CN1082866C - 晶片抛光装置和抛光方法 - Google Patents

Abstract

一种晶片抛光装置及其方法，借助消除抛光量的波动能够提高成品率，并且能够防止因反应产品的聚集而发生擦伤和抛光速度的降低。该晶片抛光装置具有旋转抛光床，装在抛光床上的磨料布，用于将磨料供给磨料布表面的磨料供给装置，用于将晶片以预定压力压在磨料布上的晶片压住装置，围绕晶片配置的且在与磨料布接触的表面上装有在内周边缘和外周边缘之间延伸的多个凹槽，用于驱动晶片和磨料布上的护圈的旋转驱动装置，以及用于在晶片和护圈之间提供不同的旋转速度的旋转速度差产生装置。

Description

晶片抛光装置和抛光方法

本发明涉及晶片抛光装置和抛光方法，尤其涉及适用于经半导体器件制造工艺形成的半导体晶片上使不平整部分平面化的化学和机械抛光的晶片抛光装置和抛光方法。

图10表示出在由化学和机械抛光使经半导体器件制造工艺形成的半导体晶片上不平整部分平面化的情况下抛光晶片外周边部分之后形状的曲线图。图10中，水平轴代表从晶片外周边部分到中心的径向位置，垂直轴代表晶片的残留层厚度。

通常，晶片抛光装置进行化学和机械抛光是将磨料供给旋转的磨料布并且通过将磨料布压在晶片上来进行抛光的。在这种情况下，设置一个称作护圈的环包围晶片，以防止该晶片在抛光工艺期间跳出。图10中，(a)代表的曲线表示了在护圈不与抛光布接触情况下的晶片形状。通常，抛光后晶片外周边部分的形状是在护圈压在抛光布上之情况下的形状。(b)代表的曲线表示了在护圈与磨料布接触情况下的晶片形状。通常，抛光后晶片外周边部分形状是依赖于护圈是否压在磨料布上来区分的。已经知道能够获得由图10曲线(a)所示的较好或较高的平面度。

在半导体制造工艺中，从单个晶片获得的半导体芯片量(以后称作为生产率)依赖于晶片平坦区域的面积。在图10由(a)所示曲线情况，即在护圈压在磨料布之上的情况，在晶片外周边部分中能够获得较高的平面度以便从一块晶片以较低的制造成本取得较高的生产率。因此，鉴于此，从制造工艺角度看，将护圈压在磨料布上是有利的。但是，在这种情况下，由于护圈围着晶片，当护圈较低的表面是平坦时，妨碍给晶片抛光表面供应磨料量，使抛光速度降低，或者引起晶片中心部分欠抛光。

解决上述问题的抛光装置已在日本未审公开专利JP7-237120中公开。

JP7-237120公开的晶片抛光装置将参考图9讨论。

图9所示晶片抛光装置由可旋转抛光床2、装在抛光床上的磨料布、通过泵等在磨料布表面上供给磨料4的磨料供给部分5、支撑晶片1作为抛光标的的运载头6、包围晶片1并固定到运载头6内，使得其处于一个高度以便在抛光时压住磨料布3和在与磨料布3接触的表面上设有多个凹槽10的护圈9、压住朝向与运载头6一起的磨料布3的晶片1和护圈9的气压机构14、以及驱动在与运载头6一起的磨料布3上的晶片1和护圈9的主轴13构成的。

图9所示常规晶片抛光装置将磨料4供给旋转磨料布3，并且通过旋转主轴13、利用加压机构14将晶片1压在磨料布3上来进行抛光，对于进行化学和机械抛光的普通装置也类似之。此时，由于护圈9也压在磨料布3上，因此能够得到在晶片1外周边部分如图10(a)所示的良好平直度，以提高成品率。另一方面，由于护圈8上装有多个凹槽10，磨料4就通过这些凹槽10供给晶片抛光表面以解决抛光速度降低和在晶片1中心部分欠抛光的问题。

