CN103959446B - 用于使用改良的摩擦测量来进行基板抛光检测的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示抛光基板的方法、装置及系统。该装置包括上部平台；扭矩/应变测量仪，该扭矩/应变测量仪耦接至上部平台；以及下部平台，该下部平台耦接至扭矩/应变测量仪并适于经由扭矩/应变测量仪驱动上部平台旋转。在其他实施例中，该装置包括第一托架；耦接至第一托架的侧向力或位移测量仪；及耦接至侧向力或位移测量仪的第二托架，且其中第一托架与第二托架中之一适于支撑抛光头。本发明揭示多个额外方面。
Description
本发明与2011年11月16日申请的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR SUBSTRATEPOLISHING END POINT DETECTION USING IMPROVED FRICTION MEASUREMENT(用于使用改良的摩擦测量来进行基板抛光端点检测的系统和方法)”的美国临时专利申请案第61/560,793号及2012年4月28日申请的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR SUBSTRATE POLISHINGEND POINT DETECTION USING IMPROVED FRICTION MEASUREMENT(用于使用改良的摩擦测量来进行基板抛光端点检测的系统和方法)”的美国专利申请案第13/459,079号相关，并主张这些专利申请案的优先权，这些专利案每一个的全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体是关于电子设备制造，更特定言之是针对半导体基板抛光系统与方法。
背景技术
基板抛光端点检测方法可利用抵靠抛光头内所固定的基板旋转抛光垫所需的扭矩的估计值来确定何时已经移除充足的基板材料。现有基板抛光系统通常利用来自致动器的电信号(如马达电流)来估计抵靠基板旋转抛光垫所需的扭矩量。本发明发明者已经确定，此等方法在一些情况下可能无法足够精确且持续地确定何时已达端点。因此，在基板抛光端点检测领域仍需改良。
发明内容
在第一实施例中，提供一种抛光基板的装置。该装置包括第一托架；耦接至第一托架的侧向力测量仪；及耦接至侧向力测量仪的第二托架，且其中第一托架与第二托架中之一适于支撑抛光头。
在一些其他实施例中，提供一种用于基板的化学机械平坦化的系统。该系统包括适于固定基板的抛光头组件；以及适于抵靠抛光头中所固定的基板固定及旋转抛光垫的抛光垫支撑，该抛光头组件包括：第一托架；耦接至第一托架的侧向力测量仪；耦接至侧向力测量仪的第二托架；以及耦接至第一托架与第二托架中之一并适于固定基板的抛光头。
在另一些实施例中，提供一种抛光基板的方法。该方法包括：旋转支撑抛光垫的平台；经由侧向力测量仪将第一托架耦接至第二托架，其中第一托架与第二托架中之一适于支撑适于固定基板的抛光头；将固定基板的抛光头压靠在平台上的抛光垫上；以及测量当抛光基板时基板上的侧向力大小。
在其他实施例中，提供一种抛光基板的装置。该装置包括第一托架；耦接至第一托架的位移测量仪；及耦接至位移测量仪的第二托架，且其中第一托架与第二托架中之一适于支撑抛光头。
在另一些实施例中，提供一种用于基板的化学机械平坦化的系统。该系统包括适于固定基板的抛光头组件；以及适于抵靠抛光头中所固定基板固定及旋转抛光垫的抛光垫支撑，该抛光头组件包括：第一托架、弹性地耦接至第一托架的第二托架、适于测量第一托架与第二托架之间的侧向位移的侧向位移测量仪、及耦接至第一托架与第二托架中之一并适于固定此基板的抛光头。
在另一些实施例中，提供一种抛光基板的方法。该方法包括以下步骤：旋转支撑抛光垫的平台；弹性地将第一托架耦接至第二托架，其中第一托架与第二托架中之一适于支撑固定基板的抛光头；将固定基板的抛光头压靠在平台上的抛光垫上；以及当抛光基板时经由侧向位移测量仪测量第一托架与第二托架基板之间的侧向位移大小。提供许多其他方面。藉助以下详细说明、随附权利要求书及附图，可更清楚地了解本发明的其他特征及方面。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的基板抛光系统的平台旋转部分的侧视图。
