CN1933940A - 用于双面研磨机的晶片夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于双面研磨机的晶片夹持装置。用于在研磨轮研磨半导体晶片时保持该晶片的流体静力垫。该垫包括形成在体部的与晶片正对的面上的流体静力凹座。所述凹座适于接纳穿过体部进入这些凹座中以在体部的所述面与工件之间形成流体屏障但仍然在研磨时施加压力以保持工件的流体。流体静力垫容许晶片相对垫绕它们的共同轴线转动。这些凹座取向成减小在研磨轮相对流体静力垫移动或倾斜时在晶片中产生的流体静力弯矩，从而有助于防止通常由研磨轮移动和倾斜造成的晶片表面的纳米形貌恶化。

Description

用于双面研磨机的晶片夹持装置

技术领域

本发明一般涉及对半导体晶片的同时双面研磨，更具体地，涉及一种供双面研磨机使用的晶片夹持装置。

背景技术

半导体晶片常用于生产集成电路芯片，在这些集成电路芯片上印刷有电路。电路首先以微缩形式印刷在晶片表面上，然后将晶片切割成电路芯片。但是这微型电路要求晶片表面极端平整且平行以确保将电路恰当地印刷在晶片的整个表面上。为此，通常在晶片从晶锭上切割下来以后使用研磨工艺来提高它们的某些特征(如平整度和平行度)。

同时双面研磨同时在晶片的两个面上进行操作并产生表面高度平整的晶片。因此这是一种合乎要求的研磨工艺。可用来实现这一工艺的双面研磨机包括Koyo Machine Industries Co.，Ltd.生产的研磨机。这些研磨机在研磨时使用晶片夹持装置来保持半导体晶片。垫和轮都相对地取向以沿垂直取向将晶片保持在其间。研磨时流体静力/液压静力(hydrostatic)垫在相应的垫与晶片表面之间有利地产生流体屏障，以保持晶片而不使刚性垫与晶片发生物理接触。这减小了可能由物理夹持造成的对晶片的损害，并使晶片在摩擦更小的情况下相对垫表面作切向运动(转动)。尽管这一研磨工艺大大提高了被研磨的晶片表面的平整度和平行度，但也会造成晶片表面形貌(topology)的恶化。

为识别并解决该表面形貌恶化问题，装置和半导体材料制造商考虑晶片表面的纳米形貌。纳米形貌被定义为在约0.2mm至约20mm的空间波长内晶片表面的偏差。这一空间波长十分接近地对应于经过加工的半导体晶片在纳米尺度上的表面特征。上述定义是由国际半导体设备和材料协会(SEMI)-一个世界半导体工业贸易协会一提出的(SEMI文件3089)。纳米形貌测量晶片的一个表面的高度偏差而不像传统的平整度测量那样考虑晶片的厚度变化。已开发出若干用于检测和记录这些种类的表面变化的测量方法。例如，可通过测量反射光与入射光的偏差来检测非常小的表面变化。这些方法用来测量波长内的峰谷(PV)变化。

图1和2示意性示出现有技术的双面研磨机的典型的晶片夹持装置1’。研磨轮9’和流体静力垫11’彼此独立地保持晶片W。它们分别限定夹持平面71’和73’。研磨轮9’作用在晶片W上的夹持压力以研磨轮的转动轴线67’为中心，而流体静力垫11’作用在晶片上的夹持压力以晶片的中心WC附近为中心。只要夹持平面71’和73’在研磨时保持重合(图1)，晶片就保持在平面内(即不弯曲)并由研磨轮9’均匀研磨。关于如何对齐两夹持平面的一般讨论可参见已公开的欧洲申请No.1,118,429。但是，如两平面71’和73’不重合，研磨轮9’和流体静力垫11’的夹持压力就会在晶片W中产生弯矩或流体静力夹持力矩，造成晶片一般在研磨轮开口39’的周缘41’附近严重弯曲(图2)。这会在晶片W中产生应力高度集中区。

在双面研磨操作中夹持平面71’与73’常常不重合，这一般是由研磨轮9’与流体静力垫11’的相对运动造成的(图2)。图2和3示意性示出不重合的可能方式。它们包括三种不同方式的组合。在第一种方式中，研磨轮9’相对流体静力垫11’沿研磨轮转动轴线67’发生横向平移S(图2)。第二种方式的特征在于研磨轮9’绕穿过各个研磨轮中心的水平轴线X发生垂直倾斜VT(图2和3)。图2示出第一种方式与第二种方式的组合。在第三种方式中研磨轮9’绕穿过各个研磨轮中心的垂直轴线Y发生水平倾斜HT(图3)。为了便于说明其概念，在附图中大大夸张了这些方式；实际的不重合可较小。此外，各个研磨轮9’可彼此独立地运动，因此左轮的水平倾斜HT可与右轮不同，同样两轮的垂直倾斜VT也可不同。

