DE69912307T2

DE69912307T2 - Trägerplatte mit randsteuerung für chemisch-mechanisches polieren

Info

Publication number: DE69912307T2
Application number: DE69912307T
Authority: DE
Inventors: Steven Zuniga; Hung Chen; B. Gopalakrishna PRABHU
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: US6361420B1; JP2002530876A; EP1133380B1; WO2000030807A2; TW416897B; US6132298A; WO2000030807A3; JP4771592B2; EP1133380A2; DE69912307D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein chemisch mechanisches Polieren von Substraten und insbesondere auf einen Trägerkopf für das chemisch mechanische Polieren.
Integrierte Schaltungen werden typischerweise auf Substraten, insbesondere Silizium-Wafern, durch das sequentielle Abscheiden von leitenden, halbleitenden oder isolierenden Schichten ausgebildet. Nachdem jede Schicht abgeschieden wurde, wird sie geätzt, um Schaltungselemente auszubilden. Wenn eine Serie von Schichten sequentiell abgeschieden und geätzt wird, so wird die äußere oder oberste Fläche des Substrats, das ist die freie Fläche des Substrats, zunehmend uneben. Diese unebene Fläche bereitet bei den Photolithographieschritten bei den Herstellungsverfahren der integrierten Schaltung Probleme. Somit besteht die Notwendigkeit, die Substratoberfläche periodisch eben zu machen.
Das chemisch mechanische Polieren (CMP) stellt ein anerkanntes Verfahren der Planarisierung dar. Dieses Planarisierungsverfahren erfordert es typischerweise, dass das Substrat auf einem Träger- oder Polierkopf montiert wird. Die freie Oberfläche des Substrats wird gegen ein rotierendes Polierkissen platziert. Das Polierkissen kann entweder ein "Standardkissen" oder ein fest angebrachtes abschleifendes Kissen sein. Ein Standardpolierkissen weist eine dauerhafte aufgeraute Oberfläche auf, während ein fest angebrachtes abschleifendes Kissen Schleifteilchen, die in einem Einschlussmedium gehalten werden, aufweist. Der Trägerkopf liefert eine steuerbare Belastung, das ist ein Druck, auf das Substrat, um es gegen das Polierkissen zu schieben. Einige Trägerköpfe umfassen eine flexible Membran, die eine Montagefläche für das Substrat liefert, und einen Haltering, um das Substrat unter der Montagefläche zu halten. Das Unter-Druck-Setzen oder die Evakuierung einer Kammer hinter der flexiblen Membran steuert die Belastung auf das Substrat. Eine Polierschlamm, der mindestens ein chemisch reaktionsfähiges Mittel und Schleifteilchen, wenn ein Standardkissen verwendet wird, enthält, wird auf die Oberfläche des Polierkissens gegeben.
Die Wirksamkeit des CMP-Verfahrens kann durch dessen Poliergeschwindigkeit und durch die sich ergebende Oberflächenbeschaffenheit (Fehlen einer kleinmaßstäblichen Rauhigkeit) und die Ebenheit (Fehlen einer großmaßstäblichen Topographie) der Substrattläche gemessen werden. Die Poliergeschwindigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit und die Ebenheit werden durch das Kissen und die Schlammzusammensetzung, die relative Geschwindigkeit zwischen dem Substrat und dem Kissen und der Kraft, die das Substrat gegen das Kissen presst, bestimmt.
Ein immer wieder auftretendes Problem beim CMP ist der sogenannte "Randeffekt", das ist die Tendenz des Substratrandes, mit einer anderen Geschwindigkeit als die Substratmitte poliert zu werden. Der Randeffekt führt typischerweise zu einem übermäßigen Polieren (die Entfernung von zu viel Material des Substrats) am Umfang des Substrats, das heißt den äußersten fünf bis zehn Millimeter eines Wafers mit 200 Millimeter (mm).
Ein anders damit in Bezug stehendes Problem, insbesondere beim Polieren sogenannter "abgeflachter" Substrate, das sind Substrate mit einem flachen Umfangsabschnitt, ist das übermäßige Polieren eines Bereichs, der sich neben der Abflachung befindet. Zusätzlich werden die Ecken der Abflachung oft übermäßig poliert. Das übermäßige Polieren reduziert die gesamte Ebenheit des Substrats und bewirkt dass der Rand, die Ecken und die Abflachung des Substrats für die Herstellung der integrierten Schaltung ungeeignet sind, und es bewirkt eine abnehmende Verfahrensausbeute.
Ein anderes Problem, insbesondere beim Polieren von abgeflachten Wafern unter Verwendung eines Trägers mit einer flexiblen Membran, besteht darin, dass die Abflachung des Wafers die untere Fläche der Membran berührt und abschleift und somit die Lebensdauer der Membran reduziert.
Zusammenfassung
Im allgemeinen ist die Erfindung auf einen Trägerkopf für das chemisch mechanische Polieren gerichtet, wie das in Anspruch 1 definiert ist. Der Trägerkopf weist eine Basis, eine flexible Membran und ein starres Element auf. Die flexible Membran erstreckt sich unter der Basis, um eine unter Druck setzbare Kammer zu bilden, und eine untere Fläche der flexiblen Membran liefert eine erste Fläche für das Aufbringen einer ersten Belastung auf einen ersten Abschnitt des Substrats. Das starre Element ist relativ zur Basis beweglich, und eine untere Fläche des starren Elements liefert eine zweite Fläche für das Aufbringen einer Belastung auf einen zweiten Abschnitt des Substrats.
Die Implementierungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. Das starre Element kann ein Randbelastungsring sein, der die erste Fläche der flexiblen Membran umgibt, und ein Haltering kann den Randbelastungsring umgeben, um das Substrat unter den ersten und zweiten Flächen zu halten. Die flexible Membran kann mit einem Halteaufbau verbunden sein, und der Halteaufbau kann durch eine Biegung beweglich mit der Basis verbunden sein. Die flexible Membran kann sich zwischen einer äußeren Fläche des Halteaufbaus und einer inneren Oberfläche des Randbelastungsrings erstrecken. Ein Randabschnitt des Randbelastungsrings kann an der Haltestruktur anliegen, um eine Spalt zwischen der inneren Fläche des Randbelastungsrings und der flexiblen Membran aufrecht zu halten, und er kann sich über einen Abschnitt der Haltestruktur erstrecken. Eine obere Fläche des Randbelastungsrings kann an einer unteren Fläche der Biegung anliegen, und ein Unter-Druck-Setzen der Kammer kann eine nach unten gerichtete Kraft auf den Randbelastungsring durch die Biegung ausüben. Der Flächenbereich der oberen Fläche des Randbelastungsrings kann größer oder kleiner als der Flächenbereich der unteren Fläche des Randbelastungsrings sein. Ein äußerer Rand der Biegung kann zwischen dem Haltering und der Basis festgeklemmt werden. Ein ringförmiger Biegungshalter kann abnehmbar mit dem Haltering verbunden sein und einen Umfangsabschnitt der Biegung halten. Der Biegungshalter kann als ein integraler Teil des Halterings ausgebildet werden. Der Randbelastungsring kann mit dem Halteaufbau verbunden sein.
Der Halteaufbau kann eine Halteplatte, eine untere Klemmeinrichtung und eine obere Klemmeinrichtung einschließen, und die flexible Membran kann zwischen der Halteplatte und der unteren Klemmeinrichtung eingeklemmt werden. Die Biegung kann zwischen der unteren Klemmeinrichtung und der oberen Klemmeinrichtung eingeklemmt werden, und der Randbelastungsring kann mit der unteren Klemmeinrichtung verbunden sein. Der Trägerkopf kann eine Schicht eine kompressiblen Materials, das auf der unteren Fläche des Randbelastungsrings angeordnet ist, aufweisen. Die untere Fläche des Randbelastungsrings kann einen ringförmigen Vorsprung mit einem inneren Durchmesser, der größer als der äußere Durchmesser der ersten Oberfläche ist, einschließen. Der Randbelastungsring kann einen Ringflansch einschließen, der innerhalb des ringförmigen Vorsprungs angeordnet ist, und der sich nach unten erstrecken kann, um zu verhindern, dass sich die flexible Membran unter den Randbelastungsring erstreckt. Der Randbelastungsring kann so konfiguriert sein, dass er sich über eine Abflachung des Substrats erstreckt. Die untere Fläche des Randbelastungsrings kann einen ringförmigen Vorsprung einschließen, der sich über mindestens einen Abschnitt der Abflachung erstrecken kann. Der Trägerkopf kann so konstruiert sein, dass (RI + RO)/2 > RF ist, wobei RI einen inneren Radius des ringförmigen Vorsprungs darstellt, wobei RO einen äußeren Radius des ringförmigen Vorsprungs darstellt, und wobei RF die Distanz zwischen der Substratmitte und der Substratabflachung darstellt.
