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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Planarisieren von Halbleiter-Wafern
unter Verwendung einer chemisch-mechanischen Planarisierungstechnik, wie
sie aus dem Dokument JP-A-2000 015 557 bekannt ist. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes System und Verfahren
zum Planarisieren von Halbleiter-Wafern in einer kontrollierten
Weise über
einen veränderlichen
geometrischen Kontaktbereich.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Halbleiter-Wafer
werden normalerweise mit mehreren Kopien einer gewünschten
integrierten Halbleiterschaltungs-Auslegung hergestellt, die später getrennt
und als einzelne Chips gestaltet werden. Eine übliche Technik zum Ausbilden
der Schaltung auf einem Halbleiter-Wafer ist die Fotolithografie.
Ein Teil des Fotolithografie-Prozesses erfordert es, dass eine spezielle
Kamera auf den Wafer fokussiert ist, um ein Bild der Schaltung auf
den Wafer zu projizieren. Das Fokussierungsvermögen der Kamera auf die Oberfläche des
Wafers wird oft nachteilig beeinflusst durch Inkonsistenzen oder
Unebenheit in der Wafer-Oberfläche.
Diese Anfälligkeit
wird durch die gegenwärtige
Tendenz zu kleineren, stärker
integrierten Halbleiterschaltungs-Auslegungen noch vertieft, bei
denen gewisse Ungleichförmigkeiten
innerhalb eines bestimmten Rohchips oder zwischen einer Vielzahl
von Rohchips auf einem Wafer nicht toleriert werden können. Weil
eine Halbleiterschaltung auf Wafern im Allgemeinen in Schichten
angelegt wird, wobei ein Teil einer Schaltung auf einer ersten Schicht
angelegt wird, und leitende Lücken
(vias) sie mit einem Teil der Schaltung auf der nächsten Schicht
verbinden, kann jede Schicht auf dem Wafer eine Topografie hinzufügen oder
anlegen, die vor dem Anlegen der nächsten Schicht geglättet werden muss.
Chemisch-mechanische Planarisierungstechniken (Oxid-CMP) werden
zum Planarisieren und Polieren jeder Schicht eines Wafers verwendet.
CMP (Metall-CMP) wird auch weitverbreitet benutzt, um Stecker und
Drähte
aus Metall innerhalb des Rohchips zu formen, wobei überschüssiges Metall
von der Wafer-Oberfläche
entfernt wird und Metall nur in den gewünschten Steckern und Schlitzen
des Wafers hinterlassen wird. Erhältliche CMP-Systeme, die im Allgemeinen
als Wafer- Poliervorrichtungen
bezeichnet werden, verwenden oft rotierende Wafer-Halter, die den
Wafer mit einer Polierscheibe in Kontakt bringen, die sich in der
Ebene der zu planarisierenden Wafer-Oberfläche dreht. Ein chemisches Poliermittel oder
eine Aufschlämmung,
die Mikroschleifmittel und die Oberfläche verändernde Chemikalien enthält, wird
zum Polieren des Wafers auf die Polierscheibe aufgebracht. Der Wafer-Halter
drückt
dann den Wafer an die sich drehende Polierscheibe und wird gedreht,
um den Wafer zu polieren und planarisieren. Einige erhältliche
Wafer-Poliervorrichtungen verwenden eine Orbitalbewegung oder ein
lineares Band statt einer sich drehenden Fläche zum Tragen der Polierscheibe.
In allen Fällen
wird die Oberfläche
des Wafers oft von der Polierscheibe bedeckt und steht damit in
Kontakt, um gleichzeitig die gesamte Oberfläche zu polieren. Ein Nachteil
des gleichzeitigen Polierens der gesamten Oberfläche ist, dass die verschiedenen
Schaltungen auf dem Wafer, selbst wenn der Wafer den CMP-Prozess
vollkommen eben beginnt, unterschiedlich auf den CMP-Prozess reagieren
können.
Dies kann auf die verschiedenen Materialarten zurückzuführen sein,
die auf Teilen des Wafers abgelegt sind, oder die Dichte von Materialien auf
einem gewissen Teil des Wafers. Das gleichzeitige Polieren der gesamten
Oberfläche
trägt oft
einige Stellen des Wafers schneller ab als andere wegen dieser verschiedenen,
ungleichmäßigen Abtragrate (rate
of clearing) und kann zu übermäßigem Polieren gewisser
Bereiche des Wafers führen.
Verschiedene Materialprozesse, die bei der Ausbildung von Wafern verwendet
werden, stellen spezifische Herausforderungen hinsichtlich der Bereitstellung
eines gleichförmigen
CMP-Poliervorgangs für
einen Wafer dar. Einer der verwendeten neueren Prozesse, der Kupfer-Dual-Damascene-Prozess,
kann besonders anfällig
für übermäßiges Polieren
sein, das in Poliervorrichtungen auftreten kann, die gleichzeitig
die gesamte Oberfläche
eines Wafers polieren. Auch die Trends zum Verarbeiten von Wafern
mit größeren Durchmessern
führten
einen zusätzlichen
Schwierigkeitsgrad in den CMP-Prozess ein, indem Gleichförmigkeit über einen
größeren Oberflächenbereich
gefordert wird.
