WO2010054623A2 - Verfahren zum positionieren und/oder führen mindestens eines beliebigen prozesskopfes für die metallisierung von dünnen substraten in einem definierten abstand über der substratoberfläche - Google Patents

Verfahren zum positionieren und/oder führen mindestens eines beliebigen prozesskopfes für die metallisierung von dünnen substraten in einem definierten abstand über der substratoberfläche Download PDF

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Stefan Jonas
Lutz Redmann
Michael Merscher
Claudio Uriarte
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Jonas & Redmann Automationstechnik Gmbh
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    • H05K3/1241—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by ink-jet printing or drawing by dispensing

Definitions

  • the invention relates to a method for positioning and / or guiding at least one arbitrary process head (print head) or a printing unit with at least one printing nozzle for the metallization (printing) of thin substrates such as wafers at a defined distance above the surface of the paddle (paddle; Printing table) to be provided substrate (wafer).
  • the invention also relates to a device with at least one print head for carrying out such a method.
  • a substrate to be printed on a printing table is fixed, wherein the substrate and the screen used are provided with reference marks.
  • the position of the reference marks of the substrate applied to the printing table is optically detected and stored.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned above such that the positioning and / or management of at least one printhead or a printing unit with at least one printer nozzles for the metallization (printing) of thin substrates such as wafers at a defined distance above the substrate surface (wafer surface) effectively and accurately such that the plane of the opening of the print nozzle of the print head is plane-parallel to the surface of the substrate (wafer) to be positioned on the support table and the plane-parallel adjustment is maintained during the printing operation.
  • This object is achieved according to the invention in that the plane of the opening of the printing nozzle of the print head is adjusted plane-parallel to the surface of the substrate (wafer) to be positioned on the support table and the plane-parallel adjustment is maintained during the printing process by
  • upper and lower distance sensors are positioned according to each other and calibrated according to a calibration routine, determined by means of a standard body, the distance between the associated upper and lower distance sensors becomes,
  • the distance sensors by means of the distance sensors, the inclination of the surface of the support (paddle) for the substrate (wafer) and at the same time the distance between a reference plane predetermined at the print head (reference plate) and the plane of the opening of the printing nozzle are determined;
  • the position of the printing nozzle relative to the surface of the support (paddle) is subsequently determined by the distance between the reference plate of the printing head and the plane of the opening of the printing nozzle and the angle of inclination of the surface of the support (paddle;
  • the respective thickness and thickness variations (wedging) of the substrate to be printed (wafer) are determined by means of a thickness and thickness variation measuring device, - After subsequent positioning of the substrate (wafer) on the pad (printing table) the plane of the surface to be printed of the substrate (wafer) in space on the already determined level of the surface of the pad (printing table) in space and on the previously determined geometry of the substrate (wafer) is determined,
  • the print head is rotated about its X and / or Y axis by means of a process actuator until the plane of the opening of the print nozzle is set plane-parallel to the plane of the surface of the substrate (wafer) to be printed,
  • the substrate (wafer) length, width and the angle ⁇ of the rotation of the substrate (wafer) position on the surface of the support (paddle, printing table) with respect to the Z-axis of the print head are determined .
  • the distance between the plane of the opening of the printing nozzle and the surface to be printed on the substrate (wafer) is measured continuously by means provided on the print head upper distance sensors,
  • the respective measurement data are input to a process actuator for starting the forward movement of the print head in the direction of the X-axis (printing direction),
  • the process is terminated immediately or only when the determination of the level of the surface of a subsequently to be printed substrate (wafer) on the re-determined level of the surface of the pad (paddle, printing table) and the evaluation of the thickness and thickness variation of the subsequently to be printed substrate (wafer) has been performed.
  • distance sensors which are to be provided on the printhead in the printing direction in front of the printing nozzle, calibrated at a fixed distance to a predetermined calibration plane and at the same time the externally measured vertical distance between the plane of the distance sensors and the plane of the opening of the pressure nozzle is specified,
  • the position of the plane of the opening of the pressure nozzle in space to distance sensors on the printhead is determined via the measured vertical distance between the plane of the distance sensors and the plane of the opening of the pressure nozzle and the fixed distance of the distance sensors to the calibration plane,
  • the substrate (wafer) length, width and angle ⁇ of the rotation of the substrate (wafer) position on the surface of the support (paddle) with respect to the Z-axis of the print head are determined .
  • the printhead in the direction of the Y-axis until it matches its position with the detected position of the substrate (wafer) on the surface of the pad (printing table) and / or rotated about its Z-axis by the angle ⁇ ,
  • the operation of the printing nozzle is started by continuing the driving of the printing head in the direction of the X-axis (printing direction) and continuously measuring the distance between the distance sensors leading the printing nozzle and the surface of the substrate (wafer), and the obtained distance measurement values are continuously compared by a signal comparator with the predetermined (defined) distance values, wherein at an i. O. signal at the output of the signal comparator, the propulsion of the printhead in the direction of the X-axis via a feedback to the input of the process actuator in the direction of the X-axis (printing direction) is continued continuously and
  • n.i.O. Signal at the output of the signal comparator the printhead always via a drive according to the n.i.O. Signal is adjusted in the direction of the Z-axis and / or tilted about the X-axis and further driven in the direction of the X-axis (printing direction) until the second edge of the substrate (wafer) to be printed positioned on the paddle (paddle) is detected by the pressure nozzle anticipatory distance sensors, whereupon the operation of the printing nozzle of the print head (the printing process) is terminated.
  • the distance sensors detect the respective distance between the print head and the surface of the substrate (wafer) by means of laser triangulation, interferometric, acoustic, chromatic confocal, capacitive, inductive and / or other electrical basis.
  • the distance sensors can be interrogated analogously or at discrete points at specific times (digital) by means of the signal comparator. Also, inaccuracies in the mechanical suspension of the printhead and / or positional errors, thermal expansions and / or mechanical deformations of the wafer may advantageously be compensated for by matching the measured values acquired by the distance sensors with predetermined ones stored in the signal comparator Setpoint characteristic values are determined and compensated for by subsequent corresponding activation of the process actuators at the respective print head. One- or two-dimensional process actuators are used for aligning the process head (printhead).
  • the measurement of the distance between the print head or the printing unit and the surface of the substrate (wafer) by means of the distance sensors and the control of the corresponding positioning of the print head online-moderate It is preferred to control the positioning of the printhead with a robot such as a robot. performed a hexapod.
  • two upper distance sensors are provided so that their connection line does not point in the direction of movement of the process (pressure direction), the two measuring points during the movement describe two parallel straight lines in the measurement of the distance to the substrate surface and two lower sensors next to the substrate (wafer) are to be positioned so that the print head on the lower sensors in two positions A and B is to be positioned, wherein in the first position A the distances between the two upper and two lower distance sensors and in the second position B, the distances between the two lower sensors and the printer nozzles of the print head are measured.
  • the substrate surface (wafer surface) must be known. It is thus initially a calibration. For this purpose, the four distances from the two upper sensors and the print head to the two lower sensors are measured in positions A and B of the printhead. The differences provide a height offset of the printhead when a substrate (wafer) or nesting surface is measured with the top sensors. Since each wafer has an individual thickness and thickness variation (wedging), each wafer is previously used to determine these values with a suitable measuring device.
  • the calibration of the distance sensors with a fixed distance to the calibration plane first takes place.
  • the vertical distance between a sensor and the associated pressure nozzle of the print head measured.
  • the respective measured values from the calibration and the external measurement of the vertical distance between distance sensor and print nozzle of the print head are fed to an evaluation unit, from which the position of the print nozzle of the print head is determined to the distance sensors, whereby the calibration process is completed.
  • the print head is moved in the direction of the pressure movement supported on a Ausrichthandling, which is formed of a plurality of parallel metal plates arranged one above the other, the uppermost metal plate is fixed immovably, each two adjacent metal plates via guides, spindle and motors are functionally connected such that the each lower metal plate with at least one degree of freedom (displacements x, y, z and rotations ⁇ , ⁇ ) to move in addition to the degrees of freedom of the upper metal plate and thus the print head is free to position in space in up to six degrees of freedom, the direction of the pressure movement (x) given as the only degree of freedom for the bottom metal plate.
