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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Polieren und die Planarisierung
von Substraten einschließlich
Halbleiter-Materialien,
und insbesondere einen Polierkopf, in dem der Polier- oder Planarisierungsdruck
durch eine pneumatische Kraft direkt gegen die Rückseite des Substrats angewandt
wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Moderne
integrierte Schaltungen haben buchstäblich Millionen von aktiven
Geräten,
wie beispielsweise Transistoren oder Kondensatoren, in oder auf
einem Halbleiter-Substrat gebildet und vertrauen auf ein sorgfältig ausgearbeitetes
System der Metallisierung, üblicherweise
Metallisierungsverbindungen mit mehreren Ebenen aufweisend, um die aktiven
Geräte
in funktionelle Schaltungen zu verbinden. Ein Lagen-Dielektrikum,
wie beispielsweise Silikon-Dioxyd, wird. über einem Silikon-Substrat
gebildet, und isoliert elektrisch eine erste Metallisierungsebene,
die üblicherweise
Aluminium von den in dem Substrat geformten aktiven Geräten ist.
Metallisierte Kontakte verbinden aktive Geräte, die in dem Sustrat geformt
sind, elektrisch mit den Verbindungen der ersten Metallisierungsebene.
In ähnlicher
Weise verbinden Metall-Durchkontaktierungen (metal vials) Verbindungen
einer zweiten Metallisierungsebene elektrisch mit Verbindungen der
ersten Metallisierungsebene. Kontakte und Durchkontaktierungen weisen üblicherweise
ein Metall, beispielsweise Wolfram, umgeben von einem Sperrmetall,
beispielsweise Titan-Nitrid, auf, Zusätzliche Schichten können aufgeschichtet
werden, um die gewünschte
(Multi-Layer) Verbindungsstruktur zu erzielen.
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Verbindungen
mit mehreren Ebenen mit hoher Packungsdichte erfordern die Planarisierung
der einzelnen Schichten der Verbindungsstruktur und eine sehr geringe Änderung
der Oberflächentopographie.
Nicht planare Oberflächen
erzeugen eine schlechte optische Auflösung für die photolithographischen
Verfahren, die verwendet werden, um zusätzliche Schichten in späteren Prozess-Schritten nieder
zu legen. Eine schlechte optische Auflösung verhindert das Drucken
von Linien mit hoher Packungsdichte, die für Stromkreise mit hoher Packungsdichte
und Verbindungsstrukturen erforderlich sind. Ein anderes Problem
im Zusammenhang mit der Änderung
der Oberflächentopologie
betrifft die Fähigkeit
nachfolgender Metallisierungsschichten die Stufenhöhe zu bedecken
oder zu überspannen. Wenn
eine Stufenhöhe
zu groß ist
besteht eine potentielle Gefahr, dass offene Stromkreise erzeugt werden,
die einen Defekt des Chips, auf dem der offene Stromkreis auftritt,
verursachen. Planare Verbindungsoberflächenschichten sind ein Muß in der
Herstellung von modernen integrierten Stromkreisen mit mehreren
Ebenen mit hoher Packungsdichte.
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Eine
planare Substrat-Topographie kann unter Verwendung von chemisch-mechanischen
Polier-(CMP)Techniken erreicht werden. Bei herkömmlichen CMP-Systemen und Verfahren
wird ein Silikon-Wafer
mit der Stirnseite nach unten auf eine drehbare Oberfläche oder
Platte plaziert, die mit einem flachen Polierkissen, auf welches
ein Überzug oder
eine Schicht einer aktiven Schmirgelpulver-Emulsion aufgetragen
wurde, bedeckt ist. Ein aus einem starren Metall oder einer Keramikplatte gebildeter
Substrat-Träger
hält die
Rückseite
des Wafers und wendet eine nach unten gerichtete Kraft gegen die
Rückseite
des Wafers an, so dass die Stirnseite gegen das Polierkissen gedrückt wird.
In einigen Systemen wird die nach unten gerichtete Kraft mechanisch
erzeugt, beispielsweise über
ein mechanisches Gewicht, häufig
jedoch, wird die nach unten gerichtete Kraft auf den Substrat-Träger über eine
pneumatische Quelle, beispielsweise Luft oder ein anderer Fluiddruck, übertragen.
Eine elastische Schicht, oft als ein Einsatz bezeichnet, wie beispielsweise
durch ein polymerisches Material, Wachs, oder einem anderen dämpfenden
Material vorgesehen werden kann, kann häufig zwischen der Wafer-Anbringungsoberfläche auf
dem Träger
und der Rückseite
des Wafers genutzt werden. Die nach unten gerichtete Polierkraft
wird durch den Einsatz übertragen.
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Ein
Haltering, der den Umfang des Wafer-Trägers und des Wafers begrenzt,
zentriert den Wafer auf dem Träger
und bewahrt den Wafer davor, aus der Ausrichtung mit dem Träger zu gleiten.
Der Träger,
der den Wafer hält,
ist mit einem Wellenschaft verbunden, der über eine Verbindung zu einem
Motor gedreht wird. Die nach unten gerichtete Polierkraft in Verbindung
mit der drehenden Bewegung des Kissens, zusammen mit der CMP-Schmirgelpulver-Emulsion,
erleichtern das abreibende Polieren und planare Entfernen der oberen
Oberfläche
eines dünnen
Films oder Schicht von der Stirnseiten-Oberfläche des Wafers.
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Diese
herkömmlichen
Systeme und Verfahren stellen zumindest zwei Probleme oder Einschränkungen
dar. Ein erstes Problem ist, dass sich eine ungleichmäßige Polierdruck-Verteilung über der
Oberfläche
des Wafers entwickeln kann, wenn er poliert wird, entweder als Folge
von mechanischen Fehlausrichtungen in der Träger- oder Polierkopfeinheit,
einer Wechselwirkung der Wafer-Stirnseitenoberfläche mit dem Polierkissen und
der Schmirgelpulver-Emulsion, einer Ungleichmäßigkeit des Einsatzes, einer zwischen
dem Einsatz und der Wafer-Rückseitenoberfläche eingeführte Verunreinigung,
beispielsweise Polierablagerungen, oder einer Vielzahl an anderen Quellen
der Polierkraft-Ungleichmäßigkeit,
welche die Planarisation eines Wafer-Substrats beeinflussen.
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Die
Eigenschaften des Einsatzes sind besonders problematisch. Während die
CMP-Ausstattungshersteller ein Gerät mit großer Präzision und Prozesswiederholbarkeit
entwerfen und herstellen können,
tritt es häufig
auf, dass die physikalischen Charakteristika der Polymereinsätze, die,
nachdem einige vorbestimmte Anzahlen von Wafern verarbeitet wurden,
ausgewechselt werden müssen,
sich von Batch zu Batch ändern.
Des Weiteren, sogar innerhalb eines einzelnen Batches, werden sich
die Charakteristika mit dem Betrag des durch den Einsatz absorbierten
Wassers ändern.
Sogar noch unangenehmer ist, dass unterschiedliche Abschnitte des
gleichen Einsatzes trockener oder feuchter als andere Bereiche sein
können,
wodurch Änderungen
beim Polieren über
der Oberfläche
jedes Wafers einführt werden.
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Ein
zweites Problem, das mit herkömmlichen CMP-Systemen
und -Verfahren in Verbindung gebracht wird, ist dass, sogar in dem
Umfang, dass ein gleichmäßiger oder
im Wesentlichen gleichmäßiger Polierdruck
erzielt werden kann, siehe zum Beispiel anhängige U.S. Patent Anmeldung
Nr. 09/261,112, angemeldet am 3. März 1999, für eine „Chemical Mechanical Polishing
Head Assembly Having Floating Wafer Carrier and Retaining Ring", und U.S. Patent Anmeldung
Nr. 09/294,547, angemeldet am 19. April 1999 für einen „Chemical Mechanical Polishing
Head Having Floating Wafer Retaining Ring and Wafer Carrier With
Multi-Zone Polishing Pressure Control", von denen jedes der Mitsubishi Materials
Corporation übertragen
ist, der gleiche Anmelder, wie bei der augenblicklichen Anmeldung,
ein einheitlicher Polierdruck nicht immer das optimale Polierdruckprofil
für die
Planarisierung des Wafers sein kann. Dieses offensichtliche Paradoxon
zwischen angenommener Erwünschtheit
eines gleichmäßigen Polierdrucks
und der Notwendigkeit eines ungleichmäßigen Polierdrucks, entsteht
aus ungleichmäßigen Schichtablagerungeffekten
während
des Ablagerungsprozesses. In dem Umfang, dass die abgelagerte Schichtdicke sich
in einer bekannten Art und Weise ändert, beispielsweise die radial
variierende Dicke, die häufig auftritt,
kann der Polierdruck wünschenswert
verändert
werden, um für
die Ablagerungsunregelmäßigkeiten
zu kompensieren.
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Der
Druck an einem beliebigen Punkt auf der Stirnseite des Wafers wird
in hohem Maße
durch den lokalen Druckmodul (Härte)
und lokales Zusammendrücken
des Polierkissens, Einsatzes, oder jeglicher anderer Materialien
(gewünscht
oder nicht) kontrolliert, die zwischen der Druckquelle und dem Kontaktpunkt
zwischen dem Wafer und dem Polierkissen, einschließlich der
Schichten zwischen dem Polierkissen und dem im Allgemeinen harten,
starren Poliertisch oder -platte, liegen. Jede Änderung in dem Betrag des Zusammendrückens dieser
Elemente, hat lokale Druckänderungen
an der Polieroberfläche
zur Folge. Im Allgemeinen sind alle anderen Faktoren gleich (z.B.
die gleiche Zusammensetzung der Schmirgelpulver-Emulsion, die gleiche
effektive Geschwindigkeit des Wafers über das Kissen, usw.), wobei
die Polierabtragungsrate bei chemisch-mechanischen Poliersystemen
proportional zu dem zwischen dem Wafer und dem Polierkissen, in
der Richtung senkrecht zu der Polierbewegung, angewandten Druck
ist. Je größer der
Druck, um so größer ist die
Polierabtragungsrate. Somit neigt eine ungleichmäßige Druckverteilung über der
Oberfläche
des Wafers dazu, eine ungleichmäßige Polierrate über der
Oberfläche
des Wafers erzeugen. Ungleichmäßiges Polieren
kann zur Folge haben, dass von einigen Teilen des Wafers zuviel
Material abgetragen wird, und von anderen Teilen nicht genug Material
abgetragen wird, und kann auch die Bildung von übermäßig dünnen Schichten verursachen
und/oder eine unzureichende Planarisierung zur Folge haben, von
denen beide die Halbleiter-Wafer-Prozessausbeute
und Zuverlässigkeit
verschlechtern.
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Das
ungleichmäßige Polieren
kann besonders vorherrschend an dem Umfangsrand des Wafers sein,
wo die „scharfer Übergangsrand"-Effekte auftreten.
Nach herkömmlicher
Auffassung, besteht ein scharfer Übergang zwischen dem Abschnitt
des Polierkissens, der sich mit dem Polierkopf (Wafer, Wafer-Träger und
Haltering wo vorhanden) in Kontakt befindet, und dem Abschnitt,
der sich nicht in Kontakt befindet. Erinnern Sie sich, dass herkömmliche
Polierkissen zumindest etwas komprimierbar sind, und in der Umgebung
der sich bewegenden Kante des Polierkopfes lokal zusammengedrückt, gedehnt
und verformt werden können,
während
er sich während
des Polierens über
die Oberfläche
bewegt. Dieses lokalisierte Zusammendrücken, Dehnen und andere Verformung,
verursacht eine lokalisierte Änderung
in dem Druckprofil nahe dem Rand des Wafer-Substrats. Diese Änderung
herrscht besonders von dem Rand des Wafers radial nach innen für etwa einen
Zentimeter vor, ist aber von dem Rand nach innen für etwa ungefähr 3mm bis
ungefähr
5mm besonders problematisch.
