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CN1274949A - 在半导体晶片化学机械抛光时输送抛光液的系统 - Google Patents

在半导体晶片化学机械抛光时输送抛光液的系统 Download PDF

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CN1274949A
CN1274949A CN00117632A CN00117632A CN1274949A CN 1274949 A CN1274949 A CN 1274949A CN 00117632 A CN00117632 A CN 00117632A CN 00117632 A CN00117632 A CN 00117632A CN 1274949 A CN1274949 A CN 1274949A
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CN
China
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polishing fluid
wafer
axostylus axostyle
slide rack
clasp
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CN00117632A
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S·潘迪
F·F·亚明
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Infenion Tech North America Corp
International Business Machines Corp
Original Assignee
Infenion Tech North America Corp
International Business Machines Corp
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Abstract

提供了一个半导体晶片化学机械抛光的系统,它使转动平台上的抛光板与置于转动和振动着的扣环孔中的半导体晶片作周期性相对运动,环圈表面和晶片与抛光板保持摩擦接触。通过环圈表面中的多个沿圆周间隔开的管道,将CMP液输送到邻近抛光板的晶片周边。载片架含有热交换器以使抛光液加热或冷却。在晶片、扣环、载片架和轴杆一起转动和振动时,分别将抛光液送至扣环的管道中,将温度调节液送至热交换器,将加压流体送至扣环孔中的晶片背侧。

Description

在半导体晶片化学机械抛光时输送抛光液的系统
本发明是关于在对半导体晶片(如硅片)化学机械抛光(CMP)时输送抛光液的系统，包括方法和设备。特别是关于这样的一个系统，它在抛光表面做周期性相对运动时向抛光表面附近的晶片表面周围输送抛光液，尤其是同时晶片附近抛光液的温度也可调节。
这里所用的“半导体晶片”一词的意思是用于集成电路或其他有关电路结构的微电子器件、衬底、芯片或类似物，如硅片，进行化学机械抛光以在晶片整个表面上实现平面化。
在晶片衬底或芯片上，如硅片上，制作半导体微电子器件和类似物以形成集成电路(IC)等时，要按选定的顺序淀积各种金属层和绝缘层。为在衬底可用的区域内最大限度地集成元器件以在同一区域内置入更多的元件，就要进一步实现IC的小型化。减小间距尺寸使元件更密集是今天超大规模集成电路(VLSI)的需要，例如亚微米(小于1微米，即1,000纳米或10,000埃)尺寸。
一种用于半导体晶片集成电路制造的湿法化学工艺是关于晶片表面的化学机械抛光(CMP)的，这是在晶片对抛光板作周期性相对运动时，用含有精细筛选磨料颗粒的腐蚀性浆液作抛光液，例如含胶质二氧化硅的氢氧化钾(KOH)水溶液。例如，借助于化学腐蚀和机械研磨除去一薄层材料，如1微米或更少，使得晶片的表面变平整。要用CMP重复地得到均匀的材料清除速率必须严格控制抛光液的流速、温度和pH值。
常规的CMP工艺是由转台上方静止的管道将抛光液滴到转台(平台)的抛光板上，平台绕其固定轴转动，晶片与携带它的扣环一起在相对于平台做转动和振动时，与平台保持摩擦接触。晶片被置于扣环的中孔内，因而扣环也与抛光板形成摩擦接触。在晶片转动和振动时随着晶片位置的改变，抛光液输送管与晶片总有一个很小的间隙。
因此，晶片的不同部分遇到的输送来的抛光液滴有着不同的受热经历。这依赖于晶片的转动与振动相对位置的距离的不断变化，特别是振动的前沿和后沿以及由静止的输送管送到转动平台上的抛光液滴离心向外甩出的位置。所以，晶片局部抛光位置的工作温度是不均匀的，导致了CMP操作的不均匀。
再者，抛光板上的一些抛光液被环绕着晶片的扣环推出平台，因为扣环也与抛光板保持摩擦接触且在某些情况下扣环是在正的机械压力作用下。抛光液的不断损耗增加了运转成本。由于晶片是被圈住的，扣环也阻止抛光液流到待抛光的晶片表面的中间部分。这就引起了中间与边缘的不均匀，进而降低了CMP操作的均匀性
在需要加热抛光液的工艺中，如多晶硅的CMP，须使用单独的加热模块向输送管提供热抛光液，这就要占用昂贵的晶片面积(模块足印)。
以前工艺的上述缺点，使待抛光的晶片表面的不同部分因接触到的抛光液的量和温度不同而引起晶片材料局部清除速率的不一致。这就减小了片内的均匀程度。抛光液的耗费也增加了消耗速率和成本。
因此，希望有一个系统，包括方法和设备，能够在抛光液的温度、抛光液输送的流速和向晶片所有部分就地供给抛光液的均匀、可重复的条件下完成半导体晶片的CMP操作，而不管晶片对抛光板相对运动的位置如何，并任选地可在邻近晶片处选择调节抛光液温度的均匀、可重复的条件下完成半导体晶片的CMP操作。
