專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體材料的層間整平裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與整平裝置有關(guān)。
本發(fā)明尤其涉及用于對(duì)半導(dǎo)體芯片宏觀平的表面進(jìn)行整平的裝置，以露出在半導(dǎo)體芯片上已經(jīng)構(gòu)成的并被芯片的宏觀平的表面所復(fù)蓋和在其下面的微觀細(xì)微結(jié)構(gòu)。
另一方面，本發(fā)明與能方便地以相同速率清除處理半導(dǎo)體芯片表面上硬材料區(qū)和軟材料區(qū)的所述類(lèi)型的半導(dǎo)體整平裝置有關(guān)。
研磨半導(dǎo)體材料的組合襯墊在本領(lǐng)域內(nèi)已眾所周知。例如可見(jiàn)杰考伯遜等人的美國(guó)專(zhuān)利3504457。該專(zhuān)利公開(kāi)了一種組合或多層的襯墊，它包括彈性的海綿聚氨脂研磨層或薄膜23，中等彈性的Corfam層20和化學(xué)惰性的較硬腈橡膠層35。在杰考伯遜組合研磨襯墊中，襯墊的彈性較好層貼近半導(dǎo)體，而較硬腈橡膠層則離被研磨的半導(dǎo)體較遠(yuǎn)些。雖然杰考伯遜襯墊之類(lèi)的彈性襯墊在研磨半導(dǎo)體材料中已被長(zhǎng)期使用和認(rèn)可，但對(duì)于有一些區(qū)域高于(低于)其他區(qū)域的半導(dǎo)體基片，或有一些區(qū)域比其他較硬區(qū)域較軟，更易研磨和整平的半導(dǎo)體表面，這種傳統(tǒng)的彈性襯墊結(jié)構(gòu)看來(lái)并不能迅速均勻地整平其宏觀或微觀扁平的半導(dǎo)體表面。尤其是，傳統(tǒng)的襯墊往往座落在高區(qū)域邊緣上或其周?chē)虼耸垢邊^(qū)域呈現(xiàn)圓墩形。在光刻工藝中半導(dǎo)體材料表面的整平和弄平尤為關(guān)鍵。在典型的光刻工藝期間，在平坦的半導(dǎo)體芯片上要涂以一層鋁、鎢、多晶硅等的金屬膜。在金屬膜上再噴涂或用其他方法涂以一層光刻膠。光刻膠對(duì)光敏感。在感光膠層上再蓋以一掩模，將光刻膠層和掩模去曝光。未被掩膜復(fù)蓋的光刻膠部分經(jīng)曝光后變硬。除去掩模。使用一種化學(xué)品清洗未被曝光，未硬化的光刻膠部分。再使用另一種化學(xué)品蝕去由于未曝光的光刻膠被刻蝕后露出的未受保護(hù)的金屬層。再使用另一種化學(xué)品除去在平的半導(dǎo)體芯片上留存的金屬線或條上的硬化的光刻膠。在除去硬化的光刻膠后，留存在平的半導(dǎo)體芯片上的金屬線或條一般的寬度約在0.3至2.0微米，最好在0.5至1.0微米范圍內(nèi)。金屬線的厚度或高度也在0.3至2.0微米，最好在0.5至1.5微米之間。再在整個(gè)扁平半導(dǎo)體芯片的金屬線上和余留的空白區(qū)域上沉積二氧化硅或其他金屬氧化物或其他絕緣材料的涂層。該金屬氧化物涂層的深度或厚度大于金屬線的高度，即大于金屬線的0.3至2.0微米的高度。研磨該金屬氧化物直至“露出”金屬線的頂面，這種金屬線的“露出”包括研磨掉金屬線頂面上所有金屬氧化物或研磨去大部分金屬氧化物，因此在金屬線上只留有一薄層金屬氧化物。金屬線可以比在金屬線之間的絕緣層有更高的硬度，在此情況下金屬線之間的絕緣涂層往往會(huì)被“磨”去，使得在整平金屬線一絕緣材料間的夾層絕緣材料期間難以形成平坦的平表面。另一方面，金屬線可以比位于金屬線中間的絕緣涂層具有較低的硬度，在此情況下當(dāng)已磨去金屬線上全部絕緣層后繼續(xù)進(jìn)行研磨工藝時(shí)，那未金屬線往往會(huì)被“磨”掉。
當(dāng)一種金屬或類(lèi)金屬材料可以被淀積在半導(dǎo)體芯片上時(shí)，清除涂覆在半導(dǎo)體芯片上材料的首要目的是將芯片表面整平或弄平，而不是使芯片表面更光滑。相反，研磨一種金屬的首要目的一般是使金屬表面光滑。在為光滑目的而研磨和為平整目的而切削之間的區(qū)別是重要的，并影響著所挑選的整平裝置的特性。在獲得光滑表面上很有效的研磨裝置，在產(chǎn)生半導(dǎo)體材料生產(chǎn)中所需的精密允差的平整表面方面卻可能是不成功的。
