本发明大体涉及一种抛光方法和装置，且更具体地说，涉及一种对诸如半导体晶片的待抛光物体(衬底)抛光至平坦镜面光洁度的抛光方法和装置。
背景技术：
近年来，半导体器件的高集成性和高密度需要对布线模式或互连最小化，并且也增大了器件中互连层的数目。由于较低互连层上的表面不规则性，器件在更小电路中具有多层互连的趋势大体上加宽了台阶宽度，从而导致平坦度降低。互连层数目的增加可恶化在薄膜形成过程中台阶式结构上的薄膜涂层质量(台阶覆盖度)。总之，首先，高度分层的多层互连的出现相应地使得能够获得改良台阶覆盖度和适当表面的新平面化工艺成为必需。其次，该趋势和下文描述的另一个原因需要能够平面化半导体器件的表面的新工艺：半导体器件的表面需要被平面化，从而使得半导体器件的表面上的不规则台阶落入焦深内。因此，利用光刻工艺小型化的光刻光学系统的焦深越小，需要平面化处理后越精确平坦的表面。
因此，在半导体器件的制造过程中，平面化半导体表面变得越来越重要。最重要的平面化技术之一是化学机械抛光(cmp)。因此，已采用化学机械抛光装置平面化半导体晶片的表面。在化学机械抛光装置中，在其中含有诸如二氧化硅(sio2)的磨粒的抛光液体被供应到诸如抛光垫的抛光表面上的同时，诸如半导体晶片的衬底与抛光表面滑动接触，因而表面得以抛光。
这种类型的抛光装置包括具有由抛光垫形成的抛光表面的抛光台以及用于保持诸如半导体晶片的衬底的衬底保持装置，该衬底保持装置称作顶圈或抛光头。当半导体晶片利用这种抛光装置抛光时，在预定压力下通过衬底保持装置保持半导体晶片且使其压抵抛光垫的抛光表面。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滑动接触，从而使得半导体晶片的表面被抛光至平坦镜面光洁度。
传统地，作为半导体保持装置，已经广泛使用所谓的浮动型顶圈，其中弹性膜(膜)固定至夹板，且向在夹板上方形成的压力腔(加压腔)以及由弹性膜(膜)形成的压力腔施加诸如空气的流体，以使得通过弹性膜在流体压力下将半导体晶片压抵抛光垫。在浮动型顶圈中，夹板通过夹板上方的加压腔的压力与夹板下方的膜的压力之间的平衡而浮动，从而在适当的压力下将衬底压紧在抛光表面上，从而抛光半导体晶片。在该顶圈中，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后执行半导体晶片的真空夹持时，进行下述操作：
当开始向半导体晶片施加压力时，对加压腔进行加压，通过膜保持半导体晶片的夹板降低而带动抛光垫、半导体晶片与膜彼此紧密接触。接着，向膜施加所需压力，其后或者同时，将加压腔的压力调节成不大于膜压力，从而允许夹板浮动。在此状态下，半导体晶片被抛光。在此情况下，夹板首先下降而使抛光垫、半导体晶片和膜彼此紧密接触的原因在于，半导体晶片与膜之间的加压流体应防止泄露。如果在抛光垫、半导体晶片和膜不彼此紧密接触的状态下向膜施加压力，则半导体晶片与晶片之间产生间隙，并且加压流体穿过间隙泄露。
此外，如果加压腔的压力不小于抛光时的膜压力，夹板局部压迫半导体晶片，且在其局部区域中半导体晶片上的薄膜过度抛光。因此，将加压腔的压力调节成不大于膜压力，从而允许夹板浮动。接着，在抛光后，在半导体晶片真空夹持时，对加压腔加压，以降低夹板，且抛光垫、半导体晶片和膜开始彼此紧密接触。在此状态下，半导体晶片通过在膜上方产生真空而真空夹持至膜。
如上所述，在具有夹板的浮动型顶圈中，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后半导体晶片真空夹持至膜时，必须通过加压腔压力与膜压力之间的平衡控制夹板的垂直位置。然而，在使用此浮动型顶圈时，因为压力平衡控制夹板位置，难以在高度小型化和多层器件的最新制造工艺所需的水平中精确控制夹板的垂直位置。此外，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后真空夹持半导体晶片时，由于腔的膨胀或收缩处理延长，具有大体积的加压腔需要充分长的时间，而且针对上述的适当平衡腔体积具有下限。往往认为这将阻碍抛光装置生产率的改进。此外，在浮动型顶圈中，随着卡圈磨损加剧，抛光表面与夹板下表面之间的距离缩短，且膜在垂直方向上的膨胀和收缩量局部变化，因而使得抛光轮廓变化。
因此，最近，作为替换，从精确水平的抛光表面已使用了具有改良的托架(顶圈本体)的垂直位置可控制性的顶圈作为膜支撑构件。顶圈的垂直移动通常由伺服马达和滚珠丝杠执行，因此可以将托架(顶圈本体)即刻定位在预定高度。这将缩短当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后真空夹持半导体晶片时相对于传统顶圈的操作时间，因此相对于浮动型顶圈，可以改善抛光装置的生产率。此外，在该顶圈、即膜型顶圈中，由于可精确控制托架从抛光表面的垂直位置，因此可不通过平衡诸如浮动型顶圈而是通过调节膜膨胀调整半导体晶片的边缘部分的抛光轮廓。此外，由于卡圈可独立于托架垂直移动，因此，即使卡圈磨损，托架从抛光表面的垂直位置也不会受到影响。因此，卡圈寿命可大大延长。
在此类型的顶圈中，当开始向半导体晶片施加压力或者在抛光后真空夹持半导体晶片时，通常执行下述操作：
当开始向半导体晶片施加压力时，托架或在真空下通过膜保持半导体晶片的顶圈下降至抛光垫上。此时，顶圈移动至某一高度，在该高度下可在接下来的抛光处理中获得所需抛光轮廓。通常，在具有良好弹性的膜型顶圈中，由于半导体晶片的周边部分(边缘部分)易受抛光，因此期望由通过升高顶圈的高度而使膜膨胀导致的损耗来减小施加到半导体晶片的压力。具体地说，顶圈下降到某一高度，在该高度下半导体晶片与抛光垫之间的间隙通常约为1毫米。其后，半导体晶片压抵抛光表面且被抛光。在抛光后，半导体晶片真空夹持至顶圈，同时顶圈保持与抛光相同的高度。然而，由此进行的传统抛光方法最初具有以下问题。
当开始向半导体晶片施加压力时半导体晶片与抛光垫之间的间隙导致半导体晶片变形。此变形可达到大程度，与对应于半导体晶片与抛光垫之间的间隙的量成比例。因此，施加至半导体晶片的应力在此情况下增加，从而导致形成于半导体晶片上的精细互连断裂增加或半导体晶片本身损坏增加。另一方面，当半导体晶片在抛光后真空夹持时，如果半导体晶片通过从托架的下表面与膜的上表面之间存在间隙的状态下在膜上建立真空而附着至托架，那么半导体晶片的变形量将以与托架的下表面与膜的上表面之间的间隙对应的量变大。因此，施加至半导体晶片的应力增大且半导体晶片在膜型顶圈运行中在一些情况下损坏。然而，避免此缺陷的挑战迄今为止尚未成功。首先，不形成间隙是不成功的：当向半导体晶片施加压力或真空夹持半导体晶片时，如果顶圈下降至半导体晶片与抛光垫之间几乎不存在间隙的位置，或者半导体晶片开始与抛光垫局部接触，那么在最坏的情况下，半导体晶片上的薄膜过度抛光或者半导体晶片本身损坏。
其次，在日本专利公开no.2005-123485中揭示的当半导体晶片从顶圈释放时用于减小施加至半导体晶片的应力的释放喷嘴可作为一个替代方案。释放喷嘴用作通过在半导体晶片的背面与膜之间喷射加压流体而辅助半导体晶片从顶圈释放的释放机构。在此情况下，半导体晶片被从卡圈的底表面向下外推，以从膜移除半导体晶片的周边部分，且接着在半导体晶片的周边部分与膜之间喷射加压流体。因此，当半导体晶片从顶圈释放时，必须通过加压膜使膜膨胀，如在日本专利公开no.2005-123485中揭示的那样。在美国专利no.7,044,832中也公开了释放喷嘴。如在此美国专利公开案中揭示的那样，当半导体晶片释放时，气囊膨胀(加压)，且接着在半导体晶片的边缘部分与气囊分离(参见第10栏第6至15行及图2a)的状态下射流被喷射。具体地说，在上述两件公开案中，膜膨胀而使半导体晶片的边缘部分与膜分离，且射流喷射在间隙中。然而，当这些公开案中的膜如建议的那样加压和膨胀时，向衬底施加局部变化的向下的力。相应地，应力倾向于根据膜膨胀局部施加至半导体晶片，且在使用这些具有喷嘴的传统顶圈时，在最坏的情况下，形成在半导体晶片上的精细互连断裂，或者半导体晶片本身损坏。需要获得精确平坦度和高产出的平面化工艺，由于该平面化工艺使得衬底缺陷减少。
技术实现要素：
鉴于上述缺陷提出了本发明。因此，本发明的一个目的在于提供一种抛光方法和装置，其可获得高产出，减少诸如半导体晶片的衬底变形和施加至衬底的应力，以防止形成衬底缺陷或衬底损坏，进而抛光衬底，真空夹持衬底至顶圈，并以安全方式从顶圈释放衬底。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种通过抛光装置抛光衬底的方法，该抛光装置包括具有抛光表面的抛光台、用于保持衬底并将衬底压抵抛光表面的顶圈以及用于沿垂直(竖直)方向移动顶圈的可垂直移动机构，所述方法包括：在衬底压抵抛光表面之前，将顶圈移动至第一高度；以及在衬底压抵抛光表面之后，将顶圈移动至第二高度。
根据本发明的第一方面，在诸如半导体晶片的衬底压抵抛光台的抛光表面之前，顶圈下降至第一高度，在该第一高度处，衬底与抛光表面之间的间隙小。当顶圈位于第一高度时，开始施加压力并使衬底与抛光表面接触并将衬底压抵抛光表面。因为衬底与抛光表面之间的间隙在开始施加压力时小，所以衬底变形的容许度可较小，并且因而可抑制衬底变形。其后，顶圈移动至所需的第二高度。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且第一高度等于处于0.1毫米至1.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