本发明提供的系统，包括方法和设备，可避免前述的缺点，它能够在抛光液的温度、抛光液输送的流速和不管晶片对抛光板相对运动的位置如何而向晶片所有部分就地供给抛光液的条件下均匀、可重复地完成半导体晶片，如硅片，的CMP操作，并任选地可在邻近晶片处选择调节抛光液温度均匀、可重复地完成半导体晶片的CMP操作。
本发明的系统使待抛光晶片的不同部分的局部材料清除速率的变化减至最小，因为CMP操作限制了与待抛光晶片表面接触的抛光液的量和温度的变化。这就改善了，即增加了，所得到的片内均匀性。抛光液的浪费得以避免，使得其消耗和成本都减至最小。
而且，不需要独立的抛光液加热单元，因而节省了占地面积。
本发明的第一方面是提供了一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光CMP的方法。这个方法包括使一个实质上平整的抛光表面，在与半导体晶片表面保持摩擦接触时作周期性相对运动，在邻近抛光表面的晶片表面周边输送化学机械抛光液。抛光液的输送是通过多个沿圆周间隔开的点来实现的，这些点在周期性相对运动时与晶片表面周边保持固定关系。
抛光液可以是包含经过精细筛选的磨料颗粒的腐蚀性水溶液，如含胶质二氧化硅的氢氧化钾(KOH)水溶液。
在典型情况下，输送的抛光液温度为15-50℃，晶片表面在2-8磅/英寸2(psi)的机械压力下与抛光表面保持摩擦接触，并在周期性相对运动时与抛光表面保持固定关系。更明确地讲，是在2-8psi的机械压力下使晶片表面与抛光表面保持摩擦接触，并在周期性相对运动期间保持固定关系的条件下，调节对抛光液的加热使邻近晶片表面处的抛光液升高到选定的温度，如25-50℃。
特别是，抛光表面由转动平台构成，先选定平台绕自身轴线的转速，如25-100转/分(rpm)。与之相协调，选定晶片的转速，如25-100转/分，晶片是在比平台转速高或低5转/分的范围内绕自身轴线转动，其轴线与平台轴线分开且基本上是平行的。晶片也相对于平台轴线以选定的频率和幅度做振动，如频率为3-8周/分(cpm)，幅度为10-30mm。
还有一个优点是，晶片被环绕地置于扣环中。扣环的环圈表面环绕着晶片表面周边，并实质上与晶片表面保持平齐的共面关系一起转动和振动。抛光液由环上沿圆周间隔开的多个固定点输送到晶片表面周边。
作为一个具体实施方案，这个方法包括以下内容：使具有平整的抛光表面的平台与半导体晶片通过使平台相对于平台轴线以选定的第一转速旋转和使晶片以绕自身轴线的第二转速旋转而做周期性相对运动，晶片的轴线与平台轴线是分开的且基本上是平行的，同时以选定的频率和幅度相对于平台轴线振动晶片并使晶片表面与抛光表面保持摩擦接触。同时，在作周期性相对运动时，化学机械抛光液经由沿圆周间隔开的多个点输送到邻近抛光表面的晶片表面周边，这些点与晶片表面周边保持固定关系。
晶片表面典型地沿径向相对于平台轴线作振动，即晶片轴线移向和离开平台轴线。
有利的是，晶片置于扣环中被环圈表面环绕着，环圈表面基本上与晶片表面保持平齐的共面关系以便一起转动和振动。因此，抛光液可经由环圈上的多个沿圆周间隔开的固定点输送到晶片表面周边。
这个方法最好还包括在作周期性相对运动时选择调节在晶片表面附近并与晶片表面保持固定关系的抛光液的温度，这种调节在扣环附近进行。这种调节可包括在作周期性相对运动时，在晶片表面附近加热与晶片表面保持固定关系的抛光液使之升高至选定的温度，如25-50℃。加热是在扣环附近实现的，特别是当晶片表面在2-8psi的机械压力下与抛光表面保持摩擦接触时。
按照本发明的第二方面，提供了有表面周边的半导体晶片表面CMP的设备。
这个设备包含一个扣环，它有一个中孔和环绕着中孔的环圈，环圈表面上有多个沿圆周间隔开的管道。环孔可放置待抛光的晶片，使环与晶片一起运动，这样晶片表面与环绕着它的环圈表面实质上保持平齐的共面关系。环圈表面的管道用以分别输送CMP液到相应的晶片表面周边附近的位置。
扣环典型地由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成。
按照其优选的特点，设备包含了与所说的扣环和环圈表面管道相连的载片架。安装的载片架与平整的抛光表面作周期性相对运动，它具有上部、确定底部的下部和由上部通到下部的抛光液管道。扣环装在载片架的底部以便与其一起运动，环圈管道被安排得与载片架中的抛光液管道连通。
此设备最好还在载片架中含有温度调节装置，以选择调节抛光液管道中抛光液的温度。温度调节装置希望包含热交换器、由载片架上部到热交换器的温度调节液流入管道和由热交换器到载片架上部的温度调节液流出管道。调节液的流入和流出管道用来通过温度调节液的流动与抛光液管道中的抛光液流间接换热来实现温度调节。
按照另一个优选的特点，设备包含了与所说的载片架、扣环和环圈表面管道相连的轴杆。安装的轴杆与平整的抛光表面作周期性相对运动，它具有上端、下端和由上端通到下端的抛光液通道。载片架装在轴杆的下部以便一起运动，其上部与轴杆下端相接，其中的抛光液管道与轴杆的抛光液通道连通。
关于特定的热交换器的一个示例，设备包含了轴杆及与所说的扣环和环圈表面管道相连的具体结构的载片架。
安装的轴杆与平整的抛光表面作周期性相对运动，它具有上端、下端、抛光液通道、温度调节液流入通道、温度调节液流出通道，这些通道每个都是由轴杆的上端通到下端。
载片架装在轴杆的下端以便一起运动，它具有与轴杆的下端相接的上部、确定底部的下部和热交换器。抛光液管道由载片架上部穿过热交换器而达载片架下部，并与轴杆的抛光液通道连通。温度调节液流入管道由载片架上部通到热交换器，并与轴杆的调节液流入通道连通。温度调节液流出管道由热交换器通到载片架上部，并与轴杆的调节液流出通道连通。
热交换器用以使温度调节液经过调节液流入通道和调节液流入管道流入，再转过来经过调节液流出管道和调节液流出通道流出，以与抛光液管道中的抛光液间接换热，从而选择调节载片架中抛光液的温度。
扣环装在载片架底部以便一起运动，环圈表面管道则安排得与载片架的抛光液管道连通。
