CN101218067B - 用于控制研磨修整盘对抛光垫表面的作用的末端执行臂 - Google Patents

Abstract

一种化学机械平坦化修整设备的增强式末端执行臂，用于改善设备的可靠性和修整及抛光操作的质量，其包括修整器头，该修整器头具有可提供研磨修整盘和所述末端执行臂之间的简化对准/连接的部件，同时还提供用于维护操作的“快速释放”机构。这个增强式末端执行臂还包括改进的致动器机构，该致动器机构提供所述末端执行臂的无静态阻力的运动以及对所述研磨修整盘施加至所述抛光垫的下压力的更佳控制。在所述增强式末端执行臂中使用一种双驱动滑轮系统以最小化当所述末端执行臂枢轴旋转以跟随“老化”的抛光垫的轮廓时所述末端执行臂内的驱动带的倾斜。

Description

用于控制研磨修整盘对抛光垫表面的作用的末端执行臂

有关申请的交叉引用 

本申请要求于2005年7月9日提交的第60/697,893号美国临时申请的权益。 

技术领域

本发明涉及用于化学机械平坦化(CMP)系统的修整设备(conditioningapparatus)，且尤其涉及一种改进的末端执行臂(end effector arm)结构以提供此末端执行臂相对于抛光垫表面的良好受控的、可靠并且有效的运动和操作。 

背景技术

在化学机械平坦化(CMP)领域中，采用一种被称为“垫修整(padconditioning)”或“垫整修(pad dressing)”的制程来修复抛光垫的表面，并通过从垫移去微粒和用尽的抛光浆来消除表面平滑现象(surface glazing)。垫修整还通过选择性地去除垫材料来再次使抛光垫平坦化，以便使新曝露的垫表面变粗糙。垫修整可“离位(ex-situ)”(即，在晶圆抛光周期之间修整抛光垫)执行，或“原位”(即，与晶圆抛光同时，或在一个晶圆抛光周期内)执行。在典型的现有技术“原位”垫修整制程中，固定的研磨修整盘(abrasive conditioning disk)扫过垫表面以去除少量的垫材料和堆积的碎片，从而在垫表面上形成新的粗糙表面以允许抛光浆自由流动。然后，所去除的垫材料和碎片结合所使用的抛光浆，被被动地从垫中带走。 

在最典型的原位修整装置中，研磨修整盘被保持在可转动的臂(被称作“末端执行臂”或“修整臂”)内，该可转动的臂将此研磨修整盘扫过当前未使用的部分抛光盘。在2006年5月30日授予S.J.Benner的第 7,052,371号美国专利中详细描述了一种特殊的装置，上述美国专利被转让给本申请的受让人，并通过引用合并于此。图1和2图示说明了由Benner所传授的示范性修整装置，其中图1以顶视图来说明上述装置，图2以侧视图来说明。如所示，修整设备10(以下被称为“修整器头10”)安装于机动化的末端执行臂12上，以便允许修整器头10来回地扫过抛光垫14的表面(在图1中用弧AB来说明)。安装在修整器头10下部的研磨修整盘22随着头10扫过抛光垫14而移去凝聚的碎片。末端执行臂12配置成将预定的向下的力(指示为“F”，并显示在图2中)和旋转运动(指示为“R”，并显示在图2中)传递给研磨修整盘，其中在这个具体的实施例中使用电机17来使末端执行臂12围绕固定轴18沿弧AB(或经由任意其它适当的平移运动)枢轴旋转，而且还向研磨修整盘提供旋转运动R和向下的力F。这个特定的装置被认为是仅作示例性的，因为还有使用例如固定式研磨结构(取代转动的研磨修整盘)或使用可覆盖全部垫半径从而无需“扫”过垫来提供修整效果的研磨结构的其他系统。 

在上面所引用的Benner装置中，带孔的研磨修整盘22被用来使抛光垫消除表面平滑现象，并通过应用真空力的拉作用以经由且沿着在研磨修整盘22上形成的孔抽空所移除的碎片。如图1和2所示，真空作用力向上拉伸碎片，并且经由通道25从抛光垫14中抽空碎片。借助于机械装置或放置于研磨修整盘22和修整器头10之间的磁性安装装置，带孔的研磨修整盘22自身被附装于修整器头10。对于修整过程的正确操作来说重要的是把带孔的研磨修整盘正确地对准于修整器头内的其它构件。在操作过程中，垫与去除部件之间的对准同样使得从抛光垫表面中高效地抽空碎片。正确的对准对于抛光垫的合成平面度也是重要的，这是改进晶圆的抛光均匀性和减少缺陷的主要因素。 

