DE69204558T2

DE69204558T2 - Poliermaschine mit Druckkraftsteuerung.

Info

Publication number: DE69204558T2
Application number: DE1992604558
Authority: DE
Inventors: Andre Baldy; Gerard Barrois; Henri Blanc; Marcel Dominiak
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1991-06-06
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: FR2677291B1; DE69204558D1; FR2677291A1; EP0517595A1; EP0517595B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Poliermaschine mit Druckkraftsteuerung zum Gegenstand.
Die Erfindung wird speziell beim Polieren von in Halbleiterwafern (z.B. aus Silicium) integrierten Miroelektronik- Komponenten angewendet. Es kann sich vor allem um Schreib- und Lesemagnetköpfe handeln.
Herstellungsverfahren solcher Köpfe sind beschrieben in zahlreichen Dokumenten und vor allem in US-A-4,837,924 und US-A- 4,333,229. Das erste Dokument bezieht sich auf Köpfe mit einer sogenannten "horizontalen" Struktur, da gebildet aus einem Stapel von auf der Oberseite eines Halbleiterwafers abgeschiedenen Schichten, und das zweite auf Köpfe mit einer sogenannten "vertikalen" Struktur, da gebildet durch auf der Schnittfläche eines solchen Wafers abgeschiedenen Schichten.
Die an solchen Wafern durchgeführten Mikrobearbeitungen bestehen im ersteren Fall darin, diverse zwischenstufliche Unteraufbauten bzw. Teilaufbauten, die man im Laufe des Herstellungsverfahrens erhält, einzuebnen (oder zu "planarisieren") und zu polieren, einen Luftspalt zu definieren und den gesamten Kopf in die Hauptebene des Substrats zu bringen, auch Flugebene genannt.
Im zweiten Fall haben die Mikrobearbeitungen den Zweck, einen Luftspalt zu definieren und die Form der Flugschuhe anzupassen.
Obgleich sie eventuell bei der Herstellung von Köpfen der zweiten Kategorie (Vertikalköpfe) verwendet werden kann, ist die erfindungsgemäße Maschine vor allem dazu bestimmt, Aufbauten oder Teilaufbauten zu polieren, die der ersten Kategorie entsprechen (Horizontalköpfe), denn in diesem Fall sind die technischen Probleme am schwierigesten.
Die Figur 1 zeigt als Beispiel eines zu polierenden Stücks einen Schreib- und Lesemagnetkopf mit Horizontalstruktur. Der dargestellte Aufbau entspricht dem letzten Herstellungsschritt, direkt vor der Endpolitur. Dieser Aufbau umfaßt ein Siliciumsubstrat 10, in das eine Senke geätzt ist, einen 0Magnetkreis 12 aus Eisen-Nickel-Legierung, eine Doppelspule 14 aus Kupfer, eine Siliciumdioxid-Schicht 16 von 3 bis 6um Dicke, einen unmagnetischen Spacer 18 aus Siliciumdioxid von ungefähr 1um Dicke und zwei obere Polschuhe 20 aus Eisen-Nickel. Die Endpolierebene ist gestrichelt markiert und mit 22 bezeichnet.
Die Entfernung von Material betrifft die Polschuhe 20 und die Siliciumdioxid-überstände 23. Um den Magnetkreis nicht zu verändern, darf diese Materialentfernung die Dicke der gleichmäßigen Siliciumdioxidschicht nicht um mehr als 0,34m reduzieren. Die Endpolierebene definiert die Flugebene des Kopfes.
Zwei solche Köpfe sind im allgemeinen Seite an Seite angeordnet auf zwei parallelen Streifen, "Skis" genannt, zwei Flugebenen definierend, in einer im wesentlichen katamaranförmigen Struktur.
Das Polieren, bestehend aus einer Entfernung von sehr kleinen Materialmengen, ist eine bestens bekannte Operation. Man begegnet ihr in der Metallographie, der Optik und der Mikroelektronik. Eine der beiden folgenden Techniken wird verwendet:
- das Schleifen mit Diamantwerkzeug: dabei handelt es sich um eine halbkontinuierliche oder kontinuierliche "spanende" Bearbeitung mittels zweier kombinierter Relativbewegungen zwischen dem Werkzeug und dem zu bearbeitenden Stück (eine Vorschubbewegung und eine Schnittbewegung);
