DE69932496T2

DE69932496T2 - Trägerplatte mit einstellbarem Druck und einstellbarer Oberfläche für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung

Info

Publication number: DE69932496T2
Application number: DE69932496T
Authority: DE
Inventors: Steven M. Soquel Zuniga
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2019-12-31
Also published as: US6645044B2; US20020061720A1; US6422927B1; US6872122B2; US20020151251A1; EP1029633A1; US20040067719A1; DE69932496D1; EP1029633B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Trägerkopf für ein chemisches mechanisches Polieren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Beispiel für einen solchen Träger wird durch die EP 879678 A offenbart.
Gewöhnlich werden integrierte Schaltungen auf Substraten, insbesondere Siliciumwafern, durch sequenzielles Abscheiden von leitenden, halbleitenden oder isolierenden Schichten ausgebildet. Wenn jede Schicht abgeschieden ist, wird sie zur Erzeugung der Schaltungsstrukturen geätzt. Wenn eine Reihe von Schichten nacheinander abgeschieden und geätzt worden ist, wird die äußere oder oberste Fläche des Substrats, d.h. die freiliegende Fläche des Substrats, zunehmend uneben. Diese unebene Fläche führt zu Problemen bei den photolithographischen Schritten des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung. Deshalb muss die Substratoberfläche periodisch planarisiert werden.
Das chemische mechanische Polieren (CMP) ist ein akzeptiertes Verfahren der Planarisierung. Dieses Planarisierungsverfahren erfordert gewöhnlich, dass das Substrat an einem Träger- oder Polierkopf angebracht wird. Die freiliegende Fläche des Substrats wird dann gegen ein drehendes Polierkissen platziert. Das Polierkissen kann entweder ein "Standard"-Kissen oder ein Kissen mit befestigtem abrasivem Material sein. Ein Standardpolierkissen hat eine dauerhafte aufgeraute Oberfläche, während ein Kissen mit festgelegtem abrasivem Material abrasive Teilchen aufweist, die in einem Haltemedium gehalten sind. Der Trägerkopf sorgt für eine steuerbare Belastung, d.h. einen Druck auf das Substrat, um es gegen das Polierkissen zu drücken. Einige Trägerköpfe haben eine flexible Membran, die eine Anbringfläche für das Substrat bildet, sowie einen Haltering, um das Substrat unter der Anbringfläche zu halten. Die Druckbeaufschlagung oder Evakuierung einer Kammer hinter der flexiblen Membran steuert die Last an dem Substrat. Der Oberfläche des Polierkissens wird eine Polierschlämme mit wenigstens einem chemisch reaktiven Mittel und abrasiven Teilchen, wenn ein Standardkissen verwendet wird, zugeführt.
Die Wirksamkeit eines CMP-Verfahrens kann durch seine Polierrate und durch die sich ergebende Oberflächengüte (Fehlen von Rauigkeit in kleinem Maßstab) oder Ebenheit (Fehlen einer Topographie in großem Maßstab) der Substratoberfläche gemessen werden. Die Polierrate, die Oberflächengüte und Ebenheit werden durch die Kombination aus Kissen und Schlämme, der Relativgeschwindigkeit zwischen Substrat und Kissen und der Kraft bestimmt, welche das Substrat gegen das Kissen drückt.
Die EP-A-0841123 offenbart einen Trägerkopf für eine chemische mechanische Poliervorrichtung mit einem Gehäuse, einer Basis, einem Lademechanismus, einem Kardan-Mechanismus und einer Substratstützanordnung. Die Substratstützanordnung hat einen Tragaufbau, der unter der Basis angeordnet ist, und ein im Wesentlichen horizontales, ringförmiges Biegeteil, welches den Tragaufbau mit der Basis verbindet, und eine flexible Membran, die mit dem Tragaufbau verbunden ist. Die flexible Membran hat eine Aufbringfläche für ein sich unter der Basis erstreckendes Substrat. Der Tragaufbau kann sich bezüglich der Basis und der aufnehmenden Membran an dem Substrat verschwenken und vertikal bewegen. Das ringförmige Biegeelement, welches den Tragaufbau mit der Basis verbindet, ermöglicht es, dass sich der Tragaufbau bezüglich der Basis verschwenkt und vertikal bewegt, so dass sich die flexible Membran, die mit dem Tragaufbau verbunden ist, vertikal bewegen und verschwenken kann, um dadurch zu gewährleisten, dass die flexible Membran immer im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Polierkissens ist.
Ein immer wieder auftretendes Problem bei CMP ist der so genannte "Randeffekt", d.h. die Tendenz, dass der Substratrand mit einer anderen Rate poliert wird als die Substratmitte. Der Randeffekt führt typischerweise zu einem nicht gleichförmigen Polieren am Substratumfang, beispielsweise die äußersten 3 bis 15 mm eines Wafers von 200 mm. Ein damit zusammenhängendes Problem ist der so genannte "Zentrum-Langsam-Effekt", d.h. die Tendenz, dass die Mitte des Substrats unterpoliert ist.
Die Erfindung stellt einen Trägerkopf für ein chemisches mechanisches Polieren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit.
Zu den Ausführungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Eigenschaften gehören. Eine vertikal bewegbare Basis kann wenigstens einen Teil einer oberen Grenze der zweiten druckbeaufschlagbaren Kammer bilden. Ein Gehäuse kann mit einer Antriebswelle verbindbar sein, während eine dritte Kammer zwischen dem Gehäuse und der Basis angeordnet werden kann. An der Basis kann ein Haltering angeschlossen werden, um das Substrat unter dem Trägerkopf zu halten. Zwischen der ersten und zweiten Kammer kann durch ein starres Element oder ein flexibles Element eine Grenze ausgebildet sein, und die zweite Kammer kann den insgesamt ringförmigen Raum oder einen insgesamt durchgehenden Raum bilden.
In der ersten Kammer kann ein erster Halteaufbau angeordnet werden, und die erste flexible Membran kann sich um eine Außenfläche des ersten Halteaufbaus erstrecken. Außerhalb der ersten Kammer kann ein erster Distanzring angeordnet werden, und die erste flexible Membran kann sich auf einer Serpentinenbahn zwischen dem ersten Aufbau und dem ersten Distanzring um eine Innenfläche des ersten Distanzrings herum und nach außen um eine obere Fläche des ersten Distanzrings herum erstrecken. In der dritten Kammer kann zwischen der ersten und zweiten flexiblen Membran ein zweiter Halteaufbau angeordnet und so positioniert werden, dass er den ersten Halteaufbau umgibt. Außerhalb der dritten Kammer kann über dem zweiten Halteaufbau ein zweiter Distanzring angeordnet werden, und die zweite flexible Membran kann sich in einer Serpentinenbahn zwischen dem zweiten Halteaufbau und dem zweiten Distanzring um eine Innenfläche des zweiten Distanzrings herum und nach außen um eine obere Fläche des zweiten Distanzrings herum erstrecken.
Ein weiterer Aspekt der Verbindung richtet sich auf ein Verfahren zum chemischen mechanischen Polieren eines Substrats mit den Merkmalen des Anspruchs 19.
