KR20180025233A - 편평한 피가공재의 두께 측정 방법 - Google Patents

편평한 피가공재의 두께 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양면 가공기에서 가공되는 편평한 피가공재의 두께를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 가공 디스크가 재료를 제거하는 방식으로 서로에 대해 상대 회전하는 동안, 상기 피가공재를 상기 양면 가공기의 상부 가공 디스크와 하부 가공 디스크 사이에 형성된 가공 간극에서 가공하는 단계; 상기 피가공재의 가공 중에 상기 상부 가공 디스크 및/또는 상기 하부 가공 디스크 상에 배치된 하나 이상의 광학 두께 측정장치에 의해 상기 피가공재의 두께를 광학적으로 측정하되, 상기 하나 이상의 두께 측정장치는 상기 상부 가공 디스크 및/또는 상기 하부 가공 디스크에서 하나 이상의 관통홀을 통해 상기 가공 간극에 위치된 상기 피가공재의 두께를 측정하는, 단계; 상기 하나 이상의 두께 측정장치의 측정 결과를 상기 양면 가공기의 제어장치에 공급하는 단계; 및 상기 피가공재의 사전에 규정한 목표 두께에 도달시, 제어장치는 피가공재의 가공 동작을 종료하는 단계를 포함한다.

Description

편평한 피가공재의 두께 측정 방법{Method for measuring the thickness of flat workpieces}
본 발명은 양면 가공기에서 가공되는 편평한 피가공재의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다.
웨이퍼, 특히 실리콘 웨이퍼와 같은 편평한 피가공재는 양면 가공기, 예를 들어 양면 연마기에서 재료를 제거하는 방식으로 가공된다. 이러한 피가공재의 제거를 위한 연마 중에는 품질 요구조건을 달성하기 위해 피가공재의 두께를 검사하는 것이 매우 중요하다. 가능한 최상의 피가공재 기하학적 형상을 얻기 위한 목표 윈도우는 약 100nm이다. 목표 측정값을 통과하려면, 예를 들어 가공 동작이 너무 오래 걸리기 때문에, 에지 기하학적 형상은 일반적으로 웨이퍼 소비자의 요구조건을 충족하지 못한다. 특히, 피가공재의 평탄도에 대한 높은 요구가 존재한다. 전형적으로, 웨이퍼 기하학적 형상 파라미터 SFQRmax에 대한 요구조건, 즉 실리콘 웨이퍼 상의 국부적인 평탄도("구역(site) 평탄도")의 최대 값은 15nm 또는 심지어 10nm 정도로 낮다. 예를 들어 헤이즈가 없는 연마, 또는 심지어 연삭과 같은 다른 가공 동작 중에는, 각 피가공재의 두께에 대한 정확한 지식도 필요하다.
와전류 센서를 사용하여 가공 디스크의 거리를 측정하고 간접적으로 피가공재의 두께를 측정하는 공정이 공지되어 있다. 그러나, 전술한 정확도 요구조건을 항상 달성할 수는 없다. 또한, 이러한 유형의 측정은 연마포와 같은 가공 디스크 상의 가공 코팅의 두께 및 마모에 따라 달라진다. 따라서, 이는 공정 및 취급 시간뿐만 아니라, 연마제의 성질(온도, pH 값, 수명, 희석, 고형물의 농도, 고체 입자의 크기) 및 연마포의 성질(컨디셔닝의 특성, 다이아몬드 드레싱의 유형, 평탄도, 형상, 마모, 유약)과 같은 다수의 외부 파라미터에 기초하여 피가공재의 두께를 예측하는 표준 절차이다. 이들 외부 파라미터를 검사함으로써, 가능한 일정한 공정 조건(반복 가능한 제거율)을 준수하려는 시도가 이루어진다. 그 후, 공정 시간 및 공지된 예비 측정을 통해 두께의 검사가 이루어진다. 그러나, 이 방법으로 전술한 정확도 요구조건을 규칙적으로 달성할 수 없다. 특히, 외부 파라미터는 예를 들어 마모로 인해 가공 중에 변경된다. 이는 예측한 피가공재의 두께로부터 편차를 발생시킨다. 따라서, 피가공재의 외부 두께 측정은 일반적으로 양면 가공기에서의 가공에 이어서 실행된다. 이는 도량형 및 공정 기술 관점 모두에서 복잡하다. 특히, 웨이퍼는 측정 전에 세정 공정에서 세척해야 한다. 양면 가공기의 생산 능력에 따라 상당한 측정 용량을 제공해야 한다. 또한, 허용되지 않는 두께 편차는 이러한 방식으로 후속의 처리를 실행한 후에 만 결정될 수 있다. 가공기의 공정 파라미터는 상대적으로 시차(staggered interval)를 갖고 보정되어, 결과적으로 스크랩(scrap)을 초래한다.
간섭계에 의해 웨이퍼와 같은 평탄한 피가공재의 두께를 측정하는 공정은 일반적으로 WO 2010/037452 A1에 공지되어 있다. 이러한 방식으로, 피가공재의 두께를 매우 정확하게 규명할 수 있다. 예를 들어, 편평한 피가공재의 두께를 결정하기 위한 광학 측정 방법이 US 2006/0037699 A1, EP 1 970 163 B1, DE 11 2009 001 875 T5 또는 US 6 437 868 B1에도 공지되어 있다. 두께 측정장치는 가공기에 고정되어 있고, 예를 들어 기계의 회전부에서, 가령 측정 개구를 통해 기계에서 가공된 피가공재의 두께를 측정한다. 물론, 측정장치의 광학축이 측정 개구와 정확하게 정렬되는 경우에만 측정을 수행할 수 있다. 이는 설계 및 공정 엔지니어링 측면에서 복잡하며, 비교적 적은 측정 포인트만 이용할 수 있다. 결국, 이는 측정의 신뢰성과 정확도에 나쁜 영향을 미친다.
