DE19653001A1 - Vorrichtung zur Strömungsmessung und Konzentrationsbestimmung von abrasiven Feststoffen in Flüssigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zur Strömungsmessung und Konzentrationsbestimmung von abrasiven Feststoffen in FlüssigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strö
mungsmessung und Konzentrationsbestimmung von abrasiven
Feststoffen sowie ggf. zur Detektion von Gasbläschen in ei
ner Flüssigkeit nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Dopp
ler-Prinzip und/oder dem Phasen-Doppler-Dämpfungs-Prinzip nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch die Verwen
dung einer solchen Vorrichtung zum Gegenstand.
Der Doppler-Effekt in Flüssigkeiten und anderen Fluiden be
ruht darauf, daß Reflektoren, also Teilchen oder Gasbläs
chen in dem Fluid in einem Schallstrahl aufgrund ihrer Re
lativbewegung zwischen Sende- und Empfangsschallwandler ei
ne Frequenzverschiebung (die Doppler-Frequenz) nach der Re
flexion des Schallstrahls erzeugen. In einem gewöhnlichen
Rohr mit einem relativ geringen Durchmesser von < 5 mm bis
60 mm bewegen sich die Teilchen in dem Flüssigkeitsstrom
jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, je nach dem
ob sie in der Mitte oder an der Rohrwand entlangströmen.
Außerdem sedimentieren Feststoffpartikel schnell. In Abhän
gigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit bildet sich ein
laminares oder turbulentes Strömungsprofil aus. Demgemäß
wird das Doppler-Meßsignal-Spektrum aus vielen verschiede
nen Differenzfrequenzen gebildet, so daß ein relativ brei
tes, niedriges Spektrum, also ein Meßsignal mit einem teil
weise entsprechend ungünstigen Nutz-/Störsignalverhältnis
entsteht.
Um ein signifikantes, scharfes Doppler-Frequenz-Spektrum zu
erhalten, ist man bestrebt, möglichst viele gleich schnelle
"Geschwindigkeitsvektoren" in Form von vielen einzelnen
Frequenz Impulsen mit möglichst gleicher Zeitdauer zu erhal
ten, die durch einen oder mehrere Sensoren empfangen wer
den.
Die Meßkopfanordnung kann aus zwei oder drei Schallwandlern
bestehen (vgl. EP 0 517 140 A2, DE 41 18 827 C1 und DE 41 18 810 C2),
je nachdem wie genau die Strömungsgeschwindig
keit der Suspension bestimmt werden soll. Mit einer Anord
nung mit nur einem Sender und einem Empfänger werden Meßge
nauigkeiten von ca. 5% erreicht, während bei einem Sender
und zwei Empfänger bzw. zwei Sendern und einen Empfänger
wegen der Erkennung der ausgelöschten Einzelfrequenzen die
Genauigkeit der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
mehr als 1% beträgt.
Um durch Verringerung der Reibung an der Rohrwand den Teil
chen eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeit über den
Rohrquerschnitt zu verleihen, ist es bekannt, bei der Strö
mungsmessung nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Dopp
ler-Prinzip ein Meßrohr aus einem Kunststoff mit einer geringen
Oberflächenenergie zu verwenden, insbesondere einem fluor
haltigen Polymeren, wie PTFE oder PVDF. Auf der anderen
Seiten führen solche Kunststoffe durch eine erhebliche
Schalldämpfung zur Verschlechterung des Nutz-/Störsignal
verhältnisses, d. h., sehr kleine Partikel werden nicht mehr
geortet. Demgemäß wird nach DE 41 18 809 C2 ein Meßrohr aus
einem Material, z. B. Stahl oder Glaskohlenstoff, mit einem
hohen Elastizitätsmodul, und damit hoher Schallhärte vorge
schlagen, welches mit einer dünnen Innenbeschichtung aus
einem Kunststoff mit einer geringen Oberflächenenergie ver
sehen ist.
Andererseits sind Suspensionen häufig so abrasiv, daß die
Lebensdauer einer solchen Innenbeschichtung des Meßrohres
begrenzt ist.
Suspensionen zum Schleifen, Läppen und Polieren, also für
eine nasse Oberflächenbehandlung bestehen im allgemeinen
aus Wasser und Feststoffen sowie ggf. weiteren Zusätzen,
wie Korrosionsinhibitoren. Die Feststoffe sind häufig ein
gleichförmig feingemahlenes Mehl aus einem harten Material,
mit einer Körnung von beispielsweise 5 µm bis ca. 100 µm,
insbesondere aus Quarz, Korund oder Diamant.
Eine typische Anwendung ist die Oberflächenbehandlung von
Reinststiliziumscheiben, sog. Wafern mit einem Durchmesser
von 5'' bis 12'' oder mehr.
Die Oberflächenbehandlung erfolgt zuerst mit einem kräfti
gen Wasserstrahl (ca. 2.000 bis 5.000 Liter/Stunde bei ca.
1-5 bar) mit Quarzmehl mit einer Körnung von beispiels
weise 5 µm bei einer Quarzmehl-Gewichtskonzentration in der
Flüssigkeit von beispielsweise 5%-15%.
