CN1791970A - 衬底保持装置和抛光装置 - Google Patents

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Abstract

衬底保持装置保持例如半导体的衬底，并且将衬底压紧在抛光面上。该衬底保持装置包括：顶环体(2)，用于保持衬底；多个流体通道(33、34、35、36)，用于将流体提供给定义在顶环体中的多个压力室(22、23、24、25)；以及多个传感器(S1、S2、S3、S4)，分别设置在多个流体通道中，用于检测流过流体通道的流体的流动状态。

Description

衬底保持装置和抛光装置
技术领域
本发明涉及用于保持待抛光的衬底以及将衬底压紧在抛光面上的衬底保持装置，以及更具体地，涉及用于将例如半导体晶片的衬底保持在用于将衬底抛光为平面磨光状态的抛光装置中的衬底保持装置。
背景技术
近年来，半导体器件已经变得越来越集成，并且半导体元件的结构已经更变得越来越复杂。另外，用于逻辑系统的多层互联的层数也逐渐增加。因而，在半导体器件表面上的不平整逐渐增加，使得半导体器件表面上的台阶高度趋于变大。这是因为，在半导体器件的制造处理中，在半导体器件上形成薄膜，然后在半导体器件上执行微机械加工处理，例如构图或形成孔，以及多次重复这些处理，以在半导体器件上形成随后的薄膜。
当在半导体器件表面上不平整数量增加时，引起以下问题。当在半导体器件表面形成薄膜时，在具有台阶的部分上形成的薄膜的厚度相对较小。由互联的中断引起开路，或者由互联层之间不充分隔离引起短路。作为结果，不能获得良好的产品，并且生产率也趋于减少。另外，即使半导体起初正常工作，在长期使用之后，半导体器件的可靠性也下降。在光刻工艺中曝光时，如果照射表面具有不平整性，则抛光系统中的透镜单元将发生局部散焦。因此，如果半导体器件表面的不平整性增加，则很难在半导体器件上形成本身很细的构图。
因而，在半导体器件的制造处理中，使半导体器件表面平面化变得日益重要。平面化技术中最重要的一个是化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing：CMP)。在化学机械抛光中，利用抛光装置，在其中包含例如硅石(二氧化硅)的磨粒的抛光液被供应到例如抛光垫的抛光面的同时，使例如半导体晶片的衬底与抛光面滑动接触，使得抛光衬底。
这类抛光装置包括：抛光台，具有由抛光垫构成的抛光面，以及衬底保持装置，该衬底保持装置被称为顶环或载体头，用于保持半导体晶片。当利用这种抛光装置抛光半导体晶片时，由衬底保持装置保持半导体晶片，并且在预定压力下将半导体晶片压紧在抛光台上。此时，彼此相对移动抛光台和衬底保持装置，以使半导体晶片与抛光面滑动接触，使得将半导体晶片的表面抛光为平坦的镜面磨光。
在这种抛光装置中，如果被抛光的半导体晶片和抛光垫的抛光面之间的相对压力在整个半导体晶片的整个表面上不均匀，则在某些部分上，半导体晶片可能会抛光不充分或者可能会过度抛光，这取决于施加到半导体晶片的这些部分上的压力。这样，已经试图通过由例如橡胶的弹性材料制成的弹性膜形成用于保持半导体晶片的衬底保持装置的表面，以及将例如空气压力的流体压力提供给弹性膜的背侧表面，以在半导体晶片的整个表面上均匀化施加到半导体晶片上的压力。
另外，抛光垫是如此有弹性，使得施加到被抛光的半导体晶片的外周部分的压力变得非均匀化，由此仅仅半导体晶片的外周部分可能会被过度抛光，这被称为“边缘倒角(edge rounding)”。为了防止这种边缘倒角，已经使用了一种衬底保持装置，其中利用导向环或者保持环在外周部分保持半导体晶片，以及利用导向环或保持环压紧与半导体晶片的外周部分对应的抛光面的环形部分。
取决于膜淀积方法或者膜淀积装置的特性，在半导体晶片表面上形成的薄膜的厚度在半导体晶片的径向上依位置而不同。具体地，薄膜在半导体晶片的径向上具有膜厚度分布。因为如上所述的用于均匀地压紧半导体晶片整个表面的传统的衬底保持装置在半导体晶片的整个表面上均匀地抛光半导体晶片，所以不能在半导体晶片的表面上实现等于上述膜厚度分布的抛光量分布。
已经提出了一种抛光装置，用于局部地施加不同的压力给半导体晶片，使得用于将在半导体晶片上的较厚薄膜区域压紧到抛光面上的压力大于用于将在半导体晶片上的较薄膜区域压紧到抛光面上的压力，由此，可选择地增加较厚区域的抛光率。这样，可以均匀地抛光衬底的整个表面，而不管当在半导体晶片上生长薄膜时所提供的膜厚度分布。
但是，当独立地控制施加到位于半导体晶片相反侧的各个压力室的流体(加压空气)的压力，以局部地控制施加到半导体晶片上的压力，从而在局部不同的压力下压紧半导体晶片时，如果破坏了存在于不同压力之间边界上的膜(弹性膜)，或者如果在半导体晶片之间没有保持密封而发生空气泄漏，则在预定压力下不能压紧半导体晶片的各个区域，这样对抛光处理的结果产生不利影响。当发生空气泄漏时，则调节流体压力的调节器增加流体的流速，使得弥补由空气泄漏引起的压降。因此，很难通过监控流体压力检测到很小的空气泄漏。如果使用单个流量计来检测空气泄漏，这样检测方法会频繁产生检测误差，并且不是足够的可靠，因为即使当在非泄漏状态加压流体时也产生流体流动。
发明内容
