TW383262B - Wafer polishing device and polishing method thereof - Google Patents

Description

立、赞明說明（1) 本發明是有關於一種晶圓研磨裝置及其研磨方法。特 7是本發明係有關於一種晶圓研磨裝置及其研磨方法，其 可應用在用以使經過半導體裝置製造加工形成的半導體晶 圓上的不平部份平坦化的化學和機械研磨上。 第10圖是在晶圓的外周部研磨後的形狀的圖示，其是 在經過半導體裝置製造加工形成的半導體晶圓上的不平部 份平坦化的化學和機械研磨的場合。在第1 〇圖中，水平轴 代表在從晶圓的外周部朝中央的轴向方向上的位置且垂 直轴代表晶圓的殘膜厚度。 一般進行化學和機械研磨的晶圓研磨裝置供應磨料至 =轉研磨布上，且由加壓研磨布至晶圓上而進行研磨。在 j情況下，在研磨加工中，被稱為用來防止晶 持器的環以圍繞晶圓的方式被配置。在第1〇 _中，出(a的)： 線，不在保持器不與研磨布接觸的情況下晶圓的形狀。一 圓外周部研磨後的形狀就是保持器被加壓至研 接觸的产的形狀。（b)曲線顯示在保持器與研磨布 接觸，清况下晶圓的形狀。一般說來，晶圓外周 的形=取決於保持器是否被加壓至 知如第Η圖中的（a)曲線所示可得較高的平坦度有差異已 的晉(在半導體製造加工巾，從單-晶圓得到的半導體晶片 的量（下稱為良率）與晶圓平坦區域的面積有關。在 至研磨布上的‘d 況下，也就是在保持器被加壓 、 月’下’在晶圓外周部可得到較高的平坦 度，以攸一晶圓達到較高良率，進而降低製造成本。所以

1^^ 第4頁 五、發明說明（2) . , 有鑑於此’在製造加工中將保持器加壓至研磨布上是有利 的°然而’在這情況下，當保持器的下表面平坦時，因為 保持器圍繞晶圓’供應至晶圓研磨表面的磨料被干擾而降 低研磨速度，或使晶圓中央部份缺乏研磨。 解決上述問題的研磨裝置已在日本特開平第7- 237 1 20 號中揭露。 上述日本特開平第7-237120號中揭露的晶圓研磨裝置 將在以下參考第9圖作說明。 第9圖所示的晶圓研磨裝置設有一可回轉研磨盤 (rotatable polishing bed)2、設在研磨盤2上的研磨布 (abrasive cloth)3、藉由幫浦等供應磨料4至研磨布3的 表面上的磨料供應部5、保持作為被研磨物的晶圓1的承載 頭（carrier head)6、圍繞晶圓1且被固定至承載頭6以在 研磨中被放在壓下晶圓1附近的研磨布3的高度且在接觸研 磨布3的表面上設有複數個溝槽1〇的保持器（retainer)9、 使晶圓1和保持器9隨承載頭6—起朝研磨布3被壓下的壓力 機制1 4、以及在研磨布3上驅動晶圓1、保持器9和承載頭6 的心轴（spindle)13。 第9圖所示的習知晶圓研磨裝置供應磨料4至回轉的研 磨布3上，且由回轉心軸13且藉由壓力機制η壓下晶圓1至 研磨布3上而進行研磨，與習知進行化學和機械研磨的裝 置相似。此時’因為保持器9也被壓下至研磨布3上，如第 10圖中的（a)曲線所示的晶圓1的外周部可得到良好的平土曰 度，以增加良率。另一方面，因為複數個溝槽丨〇被設在保

第5頁 五、發明說明（3) 持器9上，磨料4經由這些溝槽1〇被供應至晶圓的研磨面， 以解決研磨逮度降低和在晶圓1的中央部份缺乏研磨的問 題。 然而，此習知晶圓研磨裝置在經由承載頭使晶圓和保 持器同步回轉上仍存有問題。 也就是說，習知晶圓研磨裝置在溝槽形成的部份和在 溝槽未形f的部份間，用以使晶圓和保持器同步回轉的磨 料的入流虽有差異，而導致在晶圓的外周方向上的研磨量 的波動，且進而導致良率降低。 另一方面，習知晶圓研磨裝置不能控制到晶圓研磨面 的磨料供應和排除。在研磨進行中產生的研磨屑片（chip) 和反應產物（react i〇n product)可在晶圓研磨面之下被累 積。據此，可導致晶圓面的刮傷和研磨速度的降低。、 本發明對於上述習知問題已有好的結果。因此，本發 明的目的在於提供一種晶圓研磨裝置和一種研磨方法，其 可由去除研磨量的波動而增加良率，且可避免由反應產物 的累積而產生刮傷和降低研磨速度。 根據本發明的第一特徵，晶圓研磨裝置包括： 一可回轉研磨盤； 一研磨布’設在研磨盤上； 磨料供應裝置’用以供應磨料至研磨布的表面； 晶圓壓下装置’用以在所定壓力下壓下晶圓至研磨布 環狀保持器，圍繞晶圓設置且設有複數個在與研磨

