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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Dicke von in einer
Bearbeitungsmaschine bearbeiteten scheibenförmigen Werkstücken, die
als Substrat für
elektronische Bauelemente dienen, wobei die Bearbeitungsmaschine
eine obere rotierend antreibbare Arbeitsscheibe mit einer ringförmigen Arbeitsfläche aufweist,
die einer unteren Arbeitsfläche zugekehrt
ist, und wobei die Arbeitsflächen
zwischen sich einen Arbeitsspalt bilden, in dem mehrere Läuferscheiben
angeordnet sind, die in Ausnehmungen Werkstücke aufnehmen und mittels einer
Abwälzvorrichtung
in Rotation versetzbar sind, wodurch die Läuferscheiben und damit die
in ihnen aufgenommenen Werkstücke
sich entlang einer zykloidischen Bahn bewegen,.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Bearbeitungsmaschine mit einer oberen rotierend antreibbaren
Arbeitsscheibe mit einer ringförmigen
Arbeitsfläche,
die einer unteren Arbeitsfläche
zugekehrt ist, wobei die Arbeitsflächen zwischen sich einen Arbeitsspalt
bilden, in dem mehrere Läuferscheiben
angeordnet sind, die in Ausnehmungen Werkstücke aufnehmen und mittels einer
Abwälzvorrichtung
in Rotation versetzbar sind, wodurch die Läuferscheiben und damit die
in ihnen aufgenommenen Werkstücke
sich entlang einer zykloidischen Bahn bewegen.
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Bei
Arbeitsmaschinen mit oberer und unterer Arbeitsscheibe spricht man
von Doppelseitenbearbeitungsmaschinen. Mit ihnen erfolgt eine planparallele
Bearbeitung von Werkstücken,
beispielsweise von Halbleiterscheiben (Wafer). Die Bearbeitung kann
in einem Schleifen, Läppen,
Polieren oder dergleichen bestehen. Je nach Bearbeitungsvorgang weisen
die Arbeitsflächen
Arbeitsbeläge
auf, die mit den Werkstückflächen in
Eingriff gelangen. Ebenfalls je nach Bearbeitungsvorgang kann in
den Arbeitsspalt ein Kühlschmiermittel
eingeleitet werden, das gegebenenfalls Polier- bzw. Läppmaterial
enthält. Die
Geometrie der dabei erzeugten Werkstücke ist von großer Bedeutung
für den
weiteren Einsatz. So werden die fertig bearbeiteten Werkstücke häufig durch
optische Abbildeverfahren mit integrierten Schaltungen versehen.
Unerwünschte
Dickenschwankungen der Werkstücke
verringern die Abbildungsschärfe
und damit die Qualität
der integrierten Schaltungen.
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Zum
Ende des Bearbeitungsvorgangs, wenn das Werkstück eine vorgegebene Dicke erreicht
hat, wird die Maschine abgeschaltet. Die sogenannte Abschaltgenauigkeit
von Doppelseitenbearbeitungsmaschinen unterliegt diversen Einflüssen, beispielsweise
Temperaturdrift, Werkzeugverschleiß, Verschmutzung und mechanischer
Nachgiebigkeit. Bekannt sind indirekte Messverfahren, um die Dicke
von Werkstücken
während
des Bearbeitungsprozesses abzuschätzen. Diese bieten jedoch nicht
immer eine ausreichende Genauigkeit. Darüber hinaus ist vorgeschlagen
worden, die Dicke von Werkstücken
durch mechanische, taktile Messverfahren direkt und während des
Bearbeitungsprozesses zu messen. Die auf diese Weise erreichbaren Genauigkeiten
sind jedoch ebenfalls in der Praxis häufig nicht ausreichend. Außerdem kann
es durch die mechanische Messung zu unerwünschten Einwirkungen auf das
Werkstück kommen.
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Ausgehend
von dem erläuterten
Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten
Art bereitzustellen, mit denen eine höhere Messgenauigkeit ohne unerwünschte Rückwirkung
auf das Werkstück
erreicht wird.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
1 und 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung sowie den Figuren.
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Für ein Verfahren
der eingangs genannten Art löst
die Erfindung die Aufgabe dadurch, dass mittels eines optischen
Messverfahrens die Dicke mindestens eines in der Bearbeitungsmaschine
befindlichen Werkstücks
gemessen wird. Für
die Bearbeitungsmaschine löst
die Erfindung die Aufgabe entsprechend dadurch, dass die Bearbeitungsmaschine mindestens
eine optische Messeinrichtung aufweist, mit der die Dicke mindestens
eines in der Bearbeitungsmaschine befindlichen Werkstücks messbar
ist.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine optische Messeinrichtung
in oder an der Bearbeitungsmaschine anzuordnen. Die Messeinrichtung und
insbesondere ein entsprechender Messkopf sind also in einen Bereich
der Maschine integriert, der während
der Bearbeitung zeitweise eine direkte Dickenmessung erlaubt. Dabei
wird die mechanische Werkstückdicke
ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels eines Kennfelds erfolgen,
das zuvor im Rahmen einer Kalibrierung erstellt wurde. Durch die
direkte optische Messung wird erfindungsgemäß eine im Vergleich zum Stand
der Technik genauere Dickenmessung während der Bearbeitung ermöglicht, so
dass beispielsweise der bei einer materialabtragenden Werkstückbearbeitung entscheidende
Abschaltzeitpunkt der Maschine genauer ermittelt werden kann. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw.
der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine sind
Messgenauigkeiten von 1 μm
und besser möglich.