鉴于以上传统的问题，做出本发明。因此，本发明的一个目的在于：提供一种衬底保持装置，其中如果膜(弹性膜)被破坏而引起来自压力室的泄漏时或者在衬底和膜(弹性膜)之间没有保持密封而引起泄漏时，该衬底保持装置能够很快检测到泄漏；以及提供一种包括这种衬底保持装置的抛光装置。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种衬底保持装置，用于保持衬底，并且将所述衬底压紧在抛光面上，包括：顶环体，用于保持所述衬底；多个流体通道，用于将流体提供给定义在所述顶环体中的多个压力室；以及多个传感器，分别设置在所述多个流体通道中，用于检测流过所述多个流体通道的所述流体的流动状态。
根据本发明的第一方面，通过检测加压流体的流动状态，监测来自压力室的流体泄漏和作为待抛光对象的衬底和膜(弹性膜)之间的流体泄漏。因此，可以检测定义压力室的弹性膜的破坏、顶环的装配故障等等。因为可以将压力室内的压力保持在预先设置的压力水平，所以可以降低衬底破坏的概率。而且，可以检测到抛光期间来自压力室的流体泄漏，而且也可以检测到衬底从顶环下表面的脱离，这样，近一步减少衬底破坏的概率。
根据本发明优选的一方面，所述传感器分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中，所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中由边界分开的两个相邻压力室。
利用根据本发明的衬底保持装置，当在两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏时，加压的流体从具有较高压力的压力室流动到具有较低压力的压力室中。此时，在具有较高压力侧的调节器提供加压流体，以及在较低压力侧的调节器释放加压流体到大气中。因此，如果在提供有不同压力的加压流体的两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏时，则在从具有较高压力的压力室到具有较低压力的压力室的固定方向上，加压流体以相同的流量流动。因此，当两个传感器检测到加压流体的流动方向或者加压流体的相同流量时，可以检测到边界处的流体泄漏。
根据本发明的优选方面，所述传感器能够检测所述流体的流动方向。
根据本发明的优选方面，所述传感器能够检测所述流体的流速。
根据本发明的优选方面，所述传感器能够检测所述流体的流量。
根据本发明的优选方面，所述传感器能够检测所述流体的流速和所述流体的流动方向。
根据本发明的另一方面，提供一种抛光装置，包括：抛光台，具有抛光面；以及衬底保持装置，用于保持衬底，并且将所述衬底压紧在所述抛光面上。所述衬底保持装置包括：顶环体，用于保持所述衬底；多个流体通道，用于将流体提供给定义在所述顶环体中的多个压力室；以及多个传感器，分别设置在所述多个流体通道中，用于检测流过所述多个流体通道的所述流体的流动状态。
根据本发明的优选方面，当分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中的所述传感器检测到所述流体的各个固定流动方向时，停止所述衬底的抛光，其中所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中的两个相邻压力室。
利用根据本发明的抛光装置，当在两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏时，加压流体从具有较高压力的压力室流动到具有较低压力的压力室。此时，在较高压力侧的调节器提供加压流体，而在较低压力侧的调节器释放加压流体到大气中。因此，如果在提供有不同压力的加压流体的两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏，则在从具有较高压力的压力室到具有较低压力的压力室的固定方向上，加压流体以相同的流量流动。因此，当两个传感器检测到加压流体的流动方向以及加压流体的流量时，可以以较高的精度检测在边界处的流体泄漏。当检测到流体泄漏时，抛光装置停止衬底的抛光。
抛光装置可以通过将在真空下的衬底吸引到顶环以及然后从抛光面处利用衬底升高顶环。可以记录关于停止的抛光处理的信息，并且在随后再次抛光衬底时，可以使用该信息，或者该信息可以被用来检测膜的使用寿命，因为可以检测到穿过膜的微小流体泄漏。
根据本发明的优选方面，所述固定流动方向是用于给所述衬底加压的所述流体的流动方向和用于给所述衬底减压的所述流体的流动方向。
根据本发明的优选方面，所述固定流动方向是彼此相反的方向。
根据本发明的优选方面，当分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中的所述传感器检测到所述流体的相同流量时，停止所述衬底的抛光，其中所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中的两个相邻压力室。
利用根据本发明的抛光装置，当在两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏时，加压流体从具有较高压力的压力室流动到具有较低压力的压力室。此时，在较高压力侧的调节器提供加压流体，而在较低压力侧的调节器释放加压流体到大气中。因此，如果在提供有不同压力的加压流体的两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏，则在从具有较高压力的压力室到具有较低压力的压力室的固定方向上，加压流体以相同的流量流动。因此，当两个传感器检测到加压流体的相同流量或者加压流体的相反流动方向时，可以检测到在边界处的流体泄漏。当检测到流体泄漏时，抛光装置停止衬底的抛光。