- das Läppen und Polieren: es handelt sich um eine gesteuerte und mehr oder weniger feine Abrasion (oder Kaltbearbeitung) der Oberfläche durch Reiben auf sehr unterschiedlichen, von Natur aus nicht-abrasiven Scheiben, auf denen man ein Schleifmittel in Form einer Paste oder als wäßrige Lösung anbringt; eine Variante besteht darin, auf einer drehenden Polierplatte eine Schleiffilmscheibe anzubringen und diese während des Schleifens mit einer Flüssigkeit zu netzen, um das Stück zu kühlen und das Verschmieren zu vermeiden.
Das Polieren der Halbleiterwafer mit einer sehr großen Anzahl von integrierten Mikrokomponenten verursacht spezielle Probleme:
- zunächst ist der Wafer verformt und verformbar,
- außerdem betrifft das Läppen simultan mehrere Materialien mit sehr unterschiedlichen Härten: Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium/Titankarbid-Legierung, Eisen/Nickel-Legierung,
- die zu läppenden Teile haben eine sehr kleine Oberfläche in bezug auf den Siliciumwafer,
- schließlich geht es darum, auf einem Wafer abgeschiedene Schichten auf ihre Dicke zu bearbeiten und i. allg. muß man simultan 600 Überwüchse polieren, die 600 Magnetköpfen entsprechen, um einige Mikrometer überstehend, und dies mit einer Genauigkeit in der Größenordnug eines Nanometers, ohne die Dicke der Dünnschicht von 200 bis 300nm zu reduzieren, die den Wafer zudem bedeckt.
Die bekannten Poliermaschinen genügen nicht allen diesen Anforderungen. Einer der Gründe dafür ist die Tatsache, daß der auf das zu polierende Stück ausgeübte Druck nicht ausreichend genau gesteuert wird während des Polierens.
Man muß verstehen, daß dieses Steuerproblem besonders schwierig zu lösen ist, denn wenn die Maschine fägig sein muß, mit relativ großen Drücken zu arbeiten (von 5 bis 40 kg), muß sie auch imstande sein, mit sehr niedrigen Werten zu arbeiten (von 0,1 bis 0,5 kg). Beim Polieren von Siliciumwafern, die integrierte Schaltkreise enthalten, beginnt die Operation nämlich auf manchmal sehr hohen und sehr engen überständen (oder Reliefs), was besser verständlich wird in Verbindung mit den weiter unten beschriebenen Figuren 5 bis 8. Diese überstände sind sehr brüchig. Also ist es angebracht, sie mit sehr niedrigen Drücken zu bearbeiten. Jedoch benötigt man am Ende des Polierens sehr hohe Drücke, um jeden Kontaktverlust zwischen dem Wafer und dem Schleiffilm zu vermeiden und somit die gewünschte perfekte Polarisation (polarisation) bzw. Polierung zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung verfolgt genau das Ziel, diese Nachteile zu beseitigen. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine Maschine vor, die zunächst einmal wie alle Poliermaschinen umfaßt:
- eine Polierplatte,
- eine Einrichtung, um ein zu polierendes Muster der Polierplatte gegenüberstehend festzuhalten,
- Einrichtungen zum Ausüben einer Anpreßkraft der zu polierenden Fläche auf die Polierplatte und um das zu polierende Muster quer zu verschieben in bezug auf die Polierplatte,
wobei diese Maschine dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen zum Ausüben der Anpreßkraft und zum gegenseitigen Verschieben des Musters und der Polierplatte perfektioniert wurden, um eine sehr feine Kontrolle der Anpreßkraft zu ermöglichen. Diese Einrichtungen sind im Anspruch 1 definiert. Sie umfassen im wesentlichen einen geregelten Elektromagneten, angeordnet am Ende eines Trägers, einen schwenkbar an diesen Träger montierten Arm, wobei das Ende des Arms eine Spindel und einen Musterträgerkopf umfaßt und dieser Trägerkopffolglich unter dem Elektromagneten angeordnet ist.