由夹持平面71’与73’不重合导致的流体静力夹持力矩的大小与流体静力垫11’的设计有关。例如，如果垫夹持的晶片W的面积大(例如具有大工作表面积的垫)，或者垫夹持的中心离研磨轮转动轴线67’的距离较远，或者垫作用在晶片上的流体静力夹持力大(即非常刚性地保持晶片)，或者垫具有这些特征的组合，则垫11’产生的力矩一般就大。

在使用现有技术的垫11’的夹持装置1’中(图4示出现有技术的垫的一例)，由于垫11’紧紧、刚性地夹持晶片，因此在夹持平面71’与73’不重合时晶片W中-包括研磨轮开口39’的周缘41’附近-的弯矩较大。晶片无法随研磨轮9’的运动而调节，并且晶片在开口边缘41’附近严重弯曲(图2)。晶片W的研磨不均匀，并且产生不能由后续加工过程(例如抛光)除去的、不希望出现的纳米形貌特征。夹持平面71’与73’的不重合还会造成研磨轮9’的不均匀磨损，该不均匀磨损可进一步在被研磨的晶片W上产生不希望出现的纳米形貌特征。

图5A和5B示出不希望出现的纳米形貌特征，在研磨操作期间，当夹持平面71’与73’不重合并且晶片发生弯曲时，所述特征会形成在被研磨的晶片W的表面上。这些特征包括中央痕迹77’和B环79’(图5A)。中央痕迹77’一般由研磨轮9’的横向移动S和垂直倾斜VT的组合造成，而B环79’一般由研磨轮9’的横向移动S和水平倾斜HT的组合造成。如图5B所示，与特征77’和79’有关的峰谷变化都较大。因此这些特征表明晶片的纳米形貌很差，并且会极大地影响在晶片表面上印刷微型电路的能力。

造成纳米形貌恶化的流体静力垫和研磨轮夹持平面71’和73’的不重合可通过定时地对齐夹持平面来矫正。但是动态的研磨操作以及研磨轮9’上的差别磨损效应造成在较少次运行后两平面就又不重合。需要常常进行非常费时的对齐步骤，这使得控制研磨机的运行在经济上变得不实际。

因此，需要有一种用在双面研磨机的晶片夹持装置中的流体静力垫，该流体静力垫能有效保持半导体晶片进行加工，但仍容许研磨轮运动，从而使得在研磨机反复工作时晶片表面纳米形貌的恶化程度减到最小。

发明内容

本发明涉及一种用于在研磨轮研磨工件时保持该工件的流体静力垫。该垫总的包括用于在研磨时保持工件、具有工作表面积和水平轴线的体部。该体部包括开口，该开口用于接纳与工件接合的第一研磨轮。体部还包括至少一个凹座，该凹座用于接纳穿过体部进入该凹座以在研磨时在体部与工件之间形成屏障并对工件施加压力的流体。体部中所有凹座的总的凹座表面积小于体部的工作表面积，使得凹座表面积与工作表面积之比约等于0.26或更小。

在本发明另一方面中，双面研磨工艺中双面研磨机的一次单独的设置形成一组半导体晶片。每个晶片都具有经过改善的、平均峰谷变化小于12nm的纳米形貌。一般来说，通过将晶片定位在第一与第二流体静力垫之间和第一与第二研磨轮之间来形成每个晶片。两研磨轮各位于第一和第二垫的开口中。晶片夹持在两垫之间和两轮之间，从而在研磨轮的周缘附近和垫中开口的周缘附近作用在被夹持晶片上的夹持压力不大。

在本发明又一方面中，流体静力垫总的包括一体部，该体部中形成有用于接纳与工件相接合的研磨轮的开口。该开口具有由体部限定的周缘，在与开口周缘的一部分沿径向相对的体部中、在距开口中心一径向距离处形成有至少一个凹座。在研磨时该凹座在体部与工件之间形成流体屏障。体部中在开口周缘与径向相对的凹座之间形成有自由区。构建该自由区使得在使用时流体静力垫在该自由区中对工件基本上不施加夹持压力。

