DE19652839A1 - Pegelsensorvorrichtung und -verfahren für Halbleiterwafer für chemisch-mechanisches Poliergerät - Google Patents

Pegelsensorvorrichtung und -verfahren für Halbleiterwafer für chemisch-mechanisches Poliergerät

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pegel- bzw. Nivelliersensorvorrichtung und ein Pegel- bzw. Nivelliersensor­ verfahren für ein chemisch-mechanisches Poliergerät (im folgen­ den auch CMP-Gerät abgekürzt) für einen Halbleiterwafer bzw. eine Halbleiterscheibe, und insbesondere auf eine Pegel- bzw. Nivelliersensorvorrichtung und ein Pegel- bzw. Nivelliersensor­ verfahren für ein chemisch-mechanisches Poliergerät für einen Halbleiterwafer, die bzw. das leicht durch einen Druckerfassungs­ sensor Änderungen im Druck aufgrund eines Halbleiterwafers er­ fassen kann, der eine Oberfläche auf oberem Niveau einer Polier­ walze bzw. -scheibe berührt.
Beim Herstellen einer Halberleitervorrichtung werden mikroelek­ tronische Vorrichtungen in getrennten Platten auf einem dünnen planaren Halbleiterwafer gebildet. Auf dem Halbleiterwafer werden verschiedene leitende, isolierende und halbleitende Mate­ rialien verwendet, und diese Materialien werden durch zahlreiche Arten von Prozessen gemustert, dotiert und abgeschieden, was zu der Herstellung einer integrierten Schaltung (im folgenden auch "IC" genannt) führt.
Gewöhnlich werden beim Herstellen einer vollständigen Halbleiter­ vorrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, in einem Halbleiterwafer 1, in welchem ein Oxidmaterial 3 auf einem dünnen planaren Sub­ strat 1 gebildet ist, auf dem Substrat 1 erzeugte IC-Vorrich­ tungen 2 durch Entfernen des Oxidmaterials 3 herab bis zu dem oberen Oberflächenteil der IC-Vorrichtungen 2 freigelegt, wobei dieser Prozeß als chemisch-mechanische Polierplanarisierung bzw. "CMP" bezeichnet wird. Fig. 2 zeigt einen Halbleiterwafer, nachdem die chemisch-mechanische Polierplanarisierung ausgeführt ist.
Um in einem CMP-Gerät, wie dieses in Fig. 3 gezeigt ist, den Halbleiterwafer 1 zu planarisieren, sollte eine Nivellierung oder Pegelabstimmung der Polierscheibe bzw. -walze 11 und des Halbleiterwafers 1 erzielt werden. Zunächst wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine Pegellehre 22 auf die obere planare Oberfläche der mit einem Poliertuch 12 bedeckten Polierscheibe 11 gebracht, und sodann wird eine Nivellierung unter einem derartigen Zustand vorgenommen.
Sodann sollte eine Lotnivellierung einer Trägerwelle 15 zum Halten des Halbleiterwafers ausgeführt werden. Zuerst wird ein Trägerkopf 16 von der Trägerwelle 15 gelöst und durch einen Druckmesser 24 ersetzt. Dann wird die Trägerwelle 15 abgesenkt, bis der Druckmesser 24 die Scheibe oder Walze 11 berührt. Die Polierscheibe bzw. -walze 11 wird mit konstanter Drehzahl ge­ dreht, und die Trägerwelle 15 wird ebenfalls durch einen an einem oberen Teil hiervon vorgesehenen Motor 15a gedreht. Da die Trägerwelle 15 eine Vertikalbewegung ausführen kann, läßt sie einigen Druck auf das Poliertuch 12 aufgrund ihres Eigenge­ wichtes einwirken, und der sich infolge der Berührung zwischen dem Druckmesser 24 und dem Poliertuch 12 ergebende Druck wird auf dem Druckmesser 24 gemessen. Wenn die auf dem Druckmesser 24 beobachteten Werte nicht konstant sind, wird die Antriebslei­ stung abgeschaltet, und das Gerät muß von Hand erneut einge­ stellt sowie der obige Ablauf wiederholt werden. Wenn somit der gemessene Wert auf dem Druckmesser 24 regelmäßig wird, ist die Nivellierung der Trägerwelle 15 abgeschlossen. Dann wird der Druckmesser 24 von dort gelöst, und der Trägerwellenkopf 16, der einen Halbleiterwafer hält, wird wieder angebracht, um das Polieren auszuführen.
