具有獨立限位環和多區域壓力控制結構的氣動隔膜式拋光頭及其使用方法

專利名稱：具有獨立限位環和多區域壓力控制結構的氣動隔膜式拋光頭及其使用方法
技術領域：
本發明總體上涉及半導體晶片的拋光和平面化系統、裝置和方法，特別是涉及采用了多重平面化壓力區域以便在整個半導體晶片上獲得高等級平面化均勻度的系統、裝置和方法。
背景技術：
隨著半導體基片或晶片上的技術特征尺寸減小、密度增大和晶片尺寸增加，對化學機械平面化(CMP)工藝的需求變得更加迫切了。從以低成本制造半導體制品的角度看，不同晶片之間的加工均勻性以及晶片內平面化均勻性構成了重要影響因素。隨著芯片或晶片的尺寸增大，小面積的瑕疵可能會導致相對較大的電路成為廢品，因此，在半導體工業中，即使是很小的瑕疵也會造成相對較大的經濟損失。
在現有技術中，已知有多種原因可以引起不均勻性問題。這些原因包括拋光平面化過程中施加到晶片上的晶片背側壓力、因拋光墊在晶片邊緣處和在中央區域出現的典型作用差異而引起的非均勻性邊緣效應、金屬和/或氧化層的不均勻沉積等，所述不均勻沉積最好能在晶片平面化過程中通過調節金屬去除輪廓而得到補償。迄今為止，為同時解決這些問題所做的努力尚沒有取得成功。
基于晶片背側拋光壓力的本質要求，通常采用硬支持拋光頭。在許多最新產生的機器中，一個嵌塊設在支架(或托架)表面與晶片或其他基片上的將要被拋光或平面化的表面之間，以試圖在硬支持拋光頭系統中提供一定的柔軟性。這種嵌塊通常稱作晶片嵌塊。這些嵌塊常會引起問題，因為它們經常引起加工過程偏差，從而導致不同基片之間出現偏差。這種偏差是非恒定的，并且通常是不可判斷的。造成這種偏差的一個因素是在使用過程中經過了一定的壽命后發生晶片被嵌塊吸附的量不同。通過將晶片在使用之前浸泡在水中，可以提高加工中的均勻度。這種做法可以導致使用前期與使用后期更加相近，但盡管如此，仍發現存在不可接受的加工過程偏差。通過將嵌塊如前所述在水中預調，并且在嵌塊的特性變化到超出可被接受的極限之前更換嵌塊，可以將所述過程偏差控制在有限范圍內。
在使用嵌塊時，還需要精確地控制用于連接嵌塊的托架的整個表面，因為該表面的任何不均勻度、瑕疵或是平面度或平行度偏差均會導致橫跨基片表面出現平面化偏差。作為示例，在傳統拋光頭中，首先要制作出鋁或陶瓷板，之后要對其進行研磨和拋光，再將其安裝到拋光頭上。這種制作方法增加了拋光頭和機器的成本，特別是在設有多個拋光頭時。
由于半導體基片表面上的結構尺寸(技術特征尺寸)變得越來越小，現在一般在大約0.2微米以下，因此與不均勻平面化相關的問題越來越多。這種問題有時稱作晶片內不均勻性(WIWNU)問題。
對于所謂的硬支持平面化加工頭，也就是利用硬質表面按壓在半導體晶片背側的加工頭，晶片的前表面可能不與拋光墊相符，從而會產生平面化不均勻性問題。這種硬支持加工頭通常要采用非常高的拋光壓力(例如在大約6psi至大約8psi范圍內的壓力)，而且這種相對較高的壓力能夠有效地使晶片變形，以符合拋光墊表面形狀。在這種晶片變形出現后，突出部分與凹入部分一起被拋光，以獲得一定程度的整體均勻性，但實際結果是平面化效果較差。也就是說，晶片上的某些區域中的磁道被去除了太多的材料，而某些區域則去除得太少。在材料量去除得過多的情況下，芯片就不能使用了。
另一方面，在使用帶有嵌塊的拋光頭時，晶片被按壓在拋光墊上，但由于嵌塊中的軟質材料不會導致晶片變形，因此可以采用較低的拋光壓力，并且因變形較小而獲得晶片前表面均勻性，從而可以同時獲得整體拋光均勻性和良好的平面化效果。由于晶片上的類似芯片結構特征被拋光到基本相同的程度，因此可以至少部分地獲得良好的平面化均勻度。
雖然有人曾嘗試利用軟支持CMP拋光頭，但均未取得令人滿意的結果。在一些軟支持拋光頭結構中，一層覆蓋在晶片的整個背側表面上的壓力空氣用于在拋光過程中將晶片按壓在拋光墊上。遺憾的是，雖然這種方法能夠提供出軟支持拋光頭，但卻不能夠獨立調節施加在晶片邊緣和更靠近中央區域上的壓力或力，以解決晶片邊緣不均勻性問題。
對于邊緣拋光效果的校正和補償，有人試圖通過調節布置在晶片周圍的限位環的形狀和/或修正限位環壓力，以調節晶片在限位環附近的材料去除量。通常，邊緣拋光效果或邊緣效應將導致過多的材料從晶片邊緣上去除，也就是說晶片邊緣被過度拋光。為了校正這種過度拋光，通常要將限位環壓力調節得比晶片背側壓力高一些，以使該區域中的拋光墊部分被限位環壓縮一定程度，從而使限位環區域內的晶片部分的材料去除量少幾毫米。然而，即是使這些嘗試也不能完全令人滿意，因為晶片外周邊緣上的平面化壓力只能根據限位環壓力而間接調節。通常，不能任意擴展限位環在距晶片邊緣有效距離內的作用。此外，不能獨立調節限位環壓力、邊緣壓力或晶片背側總體壓力以實現理想結果。
對于通過調節材料去除輪廓而調節加載晶片的非均勻沉積這一理想方式，幾乎沒有人作出過任何實現這種補償的嘗試。
因此，目前仍需要提供一種這樣的軟支持CMP拋光頭，其能夠獲得優異的平面化結果，并且能夠調節晶片材料去除輪廓，以補償諸如晶片等半導體基片上的結構層的不均勻沉積。

發明內容
本發明提供了一種拋光頭和一種拋光裝置、機器或工具(CMP工具)，用于對基片或其他工件的表面進行拋光或平面化。所述裝置包括可旋轉的拋光墊和晶片托架，所述晶片托架包含基片或晶片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及晶片按壓件，其包含第一按壓件和第二按壓件，所述第一按壓件抵靠著所述拋光墊向所述晶片的邊緣部分施加第一負載壓力，所述第二按壓件抵靠著所述拋光墊向所述晶片的中央部分施加第二負載壓力，其中所述第一和第二負載壓力是彼此不同的。盡管晶片托架和晶片按壓件可以分開使用，但在本發明的一個優選實施例中，拋光裝置還包括限位環，其環繞著所述晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述限位環上施加第三負載壓力。第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
在另一個方面，本發明提供了一種對圓盤形半導體晶片或其他基片平面化的方法。該方法包括以下步驟以第一壓力將圍繞著所述晶片的限位環推壓在拋光墊上；以第二壓力將所述晶片的第一外周邊緣部分推壓在所述拋光墊上；以及以第三壓力將所述晶片上的位于外周邊緣部分內側的第二內側部分推壓在所述拋光墊上。在另一個方面，所述第二壓力可以通過與所述外周邊緣部分接觸的機械件而施加；而所述第三壓力是施加在所述晶片背側的氣動壓力。理想的方式是，氣動壓力通過彈性膜片而施加，或者通過將氣體直接推壓在所述晶片背側表面的至少一部分上而施加。
在另一個方面，本發明還提供了一種用于CMP裝置的托架，其包括板，其具有外表面；第一壓力腔，其用于施加力，以將所述板沿預定方向推動；墊片，其連接著所述板的外周邊緣；膜片，其通過所述墊片而連接著所述板，并且與所述板之間相隔著所述墊片的厚度；以及第二壓力腔，其形成在所述膜片與所述板表面之間，以施加第二力，從而沿第三預定方向推壓所述膜片。
在另一個方面，本發明提供了一種用在基片拋光裝置中的支架，其包括殼體；限位環，其柔性連接著所述殼體；第一壓力腔，其用于施加第一力，以將所述限位環沿第一預定方向相對于所述殼體推動；托架板，其具有外表面，并且柔性連接著所述殼體；第二壓力腔，其用于施加第二力，以將所述限位環沿第二預定方向相對于所述殼體推動；所述限位環環繞著所述托架板的一部分，并且限定出一個圓形凹槽；墊片，其在所述限位環圓形凹槽中連接著所述托架板外表面的外周邊緣；膜片，其通過所述墊片連接著所述托架板，并且布置在所述圓形凹槽中，所述膜片與所述托架板外表面之間相隔著所述墊片的厚度；以及第三壓力腔，其形成在所述膜片與所述托架板外表面之間，用于施加第三力，以將所述限位環沿第三預定方向相對于所述殼體推動。
本發明還包括一種基片，例如半導體晶片，其由根據本發明的方法加工或制作出來。


圖1是一種代表性的多頭CMP拋光機或平面化機器的示意圖。
圖2(現有技術)是一種傳統CMP加工頭的示意圖。
圖3是包含帶有密封壓力腔的膜片的軟支持CMP拋光頭的實施例的示意圖，其中圖3A示出了使用帶壓力腔凹槽的膜片支持板的實施例；圖3B示出了使用圓環形角部件的實施例；圖3C示出了使用膜片的加厚外周邊緣部分以傳遞拋光力的實施例。
圖4是包含帶有孔眼的膜片的CMP拋光頭的實施例的示意圖。
圖5是包含帶有孔眼的膜片和帶槽支持板的CMP拋光頭的實施例的示意圖。
圖6是包含帶有孔眼的膜片和流經晶片表面的氣墊的CMP拋光頭的實施例的示意圖。
圖7是包含雙密封壓力腔的CMP拋光頭的實施例的示意圖，其中圖7A示出了使用帶有雙密封壓力腔的膜片的CMP拋光頭的實施例；圖7B示出了一個CMP拋光頭實施例中的限位環和托架，而未示出其他部分。
圖8是一個CMP拋光頭的實施例的示意圖，其具有膜片密封腔和一個用于向膜片和晶片的某個部分上添加不同壓力的圓管狀壓力環。
圖9是一個CMP拋光頭的實施例的示意圖，其具有膜片密封腔和多個用于向膜片和晶片的多個區域上添加不同壓力的圓管狀壓力環。
圖10是本發明的包含膜片和密封壓力腔的拋光頭優選實施例的示意圖。
圖11是用在圖10所示實施例中的限位環懸掛件的實施例的示意圖。
圖12是可以用在圖10所示實施例中的替代性力矩傳遞件的實施例的示意圖。
圖13是圖10所示CMP拋光頭的細節的示意圖，示出了托架組件在組裝好的拋光頭中的連接情況。
圖14是托架組件懸掛件的實施例的示意圖。
圖15是晶片背側膜片的實施例的示意圖。
圖16是本發明的拋光頭的一個替代性優選實施例的示意圖，該拋光頭中包含帶有孔眼的膜片和帶有錐形空腔的托架。
圖17是可以用在圖16所示實施例中的膜片支持板的實施例的示意圖。
圖18是圖17所示膜片支持板的示意性透視圖。
圖19是本發明的包含內腔和外腔的拋光頭的實施例的示意圖。
圖20是本發明的拋光頭的一個實施例的示意圖，該拋光頭類似于圖19所示實施例，但兩個膜片沒有相互疊加，而且外側膜片采用開口圓環的形式。
圖21是本發明的拋光頭的一個實施例的示意圖，該拋光頭類似于圖19所示實施例，但兩個膜片沒有相互疊加。
圖22是本發明的拋光頭的一個實施例的示意圖，該拋光頭類似于圖21所示實施例，但外腔包含或形成了可充氣的內管或囊。
圖23是本發明的拋光頭的一個實施例的示意圖，其中外腔包括一個外側環形腔。
圖24是本發明的拋光頭的一個實施例的示意圖，其中包含能夠同時且基本獨立地控制五個區域的結構和方法。
圖25是雙膜片拋光頭的實施例的示意圖，其中外側膜片采用開口圓環的形式，而且施加在內側緣形膜片上的壓力可以發生變化，以改變被施加力的基片中央區域的面積。
圖26是與圖25所示類似的雙膜片拋光頭的實施例的示意圖，其中外側膜片采用包圍著內側膜片的圓形膜片的形式。
圖27是包含封閉圓環形式的外側膜片的拋光頭的實施例的示意圖，其中施加在膜片上的壓力可以發生變化，以改變被施加力的基片中央區域的面積。
具體實施例方式
下面結合附圖中顯示的特定代表性實施例描述本發明的結構和方法。本發明的結構和方法能夠消除許多與傳統拋光頭結構中在晶片背側與晶片托架之間使用聚合物嵌塊相關的問題，以及與軟支持拋光頭中的晶片表面上的壓力分布相關的問題。不同的力或壓力將抵靠著拋光墊而向晶片前側表面施加不同的負載，從而導致不同的材料去除率。施加在限位環上的壓力也類似地改變與限位環相對的限位環接觸面的負載力，從而影響晶片邊緣的材料去除率。本發明的結構和方法將嵌塊替換為柔性膜片或薄膜，其毗鄰晶片背側表面安置。在一個實施例中，所述膜片形成了密封空腔，在第二個實施例中，所述膜片帶有開口或孔眼，以使壓力至少部分地直接施加在晶片背側表面上。使用這種背側軟表面壓力腔，或者與本發明的拋光頭中的其他元件協作而將壓力引向晶片背側表面，還能夠在低壓下實施拋光，從而實現更高的晶片內均勻度。封閉內腔實施例和開口實施例將在后文中詳細描述。
本發明的拋光頭還能夠相對于晶片中央附近的材料去除量而單獨控制晶片邊緣的材料去除量，從而可以控制邊緣均勻度。這種控制是通過在拋光頭中對三種基本上彼此獨立的壓力進行控制而實現的，這些壓力是(i)施加在晶片中央部分的晶片背側壓力，(ii)施加在晶片背側邊緣的托架壓力，(iii)在圍繞著晶片的環形區域中直接施加在拋光墊上的限位環壓力。
在后文中描述的結構中，限位環通過柔性材料而懸掛在殼體上，從而可以豎直移動，而極少有摩擦且不會受到約束。相鄰機械元件之間設有一定間隙，以使限位環能夠以這樣的方式懸浮在拋光墊表面上，即能夠適應于拋光或平面化操作中的較小角振動。托架同樣通過柔性材料而懸掛在殼體上，從而可以豎直移動，而極少有摩擦且不會受到約束。與限位環一樣，相鄰機械元件之間設有小的機械間隙，從而使得托架能夠以這樣的方式懸浮在拋光墊表面上，即能夠適應于拋光或平面化操作中的較小角振動。晶片只在晶片外周邊緣附近通過膜片連接件而接觸托架。晶片上的位于晶片外周邊緣內側的中央部分只在拋光或平面化過程中通過柔性膜片或薄膜以及空氣或其他氣動或液壓壓力緩沖腔而接觸托架。除了將限位環和托架懸掛在殼體上以外，殼體本身連接或懸掛在平面化機器的其他元件上。通常，這種連接或懸掛是通過氣動、機械或液壓運動裝置而實現的。例如，氣缸可以用于提供這種運動，這是本領域所公知的。這種連接使得拋光頭能夠整體上相對于拋光墊表面上下豎直移動，從而可以在拋光之前將晶片放置在托架上，并在拋光完成后從托架上取下。機器人通常用于實現這一目的。
在本發明的一個實施例中，拋光頭的抬升和降低機構中設有下側剛性物理擋塊，其能夠被調節以補償拋光墊磨損和限位環磨損。為了實現拋光墊磨損和/或限位環磨損的補償，不是借助于托架或限位環相對于殼體的一定范圍內的豎直移動或行程，而是調節拋光頭總體上相對于拋光墊的位置，這種方式是可取的，因為這樣可以將限位環和托架維持在其運動范圍的中心或附近，從而使得對拋光頭操作造成的可能且不希望出現的機械影響最小化，并且提高或穩定住加工過程的均勻性。這種機械影響可能包括，例如滑動表面以及相關摩擦力的增大或減小，殼體與限位環之間或殼體與托架之間的柔性連接特性發生變化，以及因諸如組裝或校準缺陷等造成的機械影響。根本上講，通過總是對拋光頭組件進行定位，以使拋光頭中的重要操作元件(例如限位環、托架、背側膜片)位于預定位置或附近，可以減少任何可能對加工過程造成影響的負面作用。
通過設置這種相對于拋光墊而控制拋光頭組件的措施，可以長時間使用各種厚度的拋光墊，而且使用初始較厚的拋光墊預期可以使拋光墊獲得較長的使用壽命。當然，在某些條件下，可能需要在預定數量的晶片被拋光之后或者根據拋光墊的當前特性而對這種較厚拋光墊實施拋光墊修復。
通常，幾毫米的調節足可以適應于拋光墊和限位環的磨損。例如，通常大約1mm至大約20mm范圍內的拋光頭位置調節能力就足夠了，典型情況下大約2mm至大約8mm范圍內的調節能力就足夠了。這些調節可以通過下列方式而實現借助于調節螺母或螺釘而調節，借助于變壓力氣動或液壓致動器而調節，通過齒輪齒條組件而調節，通過棘輪機構或本領域公知的其他機械調節方式而調節。或者，可以使用位置編碼器，以探測拋光頭的下方停止位置，從而在拋光頭到達該位置時利用夾具或其他裝置將其夾持住。雖然也可以采用某些電控裝置來維持探測到的停止位置，但實際上并不希望采用電控裝置，因為它們易于受到噪音和機械定位件振動的影響，這種機械定位件可能是為了對晶片或其他基片進行精確的平面化而設置的。
本發明的CMP拋光頭和平面化方法可以用在具有單一拋光頭的CMP機中，或者也可以用在具有多個拋光頭的CMP機中，例如與旋轉傳送帶組合使用。此外，本發明的拋光頭可以用在所有形式的CMP機中，包括使用軌道運行拋光元件、循環運動拋光元件、直線或往復運動拋光元件以及這些拋光運動的組合運動拋光元件的機器，也可以用在本領域公知的其他CMP和拋光機中。
