CN1258432C - 突出的万向节点驱动机构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种突出的万向节点驱动机构系统。该突出的万向节点驱动机构系统包含：能施加一扭矩的一驱动轴，其设有一形成于其下部上的凹状的球面。还包含一晶片载体，其局部地配置在该驱动轴的下部内。该晶片载体设有一凸状的球面，其形成于与该驱动轴的凹状的球面相对的一表面上。此外，还包含一驱动杯，其配置在该驱动轴与该晶片载体之间。该驱动杯设有一凹状的内表面及一凸状的外表面，并允许该晶片载体相对于一预定的万向节点倾斜。依此方式，可施加扭矩而不会影响万向节的动作。

Description

突出的万向节点驱动机构
技术领域
本发明总体上涉及半导体晶片研磨(semiconductor wafer polishing)，特别是涉及用于晶片研磨环境中的万向节突出系统(gimbal projectionsystems)的驱动机构。
背景技术
在半导体装置的制造中，是有需要进行化学机械研磨(CMP)操作，其包含研磨(polishing)、软皮抛光(buffing)、及晶片清洗。典型地，集成电路装置是多层的结构的形式。在基片层(substrate level)，形成具有扩散区域的晶体管装置。而在随后的层中，将内连的金属化线图案化并电连接至该晶体管装置以限定所期望的功能装置。通过如二氧化硅等电介质材料将图案化的导电层与其它的导电层绝缘。由于形成了更多的金属化层及相关的电介质层，则该电介质材料的平坦化的需要增加了。
若没有平坦化处理的话，则额外的金属化层的制造将由于表面形状的较大变异而实质上变得更困难。在其它的应用中，将金属化线的图案形成于该电介质材料中，然后将进行金属CMP操作以除去过量的金属化。进一步的应用包含在该金属化处理之前沉积的电介质膜的平坦化，如用于浅渠沟绝缘或用于多层金属绝缘的电介质。
在CMP处理中，CMP基片载体的万向节点(gimbal point)为一关键性的要素。基片载体必须使其本身与研磨表面精确地对准以确保一致平坦的研磨结果。目前许多已知的CMP基片载体会产出具有异常的平坦度的晶片。而在该研磨表面上方的枢接点的垂直高度也是恨重要的，这是由于该垂直高度越大，则对于研磨期间时的该枢接点而言，被感应生成的力矩将越大。存在于大多数CMP晶片研磨设备中的两个普遍的问题为：晶片中心的研磨不足，以及当程序变量改变时，无法调整晶片边缘排除(exclusion)的控制量的问题。
举例而言，在许多可用的CMP机器上使用的基片载体经历熟知为“俯冲(nose diving)”的现象。在研磨期间，研磨头对研磨作用力以产生相当大的力矩的方式起反应，而该力矩则直接地被上述的万向节点的高度所影响。该力矩沿着研磨头的运动方向导致一压力差。该压力差的结果是形成其作为晶片与磨料表面的界面的化学研浆的驻波。这导致晶片的边缘变成比晶片中心被更快地研磨且更过度地被研磨，其中，该晶片位于基片载体的前缘。
晶片上的材料的移除涉及到研浆的化学作用。由于研浆在晶片与研磨垫之间产生感应并起反应时，与晶片材料的移除量相关的化学物将逐渐地耗尽。因此，当与在基片载体的前缘(即，晶片边缘)处的化学作用相比较时，由于当其到达晶片中心时研浆中的化学物活性减少，故从基片载体的前缘处(即，晶片中心)进一步被移除的晶片材料量经历减少的化学移除率。
除试图改造基片载体的冠状部之外，已尝试其它方法以改善前述关于“俯冲”的问题。在一现有的万向节穿过位于基片载体上端处的单轴承的基片载体中，将由于基片载体的有效的万向节点存在于距研磨垫表面的一显著的非零的距离处而产生相当大的力矩。因此，作用在研磨垫表面上的摩擦力，将通过此距离进行作用而产生不良力矩。
又，扭力驱动机构将万向节连接至该驱动轴的需要已被证明在降低“俯冲”效应的效果上是失败的。尤其，使用单一或其它直接驱动装置将导致在晶片上方产生再次引起“俯冲”效应的力矩。又，由于驱动销在孔部内必须是不受限的以允许枢转，所以驱动销为背隙(backlash)的来源。
如上所述，需要一种基于万向节的扭力驱动机构，其能在不会引起晶片边缘挖入(dig into)正在来临(on coming)的研磨垫的情况下驱动晶片。该驱动机构应除了允许晶片被旋转地驱动外，还能枢转以允许旋转轴与被驱动的晶片的接触表面之间的不对准。
发明内容
