DE102008004874B4

DE102008004874B4 - Polierkissen mit Rillen zum Halten einer Aufschlämmung auf der Kissentextur

Info

Publication number: DE102008004874B4
Application number: DE102008004874.7A
Authority: DE
Inventors: Gregory P. Muldowney
Original assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials CMP Holdings Inc; Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP2008207322A; FR2912075A1; CN101234481B; KR20080071933A; CN101234481A; DE102008004874A1; US7311590B1; TWI426979B; TW200902229A

Abstract

Polierkissen (100) zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Poliermedium, das eine ideale Fluidtrajektorie (116) aufweist, die durch die Drehung des Polierkissens während des Gebrauchs bereitgestellt wird, wobei das Polierkissen umfasst: (a) eine Polierschicht (120), die zum Polieren von mindestens einem aus einem magnetischen Substrat, optischen Substrat oder Halbleitersubstrat in der Gegenwart eines Poliermediums konfiguriert ist, wobei die Polierschicht (120) eine kreisförmige Polieroberfläche (104) mit einer ringförmigen Polierbahn während des Polierens aufweist, und (b) mindestens eine Rille (112), die in der Polierschicht (120) ausgebildet ist und einen orthogonalen Abschnitt aufweist, der sich innerhalb der Polierbahn befindet, wobei der orthogonale Abschnitt eine Länge aufweist und so entlang der gesamten Länge geformt ist, dass er zu der idealen Fluidtrajektorie (116) entlang des orthogonalen Abschnitts orthogonal ist, wobei die ideale Fluidtrajektorie (116) eine idealisierte Trajektorie ist, die ein Fluid unter dem Einfluss der Drehung des Polierkissens (100) durchlaufen würde, wenn die Polieroberfläche (104) fluidabstoßend wäre und keine strukturellen Behinderungen der Fluidbewegung umfassen würde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des chemisch-mechanischen Polierens (CMP). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung CMP-Kissen mit Rillen, die den Aufschlämmungsverbrauch vermindern sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Rotationspolierkissen.
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.
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.
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.
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 unter anderem 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.
Tatsächlich basieren die meisten Rillenstrukturen auf einer spekulativen Beurteilung dahingehend, wie der Aufschlämmungsstrom auf verschiedene Rilleneigenschaften, wie z. B. die Rillenkrümmung und den Rillenquerschnitt, reagiert. Diese Eigenschaften spielen häufig eine essentielle Rolle bei der Beeinflussung der Wanderung der abgegebenen Aufschlämmung durch die Zentripetalkraft, die durch die rotierende Poliervorrichtung bewirkt wird. Wenn sich die Rillenausrichtung von mehr kreisförmig zu mehr radial ändert, nimmt die Wanderung der abgegebenen Aufschlämmung nach außen zu. Radiale Rillen können z. B. das stärkste radiale Ausströmen der abgegebenen Aufschlämmung dadurch verursachen, dass sie wie Kanäle wirken, welche die Flüssigkeit vollständig von dem Polierkissen wegleiten. Dieses Ausströmen hat dadurch einen negativen Einfluss auf den Poliervorgang, dass ein übermäßiges Erwärmen von Kontaktpunkten zwischen dem Polierkissen und der Waferoberfläche ermöglicht wird, wodurch Probleme wie z. B. eine schlechte Polierleistung und ein größerer Kissenverschleiß verursacht werden.
US 6 120 366 A offenbart eine chemisch-mechanische Polierauflage, welche eine Vielzahl ringförmiger Nuten und eine Vielzahl von Strömungsliniennuten aufweist, die nach dem Prinzip der Hydrodynamik ausgebildet sind. Die Strömungsliniennuten der Polierauflage sind nach Strömungsmittelgleichungen ausgebildet, die von einer Quellenströmung und einer Wirbelströmung abgeleitet sind. Die Strömungsliniennuten der Polierauflage verteilen den Polierschlamm auf der Polierauflage gleichförmig. Der Winkel und die Tiefe der Strömungsliniennut, die nach dem Grenzschichteffekt der Strömungsliniennutfunktion berechnet sind, werden verwendet, um eine optimale Struktur der Polierauflage bereitzustellen.
US 6749 485 B1 offenbart ein verbessertes Polierkissen und Verfahren zum Polieren von Metalldamaszenstrukturen auf einem Halbleiterwafer. Das Verfahren umfasst die Schritte des Pressens des Wafers gegen die Oberfläche einer Polymerfolie in Kombination mit einer auf Wasser basierenden Flüssigkeit, die optional sub-Mikrometer-Teilchen aufweist, und des Bereitstellens eines Mittels zur relativen Bewegung des Wafers und des Polierkissens unter Druck, so dass der Druckbewegungskontakt zu einer planaren Entfernung der Oberfläche des genannten Wafers führt, wobei das Polierkissen eine geringe elastische Rückstellung aufweist, wenn die Last entfernt wird, so dass die mechanische Antwort der Folie weitgehend unelastisch ist. Das Polierkissen ist charakterisiert durch eine hohe Energieableitung bei gleichzeitig hoher Polierkissensteifigkeit und durch eine hydrolytische Stabilität.
