DE69110456T2

DE69110456T2 - DEVICE FOR INTERLAYER PLANNING OF SEMICONDUCTORS.

Info

Publication number: DE69110456T2
Application number: DE69110456T
Authority: DE
Inventors: Thomas Hyde
Original assignee: Westech Systems Inc
Current assignee: Westech Systems Inc
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-03-23
Also published as: JP2004221611A; DE69110456D1; EP0521102B1; JP3560961B2; EP0521102A1; JP2003303794A; JP3660933B2; JP3442772B2; JPH05505769A; WO1991014538A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Polieren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for polishing according to the preamble of patent claim 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Poliervorrichtung zum Planieren der makroskopisch ebenen Oberfläche eines Wafers, um mikroskopische Merkmale freizulegen, die in dem Wafer ausgebildet wurden und die unter der makroskopisch ebenen Oberfläche des Wafers vorhanden sind und davon abgedeckt werden.In particular, the invention relates to a polishing apparatus for planarizing the macroscopically planar surface of a wafer to expose microscopic features formed in the wafer that are present beneath and covered by the macroscopically planar surface of the wafer.

Ferner betrifft die Erfindung eine Poliervorrichtung für Halbleiter der beschriebenen Art, welche die Entfernung von Bereichen aus hartem Material mit gleichen Raten und von weichem Material von der Oberfläche des Wafers vereinfacht.Furthermore, the invention relates to a polishing device for semiconductors of the type described, which simplifies the removal of areas of hard material at equal rates and of soft material from the surface of the wafer.

Zusammengesetzte Kissen zum Polieren von Halbleitermaterial sind an sich bekannt, beispielsweise aus US-A 3 504 457 von Jacobsen et al. In dem Patent von Jacobsen ist ein zusammengesetztes oder mehrschichtiges Kissen beschrieben, das eine elastische Polierschicht 23 aus einem Schaumstoff aus Polyurethan aufweist, eine elastische Zwischenschicht aus Corfam sowie eine chemisch inerte Schicht 35 aus steiferem Nitrilgummi aufweist. Bei dem zusammengesetzten Polierkissen von Jacobsen sind die elastischeren Schichten des Kissens angrenzend an den Halbleiter vorgesehen, während die steifere Schicht aus Nitrilgummi weiter von dem Halbleiter entfernt ist, der poliert wird. Obwohl die elastischen Kissen wie diejenigen von Jacobsen bereits seit langem benutzt werden und zum Polieren von Halbleitermaterial als geeignet angesehen werden, können mit derartigen konventionellen elastischen Kissenstrukturen nicht ohne weiteres makroskopische Halbleiteroberflächen gleichförmig poliert werden, welche mikroskopische Bereiche aufweisen, die höher (oder niedriger) als der Hauptteil der makroskopischen Halbleiteroberfläche liegen, oder die Bereiche aufweisen, die weicher sind und schneller abgetragen und abgeflacht werden als andere härtere Bereiche der Halbleiteroberfläche. Insbesondere tendieren konventionelle Kissen dazu, auf den Kanten eines hohen Bereichs aufzusitzen und diesen abzurunden, so daß der höhere Bereich die Form eines abgerundeten Vorsprungs erhält. Das Planieren der Oberfläche eines Halbleitermaterials ist besonders während der Durchführung von Photolithographie kritisch. Bei einem typischem Verfahren dieser Art, wird eine Metallschicht aus Aluminium, Wolfram, Polysilikon etc. auf einen ebenen Halbleiterwafer aufgetragen. Eine Schicht aus Photowiderstandsmaterial wird beispielsweise auf die metallische Schicht aufgesprüht. Das Photowiderstandsmaterial ist photoaktiv. Eine Maske wird über der Schicht aus Photowiderstandsmaterial angeordnet und die Schicht und die Maske werden belichtet. Die Bereiche des Photowiderstandsmaterials, die nicht durch die Maske abgedeckt sind, werden belichtet und härten. Die Maske wird danach entfernt. Eine Chemikalie wird dazu benutzt, um die nicht belichteten, nicht behärteten Bereiche des Photowiderstandsmaterials zu entfernen. Eine andere Chemikalie wird dazu benutzt, um das nicht geschützte Metall wegzuätzen, das belichtet wird, wenn das nicht belichtete Photowiderstandsmaterial abgeätzt wird. Eine weitere Chemikalie wird dann dazu benutzt, um das gehärtete Photowiderstandsmaterial von den Linien oder Streifen aus der metallischen Schicht zu entfernen, die auf dem ebenen Halbleiterwafer verbleiben. Nach der Entfernung des gehärteten Photowiderstandsmaterials haben die metallischen Linien oder Streifen, die auf dem ebenen Halbleiterwafer verbleiben, typischerweise eine Breite von größenordnungsmäßig 0,3 bis 2,0 um, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,0 um. Die Dicke oder Höhe der metallischen Linien liegt ebenfalls in dem Bereich zwischen 0,3 und 2,0 pm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 um. Ein Uberzug aus Siliziumdioxid oder anderen Metalloxiden oder anderen isolierendem Material wird dann über den metallischen Linien und den verbleibenden offenen Bereichen des ebenen Halbleitermaterials aufgetragen. Die Dicke der Metalloxidschicht ist größer als die Höhe der metallischen Linien, d.h. größer als 0,3 bis 2,0 um entsprechend der Höhe der metallischen Linien. Diese Metalloxidschicht wird poliert, bis die Oberseiten der metallischen Linien "freigelegt" sind. Diese "Freilegen" der metallischen Linien besteht darin, daß alles Metalloxid auf der Oberseite der metallischen Linien wegpoliert wird oder der Hauptteil des Metalloxids wegpoliert wird, so daß nur eine dünne Schicht aus Metalloxid auf den metallischen Linien verbleibt. Die metallischen Linien können eine Härte aufweisen, die größer als diejenige der isolierenden Schicht ist, die zwischen den metallischen Linien vorgesehen ist, in welchem Fall die isolierende Schicht dazu tendiert, zwischen den metallischen Linien "eingeschnitten" zu werden, so daß eine ebene planare Oberfläche während der dielektrischen Zwischenschicht-Planierung oder beim Polieren des Isoliermaterials der metallischen Linie nicht ausgebildet wird. Alternativ können die metallischen Linien eine Härte aufweisen, die geringer als diejenige der Isolierschicht zwischen den metallischen Linien ist, in welchem Fall die metallischen Linien dazu tendieren "eingeschnitten" zu werden, wenn das Polieren fortgesetzt wird, nachdem die gesamte Isolierschicht über den metallischen Linien entfernt ist.Composite pads for polishing semiconductor material are known per se, for example from US-A 3 504 457 to Jacobsen et al. The Jacobsen patent describes a composite or multilayer pad comprising a resilient polishing layer 23 of polyurethane foam, an intermediate resilient layer of Corfam and a chemically inert layer 35 of stiffer nitrile rubber. In the Jacobsen composite polishing pad, the more resilient layers of the pad are provided adjacent to the semiconductor, while the stiffer layer of nitrile rubber is further away from the semiconductor being polished. Although elastic pads such as those of Jacobsen have long been used and are considered suitable for polishing semiconductor material, such conventional elastic pad structures cannot readily uniformly polish macroscopic semiconductor surfaces which have microscopic regions which are higher (or lower) than the bulk of the macroscopic semiconductor surface, or which have regions which are softer and which are more rapidly ablated and flattened than other harder regions of the semiconductor surface. In particular, conventional pads tend to sit on the edges of a high region and round it off, giving the higher region the shape of a rounded protrusion. Planing the surface of a semiconductor material is particularly critical during the performance of photolithography. In a typical process of this type, a A metal layer of aluminum, tungsten, polysilicon, etc. is deposited on a planar semiconductor wafer. A layer of photoresist material, for example, is sprayed onto the metal layer. The photoresist material is photoactive. A mask is placed over the layer of photoresist material, and the layer and mask are exposed. The areas of the photoresist material not covered by the mask are exposed and harden. The mask is then removed. One chemical is used to remove the unexposed, unhardened areas of the photoresist material. Another chemical is used to etch away the unprotected metal that is exposed when the unexposed photoresist material is etched away. Another chemical is then used to remove the hardened photoresist material from the lines or stripes of the metal layer that remain on the planar semiconductor wafer. After removal of the cured photoresist material, the metallic lines or stripes remaining on the planar semiconductor wafer typically have a width of the order of 0.3 to 2.0 µm, preferably in a range between 0.5 and 1.0 µm. The thickness or height of the metallic lines is also in the range between 0.3 and 2.0 µm, preferably between 0.5 and 1.5 µm. A coating of silicon dioxide or other metal oxides or other insulating material is then applied over the metallic lines and the remaining open areas of the planar semiconductor material. The thickness of the metal oxide layer is greater than the height of the metallic lines, i.e. greater than 0.3 to 2.0 µm corresponding to the height of the metallic lines. This metal oxide layer is polished until the tops of the metallic lines are "exposed". This "exposing" of the metallic lines consists in polishing away all of the metallic oxide on top of the metallic lines or polishing away the majority of the metallic oxide so that only a thin layer of metallic oxide remains on the metallic lines. The metallic lines may have a hardness greater than that of the insulating layer provided between the metallic lines, in which case the insulating layer will tend to be "cut" between the metallic lines so that a flat planar surface is not formed during dielectric interlayer planing or polishing of the insulating material of the metallic line. Alternatively, the metallic lines may have a hardness less than that of the insulating layer. between the metallic lines, in which case the metallic lines tend to be "cut" if polishing is continued after the entire insulating layer over the metallic lines is removed.

