专利名称：抛光方法
技术领域：
本发明涉及一种抛光方法，特别地讲，涉及一种将工件例如半导体晶片抛光到平面镜光洁度的方法。
背景技术：
近年来，随着半导体装置变得越来越高度集成，电路互连线也变得越来越精细，并且电路互连线之间的距离也变得越来越小。在能够形成最大宽度为0.5μm的互连线的光刻的情况下，由于光学系统的焦深相对较小，因此要求具有即将通过步进器聚焦的布线图案的表面应尽可能地平。然而，用于使半导体晶片平面化的传统设备例如自平面化CVD设备和蚀刻设备均不能生产具有完全平面化表面的半导体晶片。最近，已有人试图使用抛光设备来使半导体晶片平面化，与上述传统设备相比，可期望抛光设备更容易地实现半导体晶片的完全平面化。
图1示出了这种类型的抛光设备的基本结构。如图1所示，所述抛光设备具有抛光台151和顶环152，其中，抛光台151上具有抛光垫161，顶环152用于以下述方式保持着作为被抛光工件的半导体W，即要被抛光的表面面向抛光垫161。抛光垫161具有用作抛光面的上表面，用于抛光工件。顶环152借助于球关节154以下述方式连接着顶环轴153的下端，即可相对于顶环轴153倾斜。顶环152以期望压力将半导体晶片W挤压在抛光台151上，同时抛光台151和顶环152又能彼此独立地转动。抛光液Q例如研磨液或纯水从抛光液供给喷嘴155供到抛光垫161上。因此，半导体晶片W的表面可由抛光液Q抛光。此时，半导体晶片W的表面与抛光垫161的表面形成滑动接触，从而可借助于球关节154而随从于抛光垫161的表面。
迄今为止采用的均是由非纺织物制成的抛光垫来作为连接在抛光台上的抛光垫。IC和LSI电路中近年来所实现的更高的集成度要求在半导体晶片的表面上应具有更小的台阶或表面不规则部分。为了满足这种要求，已经有人使用了由硬质材料例如聚氨酯发泡塑料制成的抛光垫。
在半导体晶片W被所述抛光设备这样地抛光之后，必须将半导体晶片W从位于抛光台151上的抛光面(抛光垫161)上取下(或分离)。然而，抛光垫161与半导体晶片W之间由于夹有抛光液Q而会有大的表面张力作用。因此，如果保持着半导体晶片W的顶环152在抛光位置上升起以将半导体晶片W从抛光垫161上取下，就会出现只有顶环152升起和半导体晶片W粘附在抛光垫161上从而会留在抛光垫161上的情况。
这种问题能够通过顶环的悬置动作而得到解决。在所述悬置动作中，在抛光处理完成之后，顶环152不是在抛光位置上升起，而是移动到抛光垫161的外周边缘，以便将半导体晶片W的抛光后的表面部分地暴露在抛光垫161的外周边缘之外，然后顶环152再升起以将半导体晶片W从抛光垫161上取下。这种悬置动作可使抛光垫161与半导体晶片W之间的表面张力降低，因此半导体晶片W能够很容易地从抛光垫161上取下或分离。
如上所述，所述悬置动作能够降低抛光垫161与半导体晶片W之间的表面张力。然而，当抛光后的半导体晶片W从抛光垫161的外周边缘伸出时，顶环152可能会发生倾斜。在这种情况下，半导体晶片W会强有力地挤压在抛光垫161的外周边缘上，从而半导体晶片W会出现破裂或刮伤。
抛光垫的抛光能力由于磨粒和半导体材料的抛光废弃物的沉积以及由于其特性的变化而会逐渐地降低。因此，如果使用同一个抛光垫重复地抛光半导体晶片，抛光设备的抛光速度就会降低，并且抛光后的半导体晶片往往会出现抛光不规则现象。因此，通常在抛光之前、之后或过程中根据使用金刚石整形器或类似物对抛光垫的表面进行恢复的整形处理来使抛光垫达到要求。
当整形器对抛光垫的抛光面进行整形时，其会将抛光垫刮掉一薄层。因此，在抛光垫的抛光面已被整形了许多次之后，其就会变得不规则，即失去了其平面性，从而会导致台阶的形成。这样，在上述悬置动作中的将抛光后的半导体晶片移动至抛光垫的外周边缘的过程中，由于抛光垫的不规则而可能会使半导体晶片出现破裂或刮伤。
发明内容
本发明已经考虑到了上述缺点。因此，本发明的目的是提供一种抛光方法，其在不需要悬置动作的情况下就能够容易和安全地将抛光后的工件从抛光面上分离，并且能够增加产量。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种抛光方法。转动工件和抛光台。所述抛光台上具有一个抛光面。所述工件挤压在以第一转速转动的所述抛光台上的所述抛光面上，以抛光所述工件。所述工件在其挤压在所述抛光面上之后从所述抛光面上分离。在所述工件从所述抛光面上分离之前，将所述抛光台的转速降低到低于所述第一转速的第二转速，以在所述工件的转速与所述抛光台的转速之间提供转速差。
根据本发明的第一个方面，将所述抛光台的转速从其在抛光时转动的转速下降低，以在所述抛光台与所述工件之间提供转速差。此时，所述工件漂浮在形成于所述工件的下表面与所述抛光面之间的抛光液液体层上。具体地讲，出现了打滑现象。打滑现象可降低所述抛光面与所述工件之间因存在所述抛光液而引起的表面张力。因此，即使所述工件直接在抛光处理完成的位置上升起，所述工件也能够在不需要悬置动作的情况下很容易地从所述抛光面上取下或分离。从而，所述工件不会留在所述抛光面上，并且可防止其受悬置动作的作用出现破裂或刮伤。而且，由于不需要执行悬置动作，因此能够缩短抛光节拍时间，并且能提高产量。
根据本发明的一个优选方面，所述抛光台的转速的降低在抛光处理的过程中执行。当所述抛光台的转速降低时，执行所述抛光面的清洗处理。在这种情况下，有利于所述工件从所述抛光面上分离，并且下一个工件所用的条件能够得到及时地调节。从而，可提高产量。
根据本发明的一个优选方面，抛光液在抛光处理的过程中以第一流率供给到所述抛光面上。在所述工件从所述抛光面上分离之前或过程中，将所述抛光液的流率增至大于所述第一流率的第二流率。在这种情况下，可以增强打滑现象的效果，从而能很容易地将所述工件从所述抛光面上分离。