Dann werden die so vorbehandelten Siliziumscheiben mit ei
ner Präzisions-Läpp-Maschine poliert und erhalten einen
Planschliff mit einer Abweichung von der Planheit über den
gesamten Durchmesser von weniger als 0,1 µm und einem Ober
flächenspiegel, d. h., einer Rauhigkeit von praktisch 0 µm.
Bei der Herstellung von Halbleiter-Wafern, wie Sili
cium-Wafern und dgl. müssen höchste Oberflächenqualitäten, d. h.,
optimale geometrische Abmessungen (Planschliff) und höchste
Glattheit eingehalten werden, damit die anschließenden Ar
beitsgänge zur Chipherstellung exakt durchgeführt werden
können. Demgemäß wird die Siliciumscheibe einer Oberflä
chenbehandlung durch Läppen und Polieren unterzogen. Beim
Läppen wird der Läppmaschine dabei im Kreislauf ein Läpp
mittel zugeführt, das aus einer wäßrigen Aufschlämmung har
ter Teilchen besteht, meist feine Quarz- oder
Korund-Teilchen. Anschließend wird mit einem Poliermittel poliert.
Der Läppprozeß ist von einer genauen Zufuhrmenge der
Schleifpartikel in bestimmter Aufschlämmungskonzentration
abhängig. Gleiches gilt für die Zufuhr des Poliermittels
beim Polieren. Es besteht daher seit langem ein großes Be
dürfnis, die Zufuhrmenge und gleichzeitig die Konzentration
der Schleifpartikel beim Läppen und Polieren von Halblei
ter-Wafern exakt zu überwachen und zu regeln. Allerdings
ist das mit einer Kunststoffbeschichtung versehene Meßrohr
nach DE 41 18 809 C2 durch eine zu kurze Betriebsdauer zur
Messung der Zufuhrmenge und der Konzentration der Schleif
partikel ungeeignet.
Aus DE 42 07 031 A1 ist es bekannt, zur Strömungsmessung
abrasiver Teilchen nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-
Doppler-Prinzip ein Meßrohr aus kaltverformtem Stahl zu
verwenden. Gegenüber herkömmlichen warmverformtem Stahl
führt ein Meßrohr aus kaltverformtem Stahl nämlich überra
schenderweise zu einem Doppler-Spektrum mit schärfe
ren Peaks. Der Grund dürfte die Zerquetschung der zu großen
Eisenkristalle in der Rohrwand sein. Auch dieses Meßrohr
ist jedoch zur Strömungsmessung des Läppmittels zum Läppen
von Teilen, wie Wafern, wenig geeignet. Es war daher bis
her nicht möglich, die Zufuhrmenge, also die Strömungsge
schwindigkeit und besonders die Konzentration der Partikel
einer Suspension genau zu bestimmen. Vielmehr wurde diese
Bestimmung bisher ausschließlich durch menschliche Erfah
rung und Beobachtungsgabe, also ergebnisorientiert, durch
geführt. Die Messung der Oberflächengüte war nur durch
Offline-Kontrolle möglich. Allerdings ist danach eine Feh
lerbeseitigung nicht mehr möglich, mit Ausschuß als Folge.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung be
reitzustellen, mit der die Zufuhrmenge der Feststoffe zum
Polieren und Läppen von Oberflächen genau gemessen werden
kann, so daß ein kontrollierter Abtrag von Material an der
Oberfläche ohne Beschädigung der Oberfläche möglich ist.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekenn
zeichneten Vorrichtung zur Strömungsmessung und Konzentra
tionsbestimmung von abrasiven Feststoffen nach dem Ultra
schall-Hochfrequenz-Doppler-Prinzip und/oder Pha
sen-Doppler-Dämfungs-Prinzip erreicht. Das heißt, erfindungsge
mäß wird ein Meßrohr aus Glaskohlenstoff verwendet.
Glaskohlenstoff ist eine Kohlenstofform mit glasartigem
Bruchbild (vgl. Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)). Er
weist jedoch einen hohen E-Modul von 26 kN/mm2 auf. Während
normalerweise ein Material mit hohem E-Modul eine hohe
Oberflächenenergie aufweist, scheint Glaskohlenstoff über
raschenderweise einerseits einen hohen E-Modul und anderer
seits eine niedrige Oberflächenenergie zu besitzen. Jeden
falls wird bei Verwendung eines Meßrohres, das zumindest an
seiner Innenseite aus Glaskohlenstoff besteht, ein Dopp
ler-Spektrum mit einem Nutz-/Störsignalverhältnis erhalten, das
wesentlich besser ist als das mit einem Meßrohr aus Glas
kohlenstoff mit einer PTFE-Innenbeschichtung.
Glaskohlenstoff besitzt einerseits ähnliche Werkstoffeigen
schaften wie kaltverformter Stahl, d. h., er ist sehr gut
schalleitend, weist eine hohe Oberflächengüte und Härte
auf, ist also gut schallreflektierend, wenn der richtige
Einstrahlwinkel verwendet wird, andererseits ist er wie
PTFE oder PVDF chemisch resistent.
