[发明专利]衬底保持设备以及抛光装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于抛光例如半导体晶片等的衬底的抛光装置，以在衬底上形成平坦的镜面加工面，并且更特别地，涉及用于将衬底通过弹性膜(membrane)压到抛光装置的抛光表面上的衬底保持设备。

背景技术

近年来，半导体器件的尺寸已变小，并且半导体元件的结构已变得更复杂。另外，用于逻辑系统的多层互连中的层的数量已增加。因此，半导体器件表面上的不均匀性可能会增大，并且台阶高度也可能会变大。这是因为，在半导体器件的制造工艺中，将薄膜形成在半导体器件上，然后在半导体器件上实施微机械加工工艺，例如图案化或孔的形成，而这些工艺被重复许多遍，以形成半导体器件上的后续的薄膜。

当半导体器件表面上的不均匀性增大时，出现以下问题。当半导体器件上形成薄膜时，形成在台阶部分上的膜的厚度相对较小。另外，互连的断开可能导致开路，或者互连层间的不充分绝缘可能导致短路。结果，得不到优质的产品，且成品率趋于降低。即使半导体器件最初正常工作，该半导体器件在长期使用后的可靠性也会降低。另外，在光刻工艺中的曝光时，如果照射表面具有不均匀性，则曝光系统中的透镜单元局部未聚焦。因此，如果半导体器件表面上的不均匀性增大，则在该半导体器件上形成优质的图案变得难以解决地困难。

因此，在半导体器件的制造工艺中，将半导体器件的表面平坦化变得越来越重要。化学机械抛光(CMP)是最重要的平坦化技术之一。使用抛光装置来实施化学机械抛光。具体地，将例如半导体晶片等的衬底与抛光表面滑动接触，同时向抛光表面上提供包含例如硅石(SiO₂)等的研磨颗粒的抛光液，从而抛光衬底。

这种抛光装置包括具有形成在抛光垫上的抛光表面的抛光台，以及衬底保持设备，其被称为顶环，用于保持半导体晶片。抛光装置以如下方式来抛光半导体晶片。衬底保持设备保持半导体晶片并将半导体晶片以特定的压力压在抛光表面上。在该状态下，抛光台和衬底保持设备彼此相对运动，使得半导体晶片与抛光表面滑动接触，从而抛光半导体晶片，使其具有平坦的镜面加工面。

在上述抛光装置中，如果在抛光期间，半导体晶片的整个表面上的半导体晶片和抛光垫的抛光表面之间的相对压力不均匀，则半导体晶片在某些部分可能未充分抛光或可能过分抛光，这取决于施加在半导体晶片的这些部分的压力。为克服这种缺点，已尝试通过使用例如橡胶等的弹性材料制成的弹性膜形成衬底保持设备的衬底保持表面，并将例如空气压力等的流体压力施加到该弹性膜的背侧表面上，以便在半导体晶片的整个表面上提供均匀的压力。

然而，使用这种弹性膜可能会遇到以下问题。当旋转半导体晶片时，弹性膜被扭曲和变形。结果，在半导体晶片的外围部分(边缘部分)的抛光速率，即去除速率，较之其它部分低很多。此外，由于弹性膜的这种扭曲和变形，抛光轮廓相对于半导体晶片的中心部分可能会不对称，尤其是在边缘部分。此外，在各个顶环中，弹性膜和保持半导体晶片的外围部分的保持环的个体差异可能导致抛光轮廓的变化。

发明内容

考虑到上述缺点而做出了本发明。因此本发明的目的是提供一种衬底保持设备和一种抛光装置，其可以防止附着到衬底保持表面的弹性膜的扭曲和变形，从而实现高质量抛光。

为实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供一种衬底保持设备，其包括：将与衬底的后表面接触的弹性膜，用于固定弹性膜的至少一部分的附着构件，以及当衬底与弹性膜接触时用于保持衬底的外围部分的保持(retainer)环。弹性膜至少包括一个突出部分，而附着构件至少包括一个啮合弹性膜的所述至少一个突出部分的啮合部分。

在本发明的优选方案中，所述至少一个突出部分弹性膜径向上向内突出。

在本发明的优选方案中，所述至少一个突出部分包括多个突出部分，而所述至少一个啮合部分包括多个啮合部分。

在本发明的优选方案中，所述多个啮合部分关于衬底的中心对称设置。

在本发明的优选方案中，所述至少一个啮合部分的厚度大于或等于将使其与衬底的后表面接触的弹性膜的厚度。

利用这些结构，当由于衬底保持设备的旋转而使弹性膜将要被扭曲时，弹性膜的突出部分啮合附着构件的啮合部分，从而将弹性膜的扭曲抑制到最低的程度。因此，可以适当地控制抛光轮廓，且可以实现高质量抛光。