用於cmp墊修整的增強式末端執行臂裝置的製作方法

2023-04-24 01:45:06 1

專利名稱：用於cmp墊修整的增強式末端執行臂裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於化學機械平坦化(CMP)系統的修整設備(conditioning apparatus),且尤其涉及一種改進的末端執行臂(end effector arm)結構以 提供此末端執行臂相對於拋光墊表面的良好受控的、可靠並且有效的運動 和操作。
背景技術：
在化學機械平坦化(CMP)領域中，採用一種被稱為"墊修整(pad conditioning)"或"墊整修(pad dressing)"的製程來修復拋光墊的表面，並 通過從墊移去微粒和用盡的拋光漿來消除表面平滑現象(surface glazing)。 塾修整還通過選擇性地去除墊材料來再次使拋光墊平坦化，以便4吏新曝露 的墊表面變粗糙。墊修整可"離位(ex-situ)"(即，在晶圓拋光周期之間 修整拋光墊)執行，或"原位"(即，與晶圓拋光同時，或在一個晶圓拋 光周期內)執行。在典型的現有技術"原位，，墊修整製程中，固定的研磨 修整盤(abrasive conditioning disk)掃過墊表面以去除少量的墊材料和堆 積的碎片，從而在墊表面上形成新的粗糙表面以允許拋光漿自由流動。然 後，所去除的墊材料和碎片結合所使用的拋光漿，被被動地從墊中帶走。在最典型的原位修整裝置中，研磨修整盤被保持在可轉動的臂(被稱 作"末端執行臂"或"修整臂")內，該轉動臂將此盤掃過當前未使用的 部分拋光碟。在2006年5月30日授予S丄Benner的第7,052,371號美國專利中詳細描述了一種特殊的裝置，上述美國專利被轉讓給本申請的受讓人，並通過引用合併於此。圖l和2圖示說明了由Benner所傳授的示範性 ^修整裝置，其中圖1以頂^L圖來說明上述裝置，圖2以側—見圖來說明。如 所示，修整設備IO (以下被稱為"修整器頭10")安裝於機動化的末端執 行臂12上，以便允許修整器頭10來回地掃過拋光墊14的表面(在圖1 中用弧AB來說明)。安裝在修整器頭10下部的研磨修整盤22隨著頭10 掃過拋光墊14而移去凝聚的碎片。末端執行臂12配置成將預定的向下的 力(指示為"F",並顯示在圖2中)和旋轉運動(指示為"R"，並顯示在 圖2中)傳遞給修整盤，其中在這個具體的實施例中使用電機17來使末 端執行臂12圍繞固定軸18沿弧AB (或經由任意其它適當的平移運動) 樞軸旋轉，而且還向修整盤提供旋轉運動R和向下的力F。這個特定的裝 置被認為是僅作示例性的，因為還有使用例如固定式研磨結構(取代轉動 的修整盤)或使用可覆蓋全部墊半徑從而無需"掃"過墊來提供修整效果 的研磨結構的其他系統。在上面所引用的Benner裝置中，帶孔的修整盤22被用來使拋光墊消 除表面平滑現象，並通過應用真空力的拉作用以經由且沿著在修整盤22 上形成的孔抽空所移除的碎片。如圖1和2所示，真空作用力向上拉伸碎 片，並且經由通道25從拋光墊14中抽空碎片。藉助於機械裝置或放置於 修整盤22和修整器頭IO之間的磁性安裝裝置，帶孔的修整盤22自身被 附裝於修整器頭10。對於修整過程的正確操作來說重要的是把帶孔的修整 盤正確地對準於修整器頭內的其它構件。在操作過程中，墊與去除部件之 間的對準同樣使得從拋光墊表面中高效地抽空碎片。正確的對準對於拋光 墊的合成平面度也是重要的，這是改進晶圓的拋光均勻性和減少缺陷的主 要因素。在高產量的工業應用中， 一直需要改進CMP設備和工藝，這是因為 半導體晶圓的研磨在集成電路的加工過程中被反覆地使用，在每次研磨操 作期間以及之前要花費大量的成本和勞力。與研磨有關的任何質量問題可 導致損失多個"管芯，，或晶片，因為需要拋棄直至整個晶圓，這確實是一 件令人不快的事情。當關於修整和拋光的質量問題需要被解決時，不能忽 視效率和費用的相關爭議，其中"質量"和"費用"通常是令人緊張關注的領域。例如，為了從CMP結構移除研磨修整盤(即替換所述研磨修整盤以 及重新檢定這個過程)，修整盤必須是可拆卸的、分開以及/或者用手抓握 並^^動以克服磁場或機械力並從修整器頭處拉出所述修整盤。