DE10134518A1 - Verbessertes Diaphragma für eine chemische mechanische Poliervorrichtung - Google Patents

Verbessertes Diaphragma für eine chemische mechanische Poliervorrichtung

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Abstract

Ein verbessertes Diaphragma für eine chemische mechanische Poliervorrichtung kann die Festigkeit des Diaphragmas erhöhen und die auftretende Beanspruchung verringern, wobei das Diaphragma aus einer Kautschukschicht und einer Faserschicht zusammengesetzt ist. Die Größe und Form des Diaphragmas sind entsprechend einem Spalt und einer Relativverschiebung zwischen der Dreheinheit und dem Halter ausgelegt, um eine Faltenbildung des Diaphragmas zu verhindern und um eine Reibung mit einer Seitenwand der Dreheinheit und des Halters zu verringern. Dadurch kann die Lebensdauer des Diaphragmas gesteigert und die Wartungshäufigkeit der Poliervorrichtung verringert sowie die Produktausbeute gesteigert werden.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine chemische mechanische Poliervorrichtung oder eine chemische mechanische polierende (CMP) Maschine und insbesondere auf ein Diaphragma zwischen einer Dreheinheit und einem Halter für einen Kissenkonditionierer in der CMP-Maschine, das die Festigkeit und Dauerhaftigkeit verbessern kann, um eine Fal­ tenbildung während des Betriebs zu unterbinden und um die Lebensdauer des Diaphragmas zu erhöhen.
Hintergrund der Erfindung
Die Oberflächenplanarisierung ist ein sehr wichtiges Verfahren, das die Genauigkeit eines Fotolithografieprozesses direkt beeinflusst. Nur dann, wenn die Oberfläche planarisiert ist, kann ein Streueffekt des Belichtungs-Lichts zur wiedergabegetreuen Übertragung eines Musters vermieden werden.
Zur Zeit werden zwei Planarisierungsverfahren in der Industrie in weitem Umfang verwendet, zu denen das "Drehen auf-Glas" (SOG) und das chemische mechanische Polieren (CMP) gehören. Da das Halbleiterherstellungsverfahren den tiefen Submikronbereich erreicht hat, kann der erforderliche Planaritätsgrad bei Anwendung der Drehen auf-Glas-Technik nicht er­ reicht werden. Das einzige Verfahren zur Bereitstellung des geforderten Planaritätsgrads bei der Hochintegration (VLSI) oder Ultrahochintegration (ULSI) ist das chemische mechanische Polieren. Bei dem chemischen mechanischen Polierverfahren wird mit Hilfe eines chemi­ schen Reagens eine Polierweise eingesetzt, die ähnlich der ist, wie sie bei einer Schleifein­ richtung zur Anwendung gelangt. Auf diese Weise wird das unebene Oberflächenprofil ge­ glättet. Bei einer geeigneten Einstellung der Polierparameter kann bei Verwendung des chemischen mechanischen Polierens eine Planarität von etwa 90% erreicht werden.
Bei einer chemischen mechanischen Poliervorrichtung oder bei einer chemischen mechani­ schen polierenden (CMP) Maschine wird durch einen Halter ein Wafer auf einem Polierkis­ sen gehalten und gedreht, auf das eine Polieraufschlämmung aufgebracht wird. Da etwas Abrasivstoff in der Polieraufschlämmung während eines Langzeitpolierens von Substrat zu Substrat in dem Polierkissen eingebettet und eingeschlossen wird, wird das Polierkissen mit der Zeit unbrauchbar. Das auf dem Polierkissen polierte Substrat wird von dem eingebette­ ten Abrasivstoff zerkratzt und beschädigt, was die Poliergleichförmigkeit verschlechtert. Des­ halb wird in einer CMP-Maschine gewöhnlich ein Kissenkonditionierer verwendet, um das eingesetzte Polierkissen zu rekonditionieren und um die ursprüngliche Polierbedingung und den ursprünglichen Polierzustand wieder herzustellen. Der Kissenkonditionierer umfasst ge­ wöhnlich hauptsächlich eine Dreheinheit und einen Halter. Im Boden des Halters sitzt eine Diamantscheibe, die zum Entfernen von eingebettetem Abrasivstoff und Verunreinigungs­ aufschlämmung und zur Wiederherstellung des ursprünglichen Polierzustands verwendet wird. Zur weiteren Beschreibung des Kissenkonditionierers einer CMP-Maschine wird auf die US-Anmeldung 09/052,798 Bezug genommen.
