-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Polierkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 5. Beispiele eines solchen Kopfes und eines solchen
Verfahrens sind in US-A-5 803 799 offenbart.
-
Hintergrund
-
Bei
integrierten Schaltkreisen (integrated circuits, ICs) mit der Größenordnung
von weniger als 1 μm
ist erforderlich, dass die Oberflächen der Einrichtung an ihren
Metallverbindungsstufen geebnet sind. Ein chemisches mechanisches
Polieren (chemical mechanical polishing, CMP) ist die Technologie,
die zum Verebnen von Waferoberflächen
gewählt
wird. Die Packdichte von IC-Transistoren verdoppelt sich ungefähr alle
18 Monate gemäß dem so
genannten "Gesetz
von Moore".
-
Es
gibt zwei Verfahren, mit denen die Packdichte von Transistoren auf
einem Chip erhöht
werden kann. Das erste Verfahren besteht darin, die Größe der Einrichtung
oder der Matrize zu erhöhen.
Dies ist aber nicht immer das beste Verfahren, denn wenn die Matrizengröße ansteigt,
nimmt die Matrizenausbeute pro Wafer ab. Aufgrund der Tatsache,
dass die Defektdichte pro Flächenbereichseinheit
der einschränkende
Faktor (die Randbedingung) ist, nimmt die Menge von defektfreien
Matrizen pro Flächenbereich
ab, wenn die Matrizengröße zunimmt.
Es wird nicht nur die Ausbeute geringer sein, sondern die Anzahl
von Matrizen, die auf dem Wafer gestuft (gedruckt) werden können, wird
ebenfalls abnehmen. Das zweite Verfahren besteht darin, die Größe des Transistormerkmals
zu schrumpfen. Kleinere Transistoren bedeuten eine schnellere Umschaltgeschwindigkeit.
Durch vermindernde Transistorgrößen können mehr
Transistoren und mehr logische Funktion oder Speicherbits auf den
gleichen Flächenbereich
der Einrichtung gepackt werden, ohne die Matrizengröße zu vermindern.
Das Schrumpfen der Merkmalsgröße ist,
was die Technologie dazu angetrieben hat, die Ergebnisse zu liefern,
die von Dr. Moore von Intel vorhergesagt worden waren.
-
Die
Technologie mit Größen unterhalb
einem halben μm
hat sich allein in den letzten drei Jahren schnell zu der Technologie
mit Größen von
weniger als ¼ μm entwickelt.
Die Anzahl von Transistoren, die auf jedem Chip hergestellt werden,
ist enorm angestiegen – von
einigen hunderttausend Transistoren pro Chip vor drei Jahren bis
hin zu mehr als 5 Millionen Transistoren pro Chip heutzutage, bis
hin zu Hunderten von Million von Transistoren im Jahre 2006. Zu
dieser Zeit wird der Anteil der verbindenden Verdrahtung von Hunderten
von Metern in der Länge heutzutage
auf mehr als 20 km angestiegen sein. Die gängige Lösung dieser Herausforderung
ist, Schichten auf Schichten von verbindender Verdrahtung zu bauen,
mit isolierenden (dielektrischen) dünnen Filmen dazwischen. Die
Verdrahtung ist vertikal ebenfalls verbindbar, und zwar durch sogenannte "vies"; um alle elektrischen
Wege zu schaffen, die von den Funktionen des Integrierten Schaltkreises
gefordert werden.
-
Eine
neue Technologie, die Metallleitungen verwendet, die in isolierenden
dielektrischen Schichten eingebettet sind, ist von Ingenieuren bei
IBM in den späten
80-er Jahren erfunden worden, um die Anforderungen von IC-Schaltverbindungen
zu erfüllen.
Diese eingebettete Metallleitungsstruktur ermöglicht es, Metallverdrahtungsverbindungen
auf der gleichen Ebene und ebenfalls in einer Auf- und Abwärtsrichtung
zu machen, und zwar durch plasmageätzte Gräben und "vies" in
der dielektrischen Schicht. Theoretisch können die Verbindungsebenen
mit so vielen Schichten aufeinander gebaut werden, wie gewünscht wird,
solange jede Schicht mit dem CMP-Verfahren gut verebnet worden ist.
Die abschließende
Grenze der Verbindung wird durch den Verbindungswiderstand (R) und
die Induktivkapazitanz (C) gebildet. Die so genannte RC-Konstante
begrenzt das Verhältnis
von Signalen zu Geräuschen und
führt zu
einem Anstieg des Energieverbrauchs, was das Zerhacken nicht funktional
macht. Gemäß der für das Jahr
2006 vorhergesagten SIA-road map wird die Anzahl der auf einem Chip
integrierten Transistoren wahrscheinlich eine Milliarde betragen,
und die Anzahl der Schichten der Verbindung wird von fünf auf ungefähr neun
Schichten ansteigen.
-
Um
die Herausforderung der neuen Verbindungstechnologie anzunehmen,
sollten das CMP-Verfahren und auch die Leistungsfähigkeit
der CMP-Werkzeuge verbessert werden, um die folgenden drei Ziele
zu erreichen.
-
Zunächst muss
der Ausschluss der Waferkante aufgrund einer übermäßigen und aufgrund einer mangelnden
Polierung von 6 mm auf weniger als 3 mm vermindert werden. Es ist
notwendig, den Flächenbereich
von elektrisch guten Matrizen zu erhöhen, die um den Außenumfangsflächenbereich
des Wafers herum produziert werden können. Aufgrund des Anstiegs
der Matrizengröße von 10
mm pro Seite heutzutage auf 20 mm pro Seite, und auch aufgrund des
Anstiegs der Wafergröße von 200
mm auf 300 mm vor dem Jahr 2006, wird das Potenzial für elektrisch
gute Formen sich mehr als verdoppeln, wenn eine CMP-Leistung mit
einem Kantenausschluss von 2 mm erzielt werden kann.
-
Zweitens
sollte die Ungleichmäßigkeit
der Polierung von 5% (1 Sigma) auf weniger als 3% verbessert werden.
Das Waferträgerdesign
muss während
des Poliervorgangs eine gleichmäßige und
geeignete Kraft über
den Wafer hinweg ausüben.
-
Drittens
sollte das CMP metallisierte Wafer unter Kompressions- oder Zugbeanspruchung
polieren können.
Gängig
verwendete Metalle für
die Zwischenverbindung sind Aluminium und Kupferlegierung, Titan,
Titannitrid, Tungsten, Tantal sowie Kupfer. Die metallisierten Wafer
sind oft beansprucht aufgrund der Prozessbedingungen, Härte des
Metalls oder Dicke des Metalls. Die beanspruchten Wafer können sich
einwärts
(Kompressionsbeanspruchung) oder auswärts biegen (Zugbeanspruchung), und
als Ergebnis können
sie ein schwerwiegendes Problem der Ungleichmäßigkeit während des Poliervorgangs verursachen,
und eine Vertiefung von Metalllinien und eine Erosion einer Oxidschicht
oder einer dielektrischen Schicht kann auftreten. In beiden Fällen ist
die Konsequenz ein Verlust der Ausbeute oder eine Verminderung in
der Anzahl von guten Formen pro Wafer. Das neue verbesserte Design
des Schwebekopfes und Schweberückhalterings
wird es ermöglichen,
hinabpolierende Kräfte
optimal über den
gesamten Wafer hinweg, die Waferkante und auf das Polierkissen zu
verteilen, bevor die Waferkante kontaktiert wird, um eine gleichmäßig verebnete Oberfläche über die
Kante des Wafers hinweg und sein Inneres zu erzielen.
-
Integrierte
Schaltkreise werden normalerweise auf Substraten, insbesondere Siliziumwafern, durch
die sequentielle Abscheidung von zumindest einer Schicht ausgebildet,
welche Schichten leitend, isolierend oder halbleitend sein können. Diese
Strukturen werden manchmal auch als Mehrschichtmetallstrukturen
(MIMs) bezeichnet und sind wichtig relativ zu dem Erzielen einer
dichten Packung von Schaltkreiselementen auf dem Chip mit den Regeln
des stets kleiner werdenden Designs.
-
Flache
Bildschirmanzeigen, wie sie beispielsweise in Notebook-Computern,
Personal Data Assistants (PDAs), Mobiltelefonen und anderen elektronischen
Einrichtungen verwendet werden, können typischerweise zumindest
eine Schicht auf einem Glassubstrat oder einem anderen transparenten Substrat
abscheiden, um die Displayelemente, wie beispielsweise einen aktiven
oder passiven LCD-Schaltkreis,
zu bilden. Nachdem jede Schicht abgeschieden worden ist, wird die
Schicht geätzt,
um Material von ausgewählten
Bereichen zu entfernen und Schaltkreismerkmale zu schaffen. Da eine
Reihe von Schichten abgeschieden und geätzt werden, wird die äußerste oder
oberste Oberfläche
des Substrats immer weniger eben, weil der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche und
dem darunter liegenden Substrat in Bereichen des Substrats am größten ist,
wo am wenigstens Ätzen
stattgefunden hat, und der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche und
dem darunter liegenden Substrat ist am geringsten in Bereichen,
wo am meisten geätzt
worden ist. Selbst für
eine einzelne Schicht nimmt die nicht ebene Oberfläche ein
unebenes Profil ein mit Tälern und
Gipfeln. Mit einer Mehrzahl von gemusterten Schichten wird der Höhenunterschied
zwischen den Tälern
und Gipfeln dann immer stärker
und kann typischerweise um einige μm variieren.
-
Eine
nicht ebene obere Fläche
ist problematisch mit Bezug auf die zum Mustern der Oberfläche verwendete
Fotolithographie, und mit Bezug auf Schichten, die zerbrechen können, wenn
sie auf einer Oberfläche
abgeschieden werden, die eine übermäßige Höhenschwankung
hat. Daher besteht eine Notwendigkeit, die Substratoberfläche periodisch
zu verebnen, um eine ebene Oberfläche einer Schicht zu schaffen.
Die Verebnung entfernt die nicht planare äußere Oberfläche, um eine relativ flache,
glatte Oberfläche
zu bilden, und bringt das Wegpolieren von leitendem, halbleitendem
oder isolierendem Material mit sich. Anschließend an die Verebnung können weitere
Schichten auf der freiliegenden äußeren Oberfläche abgeschieden
werden, um zusätzliche Strukturen
zu bilden einschließlich
Verbindungslinien zwischen Strukturen, oder die obere Schicht kann auch
geätzt
werden, um Wege hin zu Strukturen unterhalb der freigelegten Oberfläche zu bilden.
Polieren im allgemeinen und das chemische mechanische Polieren (CMP)
im besonderen sind bekannte Verfahren für die Oberflächenverebnung.
-
Das
Polierverfahren ist dazu ausgestattet, eine besondere Oberflächenqualität (Rauhigkeit
oder Glattheit) und eine Flachheit (Freiheit von großformatigen
Typografien) zu schaffen. Eine fehlende minimale Endbearbeitung
und Flachheit kann zu fehlerhaften Substraten führen, was wiederum zu fehlerhaften
integrierten Schaltkreisen führen
kann.