图2A为根据本发明第一实施例的基板抛光系统的平台旋转部分的剖面图。
图2B为根据本发明第二实施例的基板抛光系统的平台旋转部分的剖面图。
图3A为根据本发明第三实施例的基板抛光系统的平台旋转部分的剖面图。
图3B为根据本发明第四实施例的基板抛光系统的平台旋转部分的剖面图。
图3C为根据本发明第五实施例的基板抛光系统的平台旋转部分的剖面图。
图4为根据本发明第三、第四及第五实施例由柔性件支撑的上部平台的俯视图。
图5为根据本发明第三、第四及第五实施例的柔性件示例性实施例的透视图。
图6为流程图，该图图示根据本发明一些实施例抛光基板的示例性方法。
图7为根据本发明实施例使用基板抛光系统的实施例抛光基板时随时间测量扭矩的实验结果图。
图8A为根据本发明侧向力测量实施例的基板抛光系统的示例性抛光头组件的侧视图。
图8B为抛光期间位于抛光垫上的基板的俯视图，该图显示根据本发明实施例抛光垫的旋转及基板上的侧向力。
图9A是根据本发明实施例的替代基板抛光系统的示例性抛光头部分的侧视图。
图9B为抛光期间位于抛光垫上的两个基板的俯视图，该图显示根据本发明实施例抛光垫的旋转及基板上的侧向力。
图10A为根据本发明的第二侧向力测量实施例的基板抛光系统的抛光头组件的剖面图。
图10B为根据本发明的第三侧向力测量实施例的基板抛光系统的抛光头组件的剖面图。
图10C为根据本发明的第四侧向力测量实施例的基板抛光系统的抛光头组件的剖面图。
图11为流程图，该图图示根据本发明一些实施例的抛光基板的替代示例性方法。
图12为根据本发明侧向位移测量实施例的基板抛光系统的抛光头组件的剖面侧视图。
具体实施方式
使用取自用于驱动抛光垫支撑平台的马达的电信号(如电流、电压、功率等)来估计抵靠抛光头中所固定基板旋转抛光垫所需的扭矩量的现有基板抛光系统(如化学机械平坦化(CMP)系统)可能在一些情况下由于许多误差来源而不准确。一些此类误差来源包括致动器固有特性变化(如线圈及磁铁的变化)、传输元件容差(如齿轮箱、皮带及滑轮等)、轴承摩擦力及温度变化。
本发明的实施例提供改良型方法及装置，用于准确地确定抛光系统中抵靠抛光头中固定的基板旋转抛光垫时遇到的摩擦力。在另一方面中，本发明的实施例通过嵌入及/或邻接支撑抛光垫的平台增加直接扭矩及/或应变测量仪器来提供最小化或避免上述误差来源的方法。嵌入扭矩/应变测量仪直接测量抵靠抛光头中固定的基板旋转抛光垫所需的物理量(如旋转力的量)。移动直接嵌入及/或邻接至抛光垫支撑平台的测量点最小化源自传动系统中的元件的误差。
在一些实施例中，增加了一或更多个支撑，这些支撑耦接下部平台(如，以刚性方式耦接至致动器的驱动元件)及上部平台(如，固定抛光垫的受驱动元件)。这些支撑适于承受由旋转下部平台来驱动上部平台而产生的推力载荷、径向载荷及力矩载荷，但允许上部平台仅有一个自由度(如旋转方向)相对于下部平台移动。致动器的驱动扭矩穿过扭矩/应变测量仪(由驱动下部平台)传递至上部平台。由于抛光头的载荷施加于上部平台上所固定的抛光垫上，所以扭矩/应变测量仪可用于测量克服抛光头载荷及维持上部平台旋转所需的额外扭矩。
支撑亦通过限制可施加于上部平台及下部平台的扭矩分量而起到保护应变测量设备的作用。在一些实施例中，支撑可以是例如以下类型轴承的任一组合：空气轴承、流体轴承、磁力轴承、深槽轴承、角接触轴承、滚柱轴承及/或锥形交叉滚柱轴承。在一些实施例中，支撑或者可以是(例如)由柔性件制成的枢轴。在一些实施例中，应变测量设备可是例如扭矩传感器、嵌入杆端测力计或枢轴/柔性件上的应变仪。大体而言，可采用任何适宜且能实行的支撑及/或应变测量设备。
本发明的一些实施例提供测量施加给抛光头中基板的侧向力的方法及装置，而不测量嵌入及/或邻接支撑抛光垫的平台的扭矩及/或应变。侧向力测量仪可设置于支撑抛光头的上部托架与下部托架之间。如在本文中所用，第一托架是指上部托架或下部托架中的第一个托架，且第二托架是指上部托架或下部托架中的另一个托架。当抛光垫推压抛光头中的基板时，侧向力测量仪可直接测量与介于基板与抛光垫之间的摩擦力成比例的力。与前述实施例一样，仅允许单方向有限移动的支撑可用于承受由将基板压至旋转抛光垫中而产生的推力载荷、径向载荷及力矩载荷。该等支撑亦可通过限制侧向移动量来保护侧向力测量仪。
