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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Halter für flache Werkstücke, insbesondere
Halbleiterwafer, insbesondere in einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen
Polieren von Halbleiterwafern nach dem Patentanspruch 1.
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Die
in den letzten Jahren stetig zunehmende Miniaturisierung der Halbleiterbauelementstrukturen verursacht
schärfere
und neue Anforderungen an den Herstellungsprozess der elektronischen
Bauelemente. So muss beim Lithografieprozess bei Strukturgrößen unterhalb
von 0,5 μm
die Oberfläche
des zu belichtenden Halbleitermaterials sehr eben sein (Profilunterschied <0,4 μm), um innerhalb
der Fokussierebene zu liegen. Dazu muss das Material mittels geeigneter
Vorrichtungen planarisiert werden.
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Ein
Verfahren hierzu 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 Bewegung des Poliertuchs und des Wafers mit
definierter Andrückkraft
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
zugeben wird.
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Aus
DE 195 44 328 A1 oder
der Firmenschrift „CMP
Plaster Tool System Planarization Chemical Mechanical Polishing" von Fa. Wolters
GmbH vom März
1996 ist bekannt, für
derartige Polierprozesse entsprechende Stationen und Vorrichtungen vorzusehen.
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Die
Wafer werden in Bearbeitungseinheiten von Haltern gehalten und mit
diesen gegen die Polierarbeitsfläche
gedrückt.
Der Halter oder die Halteköpfe
sind mit einer Spindel einer Antriebsmaschine verbunden, die höhenverstellbar
gelagert ist, um die Wafer gegen die Arbeitsfläche anzupressen. Um eine ausreichende
Planarität
zu erhalten, ist die untere Halteplatte, welche über Vakuumkanäle oder
-bohrungen den Wafer hält, über ein
Universalgelenk an einem Tragabschnitt abgelenkt, der seinerseits
mit der Spindel der Antriebsvorrichtung verbunden ist. Der Pressdruck
wird über
das Universalgelenk auf die Halteplatte aufgebracht.
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Aus
DE 197 55 975 A1 ist
ferner bekannt geworden, eine Halteplatte für den bekannten Halter höhenbeweglich
in einem Träger
zu führen
und zwischen dem Tragabschnitt und der Halteplatte eine ringförmig geschlossene
Membran anzuordnen. Der abgeschlossene Innenraum der Membran wird
wahlweise mit Atmosphäre
oder Vakuum bzw. einer Fluidquelle unter Druck verbunden. Mit Hilfe
von Druck und Vakuum wird eine Verstellung der Halteplatte relativ
zum Träger
vorgenommen. Auf diese Weise wird der Anpressdruck großflächig auf
die Halteplatte aufgebracht und dadurch ein verbessertes Ergebnis
bei der Planarisierung erhalten.
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Neben
verschiedenen anderen Parametern, wie Drehzahl der Wafer, Drehzahl
des Poliertellers, Oszillationsbewegungen des Polierkopfes, Poliermittelzufuhr,
Beschaffenheit sowie Verschleiß der
Poliertücher
beeinflusst die erreichbare Genauigkeit und Gleichmäßigkeit
das Polierergebnis im CMP-Verfahren. Planarisierte Schichten von
300 mm-Wafern, die mit CMP-Maschinen bearbeitet werden, weisen häufig eine
rotationssymmetrische differenzierte Oberflächengeometrie auf, die dadurch
gekennzeichnet ist, dass der Waferrand sehr stark poliert ist, im
geringen Abstand zum Waferrand, von z.B. 3 mm, der Abtrag am geringsten
ist und im Bereich von ca. 20 mm vom Waferrand der größte Abtrag
erzielt wird.