-
Während des
CMP-Vorgangs wird ein Substrat, wie beispielsweise ein Halbleiterwafer,
typischerweise so montiert, dass die zu polierende Oberfläche frei
liegt, und zwar an einem Waferträger,
der Teil eines Polierkopfes ist oder daran angebracht ist. Das angebrachte
Substrat wird dann gegen eine sich drehende Polierplatte platziert,
bei welcher ein Polierkissen 17 an einem Grundteil oder
Stützbereich 11 der Poliermaschine
vorgesehen ist. Das Polierkissen ist typischerweise so orientiert,
dass seine flache Polieroberfläche
horizontal ist, um eine ebene Verteilung des Polierschlamms und
Interaktion mit der Substratfläche
parallel gegenüber
dem Kissen sicherzustellen. Eine horizontale Orientierung der Kissenoberfläche (die
Normale der Kissenoberfläche
ist vertikal) ist ebenfalls wünschenswert,
da dann der Wafer das Kissen zumindest teilweise unter dem Einfluss der
Schwerkraft berühren
kann, und zumindest so interagiert, dass die Schwerkraft nicht ungleichmäßig zwischen
dem Wafer und dem Polierkissen aufgebracht wird. Zusätzlich zu
der Drehung des Kissens kann sich auch der Trägerkopf drehen, um eine zusätzliche
Bewegung zwischen dem Substrat und der Oberfläche des Polierkissens zu schaffen.
Der Polierschlamm, der typischerweise ein in einer Flüssigkeit gelöstes Schleifmittel
und für
den CMP-Vorgang zumindest ein chemisch reaktives Mittel beinhaltet, kann
auf das Polierkissen aufgebracht werden, um eine abschleifende Poliermischung
zu bilden, und für den
CMP-Vorgang eine abschleifende und chemisch reaktive Mischung an
der Schnittstelle zwischen Kissen und Substrat. Verschiedene Polierkissen,
Polierschlämme
und reaktive Mischungen sind in der Technik bekannt, und auch was
eine Kombination ist, um besondere Endbearbeitungszustände und
Flachheitsmerkmale zu erzielen. Die Relativgeschwindigkeit zwischen
dem Polierkissen und dem Substrat, die gesamte Polierzeit und der
während
des Poliervorgangs aufgebrachte Druck beeinflussen zusätzlich zu
anderen Faktoren die Flachheit und Endbearbeitung, sowie auch die
Gleichmäßigkeit.
Es sollte auch der Fall sein, dass das Polieren von aufeinander
folgenden Substraten oder, wo ein Mehrkopfpolierer wie beispielsweise
ein Polierer mit einem Karussell 13 verwendet wird, an
welchem mehrere Köpfe
für eine
Umdrehung angebracht sind, alle während eines bestimmten Poliervorgangs
polierten Substrate um das gleiche Ausmaß verebnet werden, einschließlich der
Entfernung von im wesentlichen der gleichen Menge von Material und
dem Vorsehen der gleichen Flachheit und des gleichen Endbearbeitungszustandes.
Der CMP-Vorgang
und das Waferpolieren sind im allgemeinen in der Technik wohl bekannt
und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden.
-
Der
Zustand des Polierkissens kann auch die Polierergebnisse beeinträchtigen,
insbesondere die Gleichmäßigkeit
und Stabilität
des Poliervorgangs über
den Verlauf eines einzelnen Polierdurchlaufs hinweg, und insbesondere
auch die Gleichmäßigkeit des
Polierens während
aufeinander folgender Poliervorgänge.
Typischerweise kann das Polierkissen während eines Poliervorgangs
oder während
mehrerer Poliervorgänge
als Ergebnis von Hitze, Druck und Schlamm oder auch einer Verstopfung
des Substrats mit einer Schicht überzogen
werden. Der Effekt davon ist, dass die Schleiffähigkeit des Kissens über die Zeit
hinweg abnimmt, da Spitzen des Kissens komprimiert oder abgeschliffen
werden und Gruben oder Leerstellen innerhalb des Kissens sich mit
Polierreststoffen füllen.
Um diese Effekte zu vermeiden oder ihnen entgegenzuwirken, muss
die Oberfläche
des Polierkissens bearbeitet werden, um den gewünschten abschleifenden Zustand
des Kissens wieder herzustellen. Eine solche Bearbeitung kann typischerweise durch
einen separaten Vorgang ausgeführt
werden, der periodisch mit dem Kissen ausgeführt wird, um dessen abschleifenden
Zustand beizubehalten. Dies hilft auch dabei, einen stabilen Vorgang
aufrecht zu erhalten, während
dessen eine vorbestimmte Dauer des Polierens eine vorbestimmte Menge
von Material von dem Substrat entfernen wird, eine vorbestimmte Flachheit
und einen vorbestimmten Endbearbeitungszustand zu erzielen, und
ansonsten Substrate zu produzieren, die ausreichend identische Eigenschaften
habe, so dass die aus den Substraten fabrizierten integrierten Schaltkreise
im wesentlichen identisch sind. Für LCD-Bildschirme kann die
Anforderung an gleichmäßiger Eigenschaften
noch stärker sein,
weil anders als Wafer, die in einzelne Formen geschnitten werden,
ein Bildschirm, der eine Diagonale von einigen Inches haben kann,
vollständig
unbrauchbar sein wird, selbst wenn nur ein kleiner Flächenbereich
aufgrund von Defekten unbrauchbar ist.
-
Ein
Polierkopf gemäß dem Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 ist aus US-A-5,803,799 bekannt.
-
Ein
Einsatz, wie er bisher verwendet worden ist, ist ein kostengünstiges
Kissen, das mit dem Wafersubträger
verbunden wird und sich zwischen der Rückseite des Wafers und der
Trägerfläche befindet, welche
eine Metall- oder Keramikoberfläche
sein kann. Schwankungen in den mechanischen Eigenschaften des Einsatzes
führen
typischerweise zu Schwankungen in den Polierergebnissen beim CMP-Vorgang.
Kanteneffekte in der Umgebung des Waferaußenumfangs oder der Waferkante
können entweder
die Waferoberflächeneigenschaften
beeinträchtigen
oder alternativ verbessern, abhängig
von der Ausgestaltung des Polierkopfes. Beispielsweise können an
einigen Polierköpfen,
die Rückhalteringe verwenden,
die verschlechternden oder beeinträchtigenden Effekte vermindert werden,
indem ein geeigneter Rückhaltering
vorgesehen wird, um die Kanteneffekte weg von der Waferkante zu
leiten.
-
Im
US-Patent Nr. 5,203,082 ist eine flexible Membrananbringung des
Sub-Trägers
beschrieben, die verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Strukturen und Verfahren
hat, und das US-Patent Nr. 5,584,751 schafft eine gewisse Steuerung
der Abwärtskraft
auf den Rückhaltering
durch die Verwendung einer flexiblen Blase. Keines dieser Patente
beschreibt aber eine Struktur für
die direkte unabhängige
Steuerung des Drucks, der an der Schnittstelle des Wafers und des
Rückhalterings
ausgeübt
wird, oder irgendeine Art von Differentialdruck, um die Effekte
des Kantenpolierens oder der Verebnung zu modifizieren.
-
In
dieser Hinsicht besteht eine Notwendigkeit für eine Vorrichtung zum chemischen
mechanischen Polieren, welche den Durchsatz des Poliervorgangs optimiert,
die Flachheit und den Endbearbeitungszustand, während das Risiko einer Verunreinigung
oder Zerstörung
von Substrat minimiert ist.
-
Es
verbleibt eine Notwendigkeit für
einen Polierkopf, der einen im wesentlichen gleichmäßigen Druck über die
zu polierende Substratoberfläche
hinüber
aufbringt, der das Substrat während
des Poliervorgangs im wesentlichen parallel bezüglich des Polierkissens hält, der
das Substrat innerhalb des Trägerbereichs
des Polierkopfes hält,
ohne unerwünschte
Polieranomalien am Außenumfang
des Substrats zu induzieren, und der das Kissen während des
Poliervorgangs auch geeignet konditioniert.
-
Zusammenfassung
-
In
einem Aspekt schafft die Erfindung einen Dreikammerpolierkopf nach
Patentanspruch 1.
-
In
einem anderen Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren nach Patentanspruch
5.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Weitere
Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der
nun folgenden ausführlichen
Beschreibung und den anliegenden Patentansprüchen, wenn diese zusammen mit
den Zeichnungen gelesen werden, in welchen:
-
1 eine
diagrammatische Veranschaulichung ist, die eine Ausführungsform
einer typischen Poliermaschine zeigt, welche eine Polierkopfanordnung
beinhaltet.
-
2 ist
eine diagrammatische Veranschaulichung, die eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Polierkopfanordnung
zeigt.
-
3 ist
eine diagrammatische Veranschaulichung, die eine gewisse zusätzliche
Struktur eines Bereichs der Ausführungsform
der Waferträgeranordnung
der Polierkopfanordnung in 2 zeigt.
-
4 ist
eine diagrammatische Veranschaulichung, die eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spindelanordnung
zeigt, die eine Fünf-Kanal-Dreheinheit
beinhaltet.
-
5 ist
eine diagrammatische Veranschaulichung, die eine Ausführungsform
des Drucksteuersystems zum Schaffen einer unabhängigen Steuerung von Druck
in einer ersten, einer zweiten und einer dritten Druckkammer sowie
unter Druck gesetztes Wasser und Vakuum zeigt.
-
6 bis 28 sind
diagrammatische Veranschaulichungen, die bestimmte Ausführungsformen von
anderen Merkmalen und Details einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigen, und zwar:
-
die 6A–6E diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Sub-Trägers für einen Waferpolierkopf mit
einem Durchmesser von 200 mm,
-
die 7A–7B diagrammatische
Veranschaulichungen einer beispielhaften Sub-Trägergummidichtung,
-
die 8A–8C diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Rings,
-
die 9A–9D diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Adapters,
-
die 10A–10D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften unteren Gehäuses,
-
die 11A–11B diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften primären Membran,
-
die 12A–12B diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften inneren Flanschrings,
-
die 13A–13D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften äußeren Flanschrings,
-
die 14A–14D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Arretierrings,
-
die 15A–15B diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften sekundären
Membran,
-
die 16A–16C diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften inneren Anschlagrings,
-
die 17A–17C diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften äußeren Anschlagrings,
-
die 18A–18D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Gehäusedichtrings,
-
die 19A–19E diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Anbringadapters,
-
die 20A–20C diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften oberen Gehäuses,
-
die 21A–21D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Rückhalterings,
-
22 eine
diagrammatische Veranschaulichung eines beispielhaften Filmeinsatzes,
-
die 23A–23D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Kopf-Platten-Adapters,
-
die 24A–24G diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften inneren Flanschrings,
-
die 25A–25E diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften Spindelwelle,
-
die 26A–26G diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften Querschnittsansicht einer Spindelwelle und Bereichen
von Dreheinheitsleitungen,
-
die 27A–27B diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Drehkreuzantriebsritzels, und
-
die 28A–28B diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Spindelkeils.