与前述实施例一样，侧向力测量实施例的支撑可以是例如以下类型轴承的任一组合：空气轴承、流体轴承、磁力轴承、深槽轴承、角接触轴承、滚柱轴承及/或锥形交叉滚柱轴承。在一些实施例中，此支撑或者可以是(例如)由柔性件制成的枢轴。在一些实施例中，应变测量设备可以是例如扭矩传感器、嵌入杆端测力计或枢轴/柔性件上的应变仪。
在一些实施例中，提供在抛光期间可测量第一托架与第二托架之间的位移的装置、系统与方法。侧向位移测量仪可设置于第一托架与第二托架之间，其中第一托架与第二托架中之一支撑抛光头。当抛光垫推压抛光头中的基板时，侧向位移测量仪可直接测量与介于基板与抛光垫之间的摩擦力成比例的介于托架之间的位移。与前述实施例一样，仅允许单方向有限移动的支撑可用于承受由将基板压至旋转抛光垫中而产生的推力载荷、径向载荷及力矩载荷。这些支撑亦可通过限制侧向移动量来保护侧向力测量仪。这些支撑件可是柔性件。一般而言，可采用任何适宜且能实行的支撑及/或力、应变及位移测量设备。
测量及监测抛光头中基板上的侧向力可用于确定诸如抛光端点等的一或更多个抛光阶段。根据摩擦力相对大小的变化监测侧向力或位移可有利于监测支撑抛光垫的平台中的扭矩。举例而言，在使用一个抛光垫同时抛光不同抛光头中的两个或更多个基板的CMP系统中，监测每个基板上的侧向力可独立确定一或更多个抛光阶段(例如，何时已达到抛光端点)。
转至图1，显示基板抛光系统100的平台旋转部分。上部平台102适于在CMP处理期间旋转抛光垫101时支撑抛光垫101。上部平台102可包括卡盘、黏着剂或其他机构以在处理期间牢固地固定抛光垫101。上部平台102弹性地耦接至由底板106支撑的下部平台104，并由下部平台104驱动。底板106亦支撑系统100的下述其他部分。滑轮108A耦接至下部平台104，并经由皮带110耦接至滑轮108B。滑轮108B耦接至由支架114支撑的齿轮箱112，支架114耦接至底板106，并由底板106支撑。致动器116(如马达)亦耦接至齿轮箱112。致动器116以电气方式耦接至控制器118。因此，下部平台104经由齿轮箱112、滑轮108A、108B及皮带110耦接至致动器116，使得致动器116可在控制器118的控制下驱动系统100。在一些实施例中，致动器116及固定基板122的抛光头120(以虚线表示)均在控制器118控制下运转及工作，该控制器118可是程式化通用电脑处理器及/或专用嵌入式控制器。
本领域的普通技术人员将会了解，所示介于致动器116与下部平台104之间的联接仅为实例。所示元件可用许多不同布置予以替代。举例而言，致动器116可以是直接耦接至下部平台104的直接驱动马达。齿轮箱112可用于调节致动器116使滑轮108B旋转的速度(如每分钟转数，RPM)至适于CMP处理的速度，但在一些实施例中，可选用已适于以适宜速率运转的致动器。因此，可采用驱动下部平台104的任何可行方式。
在作业中，致动器116在系统管理器(如执行软件指令的控制器118、计算机处理器等)控制下驱动下部平台104以适于CMP处理的期望速度旋转。如下文将更详细地加以阐述，下部平台104的旋转引起上部平台102旋转，此乃因两者之间是柔性耦接。上部平台102上的抛光垫101抵靠对抛光垫101施加下向力的抛光头120(虚线中所示)中所固定的基板122旋转。抛光头120的下向力产生对上部平台102的旋转的阻力。该阻力由旋转下部平台104的致动器116克服。使用扭矩/应变测量仪(图1中未示出、但图2中可见)来测量克服由抛光头120引起的阻力所需的扭矩量。伴随抛光基板122及移除材料，旋转所受阻力的大小亦发生变化。不同材料可能具有不同摩擦系数，且视所抛光材料层而定，旋转平台102及104所需的扭矩量可发生变化。停止抛光的端点可能对应于预定量的扭矩或扭矩变化，此量在扭矩/应变测量仪上测量。在一些实施例中，旋转平台102及104所需的扭矩量的变化的阈限量可代表抛光处理的端点。需注意，视材料而定，端点阈值变化量可为所需扭矩量的增加或所需扭矩量的减少。下文参照图7来阐述作为时间函数的扭矩变化的实例。