Eine besonders hohe innere Wand-Oberflächengüte des Meßroh
res aus Glaskohlenstoff und damit gut reflektierende Schal
leigenschaften kann man kann durch "Gießen" in eine sehr
glatte Gießform erhalten. Damit läßt sich eine für die Kon
zentrationsmessung erforderliche Verlängerung des Schall
strahles durch Reflexion an der Meßrohrinnenoberfläche er
halten, also beispielsweise durch einmalige, also
V-förmige, dreifache, also W-förmige oder mehrmalige Reflexion.
Natürlich ist auch eine schräge oder senkrechte
Durchschallung des Meßrohres möglich.
Die Genauigkeit der Konzentrationsmessung, besonders bei
kleinen inneren Rohrdurchmessern nimmt jedoch zu, je länger
der Schallweg des beispielsweise zweimal reflektierten
Schallstrahles ist, besonders wenn er scharf gebündelt ein
gestrahlt wird. Die konkave Rohrinnenseite des Glaskohlen
stoffrohres führt zu einer weiteren Bündelung des Schall
strahls, so daß man damit auch hohe Feststoffkonzentratio
nen in einer Läpp- bzw. Poliersuspension über eine längere
Strecke durchdringen kann.
Das Meßergebnis besteht darin, daß die Signalamplitude
streng linear zur Länge des Schallweges durch die Suspensi
on abnimmt. Der konstant oder gepulst strahlende Ultra
schallsender erzeugt also ein Empfangssignal im Empfänger,
welches umso schwächer wird, je höher die Feststoffkonzen
tration in der Flüssigkeit ist. Dabei verwendet man bei
spielsweise die Leitfrequenz des Doppler-Senders, wertet
aber die Frequenz- oder Phasenverschiebung nicht aus, son
dern nur die Amplitude, bzw. die relative Dämpfung der
Amplitude im Verhältnis zum Nullsignal, also z. B. reinem
Wasser.
Zur Bündelung des Schallstrahles wird daher vorzugsweise
ein rundes, insbesondere kreisrundes Meßrohr verwendet. Ei
ne mehrfache, vorzugsweise dreifache Reflexion des Schall
strahles ist bei dem erfindungsgemäßen Glaskohlen
stoff-Meßrohr auch wegen des nach dem Snellius-Brechungsgesetz
möglichst großen Einstrahlwinkels senkrecht zur Rohrachse
erforderlich. Es ist also nicht möglich, einen flachen Ein
strahlwinkel zu verwenden, weil dann die Schallenergie fast
gar nicht mehr in der Flüssigkeit ankommt, sondern im Rohr
mantel selbst verläuft. Gegebenenfalls kann statt eines run
den, insbesondere kreisrunden Meßrohres auch ein ovales
oder z. B. sechseckiges Rohr verwendet werden.
Es gibt bisher keinerlei Daten über die Ultraschalleigen
schaften von Glaskohlenstoff. Dieser Werkstoff wird nämlich
bisher für ganz andere Zwecke verwendet, beispielsweise als
Schmelztiegel für Metalle.
Die Eigenschaften von Glaskohlenstoff als Meßrohr zur Strö
mungsmessung und Konzentrationsbestimmung von abrasiven
Feststoffpartikel nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-
Doppler-Prinzip und/oder Phasen-Doppler-Prinzip ermöglichen
also neue und unerwartete Methoden der Meßtechnik. Das
heißt, es gibt bis heute noch kein preiswertes Durchfluß-
und Konzentrationsmeßgerät in einem. Die Regelung der Kon
zentration des Schleifpulvers im Wasser erfolgt vorzugswei
se in einem Bereich zwischen 5 und 40 Gewichts-%.
Die berührungslose Messung ist hier absolute Voraussetzung
und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.
Ein mechanischer Zähler ist für Suspensionen nicht machbar.
Auch ein MID-Durchflußmesser (also nach dem magnetischen,
induktiven und Faraday-Prinzip) würde wegen Verschleiß so
fort versagen. Ebenso versagen mechanische
Schwingungs-Systeme bei der Durchflußmessung einer Suspension von abra
siven Feststoffpartikeln. Mit einem Meßrohr nach dem Corio
lis-Prinzip läßt sich nur die Dichte bestimmen, also eine
Hilfsgröße, welche bei einem Zweikomponenten-Gemisch einen
Kompromiß darstellt. Kommen noch Gasbläschen in das Gemisch
als dritte Komponente, versagt auch ein Meßrohr nach dem
Coriolis-Prinzip.