Fig. 4 zeigt das CMP-Gerät nach Abschluß des Nivellierens der Polierscheibe bzw. -walze 11 und der Trägerwelle 15. Eine Auf­ schlämmung wird durch einen oberhalb der Polierscheibe bzw. -walze 11 vorgesehenen Aufschlämmungsapplikator 17 zugeführt, und da die Polierscheibe bzw. -walze 11 mit einer regelmäßigen Drehzahl gedreht wird, beginnt sich die mit einem Trägerarm 14 verbundene Trägerwelle 15 zu drehen, und folglich wird ein flach-polierter Halbleiterwafer, wie in Fig. 2 gezeigt ist, erhalten.
Wie oben erläutert ist, hat das herkömmliche CMP-Gerät den Nachteil, daß zum Durchführen der Nivellierung der Trägerwellen­ kopf 16 getrennt und durch den Druckmesser 24 ersetzt werden muß, was zur Verschwendung von viel Zeit bei der Vorbereitung zur Durchführung der Operation führt.
Während der Polierprozeß nach Beenden der Nivellierung der Polierscheibe bzw. -walze 11 und der Trägerwelle 15 geradeaus geführt wird, kann außerdem nicht beobachtet werden, ob das Poliertuch und der Halbleiterwafer nivelliert zueinander beibe­ halten sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbes­ serte Pegelsensorvorrichtung und ein verbessertes Pegelsensor­ verfahren für ein CMP-Gerät für einen Halbleiter zu schaffen, die bzw. das leicht durch einen Druckerfassungssensor Änderungen im Druck aufgrund eines Halbleiterwafers, der eine Oberfläche eines oberen Niveaus einer Polierscheibe bzw. -walze berührt, erfassen kann; außerdem sollen eine verbesserte Pegelsensor­ vorrichtung und ein verbessertes Pegelsensorverfahren für ein CMP-Gerät für einen Halbleiterwafer angegeben werden, bei denen der nivellierte Zustand des Poliertuches und des Halbleiter­ wafers mittels einer Sensoreinheit beobachtet und während des Polierprozesses eingestellt werden kann, was zur Erzielung von Zuverlässigkeit beim Planarisierungsprozeß des Halbleiterwafers führt.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine Pegelsensorvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. ein Pegelsensorverfahren gemäß dem Patentanspruch 6 vor.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung schafft also eine Pegelsensorvorrichtung für ein CMP-Gerät für eine Halbleitervorrichtung mit einer Polierscheibe bzw. -walze, auf deren Oberfläche auf oberem Niveau ein Polier­ tuch angebracht ist und die an einer drehbaren Scheiben- bzw. Walzenantriebswelle festgelegt ist, einer drehbar auf der oberen Oberfläche der Polierscheibe bzw. -walze vorgesehenen Halteein­ heit zum Halten eines Halbleiterwafers derart, daß eine untere Oberfläche des Halbleiterwafers gleichmäßig von dem Poliertuch berührt wird, und einer Sensoreinheit zum Erfassen eines durch den Halbleiterwafer auf das Poliertuch einwirkenden Druckes und zum Abgeben eines entsprechenden Signales.
