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GEGENSTAND DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen, insbesondere auf ein Werkzeug zum Konditionieren der Oberfläche eines Polierpads in einer Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren von Substraten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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In Mikrostrukturen wie z. B. integrierten Schaltkreisen wird eine große Anzahl von Elementen wie Transistoren, Kondensatoren und Widerstände auf einem einzelnen Substrat durch Abscheiden halbleitender, leitender und isolierender Materialschichten und Bemustern dieser Schichten durch Fotolithografie und ähnliche Techniken hergestellt. Die einzelnen Schaltkreiselemente werden durch Metallleitungen elektrisch miteinander verbunden. Zur Herstellung dieser Metallleitungen wird ein sogenanntes Zwischenschichtdielektrikum abgeschieden, in dem anschließend Kontaktlöcher und Gräben ausgebildet werden. Die Kontaktlöcher und Gräben werden dann mit einem Metall, z. B. Kupfer, gefüllt, um elektrischen Kontakt zwischen den Schaltkreiselementen herzustellen. In modernen integrierten Schaltkreisen müssen mehrere solche Metallisierungsebenen, die Metallleitungen enthalten, übereinander gestapelt werden, um die benötigte Funktionalität aufrecht zu erhalten. Das wiederholte Bemustern von Materialschichten erzeugt jedoch eine nicht-planare Oberflächentopografie, die anschließende Bemusterungsprozesse stören kann, vor allem solche für Mikrostrukturen, die Einrichtungen mit minimalen Abmessungen im Submikronbereich enthalten, wie das bei anspruchsvollen integrierten Schaltkreisen der Fall ist.
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Es hat sich als notwendig herausgestellt, die Oberfläche des Substrats zwischen dem Ausbilden aufeinander folgender Schichten zu planarisieren. Eine ebene Oberfläche des Substrats ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, unter anderem aufgrund der begrenzten optischen Tiefe des Brennpunkts in der Fotolithografie, die zum Bemustern der Materialschichten in Mikrostrukturen verwendet wird. Chemisch-mechanisches Polieren ist ein adäquater und weit verbreiteter Prozess zum Erreichen globaler Planarisierung eines Substrats.
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Eine konventionelle Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren ist beispielsweise in der Einleitung der
US 6,004,196 beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Skizze einer konventionellen Anordnung 100 zum chemisch-mechanischen Polieren. Die Anordnung 100 enthält einen Polierteller 101, auf dem ein Polierpad 102 befestigt ist. Häufig bestehen Polierpads aus einem Polymermaterial mit zellularer Mikrostruktur, das viele Hohlräume enthält, wie z. B. Polyurethan. Ein Polierkopf 130 umfasst ein Gehäuse 104 und einen Substrathalter 105 zum Aufnehmen und Festhalten eines Substrats 103. Der Polierkopf 130 ist mit einer Antriebsvorrichtung 106 gekoppelt. Weiterhin umfasst die Anordnung 100 eine Poliermittelzufuhr 112 und ein Konditionierwerkzeug 131. Das Konditionierwerkzeug 131 weist einen Konditionierkopf 107 und ein Konditionierpad 108 auf, das am Konditionierkopf 107 befestigt ist. Der Konditionierkopf 107 ist mit einer Antriebsvorrichtung 109 gekoppelt.
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Im Betrieb rotiert der Polierteller 101. Die Poliermittelzufuhr 112 führt der Oberfläche des Poliertellers 102 Poliermittel zu, das dort durch Zentrifugalkräfte verteilt wird. Das Poliermittel enthält eine chemische Verbindung, die mit dem Material oder den Materialien auf der Oberfläche des Substrats 103 reagiert. Das Reaktionsprodukt wird durch Schleifmittel, die im Poliermittel und/oder im Polierpad 102 enthalten sind, entfernt. Der Polierkopf 130, und damit auch das Substrat 103, wird durch die Antriebsvorrichtung 106 gedreht, um die Auswirkungen unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeiten von Teilen des Polierpads 102 bei verschiedenen Radien im Wesentlichen auszugleichen. In fortgeschrittenen Anordnungen 100 wird der rotierende Polierkopf 130 zusätzlich über das Polierpad 102 bewegt, um die Relativbewegung zwischen dem Substrat 103 und dem Polierpad 102 weiter zu verbessern und die Ausnützung des Pads zu maximieren. Die Antriebsvorrichtung 109 dreht den Konditionierkopf 107 und damit auch das an ihm befestigte Konditionierpad 108. Das Konditionierpad 108 kann eine Schleifmittelkomponente wie z. B. Diamanten, die in eine Matrix eingebettet sind, aufweisen. Dadurch wird die Oberfläche des Polierpads 102 abgeschliffen und verdichtetes Poliermittel wird ebenso aus Hohlräumen im porösen Polierpad 102 entfernt wie Teilchen, die von der Oberfläche des Substrats abpoliert wurden. Dieser Vorgang wird als Konditionierung bezeichnet.