따라서, 전술한 종래 기술을 감안하여, 본 발명의 목적은 위에서 나타낸 유형의 방법을 제공하는 데 있으며, 이 방법은 간단한 가공 엔진니어링 방법을 이용하여 양면 가공기에서 가공되는 피가공재의 두께를 신뢰할 수 있고 매우 정확하게 결정할 수 있다.
본 발명은 청구항 1의 주제를 통해 상기 목적을 달성한다. 유리한 구성을 종속항, 상세한 설명 및 도면으로부터 파악할 수 있다.
본 발명은 양면 가공기에서 가공되는 편평한 피가공재의 두께를 측정하는 방법을 통해서 상기 목적을 달성하며, 상기 방법은 가공 디스크가 재료를 제거하는 방식으로 서로에 대해 상대 회전하는 동안, 상기 피가공재를 상기 양면 가공기의 상부 가공 디스크와 하부 가공 디스크 사이에 형성된 가공 간극에서 가공하는 단계; 상기 피가공재의 가공 중에 상기 상부 가공 디스크 및/또는 상기 하부 가공 디스크 상에 배치된 하나 이상의 광학 두께 측정장치에 의해 상기 피가공재의 두께를 광학적으로 측정하되, 상기 하나 이상의 두께 측정장치는 상기 상부 가공 디스크 및/또는 상기 하부 가공 디스크에서 하나 이상의 관통홀을 통해 상기 가공 간극에 위치된 상기 피가공재의 두께를 측정하는 단계; 상기 하나 이상의 두께 측정장치의 측정 결과를 상기 양면 가공기의 제어장치에 공급하는 단계; 및 상기 피가공재의 사전에 규정한 목표 두께에 도달 시, 제어장치는 피가공재의 가공 동작을 종료하는 단계를 포함한다.
양면 가공기는 예를 들어 양면 연마기일 수 있다. 그러나, 이는 또한 예를 들어, 양면 연삭기와 같은 다른 양면 가공기일 수도 있다. 양면 가공기의 가공 간극에서 여러 개의 피가공재를 동시에 가공하여 양면의 재료를 제거할 수 있다. 이를 위해, 가공 디스크에는 연마 코팅과 같은 가공 코팅이 규칙적으로 제공된다. 피가공재가 부유하는 방식으로 유지되는 반도체 웨이퍼와 같은 하나 이상의 피가공재를 수용하기 위한 개구를 각각 갖는 로터 디스크가 공지되어 있다. 로터 디스크는 그의 외주면 상에 톱니를 갖고 있으며, 이 톱니는 가공 간극의 외측 및 내측 상의 대응하는 톱니와 치합된다. 결과적으로, 로터 디스크는 가공 간극에서 회전하고, 피가공재는 가공 간극을 통해 싸이클로이드 트랙을 따라 안내된다. 이러한 방식으로 특히 균일한 가공이 달성될 수 있다. 상기 가공 동안, 가공 디스크들 중 하나 또는 두 개 모두 반대 방향으로 회전가능케 구동할 수 있다. 이러한 양면 가공기들은 그 자체가 공지되어 있다.
본 발명에 따르면, 피가공재는 가공 간극에서 피가공재를 가공하는 동안 상부 가공 디스크 및/또는 하부 가공 디스크에 고정된 하나 이상의 광학 두께 측정장치에 의해 광학적으로 측정된다. 이를 위해, 두께 측정장치가 장착된 상부 및/또는 하부 가공 디스크는 관통홀을 가지며, 이 홀을 통해 각각의 가공 디스크와 함께 회전하는 두께 측정장치가 피가공재의 두께를 검출한다. 따라서, 관통홀은 광학 두께 측정장치로부터 피가공재가 위치되는 가공 간극으로 바로 연장된다. 가공 디스크는 가공 간극의 범위를 정하는 제 1부분과 캐리어 디스크의 방식으로 제 1부분을 유지하는 제 2부분을 갖는 2 피스 구조를 가질 수도 있다. 따라서, 두께 측정장치는 또한 캐리어로서 구성된 제 2부분에 부착될 수도 있다.
설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 두께 측정장치는 광학적으로 동작하고 따라서 고정밀도를 달성한다. 이를 위해, 두께 측정장치는 예를 들어 레이저와 같은 광학 방사원을 갖는다. 광학 방사원으로부터의 방사선은 광섬유와 같은 광 가이드에 결합될 수 있으며, 상기 광 가이드는, 필요시, 예를 들어 렌즈를 포함하는 광집속기(focusing optic)를 통한 광학 방사선을 상기 관통홀을 통해 측정할 피가공재 상으로 지향시킨다. 측정을 위해 두께 측정장치에 이용되는 관통홀 또는 관통 구멍은 특히 상부 및/또는 하부 가공 디스크에 별도로 형성될 수 있다. 가공 코팅이 가공 디스크 상에 제공되면, 가공 간극 내에 위치된 피가공재가 측정될 수 있도록 상기 가공 코팅은 또한 관통홀을 가져야 하는 것을 이해할 수 있을 것이다.
