TWI537099B - 用於修整研磨墊之裝置，化學機械研磨裝置及方法 - Google Patents

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Description

用於修整研磨墊之裝置，化學機械研磨裝置及方法
本發明係有關一種用於修整研磨如半導體晶圓等工件(workpiece)之研磨墊(polishing pad)之裝置；更具體而言，指設於一研磨裝置，用於研磨工件之表面使其平坦化之一修整裝置。本發明亦有關一化學機器研磨裝置及運用一種修整裝置之一化學研磨方法。[本文中的「研磨」一詞係指精細研磨polishing，有稱為「拋光」的情形。]
近年來，半導體設備的體積愈加小型化、設備之結構愈加複雜，表面平坦化則成為半導體設備製程中非常重要的一環，其中一種常見的表面平坦化技術稱作化學機械平坦化(chemical mechanical polishing,CMP)。於化學機械平坦化製程，係一面將含有例如二氧化矽(SiO2)的研磨顆粒之研磨液供應至研磨表面一面使一半導體晶圓與研磨墊之研磨表面滑動接觸，以研磨半導體晶圓的表面。一由黏著劑將研磨顆粒組合成之固定磨粒研磨墊(fixed abrasive pad)，亦可用來取代上述研磨墊。
化學機械研磨製程係使用CMP裝置來執行；標準的CMP裝置包括一上表面接設有研磨墊之研磨台，並有一頂環(top ring)(亦稱為載具carrier)用以固定要加以研磨的例如半導體晶圓等基板。該研磨台及該頂環係對各自本身的軸心旋轉，並在此狀態下，一面將研磨液供應至該研磨表面一面以頂環將基板以一預定壓力抵壓在研磨墊的研磨表面(例如上表面)；以此將基板研磨至一平坦且呈鏡面之狀態。使用之研磨液通常是由鹼性溶液及懸浮於鹼性溶液中之微細研磨顆粒(例如二氧化矽)所組成。基板即被鹼性溶液的化學研磨動作及研磨顆粒的機械研磨動作之組合動作所研磨。
當研磨基板時，研磨顆粒及研磨殘渣會黏附於研磨墊表面，而使其研磨特性改變且降低研磨能力。於是，在重複進行研磨的過程中，其研磨速度(例如研磨率)將下降，且產生不均勻的研磨結果。故，為了調整劣化的研磨墊的研磨表面，乃將一修整裝置設於靠近該研磨台處。
修整裝置通常具有可旋轉之修整頭(dresser head)及固定於該修整頭之修整件。該修整裝置係一面使修整頭以本身的軸為中心旋轉，一面將該修整件抵壓於放置在旋轉的研磨台上之研磨墊的研磨表面，由修整頭的研磨表面移除研磨顆粒及研磨殘渣，而平坦化並調整(例如修整)該研磨表面。一般而言，所使用的該修整件具有以電沉積附著於表面(例如一修整表面)的鑽石顆粒，用於與該研磨表面接觸。
使用上述修整裝置進行研磨表面的修整可透過兩種方式：一種是在研磨基板時，同時修整該研磨表面；另一種則是在研磨基板之間的空閒時間修整該研磨表面，這兩種方式都會削去一定份量的研磨表面。然而，由於修整過程中產生對修整器一垂直及水平力的複雜度，故很難經由控制修整負載達到控制修整器，以避免預料內的震動。是故，一直存在著對於改進修整研磨表面裝置的需求。
本發明為有鑑於前述之問題點所開發者。
本發明之一目的係提供一裝置，可適當地修整一研磨墊，並避免不必要的修整負載。
本發明之另一目的，係提供一用於該修整裝置之化學機械研磨裝置及化學機械研磨方法。
為達成上述目的，本發明之一局面係提供一用於修整研磨墊之裝置。此裝置包括：一修整器驅動軸，係可轉動並可垂直移動者；一修整器凸緣，與該修整器驅動軸耦合，用以固定一修整件於該修整器凸緣；一球形軸承，設於該修整器凸緣，用於使該修整件對應該修整器驅動軸傾斜；以及一彈簧機構，用於產生對抗該修整件傾斜運動之力量。
於本發明一種較佳的局面中，該彈簧機構係設成如同彈性係數介於0.5X104N/m至2X104N/m之間的彈簧。或者，該彈簧機構係使該修整件之傾斜剛性介於12.5Nm/rad至50Nm/rad之間。
於本發明一種較佳的局面中，該修整器凸緣係具有一固定於修整器驅動軸之上修整器凸緣，及一下修整器凸緣，該修整件係固定於該下修整器凸緣；該球形軸承係用於將該上修整器凸緣及該下修整器凸緣組合一齊，使該上修整器凸緣及該下修整器凸緣對應傾斜。
於本發明一種較佳的局面中，該上修整器凸緣係由具彈性之材質製成，並作為該彈簧機構。
