专利名称：半导体晶片,抛光装置和方法
背景技术：
本发明涉及用于抛光半导体或相似类型材料的装置，并更具体地涉及有助于均衡(平衡)在抛光的晶片表面上和/或在该装置的抛光头上的向下压力的装置。
抛光一物件以产生一个高度反射并且无损害的表面已用于多种领域。当抛光例如半导体材料晶片的物件，以准备通过电子束曝光或光刻工艺(以下称作“光刻法”或“平版印刷术”)用于在晶片上印刷电路时，需要一种特别好的抛光。为了保持线的分辨率，其可以细到0.13微米(5.1微英寸)或更细，待印刷电路的晶片表面的平面度是关键的。当使用步进光刻工艺时，对平坦的晶片表面尤其是在该表面的分散区域上的局部平面度的需要更为重要。
在相对晶片的一个基准平面(例如格点(点位，地点)最佳基准平面，Site Best Fit Reference Plane)测量时，平面度按照整体平面度变化参数(例如，总厚度变化(“TTV”))或按照局部格点平面度变化参数(例如，格点总指示读数，Site Total Indicated Reading(“STIR”))或格点焦面偏差(Site Focal Plane Deviation“SFPD”))量化。STIR是表面在晶片的小块面积中偏离一个称作“聚焦”平面的基准平面的最大正和负偏差的总和。SFQR是一种从最佳基准平面的前侧测量的STIR测量值的一种具体类型。晶片平面度特征的更详细讨论可以参见F.Shimura，SemiconductorSilicon Crystal Technology 191-195(Academic Press 1989)。目前，单侧抛光晶片的抛光表面的平面度参数通常在大多数晶片的一个中央部分是可接受的，但是该平面度参数在晶片的边缘附近变得不可接受，如下所述。
传统的抛光机器的结构导致在晶片边缘附近的不可接受的平面度测量值。抛光机器通常包括一个安装在回转台上的环形抛光垫，该回转台用于被驱动绕一个通过该垫中心的竖直轴线旋转。晶片被固定地安装在抛光垫之上的压板上，并被降低到与旋转抛光垫抛光接合。一种通常包括化学抛光剂和磨料颗粒的抛光浆施加到该垫上，用于在抛光垫和晶片之间更大的抛光相互作用。
为了实现所需的抛光度，一个基本上垂直的力将该晶片压到与垫接合。在垫与晶片之间的摩擦系数在晶片上生成一个显著的横向力。该横向力例如通过在晶片的前边缘产生一个摩擦力的垂直分量而在抛光中造成一定的变形。该摩擦力的垂直分量的产生是由于晶片在该横向摩擦力的影响下被安装绕一个万向节点枢转。施加到该晶片上的净垂直力的变化局部地改变抛光压力和晶片的抛光率，造成在抛光中的变形。通常该不均匀的力导致晶片的周边边缘比晶片的主体稍微薄一些，使得晶片的该边缘不适于光刻工艺。该条件是与晶片平面度相关的更普遍问题的子类，并将在下文称作边缘偏斜(减薄，roll-off)。
对晶片抛光机的改进帮助减少了边缘偏斜。最近的设计结合了在晶片和在允许晶片的自由旋转的同时施加抛光力的机构之间的锥形支承组件。锥形支承组件是对传统的球窝式结构的改进，因为该机构的的万向节点在该支承下面的一个点上，更靠近晶片和抛光垫之间的界面。当抛光垫在抛光头下面旋转时，在该垫和晶片之间的摩擦在抛光头上生成水平力，导致在抛光头上的力矩。该力矩使抛光头相对于垫倾斜，向抛光头的前边缘施加更大的力。通过朝向抛光垫的工作表面降低抛光头的枢轴点或稍微低于该表面，通过摩擦力施加到抛光头的转矩将或者被最小化、消除，或者被传递到多个所希望的方向。该转矩的控制导致在晶片的所有点上的更均匀(一致)的抛光压力，并导致抛光垫的更均匀的磨损。以靠近工作表面的一个万向节点抛光的晶片表现出优越的平面度特性，尤其是在传统抛光工艺表现出“偏斜(减薄)”特点的晶片外边缘附近以及在可能发生浆缺乏的晶片中心附近。偏斜在具有一个工作表面之上的万向节点的抛光机中发生，在该工作表面上由于摩擦而造成的在抛光头上的转矩将抛光头的前边缘和晶片压进抛光垫之中。当晶片的前边缘和抛光头压进到抛光垫，将浆向前推进并阻止浆在垫和晶片之间流动时，发生浆缺乏。尽管这些在先有技术中做了改进，晶片的边缘仍会表现出不可接受的偏斜以及晶片的中心会不充分地抛光。
在将万向节点降到工作表面或低于工作表面的同时控制晶片旋转是更希望的，因为控制该机构的万向节点以及抛光垫和晶片两者的旋转速度允许对晶片抛光工艺的更多控制。相反，自由旋转的抛光头提供了对抛光工艺的很少控制，因为抛光头和晶片仅仅响应于在晶片和抛光垫之间的摩擦力旋转。摩擦力会因晶片和抛光机器而异(例如，由于回转台和驱动机构的不对准)，从而改变抛光头的旋转速度和晶片抛光的特征。该工艺会导致晶片间的不均匀抛光，并导致抛光垫内部日益恶化。因为一个自由旋转的晶片趋向于以一个更快的速率旋转，该抛光垫的内部将经受更多线性摩擦，在垫的中心附近对垫的磨损更快。当该垫在中心附近磨损更快时，晶片的平面度因为该垫不再是平坦的而降低。如果该晶片的旋转速度降低，抛光质量由于沿抛光垫的更均匀的磨损而大大改善。另外，垫磨损影响晶片表面任何的“凹陷”或“凸鼓”，这可以通过晶片的旋转速度更有效地控制。因此，需要一种改进的设计，结合例如一个低的万向节点和晶片旋转控制的进一步的特征，用于阻止边缘偏斜并总体上改善晶片平面度。
发明概述在本发明的多个目的和特征之中，应当注意的是，提供一种改善所加工晶片的平面度的半导体晶片、半导体晶片抛光装置和方法；提供这样一种减少晶片边缘偏斜的晶片、装置和方法；提供这样一种增加可用于光刻工艺的晶片面积的晶片、装置和方法；以及提供这样一种改善在晶片的外环格点和内环格点之间的格点到格点的一致性的晶片、装置和方法。
一般地，本发明的一种晶片抛光装置包括一个用于支承抛光装置的元件的基体(基座)。一个上面具有一个抛光垫的回转台安装在基体上，用于回转台和抛光垫相对于基体绕一个垂直于回转台和抛光垫的轴线旋转。该抛光垫包括一个可以与晶片的前表面接合用于抛光该晶片前表面的工作表面。一个驱动机构安装在该基体上，用于产生绕一个基本上与回转台轴线平行的轴线的旋转运动。一个连接到用于驱动抛光头旋转的驱动机构的抛光头适于保持至少一个晶片，用于将该晶片的前表面与抛光垫的工作表面接合。一个球面轴承(支承)组件将该抛光头安装在驱动机构上，用于当抛光头保持晶片与抛光垫接合时，使该抛光头绕一个位于不高于晶片前表面和工作表面的界面的万向节点枢转。该枢转允许晶片的前表面的平面连续地将其自身找正(自矫正)，以均衡在晶片前表面上的抛光压力，而抛光头的旋转由该驱动机构驱动。这将前表面和工作表面保持在一个连续的平行关系，用于半导体晶片的更均匀的抛光。
在本发明的另一个方面，一种抛光半导体晶片的方法一般地包括，将该半导体晶片放置于一个晶片抛光装置的抛光头上，并驱动一个在该抛光装置的一个回转台上的抛光垫绕第一轴线旋转。抛光头一般地被驱动绕与第一轴线不一致(不重合)的第二轴线旋转。由该抛光头所保持的晶片被定位成使得该晶片的一个前表面与该抛光垫的工作表面接合，并被驱使靠在该抛光垫上。该抛光头被保持成，随着抛光头的旋转继续被驱动，用于绕一个位于不高于工作表面和晶片前表面的界面的万向节点自由枢转，以使得晶片的前表面的平面可以响应于一个绕万向节点的垂直于晶片前表面方向的净作用力均衡在抛光垫的晶片前表面上的抛光压力，同时阻止晶片前表面在基本上通过万向节点的与晶片前表面平行的力的作用下枢转。该晶片被从回转台上脱离，并且晶片从抛光垫上取下。
在本发明的最后一个方面，公开了一盒单面抛光的单晶半导体晶片。该晶片各包括一个中心轴线和一个基本上与该中心线垂直并被抛光至一个精整抛光面的前表面。该晶片还包括一个不被抛光至精整抛光面的后表面，和一个周边缘。该前表面是均匀平坦的，用于在其上的一个从中心轴线至少到周边缘的2毫米(0.08英寸)以内面积上的电路的光刻。这些晶片没有根据它们的平面度来选择。
本发明的其他目的和特性将是部分明显的并部分地在下文中指出。
附图简介
