PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60109170T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001303381
Titel POLIERKISSEN MIT RILLENMUSTER UND DEREN ANWENDUNGSVERFAHREN
Anmelder International Business Machines Corp., Armonk, N.Y., US
Erfinder CHEN, Shyng-Tsong, Patterson, US;
DAVIS, M., Kenneth, Newburgh, US;
RODBELL, P., Kenneth, Sandy Hook, US
Vertreter Teufel, F., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 70569 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60109170
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.06.2001
EP-Aktenzeichen 019507441
WO-Anmeldetag 29.06.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/20904
WO-Veröffentlichungsnummer 0002002279
WO-Veröffentlichungsdatum 10.01.2002
EP-Offenlegungsdatum 23.04.2003
EP date of grant 02.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse B24D 13/12(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B24D 13/14(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      B24D 18/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      B24B 37/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Polierkissen und insbesondere das Bereitstellen von grob texturierten Oberflächen auf Polierkissen, die beim chemisch-mechanischen Planarisieren (Chemical-Mechanical Planarization, CMP) von Halbleitersubstraten Verwendung finden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das chemisch-mechanische Polieren wird bereits seit vielen Jahren als Verfahren zum Polieren von optischen Linsen und Halbleiterwafern eingesetzt. In neuerer Zeit ist das chemisch-mechanische Polieren zu einem Mittel für das Planarisieren von Isolier-Zwischenschichten aus Siliciumdioxid zwischen metallischen Schichten sowie zum Entfernen von Teilen leitender Schichten innerhalb von integrierten Schaltkreisen entwickelt worden, die auf unterschiedlichen Substraten hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine Schicht aus Siliciumdioxid eine Metallleitung so bedecken und einhüllen, dass die obere Fläche der Siliciumdioxidschicht durch eine Reihe unebener Stufen gekennzeichnet ist, die in Höhe und Breite den darunter liegenden Metallleitungen entsprechen.

Die Änderungen der Stufenhöhe in der oberen Fläche der zwischen den Metallschichten liegenden Isolierschicht weisen einige unerwünschte Eigenschaften auf. Solche unebenen isolierenden Oberflächen können die optische Auflösung nachfolgender fotolithografischer Verarbeitungsschritte beeinträchtigen, sodass es äußerst schwierig wird, Leitungsbahnen mit hoher Auflösung aufzubringen. Ein weiteres Problem stellt die Stufe dar, die sich beim Bedecken der zwischen den Metallschichten liegenden Isolierschicht mit einer zweiten Metallschicht ergeben. Wenn die Höhenstufe relativ groß ist, kann die Bedeckung durch das Metall unvollständig sein, sodass es in der zweiten Metallschicht zur Entstehung von Leitungsunterbrechungen kommen kann.

Zur Überwindung dieser Probleme sind unterschiedliche Verfahren zum Planarisieren der oberen Fläche der zwischen den Metallschichten liegenden Isolierschicht entwickelt worden. Ein Ansatz besteht dabei darin, durch Polieren mit Schleifmittel die hervorstehenden Stufen auf der oberen Fläche der Isolierschicht abzutragen. Bei diesem verfahren wird ein Siliciumsubstrat mit der Frontfläche nach unten unter einem Träger montiert und unter Druck zwischen den Träger und einen Tisch oder eine Auflageplatte gebracht, die mit einem Polierkissen bedeckt ist, welches gleichmäßig mit einem suspendierten Schleifmaterial beschichtet ist.

Es werden auch Mittel zum Abscheiden der Schleifsuspension auf der oberen Fläche des Polierkissens und zum Andrücken des Substratwafers an das Polierkissen bereitgestellt, sodass die Relativbewegung der Auflageplatte gegenüber dem Substratwafer in Anwesenheit der Poliersuspension an den Kontaktstellen eine Planarisierung der Frontfläche des Wafers bewirkt. Sowohl der Wafer als auch der Tisch können gegeneinander gedreht werden, um die herausragenden Stufen abzutragen. Dieser abtragende Polierprozess wird so lange fortgesetzt, bis die obere Fläche der Isolierschicht im Wesentlichen eben ist.

Polierkissen können auch aus einem gleichförmigen Material wie beispielsweise Polyurethan oder aus Vlies-Fasern hergestellt werden, die mit einem synthetischen Kunststoffbindemittel getränkt sind, oder sie können aus mehreren Schichten mit ungleichmäßigen physischen Eigenschaften über die Dicke des Polierkissens hinweg gebildet werden. Die Bildung von Polyurethan-Polierkissen erfolgt üblicherweise durch Gießen einer reaktiven Mischung in eine Form, Aushärten der Mischung zum Bilden des Polierkissenmaterials und anschließendem Zerschneiden des Polierkissenmaterials bis zur gewünschten Größe und Form. Die Reaktionskomponenten, die das Polyurethan oder das Kunststoffbindemittel bilden, können auch in einem zylinderförmigen Behälter zur Reaktion gebracht werden. Nach der Materialbildung wird ein zylinderförmiges Stück des Polierkissenmaterials in Scheiben geschnitten, die dann als Polierkissen verwendet werden. Ein typisches Laminatpolierkissen kann eine Vielzahl von Schichten aufweisen, zum Beispiel eine schwammartige und elastische mikroporöse Polyurethanschicht, die auf eine feste, aber elastische Tragschicht laminiert ist, welche einen porösen Polyesterfilz mit einem Bindemittel aus Polyurethan umfasst. Die Dicke typischer Polierkissen beträgt etwa 1,27 bis 2,03 mm (50 bis 80 mil), vorzugsweise etwa 1,4 mm (55 mil) und der Durchmesser etwa 25,4 bis 91,4 cm (10 bis 36 Zoll), vorzugsweise etwa 57,1 cm (22,5 Zoll).

Polierkissen können auch makrotexturierte Arbeitsflächen aufweisen, die durch Bearbeitung der Oberfläche mit verschiedenen Verfahren erzeugt werden, die oft aufwändig sind und unerwünschte Oberflächenmerkmale mit stark variierenden Tiefen erzeugen. Zu diesen Oberflächenmerkmale zählen Welligkeiten, Löcher, Falten, Rippen, Spalte, Vertiefungen, Erhebungen, Lücken und Aussparungen. Einige weitere die makroskopische Oberflächentextur eines Polierkissens beeinflussende Faktoren sind die Größe, die Form und die Häufigkeit oder der Abstand der Oberflächenmerkmale. Polierkissen können üblicherweise auch mikrotexturierte Oberflächen haben, die durch eine aus dem Volumen des Materials herrührende mikroskopische Textur verursacht sind, welche durch den Herstellungsprozess selbst bedingt ist. Da das Polieren normalerweise nicht über die gesamte Fläche des Polierkissens hinweg erfolgt, können eine Mikrotextur des Polierkissens und die durch die Oberflächenbearbeitung erzeugte Makrotextur auch ausschließlich in dem Teil des Polierkissens gebildet werden, mit dem das Polieren erfolgen soll.

Während des Polierprozesses neigen das von der Waferoberfläche entfernte Material und das Schleifmittel, zum Beispiel Siliciumdioxid, in der Poliersuspension dazu, sich zusammenzuballen und in den Aussparungen, Poren oder anderen freien Stellen innerhalb der mikroskopischen und der makroskopischen Materialtextur des Polierkissens an dessen Oberfläche und in deren Nähe abzulagern. Ein Faktor, der zu einer konstant hohen und stabilen Polierrate führt, besteht darin, die Oberfläche des Polierkissens in einem sauberen Zustand zu halten. Ein anderer Faktor besteht darin, ein Aufschwimmen (Aquaplaning) zu verhindern, zu dem es durch das Entstehen einer Wasserschicht zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Polierkissens und des Wafers kommt. Ferner hat man erkannt, dass sich die Gleichmäßigkeit der Politur, d.h. die Gleichmäßigkeit der polierten Waferoberfläche, erhöhen lässt, wenn man die Flexibilität des Polierkissens kontrolliert erhöht.

