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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung betrifft das chemisch-mechanische
Einebnen und Polieren von Substraten einschließlich Siliziumoberflächen, Metallfilmen,
Oxidfilmen, und anderer Arten von Filmen auf einer Oberfläche, spezieller
einen Polierkopf, der eine Substratträgeranordnung mit einem Substrathaltering
aufweist, und am speziellsten einen Mehrfachdruckkammerpolierkopf
und ein Verfahren für
das Polieren und chemisch-mechanische Einebnen bei Silizium- oder
Glassubstraten von verschiedenen Oxiden, Metallen oder anderen auf
der Oberfläche
derartiger Substrate abgelagerten Metallen, wobei der Substratträger und
der Substrathaltering getrennt steuerbar sind.
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HINTERGRUND
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Integrierte Schaltungen (ICs) im
Sub-Mikrometerbereich machen es erforderlich, dass die Bauteiloberflächen an
ihren Metallverbindungsstufen eingeebnet werden. Chemisch-mechanisches Polieren
(CMP) stellt das Verfahren der Wahl zum Einebnen von Halbleiterwaferoberflächen dar.
Die IC-Transistorpackungsdichte hat
sich über
einige Jahre etwa alle 18 Monate verdoppelt, und es gab beträchtliche
Anstrengungen, diesen Trend beizubehalten.
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Es gibt zumindest zwei Verfahren,
mit welchen die Packungsdichte von Transistoren auf einem Chip erhöht werden
kann. Das erste Verfahren besteht darin, die Größe des Bauteils oder des Chips
zu erhöhen. Allerdings
stellt dies nicht immer das beste Verfahren dar, da mit zunehmender
Chipgröße die Chipausbeute pro
Wafer typischerweise abnehmen kann. Da die Defektdichte pro Flächeneinheit
den begrenzenden Faktor darstellt, nimmt die Menge an defektfreien
Chips pro Fläche
mit zunehmender Chipgröße ab. Es
wird nicht nur die Ausbeute verringert, sondern nimmt auch die Anzahl
an Chips ab, die auf dem Wafer schrittweise bearbeitet (gedruckt)
werden. Das zweite Verfahren besteht darin, die Größe des Transistormerkmals
zu verringern. Kleinere Transistoren bedeuten auch eine höhere Schaltgeschwindigkeit,
was einen zusätzlichen
Vorteil darstellt. Durch Verringerung der Transistorabmessungen
können
mehr Transistoren und mehr Logikfunktionen oder Speicherbits in
derselben Bauteilfläche
aufgenommen werden, ohne die Chipgröße zu erhöhen.
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Die Sub-Halbmikrometertechnologie
hat sich allein in den wenigen vergangenen Jahren schnell zu der Sub-Viertelmikrometertechnologie
entwickelt. Die Anzahl an Transistoren, die auf jedem Chip hergestellt
werden, hat enorm zugenommen, von hunderttausenden von Transistoren
pro Chip vor drei Jahren bis zu einigen Millionen Transistoren pro
Chip heute. Man nimmt an, dass diese Dichte in der nahen Zukunft
sogar noch weiter zunimmt. Die momentane Lösung für die Anforderung besteht darin,
Schichten aufeinander aufzubauen, aus Verbindungsverdrahtung, mit
isolierenden (dielektrischen) Dünnfilmen
dazwischen. Die Verdrahtung ist auch in Vertikalrichtung über Durchgangsverbindungen
verbindbar; um sämtliche
elektrischen Leitungen zu erzielen, wie sie von den Funktionen der
integrierten Schaltung benötigt
werden.
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Die Einlagemetallleitungsstruktur,
die eingelegte Metallleitungen verwendet, die in isolierende, dielektrische
Schichten eingebettet sind, ermöglicht
die Herstellung von Metallverdrahtungsverbindungen in derselben
Ebene sowie in Richtung nach oben und unten, über mittels Plasma geätzte Gräben und
Durchgangsverbindungen in der dielektrischen Schicht. Theoretisch
können
diese Ebenen so viele Schichten aufeinander aufweisen, wie dies
erwünscht
ist, soweit jede Schicht durch einen CMP-Vorgang gut eingeebnet
wird. Die endgültige
Grenze der Verbindung wird durch den Verbindungswiderstand (R) und
die Nachbarschaftskapazität (C)
vorgegeben. Die sogenannte RC-Konstante begrenzt das Signal-Rauschverhältnis und
führt zu
einer Erhöhung
des Stromverbrauches, wodurch der Chip nicht mehr funktionsfähig wird.
Nach Schätzungen
der Industrie wird die Anzahl an Transistoren, die in einem Chip
integriert sind, bis zu einer Milliarde betragen, und wird die Anzahl
an Schichten zur Verbindung auf bis zu neun Schichten oder mehr
ansteigen.
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Um die vorhergesagten Anforderungen
an die Verbindungen zu erfüllen,
wäre es
für das
CMP-Verfahren und die CMP-Werkzeugleistung
vorteilhaft, wenn sie so verbessert würden, dass ein Ausschluss des
Waferrands infolge eines zu starken oder zu schwachen Polierens
von 6 mm auf 3 mm verringert würde,
um die körperliche
Fläche
zu vergrößern, aus
welcher große
Chips hergestellt werden können,
und die Ungleichförmigkeit
beim Polieren dadurch verringert werden könnte, dass ein Polierkopf zur
Verfügung
gestellt wird, der eine gleichmäßige und
ordnungsgemäße Kraft über die
gesamte Oberfläche
des Wafers beim Polieren anlegen kann. Momentane Schwankungen der
Gleichförmigkeit
des Films nach dem CMP am Waferrand (2-15 mm vom Rand entfernt)
führen
zu einer verringerten Chipausbeute an den Außenrändern des Wafers. Diese Randungleichförmigkeit
liegt an entweder zu starkem oder zu schwachem Polieren in der Nähe des Waferrandes. Wenn
ein CMP-Polierkopf die Fähigkeit
aufweist, das Ausmaß des
Polierens des Randes einzustellen, um ein zu starkes oder zu schwaches
Polieren zu kompensieren, lassen sich erhebliche Verbesserungen
der Ausbeute erzielen.
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Integrierte Schaltungen werden herkömmlich auf
Substraten hergestellt, insbesondere auf Siliziumwafern, durch das
aufeinanderfolgende Ablagern einer oder mehrerer Schichten, wobei
die Schichten leitend, isolierend, oder halbleitend sein können. Diese
Anordnungen werden manchmal als Mehrfachschicht-Metallstrukturen
(MIMs) bezeichnet, und sind in der Hinsicht wesentlich, eine enge
Packung von Schaltungselementen auf dem Chip bei den immer schärferen konstruktiven
Vorgaben zu erzielen.
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Bei Flachbildschirmen, beispielsweise
jenen, die in Notebook-Computern,
Persönlichen
Datenassistenzen (PDAs), Zellulartelefonen und anderen elektronischen
Geräten
verwendet werden, können
typischerweise eine oder mehrere Schichten auf einem Glas oder einem
anderen transparenten Substrat abgelagert werden, um die Anzeigeelemente
herzustellen, beispielsweise aktive oder passive LCD-Schaltungen. Nach Ablagerung
jeder Schicht wird die Schicht geätzt, um Material aus ausgewählten Bereichen
zu entfernen, um Schaltungsmerkmale zu erzeugen. Wenn eine Gruppe
von Schichten abgelagert und geätzt
wurde, wird die äußere oder
oberste Oberfläche
des Substrats immer weniger eben, da die Entfernung zwischen der äußeren Oberfläche und
dem darunter liegenden Substrat in den Bereichen des Substrats am
größten ist,
in denen am wenigsten Ätzung
stattgefunden hat, und die Entfernung zwischen der äußeren Oberfläche und
dem darunter liegenden Substrat am geringsten in Bereichen ist,
in welchen die stärkste Ätzung stattgefunden
hat. Selbst bei einer einzigen Schicht nimmt die unebene Oberfläche ein
ungleichmäßiges Profil
mit Bergen und Tälern an.
Bei mehreren, mit einem Muster versehenen Schichten wird der Höhenunterschied
zwischen den Gipfeln und den Tälern
erheblich größer, und
kann typischerweise um einige Mikrometer variieren.
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Eine unebene obere Oberfläche ist
in bezug auf die Oberflächen-Photolithographie
problematisch, die dazu eingesetzt wird, die Oberfläche mit
einem Muster zu versehen, und in bezug auf Schichten, die brechen können, wenn
sie auf einer Oberfläche
abgelagert werden, bei der sich die Höhe zu stark ändert. Es
ist daher erforderlich, die Substratoberfläche periodisch einzuebnen,
um eine ebene Schichtoberfläche
zu erzielen. Das Einebnen entfernt die unebene, äußere Oberfläche, um eine relativ ebene,
glatte Oberfläche
auszubilden, und umfasst das Wegpolieren des leitfähigen, halbleitenden
oder isolierenden Materials. Nach dem Einebnen können zusätzliche Schichten auf der frei
liegenden äußeren Oberfläche abgelagert
werden, um zusätzliche
Anordnungen auszubilden, einschließlich Verbindungsleitungen
zwischen Anordnungen, oder kann die obere Schicht geätzt werden,
um Durchgangsverbindungen zu Anordnungen unterhalb der frei liegenden
Oberfläche auszubilden.
Das Polieren im allgemeinen, und spezieller das chemisch-mechanische
Polieren (CMP) stellen bekannte Verfahren zum Einebnen von Oberflächen dar.
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Der Poliervorgang ist so ausgebildet,
dass ein bestimmter Oberflächenendzustand
(Rauhigkeit oder Glätte)
und eine bestimmte Ebenheit (Nichtvorhandensein einer großmaßstäblichen
Topographie) erzielt werden. Werden ein minimaler Endzustand und
eine minimale Ebenheit nicht erzielt, kann dies zu fehlerhaften Substraten
führen,
die wiederum zu fehlerhaften integrierten Schaltunten führen können.
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Während
CMP wird ein Substrat wie beispielsweise ein Halbleiterwafer typischerweise,
mit der zu polierenden Oberfläche
freigelegt, auf einem Waferträger
angebracht, der ein Teil eines Polierkopfes darstellt, oder an einem
Polierkopf angebracht ist. Das montierte Substrat wird dann gegen
ein sich drehendes Polierpolster gedrückt, das sich auf einem Basisabschnitt
der Poliermaschine befindet. Das Polierpolster ist typischerweise
so ausgerichtet, dass seine ebene Polieroberfläche horizontal liegt, um für eine gleichmäßige Versorgung
der Polieraufschlämmung
zu sorgen, und eine Wechselwirkung mit der Substratoberfläche parallel und
gegenüberliegend
dem Polster. Eine horizontale Ausrichtung der Polsteroberfläche (die
Normale der Polsteroberfläche
verläuft
vertikal) ist ebenfalls deshalb wünschenswert, da sie es ermöglicht,
dass der Wafer das Polster zumindest teilweise unter dem Einfluss
der Schwerkraft berührt,
und zumindest eine derartige Wechselwirkung stattfindet, dass die
Schwerkraft nicht ungleichmäßig zwischen
dem Wafer und dem Polierpolster einwirkt. Zusätzlich zum Drehen des Polsters
kann sich der Trägerkopf
ebenfalls drehen, um eine Zusatzbewegung zwischen dem Substrat und
der Polierpolsteroberfläche
zur Verfügung
zu stellen. Die Polieraufschlämmung,
die typischerweise ein Schleifmittel enthält, das in einer Flüssigkeit
suspendiert ist, und bei CMP zumindest ein chemisch-reaktionsfähiges Mittel,
kann dem Polierpolster zugeführt
werden, um eine Poliermischung mit Schleifwirkung zur Verfügung zu
stellen, bzw. für
CMP eine schleifende und chemisch-reagierende Mischung, an der Grenzfläche zwischen
Polster und Substrat. Verschiedene Polierpolster, Polieraufschlämmungen,
und reaktive Mischungen sind auf diesem Gebiet bekannt, und ermöglichen
es in Kombination, bestimmte Endzustands- und Ebenheitseigenschaften
zu erzielen. Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Polierpolster
und dem Substrat, die gesamte Polierzeit, und der beim Polieren
einwirkende Druck, beeinflussen zusätzlich zu anderen Faktoren
die Ebenheit und den Endzustand der Oberfläche, sowie die Gleichförmigkeit. Es
ist ebenfalls wünschenswert,
dass beim Polieren aufeinanderfolgender Substrate, oder wenn ein
Mehrfachkopfpolierer verwendet wird, sämtliche Substrate, die während eines
bestimmten Poliervorgangs poliert werden, im gleichem Ausmaß poliert
werden, einschließlich
des Abtrags von im wesentlichen derselben Materialmenge, und der
Bereitstellung derselben Ebenheit und desselben Endzustands. CMP
und Waferpolieren sind auf diesem Gebiet wohlbekannt, und werden
hier nicht mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
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Im US-Patent Nr. 5,205,082 wird eine
Montage des Unterträgers
mit Hilfe einer flexiblen Membran beschrieben, welche zahlreiche
Vorteile im Vergleich zu früheren
Anordnungen und Verfahren aufweist, und das US-Patent Nr. 5,584,751
sorgt für
eine gewisse Kontrolle der nach unten gerichteten Kraft auf den
Haltering mittels Verwendung einer flexiblen Blase; keines dieser
Patente beschreibt jedoch eine Anordnung für eine direkte, unabhängige Steuerung
des Drucks, der an der Grenzfläche
des Wafers und des Halterings auftritt, oder irgendeine Art von
Differenzdruck zum Modifizieren der Randpolier- oder Einebnungseffekte.
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Die EP-A-0 881 039 beschreibt eine
Poliereinrichtung, welche aufweist: ein Gehäuse; einen scheibenförmigen Träger; einen
Haltering, der im wesentlichen den Träger umschließt, um das
Substrat in einer Tasche zu halten, die durch den Haltering und
eine Oberfläche
des Trägers
gebildet wird; eine erste flexible Kupplung, welche den Haltering
an dem Träger
so befestigt, dass der Haltering eine Translationsbewegung in zumindest einer
Dimension durchführen
kann; eine zweite flexible Kupplung, welche den Träger an dem
Gehäuse
so anbringt, dass der Träger
eine Translationsbewegung in zumindest einer Dimension vornehmen
kann, und um eine Achse in bezug auf das Gehäuse verkippt werden kann; wobei
das Gehäuse
und die erste flexible Kupplung eine erste Kammer in Fluidverbindung
mit einer ersten Quelle für
Druckgas festlegen, so dass dann, wenn Gas auf einem ersten Druck
der ersten Kammer zugeführt
wird, eine erste Kraft gegen den Haltering ausgeübt wird; und das Gehäuse und
die zweite flexible Kupplung eine zweite Kammer in Fluidverbindung
mit einer zweiten Quelle für
Druckgas so ausbilden, dass dann, wenn Gas auf einem zweiten Druck
der zweiten Kammer zugeführt
wird, eine zweite Kraft gegen den Hilfsträger einwirkt.
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Angesichts der voranstehenden Ausführungen
besteht ein Bedürfnis
nach einer chemisch-mechanischen Poliereinrichtung, welche die Polierdurchsatzrate
optimiert, die Gleichförmigkeit
der Ebenheit, und den Endzustand, wobei das Risiko einer Kontaminierung
oder Zerstörung
irgendeines Substrats minimiert ist.
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Demzufolge verbleibt ein Bedürfnis nach
einem Polierkopf, der einen im wesentlichen gleichförmigen Druck über die
Substratoberfläche
bereitstellt, die poliert wird, der das Substrat im wesentlichen
parallel zum Polierpolster während
des Poliervorgangs hält,
und der das Substrat innerhalb des Trägerabschnitts des Polierkopfes
hält, ohne
unerwünschte
Polieranomalien am Umfang des Substrats hervorzurufen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Erfindung stellt eine Anordnung
zum Erzielen eines gleichförmig
polierten oder eingeebneten Substrats zur Verfügung, beispielsweise eines
Halbleiterwafers, die auch ein im wesentlichen gleichförmiges Polieren
zwischen dem Zentrum des Halbleiterwafers und dem Rand des Wafers
erzielt. Der erfindungsgemäße chemisch-mechanische
Polierkopf (CMP-Kopf)
weist einen schwebenden Waferhaltering und einen Waferträger (auch
als Wafer-Unterträger
bezeichnet) auf, mit einer Polierdrucksteuerung in mehreren Zonen.
Die Erfindung stellt eine Poliereinrichtung gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung, mit
einem Gehäuse,
einem Träger
zum Anbringen eins zu polierenden Substrats, einem Haltering, der
den Träger
zum Haltern des Substrats umschließt, einer ersten Kupplung,
welche den Haltering an dem Träger
so anbringt, dass der Haltering eine Relativbewegung zum Träger durchführen kann,
einer zweiten Kupplung, welche den Träger so an dem Gehäuse anbringt,
dass der Träger
eine Relativbewegung zum Gehäuse
durchführen
kann, wobei das Gehäuse und
die erste Kupplung eine erste Druckkammer festlegen, zur Ausbildung
einer Druckkraft gegen den Haltering, und das Gehäuse und
die zweite Kupplung eine zweite Druckkammer festlegen, zum Ausüben einer Druckkraft
gegen den Unterträger.