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Demzufolge
besteht ein Bedarf an einem Verfahren und System zum Durchführen des CMP-Vorgangs,
das sich mit diesen Problemen befasst.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist eine seitliche Schnittansicht
eines Halbleiter-Wafer-Poliersystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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2 ist eine Draufsicht auf
eine Wafer-Trägerbaugruppe,
die für
den Einsatz in dem System von 1 geeignet
ist;
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3 ist eine Schnittansicht
entlang der Linie 3-3 von 2;
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4 ist eines Explosions-Schnittansicht
einer Polierscheiben-Trägerbaugruppe
und eines Werkzeugwechslers, die für den Einsatz in dem System
von 1 geeignet sind;
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5A–5D zeigen
Draufsichten von verschiedenen Ausführungsformen einer Fläche einer Scheiben-Abrichtbaugruppe,
die für
den Einsatz in dem System von 1 geeignet
ist;
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6 ist ein Blockschaltbild,
das die Verbindungsleitungen zwischen dem Mikroprozessor und den
einzelnen Komponenten der Poliervorrichtung von 1 darstellt;
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7 ist eine Draufsicht, welche
die Bewegung der Komponenten des Systems von 1 darstellt; und
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8 ist ein Schaubild, das
ein Wafer-Verarbeitungssystem darstellt, in das die Wafer-Poliervorrichtung
von 1 integriert ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Um
den Nachteilen des oben beschriebenen Stands der Technik abzuhelfen,
wird im Folgenden eine Wafer-Poliervorrichtung offenbart, die eine
verbesserte Polierleistung und Flexibilität bereitstellen sowie übermäßiges Polieren
vermeiden und die Verbesserung der Polier-Gleichförmigkeit
von Wafern unterstützen
kann, die mit schwierig zu planarisierenden Schichten hergestellt
werden, wie beispielsweise diejenigen, die mit Kup ferverfahren herstellt
werden. Eine bevorzugte Ausführungsform
einer Wafer-Poliervorrichtung 10 ist in 1 dargestellt. Die Poliervorrichtung 10 umfasst
eine Wafer-Trägerbaugruppe 12,
eine Scheiben-Trägerbaugruppe 14 und
eine Scheiben-Abrichtbaugruppe 16. Vorzugsweise sind die
Wafer-Trägerbaugruppe 12 und
Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 in einem Rahmen 18 befestigt.
Die Wafer-Trägerbaugruppe
umfasst einen Wafer-Kopf 20, der auf einer Welle 22 befestigt
ist, die drehbar mit einem Motor 24 verbunden ist. In einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der Wafer-Kopf so ausgelegt, dass eine starre planare Fläche aufrechterhalten
wird, die nicht durchfedert oder sich biegt, wenn von der Scheiben-Trägerbaugruppe 14 ein
Polierdruck aufgenommen wird. Vorzugsweise wird ein kreisförmiges Lager 26 oder
eine andere Art von Trageinrichtung zwischen dem Wafer-Kopf 20 und
einer oberen Fläche 28 des
Rahmens 18 entlang eines Umfangs des Wafer-Kopfs 20 angeordnet,
um für den
Wafer-Kopf 20 eine zusätzliche
Trageinrichtung bereitzustellen. Alternativ kann die Wafer-Trägerbaugruppe 20 mit
einer Welle 22 konstruiert sein, die eine ausreichende
Stärke
aufweist, um jedes Durchfedern zu vermeiden.
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Der
Wafer-Kopf 20 der Wafer-Trägerbaugruppe 12 wird
des Weiteren unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. Der Wafer-Kopf 20 weist
vorzugsweise einen Wafer-Aufnahmebereich 30 auf, um einen
Halbleiter-Wafer während
des Poliervorgangs in einer unveränderlichen Position aufzunehmen
und zu halten. Der Wafer-Aufnahmebereich 30 kann ein vertiefter
Bereich sein, wie in 3 gezeigt,
oder kann ein Bereich sein, der am Drehpunkt des Wafer-Kopfs 20 zentriert
ist. Jedes einer Reihe von bekannten Verfahren zum Aufrechterhalten
von Kontakt zwischen dem Wafer und dem Wafer-Kopf 20 während der CMP-Bearbeitung kann
implementiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wafer-Aufnahmebereich 30 des
Kopfs 20 eine Vielzahl von Luftdurchlässen 32 zum Bereitstellen
eines Luftstroms oder Aufnehmen eines Vakuums, die zum Halten des
Wafers auf bzw. zu seinem Lösen
von dem Wafer-Kopf nützlich
sind. Es kann auch ein poröses
keramisches oder metallisches Material zum Herstellen eines Vakuums
verwendet werden, das auf einen Wafer angewendet wird. Weitere Verfahren
zum Halten des Wafers am Wafer-Träger, beispielsweise Haftmittel,
eine peripher ausgerichtete Spanneinrichtung oder eine Oberflächenspannung
von einer Flüssigkeit
können verwendet
werden. Eine oder mehrere Hebewellen 34 sind beweglich
zwischen einer vertieften Position innerhalb des Wafer-Kopfs und
einer Position angeordnet, die sich von dem Wafer-Aufnahmebereich 30 des
Kopfs 20 weg erstreckt, um das Auflegen bzw. Abnehmen eines
Wafers durch einen Wafer-Transportmechanismus zu unterstützen, wie
beispielsweise einen Roboter. Jede Wafer-Hebewelle kann pneumatisch,