-
Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
-
Die
erfindungsgemäße Struktur
und das erfindungsgemäße Verfahren
werden nun im Kontext in den Zeichnungen veranschaulichten spezifischen beispielhaften
Ausführungsformen
beschrieben.
-
Mit
Bezug auf 1 ist eine Poliermaschine dargestellt,
die eine Stützstruktur
beinhaltet, an welcher eine drehbare Polieroberfläche angebracht
ist, und an welcher ein Polierkissen oder eine andere abschleifende
Oberfläche
angebracht ist. Die Polieroberfläche
wird mittels eines elektrischen Motors, oder eines anderen Mittels
zum Drehen der Oberfläche
mit dem Kissen, gedreht. Die Poliermaschine beinhaltet auch eine
Polierkopfanordnung 40 mit zwei Hauptelementen, nämlich der
Spindelanordnung 120 und der Waferträgeranordnung 100.
Die generische Struktur von Poliermaschinen sind in der Technik
bekannt und werden hier nicht genauer diskutiert, wenn es nicht
für das
Verständnis
der erfindungsgemäßen Polierkopfanordnung 40 und
insbesondere von erfindungsgemäßen Aspekten
der Waferträgeranordnung 100 und
der Spindelanordnung 120 notwendig ist.
-
Wir
beschreiben zunächst
eine Übersicht
einer bestimmten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Polierkopfes 100,
so dass die gesamte Struktur, Arbeitsweise, Merkmale und Vorteile
der Erfindung sich deutlicher ergeben. Die Struktur der Arbeitsweise
von bestimmten Elementen des erfindungsgemäßen Kopfes und Polierverfahrens
werden dann relativ zu den ausführlichen
Zeichnungen beschrieben werden.
-
Eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Struktur,
die eine Ausgestaltung mit einer doppelten Membran und drei Kammern
hat, wird nun relativ zu der diagrammatischen Veranschaulichung in 2 beschrieben,
welche eine Hälfte
der beispielhaften Waferträgeranordnung 100 und
Polierkopfanordnung 140 zeigt, wobei die anderen Bereiche
im wesentlichen symmetrisch relativ zu der Spindelachse sind. Zwei
primäre
Sub-Systeme, die Polierkopfanordnung 40 weist die Waferträgeranordnung 100 und
die Spindelanordnung 120 auf. In manchen Fällen wird
der Ausdruck "Kopf" in der Technik übrigens
synonym mit "Träger" verwendet, und der Ausdruck "Sub-Träger" bezieht sich dann
auf den Bereich der Vorrichtung, an welchem der Wafer angebracht
oder gehalten ist. Die Polierkopfanordnung ist ihrerseits an dem
verbleibenden Teil der Poliermaschine 52 angebracht, die
ihrerseits eine oder mehrere solcher Polierkopfanordnungen 40 beinhalten kann.
Die Ausdrücke "Polierkopf", "Polierkopf", "Polierkopfanordnung" und "Polierkopfanordnung" sollen in dieser
Beschreibung synonym verwendet werden. Die Ausdrücke "Spindelanordnung" und "Spindel" sollen in dieser Beschreibung ebenfalls
synonym verwendet werden.
-
Eine
Oberfläche 201 des
oberen Gehäuses 115 der
Waferträgeranordnung 100 ist über Deckelschrauben 203 oder
andere Befestiger oder Befestigungsmittel an einem Anbringadapter 114 der
Spindelanordnung 120 angebracht. Die Spindelanordnung 120 bietet
auch Mittel zum Koppeln einer Drehbewegung mit der Waferträgeranordnung 100 von
einem externen Drehkrafterzeuger 203 aus, wie beispielsweise
einem elektrischen oder hydraulischen Motor, und Mittel zum Koppeln
oder Kommunizieren zumindest eines Fluids von stationären Quellen
außerhalb
der Waferträgeranordnung 100,
und sogar außerhalb
der Polierkopfanordnung 40, mit der Waferträgeranordnung 100.
Wie im folgenden beschrieben wird, können diese Fluide Wasser (einschließlich de-ionisiertem
Wasser oder DI-Wasser) und Luft oder andere Gase beinhalten, sind
aber nicht darauf beschränkt.
Die Fluide (flüssig
oder gasförmig)
können auf
einem Über-
oder Unterdruck relativ zu dem Umgebungsdruck der Poliermaschine
sein. In diesem Kontext wird Vakuum als Unterdruck angesehen. Eine
Dreheinheit 206 ist zum Koppeln von Fluiden mit der Trägeranordnung 100 vorgesehen.
Eine beispielhafte Dreheinheit ist im US-Patent Nr. 5,443,416 beschrieben,
das hierin durch Bezug aufgenommen wird. Die Einbaustelle und Struktur
einer beispielhaften Fünf-Kanal-Dreheinheit
und der Dreheinheit relativ zu einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spindelanordnung
sind diagrammatisch in 4 dargestellt.
-
Das
obere Gehäuse 115 ist
mit dem Anbringadapter 114 verbunden, wie bereits beschrieben, und
bietet einen steifen Hauptkörper,
an welchem andere Elemente der Trägeranordnung 100 angebracht oder
aufgehängt
sind. Das obere Gehäuse 115 hat eine
externe Oberfläche 207,
eine externe Seitenfläche 208,
eine Bodenfläche 209 und
eine interne Fläche 210,
die ebene, konkave und konvexe Oberflächenbereiche hat, um die Ausbildung
von Kammern zu vereinfachen und Anbringflächen für andere Elemente zu schaffen,
und auch eine im wesentlichen steife Struktur zu schaffen, um die
Drehbewegung von der Spindelanordnung 120 aufzunehmen und
auf den Wafer zu übertragen,
wie es im folgenden noch beschrieben wird. Ein Gehäusedichtring 113 ist
an der inneren Oberfläche 210 des
oberen Gehäuses über Schrauben 211 oder
andere Befestiger angebracht. Der Gehäusedichtring 113 hat
zwei O-Ringe 326, 327 in der Anbringoberfläche, um
das potentielle Lecken von Fluid oder Druck zwischen der ersten und
der zweiten Kammer (Kammern 1 und 2) zu eliminieren
und auch das Lecken nach außerhalb
des Kopfes durch Schrauben 211 hindurch. Druck auf die Rückhalteringdruckkammer 2 wird
durch den Nippelverbinder in 113 hindurch geschaffen.
-
Vorteilhafterweise
ist der Gehäusedichtring 113 über Schrauben 211 durch
die externe obere Fläche
hindurch angebracht, um die Montage und Demontage von Trägeranordnungselementen
zu vereinfachen, die an dem Gehäusedichtring 113 innerhalb
des Gehäusehohlraums 212 angehängt sind. Die
Gestalt des oberen Gehäuses
wurde vorteilhaft dazu gewählt,
das innere Volumen zu eliminieren, um dadurch für eine schnellere Antwort zu
sorgen, wenn der Druck verändert
wird.
-
Eine
sekundäre
Membran 110 ist an einer unteren Oberfläche des Gehäusedichtrings 113 gegenüber der
Oberfläche
angebracht, die an der inneren oberen Gehäusefläche 210 angebracht
ist. Sie bietet eine Druckisolation zwischen den drei Kammern, während sie
gleichzeitig eine im wesentlichen reibungslose vertikale Bewegung
(oder Bewegung mit geringer Reibung) der Rückhalteringanordnung 104, 116 und
des Sub-Trägers 101 ermöglicht.
Die Membran 110 schafft einen Drehmomenttransfer auf die
Rückhalteringanordnung
und den Sub-Träger. Während die
flache oder im wesentlichen flache flexible Membran die bevorzugte
Struktur ist, können auch
andere flexible Elemente, wie beispielsweise Metall- oder Polymerfaltenbälge, Akkordeonschichten
oder gestaltete, geschlossene Polymerröhren alternativ als Verbindungsmittel
verwendet werden.
-
Materialien
wie beispielsweise rostfreier Stahl, rostfreie Strahllegierungen,
andere Metalllegierungen mit einem geeigneten Korrosionswiderstand
und geeigneter mechanischer Stabilität sowie Polymermaterialien
einschließlich
beispielsweise Silikongummi können
für die
Membran verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung, wo
eine flache Membran implementiert wird, ist diese vorteilhaft aus
Materialien wie beispielsweise DPDM (FAIRPRENE DX-0001), Nitril
(FAIRPRENE BN-5039) oder expandiertem PTFE (INERTEX) gemacht. Wenn
eine Faltenbalgkonstruktion verwendet wird, werden vorteilhafterweise
Materialien wie beispielsweise rostfreier Stahl oder eine rostfreie
Stahllegierung verwendet. Die flache Membran wird bevorzugt, da
sie die gewünschte
Funktionalität
besser als ein Faltenbalg und zu geringeren Herstell- und Montagekosten
zur Verfügung
stellt.
-
Eine
wichtige Funktion, die von der zweiten Membran 110 geboten
wird, ist, dass sie ein Drehmoment von dem oberen Gehäuse 115 auf
den inneren geflanschten Ring 109 und den äußeren geflanschten
Ring 108 überträgt, während diese
jeweils unabhängig
voneinander schweben können.
In dieser Beschreibung verwenden wir den Ausdruck "schweben", um zu sagen, dass
zwischen den an der Membran angebrachten Elementen minimale Bindekräfte (mechanische
Kräfte)
oder Reibungskräfte
bestehen, die den Effekten des aufgebrachten Druckes entgegenwirken
könnten.
Die Elemente bewegen sich mit minimalen entgegengesetzten Kräften in
der vertikalen Richtung (aufwärts/abwärts), werden
aber im wesentlichen starr in der Drehebene (horizontal) gehalten.
Das Schweben ermöglicht
auch eine minimale, aber ausreichende winklige Schwankung um jede Achse
herum, die an der Oberfläche
des Wafers ausgerichtet ist, der gerade bearbeitet wird. In dieser
Anmeldung beinhaltet der Ausdruck "schweben" auch eine Bewegung in der Art und Weise
eines schwimmenden Objekts mit Auftrieb an der Oberfläche einer Flüssigkeit.
Das "Schweben" beinhaltet also
die Fähigkeit,
sich vertikal aufwärts
und abwärts
relativ zu dem Polierkissen zu bewegen, so dass vertikale Positionsunterschiede
aufgenommen werden können, ohne
jede Verbindung oder jeden Widerstand, sowie die Fähigkeit,
sich zu verkippen oder einer winkligen Schwankung um jede Achse
herum zu unterliegen, die entlang einer imaginären Linie verläuft, die
an der Schnittstelle zwischen Wafer und Polierkissen verläuft. Das
Substrat wie beispielsweise der Wafer schwebt in der Art und Weise
eines auf der Wasseroberfläche
schwimmenden Objekts mit Auftrieb. Eine flache Membran und ein flexibler
Faltenbalg bieten beide minimale vertikale entgegengerichtete Kräfte und
einen starren Drehmomenttransfer in der Drehebene, wobei die flache
Membran das bevorzugte einfachere Verfahren ist. Falls für eine bestimmte
Anwendung nur ein Zwei-Kammer-Design erforderlich ist, ist nur eine
einzelne Membran oder ein einzelnes Verbindungsmittel für den Rückhaltering
und für
den Träger
(Sub-Träger)
erforderlich.
