TWI505909B - 研磨裝置 - Google Patents

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TWI505909B
TWI505909B TW100125883A TW100125883A TWI505909B TW I505909 B TWI505909 B TW I505909B TW 100125883 A TW100125883 A TW 100125883A TW 100125883 A TW100125883 A TW 100125883A TW I505909 B TWI505909 B TW I505909B
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Norihiko Moriya
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Fujikoshi Machinery Corp
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Description

研磨裝置
本發明係關於一種研磨裝置，其能夠精確地研磨工作件的表面。
直到目前，各種半導體裝置皆是高度地予以集成。因此，需要高度平坦及高品質的矽晶圓。如果研磨內層絕緣膜及沉積在晶圓表面上的金屬線以生產半導體裝置時，晶圓表面必須作成高度平坦。因此，需要一研磨裝置，能夠將一晶圓的表面予以高精確地研磨成為一鏡面或以更精確地研磨成為一鏡面或以高精確地研磨此表面成為一標準規格面。
例如，一種習知之晶圓研磨裝置具有一氣囊型的研磨頭，其可以撐托一晶圓及以均勻的壓力將晶圓的整個表面壓迫在一研磨板的研磨墊上(參照日本國公開專利公報No.2002-187060)。
依據該日本國公開專利公報之申請專利範圍第1項，該晶圓研磨裝置具有一研磨頭，其包括：一頂環，具有一主體用於撐托一晶圓；一彈性墊，接觸著該晶圓；及一支撐構件，用於支撐該彈性墊。一接觸構件，其具有一接觸該彈性墊的彈性片，且被設置在該支撐構件的下表面。一位在接觸構件的內部的第一壓力腔，與位在接處構件外部的第二壓力腔，其形成在彈 性墊及支撐構件間的空間內。一流體供應源將流體供應至該第一及第二壓力腔，或自該第一及第二壓力腔內抽真空。
在日本國公開專利公報所揭示的研磨裝置，該晶圓被該第一及第二壓力腔及該彈性墊在同軸方向地壓迫。因此，藉由調整第一及第二壓力腔的內部壓力可使該晶圓能夠研磨均勻。
然而，第一及第二壓力腔的內壓力不同，故在第一及第二壓力腔之間的邊界區域的壓力必定為不連續的。因此，在邊界區域的壓力分布為梯狀圖形，因而晶圓的表面將被研磨成梯狀。
如果使用了由較軟材料組成的彈性墊，則以上所述問題的發生更為顯著。
因此，提供一種研磨裝置能夠解決上述傳統研磨裝置的問題為本發明之目的。亦即，本發明的研磨裝置能夠連續地改變在同心壓力區域間之邊界範圍內的壓力分布，且均勻地研磨一工作件。
為了達成此目的，本發明具有下述之構造。亦即，此研磨裝置包括：一研磨頭，用於固定一工作件；一研磨板，具有一研磨面，其上附有一研磨墊；及 一驅動機構，用於將該研磨頭和該研磨板作相對移動，及該研磨頭包括：一撐托板，其具有一環形的側壁；一彈性片構件，其被固定至該撐托板的邊緣，該彈性片構件有一下表面，能擠壓工作件到該研磨板的研磨墊上；一壓力腔，一預定壓力下的流體被供應至此壓力腔，以便壓迫該彈性板構件，且該壓力腔形成在該撐托板的下表面及該彈性片構件的上表面之間；一密封環，以同中心方向將壓力腔分成複數個腔室，該密封環具有密封唇，可側邊地接觸該彈性片構件；及一流體供應區，用於將流體分別供應至由密封環分割成的分割腔。