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Unter
anderem aus
EP 0 922
531 A1 ist bekannt geworden, für die beschriebenen Halter
für Wafer
(Chucks oder Chuckplatten) Membranen aus elastomerem Material zu
verwenden, die an der Unterseite der Halteplatte angeordnet sind
und die mit Luft druck gegen die Wafer angedrückt werden. Auf diese Weise
wird ein besserer Ausgleich von Ungleichmäßigkeiten erhalten. Die Membranen
sind dünnwandige
Gummiformteile, die über
Bohrungen in der Halteplatte mit Druckluft beaufschlagt werden können. Ein
derartiger Halter ist als Einheit aufgebaut, und der Andruck an
den Wafer während
des Poliervorgangs erfolgt ausschließlich über die Membran. Neben der
Funktion der Übertragung
des Polierdrucks und des Drehmoments auf den Wafer muss der Halter
auch in der Lage sein, den Wafer vom Polierteller abzuheben und
damit die Adhäsion zwischen
Wafer und Polierteller zu überwinden.
Es ist bekannt, diesen Vorgang durch Erzeugung eines Unterdrucks
an der Waferrückseite
zu realisieren.
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Nachteilig
in allen bekannten Ausführungen ist
der Umstand, dass die Membranen zur Erzeugung des zum Ansaugen erforderlichen
Vakuums ihrerseits in ringförmige
oder saugnapfförmige
Vertiefungen eingesaugt werden, um somit Kammern mit Unterdruck
zu erzeugen. Dies bewirkt eine verhältnismäßig starke Dehnung der Membran
mit der Folge ihres raschen Verschleißes. Außerdem muss die Membran sehr
dünnwandig
ausgeführt
werden mit dem Nachteil der geringen Übertragbarkeit eines Drehmoments
auf den Wafer. Bekannte Membranen haben etwa eine Dicke von 0,5
mm.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit einer Membran versehenen
Halter dahingehend zu verbessern, dass er eine höhere Standfestigkeit aufweist
und zum anderen differenzierter eingesetzt werden kann, um eine
möglichst
gleichmäßige Abtraggeometrie
zu erzielen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Halter
wird von einer Konstruktion ausgegangen, bei der die Halteplatte über eine
ringförmige
Membran am Tragabschnitt angehängt
ist und der zwischen diesen Teilen gebildete Druckraum wahlweise
mit Druckluft, Atmosphäre
oder Unterdruck beaufschlagbar ist. Auf diese Weise kann der Anpressdruck
der Halteplatte am Werkstück,
insbesondere am Wafer, durch Druckluft erzeugt werden, und die Aufhängung der Halteplatte über ein
Universalgelenk ermöglicht
eine satte Auflage der Halteplatte auf dem Werkstück ohne
die Gefahr eines Verkantens. Wie oben ausgeführt, ist ein derartiger Halter
an sich bekannt. Er wird erfindungsgemäß mit einer Anlagemembran versehen,
die am Rand der Halteplatte in geeigneter Weise gasdicht angebracht
ist. Der Spalt zwischen Membran und Halteplatte kann auf diese Weise
unter Druck gesetzt werden, so dass einerseits die Axialkraft zum Andrücken des
Kopfes gegen das Werkstück
aufgebracht und andererseits ein Druckkissen zwischen Halteplatte
und Membran aufgebaut wird, das dafür sorgt, dass eine entsprechende
Nachgiebigkeit zwischen Membran und Werkstück vorhanden ist, wodurch Ungleichmäßigkeiten
beim Abtrag verringert werden. Durch Änderung des Druckes lässt sich
die Andruckkraft variieren, wobei der weitere Vorteil erhalten werden
kann, dass durch Beaufschlagung des Druckraums mit Atmosphäre allein
die Gewichtskraft der Halteplatte als Polierkraft verwendet werden kann,
was zu einer anderen Abtraggeometrie führt als bei der Beaufschlagung
der Membran mit Druckluft.