Verfälschende
Einflüsse
wie Temperaturdrift, Werkzeugverschleiß, Verschmutzung und mechanische
Nachgiebigkeit des Werkstücks
können
erfindungsgemäß weitgehend
ausgeschlossen werden. Im Vergleich zu taktilen Messverfahren findet
erfindungsgemäß keinerlei
Einwirkung auf die Werkstücke
durch die Messung statt.
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Die
Doppelseitenbearbeitungsmaschine kann eine obere und eine untere
Arbeitsscheibe besitzen und dient beispielsweise zum Schleifen,
Läppen,
Polieren, oder dergleichen, der Werkstücke. Die dünnen Werkstücke können eine Dicke von weniger als
1,5 mm besitzen. Bei den Werkstücken
kann es sich um Halbleiterscheiben (Wafer), insbesondere Silizium-Wafer,
handeln, auf die beispielsweise eine integrierte Schaltung aufgebracht
werden kann. Es sind aber auch andere Werkstücke denkbar, beispielsweise
Saphirscheiben („Silicon
On Insulator, SOI”),
auf die eine integrierte Schaltung oder ein einzelnes Bauelement,
wie beispielsweise eine Diode aufgebracht werden kann. Die Werkstücke können eine
zylindrische bzw. kreisförmige
Geometrie besitzen. Gegebenenfalls kann eine kapazitive Vormessung
der Werkstückdicke
am Maschineneingang erfolgen.
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Erfindungsgemäß kann ein
(teilweises) laterales, insbesondere radiales, Dickenprofil erstellt werden.
Die Dickenmessung kann also entlang verschiedener auf einer lateralen
Linie auf der Werkstückoberfläche verteilter
Punkte durchgeführt
werden. Gerade bei Doppelseitenbearbeitungsmaschinen besteht in
der Regel die Aufgabe, eine unerwünscht konkave oder unerwünscht konvexe
Oberflächen-
oder Dickenform durch die Bearbeitungsteller, beispielsweise Polierteller,
zu vermeiden. Aufgrund der in solchen Bearbeitungsmaschinen vorherrschenden
rotierenden Bearbeitung kann dabei davon ausgegangen werden, dass
die Werkstücke im
Wesentlichen rotationssymmetrisch bearbeitet werden, so dass auch
gegebenenfalls auftretende Abweichungen von der vorgegebenen Geometrie
rotationssymmetrisch sind. Eine laterale bzw. radiale Dickenmessung
liefert somit eine ausreichende Genauigkeit.
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Bei
ihrer zykloidischen Bahnbewegung können die Werkstücke einen
Bereich außerhalb
des Arbeitsspalts durchlaufen, beispielsweise bei Schleif- oder
Läppvorgängen. Dieser
wird fachsprachlich als Überlauf
bezeichnet. Er befindet sich beispielsweise an der Außenseite
des Arbeitsspalts. Bei einem ringförmigen Arbeitsspalt kann sich
der Überlauf
aber auch an der Innenseite des Arbeitsspalts befinden. Nach einer
Ausgestaltung kann daher vorgesehen sein, dass die optische Dickenmessung
in dem Bereich außerhalb
des Arbeitsspalts erfolgt, bzw. dass die Bearbeitungsmaschine mindestens
eine optische Messeinrichtung im Bereich außerhalb des Arbeitsspalts aufweist,
mit der die Dicke mindestens eines Werkstücks in dem Bereich außerhalb
des Arbeitsspalts messbar ist. Der Überlauf ist gut zugänglich und
eignet sich daher besonders für
eine Dickenmessung in diesem Bereich.
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Nach
einer alternativen Ausgestaltung kann jedoch auch vorgesehen sein,
dass die Bearbeitungsmaschine mindestens eine in einer Arbeitsscheibe
der Bearbeitungsmaschine angeordnete optische Messeinrichtung aufweist,
mit der die Dickenmessung erfolgt bzw. erfolgen kann. Doppelseitenbearbeitungsmaschinen
weisen üblicherweise
eine obere und eine untere Arbeitsscheibe auf. Dieser Ausgestaltung
liegt also die Idee zugrunde, eine Messeinrichtung in einer dieser
Arbeitsscheiben, wegen möglicher
Verschmutzungen bevorzugt in der oberen Arbeitsscheibe, anzuordnen
und auf diese Weise eine optische Dickenmessung während der Bearbeitung
zu ermöglichen.
Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere bei Poliervorgängen an,
bei denen ein Überlauf
unerwünscht
sein kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Dicke mittels eines interferometrischen
Messverfahrens gemessen werden, die Messeinrichtung also eine interferometrische
Messeinrichtung sein. Dabei kann beispielsweise die Infrarotinterferometrie
zum Einsatz kommen, bei der Infrarotlicht zur Interferenz gebracht
wird. Dazu können
die Werkstücke,
beispielsweise Halbleiterscheiben (Silizium-Wafer o. ä.) für Infrarotlicht
teiltransparent sein. Sie sind dann auch für eine interne Infrarotinterferometrie
geeignet. Dies erlaubt eine besonders genaue Messung.
