DE10137577C1

DE10137577C1 - Ventilmittel für eine Slurry-Auslassöffnung einer Vorrichtung für Chemisch-Mechanisches Polieren

Info

Publication number: DE10137577C1
Application number: DE10137577A
Authority: DE
Inventors: Stefan Geyer; Andreas Fischer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: US6854484B2; JP2003115467A; US20030024582A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventilmittel für eine Slurry-Auslassöffnung (1) einer Anlage zum chemisch-mechanischen Polieren, insbesondere von Halbleiterscheiben bei der DRAM-Produktion, gekennzeichnet durch eine die Slurry-Auslassöffnung (1) überdeckende, elastische Membran (2) mit mindestens einer selbstverschließbaren Öffnung (3), wobei die Öffnung (3) durch strömende Slurry in eine Durchlassstellung für die Slurry bringbar und bei nicht-strömender Slurry selbsttätig in eine Absperrstellung für die Slurry bringbar ist. Auch eine CMP-Anlage mit einem solchen Ventilmittel ist Gegenstand der Erfindung. Damit wird ein einfaches Mittel zur Verhinderung von Partikelagglomerisationen im Bereich der Fluid-Auslassöffnung (1) einer CMP-Anlage geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventilmittel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung für Chemisch- Mechanisches Polieren mit einem Ventilmittel nach Patentanspruch 1.

Das Chemisch-Mechanische Polieren (CMP) von Halbleiterscheiben wird bei der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt. Die Aufgabe des CMP ist es, Halbleiterscheiben zu polieren bzw. abzuschleifen, um eine sehr ebene, kratz- und kontaminationsfreie Oberfläche zu erhalten.

Beim CMP wird eine wässrige Suspension (Slurry) verwendet, die beim Polieren zwischen eine Poliervorrichtung (z. B. eine rotierende Oberfläche eines weichen, porösen Kunststofftuches, dem sogenannten Polierpad) und der Halbleiterscheibe gebracht wird.

CMP Vorrrichtungen dieser Art sind aus dem Buch S. A. Campbell "The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication", Oxford University Press, 2001 bekannt.

Die Slurry ist eine Suspension mit Abrasivpartikeln (Größe: ca. 100 nm), wobei die Abrasivpartikel z. B. aus Silizium-, Aluminium- oder Ceroxid bestehen.

Diese Slurry wird in der Regel durch eine Auslassöffnung von oben auf die Poliervorrichtung aufgegeben, wobei die Menge der Slurry dem jeweiligen Prozessschritt durch eine Pumpe angepasst wird. Die Slurry-Auslassöffnung ist bei den bekannten Anlagen ein offenes Rohrende bzw. ein Loch.

Wird der Slurry-Fluss gestoppt, so trocknet die Slurry im Bereich der Auslassöffnung ein und es bilden sich Agglomerationen der kleinen Silizium-, Aluminium- oder Ceroxidpartikel. Diese Bildung ist mit der Tropfsteinbildung in der Natur vergleichbar, da die Slurry-Agglomerationen zunächst an der Auslassöffnung anhaften und wachsen. Schließlich aber fällt die Slurry-Agglomeration auf die Poliervorrichtung.

Wenn diese agglomerierten Partikel beim Polieren auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe gelangen, so entstehen Kratzer auf der gerade polierten Oberfläche. Solche Kratzer machen entweder eine aufwendige Nachbearbeitung notwendig oder sie machen die Halbleiterscheibe unbrauchbar.

