CN1638057A - 具有独立限位环和多区域压力控制结构的气动隔膜式抛光头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种基片平面化装置和方法。所述装置(101)包括支架(202)，其具有用于将基片(230)容纳于其上的板(212)、用于沿预定方向压迫板的第一腔(238)、连接着板(212)的外边缘的垫片(260)、通过垫片(260)连接着板并且与板之间相隔着垫片厚度的膜片(250)、形成在膜片与板之间用于沿另一预定方向压迫板的第二腔(251)。所述方法包括利用第一压力抵靠着抛光垫(226)按压基片(244)的外周边缘，利用第二压力抵靠着抛光垫(226)按压基片(244)的内侧部分。

Description

具有独立限位环和多区域压力控制结构的 气动隔膜式抛光头及其使用方法

本申请是申请日为2001年5月11日、申请号为01812171.3、发明名称为“具有独立限位环和多区域压力控制结构的气动隔膜式抛光头及其使用方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及半导体晶片的抛光和平面化系统、装置和方法，特别是涉及采用了多重平面化压力区域以便在整个半导体晶片上获得高等级平面化均匀度的系统、装置和方法。

背景技术

随着半导体基片或晶片上的技术特征尺寸减小、密度增大和晶片尺寸增加，对化学机械平面化(CMP)工艺的需求变得更加迫切了。从以低成本制造半导体制品的角度看，不同晶片之间的加工均匀性以及晶片内平面化均匀性构成了重要影响因素。随着芯片或晶片的尺寸增大，小面积的瑕疵可能会导致相对较大的电路成为废品，因此，在半导体工业中，即使是很小的瑕疵也会造成相对较大的经济损失。

在现有技术中，已知有多种原因可以引起不均匀性问题。这些原因包括：抛光平面化过程中施加到晶片上的晶片背侧压力、因抛光垫在晶片边缘处和在中央区域出现的典型作用差异而引起的非均匀性边缘效应、金属和/或氧化层的不均匀沉积等，所述不均匀沉积最好能在晶片平面化过程中通过调节金属去除轮廓而得到补偿。迄今为止，为同时解决这些问题所做的努力尚没有取得成功。

基于晶片背侧抛光压力的本质要求，通常采用硬支持抛光头。在许多最新产生的机器中，一个嵌块设在支架(或托架)表面与晶片或其他基片上的将要被抛光或平面化的表面之间，以试图在硬支持抛光头系统中提供一定的柔软性。这种嵌块通常称作晶片嵌块。这些嵌块常会引起问题，因为它们经常引起加工过程偏差，从而导致不同基片之间出现偏差。这种偏差是非恒定的，并且通常是不可判断的。造成这种偏差的一个因素是在使用过程中经过了一定的寿命后发生晶片被嵌块吸附的量不同。通过将晶片在使用之前浸泡在水中，可以提高加工中的均匀度。这种做法可以导致使用前期与使用后期更加相近，但尽管如此，仍发现存在不可接受的加工过程偏差。通过将嵌块如前所述在水中预调，并且在嵌块的特性变化到超出可被接受的极限之前更换嵌块，可以将所述过程偏差控制在有限范围内。

在使用嵌块时，还需要精确地控制用于连接嵌块的托架的整个表面，因为该表面的任何不均匀度、瑕疵或是平面度或平行度偏差均会导致横跨基片表面出现平面化偏差。作为示例，在传统抛光头中，首先要制作出铝或陶瓷板，之后要对其进行研磨和抛光，再将其安装到抛光头上。这种制作方法增加了抛光头和机器的成本，特别是在设有多个抛光头时。

由于半导体基片表面上的结构尺寸(技术特征尺寸)变得越来越小，现在一般在大约0.2微米以下，因此与不均匀平面化相关的问题越来越多。这种问题有时称作晶片内不均匀性(WIWNU)问题。

对于所谓的硬支持平面化加工头，也就是利用硬质表面按压在半导体晶片背侧的加工头，晶片的前表面可能不与抛光垫相符，从而会产生平面化不均匀性问题。这种硬支持加工头通常要采用非常高的抛光压力(例如在大约6psi至大约8psi范围内的压力)，而且这种相对较高的压力能够有效地使晶片变形，以符合抛光垫表面形状。在这种晶片变形出现后，突出部分与凹入部分一起被抛光，以获得一定程度的整体均匀性，但实际结果是平面化效果较差。也就是说，晶片上的某些区域中的磁道被去除了太多的材料，而某些区域则去除得太少。在材料量去除得过多的情况下，芯片就不能使用了。

另一方面，在使用带有嵌块的抛光头时，晶片被按压在抛光垫上，但由于嵌块中的软质材料不会导致晶片变形，因此可以采用较低的抛光压力，并且因变形较小而获得晶片前表面均匀性，从而可以同时获得整体抛光均匀性和良好的平面化效果。由于晶片上的类似芯片结构特征被抛光到基本相同的程度，因此可以至少部分地获得良好的平面化均匀度。

虽然有人曾尝试利用软支持CMP抛光头，但均未取得令人满意的结果。在一些软支持抛光头结构中，一层覆盖在晶片的整个背侧表面上的压力空气用于在抛光过程中将晶片按压在抛光垫上。遗憾的是，虽然这种方法能够提供出软支持抛光头，但却不能够独立调节施加在晶片边缘和更靠近中央区域上的压力或力，以解决晶片边缘不均匀性问题。

对于边缘抛光效果的校正和补偿，有人试图通过调节布置在晶片周围的限位环的形状和/或修正限位环压力，以调节晶片在限位环附近的材料去除量。通常，边缘抛光效果或边缘效应将导致过多的材料从晶片边缘上去除，也就是说晶片边缘被过度抛光。为了校正这种过度抛光，通常要将限位环压力调节得比晶片背侧压力高一些，以使该区域中的抛光垫部分被限位环压缩一定程度，从而使限位环区域内的晶片部分的材料去除量少几毫米。然而，即是使这些尝试也不能完全令人满意，因为晶片外周边缘上的平面化压力只能根据限位环压力而间接调节。通常，不能任意扩展限位环在距晶片边缘有效距离内的作用。此外，不能独立调节限位环压力、边缘压力或晶片背侧总体压力以实现理想结果。

对于通过调节材料去除轮廓而调节加载晶片的非均匀沉积这一理想方式，几乎没有人作出过任何实现这种补偿的尝试。

因此，目前仍需要提供一种这样的软支持CMP抛光头，其能够获得优异的平面化结果，并且能够调节晶片材料去除轮廓，以补偿诸如晶片等半导体基片上的结构层的不均匀沉积。

发明内容

本发明提供了一种抛光头和一种抛光装置、机器或工具(CMP工具)，用于对基片或其他工件的表面进行抛光或平面化。所述装置包括可旋转的抛光垫和晶片托架，所述晶片托架包含：基片或晶片容纳部分，其用于容纳基片并将基片抵靠着抛光垫定位；以及晶片按压件，其包含第一按压件和第二按压件，所述第一按压件抵靠着所述抛光垫向所述晶片的边缘部分施加第一负载压力，所述第二按压件抵靠着所述抛光垫向所述晶片的中央部分施加第二负载压力，其中所述第一和第二负载压力是彼此不同的。尽管晶片托架和晶片按压件可以分开使用，但在本发明的一个优选实施例中，抛光装置还包括：限位环，其环绕着所述晶片托架；以及限位环按压件，其抵靠着所述抛光垫向所述限位环上施加第三负载压力。第一、第二和第三负载压力可以彼此独立调节。

在另一个方面，本发明提供了一种对圆盘形半导体晶片或其他基片平面化的方法。该方法包括以下步骤：以第一压力将围绕着所述晶片的限位环推压在抛光垫上；以第二压力将所述晶片的第一外周边缘部分推压在所述抛光垫上；以及以第三压力将所述晶片上的位于外周边缘部分内侧的第二内侧部分推压在所述抛光垫上。在另一个方面，所述第二压力可以通过与所述外周边缘部分接触的机械件而施加；而所述第三压力是施加在所述晶片背侧的气动压力。理想的方式是，气动压力通过弹性膜片而施加，或者通过将气体直接推压在所述晶片背侧表面的至少一部分上而施加。

在另一个方面，本发明还提供了一种用于CMP装置的托架，其包括：板，其具有外表面；第一压力腔，其用于施加力，以将所述板沿预定方向推动；垫片，其连接着所述板的外周边缘；膜片，其通过所述垫片而连接着所述板，并且与所述板之间相隔着所述垫片的厚度；以及第二压力腔，其形成在所述膜片与所述板表面之间，以施加第二力，从而沿第二预定方向推压所述膜片。

在另一个方面，本发明提供了一种用在基片抛光装置中的支架，其包括：壳体；限位环，其柔性连接着所述壳体；第一压力腔，其用于施加第一力，以将所述限位环沿第一预定方向相对于所述壳体推动；托架板，其具有外表面，并且柔性连接着所述壳体；第二压力腔，其用于施加第二力，以将所述限位环沿第二预定方向相对于所述壳体推动；所述限位环环绕着所述托架板的一部分，并且限定出一个圆形凹槽；垫片，其在所述限位环圆形凹槽中连接着所述托架板外表面的外周边缘；膜片，其通过所述垫片连接着所述托架板，并且布置在所述圆形凹槽中，所述膜片与所述托架板外表面之间相隔着所述垫片的厚度；以及第三压力腔，其形成在所述膜片与所述托架板外表面之间，用于施加第三力，以将所述限位环沿第三预定方向相对于所述壳体推动。

本发明还包括一种基片，例如半导体晶片，其由根据本发明的方法加工或制作出来。

附图说明

图1是一种代表性的多头CMP抛光机或平面化机器的示意图。

图2(现有技术)是一种传统CMP加工头的示意图。

图3是包含带有密封压力腔的膜片的软支持CMP抛光头的实施例的示意图，其中图3A示出了使用带压力腔凹槽的膜片支持板的实施例；图3B示出了使用圆环形角部件的实施例；图3C示出了使用膜片的加厚外周边缘部分以传递抛光力的实施例。

图4是包含带有孔眼的膜片的CMP抛光头的实施例的示意图。

图5是包含带有孔眼的膜片和带槽支持板的CMP抛光头的实施例的示意图。

图6是包含带有孔眼的膜片和流经晶片表面的气垫的CMP抛光头的实施例的示意图。

图7是包含双密封压力腔的CMP抛光头的实施例的示意图，其中图7A示出了使用带有双密封压力腔的膜片的CMP抛光头的实施例；图7B示出了一个CMP抛光头实施例中的限位环和托架，而未示出其他部分。

图8是一个CMP抛光头的实施例的示意图，其具有膜片密封腔和一个用于向膜片和晶片的某个部分上添加不同压力的圆管状压力环。

图9是一个CMP抛光头的实施例的示意图，其具有膜片密封腔和多个用于向膜片和晶片的多个区域上添加不同压力的圆管状压力环。

图10是本发明的包含膜片和密封压力腔的抛光头优选实施例的示意图。

图11是用在图10所示实施例中的限位环悬挂件的实施例的示意图。

图12是可以用在图10所示实施例中的替代性力矩传递件的实施例的示意图。

图13是图10所示CMP抛光头的细节的示意图，示出了托架组件在组装好的抛光头中的连接情况。

图14是托架组件悬挂件的实施例的示意图。

图15是晶片背侧膜片的实施例的示意图。

图16是本发明的抛光头的一个替代性优选实施例的示意图，该抛光头中包含带有孔眼的膜片和带有锥形空腔的托架。

图17是可以用在图16所示实施例中的膜片支持板的实施例的示意图。

图18是图17所示膜片支持板的示意性透视图。

图19是本发明的包含内腔和外腔的抛光头的实施例的示意图。

图20是本发明的抛光头的一个实施例的示意图，该抛光头类似于图19所示实施例，但两个膜片没有相互叠加，而且外侧膜片采用开口圆环的形式。

图21是本发明的抛光头的一个实施例的示意图，该抛光头类似于图19所示实施例，但两个膜片没有相互叠加。

图22是本发明的抛光头的一个实施例的示意图，该抛光头类似于图21所示实施例，但外腔包含或形成了可充气的内管或囊。

图23是本发明的抛光头的一个实施例的示意图，其中外腔包括一个外侧环形腔。

图24是本发明的抛光头的一个实施例的示意图，其中包含能够同时且基本独立地控制五个区域的结构和方法。

图25是双膜片抛光头的实施例的示意图，其中外侧膜片采用开口圆环的形式，而且施加在内侧缘形膜片上的压力可以发生变化，以改变被施加力的基片中央区域的面积。

图26是与图25所示类似的双膜片抛光头的实施例的示意图，其中外侧膜片采用包围着内侧膜片的圆形膜片的形式。

图27是包含封闭圆环形式的外侧膜片的抛光头的实施例的示意图，其中施加在膜片上的压力可以发生变化，以改变被施加力的基片中央区域的面积。

图28示出了本发明的抛光头的另一个优选实施例。

具体实施方式

下面结合附图中显示的特定代表性实施例描述本发明的结构和方法。本发明的结构和方法能够消除许多与传统抛光头结构中在晶片背侧与晶片托架之间使用聚合物嵌块相关的问题，以及与软支持抛光头中的晶片表面上的压力分布相关的问题。不同的力或压力将抵靠着抛光垫而向晶片前侧表面施加不同的负载，从而导致不同的材料去除率。施加在限位环上的压力也类似地改变与限位环相对的限位环接触面的负载力，从而影响晶片边缘的材料去除率。本发明的结构和方法将嵌块替换为柔性膜片或薄膜，其毗邻晶片背侧表面安置。在一个实施例中，所述膜片形成了密封空腔，在第二个实施例中，所述膜片带有开口或孔眼，以使压力至少部分地直接施加在晶片背侧表面上。使用这种背侧软表面压力腔，或者与本发明的抛光头中的其他元件协作而将压力引向晶片背侧表面，还能够在低压下实施抛光，从而实现更高的晶片内均匀度。封闭内腔实施例和开口实施例将在后文中详细描述。