图1是一个传统晶片抛光装置的示意侧视图；图1A是在一个非污染室内的图1的晶片抛光装置的示意侧视图；图1B是本发明的晶片抛光装置的示意侧视图和局部剖面图；图2是一个晶片抛光装置的放大的断面示意图，该图以剖面图显示了其中一个抛光头；图2A是一个描述了晶片在抛光垫上的每一个点上以不同的抛光头转速经过的总线性距离的对比曲线图；图3是本发明的抛光头的第二实施例的一个放大的断面示意图；图4是本发明的抛光头的第三实施例的一个放大的断面示意图；图4A是一个晶片载体的透视图；图5是一个分成格点的200毫米(7.9英寸)直径的晶片的示意图；图6是一个描述了在一个传统晶片抛光机上抛光的一组晶片中的每个晶片的任何部分格点的最大SFQR值的曲线；图7是一个描述了在一个本发明的晶片抛光机上抛光的一组晶片中的每个晶片的任何部分格点的最大SFQR值的曲线；图8是一个描述了在一个传统的晶片抛光机上抛光的该组晶片中的每个晶片的所有部分格点的平均SFQR值的曲线；图9是一个描述了在一个本发明的晶片抛光机上抛光的该组晶片中的每个晶片的所有部分格点的平均SFQR值的曲线；图10是一个200毫米(7.9英寸)直径的晶片的示意图，表示了一种光刻装置从聚焦的完整格点到非聚焦的部分格点的运动；图11是一个描述了对于在一个传统晶片抛光机上抛光的每个晶片，在部分格点的一个外环的每个格点的平均SFQR值与在完整格点的一个紧邻的内环的每个格点的平均SFQR值之间的差的曲线；图12是一个描述了对于在一个本发明的晶片抛光机上抛光的每个晶片，在部分格点的一个外环的每个格点的平均SFQR值与在完整格点的一个紧邻的内环的每个格点的平均SFQR值之间的差的曲线；图13是一个描述了对于在一个传统晶片抛光机上抛光的每个晶片，在部分格点的一个外环的每个格点的平均SFQR值与在完整格点的一个紧邻内环的每个格点的平均SFQR值之间的百分比差的曲线；图14是一个描述了对于在一个本发明的晶片抛光机上抛光的每个晶片，在部分格点的一个外环的每个格点的平均SFQR值与在完整格点的一个紧邻内环的每个格点的平均SFQR值之间的百分比差的曲线；图15是一个描述了在一个传统晶片抛光机上抛光的每个晶片的任何部分格点的最大SFQR值和任何完整格点的最大SFQR值之间的百分比差的曲线；图16是一个描述了在一个本发明的晶片抛光机上抛光的每个晶片的任何部分格点的最大SFQR值和任何完整格点的最大SFQR值之间的百分比差的曲线。
对应的参考标号表示在各个图中的对应部分。
优选实施例详细说明现参照附图并尤其是图1，一个总体上标记为15的传统晶片抛光装置的示意图，包括一个安装轴16、一个抛光头17、一个晶片18和一个抛光垫19。随着晶片被压进抛光垫19以抛光该晶片时，该轴16、抛光头17和晶片18绕一个竖直轴旋转。如下文将更详细地进行说明的，该抛光头17必须相对于轴16枢转(摆转)，以使得晶片18可以保持与抛光垫19的平坦的接合。该抛光头17和晶片18被安装成绕一个万向节点P相对轴16枢转。在许多种传统抛光机中，包括图1所示意出的，该万向节点P高高地位于晶片18和抛光垫19的界面的上方。从垫19到万向节点P的距离通常大到几英寸，例如在图1中所描述的两英寸的距离。
关于本发明，尤其是图1A和1B，示出了一个根据本发明所制造的总体上指示为21的晶片抛光装置，该装置具有一个总体上指示为23的基体，用于装纳和支承该抛光装置的其它元件。该基体23可以为各种结构，但优选地形成用于为该抛光装置21提供一个稳定的支承。在该优选实施例中，一个室25包围该晶片抛光装置21并阻止空气传播的污染物进入该室和污染该装置和待抛光的物品。除了在下文所指出的关于晶片在抛光时被保持并由该抛光装置所抛光的方式，该抛光装置的结构是传统结构。在此所讨论的这样一种传统单侧抛光装置的类型的一个例子是Strasbaugh Model6DZ，可以从Strasbaugh Inc.of San Luis Obispo，California得到。
一个回转台27安装在基体23上用于相对该基体旋转。该回转台27为圆形并具有一个安装在其上用于抛光一个半导体晶片35的抛光垫29。该抛光垫29优选地是背部粘连的(胶背的)，用于将垫固定到回转台27。该回转台连同抛光垫29相对基体23绕垂直于该回转台和抛光垫的一个轴线A旋转。该抛光垫的相对侧包括一个可以与半导体晶片35的前表面39相接合的工作表面37。在抛光过程中，抛光垫29被设计成接收一种连续的抛光浆供给。该抛光浆通过一种浆传送系统(未示出)被传送到垫29。抛光垫29、抛光浆和浆传送系统在相关的技术中是已知的。回转台27的旋转由一个回转台马达和一个回转台控制装置(未示出)控制。该回转台控制装置控制回转台27的转速以进一步调整晶片35的抛光，这将在下文更详细地进行讨论。该回转台控制装置和马达在相关的技术中是已知的。
一个总体上指示为45的驱动机构安装在回转台27的上方的基体23上，用于使该驱动机构产生绕基本上平行于回转台的轴线A的轴线B的旋转运动(图1B)。该驱动机构45包括装在一个活动臂53中的一个马达47和一个齿轮箱49。该活动臂53可侧向(横向)和垂直枢转，从而该臂可以取起、抛光以及释放半导体晶片35，这将在下文更详细地进行讨论。该驱动机构45还包括一个控制装置(未示出)，用于控制该驱动机构45的转速，以提高该抛光工艺的抛光特征。该马达47水平定位于该臂53之内并连接到齿轮箱49，而齿轮箱49包括一个适当的蜗轮组件(未示出)，以将该马达绕一个水平轴的旋转变为输出轴55绕轴B的旋转。在齿轮箱49中旋转马达47能量的转换在该技术中是众所周知的，在此将不作以进一步的说明。输出轴55从齿轮箱49向下穿过一个双列径向轴承57，后者用于控制轴的定位。
基体23、室25、回转台27和驱动机构45在该技术中都是众所周知的，并且包括上述单侧晶片抛光装置21的基本元件。本发明的目的是对这样一种抛光装置21的新的和实用的改进。关于本实施例的新的和新颖的特征，该晶片抛光装置21还包括一种总体上指示为63的抛光头，它可枢转并可转动地连接到用于抛光头的驱动旋转的驱动机构45(图1B)。该抛光头63的主要目的是在抛光时牢牢地保持晶片35，以使得晶片可被均匀地抛光。抛光头63安装在输出轴55的下端，以使得它们一同旋转。抛光头63通常用于执行单侧(单面)抛光，但在抛光的晶片35的质量方面有多种缺点。本实施例的抛光头63通过进一步地包括一个总体上指示为75的球面轴承组件避免了这些缺点。该组件包括一个上部轴承元件77，一个下部轴承元件79和多个球轴承(滚珠)81。该上部轴承元件77和下部轴承元件79不是刚性地彼此连接并可以彼此相对移动。球轴承81可以与上部轴承元件77和下部轴承元件79接合，用于在这些元件之间的相对运动，以使得抛光头63可以相对驱动机构45枢转。球轴承81优选地保持在一个传统的轴承座圈(未示出)中，这在先有技术中是众所周知的，用于将轴承保持在轴承元件77、79之间的位置上。上部轴承元件77刚性地安装到驱动机构45上，而下部轴承元件79刚性地安装到抛光头63上。上部轴承元件77和下部轴承元件79具有球面形状的支承表面，设置成使得每个球面支承表面的曲率中心对应于一个万向节点P。与任一支承表面垂直的直线一般通过该万向节点P，即，该组件75的枢轴中心。这样，驱动机构45和抛光头63也绕该万向节点P枢转。在本优选的实施例中，轴承元件77、79和球轴承81由硬质钢或其它可以承受在抛光头63旋转时该抛光头的重复枢转运动的材料。其表面被高度抛光以阻止磨损碎屑的生成，并使球面轴承组件75内的摩擦最小化，以及产生该轴承组件的一个高度平滑的枢转运动。
在晶片抛光时臂53施加向下的压力给抛光头63(图1B)。如前所述，该臂53绕一个在该臂末端附近的水平轴(未示出)竖直地枢转。一个液力或气动致动系统通常用于铰接该抛光机臂53，尽管其它铰接系统也可以视为在本发明的范围内。这些系统在相关技术中是众所周知的，在此将不作说明。从该致动系统的向下的力通过输出轴55、上部轴承元件77、球轴承81和下部轴承元件79传递到晶片35。