因此，人們極其希望提供一種改進(jìn)的整平半導(dǎo)體材料的裝置和方法，這種裝置和方法可以精確地整平由具有不同磨削特性的材料組成的半導(dǎo)體表面。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于整平材料的改進(jìn)型裝置和方法，從而在材料上產(chǎn)生平整的表面。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能在精密允差范圍內(nèi)有效地整平含有不同硬度組分的半導(dǎo)體材料表面的改進(jìn)型整平裝置和方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種由具有不同靜壓模量的材料層組成的經(jīng)改進(jìn)的復(fù)合整平襯墊。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種能使襯墊的彈性壓縮和膨脹的滯后效應(yīng)減至最小的改進(jìn)型整平襯墊。
從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員就會(huì)更明了本發(fā)明這些和其他，進(jìn)一步和特殊的目的和優(yōu)點(diǎn)。附圖中

圖1是表示具有微觀起伏的平坦表面的半導(dǎo)體材料和用以整平該半導(dǎo)體材料表面的復(fù)合研磨襯墊的一部分的側(cè)視圖;
圖2是圖1中的研磨襯墊和半導(dǎo)體材料的各部分側(cè)面剖視圖，以進(jìn)一步表示其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié);
圖3是半導(dǎo)體材料的側(cè)面剖視圖，表示通過(guò)半導(dǎo)體材料的宏觀或微觀平坦表面的中間平面;
圖4表示本發(fā)明的復(fù)合研磨襯墊在半導(dǎo)體材料芯片下面移動(dòng)時(shí)的壓縮的側(cè)面剖視圖;
圖5的圖表表示從襯墊剛開(kāi)始在半導(dǎo)體材料下面移動(dòng)時(shí)起，壓在半導(dǎo)體材料上的彈性研磨襯墊的壓力與所經(jīng)過(guò)的時(shí)間的關(guān)系;
圖6是圖1和4中的襯墊和芯片夾具的頂視圖;
圖7是表示本發(fā)明的一種可供選擇的整平襯墊的剖面圖;和圖8表示有三個(gè)活性層的整平襯墊的剖面圖。
簡(jiǎn)言之，依照本發(fā)明，我們提供整平一片材料的改進(jìn)型裝置。該片材料包括宏觀平坦的底表面，至少有一對(duì)均與底表面連接的細(xì)線，每個(gè)細(xì)線高出底表面幾乎相等的距離，細(xì)線之間相距不到500微米，而在底表面和細(xì)線上復(fù)蓋有一涂層。涂層的表面構(gòu)成宏觀平坦的工作表面。該經(jīng)改進(jìn)的整平裝置從微觀上弄平該工作面以露出此對(duì)細(xì)線，并包括研磨襯墊裝置。該研磨襯墊裝置包括一基底;與基底相連接的第一彈性材料層，該層有與基底相隔開(kāi)的外表面，并當(dāng)超過(guò)4磅/英寸2的壓力施加在第一材料層上時(shí)，該層的靜壓模量約小于250至400磅/英寸2;與至少一部分外表面相連的第二彈性材料層，該層有與外表面相隔的整平表面，并在第二層整平表面上有漿狀的磨料。該改進(jìn)的整平裝置還包括夾持工具，用于固定此片材料，以其工作面面對(duì)整平表面的方式配置;以及動(dòng)力裝置，用以相對(duì)地至少移動(dòng)襯墊裝置和夾持工具之一，使得襯墊裝置和夾持工具其中之一的移動(dòng)正好使稀磨料和整平表面接觸工作面，并整平工作面。
現(xiàn)在又返回到附圖上，為說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施，附圖描繪了本發(fā)明目前的最佳實(shí)施例，而不是作為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，諸附圖中相同參考符號(hào)表示貫穿幾個(gè)圖的相應(yīng)元件。圖1表示固定在圓柱形研磨頭24上的一片圓柱形芯片或半導(dǎo)體材料片23或其他材料片，研磨頭24有承放芯片23的宏觀平坦的圓形平底面23A的圓形支持面24A。正如在本文中所運(yùn)用的，“宏觀平坦”一詞表示對(duì)人眼看來(lái)是平的表面?！拔⒂^平坦”一詞表示表面的起伏很小，通常偏離通過(guò)該表面的中間平面約等于0.1至4.0微米。例如，圖1中對(duì)于微觀平坦底表面23B的D5距離一般約為2至3微米的數(shù)量級(jí)。正如本文所運(yùn)用的，“微觀平坦”一詞表示表面各處對(duì)通過(guò)該表面的中間平面的偏離為4微米或小于4微米。一個(gè)宏觀平坦表面可以是或可以不是微觀平坦的。
