WO2011006650A1 - Microstructuring, polishing method and polishing device for correcting geometric deviation defects on precision surfaces - Google Patents

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WO2011006650A1
WO2011006650A1 PCT/EP2010/004294 EP2010004294W WO2011006650A1 WO 2011006650 A1 WO2011006650 A1 WO 2011006650A1 EP 2010004294 W EP2010004294 W EP 2010004294W WO 2011006650 A1 WO2011006650 A1 WO 2011006650A1
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polishing
workpiece surface
workpiece
microstructure
microstructuring
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PCT/EP2010/004294
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Jan-Peter Urbach
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Jan-Peter Urbach
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    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/005Control means for lapping machines or devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/12Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving optical means
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness

Definitions

  • the invention relates to the improvement of a polishing method and a polishing apparatus that can be used to correct geometric deviation errors on precision surfaces.
  • the invention relates to a method for determining a macrostructure for the purpose of improving a workpiece surface
  • polishing method to be applied a microstructuring method for improving a polishing method to be applied to a workpiece surface, a method for polishing and shaping workpiece surfaces, a computer program product having a program code for executing the methods of the invention, and apparatuses related to the methods.
  • optical elements such as lenses and mirrors
  • the desired imaging properties are achieved by using the electromagnetic field of the light used by refraction (lenses). and the reflection (mirror) at well-defined interfaces of materials
  • the tolerable deviations from the ideal surface shape are in the range of fractions of the wavelength.
  • optical systems with high numerical apertures as used for example in the projection systems for semiconductor lithography, it is aggravating that the shape of the optical interfaces can no longer be approximated by a simple spherical surface, but aspherical geometries are necessary.
  • Planarity of surfaces to be structured in semiconductor and microsystem production In semiconductor manufacturing, the electronic components are built up on silicon substrates by means of lithographic patterning methods. Because of
  • Starting substrates as well as for the surface of intermediate layers.
  • the surfaces of dielectric layers that insulate the electronic components from the overlying metallization level or successive metallization levels must be very flat.
  • the binary information is stored as a polarization direction of a small magnetic domain.
  • the domains are formed by a magnetic layer deposited on a rapidly rotating disk.
  • a magnetic sensor For read access, a magnetic sensor must be guided over the magnetic layer at a very short distance in order to be able to measure the polarization direction of the domains without any doubt.
  • the magnetic layer In order to allow for the necessary small distances between the read head and magnetic layer at the required high reading speeds, the magnetic layer must be applied to a very flat substrate.
  • the deviations from the target or target geometry may be only a few nanometers.
  • workpiece surface refers only to that part of the surface of the workpiece for which the requirements with respect to shape deviation and roughness are to apply.
  • the roughness arises from the fact that an integrated circuit or a microsystem is built up of several layers of locally delineated components of finite height.
  • the components are usually fabricated using lithographic techniques that have a finite depth of image.
  • the component height in a layer intrinsically creates one
  • Polishing processes have the task of reducing the surface roughness left over from the preceding process steps to the required level, but without changing the surface shape beyond the tolerable level.
  • the following is a brief overview of various existing polishing methods are given.
  • polishing processes use moldings of non-deformable materials whose shape is the negative impression of the workpiece surface, also referred to below as the polishing pad carrier. On these moldings polishing pad made of elastic materials are attached.
  • the resulting polishing head is pressed by a suitable mechanical device under a defined pressure on the workpiece surface. At the same time the workpiece and the polishing head are set in motion such that their surfaces perform a relative movement to each other.
  • polishing agent In the gap between polishing pad and workpiece a so-called polishing agent is given, this is typically a suspension of very small polishing particles of a sufficiently hard material. Furthermore, suitable reagents for a chemical attack on the material to be polished are optionally dissolved in the liquid.
  • the polishing particles in the suspension are from the polishing pad against the workpiece surface pressed and simultaneously moved by the relative movement over the surface. This combination of pressure and movement causes a material removal similar to
  • This mechanical removal of material can be assisted by the chemical attack of the surface by the reagents contained in the abrasive change the chemical nature of the surface so that the mechanical removal is facilitated or even made possible.
  • the macroscopic material removal can be described by the so-called Preston equation (F.W. Preston, "The theory and design of plate glass polishing machines,” J. Soc. Glass Technol., 11, 214-256 (1927)). That is, the removal rate is proportional to the product of contact pressure and relative speed between the two surfaces. The proportionality constant is the so-called preston coefficient. He is particularly dependent on the material of the workpiece surface and of the
  • both surfaces must be running within certain limits be moved against each other.
  • the condition of a perfect match of the surface shape can, however, be ensured for aspheres in the best case only in one point. In slightly shifted positions, adjustment deviations occur.
  • Polishing tool is impressed.
  • a group of such methods is characterized in that the polishing tool is designed so that the polishing pad either only has a small extent per se (eg in the case of the so-called polishing pins) or is shaped and guided in such a way that only a small area is created at any one time is in contact with the workpiece.
  • the polishing tool is designed so that the polishing pad either only has a small extent per se (eg in the case of the so-called polishing pins) or is shaped and guided in such a way that only a small area is created at any one time is in contact with the workpiece.
  • a relative movement between the workpiece and the polishing head surface is produced by a suitable movement of the polishing tool.
  • This relative movement generates a limited to the contact surface with the addition of a polishing suspension and under application of a suitable pressure Material removal.
  • the eroded height is e.g. Controlled by how long the polishing head lingers at a certain point on the workpiece surface polishing. For correcting surface deviations from the target or target geometry, which are known from previous measurements, the corresponding local polishing times are determined.
  • a disadvantage of these methods is the small contact surface between the polishing head and the workpiece, which leads to long process times and thus to high wear of the polishing head compared to the surface polishing method.
  • polishing suspension in addition to the polishing granules also contains magnetizable particles.
  • the polishing suspension is applied to a support body and can then be solidified by means of a strong magnetic field.
  • the shape of the support body and the magnetic lines can in turn be a small contact surface between the workpiece and polishing head (here the support body with the magnetically solidified suspension) set.
  • the further polishing process is analogous to the method described above.
  • a disadvantage of the magneto-rheological method is that only relatively low removal rates can be achieved. This is due to the fact that the polishing suspension can not be very strongly solidified by the magnetic field.
  • Another method which is used according to the prior art for local post-processing, is to press the particles dissolved in the polishing suspension not by a solid body on the workpiece, but solely by a fast-flowing liquid flow.
  • a fast-flowing liquid flow is described, for example, in DE 101 13 599 A1.
  • the liquid flow flows through an annular gap, which is formed between an outlet nozzle and the workpiece surface.
  • the present invention is therefore based on the object to overcome the described disadvantages of existing polishing methods.
  • the invention makes it possible to correct shape deviations whose lateral extent is smaller than the range which can be polished by the existing methods (i.e., usually a few millimeters).
  • the required polishing times are shortened, which helps on the one hand, the
  • the smoothing effect of polishing with elastic polishing pads is caused by the different contact pressures of the polishing particles on the workpiece surface. These differences result from a local elevation of the workpiece surface relative to the undeformed surface of the polishing pad
  • Deformation in the polishing pad causes. This local deformation causes an elastic counterforce in the elastic medium with which the polishing pad surface presses the polishing particles onto the workpiece surface.
  • the elastic force is proportional to the deformation itself.
  • the proportionality constant is the so-called spring hardness. Is the spring hardness on the
  • the modulus of elasticity depends on whether the deformation is of a static or dynamic nature, that is to say more precisely at which speed a certain deformation is achieved. This behavior is usually described by a frequency-dependent, complex-valued one
  • Modulus of elasticity A force that varies sinusoidally over time will also cause an equally varying deformation.
  • the maximum amplitude of the deformation is proportional to the maximum amplitude of the applied force, the
  • Proportionality constant is now the amount of the (complex) Young's modulus.
  • the phase of the modulus of elasticity describes a possible time delay between the force and the deformation.
  • the modulus of elasticity increases with increasing frequency. This increase has its cause in a so-called glass transition or more generally in one
  • Frequencies has a saturation.
  • the elastic modulus above and below the glass transition frequency may differ by a factor of 10 or more.
  • a typical frequency dependence is shown in Figure 2 which shows the glass transition of a polyurethane (PTMG2000 / MDI 3 / BDO / DMPD).
  • the values for the shear modulus (curve (8) marked by o) and for the loss factor (curve (7) denoted by D) at room temperature are plotted against the decadic logarithm of the frequency on the x-axis (9).
  • the curve for the shear modulus refers to the left y-axis (10) in FIG.
  • glass transition In addition to the glass transition, many transitions at higher frequencies are observed in many polymers. In polyurethanes, for example, in addition to the glass transition (also ⁇ -transition) also a ß and a ⁇ transition known. For simplicity, such secondary transitions are to be understood in the present application as "glass transitions", since the relevant properties for these transitions are similar.
  • the shear modulus shown in FIG. 2 is identical to the factor 2 (1- ⁇ )
  • denotes the Poisson number, which is independent of the frequency at about 0.5 for most polymers.
  • E 0 is the static modulus of elasticity and E 00 is the elastic modulus in the limit of infinite frequencies.
  • ⁇ tr is the glass transition frequency.
  • Frequency dependence is a function of the ratio between the frequency ⁇ and the glass transition frequency ⁇ tr .
  • the deformation of a polishing pad during a polishing process is dynamic.
  • the relative movement between the workpiece surface and the polishing pad guides each point of the polishing pad a certain distance over the workpiece surface. Considering the distance a particular point of the polishing pad surface travels on the workpiece surface, any unevenness in the workpiece surface along that path will cause a time varying local deformation of the polishing pad at the point of interest.
  • the time course of the deformation is determined by the lateral shape of the unevenness for a given relative movement between the polishing pad and the workpiece surface. A wide unevenness gives a slower height at identical height
  • Polishing pad for both unevenness the elastic force in points of the same height identical since in the static case, only the local extent of the elastic deformation determines the elastic force. Because of the overall smaller forces in the case of extended unevenness, the difference between the force at the foot and at the top of the unevenness is smaller than in the case of the less extensive one. Therefore, the latter is leveled faster.
  • Sinewave surface topographies of different spatial frequency clearly.
  • the amount of material that must be removed for complete planarization is the same in both cases, as the volume of the trenches and elevations is exactly equal.
  • a point of the polishing pad, which is guided perpendicular to the wave crests on one of the two surfaces, in this case undergoes a sinusoidally varying deformation over time.
  • the resulting force difference between wave crest and trench bottom is larger in the case of the short-wave surface topography than in the long-wave case.
  • the erosion difference in the short-wave case is greater with the result that the unevenness is removed faster.
  • the Fourier decomposition of a given surface topography is appropriate.
  • the surface topography is described as a linear combination of plane waves in two dimensions of different directions and wavelengths.
  • a material for the elastic surface in polishing processes, a material is used whose modulus of elasticity has a dynamic dependence in a certain frequency range such that the force necessary to produce a time-varying deformation in the material , is greater for rapid deformations than for slow deformations.
  • a typical example of such a deformation behavior are viscoelastic materials, in particular polymers.
  • the modulus of elasticity is below the Glass transition frequency significantly smaller than above.
  • the property of the dynamic behavior of the modulus of elasticity of the polishing pad is used according to the invention in that during polishing processes the deviations of the workpiece surface from the target geometry can be corrected by imposing a suitable short-waved surface structure (the so-called microstructuring) so that the long-wave deviations ( with a small spatial
  • Microstructure that can serve to improve a polishing process to be applied to a workpiece surface.
  • the method according to the invention for determining such a microstructure comprises at least two method steps: First, determining a surface deviation of a workpiece surface from a desired one
  • Target geometry and on the other hand, the determination of a on the workpiece surface
  • microstructure to be applied wherein the microstructure has a shorter wavelength
  • microstructuring or “microstructure” is intended to indicate that the structure to be applied is of shorter wavelength than the starting structure.
  • the term is thus used to a certain extent as a synonym for "small” or “shortwave” (similar to the term “miro- and macrocosm”) .
  • small or “shortwave” (similar to the term “miro- and macrocosm) .
  • Micrometer range can be generated.
  • Microstructure an association between a height structure of the workpiece surface and a local microstructure.
  • the height structure of a workpiece surface is known for example from measurements, but can also be determined theoretically by simulation.
  • a local microstructure is understood to mean a microstructure which is to be applied to the workpiece surface only in a spatially limited area. For example, in the above-mentioned assignment, the workpiece surface is divided into various small areas, each of the areas is examined for the height profile therein, and each area is assigned a local microstructure based on the classification.
  • Determining a microstructure further comprises the following step: Providing a process model for predicting the surface geometry of a workpiece surface after a polishing process.
  • a process model may already exist or else be designed and / or optimized in the context of the method according to the invention.
  • Parameters of such a process model may include: temperature, polishing speed, polishing pressure, material, roughness and elastic modulus of an elastic polishing surface.
  • the modulus of elasticity is frequency-dependent, so it is not a classical constant parameter, but a frequency-dependent function.
  • the process model is used to determine the microstructure to be imprinted.
  • Determining a microstructure is predicted from the process model
  • Surface geometry uses to compensate for an aberration caused by a deviation of the workpiece surface from the target geometry by adjusting the geometry of components to be applied to the workpiece, which can be patterned by a subsequent lithography process.
  • the surface geometry predicted from the process model is used, an aberration resulting from a deviation of the workpiece surface from the target geometry by a
  • the microstructure is through Optimization processes determined.
  • iterative methods can be used for this purpose.
  • Modulus of elasticity is synonymous with the fact that such a mathematical process model has the character of a low-pass for the spatial frequencies.
  • Polyurethane polishing pads which are typically used during polishing, do not lie completely on the workpiece surface in the typical contact pressures used during polishing. Instead, because of their rough surface, they only have contact with the workpiece surface with the most prominent tips.
  • the effective contact area makes up only a fraction in the single-digit percentage range of the nominal
  • Taylor development can then be calculated, for example, by the autocorrelation function of the surface profile.
  • This can be, for example, by a sufficiently large roughness of
  • polishing pads are roughened (conditioned) with suitable diamond tools before the polishing process. The surface is removed so far that creates an open pore structure on the surface. The pore walls then form the tips with which the polishing pad rests on the workpiece surface during the polishing process. Larger pores give greater roughness after thawing.
  • Workpiece surface are compensated by the softer intermediate layer.
  • this softer layer is also a material with a high viscosity, such as certain pitches or resins.
  • Such materials offer the advantage that their static modulus of elasticity is zero. Therefore, the dynamic elastic modulus at low frequencies is very small. Therefore, the leveling of long-wave deviations between polishing head surface and workpiece surface, as they occur when using only approximately matched polishing head surfaces, very slowly.
  • Layout data) in the previous levels and the process conditions are derived.
  • the workpiece surface can now by suitable methods (so-called.
  • a short-wave surface structure are imprinted.
  • This surface structure is selected with the aid of the process model in such a way that, in combination with the existing surface geometry (ie in particular with the known deviations), it corresponds as well as possible to the desired target surface after the polishing process.
  • the aim is to correct the long-wave deviations using shortwave structures.
  • the lateral dimensions of the impressed surface structure should be as small as possible in order to keep the leveling time for the embossed surface structure in the subsequent polishing step as short as possible.
  • the thus prepared workpiece can now be polished with the polishing process on which the process model is based.
  • the impressed short-wave surface structure is leveled much faster than the long-wave deviations of the untreated surface.
  • the method for impressing the surface structure must make it possible to impart the required structure with a sufficient lateral and vertical resolution.
  • the experiments leading to the described invention show that advantageously minimum feature sizes in the range of about 10 ⁇ m are sufficient to be sufficient in combination with commercially available polishing pads and typical polishing rates (e.g., 0.5 m / s)
  • Such structure sizes can be produced, for example, with the aid of laser-based lithographic processes, as are customary in the production of photomasks for semiconductor production, without technical difficulties on flat substrates.
  • Lithographic structuring is also possible on curved substrates (see, for example, "Laser Lithography on Nonplanar Surfaces” by D. Radtke and UD Zeitner in Optics Express, Vol. 15, Issue 3, pp. 1167-1174). With this method, the required surface structure can be individually adjusted for each workpiece. It is therefore very suitable for the correction of individual pieces and
  • a combination of both methods is also advantageous in order to correct for both systematic and random deviations.
  • the resist mask can also by high-resolution printing techniques on the
  • Printing plates which are imaged with the image and text data and with which then in a kind of stamping process, a large number of prints can be made.
  • Microstructuring method is the structuring of the workpiece surface by means of a photolithographic process using a computer-controlled
  • microstructuring according to the invention are also other Patterning process conceivable, such as micro-engraving, laser ablation or microetching.
  • Such methods have the advantage over microlithography that not only the lateral dimensions but also the local structuring depth for correcting the surface deviation can be varied within one process step.
  • the material removal takes place directly (ie without detour via a masked etching).
  • the simpler process management facilitates direct integration into a polishing device. As a result, structuring and polishing can take place directly in the same workpiece holder.
  • Shadow mask are applied. Even high-resolution printing techniques can be used with a suitable choice of process parameters. Such an application appears
  • the optical properties of the substrate are unimportant, since the reflection takes place on a subsequently deposited thin layer.
  • the polishing process removes the material applied for structuring more quickly or more slowly than the material of the workpiece surface. This difference can be taken into account in the process model by introducing a location-dependent Preston coefficient.
  • a sufficiently thick homogeneous intermediate layer can be deposited after the material-applying patterning process, which then forms the new workpiece surface, which can be processed in the subsequent polishing step.
  • the height deviations may be particularly advantageous if the height deviations extend only over a small proportion of the entire workpiece surface, but point both into the surface and out of the surface.
  • the different deviations can be corrected by the respective complementary structuring method, so that the area to be structured remains limited to the deviations themselves.
  • an elastic material can be selected whose glass transition frequency is matched to the resolution of the structuring method used.
  • Glass transition frequency in the materials studied varied by about 10 orders of magnitude (see WM Davis and JP Szabo, "Group Contribution Analysis applied to the HVeronicaiak-Negami model for polyurethanes", Comp.And Theor.Polymer Science, 11 (2001), pp 9-15 This means that the glass transition frequency of the used
  • the sizes of the low-frequency and the high-frequency elastic modulus can be optimized by a suitable composition of the material used for the inventive method.
  • the corresponding low-frequency elastic modulus should be as small as possible.
  • Young's modulus should be as large as possible so that the embossed surface structure can be leveled as quickly as possible.
  • two process parameters can be chosen suitably in order to optimize within certain limits the coordination between the glass transition frequency and the resolution limits of the structuring method.
  • the frequency dependence of the modulus of elasticity is temperature-dependent. At lower temperatures, the glass transition frequency shifts to smaller values. With a decrease in temperature, therefore, for a given microstructure, higher values for the effective modulus of elasticity are also achieved. It is obvious that the process cycle in accordance with the invention, including determination of the surface deviation, determination and imprinting of the correction pattern and subsequent polishing, can also be carried out several times in succession. This is particularly advantageous if the achievable
  • Structuring depths of the selected structuring processes are not sufficient to correct the existing deviations in a single process cycle. Also with repeated application in the different steps different
  • Structuring widths, polishing pad materials and process conditions are used to correct deviations on different length and height scales.
  • another aspect of the invention relates to a method of polishing and shaping workpiece surfaces. This includes at least the following steps: providing a microstructured one
  • the polishing method according to the invention comprises the following method step: selecting process conditions so that the required polishing time becomes as short as possible. This can in particular the temperature and / or the amount of relative speed between the workpiece surface and the elastic surface, taking advantage of the above-described functional relationships between the parameters.
  • Polishing process individual process steps are performed several times in succession. These process steps can be identical or changed
  • Process parameters are executed.
  • this relates to a
  • Disk stored software such a separate disk is not mandatory.
  • the program code can be written in all known programming languages.
  • the invention is implemented by the described method for determining a microstructure.
  • the invention thus encompasses various theoretical aspects or method steps, which are likely to be realized with the aid of computer programs. It is also possible to separate the method for determining a microstructure from the
  • microstructure can be temporally, spatially and personally independent of the implementation of the actual microstructure
  • the microstructuring process and, if appropriate, the subsequent polishing process are computer-controlled.
  • this relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention for polishing and shaping work piece surfaces.
  • a device has a microstructuring unit for Microstructuring a workpiece surface as described above and a polishing unit for polishing the workpiece surface. It is possible, for example, already existing polishing units or polishing devices to a corresponding polishing units or polishing devices.
  • this has a support for carrying a workpiece and a polishing pad and a
  • Polishing pad support for supporting the same, the apparatus being arranged to polish a workpiece surface by generating a pressure of the polishing pad on the workpiece surface and by moving the polishing pad and the
  • Workpiece surface is relative to each other.
  • polishing pad on a foamed material.
