CN1222430A - 带有用于支承抛光垫的密封流体腔的抛光工具 - Google Patents

Abstract

抛光机采用容纳流体的密封腔,流体支承抛光垫靠住被抛光物体。在一实施例中,腔的边界包括支承结构、抛光材料的一部分及支承结构和抛光材料之间的密封件。抛光材料相对支承结构和密封件运动。多种密封结构可以使流体保持在腔内。腔内的流体压力可随时间变化以使抛光材料产生振动,从而改进抛光效果,或流体压力按空间变化以改变压力分布。

Description

带有用于支承抛光垫的密封流体腔的抛光工具

本发明涉及抛光系统，特别是采用流体支承抛光垫的化学机械抛光系统和方法。

在半导体加工中，化学机械抛光(CMP)可从晶片表面去除最高点以抛光该表面。CMP操作在未加工或半加工的晶片上进行。常见的未加工晶片是形成为近似圆形晶片的晶硅或其它半导体材料。常见的已加工或半加工的准备抛光的晶片具有在一个或多个加花层上的诸如玻璃、二氧化硅或氮化硅的介电材料的顶层，加花层在晶片表面高度约1μm的级上产生局部拓扑特征。抛光平整了局部特征，从而晶片表面上形成于晶片上的模具范围的区域得以理想地整平或平面化。当前正在探求使晶片在约10mm×10mm的模具的面积上平整至公差约为0.3μm的抛光。

传统皮带抛光机包括带抛光垫的皮带、夹持晶片的晶片载体头和支承晶片下的部分皮带的支承组件。对于CMP，抛光垫喷有软膏(slurry)，而带轮驱动皮带。载体头使晶片与抛光垫接触，从而使抛光垫靠着晶片表面滑动。靠着晶片表面的软膏的化学作用以及抛光垫和软膏中的微粒的机械作用从晶片表面去除材料。美国专利序列号5,593,344和5,558,568描述了采用静压流体轴承支承皮带的CMP系统。这种静压流体轴承具有供流体形成薄膜的流体入口和出口，薄膜支承皮带和抛光垫。

在半导体加工中，为使表面抛光至所需的公差内，CMP系统通常使抛光垫以均匀压力作用于晶片。由于在静压流体轴承中流体的支承压力在入口附近较高而在出口附近较低，因此就会使静压流体轴承出现问题。当支承皮带和抛光垫时，这种流体轴承常施加非均匀的压力，非均匀压力在抛光时可能导致材料的非均匀去除。人们探求的是可均匀抛光的方法和结构。

根据本发明，抛光工具采用具有稳定压力的密封流体腔来支承柔性抛光材料。流体腔可以是静态或接近静态的，并保持恒定压力而无流体流动。因此避免了流体入口和出口周围较高和较低压力的区域。但如果需要，腔的压力区可以随时间或空间变化。对于随时间的变化，利用控制电路控制压力调节器改变腔内的压力。压力随时间变化可导致抛光材料的振动，以改善抛光效果。对于随空间的变化，流体入口和出口根据何处需要较高或较低压力而分布。各流体入口/出口可与独立的压力调节器及/或流体源连接，从而最接近入口/出口的支承流体压力取决于对入口/出口的压力。隔板或挡板可放置在入口/出口中间以增大压差。

在本发明一实施例中，腔内的流体与带抛光垫的运动皮带直接接触，腔的固定部和皮带之间的密封可防止或减少腔内流体的泄漏。一种类型的密封包括O形圈，由弹簧力、磁力或空气压力使O形圈压靠皮带。来自腔外或腔内入口的气流在腔内O形圈附近形成气穴，以防止流体接近O形圈并通过O形圈泄漏。另一种密封由空气或气体轴承形成。腔内的流体压力可以随时间变化以在抛光材料中产生振动并加强抛光性能，或随空间变化以改变压力分布。本发明一实施例包括一个或多个相对腔的流体入口/出口、一个或多个压力调节器以及操纵压力调节器而控制腔内压力的控制器。

