DE19954355A1 - Polierteller und Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planarität eines Poliertellers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Polierteller zum Läppen, Schleifen oder Polieren scheibenförmiger Werkstücke, der gekennzeichnet ist, durch eine obere Schicht ("Oberteller") (3), die von einem Kühllabyrinth durchzogen ist, eine thermisch isolierende Zwischenlage (4) und eine untere Schicht ("Unterteller") (5), die von einem zweiten Kühllabyrinth durchzogen ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planarität eines Poliertellers zum Läppen, Schleifen oder Polieren von Substratscheiben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polierteller zum Läppen, Schleifen oder Polieren von Substratscheiben. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planarität eines Poliertellers zum Läppen, Schleifen oder Polieren von Substrat­ scheiben.

Die Planparallelisierung, beispielsweise mittels Läppen, Schleifen oder Polieren, bildet einen wichtigen Bearbeitungs­ schritt im Prozeßablauf zur Herstellung von Substratscheiben aus beispielsweise Silicium oder Siliciumcarbid. Insbesondere die Politur bestimmt als letzter, maßgeblich formgebender Bear­ beitungsschritt die Ebenheit, Defektfreiheit und (Mikro-)Rau­ higkeit dieser Substratscheiben. Im Stand der Technik sind ver­ schiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Polieren von Sub­ stratscheiben, insbesondere von Halbleiterscheiben, bekannt. Die EP 0 773 270 A2 beispielsweise offenbart ein Verfahren mit­ tels einer chemo-mechanischen Politur auf rotierenden, ebenen Arbeitsscheiben, den sogenannten Poliertellern, die mit Polier­ tüchern bespannt sind. Zum Einsatz kommen dabei Einseiten- und Doppelseitenpolier-Verfahren und Vorrichtungen, die die Scheibe einseitig oder simultan beidseitig planarisieren (vgl. EP 0 776 030 A2 und US 5,389,579).

Die Planarität des Poliertellers wird mittels Stützrippen, Tem­ perierung und/oder durch die Verwendung von thermostabilen Werkstoffen während des Polierprozesses konstant gehalten. Die Temperierung erfolgt dabei in der Regel durch eine Kühlflüssig­ keit, die in Kühlkanälen oder Kühllabyrinthen den Polierteller durchströmt. Die Einstellung und Regelung (d. h. der Ausgleich von Abweichungen bei thermischen und mechanischen Lastwechseln im Prozeß durch Nachführung geeigneter Stellgrößen an geeignete "Ist"-Meßgrößen) der Planarität des Poliertellers erfolgt dann über die Durchflußmenge des Kühlmittels oder über andere Stell­ größen, wie beispielsweise Druck, Auflast oder mechanische Stellelemente.

Nachteilig an diesen Vorrichtungen und Verfahren zur Einstel­ lung, Nachführung und somit geregelten Beibehaltung der Plana­ rität des Poliertellers ist, daß bei Poliertellern gemäß dem Stand der Technik die Tellerkonstruktion aus Gründen der mecha­ nischen Stabilität und Steifigkeit sehr massiv ausgelegt ist (große Materialstärken und -massen). Damit ist auch die thermi­ sche Masse des an diese konstruktive Ausführung gebundenen Kühlsystems konventioneller Polierteller sehr hoch. Der Teller reagiert thermisch sehr träge mit Response-Zeiten von typi­ scherweise < 10-20 min und erlaubt keine schnelle Regelung, gezielte Nachführung und Anpassung an Wechselbelastungen wäh­ rend des Prozesses. Die Zeitskala einer schnellen Regelung ist durch die typische Prozeßzeitdauer und die typische Zahl der darin stattfindenden Last- und Temperaturwechsel eines Polier-, Schleif- oder Läpprozesses gegeben. Im Rahmen der Erfindung ist demnach unter "schnell" ein Zeitraum von etwa 1 min zu verste­ hen.

Aufgrund dieser Effekte ist der Grad der erreichbaren Planari­ tät der Telleroberfläche begrenzt. Insbesondere das meistver­ wendete Verfahren der Tellertemperierung, das prozeßbedingt zeitlich und räumlich schwankende Temperatureinträge in das Ge­ samtsystem korrigieren soll, führt maschinenseitig bei Änderun­ gen der Poliertellertemperatur zu zeitlich und räumlich insta­ tionären Wärmeflüssen innerhalb der gesamten Poliermaschine. Die Ausdehnung bzw. das Zusammenziehen unterschiedlicher Po­ liermaschinenteile aus unterschiedlichen Werkstoffen steht da­ mit der Planarität des Poliertellers entgegen. Zeitlich und räumlich schwankende Temperatureinträge ergeben sich beispiels­ weise durch geringfügige Dickenabweichungen der Werkstücke zu Beginn des Polierprozesses, die zu räumlich ungleich verteilter Druck- und Reibungswärmebelastung des Poliertellers führen (Tellerverbiegung, inhomogene Erwärmung), ferner durch die sich während des Prozesses ändernde Oberflächenrauhigkeit mit unter­ schiedlichen Gleitreibungskoeffizienten und somit zeitlich ver­ änderlichen Reibungswärmeeinträgen, durch beispielsweise ver­ schiedene Polierdruck-Zyklen (Auflastwechsel) oder Änderungen der Polierkinematik.

