化学机械抛光(CMP)头、设备和方法以及由此制造的平面化半导体晶片技术

化学机械抛光／平面化（ＣＭＰ）设备、方法和由此生产出的衬底。抛光表面中具有不均匀的凹槽。ＣＭＰ头和方法具有整体浆液分配机构。ＣＭＰ设备和方法具有旋转的固定环。ＣＭＰ设备和方法具有带柔软背衬的抛光头。ＣＭＰ能够在抛光和平面化过程中有效使用浆液。由ＣＭＰ设备或方法生产的衬底（半导体晶片）。在一个实施例中，该设备（１００）包括具有附着在下衬底保持表面（１６５）上的柔性部件（１８５）的副载体（１６０）。柔性部件（１８５）中具有孔（１９５），从而在柔性部件和副载体（１６０）之间引入的加压流体直接将衬底（１０５）压在抛光表面（１２５）上。这些孔（１９５）的数目和尺寸被选择为能够在柔性部件（１８５）和衬底（１０５）之间提供充分的摩擦，以在驱动机构使副载体（１６０）转动时产生转动。副载体（１６０）具有用来在位于下表面（１６５）和柔性部件（１８５）之间的凹穴（２１５）上抽真空的开口。柔性部件和衬底（１０５）用作阀（２２５），以在已经实现预定真空时使开口与空腔隔离。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种对衬底进行抛光和平面化的系统、设备和方法，尤其涉及一种化学机械平面化或抛光(CMP)设备和方法。
技术介绍
化学机械平面化或抛光通常称为CMP，它是一种对半导体和其他类型的衬底进行平面化或抛光的方法。在一定的加工步骤之间对半导体衬底或晶片的表面进行平面化可使得更多的电路层竖直地构建在器件上。随着特征尺寸的减小、密度的增加以及半导体晶片尺寸的增大，CMP过程的要求变得愈加严格。以低成本制造半导体为出发点，晶片之间的加工均匀度以及晶片整个表面的平面化均匀度是一个重要的问题。由于半导体晶片表面上的结构或特征的尺寸已经越来越小(现在通常约为0.2微米)，因此与不均匀的平面化相关的问题就变得更加严重。有时该问题被称为晶片内不均匀(WIWNU)问题。在该领域，已经知道很多原因会导致均匀问题。这些原因包括在平面化过程中向晶片施加晶片背侧压力的方式、由于抛光垫在晶片的边缘和在晶片的中心区域之间典型的不同的相互作用而导致的边缘效应非均匀性、以及在抛光过程中可通过平面化或调整材料去除轮廓而进行理想地补偿的金属和/或氧化层的非均匀性的沉积。迄今为止，希望同时解决这些问题的努力还没有获得完全的成功。关于晶片背侧抛光压力的性质，传统的机械通常使用硬的背部抛光头将晶片压在抛光表面上，即具有硬接纳表面的抛光头直接压在半导体晶片的背侧上。结果，抛光头接纳表面的任何变化，或者在晶片和接纳表面之间截留的任何物质都会导致对晶片背侧施加不均匀的压力。因此，晶片的前表面通常与非均匀平面化所得到的抛光表面不相符。另外，这种硬的背部抛光头设计通常必须采用相对较高的抛光压力(例如在约6-8psi的压力范围)，以在晶片和抛光表面之间形成任何理想的一致性。这种相对较高的抛光压力使得晶片有效地变形，导致要从晶片某些区域除去的材料会被过多的除去，而从其他区域除去过少的材料，从而形成不良的平面化。通过在接纳表面和要抛光的晶片之间提供一个插入物，试图在硬的背部系统中提供某种程度的柔软性，从而试图弥补上述利用硬背部抛光头的问题。这种插入物通常被称为晶片插入物。这些插入物也仍然存在问题，因为它们通常导致加工偏差/变化，从而带来晶片之间的变化。这种变化不是恒定的或者通常是不确定的。这种变化的一个因素是在抛光过程中使用的水或例如浆液的其他流体的吸收。因为插入物所吸收的水量倾向于超过它的寿命，因此晶片之间经常会有加工变化。通过将插入物在使用之前浸入在水中或者通过在插入物的特征变化超过了可接受的限度之后更换插入物而来预先调整插入物，可以将这种加工变化控制在有限的程度内。这倾向于使得使用的最初阶段与使用的较后阶段相同，但是这会提高设备的维护费用并降低设备的产出量。另外，由于例如插入物的厚度变化、插入物以及截留在硬背部抛光头和插入物或插入物以及晶片之间的物质的起皱，也仍然会观察到不可接受的加工变化。使用插入物也需要对插入物所粘附的整个表面进行精细的控制，因为抛光头表面的任何不均匀、缺陷或与平整度或平行度的任何偏离都通常会表现为在晶片整个表面上的平整度变化。例如，在传统的抛光头中，制造铝或陶瓷板，然后在安装之前在抛光头内研磨和抛光。这种制造过程增加了抛光头以及机械的成本，尤其是如果设有多个抛光头的话。另一方面，当使用柔软的背部抛光头时，当晶片压在抛光头上时插入物的柔性材料不会使晶片变形。结果，可以采用较小的抛光压力，实现了晶片前表面与抛光垫的一致性而没有变形，从而可以实现抛光均匀度和良好的平整度。