現(xiàn)參閱圖3，進(jìn)一步說(shuō)明半導(dǎo)體芯片的工作面對(duì)芯片中間平面的偏離。在圖3中，半導(dǎo)體芯片230安放在圓柱形頭24上。頭24的圓形平的支持面24A接納芯片230的宏觀平坦的圓形平底面230A。上部工作面230B是宏觀和微觀平坦的，通常平行于表面24A。在圖3中表面230B(和圖1中表面23B)的起伏不平被放大地畫(huà)出。圖3中點(diǎn)劃線15表示表面120B的中間平面。圖3中中間平面15一般是(但不必要是)平行于表面24A，垂直于該圖的紙張平面。中間平面15與表面230B相交叉，以使在中間平面15以下各點(diǎn)的距離和在中間平面15以上的各點(diǎn)距離之和為零。在平面15以下各點(diǎn)的距離看作負(fù)值，而在中間平面15以上的各點(diǎn)距離看作正值。因此，在圖3中用箭頭G表示的距離是負(fù)值，而用箭頭F表示的距離是正值。在實(shí)際應(yīng)用中，象用圖3中箭頭F和G表示的那些距離約在0.1至4.0微米范圍內(nèi)。中間平面15是完全平的。
再回到圖1，襯墊裝置19包括具有圓形平的上表面20A的圓柱形金屬底座20。彈性襯墊21的宏觀平坦平底面21A通常通過(guò)一層粘結(jié)劑粘附在表面20A上。宏觀平的上表面21B是與彈性襯墊22的宏觀平的下表面22A相貼。通常使用粘結(jié)劑互連21B和22A，不過(guò)圖8會(huì)示出另一種改進(jìn)。彈性襯墊22的上表面22B通常是宏觀平的，也可以是微觀平的。表面20A、21A、21B、22A和22B可以是任何所需形狀和尺寸。
圖2是圖1所示襯墊裝置19和半導(dǎo)體芯片23的剖面圖，進(jìn)一步表明其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。芯片23包括宏觀平的底表面35。細(xì)微結(jié)構(gòu)31、32、33、34、36和38，各與底表面35相連，并偏離底表面35以大致相等的距離伸展。細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34，各代表利用在前所述光刻工藝在底表面35上形成的金屬或其他材料的線或條。細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34，各具有從底面35向外伸出至構(gòu)成每一細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34的頂面的相對(duì)平的外表面的側(cè)面。每一細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34的側(cè)面通常垂直于底平面35。每一細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34的外表面或頂面一般平行于底平面35。構(gòu)成與底平面35相連接并從底平面35伸出的細(xì)微結(jié)構(gòu)的一種可供選擇的方法是構(gòu)成溝槽36和38。在圖2中涂層30伸展和復(fù)蓋在細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34、36、38上并復(fù)蓋底表面35?！岸选被蛏煺乖诩?xì)微結(jié)構(gòu)31至34上的涂層30高區(qū)域以不同于在細(xì)微結(jié)構(gòu)31和32、32和33等之間涂層30的低區(qū)域的速率受研磨。用箭頭T表示的涂層30的最小厚度大于每一細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34伸出底平面35的距離。由于細(xì)微結(jié)構(gòu)31和34通常具有相同的形狀和尺寸，這意味著工作面23B在所有各點(diǎn)要比細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34的上平面或頂面偏離底平面35更大的距離。每一溝槽36和38的形狀和尺寸一般是與每一細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34的形狀和尺寸相同的。自然，細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34、36和38可為任何所需形狀和尺寸。