Voraussetzung für die Planparallelisierung der Substratscheiben durch o. g. Polierverfahren und -vorrichtungen ist eine mög­ lichst gute Einstellung, Nachführung und somit Regelung (gere­ gelte Aufrechterhaltung) der Planarität des Poliertellers, ins­ besondere der Oberfläche des Poliertellers, die die scheiben­ förmigen Werkstücke, beispielsweise Halbleiterscheiben, bear­ beitet.

Unter "Einstellung" im Rahmen der Erfindung wird die anfängli­ che Vorgabe der Planarität des Poliertellers, beispielsweise durch Temperierung, vor dem Polierprozeß verstanden (Stellgrö­ ßen). Unter "Regelung" ist die Nachführung und der gezielte Ausgleich von Abweichungen der "Ist"-Planarität von der "Soll"- Planarität unter Wechselbelastungen während des Polierprozesses nach während des Prozesses erhaltenen Meßgrößen zu verstehen (Regelgrößen).

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, einen Poliertel­ ler und ein Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planari­ tät eines Poliertellers anzugeben, die die oben genannten Nach­ teile vermeiden.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Polierteller zum Läppen, Schleifen oder Polieren scheibenförmiger Werkstücke, der ge­ kennzeichnet ist, durch eine obere Schicht ("Oberteller") (3), die von einem Kühllabyrinth durchzogen ist, eine thermisch iso­ lierende Zwischenlage (4) und eine untere Schicht ("Untertel­ ler") (5), die von einem zweiten, Kühllabyrinth durchzogen ist.

Der erfindungsgemäße, mehrlagige Polierteller wird von zumin­ dest zwei unabhängigen Kühllabyrinthen durchzogen. Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die durch diesen la­ genweisen Schichtaufbau erzielte "Sandwich"-Konstruktion in Form eines Stapels von Schichten, die jeweils unterschiedliche Aufgaben übernehmen und deren Wirken gezielt miteinander ge- oder entkoppelt ist.

Maßgeblich für die Eignung eines derartigen mehrlagigen "Sand­ wich"-Aufbaus des Poliertellers zum Erreichen der geforderten Ziele (konstante bzw. gezielt steuerbare Planarität) ist insbe­ sondere die unabhängige Kühlbarkeit von oberer (werkstück­ zugewandter) und unterer (Stütz-, Unterteller) Lage und die thermische Trennung der beiden durch die dazwischen befindliche Zwischenlage. Die untere Lage ist vorzugsweise massiv und ther­ misch träge, um die mechanische Stabilität des Gesamtaufbaus sicherzustellen (Steifigkeit), während die obere Lage vorzugs­ weise dünn und von geringer Masse und thermischer Trägheit ist, um schnell temperiert werden zu können.

Es zeigt sich, daß bereits eine aus nur drei Lagen bestehende Schichtkonstruktion des Poliertellers die Planarität der Ober­ fläche der gesamten Arbeitsscheibe gewährleistet, insbesondere dann, wenn geeignete Materialien für die einzelnen Schichten verwendet werden und der Unterteller und der Oberteller jeweils von eigenen, voneinander unabhängigen Kühllabyrinthen durchzo­ gen sind. Als Arbeitsscheibe wird die gesamte, das Werkstück bearbeitende, bewegliche Vorrichtung bezeichnet.

Die Arbeitsscheibe, die die scheibenförmigen Werkstücke (Sub­ stratscheiben, z. B. Halbleiterscheiben) bearbeitet, ist bevor­ zugt mit einem Poliertuch bespannt und von einem unabhängigen Kühllabyrinth durchzogen. Die Materialstärke ist so gewählt, daß sich der Oberteller (d. h. die der Werkstücke zugewandte obere Schicht) aufgrund der elastischen Eigenschaften des Mate­ rials dem formgebenden und formerhaltenden Unterteller anpaßt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein mechanisch steifes Material mit einem hohen Elastizitätsmodul, geringer spezifi­ scher Wärmekapazität, hoher Wärmeleitfähigkeit und großer Här­ te. Zweckmäßigerweise ist das Material auch inert gegenüber Chemikalien.

Der Oberteller ist kompakt aus einem Stück oder aus mehreren Stücken, beispielsweise Kacheln gefertigt. Im Fall einer Ausle­ gung des Obertellers in Form von zusammengesetzten Kacheln par­ kettieren diese Kacheln die Oberseite der Arbeitsscheibe voll­ ständig, d. h. vorzugsweise lückenlos.

Die Kacheln sind vorzugsweise steif, hart, chemisch inert und von hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer spezifischer Wärme. Sie bestehen bevorzugt aus Sinterkeramik, beispielsweise aus Siliciumcarbid.

Die thermisch isolierende Zwischenlage bildet bevorzugt eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen Oberteller und Unterteller. Idealerweise hat die Zwischenschicht einen mit dem Oberteller übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizienten oder große laterale Elastizität, um ein Aufwölben dieser Schichtkon­ struktion zu verhindern. Bevorzugt ist weiterhin ein Material mit geringer vertikaler Elastizität und Plastizität und guter Gleitfähigkeit, gegebenenfalls unterstützt durch einen rei­ bungsvermindernden Schmierzwischenfilm zwischen Zwischenlage und Unterteller. Bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten der Lagen kann durch Gleitung ausgeglichen werden. Be­ vorzugt handelt es sich bei der Zwischenlage um Kunststoffe, besonders bevorzugt faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit du­ roplastischer oder elastomerer Verbundmatrix. Diese zeichnen sich durch hohe Formstabilität in Faserrichtung und durch Art und Verarbeitung von Matrix und Faserfüllstoff über weite Be­ reiche maßgeschneidert veränderbare thermische und mechanische Eigenschaften aus.

