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Dokumentenidentifikation DE10117612B4 12.04.2007
Titel Polieranlage
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Lahnor, Peter, 01109 Dresden, DE
Vertreter Wilhelm & Beck, 80639 München
DE-Anmeldedatum 07.04.2001
DE-Aktenzeichen 10117612
Offenlegungstag 17.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse B24B 29/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/304(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B24B 37/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Polieranlage mit zwei Poliertellern und vier Polierkörpern zum Aufnehmen von Halbleiterwafern.

Es ist schon bekannt, dass verschiedenste Arten von Objekten zur Erhaltung einer qualitativ hochwertigen, ebenen Oberfläche maschinell poliert werden. Für diese Anwendungen sind auf dem Markt entsprechende Polieranlagen (CMP-Anlagen, chemical-mechanical polishing) erhältlich. Diese Anlagen sind z. B. in unterschiedlichen Bereichen der Halbleiterfertigung im Einsatz.

Halbleiterwafer, insbesondere Silizium-Wafer, müssten nach ihrer Strukturierung mit den entsprechenden Schaltungsteilen möglichst schonend poliert werden. Zum Polieren dieser Silizium-Wafer werden in der Halbleiterindustrie vorzugsweise Polieranlagen mit zwei oder mehreren Poliertellern verwendet, auf denen die Silizium-Wafer gleichzeitig bearbeitet werden. Bei diesem Prozess werden mittels entsprechender Polierköpfe (Carrier) zunächst die einzelnen Silizium-Wafer mit der zu polierenden Oberfläche auf die Polierteller gebracht. Danach beginnt der Polierprozess, bei dem alle Silizium-Wafer gleichzeitig so lange poliert werden, bis das gewünschte Ergebnis erzielt ist. Danach müssen alle Polierteller mit unpolierten Silizium-Wafern neu bestückt werden, so dass ein neuer Poliervorgang gestartet werden kann.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass für diesen Poliervorgang FA-Poliertücher (Fixed Abrasive-Poliertücher) besonders geeignet sind. In diese Poliertücher ist als Politur ein Abrasiv eingebettet, mit dem die Oberfläche der Silizium-Wafer bearbeitet wird. Bei diesem Verfahren mit FA-Poliertüchern ergibt sich jedoch der Nachteil, dass der Zustand des Poliertuchs und damit das Polierergebnis wesentlich durch die Struktur der Oberfläche des zu polierenden Silizium-Wafers bestimmt wird. Würden beispielsweise teilweise polierte, strukturierte Silizium-Wafer auf einen anderen Polierteller umgeladen werden, dann könnte aufgrund der uneinheitlichen Topologie oder des unterschiedlichen Abnutzungsgrades der FA-Poliertücher das Polierergebnis unbefriedigend werden. Aus diesem Grunde wird üblicherweise der Poliervorgang eines Silizium-Wafers stets vollständig auf dem gleichen Polierteller durchgeführt. Die für das Be- und Entladen erforderliche, zusätzliche Bestückungszeit wird dafür missbilligend in Kauf genommen.

Anstelle von Poliertellern mit aufgeklebten Poliertüchern können auch Tellerkonstruktionen eingesetzt werden, bei denen das Poliertuch als Band ausgebildet ist und zwischen zwei Rollen gespannt ist, von denen eine Rolle das unbenutzte Poliertuch enthält und auf der anderen das abgenutzte Tuch aufgewickelt wird. Hierbei wird typischerweise zwischen zwei Polierprozessen das Poliertuchband ein gewisses Stück von der einen Rolle auf die andere gewickelt, so dass jede Silizium-Scheibe den gleichen Bruchteil von benutztem und unbenutztem Poliertuch während des Polierprozesses berührt.

