專利名稱：帶有可裝載的罩的換向線性拋光機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化學機械拋光領域。具體地說，本發(fā)明涉及用以將半導體晶片拋光至高度平面性與均勻性的方法與設備。這是當半導體晶片處在很高的雙向線速度或往復運動的速度下由拋光墊拋光而實現(xiàn)的。
使VLSI(極大規(guī)模集成電路)與ULSI(超大規(guī)模集成電路)用的半導體晶片的化學機械拋光(CMP)，在半導體工業(yè)中有著重要和廣泛的應用。CMP是使半導體晶片平整化和拋光的工藝，它兼用化學方法與機械摩擦方法來除去半導體的薄層如絕緣體、金屬與光刻膠。CMP一般在晶片制造過程中于晶體生長之后用于整平/拋光晶片，而且是一種能給晶片表面提供整體平面化的工藝。例如在晶片制造過程中，CMP常用來整平/拋光于多級金屬互聯(lián)系統(tǒng)中所形成的輪廓。在實現(xiàn)晶片表面所需的平度時一定不得污染此所需的表面。此外，CMP法也必須避免拋光掉功能性電路部件的部分。
現(xiàn)在說明半導體晶片CMP的傳統(tǒng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的一種CMP法需將晶片定位到繞第一軸線轉(zhuǎn)動的支架上，然后再向下放到沿相反方向繞第二軸線轉(zhuǎn)動的拋光墊上。晶片支架在平面化過程中將晶片壓到拋光墊上。通常將拋光劑或淤漿加到拋光墊上來拋光晶片。在另一種傳統(tǒng)的CMP法中，晶片支架將晶片定位和壓到帶形拋光墊上，同時使拋光墊相對晶片連續(xù)地沿相同直線方向運動，所謂的帶形拋光墊在此拋光過程中可沿一連續(xù)路徑運動。這類傳統(tǒng)的拋光工藝還可包括位于此拋光墊路徑中的調(diào)節(jié)站以在拋光過程中對拋光墊進行調(diào)節(jié)。為實現(xiàn)所需平度與平面性而應控制的因素包括拋光時間、晶片與墊之間的壓力、轉(zhuǎn)速、淤漿粒度、淤漿給料率、淤漿的化學性質(zhì)以及拋光墊材料。
盡管上述的CMP法已為半導體工業(yè)中廣泛采用和接受，但仍然存在有問題。例如還存在著預測和控制在此CMP過程中從此襯底上除去物料的速率和均勻性的問題。結(jié)果，由于必需時刻監(jiān)控襯底表面上各層的厚度與均勻性來防止晶片表面的過度拋光或拋光的不均一性，結(jié)果使此CMP成為費力與價昂的方法。
為此，需要有用于拋光半導體晶片的廉價和較一致的方法與設備。
本發(fā)明的第一個目在于提供拋光具有一致平面性的半導體晶片的方法與設備。
本發(fā)明的第二個目的在于提供以具有高雙向性的線速度或往復運動速度的墊來拋光半導體晶片的方法與設備。
本發(fā)明的第三個目的在于提供能減小拋光站的規(guī)模從而減少這種站的空間與費用的方法與設備。
本發(fā)明的第四個目的在于提供能消除或減少調(diào)節(jié)拋光墊的需要的方法與設備。
本發(fā)明的第五個目的在于提供能相對于晶片罩高效裝卸半導體晶片的方法與設備。
本發(fā)明上述的和其他目的是通過提供以具有高的雙向線速度的墊來拋光晶片的方法與設備而獲得的。概括地說，本發(fā)明包括安裝于同步皮帶機構上的拋光墊，此同步皮帶機構允許此墊于高速度下以往復運動的方式即沿向前與換向運動的方式運動。這種拋光墊在其拋光晶片的恒定的前向與換向運動中，就于整個晶片表面上提供了優(yōu)越的平面性與均一性。本發(fā)明的晶片罩也可用來在拋光晶片時牢靠地保持此晶片。
通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明當前最佳的變型實施例的詳細說明，當可弄清和更容易地理解本發(fā)明上述的和其他的目的與優(yōu)點，在附圖中