-
Die "zweite" Membran 106 dient
auch dazu, die "Kantendruck"-Kammer 3 von der Sub-Trägerdruckkammer 1 und
der Rückhalteringdruckkammer 2 zu
isolieren. Die schwebenden Sub-Träger- und Rückhalteringanordnungen
sind an dem Ring 113 über
den starren Ring 109 angebracht. Die Lippe am Element 109 dient
als mechanischer Anschlag, welcher das Ausmaß beschränkt, um welches die Rückhalteringanordnung 104, 116 und
die Sub-Trägeranordnung 101 "hinein" oder "hinaus" bewegt werden können. Zwei
starre Anbringringe 108, 109 mit C-förmigem Querschnitt sind an
der ersten Membran 110 durch zwei flache Ringanordnungen 111, 112 angebracht.
Diese flachen Ringanordnungen bewirken eine druckdichte Abdichtung,
welche die erste, die zweite und die dritte Kammer (Kammern 1, 2 und 3) bei
der ersten Membran isolieren. Ein Druck (oder ein Vakuum) wird auf
die dritte Kammer (Kammer 3) durch die Nippelverbindung
im Element 119 aufgebracht.
-
Die
zweite Membran ist an dem äußeren Gehäuse 115 und
einem Dichtring 105 angebracht, um eine druckdichte Abdichtung
zu bilden und ein Verfahren, um die äußere Kante der zweiten Membran an
ihrer Stelle zu halten. Der Sub-Träger ist an dem C-Ring 119 durch
einen starren Ring 103 befestigt. Diese Verbindung schafft
einschließlich
der inneren Kante der zweiten Membran 106 eine druckdichte Abdichtung
für eine
Isolation zwischen der ersten und der dritten Kammer. Der Ring 103 ist
an dem Sub-Träger 101 durch
eine Gummidichtung 102 angebracht, welche eine leckagesichere
Dichtung bezüglich
der Waferaufnahmeöffnungen 308 schafft. Vakuum,
Wasser und Gasdruck werden an dem Öffnungsfeld 308 durch
den Nippel 234 in dem Sub-Träger 101 vorgesehen.
Auf diese Art und Weise dient das Öffnungsfeld 308 als
Vakuumaufnahme für
den Siliziumwafer, ein Gasdruckverfahren zum Freigeben der Wafer
und eine Wasserspülung,
um Schlamm oder anderes Material aus den kleinen Öffnungen
zu entfernen. Die Kombination aus der ersten Membran 110,
der zweiten Membran 106 und der Ringanordnung 119 mit
dem C-förmigen
Querschnitt bringt den Sub-Träger
an dem Hauptgehäuse 115 bei
dem Anbringring 113 an.
-
Die
Rückhalteringanordnung 104, 116 ist
an der zweiten Membran 106 durch den Ring 108 mit dem
C-förmigen
Querschnitt angebracht. Diese Verbindung dient als Druckisolierung
zwischen der ersten und der zweiten Kammer (Kammern 2 und 3).
Der Ring 108 mit dem C-förmigen Querschnitt verbindet die
Rückhalteringanordnung
mit der ersten Membran 110. Das Aufbringen eines Überdrucks
oder Unterdrucks auf die Kammer 2 durch die Nippelverbindung im
Ring 113 ermöglicht
eine unabhängige
Betätigung der
Rückhalteringanordnung
mit Bezug auf den Sub-Träger 101.
Die beiden Ringe 104 und 116 für die Rückhalteringanordnung. Der Ring 104 ist
mit dem C-Ring 108 verbunden und bildet die Isolationsdichtung
zwischen den Kammern 2 und 3. Der Ring 104 besteht
vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, aber andere Metalle, wie beispielsweise
Aluminium oder Titan oder ein keramisches Material oder ein Polymermaterial
können
verwendet werden, um diesen Ring aufzubauen. Der Rückhaltering 116 selbst
ist aus einem Polymer gemacht; er kann aber auch aus Metall oder
Keramik oder aus verschiedenen Polymermaterialien gemacht sein,
abhängig
von dem Verfahren. Die Rückhalteringanordnung 104, 116 ist so
aufgebaut, dass die Oberfläche
in Kontakt mit der Platte 256 in der Breite variieren kann,
abhängig
von der besonderen Polierung, CMP oder anderen Anwendung zum Polieren
des Substrats. Ebenso kann die Plattenoberfläche 256 vollständig oder
teilweise aus einem abschleifenden Material wie beispielsweise Diamantpartikeln
bestehen, um eine Plattenkissenkonditionierung gleichzeitig mit
dem Poliervorgang zu bewirken. Der Bereich unterhalb der Waferoberfläche und
zwischen dem Sub-Träger 101 und dem
Rückhaltering 116 wird
vorteilhafterweise durch Lüftungsöffnungen
in der Anordnung hin zu der Atmosphäre außerhalb des Gehäuses gelüftet. Während dieses
Merkmal aus der Struktur weggelassen werden kann, ist es vorteilhaft,
um zwischen der Platte 256 und dem zu polierenden Wafer
gefangene Luft zu eliminieren und dadurch die Vorhersagbarkeit und Gleichmäßigkeit
des Verfahrens zu verbessern. Die Oberfläche von 116 neben
dem Sub-Träger 101 wird entlastet,
um jegliche verbleibende Reibungskräfte zwischen den beiden Elementen
während
des Betriebs zu minimieren. Ein vorteilhaftes Merkmal der Rückhalteringanordnung
ist, dass der Rückhaltering durch
Entfernen des Gehäuserings 105 und
der Schrauben, die den Ring 116 an dem Anbringring 104 festhalten,
gewartet oder ausgetauscht werden kann.
-
In
der veranschaulichten Ausführungsform ist
die sekundäre
Membran 110 zwischen dem äußeren Stopring oder Anschlagring 112 an
der oberen Fläche
und dem äußeren geflanschten
Ring 108 an der unteren Fläche sandwichartig angeordnet,
und zwischen dem inneren Anschlagring 111 an der oberen
Fläche
und dem inneren geflanschten Ring 107 an der unteren Fläche. Hier
beziehen sich die Ausdrücke "innen" und "außen" auf die jeweiligen
radialen Anordnungen dieser ringförmigen Strukturen relativ zu
der Rotationsmittellinie 218 der Spindelwelle.
-
Jeder
der beiden geflanschten Ringe 107, 108 hat eine
in gewisser Art und Weise C-förmige oder
U-förmige
Struktur, um eine strukturelle Festigkeit und Steifigkeit zu schaffen,
und zwar – zumindest in
gewisser Weise – gemäß einer
Struktur eines ringförmigen
I-Balkens, und um gleichzeitig die Masse, das Gewicht und die Trägheit zu
minimieren und Oberflächen
für die
Anbringung an die angrenzenden Strukturen vorzusehen. Im allgemeinen
könnten
aber auch andere innere und äußere geflanschte
Ringe 107, 108 unterschiedliche Profile haben,
einschließlich
eines Querschnitts eines massiven ringförmigen Balkens, obwohl so eine
gewisse Beeinträchtigung der
Leistungsfähigkeit
auftreten kann.
-
Die
Oberfläche 221 des äußeren geflanschten
Rings 108 und die Oberfläche 221 des unteren
inneren geflanschten Rings 107 sind ihrerseits an einer Oberfläche 228 der
primären
Membran 106 angebracht. An der primären Membran 106 sind
eine Sub-Trägeranordnung 230 und
eine Rückhalteringanordnung 250 bei
einem inneren bzw. äußeren ringförmigen Bereich
angebracht, wobei die Sub-Trägeranordnung 250 im
allgemeinen, aber nicht notwendigerweise ausschließlich, innerhalb
des Bereichs der ringförmigen
Rückhalteringanordnung 230 vorgesehen
ist. Der erfindungsgemäße Rückhaltering
schafft unter anderem eine unabhängige
Steuerung der Abwärtskräfte (des
Drucks) auf oder gegen den Wafer, auf oder gegen den Rückhaltering
und auf oder gegen den Übergang
zwischen dem Wafer und dem Rückhaltering.
Es sollte beachtet werden, dass der Wafer gegen die vordere Fläche 237 des
Wafersubträgers 101 gehalten
wird.
-
Die
primäre
Membran 106 erfüllt
mehrere Funktionen. Zunächst überträgt die primäre Membran 106 ein
Drehmoment, das anfänglich
von dem oberen Gehäuse 112 von
der Spindelanordnung 120 aufgenommen worden ist und auf
die primäre
Membran 106 durch mehrere dazwischenliegende Strukturen
(beispielsweise dem Gehäusedichtungsring 113, den
inneren geflanschten Ring 107 und den äußeren geflanschten Ring 108) übertragen
worden ist, auf die Sub-Trägeranordnung 230 (und
daher auf den Wafer, wenn dieser an der Sub-Trägeranordnung
angebracht ist) und auf die Rückhalteringanordnung 250.
Zweitens behält
die primäre
Membran 106 im wesentlichen eine seitliche oder in diesem
Fall radiale oder ringförmige
Trennung zwischen dem Wafer-Sub-Träger 101 (einem
Element der Sub-Trägeranordnung 230)
und dem Rückhaltering 116 (einem Element
der Rückhalteringanordnung 250)
aufrecht, während
sie ein Schweben sowohl des Sub-Trägers 101 als auch
des Rückhalterings 116 unabhängig voneinander über das
an der drehbaren Polierfläche 132 angebrachte
Polierkissen ermöglicht.
Die beiden Membranen schaffen eine Isolierung der drei Druckkammern
und ermöglichen
ein "Schweben" der Rückhalteringanordnung
und des Sub-Trägers. Druck
wird auf die Sub-Trägerkammer 101 durch eine
unabhängige Öffnung in
der Spindel aufgebracht. Drücke
in den Kammern 2 und 3 werden unabhängig durch
Spindelöffnungen
aufgebracht.
-
Wir
schauen nun kurz einen beispielhaften Vorgang zum Bearbeiten eines
Substrats an. Zunächst
wird der Wafer von dem Kopflademechanismus (head load mechanism
(HLM)) mit einem auf die Vakuumöffnungen 308 aufgebrachten
Vakuum auf den Sub-Träger befördert. Dieser
HLM und HUM können
im allgemeinen durch robotische Waferhandhabungseinrichtungen gebildet
werden, wie sie an sich in der Technik bekannt sind und hier nicht
weiter beschrieben werden. Anschließend wird die Trägeranordnung
in Kontakt mit dem Plattenkissen platziert, welches in einer spezifischen
Versorgung von Schlammmaterial beschichtet oder getränkt ist,
und das Vakuum, das den Wafer gegen den Sub-Träger hält, wird aufgehoben. Drittens
wird ein erster Druck (Druck 1) auf die Kammer 1 aufgebracht,
und ein zweiter und ein dritter Druck (Drücke 2 und 3)
werden auf die Kammern 2 bzw. 3 aufgebracht. Diese
Drücke können konstant
sein oder unabhängig über den
Polierzyklus hinweg variiert werden. In jedem Fall werden die drei
Drücke
(Überdrücke oder
Unterdrücke) unabhängig gesteuert.