但是，这种常规晶片抛光装置仍然存在晶片和护圈经运载头同步旋转的问题。

也就是常规晶片抛光装置对于晶片和护圈同步旋转引起晶片圆周方向抛光量的波动和对应地引起成品率的降低而能够区分形成有凹槽部分和未形成凹槽部分的磨料的流入量。

另一方面，常规晶片抛光装置不能控制给晶片抛光表面供给和排放磨料。按照抛光进程产生的抛光芯片和反应产品能够被聚集在晶片抛光表面的下面。由此能够引起擦伤晶片表面和降低抛光速度。

本发明是根据现有技术的进展作出。因此，本发明目的是提供晶片抛光装置和抛光方法，其能够利用消除抛光量的波动来提高成品率，并且能够防止由于产品的聚集而发生的擦伤和抛光速度的降低。

根据本发明的第一方案，晶片抛光装置包括：

旋转抛光床；

装在抛光床上的磨料布；

用于把磨料供给磨料布表面的磨料供给装置；

用于把晶片以预定压力压在磨料布上的晶片压下装置；

围绕晶片配置的并且在与磨料布接触的表面上提供有内周边缘和外周边缘之间延伸的多个凹槽的环形护圈；

用于驱动晶片和磨料布上护圈的旋转驱动装置；和

用于在晶片和护圈之间提供不同旋转速度的旋转速度差产生装置；

根据本发明第二方案，晶片抛光方法包括步骤：

把磨料供给装在旋转抛光床上的磨料布表面；

驱动作为抛光标的物的晶片和围绕晶片配置的护圈，通过护圈借助将晶片按预定压力压在磨料布上来进行旋转；和

产生晶片和护圈不同的旋转速度。

根据本发明第三方案，晶片抛光方法包括步骤：

把磨料供给装在旋转抛光床上的磨料布表面；

驱动作为抛光标的物的晶片和围绕晶片配置的护圈，通过护圈借助将晶片按预定压力压在磨料布上来进行旋转，其中磨料在晶片和护圈一个旋转方向供给要抛光的晶片表面，以及磨料在另一旋转方向从要抛光的晶片表面释放；和

在一个方向到另一方向之间转换旋转方向。

从下面给出的详细说明和本发明优选实例附图将能完整地理解本发明，但它不是作为对本发明的限制而仅仅是为说明和理解。

附图中：

图1是表示根据本发明晶片抛光装置第一实例结构的视图；

图2是表示图1所示晶片抛光装置第一实例的护圈中装有凹槽实例的平面视图；

图3是表示图1所示晶片抛光装置第一实例护圈的压紧力与晶片外周边部分形状之间关系的曲线图；

图4是表示在晶片外周边部分圆周方向上抛光形状的曲线图；

图5是表示根据本发明晶片抛光装置第二实例之结构的视图；

图6是表示图5所示晶片抛光装置第二实例的护圈中装有凹槽的实例的平面视图；

图7是表示图1所示晶片抛光装置第二实例的护圈中装有凹槽的实例的平面视图；

图8是表示根据本发明晶片抛光方法一个实例的流程图；

图9是表示常规晶片抛光装置之结构的视图；

图10是表示利用护圈压住抛光表面的情况下和护圈不与抛光表面接触固定的情况下抛光表面平直度相比较的说明图。

下面根据参考附图的本发明优选实例来详细讨论本发明。在下述说明中，为了提供本发明的完整理解，将说明许多特定的细节。但是对本领域技术人员不用这些特定的细节可以实现本发明是显而易见的。在其它情况下，为了避免使本发明不必要的不清楚，没有详细地示出公知结构。

图1是表示根据本发明晶片抛光装置第一实例之结构的视图。图1所示晶片抛光装置由可旋转抛光床2、装在抛光床2上的磨料布3、利用泵等将磨料4供在磨料布3表面上的磨料供给部分5、支撑晶片作为抛光标的物的运载头6、具有紧固在运载头6上内环的交叉辊轴承7、环上内部地限定压缩空气流路的护圈基座8、围绕晶片1配置的且在与磨料布3接触的表面上装有多个凹槽10的环形护圈9、设置在护圈基座8和护圈9之间并且通过将预定压力的压缩空气引入护圈基座的流路来将护圈9以预定压力压入磨料布3的波纹管11、将压缩空气供给护圈基座8流路的气管、与运载头6连接的和驱动使与运载头6一起的磨料布3上的晶片旋转的主轴13、经主轴13和运载头6将晶片1压在抛光布3的非旋转加压机构14、紧紧固定在加压机构14并且按垂直方向配置使得其尖头端定位在运载头6两侧的二个制动器15、以及紧紧固定在护圈基底8、水平突出朝向运载头6两侧、与用于制动护圈基座8和护圈9旋转的按照运载头6旋转的制动器15接触的二个轴。