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Gemäß einer
Fortbildung dieser Ausgestaltung des Verfahrens können weiterhin
die folgenden Schritte vorgesehen sein:
- – Infrarotstrahlung
wird auf die Werkstückoberseite
gerichtet, wobei ein erster Strahlungsanteil an der Werkstückoberseite
reflektiert wird und ein zweiter Strahlungsanteil die Werkstückdicke durchdringt,
an der Werkstückunterseite
reflektiert wird und wieder an der Werkstückoberseite austritt,
- – der
erste und der zweite Strahlungsanteil interferieren unter Bildung
eines Interferenzmusters,
- – anhand
des Interferenzmusters wird die optische Werkstückdicke zwischen der Werkstückoberseite
und der Werkstückunterseite
bestimmt,
- – aus
einer Messung der Intensität
der von dem Werkstück
reflektierten und/oder transmittierten Infrarotstrahlung wird unter
Berücksichtigung
der optischen Werkstückdicke
die mechanische Werkstückdicke
ermittelt.
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Die
erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine
kann entsprechend weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass
- – die
Messeinrichtung eine Infrarotstrahlungsquelle aufweist, mit der
Infrarotstrahlung auf die Werkstückoberseite
gerichtet werden kann, so dass ein erster Strahlungsanteil an der
Werkstückoberseite
reflektiert wird und ein zweiter Strahlungsanteil die Werkstückdicke
durchdringt, an der Werkstückunterseite
reflektiert wird und wieder an der Werkstückoberseite austritt, und der
erste und der zweite Strahlungsanteil unter Bildung eines Interferenzmusters
interferieren,
- – die
Messeinrichtung weiterhin eine Auswerteeinrichtung aufweist, mit
der anhand des Interferenzmusters die optische Werkstückdicke
zwischen der Werkstückoberseite
und der Werkstückunterseite
bestimmt werden kann,
- – die
Messeinrichtung weiterhin eine Intensitätsmesseinrichtung aufweist,
mit der die Intensität der
von dem Werkstück
reflektierten und/oder transmittierten Infrarotstrahlung gemessen
werden kann, wobei mit der Auswerteeinrichtung aus der gemessenen
Intensität
unter Berücksichtigung
der optischen Werkstückdicke
die mechanische Werkstückdicke
gemessen werden kann.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist erkannt worden, dass es beispielsweise
aufgrund von Materialschwankungen (Dotierungsschwankungen) zu Abweichungen
des Brechungsindexes und dadurch zu einer Verfälschung der Dickenmessung kommen kann.
Es ist weiter erkannt worden, dass sich eine Änderung des Brechungsindexes
auf den Reflexions- bzw. Absorptionsgrad des Werkstücks auswirkt und
es somit bei verändertem
Brechungsindex zu einer entsprechenden Änderung in der reflektierten bzw.
transmittierten Strahlungsintensität kommt. Dieser Effekt wird
ausgenutzt, um bei der Bestimmung der mechanischen Werkstückdicke
aus der ermittelten optischen Werkstückdicke Brechungsindexschwankungen
zu kompensieren.
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Abhängig von
dem jeweiligen Material des Werkstücks kann dabei in den meisten
Fällen
ein Einfluss auf den Brechungsindex durch eine veränderte Absorption
aufgrund veränderter
Werkstückdicke vernachlässigt werden.
Dies gilt insbesondere bei Infrarotstrahlung nur gering absorbierenden
Werkstoffen, wie Silizium. Bei anderen Werkstoffen ist es möglich, dass
sich bei einer Dickenänderung
die Absorption des Werkstücks
ebenfalls ändert.
Dann kann der Brechungsindex ermittelt werden, indem die gemessene
Intensität
um einen im Rahmen einer Kalibrierung ermittelten, die veränderte Absorption
anzeigenden Skalenfaktor korrigiert wird.
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Bei
Schwankungen des Brechungsindexes zum Beispiel aufgrund von Dotierungsschwankungen
werden mit dieser Ausgestaltung im Vergleich zum Stand der Tech nik
eine genauere Dickenmessung und so verbesserte Eigenschaften für das Aufbringen
von integrierten Schaltungen oder einzelnen elektronischen Bauelementen
erreicht.
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Mit
dieser Ausgestaltung werden dünne scheibenförmige teiltransparente
Werkstücke
vermessen. Die mechanische Werkstückdicke kann als Quotient aus
der optischen Werkstückdicke
und dem Brechungsindex berechnet werden. Die Bestimmung der optischen
Werkstückdicke
zwischen der Werkstückoberseite
und der Werkstückunterseite
sowie eine gegebenenfalls erfolgende Bestimmung des Brechungsindexes
kann jeweils unter Verwendung geeigneter Kalibrationskennlinien
beziehungsweise geeigneter Kalibrationskennfelder erfolgen. Als Werkstückoberseite
wird dabei die der einfallenden Strahlung zugewandte Seite des Werkstücks bezeichnet,
während
als Werkstückunterseite
die der einfallenden Strahlung abgewandte Seite des Werkstücks bezeichnet
wird. Selbstverständlich
ist diese Ausgestaltung unabhängig
von der Ausrichtung des Werkstücks
im Raum bzw. von der Einfallrichtung der Infrarotstrahlung. Sie
kann beispielsweise auch in vertikaler Richtung von unten nach oben
auf das Werkstück
gerichtet werden.
