CN101905444A - 修整装置、修整方法和抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修整装置，该修整装置用在用于抛光基片以使基片的表面平面化的抛光装置中。修整装置包括修整器盘、联接至修整器盘的修整器驱动轴、构造成通过修整器驱动轴将修整器盘压在抛光垫上的气压缸、构造成测量供给气压缸的气体压力的压力测量设备、构造成测量作用在修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备和构造成控制供给气压缸的气体压力的压力控制器。压力控制器构造成基于压力测量设备和载荷测量设备的测量值建立气体的压力与所述修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

Description

修整装置、修整方法和抛光装置

技术领域

本发明涉及一种用于修整基片例如半导体晶片的抛光中使用的抛光垫的修整装置和修整方法。更特别地，本发明涉及一种在用于抛光基片以平面化基片的表面的抛光装置中使用的修整装置和修整方法。本发明还涉及具有这种修整装置的抛光装置。

背景技术

半导体装置在近几年来变得越来越小，并且设备结构变得越来越复杂。表面平面化是半导体装置制造中的关键过程。表面平面化中使用的典型技术是化学机械抛光(CMP)。在该化学机械抛光中，基片与抛光垫的抛光表面滑动接触，而包含磨粒例如硅(SiO₂)的抛光液供给到抛光表面上，藉此对基片的表面进行抛光。

化学机械抛光是使用CMP装置执行的。CMP装置包括其上表面连接了抛光垫的抛光台和用于保持基片的顶环，基片例如是半导体晶片，它是将被抛光的工件。当抛光台和顶环分别地围绕它们自己的轴线旋转时，顶环以预定压力将基片压在抛光垫的抛光表面(即上表面)上以导致基片与抛光垫之间的滑动接触。在这种状态下，抛光液供给到抛光垫的抛光表面之上。基片因此在基片与抛光垫之间存在抛光液的情况下被抛光。基片的表面由碱的化学抛光作用和磨粒的机械抛光作用的组合被平面化。

当基片被抛光时，磨粒和抛光残余物粘附至抛光垫的抛光表面(上表面)。另外，抛光垫的特性会改变并且其抛光性能会降低。因此，当基片的抛光重复时，抛光速度(即，移除速率)会降低并且会发生不均匀的抛光。因此，为了使抛光垫的恶化抛光表面再生，与抛光台相邻设置了修整装置。该修整装置通过略微刮掉抛光表面使抛光垫的抛光表面再生。

图1是显示传统修整装置的示意图。如图1中所示，修整装置包括修整器盘131、用于将修整器盘131压在抛光垫10上的空气气缸136和使修整器盘131与空气气缸136彼此联接的修整器驱动轴132。修整器驱动轴132被分成联接至修整器盘131的旋转部分和联接至空气气缸136的非旋转部分。旋转部分和非旋转部分经由联接器137彼此联接。

修整器驱动轴132的旋转部分由滚珠花键135支撑。该滚珠花键135是线性运动导向装置，它向修整器驱动轴132传递转矩而同时允许修整器驱动轴132沿其纵向方向的直线运动。滚珠花键135联接至电动机(未显示)，这样修整器盘131就由电动机通过修整器驱动轴132旋转。

空气气缸136是双动空气气缸，其中两个压力室设置在活塞136a的两侧上。具有调节过的压力的空气喷射到每个压力室中。具体地说，在抛光垫10上生成载荷的压缩空气导入上压力室中，并且另一方面支撑包括修整器盘131和修整器驱动轴132的可移动部分的重量的压缩空气导入下压力室中。供给下压力室的空气的压力保持为恒定的。修整器盘131在抛光垫10上的压紧力是由上压力室和下压力室之间的压差确定的。

坚硬的磨粒例如金刚石颗粒固定至修整器盘131的下表面。修整器盘131的该下表面构成用于精整抛光垫10的抛光表面的修整表面。当修整抛光垫10时，修整器盘131压在抛光垫10上，而抛光台11和修整器盘131旋转并且纯水供给到抛光垫10的抛光表面上。抛光垫10的抛光表面由修整器盘131的修整表面与抛光表面之间的滑动接触修整(或精整)。

在修整期间，抛光垫10的抛光表面被修整器盘131刮擦。修整器盘131在抛光垫10上的压紧力对抛光垫10的寿命有很大的影响。因此，需要精确地控制修整器盘131的压紧力。在上述结构中，因为具有恒压的空气供给到空气气缸136的下压力室中，所以修整器盘131的压紧力取决于导入上压力室的空气的压力。因此，需要校准从而建立修整器盘131的压紧力与导入空气气缸136的上压力室中的空气的压力之间的关系。

校准是通过在抛光垫10与修整器盘131之间插入载荷测量设备(例如测压元件)并且使由载荷测量设备获得的测量值(即压紧力)与供给到空气气缸136中的空气的压力联系起来执行的。然而，为了执行校准，需要停止抛光装置的操作。因此降低了抛光装置的操作速率。

除上述问题之外，使用空气气缸的修整装置具有下列缺点。如上所述，修整器盘131在抛光垫10上的压紧力会影响抛光垫10的寿命。因此，为了延长抛光垫10的寿命，需要在一定程度上降低修整器盘131的压紧力。然而，当空气气缸136的上压力室中的空气的压力降低时，活塞可能不会移动而不管上压力室与下压力室之间的压差。这是因为当上压力室与下压力室之间的压差接近为零时，活塞与气缸之间的摩擦阻力和修整器驱动轴132与空气气缸136之间的摩擦阻力变得相对较高。在其中空气气缸136并不操作的这种不工作区中，并未执行抛光垫10的好的修整并且因此，不能实现抛光垫10的稳定的抛光性能。