於本發明一種較佳的局面中，該裝置復包括一密封件(seal member)，設於該上修整器凸緣及該下修整器凸緣之間，其中該球形軸承係設於該上修整器凸緣及該下修整器凸緣所形成之一空間，且該空間係以該密封件所密封。
於本發明一種較佳的局面中，該裝置復包括一扭力傳送件，用於傳輸該修整器驅動軸之一扭力至該修整件。
於本發明一種較佳的局面中，該球形軸承係包含一圓形突起，設於該修整器驅動軸周圍表面，及一球形凹部，設於該修整器凸緣。
於本發明一種較佳的局面中，該修整件係活動自如的設於該修整器凸緣。
於本發明一種較佳的局面中，復包括一罩套，用於包圍至少部分該修整器凸緣。
於本發明另一種較佳的局面中，係提供一化學機械研磨裝置，包括：一研磨台，用於支持一研磨墊；一頂環模組，用於當一工件旋轉時將該工件抵壓至該研磨墊；一供液裝置，用於供給研磨液至該研磨墊上；以及前述之裝置，用於修整研磨墊。
於本發明又另一種較佳的局面中，係提供一化學機械研磨方法，包括使用前述之化學機械研磨裝置研磨一工件。
於本發明又另一種較佳的局面中，係提供一用於修整一研磨墊之裝置，該裝置包括：一修整器驅動軸，係可轉動並可垂直移動者；一修整器凸緣，與該修整器驅動軸耦合，用以固定一修整件於該修整凸緣；以及一機構，用於產生對抗該修整件傾斜運動之力量；其中該修整器凸緣係具有一磁鐵，且該修整件係藉由該修整件及該磁鐵中間的磁力附設於該修整器凸緣。
根據本發明，該修整器凸緣施行平衡動作(gimbal motion)動作，以在即使研磨墊在修整中旋轉時，亦可追隨研磨墊(具有不均勻的表面)。這樣的設置使修整器於修整過程中所產生之垂直移動震動的寬度得到控制，並避免修整器的姿態(attitude)之不能接受的震動。於是，即使當修整處於低負載，研磨墊在修整過程中的損耗亦屬輕微。並且，根據本發明，可以減輕修整負載，而可盡量減少研磨墊之損耗、並提升研磨墊(或固定磨粒墊)之使用期限。並且，根據本發明，亦可簡化修整器之維護。
以下參照圖面說明本發明之實施形態。
第1圖表示化學機械研磨裝置的研磨部之斜視圖，該研磨部包含一研磨台(polishing table)11(或者稱為平台platen)以固定研磨墊10；一頂環模組20用於研磨一基板(例如一工件)如一晶圓，使其與該研磨墊10滑動接觸；以及一修整模組30(修整裝置)，用於調整該研磨墊10之上表面狀態。該研磨墊10係附裝於該研磨台11之上表面，而該研磨墊10之上表面提供研磨面。該研磨台11係較佳的連接有一馬達(未圖示)，以馬達使該研磨台11與該研磨墊10沿標示之箭號方向轉動。
該頂環模組20係包含一頂環頭部21，用於固定該基板，並將該基板抵壓至該研磨墊10之上表面、一頂環驅動軸22，連接至該頂環頭部21、以及一頂環擺臂23，係轉動自如的固定該頂環驅動軸22。該頂環擺臂23係由一頂環擺軸24所支持。該頂環擺臂23內設有一未圖示之馬達且該馬達係與頂環驅動軸22連結。另，該馬達可裝設於該頂環擺臂23之外。馬達之轉動係經由該頂環驅動軸22傳輸至該頂環頭部21，其中該頂環頭部21係圍繞該頂環驅動軸22向圖中箭號所指之方向旋轉。
在臨近於頂環模組20處設有一供液裝置25(或者說一用於提供液體之裝置)，用於供應一研磨液及一修整液至該研磨墊10之研磨表面；該供液裝置25具有複數個供應管口，並透過這些管口供應研磨液及修整液至該研磨墊10之研磨表面。該供液裝置25係作為供應研磨液的裝置，以將研磨液供應至研磨墊10之上；並同時作為供應修整液(例如純水)於研磨墊10之上之裝置。該供應研磨液的裝置與供應修整液的機械可分開設置。
該頂環頭部21具有一底表面，設有基板固定表面以透過真空吸引或其他方式固定該基板；該頂環驅動軸22係與未述及之重直傳動機構(例如一氣壓缸)連結。這樣的設置，可透過該頂環驅動軸22經由重直傳動機構，將該頂環頭部21升高或降低。
