专利名称：可调节力作用空气台板与主轴系统及其使用方法
技术领域：
本发明一般地涉及化学机械平整(CMP)系统，具体涉及到具有作用力空气台板的系统。
背景技术：
半导体器件制造过程中需要进行化学机械平整作业，包括研磨、抛光与晶片清洗。一般，集成电路器件呈多层结构形式。在基片层，形成了具有扩散区的晶体管器件。在后继的各层中，图案化互连的金属化线，这些金属线与晶体管器件电气连接以确定出所需功能的器件。众所周知，图案化的导电层由电介质材料(例如二氧化硅)与其他的导电层绝缘。由于形成较多的金属化层和相关的电介质层，就增加了将电介质材料平整的需要。不进行平整，由于表面构型有较高的起伏，使得对附加金属化层的加工变得极其困难。在另一些应用中，金属化线图案则是形成于电介质材料上，然后进行金属CMP作业以除去多余的喷涂金属。
在已有技术中，CMP系统一般包括皮带、轨道或刷子站，在该系统中应用皮带、垫或刷子来擦洗、研磨和抛光晶片的一侧或两侧。应用浆料来促进和加速CMP作业。最常见的方式是将浆料引入到运动的制备表面，例如，皮带、垫、刷子等的表面上，而后分布到此制备表面上以及待研磨、抛光的半导体晶片的表面上或由CMP法制备的其他表面。这种分布普遍是通过制备表面运动的组合、半导体晶片的运动以及半导体晶片与制备表面之间形成的摩擦来完成。
图1示明了典型的已有技术的CMP系统10。图1中的这种CMP系统10是皮带式系统，这样设计是由于制备表面是安装在两个转鼓24上无端皮带式的抛光垫18，这两个转鼓24则按皮带旋转方向箭头26所示的旋转运动驱动此垫。晶片12安装于支座14上。该支座14依方向16转动，此方向既可以是顺时针的也可以是反时针的。然后以力F将旋转的晶片12压到抛光垫18上来完成CMP工艺。某些CMP工艺需要施加很大的力F并对其监控。设有台板22以稳定抛光垫18并为晶片12提供支承。台板22设有空气轴承23，该空气轴承用以在抛光垫18运动时供给恒定的气流。因此该恒定的气流提供抛光垫18能在其上移动的稳定的缓冲垫。为了促进抛光，浆料28是由含分散磨料粒的例如NH4OH或DI的水溶液组成，其被引入到晶片12的上游。
通常将载荷传感器(LC)作为支座14的一部分以监控平整处理中加到晶片上的压力。实际上，将支座14降低到抛光垫18之上同时让晶片依方向16旋转。除降低外，载荷传感器(LC)还设计成能提供压力数据给监控电子器件。如果在特殊处理中需要一定的压力，则指示主轴进行压力调节。因此，此主轴设计成不仅能上下运动并以特定的速率转动，还能连续地调节由支座14传递到晶片上的力(压力的形式)，以达到适当的CMP参数。
由于支座14设计用来将力加到移动的抛光垫18上，在主轴上就会形成摩擦力从而产生机械滞后作用。这样的摩擦力已知会降低致动器(设计用以对支座14加力)，在抛光过程中支座14垂直位置上有小幅度改变时保持恒力的能力。因此在精密抛光作业中保持恒力的困难是使得支座14的设计及其附属的电子器件与控制装置复杂化。在某些情形下，即使是极其昂贵与复杂的控制装置也不能确保均匀地加力，这是由于侧力的支座连续处于来自移动抛光垫18的摩擦应力的作用下。
鉴于以上所述，需要一种可对要被平整的基片提供稳定与精确的力的化学机械平整系统。
发明内容
概括地说，本发明是通过提供具有可调台板的化学机械平整系统来满足上述要求的。此可调台板设计成能在作业中给抛光垫的底侧加力，同时只需将支座低放到抛光垫之上就能达到合适的平整结果。应知本发明可以由多种方式实现，例如包括工艺、设备、系统、器件或方法。下面说明本发明的若干有创造性的实施例。