Ein herkömmlicher Kissenkonditionierer hat gewöhnlich einen Robotarm. An einem Ende des Arms ist eine Dreheinheit montiert, die mittels einer Stromzuführungsvorrichtung aktiviert wird, um einen darunter befindlichen Halter zum Drehen zu bringen. Der Halter mit der Dia­ mantscheibe in seinem Boden wird zum Entfernen von eingebetteten Abrasivstoffen und Verunreinigungsaufschlämmung auf einem Polierkissen und zur Wiederherstellung des ur­ sprünglichen Polierzustands des Polierkissens verwendet. Zwischen der Dreheinheit und dem Halter ist ein elastisches und flexibles Kautschuk-Diaphragma angeordnet. Während des Wiederherstellungsvorgangs des Kissenkonditionierers wird das Kautschuk-Diaphragma gestaucht und verdreht und bildet dadurch eine Falte aufgrund der Relativverschiebung von Dreheinheit und Halterung. Auf das Diaphragma wirkt zwangsweise eine Reibung ein, die vom Scheuern des Diaphragmas an der Seitenwand der Dreheinheit und des Halters erzeugt wird. Die summierte Beanspruchung des Diaphragmas durch die Reibung führt zu Ermüdung und Verfall und schließlich zu einem Reißen. Dadurch wird die Lebensdauer des Diaphrag­ mas verringert, die Wartungsfrequenz der CMP-Maschine steigt und es ergibt sich eine Re­ duzierung der Durchsatzleistung der CMP-Maschine.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Diaphragma für eine chemische mechani­ sche Poliervorrichtung bereit. Das Diaphragma, das in geeigneter Weise entsprechend der Spaltdistanz und der relativen Verschiebedistanz zwischen Dreheinheit und Halter ausgelegt ist, kann die Festigkeit und Dauerhaftigkeit verbessern und die Reibung von der Seitenwand der Dreheinheit und des Halters verringern, um die Lebensdauer des Diaphragmas zu ver­ längern.
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Diaphragma für eine chemische mechani­ sche Poliervorrichtung bereit. Das Diaphragma hat eine Kautschukschicht zur Verbindung einer Dreheinheit und eines Halters und eine an der Kautschukschicht befestigte Faser­ schicht zur Verstärkung der Festigkeit der Kautschukschicht. Der Halter ist in die Dreheinheit eingepasst und der Spalt zwischen der Dreheinheit und dem Halter wird von der Kautschuk­ schicht und der Faserschicht abgedichtet.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein verbessertes Diaphragma für eine chemische me­ chanische Poliervorrichtung bereit. Das Diaphragma hat einen äußeren Dichtungsring, der an einer inneren Seitenwand einer Dreheinheit angebracht ist, einen inneren Dichtungsring, der an einer äußeren Seitenwand eines Halters angebracht ist, und einen Verbindungsring, der glatt zwischen dem äußeren Dichtungsring und dem inneren Dichtungsring angeschlos­ sen ist. Der Verbindungsring ist entsprechend einer Spaltdistanz und einer maximalen Rela­ tiwerschiebungsdistanz zwischen der Dreheinheit und dem Halter ausgelegt. Der äußere Dichtungsring, der Verbindungsring und der innere Dichtungsring können in einem Stück hergestellt werden. Der äußere Dichtungsring, der Verbindungsring und der innere Dich­ tungsring können jeweils aus einer Faserschicht und einer Kautschukschicht hergestellt wer­ den.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden Aspekte und viele der zugehörigen Vorteile diese Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende ins Einzelne gehende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher, in denen
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Kissenkonditionierers in einer CMP- Maschine nach dem Stand der Technik ist,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Kissenkonditionierers in einer CMP-Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 3 Bauteile eines Diaphragmas der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht des Diaphragmas der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf das Diaphragma der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 6 eine schematische dreidimensionale Ansicht des Diaphragmas der vorliegenden Erfin­ dung ist und
Fig. 7 eine Konstruktionszeichnung des Diaphragmas der vorliegenden Erfindung ist.