  • visco-elastic polymer foams such as in particular
  • Polishing pad which rests directly on the workpiece surface, and the Polierkissenussi an intermediate layer of softer viscous, softer elastic or softer viscoelastic material, in particular of pitch or resin or even suitable polymers provided.
  • this relates to a use of a microstructuring unit for improving a method for polishing and shaping workpiece surfaces.
  • Micropatterning Microstructuring methods are orders of magnitude better (ie higher) spatial resolution than the local polishing methods of the prior art. For a much more accurate correction of the deviations is possible, especially if the lateral extent is small.
  • a surface topography impressed according to the invention can be leveled much faster than the original deviations. This reduces the required
  • polishing times over the prior art also reduces the consumption of process agents (in particular less energy and energy)
  • Abrasives consumption as well as the wear of the polishing tools.
  • a shortened polishing time also offers a principal advantage. It is relatively expensive and even impossible for aspherical surfaces to adapt the surface of the polishing pad exactly to the desired surface. For planar and spherical surfaces, the polishing pad carrier and the polishing pad itself must be worked very precisely. For aspherical surfaces, an exact adaptation is generally possible in principle only in one point. By the necessary for the polishing process
  • the adjustment deviations of the polishing head from the desired workpiece surface described in the previous section can also be corrected by the described microstructuring correction.
  • the described correction of the fitting deviations allows the use of larger polishing pin surfaces. This additionally reduces the polishing time for a given workpiece.
  • Process step namely the microstructuring, to make it into existing manufacturing processes integrate.
  • it can be applied to surface polishing processes and already allows in this process step the more accurate correction of local deviations.
  • the reduced process duration reduces the geometry deviations caused by the principle-related mismatching. This eliminates the need for subsequent local Korrekturpolier Marine in the best case, but at least the necessary corrections are greatly reduced.
  • these advantages allow aspheric surfaces to produce the same surface fidelity with a reduced set of polishing head shapes. This also saves process costs.
  • the components are produced by layered structure, wherein in each layer the necessary microstructuring is carried out by lithographic processes.
  • the lithografi used methods usually have a planar
  • the planarization mechanism according to the invention is essentially based on the property of the modulus of elasticity of the elastic surface, which has already been mentioned several times.
  • the elastic modulus has a dynamic range in a certain frequency range
  • this model can be set up for any process conditions. This eliminates or reduces the hitherto complex process characterization with the aid of topographical measurements on defined test structures, as described, for example, in DE 100 65 380 B4.
  • a common approach is to limit the local layout density (that is, the proportion of the structured area in a location, averaged within a certain environment) to a specific range of values.
  • the size of the averaging range is determined by empirical measurements and considered to be a characteristic length of the CMP process. Typical values for this planarization length are in the range of several 100 ⁇ m up to a few millimeters. It is immediately clear that such an approach does not take into account the influence of small-scale layout density variations. However, it has been shown that these small-scale layout density variations cause a substantial part of the height variation after polishing, which in particular can not be corrected by automatic tracking of the focal plane during the exposure.
  • Process conditions are re-determined.
  • these rules can be determined without renewed empirical characterization, since the process model depends in a defined manner on material properties and process parameters.
  • the predictive power of a process model determined by a method of the present invention is much more accurate because the influence of the small-scale layout density variations is modeled correctly.
  • Deviation of the dielectric layer thickness between two metal planes from the nominal value simulatively to examine whether the deviation at this point is critical to the function of the circuit, and to compensate for their influence, if necessary by a suitable design of the electronic components.
  • lens elements knowing the systematic deviations from the desired geometry, it is possible to alleviate the negative effects by suitably designing other or additional optical elements.
  • Fig. 1 illustrates a lateral offset of imaging rays in the presence of a
  • Fig. 2 shows a typical frequency dependence of the modulus of elasticity of a polymer with a glass transition
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a chemical-mechanical polishing machine for
  • Fig. 4 shows a result of empirical studies for smoothing a
  • Fig. 5 shows an interpolated height profile
  • Fig. 6 illustrates one according to a polishing method according to the prior art
  • FIG. 7 shows a profile of height on which a microstructure has been impressed
  • Fig. 8 illustrates a surface profile after microstructuring and subsequent
  • Fig. 9 shows a device by means of which both a microstructuring and a polishing process can be carried out
  • Fig. 10 shows by way of example a device according to which microstructuring and polishing can take place directly in the same workpiece holder;
  • FIG. 11 shows an example of a microstructuring wherein a material-carrying
  • Structuring method is combined with a material applying method.
  • FIG. 9 shows an apparatus for carrying out the microstructuring method according to the invention using a lithographic patterning method.
  • One Robot arm (43) with a workpiece holder (44) places a photoresist painted workpiece first on the stage (41) of an exposure unit. There, the photoresist is exposed using a laser beam (40). The laser beam is focused by a suitable optics (39) on the workpiece surface. At every point of the
  • Focusing optics (39) (or alternatively the stage (41)) in all three spatial axes movable. Subsequently, the robot arm (43) first places the exposed workpiece in one
  • Developer station (36) in which the varnish develops, i. Depending on the type of varnish, the exposed or unexposed varnish is advantageously removed by wet-chemical means. Subsequently, in the etching chamber (37), the areas not masked by the paint are etched, so that in the
  • Workpiece surface creates the desired microstructure.
  • a cleaning station (38) the remaining paint residues are removed. Now the workpiece is placed on the polishing station (42) and polished.
  • FIG. 10 shows, by way of example, a device by means of which the microstructuring and the polishing can take place directly in the same workpiece holder.
  • planar workpiece (50) is shown.
  • polishing suspension (58) is applied to the workpiece surface via the polishing suspension feed (58) and is distributed (indicated by (57)) there, in particular also into the intermediate space between polishing pad (51) and workpiece (50).
  • a device for laser ablation is integrated into the polishing machine.
  • a suitable optics (46) focuses a laser beam (47) on the workpiece surface.
  • the optics can be moved in the plane parallel to the surface in order to impart the appropriate microstructure at each point of the workpiece surface.
  • the vertical position of the laser focus can be varied by appropriate optics or by optics itself.
  • polishing head is smaller than the workpiece. This embodiment appears expedient here, since in the opposite case, the workpiece surface is not readily accessible to the microstructuring, since it is completely covered by the polishing pad.
  • the embodiment in this application example is exemplary, but not restricting to understand.
  • the polishing process then creates a planar surface (64) of the layer (63).
  • All application examples can be generalized by suitable polishing devices on curved surfaces.
  • the main difference is to use a curved polishing pad head that has a negative impression of the
  • FIG 3 shows the schematic representation of a chemical mechanical polishing machine for Wafer substrates.
  • the wafer surface should be polished planar.
  • the polishing pad carrier (15) is therefore designed as a disc and the polishing pad (19) as a thin polishing cloth.
  • the polishing pad carrier (15) is rotated by a shaft (16).
  • On the support a polishing pad (19) is attached.
  • the polishing suspension (18) is continuously applied to the polishing pad, so that it is distributed over the polishing pad and in particular between the wafer (14) and the polishing pad (19).
  • the wafer carrier (13) presses the wafer (14) onto the polishing pad (19) with an adjustable contact pressure.
  • About the shaft (12) and the wafer carrier (13) and with it the wafer (14) is set in rotation.
  • Wafer and polishing head are each set in rotation about their respective center.
  • the angular velocity of these rotations is adjusted so that on the whole
  • Wafer surface in terms of amount, the same relative speed between the wafer and polishing pad surface prevails.
  • the direction of the relative speed rotates in
  • the relative speed between wafer and polishing cloth surface was set to about 0.5m / s.
  • the polishing pad (16) is a double-layered polyurethane cloth.
  • the bottom layer which is in direct contact with the wafer surface, is an approximately 1270 ⁇ m thick foamed polyurethane cloth.
  • the pores have a typical size of about 10 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the second layer is another, thicker polishing cloth, especially with a lower modulus of elasticity.
  • Polishing pad is about 41.4kPa.
  • the polishing suspension advantageously contains 30% polishing particles of silicon oxide, which have a mean size of 50 nm.
  • a preferred polishing time is 90s.
  • the curve (21) shows the attenuation of the amplitude (plotted on the y-axis (22) in dimensionless units) of sinoidal surface topographies as a function of their wavelength (plotted on the upper x-axis (20) in ⁇ m) spatial frequency (lower x-axis (23) in ⁇ m "1 )
  • FIG. 5 plots the interpolated height profile (24) of such a deviation as a function of the location (in ⁇ m on the x-axis (26)).
  • the zero point of the elevation axis (25) is chosen so that cancel all deviations in the middle.
  • the direction of the elevation axis points out of the wafer surface.
  • the heights on the altitude axis are given in units of nm. Because of the very small extent of the survey, the average height of
  • Wafer surface almost identical to the height at long distances from the survey.
  • the residual topography (27) shown in FIG. 6 remains (axis definition and scaling as in FIG. 5).
  • the assumed deviation is only reduced by a factor of about 4.
  • the remaining maximum height difference after the polishing process is about 54nm.
  • a suitable microstructure is now determined from the height profile in FIG.
  • the available etch depth is divided into 16 equidistant classes. Each of these height classes is assigned a 4x4 pixel pattern. Filled (black) pixels denote 2 ⁇ 2 ⁇ m 2 large fields, at which etching is applied, while no etching takes place on unfilled (white) pixels on 2 ⁇ 2 ⁇ m 2 large fields.
  • the average height of the resulting local etching patterns are identical to the center of the associated altitude interval except for an offset of d / 2 and the factor "-1."
  • Such a set of local etching patterns together with the associated altitude classes is listed by way of example in the following table.
  • Table 1 Mapping table between local height deviation and local
  • the local average height falls into one of the 16 equidistant
  • the process model for the polishing step has only been used to determine the size of the local correction etching patterns. It can be seen in FIG. 3 that the size of the local correction patterns of 8 ⁇ m falls within the structural width range in which the attenuation of the surface topography is very strong. The exact shape of the attenuation curve, however, was not exploited to determine the correction pattern. By fully computer-aided procedures that perform the optimization of the correction pattern taking into account the entire process model, therefore, an even better adaptation of the microstructuring to the existing deviations is possible.
  • FIG. 8 shows the surface profile of the thus modified surface according to the polishing method adopted here (axis definition and scaling as in FIG. 5).
  • the residual topography (33) is only about 5 nm and has thus been reduced by an order of magnitude compared to the pure polishing process.
  • polishing time would have to be increased from the 90s assumed here to about 300s.
  • regions in which the workpiece surface deviates only slightly from the desired geometry are etched with a correction pattern of 50% surface coverage. This is necessary in order to also be able to correct negative height deviations (not shown in FIG. 5).
  • a disadvantage, however, is that basically the entire workpiece surface must be etched. It may therefore be advantageous, depending on the requirement and the output topography, to appropriately shift the reference level for the height deviation and to use the entire height correction range made possible by the etching process only to correct the positive deviations.
  • Microstructuring be used.
  • Laser ablation techniques typically achieve a minimum patterning width of 10 - 50 ⁇ m. Using the same method as in the preceding example for determining the correction etching pattern, this results in a maximum structure width of about 40 ⁇ m-200 ⁇ m. With this structure width, the modulus of elasticity under the above-mentioned process conditions is not yet in the high-frequency saturation.
  • Linear polishing machines are used, in which the polishing cloth only in one
  • the increase in the relative speed has the consequence that the spatial frequency of the impressed microstructure in a higher frequency of the generated in the polishing pad
  • Modulus of elasticity depends only on the ratio ⁇ / ⁇ tr , is a shift of
  • Typical activation energies are in the range of 10-100 kJ / mol and can be adjusted by suitable methods of preparation of the polymer used.
  • Polishing processes such as that characterized in Figure 4 occur at room temperature and above. Due to a temperature reduction from 1OK to 30K you can therefore depending on
  • the polishing pad carrier is cooled by means of a suitable temperature control to a temperature which is about 10K to 30K below the process temperature of the first application example.
  • a suitable temperature control to a temperature which is about 10K to 30K below the process temperature of the first application example.
  • This can be made possible, for example, by liquid cooling with a suitable coolant, as indicated in FIG. A coolant flows through the inflow (55), a pipe (52) inside the polishing pad carrier and the drain (56) through the polishing pad carrier.
  • Other cooling devices such as with Peltier elements are possible.
  • Deformation frequencies are in the range in which the dynamic elastic modulus assumes the desired high values.
  • the method according to the invention is used for the production of a microlens matrix.
  • the shape of the optically active surface is generated directly by the appropriate application of the method according to the invention.
  • Each individual lens should have a diameter in the range of lmm, and the arrangement should, for example, take place in a square matrix, the spacing of the lenses being identical to their diameter.
  • the lens profile should be spherical with a
  • a planar substrate of a suitable material e.g., quartz glass or silicon
  • a suitable microstructure is impressed by photolithographic microstructuring.
  • the calculation of the microstructure can be carried out in a manner analogous to that in the first application example, the surface of the microlens matrix being used as the desired geometry in this example.
  • the subsequent polishing step once again flattens the short-wave microstructure, but the long-wave components of the applied microstructure are retained and form the desired spherical microlenses.
  • etching depths can be used in this application, or several process cycles can optionally be carried out with it
  • polishing pad roughness different process parameters (in particular polishing pad roughness) can be used.
  • it may be necessary to calculate the microstructure with different process parameters in particular polishing pad roughness.
  • Plot size is advantageously chosen so that it is significantly smaller than the typical radius of the convolution function of the process model.
  • Cutoff frequency is indicated by way of example in FIG. 4 by (66) and designated there by ⁇ thr .
  • the required height is obtained at each location by which the mean height must be changed by adding corresponding filling structures. Since the altitude correction function is different from zero only up to the spatial limit frequency ⁇ thr , the determined
  • Altitude correction for a larger area than the originally selected plot size This accommodates the expansion of the convolution function.
  • the larger this area is, the larger the area on which fill structures can be placed and the easier it is to achieve the height correction.
  • this method will detect both positive and negative altitude corrections. Since usually only adding additional filling structures is allowed results This poses the problem that only positive altitude corrections (ie an increase of the mean local altitude) are possible.
  • This problem can be solved by extending the altitude correction function by a constant offset, which is chosen so large that the negative altitude corrections are converted into positive values. Since it is a constant, that is location-independent offset, he changed the
  • a method of polishing and shaping workpiece surfaces comprising the steps of:
  • Polishing the workpiece surface by generating a pressure of the elastic surface on the workpiece surface and moving the elastic surface and the workpiece surface relative to each other
  • the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a photolithographic method with the aid of a photomask.
  • the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a photolithographic method using a computer-controlled laser beam.
  • microstructure is already generated by a suitable process control of shaping preliminary processes.
  • the surface structure which is generated by a placement of components and the manufacturing processes, is influenced by a placement of other non-functional components so that long-wave deviations from the desired geometry are reduced, taking into account short-wave deviations.
  • the surface geometry predicted from the process model is used to correct the aberration caused by a deviation from the desired geometry by shaping the workpiece itself or other optical elements.
  • the surface geometry predicted from the process model is used to compensate for the aberration resulting from a deviation from the desired geometry by adapting the geometry of components which are patterned by a subsequent lithography process.
  • An apparatus for carrying out a polishing method according to any one of Examples A to J comprising a wafer carrier (13) for supporting the workpiece and a polishing pad carrier (15) for supporting the elastic surface, the polishing of
  • Workpiece surface is done relative to each other by a suitable mechanism and a device that can produce microstructures by any of the methods described in Example E to H.

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Abstract

The invention discloses a method for microstructuring for improving known polishing methods and polishing devices for correcting geometric deviation defects on precision surfaces. In order to determine the microstructure for the purpose of improving a polishing method to be applied to a workpiece surface, first a surface deviation of a workpiece surface from a desired target geometry is determined. The microstructure to be impressed on the workpiece surface is subsequently determined, wherein the surface structure of the microstructure has a shorter wavelength than the original workpiece surface and is selected such that long wavelength deviations of the workpiece surface from the target geometry are compensated for, so that after the determined microstructure has been impressed onto the workpiece surface, improved polishing results and/or shorter polishing times can be achieved in a polishing method to be carried out thereafter. The surface geometry of a workpiece surface after a polishing method can be calculated, for example, on the basis of a process model.

Description

Mikrostrukturierung, Polierverfahren und Poliervorrichtung zur Korrektur von geometrischen Abweichungsfehlern auf  Microstructuring, polishing and polishing device for correcting geometric deviation errors
Präzisionsoberflächen  precision surfaces
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft die Verbesserung eines Polierverfahrens und einer Poliervorrichtung, die zur Korrektur von geometrischen Abweichungsfehlern auf Präzisionsoberflächen eingesetzt werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Makrostruktur zwecks Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche The invention relates to the improvement of a polishing method and a polishing apparatus that can be used to correct geometric deviation errors on precision surfaces. In particular, the invention relates to a method for determining a macrostructure for the purpose of improving a workpiece surface
anzuwendenden Polierverfahrens, ein Mikrostrukturierungsverfahren zur Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens, ein Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen, ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode zum Ausfuhren der erfindungsgemäßen Verfahren sowie zu den Verfahren zugehörige Vorrichtungen. polishing method to be applied, a microstructuring method for improving a polishing method to be applied to a workpiece surface, a method for polishing and shaping workpiece surfaces, a computer program product having a program code for executing the methods of the invention, and apparatuses related to the methods.
Stand der Technik State of the art
In vielen technischen Anwendungen werden Oberflächen einer wohldefinierten Gestalt benötigt. Der Grad der Abweichung der tatsächlichen Gestalt von einer im technischen Verfahren angenommenen ist dabei entscheidend für die Anwendbarkeit. Many technical applications require surfaces of a well-defined shape. The degree of deviation of the actual shape from that adopted in the technical process is decisive for the applicability.
Beispiele von Anwendungen, bei denen die Genauigkeit solcher wohldefinierten Examples of applications where the accuracy of such well-defined
Oberflächenformen eine wesentliche Rolle spielen sind: Surface forms play an essential role:
Oberflächen von optischen Elementen wie Linsen und Spiegel: Surfaces of optical elements such as lenses and mirrors:
In optischen Systemen werden die gewünschten Abbildungseigenschaften dadurch erreicht, dass das elektromagnetische Feld des verwendeten Lichtes mit Hilfe der Brechung (Linsen) und der Reflektion (Spiegel) an wohldefinierten Grenzflächen von Materialien In optical systems, the desired imaging properties are achieved by using the electromagnetic field of the light used by refraction (lenses). and the reflection (mirror) at well-defined interfaces of materials
unterschiedlicher optischer Eigenschaften in der gewünschten Art und Weise beeinflusst wird. Die tolerierbaren Abweichungen von der idealen Oberflächenform liegen dabei im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge. Je geringer die Abweichung desto größer ist die Güte der optischen Abbildung. Gerade für optische Systeme mit hohen numerischen Aperturen wie sie zum Beispiel in den Projektionssystemen für die Halbleiterlithographie verwendet werden, kommt erschwerend hinzu, dass die Form der optischen Grenzflächen nicht mehr durch eine einfache Kugeloberfläche genähert werden kann, sondern asphärische Geometrien notwendig sind. different optical properties is influenced in the desired manner. The tolerable deviations from the ideal surface shape are in the range of fractions of the wavelength. The smaller the deviation, the greater the quality of the optical image. Especially for optical systems with high numerical apertures, as used for example in the projection systems for semiconductor lithography, it is aggravating that the shape of the optical interfaces can no longer be approximated by a simple spherical surface, but aspherical geometries are necessary.
Planarität von zu strukturierenden Oberflächen in der Halbleiter- und Mikrosystemfertigung: In der Halbleiterfertigung werden die elektronischen Bauteile mit Hilfe von lithografischen Strukturierungsverfahren auf Siliziumsubstraten aufgebaut. Aus Gründen der Planarity of surfaces to be structured in semiconductor and microsystem production: In semiconductor manufacturing, the electronic components are built up on silicon substrates by means of lithographic patterning methods. Because of
Wirtschaftlichkeit versucht man dabei, die Abmessungen der Bauteile (insbesondere der Transistoren) immer kleiner zu fertigen, um die Zahl der Bauteile pro Siliziumflächeneinheit zu erhöhen. Die dabei verwendeten optischen Abbildungsverfahren werden mit steigendem Auflösungsvermögen auch immer empfindlicher gegenüber Defokusfehlern, d.h. Efficiency is trying to make the dimensions of the components (in particular the transistors) smaller and smaller in order to increase the number of components per silicon area unit. The optical imaging techniques used thereby also become more sensitive to defocus errors with increasing resolving power, i.
insbesondere auch Abweichungen von der zu strukturierenden Oberfläche von der In particular, deviations from the surface to be structured by the
Fokusebene des optischen Systems. Daher ist es notwendig, die zu strukturierenden Focus plane of the optical system. Therefore, it is necessary to structure the
Oberflächen möglichst planar zu bekommen. Dies gilt sowohl für die Oberfläche der To get surfaces as planar as possible. This applies to both the surface of the
Ausgangsubstrate als auch für die Oberfläche von Zwischenschichten. Beispielsweise müssen die Oberflächen von dielektrischen Schichten, die die elektronischen Bauteile von der darüberliegenden Metallisierungsebene oder aufeinanderfolgende Metallisierungsebenen voneinander isolieren, sehr eben sein. Starting substrates as well as for the surface of intermediate layers. For example, the surfaces of dielectric layers that insulate the electronic components from the overlying metallization level or successive metallization levels must be very flat.
