專利名稱:用于修整研磨墊的設(shè)備、化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種設(shè)備,用于修整在研磨工件中使用的研磨墊,工件例如半導(dǎo)體晶
片,特別涉及一種修整設(shè)備,設(shè)置在研磨設(shè)備中,用于研磨工件從而使其表面平整。本發(fā)明 還涉及一種利用這種修整設(shè)備的化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備和化學(xué)機(jī)械研磨方法。
背景技術(shù):
近年來,半導(dǎo)體裝置變得越來越小,裝置結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。表面的平整化在半導(dǎo) 體裝置的制造過程中是非常重要的。表面平整化中使用的通常技術(shù)是化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)。 在化學(xué)機(jī)械研磨的過程中,半導(dǎo)體晶片與研磨墊的研磨表面滑動(dòng)接觸,同時(shí)含有磨粒例如 二氧化硅(Si02)的研磨液體被供應(yīng)到研磨表面上,從而半導(dǎo)體晶片的表面被研磨。固定的 磨墊,由粘結(jié)劑粘結(jié)的磨粒構(gòu)成,可用于代替研磨墊。 化學(xué)機(jī)械研磨過程利用CMP設(shè)備進(jìn)行。通常的CMP設(shè)備包括研磨臺(tái),研磨臺(tái)具有 研磨墊,連接到其上表面;和頂環(huán)(同樣稱為載體),用于保持基底,例如半導(dǎo)體晶片,其是 待研磨的工件。研磨臺(tái)和頂環(huán)分別圍繞它們自己的軸旋轉(zhuǎn),并且在這個(gè)狀態(tài),頂環(huán)以預(yù)定壓 力將基底壓靠在研磨墊的研磨表面(即上表面)上,同時(shí)研磨液被供應(yīng)到研磨表面上,從而 將基底研磨到平坦和鏡面光潔度。將要使用的研磨液通常包括堿溶液和微細(xì)磨粒(例如二 氧化硅),懸浮在堿溶液中。通過堿的化學(xué)研磨作用和磨粒提供的機(jī)械研磨作用的組合,基 底被研磨。 當(dāng)基底被研磨時(shí),磨粒和研磨碎屑附著到研磨墊的研磨表面。另外,研磨墊的特性 變化,其研磨能力下降。因此,隨著基底的研磨重復(fù)進(jìn)行,研磨速度(即去除速度)降低,并 且發(fā)生不均勻的研磨。因此為了調(diào)節(jié)劣化研磨墊的研磨表面,修整設(shè)備設(shè)置在研磨臺(tái)附近。
修整設(shè)備通常具有可旋轉(zhuǎn)的修整器頭和修整元件,其固定到修整器頭。修整設(shè)備 構(gòu)造成將修整元件壓靠到旋轉(zhuǎn)研磨臺(tái)上的研磨墊的研磨表面,同時(shí)使得修整器頭圍繞它自 己的軸線旋轉(zhuǎn),從而從研磨墊的研磨表面去除磨粒和研磨碎屑,并且平整化和調(diào)節(jié)(即修 整)研磨表面。通常,將使用的修整構(gòu)件是金剛石微粒,電鍍到其表面(即修整表面)上, 從而與研磨表面接觸。 有兩種方法可利用上述修整設(shè)備修整研磨墊的研磨表面一種是與研磨基底同時(shí) 修整研磨表面;另一種是在基底研磨過程之間的間隔中修整研磨表面。兩種方式中,一定量 的研磨表面通過修整被刮掉。然而由于當(dāng)修整時(shí)朝著修整器產(chǎn)生豎直和水平力的復(fù)雜性, 難以控制修整負(fù)荷,同時(shí)避免修整器的姿態(tài)的不可接受的波動(dòng)。需要改進(jìn)用于修整研磨表 面的設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮到上述問題作出。因此本發(fā)明目的是提供一種設(shè)備,能夠適當(dāng)?shù)匦拚?研磨墊并且防止不適合的修整負(fù)荷。另外本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種利用這種修整設(shè)備 的化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備和一種化學(xué)機(jī)械研磨方法。
用于實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的本發(fā)明的一個(gè)方面提供了用于修整研磨墊的設(shè)備。該設(shè)備包 括修整器驅(qū)動(dòng)軸,可旋轉(zhuǎn)并且可豎直移動(dòng);修整器凸緣,連接到修整器驅(qū)動(dòng)軸并且構(gòu)造成 將修整元件固定到其處,該元件將與研磨墊滑動(dòng)接觸;球面軸承,設(shè)置在修整器凸緣中,構(gòu) 造成允許修整元件相對(duì)于修整器驅(qū)動(dòng)軸傾斜;和彈簧機(jī)構(gòu),構(gòu)造成產(chǎn)生力,逆著修整構(gòu)件的 傾斜運(yùn)動(dòng)。 在本發(fā)明的優(yōu)選方面,彈簧機(jī)構(gòu)構(gòu)造成用作一彈簧,具有0. 5 X 104N/m到2 X 104N/ m范圍中的彈簧常數(shù)??商鎿Q的,彈簧機(jī)構(gòu)構(gòu)造成允許修整構(gòu)件具有在12. 5Nm/rad到50Nm/ rad范圍中的傾斜剛度。 本發(fā)明優(yōu)選方面中,修整器凸緣具有上部修整器凸緣,固定到修整器驅(qū)動(dòng)軸;和 下部修整器凸緣,修整構(gòu)件固定到其處;球面軸承將上部修整器凸緣和下部修整器凸緣彼 此連接,同時(shí)允許上部和下部修整器凸緣相對(duì)彼此傾斜。 本發(fā)明的優(yōu)選方面中,上部修整器凸緣由彈性材料制成,上部修整器凸緣用作彈 簧機(jī)構(gòu)。 本發(fā)明優(yōu)選方面中,該設(shè)備還包括設(shè)置在上部和下部修整器凸緣之間的密封構(gòu) 件。球面軸承位于在上部和下部修整器凸緣之間形成的空間中,該空間通過密封構(gòu)件密封。
