DE60126254T2 - Vorrichtung zur wafervorbereitung - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Halbleiterfabrikation und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Vorbereitung eines Halbleiterwafers, bei der die Wafervorbereitungsvorgänge an einem vertikal ausgerichteten Wafer durchgeführt werden.
  • Bei der Herstellung von Halbleiterelementen wird eine Vielzahl von Wafervorbereitungsvorgängen durchgeführt. Zum Beispiel umfassen diese Wafervorbereitungsvorgänge Reinigungsvorgänge und Polier-/Planarisiervorgänge, wie beispielsweise chemisch-mechanische Planarisierung (CMP). Eine bekannte Polier-/Planarisierungstechnik verwendet Platten mit einer planetarischen Polierbewegung. Ein Nachteil dieser Technik besteht darin, dass sie mehrere Arbeitsschritte erfordert, was zeitraubend und relativ teuer ist. Ein anderer Nachteil dieser Technik besteht darin, dass sie dazu neigt, Wafer zu produzieren, deren Oberflächen unter relativ starken Schwankungen bezüglich ihrer Topografie leiden.
  • Eine andere bekannte Polier-/Planarisierungstechnik verwendet ein Umlaufpolierverfahren. Bei einem bekannten Umlaufpoliersystem wird ein Wafer durch Antriebsrollen in einer vertikalen Ausrichtung gedreht. Wenn der Wafer gedreht wird, wird ein Paar zylindrischer Polierkissen in Kontakt mit den entgegen gesetzten Seiten des Wafers gebracht. Die Polierkissen sind auf sich gegensinnig drehenden Dornen montiert, die auf entgegen gesetzten Seiten des zu bearbeitenden Wafers angeordnet sind. Die Dorne überspannen den Durchmesser des Wafers, so dass sie sich über dessen Mittelpunkt erstrecken. Die Drehung der Dorne führt zu einer senkrecht zu dem Waferdurchmesser verlaufenden rotierenden Kissenbewegung in Umfangsrichtung. Während des Poliervorgangs leiten Düsen Flüssigkeitsstrahlen, beispielsweise ein abrasives Aufschlämmmaterial, eine chemische Lösung oder eine Spüllösung auf die entgegen gesetzten Seiten des Wafers.
  • Ein Nachteil dieses bekannten Umlaufpoliersystems besteht darin, dass es nur eine umlaufende Polierbewegung ermöglicht. Die relative Geschwindigkeit jedes Polierkissens als solche ist auf der gesamten Oberfläche des Wafers nicht gleich förmig, wobei die Geschwindigkeit in der Nähe der Waferkante größer als die Geschwindigkeit in Nähe der Wafermitte ist. Dies ist problematisch, da hierdurch nicht nur umlaufende Kratzer auf jeder der Waferoberflächen zurückbleiben, sondern auch mehr Wafermaterial aus dem mittleren Bereich des Wafers als aus dem kantennahen Bereich entfernt wird, da die Verweilzeit im mittleren Bereich des Wafers länger ist. Als Folge dieser ungleichmäßigen Materialabtragsrate hat jede der sich gegenüberliegenden Flächen des Wafers die Tendenz zu einer trichterförmigen Kontur, d.h. einer Kontur, bei der der mittlere Bereich gegenüber den Kantenbereichen vertieft ist. Da sich die Halbleiterindustrie in Richtung auf die Verwendung von kleineren Elementgrößen von beispielsweise 18 μm und weniger bewegt, sind solche trichterförmigen Konturen unerwünscht.
  • Eine Schrupp- oder Schrupp-/Spülvorrichtung wird in der US-A 4 208 760 beschrieben, die den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart.
  • Angesichts der vorstehenden Ausführungen gibt es einen Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zur umlaufenden Wafervorbereitung, die die Bildung von umlaufenden Kratzern minimiert, bearbeitete Wafer mit erwünschten Oberflächenkonturen zur Verfügung stellt und vielfältige an einem Wafer durchzuführende Wafervorbereitungsvorgänge ermöglicht, ohne dass der Wafer zwischen verschiedenen Stationen bewegt werden muss.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Allgemein gesprochen, erfüllt die vorliegende Erfindung diesen Bedarf, indem sie eine Vorrichtung zur Vorbereitung eines senkrecht ausgerichteten Halbleiterwafers zur Verfügung stellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Vorbereitung eines Halbleiterwafers geschaffen. Die Vorrichtung umfasst ein Paar Antriebsrollen, die so angeordnet sind, dass sie einen Halbleiterwafer in einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung halten. Jede der Antriebsrollen ist so ausgebildet, dass sie mit einem Antriebsriemen verbunden werden kann, um die Antriebsrollen zu drehen. Die Vorrichtung umfasst weiter ein Paar Wafervorbereitungsbaugruppen, die bewegbar einander gegenüberliegend angeordnet sind. Jede der Wafervorbereitungsbaugruppen weist ein erstes Wafervorbereitungselement und ein zweites Wafervorbereitungselement auf. Die Wafervorbereitungsbaugruppen sind in eine erste Stellung, in der die ersten Wafervorbereitungselemente jeweils so positioniert sind, dass sie einen ersten Wafervorbereitungsvorgang an dem Wafer durchführen können, und ferner in eine zweite Stellung bewegbar, in der die zweiten Wafervorbereitungselemente jeweils so positioniert sind, dass sie einen zweiten Wafervorbereitungsvorgang an dem Wafer durchführen können.
  • Es ist selbstverständlich, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende genaue Beschreibung lediglich als beispielhaft und erläuternd anzusehen sind und die Erfindung gemäß den Ansprüchen nicht einschränken sollen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung eingegliedert sind und einen Teil davon bilden, zeigen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
  • 1 ist eine Endansicht einer Wafervorbereitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine Seitenansicht der in der 1 gezeigten Wafervorbereitungsvorrichtung, die das rechte Antriebsgehäuse und die zugeordneten Dorne und Polierkissen im Querschnitt und ferner einen von der Waferantriebsrolleneinheit gehaltenen Wafer (als Darstellung mit Strichpunktlinien) zeigt.
  • 3 ist eine Endansicht der in der 1 gezeigten Wafervorbereitungsvorrichtung, die die Antriebsgehäuse in einem Bereich neutraler Stellungen zeigt, in denen die Polierkissen keinen Kontakt mit einem Wafer haben und an optional vorgesehenen Kissenkonditioniervorrichtung anliegen, die an der Wand des Gehäuses montiert sind.
  • 4A ist eine Ansicht der in der 1 gezeigten Wafervorbereitungsvorrichtung, die die Antriebseinheit der Wafervorbereitungsvorrichtung, die Hebel zum Schwenken der Wafervorbereitungsbaugruppen und das lineare Betätigungselement zum Schwenken der Schwenkhebel, die alle außerhalb des Gehäuses angeordnet sind, zeigt.
  • 4B ist eine detailliertere Ansicht der Hebel und des linearen Betätigungselements der 4A, bei der die Betätigungsstange in ihrer sich nach oben erstreckenden, ausgefahrenen Stellung gezeigt ist.
  • 5A ist eine Schnittansicht einer Wafervorbereitungsbaugruppe, bei der ein sich selbst ausrichtender, mit einem Kissen versehener Dorn gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung mit einer Bürste kombiniert ist.
  • 5B ist eine detailliertere Ansicht einer in 5A gezeigten, sich selbst ausrichtenden Dornanordnung, die sich auf den Bereich in der Nähe des mittleren Drehpunkts des Gehäuses konzentriert.
  • 6 ist ein Graph, der die Menge des entfernten Wafermaterials im Verhältnis zu der radialen Position auf der Waferoberfläche bei vier Testwafern zeigt, die einem konventionellen Mittellinien-Poliervorgang unterzogen wurden.
  • 7A und 7B zeigen gemeinsam die Winkelverteilung des entfernten Materials bei vier Testwafern, die einem konventionellen Mittellinien-Poliervorgang unterzogen wurden.
  • 8A und 8B sind Graphen, die die Wafermaterial-Abtragsrate (Å/m) im Verhältnis zu der Position auf dem Wafer bei vier Testwafern zeigt, die nur auf der Wafermittellinie gemäß der konventionellen Praxis poliert wurden.
  • 9A und 9B sind Graphen, die die Wafermaterial-Abtragsrate (Å/m) im Verhältnis zu der Position auf dem Wafer für Testwafer zeigen, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines gegenüber dem Durchmesser (diametral) versetzten Polierverfahrens poliert wurden.
  • 10 ist ein dreidimensionales Diagramm einer Wafervorbereitungsstation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 11A und 11B zeigen die Wafervorbereitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in näheren Einzelheiten.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • Mehrere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Die folgenden Ausführungsformen beschreiben Vorrichtungen, die bei der Vorbereitung von Substraten verwendet werden können. Verfahren werden ebenfalls beschrieben. Derartige Substrate können beispielsweise Halbleiterwafer jeder Größe, wie zum Beispiel 200mm-Wafer, 300mm-Wafer (sowie kleinere oder größere Wafer), umfassen. In der folgenden Beschreibung wird die Vorbereitungsvorrichtung der Erfindung im Zusammenhang mit der Vorbereitung von Wafern beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Vorbereitungsvorrichtung auch zum Vorbereiten von anderen Substraten, wie beispielsweise Festplatten und dergleichen, verwendet werden kann. Die Vorbereitungsvorgänge können beispielsweise Planarisieren, chemisch-mechanisches Polieren (CMP), Schruppen (wie bei der Waferreinigung üblich), Ätzen und Spülen mit Flüssigkeiten, wie beispielsweise DI-Wasser, umfassen. In den verschiedenen Beispielen werden mehrere Verfahren und Vorrichtungen offenbart, die ein Erreichen einer hohen Präzision und einer gesteuerten Vorbereitung unterstützen. Beispielsweise ermöglicht die mit diesen Systemen und Vorrichtungen erzielte Vorbereitung ein gesteuertes Schruppen, Planarisieren und Polieren von gewünschten Oberflächenbereichen des Substrats. Das heißt, dass das Substrat innerhalb eines Gehäuses an verschiedene gesteuerte Positionen bewegt werden kann, um eine Vorbereitung von unterschiedlichen Oberflächenbereichen und dies zu unterschiedlichen Zeiten zu ermöglichen. Die Vorbereitung mit der offenbarten Vorrichtung kann auch einen Kontakt mit verschiedenen Vorbereitungselementen (z.B. Bürsten, Kissen usw.) umfassen. Demgemäß sollte die folgende Beschreibung unter Berücksichtigung der vielen dort beschriebenen Alternativen gelesen werden.
  • Wafervorbereitungsvorrichtung: Die 1 und 2 sind eine Schnittansicht des vorderen Endes bzw. eine Schnittansicht der rechten Seite einer Wafervorbereitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie dort gezeigt ist, umfasst die Wafervorbereitungsvorrichtung 1 ein Gehäuse 2, das als Tragkonstruktion für verschiedene Komponenten der Vorrichtung dient, wie nachstehend in näheren Einzelheiten beschrieben werden wird. Ein Halbleiterwafer W, der in der 1 in Seitenansicht und in der 2 in Vorderansicht (mittels Strichpunktlinien) gezeigt ist, ist mit vertikaler Ausrichtung auf Waferantriebsrollen 6, 6' angeordnet.
