TWI515081B - 用於至少三個工件的雙面同時去除材料處理的方法 - Google Patents

用於至少三個工件的雙面同時去除材料處理的方法 Download PDF

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Description

用於至少三個工件的雙面同時去除材料處理的方法
本發明係關於一種用於在雙面處理設備的旋轉的上工作盤(working disk)與旋轉的下工作盤之間的至少三個工件的雙面同時去除材料處理的方法。該等工件以可自由移動的方式位於引導籠(guide cage)中各開口中，並在壓力下藉由引導籠在兩個工作盤之間形成的工作間隙中移動。在達到預先選擇的工件的目標厚度後，啟動減速過程，在該過程中減低上工作盤、下工作盤和引導籠的所有驅動器i的角速度ωi(t)，直至兩個工作盤和引導籠停止。
現代工業中許多產品都需要非常準確處理的晶圓型工件。這些是例如極平的高純度環形晶圓-就尺寸而言，提供了窄容差-其由用於電腦的磁性大型存放區裝置(硬碟)的生產的作為基材的玻璃或鋁、光學玻璃和「平面」、用於光電池的生產的半導體晶圓等組成。尤其迫切地需要單晶半導體晶圓，作為與電子學、微電子學和微機電學有關的功能部件的原材料，因此，在下文中將其生產用來例示說明本發明及其目的。
群處理法(group processing method)對於生產具有特別均一的厚度(半導體晶圓的前後兩側平行度)和平整度(前後兩側的平面性)的半導體晶圓是特別有利的，在群處理法中，以去除材料的方式同時處理半導體晶圓的兩側，並從而將其轉變為預期的平面平行的所需形式，其中，係以自由漂浮方式導引半導體晶圓，而不固定鉗在處理設備的參考夾具上。此類自由漂浮雙面群處理 法可以以磨削、研磨和拋光方法實施。
在此情況下，在兩個大的環形工作盤之間，以去除材料方式同時處理多個半導體晶圓的兩側。為此，將半導體晶圓分別插入到多個薄引導籠的容器開口(receptacle opening)中。引導籠也稱為承載件(carrier)，具有外齒。齒與設置在環形工作盤的內圓周內的驅動環(「恆星齒輪」)和設置在環形工作盤的外圓周之外的驅動環(「內齒輪」)嚙合。作為工作盤、恆星齒輪和內齒輪旋轉的結果，承載件及因此的半導體晶圓在工作盤上運行出擺線軌跡。這個稱為「行星齒輪傳動」的設置導致了半導體晶圓的特別均一的、各向同性的和規則的處理。
在研磨的情況中，將由在通常含油的、含乙二醇的或水性載體液體中的具有磨損作用的鬆散固體(研磨顆粒)組成的漿料供應至在工作盤、承載件之間形成的工作間隙，半導體晶圓在該工作間隙中移動。工作盤在其與半導體晶圓接觸的區域中不含具有磨損作用的物質。藉助在壓力下的工作盤與半導體晶圓之間的相對運動，並外加上該漿料(也稱為「研磨漿」)來實現材料去除。
在雙面拋光的情況中，在每種情況中，工作盤朝向半導體晶圓的工作表面被拋光墊覆蓋。因此，在拋光墊之間形成了半導體晶圓在其中移動的工作間隙。代替研磨劑，將拋光劑加入該工作間隙中。這通常是pH值在10到13之間的二氧化矽溶膠的水性膠體分散體。在此情況下，拋光墊不含致使材料去除的研磨物質。
在行星運動學的雙面磨削的情況中，工作盤朝向工件的各個工作表面都包括具有與工件嚙合的固定黏結的研磨物質的工作層。將不含致使機械材料去除的研磨物質的冷卻滑潤劑供應至在工作 層之間形成的工作間隙。工作層可以是磨削墊(grinding pad)，其藉助黏結劑黏結、磁性地、藉助真空或者以強制聯鎖方式(positively locking manner)(例如，藉助鉤環固定件)連接到工作盤，並可以藉助剝離動作來去除。固定黏結到磨削墊內的研磨顆粒較佳是金剛石，或者也可以是碳化矽(SiC)、氮化硼(立方氮化硼，CBN)、碳化硼(B4C)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)或者所提及材料的混合物。工作層也可以由含有研磨物質的多種堅硬的磨削體組成。或者工作盤自身可以體現為磨石，即其自身含有研磨物質，從而無需進一步用磨削墊或者磨削體覆蓋。供應至工作間隙的冷卻潤滑劑較佳是純水，視需要地，也可以添加黏度改變劑(乙二醇、親水性膠體)或者以化學作用協助材料去除(PH>10)的試劑。例如，在DE102007013058A1中描述了利用行星運動學雙面磨削，在DE19937784A1中描述了一種適合的設備，在US5958794中公開了適合的磨削墊，以及在DE1020070498A1中公開了適合的承載件。
還已知所謂的軌道磨削，其中，將半導體晶圓插入到單個引導籠中，其覆蓋整個圓形(不是環形)的工作盤，並受驅動以藉助安裝在工作盤外的偏心機構實現陀螺運動。例如在US2009/0311863A1中描述了該方法。
所有這些提及的方法皆旨在得到具有特別均一的厚度(半導體晶圓的前後兩側平行度)和平整度(前後兩側的平面性)的半導體晶圓。此外，希望使半導體晶圓與半導體晶圓之間的、批次之間的、以及實際值(處理後的實際厚度)與預期值(目標厚度)之間的厚度偏差盡可能小。已經發現，特別是在雙面磨削方法中 會出現批次之間的、以及實際值與目標厚度之間的相對大的偏差。只有通過藉助後續步驟(雙面拋光)的增加材料去除才能補償這些偏差，由於磨削的半導體晶圓的小損傷深度，實際上只實現了非常少的材料去除，從而不必要地延長了雙面拋光過程中的處理時間。
