DE4425879A1 - Vorrichtung zum Ritzen von im wesentlichen einkristallinen Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 16 angegebenen Art.

Derartige Vorrichtungen mit federbelastetem Ritzdiamanten sind bekannt und werden z. B. zur Vereinzelung von elektro­ nischen oder optoelektronischen Bauelementen verwendet, die durch eine Folge von chemisch-physikalischen Bearbeitungs­ schritten auf der Oberfläche eines einkristallinen Halb­ leiterwafers erzeugt wurden.

Durch das Ritzen der Oberfläche des Einkristalls wird in diesem eine oberflächliche Gitterstörung erzeugt, die bei einer nachfolgenden Belastung zu einem Bruch in einer durch die Ritzrichtung und die Kristallorientierung be­ stimmten Vorzugsrichtung führt. Wird somit auf der Wafer­ oberfläche in hinreichender Übereinstimmung mit den kristallografischen Vorzugsrichtungen des Halbleiters ein zweidimensionales Ritzmuster erzeugt und der Wafer an­ schließend - etwa über einer gekrümmten Oberfläche auf Bie­ gung - belastet, zerbricht er entsprechend dem Ritzmuster in einzelne Stücke. War das Ritzmuster so gewählt, daß be­ nachbarte Ritzlinien jeweils ein Halbleiterbauelement zwischen sich einschließen, so ist damit auf einfache Wei­ se eine Vereinzelung der Bauelemente erreicht worden.

Für bestimmte Bauelemente, etwa Laserdioden, ist diese Art der Vereinzelung gegenüber anderen Techniken (z. B. Zersägen) bevorzugt oder sogar die einzig praktikable, weil sie bei korrekter Ausführung in Gestalt der kristal­ lografischen Spaltflächen nahezu ideale Seitenflächen ergibt. Dies ist z. B. bei Laserdioden von besonderer Be­ deutung, weil hier die Seitenflächen zugleich die Laserre­ sonatoren bilden und daher möglichst ideal eben und zu­ einander parallel sein müssen. Nur durch Anritzen der noch im Verbund auf dem Wafer vorliegenden Laserdioden, d. h. die Erzeugung von Initialstellen, von denen die späteren Brüche ausgehen, werden Laserdiodenriegel mit atomar glat­ ten Spaltkanten erzielt, die als Laserspiegel fungieren können.

Voraussetzung für eine ausschußfreie bzw. -arme Vereinze­ lung ist die Bildung von Ritzlinien mit gleichmäßiger, auf die Abmessungen des Wafers abgestimmter Querschnittsge­ stalt.

Diese gestaltet sich insbesondere bei Bauelementen mit ausgeprägtem Oberflächenprofil schwierig, wie es etwa bei hochentwickelten Aufbauten von Laserdioden und anderen op­ toelektronischen Bauelementen auf der Grundlage von AIII- BV-Halbleiterstrukturen in Gestalt von relativ hohen Me­ sas, tiefen Gräben o. ä. vorliegen kann.

Bei derartigen Bauelementstrukturen ergeben sich vielfach unbefriedigende Ritzlinien mit ungleichmäßigen Quer­ schnitten, die zu irregulärem Bruchverhalten mit gestörten Seitenflächen ("Spaltkanten") und damit einer hohen Aus­ schußquote bei der Vereinzelung führen.

Der Erfinder hat zudem festgestellt, daß - auch unabhängig von einer besonders ausgeprägten Oberflächenstruktur - Ausschuß im Schritt der Vereinzelung insbesondere bei Bauelementen auftritt, die in der Umgebung des Aufsetz­ punktes des Ritzdiamanten auf die Substratoberfläche lie­ gen. Er ist in umfangreichen Untersuchungen zu der Er­ kenntnis gekommen, daß dies mit dem Aufbau der Ritzvor­ richtung und/oder dem Ablauf des Aufsetzvorganges in ur­ sächlicher Beziehung steht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß mit ihr gleichmäßigere Ritzlinien - insbesondere auch in der Umgebung des Aufsetzpunktes des Ritzwerkzeuges und/oder bei Substraten mit ausgeprägtem Oberflächenprofil - erzeugbar sind, die einen verringerten Ausschuß bei der Vereinzelung von Bauelementen aus dem Substrat zur Folge haben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 16 gelöst.

Die Erfindung schließt zum einen den Gedanken ein, daß die Ritzvorrichtung so aufgebaut sein sollte, daß der gesamte Ritzvorgang, beginnend mit dem Aufsetzpunkt, unter dem Einfluß einer im wesentlichen senkrecht zur Substrat­ oberfläche wirkenden und in ihrem Betrag von der Höhenlage des Ritzwerkzeuges unabhängigen Ritzauflagekraft ausge­ führt wird.