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Erfindungsgemäß ist ferner
vorgesehen, dass die Membran auf ihrer Rückseite stutzenförmige Ansätze aufweist,
die einteilig an die Membran angeformt sind und die in Bohrungen
der Membran hineinstehen. Die stutzenförmigen Ansätze sind mit geeigneten Anschlüssen versehen
zur Verbindung mit einer Zuleitung, die sich innerhalb des Druckraums befindet
und die ihrerseits mit einer Vakuumquelle verbindbar ist. Auf diese
Weise wird der Unterdruck, der zum Halten und insbesondere zum Transportieren
des Werkstücks
aufzubringen ist, unmittelbar an der Unterseite der Membran erzeugt,
ohne dass hierfür
eine Verformung der Membran erforderlich ist. Es ist mithin keine übermäßige Dehnung
bzw. Stauchung der Membran zur Erzielung des für den Wafertransport erforderlichen
Vakuums notwendig. Die Membran kann daher relativ dickwandig ausgeführt werden,
beispielsweise mindestens 1,5 mm dick sein.
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Mit
Hilfe der Erfindung ist es möglich,
den Polierdruck unterschiedlich einzustellen. Die Kraft, mit der
der Kopf einen Wafer gegen das Poliertuch andrückt, setzt sich zusammen aus
der Gewichtskraft der Halteplatte und dem Druck, der im Druckraum
zwischen Halteplatte und Tragabschnitt erzeugt wird und der auch
zwischen der Unterseite der Halteplatte und der Membran herrscht.
Die unterschiedliche Aufbrin gung der Kräfte bewirkt eine unterschiedliche
Abtragsgeometrie. Diese ist z.B. bei starren Halteplatten durchaus
nicht gleichmäßig, vielmehr
hat sich herausgestellt, dass am Waferrand ein starker Abtrag erzeugt
wird, der in geringem Abstand zum Rand stark reduziert wird und
zur Mitte des Wafers wiederum zunimmt. Es ist naturgemäß das Bestreben,
eine möglichst
gleichmäßige Abtragsgeometrie zu
erhalten. Diesem Ziel kommt der erfindungsgemäße Halter näher.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Halteplatte eine kreisförmige Ausnehmung
geringer Tiefe auf, die sich bis nahe an den Rand der Halteplatte
erstreckt. Wird nun der Durchmesser der Membran so gewählt, dass
er dem Durchmesser des Werkstücks,
etwa einem Wafer, entspricht, ergeben sich durchaus unterschiedliche
Abtraggeometrien, je nachdem, ob nur mit der Gewichtskraft der Halteplatte
gearbeitet wird oder mit einem zusätzlichen Andruck aufgrund eines Überdrucks
zwischen Halteplatte und Tragabschnitt.
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Die
stutzenförmigen
Ansätze
der Membran sind nach einer Ausgestaltung der Erfindung mit Anschlüssen versehen,
die ihrerseits mit einer Verteilleitung, beispielsweise einer Ringleitung,
in Verbindung stehen. Die Verteilleitung sowie die Anschlüsse stützen sich über die
stutzenförmigen
Ansätze
der Membran auf der Membran selbst ab. Die Verteilerleitung „schwimmt" mithin im Druckraum.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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1 zeigt einen Schnitt durch
einen Halter nach der Erfindung.
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2 zeigt ein Diagramm zum
Polierabtrag über
den wirksamen Durchmesser des Halters nach 1.
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3 zeigt vergrößert eine
Einzelheit von 1.
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In
1 ist ein Halter in Form
eines Haltekopfes
10 an einer Spindel
12 angebracht,
die nur andeutungsweise gezeichnet ist. Die Anbringung erfolgt durch
eine nicht näher
bezeichnete Verschraubung. Sie erfolgt an einem Tragabschnitt
14 des
Haltekopfes
10, der nachfolgend noch näher beschrieben wird. Die Spindel
12 ist
Teil einer nicht näher
dargestellten Antriebsvorrichtung einer ansonsten nicht gezeigten
Vorrichtung zum mechanisch-chemischen Polieren einer Oberfläche eines
Halbleiterwafers. Die Spindel
12 wird nicht nur gedreht,
sondern kann auch in der Höhe
verstellt werden, wie das etwa in der
DE 197 55 975 A1 beschrieben
ist, auf die hiermit ausdrücklich
Bezug genommen wird.