根据本发明的一个优选方面，在所述工件从所述抛光面上分离之前，将气体与纯水或化学液体的混合物喷射到所述抛光面上，以清洗所述抛光面。在这种情况下，可以增强打滑现象的效果，并且可以在抛光处理的过程中开始本来在所述抛光处理之后执行的所述抛光面的清洗处理。
根据本发明的一个优选方面，所述工件从所述抛光面上升起，以将所述工件从所述抛光面上分离。所述工件的上升速度降低，直到其基本上与所述抛光面分离。因此，当所述工件从所述抛光面上分离时在所述工件上产生的应力能够得到降低。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种抛光方法。工件和抛光面彼此相对移动。所述工件挤压在以第一频率移动的所述抛光面上，以抛光所述工件。所述工件在其挤压在所述抛光面上之后从所述抛光面上分离。在所述工件从所述抛光面上分离之前，将所述抛光面的运动频率降至低于所述第一频率的第二频率。所述工件和所述抛光面可作轨道运动。
根据本发明的第二个方面，所述工件漂浮在形成于所述工件的下表面与所述抛光面之间的抛光液液体层上。具体地讲，出现了打滑现象。打滑现象可降低所述抛光面与所述工件之间因存在所述抛光液而引起的表面张力。因此，即使所述工件直接在抛光处理完成的位置上升起，所述工件也能够在不需要悬置动作的情况下很容易地从所述抛光面上取下或分离。
根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种抛光方法。抛光面相对于工件移动。所述工件挤压在以第一速度移动的所述抛光面上，以抛光所述工件。所述工件在其挤压在所述抛光面上之后从所述抛光面上分离。在所述工件从所述抛光面上分离之前，将所述抛光面的运动速度降至小于所述第一速度的第二速度。所述抛光面可直线移动。
根据本发明的第三个方面，当所述抛光面的运动速度降低时，出现了打滑现象，从而可降低所述抛光面与所述工件之间因存在所述抛光液而引起的表面张力。因此，即使所述工件直接在抛光处理完成的位置上升起，所述工件也能够在不需要悬置动作的情况下很容易地从所述抛光面上取下。
根据本发明的第四个方面，本发明提供了一种抛光方法。转动工件和抛光台。所述抛光台上具有一个抛光面。所述工件挤压在位于所述抛光台上的所述抛光面上。所述工件在其挤压在所述抛光面上之后从所述抛光面上分离。在将所述工件从所述抛光面上分离之前，降低顶环的转速与所述抛光台的转速之间的转速比。
下面，参看示出了本发明的优选实施例的附图通过实例来描述本发明，可使本发明的上述和其他目的、特征和优点变得显而易见。
图1是示意图，示出了抛光设备的基本结构；图2是主视图，示出了采用了根据本发明实施例的抛光方法的抛光设备；图3是图2中所示的所述抛光设备的俯视图；图4是剖视图，示出了图2中所示的所述抛光设备中的顶环；图5是图4中所示的所述顶环的仰视图；图6是时序图，示出了根据本发明实施例的用于抛光半导体晶片的抛光处理和用于将所述半导体晶片从抛光面上分离的分离处理的实例；以及图7是透视图，示出了能够采用本发明的具有卷带式(皮带式)抛光台的抛光设备。
具体实施例方式
下面，参看图2至图7描述根据本发明实施例的抛光方法。
图2是主视图，示出了采用根据本发明实施例的抛光方法的抛光设备的结构，图3是图2中所示的抛光设备的俯视图。如图2和图3所示，所述抛光设备具有用于保持着半导体晶片W的顶环1和安置在顶环1的下方的抛光台100。抛光台100具有抛光垫101，其连接在抛光台100的上表面上。抛光垫101具有与半导体晶片W形成滑动接触的上表面。因此，抛光垫101的上表面可用作用于抛光半导体晶片W的抛光面。所述抛光设备还具有抛光液供给喷嘴102和喷雾器103，其中，抛光液供给喷嘴102安置在抛光台100的上方，用于将抛光液Q供给到抛光垫101上，喷雾器103具有多个喷嘴103a，所述喷嘴103a连接着氮气供给源和液体供给源。在图3中，喷雾器103可安置在由实线所表示的位置上或由双点划线所表示的位置上。
抛光液供给喷嘴102将用于抛光半导体晶片W的抛光液Q例如研磨液或纯水供给到位于抛光台100上的抛光面上。喷雾器103将氮气与纯水或化学液体的混合物喷射到位于抛光台100上的抛光面上。氮气与纯水或化学液体的压力可通过连接着氮气供给源和液体供给源的调节器或气动阀(未示出)调节到预定值，然后再以混合状态供给喷雾器103的喷嘴103a。在这种情况下，喷雾器103的喷嘴103a应优选向抛光台100的外围边缘喷射上述混合物。除了氮气以外，喷雾器103还可采用其他任何惰性气体。喷雾器103可只喷射液体，例如纯水或化学液体。
氮气与纯水或化学液体的混合物可以以下述状态供给(1)液体微粒、(2)由液体凝固产生的固体微粒或(3)由液体汽化产生的气体。这些状态(1)、(2)和(3)称作雾化。在这些状态下，所述混合物可从喷雾器103的喷嘴103a向位于抛光台100上的抛光面喷射。例如，氮气和/或纯水或化学液体的压力或温度或喷嘴的形状决定所述混合物将以哪一种状态即液体微粒、固体微粒或气体喷射。因此，即将喷射的混合物的状态能够例如通过使用调节器或类似装置适当地调节氮气和/或纯水或化学液体的压力或温度或者通过适当地调节喷嘴的形状而得到改变。
从市场上可购买到各种类型的抛光垫。例如，其中一些类型是由Rodel公司生产的SUBA800、IC-1000和IC-1000/SUBA400(双层布)和由富士美公司生产的Surfin xxx-5和Surfin 000。SUBA800、Surfin xxx-5和Surfin 000是由尿烷树脂粘结的非纺织物，IC-1000由硬质聚氨酯发泡塑料制成(单层)。聚氨酯发泡塑料是多孔的，在其表面中形成有大量的细小凹槽或孔。
