DE102012215909A1

DE102012215909A1 - Werkzeug zum chemisch-mechanischen Planarisieren mit mehreren Spindeln

Info

Publication number: DE102012215909A1
Application number: DE102012215909A
Authority: DE
Inventors: Michael F. Lofaro; Mahadevaiyer Krishnan; Michael A. Cobb; Dennis G. Manzer
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2032-09-08
Also published as: US20130072089A1; US20130072092A1; DE102012215909B4; US20130316623A1; US8591289B2; US8535118B2

Abstract

Eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren beinhaltet eine Spindelbaugruppenstruktur und mindestens eine Substrathalterung, die eine seitliche Linearbewegung zueinander ausführen, während Polierflächen einer Vielzahl zylindrischer Spindeln in der Spindelbaugruppenstruktur mindestens ein auf dem mindestens einen Substratträger befestigtes Substrat berühren und an diesem entlang rotieren. Die Richtung der seitlichen Linearbewegung liegt innerhalb der Ebene, welche die Vielzahl zylindrischer Spindeln berührt, und kann senkrecht zu den Rotationsachsen der Vielzahl zylindrischer Spindeln ausgerichtet sein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen zum chemisch-mechanischen Planarisieren und Verfahren für deren Betrieb.
Im Laufe der Entwicklung der Halbleitertechnologien und -verfahren sind die Prozesse und Ausrüstungen zum chemisch-mechanischen Planarisieren (CMP) abgewandelt worden, um viele erwünschte Aspekte der CMP-Prozesse und deren Endresultat zu steuern. Einige wenige beispielhafte mit dem CMP-Prozess verbundene Aspekte beinhalten im Sinne einer nicht abschließenden Aufzählung Ungleichmäßigkeiten über die Waferfläche hinweg, dünne Schichten mit extrem niedrigen Dielektrizitätskonstanten, die entsprechende Anfälligkeit gegen Prozesskräfte und ausgelöste Spannungen, extrem kleine Strukturbreiten und die entsprechende Anfälligkeit gegen Defekte und Materialverluste innerhalb der Strukturmerkmale sowie die zunehmenden Substratabmessungen, z. B. ausgehend von einem Durchmesser von 125 mm auf 200 mm und 300 mm sowie bis zu einem vorgeschlagenen Substratdurchmesser von 450 mm.
Es hat zahlreiche Versuche mit neuartigen CMP-Vorrichtungen und -Verfahren gegeben, sich solcher Aspekte des CMP anzunehmen. Obwohl all diese neuartigen CMP-Polierplattformen ihre individuellen Stärken und Zielstellungen hatten, waren sie sämtlich nicht in der Lage, ein oder mehrere grundlegende Probleme zu lösen, die den früher und aktuell verwendeten Rotationsplattformen eigen sind, und haben letztlich versagt. In dem Bestreben, diese grundlegenden Probleme bei der in der Industrie als CMP-Standard allgemein anerkannten und verwendeten CMP-Rotationsplattform zu lösen, hat sich das CMP-Modul zu einem System entwickelt, das sich sehr komplexer mechanischer Vorrichtungen und Prozesssteuerungssysteme bedient.
Ein solches Beispiel stellt die in der gesamten Industrie eingeführte Druck-Waferhalterung dar. Diese Waferhalterung ist in mehrere „Zonen” eingeteilt, die jeweils eine eigene „Luftblase” aufweisen, um die Ungleichmäßigkeit über die Waferfläche hinweg in den Griff zu bekommen, indem während des Polierzyklus radial veränderliche Kräfte auf die Waferrückseite ausgeübt werden. Bei der Untersuchung der Blasendrücke, die zum bestmöglichen Ausgleich der Ungleichmäßigkeit über die Waferfläche hinweg erforderlich sind, zeigte es sich, dass der Wafer im Verlauf des Polierzyklus verrutscht. Der „Haltering” (Fassung) bildet die „Tasche”, die den Wafer während des Polierens fixiert. Bisher war es üblich, dass der Haltering die Oberfläche des Polierstempels nicht berührte, sondern mit einer fest vorgegebenen Tiefe zu der Tasche am Träger angebracht war, damit der Wafer um ungefähr 0,008'' bis 0,012'' darüber hinausragen konnte. Da der Wafer verrutschen konnte, musste dieser Blasenträger umkonstruiert und mit einem Druckträgerring ausgestattet werden, damit der Haltering die Oberfläche des Polierstempels berührt und den Wafer während des Polierzyklus besser fixiert.
Ein anderer Aspekt der Ungleichmäßigkeit über die Waferfläche hinweg betrifft einen eng begrenzten Bereich mit einer Breite von 1 mm bis 5 mm am Umfang des Wafers, der als „Randwulst” bezeichnet wird. Üblicherweise unterscheidet sich der Materialabtrag beim Polieren in diesem Bereich deutlich vom Rest oder „Körper” des Wafers, da das Stempelmaterial beim Erreichen der Fase des Wafers während der Drehung auf der Vorderkante der Waferhalterung zusammengedrückt wird und sich anschließend, wenn es über die Waferoberfläche gezogen wird, wieder entspannt. In der Vergangenheit entstand diese Problem des Randwulstes nur durch den Kontakt zwischen Wafer und Stempel. Nach der Einführung des Druckhalterings müssen zur Verringerung der Auswirkung des Randwulstes nunmehr zwei Kontaktbereiche überwacht werden – der Haltering selbst sowie die Fase des Wafers, die nun innerhalb der Breite dieses Halterings steckt. Der Druckhaltering kann sich bei der Verringerung der bis dahin bekannten Wirkung des Randwulstes als vorteilhaft erweisen. Da der auf den Haltering ausgeübte Druck zu den auf die Zonen der Membranhalterung ausgeübten Drücken hinzukommt, zeigte es sich jedoch, dass diese zusätzliche mechanische Komponente das Problem am Randbereich des Wafers auch verschärfen kann. Außerdem ist die Fluiddynamik schon immer eine komplizierte Komponente der Rotationsplattform gewesen. Es ist bekannt, dass sowohl das ordnungsgemäße Verteilen frischer Suspension auf dem gesamten Wafer als auch das gründliche Entfernen verbrauchten Poliermaterials die Ungleichmäßigkeit über die Waferoberfläche hinweg und die Defektraten beeinflussen. Die Einführung eines Halterings, der von der Stempeloberfläche überfahren wird, hat zur weiteren Behinderung der Fluidströme beigetragen.
Obwohl das Design und die Leistungsmerkmale der in der Technik bekannten Membranhalterung bestimmte Vorteile bringen, muss auch die damit verbundene zusätzliche Komplexität des Designs, der Wartung und schließlich auch des CMP-Prozesses selbst in Kauf genommen werden, die sich aus der Verwendung der Membranhalterung ergibt.
KURZÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren beinhaltet eine Spindelbaugruppenstruktur und mindestens eine Substrathalterung, die eine seitliche Linearbewegung gegeneinander ausführen, während Polierflächen einer Vielzahl zylindrischer Spindeln in der Spindelbaugruppenstruktur auf mindestens einem Substrat aufliegen, das auf der mindestens einen Substrathalterung befestigt ist, und an diesem entlang rotieren. Die Richtung der seitlichen Linearbewegung liegt innerhalb der Ebene, die die Vielzahl zylindrischer Spindeln tangential berührt und kann senkrecht zu den Rotationsachsen der Vielzahl zylindrischer Spindeln ausgerichtet sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Beschreibung wird eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren bereitgestellt, die eine Spindelbaugruppenstruktur und mindestens eine Substrathalterung bereitstellt. Die Spindelbaugruppenstruktur beinhaltet eine Vielzahl zylindrischer Spindeln. Jede der zylindrischen Spindeln ist so beschaffen, dass sie um ihre zylindersymmetrische Achse rotiert. Eine zweidimensionale Ebene berührt tangential die zylindrischen Flächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln. Die mindestens eine Substrathalterung ist so beschaffen, dass sie mindestens ein Substrat haltert, und ist auf einer Halterungsplattform befestigt. Die Spindelbaugruppenstruktur und die Halterungsplattform sind so beschaffen, dass sie entlang einer zu der zweidimensionalen Ebene parallelen Richtung eine Relativbewegung zueinander ausführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung für chemisch-mechanisches Planarisieren bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Vorrichtung, die eine Spindelbaugruppenstruktur, mindestens eine Substrathalterung und eine Halterungsplattform beinhaltet; das Befestigen mindestens eines Substrats auf der mindestens einen Substrathalterung; und das Planarisieren mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Substrats. Die Vorrichtung beinhaltet eine Vielzahl zylindrischer Spindeln. Jede der zylindrischen Spindeln ist so beschaffen, dass sie um ihre zylindersymmetrische Achse rotiert. Eine zweidimensionale Ebene berührt tangential die zylindrischen Flächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln. Die mindestens eine Substrathalterung ist auf der Halterungsplattform befestigt. Das Planarisieren der mindestens einen Oberfläche des mindestens einen Substrats wird dadurch bewirkt, dass die Spindelbaugruppenstruktur und die Halterungsplattform entlang einer Richtung zueinander bewegt werden, die parallel zu der zweidimensionalen Ebene liegt, während mindestens eine Oberfläche die Vielzahl zylindrischer Spindeln berührt und die Vielzahl zylindrischer Spindeln um ihre zylindersymmetrischen Achsen rotieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren, die Folgendes umfasst:
eine Spindelbaugruppenstruktur, die eine Vielzahl zylindrischer Spindeln beinhaltet, wobei jede der zylindrischen Spindeln so beschaffen ist, dass sie um ihre zylindersymmetrische Achse rotiert, und eine zweidimensionale Ebene die zylindrischen Flächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln tangential berührt; und
mindestens eine Substrathalterung, die so beschaffen ist, dass sie mindestens ein Substrat haltert, und an einer Trägerplattform befestigt ist, wobei die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform so beschaffen sind, dass sie sich entlang einer zu der zweidimensionalen Ebene parallelen Richtung zueinander bewegen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bleibt ein Massenschwerpunkt der Spindelbaugruppenstruktur ortsfest, und ein Massenschwerpunkt der Halterungsplattform bewegt sich in der Richtung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bleibt ein Massenschwerpunkt der Trägerplattform ortsfest, und ein Massenschwerpunkt der Spindelbaugruppenstruktur bewegt sich in der Richtung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform so beschaffen, dass sie sich in einer Hin-und-her-Bewegung entlang der Richtung zueinander bewegen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner einen Fluidverteiler zum Zuführen einer Suspension durch eine Lücke zwischen benachbarten Paaren der zylindrischen Spindeln auf das mindestens eine Substrat während des Betriebs der Vorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jede der mindestens einen Substrathalterungen so beschaffen, dass sie in Bezug auf die Halterungsplattform ortsfest bleibt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jede der mindestens einen Substrathalterungen so beschaffen, dass sie um eine Achse rotiert, die senkrecht zu der zweidimensionalen Ebene ausgerichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei jeder der Zylinderflächen um eine polierende Fläche eines zylindrischen Polierbelags.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine aus der Vielzahl zylindrischer Spindeln einen Hohlraum auf, durch den ein Kühlmittel geleitet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine aus der Vielzahl zylindrischer Spindeln einen Hohlraum auf, in den eine Suspension eintreten kann, und die Zylinderflächen sind perforiert, damit die Suspension durch diese austreten kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Vorrichtung, die eine Spindelbaugruppenstruktur, mindestens eine Substrathalterung und eine Trägerplattform beinhaltet, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl zylindrischer Spindeln beinhaltet, deren jede um eine eigene zylindersymmetrische Achse rotiert, und eine zweidimensionale Ebene beinhaltet, die tangential die Zylinderflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln berührt, und wobei die mindestens eine Substrathalterung an der Trägerplattform angebracht ist;
Anbringen mindestens eines Substrats an der mindestens einen Substrathalterung; und
Planarisieren mindestens einer Fläche des mindestens einen Substrats durch Bewegen der Spindelbaugruppenstruktur und der Trägerplattform in einer Richtung zueinander, die parallel zu der zweidimensionalen Ebene liegt, während die mindestens eine Fläche die Vielzahl zylindrischer Spindeln berührt und die Vielzahl zylindrischer Spindeln um ihre eigenen zylindersymmetrischen Achsen rotieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner das Bewegen der Spindelbaugruppenstruktur und der Trägerplattform nach dem Anbringen des mindestens einen Substrats in einer Richtung zueinander, die senkrecht zu der zweidimensionalen Ebene ausgerichtet ist, bis die mindestens eine Fläche die Vielzahl zylindrischer Spindeln berührt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bewegen sich die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform während des Planarisierens in der Richtung in einer Hin- und Herbewegung zueinander.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner einen Fluidverteiler zum Tropfen einer Suspension durch eine Lücke zwischen benachbarten Paaren der zylindrischen Spindeln auf das mindestens eine Substrat, während die Vorrichtung in Betrieb ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bleiben jede mindestens eine Substrathalterung und jedes mindestens eine Substrat während des Planarisierens ortsfest in Bezug auf die Halterungsplattform.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Bewegung über den Kontaktpunkt der Vielzahl zylindrischer Spindeln mit dem mindestens einen Substrat hinaus mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer gesteuert und somit die auf das mindestens eine Substrat ausgeübte Kraft und Spannung auf das Zusammendrücken des Polierbelags beschränkt werden, der die Vielzahl zylindrischer Spindeln bedeckt.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN
Bei den verschiedenen Zeichnungen beziehen sich die Richtungen x, y, und z auf drei zueinander senkrechte Richtungen in einem kartesischen Koordinatensystem, das zur Veranschaulichung der verschiedenen Strukturen der vorliegenden Beschreibung gewählt wurde.
1A ist eine Seitenansicht einer ersten beispielhaften Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
1B ist eine Vorderansicht der ersten beispielhaften Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
2A ist eine Seitenansicht einer zweiten beispielhaften Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
2B ist eine Vorderansicht der zweiten beispielhaften Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
3A ist eine Seitenansicht eines ersten Beispiels für eine Spindelbaugruppenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
3B ist eine Unteransicht des ersten Beispiels für die Spindelbaugruppenstruktur von 3A gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung.
4A ist eine Seitenansicht eines zweiten Beispiels für eine Spindelbaugruppenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
4B ist eine Unteransicht des zweiten Beispiels für die Spindelbaugruppenstruktur von 4A gemäß einer Ausführungsform der Beschreibung.
5 ist eine Unteransicht der ersten beispielhaften Spindelbaugruppenstruktur von 3A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beispiel, auf der die Umrisse beispielhafter Substrate mit beliebiger Form dargestellt sind.
6 ist eine Querschnittsansicht einer zylindrischen Spindel und der dazugehörigen Verbindungsstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
7 ist eine Draufsicht auf einen Zahnradantriebsmotor und die Zahnräder innerhalb einer Zahnradbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
8 ist eine Seitenansicht für eine Reihe zylindrischer Spindeln, ein Substrat, eine Substrathalterung und Fluidverteiler einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung während des Betriebs.