Die mechanischen und thermischen Eigenschaften sind gezielt, anisotrop einstellbar (Vorzugsrichtungen für thermische und me­ chanische Eigenschaften), wie beispielsweise eine gute Wärmelei­ tung und hohe mechanische Stabilität in Faserrichtung und eine schlechte senkrecht dazu.

Kohlenstoffasern: gute Wärmeleitung, mechanisch steif; Glasfa­ sern: schlechte Wärmeleitung, hohe Haftung zwischen Faser und Matrix; Synthesefasern: schlechte Wärmeleitung, hohe Schlagzä­ higkeit. Bevorzugt sind Kohlestoffaser-gefüllte Epoxydharz- Verbundsysteme die mit einem verschwindenden thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten hergestellt werden können. Durch die Klebstoffwirkung während der Verbundkunststoffherstellung (La­ minat) wird bevorzugt eine dauerhaft form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der Zwischenlage und dem Oberteller herge­ stellt.

Eine dichtschließend aufgebrachte Zwischenlage kann mit Vorteil dazu verwendet werden, ein auf der Unterseite des Obertellers eingefrästes, eingeformtes oder eingesintertes (d. h. in den Grünling eingeprägtes), offen liegendes Kühllabyrinth abzudecken, so daß Oberteller und Zwischenlage, nachfolgend als Ober­ lage bezeichnet, aus einem Stück gefertigt sind und eine gerin­ ge Materialstärke aufweisen.

Der selbsttragende Unterteller ist von einem groß dimensionier­ ten, unabhängigen Kühllabyrinth durchzogen. Die Materialstärke ist so gewählt, daß eine selbsttragende, formstabile und stabi­ litätsvermittelnde Konstruktion entsteht; gegebenenfalls sind lastausgleichende Stützrippen integriert. Das Material hat be­ vorzugt eine hohe mechanische Steifigkeit (Elastizitätsmodul; Young'sches Modul), gute Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher materialspezifischer Wärmekapazität. Daraus resultiert eine gleichmäßige Erwärmung (zu Beginn des Polierprozesses) und die Möglichkeit der Temperierung auch unter extremer thermi­ scher Belastung. Vorzugsweise stimmt der Wärmeausdehnungs­ koeffizient des Materials des Untertellers mit dem des Materi­ als der Restkonstruktion der Poliermaschine, wie beispielsweise des Gestells überein. Ein unvermeidlich verbleibender Unter­ schied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Unterteller und Maschinenkonstruktion kann aber zur besonders feinfühligen Ein­ stellung der Tellerplanarität genutzt werden.

Bevorzugt werden für den Unterteller die gleichen Materialien wie für konventionelle einlagige Tellerkonstruktionen nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise Kugelgraphit verwendet. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, daß vorhandene Einlagen­ teller nachträglich ohne großen Aufwand zu einem mehrlagigen Poliertellersystem gemäß der vorliegenden Erfindung nachgerü­ stet werden können.

Erfindungsgemäß entsteht wesentlich durch den massiven, stei­ fen, selbsttragenden Unterteller, jedoch auch durch den Verbund selbst dieser zumindest dreilagigen Schichtkonstruktion ein hochsteifer, selbsttragender Gesamt-Polierteller (Arbeitsschei­ be). Der Oberteller (oberste Schicht einer mehrlagigen Arbeits­ scheibe) kann aufgrund seiner geringen Masse, geringen Wärmeka­ pazität, hohen Wärmeleitfähigkeit und aufgrund der isolierenden Zwischenlage schnell mittels eines unabhängigen Kühllabyrinths temperiert werden. Die Zwischenlage verhindert dabei einen Wär­ meaustausch zwischen Oberteller und Unterteller. Die Oberlage, bestehend aus dem Oberteller und zumindest einer Zwischenlage ist bevorzugt auf dem Unterteller schwimmend gelagert, gegebe­ nenfalls mittels einer reibungsvermindernden Schmiermittelzwi­ schenschicht. Dadurch kann die Oberlage in lateraler Richtung reibungskräftearm Lastwechseln und Spannungen verformungsfrei folgen, gleichzeitig aber die Drehmomente des Untertelleran­ triebs weitestgehend spielfrei auf den Oberteller, der in mate­ rialbearbeitendem Kontakt mit den Werkstücken steht.

Erfindungsgemäß wird auch der thermisch isolierte Unterteller mittels eines unabhängigen Kühllabyrinths temperiert. Diese Temperierung erfolgt aufgrund der thermischen Isolationszwi­ schenlage weitgehend ohne thermische Beeinflussung durch die obere Tellerlage und umgekehrt. Insbesondere kann die Tempera­ tur des Untertellers konstant auf einer, für die Planarität des Untertellers und die Wärmeflüsse innerhalb der Poliermaschine bevorzugten Temperatur gehalten werden. Die genaue Wahl dieser Temperatur ist dann nicht mehr konstruktiv vorbestimmt. Sie wird erfindungsgemäß frei und nur nach den Erfordernissen des gewünschten Prozesses gewählt. Dadurch steht ein neuer, weitge­ hend von anderen Größen unabhängiger Prozeßparamter zur Verfü­ gung, nämlich der der unabhängigen Temperierung der Arbeitszone selbst; besonders vorteilhaft wirkt sich dieser Prozeßparameter bei einer chemo-mechanischen Politur aus.

