CN100542748C - 抛光垫整修器及其制造和循环使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种循环使用的抛光垫整修器，其包括基板和从其原结构位置翻转的研磨盘。翻转的研磨盘包括一暴露的研磨面，该研磨盘包括含有研磨颗粒的一未用过的研磨表面。研磨盘的结合面固定到基板上，结合面包括曾被用来整修抛光垫的用过的研磨面。本发明还提供了一种垫整修器，其具有研磨面，该面含有研磨颗粒的暴露部分，其中至少约60%的研磨颗粒的晶体结构具有基本相同的晶体对称性。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及一种抛光垫整修器及其制造和循环使用方法。
背景技术
在集成电路(Ics)和显示器的制造中，化学机械平面化(ChemicalMechanical Planarization，CMP)被用于磨平衬底的表面形貌，以便执行后续的蚀刻和沉积工艺。一种典型的CMP装置包括一个抛光头，该抛光头振动并将衬底压再抛光垫上，同时对其提供含有研磨颗粒的浆料来对该衬底进行抛光。CMP能够被用来使介电层、填充有多晶硅或硅氧化物的深沟槽或浅沟槽、及金属膜平面化。据信，CMP抛光通常是作为化学和机械两方面作用所导致的结果而产生的，例如，在受到抛光的金属表面上反复地形成一个化学改变层(chemically alteredlayer)，并随后将其抛光除去。例如在CMP抛光期间，在进行金属抛光时，可在金属层的表面反复地形成和去除金属氧化物层。
但是，在CMP工艺中，抛光垫聚集了抛光残余物，这种抛光残余物包含被研磨下来的颗粒材料和浆料副产品。随着时间过去，抛光残余物会阻塞垫的抛光表面，结果是使抛光垫表面釉面化(glazed)，而这种釉面化的抛光垫表面不能有效地抛光衬底，而且甚至会刮伤衬底。例如，在氧化物的平面化处理中，抛光垫的釉面化会导致氧化物的抛光速度随着连续地抛光多个衬底而急剧下降，这是因为抛光垫的抛光表面变得光滑而不再能够在其纤维或凹槽中容纳浆料，或者抛光垫的微孔被残余物所阻塞。这是一种在垫表面上产生的物理现象，未必是由垫和浆料之间的化学反应造成的。
为对抛光垫的釉面化进行补救，在CMP抛光期间，通过去除抛光残余物和重新织构化(texturized)或构造垫表面，而使垫受到周期性的整修，以恢复其原有的特性。一个垫整修器具有一整修表面，该表面上带有研磨颗粒，例如金刚石颗粒，将垫整修器紧贴在抛光垫的已使用过的抛光表面上磨擦，以便通过去除抛光残余物而露出该抛光表面上的被阻塞微孔，并在垫的这个表面上形成微细划痕以便保持或容纳浆料，从而使垫的这一表面得到整修。垫的整修处理可以再抛光处理期间进行——这被称为并行整修(concurrent conditioning)，或者在抛光处理之后进行。
但是，当垫上的研磨颗粒具有不同的物理结构时，传统的垫整修器便会在整修能力上有所变化。例如，当研磨颗粒具有不同高度时，它们可能导致在抛光垫表面上形成不均匀的凹槽。较深的凹槽导致在这些凹槽中保留了过多的浆料，而这能够使得暴露在这些凹槽下的衬底部分受到过度的侵蚀。目前虽然已经按大小将研磨颗粒分类，以减少上述影响，但是这些不利影响在很多抛光垫整修器中仍然普遍存在。因此希望有这样一种垫整修器：其使得抛光表面甚至在抛光许多衬底之后，仍具有均匀且可重复的抛光特性。
此外，由于垫整修器是被反复使用以整修抛光垫的，而因研磨颗粒会磨损和变圆，垫整修器的有效性在反复整修抛光垫的抛光表面时便会逐步降低。用过的整修器垫的研磨颗粒还会最终变得松散并掉落。当过多的研磨颗粒从整修表面的某一区域掉落的时候，垫整修器便开始不均匀地整修抛光垫。松散的研磨颗粒也可能开始嵌入到抛光垫内，并在抛光期间刮伤衬底。
一旦磨损，传统垫整修器的研磨面就不能够被轻易翻新。掉落的研磨颗粒不能轻易地用新颗粒来取代，这是因为在颗粒和周围的基体之间需要有相对强固的结合，而这难以在用过的整修表面上实现。因此，当相当大数目的研磨颗粒磨损或掉落时，垫整修器的整修性能便会恶化到必须及时地用一个新的垫整修器来代替它，而这往往需要一笔可观的费用。磨损或者损坏的垫整修器还导致被抛光衬底的较低产出率。
