抛光衬底的方法和装置的制造方法
【专利说明】抛光衬底的方法和装置
[0001]本申请是申请号为200980141563.X、申请日为2009年8月7日、发明名称为“抛光衬底的方法和装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明大体涉及一种抛光方法和装置，且更具体地说，涉及一种对诸如半导体晶片的待抛光物体(衬底)抛光至平坦镜面光洁度的抛光方法和装置。
【背景技术】
[0003]近年来，半导体器件的高集成性和高密度需要对布线模式或互连最小化，并且也增大了器件中互连层的数目。由于较低互连层上的表面不规则性，器件在更小电路中具有多层互连的趋势大体上加宽了台阶宽度，从而导致平坦度降低。互连层数目的增加可恶化在薄膜形成过程中台阶式结构上的薄膜涂层质量(台阶覆盖度)。总之，首先，高度分层的多层互连的出现相应地使得能够获得改良台阶覆盖度和适当表面的新平面化工艺成为必需。其次，该趋势和下文描述的另一个原因需要能够平面化半导体器件的表面的新工艺:半导体器件的表面需要被平面化，从而使得半导体器件的表面上的不规则台阶落入焦深内。因此，利用光刻工艺小型化的光刻光学系统的焦深越小，需要平面化处理后越精确平坦的表面。
[0004]因此，在半导体器件的制造过程中，平面化半导体表面变得越来越重要。最重要的平面化技术之一是化学机械抛光(CMP)。因此，已采用化学机械抛光装置平面化半导体晶片的表面。在化学机械抛光装置中，在其中含有诸如二氧化硅(Si02)的磨粒的抛光液体被供应到诸如抛光垫的抛光表面上的同时，诸如半导体晶片的衬底与抛光表面滑动接触，因而表面得以抛光。
[0005]这种类型的抛光装置包括具有由抛光垫形成的抛光表面的抛光台以及用于保持诸如半导体晶片的衬底的衬底保持装置，该衬底保持装置称作顶圈或抛光头。当半导体晶片利用这种抛光装置抛光时，在预定压力下通过衬底保持装置保持半导体晶片且使其压抵抛光垫的抛光表面。此时，抛光台和衬底保持装置彼此相对移动，以使半导体晶片与抛光表面滑动接触，从而使得半导体晶片的表面被抛光至平坦镜面光洁度。
[0006]传统地，作为半导体保持装置，已经广泛使用所谓的浮动型顶圈，其中弹性膜(膜)固定至夹板，且向在夹板上方形成的压力腔(加压腔)以及由弹性膜(膜)形成的压力腔施加诸如空气的流体，以使得通过弹性膜在流体压力下将半导体晶片压抵抛光垫。在浮动型顶圈中，夹板通过夹板上方的加压腔的压力与夹板下方的膜的压力之间的平衡而浮动，从而在适当的压力下将衬底压紧在抛光表面上，从而抛光半导体晶片。在该顶圈中，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后执行半导体晶片的真空夹持时，进行下述操作:
[0007]当开始向半导体晶片施加压力时，对加压腔进行加压，通过膜保持半导体晶片的夹板降低而带动抛光垫、半导体晶片与膜彼此紧密接触。接着，向膜施加所需压力，其后或者同时，将加压腔的压力调节成不大于膜压力，从而允许夹板浮动。在此状态下，半导体晶片被抛光。在此情况下，夹板首先下降而使抛光垫、半导体晶片和膜彼此紧密接触的原因在于，半导体晶片与膜之间的加压流体应防止泄露。如果在抛光垫、半导体晶片和膜不彼此紧密接触的状态下向膜施加压力，则半导体晶片与晶片之间产生间隙，并且加压流体穿过间隙泄露。
[0008]此外，如果加压腔的压力不小于抛光时的膜压力，夹板局部压迫半导体晶片，且在其局部区域中半导体晶片上的薄膜过度抛光。因此，将加压腔的压力调节成不大于膜压力，从而允许夹板浮动。接着，在抛光后，在半导体晶片真空夹持时，对加压腔加压，以降低夹板，且抛光垫、半导体晶片和膜开始彼此紧密接触。在此状态下，半导体晶片通过在膜上方广生真空而真空夹持至月旲。
[0009]如上所述，在具有夹板的浮动型顶圈中，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后半导体晶片真空夹持至膜时，必须通过加压腔压力与膜压力之间的平衡控制夹板的垂直位置。然而，在使用此浮动型顶圈时，因为压力平衡控制夹板位置，难以在高度小型化和多层器件的最新制造工艺所需的水平中精确控制夹板的垂直位置。此外，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后真空夹持半导体晶片时，由于腔的膨胀或收缩处理延长，具有大体积的加压腔需要充分长的时间，而且针对上述的适当平衡腔体积具有下限。往往认为这将阻碍抛光装置生产率的改进。此外，在浮动型顶圈中，随着卡圈磨损加剧，抛光表面与夹板下表面之间的距离缩短，且膜在垂直方向上的膨胀和收缩量局部变化，因而使得抛光轮廓变化。