根据本发明的优选方面，当分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中的所述传感器检测到所述流体的各个固定流动方向和所述流体的各个固定流量时，停止所述衬底的抛光，其中所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中的两个相邻压力室。
根据本发明的优选方面，所述固定流动方向是彼此相反的方向。
根据本发明的优选方面，所述固定流动方向是彼此相反的方向，以及所述固定流量彼此相同。
附图说明
图1是显示根据本发明实施例的包括衬底保持装置的抛光装置的总体配置的横截面图；
图2是根据本发明实施例的顶环的垂直横截面图；
图3A到图3C是的图2所示的中间空气包的放大横截面图；
图4A是显示根据本发明实施例的边缘膜的总体配置的横截面图；
图4B和图4C是图2所示的衬底保持装置的部分横截面图；
图5A是显示其中正常操作具有中间空气包的衬底保持装置的方式的部分横截面图；
图5B是显示其中操作具有被破坏的中间空气包的衬底保持装置的方式的部分横截面图；
图6A到图6C是显示用于检测流体的流动状态的传感器的视图，图6A显示了其中没有流体(加压空气)流动的方式，图6B显示了其中流体从左到右流动的方式，以及图6C显示了其中流体从右到左流动的方式；以及
图7是根据本发明另一实施例的顶环的垂直横截面图。
具体实施方式
参考附图，将详细描述根据本发明实施例的衬底保持装置和抛光装置。
图1是显示根据本发明实施例的具有衬底保持装置的抛光装置的总体配置的横截面图。衬底保持装置用作保持例如待抛光的半导体晶片的衬底，以及将衬底压紧在抛光台上的抛光面上。如图1所示，在顶环1下设置抛光台100，抛光台100具有固定在其上面抛光垫101，顶环1构成了根据本发明的衬底保持装置。在抛光台100的上方设置抛光液提供喷嘴102，并且抛光夜Q从抛光液提供喷嘴102被提供到抛光台100上的抛光垫101上。
从市场上可以获得各种抛光垫。例如，其中的一些是由Rodel公司制造的SUBA800、IC-1000和IC-1000/SUBA400(双层布)，以及由Fujimi公司制造的Surfin xxx-5和Surfin 000。SUBA800、SurfinXXX-5和Surfin 000都是由聚氨酯树脂结合的非织造布，以及IC-1000是由硬制泡沫聚氨酯制成的(单层)。泡沫聚氨脂是孔状的，并且具有形成在其表面的大量细微凹部或孔。
在上述实施例中，虽然抛光垫用作抛光面，但是，本发明并不局限于上述结构。例如，抛光面可以由固定磨料构成。固定磨料被形成到平板中，该平板包括由粘合剂固定的磨粒。利用用于抛光的固定磨料，由磨粒执行抛光处理，其中磨粒是由固定磨料自身产生的。固定磨料包括磨粒、粘合剂和微孔。例如，使用平均颗粒直径等于或者小于0.5μm的二氧化铈(CeO2)或者氧化硅(SiO2)或者氧化铝(AL2O3)作为磨粒，以及使用例如环氧树脂或者聚氨酯树脂的热固树胶或者例如MNS树脂或者ABS树脂的热塑树脂作为粘合剂。例如固定磨料形成较硬的抛光面。固定磨料包括具有由固定磨料薄层形成的双层结构的固定磨料垫以及附着到固定磨料薄层之下表面的弹性抛光垫。
顶环1通过通用连接器10连接到顶环驱动轴11，以及顶环驱动轴11耦合到顶环气筒111，顶环气筒111固定到顶环头110。顶环气筒111操作来垂直移动顶环驱动轴11，由此来做为整体升高和降低顶环1，以及将固定到顶环2下端的保持环3压紧到抛光台100上。
顶环气筒111经由流体通道31和调节器R1连接到压缩空气源(加压流体源)120。调节器R1可以调节提供到顶环气筒111的压缩空气等的压力。这样，可以调节压力，使得压紧抛光垫101和保持环3。
顶环驱动轴11通过键(未示出)连接到转筒112。转筒112具有固定地设置在其外周部分的定时滑轮113。顶环电动机114固定到顶环头10，并且定时滑轮113经由定时带115耦合到安装在顶环电动机114上的定时滑轮116。因此，当顶环电动机114被通电而旋转时，经由定时滑轮116、定时带115和定时滑轮113一致地旋转转筒112和顶环驱动轴11，由此来旋转顶环1。顶环头10支撑在顶环轴117上，而顶环轴117旋转支撑在框架上(未示出)。
接下来，下面将描述构成根据本发明的衬底保持装置的顶环1。图2是显示顶环1的垂直横截面图。
如图2所示，构成衬底保持装置的顶环1包括：以圆柱形腔室形式的顶环体2，具有在其中定义的容纳空间；以及环形保持环3，固定到顶环体2的下端。顶环体2由具有高强度和硬度的材料构成，例如金属或者陶瓷。保持环3由高硬度合成树脂、陶瓷等等构成。
顶环体2包括圆柱形腔室2a和配合安装到腔室2a的圆柱形部分内的环形加压薄片支撑体2b。保持环3固定到顶环体2的腔室2a的下端。保持环3具有向内径向凸出的下部。保持环3可以与顶环体2形成为一体。
顶环驱动轴11设置在顶环体2的腔室2a的中心部分，以及顶环体2通过通用连接器10耦合到顶环驱动轴11。通用连接器具有球形轴承机构，借助于球形轴承机构，顶环体2和顶环驱动轴11彼此间是可倾斜的，以及具有旋转传送机构，用于将顶环驱动轴11的旋转传送给顶环体2。球形轴承机构和旋转传送机构将压力和旋转力从顶环驱动轴11传送到顶环体2，同时允许顶环体2和顶环驱动轴11彼此相互倾斜。