Bei einer Ausführungsform
sind die Kupplungen als Membranen ausgebildet.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
einer Mehrfachkopfpolier-Einebnungseinrichtung.
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2 zeigt
schematisch eine einfache Ausführungsform
des erfindungsgemäßen, zwei
Kammern aufweisenden Polierkopfes.
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3 zeigt
schematisch eine einfache Ausführungsform
des erfindungsgemäßen, zwei
Kammern aufweisenden Polierkopfes in 2,
wobei weiterhin in vergrößertem Maßstab die
Art und Weise erläutert
ist, in welcher Verbindungselementen (Membranen) eine Bewegung des
Waferunterträgers
und des Waferhalterings ermöglichen.
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4 zeigt
schematisch eine Schnittansicht von Ausführungsformen von Abschnitten
des Karussells, der Kopfmontageanordnung, der Drehverbindungen,
und der Waferträgeranordnung.
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5 zeigt
schematisch eine detailliertere Schnittansicht einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Waferträgeranordnung.
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6 zeigt
schematisch, in Explosionsdarstellung, Elemente der Ausführungsform
der in 5 gezeigten Waferträgeranordnung.
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7 zeigt
schematisch eine detaillierte Schnittansicht eines Abschnitts der
in 5 gezeigten Ausführungsform
der Waferträgeranordnung.
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8 zeigt
schematisch eine detaillierte Schnittansicht eines anderen Abschnitts
der Ausführungsform
der Waferträgeranordnung
von 5.
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9 zeigt
schematisch eine Aufsicht auf eine Ausführungsform eines Halterings.
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10 zeigt
schematisch eine Schnittansicht der Ausführungsform des Halterings in 9.
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11 zeigt
schematisch eine Einzelheit der Ausführungsform des Halterings in 9.
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12 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht der Ausführungsform der Halterings in 9.
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13 zeigt
schematisch eine Schnittansicht durch einen Abschnitt des Halterings
in 9, wobei insbesondere
der abgeschrägte Übergangsbereich
am Außenumfang
in Radialrichtung des Rings dargestellt ist.
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14 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
des Halteringadapters, der bei dem Polierkopf von 5 eingesetzt wird.
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15 zeigt
schematisch eine alternative Ansicht des Halteringadapters in 14.
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16 zeigt
schematisch eine Schnittansicht des Halteringadapters in 14.
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17 zeigt
schematisch eine Einzelheit der Art und Weise der Anbringung des
Halterings an dem Halteringadapter in Schnittansicht.
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18 ist
eine schematische Darstellung einer Einzelheit der Spülkanäle und der Öffnungen
zum Befreien des Ringbereichs von Polieraufschlämmung.
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19 zeigt
schematisch eine hypothetische Wechselwirkung zwischen Haltering
und Polierpolster für
einen Haltering, der eine rechteckige Ecke an der Grenzfläche zwischen
Ring und Polster aufweist.
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20 zeigt
schematisch eine hypothetische Wechselwirkung zwischen Haltering
und Polierpolster für
einen Haltering, der den erfindungsgemäßen, mehrfach ebenen, abgeschrägten Übergangsbereich
an der Ring-Polster-Grenzfläche aufweist.
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21 zeigt
schematisch als Flussdiagramm eine Ausführungsform eines Waferbeladungsvorgangs.
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22 ist
ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Waferpoliervorgangs.
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23 ist
ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Waferentladungsvorgangs.
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24 zeigt
schematisch die Waferaufnahmeoberfläche einer Ausführungsform
ohne Nut des Waferunterträgers.
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25 zeigt
schematisch die Waferaufnahmeoberfläche einer Ausführungsform
des Waferunterträgers,
welche eine einzige Nut und eine Kammer mit einem einzigen Druck
aufweist.
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26 ist
eine Ansicht, teilweise im Schnitt, des Waferunterträgers in 25, welcher eine einzelne Nut
und eine Kammer mit einem einzigen Druck aufweist.
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27 zeigt
schematisch die Waferaufnahmeoberfläche einer Ausführungsform
des Waferunterträgers,
welche drei Nuten und Kammern mit drei Drucken aufweist.
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28 zeigt
schematisch eine Schnittansicht von Ausführungsformen von Abschnitten
des Karussells, der Kopfmontageanordnung, der Drehverbindungen,
und der Waferträgeranordnung,
einschließlich
des Waferunterträgers
mit einer einzigen Nut und einer einzigen Kammer.
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29 zeigt
schematisch eine detailliertere Schnittansicht einer Ausführungsform
der Waferträgeranordnung
in 28.
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30 zeigt
schematisch eine detaillierte Schnittansicht eines Abschnitts der
Ausführungsform
der Waferträgeranordnung
von 29.
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31 zeigt
schematisch eine detaillierte Schnittansicht eines unterschiedlichen
Abschnitts der Ausführungsform
der Waferträgeranordnung
von 29.
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32 erläutert schematisch
die Auswirkung des Unterträger-Nutdrucks
auf die Abtragsrate in Abhängigkeit
von der Position.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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In 1 ist
ein Werkzeug 101 für
das chemisch-mechanische Polieren oder das Einebnen (CMP) gezeigt,
welches ein Karussell 102 aufweist, das mehrere Polierkopfanordnungen 103 trägt, die
aus einer Kopfmontageanordnung 104 und der Trägeranordnung 106 (siehe 3) für das Substrat (den Wafer)
besteht. Wir verwenden hier den Begriff "polieren", um entweder das Polieren eines Substrats 113 zu
bezeichnen, das im allgemeinen Substrate eines Halbleiterwafers 113 umfasst,
und um auch das Einebnen zu bezeichnen, wenn es sich beim Substrat
um einen Halbleiterwafer handelt, auf welchem elektronische Schaltungselemente
abgelagert wurden. Halbleiterwafer sind normalerweise dünne und
relativ spröde
Scheiben, welche nominelle Durchmesser zwischen 100 mm und 300 mm
aufweisen. Momentan werden in weitem Ausmaß Halbleiterwafer von 200 mm
eingesetzt, jedoch wird die Verwendung von Wafern mit 300 mm entwickelt.
Die erfindungsgemäße Konstruktion
ist bei Halbleiterwafern und anderen Substraten von zumindest bis
300 mm Durchmesser einsetzbar, und begrenzt in vorteilhafter Weise
jegliche signifikanten Polierungleichförmigkeiten der Waferoberfläche auf
nicht mehr als etwa die sogenannte Ausschließungszone von 2 mm am radialen
Umfang der Halbleiterscheibe, und häufig auf einen kreisringförmigen Bereich
von weniger als etwa 2 mm vom Rand des Wafers entfernt.
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Eine Basis 105 stellt eine
Halterung für
die anderen Bauteile zur Verfügung,
einschließlich
einer Brücke 107,
welche das Karussell mit angebrachten Kopfanordnungen haltert, und
deren Anheben und Absenken ermöglicht.
Jede Kopfmontageanordnung 104 ist auf dem Karussell 102 angebracht,
und jede der Polierkopfanordnungen 103 ist an der Kopfmontageanordnung 104 so
angebracht, dass sie sich drehen kann, wobei das Karussell drehbeweglich
um eine zentrale Karussellachse 108 ausgebildet ist, und
jede Drehachse 111 der Polierkopfanordnung 103 im
wesentlichen parallel zu den Drehachsen 108 des Karussells
verläuft,
jedoch von diesen getrennt ist. Das CMP-Werkzeug 101 weist
weiterhin die motorgetriebene Platte 109 auf, die drehbeweglich
um eine Plattenantriebsachse 110 angeordnet ist. Die Platte 109 haltert
ein Polierpolster 135, und wird zur Drehung durch einen
Plattenmotor (nicht gezeigt) angetrieben. Diese spezielle Ausführungsform
eines CMP-Werkzeugs
ist eine Mehrkopfkonstruktion, was bedeutet, dass mehre Polierköpfe für jedes
Karussell vorhanden sind; allerdings sind auch Einzelkopf-CMP-Werkzeuge
bekannt, und die Kopfanordnung 103, der Haltering 166,
und das Polierverfahren gemäß der Erfindung
können
entweder bei einer Mehrfachkopf- oder Einzelkopf-Poliereinrichtung
eingesetzt werden.
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Weiterhin wird bei dieser speziellen
CMP-Konstruktion jeder der mehreren Köpfe durch einen einzelnen Kopfmotor
angetrieben, der eine Kette (nicht gezeigt) antreibt, die wiederum
jeden der Polierköpfe 103 über einen
Mechanismus mit Kette und Kettenrad antreibt; allerdings kann die
Erfindung auch bei Ausführungsformen
eingesetzt werden, bei welchen jeder Kopf 103 durch einen
getrennten Motor gedreht wird. Das erfindungsgemäße CMP-Werkzeug weist weiterhin
eine Drehverbindung 116 auf, die fünf unterschiedliche Gas/Fluidkanäle zur Verfügung stellt,
um unter Druck stehende Fluide wie beispielsweise Luft, Wasser,
Vakuum oder dergleichen zwischen ortsfesten Quellen außerhalb
des Kopfes und Orten auf der Waferträgeranordnung 106,
oder innerhalb von dieser, zu transportieren. Bei Ausführungsformen
der Erfindung, bei welcher der mit Kammern versehene Unterträger vorgesehen
ist, sind zusätzliche
Drehverbindungsöffnungen
vorgesehen, um den zusätzlichen
Kammern die erforderlichen, unter Druck stehenden Fluide zuzuführen.
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Im Betrieb dreht sich die Polierplatte 109 mit
daran angebrachtem Polierpolster 135, dreht sich das Karussell 102,
und dreht sich jeder der Köpfe 103 um
seine eigene Achse. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen CMP-Werkzeugs
ist die Drehachse des Karussells gegenüber der Drehachse der Platte
um etwa einen Zoll versetzt angeordnet. Die Geschwindigkeit, mit
welcher sich jedes Bauteil dreht, ist so ausgewählt, dass jeder Abschnitt auf
dem Wafer im wesentlichen dieselbe Entfernung mit derselben mittleren
Geschwindigkeit wie jeder andere Punkt auf dem Wafer zurücklegt,
um so ein gleichförmiges
Polieren oder Einebnen des Substrats zu ermöglichen. Da das Polierpolster
typischerweise in gewissem Ausmaß komprimierbar ist, stellen
die Geschwindigkeit und die Art und Weise der Wechselwirkung zwischen
dem Polster und dem Wafer, dort, wo der Wafer zuerst das Polster
berührt,
eine signifikante Kenngröße für die Materialmenge
dar, die vom Rand des Wafers abgetragen wird, und für die Gleichförmigkeit
der polierten Waferoberfläche.
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Ein Polierwerkzeug, das mehrere auf
einem Karussell angebrachte Kopfanordnungen aufweist, wird im US-Patent
Nr. 4,918,870 mit dem Titel "Floating
Subcarriers for Wafer Polishing Apparatus" beschrieben; ein Polierwerkzeug mit
einem schwebenden Kopf und einem schwebenden Haltering wird beschrieben
im US-Patent Nr. 5,205,082 "Wafer
Polisher head Having Floating Retainer Ring"; und eine Drehverbindung zum Einsatz
in einem Poliervorrichtungskopf wird beschrieben im US-Patent Nr.
5,443,416 mit dem Titel "Rotary Union
for Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatus".
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In einer Ausführungsform stellt die erfindungsgemäße Anordnung
einen Kopf mit zwei Kammern zur Verfügung, der einen scheibenförmigen Unterträger aufweist,
mit einer oberen Oberfläche 163 innerhalb
der Poliereinrichtung, und einer unteren Oberfläche 164 zum Anbringen
eines Substrats (beispielsweise eines Halbleiterwafers) 113,
wobei ein kreisringförmiger
Haltering 166 vorgesehen ist, der koaxial zum unteren Abschnitt
des Unterträgers 160 und
um den Rand des Wafersubstrats 113 herum angeordnet ist,
und um beide herum passt, damit das Substrat direkt unterhalb und
in Berührung
mit dem Unterträger 160 gehalten
wird, und es ist eine Polierkissenoberfläche 135 vorgesehen,
die selbst an der Platte 109 befestigt ist. Den Wafer direkt unterhalb
des Unterträgers
zu halten, ist deswegen für
die Gleichförmigkeit
wesentlich, da der Unterträger
eine nach unten gerichtete Polierkjraft auf die Rückseite
des Wafers ausübt,
so dass die Vorderseite des Wafers gegen das Polster gedrückt wird.
Eine (P2) der Kammern 132 steht in Fluidverbindung mit
dem Träger 160, und übt einen
nach unten gerichteten Polierdruck (oder eine Kraft) während des
Polierens auf den Unterträger 160 aus,
und indirekt über
das Substrat 113 gegen das Polierpolster 135 (die
als "Unterträgerkraft" oder "Waferkraft" bezeichnet wird).
Die zweite Kammer (P1) 131 steht in Fluidverbindung mit
dem Haltering 166 über einen
Halteringadapter 168, und übt einen nach unten gerichteten
Druck während
des Polierens des Halterings 166 gegen das Polierpolster 135 aus
(bezeichnet als "Ringkraft"). Die beiden Kammern 131, 132 und
ihre zugehörigen
Druck/Vakuumquellen 114, 115 ermöglichen
eine Steuerung des Drucks (oder der Kraft), die von dem Wafer 113 und
getrennt durch den Haltering 166 auf die Polierpolsteroberfläche 135 einwirkt.
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Während
bei einer Ausführungsform
der Erfindung die Unterträgerkraft
und die Ringkraft unabhängig ausgewählt werden,
kann die Anordnung so ausgebildet werden, dass ein stärkeres und
geringeres Ausmaß der
Kupplung zwischen der Ringkraft und der Unterträgerkraft vorhanden sind. Durch
geeignete Auswahl der Eigenschaften einer Verknüpfung zwischen einer Kopfgehäuse-Halteanordnung 120 und
dem Unterträger 60, sowie
zwischen dem Unterträger 160 und
dem Ring 166, können
unterschiedliche Ausmaße
der Unabhängigkeit
erreicht werden, im Bereich zwischen unabhängiger Bewegung des Unterträgers und
des Rings bis zur starken Kupplung zwischen dem Unterträger und
dem Ring. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung sorgen das Material und die geometrischen Eigenschaften
von Verbindungselementen, die nach Art und Weise von Membranen 145, 162 ausgebildet
sind, für
eine optimale Verknüpfung,
um ein gleichförmiges
Polieren (oder Einebnen) über
die Oberfläche
eines Halbleiters zu erzielen, selbst an den Rändern des Substrats.
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Zusätzliche Ausführungsformen
der Erfindung, die einen mit einer Kammer versehenen Unterträger aufweisen,
werden ebenfalls beschrieben. Diese eine Kammer aufweisenden Unterträger fügen zusätzliche Druckkammern
hinzu, die eine noch stärkere
Steuerung der Polierkraft in Abhängigkeit
von der Position ermöglichen.
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Bei einer anderen Ausführungsform
sind die Abmessungen und die Form des Halterings 166 abgeändert, im
Vergleich zu herkömmlichen
Halteringanordnungen, damit das Polierpolster
135 in einem
Bereich nahe dem Außenumfangsrand
des Substrats 113 vorher zusammengedrückt und/oder konditioniert
wird, so dass schädliche
Auswirkungen, die bei der Bewegung des Substrats 113 über das
Polster 135 von einem Bereich des Polsters zu einem anderen
auftreten, sich nicht als Nichtlinearitäten auf der polierten Substratoberfläche zeigen.
Der Haltering 166 wirkt so, dass er das Polster 135 an
dem Vorderrand und dem Hinterrand der Bewegung abflacht, so dass,
bevor das sich vorwärts
bewegende Substrat eine neue Fläche
des Polsters berührt,
das Polster im wesentlichen eben ist, und coplanar zur Substratoberfläche; und
dann, wenn die Berührung
zwischen dem Substrat und dem Polster gerade aufzuhören beginnt,
das Polster eben und coplanar mit der polierten Oberfläche des
Substrats gehalten wird. Auf diese Weise wirkt auf das Substrat
immer eine ebene, vorkomprimierte und im wesentlichen gleichförmige Polierpolsteroberfläche ein.
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Der Haltering führt ein vorheriges Zusammendrücken des
Polierpolsters durch, bevor es die Waferoberfläche überquert. Dies führt dazu,
dass die gesamte Waferoberfläche
ein Polierpolster mit demselben Ausmaß der vorherigen Kompression
sieht, was zu einem gleichförmigeren
Materialabtrag über
die Waferoberfläche
führt.
Mit unabhängiger
Steuerung des Halteringdrucks ist es möglich, das Ausmaß der Vorkompression des
Polierpolsters zu modulieren, wodurch die Materialmenge beeinflusst
wird, die vom Waferrand abgetragen wird. Computersteuerung, mit
oder ohne Rückkopplung,
beispielsweise unter Verwendung einer Endpunkt-Detektorvorrichtung,
kann das Erzielen der gewünschten
Gleichförmigkeit
unterstützen.
