专利名称：用于抛光的带有可膨胀气囊的薄片承载头和倾角控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在抛光过程中控制薄片方位的抛光工具、方法以及设备。
半导体加工中的化学机械抛光(CMP)方法是通过从表面上去除最高点来抛光薄片表面。CMP系统能够抛光未加工和部分加工的薄片。典型的未加工薄片是形状近似为圆形薄片的晶体硅或者其它半导体材料。准备抛光的典型的部分加工的薄片具有绝缘材料的顶层，比如玻璃、二氧化硅或者氮化硅，或者导电材料顶层，比如铜或者钨，它们覆盖在一层或者多层带图案的层上，而这些有图案的层形成了局部约5000到10,000高度的拓扑特征。抛光使表面的这些局部特征平滑。在理想状态下，抛光过的表面在由薄片制成的小片的整个尺寸区域内都是平的。现在，正寻找在10×10-mm小片面积上，薄片的局部平面误差约为3000。
图1表示了已知的化学机械抛光系统100，该系统包括其上安装有一个薄片120的薄片承载头110，带有抛光垫的砂带130，将砂带130支撑在薄片120下方的支撑体140。在抛光过程中，抛光垫被喷上或者涂上研磨液，驱动系统150转动砂带130，使砂带抛光垫沿薄片120的表面滑动。研磨液的化学作用、研磨液中的颗粒和抵靠在薄片120表面上的抛光垫的机械作用，会从表面上去除材料。为了均匀地去除薄片120上的最高点，在抛光过程中，薄片120应该平行于抛光垫。但是，砂带130的运动使薄片120和抛光垫之间的摩擦力形成力矩，它会使薄片120相对于抛光垫倾斜。倾斜的薄片120会导致抛光不均匀，即薄片120的一边会被去除更多的材料。
美国专利第5,593,344和5,558,568号描述了如图1所示的系统，还描述了承载头110中的液压轴承，它用于调整薄片120在砂带130上的倾角。该液压轴承使承载头调整到薄片平行于抛光垫的状态。为了避免倾斜，在承载头110中的液压轴承的旋转轴线位于或者大致位于抛光垫的平面内，使摩擦力绕轴承旋转轴线所产生的力矩近似为零。对于旋转轴线位于抛光垫平面中的倾角调节的限制明显地制约了承载头的设计。
承载头设计的另一个考虑因素是在抛光过程中施加给薄片(或者抛光垫)的压力曲线。为了使抛光表面在半导体加工所要求的误差内，CMP系统试图以均匀的压力将抛光垫施加到薄片上。因此，很希望承载头110和支撑体140在薄片120以及薄片120下方的砂带130区域上，施加均匀的压力。希望薄片承载头能够向薄片施加均匀的压力、使薄片的表面与抛光垫的表面对齐，以及避免当在抛光过程中摩擦力施加在薄片上时薄片倾斜。
根据本发明，在抛光过程中，承载头夹持并旋转诸如薄片等物体。在一个实施例中，承载头包括一个位置传感器，它确定用于薄片的可移动卡盘或者承载器、和用于连接到驱动电机上的固定驱动机构之间的相对取向(或者它们之间的角度)。抛光机的控制系统使用来自传感器的测量值，以选择施加给卡盘的边缘压力，来控制物体抵靠在抛光垫上的倾角。安装在承载头上的促动器或者气缸能够向卡盘施加边缘压力。边缘压力的持续改变能够改变驱动机构和卡盘的相对取向，但是保持物体相对于抛光垫的取向。
使用承载头的一种方法是向卡盘施加压力或者力，以使被卡盘夹持的物体抵靠在抛光垫上，同时承载头处于静止状态。然后，确定了卡盘和驱动机构之间的相对取向或者角度，并记录下来以备后用。尽管在物体的抛光过程中承载头旋转，控制系统仍持续监测卡盘和驱动机构的相对位置，将该取向与记录下来的取向相比较，并按需要改变边缘压力，以保持物体在抛光垫上的倾角。由于承载头旋转，所以最大边缘压力的位置几乎与承载头的旋转同步移动。通过动态地调整边缘压力，即使卡盘不绕轴线旋转，承载头也能吸收不在物体和抛光垫之间的接触平面内的绕轴力矩。
承载头包括一个带有凸起的驱动机构，每一凸起末端都有一个小球。该驱动机构通过连接件并通过凸起安装到卡盘上，所述凸起能插入卡盘中的匹配开口中。这些球接触开口的臂，使驱动机构和卡盘绕承载头的旋转轴线一起转动。连接件和凸起还允许调整驱动机构和卡盘之间的距离和角度。特别是开口的径向纵长结构和球的曲面，使承载器能够在有限范围内绕轴线转动，所述轴线位于卡盘和驱动盘之间的平面内。