本發(fā)明的優(yōu)選方面中,設(shè)備還包括扭矩傳遞構(gòu)件,構(gòu)造成將修整器驅(qū)動(dòng)軸的扭矩 傳遞到修整構(gòu)件。 本發(fā)明的優(yōu)選方面中,球面軸承包括球形突起,設(shè)置在修整器驅(qū)動(dòng)軸的圓周表面 上;和球形凹部構(gòu)件,設(shè)置在修整器凸緣上。 本發(fā)明的優(yōu)選方面中,修整構(gòu)件可移除地連接到修整器凸緣。 本發(fā)明優(yōu)選方面中,設(shè)備還包括一覆蓋件,設(shè)置成圍繞修整器凸緣的至少一部分。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備,包括研磨臺(tái),用于支撐研磨 墊;頂環(huán)單元,構(gòu)造成將工件壓靠在研磨墊上同時(shí)旋轉(zhuǎn)工件;構(gòu)造成將研磨液供應(yīng)到研磨 墊上的裝置;和上述用于修整研磨墊的設(shè)備。 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種化學(xué)機(jī)械研磨方法,包括利用上述化學(xué)機(jī)械研磨設(shè) 備研磨工件。 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種設(shè)備用于修整研磨墊。該設(shè)備包括修整器驅(qū)動(dòng)軸, 可旋轉(zhuǎn)并且可豎直移動(dòng);修整器凸緣,連接到修整器驅(qū)動(dòng)軸并且構(gòu)造成將修整元件固定到 其處;和構(gòu)造成產(chǎn)生力的機(jī)構(gòu),逆著修整構(gòu)件的傾斜運(yùn)動(dòng),其中修整器凸緣具有磁體,修整 構(gòu)件通過磁力連接到修整器凸緣,該磁力作用在修整構(gòu)件和磁體之間。 根據(jù)本發(fā)明,修整器凸緣進(jìn)行萬向接頭運(yùn)動(dòng)從而跟隨著研磨墊(具有非均勻圖 案),即使研磨墊在修整過程中旋轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致當(dāng)修整時(shí)修整器的豎直運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)寬度的控 制,避免修整器的姿態(tài)的不可接受的波動(dòng)。因此,即使當(dāng)以低負(fù)荷進(jìn)行修整時(shí),研磨墊可被 修整,墊幾乎沒有局部磨損。另外根據(jù)本發(fā)明,因?yàn)樾拚?fù)荷可以降低,在修整過程中刮掉 的研磨墊的量可以盡可能小,因此研磨墊的壽命(或者固定磨粒墊)可以延長。因此可以 降低化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備的運(yùn)行成本。另外根據(jù)本發(fā)明,修整器的維護(hù)更為容易。
圖1是CMP設(shè)備的研磨部分的透視 圖2的正視圖示意性示出了修整設(shè)備的加載機(jī)構(gòu)的實(shí)例; 圖3的正視圖示意性示出了修整設(shè)備的加載機(jī)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)例; 圖4的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例用于修整研磨墊的設(shè)備的關(guān)鍵部分; 圖5的平面圖示出了圖4所示的修整設(shè)備的部分; 圖6的視圖示出了下部修整器凸緣相對(duì)于上部修整器凸緣傾斜的狀態(tài);
圖7的放大剖視圖示出了修整設(shè)備的另一個(gè)實(shí)例的一部分; 圖8的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于修整研磨墊的設(shè)備的關(guān)鍵部分; 圖9的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的修整設(shè)備的變形實(shí)施例; 圖10的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于修整研磨墊的設(shè)備的關(guān)鍵部
分; 圖11的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明參考實(shí)例的修整設(shè)備的關(guān)鍵部分; 圖12的視圖示出了在利用位于其中心上的支點(diǎn)彈性支撐下部修整器凸緣的情況
中的模型; 圖13的圖形示出了負(fù)荷F和位移W之間的關(guān)系,說明了點(diǎn)劃線的衰退線基于彈簧常數(shù)K的不同而不同; 圖14A的視圖示出了當(dāng)修整器的傾斜剛度非常大并且旋轉(zhuǎn)研磨臺(tái)過于傾斜時(shí)發(fā)生的潛在問題; 圖14B的圖形示出了當(dāng)修整器的傾斜剛度非常小并且旋轉(zhuǎn)研磨臺(tái)過于傾斜時(shí)發(fā)生的潛在問題; 圖15A的平面圖示意性示出了 在彈簧常數(shù)K大于2X10 /m的情況中(或者傾斜剛度K e大于50Nm/rad),已經(jīng)被修整器盤刮掉的研磨墊;
圖15B是沿著圖15A的線A_A截取的視圖; 圖16A的平面圖示意性示出了 在彈簧常數(shù)K不大于2X10 /m的情況中(或者傾斜剛度K e不大于50Nm/rad),已經(jīng)被修整器盤刮掉的研磨墊;
圖16B是沿著圖16A的線B-B的圖形; 圖17的圖形示出了修整器盤的轉(zhuǎn)速中的波動(dòng)(誤差),其根據(jù)彈簧常數(shù)或者傾斜剛度變化;禾口 圖18的圖形示出了彈簧常數(shù)和轉(zhuǎn)速誤差之間的關(guān)系和彈簧常數(shù)與研磨墊輪廓之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖描述本發(fā)明實(shí)施例。 圖1示出了 CMP設(shè)備的研磨部分的透視圖。研磨部分包括研磨臺(tái)ll(換句話說,臺(tái)板),其支撐研磨墊10。頂環(huán)單元20構(gòu)造成通過使得基底(即工件)與研磨墊10滑動(dòng)接觸來研磨它,修整單元(修整設(shè)備)30構(gòu)造成調(diào)節(jié)(即修整)所述研磨墊10的上表面。研磨墊10連接到研磨臺(tái)11的上表面,研磨墊10的上表面提供研磨表面。優(yōu)選的,研磨臺(tái)ll連接到電動(dòng)機(jī)(未示出),從而研磨臺(tái)ll和研磨墊io通過電動(dòng)機(jī)沿著箭頭所示方向旋轉(zhuǎn)。