本发明的其它特征一部分是显而易见的，一部分在下文中说明。

附图说明

图1为现有技术的晶片夹持装置的示意性侧视图，包括流体静力垫和研磨轮，半导体晶片位于垫之间和轮之间，并且以剖面示出流体静力垫；

图2为与图1相似的示意性侧视图，但研磨轮发生横向移动和垂直倾斜；

图3为该晶片夹持装置的示意性正视图，示出研磨轮的水平倾斜和垂直倾斜；

图4为图1的现有技术的流体静力垫的与晶片相对的一面的示意图。

图5A示出使用图1的晶片夹持装置研磨并随后经过抛光的半导体晶片的纳米形貌表面特征的图形表示；

图5B示出图5A的晶片的表面的径向轮廓曲线；

图6为装有本发明的晶片夹持装置的研磨机的示意性侧视图，其中以剖面示出流体静力垫；

图7为研磨机的晶片夹持装置的放大的示意性侧视图，包括流体静力垫和研磨轮，半导体晶片位于垫之间和轮之间；

图8为本发明的左边的流体静力垫的透视图，示出在研磨时该垫的与晶片相对的面上的流体静力凹座的构型；

图9A为图8的左流体静力垫的与晶片相对面的正视图，其中用虚线示出研磨轮和晶片，以示出它们与垫的位置关系；

图9B为图9A的流体静力垫的仰视图，晶片仍用虚线表示；

图10为与图9A相似的与晶片相对面的正视图，示出连接垫的各流体静力凹座内的流体注入口的槽道；

图11为图9A的流体静力垫的局部放大正视图，示出流体静力凹座与垫的研磨轮开口的相对位置；

图12是右流体静力垫的与图8相似的透视图，该右流体静力垫在研磨时与左流体静力垫相对，以将晶片夹持在两垫之间；

图13A为右流体静力垫的与图9A相似的正视图；

图13B为右流体静力垫的仰视图；

图14是与图5A相似的图形表示，但示出使用图6的晶片夹持装置研磨并随后经过抛光的半导体晶片；

图15A示出在研磨过程中当用本发明的流体静力垫夹持时，施加在半导体晶片表面上的夹持应力的图形表示；

图15B是与图15A相似的图形表示，示出作用在用现有技术的流体静力垫夹持的晶片上的夹持应力；

图16为在研磨期间当研磨轮发生横向移动时在研磨轮周缘附近的半导体晶片中的应力曲线图，并对用本发明的流体静力垫夹持的晶片和用现有技术的流体静力垫夹持的晶片进行比较；

图17是与图16类似的曲线图，比较了由研磨轮的横向移动和垂直倾斜造成的晶片中的应力；

图18是与图16类似的曲线图，比较了由研磨轮的横向移动和水平倾斜的组合造成的晶片中的应力；

图19是与图16类似的曲线图，比较了由研磨轮的横向移动、垂直倾斜和水平倾斜的组合造成的晶片中的应力；

图20是一曲线图，比较了在现有技术的晶片夹持装置中研磨的晶片和在本发明的晶片夹持装置中研磨的晶片的0.05上百分位数的纳米形貌值；以及

图21为根据本发明的流体静力垫的第二实施例的示意图，示出研磨时该垫的与半导体晶片相对的面上的流体静力凹座的构型。

在附图的全部的多个视图中，相应的标号表示相应的部件。

具体实施方式

再次参见附图，图6和7示意性示出总体用标号1表示的根据本发明的晶片夹持装置。该夹持装置能用在图6中总体用标号3表示的双面研磨机中。可使用晶片夹持装置1的双面研磨机的例子包括Koyo MachineIndustries Co.，Ltd.制造的型号为DXSG320和DXSG300A的研磨机。晶片夹持装置1将在图中总体用W表示的单个半导体晶片(广义地称为“工件”)保持在研磨机3内的垂直位置上，从而可同时均匀地研磨晶片的两个表面。这在抛光和电路印刷步骤前提高晶片表面的平整度和平行度。应该理解，研磨机的夹持装置也可保持除半导体晶片之外的工件而不会脱离本发明的范围。

仍如图6和7所示，晶片夹持装置1包括总体分别用标号9a和9b表示的左、右研磨轮和分别用标号11a和11b表示的左、右流体静力垫。“左”和“右”的称号只是为了便于说明，并非强制使研磨轮9a和9b以及垫11a和11b具有特定的取向。字母“a”和“b”用来区分左轮9a和左垫11a的部件与右轮9b和右垫11b的部件。研磨轮9a和9b以及流体静力垫11a和11b用本领域技术人员已知的方式安装在研磨机3中。

本领域中也已知的是，两研磨轮9a和9b基本上相同，各轮总体都呈扁平状。如图6和7所示，研磨轮9a和9b总体定位成朝晶片的下部中心与晶片W研磨接合。每个轮9a和9b的周边在晶片W的底部延伸到晶片周边的下方，并在晶片的中心延伸到晶片的中心轴线WC的上方。这确保工作时能研磨到每个晶片W的全部表面。此外，至少一个研磨轮9a和9b可相对于与之成对的研磨轮移动。这便于在研磨机3的夹持装置1中的研磨轮9a和9b之间将半导体晶片W安装就位。同样，在所示夹持装置1中，左流体静力垫11a可相对于对应的左研磨轮9a移动，也可相对于保持固定的右流体静力垫11b移动，从而进一步便于将半导体晶片W装入装置1中。具有如下特征的晶片夹持装置不脱离本发明的范围，即，两垫都可相对于对应的研磨轮移动或两垫在装晶片时固定，或在装晶片时流体静力垫和对应的研磨轮一起移动。