Ins Einzelne gehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Diaphragma für eine chemische mechani­ sche Poliervorrichtung bereit, das aus einer Faserschicht und einer Kautschukschicht zu­ sammengesetzt ist, wodurch die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Diaphragmas gesteigert werden kann. Die Größe und Form des Diaphragmas sind entsprechend der Spaltdistanz und der Relativverschiebungsdistanz zwischen der Dreheinheit und dem Halter ausgelegt, um eine Faltenbildung zu vermeiden und um die Lebensdauer des Diaphragmas zu erhöhen.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Kissenkonditionierers einer CMP-Maschine nach der vorliegenden Erfindung. Der Kissenkonditionierer 10 hat einen Ro­ botarm 12. An einem Ende des Arms 12 ist eine Dreheinheit 20 montiert, während am ande­ ren Ende des Arms 12 eine Leistungszuführungsvorrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise ein Motor, angeordnet ist. Die Dreheinheit 20 wird von der Leistungszuführungsvorrichtung über eine Leistungstransmissionsvorrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise einen Transmis­ sionsriemen, aktiviert. Ferner kann in der CMP-Maschine ein Steuersystem (nicht gezeigt) eingesetzt werden, um die Bewegung des Arms 12 für das Bewegen eines Halters 40 auf ei­ nem Polierkissen 60 zu steuern. An der Unterseite des Halters 40, der mit der Dreheinheit 20 gedreht wird, befindet sich eine Diamantscheibe, die zum Entfernen von eingebettetem Abrasivstoff und von Verunreinigungsaufschlämmung und zur Wiederherstellung des ur­ sprünglichen Polierzustands des Polierkissens 60 eingesetzt wird.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht den Kissenkonditionierer in der CMP- Maschine nach der vorliegenden Erfindung. Die Dreheinheit 20 hat einen oberen Abschnitt 22 und einen unteren Abschnitt 24, der Halter 40 hat eine Welle 42 und eine Scheibe 44, die am Boden der Welle 42 angeordnet ist. In der unteren Mitte der Dreheinheit 20 ist ein zylind­ risches Loch 26 vorgesehen. Die Welle 42 des Halters 40 ist in das Loch 26 der Dreheinheit 20 eingesetzt. Zwischen der Dreheinheit 20 und der Welle 42 ist eine Diaphragma 30 nach der vorliegenden Erfindung angeordnet. Das Diaphragma 30 hat das Aussehen einer ring­ förmigen Scheibe. Der äußere Abschnitt des Diaphragmas 30 ist in die Dreheinheit 20 ein­ gebettet, wobei es insgesamt an dem oberen Abschnitt 22 und dem unteren Abschnitt 24 eingeklemmt ist, und der innere Abschnitt des Diaphragmas 30 ist in die Welle 42 eingebet­ tet.
Wenn die Dreheinheit 20 aktiviert ist und gedreht wird, drehen sich das Diaphragma 30 und die Welle 42 mit der Dreheinheit 20, um den Halter 40 zu drehen. Am Boden des Halters 40 befindet sich eine Diamantscheibe 44, die mit einem Diamantraster bedeckt ist. Durch Dre­ hen der Diamantscheibe 44 können auf dem Polierkissen 60 eingeschlossene Abrasivstoffe und Verunreinigungsaufschlämmung entfernt werden und kann der ursprüngliche Polierzu­ stand wiederhergestellt werden.