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五、發明說明（4) 布接觸的表面上的内周緣和外周緣之間延伸的溝槽； 回轉驅動裝置’用以在研磨布上驅動晶圓和保持器 以及 ° 回轉速度差產生裝置，用以在晶圓和保持器間提供 轉速度差。 〃 ° 根據本發明的第二特徵，晶圓研磨方法包括下列步 供應磨料至設在可回轉研磨盤上的研磨布的表面. 驅動作為被研磨物的晶圓和一圍繞晶圓設置的保掊 器，用以由保持器在所定壓力下壓下晶圓至研磨布上而u 導致晶圓和保持器的回轉速度的差異。 根據本發明的第三特徵，晶圓研磨方法包括下列步 供應磨料至設在可回赫^ ^ 驅動作為被研磨物的研磨布的表面； 器，用以由保持器在_ 和-圍繞晶圓設置的保持 其中磨料在晶圓和保持器的〜力下壓下晶圓至研磨布上 被研磨表面，且磨料在另丄回轉方向上被供應至晶圓 面被排除；以及 回轉方向上從晶圓的被研磨 切換在一方向至另—方 本發明將從下列的描迷°之間的回轉方向。 可被完全了# ’然而，。”交佳實施例的附圖而 以說明和了解。 不被用以限制本發明，σ 锻用

五、發明說明（5) . 圖示之簡單說明： 第1圖是本發明的第一實施例的晶圓研磨裝置的構成 圖； 第2圖是設在第1圖中晶圓研磨裝置的第一實施例的保 持器中的溝槽的實施例的平面圖； 第3圖是第1圖中晶圓研磨裝置的第一實施例的保持器 的加壓力和晶圓外周部形狀的關係圖； 第4圖是晶圓外周部的周圍方向上的研磨形狀的圖 示； 第5圖是本發明的第二實施例的晶圓研磨裝置的構成 圖； （ 第6圖是設在第5圖中晶圓研磨裝置的第二實施例的保 持器中的溝槽的實施例的平面圖； 第7圖是設在第5圖中晶圓研磨裝置的第二實施例的保 持器中的溝槽的實施例的平面圖； 第8圖是本發明的晶圓研磨方法的一實施例的流 圖； 第9圖是習知晶圓研磨裝置的構成圖；以及 . 第1 〇圖是比較在研磨面由保持器壓下的情況和保持器 被保持與研磨面未接觸的情況的說明圖。 本發明將在以下參考圖示和本發明的實施例詳細說 明。在下列說明中，數個特定細節被提出，以提供本發明 $通盤了解。然而很明顯地’對那些熟悉此技藝者可不需 延些特定細節即可實施本發明。在一些情況下，習知構=

第8頁 五、發明說明（6) ' ---;一 並不被詳細顯示，以避免對本發明造成不必要的混淆。 =1圖是本發明的第一實施例的晶圓研磨裝置的構成 ，。第1圖所示的晶圓研磨裝置設有一可回轉研磨盤2、設 =磨盤2上的研磨布3、藉由幫浦等供應磨料4至研磨布3 恭面上的磨料供應部5、保持作為被研磨物的晶圓】的承 環頭6生具有一硬固定（rigidly fixed)在承載頭6上的内 f的橫滾筒（cross roller)軸承7、在一環上且内部地限 ^壓縮工氣的流路的保持器基底（retainer base)8、圍繞 曰曰圓1β又置且在接觸研磨布3的表面上設有複數個溝槽的 環狀保持器9、設在保持器基底8和保持器9之間且由經由 保持器基底8的流路導引所定壓力的壓縮空氣而以所定壓 $麼下保持器9至研磨布3的伸縮囊（bei1〇w)H、供應壓縮 二氣至保持器基底8的流路的空氣管12、與承載頭6連接且 在研磨布3上驅動晶圓1和承載頭6而回轉晶圓1的心轴13、 經由心軸1 3和承載頭6在一所定壓力下使晶圓1朝研磨布3 被魔下的不回轉壓力機制14、兩個被硬固定至壓力機制Η 且^配置在垂直方向以便其先端被放置在承載頭6的兩側 的停止器（stopper )15、以及兩個被硬固定至保持器基底8 •^水平地朝承載頭6的兩側突出且在承載頭6回轉時與停止 器1 5接觸以停止保持器基底8和保持器9回轉的軸 (shaft ) 16 。 第2圖顯示設在保持器9上的溝槽1 〇的第一實施例。溝 槽1 0朝保持器9的中央直線地形成。 其次將說明動作。