  • Wie in der 1 gezeigt ist, ist der Wafer W in Kontakt mit einem oberen Paar Polierkissen 8, 8', wobei das rechte Kissen 8 in Kontakt mit der rechten Waferfläche W1 und das linke Kissen 8' in Kontakt mit der linken Waferfläche W2 ist. Die unteren Polierkissen 12, 12' sind nicht in Kontakt mit der rechten bzw. linken Waferfläche W1, W2. Die Wafervorbereitungsvorrichtung 1 muss nicht seitensymmetrisch sein, jedoch sind viele Anordnungen und Unteranordnungen vorzugsweise symmetrisch in Paaren rechts und links von der Symmetrieebene des in dem Gehäuse 2 vertikal ausgerichteten Wafers W angeordnet. Aus diesem Grund werden die Bezeichnungen "rechts" und "links" im Allgemeinen unter Bezugnahme auf den in 1 dargestellten Wafer W verwendet. Als Alternative ist es möglich, ein Paar Bürsten 12b sowie ein Paar Polierkissen vorzusehen, wie in den 11A und 11B gezeigt ist. Bei diesem Beispiel wurden die Bürsten mit 12b bezeichnet und können entweder auf einem Dorn oder einem Bürstenkörper befestigt sein, der direkt mit einem der Zahnräder 44 oder 46 verbunden ist.
  • Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, sind die oberen Polierkissen 8, 8' um den Umfang zylindrischer oberer Wickeldorne 10, 10' und die unteren Polierkissen 12, 12' um den Umfang zylindrischer unterer Wickeldorne 14, 14' herum angeordnet. Die oberen und unteren Wickeldorne, die horizontal angeordnet sind, sind so platziert, dass sich der obere Dorn 10 und der untere Dorn 14 auf der rechten Seite des Wafers W und der obere Dorn 10' und der untere Dorn 14' auf der linken Seite des Wafers W befinden. Ein wählbarer vertikaler Abstand trennt die oberen bzw. unteren Dornpaare 10, 10' bzw. 14, 14' voneinander. Bei einer Ausführungsform sind das obere und das untere Paar durch einen Bruchteil des Waferradius, vorzugsweise ungefähr ein Viertel bis ungefähr drei Viertel des Waferradius, voneinander entfernt. Ein Ende jedes oberen Dorns 10, 10' und jedes unteren Dorns 14, 14' ist drehbar in einem Antriebsgehäuse 16, 16' befestigt, das jeweils ein Getriebe umschließt, das drehbar mit der Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 verbunden ist. Zusätzliche Einzelheiten der Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 werden unter der Überschrift "Wafervorbereitungs-Antriebseinheit" nachstehend näher beschrieben. Bei einer Ausführungsform umfasst die Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 sowohl Kissendreheinrichtungen 13 zum Übertragen eines Drehmoments auf die Dornen 10, 10' und 14, 14' und Kisseneingriffseinrichtungen 15, die in steuerbarer Weise die Polierkissen 8, 8' und 12, 12' in Kontakt und außer Kontakt mit dem Wafer W bringen.
  • Unter Bezugnahme auf die 1 sind das rechte und das linke Antriebsgehäuse 16, 16' um Drehpunkte 18, 18' schwenkbar, die jeweils mit geringem Abstand von der Ebene des Wafers W angeordnet sind. Wenn das rechte Antriebsgehäuse 16 verschwenkt wird, um sein oberes Ende nach innen in Richtung auf die Ebene des Wafers W zu bewegen, wird das obere auf dem Dorn 10 montierte Polierkissen 8 in Kontakt mit der rechten Waferfläche W1 gebracht und das untere auf dem Dorn 14 montierte Polierkissen 12 wird von der rechte Waferfläche W2 weg bewegt. Wenn andererseits das rechte Antriebsgehäuse 16 verschwenkt wird, um sein unteres Ende in Richtung auf die Ebene des Wafers W zu bewegen (siehe 3), wird das untere Polierkissen 12 in Kontakt mit der rechten Waferfläche W1 gebracht und das obere Polierkissen 8 wird von der rechten Waferfläche W1 weg bewegt. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die vorstehende Beschreibung auch auf das linke Antriebsgehäuse 16' anwendbar ist, das verschwenkt werden kann, um das obere und das untere Polierkissen 8' bzw. 12' in Kontakt mit der linken Waferfläche W2 zu bringen.
  • Die Drehpunkte 18, 18' befinden sich somit nahe genug an der Ebene des Wafers W, so dass die Antriebsgehäuse 16, 16' nur um einen mäßigen Winkel A, A' verschwenkt werden müssen, um die oberen Polierkissen 8, 8' (oder unteren Polierkissen 12, 12' bei einem entgegen gesetzten Schwenkwinkel) in Kontakt mit den Waferflächen W1, W2 zu bringen, so dass der Wafer W durch die gegenüberliegenden Polierkissen "eingeklemmt" wird. Der Winkel A ist, unter anderem, von dem Durchmesser des Polierkissens abhängig. Bei einer Ausführungsform beträgt der Winkel A ungefähr 15° bis ungefähr 25°. Wie jedoch in der 3 gezeigt ist, sind die Drehpunkte 18, 18' weit genug von der Ebene des Wafers W entfernt, so dass, wenn die Antriebsgehäuse 16, 16' in eine im Allgemeinen vertikale Stellung geschwenkt werden, sowohl die oberen Polierkissen 8, 8' als auch die unteren Polierkissen 12, 12' eine neutrale Stellung einnehmen, in der sie durch einen ausreichenden Abstand außer Eingriff und ohne Kontakt mit dem Wafer W sind.
  • Die Schwenkbewegung der Antriebsgehäuse 16, 16' ermöglicht es, entweder den oberen Dorn oder den unteren Dorn jedes Dornpaares getrennt nach innen zu drücken, so dass das darauf montierte Polierkissen in Kontakt mit einer der Waferoberflächen kommt. Auf diese Weise kann ein Wafer zwei getrennten Poliervorgängen innerhalb der Wafervorbereitungsvorrichtung unterzogen werden: einem Poliervorgang, bei dem der Wafer zwischen den oberen Polierkissen "eingeklemmt" ist, und einem anderen Poliervorgang, bei dem der Wafer zwischen den unteren Polierkissen "eingeklemmt" ist.
  • Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 bis 3 wird der Wafer W von einer Waferantriebseinheit 23 gleichzeitig gehalten und in Drehung versetzt. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Waferantriebseinheit 23 um eine Randantriebseinheit mit variabler Höhe. Die 2 zeigt den Wafer W (mittels Strichpunktlinien dargestellt) sowohl in einer angehobenen Stellung Wa als auch in einer abgesenkten Stellung Wb. Wie oben erwähnt wurde, halten die Waferantriebsrollen 6, 6' den Wafer W. In der 2 sind die Waferantriebsrollen 6, 6' (mittels Strichpunktlinien dargestellt) in entsprechenden angehobenen Stellungen 6a, 6a' und abgesenkten Stellungen 6b, 6b' gezeigt. Die Waferantriebsrollen 6, 6' kommen in Eingriff mit der Umfangskante Wp des Wafers und sind am Ende von Rollenarmen 20, 20' befestigt, die ihrerseits drehbar an einem Rahmenelement befestigt sind. Das Rahmenelement kann von einer geeigneten Tragkonstruktion, wie beispielsweise der rechten Seitenwand 4 des Gehäuses 2 oder dem Gehäuseboden 5, getragen werden.
  • Die Randantriebseinheit 23 mit variabler Höhe umfasst eine Rollenantriebseinrichtung 21, um eine Rotationskraft auf die Rollen 6, 6' zu übertragen. Die Randantriebseinheit 23 variabler Höhe umfasst weiter eine Translationseinrichtung 27 für den Wafer, die die Schwenkbewegung der Rollenarme 20, 20' steuert, indem die Arme um die Drehpunkte 22, 22' geschwenkt werden. Die Rollenarme 20, 20' greifen als Paar ineinander, um in einer symmetrisch entgegengesetzt verlaufenden Bewegung gegensinnig zu schwenken. Zusätzliche Einzelheiten der Randantriebseinheit 23 mit variabler Höhe, einschließlich Einzelheiten der Rollenantriebseinrichtung 21 und der Translationseinrichtung 27 für den Wafer sind nachstehend unter der Überschrift "Randantrieb mit variabler Höhe" erläutert.
  • Eine obere Ausrichtrolle 24 für den Wafer ist auf einem Ausrichtarm 25 montiert, der seinerseits schwenkbar an einer an dem oberen Teil der rechten Seitenwand 4 montierten Ausrichtspannvorrichtung 26 befestigt ist. Die Ausrichtrolle 24 kommt mit der Waferumfangskante Wp in der Nähe des oberen Teils des Wafers W in Eingriff und dient sowohl zum Aufrechterhalten der Ausrichtung des Wafers W als auch als seitliche Abstützung, wenn die Polierkissen (8, 8', 12, 12') ausgerückt werden, d.h. in der neutralen Stellung sind. Die Schwenkbewegung der Ausrichtarme 25 erlaubt der oberen Rolle 24, in Eingriff zu bleiben und dem Umfang des Wafers Wp zu folgen, wenn sich der Wafer nach oben und nach unten bewegt, wie durch die Positionen Wa und Wb (siehe 2) angedeutet ist. In der 2 ist die obere Stellung der oberen Rolle mit 24 und die untere Stellung mit 24' (mittels Strichpunktlinien dargestellt) bezeichnet. Wenn gewünscht, können weitere Kantenrollen verwendet werden, um das Abstützen, Stabilisieren, Drehen oder Laden/Entladen des Wafers zu unterstützen.
  • Die Rollenarme 20, 20' und die Antriebsrollen 6,6' sind in der 2 in einer mittleren Winkelposition dargestellt. Ein typischer Arbeitsbereich für die Schwenkbewegung der Rollenarme 20, 20' wird durch die oberen und unteren Darstellungen der Antriebsrollen 6, 6' mit Strichpunktlinien angezeigt, die den Schwenkbereich der Bewegung als Winkel B definieren. Die nach oben gerichtete Bewegung der Rollenarme 20, 20' führt dazu, dass die Antriebsrollen 6, 6' als Paar nach oben und näher zusammen bewegt werden. Dies führt wiederum dazu, dass sich der Wafer W nach oben bewegt, hauptsächlich aufgrund der höheren Position der Antriebsrollen, teilweise jedoch auch, weil die Rollen einen geringeren Abstand zueinander haben. Andererseits führt das Schwenken der Rollenarme 20, 20' nach unten zum einem entsprechenden Absenken des Wafers W. Die Bewegung der Antriebsrollen 6, 6' über den Winkel B führt zu einer Aufwärts- oder Abwärtsbewegung der Wafermitte Wo über eine entsprechende vertikale Strecke, wie von dem Doppelpfeil C (siehe 2) angedeutet wird. Die Bewegung der Antriebsrollen 6, 6' kann gesteuert werden, um die vertikale Bewegung des Wafers zu steuern. Beispielsweise können die Antriebsrollen nach innen und außen geschwenkt werden, so dass der Wafer W relativ zu den Polierkissen (8, 8' oder 12, 12') nach oben und unten schwingt.
  • Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, ist der Wafer W in einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung angeordnet und die Polierkissen sind in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung angeordnet. Es wird eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung des Wafers W verwendet, da hierdurch die verschiedenen in der Vorrichtung vorgesehenen Stütz- und Antriebsanordnungen vereinfacht werden und das Ableiten von Polieraufschlämmmaterial, Behandlungslösungen und Spüllösungen weg von den Polierkissen und dem Wafer erleichtert wird.