Planarität von Maskensubstraten in der EUV (extreme ultraviolette) Lithographie: Planarity of mask substrates in EUV (extreme ultraviolet) lithography:
Um den oben angesprochenen Trend zu immer kleineren Strukturgrößen in der To the above mentioned trend to ever smaller structure sizes in the
Halbleiterfertigung weiter zu verfolgen, ist man darauf angewiesen, kleinere Wellenlängen als die derzeit eingesetzten zu verwenden. Ein weit verbreiteter Ansatz ist es, weiche To pursue semiconductor manufacturing further, it is necessary to use smaller wavelengths than the currently used. A common approach is to use soft
Röntgenstrahlung mit einer Vakuumwellenlänge von etwa 13.5nm zu verwenden. Für diese Strahlung ist kein hinreichend transparentes Material zur Verwendung in refraktiven optischen Elementen bekannt. Daher werden optische Systeme ausschließlich aus reflektiven Elementen aufgebaut. Um den einfallenden vom reflektierten Strahl räumlich zu trennen, wird mit Einfallswinkeln gearbeitet, die leicht vom senkrechten Einfall abweichen (typischerweise 6 Grad). Für die Photomaske, die das abzubildende Schaltkreismuster trägt, ergibt sich daraus wiederum eine sehr strikte Anforderung an die Planarität der Oberfläche. Wie in Figur 1 dargestellt, übersetzt sich jede lokale vertikale Abweichung in einen lateralen Versatz der abbildenden Strahlen. Ein einfallender Strahl (2) wird von der ideal planaren Oberfläche (3) reflektiert (Strahl (6)). Eine von der idealen Oberfläche abweichende Oberfläche (4) reflektiert einen an derselben Stelle einfallenden Strahl (1) in einer anderen Höhe. Dadurch wird in dem reflektieren Strahl (5) ein Versatz gegenüber dem von der ideal planaren X-radiation with a vacuum wavelength of about 13.5nm to use. For this radiation, no sufficiently transparent material is known for use in refractive optical elements. Therefore, optical systems are constructed exclusively of reflective elements. In order to separate the incident from the reflected beam spatially, is used with angles of incidence, which differ slightly from the vertical incidence (typically 6 degrees). For the photomask, which carries the circuit pattern to be imaged, this results again a very strict requirement for the planarity of the surface. As shown in Figure 1, each local vertical deviation translates into a lateral offset of the imaging rays. An incident beam (2) is reflected by the ideal planar surface (3) (beam (6)). A surface (4) deviating from the ideal surface reflects a beam (1) incident at the same point at a different height. As a result, in the reflected beam (5) an offset from that of the ideal planar
Oberfläche reflektierten Strahl (6) erzeugt. Surface reflected beam (6) generated.
Festplattenscheiben: Hard drive disks:
Bei den heute gängigen magnetischen Massenspeichern, den sogenannten  In today's popular magnetic mass storage, the so-called
Festplattenlaufwerken, wird die binäre Information als Polarisationsrichtung einer kleinen magnetischen Domäne abgespeichert. Die Domänen werden durch eine magnetische Schicht gebildet, die auf einer schnell rotierenden Scheibe aufgebracht ist. Zum Lesezugriff muss ein magnetischer Sensor in sehr geringem Abstand über die magnetische Schicht geführt werden, um die Polarisationsrichtung der Domänen zweifelsfrei messen zu können. Um die dafür notwendigen geringen Abstände zwischen Lesekopf und magnetischer Schicht bei den erforderlichen hohen Lesegeschwindigkeiten zu ermöglichen, muss die magnetische Schicht auf einem sehr ebenen Substrat aufgebracht werden. Hard disk drives, the binary information is stored as a polarization direction of a small magnetic domain. The domains are formed by a magnetic layer deposited on a rapidly rotating disk. For read access, a magnetic sensor must be guided over the magnetic layer at a very short distance in order to be able to measure the polarization direction of the domains without any doubt. In order to allow for the necessary small distances between the read head and magnetic layer at the required high reading speeds, the magnetic layer must be applied to a very flat substrate.
Typischerweise dürfen bei den oben geschilderten Anwendungen die Abweichungen von der Soll- bzw. Zielgeometrie nur wenige Nanometer betragen. Typically, in the applications described above, the deviations from the target or target geometry may be only a few nanometers.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden mit dem Begriff„Werkstückoberfläche" nur derjenige Teil der Oberfläche des Werkstückes bezeichnet, für den die Anforderungen in Bezug auf Formabweichung und Rauigkeit gelten soll. For simplification, in the following the term "workpiece surface" refers only to that part of the surface of the workpiece for which the requirements with respect to shape deviation and roughness are to apply.
Es ist in der technischen Optik üblich, gekrümmte Oberflächen, die von der sphärischen Geometrie abweichen, in sogenannte Asphären und Freiformfiächen einzuteilen, wobei der erste Begriff solche Flächen bezeichnet, die noch eine Rotationssymmetrie aufweisen. Da diese Unterscheidung für die Anwendung des hier offengelegten Verfahrens nicht wesentlich ist, werden im folgenden die Begriffe„Freiformfläche" und„asphärische" Fläche oder kurz „ Asphäre" als synonyme Begriff für eine von der Kugelform abweichende gekrümmte Oberfläche verwendet. It is customary in technical optics to divide curved surfaces, which deviate from the spherical geometry, into so-called aspheres and free-form surfaces, the first term designating those surfaces which still have a rotational symmetry. Since this distinction is not essential to the application of the method disclosed herein, the terms "free-form surface" and "aspheric" surface or "asphere" in the following are used as synonymous terms for a curved surface deviating from the spherical shape.
Um die oben beschriebenen Anforderungen an die Formabweichungen von Oberflächen zu erreichen, werden nach dem Stand der Technik Polierverfahren eingesetzt. Die Notwendigkeit zum Einsatz von solchen Polierverfahren entsteht daraus, das die vorangegangenen Prozessschritte eine nicht tolerierbare Oberflächenrauigkeit hinterlassen haben. In order to meet the surface shape deviation requirements described above, prior art polishing techniques are used. The need For the use of such polishing process arises from the fact that the previous process steps have left an intolerable surface roughness.
Für optische Bauteile und auch Wafersubstrate sind dies mechanische Bearbeitungsverfahren wie Sägen, Schleifen oder Fräsen, mit welchen die Werkstückoberfläche in die gewünschte Form gebracht wird. For optical components and also wafer substrates, these are mechanical processing methods such as sawing, grinding or milling, with which the workpiece surface is brought into the desired shape.
Im Falle der Halbleiterfertigung und bei der Fertigung von Mikrosystemen entsteht die Rauigkeit dadurch, dass ein integrierter Schaltkreis oder ein Mikrosystem aus mehreren Schichten von lokal abgegrenzten Bauteile endlicher Höhe aufgebaut wird. Die Bauteile werden üblicherweise mit Hilfe von lithografischen Verfahren hergestellt, die eine endliche Abbildungstiefe haben. Die Bauteilhöhe in einer Schicht erzeugt intrinsisch eine In the case of semiconductor fabrication and in the fabrication of microsystems, the roughness arises from the fact that an integrated circuit or a microsystem is built up of several layers of locally delineated components of finite height. The components are usually fabricated using lithographic techniques that have a finite depth of image. The component height in a layer intrinsically creates one
Oberflächenrauigkeit, die sich nachteilig auf die lithografische Strukturierung der Surface roughness, which adversely affects the lithographic patterning of
nachfolgenden Bauteilebene auswirkt. subsequent component level.
Polierverfahren haben die Aufgabe, die aus den vorangegangenen Prozessschritten übrig gebliebene Oberflächenrauigkeit auf das erforderliche Maß zu reduzieren, ohne jedoch die Oberflächenform über das tolerierbare Maß hinaus zu verändern. Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über verschiedene existierende Polierverfahren gegeben werden. Polishing processes have the task of reducing the surface roughness left over from the preceding process steps to the required level, but without changing the surface shape beyond the tolerable level. The following is a brief overview of various existing polishing methods are given.
Flächenpolierverfahren Surface polishing process
Bei Flächenpolierverfahren werden Formkörper aus nichtdeformierbaren Materialien verwendet, deren Form der Negativabdruck der Werkstückoberfläche ist, im Folgenden auch Polierkissenträger genannt. Auf diesen Formkörpern werden Polierkissen aus elastischen Materialien befestigt. Surface polishing processes use moldings of non-deformable materials whose shape is the negative impression of the workpiece surface, also referred to below as the polishing pad carrier. On these moldings polishing pad made of elastic materials are attached.
Der so entstandene Polierkopf wird durch eine geeignete mechanische Vorrichtung unter einem definierten Druck auf die Werkstückoberfläche gedrückt. Gleichzeitig werden das Werkstück und der Polierkopf derart in Bewegung versetzt, dass ihre Oberflächen eine Relativbewegung zueinander ausfuhren. The resulting polishing head is pressed by a suitable mechanical device under a defined pressure on the workpiece surface. At the same time the workpiece and the polishing head are set in motion such that their surfaces perform a relative movement to each other.
In den Spalt zwischen Polierkissen und Werkstück wird eine sogenanntes Poliermittel gegeben, dies ist typischerweise eine Suspension aus sehr kleinen Polierpartikeln eines hinreichend harten Materials. Weiterhin sind in der Flüssigkeit gegebenenfalls geeignete Reagenzien für einen chemischen Angriff auf das zu polierende Material gelöst. In the gap between polishing pad and workpiece a so-called polishing agent is given, this is typically a suspension of very small polishing particles of a sufficiently hard material. Furthermore, suitable reagents for a chemical attack on the material to be polished are optionally dissolved in the liquid.
Die Polierpartikel in der Suspension werden vom Polierkissen gegen die Werkstückoberfläche gedrückt und gleichzeitig durch die Relativbewegung über die Oberfläche bewegt. Diese Kombination aus Druck und Bewegung bewirkt einen Materialabtrag ähnlich dem The polishing particles in the suspension are from the polishing pad against the workpiece surface pressed and simultaneously moved by the relative movement over the surface. This combination of pressure and movement causes a material removal similar to
makroskopischen Kratzen. macroscopic scratching.
Dieser mechanische Materialabtrag kann durch den chemischen Angriff der Oberfläche unterstützt werden, indem die im Schleifmittel enthaltenen Reagenzien die chemische Beschaffenheit der Oberfläche so verändern, dass der mechanische Abtrag erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird. This mechanical removal of material can be assisted by the chemical attack of the surface by the reagents contained in the abrasive change the chemical nature of the surface so that the mechanical removal is facilitated or even made possible.
Bei derartigen Polierverfahren kann der makroskopische Materialabtrag durch die sogenannte Preston Gleichung beschrieben werden (F.W. Preston, "The theory and design of plate glass polishing machines," J. Soc. Glass Technol. 11, 214-256 (1927)). Das heißt, die Abtragsrate ist proportional dem Produkt aus Anpressdruck und Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Oberflächen. Die Proportionalitätskonstante ist der sogenannte Prestonkoeffizient. Er ist insbesondere abhängig vom Material der Werkstückoberfläche sowie von den In such polishing processes, the macroscopic material removal can be described by the so-called Preston equation (F.W. Preston, "The theory and design of plate glass polishing machines," J. Soc. Glass Technol., 11, 214-256 (1927)). That is, the removal rate is proportional to the product of contact pressure and relative speed between the two surfaces. The proportionality constant is the so-called preston coefficient. He is particularly dependent on the material of the workpiece surface and of the
Eigenschaften der Poliersuspension. Properties of the polishing suspension.
Aus der Druckabhängigkeit des Materialabtrages resultiert die glättende Wirkung des Verfahrens. An lokalen Erhebungen der Oberfläche wird das elastische Polierkissen stärker eingedrückt. Daher setzt es der eindrückenden Oberfläche einen stärkeren Widerstand entgegen. Diese lokale Druckverstärkung bewirkt nach der oben erwähnten Preston'schen Gleichung einen größeren Materialabtrag als in der tiefergelegenen Umgebung. Dadurch wird die lokale Erhebung schneller abgetragen. Dieser Effekt setzt sich solange fort, bis die Kompression des Polierkissens über die gesamte Kontaktfläche gleich ist. Dann herrscht überall der gleiche Anpressdruck, und die Oberfläche des Werkstücks wird nur noch gleichmäßig abgetragen. From the pressure dependence of the material removal results in the smoothing effect of the process. At local elevations of the surface of the elastic polishing pad is pressed more. Therefore, it provides a stronger resistance to the pressing surface. This local pressure gain causes a larger material removal according to the above-mentioned Preston equation than in the lower environment. This removes the local elevation faster. This effect continues until the compression of the polishing pad over the entire contact surface is the same. Then there is the same contact pressure everywhere, and the surface of the workpiece is only evenly removed.
Es ist unmittelbar klar, dass bei diesem Verfahren die Oberflächenform des Werkstückes sich nach und nach der Form des Polierkopfes anpassen wird, und zwar um so stärker, je länger der Poliervorgang dauert. Für ebene Werkstücke bedeutet dies, dass der Polierkissenträger und das Polierkissen selbst sehr eben gearbeitet sein müssen, damit auch das Werkstück eben bleibt. Entsprechendes gilt für die Politur von sphärischen Werkstücken. It is immediately clear that in this method, the surface shape of the workpiece will gradually conform to the shape of the polishing head, and more so the longer the polishing takes. For flat workpieces, this means that the polishing pad carrier and the polishing pad itself must be worked very flat, so that the workpiece remains flat. The same applies to the polishing of spherical workpieces.
Für das Polieren von asphärischen Flächen und Freiformflächen stellt diese Tatsache eine prinzipbedingtes Problem dar. Um die Relativbewegung zwischen Polierkissen und For the polishing of aspherical surfaces and free-form surfaces, this fact represents a principle-related problem. To the relative movement between polishing pad and
Werkstück zu realisieren, müssen beide Oberflächen in gewissen Grenzen laufend gegeneinander bewegt werden. Die Bedingung einer perfekten Übereinstimmung der Oberflächenform kann aber für Asphären im besten Fall nur in einem Punkt gewährleistet werden. In leicht verschobenen Positionen treten Anpassungsabweichungen auf. To realize a workpiece, both surfaces must be running within certain limits be moved against each other. The condition of a perfect match of the surface shape can, however, be ensured for aspheres in the best case only in one point. In slightly shifted positions, adjustment deviations occur.
Darüber hinaus ist es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht möglich, für jede Moreover, it is not possible for reasons of economy, for each
Freiformfläche einen dedizierten Polierkopf bereitzustellen. Stattdessen hält man Free form surface to provide a dedicated polishing head. Instead, you hold
üblicherweise einen mehr oder minder großen Satz an Polierköpfen unterschiedlicher Krümmungsformen vor und wählt je nach Anwendung den passendsten aus. Diese nur näherungsweise Anpassung der Oberflächengeometrie vergrößert den Formfehler zusätzlich. Usually a more or less large set of polishing heads of different curvature forms before and selects depending on the application of the most appropriate. This approximate adaptation of the surface geometry additionally increases the shape error.
Zur Lösung dieses Problems sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden, bei denen die Form des Polierkopfes direkt an das zu schleifende Werkzeug angepasst werden kann, etwa durch verschiebbare Metallstifte oder durch thermisch verformbare Materialien. Bei diesen Verfahren bleibt das zuvor beschriebene Problem bestehen, dass die Anpassung nur in einem Punkt exakt vorgenommen werden kann. Wegen der zum mechanischen Abtrag erforderlichen Relativbewegung ist eine Oberflächenabweichung in den anderen Punkten nicht zu vermeiden. Darüber hinaus kann man eine durch die vorangegangenen To solve this problem, methods and devices have become known in which the shape of the polishing head can be adapted directly to the tool to be ground, such as by sliding metal pins or thermally deformable materials. In these methods, the problem described above persists that the adjustment can be made exactly in one point only. Because of the relative movement required for mechanical removal, a surface deviation in the other points can not be avoided. In addition, one can through the previous one
Arbeitsschritte verursachte Formabweichung nicht mehr korrigieren, da sie ja in das Work steps caused form deviation no longer correct, since they are yes in the
Polierwerkzeug eingeprägt wird. Polishing tool is impressed.
Lokale Polierverfahren Local polishing process
Zur Vermeidung dieser Probleme bei Verwendung von großflächigen Polierköpfen beziehungsweise zur Korrektur der durch die flächigen Polierverfahren erzeugten Fehler, werden lokale Polierverfahren eingesetzt, die es erlauben, lokale Korrekturen der To avoid these problems when using large-area polishing heads or to correct the errors generated by the planar polishing process, local polishing methods are used, which allow local corrections of the
Oberflächenform anzubringen und dabei die Rauigkeit nicht über ein tolerierbares Maß zu erhöhen. To attach surface shape while the roughness does not exceed a tolerable level.
Eine Gruppe von solchen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug so ausgeführt ist, dass das Polierkissen entweder an sich nur eine geringe Ausdehnung hat (z.B. bei den sogenannten Polierstiften) oder so geformt und geführt wird, dass sich zu jedem Zeitpunkt nur eine kleine Fläche in Kontakt mit dem Werkstück befindet. A group of such methods is characterized in that the polishing tool is designed so that the polishing pad either only has a small extent per se (eg in the case of the so-called polishing pins) or is shaped and guided in such a way that only a small area is created at any one time is in contact with the workpiece.
Genau wie bei den flächigen Polierverfahren wird durch eine geeignete Bewegung des Polierwerkzeuges eine Relativbewegung zwischen Werkstück- und Polierkopfoberfläche erzeugt. Diese Relativbewegung erzeugt unter Zugabe einer Poliersuspension und unter Beaufschlagung eines geeigneten Drucks einen auf die Kontaktfläche begrenzten Materialabtrag. Just as with the planar polishing method, a relative movement between the workpiece and the polishing head surface is produced by a suitable movement of the polishing tool. This relative movement generates a limited to the contact surface with the addition of a polishing suspension and under application of a suitable pressure Material removal.
Die abgetragene Höhe wird z.B. dadurch gesteuert, wie lange der Polierkopf an einer bestimmten Stelle auf der Werkstückoberfläche polierend verweilt. Zur Korrektur von Oberflächenabweichungen von der Soll- bzw. Zielgeometrie, die aus vorangegangenen Messungen bekannt sind, werden die entsprechenden lokalen Polierdauern bestimmt. The eroded height is e.g. Controlled by how long the polishing head lingers at a certain point on the workpiece surface polishing. For correcting surface deviations from the target or target geometry, which are known from previous measurements, the corresponding local polishing times are determined.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist die im Vergleich zu den Flächenpolierverfahren kleine Kontaktfläche zwischen Polierkopf und Werkstück, die zu langen Prozesszeiten und damit zu hohem Verschleiß des Polierkopfes führt. A disadvantage of these methods is the small contact surface between the polishing head and the workpiece, which leads to long process times and thus to high wear of the polishing head compared to the surface polishing method.
Nachteilig ist außerdem, dass die Korrektur von Sollabweichungen auf solche Abweichungen beschränkt ist, deren lateralen Abmessungen mindestens so groß sind, wie die Kontaktfläche. Diese liegen typischerweise im Bereich von wenigen Millimetern. Another disadvantage is that the correction of target deviations is limited to those deviations whose lateral dimensions are at least as large as the contact surface. These are typically in the range of a few millimeters.
Eine andere Gruppe von lokalen Polierverfahren bilden die sogenannnten magneto- rheologischen Verfahren. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass die Poliersuspension neben den Polierkörnchen auch magnetisierbare Partikel enthält. Die Poliersuspension wird auf einen Tragkörper aufgebracht und kann dann mit Hilfe eines starken Magnetfeldes verfestigt werden. Durch die Form des Tragkörpers und der Magnetlinien lässt sich wiederum eine kleine Kontaktfläche zwischen Werkstück und Polierkopf (hier der Tragkörper mit der magnetisch verfestigten Suspension) einstellen. Another group of local polishing methods are the so-called magneto-rheological methods. These are characterized in that the polishing suspension in addition to the polishing granules also contains magnetizable particles. The polishing suspension is applied to a support body and can then be solidified by means of a strong magnetic field. The shape of the support body and the magnetic lines can in turn be a small contact surface between the workpiece and polishing head (here the support body with the magnetically solidified suspension) set.
