用于修整研磨垫的设备、化学机械研磨设备和方法

专利名称：用于修整研磨垫的设备、化学机械研磨设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种设备，用于修整在研磨工件中使用的研磨垫，工件例如半导体晶
片，特别涉及一种修整设备，设置在研磨设备中，用于研磨工件从而使其表面平整。本发明 还涉及一种利用这种修整设备的化学机械研磨设备和化学机械研磨方法。
背景技术：
近年来，半导体装置变得越来越小，装置结构变得更加复杂。表面的平整化在半导 体装置的制造过程中是非常重要的。表面平整化中使用的通常技术是化学机械研磨(CMP)。 在化学机械研磨的过程中，半导体晶片与研磨垫的研磨表面滑动接触，同时含有磨粒例如 二氧化硅(Si02)的研磨液体被供应到研磨表面上，从而半导体晶片的表面被研磨。固定的 磨垫，由粘结剂粘结的磨粒构成，可用于代替研磨垫。 化学机械研磨过程利用CMP设备进行。通常的CMP设备包括研磨台，研磨台具有 研磨垫，连接到其上表面；和顶环(同样称为载体)，用于保持基底，例如半导体晶片，其是 待研磨的工件。研磨台和顶环分别围绕它们自己的轴旋转，并且在这个状态，顶环以预定压 力将基底压靠在研磨垫的研磨表面(即上表面)上，同时研磨液被供应到研磨表面上，从而 将基底研磨到平坦和镜面光洁度。将要使用的研磨液通常包括碱溶液和微细磨粒(例如二 氧化硅)，悬浮在碱溶液中。通过碱的化学研磨作用和磨粒提供的机械研磨作用的组合，基 底被研磨。 当基底被研磨时，磨粒和研磨碎屑附着到研磨垫的研磨表面。另外，研磨垫的特性 变化，其研磨能力下降。因此，随着基底的研磨重复进行，研磨速度(即去除速度)降低，并 且发生不均匀的研磨。因此为了调节劣化研磨垫的研磨表面，修整设备设置在研磨台附近。
修整设备通常具有可旋转的修整器头和修整元件，其固定到修整器头。修整设备 构造成将修整元件压靠到旋转研磨台上的研磨垫的研磨表面，同时使得修整器头围绕它自 己的轴线旋转，从而从研磨垫的研磨表面去除磨粒和研磨碎屑，并且平整化和调节(即修 整)研磨表面。通常，将使用的修整构件是金刚石微粒，电镀到其表面(即修整表面)上， 从而与研磨表面接触。 有两种方法可利用上述修整设备修整研磨垫的研磨表面一种是与研磨基底同时 修整研磨表面；另一种是在基底研磨过程之间的间隔中修整研磨表面。两种方式中，一定量 的研磨表面通过修整被刮掉。然而由于当修整时朝着修整器产生竖直和水平力的复杂性， 难以控制修整负荷，同时避免修整器的姿态的不可接受的波动。需要改进用于修整研磨表 面的设备。

发明内容
本发明考虑到上述问题作出。因此本发明目的是提供一种设备，能够适当地修整 研磨垫并且防止不适合的修整负荷。另外本发明另一个目的是提供一种利用这种修整设备 的化学机械研磨设备和一种化学机械研磨方法。
用于实现上述目标的本发明的一个方面提供了用于修整研磨垫的设备。该设备包 括修整器驱动轴，可旋转并且可竖直移动；修整器凸缘，连接到修整器驱动轴并且构造成 将修整元件固定到其处，该元件将与研磨垫滑动接触；球面轴承，设置在修整器凸缘中，构 造成允许修整元件相对于修整器驱动轴倾斜；和弹簧机构，构造成产生力，逆着修整构件的 倾斜运动。 在本发明的优选方面，弹簧机构构造成用作一弹簧，具有0. 5 X 104N/m到2 X 104N/ m范围中的弹簧常数。可替换的，弹簧机构构造成允许修整构件具有在12. 5Nm/rad到50Nm/ rad范围中的倾斜刚度。 本发明优选方面中，修整器凸缘具有上部修整器凸缘，固定到修整器驱动轴；和 下部修整器凸缘，修整构件固定到其处；球面轴承将上部修整器凸缘和下部修整器凸缘彼 此连接，同时允许上部和下部修整器凸缘相对彼此倾斜。 本发明的优选方面中，上部修整器凸缘由弹性材料制成，上部修整器凸缘用作弹 簧机构。 本发明优选方面中，该设备还包括设置在上部和下部修整器凸缘之间的密封构 件。球面轴承位于在上部和下部修整器凸缘之间形成的空间中，该空间通过密封构件密封。