Ein zweiter Randbelastungsring kann die zweite Fläche umgeben, und eine untere Fläche des zweiten Randbelastungsrings kann eine dritte Fläche für das Aufbringen einer dritten Belastung auf einen zweiten Umfangsabschnitt des Substrats liefern. Ein dritter Randbelastungsring kann die dritte Fläche umgeben, und eine untere Fläche des dritten Randbelastungsrings kann eine vierte Fläche für das Aufbringen einer vierten Belastung auf einen dritten Umfangsabschnitt des Substrats liefern. Ein Teil der flexiblen Membran kann sich unter die untere Oberfläche des Randbelastungsrings erstrecken, kann eine Vielzahl von Rillen aufweisen, und kann am Randbelastungsring befestigt werden. Eine äußere Fläche des Randbelastungsrings kann von einer inneren Fläche des Halterings durch einen Spalt getrennt sein, der so angeordnet ist, dass Reibungskräfte zwischen dem Substrat und einem Polierkissen eine Hinterkante des Substrats in den Spalt drücken können.
Der Trägerkopf kann einen ringförmigen Hauptkörperabschnitt und einen Flanschabschnitt, einen ringförmigen Vorsprung, der sich vom Hauptkörperabschnitt nach unten erstreckt, und der eine untere Oberfläche aufweist, um einen Umfangsabschnitt eines Substrats zu berühren, umfassen. Der Flanschabschnitt steht vom Hauptkörperabschnitt nach oben ab und weist einen sich nach innen erstreckenden Rand auf, um an einen Teil des Trägerkopfes anzugreifen.
In einem anderen Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren für das Polieren eines Substrats gerichtet. Im Verfahren wird das Substrat in Kontakt mit einer Polierfläche gebracht, eine erste Belastung wird auf einen zentralen Teil des Substrats mit einer flexiblen Membran aufgebracht, und eine zweite Belastung wird auf einen Umfangsabschnitt des Substrats mit einem Randbelastungsring, der steifer als die flexible Membran ist, aufgebracht.
Die Vorteile der Erfindung können Folgendes einschließen. Ein übermäßiges Polieren des Randes, flacher Teile und Ecken des Substrats wird reduziert, und die sich ergebende Flachheit und die Oberflächenbeschaffenheit des Substrats werden verbessert. Der Verschleiß der Membran wird erniedrigt, so dass die Lebensdauer der Membran erhöht wird.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, die die Zeichnungen und die Ansprüche einschließt, deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer chemisch mechanischen Poliervorrichtung.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Trägerkopfs gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine vergrößerte Ansicht des Trägerkopfs der 2, die einen Randbelastungsring zeigt.
4A ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes mit einem Randbelastungsring, der einen ringförmigen Vorsprung aufweist.
4B ist eine vergrößerte Ansicht des Randbelastungsrings der 4A.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfs, der einen Randbelastungsring aufweist, der am Halteaufbau befestigt ist.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der eine Vielzahl von Randhalteringen aufweist.
7A ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der eine flexible Membran aufweist, die sich unter den Randbelastungsring erstreckt.
7B ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der eine flexible Membran aufweist, die in eine Nut des Randbelastungsrings eingreift.
7C ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfs, der eine flexible Membran aufweist, die sich um den Randbelastungsring herum erstreckt.
7D ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der eine flexible Membran aufweist, die haftend am Randbelastungsring befestigt ist.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der einen Biegungshalteflansch aufweist.
9 ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der einen Biegungshaltering aufweist.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Trägerkopfes, der einen Spalt zwischen dem Haltering und dem Randhaltering aufweist.
11 ist eine Aufsicht auf ein abgeflachtes Substrat.
Gleiche Bezugszeichen sind in den verschiedenen Zeichnungen angegeben, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Eine Bezugszahl mit einer Buchstabenergänzung zeigt an, dass ein Element eine modifizierte Funktion, einen modifizierten Betrieb oder eine modifizierte Struktur aufweist.
Detaillierte Beschreibung
Betrachtet man die 1, so werden ein oder mehrere Substrate 10 durch eine chemisch mechanische Poliervorrichtung 20 (CMP-Vorrichtung) poliert. Eine Beschreibung einer ähnlichen CMP-Vorrichtung kann man im US-Patent Nr. 5,738,574 finden.
Die CMP-Vorrichtung 20 umfasst eine untere Maschinenbasis 22 mit einer darauf montierten Tischplatte 23 und einer entfernbaren oberen äußeren Abdeckung (nicht gezeigt). Die Tischplatte 23 trägt eine Serie von Polierstationen 25 und eine Transferstation 27 für das Laden und Entladen der Substrate. Die Transferstation kann eine allgemein quadratische Anordnung mit den drei Polierstationen bilden.
Jede Polierstation 25 umfasst eine rotierbare Platte 30, auf der ein Polierkissen 32 platziert ist. Wenn das Substrat 10 eine Scheibe mit einem Durchmesser von "sechs Inch" (150 Millimeter) oder "acht Inch" (200 Millimeter) ist, so können die Platte 30 und das Polierkissen 32 einen Durchmesser von ungefähr zwanzig Inch aufweisen. Wenn das Substrat 10 eine Scheibe mit einem Durchmesser von "zwölf Inch" (300 Millimeter) ist, so können die Platte 30 und das Polierkissen 32 einen Durchmesser von ungefähr 30 Inch aufweisen. Die Platte 30 kann mit einem (nicht gezeigten) Plattenantriebsmotor, der sich innerhalb der Maschinenbasis 22 befindet, verbunden sein. Bei den meisten Polierverfahren dreht der Plattenantriebsmotor die Platte 30 mit dreißig bis zweihundert Umdrehungen pro Minute, obwohl auch niedrigere oder höhere Rotationsgeschwindigkeiten verwendet werden können. Jede Polierstation 25 kann weiter eine damit verbundene Kissenkonditioniervorrichtung 40 einschließen, um den Reibungszustand des Polierkissens aufrecht zu halten.
Das Polierkissen 32 kann ein zusammengesetztes Material mit einer aufgerauten Polieroberfläche sein. Das Polierkissen 32 kann an der Platte 30 durch eine druckempfindliche Klebstoffschicht befestigt sein. Das Polierkissen 32 kann eine fünfzig Milli-Inch dicke harte obere Schicht und eine fünfzig Milli-Inch dicke weichere untere Schicht aufweisen. Die obere Schicht ist vorzugsweise ein Material, das aus Polyurethan, das mit anderen Füllstoffen gemischt ist, besteht. Die untere Schicht ist vorzugsweise ein Material, das aus komprimierten Filzfasern, die mit Urethan ausgelaugt wurden, besteht. Ein übliches zweischichtiges Polierkissen, bei dem die obere Schicht aus IC-1000 besteht, und bei dem die untere Schicht aus SUBA-4 besteht, ist von Rodel Inc. in Newark, Delaware erhältlich (IC-1000 und SUBA-4 sind Produktnamen der Rodel Inc.).
