襯底拋光方法

專利名稱：襯底拋光方法
技術領域：
本發明涉及用于保持待拋光的襯底以及將襯底壓緊在拋光面上 的襯底保持裝置，以及更具體地，涉及用于將例如半導體晶片的襯底 保持在用于將襯底拋光為平面磨光狀態的拋光裝置中的襯底保持裝 置。
背景技術：
近年來，半導體器件已經變得越來越集成，并且半導體元件的結 構已經更變得越來越復雜。另外，用于邏輯系統的多層互聯的層數也 逐漸增加。因而，在半導體器件表面上的不平整逐漸增加，使得半導 體器件表面上的臺階高度趨于變大。這是因為，在半導體器件的制造 處理中，在半導體器件上形成薄膜，然后在半導體器件上執行微機械 加工處理，例如構圖或形成孔，以及多次重復這些處理，以在半導體 器件上形成隨后的薄膜。
當在半導體器件表面上不平整數量增加時，引起以下問題。當在 半導體器件表面形成薄膜時，在具有臺階的部分上形成的薄膜的厚度 相對較小。由互聯的中斷引起開路，或者由互聯層之間不充分隔離引 起短路。作為結果，不能獲得良好的產品，并且生產率也趨于減少。 另外，即使半導體起初正常工作，在長期使用之后，半導體器件的可 靠性也下降。在光刻工藝中曝光時，如果照射表面具有不平整性，則 拋光系統中的透鏡單元將發生局部散焦。因此，如果半導體器件表面 的不平整性增加，則很難在半導體器件上形成本身很細的構圖。因而，在半導體器件的制造處理中，使半導體器件表面平面化變
得日益重要。平面化技術中最重要的一個是化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing: CMP)。在化學機械拋光中，利用拋光裝置， 在其中包含例如硅石(二氧化硅)的磨粒的拋光液被供應到例如拋光 墊的拋光面的同時，使例如半導體晶片的襯底與拋光面滑動接觸，使 得拋光襯底。
這類拋光裝置包括拋光臺，具有由拋光墊構成的拋光面，以及 襯底保持裝置，該襯底保持裝置被稱為頂環或載體頭，用于保持半導 體晶片。當利用這種拋光裝置拋光半導體晶片時，由襯底保持裝置保 持半導體晶片，并且在預定壓力下將半導體晶片壓緊在拋光臺上。此 時，彼此相對移動拋光臺和襯底保持裝置，以使半導體晶片與拋光面 滑動接觸，使得將半導體晶片的表面拋光為平坦的鏡面磨光。
在這種拋光裝置中，如果被拋光的半導體晶片和拋光墊的拋光面 之間的相對壓力在整個半導體晶片的整個表面上不均勻，則在某些部 分上，半導體晶片可能會拋光不充分或者可能會過度拋光，這取決于 施加到半導體晶片的這些部分上的壓力。這樣，已經試圖通過由例如 橡膠的彈性材料制成的彈性膜形成用于保持半導體晶片的襯底保持 裝置的表面，以及將例如空氣壓力的流體壓力提供給彈性膜的背側表 面，以在半導體晶片的整個表面上均勻化施加到半導體晶片上的壓 力。
另外，拋光墊是如此有彈性，使得施加到被拋光的半導體晶片的 外周部分的壓力變得非均勻化，由此僅僅半導體晶片的外周部分可能 會被過度拋光，這被稱為"邊緣倒角(edge rounding)"。為了防止這 種邊緣倒角，己經使用了一種襯底保持裝置，其中利用導向環或者保 持環在外周部分保持半導體晶片，以及利用導向環或保持環壓緊與半 導體晶片的外周部分對應的拋光面的環形部分。
取決于膜淀積方法或者膜淀積裝置的特性，在半導體晶片表面上 形成的薄膜的厚度在半導體晶片的徑向上依位置而不同。具體地，薄 膜在半導體晶片的徑向上具有膜厚度分布。因為如上所述的用于均勻地壓緊半導體晶片整個表面的傳統的襯底保持裝置在半導體晶片的 整個表面上均勻地拋光半導體晶片，所以不能在半導體晶片的表面上 實現等于上述膜厚度分布的拋光量分布。
已經提出了一種拋光裝置，用于局部地施加不同的壓力給半導體 晶片，使得用于將在半導體晶片上的較厚薄膜區域壓緊到拋光面上的 壓力大于用于將在半導體晶片上的較薄膜區域壓緊到拋光面上的壓 力，由此，可選擇地增加較厚區域的拋光率。這樣，可以均勻地拋光 襯底的整個表面，而不管當在半導體晶片上生長薄膜時所提供的膜厚 度分布。
但是，當獨立地控制施加到位于半導體晶片相反側的各個壓力室 的流體(加壓空氣)的壓力，以局部地控制施加到半導體晶片上的壓 力，從而在局部不同的壓力下壓緊半導體晶片時，如果破壞了存在于 不同壓力之間邊界上的膜(彈性膜)，或者如果在半導體晶片之間沒 有保持密封而發生空氣泄漏，則在預定壓力下不能壓緊半導體晶片的 各個區域，這樣對拋光處理的結果產生不利影響。當發生空氣泄漏時， 則調節流體壓力的調節器增加流體的流速，使得彌補由空氣泄漏引起 的壓降。因此，很難通過監控流體壓力檢測到很小的空氣泄漏。如果 使用單個流量計來檢測空氣泄漏，這樣檢測方法會頻繁產生檢測誤 差，并且不是足夠的可靠，因為即使當在非泄漏狀態加壓流體時也產 生流體流動。

發明內容
鑒于以上傳統的問題，做出本發明。因此，本發明的一個目的在 于提供一種襯底保持裝置，其中如果膜(彈性膜)被破壞而引起來 自壓力室的泄漏時或者在襯底和膜(彈性膜)之間沒有保持密封而引 起泄漏時，該襯底保持裝置能夠很快檢測到泄漏；以及提供一種包括 這種襯底保持裝置的拋光裝置。