在高产量的工业应用中，一直需要改进CMP设备和工艺，这是因为半导体晶圆的研磨在集成电路的加工过程中被反复地使用，在每次研磨操作期间以及之前要花费大量的成本和劳力。与研磨有关的任何质量问题可导致损失多个“管芯”或芯片，因为需要抛弃直至整个晶圆，这确实是一件令人不快的事情。当关于修整和抛光的质量问题需要被解决时，不能忽视效率和费用的相关争议，其中“质量”和“费用”通常是令人紧张关注 的领域。 

例如，为了从CMP结构移除研磨修整盘(即替换所述研磨修整盘以及重新检定这个过程)，研磨修整盘必须是可拆卸的、分开以及/或者用手抓握并撬动以克服磁场或机械力并从修整器头处拉出所述研磨修整盘。有时，这种手动操作不方便，而且可能会使有害的微粒落到抛光的垫表面上。在多数情况下，在修整器的末端执行臂和其抛光垫之间几乎没有空隙。另外，由于任何涉及研磨修整盘移除的过程通常都是在洁净室内进行的，其中工作人员必须带手套(而且可能是其他笨拙的服装)，这些手套是不方便/笨拙的，而且可能引起所述研磨修整盘或其余器件的损坏或偏移。研磨修整盘相对于修整器头顶对准会导致重新检定所述制程的问题，因为研磨修整盘的非平面度将转变为抛光垫表面的非平面度。当研磨修整盘与修整器头不对准时，抛光垫表面的径向变化(由于晶圆接触时间不同而引起不同磨损率所导致的常见问题)进一步扩大。目前发展的制程水平会留下槽型或中心区域，其在垫上的两个区域内产生高的应力或废料，从而产生晶圆抛光缺陷源，导致不均匀的抛光，或更坏地，导致研磨修整盘的振动，这将产生微粒污染。由于不对准而导致的抛光浆的积累也可能引起巨大颗粒(凝聚物)的抛光缺陷。 

另一个问题区域与末端执行臂自身的平移运动有关。在常规使用中，在修整制程期间提升和降下末端执行臂12时，末端执行臂12沿z方向平移(即“向上”和“向下”)，其中这种平移运动由位于末端执行臂内的致动器机构控制。由于隔膜(diaphragm)显示了不良的可靠性，所以传统致动器机构的隔膜或活塞动作已被证实存在问题。此外，传统的汽缸活塞通常需要多于5磅每平方英寸的力来启动致动器机构的运动(也就是说，破坏组装的静力和密封摩擦)。因此，在绝大多数情况下，研磨修整盘施加到抛光垫上的下压力(downforce)必须克服这个初始摩擦力，并且其后提供一个矫正力来将系统带到正确的定位点。如果定位点需要少于5磅每平方英寸来保持，那么不能容易地获得开启力。在一些装备中，升力并不由正压力提供，而是由真空(负压力)提供。这种配置无法被用来可靠地偏置末端致动器机构自身或致动器机构内摩擦组件的重量，使得低的下压力(例如，小于2磅)的修整变为不可能。这些现有技术致动器机构问题的 结果可能是抛光垫的过度修整/整修，这是由于无法一贯地反复地获得低的研磨下压力。可选择地，或者另外，这种现有技术系统可能需要与在被称为“部分垫修整”的模式下的致动器机构的过度工作周期有关的增加的维护。这个部分垫修整模式能够在修整操作期间将垫的整修在“开”和“关”相位之间进行循环，以便减少垫的磨损率。这个模式旨在补偿低的下压力、连续的修整的缺乏。当制程的起始和停止位置无法精确控制时，部分垫修整还可导致不均匀的整修。这还会导致抛光操作的更少的加工能力和更差的质量控制，并潜在地导致与制程控制有关的故障时间。 