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Der
Tragabschnitt 14 weist einen axialen Bund 16 auf,
an den sich unten ein umgekehrt topfförmiger Flansch 18 anschließt. Am Rand
des Flansches 18 ist ein ring förmiges Haltebauteil 20 mit
Hilfe von Schrauben 22 befestigt. Es klemmt zusammen mit
dem Flansch 18 ein Ende einer ringförmigen Rollmembran 24 ein.
An dem Haltebauteil 20 ist ferner radial weiter außen in einer
ringförmigen
Ausnehmung ein Schlauch 26 gelagert, der über eine
flexible Leitung 28 und entsprechende Bohrungen 30 im
Bund 16 und in der Spindel 12 mit einer nicht
gezeigten Druckquelle verbindbar ist, um den Schlauch 26 wahlweise
zu expandieren oder einziehen zu lassen. Schließlich ist am ringförmigen Bauteil 20 mit
Hilfe von Bolzen 32, die in Umfangsabständen angeordnet sind, ein Rückhaltering 34 aufgehängt, und
zwar über die
Vorspannung einer Feder 36. Ein radial innerer Abschnitt
des Rückhalterings 34 liegt
gegen den Schlauch 26 an. Mit Hilfe des Schlauchs 26 kann
mithin der Rückhaltering 34 axial
auf und ab bewegt werden. An der Unterseite des Rückhalterings 34 ist ein
ringförmiger
Gleitabschnitt 38 aus einem Material geringer Reibung und
hoher Abriebfestigkeit angebracht.
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Innerhalb
des Flansches 24 in axialem Abstand zu diesem ist ein glockenförmiger Abschnitt 40 koaxial
angeordnet. Auf der Oberseite des Glockenabschnitts 40 ist
ein Ring 42 durch Verschraubung befestigt. Zwischen Ring 42 und
Glockenabschnitt 40 ist das andere Ende der Rollmembran 24 eingeklemmt.
Dadurch ist zwischen dem Tragabschnitt 14 und dem Glockenabschnitt 40 ein
abgeschlossener Raum 44 gebildet. Dieser Raum ist wahlweise
an eine Fluidquelle unter Druck oder an eine Vakuumquelle anschließbar, was
hier nicht gezeigt ist. Mit Hilfe des Fluids kann mithin der Glockenabschnitt 40 relativ
zum Tragabschnitt 14 verstellt werden, wobei die Ver stellung
nach unten durch einen Bolzen 46 begrenzt ist, der im Flansch 18 verschraubt
ist. und einen Kopf aufweist, der die Bewegung des Glockenabschnitts 40 nach
unten begrenzt.
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Mit
dem Glockenabschnitt 40 ist am Rand eine Halteplatte 50 verschraubt,
und zwar über
einen Klemmring 52, der zwischen den radialen Flansch des
Glockenabschnitts 40 und einer ringförmigen Ausnehmung am Rand der
Halteplatte 50 angeordnet ist. Der Klemmring 52 klemmt
den nach oben und zurückgeklappten
Rand einer Anlagemembran 53 an der Halteplatte 50 fest.
Dies geht deutlicher aus 3 hervor.
Der hochgeklappte Rand der Membran 53 mit dem Wulst an
der Kante ist in 3 mit 55 bezeichnet.
Die Anlagemembran 53, die aus einem elastomeren Material
besteht und beispielsweise eine Dicke von 1,5 mm oder mehr aufweist,
ist an der der Halteplatte 50 zugekehrten Seite mit einzelnen stutzenförmigen Ansätzen 57 versehen,
die einteilig an den Membrankörper
angeformt sind. Die Ansätze 57 liegen
zum Beispiel auf einem Teilkreis mit einem entsprechenden Abstand
voneinander. Die Ansätze 57 erstrecken
sich durch Bohrungen 59 der Halteplatte, wobei der Durchmesser
der Bohrungen 59 deutlich größer ist als der Außendurchmesser
der Ansätze 57.