Aus der DE 199 07 959 ist eine Polieranlage mit einer Mehrzahl von Poliertellern und Polierköpfen zum sequenziellen Polieren von Halbleiterwafern bekannt. In der EP 0 928 662 wird eine Polieranlage mit drei Poliertellern und vier Poliertöpfen, die drehbar um eine zentrale Achse gelagert sind, beschrieben mit denen sich ein Karussellpolierverfahren von Halbleiterwafern ausführen lässt.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Polieranlage bereitzustellen, mit der sich ein Poliervorgang von Halbleiterwafern ausführen lässt, der von der Struktur der zu polierenden Wafer bzw. vom Zustand des Poliertuches unbeeinflusst bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Polieranlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Polieranlage sind die zwei aktiven Polierteller diagonal gegenüberliegend angeordnet. Der Poliervorgang ist in zwei Abschnitte unterteilt wobei die Halbleiterwafer zwischen dem ersten und zweiten Polierabschnitt um 180 ° gedreht und dann fertig poliert werden.

Die Erfindung kann auf alle Polierprozesse angewendet werden, bei denen der Zustand des Poliertuchs und damit das Polierergebnis von der Struktur der polierten Silizium-Scheiben beeinflusst wird.

Die erfindungsgemäße Polieranlage, hat den Vorteil, dass für das Be- und Entladen der Objekte keine oder nur wenig zusätzliche Maschinenlaufzeit benötigt wird, so dass der Poliervorgang praktisch in der kürzestmöglichen Zeit durchgeführt werden kann. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass der laufende Poliervorgang lediglich zum Drehen des Drehkreuzes kurzfristig unterbrochen wird, damit einerseits ein ,neuer' Polierkopf zum Umladen des Wafers in Position gebracht und andererseits unterschiedliche Poliereigenschaften der Polierteller ausgeglichen werden können. Das Polierergebnis wird verbessert und der Prozess stabiler.

Da bei dem vorgeschlagenen Polieren stets ein Polierkopf auf einer freien Position steht, lässt sich vorteilhaft während des laufenden Polierprozesses das Objekt be- und entladen und somit der Poliervorgang in erheblichem Maße verkürzen.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass trotz der Unterbrechungen der Polierprozess mit einem FA-Poliertuch fortgesetzt werden kann, da alle vertauschten Objekte und die zugehörigen FA-Poliertücher sich in dem gleichen Zustand befinden. Unterschiede im Polierergebnisse lassen sich somit erfolgreich reduzieren.

Um einen möglichst großen Durchsatz an polierten Objekten zu erreichen, erscheint es günstig, die Dauer einer Polierphase in Abhängigkeit von der aufzuwendenden Zeit für das Be- und Entladen des freien Polierkopfes zu bestimmen.

Die besten Polierergebnisse erreicht man, wenn man beispielsweise bei einer Polieranlage von drei Poliertellern nur zwei Polierteller aktiv betreibt, die diagonal gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Fall wird nur eine Unterbrechung benötigt, um einen optimalen Durchsatz zu erzielen. Der nicht aktive Polierteller könnte dann unbenutzt bleiben. Mit dieser Anordnung erreicht man vorteilhaft, dass beim Wechsel der zwei bearbeiteten Silizium-Wafer nach einer Unterbrechungspause auch die beiden zugeordneten FA-Poliertücher die gleichen Abriebseigenschaften aufweisen.

Als günstig wird auch angesehen, dass bei einem Polierprozess ein nicht benutzter Polierteller für eine weitere Anwendung zur Verfügung steht. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass dieser Polierteller beispielsweise für einen konventionellen Poliervorgang, wie zur Vorreinigung oder zum Nachpolieren, verwendet werden kann, ohne dass der Polierprozess auf den anderen Poliertellern behindert wird.