而且，在扫掠修整器应用中，当抛光垫开始老化并且呈现不均匀顶面时，随着修整器头来回地扫掠，末端执行臂将需要轻微地枢轴旋转或调整高度差。在绝大多数情况下，由于“标准”的设计参数针对抛光垫的中间厚度而限定，所以期望枢轴旋转的范围为总共不超过10°。在末端执行臂内的任何机械驱动构件都必须能够移动通过这个范围，同时保持正确的对准/啮合。不对准可导致各种各样的可靠性和/或微粒生成(抛光缺陷)的问题。 

因此，现有技术中仍然需要一种用于CMP系统的改良的修整设备和方法，其能在抛光/修整的质量、效率和可靠性方面提供增强的可靠性和简化的可维护性，从而进一步改进CMP系统的整个操作。 

发明内容

本发明解决了现有技术中仍然存在的不足，本发明涉及用于化学机械平坦化(CMP)系统中的修整设备，且尤其涉及一种改进的末端执行臂结构以提供在修整制程期间此末端执行臂相对于抛光垫表面的良好受控的并且高效的运动和操作。 

根据本发明，所形成的修整设备末端执行臂包括多种部件，这些部件按以下方式一同运行，所述方式可简化与研磨修整盘自身有关的维护，同时还能改善由研磨修整盘施加至抛光垫表面上的下压力的精度和控制。本发明的增强式末端执行臂能提供更为稳定的抛光垫表面整修，这通过对修整制程中出现的变化和扰乱抛光制程参数的机会进行限制，提高了相关抛光操作的质量和效率。 

在本发明的示范性的实施例中，用于移除/更换研磨修整盘的“快速释放”机构被用来消除对那些将接触到修整器头的其它工具的需要，或者用来消除人们身体上接触研磨修整盘自身的不足。因此，这些现有技术操作的消除被视为限制了CMP系统受污染的可能，或者限制了当在研磨修整盘上进行维护操作时出现破损的可能。这种快速释放机构所采用的形式为一个或更多个顶出机构(ejector mechanism)(例如，销或柱塞)，这些顶出机构经布置后穿出修整器头并且接触到研磨修整盘，使得可通过压下这些机构来移除该研磨修整盘。通过将形如磁性定位器(magnetic locator)的被动式对准装置布置在研磨修整盘和修整器头自身内以便在更换时该研磨修整盘将自动地连接到并且对准修整器头，从而得到研磨修整盘可靠性的进一步提高。 

在本发明的一个实施例中，一对顶出机构(其通常为弹簧加载的销)按以下方式布置在增强式末端执行臂修整器头的外围上的相对位置处，在这种方式下，当压下这些机构时，它们使用足以释放研磨修整盘和修整器头之间的磁性或机械把持的力来接触研磨修整盘的背面。有利地，用手就能够容易地对这些机构施加足够的平衡力作用，从而快速方便地移除研磨修整盘，而无需额外的工具或物理上处理研磨修整盘自身。 

根据本发明的增强式末端执行臂，通过结合用于控制末端执行臂的垂直运动和由该末端执行臂的修整器头施加到CMP抛光垫上的下压力的无“静摩擦”(静态阻力(stiction))致动器机构，可实现与控制通过研磨修整盘施加到抛光垫的下压力有关的质量改进。在本发明的一个实施例中，零静态阻力致动器机构可包括双向活塞(two-way piston)，该双向活塞包括玻璃外壳(glass housing)和石墨复合材料活塞。该石墨复合材料活塞在非常紧密配合的玻璃外壳内行进，只允许在侧壁上非常轻微的泄漏，因而真正地消除其间的任何可感知的静摩擦。精确的气动调节器(pneumatic regulator)的使用提供了对致动器机构双向运动的精确控制以及对修整器头的下压力的最终准确施加，该气动调节器可主动地排出反馈漏压(feedback leakage pressure)。 

根据本发明，通过使用在末端执行臂内的双驱动/中间滑轮装置(dual-drive/intermediate pulley arrangement)，解决了与当抛光垫老化(导致非平面的抛光垫表面)时修整器头的倾斜有关的质量问题。一对驱动带的使用经证实可最小化带驱动系统在该末端执行臂对准老化的抛光垫的不均匀表面时的不期望的倾斜运动。尤其是，通过使用“对开”的双驱动带(“split”dual-drive belt)，将该末端执行臂必须在其上枢轴旋转的跨度切成两半，因此减少了皮带随着抛光垫老化而必然发生的倾斜。 