本发明的优选方面中，设备还包括扭矩传递构件，构造成将修整器驱动轴的扭矩 传递到修整构件。 本发明的优选方面中，球面轴承包括球形突起，设置在修整器驱动轴的圆周表面 上；和球形凹部构件，设置在修整器凸缘上。 本发明的优选方面中，修整构件可移除地连接到修整器凸缘。 本发明优选方面中，设备还包括一覆盖件，设置成围绕修整器凸缘的至少一部分。
本发明的另一个方面提供一种化学机械研磨设备，包括研磨台，用于支撑研磨 垫；顶环单元，构造成将工件压靠在研磨垫上同时旋转工件；构造成将研磨液供应到研磨 垫上的装置；和上述用于修整研磨垫的设备。 本发明的另一个方面提供一种化学机械研磨方法，包括利用上述化学机械研磨设 备研磨工件。 本发明的另一个方面提供一种设备用于修整研磨垫。该设备包括修整器驱动轴， 可旋转并且可竖直移动；修整器凸缘，连接到修整器驱动轴并且构造成将修整元件固定到 其处；和构造成产生力的机构，逆着修整构件的倾斜运动，其中修整器凸缘具有磁体，修整 构件通过磁力连接到修整器凸缘，该磁力作用在修整构件和磁体之间。 根据本发明，修整器凸缘进行万向接头运动从而跟随着研磨垫(具有非均匀图 案)，即使研磨垫在修整过程中旋转。这导致当修整时修整器的竖直运动的波动宽度的控 制，避免修整器的姿态的不可接受的波动。因此，即使当以低负荷进行修整时，研磨垫可被 修整，垫几乎没有局部磨损。另外根据本发明，因为修整负荷可以降低，在修整过程中刮掉 的研磨垫的量可以尽可能小，因此研磨垫的寿命(或者固定磨粒垫)可以延长。因此可以 降低化学机械研磨设备的运行成本。另外根据本发明，修整器的维护更为容易。


图1是CMP设备的研磨部分的透视 图2的正视图示意性示出了修整设备的加载机构的实例； 图3的正视图示意性示出了修整设备的加载机构的另一个实例； 图4的剖视图示出了根据本发明第一实施例用于修整研磨垫的设备的关键部分； 图5的平面图示出了图4所示的修整设备的部分； 图6的视图示出了下部修整器凸缘相对于上部修整器凸缘倾斜的状态；
图7的放大剖视图示出了修整设备的另一个实例的一部分； 图8的剖视图示出了根据本发明第二实施例的用于修整研磨垫的设备的关键部分； 图9的剖视图示出了根据本发明第二实施例的修整设备的变形实施例； 图10的剖视图示出了根据本发明第三实施例的用于修整研磨垫的设备的关键部
分； 图11的剖视图示出了根据本发明参考实例的修整设备的关键部分； 图12的视图示出了在利用位于其中心上的支点弹性支撑下部修整器凸缘的情况
中的模型； 图13的图形示出了负荷F和位移W之间的关系，说明了点划线的衰退线基于弹簧常数K的不同而不同； 图14A的视图示出了当修整器的倾斜刚度非常大并且旋转研磨台过于倾斜时发生的潜在问题； 图14B的图形示出了当修整器的倾斜刚度非常小并且旋转研磨台过于倾斜时发生的潜在问题； 图15A的平面图示意性示出了 在弹簧常数K大于2X10 /m的情况中(或者倾斜刚度K e大于50Nm/rad)，已经被修整器盘刮掉的研磨垫；
图15B是沿着图15A的线A_A截取的视图； 图16A的平面图示意性示出了 在弹簧常数K不大于2X10 /m的情况中(或者倾斜刚度K e不大于50Nm/rad)，已经被修整器盘刮掉的研磨垫；
图16B是沿着图16A的线B-B的图形； 图17的图形示出了修整器盘的转速中的波动(误差)，其根据弹簧常数或者倾斜刚度变化；禾口 图18的图形示出了弹簧常数和转速误差之间的关系和弹簧常数与研磨垫轮廓之间的关系。
具体实施例方式
下面参考附图描述本发明实施例。 图1示出了 CMP设备的研磨部分的透视图。研磨部分包括研磨台ll(换句话说，台板)，其支撑研磨垫10。顶环单元20构造成通过使得基底(即工件)与研磨垫10滑动接触来研磨它，修整单元(修整设备)30构造成调节(即修整)所述研磨垫10的上表面。研磨垫10连接到研磨台11的上表面，研磨垫10的上表面提供研磨表面。优选的，研磨台ll连接到电动机(未示出)，从而研磨台ll和研磨垫io通过电动机沿着箭头所示方向旋转。