頂環(huán)單元20包括頂環(huán)頭21,構(gòu)造成保持著基底并且將它壓靠在研磨墊的10上 表面上;頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸22,連接到頂環(huán)頭21 ;和頂環(huán)擺動(dòng)臂23,可旋轉(zhuǎn)地保持所述頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸 22。頂環(huán)擺動(dòng)臂23由頂環(huán)擺動(dòng)軸24支撐。電動(dòng)機(jī)(未示出)安裝在頂環(huán)擺動(dòng)臂23中,并 且這個(gè)電動(dòng)機(jī)連接到頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸22。可替換的,電動(dòng)機(jī)可以安裝在頂環(huán)擺動(dòng)臂23外。這個(gè) 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸22傳遞到頂環(huán)頭21,從而頂環(huán)頭21圍繞頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸22沿著 箭頭所示方向旋轉(zhuǎn)。 液體供應(yīng)機(jī)構(gòu)25 (或者用于供應(yīng)液體的裝置),用于將研磨液和修整液供應(yīng)到研 磨墊10的研磨表面上,設(shè)置在頂環(huán)單元20附近。這個(gè)液體供應(yīng)機(jī)構(gòu)25具有多個(gè)供應(yīng)噴嘴, 研磨液和修整液從所述噴嘴供應(yīng)到研磨墊10的研磨表面上。液體供應(yīng)機(jī)構(gòu)25用作研磨液 供應(yīng)機(jī)構(gòu),用于將研磨液供應(yīng)到研磨墊IO上,和用作修整液供應(yīng)機(jī)構(gòu),用于將修整液(例如 純水)供應(yīng)到研磨墊10上。研磨液供應(yīng)機(jī)構(gòu)和修整液供應(yīng)機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)地設(shè)置。
頂環(huán)頭21具有下表面,該下表面提供了基底保持表面,用于通過真空抽吸等保持 基底。頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸22連接到未示出的豎直致動(dòng)器(例如氣缸)。利用這種結(jié)構(gòu),頂環(huán)頭21 通過豎直致動(dòng)器經(jīng)由頂環(huán)驅(qū)動(dòng)軸22被抬高和降低。 基底的研磨進(jìn)行如下。基底保持在頂環(huán)頭21的下表面上,然后頂環(huán)頭21和研磨 臺(tái)11被旋轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)下,研磨液體被供應(yīng)到研磨墊10的研磨表面上,然后頂環(huán)頭21將 基底壓靠在研磨墊10的研磨表面上?;椎谋砻?下表面)被研磨液中含有的磨粒的機(jī) 械研磨作用和研磨液體的化學(xué)研磨作用研磨。頂環(huán)擺動(dòng)軸24位于研磨墊10的徑向外部。 這個(gè)頂環(huán)擺動(dòng)軸24構(gòu)造成旋轉(zhuǎn),從而頂環(huán)頭21可以在研磨墊10上的研磨位置和研磨墊10 外的備用(standby)位置之間移動(dòng)。用于化學(xué)-機(jī)械研磨(CMP)頭的設(shè)備,具有直接的氣 動(dòng)晶片研磨設(shè)備,在美國專利No. 7, 029, 382中描述,并且授權(quán)給Ebara公司;基底保持設(shè)備 和基底研磨設(shè)備在美國專利No. 6, 890, 402中公開,授權(quán)給Ebara公司,這里整體引為參考。
修整單元(修整設(shè)備)30包括修整器31,將與研磨墊10的研磨表面滑動(dòng)接觸; 修整器驅(qū)動(dòng)軸32,連接到修整器31 ;和修整器擺動(dòng)臂33,可旋轉(zhuǎn)地保持所述修整器驅(qū)動(dòng)軸 32。修整器31的下表面提供了修整表面,將與研磨墊10的研磨表面滑動(dòng)接觸。磨粒,例如 金剛石微粒,固定到修整表面。修整器擺動(dòng)臂33由修整器擺動(dòng)軸34支撐。電動(dòng)機(jī)(未示 出)安裝在修整器擺動(dòng)臂33中,這個(gè)電動(dòng)機(jī)連接到修整器驅(qū)動(dòng)軸32。這個(gè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn) 通過修整器驅(qū)動(dòng)軸32傳遞到修整器31,從而修整器31沿著箭頭方向圍繞修整器驅(qū)動(dòng)軸32 旋轉(zhuǎn)。 修整器擺動(dòng)臂33是一個(gè)鉸接臂,包括第一臂33A和第二臂33B。上述用于旋轉(zhuǎn)所 述修整器驅(qū)動(dòng)軸32的電動(dòng)機(jī)設(shè)置在第一臂33A中。用于使得第一臂33A圍繞臂的連接軸 線旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度的擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)(未示出)安裝在第二臂33B中。當(dāng)擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí),修 整器31在研磨墊10的研磨表面上基本沿著研磨表面的徑向方向移動(dòng)。
