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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insgesamt auf das chemische mechanische
Polieren von Substraten, und insbesondere auf die Erfassung eines
Substrats in einem Trägerkopf
nach den Oberbegriffen der Ansprüche
1, 11, 12, 13 und 14. Ein Beispiel für einen solchen Trägerkopf
ist in der
US 5957751 offenbart.
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Gewöhnlich werden
integrierte Schaltungen auf Substraten, insbesondere auf Siliziumwafern, durch
aufeinander folgendes Abscheiden von leitenden, halbleitenden oder
isolierenden Schichten ausgebildet. Nach dem Abscheiden einer jeden
Schicht wird die Schicht geätzt,
um Schaltungsstrukturen zu erzeugen. Wenn eine Reihe von Schichten
aufeinander folgend abgeschieden und geätzt worden ist, wird die äußere oder
oberste Fläche
des Substrats, d.h. die freiliegende Fläche des Substrats, zunehmend nicht
planar.
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Das
chemische-mechanische Polieren (CMP) ist ein akzeptiertes Verfahren
zum Planarisieren einer Substratfläche. Dieses Planarisierverfahren erfordert üblicherweise,
dass das Substrat an einem Trägerkopf
oder Polierkopf angebracht wird. Dann wird die freiliegende Fläche des
Substrats an einem rotierenden Polierkissen oder an einem sich bewegenden
Polierriemen angeordnet. Das Polierkissen kann ein "Standard"-Kissen mit einer
dauerhaften aufgerauten Oberfläche
oder ein Kissen mit fixierten Abriebsstoffen sein, bei dem Abriebsteilchen
in einem Binder eingebettet sind. Der Träger stellt eine steuerbare
Belastung an dem Substrat ein, um es gegen das Polierkissen zu drücken. Zusätzlich kann
der Träger
gedreht werden, um die Relativgeschwindigkeitsverteilung über der
Oberfläche
des Substrats zu beeinflussen. Über
dem Polierkissen können
eine Polierschlämme
einschließlich
wenigstens eines chemisch-reaktiven Mittels und ein Abriebsstoff
verteilt werden, wenn ein Standardkissen verwendet wird.
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Der
Trägerkopf
wird gewöhnlich
dazu verwendet, das Substrat von dem Polierkissen zu entfernen,
wenn der Polierprozess abgeschlossen worden ist. Das Substrat wird
an der Unterseite des Trägerkopfs
durch Vakuum gehalten. Wenn der Trägerkopf zurückgezogen wird, wird das Substrat
von dem Polierkissen abgehoben.
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Ein
bei dem CMP auftretendes Problem besteht darin, dass das Substrat
von dem Trägerkopf nicht
abgehoben werden kann. Wenn beispielsweise die Oberflächenspannung,
die das Substrat an das Polierkissen bindet, größer ist als die Kraft, die
das Substrat an den Trägerkopf
bindet, bleibt das Substrat auf dem Polierkissen, wenn sich der
Trägerkopf zu rückzieht.
Auch wenn ein defektes Substrat während des Polierens bricht,
kann der Trägerkopf
nicht in der Lage sein, das gebrochene Substrat von dem Polierkissen
zu entfernen.
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Ein
darauf bezogenes Problem besteht darin, dass die Befestigung des
Substrats an dem Trägerkopf
nicht ausreichen kann, dass sich das Substrat von dem Trägerkopf
lösen kann.
Dies kann beispielsweise eintreten, wenn das Substrat an den Trägerkopf
allein durch die Oberflächenspannung
anstatt in Kombination mit einer Vakuumhalterung festgelegt ist.
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Somit
kann eine Bedienungsperson nicht wissen, dass der Trägerkopf
das Substrat nicht länger
trägt.
Die CMP-Vorrichtung arbeitet weiter, auch wenn das Substrat nicht
länger
in dem Trägerkopf vorhanden
ist. Dies kann den Durchsatz verringern. Zusätzlich kann ein loses Substrat,
d.h. ein Substrat, das nicht an einem Trägerkopf festgelegt ist, von
den sich bewegenden Komponenten der CMP-Vorrichtung herumgestoßen werden,
wodurch das Substrat oder das Polierkissen potenziell beschädigt wird
oder Bruchstücke
zurückbleiben,
die andere Substrate beschädigen
können.
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Ein
weiteres, bei dem CMP auftretendes Problem ist die Schwierigkeit
zu bestimmen, ob das Substrat in dem Trägerkopf vorhanden ist. Da sich
das Substrat unter dem Trägerkopf
befindet, ist es schwierig, durch visuelle Beobachtung zu bestimmen,
ob das Substrat vorhanden und richtig an dem Trägerkopf befestigt ist. Zusätzlich werden
optische Erfassungstechniken der Schlämme behindert.
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Ein
Trägerkopf
kann eine starre Basis mit einer unteren Fläche aufweisen, die als eine
Substrataufnahmefläche
dient. Durch die Basis erstrecken sich mehrere Kanäle zu der
Substrataufnahmefläche.
Eine Pumpe oder Vakuumquelle kann ein Vakuum an die Kanäle anlegen.