Die Temperierung von Oberteller und Unterteller erfolgt bevor­ zugt über die Durchflußmenge oder die Durchflußtemperatur des Kühlmittels, das die unabhängigen Kühllabyrinthe durchströmt. Das Kühlmittel dient nicht notwendigerweise zum Kühlen, sondern zum Temperieren, d. h. zur Einstellung einer bestimmten Tempe­ ratur.

Während des Polierprozesses kommt es, insbesondere im Po­ lierspalt, zu Temperaturschwankungen, beispielsweise durch ver­ änderte Reaktionsgeschwindigkeiten, durch exotherme chemische Reaktionen des Poliermittels mit der Substratscheibe oder durch einen höheren Auflagedruck. Durch den einmal temperierten und dann temperaturkonstant gehaltenen Unterteller bilden sich sta­ tionäre, von den Prozeßbedingungen unabhängige Wärmeflüsse durch die gesamte Poliermaschine aus.

Die Temperatur des selbsttragenden Arbeitsscheiben-Untertellers wird einmal gewählt, so daß die Maschine in einem optimalen me­ chanischen und thermischen Parameterbereich arbeitet. Sie kann gegebenenfalls auf langsamer Zeitskala zum Ausgleich allgemei­ ner Erwärmung der Maschine bei Dauernutzung verändert werden, um die Gesamtwärmeströme weiterhin stationär zu halten. Die Temperatur wird so gewählt, daß stabile Wärmeströme bestehen.

Davon unabhängig und weitgehend unbeeinflußt wird der Arbeits­ scheiben-Oberteller, der mit den Werkstücken in materialbear­ beitendem Kontakt steht, frei nach den gewünschten Prozeßeigen­ schaften und -erfordernissen gewählt, ohne von den Eigenschaf­ ten der Maschine eingeschränkt oder gar festgelegt zu werden.

Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung auch durch ein Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planarität eines Poliertellers zum Läppen, Schleifen oder Polieren von Substratscheiben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Unterteller eines zumindest dreilagigen Poliertellers temperiert wird und dann die Tempera­ tur konstant gehalten wird und der Oberteller der gesamten Ar­ beitsscheibe temperiert wird und die Temperatur dem jeweiligen Polierprozeß angepaßt wird.

Erfindungsgemäß erfolgt auch eine gezielte Nachführung von Steuergrößen, wie beispielsweise die Durchflußmenge des Kühl­ mittels durch Meßgrößen, beispielsweise die Temperatur im Po­ lierspalt, die während des Polierprozesses ermittelt werden. Der Unter- und Oberteller wird beispielsweise mittels Durch­ flußmenge und/oder Durchflußtemperatur des Kühlmittels tempe­ riert.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Temperierung des Untertellers und der unabhängigen Temperierung des Obertellers mittels einer Kühlflüssigkeit, die durch die unabhängigen Kühl­ labyrinthe strömt. Der Unterteller wird beispielsweise so tem­ periert, daß Planparallelität zwischen der Untertelleroberflä­ che und der Ebene, in der die scheibenförmigen Werkstücke wäh­ rend des Prozesses geführt werden, besteht. Diese Referenzebene ist beispielsweise ein Werkstückträger, auf den die Werkstücke montiert sind.

Diese Situation liegt im Anwendungsfall der Einseitenbearbei­ tung vor. Diese Referenzebene kann jedoch auch in einem weite­ ren, vorzugsweise gleichartigen Polierteller bestehen, der der erstgenannten gesamten Arbeitsscheibe gegenübersteht. Die Werk­ stücke liegen dann in dem von den gegenüberstehenden Arbeits­ scheiben gebildeten Spalt und werden, gegebenenfalls durch Füh­ rungskäfige, weitgehend frei beweglich simultan beidseitig be­ arbeitet.

Für Polieranwendungen liegen die Tellertemperaturen etwa bei 40°C, für Läpp- und Schleifanwendungen aufgrund des geringeren Gleitreibungseintrags während der Bearbeitung etwa bei Raumtem­ peratur. Dies sind jedoch nur Anhaltswerte, die prozeß-, werk­ stoff- und anwendungsspezifisch mehr oder weniger stark abwei­ chen.

Die Planparallelität wird in der Regel für den Belastungsfall, d. h. während des Prozesses gefordert, zumindest wenn Plan­ parallelität von der Endgeometrie der Werkstücke nach Prozeßen­ de als Ziel gefordert ist. Der erfindungsgemäße Polierteller ist auch für die Bearbeitung von Werkstücken mit bestimmter sphärisch gekrümmter Oberflächen-Zielform anzuwenden, bei­ spielsweise Linsen für optische Anwendungen. Die erforderliche Krümmungsmaßhaltigkeit wird in vollständiger Analogie zu dem für planparallele Bearbeitung Ausgeführten ebenfalls durch ei­ nen Mehrlagen-Polierteller gemäß der Erfindung erzielt.