Eine günstige alternative Lösung wird auch darin gesehen, dass mehrere freie Polierköpfe mit unpolierten Objekten bestückt werden. Dies könnte mit einer entsprechenden mechanischen Einrichtung durchgeführt werden. Dadurch wird der Be- und Entladevorgang weiter beschleunigt.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Polierverfahrens wird darin gesehen, dass als Objekte Silizium-Wafer verwendet werden. Diese Silizium-Wafer können insbesondere nach ihrer Strukturierung mit dem FA-Polierprozess kostengünstig bearbeitet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt ein Schnittbild einer Polieranlage,

die 2a bis 2g zeigen den Ablauf des Poliervorganges eines bekannten Polierverfahrens und

die 3a bis 3g zeigen den Ablauf des Poliervorganges an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine handelsübliche Polieranlage 5 im Querschnitt, wie sie als CMP-Anlage in der Halbleiterfertigung Verwendung findet. Im Prinzip können auf einer solchen Polieranlage 5 beliebige Objekte bearbeitet werden. Aus Vereinfachungsgründen wird jedoch in der nachfolgenden Beschreibung beispielhaft von Silizium-Wafern 8 ausgegangen.

Die Polieranlage 5 weist einen Tisch 13 auf, auf dem ein oder mehrere Polierteller 6 (Platen) angeordnet sind. In 1 wurden beispielhaft zwei Polierteller 6 dargestellt. Die Polierteller 6 werden über eine Antriebswelle 11 vorzugsweise von einem (in der Figur nicht dargestellten) Elektromotor angetrieben und drehen sich in Richtung der Antriebsachse. Auf die Polierteller 6 ist für das vorgesehene Polierverfahren ein FA-Poliertuch 7 aufgespannt, in das das Abrasiv (Politur) eingearbeitet ist. Auf die Oberfläche des FA-Poliertuches 7 wird mittels eines Polierkopfes 9 (Carrier) das zu polierende Objekt 8, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Silizium-Wafer, aufgelegt, so dass seine zu bearbeitende Oberfläche gegen das FA-Poliertuch 7 drückt.

Der Polierkopf 9 besteht im wesentlichen aus einem Greifarm, der mittels Unterdruck den Silizium-Wafer 8 aufnimmt. Beispielsweise sind in der Polieranlage 5 drei Polierteller 6 und vier Polierköpfe 9 angeordnet. Die vorhandenen Polierköpfe 9 sind über ein Drehkreuz 10 miteinander verbunden, so dass durch eine Drehbewegung des Drehkreuzes 10 alle vorhandenen Polierteller 6 mit einem Silizium-Wafer 8 belegt werden können. Die Polierköpfe 9 rotieren ebenfalls, so dass ein Silizium-Wafer 8 in einer Drehbewegung oder oszillierend zur Drehbewegung des Poliertellers 6 bewegt werden kann. Um einen möglichst gleichmäßigen Polierabtrag zu erreichen, sind die Polierköpfe 9 mit den Silizium-Wafern 8 relativ zu den Poliertellern 6 exzentrisch angeordnet.

Das Be- und Entladen des Polierkopfes 9 erfolgt vorzugsweise an einer Stelle des Tisches 13, an der kein Polierteller 6 angeordnet ist. Beispielsweise sind bei einer Polieranlage 5 drei Polierteller 6 um eine zentrale Achse 12 ringförmig angeordnet, wobei jeder Polierteller 6 in einem Winkel von 90° um die Mittelachse gedreht ist. Dadurch ergibt sich eine freie Position, an der ein Wechsel zum Be- und Entladen der Silizium-Wafer 8 durchgeführt werden kann, da an dieser Stelle einer der vier obengenannten Polierköpfe 9 positioniert ist. An dieser freien Position kann ein fertigpolierter Silizium-Wafer 8 entnommen und ein unpolierter Silizium-Wafer 8 eingelegt werden.

Es gibt auch andere handelsübliche Poliermaschinen 5, bei denen die Polierteller 6 und die Polierköpfe 9 nach einem anderen Schema angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Polierverfahren wird dann entsprechend angepasst.