Während Metall oder metallartige Materialien auf einem Halbleiterwafer aufgetragen werden können, besteht das primäre Problem beim Polieren von auf einen Wafer aufgetragenen Materialien hinsichtlich des Planierens oder Abflachens der Materialien, also nicht hinsichtlich der Glättung der Materialien. Der Hauptzweck des Polierens von Metallen besteht typischerweise darin, daß die Oberfläche des Metalls glattgemacht werden soll. Der Unterschied zwischen dem Polieren zum Zwecke einer Glättung und dem Polieren zum Zwecke der ebenen Ausbildung ist wichtig und beeinflußt die Eigenschaften der ausgewählten Poliervorrichtung. Poliervorrichtungen, die dazu geeignet sind, eine glatte Oberfläche zu erzielen, ermöglichen es nicht ohne weiteres, ebene oder planare Oberflächen mit engen Toleranzgrenzen herzustellen, die bei der Herstellung von Halbleitermaterialien benötigt werden.While metal or metal-like materials can be deposited on a semiconductor wafer, the primary problem with polishing materials deposited on a wafer is with planarizing or flattening the materials, not with smoothing the materials. The primary purpose of polishing metals is typically to make the surface of the metal smooth. The difference between polishing for smoothing and polishing for planarizing is important and affects the characteristics of the polishing apparatus selected. Polishing apparatuses capable of achieving a smooth surface do not readily enable the close tolerance flat or planar surfaces required in the manufacture of semiconductor materials.

Aus US-A 3 924 362 von McAleer ist ein Sandpapier-Kissen zur Bearbeitung von Automobil-Karosserien bekannt. Ein derartiges Kissen ist nicht zum Planieren von Halbleitermaterialien geeignet. Insbesondere wird in dieser Patentschrift eingehend die Härte der Schichten des Kissens beschrieben. Wie in Verbindung mit Tabelle I noch näher erläutert werden soll, ist aus der Härte eines Materials kein sicherer Rückschluß möglich, wie groß die Biegekonstante des Materials sein wird. In der Patentschrift von McAleer werden die Biegekonstante oder spezielle Werte der Biegekonstanten für angrenzende Schichten nicht erwähnt. Ferner werden dort nur am Rande die physikalischen Eigenschaften der Schicht 16 aus "starkem Bespannstoff" erwähnt. Bei der Patentschrift von McAleer berührt die Schicht 16 die zu polierende Oberfläche. Die Biegekonstante dieser "Kontakt"-Schicht 22 in der vorliegenden Anmeldung ist kritisch bei der Verwendung des hier beschriebenen Polierkissens.US-A 3,924,362 to McAleer discloses a sandpaper pad for processing automobile bodies. Such a pad is not suitable for leveling semiconductor materials. In particular, the hardness of the layers of the pad is described in detail in this patent. As will be explained in more detail in connection with Table I, the hardness of a material does not allow a reliable conclusion to be drawn as to how large the bending constant of the material will be. The McAleer patent does not mention the bending constant or specific values of the bending constants for adjacent layers. Furthermore, the physical properties of the layer 16 made of "strong covering material" are only mentioned in passing. In the McAleer patent, the layer 16 touches the surface to be polished. The bending constant of this "contact" layer 22 in the present application is critical when using the polishing pad described here.

Aus US-A 4 132 037 von Bonora ist ein Kissen bekannt, das kompressible Schichten aufweist. Dieses Kissen ist jedoch kein Polierkissen, sondern ein Befestigungskissen, das an der Rückseite eines Wafers anhaftet. Bonora und McAleer konzentrieren nicht ihre Aufmerksamkeit auf den kritischen Charakter der Biegekonstanten der "klebrigen" Kissenschicht, die an der Rückseite des Wafers anhaftet und auch nicht auf die Biegekonstante der an die klebrige Schicht unmittelbar angrenzenden Schicht.US-A 4 132 037 to Bonora discloses a pad having compressible layers. However, this pad is not a polishing pad, but a mounting pad that adheres to the back of a wafer. Bonora and McAleer do not focus their attention on the critical nature of the bending constants of the "sticky" pad layer that adheres to the back of the wafer, nor on the bending constant of the layer immediately adjacent to the sticky layer.

Deshalb wäre es sehr wünschenswert, eine verbesserte Vorrichtung zum Planieren von Halbleitermaterialien zur Verfügung zu haben, welche genau eine Halbleiteroberfläche planiert, welche aus Materialien mit unterschiedlichen Poliereigenschaften besteht.Therefore, it would be highly desirable to have an improved apparatus for planarizing semiconductor materials that accurately planars a semiconductor surface consisting of materials with different polishing properties.

Deshalb ist es vor allem Ziel der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Polieren von Material zu schaffen, um eine ebene Oberfläche herstellen zu können.Therefore, the main aim of the invention is to create an improved device for polishing material in order to be able to produce a flat surface.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Poliervorrichtung zu schaffen, welche innerhalb enger Toleranzen effektiv die Oberfläche von Halbleitermaterial einebnet, das Zusammensetzungen unterschiedlicher Härte aufweist.Another object of the invention is to provide an improved polishing apparatus which effectively flattens the surface of semiconductor material having compositions of different hardnesses within close tolerances.

Diese und andere Zielsetzungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:These and other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the drawings. In the drawings:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Biegung eines Polierkissens und dem auf das Kissen ausgeübten Druck,Fig. 1 is a graphical representation of the relationship between the deflection of a polishing pad and the pressure applied to the pad,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Halbleiterkörpers mit einer gewellten mikroskopischen Oberfläche und einem Teil eines zusammengesetzten Polierkissens, das zum Einebnen der Oberfläche des Halbleiterkörpers benutzt wird,Fig. 2 is a side view of a semiconductor body with a corrugated microscopic surface and a portion of a composite polishing pad used to planarize the surface of the semiconductor body,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Polierkissens und des Halbleiterkörpers in Fig. 2 und dient zur Erläuterung konstruktiver Einzelheiten,Fig. 3 is a sectional view of the polishing pad and the semiconductor body in Fig. 2 and serves to explain construction details,

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Halbleiterkörpers zur Erläuterung der Mittelebene, welche die makroskopisch ebene Oberfläche des Halbleiterkörpers repräsentiert,Fig. 4 is a sectional view of a semiconductor body to explain the center plane, which represents the macroscopically flat surface of the semiconductor body,

Fig. 5 eine Schnittansicht der Kompression des zusammengesetzten Polierkissens gemäß der Erfindung, bei dessen Bewegung unter einem Wafer,Fig. 5 is a sectional view of the compression of the composite polishing pad according to the invention as it moves under a wafer,

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Druckes eines elastischen Polierkissens gegen einen Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Zeit, die seit dem Zeitpunkt verstrichen ist, wenn die anfängliche Bewegung des Kissens unter dem Halbleiterkörper beginnt,Fig. 6 is a graphical representation of the pressure of an elastic polishing pad against a semiconductor body as a function of the time that has elapsed since the initial movement of the pad begins under the semiconductor body,

Fig. 7 eine Draufsicht auf das Polierkissen und den Waferträger in den Fig. 2 und 5; undFig. 7 is a plan view of the polishing pad and wafer carrier in Figs. 2 and 5; and

Fig. 8 eine Schnittansicht eines abgewandelten Ausfübrungsbeispiels eines Polierkissens für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.Fig. 8 is a sectional view of a modified embodiment of a polishing pad for an apparatus according to the invention.