目的
因此，本發明基於改進已知的雙面群處理方法，尤其是相應的磨削方法的目的，從而減小了批次之間的、以及實際值與預期值之間的厚度偏差。在此情況中，必須保持工件與工件之間的及工件內(兩個表面的平面平整度)的小厚度偏差，還有根據現有技術獲得的工件的良好的平整度。
目的的實現
該目的係藉助用於在雙面處理設備的旋轉的上工作盤與旋轉的下工作盤之間的至少三個工件的同時雙面去除材料處理的方法來實現，其中，該工件以可自由移動的方式位於引導籠中各開口中，並在壓力下由引導籠在兩個工作盤之間形成的工作間隙中移動，其中，在達到預先選擇的工件的目標厚度後，啟動減速過程，在該過程中減低上工作盤、下工作盤和引導籠的所有驅動器i的角速度ωi(t)，直至兩個工作盤和引導籠停止，其中，係以如下方式來減低所有驅動器i的角速度ωi(t)：在減速階段中，作為時間t的函數的所有角速度ωi(t)彼此之間的比率與達到預先選擇的目標厚度的時刻的比率偏離不大於10%，且較佳不大於5%。
在此情況中，可根據公式，即與時間呈線性相 關，減小減速過程中的驅動器i的角速度ωi(t)。
然而，對於每單位時間的各個驅動器i的角速度ωi(t)中的變化量，較佳係在減速過程期間增大。這較佳藉由根據公式來減小各個驅動器i的角速度ωi(t)來實現。
在此情況下，ω i,0表示在減速過程開始時的角速度，J i 表示轉動慣量，其中，J i =ʃρ i (τ)r 2dτ，ρ i (τ)表示密度分佈，r表示與旋轉軸的距離，k i 表示驅動器i的減速能力(deceleration capacity)，dτ表示包含驅動器i的旋轉部分的體積τ的無窮小元素，t表示時間。
在此情況下，如果預先確定在減速過程開始時的角速度ω i,0和從減速開始到所有驅動器停止的持續時間tbr，所需的減速能力k i 的結果如下：。
減速過程的持續時間tbr較佳由具有最大角動量L i =J i ω i,0的驅動器i來確定。
依據上述要求而進行的根據雙面群處理法的半導體晶圓的厚度和平面平整度的處理，以下考量導致了本發明：
原則上，藉助處理過程中的厚度測量和在達到目標厚度後的最終處理，或者藉助作為時間及處理持續時間的相應定義的函數的材料去除的準確知識，可以實現半導體晶圓的規定最終厚度。
所有上述雙面群處理法所共同具有的是：不能直接在材料去除過程中確定工件的厚度，因為由於旋轉的工作盤和在其中移動的容納工件的引導籠，自由漂浮的工件不容易得到直接探測或無接觸的測量。因此，替代方式為，在工作間隙外，例如，藉助應變儀或者以類似的方式，以電感(inductively)、電容(capacitively) 的方式來確定兩個工作盤之間的距離。例如，在DE3213252A1中描述了根據渦流原理的測量工作盤之間距離的無接觸感測器。
在研磨的情況下和雙面拋光的情況下，可以利用從工件去除材料和工件表面的磨損在很大程度上滿足已知的Preston公式(Preston，F.，J.Soc.Glass Technol.11(1927)，214-256)的事實。這個公式使得可以由已經實施的處理得出對達到工件的預期目標厚度所需的處理持續時間的預測。在這些方法中，藉由選擇處理持續時間可以相對良好地達到預期目標厚度。
然而，在磨削過程中的材料去除無法滿足Preston公式：儘管在研磨或拋光過程中，材料去除與速度或壓力在很大範圍中成比例(通過原點的直線)，尤其是對於極低的速度或壓力，磨削去除係極其非線性地依賴於壓力和速度。這可以由例如Tönshoff等人之CIRP Annals-Manufacturing Technology，Vol.41(2)，(1992)677-688得知。在磨削過程中，材料去除與速度和壓力的依賴性明顯非表現為通過原點的直線。例如，為了使材料去除，最小的壓力和最小的速度是必要的。
不僅在處理過程中(即在工作盤旋轉的情況下)，尤其也在處理過程結束時，即在工作盤靜止，可以卸下處理的工件時的情況下，必須達到均一的工件厚度。為此，在處理結束時必須停止工作盤。例如，如同在DE19937784B4中描述的，通常用於研磨的雙面處理設備的上工作盤具有約2公尺的直徑和約2000公斤的移動質量(moved mass)。例如，如同在DE10007390A1中描述的，通常用於磨削或雙面拋光的設備的上工作盤同樣具有約2公尺的直徑和不超過4500公斤的移動質量。
用於研磨、磨削或拋光之具有約2公尺直徑的工作盤的雙面處理設備的典型的工作旋轉速度約為30轉/分鐘(RPM)。由於大質量慣性及因此的運動中所存儲的高能量，具有上述典型尺寸、移動質量和典型的角速度ω的工作盤不能不減速地停止。實際上，沒有驅動器，其軸承，或者就是處理設備的整個機架超載的情況下，在研磨情況下通常可以在大約10秒內、在磨削或拋光情況下可以在大約30秒內，將工作盤減速到停止。
