DE3213252C2

DE3213252C2 - Verfahren zur Inprozeß-Messung der Dicke von waferartigen Werkstücken und Zweischeiben-Läppmaschine hierfür

Info

Publication number: DE3213252C2
Application number: DE3213252A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Joetsu Niigata Honda; Kiyoo Katagiri
Original assignee: Shin Etsu Engineering Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Engineering Co Ltd
Priority date: 1981-04-10
Filing date: 1982-04-08
Publication date: 1986-12-11
Also published as: US4433510A; DE3213252A1; JPS57168109A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Läppen waferartiger Werkstücke und eine Läppvorrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Läppverfahren in einer Läppmaschine, um die sandwichartig zwischen relativ zueinander drehenden oberen und unteren Läppscheiben aufgenommenen Werkstücke zu läppen. In diesem Verfahren wird die Stärke der Werkstücke während des Läppens durch eine Inprozeß-Bestimmung mit einem Sensor ermittelt, der an der oberen Läppscheibe befestigt ist. Im Gegensatz zu bekannten Läppverfahren mit einer Inprozeß-Messung der Stärke, wird die Stärke der Werkstücke nur einmal in gleichmäßigen Abständen per Computer berechnet. Die Abstände entsprechen dabei einer Relativumdrehung der Läppscheiben zueinander, so daß Fehler aufgrund des Betriebes der Läppvorrichtung z.B. der wellenförmigen Umdrehung der Läppscheiben, der Vibration der Maschine u.dgl. eliminiert werden können. Auf diese Weise wird eine sehr stark verbesserte Einrichtung zur Stärkenkontrolle der Werkstücke beim Läppen erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Maschine gemäß Oberbegriff des Anspruches 2.

Bekanntlich wird eine Vielzahl von Werkstücken in waferartiger Ausführung, worunter z. B. Mikroplättchen oder aus Einkristallen geschnittene Scheibchen verstanden werden, gegenwärtig in den Bereichen der elektronischen Industrie verwendet. Darunter fallen beispielsweise Silicon-Halbleiter mit hohem Reinheitsgrad, GGG (Gadolinium Gallium Granat)-Einkristalle für Magnetblasen-Domänen-Speicher, schmelzflüssig gegossene bzw. geschmolzene Quarzglasplatten, die zur Maskenerstellung bei der Mustergestaltung von IC-Schaltungen verwendet werden und dergleichen. Diese Werkstücke werden dadurch hergestellt, daß zuerst ein Block oder eine Stange eines entsprechenden Materials in waferartige Scheiben geschnitten wird, die anschließend, um eine bestimmte Dicke und Oberflächengüte zu erreichen, in einer Läppmaschine, wie sie beispielsweise in der US-PS 30 89 292 offenbart ist, geschliffen und geläppt werden.

Parallel mit der Entwicklung der elektronischen Technologie ist ein gegenwärtiger Trend festzustellen, daß die Anforderung an die Exaktheit und Gleichmäßigkeit der Dicke derartiger waferartiger Werkstücke, wie sie durch Läppen fertiggestellt werden, mehr und mehr rq zunimmt. Die zuverlässigste Art der Dickenbestimmung eines waferartigen Werkstückes beim Läppen ist selbstverständlich die direkte Dickenmessung des Werkstükkes, indem dieses durch Unterbrechen des Arbeitsablaufes periodisch aus der Läppmaschine genommen wird. Es ist jedoch offensichtlich, daß eine Dickenmessung außerhalb der Maschine unpraktikabel und mit einem sehr niedrigen Arbeitswirkungsgrad verbunden ist.

Dementsprechend wurden mehrere Verfahren zur Inprozeß-Dickenmessung von Werkstücken beim Läppen vorgeschlagen, d. h. ohne Herausnahme der Werkstücke aus der Läppmaschine, um den Betrieb der Läppmaschine erst zu dem Zeitpunkt zu beenden, in dem die Werkstücke die gewünschte oder geforderte Dicke dTeicht hatten.

Eines der Grundprinzipien einer derartigen Inprozeß-Dickenmessung ist die Verwendung eines Wirbelstromsensors, der z. B. genau festgelegt an der oberen Läppscheibe einer Zweischeiben-Läppmaschine befestigt ist, um in Abhängigkeit von der Spaltbreite zwischen der oberen und unteren Läppscheibe elektrische Signale zu erzeugen. Der in einem derartigen Wirbelstromsensor erhaltene Wert gibt indirekt in erster Näherung die Dicke der Werkstücke beim Läppen wieder, obwohl dabei mehrere Fehlerfaktoren mit eingeschlossen sind.