Die vorzugsweise schwimmend gelagerten, nicht selbsttragenden, oberen Tellerlagen folgen elastisch der Referenzfläche. Während des Polierens wird die Temperatur und damit die Form des Unter­ tellers stets konstant gehalten, so daß sich konstante, statio­ näre Wärmeströme innerhalb der gesamten Poliermaschine ausbil­ den und in Folge konstant bestehen bleiben. Damit unterliegt die gesamte Poliermaschine selbst, trotz Wechselbelastungen in der Arbeitszone, insbesondere im Polierspalt, keinerlei thermi­ schen Wechselbelastungen und damit auch keinerlei thermisch be­ dingten Formänderungen. Erfindungsgemäß erfolgt die Temperie­ rung des Obertellers unabhängig von der Temperierung des Unter­ tellers und ohne Veränderung der thermischen Verhältnisse in der Poliermaschine. Gegenüber dem Stand der Technik steht da­ durch ein zusätzlicher frei wählbarer Parameter zur thermischen Regelung des Polierprozesses zur Verfügung.

Insbesondere ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik Vor­ teile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung in der Temperierung des Untertellers, die kon­ stante thermische Verhältnisse in der gesamten Poliermaschine schaffen, die thermische Formänderungen, Drift, Verwerfung oder Abweichungen unterbinden und den Polierprozeß stabil und steu­ erbar halten. Die Temperierung des Untertellers kann auf großer Zeitskala, d. h. beispielsweise von Polierfahrt zu Polierfahrt zum Ausgleich von Ergebnisabweichungen der Kenngrößen der bear­ beiteten Substratscheiben geändert werden, ohne daß sich die thermischen Verhältnisse in der Arbeitszone, insbesondere im Polierspalt ändern, da diese ja von einer unabhängigen Tempe­ rierung des Werkstück-zugewandten Obertellers bestimmt werden.

Die Temperierung des Obertellers wird als zusätzlicher frei wählbarer Parameter zur thermischen Regelung des Polierprozes­ ses verwendet. Beispielsweise kann wahlweise ein Hochtempera­ tur- (hohe Abtragsrate) oder ein Niedertemperatur-Polierprozeß gefahren werden. Insbesondere ist hier die Regelung der effek­ tiven Poliermitteltemperatur am Ort des Poliervorganges zu nen­ nen, die beispielsweise einer von der Prozeßlaufzeit abhängigen Erwärmung des Poliertuchs gegensteuert. Aus der konstanten Tem­ peratur resultiert ein zeitlich (globale Abtragsrate) und räum­ lich (lokale Abtragsrate) konstanter Polierabtrag. Die Tempe­ rierung kann aber beispielsweise auch dafür genutzt werden, daß während des Bearbeitungsvorganges auftretende thermische Wech­ selbelastungen aufgrund des Bearbeitungsvorganges selbst ausge­ glichen werden.

In den Fig. 1 bis 5 sind bevorzugte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Poliertellers dargestellt; in den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen dreilagigen Polierteller;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Obertellers;

Fig. 3(a) eine dreilagig zusammengesetzte Arbeitsscheibe (Polierteller) in Explosionsdarstellung, (b) den Oberteller dieser dreilagig zusammengesetzten Ar­ beitsscheibe in Aufsicht, (c) Ausführungsbeispiele einzelner Kacheln, aus denen sich der hier parket­ tiert ausgeführte Oberteller zusammensetzt;

Fig. 4 einen mehrlagigen Polierteller;

Fig. 5 Ausführungsbeispiele der Parkettierung einer Arbeits­ scheibe.

Der obere Bildteil in Fig. 1 zeigt die dreilagige Schichtkon­ struktion eines erfindungsgemäßen Poliertellers in einer Explo­ sionsdarstellung; der Polierteller setzt sich aus dem Obertel­ ler 3, der Zwischenlage 4, dem Unterteller 5 und dem Außen- 1 und Innenantrieb 2 der Abwälzvorrichtung zusammen. Eine verti­ kal spiegelbildliche Anordnung des Poliertellers (Arbeitsschei­ be) kommt in einer Doppelseiten-Polier-, Läpp- oder Schleifma­ schine zum Einsatz.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Obertel­ lers, der von einem Kühllabyrinth 6 durchzogen ist. Das mäan­ derförmig angelegte Kühllabyrinth besteht bevorzugt aus mehre­ ren einzeln gespeisten Segmenten und ermöglicht die schnelle Temperierung des den Werkstücken nächstgelegenen Obertellers der gesamten Arbeitsscheibe. Die mäanderförmige Gestaltung der Kühlkanäle 6 führt zu lokal gegenläufigen Flüssen des Kühlmit­ tels, wodurch ein maximaler Wärmeaustausch stattfindet. Die in Umfangsrichtung alternierend nach innen und außen gerichteten Kühlmittelströme 7 unterbinden radiale Wärmegradienten in der Arbeitsscheibe. Inhärent kann eine derartige Anordnung der Kühlkanäle jedoch zur Ausbildung von Wärmegradienten in Um­ fangsrichtung 8 führen. Dieser wirkt die in Fig. 2 gezeigte Segmentierung des Kühlmäanders in mehrere identisch aufgebaute, einzeln mit Kühlmittel gespeiste Kreissektoren entgegen, wes­ halb eine derartige Ausführungsform bevorzugt ist. Die Anzahl der Segmente richtet sich nach den Erfordernissen der Anwen­ dung, insbesondere nach der abzuführenden Wärmemenge und -ver­ teilung über den Oberteller; durch zusätzliche Segmente nimmt der Kühlmittelfluß aufgrund der Mehrfachspeisung zu. Dies er­ möglicht eine schnellere Temperierung und reduziert die Ausbil­ dung von Wärmegradienten. Die allgemein zweckmäßige Ausführung von Kühllabyrinthen als Mäander mit lokaler Gegenströmung ist Stand der Technik.