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Bei
der erfindungsgemäß genutzten
internen Interferometrie kann der zweite Strahlungsanteil die Werkstückdicke
natürlich
mehrfach durchlaufen und entsprechend mehrfach an der Unter- und
gegebenenfalls Innenfläche
der Oberseite reflektiert worden sein, bevor er wieder aus dem Werkstück austritt.
Die Aufnahme des Interferenzmusters erfolgt insbesondere auf der
der Werkstückoberseite
zugewandten Seite. Dabei kann die Infrarotstrahlung beispielsweise
in eine Glasfaser eingekoppelt werden und durch diese auf das Werkstück geleitet
werden bzw. die von dem Werkstück
kommende Strahlung kann von der Glasfaser aufgenommen und einer
Sensor- und Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Für die Auswertung
des Interferenzmusters kann ein geeigneter Detektor mit einer geeigneten
Auswerteelektronik vorgesehen sein.
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Das
scheibenförmige
Werkstück
kann Teil einer Sandwichstruktur sein, wobei dann die Werkstückunterseite
die Grenzfläche
zu der nächsten
darunterliegenden Schicht bildet. Ebenso kann die Werkstückoberseite
die Grenzfläche
zu einer nächsten darüber liegenden
Schicht sein. Das durch die Interferenz der Strahlungsanteile erzeugte
Interferenzmuster kann beispielsweise ein Beugungsmuster oder auch
ein beispielsweise spektral aufgefächertes Interferenzmuster analog
zur Weißlichtinterferometrie
sein. Auf die Art der Interferenz kommt es nicht an.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann ein Infrarotstrahlungsspektrum auf die
Werkstückoberseite
gerichtet werden, die Infrarotstrahlungsquelle also ein Infrarotstrahlungsspektrum
erzeugen. Dieses Spektrum kann insbesondere senkrecht auf die Werkstückoberseite
gerichtet werden. Es ist dann weiter möglich, die durch Interferenz
der ersten und zweiten Strahlungsanteile entstandene Strahlung mittels
eines Spektrometers, beispielsweise eines Gitterspektrometers, spektral
zu analysieren. Dabei können
als Infrarotstrahlungsquellen zum Beispiel Infrarotlampen, insbesondere
Infrarotglühlampen
oder Infrarotgasentladungslampen, verwendet werden. Dabei kommt
es zur Interferenz der beiden Strahlungsanteile. Insbesondere ist
für bestimmte
Wellenlängen
des Spektrums der durch die Werkstückdicke erzeugte Gangunterschied
gerade so, dass destruktive oder konstruktive Interferenz auftritt.
Dieses Interferenzmuster kann dann mittels eines Spektrometers spektral
analysiert werden und ausgewertet werden. Beispielsweise aus dem
Abstand zweier Maxima oder Minima kann die optische Werkstückdicke bestimmt
werden.
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Selbstverständlich sind
erfindungsgemäß auch andere
Interferenzverfahren denkbar, beispielsweise mit Strahlung hoher
Kohärenzlänge (zum
Beispiel Laserstrahlung) und schrägem Strahlungseinfall.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann zur Messung der Intensität der von
dem Werkstück reflektierten
und/oder transmittierten Infrarotstrahlung die Intensität der durch
Interferenz der ersten und zweiten Strahlungsanteile entstandenen
Strahlung nach ihrer Reflexion an der Werkstückoberseite beziehungsweise
nach ihrem Austritt aus der Werkstückoberseite gemessen werden.
Die Intensitätsmesseinrichtung
ist dazu entsprechend ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung kann
also die Intensitätsmessung
auf derselben Seite erfolgen, auf der die beiden interferierenden
Strahlungsanteile empfangen und ausgewertet werden. So kann in vorteilhafter Weise
für die
Intensitätsmessung
und die Auswertung des Interferenzmusters dieselbe Messanordnung
genutzt werden. Eine besonders hohe Genauigkeit kann erreicht werden,
wenn zur Messung der Intensität
ein Intensitätsunterschied
zwischen zwei definierten Punkten des Interferenzmusters, beispielsweise
einem Interferenzmaximum und einem Interferenzminimum, ermittelt
wird. Das Minimum kann insbesondere auch eine Intensität gleich
Null aufweisen.
