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Die
Erfindung betrifft einen Gimpelhalter für einen Polierkopf einer chemisch-mechanischen
Polieranlage.
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Das
chemisch-mechanische Polieren (CMP; chemical-mechanical-polishing) ist ein
Planarisierungsverfahren, das dazu dient im Rahmen der Herstellung
von Halbleiterbauelementen Grabenfüllungen, Metallplugs, Zwischenoxide
und Intermetallika auf Halbleiterscheiben oder Halbleiterwafern
einzuebnen. Beim chemisch-mechanischen Polieren wird die zu bearbeitende
Halbleiterscheibe von einem Scheibenträger gegen einen drehbar angeordneten Poliertisch
gedrückt,
auf dem sich eine elastische, perforierte Auflage (Pad) befindet,
auf das ein Poliermittel (Slurry) aufgegeben wird. Die Halbleiterscheibe
und der Poliertisch rotieren dabei, wodurch die Oberfläche der
Halbleiterscheibe an den herausragenden Stellen abpoliert wird,
bis eine bestimmte Ebenheit der Scheibenoberfläche erreicht ist.
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Im
Gegensatz zum rein mechanischen Polieren enthält das Poliermittel in der
Regel nicht nur abrasive Polierkönner,
sondern auch aktive chemische Zusätze. Die chemischen Zusätze erlauben
bei einer Abstimmung auf das abzutragende Schichtenmaterial ein
selektives Abtragen der Schichten auf der Halbleiterscheibe.
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Der
beim chemisch-mechanischen Polieren eingesetzte Scheibenträger, im
Weiteren auch als Polierkopf bezeichnet, besteht im Wesentlichen
aus drei Hauptbestandteilen, nämlich
einem Gehäu se, das
an einer Halte- und Rotationseinrichtung befestigt ist, einem am
Gehäuse
vertikal gleitenden Scheibenhalter mit einer beweglichen Halteeinrichtung,
im Weiteren auch Gimpelhalter bezeichnet, an dessen Unterseite im
Allgemeinen eine flexible Membran angeordnet ist, auf der die Halbleiterscheibe
vorzugsweise mittels Unterdruck gehalten wird, und einem auch als
Retaining-Ring bezeichneten Haltering, der den Scheibenhalter umgibt
und am Gehäuse
befestigt ist.
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Während des
Polierprozesses wird mit dem Gimpelhalter, auf dessen flexibler
Membran an der Unterseite die Halbleiterscheibe angeordnet ist,
ein definierter vertikaler Druck auf die Auflage des Poliertisches
ausgeübt.
Der den Gimpelhalter umgebende Retaining-Ring wirkt den radikalen
Kräften
entgegen, die während
des Polierprozesses auf die Halbleiterscheibe einwirken. Der Gimpelhalter
ist so ausgelegt, dass es vertikal im Polierkopfgehäuse verschiebbar angeordnet
ist, jedoch horizontale Bewegungen zwischen dem Gimpelhalter und
dem Polierkopfgehäuse verhindert
werden, um die auf den Retaining-Ring beim Polierprozess durch die
Halbleiterscheibe ausgeübten
radikalen Kräfte
aufzufangen.
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Der
Gimpelhalter weist im Allgemeinen einem Schaftbereich mit einer
Achse, die im Poliergehäuse
vertikal verschiebbar gelagert ist, und eine mit dem Schaftbereich
einstückig
verbunden oder auf den Schaft aufgesetzten Teller auf, an dem die
flexible Membran befestigt ist, an der dann die Halbleiterscheibe
gehalten wird. Zwischen den Gimpelhalter und der flexiblen Membran
sind weiterhin verschiedene Druckkammern vorgesehen, um auf die
auf der flexiblen Membran gehaltene Halbleiterscheibe unterschiedliche
Drücke
auszuüben
zu können.
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Ein
Polierkopf der dargestellten Art ist aus der
EP 1 029 633 A1 bekannt.
Bei den bekannten Gimpelhaltern ist der Gimpeltel ler im Allgemeinen
auf den Gimpelschaft aufgesetzt oder einstückig mit diesem verbunden.
Der gesamte Gimpelhalter wird in der Regel aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gefertigt.
Aufgrund der beim Polierprozess auf den Gimpelhalter ausgeübten vertikalen
und radialen Kräfte
kommt es dabei jedoch zu einer hohen Materialbeanspruchung, die
bei den gekannten Gimpelhaltern dazu führt, dass der Gimpelteller
vom Schaftbereich abbricht. Dies erfordert dann ein Auswechseln des
Gimpelhalters und damit einen ungewünschten Stillstand der Polieranlage.
