DE60017678T2

DE60017678T2 - Trägerplatte mit Substratdetektor

Info

Publication number: DE60017678T2
Application number: DE60017678T
Authority: DE
Inventors: Hung Chih San Jose Chen; Ming-Kuei Michael San Jose Tseng; Steven Soquel Zuniga
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: EP1101567B1; TW430595B; JP2001244225A; EP1101567A1; KR20010051781A; JP4641345B2; US20020002025A1; KR100636949B1; US6857931B2; US20040033762A1; US6663466B2; DE60017678D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insgesamt auf das chemische mechanische Polieren von Substraten, und insbesondere auf die Erfassung eines Substrats in einem Trägerkopf nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 11, 12, 13 und 14. Ein Beispiel für einen solchen Trägerkopf ist in der US 5957751 offenbart.
Gewöhnlich werden integrierte Schaltungen auf Substraten, insbesondere auf Siliziumwafern, durch aufeinander folgendes Abscheiden von leitenden, halbleitenden oder isolierenden Schichten ausgebildet. Nach dem Abscheiden einer jeden Schicht wird die Schicht geätzt, um Schaltungsstrukturen zu erzeugen. Wenn eine Reihe von Schichten aufeinander folgend abgeschieden und geätzt worden ist, wird die äußere oder oberste Fläche des Substrats, d.h. die freiliegende Fläche des Substrats, zunehmend nicht planar.
Das chemische-mechanische Polieren (CMP) ist ein akzeptiertes Verfahren zum Planarisieren einer Substratfläche. Dieses Planarisierverfahren erfordert üblicherweise, dass das Substrat an einem Trägerkopf oder Polierkopf angebracht wird. Dann wird die freiliegende Fläche des Substrats an einem rotierenden Polierkissen oder an einem sich bewegenden Polierriemen angeordnet. Das Polierkissen kann ein "Standard"-Kissen mit einer dauerhaften aufgerauten Oberfläche oder ein Kissen mit fixierten Abriebsstoffen sein, bei dem Abriebsteilchen in einem Binder eingebettet sind. Der Träger stellt eine steuerbare Belastung an dem Substrat ein, um es gegen das Polierkissen zu drücken. Zusätzlich kann der Träger gedreht werden, um die Relativgeschwindigkeitsverteilung über der Oberfläche des Substrats zu beeinflussen. Über dem Polierkissen können eine Polierschlämme einschließlich wenigstens eines chemisch-reaktiven Mittels und ein Abriebsstoff verteilt werden, wenn ein Standardkissen verwendet wird.
Der Trägerkopf wird gewöhnlich dazu verwendet, das Substrat von dem Polierkissen zu entfernen, wenn der Polierprozess abgeschlossen worden ist. Das Substrat wird an der Unterseite des Trägerkopfs durch Vakuum gehalten. Wenn der Trägerkopf zurückgezogen wird, wird das Substrat von dem Polierkissen abgehoben.
Ein bei dem CMP auftretendes Problem besteht darin, dass das Substrat von dem Trägerkopf nicht abgehoben werden kann. Wenn beispielsweise die Oberflächenspannung, die das Substrat an das Polierkissen bindet, größer ist als die Kraft, die das Substrat an den Trägerkopf bindet, bleibt das Substrat auf dem Polierkissen, wenn sich der Trägerkopf zu rückzieht. Auch wenn ein defektes Substrat während des Polierens bricht, kann der Trägerkopf nicht in der Lage sein, das gebrochene Substrat von dem Polierkissen zu entfernen.
Ein darauf bezogenes Problem besteht darin, dass die Befestigung des Substrats an dem Trägerkopf nicht ausreichen kann, dass sich das Substrat von dem Trägerkopf lösen kann. Dies kann beispielsweise eintreten, wenn das Substrat an den Trägerkopf allein durch die Oberflächenspannung anstatt in Kombination mit einer Vakuumhalterung festgelegt ist.
Somit kann eine Bedienungsperson nicht wissen, dass der Trägerkopf das Substrat nicht länger trägt. Die CMP-Vorrichtung arbeitet weiter, auch wenn das Substrat nicht länger in dem Trägerkopf vorhanden ist. Dies kann den Durchsatz verringern. Zusätzlich kann ein loses Substrat, d.h. ein Substrat, das nicht an einem Trägerkopf festgelegt ist, von den sich bewegenden Komponenten der CMP-Vorrichtung herumgestoßen werden, wodurch das Substrat oder das Polierkissen potenziell beschädigt wird oder Bruchstücke zurückbleiben, die andere Substrate beschädigen können.
Ein weiteres, bei dem CMP auftretendes Problem ist die Schwierigkeit zu bestimmen, ob das Substrat in dem Trägerkopf vorhanden ist. Da sich das Substrat unter dem Trägerkopf befindet, ist es schwierig, durch visuelle Beobachtung zu bestimmen, ob das Substrat vorhanden und richtig an dem Trägerkopf befestigt ist. Zusätzlich werden optische Erfassungstechniken der Schlämme behindert.
Ein Trägerkopf kann eine starre Basis mit einer unteren Fläche aufweisen, die als eine Substrataufnahmefläche dient. Durch die Basis erstrecken sich mehrere Kanäle zu der Substrataufnahmefläche. Eine Pumpe oder Vakuumquelle kann ein Vakuum an die Kanäle anlegen. Wenn Luft aus den Kanälen abgepumpt wird, wird das Substrat an der unteren Fläche der Basis durch das Vakuum eingespannt gehalten. Mit einer Druckleitung zwischen der Vakuumquelle und den Kanälen in dem Trägerkopf kann ein Drucksensor verbunden werden. Wenn das Substrat nicht erfolgreich durch das Vakuum an dem Trägerkopf gehalten ist, öffnen die Kanäle, und Luft oder ein anderes Fluid fließt im Leckstrom in die Kanäle. Wenn andererseits das Substrat durch das Vakuum erfolgreich an dem Trägerkopf gehalten ist, dichten die Kanäle ab, so dass keine Luft im Leckstrom in die Kanäle gelangen kann. Demzufolge misst der Drucksensor ein höheres Vakuum oder einen niedrigeren Druck, wenn das Substrat erfolgreich durch das Vakuum an der Unterseite des Trägerkopfs gehalten ist, im Vergleich dazu, wenn das Substrat nicht an dem Trägerkopf festgelegt ist.