Dadurch kann vermieden werden, daß - wie beim federbela­ steten Ritzarm zu verzeichnen - die Ritzlinien in erhabe­ nen Oberflächenabschnitten (etwas Mesas) breiter und tie­ fer, in vertieften Abschnitten (etwa Gräben) dagegen schmaler und flacher werden als auf dem ebenen Wafer, und daß in Oberflächenabschnitten mit großer Steigung ausge­ prägte Irregularitäten im Linienverlauf auftreten.

Weiter gehört zur Erfindung der Gedanke, daß das Aufsetzen des Ritzwerkzeuges auf das Substrat zweckmäßigerweise im wesentlichen frei von einer Auflagekraft erfolgen sollte und die Zuschaltung einer einstellbaren Auflagekraft erst nach dem Aufsetzen des Ritzwerkzeuges erfolgt.

Dadurch kann ein "Einhacken" des Ritzwerkzeuges in den Wa­ fer beim Aufsetzen unabhängig von der konkreten Geometrie des Ritzarmes und Ritzwerkzeuges sicher verhindert werden.

Damit im Zusammenhang steht der weitere Gedanke, den Vor­ gang des Aufsetzens, der bei herkömmlichen Ritzmaschinen gar nicht oder nur unzulänglich beobachtet werden kann, optisch zu kontrollieren, d. h. entsprechende Nachweismit­ tel vorzusehen, die ein Nachweissignal ausgeben, wenn das Ritzwerkzeug die Substratoberfläche berührt. Auf dieses Nachweissignal hin kann dann die Einleitung der Ritzkraft in das Ritzwerkzeug erfolgen, womit der vorgenannte Gedan­ ke automatisch, unabhängig von der Aufmerksamkeit und den Fertigkeiten des Bedieners der Ritzvorrichtung praktisch realisiert werden kann.

In vorteilhafter Ausprägung des ersten Erfindungsgedankens wird das Ritzwerkzeug gewichtsbelastet gelagert. Alterna­ tiv dazu oder ggfs. auch zusätzlich kann das Ritzwerkzeug unter dem Einfluß einer pneumatisch oder hydraulisch er­ zeugten, auslenkungsunabhängig konstant gehaltenen Druck­ kraft gelagert sein. Mit diesen Arten der Erzeugung der Ritzauflagekraft kann jeweils - im Gegensatz zu einer Fe­ der, deren Federkraft nach dem Hookeschen Gesetz grundsätz­ lich auslenkungsabhängig ist - ein von der vertikalen Po­ sition des Ritzwerkzeuges unabhängiger Wert der Druckkraft erhalten werden.

Zur Anpassung an verschiedene Substratmaterialien und -dicken sollten zweckmäßigerweise Mittel zur Einstellung der Ritzauflagekraft vorgesehen sein, wobei die Ritzaufla­ gekraft im Bereich von 0 bis 0,4 N, vorzugsweise im Be­ reich von 0 bis 0,1 N, einstellbar sein sollte. Hierzu kann ein relativ zu einer horizontalen Drehachse des Ritz­ armes verschiebbares Gewicht und/oder ein Druckregler ei­ ner pneumatischen oder hydraulischen Einrichtung zur Ausü­ bung der Druckkraft auf das Ritzwerkzeug vorgesehen sein.

Weiterhin sind vorteilhafterweise Mittel zum Einstellen der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Ritzwerk­ zeug und Substratoberfläche vorgesehen, wobei die Ge­ schwindigkeit in einem weiten Bereich, etwa von 0,25 bis 150 mm/s, einstellbar sein sollte.

Die Mittel zum Einstellen der Geschwindigkeit sollten zu einer vorgebbaren Einstellung der Start- und Bremsbe­ schleunigung zu Beginn bzw. am Ende des Ritzvorganges aus­ gebildet sein, um Ungleichmäßigkeiten der Ritzlinien bzw. Beschädigungend es Substrats infolge abrupten Starts oder Beendens des Ritzvorganges auszuschließen. Der Einstellbe­ reich kann hierbei zweckmäßig etwa 10 bis 100 mm/s² sein.

In zweckmäßiger Ausbildung ist das Ritzwerkzeug ein Dia­ mant, der mit einer angeschliffenen Kante unter einem Win­ kel von 6 bis 7° auf die Substratoberfläche einwirkt.

Zur Ausschließung von Ritzlinien-Unregelmäßigkeiten, die sich beim Aufsetzen infolge von Schwankungen der Neigung des Ritzwerkzeuges relativ zur Substratoberfläche (etwa in Art eines Nachfederns) ergeben, sind Mittel zur Führung des Ritzwerkzeuges senkrecht zur Substratoberfläche wäh­ rend des Aufsetzens des Ritzwerkzeuges vorgesehen.

