CN1447734A - 低口径化学机械研磨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种化学机械研磨(CMP)系统(200)。一承载体(206)具有一顶面及一底部区域。所述顶面被设计成固定并旋转一晶片(202)，晶片具有待制备的一或多个已形成的层。还包括一制备头(208)，其被设计成可应用到小于晶片表面整个部分的晶片(202)的至少一部分上。较理想的情况是，该制备头(208)与承载体(206)被构型成沿相反方向旋转。此外，制备头(208)还被构型成在从晶片(202)的中心到晶片(202)边缘以及从晶片(202)的边缘到晶片(202)的中心中的一个方向进行直线移动的同时进行摆动。还包括一用于支持晶片顶面的支持头(212)以及一调整头(210)。

Description

低口径化学机械研磨系统
发明背景
1.发明领域
本发明总的涉及化学机械研磨(CMP)系统以及用以改善CMP操作性能和效率的技术。更具体说，本发明涉及一种用于低口径(subaperture)CMP系统的晶片承载体。
2.相关技术描述
在半导体器件的制造中需要进行CMP操作，包括研磨、软料抛光、及晶片清洁。典型地，集成电路器件采用多层结构的形式。在基片层，将形成具有扩散区域的晶体管器件。而在其后的层中，则图案化内连金属化线并使其电连接至该晶体管器件以确定所需的功能器件。如所周知的，通过二氧化硅等介电材料将图案化的导电层与其它的导电层绝缘。而当更多的金属化层及相关的介电层形成时，则平坦化该介电材料的需要即增加。若没有平坦化处理的话，则额外的金属化层的制造将由于表面形状的较大变化而实质上变得更困难。在其它的应用中，将金属化线的图案形成于该介电材料中，然后将进行金属CMP操作以除去过量的金属化。
在该现有技术中，化学机械研磨系统通常采用皮带式、轨道式、或刷洗站，其中以皮带、研磨垫、或刷子对晶片的一面或两面进行擦洗、软料抛光及研磨。而研浆则用以促进并增强CMP操作。最通常是将研浆导入到移动的准备表面上，如，皮带、研磨垫、刷子及类似物等等，且不仅分布于被软料抛光、研磨或以其它方式由CMP处理准备的半导体晶片的表面，还分布于整个准备表面上。而该分布通常由准备表面的移动、半导体晶片的移动及该半导体晶片与该准备表面的间产生的摩擦力的组合所实现的。
在通常的CMP系统中，将晶片安装于承载体上，而该承载体则沿一旋转方向旋转。当在该旋转晶片的暴露表面上应用与研磨垫相抵的作用力时即实现了该CMP处理，研磨垫沿着一研磨垫方向移动或转动。某些CMP处理则需要在该旋转的晶片被研磨垫所研磨时，应用一极大的作用力。
一般，用于CMP系统的研磨垫是由多孔或纤维性材料构成。然而，在某些CMP系统，研磨垫在其整个表面上可具有固定的研磨微粒。而依据所使用的研磨垫种类，将含有分散的研磨微粒的NH4OH或DI水等水溶液所构成的研浆应用至研磨垫上，从而在研磨垫与晶片的间产生一研磨化学溶液。
然而，使用通常CMP系统时，会遭遇各种问题。一种反复发生的问题被称为“边缘效应”，其起因于当CMP系统以不同于晶片其它区域的研磨速率对晶片的边缘进行研磨时，将导致晶片表面产生不均匀的表面轮廓。与边缘效应相关的问题可区分成不同的两种。第一种类型涉及所谓的“研磨垫回弹效应”，起因于研磨垫与晶片边缘的最初接触。第二种类型则如下所述。
图1A示出与现有技术相关的研磨垫回弹效应。将晶片202安装于承载体100上。继而，通过作用力F使晶片202抵靠在研磨垫表面102上，以实现达成CMP处理。而在特定的时间点，研磨垫表面102在边缘接触区域104c接触晶片202的边缘，且研磨垫表面将如所示般从晶片的边缘处弹开，因而产生非接触区域104a。随后，研磨垫表面将在接触区域104b上与晶片202接触。然而，研磨垫表面102会再次从晶片202的表面弹开，而产生另一非接触区域104a。接着，研磨垫表面再次在另一接触区域104b与晶片202接触。然而，它又再次弹开。因此，在晶片202与研磨垫表面102接触的区域中，如接触区域104b中，将比其它区域受以较多的研磨。因此，CMP处理后的晶片将呈现出不均匀的表面轮廓。
“烧毁效应”构成与边缘效应相关的第二种类型问题，其在图1B中示出。如图所示，当晶片202的陡峭边缘与研磨垫表面102(例如，在边缘接触区域104c上)接触时，陡峭边缘被过量研磨，于是发生了烧毁效应。此效应起因于极大的压力作用在晶片202的边缘上，而该压力则由表面研磨垫102应用作用力F到边缘接触区域104c所确定的极小接触面积导致的。烧毁效应的结果为，得到的研磨后晶片的边缘显现出烧毁环，而使得边缘区域无法使用，因而浪费硅器件面积。
已知传统CMP系统的另一缺点为其无法以沿着预期完成的抛光层轮廓对晶片202的表面进行研磨。通常，已经过某些制造处理后的晶片202表面将在其中心区域内具有不同的厚度，且厚度上的变化一直延续到其边缘。如图1C-1所示，在通常的CMP系统中，要设计覆盖整个晶片表面的研磨垫表面102，以在抛光层202a的表面上应用一作用力。因此，抛光层202a的整个区域将被研磨至该抛光层202a是实质上平坦为止。因此，如图1C-2所示，不论抛光层202a是否具有呈波浪形的轮廓，研磨垫表面102表面都研磨该抛光层202a，而这将导致抛光层202a的厚度不均匀(即，处于点202a1、202a2、202a3、202a4等处)。如所周知，某些电路制造应用需要保持特定的材料厚度，以构成工作器件。例如，若抛光层202a为一介电层，则需要特定厚度以便在确定其中的金属线及导电通路。