較佳地，該研磨頭又包括一流體壓力控制部，因而可從該等腔以已定方向釋放該流體而維持該等腔之間的壓力差。
較佳地，該密封環將流體從外側的分割腔釋放至內側的分割腔，或該密封環將流體從內側的分割腔釋放至外側的分割腔。
較佳地，複數個的密封環以同中心予以設置，以便以同中心方向將壓力室分割成複數個分割腔。
較佳地，該彈性片構件為一裡襯構件，其由一樹 脂片及形成在此樹脂片上的發泡樹脂層所組成，該彈性片構件覆蓋住該撐托板的下表面且固定於其邊緣，及該發泡樹脂層構成該彈性片構件的下表面，使得該發泡樹脂層能夠將該工作件壓迫到該研磨板的研磨墊上。
在本發明中，該研磨裝置能夠連續地改變在同心方向壓力區的邊界區域之壓力分布，因此該工作件得以高度均勻地研磨。
本發明的較佳實施例將參照附圖詳細地說明如下。
第1圖為用以研磨一工作件，例如半導體晶圓之研磨裝置10的示意說明圖。
該研磨裝置10包括：一研磨板12，其具有一研磨面，在其上粘附有一用以研磨晶圓的研磨墊11；一研磨頭14，其具有一下表面，其上撐托著該晶圓；及一驅動機構，用以將該研磨頭14相關於該研磨板12作相對移動。
該驅動機構包含：一第一旋轉驅動單元(未示)，用以使該研磨板12繞一旋轉軸15旋轉；及一第二旋轉驅動單元(未示)，用以使該研磨頭14繞一旋轉軸16旋轉。又，該研磨頭14具有一垂直驅動單元(未示) 及一水平驅動單元(未示)。該研磨頭14以其底面吸住及保持著該晶圓(其先前已位在一晶圓供站)，將該晶圓移動研磨板12上，及將該晶圓壓迫在該研磨墊11上。在此種狀態下，該研磨板12及該研磨頭14由該驅動機構驅動作相對的旋轉，使得該晶圓的表面被研磨。一研磨漿噴嘴18供應研磨漿至研磨墊11上。
第2圖為該研磨頭14的截面圖。
一圓柱側壁20a自該研磨頭14的主體20向下延伸。
一撐托板22具有一環形下側壁22a及一環形上側壁22b。
一環形隔板23由硬橡膠構成。該環形隔板23的外邊緣固定於該上側壁22b的上部；該環形隔板23的內緣則固定於該主體20的側壁20a的外緣。由於此種構造，該撐托板22可於一預定的範圍內，相對於該主體20被上下移動。應予注意者，該撐托板22可藉由梢(未示)連接至該主體20，所以限制了該撐托板22的向下移動。
第一壓力腔24係由該主體20的下表面、撐托板22的上表面及環形隔板23所構成。一壓力流體，例如壓縮空氣經由設在旋轉軸16的管25及形成在主體20之貫穿孔26被供應到該第一壓力腔24。該管25經由一旋轉聯軸器(未示)及一調整器27(流體壓力控制部)連接至一流體供應源29。第一流體供由該管 25、該貫穿孔26、該調整器27、該流體供應源29等所構成。
一彈性片構件28覆蓋住該撐托板22的下表面。該彈性片構件28的外緣藉由雙面粘帶(未示)固定在該撐托板22下側壁22a的下表面。請注意，用以固定彈性片構件28的手段並不必被限定為雙面粘帶。例如，該彈性片構件28可藉由夾住在一環形構件(未示)及下側壁22a下表面間的外緣，及以螺釘將該環形構件固定至下側壁22a。
在本實施例中，該彈性片構件28為一雙層片，其由一橡膠片及一裡襯構件所構成。請注意，該彈性片構件28可能僅由該裡襯構件所構成。例如，該裡襯構件由一底層構成，其為樹脂片，例如PET膜(未示)，且一發泡樹脂層，例如胺基甲酸酯發泡層形成在該樹脂片上。該胺基甲酸酯發泡層設在該底層之下，以便構成該彈性片構件28的下表面。在此種狀態下，該彈性片構件28被固定至該撐托板22。該晶圓30由水的表面張力被保持在該甲酸酯發泡層上。
一環形塑膠的環形模板31被固定於該彈性片構件28的下表面之外緣，其係對應於該撐托板22的下側壁22a的下表面。
該環形模板31的厚度近於該晶圓30的厚度。該環形模板31包圍住該晶圓30，以便防止晶圓30於研磨時，跳出外側。
