DE102009033206A1 - Polishing method and polishing apparatus for correcting geometric deviation errors on precision surfaces - Google Patents
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Abstract
Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen, bei dem die Maßabweichungen von der gewünschten Geometrie ermittelt werden, eine elastische Oberfläche (19) auf die Werkstückoberfläche (14) aufgesetzt wird und die Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes der elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche und Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zueinander poliert wird. Dabei ist das Material der elastischen Oberfläche so gewählt, dass es eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen.A method and a device for polishing and shaping workpiece surfaces are described, in which the dimensional deviations from the desired geometry are determined, an elastic surface (19) is placed on the workpiece surface (14) and the workpiece surface is created by generating a pressure on the elastic surface on the workpiece surface and moving the elastic surface and the workpiece surface relative to each other. The material of the elastic surface is selected so that it has a dynamic dependency in such a way that the force which is necessary to generate a time-varying deformation in the material is greater for rapid deformations than for slow deformations.
Description
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
In vielen technischen Anwendungen werden Oberflächen einer wohldefinierten Gestalt benötigt. Der Grad der Abweichung der tatsächlichen Gestalt von einer im technischen Verfahren angenommenen ist dabei entscheidend für die Anwendbarkeit.In Many technical applications become one of a kind well-defined shape needed. The degree of deviation the actual shape of one in the technical process It is crucial for applicability.
Beispiele
von Anwendungen, bei denen die Genauigkeit solcher wohldefinierten
Oberflächenformen eine wesentliche Rolle spielen sind:
Oberflächen
von optischen Elementen wie Linsen und Spiegel.Examples of applications where the accuracy of such well-defined surface shapes play a significant role:
Surfaces of optical elements such as lenses and mirrors.
In optischen Systemen werden die gewünschten Abbildungseigenschaften dadurch erreicht, dass das elektromagnetische Feld des verwendeten Lichtes mit Hilfe der Brechung (Linsen) und der Reflektion (Spiegel) an wohldefinierten Grenzflächen von Materialien unterschiedlicher optischer Eigenschaften in der gewünschten Art und Weise beeinflusst wird. Die tolerierbaren Abweichungen von der idealen Oberflächenform liegen dabei im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge. Je geringer die Abweichung desto größer ist die Güte der optischen Abbildung. Gerade für optische Systeme mit hohen numerischen Aperturen wie sie zum Beispiel in den Projektionssystemen für die Halbleiterlithographie verwendet werden, kommt erschwerend hinzu, dass die Form der optischen Grenzflächen nicht mehr durch eine einfache Kugeloberfläche genähert werden kann, sondern asphärische Geometrien notwendig sind.In optical systems become the desired imaging properties achieved by the fact that the electromagnetic field of the used Light with the help of refraction (lenses) and the reflection (mirror) well-defined interfaces of materials of different optical properties in the desired manner being affected. The tolerable deviations from the ideal Surface shape are in the range of fractions the wavelength. The smaller the deviation the larger is the goodness of the optical picture. Especially for optical systems with high numerical apertures like those for example in the projection systems for semiconductor lithography to be used, aggravating that the shape of the optical Interfaces no longer by a simple spherical surface can be approximated, but aspherical geometries necessary.
Planarität
von zu strukturierenden Oberflächen in der Halbleiter-
und Mikrosystemfertigung:
In der Halbleiterfertigung werden
die elektronischen Bauteile mit Hilfe von lithografischen Strukturierungsverfahren
auf Siliziumsubstraten aufgebaut. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
versucht man dabei, die Abmessungen der Bauteile (insbesondere der
Transistoren) immer kleiner zu fertigen, um die Zahl der Bauteile
pro Siliziumflächeneinheit zu erhöhen. Die dabei
verwendeten optischen Abbildungsverfahren werden mit steigendem
Auflösungsvermögen auch immer empfindlicher gegenüber
Defokusfehlern, d. h. insbesondere auch Abweichungen von der zu
strukturierenden Oberfläche von der Fokusebene des optischen
Systems. Daher ist es notwendig, die zu strukturierenden Oberflächen
möglichst planar zu bekommen. Dies gilt sowohl für
die Oberfläche der Ausgangsubstrate als auch für
die Oberfläche von Zwischenschichten. Beispielsweise müssen
die Oberfläche von dielektrischen Schichten, die die elektronischen
Bauteile von der darüberliegenden Metallisierungsebene
oder aufeinanderfolgende Metallisierungsebenen voneinander isolieren,
sehr eben sein.Planarity of surfaces to be structured in semiconductor and microsystem production:
In semiconductor manufacturing, electronic components are built up on silicon substrates using lithographic patterning techniques. For reasons of economy, attempts are made to make the dimensions of the components (in particular of the transistors) smaller and smaller in order to increase the number of components per silicon area unit. The optical imaging methods used in this process also become more sensitive to defocus errors with increasing resolution, ie in particular also deviations from the surface to be structured from the focal plane of the optical system. Therefore, it is necessary to get the surfaces to be structured as planar as possible. This applies both to the surface of the starting substrates and to the surface of intermediate layers. For example, the surface of dielectric layers insulating the electronic components from the overlying metallization level or successive metallization levels must be very flat.
Planarität
von Maskensubstraten in der EUV (extreme ultraviolet) Lithographie
Um den oben angesprochenen Trend zu immer kleineren Strukturgrößen
in der Halbleiterfertigung weiter zu verfolgen, ist man darauf angewiesen
kleinere Wellenlängen als die derzeit eingesetzten zu verwenden.
Ein weit verbreiteter Ansatz ist es, weiche Röntgenstrahlung
mit einer Vakuumwellenlänge von etwa 13.5 nm zu verwenden.
Für diese Strahlung ist kein hinreichend transparentes
Material zur Verwendung in refraktiven optischen Elementen bekannt.
Daher werden optische Systeme ausschließlich aus reflektiven
Elementen aufgebaut. Um den einfallenden vom reflektierten Strahl
räumlich zu trennen, wird mit Einfallswinkeln gearbeitet,
die leicht vom senkrechten Einfall abweichen (typischerweise 6 Grad).
Für die Photomaske, die das abzubildende Schaltkreismuster
trägt, ergibt sich daraus wiederum eine sehr strikte Anforderung
an die Planarität der Oberfläche. Wie in
Festplattenscheiben:Hard drive disks:
Bei den heute gängigen magnetischen Massenspeichern, den sogenannten Festplattenlaufwerken, wird die binäre Information als Polarisationsrichtung einer kleinen magnetischen Domäne abgespeichert. Die Domänen werden durch eine magnetische Schicht gebildete, die auf einer schnell rotierenden Scheibe aufgebracht ist. Zum Lesezugriff muss ein magnetischer Sensor in sehr geringem Abstand über die magnetische Schicht geführt werden, um die Polarisationsrichtung der Domänen zweifelsfrei messen zu können. Um die dafür notwendige geringen Abstände zwischen Lesekopf und magnetischer Schicht bei den erforderlichen hohen Lesegeschwindigkeiten zu ermöglichen, muss die magnetische Schicht auf einem sehr ebenen Substrat aufgebracht werden.at the today common magnetic mass storage, the so-called Hard disk drives, the binary information is called Polarization direction of a small magnetic domain stored. The domains are characterized by a magnetic Layer formed on a fast rotating disc is. For read access, a magnetic sensor in very low Distance over the magnetic layer, to unequivocally measure the polarization direction of the domains to be able to. To the necessary small distances between read head and magnetic layer in the required To enable high reading speeds, the magnetic must Layer can be applied to a very flat substrate.
Typischerweise dürfen bei den geschilderten Anwendungen die Abweichungen von der Sollgeometrie nur wenige Nanometer betragen,typically, may in the described applications, the deviations of the nominal geometry only a few nanometers,
Zur Vereinfachung wird im Folgenden mit dem Begriff „Werkstückoberfläche” nur derjenige Teil der Oberfläche des Werkstückes bezeichnet, für den die Anforderungen in Bezug auf Formabweichung und Rauigkeit gelten soll.to Simplification is hereafter with the term "workpiece surface" only that part of the surface of the workpiece for which the requirements in terms of shape deviation and roughness should apply.
Es ist in der technischen Optik üblich gekrümmte Oberflächen, die von der sphärischen Geometrie abweichen in sogenannte Asphären und Freiformflächen einzuteilen, wobei der erste Begriff solche Flächen bezeichnet, die noch eine Rotationssymmetrie aufweisen. Da diese Unterscheidung für die Anwendung des hier offengelegten Verfahrens nicht wesentlich ist, werden im folgenden die Begriffe „Freiformfläche” und „asphärische” Fläche oder kurz „Asphäre” als synonyme Begriff für eine von der Kugelform abweichende gekrümmte Oberfläche verwendet.It is curved in the technical optics usual Surfaces by the spherical geometry deviate into so-called aspheres and free-form surfaces divide, the first term designating such areas, which still have a rotational symmetry. Because this distinction for the application of the method disclosed here not is essential, in the following the terms "freeform surface" and "aspherical" surface or in short "Asphere" as synonymous term for a curved surface deviating from the spherical shape used.
Um die oben beschriebenen Anforderungen an die Formabweichungen von Oberflächen zu erreichen, werden nach dem Stand der Technik Polierverfahren eingesetzt. Die Notwendigkeit für solche Polierverfahren entsteht daraus, das die vorangegangenen Prozessschritte eine nicht tolerierbare Oberflächenrauigkeit hinterlassen haben.Around the above described form deviation requirements of To achieve surfaces are according to the prior art Polishing method used. The need for such Polishing arises from this, the previous process steps leave an intolerable surface roughness to have.
Für optische Bauteile und auch Wafersubstrate sind dies mechanische Bearbeitungsverfahren wie Sägen, Schleifen oder Fräsen mit welchen die Werkstückoberfläche in die gewünschte Form gebracht wird.For optical components and wafer substrates, these are mechanical Machining processes such as sawing, grinding or milling with which the workpiece surface in the desired Shape is brought.
Im Falle der Halbleiterfertigung und bei der Fertigung von Mikrosystemen entsteht die Rauigkeit dadurch, dass ein integrierter Schaltkreis oder ein Mikrosystem aus mehreren Schichten von lokal abgegrenzten Bauteile endlicher Höhe aufgebaut wird. Die Bauteile werden üblicherweise mit Hilfe von lithografischen Verfahren hergestellt, die eine endliche Abbildungstiefe haben. Die Bauteilhöhe in einer Schicht erzeugt intrinsisch eine Oberflächenrauigkeit, die sich nachteilig auf die lithografische Strukturierung der nachfolgenden Bauteilebene auswirkt.in the Case of semiconductor manufacturing and in the production of microsystems The roughness is created by having an integrated circuit or a microsystem of multiple layers of locally separated components finite height is built. The components are usually produced by means of lithographic processes, which is a finite Have image depth. The component height in one layer intrinsically produces a surface roughness that is detrimental to the lithographic patterning of the following Component level.
Polierverfahren haben die Aufgabe, die aus den vorangegangenen Prozessschritten übrig gebliebene Oberflächenrauigkeit auf das erforderliche Maß zu reduzieren, ohne jedoch die Oberflächenform über das tolerierbare Maß hinaus zu verändern.polishing process have the task left over from the previous process steps remaining surface roughness to the required extent reduce, but without the surface shape over to change the tolerable level.
FlächenpolierverfahrenSurface polishing process
Zu diesem Zweck werden Formkörper aus nichtdeformierbaren Materialien verwendet, deren Form der Negativabdruck der Werkstückoberfläche ist, im folgenden auch Polierkissenträger genannt. Auf diese Formkörper werden Polierkissen aus elastischen Materialien befestigt.To For this purpose, moldings of non-deformable Materials used whose shape is the negative impression of the workpiece surface is, in the following also called Polierkissenträger. On These moldings are polishing pads made of elastic materials attached.