Durch diese Einrichtungen ist es möglich, die Maschine vollkommen im Gleichgewicht zu halten, so daß der auf das Muster ausgeübte Druck zunächst null ist, wonach es möglich ist, durch Einwirkung auf den Elektromagneten den Druck auf jeden niedrigen oder hohen Wert zu justieren und zu regeln.
Festzustellen ist, daß die Verwendung eines Elektromagneten zur Regelung eines Polierdrucks schon bekannt ist. Durch das Dokument PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 14, N 107, (M-942) 27 Februar 1990 (JP-A-1 310 859) beschreibt eine Poliermaschine, die einen Musterträgerblock umfaßt, wobei dieser Block sich dreht. Dieser Block erzeugt durch sein Eigengewicht einen bestimmten Druck auf die Muster. Es ist außerdem im Innern des Trägerblocks ein Elektromagnet vorgesehen, der ermöglicht, den Druck noch zu erhöhen.
Außer daß dieses System komplex ist, da dieser Elektromagnet in einem Rotationsblock untergebracht ist, ermöglicht es nicht, den Druck auf sehr niedrige Werte zu regeln, weil dieser Druck mindestens dem Gewicht der Musterträgerblockeinheit entspricht. Dieses System ermöglicht folglich nur eine Druckerhöhung in bezug auf einen Minimaldruck.
Es gibt außerdem Poliermaschinen mit einem ausbalancierten Arm. Das Dokument EP-A-0 284 343 beschreibt eine solche, versehen mit einem aufblasbaren Ballon, der schnell die auf das zu polierende Muster ausgeübten Druckveränderungen aufnehmen kann, hervorgerufen durch Konturveränderungen des Polierwerkzeugs. Jedoch ermöglicht diese Maschine nicht, den Polierdruck zu regeln.
Würde man die beiden Dokumente kombinieren, so erhielte man eine Maschine, bei der der Musterträgerkopf selbst mit einem Elektromagneten ausgerüstet wäre, wobei dieser unter dem Ende des ausbalancierten Arms angeordnet sein würde. Der Gelenkarm müßte folglich diesen Elektromagneten stützen, was zu ersten mechanischen Problemen führen würde. Außerdem hätte eine Druckerhöhung durch Einwirken auf den Elektromagneten in Wirklichkeit den Effekt, den aufblasbaren Ballon zu komprimieren, was die gesuchte Wirkung annulieren würde, da die Rolle des Ballons genau darin besteht, die Druckveränderungen zu kompensieren.
So ist die Kombination dieser beiden Dokumente nicht praktizierbar und führt auf keinen Fall zu der Maschine der vorliegenden Erfindung, bei der der Elektormagnet über dem Trägerkopf angeordnet ist, am Ende eines steifen Trägers, wobei der schwenkbar montierte Arm nur die Verschiebungseinrichtungen des Trägerkopfes trägt. So kann man einen Druck so klein wie gewünscht herstellen und regeln.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser verständlich durch die nachfolgende Beschreibung. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele und bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1, schon beschrieben, zeigt ein Beispiel eines zu polierenden Stückes, das einem Schreib- und Lesemagnetkopf entspricht
- die Figur 2 zeigt die generelle Struktur einer erfindungsgemäßen Poliermaschine,
- die Figuren 3a und 3b zeigen im Detail eine erfindungsgemäße Maschine mit ihren Einrichtungen zum Ausüben eines kontrollierten Drucks auf den Trägerkopf und zum Verschieben dieses Kopfes,
- die Figur 4 zeigt vier Stellungen dieser verschiedenen Einrichttungen und illustriert das Anbringungsprinzip des Trägerkopfes mit Druckkontrolle,
- die Figur 5 zeigt einen zwischenstuflichen Teilaufbau bei der Herstellung eines Schreib- und Lesemagnetkopfes,
- die Figur 6 zeigt das Profil dieses Teilaufbaus vor und nach dem Polieren,
- die Figur 7 zeigt den fertigen Magnetkopf,
- die Figur 8 zeigt das Profil dieses Magnetkopfes vor und nach dem Polieren.
