TW394719B - Workpiece surface processing apparatus - Google Patents

Description

五、發明說明（1) 爱1明背景 i明領域 本發明係關於一種能經由複數個壓盤進行工件表面處 理，且能夠測量工件處理狀況之工件表面處理裝置。 相關技藝之敘述 過去’經由複數個壓盤進行工件表面處理用之裝置有 如以第11圖為例之拋光裝置。 第11圖中標號100係表示壓盤。三個標號1〇〇的壓盤對 稱於點0而配置。三個100壓盤間裝置有三個支托1〇 i。 由此，藉由將三個旋轉之壓盤壓住且使甜甜圈型 的晶圓W轉動’將晶圓w拋光至預定厚度。 然而’為了藉由拋光裝置將晶圓W的氧化膜拋光至預 定厚度’必須監測晶圓W的拋光狀態。 因此’過去，如第12圖所示，於壓盤2〇〇預定位置上 作一個合適尺寸的觀察口 2〇1，雷射光束從排列於壓盤2〇〇 下的雷射感測器210發射，穿過觀察口 2〇1至晶圓w的拋光 面以福測晶圓W的拋光狀態。 再者，如二點鏈線所示，另一個技術係採用將雷射感 測器210排列於壓盤200下面及外侧，發射雷射光束至晶圓 W外伸突出的部份以偵測晶圓w的拋光狀態。 然而’針對上述相關技藝之問題如下： 在如第11圖所示之拋光裝置中，晶圓w係藉由使壓盤 100與以支托101支撐之晶圓ffw弧外緣旋轉進行拋光，所 以僅能拋光甜甜圈外形之晶圓W。

A:\310356.ptd 第5頁 五、發明說明（2) 即，當使用磔蜇晶圓^時’如第11圖虛線所示，既然 對應至三個壓盤1 0 〇間之圓型區域G之晶圓W中心無法拋光 ，因此可拋光之晶卸只限於中心開孔大於區域G之甜甜圈 形狀。 至於關於以上與光裝置之技藝’已有曰本專利公開公' 報第64-1 1 757號中所述之磨床機’與曰本專利公開公報第 3-221 3 68號中所述之晶圓處理裝置’但此等襞置均未能解 決上述之問題。 再者，第1 2圖中所示測量晶圓拋光狀態之技術中，只 有當轉動壓盤200上的觀察口201位於雷射感測器210.的正 上方而且晶圓W蓋住觀察口 2 0 1時，才能測量晶圓的拋光 程度，因此，測量變成間歇性，且當晶圓W的氧化物膜拋 光至最佳的厚度時，立即停止拋光裝置非常困難。結果， 容易產生晶圓W過度拋光或者拋光不足之情形，再者5因 為無法判定在觀察口 2 0 1處之晶圓是中心部份或者為圓周 部份，故無法高度準確的測量拋光狀態。 與此相反，在使晶圓W外伸，並以雷射感測器21 〇測量 外伸突出部份的技術中’雖能判斷目前之測量位置是否為 圓周部份。然而，即然突出的部份儘可能小於晶圓W的半 控’因此不可能測量晶圓W的中心部份。再者，既然僅在 晶圓W突出時才可能測量，此技術亦只允許間歇的測量。 因此如同前述的技術，可能發生諸如過度拋光或者拋光不 足的情況。

發明概I

A:\310356. ptd 第6頁 五、發明說明（3) 本發明係為解決卜β & -個能夠進行工件表面處而研發者，其目的係提供 為達咸此目的，！；；；；工：表面處理裝置。 包括:實質點對稱地配置，且%供二個甘工件表面處理裝置’ 壓盤η吏工件接觸複數個壓τ環繞其中心旋轉之複數個 推壓元件；和使推壓元件朝L且使工件於受壓時轉動之 份之方向搖動之搖動機構。，除工件未接觸複數個壓盤部 由於這種配置，當點對 工件即接觸此等壓盤於之複數個壓盤轉動時， 動，使工件之表面受旋轉之，件推壓期間，則被轉 理。此時，工件未接觸壓盤的推壓而實行表面處 可運作搖動機構，使工件朝;;卩位並未經壓盤處理，所以 ，能使整個工件的表面受二未接觸部位的方向搖動 .^no 人j5勻處理。 發月之工件表面處理裝 工件接觸複數個壓盤，俾使工τ，較佳之推壓元件為使 盤組之中心相符’且由搖動機=:心實質上與複數個壓 件在壓盤直徑的方向上怜好便推壓元件搖動，俾使工 。 移動多個壓盤内切圓半徑距離 由於這種配置，工件穩定紐 搖動機構精確的移動工件複數個禪觸複數個壓盤，且經由 工件可以進行均勻完整的表面U盤内切圓半徑距離，使 請注意者，雖然可裝置足夠 觀點、工件的穩定性等等來二堅盤，但若能從成本的 ^择最佳數量的壓盤較佳。

