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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des chemisch-mechanischen
Polierens (CMP). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
ein CMP-Kissen mit überlagerten
Spiralrillen mit konstanter Fläche.
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Bei
der Herstellung integrierter Schaltungen und anderer elektronischer
Vorrichtungen auf einem Halbleiterwafer werden mehrere Schichten
von leitenden, halbleitenden und dielektrischen Materialien auf
dem Wafer abgeschieden und von diesem weggeätzt. Dünne Schichten dieser Materialien
können
mit einer Anzahl von Abscheidungstechniken abgeschieden werden.
Gebräuchliche
Abscheidungstechniken bei der modernen Waferverarbeitung umfassen
eine physikalische Dampfabscheidung (PVD) (auch als Sputtern bekannt),
eine chemische Dampfabscheidung (CVD), eine Plasma-unterstützte chemische
Dampfabscheidung (PECVD) und ein elektrochemisches Plattieren. Gebräuchliche Ätztechniken
umfassen unter anderem isotropes und anisotropes Nass- und Trockenätzen.
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Da
Schichten von Materialien aufeinander folgend abgeschieden und geätzt werden,
wird die Oberfläche
des Wafers nicht-planar. Da eine nachfolgende Halbleiterverarbeitung
(z.B. eine Photolithographie) erfordert, dass der Wafer eine flache
Oberfläche
aufweist, muss der Wafer periodisch planarisiert werden. Die Planarisierung
ist zur Entfernung einer unerwünschten
Oberflächentopographie
sowie von Oberflächendefekten, wie
z.B. rauen Oberflächen,
agglomerierten Materialien, Kristallgitterbeschädigungen, Kratzern und kontaminierten
Schichten oder Materialien, nützlich.
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Das
chemisch-mechanische Planarisieren oder chemisch-mechanische Polieren
(CMP) ist eine gebräuchliche
Technik, die zum Planarisieren von Halbleiterwafern und anderen
Werkstücken
verwendet wird. Bei dem herkömmlichen
CMP unter Verwendung einer sich drehenden Zweiachsen-Poliervorrichtung
wird ein Waferträger
oder Polierkopf auf einer Trägeranordnung
montiert. Der Polierkopf hält
den Wafer und positioniert ihn in Kontakt mit einer Polierschicht
eines Polierkissens innerhalb der Poliervorrichtung. Das Polierkissen weist
einen Durchmesser auf, der größer ist
als der doppelte Durchmesser des planarisierten Wafers. Während des
Polierens werden das Polierkissen und der Wafer um ihre jeweiligen
konzentrischen Zentren gedreht, während der Wafer mit der Polierschicht
in Eingriff ist. Die Drehachse des Wafers ist bezogen auf die Drehachse
des Polierkissens um einen Abstand verschoben, der größer ist
als der Radius des Wafers, so dass die Drehung des Kissens auf der
Polierschicht des Kissens eine ringförmige „Waferbahn" abträgt. Wenn die einzige Bewegung
des Wafers eine Drehbewegung ist, ist die Breite der Waferbahn mit
dem Durchmesser des Wafers identisch. In manchen Zweiachsen-Poliervorrichtungen
wird der Wafer jedoch in einer Ebene senkrecht zu dessen Drehachse
oszillieren gelassen. In diesem Fall ist die Breite der Waferbahn
um einen Betrag, der auf die Verschiebung aufgrund der Oszillation
zurückzuführen ist,
größer als
der Durchmesser des Wafers. Die Trägeranordnung stellt einen steuerbaren
Druck zwischen dem Wafer und dem Polierkissen bereit. Während des
Polierens wird eine Aufschlämmung
oder ein anderes Poliermedium auf das Polierkissen und in den Spalt zwischen
dem Wafer und der Polierschicht fließen gelassen. Die Waferoberfläche wird
durch die chemische und mechanische Wirkung der Polierschicht und
des Poliermediums auf der Oberfläche
poliert und planarisiert.
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Die
Wechselwirkung zwischen Polierschichten, Poliermedien und Waferoberflächen während des CMP
wird in dem Bemühen,
die Polierkissengestaltungen zu optimieren, mehr und mehr untersucht.
Die meisten der Polierkissenentwicklungen in den vergangenen Jahren
waren empirischer Natur. Ein großer Teil der Gestaltung von
Polieroberflächen
oder von Schichten hat sich auf die Ausstattung dieser Schichten
mit verschiedenen Strukturen von Hohlräumen und Anordnungen von Rillen,
bei denen davon ausgegangen wird, dass sie die Nutzung der Aufschlämmung und
die Einheitlichkeit des Polierens verbessern, konzentriert. In den vergangenen
Jahren wurden nur wenige verschiedene Rillen- und Hohlraumstrukturen
und -anordnungen realisiert. Rillenstrukturen des Standes der Technik
umfassen radiale Strukturen, konzentrisch-kreisförmige Strukturen, kartesische
Gitterstrukturen und Spiralstrukturen. Rillenkonfigurationen des
Standes der Technik umfassen Konfigurationen, bei denen die Breite
und die Tiefe aller Rillen bei allen Rillen einheitlich sind, und
Konfigurationen, bei denen die Breite oder die Tiefe der Rillen
von einer Rille zur nächsten
variieren.
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Insbesondere
umfasst eine Anzahl von Rillenstrukturen für Drehpolierkissen des Standes
der Technik Rillen, die sich einmal oder mehrmals kreuzen. Beispielsweise
offenbart das
US-Patent Nr. 5,650,039 (Talieh) in
der
3 ein kreisförmiges
Polierkissen mit spiralförmigen
oder kreisförmigen,
bogenförmigen
Rillensegmenten, die so angeordnet sind, dass sich unmittelbar benachbarte
Segmente in entgegengesetzten Richtungen winden und einander kreuzen.