圖2的正視圖示意性示出了修整單元30的加載機(jī)構(gòu)的實(shí)例。如圖2,修整器驅(qū)動(dòng) 軸32通過多個(gè)軸承37可旋轉(zhuǎn)地支撐。支撐基座35固定到修整器擺動(dòng)臂33 (第一臂33A) 的上部,氣缸36,是豎直致動(dòng)器,安裝在支撐基座35上。修整器驅(qū)動(dòng)軸32的上端連接到氣 缸36。修整器31被氣缸36通過修整器驅(qū)動(dòng)軸32壓靠在研磨墊10的研磨表面上。
圖3的正視圖示意性示出了修整單元30的加載機(jī)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)例。圖3的加載 機(jī)構(gòu)基本具有與圖2加載機(jī)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu),但是區(qū)別在于設(shè)置有彈簧39,將修整器驅(qū)動(dòng)軸32向上偏壓。這個(gè)彈簧39設(shè)置在修整器擺動(dòng)臂33的上部上,修整器驅(qū)動(dòng)軸32的上端部被彈簧39迫使向上。這個(gè)實(shí)例中,當(dāng)把修整器31壓靠在研磨墊10上時(shí),氣缸36迫使修整器驅(qū)動(dòng)軸32向下,抵抗彈簧39的向上的力。雖然本發(fā)明可以使用任一種加載機(jī)構(gòu),但是優(yōu)選的是使用具有彈簧的加載機(jī)構(gòu),從實(shí)現(xiàn)低負(fù)載修整的角度來說,其可以實(shí)現(xiàn)較少的滯后(hysteresis)。 當(dāng)修整研磨墊10的研磨表面時(shí),電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)修整器31,隨后氣缸36將修整器31向下移動(dòng)以使得修整器31的修整表面與旋轉(zhuǎn)研磨墊10的研磨表面滑動(dòng)接觸。這種狀態(tài)下,修整器31基本沿著研磨墊10的徑向方向擺動(dòng)。旋轉(zhuǎn)修整器31的這個(gè)運(yùn)動(dòng)(即擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),搖動(dòng)運(yùn)動(dòng))可以去除附著到研磨墊IO研磨表面的碎屑等,并且可以恢復(fù)研磨表面。修整過程中,液體供應(yīng)機(jī)構(gòu)25將修整液(例如純水)供應(yīng)到研磨墊10的研磨表面上。修整器擺動(dòng)軸34位于研磨墊10的徑向外部。修整器擺動(dòng)軸34構(gòu)造成旋轉(zhuǎn),從而修整器31可以在研磨墊10上的修整位置和研磨墊10外的備用(standby)位置之間移動(dòng)。通過修整單元30來修整研磨墊10可以與基底的研磨同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)多個(gè)基底將連續(xù)被研磨時(shí),研磨墊10的修整可以在研磨過程之間的間隔中進(jìn)行。 圖4的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的修整單元(修整設(shè)備)的關(guān)鍵部分。圖5的平面圖示出了圖4修整單元的部分。如圖4,修整器31具有修整器凸緣41,包括盤形上部修整器凸緣41A和盤形下部修整器凸緣41B;和修整器盤(修整構(gòu)件)42。上部修整器凸緣41A具有比下部修整器凸緣41B更小的直徑。下部修整器凸緣41B的直徑等于修整器盤42的直徑。小間隙形成在上部修整器凸緣41A和下部修整器凸緣41B之間。修整器盤42的上表面固定到下部修整器凸緣41B的下表面。修整器盤42具有下表面,該下表面提供上述修整表面。上部和下部修整器凸緣41A、41B由相同材料制成。優(yōu)選使用的材料實(shí)例包括金屬例如不銹鋼。 修整器盤42和修整器驅(qū)動(dòng)軸32通過上部修整器凸緣41A、下部修整器凸緣41B和球面軸承(spherical bearing,球面支撐件)45彼此連接。上部修整器凸緣41A固定到修整器驅(qū)動(dòng)軸32的下端。球面軸承45位于上部和下部修整器凸緣41A和41B之間,構(gòu)造成允許上部和下部修整器凸緣41A和41B相對(duì)彼此傾斜。這個(gè)球面軸承45將推力(thrust)載荷和徑向載荷從修整器驅(qū)動(dòng)軸32傳遞到下部修整器凸緣41B和修整器盤42,同時(shí)允許修整器盤42相對(duì)于修整器驅(qū)動(dòng)軸32傾斜。 球面軸承45具有球形凹部45A,形成在上部修整器凸緣41A的下表面上;球形凹部45B,形成在下部修整器凸緣41B的上表面上;和球45C,與球形凹部45A和45B可滑動(dòng)地接合。球形凹部45A朝下,球形凹部45B朝上。球45C由具有極好耐磨特性的材料制成例如陶瓷。球形凹部45A和45B和球45C設(shè)置在修整器驅(qū)動(dòng)軸32的中間軸線上。這個(gè)實(shí)施例中,球形凹部45A和45B形成在上部修整器凸緣41A和下部修整器凸緣41B上。實(shí)際上,兩個(gè)接納元件,均具有球形凹部,可分別設(shè)置在上部修整器凸緣41A和下部修整器凸緣41B上。 上部和下部修整器凸緣41A和41B通過多個(gè)扭矩傳遞銷(扭矩傳遞構(gòu)件)48彼此連接。這些扭矩傳遞銷48以相等間隔設(shè)置在球面軸承45周圍(即圍繞修整器驅(qū)動(dòng)軸32和修整器盤42的中心軸線)。扭矩傳遞銷48將修整器驅(qū)動(dòng)軸32的扭矩傳遞到修整器盤42,同時(shí)允許修整器盤42相對(duì)于修整器驅(qū)動(dòng)軸32傾斜。