Bei der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch den Inhalt der Patentansprüche bestimmt wird, wird durch die Vorrichtung ermöglicht, eine Arbeitsoberfläche eines Körpers zu polieren. Die Arbeitsoberfläche ist makroskopisch eben und im allgemeinen mikroskopisch eben, derart daß die Arbeitsoberfläche an allen Stellen von der Mittelebene abweicht, die durch die Arbeitsoberfläche verläuft, um einen Betrag, der geringer als etwa 4 um ist. Die Poliervorrichtung planiert die Arbeitsoberfläche des Körpers und enthält ein Polierkissen zur Benutzung mit einer Planiervorrichtung zum Planieren der Arbeitsoberfläche des Körpers. Das Kissen enthält eine erste Schicht aus elastischem Material und eine zweite planierende Schicht aus einem Material mit einer polierenden Oberfläche. Eine kolloidale Aufschlämmung eines Poliermediums ist auf der Polieroberfläche der zweiten Schicht vorhanden. Die Poliervorrichtung enthält auch eine Halteeinrichtung zum Haltern des Körpers, welche die Arbeitsfläche gegenüber dem Polierkissen anordnet. Ferner enthält die Poliervorrichtung eine Antriebseinrichtung zum Bewegen des Polierkissens bzw. der Halteeinrichtung relativ zueinander, so daß eine Bewegung des Polierkissens oder der Halteeinrichtung verursacht, daß die kolloidale Aufschlämmung mit der Arbeitsoberfläche in Berührung steht und diese poliert. Die Poliervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht des Polierkissens eine Biegekonstante hat, die größer als sechs Mikrometer pro 0,07 bar (pro psi) ist, wenn ein ausgewählter Kompressionsdruck von mehr als etwa 0,3 bar (4 psi) auf die erste Schicht ausgeübt wird. Die Poliervorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht des Polierkissens eine Biegekonstante hat, die geringer als die Biegekonstante der ersten Schicht ist. Die Biegekonstante der zweiten Schicht beträgt etwa 3 Mikrometer pro 0,07 bar (pro psi), wenn der ausgewählte Kompressionsdruck auf die zweite Materialschicht ausgeübt wird. Die erste Schicht des Polierkissens kann elastische Gasblasen aufweisen. Die elastischen Blasen stehen vorzugsweise in Berührung miteinander.In the present invention, the scope of which is determined by the content of the patent claims, the device enables a working surface of a body to be polished. The working surface is macroscopically flat and generally microscopically flat such that the working surface deviates at all points from the central plane passing through the working surface by an amount less than about 4 µm. The polishing device planes the working surface of the body and includes a polishing pad for use with a planing device for planing the working surface of the body. The pad includes a first layer of resilient material and a second planing layer of a material having a polishing surface. A colloidal slurry of a polishing medium is present on the polishing surface of the second layer. The polishing device also includes a holding device for holding the body which positions the working surface opposite the polishing pad. The polishing apparatus further includes a drive means for moving the polishing pad and the holding means relative to each other such that movement of the polishing pad or the holding means causes the colloidal slurry to contact and polish the work surface. The polishing apparatus is characterized in that the first layer of the polishing pad has a bending constant that is greater than six microns per 0.07 bar (per psi) when a selected compression pressure of greater than about 0.3 bar (4 psi) is applied to the first layer. The polishing apparatus is further characterized in that the second layer of the polishing pad has a bending constant that is less than the bending constant of the first layer. The bending constant of the second layer is about 3 microns per 0.07 bar (per psi) when the selected compression pressure is applied to the second layer of material. The first layer of the polishing pad may include elastic gas bubbles. The elastic bubbles are preferably in contact with each other.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zur Erläuterung der praktischen Durchführung dient, obwohl die Erfindung nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sind für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen vorgesehen. Die graphische Darstellung in Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Biegung oder Kompression D eines elastischen Kissens in Abhängigkeit von dem auf das Kissen ausgeübten Druck P. In Fig. 1 ist P1 größer als P2 und D1 ist größer als D2. Bei Urethanmaterialien beträgt D2 typischerweise etwa 70 um, wenn P1 etwa 0,3 bar (4 psi) beträgt. Die Linie 13 in der graphischen Darstellung hat einen geradlinigen Teil 12 und einen kurvenförmigen Teil 11. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, ist für viele elastische Materialien die Beziehung zwischen der Biegung D und dem auf das Kissen ausgeübten Druck P im allgemeinen linear, sobald der auf das Material ausgeübte Druck einen vorherbestimmten Druck übersteigt. Der Anstieg des geradlinigen Teils 12 wird als Biegekonstante bezeichnet und repräsentiert die Kompression eines Kissens, die bei einem speziellen Druck auftritt, der auf das Kissen ausgeübt wird. Der kurvenförmige Teil 11 ist wahrscheinlich auf das Eindrücken des oberflächlichen Flors des Kissens zurückzuführen.In the preferred embodiment of the invention shown in the drawing, which serves to explain the practical implementation, although the invention is not limited to this preferred embodiment, like reference numerals are provided for like elements. The graph in Fig. 1 shows the relationship between the deflection or compression D of an elastic pad as a function of the pressure P exerted on the pad. In Fig. 1, P1 is greater than P2 and D1 is greater than D2. For urethane materials, D2 is typically about 70 µm when P1 is about 0.3 bar (4 psi). The line 13 in the graph has a straight line portion 12 and a curved line portion 11. As can be seen from the graph, for many elastic materials the relationship between the deflection D and the pressure P exerted on the pad is generally linear once the pressure exerted on the material exceeds a predetermined pressure. The increase in the straight line portion 12 is called the deflection constant and represents the compression of a pad which occurs at a particular pressure exerted on the pad. The curved line portion 11 is probably due to the indentation of the surface pile of the pad.

In Fig. 2 ist ein zylindrischer Wafer aus Halbleitermaterial 23 oder einem anderen Material an einem zylindrischen Polierkopf 24 angeordnet. Der Kopf 24 weist eine kreisförmige Stützfläche 24A auf, welche die makroskopisch ebene kreisförmige Bodenfläche 23A des Wafers 23 aufnimmt. In dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck "makroskopisch eben", daß eine Oberfläche dem menschlichen Auge eben erscheint. Der Ausdruck "mikroskopisch eben" bedeutet, daß eine Oberfläche eben bei Beobachtung durch ein Mirkoskop erscheint. Die obere Arbeitsoberfläche 23B des Wafers 23 ist ebenfalls makroskopisch eben und verläuft im allgemeinen parallel zu der Oberfläche 24A. Bei mikroskopische Betrachtung ist die Oberfläche 23B wellig, einfach aus dem Grund, weil keine Oberfläche perfekt eben ist. Die Welligkeit der Oberfläche 23B ist gering und liegt in dem Bereich von 0,1 bis 4,0 um Abweichung von einer Mittelebene, die durch die Oberfläche 23B verläuft. Beispielsweise beträgt der Abstand D5 in Fig. 2 typischerweise etwa 2 bis 3 um (größenordnungsmäßig).In Fig. 2, a cylindrical wafer of semiconductor material 23 or other material is mounted on a cylindrical polishing head 24. The head 24 has a circular support surface 24A which receives the macroscopically flat circular bottom surface 23A of the wafer 23. In this specification, the term "macroscopically flat" means that a surface appears flat to the human eye. The term "microscopically flat" means that a surface appears flat when viewed through a microscope. The upper working surface 23B of the wafer 23 is also macroscopically flat and is generally parallel to the surface 24A. When viewed microscopically, the surface 23B is undulating, simply because no surface is perfectly flat. The undulation of the surface 23B is small and is in the range of 0.1 to 4.0 µm deviation from a center plane passing through the surface 23B. For example, the distance D5 in Fig. 2 is typically about 2 to 3 µm (order of magnitude).