Ein Schlamm 50, der ein reaktionsfähiges Mittel (beispielsweise deionisiertes Wasser für ein Oxidpolieren) und einen chemisch reaktionsfähigen Katalysator (beispielsweise Kaliumhydroxid für ein Oxidpolieren) enthält, kann durch einen kombinierte Schlamm/Spül-Arm 52 auf die Oberfläche des Polierkissens 32 geliefert werden. Wenn das Polierkissen 32 ein Standardkissen ist, kann der Schlamm 50 auch Schleifteilchen (beispielsweise Siliziumdioxid für ein Oxidpolieren) enthalten. Typischerweise wird ausreichend Schlamm geliefert, um das gesamte Polierkissen 32 zu bedecken und zu benetzen. Der Schlamm/Spül-Arm 52 umfasst mehrere (nicht gezeigte) Sprühdüsen, die eine Hochdruckreinigung des Polierkissens 32 am Ende jedes Polier- und Konditionierzyklus liefern.
Ein drehbares Mehrkopfkarussell 60, das eine Karussellhalteplatte 66 und eine Abdeckung 68 einschließt, ist über der unteren Maschinenbasis 22 angeordnet. Die Karussellhalteplatte 66 wird durch einen zentralen Stil 62 gehalten und auf diesem um eine Karussellachse 64 durch einen Karussellmotoraufbau, der sich in der Maschinenbasis 22 befindet, gedreht. Das Mehrkopfkarussell 60 umfasst vier Trägerkopfsysteme 70, die auf der Karussellhalteplatte 66 in gleichen Winkelintervallen um die Karussellachse 64 montiert sind. Drei der Trägerkopfsysteme empfangen und halten Substrate und polieren diese, indem sie diese gegen die Polierkissen der Polierstationen 25 drücken. Eines der Trägerkopfsysteme empfängt ein Substrat von der Transferstation 27 und liefert das Substrat an die Transferstation 27. Der Karussellmotor kann Trägerkopfsysteme 70 und die daran befestigten Substrate auf einer Kreisbahn um die Karussellachse 64 zwischen den Polierstationen und der Transferstation führen.
Jedes Trägerkopfsystem 70 umfasst einen Polier- oder Trägerkopf 100. Jeder Trägerkopf 100 dreht sich unabhängig um seine eigene Achse und oszilliert unabhängig seitlich in einem radialen Schlitz 72, der in der Karussellhalteplatte 66 ausgebildet ist. Eine Trägerantriebswelle 74 erstreckt sich durch den Schlitz 72, um einen Trägerkopfrotationsmotor 76 (der durch das Entfernen eines Viertels der Abdeckung 68 gezeigt ist) mit dem Trägerkopf 100 zu verbinden. Es ist für jeden Kopf eine Trägerantriebswelle und ein Motor vorgesehen. Jeder Motor und jede Antriebswelle können auf einem (nicht gezeigten) Schlitten gehalten werden, der linear entlang dem Schlitz durch einen Radialantriebsmotor angetrieben wird, um den Trägerkopf seitlich zum Oszillieren zu bringen.
Während dem tatsächlichen Polieren sind drei der Trägerköpfe an und oberhalb der drei Polierstationen angeordnet. Jeder Trägerkopf 100 senkt ein Substrat in Kontakt mit einem Polierkissen 32 ab. Im allgemeinen hält der Trägerkopf 100 das Substrat in einer Position gegen das Polierkissen und verteilt eine Kraft über die rückseitige Oberfläche des Substrats. Der Trägerkopf überträgt auch ein Drehmoment von der Antriebswelle auf das Substrat.
Betrachtet man die 2 und 3, so umfasst der Trägerkopf 100 ein Gehäuse 102, eine Basis 104, einen Kardanmechanismus 106, eine Belastungskammer 108, einen Haltering 110 und einen Substratträgeraufbau 112. Eine Beschreibung eines ähnlichen Trägerkopfs kann man in der Beschreibung des US-Patents 6,183,354 mit dem Titel "A CARRIER HEAD WITH FLEXIBLE MEMBRANE FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM" finden.
Das Gehäuse 102 kann mit der Antriebswelle 74 verbunden sein, um sich mit dieser während des Polierens um eine Drehachse 107 zu drehen, die während des Polierens im wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche des Polierkissens verläuft. Die Belastungskammer 108 ist zwischen dem Gehäuse 102 und der Basis 104 angeordnet, um eine Belastung, das ist ein nach unten gerichteter Druck, auf die Basis 104 auszuüben. Die vertikale Position der Basis 104 relativ zum Polierkissen 32 wird auch durch die Belastungskammer 108 gesteuert.
Das Gehäuse 102 kann eine im allgemeinen kreisförmige Form aufweisen, um der kreisförmigen Konfiguration des zu polierenden Substrats zu entsprechen. Eine Zylinderbuchse 122 kann in eine vertikale Bohrung 124 durch das Gehäuse passen, und zwei Durchgänge 126 und 128 können sich für eine pneumatische Steuerung des Trägerkopfs durch das Gehäuse erstrecken.
Die Basis 104 ist im allgemeinen ein ringförmiger Körper, der unter dem Gehäuse 102 angeordnet ist. Die Basis 104 kann aus einem starren Material, wie Aluminium, rostfreiem Stahl oder faserverstärktem Kunststoff, ausgebildet sein. Ein Durchgang 130 kann sich durch die Basis erstrecken, und zwei Montagevorrichtungen 132 und 134 können Befestigungspunkte liefern, um ein flexibles Rohr zwischen dem Gehäuse 102 und der Basis 104 zu verbinden, um den Durchgang 128 in Flüssigkeitsverbindung mit dem Durchgang 130 zu bringen.
Ein Substratträgeraufbau 112 umfasst einen Halteaufbau 114, eine Biegungsmembran 116, die den Halteaufbau 114 mit der Basis 104 verbindet, ein flexibles Element oder eine Membran 118, die mit dem Halteaufbau 114 verbunden ist, und einen Randbelastungsring 120. Die flexible Membran 118 erstreckt sich unter dem unteren Halteaufbau 114, um eine Fläche 192 zu liefern, die in einen zentralen Abschnitt des Substrats eingreift, während sich der Randbelastungsring 120 um den Halteaufbau erstreckt, um eine Fläche 202 zu liefern, um in einen Umfangsabschnitt des Substrats einzugreifen. Das Unter-Druck-Setzen einer Kammer 190, die zwischen der Basis 104 und dem Substratträgeraufbau 112 angeordnet ist, drückt die flexible Membran 118 nach unten, um den zentralen Abschnitt des Substrats gegen das Polierkissen zu drücken. Das Unter-Druck-Setzen der Kammer 190 drückt auch die Biegungsmembran 116 nach unten gegen den Randbelastungsring 120, um den Umfangsabschnitt gegen das Polierkissen zu drücken.
Eine elastische und flexible Membran 140 kann an der unteren Fläche der Basis 104 durch einen Klemmring 142 befestigt sein, um eine Blase 144 auszubilden. Der Klemmring 142 kann an der Basis 104 mit Schrauben oder Bolzen (nicht gezeigt) befestigt sein. Eine erste (nicht gezeigte) Pumpe kann mit der Blase 144 verbunden sein, um ein Fluid, wie beispielsweise ein Gas, wie zum Beispiel Luft, in die Blase hinein oder aus ihr heraus zu führen und um somit einen Druck nach unten auf den Halteaufbau 114 auszuüben. Insbesondere kann die Blase 144 verwendet werden, um zu bewirken, dass die Lippe 178 der Halteplatte 170 den Rand der flexiblen Membran 118 gegen das Substrat 10 drückt, um somit eine fluiddichte Dichtung zu schaffen, um eine Vakuumeinspannung des Substrats an der flexiblen Membran, wenn die Kammer 190 evakuiert wird, zu gewährleisten.
Ein Kardanmechanismus 106 ermöglicht es der Basis 104, sich in Bezug auf das Gehäuse 102 zu neigen, so dass die Basis im wesentlichen parallel zur Fläche des Polierkissens bleiben kann. Der Kardanmechanismus 106 umfasst einen Kardanstab 150, der in einen Durchgang 154 durch die Zylinderbuchse 122 passt, und einen Biegungsring 152, der an der Basis 104 befestigt ist. Der Kardanstab 150 kann vertikal entlang dem Durchgang 154 gleiten, um eine vertikale Bewegung der Basis 104 zu liefern, aber er verhindert jede seitliche Bewegung der Basis 104 in Bezug auf das Gehäuse 102.