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Zuerst wird die Aufmerksamkeit auf
eine einfache, erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Polierkopfes 100 mit
zwei Kammern gelenkt, der in 2 gezeigt
ist, um die Art und Weise zu erläutern,
auf welche ausgewählte
Aspekte der Erfindung arbeiten. Insbesondere zeigen und beschreiben
wir die Art und Weise, auf welche der Druck auf die Halteringanordnung
(einschließlich
des Halteringadapters 168 und des Halterings 166)
und den Träger 160 aufgebracht
und gesteuert wird. Dann werden andere Aspekte der Erfindung in
bezug auf etwas ausgefeiltere, alternative Ausführungsformen beschrieben, welche
zusätzliche
wahlweise, jedoch vorteilhafte Merkmale aufweisen.
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Revolverkopfmontageadapter 121 und
Stifte 122, 123 oder andere Befestigungsvorrichtungen
erleichtern das Ausrichten und Anbringen oder Montieren des Gehäuses 120 an
einer Spindel 119, die drehbeweglich in bezug auf das Karussell 102 vorgesehen
ist, oder bei Ausführungsformen
mit einem einzigen Kopf, und an einer anderen Halteanordnung, beispielsweise
an einem Arm, der den Kopf über
die Oberfläche
des Polsters bewegt, während
sich der Kopf und das Polster drehen. Das Gehäuse 120 stellt eine
Halteanordnung für
andere Kopfbestandteile zur Verfügung.
Eine sekundäre
Membran 145 ist an dem Gehäuse 120 durch einen
Abstandsring 131 angebracht, um die sekundäre Membran
vom Gehäuse 120 zu
trennen, um einen Bereich der Vertikalbewegung und der Winkelbewegung
der Membran und der daran angebrachten Anordnungen zu ermöglichen
(einschließlich
des Trägers 160),
relativ zu einer nominellen Ebene 125 der sekundären Membran. (Die
primäre
und die sekundäre
Membran ermöglichen
auch eine geringe Horizontalbewegung infolge der Winkelverkippung,
allein oder zusammen mit einer vertikalen Translationsbewegung,
die vorgesehen ist, um Winkeländerungen
an der Grenzfläche
zwischen dem Träger
und dem Polster bzw. dem Haltering und dem Polster auszugleichen,
jedoch ist diese Horizontalbewegung typischerweise im Vergleich
zur Vertikalbewegung gering.) Der Abstandsring 131 kann
einstückig
mit dem Gehäuse 120 bei
dieser Ausführungsform
ausgebildet sein, und dieselbe Funktion zur Verfügung stellen; jedoch wird,
wie bei einer alternativen Ausführungsform
(vgl. beispielsweise 5)
beschrieben, der Abstandsring 131 vorzugsweise aus einem
getrennten Teil hergestellt, und an dem Gehäuse durch Befestigungsmittel
(beispielsweise Schrauben) und konzentrische O-Ringdichtungen angebracht,
um sicherzustellen, dass die Anbringung luftdicht und druckdicht
ist.
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Der Träger 160 und die Halteringanordnung 165 (einschließlich des
Halteringadapters 168 und des Halterings 166)
sind auf ähnliche
Art und Weise an der primären
Membran 162 angebracht, die selbst wiederum an einem unter
Abschnitt des Gehäuses 162 angebracht
ist. Der Träger 160 und
der Haltering 166 können daher
eine vertikale Translationsbewegung durchführen, und verkippt werden,
um Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche
des Polsters auszugleichen, und das Einebnen des Polierpolsters
zu unterstützen,
und zwar dort, wo das Polster zuerst auf den Haltering 166 in
der Nähe
des Randes des Wafers 113 auftrifft. Allgemein wird diese
Art von einer durch eine Membran erleichterten Bewegung bezeichnet
als "schwebend", werden der Träger und
der Haltering als "schwebender
Träger" bzw. "schwebender Haltering" bezeichnet, und
wird ein Kopf, welcher diese Elemente aufweist, als Konstruktion
mit "schwebendem
Kopf" bezeichnet.
Zwar verwendet der erfindungsgemäße Kopf "schwebende" Elemente, jedoch
sind der Aufbau und das Betriebsverfahren anders als jene, die bereits
auf diesem Gebiet bekannt waren.
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Flanschring 146 verbindet
die sekundäre
Membran 145 mit einer oberen Oberfläche 163 des Unterträgers 160,
der wiederum an der primären
Membran 162 angebracht ist. Der Flanschring 146 und
der Unterträger 160 sind
tatsächlich
zusammengeklemmt und bewegen sich als eine Einheit, jedoch ist die
Halteringanordnung 167 nur an der primären Membran angebracht, und
kann sich frei bewegen, wobei sie nur den Bewegungseinschränkungen
ausgesetzt ist, die durch die primäre und die sekundäre Membran
vorgegeben werden. Der Flanschring 146 verbindet die primäre Membran 162 und
die sekundäre
Membran 145. Reibungskräfte
zwischen der Membran und dem Flanschring und dem Unterträger unterstützen das
Halten der Membran an ihrem Ort, und das Aufrechterhalten einer
Spannung über
die Membran. Die Art und Weise, auf welche die primäre und die
sekundäre
Membran eine Translationsbewegung und Winkelbewegung des Trägers und des
Halterings ermöglichen,
wird auch durch die schematische Darstellung in 3 erläutert,
die einen stark übertriebenen
Zustand zeigt, bei welchem die nominelle ebene Ausbildung jeder
Membran 145, 162 geändert ist, um die Freiheitsgrade
für die
Translationsbewegung und die Winkelbewegung zu ermöglichen.
Dieses übertriebene
Ausmaß der
Biegung der Membran, das in der Figur dargestellt ist, insbesondere
in bezug auf die Winkelausrichtung, würde man nicht während des
Polierens erwarten, und die vertikale Translation würde typischerweise
nur während
der Vorgänge
des Waferbeladens bzw. -entladens auftreten. Insbesondere tritt
bei der sekundären
Membran 145 eine gewisse Verbiegung oder Verzerrung in
ersten und zweiten Biegebereichen 172, 173 in
der Spannweite zwischen der Anbringung am Abdichtring 131 und
am Flanschring 146 auf; und tritt bei der primären Membran
eine unterschiedliche Biegung oder Verzerrung an dritten, vierten,
fünften und
sechsten Biegebereichen 174, 175, 178 bzw. 179 auf,
wo sie ihre Anbringung am Gehäuse 120 und
am Träger 160 überspannt.
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Bei der vorliegenden Beschreibung
bezeichnen die Begriffe "oben" und "unten" die relativen Ausrichtung
von Anordnungen, wenn die beschriebene Anordnung in ihrem normalen Betriebszustand
eingesetzt wird, typischerweise wie in den Zeichnungen dargestellt.
Entsprechend bezeichnen die Begriffe "vertikal" und "horizontal" ebenfalls Orientierungen oder Bewegungen,
wenn die Erfindung oder eine Ausführungsform oder ein Element
einer Ausführungsform
in ihrer gewünschten
Orientierung eingesetzt wird. Dies ist geeignet für eine Poliermaschine,
da Waferpoliermaschinen jener Art, wie sie den Erfindern bekannt
ist, eine horizontale Polierpolsteroberfläche zur Verfügung stellen,
welche die Ausrichtungen anderer Polierbestandteile festlegt.
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Wir richten unsere Aufmerksamkeit
auf die alternative und in gewissem Ausmaß ausgefeiltere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Polierkopfanordnung 103,
die in 4 gezeigt ist.
Es wird besonders auf die Waferträgeranordnung 106 aufmerksam
gemacht; allerdings werden auch die Bestandteile der Drehverbindung 116 und
der Kopfmontageanordnung 104 der Polierkopfanordnung 103 beschrieben.
Zwar weisen einige Anordnungen bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung (vgl. 2)
einen etwas unterschiedlichen Aufbau auf als jene, die bei dieser
alternativen Ausführungsform
(vgl. 4) dargestellt
sind, jedoch wurden identische Bezugszeichen beibehalten, um so
die gleiche Funktionsweise zu verdeutlichen, die von den Elementen
bei den verschiedenen Ausführungsformen
zur Verfügung
gestellt wird.
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Die Polierkopfanordnung 103 weist
im wesentlichen eine Spindel 119 auf, die eine Spindeldrehachse 111 festlegt,
eine Drehverbindung 116, und eine Spindelhalterungsvorrichtung 209,
welche Lager aufweist, die eine Vorrichtung zum Anbringen der Spindel 109 in
einer Spindelhalterung zur Verfügung
stellen, die so an der Brücke 109 angebracht
ist, dass sich die Spindel drehen kann. Diese Spindelhalteanordnungen
sind auf dem Gebiet der Mechanik bekannt, und werden hier nicht
in ihren Einzelheiten beschrieben. Der Aufbau innerhalb der Spindel
wird insoweit dargestellt und beschrieben, als der Aufbau den Aufbau
und den Betrieb der Drehverbindung 116 betrifft.
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Die Drehverbindung 116 stellt
eine Vorrichtung zur Verfügung,
um unter Druck stehende und drucklose Fluide (Gase, Flüssigkeiten
Vakuum, und dergleichen) zwischen einer Fluidquelle, beispielsweise
einer Vakuumquelle, welche ortsfest ist und sich nicht dreht, und
der drehbaren Polierkopfwaferträgeranordnung 106 zu übertragen.
Die Drehverbindung ist dazu ausgebildet, an dem nicht drehbaren
Abschnitt des Polierkopfs angebracht zu werden, und stellt eine
Vorrichtung zum Einschließen
und ständigen
Zuführen
eines druckbeaufschlagten oder drucklosen Fluides zwischen einer
nicht-drehbaren Fluidquelle und einem Raumbereich in der Nähe einer
Außenoberfläche der
drehbaren Spindelwelle 119 zur Verfügung. Zwar ist eine Drehverbindung speziell
bei der Ausführungsform
von 4 dargestellt, jedoch
wird darauf hingewiesen, dass Drehverbindungen bei den anderen Ausführungsformen
der Erfindung einsetzbar sind.
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Eine oder mehrere Fluidquellen sind
an die Drehverbindung 116 über Rohre und ein Steuerventil
(nicht gezeigt) angeschlossen. Die Drehverbindung 116 weist
einen ausgenommenen Bereich auf einen Innenoberflächenabschnitt
auf, der einen typischerweise zylindrischen Vorratsbehälter 212, 213, 214 zwischen
dem Innenoberflächenabschnitt 216 der
Drehverbindung 116 und der Außenoberfläche 217 der Spindelwelle 119 festlegt.
Dichtungen 218 sind zwischen der drehbaren Welle 119 und
dem nicht-drehbaren Abschnitt der Drehverbindung vorgesehen, um
Lecks zwischen den Vorratsbehältern
und Bereichen außerhalb
der Vorratsbehälter
zu verhindern. Herkömmliche
Dichtungen können
eingesetzt werden, wie sie auf dem Gebiet der Mechanik bekannt sind.
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Eine Bohrung oder eine Öffnung 201 ist
ebenfalls unterhalb des Zentrums der Spindelwelle vorgesehen, um
ein Fluid über
eine drehbare Kupplung zu übertragen.
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Die Spindelwelle 119 weist
mehrere Kanäle
auf, bei einer Ausführungsform
fünf Kanäle, die
sich von der äußeren Wellenoberfläche und
der Oberseite der Welle zu einer oder mehreren hohlen Bohrungen
innerhalb der Spindelwelle erstrecken. Bei der speziellen Schnittansicht
von 4 sind nur drei
der fünf
Kanäle
in der Zeichnung sichtbar. Von jeder Bohrung werden das Vakuum oder
andere druckbeaufschlagte oder drucklose Fluide über Kupplungen und/oder Rohre
innerhalb der Waferträgeranordnung 106 an
den Ort transportiert, an welchem das Fluid benötigt wird. Der genaue Ort oder
das Vorhandensein der Kupplungen stellen Einzelheiten der Umsetzung
in die Praxis dar, die nicht für
das erfindungsgemäße Konzept
wesentlich sind, es sei denn, dies wäre nachstehend speziell angegeben.
Diese dargestellten Anordnungen stellen eine Vorrichtung zum Umschließen und
ständigen
Transportieren eines oder mehrerer druckbeaufschlagter Fluide zwischen dem
Bereich neben der Außenoberfläche der
drehbaren Welle und der umschlossenen Kammer zur Verfügung, jedoch
können
andere Vorrichtungen eingesetzt werden. Eine Drehverbindung, die
weniger Kanäle
als bei dieser speziellen Ausführungsform
der Erfindung zur Verfügung
stellt, ist im US-Patent Nr. 5,443,416 beschrieben, mit dem Titel "Rotary Union for
Coupling Fluids in a Wafer Polishing Apparatus".
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Es wird nunmehr die Waferträgeranordnung 106 unter
Bezugnahme auf 5 beschrieben,
die eine Schnittansicht durch "Abschnitt
A-A" der Waferträgeranordnung 106 zeigt,
sowie unter Bezug auf 6,
die eine Explosionsdarstellung der Waferträgeranordnung 106 zeigt.
Aus 6 wird deutlich,
dass die Waferträgeranordnung 106 in
hohem Ausmaß um
eine Zentrumsachse symmetrisch ist; man sieht jedoch, dass nicht alle
Elemente symmetrisch in bezug auf die Orte von Löchern, Öffnungen, Befestigungen, Ausnehmungen, und ähnliche
Merkmale angeordnet sind. Anstatt die Waferträgeranordnung 106 in
bezug auf eine einzelne Figur zu beschreiben, verweisen wir auf
die Kombination aus 5 (Seitenansicht
durch Schnitt A-A), 6 (Explosionsdarstellung), 7 (vergrößerte Schnittansicht der rechten
Seite von 5), und 8 (vergrößerte Schnittansicht der linken
Seite von 5), welche
die Bauelemente aus unterschiedlichen Perspektiven zeigen, und den
Aufbau und den Betrieb jedes Elements verdeutlichen.
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Das chemisch-mechanische Polieren
sowie die Eigenschaften von Polierpolstern, Aufschlämmungen, und
Waferzusammensetzungen sind wohlbekannt, und werden nicht detailliert
beschrieben, es sei denn, dies wäre
für das
Verständnis
der Erfindung erforderlich.
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In bezug auf die Funktionsweise stellt
die Waferträgeranordnung 106 die
gesamte Anordnung zur Verfügung,
die dazu erforderlich ist, ein Substrat 130 wie beispielsweise
einen Halbleiterwafer während
des Poliervorgangs anzubringen und zu haltern. (Es wird darauf hingewiesen,
dass die vorliegende Erfindung zum Polieren von Substraten über Halbleiterwafer
hinaus geeignet ist). Die Trägeranordnung 106 stellt
Vakuum an einer unteren Oberfläche 164 eines
Waferunterträgers über Löcher oder Öffnungen 147 zur
Verfügung,
um den Wafer während
eines Zeitraums zwischen den Einlagen des Wafers und dem Beginn
des Polierens zu haltern. Sie stellt weiterhin einen nach unten
gerichteten Polierdruck auf den Wafer über den Waferunterträger zur
Verfügung,
und einen getrennten, nach unten gerichteten Druck auf einen Haltering
zum Haltern des Wafers innerhalb einer Tasche, und zur Wechselwirkung
mit dem Polierpolster, um Polierungleichförmigkeiten in der Nähe des Randes
bei dem Wafer zu verringern oder auszuschalten. Die Waferträgeranordnung 106 stellt
auch Quellen für
Fluide zur Verfügung,
beispielsweise entionisiertes Wasser (DI-Wasser), Druckluft, und
Vakuum, an verschiedenen Kammern, Öffnungen von Oberflächen, wie
dies nachstehend genauer erläutert
wird. Die Waferträgeranordnung
ist besonders in der Hinsicht wesentlich, dass sie einen über eine
Membran angebrachten Unterträger
und eine Halteringanordnung zur Verfügung stellt, die selbst wiederum
einen Halteringadapter und einen Haltering aufweist. Die über eine
Membran angebrachten Bauteile und ihre baulichen und funktionellen
Beziehungen zu anderen Elementen und Kammern stellen einige der
vorteilhaften Merkmale der Erfindung zur Verfügung.
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Das obere Gehäuse 120 ist an den
Montageadapter 121 über
vier Innensechskantschrauben angebracht, und dieser ist wiederum
an dem unteren Abschnitt der Kopfmontageanordnung 104 über Schrauben angebracht,
und wird durch erste und zweite Stifte 122, 123 positioniert.
Das obere Gehäuse 120 stellt
ein stabiles Teil zur Verfügung,
an welchem andere Elemente der Waferträgeranordnung angebracht werden
können, wie
dies hier beschrieben wird. Der Gehäusedichtungsring 129 ist
ein im wesentlichen kreisförmiges
Element, das dazu dient, die erste Druckkammer (P1) 131 von
einer zweiten Druckkammer (P2) 132 zu trennen. Das Paar
von O-Ringen 137, 139 ist innerhalb getrennter
Kanäle
angeordnet, die in eine obere Oberfläche des Gehäusedichtungsrings 131 eingearbeitet
sind, und stellt dann, wenn es an einer Innenoberfläche des
inneren Gehäuses 120 angebracht
ist, eine lecksichere Fluid- und Druckdichtung zwischen dem Gehäusedichtungsring 131 und
dem oberen Gehäuse 120 zur
Verfügung.