五、發明說明（4) 因此’本發明及其較佳具體例之工费署 好裝設三個壓盤。 件表面處理裝置最 再者本工.件表.面拋光裝.署可 光外如研磨。所以，本發明及发用於廣泛的用途，除拋 理裝置中，此等壓盤為研磨壓^佳具體例之工件表面處 再者，處理之工件並未特’精研壓盤或拋光壓盤。 處理全部表面。 限制。各種類之工件均可 本發明及其較佳具體例之工 件以晶圓較理想。干表面處理裝置中，其工 若於處理過程中能測量工 精確的處理工件至所欲之處理面之處理狀態’則可以 。.狂從與進行高精密度的處理 本發明及其較佳具體例 能進-步提供-測量設借，使光^面處理”中。= 圍邊緣掃瞒經處理之工件表面，^少能自^件中心” 理狀況。 向且蜊量全部處理表面之處 於此種配置中，由於測晋辞锯 裡本名ΛΑ 士 4-- 重"又備的光束可由旋轉工件處 理表面的中心掃描至圓周的遠綠 _ $从± = 圓鬥的邊緣故能整體連續的測量經 處理的表面。 .圖式之簡要說明 本發明之上述與其他目的、牿 ^ 97将徵與優點，由下列較隹 具體例配合附圖之敘述中將更容易明

第1圖係依據本發明第一個具體^之晶圓表面拋光裝 置之俯視圖， 11^1 五、發明說明（5) 第2圖係沿著第！圖A_A線的剖視圖； 第3圖係壓力缸與馬達機構的剖視圖； 第4圖係施壓頭的剖視圖； 第5圖係說明晶圓被勒+ 第6圖係搖動機構的剖視圖;、搖動距離之俯視圖； 第7圖係搖動機構的俯視圖； 第8圖係測量設備之結構剖視圖； 第9圖係測量設備之配置狀況的剖視圖； 晶圓接觸部份相對速率的俯視圖；第12圖係Γ關技藝之拋光裝置的俯視圖；及 闻. “目關技藝之測量晶圓㉟光狀況之技術剖視 圖， 傳號之簡單說s卩 1-1，1-2，1-3 屋盤 2 施壓頭 4 測量設備 11a，12a，13a 齒輪 20 20b 21 21b,21e 21d 22a 23 壓力缸 活塞桿 馬達 齒輪 内桿 連接元件 施壓基部 1 a 拋光墊 3 搖動機構 11，12，13 軸 1 7，1 8 ·，1 9 馬達 20a 缸 活塞 21a 齒輪 支架組件 框架 内部齒輪 23a、23b分隔環 20 c 21c22 22b

五、發明說明（6) 23c,23d,23e 流路 25 墊板 30 滑塊 32 馬達 3 4 連椁 36 插鱗 40 膜厚 41 處理 43 雷射 44a 齒輪 45 馬達 46 桿 90,91,92 空氣 W . 晶圓 P 電射 較隹具體例之锆# 24 29 31 33 35 37