然而，當(dāng)必須整平工作面23B，以去除涂層30的足夠厚度，而僅露出細(xì)微結(jié)構(gòu)31至34的平頂面或其最外部時(shí)，本發(fā)明的整平裝置是尤為有用的。在這樣去除部分涂層30時(shí)，希望涂層30的最終表面是平的，即是整平的。也希望細(xì)線31至34的側(cè)面不暴露。而仍然被涂層30所復(fù)蓋。因此，整平表面22B并沒(méi)有沿細(xì)線31至34的側(cè)面伸展而與細(xì)線31至34相一致。然而，重要的是構(gòu)成襯墊22的材料的表面22B直接接觸工作面23，或是漿狀中間襯墊接觸表面23。為討論起見(jiàn)，圖2中在底平面35和工作面34中的起伏不平被大大地放大了。
在圖1中當(dāng)彈性襯墊22和21沿箭頭S方向壓在工作面23B上時(shí)(或相反)，襯墊22和21被壓縮。在表面23B的B點(diǎn)由襯墊22和21產(chǎn)生的力小于被壓縮的襯墊22和21在表面23B的A點(diǎn)產(chǎn)生的力。只是因?yàn)橐r墊22和21受表面23B壓縮的程度在A點(diǎn)要比在B點(diǎn)更大。同樣，在圖2中，作用在表面23B上的力F1和F2大于作用在表面23B上的力F3和F4，又是因?yàn)楫a(chǎn)生力F1和F2的襯墊部分要比產(chǎn)生力F3和F4的襯墊部分受到更大的壓縮。
適用于21和22層的材料可從Rodel公司制造的商標(biāo)為Politex、Suba、MH和IC的彈性和體積可壓縮的研磨材料中挑選。此外，層21可以使用例如用作制造潛水員水下工作服的氯丁橡膠海綿狀的傳統(tǒng)工藝制造的泡沫材料。所有這些材料很容易用本領(lǐng)域中公知的普通粘結(jié)劑粘合在一起。
在制備本發(fā)明的襯墊時(shí)，發(fā)現(xiàn)在表面21A和22B之間的粘結(jié)層在整平某些結(jié)構(gòu)時(shí)出乎意料地影響襯墊的總體性能。尤其是在整平含有在整平工藝期間容易劃傷或受損的軟元件的結(jié)構(gòu)時(shí)已作出改進(jìn)。通過(guò)使粘結(jié)層彈性小些，或者最好在層21和22之間再加一層非彈性層，層22的材料選擇可以進(jìn)一步優(yōu)化，以改善這種結(jié)構(gòu)的性能。非彈性層的存在使磨削層22可具有更大的體積可縮性和幾乎不可能引起工作面的脆弱細(xì)微結(jié)構(gòu)的損壞，而仍然獲得良好的整平效果。圖8表示這種結(jié)構(gòu)的一種襯墊，在該襯墊中層93是用于將襯墊粘到基底20所需的粘結(jié)層;層21是彈性材料，其體積的至少30%，最好為40%-70%為空隙體積;層91是一層例如聚酯、尼龍、金屬、環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂等的基本無(wú)彈性、不可壓縮材料的薄膜，其典型的硬度至少為90°肖氏硬底A;層22選為具有至少25%，最好大于35%的空隙體積。在圖8的襯墊中，層22的厚度必須至少為5密耳，最好為10至35密耳;層91的厚度至少為3密耳，最好為5至15密耳;層21可以是大于15密耳的幾乎任何厚度，30至50密耳的厚度在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合均起良好作用。在圖8的結(jié)構(gòu)中，層21和22兩者必須是體積可壓縮的。假如該材料僅是變形，而不是體積可壓縮的，工件在襯墊上移動(dòng)的動(dòng)態(tài)作用會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這要影響所需整平效果。我們已發(fā)現(xiàn)層21在10磅/英寸的負(fù)載下必須至少有5%的可壓縮率，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合10%至30%的可壓縮率是最合適的。層22要與工件相接觸，會(huì)遇到很大的局部壓縮力。它在100磅/英寸的負(fù)載下必須至少有5%的體積可壓縮率。
在圖2中，表面22B接觸工作面23B，并在工作面23B上旋轉(zhuǎn)。在表面22B上有二氧化硅、氧化鋁或其他研磨劑的水性懸濁液(漿狀)，它慢慢地磨去工作面23B上材料，并將其整平。表面22B相對(duì)于工作面23B的旋轉(zhuǎn)示于圖6中。在圖6中，圓形表面22B按箭頭W的方向旋轉(zhuǎn)。固定頭24將工作面23B壓在整平表面22B上。假如需要的話，頭24可以相對(duì)于表面22B旋轉(zhuǎn)或作其他方式的運(yùn)動(dòng)。
