CN1288252A - 压电致动的化学机械抛光托盘 - Google Patents

Abstract

一种化学机械抛光(CMP)控制系统控制被抛光半导体晶片背面上的压力分布。该系统包括CMP设备具有支承半导体晶片的托盘。该托盘包括多个双功能压电致动器。各致动器检出全晶片上的压力变化并且各自可控。控制器连接到致动器,用以监视所读出的压力变化和控制各致动器以提供全晶片上受控的压力分布。

Description

压电致动的化学机械抛光托盘

本发明涉及一种半导体晶片化学机械抛光，更详细地说，涉及控制晶片底膜致动的设备和方法。

半导体晶片和/或芯片的加工中，在市场上可以买到的抛光机上，进行化学机械抛光(CMP)。CMP抛光机可具有圆形旋转的抛光衬垫和夹持晶片的旋转托盘，或者同最新出售的机具一样，可以设计有轨道或线性运行的衬垫和托盘。一般实际上，将悬浮液供给抛光衬垫，以推动抛光动作。虽然，最新机具也可以用于称之为固定式研磨衬垫，借此把磨料留在抛光衬垫内并以DI(去离子)水或象特殊抛光加工可能需要的一些其它化学药品进行活化。

理论上，CMP抛光机作出整体上均匀，并局部平整化的晶片。但是，以晶片对晶片为基准的整体均匀性难以实现。将硬衬垫应用于抛光台或抛光板上，使其能够提供最佳平整度。然而，这些衬垫却要求较软的下层衬垫来产生合格的均匀度。晶片背面施加气垫也是一种标准的做法，力求把局部区域的力供给晶片半径范围内的晶片背面，由于晶片弯曲、衬膜的塌陷、抛光衬垫的剥蚀或塌陷、或悬浮液分布不良都可能使其抛光减弱。

近来，所谓“边缘波纹”现象有损于合格产品。对于100mm晶片，该边缘波纹是在半径96mm处的较厚氧化物环。在半径80-90mm处还观察到次级厚度变化。这些厚度变化的位置也可能意外地在全晶片上变动，原因则完全不清楚。其结果是，晶片周边芯片不能用或全晶片上局部芯片功能改变。即，全晶片的表面上，待抛光的晶片膜可能随搀杂、厚度等变化不定。这样会造成全晶片上变化，不可控制的抛光速度。上述的问题没有一个能用目前可买到的机具得到补偿。

各种抛光方法都设法改变抛光晶片的最后厚度外形。一种方法是利用托盘表面的固定曲率或形状。这些只是针对通过使托盘中心区表面弯曲，给晶片中心区提供较大的力来控制中心边缘厚度变化。这样就达到增加中心区对边缘的抛光速度。

另一种公知的方法是在晶片衬膜之后把垫片加到托盘表面上。这样就能使直径和宽度的范围较大，随需要断断续续地转动平坦托盘。但是，将托盘表面研磨成某一形状需要很多托盘，才能提供结果的范围。如出现需要，这就要求有足够的时间从一种形状托盘变成另一种形状。

本发明就是以新颖而又简单的方法，克服上述的几个问题。

根据本发明设置一个运行控制结构，用该结构使基于晶片对晶片的同心，不均匀性满足所要求的结果。

本发明的一个目的在于提供一种方法，可以用该方法克服局部的，不同心不均匀性。

本发明的另一个目的在于提供把不均匀性控制用于管芯范围内的能力，从而克服由于芯片设计引起的薄片抛光速率变化。

本发明的一个方案，揭示一种用于抛光半导体晶片的化学机械抛光(CMP)抛光设备，其中CMP设备具有一个用于晶片的托盘(carrier)。该托盘包括一托盘底座和安装于底座上用于保持抛光晶片的一晶片挡环。多个双功能压电致动器安装于周边挡环内的底座上。该致动器检测全晶片上的压力变化并各自可控，以提供全晶片上受控的压力分布。

