DE10043213C1

DE10043213C1 - Vorrichtung zum Reinigen eines Wafers mittels Bürsten und DI-Wasser von nach dem Polieren zurückbleibender Schleifmittelsuspension

Info

Publication number: DE10043213C1
Application number: DE10043213A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Hunger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-09-02
Also published as: US20020038486A1; US6487744B2

Abstract

Die Reinigung wird durch eine Drehbewegung mehrerer Bürstenpaare (Scrubber-Brushes) auf beiden Seiten des Wafers und Zuführung von deionisiertem Wasser erreicht. Die Getriebe (4, 12) im oberen und unteren Getriebegehäuse (1, 11) sind jeweils als Zahnradgetriebe ausgebildet und umfassen jeweils die Bürsten antreibenden Antriebsräder (5, 13) und Zwischenräder (17), wodurch, bei Reinraum-beständiger Materialauswahl, ein gut definierter Anpressdruck beim Reinigen und geringe Ausfallzeiten der Vorrichtung resultieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen eines Wafers mittels Bürsten und DI-Wasser von nach dem Polieren zurückbleibender Schleifmittelsuspension (Slurry).

Die Fertigung integrierter Schaltungen beginnt mit der Her stellung von Halbleiter-Wafern hoher Qualität, die zur Bereitstellung einer extrem ebenen Ausgangsoberfläche der Wafer üblicherweise einem Poliervorgang unterzogen werden. Bei der anschließenden Strukturierung des Substrats werden bekanntlich unter anderem Schichten von beispielsweise Lei tern und Dielektrika auf dem Wafer aufgebaut, auf welchen dann wiederum andere derartige Schichten hergestellt werden sollen. Mit der immer feiner werdenden Strukturierung werden insbesondere die zugehörigen Abbildungsprozesse empfindlicher gegen Oberflächenvariationen auf dem Substrat. Deshalb ist es inzwischen erforderlich, die Wafer-Oberfläche auch während der gerade stattfindenden Herstellung der integrierten Schal tung "wiedereinzuebnen". Der Vorgang des Wiedereinebnens wird als Planarisierung bezeichnet und heute zumeist mittels des CMP-Verfahrens, also mit Hilfe eines chemisch-mechanischen Polierprozesses durchgeführt.

Die gemeinsame Wirkung einer Polierfläche, auf die eine Schleifmittelsuspension (Slurry) gepumpt wird, und der Rela tivbewegung zwischen Polierfläche und Wafer ergibt dabei einen kombinierten mechanischen und chemischen Prozess auf der Oberfläche des Wafers, der auf dem Wafer eine in hohem Maße ebene Oberfläche erzeugt. Um nach dem CMP-Prozess die noch feuchten Slurry-Reste zu entfernen, sind Reinigungs schritte erforderlich, da die Slurry-Reste sonst auskristal lisieren bzw. durch stark kontaminierte Wafer sich die Defektdichte erhöht und die Lebensdauer der sogenannten Brush Cleaner (nachfolgendes Equipment zur Reinigung der Wafer von Partikeln) verringert.

Einer der Vorreinigungsschritte nach dem chemisch-mecha nischen Polierprozess wird mit einer Bürsten-Vorrichtung durchgeführt, die oft einfach insgesamt als Scrubber ("Schrubber") bezeichnet wird. Die Reinigung wird dabei durch eine Drehbewegung mehrerer Bürstenpaare (Scrubber-Brushes) bei möglichst gut definiertem Anpressdruck auf beiden Seiten des Wafers und Zuführung von spezieller Waschflüssigkeit er reicht. Da mit jedem einzelnen von mehreren aufeinander fol genden Planarisierungsvorgängen der Wafer beträchtlich wert voller wird, ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch auf die unscheinbaren Bürsten-Reinigungsvorgänge hohes Augen merk zu richten.

Eine Bürsten-Vorrichtung mit übereinander angeordneten Getriebegehäusen, zwischen denen drei Bürsten-Einheiten ange ordnet sind, zwischen denen wiederum ein Wafer einschließbar ist, wobei die Vorrichtung als Ganzes relativ zum Wafer zwischen einer Reinigungsposition mit eingeschlossenem Wafer und einer Standposition horizontal verschieblich ist, ist zum Beispiel aus der DE 43 45 408 A1 bekannt. Dabei ist es auch bekannt, die im Inneren jedes Getriebegehäuses rotierenden Antriebsräder, die jeweils über eine Welle die unterhalb des oberen Getriebegehäuses bzw. oberhalb des unteren Getriebe gehäuses rotierenden Bürsten antreiben, über ein Riemen getriebe mit der Antriebswelle eines Motors zu verbinden. Ferner ist es dabei bekannt, an der Oberseite des oberen Getriebegehäuses Düsen für deionisiertes Wasser (DI-Wasser) vorzusehen. Auch in der Standposition ist eine Befeuchtung der Bürsten notwendig, da diese sonst austrocknen und verhär ten, was sich anschließend negativ auf Wafer und Bürsten aus wirkt.