基板之研磨程序係如下所述：該基板係由該頂環頭部21之底表面所固定，接著該頂環頭部21及該研磨台11開始旋轉；在此狀態下，研磨液係供應於該研磨墊10之研磨表面，且該頂環頭部21係將該基板抵壓至該研磨墊10。於是基板之一表面(底表面)被由研磨液中所包含的研磨顆粒進行的機械研磨動作，以及研磨液之化學研磨動作所研磨。頂環擺軸24係放射狀的設於該研磨墊10之外側並做旋轉，故該頂環頭部21可以在該研磨墊10的研磨位置及該研磨墊10之外的等候位置之間移動。於習知裝置中，用於化學機械研磨(CMP)之裝置如美國專利號7,209,382(引證案1)所述之具有直接氣動晶片研磨裝置，之專利係由Enbara Corporation擁有；而基板固定裝置與基板研磨裝置則如美國專利號6,890,402中所述之專利係由Enbara Corporation擁有，在此皆作為本案之參考。
修整單元30(修整裝置)包含用於與該研磨墊10之研磨表面滑動接觸之修整器31、與該修整器31連接之修整器驅動軸32、以及轉動自如的固定於該修整器驅動軸32之修整器擺臂33。該修整器31之底表面係具有一修整表面，用於與該研磨墊10之研磨表面滑動接觸；而例如鑽石顆粒之研磨顆粒，則係固定於該修整表面。修整器擺臂33係由一修整器擺軸34所支撐，馬達(未圖示)則設於該修整器擺臂33內，並與該修整器驅動軸32連接。馬達之轉動係透過該修整器驅動軸32傳輸至該修整器31，由此該修整器31係圍繞該修整器驅動軸32向圖中箭號所指方向旋轉。
該修整器擺臂33係為由第一臂33A及第二臂33B所鉸接而成的臂狀結構；上述用於旋轉該修整器驅動軸32之馬達(未圖示)係設於該第一臂33A內，而用於使該第一臂33A對這些臂之連接軸線旋轉一預設角度之擺動馬達(未圖示)則係設於該第二臂33B內。當該擺動馬達設定在動作狀態，該修整器31即在研磨墊10之研磨表面上大致向研磨表面之徑向移動。
第2圖為修整裝置30之裝載機構之正視圖；如第2圖所示，修整器驅動軸32係由複數之軸承37所轉動支撐、有一支持基底35固設於該修整器擺臂33(第一臂33A)之上端部、另有一氣壓缸36係一傳動機構，裝設在該固定基底35上。該修整器驅動軸32之上端連接於該氣壓缸36。該修整器31係透過該修整器驅動軸32以該氣壓缸36將其抵壓至該研磨墊10之研磨表面。
第3圖為另一修整裝置30之裝載機構之正視圖如第3圖中所示之裝載機構，基本上與第2圖所示之裝載機構相同，其不同處在於設有一將該修整器驅動軸32向上彈壓之彈簧39。該彈簧39係設於該修整器擺臂33之上部，而該修整器驅動軸32之一上端部係被該彈簧39向上彈壓。於此實施例中，當將該修整器31向該研磨墊10抵壓時，該氣壓缸36將該修整器驅動軸32向下抵壓，使其對抗該彈簧39之向上的壓力。本發明可使用上述任一種機構，而較佳來說，則使用具有彈簧之裝載機構，以在低裝載時減少滯後(hysteresis)的狀況。
在修整該研磨墊10之研磨表面時，該馬達係帶動該修整器31旋轉，接著該氣壓缸36使該修整器31往下移動，以移動該修整器31之修整表面使之與該研磨墊10之研磨表面滑動接觸。此時，該修整器大致向研磨墊10之徑向擺動。該旋轉修整器31的這種運動(擺動運動)可移除附著於該研磨墊10之研磨表面的研磨殘渣及其他類似物體，並恢復該研磨表面。在修整過程中，該供液裝置25供應修整液(例如純水)至該研磨墊10之研磨表面；該修整器擺軸34係放射狀的設於該研磨墊10之外側並做旋轉，故該修整器31可以在該研磨墊10的研磨位置及該研磨墊10之外的等候位置之間移動。以該修整單元30進行的該研磨墊10修整動作可同時包含基板的研磨；當複數的基板相繼的需要進行研磨，則可在研磨之間的空閒時間進行修整。
第4圖為本發明第一實施例中顯示修整單元(修整裝置)主要部分之剖視圖。
第5圖為第4圖中修整裝置之部分平面圖。
如第4圖所示，該修整器31係具有一修整器凸緣41包含一盤狀之上修整器凸緣41A、盤狀之下修整器凸緣41B、以及一修整盤42(修整構件)，而該上修整器凸緣41A之半徑係比該下修整器凸緣41B之半徑較小，而該下修整器凸緣41B之直徑與該修整盤42之直徑相等。於該上修整器凸緣41A與該下修整器凸緣41B之間形成有一小空隙。該修整盤42之上表面係固定於該下修整器凸緣41B之底表面。該修整盤42具有提供上述修整表面之底表面。該上修整器凸緣41A與該下修整器凸緣41B係由同一材質所製成。較佳之材質可例如為包含金屬之材質，例如不銹鋼。