Die Erfindung kann die folgenden Vorteile aufweisen. Sowohl der Druck- als auch der Belastungsbereich der flexiblen Membran gegen das Substrat kann variiert werden, um ein nicht-gleichförmiges Polieren auszugleichen. Ein nicht-gleichförmiges Polieren des Substrats wird reduziert, und die sich ergebende Ebenheit und Oberflächengüte des Substrats werden verbessert.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen
1 eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum chemischen mechanischen Polieren ist,
2 eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs nach der vorliegenden Erfindung ist,
3 eine vergrößerte Ansicht einer Substratstützanordnung des Trägerkopfs von 2 ist,
4A und 4B schematische Schnittansichten sind, die Druck- und Kraftverteilung an einer hypothetischen und flexiblen Membran zeigen,
5A und 5B schematische Schnittansichten sind, die den variablen Belastungsbereich einer inneren flexiblen Membran des Trägerkopfs von 2 an dem Substrat zeigen,
6 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem Durchmesser des Kontaktbereichs und dem Druck in der oberen beweglichen Kammer zeigt,
7A und 7B Diagramme sind, die den Druck und die Ableitung des Drucks (dP/dt) der unteren beweglichen Kammer als Funktion der Zeit während eines Substraterfassungsvorgangs zeigen,
8 eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs ist, der eine innere Halteplatte aufweist,
9 eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs ist, der eine flexible Membran mit einer Lippe aufweist,
10 eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs ist, der eine flexible Membran hat, die das Substrat in einem variablen Belastungsbereich direkt berührt, und
11 eine schematische Schnittansicht eines Trägerkopfs ist, der ein Ventil zum Erfassen des Vorhandenseins eines Substrats hat.
In den verschiedenen Zeichnungen sind zur Bezeichnung gleicher Elemente gleiche Bezugszeichen angegeben. Ein Bezugszeichen mit einem Buchstabenzusatz zeigt an, dass ein Element eine modifizierte Funktion, Arbeitsweise oder Struktur hat.
Gemäß 1 werden ein oder mehrere Substrate 10 von einer Vorrichtung 20 zum chemischen mechanischen Polieren (CMP) poliert. Eine Beschreibung einer ähnlichen CMP-Vorrichtung findet sich in dem US-Patent 5,738,574.
Die CMP-Vorrichtung hat eine Reihe von Polierstationen 25 und eine Überführungsstation 27 zum Beladen und Entladen der Substrate. Jede Polierstation 25 hat eine drehbare Platte 30, auf der ein Polierkissen 32 angeordnet ist. Wenn das Substrat 10 eine Scheibe mit einem Durchmesser von sechs Zoll (150 mm) oder acht Zoll (200 mm) ist, kann der Durchmesser der Platte 30 und des Polierkissens 32 etwa 20 Zoll betragen. Wenn das Substrat 10 eine Scheibe mit zwölf Zoll (300 mm) ist, können die Platte 30 und das Polierkissen 32 einen Durchmesser von etwa 30 Zoll haben. Für die meisten Polierprozesse dreht ein Plattenantriebsmotor (nicht gezeigt) die Platte 30 mit dreißig bis zweihundert Umdrehungen pro Minute, obwohl auch niedrigere oder höhere Drehzahlen zum Einsatz kommen können. Jede Polierstation 25 kann weiterhin eine zugeordnete Kissenkonditioniervorrichtung 40 aufweisen, um den abrasiven Zustand des Polierkissens aufrechtzuerhalten.
Eine Schlämme 50, die ein reaktives Mittel (beispielsweise entionisiertes Wasser für das Oxidpolieren) und einen chemisch-reaktiven Katalysator (beispielsweise Natriumhydroxid für das Oxidpolieren) enthält, kann der Oberfläche des Polierkissens 32 durch einen kombinierten Schlämme-/Spülarm 52 zugeführt werden. Wenn das Polierkissen 32 ein Standardkissen ist, kann die Schlämme 50 auch abrasive Teilchen (beispielsweise Siliciumdioxid für das Oxidpolieren) aufweisen. Gewöhnlich wird ausreichend Schlämme vorgesehen, um das gesamte Polierkissen 32 abzudecken und zu benetzen. Der Schlämme-/Spülarm 52 hat mehrere Sprühdüsen (nicht gezeigt), die eine Hochdruckspülung des Polierkissens 32 am Ende jedes Polier- und Konditionierzyklus ermöglichen.
Von einer zentralen Säule 62 wird ein drehbares Mehrkopfkarussell 60 gehalten und daran um eine Karussellachse 64 durch eine Karussellanordnung (nicht gezeigt) gedreht. Das Mehrkopfkarussell 60 hat vier Trägerkopfsysteme 70, die an einer Karussellträgerplatte 66 mit gleichen Winkelabständen um die Karussellachse 64 herum angeordnet sind. Drei der Trägerkopfsysteme positionieren Substrate über den Polierstationen, während eines der Trägerkopfsysteme ein Substrat von der Überführungsstation erhält und das Substrat zu der Überführungsstation transportiert. Der Karussellmotor kann die Trägerkopfsysteme und die daran be festigten Substrate um die Karussellachse zwischen den Polierstationen und der Überführungsstation umlaufen lassen.
Jedes Trägerkopfsystem 70 hat einen Polier- oder Trägerkopf 100. Jeder Trägerkopf 100 dreht sich unabhängig um seine eigene Achse und schwingt unabhängig seitlich in einem radialen Schlitz 72, der in der Karussellträgerplatte 66 ausgebildet ist. Durch den Schlitz 72 erstreckt sich eine Trägerantriebswelle 74 zur Verbindung eines Trägerkopf-Drehmotors 76 (durch Entfernen von einem Viertel einer Karussellabdeckung 68 gezeigt) mit dem Trägerkopf 100. Für jeden Kopf gibt es eine Trägerkopfwelle mit Motor. Jeder Motor und jede Antriebswelle können an einem Schlitten (nicht gezeigt) gehalten werden, der linear längs des Schlitzes durch einen radialen Antriebsmotor angetrieben wird, um den Trägerkopf seitlich schwingen zu lassen.
Während des tatsächlichen Polierens sind drei der Trägerköpfe an und über den drei Polierstationen angeordnet. Jeder Trägerkopf 100 senkt ein Substrat in Kontakt mit dem Polierkissen 32 ab. Der Trägerkopf hält das Substrat in Position an dem Polierkissen und verteilt eine Kraft quer über die hintere Fläche des Substrats. Der Trägerkopf überträgt auch ein Drehmoment von der Antriebswelle auf das Substrat.
Gemäß 2 hat der Trägerkopf 100 ein Gehäuse 102, eine Basisanordnung 104, einen Kardan-Mechanismus 106 (der als Teil der Basisanordnung gesehen werden kann), eine Belastungskammer 108, einen Haltering 110 und eine Substratstützanordnung 112, die drei druckbeaufschlagbare Kammern aufweist, beispielsweise eine bewegliche obere Kammer 236, eine bewegliche untere Kammer 234 und eine äußere Kammer 238. Eine Beschreibung eines ähnlichen Trägerkopfs findet sich in der US-A-6183354.