Neu im Sinne der Erfindung sind die Ausführungsformen des Kühl­ mittellabyrints als ein Verbund aus einzelnen "Kacheln", wo­ durch das Kühlsystem sehr variabel wird. Insbesondere ist es möglich, unter Verwendung weniger verschiedener Kachel- Grundtypen, die kostengünstig in entsprechend großen Stückzah­ len hergestellt werden können, eine Vielzahl unterschiedlich großer Arbeitsscheiben zu parkettieren und eine Vielzahl unter­ schiedlicher Kühlkanal-Topologien, -Formen, -Segmente und wirk­ samer Kühlquerschnitte herzustellen. Ferner können durch die Ausführung des Kühlsystems in Form eines Verbundes aus einzel­ nen "Kacheln" auch Werkstoffe zum Einsatz kommen, deren Verwen­ dung bei konventionellen, aus einem Stück bestehenden ("mono­ lithischen") Poliertellern aufgrund von herstellungsbedingten Größenbeschränkungen der Tellerhalbzeuge aus dem gewünschten Werkstoff nicht möglich ist. (Sinterkeramikplatten sind bspw. nur bis max. Durchmesser ~70 cm, meist jedoch gar nur bis ~20 ~30 cm aus einem Stück herstellbar).

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Obertellers, als Verbundschicht aus gleichartigen Kacheln mit Bohrungen, die sich zu einem durchgängigen Kühllabyrinth aneinanderreihen las­ sen, ist in Fig. 3(c) dargestellt. Fig. 3a zeigt die dreila­ gige Schichtkonstruktion eines Poliertellers in einer Explosi­ onsdarstellung.

Beispielsweise wird durch die Verwendung von vorzugsweise sechseckigen Kacheln mit einer 60°-, einer 120°- und einer 180°-Bohrung (12, 13, 14) für den Kühlmitteldurchgang, wie in Fig. 3(c) gezeigt, eine lückenlose Parkettierung der Ober­ schicht mit einem geschlossenen Kühllabyrinth (6, 11) ermög­ licht (vgl. 3(b)). In Fig. 3(b) ist zudem eine geeignete Seg­ mentierung der Kühllabyrinthe gezeigt. Die Kacheln sind bevor­ zugt aus Materialien hoher mechanischer Steifigkeit, Härte, Ab­ rieb- und Bruchfestigkeit (geforderte Langlebigkeit für Schleif-/Läppanwendungen; geringe Schädigungsneigung bei Werk­ stückbruch unter der Bearbeitung), chemisch resistent (chemo- mechanische Politur), von guter Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmekapazität (schnelle Temperierbarkeit) und möglichst gerin­ ger Abweichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten von dem des Untertellers der mehrlagigen Arbeitsscheibe. Bevorzugt ist Si­ liciumkarbid als Material für die Kacheln. Form, Größe und 00 Dicke der Kacheln sowie deren Herstellung sind nicht Gegenstand der Erfindung. Die bevorzugte Ausführung der Kacheln in Form gleichseitiger Sechsecke ist herstellungsmäßig einfach zu rea­ lisieren (einfache, konvexe Formbegrenzung der Werkstücke) und ermöglicht schnittverlust-ärmste lückenlose Parkettierung der fast ausschließlich runden Arbeitsscheiben (wenig "Überhänge"). Jedoch sind auch alle anderen Formen oder mehrförmigen Formsät­ ze von Kacheln, die eine lückenlose Parkettierung liefern, im Sinne der Erfindung verwendbar. Die spezifische Formwahl kann hier mit Vorteil also den Erfordernissen eines einfachen oder kostengünstigen Herstellungsprozesses angepaßt werden, was eine weitere Zunahme an Flexibilität dieser bevorzugten Telleraus­ führung aus Kacheln bedeutet.

In Fig. 5 sind Ausführungsbeispiele der Parkettierung eines Obertellers dargestellt. In Fig. 5a ist eine Parkettierung mit kleinen Kacheln und einem sechsfach segmentierten Kühllabyrinth (15) und sechs Kühlmittelzu- und sechs Kühlmittelabführungen (10) dargestellt. Diese Mehrfach-Segmentierung und damit Mehr­ fachspeisung des Kühlmittelkreislaufs sowie die Mäanderfaltung unterbinden die Ausbildung von Wärmegradienten auf bzw. in dem Oberteller. Als Parkettierungselemente sind ohne Einschränkung identisch geformte (beispielsweise gleichseitige Dreiecke, Qua­ drate oder Sechsecke oder auch unregelmäßig berandete Formen) oder Sätze aus mehreren unterschiedlich geformten und einander komplettierenden Kacheln verwendbar, die eine lückenlos ge­ schlossene Parkettierung liefern.