顶环单元20包括顶环头21，构造成保持着基底并且将它压靠在研磨垫的10上 表面上；顶环驱动轴22，连接到顶环头21 ;和顶环摆动臂23，可旋转地保持所述顶环驱动轴 22。顶环摆动臂23由顶环摆动轴24支撑。电动机(未示出)安装在顶环摆动臂23中，并 且这个电动机连接到顶环驱动轴22。可替换的，电动机可以安装在顶环摆动臂23外。这个 电动机的旋转通过顶环驱动轴22传递到顶环头21，从而顶环头21围绕顶环驱动轴22沿着 箭头所示方向旋转。 液体供应机构25 (或者用于供应液体的装置)，用于将研磨液和修整液供应到研 磨垫10的研磨表面上，设置在顶环单元20附近。这个液体供应机构25具有多个供应喷嘴， 研磨液和修整液从所述喷嘴供应到研磨垫10的研磨表面上。液体供应机构25用作研磨液 供应机构，用于将研磨液供应到研磨垫IO上，和用作修整液供应机构，用于将修整液(例如 纯水)供应到研磨垫10上。研磨液供应机构和修整液供应机构可以单独地设置。
顶环头21具有下表面，该下表面提供了基底保持表面，用于通过真空抽吸等保持 基底。顶环驱动轴22连接到未示出的竖直致动器(例如气缸)。利用这种结构，顶环头21 通过竖直致动器经由顶环驱动轴22被抬高和降低。 基底的研磨进行如下。基底保持在顶环头21的下表面上，然后顶环头21和研磨 台11被旋转。这种状态下，研磨液体被供应到研磨垫10的研磨表面上，然后顶环头21将 基底压靠在研磨垫10的研磨表面上。基底的表面(下表面)被研磨液中含有的磨粒的机 械研磨作用和研磨液体的化学研磨作用研磨。顶环摆动轴24位于研磨垫10的径向外部。 这个顶环摆动轴24构造成旋转，从而顶环头21可以在研磨垫10上的研磨位置和研磨垫10 外的备用(standby)位置之间移动。用于化学-机械研磨(CMP)头的设备，具有直接的气 动晶片研磨设备，在美国专利No. 7， 029， 382中描述，并且授权给Ebara公司；基底保持设备 和基底研磨设备在美国专利No. 6， 890， 402中公开，授权给Ebara公司，这里整体引为参考。
修整单元(修整设备)30包括修整器31，将与研磨垫10的研磨表面滑动接触； 修整器驱动轴32，连接到修整器31 ;和修整器摆动臂33，可旋转地保持所述修整器驱动轴 32。修整器31的下表面提供了修整表面，将与研磨垫10的研磨表面滑动接触。磨粒，例如 金刚石微粒，固定到修整表面。修整器摆动臂33由修整器摆动轴34支撑。电动机(未示 出)安装在修整器摆动臂33中，这个电动机连接到修整器驱动轴32。这个电动机的旋转 通过修整器驱动轴32传递到修整器31，从而修整器31沿着箭头方向围绕修整器驱动轴32 旋转。 修整器摆动臂33是一个铰接臂，包括第一臂33A和第二臂33B。上述用于旋转所 述修整器驱动轴32的电动机设置在第一臂33A中。用于使得第一臂33A围绕臂的连接轴 线旋转预定角度的摆动电动机(未示出)安装在第二臂33B中。当摆动电动机运动时，修 整器31在研磨垫10的研磨表面上基本沿着研磨表面的径向方向移动。
图2的正视图示意性示出了修整单元30的加载机构的实例。如图2，修整器驱动 轴32通过多个轴承37可旋转地支撑。支撑基座35固定到修整器摆动臂33 (第一臂33A) 的上部，气缸36，是竖直致动器，安装在支撑基座35上。修整器驱动轴32的上端连接到气 缸36。修整器31被气缸36通过修整器驱动轴32压靠在研磨垫10的研磨表面上。
图3的正视图示意性示出了修整单元30的加载机构的另一个实例。图3的加载 机构基本具有与图2加载机构相同的结构，但是区别在于设置有弹簧39，将修整器驱动轴32向上偏压。这个弹簧39设置在修整器摆动臂33的上部上，修整器驱动轴32的上端部被弹簧39迫使向上。这个实例中，当把修整器31压靠在研磨垫10上时，气缸36迫使修整器驱动轴32向下，抵抗弹簧39的向上的力。虽然本发明可以使用任一种加载机构，但是优选的是使用具有弹簧的加载机构，从实现低负载修整的角度来说，其可以实现较少的滞后(hysteresis)。 当修整研磨垫10的研磨表面时，电动机旋转修整器31，随后气缸36将修整器31向下移动以使得修整器31的修整表面与旋转研磨垫10的研磨表面滑动接触。这种状态下，修整器31基本沿着研磨垫10的径向方向摆动。旋转修整器31的这个运动(即摆动运动，摇动运动)可以去除附着到研磨垫IO研磨表面的碎屑等，并且可以恢复研磨表面。