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圖6的視圖示出了這樣的狀態(tài)其中,下部修整器凸緣相對(duì)于上部修整器凸緣傾 斜。每個(gè)扭矩傳遞銷48具有球形滑動(dòng)表面,其與上部修整器凸緣41A中形成的接納孔松散 地接合。微小的間隙形成在扭矩傳遞銷48的滑動(dòng)表面和上部修整器凸緣41A的接納孔之 間。當(dāng)下部修整器凸緣41B相對(duì)于上部修整器凸緣41A傾斜時(shí),扭矩傳遞銷48同樣與下部 修整器凸緣41B —致地傾斜,同時(shí)與上部修整器凸緣41A保持接合。 扭矩傳遞銷48沒有將來自修整器驅(qū)動(dòng)軸32的推力載荷傳遞到修整器盤42,并且 僅將修整器驅(qū)動(dòng)軸32的扭矩傳遞到下部修整器凸緣41B和修整器盤42。這個(gè)實(shí)施例中, 扭矩傳遞銷48固定到下部修整器凸緣41B。扭矩傳遞銷48可固定到上部修整器凸緣41A。 利用上述結(jié)構(gòu),修整器盤42和下部修整器凸緣41B可以圍繞球45C的中心進(jìn)行萬向接頭 (gimbal)運(yùn)動(dòng),并且修整器驅(qū)動(dòng)軸32的扭矩可以通過扭矩傳遞銷48傳遞到修整器盤42, 不會(huì)限制萬向接頭運(yùn)動(dòng)。 上部和下部修整器凸緣41A和41B還通過多個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)49彼此連接。這些彈簧 機(jī)構(gòu)49以相等間隔設(shè)置在球面軸承45周圍(即圍繞修整器驅(qū)動(dòng)軸32和修整器盤42的中 心軸線)。每個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)49具有桿49A和彈簧49B。桿49A固定到下部修整器凸緣41B并 延伸穿過上部修整器凸緣41A。桿49A具有凸邊(collar),形成在其上端。彈簧49B設(shè)置 在桿49A的凸邊和上部修整器凸緣41A的上表面之間。彈簧機(jī)構(gòu)49產(chǎn)生力,抵抗修整器盤 42和下部修整器凸緣41B的傾斜,從而將修整器盤42恢復(fù)到它的初始位置(姿態(tài))。
上述結(jié)構(gòu)使得修整器盤42和下部修整器凸緣41B能夠進(jìn)行萬向接頭運(yùn)動(dòng),其中它 的支點(diǎn)位于球45C中心處。在修整過程中,修整器盤42傾斜,從而跟隨(追蹤)研磨墊IO 的研磨表面的形狀,其在修整過程中旋轉(zhuǎn)。因此,利用減少的載荷,修整器盤42可以獲得令 人滿意的修整結(jié)果。另外因?yàn)樾拚鞅P42的傾斜運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)(即球面軸承45的中心相對(duì) 于研磨表面的位置)低,修整器盤42可以平穩(wěn)地跟隨研磨墊10的研磨表面的波動(dòng)。因此, 修整器盤42不可能受到由于研磨表面的摩擦力導(dǎo)致的力矩(force of moment)。結(jié)果,修 整器盤42可以修整所述研磨墊10的研磨表面,不會(huì)被過度傾斜。另外,因?yàn)樾拚鞅P42 的傾斜運(yùn)動(dòng)可以防止研磨墊10的部分磨損(偏磨),因此可以實(shí)現(xiàn)低載荷的修整。
如圖4,柱狀的第一覆蓋件53A固定到下部修整器凸緣41B的上表面。這個(gè)第一覆 蓋件53A成形為圍繞上部修整器凸緣41A,球面軸承45,扭矩傳遞銷48,彈簧機(jī)構(gòu)49,和修 整器驅(qū)動(dòng)軸32的下端。另外,第二覆蓋件53B設(shè)置成圍繞第一覆蓋件53A的上端。第二覆 蓋件53B固定到修整器擺動(dòng)臂33 (圖1),設(shè)置成覆蓋第一覆蓋件53A的上端和修整器驅(qū)動(dòng) 軸32。間隙形成在第一覆蓋件53A和第二覆蓋件53B之間,從而當(dāng)?shù)谝桓采w件53A與下部 修整器凸緣41B與修整器盤42的傾斜運(yùn)動(dòng)一致地傾斜時(shí),第一覆蓋件53A不接觸第二覆蓋 件53B。第一覆蓋件53A和第二覆蓋件53B可以防止修整液和研磨液接觸所述球面軸承45 的球45C,還可防止從滑動(dòng)元件(例如扭矩傳遞銷48)產(chǎn)生的微粒落到研磨墊10上。
修整器盤42可拆地連接到下部修整器凸緣41B。具體的,修整器盤42通過至少三 個(gè)固定螺桿55(圖5示出了三個(gè)固定螺桿55)安裝在下部修整器凸緣41B的下表面上。通 過移除固定螺桿55,修整器盤42可以被去除,并且可以被新的修整器盤代替。
在修整器盤42由磁性材料制成的情況中,例如鐵或者一些其它金屬,可以使用圖 7所示的多個(gè)磁體56,代替固定螺桿55,用于將修整器盤42固定到下部修整器凸緣41B。 這種情況中,優(yōu)選的是在下部修整器凸緣41B的上表面上形成凹部并且將磁體設(shè)置在凹部中。 圖8的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的修整單元(修整設(shè)備)的關(guān)鍵部分。沒有特別描述的這個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作與第一實(shí)施例相同,并且相應(yīng)的描述被省略。
根據(jù)本實(shí)施例的修整單元30不具有上述彈簧機(jī)構(gòu)49和扭矩傳遞銷48。這個(gè)實(shí)施例中,上部修整器凸緣41A用作彈簧機(jī)構(gòu)和扭矩傳遞構(gòu)件。具體的,上部修整器凸緣41A由彈性材料(例如樹脂)制成并用作片簧。優(yōu)選使用的彈性材料的實(shí)例包括縮醛樹脂(P0M),具有極好的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)熱特性和可加工性。上部修整器凸緣41A具有的直徑大于根據(jù)第一實(shí)施例的上部修整器凸緣。上部修整器凸緣41A通過環(huán)形凸緣板60和螺桿61固定到下部修整器凸緣41B的上表面。 圓形凹部43形成在下部修整器凸緣41B的上表面上。圓形凹部43與下部修整器凸緣41B同心,直徑小于上部修整器凸緣41A。環(huán)形凸緣板60的外徑基本等于上部修整器凸緣41A的直徑,環(huán)形凸緣板60的內(nèi)徑等于或者略微小于在下部修整器凸緣41B上表面上形成的圓形凹部43的直徑。