如上所述，因而本技术领域需要一种化学机械研磨系统，其能实现对特定的晶片表面目标区域进行精度受控制的研磨，同时基本消除有害的边缘效应、研磨垫回弹效应及边缘烧毁效应。
发明简述
概括而言，本发明通过提供一种能实现对晶片的层表面进行精度受控制的研磨的系统来满足上述需求。在一实施例中，该CMP系统被制成可根据晶片的层表面的表面外形变化来生成表面层，所述表面层始终具有均匀的厚度。在一优选实施例中，该CMP系统被设计成在低口径研磨结构中实现一旋转的承载体，从而消除上述的边缘效应、研磨垫回弹效应及边缘烧毁效应等缺点。应知道，本发明可以多种方法实现，包括工艺、设备、系统、装置或方法。以下将说明本发明的几个实施例。
在一实施例中，公开一种化学机械研磨(CMP)系统。该CMP系统包含一承载体，其具有一顶面及一底部区域。该承载体的顶面被设计成可固定和旋转一晶片，而晶片具有待制备的一个或多个形成层。还包括一制备头，其被设成可被应用到小于晶片表面全部的晶片的至少一部分。
在另一实施例中，还批露一种化学机械研磨(CMP)系统。其中一承载体被设计成可将一基片在一固定位置并使的旋转。承载体包括一待制备的表面。还包括一主研磨头。主研磨头被设计成在该旋转的承载体的所述固定位置上方沿着第一或第二方向之一进行移动。所述第一方向是从基片表面的大致中心开始到该基片表面的大致边缘处，而第二方向是从基片表面的大致边缘处到该基片表面的大致中心。该主研磨头还被设计成应用到小于基片表面整个部分的一部分表面上。
在另一实施例中，还公开一种化学机械研磨(CMP)系统。该CMP系统包括一具有一顶面及一底部区域的承载体。承载体的顶面被设计成可固定和旋转一晶片，所述晶片具有待制备的一或多个已形成的层。还包括一制备头，其被设计成应用到小于晶片表面整个部分的晶片表面的至少一部分上。还包括一调整头，其位于承载体的旁边。所述调整头被设计成具有一调整表面，该调整表面与晶片的顶面基本上共平面。调整头进一步被设计成当制备头移动至晶片的顶面上时可交出所述制备头。也可以是，调整头被设计成当制备头移动至所述调整头上时可接收所述制备头。
本发明的优点很多。首先，本低口径CMP系统并不是研磨晶片的整个表面区域直到晶片表面基本上平坦为止，而是精确且可控制地研磨晶片表面的特定目标区域。因此，在一实施例中，CMP系统被制成可按照抛光层的表面形状进行研磨，因而可产生一具均匀厚度的抛光层。此外，采用了与承载体结合的CMP系统，故基本上消除与现有技术有关的边缘效应、研磨垫回弹效应及边缘烧毁效应。与低口径CMP系统有关的其它优点包括但不限于很小的占地面积、机器体积及物质成本。
本发明的其它方面及优点将可由随后结合附图的详细说明了解，附图通过举例方式示出本发明的构思。
附图简要说明
通过下面结合附图的详细说明将更容易理解本发明，其中相似的附图标记表示相似的结构。
图1A示出与现有技术相关的研磨垫回弹效应。
图1B示出与现有技术相关的边缘烧毁效应。
图1C-1为一晶片的横剖面图，显示晶片的不均匀表面形状。
图1C-2为一通常的CMP处理后的晶片的横剖面图。
图2A-1为依据本发明的一个实施例的低口径CMP系统的平面视图。
图2A-2为依据本发明的一个实施例的低口径CMP系统的横剖面图，显示保持环与晶片的间的共平面关系。
图2A-3为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，显示主研磨头从晶片中心移动到晶片边缘的情况。
图2A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，显示次研磨头的固定位置。
图2B-1为依据本发明的一个实施例当主研磨头的边缘处于晶片中心处时的接触面积的示意图。
图2B-2为依据本发明的另一实施例当主研磨头已从晶片中心移走后的接触面积的示意图。
图2B-3为依据本发明的另一实施例当主研磨头到达晶片边缘时的接触面积的示意图。
图3A-1为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，示出主研磨头与次研磨头相对于承载体的各位置。
图3A-2为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，不仅示出主研磨头边缘的位置在晶片的中心处并且次研磨头边缘的位置在晶片中心的略偏左侧，还示出保持环与承载体的共平面关系。
图3A-3为低口径CMP系统的平面视图，示出主研磨头与次研磨头在相反方向上直线移动。
图3A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，描绘出次研磨头的非静态位置。
图4A-1为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，其中将主研磨头边缘设置在晶片的边缘，同时将次研磨头边缘设置在晶片中心。
图4A-2为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，示出次研磨头相对于直线移动固定点(standpoint)的静态位置。
图4A-3为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，其中主研磨头边缘已从晶片边缘直线地移动到晶片中心。
