专利名称：研磨机和研磨工件的方法
技术领域：
本发明涉及研磨机和研磨诸如硅晶片之类的工件的方法。
CMP中具有许多相关因素，例如研磨浆的种类、研磨板的旋转速度、研磨垫的种类、温度等。因此，很难选择可获得期望的研磨速率和平面度的最佳研磨条件。
本发明的目的是提供一种研磨机和可以改变施加于工件的压力的研磨工件的方法，该方法很少涉及CMP因素，并且易于形成最佳的研磨条件。
为了实现该目的，本发明具有以下结构。
即，本发明的研磨机包括一压力容器，该压力容器具有一打开或关闭所述压力容器的盖子，压力容器可以升高和降低内部压力；一研磨板，该研磨板设置在压力容器中；一设置在研磨板上的加压板，该加压板将设置在研磨板和加压板之间的一工件压在研磨板上；一驱动单元，该驱动单元相对于加压板移动研磨板，以便研磨工件；以及一与压力容器相连的压力源，该压力源升高或降低压力容器的内部压力。
另一方面，本发明的方法是一种在一研磨机中研磨一工件的方法，该研磨机包括一压力容器，该压力容器具有一打开或关闭压力容器的盖子，压力容器可以升高和降低内部压力；一研磨板，该研磨板设置在压力容器中；一设置在研磨板上的加压板，该加压板将设置在研磨板和加压板之间的一工件压在研磨板上；一驱动单元，该驱动单元相对于加压板移动研磨板，以便研磨工件；以及一与压力容器相连的压力源，该压力源升高或降低压力容器的内部压力，
该方法包括以下步骤将工件设置在研磨板和加压板之间；将一气体引入压力容器；以及通过驱动单元使研磨板相对于加压板移动，以便研磨工件。
在本发明中，研磨板和加压板设置在压力容器中，并且可以在升高或降低压力容器的内部压力的状态下研磨工件，因而可以通过调节压力容器的内部压力方便地控制研磨条件。
图1是本发明的一个实施例的研磨机的正剖视图。
图2是研磨机的平面图，其中一盖子被打开；以及图3是钟形容器的平面图。
钟形容器12具有一盖子14，并且作为一能够承受其中压力的升高和降低的压力容器。盖子14通过一轴15可枢转地连接到钟形容器14的本体16，已便打开和关闭本体16。
一夹紧螺栓18的下端通过一轴21可枢转地连接到本体16；螺栓18的上端可以进入一固定臂19的U形叉之间的一间隙。通过旋转一螺母20，盖子14可以气密封闭本体16。在本实施例中，以60度的角形间隔设置六个夹紧螺栓18。
本体16由具有规定厚度的钢制成，并且形成一有底部的圆筒状。盖子14的顶板向上弯曲。通过这种抗压结构，钟形容器12可作为压力容器。本体16的底部16a是一平板，其厚度远厚于圆筒部分，以便承受内部压力。
请注意，钟形容器12的形状并不限于圆筒体。具有足够的抗压结构的其它压力容器也可使用在本发明中。
一研磨板23设置在钟形容器12中。
由一种已知材料制成的研磨布或研磨垫(图中未示出)粘附在研磨板23的顶面上。
一形成圆柱状的连接构件24固定在研磨板23的底面上。连接构件24通过一键27连接到一旋转轴26，该旋转轴由底部16a的一轴承25可旋转地支承。通过该结构，研磨板23与旋转轴26一起旋转。符号28代表一密封构件。
研磨板23的下端部分由一推力轴承29支承。支承构件30设置在底部16a上，而推力轴承29设置在支承构件30上。
一罩盖31封闭研磨板23的外周面，以便在研磨板23上保持规定数量的研磨浆。请注意，可以省略罩盖31。
一支承基座32支承钟形容器12，并且具有四条腿部32a。将一可调节螺栓33设于每条腿部32a的下端，以便调节支承基座32的高度和钟形容器12的水平度。
作为一驱动单元的电动机35连接到支承基座32。电动机35的电动机轴与旋转轴26相连，以使电动机35可以旋转研磨板23。在本实施例中，电动机35设置在钟形容器12的外面，但电动机35可以设置在钟形容器12中。
一用于加压工件(图中未示出)的加压板36设置在研磨板23上。加压板36将自身的重力施加于研磨板23以作为加压力。将待研磨的工件设置或夹在研磨板23和加压板36之间。
