DE60022356T2

DE60022356T2 - Doppelseitenpolierverfahren für dünne scheibenförmige Werkstücke

Info

Publication number: DE60022356T2
Application number: DE60022356T
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Nishirakawa-gun KATO; Shunichi Nishirakawa-gun IKEDA; Kenji Yao-shi OHKURA
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; Koyo Machine Industries Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd; JTEKT Machine Systems Corp
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: EP1193029A1; EP1193029B1; US6726525B1; WO2001021356A1; EP1193029A4; TW450875B; KR100706626B1; KR20010082307A; DE60022356D1; JP3829239B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Doppelseitenpolierverfahren für dünne scheibenförmige Werkstücke und insbesondere ein Verfahren zum gleichzeitigen Polieren gegenüberliegender Oberflächen dünner scheibenförmiger Werkstücke wie denen von Halbleiterscheiben.
Stand der Technik
Die den am nächsten kommenden Stand der Technik repräsentierende DE 197 39 265 A beschreibt ein Polierverfahren für dünne scheibenförmige Werkstücke, das den Einsatz einer Vorrichtung mit zwei drehbaren Polierscheiben mit gegenüberliegenden ringförmigen Polierflächen vorsieht, die in axialer und einer zur Werkstückoberfläche parallelen Richtung bewegbar ausgebildet sind, wobei eine Mitte des Werkstücks immer innerhalb der Polierflächen angeordnet ist. Ein Antriebselement zum Drehen des dünnen scheibenförmigen Werkstücks um seine Achse und zur Lagerung des Werkstücks in einer Polierposition zwischen den Polierflächen gewährleistet eine radiale und axiale Führung für das Werkstück.
Es sind bereits Vorrichtungen zum gleichzeitigen Polieren gegenüberliegender Oberflächen bekannt, bei denen das in eine Tasche (Öffnung) eines drehenden scheibenförmigen Trägers eingesetzte Werkstück zwischen ein Paar Polierräder mit durch ihre Stirnseiten gebildeten und einander gegenüberliegenden Polierflächen verbracht wird. In diesem Falle müssen die Polierflächen der Räder einen größeren äußeren Durchmesser aufweisen als das Werkstück. Der Träger ist normalerweise mit mehreren umfangsmäßigen Taschen nahe seinem äußeren Umfang und im gleichen Abstand voneinander versehen. Ein Teil des Trägers ist mit der Scheibe zusammen auch zwischen dem Polierräderpaar platziert. Die Dicke dieses Teils des Trägers muss natürlich geringer sein als der Abstand zwischen dem Polierräderpaar während des Polierens, nämlich der End- oder Fertigdicke des Werkstücks entsprechen.
Die zur Zeit erhältlichen Halbleiterscheiben weisen einen äußeren Durchmesser von ca. 200 mm (8 Zoll) und ca. 300 mm (12 Zoll) sowie sämtlichst eine Dicke von ca. 0,8 mm (Fertigdicke nach dem Polieren) auf. Damit ist die Dicke im Vergleich zum äußeren Durchmesser sehr gering. In dem Fall, da derartige Scheiben mit der vorbeschriebenen Vorrichtung poliert werden sollen, haben die Polierräder einen großen äußeren Durchmesser und ist der die hierauf gelagerte Scheibe drehende Träger ebenfalls sehr groß gehalten, so dass also die Vorrichtung eine beträchtliche Größe besitzt. Da weiterhin die Scheibe eine geringe Dicke aufweist, muss die Dicke des zusammen mit der Scheibe zwischen die Polierräder zu platzierenden Teils des Trägers weitgehend reduziert sein. Nachdem über das in der Tasche befindliche Werkstück eine Polierkraft auf den zwischen den Polierrädern angeordneten Träger und insbesondere auf dessen Tasche wirkt, weist dieser Teil bei reduzierter Dicke eine geringere Festigkeit auf, wodurch sich eine glatte Bewegung des Werkstücks nur schwer erreichen lässt. Aus diesem Grunde hat sich das gleichzeitige Polieren gegenüberliegender Scheibenflächen bisher immer als schwierig erwiesen.
Das gleiche Problem stellt sich auch bei anderen dünnen scheibenförmigen Werkstücken als Halbleiterscheiben.
Zur Ausschaltung des vorbeschriebenen Problems wurde seitens der Anmelderin eine Doppelseitenpoliervorrichtung für dünne scheibenförmige Werkstücke vorgeschlagen, die aufweist ein Paar drehbarer ringförmiger Polierräder mit durch ihre entsprechenden Stirnflächen gebildeten und axial relativ zueinander bewegbaren gegenüberliegenden ringförmigen Polierflächen sowie eine Werkstückdreheinrichtung zum Drehen des dünnen scheibenförmigen Werkstücks um seine Achse, während das Werkstück in einer Polierposition zwischen den Polierflächen gehalten wird, so dass die zu bearbeitenden gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks den entsprechenden Polierflächen des Räderpaars zugewandt sind, wobei der äußere Umfang des Werkstücks den äußeren Umfang jeder Polierfläche schneidet und die Mitte des Werkstücks innerhalb der Polierflächen angeordnet ist (siehe JP-A-10-128646 (1998)).