Das Gehäuse 112 kann mit der Antriebswelle 74 verbunden sein, um sich damit während des Polierens um eine Drehachse 107 zu drehen, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Polierkissens während des Polierens ist. Das Gehäuse 102 kann insgesamt eine Kreisform haben, die der Kreisform des zu polierenden Substrats entspricht. Durch das Gehäuse hindurch kann eine vertikale Bohrung 130 ausgebildet werden, während sich drei zusätzliche Kanäle (in 2 sind nur zwei Kanäle 132, 134 gezeigt) durch das Gehäuse für eine Druckluftsteuerung des Trägerkopfs erstrecken können. Zur Bildung von luftdichten Abdichtungen zwischen den Kanälen durch das Gehäuse hindurch und den Kanälen durch die Antriebswelle können O-Ringe 138 verwendet werden.
Die Basisanordnung 104 ist eine vertikal bewegliche Anordnung, die sich unter dem Gehäuse 102 befindet. Die Basisanordnung 104 hat einen insgesamt starren ringförmigen Körper 140, einen äußeren Klemmring 164, einen Kardan-Mechanismus 106 und einen unteren Klemmring 144. Durch den Körper des Kardan-Mechanismus, den Ringkörper und den Klemmring kann sich ein Kanal 146 erstrecken, während zwei Fixierungen 148 Befestigungspunkte für die Verbindung eines flexiblen Rohrs zwischen dem Gehäuse 102 und der Basisanordnung 104 bilden können, um den Kanal 134 mit einer der Kammern in der Substratstützanordnung 112, beispielsweise der Kammer 238, fluidmäßig zu koppeln. Durch den Ringkörper 140 kann sich ein zweiter Kanal (nicht gezeigt) erstrecken, während zwei Fixierungen (ebenfalls nicht gezeigt) Befestigungspunkte für den Anschluss eines flexiblen Rohrs zwischen dem Gehäuse 102 und der Basisanordnung 104 bilden können, um den nicht gezeigten Kanal in dem Gehäuse mit einer zweiten Kammer in der Substratstützanordnung 112, beispielsweise der Kammer 236, fluidmäßig zu koppeln.
Der Kardan-Mechanismus 106 ermöglicht es der Basisanordnung, bezüglich des Gehäuses 102 so zu verschwenken, dass der Haltering im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Polierkissen bleiben kann. Der Kardan-Mechanismus 106 hat eine Kardan-Stange 150, die in eine vertikale Bohrung 130 passt, und einen Biegering 152, der an dem ringförmigen Körper 140 befestigt ist. Die Kardan-Stange 150 ist vertikal längs der Bohrung 130 verschiebbar, um der Basisanordnung 104 eine Vertikalbewegung zu ermöglichen, jedoch jede seitliche Bewegung bezüglich des Gehäuses 102 zu unterbinden, und verringert das Moment, das von der seitlichen Kraft des Substrats an dem Haltering erzeugt wird. Die Kardan-Stange 150 kann einen Kanal 154 aufweisen, der sich über der Länge der Kardan-Stange erstreckt, um die Bohrung 130 mit einer dritten Kammer in der Substratstützanordnung 112, beispielsweise der Kammer 234, fluidmäßig zu koppeln.
Die Belastungskammer 108 befindet sich zwischen dem Gehäuse 102 und der Basisanordnung 104, um eine Last aufzubringen, d.h. einen Abwärtsdruck oder ein Gewicht auf die Basisanordnung 104. Die vertikale Position der Basisanordnung 104 bezüglich des Polierkissens 32 wird ebenfalls durch die Belastungskammer 108 gesteuert. An dem Gehäuse 102 kann durch einen inneren Klemmring 162 ein Innenrand der insgesamt ringförmigen Rollmembran 160 angeklemmt werden. An der Basisanordnung 104 kann durch einen äußeren Klemmring 164 ein Außenrand der Rollmembran 160 angeklemmt werden. Dadurch dichtet die Rollmembran 160 den Raum zwischen dem Gehäuse 102 und der Basisanordnung 104 ab und bildet die Belastungskammer 108. Mit der Belastungskammer 108 kann über den Kanal 132 eine erste Pumpe (nicht gezeigt) fluidmäßig verbunden werden, um den Druck in der Belastungskammer in der vertikalen Position der Basisanordnung 104 zu steuern.
Der Haltering 110 kann insgesamt ein Kreisring sein, der an dem Außenrand der Basisanordnung 104 beispielsweise durch Bolzen 128 befestigt ist. Wenn Fluid in die Belastungskammer 108 gepumpt und die Basisanordnung 104 nach unten gedrückt wird, wird der Haltering 110 ebenfalls nach unten gedrückt und übt eine Last auf das Polierkissen 32 aus. Eine untere Fläche 124 des Halterings 110 kann im Wesentlichen eben sein oder kann eine Vielzahl von Kanälen aufweisen, um den Transport von Schlämme von außerhalb des Halterings zum Substrat zu erleichtern. Eine Innenfläche 126 des Halterings 110 greift an dem Substrat an, um zu verhindern, dass es von unterhalb des Trägerkopfes entweicht.
Gemäß 2 und 3 hat die Substratstützanordnung 112 eine flexible innere Membran 116, eine flexible äußere Membran 118, einen inneren Halteaufbau 120, einen äußeren Halteaufbau 230, einen inneren Distanzring 122 und einen äußeren Distanzring 232. Die Halteaufbauten 120 und 230 sowie die Distanzringe 122 und 232 können "frei schwebend" sein, d.h. sie sind nicht am Rest des Trägerkopfs befestigt und können durch die innere und äußere flexible Membran an Ort und Stelle gehalten werden.
Die flexible innere Membran 116 hat einen zentralen Abschnitt 200, der Druck auf das Substrat in einem einstellbaren Bereich, auf einen relativ dicken ringförmigen Abschnitt 202 mit einem "L-förmigen" Querschnitt, auf eine innere Lasche 204, die sich von der Ecke des L-förmigen Abschnitts 202 aus erstreckt, auf eine ringförmige äußere Lasche 206, die sich von dem äußeren Rand des L-förmigen Abschnitts 202 aus erstreckt, und auf einen Umfangsabschnitt 208 ausübt, der sich um den inneren Halteaufbau 120 erstreckt, um den L-förmigen Abschnitt 202 und den zentralen Abschnitt 200 zu verbinden. Der Rand der inneren Lasche 204 ist zwischen dem Biegering 152 und dem ringförmigen Körper 140 eingeklemmt, während der Rand der äußeren Lasche 206 zwischen dem äußeren Klemmring 164 und dem unteren Klemmring 144 geklemmt ist. Das Volumen zwischen der Basisanordnung 104 und der inneren Membran 116, die durch den inneren Flansch 204 abgedichtet wird, bildet eine druck beaufschlagbare, schwebende untere Kammer 234. Der Ringraum zwischen der Basisanordnung 104 und der inneren Membran 116, der durch die innere Lasche 204 und die äußere Lasche 206 abgedichtet ist, bildet eine druckbeaufschlagbare, schwebende obere Kammer 236. Mit dem nicht gezeigten Kanal kann eine zweite Pumpe (nicht gezeigt) verbunden werden, um Fluid, beispielsweise ein Gas, wie Luft, in die schwebende obere Kammer 236 zu leiten oder aus ihr abzuführen. Mit der Bohrung 130 kann eine dritte Pumpe (nicht gezeigt) verbunden werden, um ein Fluid, beispielsweise ein Gas, wie Luft, in die schwebende untere Kammer 234 zu leiten oder aus ihr abzuführen. Die zweite Pumpe steuert den Druck in der oberen Kammer und die vertikale Position der unteren Kammer, während die dritte Pumpe den Druck in der unteren Kammer steuert. Wie im Einzelnen nachstehend erläutert wird, steuert der Druck in der schwebenden oberen Kammer 236 einen Kontaktbereich der inneren Membran 116 gegen eine obere Fläche der äußeren Membran 118. Dadurch steuert die zweite Pumpe den Bereich des Substrats, auf den Druck ausgeübt wird, d.h. den Belastungsbereich, während die dritte Pumpe die Abwärtskraft auf das Substrat in dem Belastungsbereich steuert.