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Gemäß einer
alternativen diesbezüglichen Ausgestaltung
kann ein dritter Strahlungsanteil an der Werkstückunterseite aus dem Werkstück austreten
und zur Messung der Intensität
der reflektierten und/oder transmittierten Infrarotstrahlung die
Intensität
des dritten Strahlungsanteils nach seinem Austritt aus dem Werkstück gemessen
werden. Wieder ist die Intensitätsmesseinrichtung
entsprechend dazu ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung wird also
die Intensität
der das Werkstück
durchstrahlenden Strahlung aufgenommen und daraus auf den Reflektions- beziehungsweise
Absorptionsgrad geschlossen. Diese Ausgestaltung bietet sich zum
Beispiel an, wenn die Unterseite des Werkstücks von außen zugänglich ist und entsprechend
durchgehende Strahlung aufgenommen werden kann.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung kann der Brechungsindex des Werkstücks bestimmt
werden, und die mechanische Werkstückdicke unter Berücksichtigung
des ermittelten Brechungsindexes aus der optischen Werkstückdicke
ermittelt werden. Der Brechungsindex kann beispielsweise aus einer
den Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Intensität
beziehungsweise dem Intensitätsunterschied
der von dem Werkstück
reflektierten und/oder transmittierten Infrarotstrahlung darstellenden Kennlinie
ermittelt werden. Eine solche Kennlinie kann im Rahmen einer Kalibrierung
erstellt werden und beispielsweise in der Auswerteeinrichtung hinterlegt
sein. Es ist auch denkbar, die mechanische Werkstückdicke
mittels eines Kennfelds zu ermitteln. Ein solches Kennfeld kann
zum Beispiel die Werkstückdicke
in Abhängigkeit
von der Intensität
beziehungsweise dem Intensitätsunterschied
und dem Brechungsindex darstellen. Auch ein solches Kennfeld wird üblicherweise
im Rahmen einer Kalibration erstellt. Der Einsatz von Kennlinien
bzw. Kennfeldern führt
zu einer besonders einfachen Auswertung der aufgenommenen Strahlung.
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Die
Werkstückdicke
kann alternativ auch gemessen werden, indem mittels mindestens zweier oberhalb
und unterhalb des Bereichs außerhalb
des Arbeitsspalts angeordneter optischer Messeinrichtungen die Abstände zwischen
der jeweiligen Messeinrichtung und der Ober- bzw. Unterseite eines
den Bereich durchlaufenden Werkstücks gemessen werden und die
Werkstückdicke
aus den gemessenen Abständen
mittels einer Differenzmessung bestimmt wird. Es kann bei dieser
Ausgestaltung beispielsweise eine Laufzeitmessung mittels zweier
Laser erfolgen, wobei ein Laser oberhalb des Werkstück angeordnet
ist und ein Laser unterhalb. Aus der jeweiligen Laufzeit der Laserstrahlung
von der Laserquelle zu dem Werkstück und zurück kann auf den Abstand geschlossen
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Bearbeitungsmaschine im Bereich
außerhalb
des Arbeitsspalts eine entlang der von einem Werkstück durchlaufenen
Bahn vor der Messeinrichtung angeordnete Reinigungsvorrichtung,
beispielsweise eine Spülvorrichtung,
aufweisen, mit der auf dem Werkstück befindliches Prozessmedium,
beispielsweise Polier- oder Läppmittel,
vor einer Dickenmessung entfernt werden kann. Auf diese Weise ist
es möglich, für die optische
Dickenmessung störendes
Prozessmedium vor der Messung von dem Werkstück zu entfernen. Um das Werkstück nach
dem Durchlaufen des Überlaufs
wieder problemlos der weiteren Bearbeitung zuführen zu können, kann weiter vorgesehen sein,
dass die Bearbeitungsmaschine im Bereich außerhalb des Arbeitsspalts eine
entlang der von einem Werkstück
durchlaufenen Bahn hinter der Messeinrichtung angeordnete Einrichtung
zum (Wieder-)Aufbringen von Prozessmedium, beispielsweise Polier- oder
Lappmittel, auf das Werkstück
nach einer Dickenmessung aufweist. Es kann nach Durchführung der
Messung also das vor der Messung entfernte Prozessmedium wieder
auf das Werkstück
aufgebracht werden. Entlang der Bahn der Werkstücke durch den Überlauf
können
also hintereinander eine Reinigungsvorrichtung, eine Messeinrichtung
und eine Einrichtung zum Wiederaufbringen von Prozessmedium vorgesehen
sein.
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Weiterhin
kann die Messeinrichtung eine Messreinigungsvorrichtung aufweisen,
mit der zumindest ein Teil der Messeinrichtung mit einem Reinigungsmedium,
insbesondere einem Reinigungsfluid (Gas oder Flüssigkeit), umspült werden
kann. Dabei kann eine Spülung
eines optischen Messkopfes erfolgen, um diesen vor das Messergebnis
verfälschenden
Verschmutzungen zu schützen.
Als Reinigungsfluid kommt beispielsweise saubere Luft oder ein entsprechendes
wasserhaltiges Fluid in Frage. Die Spülung eines Messkopfs kann aber
auch mit dem auf dem Werkstück
befindlichen Prozessmedium erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung können
die Läuferscheiben
für die
Zeitdauer der Dickenmessung mit einer im Vergleich zur normalen
Bearbeitungsgeschwindigkeit verminderten Rotationsgeschwindigkeit
betrieben werden. Die Läuferscheiben können für die Messung
natürlich
auch vollständig angehalten
werden. Die Werkstücke
durchlaufen den für
die optische Messung genutzten Bereich, beispielsweise den Überlauf,
bei dieser Ausgestaltung also langsamer. Auf diese Weise ist eine
genauere Messung der Dicke möglich.