亦不能任意地快速減小在處理過程中上工作盤藉以承載工件和下工作盤，以及從而導致相對運動過程中從工件去除材料的壓力。在提及的方法中，通常的處理壓力總是低於上工作盤的重力，例如，對於總共15個直徑為300毫米的半導體晶圓(5個承載件，各有三個半導體晶圓)在750到1750公斤之間。因此，在處理過程中，上工作盤總是在部分卸載的情況下承載工件。為了減小壓力，工作盤必須經受更多的卸載。這是以液壓方式、氣動方式或者藉助機械制動設備來進行的。卸載(以工作流體填充液壓缸；以空氣填充起重風箱；施加機械制動設備的力)與質量輸運(工作流體、空氣、槓桿或者活塞)相關，因此同樣需要時間，通常同樣是約為10秒。
在處理結束時驅動器減速，直到所有驅動器停止的過程中(減速過程)，材料係繼續被去除。由於得到的材料去除速率的Preston關係，可以極佳地預測材料去除，該Preston關係在非常大的壓力和速度範圍中都是有效的，結果可非常準確的獲知當驅動器停止時可預計的工件的最終厚度。因此，處理過程可以更早地結束，可以開始驅動器的減速，以使得在停止時可以僅以很小的偏差來 達到預期的目標厚度。
此外，材料去除速率在拋光過程中和研磨過程中相對較低，它們在根據Preston之減速過程中進一步降低，而與瞬時壓力和瞬時軌跡速度成比例。在拋光過程中，0.2到0.3微米/分鐘的典型去除速率出現在額定旋轉速度時。在30秒(0.5分鐘)的減速過程持續時間的情況下，如果以驅動器旋轉速度的恆定減速來促使其停止，那麼所謂的「後拋光」，即在減速過程中額外的材料去除，相應地僅約為60奈米。
在研磨過程中，去除速率在2.5到7.5微米/分鐘之間，對於使用精細顆粒的特別柔和的研磨過程僅約為2微米/分鐘。對於使用精細顆粒研磨的半導體晶圓，在減速過程中所謂的「後研磨」僅約為160奈米。這是可以與拋光情況下通常的60奈米的後拋光相比的小數量，因為無論如何在精細研磨之後所需的拋光過程中都需要更多的材料去除，以便可以容許初始厚度的較大波動。使用更粗顆粒研磨的半導體晶圓無論如何都會經過蝕刻處理，這相當大地削弱了半導體晶圓的厚度恆定性和平面平整度。
由於柔和的磨削過程，雙面磨削的半導體晶圓僅有小的損傷深度，以致於隨後僅需要小的拋光去除。另外，較佳將水用作磨削過程中的冷卻潤滑劑，以使磨削的半導體晶圓不必進行複雜的清潔，特別是額外的蝕刻，這總會致使額外材料去除，及隨之而來的半導體晶圓尺寸變化。雙面磨削的半導體晶圓因此正好適合於在隨後的拋光過程中的進一步處理，其使得整個生產工程完畢。因此，磨削的半導體晶圓必須具有給與所有半導體晶圓特別小的容差的厚度分佈。另一方面，在雙面磨削過程中獲得了大於20微 米/分鐘的材料去除速率，以致於在減速過程中仍會去除數微米的材料。由於不能用Preston公式來預測在磨削過程中的材料去除，且變化係極大地取決於磨削工具的現有狀態，因此磨削情況下被處理的工件的厚度偏差特別高，這不能以對磨削的工件的厚度恆定性的特別嚴格的要求來協調。
於是可以嘗試減少由被分別盡可能快地減速到停止的所有驅動器進行的在減速過程中實施的材料去除，以及因此的完成的磨削工件的厚度波動，其中，假定在減速過程中仍間歇性(inadmittently)去除的材料的厚度結果也同樣地成為最小。這種用於盡可能快地停止所有驅動器的方法在現有技術中被稱為緊急關機功能。這個功能目的是在為儘快達到停止而引起干擾的情況下，使得對安裝操作者造成危險的所有被移動裝置部件減到最少。
例如，US2001056544A描述了關於如何通過評價檢測被移動裝置部件的不同變數及全系統在其環境中的狀態的不同感測器，而可能使可移動的裝置部件達到停止的多種方法。
儘管現有技術中已知的迅速停止或緊急關機系統可以迅速地使被移動裝置部件達到停止，由此減小持續時間，並從而推斷也減小了不希望出現的後磨削的量，但已經發現藉助以此方式達到靜止的驅動器磨削的半導體晶圓的平整度通常極差。此會抵消經處理的半導體晶圓之極佳平面平行度的優勢，另外，下游的材料去除處理步驟將會是必要的，以便再次改善所產生的半導體晶圓的較差平整度。如此將會導致極不經濟的總體處理。
現有技術中已知的用於迅速停止被移動裝置部件的措施因此不適合於生產相對於目標厚度尺寸精確的平坦半導體晶圓。
從這個見解出發，進行了大量的研究以便找到快速停機過程必須滿足何種條件，使得同時實現相對於目標厚度的良好平整度和良好尺寸精度。
在兩種市場上可購買到的使用行星運動學的雙面處理機器上執行磨削方法，一種是Peter Wolters股份有限公司的AC-2000，一種是Hamai股份有限公司的32BF。AC-2000具有兩個環形工作盤，外直徑1935毫米，內直徑563毫米；32BF具有兩個環形工作盤，外直徑2120毫米，內直徑740毫米。AC-2000可以容納5個承載件，各個都具有三個直徑300毫米的半導體晶圓。在32BF的情況中也使用了5個承載件，各個都具有三個直徑300毫米的半導體晶圓。容納直徑300毫米的各個半導體晶圓的開口是圍繞承載件中心設置在這個小節距圓上的已用的開口，以使得，確切地如在AC-2000上，半導體晶圓在其在工作盤上的移動過程中，不凸出或者僅略微凸出(<10毫米)其邊緣。
將3M的677XAEL型磨削墊以膠黏黏結到兩個雙面處理設備的工作盤上，作為工作層。該墊含有黏結形式的作為磨料的金剛石。藉助在其上固定了燒結剛玉磨削體的修剪盤來修剪磨削墊。結果，在與半導體晶圓接觸的磨削墊的相對表面之間獲得了半徑數微米的平面平行的工作間隙。結果，原則上為能夠對於一個批次的半導體晶圓產生極佳的且相同的厚度和其表面的平行度提供了先決條件。