An der Unterseite der Halteplatte 50 ist eine kreisförmige Ausnehmung 60 geformt
von relativ geringer Tiefe. Sie erstreckt sich jedoch nicht bis
zum Rand der Halteplatte 50, sondern endet in einem gewissen
Abstand von diesem.
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Wie
schon erwähnt,
kann im Raum 44 ein Druck aufgebaut werden, der auf die
Halteplatte 50 wirkt und diese relativ zum Tragabschnitt 14 zu
verstellen versucht. Dieser Druck gelangt auch durch die Bohrung 59 zur
Unterseite der Halteplatte 50 und in den Spalt zwischen
Ausnehmung bzw. dem Boden der Ausnehmung 60 und der zugekehrten
Seite der Anlagemembran 53. Der Druck auf ein Werkstück, etwa
ein Wafer, erfolgt mithin über
die Membran 53, die sich ihrerseits an einem Luftpolster
abstützt,
wobei die Druckübertragungsfähigkeit
des Druckpolsters von dem Druck im Raum 44 abhängt.
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Mit
den stutzenförmigen
Ansätzen 57 sind Anschlüsse 61 verbunden,
indem Stutzen 63 von diesen in die Ansätze 57 unter Pressung
eingesteckt sind. Die einzelnen Anschlüsse 61 sind mit Leitungsabschnitten
verbunden, die eine Ringleitung 65 bilden. Die Ringleitung 65 ist über flexible
Leitungen mit zwei Anschlüssen 62, 64 verbunden,
die an einer Buchse 66 angebracht sind, welche in einer
Bohrung im Bund 16 sitzt. Die Buchse 66 weist
einen mittigen Kanal 68 auf, der mit entsprechenden Bohrungen
in der Spindel 12 verbunden ist. Über diese Kanäle kann
wahlweise Vakuum, gasförmiger
Druck oder auch Wasser geleitet werden. Auf diese Weise kann an
der Unterseite der Anlagemembran 50 ein Vakuum erzeugt
werden, um ein Werkstück
von einem Bearbeitungsort zu einem anderen Ort zu transportieren.
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Die
Halteplatte 50 ist über
ein nicht näher dargestelltes
Kardangelenk 70 mit einem zylindrischen Bauteil 72 gekoppelt,
das seinerseits in einem Gehäuse 74 axial
geführt ist
mit Hilfe einer nicht zu sehenden Kugelführung. Das Gehäuse 74 ist
im Bund 16 des Tragabschnitts 14 festgelegt, was
im Einzelnen nicht beschrieben wird. Dadurch ist die Halteplatte 50 bei
einer Verstellung durch ein gasförmiges
Medium präzise
axial geführt,
wobei sie zu allen Richtungen hin leicht kippen kann.
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In 3 sind unterhalb des Details
zum Haltekopf nach 1 zwei
Druckdiagramme dargestellt, welche den Polierdruck im Randbereich
der Halteplatte 50 wiedergeben. Das obere Diagramm verdeutlicht
den Fall, bei dem im Raum 44 Atmosphärendruck herrscht, mithin die
Anordnung aus Halteplatte 50 und Glockenabschnitt 40 durch
Gewichtskraft auf dem Wafer aufliegt. Da die Membran im Randbereich
der Halteplatte 50 unmittelbar an der Unterseite der Halteplatte 50 anliegt,
im Gegensatz zum Bereich unterhalb der Ausnehmung 60, wird
ein etwas größerer Polierdruck
in diesem Bereich erhalten. Dies kann sinnvoll sein, denn wie sich
aus 2 ergibt, ist die
Verteilung des Abtrags über
den Durchmesser des Wafers nicht gleichmäßig. Die Ungleichmäßigkeit
rührt daher,
dass nicht in allen Punkten ein gleicher Polierdruck aufgebracht
wird, obwohl dies naturgemäß angestrebt
wird. Erhöht
man daher in dem Bereich des Diagramms nach 2 den Polierdruck, in dem sonst ein minimaler
Abtrag zu verzeichnen ist, kommt es zu einer Vergleichmäßigung des Abtrags
beim Polieren.