设备还可包含：加压流体通道，它由轴杆上端通到下端；加压流体管道，由载片架上部通到下部并与轴杆的加压流体通道和扣环中孔限定的载片架底部是流体连通的。加压流体通道和加压流体管道用于输送加压流体，如压缩空气，到扣环中孔内限定的邻近的半导体晶片部分，以使晶片与扣环的环圈表面基本上保持平齐的共面关系。
根据另一个优选的特点，设备包含有一个圆形平台及一个与所说的轴杆、载片架、扣环和环圈表面管道相连的支撑梁。安装的圆形平台可绕平台轴线转动，它具有平整的抛光表面，支撑梁被安排得沿移向和离开平台轴线的方向作振动，轴杆可旋转地装在它的顶端以使轴杆绕自身轴线转动，轴杆的轴线与平台轴线分开并与之平行。载片架装在轴杆的下端以便一起运动，其上部与轴杆下端相接，它的抛光液管道与轴杆的抛光液通道流体连通。
扣环装在载片架底部以便一起运动，环圈表面管道被安排得与载片架的抛光液管道连通。
支撑梁可被调节，使得在晶片和扣环相对于平台作周期性相对运动时，即在平台转动及晶片和扣环一起转动和振动时，扣环的环圈表面与平台的抛光表面保持摩擦接触以对扣环孔中的半导体晶片表面作CMP。
设备还包含有流体连接管，以在轴杆转动和振动时将抛光液由不转动的抛光液源送到轴杆的抛光液通道中。
设备还可包含由轴杆上端通到下端的所说的加压流体通道，和由载片架上部通到下部的所说的加压流体管道，它与轴杆的加压流体通道以及扣环孔限定的载片架底部流体连通。在这种情况下还备有流体连接管，以便在轴杆转动和振动时由各自的不转动的液源分别向轴杆的抛光液通道输送抛光液，和向轴杆的加压流体通道输送加压流体。
按照一个总体的示例，设备包含有特定结构的圆形平台、支撑梁、载片架、扣环和环圈表面管道。
安装的圆形平台可绕平台轴线转动，它具有平整的抛光表面。轴杆有上端、下端、抛光液通道、温度调节液流入通道和温度调节液流出通道，每个所说的通道都从轴杆的上端通到下端。支撑梁被安排得沿移向和离开平台轴线的方向作振动，轴杆可旋转地装在它的顶端以使轴杆绕自身轴线转动，轴杆的轴线与平台轴线分开并与之平行。载片架装在轴杆的下端以便一起运动。
载片架具有：与轴杆下端相接的上部；确定了底部的下部；热交换器；由载片架上部穿过热交换器到载片架下部的抛光液管道，它与轴杆的抛光液通道流体连通；由载片架上部到热交换器的温度调节液流入管道，它与轴杆的温度调节液流入通道流体连通；以及由热交换器到载片架上部的温度调节液流出管道，它与轴杆的温度调节液流出通道连通。
热交换器用以使温度调节液经过调节液流入通道、调节液流入管道流入，转而再经过调节液流出管道和调节液流出通道流出，使之与抛光液管道中的抛光液间接换热，从而选择调节载片架中抛光液的温度。
扣环装在载片架的底部以便一起运动，它有中孔和环绕着孔的环圈表面。待抛光的半导体晶片被置于孔中，以便一起运动，这样，晶片表面被环圈表面环绕着并与环圈表面基本上保持平齐共面关系。
环圈表面中的多个沿圆周间隔开的管道用于分别输送抛光液至晶片表面的相应邻近部分，这些管道是与载片架的抛光液管道连通的。
支撑梁可被调节，使得在晶片和扣环相对于平台作周期性相对运动时，即在平台转动及晶片和扣环一起转动和振动时，扣环的环圈表面与平台的抛光表面保持摩擦接触以对扣环孔中的半导体晶片表面作CMP。
设备还包含有流体连接管，用以在轴杆转动和振动时将抛光液由不转动的液源送到轴杆的抛光液通道，将温度调节液由其不转动的液源送到轴杆的调节液流入通道，以及将这样的调节液由轴杆的调节液流出通道送至不转动的出口。
设备也可包含由轴杆上端通到下端的加压流体通道，由载片架上部通到下部的加压流体管道。轴杆的加压流体通道与扣环孔限定的载片架底部流体连通。加压流体通道和加压流体管道用于输送加压流体到邻近载片架底部环圈孔中的半导体晶片处，以使晶片与环圈表面基本上保持平齐共面关系。
因此，流体连接管在轴杆转动和振动时，也将加压流体由其不转动的液源送至轴杆的加压流体通道。
从下面的详细描述并结合附图和权利要求，会更容易了解本发明。
图1是已有技术的半导体晶片化学机械抛光设备的侧视图，其中部分为剖面图。
图2是图1已有技术的半导体晶片化学机械抛光设备的俯视图。
图3是本发明中用于半导体晶片化学机械抛光设备的侧视图，其中部分为剖面图。
图4是图3设备的俯视图。
图5是图3设备的特定结构细节的放大侧视图，部分为剖面图。
图6是图5中6-6方向的俯视图。
图7是图5设备的仰视图。
注意，这些图不是完全按比例画的，某些部分被夸大了以使之易于了解。
参见图1和图2，这里示出的是按照以前工艺的化学机械抛光设备10，半导体晶片W的表面为WS，表面的周边为WP。设备10由以下部分组成：平台11、抛光板12、轴13、齿轮单元14、底座15、电机16、平台轴线17、化学机械抛光液(浆)S的输液管18和抛光单元21。抛光单元21包括支撑梁22、振动方向箭头22a、轴承单元23、齿轮单元24、电机25、轴杆26、轴杆轴线27、载片架28和半导体晶片W的扣环29，晶片的待抛光面为WS，表面周边为WP。轴杆26的上端为26a，下端为26b。载片架28的上部为28a，下部为28b，底面为28c。扣环29有中孔29a和环圈表面29b。
平台11典型地由，例如，铝圆盘覆盖以聚亚胺酯纤维薄片材料而成，它装在轴13上。
轴13通过齿轮单元14装在底座15上，平台11通常由电机16驱动而绕固定轴17转动。输液管18固定在平台11的上方，以一定的流速向抛光板12输送抛光液S。抛光单元21相对于平台轴17沿直径方向装在输液管18对面。
抛光单元21包括支撑梁22，它装在基座(未示出)上以作(例如沿平台径向)往返振动，如振动方向箭头22a所示。支撑梁22载有轴承单元23、齿轮单元24和电机25，以便一起振动。轴杆26的上端26a装在轴承单元23和齿轮单元24中，通常由电机25驱动而绕轴杆轴线27(晶片轴)转动，并与支撑梁22一起振动。载片架28的上部28a连到轴杆26的下端26b，以便转动和振动。载片架28的下部28b确定了底面28c，它载有扣环29，以便转动和振动。
