[发明专利]抛光设备

说明书

技术领域

本申请是根据2005年10月31日提交的专利申请200580037559.0(PCT/JP2005/020334)提出的分案申请。

本发明涉及抛光设备，特别涉及用于将衬底例如半导体晶片抛光成平的镜面精加工件的抛光设备。

背景技术

近几年来，半导体装置变得更加集成化，并且半导体元件的结构变得更加复杂。另外，用于逻辑系统的多层相互连接件中的层数也增加了。因此，半导体装置表面上的不规则部分增多，从而半导体装置表面上的阶梯高度趋于变大。这是因为，在半导体装置制造过程中，首先在半导体装置上形成薄膜，然后在半导体装置上进行显微机械加工工序，例如形成图案或孔，并且重复这些工序以便在半导体设备上形成后续的薄膜。

当半导体装置表面上的不规则部分数目增大时，会出现如下问题。当薄膜在半导体装置上形成时，具有阶梯的部分处形成的薄膜的厚度变得相对较小。另外，可能会因为断开而形成断路，或者由于相互连接层之间的绝缘不充分而造成短路。因此，就不能得到优良的产品，产量也往往会降低。另外，即使半导体装置最初工作正常，在长期使用之后半导体装置的可靠性也会降低。在平版印刷过程曝光的时候，如果照射表面缺陷，那么曝光系统中的镜头单元就会局部未聚焦。因此，如果半导体装置表面上的不规则度增大，就会变得很难在半导体装置上形成本身精细的图案。

另外，随着近年来半导体装置变得更加高度集成化，电路相互连接件变得越来越精细并且它们之间的距离也变得越小。对于至多可以为0.5μm宽的相互连接件的光刻而言，需要其表面尽可能平整，因为光学系统的聚焦深度相对较小，其中在该表面上通过步进电机(stepper)来聚焦图案图像。

因此，在半导体装置的制造过程中，使半导体装置的表面平面化越来越变得重要了。最重要的平面化技术之一是化学机械抛光(CMP)。因此，已经应用了用于使半导体晶片的表面平面化的化学机械抛光设备。在化学机械抛光设备中，在其中含有磨粒例如硅(SiO2)的抛光液供给到抛光表面例如抛光垫上的同时，衬底例如半导体晶片就与抛光表面滑动接触，由此来抛光衬底。

这类抛光设备包括具有通过抛光垫形成的抛光表面的抛光工作台，以及用于夹持衬底例如半导体晶片被称作顶环(top ring)(衬底夹持装置)的衬底夹持装置。当使用这种抛光设备抛光半导体晶片时，半导体晶片就在顶环的预定压力下被夹持着并且压在抛光工作台上。这时，抛光工作台和顶环相对于彼此移动从而使半导体晶片与抛光表面滑动接触，以便将半导体晶片的表面抛光成具有平的镜面光洁度。

在这种抛光设备中，抛光垫具有弹性从而施加到半导体晶片周边部分上的弹性挤压力趋于非均匀化。因此，半导体晶片在周边部分处可能会过度抛光从而导致边缘变圆。为了防止这种边缘变圆，已经应用了具有卡环的顶环，用于夹持半导体晶片的侧边部分并且挤压位于半导体晶片周边部分外部的抛光表面。

另外，当抛光设备应用由树脂形成的抛光垫时，抛光垫会由于修整和抛光而产生磨损。在这种情形下，为了防止顶环夹持的半导体晶片表面上的表面压力分布发生改变，在抛光过程中夹持半导体晶片的顶环表面和抛光垫之间应该保持恒定的距离。当设置了夹持半导体晶片的周边部分的卡环时，卡环会根据抛光过程发生磨损。当卡环由此磨损时，抛光期间也应该在夹持半导体晶片的顶环表面和抛光垫之间保持恒定的距离。

为了确定在上述抛光设备中是否在正常进行抛光处理，需要监视挤压半导体晶片的挤压力、抛光液的浓度和流速。然而，例如还需要多种设备例如成分分析仪和颗粒尺寸分布测量设备来监视抛光液。因此，就提高了抛光设备的成本。另外，由于抛光垫和卡环的磨损，抛光外形也会发生改变。因此，仅仅监视挤压力和抛光液并不能充分保证抛光过程在正常进行。

另外，传统的卡环配置成顺着卡环的圆周方向沿着它的总长度均一地挤压抛光表面。然而，如上所述，因为用于提供抛光表面的抛光垫是弹性的，所以抛光垫发生弹性变形从而在卡环的最外部分处产生了急剧增大的阻力，该部分沿着抛光工作台的旋转方向位于上游。因此，卡环沿着抛光工作台的旋转方向在下游被挤压从而导致卡环发生倾斜。在传统的抛光设备中，当卡环由此发生倾斜时，就增大卡环挤压抛光表面的压力来防止半导体晶片与顶环发生分离。另外，由于卡环的倾斜导致的抛光外形的非均一性随着半导体晶片旋转的均衡化而增大。

然而，传统的卡环很难提高抛光垫的温度和抛光外形的可控性。因此，为了进一步提高抛光垫温度和抛光外形的可控性，需要控制卡环沿着卡环的圆周方向挤压抛光表面的压力。

发明内容