In dem nun beschriebenen Beispiel wird davon ausgegangen, daß das Muster durch ein Trägerteil gehalten wird, das über der Polierplatte angeordnet ist. In diesem Fall wird die Kraft mittels des Trägerkopfes auf das Muster ausgeübt und die Polierplatte ist feststehend. Jedoch betrifft die Erfindung ebensogut eine Maschine, bei der das zu polierende Muster sich unter dem Polierwerkzeug auf einem Musterträgertisch befindet, wobei das Polierwerkzeug durch den Trägerkopf gehalten wird, auf den dann der Druck ausgeübt wird.
Die in Figur 2 dargestellte Maschine umfaßt schematisch:
- eine feststehende Polierplatte 30,
- Einrichtungen 34 zum Ausüben einer Kraft F auf den Trägerkopf 32, um das zu polierende Muster 44 auf die Polierplatte 30 zu drücken und um den Trägerkopf 32 quer zu verschieben in bezug auf die feststehende Platte 30, wobei diese Einrichtung einen Exzenter 37 umfassen kann.
Die Erfindung betrifft im wesentlichen die schematisch durch den Block 34 dargestellten Einrichtungen.
Die in den Figuren 3a (Profilansicht) und 3b (Teilbzw. Seitenansicht) dargestellte Maschine umfaßt einen steifen Träger 50, der auf vertikalen Säulen 52 und 54 gleitet. Ein Elektromagnet 56 wird durch Einrichtungen 58 versorgt. Dieser Elektromagnet ist an einem Ende des Trägers 50 befestigt und mit einer beweglichen Axialstange 60 versehen. Diese Stange ist mit einem Druckfühler 62 ausgestattet, von dem ein Ausgang 64 verbunden ist mit einer Druckanzeigeeinrichtung 65 und mit den Versorgungseinrichtungen 58.
Der Druckfühler 62 (oder die Anzeigeeinrichtung 65) ist mit einem Komparator 67 verbunden, der ebenfalls ein von einem Generator 69 kommendes Sollwertsignal empfängt. Der Ausgang des Generators liefert ein Fehlersignal, das der Größe und dem Vorzeichen nach gleich der Differenz zwischen dem durch den Fühler gemessenen Druck und dem Sollwert-Druck ist. Der Elektromagnet 56 wird dann so gesteuert, daß das Fehlersignal sich aufhebt.
Ein Arm 70 ist schwenkbar um zwei horizontale Achsen 72-74 herum montiert, fest verbunden mit dem Träger 50. Eine Spindel 80 trägt an ihrem unteren Teil einen verstellbaren Exzenter 82, versehen mit einer Einrichtung 84 zum Befestigen des Musterträgerkopfes 86. Diese Spindel ist an ihrem Oberteil mit einem Lager 90 ausgestattet, z.B. einem Achsialkugellager. Die Spindel 80 ist am Ende des Arms befestigt, unter dem Elektromagneten 56. Die Axialstange 60 dieses Elektromagneten und sein Druckfühler 62 stützen sich ab auf dem Axiallager 90.
Ein Motor 91 ist am anderen Ende des Arms 70 angeordnet und bildet ein Gegengewicht. Eine Gleichgewichtsmasse 92, in der Position verstellbar, ist in der Nähe des Motors 91 angeordnet und dient dazu, den Arm 70 auszubalancieren.
Eine Bewegungsübertragungseinrichtung 93, z.B. ein Zahnriemen, ist zwischen dem Motor 91 und dem Exzenter 82 angeordnet, um die Rotation des Exzenters 82 zu steuern.
Einrichtungen 94, 95, z.B. Stellzylinder, sind vorgesehen, um den Träger und alle daran befestigten Einrichtungen vertikal zu bewegen, längs der vertikalen Säulen 52, 54, um das Muster in die Nahe der Polierplatte 30 zu bringen.
Die Figur 4 ermöglicht, die Funktionsweise dieser Maschine besser zu verstehen.
In Ruhestellung befindet sich der Träger am oberen Anschlag; der Schwenkarm ist dann leicht geneigt (Figur a); das Axiallager stützt sich ab auf der Stange des Elektromagneten; die Druckanzeige 65 zeigt im wesentlichen Null an.
Man nähert den Musterträger 86 dem Exzenter; der Schwenkarm 70 kippt nach unten; das Gleichgewicht (Fühler auf Null) wird durch Verschieben der Gleichgewichtsmasse 92 wiederhergestellt (Figur b).