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Ein
Lösung,
um die Kantenänderung
zu vermindern, wurde in der anhängigen
U.S. Gebrauchsmuster-Anmeldung 09/294,547, angemeldet am 19. April
1999, und betitelt „Chemical
Mechanical Polishing Head Having Floating Wafer Retaining Ring and
Wafer Carrier With Multi-Zone Polishing Pressure Control", vorgeschlagen.
Diese Gebrauchsmuster-Anmeldung beschreibt eine neue Haltering-Struktur,
die den Betrag der Druckänderung
auf dem Wafer durch Verwendung eines begrenzenden Halterings mit
einem besonderen Formprofil minimiert.
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Jetzt
und zunehmend in der Zukunft, erfordern „sub-micron" integrierte Schaltungen
(integrated circuits, ICs), dass die Geräteoberflächen an ihren Metallverbindungsstufen planarisiert
werden, und chemisch-mechanisches Polieren (CMP) ist das bevorzugte
Wafer-Planarisierungsverfahren. Präzise und genaue Planarisierung
wird zunehmend wichtiger werden, da die Anzahl von Transistoren
und die erforderliche Anzahl von Verbindungen pro Chip zunimmt.
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Integrierte
Schaltungen werden herkömmlich auf
Substraten, insbesondere Silikon-Wafern, durch die aufeinander folgende
Ablagerung einer oder mehrerer Schichten, welche leitend, isolierend
oder halbleitend sein können,
geformt. Diese Strukturen werden manchmal als die Multi-Layer Metall-Strukturen (MIM's) bezeichnet und
sind in Bezug auf das Erzielen dichter Packungen von Schaltungselementen auf
dem Chip, mit den ständig
abnehmenden Designregeln, wichtig.
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Flachbildschirme,
beispielsweise solche die in Notebooks, Minicomputern (PDAs), Mobiltelefonen,
und anderen elektronischen Geräte
verwendet werden, können üblicherweise
eine oder mehr Schichten auf einem Glas oder anderem transparenten
Substrat ablegen, um die Anzeigeelemente, beispielsweise aktive
oder passive LCD-Schaltkreise, zu bilden. Nachdem jede Schicht abgelegt
ist, wird die Schicht geätzt,
um Material von ausgewählten Bereichen
zu entfernen, um die Schaltkreis-Eigenschaften zu schaffen. Wenn
eine Reihe von Schichten abgelegt und geätzt ist, wird die äußere oder oberste
Oberfläche
des Substrats nacheinander immer weniger planar, da der Abstand
zwischen der äußeren Oberfläche und
dem darunterliegenden Substrat, in Bereichen des Substrats, wo am
wenigsten Ätzen
aufgetreten ist, am größten ist,
und der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche und
dem darunterliegenden Substrat ist am geringsten, in Bereichen, wo
am meisten Ätzen
aufgetreten ist. Sogar für
eine einzelne Schicht nimmt die nicht planare Oberfläche ein
unebenes Profil von Spitzen und Tälern an. Mit einer Mehrzahl
an gemusterten Schichten, wird der Unterschied in der Höhe zwischen
den Spitzen und Tälern
deutlich ernster, und kann typischerweise um einige Mikrometer variieren.
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Eine
nicht planare obere Oberfläche
ist problematisch hinsichtlich der Oberflächen-Photolithographie, die
verwendet wird, um die Oberfläche
zu mustern, und hinsichtlich der Schichten, die, wenn sie auf eine
Oberfläche
mit übermäßiger Höhenvariation
abgelegt werden, brechen können.
Aus diesem Grund besteht eine Notwendigkeit, die Substratoberfläche periodisch
zu planarisieren, um eine planare Schichtenoberfläche zu schaffen.
Die Planarisierung entfernt die nicht planare äußere Oberfläche, um eine relativ flache,
glatte Oberfläche
zu bilden, und beeinhaltet das Wegpolieren des leitenden, halbleitenden oder
isolierenden Materials. Im Anschluß an die Planarisierung können zusätzliche
Schichten auf der offenliegenden, äußeren Oberfläche abgelegt
werden, um zusätzliche
Strukturen, einschließlich
Verbindungslinien zwischen den Strukturen, zu bilden, oder die obere
Schicht kann geätzt
werden, um Durchkontaktierungen zu Strukturen unterhalb der offenliegenden
Oberfläche
zu bilden. Polieren im Allgemeinen, und insbesondere chemisch-mechanisches
Polieren (CMP), sind bekannte Verfahren für die Oberflächenplanarisierung.
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Der
Poliervorgang ist darauf zugeschnitten, ein bestimmtes Oberflächenfinish
(Rauheit oder Glätte)
und eine Flachheit (Freiheit von Typographie im großen Umfang)
zu erreichen. Das Unterlassen, ein/e minimale/s Finish und Flachheit
zu schaffen, kann defekte integrierte Schaltungen zur Folge haben.
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Während CMP,
wird ein Substrat, beispielsweise ein Halbleiter-Wafer, üblicherweise
mit der zu polierenden Oberfläche
freiliegend, auf einem Wafer-Träger
angebracht, der ein Teil ist von oder befestigt ist an einem Polierkopf.
Das angebrachte Substrat wird dann gegen ein drehendes Polierkissen
plaziert, das auf einem Basisabschnitt der Poliermaschine angeordnet
ist. Das Polierkissen ist üblicherweise derart
ausgerichtet, dass seine flache Polieroberfläche waagerecht ist, um eine
ebene Verteilung der Polier-Emulsion und eine Wechselwirkung mit
der Substratfläche
dem Kissen parallel gegenüberliegend
zu schaffen. Eine waagerechte Ausrichtung der Kissenoberfläche (die
Normale der Kissenoberfläche
ist senkrecht) ist auch wünschenswert,
da sie es zulässt,
dass der Wafer das Kissen zumindest teilweise unter dem Einfluß von Schwerkraft
berührt,
und allermindestens derart aufeinander wirken, dass die Gravitationskraft
nicht ungleichmäßig zwischen
dem Wafer und dem Polierkissen angewandt wird. Zusätzlich zu
der Drehung des Kissens kann sich der Trägerkopf drehen, um eine zusätzliche
Bewegung zwischen dem Substrat und der Polierkissenoberfläche zu schaffen.
Die Polier-Emulsion, üblicherweise
mit einem Poliermittel, das in einer Flüssigkeit suspendiert ist, und
für CMP
zumindest ein chemisch aktiver Wirkstoff, kann auf das Polierkissen
aufgetragen werden, um eine abreibende Poliermischung, und für CMP eine
abreibende und chemisch reaktive Mischung an der Kissen-Substrat-Grenzfläche, zu schaffen.
Verschiedene Polierkissen, Polier-Emulsionen, und reaktive Mischungen
sind im Stand der Technik bekannt, und welche es in Kombination
erlauben, dass spezielle Finish- und Flachheit-Characteristika erreicht
werden. Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Polierkissen und
dem Substrat, die Poliergesamtzeit, und der während des Polierens angewandte
Druck, zusätzlich
zu anderen Faktoren, beeinflussen die Substratflachheit und das
Finish, wie auch die Gleichmäßigkeit.
Es ist auch wünschenswert,
dass bei dem Polieren von aufeinander folgenden Substraten, oder
wo ein Mehrkopf-Polierer verwendet wird, alle während irgendeinem bestimmten
Polierbetrieb polierten Substrate in dem gleichen Maß planarisiert
sind, einschließlich
der Entfernung von der im Wesentlichen gleichen Materialmenge und
dem Schaffen der gleichen Flachheit und des gleichen Finishes. CMP
und Wafer-Polieren
sind allgemein im Stand der Technik sehr bekannt, und hier nicht
weiter im Detail beschrieben.
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Der
Zustand des Polierkissens kann auch die Polierergebnisse beeinflussen,
insbesondere die Gleichmäßigkeit
und Stabilität
des Polierbetriebs über
den Verlauf einer einzelnen Polierdauer, und ganz besonders die
Gleichmäßigkeit
des Polierens während
aufeinander folgender Polierbetriebe. Typischerweise kann das Polierkissen
während
einem oder mehrerer Polierbetriebe, als Folge von Hitze, Druck,
und dem Verklumpen von Emulsion oder Substrat, blank werden. Der
Effekt vermindert die Abrieb-Charakteristik des Kissens mit der
Zeit, da Spitzen des Kissens zusammengedrückt oder abgetragen werden,
und Vertiefungen oder Lücken
sich mit Polierablagerungen füllen.
Um diesen Effekten entgegenzuwirken, muss die Polierkissenoberfläche konditioniert
werden, um den gewünschten
Abreibungszustand des Kissens wieder herzustellen. Ein derartiges
Konditionieren kann üblicherweise
durch einen getrennten Vorgang ausgeführt werden, der periodisch
auf dem Kissen durchgeführt
wird, um seinen Abreibungszustand zu erhalten. Dieses hilft auch dabei,
einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten, während dem eine vorbestimmte
Polierdauer eine vorbestimmte Materialmenge von dem Substrat entfernen,
eine vorbestimmte Flachheit und Finish erreichen, und sonst Substrate
herstellen wird, die ausreichend identische Charakteristika aufweisen,
so dass die aus den Substraten hergestellten integrierten Schaltungen
im Wesentlichen identisch sind. Für LCD-Bildschirme kann die
Notwendigkeit für
gleichbleibende Charakteristika sogar noch ausgeprägter sein,
da ungleich den Wafern, die in einzelne Plättchen geschnitten werden,
ein Bildschirm, der einige Inches breit sein kann, völlig unnutzbar
sein wird, sogar wenn nur eine kleine Fläche wegen den Defekten unnutzbar
ist.
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Ein
Einsatz, wie er herkömmlich
verwendet wurde, ist ein preiswertes Kissen, dass an den Wafer-Unterträger geklebt
ist und sich zwischen der Rückseite
des Wafers und der Trägeroberfläche, die eine
Metall- oder Keramikoberfläche
sein kann, befindet. Änderungen
in den mechanischen Charakteristika des Einsatzes verursachen üblicherweise Änderungen
der Polierergebnisse des CMP.
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In
dem U.S. Patent Nr. 5,205,082 ist eine biegsame Membrananbringung
des Unterträgers
mit zahlreichen Vorteilen gegenüber
vorherigen Strukturen und Verfahren beschrieben, und das U.S. Patent Nr.
5,584,751 sieht eine gewisse Kontrolle der nach unten gerichteten
Kraft auf den Haltering, durch die Verwendung einer biegsamen Blase,
vor, jedoch beschreibt keines dieser Patente Strukturen für eine direkte,
unabhängige
Steuerung des Drucks, der an der Grenzfläche des Wafers und des Halterings
ausgeübt
wird, oder jegliche Art von Differentialdruck, um die Kantenpolier-
oder Planarisierungseffekte zu modifizieren.
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Es
wird auch Bezug genommen auf den nächstkommendsten Stand der Technik,
die US-A-5,635,083, welche einen Wafer-Polierkopf zum Polieren eines
Halbleiter-Wafers auf einem Kissen offenbart. Der Wafer wird in
einer zylindrischen Tasche getragen, die auch eine seitliche Bewegung
des Wafers, wenn er relativ zu dem Kissen bewegt wird, verhindert.
Ein elastischer Ring, der an die zylindrische innere Oberfläche der
Tasche angrenzt, ist angeordnet, um den Wafer zu stützen und
um radial innen zu dieser Dichtung eine pneumatische Zone zu begrenzen.
Ein unter Druck stehendes Fluid regelt dann den Druck zu der Rückseite
des Wafers. Eine Wafer-Befestigungsanschlagplatte
verhindert ein übermäßiges Biegen
des Wafers während
der Zeiten, in denen nicht poliert wird, wenn ein Vakuum innerhalb
der pneumatischen Zone angewandt wird, um den Wafer-Transport zu
ermöglichen.