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Es
kann weiterhin vorgesehen sein, die Position der zur Dickenmessung
eingesetzten Messeinrichtung in Abhängigkeit von einem Verschleiß der Bearbeitungsmaschine,
insbesondere der Arbeitsscheiben, anzupassen. Die Arbeitsscheiben
bzw. Arbeitsbeläge
nutzen sich im Betrieb ab. Beispielsweise die obere Arbeitsscheibe wird
dann entsprechend neu auf die Werkstücke zugestellt, so dass wieder der
gewünschte
Druck auf das Werkstück
ausgeübt wird.
Je nach Verschleiß kann
sich dadurch der Arbeitsspalt beispielsweise insgesamt nach unten
verschieben. Erfolgt beispielsweise eine Abstandsmessung mit Laser
zur Dickenmessung beeinflusst eine Verschiebung des Arbeitsspalts
das Messergebnis. Deshalb ist bei dieser Ausgestaltung beispielsweise vorgesehen,
dass die Messeinrichtung entsprechend der Verlagerung des Arbeitsspalts
ebenfalls verlagert werden kann. Durch ein solches Nachführen der Messeinrichtung
wird die Genauigkeit auch bei einem Verschleiß der Maschine jederzeit aufrechterhalten.
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Die
Bearbeitungsmaschine kann weiterhin eine Steuereinrichtung aufweisen,
mit der in Abhängigkeit
von einer ermittelten Werkstückdicke und/oder
eines ermittelten Werkstückdickenprofils die
Bearbeitungsparameter der Bearbeitungsmaschine angepasst werden
können.
Die Steuereinrichtung kann selbstverständlich auch eine Regeleinrichtung sein.
Aus einer Rückmeldung
der Werkstückdicke
an die Maschinensteuerung kann eine Steuerung und/oder Regelung
der Maschinenparameter („Rezeptempfehlung/-variation”) erfolgen.
Eine solche Anpassung der Parameter der Maschine kann beispielsweise
ein Abschalten der Maschine bei Erreichen eines vorgegebenen Materialabtrags,
also einer vorgegebenen Werkstückdicke,
sein. Ein anderes Beispiel ist das Auftreten einer unerwünschten
Konvexität
oder Konkavität
eines gemessenen radialen Dickenprofils der Werkstücke. In
diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Arbeitsscheiben
bzw. die Arbeitsbeläge
entsprechend eine unerwünschte
Konkavität
bzw. Konvexität
aufweisen. Um dies zu korrigieren, kann dann als Bearbeitungsparameter
die Geometrie der Arbeitsscheiben beispielsweise durch Ausüben mechanischen
Drucks in gewünschter
Weise beeinflusst werden. Ein weiteres Beispiel sind sogenannte
segmentierte Arbeitsbeläge,
z. B. bei Poliertellern. Bei solchen Arbeitsbelägen kann entsprechend einer
gemessenen Geometrie des Werkstücks
gezielt Druck auf einzelne Segmente des Arbeitsbelags ausgeübt werden,
so dass eine gezielte Geometrieeinstellung möglich ist.
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Die
erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine
kann zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgebildet sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen schematisch:
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1 einen
Teil einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine
in einer Draufsicht,
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2 einen
Ausschnitt der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine
in einer Draufsicht,
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3 einen
Ausschnitt der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine
in einem Querschnitt,
-
4 einen
Aufbau der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
nach einem Ausführungsbeispiel, und
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5 eine
Skizze zur Veranschaulichung der Strahlengänge bei der Erfindung.
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Soweit
nichts anderes angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche
Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
In 1 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Doppelseitenbearbeitungsmaschine 10 in
einer Draufsicht dargestellt. Zu erkennen ist die untere Arbeitsscheibe 11 mit
einer unteren Arbeitsfläche 12,
die zusammen mit einer nicht näher dargestellten
Arbeitsfläche
einer oberen Arbeitsscheibe einen Arbeitsspalt begrenzt. In dem
Arbeitsspalt sind mehrere Läuferscheiben 14 angeordnet, die
jeweils mehrere Ausnehmungen 16 für in 1 nicht
dargestellte Werkstücke,
beispielsweise Halbleiterscheiben, wie Silizium-Wafer, aufweisen.
In dem dargestellten Beispiel besitzt jede Läuferscheibe 14 vier
Ausnehmungen 16. Die Läuferscheiben 14 sind mittels
einer Abwälzvorrichtung
in Rotation versetzbar, wodurch sie zusammen mit den in ihren Ausnehmungen 16 aufgenommenen
Werkstücken
eine zykloidische Bahn beschreiben.
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Im
Zuge der zykloidischen Bahnbewegung durchlaufen die Ausnehmungen 16 und
mit ihnen darin aufgenommene Werkstücke teilweise einen Bereich 18 außerhalb
des durch die untere Arbeitsfläche 12 und
obere Arbeitsfläche
begrenzten Arbeitsspalts. Dieser Bereich 18 wird auch als Überlauf 18 bezeichnet.
In der Draufsicht in 2 ist dieser an der Außenseite
des ringförmigen
Arbeitsspalts angeordnete Überlauf 18 vergrößert dargestellt.