有時，這種 手動操作不方便，而且可能會使有害的微粒落到拋光的墊表面上。在多數情況下，在修整器的末端執行臂和其拋光墊之間幾乎沒有空隙。另外，由 於任何涉及修整盤移除的過程通常都是在潔淨室內進行的，其中工作人員 必須帶手套(而且可能是其他笨拙的服裝)，這些手套是不方便/笨拙的， 而且可能引起所述盤或其餘器件的損壞或偏移。研磨修整盤相對於修整器 頭頂對準會導致重新檢定所述製程的問題，因為研磨修整盤的非平面度將 轉變為拋光墊表面的非平面度。當修整盤與修整器頭不對準時，拋光墊表 面的徑向變化(由於晶圓接觸時間不同而引起不同磨損率所導致的常見問 題)進一步擴大。目前發展的製程水平會留下槽型或中心區域，其在墊上 的兩個區域內產生高的應力或廢料，從而產生晶圓拋光缺陷源，導致不均 勻的拋光，或更壞地，導致研磨盤的振動，這將產生《鼓粒汙染。由於不對 準而導致的拋光漿的積累也可能引起巨大顆粒(凝聚物)的拋光缺陷。另一個問題區域與末端執行臂自身的平移運動有關。在常規使用中，在修整製程期間提升和降下末端執行臂12時，末端執行臂12沿z方向平 移(即"向上"和"向下")，其中這種平移運動由位於末端執行臂內的致 動器控制。由於隔膜(diaphragm)顯示了不良的可靠性，所以傳統致動器 的隔膜或活塞動作已被證實存在問題。此外，傳統的汽缸活塞通常需要多 於5磅每平方英寸的力來啟動致動器的運動(也就是說，破壞組裝的靜力 和密封摩擦)。因此，在絕大多數情況下，修整盤施加到拋光墊上的下壓 力(downforce)必須克服這個初始摩擦力，並且其後提供一個矯正力來將系 統帶到正確的定位點。如果定位點需要少於5磅每平方英寸來保持，那麼 不能容易地獲得開啟力。在一些裝備中，升力並不由正壓力提供，而是由 真空(負壓力)提供。這種配置無法被用來可靠地偏置末端致動器自身或 致動器內摩擦組件的重量，使得低的下壓力(例如，小於2磅)的修整變 為不可能。這些現有技術致動器問題的結果可能是拋光墊的過度修整/整 修，這是由於無法一貫地反覆地獲得低的研磨下壓力。可選擇地，或者另外，這種現有技術系統可能需要與在被稱為"部分墊修整"的模式下的致 動器的過度工作周期有關的增加的維護。這個部分墊修整模式能夠在修整 操作期間將墊的整修在"開"和"關，，相位之間進行循環，以便減少墊的 磨損率。這個模式旨在補償低的下壓力、連續的修整的缺乏。當製程的起 始和停止位置無法精確控制時，部分墊修整還可導致不均勻的整^^這還 會導致拋光操作的更少的加工能力和更差的質量控制，並潛在地導致與制 程控制有關的故障時間。而且，在掃掠修整器應用中，當拋光墊開始老化並且呈現不均勻頂面 時，隨著修整器頭來回地掃掠，末端執行臂將需要輕微地樞軸旋轉或調整 高度差。在絕大多數情況下，由於"標準"的設計參數針對拋光墊的中間 厚度而限定，所以期望樞軸旋轉的範圍為總共不超過IO。。在末端執行臂 內的任何機械驅動構件都必須能夠移動通過這個範圍，同時保持正確的對 準/嚙合。不對準可導致各種各樣的可靠性和/或微粒生成(拋光缺陷)的 問題。因此，現有技術中仍然需要一種用於CMP系統的改良的修整設備和方法，其能在拋光/修整的質量、效率和可靠性方面提供增強的可靠性和簡化的可維護性，從而進一步改進CMP系統的整個操:作。 發明內容本發明解決了現有技術中仍然存在的不足,本發明涉及用於化學機械平坦化(CMP)系統中的修整設備，且尤其涉及一種改進的末端執行臂結 構以提供在修整製程期間此末端執行臂相對於拋光墊表面的良好受控的 並且高效的運動和操作。根據本發明，所形成的修整設備末端執行臂包括多種部件，這些部件 按以下方式一同運行，所述方式可簡化與修整盤自身有關的維護，同時還 能改善由修整盤施加至拋光墊表面上的下壓力的精度和控制。本發明的增 強式末端執行臂能提供更為穩定的拋光墊表面整修，這通過對修整製程中出現的變化和擾亂拋光製程參數的機會進行限制，提高了相關拋光操作的 質量和效率。在本發明的示範性的實施例中，用於移除/更換研磨修整盤的"快速釋 放"機構被用來消除對那些將接觸到修整器頭的其它工具的需要，或者用 來消除人們身體上接觸修整盤自身的不足。因此，這些現有技術操作的消 除被視為限制了 CMP系統受汙染的可能，或者限制了當在研磨修整盤上 進行維護操作時出現破損的可能。