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Im
Hinblick auf das Vorhergehende besteht eine Notwendigkeit für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung,
die den Polierdurchsatz, Flachheit und Finish optimiert, während die
Gefahr der Verunreinigung oder Zerstörung von irgendeinem Substrat minimiert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Struktur
und das Verfahren beinhalten zahlreiche Gestaltungsdetails und erfinderische
Elemente, von denen einige unten zusammengefasst werden. Die erfindungsgemäßen Strukturen,
Verfahren und Elemente werden in der ausführlichen Beschreibung der Erfindung
beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Wie
durch das Lesen der folgenden Beschreibung ersichtlich werden wird,
können
die Ausführungsformen
der Erfindung eine Poliermaschine und einen Polierkopfaufbau und
ein Verfahren schaffen, das die Poliergleichmäßigkeit eines Substrats über die
gesamte Oberfläche
des Substrats, insbesondere nahe dem Rand des Substrats, verbessert, was
besonders vorteilhaft ist, um die Gleichmäßigkeit von Halbleiter-Wafern
während
chemisch-mechanischem
Polieren (Chemical Mechanical Polishing, CMP) zu verbessern.
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In
einem Aspekt ist ein Wafer-Polierkopf zum Polieren eines Halbleiter-Wafers
auf einem Polierkissen vorgesehen, wobei der Polierkopf folgendes
aufweist:
einen Haltering mit einer inneren zylindrischen Oberfläche, der
eine innere zylindrische Tasche, in der Größe den Wafer zu tragen, begrenzt,
und um die Bewegung des Wafers seitlich einzuschränken, wenn der
Wafer relativ zu dem Polierkissen bewegt wird, während er gegen das Polierkissen
poliert wird; und
eine an dem Haltering befestigte Wafer-Befestigungsanschlagplatte;
wobei
die Wafer-Befestigungsanschlagplatte während der Zeiten in denen nicht
poliert wird wirksam ist, um zu verhindern, dass sich der Wafer
von einer angewandten Vakuumkraft übermäßig biegt, die verwendet wird,
um den Wafer während
der Wafer-Beschickungs- und Entladevorgänge an den Polierkopf zu halten;
wobei
eine elastische Dichtung an einer ersten Oberfläche der Wafer-Anschlagplatte
befestigt ist, die angrenzend an die innere zylindrische Oberfläche des Halterings
angeordnet ist, um den Wafer zu erhalten und ihn an einer Umfangskante
zu stützen;
dadurch
gekennzeichnet, daß die
elastische Dichtung eine ringförmige
dichtende Blase ist, die zur Fluidverbindung mit dem ersten unter
Druck stehenden pneumatischen Fluid verbunden ist, um eine erste pneumatische
Zone zu begrenzen; und
wobei das erste unter Druck stehende
Fluid regulierbar ist, um einen vorbestimmten Polierdruck über einer
Oberfläche
der Stirnseite des Wafers zu erreichen.
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In
einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Polieren eines Halbleiter-Wafers
auf einem Polierkissen, unter Verwendung eines Wafer-Polierkopfes
nach Anspruch 4, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte
aufweist:
Begrenzen einer ersten ringförmigen pneumatischen Druckzone
mit der ringförmigen
dichtenden Blase;
Begrenzen einer zweiten pneumatischen Zone,
radial innen zu der ersten pneumatischen Zone, mit einer zweiten
ringförmigen
dichtenden Blase;
Entwickeln des ersten und des zweiten Drucks
in der ersten beziehungsweise zweiten Blase;
Drücken einer
Rückseite
der Oberfläche
des Wafers mit der ersten und der zweiten Blase, so daß eine Stirnseite
der Oberfläche
des Wafers gegen das Polierkissen gedrückt wird; und
unabhängiges Regulieren
des ersten und des zweiten Drucks, um eine gewünschte Wafer-Materialabtragskenngröße über den
Wafer zu erreichen.
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Weitere
Ausführungsformen
sind in den beigefügten
abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden leichter ersichtlich
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen
zusammen mit den Zeichnungen, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung ist, die eine mehrköpfigen Polier-/Planarisierungs-Vorrichtung
zeigt.
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2 eine
schematische Darstellung eines Polierkopfes mit zwei Kammern ist.
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3 eine
schematische Darstellung eines Polierkopfes mit zwei Kammern ist,
die ferner in einem übertriebenen
Maßstab
die Art darstellt, in der verbindende Elemente (Membranen) die Bewegung des
Wafer-Unterträgers
und des Wafer-Halterings zulassen.
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4 eine
schematische Darstellung ist, die eine Schnittmontagezeichnung von
Abschnitten des Karussells, der Kopfbefestigungseinheit, der Drehverbindungen
und der Wafer-Trägereinheit
zeigt.
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5 eine
schematische Darstellung ist, die eine detailliertere Schnittansicht
der Wafer-Trägereinheit
zeigt.
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6 eine schematische Darstellung ist, die eine
Vorrichtung mit zwei Kammern zeigt.
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7 eine
schematische Darstellung ist, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform
zeigt.
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8 eine schematische Darstellung ist, die eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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9 eine
schematische Darstellung ist, die eine andere alternative Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist
ein chemisch-mechanisches Polier- oder Planarisierungs-(CMP)Werkzeug 101 gezeigt,
das ein Karussell 102 aufweist, welches eine Mehrzahl an
Polierkopfeinheiten 103 trägt, die eine Kopfbefestigungseinheit 104 und
die Substrat(Wafer)-Trägereinheit 106 (siehe 4)
umfassen. Wir verwenden den Begriff „Polieren" hier entweder in der Bedeutung des
Polierens eines Substrats 113, das allgemein Halbleiter-Wafer- 113 Substrate
umfasst, und auch in der Bedeutung von Planarisierung, wenn das
Substrat ein Halbleiter-Wafer ist, auf den elektronische Schaltungselemente
abgelegt wurden. Halbleiter-Wafer sind üblicherweise dünne und
ein wenig zerbrechliche Scheiben mit nominellen Durchmessern zwischen
100mm und 300mm. Gegenwärtig werden
200mm Halbleiter-Wafer
verbreitet verwendet, aber die Verwendung von 300mm Wafern ist in der
Entwicklung. Die Bauart ist für
Halbleiter-Wafer und
andere Substrate bis zu mindestens 300mm Durchmesser anwendbar und
auch für
Substrate mit größerem Durchmesser,
und begrenzt vorteilhafterweise jegliche bedeutsame Unregelmäßigkeiten
der Waferoberflächenpolierung
auf nicht mehr als ungefähr
die sogenannte 2mm Abschlusszone an dem radialen Rand der Halbleiter-Scheibe,
und häufig
auf einen ringförmigen
Bereich von weniger als ungefähr 2mm
von dem Rand des Wafers.
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Eine
Basis 105 schafft eine Stütze für die anderen Komponenten einschließlich einer
Brücke 107, welche
das Heben und Senken des Karussells mit den angebrachten Kopfeinheiten
unterstützt
und zulässt.
Jede Kopfbefestigungseinheit 104 (siehe 4)
ist auf dem Karussell 102 montiert, und jede der Polierkopfeinheiten 103 ist
zur Drehung an der Kopfbefestigungseinheit 104 angebracht,
das Karussell ist zur Drehung um eine zentrale Karussell-Achse 108 angebracht,
und eine Drehachse 111 jeder Polierkopfeinheit 103 ist
im Wesentlichen parallel zu, aber getrennt von der Karussell-Drehachse 108.
Das CMP-Werkzeug 101 weist auch die motorgetriebene Platte 109 auf,
die zur Drehung um eine Plattenantriebsachse 110 angebracht
ist. Die Platte 109 hält ein
Polierkissen 135 und wird von einem Plattenmotor (nicht
gezeigt) angetrieben, um zu drehen. Dieses spezielle CMP-Werkzeug ist eine
mehrköpfige
Bauart, was bedeutet, dass es eine Mehrzahl an Polierköpfen für jedes
Karussell gibt; jedoch sind CMP-Werkzeuge mit einem Kopf bekannt,
und Kopfeinheit 103, Haltering 166, und das Verfahren
zum Polieren können
mit einer Poliervorrichtung entweder nach mehrköpfiger oder einköpfiger Art
verwendet werden. Des Weiteren wird bei dieser besonderen CMP-Bauart
jede der Mehrzahl der Köpfe
durch einen einzelnen Kopfmotor angetrieben, der eine Kette (nicht
gezeigt) antreibt, welche ihrerseits jeden der Polierköpfe 103 über eine
Kette und einen Zahnmechanismus antreibt; jedoch kann jeder Kopf 103 mit einem
getrennten Motor und/oder durch andere als ketten- und zahnartige
Antriebe gedreht werden. Das CMP-Werkzeug enthält auch eine Drehverbindung 116,
welche eine Mehrzahl an unterschiedlichen Gas-/Fluidkanälen vorsieht,
um unter Druck stehende Fluide wie beispielsweise Luft, Wasser,
Vakuum oder dergleichen, zwischen stationären Quellen außerhalb
des Kopfes und Stellen auf oder innerhalb der Wafer-Trägereinheit 106 zu
verbinden. Fünf
unterschiedliche Gas/Fluidkanäle
können
durch die Drehverbindung vorgesehen sein. Wenn der Kammern aufweisende
Unterträger
enthalten ist, sind zusätzliche
Verbindungsöffnungen,
zur Versorgung der erforderlichen unter Druck stehenden Fluide an
die zusätzlichen
Kammern, enthalten.
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Während des
Betriebs drehen die Polierplatte 109 mit festgehaltenem
Polierkissen 135, das Karussell 102, und jeder
der Köpfe 103 um
ihre eigene Achse. Die Karussell-Drehachse 108 kann von
der Plattendrehachse 110 um ungefähr einen Inch (25.4mm) vergesetzt
sein. Die Geschwindigkeit, mit der sich jede Komponente dreht, wird
derartig gewählt,
dass jeder Abschnitt auf dem Wafer im wesentlichen die gleiche Entfernung
mit der gleichen Durchschnittsgeschwindigkeit zurücklegt,
wie jeder andere Punkt auf einem Wafer, um ein gleichmäßiges Polieren
oder Planarisieren des Substrats zu schaffen. Da das Polierkissen üblicherweise
etwas kompressibel ist, ist die Geschwindigkeit und die Art der
Wechselwirkung zwischen dem Kissen und dem Wafer, wo der Wafer das
Kissen zuerst berührt,
ein entscheidender Faktor für
die von dem Rand des Wafers abgetragenen Materialmenge, und für die Gleichmäßigkeit
der polierten Wafer-Oberfläche.
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Ein
Polierwerkzeug mit einer Mehrzahl über ein Karussell angebrachter
Kopfeinheiten ist in dem U.S. Patent Nr. 4,918,870 mit dem Titel „Floating Subcarriers
for Wafer Polishing Apparatus" beschrieben;
ein Polierwerkzeug mit einem schwimmenden Kopf und schwimmendem
Haltering ist in dem U.S. Patent Nr. 5,205,082, „Wafer Polisher Head Having Floating
Retainer Ring",
beschrieben; und eine Drehverbindung zur Verwendung in einem Polierkopf
ist in dem U.S. Patent Nr. 5,443,416 beschrieben und „Rotary
Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatus" betitelt.
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Es
ist möglich,
einen zwei Kammern aufweisenden Kopf mit einem scheibenförmigen Unterträger mit
einer oberen Oberfläche 163 im
Inneren der Poliervorrichtung und einer unteren Oberfläche 164, zum
Anbringen eines Substrats (z.B. Halbleiter-Wafer) 113,
und einen ringförmigen
Haltering 166 zu schaffen, der koaxial angeordnet ist mit
und um beide, den unteren Abschnitt des Unterträgers 160 und um den
Rand des Wafer-Substrats 113, anliegt, um das Substrat
direkt unterhalb und in Kontakt mit dem Unterträger 160 und einer
Polierkissenoberfläche 135 zu
halten, die ihrerseits an der Platte 109 festgehalten ist.
