(57)【要約】  【課題】  【解決手段】  エンドエフェクタアームを改良したＣＭＰコンディショニング装置は、装置の信頼性及びコンディショニングと研磨操作の品質を改良したものであり、アームへのコンディショニングディスクの簡単な整列／取り付けを提供する機構を有するコンディショナーヘッドを具え、一方、メンテナンス操作のための「クイックリリース」機構も提供している。この改良されたアームは、静止力（「静止摩擦力」）をうけないアームの動き及び研磨パッドに対してコンディショニングディスクによって加える下方向の力のさらなる制御を提供する改良されたアクチュエータを具える。二重駆動プーリシステムを、改良されたエンドエフェクタアーム内で用いることで、アームが「摩耗した」研磨パッドの外形にそって旋回するときに、エフェクタアーム内の駆動ベルトの傾斜が最小になる。【選択図】図３
2009500182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＰコンディショニングシステムにおける研磨パッド面に対する研削コンディションニングディスクの適用を制御するエンドエフェクタアームにおいて、当該エンドエフェクタアームが：
前記エフェクタアームの第１の自由端に配置されているコンディショナーヘッドであって、当該コンディショナーヘッドが、
関連する研削コンディショニングディスクに接触するように配置されているキィ付整列／取り付け要素であって、当該キィ付整列要素が、既知のキィ形状の中央凹部を有する回転翼体を具えており、整列した取付部品に前記研削コンディショニングディスクを係合する少なくとも一の連結部品を具えているキィ付整列／取り付け要素と、
前記コンディショナーヘッドの周辺部に配置されており、前記コンディショナーヘッドから前記コンディショニングディスクを外す必要があるときに、前記キィ付整列／取り付け要素によって提供される前記係合を弱めるのに十分な下方向の力を関連するコンディショニングディスク上に与えるように構成されている少なくとも一のエジェクト機構と、
を具えるコンディショナーヘッドと；
並進運動を制御するように前記エンドエフェクタアームの第２の固定端に配置されて、研磨パッドに対して前記コンディショナーヘッドの下方向の力を加えるアクチュエータ機構と、
を具えることを特徴とするエンドエフェクタアーム。
【請求項２】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記アームが、その中心領域内に配置される磁性材を具える研削コンディショニングディスクと連結して使用され、前記キィ付整列／取り付け要素に連結している部品が、前記研削コンディショニングディスク磁性材に整列して取り付けるように前記中央凹部内に配置された磁性部品を具えることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項３】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記キィ付整列／取り付け要素がさらに、前記回転翼体開口の既知のキィ形状のユニバーサルヨークを具え、当該ユニバーサルヨークが、固定した回転止め／整列態様で前記回転翼体に嵌合して、関連するコンディショニングディスクに駆動力を与えている間も、前記コンディショナーヘッドと前記関連するコンディショニングディスクとの間の整列を維持できることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項４】
請求項３に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記既知のキィ形状が六角形のキィ形状から構成されていることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項５】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記少なくとも一のエジェクト機構がエジェクトピンを具えることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項６】
請求項５に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記少なくとも一のエジェクトピンがばね荷重エジェクトピンを具えることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。  
【請求項７】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記少なくとも一のエジェクト機構が、前記コンディショナーヘッドの周辺部に均等に配置されている複数のエジェクト機構を具えることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項８】
請求項７に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記複数のエジェクト機構が前記コンディショナーヘッドの周辺部の対向する位置に一対のエジェクト機構を具えることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項９】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記アクチュエータ機構が、ピストンと当該ピストンを収容するためのシリンダとを具え、前記ピストン及び前記シリンダは、前記ピストンが前記シリンダ内を動くときに最小の静止摩擦力が生じる材料から構成されることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項１０】
請求項９に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記アクチュエータ機構がさらに、前記シリンダの対向する終端部に設置されている一対の空気式調整器を具え
前記ピストンの双方向制御を提供することを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項１１】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記アクチュエータ機構が：