가공 중에 검출된 하나 이상의 두께 측정장치의 측정 결과는, 또한 피가공재의 가공 중에 제어장치에 공급된다. 상기 제어장치는 예를 들어 피가공재에 대해 사전에 규정한 목표 두께와 측정된 값을 비교할 수 있다. 목표 두께에 도달하자마자, 제어장치는 현재의 가공 동작을 종료할 수 있다. 이는 전체적으로 가공기에서 피가공재의 가공 동작의 끝이 될 수 있다. 그러나, 현재의 가공 동작이 종료된 후에, 다른 후속 가공 동작이 시작되고 나서, 제어장치에 의해 순차적으로 이를 제어할 수 있다. 물론, 측정 결과는 제어장치로 전송되기 전에 처리될 수도 있다. 예를 들어, 측정 결과는 가령, 초기에 인터포즈된 컴퓨터(interposed computer) 또는 유사한 기기에 공급될 수 있으며, 컴퓨터는 두께 측정장치의 두께 값을 추가적으로 처리하고, 다른 방식으로 필터링, 평탄화(smoothed) 또는 처리된 두께 값을 확인하며, 최종적으로 제어장치로 보내진다. 이 점에서, 컴퓨터 또는 유사한 기기도 제어장치의 일부일 수 있다.
가공 디스크를 갖는 두께 측정장치의 본 발명에 따른 고정 연결의 이점은, 가공 디스크에서 단일 관통홀의 경우에도 회전하는 가공 디스크에 의해 방해 받지 않는 광 경로가 언제라도 피가공재를 갖는 가공 영역, 즉 가공 간극으로 지향되는 점이다. 따라서, 종래 기술에서 제안된 바와 같이, 기계의 프레임 또는 하우징 상에 비 회전식으로 배치된 측정장치와 달리, 연속적으로 두께 측정을 수행하는 것이 가능하다. 어떤 경우에든, 획득한 측정 값의 범위 및 수는 종래 기술에서와 같이 설계 상으로 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 이점은 두께 측정장치의 측면으로부터 관통홀을 밀봉할 수 있어, 먼지 및 습기가 두께 측정장치의 광 경로 또는 광집속기로 들어갈 수 없도록 하는 점이다. 동시에, 본 발명에 따른 직접 광학 두께 측정은 가공 중에 현장에서 정확하게 두께를 검출하는 것을 가능케 하며, 정교한 예비 측정 및 외부 후속 측정이 생략된다. 오히려, 제어장치는 미리 정해진 목표 두께 또는 미리 정해진 최소 제거에 도달 한 후에 가공 동작을 자동으로 종료시킬 수 있다. 본 발명에 따른 피가공재 두께의 신뢰성 있고 정확한 현장(in-situ)에서의 결정으로 인해, 정교한 외부 측정 장비의 측정 용량이 자유롭게 된다. 가공 이력을 더 이상 알 필요가 없으므로, 생산 물류가 단순화된다. 제거 속도를 안정화시키기 위한 정확한 연속 작동은 더 이상 절대적으로 필요치 않으므로, 스크랩의 양이 감소된다.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은, 특히 웨이퍼, 예를 들어(단결정) 실리콘 웨이퍼의 가공 중에 유용하게 사용할 수 있고, 얇게 도핑된 p-형의 경우 및 두껍게 도핑된 p-형 웨이퍼의 모두에 실제로 적용된다. 또한, 이것은 붕소, 인, 비소 또는 이들의 혼합물을 포함한 도핑에도 적용된다. 물론, 본 발명에 따른 방법은 다른 피가공재, 예를 들어 실리콘, 실리콘 카바이드, 산화 알루미늄, 실리케이트 또는 다른 물질로 이루어진 단결정, 다결정 또는 유리형 피가공재와 같은 피가공재에도 유용하게 적용할 수 있다.
피가공재는 편평한, 바람직하게는 평탄한 피가공재이며, 그의 형상은 원형 또는 심지어 정사각형일 수 있다. 웨이퍼의 직경 범위는 약 100 내지 450mm인데, SEMI 표준에 따라 스태거링된 직경은 100mm, 125mm, 150mm, 200mm, 300mm 및 450m이며, 특히 300mm 직경을 갖는 실리콘 웨이퍼가 바람직하다. 통상적인 두께 범위는 직경 300㎛ 내지 950㎛이며, 300mm의 직경을 갖는 실리콘 웨이퍼의 두께 범위는 특히 770㎛ 내지 800㎛이다. 완전한 웨이퍼 가공 공정 체인을 따르는 데 소요되는 피가공재의 목표 두께는 일반적으로 770㎛ 내지 780㎛이며, 양면 연마 에중 피가공재의 두께는 일반적으로 요구되는 허용공차로 인해 0㎛ 내지 최대 20㎛이다. 피가공재에서의 광학 방사선의 흡수는 재료의 광학 밀도와 마찬가지로, 예를 들어 실리콘 피가공재의 도핑에 따라 변화한다. 이들 두 가지, 특히 후자는 측정 결과에 영향을 미친다. 대응하는 피가공재 특성이 미리 알려져 있으면, 제어장치는 이들 피가공재의 특성을 고려하기 위해, 이들 특성에 따라서 측정 방법을 조정하거나 적절한 방식으로 측정 결과를 수정할 수 있다. 이를 위해, 피가공재를 상이한 클래스로 나눌 수 있고, 양면 가공기의 조작자가 제어장치에서 클래스를 선택하도록 할 수 있다. 대안으로, 피가공재의 특성, 예를 들어, 도핑 농도를 수치값으로서 제어장치에 저장할 수 있으며, 그 후, 제어장치는 적절한 방식으로 측정 결과를 조정한다. 또 다른 대안으로, 양면 가공기에서 웨이퍼의 도핑 농도의 경우 도전율과 같은 이들 피가공재의 특성 또는 이들 피가공재 특성과 상관되는 특성을 측정한 후, 제어장치가 순차적으로 적절한 방식으로 측정 결과를 수정할 수 있다. 특히, 재료의 광학 밀도는 피가공재의 온도에 따라 변화한다. 결국, 이는 측정 결과에 영향을 미친다. 측정 중에 피가공재 온도가 알려지면, 그 후, 이는 제어장치에서 적절한 방식으로 고려할 수 있다. 제어장치에서의 각각의 가공 동작에 대해 생각되는 온도의 저장, 상이한 온도 범위의 분류 및/또는 조작자에 의한 온도 범위의 선택을 고려할 수 있다. 또한, 제어장치에 입력되는 온도 측정장치의 온도 측정 값을 사용할 수도 있다. 이 경우, 예를 들어 가공 디스크에 규칙적으로 공급되는 냉각 매체의 온도를 사용할 수 있다. 이는 예를 들어 양면 가공기의 입구나 출구 또는 냉각제 저장소의 적절한 측정장치를 사용하여 측정할 수 있다. 또한, 가공 간극 내 또는 그 근처에서 적절한 측정장치에 의해 측정되는 온도를 기초로서 취할 수도 있다.