Bei dieser Vorrichtung ist das Polierräderpaar normalerweise so angeordnet, dass die gegenüberliegenden Polierflächen parallel zueinander liegen. Die gegenüberliegenden Oberflächen dünner scheibenförmiger Werkstücke werden wie folgt poliert: Unter Drehen des in der Polierposition befindlichen Werkstücks um seine Achse wird ein Polierräderpaar gedreht und aufeinander einander zu bewegt, wodurch die Polierflächen in Berührung mit den jeweils entsprechenden Werkstückoberflächen gebracht werden, um den Vorschub einer jeden Polierfläche in die einer vorgegebenen Schleiftiefe entsprechende Position zu bewirken. Die Vorschubbewegung der Polierräder in Schleiftiefenrichtung wird zum Ausfeuern angehalten, worauf die Polier räder zum Trennen von den Werkstückoberflächen auseinander gefahren werden.
Bei dieser Vorrichtung gelangen die gesamten Werkstückoberflächen bei einer einzigen Umdrehung des Werkstücks um seine Mitte zwischen die Polierflächen und in Kontakt mit diesen, wobei der äußere Umfang des Werkstücks die äußeren Umfänge der Polierflächen schneidet und die Mitte des Werkstücks innerhalb der Polierflächen angeordnet ist, so dass beide Werkstückoberflächen gleichzeitig vollständig poliert werden können.
Der nicht zur Werkstückmitte hin gelegene Teil des Werkstücks kommt jedoch nur während eines Teils des zeitlichen Ablaufs einer jeden Umdrehung des Werkstücks in Berührung mit den Polierflächen, während der zentrale Abschnitt nahe der Mitte ständig mit den Polierflächen in Kontakt steht. Dementsprechend ist der Poliergrad für den zentralen Abschnitt größer als der für den übrigen Teil. Damit ergibt sich das Problem, dass das fertigpolierte Werkstück zu seinem äußeren Umfang hin eine größere und nahe seiner Mitte eine geringere Dicke, also starke Dickenabweichungen, aufweist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausschaltung der vorgeschilderten Probleme und der Bereitstellung eines Doppelseitenpolierverfahrens sowie einer Vorrichtung für dünne scheibenförmige Werkstücke, welche geringere Dickenabweichungen beim fertigpolierten Werkstück gewährleisten.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungemäß wird ein Verfahren zum gleichzeitigen Polieren gegenüberliegender Oberflächen dünner scheibenförmiger Werkstücke durch ringförmige Polierflächen von Stirnseiten eines Paars gegenüberliegend angeordneter Polierräder bereit gestellt, welches die folgenden Schritte beinhaltet: Bringen der Polierflächen in Berührung mit den jeweiligen Werkstückoberflächen zum Vorschub jeder Polierfläche in die Position einer vorbestimmten Schleiftiefe durch Bewegen zumindest eines der Polierräder unter Drehung der Polierräder sowie Drehung des Werkstücks um eine seiner Achsen, während es in einer vorbestimmten Polierposition zwischen den Polierrädern gelagert ist, auf solche Weise, dass ein äußerer Umfang des Werkstücks die äußeren Umfänge der Polierräder schneidet, während eine Mitte des Werkstücks innerhalb der Polierflächen angeordnet ist, Anhalten des Vorschubs jedes Polierrads in der Richtung der Schleiftiefe, Bewegen jedes Polierrads und des Werkstücks relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der Werkstückoberfläche, bis sich die Mitte des Werkstücks außerhalb der Polierflächen befindet, und Trennen der Polierflächen von den Werkstückoberflächen.
Die Polierräder werden mit größerer Geschwindigkeit gedreht als das Werkstück. Vorzugsweise wird nach Erreichen der einer vorgegebenen Schleiftiefe entsprechenden Position die Vorschubbewegung jedes Polierrads in der Richtung der Schleiftiefe unterbrochen, um den Ausfeuervorgang einzuleiten, und werden jedes Polierrad und das Werkstück relativ zueinander in einer Richtung parallel zur Werkstückoberfläche bewegt, bevor das Ausfeuern beendet ist. Gleichzeitig mit dem Anhalten der Vorschubbewegung der Polierräder in der Richtung der Schleif tiefe nach erfolgtem Vorschub in Richtung der Werkstücktiefe mit sehr niedriger Geschwindigkeit sind jedoch jedes Polierrad und das Werkstück relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche bewegbar. Weiter wird wahlweise der Ausfeuervorgang nach dem Anhalten der Bewegung jedes Polierrads und des Werkstücks relativ zueinander fortgesetzt und jede Polierfläche nach Beendigung des Ausfeuerns von der Werkstückoberfläche weg bewegt oder aber gleichzeitig mit dem Anhalten der Bewegung jedes Polierrads und des Werkstücks relativ zueinander das Ausfeuern beendet. Jede Polierfläche lässt sich dadurch von der entsprechenden Werkstückoberfläche absetzen, dass jedes Polierrad und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, bis das Werkstück den Bereich zwischen dem Polierräderpaar verlassen hat.
Die zu bearbeitenden Werkstückoberflächen werden poliert, indem die in Drehung befindlichen Polierräder in Richtung der Schleiftiefe bewegt werden, wobei ihre Polierflächen in Berührung mit den entsprechenden Werkstückfläche stehen. Die gesamten Oberflächen des Werkstücks passieren die Polierflächen in Kontakt mit diesen, während das Werkstück eine Umdrehung um seine Mitte vollführt, wobei der äußere Umfang des Werkstücks die äußeren Umfänge der Polierflächen schneidet und die Mitte des Werkstücks innerhalb der Polierflächen gelagert ist. Somit lassen sich beide Oberflächen gleichzeitig vollständig polieren, indem bei dieser Anordnung, in welcher die Polierflächen der Räder einen leicht größeren äußeren Durchmesser als der Radius des Werkstücks aufweisen, lediglich das Werkstück um seine Mitte gedreht wird. Bei dieser Ausführung braucht das Werkstück nur um seine Mitte gedreht zu werden, während nach dem Stand der Technik für das Drehen des Werkstücks ein Träger oder dergleichen benötigt wird. Selbst in der Form einer dünnen Scheibe kann also das Werkstück unter Einsatz einer kompakteren Vorrichtung problemlos und zuverlässig poliert werden. Die Werkstückoberflächen lassen sich unter Verwendung von Polierrädern mit Polierflächen vollständig polieren, deren äußerer Durchmesser leicht größer ist als der Radius des Werkstücks und es besteht keinerlei Notwendigkeit für den Einsatz großer Polierräder, deren Polierflächen einen größeren äußeren Durchmesser besitzen als das Werkstück. Auch dies trägt dazu bei, die Vorrichtung kompakt und raumsparend zu machen.