グラファイトピストンと；
前記グラファイトピストンを囲うガラスシリンダと；
前記アクチュエータの上面に沿って配置されている第１排出チャネルと；
反対側の底面に沿って配置されている第２排出チャネルとを具えており、真空にするときに、前記グラファイトピストンが前記ガラスシリンダ内を動き、空気が、前記第１排出チャネル及び前記第２排出チャネルの少なくとも一方に沿って前記エンドエフェクタアームの中へ排出されることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項１２】
請求項１に記載されたＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記エンドエフェクタアームがさらに：
前記アクチュエータ機構の動きを前記コンディショナーヘッドの動きへと転換するための、前記コンディショナーヘッドと前記アクチュエータ機構との間に配置されている二重駆動ベルト運動装置を具え、当該二重駆動ベルト運動装置は
前記コンディショナーヘッドに第１端部で連結している第１駆動ベルトと；
前記エンドエフェクタアーム内に配置されて、前記第１駆動ベルトの反対側の第２端部に連結しているプーリと；
前記アクチュエータ機構に第１端部で及び前記プーリに反対側の第２端部で連結している第２駆動ベルトとを具え、
前記アクチュエータの動きは、前記第２駆動ベルトを通って、その後前記プーリによって前記第１駆動ベルトへ伝わり、結果的に前記コンディショナーヘッドの動きになり、前記プーリは、前記エンドエフェクタアームが旋回している間、前記プーリの動きを最小にする位置で前記エンドエフェクタアームに沿って設置されていることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項１３】
ＣＭＰシステムのエンドエフェクタアームに使用するコンディショナーヘッドにおいて、当該コンディショナーヘッドが：
磁性材で満たされている中央開口を具える研削コンディショニングディスクと；
前記研削コンディショニングディスクと接触するように配置されたキィ付整列／取り付け要素であって、当該キィ付整列要素が、既知のキィ形状の中央凹部を有する回転翼体を具えており、前記研削コンディショニングディスクの前記磁性材で満たされている中央開口に整列するように、前記中央凹部内に配置されている少なくとも一の磁性部品を具えるキィ付整列／取り付け要素と；
前記コンディショナーヘッドの周辺部に配置されて、前記コンディショナーヘッドから前記研削コンディショニングディスクを外す必要があるときに、前記キィ付整列／取り付け要素によって提供されるこの磁性取付を弱めるのに十分な下方向の力を前記研削コンディショニングディスク上に与えるように構成されている少なくとも一のエジェクト機構とを具えることを特徴とするコンディショナーヘッド。
【請求項１４】
研磨パッド上にコンディショナーヘッドによって加えられる下方向の力の正確な制御を提供できるＣＭＰエンドエフェクタアーム用のアクチュエータ機構であって、当該アクチュエータ機構がピストンと当該ピストンを収容するためのシリンダとを具え、前記ピストン及び前記シリンダは、前記ピストンが前記シリンダ内を動くときに最小の静止摩擦力が生じる材料から形成されていることを特徴とするアクチュエータ機構。
【請求項１５】
請求項１４に記載されたアクチュエータ機構において、前記ピストンがグラファイト材から構成され、前記シリンダがガラス材から構成されて、前記アクチュエータ機構がさらに：
前記アクチュエータの上面に沿って配置されている第１排出チャネルと；
反対側の底面に沿って配置されている第２排出チャネルとを具えており、真空にするときに、前記グラファイトピストンが前記ガラスシリンダ内を動き、空気が、前記第１排出チャネル及び前記第２排出チャネルの少なくとも一方に沿って前記エンドエフェクタアームの中へ排出されることを特徴とするアクチュエータ機構。
【請求項１６】
アクチュエータ機構の動きを、コンディショナーヘッドの動きへと転換するべく前記コンディショナーヘッドと前記アクチュエータ機構との間に配置されている二重駆動ベルト運動装置を具えるＣＭＰエンドエフェクタアームにおいて、前記二重駆動ベルト運動装置が、
前記コンディショナーヘッドに第１端部で連結している第１駆動ベルトと；
前記エンドエフェクタアーム内に配置されて、前記第１駆動ベルトの反対側の第２端部に連結しているプーリと；
前記アクチュエータ機構に第１端部で及び前記プーリに反対側の第２端部で連結している第２駆動ベルトとを具え、
前記アクチュエータの動きが、前記第２駆動ベルトを通り、その後前記プーリによって、前記第１駆動ベルトへ伝わり、結果的に前記コンディショナーヘッドの動きになり、前記プーリは、前記エンドエフェクタアームが旋回している間、前記プーリの動きを最小にする位置で前記エンドエフェクタアームに沿って設置されていることを特徴とするＣＭＰエンドエフェクタアーム。
【請求項１７】
コンディショニングディスクにゼロの下方向の力が加わるように、ＣＭＰコンディショニングシステムの研磨パッドに対する前記研削コンディショニングディスクの適用を制御する方法において、当該方法が：
エンドエフェクタアームの動きを制御するためのアクチュエータ機構を係合させるステップを具え、前記アクチュエータ機構が、ピストンと当該ピストンを収容するためのシリンダとをさらに具え、前記ピストン及び前記シリンダは、前記ピストンが前記シリンダ内を動くときに最小の静止摩擦力が生じる材料から形成されていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、ＵＳ暫定出願第６０／６９７，８９３号、出願日２００５年７月９日に基づいて優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、化学機械平坦化（ＣＭＰ）システムに利用するコンディショニング装置、及び、特に、研磨パッド面に対するエンドエフェクタアームの、十分に制御されて信頼性のある効率的な動きと操作を提供する、改良されたエンドエフェクタアームの構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
