DE19622004A1 - In-situ Steuerung der Planheit einer Polierscheibe - Google Patents
In-situ Steuerung der Planheit einer PolierscheibeInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft ein Polieren von dünnen Werkstücken,
wie beispielsweise von Silizium-Wafern, die in Halbleitern
Verwendung finden.
Bei maschinellen Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise
beim Polieren oder Planschleifen von dünnen Werkstücken, wie
beispielsweise Silizium-Substraten oder -Wafern, die in
integrierten Schaltungen Verwendung finden, wird ein Wafer
zwischen einem Träger oder einer Andruckplatte und einem
rotierenden Poliertisch angeordnet, der auf seiner Oberfläche
eine Polier- oder Schwabbelscheibe trägt. Die Andruckplatte
übt einen Druck aus, so daß ein Abtrag einer bestimmten Menge
eines Oxidüberzugs bewirkt und auf dem Wafer eine Oberfläche
mit im wesentlichen gleichförmiger Planheit erzeugt wird.
Im allgemeinen schließt die Poliervorrichtung eine starre
Andruckplatte oder einen starren Träger ein, an dem unpolierte
Wafer befestigt werden, wobei die zu polierenden Wafer-
Oberflächen zur Polierscheibe hin freiliegen, welche mit einem
Polierdruck mit ihnen in Eingriff tritt. Die Polierscheibe und
der Träger werden dann gewöhnlich beide mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten gedreht, um eine seitliche Relativbewegung
zwischen den Oberflächen der Polierscheibe und der Vorderseite
der Wafer zu verursachen. Während des Poliervorgangs wird im
allgemeinen eine abrasive Aufschlämmung, wie beispielsweise
eine Aufschlämmung aus kolloidalem Siliziumdioxid, an der
Grenzfläche zwischen der Polierscheibe und der Waferoberfläche
bereitgestellt, um das Polieren zu unterstützen.
Die bevorzugte Art von Maschine, bei welcher die vorliegende
Erfindung verwendet wird, umfaßt einen rotierenden
Polierteller, der um eine vertikale Achse drehend angetrieben
wird. Gewöhnlich umfaßt der Polierteller eine horizontale
Keramik- oder Metallplatte, die mit einer Polierscheibe
überzogen ist, welche eine freiliegende abrasive Oberfläche
zum Beispiel aus Ceroxid, Aluminiumoxid, pulverförmigem
/abgeschiedenem Quarzglas oder anderen teilchenförmigen
Schleifmitteln aufweist. Wie auf dem Fachgebiet bekannt,
können die Polierscheiben aus verschiedenen Materialien
bestehen und sind im Handel erhältlich. Gewöhnlich ist die
Polierscheibe eine Polierscheibe aus geblasenem Polyurethan,
wie beispielsweise die IC- und GS-Serie von Polierscheiben,
die von der Rodel Products Corporation, Scottsdale, Arizona,
USA erhältlich sind. Die Härte und Dichte der Polierscheibe
wird auf der Grundlage der Art von Material, welches poliert
werden soll, routinemäßig ausgewählt. Die Polierscheibe wird
um eine vertikale Achse gedreht und weist eine ringförmige
Polierfläche auf, auf welcher die Werkstücke an begrenzten
Positionen aufliegen, so daß eine Bewegung des Poliertellers
und der darüberliegend angebrachten Polierscheibe in bezug zu
den Werkstücken einen abrasiven Abtrag der letzteren an ihren
mit der besagten Polieroberfläche im Eingriff stehenden
Oberflächen hervorruft. Bei sämtlichen derartigen Maschinen
ist es von besonderer Bedeutung, die Polierscheibenoberfläche
in einem planaren Zustand und im wesentlichen frei von
Oberflächenunregelmäßigkeiten zu halten. Die Polierscheiben
neigen dazu, sich beim Poliervorgang ungleichmäßig abzunützen,
und es entwickeln sich Oberflächenunregelmäßigkeiten, und
diese Probleme müssen gelöst werden.