将多个砝码37安装在加压板36上，以便调节加压力。砝码37作为加压单元，用以将压力施加于工件。请注意，可以根据研磨条件任意地确定砝码37的数量。
与研磨板23共轴的一辊38和设置在研磨板23的外缘上方的一辊接触加压板36的外缘，以使加压板36可以保持在研磨板23上的一规定位置处。设置在钟形容器12中的弧形臂40可旋转地保持辊38和39。
在图2中，研磨板23沿方向“A”旋转。通过旋转研磨板23，加压板36也沿相同方向围绕其自身轴线旋转。
请注意，辊38可通过一电动机(图中未示出)旋转，以使接触辊38的加压板36沿规定方向旋转。
本体16中储存了适当数量的研磨浆。在本实施例中，本体16的下部作为一研磨浆储存部分16b(见图4)。
如图4所示，储存在本体16中的研磨浆通过一循环泵43循环。
循环泵43与一管道44和一管道45相连，管道44与研磨浆储存部分16b相连，而管道45与本体16的上部相连。通过泵43抽出储存在研磨浆储存部分16b中的研磨浆，并借助管道45将其供应到研磨板23上。将用于研磨工件的研磨浆收集在研磨浆储存部分16b中。
研磨浆储存部分16b、循环泵43和管道44、45等构成了一个研磨浆供应单元。请注意，图1所示的符号44a代表管道44的连接部分。
当然，研磨浆储存部分16b可以设置在钟形容器12的外面。
在图4中，一增压单元47和一减压单元48构成一个压力源。
增压单元47借助一管道49与本体16相连，以将增压流体引入钟形容器12。在本实施例中，采用空气、氧气、氮气和氩气作为流体。也可以任意采用其它气体。通过一转换阀(图中未示出)选择流体，并将其供应入钟形容器12。设置一减压阀51，以便用预定的压力将流体供应入钟形容器12。符号52和53是阀，而标号54是一可以控制流体流量的流量控制阀。
请注意，可以采用混合气体作为流体。减压单元48与管道49的一部分相连，该管道位于阀52和53之间。符号56代表一阀。
减压单元48包括一真空泵。
请注意，图1所示的符号49a代表管道49的连接部分。
通过关闭阀56和打开阀52和53，可将增压流体引入钟形容器12，以使钟形容器12的内部压力升高。另一方面，通过关闭阀52和打开阀53和56，减压单元48抽吸钟形容器12中的流体，以使钟形容器12的内部压力降低。
作为测量装备的一压力计57可测量钟形容器12的内部压力。如果需要的话，可以提供用于测量温度、湿度等数据的其它装备。
当钟形容器12的内部压力超过一预定值时，一安全阀58向外释放增压流体。符号60a代表一观察窗(见图3)。
图5示出了驱动单元的又一个示例。
包括一定子59和一转子63的电动机64设置在钟形容器12中，而研磨板23固定在转子63上。将一电动机驱动器65设置在钟形容器12的外面，并借助电线66将电力供应给定子线圈。请注意，电动机64是一种已知的电动机。
在该驱动单元中，只有电线66必须密封，因此，可以简化密封机构。
此外，图6示出了驱动单元的又一个示例。
在该示例中，通过磁性连接装置旋转研磨板23。即，通过一电动机68旋转一第一磁性转子67，其中北磁极和南磁极交替形成在一外周面上。通过旋转第一磁性转子67，以使一第二磁性转子69旋转。研磨板23固定在第二磁性转子69上。
通过该结构，研磨板23可以在不接触任何位于外部的构件的情况下旋转，因此可以清洁钟形容器12的内部空间。
在本实施例中，研磨板23围绕其自身轴线旋转。在又一个实施例中，研磨板23可以沿平行于研磨板23的研磨面(顶面)的平面移动。图7示出了该实施例。
在图7中，多根曲柄轴70连接到研磨板23，并且通过一设置在钟形容器12的外部的驱动单元(图中未示出)使诸曲柄轴70同步旋转。通过该结构，研磨板23可以沿具有固定方向的圆形轨道移动。即，研磨板23中的所有点沿方向“B”相同地旋转。
在上述实施例中，工件只是被加压板36压在研磨板23上。工件可以粘附在加压板36的底面上。在这种情况下，当研磨完成时，可将研磨好的工件剥离加压板36。
加压构件36可具有抽吸装置，该抽吸装置通过产生负压力来保持工件。在这种情况下，抽吸装置可以直接或用一弹性补偿构件来抽吸并保持工件。
