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本发明涉及化学机械抛光头、设备和方法以及平面化半导体晶片。化学机械抛光头和方法具有整体浆液分配机构、旋转的固定环和带柔软背衬的抛光头。在一实施例中，该设备包括具有附着在下衬底保持表面上的柔性部件的副载体。柔性部件中具有孔，以使得在柔性部件和副载体之间引入的加压流体直接将衬底压在抛光表面上。副载体具有用来在位于下表面和柔性部件之间的凹穴上抽真空的开口。本发明还涉及一种柔性部件，其由不与衬底反应且不与抛光工艺中使用的化学物质反应的聚合物材料制成，并具有用于保持衬底的背面的接纳表面，其中该柔性部件具有孔，所述孔与真空源连通，并且为了检测出所述接纳表面上存在衬底而具有充分的尺寸。

1.  一种柔性部件，其由不与衬底反应且不与抛光工艺中使用的化学物质反应的聚合物材料制成，并具有用于保持衬底的背面的接纳表面，其特征在于：该柔性部件具有孔，所述孔与真空源连通，并且为了检测出所述接纳表面上存在衬底而具有充分的尺寸。

化学机械抛光头、设备和方法以及平面化半导体晶片
本申请是申请日为2001年8月30日、申请号为01818062.0、发明名称为“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”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明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。本发明还涉及一种柔性部件。
背景技术
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。因此，操作传统的CMP设备的成本中的一个显著因素是浆液的成本。
因此，需要有一种设备和方法，其能够提供优异的平面化，控制边缘平面化效应，并可以调整晶片材料的去除轮廓，以补偿在晶片上的非均匀层沉积。还需要有一种设备和方法，其能够利用向软背部抛光头提供真空使得晶片保持在抛光头上，同时使得晶片上的压力最小化或被消除。还需要一种CMP设备，它能够向抛光表面提供足够的浆液而没有过量的浪费。
发明内容
本发明涉及一种CMP系统、设备和方法，用于对衬底进行抛光和平面化，能够在衬底的整个表面上得到高的平面化均匀度。本发明包括涉及化学机械抛光(CMP)的系统、设备、结构以及方法等多个方面。在一个方面，本发明提供一种化学机械抛光设备和方法，其中具有一个带非均匀凹槽的抛光表面。在另一个方面，本发明提供一种化学机械抛光头和方法，其中具有整体的浆液分配机构。在另一个方面，本发明提供一种化学机械抛光设备和方法，其中具有旋转的固定环。在另一个方面，本发明提供一种化学机械抛光设备和方法，其中具有软背部抛光头。在另一个方面，本发明提供一种设备和方法，其能够在抛光和平面化过程中更加有效地利用浆液。在另一个方面，本发明提供一个工件，例如通过本发明的设备和方法制造的半导体晶片。
根据本发明的另一个方面，设置用于将具有表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面的抛光头，用于加工衬底而从其上除去材料。该抛光头包括一载体，该载体具有安装在其下表面上的柔性部件(例如膜)，该柔性部件在抛光过程中保持着衬底。柔性部件具有用于在其上接受衬底的接纳表面，以及在接纳表面中延伸穿过柔性部件的多个孔。当衬底保持在柔性部件的接纳表面上时，由载体的下表面、柔性部件和衬底限定一个封闭的空腔或腔室。该空腔用于被加压而将衬底在抛光过程中直接压在抛光表面上。优选的是，当载体包括驱动机构以在抛光操作中旋转副载体时，该多个孔的数量和尺寸被选择为能够在柔性部件的接纳表面和衬底之间提供足够的摩擦力，以为衬底赋予旋转能量。
在一个实施例中，副载体的下表面也包括用于将加压流体引入到空腔内的开口，以及用于将加压流体分配到整个空腔内的通道。该开口也用于在空腔上抽真空而在抛光操作之前和之后在加载和卸载过程中将衬底保持在接纳表面上，并且当抛光设备还包括与该开口连接的真空开关时，该开口用于检测衬底是否保持在接纳表面上。真空开关被构成为在达到预定的真空时可从打开状态切换到关闭状态，或从关闭状态切换到打开状态。在该实施例的一个模式中，柔性部件、衬底和开口适于作为一阀，以在达到预定真空时将开口与空腔隔离。当在空腔上抽真空时，柔性部件中的孔已经被衬底封闭，该柔性部件被向内抽，直至它接触并封闭在副载体下表面中的开口。该开口可以有或没有升高的唇边，以便于密封。这种设计可以控制真空水平以及因此造成的柔性部件和衬底的变形程度，从而使得衬底上的压力最小化。
根据本发明的另一个方面，设置用于将具有表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面的抛光头，用于加工衬底而从其上除去材料。该抛光头包括载体、由载体所承载并用于在抛光操作中保持衬底的副载体、以及围绕着副载体旋转设置的固定环。固定环具有与保持在副载体上的衬底的表面基本平齐的下表面，固定环的下表面与抛光表面在加工过程中相接触。固定环变形抛光表面，以降低从衬底的边缘去除材料的速率。利用传统的载体，固定环下表面中的任何变形或不规则会导致从衬底靠近不规则的边缘处的局部较高或较低的除去速率。但是，利用本发明的载体，因为固定环能够相对于副载体以及因此相对于衬底而旋转，因此在加工过程中，固定环下表面中的任何变形对从衬底边缘去除材料的速率的影响是最小的。
在一个实施例中，通过一驱动机构驱动副载体，固定环和抛光表面之间的摩擦力导致固定环相对于副载体而旋转。或者，可以通过与固定环连接的单独驱动机构使得固定环相对于副载体旋转。
在另一个实施例中，载体还包括与固定环上表面成面对关系并与固定环通过轴承而分开的垫环。垫环用于在抛光操作中向固定环施加压力。轴承可以是例如球轴承、流体动力轴承、滚动轴承或锥形轴承。任选的，固定环还包括第一唇边，当载体从抛光表面上升高时它与垫环上的第二唇边相啮合，以将固定环连接至垫环上。
根据本发明的另一个方面，提供包括用于将具有表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面的抛光头的抛光设备，用于加工衬底而从其上除去材料。该抛光头包括载体，该载体具有用于在抛光过程中保持着衬底的下表面。在一个实施例中，该载体围绕着该下表面设有多个延伸穿过底表面的开口，用于将抛光物质在操作过程中分散在抛光表面上。通常，该开口用于将包括研磨物质的浆液分散在抛光表面上。或者，在抛光表面上包括固定的研磨剂时，该开口用于在抛光操作过程中在抛光表面上分散化学品，例如水。优选的是，该开口围绕着固定环和副载体之间的环形空间的周边而均匀地间隔开。