转至图2A，显示基板抛光系统200A实施例的部分的剖面图。支撑202将上部平台102支撑于下部平台104之上。经由联轴器204，上部平台102亦耦接至扭矩传感器206，该扭矩传感器206用作图2A实施例的扭矩/应变测量仪。下部平台104由底板106上的轴承208支撑，且下部平台104适于在底板106上的轴承208上旋转。滑轮108A经由延伸过底板106的轴210耦接至下部平台104。在一些实施例中，支撑202及轴承208可实施为以下类型轴承的任一可行组合：空气轴承、流体轴承、磁力轴承、深槽轴承、角接触轴承、滚柱轴承及/或交叉滚柱轴承。举例而言，可使用日本东京THK株式会社制造的RB系列交叉滚柱轴承。可使用密西根州安阿伯(Ann Arbor,Michigan)NSK公司制造的双锥形滚柱轴承。可使用德国黑措根奥拉赫舍弗勒科技股份公司(Schaeffler Technologies GmbH&Co.KG,of Herzogenaurach,Germany)制造的商品名为INA的XSU系列交叉滚柱型轴承。可采用任何适宜且能实行的轴承。
在作业中，支撑202适于承受基板/载体与衬垫/上部平台之间的动态交互而产生的推力载荷、径向载荷及力矩载荷，但上部平台102仅有一个自由度(如旋转方向)可相对于下部平台104移动。致动器116的驱动扭矩(图1)穿过扭矩/应变测量仪(此情况下为扭矩传感器206)传递至上部平台102。由于抛光头的载荷施加于上部平台102上的抛光垫上，故扭矩传感器206适于测量克服抛光头载荷及驱动上部平台102所需的额外扭矩。
转至图2B，显示基板抛光系统200B的第二实施例的部分的剖面图。此实施例与图2A的系统200A类似，不同之处在于测力计212替代联轴器204及扭矩传感器206用于连接上部平台102及下部平台104两者并用作扭矩/应变测量仪。市售并可用于一些实施例中的测力计212的实例是美国俄亥俄州哥伦布市Honeywell公司制造的嵌入测力计模型。可使用其他能实行的测力计。举例而言，在一些实施例中可使用测力计阵列。在一些实施例中，可使用在平台102、104之间设置的多个测力计212。
转至图3A，图示基板抛光系统300A的第三替代实施例的平台旋转部分的剖面图。支撑(例如，柔性件302)将上部平台102支撑于下部平台104之上。经由联轴器204，上部平台102亦耦接至耦接至下部平台104的扭矩传感器206，扭矩传感器206用作图3A实施例的扭矩/应变测量仪。在一些实施例中，支撑可实施为例如由柔性件302制成的枢轴。以下关于图4及图5详细描述根据本发明的实施例的柔性件302。
转至图3B，图示基板抛光系统300B的第四替代实施例的平台旋转部分的剖面图。支撑(例如，柔性件302)将上部平台102支撑于下部平台104上并耦接至下部平台104。然而，应变仪304替代扭矩传感器206耦接至支撑(例如，柔性件302)，应变仪304用作图3B的实施例中的扭矩/应变测量仪。可用于一些实施例中的市售的应变仪304的实例是美国康涅狄格州斯坦福Omega公司制造的KFG系列应变仪。可使用其他能实行的应变仪。如在图3A的实施例中，在一些实施例中，支撑可实施为(例如)由柔性件302制成的枢轴。以下关于图4及图5详细描述根据本发明的实施例的柔性件302。
转至图3C，图示基板抛光系统300C的第五替代实施例的平台旋转部分的剖面图。支撑(例如，柔性件302)将上部平台102支撑于下部平台104上并耦接至下部平台104。然而，测力计212替代应变仪304耦接至平台102及平台104，测力计212用作图3C的实施例中的扭矩/应变测量仪。如上所述，可用于一些实施例中的市售测力计212的实例是美国俄亥俄州哥伦布市Honeywell公司制造的嵌入测力计。在一些实施例中，可使用测力计阵列。可使用其他能实行的测力计。如在图3A的实施例中，在一些实施例中，支撑可实施为(例如)由柔性件302制成的枢轴。以下关于图4及图5详细描述根据本发明的实施例的柔性件302。
转至图4，显示上部平台102的俯视图，自下方支撑上部平台102为以虚线所示的四个柔性件302的示例性布置。注意，设置柔性件，每个柔性件的纵轴经对齐以相交于上部平台102的旋转中心。还需注意，虽然图示有四个柔性件302，但亦可使用更少(如3个)或更多(如5个、6个及7个)柔性件302。
转至图5，显示柔性件302的示例性实施例的透视图。示例性柔性件502的剖面图为工字型。柔性件302的相对较宽的(X维度)顶部和底部可包括分别用于连接至上部平台102及下部平台104的夹持或紧固机构。更广泛言之，适用于本发明的柔性件可包括一段在一个方向或维度上具有柔性但在其他所有方向或维度上具有刚性的材料。举例而言，图5中所图示工字型柔性件302可沿位于较宽顶部及底部区域间的薄区域的高度维度(Z维度)弯曲，而无法沿其他所有维度弯曲。换言之，柔性件可沿X及-X方向弯曲(如笛卡儿参照系所示)，但无法沿Y、-Y、Z或-Z方向弯曲。