Das Erreichen einer gleichmäßigen und qualitativ hochwertigen Politur von Waferoberflächen durch herkömmliche Polierkissen ist also mit drei Problemen verbunden. Das erste Problem besteht in der Ansammlung von Schleifpartikeln und Polierresten zwischen dem Polierkissen und dem Wafer, was sowohl am Polierkissen als auch am Wafer zu unebener Politur und zu Beschädigungen führt. Zweitens führt eine unebene Politur durch Aquaplaning zwischen dem Wafer und dem Polierkissen während herkömmlicher Prozesse zu einem relativ hohen Ausschuss durch Beschädigung des Wafers. Drittens rühren eine unebene Politur und Beschädigung des Wafers auch von zu starren Polierkissen her, die mittels Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurden. Daher besteht ein Bedarf nach einem Verfahren und Polierkissen, mit denen Wafer mit gleichmäßig polierten Oberflächen in hoher Qualität reproduzierbar hergestellt werden können. In der US-Patentschrift A-6 056 851 werden ein Polierkissen gemäß der Präambel von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Präambel von Anspruch 19 beschrieben.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Deshalb stellt die vorliegende Erfindung ein Polierkissen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Polieren eines Werkstücks gemäß Anspruch 19 bereit. Die Vorrichtung zum Herstellen des Polierkissens umfasst eine Auflageplatte mit Positionierungsstiften zum Fixieren eines Polierkissens, damit ein Fräswerkzeug Rillen in die Arbeitsfläche des Polierkissens einarbeitet. Zur genauen Kontrolle der Tiefe der in das Polierkissen eingearbeiteten Rillen sorgt ein Abstandsmechanismus für eine konstante und genaue Trennung zwischen der Arbeitsfläche des Polierkissens und dem Spannfutter zum Haltern und Drehen des Fräswerkzeugs. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der US-Patentanmeldung 09/605 869, eingereicht am 29. Juni 2000, für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einarbeiten von Rillen in ein Polierkissen beschrieben.

Das Polierkissen wird auf so auf die Halterungsfläche der Auflageplatte aufgebracht, dass sich seine Arbeitsfläche in einem bestimmten Abstand gegenüber dem Fräswerkzeug befindet. Das Spannfutter des Fräsers und der Antriebsmotor werden durch einen dem Polierkissen gegenüberliegenden Rahmen gehaltert. Der Abstandsmechanismus umfasst mindestens einen, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr, Anschläge, die am Rahmen in der Nähe einer Öffnung angebracht sind, durch welche das Fräswerkzeug hindurchtritt. Ein äußerer Endteil des Fräswerkzeugs ragt über die Anschläge hinaus, die vorzugsweise als Stifte so in den Rahmen eingeschraubt sind, dass sie in axialer Richtung eingestellt werden können. Ein Unterdrucksystem sorgt für das Einwirken eines Unterdrucks auf die Arbeitsfläche des Polierkissens, damit dieses zuerst gegen das äußere Ende des Fräswerkzeugs und dann gegen die Anschläge gezogen wird.

Die Drehung des Fräswerkzeugs durch den Motor während der Einwirkung des Unterdrucks auf das Polierkissen hat zur Folge, dass der äußere Endteil des Fräswerkzeugs in das Polierkissen eine erste Vertiefung (Loch) mit einer Tiefe unterhalb seiner Arbeitsfläche einfräst. Während sich das rotierende Fräswerkzeug in das Polierkissen einfräst und die erste Aussparung bildet, wird die Tiefe der Aussparung durch die Anschläge genau begrenzt, welche mit der Arbeitsfläche in Berührung kommen. Nach der Bildung der ersten Aussparung bewirkt ein Seitenverschiebungsmechanismus eine relative seitliche Verschiebung zwischen dem rotierenden Fräswerkzeug und dem Polierkissen, während das Polierkissen durch den Unterdruck in ständigem Kontakt mit den Anschlägen verbleibt.

Diese seitliche Bewegung bewirkt, dass das rotierende Fräswerkzeug eine Rille in das Polierkissen fräst, die sich von der ersten Aussparung aus erstreckt und eine Tiefe aufweist, die im wesentlichen gleich der Tiefe der ersten Aussparung ist. Der Seitenverschiebungsmechanismus kann obere und untere Platten umfassen, die durch einen oberen Träger gehaltert werden, der die Relativverschiebung in der x-y-Ebene bewirkt. Zum Beispiel kann die obere Platte am oberen Träger befestigt sein und durch eine oder mehrere angetriebene Schrauben in x-Richtung verschoben werden, während der Rahmen mit dem Fräskopf an der unteren Platte hängt, die wiederum an der oberen Platte befestigt ist und durch eine oder mehrere angetriebene Schrauben in y-Richtung verschoben wird. Eine Alternative besteht darin, dass nicht der Rahmen mit dem Fräskopf, sondern dass in ähnlicher Weise die Auflageplatte oder sowohl die Auflageplatte als auch der Rahmen mit dem Fräskopf für eine solche x-y-Verschiebung montiert sind. Außerdem kann die Auflageplatte durch einen Antriebsmotor in Drehung versetzt werden, um ein zusätzliches Mittel zum Erzeugen einer seitlichen Verschiebung zwischen dem Fräswerkzeug und dem Polierkissen bereitzustellen.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, dass eine relative Verschiebung zwischen den Anschlägen und dem Polierkissen in z-Richtung (entlang der z-Achse) durch den Unterdruck erzeugt werden kann, indem dieser das Polierkissen in Richtung des Fräswerkzeugs und der Anschläge zieht. Wenn das Polierkissen wegen seines großen Durchmessers und seiner geringen Dicke biegsam ist, ist es unter Umständen nicht erforderlich, diese Verschiebung des Polierkissens zu steuern. Außerdem kann eine starke Verschiebung des Polierkissens entlang der z-Achse dadurch vermieden werden, dass stattdessen das Fräswerkzeug in Richtung der z-Achse verschoben und dann die Tiefe des Fräswerkzeugs während der seitlichen Verschiebung zwischen dem Fräswerkzeug und dem Polierkissen durch das Einwirken des Unterdrucks beibehalten wird.

Die Verschiebung des Polierkissens entlang der z-Achse kann jedoch durch eine Vielzahl, vorzugsweise zwei oder mehr, Stifte geführt werden, die aus der Auflageplatte herausstehen und deren Achsen parallel zur Rotationsachse des Fräswerkzeugs liegen. Diese Führungsstifte können auch das Polierkissen fixieren, wenn die Auflageplatte durch ihren Antriebsmotor in Drehung versetzt wird, und eignen sich besonders zum Einbringen von Rillen in Scheiben, die nicht zum Polieren vorgesehen sind, zum Beispiel starre Scheiben mit größerer Dicke und kleinerem Durchmesser. Wie bereits erwähnt, ermöglichen die obere und die untere Platte eine seitliche Verschiebung des Fräswerkzeugs gegenüber dem Polierkissen in Richtung der x-Achse und der y-Achse. Dadurch kann das Fräswerkzeug entsprechend den kartesischen Koordinaten x, y und z oder entsprechend den Zylinderkoordinaten R, &THgr; und Z bewegt werden.