Ein innerer Rand einer Rollmembran 160 kann am Gehäuse 102 durch einen inneren Klemmring 162 festgeklemmt sein, und ein äußerer Klemmring 164 kann einen äußeren Rand der Rollmembran 160 an der Basis 104 festklemmen. Somit dichtet die Rollmembran 160 den Raum zwischen dem Gehäuse 102 und der Basis 104 ab, um eine Belastungskammer 108 zu bilden. Die Rollmembran 160 kann eine im allgemeinen ringförmige sechzig Milli-Inch dicke Silikonfolie sein. Eine zweite (nicht gezeigte) Pumpe kann sich in Fluidverbindung mit der Belastungskammer 108 befinden, um den Druck in der Belastungskammer und die Belastung, die auf die Basis 104 ausgeübt wird, zu steuern.
Der Halteaufbau 114 des Substratträgeraufbaus 112 umfasst eine Halteplatte 170, eine ringförmige untere Klemmeinrichtung 172 und eine ringförmige obere Klemmeinrichtung 174. Die Halteplatte 170 kann ein im allgemeinen scheibenförmiges starres Element, das eine Vielzahl von Öffnungen 176 aufweist, die durch sie hindurch ausgebildet sind, sein. Zusätzlich kann die Halteplatte 170 eine nach unten vorstehende Lippe 178 an ihrem äußeren Rand aufweisen.
Die Biegungsmembran 116 des Substratträgeraufbaus 112 ist ein im allgemeinen ebener kreisförmiger Ring. Ein innerer Rand der Biegungsmembran 116 ist zwischen der Basis 104 und dem Haltering 110 eingeklemmt, und ein äußerer Rand der Biegungsmembran 116 ist zwischen der unteren Klemmeinrichtung 172 und der oberen Klemmeinrichtung 174 eingeklemmt. Die Biegungsmembran 116 ist flexibel und elastisch, obwohl sie in den Radial- und Tangentialrichtungen starr sein kann. Die Biegungsmembran 116 kann aus Gummi, wie Neopren, Chloropren, Ethylenpropylen oder Silizium, einem elastomer beschichteten Stoff, wie NYLON^TM oder NOMEX^TM, einem Kunststoff oder einem zusammengesetzten Material, wie Fiberglas, ausgebildet sein.
Die flexible Membran 118 ist ein im allgemeinen kreisförmiges Blatt, das aus einem flexiblen und elastischen Material, wie Neopren, Chloropren, Ethylenpropylen oder Silikongummi, ausgebildet ist. Ein Abschnitt der flexiblen Membran 118 erstreckt sich um die Ränder der Halteplatte 170, um zwischen der Halteplatte und der unteren Klemmeinrichtung 172 festgeklemmt zu werden.
Das abgedichtete Volumen zwischen der flexiblen Membran 118, dem Halteaufbau 114, der Biegungsmembran 116, der Basis 104 und dem Kardanmechanismus 106 bildet die unter Druck setzbare Kammer 190. Eine dritte (nicht gezeigte) Pumpe kann sich in Fluidverbindung mit der Kammer 190 befinden, um den Druck in der Kammer und somit die nach unten gerichteten Kräfte der flexiblen Membran auf das Substrat zu steuern.
Der Haltering 110 kann ein Ring mit einem im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt sein, der am äußeren Rand der Basis 104 beispielsweise durch (nicht gezeigte) Bolzen befestigt ist. Wenn Fluid in die Belastungskammer 108 gepumpt wird, und die Basis 104 nach unten gedrückt wird, so wird auch der Haltering 110 nach unten gedrückt, um eine Belastung auf das Polierkissen 32 auszuüben. Eine untere Fläche 184 des Halterings 110 kann im wesentlichen flach sein, oder sie kann eine Vielzahl von Kanälen aufweisen, um den Transport des Schlamms von außerhalb des Halterings zum Substrat zu erleichtern. Eine innere Fläche 182 des Halterings 110 greift in das Substrat ein, um zu verhindern, dass es unter dem Trägerkopf weg rutscht.
Der Randbelastungsring 120 ist ein im allgemeinen kreisförmiger Körper, der zwischen dem Haltering 110 und dem Halteaufbau 114 angeordnet ist. Der Randbelastungsring 120 umfasst einen Basisabschnitt 200, der eine im wesentlichen flache untere Oberfläche 202 aufweist, um einen Druck auf einem Umfangsabschnitt des Substrats 10 auszuüben. Der Randbelastungsring 120 besteht aus einem Material, wie rostfreiem Stahl, Keramik, eloxiertem Aluminium oder Kunststoff, beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS), das im Vergleich zur flexiblen Membran relativ starr ist. Eine Schicht 212 eines kompressiblen Materials, wie ein Trägerfilm, kann haftend an der unteren Fläche 202 des Basisabschnitts 200 befestigt sein, um eine Montagefläche für das Substrat 10 zu liefern.
Eine zylindrische innere Fläche 206 des Randbelastungsrings 120 ist neben dem Abschnitt der flexiblen Membran 118, der sich um den Rand der Halteplatte 170 erstreckt, angeordnet. Die innere Fläche 206 kann von der flexiblen Membran 118 durch eine kleine Lücke 216 getrennt sein, um ein Verbinden zwischen dem Randbelastungsring und der flexiblen Membran zu verhindern. Eine äußere Fläche 208 des Randbelastungsrings 120 ist gewinkelt, um den Oberflächenkontaktbereich zwischen dem Randbelastungsring und dem Haltering zu reduzieren. Der äußerste Rand der äußeren Fläche 208 umfasst einen im allgemeinen vertikalen oder gerundeten Abschnitt 218, um zu verhindern, dass der Randbelastungsring den Haltering 110 ankratzt oder beschädigt.
Der Randbelastungsring 120 umfasst auch einen Randabschnitt 204, der sich über dem Basisabschnitt erstreckt, um die Biegungsmembran 116 zu berühren. Der Randabschnitt 204 kann eine Lippe 210 einschließen, die sich über die flexible Membran 118 erstreckt. Die Lippe 210 kann an der unteren Klemmeinrichtung 172 anliegen, um einen Spalt 216 zwischen der inneren Fläche 206 und der flexiblen Membran 118 aufrecht zu halten. Die Biegungsmembran 116 berührt eine obere Fläche 214 des Randabschnitts 204.
Im Betrieb wird Fluid in die Kammer 190 gepumpt, um den nach unten gerichteten Druck, der durch die flexible Membran 188 auf den zentralen Abschnitt des Substrats ausgeübt wird, zu steuern. Der Druck in der Kammer 190 übt auch eine Kraft auf die Biegungsmembran 116 aus, um den nach unten gerichteten Druck, der durch den Randbelastungsring 120 auf den Umfangsabschnitt des Substrats ausgeübt wird, zu steuern. Wenn die Kammer 190 unter Druck gesetzt wird, so wird sich die flexible Membran 118 auch seitlich nach außen ausdehnen und sie kann die innere Oberfläche 182 des Halterings 110 berühren.
Wenn das Polieren beendet ist, und die Belastungskammer 106 evakuiert wird, um die Basis 104 und die Trägerstruktur 112 vom Polierkissen zu heben, so greift die obere Oberfläche der flexiblen Membran 118 in die Lippe 210 des Randbelastungsrings 120 ein, um den Randbelastungsring 120 vom Polierkissen mit dem Rest des Trägerkopfes zu heben.
Wie vorher diskutiert wurde, so besteht ein immer wieder auftretendes Problem beim CMP in einem übermäßigen Polieren nahe der Abflachung und entlang dem Rand des Substrats. Ohne dass man an eine spezielle Theorie gebunden sein will, besteht ein möglicher Grund für dieses übermäßige Polieren in der Ausdehnung der flexiblen Membran über den Substratrand. Insbesondere wird, wenn man 11 betrachtet, wenn das Substrat 10 kleiner als die Montagefläche, die durch die flexiblem Membran geliefert wird, ist, ein Teil der flexiblen Membran dazu neigen, sich um den Substratrand 12 zu wickeln, um somit einen erhöhten Druck auszuüben. Diese Wirkung kann insbesondere entlang der Substratabflachung 14, wo die Distanz zwischen dem Substratrand und dem Montageflächenrand größer ist, verstärkt sein, was zu einem übermäßigen Polieren eines Bereichs 16, der sich im allgemeinen neben der Abflachung befindet, führt. Ein anderer Grund für das übermäßige Polieren, insbesondere an den Ecken 18 der Abflachung, besteht im Punktkontakt zwischen den Substratecken und dem Haltering. Insbesondere neigt das sich drehende Polierkissen dazu, die Substratecken gegen die innere Fläche des Halterings zu treiben, was bewirken kann, dass das Substrat verformt wird oder sich biegt, was somit den Druck und die Poliergeschwindigkeit an den Ecken erhöht.