可设置每一柔性件302，使得柔性维度在切线方向上(即垂直于半径)与平台102及平台104的旋转方向对齐。换言之，对齐柔性件302的纵向维度(例如，沿Y轴方向)以便在平台102及平台104的旋转轴处相交，如图5中所示。因此，将平台102与平台104耦接在一起的柔性件302容许平台102及平台104相对于彼此轻微运动至柔性件302弯曲的程度。
在一些实施例中，柔性件302可由不锈钢或可弯曲但无变形的任何可实行材料制成。适宜柔性件302的示例性尺寸可为：高度为约0.2cm至约10cm(Z维度)，长度为约1cm至约30cm(Y维度)，中央薄区域宽度为约0.1cm至约2cm(X维度)，顶部及底部厚区域宽度为约0.1cm至约5cm(X维度)。在一些实施例中，柔性件302可包括介于柔性件宽维度与窄维度之间的辐射式或圆化连接部305，如图5中所示。这些辐射式连接部305可使柔性件302避免在连接部305处疲劳。在一些实施例中，连接部305的半径可为约0.1cm至约2cm。可使用其他柔性件材料及/或尺寸。
如上文所述，在一些实施例中，除扭矩传感器/测力计布置外或替代扭矩传感器/测力计布置，可在一或更多个柔性件302上放置应变计304并可利用柔性件302来测量介于平台102与平台104之间的扭矩载荷。在此实施例中，介于上部平台102与下部平台104之间的仅联轴器可为柔性件302。
在一些实施例中，或者可使用一种将上部平台102与下部平台104耦接在一起的弹性泡沫或黏着剂来实施枢轴。
转回至图3A至图3C，在作业中，使用柔性件302作为支撑，采用柔性件302来承受由旋转下部平台104来驱动上部平台102而产生的推力载荷、径向载荷及力矩载荷，但上部平台102仅有一个自由度(如旋转方向)可相对于下部平台104移动。应注意，如上文所述，该一个自由度可受柔性件302限制。致动器116的驱动扭矩(图1)穿过扭矩/应变测量仪(于图3A中为扭矩传感器206；于图3B中为应变仪304；于图3C中为测力计212)传递至上部平台102。由于抛光头的载荷施加于上部平台102上的抛光垫上，故采用扭矩/应变测量仪(于图3A中为扭矩传感器206；于图3B中为应变仪304；于图3C中为测力计212)来测量克服抛光头载荷及维持上部平台102旋转所需的额外扭矩。
转至图6，提供流程图，该图图示根据本发明的一些实施例抛光基板的示例性方法600。下述示例性方法600可使用由计算机处理器或控制器118控制的CMP系统的任一上述实施例实现。在一些实施例中，可使用在控制器或通用计算机处理器上执行的软件指令来实现以下方法600中所述的逻辑。在其他实施例中，该方法600的逻辑可完全在硬件中实现。
在步骤602中，致动器116旋转下部平台104以驱动上部平台102，该上部平台固定用于抛光基板的抛光垫。在步骤604中，使固定基板的抛光头压靠在上部平台102上的抛光垫上。在用抛光垫去除材料期间，固定基板的抛光头的下向力对平台102及平台104的旋转产生阻力。在步骤606中，致动器116施加额外扭矩克服该阻力，且平台102及平台104相对于彼此达到稳态旋转。在步骤608中，使用扭矩/应变测量仪来测量该额外扭矩。例如，在一些实施例中，当柔性件302用作支撑时，可测量相对的旋转位移或直线位移来指示所施加的额外扭矩。在判定步骤610中，将扭矩变化阈值与所测量扭矩进行比较。若随时间测量的扭矩变化量小于此扭矩变化阈值，则系统100继续抛光/去除材料，并且流程返回步骤608，在该步骤中再次测量扭矩。若随时间测量的扭矩变化量等于或高于此扭矩变化阈值，则系统100确定已达到此抛光端点。在一些实施例中，自上部平台102上的抛光垫提起抛光头中的基板。在一些实施例中，所检测端点可能仅表示从一个材料层转变为第二材料层，并可继续抛光直至达到步骤612所述的最终端点。
转至图7，提供在抛光处理期间绘制为时间函数的扭矩的示例性曲线图700。该图图示使用本发明的一实施例所达成的实验结果。尽管显示了特定图形，但该图形仅用于说明目的，而非以任何方式对本发明的范畴加以限制。