因此希望有一种垫整修器，其从个抛光垫到另一个抛光垫都可提供均匀且可重复的抛光特性。还希望垫整修器所具有的抛光表面具备可控和可重复的研磨特性，进一步希望的是能够重新整修使用过的垫整修器的研磨面。另外还希望能够重新使用或循环使用垫整修器，特别是在研磨颗粒昂贵或难以生产的时候。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种循环使用的抛光垫整修器，该抛光垫整修器包括一个基板和一翻转的研磨盘。研磨盘包括一个暴露的研磨面和一个附着在基板上的结合面，其中暴露的研磨面包括一个其上有研磨颗粒的未用过的研磨面，而结合面包括一个曾在过去被用来整修抛光垫的用过的研磨面。
在另一实施例中，一用过的抛光垫整修器被循环使用。该用过的垫整修器包括一个基板和一个研磨盘，该研磨盘具有：(i)一原结合表面，其粘接到基板上；和(ii)一用过的研磨面，其曾在过去被用来整修抛光垫。研磨盘可从基板拆下并翻转，从而暴露出研磨盘的原结合表面。随后可将用过的研磨面粘合到基板上，且使得原结合表面上的未用过的研磨颗粒暴露，从而形成一个循环使用的垫整修器上的一个新研磨面。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种抛光垫整修器，该抛光垫整修器包括一个基板和一个研磨盘。研磨盘具有一研磨面，研磨面包括其上有研磨颗粒的暴露部分，其中至少大约60％的研磨颗粒具有基本上相同晶体对称性的晶体结构。“相同晶体对称”的意思是，这些颗粒在晶体结构上关于穿过颗粒的一镜平面或轴基本上是对称的。
在一个进一步的实施例中，本发明提供了一种化学机械装置，其包括具有一个抛光台的垫整修器，该抛光台包括一个用以固定抛光垫的台板。设置一衬底保持器以紧贴着抛光垫夹持衬底。设置一驱动机构以给台板或者衬底保持器提供动力。一浆料分配器在抛光垫上分配浆料。一个整修器头被设置用于安装垫整修器。一驱动机构给整修器头提供动力，以便垫整修器的研磨面能够紧贴着磨擦抛光垫，从而整修该抛光垫。
附图说明
参看以下说明本发明各个示例的描述、所附权利要求以及附图，将能够更好地理解本发明的上述这些特征、实施方案和优点。但应理解，可以用于本发明的各个特征一般地不仅限于附图及其说明所展示的，而且本发明包含这些特征的任何组合。其中：
图1是一个垫整修器的立体图；
图2A至图2C是不同类型的对称研磨颗粒的立体图；
图3用一网孔筛从不对称颗粒中分离对称研磨颗粒的示意说明图；
图4A是一部分具有栅格间隙的网的俯视图，这些栅格间隙中容纳有对称的研磨颗粒；
图4B是图4A所示网的部分侧视图，展示了安置在网的栅格间隙中的对称颗粒；
图5是一个流程图，展示了循环使用研磨盘的过程；
图6A是一个用过的垫整修器的示意性部分剖视图，展示了在一用过的垫整修器的研磨面上的磨损的研磨颗粒；
图6B显示出图6A所示的用过的垫整修器浸没在一个蚀刻剂溶液的容器中；
图6C显示出：图6A所示的垫整修器的被释放的研磨盘的用过的研磨面被用一加压水喷射器来清洗；
图6D显示出图6A所示的研磨盘被翻转了，因此用过的研磨面现在形成一结合面，该结合面被粘合到另一基板上，从而形成一个循环使用的垫整修器组件；
图6E显示出循环使用的垫整修器正在等离子体中受到蚀刻；
图6F显示出完成循环使用的垫整修器，其中用过的研磨面现在形成研磨盘的结合面，而原来的结合面的则被反向蚀刻而形成一个新的循环使用的研磨面；
图7是一个CMP抛光器的立体图；
图8A是图7中CMP抛光器的一个部分分解立体图；
图8B是图8B中的CMP抛光器的俯视图；
图9是正在被图7中的CMP抛光器抛光的衬底和被整修的抛光垫的俯视图；和
图10是图7中的CMP抛光器的一个整修头组件正在整修一个抛光垫的部分剖视立体图。
具体实施方式
如图1所示，一个抛光垫整修器20典型地包含一研磨盘24，该研磨盘附着于一基板28上。通常，基板28是支撑结构，例如为碳钢钢板，其给研磨盘24提供结构上的刚度。但是也可以使用其它刚性材料，例如丙烯酸、聚碳酸酯或者铝氧化物。基板28具有正面30和背面34，背面34上有两个沉头螺孔32a、32b，如图4B所示，以便让一对螺钉或者螺栓能够从其中插入，从而将基板28固定到一个CMP抛光器的整修器头上。作为选择，基板28也可以拥有一个锁定座(图中未示)，该锁定座能够锁紧整修器头，其在背面34居中设置。尽管在本说明书中描述垫整修器的一些示例性实施例，应该理解，其它实施例也是可能的，因此本发明的范围不应局限于这些示例性的实施例。