Unglücklicherweise gibt es mehrere Probleme bei diesem Verfahren der Erfassung des Vorhandenseins eines Substrats in dem Trägerkopf. So kann korrosive Schlämme in die Kanäle gesaugt werden und den Trägerkopf verunreinigen. Zusätzlich muss der Druckschwellenwert zum Bestimmen, ob das Substrat von dem Polierkopf abgehoben worden ist, experimentell bestimmt werden.
Dementsprechend wäre es zweckmäßig, ein CMP-System bereitzustellen, das in der Lage ist, das Vorhandensein eines Substrats in einem Trägerkopf zuverlässig zu erfassen. Es wäre auch zweckmäßig, wenn ein solches System arbeiten könnte, ohne dass das Innere des Trägerkopfs der Verunreinigung durch eine Schlämme ausgesetzt ist.
Nach Anspruch 1 ist die Erfindung auf einen Trägerkopf gerichtet, der eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, und ein Ventil in dem Trägerkopf hat, das einen Teil eines Substraterfassungssystems bildet. Das Ventil hat einen Ventilschaft, der eine obere Fläche des flexiblen Membran so kontaktiert, dass, wenn ein Substrat an der unteren Fläche der flexiblen Membran befestigt und die erste Kammer evakuiert ist, das Ventil so betätigt wird, dass für das Substraterfassungssystem ein Signal erzeugt wird.
Ausführungen der Erfindung nach Anspruch 1 können die folgenden Merkmale aufweisen. Das Ventil kann in einem Durchgang positioniert sein, der die erste Kammer mit der zweiten Kammer für einen Fluiddurchgang verbindet. Das Ventil kann in eine Offenstellung oder Schließstellung vorgespannt sein, und die Betätigung des Ventils kann das Ventil schließen oder öffnen. Der Ventilschaft kann sich durch eine Öffnung in einem Halteaufbau erstrecken und etwas über eine untere Fläche des Halteaufbaus hinaus vorstehen. Der Halteaufbau kann bezüglich der Basis bewegbar sein. Das Ventil kann durch eine Feder vorgespannt sein, wobei die Federkonstante der Feder so gewählt ist, dass die Kraft aus der Feder ausreicht, um einer Kraft aus einer flexiblen Membran entgegenzuwirken, wenn kein Substrat befestigt ist, jedoch nicht ausreicht, einer Kraft aus der flexiblen Membran entgegenzuwirken, wenn das Substrat befestigt ist. Der Ventilschaft kann die obere Fläche der flexiblen Membran kontaktieren, wenn die erste Kammer evakuiert ist. Die flexible Membran kann um einen unteren Abschnitt des Ventils herumgelegt sein, wenn kein Substrat vorhanden ist.
Nach Anspruch 11 hat der Trägerkopf eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, und ein Ventil in dem Trägerkopf, das einen Teil eines Substraterfassungssystems bildet. Das Ventil hat einen Ventilschaft, der an einer Haltefläche vorbei so vorsteht, dass, wenn die erste Kammer evakuiert und ein Substrat an der unteren Fläche der flexiblen Membran befestigt ist, das Substrat an der Haltefläche anstößt und das Ventil betätigt.
Nach Anspruch 12 hat der Träger eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, sowie eine Vielzahl von Ventilen in dem Trägerkopf, die Teil eines Wafererfassungssytems bilden. Wenn ein Substrat an der flexiblen Membran befestigt und die erste Kammer evakuiert ist, kann jedes der Ventile so betätigt werden, dass ein Signal für das Wafererfassungssystem erzeugt wird.
Nach Anspruch 13 hat der Trägerkopf eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, und eine Vielzahl von Ventilen in dem Trägerkopf, die Teil eines Wafererfassungssystems bilden. Wenn ein Substrat an der flexiblen Membran befestigt und die erste Kammer evakuiert ist, muss mehr als eines der Ventile betätigt werden, um ein Signal für das Wafererfassungssystem zu erzeugen.
Nach Anspruch 14 hat der Trägerkopf eine Basis, eine flexible Membran, die eine erste Kammer bildet und eine untere Fläche hat, die ein Substrataufnahmefläche bildet, eine zweite Kammer, einen Durchgang durch die Basis zwischen der ersten und der zweiten Kammer, ein erstes Ventil, das in die Offenstellung vorgespannt ist und so wirkt, dass der Durchgang geschlossen wird, wenn die erste Kammer evakuiert und ein Substrat an der flexiblen Membran befestigt ist, und ein zweites Ventil, das zu dem ersten Ventil in Reihe geschaltet ist, in eine Schließstellung vorgespannt und so betätigbar ist, dass der Durchgang geöffnet wird, wenn die zweite Kammer evakuiert ist, sowie ein Substraterfassungssystem zum Feststellen, wann die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbunden ist.
Zu den Vorteilen der Erfindung gehören die folgenden. Die CMP-Vorrichtung hat einen Sensor zur Erfassung, ob das Substrat richtig an dem Trägerkopf festgelegt ist. Der Sensor ist gegenüber Fehlalarmen weniger empfänglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
1 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum chemischen-mechanischen Polieren.
2 ist teilweise eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs mit einer flexiblen Membran und einer Kammer sowie teilweise eine schematische Ansicht eines pneumatischen Steuersystems für den Trägerkopf.