  • Wafervorbereitungs-Antriebseinheit: die Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 ist in den 2 (als Schnittansicht), 4A und 4B (als Ansicht vom äußeren Ende der Wand 3) und 5 (als detaillierte Schnittansicht des in 2 gezeigten Antriebsgehäuses und Dorns) dargestellt. Wie in der 2 gezeigt ist, ist das Antriebsgehäuse 16 mit einer sich durch die Stirnwand 3 erstreckenden Doppel-Koaxialwelleneinheit 19 verbunden. Die Koaxialwelleneinheit 19 liefert Rotationskraft für die Dornen für die Wafervorbereitung über eine innere Welle und liefert dem Gehäuse über eine äußere Welle eine Aktivierung für das Schwenken und die Steuerung zum Herstellen/Lösen des Kontakts der Polierkissen mit den Waferflächen. Daher ist die Koaxialwelleneinheit 19 sowohl ein integraler Bestandteil der Kissendreheinrichtung 13 als auch der Kisseneingriffseinrichtung 15. Bei einer Ausführungsform umfasst die Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 separate Koaxialwelleneinheiten 19, 19' für die Antriebsgehäuse 16 bzw. 16'. Die vorliegende Beschreibung hinsichtlich der Bewegung des rechten Antriebsgehäuses 16 ist ebenfalls auf das linke Antriebsgehäuse 16' anwendbar.
  • Die Koaxialwelleneinheit 19 umfasst eine innere Übertragungswelle 28 und eine äußere hohle Drehachse 30. Die Übertragungswelle 28 überträgt eine Rotationskraft auf die Dorne (10, 10', 14, 14') und ist in Lagern 43a und 43b, die auf der Innenseite der äußeren Drehachse 30 in der Nähe jedes ihrer Enden vorgesehen sind, gelagert. Die äußere Drehachse 30 ist ihrerseits durch Lager 31a und 31b an dem Montagerahmen 32 der Wafervorbereitungs-Antriebseinheit gelagert und ermöglicht eine Schwenksteuerung der Antriebsgehäuse 16, 16', so dass eines der Polierkissenpaare (8, 8' oder 12, 12') in Kontakt mit dem Wafer W gebracht werden kann.
  • Wie in den 2 und 4A gezeigt ist, umfasst die Kissendreheinrichtung 13 linke und rechte Wafervorbereitungs-Motoren 34, 34', Antriebsscheiben 36, 36', Riemen 38, 38' und Wellenräder 40, 40'. Die Antriebsscheiben 36, 36' sind drehbar auf unterhalb des Rahmens 32 montierten Motoren 34 bzw. 34' befestigt. Die Riemen 38, 38' sind auf den Antriebsscheiben 36, 36' und auf den an den Enden der sich aus dem Rahmen 32 hinaus erstreckenden Übertragungswellen 28 bzw. 28' montierten Wellenrädern 40, 40' angeordnet. Wie in den 2 und 5 gezeigt ist, erstreckt sich die Übertragungswelle 28 durch die Stirnwand 3 und ist starr mit einem Übertragungsritze) 42 verbunden. Die Übertragungswelle 28 ist in einem Achslager 43a gelagert, das seinerseits innerhalb des Gehäuses 16 fluchtend mit dem Drehpunkt 18 befestigt ist. Die Übertragungswelle 28' (in 2 und 5 nicht dargestellt) ist in der gleichen Weise verbunden und gelagert, wie im Zusammenhang mit der Übertragungswelle 28 beschrieben wurde.
  • Wie im Einzelnen in der 5A gezeigt wird, erstrecken sich die inneren Teile der Übertragungswelle 28 und der Drehachse 30 durch die Stirnwand 3. Das Übertragungsritze) 42 greift in obere und untere Dorn-Zahnräder 44 und 46 ein, die an den Enden des oberen und unteren Dorns 10 bzw. 14 (siehe 1 und 2) starr befestigt sind, um mit der Dornachse ausgerichtet zu sein. Es wird bemerkt, dass der in den 1 und 2 gezeigte untere Dorn 14 in der 5A zugunsten eines Bürstenkörpers 12a und einer Bürste 12b gemäß einer alternativen Ausführungsform weggelassen wurde, wie in nachstehend in näheren Einzelheiten erläutert werden wird. Das Übertragungsritzel 42 und die Dorn-Zahnräder 44 und 46 übertragen somit ein Drehmoment auf die Dornkörper, so dass sich der obere und der untere Dorn 10 und 14 gleichzeitig in der gleichen Richtung drehen.
  • Der obere und der untere Dorn 10 bzw. 14 können durch konventionelle Achslager drehbar an dem Antriebsgehäuse 16 befestigt sein, um von den Dorn-Zahnrädern 44, 46 angetrieben zu werden, während sie gleichzeitig parallel zu der Oberfläche des Wafers W gehalten werden. Bei einer Ausführungsform werden die Dorne 10 und 14 durch eine sich selbst ausrichtende Dornanordnung 48 gehalten, die die Polierkissen 8, 12 bei Kontakt mit der Waferfläche automatisch auf die Fläche des Wafers W ausrichtet, um den Kontaktdruck der Polierkissen gleichmäßig auf der Oberfläche des Wafers W zu verteilen. Zusätzliche Einzelheiten der sich selbst ausrichtenden Dornanordnung 48 sind nachstehend unter der Überschrift "Selbstausrichtende Dornanordnung" beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf die 4A umfasst die Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 separate Antriebsmotoren 34, 34' für die Antriebsgehäuse 16, 16'. Die Motoren 34, 34' können durch konventionelle Energieversorgungen, Steuerungen und Rückmeldungssensoren (nicht dargestellt) betrieben werden, um sich in entgegen gesetzten Richtungen zu drehen, so dass sich die Polierkissen (entweder 8, 8' oder 12, 12') auf den entgegengesetzt liegenden Seiten des Wafers W, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen gleichen Rotationsgeschwindigkeit, ebenfalls gegensinnig drehen. Die Drehung der Polierkissen wird vorzugsweise so gewählt, dass die Kissen eine nach unten gerichtete Reibkraft auf den Wafer ausüben und damit dazu beitragen, den Wafer in Kontakt mit den Waferantriebsrollen 6, 6' zu halten. Die Motoren 34, 34' können manuell gesteuert werden oder durch ein in geeigneter Weise programmiertes Computersystem, das konventionelle Motorsteuerungen aktiviert (nicht dargestellt), koordiniert und gesteuert werden. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass, wenn gewünscht, ein einziger Motor mit einer geeigneten Kraftübertragung, wie einer Riemen- oder Zahnradübertragung, verwendet werden kann, um Rotationsenergie für beide Antriebsgehäuse zu liefern.
  • Die Kisseneingriffseinrichtung 15 steuert die Schwenkbewegung der Antriebsgehäuse 16, 16', um entweder die oberen Polierkissen 8, 8' oder die unteren Polierkissen 12, 12' in Kontakt mit den entgegen gesetzten Flächen des Wafers W zu bringen. Wie in der 4A gezeigt ist, umfassen die äußeren Drehachsen 30, 30' so an ihnen montierte Hebel 52, 52', dass jeder Hebel im Allgemeinen nach innen in Richtung auf die Symmetrieebene Wp des Wafers gerichtet ist. Der Endbereich jedes Hebels 52, 52' ist als Zahnradsegment ausgebildet und die Zahnradsegmente 54, 54' weisen den gleichen Radius auf und sind konzentrisch mit den äußeren Drehachsen 30 bzw. 30'. Die Zahnradsegmente 54, 54' greifen ineinander, so dass die Hebel 52, 52' und die mit ihnen verbundenen Drehachsen 30, 30' zwangsweise auf koordinierte Weise in entgegen gesetzte Richtungen schwenken.
  • Ein lineares Betätigungselement 56, bei dem es sich um einen konventionellen Luftzylinder oder ein andere gleichwertiges Betätigungselement handeln kann, ist an dem unteren Teil des Rahmens 32 montiert (siehe 2 und 4A), wobei sich die Betätigungsstange 58 nach oben zu einer in der Nähe des Endbereichs des Hebels 52 angeordneten Schwenkverbindung 59 erstreckt (siehe 4A und 4B). Ein Ausfahren der Stange 58 nach oben verursacht über die ineinander greifenden Zahnradsegmente 54, 54' ein Schwenken des Hebels 52 im Gegenuhrzeigersinn (aus der Perspektive der 4A) und ein Schwenken des gegenüberliegenden Hebels 52' im Uhrzeigersinn um den gleichen Winkel. Wie in der 4B gezeigt ist, ist die Stange 58 nach oben ausgefahren (relativ zu der in der 4A gezeigten Stellung), um die Hebel 52, 52' in der soeben beschriebenen Weise zu schwenken. Ein Fachmann wird erkennen, dass ein Einziehen der Stange 58 nach unten (nicht dargestellt) zu einer Schwenkbewegung führt, die derjenigen der 4B entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten schwenkt der Hebel 52, wenn die Stange 58 nach unten zurückgezogen wird, im Uhrzeigersinn und schwenkt der Hebel 52' im Gegenuhrzeigersinn.
  • Wie in den 2 und 5A gezeigt ist, ist die äußere Drehachse 30 starr mit dem Antriebsgehäuse 16 verbunden, so dass jede Drehung der Drehachse 30 eine gleiche Drehung des Antriebsgehäuses 16 hervorruft. Die Drehung des Antriebsgehäuses 16 verursacht wiederum eine entsprechende Bewegung der oberen und unteren Dorne 10 bzw. 14 (oder der Bürsten 12a/12b) in Richtung auf die Ebene des Wafers W oder von ihr weg. Die Länge des Verschiebewegs der Betätigungsstange 58 wird vorzugsweise ausgewählt und gesteuert, um einen Schwenkbereich der äußeren Drehachse 30, 30' zu schaffen, der ausreichend ist, um einen selektiven Kontakt der oberen und unteren Polierkissen 8 bzw. 12 mit dem Wafer W zu ermöglichen. Wie oben bemerkt wurde, ist der Schwenkbereich unter anderem von dem Durchmesser der Polierkissen abhängig. Die Bewegung des linearen Betätigungselements 56 kann manuell durch konventionelle Steuerelemente und Energieversorgungen (nicht dargestellt) erfolgen oder kann alternativ durch ein in geeigneter Weise programmiertes Computersystem, das konventionelle Steuerungen aktiviert (nicht dargestellt), koordiniert und gesteuert werden. Wenn gewünscht, können konventionelle Rückmeldungssensoren oder Lastregler vorgesehen sein, um die von dem linearen Betätigungselement 56 über die Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 ausgeübte Kraft zu steuern, so dass die Kontaktkraft und/oder der Oberflächendruck, die bzw. der von den Polierkissen auf den Wafer W ausgeübt wird, gesteuert werden kann.
  • Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass alternative Kraftübertragungssysteme verwendet werden können, um eine Dreh- und Schwenkkraft zur Verfügung zu stellen und die Antriebsgehäuse 16, 16' zu steuern. Es ist für einen Fachmann weiter offensichtlich, dass alternative Ausgestaltungen der Antriebsgehäuse 16, 16' und der Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 verwendet werden können. Zum Beispiel können die Antriebsmotoren direkt an den Antriebsgehäusen 16, 16' montiert werden, um auch ohne Verwendung einer koaxialen Welle eine Rotationskraft für die Polierkissen 8, 8' und 12, 12' zur Verfügung zu stellen. Weiter können die Antriebsgehäuse 16, 16' statt mit einer Schwenkbewegung mit einer linearen Bewegung in Richtung auf den Wafer zu oder von dem Wafer weg bewegt werden, indem die Antriebsgehäuse beispielsweise an einem in Richtung auf eine der entgegen gesetzten Waferflächen weisenden, ausfahrbaren linearen Betätigungselement montiert werden.