US 2002/0 058 469 A1 bezieht sich auf Polierkissen und ein Verfahren zur Herstellung einer leicht zu verarbeitbaren Polierkissenoberfläche damit permanente Veränderung der Polierkissenoberfläche erleichtert werden, um eine vorteilhafte Mikrotextur zu schaffen. Die vorteilhafte Mikrotextur ist statistisch einheitlich und stellt ein Polierkissen mit verbesserter Einbruchvorbehandlungszeit zur Verfügung. Ein solches Polierkissen findet Anwendung bei der Polier/Planarisierung von Substraten wie Glas, Dielektrikum/Metall-Verbunde und Substrate, wie Kupfer, Silizium, Siliziumdioxid, Platin und Wolfram, die typischerweise in der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden.
Während Polierkissen viele verschiedene Rillenstrukturen aufweisen, variiert die Wirksamkeit dieser Rillenstrukturen von einer Struktur zur nächsten sowie von Polierverfahren zu Polierverfahren. Polierkissengestalter sind kontinuierlich auf der Suche nach Rillenstrukturen, welche die Polierkissen bezogen auf Polierkissengestaltungen des Standes der Technik effektiver und besser geeignet machen, was hier die Aufgabe der Erfindung ist.
Angabe der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch Polierkissen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. In einem Aspekt der Erfindung wird ein Polierkissen zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Poliermedium bereitgestellt, das eine ideale Trajektorie aufweist, die durch die Drehung des Polierkissens während des Gebrauchs bereitgestellt wird, wobei das Polierkissen umfasst: 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 einer ringförmigen Polierbahn während des Polierens aufweist, und mindestens eine Rille, die in der Polierschicht ausgebildet ist und einen orthogonalen Abschnitt aufweist, der sich innerhalb der Polierbahn befindet, wobei der orthogonale Abschnitt eine Länge aufweist und so entlang der gesamten Länge geformt ist, dass er zu der idealen Fluidtrajektorie entlang des orthogonalen Abschnitts orthogonal ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Polierkissen bereitgestellt, umfassend: eine Polierschicht, die zum Polieren von mindestens einem eines magnetischen Substrats, optischen Substrats und Halbleitersubstrats in der Gegenwart eines Poliermediums konfiguriert ist, und mindestens eine Rille, die in der Polierschicht ausgebildet ist und einen orthogonalen Abschnitt aufweist, der sich innerhalb der Polierbahn befindet, wobei der orthogonale Abschnitt eine Länge aufweist und gemäß der Gleichung
geformt ist, wobei r_o die anfängliche radiale Position von einem konzentrischen Zentrum des Polierkissens und θ der Trajektorienwinkel ist.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotationspolierkissens zur Verwendung mit einem Poliermedium bereitgestellt, umfassend: Festlegen einer Trajektorie für das Poliermedium, Festlegen einer Rillenform und einer Rillenausrichtung einer Rille, die in dem Rotationspolierkissen gebildet werden soll, als eine Funktion der Trajektorie für das Poliermedium, und Bilden einer Mehrzahl von Rillen, welche die Rillenform und die Rillenausrichtung aufweisen, in dem Rotationspolierkissen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht auf ein Polierkissen, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist,
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Polierkissens von 1 entlang der Linie 2-2 von 1,
3 ist eine schematische Draufsicht auf das Polierkissen von 1, welche die Form einer der Rillen auf dem Kissen relativ zu einer idealisierten Fluidtrajektorie veranschaulicht,
4 ist eine schematische Draufsicht auf ein alternatives Polierkissen, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist und die Form einer der Rillen auf dem Kissen veranschaulicht,
5 ist eine Draufsicht auf das Polierkissen von 4, welche die vollständige Bildung des Polierkissens zeigt,
6 ist eine Draufsicht auf ein weiteres alternatives Polierkissen, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist und die Form einer der Rillen auf dem Kissen veranschaulicht,
7 ist eine Draufsicht auf das Polierkissen von 6, welche die vollständige Bildung des Polierkissens zeigt, und