Wenn man jedoch zu den 2 und 3 zurückkehrt, so übt im Trägerkopf 100 die flexible Membran 118 eine Belastung auf den zentralen Teil des Substrats aus, wohingegen der Randbelastungsring 120 eine Belastung auf einen Umfangsabschnitt des Substrat ausübt. Da der Randbelastungsring relativ starr ist und sich nicht um den Substratrand wickeln kann, wird ein gleichförmigerer Druck auf den Substratumfang ausgeübt, was das übermäßige Polieren reduziert.
Zusätzlich kann sich der Druck, der vom Randbelastungsring 120 ausgeübt wird, vom Druck, der durch die flexible Membran 118 ausgeübt wird, unterscheiden. Kurz gesagt, der Druck von der flexiblen Membran 118 kann ausgewählt werden, um ein gleichförmiges Polieren des zentralen Abschnitts des Substrats zu liefern, während der Druck vom Randbelastungsring 120 ausgewählt wird, um ein gleichförmiges Polieren der Substratabflachung und des Randes zu liefern. Insbesondere kann durch das passende Auswählen des Verhältnisses des Flächenbereichs der oberen Fläche 214 zum Flächenbereich der unteren Fläche 202 der relative Druck, der auf den Substratumfang ausgeübt wird, eingestellt werden, um ein übermäßiges Polieren zu reduzieren. Wenn der Flächenbereich der oberen Fläche 214 größer als der Flächenbereich der unteren Fläche 202 ist, so wird der Randbelastungsring wirksam den aufgebrachten Druck erhöhen, wohingegen wenn der Flächenbereich der oberen Fläche 214 kleiner als der Flächenbereich der unteren Fläche 202 ist, der Randbelastungsring wirksam den aufgebrachten Druck erniedrigen wird. Schließlich wird der Druck auf den Haltering 110 so ausgewählt, dass der Randeffekt reduziert wird, wie das im US-Patent 5,795,215 diskutiert wird.
Das Polieren des Substratabflachung und der Ecken wird auch durch die Auswahl des Schlamms und des Polierkissens beeinflusst. Wenn ein Standardpolierkissen für ein Oxidpolieren verwendet wird, so scheint ein Schlamm, der kolloidales Siliziumdioxid enthält, das übermäßige Polieren um die Substratabflachung und die Ecken herum zu reduzieren, um somit die Gleichförmigkeit des Polierens zu verbessern. Ohne dass man an eine spezielle Theorie gebunden sein will, kann es sein, dass die verbesserte Gleichförmigkeit des Polierens durch die geringere Viskosität der Schlämme, die kolloidales Siliziumoxid, das nicht zu einem Zusammenbacken neigt, enthalten, im Verhältnis zu Schlämmen, die verdampftes Siliziumdioxid (fumed silica), das zum Zusammenbacken neigt, enthalten, verursacht wird. Diese geringere Viskosität würde verhindern, dass sich der Schlamm an den Ecken und dem Rand des Substrats aufbaut, um somit eine gleichförmigere Verteilung des Schlamms über der Oberfläche des Substrats zu gewährleisten und die Gleichförmigkeit des Polierens zu verbessern.
Um eine Viskosität zu liefern, die die Ungleichförmigkeit des Polierens reduziert oder minimiert, kann der Schlamm sowohl nicht zusammenbackendes Siliziumdioxid, wie kolloidales Siliziumdioxid als auch Siliziumdioxid, das zum Zusammenbacken neigt, wie verdampftes Siliziumdioxid, enthalten. Insbesondere kann der Schlamm 50 deionisiertes Wasser, ein Mittel zum Einstellen des pH-Werts, wie Kaliumhydroxid (KOH) und eine Mischung aus kolloidalem Siliziumdioxid und verdampftem Siliziumdioxid enthalten. Beispielsweise kann das kolloidale Siliziumdioxid ungefähr 1 bis 99 Prozent, beispielsweise ungefähr 35 Prozent (bezogen auf das Volumen der Feststoffe) des gesamten Siliziumdioxids im Schlamm enthalten. Der Schlamm 50 kann auch andere Zusatzstoffe, wie Ätzmittel, Oxidationsmittel, Korrosionsverhinderungsmittel, Biozide, Stabilisatoren, Polierbeschleuniger und Polierhemmer und Mittel zur Einstellung der Viskosität, enthalten.
Im allgemeinen wird kolloidales Siliziumdioxid dazu neigen, sich nicht zusammenzubacken, wenn die Siliziumteilchen relativ zum verdampften Siliziumdioxid "klein" sind, beispielsweise ungefähr 50 Nanometer (nm) aufweisen, eine enge Größenverteilung besitzen und eine im wesentlichen sphärische Form haben. Im Gegensatz dazu wird das verdampfte Siliziumdioxid zum Zusammenbacken neigen, da die Siliziumdioxidteilchen "groß" sind, beispielsweise 150–200 nm aufweisen, eine breite Größenverteilung haben und eine unregelmäßige Form besitzen.
Der Schlamm 50 kann durch das Mischen eines kolloidalen Siliziumdioxidbreis mit einem verdampften Siliziumdioxidbrei ausgebildet werden. Ein geeigneter Brei, der verdampftes Siliziumdioxid enthält, ist von der Cabot Corp. aus Aurora, Illinois unter dem Handelnamen SS-12 erhältlich, und ein geeigneter Brei der kolloidales Siliziumdioxid enthält, ist von Rodel Inc. aus Newark, Delaware unter dem Handelsnamen KLEBOSOL erhältlich. Der SS-12 Brei umfasst ungefähr 30% Feststoffe, wohingegen der KLEBOSOL Brei ungefähr 12% Feststoffe umfasst. Die SS-12 und KLEBSOSOL Breie können gemischt werden, um die gewünschte Konzentration des kolloidalen und verdampften Siliziumdioxids zu liefern. Beispielsweise kann der kolloidale Siliziumdioxidbrei ungefähr 1 bis 99 Prozent, beispielweise ungefähr 50% (auf das Volumen bezogen) des Breis umfassen.
Betrachtet man die 4A und 4B, so weist im Trägerkopf 100a ein Randbelastungsring 120a einen im allgemeinen ringförmigen Vorsprung 220 auf, der sich vom Basisteil 200a erstreckt, um eine untere Fläche 202a zu liefern. Der ringförmige Vorsprung 220 weist eine Breite W auf und ist in einer Distanz D₁ von der inneren Fläche 206a und einer Distanz D₂ von der äußeren Oberfläche 208a angeordnet. Der Randbelastungsring 120a umfasst auch einen ringförmigen Flansch 222, der sich von der inneren Fläche 206a erstreckt, und der vom ringförmigen Vorsprung 220 durch einen Spalt 224 getrennt ist. Der Flansch 222 verhindert, dass die flexible Membran 118 unter dem Randbelastungsring vorsteht und ihn vom Substrat abhebt. Eine Schicht 212a des kompressiblen Materials kann haftend an der unteren Fläche 202a befestigt werden.