這種快速釋放機構所採用的形式為一個或更多個頂出才幾構(ejector mechanism)(例如，銷或柱塞)，這些頂出才幾 構經布置後穿出修整器頭並且接觸到修整盤，使得可通過壓下這些機構來 移除該盤。通過將形如磁性定位器(magnetic locator)的被動式對準裝置布置 在修整盤和修整器頭自身內以便在更換時該盤將自動地連接到並且對準 修整器頭，從而得到修整盤可靠性的進一步提高。在本發明的一個實施例中， 一對頂出機構(其通常為彈簧加載的銷) 按以下方式布置在增強式末端執行臂修整器頭的外圍上的相對位置處，在 這種方式下，當壓下這些機構時，它們使用足以釋放研磨修整盤和修整器 頭之間的磁性或機械把持的力來接觸研磨修整盤的背面。有利地，用手就 能夠容易地對這些機構施加足夠的平衡力作用，從而快速方便地移除研磨 修整盤，而無需額外的工具或物理上處理修整盤自身。根據本發明的增強式末端執行臂，通過結合用於控制末端執行臂的垂 直運動和由該臂的修整器頭施加到CMP拋光墊上的下壓力的無"靜摩擦" (靜態阻力(stiction))致動器，可實現與控制通過修整盤施加到拋光墊的 下壓力有關的質量改進。在本發明的一個實施例中，零靜態阻力致動器可 包括雙向活塞(two-way piston )，該雙向活塞包括玻璃外殼(glass housing) 和石墨活塞(graphite piston)。該石墨活塞在非常緊密配合的玻璃外殼內行 進，只允許在側壁上非常輕微的洩漏，因而真正地消除其間的任何可感知 的靜摩擦。精確的氣動調節器(pneumatic regulator)的使用提供了對致動 器雙向運動的精確控制以及對修整器頭的下壓力的最終準確施加，該氣動 調節器可主動地排出反饋漏壓(feedback leakage pressure )。根據本發明，通過使用在末端執行臂內的雙驅動/中間滑輪裝置 (dual-drive/intermediate pulley arrangement),解決了與當4地光墊老4b (導致 非平面的拋光墊表面)時修整器頭的傾斜有關的質量問題。 一對驅動帶的 使用經證實可最小化帶驅動系統在該臂對準老化的拋光墊的不均勻表面時的不期望的傾斜運動。尤其是，通過使用"對開"的雙驅動帶("split"dual-drivebelt)，將該臂必須在其上樞軸旋轉的跨度切成兩半，因此減少了皮帶 隨著拋光墊老化而必然發生的傾斜。參考附圖，在隨後的討論過程中，本發明的其它和更多的方面及優點 將變得顯而易見。


現在參考附圖圖l是現有技術修整設備的頂視圖； 圖2是圖1的現有技術設備的側視圖；圖3是根據本發明而形成的增強式末端執行臂的剖視等軸測視圖； 圖4是本發明增強式末端執行臂的修整器頭部分的詳細分解圖； 圖5是圖4修整器頭內的磁性六角形鍵的進一步詳細視圖； 圖6是圖4修整器頭內的修整盤快速釋放機構的進一步詳細視圖； 圖7是用於圖3增強式末端執行臂的零靜態阻力致動器的剖視側視圖；圖8是圖7致動器的封閉式等軸側視圖；圖9是圖3增強式執行臂內的用於控制修整器頭的"傾斜"的對開的 驅動滑輪機構的部分分解等軸測視圖。
具體實施方式
根據本發明，開發了一種用於CMP系統的增強式末端執行臂，這種 增強式末端執行臂能提供精確且良好受控的修整製程，因而能改善拋光墊 自身的質量和壽命，並最終改善CMP系統所執行的拋光/平坦化製程的質 量。因為末端執行臂實質上是修整操作的控制機構，所以能快速實現臂的 各構件在以下方面的改進，在CMP設備的增強的可靠性和簡化的維護方 面，以及在改進整個修整和拋光製程的質量方面。本發明的增強式末端執 行臂包括各種部件，這些部件以協作和漸增的方式運行，從而改進臂自身 的性能和可靠性，結果還能提高修整和拋光製程的總質量。圖3用剖視等軸側視圖說明了一種根據本發明形成的上面所述方式的示範性增強式末端執行臂。具體地，增強式末端執行臂30包括改進的修 整器頭38，該修整器頭38包括保證研磨修整盤36和修整器頭38的簡化 對準/連接的部件，(在圖5的對準/連接機構32中詳細示出)，以及保證在 希望(修理、清潔、更換等)時簡化修整盤的移除的部件。本發明增強式 末端執行臂中的移除部件包括一套快速釋放頂出機構34(在圖6中詳細示 出)，該頂出機構34可破壞研磨修整盤36和修整器頭38之間的力(例如， 磁吸引或通過使用制動裝置分離元件(detent break-away element )、掣子等 的機械連接)，而無需使用額外的工具或手動將盤從修整器頭中撬開。