Der weitere Poliervorgang gestaltet sich analog zu den oben beschriebenen Verfahren. The further polishing process is analogous to the method described above.
Nachteilig an den magneto-rheologischen Verfahren ist, dass nur relativ geringe Abtragsraten erzielt werden können. Das hängt damit zusammen, dass die Poliersuspension durch das Magnetfeld nicht sehr stark verfestigt werden kann. A disadvantage of the magneto-rheological method is that only relatively low removal rates can be achieved. This is due to the fact that the polishing suspension can not be very strongly solidified by the magnetic field.
Eine weitere Methodik, die nach dem Stand der Technik zur lokalen Nachbearbeitung eingesetzt wird, besteht darin, die in der Poliersuspension gelösten Partikel nicht durch einen festen Körper auf das Werkstück aufzudrücken, sondern allein durch einen schnell fließenden Flüssigkeitsstrom. Eine solches Verfahren ist beispielsweise in DE 101 13 599 Al beschrieben. Hier fließt der Flüssigkeitsstrom durch einen Ringspalt, der zwischen einer Austrittsdüse und der Werkstückoberfläche gebildet wird. Another method, which is used according to the prior art for local post-processing, is to press the particles dissolved in the polishing suspension not by a solid body on the workpiece, but solely by a fast-flowing liquid flow. Such a method is described, for example, in DE 101 13 599 A1. Here, the liquid flow flows through an annular gap, which is formed between an outlet nozzle and the workpiece surface.
Durch den fehlenden direkten mechanischen Anpressdruck der Polierpartikel sind die erreichbaren Abtragsraten sehr gering. Außerdem gilt mindestens im Fall der in DE 101 13 599 Al beschriebenen Vorrichtung, dass die Dimension der Austrittsdüse die laterale Due to the lack of direct mechanical contact pressure of the polishing particles, the achievable removal rates are very low. In addition, at least in the case of DE 101 13 599 Al described device that the dimension of the outlet nozzle the lateral
Ausdehnung der korrigierbaren Abweichungen nach unten begrenzt. Extension of correctable deviations limited downwards.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile der bestehenden Polierverfahren zu überwinden. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, Formabweichungen zu korrigieren, deren laterale Ausdehnung kleiner ist als der Bereich, der mit den bestehenden Verfahren (d.h. in der Regel wenige Millimeter) poliert werden kann. Daneben werden die erforderlichen Polierzeiten verkürzt, was zum einen hilft, die The present invention is therefore based on the object to overcome the described disadvantages of existing polishing methods. In particular, the invention makes it possible to correct shape deviations whose lateral extent is smaller than the range which can be polished by the existing methods (i.e., usually a few millimeters). In addition, the required polishing times are shortened, which helps on the one hand, the
Oberflächentreue (d.h. die Genauigkeit, mit der die gewünschte Oberflächenform erreicht wird) zu verbessern und zum anderen, den Verbrauch bzw. Verschleiß an Prozessmitteln zu verringern. Es ist möglich, aus den Prozessparametern eine möglichst genaue und einfache mathematische Modellierung der Oberflächengeometrie nach dem Polieren zu erhalten. Eine solche Modellierung ermöglicht es, die Geometrie etwaig verbleibender Abweichungen nach dem Polieren vorherzusagen und damit ihren Einfluss auf nachfolgende Prozessschritte und auch in der Endanwendung abzuschätzen und gegebenenfalls entsprechende Surface fidelity (i.e., the accuracy with which the desired surface shape is achieved) and, second, to reduce the consumption of process agents. It is possible to obtain from the process parameters the most accurate and simple mathematical modeling of the surface geometry after polishing. Such a modeling makes it possible to predict the geometry of any remaining deviations after polishing and thus to estimate their influence on subsequent process steps and also in the end application and, if appropriate, corresponding ones
Gegenmaßnahmen anzuwenden. To apply countermeasures.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. The object is solved by the subject matter of the independent claims.
Abhängige Patentansprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Dependent claims are directed to advantageous embodiments of the invention.
Wie oben beschrieben, wird die glättende Wirkung des Polierens mit elastischen Polierkissen durch die unterschiedlichen Anpressdrücke der Polierpartikel auf die Werkstückoberfläche hervorgerufen. Diese Unterschiede resultieren dadurch, dass eine lokale Erhebung der Werkstückoberfläche relativ zur undeformierten Oberfläche des Polierkissens eine As described above, the smoothing effect of polishing with elastic polishing pads is caused by the different contact pressures of the polishing particles on the workpiece surface. These differences result from a local elevation of the workpiece surface relative to the undeformed surface of the polishing pad
Deformation in dem Polierkissen hervorruft. Diese lokale Deformation bewirkt eine elastische Gegenkraft in dem elastischen Medium, mit der die Polierkissenoberfläche die Polierpartikel auf die Werkstückoberfläche drückt. Deformation in the polishing pad causes. This local deformation causes an elastic counterforce in the elastic medium with which the polishing pad surface presses the polishing particles onto the workpiece surface.
Für Deformationen, die wesentlich kleiner sind als die Ausdehnung des Polierkissens in Richtung der Deformation, ist die elastische Kraft proportional zur Deformation selbst. Die Proportionalitätskonstante ist die sogenannte Federhärte. Wird die Federhärte auf die For deformations that are much smaller than the extension of the polishing pad in the direction of deformation, the elastic force is proportional to the deformation itself. The proportionality constant is the so-called spring hardness. Is the spring hardness on the
Ausdehnung des Kissens bezogen, so erhält man eine charakteristische Materialeigenschaft, das sogenannte Elastizitätsmodul (im Englischen auch Young's modulus genannt). Die glättende Wirkung des oben beschriebenen Polierprinzips ist umso rascher, je härter das Material des verwendeten Polierkissens ist. Ein hartes Material (d.h. mit einem großen Elastizitätsmodul) wird einer gegebenen Eindrückung durch eine lokale Unebenheit der Werkstückoberfläche eine größere Kraft entgegensetzen als ein weiches Material. Dadurch ist auch der lokale Abtrag an der lokalen Unebenheit größer, und die Unebenheit wird schneller eingeebnet. Extension of the pad, we obtain a characteristic material property, the so-called modulus of elasticity (also called Young's modulus). The smoother effect of the polishing principle described above is the faster, the harder the material of the polishing pad used is. A hard material (ie with a high modulus of elasticity) will oppose a given indentation by a local unevenness of the workpiece surface a greater force than a soft material. As a result, the local abrasion at the local unevenness is greater, and the unevenness is leveled faster.
In vielen elastischen Materialien, insbesondere in Polymeren, ist das Elastizitätsmodul davon abhängig, ob die Deformation statischer oder dynamischer Natur ist, das heißt genauer mit welcher Geschwindigkeit eine bestimmte Deformation erreicht wird. Dieses Verhalten beschreibt man üblicherweise durch ein frequenzabhängiges, komplexwertiges In many elastic materials, especially in polymers, the modulus of elasticity depends on whether the deformation is of a static or dynamic nature, that is to say more precisely at which speed a certain deformation is achieved. This behavior is usually described by a frequency-dependent, complex-valued one
Elastizitätsmodul. Eine in der Zeit sinusartig varierende Kraft wird auch eine ebenso variierende Deformation hervorrufen. Die maximale Amplitude der Deformation ist dabei proportional zur maximalen Amplitude der angelegten Kraft, wobei die Modulus of elasticity. A force that varies sinusoidally over time will also cause an equally varying deformation. The maximum amplitude of the deformation is proportional to the maximum amplitude of the applied force, the
Proportionalitätskonstante jetzt der Betrag des (komplexen) Elastizitätsmoduls ist. Die Phase des Elastizitätsmoduls beschreibt eine etwaige zeitliche Verzögerung zwischen der Kraft und der Deformation. Proportionality constant is now the amount of the (complex) Young's modulus. The phase of the modulus of elasticity describes a possible time delay between the force and the deformation.
In vielen Polymeren wächst des Elastizitätsmodul mit steigender Frequenz an. Dieser Anstieg hat seine Ursache in einem sogenannten Glasübergang bzw. allgemeiner in einem In many polymers, the modulus of elasticity increases with increasing frequency. This increase has its cause in a so-called glass transition or more generally in one
viskoelastischen Übergang und ist insbesondere in der Nähe einer sogenannten viscoelastic transition and is particularly close to a so-called
Glassübergangsfrequenz besonders stark, während er für sehr kleine und sehr große Glass transition frequency especially strong, while for very small and very large
Frequenzen eine Sättigung aufweist. Das Elastizitätsmodul oberhalb und unterhalb der Glasübergangsfrequenz kann sich um einen Faktor 10 oder mehr unterscheiden. Eine typische Frequenzabhängigkeit ist in Figur 2 gezeigt, die den Glassübergang eines Polyurethans (PTMG2000/MDI 3/BDO/DMPD) zeigt. Die Werte für das Schermodul (Kurve (8) gekennzeichnet durch o) und für den Verlustfaktor (Kurve (7) gekennzeichnet durch D) bei Raumtemperatur sind gegen den dekadischen Logarithmus der Frequenz auf der x- Achse (9) angetragen. Die Kurve für das Schermodul bezieht sich auf die linke y- Achse (10) in Frequencies has a saturation. The elastic modulus above and below the glass transition frequency may differ by a factor of 10 or more. A typical frequency dependence is shown in Figure 2 which shows the glass transition of a polyurethane (PTMG2000 / MDI 3 / BDO / DMPD). The values for the shear modulus (curve (8) marked by o) and for the loss factor (curve (7) denoted by D) at room temperature are plotted against the decadic logarithm of the frequency on the x-axis (9). The curve for the shear modulus refers to the left y-axis (10) in FIG
Einheiten von Pascal, während sich die Kurve für den Verlustfaktor auf die rechte y- Achse (11) in dimensionslosen Einheiten bezieht. (Aus: J. V. Duffy, G. F. Lee, J. D. Lee, and B. Hartmann, in R. D. Corsaro, and L. H. Sperling, eds., Sound and Vibration Damping with Polymers, (ACS Symposium Series 424),ACS Press, Washington, D.C., 1990, pp. 281-300). Units of Pascal, while the curve for the loss factor refers to the right-hand y-axis (11) in dimensionless units. (From: JV Duffy, GF Lee, JD Lee, and B. Hartmann, in RD Corsaro, and LH Sperling, eds., Sound and Vibration Damping with Polymers, (ACS Symposium Series 424), ACS Press, Washington, DC, 1990 , pp. 281-300).
Neben dem Glasübergang werden in vielen Polymeren weitere Übergänge bei höheren Frequenzen beobachtet. In Polyurethanen sind beispielsweise neben dem Glasübergang (auch α-Übergang) auch ein ß- und ein γ-Übergang bekannt. Zur Vereinfachung sollen in der vorliegenden Anmeldung als "Glasübergänge" auch solche Sekundärübergänge verstanden werden, da die relevanten Eigenschaften für diese Übergänge ähnlich sind. In addition to the glass transition, many transitions at higher frequencies are observed in many polymers. In polyurethanes, for example, in addition to the glass transition (also α-transition) also a ß and a γ transition known. For simplicity, such secondary transitions are to be understood in the present application as "glass transitions", since the relevant properties for these transitions are similar.
Das in der Figur 2 gezeigte Schermodul ist bis auf den Faktor 2(1 -μ) identisch zum The shear modulus shown in FIG. 2 is identical to the factor 2 (1-μ)
Elastizitätsmodul. Dabei bezeichnet μ die Poissonzahl, welche für die meisten Polymere unabhängig von der Frequenz bei ungefähr 0.5 liegt. Die Frequenzabhängigkeit der Modulus of elasticity. Here μ denotes the Poisson number, which is independent of the frequency at about 0.5 for most polymers. The frequency dependence of
Glasübergänge insbesondere von Polymeren kann in guter Näherung durch folgende Funktion beschrieben werden: Glass transitions, in particular of polymers, can be described to a good approximation by the following function:
E(„) = Eo HE„- Eo)- T (FD E (") = E o H e" -E o ) -T (FD
\ + ω l ωtr \ + ω l ω tr
Dabei ist E0 das statische Elastizitätsmodul und E00 das Elastizitätsmodul im Limes unendlicher Frequenzen. ωtr ist die Glasübergangsfrequenz. Eine genauere Beschreibung des Glasübergangs gelingt mit dem Havriliak-Negami Model. In beiden Modellen ist die E 0 is the static modulus of elasticity and E 00 is the elastic modulus in the limit of infinite frequencies. ω tr is the glass transition frequency. A more detailed description of the glass transition succeeds with the Havriliak-Negami Model. In both models is the
Frequenzabhängigkeit eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Frequenz ω und der Glasübergangsfrequenz ωtr. Frequency dependence is a function of the ratio between the frequency ω and the glass transition frequency ω tr .
Der Anstieg des frequenzabhängigen Elastizitätsmoduls hat zur Folge, dass langsame Veränderungen der Deformation eine kleinere Kraft erfordern als schnelle. The increase in the frequency-dependent Young's modulus results in slow changes in deformation requiring less force than fast ones.
Tatsächlich ist die Deformation eines Polierkissens während eines Poliervorganges dynamisch. Die Relativbewegung zwischen der Werkstückoberfläche und dem Polierkissen führt jeden Punkt des Polierkissens eine gewisse Strecke über die Werkstückoberfläche. Betrachtet man die Strecke, welche ein bestimmter Punkt der Polierkissenoberfläche auf der Werkstückoberfläche zurücklegt, so bewirkt jede Unebenheit in der Werkstückoberfläche entlang dieser Strecke eine zeitlich variierende lokale Deformation des Polierkissens in dem betrachteten Punkt. In fact, the deformation of a polishing pad during a polishing process is dynamic. The relative movement between the workpiece surface and the polishing pad guides each point of the polishing pad a certain distance over the workpiece surface. Considering the distance a particular point of the polishing pad surface travels on the workpiece surface, any unevenness in the workpiece surface along that path will cause a time varying local deformation of the polishing pad at the point of interest.
Der zeitliche Verlauf der Deformation wird bei gegebener Relativbewegung zwischen Polierkissen und der Werkstückoberfläche von der lateralen Form der Unebenheit bestimmt. Eine weit ausgedehnte Unebenheit vermittelt bei identischer Höhe eine langsamere The time course of the deformation is determined by the lateral shape of the unevenness for a given relative movement between the polishing pad and the workpiece surface. A wide unevenness gives a slower height at identical height
Deformation im Polierkissen als eine wenig ausgedehnte Unebenheit. Aufgrund der dynamischen Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls ist dann aber in Punkten identischer Höhe beider Unebenheiten die elastische Kraft im Falle der weit ausgedehnten Unebenheit immer kleiner als in den entsprechenden Punkten der weniger ausgedehnten Unebenheit. Dieser Unterschied resultiert aus dem Anstieg des Elastizitätsmodul (genauer dessen Betrages) mit der Geschwindigkeit der Deformation. Insbesondere wäre im Falle eines ruhenden Deformation in the polishing pad as a little extended rub. Due to the dynamic dependence of the modulus of elasticity, however, the elastic force in the case of the widely extended unevenness is then always at points of identical height of both unevenness smaller than in the corresponding points of less extensive rub. This difference results from the increase in modulus of elasticity (more precisely, its magnitude) with the rate of deformation. In particular, in the case of a dormant
Polierkissens für beide Unebenheiten die elastische Kraft in Punkten gleicher Höhe identisch, da im statischen Fall alleine das lokale Ausmaß der elastischen Deformation die elastische Kraft bestimmt. Wegen der insgesamt kleineren Kräfte im Falle der ausgedehnten Unebenheit ist auch die Differenz zwischen der Kraft am Fuße und am Gipfel der Unebenheit kleiner als im Falle der weniger ausgedehnten. Daher wird letztere schneller eingeebnet. Polishing pad for both unevenness the elastic force in points of the same height identical, since in the static case, only the local extent of the elastic deformation determines the elastic force. Because of the overall smaller forces in the case of extended unevenness, the difference between the force at the foot and at the top of the unevenness is smaller than in the case of the less extensive one. Therefore, the latter is leveled faster.
Dieser Unterschied rührt nicht daher, dass bei einer weiter ausgedehnten Unebenheit mehr Material abgetragen werden muss, um eine ebene Oberfläche zu erhalten, sondern stellt einen eigenständigen Effekt dar. Am einfachsten macht man sich dies anhand zweier This difference does not derive from the fact that with a further extended unevenness more material must be removed, in order to obtain a flat surface, but represents an independent effect. The simplest one does this on the basis of two
sinuswellenförmigen Oberflächentopographien unterschiedlicher räumlicher Frequenz klar. In diesem Fall ist die Menge des Materials, die zur vollständigen Planarisierung abgetragen werden muss, in beiden Fällen gleich, da sich das Volumen der Gräben und Erhebungen genau ausgleicht. Ein Punkt des Polierkissens, welcher senkrecht zu den Wellenkämmen über eine der beiden Oberflächen geführt wird, erfährt in diesem Fall eine in der Zeit sinusartig variierende Deformation. Wegen des oben beschriebenen elastischen Verhaltens ist die resultierende Kraftdifferenz zwischen Wellenberg und Grabenboden im Fall der kurzwelligen Obeflächentopographie größer als im langwelligen Fall. Damit ist auch die Abtragsdifferenz im kurzwelligen Fall größer mit dem Resultat, dass die Unebenheit schneller abgetragen wird. Sinewave surface topographies of different spatial frequency clearly. In this case, the amount of material that must be removed for complete planarization is the same in both cases, as the volume of the trenches and elevations is exactly equal. A point of the polishing pad, which is guided perpendicular to the wave crests on one of the two surfaces, in this case undergoes a sinusoidally varying deformation over time. Because of the elastic behavior described above, the resulting force difference between wave crest and trench bottom is larger in the case of the short-wave surface topography than in the long-wave case. Thus, the erosion difference in the short-wave case is greater with the result that the unevenness is removed faster.
Für die weitere Diskussion ist die Fourierzerlegung einer gegebenen Oberflächentopographie zweckmäßig. Dabei wird die Oberflächentopographie als Linearkombination von ebenen Wellen in zwei Dimensionen unterschiedlicher Richtung und Wellenlänge beschreiben. Im Folgenden bezeichnen wir den Kehrwert der Wellenlänge als räumliche Frequenz. For further discussion, the Fourier decomposition of a given surface topography is appropriate. The surface topography is described as a linear combination of plane waves in two dimensions of different directions and wavelengths. In the following, we denote the reciprocal of the wavelength as a spatial frequency.
Der Erfϊndungsgedanke für die vorliegende Erfindung knüpft an die oben diskutierte The inventive concept for the present invention is based on those discussed above
Materialeigenschaft von manchen elastischen Oberflächen an: Für die elastische Oberfläche bei Polierprozessen wird ein Material verwendet, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. Ein typisches Beispiel für ein derartiges Deformationsverhalten sind viskoelastische Materialien, insbesondere Polymere. Für jeden in diesen Materialien auftretenden Glasübergang (inklusive der erwähnten Sekundärübergänge) ist das Elastizitätsmodul unterhalb der Glasübergangsfrequenz deutlich kleiner als oberhalb. Material Property of Some Elastic Surfaces: For the elastic surface in polishing processes, a material is used whose modulus of elasticity has a dynamic dependence in a certain frequency range such that the force necessary to produce a time-varying deformation in the material , is greater for rapid deformations than for slow deformations. A typical example of such a deformation behavior are viscoelastic materials, in particular polymers. For each glass transition occurring in these materials (including the mentioned secondary transitions) the modulus of elasticity is below the Glass transition frequency significantly smaller than above.