发明内容

本发明是鉴于上述缺点做出的。因此本发明的第一目的是提供一种能够建立修整器盘的压紧力与生成相应的压紧力的气体的压力之间关系而不停止抛光装置的操作的修整装置和修整方法。

本发明的第二目的是提供一种能够稳定地生成修整器盘的低压紧力的修整装置。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种用于修整抛光垫的修整装置。该装置包括：将与抛光垫滑动接触的修整器盘；联接至修整器盘的垂直可移动的修整器驱动轴；构造成接收气体的供给以通过修整器驱动轴将修整器盘压在抛光垫上的加压机构；构造成测量供给加压机构的气体压力的压力测量设备；构造成测量作用在修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备；和构造成控制供给加压机构的气体压力的压力控制器。压力控制器构造成基于压力测量设备和载荷测量设备的测量值建立气体压力与修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

本发明的另一个方面是提供一种用于抛光基片的抛光装置。该装置包括：用于支撑抛光垫的旋转抛光台；构造成将基片压在抛光垫上的顶环；和上述修整装置。

本发明的另一个方面是提供一种用于修整抛光垫的修整装置。该装置包括：将与抛光垫滑动接触的修整器盘；联接至修整器盘的垂直可移动的修整器驱动轴；构造成通过修整器驱动轴将修整器盘压在抛光垫上的气压缸；构造成通过修整器驱动轴提升修整器盘的提升机构；和构造成控制供给气压缸的气体压力的压力控制器。

在本发明的一个优选方面，提升机构包括弹簧。

在本发明的一个优选方面，修整装置还包括构造成测量当修整器盘与抛光垫接触时修整器盘沿垂直方向的位置的位置传感器。

在本发明的一个优选方面，压力控制器构造成基于位置传感器的测量值改变供给气压缸的气体的压力。

在本发明的一个优选方面，修整装置还包括：构造成测量作用在修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备；和构造成测量供给气压缸的气体压力的压力测量设备。压力控制器构造成当抛光垫的磨损量达到预定值时，基于压力测量设备和载荷测量设备的测量值，由位置传感器的测量值确定抛光垫的磨损量并且建立气体的压力与修整器盘压在抛光垫上的压紧力之间的关系。

在本发明的一个优选方面，修整装置还包括：构造成测量作用在修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备；和构造成测量供给气压缸的气体压力的压力测量设备。压力控制器构造成基于压力测量设备和载荷测量设备的测量值建立气体的压力与所述修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

在本发明的一个优选方面，修整装置还包括构造成测量作用在修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备。压力控制器构造成基于载荷测量设备的测量值控制气体的压力这样在抛光垫的修整期间修整器盘在抛光垫上的压紧力就保持为预定目标值。

本发明的另一个方面是提供一种用于抛光基片的抛光装置。该装置包括：用于支撑抛光垫的旋转抛光台；构造成将基片压在抛光垫上的顶环；和上述修整装置。

本发明的另一个方面是提供一种修整抛光垫的方法。该方法包括：旋转修整器盘和抛光垫；通过修整器驱动轴由接收气体的供给驱动的加压机构将修整器盘压在抛光垫上；测量供给加压机构的气体的压力；测量作用在修整器驱动轴上的载荷；并且基于气体压力的测量值和载荷的测量值建立气体的压力与修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

依照本发明，包含在修整器驱动轴中的载荷测量设备可以在修整操作之前或之后的很短的时间内或者在修整操作过程中建立压紧力与气体的压力之间的关系。因此，不需要停止抛光装置的操作，并且因此可以提高抛光装置的操作速率。

另外，依照本发明，提升机构的设置能够在空气气缸中的两个压力室之间设定大的气体压力差。因此，空气气缸的操作区域位于不工作区(它是其中活塞不管压差变化而不会操作的区域)之外。因此，空气气缸可以稳定地生成低的压紧力。

附图说明

图1是显示传统修整装置的示意图；

图2是抛光装置的透视图；

图3是显示依照本发明的第一实施例的修整装置的示意图；

图4是显示通过校准获得的修整器盘的压紧力与上压力室中的空气压力之间关系的曲线图；

图5是显示依照本发明的第二实施例的修整装置的示意图；

图6是显示依照本发明的第二实施例的修整装置的改进实例的示意图；

图7是显示空气气缸的上压力室中的空气压力与施加到抛光垫上的压紧力之间关系的曲线图；

图8是显示依照本发明的第三实施例的修整装置的示意图；

图9是显示依照本发明的第三实施例的修整装置的改进实例的示意图；

图10是显示依照本发明的第四实施例的修整装置的示意图；

图11是显示依照本发明的第四实施例的修整装置的改进实例的示意图；

图12是显示依照本发明的第五实施例的修整装置的示意图；

图13是显示依照本发明的第五实施例的修整装置的改进实例的示意图；并且

图14是显示依照本发明的第六实施例的修整装置的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的实施例。在下面的说明中相同或相应的结构元件由相同的参考数字表示并且其重复说明将省略。