為了實現上述目的，根據本發明的第一方面，提供一種襯底保持 裝置，用于保持襯底，并且將所述襯底壓緊在拋光面上，包括頂環體，用于保持所述襯底；多個流體通道，用于將流體提供給定義在所述頂環體中的多個壓力室；以及多個傳感器，分別設置在所述多個流體通道中，用于檢測流過所述多個流體通道的所述流體的流動狀態。根據本發明的第一方面，通過檢測加壓流體的流動狀態，監測來 自壓力室的流體泄漏和作為待拋光對象的襯底和膜(彈性膜)之間的 流體泄漏。因此，可以檢測定義壓力室的彈性膜的破壞、頂環的裝配 故障等等。因為可以將壓力室內的壓力保持在預先設置的壓力水平， 所以可以降低襯底破壞的概率。而且，可以檢測到拋光期間來自壓力 室的流體泄漏，而且也可以檢測到襯底從頂環下表面的脫離，這樣， 進一步減少襯底破壞的概率。根據本發明優選的一方面，所述傳感器分別設置在所述多個流體 通道的兩個流體通道中，所述兩個流體通道用于將所述流體提供給所 述多個壓力室中由邊界分開的兩個相鄰壓力室。利用根據本發明的襯底保持裝置，當在兩個相鄰壓力室之間的邊 界處發生流體泄漏時，加壓的流體從具有較高壓力的壓力室流動到具 有較低壓力的壓力室中。此時，在具有較高壓力側的調節器提供加壓 流體，以及在較低壓力側的調節器釋放加壓流體到大氣中。因此，如 果在提供有不同壓力的加壓流體的兩個相鄰壓力室之間的邊界處發 生流體泄漏時，則在從具有較高壓力的壓力室到具有較低壓力的壓力 室的固定方向上，加壓流體以相同的流量流動。因此，當兩個傳感器 檢測到加壓流體的流動方向或者加壓流體的相同流量時，可以檢測到 邊界處的流體泄漏。根據本發明的優選方面，所述傳感器能夠檢測所述流體的流動方向。根據本發明的優選方面，所述傳感器能夠檢測所述流體的流速。 根據本發明的優選方面，所述傳感器能夠檢測所述流體的流量。 根據本發明的優選方面，所述傳感器能夠檢測所述流體的流速和 所述流體的流動方向。根據本發明的另一方面，提供一種拋光裝置，包括拋光臺，具有拋光面；以及襯底保持裝置，用于保持襯底，并且將所述襯底壓緊 在所述拋光面上。所述襯底保持裝置包括頂環體，用于保持所述襯 底；多個流體通道，用于將流體提供給定義在所述頂環體中的多個壓 力室；以及多個傳感器，分別設置在所述多個流體通道中，用于檢測 流過所述多個流體通道的所述流體的流動狀態。根據本發明的優選方面，當分別設置在所述多個流體通道的兩個流體通道中的所述傳感器檢測到所述流體的各個固定流動方向時，停 止所述襯底的拋光，其中所述兩個流體通道用于將所述流體提供給所 述多個壓力室中的兩個相鄰壓力室。利用根據本發明的拋光裝置，當在兩個相鄰壓力室之間的邊界處 發生流體泄漏時，加壓流體從具有較高壓力的壓力室流動到具有較低 壓力的壓力室。此時，在較高壓力側的調節器提供加壓流體，而在較 低壓力側的調節器釋放加壓流體到大氣中。因此，如果在提供有不同 壓力的加壓流體的兩個相鄰壓力室之間的邊界處發生流體泄漏，則在 從具有較高壓力的壓力室到具有較低壓力的壓力室的固定方向上，加 壓流體以相同的流量流動。因此，當兩個傳感器檢測到加壓流體的流 動方向以及加壓流體的流量時，可以以較高的精度檢測在邊界處的流 體泄漏。當檢測到流體泄漏時，拋光裝置停止襯底的拋光。拋光裝置可以通過將在真空下的襯底吸引到頂環以及然后從拋 光面處利用襯底升高頂環。可以記錄關于停止的拋光處理的信息，并 且在隨后再次拋光襯底時，可以使用該信息，或者該信息可以被用來 檢測膜的使用壽命，因為可以檢測到穿過膜的微小流體泄漏。根據本發明的優選方面，所述固定流動方向是用于給所述襯底加 壓的所述流體的流動方向和用于給所述襯底減壓的所述流體的流動 方向。根據本發明的優選方面，所述固定流動方向是彼此相反的方向。 根據本發明的優選方面，當分別設置在所述多個流體通道的兩個 流體通道中的所述傳感器檢測到所述流體的相同流量時，停止所述襯 底的拋光，其中所述兩個流體通道用于將所述流體提供給所述多個壓力室中的兩個相鄰壓力室。利用根據本發明的拋光裝置，當在兩個相鄰壓力室之間的邊界處 發生流體泄漏時，加壓流體從具有較高壓力的壓力室流動到具有較低 壓力的壓力室。此時，在較高壓力側的調節器提供加壓流體，而在較 低壓力側的調節器釋放加壓流體到大氣中。因此，如果在提供有不同 壓力的加壓流體的兩個相鄰壓力室之間的邊界處發生流體泄漏，則在 從具有較高壓力的壓力室到具有較低壓力的壓力室的固定方向上，加 壓流體以相同的流量流動。因此，當兩個傳感器檢測到加壓流體的相 同流量或者加壓流體的相反流動方向時，可以檢測到在邊界處的流體 泄漏。當檢測到流體泄漏時，拋光裝置停止襯底的拋光。根據本發明的優選方面，當分別設置在所述多個流體通道的兩個 流體通道中的所述傳感器檢測到所述流體的各個固定流動方向和所 述流體的各個固定流量時，停止所述襯底的拋光，其中所述兩個流體 通道用于將所述流體提供給所述多個壓力室中的兩個相鄰壓力室。根據本發明的優選方面，所述固定流動方向是彼此相反的方向。根據本發明的優選方面，所述固定流動方向是彼此相反的方向， 以及所述固定流量彼此相同。