圖1中示出了一種化學機械拋光或平面化(CMP)工具101，其包括一個旋轉傳送帶102，所述旋轉傳送帶攜帶著多個由拋光頭安裝組件104和基片(晶片)托架組件106組成的拋光頭組件103。這里使用的術語“拋光”既可以指對通常由半導體晶片或基片構成的基片113進行拋光，也可以指對沉積了電路元件的半導體晶片等基片實施基片平面化。半導體晶片通常是薄且具有一定脆性的圓盤，其名義直徑在100mm和300mm之間。目前工業界使用的是100mm、200mm和300mm的半導體晶片。本發明的設計結構可以應用在直徑最大值至少為300mm的半導體晶片和其他基片，以及更大直徑的基片，并且可以有益地將任何顯著的晶片表面拋光不均勻度限定在半導體晶片的徑向周邊的所謂禁用區中。通常，所述禁用區為大約1mm至大約5mm，更普通的是大約2mm至大約3mm。
底座105用于支承著包括橋架107在內的其他元件，所述橋架107以可升降的方式支承著傳送帶102和連接在其上的拋光頭組件103。安裝組件104安裝在傳送帶102上，每個拋光頭組件103均安裝在安裝組件104上以便旋轉，傳送帶被安裝得能夠繞著傳送帶中心軸線108旋轉，而且每個拋光頭組件103的旋轉軸線111分別基本上平行于傳送帶中心軸線108但與之相隔。CMP工具或機器101還包含電機驅動臺板109，其被安裝得能夠繞著臺板驅動軸線110旋轉。臺板109保持著拋光墊135，并且被臺板電機(未示出)驅動著旋轉。CMP工具101的這一特定實施例是多頭結構的，即每個傳送帶102帶有多個拋光頭103；然而，單頭式CMP工具也是公知的，而且本發明的CMP拋光頭和拋光方法既可以用在多頭拋光設備中，也可以用在單頭拋光設備中。
此外，在這種特定的CMP結構中，多個拋光頭103是由單一的拋光頭電機(未示出)驅動的，所述電機驅動一條傳動鏈(未示出)，所述傳動鏈反過來又通過鏈和鏈輪機構驅動各個拋光頭103；然而，本發明也可以應用在每個拋光頭103分別被單獨電機帶動旋轉和/或采用除鏈條和鏈輪機構之外的其他類型驅動機構的實施例中。本發明的CMP工具中還采用了旋轉接頭，其設有多個不同的氣體/流體通道，以將壓力流體如空氣、水、真空或類似物連通于頭部的外界固定供應源與頭部之上或之中的位置之間。在一個實施例中，旋轉接頭中設有五個不同的氣體/流體通道。在本發明的采用了帶腔托架的實施例中，要包含有附加的旋轉接頭進出口，以便向附加的腔供應所需的壓力流體。
在操作中，拋光臺板109與附加在其上的拋光墊135一起旋轉，傳送帶102旋轉，每個拋光頭103分別繞著它們的軸線旋轉。在本發明的CMP工具的一個實施例中，傳送帶102的旋轉軸線108相對于臺板軸線110偏置大約1英寸；然而，并非在所有情況下均需要采用這種偏置。在另一個實施例中，各個元件的旋轉速度是這樣選擇的，即晶片113的每個部分與基片上其他點一樣以相同的平均速度運行基本相同的距離，以使基片被均勻地拋光或均勻化。由于拋光墊通常是在一定程度上可壓縮的，因此在晶片初次接觸拋光墊時，拋光墊與晶片之間的相互作用速度和方式將在很大程度上影響晶片邊緣上的材料去除量，并且影響拋光了的晶片表面的均勻度。
為了體現本發明的CMP拋光頭和與使用拋光頭的各實施例相關的CMP方法的與眾不同之處，首先請參看具有圖2所示結構的簡化了的典型傳統拋光頭。
在圖2所示例子中，機械式螺旋彈簧用于表示在拋光頭的不同部位施加不同的力。事實上，雖然理論上也可以使用彈簧來實施本發明，但氣壓或液壓形式的流體壓力通常用于向預期區域提供更好的壓力均勻度。在本圖中使用彈簧主要是為了更清楚地描述，以避免使本發明被并非必需的傳統結構細節混淆。
圖2中的傳統CMP拋光頭152包含頂部殼體204和軸206，所述軸用于將殼體以及CMP拋光頭的其余部分連接到電機或本領域公知的其他旋轉動力源。殼體204通常包含環形殼體側部205，其包圍著拋光頭的其余部分，用來保護其余部分不接觸拋光液，保護內部元件受到不必要的暴露和磨損，并且用作其他內部元件如限位環214的機械導向件。從極為簡化了的意義上講，限位環214和托架212可以認為是懸掛在一個平坦水平殼體板上，所述殼體板具有連接著軸206的上表面208和用于懸掛限位環214和托架212的下表面210。
托架212通過軸216而連接著殼體204，所述軸216固定連接著托架的上表面218，并且向著俘獲在下表面210中的圓柱孔222中的球形裝配球體220延伸。裝配球體220可以在孔222中豎直移動或滑動，以確保它們與殼體204一起作相對豎直移動。優選將孔222的尺寸加工得略大一些，以使裝配球體220在移動時不受約束，并且可以獲得一定的運動調節量，從而在設有多個裝配球體和孔的組合結構時，允許托架相對于殼體204和拋光墊226作一定的角運動或傾斜。然而，裝配球體和孔之間的配合應當足夠緊密，以防止因過度運動或間隙而損害拋光頭的精度。裝配球體220在殼體204與托架212之間提供了力矩傳遞連接，以使來自軸206的旋轉運動能夠通過托架212傳遞到經受平面化的晶片230上。盡管在圖中未示出，以防止因過分復雜而使本發明含混不清，但也可以類似地利用限位環中的裝配球體而連接殼體。
一個或多個彈簧232布置在殼體下表面210與限位環214的上表面234之間，并且用于將限位環214與頂部殼體204分開。由于在拋光或平面化操作中殼體的運動受到限制，因此最終的結果是將限位環214向下推壓在拋光墊226的上表面上。在這個特定的實施例中，彈簧232的類型或彈簧232的數量可以調節，以提供理想的限位環力(FRR)或限位環壓力(PRR)。然而，如果是利用流體壓力將限位環推壓在拋光墊226上，則向下施加在限位環上的流體壓力應當能夠調節，以獲得使限位環214向下推壓在拋光墊226上的力。
在一種類似的方式中，一個或多個托架彈簧238布置在托架212的殼體下表面210和上表面218之間，并且用于將托架與殼體分離和將托架推向拋光墊。在拋光操作中，殼體208的運動受到限制，因此最終的結果是將托架212向下推壓在拋光墊226的上表面上。通常，一個單獨的氣缸用于使拋光頭152相對于拋光墊226移動和定位。這一運動可以用于例如在晶片或其他基片為了平面化而被加載后將拋光頭定位(降低)到接近于拋光墊的位置，并且在平面化結束后將拋光頭抬升而離開拋光墊226。有益的結構是，設有作為運動下限基準的機械擋塊，以確保獲得適度的可重復性，并且避免拋光頭或晶片受損。
在這種傳統實施例中，托架的下表面直接或者通過一個可選的聚合物嵌塊160而安裝半導體晶片230的背側表面244。
可以理解，圖2中所示的傳統CMP拋光頭可以提供出由限位環214施加到拋光墊226上的限位環壓力(PRR)，以及至少是理論上的位于晶片230的前表面與拋光墊表面之間的單一均勻托架壓力(PSC)。本領域的普通技術人員可以理解，晶片可能會因各種因素而在其整個表面上承受不均勻壓力，這些因素包括與旋轉的拋光頭和旋轉的拋光墊相關的動態特性、拋光墊局部壓力、拋光液分布以及其他許多因素。本領域的普通技術人員還可以理解，如本說明書中的解釋，均勻的平面化壓力可能不會產生均勻的平面化效果，而某些受控的平面化壓力變化卻是理想的。然而，這種控制不能通過圖2所示的CMP拋光頭或平面化方法而實現。
本發明提供了幾個CMP拋光頭實施例以及一種適用于本發明的拋光頭和其他拋光頭的創新拋光和平面化方法。每個實施例中所提供的結構均能夠以可控的方式改變半導體晶片上的至少兩個區域中的平面化壓力，并單獨調節限位環向下作用在拋光墊上的壓力。現已知限位環壓力的控制能夠影響晶片與位于晶片邊緣處的拋光墊之間的相互作用，從而影響晶片平面化邊緣特性。這種影響是間接起作用的，因為限位環的壓力只能擴展到晶片下方有限的距離處。
圖3中示出了本發明的拋光頭的三個有關實施例，它們每個分別具有一個薄膜和形成在托架與薄膜之間的密封壓力腔。圖3A中示出了帶有大致實心膜片支持板26的實施例，而圖3B中示出了不帶膜片支持板26的實施例，其中托架的力只在外周表面處通過角部圓環260而從托架板212傳遞到膜片250上。圖3C中的實施例類似于圖3B中的實施例，只是去掉了角部圓環260，代之以膜片250的加厚部分263，以傳遞托架力。應當指出，在一些實施例中，膜片可以由合成材料制成，而且/或者角部圓環260或其他結構可以與膜片的邊緣部分形成一體。
下面詳細描述圖3A中的獨創性CMP加工頭的實施例的結構。機械式螺旋彈簧232、238用于表示在拋光頭202的不同部位施加不同的力。事實上，雖然理論上也可以使用彈簧來實施本發明，但可以預見到，氣壓或液壓形式的流體壓力通常可以提供更好的平面化結果，因為這種壓力能夠均勻地分布在預期區域中；此外，由于壓力可以受到監視，因此不像機械式彈簧那樣需要定期更換或需要頻繁進行維護性調節。在圖示的實施例中使用彈簧主要是為了更清楚地描述，以避免看上去覺得傳統結構與本發明毫無關系。
圖3中的拋光頭202包含頂部殼體204和軸206，所述軸用于將殼體以及拋光頭的其余部分連接到電機或本領域公知的其他旋轉動力源。殼體204通常包含環形殼體側部或側緣205，其包圍著拋光頭的其余部分，用來保護其余部分不接觸拋光液，保護內部元件不會受到不必要的暴露和磨損，并且用作其他內部元件的機械導向件。限位環214和托架212總體上懸掛在一個構成殼體的水平板上，所述水平板具有連接著軸206的上表面208和用于懸掛限位環214和托架212的下表面210。
托架212通過軸216而連接著殼體204，所述軸216固定連接著托架212的上表面218，并且向著俘獲在頂部殼體204的下表面210中的圓柱孔222中的球形裝配球體220延伸。裝配球體220可以在孔222中豎直移動或滑動，以確保它們與殼體204一起作相對豎直移動(相對于拋光墊上下移動)。優選使孔222具有一定的容隙，以使裝配球體220在移動時不受約束，并且可以獲得一定的運動調節量，從而在設有多個裝配球體和孔的組合結構(例如3組)時，允許托架相對于殼體204和拋光墊226作一定的角運動或傾斜。裝配球體220在殼體204與托架212之間提供了力矩傳遞連接，以使來自軸206的旋轉運動能夠通過托架212傳遞到經受平面化的晶片230上。盡管在圖中未示出，以防止因過分復雜而使本發明含混不清，但實際上也可以利用與托架中相同的方式借助于限位環中的裝配球體而連接殼體。本領域公知的其他形式的力矩或旋轉運動連接結構和方法也可以采用。
一個或多個彈簧232布置在殼體下表面210與限位環214的上表面234之間，并且用于將限位環與頂部殼體分開，并將限位環推壓在拋光墊226上。由于在拋光或平面化操作中殼體的運動受到限制，因此最終的結果是將限位環214向下推壓在拋光墊226的上表面上。在這個特定的實施例中，彈簧232的類型和/或彈簧232的數量可以調節，以提供理想的限位環力(FRR)或限位環壓力(PRR)。然而，如果在優選實施例中使用的是流體壓力，則向下施加在限位環上的流體壓力(直接或間接施加)應當能夠調節，以獲得將限位環214向下推壓在拋光墊226上的力。
在一種類似的方式中，一個或多個托架彈簧238布置在托架212的殼體下表面210和上表面218之間，并且用于將托架與頂部殼體204分離。在拋光操作中，殼體208的運動受到限制，因此最終的結果是將托架212向下推壓在拋光墊226的上表面上。與在下表面240處直接按壓在拋光墊226上的限位環214不同，本發明的托架并不直接接觸拋光墊，而且在本發明的優選實施例中甚至不直接接觸晶片230的背側表面244。相反，在本發明的大部分實施例中接觸是通過一張膜片、薄膜或其他柔韌彈性材料實現的，而在其他實施例中是局部或完全通過一層壓力空氣或氣體而實現的。
在本發明的結構中，托架212主要用于提供出穩定的用以連接柔性膜片、薄膜或隔膜250的平臺。在一個實施例中(見圖3B和3C)，內腔251形成在托架218的下表面252與膜片250的內表面即上表面254之間。膜片250的相反側表面即外表面接觸晶片230的背側表面244。在另一個實施例中(見圖3A)，內腔251形成在膜片支持板261的下表面與膜片250的內表面254之間。用于提供力(FBS)或壓力(PBS)和真空的壓縮空氣或氣體供應源在拋光頭表面處直接或者通過旋轉接頭而連接著接頭配件267，并且通過管子、管體或其他導管而連接著內腔251。
在圖4所示的替代性實施例中，膜片只局部覆蓋或延伸通過晶片背側表面244，而且一個孔眼265或其他開口設在膜片250中。在這個替代性的實施例中，拋光頭本身的結構中沒有形成內腔，相反，只有在晶片230或其他基片加載(裝卡)在拋光頭上以便拋光時，才會在晶片背側表面244上建立起背側壓力(PBS)。
在圖6所示的另一個替代性實施例中，流到晶片背側表面的一定體積的空氣280或其他氣體可以通過孔眼而調節，以使空氣從膜片250與晶片背側表面之間泄漏出來，從而使晶片懸浮在空氣280形成的氣墊上。
現在返回圖3所示的實施例，本發明的結構允許膜片外表面256這樣按壓在晶片背側表面244上，即中央部分281相對于邊緣部分282具有不同的壓力(見圖3A)。在圖3B所示的實施例中，圓形或環形角部件260布置在晶片的外周邊緣262上或附近。盡管膜片250的一部分延伸覆蓋在角部件260上以便向晶片接觸區域提供初基本上連續的膜片，但角部件260應當由稍微堅硬的材料制成，以使之能夠將托架力(FSC)或托架壓力(PSC)的至少一些分力傳遞到晶片背側表面256上。作為示例，角部件260可以由不可壓縮或基本上不可壓縮的材料如金屬、硬質聚合材料或類似材料制成；或者由可壓縮或彈性材料如軟質塑料、橡膠、硅酮或類似材料制成。作為替代性結構，角部件260可以采用容納著空氣、氣體、流體、凝膠或其他材料的管狀囊體的形式，并且可以具有固定的體積和壓力，或者可以連接著用于改變空氣、氣體、流體、凝膠或其他材料的體積和/或壓力的機構，從而可以調節硬度、可壓縮性和類似性能，以適應于特定的平面化過程。角部件260的特性可以在很大程度上決定了會有多大的托架力(FSC)傳遞到晶片230的背側表面244上。設置這一角部件260的目的是相對于施加在晶片其余部位的拋光壓力而言單獨調節施加在晶片230的外周邊緣262上的拋光壓力，從而可以控制材料的去除和邊緣效應。
應當指出，即使角部件260采用的是基本上不可壓縮的材料，膜片250上的一些部分實際上也會呈現出一定的可壓縮性和彈性，這有助于使邊緣過渡現象最小化——這種現象可能會出現在角部件與晶片內側部分之間的邊界處。膜片250的厚度可以這樣選擇，即能夠提供出理想的堅固程度和彈性。不同的處理過程可以因不同的特性而受益。還應當指出，盡管圖3B中的實施例所示的角部件260具有矩形橫斷面，但所述橫斷面可以改為楔形或圓形的，以使表面輪廓和壓力平滑地過渡。
在圖3A所示的實施例中，膜片支持板261可以提供出位于晶片230外周邊緣283處的角部件功能特性，還能夠向通過真空力保持在拋光頭202上的晶片提供附加的支承作用。膜片支持板261可以限制晶片在被保持和裝卡時的鼓出彎曲量，并且防止形成在晶片前側表面245上的磁道或其他結構破裂。
流體壓力(例如氣壓)施加在膜片支持板261的下方(見圖3A)，或者施加在托架下表面264與膜片上表面254之間(見圖3B和3C)，從而通過膜片250向晶片背側表面244施加向下的力。在本發明的一個實施例中，施加在晶片背側的向下的力(FBS)是由流體壓力產生的，所述流體壓力經過孔、孔眼、管體、導管、管子或其他通道272，并且經過接頭配件267或旋轉接頭而通向外界壓力源。在圖3B所示的實施例中，背側壓力在環形角部件260的內側均勻地分布在晶片表面上，在圖3C所示的實施例中，背側壓力在加厚膜片部分263的內側均勻地分布在晶片表面上，而在圖3A所示帶有膜片支持板的實施例中，背側壓力在形成于膜片支持板261的下部凹槽279與膜片上表面254之間的內腔251中均勻地分布在晶片表面上。