球形轴承机构包括：半球形凹部11a，定义在顶环驱动轴11的下表面的中心；半球形凹部2d，定义在腔室2a的上表面的中心；以及轴承球12，由例如陶瓷的高硬度材料制成并且设置在凹部11a和2d之间。另一方面，旋转传送机构包括固定到顶环驱动轴11的传动销(没有示出)和固定到腔室2a的被动销(没有示出)。即使顶环体2相对于顶环驱动轴11倾斜，传动销和被动销也保持相互啮合，同时移去接触连接器，因为传动销和被动销在垂直方向上可相互移动。这样，旋转传送机构可靠地将顶环驱动轴11的转距传送到顶环体2。
顶环体2和固定到顶环体2上的保持环3具有其中定义的空间，该空间在其中容纳环形保持环5、以及盘状夹板6(垂直可移动的元件)，该盘状夹板6可以在顶环体2的容纳空间内垂直移动。夹板6可以由金属制成。但是，当形成在半导体晶片的表面的薄膜厚度通过使用涡流的方法在由顶环保持待抛光的半导体晶片的这种状态下测量时，夹板6应当优选地由例如绝缘材料的非磁性材料制成，例如，环氧玻璃、氟树脂或者陶瓷。
包括弹性膜的加压片13延伸在保持环5和顶环体2之间。加压片13具有夹在顶环2的腔室2a和加压片支撑体2b之间的径向外缘，以及夹在夹板6的上端部分和保持环5之间的径向内缘。顶环体2、夹板6、保持环5和加压片13结合起来定义了顶环体2中的压力室21。如图2所示，包括管子和连接器的流体通道32与压力室21连通，并且压力室21通过设置在流体通道32中的调节器R2连接到压缩空气源120。加压片13由高强度和耐用的橡胶材料制成，例如，乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或者硅树脂橡胶。
在加压片13由例如橡胶的弹性材料制成的情况下，如果加压片固定夹在保持环3和顶环体2之间，则因为作为弹性材料的加压片13的弹性变形，在保持环3的下表面上不能维持期望的水平表面。为了防止这种缺陷，在本实施例中，加压片13夹在顶环体2的腔室2a和设置作为单独元件的加压片支撑体2b之间。保持环3可以相对于顶环体2在垂直方向上移动，或者保持环3可以具有能够压紧独立于顶环体2的抛光面的结构。在这些情况中，没有必要以上述方式固定加压片13。
环形边缘膜(弹性膜)7保持与顶环体1保持的半导体晶片W的外周边缘相接触，其被设置在夹板6的外周边缘。边缘膜7具有夹在夹板6的外周边缘和环状边缘环4之间的上端。在这种方式下，边缘膜7安装在夹板6上。
如图2所示，当由顶环1保持半导体晶片W时，加压室22定义在边缘膜7中。包括管子和连接器的流体通道33与压力室22连通，并且压力室22通过设置在流体通道33中的调节器R3连接到压缩空气源120。与加压片13一样，边缘膜7由高强度和耐用的橡胶材料制成，例如，乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或者硅树脂橡胶。边缘膜7的橡胶材料应当优选地具有20到60丢洛(duro)的硬度。
当抛光半导体晶片W时，通过旋转顶环1来旋转半导体晶片W。边缘膜7单独具有与半导体晶片W的小接触区域，并且易于失败传送足够的转距。因此，将用于传送足够转距给半导体晶片W的环形中间空气包19固定到夹板16的下表面，以便保持与半导体晶片W相接触。中间空气包19径向设置在边缘膜7的内部，并且通过大的足以传送足够转距给半导体晶片W的接触区域与半导体晶片W相接触。中间空气包19用作执行轮廓控制处理。
中间空气包19包括：弹性膜91，其与半导体晶片W的上表面接触，以及空气包保持器92，用于可移动地保持弹性膜91。通过螺杆(没有示出)将空气包保持器92固定地安装在环形凹槽6a中，环形凹槽6a被定义在夹板6的下表面。构成中间空气包19的弹性膜91通过弹性膜91的上端可移动地安装在夹板6的下表面，弹性膜91夹在环形凹槽6a和空气包保持器92之间。
当由顶环1保持半导体晶片W时，通过弹性膜91和空气包保持器92在中间空气包19中的定义压力室24。包括管子和连接器的流体通道35与压力室24连通，并且压力室24通过设置在流体通道35中的调节器R5连接到压缩空气源120。与加压片13一样，弹性膜91由高强度和耐用的橡胶材料制成，例如，乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或者硅树脂橡胶。
由边缘膜7定义的环形空间、中间空气包19、半导体晶片W和夹板6用作压力室23。包括管子和连接器的流体通道34与压力室23连通，并且压力室23通过设置在流体通道34中的调节器R4连接到压缩空气源(加压流体源)120。
由中间空气包19定义的环形空间、半导体晶片W和夹板6用作压力室25。包括管子和连接器的流体通道36与压力室25连通，并且压力室25通过设置在流体通道36中的调节器R6连接到压缩空气源120。流体通道32、33、34、35和36通过设置在顶环头110的上端的旋转连接器(未示出)连接到各个调节器R2到R6。
因为在边缘膜7的外周表面和保持环3之间存在小间隙G，所以包括边缘环4、夹板6、安装在夹板6上的边缘膜7等等的膜相对于顶环体2和保持环3在垂直方向上可移动，因此形成浮动结构。夹板具有从其外周边缘向外凸出的突起6c。当突起6c与保持环3的向内凸出部分的上表面啮合时，将包括夹板6等的膜的向下移动限制在某个位置。
下面参考图3A到图3C，详细描述中间空气包19。图3A到图3C是显示图2所示的中间空气包的放大横截面图。