仍参见图6和7所示晶片夹持装置1，研磨时，该晶片夹持装置的两研磨轮9a和9b和两流体静力垫11a和11b以相对的关系设置以将半导体晶片W保持在它们之间。研磨轮9a和9b和流体静力垫11a和11b分别限定垂直夹持面71和73，并在晶片W上产生有助于将晶片保持在其垂直位置上的夹持压力。这将在下文进行更详细的描述。

特别参见图6，工作时流体静力垫11a和11b保持静止，同时一总体用标号14表示的驱动环使晶片W相对于垫和研磨轮9a和9b转动。本领域已知，驱动环14的凸爪或挂片(coupon)15一般在形成于晶片周缘中的凹口N(在图6中用虚线表示)处与晶片W接合，从而使晶片绕其中心轴线WC(中心轴线WC一般与垫11a和11b的水平轴线44a和44b(见图8和12)相对应)转动。同时，研磨轮9a和9b与晶片W接合并沿彼此相反的方向转动。研磨轮9a和9b中的一个的转动方向与晶片W相同，另一个的转动方向与晶片相反。

现在参见更详细地示出本发明的流体静力垫11a和11b的图8-13B。图8-11示出左流体静力垫11a，图12-13B示出相对的右流体静力垫11b。可以看出，两垫11a和11b基本上相同并总体上互为镜像。因此，只说明左流体静力垫11a，应理解，对右垫11b的说明相同。

如图8-9B所示，左流体静力垫11a总体上薄并呈圆形，且尺寸与所加工的晶片接近。图9A和9B中用虚线表示晶片W以示出这一关系。所示流体静力垫11a的直径约为36.5厘米(14.4英寸)，工作时正对晶片W的工作表面积约为900平方厘米(139.5平方英寸)。因此可用来研磨直径例如约为300mm的标准晶片。然而应该可以理解，直径和表面积不同的流体静力垫也在本发明范围内。例如，垫的尺寸可减小以用来研磨200mm的晶片。

从图8和9A可看得最清楚，流体静力垫11a的体部17a包括研磨时与晶片W直接相对的晶片侧表面19a。形成于晶片侧表面19a上的6个流体静力凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a总体上呈放射状地各自定位在垫11a的研磨轮开口(总体用标号39a表示)的周围。垫的体部17a的与晶片侧表面19a相反的背面35a总体上是平的且无流体静力凹座，但在本发明范围内也可包括凹座。此外，在本发明范围内流体静力垫可具有多于或少于6个流体静力凹座，例如4个流体静力凹座。

6个流体静力凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a每个都是弧形的并且绕垫11a沿大体为圆周的方向伸长。各凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a凹入晶片侧表面19a的凸起表面32a中，并且各包括较平的垂直侧壁37a和圆形的周界转角。这些凹座通过向垫11a的面19a中切割或铸造浅槽而形成。在本发明范围内也可用不同的工艺形成流体静力凹座。

仍参见图8和9A，可以看到每对凹座21a和23a、25a和27a、29a和31a的形状和大小基本上相同。此外，在所示垫11a中，凹座21a和23a的表面积各约为14.38平方厘米(2.23平方英寸)；凹座25a和27a的表面积各约为27.22平方厘米(4.22平方英寸)；凹座29a和31a的表面积各约为36.18平方厘米(5.61平方英寸)。垫11a的总的凹座表面积约为155.56平方厘米(24.11平方英寸)。垫的总的凹座表面积与工作表面积之比约为0.17。在本发明范围内该比率也可为除0.17外的其它值。例如，该比率可约等于0.26或更小。相比之下，在现有技术的流体静力垫11’(图4)中，凹座21’和23’的表面积各约为31.82平方厘米(4.93平方英寸)；凹座25’和27’的表面积各约为36.47平方厘米(5.65平方英寸)；凹座29’和31’的表面积各约为47.89平方厘米(7.42平方英寸)，现有技术的垫11’的总的凹座表面积约为232.36平方厘米(36.02平方英寸)，总的凹座表面积与垫的工作表面积之比约为0.26(垫11’的工作表面积约为900平方厘米(139.5平方英寸))。