在一实施例中，公开的化学机械平整(CMP)系统具有抛光垫、晶片支座与可调台板。此可调台板包括台板主体和结合到台板主体中用以对抛光垫下侧施加空气压力的空气轴承。台板主体上连接有一组轴承，能使此台板主体移近或移离抛光垫的下侧。载荷传感器连接到台板主体上且构造成能输出表明加到抛光垫的下侧的力的负载信号。还提供了给此空气轴承施加空气流的气源。此空气流可根据加到抛光垫下侧上力的变化而调节。
在另一实施例中公开了一种可调台板。此可调台板包括具有顶部区与底部区的台板主体。此台板主体定位于直线抛光垫之下。在顶部区中有与台板主体结合的空气轴承，此空气轴承构造成能给直线抛光垫的下侧施加空气压力。台板主体的底部区连接一组轴承，能控制台板主体顶部区的运动，使之可根据所加的空气压力移近或移离直线抛光垫的下侧。这一所加的空气压力设置成能给直线抛光垫下侧施加可控制的力。
在又一实施例中公开了另一种台板。此台板包括具有顶部区与底部区的台板主体。此台板主体位于CMP系统的直线抛光垫之下，而该CMP系统设计成当将晶片定位成由此CMP系统的主轴与支座对其处理时，接收此拟于直线抛光垫顶面上抛光的晶片。将一空气轴承与台板主体在顶部区耦联，此空气轴承构造成可将空气流输送到直线抛光垫下侧。在此台板主体的底部区上耦联着一组直线轴承，用以控制此台板主体在垂直运动中移近与移离直线抛光垫的下侧。台板主体的垂直运动由空气流量决定，此空气流量是可变的，从而能为直线抛光垫的下侧设定所需的力。
在另一实施例中，公开了又一种台板的结构。这种台板包括具有顶部区与底部区的台板主体，台板主体位于CMP系统的直线抛光垫下，而该CMP系统设计成当将晶片定位成由此CMP系统的主轴与支座对其处理时，接收此拟于直线抛光垫顶面上抛光的晶片。将一空气轴承与台板主体在顶部区耦联，此空气轴承构造成能将固定的空气流量输送到直线抛光垫的下侧。与此台板主体结合一载荷传感器用来测定由此固定空气流量施加到该直线抛光垫下侧的力。设有一致动器以沿垂向调节此台板主体使其移近或移离直线抛光垫的下侧。
本发明具有众多的优点，最主要的在于通过从抛光垫之下施加受控力而可以大大地简化控制晶片支座的主轴，而且能不用花键主轴(spline spindle)以及复杂的监控和补偿电子器件。众所周知，花键主轴是能相对其长轴线转动与平移的机械装置。此外，用来为此台板导向的轴承不会受磨擦力的影响，从而消除了由侧向力造成的滞后问题。再有，作为所述系统的一种可能构型而描述的在台板之后面设置载荷传感器的形式，将显著地减少载荷传感器的复杂性与成本并能大幅度地提高可靠性。本发明地其他方面以及其他优点可通过下面结合附图以举例方式阐明本发明原理的详细描述中获得理解。
参考下面结合附图所作的描述，当可更好地了解本发明以及它的其他优点。
图1示明一种有代表性的已有技术的CMP系统。
图2示明包括根据本发明一实施例的可调台板的CMP系统。
图3A～3C更详细地示明了根据本发明另一实施例的可调台板与直线抛光垫的关系。
图4示明的台板可输送固定的空气流量并沿垂向的位置可调节以给直线抛光垫下侧产生所需的压力。
优选实施例的详细描述本发明公开了包括一可调空气台板的CMP系统。此可调台板设计成在此系统工作时给抛光垫的下侧加力。最好以可调与受控方式通过台板将空气输送向抛光垫的下侧。所加的力则最好由装于此台板内的载荷传感器监控，同时要对空气流量进行调节以使所加的力适当改变。但此支座只需设计成能移动到抛光垫之上来实现相应的平整目的。在一具体实施例中，这种加力的台板包括给抛光垫背面加力的结合的空气轴承。所加的力是通过抛光垫的前侧传递给晶片，而在直线皮带工艺系统中为CMP形成所需的机械摩擦力。为了通过台板加力，在台板后面设有致动器。此致动器可以采取多种形式例如气动、液压传动、机械驱动或电磁驱动的形式。