正如图3A所示，根据本实施例的中间空气包19的弹性膜91具有中间接触部分91b，中间接触部分91b具有径向向外的延伸边缘91a、从边缘91a的底部91c径向向外延伸并且定义延伸体91d和边缘91a之间的环形凹部93的延伸体91d、以及通过空气包保持器92连接到夹板6的连接器91e。延伸体91d具有位于边缘91a径向向内的外端，以及连接器91e从延伸体91d的外端向上延伸。边缘91a、中间接触部分91b、连接器91e和延伸体91通过弹性材料形成为一体。中间接触部分91具有在其中心定义的开口91f。
利用上述配置，当在半导体晶片W与中间空气包19的中间接触部分91B相紧密接触之后向上升高夹板6的状态下抛光半导体晶片W(见图3B)时，由延伸体91d将施加到连接器91e的向上力转换为水平或者斜向力，该水平和斜向力然后被施加给边缘91a的底部91c(见图3C)。因此，最小化了施加到边缘91a的底部91c上的向上力，因此，没有过量的向上力施加在中间接触部分91b上。因此，在底部91c附近创造了非真空，并且在除了边缘91a之外的中间接触部分91b的整个表面上实现了均匀的抛光率。连接器91e厚度和边缘91a的长度在它们径向向内和向外的区域可以具有不同的值，以及延伸体91a的长度在其径向向内和向外的区域也可以具有不同的值。而且，取决于在半导体晶片W上待抛光的膜的类型和所使用的抛光垫的类型，可以改变边缘91a的厚度。如果传送给半导体晶片W的阻力和抛光转距是大的，则边缘91a应当优选地做得厚些，以便防止自身扭曲。
下面，参考图4A到图4C详细描述边缘膜7。图4A是显示根据本实施例的边缘膜的总体配置的横截面图，以及图4B和图4C是图2所示的衬底保持装置的部分横截面图。
根据本实施例的边缘膜(弹性膜)7具有：环形接触部分8，用于接触半导体晶片W的外周边缘；以及环形圆周壁9，从接触部分8向上延伸并且连接到夹板6。圆周9包括外圆周壁9a和外圆周壁9a的径向向内设置的内圆周壁9b。接触部分8具有从圆周壁9(外圆周壁9a和内圆周壁9b)径向向内延伸的形状。接触部分8具有在其位于外圆周壁9a和内圆周壁9b之间的部分中定义的圆周延伸切口18。切口18将接触部分8分为位于外圆周壁9a和内圆周壁9b之间的外接触部分8a和内接触部分8b。
如图4b和4c所示，外圆周壁9a和内圆周壁9b分别沿着环形边缘环4的外和内圆周表面向上延伸，并且具有夹在夹板6和边缘环4的上表面之间的相应上端。边缘环4通过螺杆(未示出)固定到夹板6上。流体通道33垂直延伸通过边缘环4，并且在边缘环4的下表面是打开。因此，由边缘环4、边缘膜7和半导体晶片W定义的环形压力室22与流体通道33连通，并且半导体晶片W与流通通道33连通，并且通过流体通道33和调节器R3连接到压缩空气源120。
圆周壁9具有可伸缩部分40，该可伸缩部分40可基本上垂直于半导体晶片W伸缩。更具体地，圆周壁9的外圆周壁9a具有垂直可伸缩部分40a，以及可伸缩部分40a具有这样的结构，即外圆周壁9a的一部分沿圆周方向向内折叠并且然后向外折回。可伸缩部分40a位于外接触部分8a附近并且位于边缘环4下面的位置。圆周壁9的外圆周壁9b也具有垂直可伸缩部分40b，以及可伸缩部分40b具有这样的结构，即外圆周壁9b在接近其下端的一部分沿圆周方向向内折叠。利用分别设置在外圆周壁9a和内圆周壁9b中的可伸缩部分40a和40b，可以很大程度上伸缩外圆周壁9a和内圆周壁9b，同时使接触部分8(外接触部分8a和外接触部分8b)保持良好状态，因此，如图4C所示，当抬高夹板6时，伸出可伸缩部分40a和40b，使得跟随夹板6移动，由此保持边缘膜7和半导体晶片W的接触区域恒定。
定义在夹板6上面的压力室21和定义在夹板6下方的压力室22、23、24和25通过与这些压力室分别连通的流体通道32、33、34、35和36被提供有加压流体，例如加压空气等等，或者连通到大气压，或者被抽空以在其中形成真空。因此，可以相互独立地控制在压力室21到25中的压力，或者可以将压力室21到25连通到大气压，或者将压力室21到25抽空，以在其中形成真空。
正如图1和2所示，连接到各个压力室22、23、24和25的流体通道33、34、35和36具有相应的传感器S1、S2、S3和S4，用于检测从流体通道33、34、35和36提供到压力室22、23、24和25的流体的流动状态。
下面参考图6A到6C描述传感器S1、S2、S3和S4。图6A显示了其中不存在流体(加压空气)流动的方式，图6B显示了其中流体从左到右流动的方式，以及图6C显示了其中流体从右到左流动的方式。
每个传感器S1、S2、S3和S4包括图6A到图6C所示的传感器芯片60。传感器芯片60包括中心位置的加热器61和设置在加热器61每侧一个的两个温度传感器62。
利用上述配置，当加热器61被通电时，如果如图6A所示，在传感器芯片60上没有流体流动，则在传感器芯片60上，产生在加热器61上具有最高温度的对称的温度分布。当如图6B所示，流体在传感器芯片60上从左向右流动时，加热器61上游的温度下降而加热器61下游的温度升高，这样导致了在传感器芯片60不对称的温度分布上。相反地，当如图6C所示，流体在传感器芯片60上从右向左流动时，加热器61上游的温度下降而加热器61下游的温度升高，这样导致了在传感器芯片60不对称的温度分布上。
图6B和图6C所示温度分布的温度差显示为温度传感器62的电阻之间的不同，并且根据电阻之间的不同，可以确定质量流量(流速×密度)。根据该原理，可以检测流体的双向流动。
图6A到图6C所示的传感器芯片60的输出与流过传感器芯片60的流体的流速线性相关，因此，可以根据传感器芯片60的输出，检测流过传感器芯片60的流体的流量。因此，传感器S1、S2、S3和S4可以分别检测流过流体通道33、34、35和36的流体的流量。