Befindet sich die Mitte des Werkstücks außerhalb der Polierflächen, so wird der im Bereich der Werkstückmitte befindliche Teil des Werkstücks völlig außer Kontakt mit den Polierflächen gehalten. Dementsprechend wird in dem Fall, da jedes Polierrad zu der Position einer vorgegebenen Schleiftiefe vorgeschoben und anschließend die Vorschubbewegung in der Richtung der Schleiftiefe angehalten sowie jedes Polierrad und das Werkstück sodann relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der zu bearbeitenden Werkstückfläche bewegt werden, bis sich die Mitte des Werkstücks außerhalb einer jeden Polierfläche befindet, nur der nicht zur Mitte des Werkstücks gelegene Werkstückteil poliert, während der zur Mitte gerichtete Abschnitt des Werkstücks außer Kontakt mit den Polierflächen gehalten wird. Somit ist bei dem polierten Werkstück die Differenz zwischen der Dicke des Werkstückteils nahe der Werkstückmitte und dem übrigen Bereich des Werkstücks verringert und sind dadurch die Abweichungen in der Gesamtdicke des Werkstücks reduziert.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise das gleichzeitige Polieren beider Oberflächen von dünnen scheibenförmigen Werkstücken mittels einer kompakten Vorrichtung und mit geringeren Abweichungen in der Dicke des polierten Werkstücks.
Jedes Polierrad und das Werkstück werden relativ zueinander in einer Richtung parallel zur Werkstückoberfläche bewegt, wobei vorzugsweise das Werkstück mit einer niedrigeren Geschwindigkeit gedreht wird als während des vorhergehenden Poliervorgangs.
Jedes Polierrad und das Werkstück werden relativ zueinander in einer Richtung parallel zur Werkstückoberfläche dadurch bewegt, dass vorzugsweise das Werkstück eine Bewegung in einer zur Oberfläche des Werkstücks parallelen Richtung erfährt.
Während einer durchzuführenden Bewegung des Polierräderpaars müssen die Polierräder mit hoher Genauigkeit in einem bestimmten Verhältnis in einer relativen Position zueinandergehalten werden, so dass es schwierig ist, jedes Polierrad und das Werkstück relativ zueinander zu bewegen. Ist jedoch das Werkstück wie vorbeschrieben bewegbar ausgeführt, so besteht keinerlei Notwendigkeit für ein Bewegen des Polierrads mit dem Ergebnis, dass Rad und Werkstück auf einfache Weise relativ zueinander bewegbar sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht der Hauptkomponenten einer erfindungsgemäßen Doppelseitenpoliervorrichtung;
2 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht gemäß 1 von links;
3 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht von links, die den Hauptteil von 2 im vergrößerten Maßstab zeigt;
4 Vorderansichten, aus denen das Verhältnis zwischen den Polierrädern und dem Werkstück stufenweise während des Poliervorgangs ersichtlich ist;
5 ein Diagramm, das die Veränderungen der Schleiftiefe durch die Polierräder und die Position des Werkstücks in der Richtung nach oben oder unten zeigt, wie diese sich mit der Zeit während eines Poliervorgangs einstellen;
6 ein Diagramm der Dickenverteilung in der diametralen Richtung von auf gegenüberliegenden Oberflächen polierten Scheiben in einem Beispiel der Erfindung; und
7 ein Diagramm der Dickenverteilung in der diametralen Richtung von auf gegenüberliegenden Oberflächen polierten Scheiben in einem Vergleichsbeispiel.
Beschreibung der besten Ausführungsform
Mit Bezug auf die Zeichnungen folgt nunmehr eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Anwendung für das Polieren gegenüberliegender Oberflächen von Halbleiterscheiben geeignet ist.
1 und 2 zeigen die Hauptkomponenten einer Doppelseitenpoliervorrichtung. Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Horizontal-Doppelkopf-Poliermaschine mit einer zusätzlichen Dreheinrichtung 1 zum Drehen von Werkstücken um ihre eigene Achse sowie eine Bewegungseinrichtung 2 zur Erzeugung von Bewegung. In 1 und 2 sind von den Komponenten der Poliermaschine nur ein Paar Polierräder 3, 4 dargestellt. In der nachfolgenden Beschreibung gelten folgende Bezeichnungen: "links" für die Vorderseite der Ebene in 2, "rechts" für die Rückseite, "vorn" für die rechte Seite der Zeichnung und "hinten" für die linke Seite. Weiter zeigt 3 des Verhältnis zwischen dem dünnen scheibenförmigen Werkstück (Halbleiterscheibe) W auf der Dreheinrichtung 1 und den Polierrädern 3, 4 und 4 das Verhältnis zwischen dem Werkstück W und den Polierrädern während des Poliervorgangs.