8 ist ein schematisches Diagramm eines Poliersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulichen die 1 und 3 eine Ausführungsform eines Polierkissens 100, das gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt worden ist. Wie es nachstehend diskutiert wird, ist das Polierkissen 100 so gestaltet, das die Tendenz eines Poliermediums (nicht gezeigt), wie z. B. einer Aufschlämmung, zum Wandern nach außen aufgrund der Zentripetalkraft, die durch die Drehung des Polierkissens 100 während des Gebrauchs auf das Poliermedium ausgeübt wird, gehemmt wird. Im Allgemeinen umfasst das Polierkissen 100 eine Polieroberfläche 104, die eine Mehrzahl von Rillen 108 enthält, die jeweils eine Rillenform 112 (3) aufweisen, die mindestens teilweise als Funktion einer Fluidtrajektorie 116 (3) festgelegt ist, die den mittleren Weg der Bewegung definiert, entlang dessen sich das Poliermedium bewegen würde, wenn sich das Polierkissen während des Gebrauchs dreht, wenn die Rillen 108 nicht vorliegen würden. Insbesondere werden die gesamte Rillenform 112 oder ein Teil der Rillenform 112 und deren Ausrichtung relativ zu der Drehrichtung des Polierkissens 100 so ausgewählt, dass die entsprechende jeweilige Rille 108 orthogonal zur Fluidtrajektorie 116 ist. Als solche stellen Rillen 108 oder Abschnitte davon, die orthogonal zur Fluidtrajektorie 116 sind, ein signifikantes Hemmnis für das Poliermedium bereit, das über die Polieroberfläche 104 fließt und von dem Polierkissen 100 abfließt, wodurch die Verweilzeit des Poliermediums auf dem Kissen erhöht wird. Erhöhte Verweilzeiten führen zu einem geringeren Poliermediumverbrauch und daher zu niedrigeren Betriebskosten. Details verschiedener beispielhafter Geometrien von Rillen 108 sind nachstehend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 1 und auch auf die 2 kann das Polierkissen 100 eine Polierschicht 120 (2) umfassen, welche die Polieroberfläche 104 bildet. In einem Beispiel kann die Polierschicht 120 von einer Trägerschicht 124 gestützt sein, die integriert mit der Polierschicht 120 oder separat von der Polierschicht 120 ausgebildet sein kann. Unter erneuter Bezugnahme auf die 1 weist das Polierkissen 100 typischerweise eine kreisförmige Scheibenform auf, so dass die Polieroberfläche 104 ein konzentrisches Zentrum O und einen kreisförmigen Außenumfang 128 aufweist. Der letztgenannte kann sich bei einem radialen Abstand von O befinden, wie es durch den Radius R_Kissen veranschaulicht ist. Die Polierschicht 120 kann aus jedwedem Material hergestellt sein, das zum Polieren des polierten Gegenstands, wie z. B. unter anderem eines Halbleiterwafers, eines Magnetmediengegenstands, wie z. B. eine Platte einer Computerfestplatte, oder einer Optik, wie z. B. einer Brechungslinse, einer Reflexionslinse, eines planaren Reflektors oder eines transparenten planaren Gegenstands, geeignet ist. Beispiele von Materialien für die Polierschicht 120 umfassen für Veranschaulichungszwecke und nicht beschränkend verschiedene Polymerkunststoffe, wie z. B. neben vielen anderen Polyurethan, Polybutadien, Polycarbonat und Polymethylacrylat.
Jede der Mehrzahl von Rillen 108 kann in der Polierschicht 120 in jedweder geeigneten Weise gebildet werden, wie z. B. durch spanabhebende Bearbeitung, Formen, usw. In einem Beispiel sind Rillen 108 voneinander verschieden ausgeprägt und jeweils wiederholt mit einem konstanten Abstand um das konzentrische Zentrum O angeordnet. Darüber hinaus kann jede der Mehrzahl von Rillen 108 mit einer gewünschten Rillenquerschnittsform 132 (2) ausgebildet sein, um zu einem bestimmten Satz von Gestaltungskriterien zu passen. In einem Beispiel kann jede der Mehrzahl von Rillen 108 eine rechteckige Querschnittsform aufweisen, wie sie z. B. durch die Rillenquerschnittsform 132a gezeigt ist. In einem anderen Beispiel kann jede Rille 108 einen Rillenquerschnitt 132 aufweisen, der entlang deren Länge variiert. In einem anderen Beispiel kann die Querschnittsform 132 von einer Rille 108 zur nächsten Rille 108 variieren. Der Fachmann kennt den breiten Bereich und die verschiedenen Anwendungen der Rillenquerschnittsform 132, die ein Gestaltender auf einem Polierkissen, wie z. B. einem Polierkissen 100, bereitstellen kann.