Die bekannte Bürsten-Vorrichtung ist allerdings aufgrund der mangelnden Abdichtung gegenüber dem chemisch aggressiven DI- Wasser und der durch das Riemengetriebe vorgegebenen Begren zungen, die einen exakten Gleichlauf der Bürsten eines Bürstensatzes untereinander und der einander zugeordneten Bürsten einer Bürsten-Einheit sowie einen definierten An pressdruck nahezu unmöglich machen, relativ anfällig. Der resultierende häufige Ausfall der Bürsten-Vorrichtung wird in vielen Fällen nicht bemerkt, wodurch häufig Lose (z. B. 25 Wafer) ohne die erforderliche Reinigung weiter bearbeitet wurden. Dies kann zu einem Anstieg der Defektdichte führen und im ungünstigsten Fall bis zu einem Prozent Ausbeute kosten. Die häufigen Ausfälle sind, auch wenn sie bemerkt werden, problematisch, da sie jeweils mehrstündige Ausfall zeiten im Prozess verursachen. So sind beispielsweise für die Reparatur der Zahnriemen und für den Austausch der Lager auf wendige Wartungsarbeiten erforderlich.

Aus der JP 11-097397 A ist eine Reinigungsvorrich tung für Wafer bekannt, wobei zwei gegenüberliegende Bürsten vorgesehen sind, die einen Wafer von zwei Seiten gleichzeitig bearbeiten. Jede der Bürsten ist über einen eigenen Motor und Zahnräder an getrieben.

Aus US 4,141,180 ist eine Poliervorrichtung für Wafer be kannt, wobei die Poliervorrichtung zwei Polierflächen auf weist, die nebeneinander angeordnet sind. Beide Polierflächen werden über einen Riemen von einer zentralen Drehwelle ange trieben. Ferner ist eine rotierende Bürste zur Reinigung vorge sehen, die über einen Riemen oder über ein Zahnrad getriebe angetrieben werden kann.

Aus dem Abstract JP 10-270391 A ist eine Poliervorrichtung für Wafer bekannt, die eine Mehrzahl von Bürsten aufweist, die über Zahnräder miteinander verkoppelt sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bürsten-Vorrich tung der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass sich eine Erhöhung der Standzeit und Verfügbarkeit des Scrubbers, eine Verringerung der Ausfallzeiten sowie eine Minimierung der Instandhaltungskosten ergibt. Dabei ist auch zu beachten, dass die Bürsten-Vorrichtung typischerweise Teil eines nahezu zimmergroßen Maschinensystems ist, in dem die Halbleiter- Wafer, oder ähnliche Materialstücke, in mehreren Stationen poliert, transportiert, gereinigt oder anderweitig prozes siert werden. Die konstruktiven Änderungen sollten sich des halb in das Gesamtsystem einfügen.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch eine Bürsten-Vorrich tung der eingangs genannten Art erreicht, umfassend:

- ein oberes Getriebegehäuse, das die Form eines flachen Qua ders aufweist, an dessen erstem Ende, auf der Oberseite, ein waschflüssigkeitsdicht gekapselter Motor mit senkrecht zur Oberseite verlaufender Antriebswelle aufgesetzt ist, die über ein im oberen Getriebegehäuse gekapseltes oberes Getriebe mindestens ein darin angeordnetes Antriebsrad antreibt, das jeweils über eine Welle mit einem unterhalb des oberen Getriebegehäuses, parallel zur Oberseite und zum jeweiligen Antriebsrad angeordneten Auf nahmeteller verbunden ist, in den eine Bürste einsetzbar ist;
- ein unteres, im wesentlichen spiegelsymmetrisch zum oberen Getriebegehäuse aufgebautes Getriebegehäuse mit einem darin gekapselten unteren Getriebe, wobei die beiden Ge triebegehäuse eine feste Ausrichtung übereinander aufwei sen, so dass die zwischen ihnen jeweils koaxial zueinander angeordneten oberen und unteren, mit Bürsten bestückten Aufnahmeteller eine Bürsten-Einheit bilden, zwischen der ein Teil des Wafers einschließbar ist und somit durch die rotierende Bürsten-Einheit gereinigt werden kann; und
- eine Kupplung, die in Verlängerung der Antriebswelle in das untere Getriebegehäuse hineinreicht und über das dor tige Getriebe das Drehmoment des Motors auf das sich gleichsinnig zum zugeordneten oberen Antriebsrad drehende untere Antriebsrad überträgt, wobei die Getriebe jeweils als Zahnradgetriebe ausgebildet sind und jeweils Antriebs räder und Zwischenräder umfassen.

