抛光装置 本发明涉及例如化学机械抛光(CMP)中使用的抛光装置。
通过抛光平面化衬底表面的技术已在包括半导体衬底制造工艺的许多领域中使用。近些年来，通过抛光平面化制造期间形成的如层间绝缘膜的表面不平整处等表面不平整处的CMP已用在半导体衬底上制备器件的工艺中。
在CMP中，与抛光半导体衬底表面使用的由无纺织物组成的较软抛光布不同，使用如泡沫聚氨酯等材料制成的硬抛光布平面化绝缘膜。要在衬底表面内得到均匀的抛光，通常在硬垫下形成弹性的缓冲层。
图4A和4B示出了常规抛光装置的结构。
如图4A所示，常规的抛光装置由固定抛光靶的衬底固定器409、粘附有抛光垫402的抛光台410、磨料供应构件411和金刚石片412安装其上的调节机构413组成。使衬底固定器409和调节机构413旋转、摆动以及按压它们的机构，和提供到抛光台410的旋转机构没有示出。
如图4B所示，固定环401设置在与衬底405相对的衬底固定器409的表面上，对应于衬底405的周边。固定环401固定衬底405并防止衬底405横向移动。对于固定环401的材料，可以使用如聚乙烯对苯二酸盐等的硬塑料。气垫407向固定环401施加向下的负荷。称作嵌入垫地弹性层403形成在固定环401内衬底固定器409的表面上。
通过使用具有以上结构的抛光结构，可以平面化LSI的多级互连结构中层间绝缘层的表面。
在抛光期间，固定环401不仅可以防止衬底405的横向移动，而且可以防止衬底405外周边部分的反常抛光。具体地，在抛光期间，衬底405通过由上硬层和下软层组成的抛光垫402紧紧地压向抛光台410。衬底405的外周边部分处的接触压力最大。
此时，如图5A所示，由于衬底405的压力，在衬底405的外周边部分处抛光垫402的变形为几mm，作用在衬底405的外周边部分处的压力减小。由此，衬底405的外周边部分上的抛光量降低。特别是，根据嵌入垫403的弹性模量和其它抛光条件，抛光垫402的变形区501有时从衬底405的外周边部分延伸几cm。
在常规的抛光装置中，反常抛光用下面的方式抑制。首先，使将与抛光垫402接触的固定环401和衬底405的表面齐平。固定环401与抛光垫402接触的固定环401的宽度设置为等于或小于以上介绍的抛光垫402的变形区。这样抑制了在衬底405的外周边部分上延伸的变形区502，如图5B所示。
负荷通过气垫407施加到固定环401独立地将负荷施加到衬底405上。这使得将固定环401压向抛光垫402的压力独立并保持不变。例如，用大约500g/cm2(≈7psi)的负荷使固定环401与抛光垫402接触。
由于此原因，在抛光期间，固定环401也被抛光垫402抛光，研磨产生的固定环401的材料在抛光垫402上作为杂质扩散开。此时，如果使用如不锈钢等的合金材料形成固定环401，那么研磨产生的金属部件在抛光垫402上扩散布面地影响了在衬底405上形成的器件特性。此外，合金材料的切割碎片损伤了抛光垫402的抛光表面。要解决这些问题，使用塑料作为常规固定环401的材料。
随着处理量的增加，塑料固定环401变形不能保持特定的性能。
此时，即使使用硬塑料来抑制变形，它的机械强度也很有限，也比如不锈钢等的金属合金材料的机械强度差。当抛光处理的数量增加时，即使使用硬塑料的常规固定环也变形，固定环按压抛光垫的能力降低。因此，在常规的抛光装置中，当抛光处理的数量增加时，在作为抛光靶的衬底的外周边部分上发生抛光量的异常。
本发明的一个目的是提供一种抛光装置，即使抛光处理量增加，也可以抑制在作为抛光靶的衬底的外周边部分上发生的抛光量异常。
为了达到以上目的，根据本发明，提供一种抛光装置，包括粘附到抛光台的抛光垫，固定衬底作为抛光靶时，将衬底的抛光靶表面推向抛光垫的衬底固定器，形成在衬底固定器的固定表面上对应于衬底周边的固定环，固定环具有形成在它的表面上与抛光垫接触的树脂部分，以及固定树脂部分并且由比树脂部分有更高机械强度的材料制成环行树脂固定部分。
图1A为根据本发明的实施例抛光装置的前视图，图1B为图1A所示衬底固定器主要部分的剖视图；
图2为显示了抛光特性的曲线图；
图3A和3B分别示出了图1B所示固定环的变形；
图4A为常规抛光装置的前视图，图4B为图4A所示衬底固定器主要部分的剖视图；
图5A和5B分别示出了抛光垫的形变。
下面参考附图详细地介绍本发明。
图1示意性的示出了根据本发明实施例的抛光装置。如图1A所示，根据本实施例的抛光装置包括固定作为抛光靶的衬底的衬底固定器109，粘附抛光垫102的抛光台110，磨料供应构件111，以及安装有金刚石片112的调节机构。