修整过程中，液体供应机构25将修整液(例如纯水)供应到研磨垫10的研磨表面上。修整器摆动轴34位于研磨垫10的径向外部。修整器摆动轴34构造成旋转，从而修整器31可以在研磨垫10上的修整位置和研磨垫10外的备用(standby)位置之间移动。通过修整单元30来修整研磨垫10可以与基底的研磨同时进行。当多个基底将连续被研磨时，研磨垫10的修整可以在研磨过程之间的间隔中进行。 图4的剖视图示出了根据本发明第一实施例的修整单元(修整设备)的关键部分。图5的平面图示出了图4修整单元的部分。如图4，修整器31具有修整器凸缘41，包括盘形上部修整器凸缘41A和盘形下部修整器凸缘41B;和修整器盘(修整构件)42。上部修整器凸缘41A具有比下部修整器凸缘41B更小的直径。下部修整器凸缘41B的直径等于修整器盘42的直径。小间隙形成在上部修整器凸缘41A和下部修整器凸缘41B之间。修整器盘42的上表面固定到下部修整器凸缘41B的下表面。修整器盘42具有下表面，该下表面提供上述修整表面。上部和下部修整器凸缘41A、41B由相同材料制成。优选使用的材料实例包括金属例如不锈钢。 修整器盘42和修整器驱动轴32通过上部修整器凸缘41A、下部修整器凸缘41B和球面轴承(spherical bearing,球面支撑件)45彼此连接。上部修整器凸缘41A固定到修整器驱动轴32的下端。球面轴承45位于上部和下部修整器凸缘41A和41B之间，构造成允许上部和下部修整器凸缘41A和41B相对彼此倾斜。这个球面轴承45将推力(thrust)载荷和径向载荷从修整器驱动轴32传递到下部修整器凸缘41B和修整器盘42，同时允许修整器盘42相对于修整器驱动轴32倾斜。 球面轴承45具有球形凹部45A，形成在上部修整器凸缘41A的下表面上；球形凹部45B，形成在下部修整器凸缘41B的上表面上；和球45C，与球形凹部45A和45B可滑动地接合。球形凹部45A朝下，球形凹部45B朝上。球45C由具有极好耐磨特性的材料制成例如陶瓷。球形凹部45A和45B和球45C设置在修整器驱动轴32的中间轴线上。这个实施例中，球形凹部45A和45B形成在上部修整器凸缘41A和下部修整器凸缘41B上。实际上，两个接纳元件，均具有球形凹部，可分别设置在上部修整器凸缘41A和下部修整器凸缘41B上。 上部和下部修整器凸缘41A和41B通过多个扭矩传递销(扭矩传递构件)48彼此连接。这些扭矩传递销48以相等间隔设置在球面轴承45周围(即围绕修整器驱动轴32和修整器盘42的中心轴线)。扭矩传递销48将修整器驱动轴32的扭矩传递到修整器盘42，同时允许修整器盘42相对于修整器驱动轴32倾斜。
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图6的视图示出了这样的状态其中，下部修整器凸缘相对于上部修整器凸缘倾 斜。每个扭矩传递销48具有球形滑动表面，其与上部修整器凸缘41A中形成的接纳孔松散 地接合。微小的间隙形成在扭矩传递销48的滑动表面和上部修整器凸缘41A的接纳孔之 间。当下部修整器凸缘41B相对于上部修整器凸缘41A倾斜时，扭矩传递销48同样与下部 修整器凸缘41B —致地倾斜，同时与上部修整器凸缘41A保持接合。 扭矩传递销48没有将来自修整器驱动轴32的推力载荷传递到修整器盘42，并且 仅将修整器驱动轴32的扭矩传递到下部修整器凸缘41B和修整器盘42。这个实施例中， 扭矩传递销48固定到下部修整器凸缘41B。扭矩传递销48可固定到上部修整器凸缘41A。 利用上述结构，修整器盘42和下部修整器凸缘41B可以围绕球45C的中心进行万向接头 (gimbal)运动，并且修整器驱动轴32的扭矩可以通过扭矩传递销48传递到修整器盘42， 不会限制万向接头运动。 上部和下部修整器凸缘41A和41B还通过多个弹簧机构49彼此连接。这些弹簧 机构49以相等间隔设置在球面轴承45周围(即围绕修整器驱动轴32和修整器盘42的中 心轴线)。每个弹簧机构49具有杆49A和弹簧49B。杆49A固定到下部修整器凸缘41B并 延伸穿过上部修整器凸缘41A。杆49A具有凸边(collar)，形成在其上端。弹簧49B设置 在杆49A的凸边和上部修整器凸缘41A的上表面之间。弹簧机构49产生力，抵抗修整器盘 42和下部修整器凸缘41B的倾斜，从而将修整器盘42恢复到它的初始位置(姿态)。
