CN101678529A - 抛光半导体晶片的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了方法和设备，其包括：基座，其上以可释放方式连接基片；移动带，其与基座的相对位置使得可操作其接触表面从基片顶部表面去除材料；以及多个促动器，其中至少两个可独立控制，其与基座和移动带的相对位置限定相应多个压力区，在移动带和基片顶部表面之间提供压力。

Description

抛光半导体晶片的方法和设备
相关申请交叉参考
本申请要求2007年5月30日提交的美国申请序列第11/807783号的优先权。
发明领域
本发明涉及使用化学机械抛光(CMP)抛光基片的方法和设备。
发明背景
CMP是一种对例如半导体制造中使用的基片进行平面化(控制抛光)的公认方法。现有的CMP方法通常要求将基片安装在托架或抛光头上。将基片的暴露表面抵靠旋转抛光垫放置，该抛光垫可以是标准垫或固定研磨垫。标准垫有耐用的粗糙化表面，而固定研磨垫具有保持在约束介质(containmentmedia)中的研磨颗粒。托架头在基片上提供可控制负荷，即压力，推动基片抵靠抛光垫。在抛光垫的表面上施用包含化学反应剂(如果使用标准垫，则还包含研磨颗粒)的抛光浆液。
CMP方法提供高抛光率，得到的基片表面没有小尺寸粗糙而且是平坦的(大尺寸的表面形貌很少)。通过垫和浆液组合的特征、垫在基片上的相对速度、以及将基片压在垫上的作用力确定抛光速率、光洁度和平面性。
现有旋转带型CMP加工设备20如美国专利公开第2004/0209559号中所述，该文献全部揭示内容通过参考结合于此。矩形压板100包括抛光片110，该抛光片通过滚筒在压板100的顶部表面140上推进。托架头80接受进行抛光的基片10，向基片10施加向下压力将其在抛光片110上。可以在压板100的顶部表面140和抛光片110之间注入流体，从而在其间产生流体轴承(bearing)。除了美国专利公开第2004/0209559号中包括的信息之外，如涉及托架头80结构的其他细节可参见美国专利第6183354号，该文献全部揭示内容通过参考结合于此。
可以在压板100的顶部表面140中形成孔或洞154，并与抛光片110中的透明条118对齐。孔154和透明条118的位置使得能够通过它们观察在压板的部分旋转期间时的基片10。光学监控系统90包括光源94(例如激光器)和检测器96。光源产生的光束92传播通过孔154和透明条118照射在基片10的暴露表面上。设备20使用光学监控系统90来测定基片10的厚度，以确定从基片10去除的材料量，或者用以确定表面变得平面的时间。可以通过计算机280进行程序控制，当基片10叠加在孔154上时启动光源94，存储来自检测器96的测量值，在输出装置98上显示该测量值，以及检测抛光终点。除了美国专利公开第2004/0209559号中包括的信息外，如涉及光学监控系统90结构和计算机280的其他细节可参见美国专利第5893796号，该文献全部揭示内容通过参考结合于此。
上述旋转带型CMP加工设备的一个问题是，对正在抛光的基片和旋转抛光片之间的压力的量和性质没有充分的控制。因此，本领域中需要通过CMP进行抛光、得到改善的基片光洁度的新方法和设备。
发明概述
根据本发明的一种或多种实施方式，提供了方法和设备，其包括：基座，其上以可释放方式连接基片；移动研磨元件，其与基座的相对位置使得可操作其接触表面以从基片顶部表面去除材料；以及多个促动器，其中至少两个促动器可独立控制，其与基座和移动研磨元件的相对位置限定了相应多个压力区，以在移动研磨元件和基片顶部表面之间提供压力。
促动器的独立控制使得可以进行保形精整(conformable finishing)。事实上，在一些应用中，例如LCD基片精整，较大表面面积的基片可能有例如约20微米的变形公差。非常薄的一层或多层材料(厚度约几至几十纳米)可能需要进行精整，使这些层能够顺应基片表面具有的20微米的波动。为了在这些薄层上提供精确精整而并不完全去除一个或多个层(在严格平面化中将完全去除一个或多个层)，精整设备在从这些薄层去除材料的同时必须对基片的波动表面进行补偿。