該修整盤42及該修整器驅動軸32係經由上修整器凸緣41A、下修整器凸緣41B、以及一球形軸承45互相連接。該上修整器凸緣41A係固設於該修整器驅動軸32之底端部；該球形軸承45係設於上修整器凸緣41A及下修整器凸緣41B之間，並用於使該上修整器凸緣41A及該下修整器凸緣41B對應互相傾斜。該球形軸承45將來自該修整器驅動軸32之推力負載及徑向負載傳輸至該下修整器凸緣41B及該修整盤42，同時容許該修整盤42對該修整器驅動軸32傾斜。
該球形軸承45係具有形成於上修整器凸緣41A之底表面之一球形凹部45A，形成於下修整器凸緣41B之頂表面之球形凹部45B，以及與該球形凹部45A,45B相滑動接合之球體45C。該球形凹部45A係面朝下，而該圓形凹部45B則係面朝上；該球體45C則是由具有優良抗磨損的材料所製成，例如陶瓷等，該球形凹部45A、該球形凹部45B、以及該球體45C係以該修整器驅動軸32為同一軸心組設。在本實施例中，該球形凹部45A及該球形凹部45B係成形於該上修整器凸緣41A及該下修整器凸緣41B。亦可換個方式，以兩個具有凹部之容納用構件個別設於該上修整器凸緣41A及該下修整器凸緣41B也無妨。
該上修整器凸緣41A及該下修整器凸緣41B係以複數個扭力傳輸銷48(扭力傳輸件)互相耦合，該等扭力傳輸銷48係於該球形軸承45周圍(例如圍繞以該修整器驅動軸32 及該修整盤42為中心軸)以等距離組設。該扭力傳輸銷48係傳輸來自該修整器驅動軸32之扭力至該修整盤42，使得該修整盤42會對該修整器驅動軸32傾斜。
第6圖為下修整器凸緣對應上修整器凸緣傾斜之狀態表示圖，其中每個扭力傳輸銷48係有一個球形滑動表面，該滑動表面係與形成於上修整器凸緣41A之容納孔鬆動接合，而於該扭力傳輸銷48與該上修整器凸緣41A之間形成有一小空隙。當該下修整器凸緣41B與該上修整器凸緣41A對應傾斜，該扭力傳輸銷48亦與該下修整器凸緣41B成一體傾斜，以維持與該上修整器凸緣41A的接合狀態。
該扭力傳輸銷48並不傳輸來自該修整器驅動軸32之推力負載至修整盤42，而僅傳輸該修整器驅動軸32之扭力至該下修整器凸緣41B及該修整盤42；在本實施例中，該扭力傳輸銷48係固設於該下修整器凸緣41B。該扭力傳輸銷48亦可固設於該上修整器凸緣41A。根據以上的組成，該修整盤42與該下修整器凸緣41B可以該球形軸承45為中心進行平衡運動，而該修整器驅動軸32之扭力可以透過該扭力傳輸銷48傳輸至該修整盤42而不影響平衡運動。
該上修整器凸緣41A與該下修整器凸緣41B係進一步以複數個彈簧機構49耦合，該等彈簧機構49係於該球形軸承45周圍(例如圍繞以該修整器驅動軸32及該修整盤42為軸心)以等距離組設，每個彈簧機構49係具有桿體49A及彈簧49B，該桿體49A係固設於該下修整器凸緣41B，並 穿過該上修整器凸緣41A而向上延伸。該桿體49A於頂端部形成有一頂環。該彈簧49B係置於該彈簧機構49之頂環及該上修整器凸緣41A之上表面之間。該彈簧機構49產生一對抗該修整盤42及該下修整器凸緣41B之力，以使該修整盤42回復其原本位置(姿態)。
根據上述之組成，使該修整盤42與該下修整器凸緣41B以該球體45C之中心作為其支點進行平衡運動。在修整過程中，該修整盤42係沿研磨墊10之研磨表面傾斜，該研磨墊10係於修整過程中旋轉。於是，因負載的減少，該修整盤42可得到一令人滿意的修整結果。又，由於該修整盤42的傾斜運動的支點(例如該研磨表面之該球形軸承45的中心點)較低，該修整盤42可緊密的貼沿研磨墊10之研磨表面之起伏。於是，該修整盤42將不容易接收到由於該研磨表面之摩擦所造成的力矩力。結果，該修整盤42可在不過份傾斜的狀況下修整該研磨墊10。又，由於該修整盤42之傾斜運動可以避免該研磨墊10之部分磨耗，故可以實現低負載的修整。
如第4圖所示，呈圓柱狀之第一蓋體53A係固設於該下修整器凸緣41B之上表面，該第一蓋體53A之形狀係為了包圍該修整器凸緣41、該球形軸承45、該扭力傳輸銷48、該彈簧機構49、以及該修整器驅動軸32之底端部。又，復設有用於包圍該第一蓋體53A之上端部之一第二蓋體53B，該第二蓋體53B係固設於該修整器擺臂33(請參照第1圖)，組設成罩蓋該第一蓋體53A之上端部及該修整器 驅動軸32。於該第一蓋體53A及該第二蓋體53B之間形成有一空隙，使該第一蓋體53A在與該下修整器凸緣41B及該修整盤42一體傾斜時不會接觸該第二蓋體53B。該第一蓋體53A及該第二蓋體53B可避免修整液及研磨液接觸該球形軸承45之球體45C，並進一步可避免滑動件(例如該扭力傳輸銷48)產生的碎片掉落至該研磨墊10之表面。