整平襯墊裝置19的目的是將表面23B磨至基本上微觀為平坦或平的，在表面23B的4毫米×4毫米的正方形內(nèi)，即16平方毫米面積內(nèi)總的讀數(shù)偏差(T.I.R)在±200至500埃范圍內(nèi)?？傋x數(shù)偏差200至500埃意味著在表面23B的16平方毫米面積內(nèi)表面上最低點(diǎn)和最高點(diǎn)之間有200埃的差距?？傋x數(shù)偏差200至500埃的范圍一般等同于對(duì)16平方毫米面積的中間平面有±100至250埃的偏離。而本發(fā)明的裝置已經(jīng)達(dá)到在16平方毫米面積內(nèi)200至500埃的總讀數(shù)偏差，本裝置最好用于在至少4平方毫米面積的表面23B的正方形區(qū)內(nèi)達(dá)到總讀數(shù)偏差200至500埃。希望使用本發(fā)明或經(jīng)改進(jìn)的實(shí)施例最后可達(dá)到在表面23B的20毫米×20毫米的區(qū)域內(nèi)，即400平方毫米面積內(nèi)總讀數(shù)偏差為200至500埃。
在整平涂層30時(shí)遇到的問(wèn)題是因?yàn)榧?xì)微結(jié)構(gòu)31至34往往與涂層30的材料具有不同的硬度或磨削特性。假如，例如涂層30比細(xì)線31和32更易于被磨掉，在細(xì)線31和32中間的涂層區(qū)就易于被磨去，并在細(xì)線31和32中間形成凹陷部。
本發(fā)明的整平裝置能盡可能減小或防止半導(dǎo)體材料表面上較軟材料的過(guò)多磨損。例如，在高細(xì)線31和34之間的距離是500至600微米或小些，細(xì)線31和32是金屬線，涂層30是比細(xì)線31和32較硬或較軟，或與細(xì)線31和32有同樣硬度的絕緣金屬氧化物或其他材料，本發(fā)明的裝置通常獲得的沿細(xì)線31和32外頂面之間伸展的平整表面在200至300埃范圍內(nèi)。
在理解本發(fā)明時(shí)一個(gè)重要區(qū)別是硬度、彈性、剛性等這組術(shù)語(yǔ)和體積可壓縮性那組術(shù)語(yǔ)之間的區(qū)別。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)關(guān)注到研磨襯墊的硬度、彈性等特性，但這些術(shù)語(yǔ)常常用于反映材料對(duì)彎曲形變的抵抗能力或在這種變形后的恢復(fù)能力，正是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)只關(guān)注襯墊與半導(dǎo)體工作面的不均勻性相一致，而不是集中注意整平效果。例如一塊實(shí)心的軟橡膠可以稱(chēng)為“不硬”或“剛性的”。這些術(shù)語(yǔ)描述襯墊形狀變化的容易程度(形變模量)，盡管襯墊體積并沒(méi)有變化。在本發(fā)明中，層21和22必須表現(xiàn)為體積的變化，而不僅僅形狀的變化?！翱蓧嚎s率”當(dāng)用在本發(fā)明中是指體積上的變化，用體積變形來(lái)表示。
在本發(fā)明的實(shí)施中，彈性層22在4磅/英寸2至20磅/英寸2范圍的壓強(qiáng)作用下，它具有靜壓模量K，其范圍為每磅/英寸2壓強(qiáng)400至5000磅/英寸2(假定該層的厚度與層22直徑比較是很小)。例如，假如4磅/英寸2的壓力作用在層22上，那未層22的靜壓模量K在1600至2000磅/英寸2的范圍。假如20磅/英寸2的壓力作用在層22上，那未層22的靜壓模量K在8000至100000磅/英寸2的范圍內(nèi)。當(dāng)4磅/英寸2至20磅/英寸2范圍的某壓力作用在層21上時(shí)，彈性層21具有的靜壓模量大于每磅/英寸2壓強(qiáng)的100磅/英寸2。當(dāng)4磅/英寸2至20磅/英寸2范圍的壓力作用在層21上時(shí)。層21的靜壓模量目前最好在每磅/英寸2壓強(qiáng)的100至250磅/英寸2范圍內(nèi)，例如，假如10磅/英寸2的壓強(qiáng)作用在層21上，那么層21的靜壓模量為1000至2500磅/英寸2范圍內(nèi)。靜壓模量K量度在靜壓強(qiáng)P作用下若形狀未變時(shí)對(duì)體積變化的抵抗能力，靜壓模量K＝PV/△V，式中P是作用在層上的靜壓強(qiáng)(假定該層初始未受壓強(qiáng))，而△V/V是體積變形。層21的靜壓模量小，使層21能彈性變形。層22的高靜壓模量有助于防止磨掉工作面23B上例如細(xì)線31和32之間的軟材料。層22的較高靜壓模量K加速其對(duì)例如細(xì)線31和32之間區(qū)域的搭接和平整。層22有效地跨接圖2中箭頭E所示的分隔高達(dá)500至600微米左右的相隔一定距離的區(qū)域。尿脘泡沫和其他類(lèi)型的泡沫或彈性材料可用在本發(fā)明的實(shí)施中，只要能獲得所需靜壓模量值。