图2是显示抛光装置的透视图。抛光装置包括支撑抛光垫10的抛光台11、用于通过使之与抛光垫10滑动接触而抛光基片(即将被抛光的工件)例如晶片的顶环单元20和构造成精整(即修整)抛光垫10的上表面的修整单元(修整装置)30。抛光垫10附加于抛光台11的上表面，并且抛光垫10的上表面提供了抛光表面。抛光台11联接至电动机(未显示)，这样抛光台11和抛光垫10就由电动机沿箭头指示的方向旋转。

顶环单元20包括构造成保持基片并且将它压在抛光垫10的上表面上的顶环21、联接至顶环21的顶环驱动轴22和可旋转地保持顶环驱动轴22的顶环摆动臂23。顶环摆动臂23由顶环摆动轴24支撑。电动机(未显示)安装在顶环摆动臂23中并且该电动机联接至顶环驱动轴22。该电动机的旋转经由顶环驱动轴22传递至顶环21，藉此顶环21围绕顶环驱动轴22沿箭头所示方向旋转。

与顶环单元20相邻设置了用于向抛光垫10的抛光表面上供给抛光液和修整液体的液体供给机构25。该液体供给机构25具有多个供给喷嘴(未显示)，抛光液和修整液体由此单独地供给到抛光垫10的抛光表面上。液体供给机构25用作用于向抛光垫10上供给抛光液的抛光液供给机构和用于向抛光垫10上供给修整液体(即纯水)的修整液体供给机构。抛光液供给机构和修整液体供给机构可以单独地设置。

顶环21具有提供了用于由真空抽吸等保持基片的基片保持表面。顶环驱动轴22联接至未示出的垂直运动致动器(例如，空气气缸)。使用该配置，顶环21就由垂直运动致动器通过顶环驱动轴22而提升和降低。顶环摆动轴24位于抛光台11的径向外侧。该顶环摆动轴24构造成旋转，这样顶环21就可以在抛光垫10上的抛光位置和抛光垫10外部的静止位置之间移动。

基片的抛光执行如下。基片保持在顶环21的下表面上，并且顶环21和抛光台11旋转。在这种状态下，抛光液供给到抛光垫10的抛光表面之上，然后顶环21将基片压在抛光垫10的抛光表面上。基片的表面(下表面)是由抛光液中包含的磨粒的机械抛光作用和抛光液的化学抛光作用抛光的。

修整单元(修整装置)30包括将与抛光垫10的抛光表面滑动接触的修整器盘31、联接至修整器盘31的修整器驱动轴32和可旋转地保持修整器驱动轴32的修整器摆动臂33。修整器盘31的下表面提供了一个与抛光垫10的抛光表面滑动接触的修整器表面。坚硬的磨粒例如金刚石颗粒，固定至修整器表面。修整器摆动臂33由修整器摆动轴34支撑。电动机(未显示)安装在修整器摆动臂33中并且该电动机联接至修整器驱动轴32。该电动机的旋转经由修整器驱动轴32传递至修整器盘31，藉此修整器盘31围绕修整器驱动轴32沿箭头所示方向旋转。

修整器摆动轴34联接至摆动电机(未显示)。当摆动电机设定为移动时，修整器盘31基本上沿抛光表面的径向在抛光垫10的抛光表面上移动。当修整抛光垫10时，修整器盘31压在抛光垫10上，而抛光台11和修整器盘31旋转并且修整液体供给到抛光垫10的抛光表面上。抛光垫10的抛光表面由修整器盘31的修整表面和抛光表面之间的滑动接触精整。在修整期间，修整器盘31沿抛光垫的径向摆动。

图3是显示依照本发明的第一实施例的修整单元30的示意图。如图3中所示，修整单元30包括作为用于通过修整器驱动轴32将修整器盘31压在抛光垫10上的加压机构的空气气缸(气压缸)36。修整器驱动轴32由滚珠花键35支撑。该滚珠花键35是线性运动导向装置，它向修整器驱动轴32传递转矩而同时允许修整器驱动轴32沿其纵向方向的直线运动。滚珠花键35由轴承48可旋转地支撑，而轴承48固定地安装在固定至修整器摆动臂33的支撑底座49上。支撑底座49与滚珠花键35相对于修整器摆动臂33沿垂直方向的相对位置是固定的。

电动机(未显示)联接至滚珠花键35并且该电动机通过修整器驱动轴32使修整器盘31旋转。修整器驱动轴32被分成联接至修整器盘31的旋转部分和联接至空气气缸36的非旋转部分。旋转部分和非旋转部分由联接器37彼此联接。修整器驱动轴32的旋转部分具有花键轴的形状并且由允许修整器驱动轴32垂直地移动的滚珠花键35支撑。

修整器驱动轴32的上端联接至空气气缸(加压机构)36，而空气气缸36构造成通过修整器驱动轴32将修整器盘31压在抛光垫10上。空气气缸36是双动空气气缸，其中两个压力室布置在活塞36a的两侧上。该空气气缸36为气动致动器型。充当压力调节装置的电动气动调节器40联接至空气气缸36的上压力室。该电动气动调节器40构造成调节从气源(未显示)供给的压缩空气的压力并且将调节的压力为Pc的空气输送至空气气缸36的上压力室。类似地，充当压力调节装置的电动气动调节器41联接至空气气缸36的下压力室。电动气动调节器41构造成调节从上述气源供给的压缩空气的压力并且将调节的压力为Pb的空气供给至空气气缸36的下压力室。可以使用其它类型的气体代替空气。