圖1是顯示根據本發明實施例的包括襯底保持裝置的拋光裝置 的總體配置的橫截面圖；圖2是根據本發明實施例的頂環的垂直橫截面圖；圖3A到圖3C是圖2所示的中間空氣包的放大橫截面圖；圖4A是顯示根據本發明實施例的邊緣膜的總體配置的橫截面圖；圖4B和圖4C是圖2所示的襯底保持裝置的部分橫截面圖； 圖5A是顯示其中正常操作具有中間空氣包的襯底保持裝置的方 式的部分橫截面圖；圖5B是顯示其中操作具有被破壞的中間空氣包的襯底保持裝置的方式的部分橫截面圖；圖6A到圖6C是顯示用于檢測流體的流動狀態的傳感器的視圖， 圖6A顯示了其中沒有流體(加壓空氣)流動的方式，圖6B顯示了 其中流體從左到右流動的方式，以及圖6C顯示了其中流體從右到左 流動的方式；以及圖7是根據本發明另一實施例的頂環的垂直橫截面圖。
具體實施方式
參考附圖，將詳細描述根據本發明實施例的襯底保持裝置和拋光 裝置。圖1是顯示根據本發明實施例的具有襯底保持裝置的拋光裝置 的總體配置的橫截面圖。襯底保持裝置用作保持例如待拋光的半導體 晶片的襯底，以及將襯底壓緊在拋光臺上的拋光面上。如圖l所示， 在頂環1下設置拋光臺100，拋光臺100具有固定在其上面拋光墊 101，頂環1構成了根據本發明的襯底保持裝置。在拋光臺100的上 方設置拋光液提供噴嘴102，并且拋光液Q從拋光液提供噴嘴102被 提供到拋光臺IOO上的拋光墊101上。從市場上可以獲得各種拋光墊。例如，其中的一些是由Rodd公 司制造的SUBA800、 IC-1000和IC-1000/SUBA400 (雙層布)，以及 由Fujimi公司制造的Surfm xxx畫5禾卩Surfin 000。 SUBA800、 Surfm XXX-5和Surfin OOO都是由聚氨酯樹脂結合的非織造布，以及IC-IOOO 是由硬制泡沫聚氨酯制成的(單層)。泡沫聚氨脂是孔狀的，并且具 有形成在其表面的大量細微凹部或孔。在上述實施例中，雖然拋光墊用作拋光面，但是，本發明并不局 限于上述結構。例如，拋光面可以由固定磨料構成。固定磨料被形成 到平板中，該平板包括由粘合劑固定的磨粒。利用用于拋光的固定磨 料，由磨粒執行拋光處理，其中磨粒是由固定磨料自身產生的。固定 磨料包括磨粒、粘合劑和微孔。例如，使用平均顆粒直徑等于或者小 于0.5^im的二氧化鈰(Ce02)或者氧化硅(Si02)或者氧化鋁(AL203)作為磨粒，以及使用例如環氧樹脂或者聚氨酯樹脂的熱固樹膠或者例如MNS樹脂或者ABS樹脂的熱塑樹脂作為粘合劑。例如固定磨料形 成較硬的拋光面。固定磨料包括具有由固定磨料薄層形成的雙層結構 的固定磨料墊以及附著到固定磨料薄層之下表面的彈性拋光墊。頂環1通過通用連接器IO連接到頂環驅動軸11，以及頂環驅動 軸11耦合到頂環氣筒111，頂環氣筒111固定到頂環頭110。頂環氣 筒111操作來垂直移動頂環驅動軸11，由此來做為整體升高和降低頂 環1，以及將固定到頂環體2下端的保持環3壓緊到拋光臺100上。頂環氣筒111經由流體通道31和調節器Rl連接到壓縮空氣源 (加壓流體源)120。調節器R1可以調節提供到頂環氣筒111的壓縮 空氣等的壓力。這樣，可以調節壓力，使得壓緊拋光墊101和保持環 3。頂環驅動軸11通過鍵(未示出)連接到轉筒112。轉筒112具有 固定地設置在其外周部分的定時滑輪113。頂環電動機114固定到頂 環頭10，并且定時滑輪113經由定時帶115耦合到安裝在頂環電動 機114上的定時滑輪116。因此，當頂環電動機114被通電而旋轉時， 經由定時滑輪116、定時帶115和定時滑輪113 —致地旋轉轉筒112 和頂環驅動軸11，由此來旋轉頂環1。頂環頭IO支撐在頂環軸117 上，而頂環軸117旋轉支撐在框架上(未示出)。接下來，下面將描述構成根據本發明的襯底保持裝置的頂環1。 圖2是顯示頂環1的垂直橫截面圖。如圖2所示，構成襯底保持裝置的頂環1包括圓柱形腔室形式 的頂環體2，具有在其中定義的容納空間；以及環形保持環3，固定 到頂環體2的下端。頂環體2由具有高強度和硬度的材料構成，例如 金屬或者陶瓷。保持環3由高硬度合成樹脂、陶瓷等等構成。頂環體2包括圓柱形腔室2a和配合安裝到腔室2a的圓柱形部分 內的環形加壓薄片支撐體2b。保持環3固定到頂環體2的腔室2a的 下端。保持環3具有向內徑向凸出的下部。保持環3可以與頂環體2 形成為一體。頂環驅動軸11設置在頂環體2的腔室2a的中心部分，以及頂環 體2通過通用連接器IO耦合到頂環驅動軸11。通用連接器具有球形 軸承機構，借助于球形軸承機構，頂環體2和頂環驅動軸11彼此間 是可傾斜的，以及具有旋轉傳送機構，用于將頂環驅動軸11的旋轉 傳送給頂環體2。球形軸承機構和旋轉傳送機構將壓力和旋轉力從頂 環驅動軸11傳送到頂環體2，同時允許頂環體2和頂環驅動軸11彼 此相互傾斜。