根据本发明的一种或多种实施方式，提供了方法和设备，其包括：基座，其上以可释放方式连接基片；移动带，其与基座的相对位置使得可操作其接触表面以从基片顶部表面去除材料；以及多个促动器，其中至少两个促动器可独立控制，其与基座和移动带的相对位置限定了相应多个压力区，以在移动带和基片顶部表面之间提供压力。
促动器可包括至少一个流体控制促动器，可操作该促动器，根据向其供应的流体的压力来改变在相关的一个压力区中移动带和基片顶部表面之间的压力。
流体控制促动器可包括至少一个室和至少一个垫，该垫与该室、以及移动带和基片底部表面中的一个流体连通，使得可操作该垫，根据向该室供应的流体的压力来改变在相关的压力区中移动带和基片顶部表面之间的压力。
或者，流体控制促动器可包括板和多个贯通该板的通孔(bore)，这些通孔在其第一端与供应的流体连通，在其第二端与移动带和基片底部表面中的一个连通，使得可操作所供应流体，根据在通孔内所供应流体的压力来改变在相关的压力区中移动带和基片顶部表面之间的压力。
或者，促动器包括至少一个压电促动器，可操作该促动器，根据其上所施加电压来改变在相关的一个压力区中移动带和基片顶部表面之间的压力。
该方法和设备进一步提供至少一个光学检测器电路，可操作该电路，在至少一个压力区中监控基片的厚度。可以将基片中与顶部表面相对的底部表面连接至基座的顶部表面；该基座可包括至少一个延伸至其顶部表面并且位于该至少一个压力区中的孔，使得可操作该光学检测器电路，通过其底部表面监控基片厚度。
基座可包括多个这种延伸至其顶部表面的孔，各压力区中有至少一个孔位于其中。该光学检测器电路可包括多个检测器，可操作这些检测器中的至少一个，通过相应压力区中的相应孔，经由其底部表面，监控基片厚度。可操作该光学检测器电路，使其配合相应孔移动，从而通过相应压力区，经由其底部表面，监控基片厚度。
该方法和设备进一步提供在程序控制下运行的处理器，其响应光学检测器电路提供的基片厚度信息至少产生第一和第二信号，其中，可操作第一和第二信号中的每一个信号，来控制相应促动器提供的相应压力。可操作该处理器，由厚度信息计算至少一种以下数据：由移动带从基片去除材料的速率；由移动带从基片去除材料的量；以及基片厚度的变化。
对于本领域技术人员而言，通过本文描述以及结合附图，本发明的其他方面、性质和优点将是显而易见的。
附图简要说明
为了图示说明的目的，附图中显示了目前优选的形式，但是应当理解，本发明并不限于所示精确排列和实现形式。
图1是根据本发明一个或多个方面的用于抛光基片的设备的横截面侧视图；
图2是适用于图1设备的闭环控制电路的框图；
图3A、3B和4-5是图1设备中使用的向基片施加压力的促动器的备选实现形式；以及
图6是适用于图1设备的研磨元件的横截面图。
本发明优选实施方式
参考附图，其中使用类似的附图标记表示类似的要素，图1是根据本发明一种或多种实施方式的CMP设备100的横截面侧视图。可操作CMP设备100以控制方式去除材料，例如抛光基片10，得到高度均匀、经过抛光的表面。
基片可以是任何材料，例如玻璃、玻璃陶瓷、半导体以及上述的组合，例如绝缘体上半导体(semiconductor on insulator)(SOI)结构。在半导体材料的情况中，基片可选自下组：硅(Si)、锗掺杂的硅(SiGe)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、GaP和InP。
CMP设备100包括基座102，以及其上连接的上部结构104。上部结构104包括具有研磨接触表面的移动元件，可操作该元件从基片10的顶部表面去除材料。在所示实施方式中，该移动研磨元件是移动带106，在可控制的速率和压力下引导该移动带经过基片10的顶部表面。采用一些滚筒(例如主滚筒108A、108B和辅助滚筒110A、110B)来驱动和引导移动带106在基片10的顶部表面上经过。上部结构104还包括将滚筒108、110定位的框架或机壳，因此，移动带106能够相对于基座102实现合适的间距，和使移动带106抵靠基片10实现适当接合。移动带106可以旋转运动(例如，经由滚筒108、110)，也可以平移，将在以下进一步讨论。
上部结构104包括多个促动器120，可操作这些促动器促使移动带106压向基片10的顶部表面，从而在其间产生合适量的压力。促动器120中至少两个、优选全部促动器可独立控制，在基片10的顶部表面限定相应压力区122A、122B、122C…。因此，各促动器120的独立控制导致在相应压力区122产生相同或不同的压力，从而在移动带106和基片10之间施加变化的压力，并且这些压力的位置也存在变化。
