DE19901749A1

DE19901749A1 - Chemisch-mechanische Polierauflage

Info

Publication number: DE19901749A1
Application number: DE19901749A
Authority: DE
Inventors: Juen-Kuen Lin; Chien-Hsin Lai; Peng-Yih Peng; Edward Yang; Kun-Lin Wu; Fu-Yang Yu
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-20
Also published as: JP2000198061A; GB9828786D0; NL1011089C2; GB2345255A; US6120366A; GB2345255B; FR2788460A1; FR2788460B1

Abstract

Eine chemisch-mechanische Polierauflage weist eine Vielzahl ringförmiger Nuten und eine Vielzahl Strömungsliniennuten auf, die nach dem Prinzip in der Hydrodynamik ausgebildet sind. Die Strömungsliniennuten der Polierauflage sind nach Strömungsmittelgleichungen ausgebildet, die von einer Quellenströmung und einer Wirbelströmung abgeleitet sind. Die Strömungsliniennuten der Polierauflage verteilen den Polierschlamm auf der Polierauflage gleichförmig. Der Winkel und die Tiefe der Strömungsliniennut, die nach dem Grenzschichteffekt der Strömungsliniennutfunktion berechnet sind, werden verwendet, um eine optimale Struktur der Polierauflage bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine chemisch-mechanische Polierauflage.

Für VLSI (very large scale integration)-Halbleiterbauteile oder auch für ULSI (ultra large scale integration)Halbleiterbauteile ist das chemisch- mechanische Polieren die einzige Technik, die eine umfassende, glibale Planarizität oder Ebenheit gewährleistet.

Eine herkömmliche chemisch-mechanische Poliermaschine ist in den Fig. 1A bis 1C gezeigt, wobei Fig. 1A eine Seitenansicht und Fig. 1B eine Draufsicht darstellt. Diese chemisch-mechanische Poliermaschine weist einen Poliertisch 10, eine Polierauflage 12 auf dem Poliertisch 10 und einen Polierkopf 14 auf dem Poliertisch 10 auf. Während des Polierens wird der Polierkopf 14 verwendet, um eine Halbleiterscheibe 16 zu halten und abzustützen. Eine Leitung 17 führt Polierschlamm 18 an die Polierauflage 12 zu und das Polieren wird dadurch durchgeführt, daß der Polierkopf 18 gedreht wird, um unebene Schichten auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe 16 zu entfernen.

Fig. 1C ist eine schematische Schnittdarstellung, die den Aufbau des Polierkopfes 14 zeigt, der in Fig. 1A dargestellt ist. Eine Luftkammer 20 ist an der Oberseite des Polierkopfes 14 vorgesehen. Die Luft in der Luftkammer 20 übt einen Druck auf einen Halbleiterscheibenträger 22 aus, um die Halbleiterscheibe 16 in engen Kontakt mit der Polierauflage 12 zu bringen. Der Halbleiterscheibenträger 22 hält die Halbleiterscheibe 16 fest, um den Wirkungsgrad beim Polieren zu verbessern. Ein Halbleiterscheibenring 24 liegt unter dem Halbleiterscheibenträger 22 und umgibt die Halbleiterscheibe 16, sodaß die Halbleiterscheibe 16 in ihrer Lage durch den Halbleiterscheibenring 24 fixiert ist. Zusätzlich ist eine Einlage (nicht gezeigt) zwischen dem Scheibenträger 22 und der Halbleiterscheibe 16 vorgesehen.

Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht, die die Polierauflage 12 gemäß Fig. 1B zeigt. Der Polierschlamm 18 sammelt sich leicht in den ringförmigen Nuten um das Zentrum, wenn die Leitung 17 den Polierschlamm 18 an die Polierauflage 12 transportiert. Dieses Phänomen macht es schwierig, daß der Polierschlamm 18 in den Polierkopf 14 fließt. Daher gibt es nicht genug Polierschlamm 18 in dem Polierkopf 14. Die ungleiche Verteilung von Polierschlamm 18 beeinträchtigt die Gleichförmigkeit und das Maß der Planarisierung der Halbleiterscheibe 16 während des Polierens.

Folglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine chemisch mechanische Polierauflage bereitzustellen, bei der der Polierschlamm gleichmäßiger verteilt wird.

