專利名稱：用于拋光的帶有可膨脹氣囊的薄片承載頭和傾角控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在拋光過程中控制薄片方位的拋光工具、方法以及設備。
半導體加工中的化學機械拋光(CMP)方法是通過從表面上去除最高點來拋光薄片表面。CMP系統(tǒng)能夠拋光未加工和部分加工的薄片。典型的未加工薄片是形狀近似為圓形薄片的晶體硅或者其它半導體材料。準備拋光的典型的部分加工的薄片具有絕緣材料的頂層，比如玻璃、二氧化硅或者氮化硅，或者導電材料頂層，比如銅或者鎢，它們覆蓋在一層或者多層帶圖案的層上，而這些有圖案的層形成了局部約5000到10,000高度的拓撲特征。拋光使表面的這些局部特征平滑。在理想狀態(tài)下，拋光過的表面在由薄片制成的小片的整個尺寸區(qū)域內都是平的?，F(xiàn)在，正尋找在10×10-mm小片面積上，薄片的局部平面誤差約為3000。


圖1表示了已知的化學機械拋光系統(tǒng)100，該系統(tǒng)包括其上安裝有一個薄片120的薄片承載頭110，帶有拋光墊的砂帶130，將砂帶130支撐在薄片120下方的支撐體140。在拋光過程中，拋光墊被噴上或者涂上研磨液，驅動系統(tǒng)150轉動砂帶130，使砂帶拋光墊沿薄片120的表面滑動。研磨液的化學作用、研磨液中的顆粒和抵靠在薄片120表面上的拋光墊的機械作用，會從表面上去除材料。為了均勻地去除薄片120上的最高點，在拋光過程中，薄片120應該平行于拋光墊。但是，砂帶130的運動使薄片120和拋光墊之間的摩擦力形成力矩，它會使薄片120相對于拋光墊傾斜。傾斜的薄片120會導致拋光不均勻，即薄片120的一邊會被去除更多的材料。
美國專利第5,593,344和5,558,568號描述了如圖1所示的系統(tǒng)，還描述了承載頭110中的液壓軸承，它用于調整薄片120在砂帶130上的傾角。該液壓軸承使承載頭調整到薄片平行于拋光墊的狀態(tài)。為了避免傾斜，在承載頭110中的液壓軸承的旋轉軸線位于或者大致位于拋光墊的平面內，使摩擦力繞軸承旋轉軸線所產生的力矩近似為零。對于旋轉軸線位于拋光墊平面中的傾角調節(jié)的限制明顯地制約了承載頭的設計。
承載頭設計的另一個考慮因素是在拋光過程中施加給薄片(或者拋光墊)的壓力曲線。為了使拋光表面在半導體加工所要求的誤差內，CMP系統(tǒng)試圖以均勻的壓力將拋光墊施加到薄片上。因此，很希望承載頭110和支撐體140在薄片120以及薄片120下方的砂帶130區(qū)域上，施加均勻的壓力。希望薄片承載頭能夠向薄片施加均勻的壓力、使薄片的表面與拋光墊的表面對齊，以及避免當在拋光過程中摩擦力施加在薄片上時薄片傾斜。
根據(jù)本發(fā)明，在拋光過程中，承載頭夾持并旋轉諸如薄片等物體。在一個實施例中，承載頭包括一個位置傳感器，它確定用于薄片的可移動卡盤或者承載器、和用于連接到驅動電機上的固定驅動機構之間的相對取向(或者它們之間的角度)。拋光機的控制系統(tǒng)使用來自傳感器的測量值，以選擇施加給卡盤的邊緣壓力，來控制物體抵靠在拋光墊上的傾角。安裝在承載頭上的促動器或者氣缸能夠向卡盤施加邊緣壓力。邊緣壓力的持續(xù)改變能夠改變驅動機構和卡盤的相對取向，但是保持物體相對于拋光墊的取向。
使用承載頭的一種方法是向卡盤施加壓力或者力，以使被卡盤夾持的物體抵靠在拋光墊上，同時承載頭處于靜止狀態(tài)。然后，確定了卡盤和驅動機構之間的相對取向或者角度，并記錄下來以備后用。盡管在物體的拋光過程中承載頭旋轉，控制系統(tǒng)仍持續(xù)監(jiān)測卡盤和驅動機構的相對位置，將該取向與記錄下來的取向相比較，并按需要改變邊緣壓力，以保持物體在拋光墊上的傾角。由于承載頭旋轉，所以最大邊緣壓力的位置幾乎與承載頭的旋轉同步移動。通過動態(tài)地調整邊緣壓力，即使卡盤不繞軸線旋轉，承載頭也能吸收不在物體和拋光墊之間的接觸平面內的繞軸力矩。
