DE1914082C3 - Vorrichtung zum Läppen oder Polieren von ebenen Werkstückoberflächen - Google Patents

Description

Bei den bisher gebräuchlichen Läpp- oder Poliermaschinen müssen die Oberflächen z. B. von zu polierenden Halbleiterplättchen, mit der Polierfläche plan liegen, was unter bestimmten Voraussetzungen zu einem hohen Prozentsatz von zurückgewiesenen Halbleiterplättchen führt. Außerdem kann bei der Massenfabrikation der versehentliche Bruch und der dadurch bedingte Ausfall eines einzigen Plättchens die übrigen Plättchen, die während des Polierprozesses mit poliert werden, zerstören oder zumindest beschädigen. Die bisher gebräuchlichen Läpp- oder Poliermaschinen können nämlich derartige gebrochene Plättchen oder Stücke davon nicht aus dem Bearbeitungsbereich ausstoßen, was zu einem Zerkratzen der Oberfläche der anderen Plättchen führt. Außerdem werden bei den bekannten Polierverfahren die zu polierenden HalbleiterDlättchen nacheinander geläppt, gereinigt und poliert Der Reinigungsprozeß langt jedoch nicht aus, um schadhafte Halbleiterplättchen bzw. abgesprungene Stücke hiervon zu beseitigen, um die Zerstörung der anderen im Poliergerät befindlichen Halbleiterplättchen zu vermeiden.

Aus der US-PS 24 04 282 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bekannt, die aus mehreren, über einer rotierenden Läppscheibe nebeneinander angeordneten; in Trägern drehbar gelagerten Werkstückaufnehmern zur Aufnahme eines oder mehrerer Werkstücke und aus einem gemeinsamen Antrieb für die Träger, durch den die Werkstückaufnehmer über der Läppscheibe hin- und herbewegt werden, besteht Hierbei wird die Drehbewegung der Werkstückaufnehmer von der Rotation der Läppscheibe abgeleitet Der Hauptnachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß insbesondere für sehr dünne Halbleiterplättchen mit relativ großem Durchmesser eine derartige Vorrichtung deshalb nicht geeignet ist, weil durch die Hin- und Herbewegung unter unregelmäßiger Drehung der Werkstückaufnahmer eine zerstörungsfreie Bearbeitung der Plättchen ebenfalls nicht gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Polieren von Werkstücken, insbesondere von Halbleiterplättchen-Oberflächen zu schaffen, die ein Zerstören bzw. Zerkratzen der im Poüerprozeß befindlichen Halbleiterplättchen mit relativ großem Durchmesser verhindert oder zumindestens vermindert.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht im Kennzeichendes Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 24 19 034 ist es an sich bekannt, Werkstückaufnehmer exzentrisch zwischen Läppscheiben zu lagern. Diese exzentrische Lagerung und Bewegung zum Polieren oder Läppen von Werkstücken zwischen Läppscheiben ist jedoch dann ungeeignet, wenn es sich, wie im vorliegenden Falle, um sehr dünne Halbleiterplättchen mit großem Durchmesser handelt. Bedingt durch den unterschiedlichen Druck auf der großen Fläche entstehen Spannungen, die ein Zerbrechen der großen Halbleiterplättchen beim Bearbeitungsvorgang zur Folge haben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen in den Kennzeichen der Patentansprüche 2 bis 5.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besieht vor allem darin, daß der Werkstückträger in Längsrichtung wandert, so daß die vom Werkstück abgesprungenen kleinen Teilchen leichter aus dem Poüerprozeß ferngehalten werden können, da diese durch die Längsbewegung ganz einfach abtransportiert werden. Auch ist es leichter, die einzelnen Halbleiterplättchen während ihres Durchlaufs exakt zu reinigen, während andere im Polierprozeß befindliche Halbleiterplättchen weiterpoliert werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß ein im Werkstückhalter gehaltenes Werkstück im Verhältnis zur Polierfläche im wesentlichen koplanar schwingen kann. Dadurch ergibt sich eine wesentlich bessere Ausbeute der zerstörungsfrei polierten Werkstücke, insbesondere von Halbleiterplättchen. Außerdem kann der Poliertisch, auf dem die Träger laufen, mit mehreren Polierflächen versehen werden, so daß zwischen den einzelnen Poliergängen die Flächen gereinigt werden können, um das Werkstück von allen Restbeständen zu befreien, die vom letzten Poliervorgang bzw. Schleifvorgang noch an ihm haften.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in perspektivischer Darstellung mehrere Werkstückträger,