Fig. 3 zeigt die Bauteile des Diaphragmas 30 der vorliegenden Erfindung. Das Diaphragma 30 ist aus einer flexiblen elastischen Kautschukschicht 304 und aus einer Faserschicht 302 mit einer Netzstruktur zusammengesetzt, die an der Kautschukschicht 304 befestigt ist. Für die Kautschukschicht 304 kann für das Diaphragma 30 ein herkömmliches Kautschukmateri­ al verwendet werden. Die Faserschicht 302 ist aus einer Verstärkungsfaser, wie Nylon 66, oder aus anderen ähnlichen Materialien hergestellt. Zum Verbinden der Faserschicht 302 und der Kautschukschicht 304 kann ein geeigneter Klebstoff verwendet werden.
Aufgrund der Verwendung der Faserschicht 302 auf dem Diaphragma 30 der vorliegenden Erfindung kann die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Diaphragmas 30 gesteigert und die durch die Reibung verursachte Beanspruchung ausgeschlossen werden. Man erhält eine verbesserte Qualität des Diaphragmas 30, wodurch ein Reißen auch dann vermieden wird, wenn sich das Diaphragma 30 dreht und eine Relativbewegung ausführt, so dass die Le­ bensdauer des Diaphragmas 30 verbessert werden kann.
Nachstehend wird der Aufbau des Diaphragmas beschrieben. Fig. 4, 5 und 6 zeigt jeweils schematisch eine Schnittansicht, eine Draufsicht und eine dreidimensionale Ansicht des Dia­ phragmas der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 4, 5 und 6 ist die Welle 42 in die Dreh­ einheit 20 eingesetzt. Die Innenfläche der Dreheinheit 20 hat eine innere Seitenwand 25, die Außenfläche der Welle 42 eine äußere Seitenwand 45. Zwischen der Dreheinheit 20 und der Welle 42, d. h. zwischen der inneren Seitenwand 25 und der äußeren Seitenwand 45, besteht ein Spalt mit einer Distanz d.
Das Diaphragma 30 der vorliegenden Erfindung sieht wie eine ringförmige Scheibe aus und kann in einem Stück ausgebildet werden. Das Diaphragma 30 hat drei Abschnitte, einen äu­ ßeren Dichtungsring 32, einen inneren Dichtungsring 36 und dazwischen einen Verbindungs­ ring 34. Die äußere Unterseite des äußeren Dichtungsrings 32 hat einen äußeren Ringvor­ sprung 31, der mit einer Nut des unteren Abschnitts 24 in Eingriff steht, wodurch der äußere Dichtungsring 32 in der Dreheinheit 20 eingeschlossen und daran gehalten ist. Für eine zweckmäßige Installierung befindet sich der äußere Dichtungsring 32 insgesamt zwischen dem oberen Abschnitt 22 und dem unteren Abschnitt 24. In ähnlicher Weise hat die innere Unterseite des inneren Dichtungsrings 36 einen inneren Ringvorsprung 35 für den Eingriff mit dem inneren Dichtungsring 36 in einer Nut der Welle 42 und ein haltendes Befestigen darin.
Der Verbindungsring 34 ist glatt angeschlossen und zwischen dem äußeren Dichtungsring 32 und dem inneren Dichtungsring 36 integriert. Das Diaphragma 30 kann den Spalt zwi­ schen der Dreheinheit 20 und der Welle 42 des Halters 40 so abdichten, dass der innere Raum 26 luftdicht abgeschlossen ist. Wesentlich ist die Größenbemessung des Verbin­ dungsrings 34. Wenn der Verbindungsring 34 zu breit ist, kann sich leicht eine Falte zwi­ schen der Welle 42 und der Dreheinheit 20 aufgrund der Dreh- und Relativbewegung bilden, was zu einer Verwindung und Verwerfung und schließlich zu einem Reißen führt. Die Breite des Verbindungsrings 34 kann folglich entsprechend der Spaltdistanz d und der maximalen Relativverschiebungsdistanz L zwischen dem äußeren Dichtungsring 32 und dem inneren Dichtungsring 36 ausgelegt werden. Die Breite des Diaphragmas 30 kann ein klein wenig größer als (L2 + d2)1/2 sein, vorzugsweise das 1,1 bis 1,6-fache und besonders bevorzugt das 1,1 bis 1,3-fache betragen. Der unnötige Abschnitt des Verbindungsrings 34 wird entfernt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Faltenbildung reduziert werden kann. Die Reibung des Verbindungsrings 34 zwischen der inneren Seitenwand 25 und der äußeren Seitenwand 45 kann deshalb reduziert werden. Dadurch wird die Lebensdauer des Diaphragmas 30 erhöht.