Das Halten des Wafers direkt unterhalb des Unterträgers ist
wichtig für
die Gleichmäßigkeit, da
der Unterträger
eine abwärts
gerichtete Polierkraft auf die Rückseite
des Wafers auferlegt, um die Stirnseite des Wafers gegen das Kissen
zu zwingen. Fine der Kammern (P2) 132 steht in Fluidverbindung
mit dem Träger 160,
und übt
während
des Polierens einen nach unten gerichteten Polierdruck (oder Kraft) auf
den Unterträger 160 aus,
und indirekt des Substrats 113 gegen das Polierkissen 135 (bezeichnet
als „Unterträgerkraft" oder „Wafer-Kraft"). Die zweite Kammer
(P1) 131 steht über
einen Haltering-Adapter 168 in Fluidverbindung mit dem
Haltering 166, und übt
während
des Polierens einen nach unten gerichteten Druck des Halterings 166 gegen
das Polierkissen 135 aus (bezeichnet als „Ringkraft"). Die beiden Kammern 131, 132 und
die mit ihnen verbundenen Druck-/Vakuumquellen 114, 115 erlauben
die Steuerung des Drucks (oder Kraft), der durch den Wafer 113 und
getrennt durch den Haltering 166 gegen die Polierkissenoberfläche 135 ausgeübt wird.
-
Während die
Unterträgerkraft
und die Ringkraft unabhängig
gewählt
werden können,
kann die Bauart angepasst werden, um mehr und weniger Verbindungsgrade
zwischen der Ringkraft und der Unterträgerkraft zu schaffen. Durch
geeignetes Wählen bezüglich der
Verbindungseigenschaften zwischen einer Kopfgehäuse-Stützkonstruktion 120 und
dem Unterträger 160,
und zwischen dem Unterträger 160 und
dem Ring 166, können
Grade der Unabhängigkeit
in dem Bereich von unabhängiger
Bewegung des Unterträgers
und Rings, bis zu starker Verbindung zwischen dem Unterträger und
Ring erreicht werden. Das Material und geometrische Charakteristika
von Verbindungselementen, die in der Art von Membranen 145, 162 gebildet
sind, schaffen eine optimale Verbindung, um ein gleichmäßiges Polieren
(oder Planarisation) über
die Oberfläche
eines Halbleiter-Wafers, sogar an den Rändern des Substrats, zu erreichen.
-
Bauarten
mit Kammern aufweisenden Unterträgern
werden auch beschrieben. Diese Kammern aufweisenden Unterträger fügen zusätzliche
Druckkammern hinzu, die eine sogar größere Kontrolle der Polierkraft
als eine Funktion der Position erlauben.
-
Es
ist auch möglich,
die Größe und Form
des Halterings 166 im Vergleich zu herkömmlichen Haltering-Bauarten
zu modifizieren, um das Polierkissen 135 in einem Bereich
nahe des äußeren Umfangsrands
des Substrats 113 im voraus zusammenzupressen und/oder
zu konditionieren, so dass nachteilige Effekte, die mit der Bewegung
des Substrats 113 über
das Kissen 135 von einem Bereich des Kissens zu einem anderen
in Verbindung gebracht werden, sich nicht als Nichtlinearitäten auf
der polierten Substratoberfläche
offenbaren. Der Haltering 166 dient dazu, das Kissen 135 an
den Vorder- und Abrichtungskanten (training edges) der Bewegung
zu ebnen, so dass, bevor das vorrückende Substrat einen neuen
Bereich des Kissens berührt,
das Kissen im Wesentlichen flach und in einer Ebene mit der Substratoberfläche ist;
und kurz vor dem Ende des Kontakts zwischen dem Substrat und dem
Kissen, wird das Kissen flach und in einer Ebene mit der polierten Oberfläche des
Substrats gehalten. Auf diese Art stößt das Substrat immer auf eine
flache, im voraus zusammengepresste, und im Wesentlichen gleichmäßige Polierkissenoberfläche.
-
Der
Haltering presst das Polierkissen im voraus zusammen, bevor es sich über die
Wafer-Oberfläche
bewegt. Dies hat zur Folge, dass die ganze Wafer-Oberfläche ein
Polierkissen mit dem gleichen Betrag an vorherigem Zusammenpressen
erlebt, was auf einen gleichmäßigen Materialabtrag über die
Wafer-Oberfläche hinausläuft. Durch
unabhängige
Steuerung des Healtering-Drucks ist es möglich, den Betrag der vorherigen
Zusammenpressung des Polierkissens zu regulieren, und somit den
Betrag an Material, der von dem Wafer-Rand entfernt wird, zu beeinflussen.
Computer-Steuerung, mit oder ohne Feedback, beispielsweise die Verwendung
von Endpunkt-Detektierungseinrichtungen,
kann helfen, die gewünschte
Gleichmäßigkeit
zu erreichen.
-
Zuerst
richten wir unsere Aufmerksamkeit auf einen zwei Kammern aufweisenden
Polierkopf 100, der in 2 gezeigt
wird, um die Art, in der ausgewählte
Aspekte der Vorrichtung arbeiten, darzustellen. Insbesondere zeigen
und beschreiben wir die Art, in der Druck auf die Halteringeinheit
(einschließlich
Haltering-Adapter 168 und Haltering 166) und den
Träger 160 ausgeführt und
gesteuert werden. Dann werden wir andere Aspekte beschrieben.
-
Revolverkopf-Anbringungsadapter 121 und Stifte 122, 123 oder
andere Befestigungseinrichtungen erleichtern die Ausrichtung und
Befestigung oder Anbringung des Gehäuses 120 an einer
Welle 219, die zur Drehung relativ zu dem Karussell 102 angebracht
ist, oder bei Versionen mit einem einzelnen Kopf, an anderen Stützstrukturen,
wie beispielsweise einem Arm, der den Kopf über die Oberfläche des Kissens
bewegt, während
sich der Kopf und das Kissen drehen. Das Gehäuse 120, schafft eine
Stützstruktur
für andere
Kopfkomponenten. Eine Nebenmembran 145 ist an das Gehäuse 120 durch
einen Distanzring 131 angebracht, um die Nebenmembran von
dem Gehäuse 120 zu
trennen, um einen Bereich von senkrechter und winkliger Bewegung
der Membran und daran angebrachter Strukturen (einschließlich Träger 160)
relativ zu einer nominellen Nebenmembranebene 125 zuzulassen.
(Die Haupt- und die Nebenmembran lassen auch eine kleine waagerechte
Bewegung zu, als Folge der winkligen Neigung allein oder in Verbindung
mit der senkrechten Translation, die vorgesehen ist, um winklige Änderungen
an der Grenzfläche
zwischen den Träger-Kissen und Haltering-Kissen
Grenzflächen
unterzubringen, aber diese waagerechte Bewegung ist normalerweise klein
verglichen mit der senkrechten Bewegung.)
-
Der
Distanzring 131 kann integral mit dem Gehäuse 120 gebildet
sein und die gleiche Funktion schaffen; wie jedoch bei einer alternativen
Version der Vorrichtung (siehe zum Beispiel 5) beschrieben
wird, ist der Distanzring 131 vorteilhafterweise aus einem
getrennten Stück
gebildet und an das Gehäuse
mit Befestigungen (beispielsweise Schrauben) und konzentrischen
O-Ringdichtungen angebracht, um sicherzustellen, dass die Anbringung
luft- und druckdicht ist.
-
Träger 160 und
Halteringeinheit 167 (einschließlich Haltering-Adapter 168 und
Haltering 166) sind ähnlich
an die Hauptmembran 162 angebracht, die ihrerseits an einem
unteren Abschnitt des Gehäuses 124 angebracht
ist. Der Träger 160 und
der Haltering 166 sind somit in der Lage, sich senkrecht
geradlinig zu bewegen und sich zu neigen, um Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche
des Kissens unterzubringen, und um zu helfen, das Polierkissen flach
zu machen, wo das Kissen zuerst den Haltering 166 nahe
dem Rand des Wafers 113 trifft. Allgemein wurde diese Art
von durch Membranen erleichterter Bewegung als „Schwimmen" bezeichnet, der Träger und Haltering als „schwimmender
Träger" und „schwimmender
Haltering", und
ein Kopf, der diese Elemente enthält, wurde als eine „schwimmender Kopf"-Bauart bezeichnet.
Während
die zu beschreibende Vorrichtung „schwimmende" Elemente verwendet,
sind die Bauart und das Verfahren des Betriebs anders, als die vordem
im Stand der Technik bekannten.
-
Flanschring 146 verbindet
die Nebenmembran 145 mit einer oberen Oberfläche 163 des
Unterträgers 160,
die selbst an der Hauptmembran 162 angebracht ist. Der
Flanschring 146 und der Unterträger 160 sind wirksam
zusammengeklemmt und bewegen sich als eine Einheit, aber die Halteringeinheit 167 ist nur
an der Hauptmembran angebracht und kann sich frei bewegen, abhängig lediglich
von durch die Haupt- und Nebenmembran auferlegten Zwängen auf
die Bewegung. Der Flanschring 146 verbindet die Hauptmembran 162 und
die Nebenmembran 145. Reibungskräfte zwischen der Memran und
dem Flanschring und Unterträger
helfen die Membran am Platz zu halten und beim Aufrechterhalten
einer Spannung über
der Membran. Die Art, in der die Haupt- und die Nebenmembran die
geradlinige und winklige Bewegung des Trägers und Halterings zulassen,
wird ferner durch die schematische Darstellung in 3 gezeigt,
die ein deutlich übertriebenes Verhältnis zeigt,
in dem die nominelle planare Anordnung von jeder Membran 145, 162 geändert ist,
um die geradlinigen und winkligen Freiheitsgrade zuzulassen. Dieser übertriebene
Grad der in der Figur dargestellten Membranbiegung, besonders in
winkliger Ausrichtung, ist nicht während des Polierens zu erwarten,
und die senkrechte Translation würde
normalerweise nur während
Wafer-Beschickungs- und Entladevorgängen auftreten. Insbesondere
tritt bei der Nebenmembran 145 etwas Biegen oder Verdrehung
in ersten und zweiten Biegungsbereichen 172, 173 in
der Spanne zwischen Anbringung am Dichtungsring 131 und
Flanschring 146 auf; und bei der Hauptmembran tritt unterschiedliches
Biegen oder Verdrehung bei dritten, vierten, fünften und sechsten Biegungsbereichen 174, 175, 178, 179 auf,
wo sie ihre Anbringungen an Gehäuse 120 und
Träger 160 spannt.
-
In
dieser Beschreibung beziehen sich die Begriffe „obere" und „untere" zweckdienlich auf relative Ausrichtungen
von Strukturen, wenn die beschriebene Struktur sich in ihrem normalen
Betriebszustand befindet, typischerweise wie in den Zeichnungen
gezeigt. Auf die gleiche Art, beziehen sich auch die Begriffe „senkrecht" und „waagerecht" auf Ausrichtungen
oder Bewegungen, wenn Elemente in ihrer beabsichtigten Ausrichtung
verwendet werden. Dies ist angemessen für eine Poliermaschine, da Wafer-Poliermaschinen
der den Erfindern bekannten Art für eine waagerechte Polierkissenoberfläche sorgen, welche
die Ausrichtungen von anderen Polierkomponenten fixiert.
-
Als
nächstes
richten wir unsere Aufmerksamkeit auf die alternative und etwas
mehr hoch-entwickelte Polierkopfeinheit 103, die in 4 dargestellt
ist. Insbesondere wird Betonung auf die Wafer-Trägereinheit 106 gerichtet;
die Drehverbindungs- 116 und Kopfbefestigungseinheits- 104 Komponenten
der Polierkopfeinheit 103 werden jedoch auch beschrieben.
Wir merken an, dass, obwohl einige oben beschriebene Strukturen
(siehe 2) etwas unterschiedliche Strukturen als die darzustellenden
(siehe 4) haben, gleiche Bezugszeichen beibehalten wurden,
so dass ähnliche,
von den Elementen geschaffene Funktionen, in den verschiedenen Ausführungsformen
verdeutlicht werden.