本发明的抛光头还能够相对于晶片中央附近的材料去除量而单独控制晶片边缘的材料去除量，从而可以控制边缘均匀度。这种控制是通过在抛光头中对三种基本上彼此独立的压力进行控制而实现的，这些压力是：(i)施加在晶片中央部分的晶片背侧压力，(ii)施加在晶片背侧边缘的托架压力，(iii)在围绕着晶片的环形区域中直接施加在抛光垫上的限位环压力。

在后文中描述的结构中，限位环通过柔性材料而悬挂在壳体上，从而可以竖直移动，而极少有摩擦且不会受到约束。相邻机械元件之间设有一定间隙，以使限位环能够以这样的方式悬浮在抛光垫表面上，即能够适应于抛光或平面化操作中的较小角振动。托架同样通过柔性材料而悬挂在壳体上，从而可以竖直移动，而极少有摩擦且不会受到约束。与限位环一样，相邻机械元件之间设有小的机械间隙，从而使得托架能够以这样的方式悬浮在抛光垫表面上，即能够适应于抛光或平面化操作中的较小角振动。晶片只在晶片外周边缘附近通过膜片连接件而接触托架。晶片上的位于晶片外周边缘内侧的中央部分只在抛光或平面化过程中通过柔性膜片或薄膜以及空气或其他气动或液压压力缓冲腔而接触托架。除了将限位环和托架悬挂在壳体上以外，壳体本身连接或悬挂在平面化机器的其他元件上。通常，这种连接或悬挂是通过气动、机械或液压运动装置而实现的。例如，气缸可以用于提供这种运动，这是本领域所公知的。这种连接使得抛光头能够整体上相对于抛光垫表面上下竖直移动，从而可以在抛光之前将晶片放置在托架上，并在抛光完成后从托架上取下。机器人通常用于实现这一目的。

在本发明的一个实施例中，抛光头的抬升和降低机构中设有下侧刚性物理挡块，其能够被调节以补偿抛光垫磨损和限位环磨损。为了实现抛光垫磨损和/或限位环磨损的补偿，不是借助于托架或限位环相对于壳体的一定范围内的竖直移动或行程，而是调节抛光头总体上相对于抛光垫的位置，这种方式是可取的，因为这样可以将限位环和托架维持在其运动范围的中心或附近，从而使得对抛光头操作造成的可能且不希望出现的机械影响最小化，并且提高或稳定住加工过程的均匀性。这种机械影响可能包括，例如滑动表面以及相关摩擦力的增大或减小，壳体与限位环之间或壳体与托架之间的柔性连接特性发生变化，以及因诸如组装或校准缺陷等造成的机械影响。根本上讲，通过总是对抛光头组件进行定位，以使抛光头中的重要操作元件(例如限位环、托架、背侧膜片)位于预定位置或附近，可以减少任何可能对加工过程造成影响的负面作用。

通过设置这种相对于抛光垫而控制抛光头组件的措施，可以长时间使用各种厚度的抛光垫，而且使用初始较厚的抛光垫预期可以使抛光垫获得较长的使用寿命。当然，在某些条件下，可能需要在预定数量的晶片被抛光之后或者根据抛光垫的当前特性而对这种较厚抛光垫实施抛光垫修复。

通常，几毫米的调节足可以适应于抛光垫和限位环的磨损。例如，通常大约1mm至大约20mm范围内的抛光头位置调节能力就足够了，典型情况下大约2mm至大约8mm范围内的调节能力就足够了。这些调节可以通过下列方式而实现：借助于调节螺母或螺钉而调节，借助于变压力气动或液压致动器而调节，通过齿轮齿条组件而调节，通过棘轮机构或本领域公知的其他机械调节方式而调节。或者，可以使用位置编码器，以探测抛光头的下方停止位置，从而在抛光头到达该位置时利用夹具或其他装置将其夹持住。虽然也可以采用某些电控装置来维持探测到的停止位置，但实际上并不希望采用电控装置，因为它们易于受到噪音和机械定位件振动的影响，这种机械定位件可能是为了对晶片或其他基片进行精确的平面化而设置的。

本发明的CMP抛光头和平面化方法可以用在具有单一抛光头的CMP机中，或者也可以用在具有多个抛光头的CMP机中，例如与旋转传送带组合使用。此外，本发明的抛光头可以用在所有形式的CMP机中，包括使用轨道运行抛光元件、循环运动抛光元件、直线或往复运动抛光元件以及这些抛光运动的组合运动抛光元件的机器，也可以用在本领域公知的其他CMP和抛光机中。

图1中示出了一种化学机械抛光或平面化(CMP)工具101，其包括一个旋转传送带102，所述旋转传送带携带着多个由抛光头安装组件104和基片(晶片)托架组件106组成的抛光头组件103。这里使用的术语：“抛光”既可以指对通常由半导体晶片或基片构成的基片113进行抛光，也可以指对沉积了电路元件的半导体晶片等基片实施基片平面化。半导体晶片通常是薄且具有一定脆性的圆盘，其名义直径在100mm和300mm之间。目前工业界使用的是100mm、200mm和300mm的半导体晶片。本发明的设计结构可以应用在直径最大值至少为300mm的半导体晶片和其他基片，以及更大直径的基片，并且可以有益地将任何显著的晶片表面抛光不均匀度限定在半导体晶片的径向周边的所谓禁用区中。通常，所述禁用区为大约1mm至大约5mm，更普通的是大约2mm至大约3mm。

底座105用于支承着包括桥架107在内的其他元件，所述桥架107以可升降的方式支承着传送带102和连接在其上的抛光头组件103。安装组件104安装在传送带102上，每个抛光头组件103均安装在安装组件104上以便旋转，传送带被安装得能够绕着传送带中心轴线108旋转，而且每个抛光头组件103的旋转轴线111分别基本上平行于传送带中心轴线108但与之相隔。CMP工具或机器101还包含电机驱动台板109，其被安装得能够绕着台板驱动轴线110旋转。台板109保持着抛光垫135，并且被台板电机(未示出)驱动着旋转。CMP工具101的这一特定实施例是多头结构的，即每个传送带102带有多个抛光头103；然而，单头式CMP工具也是公知的，而且本发明的CMP抛光头和抛光方法既可以用在多头抛光设备中，也可以用在单头抛光设备中。

此外，在这种特定的CMP结构中，多个抛光头103是由单一的抛光头电机(未示出)驱动的，所述电机驱动一条传动链(未示出)，所述传动链反过来又通过链和链轮机构驱动各个抛光头103；然而，本发明也可以应用在每个抛光头103分别被单独电机带动旋转和/或采用除链条和链轮机构之外的其他类型驱动机构的实施例中。本发明的CMP工具中还采用了旋转接头，其设有多个不同的气体/流体通道，以将压力流体如空气、水、真空或类似物连通于头部的外界固定供应源与头部之上或之中的位置之间。在一个实施例中，旋转接头中设有五个不同的气体/流体通道。在本发明的采用了带腔托架的实施例中，要包含有附加的旋转接头进出口，以便向附加的腔供应所需的压力流体。

在操作中，抛光台板109与附加在其上的抛光垫135一起旋转，传送带102旋转，每个抛光头103分别绕着它们的轴线旋转。在本发明的CMP工具的一个实施例中，传送带102的旋转轴线108相对于台板轴线110偏置大约1英寸；然而，并非在所有情况下均需要采用这种偏置。在另一个实施例中，各个元件的旋转速度是这样选择的，即晶片113的每个部分与基片上其他点一样以相同的平均速度运行基本相同的距离，以使基片被均匀地抛光或均匀化。由于抛光垫通常是在一定程度上可压缩的，因此在晶片初次接触抛光垫时，抛光垫与晶片之间的相互作用速度和方式将在很大程度上影响晶片边缘上的材料去除量，并且影响抛光了的晶片表面的均匀度。

为了体现本发明的CMP抛光头和与使用抛光头的各实施例相关的CMP方法的与众不同之处，首先请参看具有图2所示结构的简化了的典型传统抛光头。

在图2所示例子中，机械式螺旋弹簧用于表示在抛光头的不同部位施加不同的力。事实上，虽然理论上也可以使用弹簧来实施本发明，但气压或液压形式的流体压力通常用于向预期区域提供更好的压力均匀度。在本图中使用弹簧主要是为了更清楚地描述，以避免使本发明被并非必需的传统结构细节混淆。

图2中的传统CMP抛光头152包含顶部壳体204和轴206，所述轴用于将壳体以及CMP抛光头的其余部分连接到电机或本领域公知的其他旋转动力源。壳体204通常包含环形壳体侧部205，其包围着抛光头的其余部分，用来保护其余部分不接触抛光液，保护内部元件受到不必要的暴露和磨损，并且用作其他内部元件如限位环214的机械导向件。从极为简化了的意义上讲，限位环214和托架212可以认为是悬挂在一个平坦水平壳体板上，所述壳体板具有连接着轴206的上表面208和用于悬挂限位环214和托架212的下表面210。

托架212通过轴216而连接着壳体204，所述轴216固定连接着托架的上表面218，并且向着俘获在下表面210中的圆柱孔222中的球形装配球体220延伸。装配球体220可以在孔222中竖直移动或滑动，以确保它们与壳体204一起作相对竖直移动。优选将孔222的尺寸加工得略大一些，以使装配球体220在移动时不受约束，并且可以获得一定的运动调节量，从而在设有多个装配球体和孔的组合结构时，允许托架相对于壳体204和抛光垫226作一定的角运动或倾斜。然而，装配球体和孔之间的配合应当足够紧密，以防止因过度运动或间隙而损害抛光头的精度。装配球体220在壳体204与托架212之间提供了力矩传递连接，以使来自轴206的旋转运动能够通过托架212传递到经受平面化的晶片230上。尽管在图中未示出，以防止因过分复杂而使本发明含混不清，但也可以类似地利用限位环中的装配球体而连接壳体。

一个或多个弹簧232布置在壳体下表面210与限位环214的上表面234之间，并且用于将限位环214与顶部壳体204分开。由于在抛光或平面化操作中壳体的运动受到限制，因此最终的结果是将限位环214向下推压在抛光垫226的上表面上。在这个特定的实施例中，弹簧232的类型或弹簧232的数量可以调节，以提供理想的限位环力(FRR)或限位环压力(PRR)。然而，如果是利用流体压力将限位环推压在抛光垫226上，则向下施加在限位环上的流体压力应当能够调节，以获得使限位环214向下推压在抛光垫226上的力。

在一种类似的方式中，一个或多个托架弹簧238布置在托架212的壳体下表面210和上表面218之间，并且用于将托架与壳体分离和将托架推向抛光垫。在抛光操作中，壳体208的运动受到限制，因此最终的结果是将托架212向下推压在抛光垫226的上表面上。通常，一个单独的气缸用于使抛光头152相对于抛光垫226移动和定位。这一运动可以用于例如在晶片或其他基片为了平面化而被加载后将抛光头定位(降低)到接近于抛光垫的位置，并且在平面化结束后将抛光头抬升而离开抛光垫226。有益的结构是，设有作为运动下限基准的机械挡块，以确保获得适度的可重复性，并且避免抛光头或晶片受损。

在这种传统实施例中，托架的下表面直接或者通过一个可选的聚合物嵌块160而安装半导体晶片230的背侧表面244。

可以理解，图2中所示的传统CMP抛光头可以提供出由限位环214施加到抛光垫226上的限位环压力(PRR)，以及至少是理论上的位于晶片230的前表面与抛光垫表面之间的单一均匀托架压力(PSC)。本领域的普通技术人员可以理解，晶片可能会因各种因素而在其整个表面上承受不均匀压力，这些因素包括：与旋转的抛光头和旋转的抛光垫相关的动态特性、抛光垫局部压力、抛光液分布以及其他许多因素。本领域的普通技术人员还可以理解，如本说明书中的解释，均匀的平面化压力可能不会产生均匀的平面化效果，而某些受控的平面化压力变化却是理想的。然而，这种控制不能通过图2所示的CMP抛光头或平面化方法而实现。

本发明提供了几个CMP抛光头实施例以及一种适用于本发明的抛光头和其他抛光头的创新抛光和平面化方法。每个实施例中所提供的结构均能够以可控的方式改变半导体晶片上的至少两个区域中的平面化压力，并单独调节限位环向下作用在抛光垫上的压力。现已知限位环压力的控制能够影响晶片与位于晶片边缘处的抛光垫之间的相互作用，从而影响晶片平面化边缘特性。这种影响是间接起作用的，因为限位环的压力只能扩展到晶片下方有限的距离处。