Dazu weist die erfindungsgemäße chemisch-mechanische Polierauflage eine Vielzahl ringförmiger Nuten und eine Vielzahl Strömungsliniennuten auf, wobei die Strömungsliniennuten entsprechend den Prinzipien der Hydrodynamik ausgebildet sind. Durch die Strömungsliniennuten der chemisch-mechanischen Polierauflage kann der Polierschlamm gleichförmig verteilt werden, um den Wirkungsgrad beim Polieren zu erhöhen und ein hohes Maß an Planarisierung zu erreichen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Muster der Strömungsliniennuten auf der chemisch-mechanischen Polierauflage entsprechend den Strömungsgleichungen ausgebildet, die von einer Quellenströmung und einer Wirbelströmung abgeleitet sind. Die Quellenströmung und die Wirbelströmung werden erzeugt, während der Polierschlamm auf der Polierauflage fließt. Durch die Strömungsliniennuten in der Polierauflage wird der Polierschlamm auf der Polierauflage gleichmäßig verteilt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Anstellwinkel und die Tiefe der Strömungsliniennuten, die durch den Grenzschiedseffekt der Strömungsliniennutenfunktion berechnet werden, ferner dazu benutzt, um eine optimale Ausführung für die Polierauflage zu verwirklichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche chemisch- mechanische Poliermaschine;

Fig. 1B eine schematische Seitenansicht auf eine chemisch-mechanische Poliermaschine nach Fig. 1A;

Fig. 1C eine schematische Schnittdarstellung eines Polierkopfes 14 bei einer Maschine nach Fig. 1A;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Polierauflage 12 bei einer Maschine nach Fig. 1B;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine chemisch-mechanische Polierauflage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung, die einen Anfangswinkel für eine Strömungsliniennut einer Polierauflage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Im folgenden wird die Ausführung der Polierauflage gemäß dem Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben. Der Polierschlammfluß umfaßt eine Quellenströmung und eine Wirbelströmung, die durch Gleichung (1) beschrieben werden können:

Ψ = m.θ + k.ln(r), (1)

wobei ψ eine Strömungslinienfunktion, m eine Intensitätskonstante für die Quellenströmung, k eine Intensitätskonstante für die Wirbelströmung, ln ein natürlicher Logarithmus und r, θ und z Koordiantenparameter sind.

Γ = ∫ v.cosα ds = 2π.k, (2)

wobei Γ die Strömungsmittelzirkulation darstellt.

Daher wird gemäß Gleichung (1) eine Strömungsliniennutenfunktion erhalten:

r = C₁.e^-m ^θ ^/k, and C₁ = constant = e^Ψ ^/k, (3)

wobei e eine Exponentialfunktion bedeutet. Gemäß Gleichung (3) wird ein Muster für Strömungsliniennuten für den Polierschlamm erhalten.

Das Muster der Strömungsliniennuten in der Polierauflage für Polierschlamm wird folglich gemäß Gleichung (1) erhalten. Eine Polierauflage wird folglich gemäß einem optimierten Resultat für das Muster der Strömungsliniennuten ausgeführt, sodaß die Nuten die Polierschlamm- Flußrichtungsverteilung optimieren und den Polierschlamm unter dem Polierkopf gleichförmig verteilen können. Der Wirkungsgrad beim Polieren und das Maß der Planarisierung kann effektiv verbessert werden.

Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht, die eine chemisch mechanische Polierauflage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Gemäß Fig. 3 wird einen Polierauflage, die primäre ringförmige Nuten 30 und Strömungsliniennuten 32 aufweist, gemäß den Prinzipien der Hydrodynamik bereitgestellt.

Ferner kann, wenn ein Grenzschichteffekt zusätzlich in Betracht gezogen wird, die oben beschriebene Strömungsliniennutenfunktion dazu verwendet werden, den besten Anstellwinkel und die Tiefe der Strömungsliniennuten zu berechnen, sodaß eine optimale Struktur für eine Polierauflage erreicht wird. Ein Satz von Gleichungen:

wird in Betracht gezogen, wobei die Gleichungen (4), (5) und (6) Navier- Stokes Gleichungen sind. u, v und w sind die Geschwindigkeiten für die r, θ bzw. z Komponenten. £l ist die Dichte des Polierschlamms, £h ist die dynamische Viskosität und p ist der Druck. Die Grenzbedingungen sind:

z = 0, u = 0, v = -ωr, w = 0; and
z = ∞, u = 0, v = 0,

wobei ω die Winkelgeschwindigkeit ist.