参考附图，在随后的讨论过程中，本发明的其它和更多的方面及优点将变得显而易见。 

附图说明

现在参考附图： 

图1是现有技术修整设备的顶视图； 

图2是图1的现有技术设备的侧视图； 

图3是根据本发明而形成的增强式末端执行臂的剖视等轴测视图； 

图4是本发明增强式末端执行臂的修整器头部分的详细分解图； 

图5是图4修整器头内的磁性六角形键的进一步详细视图； 

图6是图4修整器头内的研磨修整盘快速释放机构的进一步详细视图； 

图7是用于图3增强式末端执行臂的零静态阻力致动器机构的剖视侧视图； 

图8是图7致动器机构的封闭式等轴侧视图； 

图9是图3增强式末端执行臂内的用于控制修整器头的“倾斜”的对开的驱动滑轮机构的部分分解等轴测视图。 

具体实施方式

根据本发明，开发了一种用于CMP系统的增强式末端执行臂，这种增强式末端执行臂能提供精确且良好受控的修整制程，因而能改善抛光垫自身的质量和寿命，并最终改善CMP系统所执行的抛光/平坦化制程的质量。因为末端执行臂实质上是修整操作的控制机构，所以能快速实现末端 执行臂的各构件在以下方面的改进，在CMP设备的增强的可靠性和简化的维护方面，以及在改进整个修整和抛光制程的质量方面。本发明的增强式末端执行臂包括各种部件，这些部件以协作和渐增的方式运行，从而改进末端执行臂自身的性能和可靠性，结果还能提高修整和抛光制程的总质量。 

图3用剖视等轴侧视图说明了一种根据本发明形成的上面所述方式的示范性增强式末端执行臂。具体地，增强式末端执行臂30包括改进的修整器头38，该修整器头38包括保证研磨修整盘36和修整器头38的简化对准/连接的部件，(在图5的对准/连接元件32中详细示出)，以及保证在希望(修理、清洁、更换等)时简化研磨修整盘的移除的部件。本发明增强式末端执行臂中的移除部件包括一套快速释放顶出机构34(在图6中详细示出)，该顶出机构34可破坏研磨修整盘36和修整器头38之间的力(例如，磁吸引或通过使用制动装置分离元件(detent break-away element)、掣子等的机械连接)，而无需使用额外的工具或手动将研磨修整盘从修整器头中撬开。为了后面的附图引用的目的，图3还表示了末端执行臂30的与修整器头38相连接的终端部分35，其中还显示了与研磨修整盘的运动有关的旋转接头(rotary union)37。 

根据本发明，增强式末端执行臂30进一步包括零静态阻力致动器机构40，在这个特定的实施例中，致动器机构40设置在增强式末端执行臂30的相对端42内。零静态阻力致动器机构40包括活塞和汽缸装置，当活塞沿着汽缸移动时，即使有静摩擦力的话，也只是产生很少的静摩擦力，因此，由于没有需要克服的初始静力(“起步阻力(breakaway force)”)，所以能够更加准确地控制对修整器头38施加的下压力(例如，具有50克或更小的分辨能力)。如本文后面的详细描述，能非常精确地控制所施加的下压力的能力允许得到“零”下压力性能，在“零”下压力的情况下，可以使修整器头悬着，而不会出现任何的抛光垫磨损。对所施加的下压力的这种精确控制还允许在修整期间对抛光垫去除率进行各种控制，在横跨抛光垫的不同径向位置处更为有利。实际上，由于旋转速度的差异，抛光垫传统地在中间部分磨损较快，而在中心和边缘磨损较慢。在这些径向位置上施加更高的力使得垫的去除率加快，结果能够更加精确地控制垫的轮 廓或外形，而不会减少整个垫的寿命。这种能力还允许在相对于径向位置的零下压力(zero downforce)下控制化学物或其它材料的分配。迄今，传统的末端执行臂结构并不具备这些优点。以下将联系图7和8更为详细地描述致动器机构40的操作和优点。 