Die Eigenschaft an das dynamische Verhalten des Elastizitätsmoduls des Polierkissens macht man sich erfindungsgemäß dadurch zu Nutze, dass man bei Polierprozessen die vorhandenen Abweichungen der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie durch Aufprägen einer geeigneten kurzwelligen Oberflächenstruktur (der sogenannten Mikrostrukturierung) so korrigieren kann, dass die langwelligen Abweichungen (mit einer kleinen räumlichen The property of the dynamic behavior of the modulus of elasticity of the polishing pad is used according to the invention in that during polishing processes the deviations of the workpiece surface from the target geometry can be corrected by imposing a suitable short-waved surface structure (the so-called microstructuring) so that the long-wave deviations ( with a small spatial
Frequenz) so weit als möglich unterdrückt werden und vorteilhafterweise nach der Frequency) are suppressed as much as possible and advantageously after the
Mikrostrukturierung nur kurzwellige Abweichungen übrig bleiben, die dann im Microstructuring only short-wave deviations remain, which then in
nachfolgenden Polierschritt wesentlich rascher abgetragen werden als die ursprünglichen langwelligen Abweichungen. subsequent polishing step are removed much faster than the original long-wave deviations.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt also in der Ermittlung einer geeigneten An essential aspect of the invention thus lies in the determination of a suitable
Mikrostruktur, die zur Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens dienen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer solchen Mikrostruktur umfasst dabei wenigstens zwei Verfahrensschritte: Zum einen das Ermitteln einer Oberflächenabweichung einer Werkstückoberfläche von einer gewünschten Microstructure that can serve to improve a polishing process to be applied to a workpiece surface. The method according to the invention for determining such a microstructure comprises at least two method steps: First, determining a surface deviation of a workpiece surface from a desired one
Zielgeometrie, und zum anderen das Ermitteln einer auf die Werkstückoberfläche Target geometry, and on the other hand, the determination of a on the workpiece surface
aufzuprägenden Mikrostruktur, wobei die Mikrostruktur eine kurzwelligere microstructure to be applied, wherein the microstructure has a shorter wavelength
Oberflächenstruktur aufweist als die ursprüngliche Werkstückoberfläche und so gewählt wird, dass langwellige Abweichungen der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie kompensiert bzw. unterdrückt werden, so dass nach einem Aufprägen der ermittelten Mikrostruktur auf die Werkstückoberfläche in einem anschließend durchführbaren Polierverfahren bessere Having surface structure than the original workpiece surface and is chosen so that long-wave deviations of the workpiece surface are compensated or suppressed by the target geometry, so that after an imprinting of the determined microstructure on the workpiece surface in a subsequently feasible polishing process better
(insbesondere kleinere Sollgeometrieabweichungen und/oder kürzere Polierzeiten) (in particular smaller nominal geometry deviations and / or shorter polishing times)
Polierergebnisse erzielbar sind. Polishing results are achievable.
Dabei soll der gewählte Begriff„Mikrostrukturierung" bzw.„Mikrostruktur" andeuten, dass die aufzuprägende Struktur von kürzerer Wellenlänge ist als die Ausgangsstruktur. Der Begriff wird also gewissermaßen als Synonym für„klein" bzw.„kurzwellig" verwendet (ähnlich wie im Begriffspaar„Miro- und Makrokosmos"). Der Begriff bedeutet hingegen keine ausschließliche Festlegung auf Strukturen im Mikrometerbereich. Gleichwohl können mittels Mikrostrukturierung gegebenenfalls auch Strukturen mit Wellenlängen im The chosen term "microstructuring" or "microstructure" is intended to indicate that the structure to be applied is of shorter wavelength than the starting structure. The term is thus used to a certain extent as a synonym for "small" or "shortwave" (similar to the term "miro- and macrocosm") .The term, however, does not mean an exclusive definition of structures in the micrometer range Wavelengths in the
Mikrometerbereich erzeugt werden. Micrometer range can be generated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt zum Ermitteln der According to a preferred embodiment of the invention takes place to determine the
Mikrostruktur eine Zuordnung zwischen einer Höhenstruktur der Werkstückoberfläche und einer lokalen Mikrostruktur. Die Höhenstruktur einer Werkstückoberfläche ist beispielsweise aus Messungen bekannt, kann jedoch auch auf theoretischem Wege durch Simulation ermittelt werden. Unter einer lokalen Mikrostruktur wird dabei eine Mikrostruktur verstanden, die nur in einem räumlich begrenzten Bereich auf die Werkstückoberfläche aufzuprägen ist. Bei der oben angesprochenen Zuordnung wird beispielsweise die Werkstückoberfläche in verschiedene kleine Bereiche unterteilt, jeder der Bereiche wird hinsichtlich des darin befindlichen Höhenprofils untersucht bzw. klassifiziert, und jedem der Bereiche wird basierend auf der Klassifizierung eine lokale Mikrostruktur zugeordnet. Microstructure an association between a height structure of the workpiece surface and a local microstructure. The height structure of a workpiece surface is known for example from measurements, but can also be determined theoretically by simulation. A local microstructure is understood to mean a microstructure which is to be applied to the workpiece surface only in a spatially limited area. For example, in the above-mentioned assignment, the workpiece surface is divided into various small areas, each of the areas is examined for the height profile therein, and each area is assigned a local microstructure based on the classification.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren zur According to a preferred embodiment of the invention, the method for
Ermittlung einer Mikrostruktur des Weiteren den folgenden Schritt auf: Bereitstellen eines Prozessmodells zur Vorhersage der Oberflächengeometrie einer Werkstückoberfläche nach einem Polierverfahren. Ein solches Prozessmodell kann bereits existieren oder aber auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens designed und/oder optimiert werden. Parameter eines solchen Prozessmodelles können sein: Temperatur, Poliergeschwindigkeit, Polierdruck, Material, Rauigkeit und Elastizitätsmodul einer elastischen Polieroberfläche. Dabei ist das Elastizitätsmodul frequenzabhängig, es ist also kein klassischer konstanter Parameter, sondern eine frequenzabhängige Funktion. Determining a microstructure further comprises the following step: Providing a process model for predicting the surface geometry of a workpiece surface after a polishing process. Such a process model may already exist or else be designed and / or optimized in the context of the method according to the invention. Parameters of such a process model may include: temperature, polishing speed, polishing pressure, material, roughness and elastic modulus of an elastic polishing surface. The modulus of elasticity is frequency-dependent, so it is not a classical constant parameter, but a frequency-dependent function.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Prozessmodell dazu verwendet, um die aufzuprägende Mikrostruktur zu bestimmen. According to a preferred embodiment of the invention, the process model is used to determine the microstructure to be imprinted.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur According to a preferred embodiment of the method according to the invention for
Ermittlung einer Mikrostruktur wird die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Determining a microstructure is predicted from the process model
Oberflächengeometrie verwendet, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine Anpassung der Geometrie von auf dem Werkstück aufzubringenden Bauteilen zu kompensieren, welche mit einem nachfolgenden Lithographieverfahren strukturiert werden können. Surface geometry uses to compensate for an aberration caused by a deviation of the workpiece surface from the target geometry by adjusting the geometry of components to be applied to the workpiece, which can be patterned by a subsequent lithography process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine According to a further preferred embodiment, the surface geometry predicted from the process model is used, an aberration resulting from a deviation of the workpiece surface from the target geometry by a
Formgebung des Werkstückes selbst oder durch den Einsatz weiterer optischer Elemente zu korrigieren. To correct the shape of the workpiece itself or by the use of other optical elements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Mikrostruktur durch Optimierungsprozesse ermittelt. Hierzu können insbesondere iterative Verfahren eingesetzt werden. According to a preferred embodiment of the invention, the microstructure is through Optimization processes determined. In particular, iterative methods can be used for this purpose.
Zur Ermittlung einer geeigneten kurzwelligen Oberflächenstruktur kann aus den To determine a suitable short-wave surface structure can from the
beschriebenen elastischen Eigenschaften des Polierkissens in Kombination mit den anderen Prozessbedingungen also ein mathematisches Modell abgeleitet werden, welches die described elastic properties of the polishing pad in combination with the other process conditions so a mathematical model are derived, which the
Veränderung einer gegebenen Oberflächentopographie durch den Polierprozess zumindest näherungsweise beschreibt. Changes in a given surface topography by the polishing process at least approximately describes.
Die erfindungsgemäß genutzte Eigenschaft des dynamischen Verhaltens des The property used according to the invention of the dynamic behavior of the
Elastizitätsmoduls ist gleichbedeutend damit, dass ein solches mathematisches Prozessmodell den Charakter eines Tiefpasses für die räumlichen Frequenzen hat. Die quantitativen Modulus of elasticity is synonymous with the fact that such a mathematical process model has the character of a low-pass for the spatial frequencies. The quantitative
Eigenschaften eines solchen Prozessmodells hängen ausschließlich von den verwendeten Prozessbedingungen und -materialien ab, aber insbesondere nicht von der Form der Properties of such a process model depend exclusively on the process conditions and materials used, but in particular not on the shape of the
Werkstückoberfläche. Workpiece surface.
Polierkissen aus Polyurethanen, wie sie typischerweise beim Polieren eingesetzt werden, liegen bei den typischen beim Polieren verwendeten Anpressdrücken nicht vollflächig auf der Werkstückoberfläche auf. Stattdessen haben sie aufgrund ihrer rauen Oberfläche nur mit den am weitesten herausragenden Spitzen Kontakt mit der Werkstückoberfläche. Die effektive Kontaktfläche macht nur einen Anteil im einstelligen Prozentbereich der nominellen Polyurethane polishing pads, which are typically used during polishing, do not lie completely on the workpiece surface in the typical contact pressures used during polishing. Instead, because of their rough surface, they only have contact with the workpiece surface with the most prominent tips. The effective contact area makes up only a fraction in the single-digit percentage range of the nominal
Kontaktfläche aus (siehe C. L. Elmufdi and G. P. Muldowney, "A novel optical technique to measure pad-wafer contact area in chemical mechanical planarization," in Mater. Res. Soc. Symp. Proc, T. Y. Tsui, Y. -C. Joo, L. Michaelson, M. Lane, and A. A. Volinsky, Eds., vol. 914, 2006, pp. paper 0914-Fl 2-06.). (See CL Elmufdi and GP Muldowney, "A novel optical technique to measure pad-wafer contact area in chemical mechanical planarization," in Mater. Res. Soc. Symp. Proc, TY Tsui, Y. -C.Joo, L Michaelson, M. Lane, and AA Volinsky, Eds., Vol. 914, 2006, pp. Paper 0914-Fl 2-06.).
Unter bestimmten Annahmen (insbesondere, dass die Häufigkeit der Polierkissenspitzen mit ihrer Höhe exponentiell abnimmt, die Spitzen im Kontaktbereich kugelförmig sind und Hertzscher Kontakt vorliegt), kann man zeigen, dass der elastische Kontakt durch ein effektives exponentielles Federgesetz beschrieben werden kann, wobei in den Vorfaktor das Elastizitätsmodul des Polierkissenmaterials linear eingeht (siehe J. Vlassak, "A model for chemical-mechanical polishing of a material surface based on contact mechanics," Journal of the Mechanics and Physics of solids, vol. 52, pp. 847-873, 2004). Under certain assumptions (in particular, that the frequency of the polishing pad tips decreases exponentially with their height, the tips in the contact area are spherical and Hertzian contact is present), it can be shown that the elastic contact can be described by an effective exponential spring law, wherein the prefactor the modulus of elasticity of the polishing pad material is linear (see J. Vlassak, "A model for chemical-mechanical polishing of a material surface based on contact mechanics," Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 52, pp. 847-873, 2004) ).
Für kleine Deformationen kann man das Exponentialgesetz durch den linearen Term der Taylorentwicklung nähern. In diesem Fall folgt aus der Preston'schen Gleichung, dass die Einebnung einer sinoidalen Oberflächentopographie beim Polieren exponentiell mit der Zeit verläuft, wobei die Zeitkonstante proportional zum Wert des Elastizitätsmodul bei der resultierenden Frequenz ist, welche durch die Relativgeschwindigkeit und durch die räumliche Frequenz bestimmt wird. Dieses Verhalten ist äquivalent zu einer Faltung im Ortsraum mit einer Faltungsfunktion, welche aufgrund der Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls glockenförmig ist und deren charakteristische Breite mit der Polierdauer zunimmt. For small deformations one can approximate the exponential law by the linear term of Taylor evolution. In this case, it follows from Preston's equation that the Leveling of a sinoidal surface topography during polishing is exponential with time, the time constant being proportional to the value of the elastic modulus at the resulting frequency, which is determined by the relative velocity and by the spatial frequency. This behavior is equivalent to a convolution in space with a convolution function which is bell-shaped due to the frequency dependence of the elastic modulus and whose characteristic width increases with the polishing time.
Für größere Deformationen ist eine lineare Näherung des effektiven Federgesetzes nicht mehr ausreichend. Die Taylorentwicklung muss dann zu höheren Termen erweitert werden. Damit wird die mathematische Beschreibung des Prozesses komplizierter, denn eine Faltung im Ortsraum ist dann nicht mehr ausreichend. Die mathematische Beschreibung erfolgt vorteilhafterweise im Fourierraum des Ortsraumes. Der quadratische Term der For larger deformations, a linear approximation of the effective spring law is no longer sufficient. The Taylor development must then be extended to higher terms. This complicates the mathematical description of the process, because convolution in space is then no longer sufficient. The mathematical description is advantageously carried out in the Fourier space of the spatial domain. The quadratic term of
Taylorentwicklung kann dann beispielsweise durch die Autokorrelationsfunktion des Oberflächenprofiles berechnet werden. Taylor development can then be calculated, for example, by the autocorrelation function of the surface profile.
Das grundlegende Verhalten eines Polierprozesses, demgemäß mit dem oben beschriebenen Verlauf des dynamischen Elastizitätsmoduls kurzwellige Oberflächenstrukturen schneller eingeebnet werden als langwellige, bleibt auch bei Hinzunahme höhere Ordnungen bestehen. Diese Eigenschaft ist Grundlage der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen. The basic behavior of a polishing process, according to which, with the above-described course of the dynamic modulus of elasticity, short-wave surface structures are leveled out faster than long-wavelength, higher orders remain even when added. This property is the basis of the methods and devices according to the invention.
Es ist offensichtlich, dass ein Prozessmodell immer nur eine statistische Näherung für die Summe der Einzelabträge sein kann, die durch die individuellen Polierkissenspitzen im Laufe des Poliervorganges verursacht werden. Daher ist für den Einsatz eines erfindungsgemäßen Polierverfahrens vorteilhaft, dafür Sorge zu tragen, dass alle Bereiche der It is obvious that a process model can only ever be a statistical approximation of the sum of the individual abrasions caused by the individual polishing pad tips in the course of the polishing process. Therefore, it is advantageous for the use of a polishing method according to the invention to ensure that all areas of the
Werkstückoberfläche, deren Form im Poliervorgang bearbeitet werden soll, mit einer hinreichend großen Anzahl von Polierkissenspitzen in Kontakt kommen. Dies bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die gewünschte Formgebung auch in den tief liegenden Bereichen der Werkstückoberfläche ausreichend schnell erreicht wird. Workpiece surface whose shape is to be processed in the polishing process, come into contact with a sufficiently large number of polishing pad tips. This also has the advantage that the desired shape is achieved sufficiently quickly, even in the low-lying areas of the workpiece surface.
Dies lässt sich beispielsweise durch eine genügend große Rauigkeit der This can be, for example, by a sufficiently large roughness of
Polierkissenoberfläche erreichen. Dadurch wird sichergestellt, dass auch in den tiefer liegenden Gebieten der Werkstückoberfläche eine große Zahl von Polierkissenspitzen aufliegt. Reaching the polishing pad surface. This ensures that even in the lower areas of the workpiece surface a large number of polishing pad tips rests.
Vor diesem Hintergrund ist die Verwendung von geschäumten Materialien für das Polierkissen vorteilhaft, da durch die Einstellung der Porengröße die Rauigkeit des Polierkissens beeinflusst werden kann. Nach dem Stand der Technik werden Polierkissen vor dem Polierprozess mit geeigneten Diamantwerkzeugen aufgeraut (konditioniert). Dabei wird die Oberfläche soweit abgetragen, das an der Oberfläche eine offene Porenstruktur entsteht. Die Porenwände bilden dann die Spitzen, mit denen das Polierkissen beim Poliervorgang auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Größere Poren ergeben nach dem Auftauen eine größere Rauigkeit. Against this background, the use of foamed materials for the Polishing pad advantageous because the roughness of the polishing pad can be influenced by adjusting the pore size. According to the state of the art, polishing pads are roughened (conditioned) with suitable diamond tools before the polishing process. The surface is removed so far that creates an open pore structure on the surface. The pore walls then form the tips with which the polishing pad rests on the workpiece surface during the polishing process. Larger pores give greater roughness after thawing.
Es ist weiterhin vorteilhaft, zwischen dem Polierkissen, welches direkt auf der It is also advantageous between the polishing pad, which directly on the
Werkstückoberfläche aufliegt, und dem Polierkissenträger eine zusätzliche Zwischenschicht aus weicherem viskosen, weicherem elastischen oder weicherem visko-elastischen Material, insbesondere aus Pech oder Harz oder einem Polymer, aufzubringen. Durch geeignete Wahl der Elastizitätsmodule und der Schichtdicken der beiden Schichten kann man Rests workpiece surface, and the polishing pad carrier an additional intermediate layer of softer viscous, softer elastic or softer visco-elastic material, in particular of pitch or resin or a polymer to apply. By a suitable choice of the moduli of elasticity and the layer thicknesses of the two layers can be
vorteilhafterweise erreichen, dass langreichweitige Höhenunterschiede in der advantageously achieve that long - range height differences in the
Werkstückoberfläche durch die weichere Zwischenschicht ausgeglichen werden. Für diese weichere Schicht eignet sich auch ein Material mit einer hohen Viskosität wie beispielsweise bestimmte Peche oder Harze. Solche Materialien bieten den Vorteil, dass ihr statisches Elastizitätsmodul null ist. Daher ist auch das dynamische Elastizitätsmodul bei niedrigen Frequenzen sehr klein. Daher vollzieht sich auch die Einebnung langwelliger Abweichungen zwischen Polierkopfoberfläche und Werkstückoberfläche, wie sie etwa bei Verwendung nur näherungsweise angepasster Polierkopfoberflächen auftreten, sehr langsam. Workpiece surface are compensated by the softer intermediate layer. For this softer layer is also a material with a high viscosity, such as certain pitches or resins. Such materials offer the advantage that their static modulus of elasticity is zero. Therefore, the dynamic elastic modulus at low frequencies is very small. Therefore, the leveling of long-wave deviations between polishing head surface and workpiece surface, as they occur when using only approximately matched polishing head surfaces, very slowly.
Wie im gegenwärtigen Stand der Technik wird vorausgesetzt, dass die Abweichungen von der gewünschten Oberflächenform an einer hinreichenden großen Zahl von Punkten auf der Werkstückoberfläche bekannt ist. As in the current state of the art, it is assumed that the deviations from the desired surface shape at a sufficiently large number of points on the workpiece surface is known.
Für die Fertigung optischer Elemente wird diese Information typischerweise mit For the production of optical elements, this information is typically with
interferometrischen Messverfahren gewonnen. gained interferometric measurement.
Bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen oder Mikrosystemen kann die In the manufacture of semiconductor devices or microsystems, the
Oberflächenform üblicherweise aus den Platzierungsdaten der Bauelemente (d.h. den Surface shape usually from the placement data of the components (i.e.
Layoutdaten) in den der vorangegangenen Ebenen und der Prozessbedingungen abgeleitet werden. Layout data) in the previous levels and the process conditions are derived.
Des weiteren wird vorausgesetzt, dass für den verwendeten Polierprozess und dessen Furthermore, it is assumed that for the polishing process used and its
Prozessbedingungen ein Prozessmodell bestimmt wurde, welches, wie oben ausgeführt, aufgrund der beschriebenen Eigenschaft des Elastizitätsmoduls der elastischen Oberfläche einen tiefpassartigen Charakter für die Oberflächengeometrie hat. Dies kann entweder durch empirische Messungen an Hand von geeigneten Teststrukturen oder direkt aus den Process conditions a process model has been determined which, as stated above, due to the described property of the elastic modulus of the elastic surface has a low-pass character for the surface geometry. This can be done either by empirical measurements on the basis of suitable test structures or directly from the
Prozessbedingungen und Materialeigenschaften oder einer Kombination beider Methoden abgeleitet sein. Process conditions and material properties or a combination of both methods derived.
Der Werkstückoberfläche kann nun durch geeignete Verfahren (sog. The workpiece surface can now by suitable methods (so-called.
Mikrostrukturierungsverfahren, siehe unten) eine kurzwellige Oberflächenstruktur aufgeprägt werden. Diese Oberflächenstruktur wird mit Hilfe des Prozessmodells so gewählt, dass sie in Kombination mit der bestehenden Oberflächengeometrie, (das heißt insbesondere mit den bekannten Abweichungen), nach dem Polierprozess so gut wie möglich mit der gewünschten Zieloberfläche übereinstimmt. Ziel ist es, die langwelligen Abweichungen mit Hilfe von kurzwelligen Strukturen zu korrigieren.  Microstructuring method, see below) a short-wave surface structure are imprinted. This surface structure is selected with the aid of the process model in such a way that, in combination with the existing surface geometry (ie in particular with the known deviations), it corresponds as well as possible to the desired target surface after the polishing process. The aim is to correct the long-wave deviations using shortwave structures.
Die lateralen Ausdehnungen der aufgeprägten Oberflächenstruktur sollten möglichst klein gewählt werden, um die Einebnungsdauer für die aufgeprägte Oberflächenstruktur im anschließenden Polierschritt so kurz wie möglich zu halten. Hierbei ist den etwaigen The lateral dimensions of the impressed surface structure should be as small as possible in order to keep the leveling time for the embossed surface structure in the subsequent polishing step as short as possible. Here is the possible
Auflösungsgrenzen des verwendeten Strukturierungsprozesses Rechnung zu tragen. Resolution limits of the structuring process used.