可以理解，由于托架下表面252與膜片250上的環形部分285之間存在有效機械連接，因此晶片230要在其外周邊緣283附近受到托架壓力(PSC)所引起的壓力，所述環形部分285接觸并沿展跨過角部圓環件260或膜片支持板的外周邊緣部分。應當指出，膜片支持板261的下表面上形成了內凹的凹槽279，因此膜片支持板261不會傳遞來自托架的機械力。因背側壓力(PBS)而引起的壓力施加在晶片23中心并且向著邊緣擴散。在鄰近于角部件260的內徑或膜片支持板261的環形凹槽的邊緣的區域中，這兩種壓力(PSC和PBS)之間通常會出現一定的過渡。
一般而言，晶片外周邊緣的拋光壓力可以調節到高于、低于或等于晶片背側中央的拋光壓力。此外，限位環壓力(PRR)也可以大體上高于、低于或等于晶片中央拋光壓力或外周邊緣拋光壓力。在本發明的一個特定實施例中，限位環壓力通常位于大約5至大約6psi的范圍內，更通常為大約5.5psi，托架壓力通常位于大約3至大約4psi的范圍內，更通常為大約3.5psi，晶片背側壓力通常位于大約4.5至大約5.5psi的范圍內，更通常為大約5psi。然而，這些壓力范圍只是示例性的，任何所述壓力均可在大約2至大約8psi的范圍內調節，以實現理想的拋光或平面化效果。在本發明的一些實施例中，機械元件的物理重量，例如限位環的重量和托架組件的重量，可以貢獻一定的有效壓力。
本發明的一個替代性實施例顯示于圖3C中。在這個替代性實施例中，角部件260被取消，并且代之以膜片250的加厚部分，所述加厚部分可以用作角部圓環或角部件。膜片的材料特性以及所述加厚部分的厚度(t)和寬度(w)將在很大程度上決定托架力散布到晶片背側表面上的比例。同樣，雖然在圖3C所示的實施例中膜片加厚部分的橫斷面為矩形，但加厚部分也可以采用許多其他有益的橫斷面形狀或輪廓，以提供出理想的托架力量值和分布。通過適宜地選擇形狀，力可以從外周邊緣開始以徑向距離的函數方式非均勻地分布，以實現理想的材料去除效果。在考慮到成本和其他因素的情況下，甚至可以改變從中心開始以徑向距離的函數方式出現的材料性能(特別是在加厚壁部263的區域中)，以實現加厚壁部傳遞的不同的力傳遞性能。
在圖3所示的實施例中，(以及下面描述的其他各個實施例中)，晶片230上的被直接或基本上直接施加了力的區域可以在相當寬的范圍內調節。作為示例，膜片支持板材料和/或膜片支持板凹槽279(圖3A)、角部件(圖3B)或膜片加厚部分距外周邊緣262的距離通常為大約1mm至大約30mm，更通常為大約2mm至大約15mm，最典型的是大約2mm至大約10mm。然而，一般而言，凹槽、角部件或膜片加厚部分的寬度或延展范圍應當取決于預期的加工結果，而不能絕對局限于特定的物理距離。這些尺寸最好是在試驗過程中根據經驗以及所建立的晶片加工參數而確定。在一種用于加工200mm晶片的CMP機器實施例中，凹槽的直徑為大約198mm，而在另一個實施例中，凹槽的直徑為大約180mm。總體而言，所需的尺寸取決于特定的機器和/或加工程序，即在機器的研制和設計過程以及CMP程序的調試過程中根據經驗而確定。
最后，應當指出，盡管圖示的實施例中以彈簧作為力產生元件或用于產生限位環力(FRR)和托架力(FSC)的裝置，但應當理解，通常會出于很多原因而不使用彈簧。例如，為大量的彈簧提供匹配的彈簧特性在實際應用中可能會有問題，特別是在原始產品在使用了幾個月或幾年后需要更換彈簧時。此外，彈簧結構需要物理連接著殼體、限位環和托架，因此這些元件的運動獨立性可能會受到損害。相反，通常要設置空氣或流體密封腔或者是氣缸或液壓缸，以產生用于驅動限位環、托架和膜片的氣動或液壓推力或壓力。壓力腔的使用方式以及減少了的零件之間的物理連接請參看后文中對圖10和圖16以及其他相關圖中所示的實施例進行的描述。
下面描述其他一些替代性實施例，它們提供了單獨的限位環力、晶片邊緣拋光力和晶片中央拋光力。由于圖4至圖9中所示本發明實施例的總體結構類似于圖3中的實施例，因此下面只描述它們的不同之處。
在圖4所示的實施例中，膜片250包含至少一個開口或孔眼265，而且拋光頭本身的結構中沒有形成封閉腔。相反，只有在晶片被裝卡(安裝)在拋光頭上，并且氣壓通過孔眼265引入晶片背側后，才能建立晶片背側壓力，以將晶片推壓在拋光墊上。盡管圖中示出了帶有膜片支持板261的實施例，但可以理解，本實施例也可以采用前面參照圖3B和3C所描述過的角部件260或加厚邊緣部分263。在使用膜片支持板的情況下，膜片支持板的可選且有益的結構是包含一個積蓄槽291，其用于收集在施加真空以安裝和保持晶片時被吸入或抽入管線272中的拋光液或碎屑。所述積蓄槽291可以防止管線因聚集雜物而被堵塞。此外，有益的結構是為積蓄槽設置向下傾斜延伸的側面292，或者作為一種選擇，可以利用一個比儲蓄槽291的最大直徑小的開口通向儲蓄槽293。這種特征可以在維持最大的晶片背側支持力的情況下實現相對較大的積蓄容量，并且便于將液體或拋光液從管線中排出。
在圖5所示的實施例中，膜片支持板261的面向外側的表面上帶有槽294，這些槽被機加工或以其他方法形成在所述表面上，以將真空引向不同部位，并且有助于測試或探測晶片的定位是否正確。保留在所述槽之間的隆起部分295用于支承晶片，以防止其過度彎曲。在設有孔眼的結構中，由于借助于真空安裝和保持著的晶片可能會受損，因此帶有這種隆起部分是較為理想的。在一個實施例中，設有徑向和圓周方向的槽294的組合結構。可以選擇性地設置一個晶片存在探測孔296，以判斷晶片是否正確安裝在拋光頭上。如果真空壓力能夠建立在晶片背側，則說明晶片被正確安裝；然而，如果不能建立真空，則說明沒有晶片或晶片未被正確安裝。這種帶槽的膜片支持板的細節將通過圖16所示的實施例進一步描述，該實施例中的一種特定的膜片支持板詳細顯示于圖17和圖18中。
圖6中的實施例中也使用了具有至少一個開口或孔眼265的膜片250，而且為了控制壓力以理想地將材料從晶片前側表面上去除，一股流動的空氣或其他氣體被調節，以便在晶片背側表面244與膜片外表面256之間維持一層空氣(氣體)。在這個實施例中，晶片支承在一層空氣上。盡管在圖中只示出了單一的孔眼265，但也可以使用一組或多個這樣的孔眼。多余的空氣280在晶片邊緣處從晶片與膜片之間流出。也可以在限位環界面上設置附加的導管，以收集并回收空氣。圖中的箭頭表示的是空氣在晶片背側表面上流動和從晶片外周邊緣向外流出。
圖7所示的實施例是圖3所示實施例的一種改型，其設有多個用于向晶片背側表面244施加壓力的壓力腔(圖中示出了兩個壓力腔，用于施加力FBS1、FBS2以及相應的壓力)。圖7A所示的實施例中對圖3A所示實施例作了改動，即在第一膜片250-1內部設有組合的類似第二支持板261-2與第二膜片250-2。這兩個結構疊加在中部，從而可以在控制晶片邊緣和限位環壓力的同時單獨控制施加在晶片中部的壓力。盡管中央內腔251-2和膜片250-2所在部位如圖中所示具有支持板261-2，其類似于為較大外側膜片250-1而設置的支持板261-1，但這一部位也可以采用不同的支持板結構，或者不設支持板。例如，可以采用形成了一個內腔的簡單膜片。應當理解，一個或兩個所述膜片可以非常薄，以使膜片250-1、250-2的厚度和距晶片背側表面244的距離相當小，這一點在圖7A中為了清楚地顯示結構而有所夸大。在一個實施例中，這兩個膜片的組合厚度只有大約0.5mm至大約2mm，當然更厚或更薄的組合結構也可以采用。在另外的實施例中，覆蓋著不同壓力腔的膜片相互抵靠而非疊加著，分隔壁或間壁用于將通常為圓環形的多重內腔彼此分隔。在一些具有所述多重內腔的實施例中，相鄰環形壓力腔或區之間的分隔壁非常薄，因而分離壁不易在壓力區邊界處造成壓力不連續分布。在另外的實施例中，用于將壓力區分隔開的間壁可以具有加厚部分。
圖7B中示出了圖7A所示結構的一種改型，圖中只示出了限位環214和托架212的部分，而沒有示出拋光頭的其他部分。應當指出，在這個實施例中，外側或邊緣過渡腔251-1中容納著第一壓力，內部或背側壓力腔251-2中容納著第二壓力。限位環214中容納著第三壓力(未示出)。如前面對其他實施例所作描述，邊緣過渡腔251-1和背側壓力腔251-2中的一個或兩個可以帶有開口或孔眼。在邊緣過渡腔251-1帶有開口的情況下，該開口可以適當地設置為毗鄰背側壓力腔251-2內側的圓環孔(未示出)；可以理解，在這個特別的實施例中，內側和外側膜片250-1和250-2不需要彼此重疊，因而內側膜片可以具有圓形形狀，外側膜片可以具有環繞著內側膜片的環形形狀。
圖8中示出了多重中心壓力或壓差控制思想的另一種改型，其中大致圓形橫斷面的管狀壓力環或囊255布置在膜片支持板261或托架212的不同部位之間，并且通常是安置在位于托架中的槽257中。所述管狀壓力環或囊255用于向特定的希望額外去除材料的區域中供應附加的壓力。通道259用于將壓力空氣(FBS2)或其他流體從外界壓力源引入管囊257中。在被加壓后，管囊將按壓在膜片內表面254上，以局部增加平面化壓力(PBS1)，這種壓力在其他情況下只由內腔251提供。
圖9中的實施例進一步擴展了這種思想，其中設有多個鄰接或基本上鄰接的管狀壓力環或囊255，從而可以以高于或低于周圍區域的壓力對某個區域進行拋光或平面化。雖然圖中示出了大致圓形橫斷面的管狀壓力環或囊，但可以理解，在圖8和圖9所示的實施例中，管的形狀可以方便地選擇，以使理想分布的壓力或力施加在膜片上，并因此而施加到晶片230上。壓力氣體或流體(FBS1、FBS2、FBS3、FBS4、FBS5)可以調節，以便在晶片表面上獲得理想的拋光壓力分布。在一個實施例中，管具有大致圓形橫斷面，而在另一個優選實施例中，管具有大致矩形橫斷面，而且大致平坦的管表面按壓在膜片上。在圖9所示的實施例中，環形管可以在其內外徑之間具有不同的徑向延展尺寸或寬度。
雖然前面分別描述了一些實施例，但本領域的普通技術人員可以理解，根據本說明書的指導，在不脫離本發明的范圍的前提下，一個實施例中的元件和特征可以與另一個實施例中的元件和特征相互組合。
這些實施例揭示了本發明的CMP拋光頭的一些重要特征，這些特征不能被特定的實施細節所遮掩住。一旦理解了這些實施例的操作結構，則圖10和圖16中所示實施例的結構、平面化方法和優點可以被更容易地讀懂和理解。
現在請回想圖2中所示的傳統設計，類似的拋光頭結構中采用了內置于托架下表面264與晶片背側表面244之間的傳統聚合物嵌塊160。在這種結構中，施加在晶片230的背側表面244上的壓力是均勻的(至少預期是均勻的)。沒有任何結構或機構用于將施加在晶片邊緣處或附近的壓力相對于施加在晶片中央部分的壓力或抵抗著拋光墊226的上表面施加在限位環214上的壓力作出改變。
在參照圖3至圖9描述了本發明的結構的幾個替代性實施例，并且將這些結構以及它們所提供的平面化方法與諸如圖2中所示的傳統結構進行了比較后，請將注意力轉到下面對本發明的兩個優選實施例所作的更為詳細的描述，其中一個實施例中采用了膜片和密封壓力腔(圖10)，第二個實施例中采用了帶有開口的膜片(圖16)，雖然它們分別類似于圖3和圖5中所示的實施例，但能夠提供出相對于這些實施例而言的附加特征和優點。在本說明書的指導下，本領域的普通技術人員可以理解，前面參照圖5至圖9所描述的替代性實施例也可以用于將圖10和圖16中所示的實施例改造成替代性結構。
通過在晶片外側邊緣處設置相對堅硬的橡膠環并且施加托架壓力，可以相對于晶片邊緣內側例如基片中央的材料去除量而控制晶片邊緣的材料去除量。
托架壓力將橡膠環推壓在晶片背側，以形成受壓的牢固密封。通過橡膠環將晶片在邊緣處向下按壓，還可以相對于晶片內部或中央材料去除率而控制晶片邊緣材料去除率，從而控制并限制邊緣的非均勻度。
應當指出，在一些利用膜片提供晶片背側壓力的拋光頭結構中，現有的傳統CMP拋光頭結構中均沒有包含能夠相對于內部區域而在邊緣施加不同壓力的結構。在本發明的結構中，相對于背側壓力而言的更高托架壓力可以增加相對于晶片中央而言的邊緣材料去除量，相對于背側壓力而言的更低的托架壓力可以減少相對于晶片中央而言的邊緣材料去除量。通過調節這兩種不同區域的壓力，可以實現均勻或基本上均勻的材料去除量；或者是在先前的加工中產生了一定的不均勻性的情況下，實現邊緣相對于中央的理想分布的去除量，以補償先前產生的不均勻性。
在本發明的這些實施例中，限制托架主要是為了提供一個穩定的元件，以使之能夠將托架壓力腔中的壓力均勻地引到橡膠環上，并因此而引到毗鄰晶片邊緣的區域中。(請回想一下，本發明的各個實施例用于調節邊緣壓力，而絕對均勻的壓力反倒是不理想或不被提供的。)除了在通過橡膠環而向晶片上施加向下的壓力的情況下要求托架外周邊緣具有中等平面度以外，在其他情況下托架表面的平面度和光潔度并不重要。因此，托架可以是精度較低的低成本零件。
這些結構提供了一種拋光(或平面化)裝置、機器或工具(CMP工具)，用于拋光基片或諸如半導體晶片等其他工件的表面。所述裝置包含可旋轉拋光墊；晶片托架，其本身又包含一個晶片或基片容納部分，用于接收基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及晶片按壓件，其包含第一按壓件和的而按壓件，其中第一按壓件在晶片邊緣部分施加推壓在拋光墊上的第一負載壓力，第二按壓件在晶片中央部分施加推壓在拋光墊上的第二負載壓力，第一和第二負載壓力是彼此不同的。盡管所述晶片托架和晶片按壓件可以分開使用，但在本發明的一個優選實施例中，拋光裝置還包含限位環，其包圍著晶片托架；以及限位環按壓件，其向限位環上施加推壓在拋光墊上的第三負載壓力。第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
圖10中所示的拋光頭302包含殼體304，其具有上殼板308、下殼側緣310和內殼板312。上殼板308借助于螺釘或其他緊固件312、314并通過聯軸套環316而連接著軸306。雖然圖中示出的是簡單的軸306，但可以理解，軸306通常具有傳統結構并包含例如用于將軸可旋轉地支承在拋光機其余部分上的軸承(未示出)、用于將氣體和/或流體從設在拋光頭外側的氣體或流體固定供應源引入拋光頭中的一個或多個旋轉接頭305。可以用在本發明的拋光頭結構中的這種類型的軸和旋轉接頭的一個實例顯示于Volodarsky等人轉讓給三菱材料株式會社(Mitsubishi MaterialCorporation)的名稱為“Rotary Union for Coupling Fluids in a WaferPolishing Apparatus”的美國專利No.5,443,416中。
在上述描述的實施例中，上殼板308提供了穩定的機械平臺，用以懸掛或安裝限位環組件320和托架組件350。下殼側緣310為限位環組件320的外周部分提供了保護，以防止拋光液進入拋光頭內，并且控制或約束限位環組件320的水平運動，還能夠可操作地將限位環組件柔性安裝環323的徑向外緣部分324夾持在上殼板308上。
內殼板312連接在上殼板308的下表面上，并且能夠可操作地將限位環組件柔性安裝環323的徑向內緣部分326夾持在上殼板308上。內殼板312也能夠可操作地將托架組件柔性安裝環327的徑向內緣部分328夾持在內殼板312上，并且由于內殼板與上殼板308實際上是接觸的，因此徑向內緣部分328也被夾持在上殼板308上。