광학 피가공재의 두께는 특히 본 발명에 따라 결정될 수 있는 것으로 이해하면 된다. 굴절률이 알려지거나 확인되면, (기계적) 피가공재의 두께가 그로부터 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 측정된 피가공재의 두께는 특정 피가공재의 두께에 도달하거나 그 아래로 떨어질 때, 무엇보다도, 이는 현재의 가공 동작을 종료시키거나 후속 가공 동작으로 이동시키는데 사용할 수 있다. 이를 위해, 제어장치에 따라 특정된 가공 프로그램은, 최종적으로 피가공재의 사전에 규정한 목표 두께에 도달하거나 또는 그 아래로 떨어질 때, 연속적으로 종료되거나 다음 가공 동작으로 전달될 수 있는 다수의 가공 동작을 포함할 수 있다. 이러한 가공 동작은 즉시 또는 간헐적으로 이루어질 수 있다. 물론, 측정한 피가공재의 두께는 현재의 피가공재 제거 속도를 결정하고, 피가공재 가공 중에 적절한 방식으로, 예를 들어 알고리즘에 의해 가공 파라미터를 조정하여 제거 속도를 미리 정해진 수준이 되도록 할 수도 있다.
하나 이상의 두께 측정장치에 의해 제어장치에 전송되는 다수의 데이터는 바람직하게는, 통계적 또는 일반적인 수학적 방법, 데이터 필터링, 평균화, 외삽, 추세 결정(trend determination), 또는 특히 알고리즘의 도움으로 다른 데이터 평가에 의해 평가함으로써, 피가공재 두께의 양호한 시간 분해된 대표값(time-resolved representatives)을 생성한다. 이러한 알고리즘은 바람직하게는, 전술한 바와 같은 교정(calibration) 및 보정에 기초한 측정 결과의 변경을 포함한다.
특히 바람직한 구성에 따르면, 하나 이상의 두께 측정장치는 간섭계 두께 측정 방법에 의해 피가공재의 두께를 측정할 수 있다. 간섭계 측정 방법을 사용하면, 피가공재의 두께를 특히 정밀하게 결정할 수 있다. 하나 이상의 두께 측정장치의 광학 방사선을 위한 전제 조건은 부분적으로 투명하고, 부분적으로 반사하는 피가공재여서, 광학 방사선의 관련 부분이 피가공재를 통과하거나 그로부터 반사될 수 있는 것이다. 간섭계 두께 측정 방법은 예를 들어, 전술한 WO 2010/037452 A1에 공지되어 있다. 이 방법은 일반적으로 본 발명의 문맥 내에서 이용할 수 있다. 이 경우, 광학 방사선은 피가공재의 상측으로 지향되는데, 제 1방사 부분은 상측에서 반사되고, 제 2방사 부분은 피가공재의 두께를 관통하며, 피가공재의 하측에서 반사되어 피가공재의 상측으로 다시 방출된다. 그 후, 제 1 및 제 2방사 부분은 간섭 패턴의 형성 중에 간섭한다. 이러한 간섭 패턴을 사용하면, 피가공재의 상측과 피가공재의 하측 사이의 광학 피가공재의 두께를 WO 2010/037452 A1에 기재된 방식으로 결정할 수 있다. 예를 들어, WO 2010/037452 A1에 기재된 바와 같이, 굴절률이 알려지거나 규명되면, 기계적 피가공재의 두께를 추가로 결정할 수 있다. 또한, 피가공재의 상측으로 적외선 방사 스펙트럼을 지향시킬 수 있는데, 이 방사 부분의 간섭에 의해 생성된 방사선은 분광계에 의해 분석할 수 있다.
하나 이상의 두께 측정장치의 광학 방사원은 특히, 적외 방사선을 방출할 수 있다. 이는 특히 붕소 또는 인과 같은 이종 원자(foreign atoms)가 제공되는 실리콘 피가공재를 의미하는 고농도 실리콘 피가공재의 두께를 측정하는 과정에서 특히 유리하다. 실리콘이 특히 1050nm 내지 1600nm의 범위에서 투명하기 때문에, 광학 방사원은 1050nm내지 1600nm의 파장 범위에서 적외 방사선을 방출하는 것이 바람직하다. 이 파장 범위는 보다 바람직하게는, 1150nm 내지 1350nm이다.