-
Polierkopfeinheit 103 weist
im Allgemeinen eine Welle 219 auf, die eine Wellendrehachse 111 definiert,
eine Drehverbindung 116, und eine Wellenstützeinrichtung 209 mit
Lagern, die Einrichtungen zur Anbringung der Welle 219 in
einer Wellenstütze schaffen,
wobei die Wellenstütze
an der Brücke 107 in
einer Art angebracht ist, die eine Drehung der Welle zulässt. Diese
Wellenstützstrukturen
sind in dem mechanischen Stand der Technik bekannt, und werden hier
nicht. detailliert beschrieben. Eine Struktur innerhalb der Welle
wird dargestellt und beschrieben, da diese Struktur die Struktur
und den Betrieb der Drehverbindung 116 betrifft.
-
Die
Drehverbindung 116 schafft Einrichtungen für die Verbindung
unter Druck stehender und nicht unter Druck stehender Fluide (Gase,
Flüssigkeiten,
Vakuum, und dergleichen) zwischen einer Fluidquelle, beispielsweise
einer Vakuumquelle, die stationär
und nicht-drehend ist, und der drehbaren Polierkopf-Wafer-Trägereinheit 106.
Die Drehverbindung ist angepasst, um an den nicht drehbaren Abschnitt des
Polierkopfes angebracht zu werden, und schafft Einrichtungen für das Begrenzen
und fortwährende Verbinden
eines unter Druck stehenden oder nicht unter Druck stehenden Fluids,
zwischen einer nicht drehbaren Fluidquelle und einem an eine äußere Oberfläche des
drehbaren Wellenschafts 219 angrenzenden Raumbereich. Während eine
Drehverbindung insbesondere in 4 dargestellt
ist, wird verstanden werden, dass Drehverbindungen bei den anderen
Ausführungsformen
der Erfindung anwendbar sind.
-
Ein
oder mehr Fluidquellen sind mit der Drehverbindung 116 über eine
Rohrleitung und ein Steuerungsventil (nicht gezeigt) verbunden.
Die Drehverbindung 116 weist einen ausgesparten Bereich
auf einem inneren Oberflächenabschnitt
auf, der ein typisch zylindrisches Reservoir 212, 213, 214 zwischen
dem inneren Oberflächenabschnitt 216 des Drehanschlußstücks 116 und
der äußeren Oberfläche 217 des
Wellenschafts 219 begrenzt. Dichtungen sind zwischen der
drehbaren Welle 219 und dem nicht drehbaren Abschnitt der
Drehverbindung vorgesehen, um ein Lecken zwischen den Reservoiren
und den Bereichen außerhalb
der Reservoire zu verhindern. Herkömmliche Dichtungen, wie im
mechanischen Stand der Technik bekannt, können verwendet werden. Eine
Bohrung oder Öffnung 201,
die Mitte des Wellenschafts runter, ist auch vorgesehen, um ein
Fluid über
eine drehbare Verbindung zu verbinden.
-
Der
Wellenschaft 219 weist mehrere Durchgänge, zum Beispiel fünf Durchgänge, auf,
die sich von der äußeren Schaftoberfläche und
dem oberen Ende des Schafts zu hohlen Bohrungen innerhalb des Wellenschafts
erstrecken. Aufgrund der speziellen Schnittansicht in 4,
sind nur drei der fünf Durchgänge in der
Zeichnung sichtbar. Von jeder Bohrung werden das Vakuum oder andere
unter Druck stehende oder nicht unter Druck stehende Fluide über Verbindungen
und/oder Rohrleitungen innerhalb der Wafer-Trägereinheit 106 mit
der Stelle, an der das Fluid benötigt
wird, verbunden. Die exakte Stelle oder das Vorhandensein der Verbindungen sind
ein Ausführungsdetail
und nicht wichtig, außer wie
nachstehend beschrieben. Diese angeführten Strukturen schaffen Einrichtungen
für das
Begrenzen und fortwährende
Verbinden eines oder mehrerer unter Druck stehender Fluide, zwischen
dem an die äußere Oberfläche des
drehbaren Schafts angrenzenden Bereich und der eingeschlossenen
Kammer, aber andere Einrichtungen können verwendet werden. Eine
Drehverbindung, die weniger Kanäle
als in dieser speziellen Vorrichtung vorsieht, ist in dem U.S. Patent
Nr. 5,443,416 beschrieben und „Rotary
Union for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatus" betitelt.
-
Ein
Beispiel eines Wafer-Polierkopfes und einer Wafer-Trägereinheit 106 ist
in 5 dargestellt, die auch in der anhängigen U.S.
Patent Anmeldung Nr. 09/294,547, angemeldet am 19. April 1999, erscheint.
Ein weiteres Beispiel eines Wafer-Polierkopfes ist in dem U.S. Patent
Nr. 5,527,209 gezeigt und beschrieben, und betitelt „Wafer
Polishing Head Adapted for Easy Removal of Wafers". Auf diese Polierkopfstrukturen
wird Bezug genommen, um allgemein und rein exemplarisch, nicht beschränkend, die
Polierkopf-Art, mit der die erfindungsgemäßen Strukturen verwendet werden
können,
darzustellen. Im Allgemeinen ist jede der unten beschriebenen, exemplarischen
Ausführungsformen
auf eine Modifikation des Wafer-Halteverfahrens und -struktur, und
die Art, in der Polierdruck auf den Wafer angewandt wird, um die
gewünschte
Polierwirkung zu erzielen, gerichtet. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
sind nicht begrenzt auf irgendeine spezielle Polierkopfbauart oder
-struktur, Halteringstruktur, Gehäusegestalt oder irgendwelche
anderen Beschränkungen, die
nicht als Erfordernis festgestellt werden. Aus diesem Grund konzentriert
sich die Beschreibung hauptsächlich
auf die Beziehung zwischen dem Wafer und der Struktur und dem Verfahren
zum Halten des Wafers.
-
Die
Arbeiter mit gewöhnlichen
Fachkenntnissen werden zu schätzen
wissen, in Verbindung mit der hier geschaffenen Offenbarung, dass
die Strukturen und Verfahren mit geeigneten Modifikationen, die innerhalb
der Fachkenntnis eines Arbeiters auf dem Gebiet liegen, auf einen
weiten Bereich von Polierkopfbauarten, Planarisierungsköpfen und
Verfahren angewandt werden können,
und nicht auf die speziellen schwimmender Kopf, schwimmender Träger, schwimmender
Haltering, oder dergleichen Strukturen, die hier gezeigt oder beschrieben
werden, beschränkt
ist. Vielmehr kann jede Ausführungsform
bei zahlreichen unterschiedlichen Arten von Poliermaschinen angewandt
werden.
-
In
Bezug auf 6, ist eine Zwei-Kammer-Bauart
mit einer Haltering- (HR) und einer Unterträger- (UT) Druckkammer gezeigt.
Ferner ist ein Wafer-Unterträger 160 vorgesehen,
aber der Wafer-Unterträger
trägt,
hält, oder
bringt das Substrat 113 (beispielsweise einen Halbleiter-Wafer)
nicht tatsächlich an,
wie bei herkömmlichen
Polierkopfbauarten und -ausführungen.
Vielmehr hat die untere Fläche 164 des
Unterträgers,
die sich gegenüber
dem Polierkissen befindet, eine ringförmige Flächendichtung 302 angebracht,
die Kontakt mit dem zu polierenden Substrat 113 herstellt
und eine Dichtung zwischen dem Substrat und dem Unterträger bildet.
Die ringförmige Flächendichtung 302 ist
nahe dem äußeren Umkreis des
Rands 304 des Unterträgers
angebracht, aber nicht notwendigerweise an dem äußeren Umfangsrand 306,
da es beabsichtigt ist, dass sie zwischen der rückseitigen Fläche des
Wafers 308 und der nach unten gerichteten Oberfläche des
Unterträgers 164 liegt.
(Beachten Sie, dass die nach unten gerichtete Oberfläche des
Unterträgers 164 die
Oberfläche
ist, die dem Polierkissen 135 während eines Polierbetriebs
gegenüberliegt).
-
Kurz
vor Beginn eines Polierbetriebs, wird die rückseitige Oberfläche 308 eines
Substrats, beispielsweise eines Halbleiter-Wafers 113,
gegen die ringförmige
Flächendichtung 302 plaziert.
Die Flächendichtung 302 kann
an dem Unterträger 160 auf viele
Arten angebracht werden. Zum Beispiel kann die Flächendichtung
an den Unterträger
angeklebt werden. Alternativ ist ein Kanal 310 mit einer
Nut in der nach unten gerichteten Fläche 164 des Unterträgers 160 vorgesehen,
um die Flächendichtung 302 aufzunehmen,
welche entweder durch Kleben, eine Pressreibungspassung eine ineinandergreifende Nut,
oder andere herkömmliche
Wege befestigt werden kann, in denen ein etwas elastisches Element, wie
beispielsweise die elastische Flächendichtung 302,
eingesetzt und in einer starren, maschinell bearbeitbaren Struktur,
wie beispielsweise einem Metall- oder Keramik-Unterträger, gehalten
werden kann.
-
Unabhängig davon,
wie die Flächendichtung 302 an
den Unterträger 160 angebracht
wird, sollte die Flächendichtung
eine derartige Größe haben
und derart angebracht werden, dass ein unterer Oberflächenabschnitt 312 der
Flächendichtung
(der Abschnitt, der die Rückseite 308 des
Substrats 113 enthält)
sich über
die Unterträgeroberfläche 164 erstreckt,
so dass, wenn ein Halbleiter 113 montiert wird, eine rückseitige
Tasche oder rückseitige
pneumatische Kammer 314 zwischen der Rückseite des Wafers 308 und
der nach unten gerichteten Oberfläche des Unterträgers 164 geschaffen
wird. Der Betrag der Erstreckung oder Taschentiefe sollte derart sein,
dass, wenn der Halbleiter-Wafer durch die Oberflächendichtung an den Unterträger montiert wird,
der Wafer nicht die Unterträgeroberfläche 164 berührt, entweder,
(i) wenn Vakuum angewandt wird, um den Wafer 113 unmittelbar
bevor und unmittelbar nach dem Polieren an der Oberflächendichtung 302 zu
halten, oder (ii) wenn ein Polierdruck in der rückseitigen pneumatischen Kammer 314 angewandt wird
und der Wafer 113 gegen das Polierkissen 135 gedrückt wird.
Die tatsächliche
Taschentiefe hängt von
zahlreichen Faktoren ab, einschließlich dem Material aus dem
die Oberflächendichtung 302 hergestellt ist
(dadurch, dass ein mehr komprimierbares Material gewöhnlich eine
größere Tiefe
als ein weniger komprimierbares Material erfordert), dem Durchmesser
des gehaltenen Substrats oder Wafers 113, insofern als
von einem größeren Substrat
erwartet werden kann, dass es sich nach innen beugt (auf den Unterträger zu),
wenn ein Halte-Vakuum angewandt wird und mehr nach innen gedrückt wird
(insbesondere in der Mitte des Wafers, wo durch die Oberflächendichtung
selber einen geringere Stütze
geschaffen wird) als ein kleineres Substrat, und dem auf die rückseitige
Druckkammer 314 angewandten Bereich von Vakuum und positiven
Polierdrücken,
neben anderen Faktoren. Taschentiefen zwischen ungefähr 0.5mm
und ungefähr
5mm können
verwendet werden, aber eine Taschentiefe von ungefähr 1mm bis ungefähr 2mm sind
für einen
200mm Wafer-Polierkopf üblich.