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 3 ist die gezeigte Fluidtrajektorie 116 eine idealisierte Trajektorie, die ein Fluid, wie z. B. Wasser, unter dem Einfluss der Drehung des Polierkissens 100, durchlaufen würde, wenn die Polieroberfläche 104 fluidabstoßend, wie z. B. hydrophob, wäre und keinerlei Rillen 108 oder andere strukturelle Behinderungen von dessen Bewegung umfassen würde. Die folgende mathematische Ableitung basiert auf dieser idealisierten Trajektorie. Es sollte jedoch beachtet werden, das die wahre Trajektorie eines Poliermediums auf einer tatsächlich vorliegenden Kissenoberfläche aufgrund von Einflüssen verschiedener Faktoren, wie z. B. der Viskosität des Poliermediums und der Oberflächenspannung, die in der idealisierten Trajektorie nicht berücksichtigt sind, von der idealen Trajektorie abweichen kann. Folglich stellt die Fluidtrajektorie 116 auch die wahre Trajektorie eines gegebenen Poliermediums dar, wenn das Medium auf die physikalischen Kräfte, die durch das Polierkissen 100 und die Drehung des Kissens ausgeübt werden, reagiert. Um die Erläuterung von Konzepten, die der vorliegenden Offenbarung zugrunde liegen, zu vereinfachen, wird nachstehend jedoch nur die Mathematik für die ideale, nicht behinderte Trajektorie detailliert dargestellt. Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass die vorliegende Offenbarung nur Rillenformen umfasst, die gemäß der folgenden Mathematik ausgelegt sind. Im Gegenteil soll die vorliegende Offenbarung tatsächlich vorliegende Fluidtrajektorien während der Drehung eines äquivalenten rillenlosen Kissens umfassen, und zwar ungeachtet davon, ob diese Trajektorien durch das folgende mathematische Modell einer idealen Trajektorie definiert sind oder nicht.
Aus Gründen der Zweckmäßigkeit kann die Fluidtrajektorie 116 durch eine Mehrzahl von Punkten mit Polarkoordinaten definiert werden, die eine radiale Position r und einen Trajektorienwinkel θ angeben, wie z. B. den Punkt 136 (r, θ). Diese Punkte definieren die Struktur eines idealisierten Poliermediums, wenn es sich unter dem Einfluss der Winkelgeschwindigkeit Ω_p des Polierkissens 100 auf der Polieroberfläche 104 auswärts bewegt. In diesem Beispiel ist die Fluidtrajektorie 116 die Variation der Winkelverschiebung Δθ, wenn die radiale Position r des Poliermediums bezüglich des konzentrischen Zentrums O zunimmt.
Im Allgemeinen wird das Poliermedium kontinuierlich beschleunigt, wenn die radiale Position r bezüglich des konzentrischen Zentrums zunimmt. Die Fluidtrajektorie 116 kann auf die Winkelgeschwindigkeit ν_r des Poliermediums bezogen sein, wenn sich das Medium von dem konzentrischen Zentrum O auswärts bewegt. Die Winkelgeschwindigkeit ν_r kann als die Änderung der radialen Position r von dem konzentrischen Zentrum O beschrieben werden, die bezüglich der Zeit t gemessen wird, wie es in der Gleichung 1 gezeigt ist. ν_r = dr / dt Gleichung {1}
Es ist klar, dass die Zentripetalkraft, die auf das Poliermedium ausgeübt wird, wenn sich das Polierkissen 100 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit Ω_p dreht, eine Beschleunigung a des Poliermediums verursacht, wenn es sich entlang der Polieroberfläche 104 (die erneut aus Gründen der Einfachheit des mathematischen Modells als rillenlos, glatt und fluidabstoßend angenommen wird) auswärts bewegt. Die Beschleunigung a ist in der Gleichung 2 ausgedrückt.
Diese Beschleunigung nimmt mit einer Zunahme der radialen Position r von dem konzentrischen Zentrum O zu. Die zunehmende Beschleunigung führt zu einer zunehmenden Winkelgeschwindigkeit ν_r, die durch Integrieren der Gleichung 2 und Anwenden eines anfänglichen Winkelgeschwindigkeitswerts ν_r = 0, wie er vorliegen würde, wenn das Poliermedium auf die Polieroberfläche 104 abgegeben wird, ohne eine anfängliche Winkelgeschwindigkeit ν_r zu bewirken, bestimmt werden kann. Das Ergebnis ist in der folgenden Gleichung 3 gezeigt. ν_r = rΩ_p ²t Gleichung {3}
Daraus folgt, dass die Variation der radialen Position r bezogen auf die Zeit t durch Kombinieren der Gleichungen 1 und 3 beschrieben werden kann, wie es in der Gleichung 4 gezeigt ist, die separiert und integriert werden kann, um das in der Gleichung 5 gezeigte Ergebnis zu liefern, wobei C eine Integrationskonstante ist. dr / dt = rΏ_p ²t Gleichung {4} ln(r) = 1 / 2Ω 2 / pt² + C Gleichung {5}
Ferner kann die Variation der radialen Position r mit der Variation der Winkelverschiebung Δθ, die bezüglich der Zeit t gemessen wird, in Zusammenhang gebracht werden, wie es in den Gleichungen 6 und 7 gezeigt ist.