Demgegenüber wird durch HF-Ultraschall die Dämpfung be
stimmt, so daß bei einer hohen Ultraschall-Leitfrequenz und
einer entsprechend langen Schallstrecke der Durchfluß der
Suspension und die Konzentration der darin enthaltenen
Feststoffteilchen gleichzeitig genau gemessen werden kön
nen. Das heißt, aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit kann
die Wucht des Aufpralls der Partikel auf die Oberfläche be
stimmt werden, und aufgrund der Konzentration die Zahl der
Partikel, die auf die Oberfläche pro Zeiteinheit aufpral
len. Damit kann sowohl die Strömungsgeschwindigkeit wie die
Konzentration optimal eingestellt und geregelt werden. Denn
eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit bzw. eine zu hohe
Konzentration der abrasiven Feststoffteilchen führen zu ei
ner Zerstörung der Oberfläche durch die Bildung mikroskopi
scher Krater, während eine zu geringe Strömungsgeschwindig
keit den Oberflächenveredelungsprozeß verteuert. Mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich die Konzentration
der festen Teilchen neben der Strömungsgeschwindigkeit
hochgenau, reproduzierbar und verfahrenstechnisch sehr ef
fektiv Messen und für eine Regelung einsetzen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Signalaus
wertung in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden. Das
heißt, zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit kann ein
Doppler-Signal mit einem Sender und einem Empfänger oder
mit einem Sender und zwei Empfängern oder mit zwei Sendern
und einem Empfänger erzeugt werden. Zudem kann der Doppler
Leitsender in Verbindung mit einer mehrfach, insbesondere
dreifach reflektierten Schallstrecke zur Konzentrations-
Meßsignal-Erzeugung benutzt werden. Beim "Stereo-Doppler"
also z. B. ein Sender und zwei Empfänger wird der Gleichlauf
der beiden Empfänger in Verbindung zum Sender kontrolliert.
Diese kombinierte Anordnung hat außerdem den entscheidenden
Vorteil, daß sich eine gegenseitige elektronische Kontrolle
durchführen läßt. D.h., die Elektronik besteht aus zwei
Pfaden, nämlich der Doppler-Elektronik und der Konzentrati
ons-Elektronik, so daß man bei einem Fehler in der Elektro
nik logisch ein "Error"-Signal generieren kann, weil bei
spielsweise eine Doppler-Frequenz von Null bei einer Kon
zentration von 12% physikalisch nicht möglich ist. Denn
ein Doppler-Signal von Null bedeutet, daß keine Partikel in
der Flüssigkeit vorhanden sind. Auch andere logische Kombi
nationen sind möglich. Damit wird eine wesentliche Erhöhung
der Prozeßsicherheit erreicht.
Außerdem kann man durch die Messung nach dem Hochfrequenz-
Ultraschall-Doppler-Prinzip Gasbläschen detektieren, also
insbesondere das Vorhandensein von Luft in der Leitung.
Durch Luft in der Leitung wird die erforderliche Menge an
Läppflüssigkeit reduziert, was zu Problemen führen kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Gasbläschen
zweifach gemeldet werden. So wird zum einen bei der Hoch
frequenz-Ultraschall-Doppler-Messung ein Empfangssignal er
halten, dessen Frequenz und Amplitude wesentlich höher ist
als durch die Quarzmehl oder sonstiger Feststoffteilchen.
Zudem wird bei viel Luft in der Leitung der Schallstrahl
für die Konzentrationsmessung abrupt unterbrochen. Damit
ist eine weitere Erzeugung eines "Error"-Signals möglich.
Die Meßergebnisse, die als Analogsignal ausgegeben werden,
können dann die Pumpenleistung so erhöhen, daß einerseits
die optimale Strömungsgeschwindigkeit und andererseits die
optimale Konzentration der Feststoffpartikel in der Suspen
sion durch entsprechende Zugabe der Feststoffpartikel ein
gestellt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Strömungsmessung
und Konzentrationsbestimmung des Läpp- bzw. Poliermittels
beim Läppen bzw. Polieren von Halbleiter-Wafern geeignet.
Es können also verschiedene Oberflächenbehandlungsprozesse
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung optimiert werden. Ne
ben Halbleiter-Wafern kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch auch zur Strömungsmessung und Konzentrationsbestim
mung von abrasiven Feststoffteilchen zur Oberflächenbear
beitung anderer Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise
für optische Einrichtungen, wie Spiegel oder Linsen oder
Metalloberflächen von mechanischen Präzisionsteilen, wie
Aluminium-Pleuel für Motoren und dergleichen.
Zudem ist eine hervorragende Standfestigkeit des Glaskoh
lenstoffmeßrohres bei der Durchflußmessung und Konzentrati
onsbestimmung von Suspensionen abrasiver Feststoffpartikel
festzustellen. Damit ist eine Nachkalibrierung aufgrund ei
nes sich vergrößernden Innendurchmessers erst nach sehr
langer Betriebszeit erforderlich.
Da das Meßrohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung außerdem
als Geradrohr ausgebildet ist und kurz ausgebildet sein
kann, ist auch nur eine sehr kleine Angriffsfläche für die
abrasiven Feststoffteilchen vorhanden.