图3中示出了本发明的抛光头的三个有关实施例，它们每个分别具有一个薄膜和形成在托架与薄膜之间的密封压力腔。图3A中示出了带有大致实心膜片支持板26的实施例，而图3B中示出了不带膜片支持板26的实施例，其中托架的力只在外周表面处通过角部圆环260而从托架板212传递到膜片250上。图3C中的实施例类似于图3B中的实施例，只是去掉了角部圆环260，代之以膜片250的加厚部分263，以传递托架力。应当指出，在一些实施例中，膜片可以由合成材料制成，而且/或者角部圆环260或其他结构可以与膜片的边缘部分形成一体。

下面详细描述图3A中的独创性CMP加工头的实施例的结构。机械式螺旋弹簧232、238用于表示在抛光头202的不同部位施加不同的力。事实上，虽然理论上也可以使用弹簧来实施本发明，但可以预见到，气压或液压形式的流体压力通常可以提供更好的平面化结果，因为这种压力能够均匀地分布在预期区域中；此外，由于压力可以受到监视，因此不像机械式弹簧那样需要定期更换或需要频繁进行维护性调节。在图示的实施例中使用弹簧主要是为了更清楚地描述，以避免看上去觉得传统结构与本发明毫无关系。

图3中的抛光头202包含顶部壳体204和轴206，所述轴用于将壳体以及抛光头的其余部分连接到电机或本领域公知的其他旋转动力源。壳体204通常包含环形壳体侧部或侧缘205，其包围着抛光头的其余部分，用来保护其余部分不接触抛光液，保护内部元件不会受到不必要的暴露和磨损，并且用作其他内部元件的机械导向件。限位环214和托架212总体上悬挂在一个构成壳体的水平板上，所述水平板具有连接着轴206的上表面208和用于悬挂限位环214和托架212的下表面210。

托架212通过轴216而连接着壳体204，所述轴216固定连接着托架212的上表面218，并且向着俘获在顶部壳体204的下表面210中的圆柱孔222中的球形装配球体220延伸。装配球体220可以在孔222中竖直移动或滑动，以确保它们与壳体204一起作相对竖直移动(相对于抛光垫上下移动)。优选使孔222具有一定的容隙，以使装配球体220在移动时不受约束，并且可以获得一定的运动调节量，从而在设有多个装配球体和孔的组合结构(例如3组)时，允许托架相对于壳体204和抛光垫226作一定的角运动或倾斜。装配球体220在壳体204与托架212之间提供了力矩传递连接，以使来自轴206的旋转运动能够通过托架212传递到经受平面化的晶片230上。尽管在图中未示出，以防止因过分复杂而使本发明含混不清，但实际上也可以利用与托架中相同的方式借助于限位环中的装配球体而连接壳体。本领域公知的其他形式的力矩或旋转运动连接结构和方法也可以采用。

一个或多个弹簧232布置在壳体下表面210与限位环214的上表面234之间，并且用于将限位环与顶部壳体分开，并将限位环推压在抛光垫226上。由于在抛光或平面化操作中壳体的运动受到限制，因此最终的结果是将限位环214向下推压在抛光垫226的上表面上。在这个特定的实施例中，弹簧232的类型和/或弹簧232的数量可以调节，以提供理想的限位环力(FRR)或限位环压力(PRR)。然而，如果在优选实施例中使用的是流体压力，则向下施加在限位环上的流体压力(直接或间接施加)应当能够调节，以获得将限位环214向下推压在抛光垫226上的力。

在一种类似的方式中，一个或多个托架弹簧238布置在托架212的壳体下表面210和上表面218之间，并且用于将托架与顶部壳体204分离。在抛光操作中，壳体208的运动受到限制，因此最终的结果是将托架212向下推压在抛光垫226的上表面上。与在下表面240处直接按压在抛光垫226上的限位环214不同，本发明的托架并不直接接触抛光垫，而且在本发明的优选实施例中甚至不直接接触晶片230的背侧表面244。相反，在本发明的大部分实施例中接触是通过一张膜片、薄膜或其他柔韧弹性材料实现的，而在其他实施例中是局部或完全通过一层压力空气或气体而实现的。

在本发明的结构中，托架212主要用于提供出稳定的用以连接柔性膜片、薄膜或隔膜250的平台。在一个实施例中(见图3B和3C)，内腔251形成在托架218的下表面252与膜片250的内表面即上表面254之间。膜片250的相反侧表面即外表面接触晶片230的背侧表面244。在另一个实施例中(见图3A)，内腔251形成在膜片支持板261的下表面与膜片250的内表面254之间。用于提供力(FBS)或压力(PBS)和真空的压缩空气或气体供应源在抛光头表面处直接或者通过旋转接头而连接着接头配件267，并且通过管子、管体或其他导管而连接着内腔251。

在图4所示的替代性实施例中，膜片只局部覆盖或延伸通过晶片背侧表面244，而且一个孔眼265或其他开口设在膜片250中。在这个替代性的实施例中，抛光头本身的结构中没有形成内腔，相反，只有在晶片230或其他基片加载(装卡)在抛光头上以便抛光时，才会在晶片背侧表面244上建立起背侧压力(PBS)。

在图6所示的另一个替代性实施例中，流到晶片背侧表面的一定体积的空气280或其他气体可以通过孔眼而调节，以使空气从膜片250与晶片背侧表面之间泄漏出来，从而使晶片悬浮在空气280形成的气垫上。

现在返回图3所示的实施例，本发明的结构允许膜片外表面256这样按压在晶片背侧表面244上，即中央部分281相对于边缘部分282具有不同的压力(见图3A)。在图3B所示的实施例中，圆形或环形角部件260布置在晶片的外周边缘262上或附近。尽管膜片250的一部分延伸覆盖在角部件260上以便向晶片接触区域提供初基本上连续的膜片，但角部件260应当由稍微坚硬的材料制成，以使之能够将托架力(FSC)或托架压力(PSC)的至少一些分力传递到晶片背侧表面256上。作为示例，角部件260可以由不可压缩或基本上不可压缩的材料如金属、硬质聚合材料或类似材料制成；或者由可压缩或弹性材料如软质塑料、橡胶、硅酮或类似材料制成。作为替代性结构，角部件260可以采用容纳着空气、气体、流体、凝胶或其他材料的管状囊体的形式，并且可以具有固定的体积和压力，或者可以连接着用于改变空气、气体、流体、凝胶或其他材料的体积和/或压力的机构，从而可以调节硬度、可压缩性和类似性能，以适应于特定的平面化过程。角部件260的特性可以在很大程度上决定了会有多大的托架力(FSC)传递到晶片230的背侧表面244上。设置这一角部件260的目的是相对于施加在晶片其余部位的抛光压力而言单独调节施加在晶片230的外周边缘262上的抛光压力，从而可以控制材料的去除和边缘效应。

应当指出，即使角部件260采用的是基本上不可压缩的材料，膜片250上的一些部分实际上也会呈现出一定的可压缩性和弹性，这有助于使边缘过渡现象最小化——这种现象可能会出现在角部件与晶片内侧部分之间的边界处。膜片250的厚度可以这样选择，即能够提供出理想的坚固程度和弹性。不同的处理过程可以因不同的特性而受益。还应当指出，尽管图3B中的实施例所示的角部件260具有矩形横断面，但所述横断面可以改为楔形或圆形的，以使表面轮廓和压力平滑地过渡。

在图3A所示的实施例中，膜片支持板261可以提供出位于晶片230外周边缘283处的角部件功能特性，还能够向通过真空力保持在抛光头202上的晶片提供附加的支承作用。膜片支持板261可以限制晶片在被保持和装卡时的鼓出弯曲量，并且防止形成在晶片前侧表面245上的磁道或其他结构破裂。

流体压力(例如气压)施加在膜片支持板261的下方(见图3A)，或者施加在托架下表面264与膜片上表面254之间(见图3B和3C)，从而通过膜片250向晶片背侧表面244施加向下的力。在本发明的一个实施例中，施加在晶片背侧的向下的力(FBS)是由流体压力产生的，所述流体压力经过孔、孔眼、管体、导管、管子或其他通道272，并且经过接头配件267或旋转接头而通向外界压力源。在图3B所示的实施例中，背侧压力在环形角部件260的内侧均匀地分布在晶片表面上，在图3C所示的实施例中，背侧压力在加厚膜片部分263的内侧均匀地分布在晶片表面上，而在图3A所示带有膜片支持板的实施例中，背侧压力在形成于膜片支持板261的下部凹槽279与膜片上表面254之间的内腔251中均匀地分布在晶片表面上。

可以理解，由于托架下表面252与膜片250上的环形部分285之间存在有效机械连接，因此晶片230要在其外周边缘283附近受到托架压力(PSC)所引起的压力，所述环形部分285接触并沿展跨过角部圆环件260或膜片支持板的外周边缘部分。应当指出，膜片支持板261的下表面上形成了内凹的凹槽279，因此膜片支持板261不会传递来自托架的机械力。因背侧压力(PBS)而引起的压力施加在晶片23中心并且向着边缘扩散。在邻近于角部件260的内径或膜片支持板261的环形凹槽的边缘的区域中，这两种压力(PSC和PBS)之间通常会出现一定的过渡。

一般而言，晶片外周边缘的抛光压力可以调节到高于、低于或等于晶片背侧中央的抛光压力。此外，限位环压力(PRR)也可以大体上高于、低于或等于晶片中央抛光压力或外周边缘抛光压力。在本发明的一个特定实施例中，限位环压力通常位于大约5至大约6psi的范围内，更通常为大约5.5psi，托架压力通常位于大约3至大约4psi的范围内，更通常为大约3.5psi，晶片背侧压力通常位于大约4.5至大约5.5psi的范围内，更通常为大约5psi。然而，这些压力范围只是示例性的，任何所述压力均可在大约2至大约8psi的范围内调节，以实现理想的抛光或平面化效果。在本发明的一些实施例中，机械元件的物理重量，例如限位环的重量和托架组件的重量，可以贡献一定的有效压力。

本发明的一个替代性实施例显示于图3C中。在这个替代性实施例中，角部件260被取消，并且代之以膜片250的加厚部分，所述加厚部分可以用作角部圆环或角部件。膜片的材料特性以及所述加厚部分的厚度(t)和宽度(w)将在很大程度上决定托架力散布到晶片背侧表面上的比例。同样，虽然在图3C所示的实施例中膜片加厚部分的横断面为矩形，但加厚部分也可以采用许多其他有益的横断面形状或轮廓，以提供出理想的托架力量值和分布。通过适宜地选择形状，力可以从外周边缘开始以径向距离的函数方式非均匀地分布，以实现理想的材料去除效果。在考虑到成本和其他因素的情况下，甚至可以改变从中心开始以径向距离的函数方式出现的材料性能(特别是在加厚壁部263的区域中)，以实现加厚壁部传递的不同的力传递性能。

在图3所示的实施例中，(以及下面描述的其他各个实施例中)，晶片230上的被直接或基本上直接施加了力的区域可以在相当宽的范围内调节。作为示例，膜片支持板材料和/或膜片支持板凹槽279(图3A)、角部件(图3B)或膜片加厚部分距外周边缘262的距离通常为大约1mm至大约30mm，更通常为大约2mm至大约15mm，最典型的是大约2mm至大约10mm。然而，一般而言，凹槽、角部件或膜片加厚部分的宽度或延展范围应当取决于预期的加工结果，而不能绝对局限于特定的物理距离。这些尺寸最好是在试验过程中根据经验以及所建立的晶片加工参数而确定。在一种用于加工200mm晶片的CMP机器实施例中，凹槽的直径为大约198mm，而在另一个实施例中，凹槽的直径为大约180mm。总体而言，所需的尺寸取决于特定的机器和/或加工程序，即在机器的研制和设计过程以及CMP程序的调试过程中根据经验而确定。

最后，应当指出，尽管图示的实施例中以弹簧作为力产生元件或用于产生限位环力(FRR)和托架力(FSC)的装置，但应当理解，通常会出于很多原因而不使用弹簧。例如，为大量的弹簧提供匹配的弹簧特性在实际应用中可能会有问题，特别是在原始产品在使用了几个月或几年后需要更换弹簧时。此外，弹簧结构需要物理连接着壳体、限位环和托架，因此这些元件的运动独立性可能会受到损害。相反，通常要设置空气或流体密封腔或者是气缸或液压缸，以产生用于驱动限位环、托架和膜片的气动或液压推力或压力。压力腔的使用方式以及减少了的零件之间的物理连接请参看后文中对图10和图16以及其他相关图中所示的实施例进行的描述。

下面描述其他一些替代性实施例，它们提供了单独的限位环力、晶片边缘抛光力和晶片中央抛光力。由于图4至图9中所示本发明实施例的总体结构类似于图3中的实施例，因此下面只描述它们的不同之处。

在图4所示的实施例中，膜片250包含至少一个开口或孔眼265，而且抛光头本身的结构中没有形成封闭腔。相反，只有在晶片被装卡(安装)在抛光头上，并且气压通过孔眼265引入晶片背侧后，才能建立晶片背侧压力，以将晶片推压在抛光垫上。尽管图中示出了带有膜片支持板261的实施例，但可以理解，本实施例也可以采用前面参照图3B和3C所描述过的角部件260或加厚边缘部分263。在使用膜片支持板的情况下，膜片支持板的可选且有益的结构是包含一个积蓄槽291，其用于收集在施加真空以安装和保持晶片时被吸入或抽入管线272中的抛光液或碎屑。所述积蓄槽291可以防止管线因聚集杂物而被堵塞。此外，有益的结构是为积蓄槽设置向下倾斜延伸的侧面292，或者作为一种选择，可以利用一个比储蓄槽291的最大直径小的开口通向储蓄槽293。这种特征可以在维持最大的晶片背侧支持力的情况下实现相对较大的积蓄容量，并且便于将液体或抛光液从管线中排出。