球形軸承機構包括半球形凹部lla，定義在頂環驅動軸11的下 表面的中心；半球形凹部2d，定義在腔室2a的上表面的中心；以及 軸承球12，由例如陶瓷的高硬度材料制成并且設置在凹部lla和2d 之間。另一方面，旋轉傳送機構包括固定到頂環驅動軸11的傳動銷 (沒有示出)和固定到腔室2a的被動銷(沒有示出)。即使頂環體2 相對于頂環驅動軸11傾斜，傳動銷和被動銷也保持相互嚙合，同時 移去接觸連接器，因為傳動銷和被動銷在垂直方向上可相互移動。這 樣，旋轉傳送機構可靠地將頂環驅動軸11的轉距傳送到頂環體2。頂環體2和固定到頂環體2上的保持環3具有其中定義的空間， 該空間在其中容納環形保持環5、以及盤狀夾板6 (垂直可移動的元 件)，該盤狀夾板6可以在頂環體2的容納空間內垂直移動。夾板6 可以由金屬制成。但是，當形成在半導體晶片的表面的薄膜厚度通過 使用渦流的方法在由頂環保持待拋光的半導體晶片的這種狀態下測 量時，夾板6應當優選地由例如絕緣材料的非磁性材料制成，例如， 環氧玻璃、氟樹脂或者陶瓷。包括彈性膜的加壓片13延伸在保持環5和頂環體2之間。加壓 片13具有夾在頂環2的腔室2a和加壓片支撐體2b之間的徑向外緣， 以及夾在夾板6的上端部分和保持環5之間的徑向內緣。頂環體2、 夾板6、保持環5和加壓片13結合起來定義了頂環體2中的壓力室 21 。如圖2所示，包括管子和連接器的流體通道32與壓力室21連通， 并且壓力室21通過設置在流體通道32中的調節器R2連接到壓縮空 氣源120。加壓片13由高強度和耐用的橡膠材料制成，例如，乙丙橡膠(EPDM)、聚氨酯橡膠或者硅樹脂橡膠。在加壓片13由例如橡膠的彈性材料制成的情況下，如果加壓片 固定夾在保持環3和頂環體2之間，則因為作為彈性材料的加壓片 13的彈性變形，在保持環3的下表面上不能維持期望的水平表面。 為了防止這種缺陷，在本實施例中，加壓片13夾在頂環體2的腔室 2a和設置作為單獨元件的加壓片支撐體2b之間。保持環3可以相對 于頂環體2在垂直方向上移動，或者保持環3可以具有能夠壓緊獨立 于頂環體2的拋光面的結構。在這些情況中，沒有必要以上述方式固 定加壓片13。環形邊緣膜(彈性膜)7保持與頂環1保持的半導體晶片W的 外周邊緣相接觸，其被設置在夾板6的外周邊緣。邊緣膜7具有夾在 夾板6的外周邊緣和環狀邊緣環4之間的上端。在這種方式下，邊緣 膜7安裝在夾板6上。如圖2所示，當由頂環1保持半導體晶片W時，壓力室22定義 在邊緣膜7中。包括管子和連接器的流體通道33與壓力室22連通， 并且壓力室22通過設置在流體通道33中的調節器R3連接到壓縮空 氣源120。與加壓片13 —樣，邊緣膜7由高強度和耐用的橡膠材料 制成，例如，乙丙橡膠(EPDM)、聚氨酯橡膠或者硅樹脂橡膠。邊 緣膜7的橡膠材料應當優選地具有20到60丟洛(dum)的硬度。當拋光半導體晶片W時，通過旋轉頂環1來旋轉半導體晶片W。 邊緣膜7單獨具有與半導體晶片W的小接觸區域，并且不能傳送足 夠的轉距。因此，將用于傳送足夠轉距給半導體晶片W的環形中間 空氣包19固定到夾板6的下表面，以便保持與半導體晶片W相接觸。 中間空氣包19徑向設置在邊緣膜7的內部，并且通過大的足以傳送 足夠轉距給半導體晶片W的接觸區域與半導體晶片W相接觸。中間 空氣包19用作執行輪廓控制處理。中間空氣包19包括彈性膜91，其與半導體晶片W的上表面 接觸，以及空氣包保持器92，用于可移動地保持彈性膜91。通過螺 桿(沒有示出)將空氣包保持器92固定地安裝在環形凹槽6a中，環形凹槽6a被定義在夾板6的下表面。構成中間空氣包19的彈性膜 91通過彈性膜91的上端可移動地安裝在夾板6的下表面，彈性膜91 夾在環形凹槽6a和空氣包保持器92之間。當由頂環1保持半導體晶片W時，通過彈性膜91和空氣包保持 器92在中間空氣包19中的定義壓力室24。包括管子和連接器的流 體通道35與壓力室24連通，并且壓力室24通過設置在流體通道35 中的調節器R5連接到壓縮空氣源120。與加壓片13 —樣，彈性膜 91由高強度和耐用的橡膠材料制成，例如，乙丙橡膠(EPDM)、聚 氨酯橡膠或者硅樹脂橡膠。由邊緣膜7定義的環形空間、中間空氣包19、半導體晶片W和 夾板6用作壓力室23。包括管子和連接器的流體通道34與壓力室23 連通，并且壓力室23通過設置在流體通道34中的調節器R4連接到 壓縮空氣源(加壓流體源)120。由中間空氣包19定義的環形空間、半導體晶片W和夾板6用作 壓力室25。包括管子和連接器的流體通道36與壓力室25連通，并 且壓力室25通過設置在流體通道36中的調節器R6連接到壓縮空氣 源120。流體通道32、 33、 34、 35和36通過設置在頂環頭110的上 端的旋轉連接器(未示出)連接到各個調節器R2到R6。因為在邊緣膜7的外周表面和保持環3之間存在小間隙G，所以 包括邊緣環4、夾板6、安裝在夾板6上的邊緣膜7等等的膜相對于 頂環體2和保持環3在垂直方向上可移動，因此形成浮動結構。夾板 具有從其外周邊緣向外凸出的突起6c。