扣环29通常有一中孔29a及环绕着它的环圈表面29b。通常，半导体晶片W(其待抛光面为WS，表面周边为WP)，例如硅片，被框在中孔29a中而与扣环一起运动。晶片W置于孔29a中对着载片架28的底面28c，这样晶片表面WS实质上与环圈表面29b共面，其表面周边WP被环圈表面29b环绕着。
支撑梁22是这样安排的，使得晶片W和扣环29的环圈表面29b在抛光液S由输液管18向抛光板12输送时，一起与抛光板12保持摩擦接触。因为晶片W和扣环29的环圈表面29b通常是一起转动的，如逆时针转动，和一起振动的，如沿箭头22a方向，而平台11也以相同的方式转动，如也是逆时针转动。
由图1和图2可以清楚地看出，常规的CMP工艺存在的问题是，晶片W的不同部分遇到的抛光液S的液滴具有不同的受热史，这与晶片W的转动与振动的距离不断变化有关，特别是与表面周边WP振动的前沿和后沿有关，也与由固定的管道18输送到转动平台11上的抛光液S的液滴被离心甩出有关。因此，在晶片W的局部抛光位置，抛光液的温度是不均匀的，因而CMP操作也是不均匀的。
抛光板12上的一些抛光液S总是要被环绕着晶片W的扣环29甩出平台11，因为环圈表面29b与抛光板是摩擦接触的，典型地是在正机械压力作用压下。抛光液S的这种损失增加了操作成本。由于晶片被环绕和护持着，扣环29也阻碍了抛光液S流向晶片表面WS的中间区域，使得中间与边缘间的均匀性变坏。
而且如果抛光液需要加热，如多晶硅的CMP，还需单独的加热单元。
常规CMP的这些缺点，使得晶片W不同部分的局部材料清除速率因晶片表面WS接触到的抛光液的量和温度不同而改变，因而使晶片的抛光均匀性变差，抛光液的耗费也增加了操作成本。
按照本发明这些缺点都可避免。
参照图3至图7，这里示出的是按照本发明的化学机械抛光设备40，半导体晶片W的表面为WS，表面周边为WP。设备40由以下部分组成：平台41、抛光板42、轴43、齿轮单元44、底座45、电机46、平台轴线47、和抛光单元51。抛光单元51包括支撑梁52、振动方向箭头52a、轴承单元53、齿轮单元54、电机55、轴杆56、轴杆轴线57、载片架58和半导体晶片W的扣环59，晶片的待抛光面为WS，表面周边为WP。轴杆56的上端为56a，下端为56b。载片架58的上部为28a，下部为58b，底面为58c。扣环59有中孔59a，环圈表面59b和化学机械抛光液(浆)S的管道61。载片架58也带有抛光液管道62和抛光液子管道62a，轴承单元53有盖子63。
例如，平台41典型地由铝圆盘覆盖以聚亚胺酯纤维薄片材料而成，它装在轴43上。轴43通过齿轮单元44装在底座45上，平台41通常由电机46驱动而绕固定轴47转动。
抛光单元51包括支撑梁52，它装在基座(未示出)上以作(例如沿平台径向)往返振动，如振动方向箭头52a所示。支撑梁52载有轴承单元53、齿轮单元54和电机55，以便一起振动。轴杆56的上端56a装在轴承单元53和齿轮单元54中，通常由电机55驱动而绕轴杆轴线57(晶片轴)转动，并与支撑梁52一起振动。载片架58的上部58a连到轴杆56的下端56b，以便一起转动和振动。载片架58的下部58b确定了底面58c，它载有扣环59，以便一起转动和振动。
扣环59通常有一中孔59a及环绕着它的环圈表面59b。通常，半导体晶片W，其待抛光面为WS，表面周边为WP，例如硅片，被框在中孔59a中而与扣环一起运动。晶片W置于孔59a中对着载片架58的底面58c，这样晶片表面WS实质上与环圈表面59b共面，其表面周边WP被环圈表面59b环绕着。
支撑梁52是这样安排的，使得晶片W和扣环59的环圈表面59b一起与抛光板42保持摩擦接触。因为晶片W和扣环59的环圈表面59b通常是一起转动的，如逆时针转动，和一起振动的，如沿箭头52a方向，而平台41也以相同的方式转动，如也是逆时针转动。
与此同时，即在扣环59对平台41做周期性相对运动时，抛光液S以一定的流速通过限定在环圈表面59b中沿圆周间隔开的多个管道61，如四个，在抛光板42附近表面周边WP的相应邻近部分输送到晶片表面WS。因此，在CMP操作中，抛光液S通过多个沿圆周间隔开的点，即对着晶片表面周边WP的管道61而输送到晶片表面周边WP，在CMP操作中，在晶片W和扣环59运动的任何位置这些管道都对晶片表面WS保持固定关系。
为此，载片架58配有抛光液管道62，它在载片架中间沿轴杆轴线由上部58a通到下部58b，其下端有多个抛光液子管道62a，如四个。这些子管道62a一般是由抛光液管道62向外沿径向延伸至底部58c，而与扣环59中环圈表面59b的多个管道连通。
现在专门参照图5，可以看到设备40还包含抛光液导管62b、抛光液通道64、热交换器65、小室66、流入管67、流出管68、流入通道69、流出通道70、通气管71、通气道72、抛光液口73、流入口74、流出口75、通气口76、以及沟槽77、78、79、80、81、82和83。
轴杆56备有抛光液通道64，它在轴杆中间沿轴杆轴线57，像载片架58的抛光液管道62那样，由轴杆上端56a通到下端56b，并与载片架58的抛光液管道62对准和连通。轴承单元53的盖子63希望能轴向调节，如用螺纹，来与轴承单元53的上部相连，以便通常与转动轴杆的上端56a保持恒定的滑动密封。盖子63上有抛光液口73，它例如位于中间的轴线上并与轴杆56的抛光液通道64对准和连通。
这样，虽然轴杆56相对于不转的盖子63发生转动，抛光液S可由不转动的抛光液源(未示出)以预定的流速经过盖子63上的抛光液口73、轴杆56中的抛光液通道64、载片架58中的抛光液管道62和子管道62a，送到扣环59的管道61中，以便在轴杆56相对于轴承单元53和盖子63转到任何位置时都能在晶片表面周边WP把抛光液均匀地输送到紧邻晶片表面WS处而有效地进行CMP。
希望载片架58也包含热交换器65，例如，形成一个小室66，它带有流入管道67(由上部58a至小室66)、流出管道68(由小室66至上部58a)以及穿过小室66的抛光液管道62，它以一个或多个导热材料盘管如金属管的形式与小室66、流入管道67和流出管道68间接换热。