Der Druck in der ersten Druckkammer 131 dient dazu, den
nach unten einwirkenden Druck auf die Halteringanordnung 134 und
deren Wechselwirkung mit dem Polierpolster 135 zu beeinflussen.
Der Druck in der zweiten Druckkammer 132 dient dazu, den
nach unten einwirkenden Druck auf den Unterträger 136 zu beeinflussen,
der wiederum den Polierdruck zur Verfügung stellt, der zwischen der
unteren Oberfläche
des Wafers 138 und dem Polierpolster 136 auftritt.
Wahlweise kann ein Polymereinsatz oder ein anderer Einsatz 161 zwischen
der unteren Oberfläche 164 des
Unterträgers 106 in der
oberen oder hinteren Oberfläche
des Wafers 138 verwendet werden. Der innere Aufbau innerhalb
der Waferträgeranordnung 106 stellt
ein gewisses Ausmaß der
Unabhängigkeit
zwischen dem Druck und/oder der Bewegung der Halteringanordnung 134 und
des Unterträgers 136 zur
Verfügung.
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Ein oder mehrere Anschlussstücke 141 sind
dazu vorgesehen, Druckluft von einem Ort oder einer Quelle 114 außerhalb
der ersten Druckkammer 131 in die Kammer einzubringen,
und ein oder mehr Anschlussstücke 142 sind
zu dem Zweck vorgesehen, Druckluft von einer zweiten externen Quelle
oder einem zweiten externen Ort 115 der zweiten Druckkammer 132 auf
entsprechende Weise zuzuführen.
Diese Anschlussstücke 141, 142 sind über geeignete
Rohre an Kanäle
innerhalb der Kopfmontageanordnung 104 und der Drehverbindung 116 angeschlossen,
und mit geeigneten Steuerschaltungen versehen, um die gewünschten
Druckpegel bereitzustellen. Die Art und Weise und die Reihenfolge,
in welcher Drücke,
Vakuum, und/oder Fluide übertragen
werden, werden nachstehend beschrieben.
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Der Verriegelungsring 144 ist
an der unteren Oberfläche
des Gehäusedichtungsrings 131 über achtzehn
Schrauben angebracht, und befestigt die sekundäre Membran 145 zwischen
dem Gehäusedichtungsring 131 und
dem Verriegelungsring 144 dadurch, dass die sekundäre Membran
zwischen den beiden Anordnungen sandwichartig eingeschlossen oder
eingeklemmt wird. Sowohl der Gehäusedichtungsring 131 als
auch der Verriegelungsring 144 sowie jener Abschnitt der
sekundären
Membran 145, der zwischen dem Gehäusedichtungsring 131 und
dem Verriegelungsring 144 eingeklemmt ist, werden in einer
festen Position relativ zum oberen Gehäuse 120 gehalten.
Der Abschnitt der sekundären
Membran 145, der radial innen eines Innenradius des Gehäusedichtungsrings 131 liegt,
ist auf eine untere Oberfläche
durch eine obere Oberfläche
des inneren, mit einem Flansch versehenen Rings 146 geklemmt,
und auf eine obere Oberfläche
durch eine untere Oberfläche
eines inneren Anschlagringes 148. Der innere, mit einem
Flansch versehene Ring und der innere Anschlagring sind durch eine
Befestigungsvorrichtung angebracht, beispielsweise Schrauben 149 mit
Innensechskantkopf.
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Obwohl der Gehäusedichtungsring 131,
der Verriegelungsring 144, und der Abschnitt der sekundären Membran 145,
der zwischen diesen beiden Anordnungen eingeklemmt ist, einen festen
Ort in bezug auf die Oberfläche
des oberen Gehäuses 120 aufrecht
erhalten, können
sich der innere, mit einem Flansch versehene Ring 146 und
der innere Anschlagring 148, der von der sekundären Membran 145 gehaltert
wird, jedenfalls in gewissem Ausmaß frei nach oben und unten
in bezug auf das Polierpolster 135 und das obere Gehäuse 120 bewegen,
und können
in gewissem Ausmaß die
Winkelorientierung oder die Verkippung in bezug auf das Polierpolster 135 und
das obere Gehäuse 120 ändern. Die
Fähigkeit
dieser Anordnung, sich in Vertikalrichtung nach oben und unten zu
bewegen, und verkippt zu werden, so dass ihre Winkelorientierung
geändert
wird, ermöglicht
es an ihr angebrachten Anordnungen, beispielsweise dem Unterträger 136,
dem Wafer 138 und der Halteringanordnung 134,
auf der Oberfläche
des Polierpolsters 134 zu schweben.
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Die Art des Materials, aus welchem
die sekundäre
Membran 145 besteht, sowie die Dicke (Td) der sekundären Membran,
die Entfernung zwischen dem eingeklemmten Abschnitt des sekundären Membran 145 zwischen
dem Gehäusedichtungsring
und dem Verriegelungsring in bezug auf den eingeklemmten Abschnitt des
sekundären
Membran 145 zwischen dem inneren, mit einem Flansch versehenen
Ring 146 und dem inneren Anschlagring 148, sowie
der körperliche
Spalt oder der Abstand zwischen ersten vertikalen Rändern 151 des
inneren, mit einem Flansch versehenen Rings 146 und zweiten
vertikalen Oberflächen 152 des
Verriegelungsrings 144 neben den ersten vertikalen Rändern 151 beeinflussen
das Ausmaß der
Vertikalbewegung und das Ausmaß der
Verkippung oder Winkelbewegung. Diese Eigenschaften stellen eine
effektive Federkonstante der Membran zur Verfügung. Obwohl die primären und
sekundären
Membranen bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
aus demselben Material bestehen, können im allgemeinen unterschiedliche Materialien
verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die
dazu ausgebildet ist, Halbleiterwafer von 200 mm (mm) zu montieren,
besteht die Membran aus 0,05 Zoll dickem BUNAN, mit Nylonmaterial,
hergestellt von INTERTEX. Dieses Material weist innere Fasern auf,
die für
Festigkeit und Steifigkeit sorgen, und auch das gewünschte Ausmaß an Elastizität zur Verfügung stellen.
Fachleute auf diesem Gebiet wissen, angesichts der hier beschriebenen
Lehre, dass unterschiedliche Abmessungen und Materialien eingesetzt
werden können, um
denselben oder einen entsprechenden Betrieb zu ermöglichen.
So kann beispielsweise eine dünne
Metallplatte oder Membran als sekundäre Membran 145 eingesetzt
werden, soweit die dünne
Metallmembran ausreichende Elastizität aufweist, so dass sie in
Vertikalrichtung ausgelenkt werden kann, um auf einen Druck zu reagieren,
der auf sie einwirkt, und eine ausreichende Winkelbewegung ermöglicht,
so dass sie Berührung
mit dem Polster eines Poliervorgangs halten kann. In einigen Fällen kann
ein flaches Materialblech nicht an sich ausreichende Elastizität aufweisen;
durch Ausbildung des Blechs auf geeignete Art und Weise, beispielsweise mit
welligen, ringförmigen
Nuten, Federbälgen
oder dergleichen, kann jedoch ein Metallverbindungselement alternative
Anordnungen zu den hier geschilderten Membranen zur Verfügung stellen.
Es können
auch Verbundmaterialien eingesetzt werden, um die gewünschten
Eigenschaften bereitzustellen. Die Beziehungen zwischen dem eingeklemmten
und dem nicht eingeklemmten Abschnitt der sekundären Membran 145 und
dem Abstand zwischen dem Verriegelungsring 144 und dem
inneren, mit einem Flansch versehenen Ring 146 sind genauer
in den 7 und 8 gezeigt.
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Der innere Anschlagring 148,
zusätzlich
dazu, dass er den inneren, mit einem Flansch versehenen Ring 146 an
die sekundäre
Membran 145 anklemmt, stellt eine Bewegungsbegrenzungsanschlagfunktion
zur Verfügung,
um eine übermäßige Aufwärtsbewegung
des inneren Anschlagrings 148, der Membran 145,
des inneren, mit einem Flansch versehenen Rings 146 und
daran angebrachter Anordnungen zu verhindern, nämlich eine übermäßige Aufwärtsbewegung in die Ausnehmung 152 innerhalb
des oberen Gehäuses 120.
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung können
sich der innere Anschlagring 148 und daran angebrachte
Anordnungen um etwa 0,125 Zoll nach oben von einer nominellen Position
aus bewegen, in welcher die Membran 145 eben ist, bevor
eine Anschlagkontaktoberfläche 153 des
inneren Anschlagrings 148 eine gegenüberliegende Kontaktoberfläche 154 des
Gehäusedichtungsrings 131 berührt, und
um etwa 0,10 Zoll nach unten gegenüber der nominellen Position,
also eine gesamte Bewegungsentfernung von etwa 0,25 Zoll. Nur ein
Teil dieses nach oben und unten (vertikal) gerichteten Bewegungsbereiches
wird tatsächlich
beim Polieren benötigt;
der Rest wird dazu eingesetzt, den Träger über den Unterrand des Halterings
während
Belade- und Entladevorgängen
des Wafers (Substrats) hinaus zu verlängern. Die Fähigkeit,
den Rand des Unterträgers 160 über den
Unterrand des Halterings vorstehen zu lassen, ist vorteilhaft, und
erleichtert die Lade- und Entladevorgänge.
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Der Vertikalbereich der Bewegung
wird durch mechanische Anschläge
anstatt durch das Material der Membran begrenzt. Der Einsatz von
Anschlägen
verhindert das Einwirken unnötiger
Kräfte
auf die Membran, wenn der Träger/Wafer
nicht in Kontakt mit dem Polster steht, etwa während Lade- und Entladevorgängen und während der
Wartung, oder im ausgeschalteten Zustand, da andererseits in der
Langzeitwirkung die Membran gestreckt oder verzerrt werden könnte. Die
erfindungsgemäße Anordnung
stellt auch eine Trägerkopfanordnung
zur Verfügung,
die eine sich automatisch einstellende Wafermontagetaschentiefe
aufweist.
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Der Unterträger 160 ist an einer
unteren Oberfläche 156 des
inneren, mit einem Flansch versehenen Rings 146 durch eine
Befestigungsvorrichtung angebracht, beispielsweise Innensechskantkopfschrauben 147,
so dass er von der sekundären
Membran 145 herunter hängt
(gehaltert durch mechanische Anschläge auf dem Anschlagring, wenn
er sich an der Untergrenze seines vertikalen Bewegungsbereichs befindet,
und gehindert an einer zu starken Bewegung nach oben durch eine
zweite Gruppe mechanischer Anschläge), wodurch dem Unterträger die
Vertikal- und Winkelbewegung ermöglicht
wird, die bereits beschrieben wurde. Die primäre Membran 162 mit
zwischen einem Umfangsring des inneren, mit einem Flansch versehenen
Rings 146 eingeklemmt, und an der oberen Oberfläche 163 des
Unterträgers 160 durch
Innensechskantkopfschrauben 157 in der Nähe des Randes
des Unterträgers
befestigt. Ein Unterträger 160,
der bei zumindest einer Ausführungsform
aus einem anderen, nicht-porösen Keramikmaterial
besteht, wird mit Edelstahleinsätzen befestigt,
um die Gewindeabschnitte der Schrauben 157 aufzunehmen.
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Nunmehr werden Aspekte der Halteringanordnung 134 beschrieben,
bevor wesentliche Aspekte der Wechselwirkung zwischen dem Haltering 134,
dem Unterträger 136 und
der primären
Membran 162 beschrieben werden. Die Halteanordnung 167 umfassen
einen Haltering 166 und einen Halteringadapter 168.
Bei einer Ausführungsform
besteht der Haltering 166 aus TechtronTM-PPS
(Polyphenylensulfid). Der Halteringadapter 168 ist an einer
unteren Oberfläche 170 des äußeren Anschlagringes 171 angebracht,
wobei die primäre
Membran 162 dazwischen eingeklemmt ist. Der Haltering 166 besteht
aus TECHTRON-Material, und ist an dem Halteringadapter 168 über Innensechskantkopfschrauben
angebracht, über
die primäre
Membran und den äußeren Anschlagring.
Ein abgeschrägter
Abschnitt 180 des Halterings 166 an dessen äußeren Radius
verringert in vorteilhafter Weise die Kantenpolitur nicht linearer
Flächen,
was typischerweise bei Verwendung herkömmlicher Polierwerkzeuge auftritt.
Der äußere Anschlagring 169 ist
koaxial in bezug auf den inneren, mit einem Flansch versehenen Ring 146 angebracht,
jedoch in größerer Radialentfernung
von den Zentrum der Waferträgeranordnung 106,
ist jedoch weder an dem inneren, mit einem Flansch versehenen Ring 146 noch
an irgendeinem anderen Element angebracht, mit Ausnahme des Halteringadapters 168 und
der primären
Membran 162, mit Ausnahme der Tatsache, dass der äußere Anschlagring 169 und
die Halteringanordnung 184 miteinander über die primäre Membran 162 gekuppelt
sind. Die Art und Weise dieser Kupplung ist dazu wesentlich, mechanische
Eigenschaften zur Verfügung
zu stellen, die zu den Vorteilen in bezug auf das Polieren beitragen,
die durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellt werden. Anordnungen,
die zu dieser Kupplung beitragen, sind in größerem Maßstab und mit mehr Einzelheiten
in den 7 und 8 dargestellt.
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Nun wird der Aufbau und der Gesamtbetrieb
der primären
Membran 162 und die Art und Weise beschrieben, auf welche
sie an dem Unterträger 160 und
der Halteringanordnung 134 angebracht ist. Es werden auch
Einzelheiten der Waferträgeranordnung
beschrieben, die zu deren Fähigkeit
beitragen, nicht lineare Flächen
zu verringern, häufig
bezeichnet als "Überschwingen", an den Rändern des
polierten Wafers. Zuerst sollte darauf hingewiesen werden, dass
die primäre
Membran 162 eine Steifigkeit sowie Elastizität aufweisen
sollte, so dass die Kupplung zwischen dem Druck, der auf dem Unterträger 160 einwirkt,
und dem getrennten Druck, der auf den Haltering 166 einwirkt,
sowie die Bewegung des Unterträgers
und des Halterings infolge dieser Drucke, und die gegenwirkend,
nach oben gerichtete Kraft des Polierpolsters 135 innerhalb
des ordnungsgemäßen Bereiches
liegen. Hiermit ist gemeint, dass die Bewegung des Halterings und
des Unterträgers innerhalb
eines gewissen Bewegungsbereiches unabhängig sein sollte, wobei jedoch
gleichzeitig bei einigen Ausführungsformen
eine gewisse Kupplung zwischen den Bewegungen des gesamten Halterings
und des Unterträgers
vorhanden ist.
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Das gewünscht Ausmaß der Kupplung wird durch mehrere
Faktoren beeinflusst, einschließlich;
(i)
Steuern der Spannweite der primären
Membran 162 zwischen dem dritten, geklemmten Bereich 182 (zwischen
Unterträger 160 und
dem inneren, mit einem Flansch versehenen Ring 146) und
dem vierten geklemmten Bereichs 183 (zwischen Halteringadapter 168 und
dem äußeren Anschlagring 159);
(ii) Steuern der Dicke und der Materialeigenschaften der primären Membran 162;
(iii) Steuern der Geometrie der Oberflächen, die mit der Membran 162 in
dem Spannweitenbereich wechselwirken; (iv) Steuern der Entfernung
zwischen gegenüberliegenden
vertikalen Oberflächen 185 des
Unterträgers 60,
der vertikalen Oberfläche 186 des
Halteringadapters 168, und der vertikalen Oberfläche 187 des
Halterings 166; und (v) Steuern der Entfernung oder des
Spaltes zwischen der Oberfläche 188 des
Halteringadapters 168 und einer vertikalen Oberfläche 190 des unteren
Gehäuses 122,
und zwischen einer vertikalen Oberfläche 189 des Halterings 166 und
derselben vertikalen Oberfläche 190 des
unteren Gehäuses 122.
Durch Steuern dieser Faktoren wird sowohl das Auftreten einer Vertikalbewegung
als auch einer Winkelbewegung ermöglicht, jedoch ohne eine zu
starke Bewegung, die ein Auftreffen des Halterings entweder gegen
den Unterträger 160 oder
das untere Gehäuse 122 hervorrufen
könnte.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Entfernung
d1 zwischen dem Unterträger
und dem Halteringadapter 0,05 Zoll, die Entfernung d2 zwischen dem
Unterträger
und dem Haltering 0,010 Zoll, die Entfernung d3 zwischen dem Halteringadapter
und einem unteren Gehäuse
etwa 0,5 Zoll, und die Entfernung d4 zwischen dem Haltering und
dem unteren Gehäuse
0,015 Zoll. Diese Beziehungen sind in 7 dargestellt.
Fachleute auf diesem Gebiet wissen, dass dies Abmessungen als Beispiel
zu verstehen sind, und dass andere Abmessungen und Beziehungen eingesetzt
werden können,
um dieselben Funktionen zu erzielen. Insbesondere könnte man
erwarten, dass jede dieser Abmessungen bis zu etwa 30% oder mehr
abgeändert
werden kann, und immer noch einen vergleichbaren Betrieb zur Verfügung stellt,
selbst wenn dieser nicht optimal ist. Stärkere Abänderungen von Abmessungstoleranzen
würden
wahrscheinlich zu einer betriebsfähigen, jedoch sub-optimalen
Einrichtung führen.