Die äußere Membran 118 hat einen zentralen Abschnitt 210, der sich unter den äußeren Halteaufbau 230 erstreckt, um eine Anbringfläche für den Eingriff an dem Substrat und einen Umfangsabschnitt 212 zu bilden, der sich auf einer Serpentinenbahn zwischen dem äußeren Halteaufbau 230 und dem äußeren Distanzring 232 zur Befestigung an der Basisanordnung erstreckt. Beispielsweise kann ein Rand der äußeren Membran zwischen dem unteren Klemmring 144 und dem Haltring 110 geklemmt werden. Der abgedichtete Raum zwischen der inneren Membran 116 und der äußeren Membran 118 bildet eine druckbeaufschlagbare äußere Kammer 238. Dadurch kann sich die äußere Kammer 238 tatsächlich unter die untere Kammer 234 erstrecken. Mit dem Kanal 134 kann eine vierte Pumpe (nicht gezeigt) verbunden werden, um ein Fluid, beispielsweise ein Gas, wie Luft, in die äußere Kammer 238 zu leiten oder aus ihr abzuführen. Die vierte Pumpe steuert den Druck in der äußeren Kammer 238.
Der innere Halteaufbau 120 kann ein insgesamt starrer, ringförmiger, beilagscheibenförmiger Körper sein, der sich innerhalb der schwebenden unteren Kammer 234 befindet, um die gewünschte Form der inneren Membran 116 aufrechtzuerhalten. Alternativ kann der innere Halteaufbau ein scheibenförmiger Körper mit einer Vielzahl von durch ihn hindurchgehenden Öffnungen sein. Der scheibenförmige Halteaufbau bildet eine Stützfläche, die verhindert, dass das Substrat aufgrund einer Verwerfung beschädigt wird.
Der innere Distanzring 122 ist insgesamt ein starrer Körper, der einen "C-förmigen" Querschnitt haben kann. Der innere Distanzring kann auch einen zylindrischen Teil 190, einen ringförmigen oberen Flansch 192 und einen ringförmigen unteren Flansch 194 aufweisen. Der innere Distanzring 122 kann in der äußeren Kammer 238 über dem inneren Halteaufbau 120 angeordnet werden. Der ringförmige untere Flansch 194 kann von dem inneren Halteaufbau gehalten werden, während sich der ringförmige obere Flansch 192 über den äußeren Halteaufbau 230 und den äußeren Distanzring 232 erstrecken kann.
Die innere Membran 116 wird von einem flexiblen und elastischen Material, wie einem Elastomer, einem mit Elastomer beschichteten Gewebe oder einem thermischen plastischen Elastomer (ZPE), beispielsweise HYTREL^TM, das von DuPont, Newark, Delaware, verfügbar ist, oder von einer Kombination dieser Materialien gebildet werden. Vorzugsweise ist die innere Membran 116 etwas weniger flexibel als die äußere Membran 118. Wie vorstehend erörtert, kann ein einstellbarer Bereich des zentralen Abschnitts 200 der inneren Membran 116 die obere Fläche der äußeren Membran 118 berühren und eine Abwärtsbelastung darauf ausüben. Die Belastung wird durch die äußere Membran auf das Substrat in dem Belastungsbereich übertragen. Die untere Fläche des zentralen Abschnitts 200 der inneren Membran 116 kann beispielsweise mit kleinen Nuten texturiert sein, um zu gewährleisten, dass das Fluid zwischen der inneren und äußeren Membran strömen kann, wenn sie in Kontakt stehen. Der Umfangsabschnitt 208 der inneren Membran erstreckt sich um eine äußere Fläche 180 des inneren Halteaufbaus 120 nach oben und nach innen zwischen den unteren Flansch 194 des inneren Distanzrings 122 und eine obere Fläche 182 des inneren Halteaufbaus für die Verbindung mit dem unteren Rand des L-förmigen Abschnitts 202. Der L-förmige Abschnitt 202 der inneren Membran erstreckt sich innerhalb des zylindrischen Abschnitts 190 und über den ringförmigen oberen Flansch 192 des inneren Distanzrings 122.
Der äußere Halteaufbau 230 befindet sich innerhalb der äußeren Kammer 238 zwischen der inneren Membran 116 und der äußeren Membran 118, um die gewünschte Form der äußeren Membran 118 aufrechtzuerhalten und die äußere Membran an dem Substrat während der Vakuumaufspannung abzudichten. Insbesondere kann der äußere Halteaufbau 230 einen insgesamt starren ringförmigen Abschnitt 170 mit einem ringförmigen Vorsprung 172 aufweisen, der sich von dem Rand des ringförmigen Abschnitts aus nach unten erstreckt. Alternativ kann der Vorsprung 172 so angeordnet werden, dass er eine obere Fläche der äußeren Membran berührt, um vorzugsweise Druck auf ausgewählte Bereiche des Substrats auszuüben, wie es in der US-A-8146259 erörtert wird. Der Vorsprung 172 kann durch eine Haftbefestigung einer Schicht aus kompressiblem Material an der unteren Fläche des ringförmigen Abschnitts 170 gebildet werden.
Der äußere Distanzring 232 ist ein insgesamt ringförmiges Element, das zwischen dem Haltering 110 und der äußeren Membran 118 angeordnet ist. Insbesondere kann sich der äußere Distanzring 232 über dem äußeren Halteaufbau 230 befinden. Der äußere Distanzring 232 hat einen zylindrischen Abschnitt 184 und einen Flanschabschnitt 186, der sich nach außen zu der inneren Fläche 126 des Halterings 110 erstreckt, um die seitliche Position des äußeren Distanzrings aufrechtzuerhalten.