3A ist eine vergrößerte Ansicht des Ventils aus dem Trägerkopf von 2.
3B ist eine Ansicht des Trägerkopfs von 3A mit einem festgelegten Substrat.
4 ist ein Diagramm, das den Druck als Funktion der Zeit in einer CMP-Vorrichtung zeigt, die den Trägerkopf von 2 verwendet.
5 ist eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs, der Mehrfachventile hat, die parallel geschaltet sind.
6 ist eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs, der Mehrfachventile aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
7 ist eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs mit Ventilen, die durch eine Membran getrennt sind.
8 ist eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs, bei welchem die Ventile in entgegengesetzte Richtungen vorgespannt sind.
Gleiche Bezugszeichen sollen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, obwohl einige Elemente in unterschiedlichen Ausführungen unterschiedliche Aufbauten, Arbeitsweisen oder Funktionen haben können.
Gemäß 1 werden ein oder mehrere Substrate 10 mit einer Vorrichtung 20 zum chemischen mechanischen Polieren poliert. Eine vollständige Beschreibung einer CMP-Vorrichtung befindet sich in dem US-Patent 5,738,574. Die CMP-Vorrichtung 20 hat eine Reihe von Polierstationen 25 und eine Überführungsstation 27.
Jede Polierstation 25 hat eine drehbare Platte 30, auf der ein Polierkissen 32 angeordnet ist. Jede Polierstation kann weiterhin eine zugehörige Kissenkonditioniervorrichtung 34 aufweisen, um die Polierkissenoberfläche periodisch wiederaufzubereiten. Jede Polierstation kann ferner einen kombinierten Schlämme-/Spülarm 36 zum Zuführen einer Schlämme 38, die ein aktives Mittel (beispielsweise entionisiertes Wasser für Oxidpolieren), Abriebsteilchen (beispielsweise Siliziumdioxid) für Oxidpolieren und einen chemisch-reaktiven Katalysator (beispielsweise Kaliumhydroxid für Oxidpolieren) enthält, zu der Oberfläche des Polierkissen 32 aufweisen.
Die CMP-Vorrichtung 20 hat ein drehbares Mehrkopf-Karussell 40, das vier Trägerköpfe 100 trägt. Drei der Trägerkopfe nehmen Substrate auf und halten sie und polieren sie, indem sie diese gegen das Polierkissen 32 auf der Platte 30 der Polierstationen 25 drücken. Einer der Trägerköpfe nimmt ein Substrat von einer Überführungsstation 27 auf und gibt es an einer solchen ab. Das Karussell kann drehen, um die Trägerköpfe und die daran befestigten Substrate zwischen den Polierstationen und der Überführungsstation umlaufen zu lassen. Jeder Träger kann unabhängig um seine eigene Achse gedreht und unabhängig seitlich durch eine Antriebswelle 42 verschwenkt werden.
Insgesamt hält der Trägerkopf 100 das Substrat an dem Polierkissen und verteilt eine Kraft quer über der Rückseite des Substrats gleichförmig. Der Trägerkopf überträgt auch ein Drehmoment von der Antriebswelle auf das Substrat und gewährleistet, dass das Substrat während des Polierens nicht von der Unterseite des Trägerkopfes rutscht.
Gemäß 2 hat der Trägerkopf 100 eine Gehäusenabe 102, eine Basis 104, eine Ladekammer 108, einen Haltering 110 und eine Substratabstützanordnung 112. Beschreibungen ähnlicher Trägerköpfe befinden sich in dem US-Patent 5,957,751 und in der US-Anmeldung Ser. No. 09/169,500, eingereicht am 9.10.1998.
Die Gehäusenabe ist mit der Antriebswelle 42 für eine Drehung damit um eine Drehachse verbunden, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Polierkissens ist. Durch die Gehäusenabe 104 hindurchgehend sind drei Kanäle 130, 132 und 134 für eine pneumatische Steuerung des Trägerkopfes ausgebildet.
Die Basis 104 hat einen Kardanmechanismus 106 und einen äußeren Klemmring 144. Der vertikale Abschnitt der Basis 104 bezogen auf die Gehäusenabe 102 wird durch eine Ladekammer 108 gesteuert. Die Kammer 108 steuert auch den Abwärtsdruck auf die Basis 104 und den Haltering 110. Die Ladekammer 108 wird von einer Membran 140 abgedichtet, die an der Gehäusenabe 102 durch einen inneren Klemmring 142 und an der Basis 104 zwischen einem äußeren Klemmring 144 und einem Biegering 152 eingeklemmt ist. Der äußere Klemmring 144 hat einen nach innen vorstehenden Flansch 146, der sich über eine Lippe der Gehäusenabe 102 erstreckt und eine Übererweiterung des Trägerkopfes verhindert und die Schlämme abhält, die Membran 140 zu verunreinigen.
Mit der Ladekammer 108 kann über einen Kanal 130 in der Gehäusenabe 102 eine erste Pumpe oder Druckquelle 52a verbunden werden. Wenn die Pumpe 52a ein Fluid in die Ladekammer 108 pumpt, nimmt das Volumen der Kammer zu, und die Basis 104 wird nach unten gedrückt. Wenn andererseits die Pumpe 52a Fluid aus der Ladekammer 108 abpumpt, nimmt das Volumen der Kammer 108 ab und die Basis 104 wird nach oben gezogen.
Der Kardanmechanismus 106 ermöglicht der Basis 104 eine Bewegung bezogen auf das Nabengehäuse 102 derart, dass der Haltering im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Polierkissens bleiben kann. Der Kardanmechanismus 106 hat eine Kardanstange 150 und einen Biegering 152. Die Kardanstange 150 kann sich vertikal in einem Kanal 132 im Gehäuse 102 so verschieben, dass sich die Basis 104 vertikal bezogen auf das Gehäuse 102 bewegen kann. Die Kardanstange 150 verhindert jedoch jede seitliche Bewegung der Basis 104 bezogen auf das Gehäuse 102. Durch die Kardanstange 150 hindurch kann ein erster Kanal 154 ausgebildet werden, während ein zweiter Kanal 156 durch die Kardanstange 150, den Biegering 152 und den äußeren Klemmring 144 für eine pneumatische Steuerung des Trägerkopfes ausgebildet werden kann.