因此,上部修整器凸緣41A的僅周緣部被凸緣板60和下部修整器凸緣41B保持,從而凸緣板60和下部修整器凸緣41B不阻止上部修整器凸緣41A的彈性變形。凸緣板60、上部修整器凸緣41A、下部修整器凸緣41B和修整器盤42可具有相同直徑。球面軸承45結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例相同。第一覆蓋件53A的下端固定到修整器驅(qū)動(dòng)軸32的圓周表面。第二覆蓋件53B的結(jié)構(gòu)以及第一覆蓋件53A和第二覆蓋件53B之間的位置關(guān)系與第一實(shí)施例相同。 為了不在上部修整器凸緣41A上表面上保留液體(例如修整液),至少一個(gè)徑向延伸的槽63形成在上部修整器凸緣41A和凸緣板60之間。這個(gè)槽63形成在凸緣板60的下表面和上部修整器凸緣41A上表面中的至少一個(gè)上。 0形環(huán)(密封構(gòu)件)62設(shè)置在下部修整器凸緣41B的上表面上,從而圍繞圓形凹部43。上部修整器凸緣41A和凹部43限定一空間,其被0形環(huán)62密封。因?yàn)榍蛎孑S承45設(shè)置在這個(gè)空間中,修整液、研磨液、研磨碎屑等不會(huì)接觸球面軸承45。因此,可以保持球面軸承45的潤滑。0形環(huán)62可連接到上部修整器凸緣41A的下表面。另外,凹部43可形成在上部修整器凸緣41A的下表面上。 這個(gè)實(shí)施例中,上部修整器凸緣41A用作彈簧機(jī)構(gòu)和扭矩傳遞構(gòu)件,如上所述。具體的,當(dāng)修整器盤42和下部修整器凸緣41B相對(duì)于修整器驅(qū)動(dòng)軸32傾斜時(shí),上部修整器凸緣41A彈性變形。上部修整器凸緣41A的這種彈性變形允許修整器盤42傾斜,從而在修整過程中跟隨研磨墊10的研磨表面的形狀。 圖9的剖視圖示出了本發(fā)明第二實(shí)施例的修整單元(修整設(shè)備)的變形實(shí)例。這
個(gè)實(shí)例中,上部修整器凸緣41A具有平坦下表面,球形凹部45A沒有形成在上部修整器凸緣
41A上。球45C被下部修整器凸緣41B的上表面上形成的球形凹部45B支撐。這個(gè)實(shí)例中,
球面軸承45可以將推力載荷從上部修整器凸緣41A傳遞到下部修整器凸緣41B,同時(shí)允許
下部修整器凸緣41B和修整器盤42的傾斜。這個(gè)實(shí)例中,定位銷(未示出)用于將上部修
整器凸緣41A的中心軸線與下部修整器凸緣41B的中心軸線彼此對(duì)齊。 圖10的剖視圖示出了本發(fā)明第三實(shí)施例的修整單元(修整設(shè)備)的關(guān)鍵部分。這
個(gè)實(shí)施例中沒有具體描述的結(jié)構(gòu)和操作與第一實(shí)施例的相同,省略相應(yīng)的描述。 修整器驅(qū)動(dòng)軸32在其下端處具有小直徑部分32a。上部修整器凸緣41A的下表
10面和下部修整器凸緣41B的上表面彼此固定,從而它們構(gòu)成單個(gè)修整器凸緣。上部修整器凸緣41A和下部修整器凸緣41B具有形成在其中的同心的孔,修整器驅(qū)動(dòng)軸32的小直徑部分32a容納在這些孔中。上部修整器凸緣41A和下部修整器凸緣41B通過球面軸承45可傾斜地連接到修整器驅(qū)動(dòng)軸32的小直徑部分32a。具體的,球形突起45D固定到小直徑部分32a的圓周表面,球形凹陷構(gòu)件45E固定到孔的內(nèi)周面。球形突起45D和球形凹陷構(gòu)件45E可滑動(dòng)地彼此接合。 多個(gè)彈簧銷49,用作彈簧機(jī)構(gòu),固定到上部修整器凸緣41A的上表面。圖10僅示出了一個(gè)彈簧銷49。彈簧銷49以等間隔設(shè)置在球面軸承45周圍(即圍繞著修整器驅(qū)動(dòng)軸32和修整器盤42的中心軸線)。彈簧銷49構(gòu)造成將修整器驅(qū)動(dòng)軸32向上擠壓。上部修整器凸緣41A和修整器驅(qū)動(dòng)軸32通過多個(gè)扭矩傳遞銷48彼此連接。第一覆蓋件53A的下端固定到上部修整器凸緣41A的圓周表面。第二覆蓋件53B的結(jié)構(gòu)和第一覆蓋件53A與第二覆蓋件53B之間的位置關(guān)系與第一實(shí)施例相同。 本實(shí)施例中,上部修整器凸緣41A、下部修整器凸緣41B和修整器盤42構(gòu)造成相對(duì)于修整器驅(qū)動(dòng)軸32可一致地(in unison)傾斜。因此,修整器盤42在修整過程中可根據(jù)研磨墊10的研磨表面的形狀傾斜。 圖11的剖視圖示出了根據(jù)本發(fā)明基準(zhǔn)實(shí)例的修整設(shè)備的關(guān)鍵部分。這個(gè)實(shí)例中沒有具體描述的結(jié)構(gòu)和操作與第一實(shí)施例的相同,省略相應(yīng)的描述。 這個(gè)實(shí)例中,修整單元30不具有上述彈簧機(jī)構(gòu)和扭矩傳遞銷,但是具有波紋管(bellows)65,連接修整器驅(qū)動(dòng)軸32的下端和上部修整器凸緣41A的上表面。這個(gè)波紋管65將修整器驅(qū)動(dòng)軸32的扭矩傳遞到上部修整器凸緣41A(即修整器盤42)。
如果修整器盤42沒有平穩(wěn)地跟隨研磨墊10的研磨表面,研磨墊10的局部磨損(偏磨)會(huì)發(fā)生。在圖11的基準(zhǔn)實(shí)例中,因?yàn)椴y管65相對(duì)硬,研磨墊10的修整可能不會(huì)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行,取決于研磨墊10的表面狀態(tài)。這種情況中,優(yōu)選的是使用第一到第三實(shí)施例。從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看,第一實(shí)施例和第二實(shí)施例比第三實(shí)施例更有利,因?yàn)樾拚鞅P42的傾斜運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)(即球面軸承45的中心的距離研磨表面位置)會(huì)是低的。