Zur Erzielung obiger Aufgabe schafft die Erfindung auch ein Pegelsensorverfahren für ein CMP-Gerät für eine Halbleitervor­ richtung, umfassend ein Berühren eines durch eine Halteeinheit auf einer oberen horizontalen Oberfläche einer Polierscheibe bzw. -walze, auf der ein Poliertuch abgedeckt ist, gehaltenen Halbleiterwafers, ein Einspeisen einer Aufschlämmung auf die Polierscheibe bzw. -walze und ein gleichzeitiges Drehen der Polierscheibe bzw. -walze und der Halteeinheit und ein Erfassen einer Änderung des von dem Halbleiterwafer auf das Poliertuch einwirkenden Druckes und ein Ausgeben eines Signales entspre­ chend dem erfaßten Druck.
Die Erfindung schafft so eine verbesserte Pegelsensorvorrichtung und ein verbessertes Pegelsensorverfahren für ein chemisch­ mechanisches Poliergerät für einen Halbleiterwafer, die bzw. das leicht durch einen Druckerfassungssensor eine Druckänderung von einem Halbleiterwafer, der die Polieroberfläche berührt, erfas­ sen kann, indem ein vorbestimmter Druck auf eine Oberfläche eines oberen Niveaus der Polierscheibe bzw. -walze einwirkt. Die Vorrichtung umfaßt eine Polierscheibe bzw. -walze mit einem Poliertuch auf der Oberfläche auf oberem Niveau hiervon, eine Antriebswelle, die an der drehbaren Scheibe bzw. Walze fest­ gelegt ist, einen Träger, der drehbar an der oberen Oberfläche der Polierscheibe bzw. -walze vorgesehen ist und den Halbleiter­ wafer derart hält, daß die untere Oberfläche des Halbleiterwafers gleichmäßig das Poliertuch berührt, und einen Druckerfassungs­ sensor zum Erfassen des von dem Halbleiterwafer auf das Polier­ tuch einwirkenden Druckes und zum Ausgeben eines entsprechenden Signales.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Halbleiterwafers vor einem Polieren,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Halbleiterwafers von Fig. 1 nach einem Polieren,
Fig. 3 eine Darstellung eines Nivellierprozesses einer Polier­ scheibe bzw. -walze und einer Trägerwelle für ein herkömmliches CMP-Gerät,
Fig. 4 eine Darstellung des CMP-Gerätes nach Abschluß der Nivel­ lierung der Polierscheibe bzw. -walze und der Trägerwelle,
Fig. 5A bis 5C Darstellungen eines CMP-Gerätes mit der Pegel­ sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 5A eine Draufsicht, Fig. 5B eine Seitensicht und Fig. 5C eine schematische Seitensicht sind, und
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungs­ beispieles der Pegelsensorvorrichtung für ein CMP-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nunmehr eine Pegel­ sensorvorrichtung und ein Pegelsensorverfahren für ein CMP-Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung in Einzelheiten beschrieben.
Wie in den Fig. 5A bis 5C gezeigt ist, hat ein Poliergerät mit einer erfindungsgemäßen Pegelsensorvorrichtung eine Polier­ scheibe bzw. -walze 11 zum Polieren eines Halbleiterwafers 1. Die Polierscheibe bzw. -walze (im folgenden kurz "Polierscheibe" genannt) ist auf der oberen horizontalen Oberfläche hiervon durch ein Poliertuch 12 bedeckt und durch eine Scheibenantriebs­ welle 10 drehbar.
Gegenüber zu dem oberen Teil der Polierscheibe 11 ist ein dreh­ barer Träger 15 vorgesehen, um den Halbleiterwafer 1 in einem Trägerkopf 16 hiervon zu halten. Der Träger 15 ist vertikal beweglich, so daß der Träger 15 einen Abwärtsdruck gemäß seinem Eigengewicht einwirken lassen kann.
Die Oberfläche des in dem Träger 15 gehaltenen Halbleiter­ wafers 1 wird mit dem Poliertuch 12 auf der Polierscheibe 11 berührt. Über der Polierscheibe 11 ist ein Aufschlämmungsappli­ kator 17 vorgesehen, um dort eine Aufschlämmung zuzuführen.