在以下的描述中列举了众多的具体细节以便彻底理解本发明。但应认识到，本领域技术人员是不需这些具体细节的某些或全部就可实践本发明的。在另一些情形下则不详述众所周知的工艺步骤以免不必要地混淆本发明。
图2示明根据本发明一实施例的包括可调台板122的CMP系统100。此CMP系统100包括一对转鼓24，它们构造成能接收抛光垫18且使之可绕转鼓进行直线运动。设有一支座102，其包括晶片12，并设计成在加工过程中能由主轴降低到抛光垫18的移动表面上。支座102与主轴座103连接，此主轴座将主轴107相对于抛光垫18固定在对准的位置上。
在此实施例中，支座102设计成可进行这样的垂直运动以使晶片12能相对抛光垫18作上下运动，还设置由主轴在支座102上引发的旋转运动。一旦支座102被移动到抛光垫18的表面上且抛光开始，支座102就不再被监控以进行受控的向上或朝下调节来实现加工晶片12中所需的变化的压力。在此实施例中，可调台板122设计成能在支座102正下方处于抛光垫18之下施加或多或少的压力。因此施加的压力给抛光垫18的下侧作用一力，如以下所述，此力可以变化来对晶片12作所需的处理。此可调台板122，如图所示包括具有顶部区与底部区的台板主体，此顶部区在一种实施例中可接纳空气轴承126。因此，由可调台板122供给的空气便可通过供气管线126输送，将空气供给空气轴承124并由其分配。该空气轴承124可以有几个部段，它们经最优化设置并控制成将最佳气流量输送到抛光垫18下的所需区域中。这样，可将晶片12抛光到终端用户所需的最优等级。
空气轴承124，在一实施例中，将空气提供给抛光垫18和可调台板122之间。此空气形成一空气缓冲垫128，给运行中的抛光垫下表面加压。此可调台板122通过直线轴承132与基准面130耦联。此直线轴承132，在一实施例中，是由弹簧加载。在此方式下，可调台板122将自然地推至一远离此基准面的中间不受压位置。基准面130还具有一与载荷传感器136耦联的连接器134。此载荷传感器可以是任何类型的测量压力的且输出可以数字化供分析的模拟信号的载荷传感器。市售的载荷传感器的一种例子是LPU-500-LRC低分布的张力和压力载荷传感器，可购自美国加州Temecula市的Transducer Techniques。
上述可调高度的连接器134是以其简化形式示明，但应知任何传统的载荷传感器连接器或结构，只要是能由机械装置如丝杠、活塞、轴与致动器等用于调节台板高度的都可采用，这里用到的基准面130应理解为包括任何可为可调台板122提供支承的任何表面。载荷传感器136设计成测量可调台板122朝下推向基准面130时所施加的力的大小。在此实施例中，载荷传感器136设计成能提供一负荷信号142，指明可调台板122经受的加载量。此负荷信号142提供给比较器146。比较器146可从控制站(145)接收指令信号144。
众所周知，控制站145可用来提供一种适合于给定的CMP作业的预编程压力及其他控制参数的工作程序(recipe)。例如可将这种工作程序设计成于氧化物、金属或氧化物与金属组合的平整。一旦将指令信号144提供给比较器146，此比较器及其电子器件便将此指令信号144与负载信号142比较，生成一适合应用目的且与所采用的工作程序相一致的信号151。如图所示，此信号151提供给流量控制器150。