概括而言，本发明提供一驱动机构，其容许扭矩及轴向作用力被传递至被研磨的晶片，而不必忍受该晶片的平面不完全地垂直于该驱动轴的旋转轴所产生的问题，从而满足上述需求。因此，该驱动机构允许该晶片相对于位于该晶片表面上的万向节点而言，是倾斜的。在一实施例中，揭露一种突出的万向节点驱动机构系统。该突出的万向节点驱动机构系统包含：一驱动轴，其能施加一扭矩，该驱动轴设有一凹状的球面，该球面形成在该驱动轴的一下部上；一晶片载体，其局部地配置在该驱动轴的下部内，该晶片载体设有一凸状的球面，该球面形成在与该驱动轴的该凹状的球面相对的一表面上；及一驱动杯(drivecup)，配置在该驱动轴与该晶片载体之间，该驱动杯设有一凹状的内表面及一凸状的外表面，并且该驱动杯允许该晶片载体对于一预定的万向节点而言，是倾斜的。可将该万向节点置于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的晶片的表面之间的一界面上。进一步，如果需要，可将该万向节点故意地置于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的晶片的表面之间的一界面的上方(“俯冲”)或下方(“下滑”)。
在另一实施例中，揭露一种突出的万向节点驱动杯。该突出的万向节点驱动杯包含：第一组细长的槽部，其位于该驱动杯的凸状的外表面之中；以及第二组细长的槽部，位于该驱动杯的凹状的内表面之中。该驱动杯允许晶片载体对于预定的万向节点而言，是倾斜的。突出于一驱动轴的凹状的球面之外的一第一组驱动键部可被用以突出到该驱动杯的第一组槽部之内。同样地，突出于该晶片载体的凸状的球面之外的一第二组驱动键部可突出到该驱动杯的第二组槽部之内。任意地，该第一组槽部包含两个细长的槽部，其中该两个细长的槽部以绕着该驱动杯的圆周大约180度被隔开。同样地，该第二组槽部包含两个细长的槽部，其中该两个细长的槽部以绕着该驱动杯的该圆周大约180度被隔开。进一步，以绕着该驱动杯的一对称轴大约90度的间隔，使该第一组槽部与该第二组细长的槽部隔开。
本发明的另一实施例揭露一种突出的万向节点系统的驱动方法。其包含以下步骤：设置可施加一扭矩的一驱动轴，该驱动轴设有形成在该驱动轴的一下部的一凹状的球面；配置一晶片载体，使其局部地位于该驱动轴的该下部之内，该晶片载体设有一凸状的球面，其形成在与该驱动轴的该凹状的球面相对的一表面上；及利用配置在该驱动轴与该晶片载体之间的一驱动杯，将该驱动轴连接至该晶片载体，该驱动杯设有一凹状的内表面及一凸状的外表面，并且该驱动杯允许该晶片载体对于一预定的万向节点而倾斜。可将该万向节点置于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的一晶片的表面之间的一界面上。任意地，如果需要，可将该万向节点故意地置于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的一晶片的一表面之间的一界面的上方或下方。
有利地，可将本发明的各实施例设成使该驱动轴的下部的表面与该晶片载体的表面是球面状且同心，便可确保该晶片仅能相对于位于该晶片一研磨垫界面的平面上的一轴线来倾斜。若该晶片相对于其进行倾斜的轴线位于研磨垫界面的上方或下方时，则将使将该晶片的一部分推入到该研磨垫之内的作用力远大于作用在正好相反于该晶片的一部分的作用力，而导致不良的影响。本发明的各实施例便允许这些作用力被减小、消除、或谨慎地采用可控制的方式以产生期望的结果。本发明的其他目的及优点由随后的详细说明并结合附图，通过举例性说明本发明的原理，将变得明显。
附图说明
本发明及其进一步的有点通过下述说明并结合所附的附图将被最好地理解，其中：
图1为依据本发明的一实施例的示范的化学机械平坦化(CMP)系统的简化示意图。
图2为显示依据本发明的一实施例的设有一突出的万向节点驱动机构的晶片载体机构的视图。
图3为沿着该驱动轴的旋转轴而横断过该晶片载体机构的侧剖视图A-A。
图4为沿着该驱动轴的旋转轴而横断过该晶片载体机构的侧剖视图B-B。
具体实施方式
本发明揭露一种突出的万向节点驱动机构。为此目的，本发明提供一驱动隔离杯状部，其容许扭矩及轴向作用力被传递至被研磨的晶片，而不必忍受该晶片的平面可能不完全垂直于该驱动轴的旋转轴线所产生的问题。在以下说明中，为了提供对本发明的彻底理解，因此将提出许多具体的细节。然而，对于本领域的技术人员来说，可在不需某些或所有具体的细节的情况下据以实施本发明，这将是明显的。在此情况下，将不详细地说明熟知的程序操作以避免模糊本发明。
图1是依据本发明的一实施例的示范化学机械平坦化(CMP)系统的简化示意图。如图1所示，CMP系统200为一固定磨料(fixed abrasive)的CMP系统，而由于准备表面为环状的固定磨料材料的皮带450，故以此表示该系统。将固定磨料材料的皮带450安装在两个滚筒212上，而该滚筒驱动该皮带在箭头214表示的方向上进行转动运动。