Jegliche an der Oberfläche des
Wafers gefangene Luft wird durch die Rückhalteringanordnung hindurch
ausgelassen. Viertens setzt sich das Polieren, Verebnen, CMP oder
ein anderer Prozesszyklus für
eine spezifizierte Zeit fort. Fünftens
wird am Ende des Polierzyklus ein Vakuum auf die erste Kammer (Kammer 1)
aufgebracht, um den Wafer von der Plattenoberfläche zurückzuziehen, so dass die Polierwirkung
aufhört.
Gleichzeitig wird Druck an dem Rückhaltering
belassen, um ein geeignetes Festhalten des Wafers sicherzustellen.
Sechstens wird der Wafer dann zu dem Kopfentlademechanismus (head
unload mechanism, HUM) durch das Aufbringen von Druck auf die Vakuumdrucköffnung in dem
Sub-Träger übertragen.
Sobald der Wafer zu dem HUM hin ausgegeben worden ist, wird Wasser von
innerhalb des Kopfes aus durch die Vakuumdrucköffnungen hindurch gespült, um diese
zu reinigen, und Wasser wird separat zu dem Bereich zwischen dem
Rückhaltering 116 und
dem Sub-Träger 101 eingespritzt,
um diesen Bereich von eventuell darin angesammeltem Schlamm oder
darin angesammelten Waferresten zu befreien oder freizuspülen. Schließlich wird
am Ende eines vorbestimmten Zeitraums das Wasser abgeschaltet, und
der Träger befindet
sich an dem HLM (oder dem HLM, der sich neben dem Träger befindet),
um einen weiteren Wafer aufzunehmen, um den Zyklus zu wiederholen.
-
Mit
weiterem Bezug auf die 2 und 3 weist
die Sub-Trägeranordnung 230 den
Sub-Träger 101,
eine Sub-Trägerdichtung 102 und
einen Sub-Trägerring 103 auf.
Verschiedene Befestiger wie beispielsweise, in einer Ausführungsform,
versenkte Schrauben 232 bringen den Sub-Trägerring 103 an dem
Sub-Träger 101 mit
einer dazwischen sandwichartig angeordneten Sub-Trägerdichtung 102 an. Ein
Passstück 234 ist
an dem Sub-Träger 101 so
angebracht, dass Fluide und/oder Drücke mit dem Passstück 234 so
gekoppelt werden können,
dass die Fluide und/oder Drücke
zu zumindest einer Öffnung 236 an
der vorderen Fläche 237 des
Wafersubträgers 101 übertragen
oder dorthin kommuniziert oder von dort übertragen oder kommuniziert
werden. Ein Leitungspassstück 234 im
Sub-Träger 101 ermöglicht es,
dass Vakuum, Gasdruck oder Wasser zu den Vakuum/Drucköffnungen 236 gerichtet
wird, die sich an der Kante der vorderen Oberfläche 27 des Sub-Trägers 101 öffnen. In
einer Ausführungsform
ist das Passstück 234 an
dem Sub-Träger 101 durch
Hineinschrauben des Passstückes
in eine Gewindeöffnung
in dem Sub-Träger
befestigt (wenn beispielsweise ein Sub-Träger aus rostfreiem Stahl oder
einem anderen Metal verwendet wird), durch Verwenden eines an dem
Sub-Träger
angebrachten Gewindeeinsatzes (beispielsweise eines Gewindeeinsatzes
aus rostfreiem Stahl, der in ein keramisches Substrat eingesetzt
und dort befestigt ist), oder durch Verwenden eines Klebemittels
(wenn beispielsweise ein keramischer Sub-Träger verwendet wird). Das Passstück beinhaltet
eine Durchgangsöffnung
und einen Nippel oder ein anderes Mittel zum Verbinden einer Seite
des Passstückes
mit einer Leitung oder einem anderen Fluidkanal, so dass Fluid wie beispielsweise
Wasser oder Gas von einer Fluidquelle über die Spindeldreheinheit 270 kommuniziert
werden kann.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann das Passstück
Vakuum (wie beispielsweise ein Vakuum von ungefähr 25 Inches Quecksilber),
Wasser (wie beispielsweise Wasser bei ungefähr 12 psi) und Luft oder ein
anderes Gas (bei einem Druck von ungefähr 25 psi) befördern, und
die Sub-Trägeröffnungen
sind so bemessen, dass sie jegliche potentielle mechanische Verformung
der Waferkante minimieren. Eine solche Verformung könnte möglicherweise in
den Öffnungen
auftreten, wenn diese zu groß sind oder
ihre Anzahl zu groß ist.
In einer Ausführungsform
sind die Sub-Trägeröffnungen 236 Öffnungen mit
einem Durchmesser von ungefähr
0,005 Inches, aber es können
auch größere oder
kleinere Öffnungen
verwendet werden, so lange sie nicht so groß sind, dass sie eine Verformung
verursachen. Die Öffnungen
sollten auch so groß sein,
dass sie nicht mit Schlamm oder Waferpolierüberbleibseln verstopfen. Die
Wasser- und/oder Luftspülung
dieser Öffnungen kann
beim Verwenden von Öffnungen
mit einem kleinen Durchmesser helfen, die nicht verstopfen. Ein Hohlraum 238 zwischen
der Rückseite 239 (der
Seite entfernt von der Waferanbringfläche) des Sub-Trägers 101 und
der inneren Gehäusefläche 210 schafft ein
Volumen mit einem ausreichenden Raum für diese und andere Leitungen,
ohne mit der Bewegung des Sub-Trägers 101 zu
interferieren.
-
Die
Sub-Trägeranordnung 101 ist
statt aus einem einzelnen Stück
vorteilhaft aus dem Sub-Träger 101 und
dem Sub-Trägerring 103 gebildet,
die durch die Gummidichtung 102 getrennt sind. Die Dichtung 102 bietet
eine Druckisolierung der Vakuum-/Drucköffnungen 236. Der
Sub-Trägerring 103 schafft
sowohl eine Abdichtfläche
für die
Membran 106 als auch einen starren Anbringmechanismus für den Sub-Träger 101 an
dem C-Ring 119.
-
Die
Rückhalteringanordnung 250 hat
im allgemeinen insgesamt eine Kompositstruktur eines rechteckigen
ringförmigen
Rings mit einer inneren Seitenwand 253 und einer äußeren Seitenwand 254 und
einer oberen Fläche 255 und
einer unteren Fläche 256,
und sie weist einen Rückhalteringadapter 104,
einen Rückhaltering 116 und
eine optionale Verschleißfläche 251 auf,
die an dem Rückhaltering 116 angebracht
oder integral damit ausgebildet ist. Jede der Seitenwände und
die obere Fläche
haben vorteilhafterweise Oberflächenkonformationen,
die zusätzliche
Vorteile bieten. Die Verschleißoberfläche ist
optional an der unteren Rückhalteringfläche 256 vorgesehen,
um die "Kanten"-Poliereffekte, die
entfernt von der Kante des Wafers auftreten können, zu der Kante des Rückhalterings
zu bewegen, so dass solche Kanteneffekte die Gleichmäßigkeit
des Poliervorgangs nicht beeinträchtigen.
In einer Ausführungsform
ist die Verschleißfläche 251 zwischen
ungefähr 2
mm und ungefähr
5 mm dick, könnte
aber auch dicker oder dünner
sein, und in einer Ausführungsform besteht
sie aus Keramik oder einem Polymermaterial. Eine belüftete Schraube 252 ist
auch vorgesehen, um den Rückhalteringadapter
an dem Rückhaltering 116 durch
die Seitenwand 254 hindurch zu sichern, obwohl andere Belüftungsmittel
wie beispielsweise eine Durchgangsöffnung alternativ vorgesehen
sein könnten.
-
Ein
Rückhalteringadapter 104 ist
an dem äußeren geflanschten
Ring 108 durch eine Kappengewindeschraube 258 angebracht,
obwohl auch andere Arten von Schrauben oder Befestigungsmitteln
verwendet werden könnten,
an dem Rückhaltering 116. In
einer Ausführungsform
der Erfindung besteht der Rückhalteringadapter 104 aus
einem passivierten rostfreien 316/616L-Stahl, wo die Passivierung
gemäß dem Standard
MIL QQ-P-35 II erfolgt ist. Der Rückhaltering 104 besteht
aus TECHTRONTMPPS (Polyphenylensulfid).
Schraubengewindeeinsätze 258 aus
rostfreiem Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Material
sollten durch Öffnungen 259 in
dem Rückhaltering
befestigt sein, um Gewindeschrauben aufzunehmen, die den Rückhaltering 116 an
dem Rückhalteringadapter 104 anbringen.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden belüftete
Schrauben 252 vorteilhaft verwendet, um die beiden Elemente
der Rückhalteringanordnung 250 zu
verbinden. Wenn der Zwischenraum 318 zwischen der Sub-Trägeranordnung 230 und
der Rückhalteringanordnung 250 nicht über eine
Belüftungsöffnung 319 oder
ein anderes Belüftungsmittel belüftet ist,
kann sich ein Luftbläschen
möglicherweise
in dem Zwischenraum entwickeln, das sich dann während des Poliervorgangs unter
dem Wafer zwischen der rückwärtigen Waferfläche 305b und
der äußeren Wafersubträgerfläche ausbreiten
könnte. Die
Anwesenheit einer solchen Luftblase kann dann zu einer verminderten
Prozesssteuerung und Ungleichmäßigkeit
des Polierprozesses führen.
Die belüftete
Schraube ermöglicht
das Entweichen jeglicher gefangener Luft aus dem Zwischenraum 318 hin
zu dem Bereich zwischen der äußeren Wand
der Rückhalteringanordnung
und der inneren Wand des unteren Gehäuses 105, wo das Entweichen
von geringen Luftmengen, sollte dieses auftreten, keine Auswirkung
auf den Poliervorgang hat. Außerdem
wird, da die Belüftungsöffnung sich
innerhalb dieses Gehäuses
befindet, die Verunreinigung durch Polierschlamm minimal gehalten.
-
Die
Trägeranordnung 100 hat – ebenfalls wünschenswert,
aber optional – einen
zweistückigen Rückhaltering.
Der eigentliche Rückhaltering 117, der
den Wafer und das Polierkissen beinhaltet, besteht im allgemeinen
aus einem inerten Polymer oder einem keramischen Material, kann
aber aus virtuell jedem Material gemacht sein, das mit dem gewählten Polier-,
Verebnungs- oder CMP-Prozess kompatibel ist. Er ist auch dazu ausgestaltet
und hergestellt, die Verwendung von Ringen mit variierenden ringförmigen Abmaßen zu ermöglichen,
bis hin zu einer Breite von ungefähr einem Inch, obwohl dieses
Abmaß von einem
Inch rein beispielhaft ist und nicht eine absolute Grenze der Erfindung.
Dieser Ring kann optional auch einen Bereich mit einer rauen Oberfläche wie beispielsweise
Diamant beinhalten, die als ein Polierkissenkonditionierer wirkt.