该晶片抛光装置21还包括一个总体上指示为89的半刚性连接件，它位于驱动机构45和抛光头63之间，用于将来自驱动机构的一个旋转力传递到抛光头(图1B)。该半刚性连接件89确保抛光头63和驱动机构45联同旋转，以使得控制装置可以调节驱动机构的速度，并从而调节晶片35的速度。如果没有该半刚性连接件89，上部轴承元件77将与驱动机构45一起旋转，而下部轴承元件79和晶片35将不能在球面轴承组件75下面旋转。驱动机构45和抛光头63之间的连接必须为半刚性，以使得该抛光头相对于驱动机构绕球面轴承组件75的万向枢轴运动不受驱动机构的驱动力的影响。该半刚性连接件89为一种柔性连接，在该第一实施例中是一个连接到驱动机构45和抛光头63的转矩传递罩93。该罩93允许抛光头63相对驱动机构45绕一个穿过该球面轴承组件75的万向节点P的水平轴枢转，用于将旋转从驱动机构传递到抛光头。一个环95安装在转矩传递罩93的外边缘上，以将该罩固定到抛光头63上。该环95和罩93各包含多个配合孔97，以使得多个螺栓103可以穿过该环和罩以将该罩牢固地保持在抛光头63上。环95增强罩93，以使得通过该罩传递的旋转力均匀地分布在该罩的周边上。在本优选实施例中，转矩传递罩93由一种具有可以将驱动机构45的旋转能量传递到抛光头63的刚硬性和可允许抛光头的枢转运动的弹性的弹性体材料，例如橡胶(例如氨基甲酸乙酯)制成。其它可以传递旋转能量并允许抛光头63的枢转运动的材料也视为在本发明的范围之内。
抛光头63还适于保持晶片35，用于使晶片的前表面39与抛光垫29的工作表面37接合(图1B)。抛光头63包括一个安装在下部轴承元件79上的下体部109。该下体部109与下部轴承元件79连同旋转，并如上所述刚性地与转矩传递罩93连接。因此，该罩93将输出轴55的旋转能量直接传递到抛光头63的下体部109。下体部109还包括一个在上部轴承元件77上方朝内突出的向内的环形凸缘111，使得当臂53将抛光头63向上提升时，下体部109、抛光块115和晶片35的重量置于该刚性的上部轴承元件上，而不是转矩传递罩93上。该凸缘111有助于通过在臂53提升驱动机构45和抛光头63时使转矩传递罩93不经受一个重复的垂直张力负荷而保护该罩。该下体部109还包括一个保持环117和一个安装在下体部下面的安装垫片119，一起用于形成一个基座，将抛光块115安装在抛光头63上。保持环117从下体部109的周边向下延伸，以提供一个对抛光块115的侧向支承，而安装垫片119是一个安装在下体部的底侧的平圆环，以将该块与下体部分开。抛光块115是一个厚的刚性块，在抛光时用作晶片35的支承。抛光块115要为其平面度和刚性进行选择，并由于陶瓷材料的结构刚性和温度稳定性而通常由陶瓷材料制成。晶片35以传统的方式通过将一个蜡层施加到抛光块上并将该晶片粘接到抛光块上而安装到该抛光块的底部，使得晶片的前表面39暴露并面朝下。然后抛光块115通过将在下体部、垫片119和抛光块之间形成的空腔125抽真空而安装到下体部109上。通过将空腔125抽真空将抛光块115牢固地保持在抛光头63上。
现参照图2，在操作中，枢转地安装在驱动机构45上的抛光头63的相互作用被示意地示出。箭头D表示回转台27相对于晶片35的运动方向。如前面所讨论的，万向节点P是整个球面轴承组件75的枢轴点。该万向节点P相对与晶片35的位置影响抛光装置21的抛光特征。当抛光垫29在抛光头63下面旋转时，在垫和晶片35之间的摩擦在抛光头上产生水平力，导致在抛光头上的一个力矩。通过将抛光头63的万向节点P朝向工作表面37降低，或如在图2中的放大的位置所示稍微低于该表面，由摩擦力所施加到抛光头上的该力矩或者被最小化或者被沿一个更希望的方向作用。对该力矩的控制导致在晶片35的所有点上的更均匀的压力并导致抛光垫29的更均匀的磨损。以一个在工作表面37附近或稍微低于该表面的万向节点P抛光的晶片35，尤其是在传统抛光工艺表现出“偏斜”的晶片外边缘129附近，表现出优越的平面度特征。偏斜在具有一个在工作表面37上面的万向节点P’的抛光机中发生，在该表面上由于摩擦而造成的在抛光头63上的转矩将晶片35的前边缘131压进抛光垫29之中。因为晶片35是旋转的，该晶片的前边缘131不停地变化，生成一个绕晶片周边的向下倾斜的边缘或偏斜。在万向节点P位于抛光界面上时，该力矩由于摩擦力通过该万向节点P或与该点很近而降低。晶片35的前边缘131(或一个如下所述的保持晶片的保持环)不以那样大的力将晶片35压进抛光垫29之中，从而减少晶片偏斜。另外，当晶片35的前边缘131沿该抛光垫运动时，与具有一个在工作表面37更上方的万向节点P’的典型抛光机相比，更少的抛光浆被向晶片35的前面推进并从垫29上挤出。借助更多的流向晶片35中心的浆，该中心经受更多的抛光，进一步减轻边缘129的过抛光。在万向节点P低于工作表面37时，该力矩逆向，将抛光压力偏向至抛光头63的一个后(尾)边缘133，进一步提高可以在晶片35下面流动的浆量以及改善晶片中心部分的抛光。
在本发明中，当抛光头63将晶片35保持与抛光垫29接合时，万向节点P位于工作表面37附近。该位置允许晶片35连续地自找正以均衡在晶片的前表面39上的抛光压力，而抛光头63由驱动装置45驱动旋转。由于抛光头63的枢转运动，前表面39被保持与工作表面37的平坦接合，用于半导体晶片35的更均匀的抛光。另外，通过绕位于抛光界面的一个点P枢转，由于方向平行于晶片35的前表面39的摩擦力而造成的抛光头63的力矩最终被消除。在该优选实施例中，万向节点P位于不高于晶片35和包含该回转台27的界面一侧的工作表面37的界面。该结构通过均衡在前表面上的抛光压力将工作表面37和前表面39保持在一个近似平行的关系，用以对晶片35的更均匀的抛光。该结构还由于抛光头相对于回转台27的枢转而阻止压力点形成在晶片35的前边缘131附近。因为在抛光头63上的力矩施加稍微多的压力到晶片35的后(尾)边缘133，足够量的浆可以通过晶片和抛光垫29之间，以改善晶片抛光。
抛光头的旋转轴(轴B)与回转台(图1B)的旋转轴(轴A)隔开。这有助于确保晶片35在抛光垫29的主要部分之上受到均匀的抛光。该抛光垫优选地比晶片35和抛光头63更宽，以使得没有晶片部分在抛光时经过抛光垫的中心部分。因为晶片35与大部分抛光垫相互作用，这有助于增加抛光垫29的寿命以及晶片抛光的均匀度。
此外，抛光头63和回转台27以不同的相对转速旋转，用于晶片35的更均匀和有效的抛光。调节抛光头63的转速影响抛光垫29的磨损方式(图案)，这本身又影响晶片35平面度和抛光垫寿命。晶片35和抛光垫29的旋转可以被数学模型化，以比较各个相对速度，以确定哪个相对速度可能提供最均匀的抛光和最长的垫寿命。图2A是这样一种比较结果的曲线描述。图2A中的该组曲线描述了晶片35经过抛光垫29上的每一个点的总线性距离。每一曲线表示抛光头63的一个不同的转速(∑h)，而抛光垫29的转速被保持在一个恒定值200转/每分(rpm)。例如，当抛光垫29和抛光头63以相同的转速200rpm(∑h＝200rpm)旋转时，在抛光垫的每一转中，对应于在抛光垫上离垫中心60毫米(2.4英寸)的任何点，晶片35上有大约235毫米(9.25英寸)经过该点。跟踪对应于一个抛光头速度为200rpm(Σh＝200rpm)的曲线，图2A示出在抛光垫29与抛光头以相同速度旋转时，与抛光垫的外侧部分相比，晶片35上有更大的线性距离经过抛光垫的径向内侧部分。随着时间的流逝，这会导致在抛光垫29的内侧部分附近有更大的抛光垫29的磨损。理想地，抛光垫29上的每一点在每一单转中应该对应于一个相同的晶片35通过量。但是从图2A可以明显地看到，没有角速度的组合会产生这样一种水平线。可获得的最好的外形将是通过垫29的每一部分的晶片35的距离沿整个抛光垫更均匀地分布。在抛光头63以一个100rpm(∑h＝100rpm)的速度旋转的曲线几乎接近这样一个结果。因此，使抛光头63在大约100rpm的速度旋转通常产生更均匀的晶片35的抛光和更均匀的磨损，因为垫磨损可由通过抛光垫的线性晶片距离推出。因为这些结果是基于相对速度，它们是可按比例确定的，并且抛光头63的速度可以表示为抛光垫29的转速的一个百分比。