将晶片414安装在晶片夹持机构400上，其在方向206上旋转。为了进行平坦化处理，以作用力F将旋转的晶片414施加靠于该转动的固定磨料材料的皮带450。如本领域的技术人员所周知，可改变该作用力F以符合特定的平坦化处理的需求。研磨平台210，其设置于固定磨料材料的皮带450的下方，可稳定该皮带并提供一坚固的平面以供晶片414被施加在其上。而由于使用该固定磨料材料的皮带450，晶片414的轮廓特征(topographic feature)激活固定磨料材料的皮带450的微复制特征(micro-rep1icated features)。将晶片夹持机构400设成通过引导晶片414的前缘414a以避免显著地激活固定磨料材料的皮带450的微复制特征，这在下面将更详细说明。因此，当将晶片414的轮廓特征被平坦化后，将不会有残余的轮廓特征来激活固定磨料材料的皮带450的微复制特征。所以，材料移除速率以一个或多个数量级(order of magnitude)减慢，从而以使该CMP处理设有一自动停止的特征，在此称为“自我停止”。
图2为依据本发明的一实施例的晶片夹持机构400的视图，其设有突出的万向节点驱动机构。在一实施例中，该突出的万向节点驱动机构为配置在驱动轴的下部426之内的一驱动隔离杯状部，该驱动轴容许扭矩及轴向作用力被传递至被研磨的晶片。本发明的驱动隔离杯状部能传递扭矩及轴向作用力至该晶片，并能不必忍受该晶片的平面可能不完全垂直于驱动轴的旋转轴，且该不完全地垂直延伸至该晶片载体所引起的问题。
如以下的更详细的说明中，该驱动隔离杯状部的几何形状是如此的，以使该晶片相对于位于该研磨垫与该被研磨晶片表面之间的界面上的万向节点在任何方向上倾斜。依此方式，本发明的各实施例能避免不需要的垂直地施加于该晶片的作用力，而这是由于将万向节点置于其它位置上所产生的。
图3为沿着驱动轴的旋转轴而横断过该晶片夹持机构400的侧剖视图A-A。应注意到图3所示的该驱动轴的旋转轴的状态为一理想情况，其中旋转轴与一穿过该晶片的中心而垂直于该晶片的线重叠。
该晶片夹持机构400包含该驱动轴412的下部426，该驱动轴通过驱动杯428与晶片载体422结合。驱动键部446及448用以传递扭矩，而随后关于图4所说明的驱动键部438及440亦同。配置在该晶片载体422下方的研磨皮带450用于在CMP处理期间研磨该晶片414的表面。在该操作中，该驱动轴412施加一扭矩及一向下的作用力以便将该晶片414的下表面推靠于研磨垫450。
尽管尽力达成完全对准，但垂直于该晶片的垂直线454仍可能与完全平行于驱动轴412的旋转轴452有所偏差。而本发明的各实施例则有利地容纳了该偏差。为此目的，本发明的各实施例将该晶片414置于这样一高度上，使该晶片414从其垂直于驱动轴452的位置上所产生的任何倾斜发生在位于该晶片一研磨垫界面416上的直线上。此外，某些实施例可将晶片414置于一这样高度上，使该晶片414从其垂直于驱动轴452的位置上所产生的任何倾斜发生在平行于该晶片一研磨垫界面416的直线上，但以一预定的距离与该界面隔开在其上方或下方。
如图3所示，将凸状的球面420形成在该晶片载体422上。该凸状的球面420具有一半径R1，而该半径是从该晶片-研磨垫界面(wafer-padinterface)416上的晶片414的中心处的点418算起。而从相同的点418算起，将具有半径R2的凹状的球面424形成该驱动轴412的下部426上。应注意到，取决于设计的需求，则该半径R1及半径R2将可选择地从位于该晶片-研磨垫界面416上方，或位于该晶片-研磨垫界面416下方的晶片414的中心处的点算起。
配置在该晶片载体422的该凸状的球面420与该驱动轴412的下部426的该凹状的球面424之间的是一驱动杯428。该驱动杯428通常为环形，并具有半径R1的凹状的内球面430及半径R2的凸状的外球面432。形成于该驱动杯428的该凸状的外球面432之内的是两个垂直细长的槽部442及444，该槽部以绕着该驱动杯428的圆周大约180度被隔开。两个驱动键部446及448则突出于该驱动轴412的下部426的凹状的球面424之外。该等驱动键部446及448并分别地突出到该驱动杯428的槽部442及444之内，以传递扭矩。该槽部442及444比驱动键部446及448长，以能容纳该驱动轴412的下部426与该驱动杯428之间的倾斜移动。
图4为沿着驱动轴的旋转轴而横断过该晶片夹持机构400的侧剖视图B-B。如图3一样，应注意到图4所示的该驱动轴的旋转轴的状态为一理想情况，其中旋转轴与一穿过该晶片的中心而垂直于该晶片的线重叠。