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Ohne Konditionierung würden verdichtetes Poliermittel und vom Substrat 103 abgeschliffene Teilchen Poren im Polierpad 102 verstopfen. Dadurch würde das Polierpad 102 sein Absorptionsvermögen verlieren, so dass der größte Teil des Poliermittels zu schnell vom Polierpad 102 abfließen würde. Aufgrund dieser zunehmenden Schädigung des Polierpads 102 würde die Abtragleistung während des Poliervorgangs stetig abnehmen.
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Die Konditionierung kann nach dem Polieren eines oder mehrerer Substrate 103 durchgeführt werden. Das führt jedoch zu signifikanten Schwankungen der Abtragleistung, die von dem Unterschied zwischen der nachbearbeiteten Oberfläche eines frisch konditionierten Polierpads 102 und der aufgebrauchten Oberfläche, die unmittelbar vor dem Konditionieren vorhanden ist, herrühren. Alternativ kann das Konditionierwerkzeug 131 fortlaufend Kontakt mit dem Polierpad 102 haben, während das Substrat 103 poliert wird. So wird eine gleichmäßigere Abtragrate des Substratmaterials erreicht.
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Verschiedene Ausführungen chemisch-mechanischer Poliergeräte sind in der Technik bekannt. Zum Beispiel kann der rotierende Polierteller 101 durch ein Endlosband ersetzt werden, das durch Rollen gespannt wird und sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, oder das Poliermittel kann durch das Polierpad 102 hindurch injiziert werden, um das Poliermittel direkt an die Grenzfläche zwischen dem Polierpad 102 und dem Substrat 103 zu bringen.
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Ein Problem, das bei konventionellen Anordnungen zum chemisch-mechanischen Polieren auftritt ist, dass Konditionierpads Verschleißteile sind, die üblicherweise Lebensdauern von weniger als 2000 Substraten haben. Deshalb sind Konditionierpads teure Verschleißteile, deren Preis wesentlich zu den Betriebskosten eines chemisch-mechanischen Poliergeräts beiträgt.
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Ein weiteres Problem, das bei konventionellen Anordnungen zum chemisch-mechanischen Polieren auftritt ist, dass Konditionierpads, die Diamanten enthalten, dazu neigen, einzelne Diamanten zu verlieren, die dann beträchtliche Kratzer auf der Oberfläche des polierten Substrats verursachen können. Abhängig von der Art der Polieranordnung und deren Kontrollstrategie kann eine große Anzahl von Substraten betroffen sein, bis das Problem entweder entdeckt und durch Auswechseln des Pads beseitigt oder der Diamant durch das Konditionieren des Pads entfernt wird. Das kann zu hohen Kosten aufgrund verkratzter Substrate führen.
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Im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme besteht ein Bedarf für eine Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren, die ein verbessertes Konditionierwerkzeug aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren die Merkmale des Anspruchs 1.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren die Merkmale des Anspruchs 7.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile, Ziele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen definiert und werden mit der folgenden detaillierten Beschreibung offenbarer, wenn diese mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verwendet wird; es zeigen
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1 eine Skizze einer konventionellen Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren;
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2a eine Skizze einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren, die der Erläuterung der vorliegenden Erfindung dient;
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2b eine Skizze eines nicht erfindungsgemäßen Konditionierwerkzeugs in einer Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren, die der Erläuterung der vorliegenden Erfindung dient; und
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3 eine Skizze einer Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Konditionierwerkzeug, das dafür ausgelegt ist, einen oder mehrere Fluidstrahlen auf das Polierpad zu richten. So wird ein mechanischer Krafteintrag in das Polierpad erreicht, der dazu führt, dass verdichtetes Poliermittel und vom Substrat abgeschliffene Teilchen wie gewünscht vom Polierpad entfernt werden und das Absorptionsvermögen des Polierpads wieder hergestellt wird.