Der Erfindung liegt der Gedanke einer Änderung der Getriebe art bei Einhaltung der Gesamtkonfiguration und Gewährleistung der sich mit definiertem Anpressdruck gleichsinnig drehenden Scrubber-Bürsten zugrunde. Die neue Getriebeart ist ein Zahn rad-Getriebe. Gleichzeitig wurden Maßnahmen zur Abdichtung des Getriebes vorgesehen, da beispielsweise Verkrustungen im Inneren des neugestalteten Getriebes wesentlich kritischer sind als beim bekannten Riemengetriebe. Außerdem kann im Rah men der neuen Konfiguration die geometrische Form der Bürsten-Vorrichtung vereinfacht und flacher gestaltet werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Vorrichtung umfasst eine Befeuchtungsanlage für die Bürsten-Einheiten, die so in die untere Gehäusewand des oberen Getriebegehäuses integriert ist, dass sie gegenüber dem dortigen Getriebe dicht separiert ist. Die Integration der DI-Wasserzuleitung an dieser Position des oberen Getriebegehäuses gewährleistet bei weiterlaufendem DI-Wasser die ständige Befeuchtung der Bürsten, auch in der Standposition, damit diese nicht aus trocknen und somit verhärten können. Dadurch ist es möglich, auf eine externe Befeuchtungsanlage und deren Abdichtung, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Durchführung durch das obere Getriebegehäuse, zu verzichten.

Im Zusammenhang mit der integrierten Befeuchtungsanlage und allgemein mit der Abdichtung ist es weiterhin sehr vorteil haft, zusätzlich Wellendichtringe vorzusehen, mit denen der Übergang jeweils einer Welle in das zugehörige Getriebege häuse abgedichtet ist.

Im erfindungsgemäßen, neuen Umfeld mit der, wie erwähnt, not wendigen dichten Kapselung, sind dementsprechende Ansprüche an die Materialauswahl zu richten; für die außenliegenden Teile der Bürsten-Vorrichtung empfiehlt sich der Einsatz von DI-Wasser-beständigen Materialien entsprechend den Reinraum- Richtlinien. Insbesondere ist es vorteilhaft, Polypropylen natur (PP natur)als Material für die beiden Getriebegehäuse zu wählen, da dieses Material hydrostabil und chemikalienbe ständig ist. Auch die zuvor erwähnten Wellendichtringe sind aus Reinraum-gerechten Materialien verfügbar.

Durch die genannten Änderungen wird die Lebensdauer der Bürsten-Vorrichtung um ein Vielfaches erhöht und die Ausfall wahrscheinlichkeit wesentlich verringert. Auch die Instand haltungskosten werden minimiert. Als indirekte Folgen ergeben sich außerdem die Sicherung der Ausbeute und die Erhöhung der Verfügbarkeit anderer Equipments, beispielsweise des Brush Cleaner.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Bürsten-Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang einer Vertikalebene in der Dar stellung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Transparenzansicht der erfindungsgemäßen Bürsten-Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt beispielhalber eine Bürsten-Vorrichtung mit oberem und unterem Getriebegehäuse 1 und 11. Zwischen den Ge triebegehäusen 1 und 11 sind drei Bürsten-Einheiten erkenn bar, wobei die mittlere Bürsten-Einheit seitlich gegenüber den beiden anderen versetzt und deshalb in der gewählten Perspektive nur mit einem kleinen Teilstück sichtbar ist. Die Bürsten-Einheiten sind jeweils durch die mit variablem Ab stand "A" koaxial übereinander angeordneten Aufnahmeteller 7 und 15 des oberen und unteren Getriebegehäuses 1 bzw. 11 ge bildet. Nicht dargestellt sind die eigentlichen Bürsten, die beim Betrieb der Vorrichtung in jedem Aufnahmeteller vorhan den sein müssen. Üblicherweise werden die Bürsten in ihre Aufnahmeteller jeweils eingesetzt bzw. eingeklemmt.