Zur Vermeidung von Agglomerationen wird bei bekannten CMP- Anlagen die Auslassöffnung vor einem nächsten Polierschritt mit Wasser oder Slurry gespült. Da diese Spülungen häufig erfolgen müssen, werden erhebliche Mengen der Spülflüssigkeit verbraucht, was unwirtschaftlich ist. Auch erfordern diese Spülungen Zeit, was die Gesamtprozesszeit erhöht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Mittel zur Verhinderung von Partikelagglomerationen im Bereich der Slurry-Auslassöffnung einer CMP-Anlage anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ventilmittel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Überdeckung der Slurry-Auslassöffnung durch eine elastische Membran mit mindestens einer selbstverschließbaren Öffnung wird eine Agglomeration von Slurry-Partikeln verhindert. Die Öffnung der Membran wird durch strömende Slurry in eine Durchlassstellung für die Slurry gebracht und bei nicht-strömender Slurry selbsttätig verschlossen. Somit wird nach dem Stoppen des Slurry-Flusses ein Eintrocknen verhindert, da die Auslassöffnung gegenüber dem Außenraum abgeschlossen wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventilmittels weist die Membran im Bereich mindestens einer Öffnung eine Wölbung auf, die entgegen der Strömungsrichtung der Slurry angeordnet ist. Durch den statischen Druck der Slurry wird dadurch eine zusätzliche Abdichtung der Öffnung im Bereich der Wölbung erreicht.

Zur gezielten Beeinflussung der Elastizität ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Membran vom Bereich mindestens einer Öffnung in der Mitte der Membran zum Rand der Membran zunimmt oder abnimmt. Ist die Membran im Bereich der Öffnung dünner, so ist für das Erreichen der Durchlassstellung eine geringere Verformungsarbeit notwendig. Ist die Membran dort dicker, wird die Verformungsarbeit größer. Damit kann das Ventilmittel an unterschiedliche konstruktive Gegebenheiten angepaßt werden.

Aus dem gleichen Grund ist es auch vorteilhaft, wenn an und/oder in der Membran Mittel zur Versteifung angeordnet sind, besonders vorteilhaft, wenn sie von der Mitte der Membran zum Rand der Membran verlaufen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventilmittels ist mindestens eine der selbstverschließbaren Öffnungen als ein gerader Schlitz in einer runden Membran ausgebildet. Eine solche Öffnung ist besonders leicht herstellbar.

Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine der selbstverschließbaren Öffnungen durch mindestens zwei einander kreuzende Schlitze in einer runden Membran ausgebildet ist. Auch diese Anordnung ist leicht herstellbar, wobei die zu leistende Verformungsarbeit geringer ist als bei einem einzelnen Schlitz.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schlitze der Öffnungen punktsymmetrisch zueinander in der Mitte der runden Membran angeordnet sind. Damit läßt sich ein gleichmäßig geformter Slurry-Strahl erzielen.

Diesen Vorteil erhält man auch, wenn mindestens drei Schlitze der Öffnung sternförmig in der Membran angeordnet sind.

Vorteilhafterweise ist die Membran aus Kunststoff, insbesondere einem Fluorkohlenstoffelastomer wie FPM (Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Kautschuk) oder FSI (fluorhaltiger Methylsilikon-Kautschuk) gebildet. Die Verwendung eines Fluorkohlenstoffelastomers anstelle eines Kohlenwasserstoff-Elastomers beugt einer Langzeithydrophilierung vor und verhindert, dass die Slurry auf dem Kunststoff kriecht.

Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Ventilmittel in Verbindung mit einer Slurry als Suspension von Silizium-, Aluminium- und/oder Ceroxid-Partikeln verwendet.

Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum Chemisch- Mechanischen Polieren von Halbleiterscheiben mit einem erfindungsgemäßen Ventilmittel gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Ansicht einer Slurry- Auslassöffnung einer CMP-Anlage mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilmittels in Absperrstellung;

Fig. 1b eine schematische Ansicht einer Slurry- Auslassöffnung einer CMP-Anlage mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilmittels in Durchlassstellung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Membran einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilmittels mit einem Schlitz als Öffnung;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine Membran einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilmittels mit zwei senkrecht zueinander stehenden Schlitzen als Öffnung;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine Membran einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilmittels mit drei sternförmig angeordneten Schlitzen als Öffnung;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Membran einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilmittels mit einem Schlitz als Öffnung und vier Mitteln zur Versteifung der Membran.

In Fig. 1a und 1b werden zwei Betriebszustände einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilmittels dargestellt. Das Ventilmittel überdeckt eine hier von der Seite dargestellte Slurry-Auslassöffnung 1. Die Slurry- Auslassöffnung 1 ist hier als ein einfaches Rohrende ausgebildet, wobei alternativ auch andere Querschnitte oder Geometrien denkbar sind. Die Fliessrichtung der Slurry verläuft in der Zeichnung von oben nach unten.

