抛光设备制造技术

抛光设备（１）具有抛光垫（２２）、用于夹持半导体晶片（Ｗ）的顶环（２０）、可操作地沿垂直方向移动顶环（２０）的垂直运动机构（２４）、当顶环（２０）的下表面接触抛光垫（２２）时可操作地检测顶环（２０）的距离测量传感器（４６）、可操作地基于距离测量传感器（４６）检测到的位置计算顶环（２０）抛光半导体晶片（Ｗ）的最佳位置的控制器（４７）。垂直运动机构（２４）包括可操作地将顶环（２０）移动到最佳位置的滚珠丝杆机构（３０，３２，３８，４２）。

【技术实现步骤摘要】

本申请是根据2005年10月31日提交的专利申i青200580037559. 0 (PCT/JP2005細334)提出的分案申请。本专利技术涉及抛光设备，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。
技术介绍
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90.5 nm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(st印per) 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(Si02)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。
技术实现思路
鉴于上面的缺陷形成了本专利技术。因此，本专利技术的第一目的是提供 一种抛光设备，它可以抛光衬底，同时，即使抛光表面或者用于夹持衬 底周边部分的卡环发生磨损时也可以在衬底和抛光表面之间保持恒定 的距离。本专利技术的第二目的是提供一种抛光设备，其中连接至顶环的弹性 隔膜可以很容易地替换。本专利技术的第三目的是提供一种抛光设备，它可以很容易并且使用 较低的成本确定抛光是否正常地进行。本专利技术的第四目的是提供一种抛光设备，它能够控制压力，卡环 在该压力下沿着卡环的圆周方向挤压抛光表面。依照本专利技术的第一方面提供了一种抛光设备，它可以抛光衬底， 同时，即使抛光表面或者用于夹持衬底周边部分的卡环发生磨损时也可 以在衬底和抛光表面之间保持恒定的距离。抛光设备具有抛光表面、用 于夹持衬底的顶环、可操作地沿垂直方向移动顶环的垂直运动机构、当11顶环的下表面或者由顶环夹持的衬底的下表面与抛光表面接触时可以 操作来检测顶环位置的位置检测器、以及可操作地基于位置检测器检测 到的位置来计算顶环抛光衬底的最佳位置的位置计算器。垂直运动机构 包括可操作地将顶环移动到位置计算器所计算出的最佳位置的运动机 构。使用上面的配置，即使由于抛光而使抛光表面发生磨损，抛光期 间也可以在顶环和抛光表面之间保持恒定的距离。因此，顶环夹持的衬 底的表面压力就可以均匀地形成。另外，使用运动机构，顶环可以精确 地移动到垫搜索过程所计算的最佳位置，该过程将在后面描述。因此， 衬底可以在一种状态中被抛光，这样就可以在抛光表面和抛光表面之间 保持恒定的距离。位置检测器可以包括用于检测顶环位置的距离测量传感器。在这 种情形下，抛光设备可以还包括用于修整抛光表面的修整器，和在修整 器与抛光表面接触从而获得抛光表面的高度变化时用于检测修整器的 位置的距离测量传感器。垂直运动机构可操作地移动顶环，以便顶环的 位置可以跟随抛光表面高度的变化。用于每个抛光处理的修整期间，距 离测量传感器可以设置在修整器轴上用于测量抛光表面(抛光垫)的磨损量o希望垂直运动机构包括用于沿垂直方向移动顶环的滚珠丝杆和用 于操作滚珠丝杆的电动机。在这种情形下，还希望电动机包括交流伺服 电动机。使用交流伺服电动机，可以通过编码器对电动机的回转数目计 数从而计算顶环垂直移动的距离。因此，可以基于计算的距离得到顶环 的位置。希望电动机具有最大电流以便抛光期间电动机的转矩大于顶环的 下表面或者顶环夹持的衬底的下表面接触抛光表面时的转矩。最大电流 可以在顶环的下表面或者顶环夹持的衬底的下表面接触抛光表面之前减小。位置检测器可以包括电流检测器，该电流检测器可操作地检测电 动机的电流，并且基于电动机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抛光设备，包括：　抛光表面；　用于夹持衬底的顶环；　用于向所述抛光表面供给抛光液的抛光液供给喷嘴；　用于朝向所述抛光表面射出气体从而从所述抛光表面的测量部分移走抛光液的喷嘴；和　用于检测测量部分处的所述抛光 表面的位置的距离测量传感器。