在图5所示的实施例中，膜片支持板261的面向外侧的表面上带有槽294，这些槽被机加工或以其他方法形成在所述表面上，以将真空引向不同部位，并且有助于测试或探测晶片的定位是否正确。保留在所述槽之间的隆起部分295用于支承晶片，以防止其过度弯曲。在设有孔眼的结构中，由于借助于真空安装和保持着的晶片可能会受损，因此带有这种隆起部分是较为理想的。在一个实施例中，设有径向和圆周方向的槽294的组合结构。可以选择性地设置一个晶片存在探测孔296，以判断晶片是否正确安装在抛光头上。如果真空压力能够建立在晶片背侧，则说明晶片被正确安装；然而，如果不能建立真空，则说明没有晶片或晶片未被正确安装。这种带槽的膜片支持板的细节将通过图16所示的实施例进一步描述，该实施例中的一种特定的膜片支持板详细显示于图17和图18中。

图6中的实施例中也使用了具有至少一个开口或孔眼265的膜片250，而且为了控制压力以理想地将材料从晶片前侧表面上去除，一股流动的空气或其他气体被调节，以便在晶片背侧表面244与膜片外表面256之间维持一层空气(气体)。在这个实施例中，晶片支承在一层空气上。尽管在图中只示出了单一的孔眼265，但也可以使用一组或多个这样的孔眼。多余的空气280在晶片边缘处从晶片与膜片之间流出。也可以在限位环界面上设置附加的导管，以收集并回收空气。图中的箭头表示的是空气在晶片背侧表面上流动和从晶片外周边缘向外流出。

图7所示的实施例是图3所示实施例的一种改型，其设有多个用于向晶片背侧表面244施加压力的压力腔(图中示出了两个压力腔，用于施加力FBS1、FBS2以及相应的压力)。图7A所示的实施例中对图3A所示实施例作了改动，即在第一膜片250-1内部设有组合的类似第二支持板261-2与第二膜片250-2。这两个结构叠加在中部，从而可以在控制晶片边缘和限位环压力的同时单独控制施加在晶片中部的压力。尽管中央内腔251-2和膜片250-2所在部位如图中所示具有支持板261-2，其类似于为较大外侧膜片250-1而设置的支持板261-1，但这一部位也可以采用不同的支持板结构，或者不设支持板。例如，可以采用形成了一个内腔的简单膜片。应当理解，一个或两个所述膜片可以非常薄，以使膜片250-1、250-2的厚度和距晶片背侧表面244的距离相当小，这一点在图7A中为了清楚地显示结构而有所夸大。在一个实施例中，这两个膜片的组合厚度只有大约0.5mm至大约2mm，当然更厚或更薄的组合结构也可以采用。在另外的实施例中，覆盖着不同压力腔的膜片相互抵靠而非叠加着，分隔壁或间壁用于将通常为圆环形的多重内腔彼此分隔。在一些具有所述多重内腔的实施例中，相邻环形压力腔或区之间的分隔壁非常薄，因而分离壁不易在压力区边界处造成压力不连续分布。在另外的实施例中，用于将压力区分隔开的间壁可以具有加厚部分。

图7B中示出了图7A所示结构的一种改型，图中只示出了限位环214和托架212的部分，而没有示出抛光头的其他部分。应当指出，在这个实施例中，外侧或边缘过渡腔251-1中容纳着第一压力，内部或背侧压力腔251-2中容纳着第二压力。限位环214中容纳着第三压力(未示出)。如前面对其他实施例所作描述，边缘过渡腔251-1和背侧压力腔251-2中的一个或两个可以带有开口或孔眼。在边缘过渡腔251-1带有开口的情况下，该开口可以适当地设置为毗邻背侧压力腔251-2内侧的圆环孔(未示出)；可以理解，在这个特别的实施例中，内侧和外侧膜片250-1和250-2不需要彼此重叠，因而内侧膜片可以具有圆形形状，外侧膜片可以具有环绕着内侧膜片的环形形状。

图8中示出了多重中心压力或压差控制思想的另一种改型，其中大致圆形横断面的管状压力环或囊255布置在膜片支持板261或托架212的不同部位之间，并且通常是安置在位于托架中的槽257中。所述管状压力环或囊255用于向特定的希望额外去除材料的区域中供应附加的压力。通道259用于将压力空气(FBS2)或其他流体从外界压力源引入管囊257中。在被加压后，管囊将按压在膜片内表面254上，以局部增加平面化压力(PBS1)，这种压力在其他情况下只由内腔251提供。

图9中的实施例进一步扩展了这种思想，其中设有多个邻接或基本上邻接的管状压力环或囊255，从而可以以高于或低于周围区域的压力对某个区域进行抛光或平面化。虽然图中示出了大致圆形横断面的管状压力环或囊，但可以理解，在图8和图9所示的实施例中，管的形状可以方便地选择，以使理想分布的压力或力施加在膜片上，并因此而施加到晶片230上。压力气体或流体(FBS1、FBS2、FBS3、FBS4、FBS5)可以调节，以便在晶片表面上获得理想的抛光压力分布。在一个实施例中，管具有大致圆形横断面，而在另一个优选实施例中，管具有大致矩形横断面，而且大致平坦的管表面按压在膜片上。在图9所示的实施例中，环形管可以在其内外径之间具有不同的径向延展尺寸或宽度。

虽然前面分别描述了一些实施例，但本领域的普通技术人员可以理解，根据本说明书的指导，在不脱离本发明的范围的前提下，一个实施例中的元件和特征可以与另一个实施例中的元件和特征相互组合。

这些实施例揭示了本发明的CMP抛光头的一些重要特征，这些特征不能被特定的实施细节所遮掩住。一旦理解了这些实施例的操作结构，则图10和图16中所示实施例的结构、平面化方法和优点可以被更容易地读懂和理解。

现在请回想图2中所示的传统设计，类似的抛光头结构中采用了内置于托架下表面264与晶片背侧表面244之间的传统聚合物嵌块160。在这种结构中，施加在晶片230的背侧表面244上的压力是均匀的(至少预期是均匀的)。没有任何结构或机构用于将施加在晶片边缘处或附近的压力相对于施加在晶片中央部分的压力或抵抗着抛光垫226的上表面施加在限位环214上的压力作出改变。

在参照图3至图9描述了本发明的结构的几个替代性实施例，并且将这些结构以及它们所提供的平面化方法与诸如图2中所示的传统结构进行了比较后，请将注意力转到下面对本发明的两个优选实施例所作的更为详细的描述，其中一个实施例中采用了膜片和密封压力腔(图10)，第二个实施例中采用了带有开口的膜片(图16)，虽然它们分别类似于图3和图5中所示的实施例，但能够提供出相对于这些实施例而言的附加特征和优点。在本说明书的指导下，本领域的普通技术人员可以理解，前面参照图5至图9所描述的替代性实施例也可以用于将图10和图16中所示的实施例改造成替代性结构。

通过在晶片外侧边缘处设置相对坚硬的橡胶环并且施加托架压力，可以相对于晶片边缘内侧例如基片中央的材料去除量而控制晶片边缘的材料去除量。

托架压力将橡胶环推压在晶片背侧，以形成受压的牢固密封。通过橡胶环将晶片在边缘处向下按压，还可以相对于晶片内部或中央材料去除率而控制晶片边缘材料去除率，从而控制并限制边缘的非均匀度。

应当指出，在一些利用膜片提供晶片背侧压力的抛光头结构中，现有的传统CMP抛光头结构中均没有包含能够相对于内部区域而在边缘施加不同压力的结构。在本发明的结构中，相对于背侧压力而言的更高托架压力可以增加相对于晶片中央而言的边缘材料去除量，相对于背侧压力而言的更低的托架压力可以减少相对于晶片中央而言的边缘材料去除量。通过调节这两种不同区域的压力，可以实现均匀或基本上均匀的材料去除量；或者是在先前的加工中产生了一定的不均匀性的情况下，实现边缘相对于中央的理想分布的去除量，以补偿先前产生的不均匀性。

在本发明的这些实施例中，限制托架主要是为了提供一个稳定的元件，以使之能够将托架压力腔中的压力均匀地引到橡胶环上，并因此而引到毗邻晶片边缘的区域中。(请回想一下，本发明的各个实施例用于调节边缘压力，而绝对均匀的压力反倒是不理想或不被提供的。)除了在通过橡胶环而向晶片上施加向下的压力的情况下要求托架外周边缘具有中等平面度以外，在其他情况下托架表面的平面度和光洁度并不重要。因此，托架可以是精度较低的低成本零件。

这些结构提供了一种抛光(或平面化)装置、机器或工具(CMP工具)，用于抛光基片或诸如半导体晶片等其他工件的表面。所述装置包含：可旋转抛光垫；晶片托架，其本身又包含一个晶片或基片容纳部分，用于接收基片并将基片抵靠着抛光垫定位；以及晶片按压件，其包含第一按压件和的而按压件，其中第一按压件在晶片边缘部分施加推压在抛光垫上的第一负载压力，第二按压件在晶片中央部分施加推压在抛光垫上的第二负载压力，第一和第二负载压力是彼此不同的。尽管所述晶片托架和晶片按压件可以分开使用，但在本发明的一个优选实施例中，抛光装置还包含：限位环，其包围着晶片托架；以及限位环按压件，其向限位环上施加推压在抛光垫上的第三负载压力。第一、第二和第三负载压力可以彼此独立调节。

图10中所示的抛光头302包含壳体304，其具有上壳板308、下壳侧缘310和内壳板312。上壳板308借助于螺钉或其他紧固件312、314并通过联轴套环316而连接着轴306。虽然图中示出的是简单的轴306，但可以理解，轴306通常具有传统结构并包含例如用于将轴可旋转地支承在抛光机其余部分上的轴承(未示出)、用于将气体和/或流体从设在抛光头外侧的气体或流体固定供应源引入抛光头中的一个或多个旋转接头305。可以用在本发明的抛光头结构中的这种类型的轴和旋转接头的一个实例显示于Volodarsky等人转让给三菱材料株式会社(Mitsubishi MaterialCorporation)的名称为“Rotary Union for Coupling Fluids in a WaferPolishing Apparatus”的美国专利No.5,443,416中。

在上述描述的实施例中，上壳板308提供了稳定的机械平台，用以悬挂或安装限位环组件320和托架组件350。下壳侧缘310为限位环组件320的外周部分提供了保护，以防止抛光液进入抛光头内，并且控制或约束限位环组件320的水平运动，还能够可操作地将限位环组件柔性安装环323的径向外缘部分324夹持在上壳板308上。

内壳板312连接在上壳板308的下表面上，并且能够可操作地将限位环组件柔性安装环323的径向内缘部分326夹持在上壳板308上。内壳板312也能够可操作地将托架组件柔性安装环327的径向内缘部分328夹持在内壳板312上，并且由于内壳板与上壳板308实际上是接触的，因此径向内缘部分328也被夹持在上壳板308上。

前面在图3和图4所示的实施例中描述了分别为大致圆筒形和环形的单件式托架和限位环，而本实施例中提供了更为复杂的组件，其由多个元件构成，以实现这些功能。因此，下面描述的是限位环组件而非限位环，描述的是托架组件而非托架。前面已经描述过的结构和操作原理也适用于下面的这些附加实施例，而且可以理解，前面根据图3至图9所描述的发明特征可以在参照图10和图16所描述的特定结构细节中得到增强和发挥。

限位环组件320包括一个限位环321，其在限位环下部表面322处接触抛光垫226，并且沿着径向内缘335形成了晶片容槽335，以约束晶片230在抛光垫226的水平平面中的运动。限位环组件320还包括大致圆环形的悬挂板336，其具有下表面337和上表面338。下表面337连接在限位环压力321的上表面(与磨耗表面322相反的表面)上，而且悬挂板336从所述下表面向上延伸到上表面338，以使所述上表面与夹持器340的下表面339协作，从而借助于大致圆环形的限位环悬挂连接元件325而将限位环悬挂板336可移动地连接在上壳板308上。

在本发明的一个实施例中，限位环压力可以用于补偿限位环的磨损。在非矩形横断面的限位环磨损后，与抛光垫接触的表面面积将随着时间推移和磨损而发生变化。其结果是，为加工过程建立的压力(例如5psi)将不能达到预期的效果，并且应当得到补偿以适应于增大了的表面。非矩形横断面的限位环形状，例如设有楔形外缘的限位环形状，是优选采用的，因为它能够改进抛光液在晶片和位于晶片下面的抛光垫上的分布。设置了这种带角度的结构，就能够容易地供给抛光液。因此，限位环压力可以相对于晶片边缘的托架压力和晶片中央区域中的背侧压力而单独控制。理想的结构是，限位环磨损压力补偿是自动实现的，并且根据例如晶片的加工数量、操作小时数、手工测量结果或用于探测限位环实际磨损量的传感器的探测结果而被计算机控制。

