CN1460042A - 基板的化学机械抛光装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种具有晶片载体组件的化学机械抛光系统，晶片载体组件包括一个晶片载体支撑架(52)、一个可转动地安装在晶片载体支撑架上的晶片载体头罩(56)，晶片载体基座带有可操作地将晶片载体基座连接到晶片载体头罩上的囊状膜盒。还提供一个保持环(96)它连到保持环轴承(142)上，允许保持环和晶片载体头罩之间作相对的轴向移动，同时限制它们之间的相对的径向移动，保持环膜盒(144)将保持环推靠抛光构件。由囊状膜盒、晶片载体基座和晶片载体头罩形成的腔可以加压，在不受保持环上的摩擦载荷的影响下，对晶片载体基座和晶片加载，使晶片贴靠抛光构件。

Description

基板的化学机械抛光装置和方法

发明简述

本发明关于用于化学机械抛光机的薄片、尤其是基板或晶片载体的化学机械抛光的新型和改进的装置和方法。

相关申请

本专利申请与共同悬置的专利申请系列号09/628471(代理人文件号A-69174/MSS)和09/628962(代理人文件号A-69228/MSS)有关，两个申请同时提出，其全文在此作为参考。

发明背景

由于装置的密度增大，半导体制造变得越来越复杂。这种高密度电路通常要求非常密集的金属互连线和形成在顶部和互连线之间的如氧化物之类的多层绝缘材料。半导体晶片或基板的表面平整度随着沉积层数的增加而减小。通常一层的表面将具有与下层一致的构形，当层数增大时，就会有表面不平整的问题。

为解决这个问题，人们采用了化学机械抛光(CMP)法。该CMP法从晶片表面除去材料，以提供基本平担的表面。最近CMP法还用来制造互连线。例如，当沉积铜引线或互连线时，整个金属层沉积在具有形成在氧化物层上的槽的晶片表面上。该金属层可用阴极溅镀或蒸汽沉积、或用任何其它合适的普通的技术来进行沉积。如掺杂或不掺杂二氧化硅的氧化物层通常用化学蒸汽沉积(CVD)形成。该金属层盖住晶片的整个表面并伸入槽中。此后，单独引线16由从氧化物表面上除去金属层确定。该CMP法可用来除去留在槽中的引线的表面金属，这些引线通过插入氧化物层而相互绝缘。

通常，为了进行CMP法，采用了一种化学机械抛光机，在半导体工业中采用了多种CMP机。CMP机通常采用转动的抛光平台，平台上具有抛光垫，由此来使载有晶片的小直经的转动的晶片载体平整和/或抛光。转动晶片的表面保持或推靠着转动的抛光垫，在晶片抛光时，桨液送到抛光垫的表面上。

在美国专利NO.5964653中描述了这种先有技术系统的一个例子。由该专利‘653公开的载体头包括一个基部和连到该基部上以确定第一、第二和第三腔的柔性件。腔内的压力可独立控制，这样贴靠晶片的柔性件的相应部分的偏压力是可独立控制的。‘653专利的载体头还包括可装到一驱动轴上的法兰和一个可转动地将法兰连到基部上的万向接头。该万向接头包括连到基部上的内环滚道、连到法兰上以在其间确定一个间隙的外环滚道，和一个定位在该间隙中的多个轴承。

由于在已知的CMP系统中用万向接头来使晶片载体与抛光垫对准。在抛光期间，就不可隔离由于对晶片的压力分布而在晶片上产生的摩擦载荷。特别是由万向接头提供的多自由度可能会非常不利地将通常平行于晶片表面的摩擦载荷转换成垂直于晶片表面延伸的垂直力，从而直接影响晶片对抛光垫的压力。这些对晶片的摩擦力影响晶片上的压力分布，进而不利地影响从晶片表面除去材料的一致性。因此需要有一种改进的CMP装置和方法。

发明目的和内容

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的化学机械抛光(CMP)装置和方法。

更具体地说，在本发明的一个方面中，提供一种CMP装置和方法，它包括一个晶片载体，能使晶片保持成晶片对抛光垫的压力分布不受抛光过程中加在晶片上的摩擦载荷的影响。

在本发明的另一个方面中，提供一种化学机械抛光装置，它包括一个晶片载体，该载体具有使晶片压靠抛光垫的晶片加压系统，一个保持晶片的保持环，其中保持环对抛光垫的压力控制成不受晶片加压系统偏压晶片的影响。

在本发明的又一个方面中，晶片载体包括一个柔性膜，在该柔性膜中具有多个腔，每个腔独立地推靠晶片的相应区域，以有选择地控制加到腔上的压力，因此在CMP加工中控制晶片的相应区域上的材料除去速率范围。