為 了後面的附圖引用的目的，圖3還表示了臂30的與修整器頭38相連接的 終端部分35，其中還顯示了與修整盤的運動有關的旋轉接頭(rotary union) 37。根據本發明，增強式末端執行臂30進一步包括零靜態阻力致動器機 構40,在這個特定的實施例中，致動器機構40設置在增強式末端執行臂 30的相對端42內。零靜態阻力致動器機構40包括活塞和汽缸裝置，當活 塞沿著汽缸移動時，即使有靜摩擦力的話，也只是產生很少的靜摩擦力， 因此，由於沒有需要克服的初始靜力("起步阻力(breakawav force)"),
所以能夠更加準確地控制對修整器頭38施加的下壓力(例如，具有50克 或更小的分辨能力)。如本文後面的詳細描述，能非常精確地控制所施加 的下壓力的能力允許得到"零"下壓力性能，在"零"下壓力的情況下， 可以使修整器頭懸著，而不會出現任何的拋光墊磨損。對所施加的下壓力 的這種精確控制還允許在修整期間對拋光墊去除率進行各種控制，在橫跨 拋光墊的不同徑向位置處更為有利。實際上，由於旋轉速度的差異，拋光 墊傳統地在中間部分磨損較快，而在中心和邊^^磨損較慢。在這些徑向位 置上施加更高的力使得墊的去除率加快，結果能夠更加精確地控制墊的輪 廓或外形，而不會減少整個墊的壽命。這種能力還允許在相對於徑向位置 的零下壓力(zero downforce )下控制化學物或其它材料的分配。迄今，傳 統的末端執行臂結構並不具備這些優點。以下將聯繫圖7和8更為詳細地 描述致動器機構40的操作和優點。在圖3增強式末端執行臂30中顯示的還有雙驅動/中間滑輪裝置80，其已被證實可最小化當臂30樞軸旋轉時相關驅動帶的不期望的傾斜移動， 藉助於實質上將如此不必要移動所產生的^爭度"分"為兩半。下文將對增 強式執行臂30的這些方面做出詳細的描述。圖4用分解圖詳細顯示了本發明增強式執行臂30的修整器頭38的所 選構件。沒有詳細提出或描述與本發明主題無關的某些元件。為了理解修 整器頭38和執行臂30之間的關係，該圖還顯示了執行臂30的終端部分 35和旋轉接頭37。根據本發明，如圖4中的分解視圖所示， 一對頂出機 構34 (在這個特定實施例中顯示為一對銷)經放置與修整器頭相連接，並 用於破壞磁吸引和從修整器頭38快速釋放修整盤36。圖4還顯示了磁性 的帶4定的對準/連4妻裝置(magnetic keyed alignment/attachment arrangement) 32,其中裝置32將在下文中聯繫圖5進行詳細的描述。如圖4所示的頭 38的其它構件包括用於從拋光墊表面抽出碎片的真空室，該真空室包括頂 板41、外部真空室43和內部真空室45。在圖4的^L圖中，4艮明顯，真空 口 (vacuum port) 43-P沿著外部真空室43祐:放置於預定的出口位置。如 上所討論的，來自修整製程的碎片可通過經由口 43-P施加真空以及使這些 碎片通過修整盤36中的孔排出並使碎片經由通道25進入處理系統(未顯 示)而從拋光墊表面抽出。參考圖5，結合磁性的帶鍵的對準/連接裝置32,示出了示範性的帶孔 的修整盤36,在這個特定的實施例中，使用六角形的鍵來生成防止轉動的 對準裝置。根據本發明，研磨修整盤36經配置後包括充滿磁性材料39的 中央鍵孔42。所示連接裝置32包括葉輪主體(impellerbody) 31,該葉輪 主體31包括中央孔31-A和安裝在孔31-A內的接頭(yoke) 33。在現有 技術裝置中，需要單獨的磁性盤零件(或另一種機械構件)來將修整盤連 接到修整器頭，增加了修整設備的費用和複雜性。根據本發明，已經消除 了對這種單獨組件的需要，通過使用放置在葉輪主體31的中央孔31-A內 的多個磁性元件44，顯著地簡化了這種連接/對準過程。這些磁性元件44 被放置成以便對準修整盤36的鍵孔42內的磁性材料39,並從而提供研磨 修整盤36和修整器頭38之間的期望連接和對準。因此，修整盤可按相對 簡單的方式(每次對準可能在60° (六角形)內，典型的驅動機構處於 180° (驅動銷))而簡單地且重複地連接到修整器頭並與修整器頭對準，提高了 CMP修整製程的總的效率和質量。