9 ist eine Seitenansicht für eine Reihe zylindrischer Spindeln, ein Substrat, eine Substrathalterung und Fluidverteiler einer weiteren Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung während des Betriebs.
10 ist eine vertikale Querschnittsansicht für eine Reihe zylindrischer Spindeln, ein Substrat, eine Substrathalterung und Perforationslöcher zum Verteilen einer Suspension aus einem mit der Suspension gefüllten Hohlraum auf das Substrat während des Betriebs einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie oben erwähnt betrifft die vorliegende Beschreibung Vorrichtungen zum chemisch-mechanischen Planarisieren und Verfahren zum Betreiben derselben, die im Folgenden ausführlich beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 1A und 1B beinhaltet eine erste beispielhafte Vorrichtung 100 zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung eine Rahmenbaugruppe 20, eine obere Halterungsstrukturbaugruppe 60, die an einem oberen Teil der Rahmenbaugruppe 20 angebracht ist, eine Spindelbaugruppenstruktur 40, die einstellbar an der oberen Halterungsstrukturbaugruppe 60 angebracht ist, und eine Trägerbaugruppe 80, die in einer (durch einen Doppelpfeil „A” dargestellten) Richtung A, der Richtung y in einem kartesischen Koordinatensystem, in einen Bereich unterhalb der Spindelbaugruppenstruktur 40 hinein und wieder heraus gleitet. Der hierin gebrauchte Begriff „Richtung” beinhaltet ein Paar von zwei Richtungen, die einander entgegengesetzt sind, z. B. ein Richtungspaar vorwärts und rückwärts, ein Richtungspaar aufwärts und abwärts, ein Richtungspaar links und rechts usw.
Ein Steuerungs- und Stromversorgungssystem 90 versorgt über Kabel (92, 94) die verschiedenen mechanischen Antriebsmechanismen mit Strom und stellt Steuersignale bereit.
Die Rahmenbaugruppe 20 kann vertikale Halterungsstrukturen 12 mit einer Längsausdehnung in einer vertikalen Richtung, d. h. in der z-Richtung, und mindestens einer horizontalen Bahn mit einer Längsausdehnung in einer horizontalen Richtung, d. h. in der y-Richtung beinhalten. Die Rahmenbaugruppe 20 ist ortsfest in Bezug auf die Struktur, an der die erste beispielhafte Vorrichtung 100 angebracht ist (z. B. in Bezug auf den Fußboden eines Gebäudes, in dem die erste beispielhafte Vorrichtung 100 untergebracht ist). Jede der mindestens einen horizontalen Bahnen kann einen horizontalen Träger 14 und eine Transportführungsstruktur 16 beinhalten, bei der es sich zum Beispiel um eine Zahnstange (wie abgebildet) oder einen anderen alternativen Schrittantriebsmechanismus handelt, der eine seitliche Bewegung der Trägerbaugruppe bewirken kann. Die Rahmenbaugruppe 20 kann wahlweise seitliche Führungsschienen 18 beinhalten, die dazu dienen, die Trägerbaugruppe 80 seitlich einzugrenzen.
Die obere Halterungsstrukturbaugruppe 60 stellt eine Plattform bereit, gegenüber der sich die Spindelbaugruppenstruktur 40 zumindest in der Richtung C (dargestellt durch einen Doppelpfeil „C”) bewegen kann. Bei einer Ausführungsform kann die obere Halterungsstrukturbaugruppe 60 horizontale Platten (54, 44) und fest angebrachte vertikale Verbindungsstrukturen 52 beinhalten, die in Bezug auf die Rahmenbaugruppe 20 ortsfest sind.
Die Spindelbaugruppenstruktur 40 kann an einem unteren Teil der oberen Halterungsstrukturbaugruppe 40 durch mindestens eine Komponente angebracht sein, die eine variable Länge ermöglicht, bei der es sich zum Beispiel um einen Schrittantrieb 42 mit einem (nicht gezeigten) integrierten Antriebsmotor, einem an dem integrierten Antriebsmotor angebrachten Außen- oder Innengewinde und einem mit dem Außen- oder Innengewinde gekoppelten Innen- oder Außengewinde handeln, das so beschaffen ist, dass es sich nicht zusammen mit dem Außen- oder Innengewinde dreht und gleitend mit einer (nicht gezeigten) vertikalen Führungsschiene verbunden ist. Das Auflösungsvermögen der Vertikalbewegung der Spindelbaugruppenstruktur 40 in Bezug auf die obere Halterungsstrukturbaugruppe kann im Bereich von weniger als einem Mikrometer liegen. Um die Spindelbaugruppenstruktur 40 aus einer vertikalen Richtung, d. h. aus der z-Richtung, kippen zu können, können mehrere Schrittantriebe verwendet werden, um eine Angleichung an jede mögliche Neigung von Flächen des zu polierenden Substrats 74 vorzunehmen.
Die Spindelbaugruppenstruktur 40 beinhaltet eine Vielzahl zylindrischer Spindeln 32. Jede aus der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 weist eine zylindrische Polierfläche auf, die durch Anbringen eines zylindrischen Polierbelags auf einer zylindrischen Hülse bereitgestellt werden kann. Jede der zylindrischen Spindeln 32 ist so beschaffen, dass sie um ihre zylindersymmetrische Achse rotiert, die in x-Richtung verläuft. Eine zweidimensionale horizontale Ebene T berührt tangential die Zylinderflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32. Die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der zylindrischen Spindeln 32 kann in einem Bereich von 60 Umdrehungen pro Minute (min^–1) bis 6.000 min^–1 liegen, jedoch können auch niedrigere oder höhere Drehzahlen verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der zweidimensionalen Ebene T um eine horizontale zweidimensionale Ebene, d. h. eine x-y-Ebene handeln.
Die Trägerbaugruppe 80 kann eine Trägerplattform 68, mindestens eine auf der Trägerplattform 68 befestigte Substrathalterung 72 und mindestens ein auf jeder Trägerplattform 68 befestigtes Substrat 74 beinhalten, die übereinander gestapelt sind. Bei jedem mindestens einen Substrat 74 handelt es sich um ein Werkstück, das durch einen chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess planarisiert werden soll, der in der ersten beispielhaften Vorrichtung 100 durchgeführt wird. Die Spindelbaugruppenstruktur 40 kann oberhalb der Trägerplattform 68 liegen.
Jede mindestens eine Substrathalterung 72 ist so gestaltet, dass sie ein Substrat 74 haltert, bei dem es sich um ein in der Technik bekanntes Halbleitersubstrat handeln kann. Jede mindestens eine Substrathalterung 72 ist auf der Trägerplattform 68 befestigt. Mindestens ein Stapel aus einer Substrathalterung 72 und einem auf der Substrathalterung 72 befestigten Substrat 74 wird insgesamt als mindestens eine montierte Substrathalterung 78 bezeichnet. Jeder mindestens eine Substratträger 72 kann einen zylindersymmetrischen Außenrahmen und eine obere kreisförmige Oberfläche aufweisen.
Die Trägerplattform 68 kann einen Stapel aus einer oberen Trägerplattform 70 und einer unteren Trägerplattform 62 beinhalten, die strukturell ortsfest zueinander angeordnet sind. Die obere Trägerplattform 70 kann Einheiten beinhalten, die den mindestens einen Substratträger 72 in Umdrehung versetzen. Die obere Trägerplattform 70 kann ferner einen Vakuumverteiler und eine Vakuumpumpe beinhalten, um das mindestens eine Substrat 74 auf der mindestens einen Substrathalterung 72 zu haltern.