Die dargestellte Bürsten-Vorrichtung "CMP-SCRUBN-200" ist da für ausgelegt, insbesondere mittels der Halterungen 9 am obe ren Getriebegehäuse 1 und ähnlicher Halterungen 10 am unteren Getriebegehäuse 11 in das nicht dargestellte Umfeld einer an sich bekannten CMP-Maschine mit mehreren Arbeitsstationen in tegriert zu werden. Im Folgenden wird zum besseren Verständ nis der Erfindung der allgemeine Ablauf der Entfernung der Schleifmittelsuspension mittels des erfindungsgemäßen Scrub bers erläutert.

Der zu reinigende Wafer möge sich in waagerechter Position befinden. Die Bürsten-Vorrichtung wird dann auf Führungs schienen in Längsrichtung, also gemäß der in Fig. 1 gewähl ten Darstellung nach links unten in Richtung "R", in eine Stellung oberhalb und unterhalb des Wafers getrieben. Nach dieser Positionierung wird beispielsweise das untere Getrie begehäuse 11 mittels Luftdruck nach oben bewegt, um den Wafer zwischen die oberen und unteren Bürstensätze einzuschließen.

Die Bürsten werden durch den auf das obere Getriebegehäuse 1 aufgesetzten Motor 2 und das obere und untere Getriebe 4 und 12, die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 näher erläutert werden, alle gleichsinnig gedreht, während deioni siertes Wasser von oben, über die im oberen Getriebegehäuse 1 integrierte Befeuchtungsanlage, und von weiteren in der Nähe des Wafers angebrachten Düsen zugeführt wird. Die versetzte, asymmetrische Anordnung der Bürsten-Einheiten dreht den Wafer im laufenden Wasser und reinigt dadurch dessen gesamte Ober fläche. Nach einer vorbestimmten Zeit zum Beenden des Reini gens, typischerweise etwa 15 bis 20 Sekunden, wird die Bürsten-Vorrichtung aus der beschriebenen Reinigungsposition in ihre Standposition zurückgeführt und der gereinigte Wafer kann anschließend weiter transportiert bzw. prozessiert wer den.

Eine detaillierte Darstellung des inneren Aufbaus des oberen und unteren Getriebegehäuses 1 und 11 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Motor 2 sowie das obere und das untere Getriebe 4 und 12 sind gekapselt ausgeführt. Die drei oberen und die jeweils koaxial angeordneten unteren Aufnahmeteller 7 und 15 werden jeweils über eine Welle 6 bzw. 14 von einem zugehörigen An triebsrad 5 bzw. 13 angetrieben. Die Antriebsräder 5 und 13 sind ebenso wie die zwischengeschalteten Zwischenräder 17 und die Antriebswelle 8 des Motors 2 als Zahnräder ausgebildet. Ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Getriebeübersetzung wird weiter unten anhand von Fig. 3 beschrieben.

In Fig. 2 ist auch die Befeuchtungsanlage 18 (vgl. den in Fig. 1 dargestellten Wasseranschluss 21) angedeutet, die so in die untere Gehäusewand 19 des oberen Getriebegehäuses 1 integriert ist, dass das darüber liegende obere Getriebe 4 praktisch völlig separat von der Befeuchtungsanlage 18 aufge baut ist. Die Waschflüssigkeit könnte allenfalls nach unten an den Wellen 14 in das untere Getriebegehäuse 11 hineinlau fen, bzw. als Spritzwasser in der Nähe der Wellen 6 in das obere Getriebegehäuse 1 gelangen. Dies kann vollständig verhindert werden, indem die oberen und unteren Wellen 6 und 14 durch die gezeigten, an sich bekannten Wellendichtringe abge dichtet werden.

Durch das Zahnradgetriebe, vgl. auch die am Beispiel der Welle 6 gezeigten Lager 22 und 23, laufen die Bürsten des oberen und unteren Bürstensatzes, aber auch die beiden Bürsten jeder Bürsten-Einheit mit dazwischen eingeschlossenem Wafer, mit gleicher Geschwindigkeit und definiertem Anpress druck. Dies wäre beim bekannten Riemenantrieb in dieser Form nicht möglich, es käme durch die unvermeidlichen Ungleichmä ßigkeiten vielmehr zu einem Verdrehen der Wellen 6 und 14 und in der Folge zu einem vorzeitigen Verschleiß der zugehörigen Lager.