在衬底压抵抛光表面之前衬底附着至顶圈且由顶圈保持(下文称为“衬底真空夹持至顶圈”)的状态下，衬底与抛光表面之间的间隙变为膜高度。
在本发明的一个优选方面中，第一高度等于处于0.1毫米至0.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且第二高度等于处于0.1毫米至2.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下顶圈本体与膜之间的间隙。
在衬底压抵抛光表面的状态中，膜高度，即膜与顶圈(托架)之间的间隙变为“第二高度”。为了使膜高度不大于1毫米，需要更精确的控制器，且使膜高度不大于1毫米意义不大，因为此高度处于平面化工艺中可能的误差范围中。此外，在使膜高度不小于2.7毫米的情况下，已发现不可能或不足以完成适当的全部平面化。因而，理想的是，膜高度处于0.1毫米至2.7毫米的范围内。
在本发明的一个优选方面中，第二高度等于处于0.1毫米至1.2毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下顶圈本体与膜之间的间隙。
在本发明的一个优选方面中，该方法进一步包括检测衬底压抵抛光表面。
在本发明的一个优选方面中，在检测到衬底压抵抛光表面之后，顶圈移动至第二高度。
在本发明的一个优选方面中，使用用于转动抛光台的电动机的电流值变化、设置在抛光台中的涡流传感器、设置在抛光台中的光学传感器以及用于转动顶圈的电动机的电流值变化中的至少一个检测衬底压抵抛光表面。
在本发明的一个优选方面中，用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构包括滚珠丝杠以及用于转动滚珠丝杠的电动机；且使用用于转动滚珠丝杠的电动机的电流值变化检测衬底压抵抛光表面。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持该膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且使用供应至压力腔的加压流体的压力变化或流速(流量)变化检测衬底压抵抛光表面。
根据本发明的第二个方面，提供一种通过抛光装置抛光衬底的方法，该抛光装置包括具有抛光表面的抛光台、用于保持衬底并将衬底压抵抛光表面的顶圈以及用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构，所述方法包括：在衬底压抵抛光表面之前，将顶圈移动至第一高度；在第一压力下将衬底压抵抛光表面，同时将顶圈维持在第一高度；以及在第一压力下将衬底压抵抛光表面之后，通过在比所述第一压力高的第二压力下将衬底压抵抛光表面而抛光衬底。
根据本发明的第二个方面，在衬底压抵抛光台的抛光表面之前，顶圈降低至第一高度。当顶圈定位于第一高度处时，开始在第一压力下施加压力，以使衬底与抛光表面接触，且衬底压抵抛光表面。具体地说，在开始施加压力时，在低压的第一压力下对衬底加压，从而使衬底与抛光表面接触，因而使得在衬底与抛光表面接触时衬底变形量较小。其后，衬底在比第一压力高的第二压力下压抵抛光表面，从而执行实质性抛光处理，以抛光衬底。实质性抛光处理称为超过二十秒的抛光处理，且可存在多个实质性抛光处理。在此实质性处理过程中，抛光液体或化学液体供应至抛光垫上，衬底压抵抛光表面且开始与抛光表面滑动接触，从而抛光衬底或清洁衬底。第一压力优选处于50hpa至200hpa的范围内，且更优选为约100hpa。第一压力应为最佳压力，其使膜向下加压，以使得衬底与抛光表面接触，同时顶圈维持在恒定高度。然而，加压速度在不大于50hpa的压力下变慢，且衬底在不小于200hpa的压力下超过必要地加压，且因而在衬底与抛光表面接触时变形。第二压力处于10hpa至1000hpa的范围内，且更优选为30hpa至500hpa。此范围应结合表面条件(即光洁度)和衬底或晶片材料确定。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持所述膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且第一高度等于处于0.1毫米至1.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
在本发明的一个优选方面中，第一高度等于处于0.1毫米至0.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底附着至膜且由膜保持的状态下衬底与抛光表面之间的间隙。
在本发明的一个优选方面中，在抛光处理中第一压力不大于第二压力的一半。
在本发明的一个优选方面中，第一压力是大气压。
在本发明的一个优选方面中，该方法进一步包括检测衬底压抵抛光表面的步骤。
在本发明的一个优选方面中，在检测到衬底压抵抛光表面之后，在第二压力下将顶圈压抵抛光表面。
在本发明的一个优选方面中，使用用于转动抛光台的电动机的电流值变化、设置在抛光台中的涡流传感器、设置在抛光台中的光学传感器以及用于转动顶圈的电动机的电流值变化中的至少一个检测衬底压抵抛光表面。
在本发明的一个优选方面中，用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构包括滚珠丝杠以及用于转动滚珠丝杠的电动机；且使用用于转动滚珠丝杠的电动机的电流值变化检测衬底压抵抛光表面。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持该膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且使用供应至压力腔的加压流体的压力变化或流速变化检测衬底压抵抛光表面。
根据本发明的第三个方面，提供一种通过抛光装置抛光衬底的方法，该抛光装置包括具有抛光表面的抛光台、用于保持衬底并将衬底压抵抛光表面的顶圈以及用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构，所述方法包括：在衬底压抵抛光表面之前，将顶圈移动至第一高度；在预定压力下推压衬底，以使衬底与抛光表面接触，同时将顶圈维持在第一高度；以及在开始抛光时检测衬底与抛光表面的接触，并将抛光条件变化为下一抛光条件。
根据本发明的第三个方面，在使衬底压抵抛光台的抛光表面之前，顶圈下降至第一高度。当顶圈位于第一高度时，开始在预定压力下向衬底施加压力，且衬底与抛光表面接触。在开始抛光时，检测衬底与抛光表面的接触，且抛光条件变化至下一抛光条件，以使得用于将衬底压抵抛光表面的抛光压力变化至所需值，或顶圈抬升至所需高度。
在本发明的一个优选方面中，使用用于转动抛光台的电动机的电流值变化、设置在抛光台中的涡流传感器、设置在抛光台中的光学传感器以及用于转动顶圈的电动机的电流值变化中的至少一个检测衬底与抛光表面的接触。
在本发明的一个优选方面中，用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构包括滚珠丝杠以及用于转动滚珠丝杠的电动机；且使用用于转动滚珠丝杠的电动机的电流值变化检测衬底与抛光表面的接触。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持该膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵所述抛光表面；且使用供应至压力腔的加压流体的压力变化或流速变化检测衬底与抛光表面的接触。
根据本发明的第四个方面，提供一种通过抛光装置抛光衬底的方法，该抛光装置包括具有抛光表面的抛光台、用于保持衬底并将所底压抵抛光表面的顶圈以及用于沿垂直方向移动顶圈的可垂直移动机构，所述方法包括：在衬底与抛光表面接触的状态下将顶圈移动至预定高度；以及在移动顶圈后或与移动顶圈的同时，从抛光表面将衬底附着至顶圈，并通过顶圈保持衬底。
根据本发明的第四个方面，在抛光表面上完成衬底处理后且当衬底真空夹持至顶圈时，顶圈被移动且从在用于真空夹持衬底的衬底保持表面与顶圈本体(托架)表面之间具有小间隙的状态下开始真空夹持衬底。相应地，由于真空夹持衬底前的间隙小，因此衬底变形容许度小，并且因而衬底变形量可极其小。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持所述膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且所述预定高度等于处于0.1毫米至1.7毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下顶圈本体与膜之间的间隙。
在本发明的一个优选方面中，预定高度等于处于0.1毫米至1.0毫米的范围中的膜高度，所述膜高度定义为在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下顶圈本体与膜之间的间隙。
在本发明的一个优选方面中，可垂直移动机构包括用于沿垂直方向移动顶圈的滚珠丝杠以及用于转动滚珠丝杠的电动机。