图2是表示装在护圈9上凹槽10的第一实例的视图。直线地朝向护圈9中心形成凹槽10。

下面讨论其操作。

与常规晶片抛光装置类似，通过驱动主轴13旋转，通过从磨料供给部分5将磨料4供给与抛光床2旋转相联系的正旋转的磨料布3、以及通过利用加压机构14来将晶片1压在与运载头6一起的磨料布3上能够完成晶片1的抛光。

此时，通过以预定压力压磨料布3、通过经气管12和护圈基座8的流路供给波纹管11内部的压缩空气，护圈9自然保持了晶片1外周边部分的抛光平直度。已经知道压住磨料布3的护圈9的过大或过少压力都能够降低晶片外周边部分的抛光平直度。图3是表示护圈9压紧力和晶片外周边部分形关系的曲线，其中水平轴代表从晶片1外周边到中心的径向位置，垂直轴是晶片1的残余厚度。图3中，各弯折线(a)，(b)，(c)表示当压住力分别是1psi，7psi和15psi时的残余厚度。如图3所示，当护圈9的压紧力在7psi时能有高平面度和平面度在1psi和15psi时能够降低。因此，供给波纹管11的压缩空气设定为抛光平直度变成最佳时的压力。应当注意，由于抛光平面度最佳处的护圈9压紧力依赖于磨料布或装置自身特征来区别，因此预先估计是必须的。

抛光操作期间，磨料4从多个装在护圈9上的凹槽流入晶片的抛光表面。因此，由于磨料4的流量在装有凹槽10的部分和未装凹槽10的部分能够区分，因此，除非采取某些措施，否则在晶片周边方向能引起抛光量的波动。因而在所示实例中，运载头6和护圈9设计成跨过交叉辊轴承7独立旋转。所以即使当运载头6和晶片1旋转时，通过接触固定在非旋转加压机构14和轴的制动器15来阻止护圈9的旋转。由此，在晶片1旋转和护圈9旋转之间引起速度差当引起凹槽10关于晶片1圆周的相对旋转。因此在晶片1的圆周方向能够使磨料4的流入量一致。

图4是表示在晶片外周边部分的圆周方向上抛光形状的曲线，其中水平轴代表从晶片外周边部分指向中心的径向的位置，垂直轴代表晶片的残余层厚度。图4中，(a)代表当应用本发明时的抛光的形状，(b)是常规抛光的形状。在常规晶片抛光装置中，晶片和护圈彼此同步地旋转，在有凹槽部分和没有凹槽部分磨料的流入量是区分的，对应地引起成品率的降低。与此对照，当用所示实例的晶片抛光装置来完成抛光时，在图4的线(a)所代表的圆周方向能够均匀地抛光晶片1。

应注意到，在本发明中，用于产生晶片1和护圈9之间旋转速度差的结构并不特别地局限于所示实例。作为独立旋转的轴承，可以使用各种减磨擦轴承，例如滚球轴承，针形辊等，以及通过滑动部件的滑动轴承等。另外，通过用滑动部件形成护圈基座8和护圈9自身来形成轴承的替换是可能的。作为护圈9的旋转阻上机构，是将高磨擦部件压在护圈9侧表面上的结构。在这种情况下，通过调节部件的压力在一定程度上能够控制旋转速度差。

另一方面，还有可能用高磨擦部件来形成护圈9的底面以提供与磨料布3的大的磨擦力来限制旋转。简言之，能够采用刳起晶片1旋转和护圈9旋转的速度差的任何结构。

而且，除了用波纹管和压缩空气的气压之外，用于压住护圈9的装置还能够是多个盘形弹簧，环形簧片和各种其它的结构。

另一方面，在抛光床2的某些情况下，在抛光操作期间有可能引起磨料布3的倾斜或垂直位移。此时，在运载头6和主轴13之间的连接可以采用可倾斜的接合。例如，在可旋转接合的情况，例如球形接合等，可以采用销钉等以传送旋转力。