測量裝置 40a 器 42 感測器 44 44b 45 a 9 軟管 Si> S2 > S3 B 光束 M 扣環 支架 軌道 插鎖 圓盤 支架元件 殼罩 滑軌 多邊形鏡片 鏡面 齒輪 空氣栗 壓力室 晶圓未接觸部位 距離 本發明之較佳具體例將參考附圖說明於下。 第1圖是依本發明第一個具體例之晶圓表面拋光裝置 俯視圖·’第2圖是沿著第1圖A-A線的剖視圖； 本晶圓表面拋光裝置是一個CMP(Cheinicai Mechanical P〇Ushing)裝置，具有三壓盤卜丨至卜3，一 =頭2作為推壓元件，一個搖動機則 測 備4(參閱第2圖）。 如 壓盤1-1至1-3是用於拋光晶圓界上氧化膜之盤體 五、發明說明（7) 第1圖所示，係實質配置對稱於壓盤1 -1至卜3的中心點0。 再者，壓盤卜1至1-3是拋光壓盤，如第2圖所示，拋 光墊la附著於壓盤卜1(卜2和卜3)的頂面。 軸11到13固定於壓盤1-1至卜3底面的中心，壓盤1-1 至1-3為以未圖示的軸承可旋轉地支撐。 齒輪11a至13a是固定於壓盤卜1至卜3的軸11至13之底 端。這些齒輪1 la至1 3a嚙合於固定在馬達1 7至1 9軸的齒輪 17a 至 19a 〇 由此，壓盤卜1至1-3即可接受馬達17到19的驅動而旋 © 轉。 施壓頭2使晶圓W接觸壓盤卜1至卜3，且使晶圓受壓時 轉動’施壓頭2係與用以昇高與降低施壓頭2的壓力缸2〇 — 起組裝於支架29，藉馬達21使施壓頭2轉動。 第3圖是壓力缸機構20與馬達21的剖視圖。 如第3圖所示，壓力缸20的組成包括：固定於支架29的 缸體20a(參閱第2圖）、活塞桿2〇b穿過缸體20a、活塞20c 置於缸體20a内。馬達21連接到活塞桿2〇c，並由馬達21的 齒輪21a嚙合於穿過軸承而固定於活塞2〇c頂端的齒輪2ib ’以一個内桿21d連接到固定於齒輪21b支架組件2lc。 ，由於本設計’可藉由改變壓力缸20中缸體20a的空氣 壓力，能昇高或降低施壓頭2，並以運轉馬達21使施壓頭2 轉動。 具有麗力紅2 0和馬達21之施壓頭2，係以可改變對晶 圓W推壓力量的分布之方式構成。

A:\310356. ptd

第11頁 五、發明說明（8) 第4圖係施壓頭2的剖視圖。 如第4圖所示，施壓頭2備有框架22、施壓基部23、扣 環24、和墊板25 〇 框架22經過可轉動的連接元件22a接至活塞桿20b。 框架22的内齒輪22b嚙合在位於内桿21d底端的齒輪 2l e。再者，施壓基部23的底面有二個同心的分隔環23a和 23b，墊板25由扣環24黏附於分隔環23a和23b。 即，壓力室S!、S2*S3係經由分隔環23a和23 b所界定， 沿著流路23c、23d和23e連通位於施壓頭基部23的壓力室 Si、S2和Ss。再者，空氣軟管90、91和92通過内桿21d各別 的插入流路23c、23d和23e。空氣軟管90、91和92從空氣 系9所延伸，如第2圖和第3圖所.示。經由改變供應.至空氣 軟管90、91和92的空氣壓力，可能調整壓力室Si、\和^ 之内的壓力。 3 由上述可以看出，施壓頭2的設計須使晶圓|接觸壓盤 1 1至1-3，因此；於初始狀態不受到搖動機構3的動作， 晶圓W的中心實質上符合壓盤I-!至卜3的中心點〇，如第^ 圖所示。 搖動機構3使施壓頭2朝消除晶圓贤未能接觸壓盤卜】至 1-3部位之方向上搖動。 第5圖係一個俯視圖，以說明搖動的方向和搖動曰 的距離；第6圖是搖動機構的剖視圖；第7圖是這搖曰曰 3的平面圖。 m 如第6圖和第7圖所示’搖動機構3裝有滑塊3〇，其能 _ 画 I 11 111111 1 II 11 A:\310356.ptd 第12頁 五、發明說明（9) 在軌道31上前後移動，且由馬達32使得滑塊30前後移動。 更具體言之，連桿34的左端以可旋轉的方式連接到袭 置於滑塊頂面上之插梢33，馬達32的軸裝接有圓盤35，連 桿34的右端以可旋轉的方式連接至圓盤35上之插梢36。 因此，當開動馬達32使圓盤35轉動時，插梢36旋轉如 第7圖上二點鏈線所示的圓圈C，結果滑塊30沿著距離等於 圓圈C的直徑L來回地移動。 支架元件37固定至如此來回移動的滑塊30，由於支架 元件3 7，施壓頭2、壓力缸2 0與馬達21所形成的總成乃得 由支架2 9所支撐。 因於，藉由操作搖動機構3，施壓頭2與晶圓W即隨著 支架29搖動距離l。 此處，將詳細說明晶圓W由於搖動機構3而搖動的方向 和搖動的距離^ 如第5圖的二點鏈線所示，在不容許晶圓W搖動的狀況 下’’晶圓W的中心和壓盤1-1至1-3的中心點〇大體上相符合 ，縱使在此狀態下旋轉晶圓W進行拋光，如虛線所示，晶 圓W的部位B未接觸到壓盤1-1至1-3而未被拋光。 因此，經由使晶圓W搖動，所以未與壓盤U至1-3中 任何一個接觸的非接觸部位B ’可能因此消除非接觸部位B 〇 然而，按照晶圓W的搖動方向和搖動距離之差異，可 能會減少晶圓W的安定性與浪費的消耗動力。 本發明者注意到這點’於本具體例決定使晶圓ff (如虚