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Es wird ebenfalls darauf hingewiesen,
dass bei der in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsform jener
radial äußere Abschnitt
des Unterträgers 160 in
der Nähe
des Spannweitenabschnitts der primären Membran 162 im
wesentlichen einen rechten Winkel zur vertikalen Oberfläche 185 ausbildet;
allerdings weist die gegenüberliegende,
vertikale Oberfläche
des Halteringadapters einen abgeschrägten Abschnitt an der gegenüberliegenden
Ecke 194 auf. Die Beibehaltung einer Ecke, die etwa rechteckig
(90°) ist,
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um ein Anstoßen des
Unterträgers
an den Haltering oder den Halteringadapter zu verhindern. Weiterhin
hat sich die Bereitstellung einer geringfügigen Abschrägung 194 auf
der benachbarten Oberfläche des
Halteringadapters 168 vorteilhaft in Hinblick darauf herausgestellt,
die Mobilität
des Rings ohne Anstoßen beizubehalten,
jedoch wurde beobachtet, dass bei zu starker Abschrägung ein
gewisses, unerwünschtes
Anstoßen
auftreten kann. Zwar hat sich bei dieser Kombination herausgestellt,
dass sie bestimmte Vorteile hat, jedoch wissen Fachleute auf diesem
Gebiet, dass andere Abänderungen,
die eine Steuerung der glatten Bewegung ohne Anstoßen der
benachbarten Bauteile erleichtern, eingesetzt werden können.
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Weitere Vorteile der Erfindung wurden
dadurch erzielt, dass ein bestimmtes Formprofil an der äußeren oder
radialen Oberfläche 195 des
Halterings 166 zur Verfügung
gestellt wird, die als ein Übergangsbereich 206 bezeichnet
wird. Herkömmlich
waren Halteringe, falls sie überhaupt
vorgesehen waren, mit in einer im wesentlichen vertikalen Außenwandoberfläche versehen,
entweder weil hierzu ein bevorzugtes Oberflächenprofil für Gleitbewegung
gegen eine passende Oberfläche
zur Verfügung
gestellt wurde, beispielsweise das Äquivalent der Innenradialwandoberfläche des
unteren Gehäuses 122,
oder deswegen, da dem Einfluss des Profils des Randes keine Bedeutung
beigemessen wurde, und ein Standard-Vertikalprofil verwendet wurde.
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung weist der Haltering 166 ein Formprofil auf,
das in den 9-13 dargestellt ist, welche
verschiedene Aspekte des Halterings auf unterschiedlichen Niveaus
in bezug auf Einzelheiten zeigen. 10 ist
eine Schnittansicht der Ausführungsform
des Halterings in 9,
während 11 eine Einzelheit zeigt,
und 12 ist eine Perspektivansicht
des Halterings. 13 zeigt
schematisch eine Schnittansicht durch einen Abschnitt des Halterings,
wobei besonders deutlich der abgeschrägte Übergangsbereich am radial äußeren Umfang
des Rings dargestellt ist.
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Bei dieser Ausführungsform des Halterings führt eine
untere Oberfläche 201,
die beim Polieren das Polierpolster 135 berührt, Übergänge über zwei
abgeschrägte
Oberflächen 202, 203 zu
einer im wesentlichen vertikalen Oberfläche 204 durch, die
im Betrieb einer im wesentlichen parallelen, vertikalen Oberfläche 189 auf dem
unteren Gehäuse 122 gegenüberliegt,
obwohl ein Abstandsspalt vorgesehen ist, um ein Zusammenstoßen zu verhindern.
Die Oberfläche 204 verläuft im wesentlichen
orthogonal zur oberen Halteringoberfläche 205, und die obere
Oberfläche 205 ist
im wesentlichen parallel zur unteren Oberfläche 201. Vorzugsweise
wird bei der Herstellung der Waferträgeranordnung eine Zusammenbauvorrichtung
dazu verwendet, die Ausrichtung der Bestandteile beizubehalten,
und werden Beilagscheiben dazu verwendet, den Abstandsspalt und
andere Abstände
zwischen dem Ring 166 und dem Unterträger 160 und dem Gehäuse 120, 122 einzustellen.
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Es wurde durch Versuche bestimmt,
dass dieser Übergangsbereich 206 wesentlich
die Qualität
der Ränder
des polierten Wafers verbessert, durch Ausschalten von Nichtlinearitäten beim
Polieren. Diese Nichtlinearitäten
treten typischerweise als Täler
und Gipfel (Wellen oder Ringe) innerhalb von etwa 3 und 5 mm oder mehr
von dem Außenrand
des Wafers entfernt auf. Ohne dies theoretisch zu untermauern, wird
angenommen, dass die Art dieses Übergangsbereichs 206 deswegen
wichtig ist, da der Haltering, zusätzlich zum Haltern des Wafers
in einer Tasche gegen den Unterträger beim Poliervorgang, sich
auch so auswirkt, dass er das Polierpolster druckbeaufschlagt oder
einebnet, unmittelbar vor jenem Abschnitt des Polsters, der den
Wafer berührt, wenn
sich der Haltering am Vorderrand der Bewegung befindet, und sich über den
Bereich ausweitet, über
welchen das Polster eben ist, wenn dieser Abschnitt des gesamten
Halterings ein Hinterrandabschnitt des Wafers ist. Tatsächlich hält der Haltering
die Anordnung in derselben Ebene mit dem Wafer und um diesen herum
aufrecht, so dass irgendwelche Bedingungen, die dazu führen, dass
das Polierpolster 135 verbeult oder verzerrt wird, die
Ansammlung von Polieraufschlämmung
an dem Vorderrand, oder andere nichtlineare oder nicht-coplanare
Effekte, außerhalb
des Halterings oder unter diesem auftreten, und nicht unter dem
Rand des Wafers oder in dessen Nähe.
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Weiterhin wurde festgestellt, dass
die spezielle Halteringgeometrie in dem Übertragungsbereich 206, also
optimale Winkel für
den Übergangsbereich
von α1=20
Grad, α2=20
Grad, und α3=90
Grad, optimal für eine
Mehrfachkopf-Poliereinrichtung
ist, und für
eine spezielle Kombination aus Polierpolster 135, einer
Polierpolster-Umdrehungsgeschwindigkeit
von etwa 30 Umdrehungen pro Minute (U/min), eine Waferträger-Umdrehungsgeschwindigkeit
von etwa 26 U/min, Siliziumwafer von 200 mm Durchmesser, einem Polierdruck
von beispielsweise etwa fünf
Pound pro Quadratzoll (5 psi), und einen Haltering aus TECHTRON-Material. Bei dieser
Poliervorrichtung auf Mehrfachkopf-Karussellgrundlage beträgt die effektive
Lineargeschwindigkeit des Rings über
die Oberfläche
des Polsters etwa 80-200 Fuß/min.
Polijerdrucke können über einen größeren Bereich
variiert werden, um den gewünschten
Poliereffekt zu erzielen. So liegt typischerweise der Druck auf
dem Unterträger
im Bereich zwischen etwa 1,5 psi und etwa 10 psi, und der Druck
auf den Haltering typischerweise im Bereich zwischen etwa 1,5 psi
und etwa 9,0 psi, obwohl der Druck auf den Haltering ebenso groß sein kann wie
der Druck auf den Unterträger.
Zwar ist die Erfindung nicht auf irgendwelche bestimmten Polierpolstertypen beschränkt, jedoch
stellt ein Polierpolster, das für
das chemisch-mechanische Polieren oder Einebnen mit dem erfindungsgemäßen Kopf
nützlich
ist, das Modell Rodel®CR IC1400-A4 (Rodel Teil
Nr. PO5695, Produkttyp IC1400, K-GRV, PSA) dar. Dieses spezielle
Poster 135 weist einen nominellen Durchmesser von 35,75
Zoll auf, eine Dicke im Bereich zwischen etwa 2,5 mm und etwa 2,8
mm, eine Auslenkung zwischen etwa 0,02 mm und etwa 0,18 mm, eine
Zusammendrückbarkeit
zwischen etwa 0,7 und etwa 6,6 Prozent, und eine Rückstellung
von etwa 46 Prozent (sämtlich
gemessen mit dem Testverfahren RTM-10-27-95). Eine andere Alternative sind
die Polster des Typs Rodel CR IC1000-A4, P/V/SUBA (Rodel-Teil Nr.
P06342).
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Der Haltering weist eine Dicke von
etwa 0,25 Zoll und den um 20 Grad abgeschrägten Abschnitt 202 an
der unteren Oberfläche
des Rings auf, der sich um etwa 0,034 Zoll nach oben erstreckt,
und der vertikale Abschnitt 204 erstreckt sich über etwa
0,060 Zoll, bevor er auf das zweite abgeschrägte Segment 203 auftrifft. Diese
beispielhaften Abmessungen sind in der Zeichnung dargestellt. Für diese
spezielle Kombination an Variablen wurde empirisch bestätigt, dass
diese Winkel in gewisser Weise auf etwa plus oder minus zwei Grad für optimale
Leistung empfindlich reagieren; allerdings wird erwartet, dass ein
etwas größerer Bereich,
beispielsweise von zumindest etwa plus oder minus vier Grad, um
die angegebenen Winkel herum, zu nützlichen Ergebnissen führt. Allerdings
wird darauf hingewiesen, dass zwar das Prinzip der Bereitstellung
eines Übergangsbereichs
für den
Haltering ein signifikant bestimmender Faktor bei der Erzielung
einer gleichförmigen Polierung
insbesondere an den Rändern
des Wafers darstellt, die tatsächliche
Form dieses Übergangsbereichs
jedoch eine Abstimmung auf bestimmte physikalische Parameter erfordern
kann, die dem Poliervorgang zugeordnet sind. Beispielsweise die
Verwendung unterschiedlicher Polierpolster (insbesondere wenn sie
eine unterschiedliche Dicke aufweisen, Kompensierbarkeit, Elastizität, oder
Reibungskoeffizient), können
eine unterschiedliche Platten-Umdrehungsgeschwindigkeit, eine unterschiedliche
Karussell-Umdrehungsgeschwindigkeit, eine unterschiedliche Waferträgeranordnungs-Umdrehungsgeschwindigkeit,
und selbst eine unterschiedliche Polieraufschlämmung, eine alternative Übergangsbereichsgeometrie
für optimale
Ergebnisse vorschlagen. Weiterhin ändern sich, sobald ein CMP-Polierwerkzeug eingerichtet
ist, diese Parameter normalerweise nicht, oder können entsprechend Standardqualitätskontrollprozeduren
eingestellt werden, die bei der Einrichtung des CMP-Werkzeugs durchgeführt werden.
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Für
Einzelkopfpolierer (einschließlich
beispielsweise Polierer jener Art, bei denen sich das Polierpolster
dreht, der Kopf dreht, und der Kopf so angetrieben wird, dass er
mit einer linearen Hin- und Herbewegung nach vorne und hinten oszilliert)
wird angenommen, dass die gleichen Parameter herrschen, jedoch stellt
die effektive Lineargeschwindigkeit des Vorderrands des Halterings über das
Polster einen Einflussparameter dar, anstatt der Kombination aus
Polierpolstergeschwindigkeit, Karussellgeschwindigkeit und Kopfgeschwindigkeit.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung, welche
den erfindungsgemäßen Halteringaufbau
betrifft, sorgt der Übergangswinkel
von 20 Grad auf dem Haltering für
wesentliche Vorteile gegenüber
herkömmlichen Haltering-Randkonstruktionen
mit rechteckigem Rand. Der Übergangsbereich
kann das Polster vorher zusammendrücken und glätten, bevor der Wafer in den
Bereich gelangt, wodurch die "Überschwingmarkierungen" auf dem Rand des
Wafers ausgeschaltet werden.
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Daher hat zwar die spezielle Abschrägungskombination
von 20 Grad für
die in 13 dargestellte
Anordnung hervorragende Ergebnisse für das geschilderte System gezeigt,
jedoch können
andere abgeänderte Übergangsbereichsanordnungen,
welche einen Übergang
zwischen der Parallelrichtung und der senkrechten Richtung zur Verfügung stellen,
für andere
CMP-Polierkonfigurationen
optimal sein, einschließlich
beispielsweise einer radial geformten Übergangsgestaltung, elliptisch
geformter Gestaltungen, eines linearen Übergangsbereichs, der nur eine
einzige Abschrägung
zwischen den Oberflächen 201 und 209 aufweist,
und Gestaltungen, welche unterschiedliche Winkel und/oder mehr Oberflächen in
dem Übergangsbereich
zur Verfügung
stellen.
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Nunmehr werden kurz zusätzliche
Einzelheiten in bezug auf den Halteringadapter 168 unter
Bezugnahme auf die 14-18 beschrieben. 14 zeigt schematisch eine
Ausführungsform
des Halteringadapters, der in dem Polierkopf von 5 verwendet wird, und 15 zeigt eine alternative Ansicht desselben Rings. 16 zeigt schematisch eine
Schnittansicht des Halteringadapters in 14, und 17 zeigt
in Schnittansicht Einzelheiten der Art und Weise der Anbringung
des Halterings an dem Halteringadapter. 18 zeigt einige zusätzliche Einzelheiten der Spülkanäle und Öffnungen
zum Reinigen des Ringbereiches von Polieraufschlämmung.
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Wie aus diesen Figuren hervorgeht,
besteht der Halteringadapter 168 typischerweise aus Metall,
um die geeignete Festigkeit, Stabilität der Abmessungen, und ähnliche
Eigenschaften einer Anordnung innerhalb des Kopfes zur Verfügung zu
stellen. Andererseits schwebt der Haltering ständig auf der Oberfläche des
Polierpolsters während
eines Poliervorgangs, und muss mit dieser Umgebung kompatibel sein,
und sollte zusätzlich
kein Material auf dem Polster ablagern, das für den Poliervorgang schädlich sein
könnte.
Ein derartiges Material ist typischerweise ein weicheres Material,
etwa das TECHTRON-Material, das bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet
wird. Der Haltering stellt weiterhin ein Verschleißteil dar.
Es ist daher vorteilhaft, getrennte Halteringadapter und austauschbare
Halteringe vorzusehen, obwohl theoretisch eine vereinigte Anordnung,
die beide Funktionen zur Verfügung
stellt, eingesetzt werden kann, allerdings nicht mit optimalen Eigenschaften.
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Der Halteringadapter 168 weist,
zusätzlich
dazu, dass er eine Vorrichtung zum Anbringen des Halterings 166 an
der primären
Membran 162 zur Verfügung
stellt, mehrere Kanäle
in Form eines "T" oder Öffnungen
zum Entfernen von Aufschlämmung
auf, die sich ansammeln kann: (i) zwischen dem Unterträger 160 und dem
Haltering 166 (und dem Halteringadapter 168),
oder (ii) zwischen dem Haltering 166 (und dem Halteringadapter 168)
und dem unteren Gehäuse 122.
Bei der in den 14-18 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung sind fünf
derartige T-förmige
(oder die Form eines umgekehrten T aufweisende) Kanäle vorgesehen, angeordnet
in im wesentlichen gleichen Abständen
um den Umfang des Halteringadapters 168 herum. Das erste,
vertikal nach unten verlaufende Loch 177 (Durchmesser annähernd 0,115
Zoll) erstreckt sich nach unten von einer oberen Oberfläche des
Halteringadapters 168, um etwa 0,125 Zoll, um eine zweite,
in Horizontalrichtung verlaufende Bohrung 176 (Durchmesser
etwa 0,1 Zoll) zu schneiden, die sich zwischen der Oberfläche 186 in
der Nähe
der Unterträgeroberfläche 185 und
der Oberfläche 196 erstreckt,
die zu einem Raum hin offen ist, der kontinuierlich mit einem Bereich
zwischen der inneren Oberfläche
des unteren Gehäuses 122 und
den radial äußeren Abschnitten
des Halteringadapters 168 verläuft.
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Dadurch, dass entionisiertes Wasser
durch die erste Öffnung
gezwungen wird, wird der Raum zwischen Unterträger und Haltering von jeder
Aufschlämmung
befreit, und dadurch, dass Wasser durch die zweite Öffnung gezwungen
wird, wird der Bereich zwischen Haltering und unterem Gehäuse frei
von Aufschlämmung gehalten.
Getrennte Kanäle
und Öffnungen
können
alternativ so vorgesehen sein, dass sie sich getrennt zu dem Ring-Gehäusebereich
und zu dem Ring-Unterträgerbereich
erstrecken, jedoch wird durch eine derartige Anordnung keine spezieller
Vorteil erzielt. Der Auslassdruck und das Volumen sollten so eingestellt
werden, dass eine ausreichende Reinigungswirkung erzielt wird. Einzelheiten
dieser Öffnungen
sind ebenfalls in 18 dargestellt.