在另一个实施例中，该开口还用于在维护操作过程中冲洗固定环和副载体之间的环形空间。在该实施例中，CMP设备包括能够向该多个开口提供浆液的浆液供应部、能够向该多个开口提供冲洗流体的冲洗流体供应部、以及用于在浆液供应部和冲洗流体供应部之间变换的阀。
在另一个方面，本发明涉及一种抛光设备，用于从衬底的表面上除去物质。抛光设备包括用于在抛光操作过程中保持衬底的抛光头，以及抛光表面，该抛光表面带有多个用于在衬底和抛光表面之间相对运动时在保持在抛光头上的衬底和抛光表面之间分配化学品的凹槽。该多个凹槽在整个抛光表面上具有非均匀的间隔，以提供在整个抛光表面上的去除材料的可变速率。凹槽在整个抛光表面上的间隔在第一区域和在第二区域是不同的，以在第一区域和第二区域提供不同的除去速率。通常，当第一区域在每线性尺寸上具有比第二区域大的凹槽密度时，第一区域具有比第二区域低的除去速率。在一个实施例中，该多个凹槽包括在整个抛光表面上沿径向具有非均匀尺寸或间隔的沟槽。或者，凹槽可以包括在抛光表面中的多个打开的空腔或凹陷，其尺寸和/或密度在整个抛光表面上是变化的。
在再一个方面，本发明涉及一种柔性部件，其由不与衬底反应且不与抛光工艺中使用的化学物质反应的聚合物材料制成，并具有用于保持衬底的背面的接纳表面，其中该柔性部件具有孔，所述孔与真空源连通，并且为了检测出所述接纳表面上存在衬底而具有充分的尺寸。
附图说明
本发明的这些和其他特征可以从以下结合附图的详细描述中了解得更加清楚。
图1是表示一示例性多抛光头抛光或平面化设备的视图；
图2是表示本发明一实施例的抛光头的截面图；
图3是图2的抛光头沿着图2的3-3线剖开的一部分的平面图，显示了本发明柔性部件的一实施例；
图4是与图3类似的平面图，表示本发明柔性部件的另一个实施例；
图5是与图3类似的平面图，表示本发明柔性部件的又一个实施例；
图6是与图3类似的平面图，表示本发明柔性部件的再一个实施例；
图7是与图3类似的平面图，表示本发明柔性部件的又一个实施例；
图8是根据本发明的一个实施例将图2的抛光头沿着图2的8-8线剖开的抛光头的截面图；
图9是表示根据本发明的一实施例的副载体下表面的平面图，该副载体具有带沟槽的下表面；
图10是表示本发明的一实施例的带有旋转固定环的抛光头的部分截面图；
图11是表示本发明的一实施例的带有整体分配机构的抛光头的部分截面图，该整体分配机构用于将化学品分散在抛光表面上；
图12是表示本发明另一实施例的带有整体分配机构的抛光头的部分截面图，该整体分配机构用于将化学品通过在固定环和副载体之间的环形空间分散在抛光表面上；
图13A是表示根据本发明的一实施例具有非均匀间隔开的沟槽的抛光表面的平面图；
图13B是表示图13A的抛光表面的部分截面侧视图；
图14是表示具有非均匀间隔开的螺旋沟槽的抛光表面的另一个实施例的平面图；
图15是表示具有多个非均匀间隔开的螺旋沟槽的抛光表面的另一个实施例的平面图；
图16是表示具有非均匀间隔开的同心椭圆沟槽的抛光表面的另一实施例的平面图；
图17是表示具有非均匀间隔开的平行沟槽的线性抛光表面的实施例的平面图；
图18是表示根据本发明的一实施例具有多个均匀间隔开的沟槽的抛光表面的部分截面图，其中所述沟槽具有非均匀的深度；
图19是表示根据本发明的一实施例具有多个均匀间隔开的沟槽的抛光表面的部分截面图，其中所述沟槽具有非均匀的宽度；
图20是表示根据本发明的一实施例具有非均匀间隔开的空腔的抛光表面的平面图；
图21是表示根据本发明的一实施例用于对衬底进行抛光或平面化的工艺的流程图。
具体实施方式
提供一种对衬底进行抛光或平面化的改进方法和设备。在以下的描述中，提供多个包括例如具体结构、布局、材料、形状等具体细节的实施例。但是很明显，对于本领域的技术人员来说，本发明可以脱离这些具体的细节来实施，本发明的方法和设备不限于此。参考图1，显示了用于抛光衬底105的化学机械抛光或平面化(CMP)设备100。此处使用的“抛光”一词表示对衬底105进行抛光或平面化，衬底包括用于平面显示器、太阳能电池的衬底，尤其是其上已经沉积有电路的半导体衬底或品片。半导体晶片通常是薄的和易碎的盘，其直径通常为100mm-300mm。一般来说，100mm、200mm、300mm的半导体晶片在工业中被广泛应用。本发明的方法和设备100可以用于直径至少达到300mm以及更大直径的半导体晶片和其他衬底。
为了清楚起见，省略了已经公知的并且是与本发明无关的CMP设备100的许多细节。CMP设备100的更详细描述例如在2000年5月12日提交的发明名称为“System and Method for Pneumatic Diaphragm CMP HavingSeparate Retaining Ring and Multi-Region Wafer Pressure Control”的美国申请09/570,370；2000年5月12日提交的发明名称为“System and Method forCMP Having Multi-Pressure Zone Loading for Improved Edge and AnnularZone Material Removal Control”的美国专利申请09/570,369；以及2000年5月12日提交的发明名称为“System and Method for CMP HavingMulti-Pressure Annular Zone Subcarrier Material Removal Control”的美国临时申请60/204,212中披露，其中每一篇均在此引入作为参考。
CMP设备100包括一基底110，它可旋转地支撑着其上安装有抛光垫120的大的可旋转台板115，抛光垫120具有在其上抛光衬底105的抛光表面125。抛光垫120通常是聚氨酯材料，例如从Newark Delaware的RODEL购买的材料。另外，可以在抛光表面125中设置多个凹槽(图1中未显示)，例如沟槽或空腔，以在抛光表面和放置在其上的衬底的表面之间分配化学品或浆液。浆液表示其中分散有研磨物质的化学活性流体，用于增强从衬底表面除去材料的速率。通常，浆液是具有化学活性的，具有在衬底105上的至少一种材料，并具有大约为4-11的pH值。例如，一种适当的浆液由在水基中的大约12％的研磨剂和1％的氧化剂构成，并包括颗粒尺寸大致为100nm的胶体二氧化硅或氧化铝。可选的是，作为浆液的替换或补充，抛光垫120的抛光表面125上可以具有嵌在其中的固定研磨物质，例如从MinnesotaMining and Manufacturing公司购买的材料。在CMP设备100具有带固定研磨剂的抛光表面125的实施例中，在抛光操作中分散在抛光表面上的化学品可以是水。