In einer speziellen Ausführung, die zugleich ein einfache und exakte Gewichsbelastung ermöglicht, ist der Ritzarm so gestaltet, daß er eine im wesentlichen in der Ebene der Substratoberfläche liegende horizontale Drehachse auf­ weist, so daß die Bewegung des Ritzwerkzeuges beim Aufset­ zen in der Nähe der Substratoberfläche senkrecht zu dieser gerichtet ist. Bei diesem Aufbau ist eine dosierte Einstel­ lung der Ritzauflagekraft insbesondere durch Verschiebung von Gewichten auf einem Hebelarm - dem Kraftarm oder dem Lastarm - möglich.

Zur optischen Kontrolle des Aufsetzvorganges ist zweckmä­ ßigerweise eine optoelektronische Sensoranordnung, insbe­ sondere eine Fernsehkamera oder eine CCD-Elemente-Anord­ nung, vorgesehen. Eine relativ einfache Verfolgung des Vorganges ist möglich, wenn ein Spiegel zur Abbildung ei­ nes Spiegelbildes der Substratoberfläche im Aufsetzbereich des Ritzwerkzeuges auf die Sensoranordnung vorgesehen ist. Das Aufsetzen wird damit als Annäherung der Abbilder des Ritzdiamanten als reales Objekt und dessen Spiegelbildes bis zum Zusammentreffen erkenn- und auswertbar. Die Senso­ ranordnung gibt dann das Nachweissignal aus, wenn die auf ihr entworfenen Bilder des Ritzwerkzeuges und dessen Spie­ gelbildes einander berühren.

Unabhängig von dieser speziellen Ausbildung des optischen Teils des Nachweissystems kann dessen elektronischer Teil in vorteilhafter Weise eine taktgesteuerte Speichereinheit zur seriellen Speicherung mehrerer Abbilder der Substrat­ oberfläche und eine Berechnungseinheit zur Bestimmung der zeitlichen Korrelation der zeitversetzten Abbilder aufwei­ sen. So kann etwa darauf geschlossen werden, daß das Auf­ setzen erfolgt ist, wenn sich das Abbild des Ritzdiaman­ ten in den zeitversetzten Abbildern nicht mehr verschiebt.

Besonderer Aufmerksamkeit bedarf das Problem der begrenz­ ten Tiefenschärfe des Nachweissystems bei der Beobachtung des Aufsetzens, die schräg zur Substratoberfläche erfolgt.

Zu dessen Lösung wird vorgeschlagen, daß die Sensoranord­ nung eine Fokussierungseinrichtung zur sukzessiven Fokus­ sierung auf verschiedene Abschnitte der Substratoberfläche im Gesichtsfeld umfaßt und der elektronische Teil eine Speichereinrichtung zur Speicherung der in den einzelnen Fokussierungszuständen erhaltenen Einzelbilder (von Teilen des Gesichtsfeldes) und eine Verarbeitungseinrichtung zur Synthese eines scharfen Abbildes der Substratoberfläche aus den Einzelbildern aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung des mechanischen Aufbaus einer Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung des mechanischen Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild der elektroni­ schen Komponenten einer Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist in stark vereinfachter Darstellung der me­ chanische Aufbau einer Ritzvorrichtung 1 zum Ritzen eines GaAs-Halbleiterwafers 2 zur Vereinzelung in Laserdioden gezeigt.

Die Ritzvorrichtung 1 umfaßt einen xy-Koordinatentisch 3, der in (nicht dargestellten) Führungen in x-Richtung und in y-Richtung in Schritten von minimal 1 µm um jeweils ma­ ximal 120 mm verfahrbar ist und einen um 90° drehbaren Substrathalter 4 mit einem Anschluß 5 für eine Vakuumpum­ pe trägt, auf dem der GaAs-Wafer 2 durch Unterdruck gehal­ ten wird.

Seitlich vom xy-Koordinatentisch 3 ist ortsfest ein star­ rer Ritzarm 6 installiert, der ein Ständerteil 6a und einen Ausleger 6b umfaßt und dessen Ausleger 6b an seinem vom Ständerteil 6a abgewandten Ende eine Kolben-Zylinder- Vorrichtung 7 trägt, deren Zylinder 7a über einen Flüssig­ keitskanal 6c im Ritzarm und eine Schlauchleitung 8 mit einer (in der Figur nicht gezeigten) Hydraulikpumpe mit Druck-Feinsteuerung in Verbindung steht. Der Kolben 7b der Kolben-Zylinder-Vorrichtung trägt am unteren Ende seiner exakt vertikal geführten Kolbenstange einen Ritzdiamanten 9.

Auf dem Koordinatentisch 3 ist seitlich vom Substrathalter 4 ein Träger 10 mit einer Halogenleuchte 11 zur Beleuchtung des Wafer-Bereiches in der Umgebung des Ritzdiamanten 9 sowie einer CCD-Aufnahmeeinheit 12 mit elektrisch fokus­ sierbarer Optik 12a zur Erzeugung einer elektronisch ver­ arbeitbaren und speicherbaren Abbildung des genannten Wafer- Bereiches angebracht.

