CN1462064A - 用来研磨晶片材料的化学－机械研磨机，以及装在该机器上的研磨剂输送设备 - Google Patents

用来研磨晶片材料的化学－机械研磨机，以及装在该机器上的研磨剂输送设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用来研磨晶片(P)材料的化学－机械式研磨机，该研磨机包括：旋转驱动的研磨转盘(1)；研磨头(4)，其包括一个非旋转部分(42)和一个旋转部分(40，41)，以及用来将研磨剂(A)输送到所述研磨转盘(1)表面的装置(5)。该研磨面的特征在于，用来输送研磨剂(A)的装置(5)包括：一个中空的研磨剂输送环(50)，该研磨剂输送环(50)带有研磨剂供给装置(51)以及分布于其底面(502)上的多个研磨剂输送孔；以及固定装置(420，520，52)，其能使输送环固定到研磨头(4)的所述非旋转部分(42)。并且所述环以一个平面包绕所述旋转部分(40，41)，其中该平面基本上与所述研磨转盘(1)的平面平行并分开。本发明可应用于半导体材料的研磨晶片(P)上。

Description

用来研磨晶片材料的化学-机械研磨机， 以及装在该机器上的研磨剂输送设备
技术领域
本发明涉及一种用来研磨晶片材料的化学-机械研磨机，其中的晶片材料用来构造光学元件、光电元件或者电子元件中的基片，特别是半导体晶片。本发明还涉及一种用来输送研磨剂的设备，该设备安装到该研磨机上。
背景技术
上述的晶片可用来构造集成电路。在该制造过程中，需采用一些技术来将构成源基的第一晶片的层转移并直接粘接到构成支撑的第二晶片上。这种直接进行粘接的技术要求很高，与之接触的表面不允许粗糙和不平，晶片的表面要求很好地研磨。
此外，在某些方法中例如在已知的Smart Cut(注册商标)方法中，从一个晶片转移多层，在每一层的操作之前都需对所述晶片的表面进行修磨。该修磨也是由研磨来实现的。
在上述两种情况下都可通过化学-机械研磨机来进行研磨。
参见图1，图1所示为本领域公知的一种研磨机，其包括：研磨转盘1、研磨头2、一个或多个固定件3，其用来分配糊状或液态的研磨剂A。该例中，研磨剂可以是硅胶。
研磨转盘1包括有一个绕垂直轴X-X’旋转的盘10，箭头R1表示其旋转方向。
盘10被抛光布11覆盖。
研磨头2也是旋转的(箭头R2)，并且其通常与转盘1同向旋转。如箭头F所示，该研磨头2通常还存在有摆动或往复运动。这种摆动通常是沿所述转盘1的径向进行，其使所述研磨头2在一平行于转盘1的平面内运动。
研磨头2具有固定装置(图中未示出)以便安装晶片P而进行研磨。
通常来说，这些固定装置包括一个由具有很高粘着系数的的材料制成的盘形插入物(或膜)，所述插入物被一个固定在研磨头2上的支撑环所包绕。该插入物抓住晶片P以便通过其表面中的一个进行研磨，该表面被称为后表面，支撑环通过其环边将晶片抓住。
这些固定装置能使晶片P与研磨头2一起旋转。支撑环能防止晶片P滑移并能防止该晶片被转盘1旋转产生的线性速度而带动。
此外，研磨头2能使晶片P的前表面压靠在转盘1上的抛光布11上。
因此，晶片P的前表面会因研磨头2和转盘1之间的相对运动即通过机械运动而被研磨，晶片P还被研磨剂A构成的化学物质研磨，因此用“化学-机械”研磨来表示这种机器的作用。
在研磨转盘1旋转的同时研磨头2沿F向摆动可确保抛光布11的整个表面磨损均匀。
研磨头2的这种摆动还会使研磨头和研磨剂分配器3之间的距离d产生变化，这里分配器3基本位于转盘1半径一半的固定点上。这是该研磨法中没有再现性的根源。
此外，当距离d变大时，也就是说当研磨头2距离分配点3最远时，因为此时分配点3要么位于转盘1的中点，要么位于转盘1的边缘，研磨剂A会散开从而使研磨剂产生大量地浪费。
专利文献EP1037262揭示了一种用于晶片的化学-机械研磨机，其与上述研磨机类似。
在该研磨机中，研磨头由支撑环包绕，支撑环与研磨转盘接触的表面具有一个倒置的U形环槽。该槽与研磨转盘的表面一起形成一个容纳研磨混合物的“口袋”，该混合物从外部通过一根管子输送到所述的U形槽中。该研磨混合物在研磨转盘上散开并在转盘和研磨晶片之间滑动。
然而，这种研磨机也具有许多缺点。
首先，由于支撑环随研磨头一起旋转，因此用来将研磨剂送到支撑环内的管子会绕到所述研磨头上从而严重妨碍研磨操作。
其次，支撑环由于要与研磨转盘的抛光布直接接触，因此其必然是一个磨损件，需要定期更换。然而不利的是，U形槽的形成使得其结构比较复杂，支撑环的加工成本很高，其更换会大大提高研磨机的整个运行成本。
最后，研磨剂是通过U形槽而输送到支撑环的整个外围上的，没有办法使这种输送限定在确定的局部点上。
专利文献US6030487还公开了一种用来研磨晶片的化学—机械研磨头，该研磨头带有一个附加设备，该设备能够同时输送研磨混合物和流体，其中的流体用来修复面向研磨转盘的表面。
这种附加设备包括四个支腿，每个支腿中都打穿有一个或多个通道以便将上述流体送到一只有四分之一圆弧的裙件，该裙件上同样打穿有多个输送孔和通道。
这种附加的研磨剂输送设备的缺点是，其要固定到旋转的研磨头上，因此当研磨头高速旋转时，研磨剂的输送不正常，有可能喷到晶片的外面。因此有一部分研磨剂并未用于研磨，从经济的观点来看这一点非常不好。
最后，专利文件WO-01/91974也公开了一种在晶片研磨机中输送研磨混合物的设备。该设备包括一个环形的晶片支件，其具有多个垂直的研磨剂输送通道，这些通道开口于支件的底面。
该设备的缺点是通道直接加工在晶片支件中，由于支件是一个磨损件，其必须定期更换以便保持研磨性能，而晶片支件的结构比传统支件要复杂得多，因此更换起来成本很高。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术中的上述缺点。