Vorrichtungen zum Transportieren von Fluid von einer äußeren Quelle
durch die Drehverbindung 116 und zum Anschlussstück 197 sind
Einzelheiten der Umsetzung in die Praxis, und sind nicht dargestellt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind
fünf Löcher in
Form eines "T" von 0,100 Zoll oder
Kanäle für das Spülen des
Kopfes vorgesehen. Entionisiertes Wasser unter hohem Druck wird
durch diese Löcher
gepresst, um jede angesammelte Aufschlämmung zu bewegen und zu entfernen.
Eine Stufe von 0,45 Zoll (Breite) mal 0,20 Zoll auf der oberen Oberfläche des
Halteringadapters 168 stellt ausreichenden Raum dafür zur Verfügung, dass
Reinigungswasser fließt,
um Aufschlämmungsablagerungen
zu entfernen, und im Ergebnis eine uneingeschränkte Bewegung des Halterings
in bezug sowohl auf den Träger
als auf das Gehäuse
beizubehalten. Eine freie Bewegung des Unterträgers und des Halterings sind
dazu wesentlich, ein gleichförmiges Polieren
am Rand des Wafers beizubehalten. Der rechteckige Rand des Unterträgers ermöglicht es
dem Haltering, sich getrennt von dem Unterträger zu bewegen, und eine bestimmte
Entfernung in Vertikalrichtung beizubehalten.
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Der Unterträger 160 weist darüber hinaus
zusätzliche
Eigenschaften auf. Bei einer Ausführungsform weist der Unterträger 160 eine
massive, runde, nicht-poröse
Keramikscheibe mit einem Durchmesser von etwa acht Zoll (7,885 Zoll
bei einer speziellen Ausführungsform)
für jene
Version des Polierwerkzeuges auf, das bei Wafern von 200 mm einsetzbar
ist. (Bei einer Ausführungsform,
die zum Polieren oder Einebnen von Halbleiterwafern von 300 mm gedacht
ist, weist der Unterträger
einen Durchmesser von etwa zwölf
Zoll (300 mm) auf). Der Unterträger
weist einen rechteckigen Rand an seiner oberen und unteren Oberfläche auf,
und seine untere Oberfläche
ist geläppt,
um Ebenheit und Glätte
zu erzielen. Sechs Vakuumlöcher 147 (Durchmesser 0,04
Zoll) sind in der Unterträgeröffnung zur
unteren Oberfläche 164 des
Unterträgers
hin vorgesehen, wo an dem Unterträger die Rückseite des Wafers angebracht
ist. Diese Löcher
stehen in Fluidverbindung mit der einzelnen Bohrung 184 am
oberen Zentrum des Unterträgers.
Das Anschlussstück,
ein Einhandverbinder mit Außengewinde
des Typs 10-32 NPT, ist auf der oberen Oberfläche des Unterträgers vorgesehen,
für den
Anschluss an Rohre über
Drehverbindung und zu einer äußeren Quelle
von Vakuum, Druckluft, oder Wasser.
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Die Löcher werden dadurch ausgebildet,
dass ein erstes Loch 184 in die obere Oberfläche des
Unterträgers 160 gebohrt
wird, und dann sechs Löcher
radial nach innen von dem zylindrischen Rand des Unterträgers zum
zentralen Bohrloch 184 gebohrt werden. Dann werden sechs
Löcher
von der unteren Oberfläche
des Unterträgers
von der unteren Unterträgeroberfläche nach
oben gebohrt, bis sie die sechs in Radialrichtung verlaufenden Löcher oder
Bohrungen 194 schneiden, um den Anschluss an das zentrale
Bohrloch 184 fertig zu stellen. Der Abschnitt der in Radialrichtung
verlaufenden Löcher
zwischen den sechs vertikal verlaufenden Löchern und der zylindrische
Rand über
dem Unterträger
werden dann mit Edelstahlstopfen 181 gefüllt, oder
einer anderen Vorrichtung, um ein Leck von Luft, Vakuum, Druck oder
Wasser zu verhindern. Diese Löcher
und Kanäle
werden dazu verwendet, Vakuum der Rückseite des Wafers zuzuführen, um
den Wafer an dem Unterträger
zu halten, und Druckluft oder Wasser oder eine Kombination aus diesen
beiden zu liefern, um den Wafer weg von dem Unterträger während Waferentladevorgängen zu
drücken.
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Nunmehr erfolgt eine Erläuterung
für den
Grund dafür,
dass der Haltering so gut beim Konditionieren des Polsters 135 arbeitet. 19 zeigt schematisch eine
hypothetische Wechselwirkung zwischen Haltering und Polierpolster
für einen
Haltering, der eine rechteckige Ecke an der Grenzfläche zwischen
Ring und Polster aufweist. Bei diesem Beispiel führt der rechteckige Rand des
Polsters dazu, dass das Polster komprimiert und nach oben verbeult
wird, wenn der Rand des Rings in Vorwärtsrichtung und nach unten
dagegen drückt.
Das Polster erfährt
den Aufprall des Rings, und es entwickeln sich Schwingungen in dem
Polster, die bis zu einem Bereich unterhalb des Wafers verlaufen.
Andererseits wird bei dem dargestellten Haltering vermutet, dass durch
Wechselwirkung zwischen Haltering und Polierpolster bei einem Haltering,
der den erfindungsgemäßen, mehrfach
ebenen, abgeschrägten Übergangsbereich
an der Grenzfläche
zwischen Ring und Polster aufweist, weniger Schwingungen in dem
Polster hervorgerufen werden, oder Schwingungen mit geringerer Amplitude, die
aussterben, bevor sie die Waferoberfläche erreichen. Die vorteilhaften
Auswirkungen werden auch teilweise dadurch erzielt, dass nur ein
Bruchteil des nach unten gerichteten Drucks des Halterings am radial äußeren Rand
des Rings einwirkt, und mit abnehmendem Radius der Druck allmählich ansteigt.
In der Auswirkung führt der Übergangsbereich
das Polster unter den Ring, und erhöht den Druck, wenn das Polster
dort vorbei geht, wodurch der Aufprall des Rings auf das Polster
verringert wird, und ein allmählicheres
Einwirken der Kraft hervorgerufen wird.
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Nunmehr werden drei Ausführungsformen
von Prozeduren zum Laden/Entladen und Polieren eines Wafers beschrieben,
die der erfindungsgemäßen Anordnung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugeordnet sind. 21 zeigt
schematisch ein Flussdiagramm der Waferladeprozedur 501.
Es wird darauf hingewiesen, dass diese Prozedur mehrere Schritte
umfasst, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden;
allerdings wird darauf hingewiesen, dass nicht sämtliche geschilderten Schritte
unbedingt erforderliche Schritte sind, jedoch einige optimale Schritte,
die allerdings für
optimale Ergebnisse über ein
Jahr bei der Gesamtprozedur sorgen.
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Roboterwafer-Handhabungseinrichtung
werden üblicher
Weise in der Halbleiterindustrie eingesetzt, insbesondere wenn Prozesse
in Reinraumumgebungen durchgeführt
werden. In diesem Zusammenhang sind ein Kopflademodul (HLM) und
ein Kopfentlademodul (HULM) vorgesehen, um Wafer dem CMP-Werkzeug zum
Polieren zuzuführen,
und Wafer von dem CMP-Werkzeug zu empfangen, wenn das Polieren beendet
ist. Zwar können
das HLM und das HULM identische Roboter sein, jedoch können auch
zwei getrennte Maschinen eingesetzt werden, eine zum Liefern sauberer,
trockener Wafer und die zweite zum Empfangen feuchter Wafer, die
mit Polieraufschlämmung
bedeckt sind. Typischer weisen HLM und HULM einen ortsfesten Abschnitt
und einen Gelenkarmabschnitt auf, der eine Roboterhand, ein Paddel,
oder eine andere Wafergreifvorrichtung in drei Dimensionen bewegt,
einschließlich
der Fähigkeit,
sich zu drehen. Die Hand wird computergesteuert bewegt, um den Wafer
von einem Speicherort zu dem CMP-Werkzeug und zurück zum Wasser
oder einem anderen Speicherort zu bewegen, nachdem das Polieren
oder Einebnen beendet ist. Die folgenden Prozeduren betreffen die
Art und Weise, auf welche das HLM oder das HULM mit dem CMP-Werkzeug
wechselwirkt, und spezieller mit Bestandteilen der Waferträgeranordnung.
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Zuerst wird das Laden eines Wafers
zu dem Kopf eingeleitet (Schritt 502). Dies umfasst die
gesteuerte Bewegung des HLM-Roboterarms
von einer "Ausgangsposition" zu einer "Kopfposition" (Schritt 503).
Die Ausgangsposition für
das HLM ist eine Position, an welcher der Roboterladearm sich außerhalb
des Karussells und weg von dem Kopf befindet. Die Kopfposition ist
eine Position des Roboterarms, in welcher sich der Roboterarm unterhalb
des Karussells unter dem Polierkopf erstreckt, und den Wafer dem
Kopf zur Montage darbietet. Im Schritt 504 fährt der
Kopfunterträger
aus (nach unten) unter dem Einfluss eines Drucks in Kammer P2 132,
so dass die Trägeroberfläche sich
unter dem unteren Rand des Halterings erstreckt; der Roboterarm fährt dann
nach oben aus, um den Wafer gegen die Trägeroberfläche zu drücken. Federn sind zu dem Zweck vorgesehen,
eine harte Berührung
zu vermeiden, die den Wafer beschädigen könnte. Dann sprüht eine HLM-Düse wahlweise
DI-Wasser auf den Kopf, und wird das Kopfspülventil eingeschaltet, so dass
das Ventil geöffnet
ist, um DI-Wasser durch das Ventil hindurchzulassen (Schritt 505).
Das HLM kehrt dann zurück
zur "Ausgangsposition" und lädt den Wafer
(Schritt 506). Dann geht das HLM in die "Kopfposition" über (Schritt 507).
Als nächstes überprüft der Computer
den Kopfvakuumschalter, um zu bestätigen, dass er arbeitet (Schritt 508).
Ein arbeitender Kopfvakuumschalter ist deswegen wichtig, da hierdurch
sichergestellt wird, dass das Vakuum arbeitet, so dass der Kopf
den Wafer von dem ausgefahrenen Arm des Roboters aufnehmen kann.
Falls der Kopfvakuumschalter nicht arbeitet, wird der Kopfreinigungszyklus
wiederholt, beginnend im Schritt 502, bis ein arbeitender
Kopfvakuumschalter bestätigt
wird, was sicherstellt, dass das Kopfunterträger-Vakuum eingeschaltet ist,
und bereit ist, einen Wafer zu empfangen (Schritt 509).
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Das HLM geht nach oben zur Kopfwaferladeposition
(Schritt 510), und der Kopfunterträger nimmt den Wafer von dem
HLM auf (Schritt 511). Als nächstes wird bestimmt, ob der
Wafer tatsächlich
von dem Unterträger
aufgenommen wurde, und zwar dadurch, dass der Unterträger das
Vakuum an die Rückseite
des Wafers anlegt, und wenn sich der Wafer auf dem Unterträger befindet,
beginnt dann das Zurückziehen
des Kopfunterträgers
mit dem dort angebrachten Wafer (Schritt 512), und beginnen
die Waferpoliervorgänge
(Schritt 513). Wenn sich andererseits der Wafer nicht auf
dem Unterträger
befindet, fährt
das HLM herunter, und dann zurück nach
oben, im Versuch, den Wafer erneut auf den Kopf zu laden (Schritt 514),
und wiederholt die Schritte 510 bis 511, bis bestätigt wird,
dass sich der Wafer auf dem Unterträger befindet.
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Die Waferpoliervorgänge werden
nunmehr unter Bezugnahme auf 22 beschrieben,
die ein schematisches Flussdiagramm des Poliervorgangs zeigt (Schritt 521).
Das Waferpolieren beginnt, nachdem der Wafer auf den Unterträger geladen
wurde, wie dies voranstehend geschildert wurde (Schritt 522).
Der Polierkopf, der an den Revolverkopf- und Karussellanordnungen
angebracht ist, wird nach unten in die Polierposition bewegt, so
dass der Wafer in Berührung
mit dem Polierpolster angeordnet wird, das an der Platte befestigt
ist, und dann wird das Vakuum an der Rückseite des Kopfwafers abgeschaltet
(Schritt 523), das eingeschaltet wurde, um die Befestigung
des Wafers an dem Unterträger
zu unterstützen.
Dann schließt
das Vakuumventil und bleibt geschlossen bis unmittelbar vor dem
Polieren. Dann wird es geöffnet,
freigelegt und überprüft, um das Vorhandensein
von Wasser vor dem Polieren zu bestätigen, und dann erneut geschlossen
(Schritt 524). In dieser Stufe des Vorgangs sollte der
Vakuumschalter normalerweise ausgeschaltet sein, und falls der Vakuumschalter
eingeschaltet ist, wird ein Alarm ausgelöst in Form einer hörbaren und
sichtbaren oder anderen Anzeige (Schritt 525). Nachdem
der Vakuumschalter ausgeschaltet wurde, geht der Vorgang damit weiter,
dass Luftdruck an jede der beiden Kammern in dem Kopf angelegt wird,
also Kammer P1 und Kammer P2 (Schritte 526, 527).
Der Luftdruck oder Druck eines anderen Fluids, der an die Kammer
P1 angelegt wird, steuert den Druck oder die Kraft auf den Unterträger, und
daher den Polierdruck, der auf die vordere Oberfläche des
Wafers durch die gegenüberliegende
Oberfläche
des Polierpolsters ausgeübt
wird (Schritt 526). Der Luft- oder Fluiddruck, der an die
Kammer P2 angelegt wird, steuert den Druck, der gegen den Haltering
ausgeübt
wird, und der dazu dient, sowohl den Wafer innerhalb einer Tasche
zu halten, die durch den Haltering festgelegt wird, als auch das
Polierpolster in der unmittelbaren Nähe des gesamten Randes des
Wafers in einem Zustand anzuordnen, der optimal für das Polieren
des Wafers ist, und nicht-lineare Poliereffekte am Rand des Wafers
ausschaltet (Schritt 527).
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Bei Ausführungsformen der Erfindung,
welche den Waferunterträger
aufweisen, der mit Kammern versehen ist, wird Luftdruck an die Kammer
P3 angelegt (bei Anordnungen mit mehreren Kammern an jede der anderen
Unterträgerkammern),
um den Druck oder die Kraft auf den Rand des Unterträgers noch
weiter zu steuern, und daher den Polierdruck, der auf den Umfangsabschnitt
der vorderen Oberfläche
des Wafers gegen die gegenüberliegende
Oberfläche
des Polierpolsters ausgeübt
wird. Entsprechend wird bei Ausführungsformen
mit mehreren Nuten und mehreren Kammern Luftdruck an jede Unterträgerkammer
angelegt, um den Druck oder die Kraft auf jede Zone des Unterträgers zu
steuern, und daher den Polierdruck, der innerhalb von Zonen (normalerweise
ringförmigen
Zonen) der vorderen Oberfläche
des Wafers gegen die gegenüberliegende
Oberfläche
des Polierpolsters ausgeübt
wird.
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Nunmehr wird zurückgekehrt zu einer Erläuterung
des keine Kammer aufweisenden Unterträgers, wobei dann, wenn geeignete
Drucke in den beiden Kammern erzeugt wurden, der Plattenmotor in
Betrieb gesetzt wird (Schritt 528), und die Karussellmotoren
und die Kopfmotoren in Betrieb gesetzt werden (Schritt 529),
damit sich sämtliche
Platten-, Karussell- und Kopfmotoren in vorbestimmter Weise drehen,
und hierdurch das Polieren der Wafer einzuleiten (Schritt 530).
Nachdem die Wafer poliert wurden, werden die Köpfe und das Karussell (angebracht
an einer Brückenanordnung)
weg von dem Polierpolster angehoben (Schritt 531), und
wird der Kopfunterträger
von der untersten Position zur höchsten
Position innerhalb des Kopfes eingefahren, so dass der Wafer einfach
von dem Polster getrennt werden kann (Schritt 532). Nachdem
das Polieren fertiggestellt ist, werden Waferentladevorgänge eingeleitet
(Schritt 530).
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Waferentladevorgänge (Schritt 541)
werden nunmehr unter Bezugnahme auf das schematische Flussdiagramm
in 23 beschrieben. Das
Waferentladen beginnt (Schritt 542) durch Ausfahren des
Kopfunterträgers
zu dem Kopfentlademodul (HULM) hin (Schritt 543). Dann
bewegt sich das HULM zu einer "Kopfposition" (Schritt 544).
Als nächstes
wird ein Kopfspülvorgang
eingeleitet, um Räume
zwischen dem Unterträger
und dem Haltering zu reinigen (Schritt 545), sowie zwischen
Abschnitten des Halterings und dem unteren Gehäuse (Schritt 546).
Der Vorgang des Einschaltens des Kopfspülschalters führt dazu,
dass entionisiertes Wasser (DI-Wasser)
unter Druck von einer externen Quelle zur Drehverbindung 116 (einschließlich Spindel 119)
transportiert wird, und in den Kopf hinein, durch die Montageadapter 121 und
damit in Verbindung stehende Rohre und Anschlussstücke, zu
Träger-Ring-Spülöffnungen
und Ring-Gehäuse-Spülöffnungen.