如上面所讨论的，在该优选的实施例中，抛光头63以一个小于回转台27的转速被驱动。如果晶片35和抛光头63被允许自由旋转，它们将以与抛光垫29大约相同的速度旋转，从而导致垫的不均匀磨损。这样，驱动机构45实际上调节抛光头63的转速，以使得抛光头以一个在回转台27的转速的大约40％和大约70％之间的转速旋转。在上述示例中，这对应于一个在80rpm和140rpm之间的∑h。基于进一步的实验和上述分析，已得知该范围是晶片抛光的理想范围，可在前表面39产生更均匀的抛光和更均匀的抛光垫29的磨损。更具体地，最佳抛光实现于驱动机构45以一个回转台27转速的大约55％的转速旋转时。在图2A的示例中，这对应于一个大约110rpm的∑h。
关于本发明的抛光头的第二实施例，一个抛光头153连接到用于驱动抛光头旋转的驱动机构45(图3)。抛光头153适于保持一个晶片35，用于使该晶片的前表面39与抛光垫29的一个工作表面37接合。该抛光头153通过一个总体上指示为159的球面轴承组件连接到驱动机构45，用于抛光头绕一个位于工作表面37附近的万向节点枢转。该抛光头153保持晶片35的前表面39与抛光垫29接合，从而抛光晶片并允许其前表面的平面连续地自找正，以均衡在晶片的前表面上的抛光压力，用于半导体晶片的更均匀的抛光。
一种总体上指示为163的半刚性连接件，它连接到驱动机构45和抛光头153，用于将来自驱动机构的旋转力传递到抛光头，同时允许抛光头相对于该驱动机构绕球面轴承组件159的万向枢转运动。因此，在许多方面该第二实施例与第一实施例类似。
尽管类似，该抛光头153的第二实施例保持晶片35，以新颖的方式将压力施加在晶片上并将旋转传递到抛光头。在抛光头153的底侧安装一个隔膜169(图3)。在该优选的实施例中，隔膜169由硅氧烷制成，尽管其它合适的材料也被视为在本发明的范围之内。该隔膜169具有一个可与晶片35接合的外表面171，用于将晶片安装在抛光头153上，和一个面朝抛光头的与该外表面相反的内表面173。该抛光头153还包括一个环绕该隔膜169并连接到抛光头上以将该隔膜保持在抛光头上的环形保持器177。该保持器177密封隔膜169的周边到抛光头153上，同时允许该隔膜不与保持器直接接合的部分从该抛光头向内和向外独立地运动一个短的距离。一个在隔膜169和抛光头153之间限定的空腔179与一个真空源流体连通。该真空由在输出轴55和抛光头中的一系列通道181传递到抛光头153。该隔膜169具有一个在其中形成的孔，以使得在空腔179中抽真空时，隔膜169可以将晶片35向上拉靠在隔膜上并保持该晶片。该隔膜169还通过选择性地变化空腔179中的空气压力保持该晶片，用于将前表面39均匀地压靠在工作表面37上。尽管第二实施例可以执行与第一实施例基本上相同的抛光，但该第二实施例理想地适于一种先前在双面抛光晶片抛光机上抛光的晶片35。这样一个晶片35已经基本上抛成平坦，因此任何附加抛光的目的在于除去在该晶片整体上的一层均匀的硅材料，而一般不会影响晶片的平面度。该隔膜169特别好地适于这样一个目的，因为该保持器177被牢固地压靠在抛光垫29上用于保持晶片35，而该隔膜允许该晶片与该抛光垫相吻合，用以除去一层均匀的硅材料。
该球面轴承组件159还包括一个连接到驱动机构45并与其旋转的上部锥形座圈187(图3)。一个下部球面枢轴189刚性地安装在抛光头153上，并向上朝驱动机构45延伸。该下部球面枢轴189可与上部锥形座圈187接合，用于抛光头153相对于驱动机构45的枢转运动。该下部球面枢轴189具有一个向上的球面191。垂直于该球面191的任意直线通过该枢轴的万向节点。尽管该球面轴承组件159的构造基本上不同于第一实施例，但所产生的枢轴运动基本上是类似的，导致保持器177以及一个抛光的晶片35的均匀的压力，该晶片中有一均匀层的硅被除去。与先前的实施例一样，万向节点位于晶片35和包含回转台27的界面一侧的工作表面37的界面上或稍微低于该界面。该几何结构保持工作表面37和保持器177平坦地接合，在前表面39和工作表面之间保持一均匀的距离，用于使保持器的压力更均匀。该结构由于抛光头153相对于回转台27的枢转而阻止低压点形成于保持器177的后边缘附近，有助于保持该晶片。优选地，下部球面枢轴189由一种高强度金属例如不锈钢制成，而上部锥形座圈187由一种塑料材料例如PEEK-一种可从美国宾夕法尼亚的Westcheter的Victrex USAInc.获得的聚芳醚酮树脂(polyaryletherketone resin)-制成。两表面都高度抛光，以阻止磨损碎屑生成，并使球面轴承组件159内的摩擦最小化，以及在该轴承组件上产生一个高度平滑的枢轴运动。
在该第二实施例中，半刚性连接件163包括多个连接到抛光头153的带肩螺栓197(图3)。这些带肩螺栓197从抛光头153向上延伸，并通过在一个从上部锥形座圈187横向延伸的环形凸缘201中的一系列径向槽199。该径向槽199尺寸稍微大于螺栓197，因此当驱动机构45旋转时，该径向槽和带肩螺栓接合，用于引起抛光头153的旋转。在径向槽199和螺栓197之间的附加间隙允许上部锥形座圈187和下部球面枢轴189彼此相对稍微地枢转，并防止晶片35从抛光头153上掉下，以及减少在保持器177上的磨损。与先前的实施例一样，该枢转允许更均匀的抛光，以及从驱动机构45到抛光头153的连续的旋转传递。凸缘201和上部锥形座圈187为单一塑料结构。当该驱动机构45在抛光后向上提升时，每一个带肩螺栓197的螺栓头205与该塑料凸缘201接合，使得抛光头153从工作表面37上升起。
在抛光时通过一个隔膜169施加抛光压力比使用一种刚性表面支承晶片35更有利。首先，抛光头153可不使用一种粘接剂而保持晶片35，从而减少了复杂性并消除了可能的污染。该实施例利用真空将晶片35固定到抛光头153上，消除了一种潜在的污染源。其次，因为抛光压力通过隔膜169施加到晶片35上，在晶片35和隔膜169之间由于意外出现的任何颗粒状物质将不会影响抛光的表面。使用传统的系统，颗粒状物质会存积于晶片35和刚性支承表面(例如支持板)之间。在抛光中，该物质向晶片的支持表面施加压力，从而将一小部分晶片向外朝向抛光垫推送。该抛光操作寻求将晶片变平，并通常使由于外来物质而向外推出的晶片部分变平。一旦晶片从该刚性支承上取下，由粉粒推出的晶片部分返回到其最初位置，在抛光过的表面上留下一个坑窝缺陷。使用一种隔膜169，任何存积在隔膜和晶片35之间的颗粒状物质将暂时性地使该隔膜而不是晶片变形，使得晶片被正常地抛光而不使晶片出现坑窝。
在操作中，晶片35和保持环177两者与工作表面37接合(图3)。随着抛光头153旋转，隔膜169将晶片35压进工作表面37中，而环177将晶片35保持在抛光头内，以使得在工作表面和晶片之间的摩擦不会将晶片拉出抛光头。保持器177将在过度使用后稍微地磨损，因此在保持器的底部209和隔膜169之间的一个偏移量可以被保持。实际上，该环177将抛光头153保持在离工作表面37一个适当的距离处，而隔膜169将晶片35压进工作表面之中。通过包围晶片35以及从邻近晶片的抛光头153向下延伸，保持器177在抛光时与晶片的边缘129接合，即使随着时间流逝保持器有一些磨损。与第一实施例一样，抛光头153和回转台27以不同的相对转速旋转，用于使晶片35更均匀地抛光。抛光头153以一个低于回转台27转速的速度旋转。优选地，驱动机构45以一个在回转台27转速的大约40％和大约70％之间的转速旋转抛光头153。当抛光头153以一个回转台27转速的大约55％的转速旋转时，该抛光机产生最理想的平坦的晶片。
关于抛光头的第三实施例，该实施例包括一个连接到用于抛光头的驱动旋转的驱动机构45的抛光头223(图4)。抛光头223适于保持一个晶片35，用于将晶片35的一个前表面39与抛光垫的工作表面37接合。与前述实施例相同，该实施例的目的在于提供在晶片35上的均匀的压力，用于从一个通过双面抛光工艺或精磨工艺磨平的晶片上除去一层均匀的硅。