前面在圖3和圖4所示的實施例中描述了分別為大致圓筒形和環形的單件式托架和限位環，而本實施例中提供了更為復雜的組件，其由多個元件構成，以實現這些功能。因此，下面描述的是限位環組件而非限位環，描述的是托架組件而非托架。前面已經描述過的結構和操作原理也適用于下面的這些附加實施例，而且可以理解，前面根據圖3至圖9所描述的發明特征可以在參照圖10和圖16所描述的特定結構細節中得到增強和發揮。
限位環組件320包括一個限位環321，其在限位環下部表面322處接觸拋光墊226，并且沿著徑向內緣335形成了晶片容槽335，以約束晶片230在拋光墊226的水平平面中的運動。限位環組件320還包括大致圓環形的懸掛板336，其具有下表面337和上表面338。下表面337連接在限位環壓力321的上表面(與磨耗表面322相反的表面)上，而且懸掛板336從所述下表面向上延伸到上表面338，以使所述上表面與夾持器340的下表面339協作，從而借助于大致圓環形的限位環懸掛連接元件325而將限位環懸掛板336可移動地連接在上殼板308上。
在本發明的一個實施例中，限位環壓力可以用于補償限位環的磨損。在非矩形橫斷面的限位環磨損后，與拋光墊接觸的表面面積將隨著時間推移和磨損而發生變化。其結果是，為加工過程建立的壓力(例如5psi)將不能達到預期的效果，并且應當得到補償以適應于增大了的表面。非矩形橫斷面的限位環形狀，例如設有楔形外緣的限位環形狀，是優選采用的，因為它能夠改進拋光液在晶片和位于晶片下面的拋光墊上的分布。設置了這種帶角度的結構，就能夠容易地供給拋光液。因此，限位環壓力可以相對于晶片邊緣的托架壓力和晶片中央區域中的背側壓力而單獨控制。理想的結構是，限位環磨損壓力補償是自動實現的，并且根據例如晶片的加工數量、操作小時數、手工測量結果或用于探測限位環實際磨損量的傳感器的探測結果而被計算機控制。
在一個實施例中，限位環懸掛連接元件325由柔性橡膠狀材料(EPDM材料)模制形成，以使之包含位于夾持器340兩側的兩個環形通道341、342。所述兩個通道在橫斷面上呈現為彎曲的環路形狀(見圖12)，并且使得限位環組件能夠相對于與之面對著的殼體304和托架組件350作相對無摩擦豎直運動。此外，這種類型的懸掛元件325將限位環組件320的運動與托架組件350的運動隔離開，以使這些運動是相互獨立或基本上相互獨立的，除了可能會在它們的滑動表面上產生可以忽略不計的摩擦以外。
限位環組件320相對于殼體304的懸掛是至少部分地這樣實現的，即徑向外緣部分324通過螺釘344或其他緊固件而被夾持在上殼板308的一部分與下殼側緣310之間。通過類似的方式，徑向內緣部分326通過螺釘345或其他緊固件而被夾持在上殼板308的另一部分與下殼側緣310之間。懸掛元件325的中間部分通過螺釘346或其他緊固件而被夾持在限位環懸掛板336的上表面與夾持器339之間。理想的結構是，殼體304、限位環懸掛板336和夾持器339的邊緣和角部被加工出圓角，以接近于限位環懸掛元件325在接觸點的自然曲率，從而降低懸掛元件的應力，并且防止懸掛元件磨損以延長其壽命。通道或環路314、342被這樣構造尺寸，即能夠使限位環組件320在一定范圍內豎直移動(相對于拋光墊上下移動)。
限位環組件320的移動優選限定在一定的運動范圍內，只要該移動對于晶片加載、晶片卸載和拋光操作而言足夠即可。雖然，現有各式各樣的機械式干涉機構可以采用，用以限制運動范圍，但在圖10所示的實施例中，在限位環懸掛板336中設有缺口348，用于接觸從內殼板312延伸出來的匹配凸塊349，以防止限位環的運動超出預定極限。這種超范圍保護措施可以有益地保護內部元件，特別是限位環懸掛連接元件325，以防止它們受到破壞或過早磨損。作為示例，如果限位環組件的全部重量均由限位環懸掛連接元件325支承著，則限位環懸掛連接元件325容易受損，或者至少會過早磨損。
限位環懸掛連接元件325的一個實施例顯示于圖11中，圖中示出了該元件的局部剖切透視圖，顯示了該元件的中間部分343、內外環路或通道部分342、331以及徑向內外緣部分326、324。
托架組件350包含托架支承板351、借助于螺釘353或其他緊固件而連接在支承板351上的膜片支持板352、膜片250以及在一個實施例中大致形成在膜片支持板352的下表面即外表面355與膜片350的內表面356之間的背側壓力腔354。本發明提供的背側壓力腔354的其他實施例將在后文中描述。
托架組件350最好還包含一個采用止動螺釘或止動螺栓358形式的機械檔塊358，其連接著支承板351，并且通過內殼板312中的孔359而與內殼板312的止動表面359發生干涉作用，以便在拋光頭從拋光墊226上抬升時防止托架組件過分伸出。止動螺栓358是這樣選擇的，即能夠在拋光頭加載、卸載和拋光時使得托架在適宜范圍內移動，但該移動范圍不能大到導致拋光頭的內部元件因托架組件過分伸出而受損的程度。作為示例，與限位環組件一樣，如果托架組件350的整個重量均被托架組件懸掛元件360支承，則托架組件懸掛元件360容易受損，或者至少會過早磨損。
如前面參照圖3和圖4所作描述，裝配球體或等效機械結構如鍵、花鍵、墊片、薄膜或類似物可以用于將殼體208連接到托架350和限位環組件320上，以實現旋轉運動。
在一個替代性實施例中，金屬薄片329(例如薄不銹鋼片材)用于將力矩傳遞到限位環組件和托架組件，如圖12所示。這種結構使得殼體和相連的限位環組件或托架組件之間能夠相對豎直運動，并且同時在這些相連部件之間傳遞旋轉運動和力矩。這種金屬連接件339具有這樣的結構，即只能沿一個旋轉方向傳遞力矩，由于拋光頭只沿一個方向旋轉，因此這一點不會造成問題。其他薄膜式連接件也可以用于將殼體連接到限位環組件和/或托架組件。這里描述的本發明的創造性特征并不局限于任何特定的限位環或托架懸掛系統。
殼體、限位環組件和托架組件的機械結構被設計得用于減小CMP拋光頭的占地面積。作為示例，限位環懸掛板的一部分覆蓋在托架支承板的一部分上。這些以及其他方面的機械結構最好能夠減小CMP加工頭的尺寸，并且可以普遍地構造出較小的CMP機器。
托架組件懸掛元件360的徑向外側部分361通過第一夾持器367連接著托架支承板351的上表面366。作為示例，夾持器367可以包含圓環形的環368，其覆蓋在徑向外側部分361上，并且借助于穿過懸掛元件360中的孔364的螺釘369而緊固在托架支承板351上。托架組件懸掛元件360的徑向內側部分362通過第二夾持器371連接在下表面370上。作為示例，第二夾持器371可以包含圓環形的環371，其覆蓋在徑向內側部分362上，并且借助于穿過懸掛元件360中的孔364的螺釘372而緊固在托架支承板351上。
圖13中示出了CMP拋光頭的多個技術特征中的一個細節部分，展示了托架組件懸掛元件360的代表性結構。這一元件也顯示于圖14中的局部剖切透視圖中。具體地講，圖中所示的元件360具有一個采用圓環形環路或通道部分形式的中間部分363以及徑向內外緣部分361、362。采用彎曲環路橫斷面形式的圓環通道363使得托架組件能夠相對于相對殼體304和限位環組件320作相對無摩擦豎直運動。此外，這種類型的懸掛元件360將限位環組件320的運動與托架組件350的運動隔離開，以使這些運動是相互獨立或基本上相互獨立的，除了可能會在它們的滑動表面上產生可以忽略不計的摩擦以外。懸掛元件360也可以由EPDM制成，這種材料也被稱作ERR，其為通用型橡膠材料，并且具有優異的耐化學腐蝕性和動力學性能。EPDM的一種改型材料具有800psi的抗拉強度和55至65之間的額定硬度計硬度。
膜片支持板352的上表面380通過螺釘353或其他緊固件連接在托架支承板351的下表面381上。在一個實施例中，支持板的下表面即外表面382(面對著膜片350的表面)包含一個凹槽或凹腔383，從而在膜片350連接在膜片支承板352上時，使得膜片在毗鄰支持板邊緣的徑向外周部分處直接接觸支持板。在圖10的實施例中，位于膜片350與膜片支持板之間的凹槽或凹腔383確定出一個內腔，其內可以引入流體或空氣壓力(正壓力或者負壓力或真空)，以使拋光頭實現理想的操作。
在圖16所示的替代性實施例中，膜片包含至少一個孔或孔眼265，因此沒有形成封閉空間或內腔，而是使壓力直接施加在晶片背側。這一在后的實施例中的膜片350用于限制拋光液在拋光頭中的粘染，并且有助于將晶片密封或局部密封在拋光頭上。
現在請回想對圖3和圖4中的簡化實施例所作描述，具有預定材料性能的角部件260、帶有凹槽279的膜片支持板261或膜片本身的加厚部分用于使力從托架外周邊緣附近理想地傳遞出來。膜片支持板351自己或者與膜片250協作也能夠達到類似的效果，所述膜片250被有益地在膜片支持板252上拉伸(在一定程度上類似于鼓蒙皮在圓柱形鼓筒上的繃緊方式)，并且通過膜片支持板250而被連接，其中托架支承板的下表面用作夾持元件。
在一個實施例中，膜片250由EPDM或其他橡膠狀材料模制出來；然而，其他材料也可以使用。例如，硅橡膠也可以使用，但它可能會在某些條件下偶爾粘著在硅晶片上。膜片材料通常的硬度計硬度應當為大約20至大約80之間，更通常為大約30至大約50，最普通的是大約35至大約45，而在很多情況下當硬度計硬度為40時效果最好。硬度計硬度是測量聚合材料硬度的尺度。較低的硬度計硬度值所代表的材料比較高的硬度計硬度所代表的材料軟。材料應當具有彈性和良好的耐化學腐蝕性，還應當具有其他適合于CMP平面化操作環境的物理和化學性能。
在一個實施例中，膜片250、350被制作得在直徑上比預期的安裝尺寸小大約0％至大約5％，更普通的是在直徑上小大約2％和大約3％，然后在安裝過程中拉伸到完整尺寸(100％)，這一方式對于低硬度材料而言更是有效。這樣，膜片的制造尺寸小于其安裝直徑，并且在安裝時被拉伸并繃緊。
圖15中示出了圓形膜片250的一個實施例。膜片250的制造額定厚度為大約0.2mm至大約2mm，更普通的是大約0.5mm至大約1.5mm，而在一個特定實施例中為大約1mm。這些尺寸指的是膜片上的具有恒定厚度的中央部分，不包括前面某些實施例中的位于邊緣處或邊緣附近的加厚部分。根據特定的應用，膜片或者覆蓋在角部環上，或者覆蓋在膜片支持板261的外緣上。
膜片實際接觸晶片背側的量可以根據邊緣禁用區要求、加載晶片的均勻度、在沒有邊緣壓差的情況下進行CMP操作的拋光非均勻度以及其他各種因素而變化。在典型條件下，膜片與晶片背側接觸的量可以在大約0.5mm與大約20mm之間變化，更為典型的是在大約1mm與大約10mm之間，最通常為大約1mm與大約5mm之間。然而，提出這些范圍僅是為了校正加工非均勻度，而本發明的結構和方法并不局限在這些范圍內。例如，如果出于某種原因而需要在晶片的50mm以外區域中提供直接的托架壓力，則本發明的結構和方法可以容易地為適應這種條件而作出變化。
在本發明的利用圓形或環形角部嵌塊向晶片邊緣傳遞托架壓力的拋光頭中，膜片可以在其底壁和側壁部分具有均勻的壁厚。然而，在加厚膜片側壁本身用作力傳遞裝置時，側壁的厚度應當與托架力直接施加到晶片上所跨越的距離相當。簡而言之，如果希望托架力施加在晶片外緣的3mm區域內，則膜片側壁厚度應當為3mm。還應理解，需要托架直接傳遞力的范圍或區域與膜片側壁厚度之間的比例不一定是精確的一比一關系。相鄰區域之間可能會出現一定的力或壓力的傳遞，而且在某些條件下實際上希望避免出現壓力的突變。此外，盡管不總是如此，但在某些時候希望膜片側壁厚度的厚度略小于或略大于托架力施加的距離，以實現托架壓力與晶片背側壓力之間的理想傳遞。例如，在某些情況下，對于托架壓力直接施加的額定3mm的晶片外周區域，這一區域中的膜片側壁厚度可以在大約2mm與大約4mm的范圍內。應當理解，這些特定的數值只是示例性的，而實際最佳尺寸將取決于多種因素，例如膜片材料、平面化壓力、拋光墊特性、拋光液類型以及諸如此類，并且通常是在CMP機器和加工過程的研制過程中重點確定的。
不需要通過理論分析就可得知，一般而言，當FSC＞FBS時，托架壓力(PSC)超過晶片邊緣壓力，因此晶片邊緣承受托架壓力(PSC)，而晶片中央部分承受背側壓力(PBS)。當FSC＜FBS時，在膜片背側壓力(PBS)足夠大的情況下其所起的作用將超過托架壓力(PSC)。然而，通常CMP拋光頭是在FSC＜FBS的情況下操作的，從而使得晶片周緣去除的材料量小于中部去除的材料量。所述相對壓力、直徑和材料性能可以被調節，以實現理想的平面化結果。
現在請留意對壓力區、壓力腔和施加在系統不同部位的壓力所作描述。總體而言，限位環壓力被施加，以將限位環的下部磨耗表面推壓在拋光墊上，托架壓力施加在晶片的徑向外周緣上，晶片背側壓力(或真空)施加在晶片的中央背側部分上。一個附加的壓力管線或內腔可以有益地設在拋光頭中，用以容納拋光液或碎屑，以防止它們遷移到頭部管線中。一個或多個附加壓力區可以選擇性地施加到晶片背側的中央圓形區域或位于所述中央圓形區域與晶片背側外周區域之間的環形中間區域中。在這里描述的使用所述可充氣的大致圓形管或環形囊的實施例中，設有旋轉接頭，以將壓力流體引入拋光頭的這些以及其他區域中。
在剛剛描述過的實施例中，背側壓力腔354大致形成在膜片支持板352的外表面355與膜片350的內表面356之間。
現在請留意圖16所示的實施例，其具有與參照圖4描述過的結構相似的帶有孔眼的膜片。一個膜片壓力孔或孔眼設在膜片250中，以使背側壓力直接施加在晶片上，而且除了被直接施加托架壓力的晶片外周邊緣附近以外，膜片不需要接觸晶片的背側表面。在本實施例中，在拋光過程中覆蓋在晶片中央部分上的膜片主要用于實現壓力/真空密封。也就是說，在晶片的加載和卸載過程中，晶片被保持抵靠在拋光頭上。膜片孔眼的尺寸可以從幾毫米變化到擴展為幾乎等于托架板的外徑。
如前面根據圖4所作描述，一個積蓄槽用于防止拋光液在晶片加載過程中被向上吸入壓力/真空管線中。使積蓄槽的邊緣傾斜可以便于將拋光液從拋光頭中排出。請注意，希望吸入積蓄槽中的拋光液量較小，從而只需要偶爾清洗積蓄槽。這種清洗可以手工完成，或者也通過噴射一股壓縮空氣、水或氣水混合物而清洗管線和積蓄槽。
設置膜片孔眼會在一定程度上導致真空向晶片背側引入的過程復雜化，并且導致通過探測建立的真空壓力而檢測晶片是否適宜安裝的過程復雜化。在膜片支持板中的凹槽較淺的情況下，通過中央壓力管線引入真空可能導致膜片對中密封在支持板上，而不將真空引入晶片其他區域。膜片本身不像沒有孔眼時的情況那樣承受吸力。另一方面，這一問題在一些實施例中可以通過增加膜片支持板凹槽的深度或者通過使用角部嵌塊或膜片加厚邊緣而得到補救，這會減小可以向晶片供應的支持力。
在一種更好的解決方式中，裝備了圖17和圖18中所示的膜片支持板實施例，其中圖18是圖17所示支持板的透視圖。附加的支承可以有益地防止晶片彎曲、鼓出或卷曲。盡管晶片基片本身通常不會出現永久變形、裂紋或其他破損，但金屬、氧化物和/或位于晶片前側的其他結構和管線在受到應力時可能會破裂。因此，希望在晶片背側提供足夠的支持，特別是在晶片在拋光之前加載的過程中和拋光之后卸載的過程中被吸附在膜片上時。
一個或多個孔眼或孔可以毗鄰膜片支持板的外緣設置。它們用作螺栓孔，以將膜片支持板安裝在托架板上，而膜片被夾持在二者之間。第一和第二徑向通道從中央孔眼開始延伸，所述中央孔眼連通著外界壓力/真空供應源，所述供應源用于在拋光過程中提供背側壓力，并且在拋光之前和之后的晶片吸附過程中提供真空。第一和第二同心圓環通道與徑向通道相交。這種結構的作用是將壓力或真空連通到晶片，并且為晶片提供理想的支承。