研磨盘24可以是一独立结构，被固定于基板28的正面30上，或者是，研磨盘24和基板28可以形成一个集成的和整体的结构。通常，研磨盘24包括一个平面形主体44和一个暴露的研磨面50，其中主体44具有结合面48，结合面48被结合到基板28的正面30，而暴露的研磨面50则具有嵌入的研磨颗粒52。平面形主体44包括基体54，其支撑和固定研磨颗粒52。举例来说，基体54可以用金属合金，例如镍合金或者钴合金制成，覆盖在研磨盘24之上，而研磨颗粒52则在以后被嵌入到加热软化的这一覆盖物中。研磨颗粒52也可被设置于基板28的正面上，而在此之后，以高温、高压的制造工艺，将某种合金材料渗透到研磨颗粒52中间，从而形成一个预先结合到基板28上的研磨盘24。
在一个实施例中，基体54包括具有栅格62的网孔58，研磨颗粒52被嵌入栅格62中，以便沿栅格的X-Y平面固定这些研磨颗粒彼此间的位置，如图4A和图4B所示、及授予Birang等人的美国专利第6159087号中所描述的——上述专利被转让给与本发明相同的受让人，在此结合引用其全文作为参考。每一栅格间隙64均被设计用于在研磨颗粒52的中心点之间提供一预定的栅格间隙。栅格62固定了研磨颗粒52的相对位置，以便沿着X-Y平面，在任一方向上，研磨颗粒52都是以大致相等的距离间隔开的。栅格62可以是一种丝网(wiremesh)，例如镍制丝网或者聚合物线网(polymer string mesh)。
在将研磨盘24形成为一独立结构时，研磨盘24的一面是结合面48，结合面48能够结合到基板28上，从而形成一种稳固的结合，当垫整修器20被紧紧贴靠到CMP抛光器的抛光垫上时，结合面48将不易因此所产生的强摩擦力而移动或松脱。典型的结合面48是相对平滑的，或是因凹槽而略显粗糙的，所以它能够容易地附着到基板28上。当研磨盘24包括一围绕着研磨颗粒52的金属基体54时，研磨盘24的平面形主体44也可直接形成于基板28上。例如，研磨盘24的平面形主体44可通过以下方式形成：环绕基板28形成一个铸模，并将研磨颗粒52设置在基板上，然后将用于覆盖的熔融金属浇注或喷涂(spray)到此铸模内，直到研磨盘达到预定的高度为止，研磨颗粒52如此便牢固地嵌入在此研磨盘内。
研磨盘24上的研磨颗粒52选自具有一定硬度值的材料，该硬度值高于抛光垫材料或者抛光浆颗粒材料的硬度值。对于与包括碱性或酸性溶液的浆料一起使用的聚氨基甲酸酯(polyurethane)抛光垫来说，研磨颗粒的合适硬度是至少约为5Mohs。常用的研磨颗粒52包括金刚石，它们可以是用工业方法生长的，且具有约10Mohs的硬度。例如，研磨盘24可以包括体积比至少为大约60％的金刚石，或者体积比至少为大约90％的金刚石，而构成基体54的其余部分则围绕着研磨颗粒52。研磨颗粒52也可由其它硬质材料构成，例如金刚石类材料，像那些由含碳气体如C3N4通过微波分解(microwave decomposition)而形成的材料，或者由具有立方或六方结构的碳化硼晶体的硬相组成的材料，如美国专利第3743489号和3767371号所公开的那样，本说明书将这两个专利全文结合引为参考资料。
典型地，研磨颗粒52是根据大小，例如磨料粒度(grit size)，或者根据重量来选择的，以便为研磨面50提供所需的粗糙度等级。研磨颗粒52也可按形状分类，也就是说，与具有相对平滑外形的颗粒相比，研磨颗粒52具有相对锋利的外形或者晶体解理面(crystal cleavageface)。研磨颗粒52延伸高于基体54的这部分高度也影响研磨面50的研磨质量。例如，研磨面50包含有外形锋利的研磨颗粒，而这些研磨颗粒延伸高出周围表面的距离相对较大；那么与含有外形较圆滑的研磨颗粒52的研磨面50相比，或者与研磨颗粒延伸高于基体54的周围表面的距离较小的研磨面相比，具有锋利外形研磨颗粒的研磨面50具备更高的研磨能力。传统的按大小或者重量来选择和分类研磨颗粒的方法尚不能提供始终如一的整修特性。另一种选择和分类研磨颗粒的方法描述于美国专利第6551176号中，该专利被转让给本发明的相同受让人，在此将其全文结合作为参考。
在本发明的一个实施方案中，研磨面50包括研磨颗粒52，这些研磨颗粒被选择成具有大致相同的晶体对称的晶体结构，也就是说，颗粒52关于一穿过颗粒的轴或者横截面具有相同的晶体对称性。研磨颗粒52被选择成：颗粒52的至少大约60％，而更优选的则是至少大约90％，具有相同的晶体对称性。当每一颗粒52关于穿过颗粒52的横截镜平面70或者轴72具有相同的镜像对称性的时候，举例来说，如图2A至图2C所示，颗粒52便具有相同的晶体对称性。例如图2A显示，一个研磨颗粒52a具有八面体晶体结构，其中每一面在镜平面70上具有基本相同的形状，且更为优选的是，离开该镜平面的尺寸也基本相同。颗粒52a关于轴72a和72b还具有旋转对称性，因此当以不同的角度取向进行观察的时候，该颗粒在镜平面70之上及其之下的各个面具有完全相同的形状。例如，当颗粒52a从零度起始点关于轴72a转动一定角度例如90°的时候，颗粒52a在镜平面70的两侧展现出具有相同形状和大小的晶面。图2B显示一个对称颗粒，该颗粒具有八面体晶体结构，其关于平面70b对称，而图2C显示一个对称颗粒，该颗粒具有以面心立方晶体结构，其关于平面70c是对称的。