Die
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2001-138212 (Doi et al.) beschreibt ein kreisförmiges Polierkissen,
das zwei Sätze
von Spiralrillen aufweist, die sich angrenzend an das konzentrische
Zentrum des Kissens zu der Kante des Kissens erstrecken und entlang
ihrer Länge
mehrmals kreuzen. Während
diese Rillenstrukturen bekannt sind, suchen Polier kissengestalter
kontinuierlich nach Rillenstrukturen, welche die Polierkissen bezogen
auf bekannte Kissen effektiver und besser geeignet machen.
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In
einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Polierkissen eine Polierschicht,
die zum Polieren von mindestens einem eines magnetischen Substrats,
optischen Substrats und Halbleitersubstrats in der Gegenwart eines
Poliermediums konfiguriert ist, wobei die Polierschicht eine kreisförmige Polieroberfläche mit
einem konzentrischen Zentrum und einem äußeren Umfang umfasst, mindestens
eine erste Rille bzw. Vertiefung, die in der kreisförmigen Polieroberfläche ausgebildet
ist, und mindestens eine zweite Rille, die in der kreisförmigen Polieroberfläche so ausgebildet
ist, dass sie die mindestens eine erste Rille mindestens zweimal
kreuzt, so dass mindestens ein vierseitiges Feld definiert wird,
das vier gekrümmte
Seiten aufweist, wobei jede der mindestens einen ersten Rille und
der mindestens einen zweiten Rille die kreisförmige Polieroberfläche mit
einem jeweiligen Rillen-Umfangsbruchteil von einer ersten Stelle
angrenzend an das konzentrische Zentrum zu einer zweiten Stelle
angrenzend an den äußeren Umfang
ausstattet, wobei der jeweilige Rillen-Umfangsbruchteil einen Durchschnitt
aufweist und innerhalb von etwa 25 % des Durchschnitts verbleibt.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Polierkissen eine
Polierschicht, die zum Polieren von mindestens einem eines magnetischen
Substrats, optischen Substrats und Halbleitersubstrats in der Gegenwart
eines Poliermediums konfiguriert ist, wobei die Polierschicht eine
kreisförmige
Polieroberfläche
mit einem konzentrischen Zentrum und einem äußeren Umfang umfasst, einen
ersten Rillensatz, der einen ersten Startradius aufweist und eine
Mehrzahl von ersten Rillen enthält,
die in der kreisförmigen
Polieroberfläche
ausgebildet sind, wobei jede der Mehrzahl von ersten Rillen, die
gemäß einem
Satz von Gleichungen des konstanten Rillen-Umfangsbruchteils als
Funktion des ersten Startradius angeordnet ist, so dass ein erster
Rillen-Umfangsbruchteil mit einem ersten Durchschnitt bereitgestellt
wird, der innerhalb von etwa 5 % des ersten Durchschnitts verbleibt,
und einen zweiten Rillensatz, der einen zweiten Startradius aufweist
und eine Mehrzahl von zweiten Rillen enthält, die in der kreisförmigen Polieroberfläche so ausgebildet
sind, dass Rillen der Mehrzahl von ersten Rillen Rillen der Mehrzahl
von zweiten Rillen mindestens einmal kreuzen, so dass eine Mehrzahl von
vierseitigen Feldern definiert wird, die jeweils vier gekrümmte Seiten
aufweisen, wobei jede der Mehrzahl von zweiten Rillen gemäß dem Satz
von Gleichungen des konstanten Rillen-Umfangsbruchteils als Funktion des
zweiten Startradius angeordnet ist, so dass ein zweiter Rillen-Umfangsbruchteil
mit einem zweiten Durchschnitt bereitgestellt wird, der innerhalb
von etwa 5 % des zweiten Durchschnitts verbleibt.
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1 ist
eine Draufsicht auf ein Polierkissen, das gemäß der vorliegenden Erfindung
so hergestellt worden ist, dass es zwei Sätze von sich kreuzenden Rillen
aufweist.
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2 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Polierkissens von 1 entlang der Linie 2-2 von 1.
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3 ist
eine schematische Ansicht des Polierkissens von 1,
die eine Rille von jedem der zwei Sätze von sich kreuzenden Rillen
zeigt.
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4 ist
eine Draufsicht auf ein alternatives Polierkissen, das gemäß der vorliegenden
Erfindung so hergestellt worden ist, dass es zwei Sätze von
sich kreuzenden Rillen aufweist.
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5 ist
eine schematische Ansicht des Polierkissens von 4,
die eine Rille von jedem der zwei Sätze von sich kreuzenden Rillen
zeigt.
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6 ist
eine Draufsicht auf ein anderes alternatives Polierkissen, das gemäß der vorliegenden
Erfindung so hergestellt worden ist, dass es zwei Sätze von
sich kreuzenden Rillen aufweist.
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7 ist
eine schematische Ansicht des Polierkissens von 6,
die eine Rille von jedem der zwei Sätze von sich kreuzenden Rillen
zeigt.
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8 ist
eine Draufsicht auf ein anderes alternatives Polierkissen, das gemäß der vorliegenden
Erfindung so hergestellt worden ist, dass es zwei Sätze von
sich kreuzenden Rillen aufweist.
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9 ist
eine schematische Ansicht des Polierkissens von 8,
die eine Rille von jedem der zwei Sätze von sich kreuzenden Rillen
zeigt.
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10 ist
eine Draufsicht auf ein weiteres alternatives Polierkissen, das
gemäß der vorliegenden
Erfindung so hergestellt worden ist, dass es zwei Sätze von
sich kreuzenden Rillen aufweist, wobei die Rillen in jedem Satz
einen variierten Winkelabstand aufweisen.
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11 ist
eine vergrößerte, schematische
Teilansicht des Polierkissens von 10, die
mehrere Rillen von jedem der zwei Sätze von sich kreuzenden Rillen
zeigt.