如图2所示，顶环1借助于万向结10连接着顶环驱动轴11。顶环驱动轴11连接着顶环气缸111，所述顶环气缸111固定在顶环头110上。顶环气缸111可以操作，以垂直地移动顶环驱动轴11，从而可将顶环1作为一个整体升降和将固定在顶环本体2的下端上的限位环3挤压在抛光台100上。顶环气缸111借助于调节器R1连接着压缩空气源120，所述调节器R1能够调节供给顶环气缸111的压缩空气或类似物的压力。因此，可以对用于使限位环3挤压抛光垫101的压力进行调节。
顶环驱动轴11通过键(未示出)与转筒112连接。转筒112具有固定地安置在其外围部分上的同步带轮113。顶环电机114固定在顶环头110上。同步带轮113借助于同步带115与安装在顶环电机114上的同步带轮116连接。因此，当顶环电机114得到供电而发生转动时，转筒112和顶环驱动轴11就可借助于同步带轮116、同步带115和同步带轮113共同一致地转动，从而可使顶环1转动。顶环头110支承在固定地支承于框架(未示出)上的顶环头轴117上。
下面，将描述所述抛光设备的顶环1。图4是剖视图，示出了所述抛光设备的顶环1，图5是图4中所示的顶环1的仰视图。如图4所示，顶环1具有顶环本体2和限位环3，其中，顶环本体2呈内部限定有接收空间的圆柱形外壳的形式，限位环3固定在顶环本体2的下端上。顶环本体2由具有高的强度和高的刚度的材料例如金属或陶瓷制成。限位环3由刚度大的合成树脂、陶瓷或类似物制成。
顶环本体2具有圆柱形外壳2a、装配在外壳2a的圆柱形部分中的环形加压支承片2b以及装配在外壳2a的上表面的外周边缘上的环形密封件2c。限位环3固定在顶环本体2的外壳2a的下端上。限位环3具有径向向内凸出的下部。限位环3可与顶环本体2整体形成。
顶环驱动轴11安置在顶环本体2的外壳2a的中心部分的上方。顶环本体2通过万向结10连接着顶环驱动轴11。万向结10具有球面支承机构和转动传递机构，顶环本体2和顶环驱动轴11可通过所述球面支承机构彼此相对倾斜，所述转动传递机构用于将顶环驱动轴11的转动传递到顶环本体2。所述球面支承机构和所述转动传递机构可将压力和转动力从顶环驱动轴11传递到顶环本体2，同时又能允许顶环本体2和顶环驱动轴11彼此相对倾斜。
所述球面支承机构具有以对中方式限定在顶环驱动轴11的下表面中的半球形凹槽11a、以对中方式限定在外壳2a的上表面中的半球形凹槽2d以及由极硬材料例如陶瓷制成的放置在凹槽11a与2d之间的支承球12。所述转动传递机构包含固定在顶环驱动轴11上的驱动销(未示出)和固定在外壳2a上的从动销(未示出)。即使顶环本体2相对于顶环驱动轴11发生了倾斜，所述驱动销和所述从动销在接触点发生移位的情况下仍能保持着彼此咬合，这是由于所述驱动销和所述从动销可彼此相对垂直移动。因此，所述转动传递机构能够可靠地将顶环驱动轴11的转矩传递到顶环本体2。
顶环本体2和固定在顶环本体2上的限位环3之中限定有一个空间，所述空间中容纳着密封环4、圆形保持环5以及圆盘形夹板6，其中，密封环4具有与由顶环1保持着的半导体晶片W的外围部分接触的下表面，圆盘形夹板6可在顶环本体2中于接收空间内垂直地移动。密封环4具有径向外边缘，其被夹持在保持环5与固定在保持环5的下端上的夹板6之间并且径向向内延伸，以在夹板6的外周边缘附近覆盖夹板6的下表面。密封环4的下端面与要被抛光的半导体晶片W的上表面接触。半导体晶片W具有限定在其外边缘中的凹槽，所述凹槽称作切口或定向平坦部，用于辨认(识别)所述半导体晶片的方位。密封环4应优选从例如切口或定向平坦部的最内的位置径向向着夹板6的内部延伸。
夹板6可由金属制成。然而，当形成在半导体晶片的表面上的薄膜的厚度通过在要被抛光的半导体晶片由顶环保持着的这种状态下使用涡流的方法测量时，夹板6应优选由非磁性材料例如诸如氟树脂、环氧树脂或陶瓷的绝缘材料制成。
包括弹性膜的加压片7在保持环5与顶环本体2之间延伸。加压片7具有夹持在顶环本体2的外壳2a与加压支承片2b之间的径向外边缘和夹持在保持环5的上端部5a与止动器5b之间的径向内边缘。顶环本体2、夹板6、保持环5以及加压片7共同在顶环本体2中限定了压力室21。如图4所示，包括管和连接器的流体通道31与压力室21连通，所述压力室21借助于设在流体通道31上的调节器R2与压缩空气源120连接。加压片7由高强度且耐用的橡胶材料例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶制成。
在加压片7由弹性材料例如橡胶制成的情况下，如果加压片7固定地夹持在限位环3与顶环本体2之间，则期望的水平面就不能被保持在限位环3的下表面上，这是由于加压片7作为弹性材料会发生弹性变形。为了防止这种缺点，在本实施例中，加压片7夹持在顶环本体2的外壳2a与被设置为单独元件的加压支承片2b之间。限位环3可相对于顶环本体2垂直移动，或者限位环3可具有能够独立地挤压顶环本体2的抛光面的结构。在这些情况下，加压片7不必以上述方式固定。
呈环形槽形式的清洗液通道51限定在外壳2a上的位于外周边缘附近的上表面中，所述外壳2a的外周边缘的上方装配有顶环本体2的密封件2c。清洗液通道51通过形成在密封件2c中的通孔52与流体通道32连通。清洗液(纯水)通过流体通道32供给清洗液通道51。多个连通孔53以与清洗液通道51连通的方式限定在外壳2a和加压支承片2b中。连通孔53与限定在密封环4的外周表面与限位环3的内周表面之间的狭缝G连通。
用作与半导体晶片W接触的接合件的中心袋8和环管9安装在限定在夹板6与半导体晶片W之间的空间内。在本实施例中，如图4和5所示，中心袋8以对中方式安置在夹板6的下表面上，环管9以环绕着中心袋8的方式安置在中心袋8的径向向外的位置上。密封环4、中心袋8和环管9之中的每个均由高强度且耐用的橡胶材料例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶制成。