上述结构使得修整器盘42和下部修整器凸缘41B能够进行万向接头运动，其中它 的支点位于球45C中心处。在修整过程中，修整器盘42倾斜，从而跟随(追踪)研磨垫IO 的研磨表面的形状，其在修整过程中旋转。因此，利用减少的载荷，修整器盘42可以获得令 人满意的修整结果。另外因为修整器盘42的倾斜运动的支点(即球面轴承45的中心相对 于研磨表面的位置)低，修整器盘42可以平稳地跟随研磨垫10的研磨表面的波动。因此， 修整器盘42不可能受到由于研磨表面的摩擦力导致的力矩(force of moment)。结果，修 整器盘42可以修整所述研磨垫10的研磨表面，不会被过度倾斜。另外，因为修整器盘42 的倾斜运动可以防止研磨垫10的部分磨损(偏磨)，因此可以实现低载荷的修整。
如图4，柱状的第一覆盖件53A固定到下部修整器凸缘41B的上表面。这个第一覆 盖件53A成形为围绕上部修整器凸缘41A，球面轴承45，扭矩传递销48，弹簧机构49，和修 整器驱动轴32的下端。另外，第二覆盖件53B设置成围绕第一覆盖件53A的上端。第二覆 盖件53B固定到修整器摆动臂33 (图1)，设置成覆盖第一覆盖件53A的上端和修整器驱动 轴32。间隙形成在第一覆盖件53A和第二覆盖件53B之间，从而当第一覆盖件53A与下部 修整器凸缘41B与修整器盘42的倾斜运动一致地倾斜时，第一覆盖件53A不接触第二覆盖 件53B。第一覆盖件53A和第二覆盖件53B可以防止修整液和研磨液接触所述球面轴承45 的球45C，还可防止从滑动元件(例如扭矩传递销48)产生的微粒落到研磨垫10上。
修整器盘42可拆地连接到下部修整器凸缘41B。具体的，修整器盘42通过至少三 个固定螺杆55(图5示出了三个固定螺杆55)安装在下部修整器凸缘41B的下表面上。通 过移除固定螺杆55，修整器盘42可以被去除，并且可以被新的修整器盘代替。
在修整器盘42由磁性材料制成的情况中，例如铁或者一些其它金属，可以使用图 7所示的多个磁体56，代替固定螺杆55，用于将修整器盘42固定到下部修整器凸缘41B。 这种情况中，优选的是在下部修整器凸缘41B的上表面上形成凹部并且将磁体设置在凹部中。 图8的剖视图示出了根据本发明第二实施例的修整单元(修整设备)的关键部分。没有特别描述的这个实施例的结构和操作与第一实施例相同，并且相应的描述被省略。
根据本实施例的修整单元30不具有上述弹簧机构49和扭矩传递销48。这个实施例中，上部修整器凸缘41A用作弹簧机构和扭矩传递构件。具体的，上部修整器凸缘41A由弹性材料(例如树脂)制成并用作片簧。优选使用的弹性材料的实例包括縮醛树脂(P0M)，具有极好的机械强度、化学热特性和可加工性。上部修整器凸缘41A具有的直径大于根据第一实施例的上部修整器凸缘。上部修整器凸缘41A通过环形凸缘板60和螺杆61固定到下部修整器凸缘41B的上表面。 圆形凹部43形成在下部修整器凸缘41B的上表面上。圆形凹部43与下部修整器凸缘41B同心，直径小于上部修整器凸缘41A。环形凸缘板60的外径基本等于上部修整器凸缘41A的直径，环形凸缘板60的内径等于或者略微小于在下部修整器凸缘41B上表面上形成的圆形凹部43的直径。因此，上部修整器凸缘41A的仅周缘部被凸缘板60和下部修整器凸缘41B保持，从而凸缘板60和下部修整器凸缘41B不阻止上部修整器凸缘41A的弹性变形。凸缘板60、上部修整器凸缘41A、下部修整器凸缘41B和修整器盘42可具有相同直径。球面轴承45结构与第一实施例相同。第一覆盖件53A的下端固定到修整器驱动轴32的圆周表面。第二覆盖件53B的结构以及第一覆盖件53A和第二覆盖件53B之间的位置关系与第一实施例相同。 为了不在上部修整器凸缘41A上表面上保留液体(例如修整液)，至少一个径向延伸的槽63形成在上部修整器凸缘41A和凸缘板60之间。