本发明的另一方面是提供了一种与承载头驱动轴中形成的管线相连的柔性气囊。将薄片安装到气囊的附近，使得来自管线的压力迫使气囊膨胀，并对用于抛光的薄片施压。而在驱动轴中的管线能够使承载头旋转，同时气囊充了气。
图1表示了已知的化学机械抛光系统；图2表示了根据本发明的一个实施例所述的承载头的分解图；图3表示了组装后的图2所示承载头的截面图；图4A和4B分别表示了图2中承载头所用的驱动盘的底视图和截面图；图5A和5B分别表示了图2中承载头所用的驱动盘的顶视图和截面图；图6是根据本发明实施例所述的、用于向控制系统传送数据的承载头中的电路框图。
在不同的附图中，使用相同的序号来表示相似或者相同的部件。
根据本发明的一方面，用于诸如化学机械抛光(CMP)系统的抛光工具的承载头具有一个驱动机构，该驱动机构带有与卡盘或者承载体相啮合的圆形凸起，所述卡盘或者承载体上安装有要抛光的薄片或者其它物体。这些凸起从驱动机构向承载体传递扭矩，使得驱动机构和承载体作为一个整体转动，但是圆形凸起会使承载体相对于驱动机构发生角位移。因此，通过改变驱动盘和承载盘之间的相对角度，承载头能够使薄片平行于抛光垫。例如，通过驱动盘上的驱动轴，液压或者气压的压力施加到驱动机构和承载体之间的空隙或者气囊上，这能够使薄片抵靠在抛光垫上。作为另一种替换形式，也可用促动器施加所需的力而将薄片抵靠在抛光垫上。根据本发明的另一方面，当薄片抵靠在抛光垫上并且承载头静止时，传感器确定驱动机构和承载体的相对取向。在这种取向下，该薄片平行于抛光垫。在抛光垫移动的过程中，控制系统监视驱动机构和承载体的相对取向，并操纵定位器或者促动器向承载体或者薄片施加压力，以使薄片保持与抛光垫平行。
图2表示了根据本发明的一个实施例所述的承载头200的分解图。在该实施例中，承载头200绕转轴290旋转，同时夹持着一薄片，使之抵靠在移动的抛光垫上。承载头200能够用于多种抛光场合，包括用于诸如图1所示的系统100等已知的CMP系统中。薄片承载头200还适于下述的系统，例如共同申请的、代理人案卷编号为M-5185-US的题为“包括静压流体轴承支撑体的抛光系统”的美国专利申请，和代理人案卷编号为M-5163-US的题为“组合式薄片抛光装置和方法”的美国专利申请，这些文件全文都作为参考内容包括在这里。
承载头200包括一个驱动盘210、一个承载盘230、一个夹板240和一个保持环250，它们通常由铝或者不锈钢等金属制成，并加工成下述形状。在本发明的一个实施例中，盘210和230以及夹板240由6061-T6铝制成，保持环250由PPS等塑料制成。盘210和230包括有用于四个连接件220的槽，所述连接件220将驱动盘210安装到承载盘230上。为了将驱动盘210安装到承载盘230上，盘210和230位于如下位置，即使得连接件220位于两盘210和230的对应槽中，并且驱动盘210上的凸起212位于承载盘230的对应开口232中。连接件220具有纵长开口，螺栓或者螺钉通过该开口旋入驱动盘210和承载盘230。当驱动盘210和薄片承载盘相互邻近时，这些穿过连接件220的开口大于螺栓之间的距离。一个柔性罩270，在本实施例中由纤维加强的EPDM制成，沿盘210和230的周边滑动，并密封盘之间的间隙。该罩270是柔性的，以使承载盘230远离驱动盘210移动，直到安装螺钉位于连接件220纵长开口的相对边缘。在薄片承载头200的实施例中，每一连接件220都是不锈钢的，并使驱动盘210和承载盘230之间的最大距离约为0.25英寸，径向上从轴290起约4.25英寸。
圆形凸起212从驱动盘210延伸，这里，圆形凸起212有时指驱动轴承212，以与承载盘230中径向延伸的开口232啮合。凸起212可以用诸如将球轴承压到在驱动盘210上安装的支柱上而形成。开口232的宽度大约与凸起212的球形部分的直径相同。当驱动盘210绕轴290旋转时，凸起212与承载盘230上的开口232的侧面接触，并使驱动盘210和承载盘230作为一个整体旋转。但是，凸起212的圆形构造和开口232的径向延伸构造使得驱动盘210和承载盘230之间的相对角度变化。例如，承载盘230的一边能够立即邻近驱动盘210，同时连接件220使承载盘230的另一对边从驱动盘210处移开。在抛光过程中，用于调整驱动盘210和承载盘230之间角度的轴线离开薄片或者垫片的表面。
