DE19719503A1 - Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere eines Halbleiterwafers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polie­ ren einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere von Halbleiterwafern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Läpp- oder Poliermaschinen, beispielsweise für die Herstellung von Siliziumwafern sind herkömmlich derart aufgebaut, daß die Werkstücke von sog. Läuferscheiben aufgenommen werden, die zwischen den Arbeitsscheiben der Läpp- oder Polierma­ schine angeordnet und mittels Zahnkränzen oder dergleichen in zykloidische Bewe­ gung versetzt werden. Der Einsatz derartiger Vorrichtungen kommt für die Bearbei­ tung von fertigen Wafern bei der Halbleiter- oder Chipherstellung selbst nicht in Frage.

Bekanntlich ist erforderlich, daß nach jeder Beschichtung eines Halbleiterwafers mit einer Schicht, beispielsweise einer Oxidschicht, einer Wolframschicht oder anderen Metallschichten eine erneute Bearbeitung vorgenommen werden muß, um die ge­ wünschte Planarität herzustellen. Diese Bearbeitung geschieht normalerweise in Reinstraumtechnik.

Aus DE 1 95 44 328 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Wafern in der Halb­ leiterindustrie bekannt geworden. Nach diesem Stand der Technik ist ein Gehäuse in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt, wobei in der ersten Kammer ein Po­ lierabschnitt und in der zweiten ein Reinigungsabschnitt angeordnet sind. Der Trans­ port von dem einen in den anderen Abschnitt erfolgt mit Hilfe einer Transfervor­ richtung über eine Öffnung in einer Unterteilungswand. Mithin werden im Gehäuse unterschiedliche Reinräume geschaffen.

Aus der Firmenschrift "CMP Cluster Tool System Planarization Chemical Mechani­ cal Polishing" von Peter Wolters vom März 1996 ist auch bekannt geworden, die Polier- und Reinigungsstationen gemeinsam in einem Reinstraum anzuordnen und den Reinstraum von einem Raum zu trennen, von dem aus die Halbleiterwafer in den Reinstraum hinein und aus diesem heraus gegeben werden mit Hilfe einer geeigneten Transfervorrichtung. Aus dieser Firmenschrift ist auch bekannt, zwei separate Bear­ beitungseinheiten vorzusehen, denen jeweils eine Reinigungseinheit zugeordnet ist, wobei zwischen den Bearbeitungseinheiten eine Transfereinheit angeordnet ist für den Transfer zu den Bearbeitungs- und Reinigungseinheiten und von diesen fort. Eine derartige Anordnung benötigt relativ viel Raum. Der Platzbedarf wird noch vergrößert, wenn unter bestimmten Beschichtungsbedingungen ein weiteres Polieren der Wafer in einer zweiten Polierstation erforderlich wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum chemisch-mecha­ nischen Polieren einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere eines Halbleiterwa­ fers für die Halbleiterherstellung, zu schaffen, die bei einem relativ hohen Produktionsdurchsatz wenig Platz benötigt. Insbesondere soll die Vorrichtung in der Lage sein, auch bei zusätzlichen Beschichtungen, beispielsweise Kupferbeschich­ tungen, ein zweifaches Polieren ohne wesentlich höheren Aufwand zu bewerkstelli­ gen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei Poliereinheiten oder Polierköpfe mit höhenverstellbarem Vakuumhalter für einen Halbleiterwafer vorgesehen sowie einem Antriebsmotor zur Drehung des Vakuumhalters und damit des Halbleiterwa­ fers. Die Halterung der Halbleiterwafer mit Hilfe von höhenverstellbaren Vakuum­ haltern (vacuum chucks) ist an sich bekannt. Erfindungswesentlich ist jedoch, daß die Poliereinheiten entlang von linearen Führungen verstellbar sind. Hierzu dienen geeignete Verstellmittel, um die Poliereinheiten entlang den Führungen zu bewegen. Die Polierscheibe oder der Polierteller steht beiden Poliereinheiten,zur Verfügung, indem jede Poliereinheit nur auf einer Seite der Führungen mit dem Polierteller dar­ unter zusammenwirkt, d. h. jede Poliereinheit ist während des Polierbetriebs einer "Hälfte" des Poliertellers zugeordnet. Wie an sich bekannt, wird der Polierteller mit Hilfe eines geeigneten Motors in Drehung versetzt. Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, zusätzlich zu den Rotationen von Polierteller und Vakuumhalter eine oszillierende Bewegung des Vakuumhalters bzw. des Polierkopfes vorzusehen. Sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwei Polierteller vorgesehen, die vom selben Werkstück nacheinander mit dem Polierkopf angefahren werden, liegen diese in Verfahrrichtung der Polierköpfe in Reihe.