Es ist möglich,
eine Flächendichtung
mit einer biegsamen Lippe zu haben, derart, dass das Dichten durch
Verformen einer biegsamen ringförmigen
Lippe gegen den Wafer geschaffen wird. Alternativ wird ein etwas
weiches, komprimierbares Gummi oder polymerisches Material für die Flächendichtung 302 in
der Art eines „O-Rings" verwendet, um die Dichtung
zu bilden. Die Vakuum- (negativer Druck) Haltekraft und der positive
Polierdruck sind aus zumindest einem Loch oder einer Öffnung 318 an
der nach unten gerichteten Oberfläche 164 des Unterträgers 160 vorgesehen,
das/die in Fluid-Verbindung mit einer Quelle von zentralisiertem
Luftdruck oder unter Druck stehendem Fluid 320 steht. Unter
Druck stehendes Gas, für
gewöhnlich
Luft, aus einer Quelle von unter Druck stehender Luft, kann vorteilhaft
verwendet werden. Eine Mehrzahl derartiger Löcher oder Öffnungen 318 kann
an der Unterträgeroberfläche 164 wahlweise
vorgesehen werden, und kann für schnelles
und gleichmäßiges Wechseln
des Drucks auf der Wafer Rückseite
vorteilhaft sein. Auf ähnliche Art
kann die Vakuumquelle 320 über die gleichen Löcher 318 oder über verschiedene
Löcher
in Verbindung gebracht werden. Üblicherweise
wird das unter Druck stehende Gas mit den Löchern oder Öffnungen durch Anbringen einer
Armatur an der oberen Seite des Unterträgers, Schaffen von Kanälen oder einer
Sammelleitung von Kanälen
innerhalb des Unterträgers 324,
und Verbinden der Kanäle
oder Sammelleitung von Kanälen 326 mit den Öffnungen 318, die
sich auf die untere Oberfläche 164 des
Unterträgers 160 öffnen, in
Verbindung gebracht. Es wird angemerkt, dass, da die Öffnungen
von der Rückseite des
Wafers durch eine Zwischenraum getrennt sind, das Polieren nicht
empfindlich bezüglich
der Stelle oder Größe der Öffnungen 318 ist,
im Vergleich zu herkömmlichen
Polierköpfen,
bei denen die Öffnungen
den Wafer direkt oder durch einen polymerischen Einsatz berühren.
-
Im
Betrieb wird ein Wafer 113 in der Tasche positioniert,
die durch den Haltering 166 gebildet wird, der sich während einem
Wafer-Beschickungsvorgang etwas hinter den Unterträger 160 und
die Flächendichtung 320 erstreckt,
und wird durch ein Vakuum am Platz gehalten gegen die Flächendichtung.
Der Polierkopf 103, einschließlich des Halterings 166,
Unterträger 160,
Flächendichtung 302 und angebrachter
Wafer 113 werden dann gegenüberliegend gegen das Polierkissen 135 positioniert. Üblicherweise
werden beide, der Polierkopf und das Polierkissen, in einem absoluten
Sinn bewegt, aber sicherlich relativ zu einander, so dass ein gleichmäßiges Polieren
und Planarisieren des Substrats erreicht werden.
-
Die
Struktur wendet Druck direkt gegen die Rückseite des Wafers an (außer wo sich
die Flächendichtung
befindet), so dass lokalisierte Druckänderungen, wie sich durch eine Änderung
in den Eigenschaften eines herkömmlichen
Poliereinsatzes, Auftreten von Verunreinigungen zwischen der Wafer-Rückseite 308 und
dem Einsatz oder der Unterträgerfläche 164,
Nicht-Flachheit des Einsatzes oder der Unterträgeroberfläche 164, oder dergleichen
ergeben könnten,
nicht auftreten. Da etwas Druckänderung
möglicherweise
als Folge des Vorhandenseins der Flächendichtung auftreten kann,
ist es wünschenswert,
dass sich die Flächendichtung
nahe dem Umfangsrand 306 des Wafers, in dem sogenannten
Randabschlussbereich, befindet, und nur so breit ist (der Unterschied
zwischen dem ringförmigen inneren
Radius und dem ringförmigen äußeren Radius),
dass sie eine verlässliche
Dichtung schafft. Gewöhnlich
kann eine Breite von ungefähr
1mm bis ungefähr
3mm verwendet werden, aber geringere oder größere Breiten können benutzt
werden. Bemerken Sie, dass, wenn ein rein pneumatischer Druck auf
die rückseitige
Polierkammer 314 angewandt wird, der nach unten gerichtete
Polierdruck, unabhängig
von jeglichen Verunreinigungen, die auf der Wafer-Rückseite vorhanden sein können, gleichmäßig ist.
Somit wird ein gleichmäßigeres
Polieren geschaffen.
-
Obwohl
wir gezeigt und beschrieben haben, was eine herkömmliche Unterträger-Struktur 160 zu sein
scheint, wird angemerkt, dass die besonderen Characteristika des
Unterträgers 160 nicht
wichtig sind, da der Unterträger
den Wafer 113 nicht tatsächlich anbringt und nicht verantwortlich
ist, eine flache oder planare Oberfläche gegen die der Wafer, direkt oder
durch einen Einsatz, angebracht ist, darzubieten. Zum Beispiel kann
die Oberfläche
des Unterträgers 164 nicht
planar sein, so lange wie die Flächendichtung
derart angebracht ist, dass ihre berührende Oberfläche ausreichend
planar ist, so dass die pneumatische Dichtung beibehalten wird.
Alternativ ist eine Mehrzahl an Flächendichtungen 302 über der Oberfläche des
Unterträgers 164 vorgesehen,
entweder, um eine zusätzliche
Stütze
für Wafer 113 mit größerem Durchmesser,
während
der Zeiten in denen nicht poliert wird, zu schaffen, oder, um getrennte Druckzonen
zu begrenzen. Wenn getrennte Druckzonen vorgesehen sind, wird eine
getrennte Quelle von Luft, Fluid oder pneumatischem Druck 320 an
jede Zone, in der beschriebenen Art, zugeführt.
-
Ausführungsform,
in der ein gesteuerter Luftdruck getrennt an den Haltering, das
innere Rohr und die Rückseite
des Wafers angewandt wird.
-
In
Bezug auf 7, ist eine Ausführungsform 400 der
Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die Flächendichtung 402,
im Vergleich zu der in 6 gezeigten,
modifiziert, um eine zusätzliche
Flächendichtungsdruckkammer 403 in
der Form eines aufblasbaren inneren Rohrs, das den gleichen oder
einen unterschiedlichen Druck von der gleichen oder einer unterschiedlichen
Quelle von unter Druck stehendem Fluid erhält, zu schaffen. Da die Flächendichtungsdruckkammer
eine geschlossene Kammer ist, die nicht zu der Umwelt offen ist,
können Flüssigkeiten
oder Gase als Druckquelle verwendet werden. Normalerweise wird die
Flächendichtungsdruckkammer 403 mit
einer anderen Quelle von unter Druck stehendem Fluid als die rückseitige
Druckkammer 414 verbunden sein, da es wünschenswert ist, den Druck
in jeder Druckkammer 403, 414 getrennt zu steuern,
wegen der untenstehend beschriebenen Gründe.
-
Bei
herkömmlichen
Poliersystemen tritt etwas Änderung
im Polieren häufig
nahe dem Umfangsrand eines Wafers auf. Sogar bei Geräten, die eine
rückseitige
Druckkammer vorsehen, aber eine inerte oder passive Flächendichtung 302,
wie in Bezug auf 6 beschrieben, aufweisen,
können
einige (minimale) Randeffekte auftreten. Das Potential für Randeffekte,
die entweder aus dem Vorhandensein der passiven Flächendichtung 302 oder
von anderen Eigenschaften des Wafers 113, Wafer-Polierkopfes oder
Wafer-Polierverfahrens resultieren, können durch das Schaffen einer
modifizierten Flächendichtung 402,
welche eine aktive Dichtungsstruktur ist, die eine Flächendichtungsdruckkammer 403 begrenzt,
wie durch diese Ausführungsform
geschaffen, weiter vermindert werden.
-
Die
aktive Flächendichtung 402 unterscheidet
sich von der passiven Flächendichtung 302 zumindest
dadurch, dass die erstgenannte 402 eine Druckkammer 403 in
der Form eines runden oder kreisförmigen inneren Rohrs oder Blase 402 begrenzt,
das/die nahe dem Umfangsrand 306 des Wafers 113,
in der bereits in Bezug auf die passive Flächendichtung 302 in 6 beschrieben Art, angeordnet ist.
-
Da
die aktive Flächendichtung 402 notwendigerweise,
wegen dem Vorhandensein der in ihr begrenzten Druckkammer 403,
eine dickere Struktur als die passive Flächendichtung 302 ist,
ist es wünschenswert,
dass die aktive Flächendichtung
teilweise in einer ringförmigen
Nut oder Aussparung, die in dem Unterträger 160 gebildet ist
(beispielsweise durch Formen, Gießen, oder maschinelles Bearbeiten),
angebracht ist. Bei einer Version der aktiven Flächendichtung 402,
ist eine etwas rohrförmige Struktur
vorgesehen, in der unter Druck stehendes Fluid (Flüssigkeit
oder Gas, aber vorzugsweise Gas) in die rohrförmige Struktur durch eine geeignete
Armatur 423, die in die rohrförmige Flächendichtung 402 von
innerhalb des Unterträgers 160 eingefügt ist, eingeführt wird.
Wie bei der rückseitigen
Druckkammer 314, kann der Druck zu der aktiven Flächendichtung
von einer Armatur 425, die an der oberen Oberfläche des
Unterträgers
angebracht ist, in Verbindung gebracht werden, und zu der rohrförmigen aktiven Flächendichtung,
durch einen Kanal oder eine Sammelleitung von Kanälen 426 innerhalb
des Unterträgers,
in Verbindung gebracht werden.
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Alternativ
ist die aktive Flächendichtung 402 keine
rohrförmige
Struktur, sondern weist vielmehr eine elastische Materialplatte,
einen geformten Kanal, oder dergleichen auf, welche/r die Flächendichtungsdruckkammer
nur bildet, wenn sie an dem Unterträger befestigt ist. Während die
Befestigung einer derartigen Platten- oder Kanalstruktur, wegen
der Notwendigkeit, eine positive Druckdichtung zu erreichen, wo
die Dichtung den Unterträger
trifft, und der Notwendigkeit, für
eine wesentliche Druckgleichmäßigkeit
an der Grenzfläche
von Dichtung/Wafer oder Dichtung/Substrat, etwas komplexer sein
kann, schafft sie einen größeren Raum
von Optionen für Form
und Material. Mischmaterialien können
verwendet werden, die mit einer wahren geschlossenen, rohrförmigen Struktur
schwer zu erreichen wären.
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Der
Betrieb des Polierkopfes mit der aktiven Flächendichtung 402 und
der Flächendichtungsdruckkammer 403 ist ähnlich dem
bereits für
den Betrieb der passiven Dichtung in 6 beschriebenem, außer, dass
der Druck in der Flächendichtungsdruckkammer 403 während eines
Polierbetriebs getrennt und unabhängig, relativ zu der rückseitigen
Druckkammer 414, gesteuert wird. Abhängig von den Charakteristika
des zu polierenden Wafers, und den Charakteristika des Polier- oder
Planarisierungsverfahrens, können
die gleichen oder unterschiedliche Drücke auf die Flächendichtungsdruckkammer 403 und die
rückseitige
Druckkammer 414 angewandt werden. Gewöhnlich werden unterschiedliche
Drücke angewandt
werden, und der Flächendichtungskammerdruck
kann größer oder
geringer als der Druck der rückseitigen
Kammer sein. Zum Beispiel, für
einen nominellen Polierdruck von 8 psi (55160 Pa) in der rückseitigen
Kammer, kann die Flächendichtungspolierkammer
einen Druck von 7 psi bis 9 psi (48265 bis 62055 Pa) verwenden.
Natürlich
kann der Druck in jeder, der Flächendichtungskammer
und der rückseitigen
Kammer, während
des Polierbetriebs unabhängig
geändert
werden.
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Ausführungsform,
in der ein pneumatisches Rohr oder Druckblase, vom schwimmenden
Haltering gestützt,
den Wafer anbringt.
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In
Bezug auf 8, ist eine alternative
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der Wafer 113 wird durch eine elastische,
pneumatische, ringförmige,
dichtende Blase 550, tatsächlich eine rohrförmige Blase
oder innere Blase, die von einem Haltering gestützt wird, getragen. Der Wafer-Polierkopf
weist einen Haltering 166 mit einer inneren zylindrischen Oberfläche auf,
der eine innere zylindrische Tasche 552, in der Größe, den
zu polierenden Wafer zu tragen, und die Bewegung des Wafers seitlich
einzuschränken,
wenn der Wafer relativ zu dem Polierkissen bewegt wird, begrenzt.