Es wird ebenfalls ein Spülvorgang
(Schritt 545) dadurch durchgeführt, dass entionisiertes Wasser
auf die Rückseite
des Wafers über eine
zentrale Bohrung 184 an der oberen Oberfläche des
Unterträgers
und über
in Radialrichtung verlaufende Bohrungen oder Kanäle 191 und Löcher 147 aufgebracht
wird, die sich von der zentralen Bohrung zu der Montageoberfläche des
Unterträgers
für den
Wafer erstrecken. Wenn ein wahlweise vorhandener Einsatz zwischen
der Unterträger-Wafermontageoberfläche und
der Rückseite
des Wafers vorhanden ist, sind auch sich durch den Einsatz erstreckende
Löcher
vorgesehen, so dass entionisiertes Wasser, Druckluft oder Vakuum über den
Einsatz angelegt werden kann. Der Spülvorgang umfasst auch den Einsatz
von sauberer, trockener Luft (CDA) unter hohem Druck durch die Unterträgerlöcher, um
den Wafer weg und auf den HULM-Ring zu drücken, der in die Nähe gebracht
wurde, um den Wafer aufzunehmen, wenn er von dem Unterträger abgedrückt wird
(Schritt 546). Wurde nach diesem ersten Spülvorgang
der Wafer auf den Unterträger
und auf das HULM gedrückt,
dann wird das HULM zurück
in seine "Ausgangsposition" bewegt (Schritt 547).
Leider ist in manchen Fällen
ein einziger Spülzyklus
nicht dazu ausreichend, den Wafer von dem Unterträger zu entfernen, und
in einem derartigen Fall wird das HULM nach unten bewegt. Die Vorgänge werden
beginnend mit dem Schritt 545 wiederholt, mit zusätzlichen
Spülzyklen,
bis der Wafer von dem Unterträger
entfernt wird, und von dem HULM aufgenommen wird.
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Alternative
Ausführungsformen – mit Kammern
versehener Unterträger
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Nachdem nunmehr verschiedene Ausführungsformen
einer Anordnung und eines Verfahrens einer Kopfanordnung zum chemisch-mechanischen
Polieren (CMP) beschrieben wurden, die einen schwebenden Waferträger (oder
Unterträger)
und einen Haltering aufweist, wird nun die Aufmerksamkeit auf verschiedene zusätzliche,
alternative Ausführungsformen
gelenkt. Die unmittelbar nachstehend beschriebenen, speziellen, zusätzlichen
alternativen Ausführungsformen
betreffen einen Substratunterträger,
beispielsweise einen Halbleiterwafer-Unterträger, der zur Vereinfachung
als genuteter Unterträger 160' bezeichnet
wird, welcher einige Merkmale aufweist, die gleich den Merkmalen
des Unterträgers 160 sind,
der bereits beschrieben wurde, und einige zusätzliche Merkmale aufweist.
Diese zusätzlichen
Merkmale, sowie Änderungen
bei der chemisch-mechanischen Polierkopfanordnung, die dazu benötigt werden,
den zusätzlichen,
erfindungsgemäßen Unterträger zu verwirklichen,
werden nachstehend im einzelnen geschildert.
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Zuerst werden einige der Merkmale
des Unterträgers 160 unter
Bezugnahme auf 24 ins
Gedächtnis
zurückgerufen,
die bereits beschrieben wurden, so dass sich die zusätzlichen
Merkmale, die von dem genuteten Unterträger 160' zur Verfügung gestellt werden, einfacher
verstehen lassen. Bei einer Ausführungsform
ist der Unterträger 160 eine
massive, runde, nicht-poröse
Keramikscheibe mit einem geeigneten Durchmesser zur Anbringung oder
zum Tragen von Halbleiterwafern von 200 mm oder 300 mm. Der Unterträger 160 wurde
bislang unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform mit zwei Druckkammern
eines Polierkopfes beschrieben. Eine erste Druckkammer übt einen
Druck gegen die Halteringanordnung aus, und eine zweite Druckkammer übt einen
Druck gegen den Unterträger
und indirekt gegen den Wafer aus. Der Unterträger 160 weist einen
rechteckigen Rand zwischen einer zylindrischen Seite 185 und
der benachbarten oberen Oberfläche 163 und
der unteren Oberfläche 164 auf.
Die untere Oberfläche 164 ist
vorzugsweise geläppt,
um Ebenheit und Glätte
zu erzielen. In 24 springt
die untere Oberfläche 164 über die
Zeichnung hinaus vor, so dass Oberflächenmerkmale, die nachstehend
unter Bezugnahme auf den genuteten Unterträger 160' beschrieben werden, deutlicher
dargestellt sind.
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Fluidverbindungskanäle sind
in dem Unterträger 160 vorgesehen,
und stehen in Verbindung mit Löchern
oder Öffnungen 147,
die zur unteren Oberfläche 164 des
Unterträgers
hin offen sind. Diese Löcher
transportieren ein Vakuum, zur Unterstützung beim Aufnehmen und Haltern
eines Wafers 113 an dem Unterträger (möglicher Weise mit einem dazwischen
liegenden, wahlweise aus Polymer oder einer anderen flexiblen Membran
bestehenden Einsatz), von der Rückseite
des Wafers her. Die Löcher
können
auch dazu verwendet werden, unter Druck stehende Luft oder ein Fluid
zu transportieren, um das Lösen
des Wafers von dem Unterträger
zu unterstützen.
Diese Löcher
stehen in Fluidverbindung mit der einzigen Bohrung 184 im
oberen Zentrum des Unterträgers 160 über sechs
in Radialrichtung verlaufende Bohrungen 191, um die Verbindung
zum zentralen Bohrloch 184 fertig zu stellen. Der Abschnitt
der in Radialrichtung verlaufenden Bohrungen zwischen den sechs
in Vertikalrichtung verlaufenden Löchern 147 und dem
zylindrischen Rand 185 des Unterträgers 160 wird dann
mit Edelstahlstopfen 181 oder anderen Vorrichtungen gefüllt, um
ein Leck von Luft, Vakuum, Druck oder Wasser zu verhindern. Selbstverständlich ist
die Anzahl an Löchern 147 frei
wählbar,
damit sich das geeignete Vakuum bzw. der geeignete Druck entwickelt,
ohne dass entweder der Unterträger
oder der Wafer verzerrt wird. Die Art und Weise, auf welche Vakuum/Druck
von externen Quellen über
die Drehverbindung zum Drehkopf und zum Unterträger übertragen wird, wurde bereits
beschrieben.
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Wir beschreiben nunmehr den alternativen,
genuteten Unterträger 160' unter Bezugnahme
auf 25, die eine Perspektivansicht
des Unterträgers 160' darstellt,
wobei im wesentlichen auf die untere Oberfläche 164 geblickt wird,
und 25, die eine Teilschnittansicht
durch den Unterträger
ist. Diese Ausführungsform
der Erfindung befasst sich damit, eine noch stärkere Gleichförmigkeit
des Wafers am Umfangsrand des Wafers oder in dessen Nähe zu erzielen.
Selbst wenn die schwebende Halteringanordnung und der schwebende
Träger
wie geschildert eingesetzt werden, kann eine gewisse geringe Restungleichförmigkeit
oder Ungleichmäßigkeit
beim Polieren am Waferrand oder in der Nähe vorhanden sein. Dieses Restausmjaß liegt
typischerweise in der Größenordnung
von ein (1) Mikrometer oder weniger, und häufig in der Größenordnung von
etwa 0,1 Mikrometer, obwohl es größer oder kleiner sein kann.
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Der Unterträger 160' ist eine verbesserte Implementierung
eines Unterträgers,
die allein oder zusammen mit der voranstehend geschilderten Kopfmontageanordnung 104 und
der Waferträgeranordnung 106 einschließlich der
Halteringanordnung 167 eingesetzt werden kann. Die hauptsächliche Änderung
beim Unterträger 160', im Vergleich
zum Unterträger 160,
ist das zusätzliche
Vorsehen einer Nut, eines Hohlraums, oder einer Vertiefung 250,
wodurch beim Einsatz in Kombination mit einer im wesentlichen nicht-porösen Schicht eines
Materials 251, die eine elastische oder flexible Membran
ausbildet, eine dritte Druckkammer 252 ausgebildet wird,
die sich aufweitet, oder aufzuweiten versucht, wenn ein Überdruck
angelegt wird, so dass eine Kraft auf die Rückseite des Wafers 113 ausgeübt wird,
und so die Polierdruckkraft oder der Druck auf den Wafer in der
Nähe der
Nut 250 erhöht
wird. Dieser Druck wird bezeichnet als der Randübergangskammerdruck (ETC). In
einigen Fällen
kann es wünschenswert
sein, eine Unterdruck oder Vakuum an die Nut anzulegen, um dann, wenn
die Materialschicht 251 zumindest in gewissem Ausmaß komprimierbar
ist, den Polierdruck in einem kreisringförmigen Bereich in der Nähe der Nut
zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung kann die nicht-poröse Materialschicht 251 beispielsweise
ein Einsatz 161 sein, wie er üblicher Weise in der Waferpolierindustrie
verwendet wird. Der Einsatz oder Trägerfilm des Typs Rodel DF200
oder der Trägerfilm R200
kann beispielsweise als die Materialschicht 251 verwendet
werden. DF200 von Rodel (Rodel-Teilnummer
A00736, Produkt Typ DF200) hat eine nominelle Dicke von 23-27 mil
(0,58 bis 0,69 Millimeter), eine Zusammendrückbarkeit von etwa 4,0 bis
16 Prozent, und stellt ein doppelt beschichtetes Polyester mit mittlerer Haftkraft
mit einem eine hohe Scherung aufweisenden Kleber aus Kunstgummi
dar. Die Reinraumversion dieses Einsatzes weist eine keine Fremdkörper erzeugende
Silikon-PET-Deckschicht auf, von 0,002 Zoll, die beim Anbringen
abgenommen wird.
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Durch Einstellen des Volumens an
Fluid, das in diese Kammer eingegeben wird, oder durch Ändern des
Drucks innerhalb dieser dritten Druckkammer P3, kann die Materialmenge,
die von dem Wafer abgetragen wird, optimiert werden, um eine gleichmäßiger polierte
oder eingeebnete Oberfläche
des Substrats (des Wafers) zu erzielen. Zusätzliche Ausführungsformen
des genuteten Unterträgers
weisen entweder mehrere Nuten auf, etwa konzentrische Nuten, die
sich eine gemeinsame Druckquelle teilen oder weisen mehrere Nuten
auf, die jeweils eine getrennte Druckquelle aufweisen. Die letztgenannte
Ausführungsform
mit mehreren Nuten (vgl. 27)
ermöglicht
es, ein Profil mit einstellbarer Polierkraft in unterschiedlichen
Radialentfernungen vom Zentrum zum Rand des Wafers bereitzustellen.
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Die Art und Weise, auf welche der
innerhalb der Nut 250 entwickelte Druck mit dem nicht-porösen Schichtmaterial 251, 161 und
dem Wafer 113 zusammenarbeitet, ist schematisch in 26 dargestellt. Unter Druck
(Überdruck
oder Unterdruck) stehendes Fluid, beispielsweise ein unter Druck
stehendes Gas oder eine unter Druck stehende Flüssigkeit, normalerweise jedoch
Druckluft, wird in die Waferträgeranordnung 106 über eine
verfügbare Öffnung der
Drehverbindung, über
Rohre, und Anschlussstücke,
an die zentrale Bohrung 184' übertragen.
Von der zentralen Bohrung 184' wird die Druckluft zu einer oder
mehreren, in Radialrichtung verlaufenden Bohrungen 191' transportiert,
die sich mit einer entsprechenden Anzahl an Löchern schneiden, die so von
den in Radialrichtung verlaufenden Bohrungen 191' ausgehen, dass
sie die Nut 250 auf der unteren Oberfläche des Unterträgers schneiden.
Zwar kann ein einziger Kanal dazu verwendet werden, die Druckluft an
die Nut zu übertragen,
jedoch wird aufgrund der Forderung, einen gleichmäßigen Druck über die
gesamte Nut aufrecht zu erhalten, und infolge der baulichen Vorteile,
die Abmessungen von Hohlraumbereichen innerhalb des Unterträgers klein
zu halten, so vorgegangen, dass mehrere Kanäle vorgesehen werden, bei dieser speziellen
Ausführungsform
sechs Kanäle.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
bei dieser speziellen Ausführungsform
die zentrale Bohrung 184', die
in Radialrichtung verlaufenden Bohrungen 191' und ein Abschnitt von Löchern 147' dieselben Anordnungen
zu sein scheinen wie jene, die früher in bezug auf die Anordnungen
zum Aufbringen von Vakuum/Druck auf die Waferrückseite beschrieben wurden,
mit Ausnahme der Tatsache, dass bei der jetzt beschriebenen Ausführungsform
die zentrale Bohrung mit einer unterschiedlichen Druckquelle in
Verbindung steht, die Löcher
147' in den Kanal 250 hin
geöffnet
sind, anstatt direkt zur unteren Unterträgeroberfläche, und Vakuum/Druck an der
Rückseite
durch eine getrennte Vakuum/Druck-Schaltung zur Verfügung gestellt
wird, die zu vier neuen Löchern 260 hin
geöffnet
ist. Diese Änderungen
wurden deswegen vorgenommen, da der Ort der Nut 250 in bezug
auf den Rand des Unterträgers,
und die Gleichförmigkeit
des an die Nut angelegten Drucks, wesentlicher ist als der Ort der
Vakuum/Drucklöcher 147 für die Waferrückseite
bei der früher
geschilderten Ausführungsform.
Tatsächlich
war die Ausbildung der Anordnungen eher willkürlich, und Fachleute auf diesem
Gebiet wissen, aufgrund der hier vorgeschlagenen Lehre, dass zwar
die Orte der Nut oder der Nuten und der Vakuum/Drucklöcher für die Rückseite
wesentlich sind, jedoch die Art und Weise, auf welche Druck und
Vakuum diesen Anordnungen zugeführt
werden, nicht so wesentlich ist, soweit der körperliche Zusammenhalt und
die Stabilität
des Unterträgers
beibehalten werden.
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Wie aus 26 hervorgeht, wirkt sich die dünne, im
wesentlichen nicht-poröse
Materialschicht 251, hier der Einsatz 161, so
aus, dass die Nut geschlossen wird, so dass eine dritte Kammer (P3) 262 ausgebildet wird,
so dass ein Druck innerhalb der Kammer aufgebaut werden kann. Normalerweise
wird ein Druck nur an die Kammer angelegt, wenn ein Wafer 113 an
dem Unterträger
angebracht wird, und der Wafer in Berührung mit dem Polierpolster
steht, so dass es nicht erforderlich ist, den Einsatz 161 an
der unteren Unterträgeroberfläche über herkömmliche
Einsatzmontagemethoden anzubringen, da der Druck, der sich in der
Kammer P3 262 aufbaut, nicht dazu ausreicht, den Einsatz
von dem Unterträger
zu trennen. Die Druckerhöhung
in der Kammer P3 führt
zu einer geringfügigen
Aufweitung oder Aufquellung der Abmessungen der Kammer, und der elastische
Einsatz weitet sich in gewissem Ausmaß auf, so dass der Abschnitt
des Wafers 263 in Berührung mit
diesem Abschnitt des Einsatzes angedrückt wird. Ist die Nut eine
kreisringförmige
Nut, tritt diese Druckbeaufschlagung gleichmäßig in einem kreisringförmigen Bereich
des gesamten Wafers auf. In 26 ist
das Ausmaß der
Aufquellung des Einsatzes und der Auslenkung des Wafers übertrieben
dargestellt, damit das Betriebsprinzip in der Zeichnung dargestellt
werden kann, da typischerweise die Variation des abgetragenen Materials über die
Oberfläche
des Wafers weniger als etwa ein Mikrometer beträgt, und normalerweise etwa
ein Zehntel Mikrometer oder weniger. Die tatsächliche Aufquellung kann daher
nicht wahrnehmbar sein, jedoch wird eine etwas größere Polierkraft
ausgeübt.
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Bei der in 26 dargestellten Ausführungsform ist die Nut 250 als
rechteckig geschnittene oder rechteckige Nut dargestellt, jedoch
wird darauf hingewiesen, dass zwar die Abmessungen der Nut wesentlich sind,
insbesondere an der Oberfläche
des Unterträgers,
wo die Ränder 264, 265 der
Nut 250 den Einsatz 161 berühren, jedoch die Form der Nut
nicht kritisch ist. So weist beispielsweise die dargestellte Nut
zwei im wesentlichen vertikal verlaufende Seiten 266, 267 und
einen Dachabschnitt 268 auf. Allerdings können auch
Nuten eingesetzt werden, die nicht-vertikale oder nicht-ebene Seiten
und Decken aufweisen, beispielsweise v-förmige, c-förmige,
oder andere, nicht-ebene Ausbildungen einer Nut. Die Art und Weise,
auf welche sich die Nut zur unteren Unterträgeroberfläche 164 hin öffnet, kann
ebenfalls abgeändert
werden, um irgendwelche Auswirkungen zu minimieren, falls überhaupt
vorhanden, die durch die Diskontinuität der Oberfläche hervorgerufen
werden könnten.