Das so präparierte Werkstück kann nun mit dem dem Prozessmodell zu Grunde liegenden Polierverfahren poliert werden. Gemäß dem weiter oben beschriebenen Effekt wird die aufgeprägte kurzwellige Oberflächenstruktur wesentlich schneller eingeebnet als die langwelligen Abweichungen der unbehandelten Oberfläche.Das Verfahren zum Aufprägen der Oberflächenstruktur muss es ermöglichen, mit einer hinreichenden lateralen und vertikalen Auflösung die geforderte Struktur aufzuprägen. Die Experimente, die zu der beschriebenen Erfindung führten, zeigen, dass vorteilhafterweise minimale Strukturgrößen im Bereich von etwa lOμm geeignet sind, um in Kombination mit kommerziell verfügbaren Polierkissen und typischen Poliergeschwindigkeiten (z.B. 0.5 m/s) ausreichend The thus prepared workpiece can now be polished with the polishing process on which the process model is based. According to the effect described above, the impressed short-wave surface structure is leveled much faster than the long-wave deviations of the untreated surface. The method for impressing the surface structure must make it possible to impart the required structure with a sufficient lateral and vertical resolution. The experiments leading to the described invention show that advantageously minimum feature sizes in the range of about 10 μm are sufficient to be sufficient in combination with commercially available polishing pads and typical polishing rates (e.g., 0.5 m / s)
Korrekturmöglichkeiten zu bieten. To provide correction options.
Solche Strukturgrößen können z.B. mit Hilfe von laserbasierten lithografischen Verfahren, wie sie bei der Herstellung von Photomasken für die Halbleiterfertigung üblich sind, ohne technische Schwierigkeiten auf ebenen Substraten hergestellt werden. Auf gekrümmten Substraten ist eine lithographische Strukturierung ebenfalls möglich (siehe z.B.„Laser- lithography on non-planar surfaces" by D. Radtke and U.D. Zeitner in Optics Express, Vol. 15, Issue 3, pp. 1167-1174 ). Bei diesem Verfahren lässt sich für jedes Werkstück die erforderliche Oberflächenstruktur individuell anpassen. Es ist daher sehr geeignet zur Korrektur von Einzelstücken und Such structure sizes can be produced, for example, with the aid of laser-based lithographic processes, as are customary in the production of photomasks for semiconductor production, without technical difficulties on flat substrates. Lithographic structuring is also possible on curved substrates (see, for example, "Laser Lithography on Nonplanar Surfaces" by D. Radtke and UD Zeitner in Optics Express, Vol. 15, Issue 3, pp. 1167-1174). With this method, the required surface structure can be individually adjusted for each workpiece. It is therefore very suitable for the correction of individual pieces and
Kleinserien, sowie zur Korrektur von unsystematischen Abweichungen, d.h. Abweichungen die von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich sind. Small series, as well as for the correction of unsystematic deviations, i. Deviations that differ from workpiece to workpiece.
Zur Korrektur von systematischen Fehlern, insbesondere bei der Fertigung von größeren Stückzahlen, erscheint die Verwendung einer Photomaske sinnvoll, mit deren Hilfe man eine identische Oberflächenstruktur auf eine Vielzahl von Werkstücken belichten kann. Die Belichtung kann dann entweder als Kontaktbelichtung oder mit Hilfe einer Projektionsoptik erfolgen. To correct systematic errors, especially in the production of larger quantities, the use of a photomask seems useful, with the help of which one can expose an identical surface structure on a variety of workpieces. The exposure can then take place either as a contact exposure or with the aid of a projection optics.
Eine Kombination beider Verfahren ist ebenfalls vorteilhaft, um sowohl systematische als auch zufällige Abweichungen zu korrigieren. A combination of both methods is also advantageous in order to correct for both systematic and random deviations.
Weiterhin kann die Lackmaske auch durch hochauflösende Drucktechniken auf die Furthermore, the resist mask can also by high-resolution printing techniques on the
Werkstückoberfläche aufgebracht werden. Vorteilhaft sind sogenannte Workpiece surface are applied. Advantageous are so-called
tintenstrahldruckähnliche bzw. InkJet- Verfahren, welche unter Ausnutzung von Ink jet printing similar or ink jet method, which by taking advantage of
piezoelektrischen oder thermischen Verfahren sehr kleine Flüssigkeitsmengen an piezoelectric or thermal processes very small amounts of liquid
vordefinierten Positionen der Werkstückoberfläche aufbringen können. Solche Verfahren sind wohlbekannt um in elektronischer Form vorliegende Bilder auf Papier zu drucken. can apply predefined positions of the workpiece surface. Such methods are well known for printing images in electronic form on paper.
Entsprechend lassen sich mit solchen Verfahren, die zur Korrektur notwendigen Accordingly, with such procedures, which are necessary for the correction
Lackmaskenstrukturen auf die Werkstückoberfläche aufbringen und anschließend analog zur Photolithographie in die Werkstückoberfiäche ätzen. Apply resist mask structures to the workpiece surface and then etch into the workpiece surface analogously to photolithography.
Analog zur Photomaske kann man auch bei der Drucktechnik-basierten Analogous to the photomask one can also with the printing technology-based
Lackmaskenstrukturierung eine Druckmaske (oder Druckmatrix) verwenden, um Resist masking using a printmask (or print matrix) to
systematische Abweichungen an einer großen Zahl von Werkstücken einfacher zu korrigieren. Dieses Verfahren ist in der Offsetdrucktechnik wohlbekannt. Hier verwendet man to correct systematic deviations on a large number of workpieces easier. This method is well known in the offset printing art. Here you use
Druckplatten, die mit den Bild- und Textdaten bebildert werden und mit denen dann in einer Art Stempelverfahren eine große Zahl von Abzügen hergestellt werden können. Printing plates, which are imaged with the image and text data and with which then in a kind of stamping process, a large number of prints can be made.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen According to an advantageous embodiment of the invention
Mikrostrukturierungsverfahrens wird das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines fotolithographischen Verfahrens unter Verwendung eines computergesteuerten Microstructuring method is the structuring of the workpiece surface by means of a photolithographic process using a computer-controlled
Laserstrahles vorgenommen. Laser beam made.
Für das erfindungsgemäße Mikrostrukturierungsverfahren sind auch andere Strukturierungsverfahren denkbar, wie zum Beispiel Mikrogravieren, Laserablation oder Mikroätzen. Solche Verfahren haben gegenüber der Mikrolithographie den Vorteil, dass nicht nur die laterale Dimensionen sondern auch die lokale Strukturierungstiefe zur Korrektur der Oberflächenabweichung innerhalb eines Prozessschrittes variiert werden kann. Außerdem erfolgt der Materialabtrag direkt (also ohne Umweg über eine maskierte Ätzung). Durch die einfachere Prozessführung wird eine direkte Integration in eine Poliervorrichtung erleichtert. Dadurch können die Strukturierung und das Polieren direkt in derselben Werkstückhalterung erfolgen. For the microstructuring according to the invention are also other Patterning process conceivable, such as micro-engraving, laser ablation or microetching. Such methods have the advantage over microlithography that not only the lateral dimensions but also the local structuring depth for correcting the surface deviation can be varied within one process step. In addition, the material removal takes place directly (ie without detour via a masked etching). The simpler process management facilitates direct integration into a polishing device. As a result, structuring and polishing can take place directly in the same workpiece holder.
Neben den beschriebenen materialabtragenden Strukturierverfahren können auch In addition to the described material-removing Strukturierverfahren can also
materialaufbringenden Verfahren eingesetzt werden. So können zum Beispiel material-applying method can be used. So, for example
schichtabscheidende Verfahren unter Verwendung einer entsprechend strukturierten layer-separating processes using a correspondingly structured
Lochmaske angewandt werden. Auch hochauflösende Drucktechniken können bei geeigneter Wahl der Prozessparameter eingesetzt werden. Eine solche Anwendung erscheint Shadow mask are applied. Even high-resolution printing techniques can be used with a suitable choice of process parameters. Such an application appears
insbesondere vorteilhaft für den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren bei reflektiven optischen Elementen. In diesem Fall sind die optischen Eigenschaften des Substrates unwichtig, da die Reflektion an einer nachträglich aufgedampften dünnen Schicht erfolgt. especially advantageous for the use of the inventive method in reflective optical elements. In this case, the optical properties of the substrate are unimportant, since the reflection takes place on a subsequently deposited thin layer.
Bei den materialaufbringenden Strukturierungsverfahren ist es eventuell unvermeidlich, dass der Polierprozess das zur Strukturierung aufgebrachte Material schneller oder langsamer abträgt als das Material der Werkstückoberfläche. Dieser Unterschied kann im Prozessmodell durch die Einführung eines ortsabhängigen Prestonkoeffizienten berücksichtigt werden. In the case of the material-applying structuring methods, it may be unavoidable that the polishing process removes the material applied for structuring more quickly or more slowly than the material of the workpiece surface. This difference can be taken into account in the process model by introducing a location-dependent Preston coefficient.
Alternativ kann auch nach dem materialaufbringenden Strukturierungsverfahren eine ausreichend dicke homogene Zwischenschicht abgeschieden werden, welche dann die neue Werkstückoberfläche bildet, die im nachfolgenden Polierschritt bearbeitet werden kann. Alternatively, a sufficiently thick homogeneous intermediate layer can be deposited after the material-applying patterning process, which then forms the new workpiece surface, which can be processed in the subsequent polishing step.
Natürlich ist es auch möglich, materialabtragende und -aufbringende Verfahren zu Of course, it is also possible to use material-removing and -aufbringende procedures
kombinieren. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn sich die Höhenabweichungen nur über einen geringen Anteil der gesamten Werkstückoberfläche erstrecken, aber sowohl in die Oberfläche hinein als auch aus der Oberfläche hinaus zeigen. In diesem Fall können die unterschiedlichen Abweichungen durch das jeweils komplementäre Strukturierungsverfahren korrigiert werden, so dass die zu strukturierende Fläche auf die Abweichungen selbst beschränkt bleibt. combine. This may be particularly advantageous if the height deviations extend only over a small proportion of the entire workpiece surface, but point both into the surface and out of the surface. In this case, the different deviations can be corrected by the respective complementary structuring method, so that the area to be structured remains limited to the deviations themselves.
Um trotz eines begrenzten Auflösungsvermögens eines verwendeten Strukturierungsverfahren ein hohes dynamisches Elastizitätsmodul für die aufgeprägte Mikrostruktur zu erreichen, kann ein elastisches Material gewählt werden, dessen Glasübergangsfrequenz auf das Auflösungsvermögen des eingesetzten Strukturierungsverfahrens abgestimmt ist. In order to achieve a high dynamic modulus of elasticity for the impressed microstructure, despite a limited resolving power of a structuring method used an elastic material can be selected whose glass transition frequency is matched to the resolution of the structuring method used.
Die elastischen Eigenschaften vieler Polymere lassen sich aus den Beiträgen der einzelnen Monomere über sogenannte Gruppenbeitrags- oder Fragmentmethoden ableiten. Dies gilt insbesondere auch für die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls. So konnten Davis und Szabo die Frequenzabhängigkeit von 14 Polyurethanen sehr exakt aus den The elastic properties of many polymers can be deduced from the contributions of the individual monomers via so-called group contribution or fragment methods. This is especially true for the frequency dependence of the modulus of elasticity. Davis and Szabo were able to determine the frequency dependence of 14 polyurethanes very precisely
Monomerbeiträgen ermitteln. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist, dass die Determine monomer contributions. Noteworthy in this context is that the
Glasübergangsfrequenz in den untersuchten Materialien um etwa 10 Größenordnungen variierte (siehe W.M. Davis and J.P. Szabo,„Group contribution analysis applied to the Havriliak-Negami model for polyurethanes", Comp. And Theor. Polymer Science, 11 (2001), pp 9-15). Das bedeutet, dass die Glasübergangsfrequenz des verwendeten Glass transition frequency in the materials studied varied by about 10 orders of magnitude (see WM Davis and JP Szabo, "Group Contribution Analysis applied to the Havriliak-Negami model for polyurethanes", Comp.And Theor.Polymer Science, 11 (2001), pp 9-15 This means that the glass transition frequency of the used
Polierkissenmaterials durch geeignete Materialsynthese in weiten Bereichen auf die Polierkissenmaterials by suitable material synthesis in a wide range on the
Auflösung und die verwendete Relativgeschwindigkeit angepasst werden kann. Resolution and the relative speed used can be adjusted.
Auch die Größen des niederfrequenten und des hochfrequenten Elastizitätsmoduls lassen sich durch eine geeignete Zusammensetzung des verwendeten Materials für das erfindungsgemäße Verfahren optimieren. Um den Einfluss durch langreichweitige Abweichungsfehler zwischen Polierkopf und Sollgeometrie zu minimieren, sollte das entsprechende niederfrequente Elastizitätsmodul so klein wie möglich sein. Gleichzeitig sollte das hochfrequente The sizes of the low-frequency and the high-frequency elastic modulus can be optimized by a suitable composition of the material used for the inventive method. In order to minimize the influence of long-range deviation errors between the polishing head and the target geometry, the corresponding low-frequency elastic modulus should be as small as possible. At the same time, the high-frequency
Elastizitätsmodul möglichst groß sein, damit die aufgeprägte Oberflächenstruktur möglichst rasch eingeebnet werden kann. Young's modulus should be as large as possible so that the embossed surface structure can be leveled as quickly as possible.
Darüber hinaus lassen sich zwei Prozessparameter geeignet wählen, um in gewissen Grenzen die Abstimmung zwischen der Glasübergangsfrequenz und dem Auflösungsgrenzen des Strukturierungsverfahrens zu optimieren. In addition, two process parameters can be chosen suitably in order to optimize within certain limits the coordination between the glass transition frequency and the resolution limits of the structuring method.
Zum einen verschiebt eine Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück- und Polierkissenoberfläche den zeitlichen Verlauf der durch eine gegebene Mikrostruktur bewirkten Deformation zu höheren Frequenzen und erhöht damit den wirkenden On the one hand, an increase in the relative speed between the workpiece surface and the polishing pad surface shifts the time profile of the deformation caused by a given microstructure to higher frequencies, thereby increasing the effect
Elastizitätsmodul. Modulus of elasticity.
Zum anderen ist die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls temperaturabhängig. Bei geringeren Temperaturen verschiebt sich die Glasübergangsfrequenz zu kleineren Werten. Mit einer Temperaturerniedrigung erreicht man daher für eine gegebene Mikrostruktur ebenfalls höhere Werte für den wirkenden Elastizitätsmodul. Es ist offensichtlich, dass der in Einklang mit der Erfindung stehende Prozesszyklus, beinhaltend Ermittlung der Oberflächenabweichung, Bestimmung und Aufprägen des Korrekturmusters und anschließendes Polieren, auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erreichbaren On the other hand, the frequency dependence of the modulus of elasticity is temperature-dependent. At lower temperatures, the glass transition frequency shifts to smaller values. With a decrease in temperature, therefore, for a given microstructure, higher values for the effective modulus of elasticity are also achieved. It is obvious that the process cycle in accordance with the invention, including determination of the surface deviation, determination and imprinting of the correction pattern and subsequent polishing, can also be carried out several times in succession. This is particularly advantageous if the achievable
Strukturierungstiefen des gewählten Strukturierungsprozesse nicht ausreichen, um die vorhandenen Abweichungen in einem einzigen Prozesszyklus zu korrigieren. Auch können bei mehrmaliger Anwendung in den verschiedenen Schritten unterschiedliche Structuring depths of the selected structuring processes are not sufficient to correct the existing deviations in a single process cycle. Also with repeated application in the different steps different
Strukturierungsbreiten, Polierkissenmaterialen und Prozessbedingungen eingesetzt werden, um Abweichungen auf unterschiedlichen Längen- und Höhenskalen zu korrigieren. Structuring widths, polishing pad materials and process conditions are used to correct deviations on different length and height scales.
In Einklang mit dem vorstehend allgemein Ausgeführten betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. Dies weist wenigstens die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer mikrostrukturierten In accordance with what has been generally stated above, another aspect of the invention relates to a method of polishing and shaping workpiece surfaces. This includes at least the following steps: providing a microstructured one
Werkstückoberfläche, deren Mikrostruktur mit Hilfe eines der vorstehend beschriebenen Mikrostrukturierungsverfahren erzeugt worden ist; Aufsetzen einer elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche; und Polieren der Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes zwischen elastischer Oberfläche und Werkstückoberfläche und durch Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zueinander, wobei ein Material für die elastische Oberfläche verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. Auf diese Weise lässt sich insbesondere die Polierzeit zum Polieren einer Werkstückoberfläche deutlich verkürzen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Polierverfahren wird eine mikrostrukturierte Workpiece surface whose microstructure has been produced by means of one of the microstructuring methods described above; Placing an elastic surface on the workpiece surface; and polishing the workpiece surface by generating a pressure between the elastic surface and the workpiece surface and moving the elastic surface and the workpiece surface relative to each other using a material for the elastic surface whose modulus of elasticity has a dynamic dependence in a certain frequency range such that the force necessary to produce a time-varying deformation in the material is greater for rapid deformations than for slow deformations. In this way, in particular the polishing time for polishing a workpiece surface can be significantly shortened. According to the polishing method according to the invention is a microstructured
Werkstückoberfläche bereitgestellt. Dieses Bereitstellen kann so gestaltet sein, dass die vor dem Polierschritt erforderliche Mikrostrukturierung zeitlich und/oder räumlich getrennt von dem Polierschritt vorgenommen worden ist. Es ist aber auch möglich, dass die Workpiece surface provided. This provision may be such that the microstructuring required prior to the polishing step has been performed temporally and / or spatially separated from the polishing step. But it is also possible that the
Mikrostrukturierung zeitnah zum Polierschritt und dabei insbesondere auch räumlich nah - beispielsweise in derselben Firma - oder sogar mit Hilfe einer einzigen Vorrichtung, die eine Mikrostrukturierungseinheit und eine Poliereinheit aufweist, vorgenommen wird. Microstructuring promptly to the polishing step and in particular spatially close - for example, in the same company - or even with the help of a single device having a microstructuring unit and a polishing unit is made.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Polierverfahren den folgenden Verfahrensschritt auf: Auswählen von Prozessbedingungen, so dass die benötigte Polierzeit möglichst kurz wird. Dies können insbesondere die Temperatur und/oder der Betrag der Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und der elastischen Oberfläche sein, wobei die oben allgemein beschriebenen funktionalen Zusammenhänge zwischen den Parametern ausgenutzt werden. According to a preferred embodiment of the invention, the polishing method according to the invention comprises the following method step: selecting process conditions so that the required polishing time becomes as short as possible. This can in particular the temperature and / or the amount of relative speed between the workpiece surface and the elastic surface, taking advantage of the above-described functional relationships between the parameters.