hydraulisch, elektrisch, magnetisch oder mit anderen Mitteln betrieben
werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Wafer-Kopf 20 ohne
jede Wafer-Hebewellen 34 hergestellt werden, und Wafer
können
auf den Wafer-Kopf mittels eines vakuumgestützten Verfahrens aufgelegt
oder von diesem abgenommen werden.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 umfasst
die Scheiben-Trägerbaugruppe 14 eine
Polierscheibe 36, die an einer Scheiben-Tragefläche 40 eines
Scheiben-Trägerkopfs 38 angebracht
ist. Die Polierscheibe 36 kann jedes einer Reihe von bekannten Poliermaterialien
sein, die zum Planarisieren und Polieren von Halbleiter-Wafern geeignet
sind. Die Polierscheibe kann der Scheibentyp sein, der in Verbindung
mit einer Schleifmittel-Aufschlämmung
verwendet wird, wie beispielsweise die Scheibe IC 1000, die von
Rodel Corporation aus Delaware erhältlich ist. Alternativ kann
die Scheibe aus einem fixierten Schleifmaterial konstruiert sein,
das keine Schleifmittel enthaltende Aufschlämmung erfordert. Obwohl der Durchmesser
der Polierscheibe 36 vorzugsweise gleich oder im Wesentlichen
gleich dem Durchmesser des Wafers W ist, werden auch andere Durchmesserverhältnisse
der Polierscheibe und des Wafers erwogen. In einer Ausführungsform
kann die Polierscheiben-Größe irgendwo
im Bereich der Größe eines
einzelnen Rohchips auf dem Wafer bis zu einem Bereich liegen, der
zwei Mal so groß ist
wie der des Wafers. Scheiben-Abrichtflächen, die einen größeren Bereich aufweisen als den des Wafers, können vorteilhaft
sein für
einen breiteren Bewegungsbereich der Polierscheibe, beispielsweise
in Situationen, in denen die Polierscheibe in einer Weise bewegt
wird, die den Mittelpunkt der Polierscheibe von einer gedachten
Linie weg anordnen würde,
die zwischen der Mitte des Wafers und der Mitte der Scheiben-Abrichtfläche gebildet
wird. In Ausführungsformen,
in denen mehr als ein einzelner Scheiben-Abrichtkopf erwogen wird,
ist der Bereich der Scheiben-Abrichtköpfe vorzugsweise ausreichend,
um die verwendete Polierscheibe aufzubereiten (condition) und zu
tragen.
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Der
Scheiben-Trägerkopf 38 ist über Stecker-
und Buchsen-Teile 44, 46 eines Werkzeugwechslers 48 vorzugsweise
an einer Spindel 42 angebracht. Der Werkzeugwechsler ermöglicht vorzugsweise
die Austauschbarkeit von Scheiben-Trägerköpfen 38, so dass verschiedene
CMP-Prozesse auf den gleichen Wafer durch den Austausch von Wafer-Köpfen und
allen zugehörigen
Arten von Schleifmittel-Polierchemikalien angewendet werden können.
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Wie
in 4 gezeigt, kann eine
Scheibe 36 eine Schleifmittel-Aufschlämmung über Durchführungen 50 von dem
Scheiben-Trägerkopf 38 und
dem Werkzeugwechsler 44, 46 aufnehmen, die über eine oder
mehrere für
die Aufschlämmungen
angelegten Leitungen 52 (slurries applied lines) gespeist
werden, die innerhalb der Spindel 42 liegen können. Die
Spindel ist drehbar befestigt in einer Spindel-Antriebsbaugruppe 54,
die an einem Spindel-Transportmechanismus 56 befestigt
ist. Der Transportmechanismus kann jeder von einer Reihe von mechanischen,
elektrischen oder pneumatische Vorrichtungen mit einer kontrollierbaren
pendelnden oder orbitalen Bewegung, oder ein rotierender Armmechanismus
sein, der in der Lage ist, die Polierscheibe während eines Poliervorgangs
zu einer Vielzahl von diskreten Positionen zu bewegen.
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Die
Spindel-Antriebsbaugruppe 54 ist so ausgelegt, dass sie
die Polierscheibe 36 auf dem Polierscheiben-Trägerkopf 38 dreht,
und sie ist so ausgeführt,
dass sie eine Bewegung der Spindel gestattet, um die Polierscheibe
auf eine Ebene des Wafers W zu oder von dieser weg zu bewegen sowie
um während
der CMP-Bearbeitung einen vollständig kontrollierten
Polierdruck auf den Wafer anzuwenden. Des Weiteren ermöglicht sie
einen einfachen Zugang zu dem Scheibenträger und vereinfacht die Montage
und den automatischen Austausch (facilities assembly automatic replacement)
der Polierscheibe. Eine geeignete Spindel-Antriebsbaugruppe, wie
diejenige, die in der TERESTM-Poliervorrichtung verwendet
wird, die von Lam Research Corporation in Fremont, Kalifornien erhältlich ist,
kann zum Erfüllen
dieser Aufgabe eingesetzt werden. Der Spindel-Transportmechanismus 56 kann
jede von einer Reihe von mechanischen oder elektrischen Vorrichtungen
sein, die in der Lage ist, die Spindel in einer zu dem polierten
Wafer W koplanaren Richtung zu bewegen. Auf diese Weise kann die
Polierscheibe 36 präzise
positioniert werden und/oder, falls erforderlich, in einer linearen
Richtung um eine Position entlang eines Radius des Wafers W hin
und her bewegt werden.
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Eine
Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 ist vorzugsweise angrenzend
an die Wafer-Trägerbaugruppe
und gegenüber
der Scheiben-Trägerbaugruppe 14 angeordnet.