抛光垫102具有由上硬层和下软层构成的两层结构。使衬底固定器109和调节机构113旋转、摆动和按压它们的机构，以及提供到抛光台110的旋转机构都没有示出。
如图1B所示，固定环101设置在与衬底105相对的衬底固定器109的表面上(固定表面)，与衬底105的周边相对。固定环101固定衬底105并防止衬底105横向移动。气垫107使固定环101向抛光台110偏移。称作嵌入垫的弹性层103形成在固定环101内衬底固定器109的表面上。
要进行抛光，衬底105的抛光靶表面通过嵌入垫103压向抛光垫102。例如，部分LSI的多级互联结构形成在衬底105的抛光靶表面上，层间绝缘膜形成在多级互连结构的最上层上。由下面的布线层或类似物形成的不平整处出现在中间绝缘膜的表面上。本实施例的抛光装置根据CMP通过切割和抛光平面化所述不平整处。
如图1B所示，固定环101由如聚乙烯对苯二酸盐等的硬塑料制成的下树脂部分101a，以及由如SUS316(不锈钢)等制成的上金属部分101b组成。相当于树脂固定部分的金属部分101b和树脂部分101a用粘合剂互相牢固的粘接在一起。使将与抛光垫102接触的固定环101的树脂部分101a的表面与衬底105的抛光靶表面平齐。
使用气垫107使固定环101偏移独立地控制施加到衬底105的负荷。这使得将固定环101压向抛光垫102的压力独立并且保持不变。例如，用约500g/cm2(≈7psi)的偏移力(偏压)使固定环101与抛光垫102接触。
根据本实施例，固定环101具有由树脂部分101a和金属部分101b构成的两层结构。因此，与固定环由硬塑料形成的常规情况相比，固定环101的机械强度显著增加。
对于固定环101，只有它的树脂部分101a与抛光垫102接触，它的金属部分101b没有接触。因此，没有金属部件在抛光垫102上散布负面地影响形成在衬底105上器件的特性。此外，抛光台的抛光表面没有被金属材料的切割碎片损伤。
下面介绍抛光装置的一个实例。
在使用固定环101的抛光装置中，使用直径为8英寸表面形成有氧化膜的硅衬底作为样品。通过CMP除去氧化膜。通过抛光除去的氧化膜厚度设置为约650nm。在这些条件下，抛光25个衬底。当抛光第26个衬底时，在距硅衬底外周边部分约3mm的区域处形成抛光膜厚度少约20nm到30nm的区域，如图2的曲线(a)所示。
与此相对比，使用仅由硬塑料形成的常规固定环401(图4B)进行相同的工艺。结果，在距硅衬底外周边约5mm以上的区域处形成抛光膜厚度很小的区域，如图2的曲线(b)所示。
以此方式，当使用本实施例的固定环101时，即使抛光处理量增加，也可以抑制在作为抛光靶的衬底的外周边部分上发生的反常抛光。
在该实施例中，固定环101的树脂部分101a和金属部分101b具有基本相同的形状。然而，本发明并不局限于此。例如，如图3A所示，可以形成台阶形树脂部分301a，树脂部分301a和金属部分301b的形状可以相互不同。当以此方式形成固定环301时，可以自由地设计它的机械强度和与抛光台101的抛光垫102的接触区域。
如图3B所示，可以形成固定环311，使它的树脂部分311a覆盖它的环形金属部分311b。当以此方式形成固定环311时，树脂部分311a和金属部分311b不必通过粘合剂或类似物相互紧密接触。因此，即使当由于材料的组合树脂部分311a没有粘附到金属部分311b时，也可以制造固定环311。
在以上实施例中，使用不锈钢形成金属部分，使用聚乙烯对苯二酸盐形成树脂部分。然而，本发明并不局限于此，也可以使用以下的工程塑料来代替。更具体的，例如聚碳酸酯、聚酰胺、聚丁稀对苯二酸盐、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮(polyether ether ketone)、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、三氟氯乙烯次乙基聚合物以及类似物。
金属部分的材料不限于不锈钢，也可以使用具有抗腐蚀和高机械强度的金属或它的合金。
如上所述，根据本发明，由于使用树脂仅形成了与抛光垫接触的固定环表面，所以可以得到比整个固定环仅由树脂制成时更高的机械强度。因此，即使当抛光处理量增加时，固定环也不会显著变形，可以抑制在作为抛光靶的衬底的外周边部分上发生的抛光量异常。