[0010]因此，最近，作为替换，从精确水平的抛光表面已使用了具有改良的托架(顶圈本体)的垂直位置可控制性的顶圈作为膜支撑构件。顶圈的垂直移动通常由伺服马达和滚珠丝杠执行，因此可以将托架(顶圈本体)即刻定位在预定高度。这将缩短当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后真空夹持半导体晶片时相对于传统顶圈的操作时间，因此相对于浮动型顶圈，可以改善抛光装置的生产率。此外，在该顶圈、即膜型顶圈中，由于可精确控制托架从抛光表面的垂直位置，因此可不通过平衡诸如浮动型顶圈而是通过调节膜膨胀调整半导体晶片的边缘部分的抛光轮廓。此外，由于卡圈可独立于托架垂直移动，因此，即使卡圈磨损，托架从抛光表面的垂直位置也不会受到影响。因此，卡圈寿命可大大延长。
[0011]在此类型的顶圈中，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后真空夹持半导体晶片时，通常执行下述操作:
[0012]当开始向半导体晶片施加压力时，托架或在真空下通过膜保持半导体晶片的顶圈下降至抛光垫上。此时，顶圈移动至某一高度，在该高度下可在接下来的抛光处理中获得所需抛光轮廓。通常，在具有良好弹性的膜型顶圈中，由于半导体晶片的周边部分(边缘部分)易受抛光，因此期望由通过升高顶圈的高度而使膜膨胀导致的损耗来减小施加到半导体晶片的压力。具体地说，顶圈下降到某一高度，在该高度下半导体晶片与抛光垫之间的间隙通常约为1毫米。其后，半导体晶片压抵抛光表面且被抛光。在抛光后，半导体晶片真空夹持至顶圈，同时顶圈保持与抛光相同的高度。然而，由此进行的传统抛光方法最初具有以下问题。
[0013]当开始向半导体晶片施加压力时半导体晶片与抛光垫之间的间隙导致半导体晶片变形。此变形可达到大程度，与对应于半导体晶片与抛光垫之间的间隙的量成比例。因此，施加至半导体晶片的应力在此情况下增加，从而导致形成于半导体晶片上的精细互连断裂增加或半导体晶片本身损坏增加。另一方面，当半导体晶片在抛光后真空夹持时，如果半导体晶片通过从托架的下表面与膜的上表面之间存在间隙的状态下在膜上建立真空而附着至托架，那么半导体晶片的变形量将以与托架的下表面与膜的上表面之间的间隙对应的量变大。因此，施加至半导体晶片的应力增大且半导体晶片在膜型顶圈运行中在一些情况下损坏。然而，避免此缺陷的挑战迄今为止尚未成功。首先，不形成间隙是不成功的:当向半导体晶片施加压力或真空夹持半导体晶片时，如果顶圈下降至半导体晶片与抛光垫之间几乎不存在间隙的位置，或者半导体晶片开始与抛光垫局部接触，那么在最坏的情况下，半导体晶片上的薄膜过度抛光或者半导体晶片本身损坏。
[0014]其次，在日本专利公开N0.2005-123485中揭示的当半导体晶片从顶圈释放时用于减小施加至半导体晶片的应力的释放喷嘴可作为一个替代方案。释放喷嘴用作通过在半导体晶片的背面与膜之间喷射加压流体而辅助半导体晶片从顶圈释放的释放机构。在此情况下，半导体晶片被从卡圈的底表面向下外推，以从膜移除半导体晶片的周边部分，且接着在半导体晶片的周边部分与膜之间喷射加压流体。因此，当半导体晶片从顶圈释放时，必须通过加压膜使膜膨胀，如在日本专利公开N0.2005-123485中揭示的那样。在美国专利N0.7，044，832中也公开了释放喷嘴。如在此美国专利公开案中揭示的那样，当半导体晶片释放时，气囊膨胀(加压)，且接着在半导体晶片的边缘部分与气囊分离(参见第10栏第6至15行及图2A)的状态下射流被喷射。具体地说，在上述两件公开案中，膜膨胀而使半导体晶片的边缘部分与膜分离，且射流喷射在间隙中。然而，当这些公开案中的膜如建议的那样加压和膨胀时，向衬底施加局部变化的向下的力。相应地，应力倾向于根据膜膨胀局部施加至半导体晶片，且在使用这些具有喷嘴的传统顶圈时，在最坏的情况下，形成在半导体晶片上的精细互连断裂，或者半导体晶片本身损坏。需要获得精确平坦度和高产出的平面化工艺，由于该平面化工艺使得衬底缺陷减少。
【发明内容】
[0015]鉴于上述缺陷提出了本发明。因此，本发明的一个目的在于提供一种抛光方法和装置，其可获得高产出，减少诸如半导体晶片的衬底变形和施加至衬底的应力，以防止形成衬底缺陷或衬底损坏，进而抛光衬底，真空夹持衬底至顶圈，并以安全方式从顶圈释放衬底。
[0016]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种通过抛光装置抛光衬底的方法，该抛光装置包括具有抛光表面的抛光台、用于保持衬底并将衬底压抵抛光表面的顶圈以及用于沿垂直(竖直)方向移动顶圈的可垂直移动机构，所述方法包括:在衬底压抵抛光表面之前，将顶圈移动至第一高度；以及在衬底压抵抛光表面之后，将顶圈移动至第二高度。
[0017]根据本发明的第一方面，在诸如半导体晶片的衬底压抵抛光台的抛光表面之前，顶圈下降至第一高度，在该第一高度处，衬底与抛光表面之间的间隙小。当顶圈位于第一高度时，开始施加压力并使衬底与抛光表面接触并将衬底压抵抛光表面。因为衬底与抛光表面之间的间隙在开始施加压力时小，所以衬底变形的容许度可较小，并且因而可抑制衬底变形。其后，顶圈移动至所需的第二高度。