藉助使用行星運動學的雙面處理機器上的磨削墊進行的雙面磨削在下文中簡稱為PPG方法(「行星墊磨削(planetary pad grinding)」)。
用具有約900微米的初始厚度的半導體晶圓進行了許多磨削實驗，該半導體晶圓是藉助線分離研磨(線鋸)從Si(100)單晶體棒切割而來的，校準為300毫米直徑並經過邊緣圓整。將825微米定義為藉助PPG方法的處理之後的目標厚度，其旨在由所有半導體晶圓以很小的厚度偏差和良好的平整度(約1微米的整體平整度偏差(global flatness variation，TTV)盡可能準確地實現。
兩種雙面處理設備都具有相對於時間和旋轉速度方面彼此獨立可調的四個主驅動器(內外驅動器環，上下工作盤)，在多個所謂的載入步驟中可以為其選擇另外的參數，例如，上工作盤的外加負載(磨削壓力)和冷卻潤滑劑的供應。另外，兩種設備都具有測量工具，用於測量工作盤之間的距離。由於所用的磨削墊在各次實驗批次之間僅受到極小磨損，有可能在測量磨削墊厚度後，依據工作盤之間的測量距離極為準確地推斷出磨削墊相對的工作表面之間的工作間隙的實際寬度，從而得到半導體晶圓的厚度。
藉助這個實驗安排，獲得了上工作盤在15個直徑300毫米的半導體晶圓上給定的約1000十牛頓(daN)的外加負載，在每一劈次中約為20微米/分鐘的去除速率，該半導體晶圓位於約30轉/分鐘(RPM)反向旋轉的工作盤上。首先，對於約20秒的直至主驅動器停止的減速過程的平均持續時間tbr，估計了約3.5微米的預期「後磨削」(在減速過程中半導體晶圓的厚度減小)，並作為容差增加到最終切斷值，在達到它後，驅動器的減速開始，以便盡可能好地實現藉助驅動器停止的825微米的目標厚度。
經發現，在沒有更多措施的情況下，驅動器盡可能快地停止時，所實際獲得的半導體晶圓的厚度在各批次中與目標厚度偏離達到 ±5微米。此外，出現了即使在低磨削壓力和旋轉速度下，在某些情況下仍顯然導致了每分鐘數微米的去除速率，這解釋了這些厚度偏差明顯高於估計為3.5微米的後磨削，此外，這些極大地取決於各個驅動器所使用的減速特性。在每一批次中，單個半導體晶圓的平均厚度如預期的彼此非常接近(<0.5微米)，這表明初始厚度的偏差和75微米的所選材料去除及在總去除期間工作間隙的基本上一致的平面平行形式是足夠的，並且PPG磨削實驗的結果沒有受到初始半導體晶圓的缺陷的不利影響。
尤其明顯地，由於在PPG磨削過程中程式上的典型高平均材料去除速率，同樣在使驅動器達到停止時，從半導體晶圓去除了如此多的材料，使得不僅錯過了目標厚度好幾微米，且尤其還得到了極差的平面平行度(大於5微米的整體厚度波動)，此外各批之間波動極大。
當希望依靠驅動器的可能的最短總減速時間達到影響最小，而在每一種情況下盡可能快地減速各個驅動器時，該波動尤其大。所有驅動器在可能的最短時間內達到停止的這個減速係對應於這個裝置在緊急關機啟動後的行為。在此情況下，驅動器環的驅動器僅在幾秒後就靜止了，下工作盤是在約10秒後靜止，而具有最大質量的上工作盤是在約20秒後靜止。結果產生的致使材料去除的工作盤與半導體晶圓的相對運動整體上係盡可能的短。
然而，在此情況下，在半導體晶圓上的磨削摩擦力在某些場合下且在各批次波動下，被證明是非常不平衡的，該力顯然產生於驅動器的不同減速時間，以至於施加在半導體晶圓上的結果產生的摩擦力矩非常高，使得個別情況下半導體晶圓或承載件超載， 並且出現半導體晶圓的破裂或者承載件外齒的齒牙變形。
第1(A)圖顯示了作為對比實施例的、用於未根據本發明的方法的減速過程中，驅動器i的旋轉速度的減低(i=1：上工作盤，曲線1；i=2：下工作盤，曲線2；i=3：內驅動環，曲線3；i=4：外驅動環，曲線4)。在這個實施例以及所有隨後的實施例和對比實施例中，在減速過程開始時驅動器i的旋轉速度v i,0是v 1,0=27RPM(上工作盤，1)，v 2,0=33RPM(下工作盤，2)，v 3,0=15RPM(內驅動環，3)，v 4,0=8RPM(外驅動環，4)。在此及下文中，為了清楚，在每一情況下，僅指出角速度|ω i |和旋轉速度|v i |的量值。
在下文中，角速度ω i 和旋轉速度v i 係彼此並列使用；角速度是因為它們可以更清楚地表示正式的關係；旋轉速度是因為它們在適合於執行本發明的處理過程的公式表示中是合乎慣例的，並且作為所用設備的直接設定的參數。角速度通常是向量，其指向旋轉軸的方向，並具有的長度(量值)。由於在此考慮的處理設備的所有驅動器的旋轉軸都是共線的(沒有方向依賴性)，也可以僅基於標量(向量的量值)以簡單的方式給出運動順序的完整描述。
第1(A)圖中顯示的對比實施例對應於所有驅動器的減速(以取決於設計之方式)，在減速過程開始時是可能的最高減速(時間原點選擇在減速開始時)，隨後在整個減速過程中以恆定方式保持減速，直到驅動器停止。在此情況下，隨時間線性向下調節旋轉速度，(旋轉速度的時間導數保持恆定)。這種情況對應於在緊急關機的線性減速特性情況下，在時刻t=0秒啟動緊急關機後驅動器達到停止。