Die vorliegende Ausführungsform wird für Werkstücke W ohne Abflachung für das Positionieren eingesetzt. Der äußere Umfang des Werkstücks W ist perfekt kreisrund. Wie an anderer Stelle beschrieben wird das Werkstück W durch die Dreheinrichtung 1 um seine Mitte gedreht, wobei seine zu bearbeitenden gegenüberliegenden Oberflächen a, b nach links and rechts gerichtet sind. Die zu diesem Zeitpunkt nach links gewandte Oberfläche a sei als "linke zu bearbeitende Oberfläche" und die nach rechts gewandte Oberfläche b als "rechte zu bearbeitende Oberfläche" bezeichnet.
Wenngleich nicht dargestellt, weist die Poliermaschine ein Untergestell sowie auf der Oberseite desselben befestigte linke und rechte Räderköpfe auf. Horizontal nach links oder hinten verlaufende Horizontalspindeln sind im Innern der entsprechenden Köpfe drehbar gelagert. Die linken und rechten Rä derköpfe sind so ausgerichtet, dass die Achsen der linken und rechten Spindeln mit einer nach links oder rechts, d.h. quer zur Vorrichtung, verlaufenden gemeinsamen horizontalen Achse fluchten. Die Spindeln sind relativ zu den entsprechenden Räderköpfen in Achsrichtung derselben (rechts-links) beweglich. Die vom linken Radkopf nach rechts sich erstreckende Spindel weist ein äußeres Ende auf, das konzentrisch fest mit einer linken kalottenartigen Basis 5 versehen ist. Ein linkes Polierrad 3 in Form eines Rings ist auf einer rechten offenen Stirnfläche der Basis 5 konzentrisch hiermit befestigt. Das Polierrad 3 besitzt eine rechte Stirnfläche, die als zur Achse der linken Spindel orthogonale und um die Achse zentrierte linke ringförmige Polierfläche 3a dient. Die vom rechten Radkopf nach links vorstehende rechte Spindel weist ein äußeres Ende auf, das konzentrisch fest mit einer zur linken Basis 5 symmetrischen rechten kalottenartigen Basis 6 verbunden ist. Ein mit dem linken Polierrad 3 symmetrisches rechtes Polierrad 4 in Form eines Rings ist auf einer linken offenen Stirnfläche der Basis 6 mit dieser konzentrisch befestigt. Das Polierrad 4 besitzt eine linke Stirnfläche, die als zur Achse der rechten Spindel orthogonale und um die Achse zentrierte rechte ringförmige Polierfläche 3a dient. Die linken und rechten Polierflächen 3a, 4a sind zueinander parallel. Bei axialer Bewegung bewirkt die linke oder rechte Radspindel eine axiale relative Bewegung des linken oder rechten Polierrads 3 oder 4 zueinander. Die linken und rechten Radspindeln werden durch nicht dargestellte Antriebseinrichtungen mit gleicher Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung gedreht mit dem Ergebnis, dass auch die linken und rechten Polierräder 3, 4 mit gleicher Geschwindigkeit in die jeweils gleiche Richtung gedreht werden. Übrigens können die Polierräder 3, 4 in ihrer Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit unterschiedlich sein. Der übrige Teil der Poliermaschine kann in der Art bekannter Horizontalspindel-Doppelkopf-Flächenschleifmaschinen ausgeführt sein.
Die Werkstück-Dreheinrichtung 1 ist über die Bewegungseinrichtung 2 auf dem Untergestell der Poliermaschine befestigt.
Die Bewegungseinrichtung 2 ist dafür konzipiert, die Dreheinrichtung 1 und das auf dieser angeordnete Werkstück W parallel zu dessen wie an anderer Stelle noch beschrieben zu bearbeitende Oberflächen a, b im Allgemeinen nach oben oder unten zu bewegen und ist wie folgt aufgebaut:
Ein Tragelement 7 in Form einer senkrechten Platte, deren Länge von vorne nach hinten größer als ihre senkrechte Breite ist, ist mit seinem hinteren Ende in der Weise auf dem Untergestell angeordnet, dass es um eine nach links oder rechts verlaufende horizontale Drehachse 8, d.h. quer zur Vorrichtung, nach oben oder unten bewegbar ist, und mit seinem vorderen Ende über einen entsprechenden Stellantrieb 9 auf dem Untergestell befestigt. Das Tragelement 7 wird durch Betätigung des Stellantriebs 9 um die horizontale Drehachse 8 herum auf- oder abwärts bewegt. In 2 bezeichnen die durchgezogenen Linien das Tragelement 7 in seiner unteren Grenzstellung und die gestrichelten Linien in einer leicht über dieser liegenden Zwischenstellung.
Die Dreheinrichtung 1 bewirkt die Drehung des Werkstücks W um seine eigene Achse, wobei es senkrecht zwischen den gegenüberliegenden Polierflächen 3a, 4a angeordnet ist und seine Achse parallel zu den Achsen der Polierräder 3, 4 verläuft. Die Einrichtung 1 besteht aus Führungsrollen 10 am äußeren Umfang, Antriebsrollen 11 und Halterollen 12, wobei von allen diesen Rollen jeweils drei vorgesehen sind. Die Rollen 10, 11, 12 sind sämtlichst auf dem Tragelement 7 befestigt, was im Einzelnen nicht dargestellt ist. Die jeweils benötigten Rollen 10, 11, 12 befinden sich entweder in einer Arbeitsstellung, in der sie das Werkstück W tragen und drehen, oder wahlweise in einer Bereitschaftsstellung, in welcher die Zuführung des Werkstücks W von der Dreheinrichtung 1 her erfolgt. In 1 bis 3 befinden sich sämtliche Rollen 10, 11, 12 in ihrer Arbeitsstellung.