本发明的一个特征在于各个致动器都包括薄膜双功能压电致动器。

本发明的另一个特征在于提供一安装在致动器与晶片之间的底座上的衬膜。

本发明的再一个特征在于各个致动器都埋入衬膜内。

根据本发明的另一个方案，揭示一种CMP控制系统，用于控制被抛光半导体晶片背面上的压力分布。该系统包括一台CMP设备，它具有支承晶片的托盘。托盘包括多个双功能压电致动器。各个致动器检出全晶片上的压力变化并且是各自可控的。一个控制器连接到致动器，用以监视读出的压力变化并控制各个致动器，以提供全晶片上受控的压力分布。

本发明的一个特征在于控制器包括一程序控制器，它根据晶片的管芯布局控制压力分布。

本发明的另一个特征在于控制器包括一切口位置程序，用于确定托盘上的晶片取向，控制器响应管芯布局和所确定的取向，改变压力分布。

本发明的再一个方案，揭示一种在CMP系统中抛光半导体晶片的方法。该方法包括下列步骤：提供一CMP设备，该CMP设备具有一个用于支承晶片的托盘，该托盘包括多个双功能压电致动器，该致动器检出全晶片上的压力变化并且是各自可控的；监视读出的压力变化；以及控制各个致动器以提供半导体全晶片上受控的压力分布。

根据本发明的又一个方案，揭示一种计算机可读的存储介质，该存储介质具有存储于其中的指令，用于在化学机械抛光(CMP)系统中执行一种抛光半导体晶片的方法。该CMP系统具有一支承晶片的托盘，及该托盘包括多个双功能压电致动器；各个致动器检出全晶片上的压力变化并且是各自可控的。该方法包括下列步骤：监视读出的压力变化，及控制致动器以提供全晶片上的受控压力分布。各个致动器都包括薄膜双功能压电致动器。并且，计算机可读存储介质可以将有关晶片管芯布局的信息存储于其中；该控制步骤还可以包括控制致动器按照晶片管芯布局提供受控压力分布的步骤。另外，晶片可以具有确定晶片取向的切口，并且该介质具有可以根据切口位置确定晶片取向的算法存储于其中；控制步骤还可以包括执行程序的步骤，利用算法确定托盘上的晶片取向，及根据管芯布局和确定的取向，控制致动器改变压力分布的步骤。

从说明书和附图，将很容易清楚本发明的其它特性和优点。

图1是按照本发明适于控制晶片衬膜致动的机械化学抛光设备侧面局部剖视图；

图2是用于图1设备的托盘部分剖面侧视图；

图3是切除了部分衬膜的图2托盘的部分底面图；

图4是图2托盘的部件分解图；

图5是说明图2托盘的致动器局部立体图；

图6是说明图1的CMP设备的控制系统框图；

图7是相似于图2用按照本发明的压电致动器感生的局部压力变化图。

图8是按照本发明说明晶片内局部压力变化的局部立体图。

开始参照图1，说明化学机械抛光(CMP)设备10。一般，该CMP设备10总体上具有常规的结构，包括圆形抛光台12和旋转的托盘14，然而，如上所述，可以包括宽广的设计范围和创新的工艺。按照本发明，托盘14适用于晶片衬膜的可控致动，如下所述。在制造集成电路时，该CMP设备10用于抛光半导体晶片和含有集成电路的芯片。

参照图2-4，更详细地说明托盘14。该托盘14包括底座16、压电嵌入层18、衬膜20和晶片挡环22。

该底座16包括第1环形体24和具有小于第1环形体24直径的第2中心环形体26。第2环形体26安装在第1环形体24下面。该挡环22具有相当于第2中心体外径的内径，及其外径大致上等于第1环形体24的外径。挡环22的轴向长度大于第2环形体26的轴向长度。挡环围着第2环形体26安装到底座16上，如图2所示，而其下表面28延伸到第2环形体26的下表面32以下，用以限定一圆形空腔30。该压电嵌入层18和衬膜20安置在圆形腔30内，如图2所示。特别是，嵌入层18装到第2环形体的下表面32上而且位于嵌入层18下有衬膜20。由图2可以看出，圆形空腔30的一部分留在衬膜20以下，以便支承半导体晶片，如下所述。

