DE69204559T2

DE69204559T2 - Poliermaschine mit einem verbesserten Werkstückträger.

Info

Publication number: DE69204559T2
Application number: DE69204559T
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: EP0517596B1; JPH05208363A; FR2677276A1; FR2677276B1; US5297361A; DE69204559D1; EP0517596A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Poliermaschine mit einem verbesserten Werkstückträger zum Gegenstand.
Die Erfindung findet insbesondere Anwendung beim Polieren von mikroelektronischen Komponenten, integriert in Mikroplättchen (z.B. aus Silicium). Es kann sich vor allem um Schreib- und Lesemagnetköpfe handeln.
Herstellungsverfahren solcher Köpfe werden in zahlreichen Dokumenten beschrieben und vor allem in US-A-4,837,924 und US-A-4,333,229. Das erste Dokument bezieht sich auf Köpfe mit einer "horizontal" genannten Struktur, da gebildet aus einem Stapel von Schichten, abgeschieden auf der Oberseite eines Halbleiterplättchens, und das zweite auf Köpfe mit einer "vertikal" genannten Struktur, weil gebildet aus Schichten, die abgeschieden werden auf der Schnittfläche eines solchen Plättchens.
Die Mikrobearbeitungen, die an solchen Plättchen durchgeführt werden, bestehen im ersteren Fall darin, zu nivellieren (oder "planarisieren") und diverse, im Laufe des Herstellungsverfahrens erhaltene Zwischen-Teilaufbauten zu polieren, einen Luftspalt zu definieren und die Gesamtheit des Kopfes in die auch noch Flugebene genannte Hauptebene des Substrats zu bringen.
Im zweiten Fall haben die Mikrobearbeitungen den Zweck, einen Luftspalt zu definieren und die Form der Flugschuhe bzw. -kufen anzupassen.
Obgleich eventuell einsetzbar bei der Herstellung der Köpfe der zweiten Kategorie (Vertikalköpfe), ist die erfindungsgemäße Maschine vor allem zum Polieren der der ersten Kategorie (Horizontalköpfe) entsprechenden Aufbauten oder Teilaufbauten bestimmt, denn in diesem ersteren Fall sind die technischen Probleme am schwierigsten.
Die Figur 1 zeigt als Beispiel eines zu polierenden Stücks einen Schreib- und Lesemagnetkopf mit Horizontalstruktur. Der dargestellte Aufbau entspricht dem letzten Herstellungsschritt vor dem Fertigpolieren. Dieser Aufbau umfaßt ein Siliciumsubstrat 10, in das eine Senke geätzt ist, einen Magnetkreis 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 0,3um 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 an 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 von Halbleiterwafern mit einer sehr großen Anzahl von integrierten Mikrokomponenten verursacht spezielle Probleme:
- zunächst ist das Plättchen bzw. 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. Ihre generelle Konzeption ist nämlich so, daß bei der auf das zu polierende Muster ausgeübten Kraft ein Störmoment auftritt, das die Homogenität des während des Polierens angewendeten Drucks beinträchtigt und übermäßige Angriffe auf die Ränder des Musters verursacht.
Die Figuren 2 und 3 ermöglichen, die Ursache dieses nachteiligen Effekts besser zu verstehen.
In Figur 2 sieht man zunächst eine bekannte Vorrichtung, schematisch umfassend:
- eine Polierplatte 30,
- einen ein Muster 44 tragenden Kopf 32,
- 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 sie quer gegeneinander zu verschieben.
Die Polierplatte 30 rotiert und ist an der Basis der Vorrichtung angeordnet.
Die Figur 3 zeigt den Trägerkopf 32 detaillierter, mit einem steifen Teil 40 zum Festhalten des Musters 44. Das steife Teil 40 ist an seiner Oberseite mit einem Pendelrollenlager 58 ausgestattet, in dem sich eine Achse 60 abstützt. Die Platte 30 rotiert dem Pfeil MC entsprechend (im allgemeinen handelt es sich um eine kreisende Verschiebungsbewegung). Da das Pendelrollenlager 58 sich im Innern der Masse des Musterträgerkopfs befindet, ist der Angriffspunkt der Schnittkraft bezüglich der Polierebene um einen Wert "d" verschoben. Dieser Wert ist zwar klein aber nicht null.
Die Schnittkraft Fc, die auftritt, wenn sich der Werkzeugträger bewegt, bewirkt zusammen mit dieser Verschiebung, daß eine zusätzliche Kraft T an einem Punkt der Platte auftritt, der einen Abstand "r" vom Mittelpunkt hat. Diese Kraft ist senkrecht zum Muster ausgerichtet und ist proportional zum Verhältnis d/r (mit r≠0).
Die vorliegende Erfindung hat eine Behebung dieser Nachteile als Zielsetzung. Zu diesem Zweck schlägt sie eine Poliermaschine vor, deren Werkzeugträger so verbessert wurde, daß dieses Störmoment nicht vorhanden ist. Dazu bedient sich die erfindungsgemäße Maschine eines kardanischen Werkzeugträgertisches, dessen Achsen sich im Zentrum der Feinschleifebene schneiden (was einem Abstand "d"=0 zwischen dem Angriffspunkt der Schnittkraft und der Polierebene entspricht). Das Polierwerkzeug ist dann über dem Werkzeugträgertisch angeordnet, festgehalten in einem Trägerkopf, und die Schnittkraft wird auf diesen Trägerkopf ausgeübt. Die Anordnung ist folglich umgekehrt in bezug auf die allgemein gewählte Anordnung.