Der Haltering 110 kann an dem äußeren Rand der Basis 104 festgelegt werden. Der Haltering 110 kann eine ebene Bodenfläche 126 haben oder die Bodenfläche kann Kanäle aufweisen, um den Schlämmefluss zu ermöglichen. Wenn Fluid in die Kammer 108 gepumpt und die Basis 104 nach unten gedrückt wird, wird auch der Haltering 110 nach unten gedrückt und bringt eine Last auf das Polierkissen 32 auf. Eine Innenfläche 124 des Halterings 110 hält das Substrat von einer seitlichen Bewegung ab.
An eine untere Fläche der Basis 104 kann durch einen Klemmring 164 zur Bildung einer Ringblase 160 eine Membran 162 angeklemmt werden. Durch den Klemmring 164 erstreckt sich ein Kanal 166 und ist fluchtend zu dem Kanal 156 in der Basis 104 ausgerichtet. Mit der Blase 160 kann über einen Kanal 134 in der Gehäusenabe 102, einen Kanal 156 in der Basis 104 sowie einen Kanal 166 im Klemmring 164 eine zweite Pumpe oder Druckquelle 52b verbunden werden. Wenn die Pumpe 52b Fluid in die Blase 160 drückt, wird sich die Blase 160 nach unten ausdehnen. Wenn andererseits die Pumpe 52b Fluid abzieht, kontrahiert die Blase 160. Wie nachstehend erörtert, kann die Blase 160 dazu verwendet werden, einen Abwärtsdruck auf den Halteaufbau 114 und die flexible Membran 118 auszuüben.
Die Substratstützanordnung 112 hat eine flexible Membran 118, einen Haltering 116, einen Halteaufbau 114 und einen Distanzring 128. Jedes dieser Elemente wird nachstehend näher erläutert.
Die flexible Membran 118 ist eine kreisförmige Bahn, die von einem flexiblen und elastischen Material gebildet wird und einen zentralen Abschnitt 170 und einen Umfangsabschnitt 172 hat, der sich zwischen dem Distanzring 128 und der Halteplatte 114 erstreckt. Der zentrale Abschnitt 170 der flexiblen Membran 118 erstreckt sich unter den Halteaufbau 114 und bildet eine Anbringfläche für das Substrat. Ein innerer Rand des Umfangsabschnitts 172 ist über den Umfang des zentralen Abschnitts 170 zurückgefaltet und bildet eine ausdehnbare Lippe 174, wie dies in der US-Anmeldung Ser. No. 09/296,95, eingereicht am 22.4.1999, erörtert ist. Ein äußerer Rand der Membran 118 ist zwischen dem Haltering 110 und den äußeren Klemmring 144 eingeklemmt und bildet eine druckbeaufschlagbare Kammer 120.
Mit der Kammer 120 kann über einen Kanal 154 in der Kardanstange 150 eine dritte Pumpe oder Druckquelle 52c verbunden werden. Wenn die Pumpe 52c ein Fluid in die Kammer 120 drückt, nimmt das Volumen der Kammer zu, und die flexible Membran 118 wird nach unten gedrückt. Wenn andererseits die Pumpe 52c Luft aus der Kammer 120 absaugt, nimmt das Volumen der Kammer ab und die Membran wird nach oben gezogen.
Der Distanzring 128 ist ein ringförmiger Körper, der zwischen dem Halteaufbau 114 und dem Haltering 110 angeordnet ist, um die richtige Form der flexiblen Membran 118 aufrechtzuerhalten. Der Distanzring 128 kann an dem Lippenabschnitt der flexiblen Membran 118 anliegen.
Der Haltering 116 ist ein ringförmiges Teil mit einem C-förmigen Querschnitt, der innerhalb der Kammer 120 auf der flexiblen Membran 118 liegt. Der zentrale Abschnitt 170 der flexiblen Membran 118 kann eine sich nach innen erstreckende Lasche 176 aufweisen, die an dem Haltering 116 angreift, um die richtige Form der flexiblen Membran 118 aufrechtzuerhalten.
Der Halteaufbau 114 liegt auch innerhalb der Kammer 120 auf der flexiblen Membran 118. Der Halteaufbau 114 hat einen scheibenförmigen Plattenabschnitt 180 mit einer Vielzahl von nicht dargestellten Öffnungen, einen sich nach außen erstreckenden Flanschabschnitt 182, der sich über den Haltering 116 erstreckt, sowie einen sich nach unten erstreckenden Flanschabschnitt 184, der sich zwischen dem Haltering 116 und dem Umfangsab schnitt 172 der flexiblen Membran so erstreckt, dass er auf dem zentralen Abschnitt 170 der flexiblen Membran liegt.
Die CMP-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, zu erfassen, ob ein Substrat richtig an dem Trägerkopf 100 festgelegt ist. Wenn die CMP-Vorrichtung feststellt, dass das Substrat fehlt oder nicht richtig an dem Trägerkopf befestigt ist, kann die Bedienungsperson alarmiert und können die Poliervorgänge automatisch angehalten werden.