图5是表示根据本发明晶片抛光装置第二实例结构的视图。图5所示晶片抛光装置采用旋转速度差产生装置，独立地包括控制主轴13和护圈主轴17的旋转方向和旋转速度的第一旋转控制部分18和第二旋转控制部分，护圈主轴17的旋转与使驱动与运载头6一起的晶片1旋转且连接到护圈基座8的主轴13无关，其用于驱动护圈基座8和护圈9旋转而与晶片1无关，以代替如第一实例中通过制动器15和轴16的接触的旋转阻止机构。其它的结构同第一实例中的部分，因此，为了使公开简单以便清楚地理解本发明避免赘述，省略了对公知元件的说明。

图6是表示装在护圈9上凹槽10第二实例的视图。凹槽形成为沿着由抛光床2旋转速度和护圈9旋转速度确定的磨料流线延伸的形状。

另一方面，图7是表示装在护圈9内凹槽10第三实例的视图。凹槽10是相对于伸过晶片中心点的多根直线以给定角度倾斜延伸的直线形状结构。

下面讨论操作。

在所示实例和第一实例中，基本的操作是彼此类似的，不同仅在于在晶片1和护圈9之间产生旋转速度差的操作上。

在所示实例中，通过第一旋转控制部分18和第二旋转控制部分19，主轴13和护圈主轴17的旋转分别由控制旋转速度或旋转方向而不同。因此，能够选择晶片1的旋转和护圈9的旋转来设定晶片1和护圈9两者以彼此不同的速度在相同方向上旋转的条件，来设定晶片和护圈9以相互相反方向旋转的条件，以及仅有晶片1旋转护圈9停止的条件，其依赖于选择的磨料布3或抛光装置自身的特性。

另一方面，在所示实例中，能够通第二旋转控制部分19将护圈主轴17的主轴控制在恒定速度。在这种情况下，如图6所示，沿由抛光床2旋转速度和护圈9旋转速度确定的磨料4流线型延伸形成的凹槽10展现磨料4较好的流入特性。当在某种程度上取得改善的流入特性时，或者当在进行用变化的旋转速度完成抛光操作时，如图7所示，凹槽10可以是相对于从晶片1中心点伸过的多个直线的倾斜延伸的直线形状。

图8是表示根据发发明晶片抛光方法一个实例的流程图。图8所示晶片抛光方法的特征在于选择地重复顺时针(CW)方向旋转护圈9，以便将磨料4供给晶片1的抛光表面的步骤，重复逆时针(CCW)方向旋转护圈，以便从晶片1的抛光表面释放磨料4的步骤。应注意到，旋转方向是从与护圈磨料布3接触的表面所观察角度的方向，该护圈在抛光操作期间具有图6和7所示形状的凹槽。如果凹槽10形成为在相对方向上倾斜，磨料的供给和释放的旋转方向就变成相反。

下面给出关于操作的讨论。

在抛光开始之后，首先驱动护圈9CW方向旋转。在这个旋转方向，通过倾斜凹槽10，磨料4必然被吸入护圈9。因此，磨料4供给晶片1的抛光表面。然而，磨料4不能以充分的量释放，晶片1表面和磨料4之间抛光芯片或反应产品能够聚集在晶片1抛光表面的下面，引起擦伤或抛光速度的降低。因此，接着，在给定周期过去之后，驱动护圈9CCW方向旋转。在这种情况下，与CW方向相反，磨料4必定从晶片1抛光表面释放，抛光芯片或反应产品能从晶片抛光表面下方的部分中去掉。释放操作之后，护圈9以CW方向旋转的步骤再次进行以进行抛光。通过选择地重复磨料的供给和排放。直到完成抛光，在不发生擦伤或旋转速度降低的情况下能够完成晶片1的抛光。

