WO2005005101A1 - Halter für flache werkstücke, insbesondere halbleiterwafer zum chemisch-mechanischen polieren - Google Patents

Halter für flache werkstücke, insbesondere halbleiterwafer zum chemisch-mechanischen polieren Download PDF

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WO2005005101A1
WO2005005101A1 PCT/EP2003/007376 EP0307376W WO2005005101A1 WO 2005005101 A1 WO2005005101 A1 WO 2005005101A1 EP 0307376 W EP0307376 W EP 0307376W WO 2005005101 A1 WO2005005101 A1 WO 2005005101A1
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WO
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pressure
holding plate
chambers
annular
membrane
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Application number
PCT/EP2003/007376
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English (en)
French (fr)
Inventor
Howe Gripp
Roy Keipke
Original Assignee
Peter Wolters Surface Technologies Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Priority to JP2005503807A priority patent/JP2007507079A/ja
Priority to AU2003250921A priority patent/AU2003250921A1/en
Priority to PCT/EP2003/007376 priority patent/WO2005005101A1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/27—Work carriers
    • B24B37/30—Work carriers for single side lapping of plane surfaces

Definitions

  • the invention relates to a holder for flat workpieces, in particular semiconductor wafers for chemical mechanical polishing, according to claims 1, 5 and 6.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the wafer is polished with the aid of a both caustic and abrasive polishing agent on a polishing cloth made of plastic with rotational and possibly oscillatory movement of the polishing cloth and the wafer with a defined pressing force.
  • the polishing agent slurry
  • the slurry used consists of a chemically aggressive solution in which particles such. As silicon dioxide, are added in colloidal suspension.
  • the wafers are held by a holder or carrier and pressed against the polishing work surface.
  • the holders are connected to a spindle of a drive machine, which is height-adjustable in order to move the wafer against the work surface.
  • Another embodiment of the holder provides a membrane which is arranged below the holder from flexible material.
  • the membrane transfers the contact pressure to the wafer.
  • US 5,964,653 it has also become known to form three chambers with the aid of a holding plate and a membrane attached to the underside of the holding plate, namely a central circular chamber and two annular chambers arranged concentrically around the central chamber, each with a channel in the Spindle connected.
  • a fluid source is connected under pressure to the three channels via a rotary distributor in order to control the contact pressure on the wafer.
  • the holder is coupled to the drive spindle of the drive machine via a universal joint.
  • a similar system has become known from WO 02/004172 A3. It uses two membranes arranged one above the other, between which a different pressure is applied to three chambers, which are formed above the contact surface.
  • the invention has for its object to provide a holder for flat workpieces, in particular for chemical-mechanical polishing of semiconductor wafers, with which an adaptation to the desired removal profile of the wafer can be achieved in a simple manner.
  • the holder of claim 1 provides on the underside of a holding plate a relatively thin flexible membrane which forms a plurality of concentric annular chambers with the underside of the holding plate.
  • a number of switching valves are arranged in the housing of the holder according to the number of annular chambers, all of which are connected together to a channel in the spindle.
  • the channel in the spindle is connected in the upper area with a so-called rotary distributor, ie with a steady supply of fluid under pressure.
  • a vacuum connection is optionally available.
  • the holding plate has a distribution channel system which is connected to the annular chambers via vertical bores.
  • the switching valves can be attached directly to the top of the holding plate and connected to the distribution channel system, so that transmission lines or hoses are not required. It is also conceivable to guide the channel in the drive spindle into the holding plate if the drive spindle is in direct connection with the upper side of the holding plate. In this case, the supply of the pressure medium to the switching valves can do without lines.
  • pressure sensors are arranged in the housing, which are connected to the ring chambers and the output of which is led outside by means of a sensor line via the rotary transmission device.
  • the pressure sensors are e.g. B. Pressure switches that are set to a predetermined value and indicate whether the set value is reached or exceeded.
  • the pressure in the individual annular chambers can thus be monitored continuously. It is also possible to detect damage in the membrane.
  • all outputs of the pressure sensors can be placed on the output lines. Since, as mentioned, the individual annular chambers are supplied with pressure in series, the signal value generated by the pressure sensors can be detected synchronously, so that the pressure determined applies to the pressure chamber whose switching valve has just been opened. If pressure switches are used as pressure sensors, they can only be queried if a pressure in all chambers is greater than the switching pressure for the pressure switch is present. This means that permanent monitoring of each individual ring chamber is no longer possible.
  • a stator of a slip ring arrangement is attached to the underside of the stationary ceiling wall.
  • a rotor of the slip ring arrangement is attached to the outside of the spindle or a bearing journal of the drive spindle, which is connected to the holding plate.
  • the slip rings are connected to the switching valves or the signal outputs of the pressure sensors via control lines.
  • the slip ring arrangement is protected within the holder housing and it is not necessary to lead a plurality of electrical lines via a cable through the spindle into the interior of the housing.
  • a plurality of ring-shaped flat recesses are provided on the underside of the holding plate, which are arranged concentrically to the spindle axis and which are preferably flatly concave or fluted. They can be optionally connected to a pressure source or a vacuum via a pressure distribution device inside the housing of the holder or via the drive spindle. It has already been stated at the beginning that holders for wafers must also transport them, which is normally done by means of negative pressure. The vacuum can be transferred to the wafer directly via holes in the membrane or the holding plate.
  • a suction effect is generated with the aid of the flexible membrane, whereby depending on the control, only one annular chamber or certain annular chambers are subjected to a vacuum in order to exert a suction effect on the wafer.
  • the ring chambers are fairly flat, at most 1 to 2 mm deep.
  • the outer diameter of the membrane which is held on the underside of the holding plate is larger than that of the workpiece or the inner diameter of the retaining ring.
  • the holder In order to prevent the wafer from slipping relative to the holder during polishing, it is known to provide the holder with a so-called retaining ring, the inside diameter of which is approximately equal to the outside diameter of the wafer. It is also known to make the retaining ring height-adjustable relative to the holder and to provide a suitable adjusting device, for example a roller membrane or the like, with which the return ring is pressed against the polishing cloth with more or less pressure when the wafer is pressed against the work surface with the aid of the holder becomes.
  • the outer edge of the membrane together with the holding plate, forms a pressure chamber which is arranged above the lower section of the retaining ring and with which a pressure at the desired height is exerted on the retaining ring or another ring arranged in this area in order to produce a specific one Apply pressure to the polishing cloth.
  • the wafer is pressed into the polishing cloth by a certain amount. Therefore, a stronger removal in the edge area of the wafer can hardly be avoided if no countermeasure is taken.
  • the outer annular chamber it is now achieved that the polishing cloth is pressed down by a desired amount in the area which is adjacent to the edge of the wafer.
  • the polishing cloth is pressed down more, only very weak or no ablation takes place in the edge area of the wafer.
  • the strength of the removal in the edge region of the wafer can therefore be set to a desired value with the aid of the outer annular chamber of the membrane. It is known during the polishing process to first move the holder with the picked-up wafer via a so-called electrical axis to a lower point above the work surface, so that the wafer is at an extremely short distance from the surface of the polishing cloth, for example at a distance of less than 1 mm. When approaching such an end point, the vertical or axial play of the spindle must be taken into account, which is naturally not zero.
  • an embodiment of the invention provides that the membrane has at the top a plurality of annular bellows concentric to the spindle axis, which are fixed to the underside of the holding plate and which specify the maximum size of the stroke of the membrane when the pressure in the annular chambers.
  • the bellows allow a relatively large stroke of the membrane, so that the stroke generated with the aid of the membrane is in any case greater than the maximum vertical tolerance of the drive spindle and the maximum allowable removal of the working surface taken together. With the help of such an embodiment, a path-independent polishing force can therefore be realized in a large stroke range.
  • the ring-shaped bellows can also serve as ring-shaped elevations, which have an annular slot on the top, for fastening the membrane to the holding plate, in that the bellows or elevations are received in ring-shaped recesses on the underside of the holding plate.
  • the elevations or bellows take up clamping rings which have upwardly projecting projections which extend through the Extend the slot upwards and pull it against the bottom of the annular recess by means of screws in the holding plate. As a result, the bellows are fixed on the holding plate.
  • the clamping rings serve to seal the slots and separate the ring chambers from one another.
  • the bellows or the annular elevations form a first type of annular chamber on the inside and a second type of annular chamber between adjacent elevations, each of which is connected to the pressure distribution device via at least one vertical bore.
  • the holding plate consists of three individual plates arranged one above the other, of which the lower one holds the membrane and between the middle and the upper single plate a distribution channel system is formed, which on the one hand with the individual annular chambers of the membrane and via vertical holes in the upper single plate is connected to the pressure distribution system or the switching valves.
  • the upper and middle single plate can be connected directly to the spindle or a spindle pin by means of a screw connection, while the lower single plate is screwed to at least one block sitting on the upper single plate and can be detached separately with the membrane taken up. Since the membrane is a wearing part, only the lower individual plate needs to be loosened to replace the membrane. It is possible to actuate the screws through corresponding holes in the ceiling section of the housing, which are each passed through a block for the purpose of screwing with a threaded hole in the lower individual plate.
  • the retaining ring for the retaining ring is designed as an annular component that can be unscrewed which is first removed when the lower individual plate is to be detached.
  • the blocks described, which are screwed to the upper single plate, can also serve to hold the housing of the pressure sensors, vertical bores in the holding blocks simultaneously forming channels for connecting the pressure sensors to the distribution channel system in the upper and middle single plate. A line or hose connection to the individual ring chambers is therefore also superfluous for the pressure sensors.
  • the membrane has a hole in the center, which is connected to a further channel in the spindle via a bore in the holding plate, the further channel being optionally connectable to a pressure or vacuum source.
  • a vacuum can be used to determine whether there is a wafer on the membrane. A check is therefore obtained as to whether a wafer has actually been picked up after a picking-up process.
  • a certain pressure is applied to the central bore, which prevents no erosion in the area of the hole. The fluid pressure therefore compensates for the absence of the membrane in the area of the hole.
  • Fig. 1 shows a section through a schematically illustrated holder according to the invention.
  • Fig. 2 shows part of the holder according to the invention immediately before a polishing process on a polishing plate.
  • FIG. 3 shows a representation similar to FIG. 2 with a picked-up wafer resting on the work surface.
  • Fig. 4 shows the pressing of the wafer against the work surface, with the retaining ring in a first position.
  • FIG. 5 shows a representation similar to FIG. 4, with the retaining ring occupying a second position.
  • Fig. 6 shows a section through a holder according to the invention with all details.