當突起6c與保持環3的向內 凸出部分的上表面嚙合時，將包括夾板6等的膜的向下移動限制在某 個位置。下面參考圖3A到圖3C，詳細描述中間空氣包19。圖3A到圖 3C是顯示圖2所示的中間空氣包的放大橫截面圖。正如圖3A所示，根據本實施例的中間空氣包19的彈性膜91具 有中間接觸部分91b，中間接觸部分91b具有徑向向外的延伸邊緣 91a、從邊緣91a的底部91c徑向向外延伸并且定義延伸體91d和邊緣91a之間的環形凹部93的延伸體91d、以及通過空氣包保持器92 連接到夾板6的連接器91e。延伸體91d具有位于邊緣91a徑向向內 的外端，以及連接器91e從延伸體91d的外端向上延伸。邊緣91a、 中間接觸部分91b、連接器91e和延伸體91通過彈性材料形成為一 體。中間接觸部分91b具有在其中心定義的開口 91f。利用上述配置，當在半導體晶片W與中間空氣包19的中間接觸 部分91b相緊密接觸之后向上升高夾板6的狀態下拋光半導體晶片W (見圖3B)時，由延伸體91d將施加到連接器91e的向上力轉換為 水平或者斜向力，該水平和斜向力然后被施加給邊緣91a的底部91c (見圖3C)。因此，最小化了施加到邊緣91a的底部91c上的向上力， 因此，沒有過量的向上力施加在中間接觸部分91b上。因此，在底部 91c附近創造了非真空，并且在除了邊緣91a之外的中間接觸部分91b 的整個表面上實現了均勻的拋光率。連接器91e厚度和邊緣91a的長 度在它們徑向向內和向外的區域可以具有不同的值，以及延伸體91a 的長度在其徑向向內和向外的區域也可以具有不同的值。而且，取決 于在半導體晶片W上待拋光的膜的類型和所使用的拋光墊的類型， 可以改變邊緣91a的厚度。如果傳送給半導體晶片W的阻力和拋光 轉距是大的，則邊緣91a應當優選地做得厚些，以便防止自身扭曲。下面，參考圖4A到圖4C詳細描述邊緣膜7。圖4A是顯示根據 本實施例的邊緣膜的總體配置的橫截面圖，以及圖4B和圖4C是圖2 所示的襯底保持裝置的部分橫截面圖。根據本實施例的邊緣膜(彈性膜)7具有環形接觸部分8，用 于接觸半導體晶片W的外周邊緣；以及環形圓周壁9，從接觸部分8 向上延伸并且連接到夾板6。圓周9包括外圓周壁9a和外圓周壁9a 的徑向向內設置的內圓周壁9b。接觸部分8具有從圓周壁9 (外圓周 壁9a和內圓周壁9b)徑向向內延伸的形狀。接觸部分8具有在其位 于外圓周壁9a和內圓周壁9b之間的部分中定義的圓周延伸切口 18。 切口 18將接觸部分8分為位于外圓周壁9a和內圓周壁9b之間的外 接觸部分8a和內接觸部分8b。如圖4b和4c所示，外圓周壁9a和內圓周壁9b分別沿著環形邊 緣環4的外和內圓周表面向上延伸，并且具有夾在夾板6和邊緣環4 的上表面之間的相應上端。邊緣環4通過螺桿(未示出)固定到夾板 6上。流體通道33垂直延伸通過邊緣環4，并且在邊緣環4的下表面 是打開。因此，由邊緣環4、邊緣膜7和半導體晶片W定義的環形 壓力室22與流體通道33連通，并且半導體晶片W與流通通道33連 通，并且通過流體通道33和調節器R3連接到壓縮空氣源120。圓周壁9具有可伸縮部分40，該可伸縮部分40可基本上垂直于 半導體晶片W伸縮。更具體地，圓周壁9的外圓周壁9a具有垂直可 伸縮部分40a，以及可伸縮部分40a具有這樣的結構，即外圓周壁9a 的一部分沿圓周方向向內折疊并且然后向外折回。可伸縮部分40a位 于外接觸部分8a附近并且位于邊緣環4下面的位置。圓周壁9的外 圓周壁9b也具有垂直可伸縮部分40b，以及可伸縮部分40b具有這 樣的結構，即外圓周壁9b在接近其下端的一部分沿圓周方向向內折 疊。利用分別設置在外圓周壁9a和內圓周壁9b中的可伸縮部分40a 和40b，可以很大程度上伸縮外圓周壁9a和內圓周壁9b,同時使接 觸部分8 (外接觸部分8a和外接觸部分8b)保持良好狀態，因此， 如圖4C所示，當抬高夾板6時，伸出可伸縮部分40a和40b，使得 跟隨夾板6移動，由此保持邊緣膜7和半導體晶片W的接觸區域恒 定。定義在夾板6上面的壓力室21和定義在夾板6下方的壓力室22、 23、 24和25通過與這些壓力室分別連通的流體通道32、 33、 34、 35 和36被提供有加壓流體，例如加壓空氣等等，或者連通到大氣壓， 或者被抽空以在其中形成真空。因此，可以相互獨立地控制在壓力室 21到25中的壓力，或者可以將壓力室21到25連通到大氣壓，或者 將壓力室21到25抽空，以在其中形成真空。正如圖1和2所示，連接到各個壓力室22、 23、 24和25的流體 通道33、 34、 35和36具有相應的傳感器S1、 S2、 S3和S4，用于檢 測從流體通道33、 34、 35和36提供到壓力室22、 23、 24和25的流體的流動狀態。下面參考圖6A到6C描述傳感器S1、 S2、 S3和S4。圖6A顯示 了其中不存在流體(加壓空氣)流動的方式，圖6B顯示了其中流體 從左到右流動的方式，以及圖6C顯示了其中流體從右到左流動的方 式。