根据本发明的另一方面，用于支承抛光机内抛光材料的支承结构安装在控制支承结构方向的致动器上。抛光时，诸如晶片的待抛光物件可以倾斜，使抛光材料同样倾斜。为减小抛光的不均匀性，支承结构改变方向以配合抛光材料的倾斜。传感器和控制系统可监控抛光材料的方向并指示致动器相应定位支承结构。可利用采用支承抛光材料的密封流体穴或支承抛光材料的诸如静压轴承的其它装置的支承件实现本发明的这一特征。在特别实施例中，空气静压轴承密封流体穴，控制系统操纵致动器定位支承结构以使空气静压轴承正常工作。在该实施例中，传感器可包括检测密封流体穴内由通过空气静压轴承的泄漏导致的局部压力的下降的压力传感器。也可采用检测支承结构和抛光材料之间距离的距离传感器。

图1示出本发明实施例的包括支承抛光垫的密封流体腔的抛光工具的一部分；

图2示出本发明实施例的包括具有空间调制压力的密封流体腔的抛光工具的一部分；

图3、4和5示出适于图1和2中的流体腔的密封件的实施例；

图6和7示出校正方向以适应抛光材料方向的支承结构的实施例；

在各图中，用相同的标号表示相似或相同的部件。

根据本发明的实施例，具有稳定压力的流体腔在抛光工具内支承柔性抛光材料。流体腔的压力区域可以是恒定的或随时间或空间变化。图1示出本发明的抛光机，其中载体头110将晶片120夹持在对着柔性抛光材料130的位置。题为《用于抛光的带有膨胀气泡和迎角控制的晶片载体头》(代理摘要号M-5186 US)的一起提交的序列号未知的美国专利申请描述了适宜的载体头并在此处引用其全部作为参考。柔性抛光材料130可包括如由厚度为0.005”至0.060”的不锈钢制成的环带，其上安装由IC1000、SubaⅣ、IC1400或其它类似的抛光材料制成的抛光垫。IC1000、SubaⅣ和IC1400可从Rodel,Inc购买。皮带宽度取决于晶片120的尺寸。静态的流体容纳在由固定结构142、密封件144及柔性抛光材料130的一部分134封闭的腔140内。流体压力(通常在0和60psi之间的范围内)支承位于晶片120正下方并与其接触的柔性抛光材料130的一部分。部位134大于晶片120正下方的区域。腔140内的流体优选为诸如水的液体并经由入口/出口146导入腔140内。入口/出口146通过压力调节器150与压力源170连接。

与调节器150连接的控制器160选择腔140需要的压力。压力源170根据腔140内的流体压力是否小于或大于入口/出口压力而选择性地作为流体源或流体吸收器(sink)运行。根据本发明的一个方面，计算机控制器160调制传向调节器150的控制信号，以随时改变对入口/出口146的压力和腔140内的压力。腔140内的压力的调制可使柔性抛光材料130振动。例如，将压力调制成频率在1kHz和10kHz之间可使抛光材料以相同的频率振动。也可采用超声波频率振动。假设可避免系统的自然或共振频率，则这样的振动应可改进抛光效果。

图2示出采用腔240的抛光系统的一部分，腔240内容纳可空间调制压力的流体。腔240包括多个与独立压力源270和272连接的流体入口/出口246和248。控制器160用分离的压力调节器250和252控制入口/出口270和272处的压力。只有如图2所示的两个入口/出口时，一个入口/出口270通常用作为流体入口，而另一个作为流体出口。在包括两个以上入口/出口的实施例中，入口/出口间的流体变化更大，但入口附近的压力高于出口附近的压力。隔板244或挡板可放于入口/出口246和入口/出口248之间以限制流体流动并增大流体的压差。控制器160可使入口/出口246和248之间保持恒定压差或改变压差以产生随时间变化的压力。