本发明的上述和其它目的通过采用一个晶片载体组件的化学机械抛光系统来达到，该晶片载体组件具有晶片载体支撑架，它具有一个包含膜盒的基座，膜盒可操作地使基座连接到晶片载体罩上，这样，来自上述晶片载体头罩的转动力矩传到上述晶片载体基座上，在化学机械抛光操作中不受从上述晶片载体基座传到上述晶片载体头罩的摩擦载荷的影响。

更具体地说，该晶片载体组件包括一个晶片载体支撑架，一个可转动地安装到晶片载体支撑架上的晶片载体头罩，一个基座包括一个囊状膜盒，它可操作地将晶片载体基座连接到晶片载体头罩上，从而使来自晶片载体头罩的转动力矩传到晶片载体基座上。另外还提供了保持环，它可操作地连到一个保持环轴承上，该轴承允许相对的轴向运动。同时限制保持环和晶片载体头罩之间的相对的径向运动；和一个保持环膜盒，它可操作地连接在保持环轴承上，以将保持环推靠抛光构件。由囊状膜盒、晶片载体基座和晶片载体头罩形成的腔可以加压，以使晶片载体基座贴靠抛光构件，不受保持环上的任何摩擦载荷的影响。

在一个附加的实施例中，该晶片载体进一步包括：一个柔性构件连到基座上并在其中确定多个腔，该柔性构件的下表面提供了晶片接收表面，该接收表面具有多个内部部分，它们与相应的上述多个腔中的一个一起确定晶片表面上的相对应的区域，其中上述腔中的每个内的压力可进行独立的控制。

附图概述

构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，它们与说明书一起用于说明本发明的原理。

图1是本发明的化学机械装置的透视图。

图2是图1所示的晶片载体组件的放大的透视图。

图3是沿图2的3-3线的晶片载体组件的剖视图，它示出流体连接系统。

图4是表示由连接系统的图2所示晶片载体组件的不同的剖视图。

图5是本发明晶片载体头的顶视图。

图6A、6B和6C是分别沿图5的A-A、B-B和C-C线的剖视图。

图7是在本发明的化学机械抛光过程期间图6A-6C所示的晶片载体头对晶片产生的压力的概略示图。

图8是本发明的一个实施例的柔性膜的顶视图。

图9A和9B是分别沿图8的A-A和B-B线的剖视图。

图10A和10B是图6A-6C所示的晶片载体头的分解的透视图。

图11是本发明一个实施例的控制系统的方框图。

图12是本发明一个实施例的沿图5中部的晶片载体头的剖视图。

图13A和13B是本发明另一实施例的、分别沿图8的A-A、B-B线的柔性构件的剖视图。

本发明的详细描述

提供了一种改进的化学机械抛光(CMP)系统。更具体地说，本发明人已研制了一种具有巨大优点的CMP装置和方法，它包括一种能保持晶片的晶片载体，能使晶片对抛光垫的压力分布不受抛光过程中加在晶片上的摩擦载荷的影响。另外，在另一个实施例的CMP装置和方法中，包括一个具有晶片加压系统的晶片载体，用于将晶片压靠抛光垫；和一个保持晶片的晶片保持环，其中，保持环对抛光垫的压力控制成不受晶片加压系统偏压晶片的影响。另外，在本发明的又一实施例中，晶片载体包括一个其上形成有多个腔的柔性膜，每个腔均独立地推向晶片，从而确定晶片表面上的相应的定位区域。这些腔独立地加压以有选择地控制加到腔中的压力的量，因此可控制CMP加工期间在晶片表面的相应定位区域上的材料除去速率。

因此，本发明提供了一种具有巨大优点的晶片载体，它具有用于晶片保持和所加压力的所需要的设计参数。晶片保持的必要功能之一是支撑抛光时的摩擦载荷。按照本发明，这些载荷在不采用先有技术的万向接头的情况下传到环形轴承上。在先有技术的系统中，通常采用万向接头使晶片载体与垫对准。正如上面所述，采用这种万向接头设计，加在晶片的摩擦载荷不能与抛光时在晶片上的压力分布隔离，因而导致不均匀性的问题。与此相反，本发明使摩擦力与晶片上的压力分布隔离开，用机械精度使保持环与垫对准，并由采用使晶片与抛光垫表面对准的柔性膜来在晶片后面产生配合性。除了压力分布不受加在晶片上的摩擦载荷影响外，本发明还提供了保持环不受晶片加压系统影响，从而使保持环的压力和位置按需要从标定的抛光压力进行独立的控制。该特征使人们能通过控制垫引起的边缘效应来改进CMP法的均匀性。

下面将详细参照本发明的特殊实施例，附图中示出了其中的例子。在参照特殊的优选的实施例对本发明进行描述的同时，应该看到，它们并不作为把本发明限定成这些实施例之用。与此相反，本发明想包括由所附权利要求确定的本发明的精神和范围内的替换、改型和同等物。