在图3增强式末端执行臂30中显示的还有双驱动/中间滑轮装置80，其已被证实可最小化当末端执行臂30枢轴旋转时相关驱动带的不期望的倾斜移动，借助于实质上将如此不必要移动所产生的跨度“分”为两半。下文将对增强式末端执行臂30的这些方面做出详细的描述。 

图4用分解图详细显示了本发明增强式末端执行臂30的修整器头38的所选构件。没有详细提出或描述与本发明主题无关的某些元件。为了理解修整器头38和末端执行臂30之间的关系，该图还显示了末端执行臂30的终端部分35和旋转接头37。根据本发明，如图4中的分解视图所示，一对顶出机构34(在这个特定实施例中显示为一对销)经放置与修整器头相连接，并用于破坏磁吸引和从修整器头38快速释放研磨修整盘36。图4还显示了磁性的带键的对准/连接元件(magnetic keyedalignment/attachment arrangement)32，其中对准/连接元件32将在下文中联系图5进行详细的描述。如图4所示的头38的其它构件包括用于从抛光垫表面抽出碎片的真空室，该真空室包括顶板41、外部真空室43和内部真空室45。在图4的视图中，很明显，真空口(vacuum port)43-P沿着外部真空室43被放置于预定的出口位置。如上所讨论的，来自修整制程的碎片可通过经由口43-P施加真空以及使这些碎片通过研磨修整盘36中的孔排出并使碎片经由通道25进入处理系统(未显示)而从抛光垫表面抽出。 

参考图5，结合磁性的带键的对准/连接元件32，示出了示范性的带孔的研磨修整盘36，在这个特定的实施例中，使用六角形的键来生成防止转动的对准装置。根据本发明，研磨修整盘36经配置后包括充满磁性材料39的中央键孔42。所示对准/连接元件32包括叶轮主体(impeller body)31，该叶轮主体31包括中央孔31-A和安装在孔31-A内的接头(yoke)33。在现有技术装置中，需要单独的磁性盘零件(或另一种机械构件)来将研磨修整盘连接到修整器头，增加了修整设备的费用和复杂性。根据本 发明，已经消除了对这种单独组件的需要，通过使用放置在叶轮主体31的中央孔31-A内的多个磁性元件44，显著地简化了这种连接/对准过程。这些磁性元件44被放置成以便对准研磨修整盘36的键孔42内的磁性材料39，并从而提供研磨修整盘36和修整器头38之间的期望连接和对准。因此，研磨修整盘可按相对简单的方式(每次对准可能在60°(六角形)内，典型的驱动机构处于180°(驱动销))而简单地且重复地连接到修整器头并与修整器头对准，提高了CMP修整制程的总的效率和质量。应当指出的，示范性接头33和孔31-A的六角形形状应看作仅为示例性的，还可在其位置处使用能够提供旋转接头37(图4中)、接头33和研磨修整盘36之间的期望类型的防止转动/对准和驱动力能力的各种其它几何形状。在随后讨论的过程期间，显而易见地，对准/连接元件32的使用，以及研磨修整盘36的“背面”快速释放安装到修整器头38上，提供了这样一种系统，这种系统能有效地将驱动扭矩从末端执行臂传递到研磨修整盘，同时还保持任何的已生成微粒，并防止微粒污染抛光垫。 

图6用分解图详细展示了增强式末端执行臂30的新型的快速释放顶出机构34的细节，其被用来有效地使研磨修整盘36脱离修整器头38。如上所提及的，现有技术末端执行臂的结构需要通过用手抓握研磨修整盘并用叶片撬动以破坏研磨修整盘36和修整器头之间的磁性力或机械力来移除研磨修整盘。这是一件棘手的任务，因为在绝大多数情况下，在修整设备的末端执行臂和抛光垫自身之间仅存在很小的间隙(见图2)。而且，移除过程通常是在洁净室环境中进行的，在洁净室环境中，工作人员必须带手套以及其他笨拙的服装，这增加了当从修整器头中撬开研磨修整盘时损坏研磨修整盘或损坏其余部分的可能。这些传统的手动移除过程还提供了污染物进入洁净室环境的机会，因为损坏的工提供了微粒污染物的源头，例如与击碎的浆体有关，和/或与CMP设备零件的无意刨削有关的微粒污染物。这些微粒可能会进一步导致晶圆的刮擦和/或在重新检定CMP设备以进一步处理中的问题。 