An der unteren Trägerplattform 62 ist eine Reihe von Transportantriebsstrukturen 64 angebracht. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Reihe von Transportantriebsstrukturen um eine Reihe von Ritzeln 64 handeln, die so beschaffen sind, dass sie sich um ihre Rotationsachsen drehen, um die Trägerbaugruppe 80 in y-Richtung zu verschieben. Anstelle einer Kombination der Ritzel 64 und der Zahnstange 16 können beliebige andere mechanische Komponenten verwendet werden, sofern eine solche Kombination die Bewegung der Trägerbaugruppe 80 in y-Richtung ermöglicht.
Die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerbaugruppe 80 sind so beschaffen, dass sie sich in y-Richtung zueinander bewegen, die parallel zu der zweidimensionalen Ebene T und den Rotationsachsen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 verläuft, die in x-Richtung verlaufen. Die Richtung der Relativbewegung zwischen der Spindelbaugruppenstruktur 40 und der Trägerbaugruppe 80 ist schematisch durch einen Doppelpfeil B dargestellt.
Zum Betreiben der ersten beispielhaften Vorrichtung 100 wird die Trägerbaugruppe 80 ohne montiertes Substrat entlang der Transportführungsstruktur 16 in y-Richtung aus der Stellung unterhalb der Spindelbaugruppenstruktur 40 hervorgezogen. Mindestens ein Substrat 74 wird, zum Beispiel durch einen Roboter, auf dem mindestens einen Substratträger 74 montiert. Die Trägerbaugruppe 80, auf der nun mindestens ein Substrat 74 montiert ist, wird entlang der Transportführungsstruktur in y-Richtung in die Stellung unterhalb der Spindelbaugruppenstruktur 40 gebracht.
Anschließend werden die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68 so lange in einer zu der zweidimensionalen Ebene T senkrechten Richtung gegeneinander bewegt, bis mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Substrats 74 die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 berührt. Bei einer Ausführungsform kann die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 in Rotation versetzt werden, nachdem ein Kontakt zwischen der mindestens einen Oberfläche des mindestens einen Substrats 74 und der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 hergestellt wurde. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 in Rotation versetzt werden, bevor ein Kontakt zwischen der mindestens einen Oberfläche des mindestens einen Substrats 74 und der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 hergestellt wurde.
Um das mindestens eine Substrat 74 zu planarisieren, kann (können) die obere(n) Oberfläche(n) des mindestens einen Substrats 74 in Kontakt miteinander gebracht werden, indem eine vertikale Aufwärtsbewegung der Trägerbaugruppe 80 in Bezug auf die Rahmenbaugruppe 20, eine vertikale Abwärtsbewegung der Spindelbaugruppenstruktur 40 in Bezug auf die Rahmenbaugruppe 20 und die ortsfesten horizontalen Platten (54, 44) durch Betätigung des mindestens einen Schrittantriebs 42 oder eine Kombination derselben ausgeführt wird.
Gemäß der obigen Erörterung kann anstelle des mindestens einen Schrittantriebs 42 mindestens eine beliebige andere Komponente verwendet werden, um die zweidimensionale Ebene T zu nivellieren und/oder die zweidimensionale Ebene T mit der Ebene der oberen physischen Oberflächen des mindestens einen Substrats 74 in Übereinstimmung zu bringen. Somit ist die erste beispielhafte Vorrichtung 100 so beschaffen, dass die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68 gegeneinander bewegt werden können, wenn und nachdem das mindestens eine Substrat 74 auf der mindestens einen Substrathalterung 72 befestigt wurde, bis ein Kontakt zwischen einer oberen Oberfläche des mindestens einen Substrats 74 und Teilen der zylindrischen Oberflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 in der zweidimensionalen Ebene T hergestellt wurde.
Ferner sind die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68, die ein Teil der Trägerbaugruppe 80 sind, so beschaffen, dass sie in einer beliebigen ausgewählten Richtung innerhalb der Ebene der zweidimensionalen Ebene gegeneinander bewegt werden können, sofern die ausgewählte Richtung von der Richtung der Achsen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 (d. h. von der x-Richtung) verschieden ist, während das mindestens eine Substrat 74 in Kontakt mit den Teilen der zylindrischen Oberflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 bleibt, welche die zweidimensionale Ebene T tangential berühren. Somit werden die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68 entlang einer zu der zweidimensionalen Ebene T parallelen Ebene gegeneinander bewegt, d. h. in einer von der x-Richtung verschiedenen beliebigen Richtung innerhalb der x-y-Ebene, während sich mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Substrats 74 in Kontakt mit der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 befindet und während die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 um ihre zylindersymmetrischen Achsen rotieren.
Bei einer Ausführungsform sind die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68 so beschaffen, dass sie sich in der y-Richtung gegeneinander bewegen, während das mindestens eine Substrat 74 in Kontakt mit den Teilen der zylindrischen Oberflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 40 bleibt, welche die zweidimensionale Ebene T tangential berühren.
Bei einer Ausführungsform bleibt der Massenschwerpunkt 40_CM der Spindelbaugruppenstruktur 40 ortsfest, und ein Massenschwerpunkt 68_CM der Trägerplattform 68 bewegt sich in y-Richtung.
Bei einer Ausführungsform sind die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68 so beschaffen, dass sie sich in der y-Richtung, d. h. in der durch den Doppelpfeil B angezeigten bidirektionalen Richtung, in einer Hin-und-Herbewegung zueinander bewegen. Die Frequenz der Hin-und-Herbewegung kann zum Beispiel zwischen 0,01 Hz und 3 Hz liegen, jedoch können auch höhere und niedrigere Frequenzen verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform kann jede mindestens eine Substrathalterung 72 so beschaffen sein, dass sie in Bezug auf die Trägerplattform 68 ortsfest bleibt. Mit anderen Worten, die mindestens eine Substrathalterung 72 rotiert um keine Achse und alle Punkte innerhalb der mindestens einen Substrathalterung 72 bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit wie die Trägerplattform 68. Somit kann die Rotation des mindestens einen Substrats 74 ausgeschlossen werden, das auf der mindestens einen Substrathalterung 72 befestigt ist und in Bezug auf diese ortsfest bleibt. Diese Anordnung kann dazu dienen, die Vorteile der gleichmäßigen Abtraggeschwindigkeit zu erhöhen, die durch die Vielzahl der bei einigen Ausführungsformen rotierenden zylindrischen Spindeln 32 bewirkt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann jede mindestens eine Substrathalterung 72 so beschaffen sein, dass sie um eine zu der zweidimensionalen Ebene T senkrechten Achse rotiert. Die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der mindestens einen Substrathalterung 72 kann kleiner als die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der zylindrischen Spindeln 32 sein. Die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der mindestens einen Substrathalterung 72 und des darauf angebrachten mindestens einen Substrats 74 kann in einem Bereich zwischen 0,02 Umdrehungen pro Minute (min^–1) und 2 min^–1 liegen, jedoch können auch niedrigere und höhere Drehzahlen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Winkelgeschwindigkeit der Rotation jeder mindestens einen Substrathalterung 72 um mehr als zwei Größenordnungen kleiner als die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der zylindrischen Spindeln 32 sein. In bestimmten Fällen kann durch die im Vergleich zur Rotationsgeschwindigkeit der zylindrischen Spindeln 32 relativ geringe Rotationsgeschwindigkeit der mindestens einen Substrathalterung 72 bei einigen Ausführungsformen die Gleichmäßigkeit der planarisierten Oberflächen des mindestens einen Substrats 72 verbessert werden.