下面描述压力室22、23、24和25与传感器S1、S2、S3和S4的关系。
安排传感器S1、S2、S3和S4，以检测流过其中的流体的流动方向。具体地，安排传感器S1、S2、S3和S4，以检测流过流体通道33、34、35和36的流体(加压空气)是正在从调节器R3、R4、R5和R6流到压力室22、23、24和25还是正在从压力室22、23、24和25流到调节器R3、R4、R5和R6。
也安排传感器S1、S2、S3和S4，以检测流过流体通道33、34、35和36的流体的流速。因为传感器S1、S2、S3和S4可以检测流过流体通道33、34、35和36的流体的流速，所以通过流过流体通道33、34、35和36的流体的流速分别乘以流体通道33、34、35和36的横截面积，可以确定流过流体通道33、34、35和26的流体的流量。在传感器S1、S2、S3和S4内，或者通过控制抛光装置的控制器(未示出)的计算单元，来执行该计算。
当连接到如此安排的压力室22、23、24和25被提供有在不同压力下的加压流体时(加压空气)时，如果在不同压力之间的边界处发生流体泄漏，则在两个相邻压力室之间的加压流体从具有较高压力的压力室流到具有较低压力的压力室。此时，将加压流体从在较高压力侧的调节器提供到在较低压力侧的调节器，以及在较低压力侧的调节器排放加压流体到大气中。
图5A显示了其中操作具有正常的中间空气包的衬底保持装置的方式的部分横截面图；以及图5B是显示其中操作具有被破坏的中间空气包的衬底保持装置的方式的部分横截面图。如图5A所示，如果中间空气包19正常操作，当压力室23、24的压力达到预先设置的压力水平时，流过流体通道34、35的流体的流量变为零。但是，如图5B所示，如果中间空气包被破坏，加压流体从具有较高压力的压力室24流到具有较低压力的压力室23。此时，在较高压力侧的调节器R5提供加压流体，并且在较低压力侧的调节器R4排放加压流体到大气中。因而，如果在提供有不同压力下的加压流体的两个相邻压力室之间的边界处发生流体泄漏，则在从具有较高压力的压力室到具有较低压力的压力室的固定方向上，加压流体以相同的流量流动。
通常，因为半导体晶片在其整体上同时被加压或者减压，所以提供到相邻压力室的流体以不同的流量在相同的方向上流动。因此，如果传感器能够检测流体的流动方向并且流体被提供在用于分别提供加压流体到具有较高预先设置压力和较低预先设置压力的两个相邻压力室的响应流体通道中，则可以检测从具有较高压力的压力室到具有较低压力的压力室的流体的泄漏。具体地，当两个传感器检测到从较高压力侧到较低压力侧的流体流动和流体的相同流量时，可以判断发生了流体泄漏。在这种情况下，当两个传感器检测到流体的流动方向和流体的相同流量时，则可以确定流体的泄漏。但是，应当优选地同时监控流体的流动方向和流体的相同流速，用于稳定地检测流体的泄漏。
另外，当给空气包加压时，或者两个空气包的一个被减压而两个空气包的另一个被加压时，即使没有发生泄漏，如果在流体通道中产生流体流动，也存在检测误差的高概率。为了防止发生检测误差，在流体通道中提供压力传感器，并且在改变压力条件和压力变化变为等于或者小于预定值，或者变为等于或者小于设定压力的预定速率之后，启动流体泄漏的监控。为了对付从开始发生流体泄漏和压力不稳定的情况，如果压力在特定时间段内没有变得稳定，则继续流体泄漏的监控。
另一方面，下面情况下也是可以的：没有提供压力传感器，在改变压力条件之后的一预定时间段，没有执行流体泄漏的监控。但是，如果这个预定时间段是短的，则可能会发生检测误差。相反地，如果这个预定时间段很长，则可以忽略流体的泄漏。通过提供压力传感器，可以自动地判断稳定压力的定时，例如，监控流体泄漏的开始定时。
如上所述，压力传感器可以监控压力变化，并且当此从空气包到顶环的外部发生流体泄漏时还可以监控压降。当发生到外部的流体泄漏时，因为室的压力与大气压之间的压差是大的，所以流体泄漏引起的压降也是大的。
这样，可以仅仅通过压力传感器来监控流体泄漏。但是，仅仅通过压力传感器不能检测微小的流体泄漏，这是因为管道内存在压力损失。
图7是根据本发明另一实施例的顶环的垂直横截面图。在图7的实施例中，上述压力传感器P1、P2、P3和P4提供在各个流体通道33、34、35和36中，以测量各个流体通道33、34、35和36中的压力。通过使用压力传感器P1、P2、P3和P4，在改变加压条件和压力变化变为等于或者小于预定值，或者变为等于或者小于设定压力的预定速率之后，开始流体泄漏的监控。
上述配置使得可以检测微小的流体泄漏。至此，传统上，利用足够的安全容限来经验上确定膜的使用寿命。根据本发明，当在膜中形成小的裂缝或者微裂缝以及实际上检测到来自小裂缝或者微裂缝的微小流体泄漏时，可以判断膜的使用寿命已满。检测这种微小泄漏是有利地，因为对于膜来说直到这种小裂缝或者微裂缝成长为大孔或者膜断裂需要特定时间段。上述微小泄漏应当具有大的足以使控制器利用反馈电路校正流体压力的流量。
甚至不能检测流体流动方向的常用流量计也可以用来检测流体泄漏，因为如果确定施加在半导体晶片上较高和较低压力时，则当发生流体泄漏时，流体总在相同的方向流动，假设安装流量计以检测在该方向流动的流体。
正如以上所述，根据本发明，在边界两侧安装传感器，其中在不同压力下的区域之间可能发生流体泄漏，并且可以根据泄漏发生时的流体流动状态和没有发生泄漏压力正常作用在这些区域上时的流体流动状态之间的差异，通过传感器来稳定地检测流体泄漏。