該修整盤42係移動自如的連接於該下修整器凸緣41B，更具體的說，該修整盤42係以至少三個固定螺絲55裝設於該下修整器凸緣41B之底表面(第5圖中以三個該固定螺絲55圖示)。該修整盤42可藉由卸除該等固定螺絲55而移除，並可更換成新的修整盤。
在該修整盤42係由帶有磁性的例如鐵或其他材料材料製成之情形，可將第7圖中之該等固定螺絲55替換成複數之磁鐵56以作為固定該修整盤42至該下修整器凸緣41B之用。在該情形，於下修整器凸緣41B之上表面形成凹部，並將磁鐵置於該凹部中係為較佳的實施方式。
第8圖為本發明之第二實施例中研磨墊修整單元(修整裝置)的主要部分之剖視圖；本實施例之結構及運作方式與第一實施例相同者，皆不詳細描述，並省略重複之描述。
本實施例中之修整模組30不具有上述實施例之彈簧機構49及扭力傳輸銷48；於本實施例中，該上修整器凸緣41A係有彈簧機構及扭力傳輸件般的功能。具體來說，該修整器凸緣41A係由彈性材質所製成(例如樹脂)，並如同板狀彈簧般運作。彈性材質較佳可為縮醛樹脂(POM)等具 有絕佳的機械強度、化學熱特性、以及可加工性。該上修整器凸緣41A之半徑係大於第一實施例中之上修整器凸緣；該修整器凸緣41A係以一環形凸緣板60及複數個螺絲61固設於該下修整器凸緣41B之上表面。
下修整器凸緣41B之上表面形成有一環狀凹部43。該環狀凹部43係與下修整器凸緣41B同中心，且其直徑小於該上修整器凸緣41A之直徑。環形凸緣板60之外徑係大體上等於該上修整器凸緣41A之直徑，而該環形凸緣板60其內徑係等於或略小於成形於該下修整器凸緣41B之該環狀凹部43之直徑。於是，僅該上修整器凸緣41A之周圍部分被該環形凸緣板60及該下修整器凸緣41B所夾持，故該環形凸緣板60及該下修整器凸緣41B不會阻止該上修整器凸緣41A之彈力變形。該環形凸緣板60、該上修整器凸緣41A、該下修整器凸緣41B、以及該修整盤42皆具有相同之直徑；該球形軸承45係與第一實施例之對應元件有相同之構造；該第一蓋體53A之底端係固設於該修整器驅動軸32之周圍表面；該第二蓋體53B之構造，及該第二蓋體53B與該第一蓋體53A之位置關係則係與第一實施例中之描述一致。
為了不使液體(例如修整液)遺留於該上修整器凸緣41A之上表面，在該上修整器凸緣41A與該環形凸緣板60之間至少形成有一輻射狀延伸之溝槽63；該溝槽63係至少形成於該環形凸緣板60之底表面或該上修整器凸緣41A之上表面其中一者。
有一個O環62(密封件)設於下修整器凸緣41B之上表面並圍繞該環狀凹部43；由該上修整器凸緣41A及該凹部43所形成的空間，係由該O環62所密封。由於該球形軸承45係設於此空間內，故修整液、研磨液、研磨殘渣、以及其他類似物皆不會接觸到該球形軸承45，藉此保持了該球形軸承45之潤滑性。該O環62可裝設於該上修整器凸緣41A之底表面，並且，該環狀凹部43可形成於該上修整器凸緣41A之上表面。
於本實施例中，該上修整器凸緣41A係如上所述，作為彈簧機構及扭力傳輸構件之用；具體來說，當該修整盤42及該下修整器凸緣41B對該修整器驅動軸32傾斜時，該上修整器凸緣41A會具彈性的變形。該上修整器凸緣41A的彈性變形使得在修整過程中該修整盤42傾斜並追隨研磨墊10研磨表面的形狀。
第9圖為本發明之第二實施例中修整元件(修整裝置)的修改例之剖視圖。於本實施例中，該上修整器凸緣41A具有一平坦的底表面，且該球形凹部45A並未形成於該上修整器凸緣41A之上，而該球形軸承45係被形成於該下修整器凸緣41B上表面一之球形凹部45B所支撐。在本實施例中，同樣的，該球形軸承45可將推力負載由該上修整器凸緣41A傳遞至該下修整器凸緣41B，同時容許該下修整器凸緣41B及該修整盤42之傾斜。於本實施例中，使用定位銷(未圖示)俾使該上修整器凸緣41A之中心軸及該下修整器凸緣41B之中心軸互相一致。
第10圖為本發明第三實施例中研磨墊(修整裝置)的主要部件剖視圖；本實施例之結構及運作方式與第一實施例相同者，皆不詳細描述，並省略重複之描述。