Durch das Auswählen der Abmessungen W, D₁ und D₂ kann der Kontaktbereich zwischen dem Randbelastungsring und dem Substrat eingestellt werden, um die optimale Polierleistung zu liefern. Im allgemeinen reduziert ein Bewegen des Kontaktbereichs nach innen, das heißt ein Erniedrigen von D₁ oder ein Erhöhen von D₂ die Entfernungsgeschwindigkeit an den Substratecken, aber erhöht die Entfernungsgeschwindigkeit im Zentrum der Abflachung. Andererseits reduziert das Bewegen des Kontaktbereichs nach außen, das ist ein Erhöhen von D₁ oder ein Erniedrigen von D₂, die Entfernungsgeschwindigkeit am Zentrum der Substratabflachung, aber erhöht die Entfernungsgeschwindigkeit an den Ecken. Insbesondere können die Abmessungen W, D₁ und D₂ so gewählt werden, dass das Zentrum des Kontaktbereichs außerhalb des minimalen Radius der Substratabflachung liegt, das heißt (RI + RO)/2 > RF = (RS – ΔR)wobei RI einen inneren Radius des ringförmigen Vorsprungs darstellt, RO einen äußeren Radius des ringförmigen Vorsprungs darstellt, und RF die minimale Distanz zwischen der Substratmitte und der Substratabflachung darstellt. Der Radius RF kann bestimmt werden aus RF = RS – ΔRwobei RS den Radius des äußeren Rands des Substrats darstellt, und ΔR die maximale Distanz zwischen der Abflachung des Substrats und dem äußeren Rand des Substrats darstellt (siehe 11). Zusätzlich sollte die Montagefläche, die durch die flexible Membran 118 geliefert wird, sich nicht über die Substratabflachung erstrecken, so dass es vorteilhaft ist, wenn D₁ + W + D₂ ≥ ΔR. Wenn beispielsweise ΔR ungefähr sieben Millimeter beträgt, so kann D₁ ungefähr zwei Millimeter betragen, W kann ungefähr fünf Millimeter betragen, und D₂ kann ungefähr null Millimeter betragen.
Die Abmessungen des Randbelastungsrings (oder der Belastungsringe, die unten in Bezug auf 6 diskutiert werden) können auch gewählt werden, um den "schnellen Bandeffekt" zu kompensieren. Im allgemeinen wird es dabei erforderlich sein, dass der Randbelastungsring im Vergleich zu einem Randbelastungsring, der verwendet wird, um den "Randeffekt" zu reduzieren, relativ breit ist. Beispielsweise kann der innere Durchmesser des Randbelastungsrings ungefähr 150 bis 170 mm betragen. Zusätzlich sollte das Verhältnis der Flächenbereiche der oberen und unteren Flächen des Randbelastungsrings so gewählt werden, dass es wirksam den aufgebrachten Druck erniedrigt, um somit die Poliergeschwindigkeit zu reduzieren und den "schnellen Bandeffekt" zu kompensieren.
Betrachtet man die 5, so kann der Trägerkopf 100 eine Kombination aus der unteren Klemmeinrichtung und dem Randbelastungsring 230 einschließen. Der Klemm/Belastungsring 230 umfasst einen im allgemeinen ringförmigen horizontalen Klemmabschnitt 232, der zwischen der oberen Klemmeinrichtung 174 und der Halteplatte 170 angeordnet ist, und einen allgemein ringförmigen Belastungsabschnitt 234, der sich um den Rand der Halteplatte 170 erstreckt. Der Belastungsabschnitt 234 umfasst einen Vorsprung 220 und einen Flansch 222, die demselben Zwecke wie die Elemente im Trägerkopf 100a dienen. Das Unter-Druck-Setzen der Kammer 190 übt eine nach unten gerichtete Kraft auf die flexible Membran 116 und den Klemm/Belastungsring auf, um einen Druck auf die zentralen Abschnitte beziehungsweise die Umfangsabschnitte des Substrats auszuüben. Zusätzlich zur Erzeugung einer fluiddichten Abdichtung, um eine Vakuumeinspannung des Substrats zu gewährleisten, kann die Blase 144 verwendet werden, um den Druck einzustellen, der durch den Belastungsabschnitt 234 auf den Substratumfang ausgeübt wird. Insbesondere bewirkt das Unter-Druck-Setzen der Blase 144, dass sich die Membran 140 ausdehnt, um die obere Klemmeinrichtung 174 zu berühren und einen nach unten gerichteten Druck auf den Klemm/Belastungsring 230 auszuüben. Diese Konfiguration hilft zu gewährleisten, dass die Ausdehnung der flexiblen Membran nach außen die Bewegung des Belastungsabschnitts 234 nicht stört.
Betrachtet man die 6, so umfasst der Trägerkopf 100c einen Randbelastungsringaufbau 240. Der Randbelastungsringaufbau 240 weist drei ringförmige Belastungsringe auf, die einen inneren Belastungsring 242, einen mittleren Belastungsring 244 und einen äußeren Belastungsring 246 einschließen. Natürlich kann der Randbelastungsringaufbau 240, obwohl er mit drei Belastungsringen dargestellt ist, zwei oder vier oder mehr Belastungsringe aufweisen. Zusätzlich kann der inneren Belastungsring mit dem Klemmring kombiniert werden. Der Trägerkopf 100c ist ohne eine Blase dargestellt, obwohl er eine Blase einschließen kann, die oberhalb der oberen Klemmeinrichtung 174 oder dem Randbelastungsringaufbau 240 angeordnet ist.
Jeder Belastungsring umfasst eine untere Fläche 202c für das Aufbringen eines nach unten gerichteten Drucks auf einen ringförmigen Umfangsabschnitt des Substrats, und einen Randabschnitt 204c, der sich vom Hauptkörper des Belastungsrings nach innen erstreckt. Der Randabschnitt des inneren Belastungsrings 242 erstreckt sich über die flexible Membran 118. Der Randabschnitt des mittleren Belastungsrings 244 erstreckt sich über eine Leiste 252, die in der äußeren Fläche des inneren Belastungsrings 242 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise steht der Randabschnitt des äußeren Belastungsrings 246 über eine Leiste 254, die im mittleren Belastungsring 244 ausgebildet ist, vor. Wenn der Substratträgeraufbau 112 durch das Erniedrigen des Drucks in der Kammer 190c vom Polierkissen abgehoben wird, greifen die Leisten an den Randabschnitten an, um den Randbelastungsringaufbau 240 vom Polierkissen abzuheben.
Der Randbelastungsringaufbau kann verwendet werden, um die Druckverteilung über eine Vielzahl von Druckbereichen einzustellen. Der Druck, der auf jeden Bereich ausgeübt wird, wird mit dem Druck in der Kammer 190c variieren, wobei aber die Druckbelastungen, die durch die Belastungsringe 242, 244 und 246 ausgeübt werden, nicht dieselben sein müssen. Insbesondere kann der Druck P_i, der durch einen gegebenen Randbelastungsring ausgeübt wird, aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
wenn man annimmt, dass
wobei A_U1 der Flächenbereich der oberen Oberfläche 214c, der die Biegungsmembran 116 berührt ist, A_Li der Flächenbereich der unteren Fläche 202c ist, und P_M der Druck in der Kammer 190c ist. Beispielsweise können die Belastungsringe 242, 244 und 246 so konfiguriert werden, dass A_U1/A_Li = 1,2, A_U2/A_L2 = 1,0 und A_U3/A_L3 = 0,8. In diesem Fall wird, wenn der Druck P_M in der Kammer 190c 5,0 psi beträgt, P₁ 6,0 psi, P₂ 5,0 psi und P₃ 4,0 psi betragen. In ähnlicher Weise wird, wenn der Druck P_M 10,0 psi beträgt, P₁ 12,0 psi, P₂ 10,0 psi und P₃ 8,0 psi betragen. Somit ermöglicht der Randbelastungsringaufbau 240 eine individuelle Steuerung der Druckbelastungen, die auf die verschiedenen Umfangsbereiche des Substrats ausgeübt werden, während nur ein einziger Eingangsdruck von der Kammer 190c verwendet wird. Durch das Auswählen einer passenden Druckverteilung für die verschiedenen Bereiche des Substrats kann die Gleichförmigkeit des Polierens verbessert werden. Wenn der Trägerkopf 240c eine Blase einschließt, so kann sie verwendet werden, um einen zusätzlichen Druck auf den Halteaufbau oder auf einen oder mehrere der Randbelastungsringe aufzubringen.