Der so entstandene Polierkopf wird durch eine geeignete mechanische Vorrichtung unter einem definierten Druck auf die Werkstückoberfläche gedrückt. Gleichzeitig werden das Werkstück und der Polierkopf derart in Bewegung versetzt, dass ihre Oberflächen eine Relativbewegung zueinander ausführen.Of the The resulting polishing head is characterized by a suitable mechanical Device under a defined pressure on the workpiece surface pressed. At the same time the workpiece and the polishing head is set in motion so that their surfaces perform a relative movement to each other.
In den Spalt zwischen Polierkissen und Werkstück wird eine sogenanntes Poliermittel gegeben, Dies ist typischerweise eine Suspension aus sehr kleinen Polierpartikeln eines hinreichend harten Materials. Weiterhin sind in der Flüssigkeit gegebenenfalls geeignete Reagenzien für einen chemischen Angriff des zu polierenden Materials gelöst.In the gap between the polishing pad and the workpiece becomes a So-called polish, this is typically a suspension from very small polishing particles of a sufficiently hard material. Furthermore, in the liquid optionally suitable Reagents for a chemical attack of the to be polished Material solved.
Die Polierpartikel in der Suspension werden vom Polierkissen gegen die Werkstückoberfläche gedrückt und gleichzeitig durch die Relativbewegung über die Oberfläche bewegt. Diese Kombination aus Druck und Bewegung bewirkt einen Materialabtrag ähnlich dem makroskopischen Kratzen.The Polishing particles in the suspension are from the polishing pad against the Workpiece surface pressed and simultaneously by the relative movement over the surface emotional. This combination of pressure and movement causes a material removal similar the macroscopic scratching.
Dieser mechanische Materialabtrag kann durch den chemischen Angriff der Oberfläche unterstützt werden, in dem die im Schleifmittel enthaltenen Reagenzien die chemische Beschaffenheit der Oberfläche so verändern, dass der mechanische Abtrag erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird.This Mechanical material removal can be due to the chemical attack of the Surface to be supported, in which the in the abrasive contained reagents the chemical nature of the surface change so that the mechanical removal easier or at all only possible.
Bei
derartigen Polierverfahren kann der makroskopische Materialabtrag
durch die sogenannte Preston Gleichung beschrieben werden (
Aus der Druckabhängigkeit des Materialabtrages resultiert die glättende Wirkung des Verfahrens. An lokalen Erhebungen der Oberfläche wird das elastische Polierkissen stärker eingedrückt. Daher setzt es der eindrückenden Oberfläche einen stärkeren Widerstand entgegen. Diese lokale Druckverstärkung bewirkt nach der oben erwähnten Preston'schen Gleichung einen größeren Materialabtrag als in der tiefergelegenen Umgebung. Dadurch wird die lokale Erhebung schneller abgetragen. Dieser Effekt setzt sich solange fort, bis die Kompression des Polierkissen über die gesamte Kontaktfläche gleich ist. Dann herrscht überall der gleiche Anpressdruck und die Oberfläche des Werkstücks wird nur noch gleichmäßig abgetragen.Out the pressure dependence of the material removal results in the smoothing effect of the process. At local surveys The surface of the elastic polishing pad becomes stronger pressed. Therefore it sets the impressing Surface against a stronger resistance. This local pressure boost causes after the above-mentioned Preston's equation a larger material removal as in the lower environment. This will be the local survey removed faster. This effect continues until the compression of the polishing pad over the entire contact surface is equal to. Then there is the same contact pressure everywhere and the surface of the workpiece only becomes evenly removed.
Es ist unmittelbar klar, dass bei diesem Verfahren die Oberflächenform des Werkstückes sich nach und nach der Form des Polierkopfes anpassen wird, und zwar um so stärker, je länger der Poliervorgang dauert. Für ebene Werkstücke bedeutet dies, dass der Polierkissenträger und das Polierkissen selbst sehr eben gearbeitet sein muss, damit auch das Werkstück eben bleibt.It it is immediately clear that in this process the surface shape of the workpiece gradually the shape of the polishing head will adapt, and the more so, the longer the polishing process takes. For flat workpieces This means that the polishing pad holder and the polishing pad even worked very flat, so that the workpiece just stays.
Für das Polieren von asphärischen Flächen und Freiformflächen stellt diese Tatsache eine prinzipbedingtes Problem dar. Um die Relativbewegung zwischen Polierkissen und Werkstück zu realisieren müssen beide Oberflächen in gewissen Grenzen laufend gegeneinander bewegt werden. Die Bedingung einer perfekten Übereinstimmung der Oberflächenform kann aber für Asphären im besten Fall nur in einem Punkt gewährleistet werden. In leicht verschobenen Positionen treten Anpassungsabweichungen auf.For the polishing of aspherical surfaces and free-form surfaces This fact constitutes a principle problem Relative movement between polishing pad and workpiece too Both surfaces have to be realized in certain ways Borders are constantly being moved against each other. The condition of a perfect match of the surface shape But in aspirations at best only in one Point to be guaranteed. In slightly shifted positions Adaptation deviations occur.
Darüber hinaus ist es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht möglich für jede Freiformfläche einen dedizierten Polierkopf bereitzustellen. Stattdessen hält man üblicherweise einen mehr oder minder großen Satz an Polierköpfen unterschiedlicher Krümmungsformen vor und wählt je nach Anwendung den passendsten aus. Diese nur näherungsweise Anpassung der Oberflächengeometrie vergrößert den Formfehler zusätzlich.About that In addition, it is not for reasons of economy possible for each freeform surface a dedicated To provide polishing head. Instead, you usually hold a more or less large set of polishing heads different curvature forms before and selects depending on the application the most appropriate. These only approximately Increased adaptation of the surface geometry the formal error in addition.
Zur Lösung dieses Problems sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden, bei denen die Form des Polierkopfes direkt an das zu schleifende Werkzeug angepasst werden kann, etwa durch verschiebbare Metallstifte oder durch thermisch verformbare Materialien. Bei diesen Verfahren bleibt das zuvor beschriebene Problem bestehen, dass die Anpassung nur in einem Punkt exakt vorgenommen werden kann. Wegen der zum mechanischen Abtrag erforderlichen Relativbewegung, ist eine Oberflächenabweichung in den anderen Punkten nicht zu vermeiden. Darüber hinaus kann eine durch die vorangegangenen Arbeitsschritte verursachte Formabweichung nicht mehr korrigieren, da sie ja in das Polierwerkzeug eingeprägt wird.to The solution to this problem are methods and devices have become known in which the shape of the polishing head directly The tool to be ground can be adjusted, for example by sliding Metal pins or thermally deformable materials. In these Method remains the problem described above that the Adjustment can only be made exactly in one point. Because of the required for mechanical removal relative movement is a Surface deviation in the other points unavoidable. In addition, one can through the previous work steps no longer correct the form deviation caused, since it is in the polishing tool is impressed.
Lokale PolierverfahrenLocal polishing process
Zur Vermeidung dieser Probleme bei Verwendung von großflächigen Polierköpfen beziehungsweise zur Korrektur der durch die flächigen Polierverfahren erzeugten Fehler, werden lokale Polierverfahren eingesetzt, die es erlauben lokale Korrekturen der Oberflächenform anzubringen und dabei die Rauigkeit nicht über ein tolerierbares Maß zu erhöhen.to Avoid these problems when using large area Polishing heads or for the correction of the planar polishing processes generated errors, become local Polishing methods are used, which allow local corrections of the To attach surface shape while the roughness does not have a increase tolerable level.
Eine Gruppe von solchen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug so ausgeführt ist, dass das Polierkissen entweder an sich nur eine geringe Ausdehnung hat (z. B. bei den sogenannten Polierstiften) oder so geformt und geführt wird, dass zu jedem Zeitpunkt sich nur eine kleine Fläche im Kontakt mit dem Werkstück befindet.A Group of such methods is characterized in that the Polishing tool is designed so that the polishing pad either in itself has only a small extent (eg in the case of so-called polishing pins) or so shaped and guided will that at any one time only a small area is in contact with the workpiece.
Genau wie bei den flächigen Polierverfahren wird durch eine geeignete Bewegung des Polierwerkzeuges eine Relativbewegung zwischen Werkstück- und Polierkopfoberfläche erzeugt. Diese Relativbewegung erzeugt unter Zugabe einer Poliersuspension und unter Beaufschlagung eines geeigneten Drucks einen auf die Kontaktfläche begrenzten Materialabtrag.Exactly as in the planar polishing process is by a suitable Movement of the polishing tool a relative movement between workpiece and Polierkopfoberfläche generated. This relative movement produced with the addition of a polishing suspension and under application a suitable pressure limited to the contact surface Material removal.
Die abgetragenen Höhe wird dadurch gesteuert, wie lange der Polierkopf an einer bestimmten Stelle auf der Werkstückoberfläche polierend verweilt. Zur Korrektur von Oberflächenabweichungen von der Sollgeometrie, die aus vorangegangenen Messungen bekannt sind, werden die entsprechenden lokalen Polierdauern bestimmt.The ablated height is controlled by how long the Polishing head at a specific point on the workpiece surface buffing lingers. For correction of surface deviations from the target geometry, known from previous measurements are, the corresponding local polishing times are determined.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist die im Vergleich zu den Flächenpolierverfahren kleine Kontaktfläche zwischen Polierkopf und Werkstück, die zu langen Prozesszeiten und damit zu hohem Verschleiß des Polierkopfes führt.adversely in these methods, that is compared to the surface polishing method small contact surface between polishing head and workpiece, too long process times and thus high wear of the Polishing head leads.
Nachteilig ist außerdem, dass die Korrektur von Sollabweichungen auf solche Abweichungen beschränkt ist, deren lateralen Abmessungen mindestens so groß sind, wie die Kontaktfläche. Diese liegen typischerweise im Bereich von wenigen Millimeter.adversely is also that the correction of target deviations on such deviations is limited, their lateral dimensions are at least as large as the contact surface. These are typically in the range of a few millimeters.
Eine andere Gruppe von lokalen Polierverfahren bilden die sogenannnte magneto-rheologischen Verfahren. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass die Poliersuspension neben den Polierkörnchen auch magnetisierbare Partikel enthält. Die Poliersuspension wird auf einen Tragkörper aufgebracht und kann dann mit Hilfe eines starken Magnetfeldes verfestigt. Durch die Form des Tragkörpers und der Magnetlinien lässt sich wiederum eine kleine Kontaktfläche zwischen Werkstück und Polierkopf (hier der Tragkörper mit der magnetisch verfestigten Suspension) einstellen.A Another group of local polishing methods form the so-called magneto-rheological method. These are characterized that the polishing slurry in addition to the polishing grains also contains magnetizable particles. The polishing suspension is applied to a support body and can then with the help solidified by a strong magnetic field. Due to the shape of the supporting body and the magnetic lines can turn a small contact surface between workpiece and polishing head (here the support body with the magnetically solidified suspension).
Der weitere Poliervorgang gestaltet sich analog zu den oben beschriebenen Verfahren.Of the further polishing process is analogous to those described above Method.
Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass nur relativ geringe Abtragsraten erzielt werden können. Das hängt damit zusammen, dass die Poliersuspension durch das Magnetfeld nicht sehr stark verfestigt werden kann.adversely It is a feature of this process that only relatively low removal rates are achieved can be. That's because of that the polishing slurry is not very strongly solidified by the magnetic field can be.
Eine
weitere Methodik die nach dem Stand der Technik zur lokalen Nachbearbeitung
eingesetzt wird, besteht darin, die in der Poliersuspension gelösten
Partikel nicht durch einen festen Körper auf das Werkstück aufzudrücken,
sondern allein durch einen schnell fließenden Flüssigkeitsstrom.