Das erfindungsgemäße Meßrohr besteht zumindest an seiner
Innenseite aus Glaskohlenstoff. Das heißt, es kann auch
ganz aus Glaskohlenstoff gefertigt sein. Da Glaskohlenstoff
ein Sprödwerkstoff ist, ist das erfindungsgemäße Meßrohr
jedoch vorzugsweise konzentrisch aufgebaut, d. h., es be
steht aus einem Innenrohr aus Glaskohlenstoff und einem äu
ßeren Schutzrohr, z. B. aus Metall, insbesondere Stahl oder
Kunststoff, oder das Glaskohlenstoffrohr ist mit einem
Kunststoffbelag überzogen, der eine mechanische Vorspannung
erzeugt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann daher eine der
art genaue Messung der Zufuhrmenge der Feststoffteilchen
der Suspension durch Strömungs- und Konzentrationsmessung
durchgeführt werden, daß Wafer in Serienfertigung mit einer
Genauigkeit der Planheit von weniger als 0,1 µm in kurzer
Herstellzeit bei minimalem Ausschuß erhalten werden können.
Dies hat eine entsprechend hohe Qualität der polierten und
geläppten Halbleiter-Wafer zur Folge.
Das Läppen oder Polieren kann auch nur mit Wasser erfolgen,
dem Luft oder ein sonstiges Gas in einer bestimmten Menge
zugegeben wird. Das Wasser wird dabei mit einem hohen Druck
von z. B. 10 bis 200 bar beaufschlagt. Durch die dem Wasser
zugegebene Luft wird die Wucht des Hochdruck-Wasserstrahles
herabgesetzt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
auch dieses Läpp- oder Polier-Verfahren durchgeführt wer
den, weil aufgrund des Doppler-Effekts und der Phasen-
Doppler-Dämpfung die Gasbläschenkonzentration bestimmt wer
den kann.
Als Läppmittel wird vorzugsweise eine wäßrige Aufschlämmung
von Quarz-, Diamant- oder Korund-Teilchen in einer Teil
chengröße zwischen 1 und 20 µm, vorzugsweise etwa 5 µm,
hochgenau gesiebt, verwendet. Der Durchmesser des Meßrohres
beträgt vorzugsweise 6 mm bis 30 cm, vorzugsweise zwischen
8 mm und 25 mm. Die abrasiven Teilchen können ferner aus
Siliciumcarbid oder Borcarbid bestehen. Die flüssige Phase
kann neben Wasser z. B. auch ein Öl sein. Suspensionen auf
Ölbasis sind vorteilhafter, weil sie weniger austrocknen
und einen guten Kornfilm bilden. Die Konzentration des
Feststoffs in der wäßrigen Suspension liegt vorzugsweise
bei 100-500 g/l Flüssigkeit, in einer Suspension auf Ölba
sis bei 100-250 g/l.
Beim Glätten der Oberfläche eines Halbleiter-Wafers werden,
nachdem die Vorderseite des Wafers geätzt und epitaxiert,
also ein chemischer Behandlungsprozeß durchgeführt worden
ist, der die Oberfläche bzw. die Rauhigkeit und Struktur
verändert, die Vorderseite und die Rückseite des Wafers un
terschiedlich behandelt. Das heißt, die Vorderseite wird
geläppt und chemisch behandelt und die Rückseite des Wafers
wird dann mit dem Wasserstrahl mit Feststoffpartikeln eben
falls oberflächenbehandelt, also eine gezielte Rauhigkeit
zur weiteren chemischen Behandlung erzeugt. Der erste Läpp
vorgang zielt dabei darauf, die Oberflächenrauhigkeit auf
etwa 50 µm oder weniger zu reduzieren. Nach dem Läppen kom
men mehrere chemische Verfahren zur Anwendung und dann u. a.
auch das Polieren, mit dem die höchste Feinheit und Genau
igkeitstufe der Oberfläche erzielt wird. Mit einer Läppma
schine kann man mit einer oder mehreren Polierscheiben dann
auf eine Genauigkeit von 0 µm Rauhigkeit polieren.
Die Läppsuspension kann dabei beim ersten Oberflächenbe
handlungsvorgang nur einmal verwendet werden, d. h., nach
dem Durchlauf durch die Läppmaschine ein Abfallprodukt bil
den. Beim Wasserstrahlverfahren mit einer Suspension zur
Behandlung der Rückseite des Halbleiter-Wafers wird hinge
gen das Läppmittel aus einem Tank im Kreislauf zugeführt.
Die Feststoffpartikal sind damit nicht mehr so scharfkan
tig. Die Feststoffkonzentration für die verschiedenen
Läppflüssigkeiten kann unterschiedlich sein. Im allgemeinen
wird zum Läppen ein Läppmittel mit einer Feststoffkonzen
tration von 10-40 Gew.-% verwendet. Beim Wasserstrahlver
fahren beträgt die Feststoffpartikelkonzentration etwa 5
bis 15 Gew.-%.
Erwähnt sei noch, daß die Malbleiter-Wafer durch eine Dia
mantsäge oder ein Drahtseil Scheibe für Scheibe von einer
Siliziumeinkristall-Stange mit einem Durchmesser von ca.
30 cm abgeschnitten werden. Da dieser Sägeprozeß keine ein
wandfreie Oberfläche liefert, ist der Läpp-, der chemische
Oberflächenbehandlungsprozeß und am Ende das Polieren er
forderlich.