Gemäß einer weiteren bevorzugten AusfQhrungsform des erfindungsgemäßen According to another preferred embodiment of the invention
Polierverfahrens werden einzelne Verfahrensschritte mehrfach hintereinander ausgeführt. Dabei können diese Verfahrensschritte mit identischen oder aber veränderten Polishing process individual process steps are performed several times in succession. These process steps can be identical or changed
Prozessparametern ausgeführt werden. Process parameters are executed.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein According to a further aspect of the invention, this relates to a
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode zum Ausführen der Computer program product with a program code for executing the
erfindungsgemäßen Verfahren. Typischerweise handelt es sich dabei um auf einem inventive method. Typically this is on a
Datenträger gespeicherte Software, ein solcher separater Datenträger ist aber nicht zwingend erforderlich. Der Programmcode kann dabei in sämtlichen bekannten Programmiersprachen geschrieben sein. Disk stored software, such a separate disk is not mandatory. The program code can be written in all known programming languages.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, wird die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt durch das beschriebene Verfahren zur Ermittlung einer Mikrostruktur umgesetzt. Die Erfindung umfasst dabei also diverse theoretische Aspekte bzw. Verfahrensschritte, die gängigerweise unter Zuhilfenahme von Computerprogrammen realisiert werden dürften. Dabei ist es auch möglich, das Verfahren zur Ermittlung einer Mikrostruktur zu trennen von dem As already stated above, according to a first aspect, the invention is implemented by the described method for determining a microstructure. The invention thus encompasses various theoretical aspects or method steps, which are likely to be realized with the aid of computer programs. It is also possible to separate the method for determining a microstructure from the
Mikrostrukturierungs- bzw. Polierverfahren selbst: Die Mikrostruktur kann zeitlich, räumlich und personell unabhängig von der Durchführung des eigentlichen Mikrostrukturierungs- or polishing process itself: The microstructure can be temporally, spatially and personally independent of the implementation of the actual
Mikrostrukturierungsverfahrens bzw. von der Durchführung eines Polierverfahrens durchgeführt werden. Auch lässt sich aus genanntem Grunde ein entsprechendes Mikrostrukturierungsverfahrens or carried out by performing a polishing process. Also can be called reason a corresponding
Computerprogrammprodukt zur Ermittlung einer Mikrostruktur separat vertreiben. Distribute computer program product separately to determine a microstructure.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Verfahren zur Ermittlung der Mikrostruktur mit dem eigentlichen Mikrostrukturierungsverfahren sowie gegebenenfalls auch mit dem darauf folgenden Polierverfahren zu verknüpfen. Sämtliche Verfahren können computergesteuert ablaufen, wobei mithilfe einer entsprechenden Software zum einen die notwendige Of course, it is also possible to combine the method for determining the microstructure with the actual microstructuring method and optionally also with the subsequent polishing method. All processes can be computer-controlled, with the help of an appropriate software on the one hand the necessary
Mikrostruktur bestimmt wird, und zum anderen das Mikrostrukturierungsverfahren und gegebenenfalls das nachfolgende Polierverfahren computergesteuert ablaufen. On the other hand, the microstructuring process and, if appropriate, the subsequent polishing process are computer-controlled.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. Eine solche Vorrichtung weist eine Mikrostrukturierungseinheit zum Mikrostrukturieren einer Werkstückoberfläche wie oben beschrieben und eine Poliereinheit zum Polieren der Werkstückoberfläche auf. Es ist dabei beispielsweise möglich, bereits existierende Poliereinheiten bzw. Poliervorrichtungen um eine entsprechende According to a further aspect of the invention, this relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention for polishing and shaping work piece surfaces. Such a device has a microstructuring unit for Microstructuring a workpiece surface as described above and a polishing unit for polishing the workpiece surface. It is possible, for example, already existing polishing units or polishing devices to a corresponding
Mikrostrukturierungseinheit zu ergänzen bzw. damit zu kombinieren. To complement or combine microstructuring unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese einen Träger zum Tragen eines Werkstückes und ein Polierkissen und einen According to a preferred embodiment of the device according to the invention, this has a support for carrying a workpiece and a polishing pad and a
Polierkissenträger zum Tragen derselben auf, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass das Polieren einer Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes des Polierkissens auf die Werkstückoberfläche und durch ein Bewegen des Polierkissens und der Polishing pad support for supporting the same, the apparatus being arranged to polish a workpiece surface by generating a pressure of the polishing pad on the workpiece surface and by moving the polishing pad and the
Werkstückoberfläche relativ zueinander erfolgt. Workpiece surface is relative to each other.
Vorteilhaft weist dabei das Polierkissen ein geschäumtes Material auf. Besonders bevorzugt werden dabei visko-elastische Polymerschäume wie beispielsweise insbesondere Advantageously, while the polishing pad on a foamed material. Particularly preferred are visco-elastic polymer foams such as in particular
Polyurethanschaum. Polyurethane foam.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem According to another preferred embodiment of the invention is between the
Polierkissen, welches direkt auf der Werkstückoberfläche aufliegt, und dem Polierkissenträger eine Zwischenschicht aus weicherem viskosen, weicherem elastischen oder weicherem visko- elastischen Material, insbesondere aus Pech oder Harz oder auch geeigneten Polymeren, vorgesehen. Polishing pad, which rests directly on the workpiece surface, and the Polierkissenträger an intermediate layer of softer viscous, softer elastic or softer viscoelastic material, in particular of pitch or resin or even suitable polymers provided.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Verwendung einer Mikrostrukturierungseinheit zur Verbesserung eines Verfahrens zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. Wie oben bereits im Detail ausgeführt, sind According to a further aspect of the invention, this relates to a use of a microstructuring unit for improving a method for polishing and shaping workpiece surfaces. As stated above in detail, are
Verfahren und Vorrichtungen zur Strukturierung von Werkstückoberflächen bereits hinreichend bekannt, mit Hilfe der bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es Methods and devices for structuring workpiece surfaces are already well known, with the aid of the known methods and devices
insbesondere auch möglich, die im Rahmen der Erfindung als Mikrostruktur bezeichnete Struktur auf eine Werkstückoberfläche aufzuprägen. Gänzlich unbekannt ist hingegen die Verwendung solcher Strukturierungseinheiten zu dem gemäß der Erfindung angestrebten Zweck, nämlich zur Verbesserung bereits bekannter Polierverfahren und Verfahren zur Formgebung von Werkstückoberflächen. In particular, it is also possible to apply the structure designated as microstructure in the context of the invention to a workpiece surface. By contrast, the use of such structuring units for the purpose intended according to the invention, namely for improving already known polishing methods and methods for shaping workpiece surfaces, is completely unknown.
Im Folgenden sollen noch einmal die Vorteile des Erfindungsgedankens explizit diskutiert werden: In the following, the advantages of the concept of the invention will be discussed explicitly:
Die eigentliche Korrektur von langwelligen Abweichungen von Werkstückoberflächen von einer Zielgeometrie wird nicht mehr durch Polieren erreicht, sondern durch The actual correction of long-wave deviations of workpiece surfaces from A target geometry is no longer achieved by polishing, but by
Mikrostrukturierung. Mikrostrukturierungsverfahren weisen eine um Größenordnungen bessere (also höhere) Ortsauflösung auf als die lokalen Polierverfahren nach dem Stand der Technik. Damit ist eine wesentlich genauere Korrektur der Abweichungen möglich, insbesondere, wenn deren laterale Ausdehnung klein ist. Durch die Ausnutzung der dynamischen Charakteristik geeigneter elastischer Materialien für das Polierkissen kann eine erfindungsgemäß eingeprägte Oberflächentopographie wesentlich schneller eingeebnet werden als die ursprünglichen Abweichungen. Damit reduzieren sich die benötigten Micropatterning. Microstructuring methods are orders of magnitude better (ie higher) spatial resolution than the local polishing methods of the prior art. For a much more accurate correction of the deviations is possible, especially if the lateral extent is small. By utilizing the dynamic characteristics of suitable elastic materials for the polishing pad, a surface topography impressed according to the invention can be leveled much faster than the original deviations. This reduces the required
Polierzeiten gegenüber dem Stand der Technik. Mit der Prozessverkürzung verringert sich auch der Verbrauch an Prozessmitteln (insbesondere weniger Energie und Polishing times over the prior art. The shortening of the process also reduces the consumption of process agents (in particular less energy and energy)
Schleifmittelverbrauch) sowie die Abnutzung der Polierwerkzeuge. Abrasives consumption) as well as the wear of the polishing tools.
Darüber hinaus bietet eine verkürzte Polierdauer auch einen prinzipiellen Vorteil. Es ist verhältnismäßig aufwendig und für asphärische Flächen sogar unmöglich, die Oberfläche des Polierkissens exakt an die gewünschte Oberfläche anzupassen. Für planare und sphärische Oberflächen müssen dazu der Polierkissenträger und das Polierkissen selbst sehr exakt gearbeitet werden. Für asphärische Flächen ist eine exakte Anpassung im Allgemeinen prinzipiell nur in einem Punkt möglich. Durch die für den Polierprozess notwendige In addition, a shortened polishing time also offers a principal advantage. It is relatively expensive and even impossible for aspherical surfaces to adapt the surface of the polishing pad exactly to the desired surface. For planar and spherical surfaces, the polishing pad carrier and the polishing pad itself must be worked very precisely. For aspherical surfaces, an exact adaptation is generally possible in principle only in one point. By the necessary for the polishing process
Relativbewegung ergeben sich zu nahezu allen Zeitpunkten Abweichungen zur idealen Anpassung wegen der relativen Verschiebung des Polierkopfes aus der idealen Position. Bei sonst identischen Prozessbedingungen übertragen sich solche Anpassungsfehler umso stärker auf das Werkstück, je länger die Polierdauer ist. Eine kürzere Polierdauer, wie sie durch den erfindungsgemäßen Prozess erreicht werden kann, erlaubt daher eine größere Formtreue des Polierprozesses. Relative movement results at almost all times deviations from the ideal adjustment because of the relative displacement of the polishing head from the ideal position. With otherwise identical process conditions, such adaptation errors are transmitted to the workpiece the more the longer the polishing time. A shorter polishing time, as can be achieved by the process according to the invention, therefore allows a greater dimensional accuracy of the polishing process.
Weiterhin können auch die im vorigen Abschnitt beschriebene Anpassungsabweichungen des Polierkopfs von der gewünschten Werkstückoberfläche ebenfalls durch die beschriebene Mikrostrukturierungskorrektur korrigiert werden. Furthermore, the adjustment deviations of the polishing head from the desired workpiece surface described in the previous section can also be corrected by the described microstructuring correction.
Insbesondere für die erwähnten lokalen Polierverfahren mit Polierstiften und ähnlichen kleinen Polierköpfen erlaubt die beschriebene Korrektur der Anpassungsabweichungen die Verwendung von größeren Polierstiftoberflächen. Damit wird die Polierdauer für ein gegebenes Werkstück zusätzlich reduziert. In particular, for the aforementioned local polishing methods with polishing pins and similar small polishing heads, the described correction of the fitting deviations allows the use of larger polishing pin surfaces. This additionally reduces the polishing time for a given workpiece.
Weiterhin erfordert ein erfindungsgemäßes Polierverfahren nur einen zusätzlichen Furthermore, a polishing method according to the invention requires only one additional
Prozessschritt, nämlich die Mikrostrukturierung, um es in bestehende Fertigungsprozesse zu integrieren. Insbesondere lässt es sich auf Flächenpolierverfahren anwenden und erlaubt bereits in diesem Prozessschritt die genauere Korrektur von lokalen Abweichungen. Process step, namely the microstructuring, to make it into existing manufacturing processes integrate. In particular, it can be applied to surface polishing processes and already allows in this process step the more accurate correction of local deviations.
Außerdem reduzieren sich bei asphärischen Flächen durch die geringere Prozessdauer die durch die prinzipbedingte Fehlanpassung hervorgerufenen Geometrieabweichungen. Damit entfällt im besten Fall die Notwendigkeit für nachfolgende lokale Korrekturpolierschritte, mindestens aber werden die notwendigen Korrekturen stark reduziert. Darüber hinaus erlauben es diese Vorteile, asphärische Flächen derselben Oberflächentreue mit einem verringerten Satz an Polierkopfformen zu fertigen. Dadurch werden ebenfalls Prozesskosten eingespart. In addition, in the case of aspherical surfaces, the reduced process duration reduces the geometry deviations caused by the principle-related mismatching. This eliminates the need for subsequent local Korrekturpolierschritte in the best case, but at least the necessary corrections are greatly reduced. In addition, these advantages allow aspheric surfaces to produce the same surface fidelity with a reduced set of polishing head shapes. This also saves process costs.
Weitere Vorteile ergeben sich bei dem Einsatz in der Halbleiterfertigung oder der Fertigung von Mikrosystemen. Dort werden die Bauelemente durch schichtweisen Aufbau hergestellt, wobei in jeder Schicht die notwendige Mikrostrukturierung durch lithographische Verfahren erfolgt. Die verwendeten lithografi sehen Verfahren haben in der Regel eine planare Further advantages result from the use in semiconductor production or the production of microsystems. There, the components are produced by layered structure, wherein in each layer the necessary microstructuring is carried out by lithographic processes. The lithografi used methods usually have a planar
Fokusebene und eine geringe Abbildungstiefe (auch Tiefenschärfe genannt). Jede Unebenheit in der zu belichtenden Oberfläche bewirkt einen lokalen Fokusfehler und damit einen Fehler in der Breite der abgebildeten Struktur. Um diesen Fehler möglichst gering zu halten, werden die Zwischenoberflächen mit dem oben beschriebenen chemisch-mechanischen Focal plane and a small imaging depth (also called depth of field). Any unevenness in the surface to be exposed causes a local focus error and thus an error in the width of the imaged structure. In order to minimize this error, the intermediate surfaces with the above-described chemical-mechanical
Polierverfahren plan poliert. Polishing procedure polished flat.
Der erfindungsgemäße Planarisierungsmechanismus beruht dabei im Wesentlichen auf der bereits mehrfach erwähnten Eigenschaft des Elastizitätsmoduls der elastischen Oberfläche: Das Elastizitätsmodul weist in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische The planarization mechanism according to the invention is essentially based on the property of the modulus of elasticity of the elastic surface, which has already been mentioned several times. The elastic modulus has a dynamic range in a certain frequency range
Abhängigkeit in der Art auf, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. Dadurch ist es möglich, die zeitliche Veränderung der Dependency such that the force necessary to produce a time-varying deformation in the material is greater for rapid deformations than for slow deformations. This makes it possible to change the time of the
Oberflächenstruktur mit relative einfachen mathematischen Mitteln sehr präzise Surface structure with relatively simple mathematical means very precise
vorherzusagen. Da in das Prozessmodell bekannte Material- und Prozesseigenschaften eingehen, kann dieses Modell für beliebige Prozessbedingungen aufgestellt werden. Damit entfallen oder verringern sich die bislang aufwändigen Prozesscharakterisierungen mit Hilfe von Topographiemessungen an definierten Teststrukturen, wie sie beispielsweise in DE 100 65 380 B4 beschrieben werden. predict. Since known process and material properties are incorporated into the process model, this model can be set up for any process conditions. This eliminates or reduces the hitherto complex process characterization with the aid of topographical measurements on defined test structures, as described, for example, in DE 100 65 380 B4.
Es ist nach dem Stand der Technik üblich, die Anordnung der für die Funktion des integrierten Schaltkreises notwendigen Strukturen so zu wählen, dass die Oberfläche nach dem Polieren möglichst eben ist. Auch ist es üblich, zusätzliche Strukturen (sogenannte Füllstrukturen) einzufügen oder die Form der funktional notwendigen Strukturen so zu wählen, dass die Oberfläche nach dem Polieren möglichst eben ist. Die Regeln, nach denen diese Veränderungen und Einfügungen vorgenommen werden, sind bisher empirischer Natur und wenig genau. It is customary in the prior art to choose the arrangement of the structures required for the function of the integrated circuit so that the surface is as flat as possible after polishing. It is also common to additional structures (so-called Filling structures) or to choose the shape of the functionally necessary structures so that the surface is as flat as possible after polishing. The rules by which these changes and insertions are made are empirical and less accurate.
Eine weit verbreiteter Ansatz ist es, die lokale Layoutdichte (das heisst den Anteil der strukturierten Fläche an einem Ort, gemittelt innerhalb einer gewissen Umgebung) auf einen bestimmten Wertebereich einzugrenzen. Der Größe des Mittelungsbereichs wird durch empirische Messungen bestimmt und als eine charakteristische Länge des CMP Prozesses angesehen. Typische Werte für diese Planarisierungslänge liegen im Bereich von mehreren 100 μm bis zu wenigen Millimetern. Es ist unmittelbar klar, dass ein solcher Ansatz den Einfluss der kleinräumigen Layoutdichtevariationen nicht berücksichtigt. Es hat sich aber gezeigt, dass diese kleinräumigen Layoutdichtevariationen einen wesentlichen Teil der Höhenvariation nach dem Polieren verursachen, die insbesondere auch nicht durch ein automatisches Nachfahren der Fokusebene bei der Belichtung korrigiert werden können. A common approach is to limit the local layout density (that is, the proportion of the structured area in a location, averaged within a certain environment) to a specific range of values. The size of the averaging range is determined by empirical measurements and considered to be a characteristic length of the CMP process. Typical values for this planarization length are in the range of several 100 μm up to a few millimeters. It is immediately clear that such an approach does not take into account the influence of small-scale layout density variations. However, it has been shown that these small-scale layout density variations cause a substantial part of the height variation after polishing, which in particular can not be corrected by automatic tracking of the focal plane during the exposure.
Darüber hinaus müssen solche empirischen Prozessmodelle bei jeder Änderung der In addition, such empirical process models need to be changed every time
Prozessbedingungen neu ermittelt werden. Process conditions are re-determined.
Durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Regeln ohne neuerliche empirische Charakterisierung ermittelt werden, da das Prozessmodell in definierter Art und Weise von Materialeigenschaften und Prozessparametern abhängt. Außerdem ist die Vorhersagekraft eines Prozessmodells, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ermittelt worden ist, wesentlich genauer, da der Einfluss der kleinräumigen Layoutdichtevariationen korrekt modelliert wird. By applying a method according to the invention, these rules can be determined without renewed empirical characterization, since the process model depends in a defined manner on material properties and process parameters. In addition, the predictive power of a process model determined by a method of the present invention is much more accurate because the influence of the small-scale layout density variations is modeled correctly.
Aus demselben Grund ist es erfindungsgemäß möglich, die Oberflächengeometrie nach dem Polierprozess sehr genau vorherzusagen. Durch diese Vorhersage ist es möglich, den Einfluss von etwaigen nicht korrigierbaren Geometrieabweichungen durch geeignete Maßnahmen zu kompensieren. So ist es beispielsweise möglich, einen vorhandenen Defokusfehler durch einen geeigneten Strukturbreitenvorhalt in der darauf zu belichtenden Ebenen zu For the same reason, it is possible according to the invention to predict the surface geometry very accurately after the polishing process. This prediction makes it possible to compensate for the influence of any non-correctable geometry deviations by suitable measures. Thus, it is possible, for example, an existing defocus error by a suitable Strukturbreitenvorhalt in the levels to be exposed on it
kompensieren. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, den Einfluss einer lokalen compensate. Furthermore, it is possible, for example, the influence of a local
Abweichung der Dielektrizitätsschichtdicke zwischen zwei Metallebenen vom nominalen Wert simulatorisch zu untersuchen, um zu prüfen, ob die Abweichung an dieser Stelle kritisch für die Funktion des Schaltkreises ist, und ihren Einfluss gegebenenfalls durch eine geeigneten Auslegung der elektronischen Bauelemente zu kompensieren. Bei Linsenelementen ist es bei Kenntnis der systematischen Abweichungen von der Sollgeometrie möglich, die negativen Effekte durch geeignetes Design anderer oder zusätzlicher optischer Elemente zu lindern. Deviation of the dielectric layer thickness between two metal planes from the nominal value simulatively to examine whether the deviation at this point is critical to the function of the circuit, and to compensate for their influence, if necessary by a suitable design of the electronic components. With lens elements, knowing the systematic deviations from the desired geometry, it is possible to alleviate the negative effects by suitably designing other or additional optical elements.
Die vorliegende Erfindung wird noch besser verstanden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen: The present invention will be better understood with reference to the accompanying drawings:
Fig. 1 : illustriert einen lateralen Versatz von abbildenden Strahlen bei Vorliegen einer Fig. 1: illustrates a lateral offset of imaging rays in the presence of a
Abweichung von einer idealplanaren Oberfläche;  Deviation from an ideal planar surface;
Fig. 2: zeigt eine typische Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls eines Polymers mit einem Glasübergang; Fig. 2: shows a typical frequency dependence of the modulus of elasticity of a polymer with a glass transition;
Fig. 3: zeigt in schematischer Darstellung eine chemisch-mechanische Poliermaschine für Fig. 3: shows a schematic representation of a chemical-mechanical polishing machine for
Wafersubstrate;  Wafer substrates;
Fig. 4: zeigt ein Ergebnis empirischer Untersuchungen zur Glättung einer Fig. 4: shows a result of empirical studies for smoothing a
Oberflächentopographie als Funktion der räumlichen Frequenz;  Surface topography as a function of spatial frequency;
Fig. 5: zeigt ein interpoliertes Höhenprofil; Fig. 5: shows an interpolated height profile;
Fig. 6: illustriert eine nach einem Polierverfahren gemäß des Standes der Technik Fig. 6: illustrates one according to a polishing method according to the prior art
verbliebene Resttopographie;  remaining residual topography;
Fig. 7: zeigt ein Höhenpro fil, auf das eine Mikrostruktur aufgeprägt wurde, FIG. 7 shows a profile of height on which a microstructure has been impressed, FIG.
Fig. 8: illustriert ein Oberflächenprofil nach Mikrostrukturierung und anschließendem Fig. 8: illustrates a surface profile after microstructuring and subsequent
Polierverfahren;  Polishing process;
Fig. 9: zeigt eine Vorrichtung, mit deren Hilfe sowohl eine Mikrostrukturierung als auch ein Polierprozess durchgeführt werden kann; Fig. 9 shows a device by means of which both a microstructuring and a polishing process can be carried out;
Fig. 10: zeigt beispielhaft eine Vorrichtung, gemäß der Mikrostrukturierung und Polieren direkt in derselben Werkstückhalterung erfolgen können; und Fig. 10: shows by way of example a device according to which microstructuring and polishing can take place directly in the same workpiece holder; and
Fig. 11 : zeigt ein Beispiel für eine Mikrostrukturierung, wobei ein materialbtragendes FIG. 11: shows an example of a microstructuring wherein a material-carrying
Strukturierverfahren mit einem materialaufbringenden Verfahren kombiniert wird.  Structuring method is combined with a material applying method.