In der oberen Oberfläche der Polierscheibe 11 sind mehrere Aussparungen 32a an Stellen längs eines konzentrischen Kreises ausgebildet, und Druckerfassungssensoren 32 sind jeweils in den mehreren Aussparungen 32a angeordnet. Die Druckerfassungssen­ soren 32 erfassen die Änderung des Druckes, der von den durch den Trägerkopf 16 gehaltenen Halbleiterwafers 1 auf die Polier­ scheibe 11 einwirkt und liefern ein Signal entsprechend zu die­ sem Druck. Jeder Druckerfassungssensor 32 ist elektrisch mit einem Detektor 36 verbunden, und der Detektor 36 ist elektrisch an eine Anzeigeeinheit 38 angeschlossen.
Die Mitte des Halbleiterwafers 1 ist auf einen Druckerfassungs­ sensor 32 auf der Polierscheibe 11 ausgerichtet, und wenn die Polierscheibe 11 gedreht wird, verlaufen die mehreren Druck­ erfassungssensoren 32 unter der Mitte des Halbleiterwafers 1, um den Druck zu erfassen.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung ist für den Polierbetrieb des Halbleiterwafers ein Halb­ leiterwafer für einen Test mit einem Trägerwellenkopf 16 ausge­ rüstet, um mit dem Nivellierprozeß fortzuschreiten. Wenn zu­ nächst Leistung zugeführt wird, beginnt sich die mit der Schei­ benantriebswelle 10 verbundene Polierscheibe 11 mit konstanter Drehzahl zu drehen. Da der Trägerkopf 16 ebenfalls durch einen Motor 15a gedreht wird, wirkt eine konstante Abwärtskraft auf­ grund seines Eigengewichtes ein. Somit unterliegt der Halblei­ terwafer 1 den Auswirkungen der Drehung und Umdrehung auf der Polierscheibe 11. Während dieses Betriebs wirkt ein konstanter Druck auf die auf der Polierscheibe 11 vorgesehenen Druckerfas­ sungssensoren 32 durch die Abwärtskraft, die der Träger 15 aus­ übt, ein, und Signale werden gemäß dem Druck ausgegeben.
Die von den Druckerfassungssensoren 32 ausgegebenen Signale werden durch den Detektor 36 erfaßt, und die erfaßten Signale werden in die Anzeigeeinheit 38 eingespeist, und es wird ein vorbestimmtes Signal angezeigt. Gemäß dem auf der Anzeigeein­ heit 38 angezeigten Ergebnis wird die Leistung von Hand oder automatisch abgeschaltet, um das CMP-Gerät einzustellen. Danach wird, wenn die Leistung wieder eingeschaltet und der obige Prozeß wiederholt wird, ohne Änderung der Ausrüstung der Träger 15 mit dem darin angebrachten Halbleiterwafer nivelliert.
Das Pegelerfassungsverfahren für das CMP-Gerät umfaßt ein Berüh­ ren des Halbleiterwafers, der durch die Halteeinheit gehalten ist, auf der Oberfläche oberen Niveaus der Polierscheibe, die mit dem Poliertuch bedeckt ist, ein Zuführen einer Aufschlämmung auf die Polierscheibe und ein gleichzeitiges Drehen der Polier­ scheibe 11 und der Halteeinheit sowie ein Erfassen der Änderung des von dem Halbleiterwafer 1 auf das Poliertuch 12 einwirkenden Druckes und ein Ausgeben des erfaßten Signales gemäß dem Druck.
Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines CMP-Gerätes, das eine Pegelsensorvorrichtung und ein Pegelsensorverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, und die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Bauteile wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
In einem unteren Teil des Trägerkopfes 16 zum Halten des Halb­ leiters 1 sind mehrere Aussparungen 44a ausgebildet, die vor­ zugsweise in der Mitte und auf einem konzentrischen Kreis ausge­ bildet sind, und in jeder der Aussparungen 44a ist jeweils ein Druckerfassungssensor 44 als eine Detektoreinheit angeordnet. Jeder Druckerfassungssensor 44 ist elektrisch jeweils mit einem Detektor 46 verbunden, und der Detektor 46 ist elektrisch an eine Anzeigeeinheit 48 angeschlossen.