應當指出的，示範性接頭33和 孔31-A的六角形形狀應看作僅為示例性的，還可在其位置處使用能夠提 供旋轉接頭37 (圖4中)、接頭33和盤36之間的期望類型的防止轉動/對 準和驅動力能力的各種其它幾何形狀。在隨後討論的過程期間，顯而易見 地，對準/連接裝置32的使用，以及研磨修整盤36的"背面"/快速釋》文 安裝到修整器頭38上，提供了這樣一種系統，這種系統能有效地將驅動 扭矩從臂傳遞到盤，同時還保持任何的已生成微粒，並防止微粒汙染拋光 塾。圖6用分解圖詳細展示了增強式執行臂30的新型的快速釋放頂出機 構34的細節，其被用來有效地使修整盤36脫離嚙合頭38。如上所提及的， 現有技術執行臂的結構需要通過用手抓握研磨修整盤並用葉片撬動以破 壞研磨修整盤36和修整器頭之間的磁性力或機械力來移除研磨修整盤。 這是一件棘手的任務，因為在絕大多數情況下，在修整設備的末端執行臂 和拋光墊自身之間僅存在很小的間隙(見圖2)。而且，移除過程通常是在 潔淨室環境中進行的，在潔淨室環境中，工作人員必須帶手套以及其他笨 拙的服裝，這增加了當從修整器頭中橇開盤時損壞盤或損壞其餘部分的可 能。這些傳統的手動移除過程還提供了汙染物進入潔淨室環境的機會，因 為損壞的工提供了微粒汙染物的源頭，例如與擊碎的漿體有關，和/或與 CMP設備零件的無意刨削有關的微粒汙染物。這些微粒可能會進一步導致 晶圓的刮擦和/或在重新檢定CMP設備以進一步處理中的問題。根據本發明，已研製出一種"快速釋放"裝置，其使用一對頂出機構 34,該頂出機構34實現一對銷元件50向下穿過修整器頭38並頂著修整 盤36的背面的運動。雖然圖6的特定實施例說明了將"銷"用作頂出機 構，但應當理解到，可使用任何合適的機械式"解緊(de-latching)"裝置。 為了簡便，後面的討論將使用術語"頂出銷，，，其中應當理解到其同樣適 用於"機構，，的廣泛定義。參考圖6，所示頂出銷34的示範性實施例包括 上部外殼元件(upper housing element) 54,其尺寸製造成允許銷元件自身 做簡單的運動。在這個特定的實施例中，銷元件50被彈簧裝載到上部外 殼54內，顯然是用彈簧56，以便銷元件50能回到其初始位置。然而，考 慮到這種彈簧裝載的使用是任選的，還可使用包住和平移銷元件50的其它裝置，這些裝置都被認為是落入本發明的範圍內。在圖6中所示的下部外殼58實現銷元件50的裝入，同時允許銷元件50從修整器頭38排出， 接觸修整盤36的背面，破壞修整盤36的磁性元件39和葉輪主體31的磁 性元件44之間的把持。 一旦修整盤36已被清潔、更換或修理後，通過使 盤36接近葉輪主體31就可簡單地實現再次連接，其中葉輪主體31的磁 性元件44將吸引修整盤36,並依靠帶鍵的結構來自動地使盤36對準修整 器頭38。雖然圖6所說明的特定實施例利用磁性系統來將修整盤36保持 在適當的位置，但應當理解到還可使用各種各樣的機械裝置，例如各種類 型的螺釘、制動器和鎖緊機構。本發明的頂出銷34同樣可用於壓下這些 機械機構，以便實現從修整器頭釋放研磨修整盤。回顧圖4和6所示，頂出銷34被設置成能"清除，，磁性的鍵對準/連 接裝置32,並且允許銷元件50在修整器頭38內自由地移動。在優選的實 施例中，使用一對頂出銷34，如圖6所示，這對銷被放置在修整器頭38 的相對側，從而允許對修整盤36施加平衡的頂出力。如前面所提及的，增強式末端執行臂30的另一個質量改進方面是利 用零靜態阻力致動器來控制頭38的"向上"和"向下"運動，從而控制 由修整盤36施加至拋光墊表面的下壓力F和修整盤自身的旋轉速度。在 過去，傳統致動器的活塞動作是有問題的，由於活塞和外殼之間的內在靜 摩擦,所以經常需要大於5磅每平方英寸的作用力來啟動致動器的運動(被 稱為"起步阻力，，)。因此，在絕大多數情況下，由修整盤施加到拋光墊的 下壓力不得不克服這個初始摩擦力，並提供矯正力來獲得正確的操作定位 點。因此，在其中需要小於5磅每平方英寸來維持定位點的情況下，通常 無法獲得必需的起步阻力。此外， 一些傳統現有技術的末端執行臂致動器 通過利用真空來提升，其不能用來可靠地偏置機械構件的重量，從而實際 上不可能得到相當低的下壓力(例如，低於2磅)的修整。