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12 ist
ein schematisches Diagramm eines Poliersystems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulichen die 1 bis 3 ein
Polierkissen 100, das erfindungsgemäß hergestellt worden ist und
das, wie es nachstehend detaillierter beschrieben ist, mit einer CMP-Poliervorrichtung
verwendet werden kann. Gemäß der 2 umfasst
das Polierkissen 100 eine Polierschicht 104 mit
einer Polieroberfläche 108.
Die Polierschicht 104 kann durch eine Trägerschicht 112 gestützt werden,
die integriert mit der Polierschicht oder getrennt von der Polierschicht
ausgebildet sein kann. Die Polierschicht 104 kann aus jedwedem
Material hergestellt sein, das zum Polieren des zu polierenden Gegenstands
geeignet ist, wie unter anderem z.B. eines Halbleiterwafers (durch
den Umriss 114 in der 1 gezeigt),
eines Magnetmediengegenstands, z.B. einer Platte einer Computerfestplatte,
oder einer Optik, wie z.B. einer Brechungslinse, einer Reflexionslinse,
eines planaren Reflektors oder eines transparenten planaren Gegenstands.
Beispiele für
Materialien für
die Polierschicht 104 umfassen zum Zwecke der Veranschaulichung und
nicht beschränkend
verschiedene polymere Kunststoffe, wie unter vielen anderen z.B.
Polyurethan, Polybutadien, Polycarbonat und Polymethylacrylat.
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Gemäß den 1 und 3 weist
das Polierkissen 100 typischerweise eine kreisförmige Scheibenform
auf, so dass die Polieroberfläche 108 ein
konzentrisches Zentrum oder einen Ursprung O und einen kreisförmigen äußeren Umfang 120,
der in einem Abstand R0 (3) vom Ursprung O angeordnet
ist, aufweist. Während
der Verwendung trägt
der Gegenstand, der poliert wird (hier ein Wafer, der durch den
Umriss 114 gezeigt ist), bei dem es sich typischerweise,
jedoch nicht notwendigerweise, um einen Halbleiterwafer handelt, eine
kreisförmige
Polierbahn (Waferbahn) 124 auf der Polieroberfläche 108 ab,
wenn das Polierkissen 100 um den Ursprung O gedreht wird.
Die Polierbahn 124 ist der Teil der Polieroberfläche, der
während
des Polierens auf den polierten Gegenstand gerichtet ist. Die Polierbahn 124 ist
im Allgemeinen durch eine innere Grenze 124A und eine äußere Grenze 124B definiert.
Dem Fachmann ist klar, dass die innere und die äußere Grenze 124A–B der Waferbahn 124 größtenteils
kreisförmig
sind, jedoch in dem Fall einer Poliervorrichtung, die dem polierten
Gegenstand oder dem Polierkissen 100 eine kreisförmige oder
oszillierende Bewegung verleiht, gewellt sein kann.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 umfasst
das Polierkissen 100 zwei Rillensätze 128, 132, die
jeweils eine Mehrzahl von entsprechenden jeweiligen Rillen 128A, 132A enthalten.
Wie es nachstehend detailliert diskutiert wird, ist es wichtig,
dass jede Rille 128A so konfiguriert und angeordnet ist,
dass sie Rillen der Rillen 132A kreuzt, und dass jede Rille 128A, 132A eine
Rille mit im Wesentlichen „konstanter
Fläche" ist. In einer Rille,
die eine wahre konstante Fläche
aufweist, weist das Verhältnis
der Länge
des Segments eines Kreises, der die Rille von einer Seite der Rille
zur anderen kreuzt, zur Länge
des komplementären
Segments des Kreises außerhalb
der Rille ungeachtet des Radius des Kreises den gleichen Wert auf.
Folglich ist der Bruchteil der Polieroberfläche 108, der durch
jeden Satz 128, 132 von Rillen 128A, 132A mit
Rillen versehen ist, gemessen entlang jedweden Kreises, der mit
dem Ursprung O konzentrisch ist und die Rillen in diesem Satz kreuzt,
innerhalb dieses Satzes im Wesentlichen konstant, d.h. er liegt
innerhalb von etwa 25 % des Durchschnitts. Dieses Konzept wird hier
als „Rillen-Umfangsbruchteil" oder einfach als „CF" bezeichnet. Jede Rille 128A, 132A kann
nahezu jedwede gewünschte
Querschnittsform und Querschnittsgröße aufweisen, so dass sie zu
einem bestimmten Satz von Gestaltungskriterien passt. Folglich dienen
die rechteckige Querschnittsform der Rillen 128A, 132A,
wie sie insbesondere in der 2 veranschaulicht
sind, und die gezeigte relative Querschnittsgröße lediglich der Veranschaulichung.
Der Fachmann kennt den breiten Bereich von Formen und Größen der
Rillen 128A, 132A, mit dem ein Gestalter ein erfindungsgemäßes Polierkissen,
wie z.B. das Kissen 100, versehen kann. Dem Fachmann ist
ebenfalls klar, dass die Querschnittsformen und die Größen der
Rillen 128A, 132A entweder entlang der Länge jeder
Rille oder von Rille zu Rille oder entlang der Länge jeder Rille und von Rille
zu Rille variieren können.
Die Rillen 132A in dem Rillensatz 132 erstrecken
sich durch die Polierbahn 124, wobei sie sowohl die innere
Grenze 124A als auch die äußere Grenze 124B kreuzen,
während
die Rillen 128A in dem Satz 128 nur die äußere Grenze 124B kreuzen.
Dem Fachmann ist klar, dass es sich bei dem Erstrecken oder nicht-Erstrecken
der Rillen 128A, 132A von jedem Satz 128, 132 über eine
oder beide Grenze(n) 124A–B um eine Funktion der Poliererfordernisse
handelt, die das Polierkissen 100 gemäß seiner Gestaltung erfüllen soll.