  • FIG. 7 shows a representation similar to FIG. 6, but some details have been omitted.
  • FIGS. 6 and 7 shows the top view of the holder according to FIGS. 6 and 7 with the ceiling section removed.
  • Fig. 9 shows a similar representation as Fig. 7, but with components removed.
  • 10 shows the membrane of the holder according to FIGS. 6 to 9.
  • FIG. 11 shows an enlarged detail of the holder according to FIG. 6 or 7 in the edge region.
  • a holder 10 for semiconductor wafers is shown schematically in FIG. 1. It has a housing with an annular wall section 12, a disk-shaped ceiling section 14 and a holding plate 16 in the lower region of the housing, which consists of a lower plate 18 and an upper plate 20, which are arranged one above the other and can be firmly connected to one another.
  • a drive spindle 22 is connected to a suitable drive device (not shown) for the purpose of rotation and, if necessary, linear horizontal movement, and is inserted into the interior of the housing of the holder 10 via the ceiling section 14 and firmly connected to the upper plate 20.
  • the ceiling section 14 is stationary, as indicated at 24. This will be discussed further below.
  • a retaining ring 26 is arranged with an inwardly drawn section on the inside of the wall section 12, and a bellows 28 is arranged between this section and a shoulder of the wall section 12.
  • the retaining ring 26 is biased upwards by a spring 30 against the bellows 28.
  • the retaining ring 26 holds a retaining ring 32 on its underside which extends radially inward and extends below a portion of the lower plate 18.
  • the lower plate 18 has on the underside six annular flat depressions of different widths arranged concentrically to the spindle axis.
  • the lenticular depressions are relatively flat and have z. B. a maximum depth of 1 to 1.5 mm.
  • At the bottom of the lower plate 18 is a circular one Membrane 36 arranged.
  • webs 38 of the membrane 36 which form flanges 40 on the upper side, are connected to the plate 18.
  • the membrane is held on the lower plate 18.
  • the depressions 34 and the membrane 36 form six annular chambers MK1 to MK6.
  • Each chamber MK1 to MK6 is connected to a switching valve 44 in the housing of the holder 10 via at least one vertical bore 42 in the plates 18 and 20. 1, the switching valves 44 are only indicated symbolically.
  • a first axial channel 46 is connected in the spindle 22 via a rotary connection 48 to a stationary line 50 which can be connected to a regulated pressure source (not shown) or optionally with a vacuum.
  • the channel 46 is led out inside the housing of the holder 10 and connected to a line 52, which is connected to all the inputs of the switching valves 44.
  • the pressure prevailing in line 50 is transferred to the chamber MK1 to MK6 whose switching valve 44 is open. In this way it is possible to gradually build up a desired pressure in the individual chambers MK1 to MK6.
  • the switching valves 44 are controlled via a rotary transducer 54, for example via slip rings.
  • a rotor 56 of the rotary transducer 54 is fixedly connected to the spindle 22 and two stator sections 58 interact with the rotor 56.
  • twice 5 brushes interact with ten slip rings, eight slip rings being required to control the seven switching valves 54.
  • the electrical connection of the stator 58, which is connected to the ceiling section 14, is not shown here.
  • two cables are required, which are led to the stator sections 58 via a corresponding passage in the ceiling section 14. If a single stator is provided, a single cable is sufficient.
  • Fig. 1 it can also be seen that a semiconductor wafer 60 is present on the underside of the membrane 36.
  • a further chamber MK7 is thus formed above the retaining ring 32 and is likewise connected to a switching valve 44 via a channel 62.
  • seven pressure sensors 64 are arranged, which are connected to the pressure chambers MK1 to MK7 via vertical bores 66.
  • the pressure sensors 64 determine the pressure in the pressure chambers MK1 to MK7.
  • the signal outputs of the pressure sensors 64 are connected via the slip ring transmitter 54 to an external control device (not shown) which evaluates the signals. It can therefore be determined whether the desired pressure prevails in the chambers MK1 to MK7. Possibly. can then be adjusted.
  • the pressure sensors can be used to determine whether the membrane 36 is working properly. It is indeed possible to lead individual lines from the pressure sensors 64 to the outside via the rotary transducer 54. However, this would require a total of eight lines.
  • a second channel 64 is provided in the spindle 22, which is connected via the rotary connection 48 to a line 66 which can also be connected to a pressure source.
  • the channel 64 is connected to the bellows 28 within the housing.
  • the retaining ring 32 can therefore be adjusted in height with the aid of the bellows 28.
  • the membrane 36 has a hole 68 in the center, which is connected via vertical bores in the plates 18, 20 with a third channel 70 in the spindle 22. Via the rotary connection 48, the channel 70 is connected to a line 72 which leads to a pressure source or optionally to a vacuum source.
  • the lower plate 18 is recessed above the hole at 74 in the shape of a cone section. The depression is connected to the vertical holes. In the case of vacuum, a negative pressure can therefore be generated at hole 68. This makes it possible to determine whether a wafer 60 is received by the holder 10. In the case of polishing, pressure is applied to the hole 68 to compensate for the absence of the membrane 36 in this area.
  • the holder 10 If the holder 10 is lowered onto a ready-to-use wafer, the wafer 60 being centered within the retaining ring 32, a vacuum is generated via the line 50 and the switching valves 44 on all or certain annular chambers MK1 to MK6, so that the wafer 60 is sucked is held because the membrane 36 bulges wholly or partially into the shallow recesses 34.
  • the spring 30 presses the retaining ring 32 into its uppermost position, and the bellows 28 is depressurized.
  • the holder 10 transports the wafer 60 to a polishing plate, which is shown in FIGS. 2 to 5 at 74 is indicated. He carries a Polishing cloth 76 and is driven to rotate about an axis, not shown, as is known per se.
  • the holder 10 is lowered via the spindle 22 to a point just above the top of the polishing cloth 76, for example at a distance of 1 mm or less. This is indicated in FIG. 2 with regard to the wafer 60.
  • the bellows 28 is supplied with pressure via the line 72, which ensures that the retaining ring 32 is moved against the polishing cloth 26. It should be mentioned that both the polishing plate 74 and the holder 10 are rotated.
  • the membrane 36 is now moved downward, a corresponding pressure profile acting on the wafer 60 in accordance with the pressure distribution in the individual chambers, in order to achieve a different removal of the wafer 60.
  • the pressure becomes gradually built up in the chambers MK1 to MK6, since it is only supplied via a single line 50 and this is connected to a controllable pressure source, for example a proportional valve.
  • a controllable pressure source for example a proportional valve.
  • Fig. 4 it can be seen that the wafer 60 is pressed into the after polishing cloth 76 by a small amount with appropriate pressure. If the retaining ring 32 remains in the indicated position, there is an increased removal at the edge of the wafer 60. This may or may not be desirable. If one wishes to avoid the increased removal or even to achieve a reduced removal at the edge, a corresponding pressure is generated in the chamber MK7, as shown in FIG. 5, whereby the retaining ring 32 compresses the polishing cloth 76 by a certain amount and thereby the polishing cloth from the outer edge of the wafer 60.
  • the chambers MK1 to MK7 are depressurized and then certain chambers MKl to MK6 are placed under vacuum in order to lift the wafer off the polishing plate 74.
  • a vacuum is applied to the hole 68 of the membrane 36 via the line 66, via which it is checked whether the wafer is actually in contact with the holder 10.
  • a slight excess pressure is generated at the hole 68, which prevents a reduced removal from taking place on the wafer 60.
  • the wafer Before a wafer is subjected to a polishing process with the aid of the described holder, the wafer must be picked up from a pick-up position. The front and back of the wafer are often wetted with slurry and / or water.
  • the following steps are carried out to pick up the wafer: the inner annular chamber MK1 is filled with a predetermined pressure via the control device (not shown).
  • the system waits until feedback is received via the assigned pressure sensor.
  • the control device controls the switching valves 44 in such a way that the ring chambers MK1 to MK6 are filled with a predetermined pressure one after the other with a time delay, that is to say from the inside to the outside. As a result, liquid standing on the wafer surface is displaced to the outside.
  • Figs. 7 and 9 it can be seen that the spindle 22 is mounted in a housing 80. It can also be seen that the ceiling section 14 of the holder 10 is fixedly connected to the housing 80 and therefore does not rotate with the other parts of the holder 10.
  • a pin 82 is firmly screwed to the spindle 22, which is rotatably mounted in the housing 80 by means of roller bearings 84 and extends downward.
  • the rotor 56 of the slip ring arrangement 54 sits on the pin 82, which is particularly good in FIGS. 7 and 9 can be seen. In the latter figures, the stator, which is connected to the ceiling section 14, is not shown.
  • the slip ring assembly 54 is located within a shell 86 which prevents abrasion from the slip ring assembly 54 from spreading within the housing of the holder 10.
  • the holding plate 16 according to FIG. 1 is composed of three individual plates 88, 90 and 100.
  • the plates 90, 100 are screwed together, as indicated at 102. Together they form a distribution channel system, which will be discussed further below.
  • the unit from the plates 90 and 100 is screwed to the pin 82.
  • One of the screws is designated 92 in FIG. 6.
  • two upright blocks 96 are fastened to the upper side of the upper individual plate 100 (also shown in FIG. 8). On average, they are almost trapezoidal.
  • the blocks 96 serve to attach pressure sensors, which are designated 98 in FIG. 8. A total of seven pressure sensors 98 corresponding to the pressure sensors 64 according to FIG.
  • Fig. 8 can also be seen that seven switching valves 108 are attached to the upper single plate 100. Both the input and the output of the switching valves 108 are connected to the distribution channel system between the plates 100 and 90, so that, as indicated in FIG. 1, they can be connected to a pressure or vacuum source.
  • the plate 90 has an upstanding axial collar which extends through an opening of the upper plate 100 and which has a bore 110.
  • the membrane 36 is attached to the underside of the lower plate 88.
  • the membrane 36 can be seen better in FIG. 10.
  • the membrane 36 has a thin flat portion 112 that is bellows-like at the edge, as shown at 114.
  • the lower plate 88 has three annular concentric recesses 120 which receive the annular bellows 114a.
  • the annular bellows 114a in turn receive ring strips 122, which are reversely T-shaped in section and are inserted through the slots 116.
  • the upper portion of the ring strips 122 is bolted to the lower plate 88 at circumferential intervals, as at 124 in FIGS. 7 and 9 can be seen.
  • the upper section also has a vertical bore 126 at circumferential intervals, which opens at the bottom in an annular groove 128 of the ring bar 122.