於該修整器驅動軸32底端部具有一小直徑部32A，該修整器凸緣41之底表面與該下修整器凸緣41B之上表面係相互固定，聯合構成了單一修整器凸緣。該上修整器凸緣41A及該下修整器凸緣41B具有在其中形成之同心之孔洞，而該修整器驅動軸32之小直徑部32A係收容在這些孔洞中。該上修整器凸緣41A及該下修整器凸緣41B經由該球形軸承45傾斜地連接至該修整器驅動軸32之小直徑部32A。更具體的說，有一球形突起45D固設於該修整器驅動軸之小直徑部32A之周圍表面，而球形凹部件45E則係固設於孔洞之內部周圍表面。該球形突起45D及該球形凹部件45E兩者係彼此滑動接合(slidably engage)。
作為彈簧機構之複數個彈簧銷49係固設於該上修整器凸緣41A之上表面，而於第10圖中僅圖示了單一個彈簧銷49。該等彈簧銷49係於該球形軸承45周圍(例如圍繞以該修整器驅動軸32及該修整盤42之軸心)以等距離組設，而該等彈簧銷49係用於將該修整器驅動軸32向上彈壓。該上修整器凸緣41A係透過扭力傳輸銷48與該修整器驅動軸32連接；該第一蓋體53A之底端部係固設於該上修整器凸緣41A之周圍表面；該第二蓋體53B之構造，及該第二蓋體53B與該第一蓋體53A之位置關係則係與第一實施例中之描述一致。
於本實施例中，該上修整器凸緣41A、該下修整器凸緣41B、以及該修整盤42係設成為可對該修整器驅動軸32一體傾斜；故在修整時，該修整盤42可以根據研磨墊10之研磨表面之形狀傾斜。
第11圖係為本發明參考例中修整裝置的主要部件剖視圖；本實施例中未提及之結構及運作方式，係與第三實施例一致，並省略重複的說明。
本實施例中該修整模組30並不具有上述之彈簧機構及扭力傳輸銷，然其具有一波形管(bellows)65用於連結該修整器驅動軸32之下端部及該修整器凸緣41之上表面，該波形管65傳輸來自該修整器驅動軸32之扭力至該上修整器凸緣41A(亦即是該修整盤42)。
若該修整盤42未平順的沿研磨墊10之研磨表面，則可能發生該研磨墊10之部分磨耗。如第11圖中所示之參考例，由於該波形管65係相對較硬，根據該研磨墊10之表面狀況，對該研磨墊10的修整可能不會順利進行。在這種狀況下，則可較佳的採用本發明之第一至第三實施例。第一及第二實施例在結構觀點來看係較第三實施例為佳，其該修整盤42傾斜運動之支點(例如研磨表面至該球形軸承45之中心位置)之高度可較低。
第12圖為以中心支點彈性支撐下修整器凸緣41B(及該修整盤42)為例之模型示意圖；負載F為施加於距離該下修整器凸緣41B中心點L之作用力，位移x為對該下修整器凸緣41B施加一個F之作用力後造成的位移，而kn(n=1,2,…)則係不同彈簧機構之彈性係數。為使該修整盤42根據該研磨墊10的形狀平順的移動，則需要一個能使有適當傾斜剛性之彈性係數K。在第一至第三實施例中，其彈性係數為不小於0.5X104N/m並不大於2X104N/m，或傾斜剛性K θ係不小於12.5Nm/rad並不大於50Nm/rad。在這樣的規格下，其傾斜剛性係定義了當作用力造成旋轉動作(例如扭力)之間，扭力與位移(例如角度)之間的關係值。彈性係數K在第一及第三實施例中代表複數之彈簧機構49所構成的整體彈簧係數，而對第二實施例而言，則代表了具彈性之該上修整器凸緣41A的整體彈性係數。
第13圖為負載F與位移x之間的關係圖；第13圖中之平行軸係如第12圖所示之位移量，而第13圖之垂直軸則為對於上述修整的負載值F(單位：N)；故，第13圖係圖示負載F及位移x之間的關係。如第13圖所示，圖中標點之回歸線不同係基於不同的彈性係數K。第14A圖係為說明當傾斜剛性過大可能發生的潛在問題之示意圖，第14B圖則係為說明當傾斜剛性過小可能發生的潛在問題之示意圖。
在該研磨墊10進行修整的過程中，當該研磨台11轉動時，該研磨墊10的最外圍係以最高約100μm的大小進行波動。在此狀況下，若當該修整盤42之傾斜剛性大時，則如第14圖所示，該修整盤42則不能跟隨該研磨墊10的波動。於是，該修整盤42的周邊僅對該研磨墊10進行局部的磨除。