供给上压力室的空气在抛光垫10上生成载荷，并且另一方面，供给下压力室的空气是用于支撑包括修整器盘31和修整器驱动轴32的垂直可移动部件(在下文中被称作″修整器组件″)的重量的反向空气。反向空气的压力设定成足够大以支撑修整器组件的重量并且在修整期间保持恒定。修整器盘31在抛光垫10上的压紧力是由上压力室和下压力室之间的压差确定的。

测压元件45设置在修整器驱动轴32内，该测压元件45是用于间接地测量从修整器盘31施加到抛光垫上的压紧力的载荷测量设备。测压元件45经由放大器46联接至压力控制器47。测压元件45的测量值(输出信号)由放大器46放大，并且放大的测量值传递至压力控制器47。

作用在抛光垫10上的压紧力是由空气气缸36生成的向下力和修整器组件的重量的合力。更技术地，作用在抛光垫10上的压紧力还受到滚珠花键35和修整器驱动轴32之间的摩擦阻力和空气气缸36的密封件中的摩擦阻力的影响。然而，这些摩擦阻力与由空气气缸36生成的力和修整器组件的重量相比相对很小。因此，在下面描述的解释中将省略这些摩擦阻力。

测压元件45包含在修整器驱动轴32中并且测量作用在修整器驱动轴32上的载荷。因此，在由测压元件45获得的测量值与实际压紧力之间存在差异。下面将参照图3描述由修整器盘31施加至抛光垫10的压紧力F、测压元件45的测量值F’和压紧力F与测量值F’之差。在图3中所示的结构中，当修整器盘31与抛光垫10接触时的压紧力F表示为

F＝Fc-Fb+m₁g+m₂g    (1)

其中Fc表示由导入空气气缸36d修整器组件上压力室中的压力为Pc的空气生成的向下力，Fb表示由导入空气气缸36的下压力室中的压力为Pb的空气生成的向上力，m₁g表示相对于作为修整器组件中心的测压元件45的修整器组件的上部的重量，并且m₂g表示相对于作为修整器组件中心的测压元件45的修整器组件的下部的重量。

测压元件45构造成不仅测量作用在修整器驱动轴32上的压缩力而且测量张力。当修整器盘31脱离与抛光垫10的接触时，只有修整器组件的下部的重量m₂g充当测压元件45上的张力。因此，在这种状态下从测压元件45输出的测量值是-m₂g。另一方面，当修整器盘31与抛光垫10接触时，修整器组件的下部的重量m₂g并未施加在测压元件45上。当修整器盘31与抛光垫10接触时从测压元件45输出的测量值F’表示为

F’＝Fc-Fb+m₁g  (2)

从上述等式(1)和等式(2)，给出压紧力F与测量值F’之差ΔS为

ΔS＝F-F’＝m₂g  (3)

因此，实际压紧力F可以通过将作为校正量的差ΔS(＝m₂g)加到从测压元件45获得的测量值F’上来确定。该校正量ΔS可以由当修整器盘31脱离与抛光垫10的接触时从测压元件45输出的测量值给出。或者，校正量ΔS可以通过将校准测压元件放置在修整器盘31和抛光垫10之间并且从施加到抛光垫10的修整器盘31的实际压紧力(即校准测压元件的测量值)中减去测压元件45的测量值F’确定。该校正量ΔS(＝m₂g)仅仅取决于修整器组件的下部的重量并且ΔS值基本上是恒定的。因此，一旦获得了校正量ΔS，就可以重复地使用其值。

在基片的处理之前执行获得校正量的操作，并且所获得的校正量会存储在压力控制器47中。该压力控制器47会向从测压元件45传递的测量值F’加上校正量m₂g，因此确定修整器盘31压在抛光垫10上的压紧力F。

压力控制器47构造成执行校准用于建立从测压元件45的测量值F’获得的压紧力F与空气气缸36的上压力室中的空气的压力Pc之间的关系。用于测量供给到空气气缸36的上压力室中的空气的压力Pc的压力传感器(压力测量设备)42设置在电动气动调节器40中。压力传感器42的测量值传递至压力控制器47。压力控制器47使压紧力F与在相同的时间点由压力传感器42获得的测量值相关联，因此建立修整器盘31的压紧力F与上压力室中的气压Pc之间的关系。

依照本实施例，与传统校准不同，不需要为校准停止抛光装置的操作。另外，不需要将载荷测量设备夹在修整器盘31和抛光垫10之间用于校准。因此，校准可以在非常短的时间内执行并且可以提高抛光装置的运转率。

图4是显示由校准获得的修整器盘31的压紧力与上压力室中空气的压力之间关系的曲线图。在图4中，纵轴指示修整器盘31的压紧力F并且横轴指示上压力室中空气的压力Pc。从图4中的曲线图可以看出，修整器盘31的压紧力大约与上压力室中空气的压力成比例。因此，可以从图4中所示的曲线图确定用于生成期望压紧力的空气压力。

压力控制器47基于由校准获得的压紧力与空气压力之间的关系确定对应于通过输入设备(未显示)输入的期望压紧力的空气压力，并且命令电动气动调节器40向空气气缸36的上压力室供给具有确定的压力的空气。空气气缸36向修整器盘31施加压紧力，并且修整器盘31以期望压紧力挤压抛光垫10。