这个槽63形成在凸缘板60的下表面和上部修整器凸缘41A上表面中的至少一个上。 0形环(密封构件)62设置在下部修整器凸缘41B的上表面上，从而围绕圆形凹部43。上部修整器凸缘41A和凹部43限定一空间，其被0形环62密封。因为球面轴承45设置在这个空间中，修整液、研磨液、研磨碎屑等不会接触球面轴承45。因此，可以保持球面轴承45的润滑。0形环62可连接到上部修整器凸缘41A的下表面。另外，凹部43可形成在上部修整器凸缘41A的下表面上。 这个实施例中，上部修整器凸缘41A用作弹簧机构和扭矩传递构件，如上所述。具体的，当修整器盘42和下部修整器凸缘41B相对于修整器驱动轴32倾斜时，上部修整器凸缘41A弹性变形。上部修整器凸缘41A的这种弹性变形允许修整器盘42倾斜，从而在修整过程中跟随研磨垫10的研磨表面的形状。 图9的剖视图示出了本发明第二实施例的修整单元(修整设备)的变形实例。这
个实例中，上部修整器凸缘41A具有平坦下表面，球形凹部45A没有形成在上部修整器凸缘
41A上。球45C被下部修整器凸缘41B的上表面上形成的球形凹部45B支撑。这个实例中，
球面轴承45可以将推力载荷从上部修整器凸缘41A传递到下部修整器凸缘41B，同时允许
下部修整器凸缘41B和修整器盘42的倾斜。这个实例中，定位销(未示出)用于将上部修
整器凸缘41A的中心轴线与下部修整器凸缘41B的中心轴线彼此对齐。 图10的剖视图示出了本发明第三实施例的修整单元(修整设备)的关键部分。这
个实施例中没有具体描述的结构和操作与第一实施例的相同，省略相应的描述。 修整器驱动轴32在其下端处具有小直径部分32a。上部修整器凸缘41A的下表
10面和下部修整器凸缘41B的上表面彼此固定，从而它们构成单个修整器凸缘。上部修整器凸缘41A和下部修整器凸缘41B具有形成在其中的同心的孔，修整器驱动轴32的小直径部分32a容纳在这些孔中。上部修整器凸缘41A和下部修整器凸缘41B通过球面轴承45可倾斜地连接到修整器驱动轴32的小直径部分32a。具体的，球形突起45D固定到小直径部分32a的圆周表面，球形凹陷构件45E固定到孔的内周面。球形突起45D和球形凹陷构件45E可滑动地彼此接合。 多个弹簧销49，用作弹簧机构，固定到上部修整器凸缘41A的上表面。图10仅示出了一个弹簧销49。弹簧销49以等间隔设置在球面轴承45周围(即围绕着修整器驱动轴32和修整器盘42的中心轴线)。弹簧销49构造成将修整器驱动轴32向上挤压。上部修整器凸缘41A和修整器驱动轴32通过多个扭矩传递销48彼此连接。第一覆盖件53A的下端固定到上部修整器凸缘41A的圆周表面。第二覆盖件53B的结构和第一覆盖件53A与第二覆盖件53B之间的位置关系与第一实施例相同。 本实施例中，上部修整器凸缘41A、下部修整器凸缘41B和修整器盘42构造成相对于修整器驱动轴32可一致地(in unison)倾斜。因此，修整器盘42在修整过程中可根据研磨垫10的研磨表面的形状倾斜。 图11的剖视图示出了根据本发明基准实例的修整设备的关键部分。这个实例中没有具体描述的结构和操作与第一实施例的相同，省略相应的描述。 这个实例中，修整单元30不具有上述弹簧机构和扭矩传递销，但是具有波纹管(bellows)65，连接修整器驱动轴32的下端和上部修整器凸缘41A的上表面。这个波纹管65将修整器驱动轴32的扭矩传递到上部修整器凸缘41A(即修整器盘42)。
如果修整器盘42没有平稳地跟随研磨垫10的研磨表面，研磨垫10的局部磨损(偏磨)会发生。在图11的基准实例中，因为波纹管65相对硬，研磨垫10的修整可能不会适当地进行，取决于研磨垫10的表面状态。这种情况中，优选的是使用第一到第三实施例。从结构的观点来看，第一实施例和第二实施例比第三实施例更有利，因为修整器盘42的倾斜运动的支点(即球面轴承45的中心的距离研磨表面位置)会是低的。