藉由將流體供應至第一壓力腔24，研磨晶圓30時環形模板31可以壓迫部分的研磨墊11，其環形模板31包圍著該晶圓30的外緣。藉由使該研磨墊11的表面的高度幾乎等於該晶圓30下表面的高度，可以防止過度研磨該晶圓30。
由彈性片構件28及撐托板22的下側壁22a圍成一在該撐托板22下方的空間，及一圓形支持板32藉由螺釘33被固定在此空間內。在該圓形支持板32的下表面及該彈性片構件28的上表面間形成一小餘隙。
一橡膠V形環36，其為一密封環，由一主體部37及一密封唇38所構成。該主體部37安裝在該支持板32的外周圍面上。該密封唇38側面地與彈性片構件28的上表面接觸。利用此種構造，一第二壓力腔(內分割腔)40由該彈性片構件28的上表面、該支持板32的下表面、及V形環36所構成。又，一第三壓力腔(外分割腔)42由該彈性片構件28的上表面、下側壁22a及該V形環36所構成。
該壓力流體，例如壓縮空氣，經由設在旋轉軸16的管43、形成在主體20的流路44、軟管45、形成在撐托板22的流路46、支持板32的凹入部47及一貫穿孔48供應至第二壓力腔40。該管43藉由旋轉接頭(未示)及另一個調整器27被連接至流體供應源29。一第二流體供應部由該管43、流路44及46、 軟管45、凹入部47、貫穿孔48、另一調整器27、流體供應源29等等所構成。
此壓力流體，例如壓縮空氣，經由旋轉軸16的管狀物、形成在主體20的流路、軟管50和形成在撐托板22的流路，提供到第三壓力腔42。其在旋轉軸16的管狀物，經由旋轉接頭和調整器連接到流體供應源29。第三流體供應部是由管狀物、軟管50、流路51、貫穿孔48、調整器和流體提供源所構成。
本實施例的研磨裝置的構造如上所述者。
晶圓30藉由水的表面張力被保持在彈性片構件28的下表面。
當研磨該晶圓30時，該第一流體供應部供應一預設壓力下的流體，至該第一壓力腔24。因此，撐托板22被壓迫到研磨板12的研磨墊11上。特別地，該環形模板31被一預設的壓力壓迫到研磨墊11，所以形成研磨墊11的一部份，該研磨墊11包圍住該晶圓30，與該晶圓的表面同一高度。在該第一壓力腔24的流體壓力以該調整器27維持在一預定壓力。
一預定壓力的流體，由第二流體供應部供應至該第二壓力腔40。又，另一預定壓力的流體，由該第三流體供應部供應至該第三壓力腔42。
在本實施例中，在第二壓力腔40的壓力大於在第三壓力腔42的壓力。因此，該V形環36的密封唇38是微微張開的，所以在該第二壓力腔40的流體 可以流入該第三壓力腔42。此時，該調整器(流體壓力控制部)27允許在該第二壓力腔40的流體流入該第三壓力腔42，及控制該流體壓力以便得以保持該兩壓力腔40及42之壓力。即，該調整器27是維持兩壓力腔40及42間的壓力差。
因為該流體自該第二壓力腔40移動至該第三壓力腔42，在該兩個壓力腔40及42(壓力區域)之間的一邊界區域之壓力不斷地改變。不像習見裝置，其在邊界區域的壓力形成梯狀非連續性的改變，本發明的研磨裝置能夠均勻地研磨晶圓30的表面。
請注意，在該第二壓力腔40的壓力可以依據研磨的情況，設定為低於該第三壓力腔42。在此情況，該V形環36的密封唇38關閉，所以沒有流體從第三壓力腔42流到第二壓力腔40。
假如由V形環36產生壓力差，即使沒有流體流動，在V形環36之直下方所形成的邊界區域的壓力分布得以緩慢改變。因此，該密封唇38沿著側邊地被設定以獲得此效果，以致該晶圓30的表面能夠均勻地予以研磨。
在該研磨裝置10執行研磨的實施例將予以說明之。該晶圓30，其半徑為200mm，在下述條件下予以研磨：(1)該環形模板31的內徑大約200mm；(2)支持板32的外徑為170mm；(3)該第二壓力腔的壓力為20kPa；(4)該第三壓力腔42的壓力被分成5個 階段，即，相關於第二壓力腔40為-10/-5/±0/+5/+10kPa；(5)環形模板31的負載為200g/cm2 ；及(6)該研磨頭14及該研磨板12的旋轉速度為31rpm。