Die Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 ist so ausgelegt, dass
sie eine Behandlung und Reinigung der Polierscheibe 36 in
situ und ex situ ermöglicht.
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In
einer Ausführungsform
ist die Größe der aktiven
Fläche 58 der
Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 vorzugsweise im Wesentlichen
die Gleiche wie der Bereich der Polierscheibe. In anderen Ausführungsformen
kann die aktive Fläche
der Scheiben-Abrichtbaugruppe auch größer oder kleiner sein als der
Bereich der Polierscheibe. Außerdem
kann die Scheiben-Abrichtbaugruppe in anderen Ausführungsformen
auch aus mehreren drehbaren Flächen bestehen.
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Vorzugsweise
weist die Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 eine Fläche 58 auf,
die koplanar zur Fläche
des bearbeiteten Wafers W verläuft.
Die Größe des aktiven
Bereichs der Scheiben-Abrichtbaugruppe ist wenigstens so groß wie diejenige
der Polierscheibe 36 und besteht aus einem einzelnen oder einer
Vielzahl von kleineren Köpfen.
Die Fläche 58 der
Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 ist an einem Scheiben-Abrichtkopf 60 befestigt,
der an einer Welle 62 angebracht ist, die drehbar in einem
Motor 64 montiert ist. Zum Unterstützen der Beibehaltung der Planarität der Scheiben-Abrichtfläche 58 mit
dem Wafer W kann ein Ebenen-Anpassungsmechanismus 66 (plane
adjustment mechanism) verwendet werden, um die Position der Scheiben-Abrichtbaugruppe 16 anzupassen.
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In
einer Ausführungsform
kann der Ebenen-Anpassungsmechanismus 66 eine mechanische Vorrichtung
sein, die zwischen CMP-Bearbeitungsläufen gelockert, zum Kompensieren
von Höhenschwankungen
angepasst und wieder festgezogen werden kann. In einer alternativen
Ausführungsform kann
der Ebenen-Anpassungsmechanismus eine mechanisch aktivierte oder
elektrisch angetriebene Vorrichtung sein, wie beispielsweise eine
Feder oder ein pneumatischer Zylinder, der kontinuierlich einen nach
oben gerichteten Druck an den Scheiben-Abrichtkopf 60 anlegt,
so dass der Druck der Scheiben-Trägerbaugruppe 14 auf
die Scheiben-Abrichtfläche 58 eine
Scheiben-Abrichtfläche
in einem koplanaren Bezug zu dem Wafer W hält, der auf der Wafer-Trägerbaugruppe 12 befestigt
ist. In einer weiteren Ausführungsform
kann eine Dreipunkt-Ausgleichsvorrichtung (three point balancing
device) mit drei getrennt höhenverstellbaren
Wellen zum Anpassen der Ebene der Scheiben-Abrichtfläche und/oder des
Wafer-Trägerkopfs
verwendet werden. Wie die Wafer-Trägerbaugruppe 12 kann
auch der Scheiben-Abrichtkopf 60 von einem kreisförmigen Lager getragen
werden, oder er kann von der Welle 62 allein getragen werden.
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Unter
Bezugsnahme auf die 5A–D sind mehrere Ausführungsformen von bevorzugten
Scheiben-Abrichtflächen
dargestellt, die auf dem Scheiben-Abrichtkopf 60 positioniert
sind. In 5A kann die
Scheiben-Abrichtfläche
vollständig
mit einem fixierten Schleifmittel-Medium 70 bedeckt sein,
wie beispielsweise Tonerde (alumina), Zerdioxid (ceria) und Diamant,
das von 3M und Diamonex erhältlich ist.
Außerdem
ist eine Vielzahl von Düsen 72 zum Transportieren
eines Fluids, wie beispielsweise von entionisiertem Wasser, einer
Aufschlämmung
oder anderen gewünschten
chemischen Sprühmitteln über die
Fläche
verteilt.
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Die
aktive Fläche
der Scheiben-Abrichtbaugruppe kann aus einem einzelnen Abrichtmerkmal bestehen,
wie beispielsweise einer diamantbeschichteten Platte oder einer
Scheibe, oder kann aus einer Kombination von mehreren Teilen aus
verschiedenen Materialien bestehen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen
ist die Fläche
des Scheiben-Abrichtkopfs in Abschnitte unterteilt und umfasst eine
Gruppe von verschiedenen Scheiben-Aufbereitungsabschnitten mit Standardgrößen, wie
beispielsweise eine fixierte Schleifeinheit, eine Bürst- und
Sprüheinheit,
Zerstäuber
und anderen Arten von bekannten Scheiben-Abrichtvorrichtungen. Abhängig von
der gewünschten
Scheiben-Abrichtleistung kann jeder Abschnitt der Fläche des
Scheiben-Abrichtkopfs unabhängig
voneinander steuerbare Bedienelemente aufweisen, die für eine Dreh-
und Auf/Ab-Bewegung und eine Öffnung
für Flüssigkeitszufuhr
(liquid supply port) sorgen.
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Wie
in 5B gezeigt, kann
die Scheiben-Abrichtfläche
ein fixiertes Schleifmittel 74 auf einer Hälfte der
Fläche,
eine Reinigungsscheibe 76 (clean pad) auf der gegenüberliegenden
Hälfte
der Fläche
und eine Anordnung von Fluid abgebenden Düsen 78 aufweisen,
die entlang des Reinigungsscheiben-Abschnitts positioniert sind.