在驱动盘210上安装有四个促动器215，这些促动器215具有穿过驱动盘210延伸并接触承载盘230的杆。促动器215向承载盘230施加压力，以保持承载盘230(或者安装在承载盘230上的薄片)平行于抛光垫。在本发明的实施例中，促动器215是气缸，例如可以是从Compact Air股份公司获得的部件编号为R118×14的气缸。促动器215通过驱动盘210的驱动轴214中的管道与动力和/或气压源相连。驱动轴214将驱动盘210安装到驱动电机上，所述电机具有当承载头200旋转时，用于保持承载头200和抛光系统的剩余部分之间的信号或者流体连通的匹配线路和连接件。每一促动器215都独立受控，并需要用于调整驱动盘210相对于承载盘230的取向的控制信号。在本发明的实施例中，如下所述，控制电路安装在承载盘230上，但是这种控制装置也可以安装到驱动盘210上或者承载头200的外部。但是，如果将控制电路安装到外部，就可能需要有更多的信号线路穿过驱动轴214。
柔性气囊260安装在承载盘230的底面上，并且如图3所示，被保持环250和夹板240夹持定位。在本发明的实施例中，气囊260由EPDM(乙丙烯二烯单体)制成。当就位后，承载盘230和气囊260形成一个腔360，该腔除了开口330外是密封的，所述开口330延伸穿过承载盘230。开口330导引液体或者气体对腔360施压，使得气囊260膨胀。在抛光过程中，薄片放置在邻近气囊260的地方，并在保持环250的周边以内，这一周边阻止了薄片滑动。当腔360受压时，气囊260膨胀，向外推动薄片而使之与抛光垫接触，这时薄片大约与保持环250的底边平齐。这样，在抛光过程中，气囊260向薄片施压。在理想状态下，该压力在薄片的整个面积上是均匀的。
图4A和4B分别表示了驱动盘210的一个实施例的底视图和截面图。在图4A中，点划线所示的机构从驱动盘210的底部是不可见的。从驱动盘210的底部可见的机构包括凹槽440、凸起212、促动器孔410、槽420和管线460。凹槽440为导线，软管或连到管线460的管子提供了空间。六个凸起212均匀分布在圆周上，所述圆周的半径约为驱动盘210的一半，这些凸起212从驱动盘210的底部延伸出来并与承载盘230啮合。促动器孔410从埋头孔部分415上延伸穿过驱动盘210，所述埋头孔部分415在盘210的顶部。安装在埋头孔部分415上的促动器215推动杆而使之通过孔410并与承载盘230接触。槽420仅部分穿过盘210，当顶板210安装到底板230上时，这些槽420容纳连接件220。带螺纹的螺栓孔422跨过对应的槽420，并用于能够防止连接件220滑出槽420的螺栓。
管线460延伸并穿过驱动盘210的驱动轴214。驱动轴214用于连接驱动电机，在抛光过程中，所述驱动电机旋转承载头200。管线460与驱动电机轴的匹配电路相连，使得气流、液流和电信号流能够进出承载头200。特别是图3所示的软线315，它们将一条或者多条管线460连接到用于压缩空腔360和膨胀气囊260的进口330。在本发明的一个替换实施例中，气囊260包括多个独立的腔室，每一腔室都与单独的进口330和单独的管线460相连，使每一腔室能够被加载到不同的压力。但是，已发现单独的腔360足以提供适当的均匀压力，以使薄片与气囊360接触。在促动器215为气缸的实施例中，一条或者多条管线460向气缸提供压缩气体。而其它的管线460则是用于承载头200中的控制电路和/或传感器和外部电路(比如动力供给装置和/或控制或计算机系统)之间的导线的。另外管线460能够向驱动盘210和承载盘230之间的腔提供进口。
图5A和5B表示了承载盘230的顶视图和截面图。从承载盘230的顶面看去，是径向延伸的开口232、槽520、凹槽510和530和进口330。开口232仅部分延伸穿过承载盘230，并设置在与驱动盘210的凸起212的模板相匹配的模板中。当承载盘230安装到驱动盘210上时，槽520容纳连接件220的下部。螺栓位于螺栓孔522中，所述螺栓孔位于承载盘230的一侧，这些螺栓将连接件220保持在槽520中，同时使承载盘230相对于驱动盘210能够移动。进口330穿过承载盘230，并与承载盘230下侧的腔360以流体相通。