接下来，轴杆56备有流入通道69和流出通道70，都由上端56a通到下端56b，并分别与载片架58中相应的流入管道67和流出管道68连通。轴承单元53的盖子63上有流入口74和流出口75，分别与轴杆56中的流入通道69和流出通道70连通。
这样，虽然轴杆56相对于不转的盖子63发生转动，温度调节液，如加热或冷却液，可作为流入物I由不转动的循环液源(未示出)，以预定的流速和温度，送入盖子63的流入口74，经轴杆56的流入通道69和载片架58的流入管道67到达小室66，而与管道62中的抛光液S，例如，通过热交换盘管62a间接换热。然后温度调节液作为流出物O由小室66经过载片架58的流出管道68、轴杆56的流出通道70、盖子63的流出口75回到不转动的循环液源(未示出)，以在重新送入流入口74前进行再加热或再冷却。
因此使温度调节液作为流入物I经流入口74流至热交换器65的小室66，再作为流出物O经流出口75流出，这种循环流动使轴杆56在相对于轴承单元53和盖子63转动到任何位置时，就在通过扣环59中的管道61输送抛光液S前，对抛光液S进行均匀的热交换温度调节，以对晶片表面WS有效地进行CMP。
通常，温度调节液的循环流入物I和流出物O在载片架58外面进行预热或预冷，这是在设备40的范围内，如在支撑梁52附近，用适当的方法，例如常规的加热或冷却单元来进行的。
抛光单元51希望也备有通气管71，它由载片架58的上部58a通到下部58b而在扣环59中孔59a的范围内与载片架底部58c连通。轴杆56备有通气道72，它由上端56a通到下端56b并与载片架58的通气管71连通。轴承单元53的盖子63有通气口76与轴杆56的通气道72连通。
在轴杆56相对于不转动的盖子63转动时，空气，如压缩空气或其他加压液A以预定的压力由其源(未示出)送至盖子63上的通气口76，经过轴杆56的通气道72和载片架58的通气管71到达载片架58的底部58c，以使处在载片架58底部58c的扣环59中孔59a内的晶片W与扣环59的环圈表面59b按照常规方式保持平齐共面关系。
这样，在轴杆56相对于轴承单元53和盖子63转动到任何位置时，空气或其他加压液A由通气口76送至载片架58的底部58c，使晶片表面WS与扣环59的环圈表面59b均匀地保持共面关系，以对晶片表面WS进行有效的CMP。
由于轴杆56转动而盖子63不转动，在轴杆56的上表面备有三个与抛光液通道64的轴线同心的圆形沟槽。它们是：里面的与流入通道69作径向对准的流入管槽77；中间的与流出通道70做径向对准的流出管槽78和外面的与通气道72作径向对准的通气管槽79。
现在专门参看图6，可以看到，在轴杆56的上端56a处，流入管槽77、流出管槽78和通气管槽79对中间的抛光液通道64是同心的，并分别与流入通道69、流出通道70和通气道72对准排列，使得盖子63上的流入口74、流出口75和通气口76在轴杆56相对于盖子63转到任何位置时，借助于沟槽77、78和79相应地总与流入通道69、流出通道70和通气道72连通。
再参看图5，可以看到，在轴杆56的下端也有一组相似的三个沟槽，它们也是与抛光液通道64的轴线同心的。这就是：里面的与流入通道69作径向对准的流入管槽80、中间的与流出通道70做径向对准的流出管槽81和外面的与通气道72作径向对准的通气管槽82。在轴杆56下端56b处的流入管槽80、流出管槽81和通气管槽82对中间的抛光液通道64是同心的，并分别与流入通道69、流出通道70和通气道72对准排列，使得载片架58中的流入管67、流出管68和通气管71在轴杆56相对于载片架58转到任何角度时，借助于沟槽80、81和82相应地总与流入通道69、流出通道70和通气道72连通。
载片架58的底部58c有一个类似的同心圆形抛光液槽83，它是与轴杆56中的轴向抛光液通道64和载片架58中的抛光液管道62的上部对准的。抛光液沟槽83与多个抛光液子管道62a(由抛光液管道62通到载片架58的底部58c)的每一个共同对准。因此，载片架58中的子管道62a，在扣环59相对于载片架58转到任何角度时，借助于沟槽83相应地总与扣环59中的管道61连通。
由于盖子63上的抛光液口73、轴杆56中的抛光液通道64和载片架58中的抛光液管道62是同轴排列的，在轴杆56和载片架58相对于盖子63转到任何角度时，它们彼此总是流体连通的。
载片架58可用适当的连接方法，如螺纹或类似的方法，与轴杆56连接以便一起运动。然而，如果轴杆56与载片架58做成一体的(未示出)，轴杆56下表面的沟槽80、81和82则可省略，因为在这种情况下流入通道69和流入管道67、流出通道70和流出管道68、通气道72和通气管71各自成为一体了。
另一方面，如果用中空的管子作为轴杆56(未示出)，通道64、69、70和72都可使用管子，例如塑料管，穿过空心的管状轴杆而装在空心管两端的管帽上，像盖子63与轴承单元53那样。
扣环59也可用任何适当的连接方式，如螺纹或类似的方法，装在载片架58上以便一起运动。然而，如果扣环59是这样装在载片架58上的，使得环圈表面的多个管道61分别与载片架58的同样多个抛光液子管道62a一一对应连通，则载片架58底部58c中的沟槽83也可省略。
现在专门参看图7，可以看到，在扣环59相对于平台41作周期性相对运动时，抛光液S是以预定的流速由环圈表面59b中沿圆周间隔开的管道61均匀地分别送入的，这些管道是沿径向向内对着晶片表面周边WP的。因此，抛光液S在邻近表面周边WP的相应部分被直接输送到晶片表面WS。在CMP操作中不管晶片W和扣环59运动到任何位置，对着表面周边WP的多个沿圆周间隔开的管道61都与晶片表面WS保持固定关系，因而抛光液S的输送是均匀的。
抛光液S通过子管道62a可以容易地到达扣环59中的管道61，子管道62a是由轴向排列的抛光液管道62沿径向向外延伸到载片架58的沟槽83中的，如图7虚线所示。载片架58中的沟槽83总是与扣环59中的管道61连通的。