承載頭包括一個帶有凸起的驅動機構，每一凸起末端都有一個小球。該驅動機構通過連接件并通過凸起安裝到卡盤上，所述凸起能插入卡盤中的匹配開口中。這些球接觸開口的臂，使驅動機構和卡盤繞承載頭的旋轉軸線一起轉動。連接件和凸起還允許調整驅動機構和卡盤之間的距離和角度。特別是開口的徑向縱長結構和球的曲面，使承載器能夠在有限范圍內繞軸線轉動，所述軸線位于卡盤和驅動盤之間的平面內。
本發(fā)明的另一方面是提供了一種與承載頭驅動軸中形成的管線相連的柔性氣囊。將薄片安裝到氣囊的附近，使得來自管線的壓力迫使氣囊膨脹，并對用于拋光的薄片施壓。而在驅動軸中的管線能夠使承載頭旋轉，同時氣囊充了氣。
圖1表示了已知的化學機械拋光系統(tǒng)；圖2表示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所述的承載頭的分解圖；圖3表示了組裝后的圖2所示承載頭的截面圖；圖4A和4B分別表示了圖2中承載頭所用的驅動盤的底視圖和截面圖；圖5A和5B分別表示了圖2中承載頭所用的驅動盤的頂視圖和截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例所述的、用于向控制系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)的承載頭中的電路框圖。
在不同的附圖中，使用相同的序號來表示相似或者相同的部件。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，用于諸如化學機械拋光(CMP)系統(tǒng)的拋光工具的承載頭具有一個驅動機構，該驅動機構帶有與卡盤或者承載體相嚙合的圓形凸起，所述卡盤或者承載體上安裝有要拋光的薄片或者其它物體。這些凸起從驅動機構向承載體傳遞扭矩，使得驅動機構和承載體作為一個整體轉動，但是圓形凸起會使承載體相對于驅動機構發(fā)生角位移。因此，通過改變驅動盤和承載盤之間的相對角度，承載頭能夠使薄片平行于拋光墊。例如，通過驅動盤上的驅動軸，液壓或者氣壓的壓力施加到驅動機構和承載體之間的空隙或者氣囊上，這能夠使薄片抵靠在拋光墊上。作為另一種替換形式，也可用促動器施加所需的力而將薄片抵靠在拋光墊上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，當薄片抵靠在拋光墊上并且承載頭靜止時，傳感器確定驅動機構和承載體的相對取向。在這種取向下，該薄片平行于拋光墊。在拋光墊移動的過程中，控制系統(tǒng)監(jiān)視驅動機構和承載體的相對取向，并操縱定位器或者促動器向承載體或者薄片施加壓力，以使薄片保持與拋光墊平行。
圖2表示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所述的承載頭200的分解圖。在該實施例中，承載頭200繞轉軸290旋轉，同時夾持著一薄片，使之抵靠在移動的拋光墊上。承載頭200能夠用于多種拋光場合，包括用于諸如圖1所示的系統(tǒng)100等已知的CMP系統(tǒng)中。薄片承載頭200還適于下述的系統(tǒng)，例如共同申請的、代理人案卷編號為M-5185-US的題為“包括靜壓流體軸承支撐體的拋光系統(tǒng)”的美國專利申請，和代理人案卷編號為M-5163-US的題為“組合式薄片拋光裝置和方法”的美國專利申請，這些文件全文都作為參考內容包括在這里。