可选择或者制造对称的研磨颗粒52以符合特定的对称准则。一种材料的固有硬度(intrinsic hardness)是其原子点阵中最弱键的函数。例如，在四面体结构中，每一原子被至少四个原子包围以形成最简单的实心四面体(solid tetrahedron)，其中四方键向外延伸形成三维结构，它们互相以强键键合在一起并基本无弱的解理面，而如果有弱解理面，在经受抛光应力作用时，就会引起晶体断裂或晶体裂纹。随着均匀排列的周围原子数目的增加，晶体结构会变得更加对称。举例来说，利用诸如间隔成核位置并预先设定高温和压力的水平等手段，通过保持适当的成核和晶体生长参数，便能够生产出具有对称形状和均匀尺寸的包括有工业金刚石的工业研磨颗粒52。
另一选择是，也可以从具有不同形状的不同批次的颗粒中筛选出对称的研磨颗粒，如图3中示意性地表示的那样。按一种合适的选择方法，一类诸如天然金刚石这样的的研磨颗粒52被馈送通过振动筛76。筛76含有筛间隔77，筛间隔77的大小被设定为所需研磨颗粒52的尺寸，以便具有预定尺寸的颗粒通过。首先，仅收集那些尺寸小于筛间隔77的颗粒和通过筛间隔的颗粒，较大的颗粒则留在筛子表面上方。筛选出的颗粒随后通过另一个筛子，该筛子的栅格尺寸小于所需颗粒尺寸，而这一次收集的是留在筛子上方的颗粒。这种处理提供了恰当大小的对称颗粒，并且提高了在所收集的批次中发现对称颗粒的几率。此后，所收集的研磨颗粒52可用视觉检查，仅选择那些具有期望对称度的颗粒52x，而丢弃其它不对称的颗粒52y。一种基于微处理机的光学系统，例如链接到模式识别系统的CCD阵列，也可被用于选择具有预定形状的对称颗粒。
在选择或制造出对称的研磨颗粒52之后，便用它们来形成研磨盘24，从而利用这些颗粒的对称性。按照一种制造方法，每一对称颗粒52被单独置于栅格62的栅格空间64中，如图4A所示。栅格62用于分隔颗粒52，并且也可用于使它们定向，以使得对称轴72指向一特定方向，例如垂直于研磨盘24的平面形主体44的平面，如箭头68所示。例如，如果栅格空间64的大小被设定为接近颗粒52的横截面宽度，颗粒52就更可能垂直坐落在栅格空间64内，以便颗粒的尖端74基本上全都指向方向68。
也可以通过将诸如对称金刚石颗粒这样的研磨颗粒52嵌入或封装到形成于基板28表面上的金属覆盖层，来形成垫整修器20的研磨盘24，如图4B所示。在这种研磨盘24的制造中，首先将一种镍封装剂与选择出的对称金刚石颗粒混合，且然后将其施加于坚硬基板28上。合适的金属是钎焊合金(brazing alloy)，以及在连接技术，如扩散焊接、热压、电阻焊接等等中使用的其它金属和合金。钎焊合金包含低熔点金属成分，这些成分将金属合金的熔化温度降低到典型地低于400℃，且低于将要与研磨盘结合的基板的熔化温度。适宜的钎焊合金包括镍基合金，例如包含铬、碳和氧化镁的镍合金。
通过在不同方向上设置具有相同对称形状的研磨颗粒52，根据上述方法制造的研磨盘24对抛光垫提供了更均匀的清洗和整修。当位于研磨盘24的基体54中的对称颗粒52彼此间具有均匀和周期性的间隔时，最后得到的垫整修器20便具有既整齐排列又位置对称的颗粒52，这提供了更为均匀且始终一致的端面表面研磨。对称颗粒52还具有更加准确的空间定位，这是因为它们的对称轴72是对齐的，以便各个颗粒52呈现相似或相同的晶面、在抛光垫上的一特定运动方向中能保持在接近于相同的角度上。因此，当研磨面50贴压且振动于一抛光垫的表面上时，面对着颗粒52的对称晶面，该垫沿多个方向均“看到”具有相似的形状和尺寸的晶面，如图4B中示意性地展示的。这种效果提供了抛光垫的更好和更均匀的整修性能。同样，对称颗粒52在形状上更为一致，各颗粒彼此间较少可能在晶面上发生变化，而这进一步改善了垫的整修。此外，对称的颗粒52让研磨盘24能够更容易地被翻转，而将其反面或背面暴露出来，成为一个新的抛光表面，如下所述。