由於質量不同，因此，存儲的旋轉能量取決於被驅動的裝置部件的旋轉速度，可以以不同速率(角速度的時間導數，減速)使不同的驅動器減速；在所示的對比實施例中，驅動器的最大減速速率是i=1...4：(1/分鐘．秒)、、和。實務上易於使用的單位1/(分鐘．秒)在此意思是在一秒中將角速度(單位：1/min(1/分鐘))減小各自指定的值(單位：1/分鐘)。取決於減速速率和驅動器在減速過程開始時的初始旋轉速度，因此在使用盡可能快的減速過程時，驅動器通常以不同的速度達到停止。特別地，它們也可以總體上在減速過程中彼此「趕上(overtake)」：儘管下工作盤以高於ω 1,0=2π×27RPM(1)的上工作盤的ω 2,0=2π×33RPM(2)的角速度開始減速過程，但其更快地達到停止，即在約16秒後，而上工作盤在約18秒後達到停止，因為，可以更快地使下工作盤減速，即以，而更重的上工作盤只能以減速。
在以最大速度進行的減速過程中，半導體晶圓在減速時間中受到相對於致使材料去除的磨削墊的不斷變化的速度。去除行為是難以預測的，藉以相對於磨削墊移動半導體晶圓的不一致性(各向異性)導致了頻繁的負載變化(相對開始速度的逆轉)，在所有驅動器停止後獲得具有極差整體平整度(TTV，總厚度偏差)的半導體晶圓(TTV不超過5微米)。特別地，以此方式處理的半導體晶圓證明是楔形的，意即它們沿其一個直徑具有厚度梯度。這表明半導體晶圓在減速過程中在承載件的其收容器(receptacle)開口中沒有以不受干擾的方式且一致地(統計上的)旋轉。
作為轉矩作用的結果，裝置部件i的角動量中的時間變化 以關係來描述。在此情況下，轉矩為，其中，表示具有以1/秒或1/分鐘計的旋轉速度v i 的裝置部件i的具有量值的角速度的向量。在此情況下，Ji是質量m i =ʃρ i (τ)dτ的旋轉裝置部件i的轉動慣量，其中，J i =ʃρ i (τ)．r 2．dτ，ρ i (τ)表示裝置部件i在體積元素τ中的密度，r表示體積元素與旋轉軸之間的距離，ʃ...dτ表示裝置部件包括的所有體積元素τ的積分。對於盡可能快的驅動器減速的實際可能的最高減速速率實際上起因於將在減速期間施加的轉矩侷限於以角動量旋轉的驅動器i的事實。如果超過最大轉矩，設備的部件就會超載。例如，用於驅動器i的旋轉軸的軸承設置以至整個處理設備的機架都會永久塑性變形以至發生故障(破裂)，尤其是在特定的固體的重工作盤過於快速地減速的情況下。
第1(B)圖顯示了根據本發明的方法的實例，其中，如同根據第1(A)圖的對比實施例，同樣地線性減速驅動器，但現在使得任意兩個不同驅動器的旋轉速度在減速過程中的各個時間點都具有相同的比率。為此所需的最少的減速過程的總持續時間由具有最高旋轉能量的驅動器i來確定，就是說，依據其轉動慣量Ji(因此可能的最大減速速率為)和在減速過程開始時的其角速度ω i,0。在第1(B)圖所示的實施例中，上工作盤具有最高角動量，其因此確定了根據本發明的可能的最快減速過程。根據本發明，隨後在減速過程中所有情況下都準確地減速驅動器，以使得任意兩個驅動器的瞬時角速度的比率在各個時間點都是恆定的，其中，i≠j，意即。可以如下方式來滿足條件： 也就是說 即選擇兩個不同驅動器i和j的減速速率的比，以使得其準確地對應於減速過程開始時的初始角速度ω i,0和ω j,0的比， 。
在第1(B)圖所示的實例中，減速過程開始時的角速度再次為ω 1,0=2π×27RPM(上工作盤，1)，ω 2,0=2π×33RPM(下工作盤，5)，ω 3,0=2π×15RPM(內驅動環，6)，ω 4,0=8RPM(外驅動環，7)，且將減速選擇為(減速曲線1的斜率)，(曲線2的斜率)，(曲線3的斜率)，(曲線4的斜率)。為了確認第1(B)圖所示的實施例中的減速實際上以根據本發明的恆定的驅動器角速度的比率實施，對所有驅動器核查等，i≠j。
在根據本發明實施的該方法中，在驅動器減速過程中的各個時間點，工件一直受到與達到關機目標厚度的時刻(減速過程的開始)所呈現的相同的恆定運動學。獲得平均TTV<1微米的極佳平整度，一批次的所有工件的平均厚度d與所有批次的所有工件的平均厚度之間的波動△d極小，|△d|1微米。
於是在關於驅動器的減速行為，及得到的各批次間工件的厚度波動和平整度(幾何尺寸)的研究中發現，甚至可以比上述的其旋轉速度的線性減速明顯迅速得多地使驅動器達到停止，且不會 損壞裝置，或者提供旋轉機器部件並必須吸收在減速過程中出現的能量的驅動器超載，仍可以選擇這個減速，以使得任意兩個驅動器的旋轉速度的比在減速過程中的任何時間一直恆定。
以角速度ω i 旋轉並具有轉動慣量Ji的驅動器i具有旋轉能量。在減速期間，以速率減小能量Erot，其中，-Prot表示制動功率。制動功率必須由驅動器吸收，例如藉助反相器(inverter)，其驅動旋轉裝置部件，且在驅動器的減速期間起發電機的作用，並將該制動能量輸入回能量供應系統中，或者藉助例如在制動電阻器的電力的熱轉換。如果以恆定功率進行能量轉換，驅動器和轉換單元(反相器、電阻器)會經受恆定的負載。由於這個負載(功率)是恆定的，對於全部要減低的給定旋轉能量，其(恆定的)最大值同時也是最小的。這種快速減速因此對於處理設備是特別緩和的。