Ein zur Vereinzelung bestimmter Wafer 2 mit fertig struk­ turierten Laserdioden wird bei in x- und y-Richtung bis zum Anschlag aus dem Arbeitsbereich heraus verfahrenem xy- Tisch 3 auf den Substrathalter 4 verbracht und durch Ein­ schaltung der mit diesem verbundenen Vakuumpumpe auf sei­ ner Rückseite mit Unterdruck beaufschlagt und dadurch auf dem Substrathalter fixiert.

Anschließend wird der xy-Tisch 3 - dessen Steuerung auf an sich bekannte Weise erfolgt und daher nachfolgend nicht im einzelnen beschrieben wird - bei angehobenem Kolben 7b und Ritzdiamanten 9 in die durch das vorgegebene Ritzprogramm festgelegte erste Arbeitsposition verfahren und dort ange­ halten. Danach wird durch Betätigung der Steuerung der Hy­ draulikpumpe der Druck im Zylinder 7a langsam geringfügig erhöht, so daß der Kolben 7b nach unten gedrückt und der Ritzdiamant 9 behutsam und nahezu kraftfrei exakt vertikal auf die Oberfläche des Wafers 2 aufgesetzt wird.

Der Vorgang des Aufsetzens wird unter Beleuchtung der Wafer-Oberfläche mittels der Halogenleuchte 11 und laufen­ der Registrierung der Position des Ritzdiamanten 9 mittels der CCD-Aufnahmeeinheit 12 ausgeführt. Die von der Aufnah­ meeinheit 12 gelieferten Bildsignale werden auf weiter un­ ten genauer beschriebene Weise verarbeitet und zur Gewin­ nung eines Steuersignals bei erfolgtem Aufsetzen genutzt.

Das das erfolgte Aufsetzen kennzeichnende Steuersignal wird der Steuerung der Hydraulikpumpe zugeführt und be­ wirkt dort eine Druckerhöhung auf einen voreingestellten Wert, der der für das zu ritzende Substrat gewählten Ritz­ auflagekraft (unterhalb von 0,4 N, normalerweise im Be­ reich von 0,02 bis 0,12 N) entspricht. Gleichzeitig wird das Signal der (in Fig. 1 ebenfalls nicht gezeigten) Steu­ ereinheit des xy-Tisches 3 zugeführt, der daraufhin mit vorbestimmter (in einem weiten Bereich von 0,25 bis 133 rn/s wählbarer) Geschwindigkeit um eine vorbestimmte Ritz­ länge in eine vorbestimmte Richtung verfahren wird. Da­ durch wird auf dem Wafer 2 eine Ritzlinie mit gewünschter Tiefe und Länge erzeugt. Anschließend wird durch entspre­ chende Betätigung der Hydraulik der Ritzdiamant wieder von der Oberfläche des Wafers abgehoben, so daß dieser durch Verschiebung und/oder Drehung seines Trägers in eine neue Ritzposition verbracht werden kann.

Die genannten Schritte werden für jede entsprechend dem Ritzprogramm zu erzeugende Ritzlinie - üblicherweise unter zwischenzeitlicher Drehung des Substrathalters um 90° - wiederholt, so daß schließlich der Wafer von einem Muster aus jeweils mit kristallografischen Spaltebenen zusammen­ fallenden, üblicherweise orthogonal aufeinander stehenden, Ritzlinien überzogen ist.

In einem sich anschließenden Verfahrens schritt kann der geritzte Wafer (etwa nach Verbringen auf eine Haftfolie) über einer gekrümmten Oberfläche gebrochen werden, wobei sich im Falle optimaler Durchführung des Ritzens nahezu "atomar glatte" Seitenflächen der vereinzelten Laserdioden ergeben. Diese können nach einer Vergütung oder ggfs. auch ohne solche direkt als Laserresonatorflächen wirken.

In Fig. 2 ist - ebenfalls stark vereinfacht - der mechani­ sche Aufbau einer gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ritz­ vorrichtung modifizierten Vorrichtung gezeigt. Die mit der Vorrichtung nach Fig. 1 übereinstimmenden Teile sind mit denselben Bezugsziffern wie jene bezeichnet und werden nachfolgend nicht nochmals erläutert.

Anstelle des starren Ritzarmes ist bei der modifizierten Vorrichtung ein in einem Ständer 16a um eine horizontale, in Höhe der Substratoberfläche gelegene Achse 16b schwenk­ barer, beidseitig aus dem Ständer 16a herausragender Arm 16c vorgesehen, an dessen einem, über dem Substrathalter 4 liegenden, Abschnitt 16c′ der Ritzdiamant 9 befestigt ist. Der von diesem abgewandte Abschnitt 16′′ des Ritzarmes trägt ein verschiebbares Gewicht 16d, das zur - je nach seiner Position auf dem Abschnitt 16c′′ mehr oder weniger vollständigen - Austarierung des Eigengewichtes des den Diamanten tragenden Ritzarmabschnittes 16c′ und damit zur Einstellung der Ritzauflagekraft dient. Das Gewicht kann - in einer alternativen Ausführung der Hebel-Vorrichtung - auch an dem den Ritzdiamanten tragenden Abschnitt des Ritzarmes befestigt sein.