凹座21a和23a、25a和27a、29a和31a还分别对称地位于晶片侧表面19a的相对的两半上(被垫11a的垂直轴线43a分开)。凹座21a和23a基本位于垫11a的水平轴线44a的下方，而凹座25a、27a、29a和31a基本位于轴线44a的上方。凹座29a和31a基本位于凹座25a和27a的上方且与研磨轮开口39a不相邻，而是由位于它们和开口39a之间的凹座25a和27a与开口39a隔开。在该凹座取向中，总的凹座表面积的约15％位于水平轴线44a的下方。在本发明范围内该百分比可等于或小于23％。相比之下，在现有技术的流体静力垫11’中，总的凹座表面积的至少约24％位于水平轴线44’的下方。应该可以理解，凹座面积在轴线44’下方的增加造成垫11’施加在晶片上的夹持力向研磨轮开口39’的周边增大，并促进了B环的形成。

图8和9A示出形成在流体静力垫11a的体部17a的下部中的圆形研磨轮开口39a，开口39a的大小和形状用于穿过垫接纳研磨轮9a并使研磨轮9a与晶片W的下部中心接合(图9A中研磨轮和晶片用虚线表示)。当研磨轮9a(和9b)接纳于开口39a中时，开口39a的中心与研磨轮9a(和9b)的转动轴线67基本相对应。在所示垫11a中，研磨轮开口39a的半径R1约为87mm(3.43英寸)，研磨轮9a的周缘与研磨轮开口的径向相对的边缘41a之间的距离较均匀，一般约为5mm(0.20英寸)。在本发明范围内该距离也可不同。

仍如图所示，垫11a的凸起表面32a包括绕各凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a的周界延伸的共同伸至同一高度的台地34a。在每个凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a的台地34a之间的凸起表面32a中形成有各标识为36a的排泄槽道。研磨轮开口的周缘41a与凹座21a、23a、25a和27a的台地34a内侧部分边缘38a之间有一凹入凸起表面中的大致为新月形的自由区60a。在自由区60a处作用在晶片W上的夹持力实际上为0。这些特征将在下文中说明。

现在参见图10，流体静力凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a各包括将流体引入凹座中的流体注入口61a。垫的体部17a内的槽道63a(虚线所示)与流体注入口61a彼此连接并将流体从外部流体源(未示出)供应给凹座。工作时流体在较恒定的压力下压入凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a中，使得研磨时流体而不是垫的面19a接触晶片W。这样，凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a处的流体将晶片W垂直保持在垫夹持平面73(见图6和7)内，但仍形成使晶片W在研磨时以很小的摩擦阻力相对垫11a(和11b)转动的润滑支承区或滑动屏障。垫11a的夹持力主要出现在凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a处。

图11参照垫11a的晶片侧表面19a的左半部更详细地示出凹座21a、25a和29a的取向。径向距离RD1、RD2和RD3分别表示凹座21a、25a和29a距离研磨轮开口中心最近的垂直侧壁37a(最近的垂直侧壁37a是指最接近研磨轮开口39a的边缘41a的垂直侧壁)的周缘位置，所述开口中心理论上对应于研磨轮的转动轴线67。如图所示，距离RD1绕凹座21a的最近的垂直侧壁37a是非恒定的，因此凹座21a的底端比顶端离开口39a更远。具体地说，距离RD1从凹座底端处的约104mm(4.1英寸)变化到顶端处的约112mm(4.4英寸)(凹座23a的这些值相同)。分别到凹座25a和29a的最近的垂直侧壁37a的径向距离RD2和RD3较恒定，其中，RD2的值约为113mm(4.4英寸)，RD3的值约为165mm(6.5英寸)(凹座27a和31a的这些值分别相同)。在本发明的范围内，也可以是径向距离RD1保持恒定，而RD2和RD3不恒定。

图11还示出沿径向测量的从研磨轮转动轴线67到凹座21a和25a的台地34a的径向最里边缘38a的径向距离RD11。边缘38a限定零压力区(自由区)60a的外边缘或边界。可以看出，边缘38a的径向距离RD11非恒定，在所示垫11a中，该距离从垂直轴线43a附近的约108mm(4.25英寸)变化到凹座21a底端附近即边缘38a与研磨轮开口的边缘41a交汇处的约87mm(3.43英寸)。当从研磨轮9a(当接纳在开口39a中时)的周缘到边缘38a的径向相对最里部进行这些相同的测量时，测量值从垂直轴线43a附近的约26mm(1.02英寸)变化到凹座21a的底端附近的约5mm(0.20英寸)，并且与研磨轮开口39a的半径R1之比从约0.30变化到约0.057。相比之下，现有技术的流体静力垫11’(图4)的相应距离是恒定的，因为凸起表面32’的最里周缘38’与研磨轮开口的边缘41’重合(即现有技术的垫11’中无零压力区(自由区))。在该垫11’中，径向距离RD11’约为87mm(3.43英寸)，从研磨轮9’周缘到边缘38’进行相同的测量时，测量值约为5mm(0.20英寸)。

