DE10062497A1 - Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer - Google Patents

Abstract

Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer, insbesondere in einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren der Halbleiterwafer, mit einem tellerartigen Kopf, der auf der Oberseite mit einer höhenverstellbaren Spindel verbindbar ist und an der Unterseite eine Halteplatte aufweist, die über ein Universalgelenk mit einem oberhalb der Halteplatte angeordneten Tragabschnitt oder der Spindel gekoppelt ist und die eine Anzahl von vertikalen Bohrungen aufweist, die sich zur Unterseite der Halteplatte erstrecken und wahlweise mit Vakuum und/oder einer Fluidquelle unter Druck verbindbar sind, wobei die Halteplatte höhenbeweglich im Tragabschnitt geführt ist und zwischen dem Tragabschnitt und der Halteplatte Verstellmittel vorgesehen sind zur Verstellung der Halteplatte gegenüber dem Tragabschnitt und zur Ausübung eines vorgegebenen Drucks auf das Werkstück, wobei ein ringförmiges Belastungselement begrenzter Breite vorgesehen ist, das in der Halteplatte nahe ihrem Rand achsparallel bewegbar gelagert ist und von einer Belastungsvorrichtung in Richtung eines von der Halteplatte gehaltenen Werkstücks und von diesem fort verstellbar ist zur Aufbringung eines vorgegebenen Drucks auf das Werkstück.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halter für flache Werkzeuge, insbesondere Halbleiterwafer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die in den letzten Jahren stetig zunehmende Miniaturisierung der Halbleiterbau­ elementstrukturen verursacht schärfere und neue Anforderungen an den Herstellungs­ prozess der elektronischen Bauelemente. So muss beim Lithografieprozess bei Struk­ turgrößen unterhalb von 0,5 µm die Oberfläche des zu belichtenden Halbleitermate­ rials sehr eben sein (Profilunterschied < 0,4 µm), um innerhalb der Fokussierebene zu liegen. Dazu muss das Material mittels geeigneter Vorrichtungen planarisiert werden.

Ein Verfahren hierzu ist das chemisch-mechanische Polieren (kurz: CMP). Bei diesem Verfahren wird der Wafer unter Zuhilfenahme eines sowohl ätzenden als auch abra­ siven Poliermittels auf einem Poliertuch aus Kunststoff unter rotatorischer 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 Suspen­ sion zugeben wird.

Aus DE 195 44 328 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. 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 z. B. zu Transportzwecken 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.

Aus DE 197 55 975 A1 ist ferner bekannt geworden, eine Halteplatte für den bekann­ ten Halter höhenbeweglich in einem Träger zu führen und zwischen dem Trag­ abschnitt 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.

Neben verschiedenen anderen Parametern, wie Drehzahl der Wafer, Drehzahl des Poliertellers, Oszillationsbewegungen des Polierkopfes, Poliermittelzufuhr, Beschaf­ fenheit 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 gekenn­ zeichnet 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halter für flache Werkstücke, ins­ besondere Halbleiterwafer, zu schaffen, bei dem die Ungleichmäßigkeit der verblei­ benden Schichtdicke verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Halter ist ein ringförmiges Belastungselement begrenzter Breite vorgesehen, das in der Halteplatte nahe dem Rand achsparallel bewegbar gelagert ist und von einer Belastungsvorrichtung in Richtung eines von der Halteplatte gehaltenen Werkstücks und von dieser fort verstellbar ist zur Aufbringung eines vor­ gegebenen Drucks auf das Werkstück.

Mit Hilfe des ringförmigen Belastungselements, das sehr nahe an den Rand der Halte­ platte gebracht ist, beispielsweise in einem Abstand von etwa 3 mm und das sich nur über eine begrenzte Breite erstreckt, von z. B. 5 bis 10 mm, kann ein separater zusätz­ licher Druck erzeugt werden, wenn mit Hilfe der Halteplatte ein Druck auf das Werk­ stück, insbesondere des Wafers ausgeübt wird. Mit Hilfe einer derartigen Maßnahme lässt sich der Abtrag über die Gesamtfläche des Werkstücks, insbesondere des Wafers, stärker vergleichmäßigen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Rückstellmittel vorge­ sehen sind, die das Belastungselement automatisch in Richtung von der Anlagefläche der Halteplatte weg verstellen, wenn die Belastungsvorrichtung ausgeschaltet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass zur Aufnahme des Werkstücks mit Hilfe von Vakuum, um das Werkstück in Anlage an die Halteplatte zu bringen, das Belastungselement hierbei nicht stört.

Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar zur Ausbildung eines Belastungs­ elements und zu dessen Betätigung. Für die Betätigung bietet sich vorzugsweise ein pneumatischer Druck an, zumal bekannt und vorteilhaft ist, einen Pressdruck mit der Halteplatte durch Fluiddruck zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines ringförmigen Schlauchs, der in einer ringförmigen Ausnehmung der Halteplatte aufgenommen ist. Der Schlauch, der vorzugsweise im Querschnitt länglich ist, kann mit Hilfe eines gasförmigen Mediums gedehnt werden und auf diese Weise einen Druck auf das Werkstück ausüben. Ist das Material des Schlauches elastisch nach­ gebend, kann automatisch eine Rückstellung des Schlauchs erfolgen, wenn er vom Druck entlastet wird.

Die Steuerung des Fluiddrucks in dem schlauchförmigen Belastungselement erfolgt vorzugsweise über ein Proportionaldruckregelventil. Hierdurch ist eine gezielte Druckbeaufschlagung in feiner Dosierung möglich.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie in herkömmliche Halter eingebaut werden kann. So ist zum Beispiel nicht erforderlich, den Rückhaltering, der normalerweise verwendet wird und der gegen das Poliertuch anliegt, in der bekannten Form beizu­ behalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Halter nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der verbleibenden Dicke einer Waferschicht, die mit einem Halter nach Fig. 1 poliert worden ist.

Fig. 3 zeigt vergrößert eine Einzelheit des Halters nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Halter in Form eines Haltekopfes 10 an einer Spindel angebracht, die bei 12 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.

Der Tragabschnitt 14 weist einen axialen Bund 16 auf, an den sich unten ein Flansch 18 anschließt. Am Rand des Flansches 18 ist ein ringförmiges Haltebauteil 20 mit Hilfe von Schrauben 22 befestigt. Es klemmt mit dem Flansch 18 das eine 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 wahl­ weise zu expandieren oder einziehen zu lassen. Schließlich ist am ringförmigen Bau­ teil 20 mit Hilfe von Bolzen 32, die in Umfangsabständen angeordnet sind, ein Rück­ haltering 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 hin und her bewegt werden. An der Unterseite des Rückhalterings 34 ist ein ringförmiger Gleitabschnitt 38 aus einem Material geringer Reibung und hoher Abriebfestigkeit angebracht.

Innerhalb des umgekehrt topfförmigen Flansches 18 in axialem Abstand zu diesem ist ein glockenförmiger Abschnitt 40 koaxial angeordnet. Auf der Oberseite des Glocken­ abschnitts 40 ist ein Ring 42 durch Verschraubung befestigt. Zwischen Ring 42 und Glockenabschnitt 40 ist das andere Ende der Rollmembran 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 axial verstellt werden, wobei die Verstellung 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.

Mit dem Glockenabschnitt 40 ist am Rand eine Halteplatte 50 verschraubt, wie z. B. bei 52 dargestellt. Die Halteplatte 50 ist mit mehreren radialen Bohrungen 54 ver­ sehen, die nach oben mit achsparallelen Bohrungen 56 verbunden sind mit Anschlüs­ sen 58, 60, die über flexible Leitungen mit zwei Anschlüssen 62, 64 verbunden sind. Die Anschlüsse 62, 64 sind an einer Buchse 66 angebracht, welche in einer Bohrung im Bund 16 untergebracht ist und einen mittigen Kanal 68 aufweist, der mit entspre­ chenden Bohrungen in der Spindel verbunden ist. Über diese Kanäle kann wahlweise Vakuum, gasförmiger Druck oder auch Wasser geleitet werden. Die Querbohrungen 54 sind mit düsenartigen Bohrungen 62a in der Halteplatte 50 verbunden, die zur unteren planen Fläche der Halteplatte 50 führen. Die Bohrungen 62a sind nach einem vorgegebenen Muster angeordnet und dienen dazu, mit Hilfe eines Vakuums einen Wafer an der Platte 50 zu halten. Unter der Halteplatte 50 ist ein Poliertuch 64a durch Klebung befestigt (Backing film), das Löcher nach dem gleichen Muster wie die Halteplatte 50 aufweist.