一个总体上指示为227的球面轴承组件，连接抛光头223和驱动机构45，用于抛光头的枢转。该球面轴承组件还包括一个上部锥形座圈229和一个下部球面枢轴231，与第二实施例相似。该上部锥形座圈229优选地沿着驱动机构45的一个末端232焊接到该驱动机构45上，尽管其它永久性连接也视为在本发明的范围内。当抛光头将晶片35保持与抛光垫接合时，抛光头223绕一个不高于工作表面37的万向节点枢转，从而允许晶片前表面39的平面连续地自对准，以均衡在晶片前表面上的抛光压力，而抛光头的旋转由驱动机构45驱动。优选地，与前述实施例一样，该万向节点低于晶片35和在包含回转台27的界面一侧的工作表面37的界面，以均衡在晶片前表面39上的抛光压力。通过由于抛光头223相对于回转台27的枢转阻止压力点形成在晶片35的边缘129附近，在前表面39和工作表面37之间保持一个均匀的压力，用于晶片的更均匀的抛光。
一个总体上指示为233的半刚性连接件，位于驱动机构45和抛光头223之间，将驱动机构的旋转力传递到抛光头，同时允许抛光头相对于该驱动机构的万向枢轴运动。该连接件233与第二实施例(图3)中的半刚性连接件的相似之处在于，它使用安装在抛光头223上并穿过在上部锥形座圈229中的孔237的带肩螺栓235。然而，相反，上部锥形座圈229不是单一体结构。该锥形座圈229包括一个焊接到驱动机构45上并从该机构上横向延伸以与带肩螺栓235接合的基体229a，而该上部锥形座圈229的一个部分229b从该基体向下延伸以与下部球面枢轴231接合。基体229a优选地由金属制成，以使得它可以焊接到驱动机构45上。部分229b优选地由一种塑料材料例如PEEK-一种可从美国宾夕法尼亚的Westcheter的Victrex USA Inc.获得的聚芳醚酮树脂(polyaryletherketone resin)形成。上部锥形座圈229和下部球面枢轴231两者都高度抛光，以阻止磨损碎屑生成并使球面轴承组件227内的摩擦最小化，以及产生该轴承组件的一个高度平滑的枢轴运动。
第二和第三实施例之间的一个重要区别是向晶片35施加抛光压力的方法。第三实施例没有使用隔膜169，而是使用了刚性支承板247和保持器249以保持晶片35，这两者都连接到抛光头223。支承板247是平坦的和刚性的，类似于第一实施例的抛光块115，适于在整个晶片35上施加均匀的压力，用于晶片的均匀抛光。在抛光头223和支承板247之间形成的空腔251中保持的空气压力，在支承板和晶片35上施加一个向下的力。保持器249从抛光头223向下延伸到支承板247之下，用于在抛光时保持晶片35，与第二实施例类似。支承板247独立于保持器249运动，因此，随着保持器的磨损，支承板将向外延伸出一个对应的较小的距离，用于保持在支承板和保持器之间的相同距离。这确保了在保持器249和晶片35之间的适当的接合深度被保持，用以在抛光时将晶片保持在保持器中。当将抛光头223从工作表面37上提起时，在抛光前以及在抛光后，驱动机构45首先提升球面轴承组件227。一个提升垫圈273松动地安装在驱动机构45和带肩螺栓235上，以使得当驱动机构提升抛光头223时，带肩螺栓头277靠在垫圈上，因此驱动机构可以提升起抛光头。在没有提升垫圈273时，螺栓头277可以通过孔237，防止抛光头从工作表面37上提升。提升垫圈273在带肩螺栓235和驱动机构45上的松动安装，确保了该垫圈不会通过阻止万向节动作而影响抛光加工。
在操作中，第三实施例实质上与前述两个实施例相同。这包括控制驱动机构45相对于回转台27的转速。适用同样的速度范围(在大约40％和大约70％之间)并且理想转速为大约55％。
本发明还针对如在上面第一实施例中所述的在一种晶片抛光装置上抛光的一组单面抛光的单晶半导体晶片35。这些晶片35通常保持在一个总体上指示为253的盒子里(图4A)，用于存贮和传送多个晶片。盒子253典型地包括一个底部255、晶片槽257和盖子259。在制造后，一组单个晶片35通常地被装入盒子253中，用以存贮或运输。这些盒子253可以为各种尺寸，用于保持任意数量的晶片，例如每盒25、20、15、13或10个晶片。晶片35优选地由单晶硅形成，尽管本发明的抛光装置和方法也适于抛光其它材料。晶片35的前表面(正面)39被抛光成一个精整(成品)抛光面，而晶片的后表面(背面)没有被抛光成一个精整抛光面。大多数晶片35还具有从晶片的一个边129上除去的一小弦边(chord)材料，或一个缺口，尽管所示的晶片没有这种弦边。
晶片35的前表面39为均匀平坦的，用于电路的光刻。根据本发明抛光的晶片35在从中心轴线至少到周边缘129的两毫米(0.08英寸)内的区域上具有一个可用的前表面39。晶片通常通过在前表面39上投影一个格点(点位)栅格而划分用于分析，如图5所示。示出了一个半导体晶片35的略图。格点的任何预定的号码、几何尺寸或几何形状根据晶片的应用而布置在晶片的前表面39上。最通常地格点为统一尺寸和形状的正方形或矩形。一些格点被分类成完整格点(整体格点)261，而其它被分类为部分格点(不完整格点)263。对该分析而言，众多的完整格点261全部位于晶片35的前表面39内，而众多的部分格点263部分地位于前表面上且部分地位于晶片的周边缘129的外边。当根据本发明抛光后，部分格点263的平面度基本上与完整格点261的平面度相同。为了讨论的目的，下列数据分析是基于具有大约200毫米(7.9英寸)直径的半导体晶片35，其带有二十个部分格点263和三十二个完整格点261的投影栅格，如图5所示。在该分析中所使用的晶片不是根据其平面度来选择的，而是代表着一种典型的晶片生产分组。每个格点优选地为正方形状，每边长为25毫米(0.98英寸)。这对应于晶片前表面39的大约2％面积的每个完整格点261或每个部分格点263的面积。位于晶片35的边缘129附近的部分格点263还包括一个由于本发明而被改进的格点的外环。尽管该数据分析是基于200毫米(7.9英寸)晶片的测量结果，但本发明还适于其它直径例如100毫米(3.9英寸)、150毫米(5.9英寸)和300毫米(12英寸)的晶片。
根据本发明抛光的单面抛光晶片35将表现出具有基本上与完整格点261类似的一致平面度的部分格点263。这对在传统抛光机上经常在晶片的边缘129附近表现的不可接受的偏斜的单面抛光晶片35而言是一个实质性的改进。本发明的晶片35的前表面39为一个高度抛光的表面，在包括高达晶片周边缘129的大约2毫米(0.08英寸)以内的晶片表面区域的大部分晶片前表面上为均匀(一致)平坦的。通常，偏斜使晶片35的周边缘129的平面度的降低，足以造成只有从晶片的中心轴线到晶片边缘的3毫米(0.12英寸)以内的区域可用于光刻工艺。将晶片35的可使用面积从晶片35的周边缘129的3毫米(0.12英寸)扩大至2毫米(0.08英寸)以内增加了2％的可使用面积。已确信可使用面积延伸靠近到距边缘不足2毫米(0.08英寸)。更重要的是，在晶片35的周边缘129附近的部分格点263表现出更好的平面度特征，因此这些部分格点的光刻术更可能在晶片上产生精确的光刻。更好的聚焦边缘光刻法产生更少的边缘缺陷，导致更少的器件故障。此外，本发明的晶片35对该晶片的周边更对称。更对称的晶片35是有益的，因为它们允许对晶片的所有部分进行一致的加工。