Die Abweichung der Arbeitsoberfläche eines Wafers von der Mittelebene des Wafers soll in Verbindung mit Fig. 4 näher erläutert werden. In Fig. 4 ist der Wafer 230 auf einem zylindrischen Polierkopf 24 angeordnet. Die kreisförmige ebene Stützoberfläche 24A des Kopfs 24 nimmt die makroskopisch ebene kreisförmige Bodenfläche 230A des Wafers 230 auf. Die obere Arbeitsoberfläche 230B des Wafers 230 ist ebenfalls makroskopisch eben und verläuft im allgemeinen parallel zu der Oberfläche 24A. Mikroskopisch betrachtet ist die Oberfläche 230B global wellenförmig. Diese globale Wellenförmigkeit wird wie bei der Oberfläche 23B in Fig. 2 durch eine Kurve angedeutet, welche die Oberfläche 230B repräsentiert. Die Welligkeit der Oberfläche 230B in Fig. 4 (und der Oberfläche 23B in Fig. 2) ist zum Zwecke der Erläuterung offensichtlich stark übertrieben dargestellt. Die gestrichelte Linie 15 in Fig. 4 repräsentiert die Mittelebene der Oberfläche 230B. Die Mittelebene 15 in Fig. 4 kann, aber muß nicht im allgemeinen parallel zu der Oberfläche 24A verlaufen und ist senkrecht zu der Zeichenebene. Die Mittelebene 15 schneidet die Oberfläche 230B derart, daß die Summe aller Abstände zu Stellen unterhalb der Mittelebene 15 und von allen Abständen zu Punkten über der Mittelebene 15 gleich Null ist. Die Abstände zu Stellen unterhalb der Ebene 15 werden als negative Werte betrachtet, während die Abstände zu Stellen oberhalb der Mittelebene 15 als positive Werte betrachtet werden. Deshalb ist in Fig. 4 der durch die Pfeile G angedeutete Abstand ein negativer Wert, während der durch die Pfeile F angedeutete Abstand ein positiver Wert ist. In der Praxis liegen die Abstände wie die durch die Pfeile F und G in Fig. 4 dargestellten Abstände in einem Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 4,0 um. Die Mittelebene 15 ist perfekt eben.The deviation of the working surface of a wafer from the center plane of the wafer will be explained in more detail in connection with Fig. 4. In Fig. 4, the wafer 230 is arranged on a cylindrical polishing head 24. The circular flat support surface 24A of the head 24 receives the macroscopically flat circular bottom surface 230A of the wafer 230. The upper working surface 230B of the wafer 230 is also macroscopically flat and runs generally parallel to the surface 24A. Microscopically, the surface 230B is globally undulating. This global undulation is indicated, as with the surface 23B in Fig. 2, by a curve which represents the surface 230B. The waviness of the Surface 230B in Fig. 4 (and surface 23B in Fig. 2) is obviously greatly exaggerated for purposes of illustration. Dashed line 15 in Fig. 4 represents the center plane of surface 230B. Center plane 15 in Fig. 4 may, but need not, be generally parallel to surface 24A and is perpendicular to the plane of the drawing. Center plane 15 intersects surface 230B such that the sum of all distances to points below center plane 15 and of all distances to points above center plane 15 is zero. Distances to points below plane 15 are considered to be negative values while distances to points above center plane 15 are considered to be positive values. Therefore, in Fig. 4, the distance indicated by arrows G is a negative value while the distance indicated by arrows F is a positive value. In practice, the distances such as those shown by arrows F and G in Fig. 4 are in a range between about 0.1 and about 4.0 µm. The median plane 15 is perfectly flat.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, enthält das Polierkissen 19 eine zylindrische metallische Basis 20 mit einer kreisförmigen ebenen Oberfläche 20A. Die makroskopisch ebene Bodenoberfläche 21a des elastischen Kissens 21 ist an der Oberfläche 20A befestigt, typischerweise mit Hilfe einer Klebstoffschicht. Die obere makroskopisch ebene Oberfläche 21B ist an der unteren makroskopisch ebenen Oberfläche 22A des flexiblen Kissens 22 befestigt. Normalerweise findet Klebstoff Verwendung, um die Oberflächen 21B und 22A zu verbinden. Die obere Polieroberfläche 22B des elastischen Kissens 22 ist im allgemeinen makroskopisch eben. Die Oberflächen 20A, 21A, 21B, 22A und 22B können irgend eine gewünschte Form und Dimension aufweisen.As can be seen from Fig. 2, the polishing pad 19 includes a cylindrical metallic base 20 having a circular planar surface 20A. The macroscopically planar bottom surface 21a of the elastic pad 21 is attached to the surface 20A, typically by means of an adhesive layer. The upper macroscopically planar surface 21B is attached to the lower macroscopically planar surface 22A of the flexible pad 22. Adhesive is normally used to bond the surfaces 21B and 22A. The upper polishing surface 22B of the elastic pad 22 is generally macroscopically planar. The surfaces 20A, 21A, 21B, 22A and 22B can have any desired shape and dimension.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des Polierkissens 19 und das Wafers 23 in Fig. 2 und dient für eine detaillierte Beschreibung der Konstruktion. Der Wafer 23 hat eine makroskopisch ebene Zwischenfläche 35. Merkmale 31, 32,33,34,36 und 38 sind jeweils mit der Fläche 35 verbunden und erstrecken sich in einem im wesentlichen gleichen Abstand von der Fläche 35. Die Merkmale 31 bis 34 repräsentieren jeweils eine metallische Bahn oder einen Streifen, der auf der Fläche 35 unter Verwendung des erwähnten photolithographischen Verfahrens ausgebildet ist. Eine alternative Methode zur Ausbildung von Merkmalen, die mit der Fläche 35 verbunden sind, besteht in der Ausbildung von Rinnen 36 und 38. In Fig. 3 erstreckt sich eine Überzugsschicht 30 über die Merkmale 31 bis 34, 36, 38 und deckt auch die Fläche 35 ab. Die hohen Bereiche des Überzugs 30, welche hochgewölbt sind oder sich über den Merkmalen 31 bis 34 erstrecken, schleifen mit einer anderen Rate als die unteren Bereiche des Überzugs 30 zwischen den Merkmalen 32 und 32, 32 und 33, etc. ab. Die durch Pfeile T dargestellte minimale Dicke der Uberzugsschicht 30 ist größer als der Abstand jedes Merkmals 31 bis 34 in einer Richtung weg von der Zwischenfläche 35. Da die Merkmale 31 und 34 im allgemeinen die gleiche Form und Dimension haben, bedeutet dies, daß die Arbeitsoberfläche 23B an allen Stellen einen größeren Abstand von der Fläche 35 aufweist, als der Abstand der obersten Teile der Merkmale 31 bis 34 beträgt. Die Form und die Abmessungen jeder Rinne 36 und 38 ist im allgemeinen äquivalent zu der Form und den Abmessungen jedes der Merkmale 31 bis 34. Es ist ersichtlich, daß die Merkmale 31 bis 34, 36,38 irgend eine gewünschte Form und Dimension haben können. Die Poliervorrichtung gemäß der Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn es erforderlich ist, Arbeitsflächen 23B einzuebnen, um eine ausreichende Dicke des Überzugs 30 zu entfernen, um nur die Spitzen oder äußersten Teile der Merkmale 31 bis 34 freizulegen. Bei einem derartigen Entfernen eines Teils des Uberzugs 30 ist es erwünscht, daß die resultierende polierte Oberfläche des Überzugs 30 eben ist, d.h. planiert wird, und im allgemeinen mit der Form und Dimension der makroskopisch ebenen Zwischenfläche 35 konform ist. Zur Vereinfachung der Erläuterung, ist die Welligkeit der Zwischenfläche 35 und der Arbeitsoberfläche 23B in Fig. 3 stark übertrieben dargestellt.Fig. 3 shows a sectional view of the polishing pad 19 and wafer 23 in Fig. 2 and serves to describe the construction in detail. The wafer 23 has a macroscopically planar interface 35. Features 31, 32, 33, 34, 36 and 38 are each connected to surface 35 and extend a substantially equal distance from surface 35. Features 31 to 34 each represent a metallic track or strip formed on surface 35 using the photolithographic process mentioned. An alternative method of forming features connected to surface 35 is to form grooves 36 and 38. In Fig. 3, an overcoat layer 30 extends over features 31 to 34, 36, 38 and also covers surface 35. The high areas of the coating 30, which are highly domed or extend over the features 31 to 34, grind at a different rate as the lower portions of the coating 30 between features 32 and 32, 32 and 33, etc. The minimum thickness of the coating layer 30, represented by arrows T, is greater than the spacing of each feature 31 to 34 in a direction away from the interface 35. Since features 31 and 34 are generally of the same shape and dimension, this means that the working surface 23B is at all locations spaced further from the interface 35 than the spacing of the uppermost portions of features 31 to 34. The shape and dimensions of each groove 36 and 38 is generally equivalent to the shape and dimensions of each of features 31 to 34. It will be appreciated that features 31 to 34, 36,38 can have any desired shape and dimension. However, the polishing apparatus of the invention is particularly advantageous when it is necessary to planarize working surfaces 23B to remove sufficient thickness of coating 30 to expose only the tips or outermost portions of features 31-34. In removing a portion of coating 30 in this way, it is desirable that the resulting polished surface of coating 30 be flat, i.e., leveled, and generally conform to the shape and dimension of macroscopically flat interface 35. For ease of explanation, the undulation of interface 35 and working surface 23B is greatly exaggerated in Fig. 3.