化学機械平坦化（ＣＭＰ）に関する分野においては、「パッドコンディショニング」又は「パッドドレッシング」として知られているプロセスを用いて、研磨パッドの表面を修復して、パッドから粒子と使用済みの研磨スラリィ取り除くことで表面の光沢を除去するようにしている。又、パッドコンディショニングは、新たに露出したパッド表面を粗くするように選択的にパッド材を除去することによって研磨パッドを再び平坦化する。パッドコンディショニングは、「非同期実行式（ex-situ）」（すなわち、ウェハ研磨のサイクルとサイクルの間に研磨パッドをコンディショニングする）又は「同期実行式（in-situ）」（すなわち、ウェハ研磨サイクルの一サイクルと同時に又はその間に研磨パッドをコンディショニングする）で行われる。一般的従来技術である「同期実行式」パッドコンディショニングプロセスでは、固定した研削コンディションニングディスクがパッド表面を横断して一掃することで、少量のパッド材と堆積した破砕屑を除去して、パッド表面に新たな凹凸を作り出し、研磨スラリィを自由に流すことができる。次いで、除去したパッド材と破砕屑は使用済みの研磨スラリィと混ざって、パッドから受動的に取り除かれる。
【０００４】
最も典型的な同期実行式コンディショニング構成では、研削コンディショニングディスクは、回転可能なアーム（「エンドエフェクタアーム」又は「コンディショニングアーム」という）内に保持されている。このアームは、使用していないときにディスクを研磨パッドの一部で横切らせることで一掃する。一つの特定の構成が、２００６年５月３０日付でＳ．Ｊ．Ｂｅｎｎｅｒに付与された、米国特許第７，０５２，３７１号に詳細に記載されている。この特許は、本出願の譲受人に譲渡されて、ここに参照されている。図１及び図２は、Ｂｅｎｎｅｒによって教示された例示的なコンディショニング構成を示しており、図１は平面図を、図２は側面図である。ここに示すように、コンディショニング装置１０（以下「コンディショナーヘッド１０」と呼ぶ）は、電動のエンドエフェクタアーム１２に取り付けられており、コンディショナーヘッド１０が研磨パッド１４の表面を横切って前後へ一掃している（図１に弧ＡＢで示す）。研削コンディショニングディスク２２はコンディショナーヘッド１０の基部上に取り付けられていて、ヘッド１０が研磨パッド１４を一掃すると塊状の破砕屑を除去する。エンドエフェクタアーム１２は、コンディショニングディスクへ所定の下方向の力（図２に「Ｆ」で示す）と回転運動（図２に「Ｒ」で示す）を与えるように構成されており、この特定の実施形態では、モータ１７を使用して、固定シャフト１８を中心として弧ＡＢの双方向にエンドエフェクタアームを旋回させて（又はその他の適宜の並進運動を通して）、コンディショニングディスクに回転運動Ｒ及び下方向の力Ｆを提供する。この特定の装置は例示としてのみ考慮するものであり、他のシステムによっても例えば静止研削材（回転コンディショニングディスクに代えて）又はフルパッドラジアスを覆い、従って、コンディショニング効果を提供するためにパッドを一掃することを必要としない研削材構造を利用することができる。
【０００５】
上記で引用したＢｅｎｎｅｒの構造では、開口のあるコンディショニングディスク２２を用いて、研磨パッドから表面の光沢を除去し、除去した破砕屑をコンディショニングディスク２２に形成されている開口を通して及びその周囲を引き込む真空の力を利用して排出する。図１及び２に示すように、真空力Ｖは上方向に破砕屑を引き込んで、チャネル２５を通して破砕屑を排出して、研磨パッド１４から取り除く。開口付コンディショニングディスク２２自体は、機械的構成によって、又はコンディショニングディスク２２とコンディショナーヘッド１０との間に配置した磁気装填デバイス２４のどちらかによってコンディショナーヘッド１０に取り付けられている。コンディショニングプロセスを正確に操作するには、開口付コンディショニングディスクをコンディショナーヘッド中のその他の構成部品に正確に整列させることが重要である。操作中に、パッドと除去機構との間が正確に整列していることで、破砕屑を研磨パッド表面から効率的に排出することもできるからである。又、正確な整列は、ウェハの均一な研磨の改良と欠損を減らすための主要素であり、結果として生じる研磨パッドの平坦性のためにも重要である。
【０００６】
大量生産を要する産業で利用する場合は、集積回路形成プロセスの間に半導体ウェハの平坦化が繰り返して使用される限り、各平坦化操作の前及びその間で高額な費用及び労力を費やすことになるため、ＣＭＰ装置及びプロセスを絶えず改良することが必要である。平坦化に関する品質の問題はいずれも、ウェハ全体を処分する必要があるまで多数の「ダイス」又は小片を浪費することになるので、これは間違いなく望ましくない事象である。そして、コンディショニング及び研磨に関する品質の問題に対処する必要がある一方、効率及び費用に関する問題を無視することはできない。そこには、「品質」と「費用」がしばしば密接に関係する領域にある。
【０００７】
例えば、ＣＭＰ構造から研削コンディショニングディスクを取り外すためには（すなわち、ディスクを交換してプロセスを再度適格なものとする）、磁力又は機械力を弱めて、ディスクをコンディショナーヘッドから引き離すために、コンディショニングディスクを手でねじって、ゆるめて、および／または、掴んで、取り外さなければならない（例えば、ブレードを用いて）。時には、この手動の操作は取扱いにくく、研磨パッド表面上へ望ましくない微粒子を落としてしまうことがある。多くの場合、コンディショナーのエンドエフェクタアームと研磨パッド自体との間には、ほとんど隙間はない。加えて、コンディショニングディスクの取り外しに関わるどんなプロセスも、クリーンルーム環境下で行われることがほとんどである。クリーンルームでは、人はグローブ（可能である限りその他ぎこちない服装）を身につけなければならないので、動きにくく／不器用になり、結果的には、ディスク又は存置されている部品の損傷や不整合を引き起こしてしまう。研削コンディショニングディスクの非平坦性は研磨パッド表面の非平坦性になるので、コンディショナーヘッドに対して研削コンディショニングディスクに不整合が生じると、プロセスを再度適格なものにする問題が生じる。コンディショニングディスクにコンディショナーヘッドに対する不整合が生じると、研磨パッド表面での半径方向の変化（ウェハの接触時間の差による様々な摩耗率から生じる共通の問題）はさらに大きくなる。この技術の現状のプロセスでは、パッド上の両領域に大きな力又は大きな摩耗を生じさせてウェハ研磨欠損の原因となる溝又は中心領域を残すため、結果的には研磨が不均一となり、さらに悪いことには、研削ディスクが振動するようになり粒子汚染が生じる。不整合によってスラリィが増えると研磨欠損を起こす大きな粒子（塊）にもなる。