Ein Dispersionstank 38 und ein Fluidverteiler 36 dienen zum Verteilen einer Suspension durch die Spindelbaugruppenstruktur 40 auf das mindestens eine Substrat 74.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B kann von der ersten beispielhaften Vorrichtung 100 von 1 eine zweite beispielhafte Vorrichtung 200 zum chemisch-mechanischen Planarisieren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung abgeleitet werden, indem eine untere horizontale Platte 44' angeordnet wird, die gegenüber einer oberen horizontalen Platte 54 in einer horizontalen Richtung bewegt werden kann, die von der Richtung der Rotationsachsen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 verschieden ist, d. h. in einer von der x-Richtung verschiedenen beliebigen horizontalen Richtung innerhalb der x-y-Ebene. Die Bewegungsrichtung der unteren horizontalen Platte 44' gegenüber einer oberen horizontalen Platte 54 ist durch einen Doppelpfeil „D” veranschaulicht. Bei einer Ausführungsform kann die untere horizontale Platte 44' so angeordnet sein, dass sie gegenüber einer oberen horizontalen Platte 54 in der y-Richtung bewegt werden kann, die mit der Bewegungsrichtung der Trägerplattform 68 identisch ist.
Ebenso wie die erste beispielhafte Vorrichtung 100 ist die zweite beispielhafte Vorrichtung 200 so beschaffen, dass die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform in einer Richtung zueinander bewegt werden, die senkrecht zu der zweidimensionalen Ebene T liegt, d. h. in der Richtung des Doppelpfeils C, um die Oberfläche(n) des mindestens einen Substrats 74 und die untersten Teile der zylindrischen Oberflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 zusammenzuführen.
Während des Planarisierungsprozesses bleibt ein Massenschwerpunkt 68_CM der Trägerplattform 68 ortsfest, und ein Massenschwerpunkt 40_CM der Spindelbaugruppenstruktur 40 bewegt sich in der Richtung des Doppelpfeils D. Bei der horizontalen Bewegung der Spindelbaugruppenstruktur 40 in Bezug auf die ortsfeste Rahmenbaugruppe 20 und den Massenschwerpunkt 68_CM der Trägerplattform 68 kann es sich wie beim Betreiben der ersten beispielhaften Vorrichtung um eine Hin-und-Herbewegung handeln.
Die horizontale Relativbewegung zwischen dem Massenschwerpunkt 68_CM der Trägerplattform 68 und dem Massenschwerpunkt 40_CM der Spindelbaugruppenstruktur 40 kann zum Beispiel dadurch bewirkt werden, dass die fest angebrachten vertikalen Verbindungsstrukturen 52 in der ersten beispielhaften Vorrichtung 100 durch mindestens eine andere horizontale Führungsbahn ersetzt werden, die eine Längsausdehnung entlang einer horizontalen Richtung aufweist, d. h. einer von der x-Achse abweichenden beliebigen horizontalen Richtung innerhalb der x-y-Ebene, die parallel zu den Rotationsachsen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 ausgerichtet ist. Zum Beispiel kann die Längsausdehnung der mindestens einen anderen horizontalen Bahn mit der y-Richtung identisch sein. Die beiden ortsfesten Platten (44, 54) der ersten beispielhaften Vorrichtung 100 können durch eine Kombination aus einer ortsfesten horizontalen Platte 54, die in Bezug auf die Rahmenbaugruppe 20 ortsfest bleibt, und einer verschiebbaren horizontalen Platte 44' ersetzt werden, die sich entlang der Längsrichtung der mindestens einen anderen Führungsbahn bewegen kann.
Jede mindestens eine andere horizontale Führungsbahn kann eine Transportführungsstruktur 47 beinhalten, bei der es sich zum Beispiel um eine Schiene (wie veranschaulicht) oder einen beliebigen anderen Schrittantriebsmechanismus handeln kann, der den seitlichen Vorschub der Spindelbaugruppenstruktur 40 bewirken kann. An der beweglichen horizontalen Platte 44' kann eine Reihe von Transportantriebsstrukturen angebracht sein. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Reihe von Transportantriebsstrukturen um eine Reihe von Ritzeln 46 handeln, die so beschaffen sind, dass sie um ihre Rotationsachsen rotieren, damit sich die bewegliche horizontale Platte 44' in der Längsrichtung der mindestens einen anderen Führungsbahn bewegt. Anstelle einer Kombination aus den Ritzeln 46 und der Zahnstange 47 können beliebige andere mechanische Komponenten verwendet werden, sofern eine solche Kombination die Bewegung der beweglichen horizontalen Platte 44' und der daran aufgehängten Spindelbaugruppenstruktur 40 ermöglicht. Wahlweise können seitliche Führungsschienen 48 bereitgestellt werden, die so beschaffen sind, dass sie die bewegliche horizontale Platte 44' und die Spindelbaugruppenstruktur 40 seitlich eingrenzen.
Bezug nehmend auf 3A und 3B wird ein erstes Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 ausführlich veranschaulicht. Das erste Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 kann in der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) von 1A, 1B, 2A und 2B verwendet werden. Das erste Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 beinhaltet einen Spindelrahmen 30, der die Rotationsachsen 34 der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 mechanisch haltert, sodass der Massenschwerpunkt jeder zylindrischen Spindel 32 in Bezug auf den Spindelrahmen 30 ortsfest bleibt. Ferner dient der Spindelrahmen 30 als mechanische Struktur, an der eine Getriebebaugruppe 22 und ein Getriebemotor 24 angebracht werden kann.
Mehrere zylindrische Spindeln 32 in der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 weisen zueinander parallele zylindersymmetrische Achsen 34 auf, die in der Abbildung als x-Richtung dargestellt sind. Bei einer Ausführungsform können alle zylindrischen Spindeln 32 in der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 zueinander parallele zylindersymmetrische Achsen 34 aufweisen, die in der Abbildung als x-Richtung dargestellt sind. Jede der Zylinderflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 kann eine Polierfläche eines zylindrischen Polierbelags darstellen. Die Polierfläche kann ein in der Technik bekanntes Poliermittel enthalten.
Bei einer Ausführungsform sind die zylindersymmetrischen Achsen 34 in der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 als eindimensionale Anordnung mit einem seitlichen Abstand p angeordnet. In diesem Fall sind zylindersymmetrischen Achsen 34 jedes benachbarten Paars durch ein und denselben Abstand voneinander getrennt, der gleich dem Abstand p ist. Die Richtung der eindimensionalen Anordnung kann innerhalb der zweidimensionalen Ebene T liegen. Bei einer Ausführungsform kann die Richtung des Abstands p in der eindimensionalen Anordnung senkrecht zu der Richtung der zylindersymmetrischen Achsen in der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 liegen. Zum Beispiel kann die Richtung der zylindersymmetrischen Achsen in der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 mit der x-Richtung und die Richtung des Abstands p in der eindimensionalen Anordnung mit der y-Richtung identisch sein.
Bei einer Ausführungsform können die mehreren zylindrischen Spindeln 32 in der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 ein und denselben Radius R aufweisen.
Die Richtung, in der die zylindersymmetrischen Achsen 34 ausgerichtet sind, wird hierin als erste Richtung bezeichnet. Die erste Richtung liegt gemäß der obigen Erörterung parallel zu der zweidimensionalen Ebene T. Die Richtung, in der die Spindelbaugruppenstruktur 40 und die Trägerplattform 68 ausgerichtet sind, damit sie sich zueinander bewegen können, wird hierin als zweite Richtung bezeichnet und ist von der ersten Richtung verschieden. Bei einer Ausführungsform kann die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung ausgerichtet sein.