ln(r) = 1 / 2(Δθ)² + C Gleichung {7}
Diese Gleichung, d. h. die Gleichung 7, kann so umgestellt werden, dass die Variation der Winkelverschiebung Δθ mit der Änderung der radialen Position r durch Anwenden der Grenzbedingung Δθ = 0, wenn r = r_o, definiert wird, wie es in der Gleichung 8 gezeigt ist. Die Variation der Winkelverschiebung Δθ, die in der Gleichung 8 beschrieben ist, kann die Struktur eines Poliermediums bereitstellen, das sich auf der sich drehenden idealisierten Polieroberfläche 104 unter einer fortlaufenden Beschleunigung bewegt, wenn die radiale Position r bezüglich des konzentrischen Zentrums O zunimmt.
Die Variation der Winkelverschiebung Δθ kann auch allgemein als die radiale Position r, z. B. r = r(θ), ausgedrückt werden, wie es in der Gleichung 9 gezeigt ist. In einem Beispiel stellt diese Gleichung eine Näherung des Wegs, d. h. der Fluidtrajektorie 116, eines idealisierten Poliermediums bereit, wenn sich das Poliermedium frei über die Polieroberfläche 104 bewegt, ohne die Effekte der Viskosität und der Oberflächenspannung zu berücksichtigen.
Im Hinblick auf das Vorstehende besteht ein Ansatz zur Festlegung der Rillenform 112 jeder Rille 108 des Polierkissens 100 (1) darin, mindestens einen signifikanten Abschnitt jeder Rille orthogonal zur Fluidtrajektorie zu machen, wie es durch die vorstehenden Gleichungen 8 und 9 definiert ist. Auf diese Weise werden die Rillen 108 so geformt, dass sie der Bewegung des Poliermediums durch Gegenüberstellen der verschiedenen Bewegungsstrukturen widerstehen, wie es vorstehend diskutiert worden ist.
Zur Festlegung der Gleichung einer Rillenform, z. B. der Rillenform 112, orthogonal zu der Fluidtrajektorie 116, ist es nützlich, die Steigung s der Fluidtrajektorie zu kennen. Im Allgemeinen ist die Steigung s der Fluidtrajektorie 116, die als Funktion von Polarkoordinaten θ = θ(r) ausgedrückt wird, derart, wie es in der Gleichung 10 gezeigt ist. s = 1 / r dr / dθ = 1/r / dθdr Gleichung {10}
Die Ableitung (Gleichung 10) der Fluidtrajektorie 116 von Gleichung 8 kann zur Bestimmung der Steigung s (Gleichung 12) der Trajektorie 116 verwendet werden.
Um orthogonal zu sein, muss die Steigung s* der Rillenform 112 derart sein, dass das Produkt aus der Steigung s und der Steigung s* an allen Punkten der Fluidtrajektorie 116-1 beträgt. Daher ist die Steigung s* der Rillenform 112 orthogonal zu der Fluidtrajektorie 116, die in der Gleichung 13 definiert ist, wie folgt:
Die Steigung s* der Rillenform 112, die durch die Gleichung 13 definiert ist, kann im Zusammenhang mit der Gleichung 10 zur Bestimmung der Ableitung (Gleichung 14) der orthogonalen Kurve verwendet werden. Dann kann die orthogonale Trajektorie θ* = θ*(r) (Gleichung 15) durch Separieren und Integrieren der Gleichung 14 gefunden werden.
Die orthogonale Trajektorie kann auch als r* = r*(θ) ausgedrückt werden, wie es in der Gleichung 16 gezeigt ist, und zwar durch Auflösen der Gleichung 15 nach r.
Unter Bezugnahme auf die 3 und auch auf die 1 kann die Rille, sobald die Rillenform 112 (3) so bereitgestellt worden ist, dass sie über mindestens einem Teil der Länge der entsprechenden Rille 108 orthogonal zur Fluidtrajektorie 116 ist, in der gewünschten Weise peripherisch um das Polierkissen 100 wiederholt werden, wie es z. B. in der 1 gezeigt ist. Obwohl das beste Halten bzw. Zurückhalten des Poliermediums erreicht werden kann, wenn sich jede Rille von dem zentralen Abschnitt des Polierkissens 100 zu dem Außenumfang des Kissens erstreckt, wird davon ausgegangen, dass es in einigen Ausführungsformen bevorzugt ist, weniger als die gesamte Länge der Rillen orthogonal zu machen, d. h. die Fluidtrajektorie mit einem lokalen Winkel zwischen 45 und 135° auszubilden. Im Allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, dass sich der orthogonale Abschnitt jeder Rille über mindestens 50% der Breite der Waferbahn erstreckt, was als 140 in der 1 gezeigt ist. Beispielsweise ist jede Rille 108, die in der 1 gezeigt ist, entlang ihrer gesamten Länge orthogonal zur Fluidtrajektorie 116.