在上述实施例中，采用砝码37作为加压单元。可以采用一设置在臂40上的圆柱体单元(图中未示出)以将压力施加于工件。
此外，可以采用一压头型加压板。图8示出了压头型加压板36的一个示例。
一保持构件73通过一弹性圈构件74(例如隔膜)悬挂在头部本体72中。通过该结构，形成一压力室75。将增压流体引入压力室75，以使保持在保持构件73的底面上的工件压在研磨板23上。加压板36最好通过一电动机(图中未示出)围绕一旋转轴旋转。可以在臂40上设置一包括电动机的驱动机构。
此外，加压板36可以通过一缸体单元(图中未示出)垂直移动，以便移向或移离研磨板23的研磨面(研磨布)。在这种情况下，旋转轴76可由一保持臂(图中未示出)可旋转地保持，并且保持臂可以通过一设置在臂40上的缸体单元(图中未示出)垂直移动。
驱动机构可使旋转轴76在规定范围内垂直移动，并且传递电动机的转矩。
借助一形成在旋转轴76中的流体路径77将增压流体引入压力室75。借助一旋转接头(图中未示出)将流体引入流体路径77。
一限制环78防止保持构件73离开头部本体72，并且引导保持构件73的垂直运动。
将一O形环79设置在头部本体72的一内周面与保持构件73的一外周面之间。O形环79吸收保持构件73的水平运动，并且阻止研磨浆进入头部本体72。
在下面的条件下，在研磨机中进行实验。请注意，钟形容器12的内部空气压力是变化的；以及研磨工件的铜层、SiO2层和Si基片。
条件是研磨布IC1000/SUBA400(商品名称)，直径为200毫米；研磨浆用于SiO2的二氧化硅研磨浆“SS-25”；用于Si的胶态二氧化硅“Compol-80”；用于铜的氧化铝研磨浆；加压板36的加压力100-500克/厘米2；研磨板23的旋转速度15-90转/分；以及研磨时间2-4分钟。
在以上条件下，用固定的加压力、固定的旋转速度和固定的研磨时间研磨工件。图9示出了结果。
在图9中，内部压力为零是大气压力。即，水平轴或钟形容器12的内部压力表明压力从大气压力增加或减少。
如同图9清楚显示的那样，大气压力下的研磨速率是最小的；研磨速率的增加几乎与内部压力的升高和降低成比例。
尤其是，在研磨SiO2层和Si基片的情况下，200千帕的研磨速率大约是大气压力的两倍；500千帕的研磨速率大约是大气压力的2.5倍。
在研磨铜层的情况下，最小的研磨速率出现在负压力侧(大约-50千帕)。即，最小的研磨速率略微向负压力侧移动，但与SiO2层和Si基片一样，研磨速率在最小值的两边都是增加的。
发明人认为，研磨速率在正压力下增加的原因是施加于加压板36的流体压力；以及流体压力使研磨浆透入研磨布。
研磨速率在负压力下增加的原因还不清楚。发明人认为，由于压力降低，工件和研磨布之间的摩擦热量很难散发，以使温度升高并增加反应速率。通过增加反应速率，研磨速率在负压下增加。
图10是显示氧气压力和研磨速率之间的关系的曲线图。氧气被用作代替空气的流体。
采用氧气的情况的趋势与采用空气的情况几乎相等。尤其是，在研磨铜层的情况下，研磨速率在高压下大大增加。
根据这些结果，可以在不改变其它条件的情况下通过调整钟形容器12的内部压力来控制研磨速率。
例如，在开始研磨和粗研磨工件时，升高或降低钟形容器12的内部压力，以便用高研磨速率来研磨工件；在精加工工件时，工件、钟形容器12的内部压力返回至零或大气压力，以便用低研磨速率来研磨工件。
当然，可以通过结合其它因素来控制研磨速率，例如，研磨板23的旋转速度。
在使用多种研磨浆或研磨布的情况下，在一个研磨机中设置多个研磨工位，因而研磨机必须大型化。然而，可以在一个研磨工位处改变钟形容器12的内部压力和研磨板23的旋转速度，因而可以减少研磨工位的数量，可以方便地确定研磨条件，可以减小研磨机的尺寸，并且可以降低机器的制造成本。
增压并循环容纳在钟形容器12中的研磨浆，因而循环泵43的载荷并不太大。