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Ein
konstanter CF kann für
jeden Satz
128,
132 von Rillen
128A,
132A durch
Anordnen der entsprechenden jeweiligen Rillen auf der Basis der
folgenden Gleichungen, die eine Spiralform definieren, erreicht werden:
X = R cos φ(R)
und Gleichung {1} Y = R sin φ(R) Gleichung {2}wobei
R der Abstand von dem Kissenzentrum ist und der Winkel in einem
Polarkoordinatensystem ist, das an diesem Zentrum festgelegt ist,
und wobei
wobei
R
S der Startradius der Spirale ist. Die
Gleichungen {1} bis {3} werden nachstehend und in den beigefügten Ansprüchen entweder
als „Satz
von Gleichungen des konstanten Rillen-Umfangsbruchteils" oder einfach als die „CF-Gleichungen" bezeichnet.
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Wie
es aus den vorstehenden CF-Gleichungen ersichtlich ist, ist die
Variable, welche die Krümmung der
Rillen 128A, 132A definiert, RS,
wobei es sich um den inneren Radius oder Startradius für den entsprechenden
Rillensatz handelt. Wie es in der 3, in der
R1 der Startradius für
jede Rille 132A ist und R2 der Startradius für jede Rille 128A ist,
leicht ersichtlich ist, ist die Anzahl der Windungen der jeweiligen
Rillen um den Ursprung O umso größer, je
kleiner der Startradius ist. Bei dem relativ kleinen Startradius
R1 weist jede Rille 132A mehr als drei Windungen um den
Ursprung O auf, wohingegen sich jede Rille 128A, die einen
relativ großen
Startradius R2 aufweist, mit etwa einem Zwölftel einer Windung um den
Ursprung erstreckt. Während der
Startradius jedes Rillensatzes 128, 132 (1)
jedweder Wert von Null, wobei die Rillen bei dem Ursprung O beginnen
würden,
bis weniger als der äußere Radius
R0 des Polierkissens 100 sein kann, wird praxisgemäß einer
der Startradien (R1 in der 3) typischerweise,
jedoch nicht notwendigerweise, kleiner sein als der Radius der inneren
Grenze 124A (1) der Waferbahn 124,
und ein anderer der Startradien (R2 in der 3) wird
typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, kleiner sein als
der Radius der äußeren Grenze 124B (1)
der Waferbahn. Zur Einstellung der Wafereinheitlichkeit liegt der
kleine Startradius R1 vorzugsweise außerhalb der Waferbahn und der
relativ große
Startradius R2 liegt innerhalb der Waferbahn. Dies ermöglicht eine
Einstellung und eine Feineinstellung des Polierens zur Verbesserung
der Einheitlichkeit innerhalb des Wafers.
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In
einem exemplarischen Satz von Ausführungsformen von Polierkissen,
die erfindungsgemäß hergestellt
worden sind, kann es erwünscht
sein, dass die Rillen von mindestens einem Rillensatz in mindestens zwei
vollen Windungen um den Ursprung O verlaufen. Unter Verwendung der
vorstehend genannten CF-Gleichungen erfordert dies, dass der Startradius
solcher Rillen weniger als etwa 1/12 des Kissenradius R0 beträgt. Für eine 300
mm-Waferpoliervorrichtung
kann der Kissenradius etwa 15'' (381 mm) betragen,
so dass der Startradius etwa 1,25 Zoll (31,7 mm) betragen muss,
um zwei volle Windungen der Spiralrille zu ergeben. In einem anderen
exemplarischen Satz von Ausführungsformen
kann es erwünscht
sein, dass die Rillen in mindestens einem Rillensatz mit nicht mehr
als einer Windung um den Ursprung O verlaufen. Dies erfordert, dass
der Startradius in den CF-Gleichungen
nicht weniger als 1/3 des Kissenradius R0 beträgt, oder für den vorstehend genannten
300 mm-Wafer nicht weniger als 5 Zoll (127 mm) beträgt. In anderen
Ausführungsformen
kann es erwünscht
sein, dass die Rillen in einem Rillensatz in mindestens zwei vollen Windungen
vorliegen, während
die Rillen in dem anderen Satz in nicht mehr als einer Windung vorliegen.
Selbstverständlich
ist dem Fachmann klar, dass weitere Ausführungsformen je nach Wunsch
anderen Windungsanforderungen genügen können.
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Rillen,
die im Wesentlichen gemäß den CF-Gleichungen
ausgebildet sind, führen
zu Spiralrillen 128A, 132A mit konstantem CF,
die zur Bereitstellung einer im Wesentlichen konstanten Fläche der
Polieroberfläche 108 als
Funktion des Radius R für
jeden Rillensatz 128, 132 (1) führen, die
wiederum zu einer einheitlicheren Polierleistung als bei einem Polierkissen
führen
kann, das Rillensätze
mit einem nicht-konstantem oder im Wesentlichen nicht-konstantem CF aufweist.
Der Hauptvorteil eines konstanten CF ist die Ausbildung eines Aufschlämmungsfilms
zwischen dem Wafer und dem Kissen mit einer im Wesentlichen einheitlichen
Dicke von Punkt zu Punkt, die zu einem Ausgleich von Kräften auf
den Wafer führt,
wobei der Wafer exakt parallel zur mittleren Ebene des Kissens vorliegt.
Im Gegensatz dazu führt
ein nicht-konstanter CF zu Punkt-zu-Punkt-Variationen des hydrodynamischen
Zustands zwischen dem Kissen und dem Wafer, was zu einer Waferneigung und
einer entsprechend uneinheitlichen Materialentfernung führt. Der
tatsächliche
Prozentsatz des CF für
jeden Rillensatz 128, 132 wird von der Anzahl
der Rillen 128A, 132A bei jedwedem gegebenen Radius,
den Breiten der Rillen bei diesem Radius und der Krümmung der
Rillen bei diesem Radius abhängen.