Das jeweilige Oberflächenbehandlungsmittel kann der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung über eine Schlauchquetschpumpe zu
geführt werden. Schlauchquetschpumpen haben jedoch die Ei
genschaft, daß sie, wenn sie nicht nachgeregelt werden,
ständig an Pumpleistung verlieren. Deshalb ist die Durch
flußmengenbestimmung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
notwendig. Zwar können auch Membrandosierpumpen verwendet
werden, aber auch diese relativ teuren Pumpen werden durch
Verschleiß ungenau.
Bei der Phasen-Doppler-Bestimmung wird entweder die Dopp
ler-Leitfrequenz (f1 z. B. 10 MHz) innerhalb eines Zeitfen
sters zur Bestimmung der Amplitude verwendet oder eine wei
tere Frequenz (f2 z. B. 8 MHz) . Dabei ist ein schaltbares
Zeit-Empfangsfenster vorgesehen, wobei die Auflösung des
Zeit-Empfangsfensters vorzugsweise im Pico-Nano-Sekunden
bereich liegt. Das in diesem Zeitfenster liegende, sehr
kurze, nach der Amplitude auswertbare Empfangssignal be
sitzt dabei die gleiche Frequenz wie die Dopp
ler-Leitfrequenz (f1) oder die weitere Frequenz (f2). Mit einem
Schalter, der als Hardware- oder Software-Schalter ausge
bildet sein kann, wird das empfangene Konzentrationssignal
z. B. durch einen AD-Wandler einem Zwischenspeicher zur Be
arbeitung und Bewertung der Amplitude und damit zur Umrech
nung in die Konzentration der Feststoffpartikel zugeführt.
Bei Silicium-Wafer-Oberflächenbearbeitungen werden entspre
chend dem Veredelungsgrad in einem laufenden Verfahren meh
rere Zwischenschritte gemacht: Das Naßstrahlverfahren und
dann das Läpp- oder im Bereich der Mechanik das Honverfah
ren.
Beim Läppen kommt das Einscheiben- oder Doppelscheiben
läppabtragsverfahren zur Anwendung. Dabei handelt es sich
um rotierende Scheiben. Den Materialabtrag besorgt ein ge
nau kalibriertes Korn.
Erfindungsgemäß ist damit eine meßgesteuerte Produktion mit
einer Integration von Meßgeräten realistisch.
Hat man Arbeitsscheiben von Läppmaschinen mit einem Durch
messer von 75 cm, liegt der Verbrauch der Suspension auf
wäßriger Basis bei 4-5 l/h, auf öliger Basis bei 2-3 l/h.
Diese Arbeitsscheiben bzw. Schleifscheiben bearbeiten dann
die Oberflächen von verschiedensten Werkstücken. Dazu gehö
ren nicht nur die Silicium-Wafer, die dann hochgenau plan
parallel auf besser als 0,1 µm über einen Durchmesser von
12'' geschliffen werden, es gibt in der Mechanik auch z. B.
Aluminiumpleuel, die in wenigen Minuten fertig zerspant
sein müssen. Damit ist die Oberfläche in einer vorgegebenen
Rauhigkeit als Oberflächenqualität gemeint.
Wie erwähnt, wird der Materialabtrag durch Zufuhr einer
Suspension erzielt. Im Gegensatz dazu haben Einscheiben
läppmaschinen oder Doppelscheibenläppmaschinen fallweise
auch Schleifscheiben, die Korund, Silicium, CBN oder Dia
mant in verschiedenen Körnungen und Bindungen besitzen.
Die Suspensionslösungen zum Läppen oder Honen werden norma
lerweise im Kreislauf gefahren, d. h. aus einem Behälter ge
pumpt, über das Werkstück geführt und wieder zurück in den
Behälter geleitet. Dabei gibt es allerdings schon Verluste,
nämlich die, die auf dem Werkstück bei der Entnahme ver
bleiben, aber auch in den Maschinen, etc. Zudem erfolgt ein
Eindicken durch Wärmeentwicklung. Außerdem altert eine sol
che Mischung, so daß die Konzentrationsmessung auch be
merkt, ob sich ein Alterungsprozeß eingestellt hat, d. h. ob
das eigentliche Schleifkorn noch kleiner und feiner zermah
len wurde.
Seitens der Elektronik ist darauf hinzuweisen, daß sich der
gleichzeitige Betrieb eines Senders für die Dopplermessung
und eines Senders für die Konzentrationsbestimmung aufgrund
von gegenseitigen Störungen schlecht miteinander vereinba
ren läßt. Vorzugsweise wird deshalb der Sendebetrieb des
Dopplersenders getaktet, wobei regelmäßig sehr kurzzeitig
dazwischen der Sender für die Konzentrationsbestimmung ein
geschaltet wird.
Das Tastverhältnis liegt vorzugsweise im Bereich von ca.
90-99% Dopplersender und 1-10% Konzentrationssender. So
kann das Tastverhältnis 999 zu 1 betragen, d. h. die kurz
zeitige Abschaltung des Dopplersenders von wenigen Mikrose
kunden beeinflußt das Meßergebnis der Durchflußbestimmung
nach der Dopplerfrequenzverschiebung praktisch gar nicht.