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2a zeigt eine schematische Seitenansicht einer Anordnung 200 zum chemisch-mechanischen Polieren gemäß einem veranschaulichenden Beispiel, das der Erläuterung der Erfindung dient, aber nicht Teil der Erfindung ist. Die Anordnung 200 umfasst einen Polierteller 201, ein Polierpad 202, einen Polierkopf 230, eine Antriebsvorrichtung 206, eine Poliermittelzufuhr 212 und ein Konditionierwerkzeug 231. Der Polierkopf 230 umfasst ein Substrat 203, einen Substrathalter 205, und ein Gehäuse 204.
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Das Konditionierwerkzeug 231 umfasst eine Hochdruckfluidzufuhr 213, eine bewegliche Halterung 214 und eine Düse 215. Die Hochdruckfluidzufuhr 213 kann wohlbekannte Mittel zum Erzeugen von Fluiden unter hohem Druck enthalten wie z. B. eine Pumpe oder eine Flasche mit komprimiertem Gas, sowie wohlbekannte Mittel zum Zuführen des Fluids zur Düse 215 und zum Steuern des Fluidflusses wie Röhren und Ventile. Die bewegliche Halterung 214 ist mit einem Antriebsgerät 217 verbunden, das dafür ausgelegt ist, die bewegliche Halterung 214 zu bewegen.
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Im Betrieb rotieren der Polierteller 201 und der Polierkopf 230 und die Poliermittelzufuhr 212 führt dem Polierpad 202 Poliermittel zu, wo es durch Zentrifugalkräfte verteilt wird. Vor und/oder während und/oder nach dem Polieren eines Substrats führt die Hochdruckfluidzufuhr 213 ein Fluid, das unter hohen Druck steht, der Düse 215 zu. Während das Fluid durch die Düse 215 austritt, nimmt der Druck des Fluids ab. Dadurch wird elastische Energie freigesetzt, das Fluid auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und ein Fluidstrahl 216 ausgebildet, der auf dem Polierpad 202 auftrifft.
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2b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Konditionierwerkzeugs 231; der Einfachheit halber wurden in den 2a und 2b gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Der Fluidstrahl 216 kann unter einem ungefähr rechten Winkel auf das Polierpad 202 auftreffen. In anderen Beispielen trifft der Fluidstrahl 216 geneigt auf das Polierpad 202 auf.
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Wenn der Fluidstrahl 216 auf dem Polierpad 202 auftrifft, wird das Fluid gebremst und übt eine Kraft auf einen Teil des Polierpads 202 aus, so dass verdichtetes Poliermittel und vom Substrat abgeschliffene Teilchen aus Hohlräumen im porösen Padmaterial entfernt werden. Ein Fluidstrahl 216 mit hoher Geschwindigkeit kann auch das Padmaterial selbst abschleifen.
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In einem Beispiel kann der Fluidstrahl 216 eine im Wesentlichen zylindrische Form haben. Er kann einen Radius haben, der klein im Vergleich zum Radius des Polierpads 202 ist. Selbstverständlich sind auch andere Formen oder Konfigurationen des Fluidstrahls 216 möglich.
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Das Konditionierwerkzeug 231 enthält ein mit der beweglichen Halterung 214 verbundenes Antriebsgerät 217, das die bewegliche Halterung 214 um eine Achse drehen kann, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Polierpads 202 ist. Dadurch bewegen sich die Düse 215 und der Fluidstrahl 216 in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Polierpads ist, so dass ein konstanter Abstand zwischen der Düse 215 und dem Polierpad 202 sichergestellt ist.
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In einem Beispiel umfasst das Antriebsgerät 217 einen Servomotor, der von einem Mikroprozessor abgestimmt auf die Rotation des Poliertellers 201 gesteuert wird.
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Das Antriebsgerät 217 ist dafür ausgelegt, den Drehsinn der beweglichen Halterung 214 zu ändern, wenn sich der Fluidstrahl 216 dem Rand des Polierpads 202 nähert, um sicher zu stellen, dass der Fluidstrahl 216 auf dem Polierpad 202 auftrifft. Deshalb pendelt der Fluidstrahl 216 in einer hin- und hergerichteten Kreisbewegung über dem Polierpad 202.