因此，本发明提供一种用来研磨晶片材料特别是半导体材料的化学-机械式研磨机，这种材料可用来构造光学元件、光电元件或者电子元件的基片，该研磨机包括：
—旋转驱动的研磨转盘；
—可相对于所述研磨转盘移动的研磨头，其包括一个非旋转部分和一个旋转部分，所述旋转部分具有固定装置以便固定所述研磨晶片，所述旋转部分能使所述晶片旋转同时还能使其一个表面与所述研磨转盘保持接触；以及
—用来将研磨剂输送到所述研磨转盘表面的装置。
本发明中，用来输送研磨剂的装置包括一个管环，其与研磨剂相连并具有多个研磨剂输送孔从而形成“研磨剂输送”环，该研磨剂输送环具有固定装置从而能使其固定到研磨头的所述非旋转部分，同时其在一个平面内包绕所述旋转部分，其中该平面基本上与所述研磨转盘的平面平行但隔开，从而使所述输送孔的开口面朝所述研磨转盘。
本发明还具有以下优点和非限定性特征，这些特征可单独或组合使用：
—所述研磨头能在一平面内往复运动，其中该平面与所述研磨转盘的平面平行；
—所有的研磨剂输送孔都与研磨晶片的边缘间隔以相同的距离；
—可用塞子将研磨剂输送孔塞住。
本发明还提供一种设备，其用来将研磨剂输送到一个用来研磨晶片P的化学-机械研磨机的研磨转盘1的表面。
该设备的重点特征在于其包括一个管环，其形成“研磨剂输送”环，所述输送环带有研磨剂供给装置，并且其底面分布有多个研磨剂输送孔，该输送环还带有固定装置从而能将其固定到所述化学-机械研磨机的研磨头的非旋转部分。
附图说明
结合附图并参考以下优选的非限定性实施例，本发明的其它特征和优点将会更加清楚。其中：
图1是现有技术中化学-机械研磨机的立体示意图；
图2是本发明化学-机械研磨机的部分侧视图；
图3是本发明研磨剂输送环的放大图，其中的剖视部分位于直径的垂直面；以及
图4为从本发明研磨剂输送环下面看去的立体图。
具体实施方式
参见图2，本发明的“化学-机械”研磨机包括一个与现有技术图1所示完全相同的研磨转盘1，该研磨转盘1上其它部件具有相同的附图标记。
研磨头的总体参数为4。
研磨头4包括一个大体为盘形的刚性部分40，该部分由电机(图中未示出)经一驱动轴41驱动绕垂直轴Y-Y’旋转。
旋转部分40带有固定装置以便固定研磨晶片P并能使之旋转。举例来说，这些固定装置可以采用上述现有技术中已知研磨头所使用的支撑环和插入件。也可使用本领域其它公知的固定装置。
研磨头4还包括一种装置(图中未示出)，该装置能使研磨晶片P的表面或轻或重地压在到研磨转盘1上，或精确地说，压在研磨转盘1上的抛光布11上。通常情况下，该压力可通过一个执行机构直接作用在研磨头上，或者通过一种膜装置如气阀作用在晶片上。
轴41安装在衬筒42的内侧，衬筒42则与支撑并驱动研磨头4的支撑驱动件(图中未示出)相连。
衬筒42不能旋转，其仅能沿箭头F所示的方向摆动或往复运动。这种运动最好是沿研磨转盘1的径向进行。轴41和衬筒42最好是同轴。
这类研磨头是本领域人员公知的，这里不再详述。
在本发明中，研磨头4还带有研磨剂输送装置5。
装置5包括管体50，其弯曲形成环，因此其平面形状为环形，下面称之为“研磨剂输送环”。
参见图3，该环50具有旋转轴Y-Y’，当该环固定到非旋转衬筒42上时，该旋转轴与研磨头4的轴Y-Y’重合。
环50在包含有轴Y-Y’的垂直剖面内的剖面结构优选为矩形。
由此，该环50就具有同为平面的顶面501和底面502以及同为筒面的内表面503和外表面504。
输送环50最好由氟聚型热塑树脂(如全氟烷氧树脂PFA)制成。
从图2可以看出，环50经例如管子的研磨剂供给装置51与研磨剂源(图中未示出)相连。管子51固定到环50的顶面501上，其通过于所述顶面501的孔(图中未示出)向外。
研磨剂可在一定的压力下输送，也可仅在重力作用下流动，这取决于研磨剂的粘度。
此外，输送环50具有一个固定支架52，该支架例如以焊接的形式连接到输送环的外表面504。固定支架52固定在一个项圈420上，该项圈420可通过任何合适的固定装置如螺钉安装在研磨头4上衬筒42的底座上。图2中只显示有固定轴520。
此外如图3和4所示，输送环50的底面502具有一串均布的孔53，被称为“研磨剂输送孔”。
举例来说，可以有12个孔53，以30度的间隔分布。
所有这些孔53都优选与轴Y-Y’的距离相等，这样这些孔与研磨头4以及固定在其上的研磨晶片P的环边之间都具有相同的距离。当环50装在研磨头4的衬筒42上时，这些孔均朝着研磨转盘1上的抛光布11开口。
这些输送孔53可由塞子54塞住。例如，可将这种塞子54拧入孔53中，此时这些塞子具有适当的锥度。
这样就可对输送孔53的开口数量及其布置进行选择，从而输送不同流量的研磨剂，该流量例如与研磨晶片P的材料有关。
输送环50与衬筒42的固定方式应使其底面502所处的平面平行或者基本平行于研磨转盘1的平面，并在研磨转盘1所处平面的上面。换句话说，如图2所示，输送环50的底面502与研磨转盘1上的抛光布11之间有一距离D，该距离D应在例如5厘米到10厘米之间。因此，输送环50并不与抛光布11接触，其不会被磨损。
下面参见图2到4来描述本发明化学-机械研磨机的工作过程。
研磨晶片P固定在研磨头4的旋转部分40上。该部分40随研磨转盘1的旋转而旋转。同时，液态研磨剂经管子51输送到环50的内侧，并在其中均匀散开，然后从这里经输送孔53流到抛光布11上。
本发明的设备能够提高从晶片P上将材料去除的稳定性。因此该研磨方法更为均匀，重复性好，研磨剂消耗量少。
研磨剂分配均匀能够有效地减少研磨头4和抛光布11之间的摩擦，从而减少抛光布的磨损。
本发明的研磨剂输送环50结构简单，加工成本低。可有选择地装拆使用已有的研磨头而不必对其进行改动。