依據，其遵循，即為此目的的減速必須選擇為在任何時間都準確地與驅動器i的瞬時角速度ω i =ω i (t)成反比。(在此情況下，符號上的點再次表示該符號相對於時間的微分。)
積分得到角速度ω i =ω i (t)必須依賴於時間t的關係，以便滿足這個條件：。
由初始條件確定在求解不定積分時出現的積分常數，ω i (t=0)=ω i,0，即驅動器i在時刻t=0的角速度ω i,0，工件在該時刻達到用於開機磁碟機的減速過程的目標厚度，從而得到結果。因此，
獲得為此直到停止ω i (t)=0所需的時間tbr為。這個長度 僅是在以與根據等式(2)的漸進制動情況相 同的初始減速值的情況下，通過以恆定減速(線性減速， 來制動而所需的一半。
第2(A)圖顯示了作為對比實施例的不根據本發明的減速，其中，在減速過程開始時，t=0，以相同的初始減速速率使所有驅動器i由其初始角速度ω i,0減速。在此情況下，與根據第1(A)圖中線性減速的對比實施例相同地選擇ω i,0和：ω i,0=2π×27RPM(上工作盤，曲線8)，ω 2,0=2π×33RPM(下工作盤，9)，ω 3,0=2π×15RPM(內驅動環，10)，ω 4,0=2π×8RPM(外驅動環，11)；，，，。
不考慮減半(與根據第1(A)圖的對比實施例(線性減速)相比較)的直到第2(A)圖中的各個驅動器處於停止(漸進減速)的時間，以及因此的相應減小的「後磨削」的顯而易見的推測，獲得了較差的結果：儘管一批次的所有半導體晶圓的平均厚度與多批次的所有半導體晶圓的平均厚度的平均偏差僅約為3至4微米，但如此獲得的TTV不超過5的半導體晶圓的平整度與根據第1(A)圖的對比實施例一樣差。
最後，第2(B)圖顯示了用於以根據本發明的減速方法而獲得的實施例的驅動器的減速曲線，其中，選擇減速，以使得所有驅動器都同時達到停止。在此情況下，驅動器i=1(上工作盤，曲線8)具有最大的質量m1，最大的轉動慣量J1，以及因此的最低 的可能的最快初始減速速率，再一次確定減速過程的總持續時間。在按照根據第1(B)圖的實施例選擇減速過程啟動時刻的初始減速(減速曲線8的斜率)、(曲線12的斜率)、(曲線13的斜率)、(曲線14的斜率)的情況下，根據第2(B)圖，結果得到的直到驅動器停止的減速過程的持續時間僅為與第1(B)圖相比的持續時間的一半。
在第3(B)圖中顯示了基於驅動器i=1(上工作盤)的實施例，其中，ω 1,0=2π×27RPM且(漸進制動，減速曲線12)，及ω 1,0=2π×27RPM和(線性減速，曲線1)。相反地，在與線性減速相比，初始減速減半的情況下，漸進制動也使得有可能實現與線性減速相同的、直到驅動器停止的減速過程的持續時間。相對於不可逆轉的變形或超載，這有利於特別柔和地對待由制動轉矩和處理設備的其餘結構單元載入的驅動導軌(主軸)。在第3(A)圖中顯示了再一次基於驅動器i=1(上工作盤)的實施例，其中，與ω 1,0=2π×27RPM和(線性減速，曲線1)相比，ω 1,0=2π×27RPM且(漸進制動，減速曲線15)。在此情況下獲得極佳平整度(TTV<1微米，部分甚至明顯低於這個值)和厚度波動(|d|<1微米)。
進一步的研究發現，本發明所基於的目的也可以由僅以驅動器的角速度相對於彼此基本恆定的比率而實施減速的那些方法來實現，即，發現可以允許角速度的比率受到特定的波動，以便仍獲得根據本發明的、各批次間波動極小的工件的最終厚度。這是重要的，因為實際上，僅在極困難的條件下才能實現任何時間都準 確恆定的旋轉速度比率。由於適合於執行本發明的處理設備的驅動器必須應用通常數千瓦(kW)的高功率，以便克服在處理過程中出現的處理力(磨削力、磨削摩擦力)，它們不能體現為步進電動機(低功率驅動器)(使用其能夠實現準確恆定的旋轉速度比率)，而通常必須體現為AC伺服電動機(功率驅動器)。
伺服電動機藉助閉環控制來實現其預期的旋轉速度。在此情況下，在運行期間，連續測量實際角速度ω i,ACTUAL (t)與預期角速度ω i,DESIRED (t)的偏差，根據這個控制偏差，力控制單元向驅動器輸入功率(增大旋轉速度，加速)或者從它們取走功率(減小旋轉速度，減速)。該閉環控制是必要的，因為驅動器在材料去除處理期間受到特定的交變負載(磨削工具的瞬時切割能力受到起因於磨損、依賴於溫度的摩擦力、受熱影響的形狀和力引入變化等的不斷變化)，必須進行補償。
然後發現，為了獲得根據本發明的各批次間波動很小的工件的最終厚度，假如在減速期間的角速度的實際瞬時比率與預期恆定目標比率偏離達到10%仍是足夠的。在此情況下，發現驅動器具有向上偏差(實際旋轉速度>預期旋轉速度)或向下偏差(實際旋轉速度<預期旋轉速度)並不重要，只要由實際角速度ω i,ACTUAL (t)得到的實際比率在所有情況下都與減速過程開始的時刻的比率偏離不大於10%：，i≠j。
此外，發現在減速期間的角速度的比率的偏差小於或等於5%的情況下，實際上在停止後和批次結束時獲得的工件的目標厚度的 波動，在測量精度的範圍內，與在角速度的幾乎準確(偏差<1%)恆定的比率情況下的波動相同。具有比5%小得多的旋轉速度比率的波動的減速在測量精度範圍內獲得的厚度波動中不會產生任何改進，因此是特別較佳的。