【０００８】
別の問題は、エンドエフェクタアーム自体の並進運動に関するものである。従来の使用では、コンディショニングプロセスの間にエンドエフェクタアーム１２が上がったり下がったりすると、このアームはＺ方向（すなわち「上」及び「下」）に移動する。この並進運動はエンドエフェクタアーム内に設置されたアクチュエータ２０によって制御されている。従来型アクチュエータのダイヤフラム又はピストン動作には問題があり、ダイヤフラムは信頼性に乏しいことが分かっている。加えて、従来のエアシリンダピストンは、しばしば、アクチュエータの動きを開始させるために５ポンド・平方インチ（p.s.i）以上の力を必要とする（すなわち、アセンブリの静止力及びシール摩擦を破るため）。このように、ほとんどの場合、研磨パッド上に加えるコンディショニングディスクの下方向の力は初期摩擦力に勝っており、その後、システムを正しい設定点へ動かすために正確な力を提供する必要がある。設定点を維持するために５ポンド・平方インチ（p.s.i）よりも少ない力が必要とされる場合には、解除力は容易に達成されるものではない。いくつかの設備では、持ち上げる力は正圧ではなく、真空（減圧圧力）によって与えられる。この構造を用いて、エンドエフェクタ自体又はアクチュエータ内の摩擦部品の重量を正確にオフセットすることはできないので、小さい下方向の力（例えば、２ポンドより小さい）を調整することは不可能である。これらの従来技術のアクチュエータの問題の結果として、研磨パッドの過剰なコンディショニング／ドレッシングをしてしまい、研削のための小さな下方向の力を一定して繰り返すことができない。代替的に又は追加的に、このような従来技術のシステムは、「部分的パッドコンディショニング」と呼ばれるモードで、アクチュエータの過剰なサイクルに関連するメンテナンスを増やす必要がある。部分的パッドコンディショニングモードは、パッドの摩耗率を減らすために、コンディショニング操作の間、「オン」と「オフ」状態間でパッドのドレッシングを繰り返す機能を提供する。このモードは、連続的なコンディショニングで小さい下方向の力の不足を補償する。部分的パッドコンディショニングは、プロセスの開始及び停止位置が正確に制御されない場合に、不均一なドレッシングをもたらすこともある。これは、より低い処理能力、質の低い研磨操作、及び潜在的にプロセス制御に関する中断時間をもたらす。
【０００９】
その上、掃引コンディショナーを利用する場合には、研磨パッドが古くなって上端表面が平らでなくなると、エンドエフェクタアームはわずかに旋回して、又はコンディショナーヘッドが前後に掃引するときに高さの違いを調整する必要がある。ほとんどの場合、この旋回範囲は研磨パッドの中間ライフ厚さのために規定される設計パラメータの「レベル」として、全体で１０°以下であることが望ましい。エンドエフェクタアーム内のどんな機械駆動部品も、正確な整列／係合を維持しつつ、この範囲を通して移動できなければならない。不整合によって、様々な信頼性および／または粒子の発生（研磨欠損）の問題を生じることもある。
【００１０】
このように、この技術分野では、研磨／コンディショニングの品質、効率、及び信頼性に関するＣＭＰシステムの全体的な操作を更に改良するために高い信頼性と簡易な運用性を提供するＣＭＰシステム用の改良されたコンディショニング装置及び方法が求められている。
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、従来技術に残るこれらの必要性に対処したものであり、化学機械平坦化（ＣＭＰ）システム用コンディショニング装置、特に、コンディショニングプロセスの間の、研磨パッド表面に対する前記エフェクタアームの十分に制御された効率的な動きと操作を提供できるように改良されたエンドエフェクタアームの構造に関する。
【００１２】
本発明によれば、コンディショニング装置のエンドエフェクタアームは、コンディショニングディスク自体のメンテナンスを簡単にするように、互いに機能する様々な機構を具えて形成されている一方で、コンディショニングディスクによって研磨パッド表面上へ加えられる下方向の力の正確性と制御を改良している。本発明の改良されたエンドエフェクタアームは、研磨パッド表面のより整合的なドレッシングを提供して、この結果コンディショニングプロセスで、研磨プロセスのパラメータが生じて反転する変化の機会を制限することによって、関連する研磨操作の品質及び効率を改良している。
【００１３】
本発明の例示的な実施形態では、研削コンディショニングディスクを取り外して再配置するための「クイックリリース」機構を用いて、コンディショナーヘッドに接触させるツールを不要とする、又は人がディスク自体と物理的に接触することを不要にする。ＣＭＰシステムの汚染又は研削コンディショニングディスクのメンテナンス操作を行う時に生じる破損の可能性を制限するときに、これらの従来技術の動作が減少する。クイックリリース機構は、一又はそれ以上のエジェクト機構（たとえば、ピン又はプランジャ）の形をしており、コンディショナーヘッドを通って配置されており、この機構を押し下げることでこのディスクを取り外せるようにコンディショニングディスクに接触している。コンディショニングディスクとコンディショナーヘッド自体内に配置された磁気探知器形式の受動的な整列装置を具えることで、コンディショニングディスクの信頼性がさらに改良され、交換時にディスクを自動的にコンディショナーに取り付けて整列させることができる。
【００１４】