拋光頭的物理結構還導致便于觸及膜片250，以便從拋光頭外側將膜片250從托架支持板上取下，而不需要像許多傳統拋光頭結構那樣拆開拋光頭。請回想膜片支持板中的螺栓孔，它們可以用于將膜片緊固在托架板上，并且使得膜片能夠被從拋光頭外側觸及。一個或一組孔用于檢查真空以及晶片的存在和定位情況，另一組孔用于觸及將膜片連接到拋光頭上所用的螺釘或其他緊固件。由于膜片是磨損件，因而它需要定期更換，所以，能夠從拋光頭外側更換膜片而不需要拆開拋光頭的結構是有益的。
下面參照圖19至圖27描述其他實施例。這些實施例中的每個CMP拋光頭和CMP工具結構均至少在一定程度上類似于前面參照圖7A、圖7B、圖8和圖9所描述的實施例。
圖19中示出了第一區域或區域I的方案，其中拋光頭300具有兩個內腔，從而形成了一個邊緣區域和一個中央區域。在圖19所示的實施例中，以局部剖切側視圖的形式顯示的拋光頭300具有一個外腔或邊緣過渡腔302和一個內腔或背側壓力腔304。局部剖切側視圖中的拋光頭300包含具有外表面308的托架板306、限位環310和支持環或連接器限位環312。柔性膜片314、316(圖中以不規則線表示，以強調它們的柔性或彈性)與托架板306的外表面312和墊片313或支承件協作，以形成內腔302、304。外側膜片314具有容納表面317，用以將基片或晶片318容納于其上。來自外界壓力源(未示出)的壓力流體以第一壓力引入邊緣過渡腔302中，并以第二壓力引入背側壓力腔304中。壓力流體通常是空氣或其他氣體，然而，也可以替代性地使用液體。過渡腔302用于將整個晶片318包括晶片邊緣按壓在拋光墊(未示出)上，而背側壓力腔304用于將負載力施加在晶片的中央區域中。在邊緣范圍或區域中，只有邊緣過渡腔302中的邊緣過渡壓力抵靠著拋光墊加載或推壓在晶片318；然而，在兩個膜片314、316彼此疊加著的中央區域中，拋光壓力是兩種壓力的組合，盡管這兩種壓力并不必然是彼此累加的。設置兩個疊加區域的目的是允許不同的壓力或負載建立在兩個范圍或區域內。這兩種壓力最好是在加工過程中確定，以實現理想的平面化結果。通常，盡管不是必須如此，引入背側壓力腔304中的流體壓力高于引入邊緣過渡腔302中的流體壓力。這一實施例適用于希望中央的材料去除得更快的拋光過程中，例如晶片318因沉積了諸如銅等材料而具有中凸表面的情況下。或者，在因拋光墊、所用特定的拋光液或所謂的邊緣效應而導致邊緣的材料去除得更快的拋光過程中，有時希望利用中央區域中的更高壓力而實現補償。
圖20中示出了第二區域或區域II的方案，其中拋光頭300具有一個邊緣區域和一個中央區域。在圖20的實施例中，設有類似的結構，只是外側膜片314具有開口圓環膜片的形式，內側膜片316具有圓形或圓盤形狀，而且這兩個膜片不相互疊加。在這個實施例中，環形外側膜片314具有用于容納晶片318的容納表面317和有助于將晶片密封在拋光頭300上的唇部320。引入由外側膜片314、晶片318的背側和托架板306的外表面308限定的第一腔302中的壓力流體將產生直接施加在晶片背側一部分上的力。外側膜片314還有助于向晶片318的邊緣部分上施加邊緣壓力或力。
圖21中示出了第三區域或區域III的方案，其中拋光頭300具有一個邊緣區域和一個中央區域。圖21中的實施例類似于圖19和20所示的實施例，只是外側和內側膜片314、316被單一的膜片322取代，所述膜片322具有內壁324，用以將彼此沒有重疊部分的邊緣區壓力腔和背側壓力腔分開。這樣，引入外側腔302中的邊緣過渡壓力只作用在晶片318的外側環形區域中，引入內側腔314中的壓力只作用在晶片內側圓形部分上。
圖22中示出了第四區域或區域IV的方案，其中拋光頭300具有一個邊緣區域和一個中央區域。圖22中的實施例類似于前面參照圖21所描述的實施例，只是外側腔中包含或形成了可充氣膨脹的內管326或囊。在本實施例的一種改型中，拋光頭300與被充氣到預期壓力之前的內管326組裝在一起并被密封，從而簡化了壓力流體向拋光頭的引入。因此，施加在晶片318的邊緣部分上的力主要取決于托架306施加的力，而施加在晶片318的中央部分上的力取決于引入中央腔304中的流體壓力與施加在托架上的力的組合。這樣，通過改變引入中央腔中的壓力，可以改變托架306所施加的力被傳遞到晶片318的中央區域和邊緣區域中的比例。也就是說，如果引入中央腔314中的流體壓力高于可充氣膨脹管326中的壓力，則會導致托架306所施加的力的全部或大部分被傳遞到晶片318的中央區域中，而如果引入中央腔中的流體壓力低于可充氣膨脹管中的壓力，則會導致托架所施加的力的全部或大部分被傳遞到晶片邊緣區域中。
圖23中示出了第五區域或區域V的方案，其中拋光頭300具有單一的環形膜片328，以產生一個邊緣區域和一個中央區域。圖23中的實施例包含一個由所述環形膜片328形成的外側圓環腔330。邊緣過渡腔302由環形膜片328、托架板306的外表面308和墊片313形成。用于向晶片內側部分施加拋光壓力的背側壓力腔304不包含分開的膜片或明確的內腔。相反，背側壓力腔304由托架板306的外表面308、環形膜片328的內周緣322和保持在環形膜片的容納表面317上的晶片318形成。這樣，背側壓力腔304只形成于晶片318或其他基片安裝在拋光頭300上時，特別是在晶片安裝并密封在環形膜片328上時。本實施例的優點是，膜片(或現有技術中的接觸式托架)中可能出現的瑕疵不會導致晶片318上的直接施加了壓力的中央部分出現平面化偏差。
圖24中示出了一種方案，其中拋光頭300包含多個膜片或者帶有多個內壁的單一膜片，從而形成了一個中央區域和多個環形區域。圖24中所示的實施例設有多個膜片，其中包括一個基本上覆蓋著托架板306的下表面308的單一膜片334和形成了四個環形區域338A-D的四個環形膜片336A-D；以及一個中央區域340，其由托架板的下表面、單一膜片334和環形膜片336D的內周壁形成。或者，可以使用帶有四個環形內壁的單一膜片(未示出)，以形成五個區域。在任何一個上述實施例中，五個區域均能夠同時且基本上彼此獨立地控制。如果希望采用更少或更多的區域，則內壁和/或膜片的數量可以作出相應的調節，以形成理想數量的內腔。
圖25中示出了一種雙膜片拋光頭的實施例，其中一個外側膜片采用開口環形膜片的形式，而且施加在內側環形膜片上的壓力可以變化，以改變基片中央部分上被施加力的面積。參看圖25，拋光頭350主要包括一個殼體或支架352，其具有用于在拋光或平面化操作中將基片356保持并定位在拋光表面(未示出)上的托架板354和環繞著托架板的一部分的圓周布置的限位環358。托架板354懸掛在支架352上，限位環358通過支持環360而懸掛在支架352上，從而使得它們能夠豎直移動，而幾乎沒有摩擦并且不會彎曲。小的機械容隙設在托架板354和限位環358與相鄰元件之間，以使它們能夠以這樣的方式浮置在拋光表面上，即能夠允許拋光操作中出現的小的豎直移動和微小角度變化。一個凸緣361通過螺釘(未示出)或其他緊固件連接在殼體352的內側下表面362上。凸緣361通過第一柔性件或墊圈364結合在一個與托架板354相連的內側支承環366上，從而柔性支承著托架板，并且在托架板上方形成一個封閉內腔或空腔368。限位環358被延伸于托架板354與支架352的側緣部分372之間的第二柔性件或墊圈370支承著。限位環358可以利用粘結劑、螺釘或其他緊固件(未示出)并通過支持板360而連接在第二墊圈370上，所述緊固件又在第二墊圈的相反側連接著一個支持板(未示出)。凸緣361、下方側緣部分372內側支承環366以及第一和第二墊圈366、370形成了位于限位環358上方的第二封閉空腔374。如前所述，在操作時，壓力流體如氣體或液體可以被引入所述空腔368、374中，以提供出分別將托架板354和限位環358推向拋光表面的力。
根據本發明的實施例，拋光頭350還包括環形第一膜片376，其通過墊片379而連接著托架板354的外表面378，所述第一膜片具有一個用于容納基片356的容納表面380和一個用于密封在基片背側以便在基片背側與托架板外表面之間形成第一腔384的唇部或唇緣382；以及第二膜片386，其布置在第一膜片上方。第二膜片386連接著托架板354，以便在第二膜片的內表面390與托架板的外表面378之間形成第二腔388。在拋光操作過程中，壓力流體通過流道391引入第二腔388中，以引起膜片鼓出或向外擴張，從而向基片356背側的一部分上施加力，這樣可以抵靠著拋光墊按壓基片表面上的如圖中箭頭392所示的預定面積。所述預定面積與引入第二腔中的流體的壓力成一定比例，在一個實施例中，預定面積與流體壓力成正比。
在一個實施例中，壓力比引入第二腔388中的流體低的壓力流體通過流道393而引入第一腔384中，以抵靠著拋光墊按壓基片356的表面。在這個實施例中，預定面積392與引入第一和第二腔中的流體的壓差成一定比例。
在另一個實施例中，第二膜片386包含側緣部分394和下表面部分396，所述側緣部分的硬度高于所述下表面部分，從而可以通過第一和第二腔384、388之間的壓力變化而使第二膜片的下表面部分以規則和可控的方式膨脹、鼓出或變形。優選的結構是，側緣部分394的硬度比下表面部分396高至少50％。具體地講，在下表面部分396的硬度計硬度為大約30A至大約60A時，側緣部分的硬度計硬度為大約60A至大約90A。最優選采用的是，在下表面部分396的硬度計硬度為大約50A時，側緣部分的硬度計硬度為大約70A。
或者，下表面部分396的厚度可以小于側緣部分394的厚度。優選的結構是，側緣部分394的厚度大于下表面部分396大約20至70％。更優選的結構是，側緣部分394的厚度大于下表面部分396大約50％。這樣，對于帶有厚度為大約0.3mm至大約3mm的下表面部分396的第二或內側膜片386，側緣部分394的厚度一般為大約1mm至大約30mm。可以理解，精確的厚度還要特別取決于內側膜片386的總體直徑。也就是說，對于能夠容納直徑為100mm基片356的內側膜片386，其厚度要小于用于容納200mm或300mm基片的內側膜片。
在另一個實施例中，如圖26所示，第一膜片376環繞著第二或內側膜片386而大致延伸跨過托架板354的外表面378，引入第二腔中的壓力流體將引起第二膜片向第一或外側膜片376施加力，從而將基片356上的預定面積392內的表面部分按壓在拋光墊上。作為一種選擇，第一或外側膜片376可以附加包含一定數量的開口或孔(未示出)，它們延伸通過外側膜片376的厚度以施加壓力流體，并且至少部分地直接推壓基片356的背側，以將基片直接按壓在拋光墊上。一般而言，壓力的施加范圍為大約2至8psi，更典型的是大約5psi。優選的結構是，所述孔的數量和尺寸被這樣選擇，即能夠使基片356直接暴露在壓力流體下的面積最大化，同時又能夠為容納表面380提供足夠的面積，使之貼合或接觸基片，以便在拋光過程中從拋光頭350向基片施加力矩或旋轉能量。
圖27中示出了拋光頭350的另一個實施例，其具有采用封閉環形膜片400形式的單一膜片，用以密封在基片356的背側，從而形成兩個內腔。第一環形內腔402由環形膜片400、墊片379以及托架板354的外表面378形成。第二或中央腔404由環形膜片400、托架板354的外表面378以及保持在環形膜片的容納表面380上的基片356的背側形成。施加在環形膜片400上的壓力能夠發生變化，以改變內腔402、404的相對尺寸，也即改變基片356上的被施加了力的邊緣部分的面積。
在一個實施例中，壓力比引入環形腔402中的流體低的壓力流體被引入中央腔404中，以將基片356的表面按壓在拋光墊上。在這個實施例中，預定面積392與引入環形腔402和中央腔404中的流體的壓差成一定比例。
在另一個實施例中，環形膜片400具有側緣部分406和下表面部分408，所述側緣部分的硬度高于所述下表面部分，從而可以通過供應到內腔402、404中的流體的壓力變化而使環形膜片400的下表面部分408以規則和可控的方式膨脹、鼓出或變形。優選的結構是，側緣部分406的硬度比下表面部分408高至少50％。具體地講，在下表面部分408的硬度計硬度為大約30A至大約60A時，側緣部分406的硬度計硬度為大約60A至大約90A。最優選采用的是，在下表面部分408的硬度計硬度為大約50A時，側緣部分406的硬度計硬度為大約70A。
或者，下表面部分408的厚度可以小于側緣部分406的厚度。優選的結構是，側緣部分406的厚度大于下表面部分408大約20至70％。更優選的結構是，側緣部分406的厚度大于下表面部分408大約50％。這樣，對于帶有厚度為大約0.3mm至大約3mm的下表面部分408的環形膜片400，側緣部分406的厚度一般為大約1mm至大約30mm。可以理解，精確的厚度還要特別取決于環形膜片400的總體直徑。也就是說，對于能夠容納直徑為100mm基片356的環形膜片400，其厚度要小于用于容納200mm或300mm基片的環形膜片。
本領域的普通技術人員可以理解，在本說明書的指導下，可以設置圓形和環形膜片的其他組合結構，而且每個內腔可以采用密封的形式，或者采用只在晶片被安裝在拋光頭上時形成密封的形式。
還可以理解，隨著壓力區域的數量增加，需要為這些區域供應不同的壓力。為此，可以使用旋轉接頭。然而，隨著區域的數量增加，設置所需數量的旋轉接頭，也就是利用所需數量的旋轉接頭引入理想數量的不同壓力，也相應地變得復雜了。因此，在本發明的CMP拋光頭、CMP工具以及拋光和平面化方法的一些實施例中，在拋光頭之上或之內設置了壓力調節裝置。作為示例，壓力調節裝置可以包括多個壓力調節器，它們連接著一個公共集氣管，以從一個公共的供應源接收壓力氣體。單一的供應源將壓力氣體以預定的調節壓力供應到不同區域中。壓力調節可以是固定的，也可以包含傳感器和反饋裝置，以將每個區域中的壓力維持在理想級別。
下面重復敘述本發明的一些重要方面，以進一步強調它們的結構、功能和優點。
在本發明的一個方面，提供了一種用在基片拋光裝置中的支架，所述拋光裝置用于拋光基片如半導體晶片。所述支架包括殼體；限位環，其柔性連接著殼體；第一壓力腔，其用于施加第一力，以將限位環沿第一預定方向相對于殼體推動；托架板，其具有外表面，并且柔性連接著殼體；第二壓力腔，其用于施加第二力，以將限位環沿第二預定方向相對于殼體推動；所述限位環環繞著托架板的一部分，并且限定出一個圓形凹槽；墊片，其在限位環圓形凹槽中連接著托架板外表面的外周邊緣；膜片，其通過墊片連接著托架板，并且布置在圓形凹槽中，膜片與托架板外表面之間相隔著墊片的厚度；以及第三壓力腔，其形成在膜片與托架板外表面之間，用于施加第三力，以將限位環沿第三預定方向相對于殼體推動。總體而言，沒有嵌塊設在膜片與基片之間，因此可以減小因墊塊性能變化而造成的不同加工過程之間的偏差。
墊片可以包括圓環、圓盤或膜片上的毗鄰膜片外周邊緣的加厚部分。一般而言，墊片是具有一定圓環寬度的圓環形的，此外，通過使第二力經環形墊片起作用而導致了邊緣拋光壓力施加在基片的外周邊緣上，而且中央拋光壓力施加在基片的中央部分上。墊片的圓環寬度優選為大約1mm與大約20mm之間。墊片的圓環寬度更優選為在大約2mm與大約10mm之間，墊片的圓環寬度最優選為大約1mm與大約5mm之間。更為理想的結構是，墊片的圓環寬度在大約1mm與大約2mm之間，或者在大約2mm與大約5mm之間。
墊圈的制作材料可以這樣選擇，即能夠使邊緣壓力向中央壓力形成理想的過渡。墊片可以由基本上不可壓縮的材料如金屬材料制成，或者由可壓縮的材料如可壓縮的聚合材料或粘性材料制成。