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Bewegen des Fluidstrahls 216 über dem rotierenden Polierpad 202 ermöglicht eine im Wesentlichen gleichmäßige Konditionierung der Oberfläche des Polierpads 202 mit einem Fluidstrahl 216, der einen Durchmesser hat, der klein im Vergleich zum Radius des Polierpads 202 ist, wenn die Drehfrequenz des Poliertellers 201 und die Frequenz der Pendelbewegung des Fluidstrahls 216 aufeinander abgestimmt sind. Die Bewegung des Fluidstrahls 216 relativ zum Polierpad 202 kann vorteilhafterweise so gesteuert werden, dass vermieden wird, dass Teile des Polierpads 202 häufig dem Fluidstrahl 216 ausgesetzt sind, während andere Teile des Polierpads 202 dem Fluidstrahl 216 selten oder nie ausgesetzt sind. In einem Beispiel kann das erreicht werden, wenn die Bewegung des Fluidstrahls 216 so gesteuert wird, dass sie langsam genug ist, dass sich der Fluidstrahl 216 während einer Umdrehung des Poliertellers 201 über eine Strecke bewegt, die kleiner als der oder gleich dem Durchmesser des Fluidstrahls 216 ist.
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In einem anderen Beispiel ist das Verhältnis zwischen der Frequenz der Pendelbewegung des Fluidstrahls 216 und der Drehfrequenz des Poliertellers 201 ein Verhältnis a/b von Zahlen a, b, wobei a kein ganzzahliges Vielfaches von b ist. Dann wiederholt sich die Bewegung des Fluidstrahls 216 relativ zum Polierpad 202 nach b Umdrehungen des Poliertellers 201. In einer bestimmten Ausführungsform ist b größer als der oder gleich dem Verhältnis zwischen dem Radius des Polierpads 202 und dem Durchmesser des Fluidstrahls 216.
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Die Winkelgeschwindigkeit der Kreisbewegung des Fluidstrahls 216 muss nicht konstant sein; es kann wünschenswert sein, den Fluidstrahl 216 schneller zu bewegen, wenn er auf einen Punkt nahe dem Mittelpunkt des Polierpads 202 auftrifft, und langsamer, wenn er auf einen Punkt nahe dem Rand des Polierpads 202 auftrifft. Dadurch wird erreicht, dass die Oberfläche des Polierpads 202 dem Fluidstrahl 216 gleichmäßiger ausgesetzt ist.
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In anderen Beispielen führt die bewegliche Halterung 214 eine Kreisbewegung in einer Richtung über dem Polierpad 202 aus. Das Antriebsgerät kann über der Oberfläche des Polierpads 202 vorgesehen sein, ähnlich wie die in 1 gezeigte Antriebsvorrichtung 109, und die Abmessungen der beweglichen Halterung 214 werden so gewählt, dass der Fluidstrahl 216 immer auf dem Polierpad 202 auftrifft, während die bewegliche Halterung 214 eine vollständige Umdrehung ausführt.
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Wenn es gewünscht wird, kann das Konditionieren des Polierpads 202 kontinuierlich oder mit Unterbrechungen durchgeführt werden, während das Substrat 203 poliert wird. Hierfür ist in einer Ausführungsform die Hochdruckfluidzufuhr 213 dafür ausgelegt, einen oder mehrere Gasstrahlen unter hohem Druck als Fluidjets 216 zuzuführen. Mit dieser Anordnung kann eine Verdünnung und/oder chemische Veränderung des Poliermittels im Wesentlichen vermieden werden. Geeignete Gase können, ohne die vorliegende Erfindung einzuschränken, beispielsweise Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas umfassen.
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Alternativ können das Polieren und das Konditionieren abwechselnd durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Konditionieren durchgeführt werden, nachdem ein oder mehrere Substrate poliert wurden.
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Der Fluidstrahl 216 kann Wasser enthalten, wobei z. B. ultrareines Wasser vorgesehen sein kann. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Fluidstrahl 216 eine andere Flüssigkeit enthalten, z. B. ein organisches Lösungsmittel. Der Fluidstrahl 216 kann auch eine Mischung aus einer Flüssigkeit und einem Gas enthalten. Der Fluidstrahl 216 kann auch Schleifteilchen enthalten, die die Oberfläche des Polierpads 202 abschleifen. Konditionieren mit einem Fluidstrahl 216, der Schleifteilchen enthält, und Polieren des Substrats 203 können vorzugsweise abwechselnd ausgeführt werden, um zu vermeiden, dass das Substrat 203 durch Schleifteilchen, die auf dem Polierpad verbleiben, verkratzt wird.