在一个实施例中，限位环悬挂连接元件325由柔性橡胶状材料(EPDM材料)模制形成，以使之包含位于夹持器340两侧的两个环形通道341、342。所述两个通道在横断面上呈现为弯曲的环路形状(见图12)，并且使得限位环组件能够相对于与之面对着的壳体304和托架组件350作相对无摩擦竖直运动。此外，这种类型的悬挂元件325将限位环组件320的运动与托架组件350的运动隔离开，以使这些运动是相互独立或基本上相互独立的，除了可能会在它们的滑动表面上产生可以忽略不计的摩擦以外。

限位环组件320相对于壳体304的悬挂是至少部分地这样实现的，即径向外缘部分324通过螺钉344或其他紧固件而被夹持在上壳板308的一部分与下壳侧缘310之间。通过类似的方式，径向内缘部分326通过螺钉345或其他紧固件而被夹持在上壳板308的另一部分与下壳侧缘310之间。悬挂元件325的中间部分通过螺钉346或其他紧固件而被夹持在限位环悬挂板336的上表面与夹持器339之间。理想的结构是，壳体304、限位环悬挂板336和夹持器339的边缘和角部被加工出圆角，以接近于限位环悬挂元件325在接触点的自然曲率，从而降低悬挂元件的应力，并且防止悬挂元件磨损以延长其寿命。通道或环路314、342被这样构造尺寸，即能够使限位环组件320在一定范围内竖直移动(相对于抛光垫上下移动)。

限位环组件320的移动优选限定在一定的运动范围内，只要该移动对于晶片加载、晶片卸载和抛光操作而言足够即可。虽然，现有各式各样的机械式干涉机构可以采用，用以限制运动范围，但在图10所示的实施例中，在限位环悬挂板336中设有缺口348，用于接触从内壳板312延伸出来的匹配凸块349，以防止限位环的运动超出预定极限。这种超范围保护措施可以有益地保护内部元件，特别是限位环悬挂连接元件325，以防止它们受到破坏或过早磨损。作为示例，如果限位环组件的全部重量均由限位环悬挂连接元件325支承着，则限位环悬挂连接元件325容易受损，或者至少会过早磨损。

限位环悬挂连接元件325的一个实施例显示于图11中，图中示出了该元件的局部剖切透视图，显示了该元件的中间部分343、内外环路或通道部分342、331以及径向内外缘部分326、324。

托架组件350包含托架支承板351、借助于螺钉353或其他紧固件而连接在支承板351上的膜片支持板352、膜片250以及在一个实施例中大致形成在膜片支持板352的下表面即外表面355与膜片350的内表面356之间的背侧压力腔354。本发明提供的背侧压力腔354的其他实施例将在后文中描述。

托架组件350最好还包含一个采用止动螺钉或止动螺栓358形式的机械档块358，其连接着支承板351，并且通过内壳板312中的孔359而与内壳板312的止动表面359发生干涉作用，以便在抛光头从抛光垫226上抬升时防止托架组件过分伸出。止动螺栓358是这样选择的，即能够在抛光头加载、卸载和抛光时使得托架在适宜范围内移动，但该移动范围不能大到导致抛光头的内部元件因托架组件过分伸出而受损的程度。作为示例，与限位环组件一样，如果托架组件350的整个重量均被托架组件悬挂元件360支承，则托架组件悬挂元件360容易受损，或者至少会过早磨损。

如前面参照图3和图4所作描述，装配球体或等效机械结构如键、花键、垫片、薄膜或类似物可以用于将壳体208连接到托架350和限位环组件320上，以实现旋转运动。

在一个替代性实施例中，金属薄片329(例如薄不锈钢片材)用于将力矩传递到限位环组件和托架组件，如图12所示。这种结构使得壳体和相连的限位环组件或托架组件之间能够相对竖直运动，并且同时在这些相连部件之间传递旋转运动和力矩。这种金属连接件339具有这样的结构，即只能沿一个旋转方向传递力矩，由于抛光头只沿一个方向旋转，因此这一点不会造成问题。其他薄膜式连接件也可以用于将壳体连接到限位环组件和/或托架组件。这里描述的本发明的创造性特征并不局限于任何特定的限位环或托架悬挂系统。

壳体、限位环组件和托架组件的机械结构被设计得用于减小CMP抛光头的占地面积。作为示例，限位环悬挂板的一部分覆盖在托架支承板的一部分上。这些以及其他方面的机械结构最好能够减小CMP加工头的尺寸，并且可以普遍地构造出较小的CMP机器。

托架组件悬挂元件360的径向外侧部分361通过第一夹持器367连接着托架支承板351的上表面366。作为示例，夹持器367可以包含圆环形的环368，其覆盖在径向外侧部分361上，并且借助于穿过悬挂元件360中的孔364的螺钉369而紧固在托架支承板351上。托架组件悬挂元件360的径向内侧部分362通过第二夹持器371连接在下表面370上。作为示例，第二夹持器371可以包含圆环形的环371，其覆盖在径向内侧部分362上，并且借助于穿过悬挂元件360中的孔364的螺钉372而紧固在托架支承板351上。

图13中示出了CMP抛光头的多个技术特征中的一个细节部分，展示了托架组件悬挂元件360的代表性结构。这一元件也显示于图14中的局部剖切透视图中。具体地讲，图中所示的元件360具有一个采用圆环形环路或通道部分形式的中间部分363以及径向内外缘部分361、362。采用弯曲环路横断面形式的圆环通道363使得托架组件能够相对于相对壳体304和限位环组件320作相对无摩擦竖直运动。此外，这种类型的悬挂元件360将限位环组件320的运动与托架组件350的运动隔离开，以使这些运动是相互独立或基本上相互独立的，除了可能会在它们的滑动表面上产生可以忽略不计的摩擦以外。悬挂元件360也可以由EPDM制成，这种材料也被称作ERR，其为通用型橡胶材料，并且具有优异的耐化学腐蚀性和动力学性能。EPDM的一种改型材料具有800psi的抗拉强度和55至65之间的额定硬度计硬度。

膜片支持板352的上表面380通过螺钉353或其他紧固件连接在托架支承板351的下表面381上。在一个实施例中，支持板的下表面即外表面382(面对着膜片350的表面)包含一个凹槽或凹腔383，从而在膜片350连接在膜片支承板352上时，使得膜片在毗邻支持板边缘的径向外周部分处直接接触支持板。在图10的实施例中，位于膜片350与膜片支持板之间的凹槽或凹腔383确定出一个内腔，其内可以引入流体或空气压力(正压力或者负压力或真空)，以使抛光头实现理想的操作。

在图16所示的替代性实施例中，膜片包含至少一个孔或孔眼265，因此没有形成封闭空间或内腔，而是使压力直接施加在晶片背侧。这一在后的实施例中的膜片350用于限制抛光液在抛光头中的粘染，并且有助于将晶片密封或局部密封在抛光头上。

现在请回想对图3和图4中的简化实施例所作描述，具有预定材料性能的角部件260、带有凹槽279的膜片支持板261或膜片本身的加厚部分用于使力从托架外周边缘附近理想地传递出来。膜片支持板351自己或者与膜片250协作也能够达到类似的效果，所述膜片250被有益地在膜片支持板252上拉伸(在一定程度上类似于鼓蒙皮在圆柱形鼓筒上的绷紧方式)，并且通过膜片支持板250而被连接，其中托架支承板的下表面用作夹持元件。

在一个实施例中，膜片250由EPDM或其他橡胶状材料模制出来；然而，其他材料也可以使用。例如，硅橡胶也可以使用，但它可能会在某些条件下偶尔粘着在硅晶片上。膜片材料通常的硬度计硬度应当为大约20至大约80之间，更通常为大约30至大约50，最普通的是大约35至大约45，而在很多情况下当硬度计硬度为40时效果最好。硬度计硬度是测量聚合材料硬度的尺度。较低的硬度计硬度值所代表的材料比较高的硬度计硬度所代表的材料软。材料应当具有弹性和良好的耐化学腐蚀性，还应当具有其他适合于CMP平面化操作环境的物理和化学性能。

在一个实施例中，膜片250、350被制作得在直径上比预期的安装尺寸小大约0％至大约5％，更普通的是在直径上小大约2％和大约3％，然后在安装过程中拉伸到完整尺寸(100％)，这一方式对于低硬度材料而言更是有效。这样，膜片的制造尺寸小于其安装直径，并且在安装时被拉伸并绷紧。

图15中示出了圆形膜片250的一个实施例。膜片250的制造额定厚度为大约0.2mm至大约2mm，更普通的是大约0.5mm至大约1.5mm，而在一个特定实施例中为大约1mm。这些尺寸指的是膜片上的具有恒定厚度的中央部分，不包括前面某些实施例中的位于边缘处或边缘附近的加厚部分。根据特定的应用，膜片或者覆盖在角部环上，或者覆盖在膜片支持板261的外缘上。

膜片实际接触晶片背侧的量可以根据边缘禁用区要求、加载晶片的均匀度、在没有边缘压差的情况下进行CMP操作的抛光非均匀度以及其他各种因素而变化。在典型条件下，膜片与晶片背侧接触的量可以在大约0.5mm与大约20mm之间变化，更为典型的是在大约1mm与大约10mm之间，最通常为大约1mm与大约5mm之间。然而，提出这些范围仅是为了校正加工非均匀度，而本发明的结构和方法并不局限在这些范围内。例如，如果出于某种原因而需要在晶片的50mm以外区域中提供直接的托架压力，则本发明的结构和方法可以容易地为适应这种条件而作出变化。

在本发明的利用圆形或环形角部嵌块向晶片边缘传递托架压力的抛光头中，膜片可以在其底壁和侧壁部分具有均匀的壁厚。然而，在加厚膜片侧壁本身用作力传递装置时，侧壁的厚度应当与托架力直接施加到晶片上所跨越的距离相当。简而言之，如果希望托架力施加在晶片外缘的3mm区域内，则膜片侧壁厚度应当为3mm。还应理解，需要托架直接传递力的范围或区域与膜片侧壁厚度之间的比例不一定是精确的一比一关系。相邻区域之间可能会出现一定的力或压力的传递，而且在某些条件下实际上希望避免出现压力的突变。此外，尽管不总是如此，但在某些时候希望膜片侧壁厚度的厚度略小于或略大于托架力施加的距离，以实现托架压力与晶片背侧压力之间的理想传递。例如，在某些情况下，对于托架压力直接施加的额定3mm的晶片外周区域，这一区域中的膜片侧壁厚度可以在大约2mm与大约4mm的范围内。应当理解，这些特定的数值只是示例性的，而实际最佳尺寸将取决于多种因素，例如膜片材料、平面化压力、抛光垫特性、抛光液类型以及诸如此类，并且通常是在CMP机器和加工过程的研制过程中重点确定的。

不需要通过理论分析就可得知，一般而言，当FSC＞FBS时，托架压力(PSC)超过晶片边缘压力，因此晶片边缘承受托架压力(PSC)，而晶片中央部分承受背侧压力(PBS)。当FSC＜FBS时，在膜片背侧压力(PBS)足够大的情况下其所起的作用将超过托架压力(PSC)。然而，通常CMP抛光头是在FSC＜FBS的情况下操作的，从而使得晶片周缘去除的材料量小于中部去除的材料量。所述相对压力、直径和材料性能可以被调节，以实现理想的平面化结果。

现在请留意对压力区、压力腔和施加在系统不同部位的压力所作描述。总体而言，限位环压力被施加，以将限位环的下部磨耗表面推压在抛光垫上，托架压力施加在晶片的径向外周缘上，晶片背侧压力(或真空)施加在晶片的中央背侧部分上。一个附加的压力管线或内腔可以有益地设在抛光头中，用以容纳抛光液或碎屑，以防止它们迁移到头部管线中。一个或多个附加压力区可以选择性地施加到晶片背侧的中央圆形区域或位于所述中央圆形区域与晶片背侧外周区域之间的环形中间区域中。在这里描述的使用所述可充气的大致圆形管或环形囊的实施例中，设有旋转接头，以将压力流体引入抛光头的这些以及其他区域中。

在刚刚描述过的实施例中，背侧压力腔354大致形成在膜片支持板352的外表面355与膜片350的内表面356之间。

现在请留意图16所示的实施例，其具有与参照图4描述过的结构相似的带有孔眼的膜片。一个膜片压力孔或孔眼设在膜片250中，以使背侧压力直接施加在晶片上，而且除了被直接施加托架压力的晶片外周边缘附近以外，膜片不需要接触晶片的背侧表面。在本实施例中，在抛光过程中覆盖在晶片中央部分上的膜片主要用于实现压力/真空密封。也就是说，在晶片的加载和卸载过程中，晶片被保持抵靠在抛光头上。膜片孔眼的尺寸可以从几毫米变化到扩展为几乎等于托架板的外径。

如前面根据图4所作描述，一个积蓄槽用于防止抛光液在晶片加载过程中被向上吸入压力/真空管线中。使积蓄槽的边缘倾斜可以便于将抛光液从抛光头中排出。请注意，希望吸入积蓄槽中的抛光液量较小，从而只需要偶尔清洗积蓄槽。这种清洗可以手工完成，或者也通过喷射一股压缩空气、水或气水混合物而清洗管线和积蓄槽。