  • Randantriebseinheit mit variabler Höhe: eine Randantriebseinheit 23 mit variabler Höhe umfasst eine koaxiale Wellenanordnung 61 sowohl als Bestandteil der Rollenantriebseinrichtung 21 als auch der Translationseinrichtung 27 für den Wafer (siehe 1 und 2). Die koaxiale Wellenanordnung 61 liefert sowohl eine Rotationskraft für die Waferantriebsrollen 6, 6' für die Waferdrehung als auch eine Kraft für die Schwenkbetätigung und Steuerung der Rollenarme 20, 20' zum Anpassen der vertikalen Stellung des Wafers W gegenüber den Polierkissen 8, 8' und 12, 12'. Der Randantrieb 23 mit variabler Höhe umfasst separate koaxiale Wellenanordnungen 61, 61' für die vorderen und die hinteren Rollenarme 20 bzw. 20'. Die vorliegende Beschreibung bezüglich der Konstruktion und Betätigung der koaxialen Wellenanordnung 61 und des vorderen Rollenarms 20 ist daher im Allgemeinen auch auf die Konstruktion und Betätigung der koaxialen Wellenanordnung 61' und des hinteren Rollenarms 20' anwendbar.
  • Wie in der 1 gezeigt ist, umfasst die koaxiale Wellenanordnung 61 eine innere Übertragungswelle 60 und eine hohle äußere Schwenkachse 62 für die Rollen. Die Übertragungswelle 60 ist ein Bestandteil der Rollenantriebseinrichtung 21 und überträgt über einen Übertragungsriemen 64 eine Rotationskraft auf die Rollen 6. Die Übertragungswelle 60 ist in Lagern 63a und 63b, die auf der Innenseite der Rollenschwenkachse 62 in der Nähe jedes Endes der Achse vorgesehen sind, gelagert. Die Rollenschwenkachse 62 ist ihrerseits in Lagern 65a und 65b an einer Tragkonstruktion, wie zum Beispiel der rechten Wand 4 gelagert. Die Rollenschwenkachse 62 stellt eine Schwenksteuerung für die Rollenarme 20 zur Verfügung, um die Rollen 6 zwischen einer oberen/inneren Position 6a und einer unteren/äußeren Position 6b zu bewegen, wie in der 2 gezeigt ist.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst die Rollenantriebseinrichtung 21 linke und rechte Rollenmotoren 66 bzw. 66', die an dem unteren Teil der rechten Wand 4 montiert sind. Die Motoren 66, 66' sind drehbar mit in Eingriff mit Antriebsriemen 70, 70' stehenden Antriebsscheiben 68 bzw. 68' verbunden. Äußere Übertragungswellenräder 72, 72', die an den sich durch die rechte Wand 4 hindurch erstreckenden Enden der Übertragungswellen 60 bzw. 60' montiert sind, stehen ebenfalls in Eingriff mit den Antriebsriemen 70, 70'.
  • Unter Bezugnahme auf die 1 ist das Ende der Übertragungswelle 60, die sich durch die rechte Wand 4 erstreckt, innerhalb des Rollenarmgehäuses 76 starr an einem inneren Übertragungswellenrad 74 befestigt, so dass es mit dem Rollenarmdrehpunkt 22 ausgerichtet ist. Das innere Übertragungswellenrad 74 steht in Eingriff mit dem Rollenübertragungsriemen 64, der sich innerhalb des Rollenarmgehäuses 76 erstreckt, um in Eingriff mit einer Rollenscheibe 78 zu kommen. Die Rollenscheibe 78 ist an dem Ende der Rollenachse 80 befestigt, die in der Nähe des äußeren Endes des Rollenarmgehäuses 76 gelagert ist. Die Rollenachse 80 erstreckt sich ihrerseits durch das Rollenarmgehäuse 76 in Richtung auf die Ebene des Wafers W, um die Waferantriebsrolle 6 außerhalb des Gehäuses abzustützen.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst die Rollenantriebseinrichtung 21 separate Antriebsmotoren 66, 66' für jeden Rollenantriebsarm 20, 20', wie in der 2 gezeigt ist. Die Motoren 66, 66' können mit konventionellen Energiezuführungen, Steuerungen und Rückmeldungssensoren (nicht dargestellt) betätigt werden, um sich in der gleichen Richtung zu drehen, so dass sich die Waferantriebsrollen 6, 6' in der gleichen Richtung und mit einer im Wesentlichen gleichen Rotationsgeschwindigkeit drehen. Die Motoren können manuell gesteuert werden oder durch ein in geeigneter Weise programmiertes Computersystem, das konventionelle Motorsteuerungen (nicht dargestellt) aktiviert, koordiniert und gesteuert werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein einzelner Motor zusammen mit einer geeigneten Kraftübertragung, wie beispielsweise einer Riemen- oder Zahnradübertragung, verwendet, um eine Rotationskraft für beide Rollenantriebsarme zu liefern.
  • Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst die Translationseinrichtung 27 für den Wafer, der für eine Schwenkbetätigung und Steuerung der Rollenantriebsarme 6, 6' sorgt, rechte und linke Rollenschwenkachsen 62 bzw. 62' (die linke Rollenschwenkachse 62' ist in den 1 bis 3 nicht gezeigt), von denen jede sich über ein Stück über die rechte Wand 4 hinaus, d.h. nach außen erstreckt. Das äußere Ende jeder Rollenschwenkachse 62, 62' ist von einem Paar komplanarer Zahnkränze 82, 82' umgeben und an diesen befestigt, wobei der effektive Außendurchmesser jeder der Zahnkränze vorzugsweise ungefähr der halben Strecke zwischen den Rollenarmdrehpunkten 22, 22' entspricht, so dass die vorderen und hinteren Zahnkränze 82 bzw. 82' ungefähr in der Mitte der Strecke ineinandergreifen. Die ineinandergreifenden Zahnkränze 82, 82' bewirken, dass die entsprechenden Rollenschwenkachsen 62, 62' zwangsweise auf koordinierte Weise in entgegengesetzte Richtungen schwenken. Die Rollenschwenkachsen 62, 62' sind starr an Rollenarmgehäusen 76 bzw. 76' befestigt, so dass jede Schwenkbewegung der Achsen eine ähnliche Bewegung der Rollenantriebsarme 20, 20' und der Waferantriebsrollen 6, 6' bewirkt.
  • Wie in der 2 gezeigt ist, ist ein lineares Betätigungselement 84, das ein linearer Schrittmotor oder ein äquivalentes Betätigungselement sein kann, im Allgemeinen horizontal an dem unteren äußeren Teil der rechten Wand 4 befestigt. Eine Betätigungsstange 86 erstreckt sich seitlich zu einer in der Nähe des Endbereichs eines Betätigungshebels 88 angeordneten Schwenkverbindung 87. Der Betätigungshebel 88 ist seinerseits an der Seite eines der Zahnkränze 82, 82' befestigt. Ein Ausfahren der Stange 86 nach außen verursacht ein Schwenken des Hebels 88, des Zahnkranzes 82 (oder 82') und der Rollenschwenkachse 62 im Gegenuhrzeigersinn (in der Perspektive der 2), was wiederum dazu führt, dass der gegenüberliegende eingreifende Zahnkranz 82' (oder 82) und die Schwenkachse 62' über einen gleichen Winkel im Uhrzeigersinn schwenken. Diese Schwenkbewegung bewegt die Waferantriebsrollen 6, 6' in Richtung auf ihre untere äußere Position 6b, 6b'. Ein Einschieben der Stange 86 nach innen resultiert in einer entsprechenden entgegen gesetzten Schwenkbewegung, die die Waferantriebsrollen 6, 6' in Richtung auf ihre obere innere Position 6a, 6a' bewegt.
  • Die Länge des Verschiebewegs der Betätigungsstange 86 wird vorzugsweise ausgewählt und gesteuert, um einen Schwenkbereich der Achsen 62, 62' zu schaffen, der ausreichend ist, um den Wafer W über eine vorbestimmte vertikale Strecke zu bewegen, wie von Pfeil C (siehe 2) angedeutet ist. Diese vorbestimmte vertikale Strecke wird so bemessen, dass die gewünschten Bereiche des Wafers in eine Position gebracht werden, um in Kontakt mit den Polierkissen 8, 8' oder 12, 12' zu gelangen, wie nachstehend in näheren Einzelheiten beschrieben werden wird. Der Durchmesser der Waferantriebsrollen 6, 6' und die Länge der Rollenantriebsarme 20, 20' kann im Voraus gewählt werden, um für einen vorbestimmten Bereich von Waferdurchmessern, z.B. 200mm-Wafer und 300mm-Wafer, geeignet zu sein. Wenn gewünscht, können Austauschteile für die Rollenarmgehäuse 76, 76', die Rollenübertragungsriemen 64, 64' und die Waferantriebsrollen 6, 6' in verschiedenen Größen für eine bequeme Installation, um die Geometrie des Rollenantriebsmechanismus 21 an einen noch breiteren Bereich von Waferdurchmessern anpassen zu können. Auf die gleiche Art und Weise können Austausch-Betätigungshebel 88 in verschiedenen Längen vorgesehen sein (oder der Hebel 88 kann mechanisch längenverstellbar sein), um den Hebelarm des linearen Betätigungselements 84 anzupassen. Die Bewegung des linearen Betätigungselements 84 kann manuell durch konventionelle Betätigungssteuerungen und Energiezuführungen (nicht dargestellt) oder durch ein in geeigneter Weise programmiertes Computersystem, das konventionelle Steuerungen (nicht dargestellt) aktiviert, koordiniert und gesteuert werden.
  • Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass alternative Kraftübertragungssystem verwendet werden können, um Dreh- und Schwenkkräfte sowie Ansteuerungen für die Waferantriebsrollen 6, 6' und die Rollenantriebsarme 20, 20' zur Verfügung zu stellen. Für einen Fachmann ist es weiter offensichtlich, dass die Konstruktion der Randantriebseinheit mit variabler Höhe von der hier gezeigten Ausführung abweichen kann. Beispielsweise kann eine Randantriebseinheit mit variabler Höhe nicht schwenkbare Waferantriebsrollen und zugeordnete Motoren, die auf einer höhenverstellbaren Plattform angeordnet sind, umfassen.
  • Selbstausrichtende Dornanordnung: wie in der 5A gezeigt ist, wird der obere Dorn 10, an dem das Polierkissen 8 befestigt ist, von einer sich selbst ausrichtenden Dornanordnung 48 getragen. Die Dornanordnung 48 umfasst einen starren zylindrischen stangenartigen Stab 90, der starr mit dem Wafervorbereitungs-Antriebsgehäuse 16 verbunden ist, um eine freitragende Stütze für den Dorn 10 zu bilden. Der Stab 90 erstreckt sich im Allgemeinen parallel zu dem Wafer W und endet an einem Punkt jenseits der Mittellinie 91 des Dorns. Das obere, einen hohlen Kern aufweisende Dorn-Zahnrad 44 umgibt den Stab 90 und ist durch ein Zahnradlager 92 auf dem Stab gelagert, so dass sich das Dorn-Zahnrad unabhängig von dem fixierten Stab (der Stab 90 ist relativ zu dem Antriebsgehäuse 16 fixiert) drehen kann. Das obere Dorn-Zahnrad 44 ist mit dem Kern 94 des Dorns verbunden, um ein Drehmoment hierauf übertragen zu können. Der als hohler Zylinder ausgebildete und den Stab 90 beabstandet umgebende Kern 94 des Dorns ist in einem Kernlager 96 in der Nähe der Mittellinie 91 des Dorns gelagert, so dass der Kern unabhängig von dem Stab gedreht werden kann, wenn er von dem Dorn-Zahnrad 44 angetrieben wird. Auf der Innenseite und auf der Außenseite der hohlen Welle 98 des Dorn-Zahnrads 44 sind Dichtungen 97a und 97b angebracht. Die Dichtungen 97a und 97b sind vorgesehen, um das Eindringen von Fluiden und/oder Aufschlämmmaterialien in die Antriebsgehäuse 16 zu verhindern.