  • a Ausrichthandling which is formed of a plurality of parallel metal plates arranged one above the other, the uppermost metal plate is fixed immovably, each two adjacent metal plates via guides, spindle and motors are functionally connected such that the each lower metal plate with at least one degree of freedom (displacements x, y, z and rotations ⁇ , ⁇ ) to move
  • the individual thickness and thickness variations (wedging) and / or the geometric surface structure of the thin substrate (wafer) to be printed are determined by means of a thickness and thickness variation measuring device and / or topographic measuring system, whereupon the plane of the substrate (wafer) surface is determined by the previously performed calibration of the printing unit and the deposition of the substrate (wafer) is uniquely determined, the print head in all directions except in the printing direction x is aligned so that the subsequent movements of the print head in the printing direction x the plane of the surface of the substrate (wafer) describes a defined printing distance, wherein only the printhead from the substrate (wafer) lifted, aligned and moved to the initial x-position and before the pressure movement again moved to the required distance to the surface of the substrate (wafer).
  • the object of the invention is also achieved by a device having at least one print head, which is characterized by a printhead movably supporting the print head, which is formed of a plurality of parallel metal plates mounted one above the other, of which the uppermost metal plate is fixed immovably, by means of two in each case provided adjacent metal plates Guides, spindles and motors to move the lower metal plate with one or more degrees of freedom (displacements x, y, z and rotations ⁇ , ⁇ ) in addition to the degrees of freedom of the upper metal plate and thus position the printhead freely in space in up to six degrees of freedom is and the direction of the pressure movement (x) is contained as the only degree of freedom in the bottom metal plate.
  • a printhead movably supporting the print head which is formed of a plurality of parallel metal plates mounted one above the other, of which the uppermost metal plate is fixed immovably, by means of two in each case provided adjacent metal plates Guides, spindles and motors to move the lower metal plate with one or more degrees of freedom (displace
  • the method according to the invention and the device according to the invention for carrying it out enable, in a time-saving manner, reliable and continuous control and regulation of the positioning and / or guiding of at least one process head (print head) and / or a printing unit for the metallization (printing) of substrates such as wafers in one defined distance above the surface of the substrate (wafer), wherein during the pressing with the upper distance sensors, the distance of the process head (printhead) to
  • Substrate surface (wafer surface) is determined. If a parameter changes during a print run, the determination of this change and a corresponding adjustment of the alignment coordinates of the process head (print head) are immediately given.
  • FIG. 3 is a front view (plane Z - Y) of a schematically illustrated printhead for use in the first embodiment of the method;
  • 4a to 4c are schematic representations in the ZX plane of the printhead used in the first embodiment of the method in successive stages of its movement in the printing direction D
  • 5 shows a schematic representation of the printhead to be used in the first embodiment of the method with a predetermined reference plate for determining the distance between the plane of the distance sensors on the printhead and the plane of the opening of the printing nozzle of the printhead
  • FIG. 6 shows a plan view of a schematic representation of the position of a wedge-shaped wafer positioned on the surface of a support to be recorded in an image
  • FIG. 7 is a front view similar to FIG. 3 in the Z-Y plane of a schematically illustrated printhead, but intended for use in the second embodiment of the method;
  • FIG. 8a to 8c are schematic representations corresponding to Figs. 3a to 3c in the Z-Y plane, wherein the printing head used in the second embodiment of the method shown in FIG. 7 in successive stage of its movement in the printing direction (arrow D),
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a robot in the form of a hexapod with a printhead supported on it and FIG
  • Fig. 10 is a schematic perspective view of an alignment handle, which consists of a plurality of parallel, superimposed metal plates, wherein on the lowermost metal plate printhead is supported.
  • a first embodiment of the method for positioning and / or guiding at least one arbitrary process head (printhead) or a printing unit with at least one printing nozzle for the metallization (printing) of thin substrates such as wafers at a defined distance above the surface of the on a pad (paddle; Printing table) to be provided substrate (wafer) will now be described with reference to the figures Ia, Ib, 3, 4a, 4b, 4c, 7 and 8.
  • Fig. 3 shows schematically in a side view a printhead 1 in the plane Z; Y, which can be held on an alignment handle (not shown in Fig. 3) and moved together with it by means of a robot with three translational degrees of freedom and three rotational degrees of freedom.
  • the print head 1 has a print nozzle 2 at its lower surface 3, which is to be aligned with a wafer 4 having a generally wedge-shaped shape, which is to be positioned on a table top 5 located on a wafer holder or a support 6 at a distance from the plane of the opening of the pressure nozzle 2.
  • upper and lower distance sensors 7 and 8 are assigned to each other, wherein the upper distance sensors 7 are positioned downstream of the print head 1 in the printing direction (arrow D) of the printing nozzle 2, as shown in 4a to 4c, which show the print head 1 in the ZX plane in three successive stages of the movement in the printing direction (arrow D), namely upon reaching a first edge K j of the wafer 4 positioned on the surface 9 of the support 6 (Fig. 4a), in
  • the upper and lower distance sensors 7, which are to be positioned in pairs on the print head 1 and on the support 6 for the wafers 2, are calibrated according to a calibration routine according to the conventionally by means of a standard body the distance between the pairs arranged upper and lower distance sensors 7 and 8 is determined.
  • Printhead 1 and the plane of the opening of the printing nozzle 2 and the inclination angle of the surface 9 of the support 6 for the wafer 4 determines the position of the pressure nozzle 2 with respect to the surface 9 of the support 6.
  • the thickness and the thickness variation (wedging) of the wafer 2 to be printed are determined by means of a thickness and thickness variation meter.
  • Support 6 the level of the surface to be printed 10 of the wafer 4 in space on the already determined level of the surface 9 of the support 6 in space and determined on the previously determined geometry of the wafer 4.
  • the printhead 1 is moved about its X and / or Y axis by means of a
  • Process actuator 12 is rotated until the plane of the opening of the printing nozzle 2 is set plane-parallel to the plane of the surface to be printed 10 of the wafer 4.
  • the wafer length, width and the angle ⁇ of the rotation of the wafer position on the surface 9 of the support 6 with respect to the Z axis of the print head 1 are determined.
  • Pressure nozzle 2 and the surface to be printed 10 of the wafer 4 measured by means provided on the print head 1 upper distance sensors 7.
  • the respective measurement data are input to the process actuator for starting the forward movement of the print head 1 in the direction of the X-axis (printing direction).
  • a 14 Via feedback from the output of the process actuator to its input, the printhead 1 is continuously advanced in the direction of the X-axis (printing direction) until the pressure nozzle 2 arrives at a print start position 14 (FIG. 3A), which passes through the previously determined position the first edge K ⁇ of the surface 9 of the
  • Pad 6 positioned wafer 4 is defined
  • a j 5 The operation of the pressure nozzle 2 is started by means of the process actuator in the print start position.
  • FIG. 7 is a corresponding to FIG. 3 front view of the print head 1 in the ZY plane, which finds use in the second embodiment of the method .
  • Fig. 8a to 8c which corresponds to FIGS. 4a to 4c show the print head 1 in the ZX plane in three successive stages of the movement in the printing direction (arrow D), distance sensors 15 provided here on the print head are positioned in the printing direction (arrow D) in front of the print nozzle 2.
  • B4 Then, by means of a camera, the two-dimensional arrangement of the wafer 4 to be printed positioned on the surface 9 of the support 6 is imaged.
  • B ⁇ Subsequently, the wafer length, width and the angle ⁇ of the rotation of the wafer position on the surface 9 support 6 with respect to the Z axis of the print head 1 are determined by means of an image expansion.
  • the print head 1 is moved in the direction of the Y-axis until it matches its position with the detected position of the wafer 4 on the surface 9 of the support 6 and at the same time rotated about its Z-axis by the angle ⁇ .
  • the obtained measurement data is supplied to a process actuator for starting the propulsion of the print head 1 in the direction of the X-axis (printing direction).
  • the print head 1 is driven in the direction of the X-axis via feedback of the output of the process actuator to its input until the distance sensors 14 leading the printing nozzle on the print head 1 have the first edge K j of the wafer positioned on the surface 9 of the support 6 4 has recorded.
  • the printhead is always adjusted via a drive in the Z-axis direction and / or inclined about the X-axis accordingly before the printhead 1 is further advanced in the direction of the X-axis.
  • a robot 15 with parallel kinematics, a so-called hexapod, for controlling the translational and rotational movement of the print head 1 schematically emerges.
  • This robot 15 can control the work surface 16, e.g. arbitrarily position a small plate-like plate in all 6 degrees of freedom by having actuators 17, e.g. are formed by electric cylinders, in a known manner off and retracted.
  • actuators 17, e.g. are formed by electric cylinders In order to obtain a large stroke in the X-axis, the working surface 16 of the robot 15 can be mounted on a linear axis 18, along which the robot 15 is to be moved to print the wafer 4 and drive the printing nozzle 2 into a cleaning station.