现在参见附图，在所有的图中，同样的构件用相同的参照数字表示，请见图1，它表示本发明的化学机械抛光装置30，该装置包括多个支撑研磨抛光垫34的抛光台32，联合的加载和清洗台36，和一个晶片载体组件38。

该化学机械抛光(CMP)装置30用于加工一块或多块基板，并特别适于抛光硅晶片“W”的表面，从而除去过量的和不需要的材料。各种加工参数必须精确控制和监视，以尽量加大晶片加工产量，即化学机械抛光产量。例如，对平台的桨液流配置、晶片对平台的压力分布、晶片和抛光垫的相对速度及抛光垫的状态等都是确定CMP装置的产量的重要因素。

该CMP装置30包括装有台面42的机座40。台面42支撑一系列的抛光台32和联合的加载和清洗台36。抛光台32和加载/清洗台36是线性对准的。加载/清洗台用作多种功能，包括：从加载装置(未示出)接收单个晶片；清洗晶片；将该晶片装到晶片载体组件38上；接收来自晶片载体组件38的晶片；再次清洗晶片；最后将晶片转回到加载/清洗台36。

每个抛光台32包括一个可转动的平台44和一个可释放地固定其上的研磨抛光垫34。平台44的尺寸最好做成使它的直径比要抛光的晶片的直径约大1.5到3倍。平台44可以是由合适的装置(未示出)转动的铝或不锈钢板。平台驱动装置及其它易产生污染颗粒的构件最好位于平台44的下方，因此也在抛光垫的下方。对大多数抛光加工而言，平台44在约50～500转/分钟上转动，当然也可采用其它速度。

抛光垫34最好由具有柔软抛光面的柔顺的、常常是发泡材料制成。该抛光垫34不用压敏胶层装到平台44上，该抛光垫34可具有硬的上层和柔软的下层，上层可以是混有填料的聚氨酯，下层可以包含浸渍尿烷的加压的毡纤维。

每个垫表面可用垫调节器46研磨，垫调节器具有装在臂48上的调节器头50，它可以定位在垫的任何特殊的半径上，并在产生相对运动时对垫加载。该垫调节器46保持抛光垫34的状态，使它能有效地将桨液传送到垫和晶片的交接面上。该垫调节器可包括除去桨液和磨出材料的清洗台。

在传送流体中含有的如二氧化硅之类的研磨颗粒和如氢氧化钾之类的化学活性催化剂的桨液由平台44中心的供给口或垫上方的排放管(未示出)供给到抛光垫34的表面上。该桨液也可通过晶片载体传送到垫表面上。在抛光期间为了最大限度地除去晶片表面的材料提供了足够量的桨液。

晶片载体支撑架52安置在机座的上方。该晶片载体支撑架52支撑成沿台面42的合适轨道54的x轴作线性移动。晶片载体支撑架52支撑在xz平面内移动的晶片载体38。该晶片载体接收并固定晶片，并使它们压靠每个相应抛光台32的平台44上的抛光垫34，从而对晶片抛光。晶片载体支撑架52和晶体载体38最好包括密村盖板和罩，从而尽量减小由构件产生的颗粒对晶片的污染。

在实际的抛光工作中，晶片载体38位于抛光台32的平台44上和其上方。罩在支撑架52内的作动器相对于晶片载体支撑架52降低晶片载体38和附着到其上的晶片，使它们与抛光垫34接触。晶片载体38将晶片推靠在抛光垫34上。

参见图2、3和4，晶片载体38通常包括一个晶片载体头56、具有使晶片载体38在xz平面内移动的作动器(未示出)的支撑架52、和驱动组件58。该驱动组件58包括一个安装支架60，它牢固地安装在支撑支架(图3或4中未示出)上。安装支架具有一个通孔62，该通孔的轴在台面42的上方垂直延伸。该驱动组件58还包括一个圆筒形轴64，它由合适的轴承组件66同心地和可转动地连到安装法兰60上。该轴64牢固地支撑晶片载体的头体68。一个电动马达70使晶片载体头56相对于晶片载体架52转动。最好采用大直径的载体马达76来为通孔62提供间隙，该通孔62中装有流体和电路。载体马达70包括安装在安装法兰60上的电动马达定子72和安装在头轴64上的电动马达转子72。为了尽量减少污染颗粒的产生，马达70最好是无刷直流马达。该马达的构件可用一个罩罩住或由一个盖保护，从而防止在化学机械抛光装置/方法的操作中偶然出现的桨液喷洒或产生其它污染。

为了使晶片装成贴靠抛光垫34的表面，在晶片压靠抛光垫34之前，晶片载体38和晶片载体头56在z向移动。在抛光台32和装载/清洗台36之间传送晶片期间，晶片载体38升起，从而使晶片载体头56和晶片可从抛光垫上升起。