Mit den Fluidleitungen zwischen den Pumpen 52a, 52b und 52c und den Kammern 108, 160 und 120 können drei Drucksensoren oder Druckmesser 56a, 56b bzw. 56c verbunden werden. An die Fluidleitungen können zwischen den Druckmessern 56a, 56b und 56c und den Pumpen 52a, 52b und 52c steuerbare Ventile 58a, 58b bzw. 58c angeschlossen werden. Die Pumpen 52a bis 52c, die Druckmesser 56a bis 56c und die Ventile 59a bis 58c können in geeigneter Weise mit einem Allzweck-Digitalrechner 60 verbunden sein. Der Rechner 60 kann die Pumpen 52a bis 52c, wie oben beschrieben, betreiben, um den Trägerkopf 100 mit pneumatischer Energie zu versorgen und um ein Substrat am Boden des Trägerkopfs durch Vakuum festzuhalten. Zusätzlich kann der Rechner 60 die Ventile 52a bis 52c betätigen und die Druckmesser 56a bis 56c, wie nachstehend näher beschrieben, überwachen, um das Vorhandensein des Substrats in dem Trägerkopf zu erfassen.
Gemäß 3A und 3B hat der Trägerkopf 100 ein mechanisch betätigtes Ventil 200, um den Trägerkopf eine Wafererfassungsfähigkeit zu geben. Bei einer Ausführung ist der Kanal 156 mit einer Kammer 220 in dem Biegering 152 verbunden, während ein Ventil 200 nahe an der Mitte des Trägers angeordnet ist und sich zwischen der Kammer 220 und der Kammer 120 erstreckt. Bei dieser Ausführung hat das Ventil 200 einen Ventilschaft 202, einen Ringflansch 204, der sich radial von dem Ventilschaft 202 nach außen erstreckt, einen O-Ring 206 und eine Feder 214. Der Ventilschaft 202 erstreckt sich durch eine Öffnung 208 in dem Biegering 152 zwischen der Ventilkammer 220 und der unteren Kammer 120, wobei der Ventilflansch 204 in der Ventilkammer 220 angeordnet ist. Der Abschnitt des Ventilschaftes 202, der sich in die untere Kammer 120 erstreckt, geht durch eine Öffnung 210 in dem Halteaufbau 114 hindurch. Wenn die untere Kammer 120 evakuiert ist und der Halteaufbau 114 gegen die Basis 104 zurückgezogen ist, kann sich der Ventilschaft 202 etwas unter eine Bodenfläche 186 des Halteaufbaus 114 erstrecken. In dem Biegering 152 können Kanäle 212 gebildet werden, die die Öffnung 208 und den Ventilschaft 202 umgeben, um die Kammer 120 mit der Ventilkammer 220 zu verbinden. Um den Ventilschaft 202 in der Ventilkammer 220 ist jedoch zwischen dem Ringflansch 204 und dem Biegering 152 ein O-Ring 206 angeordnet. Zusätzlich ist die Feder 214 zwischen dem Ringflansch 204 und einer Decke 222 der Ventilkammer 220 angeordnet. Die Feder 214 spannt das Ventil 200 in eine Schließstellung vor (wie in 3A gezeigt). Insbesondere wird der O-Ring 206 zwischen dem Ringflansch 204 und dem Biegering 152 zusammengedrückt und dichtet den Kanal 212 von der Ventilkammer 220 aus, wodurch die Ventilkammer 220 von der unteren Kammer 120 getrennt wird. Wenn jedoch der Ventilschaft 202 nach oben gedrückt wird (wie es in 3B gezeigt ist), wird der O-Ring 206 nicht länger zusammengedrückt und Fluid kann im Leckstrom durch einen Spalt 218 um den O-Ring fließen. Dadurch ist das Ventil 200 offen, und die Ventilkammer 220 und die untere Kammer 120 stehen über die Kanäle 212 in einer Fluidverbindung.
Eine CMP-Vorrichtung mit einem Trägerkopf 100 erfasst, wie folgt, ob das Substrat an dem Trägerkopf erfolgreich durch das Vakuum gehalten ist. Das Substrat ist an der flexiblen Membran 118 positioniert. Die Pumpe 52b bläht die Blase 160 auf einen vorgegebenen Druck auf, dann wird das Ventil 58b geschlossen, um die Blase 160 von der Pumpe 52b zu trennen. Mit Hilfe des Druckmessers 56b wird eine erste Messung des Drucks in der Blase 160 ausgeführt. Dann evakuiert die Pumpe 52c die untere Kammer 120 zur Erzeugung einer Niederdrucktasche zwischen der flexiblen Membran und dem Substrat, um das Substrat an dem Trägerkopf durch Vakuum zu halten. Anschließend wird eine zweite Messung des Drucks in der Blase 160 mit Hilfe des Druckmesser 56b ausgeführt. Zur Bestimmung, ob das Substrat an dem Trägerkopf erfolgreich durch das Vakuum gehalten wird, kann ein Vergleich der ersten und der zweiten Druckmessung vorgenommen werden.
Der Trägerkopf 100 ist so gestaltet, dass das Ventil 200 aktiviert, wenn das Substrat vorhanden ist, und nicht aktiviert, wenn das Substrat fehlt. Wie in 3A gezeigt ist, bewegt sich, wenn das Substrat nicht vorhanden ist, dann, wenn die Kammer 120 evakuiert ist, die flexible Membran 118 nach oben und berührt den Ventilschaft. Da jedoch die flexible Membran 118 flexibel ist und teilweise an dem Halteaufbau 114 gehalten ist, wenn die Kammer 120 evakuiert ist, neigt die flexible Membran dazu, sich um den Ventilschaft herumzulegen, so dass die Aufwärtszugkraft am Ventilschaft 202 von der flexiblen Membran 118 aus nicht ausreicht, um die Abwärtsfederkraft von der Feder 204 zu überwinden, so dass das Ventil 200 geschlossen bleibt. Wenn andererseits, wie in 3B gezeigt ist, das Substrat an der flexiblen Membran durch das Vakuum eingespannt gehalten ist, drückt das relativ starre Substrat auf den Ventilschaft 202. In diesem Fall überwindet die Aufwärtszugkraft von der flexiblen Membran 118 und dem Substrat 10 die Abwärtsfederkraft von der Feder 204, so dass das Ventil 200 öffnet, wodurch die untere Kammer 120 mit der Ventilkammer 220 in Fluidverbindung kommt. Die ermöglicht den Abzug von Fluid aus der Blase 160 durch die Ventilkammer 220 und die untere Kammer 120 und die Evakuierung durch die Pumpe 52c.