Durch die oben erwähnten seitlichen Relativbewegungen ist es möglich, in die Polierfläche oder die entgegengesetzte Rückfläche des Polierkissens Rillen zu fräsen, die folgende Strukturen aufweisen: links- oder rechtsläufige Spiralmuster, Zickzackmuster, welche auf konstanten Kreisen mit jeweils unterschiedlichen Radien um das Polierkissen herum verlaufen, konzentrische Kreisrillen, gekreuzte lineare Rillen, innere und äußere Kreisrillen mit dazwischen liegenden spiralförmigen oder zickzackförmigen Bereichen, innere und äußere Sektoren mit unterschiedlichen Radien und unterschiedlichen spiralförmigen oder zickzackförmigen Mustern oder beliebige Kombinationen dieser und anderer Muster, um über die Polierfläche hinweg eine gleichmäßige Rillendichte oder Bereiche der Polierfläche mit unterschiedlichen Rillendichten zu erzeugen. Außerdem können die strukturierten Teile der Polierfläche des Polierkissens ausschließlich auf diejenigen Flächen beschränkt werden, an denen ein Wafer poliert werden soll.

Eine Aufgabe des Einfräsens von Rillenmustern in die Rückfläche des Polierkissens besteht darin, dessen Flexibilität zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung von Rückseitenrillen, die durch gebohrte oder gefräste Kanäle mit den Rillen auf der Vorderfläche oder Polierfläche verbunden sind, um dadurch Flüssigkeitsaustrittsöffnungen zum Ableiten der Poliersuspension aus den Rillen der Polierfläche zu bilden.

Die Tiefe der Vorder- und/oder Rückseitenrillen kann auch für unterschiedliche Muster variiert werden, indem die hervorstehende Länge der Anschläge, vorzugsweise symmetrische Stifte, in axialer Richtung eingestellt wird oder indem die hervorstehende Länge des Fräswerkzeugs in Bezug auf die axial fixierten Anschläge in axialer Richtung eingestellt wird. Um Polierkissen mit höherer Flexibilität herzustellen, können die Rillen bis zu einer Tiefe in das Polierkissen reichen, die 80% der Dicke des Polierkissens entspricht. Die Flexibilität des Polierkissens kann auch durch die Gesamtzahl der vorgesehenen Rillen eingestellt werden, zum Beispiel durch ein Muster mit 8, 32 oder 64 Spiralen.

Die Rillen in der Arbeits- oder Polierfläche eines CMP-Polierkissens können entweder allein oder in Kombination mit Rückseitenrillen den Aquaplaningeffekt während der Waferpolitur verringern, sodass eine wesentlich höhere Poliergeschwindigkeit erreicht werden kann. Ein Muster mit einer größeren Anzahl von spiralförmigen Rillen kann den Aquaplaningeffekt wirksamer verringern als ein Muster mit einer kleineren Anzahl von spiralförmigen Rillen, da beim Polieren pro Zeiteinheit mehr Rillen die Waferoberfläche überstreichen. Durch eine höhere Flexibilität des Polierkissens infolge des gewählten Rillenmusters kann zur verbesserten Gleichmäßigkeit der Politur der Waferoberfläche beitragen. Auch die Rillendichte von zickzackförmigen Rillenmustern kann variiert werden, um die Verteilung der Poliergeschwindigkeit innerhalb verschiedener Segmente der Oberfläche des Polierkissens zu steuern und so die Gleichmäßigkeit der Politur über die Waferoberfläche hinweg zu verbessern.

Zur weiteren Optimierung des Polierprozesse kann der Grundkörper des Polierkissens aus einem festen oder porösen organischen Material wie beispielsweise Polyurethan, das aufgrund seiner starken Vernetzung sehr haltbar ist, oder aus einem organischen Fasermaterial hergestellt werden, wie beispielsweise aus Viskoseseide oder Polyesterfasern, welches auch ein Bindemittel sowie festes oder poröses Polyurethan enthalten kann. Der Grundkörper des Polierkissens kann aus einer einzigen Schicht hergestellt werden oder mehrere Schichten umfassen, was in der US-Patentanmeldung 09/599 514, eingereicht am 23. Juni 2000, unter dem Titel „Multilayered Polishing Pad, Method for Fabrication, and Uses Thereof" beschrieben wird.

Das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Polierkissen eignet sich ideal zum Polieren von Wafern aus isolierendem Material wie z.B. Siliciumdioxid, diamantähnlichem Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC), aufgeschleudertem Glas (spin-on-glass, SOG), Polysilicium und Siliciumnitrid. Die Polierkissen können auch zum Polieren anderer Wafer oder Platten wie etwa solchen aus Kupfer, Aluminium, Wolfram und deren Legierungen sowie aus anderen Metallen eingesetzt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale, die Funktionsweise und die Vorteile der Erfindung lassen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstehen, in denen:

1 eine Teilquerschnittsansicht der Erfindung ist, in welcher deren Hauptkomponenten bildlich dargestellt sind;

2 eine ebene Querschnittsansicht entlang Linie 2-2 von 1 ist;

3 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht eines Teils von 1 ist;

4 ein Polierkissen zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und bei welchem das Rillenmuster 8 linksdrehende spiralförmige Rillen umfasst, die etwa in der Mitte des Polierkissens beginnen und etwa bis zum Außenrand der Arbeitsfläche des Polierkissens reichen;

5 ein Polierkissen zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und bei welchem das Rillenmuster 32 linksdrehende spiralförmige Rillen umfasst, die etwa in der Mitte des Polierkissens beginnen und etwa bis zum Außenrand der Arbeitsfläche des Polierkissens reichen;

6 ein Polierkissen zeigt, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde und bei welchem das Rillenmuster 64 rechtsdrehende spiralförmige Rillen umfasst, die etwa in der Mitte des Polierkissens beginnen und etwa bis zum Außenrand der Arbeitsfläche des Polierkissens reichen;

7 ein Polierkissen zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und bei welchem das Rillenmuster eine Vielzahl von in einem radialen Abstand voneinander angeordneten zickzackförmigen Rillen umfasst, die jeweils symmetrisch auf einem Umfang mit einem im Wesentlichen konstanten Radius über die Oberfläche des Polierkissens hinweg gebildet sind und deren Rillendichte sich für den innersten und den äußersten Radius untereinander und von der Rillendichte der mittleren Rillen unterscheidet;

8 eine Rückseitenrille bildlich darstellt, die durch einen Kanal mit einem rillenfreien Teil der Polierfläche eines Polierkissens verbunden ist;

9 eine Rückseitenrille bildlich darstellt, die durch einen Kanal mit Vorderseitenrille der Polierfläche eines Polierkissens verbunden ist;

10 sich kreuzende Rillen auf der Rückseite eines Polierkissens bildlich darstellt;

11 unterschiedliche Querschnittsformen der Rillen in der Polierfläche eines Polierkissens bildlich darstellt, welches aus einer einzigen Schicht aus einem einheitlichen Material besteht;

12 Rillen unterschiedlicher Tiefe in der Polierfläche eines Polierkissens aus Verbundmaterial bildlich darstellt, welches aus oberen Polierkissen aus einem Material und einem unteren Polierkissen aus einem anderen Material hergestellt wurde;

13 unterschiedliche Querschnittsformen der Rillen in der Polierfläche eines Polierkissens aus Verbundmaterial bildlich darstellt, welches aus einem oberen Polierkissen aus einem Material und einem unteren Polierkissen aus einem anderen Material hergestellt wurde; und

14 ein Verfahren zum Polieren eines Werkstücks mittels eines Polierkissens mit Rillen veranschaulicht, welches gemäß der Erfindung hergestellt wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN

Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von Rillen in einem Polierkissen werden sehr gut in 1 bis 3 veranschaulicht. Die Poliervorrichtung weist eine Auflageplatte 10 auf, auf welcher ein Polierkissen 12 angebracht ist, das durch eine Vielzahl von Haltestiften 14 in einer radial fixierten Position gehalten wird. Jeder dieser Haltestifte 14 ragt in einen Kanal oder eine Aussparung 16 (4), die im Grundkörper oder im Rand des Polierkissens gebildet ist und sich in der Weise parallel zur Mittelachse C des Polierkissens erstreckt, dass das Polierkissen zur axialen Verschiebung von der Oberfläche der Auflageplatte weg geführt werden kann, was in 3 durch die Pfeile Z und den Luftspalt 17 dargestellt ist. Damit jedoch bei axial einstellbaren Fräswerkzeugen und/oder flexiblen Polierkissen mit hinreichend großem Durchmesser und geringer Dicke die Verschiebung des gerade gefrästen Teils möglich ist, können die Haltestifte 14 durch Klammern ohne Führungsfunktion ersetzt werden.