圖1是示明本發(fā)明的最佳實施例的方法與設備的透視圖；圖2是示明本發(fā)明的最佳實施例的方法與設備的側(cè)視圖；圖3是示明本發(fā)明的最佳實施例的用來將拋光墊裝附到同步皮帶上的方法與設備的正視圖4是示明本發(fā)明最佳實施例的繞同步皮帶輥轉(zhuǎn)動的拋光墊的側(cè)視圖；圖5示明本發(fā)明最佳實施例的適用于相對其裝卸晶片的晶片罩的側(cè)視圖；圖6示明本發(fā)明最佳實施例的適用于相對其裝卸晶片且具有突出銷的晶片罩的側(cè)視圖；圖7示明本發(fā)明最佳實施例的將晶片裝載到晶片罩上的側(cè)視圖；圖8示明本發(fā)明最佳實施例的通過三個銷相對于晶片罩裝卸晶片的底視圖。
下面參考圖1～8描述本發(fā)明的最佳實施例，在所有各個圖中，相同的部件由相同的標號標明，本發(fā)明針對可在高的雙向線速度或往復運動速度的墊和減少印痕條件下的CMP方法與設備。這種高的雙向線性的墊速度優(yōu)化了平面化效率，而減少了印痕則能降低拋光站的費用。此外，由于拋光墊按雙向線性方向運動，這就減少了傳統(tǒng)CMP拋光機中普遍存在的亮點效應。由于拋光墊是以雙向線性方向運動，這種拋光墊基本上是自調(diào)節(jié)的。
圖1與圖2分別示明本發(fā)明的最佳實施例的設備的透視圖與側(cè)視圖。晶片拋光站2包括雙向線性的或換向線性的拋光機3與晶片罩4。晶片罩4(此晶片罩如所周知是可以繞其中央軸線轉(zhuǎn)動和向左右移動)能可靠地使晶片18定位而得以拋光晶片表面17。根據(jù)本發(fā)明的用來相對于晶片罩4裝卸晶片18的方法將于后面作更詳細的描述。
換向線性拋光機3包括用于拋光晶片表面17的拋光墊6、驅(qū)動拋光墊6作雙向線性或往復(前向與反向)運動的機械、在墊6拋光晶片表面17時用來支承墊6的支承板10。將含有可氧化或由機械方式除去硅片層的化合物的拋光劑或淤漿注入晶片18與拋光墊6之間。一般采用例如硅膠或煅制的二氧化硅之類的拋光劑或淤漿，這類拋光劑或淤漿通常會在晶片表面17上生成薄層的二氧化硅或其他氧化物，拋光墊6的摩擦作用以機械方式除去了這類氧化物，結(jié)果在晶片表面17上除去了那些高的輪廓，直至獲得了極平的表面。還應指出，來自用于拋光晶片表面17的拋光劑或淤漿的粒料尺寸最好要比晶片表面17的特殊點尺寸至少大2或3倍。例如晶片表面17的特殊點尺寸為1mm時，則上述粒料的尺寸至少應為2或3mm。
拋光墊6的底側(cè)接附到用于支承它的撓性的但牢靠與平整的材料(未圖示)上。拋光墊6一般是剛性聚氨酯材料，但也可采用能拋光晶片表面17的其他適當材料。
根據(jù)此最佳實施例的用來按雙向線性運動驅(qū)動拋光墊6的驅(qū)動或傳動機構8描述于下。圖1～2雖然是從換向線性拋光機的前側(cè)示明了一個驅(qū)動機構8，但應認識到在此換向線性拋光機3的后側(cè)也存在一類似的驅(qū)動機構8。驅(qū)動機構8包括三條同步皮帶，其中兩條是垂直懸掛的同步皮帶14、15，一條是水平懸掛的同步皮帶16。同步皮帶14、15與16可由任何適當?shù)牟牧先绮讳P鋼或其強度足以經(jīng)受晶片18加到這些皮帶上的載荷的高強聚合物形成。垂直懸掛同步皮帶14、15的一端固定于輥20上而另一端固定于輥22上。同樣，水平懸掛的同步皮帶16固定到輥20上。如圖1所示，應知此水平懸掛皮帶16是設在垂直懸掛的同步皮帶14、15的Z平面稍外的Z平面中。
輥20由水平懸掛的同步皮帶16連接那兩個垂直懸掛的同步皮帶14、15，使得各個皮帶的轉(zhuǎn)速取決于其他皮帶的轉(zhuǎn)速。輥20與22將同步皮帶14、15與16保持于適當張力之下，使得拋光墊6有足夠剛性來均勻地拋光晶片表面17。這幾條同步皮帶的張力可按需要通過調(diào)節(jié)輥22相對于輥20的位置作增減。