抛光液S典型地以100-200毫升/分的流速经环圈表面的管道61来输送。平台41的转速为25-100转/分，扣环59和晶片W共同的转速为25-100转/分，与平台转速之差不超过5转/分。同时，扣环59和晶片W也在振动，频率为3-8周/分，如5周/分，幅度为10-30毫米，如20毫米。CMP操作的抛光时间一般为1-5分钟。
晶片W典型地为圆盘形硅片，直径约8英寸(200mm)。扣环59有一个同样的圆孔59a，其直径也是8英寸，扣环59内壁所限定的孔59a与晶片圆周间至多有1mm的间隙。扣环59的环圈表面59b的环形部分在径向上典型地为2英寸，因此扣环59的外径为10英寸，其外圆周长为31.4英寸。平台41的直径典型地为20英寸，周长为62.8英寸。
孔73、74、75和76，通道64、69、70和72，管道62、67、68和71的直径典型地为1/4英寸。另一方面，子管道62a和环圈表面管道61的直径都小一些，以使所有子管道62a及与之协调的所有环圈表面管道61的总回流截面，近似等于的总截面，因而也就是近似等于抛光液管道62中抛光液S的总流量。
抛光液S可以是任何合适的化学机械抛光液，如磨料颗粒细筛过的腐蚀性水溶液浆，诸如含胶质二氧化硅作磨料的氢氧化钾(KOH)水溶液，含胶质氧化铝作磨料的铁硝酸盐水溶液，含胶质二氧化硅作磨料的硫酸铝水溶液或类似物。例如，抛光液S是含胶质二氧化硅颗粒的15％的KOH水溶液(水85％)，颗粒的平均直径约0.2微米。
在通常情况下，抛光液S典型的输送温度为15-50℃，晶片表面WS在载片架58底部58c的通气管71中的压缩空气A的作用下与抛光板42保持摩擦接触，所受的(向下)机械压力约2-8psi(磅/英寸2)，例如5psi。类似地，在通常情况下，扣环59的环圈表面59b也与抛光板42保持摩擦接触，这或是不对其施加正的机械压力，或是由支撑梁52对轴杆56、载片架58和扣环59施加约2-10psi，例如5psi，的向下的机械压力。
由于扣环59中的管道61邻近晶片表面周边WP并对着它和环圈的中心，因而扣环59不会妨碍抛光液S达到晶片表面WS的中间部分，抛光液S也不会被扣环59的外缘甩出抛光板42，这就克服了前面提到的以前工艺的缺点。
在通常情况下，扣环59典型地选用消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成，即环圈表面59b的材料除去速率要与晶片表面WS的材料除去速率相匹配。抛光板42是市场上可买到的IC 1000聚亚胺酯纤维薄片材料(Rodel Inc.，Del.)。
热的液体，如热的乙二醇或热水(通常加热到25-50℃)典型地以100-250毫升/分的均匀流速，从设备40的远处经流入口74作为流入物I供给热交换器65，再作为流出物O经流出口75流出以便再加热。然而，在希望晶片W保持凉的或冷的时，送至热交换器65的液体也可以是冷的，如约15-20℃的冷乙二醇或冷水，这取决于特定的CMP操作。
这样，本发明就提供了一种系统，它使得因与待抛光的晶片表面WS实际接触的抛光液S的量和温度的不同而引起的晶片W不同部分材料的局部去除速率之差减至最小。这就改善了片内均匀性。抛光液S通过环绕晶片W的扣环59来输送，而不是来自远处的静止管道，这就从根本上使抛光液S的消耗减至最小。
通过轴杆56和载片架58将抛光液送到扣环59中的管道61，从而在晶片W和扣环59一起转动和振动时直接将抛光液输送到晶片W附近。无论晶片W和扣环59转动和/或振动的位置如何，抛光液S都以相同的相对位置由扣环59中间隔开的管道61送至十分接近晶片W处。
象这样将抛光液S直接输送到对晶片W进行CMP处，就使得抛光液S接触晶片W前的温度与预定温度(设定值)的偏离，如下降，减至最小。因此抛光液S达到晶片表面WS中间部分的机会有了很大改善，均匀性和材料去除速率也随之得到改善，特别是对温度敏感的CMP工艺，而抛光液的使用和消耗又减至最少。由于在扣环59限定的范围内将抛光液直接输送到晶片W附近，其预定的pH值得以保持。
本发明的系统也不需要单独的抛光液温度调节单元，如加热单元或热交换器，因而节省了占地空间。热交换器65被置于直接靠近扣环59及其输送管道61的载片架58中，使抛光液S直接送到晶片W处而避免了可能的干扰引起不希望的温度变化。温度调节液的循环流入I和流出O可在载片架58外面但仍在设备40内进行预热或预冷，例如通常情况下可在支撑梁附近用适当的方法(未示出)来实现。
这样，可以实现全部温度调节而没有增大已为设备40占据的面积(占地范围)。
显然，本发明的系统只要依据抛光液S对有关的温度和流速的灵敏性进行适当的优化，就可适用于一切CMP工艺。在一切情况下，CMP法都可用设备40来完成，只要保持抛光液S有均匀的流速、温度和pH值，因而可按照本发明所希望的重复地实现晶片W的均匀CMP。
因此，可以理解，所述的特殊示例只是用来说明本发明的一般原理。按照所阐述的原理可以作出种种修改。

Claims (41)

1.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的方法，包括：在晶片与基本上平整的抛光表面保持摩擦接触时，使晶片相对于抛光表面作周期性运动；在周期性相对运动时，将化学机械抛光液通过沿圆周间隔开的与晶片周围保持固定关系的多个点输送到邻近抛光表面的晶片表面周边。
2.权利要求1的方法，其中抛光液是含精细筛选的磨料颗粒的腐蚀性水溶液。
3.权利要求1的方法，其中输送的抛光液的温度为15-50℃。
4.权利要求1的方法，其中晶片表面在2-8psi的机械压力下与抛光表面保持摩擦接触。
5.权利要求1的方法，还包括在周期性相对运动时选择调节邻近晶片表面并与之保持固定关系的抛光液温度。
6.权利要求1的方法，还包括在周期性相对运动时加热抛光液，使在邻近晶片表面并与之保持固定关系的抛光液升高到选择的温度。