Das kurze Umschalten z. B. 10 bis 1000 mal/s auf den Sender
für die Konzentrationsbestimmung genügt durch Mittelwert
bildung zur sicheren Bestimmung der Konzentration der Sus
pension. Die Konzentration wird über die Dämpfung, d. h.
über die abfallende Amplitude des Meßsignals bestimmt.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert, deren
einzige Figur schematisch ein Meßrohr in perspektivischer
Wiedergabe mit einem Block-Schaltbild zeigt.
Danach strömt durch ein Meßrohr 1 eine Suspension in Rich
tung des Pfeiles P. Das Meßrohr 1, ein Geradrohr, besteht
aus Glaskohlenstoff und ist zylindrisch ausgebildet, d. h.,
es weist einen kreisrunden Querschnitt und eine Länge von
z. B. 10 bis 50 cm und einen Durchmesser von beispielsweise
10 bis 30 mm auf.
Auf gegenüberliegenden Seiten des Meßrohres 1 sind in der
gleichen Querschnittsebene ein Sendeschallwandler S1 und
ein erster Empfangsschallwandler E1 angeordnet, die mit
gleichem Winkel schräg in Strömungsrichtung (Rohrachse)
ausgerichtet sind. Ferner kann ein zweiter, nicht darge
stellter Empfangsschallwandler in der gleichen Querschnitt
sebene vorgesehen sein, der ebenfalls mit diesem Winkel in
Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Ein dritter Empfangsschallwandler E3 ist stromabwärts von
dem Sendeschallwandler 1 angeordnet und schräg gegen die
Strömungsrichtung gerichtet. An Feststoffpartikeln, wie dem
Teilchen 2 wird der Schallstrahl S reflektiert und die re
flektierte Strahlung S', die aufgrund des Doppler-Effekts
durch die Bewegung des Teilchens 2 in Richtung des Pfeiles
P frequenzverschoben ist, wird vom Dopp
ler-Empfangsschallwandler E1 in ein elektrisches Signal umge
wandelt. Außerdem läuft der Schallstrahl S nicht nur auf
das Teilchen 2, sondern geht auch daneben weiter in Rich
tung Rohrinnenwand. Er wird dann in Form eines W dreifach
an der Rohrinnenwand reflektiert, bevor er auf den Emp
fangsschallwandler E3 trifft. Da der Schallstrahl S in
Strömungsrichtung P verläuft, wird er durch die Strömung
auf seinem Weg zum Empfangsschallwandler E3 mitgenommen,
wodurch seine Laufzeit verkürzt wird, so daß er phasenver
schoben empfangen wird. Er besitzt also zwei Merkmale, näm
lich eine Phasenverschiebung und eine Amplitudenschwächung.
Die Ultraschall-Leitfrequenz wird durch den Oszillator 3
erzeugt. Das vom Empfangsschallwandler E1 erzeugte elektri
sche Signal wird in einem Verstärker 4 verstärkt. In einem
Mischer 5 erfolgt die Differenzbildung zwischen Leitfre
quenz und Empfangsfrequenz, die die Doppler-Frequenz er
gibt. Das gebildete Doppler-Meßsignal wird einer Auswerte
schaltung 6 mit einem Spannungs- oder Stromausgang 7 zur
Bestimmung der Durchflußmenge in Liter/Minute zugeführt.
Die Auswerteschaltung 6 ist mit einem Impulsausgang 13 oder
einer R232-Schnittstelle versehen, ferner mit einem Ausgang
14 für das Grenzwertgebersignal. An die Auswerteschaltung 6
ist ein Grenzwertsteller 8 angeschlossen.
Wenn ein zweiter Empfangsschallwandler (Stereo-Doppler) im
Querschnittsbereich des Sendeschallwandlers vorgesehen ist,
ist ein zweiter Mischer oder ein Amplituden-Demodulator
vorgesehen, der mit der Auswertschaltung 6 verbunden ist.
Das vom Empfangsschallwandler E3 erzeugte elektrische Si
gnal wird nach Verstärkung mit einem Vorverstärker 9, einer
Amplitudenauswerteschaltung (Amplituden-Demodulator) 10 zu
geführt, die einen Spannungs- oder Stromausgang 11 zur Be
stimmung der Konzentration der Feststoffteilchen in der
Suspension in Gewichts-% aufweist. Ein Grenzwertsteller 12
ist an die Amplitudenauswerteschaltung 10 angeschlossen.
Die Amplitudenauswerteschaltung 10 ist mit einem Impulsaus
gang 15 oder einer RS 232-Schnittstelle versehen, ferner
mit einem Ausgang 16 für das Grenzwertgeber-Signal.