Die Verbindungsfugen zwischen den Kacheln können, wenn der An­ wendung zuträglich, auch dazu benutzt werden, ein Netzwerk von Gräben (Strukturierung der Arbeitsscheiben-Oberseite, "gewaf­ felte" Arbeitsscheiben) zum gleichmäßigeren Verteilen von Po­ lier-, Läpp- oder Schleifmittel oder zum schnelleren Abtrans­ port von Abrieb aus der Bearbeitungszone zu formen. Dazu können mit Vorteil für eine vereinfachte Handhabung bereits während des Herstellungsprozesses einfach Fasen (Abschrägungen; Brechen der Kanten) oder Falze (Gräben) an den Kachelkanten angebracht werden.

Fig. 5(b) zeigt die Parkettierung eines Obertellers mit gro­ ßen Kacheln, ohne Segmentierung; d. h. mit nur einer Kühlmit­ telzu- und einer Kühlmittelabführung. Bei der Verwendung derar­ tig großer Kacheln wird zweckmäßigerweise, für eine Mäandierung des Kühllabyrinths innerhalb einer jeden Kachel gesorgt, bei­ spielsweise durch Doppelkanäle, wie in Fig. 5(a) dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der Parkettierung sind vier unter­ schiedliche Kacheltypen zu verwenden. Der Typ A mit einer Kühl­ mittelzu- und einer Kühlmittelabführung wird einmal für den zentralen Mittelring verwendet; Typ B wird sechsmal für die Parkettierung des Obertellerringes gebraucht; Typ C und Typ D werden je sechsmal für den Randbereich verwendet. Fig. 5(c) zeigt die Parkettierung eines Obertellers mit mittelgroßen Ka­ cheln und einem dreifach segmentierten Kühllabyrinth.

Die Kacheln sind vorzugsweise über die Fugen, mit beispielswei­ se Epoxydharz, Silicon oder durch Hartlötung verklebt bzw. ver­ lötet, wodurch eine geschlossene, kompakte Lage entsteht. Wenn die Kacheln aus Sinterkeramik hergestellt werden, ist die Maß­ haltigkeit aufgrund der Reproduzierbarkeit des Sinterprozesses sehr groß. Es resultiert eine sehr geringe Fugenbreite, so daß der laterale Wärmeaustausch innerhalb der Kachelschicht, d. h. von Kachel zu Kachel, hoch bleibt, und zwar auch bei Wahl eines Verbindungsstoffes mit an sich schlechter Wärmeleitung. Zusätz­ lich erhöht sich durch schmale Fugen die Gesamtsteifigkeit der Kachellage in vorteilhafter Weise. Zweckmäßigerweise erfolgt die Montage der einzelnen Kacheln zum Verbund eines geschlosse­ nen Obertellers in einer externen Montage- oder Aufspannvor­ richtung mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder wäh­ rend der Verklebung mit einer thermisch isolierenden Zwischen­ schicht. Eine weitere Erhöhung der Gesamtsteifigkeit, einer Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen den Kacheln und einer Entlastung der die Kacheln verbindenden Klebefuge wird in einer aus Kacheln zusammengesetzten Arbeitsscheibenlage durch Kacheln mit komplementär ineinandergreifenden Seiten ("Verzahnen") er­ zielt (beispielsweise "Nut und Feder" oder "Schwalbenschwanz" usw.).

Fig. 4 zeigt einen mehrlagigen Polierteller im unteren Bild­ teil; im oberen Bildteil dessen Explosionsdarstellung. In die­ ser bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des wiederum aus mehreren Einzellagen aufgebauten Obertellers 3 mit einem Poliertuch bespannt. Dargestellt sind die Außen- (1) und Innen­ verzahnung (2) der Abwälzvorrichtung für die Läpp- oder Polier­ käfige zur Aufnahme der Substratscheiben. Das luftundurchlässi­ ge Poliertuch (3) ist vorzugsweise durch Vakuumansaugung auf der Oberfläche des Obertellers befestigt. Die Außen- (5) und Innendichtringe dienen als Abschluß zwischen dem Poliertuch und einer porösen, luftdurchlässigen Schicht (20) aus beispielswei­ se SiC. Diese Schicht ist aus einem Stück oder aus Kacheln auf­ gebaut und gegebenenfalls mit Luftkanälen durchzogen, um eine gleichmäßige Evakuierung auf der gesamten Fläche zu gewährlei­ sten. Unterhalb der porösen Schicht (20) befindet sich eine Zwischenlage (21) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähig­ keit, geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten und geringer Wär­ mekapazität. Dies kann beispielsweise eine einfache Epoxydharz­ verklebung sein, deren Schichtdicke aufgrund der Maßhaltigkeit der u. a. deshalb auch bevorzugt verwendeten Sinterkeramiken so gering ausfällt, daß eine gute Wärmebrücke zur darunterliegen­ den Schicht (3) gewährleistet ist. Die Schicht (3), die erfin­ dungsgemäß aus einem Stück oder aus Kacheln besteht, ist funk­ tionell und in der Ausführung identisch mit dem Oberteller im oben beschriebenen Ausführungsfall eines lagenweise zusammenge­ setzten Poliertellers mit genau nur drei Lagen gemäß Fig. 1 (dreilagiger Polierteller mit durchgehendem Oberteller) und Fig. 3 (dreilagiger Polierteller mit aus Kacheln (9) zusammenge­ setztem Oberteller (3)).