  • Eine Dornummantelung 100, die als hohler Zylinder ausgebildet ist und sich mindestens über die gewünschte Länge des Polierkissens 8 erstreckt, umgibt den Kern 94 des Dorns beabstandet. Die Dornummantelung 100 wird von einem mittigen Auflagepunkt 102 an einer Stelle in der Nähe der Mittellinie 91 des Dorns gestützt. Der Auflagepunkt 102 für die Ummantelung kann aus jeder geeigneten, den Kern 94 umgebenden Konstruktion bestehen. Bei einer Ausführungsform besteht der Auflagepunkt 102 für die Ummantelung aus einem in einer in der Außenfläche des Kerns 94 des Dorns ausgebildeten Nut 104 angeordneten elastischen O-Ring. Der Auflagepunkt 102 für die Ummantelung stellt eine mittige Stütze für die Dornummantelung 100 dar, wobei die Ummantelung sich über einen kleinen Winkel aus der Parallele zu dem Kern 94 neigen kann. Der Abstand zwischen dem Kern 94 des Dorns und der Dornummantelung 100 wird so gewählt, dass sich die Ummantelung über einen vorbestimmten Neigungsbereich neigen kann. Das Polierkissen 8 ist an der Außenfläche der Dornummantelung 100 befestigt. Bei einer Ausführungsform ist das Polierkissen 8 spiralförmig um die Dornummantelung 100 herumgewickelt, so dass das Polierkissen im Wesentlichen symmetrisch um die Mittellinie 91 des Dorns herum angeordnet ist.
  • Zwischen dem Kern 94 des Dorns und der Dornummantelung 100 ist eine Drehmomentkopplung 106 angeordnet. Die Funktion der Drehmomentkopplung 106 besteht darin, ein Drehmoment von dem Kern auf die Ummantelung zu übertragen und die Ummantelung hinsichtlich einer axialen Bewegung relativ zu dem Kern zu fixieren, während es der Ummantelung weiterhin gestattet ist, sich innerhalb des vorbestimmten Neigungsbereichs zu neigen. Bei einer Ausführungsform ist die Drehmomentkopplung 106 eine unter Federspannung stehende schlüsselartige Struktur, die in ausgerichtete Schlitze des Kerns 94 des Dorns und der Dornummantelung 100 eingesetzt ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Drehmomentkopplung 106 ein Antriebsstift.
  • Wenn ein Polierkissen 8 durch die Schwenkbewegung des Antriebsgehäuses 16 in einen Kontakt mit einer der Oberflächen des Wafers W (in 5A nicht dargestellt) gedrückt wird, verursacht der von dem Polierkissen auf den Wafer ausgeübte Kontaktdruck ein Neigen der Dornummantelung 100, bis das Polierkissen parallel zu einer der Waferoberflächen ausgerichtet und der Kontaktdruck gleichmäßig entlang der Kontaktlinie verteilt ist. Die Drehmomentkopplung 106 überträgt gleichzeitig ein Drehmoment auf die Dornummantelung 100, so dass sich das Polierkissen 8 dreht und dadurch eine Polierwirkung auf der Oberfläche des Wafers ausübt.
  • Die 5B ist eine genauere Ansicht der in der 5A gezeigten selbstausrichtenden Dornanordnung 48, die sich auf den Bereich in der Nähe des mittigen Auflagepunkts 102 der Ummantelung konzentriert. Wie oben erwähnt wurde, ist der mittige Auflagepunkt 102 als O-Ring dargestellt. Bei einer Ausführungsform hat der O-Ring eine mit einem Durometer gemessene Härte von ungefähr 70 bis 80 auf der Shore-A-Skala. Der O-Ring sitzt in der in dem Kern 94 des Dorns, der aus Kunststoff bestehen kann, ausgebildeten Nut 104. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass der Stab 90 in der 5B zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen wurde. Die Nut 104 ist an der Mittellinie der Dornummantelung 100, die aus rostfreiem Stahl bestehen kann, angeordnet. Die als Antriebsstift dargestellte Drehmomentkopplung 106 ist in entsprechenden Löchern in der Dornummantelung 100 und dem Kern 94 des Dorns angeordnet. Wie in der 5B gezeigt ist, ist das in der Dornummantelung 100 für den Antriebsstift vorgesehene Loch überdimensioniert, so dass die Dornummantelung frei um den O-Ring herum schwenken kann, wie vorstehend beschrieben wurde. Bei einer Ausführungsform können sich die Enden der Dornummantelung 100 um bis zu ungefähr ±0,060 Zoll bewegen. Das Polierkissenmaterial 8 ist spiralförmig so um die Dornummantelung 100 herumgewickelt, dass es einen kleinen Spalt zwischen den Wicklungen gibt. Diese Konstruktion verhindert ein Überlappen des Polierkissenmaterials, was negative Auswirkungen auf den Poliervorgang haben könnte. Bei einer Ausführungsform ist das Polierkissenmaterial Polyurethanschaum.
  • Fluideinspritzung: wie in der 1 gezeigt ist, ist eine Vielzahl von Düsen 110 an den Wänden des Gehäuses 2 montiert. Die Düsen 110 sind so ausgerichtet, dass sie Fluide in Richtung auf die entgegengesetzt liegendenden Flächen des Wafers W oder der Polierkissen 8, 8' und 12, 12' sprühen. Geeignete Fluide, die den Düsen 110 über Verteiler 112 zugeführt werden, umfassen abrasive Aufschlämmmaterialien, chemische Behandlungslösungen, Emulsionen, Reinigungslösungen, Spüllösungen, Kühlmittellösungen, deionisiertes (DI) Wasser und Mischungen daraus. Wenn gewünscht, können verschiedene Fluide von verschiedenen Düsen gleichzeitig eingespritzt werden oder sie können nacheinander von der gleichen oder von verschiedenen Düsen eingespritzt werden. Im geneigten Boden 5 ist ein Ablauf 114 vorgesehen, um das Ableiten von verbrauchten Fluiden aus dem Inneren des Gehäuses 2 zu vereinfachen. Zusätzliche Düsen und Verteiler können innerhalb des Gehäuses 2 vorgesehen sein, um Aufschlämmmaterial oder Lösungen sowohl von den Wafervorbereitungselementen, wie beispielsweise Polierkissen und Bürsten, als auch von den unterstützenden Komponenten, wie Dornen, Antriebsgehäusen, Rollen und Rollenarmen nach Beendigung eines oder mehrerer Wafervorbereitungsvorgänge abzuspülen. Die Fluide können den Verteilern 112 über konventionelle Leitungen, Ventile, Pumpen, Vorratsbehälter, Filter und Sammelbehälter (nicht dargestellt), die über Durchflussverbindungen mit den Verteilern verbunden sind, zugeführt werden. Die Abfolge und Geschwindigkeit der Fluideinspritzung kann manuell gesteuert werden oder durch einen in geeigneter Weise programmierten Computer, der konventionelle Ventile, Pumpe und Betätigungselemente aktiviert, automatisch gesteuert werden.
  • Kissenkonditioniervorrichtungen: wie in den 1 und 3 gezeigt ist, sind optionale einziehbare Kissenkonditioniervorrichtungen 116 schwenkbar an den inneren Wänden des Gehäuses 2 in der Nähe jedes Polierkissens befestigt. Jede Konditioniervorrichtung 116 umfasst im Allgemeinen eine horizontale Klinge 118, die im Wesentlichen die gesamte Länge des daneben angeordneten Polierkissens überspannt. Jede Klinge 118 ist an einem über der Klinge vorgesehenen Drehpunkt 120 angelenkt, so dass die Klinge in Richtung auf das benachbarte Polierkissen durch Drücken eines Betätigungselements 122 ausgefahren werden kann. Das Betätigungselement 122 kann ein konventionelles Magnetspulen-Betätigungselement sein, das so angeordnet ist, dass es eine Stößelstange 124 gegen den äußeren Teil der Klinge 118 drückt, wodurch die Klinge um einen Winkel D nach innen schwenkt. Die Kissenantriebsgehäuse 16, 16' können gleichzeitig um einen Winkel E (Kissen 8) oder einen Winkel E' (Kissen 10) geschwenkt werden, um das jeweilige Polierkissen in Kontakt mit der entsprechenden Klinge 118 für den Konditioniervorgang zu bringen. Die Winkel D und E und die Abmessungen des Konditionierers werden vorzugsweise so gewählt, dass jedes der Polierkissen 8 und 10 konditioniert werden kann, ohne dass eines der Kissen die Oberfläche des Wafers W berührt. Mit anderen Worten findet das Konditionieren der Kissen vorzugsweise statt, wenn sich die Polierkissen in der neutralen Stellung befinden, so dass der Wafer für die Konditionierung der Kissen nicht entfernt werden muss. Nach Abschluss eines Kissenkonditioniervorgangs kann jede Klinge 118 durch Deaktivieren des Betätigungselements 122 zurückgezogen werden.
  • Die 10 zeigt ein dreidimensionales Diagramm einer Wafervorbereitungsstation 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Wafervorbereitungsstation 200 umfasst ein Gehäuse 2, das zum Umschließen einer Wafervorbereitungsvorrichtung 210 ausgebildet ist. Ein oberer Abschnitt des Gehäuses 2 umfasst eine Öffnung 204, durch die der Wafer herausgehoben und, wenn erwünscht, in einer anderen Bearbeitungsstation platziert werden kann. Die Öffnung 204 kann alternativ auch weggelassen werden, so dass man eine vollkommen geschlossene Wafervorbereitungsvorrichtung 210 erhält. Das Gehäuse 2 umfasst ferner auch eine Tür 202, die so ausgebildet ist, dass sie den Zugang zu der Wafervorbereitungsvorrichtung für Wartungszwecke ermöglicht, beispielsweise um die Schruppbürsten oder die Polierkissen und zugehörigen Dornen auszutauschen oder einzusetzen.
  • Während des Betriebs bleibt die Tür 202 vorzugsweise geschlossen, um die Sauberkeit der Umgebung zu wahren und das Risiko der Belastung durch Partikeln und Schmutz zu reduzieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Schlitz 206 in der Tür 202 vorgesehen, um den Wafer W in die Wafervorbereitungsstation 200 einführen zu können. Auf die gleiche Weise kann der Wafer aus der Wafervorbereitungsstation 200 durch den Schlitz 206 wieder entfernt werden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann die Tür 202 eine Schiebetür (nicht dargestellt) umfassen, die den Schlitz 206 verschließt, wenn der Wafer bearbeitet wird.