F i g. 2 in perspektivischer Darstellung einen Teil des Poliertisches und die Art, in der Werkstücke aus ihren Werkstückhaltern entfernt werden können, während sich die Träger, bezogen auf die Darstellung in Fig. 1, von links 1 (ach rechts be wegen,

Fig.3 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Trägers,

F i g. 4 eine Teilschnittansicht entlang der Linie 4-4 in F i g. 3 so gesehen, als ob die F i g. 3 nicht geschnitten wäre, in welcher Teile der Träger zur Erklärung der 1 ■> Konstruktion abgenommen sind,

F i g. 5 eine Seitenansicht einer Bearbeitungslinie zum Polieren der Oberfläche eines Werkstückes,

F i g. 6 eine Draufsicht eines Teiles der in F i g. 3 und 4 gezeigten Vorrichtung die in gestrichelten Linien die Schwingbewegung des Werkstückaufnehmers zeigt, während sich der Träger, bezogen auf F i g. 5, von links nach rechts bewegt und

F i g. 7 eine andere Ausführung des Trägers für eine Schwingbewegung des Werkstückaufnehmers. >■-.

In Fig. 1 ist ein Poliertisch 10 mit mehreren Trägern 40 dargestellt, die auf diesen Tisch von links nach rechts über eine Polierfläche 11 laufen. Bei der Bewegung der Träger 40 in Längsrichtung schwingen die in den Trägern gehaltenen Werkstücke so, daß alle Teile der «1 Oberfläche des Werkstücks 12, die an der Polierfläche 11 aufliegen, ungefähr den gleichen Weg zurücklegen. Obwohl die Werkstücke jede beliebige Form haben können, wird im Ausführungsbeispiel als typisches Werkstück (in F i g. 2 dargestellt) ein flaches Silizium- ι, plättchen von ungefähr 0,025 cm bis 0,03 cm Dicke und 3,00 cm Durchmesser betrachtet.

Erfindungsgemäß kann jeder Träger 40 eines oder mehrere Werkstücke 12 bei seiner Bewegung in Längsrichtung des Poliertisches 10 gegen die Polierflä- w ehe 11 drücken, während er das Teil gleichzeitig in schwingende Bewegung setzt. Zu diesem Zweck besteht gemäß Darstellung in Fig.3 ein Träger 40 aus einem Gehäuse 41 mit einer zylindrischen Vertiefung 42 zur Aufnahme der drehbaren zylindrischen Welle 43. -r> Darstellungsgemäß enthält der obere Teil des Trägers einen Distanzwinkel 44, an welchem der Antrieb befestigt ist, der im Ausführungsbeispiel oine Welle 45 mit einer Riemenrolle 46 umfaßt, in welche ein genormter zweiseitig V-förmig profilierter Keilriemen so 47 eingreift. Der Doppelkeilriemen 47 wird durch eine der in Fig. 1 gezeigten beiden Umlenkrollen 47Λ und 470 getrieben. Am unteren Ende befindet sich in der Welle 45 ein Stift 48, zur Kupplung mit der Verlängerung 49 des oberen Teiles der drehbaren Welle v> 43. Gemäß Darstellung in F i g. 3 weist die Verlängerung 49 ein Langloch 50 auf, in welchem sich die drehbare Welle 43 relativ zum Stift 48 vertikal bewegen kann, wobei die Abwärtsbewegung durch die Oberkante 50/4 des Langloches 50 begrenzt wird. Die drehbare Welle 43 t>o wird von einer Kugell^fbai.ii 51 umgeben, die eine Drehung der Welle 43 sowie ihre vertikale freie Bewegung gestattet.