Das Ventilmittel weist erfindungsgemäß eine elastische Membran 2 mit einer selbstversschließbaren Öffnung 3 auf. Die Öffnung 3 ist im hier darstellten Ausführungsbeispiel ein Schlitz (siehe Fig. 2) in einer Wölbung 5 der Membran 2. Die Membran 2 wird mit dieser Wölbung 5 und der Öffnung 3 hergestellt und so mit der Slurry-Auslassöffnung 1 verbunden, dass die Wölbung 5 der Membran 2 dabei entgegen der Fliessrichtung der Slurry zeigt.

Selbstverschließbar bedeutet hier, dass die Membran 2 so elastisch ist, dass sie aufgrund ihrer Elastizität ohne externe Energiezufuhr eine Rückstellkraft erzeugen kann. Diese Rückstellkraft wird in diesem Ausführungsbeispiel dazu verwendet, die Öffnung 3 von einer Durchlassstellung in eine Absperrstellung zu bringen.

In Fig. 1a wird zunächst die Absperrstellung dargestellt, die vorliegt, wenn keine Slurry durch die Slurry-Auslassöffnung 1 gefördert wird. Die Eigenelastizität der Membran 2, unterstützt durch die Wölbung 5 der Membran 2, bewirkt, dass die oberhalb der Membran 2 stehende Slurry nicht austreten kann. Der statische Druck reicht nicht auf, die Öffnung 3 in der Wölbung 5 zu öffnen.

Die in Fig. 1a dargestellte Öffnung 3 ist hier aus Gründen der zeichnerischen Darstellung größer dargestellt, als sie tatsächlich ist; die Ränder der Öffnung 3 liegen in der Absperrstellung dichtend aneinander.

Wird nun Slurry durch eine hier nicht dargestellte Pumpe gefördert, so wird das Ventilmittel selbststätig von der Absperrstellung in die Durchlassstellung gebracht.

In Fig. 1b ist dargestellt, wie der durch die Pumpe erzeugte Druck bewirkt, dass die elastische Membran 2 im Bereich der Öffnung 3 in Richtung der Strömung verformt wird. Die austretende Slurry wird durch die beiden Pfeile symbolisiert.

Wird nun die Pumpe gestoppt, wirkt kein Förderdruck mehr auf die Slurry in der Slurry-Auslassöffnung 1, so dass die Membran 2 sich im Bereich der Öffnung 3 wieder in die Absperrstellung gemäß Fig. 1a zurückstellt.

Dadurch wird vermieden, dass nach dem Abstellen der Pumpe Slurry-Reste an der Mündung der Slurry-Auslassöffnung 1 antrocknen und ggf. auf das unterhalb liegende Polierpad fallen.

Die Membran 2 ist hier aus einem Fluorkohlenstoffelastomer hergestellt, um einer Langzeithydrophilierung vorzubeugen. Die Eigenschaften des Fluorkohlenstoffelastomehrs verhindern ein Kriechen der Slurry, so dass einer Agglomeration vorgebeugt wird.

Die Wölbung 5 unterstützt die selbstverschließbare Wirkung des Ventilmittels. Alternativ kann bei hinreichender Elastizität der Membran 2 auch ein einziger Schlitz in einer ebenen Membran 2 ausreichen, um eine selbstverschließbare Öffnung 3 zu erhalten.

In den Fig. 2 bis 5 sind einige Gestaltungsmöglichkeiten für Öffnungen 3 in der Membran 2 dargestellt. In den schematischen Draufsichten auf die Membran 2 werden aus Gründen der Einfachheit die Wölbungen 5 nicht dargestellt. Auch werden die Öffnungen 3 jeweils in der Absperrstellung dargestellt.

In Fig. 2 wird die selbstverschließbare Öffnung 3 durch einen einfachen Schlitz gebildet. In der Durchlassstellung werden die Ränder des Schlitzes seitlich und nach unten gedrückt.