图5是显示依照本发明的第二实施例的修整单元的示意图。下文未描述的该实施例的结构和操作与上述第一实施例中的相同，并且将省略其重复说明。如图5中所示，空气气缸(即加压机构)36的下压力室通向大气，而上压力室中供有通过电动气动调节器40的压缩空气，如上述第一实施例中一样。依照第二实施例的修整单元包括弹簧50，弹簧50用于支撑包括修整器盘31和修整器驱动轴32的修整器组件的重量。该弹簧50是与空气气缸36独立地设置的提升机构。在本实施例中，并未设置测压元件45。

弹簧50安装在固定至修整器摆动臂33的支撑底座52上。弹簧50具有与固定至修整器驱动轴32的弹簧止挡51接触的上端。使用这些配置，弹簧50沿着与其中空气气缸36挤压修整器盘31的方向相对的方向在修整器驱动轴32上施加力，因此通过修整器驱动轴32向上地偏压修整器盘31。用来使修整器驱动轴32的旋转部分和非旋转部分彼此联接的联接器37位于弹簧止挡51的下方。用于支撑弹簧50的支撑底座52和用于支撑滚珠花键35的支撑底座49可以是单个构件。

图6是显示依照本发明的第二实施例的修整单元的改进实例的示意图。在该改进实例中，弹簧50位于联接器37下方。弹簧止挡51固定至修整器驱动轴32的旋转部分。弹簧50的下端固定至滚珠花键35。弹簧50、滚珠花键35和修整器驱动轴32一致地旋转。

在图5和图6中所示的修整单元中，修整器盘31压在抛光垫10上的压紧力F表示为由空气气缸36生成的向下力Fc[N]、修整器组件整体的重量mg[N]和由弹簧50生成的向上力Fb[N]的合力。图7是显示供给空气气缸36的上压力室的空气的压力Pc与作用在抛光垫10上的压紧力F之间关系的曲线图。在图7中，纵轴指示作用在抛光垫10上的压紧力F并且横轴指示空气气缸36的上压力室中空气的压力Pc。沿着纵轴的符号″+″指示向上力并且符号″-″指示向下力。图7中显示的曲线图是在修整器盘31与抛光垫10接触并且弹簧50的长度保持恒定的假设上描绘的。

如图7中所示，当压力Pc等于或大于P1时，压紧力从修整器盘31施加到抛光垫10上。因为由弹簧50生成的向上力Fb与由空气气缸36生成的向下力Fc相加，所以力Fc大于作用在抛光垫10上的压紧力F。力Fc大是指在空气气缸36的上压力室与下压力室之间存在大的气压差。即，空气气缸36的不工作区(即，当上压力室和下压力室之间的气压差很小时，活塞36a不会由于活塞36a和气缸之间的摩擦阻力而移动的压力范围)与空气气缸36的操作范围是分开的。因此，即使当压紧力F很小(例如10N或更小)时，空气气缸36也可以平稳地操作。此外，因为压紧力F可以设定得很小，所以被挂掉的抛光垫10的量可以很小。因此，可以提高抛光垫10的寿命。

与空气气缸36不同，作为提升机构的弹簧50不具有滑动元件。因此，弹簧50的使用不会导致滑动阻力的增大，并且空气气缸36可以在包括0[N]的宽的范围内平稳地改变修整器盘31的压紧力F。因此，修整器盘31可以稳定地以小的压紧力F挤压抛光垫10。

螺旋弹簧优选地用作弹簧50。代替弹簧50，其中封闭有气体的空气弹簧(例如，由柔性或可变形材料形成的气囊)可以用作提升机构。为了减小滑动阻力，优选使用在活塞与气缸之间不使用唇式密封的金属空气气缸或在活塞与气缸之间布置了非接触密封的非接触密封空气气缸作为空气气缸36。

图8是显示依照本发明的第三实施例的修整单元的示意图。下文未描述的该实施例的结构和操作与上述第二实施例中的相同，并且将省略其重复说明。在本实施例中，充当载荷测量设备的测压元件45集成到修整器驱动轴32中。该测压元件45位于空气气缸36与弹簧50之间并且经由放大器46电连接至压力控制器47。

在本实施例中，修整器盘31的实际压紧力与测压元件45的测量值之差对应于弹簧50的向上力和修整器组件的重量。下文将描述修整器盘31的压紧力F与测压元件45的测量值F’之差。

当空气未供给到空气气缸36的上压力室中时(即当Fc为零时)，修整器组件由弹簧50提升并且修整器盘31定位得远离抛光垫10。下文中，该状态将被称作初始状态。在该初始状态中，活塞36a通过接收弹簧50的提升力而与气缸的上端接触。弹簧50的该提升力Fb表示为

Fb＝Fb₀+k·Z    (4)

其中Fb₀是处于初始状态的弹簧50的提升力，k是弹簧常数[N/mm]，并且Z是修整器组件从其初始位置(即，在初始状态中的位置)的位移[mm]。

在初始状态中，空气气缸36的力Fc为零。位移Z也为零。因此，在初始状态中弹簧50的提升力Fb为Fb₀。在初始状态中，修整器组件的重量m₁g和m₂g与弹簧50的提升力Fb₀(＝Fb)作用在测压元件45上。修整器组件的下部的重量m₂g充当测压元件45上的张力。因此，测压元件45的测量值F’由下面的等式表示。

F’＝Fb₀+m₁g-m₂g    (5)