Anhand der 2 und 3 wird der Ablauf des Polierprozesses näher erläutert. Die 2a bis 2g zeigen die einzelnen Schritte bei einem bekannten Polierverfahren. Bei diesem Polierverfahren werden die auf den drei Poliertellern 6 befindlichen Silizium-Wafer 8 gleichzeitig bis zur Fertigstellung poliert.

2a zeigt eine Anordnung mit drei Poliertellern 6, wobei die als Quadrate gekennzeichneten Polierteller 6 den erfindungsgemäßen Polierschritt durchführen. Konzentrisch zu den Poliertellern 6 ist das Drehkreuz 10 mit den vier Polierköpfen 9 angeordnet, wobei zunächst der Polierkopf 9 auf der Position 1 (links unten in 2a) steht. Diese Position 1 wird als Be- und Entladeposition verwendet. Die Polierköpfe 9 mit den Silizium-Wafern 8 sind als Kreise dargestellt, wobei sich bei den Polierköpfen 9 mit den hellen Kreisen die zu bearbeitenden Silizium-Wafer 8 befinden. Der dunkle Kreis in Position 1 bedeutet, dass hier bereits ein unpolierter Silizium-Wafer 8 geladen ist. Gleiche Farben der Kreise bedeuten dabei, dass diese Silizium-Wafer 8 den gleichen Bearbeitungszustand aufweisen. Der dunkle Rahmen der 2a gibt an, dass in diesem Prozessschritt der Poliervorgang läuft.

Zum besseren Verständnis wird angenommen, dass bei dem bekannten Polierverfahren zunächst die drei Silizium-Wafer 8 in den Positionen 2, 3 und 4 bis zur Fertigstellung poliert wurden.

In einem nächsten Schritt, wie er in 2b dargestellt ist, werden nun die fertigpolierten Silizium-Wafer 8 durch Drehung des Drehkreuzes 10 im Uhrzeigersinn sukzessive in die linke untere Position der 2b gebracht, damit die fertigpolierten Silizium-Wafer 8 entnommen werden können. Gleichzeitig werden unpolierte Silizium-Wafer 8 in den Polierkopf 9 eingelegt. In 2b wird zunächst der Silizium-Wafer 8 der Position 2 entnommen. Durch das Weiterdrehen des Drehkreuzes 10 liegt bereits ein unpolierter Silizium-Wafer 8 auf dem oberen linken Polierteller 6, während sich auf den beiden rechten Poliertellern 6 in den Positionen 3 und 4 noch die polierten Silizium-Wafer 8 befinden.

Im nächsten Schritt gemäß der 2c wird durch Weiterdrehen des Drehkreuzes 10 im Uhrzeigersinn der Silizium-Wafer 8 der Position 3 umgeladen. Nun liegen auf den beiden oberen Poliertellern 6 auf den Positionen 1 und 2 unpolierte Silizium-Wafer 8.

In 2d wird das Drehkreuz 10 weitergedreht, so dass auch der letzte polierte Silizium-Wafer 8 der Position 4 entnommen und ein neuer unpolierter Silizium-Wafer 8 eingelegt werden kann.

Dieses Umladen der Silizium-Wafer 8 benötigt relativ viel Zeit, in der die Polieranlage nicht arbeiten kann. Ein neuer Poliervorgang beginnt erst wieder in 2d, wenn die drei mit unpolierten Silizium-Wafern beladenen Polierköpfen 9 über den drei Poliertellern 6 stehen. Das Umladen des Polierkopfes 9 auf Position 4 geschieht während des Polierens.

Dieser Prozess wird in den 2e bis 2g weitergeführt, da bisher nur die polierten Silizium-Wafer 8 der Positionen 1, 2 und 3 bearbeitet wurden. In 2e wird nun im Gegenuhrzeigersinn das Drehkreuz 10 um eine Position zurückgedreht, so dass der Silizium-Wafer 8 der Position 4 (unten rechts in 2e) auf den Polierteller 6 positioniert ist und die Position 3 umgeladen werden kann. In 2f wird weitergedreht und die Position 2 umgeladen, bis schließlich in 2g die unpolierten Silizium-Wafer 8 der Positionen 2, 3 und 4 bearbeitet werden. Damit ist der Zyklus beendet und beginnt wieder, wie er in 2a dargestellt ist.