基座102可包括多个延伸至基座102的顶部表面的孔130A、130B、130C…。有至少一个孔130位于各压力区122中，使得可以通过这些孔130观察基片10的底部表面。CMP设备100还包括至少一个光学检测器电路132(图2)，可操作该电路，通过相关孔130，对至少一个压力区122中的基片10的厚度进行监控。该光学检测器电路132可包括多个光学检测器134A、134B、134C…，其中，可操作这些光学检测器134中的至少一个(优选是每一个)，通过相应孔130，经由基片10的底部表面，监控基片10的厚度。换言之，可操作光学检测器134，诱导光从基片底部表面的下面通过该基片10，来感知基片10的厚度。可使用已知的干涉计技术实现光学检测器134。光学检测器134可包括光源(例如激光器)和检测器。光源产生的光束传播通过孔130照射在基片10的暴露的底部表面上。
在一种备选实施方式中，光学检测器电路可包括单独一个光学检测器134，可操作该检测器，配合相应孔130A、130B、130C…中的一个移动，从而在各压力区122，监控基片10的厚度。不考虑光学检测器电路132的具体实现方式，多个促动器120和光学检测结果的组合能高水平地调控相应压力区122中的压力，并且相应监控从基片10去除材料。
参考图2，所示为适合与CMP设备100组合使用的闭环控制系统200的示意图。控制系统200包括促动器120，光学检测器电路132，能源电路140，和处理器电路150。如上文所讨论，可操作促动器120，在相应压力区122，促使移动带106压向基片10的顶部表面。促动器120接受来自能源电路140的输入，使得各促动器120A、120B、120C…能够独立促动并产生压力。光学检测器电路132监控各压力区122中基片10的厚度，并将这些厚度信息提供给处理器电路150。处理器电路150接受基片厚度信息，并利用这些信息向能源电路140提供控制的信号发射。可以使用能在软件程序控制下运行的任何已知微处理器芯片组实现该处理器电路150。
例如，处理器电路150可利用基片厚度信息计算从基片10去除材料的速率，从基片10去除材料的聚集量，区与区之间基片10厚度的变化等。处理器电路150利用基片厚度信息和/或其计算结果，产生一个或多个控制信号，送至能源电路140，使得能够向促动器120提供可变量的能量，从而在相应压力区122实现所需的压力。通过这种方式，可以实现对从基片10的顶部表面去除材料的高水平调控。
参考图1，可操作上部结构104相对于移动带106的方向垂直移动(或滑动)。在所示实施方式中，可操作上部结构104，以相应于经由滑板114进出纸面的方向移动。上部结构104经由滑板114的滑动避免了在其他情况下可能由移动带106产生的方向标记。例如，可控制滚筒108、110和滑板的速度和移动特征，使带106实现所需的相对于基片的移动。移动模式可以是简单或复杂的，例如圆形模式、正弦曲线模式等。
参考图3-5，所示为适合于实现促动器120的各实施方式的简化横截面图。图3A显示促动器120可以为流体控制的，所供应流体压力的增加导致在相关压力区122中移动带106压向基片10的压力增加。各促动器120包括至少一个可移动垫172，使得促动器120内流体压力的增加导致垫172偏向移动带106的内侧表面(与接触表面相对)。可以在垫172和移动带106的内侧表面之间提供润滑流体，以减少其间的摩擦。
在图3B所示的备选实施方式中，使用自我补偿的液压垫(hydrostaticpad)实现促动器120(为了简化显示了一个这样的促动器)。促动器120包括位于压力区P1和P2之间的可移动元件170。有孔(orifi ce)在压力区P1、P2之间延伸，使其间的压力均等。压力区P2中的加压流体作为液压垫172，使带106偏向压在基片10上。流体从间隙G逃逸，但是自动调节，从而确保在液压垫172处实现程序化的压力。特别是，如果间隙G太大(导致泄露过多)，则P2处的压力降至P1处压力以下。这种压力不平衡导致移动元件170向带106推进，从而关闭间隙G，并使P1和P2处的压力均等。