承載頭200包括一個驅動盤210、一個承載盤230、一個夾板240和一個保持環(huán)250，它們通常由鋁或者不銹鋼等金屬制成，并加工成下述形狀。在本發(fā)明的一個實施例中，盤210和230以及夾板240由6061-T6鋁制成，保持環(huán)250由PPS等塑料制成。盤210和230包括有用于四個連接件220的槽，所述連接件220將驅動盤210安裝到承載盤230上。為了將驅動盤210安裝到承載盤230上，盤210和230位于如下位置，即使得連接件220位于兩盤210和230的對應槽中，并且驅動盤210上的凸起212位于承載盤230的對應開口232中。連接件220具有縱長開口，螺栓或者螺釘通過該開口旋入驅動盤210和承載盤230。當驅動盤210和薄片承載盤相互鄰近時，這些穿過連接件220的開口大于螺栓之間的距離。一個柔性罩270，在本實施例中由纖維加強的EPDM制成，沿盤210和230的周邊滑動，并密封盤之間的間隙。該罩270是柔性的，以使承載盤230遠離驅動盤210移動，直到安裝螺釘位于連接件220縱長開口的相對邊緣。在薄片承載頭200的實施例中，每一連接件220都是不銹鋼的，并使驅動盤210和承載盤230之間的最大距離約為0.25英寸，徑向上從軸290起約4.25英寸。
圓形凸起212從驅動盤210延伸，這里，圓形凸起212有時指驅動軸承212，以與承載盤230中徑向延伸的開口232嚙合。凸起212可以用諸如將球軸承壓到在驅動盤210上安裝的支柱上而形成。開口232的寬度大約與凸起212的球形部分的直徑相同。當驅動盤210繞軸290旋轉時，凸起212與承載盤230上的開口232的側面接觸，并使驅動盤210和承載盤230作為一個整體旋轉。但是，凸起212的圓形構造和開口232的徑向延伸構造使得驅動盤210和承載盤230之間的相對角度變化。例如，承載盤230的一邊能夠立即鄰近驅動盤210，同時連接件220使承載盤230的另一對邊從驅動盤210處移開。在拋光過程中，用于調整驅動盤210和承載盤230之間角度的軸線離開薄片或者墊片的表面。
在驅動盤210上安裝有四個促動器215，這些促動器215具有穿過驅動盤210延伸并接觸承載盤230的桿。促動器215向承載盤230施加壓力，以保持承載盤230(或者安裝在承載盤230上的薄片)平行于拋光墊。在本發(fā)明的實施例中，促動器215是氣缸，例如可以是從Compact Air股份公司獲得的部件編號為R118×14的氣缸。促動器215通過驅動盤210的驅動軸214中的管道與動力和/或氣壓源相連。驅動軸214將驅動盤210安裝到驅動電機上，所述電機具有當承載頭200旋轉時，用于保持承載頭200和拋光系統(tǒng)的剩余部分之間的信號或者流體連通的匹配線路和連接件。每一促動器215都獨立受控，并需要用于調整驅動盤210相對于承載盤230的取向的控制信號。在本發(fā)明的實施例中，如下所述，控制電路安裝在承載盤230上，但是這種控制裝置也可以安裝到驅動盤210上或者承載頭200的外部。但是，如果將控制電路安裝到外部，就可能需要有更多的信號線路穿過驅動軸214。
柔性氣囊260安裝在承載盤230的底面上，并且如圖3所示，被保持環(huán)250和夾板240夾持定位。在本發(fā)明的實施例中，氣囊260由EPDM(乙丙烯二烯單體)制成。當就位后，承載盤230和氣囊260形成一個腔360，該腔除了開口330外是密封的，所述開口330延伸穿過承載盤230。開口330導引液體或者氣體對腔360施壓，使得氣囊260膨脹。在拋光過程中，薄片放置在鄰近氣囊260的地方，并在保持環(huán)250的周邊以內，這一周邊阻止了薄片滑動。當腔360受壓時，氣囊260膨脹，向外推動薄片而使之與拋光墊接觸，這時薄片大約與保持環(huán)250的底邊平齊。這樣，在拋光過程中，氣囊260向薄片施壓。在理想狀態(tài)下，該壓力在薄片的整個面積上是均勻的。