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. Dadurch ist die Traghalteplatte 50 bei einer Verstel­ lung durch ein gasförmiges Medium präzise axial geführt, wobei es zu allen Richtun­ gen hin leicht kippen kann.

Die beschrieben Bauteile und ihre Funktion sind im Prinzip bereits aus der mehrfach erwähnten DE 197 55 975 A1 bekannt geworden. Eine Besonderheit ergibt sich aus Fig. 3.

Man erkennt aus Fig. 3, dass am Umfang der Halteplatte 50 in einer Aussparung von dieser ein ringförmiges Bauteil 80 angebracht ist, das mit Hilfe von Schrauben, wie der Schraube 52 mit der Halteplatte 50 fest verbunden ist. Das ringförmige Bauteil 80 hat eine nach unten weisende ringförmige Ausnehmung auf, welche eine ringförmig umlaufende Membran 82 oder einen ringförmig umlaufenden Schlauch aufnimmt mit länglichem Querschnitt, wobei die größte Erstreckung parallel zur Achse des Halters 10 verläuft. Die Enden der Membran werden in der Ausnehmung festgelegt mit Hilfe eines Ringes 84, der zwischen dem ringförmigen Bauteil 80 und dem entsprechenden Teil der Halteplatte 50 festgeklemmt wird. Über eine Leitung 86 steht der Innenraum der Membran 82 mit einem Anschluss 88 in Verbindung, der über eine Leitung 90 mit einem Proportionaldruchregelventil 92 in Verbindung steht. Mit Hilfe eines entspre­ chenden Drucks in der Membran 82 dehnt sich diese nach unten aus und übt dabei einen Druck auf das Poliertuch 64a aus und damit auf einen Wafer, der bei 94 in Fig. 3 dargestellt ist. Da das Material der Membran 82 elastisch ist, kommt es automatisch zu einer Rückstellung bei Entlastung des Raumes in der Membran 82. Diese ist so aus­ gelegt, dass sie im entlasteten Zustand nicht über die Unterseite der Halteplatte 50 hinaussteht.

In Fig. 3 ist auch die Druckverteilung, die mit Hilfe der Halteplatte 50 auf den Wafer 94 ausgeübt werden kann, dargestellt. Man erkennt, dass außerhalb des Bereichs der Membran 82 eine gleichmäßige Druckverteilung stattfindet. Im Bereich der Membran 82 findet jedoch bei 96 eine Druckverstärkung statt. Diese kompensiert dabei den geringeren Abtrag, der nahe dem Rand des Wafers bzw. der Halteplatte 50 auftritt.

Eine derartige Druckverteilung ergibt sich aus dem Diagramm nach Fig. 2. Wie erkennbar, wird der Waferrand stärker poliert, während im Abstand zum Waferrand, beispielsweise von 3 mm, der geringste Abtrag und im Bereich von 20 mm der größte Abtrag erzielt wird. Auch in Fig. 2 ist daher noch ein unterschiedlicher Abtrag mit Hilfe des gezeigten Werkzeugs erzielt. Gleichwohl wird bedeutende Verbesserung gegenüber den bisherigen Verläufen mit herkömmlichen Werkzeugen erreicht.

Es versteht sich, dass der Anschluss 88 über eine geeignete Leitung in dem Raum zwischen Glockenabschnitt 40 und Halteplatte 50 mit einem entsprechenden Anschluss am Tragbauteil 14 zu verbinden ist, damit, wie beschrieben, ein entspre­ chender Druck in der Membran 82 aufgebaut werden kann.