So entspricht beispielsweise der durch das Wirbelstromsignal repräsentierte Wert nicht der exakten Dikke des Werkstückes, sondern entspricht dem Spaltabstand zwischen den Flächen der Läppscheiben, wobei die Spaltbreite die Summe aus der Dicke der Werkstückdicke und der Dicke der Schichten des abgeschliffenen Materials und des Läppmittels ist, das zwischen den Oberflächen des Werkstückes und den Flächen der oberen und unteren Läppscheibe zu liegen kommt.

Weiterhin unterliegt die Oberfläche der Läppscheibe selbst während des Läppablaufes einer Abnutzung, wobei der Betrag der Abnutzung der oberen Läppscheibe, die den Sensor trägt, einen negativen Fehlerbeitrag zum Wert der Dicke des Werkstückes gibt, wie er durch das Wirbelstromsignal wiedergegeben wird.

Aus diesem Grunde muß der Dickenwert des Werkstückes beim Läppen, der durch das Signal, das in dem in der oberen Läppscheibe angebrachten Sensor erhalten wird, bestimmt wird, durch Substraktion der Dicke der Schichten des Abriebmaterials und-durch Addition der Dicke entsprechend dem Abnutzungsbetrag der oberen Läppscheibe, der empirisch schätzbar ist, immer mit Korrekturen versehen werden.

Ungeachtet der vorausgehend erwähnten Korrekturen, die sich bei einer direkten Bestimmung aus dem Signal des Sensors auf den Dickenwert des Werkstückes auswirken, weicht die tatsächliche Dicke des Werkstükkes, wie es nach Beendigung des Läppvorganges aus der Läppmaschine genommen wird, häufig beträchtlich von dem Wert ab, wie er aufgrund der Registrierung der Inprozeß-Messung unter Verwendung des Sensors, erwartet wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Maschine zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, bei dem mittels einer Inprozeß-Messung die Dicke von waferartigen Werkstücken unter Eliminierung von möglichen Fehlerquellen genauer ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und bei einer gattungsgemäßen Maschine durrh Hip Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 2 gelöst.

Diese Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß Abweichungen in der Dicke der Werkstücke hauptsächlich auf die Schwankung der Spaltbreite zwischen den Läppoberflächen während des Betriebes der Läppmaschine zurückzuführen sind. Des weiteren sind diese Abweichungen auf die nicht vollständige Parallelität zwischen den Läppflächen und einer wellenförmigen Bewegung

bzw. Schwingung der Läppplatten zurückzuführen, so daß, sofern die Signale von der Sensoreinrichtung fortlaufend erfaßt werden, die Werterfassung notwendigerweise innerhalb eines beträchtlich weite·! Bereiches schwanken muß und daher keinen genauen Dickenwert ergeben kann. Desweiteren ergab sich, daß die Schwankung in der Werterfassung eine periodische Erscheinung aufwies, wobei eine Periode einer Umdrehung der Läppplatten relativ zueinander entsprach. Mit anderen Worten sind die Dickenwerte, die vom Signal der Sensoreinrichtung abgeleitet werden, relativ stabil, sofern das Signal nur einmal je Umdrehung der Läppplatte zu Zeitpunkten festgehalten wird, in denen sich die obere und untere Läppplatte in der gleichen relativen Umdrehungsposition befinden. Aus diesem Grunde eliminiert eine Inprozeß-Messung der Dicke in einer solchen periodischen Art und Weise die Fehler, die durch die wellenförmige Bewegung der Läppplatten herrühren und schafft damit ein Mittel zur besseren Kontrolle der Dikke der zu läppenden Werkstücke.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert Die schematischen Darstellungen der F i g. 1 und 2 zeigen

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Zweischeiben-Läppmaschine im Längsschnitt und

F i g. 2 einen Schnitt durch Übertragungseinheit der Maschine für die in der Sensoreinrichtung erzeugten Signale zum Computer.