Eine solches Verfahren ist beispielsweise in
Durch
den fehlenden direkten mechanischen Anpressdruck der Polierpartikel
sind die erreichbaren Abtragsraten sehr gering. Außerdem
gilt mindestens im Fall der in
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die beschriebenen Nachteile der bestehenden Polierverfahren zu verbessern. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, Formabweichungen zu korrigieren deren laterale Ausdehnung kleiner ist, als der Bereich, der mit den bestehenden Verfahren (d. h. in der Regel wenige Millimeter) poliert werden kann. Daneben werden die erforderlichen Polierzeiten verkürzt, was zum einen hilft, die Oberflächentreue (d. h. die Genauigkeit mit der die gewünschte Oberflächenform erreicht wird) zu verbessern und zum anderen den Verbrauch bzw. Verschleiß an Prozessmitteln zu verringern. Eine weitere Aufgabe besteht darin, aus den Prozessparametern eine möglichst genaue und einfache mathematische Modellierung der Oberflächengeometrie nach dem Polieren zu erhalten. Eine solche Modellierung ermöglicht es, die Geometrie etwaig verbleibender Abweichungen nach dem Polieren vorherzusagen und damit ihren Einfluss auf nachfolgende Prozessschritte und auch in der Endanwendung abzuschätzen und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen anzuwenden.Of the The present invention is therefore based on the object described Disadvantages of existing polishing process to improve. Especially allows the invention to correct shape deviations the lateral extent of which is smaller than the area with existing procedures (ie usually a few millimeters) can be polished. In addition, the required polishing times shortens, which helps on the one hand, the surface fidelity (i.e., the accuracy with the desired surface shape achieved) and on the other hand the consumption or Reduce wear on process agents. Another The task is to use as much as possible of the process parameters accurate and simple mathematical modeling of the surface geometry to get after polishing. Such modeling allows it, the geometry of any remaining deviations after polishing predict their influence on subsequent process steps and also in the end use estimate and if necessary appropriate To apply countermeasures.
Wie oben beschrieben, wird die glättende Wirkung des Polierens mit elastischen Polierkissen durch die unterschiedlichen Anpressdrücke der Polierpartikel auf die Werkstückoberfläche hervorgerufen. Diese Unterschiede resultieren dadurch, dass eine lokale Erhebung der Werkstückoberfläche relativ zur undeformierten Oberfläche des Polierkissens eine Deformation in dem Polierkissen hervorruft. Diese lokale Deformation bewirkt eine elastische Gegenkraft in dem elastischen Medium, mit der die Polierkissenoberfläche die Polierpartikel auf die Werkstückoberfläche drückt.As described above, the smoothing effect of polishing with elastic polishing pads due to the different contact pressures the polishing particles on the workpiece surface caused. These differences result from having a local survey of the workpiece surface relative to undeformed surface of the polishing pad deformation in the polishing pad causes. This local deformation causes an elastic counterforce in the elastic medium with which the Polishing pad surface the polishing particles on the workpiece surface suppressed.
Für Deformationen die wesentlich kleiner sind als die Ausdehnung des Polierkissens in Richtung der Deformation ist die elastische Kraft proportional zur Deformation selbst. Die Proportionalitätskonstante ist die sogenannte Federhärte. Wird die Federhärte auf die Ausdehnung des Kissens bezogen so erhält man eine charakteristische Materialeigenschaft, das sogenannte Elastizitätsmodul (im Englischen auch Young's modulus genannt).For Deformations are much smaller than the extent of the Polishing pad in the direction of deformation is the elastic force proportional to the deformation itself. The proportionality constant is the so-called spring hardness. Will the spring hardness based on the expansion of the pillow so obtained a characteristic Material property, the so-called modulus of elasticity (im English also called Young's modulus).
Die glättende Wirkung des oben beschriebenen Polierprinzips ist umso rascher, je härter das Material des verwendeten Polierkissen ist. Ein hartes Material (d. h. mit einem großen Elastizitätsmodul) wird einer gegebenen Eindrückung durch eine lokale Unebenheit der Werkstückoberfläche eine größere Kraft entgegensetzen als ein weiches Material. Dadurch ist auch der lokale Abtrag an der lokalen Unebenheit größer und die Unebenheit wird schneller eingeebnet.The Smoothing effect of the polishing principle described above The faster the harder the material of the used Polishing pad is. A hard material (that is, a large one) Young's modulus) becomes a given indentation by a local unevenness of the workpiece surface to oppose a greater force than a soft one Material. This is also the local removal of the local unevenness larger and the unevenness is leveled faster.
In vielen elastischen Materialien, insbesondere in Polymeren, ist das Elastizitätsmodul davon abhängig, ob die Deformation statischer oder dynamischer Natur ist, das heißt genauer mit welcher Geschwindigkeit eine bestimmte Deformation erreicht wird. Dieses Verhalten beschreibt man üblicherweise durch ein frequenzabhängiges, komplexwertiges Elastizitätsmodul. Eine in der Zeit sinusartig varierende Kraft wird auch eine ebenso variierende Deformation hervorrufen. Die maximale Amplitude der Deformation ist dabei proportional zur maximalen Amplitude der angelegten Kraft, wobei die Proportionalitätskonstante jetzt der Betrag des (komplexen) Elastizitätsmodul ist. Die Phase des Elastizitätsmodul beschreibt eine etwaige zeitliche Verzögerung zwischen der Kraft und der Deformation.In many elastic materials, especially in polymers, the modulus of elasticity depends on it Whether the deformation is of a static or dynamic nature, that is to say more precisely at what speed a certain deformation is achieved. This behavior is usually described by a frequency-dependent, complex-valued modulus of elasticity. A force that varies sinusoidally over time will also cause an equally varying deformation. The maximum amplitude of the deformation is proportional to the maximum amplitude of the applied force, the proportionality constant now being the amount of the (complex) Young's modulus. The modulus of elasticity phase describes a possible time delay between the force and the deformation.
In
vielen Polymeren wächst des Elastizitätsmodul
mit steigender Frequenz an. Dieser Anstieg hat seine Ursache in
einem sogenannten Glasübergang und ist insbesondere in
der Nähe einer sogenannten Glasübergangsfrequenz
besonders stark, während er für sehr kleine und
sehr große Frequenzen eine Sättigung aufweist.
Das Elastizitätsmodul oberhalb und unterhalb der Glasübergangsfrequenz
kann sich um einen Faktor 10 oder mehr unterscheiden. Eine typische
Frequenzabhängigkeit ist in
Das
in der
Diese Frequenzabhängigkeit kann in guter Näherung durch folgende Funktion beschrieben werden: This frequency dependence can be described to a good approximation by the following function:
Dabei ist E0 das statische Elastizitätsmodul und E∝ das Elastizitätsmodul im Limes unendlicher Frequenzen. ωtr ist die Glasübergangsfrequenz. Eine genauere Beschreibung des Glasübergangs gelingt mit dem Havriliak-Negami Model. In beiden Modellen ist die Frequenzabhängigkeit eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Frequenz und der Glasübergangsfrequenz ωtr.Here, E 0 is the static modulus of elasticity and E α is the elastic modulus in the limit of infinite frequencies. ω tr is the glass transition frequency. A more detailed description of the glass transition succeeds with the Havriliak-Negami Model. In both models the frequency dependence is a function of the ratio between the frequency and the glass transition frequency ω tr .
Der Anstieg des frequenzabhängigen Elastizitätsmodul hat zur Folge, dass langsame Veränderungen der Deformation eine kleinere Kraft erfordern als schnelle.Of the Increase in the frequency-dependent modulus of elasticity As a result, slow changes in the deformation require a smaller force than fast.
Tatsächlich ist die Deformation eines Polierkissens während des Poliervorganges dynamisch. Die Relativbewegung zwischen der Werkstückoberfläche und dem Polierkissen führt jeden Punkt des Polierkissens eine gewisse Strecke über die Werkstückoberfläche. Betrachtet man die Strecke welche ein bestimmter Punkt der Polierkissenoberfläche auf der Werkstückoberfläche zurücklegt, so bewirkt jede Unebenheit in der Werkstückoberfläche entlang dieser Strecke eine zeitlich variierende lokale Deformation des Polierkissens in dem betrachteten Punkt.Indeed is the deformation of a polishing pad during the polishing process dynamic. The relative movement between the workpiece surface and the polishing pad guides each point of the polishing pad one certain distance over the workpiece surface. Looking at the track which a particular point of the polishing pad surface travels on the workpiece surface, This causes any unevenness in the workpiece surface along this route a temporally varying local deformation of the polishing pad at the point under consideration.
Der zeitliche Verlauf der Deformation wird bei gegebener Relativbewegung zwischen Polierkissen und der Werkstückoberfläche von der lateralen Form der Unebenheit bestimmt. Eine weit ausgedehnte Unebenheit vermittelt bei identischer Höhe eine langsamere Deformation im Polierkissen als eine wenig ausgedehnte Unebenheit. Aufgrund der dynamischen Abhängigkeit des Elastizitätsmodul ist dann aber in Punkten identischer Höhe beider Unebenheiten die elastische Kraft im Falle der weit ausgedehnten Unebenheit immer kleiner als in den entsprechenden Punkten der weniger ausgedehnten Unebenheit. Dieser Unterschied resultiert aus dem Anstieg des Elastizitätsmodul (genauer dessen Betrages) mit der Geschwindigkeit der Deformation. Insbesondere wäre im Falle eines ruhenden Polierkissen für beide Unebenheiten die elastische Kraft in Punkten gleicher Höhe identisch, da im statischen Fall alleine das lokale Ausmaß der elastischen Deformation die elastische Kraft bestimmt. Wegen der insgesamt kleineren Kräfte im Falle der ausgedehnten Unebenheit ist auch die Differenz zwischen der Kraft am Fuße und am Gipfel der Unebenheit kleiner als im Falle der weniger ausgedehnten. Daher wird letztere schneller eingeebnet.Of the temporal course of the deformation is given a given relative movement between polishing pad and the workpiece surface determined by the lateral shape of the unevenness. A far-reaching one Unevenness gives a slower at identical height Deformation in the polishing pad as a little extended rub. Due to the dynamic dependence of the modulus of elasticity is then in points of identical height of both bumps elastic force in case of widespread roughness always smaller than in the corresponding points of less extensive Unevenness. This difference results from the increase in Young's modulus (more precisely its amount) with the speed of deformation. In particular, in the case of a resting polishing pad for both bumps the elastic force in points same level, since in the static case alone the local extent of the elastic deformation the elastic force certainly. Because of the overall smaller forces in the case The extended unevenness is also the difference between the Strength at the foot and at the top of the rub less than in the case of less extensive. Therefore, the latter becomes faster leveled.
Dieser Unterschied rührt nicht daher, dass bei einer weiter ausgedehnten Unebenheit mehr Material abgetragen werden muss, um eine ebene Oberfläche zu erhalten, sondern stellt einen eigenständigen Effekt dar. Am einfachsten macht man sich dies anhand zweier sinuswellenförmigen Oberflächentopographien unterschiedlicher räumlicher Frequenz klar. In diesem Fall ist die Menge des Materials, die zur vollständigen Planarisierung abgetragen werden muss, in beiden Fällen gleich, da sich das Volumen der Gräben und Erhebungen genau ausgleicht. Ein Punkt des Polierkissens, welcher senkrecht zu den Wellenkämmen über eine der beiden Oberflächen geführt wird, erfährt in diesem Fall eine in der Zeit sinusartig variierende Deformation. Wegen des oben beschriebenen elastischen Verhaltens ist die resultierende Kraftdifferenz zwischen Wellenberg und Grabenboden im Fall der kurzwelligen Obeflächentopographie größer als im langwelligen Fall. Damit ist auch die Abtragsdifferenz im kurzwelligen Fall größer mit dem Resultat, dass die Unebenheit schneller abgetragen wird.This Difference does not stem from that with a more extensive one Rub more material must be removed to a flat surface but is an independent effect. The easiest way to do this is by means of two sinusoidal waves Surface topographies of different spatial Frequency clear. In this case, the amount of material used to complete planarization must be removed in both cases equal, because the volume of the trenches and balancing surveys exactly. A point of the polishing pad, which perpendicular to the wave crests over one of the two Surfaces is experienced in In this case, a sinusoidally varying deformation over time. Because of the elastic behavior described above, the resulting Force difference between Wellenberg and Grabenboden in the case of short-wave Obeflächentopographie larger than in the long-wave Case. Thus, the Abtragsdifferenz is greater in the short-wave case with the result that the unevenness is removed faster.