承载板230的顶面也包括凹槽510和530，它们分别用于安装承载头200中的传感器和电路。这些位于凹槽510中的传感器在多个(四个)位置处测量承载盘230和驱动盘210之间的距离。测出的距离确定了两板210和230之间的角度和当时的相对取向。腔530中的电路提供了从传感器到控制系统的数据(距离测量值)流通界面。由计算机执行的软件选择适当的压力，以保持承载盘230(或者更精确地说是承载盘230之下的薄片)平行于抛光面。特别是在抛光操作的开始，薄片放置在承载盘230的下方，并且承载头与抛光垫的抛光面接触。在承载头200开始旋转之前，线路460对腔360施压，并将力或者压力施加给承载盘230。促动器215或者腔310中的压力将盘210和230推离，并且腔360中的压力使气囊260膨胀，将薄片推压在抛光垫上。在这种结构中，当薄片正确定位、即被抛光的表面平行且与抛光垫的表面接触时，凹槽510中的传感器测量到驱动盘230的参考距离。该参考距离指示承载盘230相对于抛光垫的所需取向，并记录在控制系统中。当承载头200开始旋转时，该控制系统持续监测由传感器测量的距离，并将测量值与记录的参考值相比较，再产生用于促动器215的适当压力或者控制信号。作为响应，促动器215施加压力，使承载盘230相对于驱动盘210进行所需的移动，以保持薄片(和盘210)平行于抛光面。
采用传感器进行动态角度控制的优点是即使摩擦力在承载头230上产生力矩，该动态控制仍能够保持薄片平行于抛光垫的表面。承载头200使承载盘230能够相对于驱动盘210旋转，此时旋转轴位于盘210和230之间的平面。因此，在抛光垫表面上的摩擦力产生了绕可能的旋转轴的非零力矩。动态控制防止了这一力矩使薄片相对于抛光面倾斜。
图6表示了承载头200中的电路600的框图。电路600包括位移传感器610和电路板620。传感器610是光学传感器，它们测量盘210和230之间的距离，并产生指示测量距离的模拟信号。在图5所示的实施例中，凹槽510中的四个位移传感器提供四个距离测量值，这四个值一起指示出承载盘230相对于驱动盘210的取向。承载头200也包括其它传感器615，它们用于测量承载头200或者安装在承载头200或者薄片的其它参数(例如温度)。电路板620包括一个电压调节器680，它通过连接器670接收电力，该连接器670通过驱动轴214连接到外部电路。电压调节器680提供了用于电路板620和传感器610和615的操作电压Vcc。
电路板620的主要目的，是使用最少量的导线将来自传感器610和615的数据，转换为能够传递给外部控制系统的格式。为了达到这一目的，电路板620包括放大器630、模数转换器(ADCs)640、微型控制器650、一个界面驱动器660和连接器670。如果需要，放大器630将来自传感器610和615的模拟信号放大，并且ADCs 640将模拟信号转换为用于微型控制器640的数字信号。微型控制器650通过界面驱动器660控制数据流至外控制系统。在该实施例中，界面驱动器660和微型控制器650是已知的RS-232系列界面，用于与外部控制系统通信。通过界面传输的数据包括来自传感器610和615的测量值，以及储存在EEPROM 660中的校准信息。该在承载头200的制造过程中可被写入的校准信息，指示出承载头200和/或促动器215的几何尺寸或者性能变化。当确定了怎样操纵促动器215以保持薄片平行于抛光表面后，外部控制系统读取并使用该校准信息。
尽管参照了特定实施例描述了本发明，但是这些描述仅是本发明应用的实例，并不是对本发明的限制。特别是，尽管本发明的实施例是用于CMP砂带抛光机的承载头，但本发明的其它实施例也可以应用于其它抛光机床，例如旋转抛光机。本文所公开的实施例的多种其它适用形式以及特征组合都落在所附权利要求确定的本发明的范围内。
权利要求