在本发明的另一实施方案中，一个用过的垫整修器20x还可以被翻新，如图5中所列步骤和示意性的图6所示。开始时，从CMP抛光器上卸下用过的垫整修器20x以便翻新。如图6A所示，用过的垫整修器20x具有一个用过的研磨面50x，用过的研磨面50x上带有研磨颗粒52的暴露在外的变圆部分53x。通过将基板28的正面30x与研磨盘24的结合面48x之间的结合界面暴露于能够腐蚀掉该结合界面的蚀刻剂中，来处理用过的垫整修器20x，以从基板28x上拆下研磨盘24。例如，垫整修器20x可以被浸泡在容器82内的蚀刻剂溶液80中，以溶解研磨盘24与基板28之间的结合材料。例如，当研磨盘24是用一种环氧树脂粘合剂被附着在基板28x上的时候，该粘合剂能够用一种有机溶剂例如丙酮来除去；或者用包括氩、氮、氧、一氧化碳或者二氧化碳的气体的等离子体来除去。在另一实例中，当研磨盘24是用钎焊合金被附着到基板28x上的时候，一种腐蚀上述合金的适宜蚀刻剂可以是酸性溶液，例如王水；或者是包括Cl2、BCl3和CF4的气体等离子体。用蚀刻剂溶液或者等离子体来处理垫整修器20x，直到研磨盘24x与基板28x分离为止。
可选择的是，可用一加压水喷射器84来清洗用过的研磨盘24的研磨面50x，以除去该暴露的表面上的松动的研磨颗粒52x，同时保留下附着良好的颗粒52y，如图6C所示。除去松动的颗粒52x，可在颠倒或翻转用过的研磨盘24时，提供一较好的表面以供附着到基板28上。随后用一种清洗溶剂，可选择地在超声波浴槽(ultrasonic bath)内，清洗分离下来的研磨盘24，并然后进行干燥处理，以从研磨盘表面去除溶剂痕迹。
尔后将用过的研磨盘24颠倒或者翻转，以使用过的研磨面50x能够安置在一基板上，该基板可以是一循环使用的旧基板28x，或一新基板28y，这取决于在前一步骤中被暴露于蚀刻剂之后基板的情况。如图6D所示，将用过的研磨面50x放置成与基板28y的正面接触，并将二者结合在一起。一种合适的结合方法可以是用环氧树脂粘合剂喷涂或涂覆到基板28y的表面，且随后将研磨盘24的用过的研磨面50x压到基板28上。另一种合适的结合方法可以是用钎焊合金将研磨盘24钎焊到基板28y上。钎焊是一种焊接工艺，其在工艺中，两个部件，例如研磨盘24和基板28，是通过将它们之间的连接处加热到一适当温度——通常至少高于400℃，并通过使用一种熔点低于基板28y的钎焊填料金属，将它们结合到一起的。钎焊金属自身通过毛细作用而分散到界面连接处的各紧密接合的表面之间。
在用过的研磨盘24被结合到基板28y之后，研磨盘24的这一暴露的表面便可被反向蚀刻，从而露出研磨颗粒52的隐藏着的或者部分暴露的未曾使用的晶面。反向蚀刻(etching back)可以借助等离子体，如图6E所示，在等离子体蚀刻室，用常规蚀刻方法来完成。例如，一种合适的用于蚀刻含有镍合金的研磨面的等离子体包括下列气体成分：Cl2、BCl3和CF4，其保持于压力约为10到500毫托的腔室中，用电极或者天线提供50至1000瓦的气体激活RF能量，一示例性的蚀刻装置为美国加利福尼亚州Santa Clara的应用材料有限公司制造的DPS-型蚀刻装置。在蚀刻之后，原先的结合面48x现在变成循环使用的研磨面50y，用于循环使用的垫整修器20y。研磨颗粒52的新的或新鲜的晶面53y被暴露出来，而用过的和磨损的研磨颗粒面53x则被埋到循环使用的垫整修器20y的结合面48中，如图6F所示。
在垫整修器再循环方法能够被用来循环使用任何类型的垫整修器的同时，进一步的优点来源于使研磨盘具有对称的研磨颗粒52。当使用对称研磨颗粒时，研磨盘24的被颠倒或翻转的这一面上带有研磨颗粒52，这些研磨颗粒伸出研磨盘24之上的晶体形状是相同的，这是因为颗粒52在平分颗粒的镜面的两侧从形状上看是对称的。因此，即便在翻转的研磨盘24中颗粒52是颠倒的，其伸出于研磨盘的形状与其伸出于该研磨盘的原研磨面的形状也是相同的。这样就提供了一种更加性能一致的循环使用的产品，其具有相同物理特性，且因此而具有原研磨盘产品相同的整修效果。
在此所描述的垫整修器20能够被用在任何类型的CMP抛光器中；因此，本说明书所描述的、说明垫整修器20的用途的CMP抛光器不应该被用来限制本发明的范围。在图7、图8A和图8B，展示了能够使用垫整修器的化学机械抛光(CMP)装置100的一个实施例。一般而言，抛光装置100包括一个外壳104，该外壳中包含多个抛光台108a-108c、一个衬底传送台112、及一个可旋转转盘116，其中可旋转转盘116独立地操作可旋转的衬底保持器120。衬底装载装置124包括一个浴槽126，该液体槽中含有溶液132，内装衬底140的盒136被浸没在该液体中，浴槽126被固定在外壳104上。例如，浴槽126可以包含清洗溶液；或者它甚至可以是一个兆频超声波(megasonic)清洗器，其在抛光之前或之后用超声波来清洁衬底140；或者浴槽126甚至是气体或液体干燥器。臂144沿一个线性轨道148移动，并支撑一腕形组件152，该腕形组件包括一个盒抓取器154和一个衬底叶片156，其中盒抓取器154用于将盒136从一支撑台155移动到浴槽126内，而衬底叶片156用于将衬底从浴槽126转移到传送台112。