  • Position settings of the print head 1 with the robot 15 are then possible in the Y and Z axes as well as in the three rotational degrees of freedom.
  • the pressure movement of the print head 1 is carried out very smoothly by means of the linear axis 18.
  • FIG. 10 shows diagrammatically an alignment handle 20 formed from a plurality of parallel metal plates 19 arranged one above the other, at the bottom metal plate 19 of which Printhead 1 is held.
  • the uppermost metal plate 19 is immovably fixed, and two adjacent metal plates 19 are functionally connected via guides, spindle and motors such that the respective lower metal plate 19 with at least one degree of freedom (displacement in the X, Y and Z axis and rotations ⁇ , ⁇ ) is to be moved in addition to the degrees of freedom of the upper metal plate 19.
  • the held on the Ausrichthandling 20 printhead 1 is thus free to position in space in up to six degrees of freedom, the direction of the pressure movement x (arrow D) is given as the only degree of freedom for the bottom metal plate 19.
  • a j to A j 7 process steps of the first embodiment of the method

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren und/oder Führen mindestens eines beliebigen Prozesskopfes (Druckkopfes) oder einer Druckeinheit mit mindestens einer Druckdüse für die Metallisierung (Bedruckung) von dünnen Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der Oberfläche des auf einer Auflage (Paddle; Drucktisch) vorzusehenden Substrats (Wafers). Um die Ebene der Öffnung der Druckdüse des Druckkopfes zur Oberfläche des auf dem Auflagetisch zu positionierenden Substrats (Wafers) planparallel einzustellen und die planparallele Einstellung während des Druckvorgangs aufrechtzuerhalten, werden am Druckkopf Abstandssensoren vorgesehen, über deren bei der Abstandsmessung zur Oberfläche des zu bedruckenden Substrats (Wafers) kontinuierlich gewonnene Messdaten mittels Prozessaktuatoren für eine Verstellung des Druckkopfes in bis zu 6 Freiheitsgraden derart gesorgt wird, dass die Ebene der Öffnung der Druckdüse des Druckkopfes planparallel zur Ebene der Oberfläche des zu bedruckenden Substrats (Wafers) eingestellt, aufrechterhalten und/oder nachgestellt werden kann.

Description

Verfahren zum Positionieren und/oder Führen mindestens eines beliebigen Prozesskopfes für die Metallisierung von dünnen Substraten in einem definierten Abstand über der Substratoberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren und/oder Führen mindestens eines beliebigen Prozesskopfes (Druckkopfes) oder einer Druckeinheit mit mindestens einer Druckdüse für die Metallisierung (Bedruckung) von dünnen Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der Oberfläche des auf einer Auflage (Paddle; Drucktisch) vorzusehenden Substrats (Wafers). Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung mit mindestens einem Druckkopf zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Aus der DE 10 2006 051 558 Al ist eine Siebdruckanlage für die Solarzellenfertigung mit einer auf- und abbewegbaren Druckeinheit und einem Drucktisch bekannt, über den ein Transportband hinweg bewegbar ist, wobei eine Positioniereinrichtung vorgesehen ist, die die Solarzellen zur Druckeinheit exakt ausgerichtet auf dem Transportband positioniert. Eine Verstelleinrichtung für die Druckeinheit ist hier nicht erforderlich.
Bei einem aus der DE 692 30 099 T2 bekannten Siebdruckverfahren wird ein zu bedruckendes Substrat auf einem Drucktisch fixiert, wobei das Substrat und das verwendete Sieb mit Bezugsmarken versehen sind. Mittels einer oberhalb des Drucktisches positionierten Betrachtungseinheit wird die Position der Bezugsmarken des auf den Drucktisch aufgebrachten Substrats optisch erfasst und gespeichert. Beim Positionieren des Siebes über dem zu bedruckenden Substrat wird die Lage der Bezugsmarken des Siebes und darüber die relative Lage des Siebes zum Substrat auf dem Drucktisch bestimmt, und die Bezugsmarken auf dem Substrat und auf dem Sieb werden durch eine entsprechende Korrektur der Position des Siebes in Deckung gebracht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art derart zur Verfügung zu stellen, dass die Positionierung und/oder Führung mindestens eines Druckkopfes oder einer Druckeinheit mit mindestens einer Druckerdüsen für die Metallisierung (Bedruckung) von dünnen Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der Substratoberfläche (Waferoberfläche) effektiv und exakt durchzuführen derart, dass die Ebene der Öffnung der Druckdüse des Druckkopfes zur Oberfläche des auf dem Auflagetisch zu positionierenden Substrats (Wafers) planparallel einzustellen und die planparallele Einstellung während des Druckvorgangs aufrechtzuerhalten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Ebene der Öffnung der Druckdüse des Druckkopfes zur Oberfläche des auf dem Auflagetisch zu positionierenden Substrats (Wafers) planparallel eingestellt und die planparallele Einstellung während des Druckvorgangs aufrechterhalten wird, indem
- zunächst am Druckkopf und an der Auflage (Paddle; Drucktisch) für das Substrat (Wafer) obere bzw. untere Abstandssensoren einander entsprechend positioniert und nach einer Kalibrierroutine kalibriert werden, gemäß der mittels eines Normkörpers der Abstand zwischen den einander zugeordneten oberen und unteren Abstandssensoren ermittelt wird,
- dann mittels der Abstandssensoren die Neigung der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) für das Substrat (Wafer) und zugleich der Abstand zwischen einer am Druckkopf vorgegebenen Referenzebene (Referenzplatte) und der Ebene der Öffnung der Druckdüse ermittelt werden,
- anschließend über den Abstand zwischen der Referenzplatte des Druckkopfes und der Ebene der Öffnung der Druckdüse und dem Neigungswinkel der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) die Position der Druckdüse in Bezug zur Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) bestimmt wird,
- weiterhin die jeweilige Dicke und Dickenvariationen (Keiligkeit) des zu bedruckenden Substrats (Wafers) mittels eines Dicken- und Dickenvariationsmessgeräts ermittelt werden, - nach anschließender Positionierung des Substrats (Wafers) auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) die Ebene der zu bedruckenden Oberfläche des Substrats (Wafers) im Raum über die bereits ermittelte Ebene der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) im Raum und über die zuvor ermittelte Geometrie des Substrats (Wafers) ermittelt wird,
- dann der Druckkopf um seine X- und/oder Y-Achse mittels eines Prozessaktuators in Drehung versetzt wird, bis die Ebene der Öffnung der Druckdüse planparallel zur Ebene der zu bedruckenden Oberfläche des Substrats (Wafers) eingestellt ist,
- anschließend mittels einer Kamera die zweidimensionale Anordnung des auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten zu bedruckenden Substrats (Wafers) bildmässig erfasst wird,
- dann mittels einer Bildauswertung die Substrat- (Wafer-) länge, - breite und der Winkel γ der Verdrehung der Substrat- (Wafer-) position auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) in Bezug zur Z-Achse des Druckkopfes ermittelt werden,
- anschließend der Druckkopf entsprechend dem ermittelten Verdrehungswinkel γ um seine Z-Achse mittels eines Prozessaktuators verdreht wird,
- dann kontinuierlich der Abstand zwischen der Ebene der Öffnung der Druckdüse und der zu bedruckenden Oberfläche des Substrats (Wafers) mittels der am Druckkopf vorgesehenen oberen Abstandssensoren gemessen wird,
- anschließend die jeweiligen Messdaten einem Prozessaktuator zum Starten der Vorwärtsbewegung des Druckkopfes in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) eingegeben werden,
- wobei über eine Rückkopplung des Ausgangs des Prozessaktuators zu dessen Eingang der Druckkopf in Richtung dessen X-Achse (Druckrichtung) vom Prozessaktuator bis zum Gelangen der Druckdüse an eine Druckanfangsposition kontinuierlich vorgetrieben wird, die durch die zuvor vorbestimmte Position der ersten Kante des auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten Substrats (Wafers) definierten ist
- und in der der Betrieb der Druckdüse (Druckprozess) mittels des Prozessaktuators gestartet wird,
- wobei über eine Rückkopplung des Ausgangs des letzteren zum Eingang des Prozessaktuators der Vortrieb des Druckkopfes in Richtung dessen X-Achse (Druckrichtung) und damit der Betrieb der Druckdüse aufrechterhalten wird, bis eine Druckendposition erreicht ist, die durch die zuvor bestimmte Position der zweiten Kante des auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten Substrats (Wafers) definiert ist, in der der Prozessaktuator den Betrieb die Druckdüse ausschaltet, und
- anschließend der Prozess unmittelbar oder erst dann beendet wird, wenn die Ermittlung der Ebene der Oberfläche eines nachfolgend zu bedruckenden Substrats (Wafers) über die erneut zu bestimmende Ebene der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) und die Auswertung der Dicken- und Dickenvariationsmessung des nachfolgend zu bedruckenden Substrats (Wafers) durchgeführt worden ist.