  • Im Überblick umfasst die Wafervorbereitungsvorrichtung 210 mit Kissen 8 ausgestattete Dornen 10 und 14. Bei dieser Ausführungsform sind beide Sätze Dornen 10 und 14 mit den Kissen 8 ausgestattet, um das Polieren oder Planarisieren des Wafers je nach Wunsch durch entweder den unteren Satz Dorne oder den oberen Satz Dorne zu ermöglichen. Wie oben erwähnt wurde, ist der Wafer so angeordnet, dass er während der Vorbereitung angehoben und abgesenkt wird, und der erste Satz Dorne oder der zweite Satz Dorne kann so platziert werden, dass die oben beschriebene außermittige Bearbeitung stattfinden kann. Ebenfalls sind Düsen 110 dargestellt, die so ausgebildet sein können, dass sie Fluide auf die Kissen 108 leiten. Die Düsen 110 können in Abhängigkeit von dem durchzuführenden Prozess mit einer geeigneten Quelle zum Zuführen von DI-Wasser, Chemikalien oder Aufschlämmmaterialien strömungstechnisch verbunden sein. Es ist auch gezeigt, dass die Wafervorbereitungsvorrichtung 210 die Ausrichtspannvorrichtung 26 umfasst, die, wie oben beschrieben wurde, die Ausrichtrolle 24 für den oberen Teil des Wafers mit der oberen Kante des Wafers in Kontakt bringt. Diese Darstellung zeigt auch ein lineares Betätigungselement 84 (das vorzugsweise ein linearer Schrittmotor ist), das verwendet wird, um den Wafer in Übereinstimmung mit einem Waferbewegungs-Ablaufplan, der ausgearbeitet wurde, um die gewünschte Abtragsrate des Wafermaterials an verschiedenen radialen Positionen auf der Waferoberfläche zu erzielen, anzuheben oder abzusenken. Das lineare Betätigungselement 84 ist in der 11A in näheren Einzelheiten dargestellt. Die Rollenantriebseinrichtung 21, der so gestaltet ist, dass er die Drehung jeder der Waferantriebsrollen 6 veranlasst, ist ebenfalls dargestellt.
  • Die 11A zeigt die Wafervorbereitungsvorrichtung 210 in näheren Einzelheiten. Die Wafervorbereitungsvorrichtung 210 ist im Allgemeinen so ausgebildet, dass sie ein erstes und ein zweites Paar Wafervorbereitungsbaugruppen 212 umfasst. Jede der Wafervorbereitungsbaugruppen 212 ist auf einer bestimmten Seite des Wafers W angeordnet. Die Wafervorbereitungsbaugruppe 212 ist beispielsweise dahingehend dargestellt, dass sie einen Dorn 10 und eine Bürste 12b umfasst, die mit einem Antriebsgehäuse 16 verbunden sind. Auf der entgegen gesetzten Seite des Wafers ist eine andere Wafervorbereitungsbaugruppe 212 vorgesehen, die ebenfalls einen Dorn 10 als den unteren Teil der Baugruppe und eine Bürste 12b als den oberen Teil der Baugruppe umfasst.
  • Diese Darstellung wird gezeigt, um klar zu machen, dass die Wafervorbereitungsvorrichtung 210 auf verschiedene Arten gestaltet werden kann. Beispielsweise kann jede der Wafervorbereitungsbaugruppen 212 so gestaltet sein, dass sie Dorne mit darauf fixierten Polierkissen 8 umfasst, wie in der 10 gezeigt ist. Bei der in den 11A und 11B dargestellten Ausführungsform ist der untere Teil der Wafervorbereitungsbaugruppe 212 ein Dorn 10 und der obere Teil ist eine Bürste 12b. Im Fall der Bürste 12b wird der Dorn durch einen mit dem Antriebsgehäuse 16 verbundenen normalen Bürstenkörper 12a ersetzt. Bei einer Ausführungsform können die Bürsten 12b Polyvinylalkohol-Bürsten (PVA-Bürsten) sein. Das PVA-Bürstenmaterial ist so ausgestaltet, dass es weich genug ist, um Beschädigungen an der empfindlichen Oberfläche des Wafers zu vermeiden, aber dennoch einen guten mechanischen Kontakt zu der Waferoberfläche herstellen kann, um Rückstände, Chemikalien und Partikel zu entfernen. Beispielhafte Reinigungssysteme, die PVA-Bürsten verwenden, umfassen die in dem US-Patent Nr. 5,875,507 beschriebenen Reinigungssysteme. Ferner kann ein Standard-Bürstenkörper 12a bei einer Ausführungsform so ausgebildet sein, dass er Fluide durch die Bürste (TTB-Verfahren – „through-the-brush"-Verfahren) zuführt.
  • Wie oben erwähnt wurde, ist das lineare Betätigungselement 84 so ausgebildet, dass es eine mit einem Betätigungshebel 88 verbundene Betätigungsstange 86 umfasst. Die Kombination aus linearem Betätigungselement 84, Betätigungsstange 86 und Betätigungshebel 88 trägt dazu bei, die Rollenarme 20 nach oben oder nach unten zu bewegen, um eine Bewegung des Wafers W nach oben oder nach unten in Abhängigkeit des zu polierenden, zu planarisierenden oder zu schruppenden Bereichs (d.h. mittig oder außermittig) zu ermöglichen. Die Motoren 66 sind vorgesehen, um die Waferantriebsrollen 6 über die Rollenarme 20 in Drehung zu versetzen, wie in der 11B gezeigt ist.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf die 11A ist eine Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 vorgesehen, um eine Verbindungs- und Tragkonstruktion für jede der Wafervorbereitungsbaugruppen 212 zur Verfügung zu stellen. Wie gezeigt ist, umfasst die Wafervorbereitungs-Antriebseinheit 17 einen Rahmen 32. Der Rahmen 32 bildet eine Auflage für ein Paar äußerer Drehachsen 30. Jede der äußeren Drehachsen 30 ist über den Rahmen 32 mit einer der Wafervorbereitungsbaugruppen 212 verbunden. Jede der äußeren Drehachsen 30 umfasst weiter eine innere Übertragungswelle 28. Die Riemen 38 verbinden das Übertragungswellenrad 40 und die Antriebsscheibe 36, wodurch durch den Wafervorbereitungs-Antriebsmotor 34 eine Drehung hervorgerufen wird. Die Drehung des Übertragungswellenrads 40 führt somit zu einer Drehung der inneren Übertragungswelle 28, die ihrerseits die Drehung auf das Antriebsgehäuse 16 überträgt. Die Drehung der inneren Übertragungswelle 28 wird daher auf alle Dorne 10 und Bürsten 12b übertragen.
  • Beispielsweise verursacht die Drehung der inneren Übertragungswelle 28 eine Drehung von in dem Antriebsgehäuse 16 vorgesehenen Zahnrädern. Die Drehung der in dem Antriebsgehäuse 16 vorgesehenen Zahnräder führt zu einer Drehung sowohl der Bürste 12b als auch des Dorns 10. Mit Bezug auf die 11A und 11B kommt der Dorn 10 jeder der Wafervorbereitungsbaugruppen 212 auf beiden Seiten des Wafers gleichzeitig in Kontakt mit dem Wafer W, während sich die Bürsten 12b im Abstand von dem Wafer befinden. Auf die gleiche Weise kann das Antriebsgehäuse 16 in die entgegengesetzte Richtung geneigt werden, so dass nur die Bürsten 12b der Wafervorbereitungsbaugruppen in Kontakt mit beiden Seiten des Wafers kommen. In dieser Situation befinden sich die Dorne 10 im Abstand zu dem Wafer, wodurch lediglich ein Schruppen des Wafers mit den Bürsten ermöglicht wird. Die Einrichtung zum Schwenken der Antriebsgehäuse 16 auf eine Weise, dass entweder nur der Dorn 10 oder nur die Bürste 12b in Kontakt mit der Oberfläche des Wafers ist, ist vorstehend in näheren Einzelheiten gezeigt und beschrieben.
  • Verfahren zur Wafervorbereitung: eines der Verfahren zur Vorbereitung eines Wafers, das von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellt wird, ist ein diametral (gegen den Durchmesser) versetztes Polierverfahren, das im Vergleich zu einem konventionellen Mittellinienpoliervorgang zu einem insgesamt gleichmäßigeren radialen Entfernen von Wafermaterial während eines Poliervorganges führt. Vor dem Polieren kann ein Wafer unter Verwendung einer konventionellen Planarisiertechnik, z.B. CMP, planarisiert werden. Bei einem Beispiel führt das diametral versetzte Polieren zu einer polierten Oberfläche, ohne dass es zu wesentlichen Abweichungen von der ursprünglich planaren Oberfläche kommt. Die 6 bis 9 zeigen Beispiele sowohl für das Mittellinien-(diametrale)Polieren und das diametral versetzte Polieren.
  • Die 6 ist Graph, der die Menge des entfernten Wafermaterials im Verhältnis zu der radialen Position auf der Waferoberfläche für vier Beispiele eines Mittellinien-Poliervorganges des Stands der Technik zeigt. Die Menge des entfernten Wafermaterials ist auf der vertikalen Achse (in Ångström (10-10m)) und die radiale Position des Testpunkts ist auf der horizontalen Achse (121 gleichmäßig beabstandete Punkte über den Waferdurchmesser, mit Ausnahme eines 5mm-Rands) eingetragen. Wie in der 6 gezeigt ist, führt das Mittellinien-Polieren, bei dem die Kontaktlinie des Kissens die Wafermitte überquert, typischerweise dazu, das mehr Wafermaterial aus dem mittleren Bereich des Wafers als aus den Randbereichen des Wafers entfernt wurde.
  • Bei Umlauf-Polierverfahren ist die Rotationsgeschwindigkeit der Polierkissen typischerweise höher als die des Wafers. Die Polierkissen drücken auf jede Seite des Wafers, vorzugsweise mit dem gleichen Druck auf jeder Waferseite, während sie sich gegenläufig nach innen in Richtung auf den Einspannpunkt bewegen, wobei die Drehung der Kissenoberfläche an der Kontaktlinie nach unten ausgerichtet ist. Die absolute Menge des entfernten Wafermaterials an einem bestimmten Punkt ist eine Funktion von Faktoren wie beispielsweise Polierzeit, Kontaktdruck des Kissens, Kissenzusammensetzung, Rotationsgeschwindigkeit des Kissens, Rotationsgeschwindigkeit des Wafers und Zusammensetzung des Aufschlämmmaterials.
  • Nichtsdestotrotz kann die relative Menge des entfernten Wafermaterials bei einem typischen Mittellinien-Poliervorgang in der Nähe der Mitte des Wafers eine Größenordnung größer sein, wie von dem deutlich hervortretenden Spitzenwert für die Menge des entfernten Substratmaterials zwischen den Punkten 50 und 70 in der 6 gezeigt wird. Die durch ein derartiges Mittellinien-Polieren erzeugte Waferkontur hat das umgekehrte Aussehen der in der 6 gezeigten Kurve. Mit anderen Worten erzeugt die höhere Wafermaterial-Abtragsrate in der Nähe der Wafermitte eine konkave oder "schüsselartige" Kontur in der Nähe der Wafermitte. Bei einem vorgegebenen Satz Polierparameter ist die Wafermaterial-Abtragsrate sehr ungleichmäßig über die gesamte Spanne des Kontakts des Polierkissens mit dem Wafer.
