DE102004063870A1

DE102004063870A1 - Werkstückdickenmessung mit Ultra- oder Megaschall

Info

Publication number: DE102004063870A1
Application number: DE200410063870
Authority: DE
Inventors: Roy Dr.-Ing. Keipke; Mark Dipl.-Ing. Klaas
Original assignee: Supfina Grieshaber GmbH and Co KG
Current assignee: Supfina Grieshaber GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-07-13
Also published as: WO2006072456A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum hochpräzisen, direkten und berührungslosen Messen der Dicke flacher Werkstücke (5), insbesondere von Wafern, während der Dickenbearbeitung des Werkstücks (5) durch Ultraschall vorgeschlagen.

Description

Beim Dünnen bzw. Oberflächenbearbeiten flacher Werkstücke, z. B. beim Polieren, Schleifen oder Ätzen, insbesondere von Wafer, ist es für ein genaues und zielgerichtetes Einstellen der Werkstückdicke erforderlich, diese schon während der Bearbeitung berührungslos und direkt zu Messen. In der Praxis ist es häufig nicht möglich, dies mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen, da die Umgebungsbedingungen und Werkstückgegebenheiten dem entgegenstehen.

Optische bzw. laseroptische Verfahren entfallen z. B. wegen starkem Verschmutzen durch Partikelabrieb, umhersprühender Chemikalien oder vieler nicht definierbarer optisch relevanter Schichten zwischen Messsystem und Werkstückoberfläche.

Messtaster können durch die Reibung in Schwingungen geraten, hinterlassen Schleifspuren, die häufig unerwünscht sind, und verschleißen an der Kontaktfläche, was zu Meßungenauigkeiten führt.

Auf induktive Wegsysteme reagieren viele Werkstückwerkstoffe nicht, insbesondere nicht auf Wafermaterialien. Kapazitive Messsysteme reagieren stärker auf die Chemikalien und Wasser, als auf das Werkstückmaterial, insbesondere bei Wafer.

Herkömmliche Ultraschallsensoren sind durch ihre relativ hohe Wellenlänge zu ungenau. Des weiteren kann keines der genannten Messprinzipien unter den aufgeführten Umgebungsbedingungen die Werkstückdicke, insbesondere von Wafer, direkt messen. Beispielsweise wird beim Verwenden von Messtastern der Messtaster auf die Werkstückaufspanntischoberfläche positioniert und anschließend auf die Werkstückoberfläche. Die relative Änderung entspricht dann der Werkstückdicke. Diese Messanordnung ist ein indirektes Messen und kann zu hohen Ungenauigkeiten führen, z. B. wenn zwischen Werkstück und Werkstückaufspanntisch Schmutzpartikel vorhanden sind oder sich die Höhenposition des Werkstückaufspanntisches unkontrolliert ändert, z. B. infolge von Wärmedehnung oder Bearbeitungskräften. Werden mit zwei Messtastern gleichzeitig Werkstückaufspanntischoberfläche und Werkstückoberfläche gemessen, bleiben immer noch Schleifspuren auf den Werkstücken vorhanden, insbesondere auf Wafer, die nur durch ein nachträgliches messtechnisch nicht kontrollierten Materialabtrag entfernt werden können.

Des weiteren verschleißen die Kontaktflächen der Messtaster, was ebenfalls zum Erhöhen der Ungenauigkeit der Messergebnissen führt. Bei einer gleichzeitigen Bearbeitung beider Werkstückstirnseiten, z. B. beim Doppelseitenschleifen oder -polieren, bei dem ein Werkstückaufspanntisch fehlt und z. B. fluidstatische Lager zur Werkstücklagerung verwendet werden, kann das oben beschriebenen Verfahren zum indirekten Messen mittels zwei Messtastern auf Grund der fehlenden Werkstückaufspanntischoberfläche ebenfalls nicht verwendet werden. Auch würde die einseitige Anpresskraft des Messtasters ein verwinden des dünnen Werkstücks hervorrufen, was zu Bearbeitungsfehlen und Werkstückbruch führen kann.

Die Erfindung besteht darin, die Dicke von flachen Werkstücken, insbesondere von Wafer, schon während des Bearbeitens, insbesondere beim Polieren, Schleifen oder Ätzen, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ohne Spuren auf dem Werkstück zu hinterlassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen speziellen Ultraschallsensor gelöst, dessen Arbeitsfrequenz so auf die Dicke des Werkstücks abgestimmt ist, dass die Wellenlänge des Ultraschalls stets kleiner als die minimale Werkstückdicke ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors besitzen eine Arbeitsfrequenz von mindestens größer 10 MHz oder mehr und deren Messunsicherheit ist dabei besser als ±1 μm. Die Messunsicherheit beträgt dabei ca. 1/1000 der Wellenlänge. So können für Werkstücke mit einer Dicke von bis zu 600 μm und einer Genauigkeit von ca. ±0,5 μm Arbeitsfrequenzen von 20 MHz verwendet werden und für Werkstücke mit einer Dicke von bis zu 150 μm und einer Genauigkeit von ca. ±0,2 μm Arbeitsfrequenzen von 125 MHz.

Der Ultraschallsensor wird während des Messvorgangs so über einem nicht von der Bearbeitungsscheibe abgedeckten Teil des zu messenden Werkstücks, insbesondere von Wafer, positioniert, dass der Spalt zwischen Werkstück und Sensor mit Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, ausgefüllt ist.