Wenn die elastischen Kissen 22 und 21 in Fig. 2 in Richtung des Pfeils S gegen die Arbeitsoberfläche 23B (oder umgekehrt) angedrückt werden, werden die Kissen 22 und 21 zusammengedrückt. Die gegen die Stelle B auf der Oberfläche 23B durch die Kissen 22 und 21 ausgeübte Kraft ist kleiner als die Kraft, die durch die zusammengedrückten Kissen 22 und 21 gegen den Punkt A auf der Oberfläche 23B ausgeübt wird, einfach deshalb, weil die Kissen 22 und 21 an der Stelle A durch die Oberfläche 23B stärker zusammengedrückt werden als an der Stelle B. In entsprechender Weise sind in Fig. 3 die gegen die Oberfläche 23B ausgeübten Kräfte F1 und F2 größer als die Kräfte F3 und F4, die auf die Oberfläche 23B ausgeübt werden, ebenfalls weil die Kissenteile, welche die Kräfte F1 und F2 erzeugen, stärker als die Kissenteile zusammengedrückt werden, welche die Kräfte F3 und F4 erzeugen. In Fig. 3 rotiert die Oberfläche 22B über der Arbeitsoberfläche 23B. Eine wässrige kolloidale Suspension von Kieselerde, Aluminiumoxid oder anderen Schleifmaterialien ist auf der polierenden Oberfläche 22B vorgesehen, um die Arbeitsoberfläche 23B fortschreitend zu polieren und einzuebnen. Die Rotation der polierenden Oberfläche 22B relativ zu der Arbeitsoberfläche 23B ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 rotiert die kreisförmige, Oberfläche 22B in richtung des Pfeils W. Der stationäre Kopf 24 drückt die Arbeitsoberfläche 23B gegen die polierende Oberfläche 22B an. Gewünschtenfalls kann der Kopf 24 rotieren oder sich sonstwie relativ zu der Oberfläche 22B bewegen.When the resilient pads 22 and 21 in Fig. 2 are pressed against the working surface 23B (or vice versa) in the direction of arrow S, the pads 22 and 21 are compressed. The force exerted against point B on surface 23B by the pads 22 and 21 is less than the force exerted by the compressed pads 22 and 21 against point A on surface 23B, simply because the pads 22 and 21 are compressed more strongly by surface 23B at point A than at point B. Similarly, in Fig. 3, the forces F1 and F2 exerted against surface 23B are greater than the forces F3 and F4 exerted on surface 23B, also because the pad parts generating forces F1 and F2 are compressed more strongly than the pad parts generating forces F3 and F4. In Fig. 3, the surface 22B rotates over the working surface 23B. An aqueous colloidal suspension of silica, alumina or other abrasive materials is provided on the polishing surface 22B to progressively polish and level the working surface 23B. The rotation of the polishing surface 22B relative to the working surface 23B is shown in Fig. 7. In Fig. 7, the circular surface 22B rotates in the direction of arrow W. The stationary head 24 presses the working surface 23B against the polishing surface 22B. If desired, the head 24 can rotate or otherwise move relative to the surface 22B.