在连接到压力室21的流体通道32中，可以设置检测提供给压力室21的流体的流动状态的传感器。该传感器可以与传感器S1到S4相同或者类似。因为传感器可以检测在加压片13中的流体泄漏，所以当升高或者降低夹板6时，可以判断夹板6没有正常操作或者夹板6误操作。
下面将描述图1所示的顶环的整个操作。当半导体晶片W被提供给顶环1时，将顶环1整体上放置在用于传送半导体晶片W的位置上。压力室23和/或压力室24通过流体通道34和/或流体通道35连接到真空源，并且被抽空，以在其中形成真空。压力室23和/或压力室24没有将在真空下的半导体晶片W吸引到顶环的1的下表面。然后，在将半导体晶片W保持在真空下的顶环1被整体上移动到具有抛光面(抛光垫101)的抛光台100上方的位置。由保持环3保持半导体晶片W的外圆周边缘，使得半导体晶片W不能从顶环1脱离。
然后，压力室23和/或压力室24释放半导体晶片W。同时，顶操作连接到顶环驱动轴11的环气筒11，以在预定压力下，将固定到顶环1下端的保持环3压紧到抛光台100的抛光面上。此后，提供加压流体给压力室21，以降低夹板6，由此将边缘膜7和中间空气包19压紧到半导体晶片上。现在边缘膜7的和中间空气包19的下表面被可靠地保持与半导体晶片的上表面相接触。在这种状态下，压力室22到25被提供有各自压力下加压流体，由此，抬高夹板6，并且将半导体晶片W压紧在抛光台100的抛光面上。此时，因为边缘膜7的可伸缩部分40a、40b被伸展使得跟随夹板6的向上移动，所以保持边缘膜7的下表面(接触部分8)以恒定的接触面积靠住半导体晶片W的外圆周边缘。从抛光液提供喷嘴102提供的抛光液Q保留在抛光垫101上。现在，利用存在于半导体晶片W的表面(下表面)与抛光垫101之间的抛光液，来抛光半导体晶片W。
利用根据本发明的顶环(衬底保持装置)1，因为其中边缘膜7与半导体晶片W的外圆周边缘相互接触的区域保持恒定，所以防止施加在半导体晶片W的外圆周边缘的压力发生变化。因此，包括其外圆周边缘的半导体晶片W的整个表面都可以在均匀的压力下压紧在抛光面上。因此，防止了在半导体晶片W的外圆周边缘上抛光率的降低，并且在可以防止在半导体晶片W的外圆周边缘径向向内处的区域上抛光率的局部增加。具体地，如果半导体晶片具有200mm的直径，则在可以防止从半导体晶片W的外周径向向内大约20mm处的区域上的抛光率增加，并且如果半导体晶片具有300mm的直径，则在可以防止从半导体晶片W的外周径向向内大约25mm处的区域上的抛光率增加。
定义在边缘膜7的接触部分8中的圆周延伸切口18对于增加圆周壁9(外圆周壁9a和内圆周壁9b)在向下方向的伸展性是有效的。因此，即使当减少了提供给压力室22的流体的压力，边缘膜7和半导体晶片W之间的接触范围保持正确，这样，允许在更小的压力下压紧半导体晶片W。
分别位于压力室22、23、24和25下方的半导体晶片W的区域被在提供给各个压力室22、23、24和25的流体的压力下压紧在抛光面上。因此，通过控制提供给各个压力室22、23、24和25的加压流体的压力，可以将半导体晶片W的整个表面以均匀的力压紧在抛光面上，从而在半导体晶片W的整个表面上实现均匀的抛光率。类似地，可以通过调节器R2来调节提供给压力室21的加压流体的压力，以变化用于将保持环3压紧在压力垫101上的压力。在这种放下，可以通过适当调节用于将保持还3压紧在压力垫101上的压力和用于利用压力室22、23、24和25将半导体晶片W压紧在抛光垫101上的压力，来控制半导体晶片W的抛光轮廓，同时抛光半导体晶片W。半导体晶片W具有压力通过中间空气包19从流体施加到其上的区域，以及加压流体直接施加到其上的区域。施加到半导体晶片W的这些区域的压力彼此相同。
正如以上所述，适当地调节用于将保持环3压紧在抛光垫101上的压力以及用于利用提供给各个压力室22、23、24和25的加压流体将半导体晶片W压紧在抛光垫101上的压力，来抛光半导体晶片。
虽然如上所述抛光半导体晶片W，但是当加压流体在各个不同压力下提供给压力室22、23、24和25以便以局部不同的压力状态来压紧半导体晶片W时，如果在各个流体通道33到36(流体通道33到36用于将流体提供给压力室22到25)中的传感器S 1到S4中用于相邻压力室的两个传感器检测到特定流体流动方向，则判断这两个相邻压力室之间的边界发生破坏或者破裂。此时，顶环1在真空下吸引半导体晶片W，并且被从抛光面抬起，由此，停止半导体晶片W的抛光。如果用于相邻压力室的两个传感器检测到相同流量的流体流动，则也判断这两个相邻压力室之间的边界发生破坏或者破裂。此时，也停止半导体晶片W的抛光。
当完成抛光处理之后，停止到压力室22、23、24和25的加压流体的提供，并且压力室22、23、24和25连通到大气。然后，在压力室23和/或压力室24中形成负压，以再次将半导体晶片W在真空下吸引到顶环1的下端表面。此时，使得压力室21的压力为大气压或者负压。这是因为，如果保持压力室21的压力是高的，则半导体晶片W将通过夹板6的下表面局部地压紧到抛光面上。
在由此将半导体晶片W保持在真空下之后，顶环1整体上位于用于半导体晶片W的传送位置，并且释放通过压力室23和/或24的半导体晶片W的真空吸引。然后，从流体通道34向半导体晶片W注入流体(例如加压流体或者氮和纯水的混合物)，由此，从顶环1移走半导体晶片W。