基底110还支撑着一桥接器130，该桥接器支撑着转盘135，转盘135具有一个或多个抛光头140，在抛光操作过程中衬底105被保持在抛光头140上。桥接器130被设计为能够升高和降低转盘135，以使得保持在抛光头140上的衬底105的表面在抛光操作过程中与抛光表面相接触。图1所示的CMP设备100的具体实施例是多抛光头设计，其意味着对每个转盘135具有多个抛光头140；但是单个抛光头的CMP设备100也是已知的，本发明的抛光头140、抛光表面125以及用于抛光的方法可以用于多抛光头或单抛光头类型的抛光设备100。另外，在该具体的CMP设计中，每个抛光头140由单个电机142驱动，电机142驱动链条145，然后通过链条和链轮齿(未显示)驱动每个抛光头；但是本发明可以用于每个抛光头140均利用单独的电机和/或利用除链条以及链轮齿类型驱动器之外的其他机构旋转的实施例。除了抛光垫120和抛光头140旋转之外，转盘135可以移动至关于抛光台板115的固定中心轴的轨道，以向抛光头提供轨道运动。另外，本发明的抛光头140可以利用CMP设备100的所有方式，包括采用该领域所熟知的线性或往复运动的机械。
CMP设备100还安装有：化学品分配机构(在图1中没有示出)，用来如上所述一样在抛光操作期间将化学品或浆液分配到抛光表面125上；控制器(未示出)，用来控制浆液的分配和抛光头140在抛光表面上的运动；以及旋转接头/连接件(未示出)，用来提供多个不同的流体通道，以在位于抛光头外面的固定源和位于抛光头上或里面的位置之间传送加压流体(例如空气、水、真空等)。
现在将参照图2对本发明的抛光头140的一实施例进行说明。参照图2，抛光头140包括用于将抛光头安装在转盘135上的头安装组件150和用于在抛光操作期间将衬底105保持并且固定在抛光表面125上的载体155。载体155通常包括其下表面165上保持着衬底105的副载体160以及在圆周上围绕着一部分副载体设置的固定环170。
副载体160和固定环170从载体155上悬吊下来，从而它们能够以很小的摩擦并且没有粘接地垂直移动。在副载体160和固定环170以及相邻的元件之间设有小的机械公差，从而它们能够在抛光操作期间以适应小的角度变化的方式在抛光表面125上漂浮。参照图2，一凸缘162通过螺钉163或其它紧固件安装在载体155的内下表面164上。该凸缘162通过一柔性隔膜或衬垫166与内部支撑环167和外部支撑环168连接，以柔性地支撑副载体160，并且在副载体160上方形成封闭的腔室或空腔175。该固定环170由在副载体160和载体155的裙部177之间延伸的第二柔性隔膜或衬垫176支撑。如图2中所示，固定环170通过粘合剂(未示出)、螺钉179或其它在衬垫的相对侧面安装在衬板178上的紧固件与第二衬垫176连接。凸缘162、下裙部177、内部和外部支撑环167，168以及第二衬垫在固定环170的上方形成第二封闭空腔180。
在操作中，副载体160和固定环170独立地偏压或压靠在抛光表面125上，同时在衬底105和抛光表面125之间提供浆液和相对运动以磨光该衬底。偏压力可以由弹簧(未示出)或由副载体160和固定环170自身的重量来提供。优选的是，如图2中所示，副载体160和固定环170通过被引入到分别位于副载体160和固定环170上方的封闭空腔或腔室175，180中的加压流体而压靠在抛光表面125上。使用加压流体是优选的，因为所施加的力更加均匀，并且更容易改变，以调节抛光或除去速率。一般来说，所施加的压力在大约4.5-5.5psi的范围内，特别是5psi。但是，这些范围只是示例性的，因为可以在大约2psi至大约8psi的范围中调节出任何压力，以实现所要求的抛光或平面化效果。更优选的是，施加在固定环170上的偏压力或压力大于施加给副载体160上的力，以使抛光表面125稍微变形，由此降低所谓的边缘效应，从而在衬底105的表面上提供更加均匀的除去和平面化速率。边缘效应指的是由于抛光表面125与衬底边缘的相互作用而导致的除去速率在衬底105的边缘处要大于在中央部分处的趋势。通过将衬底105边缘附近的抛光表面125压下并且使它稍微变形，从而该固定环170降低了衬底边缘压靠在抛光表面上的力，由此将局部除去速率降低至更加接近等于在该衬底表面上的其他区域的速率的水平。
根据本发明，副载体160在下表面165上可以包括一种柔软的插入件(例如柔性部件185或隔膜)，它具有在其上接纳衬底105的接纳表面190。柔性部件185具有这样的厚度，其具有多个穿过该厚度延伸至接纳表面190的开口或孔195，用来将加压流体(至少是部分)直接施加在衬底105的背面，以将衬底直接压靠在抛光表面125上。一般来说，所施加的压力在大约2-8psi的范围内，更通常大约为5psi。优选的是，选择孔195的数目和尺寸，以使衬底105直接暴露给加压流体的面积最大，同时使接收表面190的足够面积与衬底105接合或接触，以在抛光操作期间将来自抛光头140的力矩或转动能量施加给衬底。本发明的柔性部件185的优点包括：(i)通过减小颗粒能够陷在其中的面积，从而能够降低或消除卡在接纳表面190和衬底105之间的颗粒或杂质对抛光均匀性的影响；(ii)能够降低或消除由于衬底的起皱导致的抛光中的不均匀性；以及(iii)能够降低或消除由于柔性部件185厚度的变化而引起的抛光不均匀性。下面将对柔性部件185和其中的孔195或开口进行更详细地说明。
另外，固定环170可以可转动地悬吊在位于载体155上的垫环200上，以使得它能够在抛光操作期间相对于位于副载体160上的载体105以不同的速度转动。垫环200用来在抛光操作期间向固定环170施加压力。设置可转动地设置在衬底105周围的固定环170的优点有两个方面。首先，因为衬底105和固定环170以不同的速度转动，所以在固定环的下表面205上没有一个点在抛光操作期间与衬底的边缘上的一个点锁定对应。因此，固定环170的下表面205上的高或低点在衬底边缘处的除去速率上的作用即使没有消除也将减小，从而抑制了衬底105的表面的非平面抛光。第二，因为在固定环170的下表面205上的高和低点的作用被减小了，所以该固定环的下表面205不必抛光成高平坦度，由此降低了制造该固定环的成本。此外，由于该固定环170为一种可消耗物品，随着衬底105被抛光而磨损，所以降低该固定环的成本可以大大地降低在CMP设备100的使用期限上的操作成本。下面将对旋转固定环170进行更详细的说明。