Das Konzentrationssignal wird einerseits über den Empfang
schallwandler E3, der durch den Sendeschallwandler S1 be
strahlt wird oder durch einen weiteren Sender S2, der den
Empfangsschallwandler E3 bestrahlt, erhalten. Im letzteren
Fall kann der die Doppler-Frequenz auslösende zweite Sende
schallwandler S2 den Empfangsschallwandler E3 durch Ultra
schall-Wanderwellen stören, insbesondere von Wellen, die in
der Glaskohlenstoff-Meßrohrwand von einem Ende zum anderen
Ende hin- und herlaufen.
Dieses Problem läßt sich dadurch abstellen, daß die beiden
Sendeschallwandler S1 und S2 abwechselnd senden, beispiels
weise der eine Sendeschallwandler S1 99% der Zeit in In
tervallen von z. B. 99 Millisekunden, und der zweite Sende
schallwandler S2 von einer Millisekunde für die Konzentra
tionsbestimmung. Da sich auch damit Wanderwellen, die die
Genauigkeit des Meßergebnisses erheblich stören, nicht aus
schließen lassen, kann zudem aus dem im Empfangsschallwand
ler E3 ankommenden Frequenzgemisch wegen der unterschiedli
chen Laufzeiten im Nanosekunden/Mikrosekunden-Bereich mit
einem "Fenster"-Diskriminator nur der Frequenzimpuls her
ausgemessen werden, der tatsächlich der Amplitude propor
tional ist.
Unter dem Fenster-Diskriminator ist ein "Zeitfenster" zu
verstehen, das per Software eingestellt, typischerweise die
ersten z. B. 15 µs Mikrosekunden die ankommenden Wanderwel
len, also Störungen ausschließt und dann z. B. für 1 µs den
gewünschten Impuls oder Impulse, die die Konzentration be
inhalten, durchläßt und den bzw. die Impulse einer Auswer
tung nach einem Algorithmus zuführt.
Nach den z. B. 15 µs ist das Zeitfenster wieder zu. Die
restlichen Nachschwinger werden wieder ausgeblendet. Nun
startet der Dopplersender wieder z. B. für 20.000 µs und
führt dann z. B. für 20 µs eine Konzentrationsmessung durch.
Vorzugsweise sind erfindungsgemäß also zwei Sendeschall
wandler S1, S2 im Abstand voneinander und mit einem solchen
Abstand von dem Empfangsschallwandler E3 vorgesehen, daß
der Schallstrahl, der von dem Sendeschallwandler S1 ausge
sendet wird, dreifach und der Schallstrahl, der von dem
Sendeschallwandler S2 ausgesendet wird, einmal an der Meß
rohrinnenwand reflektiert wird, bevor er auf den Empfangs
schallwandler E3 trifft. Den beiden Sendeschallwandlern S1
und S2 werden dabei durch die Oszillatoren 3 und 3' unter
schiedliche Ultraschall-Leitfrequenzen zugeführt. Die bei
den Leitfrequenzen können damit an die Dämpfungseigenschaf
ten des Meßstoffes, also die Reflektorenart (kleine oder
große, weiche oder harte Partikel, kleine oder große Gas
bläschen) angepaßt werden.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Messung der Durchflußmenge einer Sus
pension und zur Konzentrationsbestimmung von Feststoff
teilchen sowie optional zur Detektion von Gasbläschen
in der Suspension nach dem Hochfrequenz-Ultra
schall-Doppler- und/oder Phasen-Doppler-Dämpfungs-Prinzip, mit
einem Meßrohr, an dem im gleichen Querschnittsbereich
wenigstens ein Sendeschallwandler und wenigstens ein
Empfangsschallwandler vorgesehen sind, die gemeinsam in
oder gegen die Strömungsrichtung ausgerichtet sind
und/oder wenigstens ein Sendeschallwandler und wenig
stens ein Empfangsschallwandler, der in einem solchen
Abstand von dem Sendeschallwandler angeordnet ist, daß
der Schallstrahl, der von dem Sendeschallwandler ausge
sendet und von dem Empfangsschallwandler empfangen
wird, an der Meßrohrinnenwand reflektiert wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) zumindest an seiner
Innenseite aus Glaskohlenstoff besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Empfangsschallwandler (E1) im Querschnittsbe
reich des Sendeschallwandlers (S1) und der Ultra
schall-Leitfrequenz-Oszillator (3) über einen Mischer (5) an
eine Auswerteschaltung (6) zur Bestimmung der Durch
flußmenge angeschlossen ist und die von dem im Abstand
und entgegengesetzt zu dem Sendeschallwandler (S1) an
geordneten Empfangsschallwandler (E3) erzeugten Signale
einer Auswerteschaltung (10) zur Bestimmung der Konzen
tration der Feststoffteilchen zugeführt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens zwei Sendeschallwandler (S1,
S2) mit unterschiedlichen Ultraschall-Leitfrequenzen im
Abstand von dem Sendeschallwandler (E3) vorgesehen
sind.
4. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche zur Strömungsmessung und Konzentrationsbe
stimmung des Läpp- und Poliermittels zum Läppen und Po
lieren von Halbleiter-Wafern, optischen Gläsern und
anderen Präzisionsteilen.
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Owner name: WAGNER, GEORG, 83471 BERCHTESGADEN, DE |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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