Claims (5)

1.一种用来研磨晶片(P)材料特别是半导体材料的化学-机械式研磨机，这种材料可用来构造光学元件、光电元件或者电子元件的基片，该研磨机包括：
—旋转驱动的研磨转盘(1)；
—可相对于所述研磨转盘(1)移动的研磨头(4)，其包括一个非旋转部分(42)和一个旋转部分(40，41)，所述旋转部分具有固定装置以便连接到所述待研磨的晶片(P)上，所述旋转部分(40，41)能使所述晶片(P)旋转的同时还能使其一个表面与所述研磨转盘(1)保持接触；以及
—用来将研磨剂(A)输送到所述研磨转盘(1)表面的装置(5)，
该研磨机的特征在于，用来输送研磨剂(A)的装置(5)包括一个管环，其与研磨剂(A)相连并具有多个研磨剂输送孔(53)从而形成研磨剂输送环(50)，该研磨剂输送环(50)具有固定装置(420，520，52)从而能使其固定到研磨头(4)的所述非旋转部分(42)，同时其以一个平面包绕所述旋转部分(40，41)，其中该平面基本上与所述研磨转盘(1)的平面平行并分开，所述输送孔(53)的开口面朝所述研磨转盘(1)。
2.如权利要求1所述的化学-机械式研磨机，其特征在于所述研磨头(4)能在一平面内往复运动，其中该平面与所述研磨转盘(1)的平面平行。
3.如权利要求1或2所述的化学-机械式研磨机，其特征在于所有的研磨剂输送孔(53)都与待研磨的晶片(P)的边缘分开相同的距离。
4.如前述任一权利要求所述的化学-机械式研磨机，其特征在于可用塞子(54)将研磨剂输送孔(53)塞住。
5.一种设备，其用来将研磨剂(A)输送到一个用来研磨晶片(P)的化学-机械研磨机的研磨转盘(1)的表面，该设备特征在于其包括一个管环，该管环形成研磨剂输送环(50)，所述输送环(50)带有从供应端供给研磨剂(A)的供给装置(51)，并且其底面(502)分布有多个研磨剂输送孔(53)，该输送环还带有固定装置(520，52)从而能将其固定到所述化学-机械研磨机的研磨头(4)的非旋转部分(42)。
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