至于獲得本發(fā)明的襯墊成分方面，重要的是要判明磨削的那種材料的特性和在研磨襯墊中所使用的材料的特性。首先，研磨涂層30的工作面的首要目的是整平。這與許多拋光操作所共有的以光滑為首要目的正相反。其次，本發(fā)明的整平裝置設(shè)計(jì)成同時(shí)接觸一片材料的宏觀或微觀平表面上所有或大多數(shù)點(diǎn)，以研磨和整平該表面。這種類(lèi)型的材料磨削與拋光一片材料的有限區(qū)域，因此構(gòu)成點(diǎn)接觸類(lèi)型的材料清除操作是可區(qū)分的。第三，本發(fā)明的組合研磨襯墊的關(guān)鍵特性是在襯墊中所使用的彈性材料層的靜壓模量K。在圖6中，在襯墊22的每一轉(zhuǎn)期間，襯墊22沿路徑P1的那部分受芯片23壓縮的時(shí)間長(zhǎng)于襯墊22沿路徑P2那部分受壓縮的時(shí)間。然而，不論襯墊22沿路徑P1還是P2，在芯片23下壓縮襯墊21和22(見(jiàn)圖2和3)所需要的時(shí)間是大體相同的。這在圖4中給出更具體的圖示說(shuō)明，圖中壓縮構(gòu)成襯墊裝置19的彈性襯墊所需要的時(shí)間是用襯墊21和22移動(dòng)距離D4所需要時(shí)間來(lái)表示。在整平表面22b接觸芯片23的圓邊緣50，并按箭頭D4所示在芯片23下面移動(dòng)該距離D4以后，襯墊裝置19的表面按箭頭所示被壓縮距離D3。表面22B被壓縮距離D3的典型時(shí)間是在0.001至0.003秒范圍內(nèi)，典型的約為0.002秒。然后這樣一個(gè)時(shí)間可為短至大約0，0003秒。D3距離一般等于約70微米。在0.002秒內(nèi)壓縮70微米大約轉(zhuǎn)換到壓縮速率約為每秒1英寸。要具有移動(dòng)或壓縮速率，一片材料的硬度越大，則壓縮該材料需要的力也就越大。圖5中曲線反映了這種現(xiàn)象。在圖5中時(shí)間為0秒時(shí)，點(diǎn)60正好位于芯片23的外邊緣，并開(kāi)始移動(dòng)到芯片23的工作面23B下面。在圖5中時(shí)間等于0.002秒時(shí)，襯墊裝置19上的點(diǎn)60已經(jīng)在芯片23下面移動(dòng)了D4距離和彈性襯墊21和22已經(jīng)被壓縮按箭頭所示的距離D3。此時(shí)，點(diǎn)60已經(jīng)在芯片23下移動(dòng)了距離D4，襯墊裝置19作用在芯片23上的力正如我們所推理的為由圖5中用點(diǎn)61表示的最大值，當(dāng)襯墊裝置19上的點(diǎn)60繼續(xù)在芯片下移動(dòng)時(shí)，由壓縮的襯墊21和22對(duì)芯片23產(chǎn)生的力逐漸減小，直至襯墊裝置19上點(diǎn)60已經(jīng)在芯片下達(dá)0.1秒為止，襯墊裝置19對(duì)芯片23在點(diǎn)60處產(chǎn)生的力在圖5中用點(diǎn)62表示。襯墊裝置19對(duì)芯片23產(chǎn)生的力，隨著襯墊21和22的壓縮速率的增大而增加，這降低了對(duì)使用具有低靜壓模量的彈性材料的要求。另一方面，低靜壓模量是所希望的，因?yàn)樗鰪?qiáng)了襯墊21快速反應(yīng)和適應(yīng)芯片23的工作面23B的起伏不平的能力，同時(shí)在芯片23上保持更均勻的壓強(qiáng)。
與用泡沫或其他材料制造的彈性襯墊有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是滯變。滯變就是襯墊在壓縮壓強(qiáng)從襯墊上撤去后未完全彈性膨脹到其原先的形狀。