圖4A和4B分別表示了驅動盤210的一個實施例的底視圖和截面圖。在圖4A中，點劃線所示的機構從驅動盤210的底部是不可見的。從驅動盤210的底部可見的機構包括凹槽440、凸起212、促動器孔410、槽420和管線460。凹槽440為導線，軟管或連到管線460的管子提供了空間。六個凸起212均勻分布在圓周上，所述圓周的半徑約為驅動盤210的一半，這些凸起212從驅動盤210的底部延伸出來并與承載盤230嚙合。促動器孔410從埋頭孔部分415上延伸穿過驅動盤210，所述埋頭孔部分415在盤210的頂部。安裝在埋頭孔部分415上的促動器215推動桿而使之通過孔410并與承載盤230接觸。槽420僅部分穿過盤210，當頂板210安裝到底板230上時，這些槽420容納連接件220。帶螺紋的螺栓孔422跨過對應的槽420，并用于能夠防止連接件220滑出槽420的螺栓。
管線460延伸并穿過驅動盤210的驅動軸214。驅動軸214用于連接驅動電機，在拋光過程中，所述驅動電機旋轉承載頭200。管線460與驅動電機軸的匹配電路相連，使得氣流、液流和電信號流能夠進出承載頭200。特別是圖3所示的軟線315，它們將一條或者多條管線460連接到用于壓縮空腔360和膨脹氣囊260的進口330。在本發(fā)明的一個替換實施例中，氣囊260包括多個獨立的腔室，每一腔室都與單獨的進口330和單獨的管線460相連，使每一腔室能夠被加載到不同的壓力。但是，已發(fā)現(xiàn)單獨的腔360足以提供適當?shù)木鶆驂毫?，以使薄片與氣囊360接觸。在促動器215為氣缸的實施例中，一條或者多條管線460向氣缸提供壓縮氣體。而其它的管線460則是用于承載頭200中的控制電路和/或傳感器和外部電路(比如動力供給裝置和/或控制或計算機系統(tǒng))之間的導線的。另外管線460能夠向驅動盤210和承載盤230之間的腔提供進口。
圖5A和5B表示了承載盤230的頂視圖和截面圖。從承載盤230的頂面看去，是徑向延伸的開口232、槽520、凹槽510和530和進口330。開口232僅部分延伸穿過承載盤230，并設置在與驅動盤210的凸起212的模板相匹配的模板中。當承載盤230安裝到驅動盤210上時，槽520容納連接件220的下部。螺栓位于螺栓孔522中，所述螺栓孔位于承載盤230的一側，這些螺栓將連接件220保持在槽520中，同時使承載盤230相對于驅動盤210能夠移動。進口330穿過承載盤230，并與承載盤230下側的腔360以流體相通。
承載板230的頂面也包括凹槽510和530，它們分別用于安裝承載頭200中的傳感器和電路。這些位于凹槽510中的傳感器在多個(四個)位置處測量承載盤230和驅動盤210之間的距離。測出的距離確定了兩板210和230之間的角度和當時的相對取向。腔530中的電路提供了從傳感器到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(距離測量值)流通界面。由計算機執(zhí)行的軟件選擇適當?shù)膲毫Γ员３殖休d盤230(或者更精確地說是承載盤230之下的薄片)平行于拋光面。特別是在拋光操作的開始，薄片放置在承載盤230的下方，并且承載頭與拋光墊的拋光面接觸。在承載頭200開始旋轉之前，線路460對腔360施壓，并將力或者壓力施加給承載盤230。促動器215或者腔310中的壓力將盤210和230推離，并且腔360中的壓力使氣囊260膨脹，將薄片推壓在拋光墊上。在這種結構中，當薄片正確定位、即被拋光的表面平行且與拋光墊的表面接觸時，凹槽510中的傳感器測量到驅動盤230的參考距離。該參考距離指示承載盤230相對于拋光墊的所需取向，并記錄在控制系統(tǒng)中。當承載頭200開始旋轉時，該控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測由傳感器測量的距離，并將測量值與記錄的參考值相比較，再產生用于促動器215的適當壓力或者控制信號。作為響應，促動器215施加壓力，使承載盤230相對于驅動盤210進行所需的移動，以保持薄片(和盤210)平行于拋光面。