Zusätzlich zu den erwähnten Aggregaten ist mindestens eine Übergabe- und Über­ nahmevorrichtung für die Werkstücke an dem dem Polierteller entgegengesetzten Ende der Führungen angeordnet. Diese Vorrichtung, die auch als Transfervorrich­ tung bezeichnet werden kann, ist wiederum an sich bekannt. Ablage- und Aufnah­ mevorrichtungen arbeiten mit der Übergabe- und Übernahmevorrichtung zusammen, von denen jeweils eine auf gegenüberliegenden Seiten der Führungen angeordnet ist. Die letztere Vorrichtung wird abwechselnd von der Übergabevorrichtung beschickt bzw. die Übergabevorrichtung entnimmt abwechselnd von dieser einen fertig bear­ beiteten Halbleiterwafer. Außerdem dient die Ablage- und Aufnahmevorrichtung im Fall von Wafern als Zentriervorrichtung, damit die Poliereinheiten die Halbleiterwa­ fer zentriert übernehmen. Auch dieses Merkmal ist jedoch an sich bekannt.

Durch die beschriebene Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zwei parallele Bearbeitungsstränge erhalten, die vollständig unabhängig voneinander arbeiten können. Die Platzausnutzung ist deshalb besonders günstig, weil bei einem oder zwei Poliertellern jeweils zwei Poliereinheiten eingesetzt werden können, und zwar unabhängig voneinander. Es versteht sich, daß die Taktzahl dann besonders hoch sein kann, wenn die Bearbeitung der Halbleiterwafer an einem Polierteller nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt erfolgt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf jeder Seite der Füh­ rungen ein weiterer drehend angetriebener Polierteller angeordnet ist mit einem Durchmesser kleiner als der erste Polierteller und zwischen dem ersten und dem zweiten bzw. dem dritten Polierteller eine Reinigungsstation angeordnet ist, in der ein Halbleiterwafer und/oder die Poliereinheit gereinigt werden kann. Eine derartige Reinigungsstation ist an sich bekannt. Sie dient zum einen dazu, noch an dem Halbleiterwafer haftendes Poliermittel zu entfernen und zum anderen dazu, - mit an­ deren Mitteln - die Poliereinheit zu reinigen, wenn sie ohne Halbleiterwafer in die Reinigungsstation eingefahren wird. Der zweite bzw. dritte Polierteller dient dazu, die Reinigung zu komplettieren. Dies geschieht zumeist durch den Einsatz von entionisiertem Wasser.

Es ist bekannt, die Qualität von Poliertüchern oder dergleichen dadurch aufrechtzu­ erhalten, daß mit Hilfe geeigneter Mittel, beispielsweise Bürsten oder dergleichen, ein Aufrauhen erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß an den Führungen eine Abrichtvorrichtung gelagert ist für das Abrichten des Poliertellers während des Po­ lierbetriebs. Die Abrichtvorrichtung, beispielsweise eine Bürste, kann radial in bezug auf den Polierteller ständig hin- und herbewegt werden, um eine gewünschte Auf­ rauhung herzustellen.

Wird aus den oben beschriebenen technologischen Gründen ein weiterer Polierteller erforderlich, beispielsweise bei einer Kupferbeschichtung von Halbleiterwafern, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der vierte Polierteller, der z. B. den gleichen Durchmesser hat wie der erste Polierteller, zwischen dem ersten Polierteller und der Ablage- und Aufnahmevorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise befindet sich hierbei die Reinigungsvorrichtung zwischen den Poliertellern, damit die Werkstücke gereinigt auf den zweiten Polierteller aufgesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Anlage zum Bearbeiten von Halbleiterwafern mit einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt vergrößert die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein erster Raum 10 von einem zweiten Raum 12 durch eine Wand 14 getrennt. Im Raum 12, der ein Reinraum niedriger Klasse darstellen kann, beispiels­ weise der Klasse 1, steht eine Bedienungsperson 16 an einem Tisch 18, der zur Auf­ nahme von Kassetten 20 geeignet ist. Die Kassetten 20 können jeweils Halbleiterwa­ fer 25 aufnehmen. Eine derartige Vorrichtung ist an sich bekannt.