Bei Wafer-Planschleifvorgängen zum Oxidschicht-Polieren kann
die Polierscheibe zu schnell "uneben" werden, weil sich in der
Scheibe eine "Spur" genannte Vertiefung bildet. Eine
Vertiefungs- oder Spurbildung in der Polierscheibe wird
dadurch hervorgerufen, daß der vordere Rand des Wafers in die
Polierscheibe eintaucht und sich in diese eingräbt. Eine
abrasive Nachbearbeitung der Polierscheibe zum Entfernen der
Spur verschleißt die Scheibe frühzeitig. Beim Polieren von
Silizium-Wafern, die einzeln an motorisch angetriebenen ebenen
Andruckplatten befestigt sind, tritt der Verschleiß der
Polierscheibe im allgemeinen von der Drehachse aus gesehen
weiter außen auf.
Es ist daher ein hauptsächliches Ziel dieser Erfindung, für
eine Konditionierung von Polierscheiben zu sorgen, um
Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen und eine ebene
Scheibenbeschaffenheit zu erreichen.
Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung, die Notwendigkeit
einer getrennten aggressiven Scheibenkonditionierung nach
jedem Poliervorgang zu minimieren.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, für eine bessere
Steuerung des Profils und der Rauhigkeit der
Polierscheibenoberfläche zu sorgen, mit der man hohe Polier-
Abtragsgeschwindigkeiten und eine verbesserte Gleichförmigkeit
des Abtrags über die Oberfläche des Wafers erreicht.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es,
Oberflächenvertiefungen oder -spuren zu minimieren, welche
sich aufgrund des Polierens in der Scheibe bilden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Gleichförmigkeit
des Abtrags von Polierscheiben zu steuern und zu maximieren.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es, durch die
Minimierung von Polierscheibenschäden, welche während des
Polierens auftreten, für eine größere Beständigkeit von
Polierdurchlauf zu Polierdurchlauf zu sorgen.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Konditionierung einer
Polierscheibe gerichtet, um das Oberflächenprofil der
Polierscheibe zu steuern und bei ihrem Abtrag Gleichförmigkeit
zu erzielen, indem man bewirkt, daß sich das Werkstück und die
Polierscheibe in bezug zueinander radial hin und her bewegen,
wobei das Maß der Hin- und Herbewegung ausreichend ist, so daß
sich das Werkstück bis über die Ränder der Polierscheibe
hinaus erstreckt. Die Hin- und Herbewegung in bezug zueinander
erfolgt, während sich die Scheibe und das Werkstück wie üblich
drehen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Polieren
eines Werkstücks bereit, mit einem rotierenden Polierteller,
der eine darauf angeordnete Polierscheibe aufweist, um die
Planheit der Oberfläche, welche poliert wird, zu verbessern.
Bei dem Verfahren wird das zu polierende Werkstück mit der
Polierscheibe in Berührung gebracht und ein Druck dazwischen
aufgebracht, während gleichzeitig sowohl die Polierscheibe und
das Werkstück gedreht werden. Während sich die Scheibe und das
Werkstück drehen, werden sie in bezug zueinander im
wesentlichen in radialer Richtung der Drehbewegung in einem
solchen Maß hin und her bewegt, daß sich das Werkstück über
die Ränder der Polierscheibe hinaus erstreckt, um eine
Spurenbildung zu vermeiden und den Verschleiß gleichmäßig über
die Oberfläche der Polierscheibe zu verteilen.
Wenn die Polierscheibe eine ringförmige Gestalt mit einem
inneren Rand und einem äußeren Rand aufweist, wird das
rotierende Werkstück auf einem Bogen hin und her geschwenkt,
der ausreichend lang ist, so daß sich das Werkstück über beide
Ränder erstreckt. Vorzugsweise wird das Werkstück so hin und
her geschwenkt, daß sich jeweils etwa ein Sechstel seines
Durchmessers über einen der Ränder hinaus erstreckt, wenn sich
das Werkstück in den Endpunkten der Schwenkbewegung befindet.