하나 이상의 두께 측정장치의 하나 이상의 광집속기를 하나 이상의 관통 홀에 배치할 수 있다. 예를 들어 적절한 렌즈 또는 유사물을 포함할 수 있는 광집속기와 측정할 피가공재 간의 거리가 감소하면, 광 출력이 증가되고, 따라서, 달성가능한 신호 품질이 향상된다. 특히, 높은 광 흡수율을 갖는 피가공재는 광 출력이 충분한 경우에만 충분한 정밀도로 두께를 결정할 수 있다. 가공 디스크의 두께는 이 문맥에서 이미 문제가 될 수 있다. 따라서, 이러한 구성의 경우에 광집속기가 가공 디스크에 도입되어 피가공재로부터의 거리가 짧은 것이 바람직할 것으로 고려된다.
추가의 구성에 따르면, 광집속기는 1mm 이상, 바람직하게는 2mm이상의 초점 깊이를 가질 수 있다. 두께 측정 방법에서의 한 가지 어려움은 광집속기와 피가공재 사이의 거리가 변하는 것이다. 특히, 통상적으로 광집속기와 피가공재 사이에 위치된 가공 디스크의 연마포와 같은 가공 코팅의 두께는 가공 코팅의 유형 및 마모에 따라 변화한다. 그러나, 측정 기술에 의해 결정된 피가공재의 두께는 환경에 관계없이 가능한 한 ±0.1㎛ 미만, 특히 약 ±0.05㎛의 편차로 결정되어야 한다. 따라서, 이 구성의 경우, 큰 초점 깊이를 갖는 광집속기가 생각된다. 달성 가능한 정확도를 높이기 위해, 광집속기는 또한 초점 깊이가 상이한 가공 조건하에서 피가공재가 위치하는 영역을 의미하는 가공 영역을 완전히 둘러싸도록 기계적으로 조정할 수 있는데, 이 가공 영역은 초점 깊이의 중심에 배치된다. 이 경우, 기계적 조정은 예를 들어 가공 동작의 중단 중에 수행될 수 있도록 구현할 수 있다. 원칙적으로, 가공 동작 동안 또는 예를 들어 연마포 두께와 같은 부가적인 파라미터를 포함하는 조정 명령에 따라 사용되는 작동 메카니즘을 실현하는 것도 가능하다.
하나 이상의 관통홀은 가공 간극으로 들어가는 영역에서 압축 공기로 채워질 수 있다. 또한, 하나 이상의 관통홀에서 가공 간극에 대해 과도한 압력을 발생시키는 것도 가능하다. 이 둘 모두 두께 측정장치, 특히 광집속기를 가공 간극에 의한 오염으로부터 보호하는 역할을 한다. 이러한 보호 기능은 측정 동작 동안 광 경로만을 해제하는 셔터와 결합시킬 수도 있다.
그러나, 하나 이상의 두께 측정장치의 광학 방사원으로부터의 광학 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 하나 이상의 보호창(protective window)이 두께 측정장치와 가공 간극 사이의 하나 이상의 관통홀에 배치되는 경우, 특히 바람직하다. 이 보호창은 특히, 광학 방사원로부터의 방사선에 실질적으로 완전히 투명할 수 있다. 이러한 보호창의 두께는 바람직하게는, 0.5mm 내지 20mm의 범위, 특히 바람직하게는 2 내지 10mm의 범위 내에 있다. 특히, 실리콘 피가공재의 경우, 적외 방사선 범위에서 투명한 재료가 보호창용으로 적합하다. 보호창용으로 바람직한 재료는 산화 알루미늄 또는 불화 칼슘이다. 특히 양면 연마기의 연마제로서 전형적으로 사용되는 알칼리성 매질에 대한 보호창의 높은 내화학성이 또한 유리하다. 일반적으로, 가공 디스크 재료보다 낮은 온도 팽창 또는 그와 유사한 온도 팽창, 높은 내스크래치성, 및 낮은 파괴 경향의 성질을 갖는 유리하다.
다른 구성에 따르면, 하나 이상의 보호창은 하나 이상의 관통홀을 구비하는 가공 디스크의 가공 간극을 10mm 이하, 바람직하게는 3mm 이하, 더욱 바람직하게는 1mm 이하, 가장 바람직하게는 0.3mm 이하로 범위를 정하면서, 표면에 대해 더 후방에 세팅할 수 있다. 피가공재면 상의 보호창의 표면이 가공 디스크 표면에 가깝게 위치하는 사실은, 가공 간극과 보호창 사이의 공간이 동작 중에 가공 매체, 예를 들어, 연마제로 신속하고 균질하게 채워지는 것을 의미한다. 또한, 가공 매체는 난류가 적어 균일하게 유동하므로 보호창을 지나도 거품이 거의 형성되지 않는다. 그렇지 않으면, 이는 측정 결과를 불안정하게 할 수 있다. 보호창이 약간 후방에 세팅되는 사실은, 예를 들어 피가공재 및 보호창 간의 가공 매체 필름, 예를 들어, 연마제 필름으로 인한 간섭 신호 측정을 회피하는 데 유용할 수도 있다. 따라서, 필름의 두께는 제한되고, 측정 신호는 피가공재의 두께에 대한 신호와 구별하고 필터링할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 보호창은 하나 이상의 관통홀을 구비하는 가공 디스크의 가공 간극을 2mm 이상 및 최대 10mm로 제한하는 표면에 대해 후방에 세팅될 수 있다. 전술한 구성의 경우 이외에, 보호창은 유용하게는, 전술한 구성에서 보다 큰 거리, 2mm 이상 후방에 세팅되어, 가공 매체 필름이 특히 두꺼울 수 있다. 필름의 두께는 바닥에서 제한되며, 발생할 수 있는 측정 신호는 피가공재의 두께에 대한 신호와 구별하고 필터링할 수 있다.