[0018]在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且第一高度等于处于0.1毫米至1.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
[0019]在衬底压抵抛光表面之前衬底附着至顶圈且由顶圈保持(下文称为“衬底真空夹持至顶圈”)的状态下，衬底与抛光表面之间的间隙变为膜高度。
[0020]在本发明的一个优选方面中，第一高度等于处于0.1毫米至0.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
[0021]在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且第二高度等于处于0.1毫米至2.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下顶圈本体与膜之间的间隙。
[0022]在衬底压抵抛光表面的状态中，膜高度，即膜与顶圈(托架)之间的间隙变为“第二高度”。为了使膜高度不大于1毫米，需要更精确的控制器，且使膜高度不大于1毫米意义不大，因为此高度处于平面化工艺中可能的误差范围中。此外，在使膜高度不小于2.7毫米的情况下，已发现不可能或不足以完成适当的全部平面化。因而，理想的是，膜高度处于0.1毫米至2.7毫米的范围内。
[0023]在本发明的一个优选方面中，第二高度等于处于0.1毫米至1.2毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下顶圈本体与膜之间的间隙。
[0024]在本发明的一个优选方面中，该方法进一步包括检测衬底压抵抛光表面。
[0025]在本发明的一个优选方面中，在检测到衬底压抵抛光表面之后，顶圈移动至第二高度。
[0026]在本发明的一个优选方面中，使用用于转动抛光台的电动机的电流值变化、设置在抛光台中的涡流传感器、设置在抛光台中的光学传感器以及用于转动顶圈的电动机的电流值变化中的至少一个检测衬底压抵抛光表面。
[0027]在本发明的一个优选方面中，用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构包括滚珠丝杠以及用于转动滚珠丝杠的电动机；且使用用于转动滚珠丝杠的电动机的电流值变化检测衬底压抵抛光表面。
[0028]在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持该膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且使用供应至压力腔的加压流体的压力变化或流速(流量)变化检测衬底压抵抛光表面。
[0029]根据本发明的第二个方面，提供一种通过抛光装置抛光衬底的方法，该抛光装置包括具有抛光表面的抛光台、用于保持衬底并将衬底压抵抛光表面的顶圈以及用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构，所述方法包括:在衬底压抵抛光表面之前，将顶圈移动至预定高度；在第一压力下将衬底压抵抛光表面，同时将顶圈维持在预定高度；以及在第一压力下将衬底压抵抛光表面之后，通过在比所述第一压力高的第二压力下将衬底压抵抛光表面而抛光衬底。
[0030]根据本发明的第二个方面，在衬底压抵抛光台的抛光表面之前，顶圈降低至预定高度。当顶圈定位于预定高度处时，开始在第一压力下施加压力，以使衬底与抛光表面接触，且衬底压抵抛光表面。具体地说，在开始施加压力时，在低压的第一压力下对衬底加压，从而使衬底与抛光表面接触，因而使得在衬底与抛光表面接触时衬底变形量较小。其后，衬底在比第一压力高的第二压力下压抵抛光表面，从而执行实质性抛光处理，以抛光衬底。实质性抛光处理称为超过二十秒的抛光处理，且可存在多个实质性抛光处理。在此实质性处理过程中，抛光液体或化学液体供应至抛光垫上，衬底压抵抛光表面且开始与抛光表面滑动接触，从而抛光衬底或清洁衬底。第一压力优选处于50hPa至200hPa的范围内，且更优选为约lOOhPa。第一压力应为最佳压力，其使膜向下加压，以使得衬底与抛光表面接触，同时顶圈维持在恒定高度。然而，加压速度在不大于50hPa的压力下变慢，且衬底在不小于200hPa的压力下超过必要地加压，且因而在衬底与抛光表面接触时变形。第二压力处于lOhPa至lOOOhPa的范围内，且更优选为30hPa至500hPa。此范围应结合表面条件(即光洁度)和衬底或晶片材料确定。
[0031]在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持所述膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且预定高度等于处于0.1毫米至2.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
[0032]在本发明