3 zeigt die Positionen der Polierräder 3, 4, der Rollen 10, 11, 12 der Dreheinrichtung 1 und das auf der Einrichtung 1 gelagerte Werkstück W von links gesehen. Die Dreheinrichtung 1 und das von dieser aufgenommene Werkstück W werden durch die nach oben oder unten gerichtete Drehbewegung des Tragelements 7 auf einer um die horizontale Drehachse 8 herum zentralen kreisbogenförmigen Bahn auf- oder abwärts bewegt. Die durchgezogenen Linien in 2 und die gestrichelten Linien in 3 bezeichnen das Werkstück W in einer unteren Polierendstellung, während die gestrichelten Linien in 2 und die durchgezogenen Linien in 3 das Werkstück W in einer leicht über dieser Endstellung liegenden Zwischenstellung darstellen. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die Polierräder 3, 4 einen äußeren Durchmesser auf, der etwa zwei Dritteln des äußeren Durchmessers des Werkstücks W entspricht, und liegt die Mitte des in der Polierposition befindlichen Werkstücks W oberhalb der Mitten der Räder 3, 4. Bei in der Polierposition angeordnetem Werkstück W liegt der untere Teil desselben einschließlich seiner Mitte c zwischen den Polierrädern 3, 4 und der übrige obere Teil außerhalb der Räder 3, 4. Die gegenüberliegenden Oberflächen a und b des Werkstücks W sind der linken bzw. rechten Polierfläche 3a, 4a zugewandt, wobei der äußere Umfang des Werkstücks W die äußeren Umfänge der Polierflächen 3a, 4a schneidet und die Mitte c des Werkstücks W innerhalb der Flächen 3a, 4a (zwischen dem inneren und dem äußeren Umfang jeder der Polierflächen 3a, 4a) angeordnet ist.
Die Führungsrollen 10 halten durch Kontakt mit dem äußeren Umfang des aus dem Bereich zwischen den Rädern 3, 4 vorstehenden Teils des Werkstücks W das Werkstück W in einer hierzu radialen Position und sind an Positionen angeordnet, in denen der Umfang des Werkstücks W in drei gleiche Abschnitte unterteilt ist, d.h. in der Position des oberen Mittenabschnitts des Werkstücks W in Vorwärts-/Rückwärtsrichtung sowie den Positionen der beiden vorderen und hinteren Abschnitte auf der Unterseite des Werkstücks W. Antriebsrollen 11 und Halterollen 12 sind paarweise angeordnet. Drei Abschnitte des Werkstücks W außerhalb der Polierräder 3, 4 werden jeweils zwischen einer Antriebsrolle 11 und einer Halterolle 12 rechts und links erfasst, um das Werkstück W in seiner axialen Position (quer zur Vorrichtung) zu halten. Die Halterolle 12 wird durch eine nicht dargestellte Feder zum Anpressen der zu bearbeitenden linken Oberfläche a des Wertstücks W an die Antriebsrolle 11 in Kontakt mit der zu bearbeitenden rechten Oberfläche b des Werkstücks W gedrückt. Die Antriebsrolle 11 wird durch einen Elektromotor 13 drehgetrieben, der im Presskontakt mit der Werkstückoberfläche a das Werkstück W dreht. Die Halterolle 12 wird durch Presskontakt mit der Werkstückoberfläche b im Leerlauf gedreht. Die Antriebsrollen 11 und die Halterollen 12 sind in drei Positionen angeordnet, wo der Umfang des Werkstücks W in vier gleiche Abschnitte unterteilt ist, nämlich in der Position des oberen Mittelabschnitts des Werkstücks W in Vorwärts-/Rückwärtsrichtung und den Positionen der beiden vorderen und hinteren Mittenabschnitte des Werkstücks W in vertikaler Richtung.
Mit Bezug auf 4 und 5 wird nunmehr ein Beispiels eines Doppelseitenpoliervorgangs eines Werkstücks W mittels der vorbeschriebenen Poliervorrichtung beschrieben. 5 zeigt die Veränderungen der Schleiftiefe durch die Polierräder 3, 4 und die lagemäßige Verschiebung des Werkstücks W in Auf- oder Abwärtsrichtung, wie sich diese mit der Zeit während des Poliervorgangs ergeben. Die durch die Schleifräder 3, 4 erzeugte Schleiftiefe ist durch die durchgezogene und die Position des Werkstücks W durch die gestrichelte Linie dargestellt.
Während des Poliervorgangs drehen die gegenüberliegenden Polierräder 3, 4 gemäß den Pfeilen in 2 und 3 in gleicher Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit.
Befinden sich die Schleifräder 3, 4 in ihrer quer zur Vorrichtung auseinandergefahrenen Bereitschaftsstellung, so werden die benötigten Rollen 10, 11, 12 der Dreheinrichtung 1 ebenfalls in ihre Bereitschaftsstellung bewegt. Das Werkstück W wird der Dreheinrichtung 1 mittels einer nicht dargestellten Transportvorrichtung zugeführt und es werden die vorerwähnten benötigten Rollen 10, 11, 12 zur Aufnahme und Halterung des Werkstücks W in ihre Arbeitsstellung verbracht. Zur Einleitung eines Poliervorgangs befindet sich das Werkstück W in der durch die durchgezogene Linie in 2 (gestrichelte Linie in 3) bezeichneten Polierposition und die Mitte c des Werkstücks W zwischen dem äußeren Umfang des oberen Teils einer jeden Polierfläche 3a, 4a und deren innerem Umfang, wobei der obere Abschnitt des Werkstücks W zwischen den gegenüberliegenden Polierrädern 3, 4 angeordnet ist. 5(a) zeigt die Position des Werkstücks W relativ zu den Rädern 3, 4 in der Ansicht des Werkstücks von vorne.