Eine zur Durchführung der vorliegenden Erfindung
vorteilhafterweise verwendete Vorrichtung umfaßt eine drehbare
Polierscheibe, die über einer motorgetriebenen Andruckplatte
befestigt ist, und einen drehbaren Träger oder Kopf zum Tragen
von einem oder mehr zu polierenden Werkstücken. Der Trägerkopf
ist für eine Vertikalbewegung angepaßt, um das Werkstück mit
der Polierscheibe in Berührung zu bringen, sowie auch für eine
radiale Schwenkbewegung bis zu einem solchen Maß, daß ein
Werkstück in radialer Richtung über die Ränder der
Polierscheibe und darüber hinaus hin und her verschwenkt wird.
Fig. 1 ist ein perspektivische Ansicht einer beispielhaften
Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Polierscheibe, welche das
bevorzugte Maß einer radialen Hin- und Herbewegung eines
Werkstücks mit einem Durchmesser von 15,24 cm (6 Inches)
zeigt, welches poliert wird.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Polierscheibe, welche das
bevorzugte Maß einer radialen Hin- und Herbewegung eines
Werkstücks mit einem Durchmesser von 20,32 cm (8 Inches)
zeigt, welches poliert wird.
Fig. 1 veranschaulicht die vorliegende Erfindung und zeigt
ein Werkstück 11, beispielsweise einen dünnen Silizium-Wafer,
der von einem starren Kopf oder Träger 13 getragen wird und
poliert werden soll. Auf dem Fachgebiet sind verschiedene
Mittel bekannt, um das Werkstück 11 am Kopf 13 zu befestigen,
darunter Vakuumeinrichtungen oder die Oberflächenspannung
einer nassen Oberfläche. Der Kopf 13 ist an einem
Betätigungsarm 16 angebracht, der vertikal beweglich ist, um
das Werkstück 11 in Eingriff mit der Polierscheibe 18
abzusenken oder es aus dem Eingriff mit der Polierscheibe 18
heraus anzuheben. Der Betätigungsarm 16 ist durch einen
Druckzylinder 20 vertikal beweglich. Der Arm 16 ist auch in
horizontaler Richtung um eine von der Mittelachse des
Druckzylinders 20 gebildete Schwenkachse hin und her
verschwenkbar, d. h. im wesentlichen radial zur Polierscheibe
18 und zum Werkstück 11, so daß das Werkstück 11 die gesamte
Oberseite der Polierscheibe 18 quer zu deren Drehrichtung
überquert und sich über den inneren Rand 18a und den äußeren
Rand 18b der Scheibe hinaus erstreckt, wenn es sich an den
äußersten Endpunkten seines bogenförmigen Schwenkwegs
befindet. Der spezielle Aufbau des Betätigungsarms 16 ist im
Hinblick auf die vorliegende Erfindung nicht von Belang.
Betätigungsarme, die so arbeiten, daß sie sowohl eine
vertikale Bewegung und eine horizontale Schwenkbewegung
durchführen können, sind auf dem Fachgebiet bekannt. Zum
Beispiel kann ein Betätigungsarm, wie beispielsweise der Arm
16, von derjenigen Art sein, die im US Patent Nr. 4,141,180
beschrieben ist.
Fig. 2 zeigt das bevorzugte kleinste Maß der radialen
Schwenkbewegung eines Werkstücks mit einem Durchmesser von
15,24 cm (6 Inches) in bezug zur Polierscheibe. In dieser
Figur weist eine ringförmige Polierscheibe 18 einen
Außendurchmesser von 81,28 cm (32 Inches) auf, und eine
Ringbreite der Scheibe beträgt 21,59 cm (8 1/2 Inches), wobei
somit der offene Mittelteil einen Durchmesser von 38,1 cm (15
Inches) aufweist. Bei einem Werkstück 11 mit kreisförmigem
Querschnitt, wie beispielsweise einem dünnen Silizium-Wafer
mit einer Außendurchmesser von 15,24 cm (6 Inches), beträgt
der bevorzugte radiale Schwenkweg des Werkstücks ungefähr
11,43 cm (4,5 Inches), mit der Folge, daß der Wafer in den
äußersten Endpunkten seiner Schwenkbewegung jeweils um 2,54 cm
(1 Inch) (d. h. ein Sechstel des Waferdurchmessers) über den
inneren Rand 18A bzw. den äußeren Rand 18B der Scheibe 18
hinausragt.
