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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Waferreinigungsvorrichtung,
die geeignetermaßen
für Nach-CMP-Reinigung verwendet
werden kann.
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Im
Allgemeinen ist nach dem chemisch-mechanischen Polieren eines Wafers
ein sehr effizientes Entfernen von Teilchen von der Waferoberfläche erforderlich.
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Dazu
wird, wie in 2 gezeigt, der Wafer 3 in
einer Cleaner-Box in einer vertikalen Orientierung angeordnet, und
zwei zylindrische PVA-(Polyvinylacrylat)-Schwämme 1, 2 werden
in physischen Kontakt mit beiden Oberflächen des Wafers 3 gebracht. Die
Zylinderachsen der Schwämme
verlaufen parallel zu dem Wafer, und die Schwämme drehen sich in entgegengesetzten
Richtungen. Dementsprechend steht der Wafer 3 zwischen
sich drehenden Schwämmen 1, 2,
die in Richtung der Waferoberfläche
drücken.
Zudem werden entionisiertes Wasser und/oder Chemikalien auf den
Wafer 3 sowie die Schwämme 1, 2 aufgebracht,
um Teilchen von dem Wafer und den Schwämmen zu entfernen.
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Um
die ganze Waferoberfläche
zu bedecken, muss sich während
des Reinigungsprozesses auch der Wafer drehen. Dazu wird der Wafer
von Walzen 4 getragen, die den Wafer 3 in Drehung
versetzen. Die Walzen 4 sowie die Drehachsen der Schwämme werden
von Servomotoren angetrieben.
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Um
zufrieden stellende Reinigungsergebnisse zu erhalten, sind konstante
Druck- und Reibungsbedingungen zwischen den Schwämmen und dem Wafer ungeachtet
von Änderungen
der mechanischen Charakteristiken der Schwämme erforderlich.
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Zur
Annäherung
an diese Anforderung wird entweder der Druck, der ausgeübt wird,
um die Schwämme
in Richtung der Wafers zu drücken,
von einem Druckregler gesteuert.
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Alternativ
werden die Druckbedingungen durch Voreinstellen eines Abstands zwischen
beiden Schwämmen
bestimmt. Dazu werden die Schwämme
mit maximalem Druck in Richtung auf ein Festanschlagsystem bewegt.
Die festgelegten Abmessungen bewirken eine Überlappung zwischen dem Außenumfang
des Schwamms und dem Wafer. Somit wird ein bestimmter Druck zwischen
Schwämmen und
Wafer erzeugt.
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Das
Voreinstellen des Abstands ist jedoch sehr kompliziert, da der Festanschlag
nur manuell eingestellt werden kann. Insbesondere muss die Breite
des Abstands mit sehr hoher Präzision
eingestellt werden, und der Wafer muss genau zwischen den beiden
Schwämmen
zentriert werden.
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Zusammengefasst
beinhalten die bekannten Verfahren zum Ausüben eines konstanten Drucks zwischen
den Schwämmen
und dem Wafer die folgenden Mängel:
- – Es
gibt keine Kontrolle der realen Kraft- und Reibungsbedingungen zwischen
Schwämmen
und Wafer. Üblicherweise
führen Änderungen
bei den mechanischen Charakteristiken der Schwämme oder des Entfernen der
oberen Schicht des Wafers zu Unterschieden bei den Reibungsbedingungen
zwischen Schwamm und Wafer. Somit werden verschiedene Reibungsergebnisse
erzielt, wenn keinerlei Kontrolle der mechanischen Parameter des
Reinigungsprozesses vorliegt.
- – Es
gibt keine Möglichkeit,
die realen Reibungsbedingungen an eine Änderung der Prozessanforderungen
anzupassen. Beispielsweise könnten bei
einem bestimmten Punkt des Reinigungsprozesses spezielle Reibungsbedingungen
nützlich werden,
um ein optimales Reinigungsergebnis zu erzielen.
- – Insbesondere
bei Verwendung des Festanschlagsystems werden die Reinigungsbedingungen
sofort voreingestellt, wenn neue Schwämme installiert werden. Im
Verlauf der Zeit jedoch kann die Kompression den Auflendurchmesser
der Schwämme
reduzieren. Diese Änderungen
wirken sich direkt auf die Druckbedingungen und somit die Reinigungsergebnisse
aus.
- – Dementsprechend
ist eine Menge an Wartungsaktivitäten erforderlich. Insbesondere
muss die Genauigkeit des Abstands zwischen den Schwämmen häufig gepüft und neu
eingestellt werden.
- – Dennoch
gibt es keine Kontrolle der Reinigungsparameter über die Lebensdauer der Schwämme.