Zum Zwecke der Veranschaulichung der vorstehend beschriebenen Prinzipien zeigen die 4 bis 7 alternative Polierkissen 200, 300, die zwei von vielen alternativen Rillengestaltungen veranschaulichen, die unter Verwendung dieser Prinzipien hergestellt werden können. Zunächst unter Bezugnahme auf die 4 und 5 umfasst das Polierkissen 200 eine Mehrzahl von Rillen 204 (5), die jeweils einen inneren Abschnitt 204A umfassen, der ungeachtet der Fluidtrajektorie 208 (4) geformt ist und einen Nutzen aufweist, der in dem US-Patent Nr. 6,783,436 , Polierkissen mit optimierten Rillen und Verfahren zu dessen Bildung, erteilt am 31. August 2004 (Muldowney) beschrieben ist, die hier einbezogen wird. Jede der Mehrzahl von Rillen 204 (5) umfasst auch einen äußeren Abschnitt 204B, der so geformt ist, dass er zu der Fluidtrajektorie orthogonal ist. In diesem Beispiel erstreckt sich jeder innere Abschnitt 204A der Mehrzahl von Rillen 204 von einem Punkt nahe an dem konzentrischen Zentrum O des Polierkissens 200 zu einem Punkt bei dem Radius R₁ (4), hier zu etwa einem Drittel des Radius des Kissens. Der orthogonale äußere Abschnitt 204B jeder Rille 204 erstreckt sich von dem entsprechenden jeweiligen Punkt an dem Radius R₁ zu dem Radius R₂, wobei es sich bei diesem Beispiel um den Gesamtradius des Polierkissens 200 handelt. Wie es in der 5 ersichtlich ist, umfassen etwa vier Fünftel der Breite W der Waferbahn 212 orthogonale äußere Abschnitte 204B von Rillen.
Unter Bezugnahme auf die 6 und 7 umfasst das Polierkissen 300 eine Mehrzahl von Rillen 304, die so konfiguriert sind, dass sie den Rillen 204 von 5 gegenüber liegen. D. h., anstatt dass sich die orthogonalen Abschnitte der Rillen von den im Allgemeinen nicht-orthogonalen Abschnitten radial auswärts erstrecken, ist der innere Abschnitt 304A von jeder Rille 304 des Polierkissens 300 (7) so geformt, dass er sich orthogonal zur Fluidtrajektorie 308 erstreckt (6), und der äußere Abschnitt 304B ist ungeachtet von dessen Orthogonalität zur Fluidtrajektorie geformt und hat den Nutzen, wie er in dem vorstehend diskutierten US-Patent Nr. 6,783,436 beschrieben ist. In diesem Beispiel erstreckt sich jeder orthogonale innere Abschnitt 304A von einem Punkt auf dem Radius R₁' in der Nähe des konzentrischen Zentrums O des Polierkissens 300 zu einem Punkt an einem Radius R₂', wobei es sich in diesem Fall um etwa zwei Drittel des Gesamtradius des Kissens handelt. Der entsprechende jeweilige nicht absichtlich orthogonale äußere Abschnitt 304B erstreckt sich von dem Punkt auf dem Radius R₂' zu dem äußeren Umfang des Polierkissens 300. Wie es leicht in der 7 ersichtlich ist, enthalten etwa zwei Drittel der Breite W' der Waferbahn 312 orthogonale innere Abschnitte 304A von Rillen 304.
Während die nicht absichtlich orthogonalen inneren Abschnitte 204A der Rillen 204 von 5 und die nicht absichtlich orthogonalen äußeren Abschnitte 304B der Rillen 304 von 7 in einer Spiralform gezeigt sind, muss dies nicht so sein, wie es dem Fachmann bekannt ist. Beispielsweise können die spiralförmigen Rillen in anderen Ausführungsformen durch Rillen mit anderen Formen und Ausrichtungen ersetzt werden, wie z. B. durch gerade und radiale, geringfügig gekrümmte und radiale, Zickzack-förmige und radiale, Zickzack-förmige und peripherische, wellenförmige und radiale und wellenförmige und peripherische, um nur einige wenige zu nennen. Die nicht absichtlich orthogonalen Abschnitte der Rillen können auch Überlagerungen von anderen einfacheren Rillenstrukturen sein, wie z. B. kartesische Gitter oder Überlagerungen von Gittern und kreisförmigen Strukturen oder Spiralstrukturen. Darüber hinaus können andere Ausführungsformen andere Gesamtkonfigurationen von Rillen aufweisen. Beispielsweise können einige Ausführungsformen Hybride der Polierkissen 200, 300 der 5 und 7 sein. D. h., alternative Ausführungsformen können Rillen umfassen, die jeweils einen zentralen Abschnitt, der so geformt ist, dass er orthogonal zu der relevanten Fluidtrajektorie ist, und innere und äußere Abschnitte aufweisen, die nicht absichtlich orthogonal zu der Fluidtrajektorie sind.