Eine Transfereinrichtung 22, die sich im Raum 10 befindet, einem Reinstraum z. B. der Klasse 100, die z. B. als Roboter ausgeführt ist, ist in der Lage, aus einer Kassette 20 jeweils den Halbleiterwafer zu entnehmen und auf eine weitere Transfervorrich­ tung 24 zu übergeben. Der Transferweg befindet sich zwischen beabstandeten Reini­ gungsstationen 26, 28, auf deren Funktion weiter unten noch eingegangen wird.

Die Transfervorrichtung 24 dient dazu, Halbleiterwafer in eine allgemein mit 30 be­ zeichnete Vorrichtung einzugeben und aus dieser herauszunehmen. Die Vorrichtung wird anhand von Fig. 2 näher erläutert.

In einem allgemein mit 32 bezeichneten Maschinengestell der Vorrichtung 30 sind ein erster Polierteller 34 und ein weiterer Polierteller 36 im Abstand voneinander um eine vertikale Achse drehbar angeordnet. Sie werden von einem geeigneten An­ triebsvorrichtung (nicht gezeigt) in Drehung versetzt. Die Teller 34, 36 sind in be­ kannter Weise ausgestaltet, weisen insbesondere ein Poliertuch oder dergleichen auf Ferner ist den Poliertellern 34, 36 eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Polierme­ diums zugeordnet (nicht gezeigt).

Oberhalb der die Mittelpunkte beider Polierteller 34, 36 verbindenden Achse 38 ist eine erste lineare Führung angeordnet. Oberhalb der ersten Führung 40 ist eine zweite Führung 42 angeordnet. Beide erstrecken sich geringfügig über die Mitte des ersten Poliertellers 34 hinaus (letztere Führung 42 ist in Fig. 2 zum Teil weggebro­ chen gezeigt). An der ersten Führung 40 ist eine Poliereinheit 44 in Längsrichtung geführt. Die Poliereinheit 44 umfaßt eine Vakuumhalterung für einen Wafer (nicht erkennbar), einen Antriebsmotor für den Halter sowie eine lineare Verstellmöglich­ keit, z. B. einen Pneumatikzylinder, zur vertikalen Verstellung des Vakuumhalters auf den Polierteller 34 zu bzw. von diesem fort. Eine derartige Poliereinheit 44 ist jedoch an sich bekannt. An der zweiten Führung 42 ist eine Poliereinheit 46 in Längs­ richtung der Führung geführt. Die Poliereinheit 46 ist identisch zur Poliereinheit 44 ausgebildet, so daß auf deren Beschreibung verzichtet wird. Mit Hilfe nicht darge­ stellter Verstellvorrichtungen können die Poliereinheiten 44, 46 unabhängig vonein­ ander von der Position, in der die Poliereinheit 44 gezeigt ist, zu einer Position ver­ stellt werden, in der sie sich oberhalb von Aufnahme- und Zentriervorrichtungen 48 bzw. 50 am in Fig. 2 unteren Ende der Vorrichtung 30 beidseitig der Führungen 40, 42 angeordnet sind. Die Vorrichtungen 48, 50 sind wiederum an sich bekannt. Sie dienen zur Ablage noch nicht bearbeiteter oder fertig bearbeiteter Wafer sowie zur Zentrierung derselben, damit sie lageorientiert von den Vakuumhaltern der Po­ liereinheiten 44, 46 aufgenommen werden können. Durch Pfeile 50, 52 sind Ab­ richtmittel angedeutet, die entlang der Führung 40 bewegbar sind zum Abrichten der Polierteller 34, 36, d. h. zum Konditionieren bzw. Aufrauhen der Poliertücher der Teller 34, 36. Der Betrieb der Abrichtmittel 50, 52 ist unabhängig von den Polier­ vorgängen, so daß er gleichzeitig mit letzteren ablaufen kann.

Zwischen den Poliertellern 34, 36 ist auf jeder Seite der Führungen 40, 42 eine Rei­ nigungsstation 54, 56 angeordnet. Zwischen dem zweiten Polierteller 36 und den Ablage- und Aufnahmevorrichtungen 48, 50 sind kleinere Polierteller 58 bzw. 60 beidseits der Führungen 40, 42 angeordnet. Diese sind ebenfalls von einem nicht ge­ zeigten Antriebsmotor drehend angetrieben.