Die Spindelbaugruppenstruktur 40 kann eine Zahnradbaugruppe 22 und einen Zahnradantriebsmotor 24 beinhalten. Die Zahnradbaugruppe 22 beinhaltet (im Einzelnen nicht dargestellte) Zahnräder, die untereinander im Eingriff stehen und so angeordnet sind, dass sie die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 in Rotation versetzen. Bei einer Ausführungsform kann die Größe der Zahnräder so gewählt werden, dass sie die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 mit ein und derselben Winkelgeschwindigkeit in Drehung versetzen. Benachbarte Paare zylindrischer Spindeln 32 können in entgegengesetzten Drehrichtungen rotieren, z. B. rotiert eine Spindel im Uhrzeigersinn und eine andere entgegen dem Uhrzeigersinn, oder in ein und derselben Drehrichtung rotieren. Der Zahnradantriebsmotor 24 ist so beschaffen, dass er eine Rotationsbewegung veranlasst, die durch die Zahnradbaugruppe 22 auf die Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 übertragen wird. Der Zahnradantriebsmotor 24 und die Zahnradbaugruppe 22 können durch eine beliebige rotierende Antriebseinheit ersetzt werden, die eine synchrone Rotation der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 ermöglicht.
Bei einem anschaulichen Beispiel überlagern sich in 3B die Umrisse verschiedener Kombinationen von Substraten 74 (Siehe 1A, 1B, 2A und 2B), die unter Verwendung der ersten oder der zweiten Vorrichtung von 1A, 1B, 2A und 2B planarisiert werden können, mit einer Unteransicht der Spindelbaugruppenstruktur 40. Bei einer Ausführungsform kann unter Verwendung der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) ein erster Satz von vier oder fünf 200-mm-Substraten 74A gleichzeitig planarisiert werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann unter Verwendung der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) ein zweiter Satz von einem oder zwei 300-mm-Substraten 74B gleichzeitig planarisiert werden. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann unter Verwendung der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) ein dritter Satz von einem einzigen 450-mm-Substrat 74C gleichzeitig planarisiert werden.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann die Fläche des Spindelrahmens 30 erweitert oder verringert werden, um eine größere oder geringere Anzahl von Substraten aufzunehmen.
Bezug nehmend auf 4A und 4B wird ein zweites Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 ausführlich veranschaulicht.
Das zweite Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 kann in der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) von 1A, 1B, 2A und 2B verwendet werden.
Das zweite Beispiel für die in 3A und 3B veranschaulichte Spindelbaugruppenstruktur 40 kann von dem ersten Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 abgeleitet werden, indem an den unteren Teilen des Spindelrahmens 30 in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Paaren der zylindrischen Spindeln 32 mindestens ein Polierbelag 33 fest angebracht wird. Der Spindelrahmen 30 bei dem ersten Beispiel für die Spindelbaugruppenstruktur 40 in 3A und 3B kann abgeändert werden, indem zwischen jedem benachbarten Paar zylindrischer Spindeln 32 und zwischen der zweidimensionalen Ebene T und einer durch Verbinden der Rotationsachsen 34 der zylindrischen Spindeln 32 gebildeten Ebene ortsfeste Halterungsstrukturen angeordnet werden. Der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag 33 kann an den ortsfesten Halterungsstrukturen angebracht werden.
Der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag 33 bleibt während der Relativbewegung zwischen der Spindelbaugruppenstruktur 40 und der Trägerplattform 68 ortsfest an dem Rahmen der Spindelbaugruppenstruktur 40, d. h. an dem Spindelrahmen 30. Der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag 33 weist eine Polierfläche auf. Die Polierfläche des mindestens einen fest angebrachten Polierbelags 33 kann durch ein beliebiges in der Technik bekanntes Poliermaterial bereitgestellt werden. Die untere(n) Fläche(n) des mindestens einen fest angebrachten Polierbelags 33 können koplanar oder im Wesentlichen koplanar zu der zweidimensionalen Ebene T sein. Im hierin gebrauchten Sinne sind zwei Flächen koplanar zueinander, wenn der vertikale Versatz zwischen den beiden Ebenen weniger als 100 nm beträgt.
Der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag 33 dient als zusätzliche Polierfläche oder als „eine Zweitwalze”, die die Oberfläche(n) des mindestens einen Substrats 74 in einer linearen Bewegung berührt (siehe 1A, 1B, 1C und 1D). Somit erhöht der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag die in Kontakt mit dem mindestens einen Substrat 74 befindliche Oberfläche und dadurch die Polierleistung der ersten und der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200), ohne das mindestens eine Substrat 74 einer herkömmlichen Rotationsbewegung zu unterziehen. Außerdem kann der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag 33 andere Poliereigenschaften aufweisen (Abtragsgeschwindigkeit oder Körnung des Poliermaterials auf der Oberfläche), sodass durch die Verwendung des zylindrischen Polierbelags auf den zylindrischen Spindeln und der planaren Polierbeläge für den mindestens einen fest angebrachten Polierbelag 33 mehrere Arten von Polierbelägen mit unterschiedlichen Eigenschaften (zum Beispiel weich und hart) in einen einzigen Polierzyklus eingebunden werden können.
Bezug nehmend auf 5 wird schematisch ein Merkmal der Vorrichtungen (100, 200) der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht, welches das Planarisieren von Substraten unterschiedlicher Größe und Form ermöglicht. Insbesondere werden die Umrisse verschiedener Substrate (74D, 74E, 74F), die als Substrat 74 (siehe 1A, 1B, 2A und 2B) unter Verwendung der ersten oder der zweiten Vorrichtung (100, 200) der 1A, 1B, 2A und 2B planarisiert werden können, mit einer Untersicht der Spindelbaugruppenstruktur 40 überlagert, die dem in 3A und 3B veranschaulichten ersten Beispiel oder dem in 4A und 4B veranschaulichten Beispiel identisch sein kann.
Bezug nehmend auf 6 werden eine zylindrische Spindel 32 und die zugehörigen Verbindungsstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung als Querschnittsansicht dargestellt, die eine Ebene zeigt, welche die Rotationsachse für die zylindrische Spindel 32 schneidet.
Bei einer Ausführungsform kann die zylindrische Spindel 32 eine Spindelrahmenstruktur (310, 320) enthalten, die eine Spindelinnenstruktur 310 und/oder eine Spindelaußenstruktur 320 beinhaltet. Die Spindelinnenstruktur 310 und/oder die Spindelaußenstruktur 320 können sich in der Spindelrahmenstruktur (310, 320) befinden, sofern die strukturelle Integrität der Spindelrahmenstruktur während der Drehung auf der (den) Oberfläche(n) des mindestens einen Substrats 74 (siehe 1A, 1B, 2A und 2B) während eines Planarisierungsschrittes erhalten bleibt. Auf die Außenfläche einer Spindelaußenstruktur 320 kann ein zylindrischer Polierbelag 325 aufgebracht werden. Alternativ kann der zylindrische Polierbelag 325 auf eine Spindelinnenstruktur 310 aufgebracht werden, wenn keine Spindelaußenstruktur verwendet wird und die Spindelinnenstruktur 310 unmittelbar bis zu dem zylindrischen Polierbelag 325 reicht. Somit kann jede der Zylinderflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln 32 in der ersten und der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) eine Polierfläche aus zylindrischen Polierbelägen 325 darstellen.