為了實現用於比較目的的具有控制偏差<1%的驅動器的閉環控制，可以改變輸入或取出功率的力控制單元(反相器)的控制特性，以便即使在小旋轉速度偏差的情況下也可以輸入或取出極高的功率。這導致非常「剛性的」(低滑動)閉環控制；但是在保持剛性的控制特性的同時，以反相器中的高損耗和平均上極大減小的可以輸入到驅動器的最大功率為代價。在這種條件下繼續運行是不經濟和低效率的，並且需要使用不相稱且超尺寸的驅動器和力控制單元。
儘管根據本發明的用於使驅動器減速的該方法完全實現了本發明所基於的目的，但已經證明，如果在裝置驅動器的減速的同時，也盡可能快地減小由上工作盤的外加負載傳送的磨削壓力是有利的。迅速減小壓力使得有可能進一步減小「後磨削」的總量。
在此情況下，發現在此情況下線性地、漸進地還是遞減地減小壓力都是非常無關緊要的。對於後磨削進一步減小至關重要的是減小壓力的總時間。這是有利的，因為由此可以選擇壓力減小的特性，以使得即使在低剩餘壓力的情況下仍可以在工作盤之間可靠地引導工件和承載件，不會出現例如上工作盤由於在壓力施加的控制期間的波動，而在驅動器仍舊旋轉的情況下已經部分升起，半導體晶圓離開承載件的情形，將會導致破裂。
然而最後，還證明了如果僅緩慢地減小壓力，以使得即使所有 驅動器都處於停止，上工作盤在工件上的剩餘外加負載仍存在也是有利的。如此導致，儘管增大了「後磨削」的量，但證明後者在各批次間是非常恆定的，以致於繼續獲得良好的平整度和小厚度波動；然而，這種PPG批次是尤其可靠的。這是因為，如同例如在較早的雙面裝置情況下常常出現的，如果上工作盤的萬向懸架是剛性且反應遲緩的，在大於零的剩餘外加負載的情況下，上工作盤已經開始搖擺，並會在仍有相當大的負載值的情況下已經部分升起。在此情況下，半導體晶圓會離開承載件中的容器開口，並發生破裂。因此，仍保留一定的剩餘外加負載直到驅動器完全停止常常是有利的。
本發明可以用於所有方法中，其中，以在兩面上的材料去除方式同時處理多個工件，其中，以在雙面處理設備的旋轉的上工作盤與旋轉的下工作盤之間以自由移動的方式，藉助一個或多個引導籠引導工件。這些係在「現有技術」部分中描述的群處理方法。已針對使用行星運動學的雙面處理方法描述了本發明，但可以類似地應用於軌道方法。
在使用行星運動學的方法中，工作盤是環形的。作為引導籠，每次處理批次，使用了至少三個圓形承載件，各個都具有至少一個用於工件的切口，且都具有在承載件圓周上沿圓周伸展的齒。齒嚙合進外驅動環和內驅動環，它們在所有情況下都相對於工作盤的旋轉軸同心設置。作為兩個驅動環旋轉的結果，沿圓周移動引導籠，其同時具有圍繞工作盤的旋轉軸的固有旋轉，以使得工件相對於兩個工作盤運行出擺線軌跡。
在軌道方法中，工作盤不是環形的，而是圓形的。準確地使用 了一個引導籠，其覆蓋了工作盤的整個區域。其通過偏心地旋轉設置在工作盤的圓周上的導輪來驅動以實現軌道運動。軌道方法在運動順序方面與行星運動學有根本上的不同。軌道方法的特徵在於以下事實：在用於各個工件的靜止參照系中(實驗室系統)總是存在各自固定的區域，其在任何時間都完全被工件覆蓋，因為容納工件的引導籠在運行軌道運動的過程中，不改變其相對於靜止實驗室系統的角定向。與之形成對照，使用行星運動學的方法特徵在於以下的事實：將工件插入多個承載件中，其通常藉助由處理設備的內驅動環和外驅動環形成的旋轉裝置，圍繞處理設備的中心旋轉。因此，作為承載件旋轉的結果，在使用行星運動學的方法中，靜止實驗室系統中通常不存在在任何時間被工件完全覆蓋的固定區域。儘管在使用行星運動學的方法中，在特定情況下也可以選擇驅動器環的旋轉速度，以使得承載件的中點在工件的材料去除處理期間相對於靜止實驗室系統保持固定，也就是說，承載件不旋轉，於是它們必須運行固有的旋轉(圍繞它們各自的中點旋轉)，以致於與軌道方法形成對照，它們的角定向受到連續的改變。
本發明可以應用於研磨、拋光和磨削的情況中，其中，如上所述，所應對的問題在磨削的情況下最大。因此，本發明在磨削情況下的應用是特別較佳的。然而，同樣可能應用在研磨或拋光情況，以便進一步改進相對於該方法獲得的目標厚度的尺寸精度，其根據現有技術已經是良好的。
參考標記和縮寫清單
1‧‧‧上工作盤的線性減速，其中，且
2‧‧‧下工作盤的線性減速，其中，且
3‧‧‧內驅動器環的線性減速，其中，且
4‧‧‧外驅動器環的線性減速，其中，且
5‧‧‧下工作盤的線性減速，其中，且
6‧‧‧內驅動器環的線性減速，其中，且
7‧‧‧外驅動器環的線性減速，其中，且
8‧‧‧上工作盤的漸進減速，其中，且(根特性)
9‧‧‧下工作盤的漸進減速，其中，且(根特性)
10‧‧‧內驅動器環的漸進減速，其中，且(根特性)
11‧‧‧外驅動器環的漸進減速，其中，且(根特性)
12‧‧‧下工作盤的漸進減速，其中，且(根特性)
13‧‧‧內驅動器環的漸進減速，其中，且(根特性)
14‧‧‧外驅動器環的漸進減速，其中，且(根特性)
ω i ‧‧‧(omega)驅動器i的角速度
|ω i |‧‧‧驅動器i的角速度的量值
ω i,0‧‧‧在減速過程開始時(t=0時)驅動器i的角速度，ω i,0=ω i (t=0)
‧‧‧驅動器i的角速度的時間導數，