Die äußere Membran 118 ist eine insgesamt kreisförmige Bahn, die aus einem flexiblen und elastischen Material besteht, beispielsweise aus Chloropren oder Ethylenpropylenkautschuk oder Silicon. Wie erwähnt, bildet der zentrale Abschnitt 210 der äußeren Membran eine Anbringfläche für das Substrat, während sich der Umfangsabschnitt 212 in serpentinenförmiger Weise zwischen dem äußeren Halteaufbau 230 und dem äußeren Distanzring 232 für das Einklemmen zwischen der Basisanordnung 104 und dem Haltering 110 erstreckt. Insbesondere erstreckt sich der Umfangsabschnitt 212 nach oben um eine Außenfläche 174 des äußeren Halteaufbaus 230, nach innen zwischen den Flanschabschnitt des äußeren Distanzrings 232 und einer oberen Fläche 176 des äußeren Halteaufbaus 230, nach oben um einen zylindrischen Abschnitt 184 des äußeren Distanzrings 232 und dann nach außen zu einem Randabschnitt 214, der zwischen einem unteren Klemmring 144 und einem Haltering 110 zur Bildung einer fluiddichten Abdichtung eingeklemmt ist. Zwischen dem Randabschnitt 214 und dem Außendurchmesser der oberen Fläche des äußeren Distanzrings 232 erstreckt sich ein "Freispann"-Abschnitt 216 der äußeren Membran. Die äußere Membran 118 kann auch einen dicken Abschnitt 218 haben, der sich zwischen dem inneren Distanzring 122 und dem äußeren Distanzring 232 nach oben erstreckt. Die äußere Membran kann in eine Serpentinenform vorgeformt sein.
In Betrieb wird Fluid in die schwebende untere Kammer 234 hinein- oder aus ihr herausgepumpt, um den Abwärtsdruck der inneren Membran 116 gegen die äußere Membran 118 und somit gegen das Substrat zu steuern, während Fluid in die schwebende obere Kammer 236 gepumpt oder aus ihr abgepumpt wird, um den Kontaktbereich der inneren Membran 116 an der äußeren Membran 118 zu steuern. Die Fähigkeit des Trägerkopfs 100, sowohl den Belas tungsbereich als auch den Druck zu steuern, der an dem Substrat anliegt, wird unter Bezug auf die schematischen Diagramme von 4A und 4B erläutert. Gemäß 4A weist eine hypothetische oder hochschematische Poliereinrichtung 300 eine "frei schwebende" flexible Membran 302 auf, die eine druckbeaufschlagbare Kammer 306 bildet. Nimmt man an, dass kein äußerer Druck an die flexible Membran 302 angelegt wird, ist sie insgesamt kugelförmig und hat einen Innendruck P₁. Wenn die Membran jedoch zusammengedrückt wird, beispielsweise zwischen einer starren Platte 304 und dem Substrat 10, verformt sich die flexible Membran zu einer abgeflachten Form, welche das Substrat in einem insgesamt kreisförmigen Kontaktbereich 308 berührt. Nimmt man an, dass die starre Platte 304 eine Abwärtskraft F auf die flexible Membran 302 ausübt, erfordert ein Kraftausgleich, dass F = ΔP·A_c, wobei ΔP die Differenz zwischen dem Innendruck P₁ in der Kammer 306 und dem Außendruck P₂ ist, der die flexible Membran umgibt, während A_c die Fläche des Kontaktbereichs 308 ist. Somit lässt sich der Durchmesser D_c des Kontaktbereichs 308 ausdrücken durch:
Demzufolge können jedes kreisförmige Kontaktprofil und ein Druck durch einen zweistufigen Prozess erhalten werden, bei dem der Druck P₁ gewählt wird und die ausgewählte Kraft F eingestellt wird, um den Durchmesser des Belastungsbereichs zu bestimmen. Obwohl 4A und 4B das Konzept auf äußerst schematische Weise darstellen, kann die Erfindung insgesamt dadurch ausgeführt werden, dass eine Abwärtskraft auf eine frei schwebende Membrankammer ausgeübt wird.
Gemäß 5A und 5B kann die Kontaktfläche der inneren Membran 116 an der äußeren Membran 118 und somit die Belastungsfläche, in der der Druck an das Substrat 10 angelegt wird, dadurch gesteuert werden, dass der Druck in der schwebenden oberen Kammer 236 variiert wird. Durch Pumpen von Fluid aus der schwebenden oberen Kammer 236 wird der L-förmige Abschnitt 202 der inneren Membran 116 nach oben gezogen, wodurch der äußere Rand des zentralen Abschnitts 200 von der äußeren Membran 118 weggezogen wird und der Durchmesser des Belastungsbereichs verringert wird.
Umgekehrt wird durch Pumpen von Fluid in die schwebende obere Kammer 236 der L-förmige Abschnitt 202 der inneren Membran 116 nach unten gedrückt, wodurch der zentrale Abschnitt 200 der inneren Membran in Kontakt mit der äußeren Membran 118 gedrückt und der Durchmesser der Belastungsfläche vergrößert wird. Wenn Fluid zwangsweise in die äußere Kammer 238 geführt wird, wird zusätzlich der L-förmige Abschnitt 202 der inneren Membran 116 nach oben gedrückt, wodurch der Durchmesser des Belastungsbereichs verringert wird. Somit hängt bei dem Trägerkopf 100 der Durchmesser des Belastungsbereichs von den Drucken in sowohl der oberen Kammer als auch der unteren Kammer ab.
Ein beispielsweises Diagramm 400 des Durchmessers des Kontaktbereichs als Funktion der Drucke in der oberen Kammer 235, der unteren Kammer 234 und der äußeren Kammer 238 ist in 6 gezeigt. Ein solches Diagramm kann durch Versuch erstellt oder durch eine Finite-Element-Analyse berechnet werden. In dem Diagramm von 6 stellt die x-Achse den Druck in der oberen Kammer 234 und die y-Achse die Kontaktfläche dar. Die Sätze von Diagrammlinien 402 bis 418 zeigen die Beziehung des oberen Kammerdrucks zur Kontaktfläche für verschiedene Drucke in der unteren Kammer 236 und der äußeren Kammer 238, wie es in der folgenden Tabelle zusammengefasst ist:
Der Trägerkopf 100 kann auch in einer "Standard"-Betriebsweise arbeiten, in der die schwebenden Kammern 234 und 236 entlüftet oder im Druck abgesenkt werden, um sich von dem Substrat wegzuheben, während die äußere Kammer 238 druckbeaufschlagt wird, um einen gleichförmigen Druck auf die gesamte Rückseite des Substrats auszuüben.
Wie vorher erörtert, ist ein immer wieder auftretendes Problem in einem CMP das ungleichförmige Polieren des Substratzentrums. Die einstellbare Belastungsfläche kann jedoch dazu verwendet werden, Polierprofile auszugleichen, bei denen das Zentrum des Substrats unterpoliert ist, indem eine Sequenz von Polierschritten mit unterschiedlichen Durchmessern der Belastungsfläche zur Anwendung kommt. Beispielsweise kann der Trägerkopf dazu verwendet werden, einen Bereich des Substrats mit dem Radius r₁ über eine erste Dauer T₁ zu polieren, dann einen größeren Bereich mit einem Radius r₂ während einer zweiten Dauer T₂ und dann einen noch größeren Bereich mit einem Radius r₃ während einer dritten Dauer T₃ zu polieren. Dies gewährleistet, dass unterschiedliche Bereiche des Substrats mit einer Gesamtzeit und einem Druck poliert werden, die erforderlich sind, um das Polieren von Nicht-Gleichförmigkeiten zu verringern.