  • Die 7A und 7B zeigen, dass das Entfernen des Wafermaterials beim Mittellinien-Polieren dazu neigt, abgesehen von zufälligen Variationen innerhalb eines kleinen Bereichs, im Wesentlichen radial symmetrisch zu sein. Die 7A zeigt 49 Testpunktstellen für vier verschiedene Testmuster für das Mittellinien-Polieren. Die 7B ist ein Graph, der die Menge des entfernten Substratmaterials (gemessen in Angström größer oder kleiner als die durchschnittliche Dickenänderung) an jedem Punkt für die vier Testmuster zeigt. Wie in der 7A gezeigt ist, umfassen die Testpunkte den Wafermittelpunkt (Punkt 1), einen mit gleichmäßigem Abstand angeordneten konzentrischen Ring bei ungefähr einem Drittel des Radius (Punkte 2–9), einen ähnlichen Ring bei ungefähr zwei Dritteln des Radius (Punkte 10–25) und einen ähnlichen Ring, der ungefähr um 5 mm vom Umfangsrand des Wafers nach innen versetzt ist (Punkte 26–49). Die 7B ist so skaliert, dass sich der Wafermittelpunkt (Punkt 1) außerhalb der Darstellung befindet, um eine bessere Einzeldarstellung und Klarheit für die Darstellung der Punkt 2–49 zu ermöglichen, da, wie oben erläutert wurde, die Menge des in der Nähe des Mittelpunkts entfernten Substratmaterials eine Größenordnung größer ist als die Menge, die in dem Hauptteil der Waferoberfläche entfernt wurde. Wie in der 7B gezeigt wurde, lässt sich die Menge des entfernten Substratmaterials in drei unterschiedliche "Stufen" einteilen, die den drei konzentrischen Ringen der Testpunkte entsprechen. Die Änderungen innerhalb jeder Stufe haben einen Zufallscharakter und zeigen keinen systematischen winkeligen Trend.
  • Bei dem diametral versetzten Polierverfahren, ist die absolute Menge des entfernten Substratmaterials an einem bestimmten Punkt auf der Waferoberfläche, wie bei dem Mittellinien-Polieren, eine Funktion der verschiedenen Parameter, die oben im Zusammenhang mit den 6, 7A und 7B genannt wurden. Bei dem diametral versetzten Polierverfahren, ist die Menge des entfernten Substratmaterials jedoch ebenfalls eine Funktion der Bewegung des Wafers relativ zu der Kontaktlinie des Polierkissens. Die Wafervorbereitungsvorrichtung der Erfindung ermöglicht folglich die Steuerung der Bewegung des Wafers relativ zu den Wafervorbereitungselementen, z.B. den Polierkissen. Hierdurch wird es ermöglicht, die Menge des entfernten Substratmaterials an verschiedenen Stellen über die gesamte Oberfläche des Wafers zu steuern, so dass eine planare oder andere gewünschte Kontur erzielt wird.
  • Ein Ablaufplan für eine gesteuerte Waferbewegung kann ausgearbeitet werden, bei dem der Wafer relativ zu den Polierkissen entweder nach oben oder nach unten bewegt wird, um die gewünschte Kontur für die Waferoberflächen zu erzielen. An einigen Stellen des Poliervorgangs muss die Kontaktlinie des Kissens den Wafermittelpunkt überqueren, d.h. die Stelle mit einem Radialabstand von Null, um sicherzustellen, dass die gesamte Oberfläche des Wafers poliert wird. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass der Ablaufplan für die Waferbewegung so abgefasst werden kann, dass die Kontaktlinie des Kissens entweder im Wafermittelpunkt beginnt und sich in Richtung auf den Rand des Wafers bewegt oder am Rand des Wafers beginnt und sich in Richtung auf den Wafermittelpunkt bewegt.
  • Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Polierparameter wie beispielsweise die Kissenrotationsrate, die Waferrotationsrate, der Auflagedruck des Kissens oder eine Kombination dieser Parameter ebenfalls gesteuert werden können, um die gewünschte Menge entfernten Substratmaterials entlang des Wafers zu erhalten. Sowohl die Bewegung des Wafers relativ zu den Polierkissen als auch die anderen Polierparameter können durch eine geeignete softwaregestützte Programmierung, die von einem Computersystem gelesen wird, der konventionelle Steuereinrichtungen zum Regeln des Poliervorgangs betätigt, gesteuert werden. Beispielsweise können die Steuereinrichtungen den Betrieb von einem oder mehreren linearen Betätigungselementen 84 zum Bewegen des Wafers nach oben und nach unten, der Antriebsrollenmotoren 66, 66', des linearen Betätigungselements 56 zum Schwenken der Antriebsgehäuse 16, 16' und der Kissenmotoren 34, 34' regeln.
  • Das diametral versetzte Polierverfahren kompensiert in vorteilhafter Weise die radialen Schwankungen bei der Abtragsrate des von der Waferoberfläche entfernten Materials durch Bewegen des Wafers relativ zu den Polierkissen, um eine polierte Waferoberfläche zu erzielen, die eine planare oder andere gewünschte Kontur aufweist. Durch Steuerung der Geschwindigkeit, mit der sich der Wafer relativ zu den Polierkissen bewegt (oder durch Steuerung der anderen Polierparameter zum Erzielen des gleichen Effekts wie bei der Steuerung der Wafergeschwindigkeit), können die gewünschten Abtragsraten des Substratmaterials an verschiedenen radialen Stellen auf der Waferoberfläche erzielt werden. Wenn gewünscht, können die Polierparameter gesteuert werden, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Abtragsrate des Substratmaterials über den gesamten Wafer zu erzielen. Dieser gesteuerte Ablauf kann insbesondere beim Polieren von Wafern mit planarisierten Oberflächen nützlich sein. Alternativ können die Polierparameter gesteuert werden, um die Abtragsrate des Substratmaterials quer über den Wafer zu variieren. Dieser gesteuerte Ablauf kann insbesondere beim Polieren von Wafern mit profilierten, z.B. konkaven oder konvexen, Oberflächen nützlich sein, um polierte Wafer mit im Wesentlichen planarisierten Oberflächen zu erhalten.
  • Die Abtragsrate des Wafermaterials für einen bestimmten Polierablauf kann durch eine Analyse von Testmustern problemlos bestimmt werden. Beispielsweise zeigen die 8A und 8B die Abtragsrate des Wafermaterials (in Ångström pro Minute oder "Å/min") als Funktion der radialen Position bei 200mm-Testwafern, die an der Mittellinie nur gemäß der konventionellen Praxis poliert wurden. Die Testwafer wurden mit der hier beschriebenen Vorrichtung unter Verwendung eines abrasiven Aufschlämmmaterials und einer Kissenrotation von 200 U/min poliert. Die Waferrotation wurde von 30 U/min (8A) bis 50 U/min (8B) verändert. Wie in den 8A und 8B gezeigt ist, ergab sich eine erhebliche nichtlineare Erhöhung der Abtragsrate des Wafermaterials in der Nähe der Mitte des Wafers (der Mittelbereich (ca. –5 bis 5 mm) ist um der Klarheit der Skalierung willen nicht gezeigt).
  • Die 9A und 9B zeigen die Abtragsrate des Wafermaterials (in Å/m) als Funktion der radialen Position bei 200mm-Testwafern, die einem diametral versetzten Poliervorgang gemäß einem Beispiel des Polierverfahrens unterzogen wurden. Die Testwafer wurden unter Bedingungen poliert, die den oben im Zusammenhang mit den
  • 8A und 8B beschriebenen Bedingungen ähnlich sind, mit der Ausnahme, dass die Testwafer mit einer konstanten Geschwindigkeit relativ zu den Polierkissen bewegt wurden (mit Ausnahme des unmittelbaren Mitten- und Randbereichs). Zusätzlich betrug die Rotation des Kissens 600 U/min (bei beiden Testwafern) and die Rotation der Wafer betrug 30 U/min (bei beiden Testwafern). Die Übertragungsrate (die relative Geschwindigkeit zwischen dem Wafer und den Polierkissen) wurde zwischen 10 Inch (1 Inch = 2,54 mm) pro Minute (ipm) und 40 ipm (9B) variiert.
  • Die Abtragsrate des Wafermaterials, die mit dem diametral versetzten Poliervorgang erzielt wurde, ist radial wesentlich gleichmäßiger als diejenige, die unter Verwendung des konventionellen Mittellinien-Polierens erzielt werden konnte (vergleiche die in den 9A und 9B gezeigten Kurven mit den in den 8A und 8B gezeigten Kurven). Wie mittels der etwas geneigten Kurven angedeutet ist, die in den 9A und 9B gezeigt werden, tritt durch das diametral versetzte Polieren jedoch eine etwas höhere Abtragsrate des Wafermaterials in Richtung auf den Rand des Wafers auf. Zusätzlich ergibt sich durch die schnellere Translationsrate von 40 ipm eine durchschnittliche Abtragsrate des Wafermaterials von ungefähr 90 Å/m (siehe 9B), während die langsamere Translationsrate von 10 ipm zu einer durchschnittlichen Abtragsrate des Wafermaterials von ungefähr 120 Å/m (siehe 9A) führt. Somit führt die schnellere Translationsrate zu einer etwas geringeren Abtragsrate des Wafermaterials als die langsamere Translationsrate. Wenn man bedenkt, dass ein vierfacher Anstieg bei der Translationsrate nur eine ungefähr 25-prozentige Reduzierung bei der Abtragsrate des Wafermaterials zur Folge hat, wird daher angenommen, dass die 9A und 9B zeigen, dass die Translationsrate kein dominanter Faktor beim Bestimmen der Abtragsrate des Wafermaterials ist. Es wird stattdessen angenommen, dass die Gesamtmenge des entfernten Wafermaterials an jeder radialen Position hauptsächlich eine Funktion der gesamten Polierzeit oder einer äquivalenten Bearbeitungszeit ist.
  • Bei einem Beispiel ist die Länge des Polierkissens ausreichend groß, um die gesamte Sehne des Wafers in allen Translationslagen zu überspannen, so dass abrupte Unterbrechungen des Kissenkontakts vermieden werden. Somit wird während der Translation der Teil der Waferoberfläche, der sich außerhalb der Kontaktlinie des Kissens befindet, d.h. der von der Wafermitte entfernt liegende Bereich, an jeder einzelnen Kissenposition einem Poliervorgang unterzogen. Andererseits wird der Bereich der Waferoberfläche innerhalb der Kontaktlinie des Kissens, d.h. der der Wafermitte nähere Bereich, in den gleichen Translationslagen keinem Poliervorgang unterzogen. Wie in den 6–8 gezeigt ist, ist die Abtragsrate des Wafermaterials quer zu der Kontaktlinie des Kissens nicht notwendigerweise gleichmäßig.
  • Das diametral versetzte Polierverfahren kann durch Ausarbeiten einer geeigneten Waferbewegung, d.h. eines Translations-Ablaufplans, bei dem es sich um einen vorbestimmten Ablaufplan der Waferposition relativ zu den Polierkissen gegenüber der Zeit während eines Poliervorgangs handelt, durchgeführt werden. Bei einem Beispiel wird das diametral versetzte Polierverfahren unter Verwendung eines ausgearbeiteten Waferbewegungs-Ablaufplans durchgeführt, um im Wesentlichen an jeder radialen Position die gleiche Menge des Wafermaterials abzutragen, d.h. eine radial gleichmäßige Dickenreduzierung, zu erzielen. Bei einem anderen Beispiel wird das diametral versetzte Polierverfahren unter Verwendung eines ausgearbeiteten Waferbewegungs-Ablaufplans durchgeführt, um ein unterschiedliches Abtragen des Wafermaterials an bestimmten radialen Positionen, d.h. eine radial variierende Dickenreduzierung, zu erzielen.