Die in F i g. 1 dargestellte Läppmaschine ist aus einer oberen Läppscheibe 1 und einer unteren Läppscheibe 2 aufgebaut, die jeweils eine ringförmige Läppfläche aufweisen und vertikal zueinander gewandt angeordnet sind. Hierbei bilden die beiden Läppscheiben 1 und 2 einen engen Spalt zwischeneinander, in dem eine Vielzahl von zu bearbeitenden Werkstücken 3 in mehreren Gruppen sandwichartig aufgenommen ist, wobei jede Gruppe in einen entsprechenden Werkstückhalter 4 aufgenommen ist Jeder der Werkstückhalter 4 wird durch ein Sonnenrad 5 angetrieben und wälzt sich an einer Innenverzahnung 6 ab. Die obere Läppscheibe 1, die untere Läppscheibe 2, das Sonnenrad 5 und die Innenverzahnung 6 werden unabhängig voneinander durch entsprechende Wellen 7,8,9 und 10, die durch ein in F i g. 1 nicht gezeigtes Antriebsaggregat angetrieben werden, in Rotationsbewegung versetzt

Beim Einlegen der Werkstücke 3 in die Läppmaschine wird die obere Läppscheibe 1 durch eine in der Figur nicht gezeigte Aufhängeeinrichtung angehoben, um einen ausreichenden Abstand zur unteren Läppscheibe 2 zu schaffen. Nachdem vier bis sechs Werkstücke 3 in der öffnung bzw. den Öffnungen jedes der drei bis fünf Werkstückhalter 4 angeordnet sind, wird die obere Läppscheibe 1 abgesenkt. Während das Läppmittel als wäßrige Lösung einer ringförmigen Zuflußrinne 11 zugeführt wird, um von dort durch Leitungen 12 nach unten in den Spalt zwischen den Läppscheiben 1 und 2 zu fließen, werden die Läppscheiben 1 und 2, das Sonnenrad 5 und die Innenverzahnung 6 in entsprechender Weise in Rotation versetzt, so daß die Oberfläche der Werkstücke 3 durch die Abriebwirkung der Läppmitteliösung, die zwischen die oberflächen der Werkstücke 3 und die Flächen der oberen oder der unteren Läppschejben 1 und 2 gelangt, bearbeitet wird.

Die Läppmaschine weist eine Einrichtung zur intermittierenden bzw. periodischen Erzeugung eines Signales in einem gleichmäßigen Intervall auf, das einer Umdrehung der Läppscheiben 1, 2 relativ zueinander entspricht. Diese in F i g. 1 dargestellte Einrichtung besteht aus einem an der Umfangswand der unteren Läppscheibe 2 befestigten Sender 13 und einem an der Umfangswandung der oberen Läppscheibe 1 ebenfalls fest angebrachten Empfänger 14 zur Aufnahme des vom Sender 13 abgegebenen Signals. Es ist selbstverständlich, daß die Intensität des vom Empfänger 14 aufgenommenen Signals zu dem Zeitpunkt am stärksten ist, wenn sich der Empfänger 14 unmittelbar über dem Sender 13 befindet, so daß die Maxima im Kontinuum des vom Empfänger 14 aufgenommenen Signals als Positionssignal der oberen Läppscheibe 1 relativ zur unteren Läppscheibe 2 verwendet werden können.

Andererseits ist zur Ermittlung der Spaltbreite zwischen den Läppscheiben 1 und 2 in der oberen Läppscheibe 1 eine Sensoreinrichtung 15 genau fixiert angebracht, die ein Signal entsprechend der Spaltbreite erzeugt, die in erster Näherung der Dicke der Werkstücke 3 entspricht

Die Sensoreinrichtung 15 zur Ermittlung der Spaltbreite soll dabei nicht einschränkend verstanden werden, nachdem verschiedene Verfahren nach dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann der Sensor 15 ein Wirbelstromdetektor für die elektromagnetische Kopplung zwischen der oberen und unteren, gewohnlich aus Gußeisen hergestellten Läppscheibe 1 bzw. 2 sein, um ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Spaltbreite zu erzeugen. Alternativ dazu kann der Sensor 15 auch eine Kombination aus einem Ultraschalltstrahler und einem Empfänger des Echos der an der Oberfläche der unteren Läppscheibe 2 reflektierten Ultraschallwellen sein, um die Verzögerungszeit des Echos als Funktion der Spaltbreite festzustellen. Auf alle Fälle ist die Sensoreinrichtung 15 an der oberen Läppscheibe 1 in einer durchgehenden Bohrung 16 der oberen Läppscheibe 1 fest angebracht, um der unteren Läppscheibe.2 direkt zugewandt gegenüberliegen zu können.

Auch das Grundprinzip der die Winkellage der beiden Läppscheiben 1,2 zueinander erfassenden Einrichtung darf nicht einschränkend verstanden werden. So kann beispielswweise der Sender 13 ein Permanentmagnet sein, der mit einem Hall-Element gekoppelt ist, um den magnetischen Fluß um den Permanentmagneten festzustellen. Als Alternative dazu kann der Sender 13 auch ein Ultraschallstrahler sein, der mii einem Ultraschallempfänger wirkungsmäßig gekoppelt ist.