采用傳感器進行動態(tài)角度控制的優(yōu)點是即使摩擦力在承載頭230上產生力矩，該動態(tài)控制仍能夠保持薄片平行于拋光墊的表面。承載頭200使承載盤230能夠相對于驅動盤210旋轉，此時旋轉軸位于盤210和230之間的平面。因此，在拋光墊表面上的摩擦力產生了繞可能的旋轉軸的非零力矩。動態(tài)控制防止了這一力矩使薄片相對于拋光面傾斜。
圖6表示了承載頭200中的電路600的框圖。電路600包括位移傳感器610和電路板620。傳感器610是光學傳感器，它們測量盤210和230之間的距離，并產生指示測量距離的模擬信號。在圖5所示的實施例中，凹槽510中的四個位移傳感器提供四個距離測量值，這四個值一起指示出承載盤230相對于驅動盤210的取向。承載頭200也包括其它傳感器615，它們用于測量承載頭200或者安裝在承載頭200或者薄片的其它參數(shù)(例如溫度)。電路板620包括一個電壓調節(jié)器680，它通過連接器670接收電力，該連接器670通過驅動軸214連接到外部電路。電壓調節(jié)器680提供了用于電路板620和傳感器610和615的操作電壓Vcc。
電路板620的主要目的，是使用最少量的導線將來自傳感器610和615的數(shù)據(jù)，轉換為能夠傳遞給外部控制系統(tǒng)的格式。為了達到這一目的，電路板620包括放大器630、模數(shù)轉換器(ADCs)640、微型控制器650、一個界面驅動器660和連接器670。如果需要，放大器630將來自傳感器610和615的模擬信號放大，并且ADCs 640將模擬信號轉換為用于微型控制器640的數(shù)字信號。微型控制器650通過界面驅動器660控制數(shù)據(jù)流至外控制系統(tǒng)。在該實施例中，界面驅動器660和微型控制器650是已知的RS-232系列界面，用于與外部控制系統(tǒng)通信。通過界面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)包括來自傳感器610和615的測量值，以及儲存在EEPROM 660中的校準信息。該在承載頭200的制造過程中可被寫入的校準信息，指示出承載頭200和/或促動器215的幾何尺寸或者性能變化。當確定了怎樣操縱促動器215以保持薄片平行于拋光表面后，外部控制系統(tǒng)讀取并使用該校準信息。
盡管參照了特定實施例描述了本發(fā)明，但是這些描述僅是本發(fā)明應用的實例，并不是對本發(fā)明的限制。特別是，盡管本發(fā)明的實施例是用于CMP砂帶拋光機的承載頭，但本發(fā)明的其它實施例也可以應用于其它拋光機床，例如旋轉拋光機。本文所公開的實施例的多種其它適用形式以及特征組合都落在所附權利要求確定的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1．一種用于拋光工具的承載頭，包括一個驅動機構；一個卡盤，它可移動地安裝在驅動盤上，該卡盤包括一個用于被拋光物體的夾持器；一個或者多個促動器，該促動器與卡盤接觸，其中促動器控制卡盤相對于驅動機構的取向；和一個傳感器系統(tǒng)，用于檢測卡盤的取向。
2．如權利要求1所述的承載頭，其中，驅動機構與一個驅動系統(tǒng)相連，該驅動系統(tǒng)轉動承載頭，其中操縱促動器以保持物體表面為拋光定位，而承載頭旋轉。
3．如權利要求1所述的承載頭，其中，卡盤能夠可移動地安裝到驅動機構上，這使得卡盤繞軸線旋轉，所述軸線位于拋光墊與物體接觸的平面外面。