Der Vorrichtung 30 ist ebenfalls eine Bedienungsperson zugeordnet, die mit 62 be­ zeichnet ist. Sie kann ein Bedienungspanel 64 bedienen, das verschiedene Freiheits­ grade hat, wie durch die Pfeile angezeigt, so daß sie, von der Bedienungsperson 62 ergriffen, in unterschiedliche Positionen gebracht werden kann.

Die Betriebsweise der Vorrichtung bzw. Anlage nach den Fig. 1 und 2 wird nachste­ hend näher erläutert.

Im Bereich des Raumes 10 entnimmt die Transfervorrichtung 22 einen Halbleiterwa­ fer aus einer Kassette und übergibt ihn auf die Transfervorrichtung 24. Diese legt den Halbleiterwafer in der Ablage- und Aufnahmevorrichtung 48 oder 50 ab. In dieser erfolgt in bekannter Weise ein Zentrieren des Halbleiterwafers und Bereitstellen für eine Poliereinheit. Im vorliegenden Fall sei angenommen, daß ein Halbleiterwafer auf der Vorrichtung 48 abgelegt und in dieser zentriert wird. Die Poliereinheit 44 fährt zur Vorrichtung 48, und ihr Vakuumhalter erfaßt die Waferscheibe von einer Seite und transportiert sie zum ersten Polierteller 34 auf der rechten Seite der Füh­ rungen 40, 42. Durch Absenken des Wafers auf den Polierteller 34 erfolgt nun in der bereits beschriebenen Weise die Bearbeitung. Nachdem diese nach einer durch die Steuervorrichtung (nicht gezeigt) vorgegebenen Zeit beendet ist, hebt die Polierein­ heit den Wafer wieder vom Polierteller 34 ab und transportiert den Wafer zur Reini­ gungsstation 54. In der Reinigungsstation 54 wird die Unterseite des Wafers von Resten des Poliermediums befreit, und zwar auf mechanische Weise mit Hilfe von Bürsten und/oder entionisiertem Wasser. Eine derartige Reinigungsstation ist an sich bekannt. Aus dieser fährt dann die Poliereinheit 44 den Wafer zum zweiten Polier­ teller 36, in dem ein weiterer und endgültiger Poliervorgang erfolgt. Die Reinigung des Wafers nach dem ersten Poliervorgang ist auch deshalb erforderlich, damit eine Vermischung des Poliermittels des ersten Poliertellers 34, das noch am Wafer haften kann, sich mit dem Poliermittel des Poliertellers 36 stattfindet. Ein Poliervorgang für den Polierteller 36 ist in Fig. 2 für die Poliereinheit 46 gezeigt. Nachdem auch der zweite Poliervorgang beendet ist, fährt die Poliereinheit 44 den Wafer zu dem Polierteller 58, der nur vorübergehend mit dem Wafer in Eingriff gebracht wird und im wesentlichen nur Reinigungsfunktion hat. Anschließend fährt die Poliereinheit 44 den Wafer wieder zur Ablage- und Aufnahmevorrichtung 48 und legt den Wafer dort ab, damit er von der Transfervorrichtung 24 erfaßt werden kann.

Die Transfervorrichtung 24 erfaßt den fertig bearbeiteten Wafer und legt ihn in der Reinigungsstation 28 ab, in dem er einzelne Reinigungs- und Trocknungsstufen durchläuft. Ein derartiges System ist ebenfalls an sich bekannt und soll im einzelnen nicht beschrieben werden. Der fertig gereinigte und getrocknete Wafer wird dann von der Transfervorrichtung 22 erfaßt und in eine bereitstehende Kassette 20 auf dem Tisch 18 eingeschoben.

Nachdem die Poliereinheit 44 den Wafer abgelegt hat, fährt sie in die Reinigungssta­ tion 54, in der sie ihrerseits einer Reinigung unterworfen wird, bevor sie erneut zur Ablage- und Aufnahmevorrichtung 48 fährt, um einen neu geladenen zu bearbeiten­ den Wafer aufzunehmen.