流量控制器150设计成与气源152耦联，气源152可以是任何形式的空气源，例如可以是洁净室(clean room)等的一部分。当气体流量控制器150接收到信号151后，便通过空气供应管线126将适量的空气压力提供给可调台板122。经空气供应管线126供应附加的空气流量，在加工晶片12之际就对抛光垫18下表面施加附加的压力。随着较多的流量流向抛光垫18的下表面，就会加大可变间隙140，而同时仍有附加的压力作用于抛光垫18的下表面。
应知所有有关附加压力的控制都是由可调台板122控制而不再需用支座102。这样，由于只需支座控制上下运动的参数与转动参数，此时就可简化支座的设计。
图3A更详细地示明了依据本发明一实施例的与抛光垫118相关联的可调台板122。图中的支座102已作用到抛光垫18之上使晶片12的表面与抛光垫18接触。加工中，假定已将适量的浆料加到抛光垫18上以实现适当等级的抛光。在上下位置105所示的下位，主轴107设计成可进行旋转运动。在此实施例中，所示的空气缓冲垫128具有生成间隙140a的空气流180a。本例中所加的可变空气流量127减少了，这是由于用于此特定的CMP作业的工作程序可以不需在抛光垫18下使用大的压力。操作中，载荷传感器136通过负荷信号142提供信息，此信号142则供给比较器146。
若是在抛光作用中任何时候需要附加的压力时，此可变气流量127将施加附加的空气流量180a，以生成略大于间隙140a的间隙。在此实施例中，直线轴承可使轴206随着有附加或较少的空气供给于间隙140a而作业上下运动。在此例中，直线轴承200包括一保持器204和许多滚珠轴承202。滚珠轴承202可让轴206沿Z向上下运动而不引入X或Y分量。重要的是还应认识到，已有技术中出现的摩擦力由于台板102不与抛光垫18作摩擦接触而不会作用到直线轴承200之上。这样，此种摩擦力就不会影响通过载荷传感器136对力的测量，由此可以测量出更精确的力转而施加更准确的力。
图3B示明了另一例可调台板122，其中增大的空气流供给空气供给管线126并因此增大了供给抛光垫18下侧的空气流。图3B中所示的空气流180b比图3A所示的空气流180a强。类似地，由于提供了附加的空气流，图3A中的间隙140a此时加大到图3B所示的间隙140b。由于通过空气供应管线126供给附加的空气，可调台板122便向下移向基准面130。这一运动同样由载荷传感器以力的形式监控，这样便给压力控制系统提供精确的反馈。
作为例子，所示的可调台板122以轴206处在直线轴承200以内的进入位置。如图3C所示，在一实施例中，载荷传感器连接器134最好挤压一弹簧133或其他适当的阻力元件。还可设置一Z向调节件135来微调基准面。Z向调节件135例如可以是丝杠、可调连接器、活塞或可以提供精确定位的其他的适当装置。弹簧件133可以具有能变化的机械刚度以根据提出的发明中的作业方式改变。当此刚度相对地说较低且弹簧133压缩到一已给的压力设定点时，当供给较少的空气时，可调台板将受驱向上，并在此系统达到平衡时，封闭带和台板102之间的空隙。在一更理想的实施例中，弹簧或阻力元件的机械刚度由于已为刚性机械连接件替换而加大。这样，当空气供给速率下降，台板与带之间的空气密度降低，从而减小了晶片上的总压力。注意在此所示的另一实施例中，当供给的空气量减少时，台板则不会被驱动向上。
当然，在CMP作业中，载荷传感器136将继续通过负荷信号提供加载信息。要是由控制站145提供的工作程序要求将较小的压力加到抛光垫18的下侧，则可调节指令信号144使信号151指令流量控制器150通过空气供应管线126施加较少的空气。