当空气供给到空气气缸36的上压力室中时，它生成向下力Fc。当向下力Fc超过特定值时，修整器组件逆着弹簧50的提升力降低。当修整器组件从初始位置略微降低并且仍然悬挂在空气中(即，Fc≠0，Z≠0，F＝0)时，从力平衡的条件保持下面的等式。

F＝Fc-Fb+m₁g+m₂g

＝Fc-(Fb₀+k·Z)+m₁g+m₂g＝0    (6)

因为上述等式(6)包含变量Z，所以修整器组件在取决于力Fc的某个特定位置处达到静止。因此，即使修整器盘31的压紧力F为零或近似为零，修整器盘31的位置也是稳定的。这指示修整器盘31可以在非常小的力下修整抛光垫10。

当修整器组件悬挂时测压元件45的测量值F’为

F’＝Fc+Fb+m₁g-m₂g

＝Fc+(Fb₀+k·Z)+m₁g-m₂g    (7)

当力Fc进一步增大时，修整器盘31进一步降低以接触抛光垫10。在该接触状态(即，Fc≠0，Z≠0，F≠0)，压紧力F表示如下。

F＝Fc-Fb+m₁g+m₂g

＝Fc-(Fb₀+k·Z)+m₁g+m₂g    (8)

另一方面，作为测压元件45的输出的测量值F’表示如下。

F’＝Fc+Fb+m₁g-m₂g

＝Fc+(Fb₀+k·Z)+m₁g-m₂g  (9)

因此，压紧力F与测量值F’之差ΔS给出如下。

ΔS＝F-F’＝2m₂g-2(Fb₀+k·Z)    (10)

因此，压紧力F可以通过将作为校正量的差ΔS(＝2m₂g-2(Fb₀+k·Z))加到从测压元件45获得的测量值F’上来给出。该校正量ΔS可以由已知值Fb₀、k、m₂g和位移Z的实际测量值给出。或者，用于校准的测压元件可以布置在修整器盘31与抛光垫10之间以获得修整器盘31施加至抛光垫10的实际压紧力，并且校正量ΔS可以通过从实际压紧力(即用于校准的测压元件的测量值)中减去测压元件45的测量值F’确定。

校正量ΔS受到弹簧50的弹簧常数k[N/mm]的影响。更具体地，当修整器盘31与抛光垫10接触时修整器盘31沿垂直方向的位置(下文中，该位置将被称作挤压位置)依照抛光垫10的磨损而降低。当修整器盘31的挤压位置由于抛光垫10的磨损而降低ΔZ时，弹簧50的提升力Fb会增大k·ΔZ。因此，修整器盘31的压紧力F会减小k·ΔZ。因此，具有小弹簧常数k的弹簧的使用会减小对压紧力F的影响。例如，当弹簧常数k为1N/mm并且抛光垫的磨损量为0.5毫米时，压紧力F减小大约0.5N。

与第一实施例一样，基于从测压元件45获得的测量值和从压力传感器42获得的测量值，压力控制器47执行校准用于确定修整器盘31的压紧力与供给空气气缸36的上压力室的空气的压力之间的关系。该校准是由压力控制器47在预定定时例如就在抛光垫10的修整之前或之后自动地执行的。校准可以在修整期间执行。因为压紧力F会如上所述依照抛光垫10的磨损改变，优选周期性地执行校准。

图9是显示依照本发明的第三实施例的修整单元的改进实例的示意图。在该改进实例中，弹簧50布置在联接器37下方。弹簧止挡51固定至修整器驱动轴32的旋转部分，并且弹簧50的下端固定至滚珠花键35。弹簧50、滚珠花键35和修整器驱动轴32一致地旋转。而且在此实例中，修整器盘31的压紧力F与测压元件45的测量值F’之差ΔS(即校正量)是依照与上述相同的步骤确定的。

图10是显示依照本发明的第四实施例的修整单元的示意图。下文未描述的该实施例的结构和操作与上述第二实施例中的相同，并且将省略其重复说明。如图10中所示，修整单元包括用于测量修整器盘31沿垂直方向的位置的位置传感器55。该位置传感器55固定至弹簧止挡51，这样位置传感器55就会沿垂直方向与修整器驱动轴32一致地移动。位置传感器55具有与其上安装了弹簧50的支撑底座52接触的探针。位置传感器55测量修整器驱动轴32沿垂直方向相对于支撑底座52的相对位置，即修整器盘31沿垂直方向的位置。该位置传感器55是接触型位置传感器，其探针接触测量目标，但是也可以使用非接触型位置传感器。

修整器盘31的挤压位置会依照抛光垫10的磨损而降低。因此，抛光垫10的磨损量可以表示为修整器盘31的挤压位置的位移(即，从初始挤压位置的位移)。因此，位置传感器55测量当修整器盘31与抛光垫10接触时修整器驱动轴32沿垂直方向的位置，以因此间接地测量抛光垫10的磨损量。位置传感器55的测量值传递至压力控制器47，其中来自位置传感器55的测量值即抛光垫10的磨损量被监视。

当抛光垫10磨损时，弹簧50的提升力Fb会增大。因此，修整器盘31在抛光垫10上的压紧力F会减小。当压紧力F减小时，可能不会执行抛光垫10的预期的修整。为了避免这种缺点，压力控制器47会增大空气气缸36的上压力室中的空气压力从而补偿压紧力F的降低。压紧力F的降低是由于抛光垫磨损导致的弹簧50的提升力Fb的变化。因此，压紧力F的降低量ΔF给出为