Wie vorher erwähnt, besteht ein weiteres immer wieder auftretendes Problem bei dem CMP in dem nicht-gleichförmigen Polieren nahe des Randes des Substrats. Der äußere Distanzring 232 kann jedoch zur Steuerung der Druckverteilung verwendet werden, die von der äußeren Membran 118 in der Nähe des Substratrands angelegt wird. Insbesondere kann, wie in der US-A-6277014 erörtert ist, der Oberflächenbereich einer oberen Fläche des äußeren Distanzrings so gewählt werden, dass der Relativdruck eingestellt wird, der an der Kante der äußeren Membran an dem Substratumfang anliegt.
Um das Substrat von dem Polierkissen zu entfernen, wird die schwebende obere Kammer 236 mit Druck beaufschlagt, um den Vorsprung 172 des äußeren Halteaufbaus 230 nach unten gegen die obere Fläche der äußeren Membran 118 zu drücken. Dadurch wird die äußere Membran in Kontakt mit dem Substrat zur Bildung einer Abdichtung gedrückt. Die schwebende untere Kammer 234 wird entlüftet, beispielsweise mit der Außenatmosphäre verbunden, und der Druck in der äußeren Kammer 238 wird aufgehoben. Dies führt dazu, dass die äußere Membran 118 nach innen gezogen wird, um das Substrat durch Vakuum an dem Trägerkopf festzuspannen. Dann wird der Druck in der schwebenden oberen Kammer 236 aufgehoben, damit die innere und äußere Membran nach oben gezogen werden und das Substrat von dem Polierkissen abgehoben wird. Schließlich wird die Belastungskammer 108 entleert, um die Basisanordnung 104 und die Substratstützanordnung von dem Polierkissen weg anzuheben.
Die Arbeitsweise eines Trägerkopfes 100, ein Substrat in den Trägerkopf an der Überführungsstation 27 zu laden, das Festspannen des Substrats von dem Polierkissen an der Polierstation 25 aufzuheben und das Substrat aus dem Trägerkopf an der Überführungsstation 27 zu entladen, wird durch die folgenden Tabellen zusammengefasst.
Nach den Aufbläh-, Drück- und Greifschritten können jeweils Zeitverzögerungen vorgesehen werden.
Nach den Abdichtungs-, Greif- und Abhebeschritten können jeweils Zeitverzögerungen vorgesehen werden.
Nach dem Absenk- und Auswerfschritt können jeweils Zeitverzögerungen vorgesehen werden.
Um zu bestimmen, ob das Substrat erfolgreich an dem Trägerkopf nach Belastungs- oder Ausspannvorgängen befestigt war, kann die CMP-Vorrichtung einen Substraterfassungsvorgang ausführen. Dieses Verfahren beginnt damit, dass die äußere Kammer 238, die obere schwebende Kammer 236 und die Entlastungskammer 108 unter Vakuum stehen, während die untere schwebende Kammer 234 entlüftet ist. Die untere schwebende Kammer 234 ist mit einer Druckquelle mit einem festgelegten Druck verbunden. Gemäß 7A wird der Druck in der unteren schwebenden Kammer als Funktion der Zeit gemessen. Gemäß 7B wird die erste Ableitung (dP/dt) des Drucks in der unteren schwebenden Kammer berechnet, wenn die Kammer druckbeaufschlagt ist. Wenn das Substrat nicht vorhanden ist, biegt sich die untere Kammer nach außen und hat Platz zum Ausdehnen. Wenn im Gegensatz dazu das Substrat vorhanden ist und an dem Trägerkopf festgespannt ist, ist das Volumen in der unteren Kammer begrenzt, und demzufolge steigt der Druck in der unteren Kammer schneller an. Deshalb kann das Substrat dadurch erfasst werden, dass festgestellt wird, ob die Ableitung dP/dt einen kritischen Wert C₁ überschreitet. Dieser kritische Wert C₁ kann experimentell festgestellt werden. Wenn die Ableitung dP/dt den kritischen Wert C₁ überschreitet, ist das Substrat vorhanden. Wenn andererseits die Ableitung dP/dt den kritischen Wert C₁ nicht überschreitet, fehlt das Substrat. Die untere schwebende Kammer 234 kann auf ein Vakuum zurückgeführt werden, wenn der Substraterfassungsvorgang abgeschlossen ist.
Gemäß 8 hat bei einer anderen Ausführungsform der Trägerkopf 100a eine insgesamt scheibenförmige innere Halteplatte 120a, die eine Sperre zwischen der schwebenden oberen Kammer 236a und der schwebenden unteren Kammer 234a bildet. Die innere Membran 116a ist eine insgesamt kreisförmige Bahn mit einem zentralen Abschnitt 200a, einem Randabschnitt 240, der an der Basisanordnung 104a befestigt ist, und einer ringförmigen inneren Region oder Lasche 242, die an dem äußeren Rand 244 der inneren Halteplatte 120a befestigt ist. Der zentrale Abschnitt 200a der inneren Membran erstreckt sich unter die innere Halteplatte 120a, um die schwebende untere Kammer 234a zu bilden, während der Raum zwischen der Stützplatte und der Basisanordnung, der durch den Randabschnitt 240 der inneren Membran 116a abgedichtet wird, die schwebende obere Kammer 236a bildet. Die scheibenförmige in nere Halteplatte 120a vergrößert den Kontaktbereich zwischen der schwebenden oberen Kammer 236a und der schwebenden unteren Kammer 234a.
Der äußere Halteaufbau 230a kann einen ringförmigen Abschnitt 170a, einen ringförmigen Flanschabschnitt 178a, der nach oben von einem inneren Rand des ringförmigen Abschnitts 170a vorsteht, und einen Vorsprung 172a haben, der sich von dem äußeren Rand des ringförmigen Abschnitts 170a nach unten erstreckt und eine obere Fläche der äußeren Membran 118a berührt. Der Flanschabschnitt 178a des äußeren Halteaufbaus 230a kann an der inneren Halteplatte 120a oder der inneren Membran 116a festgelegt werden. Alternativ kann der äußere Halteaufbau 230a in der äußeren Kammer 238 frei schwebend sein.
Der Trägerkopf 100a wirkt ähnlich wie der Trägerkopf 100. Insbesondere steuert der Druck in der schwebenden oberen Kammer 236a die Kontaktfläche der inneren Membran an der oberen Fläche der äußeren Membran, während der Druck in der schwebenden unteren Kammer 234a den Druck steuert, der an das Substrat in dem Belastungsbereich angelegt wird. Um ein Substrat von dem Polierkissen zu entfernen, wird die schwebende obere Kammer 236a mit Druck beaufschlagt, um den Vorsprung 172a an dem äußeren Halteaufbau 230a gegen die obere Fläche der äußeren Membran 118a zu drücken. Dies drückt die äußere Membran gegen das Substrat zur Bildung einer fluiddichten Abdichtung dazwischen. Dann wird die schwebende untere Kammer entlüftet und der Druck in der äußeren Kammer 238a aufgehoben, um die äußere Membran gegen die innere Membran zu ziehen. Schließlich wird der Druck in der schwebenden oberen Kammer aufgehoben, um das Substrat von dem Polierkissen wegzuziehen.
Gemäß 9 kann bei einer anderen Ausführungsform der Trägerkopf 100b eine äußere Membran 118b mit einer Ringlippe 250 aufweisen. Wenn die äußere Kammer 238c evakuiert ist, kann die Lippe 250 gegen das Substrat 10 zur Bildung einer Abdichtung und zur Verbesserung der Vakuumfestspannung des Substrats gezogen werden, wie es in der US-A-6159079 beschrieben ist.