Der Ring 116 ist an einem metallenen oder keramischen Ring 104 angebracht, der
an dem massiven äußeren geflanschten
Ring 108 angebracht ist, der als Antriebsring dient. Wenn die
Kammer 302 unter Druck gesetzt wird, führt der Druck dazu, dass die
Rückhalteringanordnung
steuerbar auf die Oberfläche
des Hauptpolierkissens gezwungen wird. Dieser gesteuerte Rückhaltedruckring dient
dazu, Kanteneffekte zu minimieren, die bei einem herkömmlichen
Trägerplattenpoliervorgang
normal sind.
-
Von
den für
den Ring 116 zu Verfügung
stehenden inerten Materialien ist das Polyphenylensulfid-Material
aus mehreren Gründen
zu bevorzugen. Zunächst
ist es inert relativ zu den gängigen CMP-Polierschlämmen, die
bezüglich
einiger Materialien korrosiv sein können. Zweitens ist es verschleißbeständig und
chemisch inert. Für
Sub-Träger aus
entweder keramischem Material, rostfreiem Stahl, Invar oder anderen
gängigen
Materialien für den
Wafersubträger 101 bietet
daher das Polyphenylensulfid-Material eine gut selbstschmierende,
relativ reibungsfreie Verschleißoberfläche. Ein
Vorteil des zweistückigen
Rings ist, dass der Ring 116, der einem gewissen Verschleiß ausgesetzt
ist, ausgetauscht werden kann, ohne die gesamte Trägeranordnung
zu demontieren, wie es typischerweise für herkömmliche Strukturen erforderlich
ist.
-
Obwohl
eine einstückige
Rückhalteringanordnung
alternativ vorgesehen werden könnte,
profitiert daher die zweistückige
Rückhalteringanordnung 250 von
der Festigkeit und Starrheit des metallenen Rückhalteringadapters 104 und
den speziellen Materialeigenschaften des Polyphenylensulfid-Rings
und den anderen oben beschriebenen Vorteilen. Alternative Materialien
für den
Rückhaltering 116 werden
andere Polymermaterialien, Keramiken, Kompositmaterialien, spezielle
Metalllegierungen und Siliziumkarbide beinhalten.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann die untere Fläche
des Rückhalterings,
d.h. die Fläche,
die das Polierkissen kontaktiert, wünschenswerterweise abgekantet
sein, um Material von dem äußeren ringförmigen radialen
Bereich zu entfernen. Vor einem solchen Abkanten hat in einem Polierkopf, der
für das
chemische mechanische Polieren (CMP) von siliziumbasierten Halbleiterwafern
mit einem Durchmesser von 300 mm bemessen ist, der Rückhaltering
eine Polierkissen-Kontaktbreite
von ungefähr
25 mm. Der Ring kann aber so abgekantet werden, dass diese Kontaktbreite
auf eine Breite vermindert wird, die nur 10 bis 12 mm beträgt, oder
vergrößert werden,
so dass die Breite ungefähr
30 mm oder mehr beträgt;
auch jede Breite zwischen diesen beiden ringförmigen Breiten ist möglich. Diese
Einstellbarkeit ermöglicht
vorteilhaft eine präzise
Steuerung über
die Kanteneffekte des Poliervorgangs. Der Rückhaltering 116 und
der Wafersubträger 101 definieren
eine Tasche 270, in welcher der Halbleiterwafer (oder das
andere zu polierende Substrat) platziert und während des Polierens zurückgehalten
wird.
-
In
einer Ausführungsform
bestimmen übrigens
in der Vakuumlinie vorgesehene Waferanbring-Erfassungssensoren,
dass der Wafer sich korrekt an seiner Stelle an der vorderen Fläche des
Trägers
befindet, oder zeigen dies an. Das Drucksteuersystem besteht aus
drei elektronischen Drucksteuereinrichtungen, die eine unabhängige Steuerung
von Drücken
in der ersten, der zweiten und der dritten Kammer (1, 2 und 3)
aufrechterhalten. Die Drücke
in diesen Kammern reichen von Vakuum (ein gewisser Unterdruck) bis
ungefähr
15 psig Überdruck
und können
während
des Prozesszyklus variiert werden. Ein größerer Druck kann verwendet
werden, ist aber typischerweise nicht notwendig. Drücke werden
unabhängig
durch die Kanäle
hindurch aufgebracht, die sich durch die Spindel hindurch erstrecken
und mit den externen Fluid- und/oder
Druckversorgungen oder -Quellen verbunden sind. Das Aufbringen von Fluiden
und Drücken
wird beispielsweise mit einem Computersteuersystem gesteuert, das
in Verbindung mit einem entweder offenschleifigen oder vorzugsweise
zurückgeführten Steuersystemen
arbeitet.
-
Ein
Arretierring 109 mit einer Erhebung 272 oder einer
Serie von Vorsprüngen
ist mittels Schrauben 271 oder anderen Befestigungsmitteln
fest an dem Gehäusedichtungsring 113 angebracht.
Die Erhebung 272 erstreckt sich radial einwärts in Richtung einer
konkaven ringförmigen
Ausnehmung 273 an der äußeren Wandfläche des
inneren geflanschten Rings 107. Der innerste oder kleinste
Radius der Erhebung 272 ist größer als der Radius der Ausnehmung 273,
so dass die Erhebung 272 in die Ausnehmung 273 hineinpasst
und sich die Erhebung frei relativ zu dem inneren geflanschten Ring 107 bewegt, wenn
sich die Sub-Trägeranordnung 230 in
der normalen Polierposition befindet. Die Erhebung 107 und der
innere geflanschte Ring 107 interferieren aber mechanisch
miteinander, und die Erhebung interferiert mit der Bewegung der
Sub-Trägeranordnung 230 für vertikale
Bewegungen, die größer sind
als ein gewisser vorbestimmter Ausschlag um die Polierposition herum,
und beschränkt
diese.
-
Beispielsweise
sind in einer Ausführungsform
der Erfindung die Erhebung 272 und die Ausnehmung 273 so
bemessen, dass die Sub-Trägeranordnung
aufwärts
(in Richtung der Spindelanordnung 120) um ungefähr 3 mm
bewegt werden kann, und abwärts
(in Richtung der Polierfläche)
um ungefähr
3 mm, bevor die Erhebung die Bewegung anhält. Natürlich könnte auch eine stärkere oder
geringere Bewegung, typischerweise von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm,
vorgesehen sein, aber dies ist unnötig für typische Polier- und CMP-Vorgänge. Normalerweise
ist selbst die Bewegungen von ±3
mm nur notwendig, um das Be- und Entladen der Wafer durchzuführen, während kleinere
Beträge
der Bewegung typischerweise während
des tatsächlichen
Poliervorgangs stattfinden. Wenn der Sub-Träger
von der Polierkissenoberfläche
abgehoben wird, trägt
die Erhebung oder der Anschlag 272 auch das Gewicht des Sub- Trägers 230 und
zu einem geringeren Grad das Gewicht der weniger massiven Rückhalteringanordnung 250,
so dass die Membran oder das äußere Gehäuse zu Trägerkopplungsmitteln
nicht übermäßig erstreckt
ist. In gleicher Art und Weise ist die Membran 106 davor
geschützt,
in einer Aufwärtsrichtung übermäßig erstreckt
zu werden, und zwar mittels des Erhebungsanschlags 272.
-
Aus
der erfolgten Beschreibung des Polierkopfes und insbesondere der
Sub-Trägeranordnung wird
deutlich, dass der Sub-Träger
drei unabhängige Kammern
beinhaltet oder definiert, die separat auf unterschiedliche Kombinationen
von Drücken
unter Druck gesetzt werden können.
Diese Kammern sind als Sub-Trägerkammer 301,
Rückhalteringkammer 302 und
Differentialkammer 303 identifiziert. Die Kammer 301 schafft
einen Sub-Träger-Über- oder -Unterdruck
gegen die Rückseite
des Sub-Trägers 101.
Die Kammer 302 schafft einen Rückhaltering-Über- oder
-Unterdruck gegen die Rückhalteringanordnung 250,
die mit der Ringanordnung über
die primäre
Membran 106 in Verbindung gesetzt ist. Die Kammer 303 schafft
entweder einen Überdruck
oder einen Unterdruck an der Rückhalteringanordnung 250 und
der Sub-Trägeranordnung 230,
welcher durch einen mittleren ringförmigen Bereich der primären Membran 106 ausgeübt wird.
Der von der dritten Kammer 303 ausgeübte Druck kann als Differentialdruck
interpretiert werden, der den unabhängig gegen die Ringanordnung 250 und
Sub-Trägeranordnung 250 geltend
gemachten Druck moduliert.
-
In
der Praxis hat dieser Differentialdruck unmittelbar in der Nähe des Aufbringpunktes
eine größere Auswirkung
auf den Rückhaltering
und den Sub-Träger,
so dass der vorherrschende Effekt der auf das Polieren an der Kante
des Wafers ist. Das Aufbringen eines Überdrucks in der Kammer 303 führt zu dem
Aufbringen einer Abwärtskraft
(Kraft in Richtung des Polierkissens) im Wesentlichen an der und
unmittelbar angrenzend an die Schnittstelle zwischen dem innersten radialen
Bereich des Rückhalterings 116 und
dem äußersten
Bereich eines an der unteren Fläche
des Subträges 101 angebrachten Wafers,
so dass die Polierung an der Kante des Wafers bewirkt wird. In der
Praxis führen
die Struktur und das Verfahren zum Aufbringen eines Druckes in der Kammer
zu der Fähigkeit,
vorteilhaft die Kantenausschlusszone von weniger als ungefähr 5 mm
auf weniger als 3 mm zu reduzieren. Die Kantenausschlusszone oder
der Bereich, wo ein ungleichmäßiges Polieren
oder Verebnen auftreten kann, ist ein radialer ringförmiger Bereich,
der sich von der äußeren Kante des
Wafers aus ungefähr
5 mm einwärts
erstreckt. Der Kantenausschlussbereich ist der ringförmige Ringbereich
an der Waferkante, wo eine akzeptable Gleichmäßigkeit verloren ist. Gegenwärtig ist
der von der Industrie akzeptierte Kantenausschlussbereich ungefähr 5 mm
groß und
ungefähr
3 mm klein.