本発明の一の実施形態では、一対のエジェクト機構（通常は、ばね荷重ピン）は、改良されたエンドエフェクタアームのコンディショナーヘッドの周辺部の対向する位置に、前記機構を下方に押し下げると、この機構が研削コンディショニングディスクとコンディショナーヘッドとの間の磁気又は機械による保持力を解除するのに十分な力で研削コンディショニングディスクの裏面と接触するように配置されている。
有利なことに、十分にバランスのとれた力を手動で当該機構に与えて、追加ツール又はコンディショニングディスク自体の物理的な取扱を必要とすることなく、迅速かつ容易に研削コンディショニングディスクの取り外しを行うことができる。
【００１５】
コンディショニングディスクを通して研磨パッドに加える下方向の力の制御に関する品質的な改良は、エンドエフェクタアームの垂直方向の運動とＣＭＰ研磨パッド上にアームコンディショナーヘッドによって加えられる下方向の力の両方を制御する「静止力」（静止摩擦力）を受けないアクチュエータを組み込んだ本発明の改良されたエンドエフェクタアームに従って達成される。本発明の一の実施形態では、ゼロ静止摩擦力アクチュエータは、グラファイトピストンを有するガラスハウジングを含む２方向ピストンを具えることができる。このグラファイトピストンは、ガラスハウジング内に密着して動き、側部周りでわずかに漏れるのみで、実質的にはこれらの間のかなりの静止摩擦力を除去できる。フィードバック漏出圧力を能動的に排出する精密空気式調整器を用いて、アクチュエータの双方向運動の正確な制御を提供して、結果的にコンディショニングヘッドに対する下方向の力を正確に利用できる。
【００１６】
研磨パッドが古くなったときの（結果として非平坦な研磨パッド表面となる）コンディショナーヘッドの傾斜に関する品質的な問題に対し、本発明ではエンドエフェクタアーム内の２重駆動／中間プーリ装置を用いて対処している。一対の駆動ベルトを用いることで、前記アームが摩耗した研磨パッドの非平坦表面に合致して、ベルト駆動システムの望ましくない傾斜した動きを最小にする。特に、「分割」二重駆動ベルトを用いて、前記アームが旋回する必要がある支点間距離を半分に分けることにより、研磨パッドが古くなるときにベルトが従わなければならない傾きを減らすことができる。
【００１７】
本発明のその他の及びさらなる態様及び利点は、以下の記述及び添付した図を参照することで自明である。
【００１８】
添付図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明によれば、ＣＭＰシステムの改良されたエンドエフェクタアームは、正確かつ十分に制御されたコンディショニングプロセスを提供するために開発され、結果的に、研磨パッドの品質と耐用期間を改良し、最終的には、ＣＭＰシステムによる研磨／平坦化プロセスの品質を改良する。エンドエフェクタアームは基本的にコンディショニング操作の制御機構なので、様々な態様でアームの構成部品を改良することによって、ＣＭＰ装置の信頼性を増すこと及びメンテナンスの簡素化と、コンディショニング及び研磨プロセス全体の品質を改良することを早急に実現する。本発明の改良されたエンドエフェクタアームは、連携追加方式で機能する様々な機構を取り入れることでアーム自体の性能及び信頼性を改良し、結果的にコンディショニング及び研磨プロセス全体の品質を改良する。
【００２０】
図３は、上記に概要を述べた態様の本発明に従って形成した例示的に改良されたエンドエフェクタアーム３０の切断等尺図を示す。特に、改良されたエンドエフェクタアーム３０は、研削コンディショニングディスク３６をコンディショナーヘッド３８へ簡単に整列させ／取り付ける機構（図５に整列／取り付け機構３２のさらなる詳細を示す）と、所望するとき（修理、洗浄、交換又はその他）にコンディショニングディスクを簡単に取り外すことができる機構を具えている改良されたコンディショナーヘッド３８を具える。本発明の改良されたエフェクタアームの取り外し機構は、研削コンディショニングディスク３６とコンディショナーヘッド３８との間の力（例えば、離脱止め部品による磁力又は機械的連結、ラッチなど）を弱める一組のクイックリリースエジェクト機構３４（図６に詳細を示す）を具えており、追加的なツールを使用して又は手動でコンディショナーヘッドからディスクを取り外す必要がない。下記の図面を参照すると、図３もコンディショナーヘッド３８が取り付けられているアーム３０の終端部３５を示しており、ここではコンディショニングディスクの運動と関連しているロータリーユニオン３７も示されている。
【００２１】
本発明によれば、改良されたエンドエフェクタアーム３０はさらに、この特定の実施形態で、改良されたエンドエフェクタアーム３０の反対の端部４２内に配置されたゼロ静止摩擦力アクチュエータ機構４０を具える。ゼロ静止摩擦力アクチュエータ機構４０は、ピストンがシリンダに沿って動く際にあったとしても、ほんのわずかな静止摩擦力しか生じないピストン及びシリンダ構造を具えており、この結果、打ち勝つべき初期静止摩擦力（「解除力」）がないので、コンディショナーヘッド３８に加える下方向の力をより正確に制御する機能を提供する（例えば、分解能は５０グラム又はそれより少ない）。以下、詳細に述べるように、この下方向に加える力を正確に制御する機能によって、結果として下方向の力を「ゼロ」にすることができ、研磨パッドに機械的な摩耗が生じることなくコンディショナーヘッドを下げておくことができる。この下方向に加える力を正確に制御することによって、最も有利には、研磨パッド上の変化する半径方向の位置で、コンディショニング中に研磨パッドの研磨レートを様々に制御することができる。実際には、研磨パッドは、回転速度の差によって、中間部分は早く、中央部及び縁部はゆっくりと摩耗する。これらの半径方向の位置に、より大きい力を加えることによって、パッドの研磨レートが早くなり、この結果、パッド全体の耐用期間を減らすことがなく、パッド輪郭又は形状をより正確に制御することができる。この機能は、半径方向の位置に対する化学物質又はその他の物質を投入するゼロの下方向の力を制御もできる。これらの利点は、これまでは、従来型のエンドエフェクタアーム構造では不可能であった。アクチュエータ機構４０の操作及び利点を図７及び８を参照して以下に詳述する。
【００２２】