Dieses Verfahren ist auch geeignet für das Messen der Dicke dünner Werkstück, insbesondere Wafer, bei einer gleichzeitigen Bearbeitung beider Werkstückstirnseiten.

Für das Kontrollieren der Dicke großer Werkstücke, insbesondere von Wafer, können dabei mehrere Sensoren nebeneinander angeordnet werden oder ein Sensor wird bzw. mehrere Sensoren werden während des Bearbeitens über das Werkstück geführt, insbesondere über Werkstückradius oder Werkstückdiagonale.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind den nachfolgenden Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
a ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
b ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der a ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt, bei der ein Werkstück 5, insbesondere ein Wafer, einseitig bearbeitet wird. Die Bearbeitung erfolgt mit Hilfe einer Schleifscheibe 2, die von einer Antriebsspindel 1 angetrieben wird. Parallel zur Längsachse der Antriebsspindel 1 ist ein Ultraschallsensor 3 auf einer Sensorführungseinheit 8 angeordnet. Der vom Ultraschallsensor 3 ausgesandte Ultraschall ist in der a mit dem Bezugszeichen 4 versehen.
Das zu bearbeitende Werkstück 5 ist auf einem Werkstückaufspanntisch 6 befestigt, wobei der Werkstückaufspanntisch 6 von einer Antriebsspindel 7 in Drehung versetzt wird.
Wie aus a ersichtlich, kann der Ultraschallsensor 3 die Dicke des Werkstücks 5, während es durch die Schleifscheibe 2 bearbeitet wird, kontinuierlich messen. Dadurch ist ein sehr präzises Messen während der Bearbeitung des Werkstücks 5 möglich. Aufgrund der erfindungsgemäß beanspruchten Arbeitsfrequenzen des Ultraschallsensors 3 kann die Dicke des Werkstücks 5 mit einer ausreichenden Genauigkeit erfasst werden. Da die Messung der Dicke des Werkstücks 5 gleichzeitig mit dessen Bearbeitung erfolgt, ist die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr hoch und die Ausschussquote sinkt erheblich.
In der b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das bezüglich der a Gesagte entsprechend.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Werkstück 5 mittels zweier hydrostatischer Lager beidseitig gelagert. In der b ist nur eine der beiden fluidstatische Lagertasche 10 mit einem Bezugszeichen versehen. Zwischen den fluidstatischen Lagertaschen 10 und dem Werkstück 5 bildet sich ein fluidstatisches Lager aus, da eine Flüssigkeit aus den fluidstatischen Lagertaschen 10 in den Spalt zwischen Werkstück 5 und Lagertasche 10 gepresst wird. Diese Situation ist auch auf der in b oberen Seite des Werkstücks 5 vorhanden, obwohl aus Gründen der Übersichtlichkeit die Bezugszeichen 9 und 10 nicht eingetragen wurden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei nebeneinander angeordnete Ultraschallsensoren 3, von denen nur einer mit einem Bezugszeichen versehen wurde, eingesetzt. Dadurch ist es möglich, zu einem Zeitpunkt in einem größeren Bereich die Dicke des zu bearbeitenden Werkstücks 5 zu messen.
Das Werkstück 5 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß b beidseitig von Schleifscheiben 2, die jeweils von einer Antriebsspindel 1 angetrieben werden, bearbeitet. Gleichzeitig kann auch das Werkstück 5 noch in Rotation versetzt werden. Diese Rotation ist in der b nicht dargestellt.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Dicke flacher Werkstücke, insbesondere von Wafer, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke schon während des Bearbeitens, insbesondere beim Polieren, Schleifen oder Ätzen, mit hoher Genauigkeit, berührungslos und durch direktes Messen der Werkstückdicke bestimmt wird, dass ein Ultraschallsensor (3) verwendet wird, der sich durch eine auf die Dicke des Werkstücks (5) so abgestimmte Arbeitsfrequenz auszeichnet, dass die Wellenlänge des Ultraschalls stets kleiner als die minimale Werkstückdicke ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (3) eine ungefähre Arbeitsfrequenz von gleich oder größer 10 MHz besitzt, und dass die Messunsicherheit des Ultraschallsensors (3) kleiner als ±1 μm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Werkstücke (5) mit einer Dicke gleich oder größer 600 μm ein Ultraschallsensor (3) mit einer Arbeitsfrequenz von etwa 20 MHz und einer Genauigkeit von ca. ±0,5 μm verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Werkstücke (5) mit einer Dicke gleich oder größer 150 μm ein Ultraschallsensor (3) mit einer Arbeitsfrequenz von etwa 125 MHz und einer Genauigkeit von ca. ±0,2 μm verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (3) während des Messens so über den nicht von der Bearbeitungsscheibe abgedeckten Werkstückteil (5), insbesondere vom Wafer, positioniert wird, dass der Spalt zwischen Werkstück (5) und Sensor (3) mit Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, ausgefüllt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass für das Kontrollieren der Dicke großer Werkstücke (5), insbesondere von Wafer, mehrere Sensoren (3) nebeneinander angeordnet werden können oder ein Sensor (3) wird bzw. mehrere Sensoren (3) werden während des Bearbeitens über das Werkstück (5) geführt, insbesondere über Werkstückradius oder Werkstückdiagonale.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung geeignet ist sowohl während einer einseitigen Bearbeitung des zu messenden Werkstücks (5) als auch während des synchronen beidseitigen Bearbeitens beider Stirnseiten des zu messenden Werkstücks (5), die Dicke des Werkstücks (5) zu messen.