Gemäß 10 hat bei einer weiteren Ausführungsform der Trägerkopf 100c eine einzige flexible Membran 118c und einen scheibenförmigen Stützaufbau 122c. Ein zentraler Abschnitt 260 der flexiblen Membran 118c erstreckt sich unter den Stützaufbau 122c, um eine Anbringfläche für den Eingriff mit dem Substrat zu bilden. Ein Umfangsabschnitt 262 der flexiblen Membran erstreckt sich um einen zylindrischen Rand 264 des Stützaufbaus nach oben und nach innen. Der Umfangsabschnitt 262 hat eine innere Lasche 266, die zwischen einem Klemmring 268 und einer oberen Fläche 270 des Stützaufbaus 122c eingeklemmt ist, während einen äußere Lasche 272, die sich um den Distanzring 120c herumlegt, zwischen dem Haltering 110c und dem Ringkörper 140c festgeklemmt wird. Somit bildet der Raum zwischen dem Stützaufbau 122c und der flexiblen Membran 118 eine mit Druck beaufschlagbare schwebende untere Kammer 234c, während der Raum zwischen der Basisanordnung 104 und dem Stützaufbau 122c, der durch die innere Lasche 266 und die äußere Lasche 272 abgedichtet ist, eine druckbeaufschlagbare, schwebende obere Kammer 236c bildet.
An die schwebende obere Kammer 236c kann über den Kanal 154 in der Kardan-Stange 150 eine Pumpe angeschlossen werden, während eine weitere Pumpe an die schwebende untere Kammer 234c über den Kanal 134 im Gehäuse 102, den Kanal 280 in der Basisanordnung 104c und einen Kanal 282 durch den Stützaufbau 122c angeschlossen werden kann. Fixierungen 284 und 286 sorgen für Befestigungspunkte für ein flexibles Rohr, um die Kanäle durch die Basisanordnung und den Stützaufbau für einen Anschluss des Kanals 134 an die schwebende untere Kammer 234c fluidmäßig anzukoppeln.
Die untere Fläche 274 des Stützaufbaus kann einen Vorsprung 276 haben, der sich von einem äußeren Rand des Aufbaus nach unten erstreckt. An der unteren Fläche 274 des Stützaufbaus 122c kann auch eine Vielzahl von Nuten 278 ausgebildet werden, um zu gewährleisten, dass Fluid aus dem Raum zwischen dem Stützaufbau und der flexiblen Membran abgeführt werden kann.
Durch Steuern des Drucks in der oberen und unteren schwebenden Kammer können sowohl der Kontaktdruck als auch der Belastungsbereich der flexiblen Membran 118c an dem Substrat gesteuert werden. Um das Substrat von dem Polierkissen zu entfernen, wird die schwebende obere Kammer 236c druckbeaufschlagt, um den Vorsprung 276 nach unten zu drücken und eine Abdichtung zwischen dem Substrat und der flexiblen Membran zu erzeugen, während dann die schwebende untere Kammer 234c evakuiert wird, um das Substrat an dem Trägerkopf durch Vakuum festzuspannen.
Gemäß 11 kann der Trägerkopf 100d bei einer anderen Ausführungsform, die im Aufbau ähnlich zu dem Trägerkopf 100c ist, ein Ventil 300 in dem Stützaufbau 122d aufweisen, um die obere Kammer 236d mit der unteren Kammer 234d fluidmäßig zu koppeln. Das Ventil 300 hat ein scheibenförmiges Ventilgehäuse 302 und einen ringförmigen Ventilflansch 304. Das Ventilgehäuse 302 kann in eine Öffnung 306 in dem Stützaufbau 122d passen, während der Ventilflansch 304 haftend an der oberen Fläche 312 des Stützaufbaus 122d festgelegt werden kann. In eine flache Vertiefung 310 in der oberen Fläche 312, die die Öffnung 306 ergibt, passt eine ringförmige Dichtung 308. Durch das scheibenförmige Ventilgehäuse 302 hindurch kann über der Dichtung 308 eine Vielzahl von vertikalen Kanälen 314 ausgebildet werden, um die untere Kammer 234d und die obere Kammer 236d fluidmäßig zu koppeln. Der Ventilflansch 304 wirkt wie eine Blattfeder zum Vorspannen des Ventilgehäuses 302 nach unten, so dass die vertikale Kanäle 314 an der Ringdichtung 308 zum Schließen des Ventils anliegen. Wenn jedoch das Ventilgehäuse 302 nach oben gedrückt wird, steht die Dichtung nicht länger in Kontakt mit dem Ventilgehäuse, und das Fluid kann durch die Kanäle 314 im Leckstrom fließen. Dadurch ist das Ventil 300 offen, und die untere Kammer 234d und die obere Kammer 236d stehen über die Kanäle 314 in Fluidverbindung.
Das Ventil 300 kann dazu verwendet werden, zu erfassen, ob ein Substrat an der flexiblen Membran 118d festgespannt ist. Insbesondere kann eine erste Messung des Drucks in der oberen Kammer 234d mit einem Druckmesser (nicht gezeigt) ausgeführt werden, nachdem die obere Kammer mit Druck beaufschlagt ist, jedoch bevor die untere Kammer entleert wird. Die obere Kammer 234d sollte von der Pumpe getrennt werden, die diese Kammer druckbeaufschlagt oder entleert. Dann wird, wenn die untere Kammer entleert ist, eine zweite Messung des Drucks in der oberen Kammer mit Hilfe des Druckmessers ausgeführt. Die erste und die zweite Druckmessung können verglichen werden, um zu bestimmen, ob das Substrat erfolgreich an dem Trägerkopf durch Vakuum festgespannt war.
Wenn das Substrat erfolgreich durch Vakuum festgespannt war, wird die flexible Membran 118d in unmittelbarer Nähe des Substrats durch eine Tasche mit niedrigem Druck zwischen dem Substrat und der flexiblen Membran gehalten. Demzufolge bleibt das Ventil 300 in seiner Schließstellung vorgespannt, während der Druck in der oberen Kammer konstant bleibt oder zunehmen kann. Wenn andererseits das Substrat nicht vorhanden ist oder nicht durch Vakuum an dem Trägerkopf festgespannt ist, biegt sich, wenn die untere Kammer 234d entleert ist, die flexible Membran 118d nach oben. Die flexible Membran legt dadurch ein Aufwärtskraft an das Ventilgehäuse 302 an und öffnet das Ventil 300, wodurch die obere Kammer 234d und die untere Kammer 236d fluidmäßig verbunden werden. Dies macht es mög lich, dass Fluid aus der oberen Kammer 236d durch die untere Kammer 234d abgezogen wird. Als Folge ist der sich in der oberen Kammer einstellende Druck geringer, wenn das Substrat nicht vorhanden ist oder nicht durch Vakuum an der flexiblen Membran festgespannt ist, als wenn das Substrat richtig festgelegt ist. Diese Differenz kann erfasst werden, um zu bestimmen, ob das Substrat an dem Trägerkopf festgespannt ist. Ähnliche Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen des Vorhandenseins eines Substrats in einem Trägerkopf sind in der US-A-5957751 beschrieben.