Es gibt schon Poliermaschinen mit einem kardanischen System. Zum Beispiel beschreibt das Dokument FR-E-96 278 eine Poliermaschine mit einem röhrenförmigen Element mit zwei Kerben, in denen sich zwei Stifte eines Kranzes abstützen. Dieser Kranz ist mit zwei Schrauben auf einem Schlitten befestigt. Aufgrund des Spiels zwischen diesen verschiedenen Teilen kann sich das röhrenförmige Element hin- und herbewegen in bezug auf den Kranz. der sich hin- und herbewegen kann in bezug auf den Schlitten, wobei das Ganze ein kardanisches System mit zwei Achsen bildet.
In einem solchen System ist das zu polierende Muster, das sich im unteren Teil des röhrenförmigen Elements befindet, mit einem gewissen Abstand von der Ebene der beiden Drehachsen angeordnet. Es tritt folglich notwendigerweise ein Störmoment auf.
Die Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1, schon beschrieben, zeigt ein Beispiel eines zu polierenden Stücks, das einem Schreib- und Lesemagnetkopf entspricht,
- die Figur 2, schon beschrieben, zeigt die generelle Struktur einer Poliermaschine der vorangehenden Technik,
- die Figur 3, schon beschrieben, zeigt einen Trägerkopf mit Pendellager,
- die Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen, verbesserten Musterträgertisch,
- die Figur 5 zeigt einen an den vorhergehenden Musterträgertisch angepaßten Polierkopf,
- die Figur 6 zeigt ein Polierbeispiel eines Überwuchses aus Siliciumdioxid,
- die Figur 7 zeigt ein anderes Polierbeispiel im Falle eines Musters aus zwei unterschiedlichen Materialien.
Die Figur 4 zeigt im Schnitt (Teil a) und in der Draufsicht (Teil b) einen erfindungsgemäßen Werkzeugtragerkopf. Dieser Tisch umfaßt einen nicht verformbaren steifen Ring 61, verbunden mit dem den Musterwafer 44 tragenden steifen Teil 40 durch zwei Achsen 62 und 63 und mit dem Maschinenrahmen durch zwei weitere Achsen 65, 66. Die Achsen 62 und 63 einerseits und 65 und 66 andrerseits sind zueinander senkrecht und schneiden sich im Zentrum 0 des Wafers 44.
Vorzugsweise sind auf diesen Achsen Kraftmeßsensoren 70, 71, 72, 73 angeordnet. Diese Sensoren sind mit nicht dargestellten Einrichtungen verbunden, die die mittlere Schnittkraft anzeigen können. Dazu errechnen diese Einrichtungen die gleichgerichtete und gefilterte Summe der durch diese vier Sensoren gelieferten Wechselstromsignale.
Die Figur 5 zeigt eine Ausführungsart des Polierkopfes. Dieser Kopf, mit 80 bezeichnet, umfaßt ein Gehäuse 81, das eine Schleifscheibe 82 tragt, befestigt durch Klauen 83. Die Schleifscheiben sind also austauschbar. Eine Achse 84 dringt mittels eines spielfreien Drehgelenks 85 in das Gehäuse 81 ein. Diese Achse 84 führt eine kreisende Verschiebungsbewegung aus mittels eines Exzenters 86, in Drehung versetzt durch einen Riemen 87, der mit einem nicht dargestellten Motor verbunden ist.
Die soeben beschriebenen Anordnungen können vorteilhafterweise kombiniert werden mit zwei anderen Anordnungen, vorgesehen in zwei weiteren Patentanmeldungen, angemeldet durch denselben Anmelder am gleichen Anmeldungstag wie die vorliegende Anmeldung und jeweils betitelt: "Herstellungsverfahren eines Polierwerkzeugs und nach diesem Verfahren hergestelltes Werkzeug" und "Poliermaschine mit Drucksteuerung".
Mit einer Poliermaschine, die diese drei Anordnungen verbindet, hat der Anmelder bemerkenswerte Resultate erzielt, die in den Figuren 6 und 7 dargestellt sind.
In Figur 6 sieht man zunächst (Teil a) ein Relief aus Siliciumdioxid 45 von ungefähr 2um Höhe auf einer Siliciumschicht 47 von 1um Dicke und einer Rauhigkeit Ra=50nm.
Im Laufe des Polierens (Teil b) behält das Profil seine scharfen Kanten.
Am Ende des Polierens (Teil c) ist das Relief verschwunden und die Grundschicht wurde zurückgeführt auf eine Dicke von 0,9um, mit einer Rauhigkeit Ra=1 bis 2nm auf der gesamten bearbeiteten Flache.
Die Figur 7 betrifft einen Überwuchs mit Materialien unterschiedlicher Härte: Siliciumdioxid SiO&sub2; beiderseits (Referenz 51) des Musters und in einem sehr schmalen Spacer 53 (ungefähr 1um) und eine Eisen-Nickel-Legierung FeNi 55 beiderseits des Spacers 53.
Man sieht (Teil a) die Anfangsform des Musters 49 und (Teil b) die endgültige Form 49' nach dem Polieren. Die Rauhigkeit der Oberseite ist in der Größenordnung von Ra=1 bis 2nm. Diese Resultate wurden auf der gesamten, die Muster tragenden Platte erreicht und insbesondere an den Rändern von dieser.