Die Vorgänge bezüglich der Poliereinheit 46 sind die gleichen wie zur Poliereinheit 44 beschrieben, wobei für den Takt beider Poliereinheiten ein Zeitversatz vorgesehen ist, um einen optimalen Durchsatz durch die Vorrichtung 30 zu erhalten in Abstim­ mung auf die Beladefrequenz.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 und 2 dadurch, daß eine Vorrichtung 30a verwendet wird, welche nur den ersten Poliertel­ ler 34 aufweist und nicht den zweiten Polierteller 36 nach Fig. 2. Im übrigen sind alle Vorrichtungen oder Stationen mit denen nach Fig. 2 identisch, so daß gleiche Be­ zugszeichen verwendet werden. Auch die Wirkungsweise der Vorrichtung 30a gleicht der oben beschriebenen mit Ausnahme des zweiten Poliervorganges. Es wird daher darauf verzichtet, diese im einzelnen noch einmal darzulegen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren von Oberflächen eines Objek­ tes, insbesondere von Halbleiterwafern für die Halbleiterherstellung, mit

• - zwei Poliereinheiten (44, 46) mit höhenverstellbaren Vakuumhaltern für je einen Halbleiterwafer, die von einem Antriebsmotor um eine vertikale Achse antreib­ bar sind,
• - parallelen, annähernd horizontal verlaufenden Führungen (40, 42), entlang denen die Poliereinheiten (44, 46) unabhängig voneinander geführt sind,
• - Antriebsmitteln, von denen die Poliereinheiten (44, 46) entlang den Führungen (40, 42) bewegt werden,
• - mindestens einem unterhalb der Führungen (40, 42) drehend angetriebenen Po­ lierteller (34, 36), der annähernd symmetrisch beidseits der Längsachsen der Füh­ rungen (40, 42) angeordnet ist, wodurch die Poliereinheiten (44, 46) in ihrer ent­ sprechenden Betriebsstellung mit gegenüberliegenden Abschnitten der Poliertel­ ler (34, 36) zusammenwirken,
• - mindestens einer Übergabe- und Übernahmevorrichtung (24) für die Halbleiter­ wafer an dem dem Polierteller (34, 36) entgegengesetzten Ende der Führungen (40, 42),
• - zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Führringen (40, 42) angeordneten Ab­ lage- und Aufnahmevorrichtungen (48, 50) für die Halbleiterwafer, zu denen die Poliereinheiten (44, 46) ausrichtbar und die von der Übergabe- und Übernahme­ vorrichtung (24) erreichbar sind und
• - einer Steuervorrichtung, die den Betrieb der Poliereinheiten und der Übergabe- und Übernahmevorrichtung (24) steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Führungen (40, 42) ein weiterer drehend angetriebener Polierteller (58, 60) angeord­ net ist mit einem Durchmesser kleiner als der erste Polierteller (34) und zwischen dem ersten Polierteller (34) und dem zweiten bzw. dritten Polierteller (58, 60) eine Reinigungsstation (54, 56) angeordnet ist, in der ein Halbleiterwafer und/oder die Po­ liereinheit (44, 46) gereinigt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Füh­ rungen (40, 42) eine Abrichtvorrichtung (50, 52) geführt ist für das Abrichten des er­ sten Poliertellers (34) während des Polierbetriebs.

4. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß un­ terhalb der Führungen (40, 42) ein weiterer drehend angetriebener Polierteller (36) von etwa dem gleichen Durchmesser wie der erste Polierteller (34) zwischen dem er­ sten Polierteller (34) und der Ablage- und Aufnahmevorrichtung (48, 50) angeordnet ist derart, daß die Poliereinheiten (44, 46) in ihrer entsprechenden Betriebsstellung mit gegenüberliegenden Abschnitten des zweiten Poliertellers (36) zusammenwirken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungs­ stationen (54, 56) zwischen dem ersten und dem vierten Polierteller (34, 36) ange­ ordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Polierteller (58, 60) zwischen dem vierten Polierteller (36) und der Ablage- und Aufnahmevorrichtung (48, 50) angeordnet sind.

7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Poliereinheiten (44, 46) die Werkstücke zeitlich ver­ setzt mit dem ersten bzw. vierten Polierteller (34, 36) in Eingriff bringen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrichtmittel (50, 52) während des Polierbetriebs mit den Poliertellern (34, 36) in Eingriff treten, in­ dem sie radial zur Drehachse der Polierteller hin- und herbewegt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polierein­ heiten (44, 46) nach dem Ablegen eines Werkstücks in der Ablage- und Aufnahme­ vorrichtung (48, 50) zur zugeordneten Reinigungsstation (54, 56) gefahren werden, bevor sie aus der Ablage- oder Aufnahmevorrichtung (48, 50) ein neues bereitge­ haltenes Werkstück aufnehmen.