根据本发明，已研制出一种“快速释放”装置，其使用一对顶出机构34，该顶出机构34实现一对销元件50向下穿过修整器头38并顶着研磨修整盘36的背面的运动。虽然图6的特定实施例说明了将“销”用作顶 出机构，但应当理解到，可使用任何合适的机械式“解紧(de-latching)”装置。为了简便，后面的讨论将使用术语“顶出销”，其中应当理解到其同样适用于“机构”的广泛定义。参考图6，所示顶出销34的示范性实施例包括上部外壳元件(upperhousing element)54，其尺寸制造成允许销元件自身做简单的运动。在这个特定的实施例中，销元件50被弹簧装载到上部外壳54内，显然是用弹簧56，以便销元件50能回到其初始位置。然而，考虑到这种弹簧装载的使用是任选的，还可使用包住和平移销元件50的其它装置，这些装置都被认为是落入本发明的范围内。在图6中所示的下部外壳58实现销元件50的装入，同时允许销元件50从修整器头38排出，接触研磨修整盘36的背面，破坏研磨修整盘36的磁性元件39和叶轮主体31的磁性元件44之间的把持。一旦研磨修整盘36已被清洁、更换或修理后，通过使研磨修整盘36接近叶轮主体31就可简单地实现再次连接，其中叶轮主体31的磁性元件44将吸引研磨修整盘36，并依靠带键的结构来自动地使研磨修整盘36对准修整器头38。虽然图6所说明的特定实施例利用磁性系统来将研磨修整盘36保持在适当的位置，但应当理解到还可使用各种各样的机械装置，例如各种类型的螺钉、制动器和锁紧机构。本发明的顶出销34同样可用于压下这些机械机构，以便实现从修整器头释放研磨修整盘。 

回顾图4和6所示，顶出销34被设置成能“清除”磁性的键对准/连接元件32，并且允许销元件50在修整器头38内自由地移动。在优选的实施例中，使用一对顶出销34，如图6所示，这对销被放置在修整器头38的相对侧，从而允许对研磨修整盘36施加平衡的顶出力。 

如前面所提及的，增强式末端执行臂30的另一个质量改进方面是利用零静态阻力致动器机构来控制头38的“向上”和“向下”运动，从而控制由研磨修整盘36施加至抛光垫表面的下压力F和研磨修整盘自身的旋转速度。在过去，传统致动器机构的活塞动作是有问题的，由于活塞和外壳之间的内在静摩擦，所以经常需要大于5磅每平方英寸的作用力来启动致动器机构的运动(被称为“起步阻力”)。因此，在绝大多数情况下，由研磨修整盘施加到抛光垫的下压力不得不克服这个初始摩擦力，并提供矫正力来获得正确的操作定位点。因此，在其中需要小于5磅每平方英寸来维持定位点的情况下，通常无法获得必需的起步阻力。此外，一些传统现有技术的末端执行臂致动器机构通过利用真空来提升，其不能用来可靠地偏置机械构件的重量，从而实际上不可能得到相当低的下压力(例如，低于2磅)的修整。 

根据本发明，通过在增强式末端执行臂中结合“零静态阻力”致动器机构40(其中术语“静态阻力”用于定义“静摩擦力”的情况)，已克服了这些与致动器机构有关的问题。图7说明了本发明的示范性零静态阻力致动器机构40的剖视视图，而图8说明了致动器机构40的封闭式等轴测视图。在图7和图8中，显而易见地，在致动器机构40的顶面64形成有上部排出通道62和口61。在致动器机构40的底部部分形成有下部排出通道65和口66，如图7所示。这些通道使得受控的漏压被排尽。 

据证实，致动器机构的活塞和外壳的特定的材料选择能够显著地减小静摩擦力，若不是消除的话，该静摩擦力最初可将活塞约束在适当位置。在本发明的一个特定实施例中，致动器机构40包括石墨复合材料的活塞，其直径与玻璃(例如，硼硅酸盐玻璃(如Pyrex