第9頁 上"ΐ由获、出"厭料4至與研磨盤2的回轉組合的研磨布3

Jlim# β±α·壓力機制14壓下承載頭6與晶圓1至研磨布3 上且驅動心軸13回轉而被進行。 町：叩 被供==器9由經由空氣管12和保持器基底8的流路 布3而確實地維持:曰广圓氣在所定廢力下壓下研磨 & # S M m @、曰曰囫的外周°卩的研磨平坦度。已知晶圓 大或ΐ i六而、士平坦度可由壓下研磨布3的保持器9的過度 外周ΐ形及。第3圖是保持部9的加壓力和晶圓1 至中央的轴向上的位置，、：表在從晶圓1外周部 度。在第3圖_，各個折η代表晶圓1的殘膜厚 别幻ne· 7 ·固折線（a)、（b)、（C)顯示當加壓力分 伴掊哭二T和15psi時的殘膜厚度。如第3圖所示，當 力在7PSi時可具有高平坦度，而在bsi和 15PS1時平坦度被降級。所以，被供應至 空氣被設定在研磨平扭痄县杜儿i的慶縮 研磨平拍千坦度最佳化的壓力下。應注意因為使 ,^ ^ ~ , 的保持器9的加壓力依據研磨布或裝置 本身的特性而有差異’事先估算是必須的。 入晶中’磨料4從設在保持器9的複數個溝10流 日曰 ' 。所以，因為磨料4的流量可在溝槽1 〇形 工，溝槽10不形成的部份而有差異。因在此溝= :里ίΐΐ取二研磨量的波動可在晶圓的周圍方向上被導 用以橫過橫滾筒轴承7而獨立回轉。因此，即】當承載V: 五、發明說明⑻ ;— 和晶圓1被回轉時，保持器9的回轉由接觸固定至不回轉加 壓機制1 4的停止器丨5和軸丨6而被防止。據此，速度差異在 晶圓1回轉和保持器9回轉之間被導致，以導致關於晶圓1 周圍的溝槽1 〇的相對回轉。因此，磨料4的入流量可在晶 圓1的周圍方向上成一致。 第4圖是晶圓外周部的周圍方向上的研磨形狀的圖 示，其中水平軸代表在從晶圓外周部朝中央的軸向上的位 置，且垂直軸代表晶圓i的殘膜厚度。在第4圖中，（a)代 f本發明應用時的研磨形狀，且⑻是習知研磨形狀。在 知：圓研磨裴置中’晶圓和保持器彼此同步回轉，磨料 2入^量在溝槽形成的部份和溝槽不形成的部份 地Ϊ致良率的降低。…，當研磨由晶圓研 進行時’晶圓1可在周圍方向上如 圖的線（a )所示被均一地研磨。 榦、在本發明中，用以在晶圓1和保持器9間產生η 轉速度差異的構造並不特別地 回 用以獨立回轉的轴承、+同的反二：：的實？例。作為 AL· ^ 磨擦^承、如球、办 ’不同的由滑動構件的滑動軸 、滾 由與滑動構件形成保持器基底 寺j 用。又可能 擦構件至保持器9的側面上轉：構高磨 加壓力，回轉速度差可在一定^圍清中兄^’由調整構件的 V . ^ &祀固中破控制。 力一方面，也可以高磨擦槿杜 提供與磨擦布3的大磨擦力二件;;，谷器9的底面，以 進而限制回轉。簡言之，-任