-
Wir
wenden uns nun einer Beschreibung der Arbeitsweise und der Funktionen
zu, die von den Strukturen geboten werden, insbesondere Beziehungen
zwischen und unter strukturellen Elementen, wenn der Druck in den
Kammern verändert
wird. Die Kammer 301 bringt einen Druck auf den Hauptwafersubträger auf,
welcher in erster Näherung
(aber unter Vernachlässigung
der winkligen Bewegung oder Verkippung des Sub-Trägers oder
Wafers, die durch die Aufhängung
der Membran möglich
ist) so arbeitet, dass er einen Druck aufbringt, um den Poliervorgang an
der Oberfläche 306 des
Siliziumwafers 305 zu bewirken. Diese Siliziumwaferfläche 306 kann
ein Oxid aus Silizium, ein Metall oder Silizium selbst sein, abhängig von
dem Verfahren und der Stufe des Verfahrens, auf welcher poliert
wird. Die Siliziumwaferoberfläche
kann aus anderen Materialien wie beispielsweise Siliziumnitrid sein,
die normalerweise bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen
verwendet werden. Wenn wir auf den Siliziumwafer oder den Wafer
Bezug nehmen, beinhalten wir alle Materialien, die sich an dieser
Oberfläche
befinden können,
und nicht nur ein reines Siliziumwafermaterial. Es ist wichtig,
dass dieser Sub-Träger sich
in einer im Wesentlichen reibungsfreien Art und Weise bewegen kann
und einen gleichmäßigen oder
im Wesentlichen gleichmäßigen Druck
aufnehmen kann, entweder pneumatisch oder hydrodynamisch, um eine
gleichmäßige Polierung über die
Oberfläche
des Wafers hinweg zu bewirken. (Wie relativ zu der Kammer 303 beschrieben,
kann eine gewisse gesteuerte Ungleichmäßigkeit des an der Kante des
Wafers aufgebrachten Drucks eine ungleichmäßige Beschaffenheit der Kante
korrigieren und so im Grunde die Gleichmäßigkeit des Poliervorgangs
verbessern.)
-
Die
Kammer 2 bringt einen unabhängigen pneumatischen oder hydrodynamischen
Druck auf den Rückhaltering 116 auf.
Dieser ringförmige
Ring 116 kann so hergestellt sein, dass er eine unterschiedliche
ringförmige
Breite hat, d.h. das äußere radiale
Abmaß kann
modifiziert werden, um den Polierkopf so zu verändern, dass er eine größere Gleichmäßigkeit
erzielt, insbesondere an der Kante des Wafers. Das Material des
Rückhalterings,
die Oberflächentextur
und andere Merkmale wie beispielsweise Abmaße, Oberflächentopografie und eingebettete
Schleifstoffe können
auch ausgewählt
werden, um gewünschte
Ergebnisse zu erzielen. Durch eine vernünftige Auswahl der ringförmigen Breite
und des Materials des Rückhalterings
können
die Kantenpoliereffekte näher
an die eigentliche Kante des Wafers, der gerade poliert wird, oder
weiter von dieser weg bewegt werden, so dass die Menge des in der
Nähe der
Kante entfernten Materials erhöht
oder vermindert wird und dadurch ein gleichmäßigerer Bereich in der Nähe der Kante
des Wafers entsteht. Der positive Effekt besteht darin, den "Kantenausschluss"-Bereich des Wafers
von weniger als ungefähr
5 mm auf weniger als ungefähr
3 mm zu verringern. Dieser Ring dient auch als ein Rückhaltering, um
den Wafer während
des Polierzyklus' an
seiner Stelle zu halten. Der Abwärtsdruck
auf den Rückhaltering 116 wird
durch Aufbringen von Druck auf die Kammer 302 unabhängig von
dem in den Kammern 301 und 303 aufgebrachten Druck
erzielt. Die flexible primäre
Membran 106 dient dazu, die Kammern 301 und 302 mit einer
minimal resultierenden Reibungskraft in der vertikalen Richtung
zu isolieren, während gleichzeitig
ein Drehmomenttransfer auf den Wafer 305 selbst in der
horizontalen Ebene stattfindet und ein winkliges Verkippen des Sub-Trägers, um
winklige Schwankungen zwischen dem Wafer und dem Kissen unterzubringen,
noch möglich
ist. Während
in einer beispielhaften Ausführungsform
ein Polyphenylensulfid-Material
verwendet wird, können
auch andere Materialien verwendet werden, die keramisches Material
und andere Polymere sowie bestimmte andere zulässige (inerte) Metalle beinhalten,
aber nicht darauf beschränkt
sind. Das ausgewählte
Material, die ringförmige
Kontaktbreite mit dem Polierkissen sowie die Masse und andere strukturelle
Eigenschaften der Rückhalteringanordnung,
der Sub-Trägeranordnung
und des Polierkopfes insgesamt können
so ausgestaltet werden, dass mechanische Resonanzfrequenzen in Betracht
gezogen werden, die, wenn sie nicht berücksichtigt werden, die Poliergleichmäßigkeit
negativ beeinflussen könnten.
-
Die
Existenz und die Eigenschaften der Kammer 303 sind ein
weiteres innovatives Merkmal der erfindungsgemäßen Struktur, insbesondere durch
das Zulassen des Aufbringens eines dritten Drucks im Wesentlichen
nur an der Kante des Wafers. Die Absicht und Wirkung der "Differential-" oder "Kantenübergangskammer" 303 besteht
darin, einen geringfügigen
Differentialdruck (normalerweise eine gewisse zusätzliche
Polierkraft, aber die Struktur unterstützt auch eine verringerte Polierkraft)
direkt an der Kante des Wafers 305 vorzusehen, um einen
Waferkantenausschlussbereich von weniger als ungefähr 3 mm,
vielleicht sogar nur 0,5 mm zu schaffen. Die dritte Kammer 303 verleiht
den Polierprozessparametern eine beträchtliche Flexibilität, um eine
extreme Gleichmäßigkeit
der polierten Oberfläche
des Wafers zu erzielen. Die sekundäre flexible Membran 110 dient
dazu, die Kantenübergangskammer 303 von
den Kammern 301 und 302 mit einer minimalen Reibung
in der vertikalen Richtung zu isolieren. Die sekundäre Membran 210 dient
auch dazu, ein Drehmoment während
des Poliervorgangs effizient auf den Wafersubträger 101 und so auf
den Wafer 305 zu transferieren. Die Verwendung einer einzelnen
flexiblen Membran, die einen Rückhaltering
mit einem Waferträger
und mit einem Gehäuse
koppelt, ist in den US-Patenten 5,205,082, 5,527,209 und 4,918,870 beschrieben,
die hierin durch Bezug aufgenommen werden. Trockener Stickstoff
oder trockene reine Luft (clean dry air, CDA) wird ebenfalls auf
die Öffnungsanordnung
aufgebracht, um als ein Waferfreigabe- oder -auswurfvorgang am Ende
des Polier-, CMP- oder anderen Substratbearbeitungsvorgangs zu dienen.
Die Struktur beinhaltet auch einen Satz von Öffnungen, die von einer separaten
Zuführleitung
versorgt werden, welche Mittel zum Spülen von deionisiertem Wasser
(DI-Wasser) durch die Öffnungen hindurch
vorsieht.
-
Der
Sub-Träger 101 ist
auch dazu aufgebaut, die bereits beschriebenen Öffnungen 236 an der
Vorderseite des Wafersubträgers 101 vorzusehen,
so dass ein Vakuum auf die Kanten eines Wafers 305 aufgebracht
werden kann, so dass der Wafer während
der Beförderung
des Wafers zu oder von einer anderen Waferbearbeitungsvorrichtung
einfach aufgenommen werden kann. Die Vakuumkammer 308 ist
als Kanal 309 in der Rückseite
des Wafersubträgers 101 ausgebildet
und von anderen Kammern 301, 302, 303 und
von der umgebenden Atmosphäre durch
die Sub-Träger-Dichtung 102 abgedichtet.
Die Leitungen, die Fluidquellen, welche eine Quelle einer Vakuumquelle 310 beinhalten, über die
spindelbasierte Dreheinheit mit dem Passstück 234, dem Kanal 309 und
den Waferdurchgangsöffnungen 236 koppeln,
werden auch verwendet, um deionisiertes Wasser (DI-Wasser) zu kommunizieren,
um die Rückseite
des Wafers 305b am Ende des Polierzyklus zu spülen, um
den Wafer 305 effektiv von dem Träger 101 zu lösen und
die Vakuumöffnungen 236 von
eventuell verbleibendem Polierschlamm oder Waferresten frei zu spülen, die
möglicherweise
vorhanden sind, um die Aufnahme und Anbringung des nächsten Wafers vorzubereiten.
Der Sub-Träger 101 beinhaltet
optional, aber vorteilhafterweise, auch Mittel zum Spülen von
deionisiertem Wasser oder einer anderen Flüssigkeit oder Fluid durch den
dünnen Zwischenraum
zwischen dem Sub-Träger 101 und dem
Rückhaltering 116,
nachdem der Polierzyklus beendet worden ist, um den Aufbau von Schlamm
in dem Zwischenraum zu vermeiden, der ansonsten die Reibung erhöhen könnte oder
ein Anhaften zwischen dem Ring 116 und dem Sub-Träger 101 verursachen könnte.
-
Der
Arretierring 109 dient als mechanischer Anschlag für die Haupt-Subträger-Anordnung 230, um
eine übermäßige Erstreckung
des Sub-Trägers oder,
in dem Fall eines aufgebrachten Vakuums, ein übermäßiges Zurückziehen der Sub-Trägeranordnung 230 zu
verhindern. Das untere Gehäuse 205 dient
als unteres externes Gehäuse
und mechanischer Anschlag für
die Rückhalteringanordnung,
um eine übermäßige Erstreckung
dieses Elements zu vermeiden. Eine Druck- und Vakuumisolierung zwischen
den Kammern 301 und 302 wird durch doppelte konzentrische
O-Ringdichtungen 326, 327 erzielt, die zwischen
der inneren oberen Gehäusefläche und dem
Gehäusedichtungsring 113 vorgesehen
sind, der gegen die Oberfläche
des oberen Gehäuses 115 abdichtet.
-
Vorteilhafterweise
ist das innere Volumen der Kammer 301 reduziert oder minimiert,
um die Antwortzeit zu verkürzen,
die erforderlich ist, um entweder ein Vakuum oder einen Überdruck
auf die Kammer 301 aufzubringen. Die Verminderung des Volumens
wird zumindest teilweise erzielt, indem einfach kein Material aus
dem Gehäuse 105 entfernt wird,
und indem Elemente der Rückhalteringanordnung 250 (beispielsweise
der äußere geflanschte Ring 108 und
der äußere Anschlagring 112)
und der Sub-Trägeranordnung 230 (beispielsweise
der innere geflanschte Ring 107 und der innere Anschlagring 111)
in einen konkaven Bereich des oberen Gehäuse 115 hinein vertieft
werden, und indem die Dicke anderer Bereiche des oberen Gehäuses 115 verstärkt wird,
so dass sie sich näher
an den Sub-Träger 101 heran
erstrecken, mit der Voraussetzung, dass das Gehäuse nicht mit den anderen Komponenten
der Trägeranordnung 100 interferiert.
Vorzugsweise erzielt die Mehrfachkammer-Trägeranordnung 100 verglichen
mit herkömmlichen
Strukturen eine wesentliche Gewichtseinsparung.
-
Die
Gestalt der Rückseite
des Sub-Trägers ist
so ausgewählt,
dass sie bei minimalem Gewicht eine strukturelle Festigkeit schafft
und eine sehr geringe zusätzliche
Flexibilität
ermöglicht,
eigentlich eine Fähigkeit,
die steife Struktur sehr wenig zu verzerren, und zwar in einem Bereich
in der Nähe
der Waferkante. Diese geringfügige
Flexibilität
an der Kante wirkt in Verbindung mit der Kantendruckkammer 3.