在本发明的一个优选方面中，可垂直移动机构包括包含用于测量抛光表面的高度的传感器的机构。
根据本发明的第五个方面，提供一种抛光衬底的装置，包括：具有抛光表面的抛光台；顶圈，其构造成通过衬底保持表面保持衬底的背面并通过卡圈保持衬底的外周边，并构造成将衬底压抵抛光表面；可垂直移动机构，其构造成沿垂直方向移动顶圈；以及推动器，其构造成将衬底转移至顶圈或从顶圈转移；其中，推动器能够在从顶圈接收衬底之前将卡圈的底表面向上推动至高于衬底保持表面的位置。
根据本发明的第五个方面，在从顶圈接收衬底之前，抬升推动器，且通过推动器推动卡圈的底表面，且因而卡圈的底表面位于比顶圈的衬底保持表面高的垂直位置处。因此，衬底与衬底保持表面之间的边界暴露。接着，举例而言，可在衬底与衬底保持表面之间喷射加压流体，以使得衬底释放。因而，可以在释放时减小施加至衬底的应力。
在本发明的一个优选方面中，顶圈具有用于被供应加压流体的卡圈腔，卡圈腔构造成当卡圈腔供应有加压流体时将卡圈压抵抛光表面；且卡圈腔可连接至真空源。
在本发明的一个优选方面中，推动器包括用于在衬底保持表面与衬底之间喷射加压流体的喷嘴，而且衬底通过从喷嘴喷射出的加压流体从衬底保持表面移除。
在本发明的一个优选方面中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的多个压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持所述膜的顶圈本体，所述膜构造成当所述多个压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且当衬底从构成衬底保持表面的膜移除时，衬底在所有多个压力腔未加压的状态下移除。
根据本发明，可仅通过加压流体的作用从推动器的喷嘴移除衬底，而不需要加压膜。因而，可减小施加至衬底的应力。
根据本发明的第六个方面，提供一种抛光衬底的装置，包括：具有抛光表面的抛光台；顶圈，其构造成通过衬底保持表面保持衬底的背面并通过卡圈保持衬底的外周边，并构造成将衬底压抵抛光表面；以及可垂直移动机构，其构造成沿垂直方向移动顶圈；其中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的多个压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持所述膜的顶圈本体，所述膜构造成当所述多个压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且其中，当衬底从构成衬底保持表面的膜移除时，多个压力腔中的至少一个加压且邻近加压腔的另一腔在真空状态下减压，以防止在所述衬底附着至所述膜的状态下所述膜持续膨胀。
根据本发明的第六个方面，当压力腔加压以从膜移除衬底时，膜开始在衬底附着至膜的状态下大程度地膨胀，并且因而施加至衬底的应力变大。因此，在至少一个压力腔加压的情况下，为了防止膜在衬底附着至膜的状态下持续膨胀，对除了加压的压力腔以外的压力腔中的至少一个减压，以抑制膜膨胀。
根据本发明的第七个方面，提供一种抛光衬底的装置，包括：具有抛光表面的抛光台；顶圈，其构造成通过衬底保持表面保持衬底的背面并通过卡圈保持衬底的外周边，并构造成将衬底压抵抛光表面；可垂直移动机构，其构造成沿垂直方向移动顶圈；其中，顶圈包括构造成形成被供应加压流体的压力腔的至少一个弹性膜以及用于保持所述膜的顶圈本体，所述膜构造成当压力腔供应有加压流体时在流体压力下将衬底压抵抛光表面；且其中，可垂直移动机构可运行，以在卡圈与抛光表面接触的状态下将顶圈从第一位置移动至第二位置；所述第一位置定义为以下位置，在该位置中，在衬底附着至膜且由膜保持的状态下在衬底与抛光表面之间存在间隙；所述第二位置定义为以下位置，在该位置中，在衬底通过膜压抵抛光表面的状态下在顶圈本体与膜之间存在间隙。
根据本发明的第七个方面，在诸如半导体晶片的衬底压抵抛光台的抛光表面之前，顶圈下降至第一位置，在第一位置处，衬底与抛光表面之间的间隙小。当顶圈位于第二位置时，开始施加压力且衬底与抛光表面接触且压抵抛光表面。因为在开始施加压力时衬底与抛光表面之间的间隙小，所以衬底变形容许度可较小，并且因而可抑制衬底变形。其后，顶圈移动至第二位置。
在本发明的一个优选方面中，该装置进一步包括：卡圈导向件，其固定至顶圈本体上且构造成与卡圈的圈构件滑动接触，以引导圈构件的运动；以及连接片，其设置在圈构件与卡圈导向件之间。
根据本发明，连接片用于防止抛光液体(浆料)引入圈构件与卡圈导向件之间的间隙中。
在本发明的一个优选方面中，该装置进一步包括：被供应加压流体的卡圈腔，卡圈腔构造成当卡圈腔供应有加压流体时将卡圈压抵抛光表面，卡圈腔在固定至顶圈本体上的缸体中形成；卡圈导向件，其固定至所述顶圈本体上且构造成与所述卡圈的圈构件滑动接触，以引导所述圈构件的运动；以及带状物，其包括设置在缸体与卡圈导向件之间的带状挠性构件。
根据本发明，带状物用于防止抛光液体(浆料)引入缸体与卡圈导向件之间的间隙中。
在本发明的一个优选方面中，膜包括密封构件，所述密封构件在膜的边缘处将膜连接至卡圈。
根据本发明，密封构件用于防止抛光液体引入弹性膜与圈构件之间的间隙中，同时允许顶圈本体与卡圈彼此相对移动。
在本发明的一个优选方面中，膜通过设置在膜的径向外部的环形边缘保持件以及设置在边缘保持件的径向内部的环形波纹保持件保持在所述顶圈本体的下表面上。
在本发明的一个优选方面中，波纹保持件通过多个止挡件保持在顶圈本体的下表面上。
如上所述，根据本发明，当开始向衬底施加压力以抛光衬底时，衬底真空夹持至顶圈，或者衬底从顶圈释放，可抑制衬底变形并可减小施加至衬底的应力。结果，可防止产生衬底缺陷或衬底损坏，进而抛光衬底，真空夹持衬底至顶圈，且以安全方式从顶圈释放衬底。
从结合举例图解本发明的优选实施例的附图进行的下文描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的抛光装置的整体结构的示意图；
图2是示出顶圈的示意横截面图，该顶圈构成用于保持作为待抛光物体的半导体晶片并在抛光台上将半导体晶片压抵抛光表面；
图3是根据本实施例的抛光装置的一系列抛光处理的流程图；
图4a、4b和4c是示出膜高度的示意图；
图5是示出顶圈状态的示意图，其中在顶圈下降前顶圈真空夹持半导体晶片；
图6是示出顶圈状态的示意图，其中顶圈真空夹持半导体晶片并下降，在半导体晶片与抛光垫之间留有大间隙；
图7a是示出在如下情况下的半导体晶片的变形状态的示意图，在该情况下，从如图6所示的半导体晶片与抛光垫之间存在大间隙的状态开始施加压力；
图7b是示出在如下情况下的半导体晶片的变形量的示意图，在该情况下，从半导体晶片与抛光垫之间存在大间隙的状态开始施加压力；
图7c是示出作为改进波纹腔的压力响应度的构件的与波纹腔连通的通道的视图；
图8是示出本发明第一个方面的视图，且是示出如下情况的视图，在该情况下，用于在真空下保持晶片的顶圈下降且在晶片与抛光垫之间存在小间隙；
图9a是示出如下状态的示意横截面图，在该状态中，从晶片与抛光垫之间存在小间隙的状态开始向膜施加压力；
图9b是示出如下情况下的晶片变形量的图，在该情况下，从晶片与抛光垫之间存在小间隙的状态开始施加压力；
图10是示出如下状态的示意图，在该状态下，顶圈从图9a所示的状态移动至最佳高度，以获得所需抛光轮廓；
图11是示出本发明的第二个方面的视图，且是示出如下情况下的视图，在该情况下，用于在真空下保持晶片的顶圈下降且在晶片与抛光垫之间存在大间隙；
图12a是示出如下状态的示意横截面图，在该状态中，从高膜高度状态开始向膜施加压力；
图12b是示出如下情况下晶片变形量的图，在该情况下，从晶片与抛光垫之间存在小间隙的状态开始施加压力；
图13是示出如下情况的示意图，在该情况下，在图12a所示的状态中执行实质性抛光而不移动顶圈；
图14是示出如下情况的示意图，在该情况下，当在抛光垫上完成晶片处理后且当晶片真空夹持至顶圈时，在托架表面与膜背面之间存在大间隙；
图15是示出如下情况下的晶片变形状态的示意图，在该情况下，从如图14所示托架表面与膜的背面之间存在大间隙的状态开始真空夹持晶片；
图16a是示出如下情况下晶片状态的示意图，在该情况下，从托架表面与膜背面之间存在大间隙的状态开始真空夹持晶片，该图还示出了抛光垫具有凹槽的情况；
图16b是示出如下情况下的晶片状态的示意图，在该情况下，从托架表面与膜背面之间存在大间隙的状态开始真空夹持晶片，该图还示出了抛光垫不具有凹槽的情况；
图17是示出本发明的一个方面的视图，且是示出如下情况的示意图，在该情况下，当在抛光垫上完成晶片处理后且在晶片真空夹持至顶圈时，在托架表面与膜背面之间存在小间隙(膜高度低)；
图18是示出如下情况下的晶片变形状态的示意图，在该情况下，从如17所示托架表面与膜背面之间存在小间隙的状态开始真空夹持晶片；
图19a是示出完成了真空夹持晶片至顶圈的状态并且示出抛光垫具有凹槽的情况的示意图；
图19b是示出完成了真空夹持晶片至顶圈的状态并且示出抛光垫不具有凹槽的情况的示意图；
图20是示出实验数据的图，而且是示出在真空夹持晶片时膜高度(托架的下表面与膜的上表面之间的间隙)与在真空夹持晶片时施加至晶片的应力之间的关系的图；
图21是示出顶圈和推动器的示意图，而且是示出推动器抬升以将晶片从顶圈转移至推动器的状态的视图；
图22是示出推动器的详细结构的示意图；