Beispiel
Zum besseren Verständnis der Vorteile und Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird als Beispiel ein ins Einzelne gehendes Auslegungsschema verwendet. Gemäß Fig. 7 kann der Innendurchmesser R1 des inneren Lochs des unteren Abschnitts 24 35 mm und der Au­ ßendurchmesser H1 der Welle 42 26 mm betragen. Die Dicke t1 des Diaphragmas 30 mit der Faserschicht 302 und der Kautschukschicht 304 kann 2 mm betragen. Der Außendurchmes­ ser D1 des Diaphragmas 30 kann 46 mm, der Innendurchmesser D2 19,5 mm betragen. Zur Montage des Diaphragmas 30 im unteren Abschnitt 24 und in der Welle 42 kann die Breite P und die Dicke (t2-t1) des äußeren Ringvorsprungs 31 und des inneren Ringvorsprungs 35 1,8 mm bzw. 1 mm betragen. Die Distanz d des Spalts zwischen der Dreheinheit 20 und der Welle 42 kann bei 4,5 mm, die Relativverschiebungsdistanz L bei 6 mm liegen. Deshalb kann die Breite des Verbindungsrings 34 etwas größer als 7,5 mm sein. Die Verbindungsabschnitte des Verbindungsrings 34 zwischen dem äußeren Dichtungsring 32 und dem inneren Dich­ tungsring 36 können bogenförmig ausgelegt sein, um eine Fokussierung einer Spannung darin zu verhindern. Der Krümmungsradius R in den Verbindungsabschnitten kann 1,5 mm betragen. Um eine scharfe Ecke im unteren Abschnitt 24 nahe dem Verbindungsabschnitt und somit eine Beschädigung des Diaphragmas 30 zu vermeiden kann die Ecke auch bo­ genförmig ausgelegt werden. Dadurch kann die Reibung auf das Diaphragma 30 merklich verringert werden. Das vorstehende Konstruktionsbeispiel der vorliegenden Erfindung soll die vorliegende Erfindung nur veranschaulichen, aber nicht beschränken und innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche liegen.
Nach der vorstehenden Beschreibung offenbart die vorliegende Erfindung ein verbessertes Diaphragma für eine chemische mechanische Poliervorrichtung. Das aus einer Faserschicht und einer Kautschukschicht hergestellte Diaphragma kann die Festigkeit und Dauerhaftigkeit erhöhen, wodurch das Diaphragma langlebiger wird. Die Größe und Form des Diaphragmas kann entsprechend der Spaltdistanz und der Relativverschiebungsdistanz zwischen der Dreheinheit und der Welle in geeigneter Weise ausgelegt werden, um eine Faltenbildung zu verhindern und um Reibung zwischen dem Diaphragma und den Seitenwänden aufzuheben. Dadurch kann die Lebensdauer des Diaphragmas ausgedehnt werden. Dementsprechend kann die Wartungsfrequenz der chemischen mechanischen Poliervorrichtung verringert und die Durchsatzleistung entsprechend gesteigert werden.
Wie der Fachmann weiß, dienen die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfin­ dung nur für deren Veranschaulichung und sollen sie nicht beschränken. Es sollen viele Mo­ difizierungen und ähnliche Anordnungen abgedeckt sein, wie sie 6 m Rahmen der beiliegen­ den Ansprüche umfasst sind, wobei deren Rahmen die breiteste Interpretierung entsprechen soll, um alle solchen Modifizierungen und ähnliche Aufbauten einzuschließen.