设置膜片孔眼会在一定程度上导致真空向晶片背侧引入的过程复杂化，并且导致通过探测建立的真空压力而检测晶片是否适宜安装的过程复杂化。在膜片支持板中的凹槽较浅的情况下，通过中央压力管线引入真空可能导致膜片对中密封在支持板上，而不将真空引入晶片其他区域。膜片本身不像没有孔眼时的情况那样承受吸力。另一方面，这一问题在一些实施例中可以通过增加膜片支持板凹槽的深度或者通过使用角部嵌块或膜片加厚边缘而得到补救，这会减小可以向晶片供应的支持力。

在一种更好的解决方式中，装备了图17和图18中所示的膜片支持板实施例，其中图18是图17所示支持板的透视图。附加的支承可以有益地防止晶片弯曲、鼓出或卷曲。尽管晶片基片本身通常不会出现永久变形、裂纹或其他破损，但金属、氧化物和/或位于晶片前侧的其他结构和管线在受到应力时可能会破裂。因此，希望在晶片背侧提供足够的支持，特别是在晶片在抛光之前加载的过程中和抛光之后卸载的过程中被吸附在膜片上时。

一个或多个孔眼或孔可以毗邻膜片支持板的外缘设置。它们用作螺栓孔，以将膜片支持板安装在托架板上，而膜片被夹持在二者之间。第一和第二径向通道从中央孔眼开始延伸，所述中央孔眼连通着外界压力/真空供应源，所述供应源用于在抛光过程中提供背侧压力，并且在抛光之前和之后的晶片吸附过程中提供真空。第一和第二同心圆环通道与径向通道相交。这种结构的作用是将压力或真空连通到晶片，并且为晶片提供理想的支承。

抛光头的物理结构还导致便于触及膜片250，以便从抛光头外侧将膜片250从托架支持板上取下，而不需要像许多传统抛光头结构那样拆开抛光头。请回想膜片支持板中的螺栓孔，它们可以用于将膜片紧固在托架板上，并且使得膜片能够被从抛光头外侧触及。一个或一组孔用于检查真空以及晶片的存在和定位情况，另一组孔用于触及将膜片连接到抛光头上所用的螺钉或其他紧固件。由于膜片是磨损件，因而它需要定期更换，所以，能够从抛光头外侧更换膜片而不需要拆开抛光头的结构是有益的。

下面参照图19至图27描述其他实施例。这些实施例中的每个CMP抛光头和CMP工具结构均至少在一定程度上类似于前面参照图7A、图7B、图8和图9所描述的实施例。

图19中示出了第一区域或区域I的方案，其中抛光头300具有两个内腔，从而形成了一个边缘区域和一个中央区域。在图19所示的实施例中，以局部剖切侧视图的形式显示的抛光头300具有一个外腔或边缘过渡腔302和一个内腔或背侧压力腔304。局部剖切侧视图中的抛光头300包含具有外表面308的托架板306、限位环310和支持环或连接器限位环312。柔性膜片314、316(图中以不规则线表示，以强调它们的柔性或弹性)与托架板306的外表面312和垫片313或支承件协作，以形成内腔302、304。外侧膜片314具有容纳表面317，用以将基片或晶片318容纳于其上。来自外界压力源(未示出)的压力流体以第一压力引入边缘过渡腔302中，并以第二压力引入背侧压力腔304中。压力流体通常是空气或其他气体，然而，也可以替代性地使用液体。过渡腔302用于将整个晶片318包括晶片边缘按压在抛光垫(未示出)上，而背侧压力腔304用于将负载力施加在晶片的中央区域中。在边缘范围或区域中，只有边缘过渡腔302中的边缘过渡压力抵靠着抛光垫加载或推压在晶片318；然而，在两个膜片314、316彼此叠加着的中央区域中，抛光压力是两种压力的组合，尽管这两种压力并不必然是彼此累加的。设置两个叠加区域的目的是允许不同的压力或负载建立在两个范围或区域内。这两种压力最好是在加工过程中确定，以实现理想的平面化结果。通常，尽管不是必须如此，引入背侧压力腔304中的流体压力高于引入边缘过渡腔302中的流体压力。这一实施例适用于希望中央的材料去除得更快的抛光过程中，例如晶片318因沉积了诸如铜等材料而具有中凸表面的情况下。或者，在因抛光垫、所用特定的抛光液或所谓的边缘效应而导致边缘的材料去除得更快的抛光过程中，有时希望利用中央区域中的更高压力而实现补偿。

图20中示出了第二区域或区域II的方案，其中抛光头300具有一个边缘区域和一个中央区域。在图20的实施例中，设有类似的结构，只是外侧膜片314具有开口圆环膜片的形式，内侧膜片316具有圆形或圆盘形状，而且这两个膜片不相互叠加。在这个实施例中，环形外侧膜片314具有用于容纳晶片318的容纳表面317和有助于将晶片密封在抛光头300上的唇部320。引入由外侧膜片314、晶片318的背侧和托架板306的外表面308限定的第一腔302中的压力流体将产生直接施加在晶片背侧一部分上的力。外侧膜片314还有助于向晶片318的边缘部分上施加边缘压力或力。

图21中示出了第三区域或区域III的方案，其中抛光头300具有一个边缘区域和一个中央区域。图21中的实施例类似于图19和20所示的实施例，只是外侧和内侧膜片314、316被单一的膜片322取代，所述膜片322具有内壁324，用以将彼此没有重叠部分的边缘区压力腔和背侧压力腔分开。这样，引入外侧腔302中的边缘过渡压力只作用在晶片318的外侧环形区域中，引入内侧腔314中的压力只作用在晶片内侧圆形部分上。

图22中示出了第四区域或区域IV的方案，其中抛光头300具有一个边缘区域和一个中央区域。图22中的实施例类似于前面参照图21所描述的实施例，只是外侧腔中包含或形成了可充气膨胀的内管326或囊。在本实施例的一种改型中，抛光头300与被充气到预期压力之前的内管326组装在一起并被密封，从而简化了压力流体向抛光头的引入。因此，施加在晶片318的边缘部分上的力主要取决于托架306施加的力，而施加在晶片318的中央部分上的力取决于引入中央腔304中的流体压力与施加在托架上的力的组合。这样，通过改变引入中央腔中的压力，可以改变托架306所施加的力被传递到晶片318的中央区域和边缘区域中的比例。也就是说，如果引入中央腔314中的流体压力高于可充气膨胀管326中的压力，则会导致托架306所施加的力的全部或大部分被传递到晶片318的中央区域中，而如果引入中央腔中的流体压力低于可充气膨胀管中的压力，则会导致托架所施加的力的全部或大部分被传递到晶片边缘区域中。

图23中示出了第五区域或区域V的方案，其中抛光头300具有单一的环形膜片328，以产生一个边缘区域和一个中央区域。图23中的实施例包含一个由所述环形膜片328形成的外侧圆环腔330。边缘过渡腔302由环形膜片328、托架板306的外表面308和垫片313形成。用于向晶片内侧部分施加抛光压力的背侧压力腔304不包含分开的膜片或明确的内腔。相反，背侧压力腔304由托架板306的外表面308、环形膜片328的内周缘322和保持在环形膜片的容纳表面317上的晶片318形成。这样，背侧压力腔304只形成于晶片318或其他基片安装在抛光头300上时，特别是在晶片安装并密封在环形膜片328上时。本实施例的优点是，膜片(或现有技术中的接触式托架)中可能出现的瑕疵不会导致晶片318上的直接施加了压力的中央部分出现平面化偏差。

图24中示出了一种方案，其中抛光头300包含多个膜片或者带有多个内壁的单一膜片，从而形成了一个中央区域和多个环形区域。图24中所示的实施例设有：多个膜片，其中包括一个基本上覆盖着托架板306的下表面308的单一膜片334和形成了四个环形区域338A-D的四个环形膜片336A-D；以及一个中央区域340，其由托架板的下表面、单一膜片334和环形膜片336D的内周壁形成。或者，可以使用带有四个环形内壁的单一膜片(未示出)，以形成五个区域。在任何一个上述实施例中，五个区域均能够同时且基本上彼此独立地控制。如果希望采用更少或更多的区域，则内壁和/或膜片的数量可以作出相应的调节，以形成理想数量的内腔。

图25中示出了一种双膜片抛光头的实施例，其中一个外侧膜片采用开口环形膜片的形式，而且施加在内侧环形膜片上的压力可以变化，以改变基片中央部分上被施加力的面积。参看图25，抛光头350主要包括一个壳体或支架352，其具有用于在抛光或平面化操作中将基片356保持并定位在抛光表面(未示出)上的托架板354和环绕着托架板的一部分的圆周布置的限位环358。托架板354悬挂在支架352上，限位环358通过支持环360而悬挂在支架352上，从而使得它们能够竖直移动，而几乎没有摩擦并且不会弯曲。小的机械容隙设在托架板354和限位环358与相邻元件之间，以使它们能够以这样的方式浮置在抛光表面上，即能够允许抛光操作中出现的小的竖直移动和微小角度变化。一个凸缘361通过螺钉(未示出)或其他紧固件连接在壳体352的内侧下表面362上。凸缘361通过第一柔性件或垫圈364结合在一个与托架板354相连的内侧支承环366上，从而柔性支承着托架板，并且在托架板上方形成一个封闭内腔或空腔368。限位环358被延伸于托架板354与支架352的侧缘部分372之间的第二柔性件或垫圈370支承着。限位环358可以利用粘结剂、螺钉或其他紧固件(未示出)并通过支持板360而连接在第二垫圈370上，所述紧固件又在第二垫圈的相反侧连接着一个支持板(未示出)。凸缘361、下方侧缘部分372内侧支承环366以及第一和第二垫圈366、370形成了位于限位环358上方的第二封闭空腔374。如前所述，在操作时，压力流体如气体或液体可以被引入所述空腔368、374中，以提供出分别将托架板354和限位环358推向抛光表面的力。

根据本发明的实施例，抛光头350还包括：环形第一膜片376，其通过垫片379而连接着托架板354的外表面378，所述第一膜片具有一个用于容纳基片356的容纳表面380和一个用于密封在基片背侧以便在基片背侧与托架板外表面之间形成第一腔384的唇部或唇缘382；以及第二膜片386，其布置在第一膜片上方。第二膜片386连接着托架板354，以便在第二膜片的内表面390与托架板的外表面378之间形成第二腔388。在抛光操作过程中，压力流体通过流道391引入第二腔388中，以引起膜片鼓出或向外扩张，从而向基片356背侧的一部分上施加力，这样可以抵靠着抛光垫按压基片表面上的如图中箭头392所示的预定面积。所述预定面积与引入第二腔中的流体的压力成一定比例，在一个实施例中，预定面积与流体压力成正比。

在一个实施例中，压力比引入第二腔388中的流体低的压力流体通过流道393而引入第一腔384中，以抵靠着抛光垫按压基片356的表面。在这个实施例中，预定面积392与引入第一和第二腔中的流体的压差成一定比例。

在另一个实施例中，第二膜片386包含侧缘部分394和下表面部分396，所述侧缘部分的硬度高于所述下表面部分，从而可以通过第一和第二腔384、388之间的压力变化而使第二膜片的下表面部分以规则和可控的方式膨胀、鼓出或变形。优选的结构是，侧缘部分394的硬度比下表面部分396高至少50％。具体地讲，在下表面部分396的硬度计硬度为大约30A至大约60A时，侧缘部分的硬度计硬度为大约60A至大约90A。最优选采用的是，在下表面部分396的硬度计硬度为大约50A时，侧缘部分的硬度计硬度为大约70A。

或者，下表面部分396的厚度可以小于侧缘部分394的厚度。优选的结构是，侧缘部分394的厚度大于下表面部分396大约20至70％。更优选的结构是，侧缘部分394的厚度大于下表面部分396大约50％。这样，对于带有厚度为大约0.3mm至大约3mm的下表面部分396的第二或内侧膜片386，侧缘部分394的厚度一般为大约1mm至大约30mm。可以理解，精确的厚度还要特别取决于内侧膜片386的总体直径。也就是说，对于能够容纳直径为100mm基片356的内侧膜片386，其厚度要小于用于容纳200mm或300mm基片的内侧膜片。

在另一个实施例中，如图26所示，第一膜片376环绕着第二或内侧膜片386而大致延伸跨过托架板354的外表面378，引入第二腔中的压力流体将引起第二膜片向第一或外侧膜片376施加力，从而将基片356上的预定面积392内的表面部分按压在抛光垫上。作为一种选择，第一或外侧膜片376可以附加包含一定数量的开口或孔(未示出)，它们延伸通过外侧膜片376的厚度以施加压力流体，并且至少部分地直接推压基片356的背侧，以将基片直接按压在抛光垫上。一般而言，压力的施加范围为大约2至8psi，更典型的是大约5psi。优选的结构是，所述孔的数量和尺寸被这样选择，即能够使基片356直接暴露在压力流体下的面积最大化，同时又能够为容纳表面380提供足够的面积，使之贴合或接触基片，以便在抛光过程中从抛光头350向基片施加力矩或旋转能量。

图27中示出了抛光头350的另一个实施例，其具有采用封闭环形膜片400形式的单一膜片，用以密封在基片356的背侧，从而形成两个内腔。第一环形内腔402由环形膜片400、垫片379以及托架板354的外表面378形成。第二或中央腔404由环形膜片400、托架板354的外表面378以及保持在环形膜片的容纳表面380上的基片356的背侧形成。施加在环形膜片400上的压力能够发生变化，以改变内腔402、404的相对尺寸，也即改变基片356上的被施加了力的边缘部分的面积。