Für die weitere Diskussion ist die Fourierzerlegung einer gegebenen Oberflächentopographie zweckmäßig. Dabei wird die Oberflächentopographie als Linearkombination von ebenen Wellen in zwei Dimensionen unterschiedlicher Richtung und Wellenlänge beschreiben. Im folgenden bezeichnen wir den Kehrwert der Wellenlänge als räumliche Frequenz.For the further discussion is the Fourier decomposition of a given one Surface topography appropriate. there is the surface topography as a linear combination of plane waves in two dimensions of different directions and Describe wavelength. In the following we refer to the Inverse of the wavelength as a spatial frequency.
Die
im Anspruch 1 formulierte Eigenschaft an das dynamische Verhalten
des Elastizitätsmodul des Polierkissens macht man sich
im erfindungsgemäßen Verfahren dadurch zu Nutze,
dass man die vorhandenen Abweichungen durch Aufprägen einer
geeigneten kurzwelligen Oberflächenstruktur so korrigiert,
dass die langwelligen Abweichungen (mit einer kleinen räumlichen
Frequenz) so weit als möglich unterdrückt werden und
vorteilhafterweise nur kurzwellige Abweichungen übrig bleiben,
die dann im nachfolgenden Polierschritt wesentlich rascher abgetragen
werden, als die ursprünglichen langwelligen Abweichungen.The
in
Zur Ermittlung einer geeigneten kurzwelligen Oberflächenstruktur wird aus den beschriebenen elastischen Eigenschaften des Polierkissens in Kombination mit den anderen Prozessbedingungen ein mathematisches Modell abgeleitet, welches die Veränderung einer gegebenen Oberflächentopographie durch den Polierprozess zumindest näherungsweise beschreibt.to Determination of a suitable shortwave surface structure becomes from the described elastic properties of the polishing pad in combination with the other process conditions a mathematical Derived model, which is the change of a given Surface topography by the polishing process at least approximately describes.
Die
im Anspruch 1 formulierte Eigenschaft an das dynamische Verhalten
des Elastizitätsmodul ist gleichbedeutend damit, dass ein
solches mathematisches Prozessmodell den Charakter eines Tiefpasses
für die räumlichen Frequenzen hat. Die quantitativen
Eingenschaften eines solchen Prozessmodells hängen ausschließlich
von den verwendeten Prozessbedingungen und -materialien ab, aber
insbesondere nicht von der Form der Werkstückoberfläche.The
in
Polierkissen
aus Polyurethanen, wie sie typischerweise beim Polieren eingesetzt
werden, liegen bei den typischen beim Polieren verwendeten Anpressdrücken
nicht vollflächig auf der Werkstückoberfläche
auf. Stattdessen haben sie aufgrund ihrer rauen Oberfläche
nur mit den am weitesten herausragenden Spitzen Kontakt mit der
Werkstückoberfläche. Die effektive Kontaktfläche
macht nur einen Anteil im einstelligen Prozentbereich der nominellen
Kontaktfläche aus (siehe
Unter
bestimmten Annahmen (insbesondere, dass die Häufigkeit
der Polierkissenspitzen mit ihrer Höhe exponentiell abnimmt,
die Spitzen im Kontaktbereich kugelförmig sind und Hertzscher
Kontakt vorliegt), kann man zeigen, dass der elastische Kontakt
durch ein effektives exponentielles Federgesetz beschrieben werden
kann, wobei in den Vorfaktor das Elastizitätsmodul des
Polierkissenmaterials linear eingeht (siehe
Für kleine Deformationen kann man das Exponentialgesetz durch den linearen Term der Taylorentwicklung nähern. In diesem Fall folgt aus der Preston'schen Gleichung, dass die Einebnung einer sinoidalen Oberflächentopographie beim Polieren exponentiell mit der Zeit verläuft, wobei die Zeitkonstante proportional zum Wert des Elastizitätsmodul bei der resultierenden Frequenz ist, welche durch die Relativgeschwindigkeit und der räumlichen Frequenz bestimmt wird. Dieses Verhalten ist äquivalent zu einer Faltung im Ortsraum mit einer Faltungsfunktion, welche aufgrund der Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmodul glockenförmig ist und deren charakteristische Breite mit der Polierdauer zunimmtFor small deformations can be the exponential law by the linear Approach Term of Taylor Development. In this case follows from the Preston equation that leveling a sinoidal surface topography during polishing runs exponentially with time, wherein the time constant proportional to the value of the modulus of elasticity at the resulting frequency, which by the relative speed and the spatial frequency is determined. This behavior is equivalent to a convolution in space with a convolution function, which due to the frequency dependence of the modulus of elasticity is bell-shaped and whose characteristic width with the polishing time increases
Für größere Deformationen ist eine lineare Näherung des effektive Federgesetzes nicht mehr ausreichend. Die Taylorentwicklung muss dann zu höheren Termen erweitert werden. Damit wird die mathematische Beschreibung des Prozesses komplizierter, denn eine Faltung im Ortsraum ist dann nicht mehr ausreichend. Die mathematische Beschreibung erfolgt vorteilhafterweise im Fourierraum des Ortsraumes. Der quadratische Term der Taylorentwicklung kann dann beispielsweise durch die Autokorrelationsfunktion des Oberflächenprofiles berechnet werden.For larger deformations, a linear approximation of the effective spring law is no longer sufficient accordingly. The Taylor development must then be extended to higher terms. This complicates the mathematical description of the process, because convolution in space is then no longer sufficient. The mathematical description is advantageously carried out in the Fourier space of the spatial domain. The quadratic term of the Taylor expansion can then be calculated, for example, by the autocorrelation function of the surface profile.
Das
grundlegende Verhalten des Polierprozesses, dass aufgrund des in
Anspruch 1 beschriebenen Verlauf des dynamischen Elastizitätsmodul,
kurzwellige Oberflächenstrukturen schneller eigebnet werden
als langwellige, bleibt auch bei Hinzunahme höhere Ordnungen
bestehen. Diese Eigenschaft ist Grundlage des erfindungsgemäßen
Verfahrens.The
basic behavior of the polishing process, that due to the in
Es ist offensichtlich, dass ein Prozessmodell immer nur eine statistische Näherung für die Summe der Einzelabträge sein kann, die durch die individuellen Polierspitzen im Laufe des Poliervorganges verursacht werden. Daher ist für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, dafür Sorge zu tragen, dass alle Bereiche der Werkstückoberfläche, deren Form im Poliervorgang bearbeitet werden soll, mit einer hinreichend großen Anzahl von Polierkissenspitzen in Kontakt kommen. Dies bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die gewünschte Formgebung auch in den tief liegenden Bereichen der Werkstückoberfläche ausreichend schnell erreicht wird.It It is obvious that a process model is always a statistical one Approximation for the sum of the individual removals can be through the individual polishing tips in the course of the Polishing process are caused. Therefore, for use advantageous for the process according to the invention, ensure that all areas of the workpiece surface, whose shape is to be processed in the polishing process, with a sufficient large number of polishing pad tips come into contact. This also offers the advantage of having the desired Shaping also in the low-lying areas of the workpiece surface is reached quickly enough.
Dies lässt sich beispielsweise durch eine genügend große Rauigkeit der Polierkissenoberfläche erreichen. Dadurch wird sichergestellt, dass auch in den tiefer liegenden Gebiete der Werkstückoberfläche eine große Zahl von Polierkissenspitzen aufliegt.This can be, for example, by a sufficient to achieve great roughness of the polishing pad surface. This will ensure that even in the lower-lying areas the workpiece surface a large number rests of polishing pad tips.
Vor diesem Hintergrund ist die Verwendung von geschäumten Materialien für das Polierkissen vorteilhaft, da durch die Einstellung der Porengröße die Rauigkeit des Polierkissens beeinflusst werden kann. Nach dem Stand der Technik werden Polierkissen vor dem Polierprozess mit geeigneten Diamantwerkzeugen aufgeraut (konditioniert). Dabei wird die Oberfläche soweit abgetragen, das an der Oberfläche eine offene Porenstruktur entsteht. Die Porenwände bilden dann die Spitzen, mit denen das Polierkissen beim Poliervorgang auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Größere Poren ergeben nach dem Aufrauen eine größere Rauigkeit.In front This background is the use of foamed materials for the polishing pad advantageous because by the setting the pore size the roughness of the polishing pad can be influenced. According to the prior art, polishing pads roughened with suitable diamond tools before the polishing process (Conditioned). The surface is removed so far, that an open pore structure develops on the surface. The pore walls then form the tips with which the polishing pad during the polishing process on the workpiece surface rests. Larger pores result after roughening a greater roughness.
Es ist weiterhin vorteilhaft zwischen dem Polierkissen, welches direkt auf Werkstückoberfläche aufliegt und dem Polierkissenträger ein zusätzliche Zwischenschicht aus weicherem elastischem Material aufzubringen. Durch geeignete Wahl der Elastizitätsmodulen und der Schichtdicken der beiden elastischen Schichten, kann man vorteilhafterweise erreichen, dass langreichweitige Höhenunterschiede in der Werkstückoberfläche durch die weichere Zwischenschicht ausgeglichen werden. Für diese weichere Schicht eignet sich auch ein Material mit einer hohen Viskosität wie beispielsweise bestimmte Peche oder Harze. Solche Materialien bieten den Vorteil, dass ihr statisches Elastizitätsmodul null ist. Daher ist auch das dynamische Elastizitätsmodul bei niedrigen Frequenzen sehr klein. Daher vollzieht sich auch die Einebnung langwelliger Abweichungen zwischen Polierkopfoberfläche und Werkstückoberfläche, wie sie etwa bei Verwendung nur näherungsweise angepasster Polierkopfoberflächen auftreten, sehr langsam.It is also advantageous between the polishing pad, which directly rests on workpiece surface and the polishing pad carrier an additional intermediate layer of softer elastic Apply material. By suitable choice of elasticity modules and the layer thicknesses of the two elastic layers, one can advantageously achieve long-range height differences in the workpiece surface by the softer Intermediate layer are compensated. For this softer Layer is also a material with a high viscosity such as certain pitches or resins. Such materials offer the advantage of having their static modulus of elasticity is zero. Therefore, the dynamic modulus of elasticity is also very low at low frequencies. Therefore, the Leveling of long-wave deviations between polishing head surface and workpiece surface, such as when used only approximately adapted polishing head surfaces occur very slowly.
Wie im gegenwärtigen Stand der Technik wird vorausgesetzt, dass die Abweichungen von der gewünschten Oberflächenform an einer hinreichenden großen Zahl von Punkten auf der Werkstückoberfläche bekannt ist.As in the current state of the art it is assumed that the deviations from the desired surface shape at a sufficiently large number of points on the Workpiece surface is known.
Für die Fertigung optischer Elemente wird diese Information typischerweise mit interferometrischen Messverfahren gewonnen.For the fabrication of optical elements typically becomes this information obtained with interferometric measuring methods.
Bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen oder Mikrosystemen kann die Oberflächenform üblicherweise aus den Platzierungsdaten der Bauelemente (d. h. den Layoutdaten) in den der vorangegangenen Ebenen und der Prozessbedingungen abgeleitet werden.at the manufacture of semiconductor devices or microsystems can the surface shape usually from the placement data of the components (i.e., the layout data) in the previous levels and the process conditions are derived.