Die Antriebsrollen 11 beginnen zu drehen, wenn sich das Werkstück W in der Polierposition befindet. Die Drehung der Antriebsrollen 11 bewirkt die Drehung des Werkstücks W um seine Mitte c in einer von der Drehrichtung der Antriebsrollen 11 gemäß den Pfeilen in 2 und 3 abhängigen Richtung und mit einer unter der Geschwindigkeit der Polierräder 3, 4 liegenden Geschwindigkeit, während das Werkstück W von den Rollen 10, 11, 12 radial und axial hierzu gehalten wird.
Gleichzeitig (zum Zeitpunkt t0 in 5) werden die Polierräder 3, 4 in der Schleiftiefenrichtung mit relativ hoher Schnellzustellgeschwindigkeit aufeinander zu verschoben. Bei Erreichen einer näher beim Werkstück W liegenden Position (Zeitpunkt t1) werden die Polierräder 3, 4 mit unter der Schnellzustellgeschwindigkeit liegender Grobschleif-Zustellgeschwindigkeit jeweils weiter in Schleiftiefenrichtung bewegt, wodurch die Polierflächen 3a, 4a in Berührung mit den zu bearbeitenden entsprechenden Oberflächen a, b gebracht (Zeitpunkt 12) und die Räder 3, 4 axial in Schleiftiefenrichtung vorgeschoben werden. 4(b) zeigt von vorn gesehen die Position des Werkstücks W relativ zu den Rädern 3, 4, wenn die Polierflächen 3a, 4a in Berührung mit den Oberflächen a, b gebracht werden. Nach erfolgtem Vorschub in die Position einer vorgegebenen Schleiftiefe (Zeitpunkt t3) wird jedes der Räder 3, 4 mit einer niedrigeren Genauschleif-Zustellgeschwindigkeit weiter in Richtung der Schleiftiefe bewegt. Nach Erreichen der Position einer vorgegebenen Schleiftiefe (Zeitpunkt t4) wird zum Einleiten des Ausfeuerungsprozesses der Vorschub eines jeden Rads 3, 4 in Schleiftiefenrichtung unterbrochen.
Vor Beendigung des Ausfeuerungsvorgangs (Zeitpunkt 5) wird das Stellglied 9 der Bewegungseinrichtung 2 betätigt, um das Tragelement 7 nach oben zu bewegen, wobei der Vorschub der Polierräder 3, 4 in die Tiefe unterbrochen wird, so dass die Dreheinrichtung 1 und das auf dieser angeordnete Werkstück W aus der Polierposition nach oben verfahren werden. Zur Positionierung der Mitte c des Werkstücks außerhalb der Polierflächen 3a, 3b muss in diesem Falle das Werkstück W mindestens über eine Strecke gleich der halben Breite der Polierflächen 3a, 3b bewegt werden. Nachdem das Werkstück W eine vorgegebene Position erreicht hat, in welcher die Mitte c des Werkstücks oben außerhalb der Polierflächen 3a, 4a (Zeitpunkt t6) liegt, wird das Stellglied 9 abgeschaltet, um die Dreheinrichtung 1 und das Werkstück W für das weitere Ausfeuern anzuhalten. Nach Beendigung des Ausfeuerns (Zeitpunkt t7) werden die Polierräder 3, 4 in ihre Bereitschaftsstellung verbracht, wo sie quer zur Vorrichtung voneinander getrennt werden, um die Polierflächen 3a, 4a von den Werkstückoberflächen a, b abzusetzen (Zeitpunkt t8). 4(c) zeigt die Position des Werkstücks W relativ zu den Polierrädern 3, 4, wenn das Werkstück W in die Position bewegt ist, in welcher die Mitte c des Werkstücks W außerhalb der Polierflächen 3a, 4a liegt.
Nach dem Absetzen der Polierräder 3, 4 vom Werkstück W wird das Tragelement 7 der Bewegungseinrichtung 2 angehalten und das fertigpolierte Werkstück W mittels der Werkstück-Transportvorrichtung von der Dreheinrichtung 1 abgezogen, wo bei die Räder 3, 4 in ihrer Bereitschaftsstellung verbleiben. Der Dreheinrichtung 1 wird sodann das nächste Werkstück W zum Polieren in gleicher Weise wie vorbeschrieben zugeführt.
Die mit den entsprechenden Polierflächen 3a, 4a in Berührung stehenden Oberflächen a, b des Werkstücks werden durch die Drehung der Räder 3, 4 poliert, wobei die Räder 3, 4 in der Richtung der Schleiftiefe während des Ausfeuerns bis zum Zeitpunkt t5 vorgeschoben werden. Die gesamten Oberflächen a, b des Werkstücks passieren die Polierflächen 3a, 4a in Kontakt mit diesen, während das Werkstück W eine einzelne Umdrehung um seine Mitte c vollführt, wobei der äußere Umfang des Werkstücks W die äußeren Umfänge der Polierflächen 3a, 4a schneidet und die Mitte c innerhalb der Polierflächen 3a, 4a angeordnet ist mit dem Ergebnis, dass beide Werkstückflächen a, b bei mehreren Umdrehungen des Werkstücks gleichzeitig vollständig poliert werden. Zu diesem Zeitpunkt kommt der nicht zur Mitte c hin gelegene Abschnitt des Werkstücks W nur während eines Teils des zeitlichen Ablaufs einer jeden Umdrehung des Werkstücks W mit den Polierflächen 3a, 4a in Berührung, während der nahe bei der Mitte c befindliche Abschnitt in ständigem Kontakt mit den Polierflächen 3a, 4a steht. Somit ist die Dicke des Werkstücks W beim Ausfeuern bis zum Zeitpunkt t5 zum äußeren Umfang hin groß und nahe der Mitte c gering. Wird die Mitte c des Werkstücks W durch die Bewegung des Werkstücks W nach dem Zeitpunkt t5 jedoch in den Bereich außerhalb der Polierflächen 3a, 4a verlagert, so wird die Mitte c des Werkstücks W völlig außer Kontakt mit den Polierflächen 3a, 4a gehalten. Der nicht zur Mitte c hin gelegene dicke Bereich des Werkstücks W wird während der Bewegung des Werkstücks W poliert, nachdem die Mitte c des Werkstücks W eine Position außerhalb der Polierflächen 3a, 4a erreicht hat und während das Werkstück W nachfolgend angehalten ist. Nach Beendigung des Ausfeuerns zum Zeitpunkt t7 ist die Dickendifferenz zwischen dem zur Mitte c des Werkstücks W hin gelegenen Bereich und dem übrigen Teil kleiner als zum Zeitpunkt t5 mit dem Ergebnis, dass das fertigpolierte Werkstück mit geringeren Dickenabweichungen behaftet ist.