在示例性抛光处理中，将抛光头载荷施加至上部平台102上的抛光垫。下部平台104驱动上部平台102以克服载荷的阻力。第一材料在抛光期间逐渐自基板去除，并且驱动平台104所需扭矩的趋势保持相对稳定。当已清除第一材料且第一材料下面的第二材料的抛光开始时，检测旋转上部平台所需扭矩的趋势的相对较剧烈变化702。清除第一材料期间扭矩趋势变化的数量级将取决于诸多因素，如第一及第二材料的相对硬度及/或密度，及/或与浆料的化学反应，或类似因素；并且抛光第二材料期间所需的扭矩可小于或大于抛光第一材料期间所需的扭矩。系统100可辨识当基板上第一材料与第二材料进行转换时旋转上部平台104所需扭矩的变化702，并可停止抛光(若目标是去除第一材料并留下第二材料)。在一些实施例中，可测量测试基板在清除不同材料层期间的示例性扭矩值或变化的数据库，并将该数据库储存在控制器118内以便在生产处理过程中参考。
现在转至图8A及图8B，图中显示根据本发明替代实施例的基板抛光系统800的抛光头组件实例。图8B是抛光期间位于抛光垫101上的基板122的俯视图，该图显示抛光垫101的旋转812及基板122上的侧向力814。如图8A中所示，抛光垫101通过平台102及平台104支撑及旋转，这些平台位于固定基板122的抛光头120下方。抛光头120由耦接至第一托架804(如下部托架)的芯轴802支撑。该第一托架804由支撑808耦接至第二(上部)托架806。
在一些实施例中，支撑808可用柔性件302(图5)或各种类型的轴承(例如，诸如滚动元件轴承等线性轴承、流体轴承、磁力轴承等)实施。也可使用诸如测力计或配有反馈电路的致动器等的侧向力测量仪810将第一托架804及第二托架806耦接在一起。在一些实施例中，替代侧向力测量仪810(或除此侧向力测量仪810之外)，可使用位移测量仪(图12)。位移测量仪可包括任意类型的距离传感器，例如电容距离传感器、电感距离传感器、涡流距离传感器、激光距离传感器、线性电压差动变换器(LVDT)、电位计、霍尔效应传感器或诸如此类。因此，第一托架804与第二托架806可弹性地耦接以容许彼此沿一方向(如一个自由度)相对运动。举例而言，对支撑808进行布置以使支撑808在将基板122抵靠抛光垫101下推压时可在沿图8B中侧向力814的方向做轻微运动。因此，可由侧向力测量仪810测量(或使用位移测量仪确定)在抵靠抛光垫101推挤基板122时经由抛光垫101的旋转812而施加给抛光头120内固定的基板122的力。
在一些实施例中，可采用耦接至第一托架804与第二托架806的致动器(如线性致动器)来抵消通过抵靠抛光垫101下推基板122而产生的侧向力。使用反馈电路监测上述传感器发出的位移、载荷或应变信号，可利用致动器为保持托架804及托架806的相对位置而消耗的能量来确定在任何给定时刻所施加的侧向力的大小。保持托架相对位置所需的能量随抛光垫与此基板之间摩擦力的变化而变化。利用致动器发出的反馈信号(如为保持托架相对位置而使用的电流大小)，可确定所消耗的能量。因此，在一些实施例中，替代侧向力测量仪810或位移测量仪，可使用配有反馈电路及基本传感器的致动器来确定基板与抛光垫之间摩擦力的大小。
亦应注意，在测量上部平台与下部平台之间扭矩的实施例(如图2A至图3C)中，耦接于这些平台之间且配有反馈电路的致动器(如旋转致动器)可用于替代扭矩测量设备。致动器及反馈电路可用于保持该等平台的相对位置，且为此所消耗的能量可用于确定基板与抛光垫之间摩擦力的大小。
同样，在测量上部平台与下部平台之间扭矩的实施例(如图2A至图3C)中，替代扭矩测量或除扭矩测量之外，可测量相对位移。与托架之间位移测量的实施例一样，平台之间位移的位移测量仪亦可包括任意类型的距离传感器，例如电容距离传感器、电感距离传感器、涡流距离传感器、激光距离传感器或诸如此类。
在一些实施例中，可采用减震模块减少振动。在本发明的两侧向力测量实施例(托架之间)及扭矩测量实施例(平台之间)中可采用减震模块。在一些实施例中，可采用限制托架之间(及平台之间)相对运动的范围的硬止挡来保护传感/测量仪及提供结构安全性。
通过监测抛光头120上侧向力814或侧向位移的变化而确定抛光端点或其他抛光阶段可作为测量平台102及平台104上扭矩的变化的理想替代方法。此方法尤其适用于化学机械平坦化系统800'，如图9A及图9B所图示，该系统在同一抛光垫101上同时使用两个或两个以上抛光头。举例而言，由于同时被抛光的两基板122及122'可能会不同，因此，即使在同一化学机械平坦化系统800'上，此两基板的抛光速率亦可能不同，期望能够单独监测每一基板122及122'的抛光进展(例如，根据摩擦力在一或更多个阶段的变化)。