Der Zweck des Polierkissens 19 besteht darin, eine makroskopisch ebene Oberfläche zu erzeugen, die eine Kontour hat, die im wesentlichen mit der Kontour der Zwischenfläche 35 übereinstimmt, oder um alternativ eine polierte Oberfläche auf dem Uberzug 30 zu erzeugen, die im wesentlichen mikroskopisch eben ist, und zwar innerhalb plus oder minus 20 bis 50 nm (200 bis 500 Å) der totalen Indikatoranzeige (T.I.R.) eines quadratischen Teils des Oberflächenbereichs 23B, welche die Abmessungen vier mm mal vier mm aufweist, also eine Flächengröße von sechzehn Quadratmillimeter hat. T.I.R. von 20 nm (200 Å) bedeutet, daß eine Differenz von 20 nm (200 Å) zwischen der untersten Stelle und der höchsten Stelle auf der Oberfläche innerhalb des Flächenbereichs von sechzehn Quadratmillimeter der Oberfläche 23B aufweist. T.I.R. in dem Bereich von 20 bis 50 nm (200 bis 500 Å) ist im allgemeinen äquivalent mit einer Abweichung von plus oder minus 10 bis 25 nm (100 bis 250 Å) von der Mittelebene des Flächenbereichs mit sechzehn Quadratmillimeter. Während die Vorrichtung gemäß der Erfindung einen Wert T.I.R. von 20 bis 50 nm bei einer Flächengröße von sechzehn Quadratmillimeter erzeugt hat, wird die Vorrichtung vorzugsweise benutzt, um einen Wert von T.I.R. von 20 bis 50 nm in einem quadratischen Teil des Oberflächenbereichs 23B zu erzeugen, der eine Flächengröße von mindestens vier Quadratmillimeter aufweist. Es ist wünschenswert, eventuell mit der Erfindung oder mit verbesserten Ausführungsbeispielen davon einen Wert von T.I.R. entsprechend 20 bis 50 nm über einen Oberflächenbereich von 23B zu erzielen, der eine Flächengröße von 400 Quadratmillimeter aufweist. Probleme bestehen beim Polieren des Überzugs 30, weil Merkmale 31 bis 34 oft eine unterschiedliche Härte oder unterschiedliche Poliereigenschaften als das Material aufweisen, aus dem der Überzug 30 besteht. Wenn beispielsweise der Überzug 30 leichter als die Merkmale 31 und 32 abgetragen werden, kann der Bereich des Überzugs zwischen den Merkmalen 31 und 32 dazu tendieren, abzuscheuern und einen eingesenkten Bereich zwischen den Merkmalen 31 und 32 auszubilden. Ein anderes wichtiges Problem beim Polieren des Überzugs 30 besteht darin, daß wegen der sehr geringen Dicke des Überzugs 30, die typischerweise zwei bis drei um beträgt, es wichtig ist, daß die Polieroberfläche 22B konform mit der globalen Welligkeit der Oberfläche 23B des Überzugs 30 ist. Diese globalen Welligkeiten betragen größenordnungsmäßig 0,1 bis etwa 4,0 um von der Mittelebene 15 und werden durch die Pfeile F und G in Fig. 4 repräsentiert. Die hohen Stellen, die durch die Merkmale 31 bis 34 verursacht werden, nehmen nur eine kleine Fläche der globalen Welligkeit der Oberfläche 23B ein. Da der Überzug 30 eine im wesentlichen gleichförmige Dicke besitzt, ist die globale Welligkeit der Oberfläche 23B im allgemeinen parallel zu und konform mit der globalen Welligkeit der Fläche 35. Wenn die Oberfläche 22B perfekt eben und perfekt starr wäre, dann könnte in Fig. 3 der Teil des Überzugs 30, der das Merkmal 31 abdeckt, vollständig von der Fläche 35 zusammen mit dem Merkmal 31 abpoliert werden, während kein Teil des die Merkmale 33 und 34 abdeckenden Überzugs entfernt würde. Die Poliervorrichtung gemäß der Erfindung verhindert oder hält das Abscheuern des weicheren Materials von der Oberfläche des Halbleitermaterials minimal. Es ist ferner wichtig, daß die Entfernung von Material von den globalen Welligkeiten verhindert oder minimal gehalten wird, die zwischen hohen (oder niedrigen) Stellen in der Arbeitsoberfläche des Halbleitermaterials liegen. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen den hohen Merkmalen 31 und 34 500 bis 600 um oder weniger beträgt, sind die Merkmale 31 und 32 metallische Bahnen und der Überzug 30 ist ein isolierendes Metalloxid oder ein anderes Material, das härter oder weicher ist, oder dieselbe Härte wie die Merkmale 31 und 32 aufweist, erzeugt die Poliervorrichtung gemäß der Erfindung typischerweise eine eingeebnete Oberfläche, die sich zwischen den äußersten Spitzen der Merkmale 31 und 32 erstreckt und die eben innerhalb 20 bis 30 nm ist.The purpose of the polishing pad 19 is to produce a macroscopically flat surface having a contour substantially conforming to the contour of the interface 35 or, alternatively, to produce a polished surface on the coating 30 which is substantially microscopically flat to within plus or minus 20 to 50 nm (200 to 500 Å) of the total indicator reading (TIR) of a square portion of the surface area 23B having dimensions four mm by four mm, i.e., an area of sixteen square millimeters. A TIR of 20 nm (200 Å) means that there is a difference of 20 nm (200 Å) between the lowest point and the highest point on the surface within the sixteen square millimeter area of the surface 23B. TIR in the range of 20 to 50 nm (200 to 500 Å) is generally equivalent to a deviation of plus or minus 10 to 25 nm (100 to 250 Å) from the center plane of the sixteen square millimeter surface area. While the apparatus of the invention has produced a TIR of 20 to 50 nm over a surface area of sixteen square millimeters, the apparatus is preferably used to produce a TIR of 20 to 50 nm over a square portion of the surface area 23B having an area of at least four square millimeters. It is desirable, eventually with the invention or with improved embodiments thereof, to achieve a TIR corresponding to 20 to 50 nm over a surface area of 23B having an area of 400 square millimeters. Problems exist in polishing the coating 30 because features 31 through 34 often have a different hardness or polishing properties than the material from which the coating 30 is made. For example, if the coating 30 is worn more easily than features 31 and 32, the area of the coating between features 31 and 32 may tend to rub off and form a depressed area between features 31 and 32. Another important problem in polishing the coating 30 is that because of the very thin thickness of the coating 30, which is typically two to three µm, it is important that the polishing surface 22B conform to the global undulation of the surface 23B of the coating 30. These global undulations are on the order of 0.1 to about 4.0 µm from the center plane 15 and are represented by arrows F and G in Fig. 4. The high spots caused by features 31 to 34 occupy only a small area of the global undulation of the surface 23B. Since the coating 30 has a substantially uniform thickness, the global undulation of surface 23B is generally parallel to and conformal to the global undulation of face 35. If surface 22B were perfectly flat and perfectly rigid, then in Figure 3, the portion of the coating 30 covering feature 31 could be completely polished off face 35 along with feature 31 while no portion of the coating covering features 33 and 34 would be removed. The polishing apparatus of the invention prevents or minimizes the scouring of the softer material from the surface of the semiconductor material. It is also important that the removal of material from the global undulations that lie between high (or low) spots in the working surface of the semiconductor material be prevented or minimized. For example, when the distance between the high features 31 and 34 is 500 to 600 µm or less, the features 31 and 32 are metallic tracks, and the overcoat 30 is an insulating metal oxide or other material that is harder or softer, or has the same hardness as the features 31 and 32, the polishing apparatus according to the invention typically produces a planarized surface that extends between the outermost peaks of the features 31 and 32 and that is planar within 20 to 30 nm.

Bei der praktischen Realisierung der Erfindung ist die elastische Schicht 22 des Polierkissens 19 steifer als die Schicht 21 und hat eine Biegekonstante D in dem Bereich von 0,25 bis 3,0 um per 0,07 bar (per psi), wenn eine zusammendrückende Kraft in dem Bereich von 0,3 bis 1,5 bar (4 psi bis 20 psi) auf die Schicht 21 ausgeübt wird. Die elastische Schicht 21 hat eine Biegekonstante von 6,0 um per 0,07 bar (per psi) oder mehr. Die Biegekonstante der Schicht 21 liegt bei dem zur Zeit bevorzugten Ausführungsbeispiel in dem Bereich zwischen 6,0 und 12,0 um pro 0,07 bar (per psi), wenn eine zusammendrückende Kraft in dem Bereich von 0,3 bis 1,5 bar (4 psi bis 20 psi) auf die Schicht 21 ausgeübt wird. Gewöhnlich repräsentiert die Biegekonstante den Anstieg des linearen oder im allgemeinen linearen Teils 12 der Kurve 13 in Fig. 1. Die hohe Biegekonstante der Schicht 21 ermöglicht, daß die Schicht 21 sich elastisch zu hohen Bereichen und niedrigen Bereichen auf der Oberfläche des Überzugs 30 deformiert. Die niedrige Biegekonstante der Schicht 22 trägt dazu bei, das Abscheuern von weichem Material von der Arbeitsoberfläche 23B, beispielsweise zwischen den Merkmalen 31 und 32 zu verhindern. Die niedrigere Biegekonstante D der Schicht 22 fördert die Überbrückung durch die Schicht 22 von Bereichen wie dem Bereich zwischen den Merkmalen 31 und 32. Wie bereits erwähnt wurde, überbrückt das Kissen 22 effektiv Bereiche, die einen Abstand voneinander aufweisen, der durch die Pfeile E in Fig. 3 angedeutet ist, welcher bis zu etwa 500 bis 600 um betragen kann. Urethan-Schaumstoff und anderen Arten von Schaumstoffen oder elastischen Materialien können bei der praktischen Realisierung der Erfindung benutzt werden, solange wie die gewünschten Werte der Biegekonstanten erzielt werden können.In the practice of the invention, the resilient layer 22 of the polishing pad 19 is stiffer than the layer 21 and has a bending constant D in the range of 0.25 to 3.0 µm per 0.07 bar (per psi) when a compressive force in the range of 0.3 to 1.5 bar (4 psi to 20 psi) is applied to the layer 21. The resilient layer 21 has a bending constant of 6.0 µm per 0.07 bar (per psi) or more. The bending constant of the layer 21 in the presently preferred embodiment is in the range of 6.0 to 12.0 µm per 0.07 bar (per psi) when a compressive force in the range of 0.3 to 1.5 bar (4 psi to 20 psi) is applied to the layer 21. Usually, the bending constant represents the slope of the linear or generally linear portion 12 of curve 13 in Fig. 1. The high bending constant of layer 21 allows layer 21 to elastically deform to high regions and low regions on the surface of overlay 30. The low bending constant of layer 22 helps prevent the abrasion of soft material from the working surface 23B, for example between features 31 and 32. The lower bending constant D of layer 22 promotes bridging by layer 22 of regions such as the region between features 31 and 32. As previously mentioned, pad 22 effectively bridges regions spaced apart by a distance indicated by arrows E in Fig. 3, which may be as much as about 500 to 600 microns. Urethane foam and other types of foams or resilient materials may be used in the practice of the invention so long as the desired values of the bending constants can be achieved.