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Die vier Vakuum/Drucklöcher 260 an
der Waferrückseite,
die in 25 dargestellt
sind, sind in 26 nicht
sichtbar, infolge der Wahl der Schnittebene für die Schnittansicht; allerdings
sind diese Löcher 260 in 28 und in 29 sichtbar, die einen Schnitt durch
den Zusammenbau von Ausführungsformen
an Abschnitten des Karussells zeigen, der Kopfmontageanordnung,
der Drehverbindungen und der Waferträgeranordnungen, einschließlich dieses
alternativen, genuteten Unterträgers.
Es wird ins Gedächtnis
zurückgerufen, dass
bei der früher
beschriebenen, keine Nut aufweisenden Ausführungsform des Unterträgers, sechs
Vakuumlöcher 147 (Durchmesser
0,040 Zoll) in dem Unterträger
vorhanden waren, die sich zur unteren Oberfläche 164 des Unterträgers hin öffneten,
wo am Unterträger
die Rückseite
des Wafers angebracht wird. Bei dem vorliegenden, genuteten Unterträger ist
eine Gruppe von vier Löchern 260 vorgesehen,
die entsprechend arbeitet. Jedes Loch 260 erstreckt sich
in Vertikalrichtung von der unteren Unterträgerfläche aus, um einen Kanal 270 zu
schneiden, der in Radialrichtung nach innen von dem Rand des Unterträgers aus
verläuft.
Ein Ende des Kanals 270 ist bei 271 verstopft,
um eine Luft- und flüssigkeitsdichte
Dichtung auszubilden, während
sich das andere Ende so erstreckt, dass eine zweite, vertikale Bohrung 272 geschnitten
wird, die sich zur oberen Unterträgerfläche 163 hin erstreckt.
Die Art und Weise, auf welche die Löcher hergestellt werden, wurde
früher beschrieben,
und wird hier nicht wiederholt. Es wird darauf hingewiesen, dass
die Anordnung einen Offset zwischen dem Ort der Löcher auf
den unteren und oberen Unterträgeroberflächen zur
Verfügung
stellt, so dass die Anschlussstücke 273 sich
nicht mit dem Flanschring 146 oder anderen vorhandenen
Anordnungen stören. Grundsätzlich können vertikale
Bohrungen, die geradlinig durch den Unterträger verlaufen, vorgesehen sein, um
die Druckluft, Wasser oder Vakuum an den Wafer zu übertragen.
Ein Anschlussstück 273 ist
an der Unterträgerbohrung 272 und
an einem Rohr 274 angebracht, so dass das Vakuum oder der
Druck an die Löcher 260 übertragen
werden kann. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Rohre von jedem der vier Löcher miteinander
innerhalb der Waferträgeranordnung 106 verbunden,
und führen
dann über
ein gemeinsames Rohr zu einer externen Quelle von Vakuum, Druckluft
oder Wasser, über
die Drehverbindung. Diese Löcher und
Kanäle
werden dazu verwendet, Vakuum der Rückseite des Wafers zuzuführen, um
den Wafer an dem Unterträger
zu haltern, und Druckluft oder Wasser, oder eine Kombination dieser
beiden, zur Verfügung
zu stellen, um den Wafer von dem Unterträger während Waferentladevorgängen zu
trennen.
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Wenn die Materialschicht 251,
beispielsweise ein Einsatz 161, dazu verwendet wird, die
Ausbildung der dritten Kammer P3 fertig zu stellen, sind Löcher innerhalb
der Materialschicht vorgesehen, so das Vakuum, Druckluft und/oder
Wasser direkt der rückseitigen
Waferoberfläche
zugeführt
werden kann.
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Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung
weist die Nut 250 Abmessungen zwischen etwa einem Fünfundzwanzigstel
eines Zolls und etwa einem Zehntel eines Zolls Tiefe und zwischen
etwa einem Zehntel eines Zolls und etwa einem halben Zoll Breite
auf, jedoch kann die Breite größer oder
kleiner sein, und die Tiefe geringer oder größer. Ausführungsformen der Erfindung,
bei denen die Nut eine Tiefe zwischen etwa 0,04 Zoll (etwa 1 mm)
und etwa 0,08 Zoll (etwa 2 mm) aufweist, und eine Breite von entweder
0,12 Zoll (0,14 Zoll) oder 0,16 Zoll, haben ebenfalls verbesserte
Polierergebnisse zur Verfügung
gestellt, verglichen mit nicht-genuteten oder ebenen Unterträgern. Bei
einer anderen speziellen Ausführungsform
weist die Nut eine Breite von etwa 0,12 Zoll (etwa 3 mm) auf. Bei
einer anderen speziellen Ausführungsform
stellt die Kombination einer Nut mit einer Tiefe von 0,08 Zoll und
einer Breite von 0,16 Zoll, zentriert in einer Radialentfernung
von 3,64 Zoll gegenüber
dem Zentrum des Waferunterträgers
von 200 mm, gute Leistungen zur Verfügung. Bei einem Waferunterträger von
300 mm ist die Nut an einem proportional hierzu angeordneten Ort
gegenüber
dem Zentrum angeordnet, so dass Randpoliereffekte entsprechend gesteuert
werden.
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Die Nutanordnung 250 kann
im allgemeinen eine Tiefe zwischen etwa 0,02 Zoll (etwa 0,5 mm)
bis etwa 0,2 Zoll (etwa 5 mm) aufweisen, typischerweise eine Tiefe
zwischen etwa 0,02 Zoll und etwa 0,1 Zoll, und vorzugsweise eine
Tiefe zwischen etwa 0,05 Zoll und 0,08 Zoll. Die Nut sollte ausreichend
tief sein, so dass dann, wenn der elastische Einsatz 161 auf
der unteren Oberfläche 164 des
Unterträgers
angeordnet wird, und der Wafer 113 dort angebracht wird,
jedes Eindringen des Einsatzes 161 in die Nut 250,
das beim Polieren auftreten kann, geringer ist als die Tiefe der
Nut, so dass das Eindringen nicht das im wesentlichen gleichmäßige Aufbringen
von Druck auf die Nut und die Druckkammer P3 stört. Andererseits sollte die
Nut 250 nicht so tief sein, dass die bauliche Steifigkeit
oder Ebenheit des Unterträgers
beeinträchtigt
wird. Innerhalb dieser funktionellen Einschränkungen kann die Nut jede Tiefe
aufweisen. Einzelheiten der Nut 250 und der Waferrückseitenlöcher 260 sind
in 30 und 31 dargestellt. Mit Ausnahme
der Hinzufügung
der Nut 250, der Löcher 260,
und der Kanäle,
welche diese Anordnungen mit dem Drehverbinder verbinden, sind die
in den 28-31 dargestellten Anordnungen
im wesentlichen ebenso ausgebildet sie die früher beschriebenen Anordnungen, die
unter Bezugnahme auf die 4-5 und die 7-8 erläutert wurden,
was hier nicht wiederholt wird. Eine zusätzliche Öffnung in dem Drehverbinder
wird dazu benötigt,
den Druck für
die dritte Kammer P3 bereitzustellen.
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Versuchsdaten, welche den Unterschied
bezüglich
des Polierprofils für
einen Oxidwafer zeigen, der einen genuteten Unterträger einsetzt,
der eine Nut mit einer Breite von 0,12 Zoll und einer Tiefe von
0,08 Zoll aufweist, und einen Druck von 10 psi, im Vergleich zum
selben, genuteten Unterträger,
der einen Druck von 0 psi aufweist, und einem ungenuteten Unterträger entspricht,
sind in 32 dargestellt.
Einige beispielhafte Leistungsergebnisse sind in Tabelle I angegeben,
und die Prozessparameter, für
welche diese Ergebnisse gelten, sind in Tabelle II aufgeführt. In
diesen Tabellen ist SS12 die Bezeichnung einer Polieraufschlämmung, die in
den Vereinigten Staaten von Rodel vertrieben wird, und ist Klebosol130N50
PHN eine unterschiedliche Polieraufschlämmung, die von Cabot hergestellt
wird. 5 mm-EE mit 49 Punkt ist ein Standardtestverfahren, bei welchem
49 Messungen auf der Oberfläche
des Wafers vorgenommen werden, mit einem Randausschluss (EE) von
5 mm, und 3 mm-EE mit 49 Punkt ist ein anderes Standardtestverfahren,
bei welchem 49 Messungen auf der Oberfläche des Wafers vorgenommen
werden, mit einem Randausschluss von 3 mm. Diese Verfahren sind
auf diesem Gebiet bekannt, und werden hier nicht weiter erläutert.
-
Tabelle
I
Beispielhafte Leitungsergebnisse für Beispiele mit einem genuteten
Träger
und zwei unterschiedlichen Polieraufschlämmungen
-
Tabelle
II
Prozessparameter für
die Leistungsergebnisse in Tabelle I
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Aus 32 geht
hervor, dass für
nominellen Umgebungsdruck (0 psi) die prozentuale Ungleichförmigkeit
(NU%) 7,69% beträgt,
wogegen dann, wenn der Nutdruck auf 10 psi erhöht wird, die prozentuale Ungleichförmigkeit
(NU%) 3,23% beträgt,
und um mehr als die Hälfte
kleiner ist als bei einem Druck von Null (entsprechend einem ungenuteten
Unterträger).
So sieht man beispielsweise aus dem Diagramm von 32, dass sowohl bei 0 psi als auch bei
10 psi die mittlere Abtragsrate bei dem Wafer etwa 2300 Angstrom/Minute
beträgt, wogegen
bei 0 psi die minimale Abtragsrate von etwa 1920 Angstrom/Minute
in einer Entfernung von etwa 6 mm von dem Rand des Wafers zu etwa
2110 Angstrom/Minute in einer Entfernung von etwa 5 mm vom Rand des
Wafers wird. Dies ist eher ein Beispiel für die vorteilhaften Ergebnisse,
die von einer Ausführungsform
der Erfindung erzielt werden, jedoch keine Einschränkung für die Ergebnisse,
die sich erzielen lassen.
-
Nachdem nunmehr die Merkmale eines
genuteten Unterträgers
im Vergleich zu einem ungenuteten oder ebenen Unterträger beschrieben
wurden, wird nun die Aufmerksamkeit auf einen genuteten Unterträger gerichtet,
der mehrere Nuten aufweist.
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Ein Mehrfachnuten-Unterträger kann
dazu besonders nützlich
sein, sowohl Randungleichförmigkeiten zu
verringern oder auszuschalten, als auch sogenannte "torusförmige" oder kreisringförmige Poliereffekte. Kreisringförmig Poliereffekte
umfassen (i) eine erste Situation, wenn der Wafer zu stark im Zentrum
und am Rand und zu wenig zwischen dem Zentrum und dem Rand poliert
wird, oder (ii) eine zweite Situation, wenn der Wafer im Zentrum
und am Rand zu wenig poliert wird, jedoch zwischen dem Zentrum und
dem Rand zu stark poliert wird. Die Mehrfachnutausführungsform
stellt auch signifikante Vorteile in bezug auf die Gleichförmigkeit
für Poliermaschinen
für Wafer
von 300 mm oder mehr zur Verfügung.
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Bei einer Ausführungsform, wie beispielsweise
in 27 gezeigt, ist ein
Unterträger 280 mit
drei Nuten vorgesehen. Drei Nuten stellen zusätzliche Niveaus für die Poliersteuerung
zur Verfügung.
Es können
auch Unterträger
vorgesehen werden, welche zwei, vier, fünf oder mehr Nuten aufweisen,
und können
besonders nützlich
sein, wenn die Abmessungen des zu polierenden Wafers zunehmen. Jede
der Nuten 281, 282, 283 steht in Verbindung
mit einer getrennten Quelle für
Druckluft, und benötigt
zusätzliche
Drehverbinderöffnungen der
bereits geschilderten Art. Die Bereitstellung dieser zusätzlichen
Drehverbindungen und/oder Drehverbindungsöffnungen wird hier nicht weiter
beschrieben. Jede der drei Nuten 281, 282, 283 ist
so ausgebildet, und arbeitet ebenso, wie dies bereits beschrieben
wurde, so dass diese Beschreibung hier nicht wiederholt wird. Wird
der Raum innerhalb des Unterträgers
für Kanäle zu einem
Problem, können
einige Kanäle
in unterschiedlichen Tiefen innerhalb des Unterträgers vorgesehen
sein, kann die Anzahl an Kanälen
pro Nut etwas verringert werden, beispielsweise von sechs Kanälen auf
2 bis 4 Kanäle,
und können
andere Kanäle
vorgesehen werden, unter Verwendung von Anschlussstücken und
Rohren, anstelle von Bohrungen, innerhalb des Unterträgers.
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Zwar kann bei einer Ausführungsform
mit mehreren Nuten und mehreren Kammern jede der mehreren Nuten
frei wählbar
angeordnet werden, um das gewünschte
Polierdruckprofil zu erzielen, jedoch ist es sinnvoll, Polierzonen
im Zusammenhang mit zumindest einer Ausführungsform der Erfindung zu
diskutieren. Bei einer Ausführungsform
des Unterträgers 280 mit
drei Nuten ist die erste Nut 281 vorzugsweise in einer
ersten Ringzone angeordnet, die sich in einer Entfernung von etwa
0,10 Zoll bis etwa 1,2 Zoll von dem Rand des Unterträgers befindet,
um jedes zu starke Polieren des Randes oder jedes zu schwache Polieren
des Randes auszuschalten. Die zweite Nut 282 ist in einer
zweiten Zone angeordnet, die sich bei etwa 1,2 Zoll (dem Innenradius
der ersten Zone) bis etwa 2,7 Zoll befindet, um die Korrektur für einen
ringförmigen
Poliervorgang zu unterstützen,
bei dem entweder ein zu starkes (oder zu schwaches) Polieren im
Zentrum und am Rand stattfindet, jedoch ein zu schwaches Polieren
(oder zu starkes Polieren) zwischen dem Zentrum und dem Rand. Schließlich befindet
sich die dritte Nut 283 in einer dritten Zone, die zwischen
etwa 2,7 Zoll vom Rand des Wafers entfernt (der inneren, radialen
Grenze der zweiten Zone) und dem Zentrum des Unterträgers behindert,
um jedes zu starke Polieren (oder zu schwaches Polieren) des Wafers
in dem zentralen Bereich zu vermeiden. Zwar werden kreisringförmige Nuten
vorgezogen, infolge ihrer Symmetrie, und des gleichförmigeren
Polierdrucks, den sie zur Verfügung
stellen, jedoch kann ein entsprechendes Polierprofil alternativ
durch mehrere getrennte radiale Bögen bewirkt werden, durch kreisförmige Stücke, oder
andere Druckverteilungen auf der Oberfläche des Unterträgers. Weiterhin
können
kreisringförmige
Nuten mit anderen nicht-kreisringförmigen Druckabschnitten kombiniert
werden. Innerhalb jeder dieser Zonen kann die Nut selbst überall innerhalb
der Zone liegen, und Abmessungen aufweisen, wie sie bereits beschrieben
wurden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Materialmenge, die abgetragen wird oder übrig bleibt,
während
des Poliervorgangs überwacht
werden, und kann der Druck bei einer oder mehreren der Kammern entsprechend
abgeändert
werden, um ein gleichmäßiges Polieren
zu erzielen. Diese Endpunktmessung kann elektronische, magnetische
oder optische Messvorrichtungen einsetzen, und würde an ein Computersteuersystem
angeschlossen, um den Druck für
den Unterträger
zu modulieren, für
den Haltering, und/oder eine oder mehrere der Nuten, die vorhanden
sind.
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Normalerweise, obwohl sich diese
Bereiche aneinander anschließen,
sollte eine Trennung von zumindest etwa einem Zehntel Zoll zwischen
den unterschiedlichen Nuten vorhanden sein. Der Druck in jeder der Nuten
kann im allgemeinen ein Überdruck
(typischerweise 0 bis 15 psi) sein, oder Vakuum. Häufig werden
die exakten Orte der Nuten und der Druck oder das Vakuum, der bzw.
das an die Nut angelegt wird, auf Grundlage der Eigenschaften des
Vorgangs eingestellt, so dass exakte Vorgaben für die Orte und Drucke, selbst
wenn sie vorhanden wären,
im allgemeinen nicht für
jeden Einsatz passen.
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Der eine einzelne Nut oder mehrere
Nuten aufweisende Unterträger
kann zusammen mit dem schwebenden Kopf und dem schwebenden Haltering
eingesetzt werden, kann jedoch auch bei anderen Substratpolier-
und Einebnungsmaschinen und -anwendungen eingesetzt werden, einschließlich jener,
welche nicht die Waferunterträgeranordnung 106 oder
die Kopfmontageanordnung nutzen, die bereits im einzelnen beschrieben
wurden. Der genutete Unterträger
kann leicht bei jedem Polierkopfeinsatz angewendet werden, bei dem gewünscht wird,
das Polierprofil oder den Wafer in Abhängigkeit von der Radialentfernung
abzuändern.
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Zwar wurde die voranstehende Erfindung
mit gewissen Einzelheiten anhand von Darstellungen und Beispielen
zum Zwecke eines klaren Verständnisses
beschrieben, jedoch ist die Erfindung ordnungsgemäß durch
die Patentansprüche
definiert, die sich an diese Beschreibung anschließen.