Fig. 3 zeigt beispielhalber eine Getriebeübersetzung. Das Drehmoment des Motors 2 wird von dessen Antriebswelle 8, wie erkennbar, mittels dreier Zwischenräder 17 auf das erste An triebsrad 24 übertragen. Vom ersten zum versetzt angeordneten zweiten Antriebsrad und von dort zum dritten Antriebsrad 5 wird die Drehung erkennbar jeweils mittels eines weiteren Zwischenrades 17 übertragen. Die gezeigte Übersetzung gewähr leistet, dass sich die drei Antriebsräder alle gleichsinnig drehen, natürlich ebenso wie im insofern vollkommen analog bzw. spiegelsymmetrisch aufgebauten unteren Getriebe 12. Die Getriebe 4 und 12 setzen gegenüber dem bekannten Riemenge triebe eine etwas breitere Gehäusegeometrie voraus und ermög lichen eine etwas flachere Gehäusebauform.

Bezugszeichenliste

1

oberes Getriebegehäuse

2

Motor

3

Oberseite von

1

4

oberes Getriebe

5

Antriebsrad in

1

6

Welle zu

5

7

Aufnahmeteller zu

6

8

Antriebswelle zu

2

9

Halterung an

1

10

Halterung an

11

unteres Getriebegehäuse

12

unteres Getriebe

13

Antriebsrad in

11

14

Welle zu

13

15

Aufnahmeteller zu

14

16

Kupplung

17

Zwischenräder in

1

und

11

18

Befeuchtungsanlage

19

untere Gehäusewand von

1

20

Wellendichtring

21

Wasserzufluss zu

18

22

Lager für

14

23

weiteres Lager für

14

24

erstes Antriebsrad

Claims

1. Vorrichtung zum Reinigen eines Wafers mittels Bürsten und DI-Wasser von nach dem Polieren zurückbleibender Schleifmit telsuspension (Slurry), umfassend:
ein oberes Getriebegehäuse(1), an dessen erstem Ende auf der Oberseite (3) ein waschflüssigkeitsdicht gekapselter Motor (2) mit senkrecht zur Oberseite (3) verlaufender An triebswelle (8)aufgesetzt ist, die über ein im oberen Ge triebegehäuse (1) gekapseltes oberes Getriebe (4) min destens ein darin angeordnetes Antriebsrad (5) antreibt, das jeweils über eine Welle (6) mit einem unterhalb des oberen Getriebegehäuses(1), parallel zur Oberseite (3) und zum jeweiligen Antriebsrad (5) angeordneten Aufnahmeteller (7) verbunden ist, in den eine Bürste einsetzbar ist;
ein unteres, im wesentlichen spiegelsymmetrisch zum oberen Getriebegehäuse (1) aufgebautes Getriebegehäuse (11) mit einem darin gekapselten unteren Getriebe(12), wobei die beiden Getriebegehäuse (1, 11) eine feste Ausrichtung übereinander aufweisen, so dass die zwischen ihnen jeweils koaxial zueinander angeordneten oberen und unteren, mit Bürsten bestückten Aufnahmeteller (7, 15) eine Bürsten- Einheit bilden, zwischen der ein Teil des Wafers ein schließbar ist und somit durch die rotierende Bürsten-Ein heit gereinigt werden kann; und
eine Kupplung, die in Verlängerung der Antriebswelle (8) in das untere Getriebegehäuse (11) hineinreicht und über das dortige Getriebe (12) das Drehmoment des Motors (12) auf das sich gleichsinnig zum zugeordneten oberen An triebsrad (5) drehende untere Antriebsrad (13) überträgt, wobei die Getriebe (4, 12) jeweils als Zahnradgetriebe ausgebildet sind und jeweils Antriebsräder (5, 13) und Zwischenräder (17) umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Befeuchtungsanlage (18) für die Bürsten-Einheiten, die so in die untere Gehäusewand (19) des oberen Getriebegehäuses (1) integriert ist, dass sie gegenüber dem dortigen Getriebe (4) dicht separiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend Wellendichtringe (20), mit denen der Übergang jeweils einer Welle (6, 14) in das zugehörige Getriebegehäuse (1, 11) abge dichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der in Längsrichtung der Getriebegehäuse (1, 11) hinter einander drei Bürsten-Einheiten angeordnet sind, wobei die mittlere in Querrichtung versetzt angeordnet ist, und bei der die Getriebeübersetzung im oberen und unteren Getriebegehäuse (1, 11) jeweils durch drei zwischen der Antriebswelle (8) und dem ersten Antriebsrad (24) hintereinander angeordnete, inei nandergreifende Zwischenräder (17) und jeweils ein weiteres Zwischenrad (17) gebildet ist, das jeweils zwischen dem ersten und zweiten und zwischen dem zweiten und dritten An triebsrad (5, 13) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der Polypropylen natur (PP natur) als Material für die beiden Getriebegehäuse (1, 11) gewählt ist.