Betrachtet man die 7A, so umfasst der Trägerkopf 100d eine flexible Membran 118d, die einen zentralen Abschnitt 260, einen äußeren Abschnitt 262 und eine ringförmige Klappe 264 aufweist. Der äußere Abschnitt 262 erstreckt sich zwischen der äußeren Oberfläche der Halteplatte 170 und der inneren Oberfläche des Randbelastungsrings 120d, um zwischen der Halteplatte und der unteren Klemmeinrichtung 172 festgeklemmt zu werden. Die Klappe 264 der flexiblen Membran 118d erstreckt sich unter dem Randbelastungsring 120d, so dass die untere Fläche 202d auf einer oberen Fläche 268 des äußeren Abschnitts der flexiblen Membran 118d ruht. Eine Vielzahl von Schlitzen oder Nuten 266 können in der oberen Fläche 268 der Klappe 264 ausgebildet sein. Die Nuten 266 liefern einen Raum für die Klappe 264, um unter einem Druck vom Randbelastungsring 120d zu kollabieren, um somit die Druckverteilung auf den Rand des Substrats zu glätten. Der Trägerkopf 100d erfordert keinen Trägerfilm auf der unteren Fläche des Randbelastungsrings. Zusätzlich kann, wenn die Kammer 190 evakuiert wird, die Klappe gegen das Substrat 10 gezogen werden, um eine Dichtung auszubilden und die Vakuumeinspannung des Substrats zu verbessern, wie das in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6,159,079 mit dem Titel "A CARRIER HEAD FOR A CHEMICAL MECHANICAL POLISIHING" beschrieben ist.
Die flexible Membran kann am Randbelastungsring beispielsweise durch eine Schnappverbindung, eine Spannbefestigung, ein Haftmittel oder eine Bolzenanordnung befestigt werden, um zu verhindern, dass sich die Membranklappe zu weit nach unten erstreckt, wenn das Substrat aus dem Trägerkopf ausgespannt werden soll. Beispielsweise kann die flexible Membran 118d, wie das in 7B gezeigt ist, am Randbelastungsring 120d' aufgespannt sein. Eine äußere Fläche 208d' des Randbelastungsrings 120d' umfasst eine ringförmige Vertiefung oder Nut 274, und die Klappe 264' der flexiblen Membran 118d' umfasst einen dicken Randabschnitt 276. In einem ungespannten Zustand weist der Randabschnitt 276 einen Durchmesser auf, der leicht kleiner als der Durchmesser der Vertiefung 274 ist. Die flexible Membran kann jedoch gedehnt werden, um den Randabschnitt um die äußere Fläche des Randbelastungsrings zu streifen, bis er in die ringförmige Vertiefung passt. Die Spannung im Randabschnitt hält somit die flexible Membran am Randbelastungsring befestigt.
Betrachtet man die 7C, so umfasst die Klappe 264'' der flexiblen Membran 118d'' einen Flanschabschnitt 277, der sich um die äußere Oberfläche 208'' und nach innen entlang der oberen Oberfläche 226'' des Randbelastungsrings 120d'' erstreckt. Die Zugkraft im Flanschabschnitt hält die flexible Membran am Randbelastungsring befestigt.
Betrachtet man die 7D, so kann die Klappe 265''' der flexiblen Membran 118d''' am Randbelastungsring 120d''' mit einer Klebstoffschicht 278 befestigt werden. Insbesondere kann die Klebstoffschicht 278 auf der unteren Fläche 202''' des Randbelastungsrings 120d''' platziert werden. Der Klebstoff kann ein bei Raumtemperatur vulkanisiertes (RTV) Silikon sein.
Betrachtet man die 8, so weist in einem Trägerkopf 100e der Haltering 110e einen Biegungshalteflansch 270 auf, der von der inneren Fläche 182e des Halterings nach innen vorsteht. Der Biegungshalteflansch 270 ist ein im allgemeinen ringförmiger Vorsprung, der neben einer oberen Fläche 272 des Halterings 110e angeordnet ist. Der Biegungshalteflansch 270 ist so angeordnet, dass er einen Abschnitt der Biegungsmembran 116e, der nicht zwischen dem Haltering 110e und der Basis 104 eingeklemmt ist, hält.
Im Betrieb wird, wenn Fluid in die Kammer 190e gepumpt wird, ein Teil des nach unten gerichteten Drucks von der Biegungsmembran 116e durch den Biegungshalteflansch 270 zum Haltering 110e gerichtet. Somit übt die Biegungsmembran 116e eine geringere nach unten gerichtete Kraft auf den Randbelastungsring 120 aus, um somit den Druck, der auf den Umfangsabschnitt des Substrats ausgeübt wird, zu erniedrigen. Dies ergibt sich zum Teil dadurch, dass der Biegungshalteflansch 270 einen Teil des nach unten gerichteten Drucks, der von der Biegungsmembran 116e ausgeübt wird, absorbiert. Der Biegungshalteflansch 270 kann mit jedem der Elemente der vorigen Implementierungen kombiniert werden.
Betrachtet man die 9, so wird im Trägerkopf 100f der Biegungshalteflansch durch einen entfernbaren Biegungshaltering 280 ersetzt. Bei dieser Implementierung umfasst der Haltering 110f eine Leiste 282, die in der inneren Fläche 182f des Halterings 110f nahe der Basis 104 ausgebildet ist. Der Biegungshaltering 280 ist im allgemeinen ein ringförmiges Element, das eine L-förmige Querschnittsfläche aufweist, das auf der Leiste 282 gehalten wird. Der Biegungshaltering 280 liefert im allgemeinen dieselbe Funktion wie der Biegungshaltering, der oben besprochen wurde.
Betrachtet man die 10, so ist im Trägerkopf 100g die innere Fläche 182g des Halterings 110g vom Randbelastungsring 120g durch einen Spalt 290 getrennt. Der Spalt 290 kann eine Breite von ungefähr 2,0 bis 5,0 mm aufweisen. Im Gegensatz dazu wird im Trägerkopf der 2 und 3 der Spalt zwischen dem Randbelastungsring und dem Haltering nur ungefähr 0,5 bis 2,0 mm betragen. Während des Polierens wird die Reibungskraft vom Polierkissen das Substrat 10 auf die Hinterkante des Trägerkopf drücken, das heißt in einer Richtung, die der Rotationsrichtung des Polierkissens entspricht. Durch das Vorhandensein des Spalts 290 kann das Substrat 10 relativ zum Substratträgeraufbau 112 gleiten. Wenn beispielsweise der Waferrand 12 die Hinterkante des Substrats darstellt, so wird das Substrat 10 nach links gedrückt, so dass die Hinterkante 12 unter dem Spalt 290 angeordnet ist. Andererseits wird die (nicht gezeigte) Vorderkante des Substrats unter dem Randbelastungsring 120g angeordnet. Somit wird der Randbelastungsring 120g mehr auf die Vorderkante als auf die Hinterkante des Substrats nach unten gedrückt. Da ein Teil des Randeffekts durch die Verformung des Substrats verursacht werden kann, dort wo die Hinterkante des Substrats gegen den Haltering gedrückt wird, kann das Reduzieren des Drucks auf die Hinterkante die Gleichförmigkeit des Polierens verbessern.
Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können in Kombination verwendet werden. Zusätzlich kann, obwohl die Vorteile des Randbelastungsrings für abgeflachte Substrate erläutert wurden, der Trägerkopf mit anderen Sorten von Substraten, wie mit gekerbten Wafern verwendet werden. Im allgemeinen kann der Randbelastungsring verwendet werden, um den Druck, der auf den Umfangsabschnitt eines Substrats ausgeübt wird, einzustellen, um ein nicht gleichförmiges Polieren zu kompensieren.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer Anzahl von Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Der Umfang der Erfindung wird vielmehr durch die angefügten Ansprüche definiert.

Claims

Trägerkopf für das chemische mechanische Polieren eines Substrats – mit einer Basis (104), – mit einer flexiblen Membran (118), die sich unter der Basis zur Begrenzung einer unter Druck setzbaren Kammer (190) erstreckt, wobei eine untere Fläche (192) der flexiblen Membran eine erste Fläche zum Aufbringen einer ersten Belastung auf einen ersten Abschnitt des Substrats (10) bildet, und – mit einem starren Element (120), das bezüglich der Basis bewegbar ist, wobei eine untere Fläche (202) des starren Elements eine zweite Fläche zum Aufbringen einer zweiten Belastung auf einen zweiten Abschnitt des Substrats bildet.