  • the bore 126 is oriented upwards to a bore 130 in the lower plate 88, which in turn is connected to the distribution channel system of the plates 90, 100, which is not shown in detail, in order to apply pressure or vacuum to the bore 126. As a result, this state is also communicated to the interior of the bellows 114a. Adequate sealing with respect to the plate 88 is achieved by the ring strip 122.
  • a somewhat larger annular recess 132 is formed on the edge of the plate 88, which receives both the bellows edge 114 and the annular fold 118.
  • a first L-shaped ring strip 134 undercuts the fold 118. It can be pressed against the bottom of the recess 132 by screws, not shown.
  • a ring 136 which is reversely L-shaped in section and which is pressed against the bottom of the recess 132 by the ring 134 and thereby fixes the bellows edge 114 in a clamping manner.
  • an outer annular chamber is formed between the annular bellows 114a and the fold 118, corresponding to the annular chamber MK6 according to FIG. 1.
  • An outermost chamber is formed between the fold 118 and the bellows edge 114, corresponding to the chamber MK7 according to FIG. 1. While the Kammem MKl to MK6 facing the flat portion 132 of the membrane 36, the outermost chamber MK7 acts on the retaining ring 32. The somewhat recessed portion of the membrane 36 below the connection of the fold 116 and the bellows edge 114 rests on the top of the retaining ring 32, as can be seen particularly well in FIG. 11.
  • the clamping rings 122, 134 have a groove 135 on the underside, through which fluid is distributed over the circumference of the annular chamber.
  • the ring chambers MK1 to MK6 are therefore realized within the annular bellows 114a and between the bellows 114a.
  • the annular chambers between the bellows 114a are also connected to a vertical bore 140 which is connected to the distribution channel system of the plates 90, 100.
  • the membrane 36 can be connected to the plate 88 in the manner described before it is mounted on the holder 10.
  • the assembly is carried out with the aid of longer bolts 142 (see FIG. 9) which are passed through a sleeve 144 within a block 96 and through corresponding openings in the plates 90, 100 to be screwed into a threaded hole 146 on the upper side of the plate 88 to become.
  • the threaded portion of the bolts 142 may be seated in a threaded hole in the top plate 100 to be held.
  • the screw bolts 142 are actuated via an opening in the ceiling section 14, as can be seen on the left-hand side of FIG. 9, where a so-called hnbus key is indicated at 148.
  • retaining ring 26 and retaining ring 32 can be preassembled as a unit and fastened laterally with the aid of grub screws 152 to an annular component 154 which is mounted in a vertically movable manner inside the housing and is actuated by the membrane 28.
  • the retaining ring 32 can be adjusted downward while being biased upward by a spring, which cannot be seen in FIG. 9.
  • the membrane 36 can therefore be easily replaced by simply removing the retaining ring 26 and retaining ring 32 and simply unscrewing the lower plate 98.
  • the membrane 36 is a wearing part and must be replaced from time to time.
  • the retaining ring 32 is screwed to the retaining ring 26 with the aid of a screw 156, it is not even necessary to loosen the retaining ring 26 to remove the lower plate 88.
  • the retaining ring 32 is also a wearing part and can therefore be replaced in a simple manner.
  • Fig. 6 it can be seen that two cables 160, 162 are connected to the ceiling section 14 of the holder 10 via corresponding connections and bushings, with individual wires being connected to the stator 58 and its brushes for actuating the switching valves 44 and 108 and the transmission of the signals from the pressure sensors 64 and 98.
  • this will not be dealt with in detail.
  • the holder 10 can be connected to the spindle 22 by a suitable screw connection. So z. B. another holder can be connected to the spindle 22, or a simple release of the holder 10 enables test specimen and maintenance work, if necessary. It is understood that the corresponding connection end of the pin 82 and the spindle 22 is designed such that the holder 10 is screwed onto the spindle 22 in the correct rotational position so that the three channels 46, 64, 70 are aligned with corresponding bores of the pin 82 are.
  • the bores in the pin 82 are connected to the distribution channel system of the plates 90, 100, so that the channels in the spindle 22 are connected to the switching valves 44 and 108 and to the pressure sensors 64 and 98, respectively.
  • the distribution channel system also ensures that the outputs of the switching valves are connected to the individual ring chambers MK1 to MK7, so that the desired pressure is generated in these chambers and a corresponding contact pressure of the membrane 36 against the received wafer 60 according to a predetermined pressure profile in the radial direction.
  • a central bore 170 is aligned with the central bore 110 of the upper plate 100 and with the aligned bore 172 in the lower plate 88. This in turn is aligned with the central hole 68 of the membrane 36 , As already mentioned, the presence of a wafer 60 on the underside of the membrane 36 can thus be detected.

Abstract

Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer zum chemischmechanischen en Polieren, der mit einer vertikalen Antriebsspindel gekoppelt ist, mit einem kreisförmigen Gehäuse, das einen Deckenabschnitt und eine Seitenwand (12) aufweist, einem Rückhaltering (26, 32) der zumindest den unteren Teil der Seitenwand bildet, einer Halteplatte (16) an der Unterseite des Gehäuses aus steifem Material, die mit der Spinde (22) gekoppelt und eine Ober- und eine Unterseite aufweist, einer flexiblen, relativ dünnen Membran (36) die an der Unterseite der Halteplatte angebracht ist und mit dieser mehr als drei ringförmige, konzentrisch zur Spindelachse angeordnete Kammern bildet, mindestens einem ersten Kanal (46) in der Antriebsspindel (22), der am oberen Ende mit einer geregelten Druckquelle oder mit Vakuum verbindbar und in das Gehäuse hineingeführt ist, mehreren elektrisch steuerbaren Schaltventilen (44, 108) im Gehäuse, die mit dem ersten Kanal und über Bohrungen in der Halteplatte (16) mit jeweils einer Kammer verbunden sind und über elektrische Steuerleitungen und einen Drehübertrager (54) mit einer externen elektrischen Steuervorrichtung verbunden sind zur Erzeugung eines in radialer Richtung unterschiedlichen Druckprofils während des Polierprozesses.

Description

Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer zum chemisch-mechanischen Polieren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer zum chemisch-mechanischen Polieren nach den Ansprüchen 1, 5 und 6.
Bei der Herstellung von Halbleiter-Chips werden die sogenannten Wafer mittels geeigneter Noπichtungen planarisiert bzw. abgetragen. Ein bekanntes Verfahren ist das chemisch-mechanische Polieren (kurz CMP). Bei diesem Verfahren wird der Wafer unter Zuhilfenahme eines sowohl ätzenden als auch abrasiven Poliermittels auf einem Poliertuch aus Kunststoff unter rotatorischer und gegebenenfalls oszillatorischer Bewegung des Poliertuchs und des Wafers mit definierter Andruckkraft poliert. Während des Poliervorgangs fließt das Poliermittel (Slurry) auf das Poliertuch und bildet eine Schicht zwischen Tuch und Wafer. Die verwendete Slurry besteht aus einer chemisch-aggressiven Lösung, in der Partikel, wie z. B. Siliziumdioxid, in kolloidaler Suspension zugegeben werden.
Während der Bearbeitung werden die Wafer von einem Haltern oder Carrier gehalten und mit diesem gegen die Polierarbeitsfläche gedrückt. Die Halter sind mit einer Spindel einer Antriebsmaschine verbunden, die höhenverstellbar gelagert ist, um den Wafer gegen die Arbeitsfläche zu bewegen.
Es ist bekannt, die untere Haltefläche des Halters von einer Stahlplatte zu bilden, die mit Bohrungen versehen ist, um über Nakuum den Wafer während des Transports an der Halteplatte zu halten. Die Halteplatte ist über ein Universalgelenk an die Spindel der Arbeitsmaschine gekoppelt, um einen gleichmäßigen Andruck zu erzielen. Ein derartiger Halter ist etwa aus DE 100 62 497 AI bekannt geworden. Aus DE 197 55 975 AI ist ferner bekannt geworden, eine Halteplatte höhenbeweglich im Halter zu führen und zwischen einem Tragabschnitt und der Halteplatte eine ringförmig geschlossene Membran anzuordnen. Der abgeschlossene Innenraum der Membran wird wahlweise mit Atmosphäre oder Nakuum bzw. einer Fluidquelle verbunden. Mit Hilfe von Druck und Nakuum wird eine Nerstellung der Halteplatte relativ zum Halter vorgenommen.
Eine andere Ausbildung des Halters sieht eine Membran vor, die aus flexiblem Material unterhalb des Halters angeordnet ist. Die Membran überträgt den Anpreßdruck auf den aufgenommenen Wafer. Aus US 5,964,653 ist auch bekannt geworden, mit Hilfe einer Halteplatte und einer an der Unterseite der Halteplatte angebrachten Membran drei Kammern zu bilden, und zwar eine mittige kreisförmige Kammer und zwei ringförmige konzentrisch um die mittige Kammer angeordnete Kammern, die jeweils mit einem Kanal in der Spindel in Verbindung stehen. Über einen Drehverteiler wird eine Fluidquelle unter Druck mit den drei Kanälen verbunden, um den Anpreßdruck auf den Wafer zu steuern. Auch hierbei ist der Halter über ein Universalgelenk an die Antriebsspindel der Antriebsmaschine gekoppelt. Ein ähnliches System ist aus WO 02/004172 A3 bekannt geworden. Es verwendet zwei übereinander angeordnete Membranen, zwischen denen ein unterschiedlicher Druck auf drei Kammern aufgebracht wird, die oberhalb der Anpreßfläche gebildet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halter für flache Werkstücke, insbesondere zum chemisch-mechanischen Polieren von Halbleiterwafern zu schaffen, mit dem auf einfache Weise eine Anpassung an das gewünschte Abtragprofil des Wafers erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 5 und 6 gelöst. Der erfindungsgemäße Halter nach Patentanspruch 1 sieht an der Unterseite einer Halteplatte eine relativ dünne flexible Membran vor, die mit der Unterseite der Halteplatte eine Vielzahl von konzentrischen Ringkammern bildet. In dem Gehäuse des Halters ist entsprechend der Anzahl der Ringkammern eine Anzahl von Schaltventilen angeordnet, die alle gemeinsam mit einem Kanal in der Spindel verbunden sind. Der Kanal in der Spindel ist im oberen Bereich mit einem sogenannten Drehverteiler verbunden, d. h. mit einer stationären Zufuhr von Fluid unter Druck. Wahlweise ist ein Anschluß an Vakuum möglich. Mit Hilfe der Schaltventile ist es möglich, auf eine hohe Anzahl von Ringkammern individuelle Drücke zu schalten, je nach gewünschtem Profil, das von der Waferoberfläche abgetragen werden soll. Es ist zwar denkbar, anstelle der Schaltventile Proportionalventile vorzusehen, damit zum gleichen Zeitpunkt unterschiedliche Drücke auf die Ringkammern gegeben werden. Es ist jedoch wegen ihrer Baugröße nicht möglich, eine Mehrzahl von Proportionalventilen im Gehäuse des Hälters oder Carriers unterzubringen. Das Gehäuse ist in seinen Abmessungen naturgemäß begrenzt. Die Zufuhr zu den Schaltventilen benötigt daher nur einen Kanal in der Spindel, wobei der Druck in den Ringkammern nacheinander eingestellt wird, was eine gewisse Zeit erfordert.