Das Ende des Abschnittes 16c′′ ist in einen Ritzarm- Steuerkopf 17 geführt, der über ein Steuerkabel 17a mit der (in Fig. 2 nicht gezeigten) Steuereinheit der Vorrich­ tung verbunden ist und in dem das Ende des Ritzarmab­ schnittes 16c′′ zwischen zwei Anschlägen ein vertikales Spiel hat, mit dem der erforderliche vertikale Einstellbe­ reich des Ritzdiamanten 9 am anderen (wesentlich längeren) Abschnitt des Ritzarmes gewährleistet wird.

Das langsame, im wesentlichen lastfreie Aufsetzen des Ritzdiamanten auf den Wafer und die anschließende Einlei­ tung der voreingestellten Ritzauflagekraft wird bei dieser Ausführungsform durch geeignete Ansteuerung eines im Steu­ erkopf 17 vorgesehenen Stellgliedes (etwa eines auf den Abschnitt 16c′′ einwirkenden Elektromagneten, Bimetallstrei­ fens, Pneumatik-Kolbens o. ä.) bewirkt, mit dessen Betäti­ gung der Abschnitt 16c′′ nach oben gedrückt bzw. gezogen und somit der Abschnitt 16c′ mit dem Ritzdiamanten nach unten geschwenkt wird.

Nach erfolgtem Aufsetzen wird auf das entsprechende Steu­ ersignal hin der Abschnitt 16c′′ im Steuerkopf 17 gänzlich freigegeben, wonach der Ritzdiamant mit der durch die Po­ sition des Gewichtes 16d vorgegebenen Ritzauflagekraft be­ lastet ist. Das Gewicht kann von Hand verschoben werden, wobei eine Skala 16e die Zuordnung zwischen Position und resultierender Ritzauflagekraft angibt. In einer Abwand­ lung kann der Steuerkopf 17 auch ein elektrisch ansteuer­ bares Betätigungselement zur Verschiebung des Gewichtes 16d enthalten.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist die Lage der Drehachse des Ritzarmes 16 in Höhe der Waferoberfläche in­ sofern von Bedeutung, als dadurch erreicht wird, daß die Kreisbahn, auf der der Ritzarm beim Aufsetzen nach unten schwenkt, die Waferoberfläche senkrecht durchstößt, womit die Bedingung des senkrechten Aufsetzens erfüllt wird.

Fig. 3 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild die wesentlichsten elektronischen Funktionseinheiten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei von der Ritzvorrichtung 1 nach Fig. 1 ausgegangen wurde, eine Abwandlung zur Anpassung an die Vorrichtung nach Fig. 2 aber ohne weiteres möglich ist. Die in Fig. 3 symbolar­ tig dargestellten mechanischen Teile entsprechen denen in Fig. 1 und werden als solche nicht nochmals erläutert.

In Fig. 3 sind als Haupt-Funktionsgruppen eine Mikrocon­ troller-(Mikroprozessor-)Einheit 100, ein optoelektroni­ sches System 200, ein Bilddatenverarbeitungssystem 300 und eine Steuer- und Antriebseinheit 400 zu erkennen. Dem er­ steren wird eine optische Information I200 zugeführt, und das letztere bewirkt im Ergebnis der Verarbeitung dieser Information mechanische Zustandsänderungen O402 und O403 bei der Ritzvorrichtung 1.

Kernstück des Mikrocontrollers ist eine CPU 101, die einen Taktgeberabschnitt 101a aufweist. Dieser sind in üblicher Weise Speicher, Schnittstellen etc. zugeordnet, von denen in der Figur nur die im dargestellten Zusammenhang beson­ ders wesentlichen Baugruppen Programmspeicher (ROM) 102 und Datenspeicher (RAM) 103 gezeigt sind.

Das optoelektronische System 200 umfaßt ein CCD-Array 201, das diesem zugeordnete optische System (Objektiv) 202 und eine diesem zugeordnete Bildausschnitt-Steuerung 203 zur Scharfeinstellung auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Substrates 2 innerhalb des Gesichtsfeldes des Objek­ tivs 202 und Ausblendung der übrigen Bereiche. Die Bildausschnitt-Steuerung 203 weist einen Steuereingang auf, der mit einem von mehreren Steuersignalausgängen der Systemsteuereinheit (CPU) 101 verbunden ist.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist zum optoelektroni­ schen System im Prinzip noch die spiegelnde Substratober­ fläche selbst zu rechnen, in der ein Spiegelbild (virtu­ elles Bild) des Ritzdiamanten erzeugt wird, das - wie des­ sen reales Bild - von der CCD-Anordnung aufgenommen wird und dessen Erzeugung und Aufnahme einen einfachen Nachweis des Aufsetzens des Ritzdiamanten ermöglicht, nämlich über die Registrierung der Berührung von Bild und Spiegelbild.