第15A圖為說明在研磨墊受到修整盤磨耗的情形，其中其彈性係數係大於2X104N/m(或傾斜剛性Kθ大於50Nm/rad)之平面圖，而第15B圖為透過A-A線段觀視第15A圖之示意圖。如第15A及第15B圖所示，當該修整盤42之傾斜剛性大時，部分的該研磨墊10則被大量的磨除。另一方面，第16A圖係為說明在研磨墊受到修整盤磨耗的情形，其中其彈性係數係不大於2X104N/m(或傾斜剛性Kθ不大於50Nm/rad)之平面圖；以及第16B圖係為透過B-B線段觀視第16A圖之示意圖。如第16A及第16B圖所示，當該修整盤42之傾斜剛性程度上太小時，將使該研磨墊10的磨除程度不一致。
如該修整盤42之傾斜剛性係大約為零，且傾斜運動的支點位置較高時，則如同第14B圖所示，該修整盤42將輕易的被該研磨墊10所卡住。於是，在該修整盤42的傾斜運動過程中將產生黏滑現象(跳躍現象)，並造成該修整盤42轉動速度的改變或誤差。第17圖為根據彈性係數或傾斜剛性對於修整盤旋轉速度所造成的改變(或誤差)之示意圖；如第17圖所示，表示該修整盤42在當彈性係數K不小於0.5X104N/m，或傾斜剛性Kθ不小於12.5Nm/rad下之旋轉速度誤差，係小於彈性係數K小於0.5X104N/m，或傾斜剛性Kθ小於12.5Nm/rad狀況下者。
第18圖為彈性係數與旋轉速度之誤差之間的關係，以及彈性係數與研磨墊概況之示意圖；當彈性係數K小於0.5X104N/m時，則傾斜剛性降低。故，修整盤會輕易的受到力矩的施力而傾斜，可歸因於於研磨盤表面產生的摩擦力；且該修整盤容易震動的原因則可歸因於上述之黏滑現象。這樣的震動造成了修整盤的轉動速度的改變(誤差)。
另一方向，當彈性係數K大於2X104N/m時，則傾斜剛性提高，該修整盤42的周邊僅對該研磨墊10局部的磨除，造成了該研磨墊的部分磨耗。於是，為了穩定的磨除該研磨墊，使彈簧機構之彈性係數介於0.5X104N/m至2X104N/m之間的係必要的(或該修整盤42之傾斜剛性介於12.5Nm/rad至50Nm/rad之間)。
如上所述，透過本發明，修整器可於研磨台上適當的修整研磨墊；並且，因為修整負載的下降，在修整過程中所需磨除的研磨墊的量可被縮減到最小，並可增加研磨墊(或固定磨粒拋光墊)的生命週期，於是降低了化學機械研磨裝置的運作成本。又，透過本發明，因修整可在短時間被執行，故研磨墊的狀態可以在相較較短的時間維護，並且提升化學機械裝置及方法的產能。且，修整盤可以輕易的透過移除螺栓或磁鐵進行更換。
上述之實施例係提供於該領域中具有通常知識者可據以實施者。此外，該領域中具有通常知識者可對實施例中做出輕易的修改，而本處所提及之基本原則及特定例子可被運用於其他實施例。故，本發明之內容並以上述實施例為限，而是根據申請專利範圍及其等效之替換所定義者之最大範圍為限。
10．．．研磨墊
11．．．研磨台
20．．．頂環模組
21．．．頂環頭部
22．．．頂環驅動軸
23．．．頂環擺臂
24．．．頂環擺軸
25．．．供液裝置
30．．．修整模組
31．．．修整器
32．．．修整器驅動軸
32A．．．小半徑部
33．．．修整器擺臂
34．．．修整器擺軸
35．．．固定基底
36．．．氣壓缸
37．．．承軸
39、49B．．．彈簧
41．．．修整器凸緣
41A．．．上修整器凸緣
41B‧‧‧下修整器凸緣
42‧‧‧修整盤
43‧‧‧環狀凹部
45‧‧‧球形軸承
45A、45B‧‧‧球形凹部
45C‧‧‧球體
45D‧‧‧球形突起
45E‧‧‧球形凹部件
48‧‧‧扭力傳輸銷
49‧‧‧彈簧機構
49A‧‧‧桿體
53A‧‧‧第一蓋體
53B‧‧‧第二蓋體
55‧‧‧固定螺絲
56‧‧‧磁鐵
60‧‧‧環形凸緣板
61‧‧‧螺絲
62‧‧‧O環
63‧‧‧溝槽
65‧‧‧導口管
第1圖係為化學機械研磨裝置的研磨部之斜視圖；
第2圖係為一修整裝置之裝載機構之正視圖；
第3圖係為另一修整裝置之裝載機構之正視圖；
第4圖係為發明第一實施例中用於修整一研磨墊裝置主要部件之剖視圖；
第5圖係為第4圖中修整裝置之部分平面圖；
第6圖係為下修整器凸緣對應上修整器凸緣傾斜之狀態表示圖；
第7圖係為修整裝置另一例中之部分放大剖視圖；
第8圖係為本發明之第二實施例中研磨墊修整裝置的主要部件剖視圖；
第9圖係為本發明之第二實施例中修整裝置的修改例之剖視圖；
第10圖係為本發明第三實施例中研磨墊修整裝置的主要部件剖視圖；
第11圖係為本發明參考例中修整裝置的主要部件剖視圖；