该CMP装置最好能对晶片加上2～10磅/英寸²的力，在抛光期间，该压力可以变化。电动马达70使晶片载体56在约300～500转/分钟的速度上转动，当然也可选成其它合适的速度。如上所述，平台44在约300～500转/分钟的速度上转动，晶片载体头和平台的转速最好基本相等，但不完全同步，从而均衡垫的不均匀性。按照使用情况也可采用其它速度。

图3和4是分别表示流体系统和电路系统的不同的剖面图。参见图3和4，管道76同心地在头轴64内延伸，它基本伸过头轴64的全部长度。该管道76包括用于电路和流体的多个通道78、80。可转动的电接头或转动的电通路装置82和可转动的流体接头或转动的流体通路装置84操作地安装到管道76的顶部。因此，电路和流体通路可操作地从不转动的晶片载体架52、通过相应的转动接头82、84、通过可转动的头轴64通到可转动的晶片载体头56。具体地说，电路通道和多个液体通道穿过管道76，允许供电和使多个泵和/或阀可操作地连到晶片载体头56上。

在图4所示的实施例中，提供电通道78，用于电动马达的电接头和晶片载体头56的可能设有的电传感器。还提供了6条流体通道(图3中仅示出两条61和63)，它们使6个单独控制的流体源流体连通到形成在晶片载体头56的相应的流体压力腔和如下所述的囊和保持环膜盒上。正如下面所述，这个结构允许晶片载体头56将对抛光垫34的可变化的压力加到晶片表面的任何局部区域上。这些流体通路还用于为晶片载体头56提供气动力，使晶片真空地吸在晶片载体头56的底部上。

参见图3和4，头轴64包括从头轴64的底部径向延伸的头轴法兰86。该头轴法兰86通常是一个盘状体，它包括与管道76中的电和流体通道78、80相对应的通道88、90。

具有特殊优点的晶片载体头56在不影响机器中的摩擦载荷的情况下对晶片提供了压力分布。特别参照图5，它是该晶片载体头56的顶视图，分别表示了与图6A、6B和6C相对应的A-A、B-B和C-C的剖面。参见图6A-6C和图10，该晶片载体头56通常包括载体头罩68、载体头基座92，一个柔性膜94安装在载体头基座92的背板上，以形成具有腔的封闭的囊95(也称为隔膜)，和一个保持环96。本发明的晶片载体38采用了囊状膜盒98使囊95连接到载体头体68上，这样载体头基座92适应晶体和抛光垫34之间的不同心度。

晶片载体本体68由晶片载体顶板100连到头轴法86上，载体头基座92由囊状膜盒98可操作地连到载体本体68上。该囊状膜盒98可操作地连接到载体基座92和载体头体68上，并将力矩传到载体基座92上使该载体头绕转动轴转动，该转动轴基本垂直于抛光垫34的表面。囊状膜盒98具有一个加压腔，所加压力被称作为偏压力，它平衡柔性膜加压晶片上的力。为了控制加在膜上的力，该偏压力可以变化。该囊状膜盒可用允许传送力矩的任何合适的材料制成，它能提供z向的柔曲性并能承受0～40磅/英寸²的压力。该囊状膜盒98最好由金属制成，不过它也可用与硅或合成橡胶相一致的材料制成。

晶片载体本体68和晶片载体顶板100上包括多个与管道76的电和流体通路78、80相对应的通路，在该优选实施例中，在顶板100中形成了6个流体系统通路，两个分别用于提供对囊和保持环膜盒加压的流体，4个用于对如下所述的柔性膜的选定区域加压。晶片载体本体68的流体通路由合适的、在囊状膜盒98内延伸的压力管线(未示出)流体连通到晶片载体基座92中的相应的流体通路上。在图6A中示出了一个流体系统通路的例子，其中流体通路101穿过顶板100，流体通路102穿过晶片头基座92，两者均通过柔性的压力管线105连接。图6C示出另一流体系统，其中通道103和104穿过顶板100和晶片载体头基座92，由柔性的压力管线107连接。尽管在该特殊的剖面视图中未示出其它的流体系统，但多种类似的流体系统均可采用。

具有特殊优点的载体头基座92通过囊状膜盒98连到晶片载体头本体68上。该囊状膜盒允许载体基座92相对于晶片载体头本体68转动，从而使晶片载体基座92能基本保持平行于抛光垫34的表面。具体地说，囊状膜盒98允许晶片载体基座92和装在其上的晶片相对于抛光垫34转动，并转动成能适应与抛光垫34的不同心和晶片中出现的如倾斜之类的不规则性。该囊状膜盒98还可在不受横向载荷的影响下将向下的压力从头轴64传到载体头基座92上。因此，使囊状膜盒隔离了任何侧向载荷、如来自晶片的在晶片和抛光垫34之间的摩擦力产生的剪切力。因此，通过柔性膜加在晶片上产生的对抛光垫34的压力在抛光过程中不受任何侧向力的影响。另外，摩擦载荷也与晶片的的压力分布隔离了。