Des
weiteren wird vorausgesetzt, dass für den verwendeten Polierprozess
und dessen Prozessbedingungen ein Prozessmodell bestimmt wurde,
welches wie oben ausgeführt, aufgrund der in Anspruch 1
formulierten Eigenschaft des Elastizitätsmodul der elastischen
Oberfläche einen tiefpassartigen Charakter für
die Oberflächengeometrie hat. Dies kann entweder durch
empirische Messungen an Hand von geeigneten Teststrukturen oder
direkt aus den Prozessbedingungen und Materialeigenschaften oder
einer Kombination beider Methoden abgeleitet sein.Of
Another is required for the polishing process used
and whose process conditions a process model has been determined,
which as stated above, based on the in
Der Werkstückoberfläche wird durch geeignete Verfahren (Beispiele siehe weiter unten) eine kurzwellige Oberflächenstruktur aufgeprägt. Diese Oberflächenstruktur wird mit Hilfe des Prozessmodells so gewählt, dass sie in Kombination mit der bestehenden Oberflächengeometrie, (das heißt insbesondere mit den bekannten Abweichungen), nach dem Polierprozess so gut wie möglich mit der gewünschten Zieloberfläche übereinstimmt. Ziel ist es, die langwelligen Abweichungen mit Hilfe von kurzwelligen Strukturen zu korrigieren.The workpiece surface is a kurzwel by suitable methods (see examples below) imprinted surface structure. This surface structure is selected with the aid of the process model in such a way that, in combination with the existing surface geometry (that is to say in particular with the known deviations), it corresponds as well as possible to the desired target surface after the polishing process. The aim is to correct the long-wave deviations with the help of short-wave structures.
Die lateralen Ausdehnungen der aufgeprägten Oberflächenstruktur sollten möglichst klein gewählt werden, um die Einebnungsdauer für die aufgeprägte Oberflächenstruktur im anschließenden Polierschritt so kurz wie möglich zu halten. Hierbei ist den etwaigen Auflösungsgrenzen des verwendeten Strukturierungsprozesses Rechnung zu tragen.The lateral extensions of the impressed surface structure should be chosen as small as possible to the Flattening duration for the impressed surface structure in the subsequent polishing step as short as possible to keep. Here, the possible resolution limits of the structuring process used.
Das so präparierte Werkstück wird nun mit dem, dem Prozessmodell zu Grunde liegenden Polierverfahren poliert. Gemäß dem weiter oben beschriebenen Effekt wird die aufgeprägte kurzwellige Oberflächenstruktur wesentlich schneller eingeebnet, als die langwelligen Abweichungen der unbehandelten Oberfläche.The so prepared workpiece is now with the, the Polished process model underlying polishing process. According to the effect described above becomes the impressed short-wave Surface structure leveled much faster than the long-wave deviations of the untreated surface.
MikrostrukturierungsverfahrenMicromachining techniques
Das Verfahren zum Aufprägen der Oberflächenstruktur muss es ermöglichen mit einer hinreichenden lateralen und vertikalen Auflösung die geforderte Struktur aufzuprägen. Die Experimente die zu der beschriebenen Erfindung führten, zeigen, dass vorteilhafterweise minimale Strukturgrößen im Bereich von etwa 10 μm geeignet sind, um in Kombination mit kommerziell verfügbaren Polierkissen und typischen Poliergeschwindigkeiten (z. B. 0.5 m/s) ausreichend Korrekturmöglichkeiten zu bieten.The Method for imprinting the surface structure must make it possible with a sufficient lateral and vertical resolution to impose the required structure. The experiments that led to the described invention, show that advantageously minimal feature sizes in the range of about 10 microns are suitable to combine with commercially available polishing pads and typical Polishing speeds (eg 0.5 m / s) sufficient correction options to offer.
Solche
Strukturgrößen können z. B. mit Hilfe
von laserbasierten lithografischen Verfahren wie sie bei der Herstellung
von Photomasken für die Halbleiterfertigung üblich
sind, ohne technische Schwierigkeiten auf ebenen Substraten hergestellt
werden. Auf gekrümmten Substraten ist eine lithographische
Strukturierung ebenfalls möglich (siehe z. B.
Bei diesem Verfahren lässt sich für jedes Werkstück die erforderliche Oberflächenstruktur individuell anpassen. Es ist daher sehr geeignet zur Korrektur von Einzelstücken und Kleinserien, sowie zur Korrektur von unsystematischen Abweichungen, d. h. Abweichungen die von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich sind.at This procedure can be used for any workpiece customize the required surface structure. It is therefore very suitable for the correction of individual pieces and small series, as well as for the correction of unsystematic deviations, d. H. Deviations from workpiece to workpiece are different.
Zur Korrektur von systematischen Fehlern insbesondere bei der Fertigung von größeren Stückzahlen erscheint die Verwendung einer Photomaske sinnvoll, mit deren Hilfe man eine identische Oberflächenstruktur auf eine Vielzahl von Werkstücken belichten kann. Die Belichtung kann dann entweder als Kontaktbelichtung oder mit Hilfe einer Projektionsoptik erfolgen.to Correction of systematic errors, especially during production of larger numbers appears the Using a photomask makes sense, with the help of an identical Surface structure on a variety of workpieces can expose. The exposure can then be either as contact exposure or done with the help of a projection optics.
Eine Kombination beider Verfahren ist ebenfalls vorteilhaft, um sowohl systematische als auch zufällige Abweichungen zu korrigieren.A Combining both methods is also beneficial to both to correct systematic as well as random deviations.
Weiterhin kann die Lackmaske auch durch hochauflösende Drucktechniken auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden. Vorteilhaft sind sogenannte Inkjet Verfahren, welche unter Ausnutzung von piezoelektrischen oder thermischen Verfahren, sehr kleine Flüssigkeitsmengen an vordefinierten Positionen der Werkstückoberfläche aufbringen können. Solche Verfahren sind wohlbekannt um in elektronischer Form vorliegende Bilder auf Papier zu drucken. Entsprechend lassen sich mit solchen Verfahren, die zur Korrektur notwendigen Lackmaskenstrukturen auf die Werkstückoberfläche aufbringen und anschließend analog zur Photolithographie in die Werkstückoberfläche ätzen.Farther The varnish mask can also by high-resolution printing techniques be applied to the workpiece surface. Advantageous are so-called inkjet processes, which take advantage of of piezoelectric or thermal processes, very small amounts of liquid at predefined positions of the workpiece surface can muster. Such methods are well known to print images in electronic form on paper. Accordingly, with such procedures, which can be used for correction necessary Lackmaskenstrukturen on the workpiece surface apply and then analogously to photolithography etch into the workpiece surface.
Analog zur Photomaske, kann auch bei der Drucktechnik basierten Lackmaskenstrukturierung eine Druckmaske verwenden, um systematische Abweichungen an einer großen Zahl von Werkstücken einfacher zu korrigieren. Dieses Verfahren ist in der Offsetdrucktechnik wohlbekannt. Hier verwendet man Druckplatten, die mit den Bild und Textdaten bebildert werden und mit denen dann in einer Art Stempelverfahren eine große Zahl von Abzügen hergestellt werden können.Analogous to the photomask, can also in the printing technology based Lackmaskenstrukturierung use a printmask to avoid systematic deviations on one large number of workpieces easier to correct. This method is well known in the offset printing art. Here One uses printing plates, which are illustrated with the picture and text data and then with those in a kind of stamping process a large number of prints can be made.
Für
das erfindungsgemäße Verfahren sind auch andere
Strukturierungsverfahren denkbar, wie zum Beispiel Mikrogravieren,
Laserablation oder Mikroätzen. Solche Verfahren haben gegenüber
der Mikrolithographie den Vorteil, dass nicht nur die laterale Dimensionen
sondern auch die lokale Strukturierungstiefe zur Korrektur der Oberflächenabweichung
innerhalb eines Prozessschrittes variiert werden kann. Außerdem
erfolgt der Materialabtrag direkt (also ohne Umweg über
eine maskierte Ätzung). Durch die einfachere Prozessführung
ist eine direkte Integration in eine Poliervorrichtung möglich.
Dadurch können die Strukturierung und das Polieren direkt
in der selben Werkstückhalterung erfolgen, wie in
Zur
Vereinfachung der Darstellung wird ein planares Werkstück
(
Neben den beschriebenen materialabtragenden Strukturierverfahren können auch materialaufbringenden Verfahren eingesetzt werden. So können zum Beispiel schichtabscheidende Verfahren unter Verwendung einer entsprechend strukturierten Lochmaske angewandt werden. Auch hochauflösende Drucktechniken können bei geeigneter Wahl der Prozessparameter eingesetzt werden. Eine solche Anwendung erscheint insbesondere vorteilhaft für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahren bei reflektiven optischen Elementen. In diesem Fall sind die optischen Eigenschaften des Substrates unwichtig, da die Reflektion an einer nachträglich aufgedampften dünnen Schicht erfolgt.Next the described material-removing Strukturierverfahren can also material-applying method can be used. So can For example, layering processes using a appropriately structured shadow mask are applied. Also high resolution Printing techniques can, with a suitable choice of process parameters be used. Such an application appears in particular advantageous for the use of the invention Method for reflective optical elements. In this case are the optical properties of the substrate unimportant, since the reflection on a subsequently vapor-deposited thin layer he follows.
Bei den materialaufbringenden Strukturierungsverfahren ist es eventuell unvermeidlich, dass der Polierprozess das zu Strukturierung aufgebrachte Material schneller oder langsamer abträgt, als das Material der Werkstückoberfläche. Dieser Unterschied kann im Prozessmodell durch die Einführung eines ortsabhängigen Prestonkoeffizienten berücksichtigt werden. Alternativ kann auch nach dem materialaufbringenden Strukturierungsverfahren eine ausreichend dicke homogene Zwischenschicht abgeschieden werden, welche dann die neue Werkstückoberfläche bildet, die im nachfolgenden Polierschritt bearbeitet wird.at the material-applying patterning process may be inevitable that the polishing process applied to structuring Material removes faster or slower than the material the workpiece surface. This difference can in the process model by introducing a location-dependent Preston coefficient be taken into account. Alternatively, after the material applying Structuring a sufficiently thick homogeneous intermediate layer be deposited, which then the new workpiece surface forms, which is processed in the subsequent polishing step.
Natürlich ist es auch möglich, materialabtragende und -aufbringende Verfahren zu kombinieren.Naturally It is also possible, material-removing and -aufbringende Combine method.
Dies
kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn sich die Höhenabweichungen
nur über eine geringen Anteil der gesamten Werkstückoberfläche
erstrecken, aber sowohl in die Oberfläche hinein als auch
aus der Oberfläche hinaus zeigen. In diesem Fall können
die unterschiedlichen Abweichungen durch das jeweils komplementäre
Strukturierungsverfahren korrigiert werden, so dass die zu strukturierende
Fläche auf die Abweichungen selbst beschränkt
bleibt. Ein Beispiel einer solchen Prozessfolge ist in
Um trotz eines begrenzten Auflösungsvermögens eines verwendeten Strukturierungsverfahren ein hohes dynamisches Elastizitätsmodul für die aufgeprägte Mikrostruktur zu erreichen, kann ein elastisches Material gewählt werden, dessen Glasübergangsfrequenz auf das Auflösungsvermögen des eingesetzten Strukturierungsverfahrens abgestimmt ist.In order to achieve a high dynamic modulus of elasticity for the impressed microstructure, despite a limited resolving power of a structuring method used, it is possible to choose an elastic material whose glass transition frequency depends on the resolution of the structure used coordination procedure.
Die
elastischen Eigenschaften vieler Polymere lassen sich aus den Beiträgen
der einzelnen Monomere über sogenannte Gruppenbeitrags-
oder Fragmentmethoden ableiten. Dies gilt insbesondere auch für
die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmodul.