Eine Formel, die in Gleichung (7) gezeigt ist, wird ebenfalls benutzt:

τ_ω.sinθ dr ds = p.r.ω².δ dr ds, (7)

Die folgenden Gleichungen (8) und (9):

wobei τω die Viskosität und δ die Strömungsmittelschichtdicke ist, werden für eine variable Transformation angewendet.

Gemäß den Gleichungen (4) bis (9) können die folgenden Gleichungen erhalten werden:

2F+H' = 0, F²+F'.H-G²-F" = 0, 2F.G+H.G'-G" = 0,
P'+H.H'-H" = 0, (10)

wobei die Grenzschichtbedingungen sind:

ξ = 0, F = 0, G = -1, H = 0, P = 0; und
ξ = ∞, F = 0, G = 0.

Die Gleichung für den ursprünglichen Angriffswinkel der Strömungsliniennuten wird ebenfalls benutzt:

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines ursprünglichen Anstellwinkels einer Strömungsliniennut in der Polierauflage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß Fig. 4 ist der Winkel zwischen der Strömungsliniennut 32, welches der Tangente zu L1 an dem Mittelpunkt 0 ist, und L2, welches der Strömungsliniennut 32 gegenüberliegt, der ursprüngliche Anstellwinkel der Strömungsliniennut ϕ₀.

Claims

1. Chemisch-mechanische Polierauflage, gekennzeichnet durch eine Vielzahl ringförmiger Nuten und eine Vielzahl Strömungsliniennuten, wobei die Strömungsliniennuten nach den Prinzipien der Hydrodynamik ausgebildet sind.

2. Polierauflage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittennuten der Polierauflage (12) gemäß Strömungsgleichungen ausgebildet sind, die aus einer Quellenströmung und einer Wirbelströmung abgeleitet sind, wobei die Quellenströmung und die Wirbelströmung erzeugt werden, während ein Polierschlamm (18) auf der Polierauflage (12) fließt.

3. Polierauflage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgleichung lautet:
ψ = m.θ + k.ln(r),
wobei Ψ eine Strömungslinienfunktion, m eine Intensitätskonstante der Quellenströmung, k eine Intensitätskonstante der Wirbelströmung, ln ein natürlicher Logarithmus und r, θ, und z Koordinatenparameter sind.

4. Polierauflage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsliniennutfunktion:
r = C₁.e^-m ^θ ^/k
gemäß der Strömungsgleichung erhalten wird, wobei e eine Exponentialfunktion und C₁ eine Konstante e^Ψ ^/k ist und die Strömungsliniennuten entsprechend der Strömungsliniennutenfunktion ausgebildet.

5. Polierauflage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Navier-Stokes Gleichungen und Grenzflächenbedingungen eingeführt werden, um einen Winkel und eine Höhe der Strömungsliniennuten zu erhalten.

6. Polierauflage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Navier-Stokes Gleichungen wie folgt lauten:
wobei u, v und w die Geschwindigkeit für die r, θ bzw. z Komponenten sind, £l die Dichte des Polierschlamms, £h die dynamische Viscosität, p der Druck und r sowie z Koordinatenparameter sind.

7. Polierauflage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtbedingungen lauten:
z = 0, u = 0, v = -ωr, w = 0; and
z = ∞, u = 0, v = 0,
where ω die Winkelgeschwindigkeit des Polierschlamms ist.

8. Polierauflage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichung für einen ursprünglichen Angriffswinkel der Strömungsliniennuten wie folgt lautet:
wobei ϕ₀ ein ursprünglicher Angriffswinkel der Strömungsliniennut ist, so daß die folgenden Gleichungen:
wobei δ die Strömungsschichtdicke des Polierschlamms ist, als variable Transformation angewendet werden, um eine variable Transformationsfunktion von F und G zu erhalten.

9. Polierauflage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtbedingungen wie folgt lauten:
ξ = 0, F = 0, G = -1, H = 0, P = 0; und
ξ = ∞, F = 0, G = 0.

10. Polierauflage, gekennzeichnet durch eine Vielzahl ringförmiger Nuten und eine Vielzahl Strömungsmittelnuten.

11. Polierauflage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsliniennuten nach einer Strömungsgleichung gebildet sind, die von einer Quellenströmung und einem Wirbelströmung abgeleitet ist, und daß die Quellenströmung und die Wirbelströmung erzeugt werden, während der Polierschlamm auf der Polierauflage fließt.