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Die
untere Darstellung des Pressdrucks nach 3 zeigt den Fall auf, bei dem ein Überdruck im
Raum 44 erzeugt wird, der insgesamt auf den Wafer einen
höheren Polierdruck
erzeugt, der jedoch wegen der unmittelbaren Anlage des Randbereichs der
Membran 53 an der Halteplatte 50 sich im Randbereich
nicht in dem Maße
auswirkt. Mithin findet hier ein geringerer Abtrag statt, was in
gewissen Fällen und
Phasen des Polierens gewünscht
sein mag.
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Insgesamt
zeigt das Diagramm nach 2 bereits
eine gewisse Vergleichmäßigung des
Abtrags mit Hilfe des gezeigten Werkzeugs gegenüber der Anwendung herkömmlicher
Werkzeuge.
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Der
gezeigte Halter 10 arbeitet wie folgt. Durch Absenken auf
einen bereit gehaltenen Wafer mit Hilfe der höhenverstellbaren Spindel 12 gelangt die
Unterseite der Membran 53 mit der zugekehrten Fläche des
Wafers in Eingriff. Zuvor wurde die Halteplatte 50 in die
maximal angehobene Stellung gegenüber dem Tragabschnitt 14 verstellt
durch Anlegen eines Vakuums an den Raum 44. Kurz vor oder
während
der Berührung
mit dem Wafer wird von der Vakuumquelle an die Unterseite der Membran 53 in
der beschriebenen Weise ein Vakuum angelegt. Dadurch wird der Wafer
an der Halteplatte gehalten und kann nunmehr zu einer Arbeitsfläche, beispielsweise
einem Polierteller transportiert werden. Oberhalb des Poliertellers
(nicht gezeigt) erfolgt ein Absenken des Halters 10 bis
in eine vorgegebene Position, in der der Wafer einen minimalen Abstand
zum Poliertuch des Poliertellers hat, dieses jedoch noch nicht berührt. Anschließend wird
der Raum 44 mit Atmosphäre
verbunden oder mit einer Fluidquelle unter Druck, wodurch sich die
Halteplatte 50 nach unten bewegt und den Wafer in Eingriff
mit dem Polierteller bringt. Wie schon erwähnt, wird die Eingriffskraft
(Polierkraft) durch den Druck in der Kammer 44 bzw. in
dem Spalt zwischen Halteplatte 50 und Membran 53 bestimmt
oder ggf. allein durch die Gewichtskraft. Während des Polierens kann das
Vakuum entfallen, da der Wafer durch den Rückhaltering 34 gegen
Drehung gesichert ist.
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Ist
der Poliervorgang beendet, wird wiederum Vakuum auf den Raum 44 gegeben
und der Schlauch 26 entlastet, der zuvor belastet wurde zwecks
Andrückens
des Rückhalterings 34 an
das Poliertuch. Die Halteplatte 50 wird etwas angehoben. Gleichzeitig
wird die Spindel 12 hochgefahren. Die Antriebsvorrichtung
wird in eine andere Position gefahren, um den Wafer an einem anderen
Ort abzulegen. Zu diesem Zweck senkt sich die Spindel am neuen Ort
ab, und durch Beseitigung des Vakuums an der Unterseite der Membran 53 wird
der Wafer von der Membran 53 gelöst. Es ist auch möglich, hierzu über die
beschriebenen Leitungen und den stutzenförmigen Ansatz 57 einen
Druckstoß aufzubringen.
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Es
sei schließlich
noch erwähnt,
dass eine Abdeckhaube 100 an der Oberseite des Flansches 18 angebracht
ist, der das Innere des Haltekopfes 10 schützt. Für die Funktion
des Haltekopfes 10 ist die Haube 100 nicht erforderlich.