第12圖係為以中心支點彈性支撐下修整器凸緣為例之模型示意圖；
第13圖係為負載F與位移x之間的關係圖，說明基於不同彈性係數K之標點所成之回歸線示意圖；
第14A圖係為說明當修整器之傾斜剛性過大且旋轉的研磨台過於傾斜時可能發生的潛在問題之示意圖；
第14B圖係為說明當修整器之傾斜剛性過小且旋轉的研磨台過於傾斜時可能發生的潛在問題之示意圖；
第15A圖係為說明在研磨墊受到修整盤磨耗的情形，其中其彈性係數係大於2X104N/m(或傾斜剛性Kθ大於50Nm/rad)之平面圖；
第15B圖係為透過A-A線段觀視第15A圖之示意圖；
第16A圖係為說明在研磨墊受到修整盤磨耗的情形，其中其彈性係數係不大於2X104N/m(或傾斜剛性Kθ不大於50Nm/rad)之平面圖；
第16B圖係為透過B-B線段觀視第16A圖之示意圖；
第17圖係為根據彈性係數或傾斜剛性對於修整盤旋轉速度所造成的改變(或誤差)之示意圖；以及
第18圖係為彈性係數與旋轉速度之誤差之間的關係，以及彈性係數與研磨墊概況之示意圖。
10．．．研磨墊
11．．．研磨台
20．．．頂環模組
21．．．頂環頭部
22．．．頂環驅動軸
23．．．頂環擺臂
24．．．頂環擺軸
25．．．供液裝置
30．．．修整模組
31．．．修整器
32．．．修整器驅動軸
33、33A、33B．．．修整器擺臂
34．．．修整器擺軸

Claims (11)

  1. 一種研磨墊修整裝置，係用於修整研磨墊之裝置，包括：一修整器驅動軸，係可轉動並可垂直移動者；一上修整器凸緣，與該修整器驅動軸耦合；一下修整器凸緣，固定有一修整件；以及一球形軸承，設於該上修整器凸緣與該下修整器凸緣之間，構成為從該修整器驅動軸傳遞推力負載至該下修整器凸緣及該修整件，同時允許該修整件相對於該修整器驅動軸傾斜；其中，該上修整器凸緣係經成形以做為板狀彈簧發揮作用，其係用於產生對抗該修整件的傾斜運動之力量。
  2. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，其中，該上修整器凸緣具有介於0.5X104N/m至2X104N/m之間的彈性係數。
  3. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，其中，該上修整器凸緣係使該修整件之傾斜剛性介於12.5Nm/rad至50Nm/rad之間。
  4. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，其中，該上修整器凸緣係由具彈性之材質製成。
  5. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，復包括：一密封件，設於該上修整器凸緣及該下修整器凸緣之間，其中該球形軸承係設於該上修整器凸緣及該下修整器凸緣之間所形成之一空間，且該空間係被該密封件 所密封。
  6. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，其中，該上修整器凸緣係做為扭力傳送件，用於傳輸該修整器驅動軸之扭力至該修整件。
  7. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，其中，該修整件係以可自由卸除的方式設於該下修整器凸緣。
  8. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，復包括：一罩套，用於包圍至少部分該上修整器凸緣。
  9. 如申請專利範圍第1項之研磨墊修整裝置，其中，在該下修整器凸緣之上表面形成有凹部，且該球形軸承之一部份係位於該凹部中。
  10. 一化學機械研磨裝置，包括：一研磨台，用於支持一研磨墊；一頂環模組，用於一面使工件旋轉一面將該工件抵壓至該研磨墊；一供液裝置，用於供給研磨液至該研磨墊上；以及一如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之研磨墊修整裝置。
  11. 一化學機械研磨方法，包括：使用申請專利範圍第10項之化學機械研磨裝置研磨一工件。
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