Es sollte beachtet werden, dass, während der CF nahezu jedweden
Prozentsatz aufweisen kann, die bisherige Erfahrung gezeigt hat,
dass ein kombinierter CF, d.h. die Summe des CF für den Rillensatz 128 und
des CF für
den Rillensatz 132, im Bereich von etwa 10 % bis etwa 45
% eine gute Leistung für
das Halbleiterwaferpolieren bereitstellt. Darüber hinaus ermöglicht die
vorliegende Offenbarung Rillen mit einem breiten Bereich von Krümmungen,
wie es vorstehend erwähnt
worden ist. Bei dem Polierkissen 100 erstreckt sich jede
Rille 128A mit nur etwa 1/12 einer Windung um den Ursprung
O, während
sich jede Rille 132A über
drei Windungen erstreckt. Selbstverständlich können je nach dem kleinere oder
größere Erstreckungen
eingesetzt werden, um zu einer bestimmten Gestaltung zu passen.
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Andere
Variablen zum Konfigurieren und Anordnen der Rillen 128A, 132A in
entsprechenden jeweiligen Sätzen 128, 132 umfassen
die Anzahl von Rillen, die Richtung der Krümmung der Rillen und die Start- und
Endpunkte der Rillen in jedem Satz. Bezüglich der Anzahl von Rillen 128A, 132A kann
ein Gestalter nur eine Rille in jedem Satz 128, 132 und
so viele in jedem Satz bereitstellen, wie es gewünscht ist. Selbstverständlich gibt
es bezüglich
der maximalen Anzahl von Rillen 128A, 132A, die
physisch auf der Polieroberfläche 108 bereitgestellt
werden können,
praktische Grenzen. Die Richtung der Krümmung der Rillen, in diesem
Beispiel der Rillen 128A, 132A, wie zwischen den
beiden Sätzen,
hier den Sätzen 128, 132,
liegt im Ermessen des Gestalters. Abhängig von der Gestaltung kann
sich ein Satz von Rillen in der gleichen Richtung um den Ursprung
winden wie der andere Satz, oder er kann sich bezüglich des
anderen Satzes in der entgegengesetzten Richtung winden. Wenn sich
beide Sätze
in der gleichen Richtung winden, können sie sich entweder im Uhrzeigersinn
oder im Gegenuhrzeigersinn winden.
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In
diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, dass aufgrund der Natur
der vorstehend genannten CF-Gleichungen dann, wenn sich beide Rillensätze in der
gleichen Richtung winden, z.B. wie die Rillensätze 304, 308 der 6 und 7,
die Rillen in den jeweiligen Sätzen
bei verschiedenen Startradien beginnen müssen. Wenn die Startradien
identisch sind, werden die Rillen, die sich in der gleichen Richtung
winden, die gleiche Krümmung
aufweisen und werden folglich einander nicht kreuzen. Selbstverständlich ist
das Kreuzen von Rillen, die sich in der gleichen Richtung winden,
ein intrinsisches Merkmal, so lange die radialen Ausmaße der mit
Rillen versehenen Bereiche der jeweiligen Rillensätze ausreichend überlappen.
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Während in
dem exemplarischen Polierkissen 100 der 1 bis 3 der
CF-Wert für
jeden Rillensatz 128, 132 auf der Basis der Anordnung
der Rillen 128A, 132A unter Verwendung der CF-Gleichungen
konstant ist, kann der CF in anderen Ausführungsformen in gewisser Weise
nicht-konstant sein. In diesen Ausführungsformen ist es bevorzugt,
dass der CF jedes Rillensatzes innerhalb von etwa 25 % von dessen
Durchschnittswert als eine Funktion des Kissenradius bleibt, und
vorzugsweise innerhalb von etwa 10 % von dessen Durchschnittswert
bleibt. Insbesondere bleibt der CF innerhalb von 5 % von dessen
Durchschnittswert als eine Funktion des Kissenradius und idealerweise
bleibt der Durchschnittswert des CF als eine Funktion des Kissenradius
konstant. Es ist am wichtigsten, den CF in dessen vorgesehenen Polierbereich
konstant zu halten. Beispielsweise bleibt der CF beim Polieren von
Wafern innerhalb der Waferbahn vorzugsweise stabil. Diese Grenzen
bezüglich
des CF ermöglichen
unter anderem Variationen bezüglich
der idealen Rillenbildung (z.B. eine Lockerung der Rillengestaltungstoleranz,
um das Verfahren zur Bildung der Rillen weniger teuer und weniger zeitaufwändig zu
machen) und eine Kompensation jedweder Poliereffekte, die eine Funktion
des Radius des Polierkissens sind (z.B. der Materialentfernung als
Funktion der Aufschlämmungsverteilung).
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Wie
es in der 1 leicht ersichtlich ist, definieren
sich kreuzende Rillensätze 128, 132 eine
Mehrzahl von vierseitigen Feldern 136, die jeweils durch
vier Segmente entsprechender Rillen der Rillen 128A, 132A begrenzt
sind. In der gezeigten Ausführungsform,
bei der die Rillen 128A, 132A eine Spiralform
aufweisen, ist jede der vier Seiten jedes der vierseitigen Felder 136 gekrümmt. Es
ist auch leicht ersichtlich, dass die Flächen der vierseitigen Felder 136 mit zunehmendem
radialen Abstand zwischen den Feldern und dem Zentrum O des Polierkissens 100 zunehmen.
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Die 4 bis 11 veranschaulichen
einige exemplarische alternative Polierkissen 200, 300, 400, 450 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die 4 und 5 veranschaulichen
das Polierkissen 200, das zwei Sätze 204, 208 von
Rillen 204A, 208A aufweist, bei denen sich die
Rillen in einander entgegengesetzten Richtungen winden. Aus Gründen der
Deutlichkeit zeigt die 5 insbesondere jeweils eine
der Rillen 204A, 208A. Wie bei den Rillen 128A, 132A kann
jede Rille 204A, 208A jedwede Querschnittskonfiguration
aufweisen, die für
eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Ebenso sind die Rillen 204A, 208B wie
die Rillen 128A, 132B der 1 bis 3 Spiralrillen,
die gemäß der vorstehend
genannten CF-Gleichungen angeordnet sind, so dass ein konstanter
CF für
jeden Rillensatz 204, 208 bereitgestellt wird.