根據本發明，通過在增強式執行臂中結合"零靜態阻力"致動器40 (其中術語"靜態阻力"用於定義"靜摩擦力"的情況)，已克服了這些 與致動器有關的問題。圖7說明了本發明的示範性零靜態阻力致動器40 的剖視視圖，而圖8說明了致動器40的封閉式等軸測視圖。在圖7和圖8 中，顯而易見地，在致動器40的頂面形成有上部排出通道62和口 61。在致動器40的底部部分形成有下部排出通道65和口 66,如圖7所示。這些 通道使得受控的漏壓被排盡。據證實，致動器的活塞和外殼的特定的材料選擇能夠顯著地減小靜摩 擦力，若不是消除的話，該靜摩擦力最初可將活塞約束在適當位置。在本 發明的一個特定實施例中，致動器40包括石墨複合材料的活塞，其直徑 與玻璃(例如，硼矽酸鹽玻璃(如？7^乂@品牌的玻璃))或(鋁矽酸鹽玻 璃)汽缸72緊密配合，其中活塞70在汽缸72內行進，正如Airpot Corporation所製造的。這種石墨活塞和玻璃外殼的組合經證實可大大地減 小將傳統氣動致動器活塞約束在適當位置的初始"靜力"，且其需要很大 的初始力來促使活動。實際上，本發明的零靜態阻力致動器裝置經證實能 夠光滑地向上及向下移動少至50克的重量，而無需初始"推動"力。能 夠產生少量或無靜摩擦的其它材料組合也可用於本發明的零靜態阻力致 動器。再次參考圖7和8，當活塞受壓力控制而在汽缸72內上下移動時，通 過上部通道62 (或視具體情況而定，通過下部通道65),排出並引導所排 出的空氣(或氣體)。換句話說，當活塞70向上移動時，空氣被推動通過 上部通道62,並在口 61處排出至執行臂的排出系統。當活塞70向下移動 時，空氣將被推動到下部通道65中，並在口 66處排出至同一個排出系統。 在本發明的優選實施例中，氣動調節器被設置在致動器機構40的每一側 以提供活塞70在任一方向上的平衡控制。於是，排出通道沿著增強式執 行臂30前進並且遠離修整製程，以便避免沿著這個通道的任何空氣受到 汙染或者4妄觸到在拋光和修整製程自身中使用的各種氣體和漿體。具備能執行精確的線上力測量(在拉力和壓力方面)能力的零靜態阻 力致動器40使得本發明的增強式末端執行臂能夠以非常好的受控的下壓 力來梯:作，範圍從"零，，下壓力到大於40磅的下壓力。實際上，末端致 動器自身的機械靜重耦合有與真空和研磨修整過程的存在有關的附加力， 藉助於對致動器的運動和施加至修整器頭的下壓力的精確控制能力，能夠 對該機械靜重進行補償。如我們同時待審的申請所公開的，這種精確的修 整器頭控制和真空清潔能力相結合使得該新型的修整器能夠在暫停機械 研磨操作(換句話說，所有現存作用力的總和為施加到修整盤的合成"零"下壓力)時保持靠近墊表面。因此，無論是否使用機械研磨操作，真空孔 區域能夠保持穩定，並且各種廢料排出過程的有關流量特性曲線能夠保持 等效。這種如此精密準確地控制和調節在結合有零靜態阻力致動器的^"整 盤上的下壓力的能力，允許對修整製程的真空和機械方面進行單獨的控 制，這導致了更為有效和高效的修整製程。雖然零靜態阻力致動器的使 用經證實能夠改進力控制問題(真空和所施加的力)，但是當拋光墊開始 老化以及其表面變得不平坦時，在末端執行臂內還是存在問題。當墊磨損 時，其橫截面呈"浴缸(bathtub )，，狀，因為較厚的區域在其直徑的中心 和邊緣。這些區域存在問題，因為它們導致更高的力被傳遞到較厚"區域" 的晶圓結構。這些更高的壓力會導致晶圓外部區域的更快地移除以及更高 頻率地刮擦、顫動型的缺陷，相應於墊的中心和邊緣區域。相對地，當墊 開始老化並且呈現不均勻的頂面時，末端執行臂將需要稍微地樞軸旋轉 (或垂直方向上跟隨)。這能夠影響所施加的力，並使早期所描述的力控 制(靜態阻力響應)變得複雜。在樞軸旋轉實施的過程中，絕大多數情況 下，由於"標準，，的設計參數針對拋光墊的中間厚度而限定，因此期望樞軸旋轉的範圍為總的不超過10。。在本發明的增強式末端執行臂30內的 新型雙滑輪(雙驅動)系統80經證實能夠改善轉動機構的可靠性，通過 傳遞來自於驅動電機/齒輪箱的旋轉運動以便最小化驅動帶所需的偏斜。圖9用分解圖來說明了增強式執行臂30的示範性的雙驅動裝置80的 構件。這個特定的視圖說明了臂30的終端位置25 (與修整器頭38有關) 以及包括有致動器40的固定的末端部分42。