Zu erwähnen ist, dass die Feder 204 so gewählt ist, dass sie eine Abwärtskraft bereitstellt, die ausreicht, um der Aufwärtskraft entgegenzuwirken, die von der Membran allein ausgeübt wird, jedoch nicht ausreicht, der Aufwärtskraft entgegenzuwirken, wenn ein Substrat an der Membran befestigt ist. Allgemein gilt, dass die Membran 118 umso steifer ist, je größer die Öffnung 210 in dem Halteaufbau 114 ist, und dass, je weiter sich der Ventilschaft 202 an der unteren Fläche 176 vorbei erstreckt, die flexible Membran 118 umso mehr Kraft auf den Ventilschaft 202 ausüben wird und die Federkonstante der Feder 204 umso größer sein muss. Eine niedrigere Federkonstante führt jedoch zu einer geringeren Spannung an dem Substrat, wenn das Ventil betätigt wird.
Gemäß 4 kann die Blase 160 anfänglich den Druck P₁ haben. Die erste Druckmessung wird zur Zeit T₁ gemacht, bevor die Pumpe 52c die untere Kammer 120 zu evakuieren beginnt. Wenn die Kammer 120 zur Zeit T₂ evakuiert wird, wird die flexible Membran 118 nach oben gezogen. Wenn kein Substrat vorhanden ist, bleibt das Ventil 200 geschlossen und der Druck in der Blase 160 bleibt konstant auf dem Druck P₁ oder steigt sogar auf den Druck P₂, wenn der Haltaufbau 114 eine Aufwärtskraft ausübt, um die Blase 160 zusammenzudrücken. Dadurch bleibt der Druck in der Blase 160 gemessen durch den Druckmesser 56b auf dem Druck P₁ oder darüber. Wenn andererseits das Substrat vorhanden ist, wird das Ventil 200 geöffnet, und Fluid wird aus dem Raum 160 so evakuiert, dass der von dem Druckmesser 56b gemessene Druck auf den Druck P₃ abfällt. Wenn der zweite gemessene Druck kleiner als der erste gemessene Druck ist, ist deshalb das Substrat an dem Trägerkopf festgelegt. Wenn jedoch der zweite gemessene Druck gleich dem oder größer ist als der erste gemessene Druck, ist kein Substrat an dem Trägerkopf festgelegt.
Der Rechner 60 kann so programmiert werden, dass er die beiden Druckmessungen speichert, die Druckmessungen vergleicht und dadurch bestimmt, ob das Substrat erfolgreich an dem Trägerkopf durch das Vakuum eingespannt ist. Dies kann einen extrem zuverlässigen Substratdetektor ergeben, der keinen "falschen" Signalen unterliegt, beispielsweise Anzeigen, dass das Substrat fehlt, wenn es tatsächlich vorhanden ist. Zusätzlich ist der Sensor in dem Trägerkopf hinter der flexiblen Membran erhalten, so dass der Sensor der Schlämme keine Gelegenheit gibt, das Innere des Trägerkopfs zu verunreinigen.
Bei einer anderen Ausführung hat gemäß 5 der Trägerkopf 100a zwei oder mehr Ventile 300, 310, die zwischen die untere Kammer 120 und die Blase 160 parallel geschaltet sind. Beispielsweise kann sich das erste Ventil zwischen der unteren Kammer 120 und einer ersten Kammer 302 erstrecken, während sich das zweite Ventil zwischen der unteren Kam mer 120 und einer zweiten Kammer 312 erstrecken kann. Ein Kanal 320 in dem Biegering 152 kann die erste Kammer 302 mit der zweiten Kammer 312 verbinden. Dadurch ist die Kammer 120 mit der Blase 160 verbunden, wenn eines oder beide Ventile 300 ausgelöst werden. Diese Ausführung erhöht die Empfindlichkeit des Trägerkopfs für das Vorhandensein des Wafers und bildet eine Redundanz für den Fall, dass ein Ventil hängen bleibt. Wenn der Trägerkopf drei oder mehr Ventile hat, die mit gleichen Winkelabständen um die Trägerbasis herum angeordnet sind, kann das Substrat darüber hinaus beim Anheben nicht kippen.
Bei einer weiteren Ausführung gemäß 6 hat der Trägerkopf 100b zwei oder mehr Ventile 400, 410, die zwischen die Kammer 120 und die Blase 160 in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise kann sich das erste Ventil zwischen der unteren Kammer 120 und einer ersten Kammer 402 erstrecken, während ein Kanal 420 durch den Biegering 152 die erste Kammer 402 mit dem Kanal 414 verbinden kann, der von einer zweiten Kammer 412 durch die O-Ringe des zweiten Ventils 410 abgedichtet ist. Die zweite Kammer 412 ist mit der Blase 160 durch den Kanal 156 verbunden. Kurz gesagt, der Eingang des ersten Ventils 400 ist mit der Kammer 120, der Ausgang des ersten Ventils 400 mit dem Eingang des zweiten Ventils 402 durch den Kanal 420 und der Ausgang des zweiten Ventils 410 mit der Blase 160 verbunden. Dadurch ist die Kammer 120 mit der Blase 160 nur verbunden, wenn beide Ventile 400 und 410 ausgelöst sind. Diese Anordnung erhöht die Empfindlichkeit des Trägerkopfes bezüglich Fehlen des Substrats und gegenüber Situationen, in denen das Substrat nicht ausreichend fest an der flexiblen Membran festgelegt ist, beispielsweise wenn das Substrat an der flexiblen Membran nur durch die Oberflächenspannung und nicht durch die Vakuumeinspannung gehalten ist und kippt, anstatt beide Sensoren zu betätigen. Der Eingangskanal 414 des zweiten Ventils 410 kann von der Kammer 120, während der Ventilschaft des zweiten Ventils 410 sich in die Kammer 120 erstrecken kann, durch O-Ringe 416 getrennt werden.