So konnten Davis und Szabo die Frequenzabhängigkeit von
14 Polyurethanen sehr exakt aus den Monomerbeiträgen ermitteln.
Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist, dass die Glasübergangsfrequenz
in den untersuchten Materialien um etwa 10 Größenordnungen
variierte (siehe
Auch die Größen des statischen und des hochfrequenten Elastizitätsmodul lassen sich durch einen geeigneten Zusammensetzung des verwendeten Materials für das erfindungsgemäße Verfahren optimieren. Um den Einfluss durch langreichweitige Abweichungsfehler zwischen Polierkopf und Sollgeometrie zu minimieren, sollte das statische Elastizitätsmodul so klein wie möglich sein. Gleichzeitig sollte das hochfrequente Elastizitätsmodul möglichst groß sein, damit die aufgeprägte Oberflächenstruktur möglichst rasch eingeebnet wird.Also the sizes of static and high frequency Young's modulus can be achieved by a suitable composition the material used for the inventive Optimize procedure. To the influence of long-range deviation errors between polishing head and setpoint geometry should minimize that static elastic modulus as small as possible be. At the same time, the high-frequency elastic modulus should be as large as possible, so that the imprinted Surface structure is leveled as quickly as possible.
Darüber hinaus lassen sich zwei Prozessparameter geeignet wählen, um in gewissen Grenzen die Abstimmung zwischen der Glasübergangsfrequenz und dem Auflösungsgrenzen des Strukturierungsverfahrens zu optimieren.About that In addition, two process parameters can be suitably selected, within certain limits, the tuning between the glass transition frequency and the resolution limits of the patterning process optimize.
Zum einen verschiebt eine Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück- und Polierkissenoberfläche den zeitlichen Verlauf der durch eine gegebenen Mikrostruktur bewirkten Deformation zu höheren Frequenzen und erhöht damit den wirkenden Elastizitätsmodul.To the one shifts an increase in the relative speed between workpiece and polishing pad surface the temporal course of the effected by a given microstructure Deformation to higher frequencies and increases with it the effective modulus of elasticity.
Zum anderen ist die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmodul temperaturabhängig. Bei geringeren Temperaturen verschiebt sich die Glasübergangsfrequenz zu kleineren Werten. Mit einer Temperaturerniedrigung erreicht man daher für eine gegebene Mikrostruktur ebenfalls höhere Werte den wirkenden Elastizitätsmodul.To the another is the frequency dependence of the elastic modulus temperature dependent. Shifts at lower temperatures The glass transition frequency to smaller values. With a decrease in temperature is therefore achieved for a given microstructure also higher values the acting Modulus of elasticity.
Es ist offensichtlich, dass der erfindungsgemäße Prozesszyklus, bestehend aus Ermitelung der Oberflächenabweichung, Bestimmung und Aufprägen des Korrekturmusters und anschließendem Polieren, auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erreichbaren Strukturierungstiefen des gewählten Strukturierungsprozesse nicht ausreichen, um die vorhandenen Abweichungen in einem Prozesszyklus zu korrigieren. Auch kann bei mehrmaliger Anwendung in den verschiedenen Schritten unterschiedliche Strukturierungsbreiten, Polierkissenmaterialen und Prozessbedingungen eingesetzt werden, um Abweichungen auf unterschiedlichen Längen- und Höhenskalen zu korrigierenIt it is obvious that the invention Process cycle, consisting of initiation of surface deviation, Determination and imprinting of the correction pattern and subsequent Polishing, also be carried out several times in succession can. This is particularly advantageous if the achievable Structuring depths of the selected structuring processes insufficient to cover the existing deviations in a process cycle to correct. Also can with repeated application in the different Steps different structuring widths, polishing pad materials and process conditions are used to detect deviations on different To correct length and height scales
Vorteile gegenüber dem Stand der TechnikAdvantages over the state of the art
Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik.Out The method according to the invention results in a Number of advantages over the prior art.
Die eigentliche Korrektur der langwelligen Abweichungen wird nicht mehr durch Polieren erreicht sondern durch Mikrostrukturierung. Mikrostrukturierungsverfahren weisen eine um Größenordnungen bessere (also höhere) Ortsauflösung auf, als die lokalen Polierverfahren nach dem Stand der Technik. Damit ist eine wesentlich genauere Korrektur der Abweichungen möglich, insbesondere, wenn deren laterale Ausdehnung klein ist.The actual correction of the long-wave deviations is no more achieved by polishing but by microstructuring. Micromachining techniques have orders of magnitude better (ie higher) Spatial resolution on, as the local polishing method after the state of the art. This is a much more accurate correction the deviations possible, especially if the lateral Expansion is small.
Durch die Ausnutzung der dynamischen Charakteristik geeigneter elastischer Materialien für das Polierkissen wird die erfindungsgemäß eingeprägte Oberflächentopographie wesentlich schneller eingeebnet als die ursprünglichen Abweichungen. Damit reduzieren sich die benötigten Polierzeiten gegenüber dem Stand der Technik. Mit der Prozessverkürzung verringert sich auch der Verbrauch an Prozessmitteln (insbesondere weniger Energie und Schleifmittelverbrauch) sowie die Abnutzung der Polierwerkzeuge.By the utilization of the dynamic characteristic of suitable elastic Materials for the polishing pad is embossed according to the invention Surface topography leveled much faster as the original deviations. This reduces the required polishing times compared to the state of Technology. With the process shortening also decreases the consumption of process agents (especially less energy and energy) Abrasives consumption) as well as the wear of the polishing tools.
Darüber hinaus bietet eine verkürzte Polierdauer auch einen prinzipiellen Vorteil. Es ist verhältnismäßig aufwendig und für asphärische Flächen sogar unmöglich, die Oberfläche des Polierkissens exakt auf die gewünschte Oberfläche anzupassen. Für planare und sphärische Oberflächen muss dazu der Polierkissenträger und das Polierkissen selbst sehr exakt gearbeitet werden. Für asphärische Flächen ist eine exakte Anpassung im Allgemeinen prinzipiell nur in einem Punkt möglich. Durch die für den Polierprozess notwendige Relativbewegung, ergeben sich zu nahezu allen Zeitpunkte Abweichungen zur idealen Anpassung wegen der relativen Verschiebung des Polierkopfes aus der idealen Position. Bei sonst identischen Prozessbedingungen übertragen sich solche Anpassungsfehler um so stärker auf das Werkstück, je länger die Polierdauer ist. Eine kürzere Polierdauer, wie sie durch den erfindungsgemäßen Prozess erreicht wird, erlaubt daher eine größere Formtreue des Polierprozesses.In addition, a shortened polishing time also offers a principal advantage. It is relatively expensive and even impossible for aspheric surfaces to adapt the surface of the polishing pad exactly to the desired surface. For planar and spherical surfaces the Polierkissenträ must ger and the polishing pad itself are worked very precisely. For aspherical surfaces, an exact adaptation is generally possible in principle only in one point. As a result of the relative movement required for the polishing process, deviations from the ideal adaptation result at almost all times because of the relative displacement of the polishing head from the ideal position. With otherwise identical process conditions, such adaptation errors are transmitted to the workpiece the more the longer the polishing time. A shorter polishing time, as achieved by the process according to the invention, therefore allows a greater dimensional accuracy of the polishing process.
Weiterhin können auch die im vorigen Abschnitt beschriebene Anpassungsabweichungen des Polierkopf von der gewünschten Werkstückoberfläche ebenfalls durch die beschriebene Mikrostrukturierungskorrektur korrigiert werden.Farther can also be the adjustment deviations described in the previous section the polishing head of the desired workpiece surface also corrected by the described microstructure correction become.
Insbesondere für die erwähnten lokalen Polierverfahren mit Polierstiften und ähnlichen kleinen Polierköpfen, erlaubt die beschriebenen Korrektur der Anpassungsabweichungen die Verwendung von größeren Polierstiftoberflächen. Damit wird die Polierdauer für ein gegebenes Werkstück zusätzlich reduziert.Especially for the mentioned local polishing with Polishing pins and similar small polishing heads, allows the described correction of the adaptation deviations the Use of larger polish surfaces. This will be the polishing time for a given workpiece additionally reduced.
Weiterhin erfordert das erfindungsgemäße Verfahren nur einen zusätzlichen Prozessschritt, nämlich die Mikrostrukturierung, um es in bestehende Fertigungsprozesse zu integrieren. Insbesondere lässt es sich auf Flächenpolierverfahren anwenden und erlaubt bereits in diesem Prozessschritt die genauere Korrektur von lokalen Abweichungen. Außerdem reduzieren sich bei asphärischen Flächen durch die geringere Prozessdauer die durch die prinzipbedingten Fehlanpassung hervorgerufenen Geometrieabweichungen. Damit entfällt im besten Fall die Notwendigkeit für nachfolgende lokale Korrekturpolierschritte, mindestens aber werden die notwendigen Korrekturen stark reduziert. Darüber hinaus erlauben es diese Vorteile asphärische Flächen derselben Oberflächentreue mit einem verringerten Satz an Polierkopfformen zu fertigen, Dadurch werden ebenfalls Prozesskosten eingespart.Farther the method according to the invention requires only one additional process step, namely microstructuring, to integrate it into existing manufacturing processes. Especially it can be applied to surface polishing processes and already allows the more accurate correction in this process step from local deviations. It also reduces in aspherical Areas due to the shorter process time due to the principle-related mismatch caused geometry deviations. This eliminates the need for at least, however, subsequent local correction polishing steps the necessary corrections are greatly reduced. Furthermore These advantages allow aspherical surfaces same surface fidelity at a reduced rate To manufacture polishing head shapes, thereby also process costs saved.
Weitere Vorteile ergeben sich bei dem Einsatz in der Halbleiterfertigung oder der Fertigung von Mikrosystemen. Dort werden die Bauelemente durch schichtweisen Aufbau hergestellt, wobei in jeder Schicht die notwendige Mikrostrukturierung durch lithographische Verfahren erfolgt. Die verwendeten lithografischen Verfahren haben in der Regel eine planare Fokusebene und eine geringe Abbildungstiefe (auch Tiefenschärfe genannt). Jede Unebenheit in der zu belichtenden Oberfläche bewirkt einen lokalen Fokusfehler und damit eine Fehler in der Breite der abgebildeten Struktur. Um diesen Fehler möglichst gering zu halten werden die Zwischenoberflächen mit oben beschriebenen chemisch mechanischen Polierverfahren plan poliert.Further Advantages arise when used in semiconductor manufacturing or the production of microsystems. There are the components produced by layered construction, wherein in each layer the necessary Microstructuring by lithographic processes takes place. The used lithographic processes usually have a planar Focus plane and a small depth of field (also depth of field called). Any unevenness in the surface to be exposed causes a local focus error and thus an error in the width the pictured structure. To minimize this error to hold the intermediate surfaces with above chemically polished mechanical polishing process.
Der
Planarisierungsmechanismus des erfindungsgemäßen
Verfahrens beruht im wesentlichen auf der in Anspruch (1) formulierten
Eigenschaft des Elastizitätsmodul der elastischen Oberfläche
(19). Dadurch ist es möglich, die zeitliche Veränderung
der Oberflächenstruktur mit relative einfachen mathematischen
Mitteln sehr präzise vorherzusagen. Da in das Prozessmodell
bekannte Material- und Prozesseigenschaften eingehen, kann dieses
Modell für beliebige Prozessbedingungen aufgestellt werden.