Das Pegelsensorverfahren des Trägers für die Planarisierung des Halbleiterwafers 1 ist identisch zu dem ersten Ausführungs­ beispiel.
Die Pegelsensorvorrichtung und das Pegelsensorverfahren für das CMP-Gerät gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung haben den Vorteil, daß die Vorbereitungszeit zum Aus­ führen des Betriebes verkürzt ist, da der Halbleiterwafer durch eine Sensoreinheit nivelliert werden kann, ohne eine getrennte Ausrüstung für die Nivellierung vorsehen zu müssen.
Weiterhin kann der nivellierte Zustand des Poliertuches und des Halbleiterwafers mittels einer Sensoreinheit beobachtet und wäh­ rend des Polierprozesses eingestellt werden, was zur Erzielung von Zuverlässigkeit für den Planarisierungsprozeß des Halb­ leiterwafers führt.
Zusätzlich kann die Sensoreinheit in gewünschter Weise als Detektorgerät zum Abschließen eines Planarisierungsprozesses des Halbleiterwafers verwendet werden.

Claims (6)

1. Pegelsensorvorrichtung für chemisch-mechanisches Polier­ gerät (CMP-Gerät) für einen Halbleiterwafer (1), mit:
einer Polierscheibe bzw. -walze (11), die auf einer oberen Ober­ fläche hiervon ein Poliertuch (12) aufweist und an einer dreh­ baren Antriebswelle (10) für die Scheibe bzw. Walze (11) befe­ stigt ist,
einer Halteeinrichtung (16), die drehbar auf der oberen Ober­ fläche der Polierscheibe bzw. -walze (11) vorgesehen ist, um den Halbleiterwafer (1) so zu halten, daß eine untere Oberfläche des Halbleiterwafers (1) gleichmäßig von dem Poliertuch (12) berührt wird, und
einer Sensoreinrichtung (32) zum Erfassen eines durch den Halb­ leiterwafer (1) auf das Poliertuch (12) einwirkenden Druckes und zum Ausgeben eines entsprechenden Signales.
2. Pegelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Aussparungen (32a) in einem konzentrischen Kreis in der oberen Oberfläche der Polierscheibe (11) gebildet sind, und daß in jeder der mehreren Aussparungen (32a) ein Druckerfassungssensor (32) vorgesehen ist.
3. Pegelsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mitte des Halbleiterwafers (1) über dem Druck­ erfassungssensor (32) der Polierscheibe bzw. -walze (11) vorge­ sehen ist.
4. Pegelsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halteeinheit (15) einen Trägerkopf (16) hat, in dessen unteren Oberfläche mehrere Aussparungen (44a) ausge­ bildet sind, wobei in jeder Aussparung (44a) ein Druckerfas­ sungssensor (44) angeordnet ist.
5. Pegelsensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aussparungen in der Mitte der unteren Ober­ fläche des Trägerkopfes (16) und an Stellen auf einem konzen­ trischen Kreis zu der Mitte ausgebildet sind.
6. Pegelsensorverfahren für ein CMP-Gerät für einen Halblei­ terwafer, umfassend die folgenden Schritte:
Berühren eines durch eine Halteeinheit (16) gehaltenen Halblei­ terwafers (1) auf einer oberen horizontalen Oberfläche einer Polierscheibe bzw. -walze (11), die mit einem Poliertuch (12) bedeckt ist,
Zuführen einer Aufschlämmung auf die Polierscheibe bzw. -walze (11) und gleichzeitig Drehen der Polierscheibe bzw. -walze (11) und der Halteeinheit (16), und
Erfassen einer Änderung des von dem Halbleiterwafer (1) auf das Poliertuch (12) einwirkenden Druckes und Ausgeben eines Signales entsprechend dem erfaßten Druck.
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