Die 8 veranschaulicht eine Poliervorrichtung 400, die zur Verwendung mit einem Polierkissen 404, bei dem es sich um eines der Polierkissen 100, 200, 300 der 1 bis 7 oder um andere Polierkissen der vorliegenden Offenbarung handeln kann, zum Polieren eines Gegenstands, wie z. B. eines Wafers 408, geeignet ist. Die Poliervorrichtung 400 kann eine Platte 412 umfassen, auf der das Polierkissen 404 montiert ist. Die Platte 412 ist um eine Drehachse A1 durch eine Plattenantriebseinrichtung (nicht gezeigt) drehbar. Die Poliervorrichtung 400 kann ferner einen Waferträger 420 umfassen, der um eine Drehachse A2, die parallel zur Drehachse A1 der Platte 412 und davon beabstandet ist, drehbar ist und den Wafer 408 während des Polierens stützt. Der Waferträger 420 kann eine Kardanverbindung (nicht gezeigt) umfassen, die es dem Wafer 408 erlaubt, eine Lage einzunehmen, die sehr geringfügig nicht-parallel zu der Polieroberfläche 424 des Polierkissens 404 ist, wobei in diesem Fall die Drehachsen A1, A2 relativ zueinander sehr geringfügig schief sein können. Der Wafer 408 umfasst eine polierte Oberfläche 428, die auf die Polieroberfläche 424 gerichtet ist und während des Polierens planarisiert wird. Der Waferträger 420 kann von einer Trägerstützanordnung (nicht gezeigt) gestützt werden, die angepasst ist, den Wafer 408 zu drehen und eine nach unten gerichtete Kraft F bereitzustellen, um die polierte Oberfläche 424 gegen das Polierkissen 404 zu drücken, so dass ein gewünschter Druck zwischen der polierten Oberfläche und dem Kissen während des Polierens vorliegt. Die Poliervorrichtung 400 kann auch einen Poliermediumeinlass 432 zum Zuführen eines Poliermediums 436 zu der Polieroberfläche 424 umfassen.
Dem Fachmann ist klar, dass die Poliervorrichtung 400 andere Komponenten (nicht gezeigt) umfassen kann, wie z. B. eine Systemsteuereinrichtung, ein Poliermediumlager- und -abgabesystem, ein Heizsystem, ein Spülsystem und verschiedene Steuereinrichtungen zum Steuern verschiedener Aspekte des Poliervorgangs, wie z. B. (1) Geschwindigkeitssteuer- und -auswahleinrichtungen für eine oder beide der Drehzahlen des Wafers 408 und des Polierkissens 404, (2) Steuer- und Auswahleinrichtungen zum Variieren der Geschwindigkeit und der Position des Abgebens von Poliermedium 436 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) Steuer-, Betätigungs- und Auswahleinrichtungen zum Steuern unter anderem der Position der Drehachse A2 des Wafers relativ zur Drehachse A1 des Kissens. Dem Fachmann ist klar, wie diese Komponenten aufgebaut sind und implementiert werden, so dass deren detaillierte Erläuterung für den Fachmann nicht erforderlich ist, um die vorliegende Erfindung zu verstehen und auszuführen.
Während des Polierens werden das Polierkissen 404 und der Wafer 408 um deren jeweilige Drehachsen A1, A2 gedreht und das Poliermedium 436 wird von dem Poliermediumeinlass 432 auf das sich drehende Polierkissen abgegeben. Das Poliermedium 436 verteilt sich auf der Polieroberfläche 424, einschließlich dem Spalt zwischen dem Wafer 408 und dem Polierkissen 404. Das Polierkissen 404 und der Wafer 408 werden typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise bei ausgewählten Geschwindigkeiten von 0,1 U/min bis 850 U/min gedreht. Die Kraft F liegt typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise in einer Größenordnung vor, die so ausgewählt ist, dass sie einen gewünschten Druck von 0,1 psi bis 15 psi (6,9 bis 103 kPa) zwischen dem Wafer 408 und dem Polierkissen 404 induziert.