现在将参照图2以及图3至图7对柔性部件185进行说明，这些图面显示出接纳表面190和在其中的孔195的各个实施例。再参照图2，柔性部件185通常由不与衬底105和在抛光操作中所使用的化学品或化学物质(例如EPDM、EPR、硅酮或橡胶)反应的聚合物材料制成，而且在副载体160的下表面165上伸展，并且通过环形或环状边缘或角部环形件210与副载体160分开，从而形成由副载体160的下表面165、角部环形件210、柔性部件185和保持在柔性部件185的接纳表面190上的衬底105的背面所限定的下空腔215。通过与在副载体160的下表面165中的端口225连接的通道220将加压流体引入该下空腔215中。角部环形件210可以由不可压缩或基本上不可压缩的材料(例如金属、硬质聚合物材料等)制成；或者为了进一步减小边缘效应，可以由可压缩或弹性材料(例如软塑料、橡胶、硅酮等材料)制成。
参照图3，该图显示出根据本发明的一个实施例的柔性部件185的接纳表面190的平面图。在该图中显示出多个在接纳表面190上规则且对称地间隔开的孔195。如上所述，这些孔195的数目和尺寸被选定为使接纳表面190与衬底105接触的面积足以将来自抛光头140的扭矩或转动能量施加给衬底，从而使得该衬底在抛光操作期间转动。已经发现，接纳表面具有这样的表面积就能提供充分的接合，其中这些孔195的总面积大约为该表面积的50％-90％，更优选为该表面积的66％-75％。在优选的实施例中，这些孔195可以具有相对于抛光头140的转动方向倾斜的边缘，以加强该柔性部件185，从而增强在该柔性部件140和衬底105之间的接合，由此增加扭矩。例如，具有在图3中所示的形状的孔195在抛光头沿着顺时针方向转动时将提供增强的接合。
在图4至图7中显示出在柔性部件185的接纳表面190中的孔195的可选结构和图案。
图4为示意性图解说明，它显示出具有更规则地间隔开的更少、更大的孔195并且没有倾斜边缘的柔性部件185的可选实施例的平面图。图5为示意性图解说明，它显示出具有大量圆形孔195的柔性部件185的可选实施例的平面图；虽然在所示的实施例中，这些孔195全部具有相同的直径，但是要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，这些孔的尺寸和数目可以在接纳表面190上改变。图6为示意性图解说明，它显示出具有多个在圆周上围绕着柔性部件185的接纳表面190设置的人形或鱼刺形孔195的柔性部件185的另一个可选实施例的平面图。此外，虽然没有显示出，但是柔性部件185可以具有位于第一孔环内部并且与之同心的孔195的第二环。在第二环中的人形孔195可以沿着与第一环相同的方向或者沿着相反的方向指向。但是，已经发现，使这些人形孔沿着与抛光头140的转动方向相反的方向指向可以增加在柔性部件185和衬底105之间的接合，从而提供增强的扭矩。在图7中显示出该柔性部件185的另一个可选实施例的平面图。在图7中，这些孔195包括两个相对较大的开口或孔。此外，虽然显示成圆形，但是这些孔195可以具有任意规则或不规则形状，例如多边形和椭圆形，并且每个孔不必具有与其它孔相同的形状或尺寸。
参照图8，在本发明的另一个方面中，在副载体160的下表面165中的开口225中的凸起唇部230和其上具有衬底105的柔性部件185适用于在使用开口225在下空腔上抽真空时用作使开口225与下空腔215隔离的隔离阀235。在抛光操作中，在下空腔215上抽出的真空在衬底没有与抛光表面225接触时将衬底保持在接纳表面190上。例如，在抛光操作之前和之后的加载和卸载操作期间。在具有柔软插入件并且采用真空来将衬底保持在头上的现有技术的抛光头中的问题在于，所产生的插入件的变形在衬底中(尤其在其中插入件从平面到凹形形状的变形最大的衬底边缘附近)产生应力，这会导致整个衬底的损坏或损失。根据出现损耗的加工位置，半导体衬底的损耗会导致成千上万的费用损失。因此，本发明的一个优点在于，通过选择在柔性部件185和开口225的唇部230之间的隔离，从而在已经实现预定的真空时可以使该开口与下空腔215隔离。该预定的真空被选择用来提供足够的力，以将衬底105保持在接纳表面190上，同时降低柔性部件185的变形，由此降低在衬底上的应力。或者，CMP设备100还可以包括在图8中示意性地所示的真空开关240或转换器，它与开口225连接并且用来通过切换或关闭在已经实现预定真空时的状态来感测衬底105在接纳表面190上的存在。
如图8中所示，在柔性部件中的这些孔195的尺寸和位置可以如此设定，以使得与开口225相对的孔195A的直径小于该开口周围的唇部230，并且该孔的边缘密封通向衬底105的开口。该实施例的优点在于，使得真空能够直接作用在衬底105上，而且抽出并且消除在衬底和接纳表面190之间的任意气穴。或者，在另一个实施例(未示出)中，这些孔195的尺寸和位置可以如此选择，以使得该柔性部件185的基本上未断开的区域对着开口225。该实施例的优点在于，降低或消除了由于孔195和开口225的不对准而导致隔离阀235出现任意可能的故障。
在如图2和图9所示的另一个实施例中，副载体160的下表面165还包括有间隔件243，它具有一条或多条设置在开口225和下空腔215的外部之间的沟槽或导槽245，以便于排空该下空腔，并且在抛光操作期间便于将加压流体引入到下空腔中。该间隔件243可以包括通过粘合剂或机械紧固件(未示出)设置或安装在衬底160的下表面165上的隔离部件。或者，如图9中所示，这些导槽245直接机加工形成在副载体160的下表面165中，以形成间隔件243。图9为示意性图解说明，它显示出根据本发明一个实施例的具有许多对称间隔开的径向导槽245的副载体160的下表面165的平面图。在该实施例的另一个改进方案中，对柔性部件185和位于下表面165上的导槽245之间的凸起部分或平台250之间的隔离进行选择，以进一步降低柔性部件185当在下空腔215上抽真空时的变形，从而防止过度弯曲，并且进一步降低衬底上的应力。精确的隔离取决于许多因素，例如衬底105和接纳表面190的尺寸或直径。已经发现，对于直径大约为200微米的半导体衬底105而言，合适的隔离应该小于大约100微米。
现在将参照图2和图10对旋转固定环170进行说明，这些图显示出旋转固定环的不同实施例。再参照图2，该固定环170具有与衬环200的下表面260成面对关系的上表面255，并且通过轴承260与衬环隔开。该轴承260可以是球轴承、流体动态轴承、滚子轴承或锥形轴承。在图2和图10中所示的实施例中，轴承260是具有内座圈或轴承壳265、许多滚珠270和形成在固定环170中的外座圈275的滚子轴承。另外，在固定环170和副载体160之间形成有小环形空间280，从而它们能够在抛光操作期间彼此相对转动。