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Aus
dem US-Patent US-A-6,082,377 ist eine Waferreinigungsvorrichtung
bekannt, bei der ein Wafer vertikal gestützt wird. Die Waferoberflächen werden
von zylindrischen Bürsten
kontaktiert. Es drehen sich sowohl der Wafer als auch die Bürsten. Die
Bürstenachsen
verlaufen parallel zu den Oberflächen
des Wafers. Die Bürsten
reiben gegen die jeweilige Waferoberfläche und entfernen eine Verunreinigung
von dort. Die Bürsten
können
mit Sensoren ausgestattet oder gekoppelt sein, um Bearbeitungsparameter
wie etwa Bürstenkontaktdruck
vor Ort zu messen.
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US-Patent
US-A-6,070,284 beschreibt eine Waferreinigungsvorrichtung für einen
vertikal angeordneten Wafer. Die Waferoberflächen werden von zylindrischen
Bürsten
kontaktiert. Der Wafer und die Bürsten
drehen sich. Die Bürsten üben eine
Kraft auf den Wafer aus. Ein Sensor erfasst die ausgeübten Kräfte. Der
Antriebsmechanismus zum Ausüben
von Kräften
auf den Wafer ist ein pneumatisch betriebenes System, das ein Steuersignal
von dem Drucksensor empfängt.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Waferreinigungsvorrichtung mit einem Regelkreis zum Steuern
der zwischen Wafer und Schwämmen
vorliegenden Reibung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Waferreinigungsvorrichtung,
die folgendes umfasst: eine Wafertrageinrichtung zum vertikalen
Tragen eines zu reinigenden Wafer; Schwämme zum Reinigen des Wafer,
wobei die Schwämme
in Kontakt mit beiden Oberflächen des
Wafer angeordnet sind, wobei ihre Drehachsen parallel zu dem Wafer
verlaufen; eine steuerbare Schwammpositioniereinrichtung zum Drücken der Schwämme gegen
den Wafer; einen Waferdrehantrieb, der dafür ausgelegt ist, den Wafer
mit einer konstanten Drehzahl zu drehen; ein Schwammdrehantriebssystem,
das dafür
ausgelegt ist, die Schwämme mit
einer konstanten Drehzahl zu drehen und einen Regelkreiscontroller,
der Motorstromsignale von mindestens einem des Waferdrehantriebs
und des Schwammdrehantriebsystems erhält, wobei der Regelkreiscontroller
ein Einstellsignal an die Schwammpositioniereinrichtung zum Drücken der
Schwämme gegen
den Wafer als Reaktion auf die Motorstromsignale liefert, um die
Reibung zwischen den Schwämmen
und dem Wafer einzustellen.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
sind wie in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Motorstromsignale von dem Waferdrehantrieb und/oder
dem Schwammantrieb zur Online-Steuerung der Reibungsbedingungen
zwischen Wafer und Schwämmen
verwendet. Diese Signale, die das Drehmoment darstellen, das erforderlich
ist, um eine konstante Antriebsgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten,
und somit die realen Reibungsbedingungen zwischen Wafer und Schwämmen darstellen,
werden an einen Regelkreis abgegeben, um die Änderung der Reinigungsbedingungen
aktiv und online zu korrigieren. Somit wird die Auswirkung von Änderungen
in den mechanischen Charakteristiken der Schwämme auf den Reinigungsprozeß ausgeschlossen,
und die Reinigungsbedingungen können über die
Lebenszeit der Schwämme
hinweg immer konstant gehalten werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann unter Verwendung verschiedener Mechanismen
zum Drücken der
Schwämme
gegen die Waferoberflächen
implementiert werden. Beispielsweise kann das von dem Regelreis
abgegebene Einstellsignal an einen Druckregler abgegeben werden,
der den auf die Schwämme
ausgeübten
Druck auf der Basis des Einstellsignals setzt.
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Alternativ
kann das von dem Regelkreis gelieferte Einstellsignal an ein Positioniersystem
abgegeben werden, dass die Position der Schämme bevorzugt elektrisch steuert.
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Insbesondere
kann dieses elektronische Positioniersystem ein Festanschlagsystem
zum Setzen des Abstands zwischen den beiden Schämmen umfassen. In diesem Fall
ist der Festanschlag besonders ausgelegt und ein Motorantrieb zum
Einstellen der Position des Festanschlags ist vorgesehen. Die Position
des Festanschlags bestimmt den Abschnitt zwischen den beiden Schämmen wie
später
ausführlicher
erläutert
wird.