v i ‧‧‧(nu)驅動器i的旋轉速度，
‧‧‧以、或、為單位的驅動器i的角速度的時間導數
λ i ‧‧‧具有線性減速的驅動器i的旋轉速度的減小量，(λ(lambda)=線性特性)，
ρ i ‧‧‧具有漸進減速的驅動器i的旋轉速度的減小量，(ρ(rho)=「根」，作為具有根特性的漸進減速的實例)，
t‧‧‧時間
第1(A)圖：用於非根據本發明的具有線性減速過程的方法的 主驅動器的旋轉速度。
第1(B)圖：用於根據本發明的具有線性減速過程的方法的主驅動器的旋轉速度。
第2(A)圖：用於非根據本發明的具有漸進減速過程的方法的主驅動器的旋轉速度。
第2(B)圖：用於根據本發明的具有漸進減速過程的方法的主驅動器的旋轉速度。
第3(A)圖：具有相同的至停止的持續時間的線性減速過程和漸進減速過程的主驅動器的相對照旋轉速度。
第3(B)圖：具有相同減速常數的線性減速過程和較短的漸進減速過程的主驅動器的旋轉速度。
8‧‧‧上工作盤的漸進減速，其中，(1/分鐘)且(1/分鐘．秒)(根特性)
12‧‧‧下工作盤的漸進減速，其中，且(根特性)
13‧‧‧內驅動器環的漸進減速，其中，且(根特性)
14‧‧‧外驅動器環的漸進減速，其中，且(根特性)

Claims (11)

  1. 一種用於在雙面處理設備的旋轉的上工作盤與旋轉的下工作盤之間的至少三個工件的雙面同時去除材料處理的方法，其中，該等工件以可自由移動的方式位於一在一引導籠中的各開口中，並在壓力下藉由引導籠在一位於兩個工作盤之間形成的工作間隙中移動，其中，在達到該工件的預先選擇的目標厚度後，啟動一減速過程，在該過程中減低該上工作盤、下工作盤和引導籠的所有驅動器i的角速度ωi(t)，直至該兩個工作盤與該引導籠停止，其中，以如下方式來減低所有驅動器i的角速度ωi(t)：在減速階段中，作為時間t的函數的所有角速度ωi(t)彼此之間的比率與達到預先選擇的目標厚度時的比率偏離不大於10%。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，以如下方式來減低所有驅動器i的角速度ωi(t)：在減速階段中，作為時間t的函數的所有角速度ωi(t)彼此之間的比率與達到預先選擇的目標厚度時的比率偏離不大於5%。
  3. 如請求項1或2所述的方法，其中，該等工作盤是環形的，其中，同時使用了至少三個圓形引導籠，每個圓形引導籠都具有至少一個用於工件的切口，且各具有一在引導籠的圓周上沿圓周伸展的齒，其中，該齒嚙合進一外驅動環和一內驅動環，它們在所有情況下都相對於工作盤的旋轉軸同心設置，並且該兩個驅動環構成引導籠的驅動器，藉助該等驅動器，該等引導籠沿圓周移動，同時具有圍繞該工作盤的旋轉 軸的固有旋轉(inherent rotation)，以使得該等工件相對於該兩個工作盤運行出擺線軌跡。
  4. 如請求項1或2所述的方法，其中該等工作盤是圓形的，且恰使用一個引導籠，其覆蓋該等工作盤的整個區域，並藉由偏心地旋轉設置在該等工作盤的圓周上的引導輪來驅動以實現軌道運動，以使得在用於各個工件的靜止參照系(resting reference system)中，存在一各自固定區域(respective stationary area)，該區域在任何時間都完全被工件覆蓋。
  5. 如請求項1或2所述的方法，其中，根據，來減低各個驅動器i的角速度ωi(t)，其中，ω i,0表示在該減速過程開始時的角速度，J i 表示轉動慣量，其中，J i =ʃρ i (τ)r 2 dτ，ρ i (τ)表示密度分佈，r表示與旋轉軸的距離，k i 表示驅動器i的減速能力，dτ表示包含驅動器i的旋轉部分的體積τ的無窮小元素，且t表示時間。
  6. 如請求項1或2所述的方法，其中，每單位時間的各個驅動器i的角速度ωi(t)的變化量在該減速過程期間增大。
  7. 如請求項6所述的方法，其中，根據來減低各個驅動器i的角速度ωi(t)，其中，ω i,0表示在該減速過程開始時的角速度，J i 表示轉動慣量，其中，J i =ʃρ i (τ)r 2 dτ，ρ i (τ)表示密度分佈，r表示與旋轉軸的距離，k i 表示驅動器i的減速能力，dτ表示包含驅動器i的旋轉部分的體積τ的無窮小元素，且t表示時間。
  8. 如請求項1或2所述的方法，其中，該減速過程的持續時間 tbr由具有最大角動量L i =J i ω i,0的驅動器i來確定，其中，ω i,0表示在減速過程開始時的角速度，J i =ʃρ i (τ)r 2 dτ表示轉動慣量，ρ i (τ)表示密度分佈，r表示與旋轉軸的距離，dτ表示包含驅動器i的旋轉部分的體積τ的無窮小元素，t表示時間。
  9. 如請求項1或2所述的方法，其中，在該減速過程中減低由該兩個工作盤施加在該工件上的壓力。
  10. 如請求項9所述的方法，其中，在該減速過程結束時的壓力係大於零。
  11. 如請求項1或2所述的方法，其中，各個工作盤分別帶有一工作層，該工作層含有固定黏結的磨料，其藉由與該等工件接觸，從而藉由磨削從該等工件去除材料。
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