第11頁 五、發明說明（9) 何可在晶圓1回轉和保持器9回轉中導致速度差異的構造可 被應用。 °° 又加壓保持器9的裝置除了由伸縮囊和壓縮空氣的加 壓之外’也可為複數個螺旋彈簧、一環狀板片彈簧和不同 的其他構造。 ' 另—方面’在研磨盤2的性能中’可能導致在研磨操 作中研磨布3的上下變動或傾斜。此時’可傾斜接頭可在 承載頭6和心軸1 3之間的連接中被應用。例如，在可回轉 接頭的情況中’如球接頭等、銷等可被用以傳達回轉力。 第5圖是本發明的第二實施例的晶圓研磨裝置的構成 圖。第5圖所示的晶圓研磨裝置應用一獨立的回轉速度差 異產生裝置’包括控制心軸13的回轉速度和回轉方向的一 f 一回轉控制部1 8和控制保持器心軸〗7的一第二回轉控制 部1 9，保持器心軸1 7獨立於驅動使晶圓}和承載盤6回轉的 〜轴13而回轉且被連接至保持器基底8而用以驅動保持器 基底8和保持器9獨立於晶圓丨回轉，以代替由如第一 :止器15和軸16的回轉防止機制。其他構造與第 因& ’那些相同元件的說明將被省略，以 發明。“，而可保持内容簡單且足以清楚地了解本 圖^疋设在保持器9中的溝槽1 0的第 圖。溝槽由沿著由研磨盤2的：轉：的施例的平面 度決定的磨料的流線延伸的形轉速度和保持器9的回轉速 另-方面，第7圖是設在：持 =。 卞待态9中的溝槽1〇的第三實

施例的平面圖。溝槽1 0為直 中心點延伸的複數個直線以 其次將說明其動作。 在所示實施例和第一實 僅是在晶圓1和保持器9之間 不同。 j圯狀，其相對於經過晶圓的 —给定角度傾斜延伸。 施例中’基本動作彼此相似， 的產生回轉速度差異的操作上 在所示實施例中，由第— 制部1 9，心軸1 3和保持器心軸^控制部1 8和第二回轉控 度和回轉方向而有差異。所以，曰回轉由分別控制回轉速 回轉依據研磨布3或研磨裝置太曰曰圓1的回轉和保持器9的 設定在晶圓1和保持器9在相同的特性選擇’可被選為 的狀況、晶圓i和保持器9在互相不同速度下回轉 以及只有晶in回轉而保持器4: 回轉的狀況、 另一方面，在所示實施例中 由第二回轉控制部19被控制在一，、奋=軸1 7的回轉可 第6圖所示，沿著由研磨盤2的逆二：：情況下，如 祙声冰中认斑轉速度和保持器9的回轉 伸而形成的溝槽1◦顯示較好的 /且右n j當入流特性可改善至-定程度時，或 备具有不同回轉速度的研磨進行時，如第7圖 1 0可為相對於經過晶圓！的中心，”冓槽 斜延伸的直線形。 個直線而傾 方法的一實施例的流程 法特徵在於由交互地重覆 以供應磨料4至晶圓1的研 第8圖是本發明的晶圓研磨 圖。如第8圖所示的晶圓研磨方 在順時針（CW )方向回轉保持器9

五、發明說明（11) 磨面的步驟和在逆時針（CCW)方向上回轉保持器9以從日 1的研磨面排除磨料4的步驟。應注意回轉方向县 圓 _ V X啦研磨操 作中從與如第6和7圖所示的形狀的溝槽中的保接 、 的研磨 布3接觸的表面所看的方向。如果溝槽1〇被形成以在相對 方向上傾斜，磨料的供應和排除的回轉方向變成相對的' 其次’將說明動作。 在研磨開始後’首先’保持器9被驅動以在cw方向上 回轉。在此回轉方向中’由溝槽10的傾斜，磨料4被確實 地導入保持器9。因此，磨料4被供應至晶圓丨的研磨面。 然而，磨料4不能以充足量被排出，在晶圓i表面和磨料4 之間的研磨屑片或反應產物可在晶圓1的研磨面之下累 積’而導致刮傷或研磨速度的下降。因此，其次，在、一於 定時間經過後，保持器9被驅動以在CCW方向上回轉。^ 情況下’反向至CW方向上’磨料4被磑實地從晶圓）的研磨 面排除，研磨屑片或反應產物可從晶圓〗的研磨面之下的 :份被移除。在排除操作後，在Cff方向上回轉保持器9的 :驟再次進行，以進行研磨。由交互地重覆磨料的供給和 ^除直到研磨完成，晶圓！的研磨可在沒有刮傷產生或回 轉迷度的下降下進行。 如上述，在本發明的晶圓研磨裝置中，取代導致晶圓