图23是示出用于从膜移除晶片的晶片释放状态的示意图；
图24a是示出当晶片从膜移除时对波纹区域加压的情况以及示出波纹区域加压的情况的示意图；
图24b是示出当晶片从膜移除时对波纹区域加压的情况以及示出波纹区域加压且外部区域减压的情况的示意图；
图25是更详细地示出图1中示出的顶圈的视图；
图26是更详细地示出图1中示出的顶圈的横截面图；
图27是更详细地示出图1中示出的顶圈的横截面图；
图28是更详细地示出图1中示出的顶圈的横截面图；
图29是更详细地示出图1中示出的顶圈的横截面图；以及
图30是图27中示出的卡圈的xxx部分的放大图。
具体实施方式
下文将参照图1至30描述根据本发明的实施例的抛光装置。所有图中类似或对应的部分由类似或对应的附图标记表示且在下文中不重复描述。
图1是示出根据本发明的一个实施例的抛光装置的整体结构的示意图。如图1所示，抛光装置包括抛光台100以及构成用于保持作为待抛光物体的衬底(诸如半导体晶片)的抛光垫的顶圈1，所述抛光垫还使衬底压抵抛光台100上的抛光表面。
经由台轴100a联接至电动机(未图示)的抛光台100设置在抛光台100下方。因此，抛光台100可绕台轴100a转动。抛光垫101附着至抛光台100的上表面。抛光垫101的上表面101a构成用于抛光半导体晶片的抛光表面。在抛光台100上方设置抛光液体供应喷嘴(未图示)，以将抛光液体供应至抛光台100上的抛光垫101上。
顶圈1连接至顶圈轴18的下端，且顶圈轴18通过可垂直移动机构24相对于顶圈头16可垂直移动。当可垂直移动的机构24垂直移动顶圈轴18时，顶圈1整体抬升和下降，以相对于顶圈头16定位。顶圈轴18可通过激励顶圈转动电动机(未图示)转动。顶圈1可通过顶圈轴18的转动而围绕顶圈轴18的轴线转动。转动接头25安装在顶圈轴18的上端上。
在市场上可获得多种抛光垫。举例而言，其中一些是罗德尔公司(rodelinc.)制造的suba800、ic-1000和ic-1000/suba400(两层布)以及富士美公司(fujimiinc.)制造的surfinxxx-5和surfin000。suba800、surfinxxx-5和surfin000是聚氨酯树脂粘合的无纺织物，且ic-1000由刚性泡沫聚氨酯(单层)制成。泡沫聚氨酯多孔且具有在其表面中形成的大量微细凹口或孔。
顶圈1构造成将诸如半导体晶片的衬底保持在其下表面上。顶圈头16可绕顶圈头轴114枢转(摆动)。因此，在其下表面上保持半导体晶片的顶圈1通过顶圈头16的枢转运动在顶圈1接收半导体晶片的位置与抛光台100上方的位置之间运动。顶圈1下降，以将半导体晶片压抵抛光垫101的表面(抛光表面)101a。此时，在顶圈1和抛光台100分别转动的同时，抛光液体从抛光液体供应喷嘴(未图示)供应至抛光垫101上，所述抛光液体供应喷嘴设置在抛光台100上方。半导体晶片开始与抛光垫101上的抛光表面101a滑动接触。因此，半导体晶片表面被抛光。
使顶圈轴18和顶圈1垂直移动的垂直移动机构24具有桥28，所述桥28支撑顶圈轴18，以使得顶圈轴18经由轴承26、支撑在桥28上的滚珠丝杠32、由杆130支撑的支撑平台29以及设置在支撑平台29上的ac伺服电动机38转动。支撑伺服电动机38的支撑平台29经由杆130固定至顶圈头16上。
滚珠丝杠32具有联接至伺服电动机38的丝杠轴32a和丝杠轴32a螺纹连接至其中的螺母32b。顶圈轴18构造成可与桥28一起垂直移动。相应地，当驱动伺服电动机38时，桥28通过滚珠丝杠32垂直移动。结果，顶圈轴18和顶圈1垂直移动。抛光装置具有距离测量传感器70，其充当用于检测从距离测量传感器70到桥28的下表面的距离、即桥28的位置的位置检测设备。通过利用距离测量传感器60检测桥28的位置，可检测顶圈1的位置。距离测量传感器70与滚珠丝杠32以及伺服电动机38一起构成可垂直移动机构24。距离测量传感器70可包括激光传感器、超声波传感器、涡流传感器或线性标度传感器。抛光装置具有用于控制抛光装置中包括距离测量传感器70和伺服电动机38的各种设备的控制器47。
本实施例中的抛光装置具有修整单元40，该修整单元40用于修整抛光台100上的抛光表面101a。修整单元40包括与抛光表面101a滑动接触的修整器50、与修整器50连接的修整器轴51、设置在修整器轴51的上端的气缸53以及可转动地支撑修整器轴51的摆动臂55。修整器50具有附着至修整器50的下部的修整构件50a。修整构件50a具有针形的金刚石颗粒。这些金刚石颗粒附着在修整构件50a的下表面上。气缸53设置在支撑平台57上，所述支撑平台57由杆56支撑。杆56固定至摆动臂55上。
摆动臂55通过电动机(未图示)的致动可围绕支撑轴58枢转(摆动)。修整器轴51可通过电动机(未图示)的致动而转动。因此，修整器50可通过修整器轴51的转动围绕修整器轴51转动。气缸53经由修整器轴51使修整器50垂直移动，从而在预定压力下将修整器50压抵抛光垫101的抛光表面101a。
以下述方式执行抛光垫101上的抛光表面101a的修整操作。修整器50通过气缸53压抵抛光表面101a。同时，纯水从纯水供应喷嘴(未图示)供应至抛光表面101a上。在此状态下，修整器50围绕修整器轴51转动，且修整构件50a的下表面(金刚石颗粒)与抛光表面101a接触。因而，修整器50移除抛光垫101的一部分，从而修正抛光表面101a。
本实施例中的抛光装置利用修整器50测量抛光垫101的磨损量。具体地说，修整单元40包括用于测量修整器50的位移的位移传感器60。位移传感器60构成用于检测抛光垫101的磨损量的磨损检测设备，且设置在摆动臂55的上表面上。目标板61固定至修整器轴51上。目标板61可通过修整器50的垂直移动而垂直移动。位移传感器60插入目标板61的孔中。位移传感器60测量目标板61的位移，以测量修整器50的位移。位移传感器60可包括任何类型的传感器，包括线性标度传感器、激光传感器、超声波传感器和涡流传感器。
在本实施例中，抛光垫101的磨损量测量如下。首先，气缸53操作，以使修整器50与起初已修整的未用过抛光垫101的抛光表面101a接触。在此状态下，位移传感器60测量修整器50的起始位置(起始高度值)并将起始位置存储在控制器(算术单元)47的存储设备中。在一个或多个半导体晶片的抛光处理完成后，修整器50与抛光表面101a接触。在此状态下，测量修整器50的位置。由于修整器50的位置以抛光垫101的磨损量向下偏移，所以控制器47计算在抛光后修整器50的起始位置与测量位置之间的差，从而获得抛光垫101的磨损量。以此方式，基于修整器50的位置计算抛光垫101的磨损量。
当半导体晶片由图1所示的抛光装置抛光后，抛光垫101的厚度总是变化，因为抛光垫101逐步磨损、修整和更换。倘若半导体晶片由膨胀弹性膜压在顶圈1中，那么半导体晶片的外周区域与弹性膜相互接触的范围以及半导体晶片的外周区域上的表面压力分布根据弹性膜与半导体晶片之间的距离变化。为了防止半导体晶片上的表面压力分布随着抛光处理的进行而变化，有必要在抛光时使顶圈1与抛光垫101的抛光表面之间的距离保持恒定。为了使顶圈1与抛光垫101的抛光表面之间的距离保持恒定，举例而言，有必要检测抛光垫101的抛光表面的垂直位置并且在抛光垫101更换且如下文所述由修整器50初始修整后调整顶圈1的下降位置。检测抛光垫101的抛光表面的垂直位置的过程将称为顶圈的“垫探寻”。
当顶圈1的下表面或者半导体晶片的下表面开始与抛光垫101的抛光表面接触时，通过检测顶圈1的垂直位置(高度)进行顶圈的垫探寻。具体地说，在顶圈的垫探寻中，顶圈1由伺服电动机38降低，同时伺服电动机38的转数通过与伺服电动机38组合的解码器计数。当顶圈1的下表面与抛光垫101的抛光表面接触时，伺服电动机38上的负载增加，且流经伺服电动机38的电流增大。通过控制器47中的电流检测器检测流经伺服电动机38的电流。当检测到的电流变大时，控制器47判断顶圈1的下表面与抛光垫101的抛光表面接触。同时，控制器47根据解码器计数(积分值)计算顶圈1的下降距离(位置)，并且存储计算出的下降距离。控制器47接着根据顶圈1的下降距离获取抛光垫101的抛光表面的垂直位置(高度)，并且根据抛光垫101的抛光表面的垂直位置计算顶圈1的预设抛光位置。
在顶圈的垫探寻中使用的半导体晶片优选为用于垫探寻中的仿真(测试)晶片而非产品晶片。虽然在垫探寻中可使用产品晶片，但是此产品晶片上的半导体器件可能在垫探寻中破裂。在垫探寻中使用仿真晶片可有效防止此产品晶片上的半导体器件被损坏或破裂。
伺服电动机38应优选为具有可变最大电流的伺服电动机。在垫探寻中，伺服电动机38的最大电流可调整为从约25％到约30％的值，从而防止当顶圈1的下表面或半导体晶片(仿真晶片)的下表面与抛光垫101的抛光表面接触时半导体晶片(仿真晶片)、顶圈1以及抛光垫101在过量负载下放置。由于顶圈1与抛光垫101接触的时间可根据顶圈1的下降时间或下降距离大致预测出来，所以在顶圈1与抛光垫101接触之前应优选降低伺服电动机38的最大电流。这样，顶圈1可快速且可靠地下降。
接着，将参照图2描述根据本发明的抛光装置的抛光头(顶圈)。图2是示出构成抛光头的顶圈1的横截面示意图，所述抛光头保持作为待抛光物体的半导体晶片并将半导体晶片压抵抛光台上的抛光表面。图2仅示出了构成顶圈1的主要结构元件。