每個傳感器S1、 S2、 S3和S4包括圖6A到圖6C所示的傳感器 芯片60。傳感器芯片60包括中心位置的加熱器61和設置在加熱器 61每側一個的兩個溫度傳感器62。利用上述配置，當加熱器61被通電時，如果如圖6A所示，在 傳感器芯片60上沒有流體流動，則在傳感器芯片60上，產生在加熱 器61上具有最高溫度的對稱的溫度分布。當如圖6B所示，流體在 傳感器芯片60上從左向右流動時，加熱器61上游的溫度下降而加熱 器61下游的溫度升高，這樣導致了在傳感器芯片60不對稱的溫度分 布上。相反地，當如圖6C所示，流體在傳感器芯片60上從右向左 流動時，加熱器61上游的溫度下降而加熱器61下游的溫度升高，這 樣導致了在傳感器芯片60不對稱的溫度分布上。圖6B和圖6C所示溫度分布的溫度差顯示為溫度傳感器62的電 阻之間的不同，并且根據電阻之間的不同，可以確定質量流量(流速 X密度)。根據該原理，可以檢測流體的雙向流動。圖6A到圖6C所示的傳感器芯片60的輸出與流過傳感器芯片60 的流體的流速線性相關，因此，可以根據傳感器芯片60的輸出，檢 測流過傳感器芯片60的流體的流量。因此，傳感器Sl、 S2、 S3和 S4可以分別檢測流過流體通道33、 34、 35和36的流體的流量。下面描述壓力室22、 23、 24和25與傳感器Sl、 S2、 S3和S4 的關系。安排傳感器S1、 S2、 S3和S4，以檢測流過其中的流體的流動方 向。具體地，安排傳感器Sl、 S2、 S3和S4，以檢測流過流體通道 33、 34、 35和36的流體(加壓空氣)是正在從調節器R3、 R4、 R5 和R6流到壓力室22、 23、 24和25還是正在從壓力室22、 23、 24和25流到調節器R3、 R4、 R5和R6。也安排傳感器S1、 S2、 S3和S4，以檢測流過流體通道33、 34、 35和36的流體的流速。因為傳感器Sl、 S2、 S3和S4可以檢測流過 流體通道33、 34、 35和36的流體的流速，所以通過流過流體通道 33、 34、 35和36的流體的流速分別乘以流體通道33、 34、 35和36 的橫截面積，可以確定流過流體通道33、 34、 35和26的流體的流量。 在傳感器Sl、 S2、 S3和S4內，或者通過控制拋光裝置的控制器(未 示出)的計算單元，來執行該計算。當連接到如此安排的壓力室22、 23、 24和25被提供有在不同壓 力下的加壓流體時(加壓空氣)時，如果在不同壓力之間的邊界處發 生^l體泄漏，則在兩個相鄰壓力室之間的加壓流體從具有較高壓力的 壓力室流到具有較低壓力的壓力室。此時，將加壓流體從在較高壓力 側的調節器提供到在較低壓力側的調節器，以及在較低壓力側的調節 器排放加壓流體到大氣中。圖5A顯示了其中操作具有正常的中間空氣包的襯底保持裝置的 方式的部分橫截面圖；以及圖5B是顯示其中操作具有被破壞的中間 空氣包的襯底保持裝置的方式的部分橫截面圖。如圖5A所示，如果 中間空氣包19正常操作，當壓力室23、 24的壓力達到預先設置的壓 力水平時，流過流體通道34、 35的流體的流量變為零。但是，如圖 5B所示，如果中間空氣包被破壞，加壓流體從具有較高壓力的壓力 室24流到具有較低壓力的壓力室23。此時，在較高壓力側的調節器 R5提供加壓流體，并且在較低壓力側的調節器R4排放加壓流體到大 氣中。因而，如果在提供有不同壓力下的加壓流體的兩個相鄰壓力室 之間的邊界處發生流體泄漏，則在從具有較高壓力的壓力室到具有較 低壓力的壓力室的固定方向上，加壓流體以相同的流量流動。通常，因為半導體晶片在其整體上同時被加壓或者減壓，所以提 供到相鄰壓力室的流體以不同的流量在相同的方向上流動。因此，如 果傳感器能夠檢測流體的流動方向并且流體被提供在用于分別提供 加壓流體到具有較高預先設置壓力和較低預先設置壓力的兩個相鄰壓力室的響應流體通道中，則可以檢測從具有較高壓力的壓力室到具 有較低壓力的壓力室的流體的泄漏。具體地，當兩個傳感器檢測到從 較高壓力側到較低壓力側的流體流動和流體的相同流量時，可以判斷 發生了流體泄漏。在這種情況下，當兩個傳感器檢測到流體的流動方 向和流體的相同流量時，則可以確定流體的泄漏。但是，應當優選地 同時監控流體的流動方向和流體的相同流量，用于穩定地檢測流體的 泄漏。另外，當給空氣包加壓時，或者兩個空氣包的一個被減壓而兩個 空氣包的另一個被加壓時，即使沒有發生泄漏，如果在流體通道中產 生流體流動，也存在檢測誤差的高概率。為了防止發生檢測誤差，在 流體通道中提供壓力傳感器，并且在改變壓力條件和壓力變化變為等 于或者小于預定值，或者壓力變化率變為等于或者小于設定壓力的預 定速率之后，啟動流體泄漏的監控。為了對付從開始發生流體泄漏和 壓力不穩定的情況，如果壓力在特定時間段內沒有變得穩定，則繼續 流體泄漏的監控。另一方面，下面情況下也是可以的沒有提供壓力傳感器，在改 變壓力條件之后的一預定時間段，沒有執行流體泄漏的監控。但是， 如果這個預定時間段是短的，則可能會發生檢測誤差。