Die Reinigungsscheibe kann ein poromerisches Material sein, wie
beispielsweise Polytex, erhältlich
von Rodel Corporation. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann die Scheiben-Abrichtfläche
eine Bahn mit Diamantkörnung 80 enthalten,
eine Nylonbürste 82, die
entlang eines anderen Radius positioniert ist, und eine zu der Bahn
von Nylonbürste
und Diamantmedien senkrechte Vielzahl von Fluiddüsen 84, wie in 5C gezeigt ist. Eine andere
bevorzugte Ausführungsform
ist in 5D dargestellt,
in der eine fixierte Schleifmittel-Substanz 86 auf gegenüberliegenden Vierteln
der Fläche
angeordnet ist, während
eine Vielzahl von Fluiddüsen 88 und
eine Reinigungsscheibe 90 jeweils auf einem der restlichen
zwei Viertel der Fläche
angeordnet ist. Jede von einer Reihe von Ausführungen von Schleifmaterial
zum Schleifen und Aufbereiten der Scheibe, eines Fluids zum Spülen der
Scheibe und/oder von Reinigungsscheiben kann verwendet werden. Außerdem kann
jedes geeignete fixierte Schleifmittel oder Fluid verwendet werden.
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Die
Poliervorrichtung 10 in den 1–5 ist vorzugsweise mit der
Wafer-Trägerbaugruppe
und Scheiben-Abrichtbaugruppe ausgeführt, die einen koplanaren Bezug
zwischen ihren jeweiligen Flächen aufweisen.
Wie oben angegeben, kann die Koplanarität manuell oder selbsttätig einstellt
werden. Des Weiteren sind der Scheiben-Abrichtkopf und der Wafer-Trägerkopf
vorzugsweise radial so eng wie möglich
zueinander angeordnet, so dass die maximale Menge von Polierscheiben-Material
aufbereitet wird. Vorzugsweise ist die Fläche des Scheiben-Abrichtkopfs
groß genug
und nahe genug am Wafer-Träger angeordnet,
so dass die gesamte Polierscheibe nach einer vollständigen Drehung
der Scheibe aufbereitet ist. In anderen Ausführungsformen können zahlreiche
Scheiben-Abrichtvorrichtungen zum Aufbereiten des gleichen oder
verschiedener Abschnitte der Scheibe verwendet werden. In diesen
alternativen Scheiben-Abricht-Ausführungsformen kann die Fläche jeder
Scheiben-Abrichtbaugruppe radial in Bezug auf den Wafer-Trägerkopf
angeordnet werden, oder kann in jeder anderen gewünschten
Weise angeordnet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können
alle Wafer-Träger,
Scheibenträger
und Scheiben-Abrichtbaugruppen so konstruiert werden, dass sie Köpfe aufweisen,
die nicht kardanisch aufgehängt sind.
In einer anderen Ausführungsform
kann der Scheibenträger
ein kardanisch aufgehängter
Kopf sein, wie diejenigen, die im Allgemeinen in der Branche bekannt
sind, um kleinere Ungenauigkeiten in der Ausrichtung der sich gegenseitig
beeinflussenden Wafer-Fläche,
Polierscheibe und Scheiben-Abrichtfläche auszugleichen. Des Weiteren
sind der Wafer-Trägerkopf
und Scheiben-Abrichtkopf vorzugsweise so ausgerichtet, dass ihre
jeweiligen Flächen
in eine nach oben gerichtete Richtung weisen, während der Scheiben-Trägerkopf
nach unten gerichtet ist. Ein Vorteil dieser Ausführung mit
dem Wafer nach oben besteht darin, dass eine verbesserte In-Situ-Flächenprüfung, Endpunkterfassung
und direkte Zufuhr von Flüssigkeiten
auf die Wafer-Fläche unterstützt werden.
In anderen Ausführungsformen können der
Wafer- und der Scheiben-Abrichtkopf und der gegenüber liegende
Scheiben-Trägerkopf
parallel zu einer nicht horizontalen Ebene, wie beispielsweise einer
vertikalen Ebene, oder sogar komplett umgekehrt ausgerichtet sein,
(d. h. die Polierscheibe ist nach oben und die Wafer- und Scheiben-Abrichtfläche sind
nach unten gerichtet), was von räumlichen
und Installationsvorgaben abhängt.
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Wie
in 6 gezeigt, kann die
Poliervorrichtung 10 durch einen Mikroprozessor (CPU) 65 auf
der Basis von Anweisungen gesteuert werden, die in einem programmierbaren
Speicher 67 gespeichert sind. Die Anweisungen können eine
Liste von Befehlen sein, die sich auf spezifische Wafer-Polierpläne beziehen,
die von einem Benutzer eingegeben oder berechnet werden auf der
Basis einer Kombination von Betriebsparametern, die von den verschiedenen Komponenten
der Poliervorrichtung erfasst oder eingehalten werden müssen. Diese
Parameter können die
Drehgeschwindigkeit der Trägerköpfe für die Scheibe,
den Wafer und Scheiben-Abrichtkomponenten, Positions-/Druck-Informationen
von der Spindel-Antriebsbaugruppe 54, radiale Scheibenpositions-Informationen
von dem linearen Spindel-Transportmechanismus 56 und die
Polierzeit umfassen, wie sie von der CPU geführt und während des Prozesses durch Informationen
vom Endpunktdetektor 61 korrigiert werden. Die CPU steht
vorzugsweise mit jeder der verschiedenen Komponenten der Poliervorrichtung
in Verbindung.