如图4所示，将两个垂直细长的槽部434及436形成在该驱动杯428的凹状的内球面430之内。类似于该槽部442及444、该槽部434及436以绕着该驱动杯428的圆周大约180度被隔开。两个驱动键部438及440则突出于该晶片载体422的凸状的球面420之外。该驱动键部438及440并分别地突出到该驱动杯428的细长的槽部434及436之内，以传递扭矩。进一步，该驱动键部438及440以环绕着该驱动杯428的对称轴大约90度与该驱动键部446及448隔开。如前所述，该槽部434及436比该驱动键部438及440长，以容纳该晶片载体422与该驱动杯428之间的倾斜移动。
有利地，可将本发明的各实施例设成使该驱动轴412的下部426的表面420与该晶片载体的表面424是球面状且同心，从而可确保该晶片414仅相对于位于该晶片-研磨垫界面416的平面上的一轴线倾斜。若该晶片414相对于其而倾斜的轴线位于该晶片-研磨垫界面416的上方或下方，则将该晶片414的一部分推入到该研磨垫450之内的作用力远大于作用在正好相反于该晶片414的一部分的作用力，而导致不良的影响。本发明的各实施例允许这些作用力被减小、消除、或谨慎地采用可控制的方式以产生期望的结果。
虽然上述发明为了清楚理解在一定程度上被描述了，应该清除，在所附的权利要求的范围内可以作出某些变化和改进。因此，本实施例应被视为举例性而非限制性，且本发明并非狭义地限制于此，而可以在所附的权利要求的范围和等效变换之内进行修改。

Claims (15)

1.一种突出的万向节点驱动机构系统，包含：
一驱动轴，其能施加一扭矩，该驱动轴设有一形成在该驱动轴的一下部上的凹状的球面；
一晶片载体，其局部地配置在该驱动轴的下部内，该晶片载体设有一形成在与该驱动轴的凹状的球面相对的一表面上的凸状的球面；以及
一驱动杯，其配置在该驱动轴与该晶片载体之间，该驱动杯设有一凹状的内表面及一凸状的外表面，该驱动杯还具有设置在该驱动杯的凸状的外表面中的一第一组细长槽部，其中该驱动杯允许该晶片载体相对于一预定的万向节点倾斜。
2.如权利要求1所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，将该万向节点位于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的一晶片的一表面之间的一界面上。
3.如权利要求1所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，该万向节点位于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的一晶片的一表面之间的一界面的下方。
4.如权利要求1所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，该万向节点位于一研磨垫与由该晶片载体所夹持的一晶片的一表面之间的一界面的上方。
5.如权利要求1所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，还包含一第一组驱动键部，突出于该驱动轴的凹状的球面之外。
6.如权利要求5所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，该第一组驱动键部突出到该驱动杯的第一组槽部中。
7.如权利要求1所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，该驱动杯包含一第二组细长的槽部，位于该驱动杯的凹状的内表面中。
8.如权利要求7所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，还包含一第二组驱动键部，突出于该晶片载体的凸状的球面之外。
9.如权利要求8所述的突出的万向节点驱动机构系统，其特征在于，该第二组驱动键部突出到该驱动杯的第二组驱动槽部中。
10.一种突出的万向节点驱动杯，包含：
一第一组细长的槽部，位于该驱动杯的一凸状的外表面中；及
一第二组细长的槽部，位于该驱动杯的一凹状的内表面中，其中该驱动杯允许一晶片载体相对于一预定的万向节点倾斜。
11.如权利要求10所述的突出的万向节点驱动杯，其特征在于，该第一组槽部包含两个细长的槽部。
12.如权利要求11所述的突出的万向节点驱动杯，其特征在于，以绕着该驱动杯的圆周大约180度，将该第一组槽部的两个细长的槽部分隔开。
13.如权利要求12所述的突出的万向节点驱动杯，其特征在于，该第二组槽部包含两个细长的槽部。
14.如权利要求13所述的突出的万向节点驱动杯，其特征在于，以绕着该驱动杯的圆周大约180度，将该第二组槽部的两个细长的槽部分隔开。
15.如权利要求14所述的突出的万向节点驱动杯，其特征在于，以绕着该驱动杯的一对称轴大约90度，使该第一组槽部与该第二组细长的槽部隔开。
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