7.权利要求1的方法，还包括在周期性相对运动时且当晶片表面在2-8psi的机械压力下与抛光表面保持摩擦接触时，加热抛光液，将邻近晶片表面处并与之保持固定关系的抛光液温度加热到25-50℃。
8.权利要求1的方法，其中抛光表面为转动平台的形式，它绕平台轴线以选择的第一转速转动。晶片以选择的第二转速绕自身轴线转动。晶片的轴线与平台轴线分开且实质上平行，并且晶片以选择的频率和幅度相对于平台轴线作振动。
9.权利要求8的方法，其中平台转速为25-100转/分，晶片转速为25-100转/分且在比平台转速高或低5转/分之内。振动的频率为3-8周/分，幅度为10-30mm。
10.权利要求8的方法，其中晶片置于扣环中，晶片表面被扣环的环圈表面环绕并与之基本上保持平齐共面关系以便一起转动和振动，抛光液通过扣环上多个沿圆周间隔开的固定点输送到晶片表面周边。
11.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的方法，包括：在晶片表面与抛光表面保持摩擦接触时使晶片相对于带有实质上平整的抛光表面的平台作周期性运动，平台绕其轴线以选择的第一转速转动，晶片以选择的第二转速绕自身轴线转动，并相对于平台轴线以选择的频率和幅度作振动，晶片的轴线与平台轴线间隔开并与之基本平行；在周期性相对运动时，抛光液通过沿圆周间隔开的与晶片表面周围保持固定关系的多个点，输送到邻近抛光表面的晶片表面周边。
12.权利要求11的方法，其中晶片表面沿径向相对于平台轴线作振动，即晶片移向和离开平台轴线。
13.权利要求11的方法，其中抛光液是含精细筛选的磨料颗粒的腐蚀性水溶液。
14.权利要求11的方法，其中输送的抛光液的温度为15-50℃。
15.权利要求11的方法，其中晶片表面在2-8psi的机械压力下与抛光表面保持摩擦接触。
16.权利要求11的方法，其中晶片置于扣环中，晶片表面被扣环的环圈表面环绕着并与之基本上保持平齐共面关系以便一起转动和振动，抛光液通过扣环上的多个沿圆周间隔开的固定点输送到晶片表面周边。
17.权利要求16的方法，还包括在周期性相对运动时，选择调节输送到邻近晶片表面并与之保持固定关系的抛光液温度，这一调节是在邻近扣环处实现的。
18.权利要求16的方法，还包括在周期性相对运动时加热抛光液，使在邻近晶片表面并与之保持固定关系的抛光液升高到选择的温度，加热是在邻近扣环处实现的。
19.权利要求16的方法，还包括在周期性相对运动时，将邻近晶片表面并与之保持固定关系的抛光液加热到25-50℃，加热是在邻近扣环处实现的，同时晶片表面在2-8psi的机械压力下与抛光表面保持摩擦接触。
20.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的设备，包括：
一个有中孔的扣环，孔周围为环圈，待抛光的半导体晶片置于孔中以便与环一起运动，这样晶片表面基本上与环圈表面保持平齐共面关系，并被环圈表面包围着；
环圈表面中有多个沿圆周间隔开的管道，用以分别输送化学机械抛光液到邻近晶片表面周边的相应部分。
21.权利要求20的设备，其中扣环是由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成的。
22.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的设备，包括：
一个载片架，其适于相对于实质上平整的抛光表面作周期性运动，它具有上部、确定底部的下部和由上部到下部的抛光液管道；
装在载片架底部以便一起运动的扣环，扣环有中孔，为环圈表面环绕着，待抛光的半导体晶片置于孔中以便与环一起运动，这样晶片表面基本上与环圈表面保持平齐共面关系，并被环圈表面包围着；和
环圈表面中多个沿圆周间隔开的管道，用以分别输送化学机械抛光液到邻近晶片表面周边的相应部分，这些管道共同被安排得与载片架中的抛光液管道流体连通。
23.权利要求22的设备，其中扣环是由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成的。
24.权利要求22的设备，还包括载片架中的温度调节装置，用以选择调节抛光液管道中抛光液流的温度。
25.权利要求22的设备，还包括载片架中的热交换器，用以选择调节抛光液管道中抛光液流的温度；温度调节液的流入管道由载片架的上部通到热交换器；温度调节液的流出管道由热交换器通到载片架的上部，以便通过温度调节液的流动与抛光液管道中流动的抛光液间接换热来进行这样的温度调节。
26.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的设备，包括：
一根轴杆，适于相对于实质上平整的抛光表面作周期性运动，它具有上端、下端和由上端到下端的抛光液通道；
载片架，装在轴杆下端以便一起运动，其上部与轴杆的下端相接，其下部确定了底部，抛光液管道由其上部通到下部并与轴杆的抛光液通道连通；
扣环，装在载片架的底部以便一起运动，它有中孔和环绕着孔的环圈表面，待抛光的半导体晶片置于孔中以与环一起运动，这样晶片表面基本上与环圈表面保持平齐共面关系，并被环圈表面包围着；和
环圈表面中多个沿圆周间隔开的管道，用以分别输送化学机械抛光液到邻近晶片表面周边的相应部分，这些管道被安排得与载片架中的抛光液管道连通。
27.权利要求26的设备，其中扣环是由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成的。
28.权利要求26的设备，还包括载片架中的温度调节装置，用以选择调节抛光液管道中抛光液流的温度。
29.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的设备，包括：
一根轴杆，适于相对于实质上平整的抛光表面作周期性运动，它具有上端、下端、抛光液通道、温度调节液流入通道和温度调节液流出通道，所说的每个通道都是由轴杆的上端通到下端；