图4A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，描绘出主研磨头的直线移动及次研磨头相对于直线移动固定点的固定位置。
图5A-1为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，显示主研磨头与次研磨头相对于承载体的各位置。
图5A-2为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，其中描绘出主研磨头与次研磨头分别位于晶片相对的边缘上。
图5A-3为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，其中主研磨头与次研磨头已从晶片相对的边缘直线地移动到晶片中心。
图5A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，描绘出主研磨头与次研磨头的直线移动。
图6A-1为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，其中主研磨头边缘与次研磨头边缘位于晶片中心。
图6A-2为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，描绘出主研磨头边缘的位置与次研磨头边缘的位置大约在晶片中心。
图6A-3为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，其中主研磨头与次研磨头已在相同方向上直线地移动。
图6A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，显示主研磨头与次研磨头在相同方向上的直线移动。
图7A-1为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，描绘出主研磨头边缘与次研磨头边缘相对于承载体的各位置。
图7A-2为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，示出主研磨头与次研磨头的移动方向。
图7A-3为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，描绘出主研磨头边缘与次研磨头边缘从晶片边缘直线移动到晶片中心的情况。
图7A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，其中主研磨头与次研磨头已在相同方向上直线地移动。
图8A-1为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，其中支持点用于支持晶片。
图8A-2为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，示出承载体上的支持点相对于主研磨头的位置。
图8A-3为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的平面视图，不仅示出主研磨头边缘从晶片中心直线地移动到晶片边缘的情况，还示出支持点的固定位置。
图8A-4为依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统的横剖面图，其中主研磨头已从晶片中心直线地移动到晶片边缘。
图9A-1为依据本发明的另一实施例的利用支持点的低口径CMP系统的平面视图，其中将主研磨头边缘设置在晶片边缘。
图9A-2为依据本发明的另一实施例的利用支持点的低口径CMP系统的横剖面图，示出主研磨头边缘位置在晶片的边缘。
图9A-3为依据本发明的另一实施例的利用支持点的低口径CMP系统的平面视图，其中主研磨头边缘已从晶片边缘直线地移动到晶片中心。
图9A-4为依据本发明的另一实施例的利用支持点的低口径CMP系统横剖面图，描绘出主研磨头沿晶片边缘到晶片中心方向的移动。
图10A-1为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的平面视图。
图10A-2为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的横剖面图，其中主研磨头边缘被设置在晶片中心。
图10A-3为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的平面视图，描绘出主研磨头沿晶片中心到晶片边缘方向的直线移动。
图10A-4为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的横剖面图，其中主研磨头边缘已从晶片中心移动到晶片边缘。
图11A-1为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的平面视图，这些支持点大致位于主研磨头边缘的相对位置。
图11A-2为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的横剖面图，其中将主研磨头边缘设置在晶片边缘处。
图11A-3为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的平面视图，其中主研磨头边缘已从晶片边缘移动到晶片中心。