图12的视图示出了在弹性支撑下部修整器凸缘41B(和修整器盘42)的情况中的模型，其中具有位于下部修整器凸缘41B的中间上的支点。负荷F是一力，施加到距离修整器凸缘41B的中心为距离L的点，位移x是由于施加了负荷F造成的修整器凸缘41B的边缘的位移，并且kn(n = 1，2，…)是每个弹簧机构的弹簧常数。对于修整器盘42为了平稳地倾斜，从而跟随研磨垫10的形状，需要可以实现适合倾斜刚度(tilting rigidity)的弹簧常数K。在第一到第三实施例中，弹簧常数K不小于0. 5 X 104N/m并且不大于2 X 104N/m，或者修整器盘42的倾斜刚度K e不小于12. 5Nm/rad并且不大于50Nm/rad。说明书中，倾斜刚度限定为这样的值，其表示当产生旋转运动的力(即扭矩)被施加时扭矩和旋转位移(即角度)之间的关系。第一和第三实施例中的弹簧常数K表示多个弹簧机构49整体的弹簧常数，第二实施例中，表示弹性上部修整器凸缘41A整体的弹簧常数。
图13的图形示出了根据弹簧常数K而改变的负荷F和位移x之间的关系。图13的水平轴线是图12所示的位移量，图13的竖直轴线是施加到修整器的负荷F(单位N)，如上所述。因此，图13示出了负荷F和位移x之间的关系。如图13，图中点划线的回归线(regressionline)根据弹簧常数K的区别而不同。图14A的视图示出了当倾斜刚度大时可
11能发生的问题，图14B的视图示出了当倾斜刚度小时可能发生的问题。 在研磨垫10的修整过程中，随着研磨台11旋转，研磨垫10的最靠外的边缘波动达到大约100微米。在这种情况下，如果修整器盘42的倾斜刚度大，修整器盘42不能跟随着研磨垫10的波动，如图14A。结果，修整器盘42的周缘局部地刮掉研磨垫10。
图15A的平面图示意性示出了在弹簧常数K大于2X10、/m的情况中(或者倾斜刚度K e大于50Nm/rad)已经被修整器盘刮掉的研磨垫，图15B的图形是沿着图15A的线A-A的图形。如图15A和15B，当修整器盘42的倾斜刚度大时，部分研磨垫10被极大地刮掉。另一方面，图16A的平面图示意性示出了在弹簧常数K不大于2X10、/m的情况中(或者倾斜刚度K e不大于50Nm/rad)已经被修整器盘刮掉的研磨垫，图16B是沿着图16A的线B-B的图形。如图16A和16B，当修整器盘42的倾斜刚度小到一定程度时，研磨垫10被均匀地刮掉。 如果修整器盘42的倾斜刚度基本为零并且倾斜运动的支点位置高，修整器盘42容易被研磨垫10卡住(catch)，如图14B。结果，粘滑(stick slip)现象发生在修整器盘42的倾斜运动中，并且在修整器盘42的旋转速度中产生波动(误差)。图17的图形示出了修整器盘的转速的波动(误差)，其根据弹簧常数或者倾斜刚度而变化。如图17，当弹簧常数K不小于0. 5X 104N/m或者倾斜刚度K e不小于12. 5Nm/rad时，修整器盘42的转速的误差小于当弹簧常数K小于0. 5X 104N/m或者倾斜刚度K e小于12. 5Nm/rad时。
图18的图形示出了弹簧常数和转速误差之间的关系以及弹簧常数和研磨垫轮廓之间的关系。当弹簧常数K小于0.5X10、/m时，倾斜刚度降低。结果，由于在研磨垫表面上产生的摩擦力造成的力矩，修整器盘被容易地倾斜，并且修整器盘可能由于上述粘滑现象而震动。这种震动在修整器盘转速中产生波动(误差)。 另一方面，当弹簧常数K大于2X 104N/m时，倾斜刚度增大。结果，修整盘的周缘局部地刮掉研磨垫，造成研磨垫的局部磨损。因此为了稳定地修整研磨垫，需要使得弹簧机构的弹簧常数在0. 5X 104N/m到2X 104N/m的范围中(或者修整器盘42的倾斜刚度K e在12. 5Nm/rad到50Nm/rad的范围中)。 如上所述，根据本发明，修整器可以适当地修整研磨台上的研磨垫。另外，因为修整负荷可以减小，在修整过程中刮掉的研磨垫的量可以尽可能小，因此研磨垫的寿命(或固定磨粒垫)可以增大。因此，化学机械研磨设备的运行成本可以降低。另外根据本发明，因为修整可以在短时间内进行，研磨垫轮廓可以在相对短期内保持良好，并且化学机械研磨设备和方法的输出可以提高。另外，通过移除螺栓或者磁体，修整器盘可以方便地被替换。 上述对实施例的描述用于使得本领域技术人员能够使用和实施本发明。另外，实施例的变形对于本领域技术人员是显而易见的，这里限定的基本原理和具体实例可以用于其它实施例。因此，本发明不限于这里所述的实施例，而是可以广义上限定，由权利要求及其等效物限定。