-
Ein
optionaler Wafersubträgereinsatz 330 für eine verlängerte Lebensdauer,
der dazu dient, den Wafer 305 während des Polierzyklus von
hinten zu stützen,
kann auch vorgesehen sein. Dieser Film für die verlängerte Lebensdauer ist optional,
aber wünschenswerterweise,
mit der Sub-Trägeroberfläche verbunden.
Das Material ist ein Polymer, das wegen seiner Härte, Oberflächenreibung und Verschleißbarkeit
ausgewählt
ist. Der Sub-Träger-Film
sollte hinsichtlich Anforderungen an die optische Flachheit bearbeitet
werden. Es ist wichtig, dass der relativ dicke Film für die verlängerte Lebensdauer
mit geeigneten Bohrungen versehen werden kann, um ein Vakuum auf
der Rückseite
des Wafers effektiver aufzubringen als die Filme in herkömmlichen
Strukturen.
-
Die
erfindungsgemäße Spindelanordnung 120 beinhaltet
eine Dreheinheit und ist so ausgestaltet worden, dass sie fünf unabhängige Fluid-,
Gas- und Druck/Vakuumkreise versorgt. Die erfindungsgemäße Struktur
bietet unabhängig
gesteuerten Druck für
die mittlere Kammer 301, für die Rückhalteringkammer 302 und
für die
Kantenübergangskammer 302 und
außerdem
für Vakuum
und deionisiertes Wasser. Eine Spindelanordnung mit einer Zwei-Öffnungs-Dreheinheit
ist in dem US-Patent 5,443,416 beschrieben, welches hierin durch
Bezug aufgenommen wird.
-
5 ist
eine diagrammatische Veranschaulichung, die eine Ausführungsform
des Drucksteuersystems 400 zum Vorsehen einer unabhängigen Steuerung
von Druck in einer ersten, einer zweiten und einer dritten Kammer
sowie von unter Druck gesetztem Wasser und Vakuum darstellt. Das
Drucksteuersystem 400 beinhaltet eine Luftquelle/-Versorgung 402,
eine Vakuumpumpe/-Quelle/-Versorgung 404 und eine Quelle
von deionisiertem Wasser (H2O) 406.
Jede dieser Quellen oder Versorgungen ist mit Dreheinheit 408 über Leitungen,
Schläuche
oder Röhren 420 durch
Steuerventile gekoppelt, die optionale Druck- oder Volumenregler
haben. Beispielsweise ist die Luftquelle 402 mit der Dreheinheit 408 über drei
Steuerventile 410, 412, 414 gekoppelt;
jedes dieser Ventile kann einen optionalen Regler haben, und auf
die gleiche Art und Weise ist die Vakuumquelle 404 mit
der Dreheinheit 408 über
ein viertes Steuerventil 416 gekoppelt, das ebenfalls einen
optionalen Druckregler haben kann. Schließlich ist die Quelle deionisierten
Wassers 406 mit der Dreheinheit 408 über ein
fünftes
Steuerventil 418 gekoppelt, welches wiederum einen optionalen
Druckregler haben kann.
-
Die
Dreheinheit 408 nimmt diese Fluide oder Drücke auf
und kommuniziert sie zu dem Polierkopf 426, wie es an sich
in der Technik bekannt ist. Ein Computer oder eine andere Steuerung 430 hat
Eingangs-/Ausgangs-Öffnungen 432, 444 zum
Kommunizieren mit Fluidversorgungen 402, 404, 406 mit
einem Karussellmotor 422 bzw. einem Plattenmotor 424 innerhalb
der Poliermaschine 426. Der Computer 432 beinhaltet
auch einen Speicher 434 zum Speichern von Prozeduren 436,
Daten 438 und einem Betriebssystem 440. Diese
Prozeduren 436 können
beispielsweise die Drucksteuerprozedur 442 beinhalten.
Eine Anzeige 450 und Benutzereingabeeinrichtungen, wie
beispielsweise eine Tastatur und eine Maus, sollten vorgesehen sein.
-
Nachdem
nun viele Merkmale der Erfindung beschrieben worden sind, richten
wir die Beschreibung auf Merkmale der Erfindung, die in einer bestimmten
Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen sind, welche in den 6–28 dargestellt ist. Während diese Veranschaulichungen
Elemente der Struktur sehr genau zeigen, brauchen nicht alle diese Merkmale
von der Erfindung vorgesehen zu werden, und die erfinderischen Merkmale
sind bereits relativ zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen gezeigt
und beschrieben worden. Da das Substrat (typischerweise ein Halbleiterwafer)
jede Größe haben
kann, sind außerdem
die in den 6–28 dargestellten
Abmaße
auf einen Wafer mit einer Nenngröße von 200
mm anwendbar. Fachleute werden im Lichte der hier erfolgten Beschreibung
erkennen, dass die Struktur auch größer oder kleiner sein kann, um
Substrate mit verschiedener Größe aufzunehmen,
beispielsweise mit einem Durchmesser von 100 mm, 300 mm oder einem
größeren Durchmesser.
-
Mit
Bezug auf diese Figuren zeigen die 6A–6E diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Sub-Trägers
für einen Waferpolierkopf
mit einem Durchmesser von 200 mm, die 7A–7B diagrammatische
Veranschaulichungen einer beispielhaften Sub-Trägergummidichtung, die 8A–8C diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Rings, die 9A–9D diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Adapters, die 10A–10D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften unteren Gehäuses,
die 11A–11B diagrammatische
Veranschaulichungen einer beispielhaften primären Membran, die 12A–12B diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften inneren Flanschrings, die 13A–13D diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften äußeren Flanschrings,
die 14A–14D diagrammatische Veranschaulichungen
eines beispielhaften Arretierrings, die 15A–15B diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften sekundären Membran,
die 16A–16C diagrammatische Veranschaulichungen
eines beispielhaften inneren Anschlagrings, die 17A–17C diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften äußeren Anschlagrings,
die 18A–18D diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Gehäusedichtrings, die 19A–19E diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Anbringadapters, die 20A–20C diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften oberen Gehäuses,
die 21A–21D diagrammatische
Veranschaulichungen eines beispielhaften Rückhalterings, die 22 eine
diagrammatische Veranschaulichung eines beispielhaften Filmeinsatzes,
die 23A–23D diagrammatische Veranschaulichungen
eines beispielhaften Kopf-Platten-Adapters, die 24A–24G diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften inneren Flanschrings, die 25A–25E diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften Spindelwelle, die 26A–26G diagrammatische Veranschaulichungen einer
beispielhaften Querschnittsansicht einer Spindelwelle und Bereichen
von Dreheinheitsleitungen, die 27A–27B diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Drehkreuzantriebsritzels, und die 28A–28B diagrammatische Veranschaulichungen eines
beispielhaften Spindelkeils.
-
Diese
und andere Merkmale schaffen verschiedene Vorteile und Verbesserungen
bezüglich des
Standes der Technik, welche folgende beinhalten, aber nicht darauf
beschränkt
sind: (1) Mehrfache, unabhängige
Druckkammern. Druck der Sub-Träger
und Wafer, Druck auf den Rückhaltering, Druck
auf den Bereich dazwischen. Entweder Überdruck oder Unterdruck in
Bezug auf den Sub-Träger. (2)
Verwendung einer flexiblen Membran, Membranen, um die Kammern zu
isolieren, vertikale Reibung zu reduzieren und Drehmoment auf den
Wafer für das
Polieren zu übertragen.
(3) Das Aufbringen des Trägers
auf Silizium, Polieren und Verebnen von Oxid und Metallfilmen auf
mehrschichtigen Siliziummetall-Schaltkreisstrukturen. (4) Verwendung
von belüfteten
Schrauben in der Anordnung, um die Anwesenheit von Luft in dem Bereich
des Wafers zu vermeiden – entweder
vorne oder hinten, was zu einer Ungleichmäßigkeit führt. (5) Die Verwendung der abdichtenden
Membranen als Element zum Übertragen
von Drehmoment. (6) Mechanismus zum Zuführen eines Vakuums zur Rückseite
des Wafers, welcher die doppelte Funktion einer Wasserspülung und eines
Stickstoffdruck-Waferfreigabemechanismus hat. (7) Die Verwendung
des Einsatzes für
die verlängerte
Lebensdauer an der Oberfläche
des Sub-Trägers,
um den nicht verlässlichen
herkömmlichen
Einsatz zu eliminieren. (8) Die Fähigkeit, verschiedene Materialien
und Abmaße
für den
Rückhaltering
zu verwenden, einschließlich
eines Rings, der dazu ausgestattet ist, Kissenkonditionierelemente
zu beinhalten. (9) Die Fähigkeit,
eine automatische Wasserspülung
des Bereichs zwischen dem Sub-Träger
und dem Rückhaltering
vorzusehen. (10) Der zweistückige
Rückhalteringmechanismus,
der einen Austausch des Rückhalterings
ohne eine Demontage des gesamten Kopfes (Trägers) ermöglicht. (11) Die Verwendung
eines Akkumulators in dem Vakuumsystem, um eine sehr schnelle Antwort
bei der Handhabung des Wafers zu ermöglichen. (12) Die Fähigkeit, verschiedene
Materialien bei der Herstellung des Sub-Trägers zu verwenden, und zwar
von rostfreiem Stahl über
keramische und polymerische Materialien, um optische Flachheit zu
erzielen, spezifische Oberflächenprofile
und Oberflächenhärte. (13)
Die Fähigkeit,
Rückhalteringe
mit variierenden Geometrien zu verwenden, und zwar austauschbar,
ohne die grundsätzlichen
Mechanismen zu verändern.
-
Andere
erfinderische Merkmale sind in den Zeichnungen dargestellt und in
zumindest einem der Patentansprüche
wiedergegeben.
-
Fachleute
werden im Lichte der hier erfolgten Beschreibung erkennen, dass
die erfinderische Polierkopfanordnung einfach in einer Einzel- oder
Mehrfachträgerpoliermaschine
angebracht werden kann, und dass der erfinderische Dreikammerkopf,
obwohl er im Kontext eines schwebenden Sub-Trägers und einer schwebenden
Rückhaltering-Ausführungsform beschrieben
worden ist, ebenfalls mit anderen Sub-Träger- und/oder Rückhalteringstrukturen
verwendet werden kann, obwohl eine solche Implementierung nicht
bevorzugt ist und beim Erzielen einer gleichmäßigen Polierung eventuell weniger
effektiv ist.
-
Die
erfolgten Beschreibungen von spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind zum Zwecke der Veranschaulichung der Beschreibung
präsentiert
worden. Sie sollen nicht abschließend verstanden werden oder
die Erfindung auf die präzisen
offenbarten Formen beschränken, und
offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen im Lichte
der obigen Lehre möglich.
Die Ausführungsformen
wurden ausgewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische
Anwendung am besten zu erläutern,
um es dadurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung und
verschiedene Ausführungsformen
mit verschiedenen Modifikationen, wie sie für den gerade in Betracht gezogenen
Zweck geeignet sind, am besten verwenden zu können. Der Bereich der Erfindung
soll durch die anliegenden Patentansprüche definiert sein.