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Die Hochdruckfluidzufuhr kann dafür ausgelegt sein, der Düse 215 verschiedene Fluide zuzuführen. In einem Beispiel wird das Polierpad 202 mit einem Fluidstrahl, der aus reinem Wasser besteht, konditioniert, während ein Substrat 203 poliert wird. Nach dem Polieren eines oder mehrerer Substrate wird mit einem Fluidstrahl 216, der Schleifteilchen enthält, konditioniert.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 3 beschrieben. Eine Anordnung 600 zum chemisch-mechanischen Polieren umfasst ein Polierpad 602, das auf einem Polierteller 601 befestigt ist, der im Betrieb rotiert. Weiterhin umfasst die Anordnung 600 eine Poliermittelzufuhr 612 und einen Polierkopf 630, der ein Substrat 603, einen Substrathalter 605 und ein Gehäuse 604 aufweist. Im Betrieb der Anordnung 600 dreht eine Antriebsvorrichtung 606 den Polierkopf 630. Mehrere Düsen 615, 618 sind am Polierkopf 630 befestigt. Eine Hochdruckfluidzufuhr 613 führt den Düsen 615, 618 ein Fluid unter hohem Druck zu, so dass Fluidstrahlen 616, 619 entstehen, die auf die Oberfläche des Polierpads 602 gerichtet sind. Die Hochdruckfluidzufuhr 613 und die Düsen 615, 618 zusammen bilden ein Konditionierwerkzeug, das am Polierkopf 630 befestigt ist.
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Während sich der Polierkopf 630 und der Polierteller 601 drehen, werden die Fluidstrahlen 616, 619 über die Oberfläche des Polierpads 602 bewegt. Erfindungsgemäß wird die Rotation des Polierkopfs 630 vorteilhafterweise zum Bewegen der Fluidstrahlen 616, 619 genützt, so dass für das Konditionierwerkzeug kein zusätzliches Antriebsgerät benötigt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Oberfläche des Polierpads unmittelbar bevor sie dem Substrat 603 begegnet konditioniert wird, so dass sicher gestellt wird, dass zum Polieren des Substrats 603 eine frisch konditionierte Polierpadoberfläche verwendet wird.
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In einer Ausführungsform sind die Drehfrequenz des Poliertellers 601 und die des Polierkopfs 630 aufeinander abgestimmt, so dass ein im Wesentlichen gleichmäßiges Konditionieren des Polierpads 602 sichergestellt wird.
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In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Düsen 615, 618 so um den Polierkopf 630 herum angeordnet, dass sie eine im Wesentlichen ringförmige Düsenanordnung bilden. In einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere der Düsen 615, 618 eine gebogene Form haben, so dass ein gebogener linienförmiger Fluidstrahl entsteht oder, in noch einer weiteren Ausführungsform, können die mehreren gebogenen Düsen durch eine einzige im Wesentlichen ringförmige Düse ersetzt werden. Im Betrieb wird den Düsen 615, 618 ein Fluid unter hohem Druck zugeführt, so dass ein Fluidstrahl um den Polierkopf herum erzeugt wird.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, ein Fluid zu verwenden, das die Chemie des Poliermittels im Wesentlichen erhält, d. h., das Fluid kann ein Gas sein, oder ein chemisches Reagens kann zusammen mit dem Fluidstrahl zugeführt werden.
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In einer Anordnung zum chemisch-mechanischen Polieren gemäß der vorliegenden Erfindung können der Druck des Fluids, das einer Düse zugeführt wird, die Größe einer Öffnung der Düse, und der Winkel, unter dem ein Fluidstrahl auf dem Polierpad auftrifft, an die spezielle Anwendung und an das verwendete Padmaterial angepasst werden. Die einzelnen Düsen in einem Konditionierwerkzeug mit mehreren Düsen können unterschiedliche Durchmesser haben und die einzelnen Fluidstrahlen können unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche des Polierpads auftreffen. Die einzelnen Fluidstrahlen können verschiedene Fluide enthalten.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Anordnungen zum chemisch-mechanischen Polieren, die einen rotierenden Polierteller und eine Poliermittelzufuhr enthalten, wie in den 1, 2a und 3 gezeigt, beschränkt. Konditionierwerkzeuge, die dafür ausgelegt sind, einen Fluidstrahl auf die Oberfläche eines Polierpads zu richten, können auch in einem Sequential linear polisher, der ein Polierpad, das an einem Endlosband befestigt ist, das von Rollen auf Spannung gehalten wird umfasst, wobei sich dieser Endlosgurt mit hoher Geschwindigkeit bewegt, verwendet werden. Anstatt dass eine Poliermittelzufuhr über dem Polierpad, wie in den 1, 2a und 3 gezeigt, verwendet wird, kann das Poliermittel auch direkt der Grenzfläche zwischen einem Polierpad und einem polierten Substrat zugeführt werden, indem es durch das Polierpad hindurch injiziert wird.