例如，图6示出了在一种具有一个在工作表面上方大约51毫米(2.0英寸)的万向节点的传统单面抛光机上抛光的200毫米(7.9英寸)直径的晶片组群。数据的处理排除了2.0毫米(0.079英寸)的边缘，包括了有效的局部(partials active)和坑窝。另外，25毫米(0.98英寸)的正方形格点被用于采集和解释平面度数据。如果在一晶片上的任何单个格点具有一个大于0.250微米(9.84微英寸)的SFQR值，特定的晶片因为不可出售以及因此不可用于分析而被从数据集中排除。这些晶片35被假定为具有坑窝缺陷。在363个晶片原始样本中，15个被排除、剩下348个晶片和348个数据点。这些数据密切地符合传统单面晶片抛光机的历史性能(表现)。在每一晶片上描出单个数据点，代表利用一种工业标准容量工具而非一种新出现的技术(emerging technology)光学工具测量的在该晶片的任何部分格点263上的最大SFQR值。例如，在此所公开的数据是通过一个由马萨诸塞州的Westwood的ADE Corporation生产的Ultrascan 9000系列(例如Ultrascan 9600)采集。这些数据点描绘在图6中，并得出在整个晶片组群的最大SFQR部分格点263的一个0.136微米(5.34微英寸)的平均值。为了将该传统抛光的组群与本发明比较，图7描述了在本发明的具有一个被驱动的抛光头和一个在晶片前表面39和工作表面的界面处的万向节点的晶片抛光机上抛光的晶片组群。晶片35具有相同尺寸，并且除抛光步骤外，以同种方式加工。在1745个晶片原始样本中，同样假定由于坑窝，86个晶片由于晶片上任意格点具有一个大于0.250微米(9.84微英寸)的SFQR值而被排除，留下1659个晶片和1659个数据点。这些数据得出一个较小的组群平均0.102微米(4.02微英寸)，比传统工艺改进24.8％。因此，根据本发明抛光的晶片应该得出一个平均小于大约0.105微米(4.13微英寸)的部分格点263 SFQR最大值。这些表现出改进的平面度的晶片允许在晶片的基本上整个前表面39上精确光刻。
边缘平面度的另一种测量方法是在一个晶片上的所有部分格点263的SFQR平均值。图8描述了对在图6中所示的传统抛光的相同晶片组群的测量，并且，对一个晶片的所有部分格点263的SFQR平均值平均为0.088微米(3.46微英寸)。图9描述对在图7中所示的根据本发明抛光的相同晶片组群的测量，其中，对一个晶片的所有部分格点263的SFQR平均值平均为0.064微米(2.54微英寸)。使用本发明的装置或方法抛光的晶片与传统工艺相比平面度提高26.7％。晶片35表现出改进的平面度，允许在晶片的基本整个前表面39上精确光刻。
另外一个重要的平面度参数是邻近格点的平面度特征。光刻法需要光刻机在晶片表面上的精细的聚焦。在完整格点261上聚焦是常规的，但是在部分格点263上的聚焦则需要更先进的技术，这会增加光刻工艺的成本和时间。因此，晶片光刻机通常将其光刻机聚焦在一个聚焦的完整格点267、267’，然后移动到一个紧邻的非聚焦的部分格点269，假定两处格点被抛光至相似的平面度，所以部分格点的光刻也将对焦。这些聚焦的完整格点267、267’和非聚焦的部分格点269，尽管与先前的完整格点261和部分格点263相同，但在此重新编号以进一步说明一种光刻机的运动。图10(通过箭头)描述了光刻机从聚焦的格点267、267’到非聚焦的格点269的运动。例如，光刻机不太可能在格点X精确地聚焦，因为该格点是一个部分格点269。因此，该光刻机将通常聚焦在格点Y，然后沿由箭头指示的方向移动照相机，以在格点X执行光刻。关于邻近格点的类似平面度特征的假定仅在当非聚焦的格点267被类似于聚焦的格点269抛光时有效。然而，当一个晶片表现出大的边缘偏斜时，该假定可导致光刻误差。一个在中心和在边缘129处具有类似的(差不多的)平面度特征的晶片使得该假定更可被接受。
为了量化一个晶片在部分格点和在完整格点的一个邻近内环处是否表现出类似的抛光时，可以比较用于如在图5中定义的非聚焦的部分格点269的外环和聚焦的完整格点267的一个内环的平面度数据(格点267’未被包含在用于聚焦的完整格点267的数据内)。图11所示的数据描述了，对于在图6中所示的传统抛光的晶片的相同组群，在对于20个非聚焦的部分格点269的一个外环的每个格点的SFQR平均值与对于16个聚焦的完整格点267的一个紧邻的内环的每个格点的SFQR平均值之间的差。对于在一个传统抛光机上抛光的晶片的SFQR平均差是0.030微米(1.2微英寸)。图12所示的数据描述了，对于在图7中所示的本发明的晶片的相同组群，在对于20个部分格点269的一个外环的每个格点的SFQR平均值与对于16个完整格点267的一个紧邻的内环的每个格点的SFQR平均值之间的差。对于本发明的晶片的SFQR平均差是0.013微米(0.52微英寸)。用本发明的装置或方法抛光的晶片的相邻格点平面度与传统工艺相比提高55％。本发明的晶片允许部分格点269的精确光刻，而不用将光刻机重新聚焦在每个部分格点上。
以另一种方法审视(考察)该数据，图13描述了，对于一传统晶片抛光机，在部分格点269的外环的每个格点的SFQR平均值与完整格点267的紧邻的内环的每个格点的SFQR平均值之间的百分比差。对于在图6中所示的传统抛光的晶片的相同组群，对于在传统抛光机上抛光的晶片35，在外和内环SFQR平均值之间的平均百分比差是56.3％。相对地，图14描述了对于用于构成图7的本发明的晶片35的相同组群的同样的百分比差。对于在本发明的晶片抛光机上抛光的晶片，在外和内环SFQR平均值之间的平均百分比差是18.3％。因此，本发明的抛光机的该参数与传统抛光机相比降低67.6％。因此，根据本发明抛光的晶片35将得到具有一个高出完整格点的内环的SFQR平均值55％以下的部分格点269的外环的SFQR平均值的结果。此外，本发明将得出一个低于30％并可能小于18％的内环和外环之间的SFQR平均差。
晶片35平面度的一个最终测量是每个晶片的任何部分格点263的SFQR最大值和每个晶片的任何完整格点261的SFQR最大值之间的百分比差(图5)。现参照图15，示出这样一种比较的数据，对于在图6中所示的传统抛光的晶片35的相同组群，得出部分格点263的SFQR最大值和完整格点261的SFQR最大值之间的平均百分比差为21.2％。相对地，图16描述了对于用于构成图7的本发明的晶片35的相同组群的同样的百分比差。对于在本发明的晶片抛光机上抛光的晶片35，其部分格点263的SFQR最大值和完整格点261的SFQR最大值之间的平均百分比差为-10.7％。该负的百分比值表示，对于根据本发明抛光的晶片35，部分格点263的SFQR最大值可能小于完整格点261的SFQR最大值。与传统抛光的晶片35相反，这些晶片趋向于在部分格点263而不是在其完整格点261中具有较低的SFQR最大值。这样，本发明的抛光机在该参数上与传统的抛光机相比具有显著的改进。因此，根据本发明抛光的晶片将产生一个不超出完整格点261的SFQR最大值的20％的部分格点263的SFQR最大值。此外，本发明将得出一个大约等于完整格点261的SFQR最大值并可能比该最大值小10％的部分格点263的SFQR平均最大值。
综上所述，可以看出，实现了本发明的多个目的并获得了其它有益的结果。
在介绍本发明或其优选实施例的元件时，“一个”、“一种”、“该”和“上述”意味着有这样一或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意味着是包括再内的并表示可能有除了所列元件之外还有其它元件。
由于不脱离本发明的范围可以在上述结构中实施各种变型，上述说明中包含的或在附图中所示的所有事项将意在解释为示例性的而不是限制性的。
权利要求
1.晶片抛光装置，它包括一个用于支承抛光装置的元件的基体；一个上面具有一个抛光垫并安装在基体上的回转台，用于回转台和抛光垫相对于基体绕一个垂直于回转台和抛光垫的轴线旋转，所述抛光垫包括一个可以与一个晶片的前表面接合用于抛光所述晶片的前表面的工作表面；一个安装在所述基体上用于产生绕一个基本上与回转台轴线平行的轴线的旋转运动的驱动机构；一个连接到用于抛光头的驱动旋转的驱动机构的抛光头，所述抛光头适于保持至少一个晶片，用于将所述晶片的前表面与抛光垫的工作表面接合；和一个球面轴承组件，所述球面轴承组件将所述抛光头安装在驱动机构上，用于当抛光头保持晶片与抛光垫接合时，使所述抛光头绕一个处于不高于该晶片前表面和该工作表面的界面的万向节点枢转，从而允许晶片前表面的平面连续地将其自身找正，以均衡在晶片前表面上的抛光压力，而抛光头的旋转由驱动机构驱动，用于保持前表面和工作表面处于平坦接合，用于半导体晶片的更均匀的抛光。