Wenn Luft aus den Kanälen
abgepumpt wird, wird das Substrat an der unteren Fläche der
Basis durch das Vakuum eingespannt gehalten. Mit einer Druckleitung
zwischen der Vakuumquelle und den Kanälen in dem Trägerkopf
kann ein Drucksensor verbunden werden. Wenn das Substrat nicht erfolgreich
durch das Vakuum an dem Trägerkopf
gehalten ist, öffnen
die Kanäle,
und Luft oder ein anderes Fluid fließt im Leckstrom in die Kanäle. Wenn
andererseits das Substrat durch das Vakuum erfolgreich an dem Trägerkopf
gehalten ist, dichten die Kanäle
ab, so dass keine Luft im Leckstrom in die Kanäle gelangen kann. Demzufolge
misst der Drucksensor ein höheres
Vakuum oder einen niedrigeren Druck, wenn das Substrat erfolgreich
durch das Vakuum an der Unterseite des Trägerkopfs gehalten ist, im Vergleich
dazu, wenn das Substrat nicht an dem Trägerkopf festgelegt ist.
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Unglücklicherweise
gibt es mehrere Probleme bei diesem Verfahren der Erfassung des
Vorhandenseins eines Substrats in dem Trägerkopf. So kann korrosive
Schlämme
in die Kanäle
gesaugt werden und den Trägerkopf
verunreinigen. Zusätzlich muss
der Druckschwellenwert zum Bestimmen, ob das Substrat von dem Polierkopf
abgehoben worden ist, experimentell bestimmt werden.
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Dementsprechend
wäre es
zweckmäßig, ein CMP-System
bereitzustellen, das in der Lage ist, das Vorhandensein eines Substrats
in einem Trägerkopf zuverlässig zu
erfassen. Es wäre
auch zweckmäßig, wenn
ein solches System arbeiten könnte,
ohne dass das Innere des Trägerkopfs
der Verunreinigung durch eine Schlämme ausgesetzt ist.
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Nach
Anspruch 1 ist die Erfindung auf einen Trägerkopf gerichtet, der eine
Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und eine
untere Fläche
hat, die eine Substrataufnahmefläche
bildet, und ein Ventil in dem Trägerkopf
hat, das einen Teil eines Substraterfassungssystems bildet. Das Ventil
hat einen Ventilschaft, der eine obere Fläche des flexiblen Membran so
kontaktiert, dass, wenn ein Substrat an der unteren Fläche der
flexiblen Membran befestigt und die erste Kammer evakuiert ist,
das Ventil so betätigt
wird, dass für
das Substraterfassungssystem ein Signal erzeugt wird.
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Ausführungen
der Erfindung nach Anspruch 1 können
die folgenden Merkmale aufweisen. Das Ventil kann in einem Durchgang
positioniert sein, der die erste Kammer mit der zweiten Kammer für einen Fluiddurchgang
verbindet. Das Ventil kann in eine Offenstellung oder Schließstellung
vorgespannt sein, und die Betätigung
des Ventils kann das Ventil schließen oder öffnen. Der Ventilschaft kann
sich durch eine Öffnung
in einem Halteaufbau erstrecken und etwas über eine untere Fläche des
Halteaufbaus hinaus vorstehen. Der Halteaufbau kann bezüglich der Basis
bewegbar sein. Das Ventil kann durch eine Feder vorgespannt sein,
wobei die Federkonstante der Feder so gewählt ist, dass die Kraft aus
der Feder ausreicht, um einer Kraft aus einer flexiblen Membran entgegenzuwirken,
wenn kein Substrat befestigt ist, jedoch nicht ausreicht, einer
Kraft aus der flexiblen Membran entgegenzuwirken, wenn das Substrat
befestigt ist. Der Ventilschaft kann die obere Fläche der flexiblen
Membran kontaktieren, wenn die erste Kammer evakuiert ist. Die flexible
Membran kann um einen unteren Abschnitt des Ventils herumgelegt
sein, wenn kein Substrat vorhanden ist.
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Nach
Anspruch 11 hat der Trägerkopf
eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet
und eine untere Fläche
hat, die eine Substrataufnahmefläche
bildet, und ein Ventil in dem Trägerkopf,
das einen Teil eines Substraterfassungssystems bildet. Das Ventil
hat einen Ventilschaft, der an einer Haltefläche vorbei so vorsteht, dass,
wenn die erste Kammer evakuiert und ein Substrat an der unteren
Fläche
der flexiblen Membran befestigt ist, das Substrat an der Haltefläche anstößt und das
Ventil betätigt.
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Nach
Anspruch 12 hat der Träger
eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und
eine untere Fläche
hat, die eine Substrataufnahmefläche
bildet, sowie eine Vielzahl von Ventilen in dem Trägerkopf,
die Teil eines Wafererfassungssytems bilden. Wenn ein Substrat an
der flexiblen Membran befestigt und die erste Kammer evakuiert ist, kann
jedes der Ventile so betätigt
werden, dass ein Signal für
das Wafererfassungssystem erzeugt wird.
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Nach
Anspruch 13 hat der Trägerkopf
eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet
und eine untere Fläche
hat, die eine Substrataufnahmefläche
bildet, und eine Vielzahl von Ventilen in dem Trägerkopf, die Teil eines Wafererfassungssystems
bilden. Wenn ein Substrat an der flexiblen Membran befestigt und
die erste Kammer evakuiert ist, muss mehr als eines der Ventile
betätigt
werden, um ein Signal für
das Wafererfassungssystem zu erzeugen.