Damit entfallen oder verringern sich die bislang aufwändigen
Prozesscharakterisierungen mit Hilfe von Topographiemessungen an
definierten Teststrukturen, wie sie beispielsweise in
Es ist nach dem Stand der Technik üblich, die Anordnung der für die Funktion des integrierten Schaltkreises notwendigen Strukturen so zu wählen, dass die Oberfläche nach dem Polieren möglichst eben ist. Auch ist es üblich, zusätzliche Strukturen (sogenannte Füllstrukturen) einzufügen oder die Form der funktional notwendigen Strukturen zu wählen, dass die Oberfläche nach dem Polieren möglichst eben ist. Die Regeln nach denen diese Veränderungen und Einfügungen vorgenommen, sind empirischer Natur und wenig genau.It is customary in the prior art, the arrangement of necessary for the function of the integrated circuit To choose structures so that the surface after the polishing is as even as possible. It is also common additional structures (so-called filling structures) insert or the form of the functionally necessary structures to choose that surface after polishing as even as possible. The rules according to which these changes and insertions are empirical and little exactly.
Eine weit verbreiteter Ansatz ist es, die lokale Layoutdichte (das heisst den Anteil der strukturierten Fläche an einem Ort, gemittelt innerhalb einer gewissen Umgebung) auf einen bestimmten Wertebereich einzugrenzen. Der Größe des Mittelungsbereich wird durch empirische Messungen bestimmt und als eine charakteristische Länge des CMP Prozesses angesehen. Typische Werte für diese Planarisierungslänge liegen im Bereich von mehreren 100 μm bis zu wenigen Millimeter. Es ist unmittelbar klar, dass ein solcher Ansatz den Einfluss der kleinräumigen Layoutdichtevariationen nicht berücksichtigt. Es hat sich aber gezeigt, daß diese kleinräumigen Layoutdichtevariationen einen wesentlichen Teil der Höhenvariation nach dem Polieren verusachen, die insbesondere auch nicht durch ein automatisches Nachfahren der Fokusebene bei der Belichtung korrigiert werden können.A The widespread approach is to use the local layout density (ie the proportion of structured area in one place, averaged within a certain environment) to a certain range of values narrow. The size of the averaging area is determined by empirical measurements and as a characteristic Length of the CMP process viewed. Typical values for these planarization lengths are in the range of several 100 μm up to a few millimeters. It is immediately clear that such an approach the influence of the small-scale Layout density variations are not considered. It has but shown that these small-scale layout density variations a substantial part of the height variation after polishing in particular, not by an automatic Descendants of the focal plane can be corrected during the exposure.
Darüber hinaus müssen solche empirschen Prozessmodelle bei jeder Änderung der Prozessbedingungen neu ermittelt werden.About that In addition, such empirical process models need to change every time the process conditions are redetermined.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Regeln, ohne neuerliche empirische Charakterisierung ermittelt werden, da das Prozessmodell in definierter Art und Weise von Materialeigenschaften und Prozessparametern abhängt. Außerdem ist die Vorhersagekraft des durch das erfindungsgemäßen Verfahrens gegebenen Prozessmodells wesentlich genauer, da der Einfluss der kleinräumigen Layoutdichtevariationen korrekt modelliert wird.By Application of the method according to the invention can these rules, determined without renewed empirical characterization Be as the process model in a defined manner of material properties and process parameters. In addition, the Predictive force of the inventive Given process model much more accurate, since the influence modeled the small-scale layout density variations correctly becomes.
Aus dem selben Grund ist es durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich die Oberflächengeometrie nach dem Polierprozess sehr genau vorherzusagen. Durch diese Vorhersage ist es möglich, den Einfluss von etwaigen nicht korrigierbare Geometrieabweichungen durch geeignete Maßnahmen zu kompensieren. So ist es beispielsweise möglich, einen vorhandenen Defokusfehler durch einen geeigneten Strukturbreitenvorhalt in der darauf zu belichtenden Ebenen zu kompensieren. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, den Einfluss einer lokalen Abweichung der Dielektrizitätsschichtdicke zwischen zwei Metallebenen vom nominalen Wert simulatorisch zu untersuchen, um zu prüfen, ob die Abweichung an dieser Stelle kritisch für die Funktion des Schaltkreises ist und ihren Einfluss gegebenenfalls durch eine geeigneten Auslegung der elektronischen Bauelemente zu kompensieren.Out The same reason is due to the use of the invention Method possible according to the surface geometry to predict the polishing process very accurately. By this prediction is it possible to influence any non-correctable Compensate geometry deviations by appropriate measures. So it is possible, for example, an existing defocus error by a suitable Strukturbreitenvorhalt in the exposed on it Compensate for levels. Furthermore, it is possible, for example, the influence of a local deviation of the dielectric layer thickness simulatively examining the nominal value between two metal levels, to check if the deviation at this point is critical for the function of the circuit is and their influence if appropriate by a suitable interpretation of the electronic Compensate components.
Bei Linsenelementen ist es bei Kenntnis der systematischen Abweichungen von der Sollgeometrie möglich, die negativen Effekte durch geeignetes Design anderer oder zusätzlicher optischer Elemente zu lindern.at Lens elements it is with knowledge of the systematic deviations possible from the target geometry, the negative effects through suitable design of other or additional optical elements to alleviate.
Die folgenden Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren werden beispielhaft anhand des Planarschleifens von Siliziumwafer erläutert. Dies liegt zum einen daran, dass für dieses Verfahren eine quantitative Prozesscharakterisierung zur Verfügung steht, anhand derer sich die Vorteile des Verfahrens beispielhaft quantifizieren lassen. Zum anderen ist die Darstellung von planaren Werkstücken in Zeichnungen einfacher und übersichtlicher zu erreichen als für gekrümmte Flächen.The following embodiments of the inventive Methods are exemplified by the planar grinding of silicon wafers explained. This is partly because of that This method provides a quantitative process characterization Is available, based on which the benefits of the process can be quantified by way of example. The other is the illustration of planar workpieces in drawings easier and clearer reach as for curved surfaces.
Alle Anwendungsbeispiele lassen sich aber durch geeignete Poliervorrichtungen auch auf gekrümmte Flächen verallgemeinern. Der wesentliche Unterschied besteht darin einen gekrümmten Polierkissenkopf zu verwenden, der ein Negativabdruck der Werkstückoberfläche ist.All Application examples can be achieved by suitable polishing devices also generalize to curved surfaces. Of the The main difference is a curved one To use polishing pad head, which has a negative impression of the workpiece surface is.
Der wesentliche Unterschied beim Polieren von Werkstücken aus anderen Materialien besteht in einer Anpassung der Polierzeiten und gegebenenfalls der Verwendung anderer Poliersuspensionen. Beide Modifikationen haben keinen Einfluss auf die wesentlichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens.Of the significant difference when polishing workpieces other materials consists in an adjustment of the polishing times and optionally the use of other polishing suspensions. Both Modifications have no influence on the essential properties the method according to the invention.
Wafer und Polierkopf werden jeweils in Rotation um den jeweiligen Mittelpunkt versetzt. Die Winkelgeschwindigkeit dieser Rotationen ist so eingestellt, dass auf der gesamten Waferoberfläche dem Betrage nach dieselbe Relativgeschwindigkeit zwischen Wafer- und Polierkissenoberfläche herrscht. Die Richtung der Relativgeschwindigkeit rotiert im Bezugssystem des Wafer gleichmäßig mit der Zeit. Dadurch wird ein isotroper Abtrag erreicht, der zusätzlich in jedem Punkt des Wafers identisch ist.wafer and polishing head are each in rotation about the respective center added. The angular velocity of these rotations is set the same amount on the entire wafer surface Relative speed between wafer and polishing pad surface prevails. The direction of the relative velocity rotates in the frame of reference of the wafer evenly over time. This will achieved an isotropic removal, which in addition in each Point of the wafer is identical.
Die
Relativgeschwindigkeit zwischen Wafer- und Poliertuchoberfläche
wurde auf etwa 0.5 m/s eingestellt. Das Polierkissen (
Empirisch
Untersuchungen zur Glättung der Oberflächentopographie
als Funktion der räumlichen Frequenz haben den in
Als
Beispiel für eine mögliche Oberflächenabweichung
nehmen wir an, dass der ansonsten ideal planare Wafer mit einem
Durchmesser von 300 mm an einer beliebigen Stelle eine gaussförmige
Erhebung habe, die eine Höhe von 200 nm und eine Halbwertsbreite
von etwa 500 μm habe. Die Oberflächengeometrie
des Wafers sei aus einer interferometrischen Messung bekannt, welche
eine laterale Auflösung im Bereich von 10 μm hat.
In
Nach
Anwendung des oben beschriebenen Polierverfahrens nach dem Stand
der Technik (das heißt insbesondere ohne das Aufprägen
einer kurzwelligen Oberflächenstruktur) verbleibt die in
Für
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird aus dem Höhenprofil in
Aus den interferometrischen Höhendaten der Werkstückoberfläche werden nun die Durchschnittshöhen in bündig aneinanderliegenden quadratischen 8×8 μm2 großen Bereichen bestimmt. Nach der Definition der Höhenskala ist diese lokale Durchschnittshöhe gleichbedeutend ist mit der Differenz zwischen dieser lokalen und der globalen Durchschnittshöhe. Die lokale Durchschnittshöhe fällt in eine der 16 äquidistanten Höhenklassen. Die zur Korrektur dieser Differenz notwendige lokale Mikrostruktur wird dann anhand der Tabelle 1 bestimmt.From the interferometric height data of the workpiece surface, the average heights are determined in flush adjacent square 8 × 8 μm 2 large areas. According to the definition of the height scale, this local average height is equivalent to the difference between this local and the global average height. The local average height falls into one of the 16 equidistant altitude classes. The local microstructure needed to correct this difference is then determined from Table 1.
Dieses relativ einfache Verfahren mit Hilfe einer festen Zuordnung zwischen Höhenklasse und lokaler Mikrostruktur dient an dieser Stelle nur der Verdeutlichung des Verfahrens. Es ist offensichtlich, dass die Bestimmung der Mikrostruktur deutlich verbessert werden kann. Beispielsweise lässt sich eine feinere Höhendiskretisierung in Kombination mit einem größeren Satz an lokalen Muster verwenden.This relatively simple method with the aid of a fixed assignment between height class and local microstructure serves at this point only to clarify the method. It is obvious that the Be mood of the microstructure can be significantly improved. For example, a finer height discretization can be used in combination with a larger set of local patterns.
Des
weiteren ist bei dem beispielhaft beschriebenen Verfahren, das Prozessmodell
für den Polierschritt nur dazu verwendet worden die Größe
der lokalen Korrekturätzmuster festzulegen. Man erkennt
in
Diese
Mikrostruktur wird nun auf das ursprüngliche Höhenprofil
aufgeprägt. Dadurch entsteht das in
In
Bei
diesem beispielhaften Verfahren der Festlegung der Mikrostruktur,
werden Bereiche in denen die Werkstückoberfläche
nur wenig von der Sollgeometrie abweicht mit einem Korrekturmuster
von 50% Flächenbelegung geätzt. Dies ist notwendig
um auch (in
In einem weiteren Anwendungsbeispiel verwenden wir ein Laserablationsverfahren zur Oberflächenstrukturierung.In In another application example we use a laser ablation method for surface structuring.
Laserablationsverfahren erreichen typischerweise eine minimale Strukturierungsbreite 10–50 μm. Unter Verwendung desselben Verfahren wie im vorangegangenen Beispiel zur Ermittelung des Korrekturätzmusters, ergibt sich damit eine maximale Strukturbreite von etwa 40 μm–200 μm. Bei dieser Strukturbreite ist das Elastizitätsmodul unter den oben genannten Prozessbedingungen noch nicht in der hochfrequenten Sättigung.laser ablation typically achieve a minimum patterning width of 10-50 μm. Using the same procedure as in the previous example for determining the correction etching pattern, this results a maximum structure width of about 40 μm-200 μm. With this structure width, the modulus of elasticity is below the above process conditions are not yet in the high-frequency Saturation.