Fig. 3 zeigt das bevorzugte kleinste Maß der radialen
Schwenkbewegung eines Werkstücks mit einem Durchmesser von
20,32 cm (8 Inches) in bezug zur Polierscheibe. In dieser
Figur weist eine ringförmige Polierscheibe 18 einen
Außendurchmesser von 81,28 cm (32 Inches) auf, und eine
Ringbreite der Scheibe beträgt 27,94 cm (11 Inches), wobei
somit der offene Mittelteil einen Durchmesser von 25,4 cm (10
Inches) aufweist. Bei einem kreisförmigen Werkstück 11, wie
beispielsweise einem dünnen Silizium-Wafer mit einem
Außendurchmesser von 20,32 cm (8 Inches), beträgt der
bevorzugte radiale Schwenkweg des Werkstücks ungefähr 15,24 cm
(6 Inches), mit der Folge, daß der Wafer in den äußersten
Endpunkten seiner Schwenkbewegung jeweils um 3,175 cm (1 1/4
Inches) (d. h. ungefähr ein Sechstel des Waferdurchmessers)
über den inneren Rand 18A bzw. den äußeren Rand 18B der
Scheibe 18 hinausragt.
Es ist ersichtlich, daß während des Poliervorgangs die Hin-
und Herbewegung des Werkstücks 11 über die Polierscheibe 18
erfolgt, während sich sowohl das Werkstück 11 und die Scheibe
18 drehen. Gewöhnlich drehen sich die Scheibe und das
Werkstück mit derselben Drehrichtung, jedoch mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Zum Beispiel beträgt eine
typische bevorzugte Drehgeschwindigkeit der Polierscheibe 18
etwa 15 U/min und diejenige des Wafer-Werkstücks 11 etwa 35
U/min. Das Maß der Schwenkbewegung oder die Bogenlänge des
Schwenkwegs ändern sich in Abhängigkeit von der Größe der
Werkstücke und der Größe der Polierscheibe. Das Maß der
Schwenkbewegung kann für Werkstücke und Polierscheiben mit
unterschiedlicher Größe routinemäßig festgelegt werden, so daß
die Anforderung erfüllt wird, daß das rotierende Werkstück um
ein ausreichendes Maß hin und her geschwenkt wird, so daß es
sich über die Ränder der Polierscheibe 18 hinwegbewegt oder
über diese hinausragt. Werkstücke 11, wie beispielsweise
Silizium-Wafer mit Durchmessern von 15,24 cm (6 Inches), 20,32
cm (8 Inches), 25,4 cm (10 Inches) usw. können gemäß dieser
Erfindung poliert werden.
Die Erfindung ist auch anwendbar, wenn eine Mehrzahl von
Werkstücken 11 oder Wafern gleichzeitig poliert wird. Dies
wird erreicht, indem man die Werkstücke 11 oder Wafer an einem
Träger oder Kopf befestigt, der sowohl vertikal und horizontal
beweglich ist. Eine Vorrichtung dieser Art ist auf dem
Fachgebiet bekannt und zum Beispiel im US Patent Nr. 4,239,567
und im US Patent Nr. 5,329,732 beschrieben, wobei das letztere
das gleichzeitige Polieren von fünf Wafern offenbart.
In Fällen, wo die Polierscheibe 18 stark abgenutzt ist und
unerwünschte Spuren darin aufweist, kann mit dieser Erfindung
eine Wiederaufarbeitung der Scheibe 18 erreicht werden. Dies
wird erreicht, indem man den Trägerkopf 13 am Betätigungsarm
16 über ein Pendellager befestigt, das ein Verschwenken des
Kopfs 13 ermöglicht und bewirkt, daß die vorderen Ränder des
Werkstücks 11 in die Polierscheibe 18 eintauchen und sich in
diese eingraben, so daß schließlich die Spuren oder
Vertiefungen darin beseitigt werden. Das US Patent Nr.
4,270,314 ist ein Beispiel eines bekannten Standes der Technik
für eine schwenkbare Anbringung einer Andruckplatte.