品牌的玻璃))或(铝硅酸盐玻璃)汽缸72紧密配合，其中活塞70在汽缸72内行进，正如Airpot Corporation所制造的。这种石墨复合材料活塞和玻璃外壳的组合经证实可大大地减小将传统气动致动器机构活塞约束在适当位置的初始“静力”，且其需要很大的初始力来促使活动。实际上，本发明的零静态阻力致动器机构经证实能够光滑地向上及向下移动少至50克的重量，而无需初始“推动”力。能够产生少量或无静摩擦的其它材料组合也可用于本发明的零静态阻力致动器机构。 

再次参考图7和8，当活塞受压力控制而在汽缸72内上下移动时，通过上部通道62(或视具体情况而定，通过下部通道65)，排出并引导所排出的空气(或气体)。换句话说，当活塞70向上移动时，空气被推动通过上部通道62，并在口61处排出至末端执行臂的排出系统。当活塞70向下移动时，空气将被推动到下部通道65中，并在口66处排出至同一个排出系统。在本发明的优选实施例中，气动调节器被设置在致动器机构40的每一侧以提供活塞70在任一方向上的平衡控制。于是，排出通道沿着增强式末端执行臂30前进并且远离修整制程，以便避免沿着这个通道的任 何空气受到污染或者接触到在抛光和修整制程自身中使用的各种气体和浆体。 

具备能执行精确的线上力测量(在拉力和压力方面)能力的零静态阻力致动器机构40使得本发明的增强式末端执行臂能够以非常好的受控的下压力来操作，范围从“零”下压力到大于40磅的下压力。实际上，末端致动器机构自身的机械静重耦合有与真空和研磨修整过程的存在有关的附加力，借助于对致动器机构的运动和施加至修整器头的下压力的精确控制能力，能够对该机械静重进行补偿。如我们同时待审的申请所公开的，这种精确的修整器头控制和真空清洁能力相结合使得该新型的修整器能够在暂停机械研磨操作(换句话说，所有现存作用力的总和为施加到研磨修整盘的合成“零”下压力)时保持靠近垫表面。因此，无论是否使用机械研磨操作，真空孔区域能够保持稳定，并且各种废料排出过程的有关流量特性曲线能够保持等效。这种如此精密准确地控制和调节在结合有零静态阻力致动器机构的研磨修整盘上的下压力的能力，允许对修整制程的真空和机械方面进行单独的控制，这导致了更为有效和高效的修整制程。虽然零静态阻力致动器机构的使用经证实能够改进力控制问题(真空和所施加的力)，但是当抛光垫开始老化以及其表面变得不平坦时，在末端执行臂内还是存在问题。当垫磨损时，其横截面呈“浴缸(bathtub)”状，因为较厚的区域在其直径的中心和边缘。这些区域存在问题，因为它们导致更高的力被传递到较厚“区域”的晶圆结构。这些更高的压力会导致晶圆外部区域的更快地移除以及更高频率地刮擦、颤动型的缺陷，相应于垫的中心和边缘区域。相对地，当垫开始老化并且呈现不均匀的顶面时，末端执行臂将需要稍微地枢轴旋转(或垂直方向上跟随)。这能够影响所施加的力，并使早期所描述的力控制(静态阻力响应)变得复杂。在枢轴旋转实施的过程中，绝大多数情况下，由于“标准”的设计参数针对抛光垫的中间厚度而限定，因此期望枢轴旋转的范围为总的不超过10°。在本发明的增强式末端执行臂30内的新型双滑轮(双驱动)系统80经证实能够改善转动机构的可靠性，通过传递来自于驱动电机/齿轮箱的旋转运动以便最小化驱动带所需的偏斜。 

图9用分解图来说明了增强式末端执行臂30的示范性的双驱动装置80的构件。这个特定的视图说明了末端执行臂30的终端位置25(与修整器头38有关)以及包括有致动器机构40的固定的末端部分42。所示的双 驱动装置80包括第一条驱动带82和第二条驱动带84，两个驱动带82和84啮合于滑轮86。如所示的，第一条驱动带82朝着修整器头38向外延伸，第二条驱动带84向内延伸以啮合致动器机构40，并开启研磨修整盘(未显示)所期望的旋转运动。在本发明的这个特定实施例中，第一条驱动带82接触滑轮的下部部分88，而第二条驱动带84啮合滑轮86的上部部分90。 