Anstelle vom Substrat selbst kann das virtuelle Bild auch von einem eigens dazu vorgesehenen (in den Figuren nicht gezeigten) kleinen Spiegel erzeugt werden, mit dem der Auf­ setzbereich des Ritzdiamanten auf die Sensoranordnung ab­ gebildet wird.

Das Bilddatenverarbeitungssystem 300 umfaßt - neben weite­ ren üblichen Komponenten eines solchen Systems, die hier nicht erörtert werden - eine eingangsseitig mit dem Aus­ gang des CCD-Arrays 201 verbundene Teilbild-Verarbeitungs­ einheit 301 zur Verarbeitung der vom CCD-Array gelieferten Bilddaten eines Teilbildes des Gesichtsfeldes. Deren Aus­ gang ist mit einem Teilbildspeicher 302 verbunden, in dem - ebenfalls gesteuert durch die CPU 101 - in jeweils einem individuell adressierbaren Speicherbereich die Bilddaten der Teilbilder abgespeichert werden. Dessen Ausgang ist mit einer Gesamtbild-Syntheseeinheit 303 verbunden, die die - wiederum durch die CPU gesteuerten - Synthese eines Gesamtbildes des Gesichtsfeldes des optoelektronischen Sy­ stems 200 aus vorab gewonnenen und aus dem Speicher 302 abgerufenen Teilbildern ausführt.

Die Gesamtbild-Syntheseeinheit 303 ist ausgangsseitig mit einem Bildschirm 501 zur Darstellung der erhaltenen Bilder für den Bediener der Ritzvorrichtung 1, einem (seriell or­ ganisierten) Bildspeicher 304 für eine Mehrzahl aufeinan­ derfolgend gewonnener Gesamtbilder und einer Korrelatorein­ heit 305 verbunden. Diese dient zur Ausführung eines Ver­ gleiches aufeinanderfolgend gewonnener Bilder zur Analyse der Bewegung des Ritzdiamanten und zur Ausgabe eines Steu­ ersignals, sobald dieser die Waferoberfläche berührt hat und damit zum Stillstand gekommen ist bzw. sobald sich Bild und Spiegelbild des Diamanten berühren. Sie ist dazu eingangsseitig weiterhin mit dem Bildspeicher 304 und über einen Steuersignaleingang mit der CPU 101 verbunden.

Die Steuer- und Antriebseinheit 400 umfaßt eine Motor­ steuerung 401 und einen Schrittmotor 402 für den Antrieb des xy-Koordinatentisches 3 sowie eine Hydraulikpumpe 403 mit einer Drucksteuer- und -regeleinheit 404 zur Beauf­ schlagung der (in Fig. 1 gezeigten) Kolben-Zylinder-Vor­ richtung 7 mit dem zur Erzeugung einer gewünschten, von der Höhenposition des Ritzdiamanten 9 unabhängigen Aufla­ gekraft für diesen erforderlichen Fluiddruck. (Auch in der Einheit 400 sind üblicherweise vorhandene, aber für die Erläuterung der Erfindung nicht wesentliche Teile, wie etwa ein Fluidspeicher, Ventile etc., zur Vereinfachung nicht gezeigt.)

Sowohl die Motorsteuerung 401 als auch die Drucksteuer- und -regeleinheit 404 sind eingangsseitig mit dem Programm­ speicher 102 und dem Datenspeicher 103 des Mikrocontrol­ lers verbunden, von wo sie die Programmdaten zur Realisie­ rung einer vorgegebenen Bewegungsfolge des xy-Tisches 3 bzw. zum Aufsetzen bzw. Anheben und hinsichtlich der Bela­ stung des Ritzdiamanten 9 erhalten. (Alternativ können die Motorsteuerung für den xy-Tisch und die Drucksteuerung und -regelung für das Ritzwerkzeug auch direkt durch die Systemsteuereinheit 101 erfolgen.) Beide Baugruppen 401 und 404 (bzw. in der o.g. alternativen Ausführung der Con­ troller 101) sind weiterhin über eine Steuersignaleingang mit dem Ausgang der Korrelatoreinheit 305 verbunden, von der sie das das vollendete Aufsetzen des Ritzdiamanten 9 anzeigende Ausgangssignal als Steuersignal zu dessen Be­ aufschlagung mit der vorgegebenen Ritzauflagekraft bzw. zum Verfahren des xy-Tisches zum Ziehen einer Ritzlinie erhalten. Sie steuern entsprechend den Motor 402 bzw. die Hydraulikpumpe 403. Deren Einwirkung auf den xy-Tisch 3 bzw. den Ritzarm 6 ist in der Figur durch die gestrichel­ ten Linien O402 bzw. O403 symbolisiert.