又、図３の改良されたエンドエフェクタアーム３０には、２重駆動／中間プーリ装置８０が示されており、これは、関連している駆動ベルトの望ましくない傾斜した動きが生じる支点間距離を、原則として半分に「分ける」ことによって、アーム３０が旋回するときに、このような望ましくない動きを最小化する。これらの改良されたエフェクタアーム３０の様々な態様を以下に詳述する。
【００２３】
図４は、本発明の改良されたエフェクタアーム３０におけるコンディショナーヘッド３８の選択した構成要素の分解図である。一部の要素はこの発明の主題に関係ないので、その詳細は述べない。又、エフェクタアーム３０の終端部３５及びロータリーユニオン３７を、コンディショナーヘッド３８とエフェクタアーム３０の構成部品間の関係をわかりやすくするためにこの図に示す。本発明によれば、図４の分解図に示すように、一対のエジェクト機構３４（この特定の実施形態では、一対のピンとして示す）は、コンディショナーヘッド３８に連結して配置されて、磁力を弱めてコンディショナーヘッド３８からコンディショニングディスク３６を素早く外すために用いられる。図４には、磁石式キィ付整列／取り付け装置３２を示し、装置３２は図５に関連して下記に説明されている。図４に示すヘッド３８のその他の構成要素は、研磨パッド表面から破砕屑を引き込む真空チャンバを具えており、この真空チャンバは、上端プレート４１、外側真空チャンバ４３及び内側真空チャンバ４５を具えている。図４から、真空ポート４３−Ｐは、外側真空チャンバ４３に沿って所定の出口位置に配置されていることがわかる。上述したように、ポート４３−ｐを通して真空力とし、コンディショニングプロセスによる破砕屑は、研磨パッド表面から引き離されて、破砕屑はコンディショニングディスク３６の開口を通ってチャネル２５を通り、ごみ処理システム（図示せず）へと排出される。
【００２４】
図５を参照すると、例示的な開口のあるコンディショニングディスク３６が、磁石式のキィ付整列／取り付け装置３２に関連して示されており、この特定の実施形態では、六角形のキィを用いて回転止め整列装置を形成している。本発明によれば、研削コンディショニングディスク３６は、磁性材３９で満たされている中央のキィ開口４２を具えるように構成されている。取り付け装置３２は、中心開口３１−Ａ及び開口３１−Ａ内に合致するヨーク３３を有する回転翼体３１を具えるように示されている。従来技術の構成では、コンディショニング装置が高価で、かつ複雑であるのに加えて、コンディショニングディスクをコンディショナーヘッドに取り付けるために分離磁気ディスク部品（又は別の機械的構成要素）が必要である。本発明によれば、この分離構成部品は不要であり、前記整列／取り付けプロセスは、回転翼体３１の中心開口３１−Ａ内に配置された複数の磁性要素４４を用いることによって、かなり簡単になっている。これらの磁性要素４４は磁性材３９に整列するようにコンディショニングディスク３６のキィ開口４２内に配置されて、研削コンディショニングディスク３６とコンディショナーヘッド３８との間に望ましい取り付け及び整列を提供している。結果的に、比較的単純な態様で、コンディショニングディスクのコンディショナーヘッドへの取り付け、整列を簡単に繰り返すことができて（各整列はできれば６０°内（六角形）であり、通常の駆動機構（ピンを駆動する）は１８０°である）、ＣＭＰコンディショニングプロセスの全体の効率及び品質を改良する。例示的なヨーク３３及び開口３１−Ａの六角形は、例示としてのみ考慮するものであり、所望のタイプの回転止め／整列と、ロータリーユニオン３７（図４）、ヨーク３３とディスク３６との間に駆動力の機能を提供する様々な他の形状がこの部分に用いられることに留意すべきである。また、下記の記載から明らかなように、コンディショナーヘッド３８上の研削コンディショニングディスク３６の「後ろ側」／クイックリリース装着と共に、整列／取り付け装置３２を利用することによって、アームからディスクへ駆動トルクを効率的に伝達する一方で、発生した粒子を収容して、粒子による研磨パッドの汚染を防止するシステムを提供する。
【００２５】
図６は、ヘッド３８からコンディショニングディスク３６を効率的に離脱させるために用いる改良されたエフェクタアーム３０の本発明のクイックリリースエジェクト機構３４の詳細を示す分解図である。上述したように、従来技術のエフェクタアーム構造は、手でディスクを握り、ブレードを用いてこれを引き離して研削コンディショニングディスク３６とコンディショナーヘッドとの間の磁力又は機械的な力を弱めて、研削コンディショニングディスクを取り外す必要がある。これは、ほとんどの場合、コンディショニング装置と研磨パッド自体の間にはほとんど隙間がないので、扱いにくい作業である（図２を参照）。その上、この取り外しプロセスはクリーンルーム環境下で行われることがほとんどであり、この作業者はグローブその他動きにくい服装を身につけなければならず、ディスクをコンディショナーヘッドから外すときに、ディスク又は残った部品が損傷する可能性が増える。これらの従来の手動の取り外しプロセスによると、ツールを損傷させる汚染原因がこの環境中へ入る機会を与えてしまい、例えば、スラリィの除去に関連する粒子状汚染源、および／またはＣＭＰ装置部分に望ましくない穴をあけてしまう。さらに、これらの粒子によって、ウェハにスクラッチ傷が生じおよび／またはさらなる処理のためにＣＭＰ装置を再度適格にするときに問題が生じる。
【００２６】