Der Träger gleitet längs der Achsen 52-54 nach unten und wird in der unteren Stellung durch die Stellzylinder blockiert (Figur c).
Bei dieser Konfiguration ist der Schwenkarm 70 immer leicht nach oben geneigt und der Musterträger ist ungefähr einen Millimeter von der Schleiffläche 30 beabstandet.
Man versorgt dann den Elektromagneten 56 mit einer regelbaren und stabilen Gleichspannung, bis das Muster in Kontakt kommt mit der Polierebene. Dann erhöht man die Belastung bis zum gewünschten Beanspruchungswert (Figur d). Dann kann durch Betätigung des Motors 91 das Polieren erfolgen.
Diese Vorrichtung ermöglicht, den Polierdruck von einem Wert von quasi Null bis zu einem durch den Elektromagneten festgelegten Höchstwert zu regeln, z.B. von 0 bis 100kg.
Die soeben beschriebene Maschine kann vorteilhafterweise kombiniert werden mit Vorrichtungen, vorgesehen in drei anderen europäischen Patentanmeldungen, die durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung zusammen mit dieser am gleichen Tag angemeldet wurden:
- "Ausführungsverfahren eines Polierwerkzeugs und nach diesem Verfahren hergestelltes Werkzeug",
- "Poliermaschine mit gespanntem Mikroschleifband und verbessertem Trägerkopf",
- "Poliermaschine mit verbessertem Werkzeugträger".
Mit der soeben beschriebenen Poliermaschine, ausgestattet mit einem verbesserten Waferträgerkopf und einem auf die Polierplatte gespannten Mikroschleifblatt hat der Anmelder bemerkenswerte Resultate erziehlt, die in den Figuren 5 bis 8 dargestellt sind.
Die Figur 5 zeigt im Schnitt einen Teilaufbau entsprechend einem Schreib- und Lesemagnetkopf mit Horizontalstruktur von derselben Art wie der bezüglich der Figur 1 schon erwähnte. Der Teilaufbau der Figur 5 umfaßt im wesentlichen ein Siliciumsubstrat 100, zwei Senke-Ränder 102 aus Siliciumdioxid, zwei vertikale Kontakte 104 aus Eisen-Nickel. Es geht darum, diesen Teilaufbau entsprechend einer Ebene 106 zu polieren, ehe man die Operationen zur Bildung des oberen Polschuhs aufnimmt.
Das Profil des Teilaufbaus vor dem Polieren ist dargestellt im Teil a der Figur 6. In der Abszisse beträgt die Gesamtheit des gemessenen Intervalls 1,2 mm (die angegebenen Einheiten sind folglich in Mikrometern). Die Einheiten der Ordinate sind in hunderten Nanometern. Man sieht bei dieser Messung deutlich die beiden Ränder der Senke und, in der Mitte, die beiden Kontakte aus Eisen-Nickel.
Nach dem Polieren weist das Profil die Form der Teils b der Figur 6 auf. Die Gesamtheit des gemessenen Intervalls beträgt 4 mm (was bedeutet, daß die Messung sich über die Gesamtheit des den Kopf tragenden "Skis" erstreckt). Der Ordinatenmaßstab ist in zehn Nanometern. Die Restüberstände bei der natürlichen Krümmung des "Skis" ist kleiner oder gleich 30 nm (wobei diese Krümmung ein Teil der Verformung des Substrats ist).
Die Figur 7 zeigt den Kopf nach den Operationen zur Bildung der unmagnetischen Spacer 110 und der oberen Polschuhe 112 aus Eisen-Nickel. Reliefs 114 erscheinen in der Mitte des Kopfes. Die Fertig- bzw. Endpolierebene ist mit 116 bezeichnet.
Im Teil a der Figur 8 sieht man das Profil dieses Teilaufbaus vor dem Läppen. Die Einheiten sind dieselben wie für die Figur 6a: 1,2 mm für die Gesamtheit der Abszissenachse und hunderte Nanometer als Ordinate. Die den drei Erhöhungen der Polschuhe entsprechenden Spitzen sind deutlich zu sehen.
Der Teil b der Figur 8 zeigt die Messung nach dem Polieren. Die Werte der Abszisse sind wieder Mikrometer und die der Ordinate das Zehnfache in Nanometern. Kein Restüberstand wird festgestellt und man mißt nur die natürliche Krümmung des Schuhs (wobei diese Krümmung ein Teil der Verformung des Substrats ist).