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Unter
Bezugnahme auf die Poliervorrichtung 10, die in den 1–6 oben
beschrieben wurde, wird im Folgenden der Betrieb der Poliervorrichtung
beschrieben. Nachdem ein Wafer auf den Wafer-Träger aufgelegt wurde, wird die
Polierscheibe durch die Spindel-Antriebsbaugruppe so gesenkt, dass
die Polierscheibe nur einen Teil der Fläche des Wafers überlappt,
wie in 7 dargestellt.
Obwohl die Poliervorrichtung so betrieben werden kann, dass die Fläche des
Wafers vollständig
mit der Scheibe bedeckt ist, bedeckt die Scheibe vorzugsweise zu
jedem beliebigen Zeitpunkt nur einen Teil der Wafer-Fläche und
steht mit ihr in Kontakt. Des Weiteren bedeckt ein Teil der Polierscheibe,
der nicht den Wafer bedeckt, vorzugsweise die Fläche der Scheiben-Abrichtbaugruppe
und ist mit dieser in Kontakt. Wenn daher ein Teil der Polierscheibe
sich dreht und auf einen Teil des sich drehenden Wafers drückt, dreht
sich ein anderer Teil der Polierscheibe auf der sich drehenden Fläche der
Scheiben-Abrichtbaugruppe, um die Polierscheibe bei jeder Umdrehung der
Scheibe zu reinigen und aufzubereiten. Vorzugsweise wird die gesamte
Polierscheibe in diesem kontinuierlichen Polier- und Scheibenaufbereitungsprozess
eingesetzt.
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Vorzugsweise
ist die Poliervorrichtung 10 in der Lage, auf örtliche
Schwankungen der Gleichförmigkeit
auf einer Basis von Wafer zu Wafer einzugehen. Diese Funktion wird
erzielt, indem zunächst
Profilinformationen über
jeden Wafer beschafft werden und eine Polierstrategie für die Poliervorrichtung
berechnet wird, um auf die bestimmten Ungleichförmigkeiten jedes Wafers einzugehen.
Die Wafer-Profilinformationen lassen sich aus vorherigen Messungen erhalten,
die beim Bearbeitung vorheriger Schicht des bestimmten Wafers ermittelt
wurden, oder sie können
ausdrücklich
vor dem Bearbeiten des Wafers gemessen werden. Jede von einer Reihe
von Profil-Messtechniken kann verwendet werden, um die notwendigen
Profildaten zu erhalten. Beispielsweise kann eine Widerstandsmessung
mit einem Vierpunktmessfühler
an Stellen von der Mitte des Wafers bis zum Rand abgenommen werden,
um Profileigenschaften zu ermitteln. Diese Eigenschaften können in Verbindung
mit den vorher gemessenen Eigenschaften der Polierscheibe (beispielsweise
der gemessenen Polierreaktion an verschiedenen Stellen entlang des
Radius der Polierscheibe) verwendet werden, um den besten Polierplan
(d. h. Polierscheibenpfad, Drehgeschwindigkeit des Wafers und der
Scheibe, nach unten gerichtete, auf die Scheibe angewendete Kraft
und Zeit an jeder Stelle des Polierpfads) zu berechnen und diese
Anweisungen in dem Poliervorrichtungs-Speicher für die Ausführung durch die CPU zu speichern.
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Vor
und nach dem Polieren des Wafers werden die Wafer-Hebewellen 38 in
der Wafer-Trägerbaugruppe 12 aktiviert,
um den Wafer von der Wafer-Aufnahmefläche abzunehmen und den Wafer
zu dem oder von dem Roboter zu überführen, der
den Wafer trägt.
Des Weiteren wird während
des CMP-Prozesses für
einen bestimmten Wafer bevorzugt, dass der Wafer, die Polierscheibe
und die Scheiben-Abrichtfläche
sich alle in die gleiche Richtung drehen. Andere Kombinationen von
Drehrichtungen werden erwogen und die Drehgeschwindigkeit der einzelnen
Baugruppen kann variieren und während
eines bestimmten Polierlaufs absichtlich variiert werden.
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Sobald
der Polierplan bestimmt und gespeichert ist, und der Wafer richtig
in dem Wafer-Träger befestigt
ist, kann der Poliervorgang gemäß dem vorgegebenen
Polierplan durchgeführt
werden. Die Scheibe, der Wafer und die Scheiben-Abrichtfläche werden
alle mit einer gewünschten
Geschwindigkeit gedreht. Geeignete Drehgeschwindigkeiten für die Scheibe,
den Wafer und die Scheiben-Abrichtfläche können im Bereich von 0–700 Umdrehungen
pro Minute (U/min) liegen. Jede Kombination von Drehgeschwindig keiten
und Drehgeschwindigkeiten von mehr als 700 U/min werden ebenfalls
erwogen. Der lineare Spindel-Transportmechanismus positioniert den
Rand der Scheibe an der ersten Stelle entlang des Radius des Wafers,
und die Spindel-Antriebsbaugruppe senkt die Scheibe, bis sie die
Fläche
des Wafers erreicht und der gewünschte
Druck angelegt ist. Die Polierscheibe bedeckt vorzugsweise nur einen
Teil des Wafers und fährt
mit dem Polieren des Wafers fort, bis die gewünschte Polierzeit abgelaufen ist.