Claims (19)

1. Verbessertes Diaphragma für eine chemische mechanische Poliervorrichtung
mit einer Kautschukschicht zum Verbinden einer Dreheinheit und eines Halters, wo­ bei der Halter in die Dreheinheit eingesetzt ist und ein Spalt zwischen der Dreheinheit und dem Halter durch die Kautschukschicht abgedeckt ist, und
mit einer Faserschicht, die an der Kautschukschicht zur Verstärkung der Festigkeit der Kautschukschicht befestigt ist.
2. Diaphragma nach Anspruch 1, bei welchem der Aufbau der Faserschicht ein Netzaufbau ist.
3. Diaphragma nach Anspruch 1, bei welchem die Kautschukschicht und die Faserschicht einen Ringaufbau haben.
4. Diaphragma nach Anspruch 1, bei welchem das Diaphragma mit der Dreheinheit gedreht wird.
5. Diaphragma nach Anspruch 1, bei welchem die Unterseite des Halters einen Diamantfilm aufweist.
6. Diaphragma nach Anspruch 5, bei welchem der Halter ein Polierkissen durch Drehen darauf rekonditioniert.
7. Verbessertes Diaphragma für eine chemische mechanische Poliervorrichtung
mit einem äußeren Dichtungsring, der an einer inneren Seitenwand einer Dreheinheit angebracht ist,
mit einem inneren Dichtungsring, der an einer äußeren Seitenwand eines Halters angebracht ist, wobei der Halter in die Dreheinheit eingesetzt ist und die äußere Sei­ tenwand des Halters zu der inneren Seitenwand der Dreheinheit benachbart ist, und
mit einem Verbindungsring, der glatt zwischen dem äußeren Dichtungsring und dem inneren Dichtungsring angeschlossen ist, wobei die Breite des Verbindungsrings ge­ mäß einer Spaltdistanz und einer maximalen Relativverschiebungsdistanz zwischen dem äußeren Dichtungsring und dem inneren Dichtungsring ausgelegt ist.
8. Diaphragma nach Anspruch 7, bei welchem der äußere Dichtungsring, der Verbindungs­ ring und der innere Ring einstückig ausgebildet sind.
9. Diaphragma nach Anspruch 7, bei welchem der äußere Dichtungsring, der Verbindungs­ ring und der innere Ring aus einer Faserschicht und einer Kautschukschicht zusammen­ gesetzt sind.
10. Diaphragma nach Anspruch 9, bei welchem der Aufbau der Faserschicht ein Netzaufbau ist.
11. Diaphragma nach Anspruch 7, bei welchem das Diaphragma mit der Dreheinheit gedreht wird.
12. Diaphragma nach Anspruch 7, bei welchem die Unterseite des Halters weiterhin einen Diamantfilm aufweist.
13. Diaphragma nach Anspruch 12, bei welchem der Halter ein Polierkissen durch Drehen darauf rekonditioniert.
14. Chemische mechanische Poliervorrichtung, wenigstens
mit einer Dreheinheit,
mit einem in die Dreheinheit eingesetzten Halter und
mit einem Diaphragma, das aus einer Kautschukschicht und einer Faserschicht zu­ sammengesetzt ist und die Dreheinheit und den Halter verbindet sowie einen Spalt zwischen der Dreheinheit und dem Halter abdichtet.
15. Poliervorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher der Aufbau der Faserschicht ein Netz­ aufbau ist.
16. Poliervorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher das Diaphragma einen Ringaufbau hat.
17. Poliervorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher das Diaphragma mit der Dreheinheit gedreht wird.
18. Poliervorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher die Unterseite des Halters weiterhin ei­ nen Diamantfilm aufweist.
19. Poliervorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher der Halter ein Polierkissen durch Dre­ hen auf ihm rekonditioniert.
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