Alternativ ist im übrigen auch denkbar, pro Ringkammer eine Zuführung über die Antriebsspindel vorzusehen, wobei die Zuführungen in der Antriebsspindel mit einem Drehverteiler in Verbindung stehen und über Proportionalventile in einer stationären Anordnung angesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Druckprofil über die Ringkammern zeitparallel einzustellen. Der Aufwand für die Antriebsspindel mit dem Drehverteiler ist erheblich. Außerdem erfordert jeder Halter je nach Aufbau eine spezielle Antriebsspindel. Zur Ansteuerung der Schaltventile im Halter sind elektrische Signale erforderlich. Sie werden von außen über eine Schleifringanordnung in das Innere des Gehäuses übertragen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Halteplatte ein Verteilkanalsystem auf, das über vertikale Bohrungen mit den Ringkammern in Verbindung steht. Die Schaltventile können unmittelbar auf der Oberseite der Halteplatte angebracht und mit dem Verteilkanalsystem verbunden werden, so daß Übertragungsleitungen oder Schläuche entfallen. Es ist auch denkbar, den Kanal in der Antriebsspindel bis in die Halteplatte hineinzuführen, wenn die Antriebsspindel unmittelbar mit der Oberseite der Halteplatte in Verbindung steht. In diesem Fall kann die Zufuhr des Druckmediums zu den Schaltventilen ohne Leitungen auskommen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind im Gehäuse Drucksensoren angeordnet, die mit den Ringkammem verbunden sind und deren Ausgang mittels einer Sensorleitung über die Drehübertragungsvorrichtung nach außerhalb geführt ist. Die Drucksensoren sind z. B. Druckschalter, die auf einen vorgegebenen Wert eingestellt sind und anzeigen, ob der eingestellte Wert erreicht bzw. überschritten wird. Somit kann der Druck in den einzelnen Ringkammern ständig überwacht werden. Außerdem ist es möglich, Schäden in der Membran zu erfassen. Um die Drehübertragungsvorrichtung klein zu halten, können sämtliche Ausgänge der Drucksensoren auf die Ausgangsleitungen gelegt werden. Da, wie erwähnt, die einzelnen Ringkammern seriell mit Druck versorgt werden, kann der von den Drucksensoren erzeugte Signalwert synchron erfaßt werden, so daß der ermittelte Druck jeweils für die Druckkammer gilt, deren Schaltventil gerade aufgesteuert wurde. Werden als Drucksensoren Druckschalter verwendet, können sie nur dann abgefragt werden, wenn in allen Kammern ein Druck größer als der Schaltdruck für die Druckschalter vorliegt. Hierdurch ist eine Permanentüberwachung jeder einzelnen Ringkammer allerdings nicht mehr möglich.
Es ist denkbar, den Rotor eines Schleifringübertragers an der Antriebsspindel und den Stator an einem Lagergehäuse für die Spindel anzubringen. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu vor, daß die Deckenwand des Gehäuses entgegen herkömmlichen Ausführungen stationär ist. An der Unterseite der stationären Deckenwand ist ein Stator einer Schleifringanordnung angebracht. An der Spindel oder einem Lagerzapfen der Antriebsspindel, der mit der Halteplatte verbunden ist, ist an der Außenseite ein Rotor der Schleifringanordnung angebracht. Die Schleifringe stehen über Steuerleitungen mit den Schaltventilen bzw. den Signalausgängen der Drucksensoren in Verbindung. Die Schleifringanordnung ist geschützt innerhalb des Haltergehäuses angeordnet und es ist nicht erforderlich, eine Mehrzahl elektrischer Leitungen über ein Kabel durch die Spindel hindurch in das Innere des Gehäuses hineinzuführen.
Bei der Lösung nach Patentanspruch 5 ist an der Unterseite der Halteplatte eine Vielzahl von ringförmigen konzentrisch zur Spindelachse angeordneten flachen Ausnehmungen vorgesehen, die vorzugsweise flach konkav geformt bzw. ausgekehlt sind. Sie sind über eine Druckverteilungsvorrichtuiig im Innern des Gehäuses des Halters oder über die Antriebsspindel mit einer Druckquelle oder mit Vakuum wahlweise verbindbar. Es wurde eingangs bereits ausgeführt, daß Halter für Wafer diese auch transportieren müssen, was normalerweise durch Unterdruck geschieht. Der Unterdruck kann unmittelbar über Löcher in der Membran oder der Halteplatte auf den Wafer übertragen werden. Bei der Erfindung wird mit Hilfe der flexiblen Membran ein Saugeffekt erzeugt, wobei je nach Ansteuerung nur eine Ringkammer oder bestimmte Ringkammern mit Vakuum beaufschlagt werden, um einen Saugeffekt auf den Wafer auszuüben. Die Ringkammern sind ziemlich flach, höchstens 1 bis 2 mm tief.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung nach Patentanspruch 6 ist der Außendurchmesser der Membran, die an der Unterseite der Halteplatte gehalten ist, größer als der des Werkstücks bzw. der Innendurchmesser des Rückhalterings. Um während des Polierens ein Verrutschen des Wafers relativ zum Halter zu vermeiden, ist bekannt, den Halter mit einem sogenannten Rückhaltering zu versehen, dessen Innendurchmesser annähernd gleich dem Außendurchmesser des Wafers ist. Es ist auch bekannt, den Rückhaltering relativ zum Halter höhenverstellbar auszuführen und eine geeignete Verstellvorrichtung vorzusehen, beispielsweise eine Rolhnembran oder dergleichen, mit der der Rücklialtering mit mehr oder weniger Druck gegen das Poliertuch angedrückt wird, wenn mit Hilfe des Halters der Wafer gegen die Arbeitsfläche gedrückt wird. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung bildet der äußere Rand der Membran zusammen mit der Halteplatte eine Druckkammer, die oberhalb des unteren Abschnitts des Rückhalterings angeordnet ist und mit der ein Druck in gewünschter Höhe auf den Rückhaltering oder einen anderen in diesem Bereich angeordneten Ring ausübt, um einen spezifischen Druck auf das Poliertuch aufzubringen. Der Wafer wird beim Polieren um einen bestimmten Betrag in das Poliertuch eingedrückt. Daher ist ein stärkerer Abtrag im Randbereich des Wafers kaum zu vermeiden, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen wird. Mit Hilfe der äußeren Ringkammer wird nun erreicht, daß das Poliertuch in dem Bereich, der dem Rand des Wafers benachbart ist, um ein gewünschtes Maß herabgedrückt wird. Wird das Poliertuch stärker heruntergedrückt, findet nur eine sehr schwache oder gar keine Abtragung im Randbereich des Wafers statt. Die Stärke des Abtrags im Randbereich des Wafers kann daher mit Hilfe der äußeren Ringkammer der Membran auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Es ist bekannt, während des Polierprozesses den Halter mit dem aufgenommenen Wafer zunächst über eine sogenannte elektrische Achse auf einen unteren Punkt oberhalb der Arbeitsfläche zu fahren, so daß der Wafer sich in einem äußerst geringen Abstand zur Oberfläche des Poliertuchs befindet, beispielsweise in einem Abstand von weniger als 1 mm. Bei dem Anfahren an einen solchen Endpunkt ist das vertikale oder axiale Spiel der Spindel zu berücksichtigen, das naturgemäß nicht Null ist. Darüber hinaus erfährt das Poliertuch während des Polierprozesses durch Verschleiß nach einer gewissen Zeit an Höhe, so daß der Abstand zwischen Unterseite Wafer und Oberseite Poliertuch mit der Zeit größer wird und der Wafer einen größeren Hub zurücklegen muß, um gegen die Arbeitsfläche gedrückt zu werden. Unabhängig von diesen Größen soll der An? druck auf das Poliertuch einen gewünschten Wert annehmen. Hierzu sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Membran an der Oberseite mehrere ringförmige zur Spindelachse konzentrische Faltenbälge aufweist, die an der Unterseite der Halteplatte festgelegt sind und die maximale Größe des Hubs der Membran beim Druck in den Ringkammern vorgeben. Die Faltenbälge ermöglichen einen relativ großen Hub der Membran, so daß der mit Hilfe der Membran erzeugte Hub in jedem Falle größer ist als die maximale vertikale Toleranz der Antriebsspindel und der maximale zulässige Abtrag der Arbeitsoberfläche zusammen genommen. Mit Hilfe einer derartigen Ausführung läßt sich daher eine wegunabhängige Polierkraft in einem großen Hubbereich realisieren.
Die ringförmigen Faltenbälge können als ringförmige Erhebungen, die an der Oberseite einen ringförmigen Schlitz aufweisen, zugleich zur Befestigung der Membran an der Halteplatte dienen, indem die Faltenbälge bzw. Erhebungen in ringförmigen Ausnehmungen auf der Unterseite der Halteplatte aufgenommen werden. Die Erhebungen oder Faltenbälge nehmen Klemmringe auf, die in Umfangsabständen nach oben ragende Vorsprünge aufweisen, die sich durch den Schlitz nach oben erstrecken und mittels Schrauben in der Halteplatte gegen den Boden der ringförmigen Ausnehmung gezogen werden. Dadurch sind die Faltenbälge an der Halteplatte festgelegt. Außerdem dienen die Klemmringe dazu, die Schlitze abzudichten und die Ringkammern voneinander zu trennen. Dabei bilden die Faltenbälge bzw. die ringförmigen Erhebungen im Innern eine erste Art von Ringkammern und zwischen benachbarten Erhebungen eine zweite Art von Ringkammern, die jeweils über mindestens eine vertikale Bohrung mit der Druckverteilvorrichtung verbunden sind.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Halteplatte aus drei übereinander angeordneten Einzelplatten, von denen die untere die Membran hält und zwischen der mittleren und der oberen Einzelplatte ein Verteilkanalsystem gebildet ist, das zum einen mit den einzelnen Ringkammern der Membran und über vertikale Bohrungen in der oberen Einzelplatte mit dem Druckverteilsystem bzw. den Schaltventilen verbunden ist.