如图2所示，顶圈1基本上包括用于将半导体晶片w压抵抛光表面101a的顶圈本体2(也称为托架)以及用于直接推压抛光表面101a的卡圈3。顶圈本体(托架)为圆板形，且卡圈3附着至顶圈本体2的外周部分。顶圈本体2由诸如工程塑料(例如peek)的树脂制成。如图2所示，顶圈1具有附着至顶圈本体2的下表面的弹性膜(膜)4。弹性膜4与顶圈1保持的半导体晶片的背面接触。弹性膜4由高强度固(高度坚固)且耐用的橡胶材料制成，上述橡胶材料诸如乙烯基丙烯橡胶(epdm)、聚氨酯橡胶、硅酮橡胶或其类似物。
弹性膜(膜)4具有多个同心分隔壁4，且圆形中心腔5、环形波纹腔6、环形外腔7和环形边缘腔8由弹性膜4与顶圈本体2的下表面之间的分隔壁4a界定。具体地说，中心腔5界定在顶圈本体2的中心部分处，且波纹腔6、外腔7和边缘腔8从顶圈本体2的中心部分到外周部分按次序同心限定。与中心腔5连通的通道11、与波纹腔6连通的通道12、与外腔7连通的通道13以及与边缘腔8连通的通道14形成在顶圈本体2中。与中心腔5连通的通道11、与外腔7连通的通道13以及与边缘腔8连通的通道14分别经由转动接头25连接至通道21、23和24。各通道21、23和24经由各阀v1-1、v3-1、v4-1以及各压力调节器r1、r3、r4连接至压力调节单元30。此外，各通道21、23和24经由各阀v1-2、v3-2、v4-2连接至真空源31，且也经由各阀v1-3、v3-3、v4-3连接至大气。
另一方面，与波纹腔6连通的通道12也经由转动接头25连接至通道22。通道22经由水分离槽35、阀v2-1和压力调节器r2连接至压力调节单元30。此外，通道22经由水分离槽35和槽v2-2连接至真空源131，且也经由阀v2-3连接至大气。
此外，卡圈腔9形成在卡圈3紧上方，且卡圈腔9经由形成在顶圈本体(托架)2中的通道15以及转动接头25连接至通道26。通道26经由阀v5-1和压力调节器r5连接至压力调节单元30。另外，通道26经由阀v5-2连接至真空源31，而且还经由阀v5-3连接至大气。压力调节器r1、r2、r3、r4和r5具有用于调整从压力调节单元30分别供应到中心腔5、波纹腔6、外腔7、边缘腔8和卡圈腔9的加压流体压力的压力调整功能。压力调节器r1、r2、r3、r4和r5以及各阀v1-1–v1-3、v2-1–v2-3、v3-1–v3-3、v4-1–v4-3以及v5-1–v5-3连接至控制器47(参见图1)，且控制器47控制这些压力调节器和这些阀的操作。此外，压力传感器p1、p2、p3、p4和p5以及流速传感器f1、f2、f3、f4和f5分别设置在通道21、22、23、24和26中。
在如图2所示构造的顶圈1中，如上所述，中心腔5界定在顶圈本体2的中心部分处，且波纹腔6、外腔7及边缘腔8从顶圈本体2的中心部分到外周部分按次序同心界定。可通过压力调节单元30以及压力调节器r1、r2、r3、r4和r5独立控制供应至中心腔5、波纹腔6、外腔7、边缘腔8以及卡圈腔9的流体压力。通过此配置，可通过调整待供应至各自压力腔的流体压力，在半导体晶片的各自局部区域调整用于将半导体晶片w压抵抛光垫101的压力，而且，可通过调节待供应至压力腔的流体压力调节用于将卡圈3压抵抛光垫101的压力。
下文将参照图3描述如图1和2所示的抛光装置的一系列抛光处理。图3是根据本实施例的抛光装置的这一系列抛光处理的流程图。如图3所示，抛光处理以步骤s101中的抛光垫替换开始。具体地说，已磨损的抛光垫与抛光台100分离，且崭新的抛光垫101安装在抛光垫100上。
崭新的抛光垫101具有低抛光性能，因为其抛光表面不粗糙且由于抛光垫101安装在抛光台100上的方式或者由于抛光垫101的各自构造而具有表面起伏。为了校正上述表面起伏以使抛光垫101准备抛光，有必要修整抛光垫101，以使其抛光表面粗糙而提高抛光性能。初始表面调整(修整)称为初始修整(步骤s102)。
接着，在步骤s103中，使用用于垫探寻的仿真晶片通过顶圈本体1执行垫探寻。如上所述，垫探寻是用于检测抛光垫101的表面的垂直高度(位置)的过程。当顶圈1的下表面开始与抛光垫101的抛光表面接触时，通过检测顶圈1的垂直高度执行垫探寻。
具体地说，在垫探寻中，激励伺服电动机38，以降低顶圈1，同时由与伺服电动机38组合的编码器计数伺服电动机38的旋转数。当顶圈1的下表面接触抛光垫101的抛光表面时，伺服电动机38上的负载增加，且流经伺服电动机38的电流增加。流经伺服电动机38的电流由控制器47中的电流检测器检测。当检测到的电流变大时，控制器判断顶圈1的下表面是否与抛光垫101的抛光表面接触。同时，控制器47计算顶圈1从编码器计数(积分值)下降的距离(位置)，且存储计算出的下降距离。控制器47接着从顶圈1的下降距离获得抛光垫101的抛光表面的垂直高度，并在抛光前从抛光垫101抛光表面的垂直高度计算顶圈1的最佳位置。
在本实施例中，当顶圈1在抛光前位于最佳位置时，通过顶圈1保持为产品晶片的半导体晶片w的下表面(即待抛光表面)与抛光垫101的抛光表面以微小间隙间隔。
通过顶圈1保持为产品晶片的半导体晶片w的下表面(即待抛光表面)不与抛光垫101的抛光表面接触、而是与抛光垫101的抛光表面以微小间隙间隔的顶圈本体的垂直位置被设定为控制器47中的顶圈1的最佳位置(h初始-最佳)(步骤s103)。
接着，在步骤s104中执行修整器50的垫探寻。当修整器50的下表面在预定压力下与抛光垫101的抛光表面接触时，通过检测修整器50的垂直高度进行修整器50的垫探寻。具体地说，气缸53致动，以使修整器50与已初始修整的抛光垫101的抛光表面101a接触。位移传感器60检测修整器50的初始位置(初始高度)，且控制器(处理器)47存储修整器50的检测初始位置(初始高度)。步骤s102中的初始修整处理以及步骤s104中的修整器进行的垫探寻可同时进行。具体地说，修整器50的垂直位置(初始位置)可最终在初始修整过程中检测到，且修整器50的检测到的垂直位置(初始高度值)可存储在控制器(处理器)47中。
如果步骤s102中的初始修整处理以及步骤s104中修整器进行的垫探寻同时进行，在它们之后进行步骤s103中的顶圈执行的垫探寻。
接着，顶圈1从衬底转移装置(推动器)接收并保持半导体晶片作为产品晶片。其后，顶圈1下降至已在步骤s103中通过顶圈进行的垫探寻获得的预设位置(h初始-最佳)。在半导体晶片抛光之前，在半导体晶片的下表面与抛光垫101的抛光表面之间存在小间隙。此时，抛光台100与顶圈1正绕其各自的轴线旋转。接着，位于半导体晶片的上表面处的弹性膜(膜)在施加至其上的流体的压力下膨胀，从而将半导体晶片的下表面(待抛光表面)压抵抛光垫101的抛光表面。在步骤s105中，随着抛光台100和顶圈1彼此相对移动，半导体晶片的下表面被抛光至预定状态，例如抛光至预定薄膜厚度。
当在步骤s105中完成半导体晶片的下表面的抛光时，顶圈1将抛光的半导体晶片转移至衬底转移装置(推动器)，并从衬底转移装置接收待抛光的新半导体晶片。在顶圈1正用新半导体晶片替换抛光的半导体晶片的同时，修整器50在步骤s106中修整抛光垫101。
抛光垫101的抛光表面101a修整如下：气缸53将修整器50压抵抛光表面101a，且同时纯水供应喷嘴(未图示)将纯水供应至抛光表面101a。在此状态下，修整器50围绕修整器轴51转动，以使修整构件50a的下表面(金刚石颗粒)与抛光表面101a滑动接触。修整器50刮掉抛光垫101的表面层，且抛光表面101a被修整。
在抛光表面101a修整后，在步骤s106中执行修整器50进行的垫探寻。以与步骤s104相同的方式进行修整器50执行的垫探寻。虽然可在修整处理后与修整处理分离地执行修整器进行的垫探寻，但是可替换地，可最终在修整处理中执行修整器50进行的垫探寻，以使得可同时进行修整器50进行的垫探寻和修整处理。在步骤s106中，修整器50和抛光台100应以相同速度转动，如同步骤s104那样。根据修整器50进行的垫探寻，在步骤s106中检测到修整后修整器50的垂直位置。
接着，控制器47确定在步骤s104中确定的修整器50的初始位置(初始高度值)与步骤s106中确定的修整器50的垂直位置之间的差值，进而确定抛光垫101的磨损量(△h)。
在步骤s107中，控制器47接着基于抛光垫101的磨损量(△h)以及在步骤s103的垫探寻中已经确定的抛光时顶圈1的预设位置(h初始-最佳)根据下式(1)计算用于抛光下一个半导体晶片的顶圈1的最佳位置(h后-最佳)：
h后-最佳＝h初始-最佳+△h…(1)
具体地说，检测作为在抛光过程中影响顶圈1的垂直位置的因素的抛光垫101的磨损量(△h)，且基于已检测到的抛光垫101的磨损量(△h)校正已设定的顶圈1的预设位置(h初始-最佳)，进而确定用于抛光下一个半导体晶片的顶圈1的预设位置(h后-最佳)。以此方式，控制顶圈1，从而在抛光过程中总是获取最佳垂直位置。
接着，激励伺服电动机38，以降低将半导体晶片w保持至在步骤s107中确定的顶圈1的预设位置(h后-最佳)的顶圈1，进而在步骤s108中调整顶圈1的高度。其后，重复步骤s105至s108，直至抛光垫101磨损以抛光大量半导体晶片为止。其后，在步骤s101中替换抛光垫101。