优选的是，固定环170还包括用于在抛光头140从抛光表面125抬起时使它与载体155连接的机构。在图2中所示的实施例中，通过位于固定环170上的第一唇部285来实现该连接，该第一唇部在抛光头140从抛光表面125抬起时与位于衬环200上的第二唇部290结合。在图10中所示的实施例中，在载体155从抛光表面125抬起时使用多个螺栓295使第一唇部285形成为与位于衬环200上的第二唇部290接合，每个螺栓具有拧进到固定环170或轴承壳265中的杆部300和具有从杆部径向向外伸出的头部305。优选的是，设有至少三个围绕着固定环170的圆周均匀间隔开的螺栓295，以将固定环牢牢地连接在衬环200上。
如上所述，旋转固定环170通过降低或消除在固定环170的下表面205上的高或低点的作用来在衬底105的表面上的材料除去速率和在衬底的平面化中提高均匀性。固定环170可以在抛光操作期间通过固定环和抛光表面125之间的摩擦力相对于副载体160转动，所述摩擦力使得固定环比由驱动机构转动的副载体160转动得更加缓慢。或者，固定环170可以通过与之连接的第二驱动机构而转动。该第二驱动机构可以是如在图10中所示一样的独立电机315，或者是与抛光头驱动机构(未示出)连接的齿轮或链条和链轮传动装置。依靠摩擦力来使固定环170转动的该实施例的优点在结构上简单且耐久。采用第二传动机构的该实施例的优点在于能够控制在保持在副载体160上的衬底105和固定环170之间的转速差异，并且能够使固定环沿着与副载体相反的方向转动。
在本发明的另一个方面中，设有具有整体分配机构320的抛光头140，用来在抛光操作期间将化学品或浆液分配到抛光表面125上。为了避免污染并提供一致的结果，浆液通常不进行再循环或回收利用。而且，因为在浆液纯度上并且尤其是悬浮在其中的磨料颗粒的尺寸上的严格要求，所以在运行传统CMP设备100的成本中的主要因素是浆液的成本。传统CMP设备100中的一个问题在于，因为浆液被分配到位于抛光头140前面的抛光表面125上，所以必须分配多余的浆液，以确保在它在抛光表面125上流动时将覆盖在衬底105和抛光表面125之间的整个区域。根据本发明的抛光头140包括沿周向设置在载体155或围绕着衬底105的固定环170中的多个开口325，从而确保了在衬底和抛光表面125之间的整个区域被覆盖，并且降低或消除了浆液的浪费。开口325的尺寸和数量被选择，以提供充分的覆盖，并且直接取决于所要抛光的衬底105的尺寸。另外，开口325的尺寸也被选择，以适应所使用的具体浆液的粘度和颗粒尺寸。例如，已经发现，为了使用粘度为1.5厘泊并且颗粒尺寸为100nm的浆液来抛光20mm衬底105，则大约2-20个直径约为3-1mm的开口就足够了。在如图11中所示的一个实施例中，该浆液从围绕着固定环170的下表面205均匀间隔开的开口325中分配出来。在如图12所示的另一个实施例中，开口325设置在位于固定环170和副载体160之间的环形空间280中。优选的是，这些开口325围绕着在固定环170和副载体160之间的环形空间280均匀地间隔开。更优选的是，该CMP设备100还包括冲洗流体供应装置330、浆液供应装置335和用来在这两个供应装置之间切换的阀门340，并且这些开口325还适用于在维护操作期间冲洗在固定环170和副载体160之间的环形空间280。
在另一个方面中，本发明涉及一种抛光表面125，它具有多个在抛光表面上不均匀地集中的凹陷或凹槽，用来控制在该衬底105的表面上的除去速率。如上所述，抛光表面125中的凹槽用来在抛光表面和设置在其上的衬底105的表面之间分配化学品或浆液。一般来说，这些凹槽可以使多个沟槽345或者是多个凹坑或凹穴350，它们不一定具有相同的尺寸，并且不一定在抛光表面125上均匀地间隔开。也就是说，这些凹槽包括具有在抛光表面上具有不均匀间隔的沟槽345或凹穴350，或者具有不均匀横断面积的沟槽345或凹穴350。
参照图13A，在其中抛光表面125为形状为圆盘形的可转动表面的一个实施例中，这些凹槽包括许多在抛光表面上不均匀间隔开的具有均匀深度和宽度的同心沟槽345。要注意的是，在图13A中以及在随后的图14、15、16和17中，因为这些凹槽345相对于抛光表面125的宽度较小，所以这些凹槽被显示为单实线。这些线用来只是图解说明凹槽345在抛光表面125上的设置，并且不应该被解释为表示这些凹槽的尺寸的信息。一般来说，如在图13B中所示一样，因为抛光表面125在这些凹槽345相距较远的区域中与衬底105接触的表面积更大，所以在该区域中的除去速率大于其它区域。因此，如由在图13A和13B中的虚线355所示一样，设置抛光头140将在衬底105的中央提供出比周期性地移动穿过具有更密集的沟槽345的区域(或位于这些沟槽之间的下表面区域)的边缘处更高的除去速率。这在加工具有多层材料例如铜层的衬底中尤其有利，因为该材料和沉积过程的特性容易具有凸形形状。对于具有如在图13A中所示一样的沟槽345的抛光表面125而言，已经发现，将这些沟槽的密度从在第一区域中的每径向线性英寸大约20条沟槽改变至在第二区域中的大约1条沟槽，这在第一区域和第二区域之间除去速率方面形成至少5％的差异，并且第一区域的除去速率低于第二区域。
图14至17显示出用于具有多个不均匀间隔开的沟槽345的抛光表面125的可选结构和图案。图14为示意性图解说明，显示出具有单个不均匀间隔开的螺旋沟槽345的抛光表面125的一个实施例的平面图。该沟槽345以这样的方式盘绕或缠绕，从而形成这样一些区域，这些区域在靠近中央的沟槽和抛光表面125的边缘之间提供具有较低表面积的区域(较低表面区域)，并在它们之间的区域中具有更高的表面积(较高表面区域)。图15为示意性图解说明，显示出具有许多不均匀间隔开的螺旋沟槽345的抛光表面125的一个实施例的平面图。此外，这些沟槽345间隔开并且缠绕，以提供这样一些区域，这些区域在靠近中央的沟槽和抛光表面125的边缘之间提供具有较低表面积的区域，并且在它们之间的区域中具有更高的表面积。图16为示意性图解说明，显示出具有许多不均匀间隔开的同心椭圆形沟槽345的抛光表面125的一个实施例的平面图。图17为示意性图解说明，显示出具有许多不均匀间隔开的平行沟槽345的线性抛光表面125的一个实施例的平面图。应该注意的是，在该实施例中，线性抛光表面125可以是固定线性表面，抛光头140在其上方移动，或者在其上方设有旋转带(未示出)。
图18至20显示出用于抛光表面125的其它可选设计和图案，其中这些凹槽之间的间隔相对均匀，并且这些凹槽的尺寸被改变，以在不同区域中提供不同的除去速率。参照图18，该图提供了具有许多均匀间隔开的沟槽345的抛光表面125的一个实施例的局部剖视图，这些凹槽具有一致的宽度和不一致的深度。在该实施例中，与衬底105接触的抛光表面125的表面积在区域之间是恒定的，并且控制除去速率差异的是由于沟槽345的不同深度而导致进入该区域的浆液的变化量。该实施例用于采用具有磨料的浆液的工艺中，并且尤其可以用在其中浆液的化学反应性是该抛光工艺的重要组成部分的工艺中。