相反地，如果 這個預定時間段很長，則可以忽略流體的泄漏。通過提供壓力傳感器， 可以自動地判斷穩定壓力的定時，例如，監控流體泄漏的開始定時。如上所述，壓力傳感器可以監控壓力變化，并且當此從空氣包到 頂環的外部發生流體泄漏時還可以監控壓降。當發生到外部的流體泄 漏時，因為室的壓力與大氣壓之間的壓差是大的，所以流體泄漏引起 的壓降也是大的。這樣，可以僅僅通過壓力傳感器來監控流體泄漏。但是，僅僅通 過壓力傳感器不能檢測微小的流體泄漏，這是因為管道內存在壓力損 失。圖7是根據本發明另一實施例的頂環的垂直橫截面圖。在圖7的實施例中，上述壓力傳感器Pl、 P2、 P3和P4提供在各個流體通道33、 34、 35和36中，以測量各個流體通道33、 34、 35和36中的壓 力。通過使用壓力傳感器P1、 P2、 P3和P4，在改變加壓條件和壓力 變化變為等于或者小于預定值，或者壓力變化率變為等于或者小于設 定壓力的預定速率之后，開始流體泄漏的監控。上述配置使得可以檢測微小的流體泄漏。至此，傳統上，利用足 夠的安全容限來經驗上確定膜的使用壽命。根據本發明，當在膜中形 成小的裂縫或者微裂縫以及實際上檢測到來自小裂縫或者微裂縫的 微小流體泄漏時，可以判斷膜的使用壽命已滿。檢測這種微小泄漏是 有利地，因為對于膜來說直到這種小裂縫或者微裂縫成長為大孔或者 膜斷裂需要特定時間段。上述微小泄漏應當具有大的足以使控制器利 用反饋電路校正流體壓力的流量。甚至不能檢測流體流動方向的常用流量計也可以用來檢測流體 泄漏，因為如果確定施加在半導體晶片上較高和較低壓力時，則當發 生流體泄漏時，流體總在相同的方向流動，假設安裝流量計以檢測在 該方向流動的流體。正如以上所述，根據本發明，在邊界兩側安裝傳感器，其中在不 同壓力下的區域之間可能發生流體泄漏，并且可以根據泄漏發生時的 流體流動狀態和沒有發生泄漏壓力正常作用在這些區域上時的流體 流動狀態之間的差異，通過傳感器來穩定地檢測流體泄漏。在連接到壓力室21的流體通道32中，可以設置檢測提供給壓力 室21的流體的流動狀態的傳感器。該傳感器可以與傳感器Sl到S4 相同或者類似。因為傳感器可以檢測在加壓片13中的流體泄漏，所 以當升高或者降低夾板6時，可以判斷夾板6沒有正常操作或者夾板 6誤操作。下面將描述圖1所示的頂環的整個操作。當半導體晶片W被提 供給頂環1時，將頂環1整體上放置在用于傳送半導體晶片W的位 置上。壓力室23和/或壓力室24通過流體通道34和/或流體通道35 連接到真空源，并且被抽空，以在其中形成真空。壓力室23和/或壓 力室24沒有將在真空下的半導體晶片W吸引到頂環的1的下表面。然后，在將半導體晶片W保持在真空下的頂環1被整體上移動到具有拋光面(拋光墊IOI)的拋光臺IOO上方的位置。由保持環3保持 半導體晶片W的外圓周邊緣，使得半導體晶片W不能從頂環1脫離。然后，壓力室23和/或壓力室24釋放半導體晶片W。同時，頂 操作連接到頂環驅動軸ll的環氣筒ll，以在預定壓力下，將固定到 頂環1下端的保持環3壓緊到拋光臺100的拋光面上。此后，提供加 壓流體給壓力室21，以降低夾板6，由此將邊緣膜7和中間空氣包 19壓緊到半導體晶片上。現在邊緣膜7的和中間空氣包19的下表面 被可靠地保持與半導體晶片的上表面相接觸。在這種狀態下，壓力室 22到25被提供有各自壓力下加壓流體，由此，抬高夾板6，并且將 半導體晶片W壓緊在拋光臺IOO的拋光面上。此時，因為邊緣膜7 的可伸縮部分40a、 40b被伸展使得跟隨夾板6的向上移動，所以保 持邊緣膜7的下表面(接觸部分8)以恒定的接觸面積靠住半導體晶 片W的外圓周邊緣。從拋光液提供噴嘴102提供的拋光液Q保留在 拋光墊101上。現在，利用存在于半導體晶片W的表面(下表面) 與拋光墊101之間的拋光液，來拋光半導體晶片W。利用根據本發明的頂環(襯底保持裝置)1，因為其中邊緣膜7 與半導體晶片W的外圓周邊緣相互接觸的區域保持恒定，所以防止 施加在半導體晶片W的外圓周邊緣的壓力發生變化。因此，包括其 外圓周邊緣的半導體晶片W的整個表面都可以在均勻的壓力下壓緊 在拋光面上。因此，防止了在半導體晶片W的外圓周邊緣上拋光率 的降低，并且在可以防止在半導體晶片W的外圓周邊緣徑向向內處 的區域上拋光率的局部增加。具體地，如果半導體晶片具有200mm 的直徑，則在可以防止從半導體晶片W的外周徑向向內大約20mm 處的區域上的拋光率增加，并且如果半導體晶片具有300mm的直徑， 則在可以防止從半導體晶片W的外周徑向向內大約25mm處的區域 上的拋光率增加。定義在邊緣膜7的接觸部分8中的圓周延伸切口 18對于增加圓 周壁9 (外圓周壁9a和內圓周壁9b)在向下方向的伸展性是有效的。因此，即使當減少了提供給壓力室22的流體的壓力，邊緣膜7和半 導體晶片W之間的接觸范圍保持正確，這樣，允許在更小的壓力下 壓緊半導體晶片w。分別位于壓力室22、 23、 24和25下方的半導體晶片W的區域 被在提供給各個壓力室22、 23、 24和25的流體的壓力下壓緊在拋光 面上。