正如上面所指出，在根据本发明的晶片抛光装置中，代替引起晶片和护圈的同步旋转，在晶片和具有凹槽的护圈之间引起速度差。因此，磨料到晶片的流入量能够在晶片的圆周方向一致，使得在晶片圆周方向的抛光量均匀以提高生产成品率。

另一方面，在根据本发明的晶片抛光方法中，代替磨料恒定地供给和排放出晶片抛光表面，选择地重复进行磨料供给和释放步骤。因此，与抛光进程相联系而产生的抛光芯片和反应产品可不聚集在晶片的抛光表面的下方，避免了发生晶片表面的擦伤并且能够保持抛光速度不变。

尽管本发明已经对于其示例性实例进行了说明和解释，但对本领域技术人员其应理解为在不脱离本发明精神和范围的情况下，可对其进行各种其它的变化、省略和添加。因此，本发明不应理解为仅局限于上述的特定实例，而应理解为相对于所附权利要求提出的特征，包含在其范围和等价之内能够实现的所有可能的实例。

Claims (11)

1、一种晶片抛光装置，其特征在于，包括：

旋转抛光床；

装在所述抛光床上的磨料布；

用于将磨料供给所述磨料布表面的磨料供给装置；

用于以预定压力将所述晶片压在所述磨料布上的晶片压住装置；

配置在所述晶片周围、且装有在与所述磨料布接触的表面上在内周边缘和外周边缘之间延伸的多个凹槽的环形护圈；

用于驱动所述晶片和在所述磨料布上的所述护圈的旋转驱动装置；以及

用于在所述晶片和所述护圈之间提供不同旋转速度的旋转速度差产生装置。

2、根据权利要求1的晶片抛光装置，其特征在于，装在所述护圈上的所述多个凹槽沿多个伸过所述晶片中心点的直线延伸并且是线性形状结构。

3、根据权利要求1的晶片抛光装置，其特征在于，所述多个装在所述护圈上的凹槽沿着由所述抛光床旋转速度和所述护圈的旋转速度确定的所述磨料的预定流线型延伸。

4、根据权利要求1的晶片抛光装置，其特征在于，所述多个装在所述护圈上的凹槽相对于多个以预定角度伸过所述晶片中心点的直线倾斜延伸并且是线性形状结构。

5、根据权利要求1的晶片抛光装置，其特征在于，所述多个装在所述护圈上的凹槽相对于多个以预定角度伸过所述晶片中心点的直线倾斜延伸并且是直线形状结构。

6、根据权利要求1的晶片抛光装置，其特征在于，旋转速度差产生装置包括设置在用于驱动旋转所述晶片的所述旋转驱动装置和所述护圈之间的轴承，和通过接触固定在非旋转加压机构和轴上、用于防止所述护圈旋转的旋转阻止装置。

7、根据权利要求1的晶片抛光装置，其特征在于，所述旋转驱动装置设置得独立地驱动每个所述晶片和所述护圈，而与其它的无关，并且所述旋转速度差产生装置包含第一旋转控制部分和第二旋转控制部分，用于分别控制主轴和护圈主轴的旋转方向和旋转速度，而与其它的无关。

8、一种晶片抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

将磨料供给装在旋转抛光床上的磨料布表面；

驱动作为抛光标的物的晶片和围绕所述晶片配置的护圈，用于通过所述护圈借助以预定压力将所述晶片压在所述磨料布上来进行旋转；和

引起所述晶片和所述护圈的旋转速度差。

9、根据权利要求8的晶片抛光方法，其特征在于，还包括

在所述一个方向到另一方向之间转换旋转方向的步骤。

10、根据权利要求9的晶片抛光方法，其特征在于，多个相对于以预定角度伸过所述晶片中心点的直线而倾斜延伸的凹槽安装在与所述磨料布接触的所述护圈表面，其方式使得所述磨料以所述晶片和所述护圈的一个旋转方向供给要被抛光的所述晶片的表面，所述磨料以另一旋转方向从要被抛光的所述晶片的所述表面排放。

11、根据权利要求9的晶片抛光方法，其特征在于，在所述磨料布上所述护圈旋转的旋转方向的转换选择地按照顺时针方向或逆时针方向重复进行。

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