所示的雙驅動裝置80包括第 一條驅動帶82和第二條驅動帶84,兩個驅動帶82和84嚙合於滑輪86。 如所示的，第一條驅動帶82朝著修整器頭38向外延伸，第二條驅動帶84 向內延伸以嚙合致動器40，並開啟修整盤(未顯示)所期望的旋轉運動。 在本發明的這個特定實施例中，第一條驅動帶82接觸滑輪的下部部分88， 而第二條驅動帶84嚙合滑輪86的上部部分90。如圖9所示，滑輪86正好位於臂30的上/下樞軸旋轉點的那一邊，以 便在樞軸旋轉時最小化其運動。根據本發明，既然當提升臂並且未加載驅 動時經歷大部分的偏斜，所以"標準"的位置最好設置於一半的壽命(典 型的拋光墊的"壽命"為0.03"到0.05")。因此，包括第一條驅動帶82 的新型雙驅動裝置的外部，基本上被固定並且保持對準，而與拋光墊的老 化無關。
權利要求
1.在化學機械平坦化修整系統中，一種用於控制研磨修整盤對拋光墊表面的作用的末端執行臂，所述末端執行臂包括修整器頭，其布置在所述執行臂的第一、自由端，所述修整器頭包括帶鍵的對準/連接元件，其經布置後接觸相關的研磨修整盤，帶鍵的對準元件包括葉輪主體，所述葉輪主體具有公知鍵形的中央凹入部分並且包括用於在對準的連接中嚙合所述研磨修整盤的至少一個連接構件；至少一個頂出機構，其布置在所述修整器頭的外圍並被配置成將下壓力施加至相關的修整盤上，足以當需要從所述修整器頭移除所述修整盤時破壞由所述帶鍵的對準/連接元件提供的嚙合；以及致動器機構，其布置在所述末端執行臂的第二、固定端，用於控制所述修整器頭相對於拋光墊的平移運動和所施加的下壓力。
2. 如權利要求1所述的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述臂連 同研磨修整盤一起使用，所述研磨修整盤包括布置在其中央區域內的磁性 材料，所述帶鍵的對準/連接元件連接包括布置在所述中央凹入部分內的磁 性構件的構件，以便對準和連接到所述研磨修整盤磁性材料。
3. 如權利要求1所述的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述帶鍵 的對準/連接元件進一步包括所述葉輪主體孔的公知鍵形的萬向接頭，所述 萬向接頭以固定的、防止旋轉/對準的方式與所述葉輪主體配合，以便維持 所述修整器頭和相關的修整盤之間的對準，同時還對所述相關的修整盤施 力口驅動力。
4. 如權利要求3所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述公知 鍵形包括六角形的鍵形。
5. 如權利要求1所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述至少一個頂出機構包括頂出銷。
6. 如權利要求5所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中至少一個 所述頂出銷包括彈簧加載的頂出銷。
7. 如權利要求1所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述至少 一個頂出機構包括均勻布置在所述修整器頭外圍周圍的多個頂出機構。
8. 如權利要求7所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述多個 頂出機構包括在所述修整器頭外圍上相對地布置的一對頂出機構。
9. 如權利要求1所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述致動 器機構包括活塞和用於裝入所述活塞的汽缸，所述活塞和所述汽缸包括當 所述活塞在所述汽缸中運動時產生最小靜摩擦的材料。
10. 如權利要求9所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述致動 器機構進一步包括一對氣動調節器，所述氣動調節器布置在所述汽缸的相 對端上以提供所述活塞的雙向控制。