图19为示意性图解说明，显示出根据本发明一个实施例具有多个宽度不均匀地均匀间隔开的沟槽345的抛光表面125的局部侧面剖视图。如上面一样，与衬底105接触的表面积的变化提供了除去速率的差异。图20为示意性图解说明，该图显示出根据本发明一个实施例的具有多个均匀间隔开的尺寸不均匀的凹穴350的抛光表面125的平面图。要注意的是，图20中所示的这些凹穴350的尺寸和形状只是用来进行举例说明，并且不应该被解释为对这些凹穴的尺寸或形状进行任何限制，相反这些凹穴其形状可以是规则的或不规则的，并且其尺寸可以为几分之一个毫米至几个毫米。此外，与衬底105接触的表面积变化提供了在除去速率上的差异。虽然没有显示出，但是要理解的是，在除去速率方面的变化还可以利用在抛光表面125上不均匀间隔开的尺寸均匀的凹穴350或利用具有尺寸均匀的开口并且深度变化的均匀间隔开的凹穴来实现。
现在将参照图21对根据本发明操作CMP设备100的方法进行说明。在初始或加载步骤中，将衬底105安放在柔性部件185的接纳表面190上(步骤360)。通过开口225在下空腔215上抽真空(步骤365)，直到已经实现了预定的真空并且该开口被隔离(步骤370)。可选的是，通过与开口225连接的真空开关105的切换来感测衬底105在接纳表面190上的存在(步骤375)。将衬底105设置在抛光表面225上(步骤380)，并且将加压流体引入到下空腔215中，以将衬底压靠在抛光表面125上(步骤385)。将一种化学品例如水或浆液分配到抛光表面125上(步骤390)，并且通过抛光表面中的凹槽分布在衬底105和抛光表面之间(步骤395)。这些凹槽可以是不均匀间隔开的和/或尺寸不均匀的沟槽345或凹穴350，以如上所述在抛光表面125上提供变化的除去速率。在抛光表面125和衬底105之间提供相对运动，以抛光该衬底(步骤400)。可选的是，使固定环170相对于副载体160和保持在其上的载体105以不同的速度转动，以降低或消除在固定环170的下表面205上的高或低点在除去速率上的作用(步骤405)。在抛光结束并且抛光头140、固定环170和抛光压板115的转动停止之后，在下空腔215上再次抽真空(步骤410)，直到已经实现预定的真空(步骤415)，并且该衬底105从抛光表面125上抬起(步骤420)。
以下重复本发明的一些重要的方面，以进一步强调它们的结构、功能和优点。
本发明涉及一种抛光头，用于将带有表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面上。该抛光头包括载体、由载体所承载并用于在抛光操作中保持衬底的副载体、以及围绕着副载体旋转设置的固定环。固定环具有与衬底的表面基本平齐的下表面，并与抛光表面在抛光操作中相接触。固定环能够相对于保持在副载体上的衬底而旋转，从而抑制衬底表面的非平面抛光。
在一个实施例中，副载体能够在抛光操作过程中旋转保持在其上的衬底，固定环能够按照与保持在副载体上的衬底不同的速度旋转。
在另一个实施例中，载体还包括与固定环上表面成面对关系并与固定环通过轴承而分开的垫环。垫环用于在抛光操作中向固定环施加压力。轴承可以是例如球轴承、流体动力轴承、滚动轴承或锥形轴承。优选的，固定环还包括第一唇边，当载体从抛光表面上升高时它与垫环上的第二唇边相啮合，以将固定环连接至垫环上。在该实施例的一个模式中，第一唇边包括多个螺栓，每个螺栓具有杆部分和头部分，头部分带有从杆部分径向向外突出的表面，以当载体从抛光表面上升高时它与垫环上的第二唇边相啮合。
在另一个实施例中，抛光头还包括与固定环连接的驱动机构，该驱动机构使得固定环在抛光操作过程中相对于副载体旋转。或者，固定环和抛光表面之间的摩擦力可以使得固定环在抛光操作过程中相对于副载体旋转。
本发明的抛光头特别用于抛光设备，例如CMP。通常，该设备还包括抛光表面和用于在抛光过程中将浆液分配在抛光表面上的浆液分配机构。或者，该设备具有其上带固定研磨剂的抛光表面以及用于将化学品在抛光操作中分配在抛光表面上的化学品分配机构。
在另一个方面，提供一种利用抛光设备对具有表面的衬底进行抛光的方法，该抛光设备具有抛光表面、设有副载体的载体、以及相对于副载体呈周向设置并具有下表面的固定环。该方法包括如下步骤：将衬底定位在副载体上，使得衬底的表面基本与固定环的下表面齐平；将衬底的表面和固定环的下表面压在抛光表面上，以抛光衬底的表面；以及将固定环相对于副载体旋转，以抑制对衬底表面的非平面抛光。该方法还包括在抛光操作过程中旋转保持在副载体上的衬底的步骤，以及旋转固定环的步骤，该步骤包括按照与保持在副载体上的衬底不同的速度旋转固定环的步骤。
在一个实施例中，旋转固定环的步骤涉及利用由抛光表面作用在固定环下表面上的摩擦力旋转固定环的步骤。或者，抛光设备还包括与固定环连接的驱动机构，其中旋转固定环的步骤包括操作驱动机构以旋转固定环的步骤。
在另一个方面，抛光头包括用于将固定环旋转固定在载体上的部件，从而使得旋转环相对于副载体旋转，因此抑制了对衬底的抛光。在一个实施例中，用于使得固定环旋转的部件能够将固定环按照与保持在副载体上的衬底不同的速度进行旋转。
在另一个实施例中，载体还包括与固定环的上表面成面对关系的垫环，以在抛光操作过程中向固定环施加压力，使得固定环相对于衬底旋转的部件包括将垫环与固定环分开的轴承。
在另一个实施例中，抛光头还包括与固定环连接的驱动机构，该驱动机构使得固定环在抛光操作过程中相对于保持在副载体上的衬底而旋转。或者，固定环和抛光表面之间的摩擦力可以使得固定环在抛光操作过程中相对于副载体旋转。
本发明还涉及一种用于将带有表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面上的抛光头。该抛光头包括用于在抛光操作过程中保持衬底的载体。该载体具有下表面，以及固定于载体并在整个下表面上延伸的柔性部件，在柔性部件和下表面之间设置角部环形件，以在柔性部件和下表面之间形成空腔。载体设有与下表面相通的通道，用于将加压流体引入到空腔内。该柔性部件具有用于和衬底啮合的接纳表面，从而在抛光操作过程中将衬底压在抛光表面上。柔性部件具有一定的厚度，以及多个延伸穿过该厚度通向接纳表面的孔，用于直接向衬底施加压力。优选的是，柔性部件还用于和接纳表面上的衬底密封，以使得空腔被加压。
在一个实施例中，载体还包括由该载体承载的副载体，柔性部件固定在副载体上，并在副载体的下表面上延伸。