能够实现更好的平整度均匀性的原因至少部分在于在模具之间在晶片上的类似特征的抛光速率是相同的。近年来，试图利用软的背部抛光头，但是它们不是完全令人满意的。一种软的背部抛光头是如Shendon的美国专利US 6,019,671所述，其内容在此引入作为参考。Shendon提出一种在抛光头的下表面上拉伸的膜或柔性部件，以形成腔室或空腔，它被加压而将衬底压在抛光表面上。尽管利用或不利用插入物而对硬背部抛光头作出了显著的改进，但是这种方法因为数种原因而仍不能令人完全满意。这种方法的一个问题是，它不能够减少或避免截留在膜和晶片之间的材料导致的非均匀性。另一个问题是，该膜阻碍了使用真空来在加载或卸载操作过程中将晶片保持在抛光头上。另外，使用膜实际上因为引入了新的变量而增加了非均匀性，例如膜的厚度或柔性在其整个表面上的变化以及不适当的安装膜而导致的可能的起皱。其他的柔软背部抛光头设计利用了晶片边缘和抛光头之间的密封以形成空腔，该空腔然后被加压而在抛光和平面化过程中直接将晶片压在抛光表面上。一种方法如Breivogel等人的美国专利US 5,635,083所述，此处引入作为参考。Breivogel提出使用在所述晶片外侧边缘上的唇形密封，以在抛光头和晶片之间形成可以接受加压空气的密封。不幸的是，尽管这种方法提供的软抛光头避免了与硬背部抛光头和带有膜的柔软抛光头相关的一些问题，但是它不允许在晶片和接纳表面之间形成足够的啮合，以为在抛光操作中抛光头旋转之处的机械内的晶片提供扭矩。这种方法的另一个问题是，尽管可以使用真空来将晶片保持在抛光头上，但是因为晶片仅在边缘处被支撑，因此会产生不可接受程度的弧状弯曲，导致晶片的损坏或损失。关于边缘抛光效应的校正或补偿，已经试图调整固定环的形状并改善固定环压力，从而改善在靠近固定环附近之处从晶片上除去的材料的量。通常，更多的材料从晶片的边缘除去，也就是说，晶片的边缘被过度抛光。为了校正这种过度抛光，通常将固定环的压力调整为略高于晶片背侧压力，从而在该区域内的抛光垫略微被固定环所压缩，在固定环的几个毫米范围内从晶片上除去较少的材料。但是，即使这些尝试也不是令人完全满意的，因为在晶片外侧边缘上的平面化压力仅仅是根据固定环压力而间接调整的。不能将固定环补偿效应的有效距离延伸到晶片边缘内的任意距离。单独调整固定环压力、边缘压力或整体的背侧晶片压力而获得理想的效果都是不可能的。传统CMP抛光头中固定环的另一个问题是在固定环下表面上的任意一个点都在整个抛光操作中对应着保持在副载体上的晶片的给定部分。因此，在固定环下表面上的较高或较低的点会导致晶片的非平面抛光。尽管可以将固定环的下表面进行加工而使其具有高平整度，但是这是一种昂贵的选择，尤其是因为固定环是一个消耗性元件，它随着晶片的抛光而磨损，并必须频繁地更换。关于调整材料去除轮廓以调整引入的晶片非均匀沉积的愿望，即使有也很少尝试过能够进行这种补偿的方法或机械。非均匀沉积可能因为在晶片上形成的电路结构或因为沉积层的特征而引起。例如，在高速集成电路中变得越来越普通的铜层易于形成在晶片中心厚而在边缘薄的凸状层。因此，希望有一种抛光方法和设备，它能够在晶片的中心具有比在边缘更高的除去速率。传统的CMP设备和方法的最后一个问题是浆液的无效利用和浪费。浆液通常是化学活性的液体，具有悬浮在其中的研磨材料，用于增强材料从衬底表面除去的速率。因为浆液分配在抛光头前面的抛光表面上，通常必须分配过量的浆液，以确保当该浆液流过抛光表面时会覆盖晶片和该表面之间的整个区域。因为浆液的纯度有严格的要求，尤其是对其中悬浮的研磨材料颗粒尺寸有严格的要求，因此浆液通常是昂贵的。另外，为了避免污染并提供一致的结果，浆液通常不再重新循环或回收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将具有一表面的衬底设置在抛光设备的抛光表面上的抛光头，该抛光头包括一适于在抛光操作期间保持所述衬底的载体，该载体具有一下表面，一柔性部件固定在该载体上并且在所述下表面上延伸，一隔离件设置在所述柔性部件和下表面之间，以在所述柔性部件和下表面之间形成一空腔，所述载体设有与下表面连通的通道，用来将加压流体引入到所述空腔中，所述柔性部件具有用来接合所述衬底以便在抛光操作期间将所述衬底压靠在抛光表面上的接纳表面，所述柔性部件具有一厚度以及多个穿过该厚度延伸至接纳表面以便将压力直接施加在所述衬底上的孔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：梶原治郎，格拉尔德S莫洛尼，王惠明，戴维A汉森，
申请(专利权)人：多平面技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]