Die oben benannte Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Verfahren des eingangs genannten Art, das gekennzeichnet ist durch die folgenden Verfahrensschritte:
- zunächst werden Abstandssensoren, die am Druckkopf in Druckrichtung jeweils vor der Druckdüse vorzusehen sind, mit festen Abstand zu einer vorgegebenen Kalibrierebene kalibriert und zugleich wird der extern gemessene vertikale Abstand zwischen der Ebene der Abstandssensoren und der Ebene der Öffnung der Druckdüse vorgegeben,
- anschließend wird über den gemessenen vertikalen Abstand zwischen der Ebene der Abstandssensoren und der Ebene der Öffnung der Druckdüse und über den festen Abstand der Abstandssensoren zur Kalibrierebene die Position der Ebene der Öffnung der Druckdüse im Raum zu Abstandssensoren am Druckkopf ermittelt,
- dann wird mittels einer Kamera die zweidimensionale Anordnung des auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten zu bedruckenden Substrats (Wafers) bildmässig erfasst,
- anschließend werden mittels einer Bildauswertung die Substrat- (Wafer-) länge, -breite und der Winkel γ der Verdrehung der Substrat- (Wafer-) Position auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) in Bezug zur Z-Achse des Druckkopfes ermittelt,
- hierauf wird der Druckkopf in Richtung der Y-Achse bis zur Übereinstimmung seiner Stellung mit der erfassten Position des Substrats (Wafers) auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) verfahren und/oder um seine Z-Achse um den Winkel γ verdreht,
- anschließend wird die kontinuierliche Messung des Abstandes zwischen den der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren und der Oberfläche des Substrats (Wafers) gestartet und die erhaltenen Messdaten werden einem Prozessaktuator zum Starten des Vortriebs des Druckkopfes in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) zugeführt,
- wobei über eine Rückkopplung des Ausgangs des Prozessaktuators zu dessen Eingang der Druckkopf gesteuert in Richtung seiner X-Achse vorgetrieben wird, bis der der Druckdüse vorauseilende Abstandssensor die erste Kante des auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten Substrats (Wafers) erfasst hat,
- dann wird der Betrieb der Druckdüse (Druckprozess) unter Fortsetzung des Vortriebs des Druckkopfes in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) und bei kontinuierlicher Messung des Abstandes zwischen den der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren und der Oberfläche des Substrats (Wafers) gestartet und die erhaltenen Abstandsmesswerte werden kontinuierlich von einem Signal-Komparator mit den vorgegebenen (definierten) Abstandswerten verglichen, wobei bei einem i. O. -Signal am Ausgang des Signal-Komparators der Vortrieb des Druckkopfes in Richtung der X-Achse über eine Rückkopplung zum Eingang des Prozessaktuator in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) kontinuierlich fortgesetzt wird und
- bei einem n.i.O. -Signal am Ausgang des Signal-Komparators der Druckkopf stets über einen Antrieb entsprechend dem n.i.O. -Signals in Richtung der Z-Achse verstellt und/oder um die X-Achse geneigt und in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) weiter vorgetrieben wird, bis die zweite Kante des auf der Auflage (Paddle) positionierten zu bedruckenden Substrats (Wafers) von den der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren erfasst wird, worauf der Betrieb Druckdüse des Druckkopfes (der Druckvorgang) beendet wird.
Vorzugsweise erfassen die Abstandssensoren den jeweiligen Abstand zwischen dem Druckkopf und der Oberfläche des Substrats (Wafers) mittels Lasertriangulation, interferometrisch, akustisch, chromatisch konfokal, kapazitiv, induktiv und/oder auf sonstiger elektrischer Basis.
Die die Abstandssensoren können analog oder an diskreten Punkten zu bestimmten Zeiten (digital) mittels des Signal-Komparators abgefragt werden. Auch können Ungenauigkeiten in der mechanischen Aufhängung des Druckkopfes und/oder Positionsfehler, thermische Ausdehnungen und/oder mechanische Verformungen des Wafers vorteilhafterweise durch Abgleich der von den Abstandssensoren erfaßten Messwerte mit im Signal-Komparator gespeicherten vorgegebenen entsprechenden Sollkennwerten ermittelt und durch nachfolgende entsprechende Ansteuerung der Prozessaktuatoren am jeweiligen Druckkopf ausgeglichen werden. Ein- oder zweidimensionale Prozessaktuatoren sind für das Ausrichten des Prozesskopfes (Druckkopfes) einzusetzen.
Bevorzugt erfolgen die Messung des Abstandes zwischen dem Druckkopf bzw. der Druckeinheit und Oberfläche des Substrats (Wafers) mittels der Abstandssensoren sowie die Steuerung der entsprechenden Positionierung des Druckkopfes online-mäßig. Bevorzugt wird die Steuerung der Positionierung des Druckkopfes mit einem Roboter wie z.B. einem Hexapod durchgeführt.
Vorteilhafterweise wird für die Kalibrierung der Abstandssensoren und die Ansteuerung der Prozessaktuatoren nach einer Kalibrierroutine verfahren, gemäß der am jeweiligen Druckkopf zwei obere Abstandssensoren so vorzusehen sind, dass ihre Verbindungslinie nicht in Bewegungsrichtung des Prozesses (Druckrichtung) zeigt, die beiden Mess-Punkte während der Bewegung des Druckkopfes zwei parallel Geraden bei der Messung des Abstandes zur Substratoberfläche beschreiben und zwei untere Sensoren neben dem Substrat (Wafer) so anzuordnen sind, dass der Druckkopf über den unteren Sensoren in zwei Positionen A und B zu positionieren ist, wobei in der ersten Position A die Abstände zwischen den beiden oberen und den beiden unteren Abstandssensoren und in der zweiten Position B die Abstände zwischen den beiden unteren Sensoren und den Druckerdüsen des Druckkopfes gemessen werden.
Vor dem Druckvorgang muß die Substratoberfläche (Waferoberfläche) bekannt sein. Es erfolgt somit zunächst eine Kalibrierung. Dafür werden in Position A und B des Druckkopfes die vier Abstände von den zwei oberen Sensoren und dem Druckkopf zu den zwei unteren Sensoren gemessen. Die Differenzen ergeben ein Höhen-Offset des Druckkopfes, wenn eine Subtrat-(Wafer-) oder Drucknest-Oberfläche mit den oberen Sensoren vermessen wird. Da jeder Wafer eine individuelle Dicke und Dickenvariation (Keiligkeit) aufweist, werden von jedem Wafer zuvor diese Werte mit einem geeigneten Messgerät ermittelt.
Mit Startbeginn des Verfahrens, bei dem nach der oben erwähnten Kalibrierroutine verfahren wird, erfolgt zunächst die Kalibrierung der Abstandssensoren mit festem Abstand zur Kalibrierebene. Zugleich wird extern der vertikale Abstand zwischen einem Sensor und der zugeordneten Druckdüse des Druckkopfes gemessen. Die jeweiligen Messwerte aus der Kalibrierung und der externen Messung des vertikalen Abstandes zwischen Abstandssensor und Druckdüse des Druckkopfes werden einer Auswerteeinheit zugeführt, von der die Position der Druckdüse des Druckkopfes zu den Abstandssensoren ermittelt wird, womit der Kalibriervorgang beendet ist.
Bevorzugt wird der Druckkopf in Richtung der Druckbewegung an einer Ausrichthandling gehaltert bewegt, die aus mehreren zueinander parallelen übereinander angeordneten Metallplatten gebildet wird, deren oberste Metallplatte unbeweglich fixiert wird, wobei jeweils zwei benachbarte Metallplatten über Führungen, Spindel und Motoren funktionsmäßig verbunden werden derart, dass die jeweils untere Metallplatte mit mindestens einem Freiheitsgrad (Verschiebungen x, y, z und Rotationen φ, θ) zusätzlich zu den Freiheitsgraden der oberen Metallplatte zu bewegen und der Druckkopf somit in bis zu sechs Freiheitsgraden frei im Raum zu positionieren ist, wobei die Richtung der Druckbewegung (x) als einziger Freiheitsgrad für die untersten Metallplatte gegeben ist.