Hinsichtlich der Ausbildung des Kissens bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung war es wichtig, gewisse Eigenschaften der Art der durchzuführenden Polierarbeit und der Materialien zu erkennen, die für das Polierkissen benutzt werden. Erstens besteht der primäre Zwecke des Polierens der Arbeitsoberfläche einer Beschichtung 30 darin, daß diese planiert wird. Dies steht im Gegensatz zu dem primären Zweck von Glätte bei vielen Polieroperationen. Zweitens wird die Poliervorrichtung gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß gleichzeitig alle oder die meisten der Stellen auf einer makroskopisch ebenen Oberfläche eines Materialstücks zum Polieren und Einebnen der Oberfläche kontaktiert wird. Diese Art des Polierens ist von anderen Polieroperationen unterscheidbar, bei denen ein begrenzter Bereich eines Materialstücks poliert wird und deshalb ein punktartiger Kontakt beim Polieren hergestellt wird. Drittens ist eine kritische Eigenschaft des zusammengesetzten Polierkissens gemäß der Erfindung in der Biegekonstanten D der elastischen Materialschichten zu sehen, die in dem Kissen benutzt werden. Es wird mitunter angenommen, daß die Biegekonstante eines Materialstücks durch den Schmelzpunkt, die Dichte, die Biegsamkeit, die Härte oder anderen physikalische Eigenschaften des Materials bestimmt wird. Diese Annahme ist jedoch nicht zutreffend, wie zum Teil durch den Vergleich der physikalischen Eigenschaften in Tabelle I demonstriert wird. Tabelle I Kunststoff Spezifisches Gewicht Elastizitätsmodul Rockwellhärte Phenolformaldehyd (Füllstoff Asbest) Furfuryl-Alkohol (Füllstoff Asbest) Polyvinyl-Chlorid (nicht plastiziert)In designing the pad in an apparatus according to the invention, it was important to recognize certain characteristics of the type of polishing operation to be performed and the materials used for the polishing pad. First, the primary purpose of polishing the working surface of a coating 30 is to level it. This is in contrast to the primary purpose of smoothness in many polishing operations. Second, the polishing apparatus according to the invention is designed to simultaneously contact all or most of the locations on a macroscopically flat surface of a piece of material for polishing and leveling the surface. This type of polishing is distinguishable from other polishing operations in which a limited area of a piece of material is polished and therefore point-like contact is made during polishing. Third, a critical characteristic of the composite polishing pad according to the invention is the bending constant D of the elastic material layers used in the pad. It is sometimes assumed that the bending constant of a piece of material is determined by the melting point, density, flexibility, hardness, or other physical properties of the material. However, this assumption is not correct, as is partially demonstrated by the comparison of the physical properties in Table I. Table I Plastic Specific gravity Elastic modulus Rockwell hardness Phenol formaldehyde (filler asbestos) Furfuryl alcohol (filler asbestos) Polyvinyl chloride (unplasticized)

In der obigen Tabelle ist der Elastizitätsmodul von Phenol-Formaldehyd beträchtlich unterschiedlich im Vergleich zu dem Elastizitätsmodul von Furfuryl- Alkohol, obwohl die Härte in beiden Fällen identisch ist. Obwohl ferner die Dichte von Polyvinyl-Chlorid geringer als diejenige von Furfuryl-Alkohol ist, ist die Härte von Polyvinyl-Chlorid größer als die Härte von Furfuryl- Alkohol.In the above table, the elastic modulus of phenol-formaldehyde is considerably different from that of furfuryl alcohol, although the hardness is identical in both cases. Furthermore, although the density of polyvinyl chloride is less than that of furfuryl alcohol, the hardness of polyvinyl chloride is greater than the hardness of furfuryl alcohol.

Der Elastizitätsmodul ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung und ist ein Maß dafür, wie gut ein Festkörper deformierenden Kräften Widerstand leisten kann.The elastic modulus is the ratio of stress to strain and is a measure of how well a solid can resist deforming forces.

In Fig. 7 wird der Teil des Kissens 22 entlang dem Weg P1 unter dem Wafer 23 während einer längeren Zeitspanne während jeder Rotation des Kissens 22 zusammengedrückt, als es bei dem Teil des Kissens 22 entlang dem Weg P2 der Fall ist. Unabhängig davon, ob das Kissen 22 entlang dem Weg P1 oder P2 folgt, ist die Zeit zum Zusammendrücken der Kissen 21 und 22 (vgl. auch Fig. 3 und 4) unter dem Wafer 23 im allgemeinen etwa gleich. Dies ist speziell in Fig. 5 dargestellt, wo die zum Zusammendrücken der flexiblen Kissen mit einer Poliereinrichtung 19 benötigte Zeit durch die Zeit dargestellt wird, die für die Bewegung der Kissen 21 und 22 entlang dem Abstand D4 benötigt wird. Nachdem die Polierfläche 22B mit der abgerundeten Kante 50 des Wafers 23 in Berührung gelangt und sich entlang dem durch die Pfeile D4 dargestellten Abstand unter dem Wafer 23 bewegt, wird die Oberfläche der Kisseneinrichtung 19 entlang einem Abstand zusammengedrückt, wie durch die Pfeile D3 angedeutet ist. Eine typische Zeit zum Zusammendrücken der Oberfläche 22B entlang dem Abstand D3 ist der Bereich von 0,001 bis 0,003 Sekunden, typischerweise etwa 0,002 Sekunden. Diese Zeit könnte jedoch so gering wie etwa 0,0003 Sekunden sein. Der Abstand D3 beträgt zur Zeit etwa 70 um. Eine Kompression von 70 um in 0,002 Sekunden führt in grober Annäherung zu einer Kompressionsrate von etwa 25,4 mm pro Sekunde. Mit der Geschwindigkeit der Bewegung oder Kompression steigt die Steifigkeit eines Materialstücks an und die zum Zusammendrücken des Materials benötigte Kraft steigt ebenfalls an. Die graphische Darstellung in Fig. 6 reflektiert dieses Phänomen. Zum Zeitpunkt null Sekunden in Fig. 6 befindet sich die Stelle 60 in Fig. 5 gerade an der äußeren Kante des Wafers 23 und beginnt sich unter der Arbeitsoberfläche 23B des Wafers 23 zu bewegen. Zum Zeitpunkt 0,002 Sekunden in Fig. 6 hat sich die Stelle 60 auf der Kisseneinrichtung 19 um einen Abstand D4 unter dem Wafer 23 bewegt und die elastischen Kissen 21 und 22 wurden entlang einem Abstand zusammengedrückt, der durch die Pfeile D3 angedeutet ist. Zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Stelle 60 entlang dem Abstand D4 unter dem Wafer 23 bewegt hat, ergibt sich für die Kraft der Kisseneinrichtung 19 gegen den Wafer 23 nach derzeitigen theoretischen Überlegungen des Erfinders ein maximaler Wert, der durch die Stelle 61 in Fig. 6 angedeutet ist. Wenn sich die Stelle 60 auf der Kisseneinrichtung 19 weiter unter dem Wafer 23 bewegt, nimmt die durch die zusammengedrückten Kissen 21 und 22 auf den Wafer 23 ausgeübte Kraft fortschreitend ab, bis nach Bewegung der Stelle 60 der Kisseneinrichtung 19 unter dem Wafer 23 während 0,1 Sekunden die durch die Kisseneinrichtung 19 gegen den Wafer 23 an der Stelle 60 ausgeübte Kraft erreicht wird, wie durch die Stelle 62 in Fig. 6 angedeutet ist. Diese Erhöhung der Kraft, die durch die Kisseneinrichtung 19 gegen den Wafer 23 ausgeübt wird, mit einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Kompression der Kissen 21 und 22, wirkt abschwächend gegen die Verwendung von elastischen Materialien mit einer hohen Biegekonstanten, und deshalb einer größeren Dicke. Andererseits ist eine hohe Biegung wünschenswert, weil dadurch die Fähigkeit des Kissens 21 begünstigt wird, schnell zu reagieren und sich Welligkeiten in der Arbeitsoberfläche 23B des Wafers 23 anzupassen, während ein gleichförmigerer Druck gegen den Wafer 23 beibehalten wird.In Fig. 7, the portion of pad 22 along path P1 is compressed under wafer 23 for a longer period of time during each rotation of pad 22 than is the portion of pad 22 along path P2. Regardless of whether pad 22 follows path P1 or P2, the time to compress pads 21 and 22 (see also Figs. 3 and 4) under wafer 23 is generally about the same. This is particularly illustrated in Fig. 5, where the time required to compress the flexible pads with polishing device 19 is represented by the time required to move pads 21 and 22 along distance D4. After the polishing surface 22B contacts the rounded edge 50 of the wafer 23 and moves under the wafer 23 along the distance shown by the arrows D4, the surface of the pad device 19 is compressed along a distance as indicated by the arrows D3. A typical time for compressing the surface 22B along distance D3 the range is 0.001 to 0.003 seconds, typically about 0.002 seconds. However, this time could be as short as about 0.0003 seconds. Distance D3 is currently about 70 µm. A compression of 70 µm in 0.002 seconds roughly results in a compression rate of about 25.4 mm per second. As the speed of movement or compression increases, the stiffness of a piece of material increases and the force required to compress the material also increases. The graph in Fig. 6 reflects this phenomenon. At time zero seconds in Fig. 6, location 60 in Fig. 5 is just at the outer edge of wafer 23 and is beginning to move beneath working surface 23B of wafer 23. At time 0.002 seconds in Fig. 6, the point 60 on the cushion device 19 has moved a distance D4 below the wafer 23 and the elastic pads 21 and 22 have been compressed along a distance indicated by the arrows D3. At the time at which the point 60 has moved along the distance D4 below the wafer 23, the force of the cushion device 19 against the wafer 23, according to the inventor's current theoretical considerations, results in a maximum value which is indicated by the point 61 in Fig. 6. As the location 60 on the pad assembly 19 moves further under the wafer 23, the force exerted on the wafer 23 by the compressed pads 21 and 22 progressively decreases until, after the location 60 of the pad assembly 19 has moved under the wafer 23 for 0.1 seconds, the force exerted by the pad assembly 19 against the wafer 23 at location 60 is reached, as indicated by location 62 in Figure 6. This increase in the force exerted by the pad assembly 19 against the wafer 23, with an increase in the rate of compression of the pads 21 and 22, mitigates against the use of elastic materials having a high bending constant, and therefore a greater thickness. On the other hand, a high deflection is desirable because it enhances the ability of the pad 21 to quickly respond and conform to undulations in the working surface 23B of the wafer 23 while maintaining a more uniform pressure against the wafer 23.