本発明によれば、「クイックリリース」装置が開発されており、これは、コンディショナーヘッド３８を通してコンディショニングディスク３６の後ろ側表面に対して下方へ、一対のピン要素５０を動かす一対のエジェクト機構３４を用いている。図６の特定の実施形態では、前記エジェクト機構に「ピン」を用いているが、好適な機械的「ラッチを外す」装置であればいずれを用いてもよいと解される。説明を簡単にするために、ここでの説明には「エジェクトピン」という言葉を用いているが、「機構」のより上位概念を同様に適用できることは自明である。図６を参照すると、エジェクトピン３４の例示的な実施形態は、上側ハウジング要素５４を有し、ピン要素自体が簡単に動くことができる大きさとして示されている。この特定の実施形態では、ピン要素５０はばね５６によって、上側ハウジング５４内でばね荷重がかかっており、ピン要素５０はその初期位置に戻ることができる。しかしながら、このようなばね荷重は選択的なものと考えられ、ピン要素５０を容器に入れて移動させるその他の手段を利用することもでき、これは本発明の範囲内である。図６に示す下側ハウジング５８は、ピン要素５０を容器に入れて、ピン要素５０をコンディショナーヘッド３８を通って出して、コンディショナーディスク３６の後側表面に接触させて、コンディショニングディスク３６の磁性要素３９と回転翼体３１の磁性要素４４との間の保持力を弱める。コンディショニングディスク３６を洗浄、交換、又は修理したときには、回転翼体３１の近くへディスク３６を運ぶことによって再度の取り付けを簡単に行うことができる。ここでは、キィ付構造によって、回転翼体３１の磁性要素４４がコンディショニングディスク３６を引きつけ、自動的にディスク３６をコンディショナーヘッド３８に配列することを提供する。図６で説明している特定の実施形態は、適当な場所にコンディショニングディスク３６を支持する磁気システムを利用しているが、様々なタイプのねじ、戻り止めそしてラッチ機構などの様々な機械装置を利用できることも自明である。本発明のエジェクトピン３４を利用して、これらの機械機構を押し下げて、研削コンディショニングディスクをコンディショナーヘッドから外すこともできる。
【００２７】
図４及び図６の両方を検討すると、エジェクトピン３４が磁石式キィ付整列／取り付け装置３２を「取り外す」ことができるように設置されており、ピン要素５０はコンディショナーヘッド３８内で自在に動く。好適な実施形態では、一対のエジェクトピン３４が用いられており、このピンは図６に示すようにコンディショナーヘッド３８の対向する側部に配置されて、平均のとれた均一な突出力をコンディショニングディスク３６に対して与えている。
【００２８】
改良されたエンドエフェクタアーム３０の品質改良の別の態様は、上述したように、ヘッド３８の「上方向」及び「下方向」の動きを制御するためのゼロ静止摩擦力アクチュエータを利用することであり、これは、コンディショニングディスク３６によって研磨パッド表面に対して加えられる下方向の力Ｆとコンディショニングディスク３６自体の回転速度の両方を制御する。これまで、従来のアクチュエータのピストン動作には問題があり、しばしば、アクチュエータの動きを開始させるためには、ピストンとハウジングとの間の固有の静止摩擦力の結果、５ポンド・平方インチ（p.s.i）以上の力を必要としていた（「解除力」と呼ぶ）。このように、ほとんどの場合は、研磨パッドに対してコンディショニングディスクが下方向に加える力はこの初期の摩擦力に勝るものでなくてはならず、適正な操作設定点を達成するために修正力を提供する必要がある。それゆえ、設定点を維持するために５ポンド・平方インチ（p.s.i）より少ない力を必要とする場合は、しばしば、必要な解除力を達成することができなかった。さらに、いくつかの従来技術のエンドエフェクタアームアクチュエータは真空を利用して持ち上げられ、機械的な構成部品の重量を確実にオフセットすることはできず、比較的小さい下方向の力（例えば、２ポンドより少ない）によるコンディショニングをすることはほぼ不可能である。
【００２９】
本発明によれば、これらのアクチュエータに関連する問題を、改良されたエフェクタアームに「ゼロ静止摩擦力」アクチュエータ４０を取り込むことによって、克服している（「静止摩擦力(stiction)」の用語は、「静止力(static friction)」の場合を規定するために用いる）。図７は、本発明の例示的なゼロ静止摩擦力アクチュエータ４０の切断図であり、図８はケースに入れたアクチュエータ４０の等尺図を示している。図７及び８の両方から、上側排出チャネル６２及びポート６１がアクチュエータ４０の上面６４に形成されていることがわかる。図７では、下側の排出チャネル６５及びポート６６は、アクチュエータ４０の底部に形成されている。これらのチャネルによって、漏出圧力の排出を制御できる。
【００３０】
アクチュエータのピストンとハウジングに特定の材料を選択することで、初期に適所にピストンを止めておく静止摩擦力を除去できないまでも、著しく減らすことができる。本発明の一の特定の実施形態では、アクチュエータ４０は、エアポート社(Airport Corporation)によって製造された、ピストン７０が内部で動くガラス（例えば、ホウケイ酸ガラス（Ｐｙｒｅｘ（登録商標）ブランドのガラス）又はアルミノケイ酸塩ガラス）シリンダ７２にぴったり一致する直径を有するグラファイト複合材ピストン７０を具えている。グラファイトピストンとガラスハウジングとを組み合わせることによって、従来の空気式アクチュエータピストンを適当な位置に止めて、そして、動かすためにかなりの初期力を必要とする、初期の「静止力」を大幅に減らすことができる。実際に、本発明のゼロ静止摩擦力アクチュエータ装置では、初期の「推進」力を必要とすることなく上方向及び下方向にほんの５０グラムの重量を滑らかに移動させることができる。ほとんど又は全く静止摩擦力を生じさせないその他の材料の組み合わせを、本発明のゼロ静止摩擦力アクチュエータに用いることもできる。
【００３１】
図７及び８を再度参照すると、ピストン７０が圧力制御されて、シリンダ７２内で上下に移動するので、移動した空気（又はガス）が、排出されて上側チャネル６２（又は場合によっては、下側チャネル６５でもよい）を通るように向かう。すなわち、ピストン７０が上方へ動くときには、この空気は、上側チャネル６２を通るように力を受けて、エフェクタアームの排出システムの中へポート６１から出ていく。ピストン７０が下方へ動くと、この空気は、下側チャネル６５の中へ、次いでポート６６を通して、同じ排出システムの中へ押し進められる。本発明の好適な実施形態では、空気式調整器が、アクチュエータ機構４０の各側部に配置されており、各方向へピストン７０を平衡して制御している。この排出通路は、改良されたエフェクタアーム３０に沿って進んでコンディショニングプロセスから離れることで、この通路に沿って空気が汚染することを防ぎ、又は研磨及びコンディショニングプロセス自体で用いる様々なガス及びスラリィと接触するのを防ぐ。
【００３２】