Obere und mittlere Einzelplatte können unmittelbar mit der Spindel bzw. einem Spindelzapfen über eine Schraubverbindung verbunden sein, während die untere Einzelplatte mit mindestens einem auf der oberen Einzelplatte sitzenden Block verschraubt und mit aufgenommener Membran separat lösbar ist. Da die Membran ein Verschleißteil ist, braucht lediglich die untere Einzelplatte gelöst zu werden, um die Membran auszutauschen. Dabei ist es möglich, durch entsprechende Löcher in dem Deckenabschnitt des Gehäuses die Schrauben zu betätigen, die durch jeweils einen Block geführt sind zwecks Verschraubung mit einer Gewindebohrung der unteren Einzelplatte. Da der untere radiale Abschnitt des Rückhalterings üblicherweise unter der Halteplatte angeordnet bzw. im Erfindungsfall auch unterhalb des äußeren Randes der Membran, ist es vorteilhaft, wenn der Haltering für den Rückhaltering als separat abschraubbares ringförmiges Bauteil ausgebildet ist, das zunächst entfernt wird, wenn die untere Einzelplatte gelöst werden soll. Die beschriebenen Blöcke, die mit der oberen Einzelplatte verschraubt sind, können auch zur Halterung der Gehäuse der Drucksensoren dienen, wobei vertikale Bohrungen in den Halteblöcken zugleich Kanäle bilden zur Verbindung der Drucksensoren mit dem Verteilkanalsystem in der oberen und mittleren Einzelplatte. Somit wird auch für die Drucksensoren eine Leitungs- oder Schlauchverbindung zu den einzelnen Ringkammern überflüssig.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Membran mittig ein Loch aufweist, das über eine Bohrung in der Halteplatte mit einem weiteren Kanal in der Spindel verbunden ist, wobei der weitere Kanal wahlweise mit einer Druckoder Vakuumquelle verbindbar ist. Durch Aufbringen eines Vakuums kann festgestellt werden, ob an der Membran ein Wafer anliegt. Mithin ist eine Kontrolle erhalten darüber, ob nach einem Aufhahmevorgang ein Wafer auch tatsächlich aufgenommen worden ist. Während des Polierbetriebs wird auf die mittige Bohrung ein gewisser Druck aufgebracht, der verhindert, daß es im Bereich des Loches zu keinem Abtrag kommt. Der Fluiddruck kompensiert mithin das Fehlen der Membran im Bereich des Loches.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Halters ist es möglich, nach Vermessen der Oberfläche eines Wafers entsprechend der Messung ein Polier- bzw. Abtragprofil einzustellen. Es ist bekannt, während des Poliervorgangs die Schichtdichte der polierten Schicht zu vermessen. Es ist daher bei der Erfindung möglich, das Polier- und Abtragprofil nachzuregeln. Bei den unterschiedlichen Bearbeitungsprozessen von Wafern ergeben sich naturgemäß verschiedene Waferoberflächen und somit Anforderungen an das Abtragprofil. Auch hier kann bei der Erfindung eine geeignete Anpassung vorgenommen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen schematisch dargestellten Halter nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Teil des Halters nach der Erfindung unmittelbar vor einem Polierprozeß auf einem Polierteller.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2 mit Anlage eines aufgenommenen Wafers an der Arbeitsoberfläche.
Fig. 4 zeigt das Andrücken des Wafers gegen die Arbeitsoberfläche, wobei der Rückhaltering eine erste Position einnimmt.
Fig. 5 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 4, wobei der Rückhaltering eine zweite Position einnimmt.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen Halter nach der Erfindung mit sämtlichen Einzelheiten.
Fig. 7 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 6, wobei jedoch einige Einzelheiten weggelassen sind.
Fig. 8 zeigt die Draufsicht auf den Halter nach den Fign. 6 und 7 mit entferntem Deckenabschnitt.
Fig. 9 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 7, jedoch mit demontierten Bauteilen. Fig. 10 zeigt die Membran des Halters nach den Fign. 6 bis 9.
Fig. 11 zeigt vergrößert eine Einzelheit des Halters nach Fig. 6 oder 7 im Randbereich.
In Fig. 1 ist ein Halter 10 für Halbleiterwafer schematisch dargestellt. Er weist ein Gehäuse auf mit einem ringförmigen Wandabschnitt 12, einem scheibenförmigen Deckenabschnitt 14 und einer Halteplatte 16 im unteren Bereich des Gehäuses, die aus einer unteren Platte 18 und einer oberen Platte 20 besteht, die übereinander angeordnet und fest miteinander verbindbar sind. Eine Antriebsspindel 22 ist zwecks Rotation und gegebenfalls linear horizontaler Bewegung mit einer geeigneten Antriebsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden und über den Deckenabschnitt 14 in das Innere des Gehäuses des Halters 10 Mneingeführt und mit der oberen Platte 20 fest verbunden. Der Deckenabschnitt 14 ist stationär, wie bei 24 angedeutet. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.
Ein Haltering 26 ist mit einem nach innen gezogenen Abschnitt auf der Innenseite des Wandabschnitts 12 angeordnet, und zwischen diesem Abschnitt und einem Absatz des Wandabschnitts 12 ist ein Balg 28 angeordnet. Der Haltering 26 ist von einer Feder 30 nach oben gegen den Balg 28 vorgespannt. Der Haltering 26 hält an seiner Unterseite einen Rückhaltering 32, der radial nach innen erstreckt ist und sich unterhalb eines Abschnitts der unteren Platte 18 erstreckt.
Die untere Platte 18 weist an der Unterseite sechs konzentrische zur Spindelachse angeordnete ringförmige flache Vertiefungen unterschiedlicher Breite auf. Die im Schnitt linsenartigen Vertiefungen sind relativ flach und haben z. B. eine maximale Tiefe von 1 bis 1,5 mm. An der Unterseite der unteren Platte 18 ist eine kreisförmige Membran 36 angeordnet. Durch eine geeignete Ausführung und Ausnehmungen in der Platte 18 werden Stege 38 der Membran 36, die an der Oberseite Flansche 40 bilden, an die Platte 18 angebunden. Dadurch ist die Membran an der unteren Platte 18 gehalten. Die Vertiefungen 34 und die Membran 36 bilden auf diese Weise sechs ringförmige Kammern MKl bis MK6. Jede Kammer MKl bis MK6 ist über mindestens eine vertikale Bohrung 42 in den Platten 18 und 20 mit einem Schaltventil 44 im Gehäuse des Halters 10 verbunden. In Fig. 1 sind die Schaltventile 44 lediglich symbolhaft angedeutet.
Ein erster axialer Kanal 46 ist in der Spindel 22 über einen Drehanschluß 48 mit einer stationären Leitung 50 in Verbindung, die mit einer nicht gezeigten geregelten Druckquelle oder wahlweise mit Vakuum verbindbar ist. Der Kanal 46 ist im Inneren des Gehäuses des Halters 10 herausgeführt und mit einer Leitung 52 verbunden, die mit sämtlichen Eingängen der Schaltventile 44 verbunden ist. Der Druck, der in der Leitung 50 herrscht, wird auf diejenige Kammer MKl bis MK6 übertragen, deren Schaltventil 44 geöffnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, nach und nach in den einzelnen Kammer MKl bis MK6 einen gewünschten Druck aufzubauen. Die Ansteuerung der Schaltventile 44 erfolgt über einen Drehübertrager 54, etwa über Schleifringe. Ein Rotor 56 des Drehübertragers 54 ist fest mit der Spindel 22 verbunden und zwei Statorabschnitte 58 wirken mit dem Rotor 56 zusammen. Im vorliegenden Fall wirken jeweils zwei Mal 5 Bürsten mit zehn Schleifringen zusammen, wobei acht Schleifringe für die Ansteuerung der sieben Schaltventile 54 benötigt werden. Der elektrische Anschluß des Stators 58, der mit dem Deckenabschnitt 14 verbunden ist, ist hier nicht dargestellt. Im vorliegenden Fall sind zwei Kabel erforderlich, die über eine entsprechende Durchführung im Deckenabschnitt 14 zu den Statorabschnitten 58 geführt werden. Falls ein einziger Stator vorgesehen wird, genügt ein einziges Kabel. In Fig. 1 ist ferner zu erkennen, daß an der Unterseite der Membran 36 ein Halbleiterwafer 60 anliegt. Er wird in seiner seitlichen Lage durch den Rückhaltering 32 begrenzt, dessen Innendurchmesser minimal größer ist als der Außendurchmesser des Wafers 60. Man erkennt in Fig. 1 ferner, daß der Durchmesser der Membran 36 größer ist als der Durchmesser des Wafers 60 und sich mit einem zurückversetzten Abschnitt über einen Teil des Rückhalterings 32 erstreckt. Somit ist oberhalb des Rückhalterings 32 eine weitere Kammer MK7 gebildet, die über einen Kanal 62 ebenfalls mit einem Schaltventil 44 in Verbindung steht.
In einem anderen Teil des Gehäuses des Halters 14 sind sieben Drucksensoren 64 angeordnet, die über vertikale Bohrungen 66 mit den Druckkammern MKl bis MK7 verbunden sind. Die Drucksensoren 64 ermitteln den Druck in den Druckkammern MKl bis MK7. Die Signalausgänge der Drucksensoren 64 sind über den Schleifringübertrager 54 mit einer äußeren Steuervorrichtung (nicht gezeigt) in Verbindung, welche die Signale auswertet. Es kann daher festgestellt werden, ob in den Kammern MKl bis MK7 der gewünschte Druck herrscht. Ggf. kann dann nachgeregelt werden. Außerdem kann mit Hilfe der Drucksensoren festgestellt werden, ob die Membran 36 einwandfrei arbeitet. Es ist zwar möglich, jeweils einzelne Leitungen von den Drucksensoren 64 über den Drehübertrager 54 nach außen zu führen. Dies würde jedoch insgesamt acht Leitungen erforderlich machen. Im vorliegenden Fall sind nur noch zwei Schleifringe zur Verfügung. Daher werden sämtliche Signale der Drucksensoren 64 über die beiden Leitungen nach außen übertragen. Da jedoch die Druckkammern MKl bis MK7 ebenfalls nur zeitlich nacheinander mit Druck versorgt werden können, wenn ein unterschiedlicher Druck gewünscht wird, reicht es aus, diesen Druck zeitgleich über die Drucksensoren 64 zu messen. In der Spindel 22 ist ein zweiter Kanal 64 vorgesehen, der über den Drehanschluß 48 mit einer Leitung 66 verbunden ist, die ebenfalls mit einer Druckquelle in Verbindung bringbar ist. Innerhalb des Gehäuses ist der Kanal 64 mit dem Balg 28 verbunden. Daher kann der Rückhaltering 32 mit Hilfe des Balgs 28 in der Höhe verstellt werden.