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Es
kann jedoch auch jedes beliebige System zum Positionieren der Schwämme in Beziehung
zu dem Wafer verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung liefert zusammengefasst die folgenden Vorteile:
- – Mit
der vorliegenden Erfindung ist es mögich, Informationen über die
realen Reibungsbedingungen zwischen den Schwämmen und dem Wafer während des
Waferreinigungsprozesses zu erhalten. Somit kann ein Online-Rückkopplungssignal über einen
sehr wichtigen Reinigungsparameter empfangen werden, und dieses
Signal kann für den
Regelkreis des mechanischen Reinigungsparameter verwendet werden.
- – Folglich
wird unter Berücksichtigung
der Regelung der Drehzahl der Schwämme, die normalerweise im Stand
der Technik verwendet worden ist, der mechanische Teil des Reinigungsprozesses vollständig gesteuert.
- – Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine Online-Korrektur
und somit eine sofortige Reaktion, wenn sich die Reibungsbedingungen ändern.
- – Somit
können
immer die gleichen Reibungsbedingungen aufrecht erhalten werden,
wodurch die Stabilität
des Prozesses bemerkenswert verbessert wird.
- – Zudem
wird eine automatische Einstelung des die Reibung darstellenden
Prozessparameters möglich.
Somit wird eine Anpassung an variierende Prozessanforderungen möglich, beispielsweise
können
mit verschiedenen Produkten verschiedene Reibungsbedingungen eingestellt
werden.
- – Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine Online-Steuerung
des Schwammverhaltens über
die ganze Lebenszeit des Schwamms hinweg.
- – Außerdem kann
die Lebenszeit der Schwämme verlängert werden,
indem verschiedene Reibungsbedingungen angewendet werden, sobald die
Schwämme
ihre Standardlebenszeit erreicht haben.
- – Zudem
können
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die erwünschten Reibungsbedingungen
in einem Rezept voreingestellt und somit an verschiedene Reinigungsanforderungen
angepasst werden.
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Wenn
die Positioniereinrichtung außerdem ein
Festanschlagsystem umfasst, werden die folgenden zusätzlichen
Vorteile erzielt:
- – Es ist kein Regelkreissystem
erforderlich.
- – Zudem
kann außerdem
die Festanschlagsposition überwacht
werden.
- – Zusätzlich kann
der Schritt des Voreinstellens des Abstands, der ein komplizierter
Prozess ist, vermieden werden.
- – Somit
können
die Wartungsaktivitäten
erheblich reduziert werden. Insbesondere sind häufige Prüfungen der Einstellung des
Abstands zwischen den Schwämmen
nicht länger
erforderlich.
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Zusammengefasst
erhöht
die Implementierung der vorliegenden Erfindung die Ausbeute, verbessert
die Waferzykluszeit und reduziert folglich die Kosten.
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Die
vorliegend Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Regelkreis der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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2 veranschaulicht
den Nach-CMP-Reinigungsprozess, auf den die vorliegende Erfindung üblicherweise
angewendet wird.
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3 veranschaulicht
eine mögliche
Implementierung des in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
verwendeten Festanschlagsystems und
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4 veranschaulicht
eine weitere mögliche Implementierung
des in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendeten Festanschlagsystems.
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In 1 bezeichnet
Bezugszahl 12 einen Software-Controller, der ein Stromsignal
von dem Waferdrehantrieb 10 und/oder dem Schwammdrehantriebsystem 11 empfängt. Das
von dem Waferdrehantrieb 10 oder dem Schwammdrehantriebsystem 11 gelieferte
Stromsignal stellt das Drehmoment dar, das erforderlich ist, um
die Waferdrehung oder die Schwammdrehung bei einer konstanten Drehzahl zu
halten, und stellt somit direkt die realen Reibungsbedingungen zwischen
Schwamm und Wafer dar. Üblicherweise
werden der Wafer und die Schwämme von
Servoantrieben angetrieben, die analoge Ausgangssignale liefern,
die proportional zum Motorstrom sind.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden zwei Schwämme verwendet, und das Schwammdrehantriebsystem 11 umfasst
einen einzelnen Servoantrieb zum Drehen beider Schwämme. Da
die Reibungsbedingungen der beiden Waferoberflächen, gegen die die Schwämme gedrückt werden,
normalerweise differieren, wird dementsprechend ein Mittelwert der
realen Reibungsbedingungen der beiden Waferoberflächen gemessen.
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Es
kann jedoch eine beliebige willkürliche geradzahlige
Anzahl an Schwämmen
verwendet werden, und das Schwammdrehantriebsystem 11 kann
auch mehr als einen Servoantrieb umfassen, beispielsweise einen
Servoantrieb für
die Schwämme
jeder Waferoberfläche.
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Der
Software-Controller 12 vergleicht die von diesen Stromsignalen
dargestellten Reibungsdaten mit voreingestellten Reibungsbedingungen.