一般而言，形成在膜片與托架板外表面之間的第三壓力腔只在基片被安裝在凹槽中時形成。優選的結構是，膜片包含位于第三腔與凹槽之間的孔眼。更優選的結構是，在基片的平面化過程中，壓力氣體經過孔眼而流入凹槽中。
在一個實施例中，限位環通過托架板而間接地柔性連接著殼體，托架板通過限位環而間接地柔性連接著殼體。或者，限位環和托架板可以直接柔性連接著殼體。
在另一個實施例中，支架可以借助于單獨的氣動或機械式運動系統而相對于拋光墊定位。
在另一個實施例中，第一、第二和第三壓力彼此相對于其他壓力獨立建立起來。
在另一個實施例中，限位環通過第一隔膜而柔性連接著殼體，托架板通過第二隔膜而柔性連接著殼體。在本實施例的一種改型中，限位環通過由柔韌材料制成的第一環而柔性連接著殼體，托架板通過由柔韌材料制成的第二環而柔性連接著殼體。優選的結構是，柔韌材料選自下面一組材料EPDM、EPR和橡膠。
在一個替代性實施例中，托架板還通過桿和用于容納桿的插槽連接著殼體，以便在殼體與托架板之間傳遞旋轉力。一般而言，桿包括位于其遠端的裝配球體，插槽包括用于可滑動地容納裝配球體的筒體。在本實施例的一種改型中，多個桿和插槽將托架板連接到殼體上。
在另一個替代性實施例中，限位環還通過桿和用于容納桿的插槽連接著殼體，以便在殼體與托架板之間傳遞旋轉力。所述桿可以包括位于其遠端的裝配球體，插槽包括用于可滑動地容納裝配球體的筒體。優選的結構是，多個桿和插槽將限位環連接到殼體上。
在一個實施例中，膜片包括至少一個孔，而且第三腔只在基片被安裝在膜片上時被密封住。或者，膜片包括至少一個孔，而且第三腔只在基片被安裝在托架板上時形成。
在另一個實施例中，托架板上的壓力是施加在基片的外周邊緣上的壓力。托架板不接觸基片，而是為其提供穩定性。或者，膜片在其邊緣具有用于傳遞機械力的加厚部分。
在另一個實施例中，膜片中包含孔，所述孔用于根據第三腔中產生預定量級真空的能力而檢測是否有基片連接在膜片上。在本實施例的一種改型中，基片連接檢測孔布置在膜片的中心附近。在本實施例的另一種改型中，膜片是需要定期更換的消耗品，而且其設有多個孔，從而不必拆開支架就能夠可以卸下膜片。孔的尺寸在大約1mm與大約10mm之間。
一般而言，墊片與膜片組合，以提供出一定的彈力傳遞能力，但又不需要將基片密封在膜片上。
在另一個實施例中，托架板還包含用于將來自外界供應源的第三壓力引入第三腔中的流道。優選的結構是，托架板還包含布置在流道周圍的空腔，用于為拋光液提供積蓄槽，并且在施加真空以將基片連接在膜片上時防止拋光液被吸入流道中。更優選的結構是，在拋光操作之前和之后，真空施加在第三腔中，以將基片保持在膜片上。最優選的結構是，空腔具有圓錐形狀，以便于將拋光液從空腔以及膜片與托架板之間排出。
在另一個實施例中，設有基片背側支承件，用于在安裝過程中支承基片；還設有多個通道，用于檢測基片是否存在。
在本發明另一個方面，提供了一種用在基片拋光裝置中的支架。所述支架包括托架板；第一壓力腔，其被布置得用于向托架板上產生第一向下壓力；膜片，其具有基片容納表面并連接著托架板，而且膜片的環形外周部分安裝在托架板上，膜片的內側圓形部分與托架板分開并且形成了用于產生第二壓力的第二壓力腔；基片可以在環形外周部分和內側圓形部分上安裝在膜片上；環形外周部分向基片的外周邊緣上施加第一壓力，內側圓形部分向基片上施加第二壓力。
在本發明另一個方面，提供了一種用于對半導體晶片實施平面化的方法。所述方法主要包括以第一壓力將圍繞著晶片的限位環推壓在拋光墊上；以第二壓力將晶片的第一外周邊緣部分推壓在拋光墊上；以及以第三壓力將晶片上的位于外周邊緣部分內側的第二內側部分推壓在拋光墊上。
在一個實施例中，第二壓力是通過與外周邊緣部分接觸的機械件而施加的，而第三壓力是施加在晶片背側的氣動壓力。在本實施例的一種改型中，氣動壓力是通過彈性膜片而施加的。氣動壓力可以通過將氣體直接推壓在晶片背側表面的至少一部分上而施加。
在另一個實施例中，所述方法還包括以多種壓力將晶片上的位于外周邊緣部分內側的多個環形部分推壓在拋光墊上。
在本發明另一個方面，提供了一種用在CMP裝置中的托架。所述裝置包括板，其具有外表面；第一壓力腔，其用于施加力，以將板沿預定方向推動；墊片，其連接著板的外周邊緣；膜片，其通過墊片而連接著板，并且與板之間相隔著墊片的厚度；以及第二壓力腔，其形成在膜片與板表面之間，以施加第二力，從而沿第三預定方向推壓膜片。
在本發明另一個方面，提供了一種用于拋光基片表面的拋光裝置。所述拋光裝置包括可旋轉的拋光墊和基片托架。基片托架包含基片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及基片按壓件，其包含第一按壓件和第二按壓件，第一按壓件抵靠著拋光墊向基片的邊緣部分施加第一負載壓力，第二按壓件抵靠著拋光墊向基片的中央部分施加與第一負載壓力不同的第二負載壓力。
在一個實施例中，拋光裝置還包括限位環，其環繞著晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著拋光墊向限位環上施加第三負載壓力。優選的結構是，第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
在本發明另一個方面，提供了一種用于拋光基片表面的拋光裝置。所述拋光裝置包括可旋轉的拋光墊和基片托架。基片托架包含基片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及基片按壓件，其包含第一按壓件和第二按壓件，第一按壓件抵靠著拋光墊向基片的邊緣部分施加第一負載壓力，第二按壓件抵靠著拋光墊向基片的中央部分施加第二負載壓力，其中第一和第二負載壓力是彼此不同的。
在一個實施例中，拋光裝置還包括限位環，其環繞著晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著拋光墊向限位環上施加第三負載壓力。優選的結構是，第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
在本發明另一個方面，提供了一種用于拋光基片表面的拋光裝置。所述拋光裝置包括可旋轉的拋光墊和基片托架。基片托架包含基片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及基片按壓件，其具有第一按壓件，其抵靠著拋光墊向基片的邊緣部分施加第一負載壓力，第二按壓件，其抵靠著拋光墊向基片的中央區域施加多個不同的負載壓力。
在一個實施例中，第二按壓件包括多個基本上同心的按壓件，它們每個分別抵靠著拋光墊向基片的局部區域上施加負載壓力。在本實施例的一種改型中，多個基本同心的按壓件中的每個分別包括一個由彈性表面形成的位于至少一個部位上的壓力腔，在壓力空氣被引入腔中后，彈性表面按壓在基片上，以提供出負載。在本實施例的一種改型中，拋光裝置還包括內置于每個彈性按壓表面與基片之間的膜片。一般而言，膜片選自下面一組材料EPDM、EPR和橡膠。
優選的結構是，內置膜片形成了一個外側壓力腔的表面部分，外側壓力腔用于從外界壓力空氣供應源接收壓力，并且抵靠著拋光墊向基片施加負載力。更優選的結構是，內置膜片形成了一個外側壓力腔的表面部分，外側壓力腔用于從外界壓力空氣供應源接收壓力，并且抵靠著拋光墊向基片施加負載力；多個基本同心的按壓件中的每個均容納在外側壓力腔中。最優選的結構是，外側壓力腔施加的負載壓力可被分別添加上多個按壓件之一的負載壓力，以使不同區域中的負載壓力能夠被單獨調節，而且外側壓力腔可以使橫跨壓力腔邊界的壓力突變最小化。
在另一個實施例中，多個基本上同心的按壓件中的至少一個包含大致環形件，其抵靠著基片上的大致環形區域施加負載壓力。優選的結構是，多個基本上同心的按壓件中的至少一個包含大致環形件，其抵靠著基片上的大致環形區域施加負載壓力；而且多個基本上同心的按壓件中的一個包含大致圓形件，其抵靠著基片上的大致圓形區域施加負載壓力。
在本發明另一個方面，提供了一種用于在CMP工具中抵靠著拋光墊拋光基片的基片托架。所述托架包括基片容納部分，其用于容納基片；基片按壓件，其用于將基片按壓在拋光墊上，基片按壓件包含第一按壓件，其抵靠著拋光墊向基片的邊緣部分施加第一負載壓力；第二按壓件，其抵靠著拋光墊向基片的中央區域施加多個不同的負載壓力。
在一個實施例中，第二按壓件包括多個基本上同心的按壓件，它們每個分別抵靠著拋光墊向基片的局部區域上施加負載壓力。多個基本同心的按壓件中的每個分別可以包括一個由彈性表面形成在至少一個部位上的壓力腔，在壓力空氣被引入腔中后，彈性表面按壓在基片上，以提供出負載。
在本發明另一個方面，提供了一種用于對半導體晶片實施平面化的方法。所述方法主要包括以第一負載壓力抵靠著拋光墊按壓半導體晶片的邊緣區域；以及以多種不同的負載壓力抵靠著拋光墊按壓半導體晶片上的位于邊緣區域內側的多個同心區域部分。
在一個實施例中，所述方法還包括以第三負載壓力抵靠著拋光墊按壓環繞著晶片的限位環。在本實施例的一種改型中，由氣動壓力構成的負載壓力是通過彈性膜片施加的。
作為一種選擇，可以通過使氣體直接按壓在晶片背側表面的至少一部分上二施加所述氣動壓力。
根據本發明的一個方面，提供了一種拋光頭，其用于將具有表面的基片定位在拋光裝置的拋光墊的表面上，以便對基片進行加工而從基片上去除材料。所述拋光頭包括托架板，其具有外表面；環形的第一膜片，其連接著托架板，第一膜片具有用于容納基片的容納表面和用于密封在基片背側以便在基片背側與托架板外表面之間形成第一腔的唇緣；以及第二膜片，其安置在第一膜片上方，第二膜片連接著托架板，以便在第二膜片的內表面與托架板外表面之間形成第二腔。在拋光操作中，引入第二腔中的壓力流體將引起第二腔向外膨脹，以便向基片背側的一部分上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面。所述預定面積與引入第二腔中的流體的壓力成一定比例。
在一個實施例中，壓力比引入第二腔中的流體低的壓力流體被引入第一腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。在本實施例中，預定面積與引入第一腔和第二腔中的流體的壓差成一定比例。
在另一個實施例中，第二膜片包括側緣部分和下表面部分，其中側緣部分的硬度高于下表面部分的硬度。或者，下表面部分的厚度小于側緣部分的厚度。
在另一個實施例中，第一膜片基本上橫跨托架板的外表面延伸，而且被引入第二腔中的壓力流體將引起第二腔向第一膜片上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的具有預定面積的一部分表面。
在本發明另一個方面，提供了一種利用前面描述的拋光裝置拋光基片表面的方法以及一種根據該方法而拋光的半導體基片。所述方法包括以下步驟(i)設置環形的第一膜片，其連接著托架板，第一膜片具有用于容納基片的容納表面和用于密封在基片背側以便在基片背側與托架板外表面之間形成第一腔的唇緣；(ii)設置第二膜片，其安置在第一膜片上方，第二膜片連接著托架板，以便在第二膜片的內表面與托架板外表面之間形成第二腔；(iii)將基片定位在第一膜片的容納表面上；(iv)將壓力流體引入第二腔中，以引起第二腔向基片背側的一部分上施加力，這樣可以抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面，從而將基片表面按壓在拋光墊上；以及(v)使托架與拋光墊之間形成相對運動，以拋光基片表面。一般而言，壓力流體的壓力被這樣選擇，即能夠提供出理想的預定面積。
在一個實施例中，將基片表面按壓在拋光墊上的步驟還包括以下步驟將壓力比引入第二腔中的流體低的壓力流體引入第一腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。這樣，預定面積與引入第一腔和第二腔中的壓力流體的壓差成一定比例，而且壓力流體的壓力被這樣選擇，即能夠提供出理想的預定面積。
在本發明另一個方面，提供了一種拋光頭，其用于將具有表面的基片定位在拋光裝置的拋光墊的表面上，以便對基片進行加工而從基片上去除材料。所述拋光頭包括托架板，其具有外表面，所述外表面具有外周邊緣和中央部分；墊片，其連接著托架板的外周邊緣；以及環形膜片，其具有用于容納基片的容納表面，環形膜片的外邊緣通過墊片而連接著托架板外表面的外周邊緣，環形膜片的內邊緣連接著托架板外表面的中央部分，環形膜片與托架板外表面之間相隔著墊片的厚度，從而在膜片與托架板外表面之間形成環形腔。在拋光操作中，引入環形腔中的壓力流體將引起環形腔向外膨脹，以便向基片背側的一部分上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面。所述預定面積與引入環形腔中的流體的壓力成一定比例。
在一個實施例中，環形膜片的容納表面密封在基片背側，以便在基片背側、環形膜片的容納表面和托架板外表面之間形成中央腔，而且壓力比引入環形腔中的壓力流體低的壓力流體被引入中央腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。在這個實施例中，預定面積與引入環形腔和中央腔中的流體的壓差成一定比例。
在另一個實施例中，環形膜片包括側緣部分和下表面部分，其中側緣部分的硬度高于下表面部分的硬度。或者，下表面部分的厚度小于側緣部分的厚度。
在本發明另一個方面，提供了一種利用前面描述的拋光裝置拋光基片表面的方法以及一種根據該方法而拋光的半導體基片。所述方法包括以下步驟(i)設置環形膜片，其具有用于容納基片的容納表面，環形膜片的外邊緣通過墊片而連接著托架板外表面的外周邊緣，環形膜片的內邊緣連接著托架板外表面的中央部分，環形膜片與托架板外表面之間相隔著墊片的厚度，從而在膜片與托架板外表面之間形成環形腔；(ii)將基片定位在環形膜片的容納表面上；(iii)將壓力流體引入環形腔中，以引起環形腔向基片背側的一部分上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面；以及(iv)使托架與拋光墊之間形成相對運動，以拋光基片表面。一般而言，壓力流體的壓力被這樣選擇，即能夠提供出理想的預定面積。
在一個實施例中，環形膜片的容納表面被密封在基片背側，以便在基片背側、環形膜片的容納表面和托架板外表面之間形成中央腔，而且將基片表面按壓在拋光墊上的步驟還包括以下步驟將壓力比引入環形腔中的壓力流體低的壓力流體引入中央腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。這樣，預定面積與引入環形腔和中央腔中的流體的壓差成一定比例，而且壓力流體的壓力被這樣選擇，即能夠提供出理想的預定面積。
前面對本發明的特定實施例所作描述是出于解釋和說明的目的而呈現的。并不能認為本發明將約束或限制在所公開的具體形式中，而且顯然在上面內容的指導下，可以作出許多修改和變化。上述實施例的選擇和描述是為了最佳地解釋本發明的原理及其實際應用方式，從而使得本領域的普通技術人員能夠最佳地使用本發明及其適合于特定應用場合的各種改型。可以認為本發明的范圍將由權利要求及其等效物而確定。
權利要求
1.一種用于將基片保持在基片拋光裝置上的支架，包括殼體；限位環，其柔性連接著所述殼體；第一壓力腔，其用于施加第一力，以便沿第一預定方向相對于所述殼體推動所述限位環；托架板，其具有外表面，并且柔性連接著所述殼體；第二壓力腔，其用于施加第二力，以便沿第二預定方向相對于所述殼體推動所述限位環；所述限位環環繞著所述托架板的一部分，并且限定出一個圓形凹槽；墊片，其在所述限位環圓形凹槽中連接著所述托架板外表面的外周邊緣；膜片，其通過所述墊片連接著所述托架板，并且布置在所述圓形凹槽中，所述膜片與所述托架板外表面之間相隔著所述墊片的厚度；以及第三壓力腔，其形成在所述膜片與所述托架板外表面之間，用于施加第三力，以便沿第三預定方向相對于所述殼體推動所述限位環。