Ein zweiter Bereich 19 außerhalb des ringförmigen Arbeitsspalts
befindet sich in 1 an der Innenseite des Arbeitsspalts.
Obgleich im Folgenden eine Dickenmessung an dem Überlauf 18 an der
Spaltaußenseite beschrieben
wird, wäre
eine solche Dickenmessung in analoger Weise auch in dem Überlauf 19 an
der Innenseite des Spalts möglich.
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In 2 ist
darüber
hinaus als obere Arbeitsscheibe 20 eine Läppscheibe 20 dargestellt.
In dem in 2 gezeigten Beispiel durchläuft ein
Werkstück den Überlauf 18 entlang
einer durch den Pfeil 22 veranschaulichten Bahn 22.
Entlang dieser Bahn 22 sind in dem Überlauf 18 hintereinander
eine Reinigungsvorrichtung 24, in dem dargestellten Beispiel
eine Spülvorrichtung 24,
eine optische Messeinrichtung 26 sowie eine Einrichtung 28 zum
Aufbringen von Prozessmedium, in dem dargestellten Beispiel einem Läppmittel,
auf das Werkstück
angeordnet. Mit der Spülvorrichtung 24,
vorliegend einer Wasserspülung, wird
auf dem Werkstück
befindliches Läppmittel
vor dem Durchlaufen der optischen Messeinrichtung 26 von
dem Werkstück
entfernt. Anschließend
wird mit der optischen Messeinrichtung 26 im Überlauf 18 direkt
die Dicke des Werkstücks
gemessen. Um das Werkstück
anschließend
wieder dem normalen Bearbeitungsprozess zuführen zu können, wird mit der Einrichtung 28 das
zuvor entfernte Läppmittel
wieder auf das Werkstück
aufgebracht. Zumindest während des
Messvorgangs kann dabei die Drehzahl der Bearbeitungsmaschine 10 und
insbesondere der Läuferscheiben 14 gegenüber dem
normalen Betrieb reduziert werden.
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In 3 ist
die Messeinrichtung 26 genauer dargestellt. Dabei ist zu
erkennen, wie ein in einer Läuferscheibe 14 aufgenommenes
Werkstück 30, vorliegend
ein Silizium-Wafer 30, den Überlauf 18 durchläuft. Der
Wafer 30 befindet sich zwischen der Läppscheibe 20 und der
unteren Arbeitsscheibe 11 und insbesondere in dem zwischen
der oberen Arbeitsfläche 21 der
Läppscheibe 20 und
der unteren Arbeitsfläche 12 der
unteren Arbeitsscheibe 11 begrenzten Arbeitsspalt 31.
In dem Bereich des Überlaufs 18 ist
die optische Messvorrichtung 26, vorliegend eine infrarotinterferometrische
Messeinrichtung 26 angeordnet. Mit der Messeinrichtung 26 wird
ein Infrarotstrahlungsspektrum 32, also Infrarotstrahlung unterschiedlicher
Wellenlängen
bzw. Frequenzen, auf die Oberseite 34 des Wafers 30 gerichtet.
Die Messvorrichtung 26 besitzt ein Gehäuse 36, das an seiner
Unterseite durch einen magnetisch getriebenen Deckel 38 verschließbar ist.
Die Messvorrichtung 26 besitzt weiterhin eine Messreinigungsvorrichtung, die
in dem dargestellten Beispiel einen Luftstrom 40 zum Freihalten
des Messkopfes von Verunreinigungen erzeugt.
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Die
von der Messeinrichtung 26 und insbesondere einer Infrarotstrahlungsquelle
auf die Werkstückoberseite 34 gerichtete
Infrarotstrahlung 32 wird mit einem ersten Strahlungsanteil
an der Werkstückoberseite 34 reflektiert,
während
ein zweiter Strahlungsanteil die Werkstückdicke durchdringt, an der Werkstückunterseite
reflektiert wird und direkt bzw. nach mehreren Reflektionen an der
Innenseite der Oberseite 34 und der Werkstückunterseite 42 wieder an
der Werkstückoberseite 34 austritt.
Die von dem Werkstück 30 zurückkommenden
ersten und zweiten Strahlungsanteile gelangen zu einer in 3 lediglich
schematisch dargestellten Sensor- und
Auswerteeinrichtung 44.
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In 4 ist
der Aufbau der Messeinrichtung 26 und insbesondere der
Sensor- und Auswerteeinrichtung 44 genauer dargestellt.
Dabei ist der Silizium-Wafer 30 gezeigt, dessen mechanische
Dicke d gemessen werden soll. Eine Infrarotstrahlungsquelle 46,
vorliegend eine Infrarotlampe 46 erzeugt die Infrarotstrahlung 32.
Durch einen Strahlteiler 48, beispielsweise einen halbdurchlässigen Spiegel 48,
gelangt die durch eine Optik 50 fokussierte Infrarotstrahlung 32 unter
senkrechtem Einfall auf die Oberseite 34 des Wafers 30.