如果研磨浆储存部分设置在钟形容器12的外面，研磨浆将被引入内部压力升高的钟形容器12，因而需要高功率的循环泵。
研磨浆可停留在钟形容器12中。在该情况下，研磨板23相对于水平面倾斜，通过调整可调节螺栓33，以将研磨板23的表面的下部浸在研磨浆中。通过该结构，研磨浆总是可以透入用于研磨工件的研磨布。
图11是显示氮气压力和研磨速率之间的关系的曲线图。一惰性气体(例如氮气)被用作代替空气的流体。钟形容器12中的空气被氮气清除，然后升高和降低内部压力。
在负压力下，与采用空气和氧气(见图9和10)的情况一样，研磨速率增加。
另一方面，在正压力下，尤其是在研磨铜层的情况下，研磨速率降低，直至400千帕。
发明人认为，铜层易被氧化，因此研磨的机理在无氧气的气氛下(见图11)与在氧气气氛下(见图9和10)不同。即，在氧气气氛下，通过研磨浆和氧化作用来蚀刻铜层，因而研磨速率较高；在无氧气的气氛下，只通过研磨浆来蚀刻铜层，因而研磨速率较低。
图12是显示氩气压力和研磨速率之间的关系的曲线图。氩气被用作流体。
如同该附图中清楚显示的那样，采用氩气的情况的趋势与采用氮气的情况几乎相等。
图13是在不同气氛中研磨铜层的速率的曲线图。
图14是在不同气氛中研磨Si基片的速率的曲线图。
图15是在不同气氛中研磨SiO2层的速率的曲线图。
通过适当地选择增压流体，可以通过只调整流体压力来控制研磨速率。在有选择地采用流体(气体)的情况下，在一个研磨机10中设置多个分别供应不同气体的气体供应单元，并且通过一转换阀来选择气体供应单元。
结合作为示例的图16来说明研磨植入的铜线的方法，通过SiO2层使所述铜线绝缘。
屏蔽金属层61防止铜扩散入SiO2层60。屏蔽金属层61由氮化钽(TaN)制成，或通过溅射钽(Ta)制成。铜层62通过电解电镀等方法制成。
例如，在增压空气中用高研磨速率来研磨铜层62，直至屏蔽金属层61暴露。
构成屏蔽金属层61的金属比铜更硬，如果继续研磨的话，铜层62被进一步研磨，因而植入的电线将会过薄。
因而，例如，在增压氮气(见图11)中用低研磨速率来研磨铜层62；用高研磨速率来研磨屏蔽金属层61。通过这种方式，可以用相同的研磨速率来研磨屏蔽金属层61和铜层62，因而可以形成图17所示的适当的植入电线62a。
在一次研磨周期中，可以改变钟形容器12中的流体，以使研磨速率改变，因而可方便地改变研磨条件。当然，可以同时控制研磨板23的旋转速率。
在不背离其精神或实质特征的情况下，可以用其它特定形式来实施本发明。因此，本实施例在各方面被认为是示意性的，而不是限制性的，通过所附的权利要求书而不是先前的叙述来表明本发明的范围，因此，处在权利要求书的含义和权利要求书的等价范围内的所有变化都将被认为包含在其中。
权利要求
1.一种研磨机，它包括一压力容器，所述压力容器具有一打开或关闭所述压力容器的盖子，所述压力容器可以升高和降低内部压力；一研磨板，所述研磨板设置在所述压力容器中；一设置在所述研磨板上的加压板，所述加压板将设置在所述研磨板和所述加压板之间的一工件压在所述研磨板上；一驱动单元，所述驱动单元相对于所述加压板移动所述研磨板，以便研磨工件；以及一与所述压力容器相连的压力源，所述压力源升高或降低所述压力容器的内部压力。
2.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，所述驱动单元沿平行于一研磨面的平面移动所述研磨板。
3.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，所述驱动单元沿平行于一研磨面的平面旋转所述研磨板。
4.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，它还包括一将研磨浆供应到所述研磨板上的研磨浆供应单元。
5.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，所述压力源具有多个气体供应单元，所述气体供应单元分别供应不同的气体，以使内部压力升高；以及一转换阀，所述转换阀用于将所述气体供应单元转换成与所述压力容器相连。