A:\310356.ptd 第13頁

五、發明說明（10) 線所示）於壓盤丨-i的直徑方向搖動一精確的距離Μ，此距 離為未接觸部位Β外環的半徑，而未接觸部位Β為在壓盤 1-1至1-3的内切圓内。 因此’由於晶圓ff沿壓盤卜1的直徑方向上移動，故晶 圓W可穩定的由三壓盤卜1至卜3所支撐《再者，搖動機構3 正好藉由包括施壓頭2、壓力缸20和馬達21之總成予以搖 動最小距離Μ ’以消除非接觸部位β ’如此可能使搖動機構 3的動力消耗量減低，且對應此一結臬而減少成本。因此 ’於本具體例中，滑塊30的驅動距離L設定為上述距離μ。 假如可能測出晶圓W被壓盤卜1.至卜3以上述方式拋光 的狀態’即可能完成晶圓W的高精密度拋光，而此一效果 正是吾人所期望者。 所以，於本具體例乃裝設有測量設備4。 第8圖係測量設備4結構的剖視圖，而第9圖係測量設 備4配置狀況的剖視圖。 如第8圖所顯示，測量設備4包括膜厚測量裝置4〇和處 理器41。 薄膜厚度測量裝置40，如第9圖顯示，為可滑動的f 滑軌42 ’其為於面對壓盤1-1表面側，位於麗盤I—〗與1 3 間隙.正下方，如二點鏈線所示。 膜厚測量裝置.40為一種裝置，由下發射雷射光束至 光晶圓ff的表面，侦測氧化層的.厚度’並輪出其數值至 理器41，如第8圖所示，該裝置由一個雷射感&器“和^ 邊形鏡片44所組合，裝於能沿著滑軌42滑動的殼軍4〇&

五、發明說明（11) · 更具體言之，由第8圖和第9圖所示，可旋轉的多邊形 鏡片44係裝於殼罩4〇a的兩侧壁間，齒輪44a固定於殼罩 40a —端表面。再者，馬者4 5裝設於接近多邊形鏡片44， 齒輪45a裝於其軸上輿齒'輪44a1#合。 再者，雷射感測器43裝設於殼罩40a，呈面對多邊形 鏡片44的鏡面44b之狀態。雷射感測器43射出電射光束P至 鏡面44b並收到自鏡面44b反射回的雷射光線P，以測量晶 圓Ϊ的氧化膜厚度。

具此種結構之測量膜厚裝置4〇，藉由桿46連結至搖動 機構3的支架元件37，且設計成可與晶圓同步搖動。 處理器41依據從膜厚測量裝置40所輸出的訊號值，以 計算晶圓W拋光後表面的平坦度和均勻度。 由於此種構成，當膜厚測量裝置4〇的馬達45運轉時， 多邊形鏡片44由於齒輪45a和44a的嚙合而轉動。所以，雷 射光束P由雷射感測器43發射，因鏡面44b傾角的變化而由 晶圓W圓周的邊緣w 1侧掃瞄至中心2側。在此時，因厚 測量裝置40與晶圓f同步搖動，雷射光線p確實的從圓、 邊緣W1掃瞄至令心W2，且顯示膜厚度值的訊號為連二你 序輸出至處理器41。再者，處理器41可計算晶圓^^下、，