Für den Trägerkopf, der die Erfindung ausführt, ist eine Vielzahl von Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise kann die schwebende obere Kammer entweder ein Ringraum oder ein durchgehender Raum sein. Die obere und die untere Kammer können entweder durch eine flexible Membran oder durch einen relativ starren Stütz- oder Halteaufbau getrennt sein. Das Substrat kann direkt von einer flexiblen Membran in einem variablen Belastungsbereich kontaktiert werden, oder eine innere Membran kann die innere Fläche der äußeren Membran in einem variablen Kontaktbereich kontaktieren. Die Halteaufbauten können entweder ringförmig oder scheibenförmig sein und durchgehende Öffnungen haben.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer Anzahl von Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Stattdessen wird der Rahmen der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Trägerkopf für ein chemisches mechanisches Polieren eines Substrats – mit einer Basis (104), – mit einem ersten flexiblen Membranabschnitt (118), der sich unter der Basis erstreckt und eine erste druckbeaufschlagbare Kammer (238) bildet, wobei eine untere Fläche des ersten flexiblen Membranabschnitts eine Belastungsfläche zum Anlegen eines Drucks an ein Substrat in einem Belastungsbereich bildet, und – mit einem zweiten flexiblen Membranabschnitt (116), der sich unter der Basis erstreckt und eine zweite druckbeaufschlagbare Kammer (234) bildet, wobei eine untere Fläche des zweiten flexiblen Membranabschnitts eine obere Fläche des ersten flexiblen Membranabschnitts in einem Belastungsbereich berührt, der eine einstellbare Größe hat, gekennzeichnet durch – einen dritten flexiblen Membranabschnitt (202, 204, 206), der den zweiten flexiblen Membranabschnitt (116) mit der Basis verbindet und eine dritte druckbeaufschlagbare Kammer (236) bildet, so dass die erste druckbeaufschlagbare Kammer den Druck steuert, der an das Substrat in dem Belastungsbereich angelegt wird, während die dritte druckbeaufschlagbare Kammer die Größe der Belastungsfläche steuert.
Trägerkopf nach Anspruch 1, bei welchem die Basis (104) vertikal bewegbar ist und wenigstens einen Teil einer oberen Grenze der zweiten druckbeaufschlagbaren Kammer (234) bildet.
Trägerkopf nach Anspruch 1 oder 2, welcher weiterhin ein mit einer Antriebswelle verbindbares Gehäuse (102) und eine vierte Kammer (108) aufweist, die zwischen dem Gehäuse und der Basis (104) angeordnet ist.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher weiterhin einen Haltering (110) aufweist, der mit der Basis (104) verbunden ist, um das Substrat unter dem Trägerkopf (70) zu halten.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der zweite flexible Membranabschnitt (116) eine Grenze zwischen der ersten und zweiten druckbeaufschlagbaren Kammer (238, 234) bildet.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die zweite druckbeaufschlagbare Kammer (234) einen insgesamt ringförmigen Raum bildet.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die zweite druckbeaufschlagbare Kammer (234) einen insgesamt durchgehenden Raum bildet.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die untere Fläche des ersten flexiblen Membranabschnitts (118) eine Anbringfläche für das Substrat bildet.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher weiterhin einen ersten Halteaufbau (120) aufweist, der in der zweiten druckbeaufschlagbaren Kammer angeordnet ist, wobei der zweite flexible Membranabschnitt (116) sich um eine Außenfläche des ersten Halteaufbaus herum erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 12, welcher weiterhin einen zweiten Halteaufbau (230) aufweist, der sich in der ersten druckbeaufschlagbaren Kammer (238) zwischen dem ersten und zweiten flexiblen Membranabschnitt (116, 118) befindet und so angeordnet ist, dass er den ersten Halteaufbau (120) umgibt.
Trägerkopf nach Anspruch 10, bei welchem der zweite Halteaufbau (230) insgesamt eine Ringform hat.
Trägerkopf nach Anspruch 11, welcher weiterhin einen ersten Distanzring (122) aufweist, der in der ersten druckbeaufschlagbaren Kammer (238) zwischen dem ersten und zweiten flexiblen Membranabschnitt (116, 118) angeordnet ist, wobei sich Teile des zweiten flexiblen Membranabschnitts (116) und des dritten druckbeaufschlagbaren Membranabschnitts (202, 204, 206) auf einer Serpentinenbahn zwischen dem ersten Halteaufbau (120) und dem ersten Distanzring (122) um eine Innenfläche des ersten Distanzrings herum und nach außen um eine obere Fläche des ersten Distanzrings herum erstrecken.
Trägerkopf nach Anspruch 12, welcher weiterhin einen zweiten Distanzring (232) aufweist, der sich außerhalb der ersten druckbeaufschlagbaren Kammer (238) über dem zweiten Halteaufbau (230) befindet, wobei sich der erste flexible Membranabschnitt (118) auf einer Serpentinenbahn zwischen dem zweiten Halteaufbau und dem zweiten Distanzring um eine Innenfläche des zweiten Distanzrings herum und nach außen um die obere Fläche des zweiten Distanzrings herum erstreckt.
Trägerkopf nach Anspruch 13, bei welchem sich ein Teil des ersten Distanzrings (122) über einen Teil des ersten Halteaufbaus (120) so erstreckt, dass die Druckbeaufschlagung der dritten druckbeaufschlagbaren Kammer (236) eine abwärts gerichtete Kraft auf den ersten Halteaufbau ausübt.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei welchem der zweite Halteaufbau (230) einen ringförmigen Vorsprung aufweist, der sich nach unten erstreckt, um eine obere Fläche des ersten flexiblen Membranabschnitts (118) zu berühren.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem die untere Fläche des zweiten flexiblen Membranabschnitts (116) texturiert ist, um einen Fluidstrom zwischen dem ersten und dem zweiten flexiblen Membranabschnitt (116, 118) bereitzustellen, wenn sie in Kontakt sind.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei welchem der erste Halteaufbau (120) insgesamt eine Ringform hat.
Trägerkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei welchem der erste Halteaufbau (120) einen insgesamt scheibenförmigen Körper aufweist, der eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen hat.
Verfahren zum chemischen mechanischen Polieren eines Substrats unter Verwendung eines Trägerkopfs nach Anspruch 1, bei welchem – ein Substrat an einem Polierkissen mit dem Trägerkopf gehalten wird, – eine Last auf das Substrat in einem Belastungsbereich mit einer ersten Kammer in dem Trägerkopf aufgebracht wird und – eine Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Polierkissen geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem weiterhin – eine Kammer in einem Trägerkopf mit einer Druckquelle verbunden wird, – der Druck in der Kammer als Funktion der Zeit gemessen wird, – die Ableitung des Drucks in der Kammer berechnet wird, und – aus der Ableitung bestimmt wird, ob sich das Substrat in der Nähe einer Substrataufnahmefläche in dem Trägerkopf befindet.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem weiterhin angezeigt wird, dass das Substrat vorhanden ist, wenn die Ableitung einen kritischen Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 19, welches weiterhin anzeigt, dass das Substrat fehlt, wenn die Ableitung einen kritischen Wert nicht überschreitet.