象常规技术的一样，穿过第2环形体26设有多个孔道34，用以与真空连接。该衬膜20包括多个窗口36。该孔道34连接真空源，使用时，把半导体晶片保持在圆形空腔30内。应该指出还有另外一种托盘结构，不采用用背部气垫和/或真空。这里叙述过的发明同样可应用于这些托盘结构。

压电嵌入层18利用多层薄膜，双功能的压电致动器。参照图5，图解说明三个压电致动器41、42和43。如图所示，第1电压致动器41包括x方向上的第1组导线44和y方向上的第2组导线46。在z方向对压电元件41施加压力，就会在相对面附近在x方向跨导线44两端产生电压。相反，在y方向的第2组导线46两端加电压，会在z方向引起压电元件41的膨胀。因此，压电致动器41给在单个装置内的瞬时控制反应提供实时反馈。在抛光过程中，把其小尺寸和灵敏度范围用来完成监视和响应晶片上变化的压力。

虽然没有示出，但致动器42和43包括分开的各条导线而工作相似于致动器41。

正如明显看到的那样，托盘14的具体尺寸、形状和工作范围，作为一个整体决定于晶片尺寸、形状和厚度。每个致动器41-43的具体尺寸和形状决定于待抛光的最小管芯尺寸和芯片大小，即图形密度。尽管图5说明三个致动器，正如显示的那样，但该嵌入层18可以包括有几百个致动器。

虽然说明嵌入层18单独在衬膜20的下面，但也可以不用衬膜20。另一方面，该嵌入层18也可以埋入衬膜20内。埋入的压电致动器对衬膜20材料成分中固有的任何易变性作出补偿。

参照图6，说明根据本发明的控制系统50。所示的控制系统50连接于压电致动器41。该控制系统50包括输入界面电路52、输出界面电路54、及控制器56。输入界面电路52连接到导线44两端，而输出界面电路连接到第2导线46两端。虽然没有示出，但是用在特定托盘14的所有致动器要分别连接到输入电路52和输出电路54。

控制器56包括软件控制的器件，例如微处理器、微控制器、个人计算机等。该控制器56包括适当的存储介质，及按照存入的程序运行来控制各个致动器，例如致动器41的运作。如有需要或要求，控制器的运行可以全自动，半自动或手动操作。在用作全自动系统中，随所有致动器的检测，控制器56读取全晶片上的压力变化，并通过在原地激活几个压电致动器来补偿压力变化，直到整个晶片上压力分布均匀。图7中把晶片W装在托盘14上，特别图示出这一点。压电嵌入层18用图解说明由各个压电致动器，例如致动器41和42读出的局部压力变化。

图8说明分成图解的单芯片61、62、63和64的晶片W剖面。芯片61和63具有低图形密度，它引起相关的致动器41和43被激活。管芯62和64具有较高图形密度，引起相关的致动器42和44不活动。因此，根据本发明，控制系统50形成全晶片W上的均匀压力分布。

在半自动模式下，允许工作人员接替压电嵌入层18阵列内任何元件的致动来增强上述的控制功能。这就可以用于控制全晶片W上的已知比率变化而不是随压力变化。这样的可变量包括待抛光薄膜的不均匀掺杂或进来的不均匀薄膜厚度，但并不限于此。这些状况都要由致动器测出，还有两者对抛光速率都有明显影响。

晶片W可用任何常规的装置装到托盘14上。一般，晶片设有指示基准位置的切口。控制器56启动切口位置算法程序，它连续地激活每个位于膜层20最外围的压电致动器，并读出感应的压力。当位于切口下的元件被激活时，感应的压力小于所有的其它元件。一旦将切口定位和加上真空压力，如上所述，就让晶片W总是保持在已知的取向。

该控制器56包括一适当的存储器，可在存储器内存入各个晶片的布局图及管芯配置图、大小和图形密度。使用切口位置算法，切口一定位，就可按照已知的基准位置，给适当的压电致动器下载适当的晶片布局图。实际上，就是通过激活位于低图形密度区域下的那些元件来重现管芯图形密度变化，跟有关图8的讨论一样，以增加局部压力和加大对那些区域的抛光速率。这就为这种产品型号提供预调整。