Wie in 7 gezeigt ist, kann eine flexible Membran 430 anstelle von O-Ringen verwendet werden, um den Kanal 414 des zweiten Ventils 410' von der Kammer 120 zu trennen. Der Ventilschaft 202' des Ventils 410' kann auf der Membran 430 liegen, und an der Unterseite der Membran 430 kann ein Dämpfer 432 befestigt werden. Die flexible Membran 430 ist ausreichend elastisch, dass, wenn der Dämpfer 432 nach oben durch die flexible Membran 118 gedrückt wird, der Dämpfer 432 in die Öffnung in dem Halteaufbau 114 gedrückt werden kann, wodurch der Ventilschaft 202' nach oben gedrückt wird und das zweite Ventil 410' betätigt.
Bei einer weiteren Ausführung gemäß 8 hat der Trägerkopf 100c zwei Ventile 500 und 510, die zwischen den Kammern 120 und 108 in Reihe geschaltet sind. Diese Anordnung wäre für den Trägerkopf geeignet, wie er in der US-Anmeldung Ser. No. 60/114,182, eingereicht am 30. Dezember 1998, erörtert ist. Bei dieser Ausführung können die Ventile 500 und 510 zwischen einem Biegering 152' und einer Ringkardanklemme 158 ausgebildet werden, während Mehrfachfluidkanäle durch die Kardanstange und den Biegering nicht erforderlich sind. Das erste Ventil 500 sorgt für eine Fluidverbindung der Kammer 120 mit der ersten Ventilkammer 502 über Kanäle 508 in dem Biegering 152', die den Ventilschaft 506 umgeben, das zweite Ventil 510 sorgt für eine Fluidverbindung der Kammer 108 mit einer zweiten Ventilkammer 512 über Kanäle 518 in der Kardanklemme 158, die den Ventilschaft 516 umschließt, während die erste Ventilkammer 502 mit der zweiten Ventilkammer 512 über einen nicht gezeigten Kanal verbunden ist. Das erste Ventil 500 ist in die Offenstellung durch eine Feder 504 vorgespannt, das zweite Ventil 510 ist in die Schließstellung durch eine Feder 514 vorgespannt. Wenn die untere Kammer 120 evakuiert ist und ein Substrat durch Vakuum an dem Trägerkopf eingespannt gehalten ist, wird der Ventilschaft 506 des ersten Ventils 500 betätigt und drückt den O-Ring 509 gegen die Kardanklemme 158 zum Schließen des ersten Ventils, während der Druck in der Kammer 108 konstant bleibt. Wenn andererseits die untere Kammer 120 evakuiert ist, jedoch kein Substrat vorhanden ist, bleibt das erste Ventil 500 offen. Wenn die Ladekammer 108 ebenfalls evakuiert ist, wenn die Kammer 120 evakuiert ist, beispielsweise um die gesamte Substratstützanordnung und um den Haltering weg von dem Polierkissen zu heben, wird der Ventilschaft 516 gegen die Gehäusenabe 102 gedrückt. Dies erzeugt eine Abwärtskraft an dem Ventilschaft, die von einer Aufwärtskraft von der Feder 514 überwunden werden kann, die den O-Ring gegen die Kardanklemme 158 drückt, wodurch das zweite Ventil 510 zum Öffnen gebracht und dadurch die Ladekammer 108 mit der unteren Kammer 120 verbunden wird. Es strömt dann Fluid aus der Ladekammer 108 über die untere Kammer 120. Wenn andererseits die Ladekammer 108 unter Druck gesetzt wird, wenn die Kammer 120 evakuiert wird, beispielsweise um die Kontaktfläche und den Druck auf das Substrat während des Polierens zu kontrollieren, bleibt das Ventil 510 geschlossen. Zusammenfassend wird die Ventilanordnung betätigt, um die Ladekammer 108 mit der unteren Kammer 120 nur dann zu verbinden, wenn kein Substrat vorhanden ist und die Kammer 108 evakuiert ist. Der Druckabfall in der unteren Kammer 120 kann durch den Druckmesser 52c erfasst werden, um anzuzeigen, dass kein Substrat vorhanden ist.
Alternativ kann der Trägerkopf 100c ein einziges Ventil aufweisen, das öffnet, wenn die Kammer 120 evakuiert ist, wenn ein Substrat vorhanden ist. In diesem Fall kann das Ventil, welches die Kammer 108 von einer Pumpe oder einer Druckwelle trennt, offen blei ben, so dass die Kammer 120 nicht vollständig evakuiert wird, wodurch verhindert wird, dass die Membran 118 sich so weit in die Kammer 120 zieht, dass das Substrat zu hoch belastet und beschädigt wird.
Obwohl bei mehreren Ausführungen die Ventile so beschrieben sind, dass sie die untere Kammer 120 mit der Blase 160 verbinden, kann das Ventil auch zur Verbindung von zwei Kammern in dem Trägerkopf verwendet werden, oder das Ventil kann eine Kammer in dem Trägerkopf mit der Umgebungsatmosphäre verbinden. Darüber hinaus kann das Ventil in die Offen- oder Schließstellung vorgespannt werden, so dass das Vorhandensein des Substrats das Ventil jeweils entweder schließt oder öffnet, wenn das Ventil betätigt wird. Das Ventil kann in Teilen des Trägerkopfs anstelle am Biegering angeordnet werden. Beispielsweise kann das Ventil zur Mitte des Trägers versetzt und an einem Basisring befestigt sein, wobei die Ventilkammer zwischen dem Biegering und dem Basisring ausgebildet ist. Zusätzlich sind die Kanäle, die durch den Trägerkopf zur Bereitstellung von Fluidverbindungen ausgebildet sind, Beispiele. Beispielsweise kann eine Fluidverbindung durch eine flexiblen Schlauch erfolgen, der mit Anschlüssen an der Gehäusenabe und dem Basisring verbunden ist, wobei ein erster Kanal den Anschluss an dem Basisring mit der Ventilkammer und ein zweiter Kanal die Ventilkammer mit der Blase verbinden kann.