图11A-4为依据本发明的另一实施例的利用多个支持点的低口径CMP系统的横剖面图，描绘出主研磨头沿晶片中心到晶片边缘方向的移动。
图12为依据本发明的另一实施例的非万向接头固定的低口径CMP系统横的剖面图。
优选实施例的详细说明
以下将说明一种用于CMP系统的发明，该系统可对晶片的层表面进行精度受控制的研磨。该CMP系统可基本上消除上述的边缘效应、研磨垫回弹效应及边缘烧毁效应，而同时有效地控制选择的晶片区域上的研磨程度。在多个优选实施例中，该CMP系统提供了一以低口径研磨结构实现的晶片承载体。这里所述低口径研磨结构被定义为这样一种结构，其中研磨垫与晶片接触的接触表面在某些的时间点时小于晶片的表面。
在以下的说明中，为了提供对本发明的彻底理解，将对许多具体的细节予以说明。然而，应理解的是，对本领域技术人员来说，可在不需某些或所有具体的细节的情况下实施本发明。在其它情况中，没有详细地说明熟知的工艺操作以避免使本发明难以理解。
图2A-1为依据本发明的一实施例的低口径CMP系统200的平面视图。图2A-1的实施例包括一主研磨头208，其被构型成可研磨晶片202的表面。主研磨头208被设计成可利用任何类型的研磨垫来研磨晶片202，所述研磨垫包括(但不限于)直线研磨技术(LPT)研磨垫材料、转动CMP研磨垫材料、固定研磨垫材料等等。一般而言，能达到期望的研磨水平与精度的研磨垫材料都可使用。
通过在晶片202的不同区域采用不同或相同的去除速率，系统200的低口径结构可使该研磨操作具有弹性。不像已知的整个研磨头与晶片的整个表面接触的传统CMP系统，在低口径CMP系统200中，在任何给定的时间，主研磨头208与晶片202间的接触面大小可改变。具体而言，在已知的CMP系统中，研磨头施力于晶片的整个表面上，从而从晶片的整个表面上去除材料，以产生一基本平坦的晶片。相比之下，在低口径CMP系统200中，主研磨头208仅施力至选定的晶片202的区域上，从而在一特定时间仅从这些选定的区域去除过量的材料。
而由于晶片接触面的面积改变(例如，在研磨垫接触晶片的位置处)，所以该去除速率也将依据普雷斯顿公式(Preston’s Equation)而改变。根据普雷斯顿公式，研磨去除速率＝Kp×P×V，其中材料的研磨去除速率为向下作用力(P)与线速度(V)的函数，而Kp则为普雷斯顿系数(Preston Coefficient)，其是由研浆的化学组成(或固定的研磨材料与化学成分等)、工艺温度及研磨垫表面以及其它因素所决定的常数。因此，当主研磨头208与晶片202的间的接触面愈小时，则该表面材料的去除速率将愈大。在一实施例中，控制主研磨头208在晶片202上的位置的能力亦可使材料的研磨操作沿着期望的晶片202的表面形状去除材料，而并非研磨晶片202的整个表面，直到实现大致平坦的表面为止。
在本实施例中，将承载体206设置于主研磨头208的下方，并被构型成可利用保持环204与晶片202接合。较理想的情况是，该保持环204被确定为当晶片202被主研磨头208所研磨时，能与晶片202保持共平面的关系。该保持环204由坚硬的材料所构成，其能承受重复的研磨、软料抛光及清洁(即，SiC)。较理想的情况是，承载体206的方位被确定成使晶片202的露出表面面向主研磨头208。在研磨期间，晶片202被构型成沿晶片旋转方向209旋转，并将主研磨头208设计成沿相反方向(制备方向207)旋转。主研磨头208除了沿制备方向207旋转外，其还被构型成能在沿摆动方向211进行很小的量往复移动，以产生一摆动运动。因此，主研磨头208在旋转时，亦同时在摆动方向211进行摆动，从而改善在晶片202上进行的研磨操作。
在一示范实施例中，主研磨头208可被构型为与承载体206具有大约相同的尺寸。然而，在不同的实施例中，较理想的情况是，主研磨头208可被设计成与晶片202具有大约相同的尺寸。因此，在主研磨头208的尺寸与晶片202的尺寸不同(即，主研磨头208小于或大于晶片202)的各实施例中，可改变承载体206的角速度，从而使承载体206的角速度与主研磨头208的角速度匹配。
在另一实施例中，低口径CMP系统200则具有次研磨头212，其设置在主研磨头208的左侧并位于承载体206的上方。在该例子中，次研磨头被构型成当晶片202被主研磨头208研磨时，对晶片202提供额外的支持。在一实施例中，除了对晶片提供额外的支持外，亦将次研磨头212设计成用作软料抛光器或清洁器。次研磨头212可以是固定的或移动的，且如同主研磨头208般，以一角速度在制备方向207上旋转。
在另一实施例中，可将调整头210设计在该承载体206的右侧，并在主研磨头208的下方，以便能调整主研磨头208。如同主研磨头208与次研磨头212般，调整头210亦在制备方向207上旋转。
最初，在图2A-1的实施例中，将主研磨头208的边缘确定在一位置X0处，而该位置确定晶片202的中心。因此，通过将主研磨头208的边缘设置在位置X0时，便可使次研磨头212的边缘被置于略偏X0的左侧处。而通过将次研磨头212的边缘置于略偏X0的左侧处，则在方向211上摆动的主研磨头208便能研磨晶片202的整个表面。因此，由于该小幅的摆动，故较理想的情况是主研磨头208接触晶片202的略偏于X0左侧处的表面。