Die Größe der Bewegung des Werkstücks W in einer zu seinen zu bearbeitenden Oberflächen a, b parallelen Richtung bestimmt sich nach der für das Werkstück W geforderten Dickengenauigkeit.
Die konstruktiven Merkmale der Schleifmaschine, der Werkstückdreheinrichtung, der Bewegungseinrichtung usw. der Doppelseitenpoliervorrichtung und das Polierverfahren als solches sind nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern auf geeignete Weise abwandelbar.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf horizontale Poliermaschinen anwendbar, bei denen ein Paar Polierräder wie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben horizontal gegenüberliegend angeordnet sind, sondern auch auf vertikale Ausführungen mit senkrecht gegenüberliegend angeordneten Polierrädern.
Weiter lässt sich die vorliegende Erfindung für das doppelseitige Polieren von Werkstücken mit einer Abflachung für das Positionieren an einem äußeren Umfangsabschnitt anwenden. Die in diesem Falle einzusetzende Dreheinrichtung weist ein Paar Führungsrollen auf ihrem äußeren Umfang auf, welche über eine solche Distanz voneinander abgesetzt sind, die geringfügig größer ist als die Umfangsdimension der positionie renden Abflachung, und die an drei Positionen um das Werkstück herum angeordnet sind.
Im Rahmen der vorbeschriebenen Ausführungsform wird das Ausfeuern nach dem Anhalten des in Bewegung befindlichen Werkstücks W fortgesetzt und werden die Polierflächen 3a, 4a nach Beendigung des Ausfeuerns von den Werkstückoberflächen 3a, 4a getrennt, während das Ausfeuern auch zum gleichen Zeitpunkt beendet werden kann, wenn das in der Bewegung befindliche Werkstück zum Absetzen der Polierflächen 3a, 4a von den Werkstückoberflächen 3a, 4a angehalten wird.
Weiter werden bei der vorbeschriebenen Ausführungsform die Polierräder 3, 4 quer zur Vorrichtung auseinander gefahren, um nach Beendigung des Ausfeuerns die Polierflächen von den Werkstückoberflächen 3, 4 zu trennen, wobei das Werkstück W zwischen den gegenüberliegenden Polierflächen 3a, 4a angeordnet ist und die äußeren Umfänge dieser Flächen 3a, 4a die äußeren Umfänge der Werkstückoberflächen a, b schneiden. Die Polierflächen 3a, 4a lassen sich jedoch auch dadurch von den Werkstückoberflächen a, b absetzen, dass das Werkstück W in einer zu den Oberflächen a, b parallelen Richtung bewegt wird, bis es den Bereich zwischen den gegen-überliegenden Polierflächen 3a, 4a verlassen hat.
Wenngleich gemäß der vorbeschriebenen Ausführungsform die Polierräder 3, 4 durch axiale Bewegung in Schleiftiefenrichtung vorgeschoben werden, lässt sich die Schleiftiefe auch durch Bewegen eines der Räder 3, 4 und des Werkstücks W in axialer Richtung erzielen.
Es folgt eine detailliertere Beschreibung der Erfindung anhand eines Erfindungs- und eines Vergleichsbeispiels. Die Erfindung erfährt jedoch durch dieses Beispiel keinerlei Einschränkung.
Beispiel
Die in 1 dargestellte Doppelseitenpoliervorrichtung wurde zum Polieren beider Oberflächen von Silizium-Halbleiterscheiben eingesetzt.
Die verwendeten Silizium-Scheiben wurden durch Zerteilen eines nach dem Cz-Verfahren hergestellten Einkristall-Silizium-Blocks mit einer Dicke von ca. 1 mm, einem Durchmesser von 200 mm (8 Zoll) und einer Flächenausrichtung von (100) mit einer Drahtsäge bereitgestellt.
Die Bearbeitung erfolgte mit verglasten Polierrädern Nr. 2000 (3 mm Breite) mit einer Drehgeschwindigkeit von 2500 RpM und einer Drehgeschwindigkeit der Scheibe von 25 RpM.