In Fig. 1 ist ferner zu erkennen, daß die Membran 36 mittig ein Loch 68 aufweist, das über vertikale Bohrungen in den Platten 18, 20 mit einem dritten Kanal 70 in der Spindel 22 in Verbindung steht. Über den Drehanschluß 48 ist der Kanal 70 mit einer Leitung 72 verbunden, die zu einer Druckquelle oder wahlweise zu einer Vakuumquelle führt. Die untere Platte 18 ist oberhalb des Loches bei 74 kegelabschnittförmig vertieft. Die Vertiefung ist mit den vertikalen Bohrungen verbunden. Im Fall von Vakuum kann daher am Loch 68 ein Unterdruck erzeugt werden. Dadurch kann festgestellt werden, ob ein Wafer 60 vom Halter 10 aufgenommen ist. Im Polierfall wird Druck auf das Loch 68 gegeben, um das Fehlen der Membran 36 in diesem Bereich zu kompensieren.
Nachfolgend soll die Wirkungsweise des Halters nach Fig. 1 in Verbindung mit den Fign. 2 bis 5 erläutert werden.
Wird der Halter 10 auf einen bereitliegenden Wafer abgesenkt, wobei der Wafer 60 zentriert innerhalb des Rückhalterings 32 liegt, wird über die Leitung 50 und die Schaltventile 44 an allen oder bestimmten Ringkammern MKl bis MK6 ein Unterdruck erzeugt, so daß der Wafer 60 durch einen Saugeffekt gehalten wird, weil die Membran 36 sich ganz oder teilweise in die flachen Vertiefungen 34 hineinwölbt. Hierbei drückt die Feder 30 den Rückhaltering 32 in seine oberste Position, und der Balg 28 ist drucklos. Der Halter 10 transportiert den Wafer 60 zu einem Polierteller, der in den Fign. 2 bis 5 bei 74 angedeutet ist. Er trägt ein Poliertuch 76 und wird um eine nicht gezeigte Achse drehend angetrieben, wie an sich bekannt. Oberhalb des Poliertellers 74 wird der Halter 10 über die Spindel 22 auf einen Punkt kurz oberhalb der Oberseite des Poliertuches 76 abgesenkt, beispielsweise in einem Abstand von 1 mm oder weniger. Dies ist in Fig. 2 bezüglich des Wafers 60 angedeutet. Im Anschluß daran wird über die Leitung 72 der Balg 28 mit Druck versorgt, der für eine Verstellung des Rückhalterings 32 in Anlage an das Poliertuch 26 sorgt. Es sei erwähnt, daß hierbei sowohl der Polierteller 74 als auch der Halter 10 in Drehung versetzt sind. Durch Druckbeaufschlagung der Kammern im MKl bis MK6 wird nunmehr die Membran 36 nach unten bewegt, wobei entsprechend der Druckverteilung in den einzelnen Kammern ein entsprechendes Druckprofil auf den Wafer 60 wirkt, zwecks Erzielung eines unterschiedlichen Abtrags des Wafers 60. Wie schon erwähnt, wird der Druck in den Kammern MKl bis MK6 nach und nach aufgebaut, da er nur über eine einzige Leitung 50 zugeführt wird und diese mit einer regelbaren Druckquelle verbunden ist, beispielsweise einem Proportionalventil. Mit Hilfe der Drucksensoren 64 läßt sich feststellen, ob der jeweils vorgegebene Druck auch tatsächlich erreicht wurde.
Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß der Wafer 60 bei entsprechendem Druck um einen kleinen Betrag in nach Poliertuch 76 eingedrückt wird. Verbleibt der Rückhaltering 32 in der angedeuteten Position, kommt es zu einem vermehrten Abtrag am Rand des Wafers 60. Dies mag erwünscht sein oder auch nicht. Will man den vermehrten Abtrag vermeiden oder sogar einen verringerten Abtrag am Rand erreichen, wird, wie in Fig. 5 dargestellt, in der Kammer MK7 ein entsprechender Druck erzeugt, wodurch der Rückhaltering 32 das Poliertuch 76 um einen bestimmten Betrag komprimiert und dadurch das Poliertuch von dem äußeren Rand des Wafers 60 fortbewegt. Nach Beendigung des Poliervorgangs werden die Kammern MKl bis MK7 drucklos geschaltet und anschließend bestimmte Kammern MKl bis MK6 unter Vakuum gesetzt, um den Wafer von dem Polierteller 74 abzuheben. Bei diesem Vorgang und auch beim Transport zum Polierteller ist am Loch 68 der Membran 36 über die Leitung 66 ein Vakuum angelegt, über das geprüft wird, ob der Wafer auch tatsächlich am Halter 10 anliegt. Während des Poliervorgangs hingegen ist am Loch 68 ein geringer Überdruck erzeugt, wodurch verhindert wird, daß ein verringerter Abtrag am Wafer 60 stattfindet.
Bevor mit Hilfe des beschriebenen Halters ein Wafer einem Polierprozeß unterworfen wird, muß der Wafer von einer Aufnahmeposition aufgenommen werden. Hierbei sind häufig Vorder- und Rückseite des Wafers mit Slurry und/oder Wasser benetzt. Zum Aufnehmen des Wafers werden folgende Schritte durchgeführt: Über die nicht gezeigte Steuervorrichtung wird die innere Ringkammer MKl mit einem vorgegebenen Druck befüllt. Es wird abgewartet, bis über den zugeordneten Drucksensor eine Rückmeldung erfolgt. Danach steuert die Steuervorrichtung die Schaltventile 44 derart, daß nacheinander zeitverzögert die Ringkammern MKl bis MK6, also von innen nach außen, mit einem vorgegebenen Druck befüllt werden. Dadurch wird auf der Waferoberfläche stehende Flüssigkeit nach außen verdrängt. Nach dem Beruhen der äußeren Ringkammer MK6 werden alle Ringkammern MKl bis MK6 drucklos geschaltet. Darüber hinaus wird an das Loch MK0 bzw. 68 Vakuum angelegt. Nach einer entsprechenden Verzögerungszeit werden die Membrankammern MK2, MK3 und MK4 mit Vakuum beaufschlagt, damit der Wafer an der Membran 36 anhaftet. Nach einer erneuten Verzögerung hebt der Halter den Wafer aus der Aufhahmeposition ab und transportiert ihn zur Poliervorrichtung. Anhand der Fign. 6 bis 9 wird ein detaillierterer Aufbau eines Halters beschrieben, wobei gleiche Teile wie in den Fign. 1 bis 5 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, obwohl sie konstruktiv nicht völlig gleich ausgeführt sind.
In Fign. 7 und 9 ist zu erkennen, daß die Spindel 22 in einem Gehäuse 80 gelagert ist. Es ist ferner zu erkennen, daß der Deckenabschnitt 14 des Halters 10 fest mit dem Gehäuse 80 verbunden ist, daher mit den übrigen Teilen des Halters 10 nicht rotiert. Mit der Spindel 22 ist ein Zapfen 82 fest verschraubt, der mittels Rollenlager 84 im Gehäuse 80 drehbar gelagert ist und sich nach unten erstreckt. Auf dem Zapfen 82 sitzt der Rotor 56 der Schleifringanordnung 54, was besonders gut in den Fign. 7 und 9 erkennbar ist. hl den letzteren Figuren ist der Stator, der mit dem Deckenabschnitt 14 verbunden ist, nicht gezeigt. Die Schleifringanordnung 54 befindet sich innerhalb einer Schale 86, durch welche verhindert wird, daß Abrieb aus der Schleifringanordnung 54 sich innerhalb des Gehäuses des Halters 10 verteilt.
In den Fign. 6 bis 9 ist zu erkennen, daß die Halteplatte 16 nach Fig. 1 sich aus drei Einzelplatten 88, 90 und 100 zusammensetzt. Die Platten 90, 100 sind miteinander verschraubt, wie bei 102 andeutet. Sie bilden zusammen ein Verteilkanalsystem, auf das weiter unten noch eingegangen wird. Wie aus Fig. 6 zu ersehen, ist die Einheit aus den Platten 90 und 100 mit dem Zapfen 82 verschraubt. Eine der Schrauben ist in Fig. 6 mit 92 bezeichnet. Mit Hilfe von Schrauben 94 sind an der Oberseite der oberen Einzelplatte 100 zwei aufrechte Blöcke 96 befestigt (auch in Fig. 8 zu erkennen). Sie sind im Schnitt annähernd trapezförmig. Die Blöcke 96 dienen zur Anbringung von Drucksensoren, die in Fig. 8 mit 98 bezeichnet sind. Es sind insgesamt sieben Drucksensoren 98 entsprechend den Drucksensoren 64 nach Fig. 1 angebracht, wobei bis auf den Drucksensor 98 in Fig. oben rechts jeweils zwei übereinander angeordnet sind. In den Blöcken 96 sind vertikale Kanäle (in Fig. 8 nur gestrichelt angedeutet) geformt, die mit dem Eingang der Drucksensoren 98 verbunden sind und die nach unten zu der Platteneinheit 90, 100 gehen zu einem Teil des nicht weiter dargestellten Verteilkanalsystems, um mit den Ringkammem (in Fig. 1 MKl bis MK7) verbunden zu werden. Die elektrischen Ausgänge 106 der Drucksensoren 98 gehen zur Schleifringanordnung 54, wobei sie alle zusammengeschaltet sind, so daß lediglich zwei Schleifringe der Schleifringanordnung 54 durch sie belegt sind.
hl Fig. 8 ist femer zu erkennen, daß sieben Schaltventile 108 auf der oberen Einzelplatte 100 befestigt sind. Sowohl Ein- als auch Ausgang der Schaltventile 108 sind mit dem Verteilkanalsystem zwischen den Platten 100 und 90 verbunden, so daß sie, wie in Fig. 1 angedeutet, mit einer Druck- oder Vakuumquelle verbunden werden können.