2.根据权利要求1所述的晶片抛光装置，还包括一个位于驱动机构和抛光头之间的半刚性连接件，用于将一个旋转力从所述驱动机构传递到所述抛光头，以使得抛光头和驱动机构连同旋转，同时允许抛光头相对于驱动机构绕球面轴承组件的万向枢轴运动。
3.根据权利要求2所述的晶片抛光装置，其中所述球面轴承组件设置成使该万向节点位于晶片和工作表面的界面上，以保持工作表面和前表面处于平坦接合。
4.根据权利要求2所述的晶片抛光装置，其中球面轴承组件设置成使万向节点稍微低于晶片前表面和在包含回转台的界面一侧的工作表面的界面，以进一步保持工作表面和前表面处于平坦接合，用于更均匀的晶片抛光。
5.根据权利要求2所述的晶片抛光装置，其中所述驱动机构适于驱动晶片载体以在回转台转速的大约40％和大约70％之间的转速旋转。
6.根据权利要求5所述的晶片抛光装置，其中所述驱动机构适于驱动晶片载体以回转台转速的大约55％的转速旋转。
7.根据权利要求2所述的晶片抛光装置，其中半刚性连接件包括一个在驱动机构和抛光头之间的柔性连接件。
8.根据权利要求7所述的晶片抛光装置，其中所述柔性连接件还包括一种连接到驱动机构和抛光头的转矩传递罩，从而允许抛光头相对驱动机构绕所述球面轴承组件枢转，用于将旋转从驱动机构传递到抛光头。
9.根据权利要求8所述的晶片抛光装置，其中转矩传递罩由一种具有可以将驱动机构的旋转能量传递到抛光头的刚硬性和可允许所述抛光头的枢轴运动的弹性的弹性体材料制成。
10.根据权利要求9所述的晶片抛光装置，其中所述弹性体材料为橡胶。
11.根据权利要求10所述的晶片抛光装置，其中所述球面轴承组件还包括一个上部轴承元件、一个下部轴承元件和多个球轴承，上述球轴承可以与上部轴承元件和下部轴承元件接合，用于在所述元件之间的相对运动，以使得所述抛光头可以相对于驱动机构枢转。
12.根据权利要求11所述的晶片抛光装置，其中上部轴承元件和下部轴承元件具有球面形状的支承面，其中每一球面支承面的中心对应于万向节点并且任何垂直于任一面的直线通过所述万向节点。
13.根据权利要求12所述的晶片抛光装置，其中驱动机构还包括一个安装在基体上并与驱动机构连接的马达和齿轮箱，用于驱动机构的旋转。
14.根据权利要求13所述的晶片抛光装置，其中抛光头的旋转轴线与回转台的旋转轴线间隔开。
15.根据权利要求2所述的晶片抛光装置，其中半刚性连接件包括至少一个连接到抛光头并通过至少一个在驱动机构中的径向槽的带肩螺栓，上述径向槽的尺寸稍微大于所述螺栓，以使得当驱动机构旋转时，上述径向槽和带肩螺栓接合用于引起抛光头的旋转，同时允许上部锥形座圈和下部球面枢轴彼此稍微地相对运动，用于更均匀的抛光以及从驱动机构到抛光头的连续的旋转传递。
16.根据权利要求15所述的晶片抛光装置，还包括一个安装在抛光头上的隔膜，上述隔膜具有一个可与晶片接合的用于将晶片安装在抛光头上的外表面，和一个面对抛光头与该外表面相反的内表面。
17.根据权利要求16所述的晶片抛光装置，还包括一个与在隔膜的内表面和抛光头之间形成的空腔流体连通的真空源，上述隔膜具有至少一个在其中形成的孔，以使得在空腔中抽真空时，隔膜可以将晶片向上拉靠在隔膜上并保持所述晶片，上述隔膜还在晶片与工作表面接合时保持所述晶片，从而空气可以被引向空腔，消除真空并在空腔中提供均匀的空气压力，用于将晶片表面均匀地压靠在工作表面上。
18.根据权利要求17所述的晶片抛光装置，还包括一个连接到抛光头上的保持器，上述保持器从抛光头延伸到低于晶片和隔膜，用于在抛光时保持晶片。
19.根据权利要求18所述的晶片抛光装置，其中隔膜可独立于保持器运动，以使得随着保持器的磨损，可以保持在保持器底部和隔膜之间的一个偏移量。
20.根据权利要求19所述的晶片抛光装置，其中保持器为环状，用于包围隔膜和晶片，以在抛光时保持晶片。
21.根据权利要求20所述的晶片抛光装置，其中球面轴承组件还包括一个与驱动机构连接并一起旋转的上部锥形座圈，一个可刚性地安装在抛光头上的下部球面枢轴，上述下部球面枢轴可与上部锥形座圈接合，用于抛光头相对于驱动机构的枢轴运动。
22.根据权利要求21所述的晶片抛光装置，其中下部球面枢轴具有一个向上的球面，其中垂直于所述球面的任何直线通过所述万向节点。
23.根据权利要求15所述的晶片抛光装置，还包括一个刚性支承板和一个保持器，这两者都连接到抛光头，上述支承板适于向整个晶片表面施加均匀的压力，用于晶片的均匀抛光，而上述保持器从抛光头延伸到支承面之下，用于在抛光时保持晶片。
24.根据权利要求23所述的晶片抛光装置，其中支承板可独立于保持器运动，以使得随着保持器的磨损，可以保持在保持器底部和支承板之间的一个偏移量。
25.根据权利要求24所述的晶片抛光装置，其中保持器为环状，用于包围支承板和晶片，以在抛光时保持晶片。
26.根据权利要求25所述的晶片抛光装置，其中抛光头适于保持一个单一晶片，用于将晶片的前表面与抛光垫的工作表面接合。
27.一种抛光半导体晶片的方法，包括以下步骤将半导体晶片放在一个晶片抛光装置的抛光头中；驱动在所述抛光装置的回转台上的一个抛光垫绕一第一轴线旋转；驱动抛光头基本上绕与第一轴线不一致的第二轴线旋转；将由抛光头保持的晶片定位，以使得晶片的前表面与抛光垫的工作表面接合；驱使晶片的前表面靠在抛光垫上；保持抛光头，用于随着抛光头的旋转被继续驱动而绕一个处于不高于工作表面和晶片前表面的一个界面的万向节点的自由枢转运动，以响应于一个绕万向节点的垂直于晶片前表面方向的净作用力均衡在晶片前表面上的抛光压力，同时防止晶片前表面在基本上通过万向节点的与晶片前表面平行的力的作用下枢转；将晶片从回转台上脱离；和将晶片从抛光头上取下。
28.一种根据权利要求27所述的方法，其中用于放置半导体晶片的步骤包括将晶片粘接到一个抛光块上并将所述抛光块固定到抛光头上。
29.一种根据权利要求27所述的方法，其中驱动步骤包括以一个小于回转台转速的速度旋转抛光头。
30.一种根据权利要求29所述的方法，其中驱动步骤包括以一个在回转台转速的大约40％和大约70％之间的速度旋转驱动机构。
31.一种根据权利要求30所述的方法，其中驱动步骤包括以一个回转台转速的大约55％的速度旋转驱动机构。
32.一种根据权利要求27所述的方法，其中放置步骤还包括将晶片安装在一隔膜上，该隔膜通过对在隔膜后面的空腔抽真空而安装在抛光头上，以将晶片拉靠在隔膜上并在抛光步骤中保持晶片，所述方法还包括选择性地变化该空腔中的空气压力，用于将晶片表面均匀地压靠在工作表面上。
33.一盒单面抛光的单晶半导体晶片，各晶片具有根据权利要求27所述的方法抛光晶片而形成的一个基本上平坦的表面。
34.一盒根据权利要求33所述的单面抛光的单晶半导体晶片，其中，上述晶片各包括一个中心轴线，一个一般与中心线垂直并被抛光成一个精整抛光面的前表面，一个没有被抛光成一个精整抛光面的后表面，和一个周边缘，前表面是均匀平坦的，用于在其上的一个从中心轴线至少到在周边缘的2毫米(0.08英寸)以内面积上的电路的光刻，其中晶片没有根据其平面度来选择。
35.一盒根据权利要求34所述的单面抛光的晶片，其中，每个晶片的前表面具有根据向前表面投影一个格点栅格而测量的均匀平面度，以使得众多的完整格点全部位于晶片的前表面内，而众多的部分格点部分地位于前表面上且部分地位于晶片的周边缘的外边，部分格点的平面度基本上与完整格点的平面度相同。
36.一盒根据权利要求35所述的单面抛光的晶片，其中，每个晶片的每个完整格点或每个部分格点的面积为晶片前表面面积的大约2％，并且所投影的完整格点和部分格点为一致的尺寸和形状。
37.一盒根据权利要求36所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少10个晶片。
38.一盒根据权利要求37所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少15个晶片。