為了最大限度地減小滯變問(wèn)題和使彈性襯墊材料壓縮速率增加時(shí)伴隨產(chǎn)生的力的增加程度減至最小，我們已經(jīng)發(fā)明圖7所示的組合襯墊。該襯墊有彈性泡沫材料22，其靜壓模量遠(yuǎn)比位于襯墊22下面的大量充氣泡構(gòu)成的“襯墊”的靜壓模量小得多。空氣、氮?dú)饣蛉魏纹渌铓怏w可以被充入每個(gè)彈性泡70中。泡70可以相互連通或相分隔和相互堆積?？梢允褂靡粋€(gè)或多個(gè)泡70。每個(gè)泡70將容納其中的該氣體或其他流體加以完全密封。必要時(shí)，可將第一個(gè)彈性泡70與相鄰的第二個(gè)彈性泡連通，以使這種連通容許氣體在氣泡之間流動(dòng)同時(shí)沒(méi)有一個(gè)泡將氣體完全密封在其內(nèi)。因此當(dāng)?shù)谝粋€(gè)泡被壓時(shí)，必然會(huì)迫使氣體從第一個(gè)泡進(jìn)入第二個(gè)泡、泡70中氣體使得隨著壓縮速率的增加所導(dǎo)致的力的增加減至最小，也使滯變效應(yīng)減至最小。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解到的泡70可以從圓柱形容器71中取出，容器71充有氣體，而襯墊22可象活塞一樣在容器71的上部密封地滑動(dòng)接合，使得當(dāng)襯墊22沿箭頭X方向被壓下時(shí)，容器71中氣體被壓縮，迫使襯墊表面22B與總體起伏不平的芯片表面大體上相一致。
至此已說(shuō)明本發(fā)明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明，并已對(duì)本發(fā)明目前最佳實(shí)施例給予認(rèn)定。
權(quán)利要求
1.用于整平片材的裝置，該材料包括宏觀平坦底表面，至少有一對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)，該對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)各與所述底表面連接，各有與所述底表面隔開(kāi)的外表面，各從所述底表面伸出一個(gè)基本相等的距離，并相互間隔距離小于500微米，在所述細(xì)微結(jié)構(gòu)和所述底表面上復(fù)蓋和延伸一涂層，所述涂層的構(gòu)成工作面的外表面是宏觀平坦的，所述裝置包括(a)整平襯墊裝置，該襯墊裝置包括(i)一個(gè)基底，(ii)第一彈性材料層，它與所述基底連接，并有與所述基底相隔開(kāi)的外表面，當(dāng)所選的4磅/英寸2至20磅/英寸2范圍內(nèi)的某壓強(qiáng)作用在所述第一層上時(shí)，該層的靜壓模量對(duì)于每磅/英寸2壓強(qiáng)為小于250磅/英寸2，(iii)第二彈性材料層，它與至少一部分所述外表面連接，它有與所述外表面相隔開(kāi)的整平表面，用以接觸和研磨所述涂層，從而露出所述上表面，并當(dāng)所述所選的壓強(qiáng)作用在所述第二層上時(shí)，該層的靜壓模量大于所述第一層的靜壓模量，和(iv)在所述第二層的所述整平表面上有液體漿狀的研磨料；(b)夾持裝置，用以?shī)A持所述片材，使其所述工作面面對(duì)并接觸構(gòu)成下列一對(duì)中的至少一個(gè)(i)所述整平表面，和(ii)所述漿狀研磨料；和(c)動(dòng)力裝置，用以使所述整平襯墊裝置和所述夾持裝置的至少其中一個(gè)相對(duì)于所述襯墊裝置和所述夾持裝置的另一個(gè)移動(dòng)，使得所述襯墊裝置和所述夾持裝置的所述一個(gè)的移動(dòng)導(dǎo)致所述研磨料和所述整平表面接觸并研磨所述工作面；所述整平表面至少微觀上整平所述工作面，以暴露所述細(xì)微結(jié)構(gòu)的所述外表面，使得所述工作面和所述外表面總體來(lái)說(shuō)達(dá)到微觀平坦和共平面的，所述外表面每個(gè)終止于和貼近于所述工作面。
2.權(quán)利要求1的所述裝置，其特征在于(a)每個(gè)所述細(xì)微結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)從所述底表面向外延伸的并終止于所述外表面的側(cè)面;(b)所述涂層;(ⅰ)在用所述襯墊裝置整平所述底表面以前，復(fù)蓋所述側(cè)面和在其上延伸，(ⅱ)在所述底表面被整平并露出所述外表面以后，復(fù)蓋所述側(cè)面和在其上延伸，和(ⅲ)具有大于所述細(xì)微結(jié)構(gòu)從所述底表面伸出的所述距離的最小厚度。
3.權(quán)利要求2的所述裝置，其特征在于所述細(xì)微結(jié)構(gòu)從所述底表面伸出的所述距離在0.3至2.0微米的范圍內(nèi)。
4.權(quán)利要求3的所述裝置，其特征在于所述材料是半導(dǎo)體材料，所述細(xì)微結(jié)構(gòu)各具有0.3至2.0微米范圍內(nèi)的一寬度。