보호창은 특히 가공 간극 방향으로 평탄면을 가질 필요가 없는 점을 전술한 구성과 관련하여 지적하고자 한다. 위에 나타낸 수치는 가장 멀리 후방으로 돌출되어 세팅되는 보호창의 부분과 관련이 있다. 이와 관련하여, 대부분의 광이 보호창의 영역을 통해 안내되는 경우, 그 영역은 기하학적 형상의 측면에서 전술한 실시예와 일치한다.
하나 이상의 보호창은 세정액을 이용하여 세정 장치에 의해 가공 간극의 측면으로부터 세정할 수 있다. 가공 동작 중에 또는 가공 동작 종료 직전에, 프리-세척 프로세스 매체(free-flushing process medium), 예를 들어 탈이온수 또는 알칼리성 용액으로 가공 간극을 채우는 것 이외에 또는 그 대신에, 세정 장치에 의해 가공 동작후, 두 가지 가공 동작 간에 또는 가공 동작 전에 자유롭게 보호창을 세척할 수 있다. 이것은 낮은 압력 하에서 수동으로 수행할 수 있다. 그러나, 가압된 세정액, 예를 들어, 탈이온수 또는 알칼리성 용액으로 피가공재 측면으로부터 규칙적으로 자유롭게 보호창을 세척하는 방법이 바람직하다. 이것은 제어장치에 의해 자동으로 실행할 수 있다. 이것은 바람직하게는, 가공 디스크의 가공 코팅을 자유롭게 세척 또는 다시 채우는데 사용하는 장치일 수 있다. 가공 매체가 난류 방식으로 보호창을 지나서 거품을 형성하는 전술한 문제점을 해결하기 위해, 가공 간극과 보호창 사이의 공간에는 가공 동작 중에 의도적으로 액체, 바람직하게는 물, 알칼리 용액 또는 가공 매체 자체를 공급할 수 있다.
또 다른 구성에 따르면, 피가공재의 두께는 상부 가공 디스크 및/또는 하부 가공 디스크에 형성된 다수의 관통홀에 의해 피가공재를 가공하는 동안 광학적으로 측정되는 것으로 생각할 수 있다. 원칙적으로, 조인트 두께 측정장치로 (각 가공 디스크 별로) 상이한 관통홀을 통해 두께 측정을 수행하는 것이 가능하며, 여기서 두께 측정장치의 광학 방사원으로부터의 방사선은 예를 들어 빔 스플리터(beam splitter)에 의해 적절한 방식으로 나뉘어질 수 있다. 그러나, 이를 위하여 다수의 두께 측정장치가 상부 가공 디스크 또는 하부 가공 디스크 상에 배치되는 것도 실현 가능하다. 피가공재의 두께는 가공 중에 동시에 상이한 관통홀을 통해 측정할 수 있다. 그러나 가공 중에 다른 시간에 상이한 관통홀을 통해 피가공재의 두께를 측정할 수 있다. 즉, 이는 서로 교대 배열되어 있다.
전술한 바와 같이, 다수의 피가공재는 양면 가공기에서 동시에 가공될 수 있다. 이 공정에서, 피가공재가 실제로 광학 두께 측정장치의 광 경로에 있는 동안 확인된 측정 값만이 바람직하게 고려되도록, 측정 에러들을 분류할 수 있다. 각각의 경우에 하나 이상의 두께 측정장치의 측정 결과를 하나의 피가공재에 명확하게 연관시키는 것이 부가적으로 가능하다. 이것은 높은 시간 정밀도로(high temporal precision)로 로터 디스크와 가공 디스크의 위치 및 기껏해야, 비틀림(twisting)에 대한 지식을 필요로 한다. 그러나, 이 정보는 기계 구성에 따라서 이용할 수 있다. 또한, 측정 값의 수는 다른 방식으로, 예를 들어, 펄스 두께 측정에 의해 제한될 수 있는데, 방사선 펄스는 광 경로 내의 셔터, 전기 회로, 또는 알고리즘을 기반으로 한 분류에 의해 제공될 수 있다.
다른 구성에 따르면, 하나 이상의 두께 측정장치가 상부 가공 디스크 및/또는 하부 가공 디스크 상에 진동 감쇠 방식으로 배치되는 것을 생각할 수 있다. 두께 측정장치, 예를 들어 두께 측정장치의 평가 유닛의 분광계와 같은 진동 감쇠 또는 기껏해야 방진(vibration-insulated) 방식으로 장착되기 때문에, 진동에 의한 측정 결과의 위조가 감소되거나 회피될 수 있다. 10Hz 내지 1000Hz, 특히 100Hz 내지 1000Hz의 일반적인 주파수를 가진 진동이 여기에서 관련된 가공 동작 중에 발생한다. 진동 감쇠는 각 주파수 대역으로 조정되는 능동적인 전자식 진동 감쇠 또는 수동 진동 감쇠, 예를 들어, 탄성 장착일 수 있다. 이러한 방식으로, 가공 디스크와 두께 측정장치 사이, 예를 들어 두께 측정장치의 평가 유닛의 기계적 또는 열적으로 유도된 기계적 브레이싱(mechanical bracing)을 회피할 수 있다.