Die Motorsteuerung 401 arbeitet derart, daß nach dem Auf­ setzen des Ritzwerkzeuges über ein vorbestimmte Ritzlänge mit voreingestellter Startbeschleunigung, anschließend konstanter Ritzgeschwindigkeit und schließlich ebenfalls voreingestellter Bremsbeschleunigung ein Ritzschritt aus­ geführt wird. Die entsprechenden Daten werden aus dem Programm- und Datenspeicher 102 bzw. 103 abgerufen, und dem Motor 402 wird jeweils eine entsprechende Ansteuerim­ pulsfolge zugeführt. Ähnlich werden auch ritzfreie Zwi­ schenschritte realisiert, wobei dann selbstverständlich das Ritzwerkzeug angehoben ist.

Zur Funktion der Drucksteuer- und -regeleinheit 402 ist zu beachten, daß diese eine präzise und nahezu verzögerungs­ freie Druckregelung ermöglicht, wodurch der Druck in der Kolben-Zylinder-Vorrichtung 7 und damit die Ritzauflage­ kraft auch bei schnellen Änderungen der Höhenlage des Ritzdiamanten beim Überfahren von Erhebungen oder Vertie­ fungen im strukturierten Wafer konstant gehalten wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Viel­ mehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearte­ ten Ausführungen Gebrauch macht.

So sind vielfältige Ausgestaltungen bzw. Abwandlungen des in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten mechanischen Aufbaus mög­ lich - etwa hinsichtlich der hydraulischen, pneumatischen, elektrischen, thermoelektrischen oder magnetischen Erzeu­ gung und/oder Steuerung des Ritzauflagekraft und der kon­ kreten Gestalt des Ritzarmes einschließlich der Anordnung der Gewichte oder sonstigen die Ritzauflagekraft bestim­ menden Elemente am Ritzarm. Zur Realisierung des nahezu kraftfreien Aufsetzens kann auch auf bekannte Visko- bzw. Reibungsdämpfer o. ä. zurückgegriffen werden.

Eine Vereinfachung der Signalverarbeitung ist erreichbar, wenn durch geeignete Ausbildung des Endes des Ritzarmes einschließlich des Ritzwerkzeuges sowie des optischen Teils ein möglichst nahe bei 90° liegender Winkel der opti­ schen Achse der Aufnahmevorrichtung mit der Waferoberflä­ che realisierbar ist. Dann kann die Tiefenschärfe für das gesamte Bildfeld ausreichend sein, so daß eine Gewinnung von Teilbildern und deren anschließende Synthese nicht er­ forderlich ist.

Die Steuerung der Einleitung der Ritzauflagekraft nach dem Aufsetzen des Ritzwerkzeugs kann ggfs. zur Verringerung des gerätetechnischen Aufwandes auch gänzlich ohne opti­ sche Überwachung des Aufsetzvorgangs, sondern etwa mittels eines mechanischen Endschalters, eines auf elektrischem Wege gewonnenen Nachweissignals oder auch einfach nach Ab­ lauf einer vorgegebenen Zeitspanne vom Beginn des Aufset­ zens an erfolgen.

Claims (22)