【技术特征摘要】
JP 2004-11-1 2004-318581;JP 2005-3-18 2005-079166;1.一种抛光设备，包括抛光表面；用于夹持衬底的顶环；用于向所述抛光表面供给抛光液的抛光液供给喷嘴；用于朝向所述抛光表面射出气体从而从所述抛光表面的测量部分移走抛光液的喷嘴；和用于检测测量部分处的所述抛光表面的位置的距离测量传感器。2. —种抛光设备，包括 抛光表面；和用于夹持衬底的顶环，所述顶环具有用于夹持衬底的周边部分的卡环,其中所述卡环包括具有在其中形成的压力室的滚动隔膜，用于向压力室供给流体从而使所述滚动隔膜沿垂直方向膨胀或者 收縮的通道，和根据所述滚动隔膜沿垂直方向可移动的环形构件，所述环形构件 与所述抛光表面接触。3. 如权利要求2所述的抛光设备，其特征在于，所述卡环还包括 其中容纳有所述滚动隔膜的气缸，设计成将所述滚动隔膜夹持在所述气缸上的夹持器，和在气缸内部沿垂直方向可移动的活塞，所述活塞连接至所述滚动隔膜。4. 一种抛光设备，包括 抛光表面；用于夹持衬底的顶环；和沿垂直方向可移动的顶环轴，所述顶环连接至所述顶环轴， 其中所述顶环包括连接至所述顶环轴的上部构件，与衬底的至少一部分接触的弹性隔膜， 连接到所述弹性隔膜的下部构件，和设计成将所述下部构件可拆卸地固定至所述上部构件的紧固件。5. 如权利要求4所述的抛光设备，其特征在于，所述顶环还包括 设计成将所述弹性隔膜夹持在所述下部构件上的夹持器，所述夹持器具有钩，以及止动器，具有与所述夹持器的钩接合的接合部分。6. 如权利要求5所述的抛光设备，其特征在于，所述止动器为圆柱形，其中所述接合部分部分沿止动器的圆周方向形成。7. 如权利要求6所述的抛光设备，其特征在于，所述接合部分沿 着所述止动器的圆周方向逐渐加厚。8. 如权利要求4所述的抛光设备，其特征在于，所述顶环还包括 用于夹持衬底的周边部分的卡环，设计成防止抛光液进入所述卡环与所述上部构件和所述下部构件的至 少之一之间的密封构件。9. 一种抛光设备，包括 具有抛光表面的抛光垫；设计成朝向所述抛光表面挤压衬底的顶环主体；设计成挤压所述抛光表面的卡环，所述卡环设置在所述顶环主体的周 边部分处；用于修整所述抛光表面的修整器；用于检测所述抛光设备中的至少一个部件的磨损的磨损检测器；和 算术单元，可操作地基于所述磨损检测器的信号计算所述至少一个部件的磨损量，并且基于抛光处理或者多组抛光处理的磨损量确定抛光是否 正常进行。10. 如权利要求9所述的抛光设备，其特征在于，所述算术单元可操作地基于抛光处理或者多组抛光处理的磨损量与预定阈值的比较来 检测抛光是否异常。11. 如权利要求9所述的抛光设备，其特征在于，所述算术单元可 操作地确定所述至少一个部件的总磨损量是否达到预定值。12. 如权利要求9所述的抛光设备，其特征在于，所述磨损检测器 包括用于检测所述卡环的磨损的卡环磨损检测器。13. 如权利要求12所述的抛光设备，其特征在于，还包括可操作 地从所述顶环主体接收衬底并且向所述顶环主体传送衬底的推动器，以 及所述卡环磨损检测器设置在所述推动器中。14. 如权利要求13所述的抛光设备，其特征在于，所述推动器包括与所述卡环的下表面接触的卡环导向装置，和 可操作地将衬底推到所述顶环主体的下表面上的推动台， 其中所述卡环磨损检测器可操作地测量在所述卡环导向装置和所述推 动台之间的距离。15. 如权利要求12所述的抛光设备，其特征在于，所述顶环主体 挤压衬底的挤压力根据所述卡环的磨损量而改变。16. 如权利要求9所述的抛光设备，其特征在于，所述磨损检测器 包括用于检测所述抛光垫的磨损的抛光垫磨损检测器。17. 如权利要求16所述的抛光设备，其特征在于，当所述修整器 接触所述抛光表面时，所述抛光垫磨损检测器可操作地测量所述修整器 的位置。18. 如权利要求9所述的抛光设备，其特征在于，还包括用于检测 所述修整器的磨损的修整器磨损检测器。19. 如权利要求18所述的抛光设备，其特征在于，当所述修整器 接触所述抛光表面时，所述修整器磨损检测器可操作地测量所述修整器的位置，其中所述算术单元可操作地基于所述修整器磨损检测器的信号计算切 削速率并且基于计算的切削速率计算所述修整器的磨损量，该切削速率指 的是...

【专利技术属性】
技术研发人员：锅谷治，户川哲二，福岛诚，安田穗积，
申请(专利权)人：株式会社荏原制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]