1．一种用于抛光工具的承载头，包括一个驱动机构；一个卡盘，它可移动地安装在驱动盘上，该卡盘包括一个用于被抛光物体的夹持器；一个或者多个促动器，该促动器与卡盘接触，其中促动器控制卡盘相对于驱动机构的取向；和一个传感器系统，用于检测卡盘的取向。
2．如权利要求1所述的承载头，其中，驱动机构与一个驱动系统相连，该驱动系统转动承载头，其中操纵促动器以保持物体表面为抛光定位，而承载头旋转。
3．如权利要求1所述的承载头，其中，卡盘能够可移动地安装到驱动机构上，这使得卡盘绕轴线旋转，所述轴线位于抛光垫与物体接触的平面外面。
4．如权利要求1所述的承载头，还包括用于在驱动机构和卡盘之间形成密封腔的结构；和安装在密封腔中的管线，其中通过管线的流体能够对密封腔施压，并形成将卡盘推离驱动机构的力。
5．如权利要求1所述的承载头，还包括安装在承载头上的控制管线。
6．如权利要求5所述的承载头，其中，控制管线和传感器安装在卡盘上。
7．如权利要求1所述的承载头，其中，卡盘包括一块具有多个开口的盘；和驱动机构包括多个凸起，每一凸起具有一个圆形部分，它们分别设置在盘上相应的一个开口中，并与开口的壁啮合。
8．如权利要求7所述的承载头，其中，每一凸起的圆形部分包括位于凸起末端的球。
9．如权利要求1所述的承载头，其中，物体是薄片。
10．如权利要求1所述的承载头，其中，传感器系统检测卡盘相对于驱动机构的取向。
11．一种抛光工具，包括一个抛光表面；一个承载头，它包括一个驱动机构；一个卡盘，它可移动地安装在驱动盘上，该卡盘包括一个用于被抛光物体的夹持器；一个或者多个促动器，该促动器与卡盘接触，其中促动器控制卡盘相对于驱动机构的取向；和一个传感器系统，用于检测卡盘的取向；和一个控制系统，它与传感器系统和促动器系统相连，其中控制系统接收来自传感器系统的测量值，并根据测量值操作促动器，使物体位于紧靠在用于抛光的抛光表面上。
12．一种抛光物体的方法，包括将物体安装到卡盘上，其中卡盘可移动地安装在一个驱动机构上；向卡盘施加力，使位于抛光位置的物体抵靠在抛光垫上；当物体处于抛光位置，确定卡盘相对驱动机构的取向；转动卡盘；和向卡盘施加力，以按照需要改变卡盘相对于驱动机构的取向，从而在抛光位置保持物体。
13．如权利要求12所述的方法，还包括在卡盘旋转的同时，测量卡盘相对于驱动机构的取向；分析取向的测量值，其中向卡盘施加力的步骤包括依据分析，选择生地施加力。
14．如权利要求12所述的方法，其中，向卡盘施加力的步骤包括操作促动器，以在驱动装置和卡盘之间施加力。
15．一种承载头，包括一个包括多个开口的承载盘；和一个驱动盘，它包括多个凸起，每个凸起在凸起的末端都具有小球，每个球都置于承载盘上相应的一个开口中，并与开口的壁啮合。
16．如权利要求15所述的承载头，其中，驱动盘还包括一个驱动轴，用于在承载头的旋转过程中，安装驱动电机。
17．如权利要求16所述的承载头，还包括一个柔性气囊，它安装在承载盘上，其中管线设置在驱动轴中，并且与施加压力的装置相连，所述装置穿过柔性气囊。
18．如权利要求17所述的承载头，还包括一个将薄片夹持到邻近柔性气囊的机构，其中气囊的膨胀向薄片施加压力。
19．如权利要求15所述的承载头，其中，承载盘上的开口设置在圆周上，所述圆周以承载头的旋转轴线为中心。
20．如权利要求19所述的承载头，其中，开口沿径向延伸。
21．一种承载头，包括一个柔性气囊；一个驱动盘，它具有驱动轴，用于在承载头旋转的过程中安装驱动电机，其中管线设置在驱动轴中，并且与施加压力的装置相连，所述装置穿过柔性气囊；和一个将薄片夹持到邻近柔性气囊的机构，其中气囊的膨胀向薄片施加压力。
全文摘要
一种用于抛光系统的夹持薄片等物体的承载头,在抛光过程中该承载头能够旋转。这样的承载头包括一个传感器,它确定可移动卡盘和固定驱动机构的相对取向(或者它们之间的角度)。控制系统使用测量值选择施加给薄片或者卡盘的边缘压力,来控制薄片抵靠在抛光垫上的倾角。将薄片连接柔性气囊,给薄片施以用于抛光的均匀压力。
文档编号B24B49/00GK1222429SQ9812394
公开日1999年7月14日 申请日期1998年11月5日 优先权日1997年11月5日
发明者格雷戈里·A·阿佩尔, 伊桑·C·威尔逊, 张寿松 申请人:阿普莱克斯公司