ein anderes Problem bei elastischen Kissen, die aus Schaumstoff oder anderen Materialien hergestellt werden, ist die Hysteresis. Hysteresis ist die Tendenz eines Kissens, nachdem der zusammendrückende Druck auf das Kissen aufgehoben wird, nicht zu dem ursprünglichen Zustand vollständig elastisch zu expandieren.Another problem with elastic pillows made of foam or other materials is hysteresis. Hysteresis is the tendency of a pillow not to return to its original state completely after the compressive pressure on the pillow is removed. to expand elastically.

Um das Problem hinsichtlich der Hysteresis minimal zu halten und um den Anstieg der Kraft minimal zu halten, die bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Kompression eines elastischen Kissenmaterials auftritt, wurde vom Erfinder erkannt, daß das zusammengesetzte Kissen in Fig. 8 vorteilhaft ist. Dieses Kissen enthält elastischen Schaumstoff 22 mit einer Biegekonstanten, die viel kleiner als die Biegekonstante des "Kissens" ist, das durch die Masse von mit Gas gefüllten Blasen unter dem Kissen 22 gebildet wird. Luft, Stickstoff oder ein anderes gewünschtes Gas kann in jeder elastischen Blase 70 enthalten sein. Die Blasen 70 können miteinander verbunden oder getrennt voneinander und übereinander gestapelt sein. Eine oder mehrere Blasen 70 können benutzt werden. Jede Blase 70 schließt vollständig das Gas oder das andere Fluid ein, das in der Blase enthalten ist. Gewünschtenfalls kann eine erste elastische Blase 70 mit einer zweiten angrenzenden elastischen Blase 70 derart verbunden werden, daß die Verbindung die Strömung von Gas zwischen den Blasen ermöglicht und derart, daß keine Blase vollständig das Gas in der Blase einkapselt. Wenn deshalb die erste Blase zusammengedrückt wird, würde das Gas dazu tendieren, aus der ersten Blase in die zweite Blase hineingedrückt zu werden. Das Gas in den Blasen 70 hält die Erhöhung der Kraft minimal, die bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Kompression auftritt, und hält auch den Effekt der Hysteresis minimal. Wie für einen Fachmann erkennbar ist, können die Blasen 70 aus der zylindrischen Kammer 71 entfernt werden und die Kammer 71 kann mit einem Gas gefüllt werden, und das Kissen 22 kann abdichtend und gleitend mit dem oberen Teil der Kammer 71 in der Art eines Kolbens in Eingriff gebracht werden, so daß bei einem Herabdrücken des Kissens 22 in Richtung des Pfeils X die Luft in der Kammer 71 komprimiert wird und die Kissenoberfläche 22B im wesentlichen in Übereinstimmung mit der globalen Welligkeit der Waferoberfläche gebracht werden kann.To minimize the problem of hysteresis and to minimize the increase in force that occurs with an increase in the rate of compression of an elastic cushion material, the inventor has found that the composite cushion of Fig. 8 is advantageous. This cushion contains elastic foam 22 having a flexural constant much less than the flexural constant of the "cushion" formed by the mass of gas-filled bladders beneath the cushion 22. Air, nitrogen, or other desired gas may be contained in each elastic bladder 70. The bladders 70 may be connected to one another or separated and stacked one on top of the other. One or more bladders 70 may be used. Each bladder 70 completely encloses the gas or other fluid contained in the bladder. If desired, a first elastic bladder 70 can be connected to a second adjacent elastic bladder 70 such that the connection allows the flow of gas between the bladders and such that no one bladder completely encapsulates the gas in the bladder. Therefore, when the first bladder is compressed, the gas would tend to be forced out of the first bladder and into the second bladder. The gas in the bladders 70 minimizes the increase in force that occurs with an increase in the rate of compression and also minimizes the effect of hysteresis. As will be appreciated by one skilled in the art, the bubbles 70 may be removed from the cylindrical chamber 71 and the chamber 71 may be filled with a gas and the pad 22 may be sealingly and slidably engaged with the upper portion of the chamber 71 in the manner of a piston so that upon depressing the pad 22 in the direction of arrow X, the air in the chamber 71 is compressed and the pad surface 22B may be brought substantially into conformity with the global undulation of the wafer surface.

Nachdem die Erfindung so beschrieben wurde, daß ein Fachmann sie ausführen kann, und nachdem das zur Zeit bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, wird folgendes beansprucht:Having described the invention so that it can be practiced by a person skilled in the art, and having described the presently preferred embodiment, the following is claimed:

Claims

1. Apparatus for polishing a working surface of a piece of material, which working surface is macroscopically flat and generally microscopically flat, such that the working surface deviates from the median plane at all points passing through the working surface by an amount less than about four micrometers, which apparatus

(a) a polishing pad (19) for use with a planing device to planarize the working surface (23B) of the piece of material (23), which pad comprises a first layer (21) of resilient material and a second planarizing layer (22) of material having a polishing surface (22B),

(b) a colloidal slurry of a polishing medium on the polishing surface of the second layer,

(c) a holding device for holding the piece of material on the work surface, which is arranged against the polishing pad, and

(c) drive means for moving at least one of the polishing pad and the holding means relative to the other such that movement of one of the polishing pad and the holding means causes the colloidal slurry to contact and polish the work surface,

characterized,

that the first layer (21) has a bending constant that is greater than six microns per 0.07 bar (per psi) when a selected compressive pressure of greater than about 0.3 bar (4 psi) is applied to the first layer, and that the second layer (22) has a bending constant that is less than the bending constant of the first layer.

2. The device of claim 1, characterized in that the second layer has a bending constant of about three microns per 0.07 bar (per psi) when the selected compressive pressure is applied to the second layer of material.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the first layer (21) has elastic gas-filled bubbles (70).

4. Device according to claim 3, characterized in that the elastic bubbles are in contact with one another.

5. Device according to claim 1, characterized in that the holding device is designed to hold a wafer made of semiconductor material to be planarized.