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Ein
weiterer Polierkopf mit einem zweiteilig ausgestalteten Gimpelhalter
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der US 2001/11003 A1 bekannt. Hier ist ein Gimpelschaft
auf einem planen Gimpelteller ausgeführt. Weitere Gimpelhalter sind aus
der
US 6004 196 , der
US 6,024 630 , der US 2001/27081
A1 der
US 6,113,468 der
US 5,681,215 und der
US 6,302,762 B1 bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es einen Gimpelhalter für einen Polierkopf bereitzustellen,
bei dem die Gefahr eines Ausfalls aufgrund der Beanspruchung des
Gimpelhalters während
des Polierprozesses verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Gimpelhalter gemäß Anspruch
1 und eine chemisch-mechanische Polieranlage gemäß Anspruch 4 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Gimpelhalter
für einen
Polierkopf einer mechanisch-chemischen Polieranlage ist zweiteilig
aufgebaut mit einem zentralen Gimpelstempel und einem beweglich
vom Gimpelstempel getragenen ringförmigen Gimpelteller.
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Durch
die Aufteilung des Gimpelhalters in einen Gimpelstempel, der drehbar
im Polierkopfgehäuse
gelagert ist und einen vom Stempelbereich beweglich getragenen,
den Gimpelstempel ringförmig umgebenen
Gimpelhalter wird eine hohe Flexibilität der Konstruktion erreicht.
Die Beweglichkeit der beiden Teile des Gimpelhalters gegeneinander
ermöglicht
es insbesondere hohen Biegebeanspruchungen, die sich beim Polierprozess
ergeben, standzuhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
zur Lagerung und Abdichtung zwischen dem Gimpelstempel und dem vom
Gimpelstempel getragenen ringförmigen
Gimpelteller ein umlaufender O-Ring vorgesehen.
Durch Lagerung des Gimpelhalters am Gimpelstempel mit Hilfe einer
O-Ring-Dichtung wird für
eine hohe Beweglichkeit zwischen Gimpelstempel und Gimpelteller
gesorgt, wobei zugleich eine zuverlässige Abdichtung erreicht wird,
die erforderlich ist, um verschiedene Druckzonen zwischen dem Gimpelhalter
und der an der flexiblen Membran gehaltenen Halbleiterscheibe ausbilden
zu können.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Gimpelstempel aus hochlegiertem Edelstahl und der Gimpelteller
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Durch die
Edelstahlausführung
des Gimpelstempels hält
dieser hohen Biegebeanspruchungen besonders gut stand.
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Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren einer Halbleiterscheibe;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch einen Polierkopf;
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3 einen erfindungsgemäßen Gimpelhalter, wobei 3a eine
perspektivische Ansicht von oben, 3b eine
Aufsicht, 3c einen Querschnitt entlang
der A-A-Linie in 3b und 3d eine
Detailansicht des Ausschnitts im Querschnitt in 3c wiedergeben;
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4 einen Gimpelteller, wobei 4a eine perspektivische
Ansicht, 4b eine Aufsicht von oben, 4c einen
Querschnitt entlang der A-A-Linie in 4b und 4d eine
Detailansicht des Ausschnitts im Querschnitt in 4c wiedergeben;
und
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5 den Gimpelstempel, wobei 5a eine
perspektivische Ansicht, 5b eine
Aufsicht von oben, 5c eine Seitenansicht, 5d einen Querschnitt
entlang der A-A-Linie in 5b und 5e eine
Detailansicht des Ausschnitts im Querschnitt in 5d wiedergeben.
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In
der vorliegenden Beschreibung bezieht sich die Bezeichnung oben
und unten immer auf die Arbeitsposition einer Poliervorrichtung
beim chemisch-mechanischen Poliervorgang.
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Die
schematisch in 1 dargestellte Poliervorrichtung 10 weist
einen drehbar angeordneten Poliertisch 12 auf, auf dem
sich eine elastische perforierte Auflage 14, das sogenannte
Pad befindet, das über
eine Zuführung 16 mit
einem Poliermittel, dem sogenannten Slurry getränkt wird. Über dem Poliertisch 12 ist
ein an einer Halte- und Rotationseinrichtung 21 drehbar
befestigter Polierkopf 20 angeordnet, der eine am Polierkopf 20 befestigte
Halbleiterscheibe 22 mit einem definierten vertikalen Druck
gegen die Auflage 14 drückt.
Der Polierkopf 20 mit der daran angeordneten Halbleiterscheibe 22 und
der Poliertisch 12 führen
beim Poliervorgang eine Relativbewegung zueinander aus.