Zunächst wurden die Polierräder mit relativ hoher Eilzustellgeschwindigkeit in Richtung der Schleiftiefe aufeinander zu bewegt. Nachdem die Räder etwas näher an die Scheibe herangekommen waren, wurde die Zustellgeschwindigkeit für das Grobschleifen auf 100 μm/min eingestellt. Im Anschluss an die Bearbeitung der Scheibe bis auf eine Tiefe von 50 μm auf jeder Seite, nachdem die Räder durch Bewegen in Schleiftiefenrichtung mit den zu bearbeitenden Scheibenoberflächen in Kontakt gebracht worden waren, wurde auf eine Zustellgeschwindigkeit von 50 μm/min für das Genauschleifen umgestellt. Nach Bearbeitung der Scheibe bis auf eine weitere Tiefe von 10 μm auf je der Seite wurde der Vorschub der Räder in Richtung Schleiftiefe unterbrochen und mit dem Ausfeuern begonnen. Sechs Sekunden nach dem Beginn des Ausfeuerns wurde die Scheibe mit einer Geschwindigkeit von 40 mm/min parallel zu der zu bearbeitenden Scheibenoberfläche um 6 mm nach oben gefahren. Die Scheibe wurde zu diesem Zeitpunkt mit einer Geschwindigkeit von 2,5 RpM gedreht. Die Räder wurden zur Beendigung des Poliervorgangs anschließend in ihre Bereitschaftsstellung überführt.
Zwanzig unter den vorbeschriebenen Bedingungen polierte Silizium-Scheiben wurden durch Messen der Planheit beider Scheibenoberflächen auf Dicke geprüft. Die Planheitsmessung erfolgte mit Hilfe eines Ultra Gage 9700+ Fabrikat ADE (kapazitives Planheitsmessgerät).
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die 20 Scheiben den GBIR-Mittelwert 0,50 μm (Global Backside Ideal Range) und eine Standardabweichung von 0,056 aufwiesen. Weiter betrug der SBIR-Mittelwert (Site Backside Ideal Range), Zellengröße = 25 mm × 25 mm, Proportionalabweichung 12,5 × 12,5 mm) in der Scheibenmitte 0,24 bei einer Normabweichung von 0,041 μm.
6 zeigt die Verteilung der im Rahmen dieses Beispiels durchgeführten Dickenmessungen an den Scheiben in diametraler Richtung derselben. Aus 6 ist ersichtlich, dass die Scheiben des Beispiels keine Dickenverringerungen in ihrem Mittenbereich aufwiesen.
Vergleichsbeispiel
Die gegenüberliegenden Oberflächen von Silizium-Scheiben wurden unter den gleichen Bedingungen wie für das Beispiel vorstehend beschrieben poliert, jedoch mit der Ausnahme, dass sie beim Ausfeuern nicht bewegt wurden.
Im Ergebnis wurde bei den 20 Scheiben ein GBIR-Mittelwert der Standardabweichung von 0,69 μm und ein SBIR-Mittelwert der Standardabweichung von 0,42 μm in der Scheibenmitte ermittelt.
Die Dickenmessungen im Vergleichsbeispiel sollten die Verteilung der Scheibendicken in diametraler Richtung der Scheiben gemäß 7 aufzeigen. 7 ist entnehmbar, dass die Scheiben in ihrer Mitte eine deutlich reduzierte Dicke besitzen.
Gewerbsmäßige Nutzbarkeit
Das erfindungsgemäße Doppelseitenpolierverfahren für dünne scheibenförmige Werkstücke und die dazugehörige erfindungsgemäße Vorrichtung sind zum Schleifen gegenüberliegender Oberflächen von dünnen scheibenförmigen Werkstücken wie Halbleiterscheiben geeignet.

Claims

Verfahren zum gleichzeitigen Polieren gegenüberliegender Oberflächen dünner, scheibenförmiger Werkstücke (W) durch ringförmige Polierflächen (3a, 4a) von Stirnseiten eines Paars gegenüberliegend angeordneter Polierräder (3, 4), welches Doppelseitenpolierverfahren für dünne, scheibenförmige Werkstücke (W) durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Bringen der Polierflächen (3a, 4a) in Berührung mit den jeweiligen Werkstückoberflächen (a, b) zum Vorschub jeder Polierfläche (3a, 4a) in die Position einer vorbestimmten Schleiftiefe durch Bewegen zumindest eines der Polierräder (3, 4) während einer Drehung der Polierräder (3a, 4a) und Drehen des Werkstücks (W) um eine seiner Achsen, während es in einer vorbestimmten Polierposition zwischen den Polierrädern (3, 4) gelagert ist, auf solche Weise, dass ein äußerer Umfang des Werkstücks (W) die äußeren Umfänge der Polierräder (3, 4) schneidet, während eine Mitte (C) des Werkstücks (W) innerhalb der Polierflächen (3a, 4a) angeordnet ist, Anhalten des Vorschubs jedes Polierrads (3, 4) in der Richtung der Schleiftiefe, Bewegen jedes Polierrads (3, 4) und des Werkstücks (W) relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der Werkstückoberfläche (a, b) bis die Mitte (C) des Werkstücks (W) außerhalb der Polierflächen (3a, 4a) angeordnet ist, und Trennen der Polierflächen (3a, 4a) von den Werkstückoberflächen (a, b).
Doppelseitenpolierverfahren für dünne, scheibenförmige Werkstücke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polierrad (3, 4) und das Werkstück (W) relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der Werkstückoberfläche (a, b) bewegt werden, während das Werkstück (W) bei einer niedrigeren Geschwindigkeit gedreht wird als während des vorhergehenden Poliervorgangs.
Doppelseitenpolierverfahren für dünne, scheibenförmige Werkstücke gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polierrad (3, 4) und das Werkstück (W) relativ zueinander in einer Richtung parallel zu der Werkstückoberfläche (a, b) bewegt werden durch Bewegen des Werkstücks (W) in einer Richtung parallel zu der Werkstückoberfläche (a, b).