图4示明又一实施例，其中依据本发明一实施例将可调台板122设于抛光垫18之下。可调台板122包括一同样构造成产生负载信号142的载荷传感器146。但是取代了将可调台板122耦联到基准面130上而是设置一与台板位置控制器(PPC)302耦联的轴304。台板位置控制器(PPC)302构造成可从比较器142接收位置信号320。比较器142则构造成能从控制站145接收负载信号142以及指令信号144。
如上所述，提供给比较器142的指令信号144是根据用来确定抛光晶片的有关变量而设计的工作程序的。在此实施例中，通过空气供给管线126提供给可调台板122的是固定的空气流量301而不是可变的空气流量127。因此将可调台板移离抛光垫18下表面的不是此空气流而是台板位置控制器(PPC)。于是，当需要更大的力时便将可调台板移近抛光垫18的下表面。而当需要较小的力时则可将可调台板122移离开，这是因为空气流量是固定的。但此固定的空气流量301仍将在抛光垫18与可调台板122之间形成空气缓冲垫128。
在此实施例中，轴304可以由任何类型的致动器驱动。例如此种致动器可以是机械式致动器、气动致动器、液压致动器或电磁致动器。这类致动器的控制可以是闭环伺服驱动的，事实上这是优选控制方式。此时的可调台板由包括一或多个轴承导向件的轴承系统导向。前述的空气轴承不论是单象限或多象限变化都可以设计成单区式或多区式的。前述的主轴通过消除花键轴的要求可以显著地简化而代之以较廉价的普通的主轴。如上所述，将载荷传感器用作力传感器实现了对力的闭环控制。在一实施例中，载荷传感器可安装于支座的晶片头即台板上或是安装于负荷施加点处。
为便于了解，上面较详细地描述了本发明，但显然，在后附权利要求书的范围内是可以作出某些变化与改进的。因此，上面给出的各实施例应视作为说明性的而非限制性的，同时本发明也不局限于这里给出的细节而是可以在后附权利要求书的范围与等效内容下修正。
权利要求
1.一种化学机械平整(CMP)系统，此系统具有一抛光垫、一晶片支座和一可调台板，所述可调台板包括一台板主体；结合于上述台板主体中用来对抛光垫下侧施加空气压力的一空气轴承；一组连接到台板主体的轴承，以便使台板主体能移近和移离抛光垫下侧；与此台板主体连接的载荷传感器，此载荷传感器构造成输出一指明拟施加到抛光垫下侧的力的负荷信号；以及用以将空气流施加给此空气轴承的一空气源，空气流量则可根据施加到抛光垫下侧的力的变化而调节。
2.权利要求1所述的化学机械平整(CMP)系统，其中所述台板主体具有顶部区与底部区，此顶部区与抛光垫下侧邻近并由一间隙分隔开。
3.权利要求2所述的化学机械平整(CMP)系统，其中上述间隙随施加给抛光垫下侧的力的增大而增大，且随施加给抛光垫下侧的力的减小而减小。
4.权利要求2所述的化学机械平整(CMP)系统，其中还包括用来给上述空气轴承供给空气流的流量控制器。
5.权利要求4所述的化学机械平整(CMP)系统，其中还包括用以接受负荷信号与工作程序指令的比较器，此工作程序指令指示所需的压力而此负荷信号指示实际压力。
6.权利要求5所述的化学机械平整(CMP)系统，其中所述实际压力减小到近似该所需压力。
7.一种可调台板，它包括具有顶部区与底部区的一台板主体，此台板主体定位于直线抛光垫之下；与此台板主体在上述顶部区结合的空气轴承，此空气轴承构造成给直线抛光垫的下侧施加空气压力；以及一组与此台板主体的底部区连接而能根据该施加的空气压力使所述台板主体顶部区进行移近或移离直线抛光垫的受控运动的轴承，所述施加的空气压力被设置成能对直线抛光垫下侧加力。