Die relative Bewegung kann eine Drehbewegung des Kopfes mit befestigtem
Wafer, und eine getrennte Drehbewegung des Polierkissens sein. Ein
Linearmotor des drehenden Kopfes über das drehende Kissen kann
auch verwendet werden.
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Eine
Wafer-Befestigungsanschlagplatte 554 ist an dem Haltering
befestigt, dient aber lediglich als ein mechanischer Anschlag, um
beim Halten des Wafers unter einem angewandten Vakuumhaltedruck,
ohne übermäßiges Beugen
oder Biegen des Wafers, zu helfen. In übermäßig vereinfachten Worten, ist
eine Wafer-Befestigungsanschlagplatte 554 ähnlich einem
Unterträger,
außer
dass die Wafer-Befestigungsanschlagplatte lediglich dem Betrieb
während
einer Wafer-Beschickung und Entladung hilft. Sie trägt den Wafer
nicht in einem herkömmlichen Sinne,
während
der Polier- oder Planarisierungsbetriebe.
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Stattdessen
wird der Wafer 113 durch ein Rohr, wie die elastische,
pneumatische, ringförmige, dichtende
Blase 550, getragen, die zur Fluidkommunikation mit einem
ersten unter Druck stehenden pneumatischen Fluid, beispielsweise
Luft oder einem anderen Gas, verbunden ist. Die elastische, pneumatische,
ringförmige,
dichtende Blase begrenzt eine erste pneumatische Zone oder Kammer 556,
und ist an einer ersten Oberfläche
der Wafer-Befestigungsanschlagplatte, an die innere zylindrische
Oberfläche des
Halterings angrenzend, befestigt, um den Wafer zu erhalten und den
Wafer an oder nahe seiner Umfangskante zu stützen. Diese elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende
Blase trägt
auch einen pneumatischen Druck, der primär auf den äußeren Umfangsrandabschnitt 557 des
Wafers wirkt (zum Beispiel, auf den äußersten 0mm bis 3mm Abschnitt bis
zu dem äußersten
10mm radialen Abschnitt wirkt).
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Die
elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende
Blase 550 begrenzt auch eine zweite pneumatische Zone oder
Kammer 558, radial innen zu der ersten pneumatischen Zone
oder Kammer 557, und sich zwischen der ersten (äußeren) Oberfläche der
Wafer-Anschlagplatte und einem befestigten Wafer, wenn der Wafer
während
eines Polierbetriebs an dem Polierkopf befestigt ist, erstreckend.
Die zweite pneumatische Zone oder Kammer ist zur Fluidkommunikation
mit einem zweiten, unter Druck stehenden, pneumatischen Fluid verbunden.
Die zweite Kammer kann eine dünne,
plattenartige Kammer sein, die sich zwischen der Oberfläche der
Rückseite des
Wafers 113, der äußeren Oberfläche der
Wafer-Befestigungsanschlagplatte 554, und der durch die
elastische, pneumatische, ringförmige
dichtende Blase 550 gebildete Dichtung, erstreckt. Das
zweite unter Druck stehende, pneumatische Fluid wird mit der zweiten
Zone oder Kammer über
ein Loch (oder Löcher),
das sich durch die Befestigungsanschlagplatte zu einer ausgefüllten Kammer 560 (plenum chamber)
innerhalb des Gehäuses 559 erstreckt,
in Verbindung gebracht. Diese ausgefüllte Kammer wird üblicherweise
mit der Kammer 560, über
Armaturen 561 und Rohrleitungen, mit einer äußeren Quelle
von unter Druck stehendem, pneumatischem Fluid, in Verbindung gebracht.
Eine oder mehrere Drehverbindungen, wie sie im Stand der Technik
bekannt sind, können
verwendet werden. Eine exemplarische Drehverbindung ist in dem U.S.
Patent Nr. 5,443,416, mit dem Titel „Rotary Union for Coupling Fluids
in a Wafer Polishing Apparatus",
von Volodarsky et al., der Mitsubishi Materials Corporation übertragen,
beschrieben.
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Es
wird angemerkt, dass die erste oder äußere Oberfläche 562 der Wafer-Befestigungsanschlagplatte
die Oberfläche
der Wafer-Rückseite während des
Polierens des Wafers nicht berührt,
und vorzugsweise den Wafer während
Wafer-Beschickungs-
und Entladevorgängen
nicht berührt
(obwohl sie auch berühren
kann). Die Wafer-Befestigungsanschlagplatte ist primär im Betrieb
während
der Zeiten, in denen nicht poliert wird, um zu verhindern, dass sich
der Wafer durch eine angewandte Vakuumkraft, die verwendet wird,
um den Wafer an dem Polierkopf während
Wafer-Beschickungs- und Entladevorgängen zu halten, übermäßig biegt.
Sie hilft auch bei der Minimierung des Einführens von Polier-Emulsion oder
Polierablagerungen in das Gehäuse.
Das erste und das zweite unter Druck stehende Fluid werden reguliert,
um einen vorbestimmten Polierdruck über einer Stirnseitenoberfläche des
Wafers zu erreichen. Das erste unter Druck stehende Fluid, welches
auf das Innere 556 der elastischen, pneumatischen, ringförmigen,
dichtenden Blase 550 angewandt wird, ist mit der Blase
von einer äußeren Quelle über Armaturen,
Rohrleitungen, und die Drehverbindung, oder auf andere herkömmliche
Art, verbunden. Die erste Kammer übt ihre Kraft primär an oder
nahe dem Umfangsrand des Wafers aus. Die zweite Kammer 560, 558 übt ihre
pneumatische Kraft über
den verbleibenden zentralen Bereich des Wafers aus, und schafft den
vorherrschenden Polierdruck. Die Randblase kann derart angesehen
werden, dass sie einen Differentialdruck, um die Kantenpolier-Charakteristik zu verändern, schafft.
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Kurz
bevor ein Polierbetrieb begonnen wird, wird die Rückseitenoberfläche eines
Substrats, beispielsweise ein Halbleiter-Wafer 113, gegen
die elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende Blase 550 plaziert.
Die elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende Blase kann
an dem Haltering oder Unterträger
auf verschiedene Arten befestigt werden. Zum Beispiel, in einer
Ausführungsform,
kann die elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende Blase geklebt
werden. Alternativ ist ein Kanal mit einer Nut in der nach unten
gerichteten Fläche
des Halterings vorgesehen, um die elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende
Blase zu erhalten. In einer anderen Alternative, wird die elastische,
pneumatische, ringförmige,
dichtende Blase durch das Begrenzen eines ringförmigen Abschnitts von plattenartigem
oder geformtem Material in eine Schlaufe, und das Begrenzen der
Schlaufe mit Befestigungen auf inneren Oberflächen, die mit dem Haltering
in Verbindung gebracht werden, gebildet. Die Befestigungen werden
durch ein Haltering-Verschleißelement
und die zuvor beschriebene Wafer-Befestigungsanschlagplatte bedeckt,
so dass sich lediglich ein Abschnitt der dichtenden Blase über die
Oberfläche
der Befestigungsanschlagplatte erstreckt. Der sich erstreckende
Abschnitt trennt den wafer von der Anschlagplatte.
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Obwohl
wir gezeigt und beschrieben haben, was eine Struktur für die Befestigungsanschlagplatte 554 mit
einiger allgemeiner Ähnlichkeit
zu einem Unterträger
zu sein scheint, ist dies nicht tatsächlich der Fall, und es wird
angemerkt, dass die besonderen Charakteristika der Befestigungsanschlagplatte 554 nicht
wichtig sind, da sie den Wafer nicht tatsächlich anbringt und nicht für das Darbieten
einer flachen oder planaren Oberfläche, gegen die der Wafer, direkt
oder über
einen Einsatz, angebracht wird, verantwortlich ist. Zum Beispiel
kann die Oberfläche
der Befestigungsanschlagplatte nicht planar sein, so lange wie die
elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende
Blase derart angebracht ist, dass ihre berührende Oberfläche ausreichend
planar ist, so dass die pneumatische Dichtung beibehalten wird.
Die äußere Oberfläche der
Befestigungsanschlagplatte kann etwas nach innen auf die Mitte zu
gewinkelt sein, so dass ein etwas größeres Beugen in der Mitte des
Wafers, ohne ein Berühren
der Wafer-Befestigungsanschlagplatte,
zugelassen wird.
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Zusammenfassend
schafft diese besondere Ausführungsform
der Erfindung einen Wafer-Polierkopf zum Polieren eines
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Halbleiter-Wafers
auf einem Polierkissen, wo der Polierkopf folgendes aufweist: einen
Haltering mit einer inneren zylindrischen Oberfläche, der eine innere zylindrische
Tasche, in der Größe den Wafer
zu tragen, begrenzt und um die Bewegung des Wafers seitlich einzuschränken, wenn
der Wafer-relativ zu dem Polierkissen bewegt wird, während er
gegen das Polierkissen poliert wird; eine an dem Haltering befestigte
Wafer-Befestigungsanschlagplatte; und eine elastische, pneumatische,
ringförmige,
dichtende Blase, die zur Fluidverbindung mit dem ersten unter Druck
stehenden pneumatischen Fluid verbunden ist, um eine erste pneumatische
Zone zu begrenzen, und die an einer ersten Oberfläche der
Wafer-Anschlagplatte, angrenzend an die innere zylindrische Oberfläche des
Halterings, befestigt ist, um den Wafer zu erhalten und um den Wafer
an einem Umfangsrand zu stützen.
Die elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende Blase begrenzt
eine zweite pneumatische Zone, radial innen zur ersten pneumatischen
Zone, und die sich zwischen der ersten Oberfläche der Wafer-Anschlagplatte
und dem Wafer erstreckt, wenn der Wafer während eines Polierbetriebes
an dem Polierkopf befestigt ist, und die zur Fluidverbindung mit
einem zweiten unter Druck stehenden pneumatischen Fluid verbunden
ist, wobei die erste Oberfläche
der Wafer-Anschlagplatte eine Oberfläche der Rückseite des Wafers während des
Polierens des Wafers nicht berührt.
Die Wafer-Befestigungsanschlagplatte ist wirksam während der
Zeiten in denen nicht poliert wird, um zu verhindern, dass sich
der Wafer von einer angewandten Vakuumkraft, die verwendet wird,
um den Wafer während
Wafer-Beschickungs-
und Entladevorgängen
an den Polierkopf zu halten, übermäßig biegt;
und das erste und das zweite unter Druck stehende Fluid werden reguliert,
um einen vorbestimmten Polierdruck über einer Stirnseitenoberfläche des
Wafers zu erreichen.
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Ausführungsform
mit einer Mehrzahl an Druckrohren oder -blasen, zur Steuerung der
mehrfachen Druckzonen auf dem Wafer.
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In
Bezug auf 9 wird eine weitere alternative
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das Konzept,
die Struktur und das Verfahren der einzelnen Umfangsrand-elastisch-pneumatisch-ringförmig-dichtenden-Blase
der 8 ausgeweitet, um eine Multi-Druck-Kammerstruktur
auf der Rückseite
des Wafers 113 zu schaffen. In dieser Ausführungsform
wird der Wafer durch eine Mehrzahl an ringförmigen oder kreis(Mitte)förmigen pneumatischen
Blasen 580-1, 580-2, 580-3 getragen,
die von dem unteren Abschnitt des Polierkopfes gestützt werden.
Tatsächlich
werden sie von dem Haltering durch eine runde Blasen-Befestigungsplatte 581,
die sich über
die Öffnung
in dem Haltering 166 in der Art eines Wafer-Trägers oder
Unterträgers
erstreckt, getragen oder aufgehängt;
jedoch ist es zu schätzen,
dass die Analogie mit einem Wafer-Träger oder Unterträger nicht
ganz genau ist, da der Wafer den Träger oder Unterträger nicht
berührt,
und die kreisförmige
Blasen-Befestigungsplatte 581 sich
mit dem Haltering 166 bewegt.
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In
der Figur sind drei getrennte Blasen 580-1, 580-2, 580-3 vorgesehen.