Die Platte 90 hat einen nach oben stehenden axialen Bund, der durch eine Öffnung der oberen Platte 100 hindurch erstreckt ist und der eine Bohrung 110 aufweist.
An der Unterseite der unteren Platte 88 ist die Membran 36 befestigt. Die Membran 36 ist besser in Fig. 10 zu erkennen. Die Membran 36 hat einen dünnen flachen Abschnitt 112, der am Rand faltenbalgähnlich ausgebildet ist, wie bei 114 dargestellt. An die Oberseite des flachen Abschnitts 112 sind drei ringförmige Faltenbälge 114a angeformt, die konzentrisch zur Achse der Spindel 22 angeordnet sind. Sie weisen im oberen Abschnitt einen ringförmigen Schlitz 116 auf. Verbindung mit den Fign. 6 bis 9 ist zu erkennen, daß der Außendurchmesser des flachen Abschnitts 112 geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Rückhalterings 32. Zwischen dem Faltenbalgrand 114 und dem äußeren ringförmigen Faltenbalg 114 ist eine ringförmige Falte 118 angeformt. Die Anbringung der Membran 36 an der unteren Platte 88 ist am besten in Fig. 11 zu erkennen.
Die unteren Platte 88 weist drei ringförmige konzentrische Ausnehmungen 120 auf, welche die ringförmigen Faltenbälge 114a aufnehmen. Die ringförmigen Faltenbälge 114a nehmen ihrerseits Ringleisten 122 auf, die im Schnitt umgekehrt T-förmig ausgebildet sind und über die Schlitze 116 eingeführt werden. In Umfangsabständen ist der obere Abschnitt der Ringleisten 122 in der unteren Platte 88 verschraubt, wie bei 124 in den Fign. 7 und 9 zu erkennen. Der obere Abschnitt weist außerdem in Umfangsabständen eine vertikale Bohrung 126 auf, die unten in einer ringförmigen Auskehlung 128 der Ringleiste 122 mündet. Nach oben ist die Bohrung 126 zu einer Bohrung 130 in der unteren Platte 88 ausgerichtet, die ihrerseits mit dem nicht im einzelnen dargestellten Verteilkanalsystem der Platten 90, 100 in Verbindung steht, um wahlweise Druck oder Vakuum an die Bohrung 126 anzulegen. Dadurch teilt sich dieser Zustand auch dem Inneren des Faltenbalgs 114a mit. Durch die Ringleiste 122 ist eine ausreichende Abdichtung gegenüber der Platte 88 erzielt.
Am Rand der Platte 88 ist eine etwas größere ringförmige Ausnehmung 132 geformt, welche sowohl den Faltenbalgrand 114 als auch die Ringfalte 118 aufnimmt. Eine erste im Schnitt L-förmige Ringleiste 134 unterfaßt die Falte 118. Sie ist durch nicht gezeigte Schrauben gegen den Boden der Ausnehmung 132 anpreßbar. Zwischen der Falte 118 und dem Faltenbalgrand 114 sitzt ein im Schnitt umgekehrt L-förmiger Ring 136, der von dem Ring 134 gegen den Boden der Ausnehmung 132 angepreßt wird und dadurch den Faltenbalgrand 114 klemmend festlegt. Auf diese Weise ist zwischen dem ringförmigen Faltenbalg 114a und der Falte 118 eine äußere Ringkammer gebildet, entsprechend der Ringkammer MK6 nach Fig. 1. Zwischen der Falte 118 und den Faltenbalgrand 114 ist eine äußerste Kammer gebildet, entsprechend der Kammer MK7 nach Fig. 1. Während die Kammem MKl bis MK6 dem flachen Abschnitt 132 der Membran 36 zugekehrt sind, wirkt die äußerste Kammer MK7 auf den Rückhaltering 32. Der etwas zurückgesetzte Abschnitt der Membran 36 unterhalb der Anbindung der Falte 116 und des Faltenbalgrandes 114 ruht auf der Oberseite des Rückhalterings 32, wie besonders gut in Fig. 11 zu erkennen ist.
Die Klemmringe 122, 134 haben an der Unterseite eine Nut 135, durch welche eine Fluidverteilung über den Umfang der Ringkammer erfolgt.
Mit Hilfe der Membran 36 werden daher innerhalb der ringförmigen Faltenbälge 114a und zwischen den Faltenbälgen 114a die Ringkammem MKl bis MK6 realisiert. Die Ringkammem zwischen den Faltenbälgen 114a sind, wie etwa in Fig. 6, 7 und 9 dargestellt, ebenfalls mit einer vertikalen Bohrung 140 verbunden, die mit dem Verteilkanalsystem der Platten 90, 100 verbunden ist.
Wie aus Fig. 9 zu erkennen, kann die Membran 36 auf die beschriebene Art und Weise mit der Platte 88 verbunden werden, bevor diese am Halter 10 montiert wird. Die Montage geschieht mit Hilfe von längeren Schraubenbolzen 142 (siehe Fig. 9), die durch eine Hülse 144 innerhalb eines Blocks 96 hindurchgeführt sind sowie durch entsprechende Öffnungen der Platten 90, 100, um in einem Gewindeloch 146 an der oberen Seite der Platte 88 verschraubt zu werden. Der Gewindeabschnitt der Schraubenbolzen 142 kann in einem Gewindeloch der oberen Platte 100 sitzen, damit diese gehalten sind. Die Betätigung der Schraubenbolzen 142 erfolgt über eine Öffnung im Deckenabschnitt 14, wie auf der linken Seite von Fig. 9 zu erkennen, wo der ein sogenannter hnbusschlüssel bei 148 angedeutet ist. Nach dem Verschrauben kann das Loch durch eine Kappe 150 verschlossen werden. In Fig. 9 ist femer zu erkennen, daß Haltering 26 und Rückhaltering 32 als Einheit vormontiert und mit Hilfe von Madenschrauben 152 seitlich an einem ringförmigen Bauteil 154 befestigt werden können, das höhenbeweglich im Inneren des Gehäuses gelagert und von der Membran 28 betätigt wird. Auf diese Weise kann der Rückhaltering 32 nach unten verstellt werden, während er nach oben durch eine Feder, die in Fig. 9 nicht zu erkennen ist, nach oben vorgespannt ist. Durch einfaches Entfernen von Haltering 26 und Rückhaltering 32 und durch einfaches Abschrauben der unteren Platte 98 kann daher die Membran 36 leicht ausgewechselt werden. Die Membran 36 ist ein Verschleißteil und muß von Zeit zu Zeit ersetzt werden.
Man erkennt aus der Ausbildung der Membran 36, daß diese bei entsprechender Druckbeaufschlagung der Kammern MKl bis MK7 einen relativ großen Hub ausführen kann aufgrund der Ausbildung der eingespannten Faltenbälge 114a und des Faltenbalgrandes 114. Die einzelnen Ringkammem MKl bis MK7 sind voneinander separiert und über das Verteilkanalsystem mit den Schaltventilen 44 (Fig. 1) bzw. 108 (Fig. 8) verbunden. Sowohl die Drucksensoren 98 als auch die Schaltventile 108 sind nicht mit Leitungen verbunden, sondern werden durch unmittelbare Verbindung mit dem Verteilkanalsystem der Platten 90, 100 bzw. einer entsprechenden Bohrung im Zapfen 82 an die Leitungen oder Kanälen 46, 64 (Fig. 1) in der Spindel 22 angeschlossen.
Wird der Rückhaltering 32, wie in Fig. 11 gezeigt, mit Hilfe einer Schraube 156 mit dem Haltering 26 verschraubt, ist für den Ausbau der unteren Platte 88 nicht einmal das Lösen des Halterings 26 erforderlich. Auch der Rückhaltering 32 ist Verschleißteil und kann daher auf einfache Weise ausgewechselt werden. In Fig. 6 ist zu erkennen, daß jeweils zwei Kabel 160, 162 über entsprechende Anschlüsse und Durchführungen mit dem Deckenabschnitt 14 des Halters 10 verbunden sind, wobei einzelne Drähte mit dem Stator 58 und seinen Bürsten verbunden sind für die Ansteuerung der Schaltventile 44 bzw. 108 und die Übertragung der Signale von den Drucksensoren 64 bzw. 98. Hierauf soll jedoch im einzelnen nicht mehr eingegangen werden.
Aus den Fign. 6, 7 und 9 ist auch ersichtlich, daß der Halter 10 durch eine geeignete Schraub Verbindung mit der Spindel 22 verbunden werden kann. So kann z. B. ein anderer Halter mit der Spindel 22 verbunden werden, oder ein einfaches Lösen des Halters 10 ermöglicht Prüflings- und Wartungsarbeiten, falls erforderlich. Es versteht sich, daß das entsprechende Anschlußende des Zapfens 82 und der Spindel 22 so ausgebildet ist, daß der Halter 10 in der richtigen Drehlage an die Spindel 22 angeschraubt wird, damit die drei Kanäle 46, 64, 70 mit entsprechenden Bohrungen des Zapfens 82 ausgerichtet sind. Wie schon erwähnt, sind die Bohrungen im Zapfen 82 mit dem Verteilkanalsystem der Platten 90, 100 verbunden, so daß die Kanäle in der Spindel 22 mit den Schaltventilen 44 bzw. 108 und mit den Drucksensoren 64 bzw. 98 verbunden sind. Das Verteilkanalsystem sorgt außerdem dafür, daß die Ausgänge der Schaltventile mit den einzelnen Ringkammem MKl bis MK7 verbimden sind, damit der gewünschte Druck in diesen Kammem erzeugt wird und ein entsprechender Anpreßdruck der Membran 36 gegen den aufgenommenen Wafer 60 nach einem vorgegebenen Druckprofil in radialer Richtung. In Fig. 6 ist auch zu erkennen, daß eine mittige Bohrung 170 mit der mittigen Bohrung 110 der oberen Platte 100 ausgerichtet ist sowie mit der dazu ausgerichteten Bohrung 172 in der unteren Platte 88. Diese ist wiederum mit dem mittigen Loch 68 der Membran 36 ausgerichtet. Damit kann, wie schon erwähnt, die Anwesenheit eines Wafers 60 an der Unterseite der Membran 36 detektiert werden.