Gegenüber der Arbeitsfläche 22 des Polierkissens 12 ist ein Fräswerkzeug 24 angeordnet, das durch ein Spannfutter 26 austauschbar gehaltert und durch einen Fräsermotor 28 in Drehung versetzt wird. Der Antriebsmotor 28 ist auf einem Rahmen 30 befestigt, der so von einem Gehäuse 32 umgeben ist, dass zwischen den konzentrischen Wänden des Rahmens und des Gehäuses, welche beide vorzugsweise zylindrisch sind, ein ringförmiger Zwischenraum 34 entsteht. In dem ringförmigen Zwischenraum 34 wird durch ein mittels eines flexiblen Schlauchs 38 am Gehäuse 32 angebrachtes Gebläse 36 ein durch die Pfeile V, V dargestellter Unterdruck erzeugt. Die Auflageplatte 10 wird durch eine mittels eines Auflageplattenmotors 20 angetriebene Antriebswelle 18 in einer beliebigen Richtung in Drehung versetzt. Die Motoren 20 und 28 können ihre Drehrichtung wechseln, sodass das Fräswerkzeug in eine durch den Pfeil R1 gekennzeichnete beliebige Richtung in Drehung versetzt werden kann, während die Auflageplatte 10 ebenfalls beliebig in einer durch den Pfeil R2 gekennzeichneten Richtung in Drehung versetzt werden kann.

An der unteren Wand 31 des Rahmens 30 sind in der Nähe einer Durchgangsöffnung 35 für das Fräswerkzeug 24 eine Vielzahl von Anschlagstiften 33 angebracht, die parallel zum Fräswerkzeug um einen Abstand herausragen, der kleiner ist als die Strecke, um die das Fräswerkzeug herausragt. Die Differenz zwischen dem Überstand der Stifte 33 und dem Überstand des Fräswerkzeugs definiert die Länge eines Endteils 37 des Fräswerkzeugs, welche gleich der gewünschten Tiefe der durch diesen Endteil auszufräsenden Rille ist, was in Verbindung mit der Funktionsweise der Erfindung genauer beschrieben wird. Die Länge des Überstandes des Endteils 37 des Fräswerkzeugs kann durch ein Paar Ritzel 27, 27 gemäß 1 geändert werden, die in ein Paar am Fräsermotor 28 angebrachter Zahnstangen 29, 29 eingreifen. Die Stifte 33 sind zur axialen Einstellung vorzugsweise in die untere Wand 31 eingeschraubt, sodass ein alternatives Mittel zur Änderung der hervorstehenden Länge des Endteils 37 des Fräswerkzeugs zur Verfügung steht. Die Stifte 33 können einen Sechskantteil 39 aufweisen, damit sie mittels eines geeigneten Werkzeugs gedreht werden können.

Die Fräsvorrichtung ist über einen Mechanismus 42 zum seitlichen Bewegen an einer oberen Halterung oder einem Träger 40 angebracht, um das Fräswerkzeug in einer zur Drehachse des Fräswerkzeugs und zur entsprechenden Mittelachse C des Polierkissens senkrechten x-y-Ebene seitlich zu verschieben. Der Mechanismus 42 zum seitlichen Bewegen kann aus einer beliebigen Struktur bestehen, die in der Lage ist, eine präzise Seitenbewegung des Fräswerkzeugs 24 zu bewirken, jedoch ist dieser Mechanismus in solchen Fällen nicht erforderlich, in denen das Halterungsbauteil 40 der Fräsvorrichtung selbst in der x-y-Ebene verschoben werden kann, zum Beispiel wenn das Bauteil 40 an einem präzise gesteuerten Roboterarm angebracht oder dessen Bestandteil ist.

1 und 2 zeigen ein Beispiel, bei dem die Verschiebungsvorrichtung eine untere Platte 44 umfasst, die durch zwei Paar Gewindeösen 48, 48 und 50, 50 an einer oberen Platte 46 aufgehängt ist. Die obere Platte 46 wiederum ist durch zwei weitere Paar Gewindeösen 54, 54 und 56, 56 an zwei Paar Stützen 52, 52 und 53, 53 aufgehängt. Das Gewinde jedes Paars der Gewindeösen nimmt eine entsprechende Antriebsschraube 58 auf, die in Richtung der y-Achse durch einen Motor 59 mit umschaltbarer Drehrichtung angetrieben wird, um die untere Platte 44 entlang der y-Achse hin- und herzubewegen, was durch den Doppelpfeil Y angezeigt wird. Desgleichen nimmt das Gewinde jedes Paars der Gewindeösen eine entsprechende Antriebsschraube 60 auf, die in Richtung der x-Achse durch einen Elektromotor 62 mit umschaltbarer Drehrichtung angetrieben wird, um die obere Platte 46 entlang der y-Achse hin- und herzubewegen, was in 2 durch den Doppelpfeil X angezeigt wird.

Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung zum Fräsen der Rillen eines Polierkissens unter Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. Das Gebläse 36 wird eingeschaltet, um im ringförmigen Zwischenraum 34 einen Unterdruck V zu erzeugen. Dieser Unterdruck erzeugt eine in Richtung der Pfeile Z, Z aufwärts gerichtete Kraft, durch die das Polierkissen 12 angehoben und/oder gegen die in axialer Richtung verstellbaren Anschlagstifte 33 gedrückt wird, welche dadurch die Rillentiefe steuern. Das Fräswerkzeug 24 ragt um die Länge des Endteils 37 des Fräswerkzeugs über die Enden der Anschlagstifte 33 hinaus und fräst das Polierkissen 12, wenn das Fräswerkzeug durch Einschalten des Fräsmotors in Drehung versetzt wird. Die Fräsvorrichtung wird vorzugsweise erst eingeschaltet und vertikal eingestellt, nachdem der Unterdruck einwirkt. Jede Aufwärtsbewegung des Polierkissens durch das Anlegen des Unterdrucks V wird dadurch geführt, dass die Haltstifte 14 in den entsprechenden Aussparungen oder Kanälen 16 laufen, die sich im Grundkörper oder im Rand des Polierkissens 12 befinden können. Der Endteil 37 des Fräswerkzeugs 24 kann um eine Strecke über die Spitzen der Stifte 33 hinausragen, die bis zu 80% der Dicke des Polierkissens entspricht, sodass der Endteil des Fräswerkzeugs bis zu 80% der Dicke des Polierkissens in dieses eindringen kann. Die Länge des vorspringenden Endteils 37 des Fräswerkzeugs kann zur Änderung der Rillentiefe verändert werden, indem die entweder die Ritzel 27, 27 oder die Stifte 33, 33 gedreht werden oder eine Kombination dieser Einstellungen vorgenommen wird.

Nachdem das Fräswerkzeug 24 bis zu einer Tiefe vollständig in das Polierkissen eingedrungen ist, die durch das Anstoßen der Spitzen der Anschlagstifte 33 an die Arbeitsfläche 22 des Polierkissens 12 bestimmt ist, wird das Fräswerkzeug gegenüber dem Polierkissen in einer x-y-Ebene in radialer Richtung bewegt, was durch die Doppelpfeile X und Y in 2 dargestellt ist. Diese x-y-Bewegung lässt sich allein dadurch erreichen, dass die untere Platte 44 und die obere Platte 46 mittels der Motoren 59 und 62 relativ zueinander verschoben werden, jedoch können zur Erzeugung von spiralförmigen Rillen diese seitlichen Bewegungen auch mit einer Drehung der Auflageplatte 10 um die Mittelachse C kombiniert werden, während sich das Fräswerkzeug 24 in radialer Richtung bewegt.