ΔF＝k·ΔZ  (11)

其中ΔZ表示修整器盘31的挤压位置的位移，即抛光垫10的磨损量。

压力控制器47由从位置传感器55获得的测量值计算抛光垫10的磨损量ΔZ并且依照上述等式(11)计算压紧力的降低量ΔF。另外，压力控制器47使用下面的等式确定用于生成获得值ΔF的气压ΔPc

ΔPc＝ΔF/A  (12)

其中A表示活塞36a的有效压力接收面积。

压力控制器47会将空气气缸36的上压力室中的气压增大ΔPc以因此依照抛光垫10的磨损量校正由空气气缸36生成的力Fc。该校正操作能够使修整器盘31在恒定的压紧力F下修整抛光垫10而不考虑抛光垫10的磨损。

图11是显示依照本发明的第四实施例的修整单元的改进实例的示意图。在该改进实例中，弹簧50布置在联接器37下方。弹簧止挡51固定至修整器驱动轴32的旋转部分，并且弹簧50的下端固定至滚珠花键35。弹簧50、滚珠花键35和修整器驱动轴32一致地旋转。位置传感器55由固定至修整器驱动轴32的非旋转部分的臂53支撑。位置传感器55的探针与支撑底座52接触。抛光垫10的磨损量是由位置传感器55间接地测量的。

图12是显示依照本发明的第五实施例的修整单元的示意图。下文未描述的该实施例的结构和操作与上述第四实施例中的相同，并且将省略其重复说明。在本实施例中，充当载荷测量设备的测压元件45设置在修整器驱动轴32中。该测压元件45位于空气气缸36与弹簧50之间并且经由放大器46联接至压力控制器47。与第一实施例一样，基于从测压元件45获得的测量值和从压力传感器42获得的测量值，压力控制器47执行校准用于确定修整器盘31的压紧力与供给空气气缸36的上压力室的空气的压力之间的关系。

在图12中所示的结构中，压力控制器47可以在由位置传感器55的测量值确定的抛光垫10的磨损量达到预置值时执行校准。依照抛光垫10的磨损量的校准可以防止修整器盘31的压紧力F的变化。另外，校准可以与由顶环单元20执行的垫搜索(参见图2)同步地定时地执行。垫搜索是当抛光基片时搜索顶环21的参考高度的操作。更具体地，顶环21从其提高的静止位置降低直至它接触抛光垫10，并且接触抛光垫10时顶环21的高度被确定为用于抛光处理的参考高度。

在优选实例中，压力控制器47基于测压元件45的测量值控制供给到空气气缸36的上压力室中的空气的压力Pc，这样修整器盘31就会在抛光垫10的修整期间维持预定的目标压紧力。这种反馈控制可以使修整器盘31保持其压紧力F恒定而不考虑抛光垫10的磨损。

图13是显示依照本发明的第五实施例的修整单元的改进实例的示意图。在该改进实例中，弹簧50布置在联接器37下方。弹簧止挡51固定至修整器驱动轴32的旋转部分，并且弹簧50的下端固定至滚珠花键35。弹簧50、滚珠花键35和修整器驱动轴32一致地旋转。位置传感器55由固定至修整器驱动轴32的非旋转部分的臂53支撑。位置传感器55的探针与支撑底座52接触。抛光垫10的磨损量是由位置传感器55间接地测量的。

图14是显示依照本发明的第六实施例的修整单元的示意图。下文未描述的该实施例的结构和操作与上述第三实施例中的相同，并且将省略其重复说明。在本实施例中，弹簧50布置在测压元件45上方。更具体地，弹簧50设置在空气气缸36的内部并且布置成可以从下方挤压活塞36a。应当指出，弹簧50的位置并不限于该实例并且弹簧50可以设置在其它位置中，只要弹簧50布置在空气气缸36与测压元件45之间即可。

在本实施例中，修整器盘31的实际压紧力与测压元件45的测量值之差对应于修整器组件的重量。下文将描述修整器盘31的压紧力F与测压元件45的测量值F’之差。

在初始状态(即Fc＝0，Z＝0，F＝0)中，仅仅向下力m₂g充当测压元件45上的张力。弹簧50的提升力Fb和修整器组件的上部的重量m₁g不会作用在测压元件45上。因此，测压元件45上的测量值F’表示为

F’＝-m₂g(13)

当空气供给到空气气缸36的上压力室中以使修整器组件从初始位置略微降低并且修整器组件仍然悬挂在空气中(即，Fc≠0，Z≠0，F＝0)时，从力平衡的条件保持下面的等式。

F＝Fc-Fb+m₁g+m₂g

＝Fc-(Fb₀+k·Z)+m₁g+m₂g＝0(14)

因为上述等式(14)包含变量Z，所以修整器组件在取决于力Fc的某个特定位置处达到静止。因此，即使修整器盘31的压紧力F为零或近似为零，修整器盘31的位置也是稳定的。这指示修整器盘31可以在非常小的力下修整抛光垫10。

在该悬挂状态中，仅仅向下力m₂g充当测压元件45上的张力。因此，测压元件45的测量值F’表示为

F’＝-m₂g  (15)