Geeigneterweise wird zunächst die individuelle Dicke und Dickenvariationen (Keiligkeit) und/oder die geometrische Oberflächenstruktur des zu bedruckenden dünnen Substrats (Wafers) mittels eines Dicken- und Dickenvariationsmeßgerätes und/oder Topografiemeßsystems ermittelt, worauf die Ebene der Substrat- (Wafer-) Oberfläche durch die vorher durchgeführte Kalibrierung der Druckeinheit und das Ablegen des Substrats (Wafers) eindeutig bestimmt wird, der Druckkopf in alle Richtungen ausser in Druckrichtung x so ausgerichtet wird, dass die nachfolgenden Bewegungen des Druckkopfes in der Druckrichtung x die Ebene der Oberfläche des Substrats (Wafers) mit einem definierten Druckabstand beschreibt, wobei erst der Druckkopf vom Substrat (Wafer) abgehoben, ausgerichtet und an die Anfangs-x- Position gefahren und vor der Druckbewegung wieder in den geforderten Abstand zur Oberfläche des Substrats (Wafers) gefahren wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit mindestens einem Druckkopf gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein den Druckkopf beweglich halterndes Ausrichthandling, das aus mehreren parallel übereinander angebrachten Metallplatten gebildet ist, von denen die oberste Metallplatte unbeweglich befestigt ist, wobei mittels zwischen jeweils zwei benachbarten Metallplatten vorgesehenen Führungen, Spindeln und Motoren die jeweils untere Metallplatte mit einem oder mehreren Freiheitsgraden (Verschiebungen x, y, z und Rotationen φ, θ) zusätzlich zu den Freiheitsgraden der oberen Metallplatte zu bewegen und der Druckkopf somit in bis zu sechs Freiheitsgraden frei im Raum zu positionieren ist und die Richtung der Druckbewegung (x) als einziger Freiheitsgrad in der untersten Metallplatte enthalten ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung zu dessen Durchführung ermöglichen in zeitsparender Weise eine sichere und fortlaufende Kontrolle und Regelung der Positionierung und/oder Führung mindestens eines Prozesskopfes (Druckkopfes) und/oder einer Druckeinheit für die Metallisierung (Bedruckung) von Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der Oberfläche des Substrats (Wafers), wobei während des Drückens mit den oberen Abstandssensoren der Abstand des Prozesskopfes (Druckkopfes) zur
Substratoberfläche (Waferoberfläche) bestimmt wird. Ändert sich ein Parameter während einer Druckreihe, so sind die Bestimmung dieser Veränderung und eine entsprechende Anpassung der Ausrichtkoordinaten des Prozesskopfes (Druckkopfes) unmittelbar gegeben.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
Fig. Ia und Ib Fließbilder der aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform des Verfahrens,
Fig. 2a und 2b Fließbilder der aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens,
Fig. 3 eine Vorderansicht (Ebene Z - Y) eines schematisch dargestellten Druckkopfes zur Verwendung in der ersten Ausführungsform des Verfahrens,
Fig. 4a bis 4c schematische Darstellungen in der Z-X-Ebene des bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens eingesetzten Druckkopfes in aufeinanderfolgenden Stufen seiner Bewegung in Druckrichtung D, Fig. 5 eine schematische Darstellung des in der erste Ausführungsform des Verfahrens einzusetzenden Druckkopfe mit einer vorgegebenen Referenzplatte zur Ermittlung des Abstandes zwischen der Ebene der Abstandssensoren am Druckkopf und der Ebene der Öffnung der Druckdüse des Druckkopfes,
Fig. 6 eine Draufsicht einer schematischen Darstellung der bildmässig zu erfassenden Lage eines auf der Oberfläche einer Auflage positionierten keilförmigen Wafers,
Fig. 7 eine der Fig. 3 entsprechende Vorderansicht in der Z-Y-Ebene eines schematisch dargestellten Druckkopfes, der jedoch für den Einsatz in der zweiten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen ist,
Fig. 8a bis 8c schematische Darstellungen, die den Fig. 3a bis 3c in der Z-Y-Ebene entsprechen, wobei der bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens eingesetzte Druckkopf gemäß Fig. 7 in aufeinanderfolgenden Stufe seiner Bewegung in Druckrichtung (Pfeil D) dargestellt ist,
Fig. 9 eine schematische Perspektivdarstellung eines Roboter in Form eines Hexapod mit einem an diesem gehalterten Druckkopf und
Fig. 10 eine schematische Perspektivansicht eines Ausrichthandling, das aus einer Vielzahl paralleler, übereinander angeordneter Metallplatten besteht, wobei an der untersten Metallplatte Druckkopf gehaltert ist.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens zum Positionieren und/oder Führen mindestens eines beliebigen Prozesskopfes (Druckkopfes) oder einer Druckeinheit mit mindestens einer Druckdüse für die Metallisierung (Bedruckung) von dünnen Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der Oberfläche des auf einer Auflage (Paddle; Drucktisch) vorzusehenden Substrats (Wafers) werden nun unter Bezug auf die Figuren Ia, Ib, 3, 4a, 4b, 4c, 7 und 8 beschrieben.
Fig. 3 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Druckkopf 1 in der Ebene Z;Y, der an einem in Fig. 3 nicht gezeigten Ausrichthandling gehaltert und zusammen mit dieser mittels eines Roboters mit drei Translationsfreiheitsgraden und drei Rotationsfreiheitsgraden bewegt werden kann. Der Druckkopf 1 weist eine Druckdüse 2 an seiner Unterfläche 3 auf, die auf einen Wafer 4 mit für gewöhnlich keilförmiger Gestalt auszurichten ist, der auf einem auf einer Tischplatte 5 befindlichen Waferhalter oder einer Auflage 6 mit Abstand zur Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 zu positionieren ist. An der Unterfläche 3 des Druckkopfes 1 und gegenüberliegend am Waferhalter 6 sind obere bzw. untere Abstandssensoren 7 bzw. 8 einander zugeordnet vorgesehen, wobei die oberen Abstandssensoren 7 in Druckrichtung (Pfeil D) der Druckdüse 2 nachgeordnet am Druckkopf 1 positioniert sind, wie aus den Fig. 4a bis 4c ersichtlich ist, die den Druckkopf 1 in der Z-X- Ebene in drei aufeinanderfolgenden Stufen der Bewegung in Druckrichtung (Pfeil D) zeigen, und zwar bei Erreichen einer ersten Kante Kj des auf Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 (Fig. 4a), in
Druckposition über der Oberfläche 10 des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 (Fig. 4b) und nach erfolgtem Bedrucken der Oberfläche 10 des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 (Fig. 4c).
Um die Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 des Druckkopfes 1 zur Oberfläche 10 des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 planparallel einzustellen und während der Druckvorgangs die planparallele Position aufrechtzuerhalten, werden, wie aus den in den Fig. Ia und Ib gezeigten Fließbildern hervorgeht, folgende Verfahrensschritte Aj- Ajg nacheinander durchgeführt:
Aj und A^- Zunächst werden die oberen und unteren Abstandssensoren 7, die paarweise am Druckkopf 1 und an der Auflage 6 für die Wafer 2 zu positionieren sind, nach einer Kalibrierroutine kalibriert, gemäß der in herkömmlicherweise mittels eines Normkörpers der Abstand zwischen den paarweise angeordneten oberen und unteren Abstandssensoren 7 bzw. 8 ermittelt wird.
A3 : Dann wird mittels der Abstandssensoren 7 bzw. 8 die Neigung der Oberfläche 9 der Auflage 6 für den Wafer 2 und
A4: zugleich, wie aus Fig. 5 hervorgeht, der Abstand d zwischen einer am Druckkopf 1 vorgegebenen Referenzplatte 11 und der Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 ermittelt, und zwar über den Abstand a zwischen den oberen und unteren Abstandssensoren 7 bzw. 8, den Abstand b zwischen den oberen Abstandssensoren und der Oberfläche 9 der Auflage 6, dem Abstand c zwischen der Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 und der Oberfläche 9 der Auflage 6 und über den Abstand e zwischen der Referenzplatte 11 am Druckkopf 1 und den unteren Abstandssensoren 8.
A5: Anschließend wird über den Abstand zwischen der Referenzplatte 11 am
Druckkopf 1 und der Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 und über den Neigungswinkel der Oberfläche 9 der Auflage 6 für den Wafer 4 die Position der Druckdüse 2 in Bezug zur Oberfläche 9 der Auflage 6 bestimmt.
Ag: Dann werden die Dicke und die Dickenvariationen (Keiligkeit) des zu bedruckenden Wafers 2 mittels eines Dicken- und Dickenvariationsmessgerätes ermittelt,
Aya und Aj^: Dann wird nach Positionierung des Wafers 4 auf der Oberfläche 9 der
Auflage 6 die Ebene der zu bedruckenden Oberfläche 10 des Wafers 4 im Raum über die bereits ermittelte Ebene der Oberfläche 9 der Auflage 6 im Raum und über die zuvor ermittelte Geometrie des Wafers 4 ermittelt.