转盘116具有一支承盘160，该支承盘带有槽162，衬底保持器120的轴杆172延伸穿过槽162，如图8A和8B所示。衬底保持器120能够在槽162中独立地旋转，并往复振动，以获得均匀抛光的衬底表面。衬底保持器120是被各自的马达176转动的，马达176一般隐藏在转盘116的可拆卸侧壁178的后面。在工作中，衬底140是从浴槽126被装载到传送台112的，该衬底再从传送台112移送给一个衬底保持器120，在此位置衬底最初是通过真空固定或吸持的。随后转盘116将衬底140传送通过一系列的一个或多个抛光台108a-108c，并最终将抛光后的衬底返回到传送台112。
每个抛光台108a-108c包含一可旋转的台板182a-182c，台板182a-182c支撑抛光垫184a-184c以及垫整修组件188a-188c，如图8B所示。台板182a-182c和垫整修组件188a-188c均被安装至抛光装置100内的台顶192。在抛光期间，衬底保持器120保持、旋转和下压衬底140，使衬底紧贴着固定于旋转的抛光台板182上的抛光垫184a-184c，它还有一个环绕台板182的定位环，用于固定衬底140并防止衬底140在其抛光期间滑脱。当衬底140和抛光垫184a-184c彼此贴着转动时，根据一选定浆料配方来供应测量数量的抛光浆料，该抛光浆料例如为含有硅胶(colloidal silica)或者氧化铝的去离子水。台板182和衬底保持器120均可根据工艺配方而被编程，以在不同的旋转速度和方向下旋转。
每一抛光垫184典型地具有由聚合物制成的多层以及一个外部弹性层，其中该聚合物例如为聚氨基甲酸酯，并且可包含一种填料以提高尺寸的稳定性。抛光垫184是消耗品，并且在典型抛光条件下使用大约12小时之后即被更换。抛光垫184可以是用于氧化物抛光的不可压缩的硬垫、用于其它抛光工艺的软垫、或者叠层垫的组合。抛光垫184有表面凹槽以便于分配浆料溶液和捕获颗粒。抛光垫184的尺寸通常比衬底140的直径至少大几倍，并且衬底被保持偏离抛光垫184的中心的位置，以防在衬底140上抛光出非平面的表面。衬底140和抛光垫184能够同时旋转，它们的旋转轴彼此平行但是不共线，以防在衬底中抛光出锥度。典型的衬底140包括半导体晶片或用于显示器的电子平板。
如图9和图10所示，CMP装置100的每个垫整修组件188包含一整修器头196、一臂200和一机座204。在整修器头196上装有一垫整修器20。臂200有一连接到整修器头196的远端198a和一连接到机座204的近端198b，臂200使整修器头196扫过抛光垫表面224，以通过研磨该抛光垫表面从而除去污染物并重新构造该表面，而使垫整修器20的研磨面50整修抛光垫184的抛光垫表面224。每一抛光台108还包括一个杯子208，杯子208中含有清洁液，用于冲洗或清洁安装在整修器头196上的垫整修器20。
在抛光过程期间，抛光垫184可以由垫整修组件188来整修，同时抛光垫184抛光安装在衬底保持器120上的衬底。垫整修器20具有带研磨面50的研磨盘24，研磨面50具有研磨颗粒52，研磨颗粒52被用来整修抛光垫184。在使用中，研磨盘24的研磨面50被贴压到一抛光垫184上，同时沿一振动或者平移路径来振动或移动上述的研磨垫或者研磨盘。整修器头196使得垫整修器20以往复运动扫过抛光垫184，该往复运动与衬底保持器120扫过抛光垫184的运动同步。例如，可将一个带有一待抛光衬底的衬底保持器120置于抛光垫184的中心，而且可将带有垫整修器20的整修器头196浸没于杯子208内的清洁液中。在抛光期间，杯子208可以绕枢轴转动，如箭头212所示；而且垫整修器20的整修器头196以及携带衬底的衬底保持器120可以往复扫过抛光垫184，分别如箭头214和216所示。在一个衬底120被移送返回时，三个水喷射器220可将水流指向缓慢旋转的抛光垫184，以从抛光垫表面或垫的上表面224冲掉浆料。抛光装置100的典型操作和一般特征进一步描述于1998年3月31日由Gurusamy等人提交的美国专利第6200199B1号，在此将其全部引用作为参考。