1. Vorrichtung (1) zum Ritzen von Substraten, insbeson­ dere im wesentlichen einkristallinen Substraten zur Ver­ einzelung von Bauelementen für die Halbleitertechnik und Optoelektronik, mit einem Substratträger (4) zur fixierten Aufnahme des Substrates (2), einem in einer zur Substrat­ oberfläche parallelen Ebene relativ zu dieser bewegbaren Ritzwerkzeugträger (6; 16c) und einem am Ritzwerkzeugträ­ ger gehaltenen und senkrecht zur Substratoberfläche unter Ausübung einer Druckkraft dieser gegenüber bewegbaren Ritzwerkzeug (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzwerkzeug unter dem Einfluß einer während eines ge­ samten Ritzvorganges im wesentlichen senkrecht zur Sub­ stratoberfläche wirkenden und in ihrem Betrag von der Hö­ henlage des Ritzwerkzeuges unabhängigen Ritzauflagekraft gelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ritzwerkzeug (9) ge­ wichtsbelastet gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ritzwerkzeug (9) unter dem Einfluß einer pneumatisch oder hydraulisch erzeugten Druckkraft gelagert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ritzwerkzeug (9) einen Diamanten aufweist, der mit einer angeschliffenen Kante unter einem Winkel von 6 bis 7° auf die Substratoberfläche einwirkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7; 16d, 17; 403, 404) zur Einstellung der Ritzauflage­ kraft vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ritzauflagekraft im Be­ reich von 0 bis 0,4 N, vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0,12 N, einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstel­ lung der Ritzauflagekraft (7; 16d, 17; 403, 404) zu deren Einstellung vor und nach dem Aufsetzen des Ritzwerkzeuges (9) auf die Substratoberfläche derart, daß das Aufsetzen im wesentlichen ohne Auflagekraft erfolgt, ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung der Ritzauflagekraft ein rela­ tiv zu einer horizontalen Drehachse des Ritzwerkzeughal­ ters (16c) verschiebbares Gewicht (16d) umfassen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung der Ritzauflagekraft einen Druckregler (404) einer pneumatischen oder hydraulischen Einrichtung (403) zur Ausübung einer Druckkraft auf das Ritzwerkzeug (9) umfassen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Schalt­ vorrichtung (17; 404) vorgesehen ist, der ein das erfolgte Aufsetzen des Ritzwerkzeuges (9) bezeichnendes Eingangs­ signal zugeführt wird und die in Reaktion auf dieses Ein­ gangssignal die Beaufschlagung des Ritzwerkzeuges mit der Ritzauflagekraft steuert.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7a, 7b; 16 bis 16c) zur Führung des Ritzwerkzeuges (9) senkrecht zur Oberfläche des Substrates (2) während des Aufsetzens auf diese vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (16 bis 16c) zur Führung des Ritzwerkzeuges (9) längs ei­ ner Kreisbahn, die in einer zur Oberfläche des Substrates (2) senkrechten Ebene und deren Zentrum im wesentlichen in der Ebene der Substratoberfläche liegt, vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (401) zum Einstellen der Geschwindigkeit der Relativbewe­ gung zwischen Ritzwerkzeug (9) und Substrat (2) parallel zur Ebene der Substratoberfläche vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Geschwindigkeit im Be­ reich von 0,25 bis 150 mm/s einstellbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einstel­ len der Geschwindigkeit zu einer vorgebbaren Einstellung der Start- und Bremsbeschleunigung, insbesondere in einem Bereich von etwa 10 bis 100 mm/s², zu Beginn bzw. am Ende des Ritzvorganges ausgebildet sind.

16. Vorrichtung (1) zum Ritzen von Substraten, insbeson­ dere im wesentlichen einkristallinen Substraten zur Ver­ einzelung von Bauelementen für die Halbleitertechnik und Optoelektronik, mit einem Substratträger (4) zur fixierten Aufnahme des Substrates (2), einem in einer zur Substrat­ oberfläche parallelen Ebene relativ zu dieser bewegbaren Ritzwerkzeughalter (6; 16c) und einem am Ritzwerkzeughal­ ter gehaltenen und senkrecht zur Substratoberfläche unter Ausübung einer Druckkraft dieser gegenüber bewegbaren Ritzwerkzeug (9), dadurch gekennzeichnet, daß Nachweismittel (12; 202, 201) zur optischen Kontrolle des Aufsetzens des Ritzwerkzeuges (9) auf die Substratoberflä­ che und zur Ausgabe eines Nachweissignals, wenn das Ritz­ werkzeug die Substratoberfläche berührt, vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nachweismittel eine op­ toelektronische Sensoranordnung (201), insbesondere eine Fernsehkamera oder eine CCD-Elemente-Anordnung, zur Auf­ nahme eines Bildes der Substratoberfläche im Aufsetzbe­ reich des Ritzwerkzeuges (9) aufweisen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweismittel ei­ nen Spiegel zur Abbildung eines Spiegelbildes der Sub­ stratoberfläche im Aufsetzbereich des Ritzwerkzeuges auf die Sensoranordnung aufweisen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Sensoranordnung (201) das Nachweissignal ausgibt, wenn die auf ihr entworfenen Bilder des Ritzwerkzeuges und dessen Spiegelbildes einander berühren.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nach­ weiseinrichtung eine taktgesteuerte Speichereinheit (304) zur seriellen Speicherung mehrerer Abbild er der Substrat­ oberfläche und eine eine mit einem Ausgang der Speicher­ einheit verbundene Korrelator-Baugruppe umfassende Berech­ nungseinheit (305) zur Bestimmung der zeitlichen Korrela­ tion der zeitversetzten Abbilder aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die optoe­ lektronische Sensoranordnung (201) eine Bildausschnitt- Steuerung (203) zur sukzessiven Abbildung verschiedene Ab­ schnitte der Substratoberfläche unter jeweiliger Scharf­ stellung auf diese umfaßt und die Nachweiseinrichtung wei­ ter eine Speichereinrichtung (302) zur Speicherung der in den einzelnen Fokussierungszuständen erhaltenen Einzelbil­ der und eine Verarbeitungseinrichtung (303) zur Synthese eines scharfen Abbildes der Substratoberfläche aus den Einzelbildern aufweist.

22. Vorrichtung nach einem der Anspruch 10 bis 15 und ei­ nem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang der Nachweiseinrichtung (305) mit dem Eingang der Schaltvorrichtung (404) verbun­ den ist derart, daß die Beaufschlagung des Ritzwerkzeuges (9) mit der Ritzauflagekraft in Reaktion auf das Nachweis­ signal erfolgt.