Ag: Anschließend wird der Druckkopf 1 um seine X- und/oder Y-Achse mittels eines
Prozessaktuators 12 in Drehung versetzt, bis die Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 planparallel zur Ebene der zu bedruckenden Oberfläche 10 des Wafers 4 eingestellt ist.
A9: Anschließend wird mittels einer Kamera die in Figur 6 dargestellte zweidimensionale Anord-nung des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten zu bedruckenden Wafers 4 bildmäßig erfaßt.
A^ Q: Dann werden mittels einer Bildauswertung die Waferlänge, -breite und der Winkel γ der Verdrehung der Waferposition auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 in Bezug zur Z-Achse des Druckkopfes 1 ermittelt.
A^: Anschließend wird der Druckkopf 1 entsprechend dem ermittelten Verdrehungswinkel γ um seine Z-Achse mittels eines Prozessaktuators verdreht. A j 2^ Dann wird kontinuierlich der Abstand zwischen der Ebene der Öffnung der
Druckdüse 2 und der zu bedruckenden Oberfläche 10 des Wafers 4 mittels der am Druckkopf 1 vorgesehenen oberen Abstandssensoren 7 gemessen.
A^: Anschließend werden die jeweiligen Messdaten dem Prozessaktuator zum Starten der Vorwärtsbewegung des Druckkopfes 1 in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) eingegeben.
A 14: Über eine Rückkopplung vom Ausgang des Prozeßaktuators zu dessen Eingang wird der Druckkopf 1 in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) bis zum Gelangen der Druckdüse 2 an eine Druckanfangsposition 14 (Fig. 3A) kontinuierlich vorgetrieben, die durch die zuvor bestimmte Position der ersten Kante K^ des auf der Oberfläche 9 der
Auflage 6 positionierten Wafers 4 definiert ist,
Aj 5: Der Betrieb der Druckdüse 2 wird mittels des Prozessaktuators in der Druckanfangsposition gestartet.
A^g: Dann wird über eine Rückkopplung des Ausgangs des Prozessaktuators zu dessen
Eingang der Vortrieb des Druckkopfes 1 in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) und damit der Betrieb der Druckdüse 2 aufrechterhalten, bis eine Druckendposition erreicht ist, die durch die zuvor be- stimmte Position der zweiten Kante K2 des auf der
Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 definiert ist, in der der Prozessaktuator den Betrieb der Druckdüse 2 ausschaltet,
Aij: Anschließend wird der Prozess unmittelbar
A^g: oder erst dann beendet, wenn nach Abschalten der Druckdüse 2 und damit nach
Durchführung der Bedruckung der Oberfläche 12 des Wafers 4 die Ermittlung der Ebene der Oberfläche eines nachfolgend zu bedruckenden Wafers über die erneut zu bestimmende Ebene der Oberfläche 9 der Auflage 10 und die Auswertung der Dicken- und Dickenvariationsmessung des nachfolgend zu bedruckenden Wafers durchgeführt worden ist. Aus der Fig. 7 geht eine der Fig. 3 entsprechende Vorderansicht des Druckkopfes 1 in der Z-Y-Ebene hervor, der bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens Verwendung findet.. Wie den Fig. 8a bis 8c zu entnehmen ist, die entsprechend den Fig. 4a bis 4c den Druckkopf 1 in der Z-X-Ebene in drei aufeinanderfolgenden Stufen der Bewegung in Druckrichtung (Pfeil D) zeigen, sind hier am Druckkopf vorgesehene Abstandssensoren 15 in Druckrichtung (Pfeil D) vor der Druckdüse 2 positioniert sind.
Um die Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 des Druckkopfes 1 zur Oberfläche 10 des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 planparallel einzustellen und die planparallele Stellung während der Führung des Druckkopfes über die zu bedruckenden Oberfläche 10 des Wafers 4 aufrechtzuerhalten und/oder bei Abweichungen wieder einzustellen, werden, wie aus den in den Fig. 2a und 2b gezeigten Fließbildern hervorgeht, folgende Verfahrensschritte Bj bis Bj^ nacheinander durchgeführt:
Bj: Zunächst werden die Abstandssensoren 14, die am Druckkopf 1 in Druckrichtung
(Pfeil D) jeweils vor der Druckdüse 2 vorzusehen sind, mit festem Abstand zu einer vorgegebenen Kalibibrierebene kalibriert;
B2: Zugleich wird der vorgegebene vertikale Abstand zwischen der Ebene der
Abstandssensoren
14 und der Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 ins Verfahren eingebracht.
B3: Anschließend wird über den gemessenen vertikalen Abstand zwischen der Ebene der Abstandssensoren 14 und der Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 und über den festen Abstand der Abstandssensoren 14 zur vorgegebenen Kalibrierebene die Ebene der Öffnung der Druckdüse 2 im Raum zu den Abstandssensoren 14 am Druckkopf 1 ermittelt.
B4: Dann wird mittels einer Kamera die zweidimensionale Anordnung des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten zu bedruckenden Wafers 4 bildmäßig erfasst. B^: Anschliessend werden mittels einer Bildausweitung die Waferlänge, - breite und der Winkel γ der Verdrehung der Waferposition auf der Oberfläche 9 Auflage 6 in Bezug zur Z-Achse des Druckkopfes 1 ermittelt.
B^: Hierauf wird der Druckkopf 1 in Richtung der Y-Achse bis zur Übereinstimmung seiner Stellung mit der erfassten Position des Wafers 4 auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 verfahren und zugleich um seine Z-Achse um den Winkel γ verdreht.
By: Anschliessend wird die kontinuierliche Messung des Abstandes zwischen den in
Druckrichtung (Pfeil D) vor der Druckdüse 2 am Druckkopf 1 positionierten Abstandssensoren 14 und der zu bedruckenden Oberfläche 10 des Wafers 4 eingeleitet.
Bg: Die erhaltenen Messdaten werden einem Prozessaktuator zum Starten des Vortriebs des Druckkopfes 1 in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) zugeführt.
B9: Der Druckkopf 1 wird über eine Rückkopplung des Ausgangs des Prozessaktuators zu dessen Eingang gesteuert in Richtung der X-Achse vorgetrieben, bis die der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren 14 am Druckkopf 1 die erste Kante Kj des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 erfasst hat.
B^Q: Zugleich wird der Vortrieb des Druckkopfes 1 in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) fortgesetzt und
B 1 j der Betrieb der Druckerdüse 2 gestartet,
Bj2: wobei die kontinuierliche Messung des Abstandes zwischen den der Druckdüse 2 vorauseilenden Abstandssensoren 15 am Druckkopf 1 und der zu bedruckenden Oberfläche 10 des Wafers fortgesetzt wird.
B j 3: Die erhaltenen Abstandsmesswerte werden kontinuierlich in einem Signal- Komparator mit den vorgegebenen (definierten) Abstandswerten verglichen, - wobei bei einem i. O. -Signal am Ausgang des Signal- Komparators der Vortrieb des Druckkopfes 1 in Richtung der X-Achse über eine Rückkopplung des Ausgangs des Prozessaktuators zu dessen Eingang kontinuierlich gesteuert fortgesetzt.
B^: Bei einem n.i. O. -Signal am Ausgang des Signal-Komparators wird der Druckkopf stets über einen Antrieb in Richtung der Z-Achse verstellt und/oder um die X-Achse entsprechend geneigt, bevor der Druckkopf 1 in Richtung der X-Achse weiter vorgetrieben wird.
B^: Solange die zweite Kante K2 des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten Wafers 4 durch die der Druckdüse 2 in Druckrichtung (Pfeil D) vorauseilenden Abstandssensoren 14 nicht erfasst werden, erfolgt der Vortrieb des Druckkopfes 1 in Richtung der X-Achse über eine Rückkopplung zum Eingang des Prozessaktuators kontinuierlich weiter.
B |g: Beim Erfassen der zweiten Kante K2 des auf der Oberfläche 9 der Auflage 6 positionierten bedruckten Wafers 4 durch die der Druckdüse 2 in Druckrichtung (Pfeil D) vorauseilenden Abstandssensoren 14 am Druckkopf 1 wird der Betrieb der Druckdüse 2 ausgeschaltet und der Druckprozess somit beendet.