Claims

Ansprüche:
1. Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer zum chemischmechanischen Polieren, der mit einer vertikalen Antriebsspindel (22) gekoppelt ist, mit einem kreisförmigen Gehäuse, das einen Deckenabschnitt (14) und eine Seitenwand (12) aufweist, - einem Rückhaltering (26, 32), der zumindest den unteren Teil der Seitenwand (12) bildet, - einer Halteplatte (16) an der Unterseite des Gehäuses aus steifem Material, die mit der Spindel (22) gekoppelt und eine Ober- und eine Unterseite aufweist, einer flexiblen, relativ dünnen Membran (36), die an der Unterseite der Halteplatte (16) angebracht ist und mit dieser mehr als drei ringförmige, konzentrisch zur Spindelachse angeordnete Kammern (MKl bis MK6) bildet, - mindestens einem ersten Kanal (46) in der Antriebsspindel (22), der am oberen Ende mit einer geregelten Druckquelle oder mit Vakuum verbindbar und in das Gehäuse hineingeführt ist, - mehreren elektrisch steuerbaren Schaltventilen (44, 108) im Gehäuse, die mit dem ersten Kanal (46) und über Bohrungen in der Halteplatte (16) mit jeweils einer Kammer (MKl bis MK6) verbunden sind und über elektrische Steuerleitungen und einen Drehübertrager (54) mit einer externen elektrischen Steuervorrichtung verbunden sind zur Erzeugung eines in radialer Richtung unterschiedlichen Druckprofils während des Polierprozesses.
2. Halter nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatte (16) ein Verteilkanalsystem aufweist und die Schaltventile (108) unmittelbar auf der Oberseite der Halteplatte (16) angebracht sind und in Verbindung mit dem Verteilkanalsystem stehen.
3. Halter nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse Drucksensoren (64, 98) angeordnet sind, die mit den Ringkammern (MKl bis MK6) verbimden sind und deren Ausgang mittels einer Sensorleitung über den Drehübertrager (54) nach außerhalb geführt ist.
4. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckenabschnitt (14) stationär ist, während der übrige Teil des Gehäuses mit der Spindel (22) rotiert, an der Unterseite des Deckenabschnitts (14) ein Stator (58) einer Schleifringanordnung (54) angebracht ist, an einem die Halteplatte (16) mit der Antriebsspindel (22) verbindenden Zapfen (82) an der Außenseite den ringförmigen Rotor (56) einer Schleifringanordnung (54) hält, deren Schleifringe mit Steuerleitungen der Schaltventile (44 bzw. 108) bzw. Signalausgängen der Drucksensoren (64 bzw. 98) verbunden sind.
5. Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer zum chemischmechanischen Polieren, der mit einer vertikalen Antriebsspindel (22) gekoppelt ist, mit
- einem kreisförmigen Gehäuse, das einen Deckenabschnitt (14) und eine ringförmige Seitenwand (12) aufweist, - einem Rückhaltering, der den unteren Teil der Seitenwand (12) bildet, - einer Halteplatte (16) an der Unterseite des Gehäuses aus steifem Material, die mit der Spindel (22) gekoppelt ist und eine Ober- und eine Unterseite aufweist, einer flexiblen, relativ dünnen Membran (36), die an der Unterseite der Halteplatte (16) angebracht ist und mit dieser mehrere ringförmige konzentrisch zur Spindelachse angeordnete Kammer (MKl bis MK6) bildet, einer Druckverteilvorrichtung, die wahlweise mit einer regelbaren Fluidquelle unter Druck oder mit Vakuum und mit den Ringkammem (MKl bis MK6) verbunden ist und die die Höhe des Drucks in den einzelnen Ringkammem (MKl bis MK6) steuert, wobei - die Membran (36) zumindest im Bereich der Kammern (MKl bis MK6) undurchlässig ist und die Unterseite der Halteplatte (16) konkave flache ringförmige Vertiefungen (34) aufweist, die die Kammern (MKl bis MK6) begrenzen derart, daß über den Druck in den Kammern (MKl bis MK6) in radialer Richtung ein unterschiedliches Druckprofil für den Polierprozeß und über Vakuum in wenigstens einer Kammer (MKl bis MK6) ein Saugeffekt auf das aufgenommene Werkstück erzeugt wird.
6. Halter für Halbleiterwafer zum chemisch-mechanischen Polieren auf einem ein Poliertuch aufweisenden Polierteller, der mit einer vertikalen Antriebsspindel (22) gekoppelt ist
- mit einem kreisförmigen Gehäuse, das einen Deckenabschnitt (14) und eine ringförmige Seitenwand (12) aufweist, - einem Rückhaltering (26, 32), der den unteren Teil der Seitenwand bildet und einen unteren radialen ringförmigen Abschnitt aufweist, dessen Innendurchmesser den Durchmesser des aufgenommenen Wafers (60) begrenzt, wobei der Haltering (26, 32) mittels eines ringförmigen, mit einer Fluidquelle unter Druck verbindbaren Balges (28) im Gehäuse relativ zur Halteplatte (16) vertikal verstellbar ist, einer Halteplatte (16) an der Unterseite des Gehäuses aus steifem Material, die mit der Spindel (22) gekoppelt ist und eine Ober- und eine Unterseite aufweist, - einer flexiblen, relativ dünnen Membran (36), die an der Unterseite der Halteplatte (16) angebracht ist und mit dieser mehrere ringförmige konzentrisch zur Spindelachse angeordnete Kammern (MKl bis MK6) bildet, einer Druckverteilvorrichtung, die mit der regelbaren Fluidquelle unter Druck oder mit Vakuum und mit den Ringkammem (MKl bis MK6) verbunden ist und mittels der die Höhe des Drucks in den einzelnen Ringkammem (MKl bis MK6) gesteuert wird, wobei der Außendurchmesser der Membran (36) größer ist als der Innendurchmesser des radialen Abschnitts des Halterings (26, 32) und eine radial äußere Druckkammer (MKl) zwischen den Randbereichen von Membran (36) und Halteplatte (16) gebildet ist, die entweder auf den radialen Abschnitt des Halterings (32) oder auf einen separaten Ring wirkt, wodurch abhängig vom Druck in der äußeren Ringkammer (MK7) ein Druck unmittelbar auf das Poliertuch (76) radial außerhalb des Wafers (60) erzeugt werden kann.
7. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (36) an der Oberseite mehrere ringförmige, zur Spindelachse konzentrische Faltenbälge (141, 114a) aufweist, die an der Unterseite der Halteplatte (16) festgelegt sind und zur Erzielung einer wegunabhängigen Drucksteuerung einen Hub der Membran (36) beim Druck in den Ringkammem (MKl bis MK7) zulassen.
8. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (36) an der Oberseite konzentrisch zur Spindelachse angeordnete ringförmige hohle Erhebungen aufweist, die an der Oberseite einen ringförmigen Schlitz haben und die von ringförmigen Ausnehmungen an der Unterseite der Halteplatte (16) aufgenommen sind, die Erhebungen Klemmringe (122, 134, 136) aufnehmen, die einen nach oben aufweisenden Ansatz haben, der sich durch den Schlitz erstreckt und mittels Schrauben an der Halteplatte (16) gegen den Boden der ringförmigen Ausnehmimg (120) gezogen werden, um die Erhebungen klemmend festzulegen und die ringförmigen Schlitze abzudichten und die Klemmringe mindestens einen vertikalen Kanal (126) aufweisen, der mit der Druckverteilvorrichtung verbunden ist, wobei das Innere der Erhebungen erste Ringkammem bildet und zwischen benachbarten Erhebungen zweite Ringkammem gebildet sind, die über vertikale Bohrungen (140) in der Halteplatte (16) ebenfalls mit der Drackverteilvorrichtung verbunden sind.
9. Halter nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen von den Faltenbälgen (114a) gebildet sind, die zur Erzielung einer wegunabhängigen Drucksteuerung einen relativ großen Hub der Membran (36) ermöglichen, wenn die Ringkammem (MKl bis MK7) unter Druck gesetzt werden.
10. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatte (16) aus drei übereinander angeordneten Einzelplatten (88, 90, 100) besteht, wobei die Membran (36) an der unteren Platte (88) befestigt ist und die mittlere und die obere Platte (90, 100) zwischen sich ein Verteilkanalsystem bilden, das mit einzelnen Ringkammem (MKl bis MK7) der Membran verbunden ist und über vertikale Bohrungen in der oberen Einzelplatte (100) mit dem Druckverteilsystem bzw. den Schaltventilen (44, 108) verbunden ist.
11. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß obere und mittlere Einzelplatte (90, 100) mit einem mit der Spindel verbundenen Zapfen (82) durch eine Schraubverbindimg verbunden sind und die untere Einzelplatte (88) mit einem auf der oberen Einzelplatte (100) sitzenden Block (96) verschraubt und separat mit aufgenommener Membran (36) lösbar ist.
12. Halter nach Ansprach 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückhaltering einen ringzylindrischen Abschnitt (26) aufweist, der über eine seitliche Schraubverbindung (152) mit dem Halter (10) verbunden ist und einen an die Unterseite angeschraubten Ringabschnitt (32) aufweist, der radial nach innen weist.
13. Halter nach Ansprach 3 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (98) an mindestens einem Block (96) angebracht sind und über Kanäle im Block (96) und in der Halteplatte (16) mit den Ringkammem (MKl bis MK7) in Verbindung stehen.
14. Halter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Schaltventile (44 bzw. 108) über Kanäle in der Halteplatte (16) und über eine vertikale Bohrung im Zapfen (82) mit dem Kanal (46) in der Spindel (22) verbunden sind.
15. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (36) mittig ein Loch (68) aufweist, das über eine Bohrung (172, 110) in der Halteplatte (16) mit einem weiteren Kanal (70) in der Spindel (22) verbunden ist, wobei der weitere Kanal (70) wahlweise mit einer Druck- oder Vakuumquelle verbindbar ist.
16. Verfahren zur Aufiiahme eines Wafers aus seiner Aufiiahmeposition mit einem Halter nach Ansprach 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: der Halter wird auf dem Wafer abgesenkt, die mittlere Kammer (MKl) wird mit einem Fluid unter Druck gefüllt, bis ein vorgegebener Druck erreicht worden ist, die Schaltventile (44) werden nacheinander so angesteuert, daß die Kammern (MK2 bis MK6) nach und nach von innen nach außen mit Fluid unter Druck befüllt werden, anschließend werden alle Kammern (MKl bis MK6) drucklos geschaltet, danach werden die Kammern (MKl bis MK6) von innen nach außen an Vakuum gelegt und nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit hebt der Halter den Wafer von der Aufiiahmeposition ab.
17. Verfahren nach Ansprach 16, wobei die Membran ein Loch nach Anspruch 15 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Loch (68) an Vakuum gelegt wird, bevor das Vakuum an die Kammern (MKl bis MK6) gelegt wird.
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