图2A-2为图2A-1的实施例的横剖面图，示出保持环204与晶片202的共同面关系。在一较佳实施例中，将万向接头216设置在该承载体206的下方，并被限定为在研磨、软料抛光或清洁操作期间内使承载体206与该移动的主研磨头208或次研磨头212对准。将万向接头216安装于延伸的心轴224上，该心轴沿晶片旋转方向209旋转。并将该延伸的转轴224构型成施一作用力F至该承载体206上。
又如图2A-2的实施例所示，该固定式的调整头210安装在调整心轴226上。而该调整心轴226则构型为施一作用力F到调整头210上。并将承载体206与调整头210构型为可分别沿着心轴224与调整心轴226上下地移动，以便调整应用到承载体206与调整头210的作用力F的大小。
如图所示，最初，将主研磨头208的边缘设置在位置X0处，并将其构型成在移动方向214上进行直线运动。而图中亦显示，次研磨头212的边缘处在略偏位置X0的左侧处。在本实施例中，将次研磨头212构型成静态的(相对于该直线运动而言)。然而，较理想的情况是，次研磨头212将沿着制备方向207旋转。
图2A-3为图2A-1的实施例的平面视图，其中主研磨头208的边缘已从位置X0移动的位置X1，这样可以确定移动方向214上的晶片边缘。图2A-4为图2A-3的低口径CMP系统200’的横剖面图。如图所示，次研磨头212保持静态。
在本实施例中，该研磨操作是从主研磨头208的边缘研磨晶片202的中心开始的。由于本系统的低口径结构，因此在特定的时间点，接触面积(即，晶片202被主研磨头208所研磨的面积)的尺寸并不同，且因而去除速率也不同。在接触面积较小时(即，在位置X0附近的接触面积)，去除速率较大。相较之下，在接触面积较大的情况时(即，接近位置X1时的接触面积)，去除速率则较小。然而，应注意到，被去除的材料多少取决于晶片202的研磨区域内的轮廓。例如，若晶片202的研磨区域内的轮廓最初就是平的，则主研磨头208必须去除过量的材料，才能得到平坦的研磨表面；然而，若期望的轮廓是不平坦的，则主研磨头208在去除预期的材料量时，可产生被研磨区域内的轮廓。
一旦从晶片202中心附近的区域去除所有预期的材料量(例如，表面层材料)后，通过精确地控制主研磨头208的边缘到不同的位置而继续进行该研磨操作，其中不同的位置逐渐远离位置x0但靠近位置x1。因此，令主研磨头208直到最后才研磨晶片202的边缘，从而可利用较好地对晶片202的边缘材料去除的控制。
除了控制晶片202的边缘的去除率，本实施例还由于利用保持环204而将该承载体206设计成与晶片202接合，因此可消除边缘效应、研磨垫回弹效应及边缘烧毁效应。晶片202与保持环204间存在的共平面关系产生一种配置，其中当晶片202被主研磨头208所研磨时，保持环204支持着晶片202。因此，该共平面的配置将允许主研磨头208持续地研磨，并到晶片202的边缘为止，而不会如现有技术所经常发生的那样从晶片202的最边缘下落或过度地研磨晶片的边缘。
应注意到，由于在该低口径CMP系统200’进行改进的研磨操作，因此将产出较佳的研磨晶片202。不像传统的CMP系统中所采用的研磨操作，本发明是通过主研磨头208在制备方向207上旋转，并同时在摆动方向211上摆动而进行研磨操作。
图2B-1、图2B-2及图2B-3则示出在不同的时间点，接触面积的尺寸上的不同。在图2B-1的一个示范实施例中，最初，将主研磨头208的边缘设置在该位置x0处，即晶片202的中心，因而产生接触面积230。如图所示，主研磨头208与晶片202相交于点232a及点232b，因此产生接触面积230，其被确定为圆弧线234与圆弧线236所围出的面积。
继而，直线地移动主研磨头208，以使其边缘更远离晶片202的中心，因此产生较小的接触面积230’。图2B-2的实施例显示出该接触面积230’，其被确定为圆弧半径232a’与圆弧半径232b’之间的面积，而这些圆弧半径则由于主研磨头208与晶片202在点232a’及232b’处相交所产生。如图2B-3的实施例所示，一旦主研磨头208的边缘几乎到达晶片202的边缘时，则产生一很小的接触面积230”。如图所示，该接触面积230”为由圆弧半径236”与圆弧半径234”之间形成的小面积，而这些圆弧半径则由主研磨头208与晶片202的在232a”及232b”的相交所确定。因此，当主研磨头208的边缘从位置x0移动到位置x1时，接触面积将变小，因而可使主研磨头208在相当靠近晶片202边缘的区域进行精确的研磨操作。虽然主研磨头208是从位置x0移动到位置x1，但本领域技术人员显然知道，主研磨头208亦可从位置x1移动到位置x0，并从位置x0移动到位置x-1。
同样地，在图3A-1及图3A-2的实施例中，将主研磨头208确定在位置x0，以便将次研磨头212的边缘设置在略偏位置x0的左侧处。在本实施例中，当次研磨头212在制备方向207旋转时，其同时被设置成在移动方向222上进行直线移动。当次研磨头212移动时，位置x0处的主研磨头将朝反方向进行直线移动，即在移动方向214上进行直线移动，并同时在摆动方向211摆动。在一优选实施例中，次研磨头212与主研磨头208可被构型为都大约相同的线速度进行移动。然而，在其它实施例中，主研磨头208与次研磨头212的线速度可以不同，并会依据期望的加工方法而改变。