4．如權利要求1所述的承載頭，還包括用于在驅動機構和卡盤之間形成密封腔的結構；和安裝在密封腔中的管線，其中通過管線的流體能夠對密封腔施壓，并形成將卡盤推離驅動機構的力。
5．如權利要求1所述的承載頭，還包括安裝在承載頭上的控制管線。
6．如權利要求5所述的承載頭，其中，控制管線和傳感器安裝在卡盤上。
7．如權利要求1所述的承載頭，其中，卡盤包括一塊具有多個開口的盤；和驅動機構包括多個凸起，每一凸起具有一個圓形部分，它們分別設置在盤上相應的一個開口中，并與開口的壁嚙合。
8．如權利要求7所述的承載頭，其中，每一凸起的圓形部分包括位于凸起末端的球。
9．如權利要求1所述的承載頭，其中，物體是薄片。
10．如權利要求1所述的承載頭，其中，傳感器系統(tǒng)檢測卡盤相對于驅動機構的取向。
11．一種拋光工具，包括一個拋光表面；一個承載頭，它包括一個驅動機構；一個卡盤，它可移動地安裝在驅動盤上，該卡盤包括一個用于被拋光物體的夾持器；一個或者多個促動器，該促動器與卡盤接觸，其中促動器控制卡盤相對于驅動機構的取向；和一個傳感器系統(tǒng)，用于檢測卡盤的取向；和一個控制系統(tǒng)，它與傳感器系統(tǒng)和促動器系統(tǒng)相連，其中控制系統(tǒng)接收來自傳感器系統(tǒng)的測量值，并根據(jù)測量值操作促動器，使物體位于緊靠在用于拋光的拋光表面上。
12．一種拋光物體的方法，包括將物體安裝到卡盤上，其中卡盤可移動地安裝在一個驅動機構上；向卡盤施加力，使位于拋光位置的物體抵靠在拋光墊上；當物體處于拋光位置，確定卡盤相對驅動機構的取向；轉動卡盤；和向卡盤施加力，以按照需要改變卡盤相對于驅動機構的取向，從而在拋光位置保持物體。
13．如權利要求12所述的方法，還包括在卡盤旋轉的同時，測量卡盤相對于驅動機構的取向；分析取向的測量值，其中向卡盤施加力的步驟包括依據(jù)分析，選擇生地施加力。
14．如權利要求12所述的方法，其中，向卡盤施加力的步驟包括操作促動器，以在驅動裝置和卡盤之間施加力。
15．一種承載頭，包括一個包括多個開口的承載盤；和一個驅動盤，它包括多個凸起，每個凸起在凸起的末端都具有小球，每個球都置于承載盤上相應的一個開口中，并與開口的壁嚙合。
16．如權利要求15所述的承載頭，其中，驅動盤還包括一個驅動軸，用于在承載頭的旋轉過程中，安裝驅動電機。
17．如權利要求16所述的承載頭，還包括一個柔性氣囊，它安裝在承載盤上，其中管線設置在驅動軸中，并且與施加壓力的裝置相連，所述裝置穿過柔性氣囊。
18．如權利要求17所述的承載頭，還包括一個將薄片夾持到鄰近柔性氣囊的機構，其中氣囊的膨脹向薄片施加壓力。
19．如權利要求15所述的承載頭，其中，承載盤上的開口設置在圓周上，所述圓周以承載頭的旋轉軸線為中心。
20．如權利要求19所述的承載頭，其中，開口沿徑向延伸。
21．一種承載頭，包括一個柔性氣囊；一個驅動盤，它具有驅動軸，用于在承載頭旋轉的過程中安裝驅動電機，其中管線設置在驅動軸中，并且與施加壓力的裝置相連，所述裝置穿過柔性氣囊；和一個將薄片夾持到鄰近柔性氣囊的機構，其中氣囊的膨脹向薄片施加壓力。
全文摘要
一種用于拋光系統(tǒng)的夾持薄片等物體的承載頭,在拋光過程中該承載頭能夠旋轉。這樣的承載頭包括一個傳感器,它確定可移動卡盤和固定驅動機構的相對取向(或者它們之間的角度)?？刂葡到y(tǒng)使用測量值選擇施加給薄片或者卡盤的邊緣壓力,來控制薄片抵靠在拋光墊上的傾角。將薄片連接柔性氣囊,給薄片施以用于拋光的均勻壓力。
文檔編號B24B49/00GK1222429SQ9812394
公開日1999年7月14日 申請日期1998年11月5日 優(yōu)先權日1997年11月5日
發(fā)明者格雷戈里·A·阿佩爾, 伊?！·威爾遜, 張壽松 申請人:阿普萊克斯公司