11. 如權利要求1所迷的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述致動 器機構包括石墨活塞；玻璃汽缸，其裝入所迷石墨活塞；第一個排出通道，其沿所述致動器機構的頂面布置；以及 第二個排出通道，其沿相對的底面布置，其中當施加真空時，所述石墨活塞在所述玻璃汽缸內行進，且空氣沿著所述第一個排出通道和所ii第 二個排出通道中的至少 一個排出至所述末端執行臂。
12. 如權利要求1所述的化學機械平坦化末端執行臂，其中所述末端 執行臂進一步包括雙驅動帶運動裝置，其布置在所述修整器頭和所述致動器機構之間， 用於將所述致動器機構的運動轉換為所述修整器頭的運動，所述雙驅動帶運動裝置包括第一條驅動帶，其在第一端處連接到所述修整器頭；滑輪，其布置在所述末端執行臂內並且連接到所述第一條驅動帶的第二、相對端；第二條驅動帶，其在第一端處連接到所述致動器機構，並在第二、相 對端處連接到所述滑輪，其中所述致動器的運動經過所述第二條驅動帶， 並且其後通過所述滑輪而耦合進所述第一條驅動帶，由此引起所述修整器 頭的運動，所述滑輪沿著所述末端執行臂位於能最小化所述滑輪在所述末 端執行臂樞軸旋轉期間的運動的位置。
13. —種用於化學機械平坦化系統的末端執行臂中的修整器頭，所述 修整器頭包括研磨修整盤，其包括充磁的中央孔；帶鍵的對準/連接元件，其經布置後接觸所述研磨修整盤，帶鍵的對準 元件包括葉輪主體，所述葉輪主體具有公知鍵形的中央凹入部分並且包括 布置在所述中央凹入部分內的至少一個-茲性構件，以侵_對準所述研磨^^整 盤的所述充》茲的中央孔；以及至少一個頂出機構，其布置在所述修整器頭的外圍並被配置成將下 壓力施加至所述研磨修整盤，足以當需要從所述修整器頭移除所述研磨修 整盤時破壞由所述帶鍵的對準/連接元件提供的磁性連接。
14. 一種用於化學機械平坦化末端執行臂的致動器機構，其能夠^是供對由修整器頭施加至拋光墊上的下壓力的精確控制，所述致動器機構包括 活塞和用於裝入所述活塞的汽缸，所述活塞和所述汽缸由當所述活塞在所 述汽缸中運動時產生最小靜摩擦的材料形成。
15. 如權利要求14所述的致動器機構，其中所述活塞包括石墨材料， 且所述汽缸包括玻璃材料，且所述致動器機構進一步包括第一個排出通道，其沿所述致動器機構的頂面布置；以及 第二個排出通道，其沿相對的底面布置，其中當施加真空時，所述石墨活塞在所述玻璃汽缸內行進，且空氣沿著所述第一個排出通道和所述第二個排出通道中的至少一個排出至所述末端執行臂。
16. —種化學機械平坦化末端執行臂，其包括布置在修整器頭和致動 器機構之間的雙驅動帶運動裝置，用於將所述致動器機構的運動轉換為所 述修整器頭的運動，所述雙驅動帶運動裝置包括第一條驅動帶，其在第一端處連接到所述修整器頭； 滑輪，其布置在所述末端執行臂內並且連接到所述第一條驅動帶的第 二、相對端；第二條驅動帶，其在第一端處連^l妄到所述致動器機構，並在第二、相 對端處連接到所述滑輪，其中所述致動器的運動經過所述第二條驅動帶， 並且其後通過所述滑輪而耦合進所述第一條驅動帶，由此引起所述修整器頭的運動，所述滑輪沿著所述末端執行臂位於能最小化所述滑輪在所述末 端執行臂樞軸旋轉期間的運動。
17. —種用於在化學機械平坦化修整系統中控制研磨修整盤對拋光墊的作用以使得向所述修整盤施加零下壓力的方法，所述方法包括步驟嚙合致動器機構以控制末端執行臂的運動，其中所述致動器機構進一 步包括活塞和用於裝入所述活塞的汽缸，其中所述活塞和所述汽缸由當所 述活塞在所述汽缸中運動時產生最小靜摩擦的材料形成。
全文摘要
一種化學機械平坦化修整設備的增強式末端執行臂，用於改善設備的可靠性和修整及拋光操作的質量，其包括修整器頭，該修整器頭具有可提供修整盤和所述臂之間的簡化對準/連接的部件，同時還提供用於維護操作的「快速釋放」機構。這個增強式臂還包括改進的致動器，該致動器提供所述臂的無靜態阻力的運動以及對所述修整盤施加至所述拋光墊的下壓力的更佳控制。在所述增強式末端執行臂中使用一種雙驅動滑輪系統以最小化當所述臂樞軸旋轉以跟隨「老化」的拋光墊的輪廓時所述執行臂內的驅動帶的傾斜。
文檔編號B24B33/00GK101218067SQ200680024920
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月10日 優先權日2005年7月9日
發明者斯蒂文·J·貝納 申請人:Tbw工業有限公司