Claims

1. Poliermaschine, umfassend:

- eine Poliereinrichtung (30),

- eine Einrichtung (32) zum Festhalten einer Musterplatte (44), die zu polierende Fläche der Poliereinrichtung (30) gegenüberliegend, wobei, diese Einrichtung ein kardanisches System mit zwei senkrechten Achsen umfaßt,

- Einrichtungen (34), um die zu polierende Fläche der Musterplatte (44) auf die Poliereinrichtung (30) zu pressen und um die eine bezüglich der anderen quer zu verschieben,

wobei diese Maschine dadurch gekennzeichnet ist, daß besagte Einrichtung zum Festhalten der Musterplatte (44) ein kardanischer Tisch ist, einen Musterträger (40) umfassend, der die zu polierende Musterplatte (44) festhalten kann, die zu polierende Fläche nach oben gerichtet, wobei dieser Musterträger (40) angelenkt ist an einem Ring (61) durch zwei erste Achsen (62, 63) mit einer ersten Richtung, dieser Ring angelenkt ist an einem Maschinenrahmen durch zwei zweite Achsen (65, 66) mit einer zweiten Richtung, senkrecht zu der ersten, und diese ersten und zweiten Achsen sich im Zentrum (0) der feinzuschleifenden Musterplatte (44) schneiden.

2. Poliermaschine nach Anpspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Poliereinrichtung gebildet wird durch einen Trägerkopf (80) einer Schleifplatte (82), wobei dieser Kopf (80) sich über dem kardanischen Tisch befindet,

- die Einrichtungen zum Anpressen der zu polierenden Fläche der Musterplatte an die Poliereinrichtung und zum Querverschieben der einen in bezug auf die andere gebildet werden durch Einrichtungen (84, 85, 86, 87), die ermöglichen, eine Kraft auszuüben auf den Trägerkopf (80) der Schleifplatte (82) und diesen parallel zu verschieben.

3. Poliermaschine nach Anpspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier Schnittkraftmeßgeräte (70, 71, 72, 73) umfaßt, um 90º gegeneinander versetzt, jeweils auf den vier Gelenkachsen (62, 63, 65, 66) des kardanischen Tisches, wobei eine Anzeigeeinrichtung der Schnittkraft vorgesehen ist, die verbunden ist mit diesen vier Meßgeräten.

4. Poliermaschine nach Anpspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf (80) der Schleifplatte (86) ausgestattet ist mit einem spielfreien Drehgelenk (85), verbunden mit einem Exzenter (86).