓冲板203上。另外，砂布107和108在研磨物体101的边缘部分的局部变形被代替研磨物体101的边缘部分的卡环204下表面的外圆周部分吸收。这样，施加在研磨物体101上的压力变得均匀。因此，研磨物体101的研磨速度在整个平面内是均匀的。
如上所述，依照本发明，由于缓冲板的端部全都被截面为L形的卡环的横向延伸部分覆盖，在研磨时，施加在研磨物体端部的压力变得均匀。因此，在研磨物体端部的研磨速度变得均匀。由此，通过研磨过程产生的、半导体装置不能加工的外侧区域的宽度从4mm(用下层是诸如Suba800等的硬砂布)减小到2mm。因此，增加了从半导体薄片上产生切屑的数量。另一方面，即使在压力下卡环接触砂布的装置中，在整个表面上的研磨速度也是均匀的，并进一步增加从薄片上产生切屑的数量。
尽管本发明通过典型实施例已进行了解释和描述，但是对于本领域的技术人员来说，可以理解到在不脱离本发明的范围和构思的情况下下可做出各种变化、删除或添加的结构。因此，本发明不应理解为限定在上面所提出的特定实施例中，而是包括了所附权利要求的特征所包含以及与之等同的所有可能实施例。
Claims (13)
1.一种研磨装置，包括：
在上表面带有砂布的旋转研磨台；
向所述旋转研磨台上提供研磨液的装置；
研磨物体夹持装置，它用于通过具有给定弹性的盘状缓冲板面对所述砂布夹持研磨物体，并用于驱动所述研磨物体旋转同时保持研磨物体在压力下与所述砂布相接触；
一设在所述研磨物体夹持装置中的环状卡环，它可拆卸地安装在所述研磨物体的外圆周上，所述环状卡环延伸到并环绕所述缓冲板的整个周边部分。
2.按照权利要求1所述的研磨装置，其特征在于，所述环状卡环具有内圆周与所述缓冲板的周边相接的第一元件，和与所述第一元件形成一体的上表面与所述缓冲板的下表面相接的第二元件。
3.按照权利要求2所述的研磨装置，其特征在于，所述第二元件的内圆周与所述研磨物体的周边连接。
4.按照权利要求2所述的研磨装置，其特征在于，所述研磨物体夹持装置包括一通过设在固定位置处的所述缓冲板夹持所述研磨物体的固定块，所述卡环的所述第一元件沿纵向延伸并可拆卸地与所述固定块的周边部分连接。
5.按照权利要求2所述的研磨装置，其特征在于，所述卡环的所述第二元件沿横向延伸，其内径比所述研磨物体的外径稍大。
6.按照权利要求1所述的研磨装置，其特征在于，所述研磨装置还包括一个用于将所述研磨物体和所述环状卡环以预设的压力压在砂布上的加压装置。
7.按照权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，所述环状卡环设有内圆周与所述缓冲板的周边相接的第一元件，和与所述第一元件形成一体的上表面与所述缓冲板的下表面相接的第二元件。
8.按照权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，所述第二元件的内圆周与所述研磨物体的周边连接。
9.按照权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，所述研磨物体夹持装置包括一通过设在固定位置处的所述缓冲板夹持所述研磨物体的固定块，所述卡环的所述第一元件沿纵向延伸并可拆卸地与所述固定块的周边连接。
10.按照权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，所述卡环的所述第二元件沿横向延伸，其内径比所述研磨物体的外径稍大。
11.按照权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，所述加压装置包括用于提供第一预设压力将所述研磨物体下压在所述砂布上的第一加压装置，和用于提供第二预设压力将所述卡环下压在所述砂布上第二加压装置。
12.按照权利要求11所述的研磨装置，其特征在于，所述第一和第二加压装置能够独立调节所述第一和第二预设压力。
13.按照权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，所述加压装置是通过气动压力源提供所述预设压力的气动装置。
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