Aus Fig. 9 geht schematisch ein Roboter 15 mit Parallelkinematik, ein sog. Hexapod, zur Steuerung der translatorischen und rotationsmässigen Bewegung der Druckkopfes 1 hervor. Dieser Roboter 15 kann die Arbeitsfläche 16, z.B. eine kleine tellerartige Platte beliebig in allen 6 Freiheitsgraden positionieren, indem Aktoren 17, die z.B. von Elektrozylindern gebildet werden, in bekannter Weise aus- und eingefahren werden. Um einen großen Hub in X-Achse zu erhalten, kann die Arbeitsfläche 16 des Roboters 15 auf einer Linearachse 18 montiert werden, längs der der Roboter 15 zum Bedrucken des Wafers 4 und Fahren der Druckdüse 2 in eine Reinigungsstation zu verfahren ist. Positionseinstellungen des Druckkopfes 1 mit dem Roboter 15 sind dann in der Y- und Z-Achse sowie in den 3 Rotationsfreiheitsgraden möglich. Die Druckbewegung des Druckkopfes 1 ist mittels der Linearachse 18 sehr laufruhig auszuführen.
Fig. 10 zeigt schematisch ein aus mehreren parallelen übereinander angeordneten Metallplatten 19 gebildetes Ausrichthandling 20, an dessen unterste Metallplatte 19 der Druckkopf 1 gehaltert ist. Die oberste Metallplatte 19 ist unbeweglich fixiert, und zwei benachbarte Metallplatten 19 sind jeweils über Führungen, Spindel und Motoren funktionsmässig derart verbunden, dass die jeweils untere Metallplatte 19 mit mindestens einem Freiheitsgrad (Verschiebung in X-, Y- und Z-Achse und Rotationen φ,θ ) zusätzlich zu den Freiheitsgraden der oberen Metallplatte 19 zu bewegen ist. Der an dem Ausrichthandling 20 gehalterte Druckkopf 1 ist somit in bis zu sechs Freiheitsgraden frei im Raum zu positionieren, wobei die Richtung der Druckbewegung x (Pfeil D) als einziger Freiheitsgrad für die unterste Metallplatte 19 gegeben ist.
Liste der Bezugszeichen:
Aj bis Aj 7 Verfahrensschritte der ersten Ausfuhrungsform des Verfahrens
B i bis B jg Verfahrensschritte der zweiten Ausführungsform des Verfahrens
1 Druckkopf
2 Druckdüse
3 Unterfläche des Druckkopfes
4 Substrat, Wafer (keilförmig)
5 Tischplatte
6 Auflage; Waferhalter
7 obere Abstandssensoren am Druckkopf in Druckrichtung D der Druckdüse nachgeordnet
8 untere Abstandssensoren an der Auflage
9 Oberfläche der Auflage
10 zu bedruckende Oberfläche des Wafers
11 Referenzplatte am Druckkopf
12 Prozessaktuator
13 Druckanfangsposition
14 Abstandssensoren am Druckkopf in Druckrichtung D vor der Druckdüse
15 Roboter; Hexapod
16 Arbeitsfläche des Roboters; kleine tellerartige Platte
17 Aktoren; Elektrozylinder
18 Linearachse für Arbeitsfläche 16
19 Metallplatten
20 Ausrichthandling Pfeil D Druckrichtung γ Winkel der Verdrehung des auf der Oberfläche der Auflage positionierten Wafers um Z- Achse x,y,z translatoriche Freiheitsgrade, Bewegungsachsen des Druckkopfes φ, θ, γ rotationsmässige Freiheitsgrade
Kj ; K2 Kanten des auf der Oberfläche der Auflage positionierten Wafers

Claims

Patentansprüche
1) Verfahren zum Positionieren und/oder Führen mindestens eines beliebigen Prozesskopfes (Druckkopfes) oder einer Druckeinheit mit mindestens einer Druckdüse für die Metallisierung (Bedruckung) von dünnen Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der Oberfläche des auf einer Auflage (Paddle; Drucktisch) vorzusehenden Substrats (Wafers), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Ebene der Öffnung der Druckdüse des Druckkopfes zur Oberfläche des auf dem Auflagetisch zu positionierenden Substrats (Wafers) planparallel eingestellt und die planparallele Einstellung während der Druckvorgangs aufrechterhalten wird, indem
- zunächst am Druckkopf und an der Auflage (Paddle; Drucktisch) für das Substrat obere und unteren Abstandssensoren einander entsprechend positioniert und nach einer Kalibrierroutine kalibriert werden, gemäß der mittels eines Normkörpers der Abstand zwischen den einander zugeordneten oberen und unteren Abstandssensoren ermittelt wird,
- dann mittels der Abstandssensoren die Neigung der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) für das Substrat" und zugleich der Abstand zwischen einer am Druckkopf vorgegebenen Referenzebene (Referenzplatte) und der Ebene der Öffnung der Druckdüse ermittelt werden,
- anschließend über den Abstand zwischen der Referenzplatte des Druckkopfes und der Ebene der Öffnung der Druckdüse und über den Neigungswinkel der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) die Position der Druckdüse in Bezug zur Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) bestimmt wird,
- dann die jeweilige Dicke und Dickenvariationen (Keiligkeit) des zu bedruckenden Substrats (Wafers) mittels eines Dicken- und Dickenvariationsmessgeräts ermittelt werden,
- nach anschließender Positionierung des Substrats (Wafers) auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) die Ebene der zu bedruckenden Oberfläche des Substrats (Wafers) im Raum über die bereits ermittelte Ebene der Auflage (Paddle; Drucktisch) im Raum und über die zuvor ermittelte Geometrie des Substrats (Wafers) ermittelt wird,
- dann der Druckkopf um seine X- und/oder Y-Achse mittels eines Prozessaktuators in Drehung versetzt wird, bis die Ebene der Öffnung der Druckdüse planparallel zur Ebene der zu bedruckenden Oberfläche des Substrats (Wafers) eingestellt ist,
- anschließend mittels einer Kamera die zweidimensionale Anordnung des auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten zu bedruckenden Substrats (Wafers) bildmässig erfasst wird, - dann mittels einer Bildauswertung die Substrat- (Wafer-) länge, - breite und der Winkel γ der Verdrehung der Substrat- (Wafer-) position auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) in Bezug zur Z-Achse des Druckkopfes ermittelt werden,
- anschließend der Druckkopf entsprechend dem ermittelten Verdrehungswinkel γ um seine Z-Achse mittels eines Prozessaktuators verdreht wird,
- dann kontinuierlich der Abstand zwischen der Ebene der Öffnung der Druckdüse und der zu bedruckenden Oberfläche des Substrats (Wafers) mittels der am Druckkopf vorgesehenen oberen Abstandssensoren gemessen wird,
- anschließend die jeweiligen Messdaten einem Prozessaktuator zum Starten der Vorwärtsbewegung des Druckkopfes in Richtung dessen X-Achse (Druckrichtung) eingegeben werden, wobei über eine Rückkopplung vom Ausgang des Prozessaktuators zu dessen Eingang der Druckkopf in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) bis zum Gelangen der Druckdüse an eine Druckanfangsposition kontinuierlich vorgetrieben wird, die durch die zuvor bestimmte Position einer ersten Kante des auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten Substrats (Wafers) definierten ist
- und in der der Betrieb der Druckdüse (Druckprozess) mittels des Prozessaktuators gestartet wird,
- wobei über eine Rückkopplung des Ausgangs des letzteren zum Eingang des Prozessaktuators der Vortrieb des Druckkopfes in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) und damit die Drucktätigkeit der Druckdüse fortgeführt wird, bis eine Druckendposition erreicht ist, die durch die zuvor bestimmte Position einer zweiten Kante des auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten Substrats (Wafers) definiert ist, in der der Prozessaktuator den Betrieb der Druckdüse ausschaltet, und
- anschließend der Prozess unmittelbar oder erst dann beendet wird, wenn nach Beendigung der Bedruckung des Substrats (Wafers) die Ermittlung der Ebene der Oberfläche eines nachfolgend zu bedruckenden Substrats (Wafers) über die erneut zu bestimmende Ebene der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) und die Auswertung der Dicken- und Dickenvariationsmessung des nachfolgend zu bedruckenden Substrats (Wafers) durchgeführt worden ist.