6.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，它还包括一用于测量所述压力容器中的压力的设备。
7.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，所述驱动单元设置在所述压力容器的外面。
8.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，它还包括多根辊，所述诸辊接触所述加压板的一外缘，以将所述加压板保持在所述研磨板上的一规定位置处。
9.如权利要求8所述的研磨机，其特征在于，所述诸辊由设置在所述压力容器中的一臂可旋转地保持。
10.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，它还包括一将压力施加于工件的压力单元。
11.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，设有多块所述加压板。
12.如权利要求4所述的研磨机，其特征在于，所述研磨浆供应单元具有一设置在所述压力容器中的研磨浆储存部分，所述研磨浆储存部分将研磨浆储存在其中；以及一设置在所述压力容器外面的循环泵，所述循环泵与所述研磨浆储存部分和所述压力容器相连，以便在所述研磨浆储存部分和所述研磨板之间循环研磨浆。
13.如权利要求4所述的研磨机，其特征在于，所述研磨浆供应单元具有一设置在所述压力容器中的研磨浆储存部分，所述研磨浆储存部分将研磨浆储存在其中，以及所述研磨板的一表面相对于水平面倾斜，以将所述研磨板的表面的下部浸在研磨浆中。
14.一种在一研磨机中研磨一工件的方法，该研磨机包括一压力容器，所述压力容器具有一打开或关闭所述压力容器的盖子，所述压力容器可以升高和降低内部压力；一研磨板，所述研磨板设置在所述压力容器中；一设置在所述研磨板上的加压板，所述加压板将设置在所述研磨板和所述加压板之间的一工件压在所述研磨板上；一驱动单元，所述驱动单元相对于所述加压板移动所述研磨板，以便研磨工件；以及一与所述压力容器相连的压力源，所述压力源升高或降低所述压力容器的内部压力，所述方法包括以下步骤将工件设置在所述研磨板和所述加压板之间；将一气体引入所述压力容器；以及通过所述驱动单元使所述研磨板相对于所述加压板移动，以便研磨工件。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述研磨机还包括一研磨浆供应单元，以及将研磨浆从所述研磨浆供应单元供应到所述研磨板。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在研磨工件时，所述压力容器的内部压力是变化的。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在研磨工件时，将所述压力容器中的气体换成另一种气体。
18.如权利要求1所述的研磨机，其特征在于，所述压力容器是一钟形容器。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述压力容器是一钟形容器。
全文摘要
本发明的研磨机可以改变施加于工件的压力,并且易于形成最佳研磨条件。研磨机包括:一压力容器,该压力容器可以升高和降低内部压力；一研磨板,该研磨板设置在压力容器中；一设置在研磨板上的加压板,该加压板将工件压在研磨板上；一驱动单元,该驱动单元相对于加压板移动研磨板,以便研磨工件；以及一与压力容器相连的压力源,该压力源升高或降低压力容器的内部压力。
文档编号B24B37/04GK1422728SQ0215611
公开日2003年6月11日 申请日期2002年12月2日 优先权日2001年11月30日
发明者土肥俊郎 申请人:土肥俊郎, 不二越机械工业株式会社