Bei einer Ausführungsform beinhaltet die Spindelrahmenstruktur (310, 320) die Spindelaußenstruktur 320 ohne Perforationslöcher in derselben, und zwischen der Spindelinnenstruktur 310 und der Spindelaußenstruktur 320 kann ein Hohlraum 315 bereitgestellt werden. Der Hohlraum 315 kann durch die Spindelaußenstruktur 320 von den zylindrischen Polierbelägen 325 abgetrennt sein, und ein Kühlmittel kann ohne Flüssigkeitsverlust von einer Seite des Hohlraums 315 zur anderen Seite des Hohlraums fließen.
Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Spindelrahmen (310, 320) die Spindelaußenstruktur 320 mit einer Vielzahl von Perforationslöchern 317 in derselben, und zwischen der Spindelinnenstruktur 310 und der Spindelaußenstruktur 320 kann ein Hohlraum 315 bereitgestellt werden. Während des Betriebs der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) kann eine Suspension in den Hohlraum 315 geleitet werden. Die Suspension kann durch die Vielzahl der Perforationslöcher 317 austreten und auf das mindestens eine Substrat 74 gelangen. Eine Seite des Hohlraums 315 kann offen sein, um den Zustrom der Suspension in den Hohlraum 315 aufzunehmen, und die andere Seite des Hohlraums 315 kann abgedichtet sein.
Die zugehörigen Verbindungsstrukturen können zum Beispiel Rohrverbindungsstücke 330 mit einem Stift 331 beinhalten, der in eine Rastöffnung 333 innerhalb der Spindelrahmenstruktur (310, 320) passt. Ferner können die zugehörigen Verbindungsstrukturen zwei magnetische Trennbaugruppen beinhalten, die jeweils ein inneres magnetisches Verbindungsteil 340, ein Aufhängungsteil 350 mit oder ohne (nicht gezeigte) Lager und ein äußeres magnetisches Verbindungsteil 360 enthalten, das zusammen mit einem Zahnrad in der Zahnradbaugruppe 22 in Drehung versetzt werden soll (siehe 3A, 4A und 7). Es wird darauf hingewiesen, dass nur eines der beiden äußeren Verbindungsteile 360 in Drehung versetzt werden muss, um eine zylindrische Spindel 32 in eine Drehbewegung zu versetzen.
Bezug nehmend auf 7 sind der Zahnradantriebsmotor 24 und einige der Zahnräder (222A, 222B, 222C) innerhalb der Zahnradbaugruppe 22 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung in einer Draufsicht dargestellt, wobei die oberen Abdeckungen des Zahnradantriebsmotors 24 und der Zahnradbaugruppe 22 zur Verdeutlichung abgenommen wurden.
Der Zahnradantriebsmotor 24 beinhaltet einen Elektromotor 242 sowie eine Welle 244 und ein erstes Zahnrad 246, die mit dem Elektromotor verbunden sind und sich bei laufendem Elektromotor mitdrehen. Jedes der Zahnräder (222A, 222B, 222C) ist entweder direkt oder durch andere Zahnräder (222A, 222B) mit dem ersten Zahnrad 246 gekoppelt. An jedem der Zahnräder (222A, 222B, 222C) ist eine Welle 224 mit einem Ende angebracht und konstruktiv mit einem (nicht gezeigten äußeren magnetischen Verbindungsteil 360 (siehe 6) verbunden, sodass die Achse der Welle 224 und die Achse des äußeren magnetischen Verbindungsteils 360 übereinstimmen.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Wellen 224 entfallen und die Zahnräder (222A, 222B, 222C) können als äußeres magnetisches Verbindungsteil 360 dienen. Die Drehrichtungen werden durch halbkreisförmige Pfeile dargestellt. Bei einer weiteren Ausführungsform können alle aus der Vielzahl zylindrischer Spindeln so beschaffen sein, dass sie in ein und derselben Richtung rotieren (z. B. im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn), indem zwischen jedem benachbarten Paar der hierin dargestellten Zahnräder (222A, 222B, 222C) zusätzliche Zahnräder (nicht gezeigt) eingebaut werden.
Bezug nehmend auf 8 werden eine Reihe zylindrischer Spindeln 32, ein Substrat 74, eine Substrathalterung 72 und Fluidverteiler 36 als Querschnittsansicht in einer y-z-Ebene während des Betriebs der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung dargestellt. Der Fluidverteiler 36 dient zum Zugeben einer Suspension 37 durch eine Lücke zwischen benachbarten Paaren der zylindrischen Spindeln 32 auf das mindestens eine Substrat 74 während des Betriebs der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200). Durch die direkte Zugabe von Suspensionstropfen 37 auf eine während eines Planarisierungsprozesses zu planarisierende Oberfläche ist die Entfernung, die die Suspension von einem Ausgangspunkt, an dem ein Suspensionstropfen 37 in Kontakt mit einer zu planarisierenden Oberfläche gelangt, bis zu einem Punkt zurücklegen muss, an dem Material abgetragen wird, kleiner als der Abstand zwischen einem benachbarten Paar zylindrischer Spindeln 32. Somit wird die Suspension gleichmäßig verteilt, und der Verbrauch an Suspension ist geringer als bei in der Technik bekannten CMP-Vorrichtungen. Ferner können die aus dem Fluidverteiler 36 austretenden Suspensionstropfen 37 ausschließlich durch Schwerkraft auf die zu planarisierende Oberfläche gelangen, wodurch die Verteilung der Suspension einfacher gesteuert werden kann. Der Fluidverteiler 36 kann Suspensionen, Wasser, Reinigungslösungen, Ätzmittel oder andere in der Technik bekannte Fluide zuführen, die vor, während oder nach dem Polieren der Oberfläche des Substrats 72 verwendet werden. Somit kann die erste oder zweite beispielhafte Vorrichtung (100, 200) als Vorreinigungsmodul, das ein erstes Fluid zum Behandeln der oberen Oberfläche des Substrats 72 vor dem Polieren, als Poliermodul zum Planarisieren der oberen Oberfläche des Substrats durch die rotierenden zylindrischen Spindeln unter Zugabe eines zweiten Fluids einschließlich mindestens einer Suspension durch den Fluidverteiler 36 und/oder als Politur-Nachbehandlungsmodul verwendet werden, das die obere Oberfläche des Substrats 72 mit einem dritten Fluid behandelt, das durch den Fluidverteiler 36 zugeführt wird. Einzelne Rohrleitungen in dem Fluidverteiler 36 können als Verteilungswege für mehrere Fluidarten dienen, oder verschiedene Rohrleitungen in dem Fluidverteiler 36 können zur Verteilung verschiedener Fluide vorgesehen werden. Bei einigen Ausführungsformen können mehrere verschiedene Fluidverteiler 36 bereitgestellt werden, die jeweils zum Verteilen einer bestimmten Fluidart dienen.
Bezug nehmend auf 9 können die Fluidverteiler 36 in der in 8 veranschaulichten Vorrichtung so verändert werden, dass sie einen oberen Fluidverteiler 36U und einen unteren Fluidverteiler 36L bereitstellen.
Bezug nehmend auf 10 werden eine Reihe zylindrischer Spindeln 32, ein Substrat 74, eine Substrathalterung 72 und Perforationslöcher 317 in einer vertikalen Querschnittsansicht dargestellt. Jede zylindrische Spindel 32 beinhaltet wahlweise eine Spindelinnenstruktur 310 (die entfernt werden kann) und eine Spindelaußenstruktur 320. Ein Hohlraum, der dem Hohlraum in 6 identisch ist, wird innerhalb der Spindelaußenstruktur 320 bereitgestellt und mit einer Suspension 31 oder einem anderen geeigneten Fluid wie beispielsweise Wasser, Reinigungslösungen, Ätzmitteln oder anderen in der Technik bekannten Fluiden gefüllt, die vor, während oder nach dem Polieren der Oberfläche des Substrats 72 verwendet werden können und durch einen Fluidverteiler 36 (siehe 1B und 2B) und durch eine Öffnung an einer Seite jeder der zylindrischen Spindeln 32 zugeführt werden. Die Spindelaußenstruktur 320 beinhaltet eine Vielzahl darin vorgesehener Perforationslöcher 317. Der zylindrische Polierbelag 325 kann durchlässig sein oder zusätzliche Perforationslöcher aufweisen, damit die Suspension 31 hindurchtreten kann.