제어장치는 가공 디스크와 별개의 위치에 배치될 수 있다. 하나 이상의 두께 측정장치와 제어장치 사이의 데이터 전달 및 하나 이상의 두께 측정장치의 전기 공급은 하나 이상의 미끄럼 접촉을 통해 일어날 수 있다. 상부 및/또는 하부 가공 디스크 상에 배치된 하나 이상의 두께 측정장치의 평가 유닛은 규칙적으로 광학 그리드, 및 예를 들어 CCD 센서를 갖는다. 한편, 가공 디스크와는 별도로 배치되는, 회전 가공 디스크 상에 위치된 두께 측정장치와 양면 가공기의 비회전 제어장치 사이의 데이터 전달, 즉 전기적 측정 신호의 전달이 보장되어야 한다. 특히 금(gold) 접점을 갖는 슬립 링이 적절한 미끄럼 접촉으로서 사용될 수 있다. 한편, 두께 측정장치의 전기 공급에 대해서도 마찬가지이다. 따라서, 신호는 직접 또는 간접적으로 교환되거나 BUS 시스템(예: ProfiBUS 또는 ProfiNET)을 통해 교환될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 양면 가공기를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래 기술의 방법을 설명하기 위한 히스토그램을 나타내는 개략적도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 히스토그램을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시 예를 도면을 참조하여, 이하에서 보다 상세히 설명한다.
달리 지적되지 않는 한, 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 대상을 나타낸다.
도 1에 도시된 양면 가공기는, 예를 들어 양면 연마기일 수 있다. 양면 가공기는 상부 가공 디스크(10)와, 상부 가공 디스크(10)에 대향하는 하부 가공 디스크(12)를 갖는다. 상부 가공 디스크(10) 및 하부 가공 디스크(12)의 일부는 각각의 경우에 가공 코팅(14), 예를 들어, 연마포일 수 있다. 이 가공 코팅(14)으로 인해, 상부 및 하부 가공 디스크(10 및 12)는 이들 사이에 피가공재의 재료를 제거하는 가공을 위한 가공 간극(16)의 범위를 정한다. 양 가공 디스크 사이에는 예시적인 목적을 위해, 예를 들어 웨이퍼 같은 피가공재(18)가 있다. 예를 들어, 회전 가능하게 배치된 회전자 디스크가 실제로 가공 간극(16) 내에 제공될 수 있으며, 이 회전자 디스크는 각각 가공 간극(16)에서의 동시 가공을 위한 다수의 피가공재를 수용한다.
도시된 실시예에서, 관통홀(20), 특히 관통 구멍이 상부 가공 디스크(10)에 형성되어 있다. 상부 가공 디스크(10)에 부착되는 두께 측정장치의 광집속기(22)는 관통홀(20)에 위치된다. 광집속기(22)는 예를 들어, 적절한 렌즈를 포함할 수 있다. 도시한 예에서, 보호창(24)은 광집속기(22)와 가공 간극(16) 사이의 관통홀(20) 내에 배치된다. 관통홀(20)의 타단부는 적절한 밀봉 요소(26)로 도시되어 있다. 두께 측정장치는 진동 댐퍼(30)에 의해 상부 가공 디스크(10)의 상측에 부착된 측정 및 평가 유닛(28)을 추가로 포함한다. 한편, 광학 방사원, 예를 들어, 레이저, 바람직하게는 적외선 레이저가 측정 및 평가 유닛(28)에 배치된다. 광학 방사원으로부터 방출된 방사선은 광섬유 케이블(32), 특히 유리 섬유를 통해 광집속기(22)로 전달되고, 광집속기(22)에 의해 광학 방사선에 적어도 부분적으로 투명한 보호창(24)을 통해 피가공재(18) 상에 집속된다. 또한, 광학 방사 센서, 예를 들어 CCD 센서 및, 예를 들어 광학 그리드가 측정 및 평가 유닛 28 내에 추가적으로 위치된다. 측정 및 평가 유닛(28)은 광학 방사선을 방출하도록 방사원을 제어한다. 이는 피가공재(18)의 상측에 의해 부분적으로 반사되고, 피가공재(18)에 부분적으로 입사되며, 피가공재(18)의 하측에 의해 반사되고 나서 피가공재(18)를 다시 통과한 후에 상측에서 다시 빠져 나간다. 피가공재의 상측 및 피가공재의 하측으로부터 되돌아 오는 광학 방사선은 광집속기(22) 및 광섬유 케이블(32)을 통해 측정 및 평가 유닛(28)에 배치된 센서로 전달되어 서로 간섭한다. 센서에 의해 수신된 측정 신호는 피가공재의 두께(18)를 결정하기 위해 측정 및 평가 유닛(28)에서 평가될 수 있다. 특히, 피가공재의 두께는 예를 들어 WO 2010/037452 A1에 기재된 바와 같이, 간섭측정으로 확인할 수 있다.
측정된 값은 양면 가공기의 구동 샤프트(38)의 영역에 제공된 슬립 링과 같은 회전 조인트(36)에서 신호 라인(34)을 통해 도달하고, 이를 통해 상부 가공 디스크(10)는 동작 중에 회전가능케 구동된다. 회전 조인트(36)의 타단부는 추가 신호 라인(40)을 통해 양면 가공기의 제어장치(42)(PLC)에 연결된다. 또한, 두께 측정장치용 전원 공급 장치(44)가 도시되어 있다. 전원 공급 장치는 제 1전력 라인(46), 예를 들어 슬립 링과 같은 또 다른 회전 조인트(48)를 통해 다시 제공되며, 상기 슬립 링은 구동 샤프트(38) 및 두께 측정장치에 연결된 제 2전원 라인(50) 상에 배치된다.
피가공재의 두께는 이 양면 가공기로 수행되는 본 발명에 따른 방법으로 신뢰성 있고 정확한 방식으로 가공 중에 확인할 수 있다. 제공된 측정 결과에 의거하여 사전에 규정한 목표 두께에 도달한는 것이 제어장치(42)에 의해 규명되면, 제어장치(42)는 현재의 가공 동작을 종료한다. 다음에, 제어장치(42)는 특정된 후속 가공 단계를 시작하거나 피가공재의 가공을 모두 종료할 수 있다.