当修整器盘31与抛光垫10接触(即，Fc≠0，Z≠0，F≠0)时，压紧力F表示为

F＝Fc-Fb+m₁g+m₂g  (16)

另一方面，作为测压元件45的输出的测量值F’表示为

F’＝Fc-Fb+m₁g  (17)

因此，压紧力F与测量值F’之差ΔS给出如下。

ΔS＝F-F’＝m₂g  (18)

因此，压紧力F可以通过将作为校正量的差ΔS(＝m₂g)加到测压元件45的测量值F’上来给出。该校正量ΔS可以由当修整器盘31脱离与抛光垫10的接触时测压元件45的测量值获得。或者，用于校准的测压元件可以布置在修整器盘31与抛光垫10之间以获得修整器盘31施加至抛光垫10的实际压紧力，并且校正量ΔS可以通过从实际压紧力(即用于校准的测压元件的测量值)中减去测压元件45的测量值F’确定。因为校正量ΔS(＝m₂g)不包含变量Z，所以值ΔS是恒定的，无论抛光垫10的磨损。因此，一旦确定了校正量ΔS，就可以重复地使用其值。

与第一实施例一样，基于测压元件45的测量值和压力传感器42的测量值，压力控制器47执行校准用于确定修整器盘31的压紧力与供给空气气缸36的上压力室的空气的压力之间的关系。该校准是由压力控制器47在预定定时例如就在抛光垫10修整之前或之后自动地执行的。该实施例的修整单元可以包括如第五实施例所述的位置传感器55。在这种情形下，如第五实施例中讨论的那样，优选压力控制器47在由位置传感器55的测量值确定的抛光垫10的磨损量达到预置值时执行校准。

实施例的上述说明提供用来使本领域技术人员制造和使用本发明。此外，对这些实施例的各种改动对于本领域的技术人员是很显而易见的，并且在此界定的通用原理和特定实例可以应用于其它实施例。因此，本发明并非用来限于在此所述的实施例，而是应该被给予由权利要求和等效物界定的限制的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种用于修整抛光垫的修整装置，所述装置包括：

将与抛光垫滑动接触的修整器盘；

联接至所述修整器盘的垂直可移动的修整器驱动轴；

构造成接收气体的供给以通过所述修整器驱动轴将所述修整器盘压在抛光垫上的加压机构；

构造成测量供给到所述加压机构的气体的压力的压力测量设备；

构造成测量作用在所述修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备；和

构造成控制供给到所述加压机构的气体的压力的压力控制器，

其中，所述压力控制器构造成基于所述压力测量设备和所述载荷测量设备的测量值建立气体的压力与所述修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

2.一种用于抛光基片的抛光装置，所述装置包括：

用于支撑抛光垫的旋转抛光台；

构造成将基片压在抛光垫上的顶环；和

如权利要求1所述的修整装置。

3.一种用于修整抛光垫的修整装置，所述装置包括：

将与抛光垫滑动接触的修整器盘；

联接至所述修整器盘的垂直可移动的修整器驱动轴；

构造成通过所述修整器驱动轴将所述修整器盘压在抛光垫上的气压缸；

构造成通过所述修整器驱动轴提升所述修整器盘的提升机构；和

构造成控制供给到所述气压缸中气体的压力的压力控制器。

4.如权利要求3所述的修整装置，其特征在于，所述提升机构包括弹簧。

5.如权利要求3所述的修整装置，其特征在于，还包括：

构造成当所述修整器盘与抛光垫接触时测量所述修整器盘沿垂直方向的位置的位置传感器。

6.如权利要求5所述的修整装置，其特征在于，所述压力控制器构造成基于所述位置传感器的测量值改变供给所述气压缸的气体的压力。

7.如权利要求5所述的修整装置，其特征在于，还包括：

构造成测量作用在所述修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备；和

构造成测量供给到所述气压缸的气体的压力的压力测量设备，

其中，所述压力控制器构造成当抛光垫的磨损量已经达到预定值时，基于所述压力测量设备和所述载荷测量设备的测量值，由所述位置传感器的测量值确定抛光垫的磨损量并且建立气体的压力与所述修整器盘压在抛光垫上的压紧力之间的关系。

8.如权利要求3所述的修整装置，其特征在于，还包括：

构造成测量作用在所述修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备；和

构造成测量供给到所述气压缸的气体的压力的压力测量设备，

其中，所述压力控制器构造成基于所述压力测量设备和所述载荷测量设备的测量值建立气体的压力与所述修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

9.如权利要求3所述的修整装置，其特征在于，还包括：

构造成测量作用在所述修整器驱动轴上的载荷的载荷测量设备，

其中，所述压力控制器构造成基于所述载荷测量设备的测量值控制气体的压力，这样所述修整器盘压在抛光垫上的压紧力就在抛光垫的修整期间保持在预定目标值处。

10.一种用于抛光基片的抛光装置，所述装置包括：

用于支撑抛光垫的旋转抛光台；

构造成将基片压在抛光垫上的顶环；和

如权利要求3所述的修整装置。

11.一种用于修整抛光垫的方法，所述方法包括：

旋转修整器盘和抛光垫；

通过修整器驱动轴由接收气体的供给驱动的加压机构将修整器盘压在抛光垫上；

测量供给到加压机构的气体的压力；

测量作用在修整器驱动轴上的载荷；并且

基于气体压力的测量值和载荷的测量值建立气体的压力与所述修整器盘在抛光垫上的压紧力之间的关系。

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