本发明的流体静力垫11a和11b较之现有技术的流体静力垫11’至少具有下列有利特征。总的流体静力凹座的表面积减小。这有效减小了垫作用在晶片W上的总夹持力，因为研磨时流体静力凹座21a、23a、25a、27a、29a、31a、21b、23b、25b、27b、29b和31b中接纳的流体量减小。此外，水平轴线44a下方的凹座表面积减小。这特别减小了研磨轮开口39a和39b的左右两边上的夹持力。此外，内部凹座21a、23a、25a、27a、21b、23b、25b和27b移离研磨轮开口的边缘41a和41b，从而在其间形成零压力自由区60a和60b。这特别减小了绕研磨轮开口39a和39b的边缘41a和41b的夹持力。

研磨时流体静力垫11a和11b夹持晶片W的刚性减小，因此晶片更容易跟随研磨轮9a和9b的移动和/或倾斜运动。这减小了研磨轮9a和9b移动时形成的流体静力夹持力矩的大小(即在晶片弯曲区中形成较小应力)。此外，晶片W在研磨轮开口的边缘41a附近不被紧紧夹持。研磨轮移动时晶片W在研磨轮开口的边缘41a附近仍会发生弯曲，但弯曲得不如在现有技术的研磨装置中那样厉害。因此，流体静力垫11a和11b使得对晶片表面的研磨更均匀，被研磨晶片的纳米形貌恶化如B环和中央痕迹的形成得以减少或消除。比较图5A与14可以看出这一点。图5A示出用现有技术的流体静力垫11’研磨的晶片W，而图14示出用本发明的流体静力垫11a和11b研磨的晶片W。图14所示的晶片基本没有B环和中央痕迹。

图15A-19示出用本发明的垫11a和11b和现有技术的垫11’夹持的晶片W中的应力。图15A和15B直观地示出研磨轮和流体静力垫的夹持平面重合时的这些应力。在两晶片W中，研磨轮开口39和39’内的应力可忽略不计(垫在这些区域中不夹持晶片)。图15A示出用垫11a和11b夹持的晶片W中的较小的应力。该图15A特别示出晶片W在研磨轮开口边缘41a和41b附近的整个表面上的较小的应力(用98和99表示的浅色区)。该图15A还示出在晶片上的分布更均匀的应力。相比之下，如图15B所示，用垫11’夹持的晶片W内的最大应力97出现在开39’的周缘附近(即无零压力区(自由区))。

比较图15A与15B还可看出，研磨时大应力集中区97在使用垫11a和11b时不如使用垫11’(图15B)时那样普遍。其好处是晶片W在弯曲区(如在研磨轮开口的边缘41a附近)的局部变形更小，且研磨轮9a和9b的磨损更均匀。研磨轮磨损均匀可确保研磨时研磨轮的形状不改变(即研磨轮磨损无差别)。这还确保研磨机可在较长时期内保持较低的纳米形貌设置。此外，如研磨轮确实发生移动或倾斜，则由运动造成的应力有效地分布在整个晶片W上，从而减少中央痕迹和B环的明显形成。这如人所愿地减小了研磨纳米形貌对研磨轮移动和倾斜的敏感性。

图16-19用曲线图示出在使用流体静力垫11a和11b研磨期间当研磨轮9a和9b移动和/或倾斜时晶片W中的较小的应力。所示应力为那些出现在研磨轮开口的边缘41a和41b附近的晶片W中、在从约7点钟位置(0mm的弧长)开始并沿周缘顺时针移动(到约400mm的弧长)的边缘41a和41b附近位置所测得的应力。用现有技术的流体静力垫11’夹持的晶片W中的应力总体上用标号91表示，用本发明的流体静力垫11a和11b夹持的晶片W中的应力总体上用标号93表示。

图16示出研磨轮移动时的应力91和93。可以看出，应力93明显小于应力91，并且在研磨轮开口39a和39b的整个周缘上、包括在晶片W的中心WC处(对应于约200mm的弧长处)比应力91更接近于恒定。因此，在本发明中，当研磨轮9a和9b移动时，晶片W在其中心处的弯曲不如在现有技术的装置中研磨的晶片那样厉害。

图17示出研磨轮移动和垂直倾斜时晶片W中的应力91和93。同样，与垫11a和11b有关的应力93沿研磨轮开口39a和39b的整个周缘基本保持不变。此外，用垫11a和11b夹持的晶片W在对应于晶片中心WC的位置的应力93的增加要小得多。因此，当研磨轮9a和9b移动和垂直倾斜时，晶片W在研磨轮开39a和39b的周缘附近的弯曲不那么厉害，并且中央痕迹的形成减少。