限定在夹板6与半导体晶片W之间的空间被中心袋8和环管9分隔成多个空间。因此，压力室22被限定在中心袋8与环管9之间，压力室23被限定在环管9的径向向外的位置。
中心袋8具有与半导体晶片W的上表面形成接触的弹性膜81和用于可拆卸地将弹性膜81保持在适当位置上的中心袋保持器82。中心袋保持器82中形成有螺纹孔82a，并且中心袋8通过将螺钉55旋入螺纹孔82a中而能可拆卸地固定在夹板6的下表面的中心处。中心袋8中具有由弹性膜81和中心袋保持器82限定的中心压力室24。
相似地，环管9具有与半导体晶片W的上表面形成接触的弹性膜91和用于可拆卸地将弹性膜91保持在适当位置上的环管保持器92。环管保持器92中形成有螺纹孔92a，并且环管9通过将螺钉56旋入螺纹孔92a中而能可拆卸地固定在夹板6的下表面上。环管9中具有由弹性膜91和环管保持器92限定的中间压力室25。
在本实施例中，压力室24由中心袋8的弹性膜81和中心袋保持器82形成，压力室25由环管9的弹性膜91和环管保持器92形成。压力室22和23也可分别由弹性膜和用于固定所述弹性膜的保持器形成。而且，可适当地增加弹性膜和保持器，以增大压力室的数目。
包括管和连接器的流体通道33、34、35和36分别与压力室22和23、中心压力室24和中间压力室25连通。压力室22至25分别借助于分别连接着流体通道33-36的相应的调节器R3、R4、R5和R6与作为供给源的压缩空气源120连接。流体通道31至36通过安装在顶环驱动轴11的上端上的转动关节(未示出)分别连接着相应的调节器R1-R6。
位于夹板6上方的压力室21和压力室22至25分别借助于连接着相应的压力室的流体通道31、33、34、35和36被供给加压流体例如加压空气或大气，或者被抽空。如图2所示，分别连接着压力室21至25的流体通道31、33、34、35和36的调节器R2至R6能够分别调节供给相应压力室的加压流体的压力。从而，可以独立地控制压力室21至25中的压力，或者独立地将大气引入到压力室21至25中或将压力室21至25抽成真空。通过采用这种方式，压力室21至25中的压力能够通过使用调节器R2至R6得到独立地改变，从而，用于将半导体晶片W挤压在抛光垫101上的压力能够在半导体晶片W的局部区域上得到调节。在一些应用场合，压力室21至25可连接着真空源121。
在这种情况下，供给压力室22至25的加压流体或大气的温度也可得到独立地控制。通过使用这种构造，可以从要被抛光的表面的背侧直接控制工件例如半导体晶片的温度。特别地讲，当每个压力室的温度均能得到独立地控制时，在CMP的化学抛光处理中的化学反应的速度就能够得到控制。
夹板6具有径向内吸引部61，它们在中心袋8和环管9之间向下延伸。夹板6具有径向外吸引部62，它们在环管9的外侧向下延伸。在本实施例中，设有八个吸引部61、62。
内吸引部61和外吸引部62分别具有分别与流体通道37、38连通的连通孔61a、62a。内吸引部61和外吸引部62借助于流体通道37、38和阀V1、V2与真空源121例如真空泵连接。当吸引部61、62的连通孔61a、62a与真空源121连接着时，就会在吸引部61、62的连通孔61a、62a的下开口端上产生负压，从而可将半导体晶片W吸附到内吸引部61和外吸引部62的下端上。内吸引部6 1和外吸引部62分别具有连接在它们下端上的弹性片61b、62b，例如薄橡胶片，从而可使半导体晶片W以弹性方式与弹性片61b、62b的下表面接触并保持在该下表面上。
由于在密封环4的外周表面与限位环3的内周表面之间具有狭缝G，因此保持环5、夹板6和连接在夹板6上的密封环4能够相对于顶环本体2和限位环3垂直地移动，从而它们是能够相对于顶环本体2和限位环3浮动的浮动结构。保持环5的止动器5b具有多个从其外周边缘径向向外凸出的齿5c。包括保持环5在内的构件的向下移动会由于齿5c与限位环3的径向向内的凸出部的上表面咬合而被限制在预定范围。
下面，详细地描述如此构造的顶环1的操作。
在如此构造的抛光设备中，当半导体晶片W即将交付给所述抛光设备抛光时，顶环1作为一个整体移动至半导体晶片W被传送到的位置上，并且，吸引部61和62的连通孔61a和62a通过流体通道37和38与真空源121连接。半导体晶片W在真空下通过连通孔61a和62a的吸气作用被吸附至吸引部61和62的下端上。当半导体晶片W吸附到顶环1上时，顶环1作为一个整体移动到抛光台100上方的位置上，其中，所述抛光台100上具有抛光面(抛光垫101)。半导体晶片W的外周边缘由限位环3保持着，从而半导体晶片W不会从顶环1上脱落。
为了抛光半导体晶片W，吸引部61和62释放了对半导体晶片W的吸附作用，并且，半导体晶片W保持在顶环1的下表面上。同时，连接着顶环驱动轴11的顶环气缸111启动，以便以预定压力将固定在顶环1的下端上的限位环3挤压在抛光台100上的抛光面上。在这种状态下，加压流体以相应的压力分别供给压力室22和23、中心压力室24和中间压力室25，从而可将半导体晶片W挤压在抛光台100上的抛光面上。抛光液供给喷嘴102提前将抛光液Q供给到抛光垫101上，从而，抛光垫101上保持有抛光液Q。因此，半导体晶片W可使用提供在要被抛光的半导体晶片W的(下)表面与抛光垫101之间的抛光液Q通过抛光垫101抛光。在抛光时，抛光台100的转速被保持成与顶环1的转速大致相同。