Um das Werkstück zu ergreifen, während es gleichzeitig relativ zum Träger schwingen kann, ist der Werkstückaufnehmer 60 vorgesehen. Dieser Aufnehmer umfaßt gemäß der Darstellung in Fig. 3 einen Gehäusering 61, der drehbar auf einem Kugelgelenk 62 lagert, das mit der drehbaren Welle 43 verbunden ist Das Kugelgelenk 62 gleicht jede Fehlausrichtung aufgrund einer unebenen Oberfläche auf einem Plättchen aus und ermöglicht se eine eigene Polierebene fü- jedes Plättchen. Zu dem Ring 61 gehören mindestens einer, im Ausführungsbeispiel jedoch mehrere herabhängende Werkstückhalter 63, in denen sich je eine Stellschraube 64 befindet, die durch den Ring 61 hindurch in ein Gewinde in einer Hülse 65 greift, die an ihrem unteren Ende eine Scheibe 66 aufweist, die der äußeren Form des Werkstückes 12, im Ausführungsbeispiel ein flaches Plättchen, entspricht. Zwischen der Scheibe 66 und der Unterseite des Gehäuseringes 61 befindet sich um die Hülse herum eine Druckfeder 67. mit drehen Hilfe die Scheibe und der Ring so gespannt werden, daß ihr Abstand durch die Stellschraube 64 aus später noch erklärten Gründen genau eingestellt werden kann. Unterhalb des Gehäuseringes die Hülsen 65 umgebend, befindet sich ein Anschlag 67/4 zur Begrenzung der vertikalen Einstellung der Scheibe 66. Die Scheiben 66 werden von einem Gleitring 68 mit mehreren Öffnungen 69 umschlossen, die der Aufnahme der Werkstücke 12 dienen und deren Umfang so geformt ist, daß das zu bearbeitende Werkstück genau dort hineinpaßt Gemäß der Darstellung in F i g. 3 und 4 befindet sich an dem Gleitring 68 ein radial am Umfang verlaufender Flansch 70. Der Ring 68 kann sich zwar vertikal frei bewegen, seine seitliche Bewegung ist jedoch durch das Passen der Scheiben 66 in die Öffnungen 69 begrenzt.

Um den Werkstückaufnehmer 60 und somit auch die in der Öffnung 69 unter der Scheibe 66 liegenden Plättchen zum Schwingen zu bringen; während das Gewicht der drehbaren Welle 43 am Aufnehmer aufliegt, ist das Kugelgelenk 62 exzentrisch so an der drehbaren Welle 43 angebracht, daß bei deren Drehung über die Riemenrolle 46 sich der Aufnahmer um ein exzentrisch zum Träger 40 verlaufende Achse dreht Die Bewegung des Aufnehmers 60 und somit des Werkstükkes 12 ist schematisch in F i g. 6 gezeigt.

Um zu verhindern, daß der Aufnehmer sich kreisförmig um das Kugelgelenk 62 dreht, wodurch an den äußeren Teilen des Werkstückes auf der Polierfläche ein wesentlich größerer Weg zurückgelegt würde als an den inneren Teilen, müssen gewisse Einrichtungen die Bewegung des Werkzeugaufnehmers 60 so begrenzen, daß dieser sich in einer elliptischen Bahn bewegt. Zu diesem Zweck befindet sich in einem gewissen Abstand vom Aufnehmer 60 an einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 41 ein Flansch mit nach unten weisenden Nasen 72 (Fig.4). Zwischen den Nasen 72 und dem Gehäusering 71 befinden sich begrenzende Druckfedern 73, die das Drehen des Aufnehmers 60 in einer Kreisbahn um das Kugelgelenk 62 verhindern.

Damit die Träger geradlinig auf dem Poliertisch 10 laufen, ist eine Führung 75 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel aus zwei Führungsröhren 76 an den Außenkanten des Flansches 71 besteht, die auf in Längsrichtung angeordneten Führungsschienen 77 laufen (siehe Fig. 1,3 und 4). Zur Bewegung des Trägers in Längsrichtung auf dem Tisch ist ein Antrieb vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel eine in Längsrichtung laufende Gewindespindel 78 umfaßt, die mit ihrem Gewinde in ein Gegenstück 79 an der Außenseite von einem der Flansche 71 greift Wenn die Werkstückhalter 63 geladen werden, liegt der zu dem Langloch 50 der Verlängerung 49 gehörige Stift 48 an

der Oberkante 50/4 des Langloches auf. Die zu jedem Werkstückhalter 63 gehörige Stellschraube 64 wird nun eingestellt und damit wird die Scheibe 66 soweit angehoben, bis deren Abstand der gewünschten abzutragenden Schichtdicke des polierten Werkstückes 12 entspricht Beim Einsetzen eines Plättchens in die so entstandene öffnung 69 wird nun die drehbare Welle 43 von der Oberkante 50/4 des Langloches um eine Strecke angehoben, die gleich der Materialdicke ist, die von dem eingelegten Plättchen zu entfernen ist. Somit liegt das ganze Gewicht der Welle und des Werkstückhalters auf dem Werkstück auf, während es unter Schwingung steht und geradlinig auf der Polierfläche bewegt wird, bis die gewünschte Matcrialrncngc vom Werkstück abgenom men ist. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Oberkante 50A des Langloches am Stift 48 auf und die drehbare Welle kann nicht weiter abfallen.