Der gezeigte Halter 10 arbeitet wie folgt. Durch Absenken auf einen bereitgehaltenen Wafer mit Hilfe der höhenverstellbaren Spindel 12 gelangt die Unterseite der Halte­ platte 34 bzw. das Poliertuch 64a in Eingriff mit der zugekehrten Fläche des Wafers. Zuvor wurde die Halteplatte 34 in die maximal angehobene Stellung gegenüber dem Tragbauteil 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 Bohrungen 62a in der beschriebenen Weise ein Vakuum angelegt. Dadurch wird der Wafer an der Halteplatte 50 gehalten und kann nunmehr zu einer Arbeitsfläche, beispielsweise einem Polierteller transportiert werden. Oberhalb des Poliertellers erfolgt ein Absen­ ken 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 Druck in den Raum 44 gegeben, wodurch sich die Halteplatte 50 nach unten bewegt und den Wafer in Eingriff mit dem Polierteller bringt. Die Ein­ griffskraft (Polierkraft) wird durch den Druck in der Kammer 44 bestimmt. Anschlie­ ßend wird der Kopf bzw. Halter 10 in Drehung versetzt und der Poliervorgang beginnt. Während des Polierens bleibt das Vakuum an den Bohrungen 62a aufrecht erhalten. Außerdem wird über das Proportionalregelventil 92 ein vorgegebener Druck in der Membran 82 aufgebaut, die für einen zusätzlichen Anpressdruck im Bereich der Membran 82 sorgt, wie anhand von Fig. 3 zu erkennen. Dadurch erfolgt eine Ver­ gleichmäßigung des Abtrags über die gesamte Fläche des Wafers.

Ist der Poliervorgang beendet, wird wiederum Vakuum auf den Raum 44 gegeben und die Membran 82 entlastet. 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 den Bohrungen 62a und durch Aufbringen eines kurzen Stoßes oder dergleichen wird der Wafer von der Halteplatte 50 gelöst. Es ist auch möglich, über die Bohrungen 62a Wasser zur Unterseite der Halteplatte zu fördern, um eine Reinigung durchzuführen.

Es sei schließlich noch erwähnt, dass eine Abdeckhaube 100 an der Oberseite des Flansches 18 angebracht ist und das Innere des Halters 10 schützt. Er hat mit der Funktion des Halters nichts zu tun.

Claims (6)

1. Halter für flache Werkstücke, insbesondere Halbleiterwafer, insbesondere in einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren der Halbleiterwafer, mit einem tellerartigen Kopf, der auf der Oberseite mit einer höhenverstellbaren Spindel ver­ bindbar ist und an der Unterseite eine Halteplatte aufweist, die über ein Universal­ gelenk mit einem oberhalb der Halteplatte angeordneten Tragabschnitt oder der Spindel gekoppelt ist und die eine Anzahl von vertikalen Bohrungen aufweist, die sich zur Unterseite der Halteplatte erstrecken und wahlweise mit Vakuum und/oder einer Fluidquelle unter Druck verbindbar sind, wobei die Halteplatte höhenbeweglich im Tragabschnitt geführt ist und zwischen dem Tragabschnitt und der Halteplatte Verstellmittel vorgesehen sind zur Verstellung der Halteplatte gegenüber dem Tragabschnitt und zur Ausübung eines vorgegebenen Drucks auf das Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiges Belastungselement (82) begrenzter Breite vorgesehen ist, das in der Halteplatte (50) nahe ihrem Rand achsparallel bewegbar gelagert ist und von einer Belastungsvorrichtung in Rich­ tung eines von der Halteplatte (50) gehaltenen Werkstücks (94) und von diesem fort verstellbar ist zur Aufbringung eines vorgegebenen Drucks auf das Werkstück (94).

2. Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rückstellmittel vorgesehen sind, die das Belastungselement (82) in Richtung von der Anlagefläche der Halte­ platte (50) fort verstellen, wenn die Belastungsvorrichtung ausgeschaltet ist.

3. Halter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungs­ element (82) ein ringförmiger Schlauch oder eine ringförmige Membran aus elasti­ schem Material ist, die in einer Ringausnehmung der Halteplatte (50) angeordnet und wahlweise mit einer Fluidquelle unter Druck verbindbar ist.

4. Halter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (82) einen länglichen Querschnitt aufweist, wobei die größere Erstreckung parallel zur Achse der Spindel (12) verläuft.

5. Halter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidquelle über ein Proportionaldruckregelventil (92) mit der Memran (82) verbunden ist.

6. Halter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungselement (82) auf ein Poliertuch (64a) wirkt, das auf die untere Fläche der Halteplatte (50) aufgeklebt ist.