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Der
Strahlengang beim Auftreffen auf den Wafer 30 ist in 5 genauer
dargestellt. Ein erster Strahlungsanteil 52 wird an der
Werkstückoberseite 34 reflektiert
und läuft
senkrecht zum Strahlteiler 48 zurück. Ein weiterer Strahlungsanteil 53 durchdringt die
Werkstückdicke
d, wird an der Werkstückunterseite 42 (teil-)reflektiert,
durchläuft
die Werkstückdicke
d nochmals von der Unterseite 42 zu der Oberseite 34 und
tritt zumindest teilweise als zweiter Strahlungsanteil 54 wieder
an der Werkstückoberseite 34 aus.
Die die Werkstückdicke
d von der Werkstückunterseite 42 zur
Oberseite 34 zurück
durchlaufende Strahlung 53 wird an der Oberseite 34 wiederum teilreflektiert,
so dass ein weiterer Strahlungsanteil 56 die Werkstückdicke
d wieder von der Oberseite 34 zur Werkstückunterseite 42 durchläuft, und
so weiter. Diese Strahlengänge
sind an sich bekannt. Da die Strahlung 53 an der Werkstückunterseite 42 nur
teilreflektiert wird, tritt bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein dritter Strahlungsanteil 58 an der Werkstückunterseite 42 aus.
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Der
erste und zweite Strahlungsanteil 52, 54 (und
gegebenenfalls weitere reflektierte Strahlungsanteile) treffen nach
ihrer Reflexion bzw. nach ihrem Wiederaustritt aus dem Werkstück 30 erneut
auf den Strahlteiler 48 und werden von diesem senkrecht
abgelenkt und zu einem Spektrometer 60 geführt. In dem
dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Spektrometer 60 um
ein Gitterspekrometer 60. Durch dieses Spektrometer 60 wird
die auf das Spektrometer 60 treffende Infrarotstrahlung 32 spektral
aufgefächert,
wie dies in 4 schematisch als Spektrum 62 dargestellt
ist. In dem Spektrum 62 ist lediglich zur Veranschaulichung
die Strahlungsintensität
in beliebigen Einheiten über
der Wellenlänge
aufgetragen.
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Der
von dem Wafer 30 zurückkommende
Teil der Infrarotstrahlung 32, insbesondere der erste und zweite
Strahlungsanteil 52, 54 interferieren miteinander
in ebenfalls an sich bekannter Weise. Je nach dem durch die Waferdicke
d verursachten Gangunterschied der Strahlungsanteile 52, 54 kommt
es zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz. Ein entsprechendes
Interferenzdiagramm ist in allgemeiner und schematischer Weise in 4 bei
dem Bezugszeichen 64 dargestellt. In dem Interferenzdiagramm 64 ist
wiederum die Intensität
in beliebigen Einheiten über
der Wellenlänge
aufgetragen. Es ergibt sich ein Interferenzmuster 66. Durch
eine Auswertung des Intensitätssignals
in dem Interferenzdiagramm 64 wird die Dicke d des Werkstücks 30 bestimmt.
Beispielsweise aus dem Abstand 68 zweier Interferenzmaxima
kann in dem Fachmann an sich bekannter Weise die optische Werkstückdicke
L als Produkt der mechanischen Werkstückdicke d und des Brechungsindexes
des Wafers 30 ermittelt werden. Der Intensitätsunterschied 70 zwischen
einem Interferenzmaximum und einem Interferenzminimum enthält eine
Information über
die Reflektivität
des Wafers 30. Auf Grundlage des gemessenen Intensitätsunterschieds 70 kann
z. B. anhand einer im Rahmen einer Kalibrierung erstellten Kennlinie
der Brechungsindex des Wafers 30 bestimmt werden. Auf dieser
Grundlage kann die mechanische Werkstückdicke d als Quotient aus
der ermittelten optischen Werkstückdicke
L und dem ebenfalls ermittelten Brechungsindex n berechnet werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine
ist online während
der Bearbeitung eines Werkstücks 30 eine
im Vergleich zum Stand der Technik genauere Dickenmessung möglich. Dabei
kann zumindest der in dem Überlauf 18 befindliche
Teil des Werkstücks 30 radial
vermessen werden, wobei entlang einer radialen Oberflächenlinie
auf dem Werkstück
nacheinander das Verfahren zur Dickenmessung durchgeführt wird
und so ein radiales Dickenprofil erstellt wird.
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Auf
Grundlage dieser Dickenmessung können
Rückschlüsse auf
die Geometrie des Werkstücks 30 und
insbesondere ein Vergleich der gemessenen Geometrie mit einer vorgegebenen
Geometrie erfolgen. Auf dieser Grundlage können von einer nicht näher dargestellten
Steuer- und/oder Regeleinrichtung ein oder mehrere Parameter der
Bearbeitungsmaschine angepasst werden, um die Werkstückgeometrie
in der gewünschten
Weise zu beeinflussen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass obgleich in dem in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiel
eine optische Messung der Werkstückdicke
in dem von den Werkstücken
durchlaufenen Bereich außerhalb
des Arbeitsspalts beschrieben ist, erfindungsgemäß in analoger Weise auch eine
Dickenmessung mittels einer oder mehrerer in den Arbeitsscheiben
der Maschine, beispielsweise der oberen Arbeitsscheibe, angeordneten
optischen Messeinrichtungen erfolgen kann.