In einem kontinuierlichen Verfahren sollen sich mehrere Träger der oben beschriebenen Art in Längsrichtung auf dem Poliertisch 10 bewegen. Daher sind in Längsrichtung des Poliertisches mehrere Polierflächen so angeordnet, daß ein an den Anfang des Poliertisches gesetztes rauhes Plättchen poliert wird, bis der Träger das gegenüberliegende Ende des Tisches erreicht. Wie am besten aus F i g. 5 zu ersehen ist, sind zu diesem Zweck mehrere Polierstationen mit den Polierflächen 11,4 bis llFdargestellt. In der Station HA wird das Werkstück 12 zunächst grob abgeschliffen. Nach dem Abschleifen kann ein Reinigen des Werkstükkes zur Entfernung der abgeschliffenen Teilchen erwünscht sein. Dementsprechend wird jeder nachfolgende Träger 40 in eine Reinigungsstation mit einer Reinigungsfläche 11S geführt, wo Wasser zugeführt wird. Wenn das Werkstück aus einem Material besteht, welches durch Wasser angegriffen wird, können natürlich auch andere Lösungen verwendet werden. Die Reinigungslösung kann durch Düsen aufgespritzt werden, die neben der Oberfläche angeordnet sind, oder sie kann durch öffnungen 80 in der Oberfläche zugeführt werden, wobei die überschüssige Reinigungslösung von der Reinigungsfläche llß in die Ablaufrinnen 81 an den beiden einander gegenüberliegenden Längsseiten der Reinigungsfläche und von dort durch Ablauföffnungen 82 in einen Behälter 83 unter dem Poliertisch läuft. Im Behälter kann sich eine nicht dargestellte Pumpe befinden, die die Flüssigkeit wieder der Fläche 115 durch die öffnungen 80 zuführt. Anschließend läuft jeder Träger in die Läppstation, in welcher eine Flüssigkeit wie Wasser oder öl mit Läppsubstanzen, wie Siliziumkarbid-, Bornitritpartikel usw., in der Größenordnung von 10 Mikron der Läppfläche UC zugeführt wird. Das Läppen und der Flüssigkeitsumlauf erfolgen wie in obengenannter Station. Die Station 11D dient genau wie die Station HB wieder der Reinigung. Auf der nächsten Station auf dem Poliertisch 10 wird mit der Oberfläche Huf poliert, und zwar mit einem Zusatz, wie z. B. Siliziumoxyd. Die Art der Polierfläche hängt von den einzelnen zu polierenden Werkstücken ab, und wenn ein Polierschlamm gewünscht wird, ist eine Anlage entsprechend obiger Beschreibung vorzusehen.

Nach dem Polieren kann das Werkstück einem weiteren Reinigungsgang unterworfen werden, um alles daran haftende Material zu entfernen. Bei Bedarf kann die Polierfläche in vorbestimmten Intervallen ausgewechselt werden, so daß alle darin enthaltenen Partikel andere in nachfolgenden Trägern gehaltene Werkstükke nicht verkratzen und somit zerstören. Zu diesem

Zweck kann die Polierfläche 11 in jeder Station in der in Fig. 5 gezeigten Art ausgewechselt werden, wobei die Polierfläche einen endlosen Gürtel oder dgl. umfaßt, der um die Rollen 84 gelegt ist, die kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen angetrieben werden oder auch von Hand periodisch bewegt werden, um eine neue Polierfläche für die Träger bereitzustellen. Beim kontinuierlichen Betrieb muß die Schleife ggf. einer Reinigung durch Ultraschall oder einen Reinigungsbad unterzogen werden. Außerdem muß evtl. die Stillstandzeit des Trägers in einer oder mehreren Stationen variiert werden, und die Oberflächenlänge der verschiedenen Stationen kann unterschiedlich sein. Jeder Träger kann außerdem seinen eigenen Antriebsmotor besitzen, dessen Kontaktpaar auf zwei stromführenden Schienen läuft, so daß die Umdrehungsgeschwindigkeit eines jeden Motors verändert werden kann. Auf diese Weise kann bei Ankunft der Träger an den verschiedenen Stationen auf dem Tisch die Schwingungsgeschwindigkeit entsprechend verändert werden.

Abhängig von der Art des zu bearbeitenden Werkstückes und von dem für das Schleifen, Läppen und Polieren verwendeten Verfahren können die Polierflächen auch fest stehen.

Wie in F i g. 1 dargestellt, werden die Riemenrollen 46 durch den Doppelkeilriemen 47 angetrieben. Bei seiner Bewegung auf dem Poliertisch wird jeder Träger 40 langsam vom Keilriemen ergriffen, so daß die Schwingung des Werkstückaufnehmers 60 schrittweise zunimmt und nicht plötzlich erfolgt. Ein ähnlicher Poliertisch 10 kann auf der gegenüberliegenden Seite der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion so angeordnet werden, daß eine neue Kette von Werkstücken fertiggestellt werden kann, so daß der Doppelkeilriemen 47 ähnliche Riemenrollen 46 ergreifen kann, die mil ähnlichen Trägern auf der gegenüberliegenden Seite des Tisches verbunden sind.