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Nach
Anspruch 14 hat der Trägerkopf
eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet
und eine untere Fläche
hat, die ein Substrataufnahmefläche
bildet, eine zweite Kammer, einen Durchgang durch die Basis zwischen
der ersten und der zweiten Kammer, ein erstes Ventil, das in die
Offenstellung vorgespannt ist und so wirkt, dass der Durchgang geschlossen
wird, wenn die erste Kammer evakuiert und ein Substrat an der flexiblen
Membran befestigt ist, und ein zweites Ventil, das zu dem ersten
Ventil in Reihe geschaltet ist, in eine Schließstellung vorgespannt und so
betätigbar
ist, dass der Durchgang geöffnet
wird, wenn die zweite Kammer evakuiert ist, sowie ein Substraterfassungssystem zum
Feststellen, wann die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbunden
ist.
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Zu
den Vorteilen der Erfindung gehören
die folgenden. Die CMP-Vorrichtung hat einen Sensor zur Erfassung,
ob das Substrat richtig an dem Trägerkopf festgelegt ist. Der
Sensor ist gegenüber
Fehlalarmen weniger empfänglich.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
einschließlich
der Zeichnungen und Ansprüche
ersichtlich.
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1 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung
zum chemischen-mechanischen Polieren.
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2 ist
teilweise eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs
mit einer flexiblen Membran und einer Kammer sowie teilweise eine
schematische Ansicht eines pneumatischen Steuersystems für den Trägerkopf.
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3A ist
eine vergrößerte Ansicht
des Ventils aus dem Trägerkopf
von 2.
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3B ist
eine Ansicht des Trägerkopfs
von 3A mit einem festgelegten Substrat.
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4 ist
ein Diagramm, das den Druck als Funktion der Zeit in einer CMP-Vorrichtung
zeigt, die den Trägerkopf
von 2 verwendet.
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5 ist
eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs, der Mehrfachventile
hat, die parallel geschaltet sind.
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6 ist
eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs, der Mehrfachventile
aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
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7 ist
eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs mit Ventilen, die
durch eine Membran getrennt sind.
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8 ist
eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs, bei welchem die Ventile
in entgegengesetzte Richtungen vorgespannt sind.
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Gleiche
Bezugszeichen sollen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Elemente
bezeichnen, obwohl einige Elemente in unterschiedlichen Ausführungen
unterschiedliche Aufbauten, Arbeitsweisen oder Funktionen haben
können.
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Gemäß 1 werden
ein oder mehrere Substrate 10 mit einer Vorrichtung 20 zum
chemischen mechanischen Polieren poliert. Eine vollständige Beschreibung
einer CMP-Vorrichtung
befindet sich in dem US-Patent 5,738,574. Die CMP-Vorrichtung 20 hat
eine Reihe von Polierstationen 25 und eine Überführungsstation 27.
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Jede
Polierstation 25 hat eine drehbare Platte 30,
auf der ein Polierkissen 32 angeordnet ist. Jede Polierstation
kann weiterhin eine zugehörige Kissenkonditioniervorrichtung 34 aufweisen,
um die Polierkissenoberfläche
periodisch wiederaufzubereiten. Jede Polierstation kann ferner einen
kombinierten Schlämme-/Spülarm 36 zum
Zuführen
einer Schlämme 38,
die ein aktives Mittel (beispielsweise entionisiertes Wasser für Oxidpolieren),
Abriebsteilchen (beispielsweise Siliziumdioxid) für Oxidpolieren und
einen chemisch-reaktiven Katalysator (beispielsweise Kaliumhydroxid
für Oxidpolieren)
enthält,
zu der Oberfläche
des Polierkissen 32 aufweisen.
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Die
CMP-Vorrichtung 20 hat ein drehbares Mehrkopf-Karussell 40,
das vier Trägerköpfe 100 trägt. Drei
der Trägerkopfe
nehmen Substrate auf und halten sie und polieren sie, indem sie
diese gegen das Polierkissen 32 auf der Platte 30 der
Polierstationen 25 drücken.
Einer der Trägerköpfe nimmt ein
Substrat von einer Überführungsstation 27 auf und
gibt es an einer solchen ab. Das Karussell kann drehen, um die Trägerköpfe und
die daran befestigten Substrate zwischen den Polierstationen und
der Überführungsstation
umlaufen zu lassen. Jeder Träger
kann unabhängig
um seine eigene Achse gedreht und unabhängig seitlich durch eine Antriebswelle 42 verschwenkt
werden.
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Insgesamt
hält der
Trägerkopf 100 das
Substrat an dem Polierkissen und verteilt eine Kraft quer über der
Rückseite
des Substrats gleichförmig.
Der Trägerkopf überträgt auch
ein Drehmoment von der Antriebswelle auf das Substrat und gewährleistet, dass
das Substrat während
des Polierens nicht von der Unterseite des Trägerkopfes rutscht.
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Gemäß 2 hat
der Trägerkopf 100 eine Gehäusenabe 102,
eine Basis 104, eine Ladekammer 108, einen Haltering 110 und
eine Substratabstützanordnung 112.
Beschreibungen ähnlicher
Trägerköpfe befinden
sich in dem US-Patent 5,957,751 und in der US-Anmeldung Ser. No. 09/169,500, eingereicht
am 9.10.1998.
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Die
Gehäusenabe
ist mit der Antriebswelle 42 für eine Drehung damit um eine
Drehachse verbunden, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des
Polierkissens ist. Durch die Gehäusenabe 104 hindurchgehend
sind drei Kanäle 130, 132 und 134 für eine pneumatische
Steuerung des Trägerkopfes
ausgebildet.