Aus dem vorgegebenen Ablauf ist ersichtlich, dass sich insgesamt sechs unterschiedliche Kombinationen von Poliertellern 6 mit Polierköpfen 9 ergeben. Diese Vielzahl von unterschiedlichen Polierteller-/Polierkopf-Kombinationen ist nachteilig und somit unerwünscht, da sich durch unterschiedliches Abriebverhalten auch unterschiedliche Polierergebnisse ergeben können.

Bei dem erfindungsgemäßen Polierverfahren tritt dieser Nachteil nicht auf, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich wird. Hier treten nur vier Polierteller-/Polierkopf-Kombinationen auf. Dadurch wird vorteilhaft das Prozessergebnis speziell bei dem CMP-Prozess, bei dem FA-Poliertücher verwendet werden, stabilisiert und verbessert.

Bei diesem Polierverfahren wird wiederum die obengenannte Polieranlage 5 mit drei Poliertellern 6 und vier Polierköpfen 9 verwendet, wobei in diesem Fall nur die diagonal gegenüberliegenden Polierteller 6 in der 3a oben links und unten rechts verwendet werden. Der Polierteller 6 oben rechts der 3a, der durch einen großen Kreis markiert ist, wird zum Polieren nicht benutzt. Er kann beispielsweise zur Vorreinigung oder Nachpolitur verwendet werden. Entscheidend ist, dass die beiden aktiven Polierteller 6 mit den als Quadrat gekennzeichneten Feldern im Wechsel arbeiten, wobei das Drehkreuz 10 dann jeweils um 180° gedreht wird.

Mit diesem Polierverfahren werden zunächst die beiden Silizium-Wafer 8 der Positionen 2 und 4 poliert, wobei das Polierverfahren nach der halben vorgesehenen Polierdauer kurzzeitig unterbrochen wird. In Position 1 befindet sich ein unpolierter Wafer. Bei dieser Unterbrechung wird das Drehkreuz 10 um 180° gedreht, so dass, wie in 3b zu erkennen ist, die beiden Silizium-Wafer 8 auf den Positionen 2 und 4 getauscht sind. Bisher wurden beide Silizium-Wafer 8 der Positionen 2 und 4 gleichmäßig für die Dauer der halben vorgesehenen Polierdauer bearbeitet, so dass sowohl deren Oberflächen als auch die Zustände der FA-Poliertücher gleichartig sind. Durch das Fortsetzen des Poliervorganges mit den vertauschten Poliertellern 6 ergibt sich kein Qualitätsunterschied, da auch in der zweiten Polierphase die Poliertücher 7 mit gleichartigem Abrieb weiterarbeiten. Während der zweiten Polierphase wird nun in Position 3 der Silizium-Wafer 8 ausgetauscht, so dass an den beiden Polierköpfen 9 jetzt an den Positionen 1 und 3 unpolierte Silizium-Wafer 8 eingelegt sind.

In 3c wird das Drehkreuz 10 um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, so dass nun die beiden neu eingelegten Silizium-Wafer 8 der Positionen 1 und 3 für die erste Teilphase des Polierprozesses bearbeitet werden. Während dieser Zeit wird der Silizium-Wafer 8 der Position 2 ausgetauscht.

In 3d ist der erste Teil des Polierprozesses abgeschlossen und das Drehkreuz 10 wird um 180° gedreht, so dass die beiden Silizium-Wafer 8 auf den Positionen 1 und 3 vertauscht werden. Der zweite Teil des Polierprozesses wird jetzt gestartet und der Silizium-Wafer 8 in Position 4 ausgetauscht.