载片架装在轴杆下端以便一起运动，其上部与轴杆的下端相接，其下部确定了底部。载片架还具有：热交换器；由载片架上部穿过热交换器而通到载片架下部的抛光液管道，它与轴杆的抛光液通道连通；温度调节液流入管道由载片架的上部通到热交换器并与轴杆的调节液流入通道连通；和温度调节液流出管道，它从热交换器通到载片架的上部，并与轴杆的调节液流出通道连通。热交换器被安排得使温度调节液流过调节液流入通道、调节液流入管道、调节液流出管道和调节液流出通道而与抛光液管道中的抛光液流间接换热，以选择调节载片架中的抛光液温度；
扣环，装在载片架的底部以便一起运动，它有中孔和环绕着孔的环圈表面，待抛光的半导体晶片置于孔中以与环一起运动，这样晶片表面基本上与环圈表面保持平齐共面关系，并被环圈表面包围着；和
环圈表面有多个沿圆周间隔开的管道，用以分别输送化学机械抛光液到邻近晶片表面周边的相应部分，这些管道被安排得与载片架中的抛光液管道连通。
30.权利要求29的设备，其中扣环是由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成的。
31.权利要求29的设备，还包括：加压流体通道，它由轴杆的上端通到轴杆的下端；和加压流体管道，它由载片架上部通到下部并与轴杆的加压流通道和被环孔限定的载片架底部连通，用以输送加压流体到邻近半导体晶片处，使置于载片架底部环孔中的半导体晶片与环圈表面基本上保持平齐共面关系。
32.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的设备，此设备包括：
一个圆形平台，绕平台轴线转动并具有实质上平整的抛光表面；
一根轴杆，具有上端、下端和从上端通到下端的抛光液通道；
一个支撑梁，用来沿移向和离开平台轴线的方向做振动，梁的顶端装有可绕自身轴线转动的轴杆，并使轴杆的轴线与平台轴线分开且基本上平行于平台轴线；
载片架，装在轴杆下端以便一起运动，其上部与轴杆的下端相接，其下部确定了底部，抛光液管道由其上部通到下部并与轴杆的抛光液通道连通；
扣环，装在载片架的底部以便一起运动，它有中孔和环绕着孔的环圈表面，待抛光的半导体晶片置于孔中以与环一起运动，这样晶片表面实质上与环圈表面保持共面关系，并被环圈表面包围着；
环圈表面中多个沿圆周间隔开的管道，用以分别输送化学机械抛光液到邻近晶片表面周边的相应部分，这些管道被安排得与载片架中的抛光液管道连通；
支撑梁可被调节，使环圈表面与平台的抛光表面保持摩擦接触，以便在平台转动以及晶片和扣环一起转动和振动的情况下，在晶片与扣环相对于平台作周期性运动时，对环孔中的半导体晶片表面进行化学机械抛光。
33.权利要求32的设备，其中扣环是由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成的。
34.权利要求32的设备，还包括流体连接管，在轴杆转动和振动时，将抛光液由不转动的抛光液源送到轴杆的抛光液通道。
35.权利要求32的设备，还包括：加压流体通道，由轴杆的上端通到下端；加压流体管道，由载片架的上部通到下部，并与轴杆的加压流体通道以及扣环孔限定的载片架底部连通，用以将加压流体输送到载片架底部扣环孔中邻近半导体晶片处，使晶片与扣环的环圈表面基本上保持平齐共面关系。
36.权利要求35的设备，还包括流体连接管，在轴杆转动和振动时，将抛光液由不转动的抛光液源送到轴杆的抛光液通道，将加压流体由其不转动的源送到轴杆的加压流体通道。
37.一种对有表面周边的半导体晶片表面进行化学机械抛光的设备，此设备包括：
一个圆形平台，绕平台轴线转动并具有实质上平整的抛光表面；
一根轴杆，具有上端、抛光液通道、温度调节液流入通道和温度调节液流出通道，每个所说的通道都是由轴杆的上端通到下端；
一个支撑梁，用来沿移向和离开平台轴线的方向做振动，梁的顶端装有可绕自身轴线转动的轴杆，并使轴杆的轴线与平台轴线分开且实质上平行于平台轴线；
载片架，装在轴杆下端以便一起运动，其上部与轴杆的下端相接，其下部确定了底部。载片架还具有：热交换器；由载片架上部穿过热交换器而通到载片架下部的抛光液管道，它与轴杆的抛光液通道连通；温度调节液流入管道由载片架的上部通到热交换器并与轴杆的调节液流入通道连通；和温度调节液流出管道，它从热交换器通到载片架的上部，并与轴杆的调节液流出通道连通。热交换器被安排得使温度调节液流过调节液流入通道、调节液流入管道、调节液流出管道和调节液流出通道而与抛光液管道中的抛光液流间接换热，以选择调节载片架中的抛光液温度；
扣环，装在载片架的底部以便一起运动，它有中孔和环绕着孔的环圈表面，待抛光的半导体晶片置于孔中以与环一起运动，这样晶片表面实质上与环圈表面保持共面关系，并被环圈表面包围着；
环圈表面中多个沿圆周间隔开的管道，用以分别输送化学机械抛光液到邻近晶片表面周边的相应部分，这些管道被安排得与载片架中的抛光液管道连通；
支撑梁可被调节使环圈表面与平台的抛光表面保持摩擦接触，以便在平台转动以及晶片和扣环一起转动和振动的情况下，在晶片与扣环相对于平台作周期性运动时，对环孔中的半导体晶片表面进行化学机械抛光。
38.权利要求37的设备，其中扣环是由消耗性的塑料或可磨蚀的陶瓷材料制成的。
39.权利要求37的设备，还包括流体连接管，在轴杆转动和振动时，将抛光液由不转动的抛光液源送到轴杆的抛光液通道，将温度调节液由其不转动的源送到轴杆的调节液流入通道并使调节液由轴杆的调节液流出通道流回其不转动的源。
40.权利要求39的设备，还包括由轴杆上端通到下端的加压流体通道，由载片架上部通到下部的加压流体管道，它与轴杆的加压流体通道以及扣环孔限定的载片架底部连通，用以将加压流体输送到载片架底部扣环孔中邻近半导体晶片处，使晶片与扣环的环圈表面基本上保持平齐共面关系。
41.权利要求40的设备，还包括液流接管，在轴杆转动和振动时，将加压流体由其不转动的源送到轴杆的加压流体通道。
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