Daher
wird in diesem Anwendungsbeispiel eine Relativgeschwindigkeit von
2.5–12.5 m/s verwendet, also um einen Faktor 5–25
höher ist als im vorhergehenden Anwendungsbeispiel. Sollten
solche Relativgeschwindigkeiten mit einer in
Die
Erhöhung der Relativgeschwindigkeit hat zur Folge, dass
die räumliche Frequenz der aufgeprägten Mikrostruktur
in eine höhere Frequenz der im Polierkissen erzeugten Deformation
umgewandelt wird. Insbesondere gilt der Zusammenhang:
In einem weiteren Anwendungsbeispiel nehmen wir an, dass die erreichbare maximale Relativgeschwindigkeit nur 2 m/s beträgt und das Strukturierungsverfahren eine minimale Auflösung von 20 μm hat. Damit sind die durch die Mikrostrukturierung erzeugten zeitlichen Deformationsfrequenzen nur um einen Faktor 0.4 geringer als im ersten Anwendungsbeispiel.In another application example, we assume that the achievable maximum relative speed is only 2 m / s and the structuring method has a minimum resolution of 20 μm. Thus, the temporal deformation frequencies generated by the microstructuring are only a factor 0.4 lower than in the first application example.
Um diesen Faktor auszugleichen, wird in diesem Anwendungsbeispiel die Temperaturabhängigkeit Glasübergangs ausgenutzt.Around To compensate for this factor is in this application example the Temperature dependence glass transition exploited.
Das Temperaturverhalten der Glasübergangsfrequenz folgt bei den meisten Polymeren in guter Näherung einem Arrhenius-Gesetz, das heißt es gilt: wobei ΔH eine materialspezifische Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante, T die Temperatur und ω0 eine Materialkonstante ist. Da die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmodul nur vom Verhältnis ω/ωtr abhängt, ist eine Verschiebung der Glasübergangsfrequenz von ωtr,1 zu ωtr,2 equivalent zu einer Skalierung der Frequenzachse um den Faktor ωtr,2/ωtr,1.The temperature behavior of the glass transition frequency follows, in the case of most polymers, to a good approximation an Arrhenius law, that is to say: where ΔH is a material-specific activation energy, R is the gas constant, T is the temperature and ω 0 is a material constant. Since the frequency dependence of the modulus of elasticity depends only on the ratio ω / ω tr , a shift of the glass transition frequency from ω tr, 1 to ω tr, 2 is equivalent to a scaling of the frequency axis by the factor ω tr, 2 / ω tr, 1 .
Um die Glasübergangsfrequenz ωtr um den Faktor 0.4 gegenüber der Temperatur T1 aus dem ersten Anwendungsbeispiel zu verringern und damit die gesamte Frequenzabhängigkeit um denselben Faktor zu skalieren, ergibt sich folgender Zusammenhang: In order to reduce the glass transition frequency ω tr by a factor of 0.4 compared to the temperature T 1 from the first example of application and thus to scale the entire frequency dependence by the same factor, the following relationship arises:
Typische
Aktivierungsenergien liegen im Bereich von 10–100 kJ/mol
und können durch geeignete Herstellungsverfahren des verwendeten
Polymers eingestellt werden. Polierprozesse wie der in
Daher
wird in diesem Anwendungsbeispiel das Polierkissenträger
mit Hilfe einer geeigneten Temperaturregelung auf eine Temperatur
abgekühlt, die etwa 10 K bis 30 K unterhalb der Prozesstemperatur
aus dem ersten Anwendungsbeispiel liegt. Dies kann beispielsweise
durch eine Flüssigkeitskühlung mit einem geeigneten
Kühlmittel geschehen, wie sie in
Damit erreicht man wieder trotz der größeren Strukturbreiten und der geringeren Relativgeschwindigkeit, dass die durch die Mikrostrukturierung induzierten Deformationsfrequenzen in dem Bereich liegen in dem das dynamische Elastizitätsmodul die gewünschten hohen Werte annimmt.In order to you reach again despite the larger structure widths and the lower relative velocity that is due to the microstructuring induced deformation frequencies in the range are in the dynamic modulus of elasticity the desired high Takes values.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von einer Mikrolinsenmatrix verwendet. Im Unterschied zu den bisherigen Anwendungsbeispielen, wird hier die Form der optisch aktiven Oberfläche direkt durch die geeignete Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt.In Another application example is the inventive Process for the preparation of a microlens matrix used. In contrast to the previous application examples, here the shape of the optically active surface directly through the suitable application of the method according to the invention generated.
Jede Einzellinse soll einen Durchmesser im Bereich von 1 mm haben und die Anordnung soll beispielsweise in einer quadratischen Matrix erfolgen, wobei der Abstand der Linsen identisch zu deren Durchmesser sein. Das Linsenprofil soll sphärisch sein mit einem Kugelradius von 500 mm. Dadurch ergibt sich eine Linsenhöhe von 1 μm ergibt.each Single lens should have a diameter in the range of 1 mm and the arrangement is intended, for example, in a square matrix take place, wherein the distance of the lenses identical to their diameter be. The lens profile should be spherical with a spherical radius of 500 mm. This results in a lens height of 1 micron results.
Man geht von einem planaren Substrat eines geeigneten Materials (z. B. Quartzglas oder Silizium). In dieses Substrat wird durch photolithographische Mikrostrukturierung eine geeignete Mikrostruktur eingeprägt. Die Berechnung der Mikrostruktur kann auf analoge Weise wie im ersten Anwendungsbeispiel erfolgen, wobei als Sollgeometrie in diesem Beispiel die Oberfläche der Mikrolinsenmatrix eingesetzt wird. Durch den anschließenden Polierschritt wird wiederum die kurzwellige Mikrostruktur eingeebnet, aber die langwelligen Komponenten der aufgebrachten Mikrostruktur bleiben erhalten und bilden die gewünschten sphärischen Mikrolinsen.you starts from a planar substrate of suitable material (e.g. Quartz glass or silicon). In this substrate is by photolithographic Microstructuring embossed a suitable microstructure. The Calculation of the microstructure may be analogous to that in the first Application example, where as the target geometry in this example the surface of the microlens matrix is used. By the subsequent polishing step is again the short-wave Microstructure leveled, but the long-wave components of the applied microstructure are retained and form the desired spherical microlenses.
Um kleinere Kugelradien zu erreichen, kann bei dieser Anwendung mit größeren Ätztiefen gearbeitet werden, oder mehrere Prozesszyklen gegebenenfalls mit unterschiedlichen Prozessparametern (insbesondere Polierkissenrauigkeit) verwendet werden. Außerdem kann es zur Berechnung der Mikrostruktur notwendig werden mit Prozessmodellen zu arbeiten, die die höheren Ordnungen des effektiven Federgesetzes berücksichtigen. Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer weicheren elastischen Zwischenschicht zwischen dem oberen Polierkissen und dem Polierkissenträger, um die Anpassung der Polierkissenoberfläche an die langreichweitigen Höhenunterschiede zu erlauben.In order to achieve smaller ball radii, larger etching depths can be used in this application, or several process cycles, if appropriate with different process parameters (in particular polishing pad roughness), can be used. In addition, to calculate the microstructure, it may be necessary to work with process models that take into account the higher orders of the Effective Spring Law into account. It is also advantageous to use a softer elastic intermediate layer between the upper polishing pad and the polishing pad carrier to allow the polishing pad surface to adapt to the long range height differences.
In
einem weiteren Anwendungsbeispiel verwenden wir das aus dem dynamischen
Elastizitätsmodul und der anderen Prozessparameter bestimmten
Prozessmodell zur Platzierung von Füllstrukturen zur Verbesserung
der Planarität einer dielektrischen Isolationsschicht zwischen
zwei Metallebenen eines integrierten Schaltkreises. Wir gehen davon
aus, dass das Prozessmodell durch eine einfache Faltung mit der
in
Zunächst wird aus dem Leiterbahnenlayout der unteren Metallschicht eine Näherung für die Oberflächengeometrie der Werkstückoberfläche nach der Abscheidung der dielektrischen Schicht errechnet. Im einfachsten Fall erfolgt dies dadurch, dass allen Flächen auf denen eine Leiterbahn gezeichnet ist, die Höhe der Metallschichtdicke zugeordnet wird, und alle anderen Bereiche auf die Höhe null gesetzt werden. Vorteilhafter ist es an dieser Stelle genauere Modelle für den Abscheideprozess zu verwenden. Dann wird die Oberfläche in kleine Parzellen unterteilt, und in jeder Parzelle die mittlere Höhe errechnet. Die Parzellengröße wird dabei vorteilhafterweise so gewählt, dass sie deutlich kleiner ist, als der typische Radius der Faltungsfunktion des Prozessmodells.First becomes an approximation of the trace layout of the lower metal layer for the surface geometry of the workpiece surface calculated after the deposition of the dielectric layer. In the simplest Case, this is done by having all surfaces on those a trace is drawn, the height of the metal layer thickness is assigned, and all other areas to the height set to zero. It is more advantageous at this point more accurate Use models for the deposition process. Then it will be the surface is divided into small plots, and in each Parcel calculated the mean height. The parcel size is advantageously chosen so that they clearly is smaller than the typical radius of the convolution function of the process model.
Mit der so ermittelten Oberflächengeometrie und dem Prozessmodell wird die Oberflächengeometrie nach dem Polierprozess ermittelt. Für den hier angenommen Fall, erfolgt dies vorteilhafterweise durch Multiplikation der fouriertransformierten Oberflächengeometrie mit der fouriertransformierten Faltungsfunktion des Prozessmodells.With the thus determined surface geometry and the process model the surface geometry is determined after the polishing process. For the case assumed here, this takes place advantageously by multiplication of the Fourier-transformed surface geometry with the Fourier-transformed folding function of the process model.
Um
eine möglichst ebene Oberflächengeometrie der
Werkstückoberfläche nach dem Polieren zu erreichen
sucht man nun eine Höhenkorrekturfunktion, um die die ursprüngliche
Oberflächengeometrie korrigiert werden muss. Aufgrund des
tiefpassartigen Verhaltens des Prozessmodells, kann man eine solche
Höhenkorrekturfunktion dadurch finden, dass man von der
ursprünglichen Oberflächengeometrie nur die langwelligen Komponenten
bis zu einer bestimmten räumlichen Frequenz berücksichtigt
und alle kurzwelligeren Beiträge zu null setzt. Die räumliche
Grenzfrequenz ermittelt man aus der Faltungsfunktion in der Art,
dass die Fläche unterhalb der Grenzfrequenz einen sehr
großen Anteil (z. B. 95%) an dem Gesamtintegral der Faltungsfunktion
hat. Die Lage einer entsprechend gewählten Grenzfrequenz
ist beispielhaft in
Im allgemeinen wird dieses Verfahren sowohl positive als auch negative Höhenkorrekturen ermitteln. Da üblicherweise nur ein Hinzufügen zusätzlicher Füllstrukturen erlaubt ist, ergibt sich dadurch das Problem, dass nur positive Höhenkorrekturen (d. h. eine Anhebung der mittleren lokalen Höhe) möglich sind. Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass die Höhenkorrekturfunktion durch einen konstanten Offset erweitert wird, der so groß gewählt wird, dass die negativen Höhenkorrekturen in positive Werte umgewandelt werden. Da es sich um einen konstanten, also ortsunabhängigen Offset handelt, verändert er die Oberflächengeometrie nach dem Polieren nicht.in the Generally, this procedure will be both positive and negative Determine height corrections. As usually only adding additional filling structures is allowed, this results in the problem that only positive Altitude corrections (i.e., an increase in the mean local Height) are possible. This problem leaves solve themselves by the fact that the altitude correction function is extended by a constant offset, which is chosen as large will that the negative altitude corrections into positive values being transformed. Because it is a constant, so location independent Offset, it changes the surface geometry not after polishing.
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