在一个实施例中，压力比引入环形腔402中的流体低的压力流体被引入中央腔404中，以将基片356的表面按压在抛光垫上。在这个实施例中，预定面积392与引入环形腔402和中央腔404中的流体的压差成一定比例。

在另一个实施例中，环形膜片400具有侧缘部分406和下表面部分408，所述侧缘部分的硬度高于所述下表面部分，从而可以通过供应到内腔402、404中的流体的压力变化而使环形膜片400的下表面部分408以规则和可控的方式膨胀、鼓出或变形。优选的结构是，侧缘部分406的硬度比下表面部分408高至少50％。具体地讲，在下表面部分408的硬度计硬度为大约30A至大约60A时，侧缘部分406的硬度计硬度为大约60A至大约90A。最优选采用的是，在下表面部分408的硬度计硬度为大约50A时，侧缘部分406的硬度计硬度为大约70A。

或者，下表面部分408的厚度可以小于侧缘部分406的厚度。优选的结构是，侧缘部分406的厚度大于下表面部分408大约20至70％。更优选的结构是，侧缘部分406的厚度大于下表面部分408大约50％。这样，对于带有厚度为大约0.3mm至大约3mm的下表面部分408的环形膜片400，侧缘部分406的厚度一般为大约1mm至大约30mm。可以理解，精确的厚度还要特别取决于环形膜片400的总体直径。也就是说，对于能够容纳直径为100mm基片356的环形膜片400，其厚度要小于用于容纳200mm或300mm基片的环形膜片。

本领域的普通技术人员可以理解，在本说明书的指导下，可以设置圆形和环形膜片的其他组合结构，而且每个内腔可以采用密封的形式，或者采用只在晶片被安装在抛光头上时形成密封的形式。

还可以理解，随着压力区域的数量增加，需要为这些区域供应不同的压力。为此，可以使用旋转接头。然而，随着区域的数量增加，设置所需数量的旋转接头，也就是利用所需数量的旋转接头引入理想数量的不同压力，也相应地变得复杂了。因此，在本发明的CMP抛光头、CMP工具以及抛光和平面化方法的一些实施例中，在抛光头之上或之内设置了压力调节装置。作为示例，压力调节装置可以包括多个压力调节器，它们连接着一个公共集气管，以从一个公共的供应源接收压力气体。单一的供应源将压力气体以预定的调节压力供应到不同区域中。压力调节可以是固定的，也可以包含传感器和反馈装置，以将每个区域中的压力维持在理想级别。

下面重复叙述本发明的一些重要方面，以进一步强调它们的结构、功能和优点。

在本发明的一个方面，提供了一种用在基片抛光装置中的支架，所述抛光装置用于抛光基片如半导体晶片。所述支架包括：壳体；限位环，其柔性连接着壳体；第一压力腔，其用于施加第一力，以将限位环沿第一预定方向相对于壳体推动；托架板，其具有外表面，并且柔性连接着壳体；第二压力腔，其用于施加第二力，以将限位环沿第二预定方向相对于壳体推动；所述限位环环绕着托架板的一部分，并且限定出一个圆形凹槽；垫片，其在限位环圆形凹槽中连接着托架板外表面的外周边缘；膜片，其通过垫片连接着托架板，并且布置在圆形凹槽中，膜片与托架板外表面之间相隔着垫片的厚度；以及第三压力腔，其形成在膜片与托架板外表面之间，用于施加第三力，以将限位环沿第三预定方向相对于壳体推动。总体而言，没有嵌块设在膜片与基片之间，因此可以减小因垫块性能变化而造成的不同加工过程之间的偏差。

垫片可以包括圆环、圆盘或膜片上的毗邻膜片外周边缘的加厚部分。一般而言，垫片是具有一定圆环宽度的圆环形的，此外，通过使第二力经环形垫片起作用而导致了边缘抛光压力施加在基片的外周边缘上，而且中央抛光压力施加在基片的中央部分上。垫片的圆环宽度优选为大约1mm与大约20mm之间。垫片的圆环宽度更优选为在大约2mm与大约10mm之间，垫片的圆环宽度最优选为大约1mm与大约5mm之间。更为理想的结构是，垫片的圆环宽度在大约1mm与大约2mm之间，或者在大约2mm与大约5mm之间。

垫圈的制作材料可以这样选择，即能够使边缘压力向中央压力形成理想的过渡。垫片可以由基本上不可压缩的材料如金属材料制成，或者由可压缩的材料如可压缩的聚合材料或粘性材料制成。

一般而言，形成在膜片与托架板外表面之间的第三压力腔只在基片被安装在凹槽中时形成。优选的结构是，膜片包含位于第三腔与凹槽之间的孔眼。更优选的结构是，在基片的平面化过程中，压力气体经过孔眼而流入凹槽中。

在一个实施例中，限位环通过托架板而间接地柔性连接着壳体，托架板通过限位环而间接地柔性连接着壳体。或者，限位环和托架板可以直接柔性连接着壳体。

在另一个实施例中，支架可以借助于单独的气动或机械式运动系统而相对于抛光垫定位。

在另一个实施例中，第一、第二和第三压力彼此相对于其他压力独立建立起来。

在另一个实施例中，限位环通过第一隔膜而柔性连接着壳体，托架板通过第二隔膜而柔性连接着壳体。在本实施例的一种改型中，限位环通过由柔韧材料制成的第一环而柔性连接着壳体，托架板通过由柔韧材料制成的第二环而柔性连接着壳体。优选的结构是，柔韧材料选自下面一组材料：EPDM、EPR和橡胶。

在一个替代性实施例中，托架板还通过杆和用于容纳杆的插槽连接着壳体，以便在壳体与托架板之间传递旋转力。一般而言，杆包括位于其远端的装配球体，插槽包括用于可滑动地容纳装配球体的筒体。在本实施例的一种改型中，多个杆和插槽将托架板连接到壳体上。

在另一个替代性实施例中，限位环还通过杆和用于容纳杆的插槽连接着壳体，以便在壳体与托架板之间传递旋转力。所述杆可以包括位于其远端的装配球体，插槽包括用于可滑动地容纳装配球体的筒体。优选的结构是，多个杆和插槽将限位环连接到壳体上。

在一个实施例中，膜片包括至少一个孔，而且第三腔只在基片被安装在膜片上时被密封住。或者，膜片包括至少一个孔，而且第三腔只在基片被安装在托架板上时形成。

在另一个实施例中，托架板上的压力是施加在基片的外周边缘上的压力。托架板不接触基片，而是为其提供稳定性。或者，膜片在其边缘具有用于传递机械力的加厚部分。

在另一个实施例中，膜片中包含孔，所述孔用于根据第三腔中产生预定量级真空的能力而检测是否有基片连接在膜片上。在本实施例的一种改型中，基片连接检测孔布置在膜片的中心附近。在本实施例的另一种改型中，膜片是需要定期更换的消耗品，而且其设有多个孔，从而不必拆开支架就能够可以卸下膜片。孔的尺寸在大约1mm与大约10mm之间。

一般而言，垫片与膜片组合，以提供出一定的弹力传递能力，但又不需要将基片密封在膜片上。

在另一个实施例中，托架板还包含用于将来自外界供应源的第三压力引入第三腔中的流道。优选的结构是，托架板还包含布置在流道周围的空腔，用于为抛光液提供积蓄槽，并且在施加真空以将基片连接在膜片上时防止抛光液被吸入流道中。更优选的结构是，在抛光操作之前和之后，真空施加在第三腔中，以将基片保持在膜片上。最优选的结构是，空腔具有圆锥形状，以便于将抛光液从空腔以及膜片与托架板之间排出。

在另一个实施例中，设有基片背侧支承件，用于在安装过程中支承基片；还设有多个通道，用于检测基片是否存在。

在本发明另一个方面，提供了一种用在基片抛光装置中的支架。所述支架包括：托架板；第一压力腔，其被布置得用于向托架板上产生第一向下压力；膜片，其具有基片容纳表面并连接着托架板，而且膜片的环形外周部分安装在托架板上，膜片的内侧圆形部分与托架板分开并且形成了用于产生第二压力的第二压力腔；基片可以在环形外周部分和内侧圆形部分上安装在膜片上；环形外周部分向基片的外周边缘上施加第一压力，内侧圆形部分向基片上施加第二压力。

在本发明另一个方面，提供了一种用于对半导体晶片实施平面化的方法。所述方法主要包括：以第一压力将围绕着晶片的限位环推压在抛光垫上；以第二压力将晶片的第一外周边缘部分推压在抛光垫上；以及以第三压力将晶片上的位于外周边缘部分内侧的第二内侧部分推压在抛光垫上。

在一个实施例中，第二压力是通过与外周边缘部分接触的机械件而施加的，而第三压力是施加在晶片背侧的气动压力。在本实施例的一种改型中，气动压力是通过弹性膜片而施加的。气动压力可以通过将气体直接推压在晶片背侧表面的至少一部分上而施加。

在另一个实施例中，所述方法还包括以多种压力将晶片上的位于外周边缘部分内侧的多个环形部分推压在抛光垫上。

在本发明另一个方面，提供了一种用在CMP装置中的托架。所述装置包括：板，其具有外表面；第一压力腔，其用于施加力，以将板沿预定方向推动；垫片，其连接着板的外周边缘；膜片，其通过垫片而连接着板，并且与板之间相隔着垫片的厚度；以及第二压力腔，其形成在膜片与板表面之间，以施加第二力，从而沿第二预定方向推压膜片。

在本发明另一个方面，提供了一种用于抛光基片表面的抛光装置。所述抛光装置包括可旋转的抛光垫和基片托架。基片托架包含：基片容纳部分，其用于容纳基片并将基片抵靠着抛光垫定位；以及基片按压件，其包含第一按压件和第二按压件，第一按压件抵靠着抛光垫向基片的边缘部分施加第一负载压力，第二按压件抵靠着抛光垫向基片的中央部分施加与第一负载压力不同的第二负载压力。

在一个实施例中，抛光装置还包括：限位环，其环绕着晶片托架；以及限位环按压件，其抵靠着抛光垫向限位环上施加第三负载压力。优选的结构是，第一、第二和第三负载压力可以彼此独立调节。

在本发明另一个方面，提供了一种用于抛光基片表面的抛光装置。所述抛光装置包括可旋转的抛光垫和基片托架。基片托架包含：基片容纳部分，其用于容纳基片并将基片抵靠着抛光垫定位；以及基片按压件，其包含第一按压件和第二按压件，第一按压件抵靠着抛光垫向基片的边缘部分施加第一负载压力，第二按压件抵靠着抛光垫向基片的中央部分施加第二负载压力，其中第一和第二负载压力是彼此不同的。

在一个实施例中，抛光装置还包括：限位环，其环绕着晶片托架；以及限位环按压件，其抵靠着抛光垫向限位环上施加第三负载压力。优选的结构是，第一、第二和第三负载压力可以彼此独立调节。

在本发明另一个方面，提供了一种用于抛光基片表面的抛光装置。所述抛光装置包括可旋转的抛光垫和基片托架。基片托架包含：基片容纳部分，其用于容纳基片并将基片抵靠着抛光垫定位；以及基片按压件，其具有：第一按压件，其抵靠着抛光垫向基片的边缘部分施加第一负载压力，第二按压件，其抵靠着抛光垫向基片的中央区域施加多个不同的负载压力。

在一个实施例中，第二按压件包括多个基本上同心的按压件，它们每个分别抵靠着抛光垫向基片的局部区域上施加负载压力。在本实施例的一种改型中，多个基本同心的按压件中的每个分别包括一个由弹性表面形成的位于至少一个部位上的压力腔，在压力空气被引入腔中后，弹性表面按压在基片上，以提供出负载。在本实施例的一种改型中，抛光装置还包括内置于每个弹性按压表面与基片之间的膜片。一般而言，膜片选自下面一组材料：EPDM、EPR和橡胶。

优选的结构是，内置膜片形成了一个外侧压力腔的表面部分，外侧压力腔用于从外界压力空气供应源接收压力，并且抵靠着抛光垫向基片施加负载力。更优选的结构是，内置膜片形成了一个外侧压力腔的表面部分，外侧压力腔用于从外界压力空气供应源接收压力，并且抵靠着抛光垫向基片施加负载力；多个基本同心的按压件中的每个均容纳在外侧压力腔中。最优选的结构是，外侧压力腔施加的负载压力可被分别添加上多个按压件之一的负载压力，以使不同区域中的负载压力能够被单独调节，而且外侧压力腔可以使横跨压力腔边界的压力突变最小化。

在另一个实施例中，多个基本上同心的按压件中的至少一个包含大致环形件，其抵靠着基片上的大致环形区域施加负载压力。优选的结构是，多个基本上同心的按压件中的至少一个包含大致环形件，其抵靠着基片上的大致环形区域施加负载压力；而且多个基本上同心的按压件中的一个包含大致圆形件，其抵靠着基片上的大致圆形区域施加负载压力。

在本发明另一个方面，提供了一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的基片托架。所述托架包括：基片容纳部分，其用于容纳基片；基片按压件，其用于将基片按压在抛光垫上，基片按压件包含：第一按压件，其抵靠着抛光垫向基片的边缘部分施加第一负载压力；第二按压件，其抵靠着抛光垫向基片的中央区域施加多个不同的负载压力。