如图9所示，滑轮86正好位于末端执行臂30的上/下枢轴旋转点的那一边，以便在枢轴旋转时最小化其运动。根据本发明，既然当提升末端执行臂并且未加载驱动时经历大部分的偏斜，所以“标准”的位置最好设置于一半的寿命(典型的抛光垫的“寿命”为0.03”到0.05”)。因此，包括第一条驱动带82的新型双驱动装置的外部，基本上被固定并且保持对准，而与抛光垫的老化无关。 

Claims (12)

1.一种在化学机械平坦化修整系统中用于控制研磨修整盘对抛光垫表面的作用的末端执行臂，所述末端执行臂包括：

修整器头，其布置在所述末端执行臂的第一自由端，所述修整器头包括研磨修整盘；以及

致动器机构，其布置在所述末端执行臂的第二固定端，用于控制所述修整器头相对于抛光垫表面的平移运动和所施加的下压力，

其特征在于，所述修整器头进一步包括：

带键的对准和连接元件，其经布置后接触所述研磨修整盘，带键的对准和连接元件包括叶轮主体，所述叶轮主体具有键形的中央凹入部分并且包括用于在对准的连接中啮合所述研磨修整盘的至少一个连接构件；以及

至少一个顶出机构，其布置在所述修整器头的外围并被配置成将下压力施加至所述研磨修整盘上，足以当需要从所述修整器头移除所述研磨修整盘时破坏由所述带键的对准和连接元件提供的啮合。

2.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述研磨修整盘包括布置在其中央区域内的磁性材料，所述带键的对准和连接元件包括布置在所述叶轮主体的中央凹入部分内的磁性元件，以便对准和连接到所述研磨修整盘磁性材料。

3.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述带键的对准和连接元件进一步包括所述叶轮主体的中央凹入部分的键形的万向接头，所述万向接头以固定的、防止旋转和对准的方式与所述叶轮主体配合，以便维持所述修整器头和所述研磨修整盘之间的对准，同时还对所述研磨修整盘施加驱动力。

4.如权利要求3所述的末端执行臂，其中所述键形包括六角形的键形。

5.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述至少一个顶出机构包括顶出销。

6.如权利要求5所述的末端执行臂，其中至少一个所述顶出销包括弹簧加载的顶出销。

7.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述至少一个顶出机构包括均匀布置在所述修整器头外围周围的多个顶出机构。

8.如权利要求7所述的末端执行臂，其中所述多个顶出机构包括在所述修整器头外围上相对地布置的一对顶出机构。

9.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述致动器机构包括活塞和用于装入所述活塞的汽缸，所述活塞包括石墨复合材料，且所述汽缸包括玻璃材料，其中当所述活塞在所述汽缸中运动时，所述石墨复合材料和所述玻璃材料产生最小静摩擦。

10.如权利要求9所述的末端执行臂，其中所述致动器机构进一步包括一对气动调节器，所述气动调节器布置在所述汽缸的相对端上以提供所述活塞的双向控制。

11.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述致动器机构包括：

石墨复合材料活塞；

玻璃汽缸，其装入所述石墨复合材料活塞；

第一个排出通道，其沿所述致动器机构的顶面布置；以及

第二个排出通道，其沿所述致动器机构的底面布置，其中当施加真空时，所述石墨复合材料活塞在所述玻璃汽缸内行进，且空气沿着所述第一个排出通道和所述第二个排出通道中的至少一个排出至所述末端执行臂。

12.如权利要求1所述的末端执行臂，其中所述末端执行臂进一步包括：

双驱动带运动装置，其布置在所述修整器头和所述致动器机构之间，用于将所述致动器机构的运动转换为所述修整器头的运动，所述双驱动带运动装置包括：

第一条驱动带，其在第一端处连接到所述修整器头；

滑轮，其布置在所述末端执行臂内并且连接到所述第一条驱动带的第二相对端；

第二条驱动带，其在第一端处连接到所述致动器机构，并在第二相对端处连接到所述滑轮，其中所述致动器机构的运动经过所述第二条驱动带，并且其后通过所述滑轮而耦合进所述第一条驱动带，由此引起所述修整器头的运动，所述滑轮正好位于所述末端执行臂的枢轴旋转点的那一边，以便在所述末端执行臂枢轴旋转时最小化其运动。

Images