2.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片包括圓環。
3.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片包括圓盤。
4.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片包括所述膜片上的毗鄰膜片外周邊緣的加厚部分。
5.如權利要求1所述的支架，其特征在于，形成在所述膜片與所述托架板外表面之間的所述第三壓力腔只在所述基片被安裝在所述凹槽中時形成。
6.如權利要求5所述的支架，其特征在于，所述膜片包含位于所述第三腔與所述凹槽之間的孔眼。
7.如權利要求6所述的支架，其特征在于，在所述基片的平面化過程中，壓力氣體經過所述孔眼而流入所述凹槽中。
8.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述限位環通過所述托架板而間接地柔性連接著所述殼體。
9.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板通過所述限位環而間接地柔性連接著所述殼體。
10.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述限位環直接柔性連接著所述殼體。
11.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板直接柔性連接著所述殼體。
12.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述支架可以借助于單獨的氣動運動系統而相對于拋光墊定位。
13.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述支架可以借助于單獨的機械式運動系統而相對于拋光墊定位。
14.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片是具有一定圓環寬度的圓環形的。
15.如權利要求14所述的支架，其特征在于，通過使所述第二力經所述環形墊片起作用而導致邊緣拋光壓力施加在所述基片的外周邊緣上，而且中央拋光壓力施加在所述基片的中央部分上。
16.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述第一、第二和第三壓力彼此相對于其他壓力獨立建立起來。
17.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述基片包括半導體晶片。
18.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述膜片包括可彎曲的彈性材料。
19.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述限位環通過第一隔膜而柔性連接著所述殼體。
20.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板通過第二隔膜而柔性連接著所述殼體。
21.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述限位環通過由柔韌材料制成的第一環而柔性連接著所述殼體。
22.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板通過由柔韌材料制成的第二環而柔性連接著所述殼體。
23.如權利要求22所述的支架，其特征在于，所述柔韌材料選自下面一組材料EPDM、EPR和橡膠。
24.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述限位環通過第一隔膜而柔性連接著所述殼體，所述托架板通過第二隔膜而柔性連接著所述殼體。
25.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板還通過桿和用于容納所述桿的插槽連接著所述殼體，以便在所述殼體與所述托架板之間傳遞旋轉力。
26.如權利要求25所述的支架，其特征在于，所述桿包括位于其遠端的裝配球體，所述插槽包括用于可滑動地容納所述裝配球體的筒體。
27.如權利要求26所述的支架，其特征在于，多個所述桿和所述插槽將所述托架板連接到所述殼體上。
28.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述限位環還通過桿和用于容納所述桿的插槽連接著所述殼體，以便在所述殼體與所述托架板之間傳遞旋轉力。
29.如權利要求28所述的支架，其特征在于，所述桿包括位于其遠端的裝配球體，所述插槽包括用于可滑動地容納所述裝配球體的筒體。
30.如權利要求29所述的支架，其特征在于，多個所述桿和所述插槽將所述限位環連接到所述殼體上。
31.如權利要求1所述的支架，其特征在于，沒有嵌塊設在所述膜片與所述基片之間，從而可以減少因嵌塊性質變化而造成的不同加工過程之間的偏差。
32.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述膜片包括至少一個孔，而且所述第三腔只在所述基片被安裝在所述膜片上時被密封住。
33.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述膜片包括至少一個孔，而且所述第三腔只在所述基片被安裝在所述托架板上時形成。
34.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片的圓環寬度在大約1mm與大約20mm之間。
35.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片的圓環寬度在大約2mm與大約10mm之間。
36.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片的圓環寬度在大約1mm與大約5mm之間。
37.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片的圓環寬度在大約1mm與大約2mm之間。
38.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片的圓環寬度在大約2mm與大約5mm之間。
39.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板上的壓力是施加在所述基片的外周邊緣上的壓力。
40.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板不接觸所述基片，而是為其提供穩定性。
41.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述膜片在其邊緣具有用于傳遞機械力的加厚部分。
42.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片由金屬材料制成。
43.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片包括基本上不可壓縮的材料。
44.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片包括可壓縮的聚合材料。
45.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片包括粘性材料。
46.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片由這樣選擇的材料制成，即能夠使邊緣壓力向中央壓力形成理想的過渡。
47.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述膜片中包含孔，所述孔用于根據所述第三腔中產生預定量級真空的能力而檢測是否有基片連接在膜片上。
48.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述基片連接檢測孔布置在所述膜片的中心附近。
49.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述墊片與所述膜片組合，以提供出一定的彈力傳遞能力，但又不需要將基片密封在膜片上。
50.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述第一、第二和第三壓力可以是彼此獨立的正壓力或負(真空)壓力。
51.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述孔的尺寸在大約1mm與大約10mm之間。
52.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述膜片是需要定期更換的消耗品，而且其設有多個孔，從而不必拆開所述支架就能夠可以卸下膜片。
53.如權利要求1所述的支架，其特征在于，所述托架板還包含用于將來自外界供應源的所述第三壓力引入所述第三腔中的流道。
54.如權利要求53所述的支架，其特征在于，所述托架板還包含布置在所述流道周圍的空腔，用于為拋光液提供積蓄槽，并且在施加真空以將所述基片連接在所述膜片上時防止所述拋光液被吸入所述流道中。
55.如權利要求1所述的支架，其特征在于，在拋光操作之前和之后，所述真空施加在所述第三腔中，以將所述基片保持在所述膜片上。
56.如權利要求54所述的支架，其特征在于，所述空腔具有圓錐形狀，以便于將所述拋光液從所述空腔以及所述膜片與所述托架板之間排出。
57.如權利要求1所述的支架，其特征在于，設有基片背側支承件，用于在安裝過程中支承基片。
58.如權利要求1所述的支架，其特征在于，設有多個通道，用于檢測基片是否存在。
59.一種用在基片拋光裝置中的支架，包括托架板；第一壓力腔，其被布置得用于向所述托架板上產生第一向下壓力；膜片，其連接著所述托架板，所述膜片具有用于容納基片的基片容納表面，而且所述膜片的環形外周部分安裝在所述托架板上，所述膜片的內側圓形部分與所述托架板分開并且形成了用于產生第二壓力的第二壓力腔；所述基片可以在所述環形外周部分和所述內側圓形部分上安裝在所述膜片上；所述環形外周部分向所述基片的外周邊緣上施加所述第一壓力，所述內側圓形部分向所述基片上施加所述第二壓力。
60.一種用于對半導體晶片實施平面化的方法，所述方法包括以第一壓力將圍繞著所述晶片的限位環推壓在拋光墊上；以第二壓力將所述晶片的第一外周邊緣部分推壓在所述拋光墊上；以及以第三壓力將所述晶片上的位于外周邊緣部分內側的第二內側部分推壓在所述拋光墊上。
61.如權利要求60所述的方法，其特征在于，所述第二壓力是通過與所述外周邊緣部分接觸的機械件而施加的；所述第三壓力是施加在所述晶片背側的氣動壓力。
62.如權利要求61所述的方法，其特征在于，所述氣動壓力是通過彈性膜片而施加的。
62.如權利要求61所述的方法，其特征在于，所述氣動壓力是通過將氣體直接推壓在所述晶片背側表面的至少一部分上而施加的。
63.如權利要求60所述的方法，還包括以多種壓力將所述晶片上的位于所述外周邊緣部分內側的多個環形部分推壓在所述拋光墊上。
64.一種半導體晶片，其通過權利要求60所述的方法而被平面化。
65.一種用在化學機械拋光(CMP)裝置中的托架，包括板，其具有外表面；第一壓力腔，其用于施加力，以將所述板沿預定方向推動；墊片，其連接著所述板的外周邊緣；膜片，其通過所述墊片而連接著所述板，并且與所述板之間相隔著所述墊片的厚度；以及第二壓力腔，其形成在所述膜片與所述板表面之間，以施加第二力，從而沿第三預定方向推壓所述膜片。
66.一種用于拋光基片表面的拋光裝置，包括可旋轉的拋光墊；以及基片托架，其包含基片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及基片按壓件，其包含第一按壓件和第二按壓件，所述第一按壓件抵靠著所述拋光墊向所述基片的邊緣部分施加第一負載壓力，所述第二按壓件抵靠著所述拋光墊向所述基片的中央部分施加第二負載壓力，其中所述第一和第二負載壓力是彼此不同的。
67.如權利要求66所述的拋光裝置，還包括限位環，其環繞著所述晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述限位環上施加第三負載壓力。
68.如權利要求67所述的拋光裝置，其特征在于，所述第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
69.如權利要求66所述的拋光裝置，其特征在于，所述基片包括半導體晶片，所述裝置還包括限位環，其環繞著所述晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述限位環上施加第三負載壓力；所述第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
70.一種用于拋光基片表面的拋光裝置，包括可旋轉的拋光墊；以及基片托架，其包含基片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及基片按壓件，其包含第一按壓件和第二按壓件，所述第一按壓件抵靠著所述拋光墊向所述基片的邊緣部分施加第一負載壓力，所述第二按壓件抵靠著所述拋光墊向所述基片的中央部分施加第二負載壓力，其中所述第一和第二負載壓力是彼此不同的。
71.如權利要求70所述的拋光裝置，還包括限位環，其環繞著所述晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述限位環上施加第三負載壓力。
72.如權利要求71所述的拋光裝置，其特征在于，所述第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
73.如權利要求70所述的拋光裝置，其特征在于，所述基片包括半導體晶片，所述裝置還包括限位環，其環繞著所述晶片托架；以及限位環按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述限位環上施加第三負載壓力；所述第一、第二和第三負載壓力可以彼此獨立調節。
74.一種用于拋光基片表面的拋光裝置，包括可旋轉的拋光墊；以及基片托架，其包含基片容納部分，其用于容納基片并將基片抵靠著拋光墊定位；以及基片按壓件，其包含第一按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述基片的邊緣部分施加第一負載壓力；第二按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述基片的中央區域施加多個不同的負載壓力。