盡管本發(fā)明說明的驅(qū)動機構具有安裝在四個輥上的三條同步皮帶，但應認識到任何適當個數(shù)的輥和/或同步皮帶，或是不依賴于輥/皮帶的驅(qū)動機構即杠桿式的機構使其能提供雙向線性或往復運動的，都應認為是在本發(fā)明的精神范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一個重要方面是拋光墊6和相應的支承材料適合于角隅24彎成某個角度，此角度最好約90°。拋光墊6的各端由連接件12、13接附到兩條垂直定位的同步皮帶14、15的某個部分上。拋光墊6的一端固定到連接件12上而另一端則固定到連接件13之上。連接件12與13最好是套筒與桿件，以后將更全面地對此說明。再來參看圖1與2，當拋光墊6的一端借助同步皮帶14與連接件12垂直向下行進時，此拋光墊6的另一端便借助同步皮帶15與連接件13垂直地向上行進。同步皮帶14、15與16同輥20與22的機械校準允許上述運動發(fā)生。
為了驅(qū)動同步皮帶14、15與16至所需速度，采用普通的馬達(未圖示)來轉(zhuǎn)動輥20和/或22。此馬達連接到輥20或22或連接到任何連接著輥20和/或22的適當部件上，同時還給輥20與22提供了使其轉(zhuǎn)動到所需轉(zhuǎn)速而必需的轉(zhuǎn)矩。上述馬達直接/間接地導致輥20與22轉(zhuǎn)動，使得同步皮帶14、15與16以所需速度沿前向與換向驅(qū)動。例如當連接件13在其向下運動中到達輥22時，由于連接件13此時向上運動，它就將改變拋光墊6的運動方向而使其換向運動。片刻之后，此同一連接件13這時便到達輥20，而再次換向為向下方向。連接件13的往復運動允許拋光墊依前向與換向運動。拋光墊6的運動速度最好約為100～600ft/min以使晶片表面17作最優(yōu)的平面化。但應認識到拋光墊6的速度將取決于許多因素(晶片大小、墊的類型、淤漿的化學組成，等等)。此外，墊6可以按最好平均為100～600ft/min的預定速度沿雙向線性方向運動。
圖3與4分別示明本發(fā)明最佳實施例的用于將拋光墊6接附到同步皮帶14、15上的方法與設備的前視圖與側(cè)視圖。正如以前所述，拋光墊6的底側(cè)是裝附到不可拉伸的撓性的但牢靠與平整的材料上。在這種材料的各端，也即在拋光墊6的各端，則接附到桿件40上。桿件40如圖3所示從墊6沿水平方向伸出，在各垂直懸掛的同步皮帶14、15上還接裝一套筒42，即一個圓筒或槽，套筒42的一部分44沿水平延伸與桿件40結(jié)合，仍如圖3所示。當桿件40與套筒42結(jié)合上時，就可允許拋光墊6在高速下作雙向運動而不會有拋光墊6卷繞到輥20、22上的問題。圖4還示明了此拋光墊6繞輥20、22轉(zhuǎn)動時的側(cè)視圖。
如前面所述，拋光墊6在兩個角隅24處最好彎成約90°的角。這種處理有種種理由說明它是有益的。根據(jù)本發(fā)明，拋光墊6在要求拋光晶片表面17的水平面上的長度只需略長于晶片18的直徑，此拋光墊的全長最好只應略長于晶片18直徑的三倍。這樣就能最有效和最經(jīng)濟地利用整個拋光墊6，拋光過程中，可將淤漿或其他試劑加到拋光墊6的不與晶片表面17接觸的部分，上述淤漿或其他試劑最好是在拐彎處24附近的位置加到拋光墊上。上述拋光墊構型也減小了需用來支承墊6的支承板10的尺寸。此外，雖然所述雙向線性運動提供了基本上能自調(diào)節(jié)的墊，但在此同一位置上或其附近也可設置一調(diào)節(jié)件。
上述的新穎工藝還具有許多其他的優(yōu)點和有利之處。例如本發(fā)明的CMP裝置與絕大多數(shù)傳統(tǒng)的CMP裝置相比所占用的空間較小，這是因為約2/3的拋光墊6可以取垂直位置。此CMP裝置的雙向線性運動還改進了墊6的利用效率，這是因為墊6是以不同的而最好是相反的方向運動使得墊6的往復運動提供了自調(diào)節(jié)功能。