半导体晶片W上的位于压力室22和23下方的局部区域以供给压力室22和23的加压流体的压力挤压在抛光面上。半导体晶片W上的位于中心压力室24下方的局部区域借助于中心袋8的弹性膜81以供给中心压力室24的加压流体的压力挤压在抛光面上。半导体晶片W上的位于中间压力室25下方的局部区域借助于环管9的弹性膜91以供给中间压力室25的加压流体的压力挤压在抛光面上。
因此，作用在半导体晶片W的各个局部区域上的抛光压力能够通过控制供给各个压力室22至25的加压流体的压力而得到独立地调节。具体地讲，各个调节器R3至R6能够独立地调节供给压力室22至25的加压流体的压力，从而可调节用于将半导体晶片W的局部区域挤压在抛光台100上的抛光垫101上的压力。当作用在半导体晶片W的各个局部区域上的抛光压力被独立地调节到期望值时，半导体晶片W挤压在位于正在转动中的抛光台100上的抛光垫101上。相似地，供给顶环气缸111的加压流体的压力能够通过调节器R1调节，以调节限位环3挤压着抛光垫101的力。在半导体晶片W正在抛光的过程中，限位环3挤压着抛光垫101的力和半导体晶片W挤压着抛光垫101上的压力能够得到适当地调节，从而可以期望的压力分布向半导体晶片W的中心区域(图5中的C1)、位于中心区域和中间区域(C3)之间的内区域(C2)、中间区域(C3)、外围区域(C4)以及位于半导体晶片W的外侧的限位环3的外围部分施加抛光压力。
通过这种方式，半导体晶片W可分为四个同心的圆形和环形区域(C1至C4)，这些区域能够分别以独立的压力挤压。抛光速度取决于作用在半导体晶片W上的将其挤压在抛光面上的压力。如上所述，由于作用在上述区域上的压力能够得到独立地控制，因此半导体晶片W的四个圆形和环形区域(C1至C4)的抛光速度也能够得到独立地控制。从而，即使半导体晶片W的表面上的要被抛光的薄膜的厚度存在径向变化，半导体晶片W的表面上的薄膜也能够得到均匀地抛光，而不会在半导体晶片W的整个表面上出现不充分或过分地抛光。具体地讲，即使半导体晶片W的表面上的要被抛光的薄膜的厚度会根据半导体晶片W上的径向位置的不同而不同，但可以将位于薄膜的较厚区域上方的压力室中的压力设置得比其他压力室中的压力大，或将位于薄膜的较薄区域上方的压力室中的压力设置得比其他压力室中的压力小。通过采用这种方式，作用在薄膜的较厚区域上的将该区域挤压在抛光面上的压力就会比作用在薄膜的较薄区域上的将该区域挤压在抛光面上的压力大，从而可选择性地增大薄膜的较厚区域的抛光速度。因此，在半导体晶片W的整个表面上，不管薄膜形成时薄膜的厚度如何分布，半导体晶片W的整个表面均能被准确地抛光到所期望的级别。
通过控制作用在限位环3上的压力可防止在半导体晶片W的圆周边缘上出现任何不希望的边缘。如果半导体晶片W的圆周边缘上的要被抛光的薄膜的厚度变化很大，则作用在限位环3上的压力就可有意地增大或降低，从而可控制半导体晶片W的圆周边缘的抛光速度。当加压流体供给压力室22至25时，夹板6就会承受向上的力。在本实施例中，加压流体通过流体通道31供给压力室21，以防止夹板6在压力室22至25施加的力作用下上升。
如上所述，由顶环气缸111施加的用于将限位环3挤压在抛光垫101上的压力和由供给压力室22至25的加压空气施加的用于将半导体晶片W的局部区域挤压在抛光垫101上的压力可得到适当地调节，以抛光半导体晶片W。当半导体晶片W的抛光完成时，半导体晶片W以与上述相同的方式在真空作用下吸附到内吸引部61和外吸引部62的下端上。这时，将加压流体供到压力室22至25中以将半导体晶片W挤压在抛光面上的供给操作停止，并且使压力室22至25与大气直接相通。因此，吸引部61和62的下端可与半导体晶片W形成接触。压力室21与大气直接相通或被抽空，以在其中形成负压。如果压力室21中保持着高压力，则半导体晶片W就会仅在与吸引部61和62形成接触的区域上强有力地挤压在抛光面上。因此，需要立即降低压力室21中的压力。从而，如图4所示，可设置从压力室21穿过顶环本体2的放气口39，用于立即降低压力室21中的压力。在这种情况下，当压力室21加压时，必须借助于流体通道31连续不断地将加压流体供给到压力室21中。放气口39包括一个止回阀，其用于防止当压力室21中形成负压时外部空气流入压力室21中。
在半导体晶片W如上所述地在吸引作用下如此地吸附到吸引部61和62上之后，必须将半导体晶片W从抛光垫101上取下(分离)。在这种情况下，如上所述，就会在抛光垫101与半导体晶片W之间不利地作用有大的表面张力。根据本发明，为了降低抛光垫101与半导体晶片W之间的表面张力，将抛光台100的转速从其在抛光时转动的转速下降低。在这种情况下，顶环1的转速被保持成与其在抛光时转动的转速相同。
具体地讲，将抛光台100的转速从其在抛光时转动的转速下降低，以在抛光台100与顶环1之间提供转速差。此时，由顶环1保持着的半导体晶片W会漂浮在形成于半导体晶片W的下表面与抛光垫101的上表面之间的抛光液Q的液体层上。这种现象称为打滑现象。打滑现象可降低抛光面与半导体晶片W之间因存在抛光液而引起的表面张力。因此，即使顶环1直接在抛光处理完成的位置上升起，半导体晶片W也能够在不需要悬置动作的情况下很容易地从抛光垫101上取下或分离。这样，半导体晶片W就不会留在抛光垫101上，并且可防止其受悬置动作的作用出现破裂或刮伤。
当顶环1升起以将半导体晶片W从抛光面上分离时，顶环1的上升速度被设置得较低，并且直到半导体晶片W已基本上从抛光面上分离为止。在半导体晶片W已从抛光面上分离之后，增大顶环1的上升速度。具体地讲，当半导体晶片W从抛光面上分离时，顶环1低速升起，在半导体晶片W已从抛光面上分离之后，顶环1高速升起。因此，当半导体晶片W从抛光面上分离时，作用在半导体晶片W上的压力要设置尽可能地小，以使作用在形成于半导体晶片W上的电路元件上的应力最小化。顶环1的上升速度能够通过调节即将供给顶环气缸111的压缩空气的压力而得到控制。例如，可在顶环气缸111的杆的附近设置一个传感器(未示出)，用于在半导体晶片W已基本上从抛光面上分离时探测半导体晶片W的位置，以控制顶环1的上升速度。