Für einen dreilagigen Polierteller (Fig. 1 und 3) ist der Ober­ teller (3) bevorzugt mit einem "vergrabenen" Kühllabyrinth ver­ sehen oder er trägt das Kühllabyrinth auf seiner Unterseite, da dann das Labyrinth durch die untergeklebte thermisch isolieren­ de Zwischenlage (4) abgedichtet wird. Unter einem "vergrabenen" Labyrinth sei hier ein solches verstanden, das sich ergibt, wenn die einzelnen Kacheln (9) in Fig. 1 bzw. der durchgängig ausgeführte Oberteller (3) in Fig. 2 aus spiegelsymmetrischen oberen und unteren jeweiligen Kachelhälften bzw. Schichthälften bestehen, die innenseitig auf der Oberhälfte, der Unterhälfte oder auf beiden den vollständigen Kühlkanal bzw. die Hälfte desselben besitzen. Diese Kachelhälften werden dauerhaft zusam­ mengefügt, beispielsweise geklebt oder gelötet und weisen damit eine ober- und unterseitig geschlossene ("vergrabene") Kühlka­ nalbohrung auf.

Hierbei wird die Ausführung von Halbkacheln mit symmetrischer Verteilung des Kühlkanalquerschnitts auf obere und untere Ka­ chelhälfte bevorzugt, da die dann zum Einsatz kommenden Kacheln genau spiegelsymmetrisch und in einigen Fällen daher sogar identisch sind (beispielsweise Kachel (14) in Fig. 3; abhängig von der Auslegung des Kühllabyrinths) und somit vorteilhaft mit einem Sinterformensatz hergestellt werden können. Ferner ist bei Kachelhälften mit symmetrischen Kühlkanalhalbprofilen das Aspektverhältnis aus (halber) Kühlkanaltiefe zu Kühlkanalbreite kleiner, was Vorteile beim Pressen und Entformen der Sinter­ grünlinge mit sich bringt.

Bei einer Ausführung des Poliertellers (3), (4), (5) mit mehr als drei Lagen (Oberste Schicht (20) des Obertellers = Vakuum­ ansaugung zum klebefilmfreien Halten des Poliertuchs) (17); Fig. 4 kann diese Einschränkung in der Ausführung von Schicht (3) mit einem vergrabenen oder auf der Unterseite eingeformten Kühlkanal entfallen, und Schicht (3) auch oberseitig mit einem Kühllabyrinth versehen werden, falls die dann zusätzlich erfor­ derliche Dichtungsschicht (20) gleichzeitig vorteilhafterweise zum Dichten der porösen Vakuumansaugschicht (20) verwendet wer­ den kann. Die Dichtungsschicht (21) kann somit auch mit dem Vorteil einer einfacheren Gesamt-Konstruktion entfallen, wenn eine der folgenden Bedingungen an die konstruktive Ausführung der Schichten erfüllt ist:

• - entweder: Schicht (20) besitzt keinen, einen vergrabenen oder einen unterseitigen Vakuumverteilkanal und Ober­ teller (3) besitzt ein vergrabenes oder unterseitiges Kühllabyrinth;
• - oder: Schicht (20) besitzt keinen oder einen vergrabenen Vakuumverteilkanal und Oberteller (3) besitzt ein ober­ seitiges, vergrabenes oder unterseitiges Kühllabyrinth.

Der besondere Vorteil liegt in der Flexibilität der Konstrukti­ on. Die Wahl kann also flexibel den Erfordernissen des Prozes­ ses und dem Vorteil einer möglichst einfachen und kostengünsti­ gen Kachel- oder Schichtherstellung gehorchen (Sinterformen bei Sinterkeramik; Fräsen, Gießen bei Metallen usw.). Der erfin­ dungsgemäße Polierteller kann in allen Vorrichtungen Verwendung finden, die eine Planarisierung von Werkstücken, wie beispiels­ weise Halbleiterscheiben oder Computerfestplatten, sogenannten Hard-Disks, die als durch ein- oder doppelseitige Bearbeitung mit einer Arbeitsscheibe bzw. zwischen zwei Arbeitsscheiben zum Ziel haben. Unter anderem sind hier zu nennen Einseiten- und Zweiseiten-Polier-, Schleif- oder Läppmaschinen.

Claims (6)

1. Polierteller zum Läppen, Schleifen oder Polieren scheiben­ förmiger Werkstücke, gekennzeichnet durch eine obere Schicht ("Oberteller") (3), die von einem Kühllabyrinth durchzogen ist, eine thermisch isolierende Zwischenlage (4) und eine untere Schicht ("Unterteller") (5), die von einem zweiten, Kühllaby­ rinth durchzogen ist.

2. Polierteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberteller ein- oder mehrteilig ausgebildet ist und von zu­ mindest einem unabhängigen Kühllabyrinth durchzogen ist.

3. Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planarität ei­ nes Poliertellers zum Läppen, Schleifen oder Polieren von Sub­ stratscheiben, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterteller ei­ nes zumindest dreilagigen Poliertellers temperiert wird und dann die Temperatur konstant gehalten wird und der Oberteller der gesamten Arbeitsscheibe temperiert wird und die Temperatur dem jeweiligen Polierprozeß angepaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierung des Untertellers und des Obertellers über die Durchflußmenge oder die Durchflußtemperatur des Kühlmittels, das die unabhängigen Kühllabyrinthe durchströmt, erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Temperierung des Untertellers stationä­ re Wärmeverhältnisse in der Poliervorrichtung geschaffen wer­ den.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die Temperierung des Obertellers varia­ ble Wärmeverhältnisse in dem Polierspalt geschaffen werden.