75.如權利要求74所述的拋光裝置，其特征在于，所述第二按壓件包括多個基本上同心的按壓件，它們每個分別抵靠著所述拋光墊向所述基片的局部區域上施加負載壓力。
76.如權利要求75所述的拋光裝置，其特征在于，所述多個基本同心的按壓件中的每個分別包括一個由彈性表面形成在至少一個部位上的壓力腔，在壓力空氣被引入所述腔中后，所述彈性表面按壓在所述基片上，以提供出所述負載。
77.如權利要求76所述的拋光裝置，還包括內置于每個所述彈性按壓表面與所述基片之間的膜片。
78.如權利要求77所述的拋光裝置，其特征在于，所述內置膜片形成了一個外側壓力腔的表面部分，所述外側壓力腔用于從外界壓力空氣供應源接收壓力，并且抵靠著所述拋光墊向所述基片施加負載力。
79.如權利要求77所述的拋光裝置，其特征在于，所述內置膜片形成了一個外側壓力腔的表面部分，所述外側壓力腔用于從外界壓力空氣供應源接收壓力，并且抵靠著所述拋光墊向所述基片施加負載力；所述多個基本同心的按壓件中的每個均容納在所述外側壓力腔中。
80.如權利要求79所述的拋光裝置，其特征在于，所述外側壓力腔施加的負載壓力可被分別添加上所述多個按壓件之一的負載壓力，以使不同區域中的負載壓力能夠被單獨調節，而且所述外側壓力腔可以使橫跨壓力腔邊界的壓力突變最小化。
81.如權利要求75所述的拋光裝置，其特征在于，所述多個基本上同心的按壓件中的至少一個包含大致環形件，其抵靠著所述基片上的大致環形區域施加負載壓力。
82.如權利要求75所述的拋光裝置，其特征在于，所述多個基本上同心的按壓件中的一個包含大致圓形件，其抵靠著所述基片上的大致圓形區域施加負載壓力。
83.如權利要求75所述的拋光裝置，其特征在于，所述多個基本上同心的按壓件中的至少一個包含大致環形件，其抵靠著所述基片上的大致環形區域施加負載壓力；而且所述多個基本上同心的按壓件中的一個包含大致圓形件，其抵靠著所述基片上的大致圓形區域施加負載壓力。
84.如權利要求75所述的拋光裝置，其特征在于，所述膜片選自下面一組材料EPDM、EPR和橡膠。
85.如權利要求74所述的拋光裝置，其特征在于，所述第二按壓件包括多個基本上同心的按壓件，它們每個分別抵靠著所述拋光墊向所述基片的局部區域上施加負載壓力；所述多個基本同心的按壓件中的每個分別包括一個由彈性表面形成在至少一個部位上的壓力腔，在壓力空氣被引入所述腔中后，所述彈性表面按壓在所述基片上，以提供出所述負載；所述拋光裝置還包括內置于每個所述彈性按壓表面與所述基片之間的膜片；所述內置膜片形成了一個外側壓力腔的表面部分，所述外側壓力腔用于從外界壓力空氣供應源接收壓力，并且抵靠著所述拋光墊向所述基片施加負載力；所述多個基本同心的按壓件中的每個均容納在所述外側壓力腔中；所述外側壓力腔施加的負載壓力可被分別添加上所述多個按壓件之一的負載壓力，以使不同區域中的負載壓力能夠被單獨調節，而且所述外側壓力腔可以使橫跨壓力腔邊界的壓力突變最小化；所述基片選自下列一組基片半導體晶片、玻璃、液晶顯示(LCD)板、電鍍表面、涂覆表面以及它們的組合物；所述彈性表面和所述膜片分別由選自下面一組中的材料形成EPDM、EPR和橡膠。
86.一種用于在CMP工具中抵靠著拋光墊拋光基片的基片托架，所述托架包括基片容納部分，其用于容納所述基片；基片按壓件，其用于將所述基片按壓在所述拋光墊上，所述基片按壓件包含第一按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述基片的邊緣部分施加第一負載壓力；第二按壓件，其抵靠著所述拋光墊向所述基片的中央區域施加多個不同的負載壓力。
87.如權利要求86所述的拋光裝置，其特征在于，所述第二按壓件包括多個基本上同心的按壓件，它們每個分別抵靠著所述拋光墊向所述基片的局部區域上施加負載壓力。
88.如權利要求87所述的拋光裝置，其特征在于，所述多個基本同心的按壓件中的每個分別包括一個由彈性表面形成在至少一個部位上的壓力腔，在壓力空氣被引入所述腔中后，所述彈性表面按壓在所述基片上，以提供出所述負載。
89.一種用于對半導體晶片實施平面化的方法，所述方法包括以第一負載壓力抵靠著拋光墊按壓所述半導體晶片的邊緣區域；以及以多種不同的負載壓力抵靠著拋光墊按壓所述半導體晶片上的位于所述邊緣區域內側的多個同心區域部分。
90.如權利要求89所述的方法，還包括以第三負載壓力抵靠著拋光墊按壓環繞著所述晶片的限位環。
91.如權利要求89所述的方法，其特征在于，由氣動壓力構成的所述負載壓力是通過彈性膜片施加的。
92.如權利要求91所述的方法，其特征在于，所述氣動壓力是通過將氣體直接按壓在所述晶片的背側表面的至少一部分上而施加的。
93.一種半導體晶片，其通過權利要求89所述的方法而被平面化。
94.一種拋光頭，其用于將具有表面的基片定位在拋光裝置的拋光墊上，所述拋光頭包括托架板，其具有外表面；環形的第一膜片，其連接著所述托架板，所述第一膜片具有用于容納基片的容納表面和用于密封在基片背側以便在基片背側與托架板外表面之間形成第一腔的唇緣；第二膜片，其安置在第一膜片上方，所述第二膜片連接著所述托架板，以便在第二膜片的內表面與托架板外表面之間形成第二腔；在拋光操作中，引入第二腔中的壓力流體將引起第二腔向外膨脹，以便向基片背側的一部分上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面。
95.如權利要求94所述的拋光頭，其特征在于，所述預定面積與引入第二腔中的流體的壓力成一定比例。
96.如權利要求94所述的拋光頭，其特征在于，壓力比引入第二腔中的流體低的壓力流體被引入第一腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。
97.如權利要求96所述的拋光頭，其特征在于，所述預定面積與引入第一腔和第二腔中的流體的壓差成一定比例。
98.如權利要求94所述的拋光頭，其特征在于，所述第二膜片包括側緣部分和下表面部分，其中側緣部分具有第一硬度，下表面部分具有第二硬度。
99.如權利要求98所述的拋光頭，其特征在于，第二硬度低于第一硬度。
100.如權利要求94所述的拋光頭，其特征在于，所述第二膜片包括側緣部分和下表面部分，其中下表面部分的厚度小于側緣部分的厚度。
101.一種利用拋光裝置拋光基片表面的方法，所述拋光裝置包括拋光墊、帶有托架板的拋光頭，所述托架板具有外表面，所述方法包括以下步驟設置環形的第一膜片，其連接著所述托架板，所述第一膜片具有用于容納基片的容納表面和用于密封在基片背側以便在基片背側與托架板外表面之間形成第一腔的唇緣；設置第二膜片，其安置在第一膜片上方，所述第二膜片連接著所述托架板，以便在第二膜片的內表面與托架板外表面之間形成第二腔；將基片定位在第一膜片的容納表面上；將壓力流體引入第二腔中，以引起第二腔向基片背側的一部分上施加力，這樣可以抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面，從而將基片表面按壓在拋光墊上；以及使托架與拋光墊之間形成相對運動，以拋光基片表面。
102.如權利要求101所述的方法，其特征在于，將基片表面按壓在拋光墊上的步驟包括以下步驟向理想的預定面積內供應具有選定壓力的壓力流體。
103.如權利要求101所述的方法，其特征在于，將基片表面按壓在拋光墊上的步驟還包括以下步驟將壓力比引入第二腔中的流體低的壓力流體引入第一腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。
104.如權利要求103所述的方法，其特征在于，所述預定面積與引入第一腔和第二腔中的流體的壓差成一定比例；將基片表面按壓在拋光墊上的步驟包括以下步驟選擇引入第一腔和第二腔中的流體的壓力，以獲得理想的預定面積。
105.一種半導體基片，其通過權利要求101所述的方法而被拋光。
106.一種拋光頭，其用于將具有表面的基片定位在拋光裝置的拋光墊上，所述拋光頭包括托架板，其具有外表面；墊片，其連接著托架板的外周邊緣；第一膜片，其通過墊片而連接著托架板，所述第一膜片與托架板外表面之間相隔著所述墊片的厚度，而且所述第一膜片基本上延伸跨過托架板的外表面，以便在第一膜片的內表面與托架板外表面之間形成第一腔，第一膜片具有用于容納基片的容納表面；第二膜片，其安置在第一膜片上方，所述第二膜片連接著所述托架板，以便在第二膜片的內表面與托架板外表面之間形成第二腔；在拋光操作中，引入第二腔中的壓力流體將引起第二腔向第一膜片上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的具有預定面積的一部分表面。
107.如權利要求106所述的拋光頭，其特征在于，施加在第二膜片上的力將引起第二膜片向外膨脹，從而按壓在第一膜片的內表面上。
108.如權利要求106所述的拋光頭，其特征在于，所述預定面積與引入第二腔中的流體的壓力成一定比例。
109.如權利要求106所述的拋光頭，其特征在于，壓力比引入第二腔中的流體低的壓力流體被引入第一腔中，以引起第一膜片抵靠著拋光墊按壓基片的一部分表面。
110.如權利要求109所述的拋光頭，其特征在于，所述預定面積與引入第一腔和第二腔中的流體的壓差成一定比例。
111.如權利要求109所述的拋光頭，其特征在于，第一膜片具有一定厚度并且包含多個延伸穿過所述厚度而到達容納表面的孔，所述孔用于向基片直接供應壓力流體。
112.如權利要求109所述的拋光頭，其特征在于，所述多個孔的數量、尺寸和形狀被選擇，以便在容納表面與基片之間形成足夠的摩擦力，從而可以向基片傳遞旋轉能量。
113.如權利要求106所述的拋光頭，其特征在于，所述第二膜片包括側緣部分和下表面部分，其中側緣部分具有第一硬度，下表面部分具有第二硬度。
114.如權利要求113所述的拋光頭，其特征在于，第二硬度低于第一硬度。
115.如權利要求106所述的拋光頭，其特征在于，所述第二膜片包括側緣部分和下表面部分，其中下表面部分的厚度小于側緣部分的厚度。
116.一種利用拋光裝置拋光基片表面的方法，所述拋光裝置包括拋光墊、帶有托架板的拋光頭，所述托架板具有外表面，所述方法包括以下步驟設置第一膜片，其連接著托架板，所述第一膜片基本上延伸跨過托架板的外表面，以便在第一膜片的內表面與托架板外表面之間形成第一腔，第一膜片具有用于容納基片的容納表面；設置第二膜片，其安置在第一膜片上方，所述第二膜片連接著所述托架板，以便在第二膜片的內表面與托架板外表面之間形成第二腔；將基片定位在第一膜片的容納表面上；將壓力流體引入第二腔中，以引起第二腔向第一膜片上施加力，這樣可以抵靠著拋光墊按壓基片上的具有預定面積的一部分表面，從而將基片表面按壓在拋光墊上；以及使托架與拋光墊之間形成相對運動，以拋光基片表面。
117.如權利要求116所述的方法，其特征在于，將基片表面按壓在拋光墊上的步驟包括以下步驟向理想的預定面積內供應具有選定壓力的壓力流體。
118.如權利要求116所述的方法，其特征在于，將基片表面按壓在拋光墊上的步驟還包括以下步驟將壓力比引入第二腔中的流體低的壓力流體引入第一腔中，以引起第一膜片抵靠著拋光墊按壓基片的一部分表面。
119.如權利要求118所述的方法，其特征在于，所述預定面積與引入第一腔和第二腔中的流體的壓差成一定比例；將基片表面按壓在拋光墊上的步驟包括以下步驟選擇引入第一腔和第二腔中的流體的壓力，以獲得理想的預定面積。
120.一種半導體基片，其通過權利要求116所述的方法而被拋光。
121.一種拋光頭，其用于將具有表面的基片定位在拋光裝置的拋光墊上，所述拋光頭包括托架板，其具有外表面，所述外表面具有外周邊緣和中央部分；墊片，其連接著托架板的外周邊緣；以及環形膜片，其具有用于容納基片的容納表面，所述環形膜片的外邊緣通過墊片而連接著托架板外表面的外周邊緣，環形膜片的內邊緣連接著托架板外表面的中央部分，環形膜片與托架板外表面之間相隔著所述墊片的厚度，從而在膜片與托架板外表面之間形成環形腔；在拋光操作中，引入環形腔中的壓力流體將引起環形腔向外膨脹，以便向基片背側的一部分上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面。
122.如權利要求121所述的拋光頭，其特征在于，所述預定面積與引入環形腔中的流體的壓力成一定比例。
123.如權利要求121所述的拋光頭，其特征在于，所述環形膜片的容納表面密封在基片背側，以便在基片背側、環形膜片的容納表面和托架板外表面之間形成中央腔，而且壓力比引入環形腔中的壓力流體低的壓力流體被引入中央腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。
124.如權利要求123所述的拋光頭，其特征在于，所述預定面積與引入環形腔和中央腔中的流體的壓差成一定比例。
125.如權利要求121所述的拋光頭，其特征在于，所述環形膜片包括側緣部分和下表面部分，其中側緣部分具有第一硬度，下表面部分具有第二硬度。
126.如權利要求125所述的拋光頭，其特征在于，第二硬度低于第一硬度。
127.如權利要求121所述的拋光頭，其特征在于，所述第二膜片包括側緣部分和下表面部分，其中下表面部分的厚度小于側緣部分的厚度。
128.一種利用拋光裝置拋光基片表面的方法，所述拋光裝置包括拋光墊、帶有托架板的拋光頭，所述托架板的外表面具有外周邊緣和中央部分，所述方法包括以下步驟設置環形膜片，其具有用于容納基片的容納表面，所述環形膜片的外邊緣通過墊片而連接著托架板外表面的外周邊緣，環形膜片的內邊緣連接著托架板外表面的中央部分，環形膜片與托架板外表面之間相隔著所述墊片的厚度，從而在膜片與托架板外表面之間形成環形腔；將基片定位在環形膜片的容納表面上；將壓力流體引入環形腔中，以引起環形腔向基片背側的一部分上施加力，從而抵靠著拋光墊按壓基片上的預定面積的表面；以及使托架與拋光墊之間形成相對運動，以拋光基片表面。
129.如權利要求128所述的方法，其特征在于，將基片表面按壓在拋光墊上的步驟包括以下步驟向理想的預定面積內供應具有選定壓力的壓力流體。
130.如權利要求128所述的方法，其特征在于，所述環形膜片的容納表面被密封在基片背側，以便在基片背側、環形膜片的容納表面和托架板外表面之間形成中央腔，而且將基片表面按壓在拋光墊上的步驟還包括以下步驟將壓力比引入環形腔中的壓力流體低的壓力流體引入中央腔中，以抵靠著拋光墊按壓基片表面。
131.如權利要求130所述的方法，其特征在于，所述預定面積與引入環形腔和中央腔中的流體的壓差成一定比例，而且將基片表面按壓在拋光墊上的步驟還包括以下步驟選擇引入環形腔和中央腔中的壓力流體的壓力，以獲得理想的預定面積。
132.一種半導體基片，其通過權利要求128所述的方法而被拋光。
全文摘要
提供了一種基片平面化裝置和方法。所述裝置(101)包括支架(202)，其具有用于將基片(230)容納于其上的板(212)、用于沿預定方向壓迫板的第一腔(238)、連接著板(212)的外邊緣的墊片(260)、通過墊片(260)連接著板并且與板之間相隔著墊片厚度的膜片(250)、形成在膜片與板之間用于沿另一預定方向壓迫板的第二腔(251)。所述方法包括利用第一壓力抵靠著拋光墊(226)按壓基片(244)的外周邊緣，利用第二壓力抵靠著拋光墊(226)按壓基片(244)的內側部分。
文檔編號B24B37/00GK1440321SQ01812171
公開日2003年9月3日 申請日期2001年5月11日 優先權日2000年5月12日
發明者梶原治郎, 格拉爾德·S·莫洛尼, 王惠明, 戴維·A·漢森, 亞歷松德多·雷耶斯 申請人:多平面技術公司