参看图10，整修器头196包含一启动和驱动机构228，其围绕该整修器头的一垂直取向的纵轴254转动一携带垫整修器20的末端执行器232。该启动和驱动机构用于使末端执行器232和垫整修器20在一升高的收回位置和一降低的伸展位置之间运动(如图所示)，其中，垫整修器20的下表面50与垫184的抛光表面224接合。启动和驱动机构228包含一垂直延伸的驱动轴240，该轴可由经过440℃热处理的不锈钢制成，且其末端有一铝皮带轮250。皮带轮250能可靠地带动传动带258，该传动带沿着臂200的长度延伸并连接到一台远处的马达(图中未示)，以使轴240围绕纵轴254旋转。分别具有上部零件260和下部零件262的不锈钢轴套与驱动轴240同轴。轴、皮带轮和轴套形成了一个基本刚性的结构，其作为一个单元围绕纵轴254旋转。一不锈钢制成的基本环状的驱动套筒266将末端执行器232连接到驱动轴240，并使得水压或者气压能够施加到垫整修器座274上。驱动轴240将扭矩和旋转力从皮带轮传送到套筒266，且可在它们之间设置轴承。
可供选择的是，将一个可拆卸的垫整修器座274置于垫整修器20和垫板270之间，如图10所示。四个大致平板形的轮辐282从轮毂278径向向外延伸，轮辐282具有固定到轮缘284的远端。轮辐282在上下方向上是柔软弹性的，从而允许轮缘相对于轴254由原本水平方向产生倾斜，而轮辐282在轴254的横向上基本不可伸缩，因此它们有效地将围绕轴254的扭矩和旋转力从轮毂278传送给轮缘284。在轮辐之下，垫板包括一个刚性、大致盘状的聚乙烯对苯二酸酯(polyethyleneterephthalate，PET)板270构成，该板径向向外延伸。可通过螺钉或者位于座274的一相应柱形孔内的柱形磁铁，将垫整修器20安装在垫整修器座274上。
在操作中，如上所述，整修器头196位于抛光垫20上方，且驱动轴240旋转，引起垫整修器20转动。然后末端执行器232从收回位置移动到伸展位置，带动垫整修器20的研磨面50与抛光垫184的抛光表面224接合。可以通过调整驱动套筒266内所施加的水压或者气压，来控制将垫整修器20压靠垫184的向下的力。该向下的力通过驱动套筒266、轮毂278、垫板270被传递到垫整修器座274，然后传递到垫整修器20。相对于抛光垫184旋转垫整修器20的扭矩从驱动轴240被施加到轮毂278、轮辐282、垫板270的轮缘284、垫整修器座274，并随后施加到垫整修器20。垫整修器20的下表面与旋转的抛光垫184的抛光表面接合在一条沿着旋转抛光垫的通道中往复运动，如上所述。在此过程中，垫整修器20的研磨面50浸没在抛光垫184顶部的一薄层抛光浆料中。
为清洁垫整修器20，末端执行器被升高，使得垫整修器脱离抛光垫。杯子208随后可通过枢轴转动到抛光头之下的位置，且末端执行器伸出，从而使垫整修器20浸在杯子中的清洁液中(未示出)。垫整修器20在清洁液体内围绕轴254旋转(因垫整修器与垫接合故无需改变旋转)。旋转导致清洁液流过研磨抛光垫20，从而清洗掉垫整修器的污染物，包括从垫上磨下的材料、抛光副产品等等。
当表面224因反复的抛光逐渐变得平滑时，上述类型的垫整修器20均匀地使一抛光垫184的抛光表面224变粗糙。当移动方式和抛光头压力导致抛光垫184的磨损不均匀时，垫整修器20也使垫184的表面224保持更平。通过磨平垫184的不平区域，来使表面224保持平坦。垫整修器20的对称研磨颗粒52通过提供因研磨颗粒52的更均匀形状和对称性而更加均匀的研磨速率，改善在抛光垫的整个抛光表面224整修均匀性。因为各个垫整修器20彼此之间具有形状类似的研磨颗粒52产生更好和更加均匀的整修速率，垫整修器20还提供了更加一致和可重复产生的结果。
已参考优选实施方案描述了本发明；但其它实施方案是可能的。例如，apd整修器可用在其它类型的应用中，例如砂磨盘中，这对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。CMP抛光器的其它配置也是能够使用的。进一步而言，等同于本说明书根据所述实施方案的参数所描述的循环使用方法的那些步骤的替换步骤，对本领域普通技术人员也是显而易见的。例如，如果被循环使用的垫整修器无需反向蚀刻即呈现出良好的晶面，具有均匀的高度，反向蚀刻步骤可被略去，或代之以从抛光垫的研磨面上除去多余基体材料的另一步骤。因此，所附权利要求的精神和范围不应该被限制为本说明书所含优选实施方案的描述。
Claims (20)