根据本发明，由于不需要执行悬置动作，因此可缩短抛光节拍时间，并且能够提高产量。
希望在抛光处理的过程中和在半导体晶片W从抛光面上分离之前降低抛光台100的转速，以在顶环1与抛光台100之间提供转速差，并且希望在抛光处理已完成时顶环1以本身固有的方式升起。具体地讲，在抛光处理刚要完成时降低抛光台100的转速，以在顶环1与抛光台100之间提供转速差。抛光处理以这种状态连续地进行。当抛光处理完成时，顶环1以本身固有的方式升起，以使半导体晶片W从抛光面上分离。根据这种方法，能够在抛光处理的过程中就开始准备将半导体晶片W从抛光面上分离。因此，可缩短抛光节拍时间和提高产量。
希望从抛光液供给喷嘴102供给的抛光液Q的量在半导体晶片W从抛光面上分离之前或分离的过程中增加。在这种情况下，可以增强打滑现象的效果，从而能够非常容易地将半导体晶片W从抛光面上分离。喷雾器103应优选在半导体晶片W刚要从抛光面上分离时开始向抛光面喷射气体(例如，诸如N2气的惰性气体)与纯水或化学液体的混合物，用于清洗抛光面。从而，可以增强打滑现象的效果，并且可在抛光处理的过程中开始本来在抛光处理之后执行的抛光面的清洗处理。
在顶环1如上所述地已升起之后，顶环1移动到半导体晶片传送的位置上。然后，流体(例如，压缩空气或氮气与纯水的混合物)通过吸引部61和62的连通孔61a和62a喷射到半导体晶片W上，以释放半导体晶片W。
用于抛光半导体晶片W的抛光液Q趋向于流过位于密封环4的外周表面与限位环3的内周表面之间的狭缝G。如果抛光液Q牢靠地沉积在狭缝G中，就会阻止保持环5、夹板6和密封环4相对于顶环本体2和限位环3平稳垂直地移动。为了避免这种缺点，通过流体通道32将清洗液(纯水)供给清洗液通道51。因此，纯水会通过多个连通孔53供到狭缝G上方的区域中，从而可清洗狭缝G，以防止清洗液Q牢靠地沉积在狭缝G中。纯水应优选在抛光后的半导体晶片W释放之后供给，并且一直供到下一个要被抛光的半导体晶片吸附在顶环1上为止。希望在下一个半导体晶片被抛光之前能将所有供给的纯水从顶环1中排出，因此在限位环3上设置了多个图4中所示的通孔3a。而且，如果限定在限位环3、保持环5和加压片7之间的空间26中的压力累积增大，其就会起着防止夹板6在顶环本体2中升高的作用。因此，为了能使夹板6在顶环本体2中平稳地升高，通孔3a应优选设置用于使空间26中的压力与大气压力相等。
在本实施例中，如图2所示，作为与真空源121连通的真空管的流体通道37和38连接着顶环本体2。因此，半导体晶片W可通过抽真空吸引保持在顶环本体2的下表面上。当半导体晶片W将要从抛光面上分离时，顶环1以机械方式升起。如果半导体晶片W从顶环1上脱落并留在抛光垫101上，真空管(流体通道37和38)中的压力就会变化到与大气压力较为接近的真空。因此，要监测真空管的压力，以判断半导体晶片W是否已正常地从抛光垫101上分离。
在本实施例中，如图2所示，真空压力传感器40设在真空管中，以测量和监测真空管中的压力，从而可判断半导体晶片W是否已正常地从抛光垫101上分离。具体地讲，在顶环1的上升操作开始之后，真空管中的压力可使用真空压力传感器40测量。如果测量值小于预定的压力值，就可判断出在半导体晶片W吸附在顶环1上的这种状态下半导体晶片W已正常地从抛光垫101上分离。具体地讲，如果测量发现比可判断出半导体晶片W正常地连接在顶环1上的预定压力值大至少10kPa的压力持续了预定周期或更长时间，就可判断出半导体晶片W已从顶环1上脱落。
图6是时序图，示出了在本实施例中的用于抛光半导体晶片的抛光处理和用于将所述半导体晶片从抛光面上分离的分离处理的实例。参看图6，图中描述了以下过程，包括顶环的转动、顶环转动的停止、抛光台的转动、抛光台转速的降低、抛光台转动的停止、抛光液从抛光液供给喷嘴的供给、抛光液供给的停止、氮气与纯水或化学液体的混合物从喷雾器的供给以及喷雾器供给的停止。
抛光处理一直持续到T2。例如，顶环1的转速为71rpm(71min-1)，抛光台100的转速为70rpm(70min-1)。抛光液以150ml/min的流率从抛光液供给喷嘴102供给。此时，喷雾器103没有供给气体与纯水或化学液体的混合物。
在顶环1升起(即，半导体晶片从抛光面上分离)之前，在T1和T2之间条件发生了变化。此时，顶环1的转速为71rpm(71min-1)，该转速与顶环1在抛光处理时转动的转速相同。抛光台100的转速在T1时开始从70rpm(70min-1)下降，并且在T1之后的短时间内降到25rpm(25min-1)。然后，抛光台100保持着25rpm(25min-1)的转速。从抛光液供给喷嘴102供给的抛光液的流率在T1时开始增大，并在T1之后的短时间内增到300ml/min。随后，抛光液供给喷嘴102保持300ml/min的流率。喷雾器103在T1时开始将氮气和纯水或化学液体的混合物喷射到抛光面上。
顶环1在T2时开始升起，以使半导体晶片W从抛光面上分离。顶环1的上升操作在T3时完成。此时，半导体晶片W已从抛光面上分离了预定距离。
顶环1在T4时开始停止转动，并且抛光台100也在T4时开始停止转动。顶环1和抛光台100的转动在T’时完全停止。此时，抛光液的供给也完全停止。氮气和纯水或化学液体的混合物从喷雾器103的供给一直持续到T5，并在T5时停止。如双点划线所示，传统上，喷雾器通常在顶环和抛光台的转动完全停止的T’时开始供给所述混合物，并且一直持续到T5之后的一段时间。