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Die
Basis 104 hat einen Kardanmechanismus 106 und
einen äußeren Klemmring 144.
Der vertikale Abschnitt der Basis 104 bezogen auf die Gehäusenabe 102 wird
durch eine Ladekammer 108 gesteuert. Die Kammer 108 steuert
auch den Abwärtsdruck
auf die Basis 104 und den Haltering 110. Die Ladekammer 108 wird
von einer Membran 140 abgedichtet, die an der Gehäusenabe 102 durch
einen inneren Klemmring 142 und an der Basis 104 zwischen einem äußeren Klemmring 144 und
einem Biegering 152 eingeklemmt ist. Der äußere Klemmring 144 hat einen
nach innen vorstehenden Flansch 146, der sich über eine
Lippe der Gehäusenabe 102 erstreckt
und eine Übererweiterung
des Trägerkopfes
verhindert und die Schlämme
abhält,
die Membran 140 zu verunreinigen.
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Mit
der Ladekammer 108 kann über einen Kanal 130 in
der Gehäusenabe 102 eine
erste Pumpe oder Druckquelle 52a verbunden werden. Wenn die
Pumpe 52a ein Fluid in die Ladekammer 108 pumpt,
nimmt das Volumen der Kammer zu, und die Basis 104 wird
nach unten gedrückt.
Wenn andererseits die Pumpe 52a Fluid aus der Ladekammer 108 abpumpt,
nimmt das Volumen der Kammer 108 ab und die Basis 104 wird
nach oben gezogen.
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Der
Kardanmechanismus 106 ermöglicht der Basis 104 eine
Bewegung bezogen auf das Nabengehäuse 102 derart, dass
der Haltering im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des
Polierkissens bleiben kann. Der Kardanmechanismus 106 hat
eine Kardanstange 150 und einen Biegering 152.
Die Kardanstange 150 kann sich vertikal in einem Kanal 132 im
Gehäuse 102 so
verschieben, dass sich die Basis 104 vertikal bezogen auf
das Gehäuse 102 bewegen
kann. Die Kardanstange 150 verhindert jedoch jede seitliche
Bewegung der Basis 104 bezogen auf das Gehäuse 102.
Durch die Kardanstange 150 hindurch kann ein erster Kanal 154 ausgebildet
werden, während
ein zweiter Kanal 156 durch die Kardanstange 150,
den Biegering 152 und den äußeren Klemmring 144 für eine pneumatische
Steuerung des Trägerkopfes
ausgebildet werden kann.
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Der
Haltering 110 kann an dem äußeren Rand der Basis 104 festgelegt
werden. Der Haltering 110 kann eine ebene Bodenfläche 126 haben
oder die Bodenfläche
kann Kanäle
aufweisen, um den Schlämmefluss
zu ermöglichen.
Wenn Fluid in die Kammer 108 gepumpt und die Basis 104 nach
unten gedrückt
wird, wird auch der Haltering 110 nach unten gedrückt und
bringt eine Last auf das Polierkissen 32 auf. Eine Innenfläche 124 des
Halterings 110 hält das
Substrat von einer seitlichen Bewegung ab.
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An
eine untere Fläche
der Basis 104 kann durch einen Klemmring 164 zur
Bildung einer Ringblase 160 eine Membran 162 angeklemmt
werden. Durch den Klemmring 164 erstreckt sich ein Kanal 166 und
ist fluchtend zu dem Kanal 156 in der Basis 104 ausgerichtet.
Mit der Blase 160 kann über
einen Kanal 134 in der Gehäusenabe 102, einen
Kanal 156 in der Basis 104 sowie einen Kanal 166 im
Klemmring 164 eine zweite Pumpe oder Druckquelle 52b verbunden
werden. Wenn die Pumpe 52b Fluid in die Blase 160 drückt, wird
sich die Blase 160 nach unten ausdehnen. Wenn andererseits
die Pumpe 52b Fluid abzieht, kontrahiert die Blase 160.
Wie nachstehend erörtert,
kann die Blase 160 dazu verwendet werden, einen Abwärtsdruck
auf den Halteaufbau 114 und die flexible Membran 118 auszuüben.
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Die
Substratstützanordnung 112 hat
eine flexible Membran 118, einen Haltering 116,
einen Halteaufbau 114 und einen Distanzring 128.
Jedes dieser Elemente wird nachstehend näher erläutert.
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Die
flexible Membran 118 ist eine kreisförmige Bahn, die von einem flexiblen
und elastischen Material gebildet wird und einen zentralen Abschnitt 170 und
einen Umfangsabschnitt 172 hat, der sich zwischen dem Distanzring 128 und
der Halteplatte 114 erstreckt. Der zentrale Abschnitt 170 der
flexiblen Membran 118 erstreckt sich unter den Halteaufbau 114 und
bildet eine Anbringfläche
für das
Substrat. Ein innerer Rand des Umfangsabschnitts 172 ist über den
Umfang des zentralen Abschnitts 170 zurückgefaltet und bildet eine
ausdehnbare Lippe 174, wie dies in der US-Anmeldung Ser.
No. 09/296,95, eingereicht am 22.4.1999, erörtert ist. Ein äußerer Rand der
Membran 118 ist zwischen dem Haltering 110 und
den äußeren Klemmring 144 eingeklemmt
und bildet eine druckbeaufschlagbare Kammer 120.