根據(jù)本發(fā)明，在一個單元時間內(nèi)一般只拋光一塊晶片。如上所述，拋光墊6是以很高的線性速度按雙向運動而得以均勻地拋光晶片表面17。由于拋光晶片表面17需要有很高的墊速因而會產(chǎn)生很大的動量，從而有很大的慣性，這樣，當拋光墊6換向時，就需有充分的能量來保持墊以所需速度運動。要是能使拋光墊6的總面積(長與寬)最小化，則可相應地減小為保持以墊按所希望速度運動而需的能量。例如通過限制拋光墊6的長度，普通的馬達就能提供為保持此墊以所需速度作前向與換向運動所需的能量。拋光墊6的總長度應略長于晶片的兩個直徑的長度而最好是其三個直徑的長度，之所以如此是為了能調(diào)節(jié)拋光墊6同時可將淤漿左角隅24鄰近加到與晶片18所在處相對的此拋光墊的兩側(cè)上。
盡管本發(fā)明適用于一次拋光一塊晶片，但內(nèi)行的人可以改進本發(fā)明的最佳實施例以便一次拋光多塊晶片。淤漿(未圖示)可按普通的方式加到拋光墊6的表面上，而此拋光墊6也可以再按普通的方式調(diào)節(jié)。
以下參看圖5說明本發(fā)明最佳實施例的晶片罩4。晶片罩4包括不導電的最好為圓形的上端組件28，帶有一個最好在中心處有幾mm深的腔29和一個托墊30。首先將晶片18以其背側(cè)相對托墊30裝載到腔29內(nèi)。采用普通類型的定位機構(即真空機構)來確保晶片18牢靠地相對于晶片上端組件28定位，同時對晶片18進行拋光。托墊30也可以是在其濡濕時通過抽吸晶片18的下側(cè)來固定此晶片的那種托墊類型。
如上所述，此換向拋光機3可以在晶片制造過程的各個階段來拋光晶片18。因此就有了將晶片18裝載到腔29中而不需另設裝置機構的方法，下面參看圖6對此加以說明。首先校正好晶片罩4以將晶片18裝入腔29內(nèi)。
上端組件28包括的銷罩32可用馬達或氣動控制裝置(未圖示)相對腔29作上下運動。在裝載晶片18時，銷罩32從原位下延到晶片18的表面17之下，如虛線所示。然后在馬達控制下，用傳統(tǒng)的回撤裝置自動地促使從銷罩32伸出至少三個銷，得以拾取晶片18便將它裝到上端組件28的腔29內(nèi)。當銷34突出，銷罩32便自動回縮至其原位，而將晶片18裝入腔29內(nèi)。在如上述當上端組件28與托墊30使晶片18定位后，銷34便自動撤回到銷罩32內(nèi)而銷罩則回撤到原位，使晶片18得以拋光，如圖7所示。
再次參看圖1與2，在晶片18牢靠地裝載到晶片罩4上時，晶片罩4便自動下降直至其晶片表面17接觸拋光墊6。拋光墊6依這里所述方法拋光晶片表面17；然后從晶片罩4上迅即卸下晶片18。
參看圖6，基本上按裝料的相反順序從晶片罩4卸下晶片18。在拋光晶片18后，將晶片罩4從拋光墊6上升離，而銷罩32從其原位下延到晶片18表面17之下，如虛線所示，然后自動使銷34突出，以使晶片18從腔29中卸下時得到支承。在銷34突出時，上述真空裝置由反向氣流換向，致晶片18從上端組件28墜下到銷34上，即晶片18由托墊定位到銷34上。從這個位置晶片可送到下一個制造處理站。
圖8示明晶片18由銷34相對于腔29裝卸的底視圖。雖然圖8示明了三個突出銷34，但應知依據(jù)本發(fā)明可以采用三個以上的銷或另外的支承機構。
再行參看圖1～2來說明支承拋光墊6的支承板10，板10之上可以磁性膜涂層。拋光墊6所接附上的此支承板10的背面也可用磁性膜涂層，這樣就能使拋光墊6在浮離開支承板10的同時以所需的速度運動。應知可以采用其他傳統(tǒng)的方法使拋光墊6浮離開支承板10來拋光晶片表面17，如采用空氣、潤滑劑和/或其他適當?shù)囊后w。
應知在以上討論和后附的權利要求書中，“晶片表面”和“晶片的表面”，包括但不限定于晶片在處理前的表面以及在晶片上形成任何料層的表面，包括氧化的、金屬的、氧化物的、淀裝上的玻璃與陶瓷等料層的表面。
上面出于解釋目的討論了本發(fā)明的各種最佳實施例，但內(nèi)行的人當知，在不背離后附權利要求書所公開的本發(fā)明的范圍與精神前提下，是可以提供種種改型與增減的。
權利要求