输入压力时的空间压力变化可以定位密封腔的支承压力区内的变化。例如，若流体从腔240泄漏，对入口246和248的压力可以被调整，以补偿由泄漏导致的支承压差。此外，流体压力的空间变化可以补偿非流体支承相关的因素。例如，若晶片在抛光时旋转，则晶片各部位相对于抛光垫的速度随半径变化。具有空间变化的压力分布的流体穴可以补偿由晶片速度相对于皮带的差别导致的不同去除率。也可以改变压力分布以补偿采用带有软膏的皮带时的不均匀。特别是，可以在抛光率较低的地方施加更大的压力。此外，抛光操作可能会把抛光垫磨损成凹槽形，使得在抛光垫中心区域上的晶片部分的材料去除速度减慢。皮带上的抛光垫的任何位置还可能会有凹斑。压力上的空间及/或时间变化可用于在皮带上的凹斑处施以更大压力，从而使去除率更为均匀并改进抛光效果。这种压力变化可由包括检测皮带性能的传感器的反馈环控制。题为《抛光垫磨损的在线监控》(代理摘要号M-5187 US)的一起提交的序列号未知的美国专利申请描述了包括用于检测抛光垫的传感器和用于改变抛光机运行参数(诸如皮带支承的压力分布)的控制系统的抛光机，该申请被全部引用作为参考。

抛光期间，抛光材料130相对固定结构142和密封件144运动。密封件144位于固定结构142和柔性抛光材料130之间的交界处，并防止或减少流体从腔140的泄漏。图3示出适于密封腔140的密封件300的实施例。密封件300包括O形圈320，具有弹簧330的机构使O形圈320压靠在抛光材料130的下侧。可选结构的变形可用于代替O形圈320。例如，可对抛光材料130采用带唇边的面密封形式。为减小摩擦和磨损，O形圈320可由磁性吸持在抛光材料130和固定结构142之间的间隙中的磁流体代替。

使O形圈320作用于抛光材料130的可选机构包括加压或液压缸或磁铁。结构310内在对着O形圈320的皮带130的相对侧的磁铁可吸引O形圈320下的铁或磁性材料，以使O形圈320压向抛光材料130。或者，O形圈320下的磁铁可吸引结构310内或抛光材料130内的铁或任何磁性材料。例如，皮带抛光机内的皮带可包括铁(如不锈钢皮带)或任何磁性材料，从而O形圈320下的磁铁和皮带之间的相互吸引使O形圈320压向抛光材料130。当利用对皮带的磁吸引力时，就不再需要在抛光材料130侧相对O形圈320的结构310了。此外，结构310可施加反向力以使抛光材料130脱离O形圈320运动。结构310可例如是载体头110的一部分或是具有相对于腔140的固定位置的独立结构。

为改进由O形圈320提供的密封，空气(或其它气体)流340从腔140外侧流向O形圈320。空气流的压力大于流体140的压力，从而通过O形圈320泄漏进腔140并在O形圈320附近形成气穴350。气穴350防止流体泄漏出腔140。图4示出包括多个与图3中密封件300相同的元件的密封件400。密封件400不同于密封件300，其包括在腔140内并邻近O形圈320的气体入口440。气体从入口440的流入形成气穴450，使流体保持在腔140内并远离密封件320。因此，通过O形圈320的泄漏主要是从气穴450漏出的气体，支承位于晶片120下的抛光材料130的流体可保持在腔140内。如果需要，气体从气穴350或450的出口可设置在腔140内以改进对气穴内压力的调节。

图5示出采用空气静压轴承防止腔140泄漏的密封件500。空气静压轴承的优点是能够进行几乎无摩擦的接触，这样就不会产生妨碍抛光的微粒。空气静压轴承包括绕腔的圆周设置的气体入口540和544及气体出口542，其中入口540最接近支承位于晶片120下的抛光材料的流体。从入口540和544流入的气体通过出口542流出，在固定面530和抛光材料130之间形成气垫。对流体入口540的气压高于腔140内的流体压力，从而形成气穴550，防止或减少流体从腔140的泄漏。在例示实施例中，入口540和544处的压力约是5至100psi，出口542处的压力约是0至10psi，面530和抛光材料130之间的间隙约在5和20μm之间。