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Mit
der Kammer 120 kann über
einen Kanal 154 in der Kardanstange 150 eine dritte
Pumpe oder Druckquelle 52c verbunden werden. Wenn die Pumpe 52c ein
Fluid in die Kammer 120 drückt, nimmt das Volumen der
Kammer zu, und die flexible Membran 118 wird nach unten
gedrückt.
Wenn andererseits die Pumpe 52c Luft aus der Kammer 120 absaugt, nimmt
das Volumen der Kammer ab und die Membran wird nach oben gezogen.
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Der
Distanzring 128 ist ein ringförmiger Körper, der zwischen dem Halteaufbau 114 und
dem Haltering 110 angeordnet ist, um die richtige Form der
flexiblen Membran 118 aufrechtzuerhalten. Der Distanzring 128 kann
an dem Lippenabschnitt der flexiblen Membran 118 anliegen.
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Der
Haltering 116 ist ein ringförmiges Teil mit einem C-förmigen Querschnitt,
der innerhalb der Kammer 120 auf der flexiblen Membran 118 liegt.
Der zentrale Abschnitt 170 der flexiblen Membran 118 kann
eine sich nach innen erstreckende Lasche 176 aufweisen,
die an dem Haltering 116 angreift, um die richtige Form
der flexiblen Membran 118 aufrechtzuerhalten.
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Der
Halteaufbau 114 liegt auch innerhalb der Kammer 120 auf
der flexiblen Membran 118. Der Halteaufbau 114 hat
einen scheibenförmigen
Plattenabschnitt 180 mit einer Vielzahl von nicht dargestellten Öffnungen,
einen sich nach außen
erstreckenden Flanschabschnitt 182, der sich über den
Haltering 116 erstreckt, sowie einen sich nach unten erstreckenden
Flanschabschnitt 184, der sich zwischen dem Haltering 116 und
dem Umfangsab schnitt 172 der flexiblen Membran so erstreckt,
dass er auf dem zentralen Abschnitt 170 der flexiblen Membran
liegt.
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Die
CMP-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, zu erfassen,
ob ein Substrat richtig an dem Trägerkopf 100 festgelegt
ist. Wenn die CMP-Vorrichtung feststellt, dass das Substrat fehlt
oder nicht richtig an dem Trägerkopf
befestigt ist, kann die Bedienungsperson alarmiert und können die
Poliervorgänge
automatisch angehalten werden.
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Mit
den Fluidleitungen zwischen den Pumpen 52a, 52b und 52c und
den Kammern 108, 160 und 120 können drei
Drucksensoren oder Druckmesser 56a, 56b bzw. 56c verbunden
werden. An die Fluidleitungen können
zwischen den Druckmessern 56a, 56b und 56c und
den Pumpen 52a, 52b und 52c steuerbare
Ventile 58a, 58b bzw. 58c angeschlossen werden.
Die Pumpen 52a bis 52c, die Druckmesser 56a bis 56c und
die Ventile 59a bis 58c können in geeigneter Weise mit
einem Allzweck-Digitalrechner 60 verbunden sein. Der Rechner 60 kann
die Pumpen 52a bis 52c, wie oben beschrieben,
betreiben, um den Trägerkopf 100 mit
pneumatischer Energie zu versorgen und um ein Substrat am Boden
des Trägerkopfs
durch Vakuum festzuhalten. Zusätzlich kann
der Rechner 60 die Ventile 52a bis 52c betätigen und
die Druckmesser 56a bis 56c, wie nachstehend näher beschrieben, überwachen,
um das Vorhandensein des Substrats in dem Trägerkopf zu erfassen.
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Gemäß 3A und 3B hat
der Trägerkopf 100 ein
mechanisch betätigtes
Ventil 200, um den Trägerkopf
eine Wafererfassungsfähigkeit
zu geben. Bei einer Ausführung
ist der Kanal 156 mit einer Kammer 220 in dem
Biegering 152 verbunden, während ein Ventil 200 nahe
an der Mitte des Trägers
angeordnet ist und sich zwischen der Kammer 220 und der
Kammer 120 erstreckt. Bei dieser Ausführung hat das Ventil 200 einen
Ventilschaft 202, einen Ringflansch 204, der sich
radial von dem Ventilschaft 202 nach außen erstreckt, einen O-Ring 206 und
eine Feder 214. Der Ventilschaft 202 erstreckt
sich durch eine Öffnung 208 in
dem Biegering 152 zwischen der Ventilkammer 220 und
der unteren Kammer 120, wobei der Ventilflansch 204 in
der Ventilkammer 220 angeordnet ist. Der Abschnitt des
Ventilschaftes 202, der sich in die untere Kammer 120 erstreckt,
geht durch eine Öffnung 210 in
dem Halteaufbau 114 hindurch. Wenn die untere Kammer 120 evakuiert
ist und der Halteaufbau 114 gegen die Basis 104 zurückgezogen
ist, kann sich der Ventilschaft 202 etwas unter eine Bodenfläche 186 des
Halteaufbaus 114 erstrecken. In dem Biegering 152 können Kanäle 212 gebildet
werden, die die Öffnung 208 und
den Ventilschaft 202 umgeben, um die Kammer 120 mit
der Ventilkammer 220 zu verbinden. Um den Ventilschaft 202 in
der Ventilkammer 220 ist jedoch zwischen dem Ringflansch 204 und
dem Biegering 152 ein O-Ring 206 angeordnet. Zusätzlich ist
die Feder 214 zwischen dem Ringflansch 204 und
einer Decke 222 der Ventilkammer 220 angeordnet.