在图4所示的备选实施方式中，以板180的方式实现促动器120，该板包括多个贯通该板的通孔(bore)182，其中，有相应的通孔组位于相应压力区122中。通孔182的第一端与流体供应连通，通孔182的第二端与移动带106的内侧表面连通。因此，所供应的通过通孔182的流体压力的增加或减小会导致移动带106在压力区122处的压力发生相应的增加或减小。
在图5所示的另一种备选实施方式中，利用压电促动器190实现促动器120。向相应压电促动器190施加的电压的变化会导致移动带106压在基片10的压力发生相应变化。适合与本文实施方式结合使用的压电促动器190可以从Physik Instrumente L.P.，Auburn，MA获得。
应当注意，在所述实施方式中，将促动器120定位以与移动带106的内侧表面接合，从而向其提供压力。在备选实施方式中，促动器120的位置使得它们能促使基片压在移动带106上。但是在这些实施方式中，将要求重新定位光学检测器电路132，使其与促动器120相对，并且需要提供一定手段，使得能够通过移动带106对基片10的厚度进行光学检测。
参考图6，移动带106的至少一部分包括固定研磨结构，该结构是其接触表面上的微米级的柱160的微复制(micro-replicated)图案。柱160在树脂样基质中包含研磨材料。该固定研磨材料可以从3M公司(明尼苏达州圣保罗(St.Paul，MN))获得。发明人相信，抛光玻璃上硅(SiOG)基片时这样的实施方式是有利的。使用常规抛光技术，研磨颗粒到达处理中的基片的暴露表面，在研磨材料的突起和低凹区域中都发生了材料去除。在使用微米级柱160的微复制图案的固定研磨抛光情况中，研磨颗粒被限制在垫的突起的柱160中。因此，材料去除主要在露出的柱160的突起区域处发生。因此，以基片10的形态较高区域与形态较低区域之间的去除速率之比表示的材料去除速率比常规技术(例如基于浆液的CMP)情况高得多。
本发明一种或多种实施方式的优点包括应用于子孔(sub-aperture)精整和全孔精整。子孔精整可以定义为研磨元件的可利用的精整表面小于正在精整的物体(例如基片)的情况。因此，在子孔精整中，可利用的精整表面必须在基片上发生一定程度的移动(例如，光栅图案)，从而对基片的所需表面面积进行精整。全孔精整可以定义为研磨元件的可利用的精整表面大于正在精整的基片的情况。可独立控制的促动器以及由此得到的独立控制区使得可以相对于严格平面化进行可保形精整(不过也可实现平面化)。另外，可以实现对因为温度和结构变形产生的精整设备公差的补偿，从而获得高度精确的精整结果。
虽然本文参考具体实施方式描述了本发明，但是应该理解，这些实施方式仅仅是对本发明原理和应用的示例。因此应该理解，可以对示例实施方式进行许多修改，并且可以在不偏离所附权利要求限定的本发明原理和范围的情况下设计其他方案。

Claims (23)

1.一种设备，其包括：
基座，其上以可释放方式连接基片；
移动研磨元件，其与基座的相对位置使得可操作其接触表面，以从基片顶部表面去除材料；以及
多个促动器，其中至少两个促动器可独立控制，其与基座和移动研磨元件的相对位置限定出相应多个压力区，在移动研磨元件和基片顶部表面之间提供压力。
2.一种设备，其包括：
基座，其上以可释放方式连接基片；
移动带，其与基座的相对位置使得可操作其接触表面，以从基片顶部表面去除材料；以及
多个促动器，其中至少两个促动器可独立控制，其与基座和移动带的相对位置限定出相应多个压力区，在移动带和基片顶部表面之间提供压力。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，促动器包括至少一个流体控制促动器，可操作该促动器，根据向其供应的流体的压力，在相关的一个压力区中改变移动带和基片顶部表面之间的压力。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述至少一个流体控制促动器包括自我补偿的液压垫，该液压垫与移动带和基片底部表面中的一个流体连通，使得可操作该液压垫，在相关压力区中改变移动带和基片顶部表面之间的压力。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，该垫可以直接或间接地与移动带中与接触表面相对的表面接合，使得可操作该垫，根据向该室供应的流体的压力来促使移动带压向基片顶部表面。