8.权利要求7所述的可调台板，其中还包括与该台板主体连接的载荷传感器，此载荷传感器构造成能输出一表明作用于直线抛光垫下侧的力的负荷信号。
9.权利要求7所述的可调台板，其中还包括为该空气轴承设置的空气源，此空气源具有能确定上述空气压力的空气流速。
10.权利要求9所述的可调台板，其中上述空气流量能根据至少来自载荷传感器的负荷信号而调节。
11.权利要求9所述的可调台板，其中此可调台板结合于CMP系统中，此系统包括夹持拟加工的晶片的支座，此支座设计成能将该晶片降低到基本上是在该可调台板上方的直线抛光垫的顶面上。
12.权利要求11所述的可调台板，其中上述作用于直线抛光垫下侧上的力被传递到该拟加工的晶片上。
13.一台板，此台板包括具有顶部区与底部区的一台板主体，此台板主体位于CMP系统的直线抛光垫之下，此化学机械抛光系统设计成当放置晶片以便由CMP系统的主轴和支座加工时接收待抛光的晶片于直线抛光垫顶表面上；与该台板主体在顶部区耦联的一空气轴承，此空气轴承构造成能给直线抛光垫下侧输送空气流；以及一组与该台板主体的底部区耦联从而使该台板主体进行移近与移离直线抛光垫下侧的受控垂直运动的轴承，台板主体的这种垂直运动由上述空气流确定，此空气流是可变的以便为直线抛光垫下侧设定所需的力。
14.权利要求13所述的台板，其中还包括结合于该台板主体中的载荷传感器，此载荷传感器构造成能产生一指示作用于直线抛光垫下侧的气流力的负荷信号。
15.权利要求14所述的台板，其中通过调节该输送给直线抛光垫下侧的空气流可调整上述气流力以匹配所需的力。
16.权利要求13所述的台板，其中还包括给所述空气轴承提供空气流的空气源，此空气源根据实现上述所需的力而受到控制。
17.一种台板，此台板包括具有顶部区与底部区的台板主体，此台板主体位于化学机械抛光系统的直线抛光垫之下，此化学机械抛光系统设计成当放置晶片以便由化学机械抛光系统的主轴与支座加工时接收待抛光的晶片于直线抛光垫顶表面上；与该台板主体在顶部区耦联的空气轴承，此空气轴承构造成能给直线抛光垫下侧输送固定的空气流；用以测定由此固定空气流给直线抛光垫下侧所加之力的载荷传感器；以及垂直地调节此台板主体移近与移离直线抛光垫下侧的致动器。
18.权利要求17所述的台板，其中所述致动器是机械式致动器、气动致动器或液压致动器或电磁致动器之一。
19.权利要求17所述的台板，其中在直线抛光垫下侧与空气轴承的顶部之间确定一间隙，此间隙为直线抛光垫提供了空气缓冲垫。
20.权利要求17所述的台板，其中此化学机械抛光系统的主轴与支座只包括垂直位置控制与转动控制而排除了压力探测与调节。
全文摘要
本发明提供了可调台板，该可调台板(122)包括具有顶部区与底部区的台板主体。该台板主体定位于CMP系统(100)的直线抛光垫(18)下。此台板主体在其顶部区与一空气轴承结合，此空气轴承(124)构造成能给直线抛光垫下侧施加空气压力。有一组轴承(132)与台板主体的底部区连接，以便能使上述顶部区根据施加的空气压力进行移近与移离直线抛光垫下侧的垂直运动。所施加的空气压力形成为可将可控制力作用于直线抛光垫下侧。控制此力以能满足要求的过程参数，而支座(102)简单地将晶片移动到直线抛光垫之上。
文档编号B24B21/08GK1514760SQ02811065
公开日2004年7月21日 申请日期2002年3月29日 优先权日2001年3月30日
发明者M·A·萨尔达纳, A·A·奥夫查兹, M A 萨尔达纳, 奥夫查兹 申请人:兰姆研究有限公司