In Fig. 3 bilden zwei senkrecht zueinander senkrecht stehende Schlitze die selbstverschließbare Öffnung 3. In der Durchlassstellung werden die vier durch die Schlitze gebildeten Ecken aufgebogen. Hierbei ist weniger Verformungsarbeit an der Membran 2 zu leisten als im Falle des einfachen Schlitzes in Fig. 2.

In Fig. 4 sind drei Schlitze sternförmig angeordnet, so dass drei Ecken gebildet werden, die in der Durchlassstellung aufgebogen werden.

In Fig. 5 wird ein einzelner Schlitz analog zu Fig. 2 verwendet. Zusätzlich sind hier noch Mittel 4 zur Versteifung der Membran 2 angeordnet. Diese Mittel 4 zur Versteifung sind hier vier rippenartige Versteifungen, die auf der Membran 2 radial angeordnet sind. Alternativ können die Mittel 4 zur Versteifung auch elastische Kunststoffstäbchen sein, die in der Membran angeordnet sind. Durch diese zusätzlichen Mittel 4 zur Versteifung kann die Rückstellkraft zum Selbstverschluß der Öffnung 3 flexibel den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

Eine andere Alternative zur Variation der Elastizität besteht darin, die Dicke der Membran 2 im Bereich der Öffnungen 3 geringer als am Rand auszuführen. Damit wird die Verformungsarbeit geringer. Soll eine höhere Verformungsarbeit im Bereich der Öffnung 3 erreicht werden, wird die Dicke der Membran 2 gerade in diesem Bereich verstärkt.

Grundsätzlich sind die Mittel 4 zur Versteifung auch in Kombination mit anderen Anordnungen von Öffnungen verwendbar, z. B. mit denen in Fig. 2 bis 4 dargestellten.

Fig. 2 bis 5 zeigen kreisrunde Membranen. Alternative Ausführungen können auch andere Geometrien, wie z. B. polygonale Membran-Formen aufweisen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Ventilmittel und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Chemisch-Mechanischen Polieren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Bezugszeichenliste

1

Slurry-Auslassöffnung

2

Membran

3

Öffnungen

4

Mittel zur Versteifung

5

Wölbung

Claims

1. Ventilmittel für eine Slurry-Auslassöffnung einer Vorrichtung zum Chemisch-Mechanischen Polieren, insbesondere von Halbleiterscheiben bei der DRAM-Produktion, gekennzeichnet durch eine die Slurry-Auslassöffung (1) überdeckende, elastische Membran (2) mit mindestens einer selbstverschließbaren Öffnung (3), wobei die Öffnung (3) durch strömende Slurry in eine Durchlassstellung für die Slurry bringbar und bei nicht- strömender Slurry selbsttätig in eine Absperrstellung für die Slurry bringbar ist.

2. Ventilmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) im Bereich mindestens einer Öffnung (3) eine Wölbung (5) aufweist, die entgegen der Strömungsrichtung der Slurry angeordnet ist.

3. Ventilmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Membran (2) vom Bereich mindestens einer Öffnung (3) in der Mitte der Membran (2) zum Rand der Membran (2) zunimmt oder abnimmt.

4. Ventilmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder in der Membran (2) Mittel (4) zur Versteifung angeordnet sind.

5. Ventilmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mittel (4) zur Versteifung von der Mitte der Membran (2) zum Rand der Membran (2) verläuft.

6. Ventilmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der selbstverschließbaren Öffnungen (3) als ein gerader . Schlitz in einer runden Membran (2) ausgebildet ist.

7. Ventilmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der selbstverschließbaren Öffnungen (3) durch mindestens zwei einander kreuzende Schlitze in einer runden Membran (2) ausgebildet ist.

8. Ventilmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze der Öffnungen (3) punktsymmetrisch zueinander in der Mitte der runden Membran (2) angeordnet sind.

9. Ventilmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Schlitze der Öffnung (3) sternförmig in der Membran (2) angeordnet sind.

10. Ventilmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) aus Kunststoff, insbesondere einem Fluorkohlenstoffelastomer wie FPM (Vinylidenfluorid- Hexafluorpropylen-Kautschuk) oder FSI (fluorhaltiger Methylsilikon-Kautschuk) gebildet wird.