當執行上述實驗時，該晶圓30外圓周面的過度研磨量顯示於第3圖。
依據第3圖，研磨該晶圓30的的量基本上藉由改變在第二壓力腔40及該第三壓力腔42間的壓力差予以控制。
在上述實驗中，當在兩壓力腔40及42之間的壓力差為-5kPa時，過度研磨的量達到最佳化，即0。然而，此壓力差(當作最佳化壓力差)的提供並不是在所有的研磨操作下都是最佳的壓力差。
例如，改變一最佳壓力差可由V形環36與該晶圓30(該支持板32的尺寸)的相對位置，即，在該第二壓力腔40及該第三壓力腔42之間的邊界區域之位置等而改變。
在本實施例中，該V形環36被設定成允許流體自該第二壓力腔40移動到該第三壓力腔42。請注意，該V形環36可以相反地設定以允許流體自該第三壓力腔42(外腔)流到第二壓力腔40(內腔)。V形環36係基於晶圓的類型、研磨裝置10的大小、研磨的條頂等而予以選定。
在本實施例中所提供一V形環36係用以形成該第二壓力腔40及該第三壓力腔42，但該V形環36 的數目並不限定為一個。複數個該V形環36可同心地予以設置以形成三個或多個壓力腔，以便精確地控制用以壓迫晶圓30的壓力。
在本實施例的研磨頭14中，晶圓30被裡襯構件予以支持著，但該晶圓30可由其他手段，例如真空吸引予以支持住。假如使用真空吸引手段，該V形環可設置在一充當彈性片構件的吸引片上。
另一實施例的研磨頭14將參照第4圖予以說明。
撐托板22藉環形模板23而懸掛在主體20的下側，所以撐托板22可被向上、向下移動。該第一壓力腔24由該主體20的下表面、該撐托板22的上表面及該環形模板23所構成。該撐托板22具有環形的側壁22a。
該圓形支持板32被固定在撐托板22內。一彈性片構件58遮蓋住該支持板32的下表面。該彈性片構件58的外緣被固定在該支持板32上。一小餘隙形成在該支持板32的下表面及該彈性片構件58的上表面間。
該橡膠V形環36，其為密封環的範例，被配置在該支持板32的外周界面上。該密封唇38可側邊地與彈性片構件58的上表面接觸。利用此種構造，該第二壓力腔40及該第三壓力腔42被形成在該支持板32的下側。
藉由減少該第二壓力腔40的內壓力，一晶圓(未 示)被吸引在該彈性片構件58上，且晶圓內被該彈性片構件58的吸盤吸引並保持在該的彈性片構件58的下表面上。在此情況下，該晶圓得以被輸送。
為了研磨該晶圓，該晶圓被輸送至在該研磨板12上方的位置，在預定壓力的流體藉由一流體供應部(未示)被供應至該第一壓力腔24、該第二壓力腔40、及該第三壓力腔42，而該晶圓及該預定壓力被壓迫在該研磨板12的研磨墊11上。然後，該研磨板12及該研磨頭14分別在預定的方向旋轉，所以該晶圓能夠被研磨。
該晶圓被該撐托板22的環形側壁(保持環)22a所圍住，因此，當研磨晶圓時，晶圓不會從該研磨頭14跳出。部分的研磨墊11，其包圍該晶圓的外緣，被該側壁22a的下表面壓住，所以能夠防止過度研磨晶圓的外緣。
又，在此實施例中，該流體自該第二壓力腔40流到第三壓力腔42，在該壓力腔40及42間的邊界區域的壓力連續地變化。因此，不像習見裝置，在邊界區域內的壓力以梯狀非連續性地變化；本發明的研磨裝置10也能夠均勻地研磨晶圓的表面。
在本實施例中，支持板32係被固定在撐托板22內。又，該支持板32被一環形模板(未示)懸吊著，得以作向上或向下移動，一第四壓力腔(未示)得由該撐托板22的下表面、該支持板32的上表面及環形模 板所構成，及流體供應部供應一預定壓力的流體至該第四壓力腔。亦即，該晶圓藉由從各壓力腔來的壓力以多階段實施加壓而被研磨。