图3A-3及图3A-4描绘出低口径CMP系统200a’，其中主研磨头208的边缘已从位置x0移动到位置x1，同时次研磨头212的边缘已从位置x0移动到位置x-1，而在移动方向222上该位置x-1则确定了晶片202的边缘。由晶片202与保持环204的共平面配置所提供的支持作用则允许主研磨头208与次研磨头212持续地研磨到晶片202的边缘，且不会从晶片202的边缘下落。因此，通过最终研磨晶片202的边缘的方式，可使该低口径CMP系统200a’精确地研磨晶片202的边缘。
图4A-1及图4A-2的实施例描绘出低口径CMP系统200b，其中将其中所述次研磨头212的边缘设置在位置x0处。在本实施例中，将次研磨头212设计成固定式(相对于直线移动固定点而言)，而较理想的情况是，同时令其在制备方向207上旋转。在另一实施例中，可将次研磨头212设置成非旋转的结构。如图所示，将主研磨头208的边缘设置在位置x1处，即设置在沿移动方向214的晶片202的边缘处。如图4A-3及图4A-4的实施例所示，主研磨头208的边缘已从位置x1直线地移动到位置x0，同时次研磨头212则保持固定。因此，通过先精确研磨晶片202的边缘，再研磨晶片202的中心的方式，可使低口径CMP系统200b’具有极大的弹性，同时消除上述的边缘烧毁效应及/或研磨垫回弹效应。
在图5A-1及图5A-2的实施例中，将主研磨头208设置在位置x1处，即设置在沿移动方向214的晶片202边缘处，同时将次研磨头212的边缘设置在位置x-1处，即设置在沿移动方向222的晶片202边缘处。并将主研磨头208与次研磨头212两者构型成在制备方向207上旋转。且除了旋转之外，主研磨头208还被设置成，当次研磨头212在相反方向(即移动方向222)直线地移动时以大约相同的线速度在移动方向214上直线地移动。在一实施例中，次研磨头212在晶片202被主研磨头208研磨的期间内不仅支持晶片202，还具有软料抛光或清洁的额外功能。
低口径CMP系统200c’表示图5A-1的实施例，其中主研磨头208与次研磨头212都直线地移动。如图所示，主研磨头208已从位置x1(即沿移动方向214的晶片202边缘)移动到位置x0(即晶片202的中心)。同时，次研磨头212已从位置x-1直线地移动到位置x0。如此一来，200c’系统可控制晶片202表面的特定目标区域(即晶片202的最边缘)的研磨，且不需应付现有技术的缺点(即，边缘烧毁效应或研磨垫回弹效应)。
将图6A-1及图6A-2的实施例的主研磨头208设计成在制备方向207上旋转，同时在摆动方向211上摆动。并进一步将主研磨头208构型成在移动方向214上进行直线移动。如图所示，将主研磨头208的边缘设置在位置x0处，以便使次研磨头212的边缘被设置在略偏位置x0的左侧处。在本实施例中，亦将次研磨头212设计成在制备方向207上旋转，同时在移动方向214上进行直线移动。在一实施例中，当晶片202正被主研磨头208所研磨时，次研磨头212除了具有地撑晶片202的功能，还具有软料抛光或清洁的功能。
图6A-3及图6A-4表示图6A-1的实施例在主研磨头208从位置x0直线地移动到位置x1后的状态。还示出次研磨头212从位置x0同时地移动到位置x1后的状态。应注意到，由于当由位置x0移动到位置x1时，主研磨头208的线速度大约与次研磨头212的线速度相同。因此，在特定的情况下，低口径CMP系统200d’具有先研磨晶片202中心，从而从晶片202的中心处去除表面材料，然后再从边缘区域去除任何材料的能力。而该能力将允许CMP系统为了去除表面材料而可沿着预期的晶片202的表面形状研磨晶片202的表面。另外，通过直到最后才研磨晶片202的边缘，低口径CMP系统200d’可对表面材料的去除进行更好的控制，以消除现有技术的相关缺点。
如图7A-1及图7A-2所示，在200e的低口径CMP系统中，将主研磨头208的边缘设置在位置x1处，即设置在沿移动方向214的晶片202边缘，从而使次研磨头212的边缘被设置在略偏位置x1的左侧处。在本实施例中，将次研磨头212设计成在移动方向222上进行直线移动，并同时旋转。同样地，主研磨头208被确定为沿直线方向214进行直线移动，同时在制备方向207上旋转并在摆动方向211上摆动。且将主研磨头208与次研磨头212设计成以相当的线速度移动。
图7A-3及图7A-4则描绘出图7A-1的实施例在主研磨头208与次研磨头212以一相当的线速度沿直线移动方向222移动后的状态。如图所示，主研磨头208的边缘已从位置x1直线地移动到位置x0，同时次研磨头212的边缘亦已从位置x1直线地移动到位置x0。图7A-3及图7A-4示出有弹性的低口径CMP系统，其中一开始可在不受现有技术的研磨垫回弹效应与边缘烧毁效应影响的情况下，研磨晶片202的边缘。
图8A-1为依据本发明的一实施例的低口径CMP系统200f的平面视图。本实施例的主研磨头208被确定为在制备方向207上旋转，同时在摆动方向211上摆动。在一实施例中，较理想的情况是将该低口径CMP系统200f设计成具有支持点220，而不具有次研磨头212。并将支持点220构型成当晶片202被主研磨头208研磨时，可支持保持环204。在一实施例中，将该支持点220设置在与主研磨头208相对称的的位置，以产生一等于由旋转的主研磨头208所产生的力矩。在一实施例中，将支持点220设计成为刚性的。然而，在不同的实施例中，支持点220可被设计成在利用一自动机构研磨晶片202时，用于支持保持环204，以产生可与旋转的主研磨头208所产生的力矩相当的程序控制的作用力。支持点220可无限制地利用任一种作用力输出装置(包括气动输出装置、液压输出装置、电磁输出装置或机械输出装置)来支持晶片202。进一步地，可使用开放式回路系统或封闭式回路系统实现该支持点220，其中可监测所产生的作用力及/或反馈。一般而言，可使用任一种能产生一程序控制的作用力的作用力输出装置，以补偿主研磨头208所产生的力矩。