Bei einer Ausführungsform können die Bausteine der verschiedenen unter Bezug auf 8, 9 und 10 beschriebenen Fluidverteilungsmethoden miteinander kombiniert werden. Ferner können die verschiedenen Ausführungsformen auch für „poliermittelfreie” Planarisierungsverfahren genutzt werden, bei denen während des Polierens keine Suspension verwendet wird. Bei einer solchen Ausführungsform können die Fluidverteiler (36, 36U, 36L) zur Vorbehandlung oder zur Nachbehandlung der Oberfläche des Substrats 72 vor oder nach dem Planarisierungsschritt verwendet werden.
Während des Betriebs der ersten oder der zweiten beispielhaften Vorrichtung (100, 200) fließt die Suspension 31 in den Hohlraum und wird durch die Vielzahl von Perforationslöchern 317 und die zylindrischen Poliermittelbeläge 325 ausgegeben. Eine Seite des Hohlraums 315 kann offen sein, damit die Suspension in den Hohlraum 315 gelangen kann, und die andere Seite des Hohlraums 315 kann abgedichtet sein. Ebenso wie bei dem in 8 dargestellten Suspensionsverteilungssystem ist durch die direkte Zugabe der Suspensionstropfen 37 auf eine während eines Planarisierungsprozesses zu planarisierende Oberfläche die Entfernung, die die Suspension von einem Ausgangspunkt, an dem ein Suspensionstropfen 37 in Kontakt mit einer zu planarisierenden Oberfläche gelangt, bis zu einem Punkt zurücklegen muss, an dem Material abgetragen wird, kleiner als der Abstand zwischen einem benachbarten Paar zylindrischer Spindeln 32.
Die Vorrichtungen der vorliegenden Beschreibung können eine gleichmäßige Verteilung frischer Suspension auf ein Substrat und verschiedene Flächen mit Polierbelägen sowie das Abführen verbrauchter Suspension gewährleisten. Durch die Verwendung der Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Beschreibung können das Zusammendrücken und Entspannen der Materialien der Polierbeläge, wenn sie mit einer polierten Oberfläche in Kontakt kommen, deutlich verringert werden oder entfallen, wodurch ein gleichmäßiger Planarisierungsprozess ermöglicht wird. Ferner kann auch die durch die Drehbewegung eines Polierstempels und/oder eines Substrats bedingte Ungleichmäßigkeit über die Waferfläche hinweg bei einigen Ausführungsformen deutlich verringert werden, indem die Drehung der Substrate während des Planarisierens entfällt.
In einer Hinsicht entfällt durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung die Verwendung eines in der Technik bekannten Membranträgers, indem auf die Drehung um eine zu den zu planarisierenden Oberflächen senkrechte Richtung verzichtet wird. Somit ermöglicht die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung eine wesentlich genauere Steuerung des Dickenprofils und der Topografie einer planarisierten Substratoberfläche als in der Technik bekannte CMP-Vorrichtungen.
Obwohl sich die Beschreibung auf bestimmte Ausführungsformen bezieht, ist es angesichts der obigen Beschreibung klar, dass dem Fachmann zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Änderungen offenkundig sind. Demzufolge soll die Beschreibung alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Änderungen beinhalten, die innerhalb der sachlich-gegenständlichen Reichweite und des Wesensgehalts und der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren, die Folgendes umfasst: eine Spindelbaugruppenstruktur, die eine Vielzahl zylindrischer Spindeln beinhaltet, wobei jede der zylindrischen Spindeln so beschaffen ist, dass sie um ihre zylindersymmetrische Achse rotiert, und eine zweidimensionale Ebene zylindrische Oberflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln tangential berührt; und mindestens eine Substrathalterung, die so beschaffen ist, dass sie mindestens ein Substrat haltert und auf einer Trägerplattform befestigt ist, wobei die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform so beschaffen sind, dass sie sich in einer Richtung zueinander bewegen, die parallel zu der zweidimensionalen Ebene liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrere zylindrische Spindeln in der Vielzahl zylindrischer Spindeln zylindersymmetrische Achsen aufweisen, die parallel zueinander liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zylindersymmetrischen Achsen in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet und einen Rasterabstand haben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die mehreren zylindrischen Spindeln in der Vielzahl zylindrischer Spindeln ein und denselben Radius aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zylindersymmetrischen Achsen in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, die parallel zu der zweidimensionalen Ebene liegt, und es sich bei der Richtung, in der sich die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform zueinander bewegen, um eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spindelbaugruppenstruktur ferner mindestens einen fest angebrachten Polierbelag umfasst, der während der Relativbewegung zwischen der Spindelbaugruppenstruktur und der Trägerplattform ortsfest auf einem Rahmen der Spindelbaugruppenstruktur bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine fest angebrachte Polierbelag eine polierende Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen koplanar mit der zweidimensionalen Ebene ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der zweidimensionalen Ebene um eine horizontale Ebene handelt und die Spindelbaugruppenstruktur oberhalb der Trägerplattform liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung so beschaffen ist, dass die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform in einer zu der zweidimensionalen Ebene senkrechten Richtung zueinander bewegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung so beschaffen ist, dass die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform zueinander bewegt werden, wenn das mindestens eine Substrat auf dem mindestens einen Substratträger befestigt ist, bis ein Kontakt zwischen mindestens einer oberen Oberfläche des mindestens einen Substrats und Teilen der zylindrischen Oberflächen in der zweidimensionalen Ebene hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Spindelbaugruppenstruktur und die Trägerplattform so beschaffen sind, dass sie sich in der Richtung zueinander bewegen, während das mindestens eine Substrat in Kontakt mit den Teilen der zylindrischen Oberflächen in der zweidimensionalen Ebene bleibt.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Planarisieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vorrichtung, die eine Spindelbaugruppenstruktur, mindestens einen Substratträger und eine Trägerplattform beinhaltet, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl zylindrischer Spindeln beinhaltet, die jeweils um ihre zylindersymmetrische Achse rotieren, und eine zweidimensionale Ebene die zylindrischen Oberflächen der Vielzahl zylindrischer Spindeln tangential berührt, und wobei der mindestens eine Substratträger auf der Trägerplattform befestigt ist; Befestigen mindestens eines Substrats auf der mindestens einen Substrathalterung; und Planarisieren mindestens einer Oberfläche des mindestens einen Substrats durch Bewegen der Spindelbaugruppenstruktur und der Trägerplattform in einer Richtung zueinander, die parallel zu der zweidimensionalen Ebene ist, während sich die mindestens eine Oberfläche in Kontakt mit der Vielzahl zylindrischer Spindeln befindet und die Vielzahl zylindrischer Spindeln um ihre zylindersymmetrischen Achsen rotieren.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner nach dem Befestigen des mindestens einen Substrats das Bewegen der Spindelbaugruppenstruktur und der Trägerplattform in einer zu der zweidimensionalen Ebene senkrechten Richtung zueinander umfasst, bis die mindestens eine Oberfläche die Vielzahl zylindrischer Spindeln berührt.