Claims

1. Poliermaschine, umfassend:

- eine Polierplatte (30),

- eine Einrichtung (32), imstande die zu polierenden Muster (44) festzuhalten, wobei die zu polierende Fläche der Polierplatte (30) gegenüberliegt,

- Einrichtungen (34), um eine Anpreßkraft der zu polierenden Fläche auf die Polierplatte (30) auszuüben und um das zu polierende Muster quer zu verschieben in bezug auf die feste Polierplatte (30)

wobei diese Maschine dadurch gekennzeichnet ist, daß besagte Einrichtungen zum Ausuben der Anpreßkraft und zum Verschieben des Muster in bezug auf die Polierplatte umfassen:

- einen steifen, auf Vertikalsäulen (52, 54) gleitenden Träger (50),

- einen Elektromagneten (56) und seine Versorgungseinrichtungen (58), wobei der Elektromagnet an einem Ende des Trägers (50) befestigt ist, dleser Elektromagnet versehen ist mit einer beweglichen Axialstange (60) und diese Stange ausgestattet ist nit einem Druckfühler (62), der einen Ausgang (64) hat, der verbunden ist mit den Versorgungseinrichtungen (58) des Elektromagneten (56)

- einen Komparator (67) mit zwei Eingangen, jeweils verbunden mit dem Druckfuhier (62) und einem Sollwert-Generator (69), und mit einem Ausgang, verbunden mit der Versorgungsschaltung (58) des Elektromagneten (56)

- einen Arm (70), schwenkbar um die beiden fest mit dem Trager (50) verbundenen Horizontalachsen (72-74) angebracht,

- eine Spindel (80), die an ihrem Unterteil einen verstellbaren Exzenter (82) tragt, versehen mit einer Einrichtung (84) zum Aufhangen eine Trägerkopfes, und an ihrem Oberteil mit einem Anschlag (90) versehen ist, wobei diese Spindel (80) an einem Ende des Arms befestigt ist, unter dem Elektromagneten (56), befestigt am Träger (50), und die Axialstange (60) von diesem und ihr Druckfühler (62) sich abstützen auf dem Anschlag (90) der Spindel (80)

- einen Motor (91) angeordnet am anderen Ende des Arms (70) und ein Gegengewicht bildend,

- eine Ausgleichsmasse (92) mit verstellbarer Position und angeordnet in der Nahe des Motors (91), imstande, den Arm (70) in einer im wesentlichen horizontalen Stellung im Gleichgewicht zu halten,

- eine Einrichtung (93) zum Übertragen der Bewegung zwischen dem Motor (91) und dem Exzenter (82), um die Drehung des durch die Spindel (80) getragenen Exzenters (82) zu steuern,

- Einrichtungen (94-95) zum vertikalen Verschieben des Trägers und aller daran befestigten Einrichtungen längs der Vertikalsäulen (52, 54), bis das Muster (86) in Kontakt gebracht ist mit der Polierplatte (30)

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf das zu polierende Muster tragt, wobei die Polierplatte sich unter dem Tragerkopf befindet.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf die Polierplatte tragt, wobei das zu polierende Muster sich unter dem Tragerkopf befindet.