Die seitliche Verschiebung der unteren Platte 44 entlang der y-Achse wird durch die Drehung der Schrauben 58, 58 bewirkt, die durch die Gewinde der Ösen 48, 48 bzw. 50, 50 verlaufen. Die seitliche Verschiebung der oberen Platte 46 entlang der x-Achse wird durch die Drehung der Schrauben 60, 60 bewirkt, die durch die Gewinde der Ösen 54, 54 bzw. 56, 56 verlaufen. Die Drehung der Auflageplatte 10 erfolgt durch Drehung der Welle 18 mittels des Auflageplattenmotors 20. Dementsprechend kann das Fräswerkzeug 24 entlang der kartesischen Koordinaten x und y oder entlang der zylindrischen Koordinaten R, &THgr; in der x-y-Ebene gegenüber dem Polierkissen verschoben werden. Außerdem kann das Fräswerkzeug sowohl im kartesischen als auch im zylindrischen Koordinatensystem entlang der z-Achse auf und ab bewegt werden, indem die Ritzel 27 durch (nicht gezeigte) herkömmliche Mechanismen entweder manuell oder durch Motorantrieb gedreht werden.

Die Bewegung sowohl im kartesischen als auch im zylindrischen Koordinatensystem entlang der z-Achse nach oben wird auch durch die Bewegung des Polierkissens 12 von der Oberfläche 22 der Auflageplatte 10 weg gegen die Spitzen der Stifte 33 bewirkt, weil im Innern des ringförmigen Zwischenraums 34 ein Unterdruck erzeugt wird. Das Polierkissen wird entlang der z-Achse nach unten bewegt, wenn das Gebläse 36 ausgeschaltet wird und das der Unterdruck geringer wird. Eine solche Bewegung des Polierkissens 12 entlang der z-Achse wird daher durch den Druckunterschied hervorgerufen, der durch den Unterdruck V über die Dicke des Polierkissens erzeugt wird. Alternativ kann zum Auslösen dieser Bewegung des Polierkissens ein Druckunterschied erzeugt werden, indem Druckluft durch eine Reihe von (nicht gezeigten) Luftöffnungen oder -düsen unter das Polierkissen geblasen wird.

Die durch die vorliegende Erfindung gebildeten spiralförmigen Rillen beginnen vorzugsweise (aber nicht unbedingt) in der Mitte des Polierkissens und reichen etwa bis zu dessen Außenrand. Die Richtung des spiralförmigen Musters kann entweder links- oder rechtsdrehend sein, was durch die acht spiralförmigen Rillen in 4 und die 32 spiralförmigen Rillen in 5 bzw. durch die 64 spiralförmigen Rillen in 6 dargestellt wird. In den 4 bis 7 sind die Rillen zur Verdeutlichung durch dicke schwarze Linien dargestellt, da die gegenüberliegenden Ränder der eigentlichen Rillen zu dicht beieinander liegen und nicht als Doppellinien dargestellt werden können. Eine gründliche Betrachtung zeigt, dass das Muster 70 von 4, das Muster 72 von 5 und das Muster 74 von 6 durch eine einzige durchgehende Rille gebildet sind, sodass das Fräswerkzeug einmal abgesenkt und erst dann wieder angehoben wird, wenn das Muster vollständig ist.

Die spiralförmigen Rillen in der Oberfläche des Polierkissens verringern den Aquaplaningeffekt während des Poliervorgangs und bewirken somit eine wesentlich höhere Poliergeschwindigkeit. Durch eine größere Anzahl von spiralförmigen Rillen auf derselben Fläche kann der Aquaplaningeffekt wirksamer verringert werden als durch eine kleinere Anzahl von spiralförmigen Rillen, da pro Zeiteinheit mehr Rillen über die Oberfläche eines Wafers laufen, der während des Poliervorgangs gegen die Oberfläche des Polierkissens gedrückt wird. Darauf folgt, dass die zusammen mit dem Polierkissen zum Polieren des Wafers verwendete Poliersuspension umso schneller abgeleitet wird, je mehr spiralförmige Rillen pro Flächeneinheit der Arbeitsfläche des Polierkissens vorhanden sind. Durch eine große Anzahl von Rillen kann das Polierkissen auch flexibler werden, wodurch die Gleichmäßigkeit der Waferpolitur verbessert werden kann.

7 veranschaulicht ein zickzackförmiges Rillenmuster, das aus einer äußeren Rille 76, einer inneren Rille 78 und drei dazwischen liegenden Rillen 80, 81 und 82 besteht. Diese Rillen werden einzeln erzeugt, indem das Gebläse ausgeschaltet wird, um das Fräswerkzeug vom Polierkissen abzuheben, das Fräswerkzeug gegenüber dem Polierkissen neu positioniert wird und dann das Gebläse erneut eingeschaltet wird, damit das Fräswerkzeug in das Polierkissen eindringt. Die Rillen 76, 78, 80, 81 und 82 können jedoch auch miteinander verbunden sein, wobei in diesem Fall das Muster als eine durchgehende Rille erzeugt werden kann und das zwischenzeitliche Abheben des Fräswerkzeugs vom Polierkissen entfällt. Das Rillenmuster von 7 veranschaulicht, dass verschiedene Teile der Oberfläche des Polierkissens eine unterschiedliche Rillendichte haben können. Durch solche unterschiedlichen Rillendichten lässt sich die Verteilung der Poliergeschwindigkeit steuern, wenn ein Wafer gegen die Oberfläche des Polierkissens gedrückt wird, was wiederum die Gleichmäßigkeit der Waferpolitur verbessern kann. Um die in den 4 bis 7 gezeigten Muster und andere komplexe Rillenmuster zu erzeugen, werden die Stellmotoren 20, 59 und 62 vorzugsweise durch einen (nicht gezeigten) Mikroprozessor gesteuert.

Die Gleichmäßigkeit der Politur wird üblicherweise durch Änderung von Parametern wie z.B. der Drehzahl des Wafers, der Drehzahl des Polierkissens oder des Polierbandes, den durch Änderung des Drucks auf den Wafer oder das Polierkissen bzw. das Polierband ausgeübten Polierdruck oder durch Änderung anderer Werkzeugparameter gesteuert. Weitere Variablen, welche die Gleichmäßigkeit der Politur beeinflussen, stellen die Eigenschaften der Verbrauchsmaterialien (d.h. Polierkissen, Polierkissenunterlagen und Poliersuspensionen) dar.

Bei der Verwendung von Poliersuspensionen in Verbindung mit einem Polierkissen oder -band können die Größe und Art der Schleifpartikel (z.B. unterschiedliche Phasen und Formen von Aluminiumoxid-, Ceroxid- oder Siliciumoxidpartikeln) variiert werden, um unterschiedliche Polier- und Planarisierungsrate zu erzielen. Der Poliersuspension können chemische Zusätze beigefügt werden, um die Schleifpartikel der Suspension in der Schwebe zu halten, die Polierrate zu verbessern, die relativen Polierrate verschiedener Materialien zu verändern und das polierte Werkstück vor Zerkratzen und Korrosion zu schützen. Das Gemisch aus Chemikalien und Schleifkörpern in der Poliersuspension kann sich in der Weise auf die Gleichmäßigkeit der Politur auswirken, dass die Polierrate am Rand des Wafers erhöht und in der Mitte verringert wird und umgekehrt. Oft spielen wichtigen Parameter wie z.B. die Selektivität zwischen den Polierraten unterschiedlicher Materialien eine ausschlaggebende Rolle bei der Wahl der Zusammensetzung der Poliersuspension und können dazu beitragen, eine definierte Gleichmäßigkeit der Politur zu erreichen. Außerdem ist es fast unmöglich, Poliersuspensionen mit geringfügig veränderter Zusammensetzung zu entwickeln und einzusetzen, welche für die unterschiedlichen gegenwärtig in der Industrie eingesetzten Polierwerkzeugkombinationen optimiert sind.