图8A-2为图8A-1的实施例的横剖面图，其示出与保持环204和晶片202的共平面关系相关的支持点220的位置。如图所示，一开始将主研磨头208的边缘设置在位置x0处(即晶片202的中心)。
图8A-3及图8A-4的低口径CMP系统200f’则描绘出图8A-1的实施例，其中主研磨头208的边缘已从位置x0移动到位置x1。如图所示，主研磨头208从晶片202的中心处开始研磨晶片202。而当主研磨头208持续地研磨晶片202的表面时，支持点220将通过应用到保持环204上的作用力而支持晶片202，以补偿由主研磨头208产生的力矩。由于通过支持点220支持晶片202，所以当晶片202被主研磨头208研磨时，低口径CMP系统200f’将可在不会面临现有技术的有关缺点的情况下，研磨到晶片202的最边缘。
在图9A-1及图9A-2的实施例中，当保持环204固定被主研磨头208所研磨的晶片202时，由支持点220施力到保持环204上。在本实施例中，将主研磨头208的边缘设置在位置x1处，同时将支持点220设置在保持环204上的对称相对点。如图9A-3及图9A-4的实施例所示，主研磨头208已沿着移动方向222，从位置x1(即晶片202的边缘)移动到位置x0(即晶片的中心)。因而可使低口径CMP系统200g’在不会面临现有技术的研磨垫回弹效应及边缘烧毁效应的情况下，研磨到晶片202的最边缘。
在低口径CMP系统200h的一实施例中，可采用多个支持点220。如图10A-1及图10A-2的实施例所示，当保持环204在晶片202被主研磨头208研磨时将其固定的同时，两个支持点220被用于在保持环204上应用力。在本实施例中，将主研磨头208的边缘设置在位置x0处时，同时将支持点220设置在保持环204上的相对位置。所述多个支持点220支持着保持环204，从而通过产生一与主研磨头208所产生的力矩相当的力矩来支持晶片202。
采用多个的支持点220的优点在主研磨头208研磨晶片202的边缘时变得尤其明显。图10A-3及图10A-4的实施例描绘出主研磨头208的边缘已从位置x0移动到位置x1时的低口径CMP系统200h’。如图所示，主研磨头208从位置x0移动到位置x1(即移动到晶片202的边缘)，支持点220支持着保持环204，因而支持住晶片202。保持环204与晶片202间的共平面关系以及由这些支持点220所提供的支持允许研磨头208研磨到晶片202的边缘，而不会从晶片202的边缘下落。
图11A-A及图11A-2描绘出依据本发明的另一实施例的低口径CMP系统。本实施例也采用多个支持点220，在由主研磨头208对晶片202进行研磨时由保持环204固定住晶片202的同时，所述多个支持点在保持环204上应用作用力。在本实施例中，将主研磨头208的边缘设在位置x1处，同时将多个支持点220设置在保持环204上的相对位置处。如图11A-3及图11A-4的实施例所示，主研磨头208已从位置x1移动到位置x0。这些支持点220可使主研磨头208在不产生任何研磨垫回弹效应或边缘烧毁效应的情况下，从晶片202的最边缘处开始研磨。
图12描绘出本发明的非万向接头的示范实施例。如图所示，将承载体206设置在延伸的心轴224上，同时与保持环204接合，而该保持环204固定着晶片202。当主研磨头208研磨晶片202时，支持点220施力到保持环204上。较理想的情况是，本实施例需要利用主研磨头208，当主研磨头208被应用到承载体头206上时，主研磨头208相对承载体206进行调整。具体言的，将主研磨头208被构型成可正确地应用适当大小的作用力到承载体206上，以避免主研磨头208与该承载体206间产生不适当的倾斜接触。
本领域技术人员应理解，本发明可以这样一种方式实施，使得其包括一可监测抛光层厚度(例如，例如任意一或多个被制备/研磨的层/膜的厚度)、材料去除速率，和/或抛光层轮廓。但在上述示范的实施例中未示出这样的检测系统。而且，尽管在上述示范实施例中，水平地配置晶片202与其它元件，但本发明可采用使晶片202呈任一方位(即，上倾或下倾)的方式而实现。最后，本发明可实现为使得所采用的轴运动、作用力、流程及工艺参数可以完全是程序控制的。
尽管上面为了清楚地理解本发明的目的通过一些细节描述了本发明，应理解，在后附权利要求书的范围内还可以实现某些改变和改进。例如，所述实施例可应用于任何基片，例如，储存介质盘片、半导体晶片(例如，200mm晶片、300mm晶片等等)及其它需要进行研磨、平坦化、软料抛光或其它适当的制备操作的基片。因此，本实施例应被视为举例性的而非限制性的，且本发明并不限于这里给出的细节，在后附权利要求书的范围及其等效方案的范围内可以作出改进。

Claims (23)

1.一种化学机械研磨系统(CMP)，包括：
一承载体，其具有一顶面及一底部区域，顶面被构型成可固定并旋转一晶片，该晶片具有待制备的一或多个形成的层；以及