因此，根据本发明，设有一种用薄膜双功能压电致动器的激活控制机构，以便在抛光期间在晶片背面形成压力动态再分布。

虽然以具体实施例说明本发明，很明显由上述的说明来看，对于本领域的技术人员，许多的替换、改进和变更是显而易见的。因此，本发明应包括所有属于本发明的构思和以下权利要求书范围内这样的替换、改进和变更。

Claims (20)

1、一种抛光半导体晶片和具有用于晶片的托盘的化学机械抛光抛光设备，该设备包括：

一托盘底座；

安装于底座上用于保持晶片的一晶片挡环；以及

安装于周边挡环内的底座上的多个双功能压电致动器，该致动器检出全晶片上的压力变化并且单独可控地提供全晶片上受控的压力分布。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于各致动器包括薄膜双功能压电致动器。

3、根据权利要求1所述的设备还包括安装在各致动器与晶片之间的底座上的衬膜。

4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于各致动器都埋入衬膜内。

5、一种用于控制被抛光半导体晶片背面上压力分布的化学机械抛光(CMP)控制系统，包括：

CMP设备，该CMP设备具有用于支承晶片的一托盘，该托盘包括多个双功能压电致动器，各致动器检出全晶片上的压力变化并且单独可控；以及

控制器，控制器连接到致动器，用以监视所读出的压力变化和控制各致动器而提供全晶片上受控的压力分布。

6、根据权利要求5所述的CMP控制系统，其特征在于各致动器包括薄膜双功能压电致动器。

7、根据权利要求5所述的CMP控制系统还包括安装在各致动器与晶片之间的底座上的衬膜。

8、根据权利要求7所述的CMP控制系统，其特征在于各致动器都埋入衬膜内。

9、根据权利要求5所述的CMP设备，其特征在于控制器包括一程序控制器，根据晶片的管芯布局控制压力分布。

10、根据权利要求9所述的CMP设备，其特征在于控制器包括一切口定位程序，用于确定托盘内的晶片取向，控制器响应管芯布局和确定后的取向，改变压力分布。

11、一种在化学机械抛光(CMP)系统中抛光半导体晶片的方法包括下列步骤：

提供CMP设备，该CMP设备具有一个支承晶片的托盘，该托盘包括多个双功能压电致动器，各致动器检出全晶片上的压力变化并且各自可控；

监视读出的压力变化；以及

控制各致动器以提供半导体全晶片上受控的压力分布。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于该提供步骤包括提供各致动器，该致动器包括薄膜双功能压电致动器。

13、根据权利要求11所述的方法，其特征是该提供步骤包括提供一安装在各致动器与晶片之间的底座上的衬膜。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于各致动器都埋入衬膜内。

15、根据权利要求11所述的方法，其特征在于控制器包括运行一程序控制器的步骤，根据晶片的管芯布局控制压力分布。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于控制器执行一切口定位程序，以确定托盘内的晶片取向，和控制器响应管芯布局和确定后的取向，改变压力分布。

17、一种计算机可读的存储介质，其中存储有在化学机械抛光(CMP)系统中执行一种抛光半导体晶片的指令，该CMP系统具有一支承晶片的托盘，该托盘包括多个双功能压电致动器，各致动器检出全晶片上的压力变化并且各自可控，该方法包括下列步骤：

监视读出的压力变化，以及

控制致动器以提供全晶片上的受控压力分布。

18、根据权利要求17所述的计算机可读的存储介质，其特征是各致动器都包括薄膜双功能压电致动器。

19、根据权利要求17所述的计算机可读的存储介质，其特征是该介质存有有关晶片管芯布局的信息，并且所述的控制步骤还包括控制致动器按照晶片管芯布局提供受控压力分布的步骤。

20、根据权利要求19所述的计算机可读的存储介质，其特征是该晶片具有一确定晶片取向的切口，所述的介质存有根据切口位置确定晶片取向的算法；所述的控制步骤还包括下列步骤：

执行一程序，利用算法确定托盘上的晶片取向；以及

响应管芯布局和所确定的取向，控制各致动器改变压力分布。

Images