图6示出具有支承结构650的抛光机600，支承结构650包括密封流体腔140的空气静压轴承。空气静压轴承包括若干根据抛光机600的要求选择的参数，如孔径、气体流速、气垫尺寸和封流面尺寸。特别是，欲抛光的晶片120的尺寸决定流体腔140的直径和环绕流体腔140的空气静压轴承的直径。空气静压轴承应与夹持晶片120的载体头110的直径相匹配。空气静压轴承还要求有一定的强度和承载能力，这将根据抛光时施加的压力选择。

在结构650和皮带130之间流动的气膜的厚度对于空气静压轴承/密封件的运行是很关键的。膜厚δ1和δ2是作为空气静压轴承相对侧的间隙，最好应相等。抛光时，皮带130的运动将在晶片120上产生摩擦和剪切力，可能会使晶片120倾斜。这将使皮带130倾斜并改变膜厚δ1和δ2。在最坏的情况下，空气静压轴承失效并使运动皮带130与支承结构650接触。根据本发明的一方面，支承结构650具有安装件和控制系统，安装件可使结构650的倾斜与皮带130的角度匹配，控制系统检测支承结构650和皮带130的相对方向并调整支承结构650的方向，以使空气静压轴承保持均匀间隙。可采用特种硬件及/或运行合适软件的普通计算机系统实现这种控制系统。

图6中，支承结构650安装在空气弹簧620和625上，空气弹簧620和625分别与独立的压力源630和635连接。检测流体腔140的局部压力的压力传感器610和615离空气静压轴承距离相同，并分别靠近相应的空气弹簧620和625。若抛光时皮带130倾斜并改变间隙δ1和δ2，则在较宽的间隙δ1或δ2处从腔140泄漏的流体增加，导致较宽的间隙附近的流体压力降低。与压力传感器610和615连接并为控制空气弹簧620和625而与压力源630和635连接的控制装置640检测由传感器620和625测到的压力之差，并通过增大对较宽间隙附近的空气弹簧625或620的压力及/或降低对较窄间隙附近的空气弹簧620或625的压力而作出响应。对空气弹簧620和625的压力的变化使得支承结构650倾斜，直到传感器610和615测得的压力相等，即间隙δ1或δ2相等。

通常控制空气静压轴承的空气间隙和方向需要三个或更多的致动器。图7示出采用六个空气轴承720的支承件的分解透视图。安装在空气轴承720上的是包括腔745以形成流体穴的板740和750。腔745内有八个压力传感器710。控制电路利用压力传感器710的测量结果确定腔内的压力分布，并根据确定的压力分布按照空气静压轴承正常运行的要求对空气弹簧720加压，空气静压轴承形成于板740和支承的抛光材料之间。

图6和7的实施例可由与本发明一致的各种方式代替。例如，诸如压电换能器、液压缸或螺线管的任何致动器均可代替空气弹簧控制支承结构的方向。此外，直接测量支承结构和叠加的皮带之间的间隙的距离传感器可用于代替腔内的压力传感器或与其一起使用。控制系统利用多个距离测量结果定位支承结构。并且，虽然已描述了与包括环绕空气静压轴承的密封流体腔的支承件一起使用的可调整安装和反馈控制系统，本发明的其它实施例可包括可调整方向的支承件和匹配抛光材料方向的控制系统，而无密封流体腔或空气静压轴承。例如，该实施例可用带或不带环绕空气静压密封件的静压轴承支承抛光材料。题为《采用静压流体轴承支承的抛光系统》(代理摘要号M-5185 US)的序列号未知的美国专利申请描述了适用于可调整方向的支承的静压轴承，该申请被全部引用作为参考。也可以采用固体支承轴承。在这种实施例中，支承件调整其方向以适应被抛光体的倾斜。因此，该支承件可提供更为均匀的抛光压力。

虽然已参照特别实施例描述了本发明，但描述的仅是本发明应用的一个实例而不应看作为限定。在所附的权利要求限定的本发明的范围内，公开的实施例可进行特征的各种改进和组合。