  • Bei einem Beispiel für das diametral versetzte Wafervorbereitungsverfahren wird jede der entgegen gesetzten Oberflächen eines vertikal ausgerichteten Wafers in Kontakt mit einem zylindrischen Wafervorbereitungselement gebracht, um einen im Wesentlichen linearen Kontaktbereich zu bilden. Wenn der Wafer gedreht wird, wird mindestens ein Wafervorbereitungs-Parameter gesteuert, um eine variable Abtragsrate des Wafermaterials zu erzielen, wenn die Kontaktbereiche auf dem Wafer von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegt werden. Bei einem Beispiel wird die variable Abtragsrate des Wafermaterials festgelegt, um nach dem Bearbeitungsvorgang einen Wafer mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke zu erzielen. Bei dem Wafervorbereitungs-Parameter, der gesteuert wird, kann es sich um den auf den Wafer durch das Wafervorbereitungselement ausgeübten Druck, die Rotationsgeschwindigkeit des Wafers, die Rotationsgeschwindigkeit des Wafervorbereitungselements oder die Geschwindigkeit, mit der die von den gegenüberliegenden Oberflächen des Wafers gebildeten Kontaktbereiche von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt werden, handeln.
  • Bei einem Beispiel ist die erste Stellung die Mittellinie des Wafers und die zweite Stellung ist ein Abstand von der Mittellinie, z.B. in der Nähe des Rands des Wafers.
  • Der Wafer kann angehoben oder abgesenkt werden, um die Kontaktbereiche aus der ersten Stellung in die zweite Stellung zu bringen. Bei einem Beispiel wird die Geschwindigkeit, mit der der Wafer in vertikaler Richtung bewegt wird, um die Kontaktbereiche von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu bewegen, gesteuert, so dass der Wafer eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke hat. Durch das Analysieren von Testwafern zum Bestimmen der radialen Variationen bei der Abtragsrate des Wafermaterials bei einem vorgegebenen Polierablauf, kann ein Fachmann problemlos einen geeigneten Waferbewegungs-Ablaufplan erstellen, um vorbereitete Wafer mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke zu erzielen. Alternativ kann der Wafer mit einer konstanten Geschwindigkeit (entweder nach oben oder nach unten) bewegt werden, und einer oder mehrere der anderen Polierparameter, z.B. Druck, Rotationsgeschwindigkeit des Wafers, Rotationsgeschwindigkeit des Wafervorbereitungselements, kann gesteuert werden, um den gleichen Effekt zu erzielen. Daher kann das diametral versetzte Wafervorbereitungsverfahren so gestaltet werden, dass Wafer mit leicht konkaven oder konvexen Oberflächenkonturen in Wafer mit im Wesentlichen planaren Konturen umgearbeitet werden können.
  • Ein anderes zur Verfügung gestelltes Verfahren ist ein Verfahren zur Vorbereitung eines Halbleiterwafers, bei dem zwei Wafervorbereitungsvorgänge an einem vertikal ausgerichteten Wafer in einem einzigen Gehäuse durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren ist ein Paar Wafervorbereitungsbaugruppen, z.B. die in der 11A gezeigten Wafervorbereitungsbaugruppen 212, einander gegenüberliegend in einer geeigneten Umhüllung, beispielsweise einem Gehäuse angeordnet. Jede der Wafervorbereitungsbaugruppen weist ein erstes Wafervorbereitungselement und ein zweites Wafervorbereitungselement auf. Beispielsweise umfassen geeignete Wafervorbereitungselemente zylindrische Polierkissen und zylindrische Bürsten. Nachdem der Wafer zwischen den gegenüberliegenden Wafervorbereitungsbaugruppen in vertikaler Ausrichtung platziert wurde, wird der Wafer durch eine geeignete Waferantriebseinheit gedreht.
  • Um einen ersten Wafervorbereitungsvorgang durchzuführen, werden die Wafervorbereitungsbaugruppen so ausgerichtet, dass die ersten sich gegenüberliegend angeordneten Wafervorbereitungselemente in Kontakt mit den entgegen gesetzten Oberflächen des sich drehenden Wafers kommen. Bei einem Beispiel werden die Wafervorbereitungsbaugruppen in eine erste Richtung geschwenkt, um die ersten Wafervorbereitungselemente in Kontakt mit den entgegen gesetzten Oberflächen des sich drehenden Wafers zu bringen. Sobald der erste Wafervorbereitungsvorgang durchgeführt wurde, werden die Wafervorbereitungsbaugruppen so ausgerichtet, dass die zweiten sich gegenüberliegend angeordneten Wafervorbereitungselemente in Kontakt mit den entgegen gesetzten Oberflächen des sich drehenden Wafers kommen. Bei einem Beispiel werden die Wafervorbereitungsbaugruppen in eine zweite, der ersten Richtung entgegen gesetzte Richtung geschwenkt, um die zweiten Wafervorbereitungselemente in Kontakt mit den entgegen gesetzten Oberflächen des sich drehenden Wafers zu bringen.
  • Die Wafervorbereitungsbaugruppen können so ausgebildet sein, dass jede gewünschte Kombination von Wafervorbereitungsvorgängen ausgeführt werden kann. Bei einer Ausführungsform ist der erste Wafervorbereitungsvorgang ein Reinigungsvorgang und daher ist jedes der ersten Wafervorbereitungselemente eine zylindrische Bürste. Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Wafervorbereitungsvorgang ein Poliervorgang und daher ist jedes der zweiten Wafervorbereitungselemente ein zylindrisches Polierkissen. Wenn gewünscht, kann die Reihenfolge dieser Vorgänge vertauscht werden, so dass der erste Vorgang ein Poliervorgang und der zweite Vorgang eine Reinigungsvorgang ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform sind sowohl der erste als auch der zweite Wafervorbereitungsvorgang Reinigungsvorgänge. Beispielsweise kann der erste Reinigungsvorgang so gestaltet sein, dass relativ grobe Partikel entfernt werden und der zweite Reinigungsvorgang kann so gestaltet sein, dass relativ feine Partikel entfernt werden. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind sowohl der erste als auch der zweite Wafervorbereitungsvorgang Poliervorgänge. Beispielsweise kann der erste Poliervorgang so gestaltet sein, dass eine gewünschte Menge Wafermaterial entfernt wird und der zweite Poliervorgang kann so gestaltet sein, dass eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit erzielt wird.
  • Wenn gewünscht, kann der Wafer entsprechend dem diametral versetzten Wafervorbereitungsvorgang in vertikaler Richtung, d.h. nach oben oder nach unten, bewegt werden, während er in Kontakt mit dem ersten Wafervorbereitungselement oder dem zweiten Wafervorbereitungselement ist. Der Wafer kann durch eine geeignete Randantriebsanordnung mit variabler Höhe in vertikaler Richtung bewegt werden. Bei einer Ausführungsform, in der sowohl der erste als auch der zweite Wafervorbereitungsvorgang Poliervorgänge sind, wird der Wafer während mindestens einem der Poliervorgänge in vertikaler Richtung bewegt.
  • Wenn der Wafer in der Vorrichtung unter Anwendung der offenbarten Verfahren bearbeitet und/oder vorbereitet wurde, kann der Wafer durch andere gut bekannte Herstellungsvorgänge weiter bearbeitet werden. Diese Vorgänge umfassen, wie bekannt ist, Abscheiden oder Sputtern von Oxidmaterialien und leitenden Materialien (z.B. Aluminium, Kupfer, Mischungen aus Aluminium und Kupfer und dergleichen). Dieser Vorgang, der auch als "Rückseitenvorgang" bekannt ist, umfasst auch Ätzvorgänge. Diese Ätzvorgänge sind vorgesehen, um das Netzwerk aus metallisierten Leitungen, Vias und anderen geometrischen Strukturen, die zum Herstellen der Verbindungsstrukturen eines integrierten Schaltkreiselements erforderlich sind, zu definieren. Zwischen diesen Vorgängen sind auch einige chemisch-mechanische Poliervorgänge (CMP) erforderlich, um die Oberfläche zu planarisieren und hierdurch einen effektiveren Herstellungsvorgang zu ermöglichen. Nach einem derartigen Vorgang muss der Wafer eventuell jeweils planarisiert/poliert und gereinigt werden, bevor er zu einem nächsten Vorgang in dem Verfahren zur Herstellung eines integrierten Schaltkreiselements weitergeleitet werden kann. Wenn der Wafer fertig gestellt ist, wird der Wafer in Chips geschnitten, wobei jeder Chip ein integriertes Schaltkreiselement darstellt. Die Chips werden dann in geeigneten Gehäusen untergebracht und in ein gewünschtes Endgerät, wie beispielsweise ein elektronisches Handelsprodukt, integriert.
  • Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Polieren, Planarisieren, Schruppen und Spülen von Wafern und anderen geeigneten Substraten zur Verfügung. Die Erfindung wurde hier anhand von einigen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. Andere Ausführungsformen der Erfindung sind für einen Fachmann durch das Studium der Beschreibung und die praktische Anwendung der Erfindung erkennbar. Die oben beschriebenen Ausführungsformen und bevorzugten Merkmale sollten als beispielhaft angesehen werden, wobei die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Vorbereitung eines Halbleiterwafers (W), wobei die Vorrichtung umfasst: ein Paar Antriebsrollen (6), die so angeordnet sind, dass sie einen Halbleiterwafer (W) in einer im Wesentlichen vertikalen Ausrichtung halten, wobei jede der Antriebsrollen (6) so ausgebildet ist, dass sie mit einem Antriebsriemen verbunden werden kann, um die Antriebsrollen zu drehen; und ein Paar Wafervorbereitungsbaugruppen (212), die bewegbar einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede der Wafervorbereitungsbaugruppen ein erstes Wafervorbereitungselement (10) und ein zweites Wafervorbereitungselement (12) aufweist, wobei die Wafervorbereitungsbaugruppen (212) in eine erste Stellung bewegbar sind, in der die ersten Wafervorbereitungselemente (10) jeweils so positioniert sind, dass sie einen ersten Wafervorbereitungsvorgang an dem Wafer durchführen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafervorbereitungsbaugruppe ferner in eine zweite Stellung bewegbar ist, in der die zweiten Wafervorbereitungselemente (12) jeweils so positioniert sind, dass sie einen zweiten Wafervorbereitungsvorgang an dem Wafer (W) durchführen können.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede der Wafervorbereitungsbaugruppen (212) eine Antriebseinheit (17) zum Drehen des ersten und des zweiten Wafervorbereitungselements (10, 12) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die ersten Wafervorbereitungselemente (10) über den zweiten Wafervorbereitungselementen (12) angeordnet sind und bei der die ersten Wafervorbereitungselemente (10) jeweils eine zylindrische Bürste sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die zweiten Wafervorbereitungselemente (12) jeweils zylindrische Polierkissen sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die zweiten Wafervorbereitungselemente (12) jeweils zylindrische Bürsten sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der jedes der zylindrischen Polierkissen einen Dorn mit einem daran befestigten Polierkissen umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede der Wafervorbereitungsbaugruppen (212) eine rotierbare Drehachse (30) umfasst, wobei die Wafervorbereitungsbaugruppen (212) zwischen der ersten Stellung, einer neutralen Stellung und der zweiten Stellung durch Rotation der Drehachsen bewegt werden, wobei die neutrale Stellung eine Stellung ist, in der die Wafervorbereitungselemente zum Beladen mit dem Wafer oder zum Entladen des Wafers platziert sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Paar Antriebsrollen (6) und das Paar Wafervorbereitungsbaugruppen (212) innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiter umfassend eine Ausrichtrolle (24) zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung des über den Antriebsrollen angeordneten Wafers, wobei die Ausrichtrolle drehbar auf einem Ausrichtarm (25) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Ausrichtarm (25) schwenkbar an einer an einer Wand des Gehäuses befestigten Ausrichtspannvorrichtung befestigt ist.
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