和保持的同步回棘，球择至g + B 锝速度差異在晶圓和具有溝槽的保持 2間被導：。因A ’磨料至晶圓的入流量在晶圓的周圍 α上成 以使得在晶圓的周圍方向上的研磨量均 一，而改善產品良率。

五、發明說明（12) ‘ 另一方面，在本發明的晶圓研磨裝置中，取代一定地 供應磨料至晶圓研磨面和排除磨料，磨料的供應和排除的 步驟被交替地重覆。因此，在研磨進行中產生的研磨屑片 和反應產物不會在晶圓的研磨面之下被累積，以避免晶圓 表面刮傷的產生，且使研磨速度保持一定。 雖然本發明以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當 視後附之申請專利範圍所界定者為準。

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Claims (1)

1. 六 中請 圓研磨裝置包括： .研磨盤； 一研磨布，設在該研磨盤上 磨料供應裝置，用以供應一磨料至該研磨布的一表面 晶圓壓下裝置，用以在一所定歷力下壓下該晶圓至該 研磨布上； 一環狀保持器’圍繞該晶圓設置且設有複數個在與該 研磨布接觸的表面上的一内周緣和一外周緣之間延伸的溝 槽； 回轉驅動裝置’用以在該研磨布上驅動該晶圓和該保 持器；以及 回轉速度差產生裝置，用以在該晶圓和該保持器間提 供一回轉速度差。 2·如申請專利範圍第1項所述的晶圓研磨裝置，其中 該等設在該保持器中的溝槽沿著複數個經過該晶圓的一中 心點延伸的直線延伸，且以直線成形。 3.如申請專利範圍第1項所述的晶圓研磨裝置，其中 該等設在該保持器中的溝槽沿著由該研磨盤的回轉速度和 該保持器的回轉速度決定的該磨料的所定流線延伸。 4.,如申請專利範圍第1項所述的晶圓研磨裝置，其中 該等設在該保持器中的溝槽以一所定角度關於複數個經過 該晶圓的中心點延伸的直線而傾斜延伸，且以直線成形。 5·如申請專利範圍第1項所述的晶圓研磨裝置，其中

   第16頁 六、申請專利範圍 — '一- -:-- / f ««又在D亥保持器中的溝槽以一所定角度關於複數個經過 δ亥晶圓的中心點延伸的直線而傾斜延伸，且以彎曲成形。 6.如申凊專利範圍第1項所述的晶圓研磨裝置，其中 回轉$度差產生裝置包括一設在用以驅動而使該晶圓和該 保持器回轉的回轉驅動裝置和該保持器之間的軸承、以及 用以防止該保持器回轉的回轉防止裝置。 =7.如申印專利範圍第1項所述的晶圓研磨裝置，其中 該回轉驅動裝置用以使每一該晶圓和該保 此立， =回轉速度差產生褒置包括兩回轉控制裝置，分別控制 個彼此獨立的回轉驅動裝置的回轉方向和回轉速度。 8. —種晶圓研磨方法包括下列步驟： 供應磨料至设在一可回轉研磨盤上的研磨布的表 面； 驅動作為一被研磨物的晶圓和一圍繞該晶圓設置的保 、器，用以由該保持器在一所定壓力下壓下該晶圓至該研 磨布上而回轉；以及 導致該晶圓和該保持器的回轉速度差異。 9. 一種晶圓研磨方法包括下列步驟： 供應一磨料至設在一可回轉研磨盤上的研磨布的表 面； 驅動作為一被研磨物的晶圓和一圍繞該晶圓設置的保 持器’用以由該保持器在一所定壓力下壓下該晶圓至該研 磨布上而回轉，其中該磨料在該晶圓和該保持器的一回轉 方向上被供應至該被研磨晶圓的表面，且該磨料在另一回

   第17頁 六、申請專利範圍 轉方向上從該被研磨晶圓的表面被排除；以及 切換在該一方向至另一方向之間的回轉方向。 I 〇.如申請專利範圍第9項所述的晶圓研磨方法，其中 複數個以一所定角度關於一經過該晶圓的中心點延伸的直 線而傾斜延伸的溝槽，以該磨料在該晶圓和該保持器的一 回轉方向上被供應至該晶圓的被研磨表面且該磨料在另一 回轉方向上從該晶圓的該表面被排除的方式，被設在該保 持器與該研磨布接觸的表面上。 II .如申請專利範圍第9項所述的晶圓研磨方法，其中 在該研磨布上的該保持器的回轉的回轉方向的切換根據一 所定順序重覆。

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