如上所述，根据本发明，喷雾器103在顶环升起之前开始喷射所述混合物。因此，与传统方法相比，喷雾器103能够更早地完成抛光面的清洗处理。从而，下一个工件所用的条件能够得到及时地调节，因此提高了产量。
在上述实例中，从抛光液供给喷嘴102供给的抛光液的量在T1时增大。在这种情况下，用于清洗限位环3的清洗液(纯水)可以与从抛光液供给喷嘴102供给的抛光液的量的同步增大的方式供给。
本发明不仅适用于如图2和3所示的具有可转动的抛光台的抛光设备，而且还适用于具有回转式抛光台或卷带式(皮带式)抛光台的抛光设备。
回转式抛光台的直径比图2和3中所示的抛光台100的直径小很多。具体地讲，回转式抛光台的直径等于或大于半导体晶片的直径与两倍偏心距的总和。因此，即使抛光台作半径为偏心距的平移运动(回转或轨道运动)，半导体晶片仍会在抛光台内移动。回转式抛光台通过电机的致动以预定频率作平移式轨道运动(回转)。在具有回转式抛光台的抛光设备中，半导体晶片通过与图2和4所示相同的顶环保持和挤压在回转式抛光台上的抛光面上。抛光液通过限定在抛光台中的孔供给抛光面。抛光设备可使抛光面与半导体晶片之间产生相对移动，以作半径为偏心距的平移式轨道运动。半导体晶片的整个表面可得到均匀地抛光。如果抛光设备中半导体晶片的表面与抛光面之间始终具有相同的位置关系，则半导体晶片的抛光后的表面就可能会受到抛光面的局部差异的影响。因此，顶环逐渐转动，以防止半导体晶片的表面仅由抛光面的同一部分抛光。
当抛光设备中使用回转式抛光台时，半导体晶片以如下所述的方式从抛光面上分离。在半导体晶片从抛光面上分离之前，抛光台的轨道运动的频率降低。当抛光处理完成时，顶环以本身固有的方式升起。从而，由顶环保持着的半导体晶片会漂浮在形成于半导体晶片的下表面与抛光面之间的抛光液的液体层上。具体地讲，出现了打滑现象。从而，可降低抛光面与半导体晶片之间因存在抛光液而引起的表面张力。因此，即使顶环直接在抛光处理完成的位置上升起，半导体晶片也能在不需要悬置动作的情况下很容易地从抛光面上取下或分离。
图7是剖视图，示出了具有卷带式(皮带式)抛光台的抛光设备。如图7所示，卷带式抛光台具有皮带215、一对彼此分开布置的可转动的转筒216和217以及支承台218，其中，皮带215的表面上具有磨粒，支承台218安置在上皮带表面215a与下皮带表面215b之间。皮带215缠绕在可转动的转筒216和217上。当可转动的转筒216和217转动时，皮带215沿着箭头A所指的方向直线移动。抛光设备具有与图2和4中所示相同的顶环1。由顶环1保持着的半导体晶片挤压在皮带215的上表面(即抛光面)上。抛光液Q从抛光液供给喷嘴102供给到皮带215的上表面上，以抛光半导体晶片。
当使用图7中所示的抛光设备时，半导体晶片以如下方式从抛光面上分离。在半导体晶片从抛光面上分离之前，皮带215的运动速度降低。当抛光处理完成时，顶环以本身固有的方式升起。从而，由顶环1保持着的半导体晶片可漂浮在形成于半导体晶片的下表面与皮带215的上表面之间的抛光液的液体层上。具体地讲，出现了打滑现象。从而，可降低抛光面与半导体晶片之间因存在抛光液而引起的表面张力。因此，即使顶环直接在抛光处理完成的位置上升起，半导体晶片也能在不需要悬置动作的情况下很容易地从抛光面上取下或分离。从抛光液供给喷嘴102供给的抛光液的量可在半导体晶片从抛光面上分离之前或分离的过程中增加。
在上述实施例中，抛光面由抛光垫形成。然而，抛光面并不局限于抛光垫。例如，抛光面可由固定磨板形成。固定磨板被形成成包括由粘结剂固定的磨粒的平板。当使用固定磨板时，抛光处理由固定磨板自生的磨粒执行。固定磨板包括磨粒、粘结剂和毛孔。例如，平均粒径为0.5μm或更小的二氧化铈(CeO2)用作磨粒，环氧树脂用作粘结剂。这种固定磨板可形成较硬的抛光面。固定磨料包含固定磨垫和弹性抛光垫，其中，所述固定磨垫具有由一薄层固定磨料形成的双层结构，所述弹性抛光垫连接在所述薄层固定磨料的下表面上。
当使用图2至5中所示的抛光设备时，半导体晶片上产生的应力可以得到测量。应变仪连接在由顶环保持着的半导体晶片的中心部分和外围部分上。当半导体晶片从抛光面上分离时，抛光台和顶环的转速均发生了变化。此时，在以下实验条件下对半导体晶片上产生的应力进行测量，并且测量了几个实例。测量结果如下表1所示。
1.使用直径为300mm的半导体晶片。
2.半导体晶片在以下条件下从抛光面上分离。
实例1抛光台的转速保持为60rpm(60min-1)，顶环的转速保持为60rpm(60min-1)。这些条件与传统方法中的条件相同。顶环的升起持续了0.5秒。
实例2抛光台的转速从60rpm(60min-1)增至70rpm(70min-1)，顶环的转速从60rpm(60min-1)增至71rpm(71min-1)。顶环的升起持续了0.5秒。
实例3抛光台的转速从70rpm(70min-1)增至120rpm(120min-1)，顶环的转速增至120rpm(120min-1)。顶环的升起持续了0.5秒。
实例4抛光台的转速从70rpm(70min-1)降至25rpm(25min-1)，顶环的转速保持为71rpm(71min-1)。顶环的升起持续了1.5秒。
实例5抛光台的转速从70rpm(70min-1)降至25rpm(25min-1)，顶环的转速保持为71rpm(71min-1)。顶环的升起持续了0.5秒。
实例6抛光台的转速从70rpm(70min-1)降至25rpm(25min-1)，顶环的转速从70rpm(70min-1)降至50rpm(50min-1)。顶环的升起持续了0.5秒。
实例7抛光台的转速从70rpm(70min-1)降至25rpm(25min-1)，顶环的转速从70rpm(70min-1)降至40rpm(40min-1)。顶环的升起持续了0.5秒。