Wie bei dem Polierkissen 100 von 1 definieren
sich kreuzende Rillen 204A, 208A von 4 eine
Mehrzahl von Feldern 212, die jeweils vier gekrümmte Seiten
aufweisen, die durch gekrümmte
Segmente von entsprechenden jeweiligen Rillen 204A, 208A definiert
sind. Ebenso wie bei dem Polierkissen 100 von 1 nehmen
die Flächen
der Felder 312 von 4 mit zunehmendem
radialen Abstand von dem Zentrum O des Polierkissens 200 zu.
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Die 6 und 7 zeigen
das Polierkissen 300, das zwei Sätze 304, 308 von
Rillen 304A, 308A aufweist, die im Allgemeinen
mit den jeweiligen Rillen 128A, 132A von 1 und
den Rillen 204A, 208A von 4 identisch
sind. In dem Fall des Polierkissens 300 winden sich jedoch,
wie es vorstehend erwähnt
worden ist, die Rillen 304A und die Rillen 308A in
der gleichen Richtung um den Ursprung O des Kissens. Aus Gründen der
Deutlichkeit zeigt die 7 eine Rille 304A, 308A von
jedem Satz 304, 308. Zur Vervollständigung
jedes Satzes 304, 308 wird jede der gezeigten
Rillen 304A, 308B einfach bei einem konstanten
Winkelabstand in einer Umfangsrichtung um das Polierkissen wiederholt.
Die Rillen 304A, 308A wurden gemäß den vorstehend genannten
CF-Gleichungen bereitgestellt, so dass ein konstanter CF für jeden
Rillensatz 304, 308 bereitgestellt wird. Wie es
in der 6 ersichtlich ist, definieren sich kreuzende Rillen 304A, 308A eine
Mehrzahl von Feldern 312, die jeweils vier gekrümmte Seiten
aufweisen, die durch gekrümmte
Segmente von entsprechenden jeweiligen Rillen 304A, 308A definiert
werden. Auch hier nehmen die Flächen
der Felder 312 mit zunehmendem radialen Abstand von dem
Zentrum O des Polierkissens 300 zu.
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Die 8 und 9 zeigen
das Polierkissen 400. Die Rillenstruktur des Polierkissens 400 basiert
im Wesentlichen auf einer Einzelspiralen-Rillenform, die bei einem
konstanten Winkelabstand wiederholt wird, so dass ein erster Satz 404 von
Rillen 404A bereitgestellt und dann gespiegelt wird, so
dass eine Rille 408A bereitgestellt wird, die sich in der
entgegenge setzten Richtung windet und bei einem konstanten Winkelabstand wiederholt
wird, so dass ein zweiter Satz von Rillen 408 bereitgestellt
wird. Das Polierkissen 400 veranschaulicht insbesondere
die Tatsache, dass die verschiedenen Rillensätze, hier die Sätze 404, 408,
nicht unterschiedliche innere und äußere Grenzen aufweisen müssen, wie
dies bei den Polierkissen 100, 200, 300 der 1 bis 7 der
Fall ist. Vielmehr können
beide Sätze 404, 408 die
gleichen inneren und äußeren Grenzen 412, 416 gemeinsam
haben. Jede der Rillen 404A, 408A in jedem Satz 404, 408 ist
gemäß den vorstehend genannten
CF-Gleichungen angeordnet, wodurch für jeden Rillensatz 404, 408 ein
im Wesentlichen konstanter CF bereitgestellt wird. Andere Aspekte
der Rillen 404A, 408A, wie z.B. die Tiefe, die
Querschnittsform und die Breite, können derart sein, wie es vorstehend
bezüglich
der Rillen 128A, 132A der 1 bis 3 beschrieben
worden ist. Wie es in der 8 ersichtlich
ist, definieren sich kreuzende Rillen 404A, 408A eine Mehrzahl
von Feldern 412, die jeweils vier gekrümmte Seiten aufweisen, die
durch gekrümmte
Segmente von entsprechenden jeweiligen Rillen 404A, 408A definiert
sind. Die Flächen
der Felder 412 nehmen mit zunehmendem radialen Abstand
von dem konzentrischen Zentrum des Polierkissens 400 ab.
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Während das
Polierkissen 400 veranschaulicht, dass zwei Sätze 404, 408 von
sich entgegengesetzt windenden Rillen tatsächlich den gleichen inneren
Startradius aufweisen können,
ist es in vielen Ausführungsformen
für die
Zwecke der Strömung
des Poliermediums bevorzugt, dass sich die Rillen in einem Rillensatz von
einem inneren Radius, der kleiner ist als die innere Grenze der
Waferbahn, zu einem äußeren Radius,
der größer ist
als die äußere Grenze
der Waferbahn, erstrecken, während
sich die Rillen in einem anderen Rillensatz von einem inneren Radius,
der sich innerhalb der Waferbahn befindet, zu einem äußeren Radius
erstrecken, der sich außerhalb
der Waferbahn befindet. Auf diese Weise erstrecken sich die Rillen
eines Satzes vollständig
durch die Waferbahn und die Rillen in dem anderen Satz erstrecken
sich von innerhalb der Waferbahn in Richtung des äußeren Umfangs
des Polierkissens. Diese Situation ist in jedem der Polierkissen 100, 200, 300, 450 der 1 bis 7, 10 und 11 gezeigt.