现在转至图10A、图10B及图10C，该三图图示使用侧向力测量的抛光头组件1000、抛光头组件1010及抛光头组件1020的额外三个替代实施例。在每个实施例中，可采用位移测量仪替代侧向力测量仪。在图10A中，支撑用三个与图5中所图示的那些柔性件类似的柔性件302实施。可使用更多或更少个柔性件302。在此实施例中，侧向力测量仪用安装在柔性件302上的应变仪1002实施。在图10A中，使用了三个应变仪1002，每个柔性件302安装有一个应变仪。注意，可使用更少个应变仪1002。
在图10B中，支撑用三个轴承1004(例如，位于杆上的线性球状衬套轴承)实施。可使用更多或更少个轴承1004。在此实施例中，侧向力测量仪用安装在轴承1004上的应变仪1002实施。在图10B中，使用了三个应变仪1002，每个轴承1004安装有一个应变仪。注意，可使用更少个应变仪1002。
在图10C中，支撑用三个轴承1004(例如，位于杆上的线性球状衬套轴承)实施。可使用更多或更少个轴承1004。在此实施例中，侧向力测量仪用安装在第一托架804与第二托架806之间的测力计1006实施。在图10C的实施例中，使用了一个测力计1006。注意，可使用更多个测力计1006。市售并可用于一些实施例的测力计1006的实例是美国俄亥俄州哥伦布市Honeywell公司制造的嵌入测力计型号。可使用其他适用的测力计。举例而言，在一些实施例中可使用测力计阵列。在一些实施例中，可在托架804与托架806之间设置多个测力计1006。注意，在上述实施例中，可使用以下类型轴承的任一组合：空气轴承、流体轴承、磁力轴承、深槽轴承、角接触轴承、滚柱轴承、线性轴承及/或锥形交叉滚柱轴承。可另外使用或替代使用任何其他能实行轴承类型。
转至图11，提供流程图，该图图示根据本发明一些实施例抛光基板的示例性方法1100。下述示例性方法1100可使用由计算机处理器或控制器118控制的化学机械平坦化系统的任一上述实施例实现。在一些实施例中，可采用在控制器或通用计算机处理器上执行的软件指令来实现以下方法1100中所述的逻辑。在其他实施例中，该方法1100的逻辑可完全在硬件中实现。
在步骤1102中，致动器旋转固定用于抛光基板的抛光垫的平台。在步骤1104中，使固定基板的抛光头压靠在平台上的抛光垫上。在用抛光垫去除材料期间，固定基板的抛光头的下向力对平台的旋转产生阻力(如摩擦力)。在步骤1106中，致动器施加额外扭矩以克服此阻力，且系统达到稳态旋转。在步骤1108中，使用设置于第一托架与第二托架之间(例如，介于上部托架与下部托架之间)的侧向力测量仪测量侧向力形式的摩擦力。在一些实施例中，例如当将柔性件用作支撑时，可测量相对位移来指示所施加的侧向力。举例而言，该方法1100通过随时间监测位移大小可方便地检测一或更多个抛光阶段，如材料去除量。在判定步骤1110中，将侧向力变化阈值与所测量的侧向力进行比较。若随时间测量的侧向力变化量小于此侧向力变化阈值，则系统继续抛光/去除材料，并且流程返回步骤1108，在该步骤中再次测量侧向力。若随时间测量的侧向力变化量等于或高于此侧向力变化阈值，则系统确定在步骤1112中已达到抛光端点。可确定其他抛光阶段。并且，在一些实施例中可采用侧向位移测量仪来监测侧向位移。
在一些实施例中，在步骤1112中已达到此端点后，自此平台上的抛光垫提起抛光头中的基板。在一些实施例中，所检测端点仅表示从一个材料层转变为第二材料层，并可继续抛光直至达到最终端点。在一些具有多个抛光头的实施例中，可同时执行上述步骤(1104-1112)，但由不同抛光头独立执行。换言之，第一个抛光头可能达到端点并加载新基板，而第二个抛光头则继续监测侧向力等待达到变化阈值。
参照图12，显示基板的化学机械平坦化的系统1200的另一实施例。该系统1200包括适于固定基板122的抛光头120。该抛光头120包括第一(如上部)托架1204及弹性地耦接至第一托架1204的第二(如下部)托架1206。该柔性耦接可由耦接于第一托架1204与第二托架1206之间的柔性件1202(如图5的柔性件302)实施。可提供侧向位移测量仪1210，该侧向位移测量仪1210适于测量第一托架1204与第二托架1206之间的相对侧向位移。该侧向位移测量仪1210可以是上文所提及任何类型的距离传感器。在所描绘的实施例中，抛光头120耦接至第一托架1204，并适于固定基板122。在此实施例中，耦接至抛光头120并支撑抛光头120的芯轴1212穿过(例如)第二托架中的通道(虚线所示)耦接。抛光垫支撑(例如平台102)适于抵靠抛光头120中所固定的基板122固定及旋转抛光垫101。