一制备头，其被构型成可应用到晶片，使得该制备头重叠于小于晶片表面整个部分的晶片表面的至少一部分上。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述承载体被构型成沿晶片旋转方向旋转。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述制备头被设计成沿制备方向旋转，所述制备方向被设置成一与晶片旋转方向相反的旋转方向。
4.如权利要求3所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述制备头被构型成以一程序控制的速率进行摆动，并且所述摆动被设置成当制备头在晶片的中心与晶片的一边缘间移动时发生。
5.如权利要求4所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述制备头被设计成不仅沿从晶片边缘至晶片中心的方向直线地移动，还沿从晶片中心到晶片边缘的方向直线地移动。
6.如权利要求1所述的化学机械研磨系统(CMP)，还包括：
一固定到所述承载体的底部区域的万向接头，所述万向接头被构型成当所述承载体接收制备头时可调节该承载体。
7.如权利要求1所述的化学机械研磨系统(CMP)，还包括：
一与所述承载体的顶面接合的保持环，该保持环被构型成可固定所述晶片。
8.如权利要求1所述的化学机械研磨系统(CMP)，还包括：
一调整头，其位于所述承载体的旁边，该调整头具有一调整表面，该调整表面与晶片的顶面基本上共平面，并被设计成当制备头被移动至晶片的顶面上或调整头上时交出或接收制备头。
9.如权利要求8所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述调整头被构型成沿所述制备方向旋转。
10.如权利要求1所述的化学机械研磨系统(CMP)，还包括：
一位于承载体上方的支持器，其被构型成可支持晶片的顶面。
11.如权利要求10所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述支持器为次研磨头与至少一个支持点两者之一。
12.如权利要求11所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中次研磨头被构型成可被应用到小于晶片整个部分的所述晶片的至少一部分上。
13.如权利要求12所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述次研磨头被构型成沿所述制备方向旋转。
14.如权利要求13所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述次研磨头被构型成不仅沿着大致晶片边缘与晶片中心之间的方向直线地移动，并沿着大致晶片中心与晶片边缘之间的方向直线地移动。
15.如权利要求11所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述次研磨头被构型成支持器、软料抛光器及清洁器中的一个。
16.如权利要求11所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述支持点被构型成在保持环上施加作用力以支持所述晶片。
17.一种化学机械研磨系统(CMP)，包括：
一承载体，其被设计成可在一固定位置固定并旋转一基片，所述基片具有一待制备的表面；及
一主研磨头，其被构型成在旋转的承载体的固定位置上方沿第一方向或第二方向直线地移动，所述第一方向是由基片表面的大致中心向着基片表面的一大致边缘，而第二方向是由基片表面的该大致边缘向着基片表面的大致中心，主研磨头被应用至所述基片上，使得该主研磨头重叠于小于基片表面整个部分的基片表面的至少一部分上。
18.如权利要求17所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中承载体被设计成沿一晶片旋转方向旋转。
19.如权利要求18所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中主研磨头被构型成沿一制备方向进行旋转，所述制备方向被确定为与晶片旋转方向的相反的旋转方向。
20.如权利要求19所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中主研磨头被构型成可进行摆动。
21.一种化学机械工研磨系统(CMP)，包括：
一承载体，其具有一顶面及一底部区域，该顶面被构型成固定并旋转一晶片，所述晶片具有待制备的一或多个已形成的层；
一制备头，其被构型成可应用到所述晶片，使得所述制备头重叠于小于晶片表面整个部分的晶片表面的至少一部分上；
一调整头，其位于所述承载体的旁边，该调整头具有一调整表面，所述调整表面与晶片的顶面基本上共平面，并被设计成当制备头被移动到晶片的顶面上或调整头上时可交出或接收该制备头。
22.如权利要求21所述的化学机械研磨系统(CMP)，其中所述承载体被构型成沿晶片旋转方向旋转，且所述制备头被设计成沿制备方向旋转，所述制备方向被设置成一与晶片旋转方向相反的旋转方向。
23.如权利要求21所述的化学机械研磨系统(CMP)，还包括：
一万向接头，其被固定于所述承载体的底部区域，该万向接头被构型成当承载体接收所述制备头时可调节该承载体。
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