Die Signale vom Empfänger 14, der die relative Winkellage der Läppscheiben 1, 2 zueinander feststellt, und von der Sensoreinrichtung 15 für die Spaltbreite werden

so zu einem Computer 17 übertragen, der extern von der Läppmaschine angeordnet ist. Das elektrische Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 15 zur Feststellung der Spaltbreite wird im Computer 17 unter Berücksichtigung notwendiger Korrekturen für die Fehler, die im direkt von der Sensoreinrichtung 15 erhaltenen Spaltbreitenwert enthalten sind, zu jedem Zeitpunkt, in dem das Positionssignal vom Empfänger 14 im Computer 17 empfangen wird, verarbeitet. Anders ausgedrückt, wird der Wert, der die Dicke der Werkstücke 3 beim Läppen darstellt, nur einmal pro Umdrehung der Läppscheiben i,2 relativ zueinander in dem Zeitpunkt erhalten, in dem die obere und untere Läppscheibe 4 und 2 sich in der gleichen relativen Winkelposition während ihrer Umdrehung befinden; normalerweise beim exakten Gegenüberliegen von Sender und Empfänger.

Wie vorausgehend erläutert, sollten die Korrekturen am Spaltbreitenwert in zweifacher Hinsicht ausgeführt werden. Einmal muß ein Wert, der dem positiven Fehler

entspricht, welcher durch die Dicke der Schichten zwischen der Oberfläche der Werkstücke 3 und der Läppfläche der Läppscheiben 1, 2 vorhandenen Schichten des Läppmittels vom Spaltbreitenwert subtrahiert werden, wobei dies eine Funktion der Antriebsbedingungen der Läppscheiben 1,2 der Verteilung der Partikelgröße des Läppmittels, der Zufuhrrate des Läppmittels und ähnliche Parameter ist. Zum anderen muß ein Wert, der dem negativen Fehler entspricht, aufgrund des Abriebes der Läppflächen der Läppscheiben 1, 2 insbesondere der oberen Läppscheibe 1, zum Wert der Spaltbreite addiert werden, obwohl diese Korrektur normalerweise sehr viel kleiner ist als der Betrag der Dickenabnahme der Werkstücke im Verlauf des Läppens. Auf alle Fälle müssen diese Korrekturfaktoren im voraus als Funktion der verschiedenen Parameter empirisch ermittelt werden und dem Computer 17 während der Zeit des Betriebes eingegeben oder im Speicher des Computers 17 gespeichert werden. Sofern die Läpparbeitsvorgänge unter den gleichen Arbeitsbedingungen für die gleiche Art von Werkstücken durchgeführt werden, reicht es aus, daß die einmal eingegebenen Korrekturfaktoren auch für die nachfolgenden Arbeitsabläufe beibehalten werden.

Die durch den Computer 17 berechneten Dickenwerte der Werkstücke 3 können, sofern dies gewünscht wird, fortlaufend oder zu jeder beliebigen Zeit ausgedruckt werden. Es ist auch möglich, den Computer 17 so zu programmieren, daß er ein Signal zur Unterbrechung bzw. Beendigung des Betriebes der Läppmaschine erzeugt, wenn die Dicke der Werkstücke 3 einen vorgegebenen Betrag erreicht hat.

Die in dem Empfänger 14 zur Feststellung der genauen Lage und die in der Sensoreinrichtung 15 für die Dicke erzeugten Signale müssen über eine Einrichtung beliebiger Art zum Computer 17 übermittelt werden. Nachfolgend wird eine derartige Signalübermittlungseinrichtung beschrieben.

Die im Empfänger 14, z. B. einem Hall-Element, zur Bestimmung der Position erzeugten Signale, werden in den Positionssignal-Prozessor 18, der auf der oberen Läppscheibe 1 vorgesehen ist. zur Verstärkung der vom Empfänger 14 erhaltenen Signale, eingespeist In ähnlicher Weise werden die von der Sensoreinrichtung 15 zur Dickenbestimmung erzeugten Signale in den Dikkensignal-Prozessor 19, der ebenfalls auf der oberen Läppscheibe 1 angebracht ist, und der beispielsweise mit einer Brückenschaltung und einem Verstärker aufgebaut sein kann, eingegeben. Die in den Prozessoren 18, 19 verarbeiteten Signale werden anschließend zu einer Übertragungseinheit 20 geleitet und daraus zur Einspeisung in den Computer 17 weitergeleitet. Diese Einheit 20, die eine Kopplungseinrichtung zwischen rotierenden Teilen und feststehenden Teilen bzw. Anschlüssen darstellt, dient auch zur elektrischen Spannungsversorgung der Signal-Prozessoren 18 und 19.