Trägerkopf nach Anspruch 1, bei welchem das starre Element ein Randbelastungsring (120) ist, der die erste Fläche (192) der Membran (118) umgibt, und ein Haltering (110) den Randbelastungsring umschließt, um das Substrat unter der ersten und zweiten Fläche zu halten.
Trägerkopf nach Anspruch 2, bei welchem die flexible Membran (118) mit einem Halteaufbau (114) verbunden ist, der beweglich mit der Basis über eine Biegung (116) verbunden ist.
Trägerkopf nach Anspruch 3, bei welchem die flexible Membran (118) sich zwischen einer äußeren Fläche des Halteaufbaus (114) und einer inneren Fläche des Randbelastungsrings (120) erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 4, bei welchem der Randbelastungsring (120) einen Randabschnitt (204) aufweist, der an dem Halteaufbau anliegt, um einen Spalt zwischen der inneren Fläche des Randbelastungsringes (120) und der flexiblen Membran (118) aufrechtzuerhalten.
Trägerkopf nach Anspruch 3, bei welchem der Randbelastungsring (120) einen Randabschnitt (232) hat, der sich über einem Abschnitt des Halteaufbaus (114) erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 3, bei welchem eine obere Fläche (214) des Randbelastungsrings (120) an einer unteren Fläche der Biegung (116) anliegt.
Trägerkopf nach Anspruch 7, bei welchem die unter Druck Setzung der Kammer (190) eine Abwärtskraft auf den Randbelastungsring (120) durch die Biegung (116) hindurch wirken lässt.
Trägerkopf nach Anspruch 8, bei welchem der Flächenbereich der oberen Fläche des Randbelastungsrings (120) größer ist als der Flächenbereich der unteren Fläche des Randbelastungsrings.
Trägerkopf nach Anspruch 8, bei welchem der Flächenbereich der oberen Fläche (214) des Randbelastungsrings (120) kleiner ist als der Flächenbereich der unteren Fläche (202) des Randbelastungsrings.
Trägerkopf nach Anspruch 3, bei welchem ein äußerer Rand der Biegung zwischen dem Haltering (110) und der Basis (104) eingeklemmt ist.
Trägerkopf nach Anspruch 3, welcher weiterhin einen ringförmigen Biegungshalter aufweist, der mit dem Haltering (110) verbunden ist und einen Umfangsabschnitt der Biegung hält.
Trägerkopf nach Anspruch 12, bei welchem der Biegungshalter als mit dem Haltering (110) ein Stück bildendes Teil ausgebildet ist.
Trägerkopf nach Anspruch 12, bei welchem der Biegungshalter (116) lösbar mit dem Haltering (110) verbunden ist.
Trägerkopf nach Anspruch 3, bei welchem der Randbelastungsring (120) mit dem Halteaufbau (114) verbunden ist.
Trägerkopf nach Anspruch 3, bei welchem der Halteaufbau eine Halteplatte (170), eine untere Klemmeinrichtung (230) und eine obere Klemmeinrichtung (174) aufweist, wobei die flexible Membran (118) zwischen der Halteplatte (170) und der unteren Klemmeinrichtung (230) eingeklemmt ist, die Biegung (116) zwischen der unteren Klemmeinrichtung (230) und der oberen Klemmeinrichtung (174) eingeklemmt ist und der Randbelastungsring (220) mit der unteren Klemmeinrichtung (230) verbunden ist.
Trägerkopf nach Anspruch 2, welcher weiterhin eine Schicht (212a) aus einem kompressiblen Material aufweist, die auf der unteren Fläche des Randbelastungsrings (120) angeordnet ist.
Trägerkopf nach Anspruch 2, bei welchem der Randbelastungsring einen Randabschnitt (210) hat, der sich über der flexiblen Membran (118) erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 2, bei welchem die untere Fläche des Randbelastungsrings (120) einen ringförmigen Vorsprung (222) mit einem Innendurchmesser hat, der größer ist als ein Außendurchmesser der ersten Fläche (192).
Trägerkopf nach Anspruch 19, bei welchem der Randbelastungsring einen Ringflansch (222) hat, der sich innerhalb des ringförmigen Vorsprungs befindet und nach unten vorsteht, um eine Erstreckung der flexiblen Membran (118) unter dem Randbelastungsring zu unterbinden.
Trägerkopf nach Anspruch 2, bei welchem der Randbelastungsring (120) so gestaltet ist, dass er sich über einer Abflachung des Substrats (10) erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 21, bei welchem die untere Fläche des Randbelastungsrings (120) einen ringförmigen Vorsprung (220) hat, der sich über wenigstens einen Abschnitt der Abflachung erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 22, bei welchem [(RI + RO)/2] > RF ist, wenn RI einen Innenradius des ringförmigen Vorsprungs, RO einen Außenradius des ringförmigen Vorsprungs und RF den minimalen Abstand zwischen der Substratmitte und der Substratabflachung darstellt.
Trägerkopf nach Anspruch 2, welcher weiterhin einen zweiten Randbelastungsring (242) aufweist, der die zweite Fläche (202) umgibt, wobei eine untere Fläche (202c) des zweiten Randbelastungsrings eine dritte Fläche zum Aufbringen einer dritten Belastung auf einen zweiten Umfangsabschnitt (212c) des Substrats bildet.
Trägerkopf nach Anspruch 24, welcher weiterhin einen dritten Randbelastungsring (246) aufweist, der die dritte Fläche (202c) umgibt, wobei eine untere Fläche (202c) des dritten Randbelastungsrings eine vierte Fläche zum Aufbringen einer vierten Belastung auf einen dritten Umfangsabschnitt des Substrats bildet.
Trägerkopf nach Anspruch 2, bei welchem sich ein Abschnitt (264) der flexiblen Membran (118) unter die untere Fläche des Randbelastungsrings (120d) erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 26, bei welchem der Abschnitt (264) der flexiblen Membran (118d), der sich unter der unteren Fläche des Randbelastungsrings (120d) erstreckt, eine Vielzahl von Nuten (266) hat.
Trägerkopf nach Anspruch 26, bei welchem der Abschnitt (264) der flexiblen Membran (118d), der sich unter der unteren Fläche des Randbelastungsrings (120d) erstreckt, an dem Randbelastungsring festgelegt ist.
Trägerkopf nach Anspruch 2, bei welchem eine äußere Fläche des Randbelastungsrings (120g) von einer inneren Fläche (182g) des Halterings (110g) durch einen Spalt (290) getrennt ist, der so positioniert ist, dass Reibungskräfte zwischen dem Substrat und einem Polierkissen eine Hinterkante des Substrats in den Spalt drücken.
Trägerkopf nach Anspruch 1, bei welchem die Basis – einen ringförmigen Hauptkörperabschnitt mit einem ringförmigen Vorsprung, der sich von dem Hauptkörperabschnitt aus nach unten erstreckt und eine untere Fläche für einen Kontakt mit einem Umfangsabschnitt eines Substrats hat, und – einen Flanschabschnitt aufweist, der nach oben von dem Hauptkörperabschnitt aus vorsteht und einen nach innen vorstehenden Rand für ein Angreifen an einem Teil des Trägerkopfs hat.
Verfahren zum Polieren eines Substrats, bei welchem – das Substrat in Kontakt mit einer polierenden Oberfläche gebracht wird, – eine erste Belastung an einen zentralen Abschnitt des Substrats mit einer flexiblen Membran angelegt wird und – eine zweite Belastung an einen Umfangsabschnitt des Substrats mit einem Randbelastungsring angelegt wird, der starrer ist als die flexible Membran.
Verfahren nach Anspruch 31, bei welchem das Substrat einen abgeflachten Randabschnitt hat.
Verfahren nach Anspruch 32, bei welchem der Randbelastungsring den abgeflachten Randabschnitt des Substrats während des Polierens überlappt.