权利要求
一种用于修整研磨垫的设备，所述设备包括修整器驱动轴，可旋转并且可竖直移动；修整器凸缘，连接到所述修整器驱动轴，并且构造成将修整构件固定到其处；球面轴承，设置在所述修整器凸缘中，并且构造成允许所述修整构件相对于所述修整器驱动轴倾斜；和弹簧机构，构造成产生一抵抗所述修整构件倾斜运动的力。
2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述弹簧机构构造成用作弹簧常数在 0. 5X 104N/m到2X 104N/m的范围中的弹簧。
3. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述弹簧机构构造成允许所述修整构件具 有的倾斜刚度在12. 5Nm/rad到50Nm/rad的范围中
4. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述修整器凸缘具有上部修整器凸缘，固定到所述修整器驱动轴；和下部修整器凸 缘，所述修整构件固定到其处；禾口所述球面轴承将所述上部修整器凸缘和下部修整器凸缘彼此连接，同时允许所述上部 修整器凸缘和所述下部修整器凸缘相对彼此倾斜。
5. 如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述上部修整器凸缘由弹性材料制成，所述 上部修整器凸缘用作所述弹簧机构。
6. 如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括 密封构件，设置在上部修整器凸缘和下部修整器凸缘之间，其中所述球面轴承位于在所述上部修整器凸缘和下部修整器凸缘之间形成的空间中，和所述空间由所述密封构件密封。
7. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，还包括扭矩传递构件，构造成将所述修整器驱动轴的扭矩传递到所述修整构件。
8. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述球面轴承包括球形突起，设置在所述 修整器驱动轴的圆周表面上；和球形凹陷构件，设置在所述修整器凸缘上。
9. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述修整构件可移除地连接到所述修整器凸缘。
10. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，还包括 覆盖件，设置成围绕所述修整器凸缘的至少一部分。
11. 一种化学机械研磨设备，包括 研磨台，用于支撑研磨垫；顶环单元，构造成将工件压靠在研磨垫上，同时旋转工件； 液体供应装置，构造成将研磨液供应到研磨垫上；禾口 根据权利要求1用于修整研磨垫的设备。
12. —种化学机械研磨方法，包括利用如权利要求11所述的化学机械研磨设备研磨工件。
13. —种用于修整研磨垫的设备，所述设备包括 修整器驱动轴，可旋转并且可竖直移动；修整器凸缘，连接到所述修整器驱动轴，并且构造成将修整构件固定到其处；禾口 构造成产生一抵抗所述修整构件倾斜运动的力的机构，其中所述修整器凸缘具有磁体，通过所述修整构件和所述磁体之间的磁力，所述修整 构件连接到所述修整器凸缘。
全文摘要
描述了一种用于修整研磨垫的设备。该设备包括修整器驱动轴，可旋转并且可竖直移动；修整器凸缘，连接到修整器驱动轴，构造成将修整构件固定到其处；球面轴承，设置在修整器凸缘中，构造成允许修整构件相对于修整器驱动轴倾斜；和弹簧机构，构造成产生力，逆着修整构件的倾斜运动。
文档编号H01L21/304GK101786262SQ201010104090
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月27日 优先权日2009年1月28日
发明者小菅隆一, 渡边和英, 矶部壮一 申请人:株式会社荏原制作所