因此，尽管结合本发明的较佳实施例阐述本发明，但应了解，其他实施例可涵盖于如以下权利要求所界定的本发明的范畴。
Claims (10)
1.一种抛光基板的装置，所述装置包含：
上部托架；
侧向力测量仪，所述侧向力测量仪耦接至所述上部托架；以及
下部托架，所述下部托架耦接至所述侧向力测量仪，且所述下部托架适于支撑抛光头，
其中所述侧向力测量仪包含多个柔性件，至少一个柔性件包含耦接至所述至少一个柔性件的测力计，且其中所述多个柔性件的每一个柔性件的纵向维度被对齐为在所述上部托架与所述下部托架的旋转轴处相交。
2.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包含适于将所述下部托架耦接至所述抛光头的芯轴。
3.一种用于基板的化学机械平坦化处理的系统，所述系统包含：
抛光头组件，所述抛光头组件适于固定基板；以及
抛光垫支撑，所述抛光垫支撑适于抵靠所述抛光头组件中所固定的所述基板以固定及旋转抛光垫，所述抛光头组件包括：
上部托架，
侧向力测量仪，所述侧向力测量仪耦接至所述上部托架，
下部托架，所述下部托架耦接至所述侧向力测量仪，以及
抛光头，所述抛光头耦接至所述下部托架并适于固定所述基板，
其中所述侧向力测量仪包含多个柔性件，至少一个柔性件包含耦接至所述至少一个柔性件的测力计，且其中所述多个柔性件的每一个柔性件的纵向维度被对齐为在所述上部托架与所述下部托架的旋转轴处相交。
4.一种抛光基板的方法，所述方法包含以下步骤：
旋转支撑抛光垫的平台；
经由侧向力测量仪将上部托架耦接至下部托架，其中所述下部托架适于支撑适于固定基板的抛光头，其中所述侧向力测量仪包含多个柔性件，至少一个柔性件包含耦接至所述至少一个柔性件的测力计，且其中所述多个柔性件的每一个柔性件的纵向维度被对齐为在所述上部托架与所述下部托架的旋转轴处相交；
使固定基板的所述抛光头压靠在所述平台上的所述抛光垫上；及
测量当抛光所述基板时所述基板上的侧向力大小。
5.一种抛光基板的装置，所述装置包含：
上部托架；
位移测量仪，所述位移测量仪耦接至所述上部托架；
下部托架，所述下部托架耦接至所述位移测量仪，且其中所述下部托架适于支撑抛光头；以及
耦接于所述上部托架与所述下部托架之间的多个柔性件，其中所述多个柔性件的每一个柔性件的纵向维度被对齐为在所述上部托架与所述下部托架的旋转轴处相交。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述位移测量仪包括距离传感器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述距离传感器是至少以下各项之一：电容性距离传感器、感应距离传感器、涡流距离传感器、激光距离传感器、线性电压差动变换器(LVDT)、电位计及霍尔效应传感器。
8.一种用于基板的化学机械平坦化的系统，所述系统包含：
抛光头组件，所述抛光头组件适于固定基板；所述抛光头组件包括：
上部托架，
下部托架，所述下部托架弹性地耦接至所述上部托架，
侧向位移测量仪，所述侧向位移测量仪适于测量所述上部托架与所述下部托架之间的侧向位移，
耦接于所述上部托架与所述下部托架之间的多个柔性件，其中所述多个柔性件的每一个柔性件的纵向维度被对齐为在所述上部托架与所述下部托架的旋转轴处相交，以及
抛光头，所述抛光头耦接至所述下部托架并适于固定所述基板；以及
抛光垫支撑，所述抛光垫支撑适于抵靠所述抛光头中所固定的所述基板以固定及旋转抛光垫。
9.一种抛光基板的方法，所述方法包含以下步骤：
旋转支撑抛光垫的平台；
由多个柔性件将上部托架弹性地耦接至下部托架，所述下部托架适于支撑固定基板的抛光头，其中所述多个柔性件的每一个柔性件的纵向维度被对齐为在所述上部托架与所述下部托架的旋转轴处相交；
使固定所述基板的所述抛光头压靠在所述平台上的所述抛光垫上；以及
当抛光所述基板时经由侧向位移测量仪测量所述上部托架与所述下部托架之间的侧向位移量。
10.如权利要求9所述的方法，所述方法包含以下步骤：
通过监测所述侧向位移量来检测抛光的一或更多个阶段。
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