Nach Abschluss des zweiten Teils des Polierprozesses wird in 3e das Drehkreuz 10 wiederum um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, so dass nun die neubestückten Silizium-Wafer 8 der Positionen 2 und 4 auf den Poliertellern 6 liegen. Der erste Teil des Polierprozesses wird gestartet und in Position 3 kann der Silizium-Wafer 8 ausgetauscht werden.

In 3f erfolgt wieder eine kurzzeitige Unterbrechung, so dass das Drehkreuz 10 um 180° gedreht werden kann. Der zweite Teil des Polierprozesses wird nun gestartet und der Silizium-Wafer 8 in Position 1 ausgetauscht.

3g zeigt schließlich die Situation, bei der das Drehkreuz um 90° im Uhrzeigersinn gedreht wurde, so dass auch der Silizium-Wafer 8 der Position 2 ausgetauscht werden kann.

Dieser Ablauf des Polierprozesses wird dann weitergeführt, wie er oben beschrieben wurde.

Obgleich nur jeweils zwei Polierteller 6 gleichzeitig im Einsatz sind, ist der Durchsatz an polierten Silizium-Wafern 8 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren höher als bei dem bekannten Polierverfahren. Das liegt daran, dass die relativ langen Zeiten zum Be- und Entladen eines Polierkopfes 9 nicht den Polierprozess verzögern, da das Be- und Entladen parallel zum Polierprozess durchgeführt wird.

1 bis 4
Polierpositionen der Objekte
5
Polieranlage
6
Polierteller
7
Poliertuch (FA-Poliertuch)
8
Objekt, Silizium-Wafer
9
Polierkopf
10
Drehkreuz
11
Antriebswelle
12
zentrale Achse
13
Tisch


Anspruch[de]
Polieranlage (5)

mit zwei Poliertellern (6), wobei die zwei Polierteller (6) bezogen auf eine zentrale Achse (12) einander diagonal gegenüberliegend angeordnet sind und auf den Polierteller (6) jeweils ein eine Abrasiv-Politur enthaltendes Poliertuch (7) aufgebracht ist, und

mit vier Polierköpfen (9) zum Aufnehmen von Halbleiterwafern (8), wobei die vier Polierköpfe (9) über ein um die zentrale Achse (12) drehbar gelagertes Drehkreuz (10) miteinander verbunden und koaxial so zu den zwei Poliertellern (6) angeordnet sind, dass in jeder Polieranlagenstellung jeweils ein Polierkopf (9) einem Polierteller (6) gegenüber liegt und wenigstens ein weiterer Polierkopf (9) sich in einer Be- und Entladestellung für den Halbleiterwafer befindet,

wobei die Polieranlage so betrieben wird, dass jeder Poliervorgang in wenigstens zwei Polierabschnitte unterteilt wird,

wobei während des Poliervorgangs den zwei Poliertellern (6) jeweils ein Polierkopf (9) mit einem zu polierenden Halbleiterwafer (8) gegenüber liegt und die beiden den zwei Poliertellern (6) gegenüber liegenden Polierköpfe (9) mit den zu polierenden Halbleiterwafern (8) zwischen dem ersten und dem zweiten Polierabschnitt um die Achse (12) 180° gedreht werden, und

wobei während des laufenden Poliervorganges in jedem Polierabschnitt der Halbleiterwafer auf dem in der Be- und Entladestellung befindlichen Polierkopf austauschbar ist.
Polieranlage nach Anspruch 1, wobei die Polieranlage so betrieben wird, dass jeder Polierabschnitt in etwa der halben Polierzeit entspricht. Polieranlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Polieranlage so betrieben wird, dass nach Ende des Poliervorgangs einer der beiden den zwei Poliertellern (6) gegenüber liegenden Polierköpfe (9) mit den polierten Halbleiterwafern (8) in die Be- und Entladestellung für den Halbleiterwafer gedreht wird. Polieranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein weiterer Polierteller (6) für einen Reinigungsvorgang vorgesehen ist.






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