[发明专利]用于衬底保持装置中的弹性部件以及衬底抛光装置和方法

说明书

本申请是申请日为2004年2月4日、申请号为200480003897.8、发明 名称为“衬底保持装置以及抛光装置”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于保持待抛光衬底并将该衬底压靠在抛光表面上的 衬底保持装置，特别是涉及一种用于在将衬底抛光至平整光面的抛光装置 中保持衬底、例如半导体晶片的衬底保持装置。本发明还涉及用于衬底保 持装置中的弹性部件以及衬底抛光装置和方法。

背景技术

近年来，半导体器件变得更加集成化，并且半导体元件的结构也变得 更加复杂。此外，用于逻辑系统的多层互连的层数也被提高。因此，半导 体器件表面的不规则性增大，以致于半导体器件表面的阶跃高度趋于更大。 这是因为，在半导体器件的制造过程中，在半导体器件上形成一层薄膜， 然后对半导体器件进行显微机械加工处理，例如形成图案或孔，这些处理 重复多次，以在半导体器件上形成后续薄膜。

当半导体器件表面的不规则性增大时，会出现以下问题。当在半导体 器件上形成薄膜时，在具有台阶的部分所形成的薄膜的厚度相对较小。由 于互连部分的断开造成断路或由于互连层之间绝缘不充分而造成短路。因 此，不能获得好的产品，产量也会降低。此外，即使半导体器件最初工作 正常，半导体器件的可靠性在长期使用之后也会降低。当在平版印刷过程 中进行曝光时，如果辐射表面具有不规则性，则曝光系统中的透镜系统便 在局部不能聚集。因此，如果半导体器件表面的不规则性增大，则会产生 难以在半导体器件上形成精细图案的问题。

因此，在半导体器件的制造过程中，平面化半导体器件表面变得越来 越重要。平面化技术中最重要的一种为CMP(化学机械抛光)。在化学机 械抛光中，使用一抛光装置，在将其中含有磨料颗粒、如硅石(SiO₂)的抛 光液供给到抛光表面、例如抛光垫上的情况下，使衬底、例如半导体晶片 与抛光表面滑动接触，由此将衬底抛光。

这类抛光装置包括具有抛光表面的抛光台和用来保持半导体晶片的被 称作顶环或承载头的衬底保持装置，其中所述抛光表面由抛光垫构成。当 利用这种抛光装置对半导体晶片进行抛光时，半导体晶片被衬底保持装置 以预定压力保持和压靠在抛光台上。此时，抛光台和衬底保持装置彼此相 对移动，以使半导体晶片与抛光表面产生滑动接触，从而将半导体晶片表 面抛光至平整镜面光洁度水平。

在这种抛光装置中，如果被抛光的半导体晶片与抛光垫的抛光表面之 间的相对压紧力在半导体晶片的整个表面上不均匀，则在某些部分上根据 施加在半导体晶片的该部分上的压紧力的不同使得半导体晶片可能不能充 分抛光或可能过度抛光。因此，人们试图用由弹性材料、如橡胶制造的弹 性膜来形成衬底保持装置的表面，以保持半导体晶片，并向弹性膜的背面 施加流体压力、如气压，以使施加在半导体晶片上的压力在半导体晶片的 整个表面上均匀分布。

此外，抛光垫的弹性使得施加到被抛光半导体晶片的周边部分上的压 力变得不均匀，由此只有半导体晶片的周边部分可能过度抛光，这被称作 “边角修圆”。为避免这种边角修圆，采用了一种衬底保持装置，其中半 导体晶片在其周边部分处被导环或卡环保持，抛光表面上与半导体晶片的 周边部分对应的环形部分被导环或卡环压住。

下面参照图29A和29B对一传统衬底保持装置进行说明。图29A和29B 示出了一传统衬底保持装置的局部横截面图。

如图29A所示，该衬底保持装置具有顶环本体2、位于顶环本体2中 的卡盘6、以及附着在卡盘6上的弹性膜80。弹性膜80位于卡盘6的外圆 周部分上，并与半导体晶片W的圆周边缘接触。环形卡环3被保持在顶环 本体2的下端，并在半导体晶片W的圆周边缘附近挤压抛光表面。

卡盘6通过弹性压片13安装在顶环本体2上。卡盘6和弹性膜80在 流体压力的作用下在一定范围内相对于顶环本体2和卡环3垂直移动。具 有这种结构的衬底保持装置被称为所谓的浮式衬底保持装置。由弹性膜80、 卡盘6的下表面以及半导体晶片W的上表面限定了一压力腔室130。在压 力腔室130内输入一加压流体，从而抬起卡盘6并同时将半导体晶片W压 靠在抛光表面上。在此状态下，向抛光表面上提供抛光液，并彼此独立地 旋转顶环(衬底保持装置)和抛光表面，由此将半导体晶片W的下表面抛 光至平整光面。