2) Verfahren zum Positionieren und/oder Führen mindestens eines beliebigen
Prozesskopfes (Druckkopfes) oder einer Druckeinheit mit mindestens einer Druckdüse für die Metallisierung
(Bedruckung) von dünnen Substraten wie Wafern in einem definierten Abstand über der
Oberfläche des auf einer Auflage (Paddle; Drucktisch) vorzusehenden Substrats
(Wafers), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- zunächst werden Abstandssensoren, die am Druckkopf in Druckrichtung jeweils vor der Druckdüse vorzusehen sind, mit festem Abstand zu einer vorgegebenen Kalibrierebene kalibriert und der vertikale Abstand zwischen der Ebene der Abstandssensoren und der Ebene der Öffnung der Druckdüse vorgegeben,
- anschließend wird über den vorgegebenen vertikalen Abstand zwischen der Ebene der Abstandssensoren und der Ebene der Öffnung der Druckdüse und über den festen Abstand der Abstandssensoren zur Kalibrierebene die Position der Ebene der Öffnung der Druckdüse in Bezug zu den am Druckkopf positionierten Abstandssensoren ermittelt,
- dann wird mittels einer Kamera die zwei zweidimensionale Anordnung des auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten zu bedruckenden Substrats (Wafers) bildmässig erfasst,
- anschließend werden mittels Bildauswertung die Substrat- (Wafer-) länge, -breite und der Winkel γ der Verdrehung der Substrat- (Wafer-) Position auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) in Bezug zur Z- Achse des Druckkopfes ermittelt,
- hierauf wird der Druckkopf in Richtung der Y-Achse bis zur Übereinstimmung seiner Stellung mit der erfassten Position des Substrats (Wafers) auf der Oberfläche der Auflage (Paddle; Drucktisch) verfahren und/oder um seine Z-Achse um den Winkel γ verdreht,
- anschließend wird die kontinuierliche Messung des Abstandes zwischen den der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren und der Oberfläche des Substrats (Wafers) gestartet,
- dann werden die erhaltenen Messdaten einem Prozessaktuator zum Starten des Vortriebs des Druckkopfes in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) eingegeben, wobei über eine Rückkopplung des Ausgangs des Prozessaktuators zu dessen Eingang der Druckkopf gesteuert in Richtung X-Achse vorgetrieben wird, bis die der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren eine erste Kante des auf der Auflage (Paddle; Drucktisch) positionierten Substrats (Wafers) erfassen,
- dann wird die Druckdüse (Druckprozess) in Betrieb gesetzt, der Vortrieb des Druckkopfes in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) fortgesetzt und zugleich die fortlaufende Messung des Abstandes zwischen den der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren und der Oberfläche des Substrats (Wafers) gestartet, wobei
- die erhaltenen Abstandsmesswerte kontinuierlich von einem Signal-Komparator mit den vorgegebenen (definierten) Abstandswerten verglichen werden,
- bei einem i. O. -Signal am Ausgang des Signal-Komparators der Vortrieb des Druckkopfes über eine entsprechende Rückkopplung zum Prozessaktuator für den Vortrieb in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) fortgesetzt wird und
- bei einem n.i. O. -Signal am Ausgang des Signal-Komparators der Druckkopf zunächst über einen Antrieb entsprechend dem n.i. O. -Signal in Richtung der Z-Achse verstellt und/oder um die X-Achse geneigt und erst dann über eine Rückkopplung zum Prozessaktuators für den Vortrieb in Richtung der X-Achse (Druckrichtung) weiter vorgetrieben wird, bis eine zweite Kante des auf der Auflage (Paddle) positionierten zu bedruckenden Substrats (Wafers) von den der Druckdüse vorauseilenden Abstandssensoren erfasst wird, worauf der Betrieb der Druckdüse des Druckkopfes (der Druckvorgang) beendet wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandssensoren den jeweils zu messenden Abstand mittels Lasertriangulation, interferometrisch, akustisch, chromatisch konfokal, kapazitiv, induktiv oder auf sonstiger elektrischer Basis erfassen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandssensoren analog oder an diskreten Punkten zu bestimmten Zeiten (digital) mittels des Signal-Komparators abgefragt werden.
5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ungenauigkeiten in der mechanischen Aufhängung des Druckkopfes und/oder Positionsfehler, thermische Ausdehnungen und/oder mechanische Verformungen des Wafers durch Abgleich der von den Abstandssensoren erfaßten Messwerte mit im Signal-Komparator gespeicherten vorgegebenen entsprechenden Sollkennwerten ermittelt und durch nachfolgende entsprechende Ansteuerung der Prozessaktuatoren am jeweiligen Druckkopf ausgeglichen werden.
6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein- oder zweidimensionale Prozeßaktuatoren für das Ausrichten des Prozeßkopfes (Druckkopfes) verwendet werden.
7) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Abstandes zwischen dem Druckkopf und der Oberfläche des Substrats mittels der Abstandssensoren sowie die Steuerung deren entsprechender Positionierung online-mäßig erfolgen.
8) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellbewegungen des Druckkopfes mittels eines Roboters wie einem Hexapod erfolgen.
9) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibrierung der Abstandssensoren und die Ansteuerung der Prozessaktuatoren eine Kalibrierroutine verwendet wird, gemäß der am jeweiligen Druckkopf zwei obere Abstandssensoren so vorzusehen sind, dass ihre Verbindungslinie nicht in Bewegungsrichtung des Prozesses (Druckrichtung) zeigt, die beiden Mess-Punkte während der Bewegung des Druckkopfes zwei parallele Geraden bei der Messung des Abstandes zur Substratoberfläche beschreiben und zwei untere Sensoren neben dem Substrat (Wafer) so anzuordnen sind, dass der Druckkopf über den unteren Sensoren in zwei Positionen A und B zu positionieren ist, wobei vor dem Druckvorgang die zu bedruckende Substratoberfläche vorzugeben ist, dann in der ersten Position die Abstände zwischen den beiden oberen und den beiden unteren Abstandssensoren und in der zweiten Position B die Abstände zwischen den beiden unteren Sensoren und den Druckerdüsen der Druckköpfe gemessen werden und über die Differenzen ein Höhen-Offset des Druckkopfes erhalten wird, wenn die Substratoberfläche mit den oberen Sensoren vermessen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf in Richtung der Druckbewegung an einem Ausrichthandling gehaltert bewegt wird, die aus mehreren zueinander parallelen übereinander angeordneten Metallplatten gebildet wird, deren oberste Metallplatte unbeweglich fixiert wird, wobei jeweils zwei benachbarte Metallplatten über Führungen, Spindel und Motoren funktionsmäßig verbunden werden derart, dass die jeweils untere Metallplatte mit mindestens einem Freiheitsgrad (Verschiebungen x,y,z und Rotationen φ, θ) zusätzlich zu den Freiheitsgraden der oberen Metallplatte zu bewegen und der Druckkopf somit in bis zu sechs Freiheitsgraden frei im Raum zu positionieren ist, wobei die Richtung der Druckbewegung (x) als einziger Freiheitsgrad für die unterste Metallplatte (19) gegeben ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die individuelle Dicke und Dickenvariationen (Keiligkeit) des zu bedruckenden Substrats (Wafers) mittels eines Dicken- und Dickenvariationsmeßgerätes und/oder eines Topografiemeßsystems ermittelt werden, darauf die Ebene der Substrat- (Wafer-) Oberfläche durch die vorher durchgeführte Kalibrierung der Druckeinheit und das Ablegen des Substrats (Wafers) eindeutig bestimmt wird, der Druckkopf in alle Richtungen außer in Druckrichtung x so ausgerichtet wird, dass die nachfolgenden Bewegungen des Druckkopfes in der Druckrichtung x die Ebene der Substrat- (Wafer-) Oberfläche mit einem definierten Druckabstand beschreibt, wobei erst der Druckkopf vom Substrat (Wafer) abgehoben, ausgerichtet und an die Anfangs-x-Position gefahren und vor der Druckbewegung wieder in den geforderten Abstand zur Substrat- (Wafer-) Oberfläche gefahren wird.
12. Vorrichtung mit mindestens einem Druckkopf zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, gekennzeichnet durch ein den Druckkopf (1) beweglich halterndes Ausrichthandling (20), das aus mehreren parallel übereinander angebrachten Metall-platten (19) gebildet ist, von denen die oberste Metallplatte (19) unbeweglich befestigt ist, wobei mittels zwischen jeweils zwei benachbarten Metallplatten (19) vorgesehenen Führungen, Spindeln und Motoren die jeweils untere Metallplatte (19) mit einem oder mehreren Freiheitsgraden (Verschiebungen x, y, z und Rotationen φ, θ) zusätzlich zu den Freiheitsgraden der oberen Metallplatte (19) zu bewegen und der Druckkopf (1) somit in bis zu sechs Freiheitsgraden frei im Raum zu positionieren ist und die Richtung der Druckbewegung (x) als einziger Freiheitsgrad in der untersten Metallplatte (19) enthalten ist.
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