整體的平坦度和均勻度，故操作員能由晶，圓 = 至圓心W2以時序所處理出的結果，判斷拋光的狀況。緣W1 其次’說明本CMP裝置具體例之操作。 首先’於第2圖，假如壓力缸2〇驅使挎著晶 頭2下降’同時馬達17至19運轉，且壓盤卜 圓/的施壓 d从相同

五、發明說明（12) ''' 方向旋轉’晶圓ff的中心和壓盤卜1至丨_3的中心點〇將實質 付合’且晶圓ff將穩定的位於壓盤至之上。 於本狀態下，當推壓晶圓W於旋轉壓盤卜1至1_3的拋 光塾la的頂端時，假如施壓頭2以壓盤卜1至卜3的反向旋 轉，拋光墊la將拋光晶圓下表面的氧化膜。 然而’於本狀態下’如第5圖所示，晶圓评上會出現一 個非接觸部位B，故未能拋光晶圓w的全部表面。 所以，假如驅動搖動機構3，如虛線所示，晶圓w將於 壓盤1-1半徑的方向上搖動一精確的距離M，實質等於非接 觸部位B的半徑’旋轉中之晶圓w的全部底面將接觸到壓盤 1-1至1-3，且全部晶圓W的底面將被壓盤卜}至卜3上的拋 光墊1 a所拋光。 如第10圖所示，因為旋動碟片的圓周速度與其距圓心 的距離成正比，接觸壓盤1-1部位的圓周速度“分佈將如 虛線所示，而接觸壓盤1-1部位的圓周速度¥2分佈則如實 線所示。 再者’因為晶圓W與壓盤呈反向旋轉，作用於晶圓 W上拋光的相對速度在晶圓w上每個部位變為¥1_(_¥2)=¥1 + v2 ° 因此’只要晶圓W的轉速和麼盤1-1的轉速之間相差不 異常變大’晶圓W上的全部部位的相對速率vl +V2即實質相 等，且晶圓W的底面被壓盤1-1上的拋光墊la拋光的相當均 勻。 壓盤1-2與1-3上拋光墊ia的拋光情況也相同。

A:\310356.ptd 第16頁 五、發明說明（13) ^ ^ ^ —-- 晶圓w的拋光狀況係以測量設備4所測量如第8圖所示 ，圓周邊緣W1到旋轉晶圓ff的圓心ff 2以臈厚測量裝 雷射感測器43所掃瞄，晶圓ff上氧化膜的整體厚度值以 序輸出至處理器41，以計算整體晶圓界的平坦度與均 度。 因此，當操作員由測量裝置40的測量結果判定晶 圓心部位的拋光速率過低時，其可增加從空氣泵9經由空 氣軟管90供應至施壓頭2上的壓力室Si之空氣壓力，以 整，體的撤光速度相同_，藉此改善平坦度。 、再者，當拋光的均勻度欠佳時，其能改變馬達17到} 9 或者馬達21的轉速，以改善晶圓w拋光的均勻度。再者， 其能監視測量設備4的測量狀況，且當晶圓w的膜厚度值變 成最佳時停止裝置繼續拋光。 .、 依'此方式’根據本CMP裝置的具體例，因為它可以拋 光晶圓ff的全部表面，故不僅可用於拋光甜甜圈型個晶圓 ，也:用於碟型晶圓ff。再者，因為以測量設備4連續以時 序判定晶圓ff的拋光狀況，故可於晶圓ff的氧化膜層達最佳 厚度時停止裝置繼續拋光，結果高精確的拋光變成可能， 不會有諸如晶圓W過度拋光或不足的狀況發生。 使用本裝置具體例的修整方法將簡要說明於下。 當麗盤1-1至卜3長期使用，拋光墊la變為非平均地磨 損且變成不堪用。 此時’即必須去修整拋光墊la ^ 假如停止CMP裝置以修整拋光墊la，則CMP裴置的運轉