图18示出研磨轮移动和水平倾斜时晶片W中的应力91和93。可以看出，晶片W左边的应力93增加得没应力91那样厉害。因此，当研磨轮9a和9b移动和水平倾斜时用垫11a和11b夹持的晶片W在它们的周缘上的弯曲没那么厉害，B环的形成减少。图19示出由研磨轮的移动、垂直倾斜和水平倾斜的组合效应造成的晶片W中的应力91和93，其结果相似。

图20示出用现有技术的流体静力垫11’和本发明的流体静力垫11a和11b研磨的晶片的0.05上百分位数的纳米形貌值。使用垫11’研磨的晶片的纳米形貌值总体上用标号72表示，使用垫11a和11b研磨的晶片的纳米形貌值总体上用标号74表示。使用本发明的垫11a和11b研磨的晶片的纳米形貌值74始终小于现有技术的值72。

本发明的流体静力垫11a和11b可用于在单次运行设置中研磨一组晶片中的多个晶片W。一组晶片可包括例如至少400个晶片。在本发明范围内一组晶片可包括400个以上的晶片。单次运行设置一般被看作是在各次手动调节研磨轮9a和9b之间的连续运行。该组中的各个被研磨的晶片W的纳米形貌得到提高(例如中央痕迹和B环的形成有所减小或消除)。特别地，各晶片的平均峰谷变化小于约12nm。例如，晶片的平均峰谷变化可约为8nm。平均峰谷变化指每个晶片W在平均径向扫描上的变化。沿晶片W的圆周在晶片的多个半径上确定峰谷变化，并取这些值的平均值作为平均变化。

图21示意性地示出根据本发明的第二实施例的左流体静力垫。该垫总体上用标号111a表示，并且该垫的与第一实施例的垫11a的部件相对应的部件用相同的标号加上“100”表示。该流体静力垫111a与上述流体静力垫11a大致相同，但流体静力凹座121a、123a、125a、127a、129a和131a的形状和取向与垫11a中的对应凹座21a、23a、25a、27a、29a和31a不同。与垫11a类似，凹座121a、123a、125a、127a、129a和131a绕垫111a的研磨轮开口139a呈放射状地定位，凹座121a和123a、凹座125a和127a以及凹座129a和131a类似并对称地位于晶片侧表面119a的相对的两半上。此外，凹座121a和123a绕垫111a沿圆周方向伸长。但在该垫111a中，凹座125a、127a、129a和131a远离研磨轮的开口139a沿径向伸长。垫111a和111b在所有其它方面与垫11a和11b相同。

此外可以想到，通过控制作用在流体静力垫的凹座上的水的压力可影响流体静力垫的夹持中心。这可降低夹持中心，将它移近晶片夹持装置的研磨轮的转动轴线。更具体地说，在研磨过程中各凹座(或凹座的某些子集)中的流体压力可以改变和/或独立于其它凹座进行控制。改变若干凹座中压力的一种方法是使通向这些凹座中的孔的大小不同。此外，在凹座中通过使凹座的深度不同也可改变与各凹座相关联的区域的硬度。较深的凹座在其区域中对晶片W的保持比较浅的凹座更柔顺，较浅的凹座在其区域中对晶片的保持更刚硬。

文中所示和所述的流体静力垫11a、11b、111a和111b用于直径约为300mm的晶片W。如前所述，在本发明范围内也可用尺寸有所减小的流体静力垫来研磨200mm的晶片。这也适用于文中所述的各个流体静力垫尺寸。

本发明的流体静力垫11a和11b由适当的刚性材料例如金属制成，该流体静力垫能够在研磨期间支承晶片W并经受反复的研磨使用。在本发明范围内流体静力垫也可用其它类似的刚性材料制成。

当介绍本发明或其优选实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”用于表示有一个或多个元件。术语“包括”和“具有”是指包括在内的且表示有除所列元件之外的附加元件。

由于可在本发明范围内对以上内容作出各种改动，因此包括在以上说明中和显示在附图中的所有内容应解释为是示例性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种在研磨轮研磨工件的过程中用于保持该工件的流体静力垫，该流体静力垫包括：

在研磨过程中用于保持工件的体部，该体部具有工作表面积和水平轴线；

形成在体部中的开口，该开口用于接纳穿过该开口与工件接合的第一研磨轮；以及

形成在体部中的至少一个凹座，该凹座适于接纳穿过体部进入该凹座以在研磨过程中在体部与工件之间形成屏障并对工件施加压力的流体，该一个凹座具有的体部中所有凹座的总的凹座表面积小于体部的所述工作表面积，使得所述凹座表面积与所述工作表面积之比小于约0.26。