Die Feder 214 spannt das Ventil 200 in eine Schließstellung
vor (wie in 3A gezeigt). Insbesondere wird
der O-Ring 206 zwischen dem Ringflansch 204 und
dem Biegering 152 zusammengedrückt und dichtet den Kanal 212 von
der Ventilkammer 220 aus, wodurch die Ventilkammer 220 von
der unteren Kammer 120 getrennt wird. Wenn jedoch der Ventilschaft 202 nach
oben gedrückt
wird (wie es in 3B gezeigt ist), wird der O-Ring 206 nicht
länger
zusammengedrückt
und Fluid kann im Leckstrom durch einen Spalt 218 um den O-Ring
fließen.
Dadurch ist das Ventil 200 offen, und die Ventilkammer 220 und
die untere Kammer 120 stehen über die Kanäle 212 in einer Fluidverbindung.
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Eine
CMP-Vorrichtung mit einem Trägerkopf 100 erfasst,
wie folgt, ob das Substrat an dem Trägerkopf erfolgreich durch das
Vakuum gehalten ist. Das Substrat ist an der flexiblen Membran 118 positioniert.
Die Pumpe 52b bläht
die Blase 160 auf einen vorgegebenen Druck auf, dann wird
das Ventil 58b geschlossen, um die Blase 160 von
der Pumpe 52b zu trennen. Mit Hilfe des Druckmessers 56b wird
eine erste Messung des Drucks in der Blase 160 ausgeführt. Dann
evakuiert die Pumpe 52c die untere Kammer 120 zur
Erzeugung einer Niederdrucktasche zwischen der flexiblen Membran
und dem Substrat, um das Substrat an dem Trägerkopf durch Vakuum zu halten.
Anschließend
wird eine zweite Messung des Drucks in der Blase 160 mit
Hilfe des Druckmesser 56b ausgeführt. Zur Bestimmung, ob das
Substrat an dem Trägerkopf
erfolgreich durch das Vakuum gehalten wird, kann ein Vergleich der
ersten und der zweiten Druckmessung vorgenommen werden.
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Der
Trägerkopf 100 ist
so gestaltet, dass das Ventil 200 aktiviert, wenn das Substrat
vorhanden ist, und nicht aktiviert, wenn das Substrat fehlt. Wie
in 3A gezeigt ist, bewegt sich, wenn das Substrat nicht
vorhanden ist, dann, wenn die Kammer 120 evakuiert ist,
die flexible Membran 118 nach oben und berührt den
Ventilschaft. Da jedoch die flexible Membran 118 flexibel
ist und teilweise an dem Halteaufbau 114 gehalten ist,
wenn die Kammer 120 evakuiert ist, neigt die flexible Membran
dazu, sich um den Ventilschaft herumzulegen, so dass die Aufwärtszugkraft
am Ventilschaft 202 von der flexiblen Membran 118 aus
nicht ausreicht, um die Abwärtsfederkraft
von der Feder 204 zu überwinden,
so dass das Ventil 200 geschlossen bleibt. Wenn andererseits,
wie in 3B gezeigt ist, das Substrat
an der flexiblen Membran durch das Vakuum eingespannt gehalten ist,
drückt
das relativ starre Substrat auf den Ventilschaft 202. In
diesem Fall überwindet
die Aufwärtszugkraft
von der flexiblen Membran 118 und dem Substrat 10 die
Abwärtsfederkraft
von der Feder 204, so dass das Ventil 200 öffnet, wodurch
die untere Kammer 120 mit der Ventilkammer 220 in
Fluidverbindung kommt. Die ermöglicht
den Abzug von Fluid aus der Blase 160 durch die Ventilkammer 220 und die
untere Kammer 120 und die Evakuierung durch die Pumpe 52c.
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Zu
erwähnen
ist, dass die Feder 204 so gewählt ist, dass sie eine Abwärtskraft
bereitstellt, die ausreicht, um der Aufwärtskraft entgegenzuwirken, die
von der Membran allein ausgeübt
wird, jedoch nicht ausreicht, der Aufwärtskraft entgegenzuwirken, wenn
ein Substrat an der Membran befestigt ist. Allgemein gilt, dass
die Membran 118 umso steifer ist, je größer die Öffnung 210 in dem
Halteaufbau 114 ist, und dass, je weiter sich der Ventilschaft 202 an
der unteren Fläche 176 vorbei
erstreckt, die flexible Membran 118 umso mehr Kraft auf
den Ventilschaft 202 ausüben wird und die Federkonstante
der Feder 204 umso größer sein
muss. Eine niedrigere Federkonstante führt jedoch zu einer geringeren
Spannung an dem Substrat, wenn das Ventil betätigt wird.
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Gemäß 4 kann
die Blase 160 anfänglich den
Druck P1 haben. Die erste Druckmessung wird zur
Zeit T1 gemacht, bevor die Pumpe 52c die
untere Kammer 120 zu evakuieren beginnt. Wenn die Kammer 120 zur
Zeit T2 evakuiert wird, wird die flexible Membran 118 nach
oben gezogen. Wenn kein Substrat vorhanden ist, bleibt das Ventil 200 geschlossen und
der Druck in der Blase 160 bleibt konstant auf dem Druck
P1 oder steigt sogar auf den Druck P2, wenn der Haltaufbau 114 eine
Aufwärtskraft
ausübt, um
die Blase 160 zusammenzudrücken. Dadurch bleibt der Druck
in der Blase 160 gemessen durch den Druckmesser 56b auf
dem Druck P1 oder darüber. Wenn andererseits das
Substrat vorhanden ist, wird das Ventil 200 geöffnet, und
Fluid wird aus dem Raum 160 so evakuiert, dass der von
dem Druckmesser 56b gemessene Druck auf den Druck P3 abfällt.