圖12的視圖示出了在彈性支撐下部修整器凸緣41B(和修整器盤42)的情況中的模型,其中具有位于下部修整器凸緣41B的中間上的支點(diǎn)。負(fù)荷F是一力,施加到距離修整器凸緣41B的中心為距離L的點(diǎn),位移x是由于施加了負(fù)荷F造成的修整器凸緣41B的邊緣的位移,并且kn(n = 1,2,…)是每個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)的彈簧常數(shù)。對(duì)于修整器盤42為了平穩(wěn)地傾斜,從而跟隨研磨墊10的形狀,需要可以實(shí)現(xiàn)適合傾斜剛度(tilting rigidity)的彈簧常數(shù)K。在第一到第三實(shí)施例中,彈簧常數(shù)K不小于0. 5 X 104N/m并且不大于2 X 104N/m,或者修整器盤42的傾斜剛度K e不小于12. 5Nm/rad并且不大于50Nm/rad。說明書中,傾斜剛度限定為這樣的值,其表示當(dāng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力(即扭矩)被施加時(shí)扭矩和旋轉(zhuǎn)位移(即角度)之間的關(guān)系。第一和第三實(shí)施例中的彈簧常數(shù)K表示多個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)49整體的彈簧常數(shù),第二實(shí)施例中,表示彈性上部修整器凸緣41A整體的彈簧常數(shù)。
圖13的圖形示出了根據(jù)彈簧常數(shù)K而改變的負(fù)荷F和位移x之間的關(guān)系。圖13的水平軸線是圖12所示的位移量,圖13的豎直軸線是施加到修整器的負(fù)荷F(單位N),如上所述。因此,圖13示出了負(fù)荷F和位移x之間的關(guān)系。如圖13,圖中點(diǎn)劃線的回歸線(regressionline)根據(jù)彈簧常數(shù)K的區(qū)別而不同。圖14A的視圖示出了當(dāng)傾斜剛度大時(shí)可
11能發(fā)生的問題,圖14B的視圖示出了當(dāng)傾斜剛度小時(shí)可能發(fā)生的問題。 在研磨墊10的修整過程中,隨著研磨臺(tái)11旋轉(zhuǎn),研磨墊10的最靠外的邊緣波動(dòng)達(dá)到大約100微米。在這種情況下,如果修整器盤42的傾斜剛度大,修整器盤42不能跟隨著研磨墊10的波動(dòng),如圖14A。結(jié)果,修整器盤42的周緣局部地刮掉研磨墊10。
圖15A的平面圖示意性示出了在彈簧常數(shù)K大于2X10、/m的情況中(或者傾斜剛度K e大于50Nm/rad)已經(jīng)被修整器盤刮掉的研磨墊,圖15B的圖形是沿著圖15A的線A-A的圖形。如圖15A和15B,當(dāng)修整器盤42的傾斜剛度大時(shí),部分研磨墊10被極大地刮掉。另一方面,圖16A的平面圖示意性示出了在彈簧常數(shù)K不大于2X10、/m的情況中(或者傾斜剛度K e不大于50Nm/rad)已經(jīng)被修整器盤刮掉的研磨墊,圖16B是沿著圖16A的線B-B的圖形。如圖16A和16B,當(dāng)修整器盤42的傾斜剛度小到一定程度時(shí),研磨墊10被均勻地刮掉。 如果修整器盤42的傾斜剛度基本為零并且傾斜運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)位置高,修整器盤42容易被研磨墊10卡住(catch),如圖14B。結(jié)果,粘滑(stick slip)現(xiàn)象發(fā)生在修整器盤42的傾斜運(yùn)動(dòng)中,并且在修整器盤42的旋轉(zhuǎn)速度中產(chǎn)生波動(dòng)(誤差)。圖17的圖形示出了修整器盤的轉(zhuǎn)速的波動(dòng)(誤差),其根據(jù)彈簧常數(shù)或者傾斜剛度而變化。如圖17,當(dāng)彈簧常數(shù)K不小于0. 5X 104N/m或者傾斜剛度K e不小于12. 5Nm/rad時(shí),修整器盤42的轉(zhuǎn)速的誤差小于當(dāng)彈簧常數(shù)K小于0. 5X 104N/m或者傾斜剛度K e小于12. 5Nm/rad時(shí)。
圖18的圖形示出了彈簧常數(shù)和轉(zhuǎn)速誤差之間的關(guān)系以及彈簧常數(shù)和研磨墊輪廓之間的關(guān)系。當(dāng)彈簧常數(shù)K小于0.5X10、/m時(shí),傾斜剛度降低。結(jié)果,由于在研磨墊表面上產(chǎn)生的摩擦力造成的力矩,修整器盤被容易地傾斜,并且修整器盤可能由于上述粘滑現(xiàn)象而震動(dòng)。這種震動(dòng)在修整器盤轉(zhuǎn)速中產(chǎn)生波動(dòng)(誤差)。 另一方面,當(dāng)彈簧常數(shù)K大于2X 104N/m時(shí),傾斜剛度增大。結(jié)果,修整盤的周緣局部地刮掉研磨墊,造成研磨墊的局部磨損。因此為了穩(wěn)定地修整研磨墊,需要使得彈簧機(jī)構(gòu)的彈簧常數(shù)在0. 5X 104N/m到2X 104N/m的范圍中(或者修整器盤42的傾斜剛度K e在12. 5Nm/rad到50Nm/rad的范圍中)。 如上所述,根據(jù)本發(fā)明,修整器可以適當(dāng)?shù)匦拚心ヅ_(tái)上的研磨墊。另外,因?yàn)樾拚?fù)荷可以減小,在修整過程中刮掉的研磨墊的量可以盡可能小,因此研磨墊的壽命(或固定磨粒墊)可以增大。因此,化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備的運(yùn)行成本可以降低。另外根據(jù)本發(fā)明,因?yàn)樾拚梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)進(jìn)行,研磨墊輪廓可以在相對(duì)短期內(nèi)保持良好,并且化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備和方法的輸出可以提高。另外,通過移除螺栓或者磁體,修整器盤可以方便地被替換。 上述對(duì)實(shí)施例的描述用于使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠使用和實(shí)施本發(fā)明。另外,實(shí)施例的變形對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的,這里限定的基本原理和具體實(shí)例可以用于其它實(shí)施例。因此,本發(fā)明不限于這里所述的實(shí)施例,而是可以廣義上限定,由權(quán)利要求及其等效物限定。