在另一个实施例中，抛光设备还包括驱动机构，用于在抛光操作过程中驱动载体，该多个孔的数量和尺寸应当为柔性部件的接纳表面和衬底之间提供足够的摩擦力，从而为衬底赋予旋转能量。
在另一个实施例中，载体的下表面包括与通道相通的开口。该开口用于在抛光操作过程中使得加压的流体进入空腔。在该实施例一个模式中，载体的下表面还包括至少一个沟槽，用于将加压的流体分配在整个空腔内。在另一个模式中，该开口还用于对空腔抽真空，柔性部件和衬底用作阀，在已经形成预定的真空的时候将开口与空腔隔离。优选的是，该预定的真空选择为能够在抛光操作之前或之后在加载和卸载操作中将衬底保持在接纳表面上。更优选的是，抛光设备还包括与开口连接的真空开关，该预定的真空被选择为当衬底保持在接纳表面上时切换真空开关。
本发明的抛光头尤其用于抛光设备，例如CMP。通常该设备还包括抛光表面和用于在抛光过程中将浆液分配在抛光表面上的浆液分配机构。或者，该设备具有其上带固定研磨剂的抛光表面以及用于将化学品在抛光操作中分配在抛光表面上的化学品分配机构。
在另一个方面，提供一种利用抛光设备对具有表面的衬底进行抛光的方法，该抛光设备具有抛光表面、设有下表面的载体、以及延伸经过该下表面的柔性部件。柔性部件具有接纳表面和一定的厚度，以及多个延伸穿过该厚度通向接纳表面的孔。该方法包括如下步骤：将衬底定位在载体和抛光表面之间，从而该柔性部件与衬底啮合，衬底的表面靠在抛光表面上；向柔性部件施加压力，以将衬底压在抛光表面上，由此抛光衬底表面。该压力穿过孔，从而直接作用在衬底上。
在一个实施例中，载体还包括设置在柔性部件和下表面之间的角部环形件，以形成一空腔，载体的下表面具有用于将加压流体引入到空腔内的开口，向柔性部件施加压力的步骤包括使得加压流体通过该开口进入空腔。优选的是，当抛光设备还包括用于在抛光操作过程中旋转载体的驱动机构时，该方法还包括通过柔性部件向衬底提供扭矩的步骤。更优选的是，延伸穿过柔性部件的厚度的多个孔的数量和尺寸应当被选择为能够在柔性部件的接纳表面和衬底之间提供足够的摩擦力，从而在抛光操作过程中向衬底赋予旋转能量。
在一个实施例中，该开口还用于对空腔进行抽真空，该方法还包括对空腔进行抽真空的加载步骤，以将衬底保持在接纳表面上。优选的是，抽真空的加载步骤还涉及当已经达到预定的真空时利用柔性部件和衬底作为阀将开口与空腔隔离开。更优选的是，抛光设备具有与开口相连的真空开关，加载步骤涉及当已经达到预定的真空时通过切换真空开关而检测衬底在接纳表面上的存在。该方法还包括在抛光操作之后对空腔抽真空的卸载步骤，以在将载体从抛光表面上升起之前将衬底保持在接纳表面上。
在另一个方面，用于抛光衬底的抛光设备设有用于将加压流体直接施加在衬底上的部件，从而将衬底压在抛光表面上，还设有用于将旋转能量在抛光操作过程中从载体转移到衬底的部件。优选的是，用于将加压流体直接施加在衬底上的部件包括连接至载体下表面的柔性部件，在抛光操作过程中衬底保持在其上。柔性部件具有用于啮合衬底的接纳表面，它具有一定的厚度，多个孔延伸穿过该厚度通向接纳表面，用于将压力直接施加在衬底上。更优选的是，用于将旋转能量从载体转移至衬底的部件包括柔性部件的接纳表面，该多个孔的数量和尺寸应当被选择为能够在接纳表面和衬底之间提供足够的摩擦力，而向衬底赋予旋转能量。
本发明还涉及用于将带表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面上的抛光头，它具有用于在抛光操作过程中保持衬底的载体。该载体具有下表面，以及固定于该载体并在下表面上延伸的柔性部件。柔性部件具有用于啮合衬底的接纳表面。该载体设有延伸下表面的用于提供吸力的开口，以及在开口附近设置在柔性部件和下表面之间的角部环形件。柔性部件具有一定的厚度，以及延伸穿过该厚度通向接纳表面的孔，该孔基本与开口对准。柔性部件可以从第一位置移动到第二位置，其中在第一位置该柔性部件与开口附近的下表面隔开，在第二位置该柔性部件与开口周围的下表面相啮合，孔至少部分与开口对准，从而可以向开口提供吸力而在至少部分抛光操作过程中将衬底保持在接纳表面上，由此隔离物基本限制了吸力只向一部分衬底施加，因此使得衬底剩余部分上的不希望的应力是最小的。优选的是，该柔性部件用于和接纳表面上的衬底密封，以使得对空腔抽真空。
在一个实施例中，柔性部件和衬底用作阀，以在已经达到预定真空的时候将开口与空腔隔开，由此减少了柔性部件的变形以及保持在接纳表面上的衬底上的应力。在本实施例的一个模式中，隔离物具有将柔性部件与载体的下表面分开的厚度，该厚度应当被选择为当对空腔抽真空时能够进一步减少柔性部件的变形，由此减少了保持在接纳表面上的衬底上的应力。在另一个模式中，抛光设备还包括与开口相连的真空开关，当已经达到预定的真空时通过切换真空开关而检测接纳表面上衬底的存在。
在另一个实施例中，抛光设备还包括用于在抛光操作过程中旋转载体的驱动机构，孔的尺寸被选择为能在柔性部件的接纳表面和衬底中间提供足够的摩擦力，从而向衬底赋予旋转能。
在另一个实施例中，多个孔延伸穿过柔性部件的厚度通向接纳表面。在该实施例的一个模式中，载体还包括与开口相通的通道，用于在抛光操作过程中将加压流体引入到空腔内，该多个孔用于在抛光操作过程中使得加压流体直接施加至衬底通过该多个孔而将衬底压在抛光表面上。在另一个模式中，抛光设备还包括在抛光操作过程中旋转载体的驱动机构，孔的数量和尺寸被选择为能在柔性部件的接纳表面和衬底中间提供足够的摩擦力，并向衬底赋予旋转能。
在另一个方面，提供一种方法，用于利用抛光设备对带有表面的衬底进行抛光，该抛光设备具有抛光表面以及用于在抛光过程中保持衬底的载体。该载体具有其上固定了柔性部件的下表面，角部环形件设置在柔性部件和下表面之间，以在柔性部件和下表面之间形成空腔。载体的下表面设有用于对空腔抽真空的开口。柔性部件具有用于接受衬底的接纳表面。柔性部件具有一定的厚度，并有至少一个延伸穿过该厚度通向接纳表面的开口。该方法包括在接纳表面上接受衬底，对空腔抽真空以将衬底保持在载体上，以及将衬底的表面定位在抛光表面上。优选的是，对空腔抽真空的步骤包括在已经达到预定的真空时利用柔性部件和衬底作为阀将开口与空腔隔开的步骤。更优选的是，抛光设备还包括与开口相连的真空开关，该方法还包括当已经达到预定的真空时通过切换真空开关而检测在接纳表面上衬底的存在的步骤。
本发明还涉及一种用于将带表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面的抛光头。该抛光头包括带有底表面的载体。底表面包括用于在抛光操作过程中保持衬底的下表面。该载体设有多个延伸穿过下表面周围的底表面的开口，用于在操作过程中将抛光物质分配在抛光表面上。通常，该开口用于将包括研磨物质的浆液分配在抛光表面上。或者，在抛光表面上包括固定研磨剂的情况下，开孔用于在抛光操作中将水分配在抛光表面上。