Die Durchführung der vorliegenden Erfindung verlängert die
Lebensdauer von Polierscheiben beträchtlich. Durch Bewahrung
der gewünschten Planheit der Scheiben und Vermeidung der
Bildung von Spuren darin wird die Gleichförmigkeit des
Poliervorgangs beträchtlich verbessert und ein Materialabtrag
vom Werkstück 11 wird mit vorhersagbarer Geschwindigkeit
erreicht.
Claims (9)
1. Verfahren zum Polieren einer Oberfläche eines Werkstücks
mittels eines rotierenden Poliertellers mit einer darauf
angeordneten Polierscheibe zum Entfernen von
Unregelmäßigkeiten von der zu polierenden Oberfläche, bei dem
das zu polierende Werkstück mit dem Polierscheibe in Berührung
gebracht und ein Druck dazwischen aufgebracht wird, und bei
dem die Polierscheibe und gleichzeitig das Werkstück gedreht
werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) und die
Polierscheibe (18) in bezug zueinander in einem solchen Maß
radial hin und her bewegt werden, daß sich das Werkstück (11)
im Verlauf der radialen Hin- und Herbewegung über sämtliche
freiliegenden Ränder der Polierscheibe (18) hinaus erstreckt,
um den Abtrag über die Oberfläche der Polierscheibe (18) zu
verteilen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Polierscheibe (18) ringförmig ist und einen inneren und
äußeren kreisförmigen Rand (18A, 18B) aufweist, und daß sich
das Werkstück (11) im Verlauf der radialen Hin- und
Herbewegung über den inneren und äußeren Rand (18A, 18B)
hinaus erstreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstück ein dünner kreisförmiger Wafer (11) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Maß der radialen Hin- und Herbewegung
derart ist, daß sich in mindestens einem Endpunkt des
Bewegungswegs mindestens etwa ein Sechstel eines
Werkstückdurchmessers über einen Rand (18A, 18B) der
Polierscheibe (18) hinaus erstreckt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) quer zur Drehrichtung
der Polierscheibe (18) um eine vertikale Schwenkachse hin und
her verschwenkt wird.
6. Vorrichtung zum Polieren eines Werkstücks zum Entfernen
von Oberflächenunregelmäßigkeiten und zum Schaffen einer
allgemein ebenen Werkstückoberfläche, umfassend:
eine Polierscheibe, die in einer Poliermaschine für eine Drehung um eine vorbestimmte Achse montiert ist;
eine Scheibenantriebseinrichtung, um die Polierscheibe um die vorbestimmte Achse zu drehen;
einen Trägerkopf zum Tragen mindestens eines zu polierenden Werkstücks; gekennzeichnet durch eine Trägerkopf-Antriebseinrichtung, um den Trägerkopf (13) und das Werkstück (11) in bezug zur Polierscheibe (18) zu drehen und radial hin und her zu bewegen, um das Werkstück (11) im Verlauf der radialen Hin- und Herbewegung über sämtliche freiliegenden Ränder (18A, 18B) der Polierscheibe (18) hinaus zu verschieben.
eine Polierscheibe, die in einer Poliermaschine für eine Drehung um eine vorbestimmte Achse montiert ist;
eine Scheibenantriebseinrichtung, um die Polierscheibe um die vorbestimmte Achse zu drehen;
einen Trägerkopf zum Tragen mindestens eines zu polierenden Werkstücks; gekennzeichnet durch eine Trägerkopf-Antriebseinrichtung, um den Trägerkopf (13) und das Werkstück (11) in bezug zur Polierscheibe (18) zu drehen und radial hin und her zu bewegen, um das Werkstück (11) im Verlauf der radialen Hin- und Herbewegung über sämtliche freiliegenden Ränder (18A, 18B) der Polierscheibe (18) hinaus zu verschieben.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Polierscheibe (18) ringförmig ist und einen inneren und
einen äußeren kreisförmigen Rand (18A, 18B) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Trägerkopf (13) schwenkbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Trägerkopf (13) eine Mehrzahl von Werkstücken (11)
trägt.
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