Diese voreingestellten Reibungsbedingungen berücksichtigen unter anderem,
dass die gemessenen Reibungsdaten wie oben erwähnt ein Mittelwert sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann ein Rezept, das die Reibungsbedingungen
darstellt, die an verschiedene Reibungsanforderungen angepasst werden,
beispielsweise für
verschiedene Schichten, in ein Speichermodul gespeichert werden,
das von diesem Software-Controller 12 umfasst wird.
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Der
Software-Controller liefert ein Korrektursignal an eine Positioniereinrichtung 13 zum
Drücken der
Schwämme
gegen den Wafer. Die Positioniereinrichtung 13 stellt den
Druck zwischen Schwämmen und
Wafer auf der Basis dieses Korrektursignals ein, so dass schließlich ein
voreingestellter Reibungswert zwischen Schwämmen und Wafer erzielt wird.
Bewerkstelligt werden kann dies entweder durch Einstellen der Position
der Schwämme
oder durch Einstellen des Drucks, mit dem die Schwämme gegen die
Waferoberfläche
gedrückt
werden.
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Wenn
genauer gesagt der Motorstrom unter dem voreingestellten Wert liegt,
werden die Schwämme
weiter in Richtung auf den Wafer bewegt, oder der Druck der Schwämme wird
verstärkt.
Wenn andererseits der Motorstrom höher ist als der voreingestellte
Wert, werden die Schwämme
von dem Wafer wegbewegt oder der Druck der Schwämme wird reduziert.
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Die 3 und 4 zeigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei denen die Positioniereinrichtung
als eine Einrichtung zum Setzen der Position der Schwämme implementiert
ist, die einen Festanschlag 5 und einen Motorantrieb 6 umfaßt.
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Bei
diesen Ausführungsformen
werden, wie in 3 und 4 gezeigt,
die beiden Schwämme 1, 2 von
Wellen 7,8 gehalten. Wenn der Reibungsprozeß gestartet
wird, wird das die Schwämme 1,2 in Position
haltende Wellensystem pneumatisch mit maximalem Druck in Richtung
auf die Festanschläge 5 bewegt.
Dementsprechend werden die Schwämme in
Richtung auf den Wafer gedrückt,
und der Druck zwischen den Schwämmen
und dem Wafer wird gesetzt, indem der Abstand gesetzt wird, der
von der Festanschlagsposition bestimmt wird.
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Wenn
dieses Festanschlagsystem verwendet wird, kann der zwischen dem
Wafer und den Schwämmen
ausgeübte
Druck leicht eingestellt werden und kein kompliziertes Regelkreissystem
ist erforderlich.
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Wie
in 3 dargestellt, kann der Festanschlag 5 als
eine elektrische Kurvenscheibe implementiert sein, und die beiden
Wellen 7, 8 sind parallel angeordnet. In diesem
Fall wird der Drehwinkel der Kurvenscheibe und somit der Abstand
zwischen den beiden Wellen 7, 8 und folglich der
Abstand zwischen den beiden Schwämmen 1, 2 von
dem Motorantrieb 6 eingestellt. Somit ist der Mindestabstand
zwischen den beiden Wellen 7, 8 gleich der Nebenachse
der Ellipse und der Höchstabstand
zwischen den beiden beiden Wellen 7, 8 ist gleich
der Hauptachse der Ellipse.
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Alternativ
kann, wie in 4 dargestellt, der Festanschlag
als ein Kegelstumpf implementiert sein, und die beiden Wellen 7, 8 sind
auf kreuzende Weise angeordnet, wobei jede der wellen 7, 8 mit
der Hüllkurve
des Kegels in Kontakt steht. In diesem Fall wird die Position des
Festanschlags und somit der Kreuzungswinkel der beiden Wellen 7, 8 und
folglich der Abstand zwischen den beiden Schwämmen 1, 2 durch
eine Spindel 9 eingestellt, die von dem Motorantrieb 6 angetrieben
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann als Alternative zu dem Festanschlagsystem das Positionierungssystem
auch als ein Satz von Spindeln implementiert sein, die jeweils die
Schwämme
und einen Satz von Krakarmen zum Stützen der Schwämme physisch
verbinden, wobei die Krakarme in einem kostanten Abstand parallel
gehalten werden. Durch Einstellen dieser Spindeln kann die Position
der Schwämme
entsprechend gesetzt werden. Diese Implementierung beinhaltet den
Vorteil, dass jeder der Schwämme
separat eingestellt werden kann. Im Gegensatz zu der Implementeirung,
die das Festanschlagsystem verwendet, ist es zudem nicht erforderlich,
den wafer zwischen den beiden Schwämmen zu zentrieren.