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Die 10 und 11 zeigen
das Polierkissen 450, das zwei Sätze 454, 458 von
sich kreuzenden Rillen 454A bzw. 458A mit konstantem
CF aufweist. Die Rillensätze 454, 458 sind
den Rillensätzen 208 bzw. 204 des
Polierkissens 200 der 4 und 5 sehr ähnlich,
mit der Ausnahme, dass die Rillen 204A, 208A der 4 und 5 in
den jeweiligen Sätzen 204, 208 des
Polierkissens 200 um das Kissen in einem konstanten Winkelabstand
angeordnet sind, wohingegen die Rillen 454A, 458A der 10 und 11 um
das Polierkissen 450 bei einem variierten Winkelabstand
angeordnet sind. In dem exemplarischen Polierkissen 200 liegen
20 Rillen 208A in dem Rillensatz 208 vor (und
folglich 20 Felder zwischen unmittelbar angrenzenden Rillen der
Rillen 208A), was zu einem konstanten Winkelabstand von
360°/20
= 18° führt. Entsprechend liegen
127 Rillen 204A in dem Rillensatz 204 vor (und
folglich 127 Felder zwischen unmittelbar angrenzenden Rillen der
Rillen 204A), was zu einem konstanten Winkelabstand von
360°/127 ≈ 2,84° führt. Selbstverständlich kann
in alternativen Ausführungsformen
die Anzahl der Rillen 454A, 458A in jedem Satz 454, 458 von
der gezeigten Anzahl verschieden sein und als Anzahl ausgewählt werden,
die so groß oder
so klein ist, wie es eine bestimmte Gestaltung erfordert.
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Unter
Bezugnahme auf die 10 und 11 weisen
in dem Rillensatz 454 des Polierkissens 450 andererseits
die Rillen 454A einen variierten Winkelabstand auf, der
zwischen α =
9° und β = 27° variiert.
Da α relativ
viel kleiner ist als β,
neigt die menschliche Wahrnehmung dazu, die eng beabstandeten Rillen
zusammen zu gruppieren, wobei in diesem Fall der Rillensatz 454 so
erscheint, als ob er zehn Sätze
von jeweils zwei Rillen 454A enthält. Entsprechend weisen die
Rillen 458A in dem Rillensatz 458 einen variierten
Abstand auf, bei dem es sich um eine sich wiederholende Reihe von
drei Winkeln α', β', γ handelt,
wobei α' = β' = 2° und γ = 4° ist. Auch
hier neigt die menschliche Wahrnehmung dazu, die enger beabstandeten
Rillen 458A zusammen zu gruppieren, so dass der Rillensatz 458 so
erscheint, als ob er 45 Sätze
von jeweils drei Rillen 458A enthält. Selbstverständlich ist
dem Fachmann klar, dass diese zwei variierten Winkelabstände lediglich
beispielhaft sind und dass viele Rillenstrukturen mit variiertem
Abstand durch die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Abstandswinkeln
in jedem Rillensatz 454, 458 vom Fachmann gefunden
werden können.
Selbstverständlich
kann in anderen Ausführungsformen
nur einer der Rillensätze 454, 458 mit
einem variierenden Rillenabstand bereitgestellt werden, während der
andere mit einem konstanten Abstand bereitgestellt wird.
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Wie
bei den Rillen 128A, 132A des Polierkissens 100 der 1 bis 3 ist
jede Rille 454A, 458A in jedem jeweiligen Rillensatz 454, 458 gemäß den vorstehend
diskutierten CF-Gleichungen,
d.h. den Gleichungen {1} bis {3}, angeordnet, wodurch ein im Wesentlichen
konstanter CF für
jeden Rillensatz 454, 458 bereitgestellt wird.
Insbesondere unter Bezugnahme auf die 11 stellt
der Punkt 462 das konzentrische Zentrum des Polierkissens 450 dar,
der Kreis 466 gibt den Startpunkt für die Rillen 454A des
Rillensatzes 454 an und der Kreis 470 gibt den
Startpunkt für
die Rillen 458A des Rillensatzes 458 an. Die Kreise 466, 470 sind
zu dem Mittelpunkt 462 konzentrisch, wobei der Kreis 466 einen
Radius R1 und der Kreis 470 einen Radius R2 aufweist. Es
sollte beachtet werden, dass, obwohl der Radius R1 so gezeigt ist,
dass er kleiner ist als der Radius R2, dem Fachmann klar ist, dass
in anderen Ausführungsformen
der Radius R1 größer als
der Radius R2 sein kann, und da sich die Rillen 454A bezogen
auf die Rillen 458A in entgegengesetzter Richtung winden,
kann in ande ren Ausführungsformen
der Radius R1 mit dem Radius R2 identisch sein. Bezüglich des
letztgenannten Merkmals sollte beachtet werden, dass die Rillen 454A, 458A,
wenn sie sich in der gleichen Richtung winden würden und den gleichen Startradius
aufweisen würden,
identische Spiralformen aufweisen und sich nicht kreuzen würden, da
sie durch die identischen Gleichungen definiert sind. Andere Aspekte
der Rillen 454A, 458A, wie z.B. die Tiefe, die
Querschnittsform und die Breite, können derart sein, wie sie vorstehend
bezüglich der
Rillen 128A, 132A der 1 bis 3 beschrieben
worden sind. Darüber
hinaus definieren sich kreuzende Rillen 454A, 458A,
wie es in der 10 ersichtlich ist, eine Mehrzahl
von Feldern 474, die jeweils vier gekrümmte Seiten aufweisen, die
durch gekrümmte
Segmente von entsprechenden jeweiligen Rillen 454A, 458A definiert
sind. Bei den Polierkissen 100, 200, 300, 400,
die in den 1, 4, 6 bzw. 8 gezeigt
sind, nehmen die Flächen
der Felder 474 mit zunehmendem radialen Abstand von dem
konzentrischen Zentrum 462 des Polierkissens 450 zu.
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Während in
den vorstehenden Beispiele Rillensätze eingesetzt worden sind,
in denen die einzelnen Rillen in der Winkelrichtung gleich beabstandet
sind, muss dies nicht notwendigerweise der Fall sein. Es ist im Allgemeinen
bevorzugt, dass bei den Abständen
einzelner Rillen des ersten und des zweiten Satzes von Spiralrillen
mit konstanter Fläche
eine gewisse Periodizität
vorliegt, jedoch kann dies anstelle eines einzelnen Rillenabstands
um das gesamte Kissen in Gruppen von zwei, drei oder mehr Rillen
von jedem Satz realisiert werden.