保持环96的内表面122与柔性膜94的底面一起确定晶片接收凹口。保持环96防止晶片脱出晶片接收凹口，并如下面讨论的那样将来自晶片的横向载荷传到晶片载体头本体68。

柔性膜94连接到载体基座92上并在其下方延伸，柔性膜94的底面提供了晶片接收表面。当对基座92密封时，柔性膜94形成了一个封闭的囊，它具有第一中心腔106和第二、第三、第四环形腔108、110、112。图中描述和示出了四个腔，可以采用其它数量的多个腔，本发明不仅限于四个腔。柔性膜94通常是由柔性和弹性材料、如高强度的硅橡胶制成的圆片，该柔性膜94最好用肖氏A硬度计硬度为40-80的材料。该膜的材料应和不锈钢或其它背板材料具有良好的粘接特性并能抗酸性和碱性的化学物质。

提供了具有特殊优点的保持环和保持环膜盒144使本发明允许抛光时产生的侧向载荷传到晶片载体本体68上、或最好由保持环96传到轴64上(它牢固地固定到顶板100上)，而不是传到晶片上，这就产生了超越先有技术的晶片载体的巨大的优越性。

保持环96安装在环形保持环安装件140上，该安装件140接纳在保持环轴承142的环形槽中。保持环96可由螺纹来保持、或用其它合适的装置在所有方向限制环96。在该示例性的实施例中，保持环轴承包括一个弯曲构件142。作为替换物，该保持环轴承可由静压轴承(未示出)构成。该弯由构件142通过保持环膜盒144与晶片载体头本体68互相连接在一起，保持环膜盒144加压时使保持环96压靠抛光垫。保持环膜盒144可用任何合适的材料制成，它能在z向提供一致性并能具有约0-40psia的压力范围。该保持环膜盒可用塑料或金属制成，不过塑料是优选的，因为该保持环膜盒不象囊状膜盒那样耦合对保持环的扭矩。

如上所述，保持环96的内表面与柔性膜94的底面一起确定了接收晶片97的晶片接收凹口。该保持环96防止晶片脱出晶片接收凹口并将来自晶片的横向载荷传到晶片载体头本体68上。

弯曲构件142还用一个薄的环形部分146与晶片载体头本体68互连在一起。在另一个实施例中，该弯曲构件142可用一允许相对运动的轴承代替。薄的环形部分146允许保持环96在不影响加在保持环上的载荷的情况下作垂直运动，这种具有重大优点的设计允许保持环96上的侧向载荷在不影响保持环96对抛光垫34的压力和晶片对抛光垫的压力的情况下传到晶片载体本体68上。通过允许对保持环加在抛光垫的压力进行独立的和精确的控制，本发明可控制如边缘快速抛光的边缘效应。弯曲构件142的载荷分布可用放在薄的环形部分146上的应变计测量，从而尽量减小由作动器产生的晶片载体的垂直移动。

如上所述，也正如图8、9A和9B所示。柔性膜94连到背板或载体基座92上形成一个封闭的囊，该囊包括多个腔106、108、110和112。作为例子，图3所示的柔性膜包括四个垂直延伸的同心的凸缘114、116、118和120，当连到载体基座92上时，确定了第一中心的圆腔106、包围第一腔106的第二内腔108，包围第二腔108的第三环形中腔110和包围第三腔110的第四环形外腔112。对这些腔的加压控制了晶片对抛光垫34的向下的压力。

该膜可用如柔性的合成橡胶那样的任何合适的材料制成，硅橡胶材料制成的膜的肖氏A硬度计硬度在40-80的范围内。膜材料应与不锈钢具有良好的粘接性能，并能耐酸和碱性化学物品。

第一环形凸缘114可固定在载体基座底面上的第一环形凹坑或槽中，并用第一插入环124锁紧定位，该第一插入环124可释放地接纳在第一环形凹坑内。同样地，第二、第三和第四插入环126、128、130将第二、第三和第四环形凸缘分别锁入第二、第三和第四环形凹坑或槽中。

一个泵或其它调节流体压力的加压源(未示出)由合适的流体管线连到第一腔106；上述管线穿过转动的流体接头、管道、头轴法兰86、晶片载体头本体68，通过穿过囊状膜盒98的合适的流体管线，并穿过晶片载体头基座92。同样地，第二、第三和第四泵或其它调节流体压力的加压源可操作地连到第二、第三和第四腔中。

当泵迫使流体、最好是空气的气体进入一个腔时，那个腔中的压力将增大，柔性膜的前部将受迫向下或向外贴靠晶片，进而推动晶片，使它贴靠抛光垫。当每个腔独立地加压时，就可使晶片的选定区域以比其它区域快的速度抛光。