權(quán)利要求
一種用于修整研磨墊的設(shè)備,所述設(shè)備包括修整器驅(qū)動(dòng)軸,可旋轉(zhuǎn)并且可豎直移動(dòng);修整器凸緣,連接到所述修整器驅(qū)動(dòng)軸,并且構(gòu)造成將修整構(gòu)件固定到其處;球面軸承,設(shè)置在所述修整器凸緣中,并且構(gòu)造成允許所述修整構(gòu)件相對(duì)于所述修整器驅(qū)動(dòng)軸傾斜;和彈簧機(jī)構(gòu),構(gòu)造成產(chǎn)生一抵抗所述修整構(gòu)件傾斜運(yùn)動(dòng)的力。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備,其特征在于,所述彈簧機(jī)構(gòu)構(gòu)造成用作彈簧常數(shù)在 0. 5X 104N/m到2X 104N/m的范圍中的彈簧。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其特征在于,所述彈簧機(jī)構(gòu)構(gòu)造成允許所述修整構(gòu)件具 有的傾斜剛度在12. 5Nm/rad到50Nm/rad的范圍中
4. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備,其特征在于,所述修整器凸緣具有上部修整器凸緣,固定到所述修整器驅(qū)動(dòng)軸;和下部修整器凸 緣,所述修整構(gòu)件固定到其處;禾口所述球面軸承將所述上部修整器凸緣和下部修整器凸緣彼此連接,同時(shí)允許所述上部 修整器凸緣和所述下部修整器凸緣相對(duì)彼此傾斜。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備,其特征在于,所述上部修整器凸緣由彈性材料制成,所述 上部修整器凸緣用作所述彈簧機(jī)構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備,其特征在于,還包括 密封構(gòu)件,設(shè)置在上部修整器凸緣和下部修整器凸緣之間,其中所述球面軸承位于在所述上部修整器凸緣和下部修整器凸緣之間形成的空間中,和所述空間由所述密封構(gòu)件密封。
7. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備,其特征在于,還包括扭矩傳遞構(gòu)件,構(gòu)造成將所述修整器驅(qū)動(dòng)軸的扭矩傳遞到所述修整構(gòu)件。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其特征在于,所述球面軸承包括球形突起,設(shè)置在所述 修整器驅(qū)動(dòng)軸的圓周表面上;和球形凹陷構(gòu)件,設(shè)置在所述修整器凸緣上。
9. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備,其特征在于,所述修整構(gòu)件可移除地連接到所述修整器凸緣。
10. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備,其特征在于,還包括 覆蓋件,設(shè)置成圍繞所述修整器凸緣的至少一部分。
11. 一種化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備,包括 研磨臺(tái),用于支撐研磨墊;頂環(huán)單元,構(gòu)造成將工件壓靠在研磨墊上,同時(shí)旋轉(zhuǎn)工件; 液體供應(yīng)裝置,構(gòu)造成將研磨液供應(yīng)到研磨墊上;禾口 根據(jù)權(quán)利要求1用于修整研磨墊的設(shè)備。
12. —種化學(xué)機(jī)械研磨方法,包括利用如權(quán)利要求11所述的化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備研磨工件。
13. —種用于修整研磨墊的設(shè)備,所述設(shè)備包括 修整器驅(qū)動(dòng)軸,可旋轉(zhuǎn)并且可豎直移動(dòng);修整器凸緣,連接到所述修整器驅(qū)動(dòng)軸,并且構(gòu)造成將修整構(gòu)件固定到其處;禾口 構(gòu)造成產(chǎn)生一抵抗所述修整構(gòu)件傾斜運(yùn)動(dòng)的力的機(jī)構(gòu),其中所述修整器凸緣具有磁體,通過所述修整構(gòu)件和所述磁體之間的磁力,所述修整 構(gòu)件連接到所述修整器凸緣。
全文摘要
描述了一種用于修整研磨墊的設(shè)備。該設(shè)備包括修整器驅(qū)動(dòng)軸,可旋轉(zhuǎn)并且可豎直移動(dòng);修整器凸緣,連接到修整器驅(qū)動(dòng)軸,構(gòu)造成將修整構(gòu)件固定到其處;球面軸承,設(shè)置在修整器凸緣中,構(gòu)造成允許修整構(gòu)件相對(duì)于修整器驅(qū)動(dòng)軸傾斜;和彈簧機(jī)構(gòu),構(gòu)造成產(chǎn)生力,逆著修整構(gòu)件的傾斜運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H01L21/304GK101786262SQ201010104090
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月28日
發(fā)明者小菅隆一, 渡邊和英, 磯部壯一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社荏原制作所