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Die 12 veranschaulicht
eine Poliervorrichtung 500, die zur Verwendung mit einem
Polierkissen 504 geeignet ist, bei dem es sich um eines
der Polierkissen 100, 200, 300, 400, 450 der 1 bis 11 oder um
ein anderes Polierkissen handeln kann, das erfindungsgemäß hergestellt
worden ist, um einen Gegenstand, wie z.B. einen Wafer 508,
zu polieren. Die Poliervorrichtung 500 kann eine Platte 512 umfassen,
auf der das Polierkissen 504 montiert ist. Die Platte 512 kann
durch eine Plattenantriebseinrichtung (nicht gezeigt) um eine Drehachse
A1 gedreht werden. Die Poliervorrichtung 500 kann ferner
einen Waferträger 520 umfassen, der
um eine Drehachse A2 gedreht werden kann, die parallel zur Drehachse
A1 der Platte 512 angeordnet und von dieser beabstandet
ist, und den Wafer 508 während des Polierens stützt. Der
Waferträger 520 kann
eine kardanische Anlenkung (nicht gezeigt) aufweisen, die es dem
Wafer 508 ermöglicht,
eine Position einzunehmen, die bezüglich der Polieroberfläche 524 des
Polierkissens 504 sehr geringfügig nicht-parallel ist, wobei
in diesem Fall die Drehachsen A1, A2 relativ zueinander sehr geringfügig schief
sein können.
Der Wafer 508 umfasst eine polierte Oberfläche 528,
die auf die Polieroberfläche 524 gerichtet
ist und während
des Polierens planarisiert wird. Der Waferträger 520 kann durch
eine Trägerstützanordnung
(nicht gezeigt) gestützt
werden, die angepasst ist, den Wafer 508 zu drehen und eine
nach unten gerichtete Kraft F bereitzustellen, um die polierte Oberfläche 524 gegen
das Polierkissen 504 zu drücken, so dass während des
Polierens ein gewünschter Druck
zwischen der polierten Oberfläche
und dem Kissen vorliegt. Die Poliervorrichtung 500 kann
auch einen Poliermediumeinlass 532 zum Zuführen eines
Poliermediums 536 zu der Polieroberfläche 524 umfassen.
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Dem
Fachmann ist klar, dass die Poliervorrichtung 500 andere
Komponenten (nicht gezeigt) umfassen kann, wie z.B. eine Systemsteuereinrichtung,
ein Poliermediumspeicher- und -abgabe-system, ein Heizsystem, ein
Spülsystem
und verschiedene Steuereinrichtungen zum Steuern verschiedener Aspekte
des Poliervorgangs, wie z.B. unter anderem: (1) Geschwindigkeitssteuer-
und -auswahleinrichtungen für
eine oder beide der Drehzahlen des Wafers 508 und des Polierkissens 504,
(2) Steuer- und Auswahleinrichtungen zum Variieren der Geschwindigkeit
und der Position der Abgabe von Poliermedium 536 an das
Kissen, (3) Steuer- und Auswahleinrichtungen zum Steuern der Größe der Kraft
F, die zwischen dem Wafer und dem Polierkissen ausgeübt wird,
und (4) Steuereinrichtungen, Betätigungseinrichtungen
und Auswahleinrichtungen zum Steuern der Position der Drehachse
A2 des Wafers relativ zur Drehachse A1 des Kissens. Dem Fachmann
ist klar, wie diese Komponenten aufgebaut und verwirklicht werden,
so dass eine detaillierte Erläuterung
dieser Komponenten für
den Fachmann für
das Verständnis
und die Ausführung
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind.
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Während des
Polierens werden das Polierkissen 504 und der Wafer 508 um
ihre jeweiligen Drehachsen A1, A2 gedreht und Poliermedium 536 wird
von dem Poliermediumeinlass 532 auf das sich drehende Polierkissen
abgegeben. Das Poliermedium 536 verteilt sich über der
Polieroberfläche 524,
einschließlich
den Spalt unterhalb des Wafers 508 und dem Polierkissen 504.
Das Polierkissen 504 und der Wafer 508 werden typischerweise,
jedoch nicht notwendigerweise mit ausgewählten Geschwindigkeiten von
0,1 U/min bis 150 U/min gedreht. Die Kraft F liegt typischerweise,
jedoch nicht notwendigerweise, in einer Größenordnung vor, die so ausgewählt ist,
dass zwischen dem Wafer 508 und dem Polierkissen 504 ein
gewünschter
Druck von 0,1 psi bis 15 psi (6,9 bis 103 kPa) ausgeübt wird.
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Die
komplementäre
Umfangsbruchteil-Spiralrillengestaltung der Erfindung verbessert
die Wafereinheitlichkeit. Insbesondere kann die Bereitstellung einer
Rille mit einem ersten Umfangsbruchteil außerhalb der Waferbahn und einer
Spiralrille mit einem zweiten Umfangsbruchteil in der Waferbahn
die Wafereinheitlichkeit weiter verbessern. Ferner kann die Erhöhung der
Rillendichte die Aufschlämmungsverteilung
des Polierkissens weiter verbessern. Schließlich kann der zweite Satz
von Rillen die Entfernungsgeschwindigkeit erhöhen oder vermindern, und zwar
abhängig
von dem Polierverhalten der Aufschlämmung. Beispielsweise variiert
das Verhalten der Aufschlämmung
stark mit den Polierbedingungen und einige Aufschlämmungen
erhöhen
die Entfernungsgeschwindigkeit mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und einige
Aufschlämmungen
vermindern die Entfernungsgeschwindigkeit mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit.