如上文参照图3中所示的流程图描述的那样，当抛光装置操作时，检测到作为在抛光时影响顶圈1的垂直位置的因素的抛光垫101的磨损量(△h)，且基于已检测到的抛光垫101的磨损量(△h)校正已设定的顶圈1的预设位置(h初始-最佳)，进而确定用于抛光下一个半导体晶片的顶圈1的预设位置(h后-最佳)。以此方式，控制顶圈1，以在抛光过程中总是获取最佳垂直位置。因此，仅在更换抛光垫时应执行用于在抛光时直接获取顶圈1的预设位置的顶圈进行的垫探寻，从而导致生产率显著提高。
接着，将参照图4至24描述当在如图1和2构造的抛光装置中开始向半导体晶片施加压力或者将半导体晶片真空夹持至顶圈时弹性膜(膜)的最佳高度。
图4a至4c是解释膜高度的示意图。图4a是示出以下状态的示意图，在该状态中，在半导体晶片w真空夹持至膜4的条件下限定为晶片w与抛光垫101之间的间隙的高度等于0毫米，即，“膜高度＝0毫米”。可通过上述垫探寻检测到“膜高度＝0毫米”(半导体晶片与抛光垫101之间的接触位置)。如图4a所示，取顶圈高度为“膜高度＝0毫米”，在该顶圈高度下，半导体晶片w在半导体晶片真空夹持至顶圈的条件下与抛光垫101接触。接着，取其中顶圈从图4a所示的位置向上移动x毫米的顶圈位置为“膜高度＝x毫米”。举例而言，通过借助与转动滚珠丝杠的毫米对应的一些脉冲转动顶圈轴电动机，从而获得膜高度＝1毫米(间隙1毫米)，进而位移1毫米。
可利用约±0.01毫米的精度通过垫探寻检测垫表面。此外，顶圈高度的误差视为顶圈轴电动机的控制误差加上滚珠丝杠的控制误差的总误差，并且可忽略不计地非常小。膜高度误差为约±0.01毫米。
图4b是示出“膜高度＝0.5毫米”状态的示意图。如图4b所示，半导体晶片w真空夹持至顶圈，且顶圈1从图4a所示的位置抬升了0.5毫米。顶圈1的此抬升状态视为“膜高度＝0.5毫米”。
图4c是示出膜高度的示意图，该膜高度限定为在半导体晶片通过膜4压抵抛光垫101的条件下顶圈本体(托架)2与膜4之间的间隙。如图4c所示，膜4下降以通过将加压流体供应至压力腔而将半导体晶片w压抵抛光垫101。在此状态中，膜高度限定为托架的下表面与膜的上表面之间的间隙。在图4c中，托架的下表面与膜的上表面之间的间隙为0.5毫米，因而使得“膜高度＝0.5毫米”。在图4a至4c中，卡圈3开始与抛光垫101的抛光表面101a接触。
接着，将在下文中描述抛光过程中执行的多个操作中的最佳膜高度。
(1)在开始施加压力时
图5是示出在顶圈1降低前真空夹持半导体晶片w的顶圈1的状态的示意图。如图5所示，半导体晶片w真空夹持至顶圈1。抛光台100和顶圈1在顶圈1真空夹持半导体晶片w的状态下转动，且顶圈1降低至抛光垫101上。
图6是示出真空夹持半导体晶片w且降低的顶圈1的状态的示意图，其中在半导体晶片w与抛光垫101之间留有大间隙。图7a是示出从在如图6所示半导体晶片与抛光垫之间存在大间隙的状态开始施加压力的情况下半导体晶片的变形状态的示意图。图7b是示出从半导体晶片与抛光垫之间存在大间隙的状态开始施加压力的情况下半导体晶片的变形量的图。在图7b中，横轴表示300毫米晶片的晶片平面内的测量点(毫米)，且纵轴表示当设置在抛光台上的涡流传感器通过转动抛光台而扫描半导体晶片的下表面(待抛光表面)时抛光台每次转动获得的从抛光垫至半导体晶片的距离。
在图7a所示的实例中，因为与其他区域(中心腔5、外腔7和边缘腔8)中的加压相比，波纹区域(波纹腔6)的加压延迟，所以半导体晶片w变形为大致m形。如图7a所示，存在与开始加压前的间隙对应的晶片变形容许量，因而晶片大程度地变形。波纹区域的加压延迟的原因在于，膜具有用于在波纹区域中真空夹持晶片的孔，且波纹区域用作真空夹持晶片的区域，因而具有大体积的水分离槽35(参见图2)设置在线中间，从而与其他区域相比，导致加压响应劣化。
从图7b中的实验数据可见，可追踪在开始加压后在研磨垫101上处理晶片w的过程中使晶片变形成大体m形的方式。如图7b所示，晶片在晶片平面内变形约0.7毫米。因此，为了减小此影响，在除了波纹区线以外的线中设置在体积上等同于水分离槽35的缓冲器，以使得各线在体积上等同，以调整相同水平处的加压响应度。此外，可从大体积区到小体积区按次序加压。举例而言，在对波纹腔6加压后，从顶圈1的中心部分到外周部分按次序对中心腔5、外腔7和边缘腔8加压。
此外，作为调整响应度的方式，可改变各压力腔中的设定压力。举例而言，通过以比其他腔(即中心腔5、外腔7和边缘腔8)的设定压力高的设定压力对具有大体积的波纹腔6进行加压，可改善波纹腔6的增强压力响应度。此外，作为改善波纹腔6的压力响应度的方式，如图7c所示，可设置与波纹腔连通的通道22。在如此构造的顶圈1中，当对波纹腔6加压时，运行压力调节器r2，且打开阀v2-1而关闭关断阀v2-4，这样，可将加压流体供应至波纹腔6，而不会穿过水分离槽35，以获得快速压力响应。
图8是示出本发明的第一方面的视图，且是示出如下情况的示意图，在该情况下，用于在真空下保持晶片w的顶圈1下降且晶片w与抛光垫101之间存在小间隙。在本发明的第一方面中，用于在真空下保持晶片w的顶圈1下降，且卡圈3开始与抛光垫101的抛光表面101a接触。在此状态下，膜高度(即晶片w与抛光垫101之间的间隙)配置在0.1毫米至1.7毫米的范围内。具体地说，在用于在真空下保持晶片w的顶圈1下降且卡圈3开始与卡圈101的抛光表面101a接触的状态下，顶圈1从抛光垫的垂直距离(高度)定义为“第一高度”。
如上所述，膜高度如下：其中晶片w真空夹持至顶圈且开始与抛光垫101接触的顶圈高度取为“膜高度＝0毫米”。举例而言，在“膜高度＝0.5毫米”的状态下，真空夹持至顶圈的晶片w与抛光垫101之间的间隙变为0.5毫米。
当晶片w被压抵在抛光垫101上时，晶片的下表面与抛光垫接触，且晶片的上表面与膜的下表面接触。因此，如果膜高度高，那么顶圈本体(托架)的下表面与膜的上表面之间的间隙增大。倘若晶片w与抛光垫101之间的间隙太小，那么晶片可能与抛光垫局部接触，且在晶片局部区域处可能出现过度抛光。因此，根据本发明，晶片w与抛光垫101之间的间隙配置在0.1毫米至1.7毫米的范围内，优选在0.1毫米至0.7毫米的范围内，更优选为0.2毫米。具体地说，间隙不小于0.1毫米的原因在于，在抛光台100转动过程中出现抛光台100在垂直方向上的起伏而且在抛光台100与顶圈轴18之间存在垂直度变化，在晶片平面内的局部区域中不再出现间隙，因而托架可能与膜接触且在晶片的某些区域中可能出现过度加压。另外，间隙不大于0.7毫米的原因在于，在开始加压时晶片的变形量不会变得太大。为了防止在开始加压时晶片w与卡圈3强烈碰撞，理想的是，在开始加压时，抛光台100与顶圈1应以50rpm或更小的低转速转动。或者，在可在停止抛光台100和顶圈1的转动的状态下开始加压。
图9a是示出如下状态的横截面图，在该状态下，从晶片与抛光垫之间存在小间隙(0.1毫米至0.7毫米的间隙)的状态开始向膜施加压力。
图9b是示出以下情况下的晶片变形量的图，在该情况下，从晶片与抛光垫之间存在小间隙的状态开始施加压力。在图9b中，横轴表示300毫米晶片的晶片平面内的测量点(毫米)，且纵轴表示从抛光垫到晶片的距离，上述距离在当设置在抛光台上的涡流传感器通过抛光台转动而扫描晶片的下表面(待抛光表面)时每执行一次抛光台旋转时获得。举例而言，从“膜高度＝0.2毫米”状态向膜施加压力，晶片w与抛光垫101接触且压抵抛光垫101。此时，膜以与晶片和抛光垫之间的间隙对应的量膨胀，且因而晶片与抛光垫之间的间隙不再存在。相反，托架的下表面与膜的上表面之间的间隙变为0.2毫米。其后，顶圈移动至最佳高度，以获得所需抛光轮廓。
从图9b的实验数据可见，可追踪在开始加压后将晶片w压抵抛光垫101的过程中晶片不变形的方式。
图10是示出以下状态的示意图，在该状态下，顶圈1从图9a所示的状态移动至最佳高度，以获得所需抛光轮廓。图10示出了膜高度，该膜高度定义为在晶片w通过膜4压抵抛光垫101的状态下顶圈本体(托架)2与膜4之间的间隙。在此情况下，如果应增大晶片边缘部分的切削量，且如果应降低晶片边缘部分的切削量，那么应当以高膜高度抛光晶片。这是因为倘若膜高度高，那么归因于膜的张力，垂直方向的膜伸长增加从而增大压力损耗，因而降低了施加至晶片的边缘部分的压力。根据本发明，在晶片w压抵抛光垫101之后，顶圈移动，以使得膜高度变为0.1毫米至2.7毫米的范围内，优选0.1毫米至1.2毫米的范围内，且接着抛光晶片w。具体地说，当在用于在真空下保持晶片w的顶圈1下降且卡圈3与抛光垫101的抛光表面101a接触的状态下顶圈1移动以从“第一高度”获取更需要的抛光轮廓时，从抛光垫到顶圈的垂直距离定义为“第二高度”。
图11是示出本发明的第二方面的视图，且是示出以下情况的示意图，在该情况下，用于在真空下保持晶片w的顶圈1下降且在晶片w与抛光垫101之间存在大间隙。如图11所示，在本发明的第二方面中，晶片w与抛光垫101之间的间隙在开始加压时大。具体地说，在开始加压时，在晶片w真空夹持至膜4的状态下，定义为晶片w与抛光垫101之间的间隙的膜高度大。
图12a是示出以下状态的横截面图，在该状态下，从高膜高度状态开始向膜施加压力。图12b是示出在如下情况下的晶片变形量的图，在该情况下，从晶片与抛光垫之间的大间隙状态下开始施加压力。在图12b中，横轴表示300毫米晶片的晶片平面内的测量点(毫米)，纵轴表示抛光垫到晶片的距离，该距离在当设置在抛光台上的涡流传感器通过抛光台转动而扫描晶片的下表面(待抛光表面)时每执行一次抛光台旋转时获得。如图12a所示，在低压下从高膜高度状态向膜施加压力，晶片w与抛光垫101接触且压抵抛光垫101。此时，膜以与晶片与抛光垫之间的间隙对应的量膨胀，且晶片与抛光垫之间的间隙不再存在。相反，形成托架的下表面与膜的上表面之间的间隙。即使当开始施加压力时晶片与抛光垫之间的间隙(等于定义为在晶片w真空夹持至膜4的状态下晶片w与抛光垫101之间的间隙的膜高度)大时，可通过在低压下对膜加压以使晶片与抛光垫接触使晶片的变形量小。