Bei den Polierkissen und den Polierkissenunterlagen stellen die Härte und die Porosität der Polierkissen die gebräuchlichsten Eigenschaften dar, mit denen die Gleichmäßigkeit der Politur beeinflusst werden kann. Oft sind über die Oberfläche des Polierkissens hinweg Löcher, Rillen oder Vertiefungen verteilt, um während des Poliervorganges die gleichmäßige Verteilung der Poliersuspension über die Waferoberfläche zu gewährleisten und so an allen Stellen des Wafers gleichmäßige Abtragungsgeschwindigkeiten zu erzielen. Bei den gegenwärtig eingesetzten Polierkissen mit Rillenstruktur werden generell gleichmäßige Muster von äquidistanten geraden Linien, konzentrischen Kreise oder Gittermuster angewendet.

Die vorliegende Erfindung variiert wahlweise die Rillendichte über das Polierkissen hinweg, um die Gleichmäßigkeit der Politur zu verbessern. Die Auswirkungen der veränderlichen Rillendichte auf die Gleichmäßigkeit der Politur werden im Folgenden beschrieben. Wenn die Rillendichte in einem Bereich der Polierfläche des Polierkissens höher ist als in einem anderen Bereich, kann auf die Bereiche mit höherer Rillendichte mehr Poliersuspension verteilt werden als auf die Bereiche mit geringerer Rillendichte. Somit können in den Bereichen mit höherer Rillendichte höhere Abtragungsraten erreicht werden als in den Bereichen mit geringerer Rillendichte. Durch solche ungleichmäßigen Rillendichten auf den Polierkissen können eine von Mängeln der Polierwerkzeuge und Poliersuspensionen herrührende unzureichende Gleichmäßigkeit der Politur und sogar Schichten ungleichmäßiger Dicke, die sich vor dem Polieren auf der Oberfläche befanden, oder aus vorangegangenen Arbeitsgängen herrührende ungleichmäßige Politureigenschaften ausgeglichen werden. Zum Beispiel kann auf einem Wafer mit einer Schicht, die zu Anfang am Rand dick und in der Mitte dünn ist, durch Polieren eine gleichmäßige Schichtdicke über den Wafer hinweg erreicht werden, indem ein Polierkissen nach 7 verwendet wird, bei dem die Rillendichte am Rand und in der Mitte des Polierkissens (d.h. am Innen- und am Außenrand der Waferspur während des Polierens) hoch ist.

Ein Polierkissen mit einer höheren Rillendichte in der Mitte als am Rand würde hingegen zu einer höheren Poliergeschwindigkeit in der Mitte führen und könnte Schichten mit einem dickeren Profil in der Mitte ausgleichen. Darüber hinaus kann dieses Konzept veränderlicher Rillendichten über ein Polierkissen hinweg auf lineare Polierbänder oder -kissen und auf unterschiedliche Poliermuster und -formen angewendet werden. Als weitere mögliche Poliermuster, aber nicht ausschließlich, kommen in Frage: eine einzige durchgehende spiralförmige Rille ähnlich den in 4 bis 6 gezeigten, bei der die Abstände zwischen benachbarten Spiralen in unterschiedlichen Bereichen des Polierkissens verändert sind, um unterschiedliche Rillendichten zu erzielen; oder konzentrische Kreise (oder gerade Linien bei einem bandförmigen Polierkissen), die in bestimmten Bereichen des Polierkissens kleinere und in anderen Bereichen größere Abstände aufweisen.

Durch Variieren der Dichte des Rillenmusters können auch die Eigenschaften des Polierkissens beeinflusst werden. 8 und 9 zeigen, dass auf der Rückseite des Polierkissens Rillen 84 angebracht werden können, entweder allein oder in Kombination mit Rillen 86 an der Vorderseite. Rillen 84 und 85 gemäß 10 können dann ausschließlich auf der Rückseite angebracht werden, um die Flexibilität des Polierkissens zu erhöhen, wenn zum Beispiel auf der Vorderseite keine Rillen erwünscht sind. Die Rillen auf der Rückseite des Polierkissens können über eine oder mehrere durch das Polierkissen führende Öffnungen 88 (8) auch mit der Vorderseite des Polierkissens in Verbindung stehen, um Wasser leichter abzusaugen oder um Luft, ein Gas oder eine Flüssigkeit oder eine Kombination davon von der Rückseite zur Vorderseite des Polierkissens zu befördern. Außerdem können von den Rillen an der Rückseite zu den Rillen an der Vorderseite führende Löcher oder Öffnungen zum Aufnehmen von Sonden dienen, welche den Endpunkt oder die Beendigung des Polierprozesses oder das Erreichen einer Mindestrillentiefe erkennen können, welche eine übermäßige Abnutzung des Polierkissens anzeigt. Solche Löcher oder Öffnungen können auch ohne Rillen auf der Rückseite verwendet werden und stattdessen mit Ableitungslöchern oder -kanälen in der Auflageplatte verbunden sein, auf welcher das Polierkissen befestigt ist. Die Rillen auf der Rückseite des Polierkissens können gemäß 9 über eine oder mehrere Öffnungen 89 mit Rillen auf der Polierfläche in Verbindung stehen, um das Ansaugen des Wafers zu mindern, wenn zum Beispiel das Ende der Rille auf der Vorderseite geschlossen ist. Das ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da sich ein angesaugter Wafer nach Beendigung des CMP-Schrittes nur schwer vom Polierkissen abnehmen lässt. Ein Luft- oder Flüssigkeitsstoß von der Rückseite durch die Verbindungsleitung kann dafür sorgen, dass der Wafer rasch vom Polierkissen abgenommen werden kann.

Darüber hinaus brauchen die Profile der Rillen auf der Vorderseite und auf der Rückseite nicht rechteckig zu sein (S2), sondern können gemäß 11 und 13 auch halbkreisförmig (S2) oder rechteckig mit abgerundeten Ecken (S3) sein, damit die Ansammlung von Polierresten im Innern der Rille erschwert und/oder die Reinigung der Rille von Polierresten erleichtert wird. Um die Flexibilität eines Polierkissens mit einem Grundkörper 90 aus Verbundwerkstoff zu optimieren, kann die Tiefe der Rillen kleiner, gleich oder größer als die Dicke eines oberen Polierkissens 92 sein, die auf die obere Fläche einer Polierkissenunterlage 94 aufgeklebt oder anderweitig daran befestigt ist, was durch die entsprechenden Rillen G1, G2 und G3 in 12 veranschaulicht ist. Bei 13 wird davon ausgegangen, dass die Polierkissenunterlage 94 oder eine zwischen dem Polierkissen 92 und der Polierkissenunterlage 94 befindliche Zwischenschicht eine andere Farbe als das Polierkissen 92 haben kann, um in situ über ein Mittel zu verfügen, um die maximal zulässige Abnutzung des Polierkissens zu ermitteln, die für die Polierfähigkeit des Polierkissens noch akzeptiert werden kann. Alternativ kann zu diesem Zweck ein eingefärbter Teil des Rillenbodens oder ein Farbindikator unterschiedlicher Ausführung am Rillenboden oder in dessen Nähe vorgesehen werden. Zum Optimieren der Gleichmäßigkeit der Politur und zum Minimieren des Aquaplaningeffektes kann die Rille durchgehend (mit offenen Enden) oder in ein oder mehrere aufeinanderfolgende Segmente mit geschlossenen Enden aufgeteilt sein.