Vorzugsweise steht das Prozessstatus-Prüfsystem (process status inspection
system), das ein Endpunktdetektor 61 (1) mit einem oder mehreren Sender/Empfänger-Knoten 62 sein
kann, mit der CPU in Verbindung, um In-Situ-Informationen zum Polierfortschritt
für den
Zielbereich des Wafers bereitzustellen und die ursprüngliche
geschätzte
Polierzeit zu aktualisieren. Alle von einer Reihe von bekannten Oberflächenprüfungs- und
Endpunkterfassungs-Verfahren (optisch, akustisch, thermisch, usw.)
können verwendet
werden. Während
eine vorgegebene Polierstrategie auf jeden einzelnen Wafer angewendet werden
kann, kann das Signal vom Oberflächenprüfungswerkzeug
für die
präzise
Einstellung der Zeit verwendet werden, die von der Polierscheibe
an jeder Stelle aufgewendet wird.
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Nach
dem Polieren des ersten Bereichs des Wafers bewegt der Linear-Rückmechanismus
die Polierscheibe zur nächsten
Position und poliert diesen Bereich. Die Polierscheibe behält vorzugsweise Kontakt
mit der Fläche
des Wafers, wenn sie zu der nächsten
radialen Position bewegt wird. Während
die Poliervorrichtung die Polierscheibe von einer ersten Position
weg bewegen kann, wobei der Rand der Polierscheibe in der Mitte
des Wafers beginnt bis zu nachfolgenden Positionen, die radial von
der Mitte in aufeinander folgender Reihenfolge entfernt sind, bis der
Wafer-Rand erreicht ist, kann auf das Profil eines bestimmten Wafers
außerdem
am besten durch Bewegen in anderen linearen Pfaden eingegangen werden.
Beispielsweise kann der erste Poliervorgang so beginnen, dass sich
der Rand der Polierscheibe an einer Stelle zwischen der Mitte und
dem Rand des Wafers befindet, und die Poliervorrichtung kann die Polierscheibe
zu Positionen entlang des Wafer-Radius hin zum Rand bewegen und
mit einem abschließenden
Polieren mit dem Rand der Scheibe in der Mitte des Wafers beenden.
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Während des
Poliervorgangs ist die Polierscheibe vorzugsweise konstant mit der
Fläche
der Scheiben-Abrichtbaugruppe in Kontakt. Die Scheiben-Abrichtbaugruppe
bereitet die Scheibe zum Bereitstellen einer gewünschten Oberfläche auf
und entsorgt Nebenpro dukte, die durch den Polierprozess erzeugt
wurden. Das Schleifmaterial auf der Fläche der Scheiben-Abrichtbaugruppe
aktiviert vorzugsweise die Scheibenfläche, während unter Druck gesetztes
entionisiertes Wasser oder ein anderes geeignetes chemisches Reinigungsmittel
durch die Düsen
in der Fläche
und auf die Scheibe gesprüht
wird.
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Unter
Verwendung der CPU zum Überwachen
des durch die Spindel an den Scheiben-Trägerkopf
angelegten Drucks und zum kontrollierten Drehen des Scheiben-Trägerkopfs
und des Wafers wird der Polierprozess fortgesetzt, bis der Endpunktdetektor
angibt, dass die Poliervorrichtung mit einem Bereich fertig ist.
Nachdem die CPU Informationen von dem Endpunktdetektor empfangen
hat, weist die CPU den linearen Spindel-Transportmechanismus 56 an,
die Polierscheibe in Bezug auf die Mitte des Wafers radial zu bewegen,
um die Polierscheibe von der Mitte des Wafers wegzuziehen und auf
den nächsten
ringförmigen
Bereich des Wafers zu konzentrieren. Vorzugsweise bleiben die Scheibe
und der Wafer in Kontakt, während
die Scheibe radial zum Rand des Wafers hin weggezogen wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform
kann der lineare Spindel-Transportmechanismus 56 die
Scheibe einfach in diskreten Bewegungsschritten rücken. In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann der Spindel-Mechanismus 56 zwischen Positionen rücken und
sich radial um jede Rückposition
hin und her bewegen, um glatte Übergänge zwischen
Polierbereichen auf dem Wafer zu unterstützen.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann sich der lineare Spindel-Transportmechanismus in diskreten
Schritten bewegen, die Spindel nach jedem Schritt in einer unveränderlichen
radialen Position halten und eine Polierscheibe einsetzen, die vom Drehpunkt
des Polierscheiben-Trägers
versetzt ist, um eine pendelartige Bewegung zwischen der Scheibe
und dem Wafer bereitzustellen. Wie aus den Figuren ersichtlich ist,
bleibt die Polierscheibe nicht nur in konstantem Kontakt mit dem
Wafer, sondern behält auch
ständigen
Kontakt mit der Scheiben-Abrichtbaugruppe. Jede Drehung der Polierscheibe
bringt sie zuerst über
den Wafer und anschließend
in Kontakt mit verschiedenen Teilen auf der Fläche der Scheiben-Abrichtbaugruppe.
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Die
Poliervorrichtung 10 kann so ausgeführt werden, dass die Scheibe
den Wafer vollständig überlappen
kann, doch rückt
die Scheibe vorzugsweise zwischen verschiedenen sich teilweise überlappenden
Position in Bezug auf den Wafer, um ein Vermeiden einer Ungleichförmigkeit
im Wafer zu unterstützen.