Claims

Trägerkopf (100) – mit einer Basis (104), – mit einer flexiblen Membran (118), die eine erste Kammer (120) bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, und – mit einem Ventil (200) in dem Trägerkopf (100), das einen Teil eines Substraterfassungssystems bildet, dadurch gekennzeichnet, – dass das Ventil einen Ventilschaft (202) hat, der eine obere Fläche der flexiblen Membran (118) so kontaktiert, dass, wenn ein Substrat (10) an der unteren Fläche der flexiblen Membran (118) befestigt und die erste Kammer (120) evakuiert ist, das Ventil (200) so betätigt wird, dass für das Substraterfassungssystem ein Signal erzeugt wird.
Trägerkopf (100) nach Anspruch 1, bei welchem das Ventil (200) in einem Durchgang positioniert ist, der die erste Kammer (120) mit der zweiten Kammer (220) für einen Fluiddurchgang verbindet.
Trägerkopf (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem das Ventil (200) in eine Schließstellung vorgespannt ist und eine Betätigung des Ventils (200) das Ventil (200) öffnet.
Trägerkopf (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem das Ventil (200) in eine Offenstellung vorgespannt ist und eine Betätigung des Ventils (200) das Ventil (200) schließt.
Trägerkopf (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, bei welchem sich der Ventilschaft (202) durch eine Öffnung in einem Halteaufbau (114) erstreckt.
Trägerkopf (100) nach Anspruch 5, bei welchem sich der Ventilschaft (202) etwas über eine untere Fläche des Halteaufbaus (114) hinaus erstreckt.
Trägerkopf (100) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welchem der Halteaufbau (114) bezüglich der Basis (104) bewegbar ist.
Trägerkopf (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, bei welchem das Ventil (200) durch eine Feder (214) vorgespannt ist, wobei die Federkonstante der Feder (214) so gewählt ist, dass die Kraft aus der Feder (214) ausreicht, um einer Kraft aus einer flexiblen Membran (118) entgegenzuwirken, wenn kein Substrat (10) befestigt ist, jedoch nicht ausreicht, einer Kraft aus der flexiblen Membran (118) entgegenzuwirken, wenn ein Substrat (10) befestigt ist.
Trägerkopf (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der Ventilschaft (202) die obere Fläche der flexiblen Membran (118) kontaktiert, wenn die erste Kammer (120) evakuiert ist.
Trägerkopf (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die flexible Membran (118) um einen unteren Abschnitt des Ventils (200) herumgelegt ist, wenn kein Substrat (10) vorhanden ist.
Trägerkopf (100) – mit einer Basis (104), – mit einer flexiblen Membran (118), die eine erste Kammer (120) bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, und – mit einem Ventil (200) in dem Trägerkopf (100), das einen Teil eines Substraterfassungssystems bildet, dadurch gekennzeichnet, – dass das Ventil einen Ventilschaft (202) hat, der an einer Haltefläche (114) vorbei so vorsteht, dass, wenn die erste Kammer (120) evakuiert und ein Substrat (10) an der unteren Fläche der flexiblen Membran (118) befestigt ist, das Substrat (10) an der Haltefläche (114) anstößt und das Ventil (200) betätigt.
Trägerkopf (100) – mit einer Basis (104) – mit einer flexiblen Membran (118), die eine erste Kammer (120) bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, gekennzeichnet – durch eine Vielzahl von Ventilen (300, 310) in dem Trägerkopf (100), die Teil eines Wafererfassungssystems bilden, – wobei, wenn ein Substrat an der flexiblen Membran (118) befestigt und die erste Kammer (120) evakuiert ist, jedes der Ventile (300, 310) so betätigt werden kann, dass ein Signal für das Wafererfassungssystem erzeugt wird.
Trägerkopf (100) – mit einer Basis (104) – mit einer flexiblen Membran (118), die eine erste Kammer (120) bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, gekennzeichnet, – durch eine Vielzahl von Ventilen (300, 310) in dem Trägerkopf (100), die einen Teil eines Wafererfassungssystems bilden, – wobei, wenn ein Substrat (10) an der flexiblen Membran (118) befestigt und die erste Kammer (120) evakuiert ist, mehr als eines der Ventile (300, 310) betätigt werden muss, um ein Signal für das Wafer-erfassungssystem zu erzeugen.
Trägerkopf (100) – mit einer Basis (104) – mit einer flexiblen Membran (118), die eine erste Kammer (120) bildet und eine untere Fläche hat, die eine Substrataufnahmefläche bildet, – mit einer zweiten Kammer (108), – mit einem Durchgang durch die Basis zwischen der ersten und der zweiten Kammer (120, 108), gekennzeichnet, – durch ein erstes Ventil (500), das in die Offenstellung vorgespannt ist und so wirkt, dass der Durchgang geschlossen wird, wenn die erste Kammer (120) evakuiert und ein Substrat (10) an der flexiblen Membran (118) befestigt ist, – durch ein zweites Ventil (510), das zu dem ersten Ventil (500) in Reihe geschaltet, in eine Schließstellung vorgespannt und so betätigbar ist, dass der Durchgang geöffnet wird, wenn die zweite Kammer (108) evakuiert ist, und – durch ein Substraterfassungssystem zum Feststellen, wann die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbunden ist.