1.用于拋光半導體晶片表面的化學機械拋光裝置，它包括適用于支承晶片的晶片罩；以及具有以雙向線性運動拋光此晶片表面的墊的拋光站。
2.權利要求1所述的化學機械拋光裝置，其中所述雙向線性運動是通過交替地使該墊作前向與反向運動而得到的。
3.權利要求2所述的化學機械拋光裝置，其中所述墊是以包括具有依單一轉(zhuǎn)動方向的軸的馬達的傳動機構作前向與換向運動的。
4.權利要求3所述的化學機械拋光裝置，其中所述傳動機構包括水平懸掛的同步皮帶、適用于固定上述水平懸掛同步皮帶的第一組輥、第二組輥，以及連接到該墊各端之上的兩條垂直懸掛的同步皮帶，每條垂直懸掛的同步皮帶是由上述第一組輥中之一與上述第二組輥中之一固定。
5.權利要求3所述的化學機械拋光裝置，其中所述傳動機構適用來使該墊以約100～600ft/min的速度運動。
6.權利要求1所述的化學機械拋光裝置，其中所述晶片罩包括具有適用于支承晶片的腔的上端組件，以及具有可移動的銷罩，而此銷罩則包括有可相對于它突入和突出的銷。
7.權利要求1所述的化學機械拋光裝置，其中所述拋光站還包括當該墊拋光晶片表面時適用來支承該墊的支承板。
8.權利要求1所述的化學機械拋光裝置，其中所述墊的長度至少是晶片直徑長度的2倍。
9.權利要求1所述的化學機械拋光裝置，其中所述墊的長度至少是晶片直徑長度的3倍。
10.權利要求1所述的化學機械拋光裝置，其中所述墊在水平面中的長度約為一個晶片直徑的長度。
11.拋光半導體晶片表面的方法，此方法包括下述步驟將晶片支承成使其表面暴露向拋光墊，通過使此拋光墊作雙向線性運動來拋光此晶片表面。
12.權利要求11所述的拋光半導體晶片表面的方法，其中所述拋光步驟還包括使該拋光墊作前向與反向運動的步驟。
13.權利要求12所述的拋光半導體晶片表面的方法，其中所述的墊是以由具有依單一方向轉(zhuǎn)動的軸的馬達產(chǎn)生的雙向線性運動的傳動機構作前向與反向運動的。
14.權利要求13所述的拋光半導體晶片表面的方法，其中所述傳動機構適合以約100～600ft/min的速度來運動該墊的。
15.權利要求11所述的拋光半導體晶片表面的方法，其中所述拋光步驟還包括下述步驟轉(zhuǎn)動一批輥；使固定于這些輥上的一批同步皮帶運動；使所述拋光墊作雙向線性運動，而此拋光墊則裝附到這批同步皮帶的至少兩條之上；在拋光墊與晶片表面接觸時拋光此表面。
16.權利要求11所述的拋光半導體晶片表面的方法，其中所述支承步驟還包括將晶片固定到晶片罩的腔內(nèi)的步驟。
17.權利要求11所述的拋光半導體晶片表面的方法，其中所述支承步驟還包括下述步驟將晶片裝載到具有可動銷罩和設于此銷罩一部分上的可回撤銷的晶片罩的腔中；將上述銷罩的這部分定位到晶片表面之下；使銷從上述銷罩的這部分伸出而為可插入其上的晶片提供支承；使銷罩移動以讓晶片鄰近晶片罩的表面；將晶片裝載到晶片罩的腔內(nèi)并脫離開銷；將銷撤回銷罩的部分；從晶片罩的表面清除此銷罩。
18.拋光半導體晶片表面的方法，此方法包括下述步驟應用依預定速度沿第一方向運動的墊對晶片表面作化學機械拋光；應用在上述預定速度下沿與該第一方向相反的第二方向中運動的墊對此晶片表面作化學機械拋光，而此預定速度為100～600ft/min。
全文摘要
本發(fā)明針對應用可沿前面與換向運動的墊(6)來拋光半導體晶片(18)表面的方法與設備(2),在VLSI與ULSI兩方面的應用中,特別要求將晶片(18)表面拋光至完善的平度。拋光墊(6)的前向與換向運動給晶片(18)表面提供了優(yōu)越的平面性與均勻性。此晶片(18)表面在拋光墊(6)作前向與換向運動而對其拋光時壓貼到此拋光墊上。在拋光過程中,晶片(18)則由可應用新穎的裝卸晶片的方法的晶片罩支承。
文檔編號B24B37/04GK1329533SQ99813992
公開日2002年1月2日 申請日期1999年11月19日 優(yōu)先權日1998年12月1日
發(fā)明者胡馬云·塔利赫 申請人:納托爾公司