ゼロ静止摩擦力アクチュエータ４０と精密にインラインの力を測定（言い換えると、伸張と圧縮の両方）する機能とを組み合わせることによって、本発明の改良されたエンドエフェクタアームを、「ゼロ」の下方向の力から４０ポンド以上の下方向の力の範囲の、非常に良く制御された下方向の力で操作することができる。実際に、真空と研削コンディショニングプロセスに関連する追加的な力と合わせたエンドエフェクタ自体の機械の自重は、アクチュエータの動きとコンディショナーヘッドに加える下方向の力を精密に制御する機能によって補償できる。我々の係属中の出願に開示されているように、この精密なコンディショナーヘッド制御と真空洗浄機能を組み合わせることで、機械的研削動作を一時的に止めながら、本発明のコンディショナーをパッド表面に近接した状態に維持できる（すなわち、そこにある力を合計すると、結果的にコンディショニングディスクに加えられる下方向の力は「ゼロ」である）。それゆえ、真空の開口領域は安定を保つことができ、様々な排出プロセスの関連する流れの特性は機械的研削動作が利用されているかどうかにかかわらず、同等に浪費される。ゼロ静止摩擦力アクチュエータに取り込むことでコンディショニングディスク上の下方向の力を精密に及び正確に制御し調節するこの機能によって、コンディショニングプロセスの真空と機械的態様の独立した制御が可能になり、結果的にさらに有効かつ効率的なコンディショニングプロセスが可能になる。
【００３３】
ゼロ静止摩擦力アクチュエータを用いることで、力制御の課題（真空及び加える力の両方）は改良したが、研磨パッドが古くなり始めて、表面が非平坦になるというエンドエフェクタアーム内の問題が残る。パッドが摩耗すると、断面が「バスタブ」形状となり、中心と径の縁部領域がより厚くなる。これらの領域には、このより厚い「ゾーン」内でウェハ表面へより大きい力が加えられてしまうという問題がある。これらのより大きい圧力によって、パッドの中心と縁部ゾーンに対応してより早く局所的な研磨が生じ、より高い頻度でスクラッチが生じ、ウェハの外側領域で振動型の欠損が引き起こされる。相応じて、研磨パッドが古くなり始めて、上端表面が非平坦であるときには、エンドエフェクタアームはわずかに旋回する必要がある（又は垂直方向に動く）。これは、加えた力に影響して、前述した力の制御（静止摩擦力に対応する）が早い時期に複雑になる。旋回動作をする際には、旋回範囲は、ほとんどの場合、研磨パッドの中間ライフの厚さに対して規定される設計パラメータの「レベル」として、全体で１０°以下であることが望ましい。本発明の改良されたエンドエフェクタアーム３０内の新規な２つのプーリ（二重駆動）システム８０は、駆動ベルトによって生じる撓みを最小とするように、駆動モータ／ギアボックスからの回転運動を伝達することによって回転機構の信頼性を改良する。
【００３４】
図９は、改良されたエフェクタアーム３０の例示的な二重駆動装置８０の構成要素の分解図である。この特定の図は、アーム３０の終端位置２５（コンディショナーヘッド３８に連結されている）とアクチュエータ４０を具える固定端部４２の両方を説明している。二重駆動装置８０は、第１駆動ベルト８２と第２駆動ベルト８４を具えており、両方のベルト８２及び８４はプーリ８６に連結している。示すように、第１駆動ベルト８２は、コンディショナーヘッド３８へ向けて外方に延在しており、第２駆動ベルト８４は、アクチュエータ４０に連結して内方に延在して、コンディショニングディスク（図示せず）の望ましい回転運動を開始する。本発明のこの特定の実施形態では、第１駆動ベルト８２は、プーリ８６の下側部８８と接触しており、第２駆動ベルト８４はプーリ８６の上側部９０に連結している。
【００３５】
図９に示すように、プーリ８６は、アーム３０の上／下旋回ポイントの範囲をちょうど超えて位置しており、旋回している間の動きが最小になる。アームが上がって、駆動装置に荷重がかからない時に、ほとんどの場合に撓みが生じるので、本発明によれば、この「レベル」位置は、中間ライフ（一般に研磨パッドは０．０３”乃至０．０５”範囲の「ライフ」を有する）で好適に設定される。本発明の二重駆動装置の外側部は、第１駆動ベルト８２を具えて、原則として「固定され」て、研磨パッドが古くなるにもかかわらず整列している。
【００３６】
要約
エンドエフェクタアームを改良したＣＭＰコンディショニング装置は、装置の信頼性及びコンディショニングと研磨操作の品質を改良したものであり、アームへのコンディショニングディスクの簡単な整列／取り付けを提供する機構を有するコンディショナーヘッドを具え、一方、メンテナンス操作のための「クイックリリース」機構も提供している。この改良されたアームは、静止力（「静止摩擦力」）をうけないアームの動き及び研磨パッドに対してコンディショニングディスクによって加える下方向の力のさらなる制御を提供する改良されたアクチュエータを具える。二重駆動プーリシステムを、改良されたエンドエフェクタアーム内で用いることで、アームが「摩耗した」研磨パッドの外形にそって旋回するときに、エフェクタアーム内の駆動ベルトの傾斜が最小になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、従来技術のコンディショニング装置の平面図である。
【図２】図２は、図１の従来技術の装置の側面図である。
【図３】図３は、本発明に従って形成された改良されたエフェクタアームの切断等尺図である。
【図４】図４は、本発明の改良されたエフェクタアームのコンディショナーヘッド部分の分解図である。
【図５】図５は、図４のコンディショナーヘッド内の磁性六角形キィ構造のさらなる詳細図である。
【図６】図６は、図４のコンディショナーヘッド内のコンディショニングディスククイックリリース機構のさらなる詳細図である。
【図７】図７は、図３の改良されたエフェクタアームに用いられるゼロ静止摩擦力アクチュエータの切断側面図である。
【図８】図８は、図７のアクチュエータが収まった状態の等尺図である。
【図９】図９は、コンディショナーヘッドの「傾斜」を制御するために用いる図３の改良されたエフェクタアーム内の分割駆動プーリ機構の部分的分解等尺図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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