2.按权利要求1所述的流体静力垫，其特征在于，所述凹座表面积与所述工作表面积之比约为0.17。

3.按权利要求1所述的流体静力垫，其特征在于，所述凹座表面积小于约225平方厘米(34.87平方英寸)。

4.按权利要求1所述的流体静力垫，其特征在于，所述凹座表面积的约20％或更少形成在体部的水平轴线下方。

5.按权利要求1所述的流体静力垫，其特征在于，包括多个凹座，还包括位于至少一些凹座之间的用来除去凹座中多余流体的排泄槽道，每个凹座包括将流体从体部引入该凹座中的注入口。

6.按权利要求5所述的流体静力垫，其特征在于，体部中的开口具有由体部限定的周缘，并且在研磨轮接纳在开口中时该开口具有大体上与研磨轮的转动轴线相对应的中心，所述流体静力凹座沿径向与所述周缘部分相对地设置并位于距所述开口中心一径向距离处。

7.按权利要求6所述的流体静力垫，其特征在于，体部中的开口形成在该体部的周缘附近。

8.按权利要求1所述的流体静力垫与研磨机的组合，该研磨机包括接纳在流体静力垫的体部开口中的第一研磨轮、第二流体静力垫、接纳在所述第二流体静力垫的体部开口中的第二研磨轮，其中，两流体静力垫和两研磨轮彼此相对布置，以将工件保持在它们之间并同时双面研磨该工件。

9.在双面研磨工艺中由双面研磨机的单次设置形成的一组半导体晶片，每个晶片的纳米形貌提高到其平均峰谷变化等于约12nm或更小，每个晶片由如下步骤形成：

将晶片定位在第一流体静力垫和第二流体静力垫之间，以及定位在第一流体静力垫的开口中的第一研磨轮和第二流体静力垫的开口中的第二研磨轮之间；以及

将晶片保持在所述流体静力垫之间和所述研磨轮之间，使得在研磨轮周缘附近和垫中开口的周缘附近，作用在被夹持晶片上的夹持压力不大。

10.按权利要求9所述的一组半导体晶片，其特征在于，该组晶片包括至少400个连续生产的具有所述提高的纳米形貌并通过所述单次设置形成的晶片。

11.按权利要求10所述的一组半导体晶片，其特征在于，该组晶片包括至少800个晶片。

12.按权利要求10所述的一组半导体晶片，其特征在于，该组中的每个晶片基本上没有中央痕迹和B环。

13.按权利要求10所述的一组半导体晶片，其特征在于，每个晶片具有提高的纳米形貌，其中平均峰谷变化等于约8nm或更小。

14.一种在研磨轮研磨工件的过程中用于保持该工件的流体静力垫，该流体静力垫包括：

在研磨过程中用于保持工件的体部，该体部具有工作表面积和中心，该体部还具有穿过所述中心的水平轴线；

形成在所述体部中的开口，该开口用于接纳穿过该开口与工件接合的第一研磨轮，且该开口具有由体部限定的周缘并还具有中心；

形成在所述体部中的至少一个凹座，该凹座适于接纳穿过体部进入该凹座中以在研磨过程中在体部与工件之间形成流体屏障并对工件施加压力的流体，该一个凹座在距所述开口中心一径向距离处沿径向与所述开口的周缘的一部分相对地设置；以及

形成在所述体部中并位于所述开口的周缘与径向相对的一个凹座之间的自由区，该自由区构造成在使用时流体静力垫在该自由区中对工件基本上不施加夹持压力。

15.按权利要求14所述的流体静力垫，其特征在于，自由区从所述的一个凹座的边缘下凹，该垫在所述一个凹座的所述边缘对工件基本上不施加夹持压力，所述边缘与体部中的开口的周缘相间隔，从而所述自由区位于所述边缘与所述开口的周缘之间。

16.按权利要求15所述的流体静力垫，其特征在于，从该垫中的开口的中心到所述一个凹座的所述边缘的不同部分之间的径向距离沿所述边缘非恒定。

17.按权利要求16所述的流体静力垫，其特征在于，所述径向距离的至少一个测量值为体部中开口的半径的至少约1.1倍。

18.按权利要求15所述的流体静力垫，其特征在于，当研磨轮接纳在垫中的开口中时研磨轮的周缘与凹座边缘的径向相对部分之间的间距沿所述凹座边缘非恒定，所述间距的至少一个测量值为体部中开口的半径的至少0.1倍。

19.按权利要求14所述的流体静力垫，其特征在于，包括多个沿径向与体部开口相对设置的凹座，所述自由区形成在所述开口的周缘与至少一个径向相对的凹座之间。

20.按权利要求14所述的流体静力垫，其特征在于，还包括第二体部和接纳在第二体部的开口中的第二研磨轮，这两个体部和两个研磨轮彼此相对地设置，以将工件保持在它们之间并同时双面研磨该工件。

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