Claims (25)

1．一种用于抛光工具的支承件，包括：

柔性抛光材料；

支承结构，包括设置于柔性材料附近的凹部；

密封件，环绕凹部，从支承结构向柔性抛光材料延伸；及

流体，封闭于由凹部、密封件和柔性抛光材料的一部分围成的腔内，其中流体的压力支承抛光材料。

2．如权利要求1所述的支承件，其中流体基本是静态的。

3．如权利要求1所述的支承件，其中密封件包括环绕腔的O形圈。

4．如权利要求3所述的支承件，其中密封件还包括在腔内并邻近O形圈的气穴，其中气穴防止流体通过O形圈泄漏。

5．如权利要求4所述的支承件，还包括在腔内侧并邻近O形圈的气体入口，其中气穴内的气体经气体入口导入。

6．如权利要求4所述的支承件，还包括从腔外侧向着O形圈的气流源，其中气穴内的气体由气流经O形圈的泄漏处导入。

7．如权利要求1所述的支承件，还包括向柔性抛光材料压靠O形圈的弹簧装置。

8．如权利要求1所述的支承件，还包括用磁力将O形圈压向柔性抛光材料的磁铁。

9．如权利要求8所述的支承件，其中柔性抛光材料含有铁，磁铁利用由磁铁和柔性抛光材料之间的吸引产生的磁力将O形圈压向柔性抛光材料。

10．如权利要求1所述的支承件，还包括：

流体源；

腔的流体入口/出口；

压力调节器，与流体源和入口/出口连接；及

控制器，与压力调节器连接，其中控制器操纵压力调节器以改变腔内的流体压力。

11．如权利要求10所述的支承件，还包括：

多个腔的流体入口/出口；及

多个压力调节器，每个压力调节器均与相应的入口/出口连接。

12．如权利要求1所述的支承件，其中密封件包括空气静压轴承。

13．如权利要求12所述的支承件，还包括可调整的安装件，使支承结构倾斜以与抛光材料的方向匹配。

14．如权利要求13所述的支承件，还包括：

传感器，检测抛光材料和支承结构的相对方向；

致动器，可调整支承结构的方向；及

控制系统，与传感器和致动器连接。

15．一种用于抛光机中的抛光材料的支承件，包括：

支承结构；

传感器，检测抛光材料和支承结构的相对方向；

致动器，可调整支承结构的方向；及

控制系统，与传感器和致动器连接，其中控制系统操纵致动器以使支承结构定向用于抛光。

16．如权利要求15所述的支承结构，其中支承结构包括：

腔，用于容纳支承抛光材料的密封流体穴；及

空气静压轴承，环绕腔并设置于抛光材料附近。

17．如权利要求16所述的支承结构，其中传感器包括设置在腔内的压力传感器，用于检测流体穴内的局部压力。

18．如权利要求16所述的支承结构，其中传感器包括距离传感器，设置为检测支承结构和抛光材料之间间隙的距离。

19．如权利要求15所述的支承结构，其中支承结构包括支承抛光材料的静压轴承。

20．如权利要求19所述的支承结构，其中传感器包括距离传感器，设置为检测支承结构和抛光材料之间间隙的距离。

21．一种用于抛光物体的方法，包括：

将物体置为与抛光材料接触；

利用具有多个入口/出口的密封流体穴支承抛光材料；

以第一压力向第一入口/出口输送流体并以第二压力向第二入口/出口输送流体，其中对入口/出口的压力控制流体穴的支承压力分布；及

当流体穴支承抛光材料时相对物体移动抛光材料。

22．如权利要求21所述的方法，其中抛光期间压力分布在物体的材料去除率较低的地方提供更高的压力。

23．如权利要求22所述的方法，其中支承压力分布在抛光材料的凹斑下提供更高的压力。

24．如权利要求22所述的方法，其中支承压力分布在抛光材料和物体之间的相对速度较低的区域下提供更高的压力。

25．如权利要求21所述的方法，其中物体是晶片。

Images