所有實施例及在全文中所述之條件用辭意，欲作為教示目的以助益於讀者了解由發明者所提供的本發明及觀念，以促進本業技術的進步，及其建構並無限制在這些具體引證的範例及條件，或在說明書中範例的構成沒有為本發明之較佳或較劣之表示。雖然本發明的實施例已被詳細描述，但應予了解者，在不逸脫本發明的範圍外，對本發明可做各種變更，代替或取代。
10‧‧‧研磨裝置
11‧‧‧研磨墊
12‧‧‧研磨板
14‧‧‧研磨頭
15‧‧‧旋轉軸
16‧‧‧旋轉軸
18‧‧‧噴嘴
20‧‧‧主體
20a‧‧‧側壁
22‧‧‧撐托板
22a‧‧‧下側壁
22b‧‧‧上側壁
23‧‧‧環形隔板
24‧‧‧第一壓力腔
25‧‧‧管
26‧‧‧貫穿孔
27‧‧‧調整器
28‧‧‧彈性片構件
29‧‧‧流體供應源
30‧‧‧晶圓
31‧‧‧環形模板
32‧‧‧支持板
33‧‧‧螺釘
36‧‧‧V形環
37‧‧‧主體部
38‧‧‧密封唇
40‧‧‧第二壓力腔
42‧‧‧第三壓力腔
43‧‧‧管
44‧‧‧流路
45‧‧‧軟管
46‧‧‧流路
47‧‧‧凹入部
48‧‧‧貫穿孔
50‧‧‧軟管
51‧‧‧流路
58‧‧‧彈性片構件
本發明具體實施例將藉由參考文獻的範例及附圖詳述如下：第1圖為一研磨裝置的說明圖；第2圖為一研磨頭的剖面視圖；第3圖為一圖表，表示一晶圓外緣的過度研磨量，與，一對於第二壓力腔而言其第三壓力腔之壓力的關係；及第4圖為另一種實施例的研磨頭之剖面示意圖。
14‧‧‧研磨頭
16‧‧‧旋轉軸
20‧‧‧主體
20a‧‧‧側壁
22‧‧‧撐托板
22a‧‧‧下側壁
22b‧‧‧上側壁
23‧‧‧環形隔板
24‧‧‧第一壓力腔
25‧‧‧管
26‧‧‧貫穿孔
27‧‧‧調整器
28‧‧‧彈性片構件
29‧‧‧流體供應源
30‧‧‧晶圓
31‧‧‧環形模板
32‧‧‧支持板
33‧‧‧螺釘
36‧‧‧V形環
37‧‧‧主體部
38‧‧‧密封唇
40‧‧‧第二壓力腔
42‧‧‧第三壓力腔
43‧‧‧管
44、46‧‧‧流路
45‧‧‧軟管
47‧‧‧凹入部
48‧‧‧貫穿孔
50‧‧‧軟管
51‧‧‧流路

Claims (5)

  1. 一種研磨裝置，包括：一研磨頭，用以保持一工作件；一研磨板，係具有一研磨面，其粘附一研磨墊；及一驅動機構，用於將該研磨頭和該研磨板做相對移動，其中該研磨頭包括：一撐托板，其具有一環形側壁；一彈性片構件，其被固定至該撐托板的一邊緣，且該彈性片構件具有一下表面，其能夠將該工作件壓抵在該研磨板的該研磨墊上；一壓力腔，一預定壓力的流體被供應至該壓力腔而壓迫該彈性片構件，該壓力腔形成在該撐托板的下表面及該彈性片構件的上表面之間；一密封環，同心地將該壓力腔分割成數個腔室，該密封環具有一密封唇，其可側邊地接觸該彈性片構件，同時，該密封唇會由於該壓力腔之內腔室與外腔室之間的壓力差而微微張開，流體乃從高壓腔室向低壓腔室釋出；及一流體供應部，用於供應流體至各個分別的分割腔，其分割腔係藉由該密封環所分割而成。
  2. 如申請專利範圍第1項之研磨裝置，其中該密封環自該外側分割腔，將該流體釋放至該內側分割腔。
  3. 如申請專利範圍第1項之研磨裝置，其中該密封環自該內側分割腔，將該流體釋放至該外側分割腔。
  4. 如申請專利範圍第1項之研磨裝置，其中複數個密封環同軸方向地設置，以便同軸方向地將該壓力腔分割成複數個分割腔。
  5. 如申請專利範圍第1項之研磨裝置，其中：該彈性片構件為一裡襯構件，其裡襯構件由一樹脂片及一形成在該樹脂片上的發泡樹脂層所構成；該彈性片構件遮蓋該撐托板的下表面及固定在其邊緣；該發泡樹脂層構成該彈性片構件的下表面，以便該發泡樹脂層能夠將該工作件壓迫在該研磨板的該研磨墊上。
TW100125883A 2010-08-31 2011-07-22 研磨裝置 TWI505909B (zh)

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