在此情况下，低压意味着在实质性抛光时不高于膜压力的压力，且需要此低压小于在实质性抛光时的一半。此外，实质性抛光处理称为超过二十秒的抛光处理，且可存在多次实质性抛光处理。在此实质性抛光处理过程中，抛光液体或化学液体供应在抛光垫上，晶片(衬底)压抵抛光表面且与抛光表面滑动接触，进而抛光晶片或清洁晶片。代替在低压下对膜加压以使晶片与抛光垫接触，膜暴露在大气压下，以使晶片与抛光垫接触，从而使得晶片变形量可小。从图12b的实验数据可见，可追踪在开始加压后将晶片w压抵抛光垫101的过程中晶片不变形的状态。
图13是示出以下情况的示意图，在该情况下，在图12a所示的状态下执行实质性抛光而无需移动顶圈1。根据图12a和13所示的方法，可以执行晶片抛光，而不改变开始加压时与开始加压后实质性抛光时之间(即所述相继步骤之间)的顶圈高度。如上所述，当通过在低压下对膜加压或者允许膜暴露至大气压下使晶片与抛光垫接触后，在实质性抛光压力下对膜加压，进而抛光晶片。
根据本发明，作为检测晶片w与抛光垫101接触的方法或者检测将晶片w压抵抛光垫101的方法，可使用设置在抛光台100中的涡流传感器或光学反射强度测量设备，或者可利用抛光台100的扭矩变化而使用台转动电动机的电流值变化。此外，可使用顶圈转动电动机的电流值变化或用于抬升或下降顶圈的滚珠丝杠驱动电动机的电流值变化。另外，当晶片与抛光垫接触后，不出现膜体积增大，因而可使用膜加压流体的压力变化或流速变化。
在上述实施例中，虽然已分别描述了本发明的第一和第二方面，但是可在低压下从晶片与抛光垫之间存在小间隙(例如0.2毫米的间隙)的状态对膜进行加压。
(2)真空夹持晶片时
在抛光垫101上完成晶片处理后，将晶片w真空夹持至顶圈1，且抬升顶圈1并接着将顶圈1移动至衬底转移装置(推动器)，在衬底转移装置处，从顶圈1移除晶片w。在此情况下，在中心腔5中在约-10kpa的真空压力下执行晶片真空夹持且在波纹腔6中在约-80kpa的真空压力下执行晶片真空夹持。
图14是如下情况的示意图，在该情况下，在抛光垫上完成晶片处理后，且当将晶片w真空夹持至顶圈1时，在托架的表面与膜的背面之间存在大间隙(膜高度高)。图15是示出如下情况下的晶片变形状态的示意图，在该情况下，从如图14所示的膜的背面与托架的表面之间存在大间隙的状态开始真空夹持晶片。在图15所示的实例中，存在与开始真空夹持晶片前的间隙对应的晶片变形容许度，并且因而可使晶片大程度变形。
图16a和16b是示出如下情况下的晶片状态的示意图，在该情况下，从托架的表面与膜的背面之间的大间隙状态开始真空夹持晶片。图16a示出了抛光垫具有凹槽的情况，且图16b示出了抛光垫不具有凹槽的情况。如图16a所示，在对具有凹槽的垫进行抛光的情况下，从抛光垫101移除晶片w并将晶片w真空夹持至顶圈1。然而，如图15所示，当将晶片真空夹持至顶圈后，晶片立即具有较大变形，且因而存在晶片破裂或损坏的可能性。如图16b所示，在对不具有凹槽的垫抛光的情况下，不可从抛光垫101移除晶片w且形成晶片w的大变形。在图16b所示的实例中，存在与开始真空夹持晶片前的间隙对应的晶片变形容许度，并且因而可使晶片大程度变形。
图17是示出本发明的一个方面的视图，还是示出如下情况的示意图，在该情况下，当在抛光垫上完成晶片处理后且当晶片w真空夹持至顶圈1时，在托架表面与膜的背面之间存在小间隙(膜高度低)。图18是示出如下情况下的晶片变形状态的示意图，在该情况下，从如图17所示在托架的表面与膜的背面之间存在小间隙的状态开始真空夹持晶片。在图18所示的实例中，因为真空夹持晶片前的间隙小，所以晶片变形容许度小，并且因而晶片变形量可极其小。
如上所述，在定义为在晶片w压抵抛光垫101时顶圈本体(托架)2与膜4之间的间隙的膜高度处于0.1毫米至1.2毫米的范围内的状态下进行实质性抛光处理以及诸如水抛光的清洁处理。接着，在真空夹持晶片时，理想的是，移动顶圈，以使得膜高度处于0.1毫米至0.4毫米的范围内。当顶圈真空夹持晶片且从抛光垫移除晶片时，抛光表面与晶片之间以小间隙间隔。因此，供应至抛光表面的液体流经间隙，且出现从抛光表面移除晶片的障碍。相应地，当顶圈在晶片上施加吸引力时，待供应至抛光表面上的液体量减少，从而允许空气进入晶片与抛光表面之间，进而减小了用于向抛光表面拉动晶片的吸取力，即，减小了在晶片与抛光表面之间产生的负压力。为了减小晶片变形量，在真空夹持晶片时的真空压力可处于-30kpa至-80kpa的范围中，从而产生弱吸取力。此外，通过减小施加至晶片的应力以及在真空夹持晶片时晶片的变形量，可减少诸如晶片上的残余磨粒的晶片缺陷。
图19a和19b是示出如下状态的示意图，在该状态中，已完成将晶片w真空夹持至顶圈1。图19a示出了抛光垫具有凹槽的情况，图19b示出了抛光垫不具有凹槽的情况。如图19a所示，在具有凹槽的抛光垫的情况下，因为真空夹持晶片前的间隙小，所以晶片变形容许度小，并且因而晶片可真空夹持至顶圈而不会导致晶片变形。如图19b所示，在不具有凹槽的抛光垫的情况下，通常在完成顶圈悬垂操作之前不从抛光垫移除晶片。然而，因为变形容许度小，所以晶片变形量可极其小。也就是说，晶片可真空夹持至顶圈，而不会导致晶片变形。
图20是示出实验数据的图，而且是示出在真空夹持晶片时膜高度(托架的下表面与膜的上表面之间的间隙)与在真空夹持晶片时施加至晶片的应力之间的关系的图。在图20中，横轴表示开始真空夹持晶片时的膜高度(毫米)，纵轴表示在真空夹持晶片时施加至晶片的应力。图20示出了抛光垫具有凹槽的情况以及抛光垫不具有凹槽的情况。从图20中明显可知，在具有凹槽的抛光垫的情况下，如果膜高度变为不低于0.6毫米，那么在真空夹持晶片时晶片的变形量变大。相应地，施加至晶片的应力增大。在不具有凹槽的抛光垫的情况下，由于在真空夹持晶片时不可从抛光垫移除晶片，因此施加至晶片的应力随着膜高度增大而逐渐增大。
(3)释放晶片时
在抛光垫101上完成晶片处理后，晶片w真空夹持至顶圈1，且抬升顶圈1并接着将顶圈1移动至衬底转移装置(推动器)，在该衬底转移装置处，从顶圈1移除晶片w。
图21是示出顶圈1和推动器150的示意图，并且是示出推动器升高以将晶片从顶圈1转移至推动器150的状态的图。如图21所示，推动器150包括能够与卡圈3的外周表面配合以使顶圈1居中布置的顶圈导向件151、用于当晶片在顶圈1与推动器150之间转移时支撑晶片的推动器台152、用于垂直移动推动器台152的气缸(未图示)以及用于垂直移动推动器台152和顶圈导向件151的气缸(未图示)。
接着，将详细描述将晶片w从顶圈1转移到推动器150的操作。在顶圈1移动到推动器150上方后，推动器150的顶圈导向件151和推动器台152抬升，且顶圈导向件151与卡圈3的外周表面配合，以实现顶圈1和推动器150的居中布置。此时，顶圈导向件151将卡圈3向上推动，且同时，在卡圈腔9中形成真空，进而快速抬升卡圈3。接着，当完成推动器抬升时，卡圈3的底表面由顶圈导向件151的上表面推动，且因而位于比膜4的下表面高的垂直位置处。因此，晶片与膜之间的边界暴露。在图21所示的实例中，卡圈3的底表面位于在比膜的下表面高1毫米的位置处。其后，停止将晶片w真空夹持至顶圈1，且执行晶片释放操作。代替抬升晶片，可使顶圈下降，以在推动器与顶圈之间配置所需的位置关系。
图22是示出推动器150的详细结构的示意图。如图22所示，推动器150具有顶圈导向件151、推动器台152以及形成在顶圈导向件151中用于喷射流体的释放喷嘴153。在顶圈导向件151的周向以一定间隔设置多个释放喷嘴153，从而沿顶圈导向件151的径向向内方向喷射加压氮和纯水的混合流体。因而，包括加压氮和纯水的混合流体的释放射流在晶片w与膜4之间喷射，进而执行晶片释放而从膜移除晶片。
图23是示出晶片释放而从膜移除晶片的状态的示意图。如图23所示，因为晶片w与膜4之间的边界暴露，所以可以在膜4暴露至大气压的状态下从释放喷嘴153在晶片与膜4之间喷射释放射流，而无需对膜4加压，即，无需向晶片w施加应力。虽然加压氮与纯水的混合流体从释放喷嘴153喷射出来，但是，可从释放喷嘴153仅喷射出加压气体或加压液体。此外，可从释放喷嘴153中喷射出其他组合的加压流体。在一些情况下，依据晶片的背面的状况，膜与晶片的背面之间的附着力强，而且难以从膜移除晶片。在这些情况下，应在不高于0.1mpa的低压下加压波纹区域(波纹腔6)，以辅助晶片移除。
图24a和24b是示出当从膜移除晶片时加压波纹区域的情况下的示意图。图24a示出了波纹区域加压的情况，图24b示出了波纹区域加压且外部区域减压的情况。如图24a所示，当波纹区域(波纹腔6)加压时，在晶片w附着至膜4的状态下膜4持续大程度膨胀(因而，施加至晶片的应力大)。接着，如图24b所示，在波纹区域(波纹腔6)加压的情况下，为了防止在晶片w附着至膜4的状态下膜持续膨胀，波纹区域以外的区域减压，以抑制膜4膨胀。在图24b所示的实例中，外部区域(外腔7)减压。