在一个实施例中，第二按压件包括多个基本上同心的按压件，它们每个分别抵靠着抛光垫向基片的局部区域上施加负载压力。多个基本同心的按压件中的每个分别可以包括一个由弹性表面形成在至少一个部位上的压力腔，在压力空气被引入腔中后，弹性表面按压在基片上，以提供出负载。

在本发明另一个方面，提供了一种用于对半导体晶片实施平面化的方法。所述方法主要包括：以第一负载压力抵靠着抛光垫按压半导体晶片的边缘区域；以及以多种不同的负载压力抵靠着抛光垫按压半导体晶片上的位于边缘区域内侧的多个同心区域部分。

在一个实施例中，所述方法还包括以第三负载压力抵靠着抛光垫按压环绕着晶片的限位环。在本实施例的一种改型中，由气动压力构成的负载压力是通过弹性膜片施加的。

作为一种选择，可以通过使气体直接按压在晶片背侧表面的至少一部分上二施加所述气动压力。

根据本发明的一个方面，提供了一种抛光头，其用于将具有表面的基片定位在抛光装置的抛光垫的表面上，以便对基片进行加工而从基片上去除材料。所述抛光头包括：托架板，其具有外表面；环形的第一膜片，其连接着托架板，第一膜片具有用于容纳基片的容纳表面和用于密封在基片背侧以便在基片背侧与托架板外表面之间形成第一腔的唇缘；以及第二膜片，其安置在第一膜片上方，第二膜片连接着托架板，以便在第二膜片的内表面与托架板外表面之间形成第二腔。在抛光操作中，引入第二腔中的压力流体将引起第二腔向外膨胀，以便向基片背侧的一部分上施加力，从而抵靠着抛光垫按压基片上的预定面积的表面。所述预定面积与引入第二腔中的流体的压力成一定比例。

在一个实施例中，压力比引入第二腔中的流体低的压力流体被引入第一腔中，以抵靠着抛光垫按压基片表面。在本实施例中，预定面积与引入第一腔和第二腔中的流体的压差成一定比例。

在另一个实施例中，第二膜片包括侧缘部分和下表面部分，其中侧缘部分的硬度高于下表面部分的硬度。或者，下表面部分的厚度小于侧缘部分的厚度。

在另一个实施例中，第一膜片基本上横跨托架板的外表面延伸，而且被引入第二腔中的压力流体将引起第二腔向第一膜片上施加力，从而抵靠着抛光垫按压基片上的具有预定面积的一部分表面。

在本发明另一个方面，提供了一种利用前面描述的抛光装置抛光基片表面的方法以及一种根据该方法而抛光的半导体基片。所述方法包括以下步骤：(i)设置环形的第一膜片，其连接着托架板，第一膜片具有用于容纳基片的容纳表面和用于密封在基片背侧以便在基片背侧与托架板外表面之间形成第一腔的唇缘；(ii)设置第二膜片，其安置在第一膜片上方，第二膜片连接着托架板，以便在第二膜片的内表面与托架板外表面之间形成第二腔；(iii)将基片定位在第一膜片的容纳表面上；(iv)将压力流体引入第二腔中，以引起第二腔向基片背侧的一部分上施加力，这样可以抵靠着抛光垫按压基片上的预定面积的表面，从而将基片表面按压在抛光垫上；以及(v)使托架与抛光垫之间形成相对运动，以抛光基片表面。一般而言，压力流体的压力被这样选择，即能够提供出理想的预定面积。

在一个实施例中，将基片表面按压在抛光垫上的步骤还包括以下步骤：将压力比引入第二腔中的流体低的压力流体引入第一腔中，以抵靠着抛光垫按压基片表面。这样，预定面积与引入第一腔和第二腔中的压力流体的压差成一定比例，而且压力流体的压力被这样选择，即能够提供出理想的预定面积。

在本发明另一个方面，提供了一种抛光头，其用于将具有表面的基片定位在抛光装置的抛光垫的表面上，以便对基片进行加工而从基片上去除材料。所述抛光头包括：托架板，其具有外表面，所述外表面具有外周边缘和中央部分；垫片，其连接着托架板的外周边缘；以及环形膜片，其具有用于容纳基片的容纳表面，环形膜片的外边缘通过垫片而连接着托架板外表面的外周边缘，环形膜片的内边缘连接着托架板外表面的中央部分，环形膜片与托架板外表面之间相隔着垫片的厚度，从而在膜片与托架板外表面之间形成环形腔。在抛光操作中，引入环形腔中的压力流体将引起环形腔向外膨胀，以便向基片背侧的一部分上施加力，从而抵靠着抛光垫按压基片上的预定面积的表面。所述预定面积与引入环形腔中的流体的压力成一定比例。

在一个实施例中，环形膜片的容纳表面密封在基片背侧，以便在基片背侧、环形膜片的容纳表面和托架板外表面之间形成中央腔，而且压力比引入环形腔中的压力流体低的压力流体被引入中央腔中，以抵靠着抛光垫按压基片表面。在这个实施例中，预定面积与引入环形腔和中央腔中的流体的压差成一定比例。

在另一个实施例中，环形膜片包括侧缘部分和下表面部分，其中侧缘部分的硬度高于下表面部分的硬度。或者，下表面部分的厚度小于侧缘部分的厚度。

在本发明另一个方面，提供了一种利用前面描述的抛光装置抛光基片表面的方法以及一种根据该方法而抛光的半导体基片。所述方法包括以下步骤：(i)设置环形膜片，其具有用于容纳基片的容纳表面，环形膜片的外边缘通过垫片而连接着托架板外表面的外周边缘，环形膜片的内边缘连接着托架板外表面的中央部分，环形膜片与托架板外表面之间相隔着垫片的厚度，从而在膜片与托架板外表面之间形成环形腔；(ii)将基片定位在环形膜片的容纳表面上；(iii)将压力流体引入环形腔中，以引起环形腔向基片背侧的一部分上施加力，从而抵靠着抛光垫按压基片上的预定面积的表面；以及(iv)使托架与抛光垫之间形成相对运动，以抛光基片表面。一般而言，压力流体的压力被这样选择，即能够提供出理想的预定面积。

在一个实施例中，环形膜片的容纳表面被密封在基片背侧，以便在基片背侧、环形膜片的容纳表面和托架板外表面之间形成中央腔，而且将基片表面按压在抛光垫上的步骤还包括以下步骤：将压力比引入环形腔中的压力流体低的压力流体引入中央腔中，以抵靠着抛光垫按压基片表面。这样，预定面积与引入环形腔和中央腔中的流体的压差成一定比例，而且压力流体的压力被这样选择，即能够提供出理想的预定面积。

前面对本发明的特定实施例所作描述是出于解释和说明的目的而呈现的。并不能认为本发明将约束或限制在所公开的具体形式中，而且显然在上面内容的指导下，可以作出许多修改和变化。上述实施例的选择和描述是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用方式，从而使得本领域的普通技术人员能够最佳地使用本发明及其适合于特定应用场合的各种改型。可以认为本发明的范围将由权利要求及其等效物而确定。

Claims (19)

1.一种用于抛光基片表面的抛光装置，包括：

可旋转的抛光垫；和

基片托架，其包含：

基片容纳部分，其用于容纳基片，并将基片抵靠着抛光垫定位；

连接到所述基片托架上的可弯曲部件，以使得在操作中所述可弯曲部件的底面能够接触所述基片；以及

环形部件，其将所述可弯曲部件的周向部分机械式地连接到所述基片托架上，以使得在操作中作用于所述基片托架上的第一力，产生了施加在与所述可弯曲部件的所述周向部分相接触的所述基片上的第一压力；

其中所述可弯曲部件是膜片，所述环形部件包括所述膜片的加厚部分。

2.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，还包括：

环绕着所述晶片托架的限位环，其能够向所述抛光垫施加负载压力。

3.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述基片包括半导体晶片，所述抛光装置还包括：

环绕着所述晶片托架的限位环，其能够在所述限位环处向所述抛光垫施加负载压力；以及

所述第一压力、所述气动压力和所述负载压力可以彼此独立地调节。

4.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述可弯曲部件是膜片，所述膜片在最少一个位置处被腔从所述晶片托架上隔离开，其中所述腔能够被加压，以在操作中在接触所述可弯曲部件的所述隔离开部分的位置处在所述基片上施加气动压力。

5.一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的基片托架，所述托架包括：

基片容纳部分，其用于容纳所述基片；

连接到所述托架上的可弯曲部件，以使得在操作中所述可弯曲部件的底面能够接触所述基片；以及

环形部件，其将所述可弯曲部件的周向部分机械式地连接到所述基片托架上，以使得在操作中作用在所述基片托架上的第一力，产生了施加在与所述可弯曲部件的所述周向部分相接触的所述基片上的第一压力；以及

第二按压件，其向所述可弯曲部件的中央区域施加第二压力，从而在操作中向所述基片施加第二压力；

其中所述可弯曲部件是膜片，所述环形部件包括所述膜片的加厚部分。

6.如权利要求5所述的基片托架，其特征在于，所述可弯曲部件是膜片，所述膜片在最少一个位置处被腔从所述晶片托架上隔离开，其中所述腔能够被加压，以在操作中在接触所述可弯曲部件的所述隔离开部分的位置处在所述基片上施加气动压力。

7.一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的基片托架，所述托架包括：

基片容纳部分，其用于容纳所述基片；

膜片，其连接到所述托架上，以使得在操作中所述膜片的底面能够接触所述基片；所述膜片在最少一个位置处被腔从所述晶片托架上隔离开，其中所述腔能够被加压，以在操作中在接触所述可弯曲膜片的所述隔离开部分的位置处在所述基片上施加第一压力；以及

所述膜片的侧壁被构造成，其从所述侧壁的底部到顶部的厚度加大，使得通过所述厚侧壁而施加的第二力作用在与所述膜片的所述周向部分相接触的所述基片上。

8.如权利要求7所述的基片托架，其特征在于，所述膜片包括至少一个开口，以及所述第一压力通过所述开口被引入。

9.一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的基片托架，所述托架包括：

基片容纳部分，其用于容纳所述基片；

膜片，其连接到所述基片托架上，以使得在操作中所述膜片的底面能够接触所述基片；以及所述膜片的内部被由第一按压件所提供的第一压力所加压，从而在操作中抵靠着抛光垫按压所述基片；

第二按压件，其向所述膜片的所述内部的一部分施加第二压力，从而在操作中向所述基片施加第二压力，其中基片的中央仅由所述第一按压件进行按压，且不使用所述第二按压件来进行按压。

10.如权利要求9所述的基片托架，其特征在于，所述第二按压件包括多个基本上同心的按压件，它们每个分别抵靠着所述抛光垫向所述基片的局部区域上施加负载压力。

11.如权利要求9所述的基片托架，其特征在于，所述第二按压件由压力流体来提供。

12.如权利要求9所述的基片托架，其特征在于，所述第二按压件包括一个位于所述膜片和所述托架之间的囊。

13.如权利要求9所述的基片托架，其特征在于，所述膜片带有至少一个开口或孔眼，以及第一压力通过基片后面的所述开口或孔眼被引入。

14.一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的基片托架，所述托架包括：

基片容纳部分，其用于容纳所述基片；

真空管线，其用于将所述基片保持在所述基片容纳部分上；

积蓄槽，其设在所述托架中，用于收集可能被吸入或或拖入所述真空管线内的任何抛光液或碎屑。

15.如权利要求14所述的基片托架，其特征在于，积蓄槽包括斜面和开口，以利于抛光液或碎屑从所述托架中排出。

16.如权利要求14所述的基片托架，其特征在于，流体被喷射到所述积蓄槽内，以清洁所述积蓄槽的内部。

17.一种使用可旋转的抛光垫和由基片托架所保持的基片来抛光基片表面的方法，其包括：

在托架基片容纳部分处容纳基片，以及将基片抵靠着抛光垫定位；

通过可弯曲部件连接该托架，以使得在操作中该可弯曲部件的底面能够接触所述基片；以及

使用环形部件来机械式地将该可弯曲部件的周向部分连接到所述基片托架上，以使得在操作中作用于所述托架的第一力，产生了施加在与所述可弯曲部件的所述周向部分相接触的所述基片上的第一压力，所述可弯曲部件包括膜片，以及所述环形部件包括所述膜片的加厚部分。

18.一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的方法，其包括：

容纳和保持在托架容纳部分处的基片；

使用负压真空将基片保持在基片容纳部分上，该负压真空通过真空管线与该容纳部分相连通；

在所述托架中设置积蓄槽，并收集可能被吸入或拖入所述真空管线内的任何抛光液或碎屑，以保持真空管线的清洁。

19.一种用于在CMP工具中抵靠着抛光垫抛光基片的方法，其包括：

容纳在托架的基片容纳部分处的所述基片；

将所述托架与膜片相连接，使得在操作时所述膜片的底面能够接触所述基片；

利用由第一按压件所提供的第一压力来对所述膜片的内部进行加压，以在使用时抵靠着抛光垫按压基片；

在操作中通过第二按压件向所述膜片的所述内部的一部分施加第二压力，以使得基片的中央仅由所述第一按压件进行按压，且不使用所述第二按压件来进行按压。

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