Zur Entfernung der Werkstücke nach dem Reinigen auf der Reinigungsfläche ItF müssen die drehbaren Wellen 43 so angehoben werden, daß die Werkstücke 12 herausgenommen werden können. Zu diesem Zweck gelangt bei der Bewegung auf die Entladestation 90 hin jeder Träger außer Eingriff mit dem Doppelkeilriemen 47 und bewegt sich auf eine durch zwei konvergierende Seitenschienen 91 abgegrenzte Führungsbahn, wodurch der Werkstückaufnehmer mit der Mittelachse des Trägers ausgerichtet wird. Zwei in Längsrichtung verlaufende Hebeschienen 92 werden dann von dem um den Gleitring 68 herumverlaufenden Flansch 70 ergriffen, wodurch der Gleitring 68 angehoben wird, bis er an den von der Unterseite des Gehäuseringes 61 hervorstehenden Anschlägen 67A anliegt Dadurch wird die drehbare Welle 43 angehoben und läßt die fertiger Werkstücke 12 in der Entladestation frei liegen. Da die Werkstücke gegen die Scheibe 66 jedes Werkstückhalter 63 gedrückt wurden und durch die Oberflächenspannung dort hängen bleiben, streift eine Messerkante 93 die Werkstücke von den Scheiben ab, wobei sich der Träger so bewegt, daß die Scheiben entladen werden.

In manchen Fällen soll die Bewegung des Aufnehmers 60 auf einer elliptischen und nicht auf einer Kreisbahn auch durch andere Einrichtungen als durch Federn hervorgerufen werden. Gemäß der schematischen Darstellung in F i g. 7 ist der Aufnehmer 160 durch ein exzentrisch angebrachtes Kugelgelenk 162 an der Halterung 143 befestigt Um den Aufnehmer 160 bei Drehung der Halterung 143 zum Schwingen zu bringen ist am Aufnehmer ein Gabelhebel 145 so befestigt, daO

das Kugelgelenk sich relativ zum Gabelhebel drehen kann. Wie in F i g. 7 dargestellt, ist das andere Ende des Gabelhebels 145 so ausgebildet, daß ein Stift 147 eingreifen kann, der außen an der Halterung 143 befestigt ist. Die Drehung der Halterung bewirkt somit ein Schwingen des Aufnehmers und keine Drehung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Läppen oder Polieren in einer Einrichtung zum Bearbeiten und Reinigen vGn ebenen Werkstückoberflächen in mehreren hintereinander angeordneten Stationen, insbesondere von Halbleiterplättchen mit relativ großem Durchmesser und geringer Dicke, bestehend aus mehreren, über einer Polierfläche nebeneinander angeordneten, in Trägern drehbar gelagerten Werkstückaufnehmern zur Aufnahme eines oder mehrerer Werkstücke und aus einem gemeinsamen Antrieb für die Träger, durch den die Werkstückaufnehmer längs der Polierfläche bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß für eine exzentrische Drehbewegung der in einer Richtung zur Polierfläche (11) längsbewegten Werkstückaufnehmer (60) eine weitere gemeinsame Antriebsvorrichtung (47) vorgesehen ist, daß der Träger (40) zwei kraftschlüssig drehbar gekoppelte, axial zueinander verschiebbare Antriebswellen (43, 45) aufweist und daß der Werkstückaufnehmer (60) exzentrisch über ein Kugelgelenk (62) an der unteren Antriebswelle (43) gelagert ist und die obere Antriebswelle (45) mit der gemeinsamen Antriebsvorrichtung (47) in Wirkverbindung steht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Hubes in Längsrichtung an der oberen Antriebswelle (45) ein Stift (48) angeordnet ist, der in ein Langloch (50) der unteren Antriebswelle (43) eingreift.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (40) durch einen doppelten Keilriemen (47) drehantreibbar sind und daß zur Längsbewegung der Träger (40) zur Polierfläche (11) eine Spindel (78) vorgesehen ist, die mit den Trägern (40) über Gehäuseringe (71) an diesen in Wirkverbindung steht.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückaulnehmer (60) zur Einstellung des Abstandes zur Polierfläche (11) jedes einzelnen Werkstückes (12) jeweils eine Stellschraube (64) und eine Scheibe (66) aufweist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückaufnehmer (60) durch Druckfedern (73) mit dem Gehäusering (71) verbunden ist.