更具体地说，在该优选的实施例中，膜94包括第一圆形内部132、第二环形内部134、第三环形中部136和第四环形外部138，它们分别位于第一、第二、第三和第四腔的下方。这样，这些腔中的压力可控制由相应的柔性膜部分加上的由晶片相应的部分对抛光垫加上的向下的压力。在已经描述了四个腔的同时，可采用任何数量的腔，本发明不仅限于图示的一个例子。

通常，最外部的环形膜部分136、138比第一和第二膜部分132、134在径向要窄一些，这样可对与加到中心和中部的压力无关的晶片边缘附近的窄的边缘区域提供精确的压力控制。在一个例子中，第一(132)、第二(134)、第三(136)和第四(138)膜部分的径向宽度分别约为30mm、30mm、25mm、和15mm。

腔中的压力可单独进行控制，从而使晶片抛光的均匀度最大。在任何一个腔中的平均压力可在抛光时独立于其它腔进行控制，以此来补偿不均匀的抛光。

柔性膜94变形，从而与晶片背面匹配。例如，如果晶片翘曲或弯曲，该柔性膜也与翘曲或弯曲后的晶片的构形相一致。另外，柔性膜将适应晶片表面上的厚度变化，因此，它具有的特殊优点是，尽管晶片背面存在不规则性，晶片上的载荷将基本保持均匀。

在操作时，晶片装在晶片接收凹口内，晶片的背面贴靠柔性膜。该晶片可由真空吸力固定在柔性膜94的下侧。例如，可在柔性膜的任何一个、最好是在两个腔中抽真空，从而固定晶片。

晶片表面和抛光垫相互推靠在一起，桨液供到晶片和垫的交接面上。通常，晶片和抛光垫两者均是转动的，但这并不是必要的。晶片和垫中的一个或两个可以作线性运动。当晶片和垫相互推靠在一起时，晶片表面上的材料被除去。在共同悬置的美国专利申请NO.09/628962(代理人文件号NO.A-69228/MSS)进一步描述了采用本发明的装置来实施CMP方法的一个例子，该申请的全文可作为参考。

具有重大优点的本发明通过单独的流体通路系统在柔性膜的腔中提供了独立变化的压力，以将相应的部分132、134、136和138推靠在晶片表面的相对应的局部区域上。这就使本发明的装置能控制和改变每个晶片表面上的局部区域的材料除去量。具体地说，在晶片表面上确定了多个区域，这些区域与形成在与晶片贴合的膜上的腔相对应。该区域最好是环形的，但也可做成任何其它合适的形状。参见图7，其中示出了这些区域的一个例子，在共同悬置的申请NO.09/628471(代理人文件号NO.A-69174/MSS)中进一步描述了这个例子。通过改变腔中的压力，就可控制与每个腔和部分附近相对应的晶片上的局部区域的晶片的抛光速率。

具体地说，正如图7中的箭头P1～P4所示，加到晶片上的压力分别由每个腔中的压力控制。通过控制相应的腔46中的压力，可使晶片表面的同心的区域以不同的速率进行抛光。虽然图中示出了四个区域，可以确定两个或多个区域等任何合适数量的区域。另外区域的形状也可以相同，并不仅限于环形，当然，对外部区域而言，环形是优选的。在该优选实施例中，膜包括确定四个区域的腔，该四个区域包括一个圆形的中心区和三个环形的同心区域。

本发明的CMP装置最好包括一个或多个现场的传感器，它们能提供晶片抛光进展情况的信息。抛光时的关键参数是晶片表面上的材料的除去率。因此，传感器最好能提供比由柔性膜的腔形成的区域的宽度约小2～5倍的空间中的除去速率的信息。这包括传感器的有效的部位尺寸和有效的样品间隔。样品间隔是传感器和晶片之间的相对速度及所用的样品速度的函数。大多数合适类型的传感器可按照除去的材料的类型而变化。例如，当除去氧化物层时，可采用在先有技术中已知的干扰测量的传感器，另外，在除去金属层时，最好采用反射性的传感器，以测量晶片表面上是否存在金属层。另外没有金属可用于提供端点的信号，在共同悬置的美国专利申请NO.09/628471(代理人文件号NO.A-69174/MSS)中充分地描述了本发明装置采用的一个传感器的例子，它的全文可供参考。

另外，通过采用晶片上初始涂层厚度的信息，可采用抛光时间和端点信息来计算大约的除去速率，该信息可用来表示所产生的晶片的抛光特性。因此该信息提供了控制CMP加工参数的手段，这些参数可以是在抛光下面的晶片时的压力、速度和类似参数，这也被称作为“从运行到运行”(run to run)控制。由反射性传感器示出的瞬时端点信号可用来在实时控制时减小晶片上的每个局部区域上的除去速率。