在一个实施例中，开口设置在固定环内。
在另一个实施例中，载体还包括具有接纳表面的副载体，在抛光操作中衬底保持在接纳表面上，固定环关于副载体旋转设置，并通过环形隔离物与该副载体隔开。在该实施例的一个模式中，在固定环和副载体之间的环形空间内设置开口。优选的是，该开口围绕着固定环和副载体之间的环形空间均匀隔开。更优选的是，有20-30个开口。最优选的是，开口还用于在维护操作中冲洗固定环和副载体之间的环形空间。
本发明的抛光头尤其用于抛光设备，例如CMP。通常该设备还包括抛光表面和用于在抛光过程中将包括研磨材料的浆液分配在抛光表面上的开口。或者，该抛光表面其上具有固定研磨剂，开口用于将水在抛光操作中分配在抛光表面上。
在另一个方面，提供一种利用抛光设备对具有表面的衬底进行抛光的方法，该抛光设备具有抛光表面和带有用于在抛光操作过程中保持衬底的底表面的载体。该方法包括：将衬底定位在载体的下表面上，将载体压向抛光表面，从而将衬底的表面压在抛光表面上，以及将抛光物质通过载体的底表面分配在抛光表面上。
在一个实施例中，抛光表面上具有固定研磨剂，将化学品分配在抛光表面上的步骤包括将水分配在抛光表面上的步骤。或者，该化学机械抛光设备还包括浆液供给部，能够向多个开口提供浆液，将化学品分配在抛光表面上的步骤包括将浆液分配在抛光表面上的步骤。在该实施例的一个模式中，抛光设备还包括冲洗流体供给部，能够向多个开口提供冲洗流体，还包括用于在浆液供给部和冲洗流体供给部之间进行交替的阀，该方法还包括在衬底抛光之后冲洗多个开口的步骤。
在另一个方面，用于将带有表面的衬底定位在抛光设备的抛光表面上的抛光头设有用于在抛光操作过程中将化学品从抛光头分配在抛光表面上的部件。
在一个实施例中，用于将化学品从抛光头进行分配的部件包括用于将包括研磨材料的浆液分配在抛光表面上的部件。或者，抛光表面上具有固定的研磨剂，用于将化学品从抛光头进行分配的部件包括用于在抛光操作中将水分配在抛光表面上的部件。
在另一个实施例中，用于将化学品从抛光头进行分配的部件包括多个设置在固定环内的开口。优选的是，载体还包括带有接纳表面的副载体，在抛光操作中衬底保持在接纳表面上，固定环相对于副载体可旋转地设置，并通过环形空间与该副载体隔开。更优选的是，开口设置在固定环和副载体之间的环形空间内。
本发明还涉及一种用于从衬底的表面除去物质的抛光设备。该抛光设备包括抛光头和抛光表面，该抛光头用于在抛光操作过程中保持衬底，抛光表面带有多个凹槽，以在衬底和抛光表面之间有相对移动的时候在保持在抛光头上的衬底和抛光表面之间分配化学品。该多个凹槽在整个抛光表面上具有非均匀的间隔，以提供整个抛光表面上的材料去除的可变速率。在整个抛光表面上凹槽的间隔在第一区域和第二区域是不同的，从而在第一区域和在第二区域提供不同的除去速率。
在一个实施例中，该多个凹槽包括在抛光表面上沿着径向具有非均匀间隔的沟槽。在该实施例的一个模式中，沟槽具有非均匀的横截面积。优选的是，在整个抛光表面上多个凹槽的间隔在第一区域和第二区域是不同的，从而在第一区域和在第二区域提供至少5％的除去速率差异。更优选的是，与第二区域相比，沟槽的数量更集中在第一区域，第一区域提供比第二区域低的除去速率。在抛光表面上的多个沟槽的间隔从第一区域内的每线英寸20个沟槽变为第二区域内的每线英寸2个沟槽。优选的是，该沟槽具有基本均匀的深度以及基本均匀的宽度。通常，第一区域比第二区域在每英寸上具有更多的沟槽，第一区域提供比第二区域低的除去速率。沟槽可以是平行沟槽、同心圆沟槽、同心椭圆沟槽、具有在螺旋体上或者单个螺旋沟槽上的可变间距的螺旋沟槽。
或者，该凹槽可以包括在抛光表面内的多个开口空穴或凹陷。
当抛光表面上具有固定的研磨剂时，沟槽用于在抛光操作过程中在保持在抛光头上的衬底和抛光表面之间分配水。或者，凹槽用于在抛光操作过程中在保持在抛光头上的衬底和抛光表面之间分配含有研磨材料的浆液。
在另一个方面，提供一种抛光设备，用于从衬底的表面去除材料。该抛光设备包括用于在抛光过程中保持衬底的抛光头，以及其中具有多个用于在衬底和抛光表面之间有相对运动时在保持在抛光头上的衬底和抛光表面之间分配化学品的多个沟槽。该沟槽在整个抛光表面上具有非均匀的尺寸，它在第一区域和第二区域是不同的，以在抛光表面上从第一区域至第二区域提供不同的材料除去速率。
在一个实施例中，凹槽包括多个在抛光表面内的空腔，该多个空腔的深度从第一区域到第二区域是不同的，以在第一区域和第二区域之间提供除去速率的差异。
在另一个实施例中，该凹槽包括多个在抛光表面内的空腔，每个空腔具有与抛光表面平行的截面，该多个空腔的每一个的截面积从第一区域到第二区域是不同的，以在第一区域和第二区域之间提供除去速率的差异。
在另一个实施例中，该凹槽包括多个在抛光表面内的具有深度的沟槽，该多个沟槽的深度从第一区域到第二区域是不同的，以在第一区域和第二区域之间提供除去速率的差异。
在另一个实施例中，该凹槽包括多个在抛光表面内的沟槽，每个沟槽具有一定的宽度，该多个沟槽的宽度从第一区域到第二区域是不同的，以在第一区域和第二区域之间提供除去速率的差异。
在另一个方面，提供一种利用抛光设备从衬底的表面去除材料的方法，该抛光设备具有用于在抛光操作中保持衬底的抛光头，以及其中具有多个用于在衬底和抛光表面之间有相对运动时在保持在抛光头上的衬底和抛光表面之间分配化学品的多个沟槽。该沟槽在整个抛光表面上具有非均匀的间隔，从而在整个抛光表面上提供不同的材料除去速率。该方法包括：将衬底定位在抛光头上，将衬底的表面压在抛光表面上，将化学品分配在抛光表面上，在衬底和抛光表面之间提供相对运动，以从衬底的表面按照在整个抛光表面上不同的速率去除材料。
在一个实施例中，在整个抛光表面上的凹槽的间隔从第一区域到第二区域是不同的，在衬底和抛光表面之间提供相对运动，以从衬底的表面除去材料的步骤包括在第一区域和第二区域之间提供不同的除去速率。
在另一个实施例中，该凹槽包括多个具有基本相同的深度和基本相同的宽度的沟槽。
在另一个实施例中，该凹槽包括多个空腔，每个空腔具有基本相同的深度和基本相同的平行于抛光表面的截面。
在另一个实施例中，本发明提供一种利用本发明的设备制造的工件或衬底，例如半导体晶片。
在另一个实施例中，本法明提供一种利用本发明的上述任何方法或工艺制造的工件或衬底，例如半导体晶片。
可以理解，即使本发明已经在前述说明中提出了某些实施例的多个特征和优点，以及本发明各实施例的结构和功能的细节，但是这种公开仅是说明性的，可以在细节中作出变化，尤其是在本发明的原理范围内对零件的结构和设置方面进行变化。