Wenn der zweite gemessene Druck kleiner als der erste gemessene
Druck ist, ist deshalb das Substrat an dem Trägerkopf festgelegt. Wenn jedoch
der zweite gemessene Druck gleich dem oder größer ist als der erste gemessene
Druck, ist kein Substrat an dem Trägerkopf festgelegt.
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Der
Rechner 60 kann so programmiert werden, dass er die beiden
Druckmessungen speichert, die Druckmessungen vergleicht und dadurch
bestimmt, ob das Substrat erfolgreich an dem Trägerkopf durch das Vakuum eingespannt
ist. Dies kann einen extrem zuverlässigen Substratdetektor ergeben,
der keinen "falschen" Signalen unterliegt,
beispielsweise Anzeigen, dass das Substrat fehlt, wenn es tatsächlich vorhanden
ist. Zusätzlich
ist der Sensor in dem Trägerkopf
hinter der flexiblen Membran erhalten, so dass der Sensor der Schlämme keine Gelegenheit
gibt, das Innere des Trägerkopfs
zu verunreinigen.
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Bei
einer anderen Ausführung
hat gemäß 5 der
Trägerkopf 100a zwei
oder mehr Ventile 300, 310, die zwischen die untere
Kammer 120 und die Blase 160 parallel geschaltet
sind. Beispielsweise kann sich das erste Ventil zwischen der unteren
Kammer 120 und einer ersten Kammer 302 erstrecken, während sich
das zweite Ventil zwischen der unteren Kam mer 120 und einer
zweiten Kammer 312 erstrecken kann. Ein Kanal 320 in
dem Biegering 152 kann die erste Kammer 302 mit
der zweiten Kammer 312 verbinden. Dadurch ist die Kammer 120 mit
der Blase 160 verbunden, wenn eines oder beide Ventile 300 ausgelöst werden.
Diese Ausführung
erhöht
die Empfindlichkeit des Trägerkopfs
für das
Vorhandensein des Wafers und bildet eine Redundanz für den Fall,
dass ein Ventil hängen
bleibt. Wenn der Trägerkopf
drei oder mehr Ventile hat, die mit gleichen Winkelabständen um
die Trägerbasis
herum angeordnet sind, kann das Substrat darüber hinaus beim Anheben nicht
kippen.
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Bei
einer weiteren Ausführung
gemäß 6 hat
der Trägerkopf 100b zwei
oder mehr Ventile 400, 410, die zwischen die Kammer 120 und
die Blase 160 in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise
kann sich das erste Ventil zwischen der unteren Kammer 120 und
einer ersten Kammer 402 erstrecken, während ein Kanal 420 durch
den Biegering 152 die erste Kammer 402 mit dem
Kanal 414 verbinden kann, der von einer zweiten Kammer 412 durch
die O-Ringe des zweiten Ventils 410 abgedichtet ist. Die
zweite Kammer 412 ist mit der Blase 160 durch
den Kanal 156 verbunden. Kurz gesagt, der Eingang des ersten Ventils 400 ist
mit der Kammer 120, der Ausgang des ersten Ventils 400 mit
dem Eingang des zweiten Ventils 402 durch den Kanal 420 und
der Ausgang des zweiten Ventils 410 mit der Blase 160 verbunden.
Dadurch ist die Kammer 120 mit der Blase 160 nur
verbunden, wenn beide Ventile 400 und 410 ausgelöst sind.
Diese Anordnung erhöht
die Empfindlichkeit des Trägerkopfes
bezüglich
Fehlen des Substrats und gegenüber
Situationen, in denen das Substrat nicht ausreichend fest an der
flexiblen Membran festgelegt ist, beispielsweise wenn das Substrat
an der flexiblen Membran nur durch die Oberflächenspannung und nicht durch
die Vakuumeinspannung gehalten ist und kippt, anstatt beide Sensoren
zu betätigen.
Der Eingangskanal 414 des zweiten Ventils 410 kann
von der Kammer 120, während
der Ventilschaft des zweiten Ventils 410 sich in die Kammer 120 erstrecken
kann, durch O-Ringe 416 getrennt werden.
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Wie
in 7 gezeigt ist, kann eine flexible Membran 430 anstelle
von O-Ringen verwendet werden, um den Kanal 414 des zweiten
Ventils 410' von der
Kammer 120 zu trennen. Der Ventilschaft 202' des Ventils 410' kann auf der
Membran 430 liegen, und an der Unterseite der Membran 430 kann
ein Dämpfer 432 befestigt
werden. Die flexible Membran 430 ist ausreichend elastisch,
dass, wenn der Dämpfer 432 nach
oben durch die flexible Membran 118 gedrückt wird,
der Dämpfer 432 in
die Öffnung
in dem Halteaufbau 114 gedrückt werden kann, wodurch der Ventilschaft 202' nach oben gedrückt wird
und das zweite Ventil 410' betätigt.