Eine erste elastische, pneumatische, ringförmige, dichtende Blase 580-1, tatsächlich eine
rohrförmige
Blase, wird von dem Haltering 166 gestützt und befindet sich an dem
Umfangsrand des Wafers, angrenzend an die innere zylindrische Oberfläche 571 des
Halterings; eine zweite pneumatische Blase 580-2 in der
Form eines Rings oder einer Scheibe, zum Anwenden eines Polierdrucks
auf einen mittigen Abschnitt des Wafers, und eine dritte Blase in
der Form einer ringförmigen
Blase 580-3, die sich zwischen der ersten ringförmigen Blase 580-1 und
der mittigen Scheibenblase 580-2 liegend befindet. Es wird
angemerkt, dass andere Anordnungen von ringförmigen Blasen vorgesehen werden
können,
dass die mittige, scheibenförmige
Blase nicht vorhanden sein kann, und dass jede Anzahl von Blasen
zwischen der äußeren Umfangsblase 580-1 und
der mittigen Blase 580-2 vorgesehen werden kann. Des Weiteren
muß die
Blase nicht in der Mitte sein, und kann auch kreis- oder ringförmig sein.
Außerdem
können
die Blasen aneinanderstoßen
oder nahezu aneinanderstoßen,
um so eine ringförmige Ordnung
von dicht beabstandeten Druckkammern, zum Schaffen einer Druckkraft
direkt auf der Rückseite
des Wafers, zu bilden.
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Pneumatischer
Druck zu der ersten Umfangsrand-ringförmigen-Blase 580-1 (PA),
zu der mittigen Blase 580-2 (PC),
und zu der dazwischen liegenden Blase 580-3 (PB),
ist zu Rohren 587-1, 587-2, 587-3 oder
anderen Leitungen zu getrennten Armaturen 582-1, 581-2, 582-3 vorgesehen,
und sind an der inneren Oberfläche
der Wafer-Anschlagplatte angebracht und stehen in Verbindung durch
die Armaturen und Löcher
oder Kanäle
in der Anschlagplatte mit einem Inneren einer jeden Blase.
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Jede
der Blasen begrenzt auch, oder hilft zu begrenzen, zusätzliche
ringförmige
Kammern, die zwischen den Blasen angeordnet sind. Zum Beispiel ist
eine vierte Druckkammer 583 (PD)
zwischen der mittigen Blase und der dazwischen liegenden Blase begrenzt,
und eine fünfte
Druckkammer 584 (PE) ist zwischen
der ersten Umfangsrandblase und der dazwischen liegenden ringförmigen Blase
begrenzt. Jede dieser vierten und fünften Kammern ist auch mit unter
Druck stehendem Gas oder einem anderen Fluid, über Löcher 589 und Armaturen 585, 586, sowie optional
mit einem Vakuum für
Beschickungs- und Entladevorgänge,
versehen.
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Es
wird angemerkt, dass jeder der Drücke (PA,
PB, PC, PD, PE) unabhängig gesteuert
werden kann, wodurch eine feine Steuerung des Polierdruckprofils
erlaubt wird. Diese Drücke
können
unter der Kontrolle eines Computersteuerungssystems optional verändert werden,
um den Druck in einer oder mehrerer Kammern während des Polierbetriebs zu ändern. Feedback
von einem Prozesskontrollschirm kann verwendet werden, um die Drücke in jeder Kammer
(jede Blase oder jede Zwischen-Blasen-Kammer) zu regulieren, um
die gewünschte
Polierwirkung zu erreichen.
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Obwohl
wir getrennte Quellen für
jeden der Drücke
beschrieben haben, ist es möglich,
eine einzelne Quelle zu haben, die unter Druck stehendes Gas an
eine Sammelleitung speist, worin die Sammelleitung eine Mehrzahl
an regulierbaren Auslässen aufweist,
wobei jeder Auslass auf eine unterschiedliche Kammer gerichtet ist.
Auf diese Art kann die Last, dass mehrfache Drücke von einer stationären äußeren Quelle
zu dem drehenden Kopf in Verbindung gebracht werden, beispielsweise
durch Verwenden einer Drehverbindung, vermindert werden.
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Wie
in der vorher beschriebenen Ausführungsform
mit nur einer einzelnen ringförmigen, pneumatischen
Blase, weist der Wafer-Polierkopf einen Haltering mit einer inneren
zylindrischen Oberfläche
auf, der eine innere zylindrische Tasche, in der Größe den Wafer
zu tragen, begrenzt und um die Bewegung des Wafers seitlich einzuschränken, wenn der
Wafer relativ zu dem Polierkissen bewegt wird. Die relative Bewegung
kann eine Drehbewegung des Kopfes mit befestigtem Wafer, und eine
getrennte Drehbewegung des Polierkissens sein. Ein Linearmotor des
drehenden Kopfes über
das drehende Kissen kann auch verwendet werden.
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Wie
beschrieben, ist die Wafer-Befestigungsanschlagplatte 581 an
dem Haltering 166 befestigt und fährt prinzipiell fort, ein wenig
der Funktion eines mechanischen Anschlags zu dienen, um beim Halten
des Wafers unter einem angewandten Vakuumhaltedruck, ohne übermäßiges Beugen
oder Biegen des Wafers, zu helfen; in dieser Ausführungsform
ist die Funktion der Wafer-Befestigungsanschlagplatte jedoch etwas
vermindert, wenn viele Blasen über
ihrer Oberfläche
angeordnet sind, da die Blasen selbst den Betrag des Beugens (oder
des Zurückhaltens
des Wafer vom Beugen) des Wafers, wenn sie unter Druck stehen, kontrollieren.
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Die
ringförmigen
Breiten oder Durchmesser, die Anzahl und Lage des ringförmigen Rings/der
ringförmigen
Ringe oder Scheibe/n, und der angewandte Druck, werden reguliert,
um das gewünschte
Polierergebnis zu erreichen. Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform,
trägt die
erste pneumatische, ringförmige,
dichtende Blase, die an oder nahe dem Umfangsrand des Wafers angeordnet
ist, einen pneumatischen Druck, der primär auf den äußeren Umfangsrandabschnitt
wirkt (zum Beispiel, auf den äußersten
0mm bis 3mm Abschnitt bis zu dem äußersten 10mm radialen Abschnitt
wirkt). Die Breite der anderen Blasen und Zwischen-Blasen-Kammern kann
frei gewählt
werden, und kann zum Beispiel dünne
(z.B. 2–5mm
breite ringförmige
Blasen) oder breitere ringförmige
Blasen (z.B. 5–25mm
breite Blasen) einschließen.
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Wo
dicht gepackte Blasen vorgesehen sind, werden die Zwischen-Blasen-Kammern 583, 584 nicht
getrennt unter Druck gesetzt (außer für eine gemeinsame Vakuumhaltekraft
während
Beschickung und Entladung), und der Polierdruck wird durch die Blasen
geschaffen. Alternativ können
einige oder alle Zwischen-Blasen-Kammern unter Druck gesetzt werden.
Eine Entlüftung
von den Zwischen-Blasen-Bereichen ist auch vorgesehen, um jeglichen
Druckaufbau in den nicht unter Druck gesetzten Bereichen zu verhindern.
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Jede
der elastischen, pneumatischen Blasen 582 kann an dem Haltering
(oder Haltering und Anschlagplatte) auf mehrere Arten angebracht
werden. Zum Beispiel, in einer Ausführungsform, können die Blasen
an die Haltering/Plattenstruktur geklebt werden. Alternativ können Kanäle mit Nuten
in der nach unten gerichteten Fläche,
um die Blasen zu erhalten, vorgesehen werden. In einer anderen Alternative werden
die pneumatischen Blasen durch das Begrenzen eines ringförmigen Abschnitts
(oder runde Scheibe) von plattenartigem oder geformtem Material
in eine Schlaufe oder ringförmige
Wulst, und das Begrenzen der Schlaufe mit Befestigungen auf inneren
Oberflächen,
die mit dem Haltering in Verbindung gebracht werden, gebildet. Die
Befestigungen werden durch ein Haltering-Verschleißelement
oder durch ringförmige
Abstandsringe, die zwischen den ringförmigen oder scheibenförmigen Blasen
angeordnet sind, bedeckt, so dass sich lediglich ein Abschnitt der
Blasen über
die Oberfläche
der Befestigungsanschlagplatte erstreckt. Dies ist die in der Figur
dargestellte Anordnung. Der Abschnitt, der sich über die ringförmigen Abstandsringe
erstreckt, trennt den Wafer von der Anschlagplatte, und dient letztlich als
die Anschlagplatte. Beachten Sie, dass eine Mehrzahl an Blasen aus
einem einzelnen Materialstück
gebildet und integral geformt werden kann, oder jede Blase kann
getrennt geformt werden.
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Unabhängig davon
wie die elastische, pneumatische, ringförmige Blase an dem Haltering
(oder dem Unterträger)
angebracht ist, sollten die Blasen einer derartige Größe haben
und derart angebracht werden, dass unterere Oberflächenabschnitte
der Blasen sich über
die Befestigungsanschlagplatte 501 äußere Oberfläche erstrecken, so dass, wenn
ein Halbleiter 113 montiert wird, eine rückseitige
Tasche oder rückseitige
pneumatische Kammern 584, 583 zwischen der Rückseite
des Wafers und der nach unten gerichteten Oberfläche 588 der Wafer-Befestigungsanschlagplatte
geschaffen werden, und Planarisierung erreicht wird.
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Die
Struktur wendet Druck direkt gegen die Rückseite des Wafers an (außer wo sich
die Blasen befinden), so dass lokalisierte Druckänderungen, wie sich durch eine Änderung
in den Eigenschaften des Poliereinsatzes, Auftreten von Verunreinigungen
zwischen der Wafer-Rückseite
und dem Einsatz oder der Unterträgerfläche, Nicht-Flachheit
des Einsatzes oder der Unterträgeroberfläche, oder
dergleichen in einem herkömmlichen
System ergeben könnten, nicht
auftreten. Während
einige Herstellungsänderungen
sich im Allgemeinen aus der Gegenwart der Blasen ergeben können, schaffen
eine vernünftige Wahl
der Anzahl von Blasen, ihrer Lage, und des angewandten Drucks üblicherweise
genügend
Kontrolle, so dass das Polierergebnis besser als bei herkömmlichen
Systemen ist.
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Zusammenfassend
ist in der gegenwärtigen Ausführungsform
ein Wafer-Polierkopf zum Polieren eines Halbleiter-Wafers auf einem
Polierkissen vorgesehen, wo der Polierkopf folgendes aufweist: einen
Haltering mit einer inneren zylindrischen Oberfläche, der eine innere zylindrische
Tasche, in der Größe den Wafer
zu tragen, begrenzt und um die Bewegung des Wafers seitlich einzuschränken, wenn
der Wafer relativ zu dem Polierkissen bewegt wird, während er
gegen das Polierkissen poliert wird; eine an dem Haltering befestigte
Wafer-Befestigungsanschlagplatte;
und eine Mehrzahl an elastischen, pneumatischen Blasen, die an einer
ersten Oberfläche
der Wafer-Anschlagplatte angebracht sind, wobei jede Blase zur Fluidverbindung
mit einer Quelle von unter Druck stehendem, pneumatischem Fluid verbunden
ist. Eine erste der Mehrzahl der elastischen, pneumatischen Blasen
ist ringförmig
und an die innere zylindrische Oberfläche des Halterings angrenzend
angeordnet, um den Wafer zu erhalten und um den Wafer an einem Umfangsrand
zu stützen, wobei
die erste Blase zur Fluidverbindung mit dem ersten unter Druck stehenden
pneumatischen Fluid verbunden ist. Eine zweite der Mehrzahl der
elastischen, pneumatischen Blasen ist innen zu der ringförmigen ersten
Blase angeordnet, und zur Fluidverbindung mit einem zweiten unter
Druck stehenden pneumatischen Fluid verbunden. Die ersten und zweiten
unter Druck stehenden Fluide werden reguliert, um einen vorbestimmten
Polierdruck über
einer Stirnseite des Wafers zu erreichen.