虽然上面描述了本发明的实施例，但是，本发明并不局限于上述实施例，但是在其技术原理范围内可以体现为多种不同的形式。
根据本发明的衬底保持装置，可以通过检测加压流体的流动状态，来检测来自压力室的流体泄漏或者作为待抛光对象的衬底和膜(弹性膜)之间的流体泄漏。因此，可以检测定义压力室的弹性膜的破坏、顶环组装故障、或者顶环部件的使用寿命。因为在压力室中的压力可以保持在预先设置的压力水平，所以可以降低衬底破坏的概率。而且，可以检测到不仅来自压力室的流体泄漏，而且也可检测到衬底从顶环的下表面的脱离，这样进一步减少了衬底破坏的概率。
工业应用性
本发明适用于保持待抛光的例如半导体晶片的衬底并且将衬底压紧到抛光面上的衬底保持装置。本发明也适用于具有这种衬底保持装置的抛光装置。

Claims (20)

1、一种衬底保持装置，用于保持衬底，并且将所述衬底压紧在抛光面上，该衬底保持装置包括：
顶环体，用于保持所述衬底；
多个流体通道，用于将流体提供给定义在所述顶环体中的多个压力室；以及
多个传感器，分别设置在所述多个流体通道中，用于检测流过所述多个流体通道的所述流体的流动状态。
2、根据权利要求1的衬底保持装置，其中，所述传感器分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中，所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中由边界分开的两个相邻压力室。
3、根据权利要求1的衬底保持装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流动方向。
4、根据权利要求1的衬底保持装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流速。
5、根据权利要求1的衬底保持装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流量。
6、根据权利要求1的衬底保持装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流速和所述流体的流动方向。
7、一种抛光装置，包括：
抛光台，具有抛光面；和
衬底保持装置，用于保持衬底，并且将所述衬底压紧在所述抛光面上，所述衬底保持装置包括：
顶环体，用于保持所述衬底；
多个流体通道，用于将流体提供给定义在所述顶环体中的多个压力室；以及
多个传感器，分别设置在所述多个流体通道中，用于检测流过所述多个流体通道的所述流体的流动状态。
8、根据权利要求7的抛光装置，其中，所述传感器分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中，所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中由边界分开的两个相邻压力室。
9、根据权利要求7的抛光装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流动方向。
10、根据权利要求7的抛光装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流速。
11、根据权利要求7的抛光装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流量。
12、根据权利要求7的抛光装置，其中，所述传感器能够检测所述流体的流速和所述流体的流动方向。
13、根据权利要求7的抛光装置，其中，当分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中的所述传感器检测到所述流体的各个固定流动方向时，停止所述衬底的抛光，其中所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中的两个相邻压力室。
14、根据权利要求13的抛光装置，其中，所述固定流动方向是用于给所述衬底加压的所述流体的流动方向和用于给所述衬底减压的所述流体的流动方向。
15、根据权利要求13的抛光装置，其中，所述固定流动方向是彼此相反的方向。
16、根据权利要求7的抛光装置，其中，当分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中的所述传感器检测到所述流体的相同流量时，停止所述衬底的抛光，其中所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中的两个相邻压力室。
17、根据权利要求7的抛光装置，其中，当分别设置在所述多个流体通道的两个流体通道中的所述传感器检测到所述流体的各个固定流动方向和所述流体的各个固定流量时，停止所述衬底的抛光，其中所述两个流体通道用于将所述流体提供给所述多个压力室中的两个相邻压力室。
18、根据权利要求17的抛光装置，其中，所述固定流动方向是彼此相反的方向。
19、根据权利要求17的抛光装置，其中，所述固定流动方向是彼此相反的方向，以及所述固定流量彼此相同。
20、根据权利要求7的抛光装置，其中，不管由所述传感器检测到的所述流体的流动状态，直到在改变所述压力室中的加压条件之后，所述流体通道中的压力变化等于或者小于预定值，或者等于或者小于设定压力的预定速率，才停止所述衬底的抛光。
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