5.一種用于整平裝置的研磨襯墊，所述襯墊包括(a)一種第一彈性基底材料層，該材料的靜壓模量為當(dāng)大約4磅/英寸2至20磅/英寸2范圍內(nèi)的所選壓強(qiáng)作用在所述第一層材料上時(shí)，對(duì)于每磅/英寸2壓強(qiáng)小于約250磅/英寸2;和(b)第二整平層，該層的靜壓模量為當(dāng)所述所選壓強(qiáng)作用在所述第二材料層上時(shí)，對(duì)于每磅/英寸2壓強(qiáng)大于約400磅/英寸2;所述襯墊可以被固定在所述整平裝置上，單獨(dú)或與磨料一起起作用，以整平工件的工作面。
6.權(quán)利要求5的研磨襯墊，其特征在于所述第二層有具有整平表面的材料組成，該整平表面至少與下列一對(duì)中的一個(gè)相接觸，該一對(duì)包括(a)所述工作面，和(b)當(dāng)所述襯墊配合所述研磨料一起使用時(shí)的所述研磨料。
7.用于整平一片材料的工作面的裝置，所述工作面是宏觀平坦的和微觀平坦的，因此所述工作面在所有各點(diǎn)對(duì)通過(guò)所述工作面的中間平面的偏移量小于約4微米，所述裝置包括(a)整平襯墊裝置，包括(ⅰ)一基底，(ⅱ)第一彈性材料層，它與所述基底連接和具有與所述基底相隔開(kāi)的外表面，并當(dāng)所選的大于約4磅/英寸2的壓強(qiáng)作用在所述第一層材料上時(shí)，該層的靜壓模量對(duì)每磅/英寸2壓強(qiáng)小于250磅/英寸2，(ⅲ)第二彈性材料層，它至少與所述外表面的一部分連接，有與所述外表面相隔開(kāi)的整平表面，并當(dāng)所述所選壓強(qiáng)作用在所述第二層材料上時(shí)，該層的靜壓模量大于所述第一層的靜壓模量，和(ⅳ)在所述第二層的所述整平表面上的漿狀研磨料;(b)夾持裝置，用于夾持所述片材，使其所述工作面面對(duì)和接觸下列一對(duì)中至少一個(gè)，該對(duì)為(ⅰ)所述整平表面，和(ⅱ)所述漿狀研磨料;(c)動(dòng)力裝置，用以使所述襯墊裝置和所述夾持裝置至少其中一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)移動(dòng)，使得所述襯墊裝置和所述夾持裝置所述其中一個(gè)的移動(dòng)導(dǎo)致所述研磨料和所述整平表面接觸和研磨所述工作面。
8.權(quán)利要求7的裝置，其特征在于所述第一和第二面積的總組合面積小于16平方毫米。
9.一種用于整平裝置的研磨襯墊，它包括(a)一層彈性基底材料，至少為0.015英寸厚，至少有30%的體積為空隙所占據(jù)，因此該基底材料是體積可壓縮的，并在10磅/英寸2的負(fù)載下至少壓縮5%，(b)一中間層，至少0.003英寸厚，基本上為體積不可壓縮的，(c)頂面的整平層，至少0.005英寸厚，至少25%的體積為空隙所占據(jù)，使得該整平層是體積可壓縮的，并在100磅/英寸2的負(fù)載下至少壓縮5%，所述研磨襯墊能安裝在適合的整平裝置上，并能單獨(dú)運(yùn)用或與研磨料一起運(yùn)用，來(lái)獲得工件的平整表面。
10.權(quán)利要求8的研磨襯墊，其特征在于頂面的整平層的至少某些空隙是由加入的充氣微型球形成的。
11.權(quán)利要求9的研磨襯墊，其特征在于彈性基底層的至少某些空隙是由加入的充氣微型球形成的。
12.一種用于整平裝置的研磨襯墊，該襯墊包括(a)一層彈性基底材料，至少0.015英寸厚，至少其體積的30%由空隙構(gòu)成，以使該基底材料是體積可壓縮的，并在10磅/英寸2的負(fù)載下至少壓縮5%;和(b)頂面的整平層，至少為0.005英寸厚，至少其體積的25%由空隙構(gòu)成，以使該整平層是體積可壓縮的并在100磅/英寸2的負(fù)載下至少壓縮5%;所述研磨襯墊能安裝在適合的整平裝置上，通過(guò)單獨(dú)或與研磨漿料結(jié)合使用，以獲得工件的平整表面。
全文摘要
一種用于整平半導(dǎo)體芯片表面的襯墊。該襯墊包括至少二層。一層襯墊的靜壓模量與另一層襯墊的靜壓模量是不相同的。
文檔編號(hào)B24D13/14GK1076152SQ9310144
公開(kāi)日1993年9月15日 申請(qǐng)日期1993年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月31日
發(fā)明者T·C·海德, J·V·H·羅伯特斯 申請(qǐng)人:韋斯特克系統(tǒng)有限公司, 羅德?tīng)栍邢薰?br>