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Das
Poliermittel, das über
die Zuführung 16 auf
die Auflage 14 abgegeben wird, enthält abrasive wirkende Polierkörner sowie
chemische Zusätze,
die ein selektives Abtragen von Schichten auf der Halbleiterscheibe 22 ermöglichen.
Das chemisch-mechanische
Polieren erfolgt vor allem zum Planarisieren von Grabenfüllungen,
von Metallplug in Kontaktlöchern,
Vias, Zwischenoxiden und Intermetallika.
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2 zeigt
schematisch den wesentlichen Teil des Polierkopfes 20 im
Querschnitt. Der Polierkopf 20 setzt sich aus drei Bestandteilen,
einem Gehäuse 30,
einem Scheibenhalter 35, der eine Halteeinrichtung, den
sogenannten Gimpelhalter 40 und eine flexible Membran 60 aufweist,
und einem Haltering, dem sogenannten Retaining-Ring 50 zusammen.
Das Gehäuse 30 weist
ein zentrales Mittelstück 31 auf,
das an der Halte- und Rotationseinrichtung 21 (nicht gezeigt)
der Poliervorrichtung befestigt ist. An dem zentralen Mittelstück 31 ist
eine ringförmige
Abdeckung 32 angeordnet. Der Gimpelhalter 40 setzt sich
aus einem zentralen Stempel 41 und einem ringförmigen Teller 42,
die beweglich am Stempel 41 gehalten wird, zusammen.
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Der
Gimpelstempel 41 weist eine zentrale Platte 412 und
eine mittig auf der zentralen Platte 412 sitzende Welle 411 auf.
An der zentralen Platte 412 des Gimpelstempels 41 ist
beweglich die ringförmige Gimpelplatte 42 angeordnet,
wobei die Gimpelplatte über
eine ringförmige
O-Ring-Dichtung 43 an der zentralen Platte des Gimpelstempels
gelagert ist und von einem Sprengring 44 gehalten wird.
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Die
Gimpelplatte 42 wiederum ist von dem ringförmigen Retaining-Ring 50 umgeben,
der an der ringförmigen
Abdeckung 32 des Gehäuses 30,
die einen ringförmigen
vorstehenden Rand 321 aufweist, befestigt ist. Auf der
Unterseite der Gimpelplatte 42 ist eine flexible Membran 60 befestigt,
auf der die Halblei terscheibe 22 anliegt. Die Halbleiterscheibe 22 wird
dabei vorzugsweise durch einen Unterdruck, der von der Membran 60 ausgeübt wird,
gehalten. Zwischen der Gimpelplatte 42 und der Membran 60 sind
weiterhin vorzugsweise Druckkammerbereiche (nicht gezeigt) ausgebildet,
um auf die auf der Membran 60 festgehaltene Halbleiterscheibe 22 eine
vorgegebene Belastung auszuüben.
Der Retaining-Ring 50 ist so ausgelegt, dass er axial im
Wesentlichen plan mit der an der Unterseite der Gimpelplatte 42 angeordneten
Membran 60 ist.
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Der
Gimpelhalter 40 ist mit seinem Gimpelstempel 41 im
Mittelstück 31 des
Polierkopfgehäuses 30 geführt. Hierfür ist im
Mittelstück 31 des
Gehäuses 30 eine
durchgehende Bohrung 32 ausgeführt, in der die Welle 411 des
Gimpelstempels 41 vertikal verschiebbar gelagert ist. Beim
Polierprozesses wird der Gimpelhalter 40, auf dessen flexibler
Membran 60 die Halbleiterscheibe 22 gehalten wird,
zusammen mit dem Gehäuse 30 in
eine Drehbewegung versetzt und mit einem definierten vertikalen
Druck in die Auflage 14 des Poliertisches 12 gedrückt. Der
den Gimpelhalter 40 umgebende Haltering 50 wirkt
den radikalen Kräften
entgegen, die während
des Polierprozesses auf die Halbleiterscheibe 22 einwirken.
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3 bis 5 zeigen
im Detail die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Gimpelhalter 40, der in 2 schematisch
im Querschnitt gezeigt ist. 3 zeigt
dabei den zusammengebauten Gimpelhalter 40, 4 den Gimpelteller 42 und 5 den Gimpelstempel 41. Wie 4 zeigt, ist der Gimpelteller 42 als
Kreisring ausgebildet mit einer durchgehenden Innenbohrung 421.
Die Innenbohrung 421 ist dabei dreistufig ausgebaut, wie
im Querschnitt in 4c und in der Detailansicht
in 4d dargestellt ist. Die Bohrung 421 weist
einen oberen abgeschrägten,
sich nach außen
verbreitenden ringförmigen
Abschnitt 422, einen daran anschließenden zylindrischen Ab schnitt 423 und
einen kurzen unteren sich verengenden Abschnitt 424 auf.