In F i g. 2, die einen Axialschnitt zeigt, ist der Aufbau der Übertragungseinheit 20 schematisch dargestellt Der Stator 21 der Übertragungseinheit 20 ist an der zur Aufhängung der oberen Läppscheibe 1 dienenden WeI- ω le 22 befestigt, während der Rotor 23 in fester Anordnung zur oberen Läppscheibe 1 steht Die Welle 22 dient ausschließlich dazu, die obere Läppscheibe 1 beim Einsetzen der Werkstücke 3 in die Werkstückhalter 4 auf der unteren Läppscheibe 2 anheben zu können, damit ausreichender Zwischenraum für diesen Arbeitsgang besteht Die obere Läppscheibe 1 kann unabhängig von der Welle 22 während des Betriebes der Läppmaschine gedreht werden und ist dazu mit der Welle 22 über ein Axialkugellager 24 verbunden.

Die Übertragungseinheit 20 weist einen Rotationsübertrager 25 bzw. einen Drehtransformator für die Energieversorgung, einen Drehimpuls-Wandler 26 zur Übertragung der Positionssignale und einen Rotations-Photokoppler 27 zur Übertragung der Dickensignale auf. Die Statorwicklung des Übertragers 25 ist mit einer Spannungsversorgung verbunden. Die Statorwicklung des Drehimpuls-Wandlers 26 und einer der Leitungsdrähte für den Ausgang des Photokopplers 27 werden jeweils mit dem Computer 17 verbunden. Die Rotorwicklungen des Übertragers 25 und des Wandlers 26 und der andere Leitungsdraht für den Ausgang des Photokopplers 27 sind je mit den Signal-Prozessoren 18 und bzw. 19 durch die Hohlwelle des Rotors 23 verbunden.

Der Aufbau der Übertragungseinheit 20 soll jedoch nicht auf den vorausgehenden beschriebenen Aufbau beschränkt sein. Es können z. B. auch herkömmliche Vorrichtungen mit Bürsten und Schleifringen verwendet werden. Die vorausgehend beschriebene Einrichtung weist jedoch den Vorteil auf, daß aufgrund der Vermeidung jeglicher mechanischer Kontakte, bei denen mehr oder weniger unvermeidlich in den zum Computer 17 übertragenen Signalen elektrisches Rauschen bzw. elektrische Störimpulse vorhanden sind, eine beachtlich verbesserte Genauigkeit bei der Dickenbestimmung sichergestellt werden kann.

Eine weitere Möglichkeit der Signalübertragung ist die, daß die Signale mittels einer drahtlosen Einrichtung als elektromagnetische Wellen, die mit den Signalen vom Empfänger 14 und dem Sensor 15 moduliert sind, übertragen werden und in einem extern von der Läppmaschine angeordneten Funkempfänger empfangen werden, um von dort in den Computer 17 eingespeist zu werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Inprozeß-Messung der Dicke von waferartigen Werkstücken beim Läppen in einer Zweischeiben-Läppmaschine unter Verwendung einer an einer der Läppscheiben fest angebrachten Sensoreinrichtung, die ein Signal entsprechend dem Abstand der Arbeitsflächen der beiden Läppscheiben voneinander erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung intermittierend in regelmäßigen Zeitabständen immer dann erfolgt, wenn sich die obere und die untere Läppscheibe (1,

2) zueinander in einer vorbestimmten Winkellage befinden.

2. Zweischeiben-Läppmaschine zum Durchführen des Verfahrens nach Ansprucn 1, gekennzeichnet durch einen an einer der beiden Läppscheiben (2) angebrachten Sender (13) und einen an der anderen Läppscheibe (1) angebrachten Empfänger (14) zum Erzeugen eines Signals immer dann, wenn sich die obere und die untere Läppscheibe (1,2) zueinander in der vorbestimmten Winkellage befinden, und durch einen mit der Sensoreinrichtung (15) und dem Empfänger (14) über zwei Prozessoren (18,19) verbundenen Computer (17), der die von der Sensoreinrichtung (15) erzeugten Signale imfner dann in einen Wert für den Abstand zwischen den Arbeitsflächen der beiden Läppscheiben (1,2) umwandelt, wenn der Empfänger (14) ein Signal erzeugt.