A:\310356.ptd 第17頁 率將顯著地下降。 所以，備有另外的裝置，亦即，於活塞桿20d上裝殼 環形或碟形的修整器以代替施壓頭2，且將壓盤卜1至工〜^ 從轴11到1 3上移走。 經由預先以本裝置修整壓盤卜；[至卜3的拋光墊1& , 以’當本CMP裝置的虔盤1 -1至1 -3的拋光墊1 a必須修整時 ’可快速的更換壓盤1-1至卜3。 〆 ' 因此，本CMP裝置停機的時間只變成更換壓盤卜}至 1 -3的時間，且顯著地改善本cjjp的運轉率。 然而，本發明不限於以上的具體例。 在發明的要點内’多樣的修正和改雙是可能的。 譬如，上述的具體例係以使用三壓盤丨—i至卜3 來說明’但本發明不排除使用二個壓盤 = 更多壓盤的情況。 仗用四個或毒 再者，於上述的具 1由d =所轉動，但也可使用-個齒輪機構 1 1至1-3藉由一個馬達於相同方向上一體旋轉。 里 個光Ϊ上體例’雷射感測器43發射雷射光束係使用 束4但本發明不限於此。也可使用其他多種已知： 應is，渚如：放出白熾光到晶圓w a的 的感應器。 乂測量阳圓W氧化層厚」 再者，於測量設備4=的上述具體你丨，政m * 片44使雷射光束"貞測晶圓表面，但也可能採用 使電射光束P徑向掃猫晶，的構成’諸如:使雷射感測 五、發明說明（15) 43面向上，且使其朝晶圓w的徑向搖動，或者使雷射感測 器43置於樞轴上前後掃描。 根據本發明以上的詳細說明，由於可用搖動機構來處 理全部工件的表面，所以不但可均勻的處理甜甜圈型工件 ，同時也能用於碟型和其他型狀之工件 再者，本發明的較佳具體例中，可使工件穩定的接觸 複數個壓盤，也能以短距離的工件移動來處理全部的表面 再者，根據本發明另一較佳具體例與其具體例，經由 使用三個壓盤數量，不僅能結省成本，也可能增加工件接 觸的安定性。 再者’根據本發明與其具體例的另一較佳具體例，可 應用工件表面處理裝置至拋光裝置、研磨裝置、或是修敕 裝置。 /正 再者，根據本發明與其具體例的另一較佳具體例，。 均勻的處理晶圓的全部表面。 1* 再者，根據本發明與其具體例的另一較佳具體例，口 連續的測量工件整個經處理的表面，所以能測出最佳’、可 理值，結果可能防止諸如工件過度拋光或拋光不足的1處 發生，且可能完成高精密度的工件處理。 、h況

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 1. 一種工件表面處理裝置，包括： 複數個壓盤以實質點對稱V 10配置且能以各圓心作 旋轉； 推 2. 件被推壓 一搖 個壓盤的 如申請專 推壓元件 質上符合 該推壓元 動一大致 3 壓元件 時轉動 動機構 工件部 利範圍 為使工 前述複 件搖動 等於該 利範圍 壓盤。 利範圍 研磨壓 ，使工件接觸該複數個壓盤，且使工 ;及 ，使該推壓元件朝著消除未接觸該多 位之方向上搖動。 第1項之工件表面拋光裝置，其中，該 件接觸複數個壓盤，令工件的中心實 數個壓盤的中心，且以該搖動機構使 ，使工件於壓盤的直徑方向上精確移 複數個壓盤間内切圓半徑之距離。 第1項之工件表面拋光裝置，其中，裝 1) 如申請專 設有三個_ 4. 如申請專 盤組係由 中選出者。 5. 如申請專利範圍第1項之工件表面拋光裝置，其中，工 件為晶圓。 6. 如申請專利範圍第1項之工件表面拋光裝置，其中另包 括一測量設備，使光束至少自工件中心至圓周掃瞄工 件經處理之表面，且測量全部表面處理之狀況。 第1項之工件表面拋光裝置，其中，壓 盤、精研壓盤與拋光壓盤的組成群組

   A:\310356.ptd 第20頁