实例8抛光台的转速从70rpm(70min-1)降至50rpm(50min-1)，顶环的转速保持为71rpm(71min-1)。顶环的升起持续了0.5秒。
表1
在表1中，半导体晶片中的应力级别用11级表示。最小级别的应力用1表示，最大级别的应力用11表示。
从表1中可以看出，实例4中的半导体晶片上产生的应力的级别最低，因此需要最小的力升起顶环。在这种情况下，半导体晶片能够很容易地从抛光垫上分离。实例5中的半导体晶片上产生的应力为第二最小，因此需要第二最小的力升起顶环。从而，当顶环与抛光台的转速比大时，半导体晶片就能够很容易地从抛光垫上分离。
从上述实验可知，当半导体晶片从抛光面上分离时，希望抛光台的转速降至50rpm(50min-1)或更低。如果抛光台以高于50rpm(50min-1)的转速转动，抛光台上的纯水或抛光液就会在离心力的作用下散开，从而打滑现象的效果就会减弱。
如上所述，根据本发明，即使顶环直接在抛光处理完成的位置上升起，工件也能够在不需要悬置动作的情况下很容易地从抛光面上取下或分离。因此，工件不会留在抛光面上，并且可防止其受悬置动作的作用出现破裂或刮伤。
而且，由于不需要执行悬置动作，因此能够缩短抛光节拍时间，并能提高产量。
当抛光台的转速降低时，可以执行抛光面的清洗处理。在这种情况下，有利于将工件从抛光面上分离，并且下一个工件所用的条件能够得到及时地调节。这样，就可提高产量。
在回转式抛光台的情况下，当工件从抛光面上分离时，回转式抛光台的运动频率降低。在卷带式(皮带式)抛光台的情况下，当工件从抛光面上分离时，皮带的运动速度降低。在任一种情况下，均能很容易地将工件从抛光面上分离。
尽管已经示出并详细地描述了本发明的某些优选实施例，但应当理解，在不脱离权利要求的范围内可以作出各种变化和修改。
工业实用性本发明适用于用于将工件例如半导体晶片抛光到平面镜光洁度的抛光设备。
权利要求
1.一种抛光方法，包括转动工件；转动抛光台，所述抛光台上具有抛光面；将所述工件挤压在以第一转速转动的所述抛光台上的所述抛光面上，以抛光所述工件；在所述挤压之后，将所述工件从所述抛光面上分离；以及在所述分离之前，将所述抛光台的转速降低到低于所述第一转速的第二转速，以在所述工件的转速与所述抛光台的转速之间提供转速差。
2.如权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，所述转速降低在所述挤压过程中实施。
3.如权利要求1所述的抛光方法，还包括在所述挤压过程中，以第一流率将抛光液供到所述抛光面上；以及在所述分离之前或分离过程中，将所述抛光液的流率增至大于所述第一流率的第二流率。
4.如权利要求1所述的抛光方法，还包括在所述分离之前，将气体与纯水或化学液体的混合物喷射到所述抛光面上，以清洗所述抛光面。
5.如权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，所述分离包括将所述工件从所述抛光面上升起。
6.如权利要求5所述的抛光方法，其特征在于，所述升起包括减小所述工件的上升速度，直到所述工件基本上与所述抛光面分离。
7.一种抛光方法，包括彼此相对地移动工件和抛光面；将所述工件挤压在以第一频率移动的所述抛光面上，以抛光所述工件；在所述挤压之后，将所述工件从所述抛光面上分离；以及在所述分离之前，将所述抛光面的运动频率降至低于所述第一频率的第二频率。
8.如权利要求7所述的抛光方法，其特征在于，所述移动包括通过轨道运动来移动所述工件和所述抛光面。
9.一种抛光方法，包括相对于工件移动抛光面；将所述工件挤压在以第一速度移动的所述抛光面上，以抛光所述工件；在所述挤压之后，将所述工件从所述抛光面上分离；以及在所述分离之前，将所述抛光面的运动速度降至小于所述第一速度的第二速度。
10.如权利要求9所述的抛光方法，其特征在于，所述移动包括直线移动所述抛光面。
11.一种抛光方法，包括转动工件；转动抛光台，所述抛光台上具有抛光面；将所述工件挤压在位于所述抛光台上的所述抛光面上；在所述挤压之后，将所述工件从所述抛光面上分离；以及在所述分离之前，降低顶环的转速与所述抛光台的转速之间的转速比。
12.如权利要求11所述的抛光方法，其特征在于，所述转速比降低在所述挤压过程中实施。
13.如权利要求11所述的抛光方法，还包括在所述挤压过程中，以第一流率将抛光液供到所述抛光面上；以及在所述分离之前或分离过程中，将所述抛光液的流率增至大于所述第一流率的第二流率。
14.如权利要求11所述的抛光方法，还包括在所述分离之前，将气体与纯水或化学液体的混合物喷射到所述抛光面上，以清洗所述抛光面。
15.如权利要求11所述的抛光方法，其特征在于，所述分离包括将所述工件从所述抛光面上升起。
16.如权利要求15所述的抛光方法，其特征在于，所述升起包括减小所述工件的上升速度，直到所述工件基本上与所述抛光面分离。
全文摘要
转动半导体晶片(W)和抛光台(100)。抛光台(100)上具有一个抛光面。半导体晶片(W)挤压在位于以第一转速转动的抛光台(100)上的所述抛光面上，以抛光半导体晶片(W)。半导体晶片(W)在其挤压在所述抛光面上之后从所述抛光面上分离。在半导体晶片(W)从所述抛光面上分离之前，将抛光台(100)的转速降至低于所述第一转速的第二转速，以在半导体晶片(W)与抛光台(100)之间提供转速差。
文档编号B24B37/10GK1685482SQ200380100128
公开日2005年10月19日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月10日
发明者高桥信行, 鸟居弘臣, 正木干彦, 枇杷田宽 申请人:株式会社荏原制作所