1.一种循环使用的抛光垫整修器，包括：
(a)一基板；和
(b)一翻转的研磨盘，所述研磨盘包括：(i)一暴露的研磨面，其具有未用过的研磨表面，该研磨表面上带有研磨颗粒；和(ii)一固定到所述基板的结合面，该结合面包括曾用于整修抛光垫的一用过的研磨面。
2.根据权利要求1所述的垫整修器，其中所述暴露的研磨面至少部分被反向蚀刻。
3.根据权利要求2所述垫整修器，其中所述研磨颗粒是嵌入到一包括栅格的基体中。
4.根据权利要求2所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒是嵌入到一包含钎焊合金的基体中。
5.根据权利要求1所述的垫整修器，其中至少60％的所述研磨颗粒的晶体结构具有相同的晶体对称性。
6.根据权利要求5所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒包括金刚石颗粒或者类金刚石的结构。
7.根据权利要求6所述的垫整修器，其中所述暴露的研磨面包括所述金刚石颗粒的暴露部分，所述金刚石颗粒具有形成所述结合面的隐藏部分。
8.一种化学机械装置，其包括权利要求1所述的垫整修器，且进一步包括：
(i)一抛光台，包括：一台板，其用于保持一抛光垫；一衬底保持器，其用于紧贴所述抛光垫固定一衬底；一驱动机构，其用于给所述台板或所述衬底保持器提供动力；及一浆料分配器，其用于在所述抛光垫上分配浆料；
(ii)一整修器头，用于容纳权利要求1所述的垫整修器；和
(iii)一驱动机构，用于给所述整修器头提供动力，以使所述垫整修器的研磨面紧贴着磨擦所述抛光垫以整修该抛光垫。
9.一种循环使用用过的抛光垫整修器的方法，该抛光垫整修器包括一基板和一研磨盘，该研磨盘具有：(i)一结合面，其与所述基板结合，及(ii)一用过的研磨面，其曾用于整修抛光垫，所述方法包括：
(a)从所述基板上取下所述研磨盘；
(b)翻转所述研磨盘，以暴露该研磨盘的原结合表面；
(c)将所述用过的研磨面结合到所述基板上；和
(d)暴露在所述原结合表面上的未曾使用的研磨颗粒，以形成在一循环使用的垫整修器上的新研磨面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中(a)包括腐蚀掉所述研磨盘和所述基板之间的结合。
11.根据权利要求9所述的方法，其中(d)包括腐蚀掉所述原结合表面的一部分以暴露所述未曾使用的研磨颗粒。
12.一种抛光垫整修器，包括：
(a)一基板；和
(b)一研磨盘，所述研磨盘包括：(i)一研磨面，其包括研磨颗粒的暴露部分，其中至少60％的所述研磨颗粒的晶体结构具有相同的晶体对称性；及(ii)一固定到所述基板的结合面。
13.根据权利要求12所述的垫整修器，其中至少90％的所述研磨颗粒的晶体结构具有相同的晶体对称性。
14.根据权利要求12所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒的晶体结构关于一穿过颗粒的轴或横截面具有相同的晶体对称性。
15.根据权利要求14所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒关于一横截镜面具有镜像对称性。
16.根据权利要求12所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒是类金刚石结构。
17.根据权利要求12所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒包括金刚石颗粒。
18.根据权利要求12所述的垫整修器，其中所述研磨颗粒被嵌入到一包括栅格的基体中。
19.根据权利要求12所述的垫整修器，其中所述研磨颗被嵌入到包含钎焊合金的基体中。
20.一种化学机械装置，其包括权利要求12所述的垫整修器，且进一步包括：
(i)一抛光台，包括：一台板，其用于支持一抛光垫；一衬底保持器，其用于紧贴所述抛光垫固定一衬底；一驱动机构，其用于给所述台板或所述衬底保持器提供动力；及一浆料分配器，其用于在所述抛光垫上分配浆料；
(ii)一整修器头，用于容纳权利要求12所述的垫整修器；和
(iii)一驱动机构，用于给所述整修器头提供动力，以使所述垫整修器的研磨面紧贴着磨擦所述抛光垫以整修该抛光垫。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090923 Termination date: 20100708 |