Die obigen Beschreibungen beziehen sich auf Verfahren zum Optimieren der Leistungsfähigkeit von CMP-Polierkissen. Wenn diese optimierten Polierkissen mit ausgewählten Poliersuspensionen mit geeigneter Schleifpartikelgröße, geeignetem pH-Wert usw. kombiniert werden, kann eine weitere Verbesserung des CMP-Polierprozesses für Isolier- und die Metallschichten erreicht werden. Zur weiteren Optimierung des Polierprozesses kann der Grundkörper des Polierkissens aus festem oder porösem organischem Material wie beispielsweise Polyurethan hergestellt werden, das aufgrund seiner starken Vernetzung sehr beständig ist, oder aus einem organischen Fasermaterial wie beispielsweise Viskoseseide und Polyesterfasern, das auch ein Bindemittel sowie festes oder poröses Polyurethan enthalten kann.

14 zeigt die Politur eines Wafers 95 mit einer Poliersuspension S und einem Polierkissen 96 mit zwei spiralförmigen Rillen 97 und 98, welches an einer Auflageplatte 100 befestigt ist. Oberhalb des Polierkissens 96 befindet sich eine Halterung 102 zum Haltern des Wafers 95, um diesen gegen die Polierfläche 99 des Polierkissens 96 zu drücken. Während des Polierens kann die Halterung 102 durch eine Antriebswelle 104 und die Auflageplatte 100 durch eine Antriebswelle 106 in Drehung versetzt werden. Die Halterung 102 und die Auflageplatte 100 können entsprechend den durch die Pfeile R1 und R2 gezeigten Richtungen im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt gedreht werden, wobei die Halterung entweder in derselben Richtung wie die Auflageplatte 100 oder in entgegengesetzter Richtung gedreht werden kann. Vorzugsweise werden die Halterung 102 und die Auflageplatte 100 in derselben Richtung, in der eine spiralförmige Rille von innen nach außen verläuft, gedreht, zum Beispiel entsprechend den in 14 gezeigten Rillen entgegen dem Uhrzeigersinn. 14 zeigt auch die Austrittsöffnungen (offenen Enden) 114 und 116 der Rillen 97 und 98, die Löcher 118 und 120 an den inneren Enden der Rillen des Polierkissens 96 und die Flüssigkeitskanäle 122 und 124 der Auflageplatte 100, die als Strömungskanäle zum Ableiten der Poliersuspension aus den Rillen dienen.

Während sich die Halterung und die Auflageplatte in Drehung befinden, kann die Halterung 102 entlang der durch den Pfeil O1 angezeigten Richtung über das Polierkissen hin- und herbewegt werden. Auf die Polierfläche 99 wird eine durch einen Schlauch 110 zugeführte Poliersuspension mit Schleifpartikeln in Form eines Nebels S durch eine Düse 108 aufgebracht. Die Düse 108 ist an einem sich hin- und herbewegenden Bauteil 112 angebracht, sodass auch der Nebel S in der durch den Pfeil O2 angezeigten Richtung über das Polierkissen hin- und herbewegt werden kann.

Für das chemisch-mechanische Polieren sind üblicherweise für jede Waferart oder andere Werkstückmaterialien spezielle Poliersuspensionen mit jeweils anderen Schleifmitteln, beispielsweise W, SiO2, Al oder Cu, und extra Polierkissen entwickelt worden. Einer der Hauptnachteile dieses Ansatzes besteht darin, dass das CMP-Verfahren sowohl von der chemischen Reaktion zwischen der Poliersuspension und dem Werkstück als auch von der mechanischen Wechselwirkung zwischen dem Polierkissen, der Poliersuspension und dem Werkstück abhängt. Das hat zur Entwicklung von Polierkissen der vorliegenden Erfindung mit eingefrästen Rillen geführt, um die Strömung der Poliersuspension zur Polierfläche des Polierkissens und in entgegengesetzter Richtung zu verbessern und unerwünschte mechanische Effekte wie beispielsweise das Aquaplaning zu verhindern, weil das Polierkissen und das zu polierende Werkstück sonst fast reibungslos übereinander hinweggleiten und nur eine geringe Polierwirkung erzielt wird.

Durch die Auswahl einer bestimmten Kombination von Poliersuspension/Polierkissen kann der Polierprozess deutlich verbessert werden, indem man die Strömung der Poliersuspension zu dem zu polierenden Material und in entgegengesetzter Richtung verbessert und durch das Verhindern von Aquaplaningbereichen die mechanische Reibung verstärkt. Ein Beispiel hierfür stellt die Verwendung von Polierkissen aus Polyurethan mit Rillen und von Poliersuspensionen auf Grundlage von Siliciumdioxid zum Polieren von oxidischen Wafern dar. Ein weiteres Beispiel sind Polierkissen, die aus Fasern hergestellt und mit einem Bindemittel und/oder Polyurethan getränkt sind und zum Polieren von Cu und W mit Poliersuspensionen auf Grundlage von Aluminiumoxid eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, dass man das Zerreißen der aus Naturfasern oder weichen Synthesefasern hergestellten Verbundmaterial-Polierkissen vermeiden kann, wenn man zur Herstellung des Polierkissens und zum Einfräsen der Rillen mit Polyurethan beschichtete Fasern verwendet. Somit erzielt man durch die Kombination der optimalen Polierchemie für ein bestimmtes Material eines Werkstücks mit den Rillen-Polierkissen der Erfindung den Vorteil einer hohen Poliergeschwindigkeit und einer hohen Gleichmäßigkeit der Politur.

Der Fachmann kann der vorliegenden Erfindung entnehmen, dass man an den Elementen und Schritten der Erfindung diverse Änderungen und Abwandlungen vornehmen kann, ohne deren Funktionen wesentlich zu beeinflussen. Zum Beispiel sind die Halterungsstruktur für das Polierkissen und das Fräswerkzeug, die Art und die Form der Anschlagbauteile zur Steuerung der Rillentiefe, die Anordnung zum Ausüben eines Differenzdrucks zum Andrücken des Polierkissens gegen die Anschlagbauteile und die Strukturen zum Ausführen einer relativen seitlichen Bewegung zwischen dem Fräswerkzeug und dem Polierkissen lediglich als Beispiel beschrieben worden und können gemäß der gegenwärtigen und zukünftigen Technologie innerhalb weiter Grenzen variiert werden, um die Funktionen dieser Systeme und Komponenten zu gewährleisten. Zum Beispiel kann die Auflageplatte eine Anordnung von Luftkanälen und -austrittsöffnungen zur Erzeugung eines Druckluftkissens unter dem Polierkissen enthalten, damit der gesamte Differenzdruck oder ein Teil davon das Polierkissen gegen die Anschlagbauteile drückt. Ferner können die Auflageplatte und das Polierkissen nicht nur in Drehung versetzt, sondern auch in einer x-y-Ebene verschoben werden, indem der Antriebsmotor für die Auflageplatte an einem Seitenverschiebungsmechanismus angebracht wird, welcher dem oben beschriebenen Mechanismus 42 zur Befestigung des Fräsermotors ähnlich ist. Außerdem können weitere Kombinationen von Rillenmustern auf der Vorder- und/oder Rückseite, Tiefen und/oder Formen zusätzlich zu den oben beschriebenen sowie andere Arten von Flüssigkeitskanälen im Polierkissen und/oder in der Auflageplatte wünschenswert sein. Obwohl die bevorzugten Ausführungsarten anhand von Beispielen gezeigt und ausführlich beschrieben wurden, sind folglich weitere Abwandlungen und Ausführungsarten möglich, ohne von dem in den beiliegenden Ansprüchen dargelegten Geltungsbereich abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Polierkissen (12) zum Polieren eines Werkstücks, wobei das Polierkissen Folgendes umfasst:

    einen Grundkörper mit einer als Polierfläche angeordneten im Wesentlichen ebenen Vorderseite, wobei in einem Rillenteil der Polierfläche mindestens eine lange Polierrille (86) so angeordnet ist, dass der Rillenteil eine die Polierfläche berührende Gesamtoberfläche des Werkstücks überstreicht, wenn das Polierkissen in Drehung versetzt wird;

    gekennzeichnet durch

    eine zur Vorderseite im Wesentlichen parallele Rückseite, mindestens eine in der Rückseite angeordnete Rückseitenrille (84); und

    mindestens einen Flüssigkeitskanal (88), der die mindestens eine Rückseitenrille (84) mit der mindestens einen Polierrille (86) verbindet.
  2. Polierkissen (12) nach Anspruch 1 zur Verwendung mit einer auf der Polierfläche abgeschiedenen Poliersuspension, wobei die mindestens eine Polierrille (86) so mit mindestens einer Flüssigkeitsaustrittsöffnung (114, 116) in Verbindung steht, dass die Poliersuspension aus der Rille (86) durch die Austrittsöffnung (114, 116) strömen kann, während die Polierfläche die Oberfläche des Werkstücks berührt.
  3. Polierkissen (12) nach Anspruch 2, bei welchem mindestens eine Polierrille eine Grundfläche aufweist, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Seitenwänden erstreckt.
  4. Polierkissen (12) nach Anspruch 2 mit einer Vielzahl sich in radialer Richtung erstreckender Polierrillen oder einer einzigen durchgehenden, sich in radialer Richtung erstreckenden Polierrille, wobei die Polierrillen eine Vielzahl von Polierkanälen bereitstellen, die so angeordnet sind, dass sie das Werkstück überstreichen, während dieses die sich drehende Polierfläche berührt, und wobei die Anzahl dieser Kanäle eine Funktion des Abstands von einem Mittelteil des Polierkissens ist.
  5. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens mindestens eine spiralförmige Rille aufweist.
  6. Polierkissen (12) nach Anspruch 5, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens mindestens 8 spiralförmige Rillen aufweist.
  7. Polierkissen (12) nach Anspruch 5, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens mindestens 32 spiralförmige Rillen aufweist.
  8. Polierkissen (12) nach Anspruch 5, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens mindestens 64 spiralförmige Rillen aufweist.
  9. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die mindestens eine Polierrille eine zickzackförmige Rille darstellt, die sich beiderseits eines im wesentlichen konstanten Radius erstreckt und so einen ringförmigen Abschnitt der Polierfläche mit einem zickzackförmigen Rillenmuster bildet.
  10. Polierkissen (12) nach Anspruch 9, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens eine Vielzahl der zickzackförmigen Rillen aufweist, die sich jeweils beiderseits eines im Wesentlichen konstanten Radius erstrecken und so eine Vielzahl ringförmiger Abschnitte der Polierfläche mit jeweils unterschiedlichem Rillenmuster bilden, sodass die Rillendichte der einzelnen ringförmigen Abschnitte unterschiedlich ist.
  11. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, welches ferner in mindestens einer der Polierrillen ein Mittel zur Ermittlung eines durch das verwendete Polierkissen verursachten Abtragungsgrades der Polierfläche beinhaltet.
  12. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Rille (84) auf der Rückseite des Polierkissens (12) mit der Rille (86) auf der Polierseite in Verbindung steht, damit die Suspension aus der Rille auf der Polierseite abläuft.
  13. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem der Flüssigkeitskanal (88) eine Strömungsverbindung zwischen der Polierfläche und dem Außendruck ermöglicht.
  14. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Rückseitenrille (84) über einen Flüssigkeitskanal (88) mit der Polierseite in Verbindung steht, um Gase, Flüssigkeiten oder beides durchzuleiten.
  15. Polierkissen (12) nach Anspruch 3, bei welchem die Grundfläche der Rille eine halbkreisförmige Form oder eine Form mit abgerundeten Ecken aufweist, sodass Polierreste leicht aus der Rille entfernt werden können.
  16. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welcher der Grundkörper des Polierkissens ein oberes Polierkissen (92) und ein unteres Polierkissen (94) umfasst, wobei Rillentiefe kleiner als, gleich oder größer als die Dicke des oberen Polierkissens (92) ist und die Tiefe so gewählt wird, dass die Biegsamkeit des Polierkissens optimal ist.
  17. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem mindestens eine Polierrille offene Enden aufweist und so durchgehend ist oder eine Vielzahl geschlossener Enden aufweist und so eine Vielzahl aufeinanderfolgender Rillenabschnitte liefert.
  18. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem der Grundkörper des Polierkissens ein festes organisches Material, ein poröses organisches Material oder ein faseriges organisches Material umfasst, welches ein Bindemittel und mindestens eine Viskose- oder Polyesterfaser enthält.
  19. Verfahren zum Polieren einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

    Bereitstellen eines Polierkissengrundkörpers, der Folgendes umfasst:

    eine als Polierfläche angeordnete im Wesentlichen ebene Vorderseite, wobei in einem Rillenteil der Polierfläche mindestens eine lange Polierrille (86) so angeordnet ist, dass der Rillenteil eine die Polierfläche berührende Gesamtoberfläche des Werkstücks überstreicht, wenn das Polierkissen (12) in Drehung versetzt wird;

    eine zur Vorderseite im Wesentlichen parallele Rückseite;

    dadurch gekennzeichnet, dass

    in der Rückseite des Polierkissens (12) mindestens eine Rückseitenrille (84) angeordnet ist, und

    mindestens einen Flüssigkeitskanal (88), der mindestens eine Rückseitenrille (84) mit der mindestens einen Polierrille (86) verbindet;

    Anbringen des Polierkissens (12) auf einer drehbaren Auflageplatte (10) in einem Polierwerkzeug;

    Befestigen des Werkstücks in einer Halterung (102) des Polierwerkzeugs;

    Zuführen einer Poliersuspension auf die Polierfläche des Polierkissens (12); und

    Bewegen des Werkstücks, des Polierkissens oder sowohl des Werkstücks als auch des Polierkissens (12), während die Polierfläche die Oberfläche des Werkstücks berührt.
  20. Verfahren zum Polieren einer Oberfläche eines Werkstücks nach Anspruch 19, bei welchem mindestens eine Rückseitenrille (84) mit mindestens einer Flüssigkeitsaustrittsöffnung des Polierwerkzeugs in Verbindung steht.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem das Polierkissen oder sowohl das Polierkissen (12) als auch die Auflageplatte (10) mindestens einen Flüssigkeitskanal (122, 124) zum Ablaufen der Suspension aus der Polierrille (86) beinhaltet.
  22. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, wobei es sich bei der mindestens einen Rille der Polierfläche um eine spiralförmige Rille handelt.
  23. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens (12) mindestens 8 spiralförmige Rillen aufweist.
  24. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens (12) mindestens 32 spiralförmige Rillen aufweist.
  25. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens (12) mindestens 64 spiralförmige Rillen aufweist.
  26. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die mindestens eine Polierrille in einer zickzackförmigen Rille besteht, die sich beiderseits eines im Wesentlichen konstanten Radius erstreckt und so einen ringförmigen Abschnitt der Polieroberfläche mit einem zickzackförmigen Rillenmuster versieht.
  27. Polierkissen (12) nach Anspruch 1, bei welchem die Polierfläche des Polierkissens eine Vielzahl der zickzackförmigen Rillen aufweist, die sich jeweils beiderseits eines im Wesentlichen konstanten Radius erstrecken und so eine Vielzahl ringförmiger Abschnitte der Polierfläche mit jeweils unterschiedlichem Rillenmuster bilden, sodass die Rillendichte der einzelnen ringförmigen Abschnitte unterschiedlich ist.
Es folgen 10 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com