可用多种方法来为分隔的膜和反馈技术提供加工过程的控制。例如，对除去和抛光氧化物而言，厚度信息可用于测量除去速率，和按照任何一个区域中单独的对除去速率的影响来控制压力。主要描述除去速率的适用方程是Preston方程，它提到材料的除去速率(MRR)由方程MRR＝kpPV给出，其中kp是受所有加工参数影响的常数，P是所加的压力，V是相对速度。因此可改变压力以对除去速率产生线性影响。在共同悬置的美国专利申请NO.09/628692(代理人文号NO.A-69822)中可找到对这些加工条件的进一步的描述。

在金属抛光期间，得到的信息可以代表特殊区域的一个局部端点，采用这个信息，通过降低加到相应腔中的压力可减少对该区域的晶片表面上的过度抛光。因此，这个信息可用在下面的晶片上以调节压力分布，这样在差不多相同的时间内来达到每个加压区域的局部端点。

图11表示控制过程的一个例子。图11是可用于本发明的控制系统的一个例子的方框图。该控制系统主要包括一个加工控制器200、压力分布控制器202、传感器205和一个晶片数据库204。加工控制器200接收建立加工参数和方法的数据，并将指令送到CMP机206以控制CMP加工。另外，连到加工控制器200和CMP机206上的是压力分布控制器202，它控制柔性膜的腔内的压力。

压力分布控制器202通过两条通道来接收数据。首先，该压力分布控制器202可接收直接来自传感器205的在每个晶片202区域上的反射性测量所代表的数据。该压力分布控制器202包括硬件和软件，它们做成能接收反射性测量、确定在每个区域上所需要的(如果有的话)合适的压力调整，然后将信号送到CMP机，以有选择地调整合适的相关区域内的压力。来自传感器的反射性的数据还传送并存储在晶片数据库204中。

在另一个实施例中，预先确定的压力分布值和/或每个区域的临界值存储在晶片数据库204中。然后将这些值传送到加工控制器200或压力分布控制器202，压力分布控制器将这些值与来自传感器205的实际的、实时的反射性值相比较，并对CMP机送出一个信号，以调节每个合适区域的压力。附加的数据、如晶片208的抛光前的厚度和/或晶片210的抛光后的厚度可以送到晶片数据库，以协助确定合适的压力调节。

在本发明的另一实施例中，基于探测的模块可用来监视和控制CMP加工。具体地说，基于控制的模块提供了CMP加工参数的实时调整，从而使CMP加工成为更有效的加工。上面描述的探测系统主要着重于有选择地控制该区域的压力，从而对晶片的局部区域进行基本均匀的抛光。这就尽量减少了一些区域出现过度抛光、在另一些区域出现抛光不足的现象。该基于探测系统的模块，除了提供基本均匀的晶片抛光外，还对其它CMP加工参数的某一些提供实时控制，从而改进了整个的CMP加工过程。

因此来自抛光前的晶片的信息对加工控制可能是非常有用的，这被称作为“前置”(feed-forward)控制。采用前面的抛光的晶片的信息称作为“运行对运行”(run-to-run)控制。在抛光期间对晶片表面状态的现场测量提供了“实时”(real-time)控制。

图12是沿图5的晶片载体头的中心线的剖视图，它表示本发明的另一个实施例。如上所述，该膜由四个同心的腔251、252、253和254构成。确定这些腔的壁每个分别依次连到刚性支撑件259、260、261和262上。这些环安装到下方的柔性构件263上，柔性构件263安装到偏压板264的下方。偏压板264包括多个同心腔：255、256、257和258，它们分别控制加在刚性环259、260、261和262上的压力。因此在抛光时一旦该组件通过将偏压板264移到正确的高度上，可以调节腔251、252、253和254中的压力，以将晶片(未示出)推靠在抛光垫(未示出)上。同时，可以改变腔255、256、257和258中的压力，以控制腔侧壁加在晶片上的压力，腔255、256、257和258中的压力将调整成能保持相邻膜腔之间最平滑的过渡。

图13A和13B是分别沿图8中的柔性构件的A-A和B-B线的剖视图，它们示出本发明的又一实施例。膜270由柔性管状环272分为多个环形腔，柔性管也称作为腔分隔管，管端密封在一起以形成一个连续的环。在沿管子周向的一些位置上具有小的内腔限制器或管274，它们用作流入和流出分隔管272的流体的流动限制器，这就可使相邻的加压腔连通。由于每个腔的压力是由一个实际的控制系统保持的，该小的限制器或管274使腔分隔管272内的压力变成两个相邻加压腔中的平均值。这就可确保从一个腔到另一个腔的最合适的过渡压力。内腔限制器274提供比从压力调节器进入加压腔的通道中要高的流动阻力是很重要的，另外对每个限制器来说，内腔限制器274所产生的流动限制是相等的也是非常重要的。