Im zylindrischen Mittelbereich 423 ist weiterhin eine umlaufende
ringförmige
Nut 425 vorgesehen. Der äußere Umfang des Gimpeltellers 42 ist
ebenfalls dreistufig aufgebaut, mit einem kurzen am weitesten nach
außen
vorstehenden unteren Abschnitt 428, an den sich ein zylindrischer
Abschnitt 427 mit einem kleineren Durchmesser und ein oberer
Abschnitt 426 mit einem noch kleineren Durchmesser anschließt. Der
Gimpelteller 42 ist vorzugsweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gefertigt
und als Druckgussteil hergestellt.
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Der
Gimpelstempel 41 wird dagegen vorzugsweise aus hochlegiertem
Edelstahl hergestellt, wobei die Drehwelle 411 einstückig der
Platte 412 ausgebildet ist. Die Platte 412 ist,
wie der Querschnitt in 5d zeigt,
vorzugsweise deckelförmig
ausgeformt mit einer planen Unterseite und einem erhöhten Randbereich 413.
Der Randbereich 413 weist an der Unterseite eine Stufe 414 auf,
an die sich eine ringförmige
Nut 415 anschließt,
wie die Detailansicht in 5e zeigt.
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Der
zusammengebaute Gimpelhalter 40 ist in 3 dargestellt.
Dabei ist der Gimpelstempel 41 mit seiner deckelförmigen Platten 412 in
die Innenbohrung 421 des Gimpeltellers 42 eingesetzt,
wobei die Gimpelplatte 412 mit ihrer Unterseite eine plane Fläche mit
der Unterseite des Gimpeltellers 42 bildet. Die Stufe 414 am
Plattenrand 413 des Gimpelstempels 41 liegt dabei
formschlüssig
auf dem konisch zulaufenden unteren Abschnitt der Bohrung 421 an.
Die Platte 412 des Gimpelstempels 41 erstreckt
sich mit ihrem Rand 413 bis unter die Nut 425 im
zylindrischen mittleren Bohrungsabschnitt 423 des Gimpeltellers 42.
In diese Nut 425 greift der Sprengring 44 ein,
der eine Bewegung des Gimpelstempels 41 nach oben aus der
Innenbohrung 421 des Gimpeltellers 42 heraus verhindert
und den Gimpelstempel 41 am Gimpelteller 42 festhält. Zwischen
dem Gimpelteller 42 und dem Gimpelstempel 41 ist
weiterhin in der Nut 414 am Rand 413 der Gimpelplatte 411 die O-Ring-Dichtung 43 angeordnet,
die für
eine zuverlässige
Abdichtung zwischen dem Gimpelstempel 41 und dem Gimpelteller 42 sorgt.
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Die
erfindungsgemäße zweiteilige
Ausgestaltung des Gimpelhalterung 40 mit einem zentralen Gimpelstempel 41 und
einem ringförmig
daran angeordneten Gimpelteller 42, der beweglich am Gimpelstempel 41 gehalten
ist, ermöglicht
es, die auf den Gimpelhalter während
des Poliervorgangs wirkenden Kräfte
optimal aufzufangen, insbesondere die vom Retaining-Ring 50 übertragenen
vertikalen Kräfte, ohne
dass eine Beschädigung
des Gimpelhalters auftritt. Zusätzlich
wird durch die Möglichkeit,
den Gimpelstempel 41 aus Edelstahl zu fertigen, um eine maximale
Biegebeanspruchung gewährleistet.
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- 10
- Poliervorrichtung
- 12
- Poliertisch
- 14
- Poliertisch-Auflage
- 16
- Slurry-Zuführung
- 20
- Polierkopf
- 21
- Halte-
und Rotationseinrichtung
- 22
- Halbleiterscheibe
- 30
- Polierkopf-Gehäuse
- 31
- Gehäuse-Mittelstück
- 32
- Gehäuseabdeckung
- 321
- Abdeckungsrand
- 35
- Scheibenhalter
- 40
- Gimpelhalter
- 41
- Gimpelstempel
- 411
- Gimpelstempel-Platte
- 412
- Gimpelstempel-Welle
- 413
- Plattenrand
- 414
- Plattenstufe
- 415
- Plattennut
- 42
- Gimpelteller
- 421
- Innenbohrung
- 422–424
- Innenbohrungsabschnitt
- 425
- Innenbohrungsnut
- 426–428
- Tellerrandabschnitt
- 43
- O-Ring-Dichtung
- 44
- Sprengring
- 50
- Retaining-Ring
- 60
- Membran