Claims

Polierkissen (100) zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Poliermedium, das eine ideale Fluidtrajektorie (116) aufweist, die durch die Drehung des Polierkissens während des Gebrauchs bereitgestellt wird, wobei das Polierkissen umfasst: (a) eine Polierschicht (120), die zum Polieren von mindestens einem aus einem magnetischen Substrat, optischen Substrat oder Halbleitersubstrat in der Gegenwart eines Poliermediums konfiguriert ist, wobei die Polierschicht (120) eine kreisförmige Polieroberfläche (104) mit einer ringförmigen Polierbahn während des Polierens aufweist, und (b) mindestens eine Rille (112), die in der Polierschicht (120) ausgebildet ist und einen orthogonalen Abschnitt aufweist, der sich innerhalb der Polierbahn befindet, wobei der orthogonale Abschnitt eine Länge aufweist und so entlang der gesamten Länge geformt ist, dass er zu der idealen Fluidtrajektorie (116) entlang des orthogonalen Abschnitts orthogonal ist, wobei die ideale Fluidtrajektorie (116) eine idealisierte Trajektorie ist, die ein Fluid unter dem Einfluss der Drehung des Polierkissens (100) durchlaufen würde, wenn die Polieroberfläche (104) fluidabstoßend wäre und keine strukturellen Behinderungen der Fluidbewegung umfassen würde.
Polierkissen (100) nach Anspruch 1, bei dem die Polierbahn eine Breite aufweist und sich der orthogonale Abschnitt über mindestens 50% der Breite erstreckt.
Polierkissen (100) nach Anspruch 2, bei dem sich der orthogonale Abschnitt über mindestens 75% der Breite der Polierbahn erstreckt.
Polierkissen (100) nach Anspruch 1, das eine Mehrzahl von Rillen (112) umfasst, die partiell durch Wiederholen des orthogonalen Abschnitts peripherisch um die Polieroberfläche definiert sind.
Polierkissen (100) nach Anspruch 4, bei dem die Mehrzahl von Rillen partiell durch Wiederholen des orthogonalen Abschnitts peripherisch um die Polieroberfläche bei einem konstanten Winkelabstand definiert ist.
Polierkissen (100) nach Anspruch 1, bei dem die Form des orthogonalen Abschnitts durch die Gleichung
definiert ist, wobei r_o die anfängliche radiale Position von einem konzentrischen Zentrum des Polierkissens (100) und θ der Trajektorienwinkel ist.
Polierkissen (100), umfassend: (a) eine Polierschicht (120), die zum Polieren von mindestens einem aus einem magnetischen Substrat, optischen Substrat oder Halbleitersubstrat in der Gegenwart eines Poliermediums konfiguriert ist, wobei die Polierschicht (120) eine kreisförmige Polieroberfläche (104) mit einer ringförmigen Polierbahn während des Polierens aufweist, und (b) mindestens eine Rille (112), die in der Polierschicht ausgebildet ist und einen orthogonalen Abschnitt aufweist, der sich innerhalb der Polierbahn befindet, wobei der orthogonale Abschnitt eine Länge aufweist und gemäß der Gleichung
geformt ist, wobei r_o die anfängliche radiale Position von einem konzentrischen Zentrum (O) des Polierkissens (100) und θ der Trajektorienwinkel ist.
Polierkissen (100) nach Anspruch 7, bei dem die Polieroberfläche (104) während des Polierens eine Polierbahn mit einer Breite umfasst, wobei sich der orthogonale Abschnitt über mindestens 50% der Breite erstreckt.
Polierkissen (100) nach Anspruch 7, das eine Mehrzahl von Rillen (112) umfasst, die partiell durch Wiederholen des orthogonalen Abschnitts peripherisch um die Polieroberfläche (104) bei einem konstanten Winkelabstand definiert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Rotationspolierkissens (100) zur Verwendung mit einem Poliermedium, umfassend: Festlegen einer Trajektorie (116) für das Poliermedium, wobei die Trajektorie (116) eine idealisierte Trajektorie ist, die ein Fluid unter dem Einfluss einer Drehung des Rotationspolierkissens (100) durchlaufen würde, wenn eine Polieroberfläche (104) des Rotationspolierkissens (100) fluidabstoßend wäre und keine strukturellen Behinderungen der Fluidbewegung umfassen würde, Festlegen einer Rillenform und einer Rillenausrichtung einer Rille (112), die in dem Rotationspolierkissen (100) gebildet werden soll, als eine Funktion der Trajektorie für das Poliermedium, wobei die Rille (112) einen orthogonalen Abschnitt aufweist, der sich innerhalb einer ringförmigen Polierbahn der Polieroberfläche (104) befindet, wobei der orthogonale Abschnitt eine Länge aufweist und so entlang der gesamten Länge geformt ist, dass er zu der idealisierten Trajektorie (116) entlang des orthogonalen Abschnitts orthogonal ist, und Bilden einer Mehrzahl von Rillen (112) in dem Rotationspolierkissen, welche die Rillenform und die Rillenausrichtung aufweisen.