Vorteile dieser Auslegung und dieses Pro zesses umfassen die Möglichkeit,
die Abtragleistung an verschiedenen kreisförmigen Teilen des Wafers zu
konzentrieren, um eine höhere
Polierkontrolle bereitzustellen und Probleme eines übermäßigen Polierens
zu vermeiden, die oft mit dem gleichzeitigen Polieren einer gesamten
Fläche
eines Wafers verbunden sind. Des Weiteren gestattet die teilweise überlappende
Auslegung eine In-Situ-Scheibenaufbereitung.
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Obwohl
eine einzelne Scheiben-Abrichtbaugruppe dargestellt ist, können auch
mehrere Scheiben-Abrichtbaugruppen implementiert werden. Ein Vorteil
der vorliegenden Poliervorrichtung 10 ist, dass eine In-Situ-Scheibenaufbereitung
ausgeführt
werden kann sowie eine In-Situ-Endpunkterfassung auf der Basis der
Tatsache, dass der Wafer und die Polierscheibe sich vorzugsweise
nicht vollständig überlappen.
Außerdem
kann, indem das Überlappen
der Scheibe und des Wafers an einer Stelle beginnt, die nicht größer als
der Radius der Polierscheibe ist, die Polierscheibe bei jeder Drehung
vollständig
aufbereitet werden. Des Weiteren können Kosteneinsparungen durch
die vollständige
Nutzung der Fläche
der Polierscheibe erzielt werden. Im Gegensatz zu Systemen des Stands
der Technik, in denen die Polierscheibe bedeutend größer als
der polierte Wafer ist, wird die gesamte Fläche der Polierscheibe potenziell genutzt.
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Die
Poliervorrichtung 10, die in den 1–7 dargestellt ist, wird in
der vorliegenden Erfindung als ein Modul 100 in einem größeren Wafer-Bearbeitungssystem 110 verwendet,
wie in 8 gezeigt. In dem
System in 8 sind mehrere
Module in Reihe miteinander verbunden, um den Wafer-Durchsatz zu erhöhen. Das
Wafer-Bearbeitungssystem 110 ist vorzugsweise so ausgelegt,
dass es in Standard-Eingangskassetten (input cassettes) 112 aufgelegte Halbleiter-Wafer
aufnimmt, für
die eine Planarisierung und ein Poliervorgang erforderlich sind.
Ein Wafer-Transportroboter 114 kann verwendet werden, um
einzelne Wafer aus den Kassetten zum ersten Modul 100 zum
Polieren zu transferieren. Ein zweiter Wafer-Transportroboter kann
verwendet werden, um den Wafer nach Beendigung der Bearbeitung an
dem ersten Modul, wie unter Bezug auf die Poliervorrichtung 10 in 1 beschrieben, zum nächsten Modul zu überführen. Das
System 110 kann so viele Module 100 aufweisen,
wie gewünscht,
um auf bestimmte Polier-Erfordernisse
der Wafer einzugehen. Beispielsweise könnte jedes Modul mit dem gleichen Scheibentyp
und der gleichen Aufschlämmungskombination
implementiert werden, oder ohne Aufschlämmung, wenn fixierte Schleifmittel-Techniken verwendet
werden, und jeder Wafer würde
an jedem Modul teilweise planarisiert, so dass der kumulative Ef fekt
der einzelnen Poliervorgänge
zu einem vollständig
polierten Wafer führen
würde,
nachdem der Wafer seinen letzten teilweisen Poliervorgang am letzten
Modul erhalten hat.
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Alternativ
könnten
verschiedene Scheiben oder Aufschlämmungen an jedem Modul verwendet werden.
Wie oben unter Bezugnahme auf die Poliervorrichtung von 1 beschrieben, kann jedes
Poliermodul 100 Polierscheibenträger unter Verwendung eines
Werkzeugwechslers wechseln. Die zusätzliche Flexibilität kann in
dem System in 8 durch
den Einsatz eines Scheibenroboters 118 erzielt werden,
der mit der Spindel-Antriebsbaugruppe jedes Moduls zusammenarbeiten
kann, um automatisch zwischen Scheiben umzuschalten, ohne dazu das
ganze System auseinandernehmen zu müssen. Scheiben-Trägerkopf-Aufbewahrungsfächer mit mehreren
Unterteilungen für
neue Scheiben 120 und gebrauchte Scheiben 122 können angrenzend
an jedem Modul angeordnet werden, um einen effizienten Austausch
von Scheiben-Trägerköpfen, die
an abgenutzten Scheiben befestigt sind, gegen Scheiben-Trägerköpfe mit
neuen Scheiben zu gestatten. Unter Verwendung eines Katalogisierungsmechanismus,
wie beispielsweise einer einfachen Strichcode-Abtasttechnik, können Wafer-Scheibenträger mit
verschiedenen Scheibentypen katalogisiert und an jedem Modul angeordnet
werden, so dass zahlreiche Kombinationen von Scheiben im System 100 zusammengestellt
werden können.
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Nach
der Planarisierung kann der zweite Wafer-Roboter 116 den
Wafer an verschiedene nachgeschaltete CMP-Module 124 zum
Reinigen und Polieren weitergeben. Die nachgeschalteten CMP-Module
können
Drehpolierböcke
(rotary buffer), doppelseitige Schrubber oder andere gewünschte nachgeschaltete
CMP-Vorrichtungen sein. Ein dritter Wafer-Roboter 126 entfernt
jeden Wafer aus den nachgeschalteten CMP-Modulen und legt sie in
die Ausgangskassette, wenn der Polier- und Reinigungsvorgang abgeschlossen
ist.