因此，通過控制提供給各個壓力室22、 23、 24和25的加壓流 體的壓力，可以將半導體晶片W的整個表面以均勻的力壓緊在拋光 面上，從而在半導體晶片W的整個表面上實現均勻的拋光率。類似 地，可以通過調節器R2來調節提供給壓力室21的加壓流體的壓力， 以變化用于將保持環3壓緊在壓力墊101上的壓力。在這種放下，可 以通過適當調節用于將保持還3壓緊在壓力墊101上的壓力和用于利 用壓力室22、 23、 24和25將半導體晶片W壓緊在拋光墊101上的 壓力，來控制半導體晶片W的拋光輪廓，同時拋光半導體晶片W。 半導體晶片W具有壓力通過中間空氣包19從流體施加到其上的區 域，以及加壓流體直接施加到其上的區域。施加到半導體晶片W的 這些區域的壓力彼此相同。正如以上所述，適當地調節用于將保持環3壓緊在拋光墊101上 的壓力以及用于利用提供給各個壓力室22、 23、 24和25的加壓流體 將半導體晶片W壓緊在拋光墊101上的壓力，來拋光半導體晶片。雖然如上所述拋光半導體晶片W，但是當加壓流體在各個不同 壓力下提供給壓力室22、 23、 24和25以便以局部不同的壓力狀態來 壓緊半導體晶片W時，如果在各個流體通道33到36 (流體通道33 到36用于將流體提供給壓力室22到25)中的傳感器Sl到S4中用 于相鄰壓力室的兩個傳感器檢測到特定流體流動方向，則判斷這兩個 相鄰壓力室之間的邊界發生破壞或者破裂。此時，頂環1在真空下吸 引半導體晶片W，并且被從拋光面抬起，由此，停止半導體晶片W 的拋光。如果用于相鄰壓力室的兩個傳感器檢測到相同流量的流體流 動，則也判斷這兩個相鄰壓力室之間的邊界發生破壞或者破裂。此時， 也停止半導體晶片W的拋光。當完成拋光處理之后，停止到壓力室22、 23、 24和25的加壓流 體的提供，并且壓力室22、 23、 24和25連通到大氣。然后，在壓力 室23和/或壓力室24中形成負壓，以再次將半導體晶片W在真空下 吸引到頂環1的下端表面。此時，使得壓力室21的壓力為大氣壓或 者負壓。這是因為，如果保持壓力室21的壓力是高的，則半導體晶 片W將通過夾板6的下表面局部地壓緊到拋光面上。在由此將半導體晶片W保持在真空下之后，頂環1整體上位于 用于半導體晶片W的傳送位置，并且釋放通過壓力室23和/或24的 半導體晶片W的真空吸引。然后，從流體通道34向半導體晶片W 注入流體(例如加壓流體或者氮和純水的混合物)，由此，從頂環1 移走半導體晶片W。雖然上面描述了本發明的實施例，但是，本發明并不局限于上述 實施例，但是在其技術原理范圍內可以體現為多種不同的形式。根據本發明的襯底保持裝置，可以通過檢測加壓流體的流動狀 態，來檢測來自壓力室的流體泄漏或者作為待拋光對象的襯底和膜 (彈性膜)之間的流體泄漏。因此，可以檢測定義壓力室的彈性膜的 破壞、頂環組裝故障、或者頂環部件的使用壽命。因為在壓力室中的 壓力可以保持在預先設置的壓力水平，所以可以降低襯底破壞的概 率。而且，可以檢測到不僅來自壓力室的流體泄漏，而且也可檢測到 襯底從頂環的下表面的脫離，這樣進一步減少了襯底破壞的概率。工業應用性本發明適用于保持待拋光的例如半導體晶片的襯底并且將襯底 壓緊到拋光面上的襯底保持裝置。本發明也適用于具有這種襯底保持 裝置的拋光裝置。
權利要求
1、一種襯底拋光方法，包括經由多個流體通道將流體提供給多個壓力室；將多個傳感器分別設置在所述多個流體通道中，用于檢測流過所述多個流體通道的所述流體的流動狀態；當在所述多個流體通道的兩個相鄰流體通道中的二個所述傳感器檢測到所述流體的固定流動方向時，則判斷為發生流體泄露并停止拋光所述襯底。
2、 如權利要求1所述的襯底拋光方法，其中 所述兩個相鄰流體通道將所述流體提供給所述多個壓力室中的二個相鄰且具有不同壓力的壓力室，由此所述判斷步驟判斷所述流體 泄漏發生在所述二個壓力室的界面處。
3、 如權利要求2所述的拋光方法，其中所述傳感器進一步檢測 所述流體的流量，當所述兩個相鄰流體通道中的所述二個傳感器檢測到所述流體 的固定流動方向和流量時，則判斷為所述壓力室的隔板損壞。
4、 如權利要求1所述的拋光方法，其中，所述固定流動方向是 彼此相反的方向。
5、 如權利要求1所述的拋光方法，其中，所述固定流動方向是 彼此相反的方向，以及所述固定流量彼此相同。
全文摘要
本發明提供一種襯底拋光方法，包括經由多個流體通道將流體提供給多個壓力室；將多個傳感器分別設置在所述多個流體通道中，用于檢測流過所述多個流體通道的所述流體的流動狀態；當在所述多個流體通道的兩個相鄰流體通道中的二個所述傳感器檢測到所述流體的固定流動方向時，則判斷為發生流體泄露并停止拋光所述襯底。
文檔編號B24B37/30GK101241843SQ200810081220
公開日2008年8月13日 申請日期2004年2月25日 優先權日2003年5月20日
發明者戶川哲二, 鍋谷治 申請人:株式會社荏原制作所