39.一盒根据权利要求38所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少20个晶片。
40.一盒根据权利要求39所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少25个晶片。
41.一盒根据权利要求33所述的单面抛光的晶片，其中，在每个晶片的部分格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值不超出在每个晶片的完整格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值的20％。
42.一盒根据权利要求41所述的单面抛光的晶片，其中，在每个晶片的部分格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值与在每个晶片的完整格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值大约相同。
43.一盒根据权利要求42所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少25个晶片。
44.一盒根据权利要求33所述的单面抛光的晶片，其中，每个部分格点位于每个晶片的周边附近，当集合在一起时，构成部分格点的一个外环，并且当每个向内邻近该外环设置的完整格点集合在一起时，构成完整格点的一个内环。
45.一盒根据权利要求44所述的单面抛光的晶片，其中，对部分格点的外环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的平均SFQR值，高出完整格点的内环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的平均SFQR值55％以下。
46.一盒根据权利要求45所述的单面抛光的晶片，其中，对部分格点的外环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的平均SFQR值，高出完整格点的内环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的平均SFQR值30％以下。
47.一盒根据权利要求46所述的单面抛光的晶片，其中，对部分格点的外环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的平均SFQR值，高出完整格点的内环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的平均SFQR值18％以下。
48.一盒根据权利要求47所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少25个晶片。
49.一盒单面抛光的单晶半导体晶片，上述晶片各包括一个中心轴线，一个一般与所述中心线垂直并被抛光至一个精整抛光面的前表面，一个没有被抛光至一个精整抛光面的后表面，和一个周边缘，前表面是均匀平坦的，用于在其上的一个从中心轴线至少到在周边缘的2毫米(0.08英寸)以内面积上的电路的光刻，其中晶片没有根据其平面度来选择。
50.一盒根据权利要求49所述的单面抛光的晶片，其中，每个晶片的前表面具有根据向前表面投影一个格点栅格而测量的均匀平面度，以使得众多的完整格点全部位于晶片的前表面内，而众多的部分格点部分地位于前表面上并部分地位于晶片的周边缘的外边，部分格点的平面度基本上与完整格点的平面度相同。
51.一盒根据权利要求50所述的单面抛光的晶片，其中每个晶片的每个完整格点或每个部分格点的面积为晶片前表面面积的大约2％。
52.一盒根据权利要求51所述的单面抛光的晶片，其中所投影的完整格点和部分格点为一致的尺寸和形状。
53.一盒根据权利要求52所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少10个晶片。
54.一盒根据权利要求53所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少15个晶片。
55.一盒根据权利要求54所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少20个晶片。
56.一盒根据权利要求55所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少25个晶片。
57.一盒根据权利要求53所述的单面抛光的晶片，其中，在每个晶片的部分格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值不超出在每个晶片的完整格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值的20％。
58.一盒根据权利要求57所述的单面抛光的晶片，其中，在每个晶片的部分格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值与每个晶片的完整格点中的盒中所有晶片的平均SFQR最大值大约相同。
59.一盒根据权利要求58所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少25个晶片。
60.一盒根据权利要求53所述的单面抛光的晶片，其中，每个部分格点位于每个晶片的周边附近，当集合在一起时，构成部分格点的一个外环，并且当每个向内邻近该外环设置的完整格点集合在一起时，构成完整格点的一个内环。
61.一盒根据权利要求60所述的单面抛光的晶片，其中，对部分格点的外环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的SFQR平均值，高出完整格点的内环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的SFQR平均值55％以下。
62.一盒根据权利要求61所述的单面抛光的晶片，其中，对部分格点的外环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的SFQR平均值，高出完整格点的内环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的SFQR平均值30％以下。
63.一盒根据权利要求62所述的单面抛光的晶片，其中，对部分格点的外环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的SFQR平均值，高出完整格点的内环的每个格点的一个取作为盒中所有晶片的平均值的SFQR平均值18％以下。
64.一盒根据权利要求63所述的单面抛光的晶片，其中所述盒包含至少25个晶片。
全文摘要
一种用于抛光半导体晶片的晶片抛光装置。该抛光机包括一个基体(23)、一个回转台(27)、一个抛光垫(29)和一个用于驱动抛光头(63)旋转的驱动机构(45)。该抛光头适于保持至少一个晶片(35)，用于将该晶片的前表面与该抛光垫的工作表面接合。一个球面轴承组件(75)将该抛光头(63)安装在驱动机构上，用于当抛光头保持晶片与抛光垫接合时，将该抛光头绕一个位于不高于工作表面的万向节点(P)枢转。该枢转允许晶片前表面的平面连续地将自身找正，以均衡在晶片前表面上的抛光压力，而抛光头的旋转由该驱动机构驱动。这将前表面和工作表面保持为一种连续平行的关系，用于一个半导体晶片尤其是在晶片侧边缘附近的更均匀的抛光。还公开了一种晶片盒和抛光方法。
文档编号B24B41/04GK1461251SQ00820029
公开日2003年12月10日 申请日期2000年11月21日 优先权日2000年11月21日
发明者E·博维奥, P·科尔贝利尼, M·莫尔甘蒂, G·内格里, P·D·阿尔布雷克特 申请人:Memc电子材料有限公司