6.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述至少一个流体控制促动器包括板和多个贯通该板的通孔，这些通孔在其第一端与所供应的流体连通，在其第二端与移动带和基片底部表面中的一个连通，使得可操作所供应流体，根据在所述孔内供应的流体的压力，在相关压力区中来改变移动带和基片顶部表面之间的压力。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，这些通孔的第二端与移动带中与接触表面相对的表面连通，使得可操作所供应流体，根据所供应流体的压力来促使移动带压向基片顶部表面。
8.如权利要求2所述的设备，其特征在于，促动器包括至少一个压电促动器，可操作该促动器，根据向其施加的电压，在相关的一个压力区中改变移动带和基片顶部表面之间的压力。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，该压电促动器与移动带中与接触表面相对的表面连通，使得可操作该压电促动器，根据所施加电压来促使移动带压向基片顶部表面。
10.如权利要求2所述的设备，其特征在于，该设备进一步包括至少一个光学检测器电路，可操作该电路，在至少一个压力区中，监控基片的厚度。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：
基片中与基座顶部表面相对的底部表面与该基座的顶部表面连接；以及
基座包括至少一个延伸至其顶部表面并且位于至少一个压力区中的孔，使得可操作光学检测器电路，经由基片的底部表面监控该基片的厚度。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，该基座包括多个延伸至其顶部表面的孔，有至少一个孔位于各压力区中。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，该光学检测器电路包括多个检测器，可操作这些检测器中的至少一个，通过相应压力区中的相应孔，经由基片底部表面监控该基片的厚度。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，可操作该光学检测器电路，以配合相应孔移动，从而通过相应压力区，经由基片底部表面监控该基片的厚度。
15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，该设备进一步包括在程序控制下运行的处理器，该处理器响应光学检测器电路提供的基片厚度信息至少产生第一和第二信号，可操作这些第一和第二信号中的每一个信号，对相应促动器提供的相应压力进行控制。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，可操作该处理器，由厚度信息计算以下至少一种数据：移动带从基片去除材料的速率；移动带从基片去除材料的量；以及基片厚度的变化。
17.如权利要求2所述的设备，其特征在于，移动带包括在其接触表面上的微米级柱的微复制图案。
18.如权利要求1所述的设备，其特征在于，接触表面和基片顶部表面的相对尺寸使得实现子孔精整。
19.如权利要求1所述的设备，其特征在于，接触表面和基片顶部表面的相对尺寸使得实现子孔精整。
20.一种方法，其包括：
使用可移动研磨元件从基片顶部表面去除材料；并且
在相应压力区中，调节可移动研磨元件压在基片顶部表面的相应压力。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括以光学方式感知基片的一种或多种厚度，并且响应该厚度调节相应压力。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括在至少两个压力区中，以光学方式感知基片的厚度，并且响应该厚度调节一种或多种相应压力。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括由一种或多种厚度计算以下至少一种数据：从基片去除材料的速率；从基片去除材料的量；以及基片厚度的变化。
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