上面已提供了一种半导体晶片的化学机械抛光的改进的装置和方法，前面的对本发明特殊实施例的描述仅作说明之用，不希望使本发明仅限于所讨论精确的形式，在上述教导下，显然可进行各种修改和变化。例如，本发明的装置还可用于背侧研磨用途上。上面选择和描述的实施例是为了更好地说明本发明的原理和它的实际应用，因此使本领域技术人员能更好地利用本发明，具有各种修改的实施例可适用于预期的特殊用途中，本发明的范围应由所附的权利要求和它们的等同物来确定。

Claims (15)

1.一种用于化学机械抛光系统中的晶片载体组件，包括：

一个晶片支撑架；

一个晶片头罩，它可转动地安装在上述晶片载体支撑架上；

一个晶片载体基座；

一个保持环，它可操作地连到保持环轴承上，保持环轴承允许上述保持环和上述晶片载体头罩之间的相对的轴向移动，同时限制它们之间的相对的径向移动；

一个保持环膜盒，它可操作地连接上述保持环轴承，以将上述保持环推靠一个抛光构件，和

一个囊状膜盒，它使上述晶片载体基座可操作地连到上述晶片载体头罩上，从而传送从上述晶片载体头罩到上述晶片载体基座的转动力矩。

2.如权利要求1的晶片载体组件，其中上述保持环轴承是一个弯曲构件。

3.如权利要求1的晶片载体组件，其中上述保持环轴承是一个静压轴承。

4.如权利要求1的晶片载体组件，其中上述保持环膜盒被加压到约0～40磅/英寸²的压力。

5.如权利要求1的晶片载体组件，还包括：

一个分隔的柔性构件，它连接到基座上并确定多个腔，该柔性构件的下表面提供晶片接收表面，该晶片接收表面具有多个与上述多个腔的相应的一个相关的内部部分，从而可以独立地控制上述腔的每一个中的压力。

6.如权利要求1的晶片载体组件，还包括：

一个连到上述晶片载体支撑架上的安装法兰，上述安装法兰具有基本垂直的通孔；

一个圆柱形的头轴，它可转动地连到上述安装法兰上并同心地安置在上述通孔中；和

一个电动马达，它具有安装在上述安装法兰上的定子和安装在上述圆柱形头轴上的转子。

7.如权利要求5的晶片载体组件，其中该柔性构件包括第一、第二、第三和第四凸缘，每个凸缘固定到基座的下表面上，以分别确定第一、第二、第三和第四腔。

8.如权利要求7的晶片载体组件，其中上述第一腔是圆形的，它的径向宽度约为30mm；上述第二腔是环形的，它的径向宽度约为30mm；上述第三腔是环形的，它的径向宽度约为25mm，上述第四腔环形的，它的径向宽度约为15mm。

9.如权利要求1的晶片载体组件，其中上述囊状膜盒加压到约0～40磅/英寸²的压力。

10.一种用于化学机械抛光系统的晶片载体组件，包括：

一个晶片载体支撑架；

一个晶片载体头罩，它可转动地连接在上述晶片载体支撑架上；

一个晶片载体基座；

一个保持环，它可操作地连到保持环轴承上，该保持环轴承允许上述保持环和上述载体头罩之间的相对的轴向移动，同时限制它们之间的相对的径向移动；

一个保持环膜盒，它可操作地连接上述保持环，使上述保持环推靠抛光构件；

一个囊状膜盒，它可操作地将上述晶片载体基座连到上述晶片载体头罩上，由此来传送从上述晶片载体头罩到上述晶片载体基座的转动力矩；

其中由上述囊状膜盒、上述晶片载体基座和上述晶片载体头罩形成的腔可以被加压，在不受上述保持环上加任何摩擦载荷影响的情况下，使上述晶片载体基座对抛光构件加载；和

一个分隔的柔性构件，它连到基座上并确定多个腔，柔性构件的下表面提供晶片接收表面，该晶片接收表面具有多个与上述多个腔的相应的一个相关的内部部分，从而可独立地控制每个上述腔中的压力。

11.如权利要求10的晶片载体组件，还包括：

一个安装法兰，它连到上述晶片支撑架上，上述安装法兰具有基本垂直的通孔；

一个圆柱形的头轴，它可转动地连到上述安装法兰上并同心地安置在上述通孔内；和

一个电动马达，它具有安装在上述安装法兰上的定子和安装在上述圆柱状头轴上的转子。

12.如权利要求11的晶片载体组件，还包括：

在上述头轴中同心地延伸的管道，上述管道包括多个对上述膜盒和上述多个腔独立地加压的、连接流体管线的通路。

13.如权利要求10的晶片载体组件，其中上述保持环轴承是弯曲构件。

14.如权利要求10的晶片载体组件，其中上述保持环轴承是静压轴承。

15.如权利要求10的晶片载体组件，其中上述保持环膜盒和上述囊状膜盒每个都单独加压到约0～40磅/英寸²的压力。

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