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Bei
einer weiteren Ausführung
gemäß 8 hat
der Trägerkopf 100c zwei
Ventile 500 und 510, die zwischen den Kammern 120 und 108 in
Reihe geschaltet sind. Diese Anordnung wäre für den Trägerkopf geeignet, wie er in
der US-Anmeldung Ser. No. 60/114,182, eingereicht am 30. Dezember
1998, erörtert
ist. Bei dieser Ausführung
können
die Ventile 500 und 510 zwischen einem Biegering 152' und einer Ringkardanklemme 158 ausgebildet
werden, während
Mehrfachfluidkanäle
durch die Kardanstange und den Biegering nicht erforderlich sind.
Das erste Ventil 500 sorgt für eine Fluidverbindung der
Kammer 120 mit der ersten Ventilkammer 502 über Kanäle 508 in
dem Biegering 152',
die den Ventilschaft 506 umgeben, das zweite Ventil 510 sorgt
für eine
Fluidverbindung der Kammer 108 mit einer zweiten Ventilkammer 512 über Kanäle 518 in
der Kardanklemme 158, die den Ventilschaft 516 umschließt, während die
erste Ventilkammer 502 mit der zweiten Ventilkammer 512 über einen
nicht gezeigten Kanal verbunden ist. Das erste Ventil 500 ist
in die Offenstellung durch eine Feder 504 vorgespannt,
das zweite Ventil 510 ist in die Schließstellung durch eine Feder 514 vorgespannt.
Wenn die untere Kammer 120 evakuiert ist und ein Substrat
durch Vakuum an dem Trägerkopf
eingespannt gehalten ist, wird der Ventilschaft 506 des
ersten Ventils 500 betätigt
und drückt den
O-Ring 509 gegen die Kardanklemme 158 zum Schließen des
ersten Ventils, während
der Druck in der Kammer 108 konstant bleibt. Wenn andererseits die
untere Kammer 120 evakuiert ist, jedoch kein Substrat vorhanden
ist, bleibt das erste Ventil 500 offen. Wenn die Ladekammer 108 ebenfalls
evakuiert ist, wenn die Kammer 120 evakuiert ist, beispielsweise
um die gesamte Substratstützanordnung
und um den Haltering weg von dem Polierkissen zu heben, wird der
Ventilschaft 516 gegen die Gehäusenabe 102 gedrückt. Dies
erzeugt eine Abwärtskraft
an dem Ventilschaft, die von einer Aufwärtskraft von der Feder 514 überwunden
werden kann, die den O-Ring gegen die Kardanklemme 158 drückt, wodurch
das zweite Ventil 510 zum Öffnen gebracht und dadurch die
Ladekammer 108 mit der unteren Kammer 120 verbunden
wird. Es strömt
dann Fluid aus der Ladekammer 108 über die untere Kammer 120.
Wenn andererseits die Ladekammer 108 unter Druck gesetzt wird,
wenn die Kammer 120 evakuiert wird, beispielsweise um die
Kontaktfläche
und den Druck auf das Substrat während
des Polierens zu kontrollieren, bleibt das Ventil 510 geschlossen.
Zusammenfassend wird die Ventilanordnung betätigt, um die Ladekammer 108 mit
der unteren Kammer 120 nur dann zu verbinden, wenn kein
Substrat vorhanden ist und die Kammer 108 evakuiert ist.
Der Druckabfall in der unteren Kammer 120 kann durch den
Druckmesser 52c erfasst werden, um anzuzeigen, dass kein
Substrat vorhanden ist.
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Alternativ
kann der Trägerkopf 100c ein
einziges Ventil aufweisen, das öffnet,
wenn die Kammer 120 evakuiert ist, wenn ein Substrat vorhanden
ist. In diesem Fall kann das Ventil, welches die Kammer 108 von
einer Pumpe oder einer Druckwelle trennt, offen blei ben, so dass
die Kammer 120 nicht vollständig evakuiert wird, wodurch
verhindert wird, dass die Membran 118 sich so weit in die
Kammer 120 zieht, dass das Substrat zu hoch belastet und
beschädigt wird.
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Obwohl
bei mehreren Ausführungen
die Ventile so beschrieben sind, dass sie die untere Kammer 120 mit
der Blase 160 verbinden, kann das Ventil auch zur Verbindung
von zwei Kammern in dem Trägerkopf
verwendet werden, oder das Ventil kann eine Kammer in dem Trägerkopf
mit der Umgebungsatmosphäre
verbinden. Darüber
hinaus kann das Ventil in die Offen- oder Schließstellung vorgespannt werden,
so dass das Vorhandensein des Substrats das Ventil jeweils entweder
schließt
oder öffnet,
wenn das Ventil betätigt
wird. Das Ventil kann in Teilen des Trägerkopfs anstelle am Biegering
angeordnet werden. Beispielsweise kann das Ventil zur Mitte des
Trägers versetzt
und an einem Basisring befestigt sein, wobei die Ventilkammer zwischen
dem Biegering und dem Basisring ausgebildet ist. Zusätzlich sind
die Kanäle, die
durch den Trägerkopf
zur Bereitstellung von Fluidverbindungen ausgebildet sind, Beispiele.
Beispielsweise kann eine Fluidverbindung durch eine flexiblen Schlauch
erfolgen, der mit Anschlüssen
an der Gehäusenabe
und dem Basisring verbunden ist, wobei ein erster Kanal den Anschluss
an dem Basisring mit der Ventilkammer und ein zweiter Kanal die Ventilkammer
mit der Blase verbinden kann.