예시적인 이유로, 도 1은 단지 하나의 관통 구멍을 통해 피가공재의 두께를 측정하는 두께 측정장치만을 나타낸다. 물론, 상부 작업 디스크(10) 및/또는 하부 작업 디스크(12) 상에 배치된 다수의 두께 측정장치에 의한 것인지, 또는 단지 하나의 두께 측정장치에 의한 것인지에 상관없이, 동시에 또는 시차를 두고 다수의 관통 구멍을 통해 피가공재의 두께를 측정할 수 있는데, 두께 측정장치의 광 경로가 상기 원리에서 설명한 바와 같은 적절한 방식으로 분할된다.
도 2는 가공 후의 피가공재에 대해서 확인된 두께 측정값 또는 다수의 가공된 피가공재, 이 경우에, 웨이퍼에 대한 본 발명에 따른 두께 측정을 하지 않는 종래의 양면 가공 방법에 있어서 목표 두께로부터 피가공재의 편차의 도수 분포를 나타낸다. 도 3은 가공후 확인된 두께 측정값 또는 동일한 양면 가공기에 대한 목표 두께로부터의 편차의 도수 분포를 나타내지만, 이 경우에, 다수의 가공된 피가공재, 이 경우 다시 웨이퍼에 대한 본 발명에 따른 두께 결정을 나타낸다. 본 발명의 따른 공정을 사용할 때, 두께 편차는 종래 방법에 비해 현저히 낮은 것은 명백하다. 특히, 본 발명에 따른 방법의 표준 편차 2σ의 2 배는 단지 0.25㎛ 인 반면, 종래의 방법에서는 1.11㎛ 이다.

Claims (18)

  1. 양면 가공기에서 가공되는 편평한 피가공재(18)의 두께를 측정하는 방법에 있어서,
    가공 디스크(10 및 12)가 재료를 제거하는 방식으로 서로에 대해 상대 회전하는 동안, 상기 피가공재를 상기 양면 가공기의 상부 가공 디스크(10)와 하부 가공 디스크(12) 사이에 형성된 가공 간극(16)에서 가공하는 단계;
    상기 피가공재(18)의 가공 중에 상기 상부 가공 디스크(10) 및/또는 상기 하부 가공 디스크(12) 상에 배치된 하나 이상의 광학 두께 측정장치에 의해 상기 피가공재의 두께를 광학적으로 측정하되, 상기 하나 이상의 두께 측정장치는 상기 상부 가공 디스크(10) 및/또는 상기 하부 가공 디스크(12)에서 하나 이상의 관통홀(20)을 통해 가공 간극(16)에 위치된 상기 피가공재(18) 두께를 측정하는 단계;
    상기 하나 이상의 두께 측정장치의 측정 결과를 상기 양면 가공기의 제어장치(42)에 공급하는 단계; 및
    상기 피가공재(18)의 사전에 규정한 목표 두께에 도달 시, 제어장치(42)는 피가공재의 가공 동작을 종료하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 두께 측정장치는 간섭계 두께 측정 방법에 의해 피가공재(18)의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하나의 두께 측정장치의 광학 방사원은 적외 방사선을 방출하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 두께 측정장치의 하나 이상의 광집속기(22)는 상기 하나 이상의 관통홀(20)에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광집속기(22)는 1mm 이상, 바람직하게는 2mm이상의 초점 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관통홀(20)은 가공 간극(16)으로 들어가는 영역에서 압축 공기로 채워지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공 간극(16)에 대한 과다 압력이 상기 하나 이상의 관통홀(20)에서 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 두께 측정장치의 광학 방사원으로부터의 광학 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한 하나 이상의 보호창(24)이 상기 두께 측정장치와 상기 가공 간극(16) 사이의 상기 하나 이상의 관통홀(20)에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보호창(24)은 산화 알루미늄 또는 불화 칼슘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보호창(24)은 하나 이상의 관통홀(20)을 구비하는 상기 가공 디스크의 상기 가공 간극(16)을 10mm 이하, 바람직하게는 3mm 이하, 더욱 바람직하게는 1mm 이하, 가장 바람직하게는 0.3mm 이하로 범위를 정하면서, 표면에 대해 더 후방에 세팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 보호창(24)은 세정액을 이용하여 세정 장치에 의해 상기 가공 간극(16)의 측면으로부터 세정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항 어느 한 항에 있어서,
    상기 피가공재의 두께는 상부 가공 디스크(10) 및/또는 하부 가공 디스크(12)에 형성된 다수의 관통홀(20)에 의해 상기 피가공재(18)를 가공하는 동안 광학적으로 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 피가공재의 두께는 가공 중에 상이한 관통홀(20)을 통해서 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 피가공재의 두께는 가공 중에 상이한 관통홀(20)을 통해서 상이한 시간에 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 피가공재(18)는 상기 양면 가공기에서 동시에 처리되며, 상기 하나 이상의 두께 측정장치의 측정 결과는 각 경우에 하나의 피가공재(18)에 명백하게 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 두께 측정장치는 상기 상부 가공 디스크(10) 및/또는 상기 하부 가공 디스크(12) 상에 진동 감쇠 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 가공 디스크(10 및 12)와는 별도의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 두께 측정장치와 상기 제어장치(42) 사이의 데이터 전달 및 상기 하나 이상의 두께 측정장치의 전기 공급은 하나 이상의 미끄럼 접촉을 통해 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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