接着，下文将详细描述适于在本发明中使用的顶圈1的具体结构。图25至29是示出沿着顶圈1的多个径向的顶圈1的横截面图。图25至29是更详细示出图2中的顶圈1的视图。如图25至29所示，顶圈1具有用于将半导体晶片w压抵抛光表面101a的顶圈本体2以及用于直接推压抛光表面101a的卡圈3。顶圈本体2包括圆板形式的上构件300、附着至上构件300的下表面的中间构件304以及附着至中间构件304的下表面的下构件306。卡圈3附着至顶圈本体2的上构件300的周边部分。如图26所示，上构件300通过螺栓308与顶圈轴111相连。此外，中间构件304通过螺栓309固定至上构件300，且下构件306通过螺栓310固定至上构件300。包括上构件300、中间构件304、下构件306的顶圈本体2由诸如工程塑料的树脂(例如peek)制成。上构件300可由诸如sus或铝的金属制成。
如图25所示，顶圈1具有附着至下构件306的下表面的弹性膜4。弹性膜4与顶圈1保持的半导体晶片的背面接触。弹性膜4通过在径向外部设置的环形边缘保持件316以及在边缘保持件316的径向内部设置的环形波纹保持件318和319保持在下构件306的下表面上。弹性膜4由诸如乙丙橡胶(epdm)、聚氨酯橡胶、硅酮橡胶或其类似物的高强度且耐用的橡胶材料制成。
边缘保持件316由波纹保持件318保持，且波纹保持件318通过多个止挡件320保持在下构件300的下表面上。如图26所示，波纹保持件319通过多个止挡件322保持在下构件306的下表面上。如图13所示，止挡件320和止挡件322沿顶圈1的周向以相等间隔配置。
如图25所示，中心腔5形成在弹性膜4的中心部分处。波纹保持件319具有与中心腔5连通的通道324。下构件306具有与通道324连通的通道325。波纹保持件319的通道324以及下构件306的通道325连接至流体供应源(未图示)。因而，加压流体通过通道325和324供应至由弹性膜4形成的中心腔5。
波纹保持件318具有用于将弹性膜4的波纹314b压抵下构件306的下表面的爪318b。波纹保持件319具有用于将弹性膜4的波纹314a压抵下构件306的下表面的爪319a。弹性膜34的边缘314c通过波纹保持件318的爪318c压抵边缘保持件316。
如图27所示，环形波纹腔6形成于弹性膜4的波纹314a与波纹314b之间。间隙314f形成于弹性膜4的波纹保持件318与波纹保持件319之间。下构件306具有与间隙314f连通的通道342。此外，如图25所示，中间构件304具有与下构件306的通道342连通的通道344。环形凹槽347形成于下构件306的通道342与中间构件304的通道344之间的连接部分处。下构件306的通道342经由环形凹槽347以及中间构件304的通道344连接至流体供应源(未图示)。因而，加压流体通过通道供应至波纹腔6。此外，通道342选择性地连接至真空泵(未图示)。当真空泵运行时，半导体晶片通过吸取附着至弹性膜4的下表面。
如图28所示，波纹保持件318具有与由弹性膜4的波纹314b和边缘314c形成的环形外腔7连通的通道326。此外，下构件306具有经由连接器327与波纹保持件318的通道326连通的通道328。中间构件304具有与下构件306的通道328连通的通道329。波纹保持件318的通道326经由下构件306的通道328和中间构件304的通道329连接至流体供应源(未图示)。因而，加压流体通过通道329、328和326供应至由弹性膜4形成的外腔7。
如图29所示，边缘保持件316具有用于将弹性膜4的边缘314d保持在下构件306的下表面上的爪。边缘保持件316具有与由弹性膜4的边缘314c和314d形成的环形边缘腔8连通的通道334。下构件306具有与边缘保持件316的通道334连通的通道336。中间构件304具有与下构件306的通道336连通的通道338。边缘保持件316的通道334经由下构件306的通道336和中间构件304的通道338连接至流体供应源。因而，加压流体通过通道338、336和334供应至由弹性膜4形成的边缘腔8。中心腔8、波纹腔6、外腔7、边缘腔8和卡圈9经由调节器r1至r5(未图示)以及阀v1-1–v1-3、v2-1–v2-3、v3-1–v3-3、v4-1–v4-3和v5-1–v5-3(未图示)连接至流体供应源，如图2所示的实施例那样。
如上所述，根据本实施例中的顶圈1，可通过调整待供应至在弹性膜4与下构件306之间形成的各个压力腔(即，中心腔5、波纹腔6、外腔7和边缘腔8)的流体压力，在半导体晶片的局部区域处调整用于将半导体晶片压抵抛光垫101的压力。
图30是图27所示的卡圈的xxx部分的放大图。卡圈3用于保持半导体晶片的周边。如图30所示，卡圈3具有圆柱形的缸体400、附着至缸体300的上部的保持件402、通过保持件402保持在缸体400中的弹性膜404、连接至弹性膜404的下端的活塞406以及由活塞406向下推压的圈构件408。
圈构件408包括联接至活塞406的上圈构件408a和与抛光表面101a接触的下圈构件408b。上圈构件408a与下圈构件408b通过多个螺栓409联接。上圈构件408a由诸如sus的金属或诸如陶瓷的材料构成。下圈构件408b由诸如peek或pps的树脂材料构成。
如图30所示，保持件402具有与由弹性膜404形成的卡圈腔9连通的通道412。上构件300具有与保持件402的通道412连通的通道414。保持件402的通道412经由上构件300的通道414连接至流体供应源(未图示)。因而，加压流体通过通道414和412供应至卡圈腔9。相应地，通过调整待供应至卡圈腔9的流体压力，弹性膜404可膨胀及收缩，从而垂直移动活塞406。因此，卡圈3的圈构件408可在所需压力下压抵抛光垫101。
在示范性例举的实例中，弹性膜404采用由具有弯曲部分的弹性膜形成的滚动隔膜。当由滚动隔膜界定的腔中的内压变化时，滚动隔膜的弯曲部分滚动，从而使腔变宽。隔膜不与外部组件滑动接触，且当腔变宽时很少膨胀和收缩。相应地，由于活动接触导致的摩擦可极大地降低，且隔膜寿命可延长。此外，可精确调整卡圈3压在抛光垫101上的压力。
利用上述配置，可仅降低卡圈3的圈构件408。相应地，即使在卡圈3的圈构件408磨损时，可通过使由包括极低摩擦材料的滚动隔膜形成的腔451的空间变宽而将卡圈3的压力维持在恒定水平，而不需改变下构件306与抛光垫101之间的距离。此外，由于与抛光垫101接触的圈构件408以及缸体400通过可变形的弹性膜404连接，不存在由偏载产生的弯矩。相应地，卡圈3产生的表面压力可保持一致，且卡圈3更易于跟随抛光垫101。
此外，如图30所示，卡圈3具有用于引导圈构件408的垂直移动的圈形卡圈导向件410。圈形卡圈导向件410包括位于圈构件408的外周侧以围绕圈构件408的上部的外周部分410a、位于圈构件408的内周侧的内周部分410b以及构造成连接外周部分410a和内周部分410b的中间部分410c。卡圈导向件410的内周部分410b通过多个螺栓411固定至顶圈1的下构件306。构造成连接外周部分410a和内周部分410b的中间部分410c具有多个开口410h，所述开口410h以相等间隔沿中间部分410c的周向形成。
如图25至30所示，可沿垂直方向膨胀和收缩的连接片420设置在圈构件408的外周表面与卡圈导向件410的下端之间。连接片420设置成填充圈构件408与卡圈导向件410之间的间隙。因而，连接片420用于防止抛光液体(浆料)引入圈构件408与卡圈导向件410之间的间隙中。包括带状挠性构件的带状物421设置在缸体400的外周表面与卡圈导向件410的外周表面之间。带状物421设置成覆盖缸体400与卡圈导向件410之间的间隙。因而，带状物421用于防止抛光液体(浆料)引入缸体400与卡圈导向件410之间的间隙中。
弹性膜4包括密封部分(密封构件)422，所述密封部分422在弹性膜4的边缘(周边)314d处将弹性膜4连接至卡圈3。密封部分422具有向上弯曲的形状。密封部分422设置成填充弹性膜4与圈构件408之间的间隙。密封部分422优选由可变形材料制成。密封部分422用于防止抛光液体引入弹性膜与卡圈3之间的间隙中，同时允许顶圈本体2和卡圈3彼此相对移动。在本实施例中，密封部分422与弹性膜4的边缘314b整体形成且具有u型横截面。
倘若未设置连接片420、带状物421和密封部分422，抛光液体或者用于抛光物体的液体可能引入顶圈1内部，从而抑制顶圈1的卡圈3和顶圈本体2的正常操作。根据本实施例，连接片420、带状物421以及密封部分422防止抛光液体引入顶圈1的内部。相应地，可使顶圈1正常运行。弹性膜404、连接片420以及密封部分422由诸如乙烯基丙烯橡胶(epdm)、聚氨酯橡胶、硅酮橡胶或其类似物的高强度且耐久的橡胶材料制成。
在迄今使用的夹板浮动型顶圈中，倘若卡圈3磨损，那么半导体晶片与下构件306之间的距离变化，以改变弹性膜4的变形方式。因而，半导体晶片上的表面压力分布也会变化。表面压力分布的这种变化导致抛光半导体晶片的不稳定抛光轮廓。
根据本实施例，因为卡圈3可独立于下构件306垂直移动，所以即使卡圈3的圈构件408磨损，也可维持半导体晶片与下构件306之间的恒定距离。相应地，可稳定半导体晶片的抛光轮廓。
虽然已示出并详细描述了本发明的一些优选实施例，但是应理解，可在不偏离后附权利要求书的范围的情况下进行各种变化和修改。
实用性
本发明适用于将待抛光物体或诸如半导体晶片的衬底抛光至平坦镜面光洁度的方法和装置。