Figur 9 zeigt eine Vorrichtung, um das erfindungsgemäße Mikrostrukturierungsverfahren unter Verwendung eines lithographischen Strukturierungsverfahrens durchzuführen. Ein Roboterarm (43) mit einer Werkstückaufhahmevorrichtung (44) legt ein mit Photolack lackiertes Werkstück zunächst auf den Objekttisch (41) einer Belichtungseinheit. Dort wird der Photolack mit Hilfe eines Laserstrahles (40) belichtet. Der Laserstrahl wird durch eine geeignete Optik (39) auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Um an jeder Stelle der FIG. 9 shows an apparatus for carrying out the microstructuring method according to the invention using a lithographic patterning method. One Robot arm (43) with a workpiece holder (44) places a photoresist painted workpiece first on the stage (41) of an exposure unit. There, the photoresist is exposed using a laser beam (40). The laser beam is focused by a suitable optics (39) on the workpiece surface. At every point of the
Werkstückoberfläche das geeignete Korrekturmuster in den Lack zu belichten, ist die Workpiece surface to expose the appropriate correction pattern in the paint is the
Fokussieroptik (39) (oder alternativ der Objekttisch (41)) in alle drei Raumachsen verfahrbar. Anschließend legt der Roboterarm (43) das belichtete Werkstück zunächst in eine Focusing optics (39) (or alternatively the stage (41)) in all three spatial axes movable. Subsequently, the robot arm (43) first places the exposed workpiece in one
Entwicklerstation (36), in der der Lack entwickelt, d.h. je nach Lacksorte der belichtete oder der unbelichtet Lack vorteilhafterweise nasschemisch abgelöst wird. Anschließend werden in der Ätzkammer (37) die vom Lack nicht maskierten Bereiche geätzt, so dass in der Developer station (36) in which the varnish develops, i. Depending on the type of varnish, the exposed or unexposed varnish is advantageously removed by wet-chemical means. Subsequently, in the etching chamber (37), the areas not masked by the paint are etched, so that in the
Werkstückoberfläche die gewünschte Mikrostruktur entsteht. In einer Reinigungsstation (38) werden die verbliebenen Lackreste entfernt. Nun wird das Werkstück auf die Polierstation (42) gelegt und poliert. Workpiece surface creates the desired microstructure. In a cleaning station (38), the remaining paint residues are removed. Now the workpiece is placed on the polishing station (42) and polished.
Fig. 10 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die Mikrostrukturierung und das Polieren direkt in derselben Werkstückhalterung erfolgen können. FIG. 10 shows, by way of example, a device by means of which the microstructuring and the polishing can take place directly in the same workpiece holder.
Zur Vereinfachung der Darstellung wird ein planares Werkstück (50) dargestellt. Das To simplify the illustration, a planar workpiece (50) is shown. The
Werkstück ist auf einem Halter (49) angebracht, welcher durch die Welle (48) in Drehung versetzt wird. Auf dem Polierkissenträger (52) ist das Polierkissen (51) angebracht. Beide werden über die Welle (54) ebenfalls in Rotation versetzt und darüber hinaus gegen das Werkstück gepresst. Über die Poliersuspensionszuführung (58) wird die Poliersuspension (45) auf die Werkstückoberfläche aufgebracht und verteilt sich (durch (57) angedeutet) dort insbesondere auch in den Zwischenraum zwischen Polierkissen (51) und Werkstück (50). Für das Aufprägen der verfahrensgemäßen Mikrostruktur ist eine Vorrichtung zur Laserablation in die Poliermaschine integriert. Eine geeignete Optik (46) fokussiert einen Laserstrahl (47) auf die Werkstückoberfläche. Die Optik ist in der Ebene parallel zu Oberfläche verfahrbar um an jedem Punkt der Werkstückoberfläche die geeignete Mikrostruktur aufzuprägen. Für gekrümmte Oberflächen kann die vertikale Position des Lasersfokus durch eine geeignete Optik oder durch Verfahren der Optik selbst variiert werden. Der Fachmann erkennt, dass in diesem Anwendungsbeispiel im Gegensatz zu den bislang beschriebenen Workpiece is mounted on a holder (49) which is rotated by the shaft (48). On the polishing pad carrier (52) the polishing pad (51) is attached. Both are also rotated by the shaft (54) and also pressed against the workpiece. The polishing suspension (58) is applied to the workpiece surface via the polishing suspension feed (58) and is distributed (indicated by (57)) there, in particular also into the intermediate space between polishing pad (51) and workpiece (50). For impressing the microstructure according to the method, a device for laser ablation is integrated into the polishing machine. A suitable optics (46) focuses a laser beam (47) on the workpiece surface. The optics can be moved in the plane parallel to the surface in order to impart the appropriate microstructure at each point of the workpiece surface. For curved surfaces, the vertical position of the laser focus can be varied by appropriate optics or by optics itself. The person skilled in the art recognizes that in this application example, in contrast to those described so far
Anwendungsbeispielen der Polierkopf kleiner ist als das Werkstück. Diese Ausgestaltung erscheint hier zweckmäßig, da im umgekehrten Fall die Werkstückoberfläche nicht ohne weiteres für die Mikrostrukturierung zugänglich ist, da sie vollständig vom Polierkissen bedeckt ist. Die Ausgestaltung in diesem Anwendungsbeispiel ist beispielhaft, nicht jedoch beschränkend zu verstehen. Application examples of the polishing head is smaller than the workpiece. This embodiment appears expedient here, since in the opposite case, the workpiece surface is not readily accessible to the microstructuring, since it is completely covered by the polishing pad. The embodiment in this application example is exemplary, but not restricting to understand.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, ist es möglich, materialabtragende und -aufbringende Verfahren zur Mikrostruktierung miteinander zu kombinieren. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn sich die Höhenabweichungen nur über einen geringen Anteil der gesamten Werkstückoberfläche erstrecken, aber sowohl in die Oberfläche hinein als auch aus der Oberfläche hinaus zeigen. In diesem Fall können die unterschiedlichen Abweichungen durch das jeweils komplementäre Strukturierungsverfahren korrigiert werden, so dass die zu strukturierende Fläche auf die Abweichungen selbst beschränkt bleibt. Ein Beispiel einer solchen Prozessfolge ist in Figur 11 gezeigt. In denjenigen Bereichen, in denen die As already explained above, it is possible to combine material-removing and -methods of microstructuring with each other. This may be advantageous in particular if the height deviations extend over only a small portion of the entire workpiece surface, but point both into the surface and out of the surface. In this case, the different deviations can be corrected by the respective complementary structuring method, so that the area to be structured remains limited to the deviations themselves. An example of such a process sequence is shown in FIG. In those areas where the
Abweichung der Werkstoffoberfläche (60) nach außen zeigen, werden durch ein abtragendes Strukturierungsverfahren lokal Material abgetragen (61). In den Bereichen, in denen die Abweichungen nach innen zeigen, werden durch ein materialaufbringendes Verfahren lokal Material (62) aufgebracht. Dann wird eine homogenen Schicht (63) aufgebracht, die so dick ist, dass sie während der Polierdauer, die notwendig ist, um die verbleibenden Deviation of the surface of the material (60) to the outside, material is removed locally by an erosive patterning process (61). In the areas where the deviations point inwards, material (62) is applied locally by a material applying process. Then, a homogeneous layer (63) is applied, which is so thick that it can be used over the remaining polishing time during the polishing period which is necessary
Höhenunterschiede einzuebenen, nicht vollständig abgetragen wird. Der Polierprozess erzeugt dann eine ebene Oberfläche (64) der Schicht (63). Height differences einzuebenen, not completely removed. The polishing process then creates a planar surface (64) of the layer (63).
Die folgenden Ausführungsbeispiele werden beispielhaft anhand des Planarschleifens von Siliziumwafern erläutert. Dies liegt zum einen daran, dass für dieses Anwendungsbeispiel eine quantitative Prozesscharakterisierung zur Verfügung steht, anhand derer sich die erfindungsgemäßen Vorteile beispielhaft quantifizieren lassen. Zum anderen ist die The following exemplary embodiments are explained by way of example with reference to the planar grinding of silicon wafers. This is due to the fact that for this application example a quantitative process characterization is available, by means of which the advantages according to the invention can be quantified by way of example. The other is the
Darstellung von planaren Werkstücken in Zeichnungen einfacher und übersichtlicher zu erreichen als für gekrümmte Flächen. Display of planar workpieces in drawings easier and clearer to achieve than for curved surfaces.
Alle Anwendungsbeispiele lassen sich aber durch geeignete Poliervorrichtungen auch auf gekrümmte Flächen verallgemeinern. Der wesentliche Unterschied besteht darin, einen gekrümmten Polierkissenkopf zu verwenden, der ein Negativabdruck der All application examples can be generalized by suitable polishing devices on curved surfaces. The main difference is to use a curved polishing pad head that has a negative impression of the
Werkstückoberfläche ist. Workpiece surface is.
Der wesentliche Unterschied beim Polieren von Werkstücken aus anderen Materialien besteht in einer Anpassung der Polierzeiten und gegebenenfalls der Verwendung anderer The main difference when polishing workpieces from other materials is an adjustment of the polishing times and possibly the use of others
Poliersuspensionen. Beide Modifikationen haben keinen Einfluss auf die wesentlichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens. Polishing suspensions. Both modifications have no influence on the essential properties of the method according to the invention.
Figur 3 zeigt die schematische Darstellung einer chemisch mechanischen Poliermaschine für Wafersubstrate. Bei dieser Anwendung soll die Waferoberfläche planar poliert werden. Der Polierkissenträger (15) ist daher als Scheibe ausgeführt und das Polierkissen (19) als dünnes Poliertuch. Der Polierkissenträger (15) wird durch eine Welle (16) in Rotation versetzt. Auf dem Träger ist ein Polierkissen (19) befestigt. Durch einen Flüssigkeitsauslass (17) wird die Poliersuspension (18) kontinuierlich auf das Polierkissen aufgebracht, so dass sie sich über dem Polierkissen und insbesondere auch zwischen dem Wafer (14) und dem Polierkissen (19) verteilt. Der Waferträger (13) presst den Wafer (14) mit einem einstellbaren Anpressdruck auf das Polierkissen (19). Über die Welle (12) wird auch der Waferträger (13) und mit ihm der Wafer (14) in Rotation versetzt. Figure 3 shows the schematic representation of a chemical mechanical polishing machine for Wafer substrates. In this application, the wafer surface should be polished planar. The polishing pad carrier (15) is therefore designed as a disc and the polishing pad (19) as a thin polishing cloth. The polishing pad carrier (15) is rotated by a shaft (16). On the support a polishing pad (19) is attached. Through a liquid outlet (17) the polishing suspension (18) is continuously applied to the polishing pad, so that it is distributed over the polishing pad and in particular between the wafer (14) and the polishing pad (19). The wafer carrier (13) presses the wafer (14) onto the polishing pad (19) with an adjustable contact pressure. About the shaft (12) and the wafer carrier (13) and with it the wafer (14) is set in rotation.
Wafer und Polierkopf werden jeweils in Rotation um ihren jeweiligen Mittelpunkt versetzt. Die Winkelgeschwindigkeit dieser Rotationen ist so eingestellt, dass auf der gesamten Wafer and polishing head are each set in rotation about their respective center. The angular velocity of these rotations is adjusted so that on the whole
Waferoberfläche dem Betrage nach dieselbe Relativgeschwindigkeit zwischen Wafer- und Polierkissenoberfläche herrscht. Die Richtung der Relativgeschwindigkeit rotiert im Wafer surface in terms of amount, the same relative speed between the wafer and polishing pad surface prevails. The direction of the relative speed rotates in
Bezugssystem des Wafer gleichmäßig mit der Zeit. Dadurch wird ein isotroper Abtrag erreicht, der zusätzlich in jedem Punkt des Wafers identisch ist. Reference frame of the wafer evenly over time. As a result, an isotropic removal is achieved, which is additionally identical in each point of the wafer.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen Wafer- und Poliertuchoberfläche wurde auf etwa 0.5m/s eingestellt. Das Polierkissen (16) ist ein doppellagiges Polyurethantuch. Die untere Schicht, welche mit der Waferoberfläche in direktem Kontakt steht, ist ein etwa 1270μm dickes, aufgeschäumtes Polyurethantuch. Die Poren haben eine typische Größe von etwa lOμm bis 80μm. Die zweite Lage ist ein weiteres, dickeres Poliertuch, insbesondere mit einem geringeren Elastizitätsmodul. Der nominale Anpressdruck zwischen Wafer und The relative speed between wafer and polishing cloth surface was set to about 0.5m / s. The polishing pad (16) is a double-layered polyurethane cloth. The bottom layer, which is in direct contact with the wafer surface, is an approximately 1270 μm thick foamed polyurethane cloth. The pores have a typical size of about 10 μm to 80 μm. The second layer is another, thicker polishing cloth, especially with a lower modulus of elasticity. The nominal contact pressure between wafer and
Polierkissen beträgt etwa 41.4kPa. Die Poliersuspension enthält vorteilhafterweise 30% Polierpartikel aus Siliziumoxid, die eine mittlere Größe von 50nm haben. Eine bevorzugte Polierdauer beträgt 90s. Polishing pad is about 41.4kPa. The polishing suspension advantageously contains 30% polishing particles of silicon oxide, which have a mean size of 50 nm. A preferred polishing time is 90s.
Empirische Untersuchungen zur Glättung der Oberflächentopographie als Funktion der räumlichen Frequenz haben den in Figur 4 Zusammenhang unter diesen Prozessbedingungen ergeben. Die Kurve (21) zeigt die Dämpfung der Amplitude (angetragen auf der y- Achse (22) in dimensionslosen Einheiten) von sinoidalen Oberflächentopographien in Abhängigkeit von deren Wellenlänge (angetragen auf der oberen x- Achse (20) in μm), bzw. der räumlichen Frequenz (untere x-Achse (23) in μm"1). Deutlich ist das tiefpassartige Verhalten des Empirical investigations on the smoothing of the surface topography as a function of the spatial frequency have revealed the relationship between these process conditions in FIG. 4. The curve (21) shows the attenuation of the amplitude (plotted on the y-axis (22) in dimensionless units) of sinoidal surface topographies as a function of their wavelength (plotted on the upper x-axis (20) in μm) spatial frequency (lower x-axis (23) in μm "1 )
Polierprozesses zu erkennen. Dieses Prozessmodell resultiert aus dem durch Formel (Fl) genäherten Verlauf des dynamischen Elastizitätsmoduls mit einer Glasübergangsfrequenz von etwa 18000 Hz. Als Beispiel für eine mögliche Oberflächenabweichung nehmen wir an, dass der ansonsten ideal planare Wafer mit einem Durchmesser von 300mm an einer beliebigen Stelle eine gaussförmige Erhebung habe, die eine Höhe von 200nm und eine Halbwertsbreite von etwa 500μm habe. Die Oberflächengeometrie des Wafers sei aus einer interferometrischen Recognize polishing process. This process model results from the curve of the dynamic modulus of elasticity approximated by formula (Fl) with a glass transition frequency of about 18000 Hz. As an example of a possible surface deviation, we assume that the otherwise ideally planar 300mm diameter wafer has a Gaussian elevation anywhere that has a height of 200nm and a half width of about 500μm. The surface geometry of the wafer is an interferometric
Messung bekannt, welche eine laterale Auflösung im Bereich von lOμm hat. In Figur 5 ist das interpolierte Höhenprofil (24) einer solchen Abweichung als Funktion des Ortes (in μm auf der x-Achse (26)) aufgetragen. Der Nullpunkt der Höhenachse (25) ist dabei so gewählt, das sich alle Abweichungen im Mittel aufheben. Die Richtung der Höhenachse zeigt aus der Waferoberfläche hinaus. Die Höhen auf der Höhenachse sind in Einheiten von nm angegeben. Wegen der sehr geringen Ausdehnung der Erhebung ist die mittlere Höhe der Measurement is known, which has a lateral resolution in the range of lOμm. FIG. 5 plots the interpolated height profile (24) of such a deviation as a function of the location (in μm on the x-axis (26)). The zero point of the elevation axis (25) is chosen so that cancel all deviations in the middle. The direction of the elevation axis points out of the wafer surface. The heights on the altitude axis are given in units of nm. Because of the very small extent of the survey, the average height of
Waferoberfläche nahezu identisch zur Höhe in großen Abständen von der Erhebung. Wafer surface almost identical to the height at long distances from the survey.
Nach Anwendung des oben beschriebenen Polierverfahrens nach dem Stand der Technik (das heißt insbesondere ohne das Aufprägen einer kurzwelligen Oberflächenstruktur, also ohne Mikrostrukturierung) verbleibt die in Figur 6 gezeigte Resttopographie (27) (Achsendefinition und Skalierung wie in Figur 5). Die angenommene Abweichung wird nur um einen Faktor von etwa 4 reduziert. Der verbleibende maximale Höhenunterschied nach dem Polierprozess beträgt etwa 54nm. After application of the above-described polishing method according to the prior art (that is, in particular without imprinting a short-waved surface structure, that is without microstructuring), the residual topography (27) shown in FIG. 6 remains (axis definition and scaling as in FIG. 5). The assumed deviation is only reduced by a factor of about 4. The remaining maximum height difference after the polishing process is about 54nm.
Für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Höhenprofil in Figur 5 nun eine geeignete Mikrostruktur ermittelt. In diesem Beispiel gehen wir davon aus, dass ein Lithograpieverfahren zur Verfügung steht, welches eine laterale Auflösung von besser als 2μm, sowie eine Ätztiefe von d=400nm hat. Dann lässt sich eine geeignete For an embodiment of the method according to the invention, a suitable microstructure is now determined from the height profile in FIG. In this example, we assume that a lithography method is available which has a lateral resolution of better than 2 μm and an etching depth of d = 400 nm. Then a suitable
Mikrostruktur auf folgende Art finden. Die zur Verfügung stehende Ätztiefe wird in 16 äquidistante Klassen unterteilt. Jeder dieser Höhenklassen wird ein 4x4 Pixelmuster zugeordnet. Ausgefüllte (schwarze) Pixel bezeichnen 2x2 μm2 große Felder, an denen geätzt wird, während bei unausgefüllten (weissen) Pixeln auf 2x2 μm2 großen Feldern keine Ätzung stattfindet. Die mittlere Höhe der so entstehenden lokalen Ätzmuster sind bis auf einen Offset von d/2 und den Faktor„-1" identisch zum Mittelpunkt des zugeordneten Höhenintervalls. Ein solcher Satz von lokalen Ätzmustern zusammen mit den zugehörigen Höhenklassen ist beispielhaft in der folgenden Tabelle aufgelistet.
Figure imgf000034_0001
Find microstructure in the following way. The available etch depth is divided into 16 equidistant classes. Each of these height classes is assigned a 4x4 pixel pattern. Filled (black) pixels denote 2 × 2 μm 2 large fields, at which etching is applied, while no etching takes place on unfilled (white) pixels on 2 × 2 μm 2 large fields. The average height of the resulting local etching patterns are identical to the center of the associated altitude interval except for an offset of d / 2 and the factor "-1." Such a set of local etching patterns together with the associated altitude classes is listed by way of example in the following table.
Figure imgf000034_0001
Tabelle 1: Zuordnungstabelle zwischen lokaler Höhenabweichung und lokalem  Table 1: Mapping table between local height deviation and local
Korrekturätzmuster  Korrekturätzmuster
Aus den interferometrischen Höhendaten der Werkstückoberfläche werden nun die From the interferometric height data of the workpiece surface, the
Durchschnittshöhen in bündig aneinanderliegenden quadratischen 8x8 μm2 großen Bereichen bestimmt. Nach der Definition der Höhenskala ist diese lokale Durchschnittshöhe Average heights determined in flush contiguous square 8x8 μm 2 large areas. According to the definition of the height scale, this is the local average height
gleichbedeutend mit der Differenz zwischen dieser lokalen und der globalen  synonymous with the difference between this local and the global one
Durchschnittshöhe. Die lokale Durchschnittshöhe fällt in eine der 16 äquidistanten  Average height. The local average height falls into one of the 16 equidistant
Höhenklassen. Die zur Korrektur dieser Differenz notwendige lokale Mikrostruktur wird dann anhand der Tabelle 1 bestimmt.  Height classes. The local microstructure needed to correct this difference is then determined from Table 1.
Dieses relativ einfache Verfahren mit Hilfe einer festen Zuordnung zwischen Höhenklasse und lokaler Mikrostruktur dient an dieser Stelle nur der Verdeutlichung des Verfahrens. Es ist offensichtlich, dass die Bestimmung der Mikrostruktur deutlich verbessert werden kann. Beispielsweise lässt sich eine feinere Höhendiskretisierung in Kombination mit einem größeren Satz an lokalen Mustern verwenden. Darüberhinaus können auch Algorithmen zur Umwandlung eines Graubildes in ein gerastertes Schwarzweissbild (sog.„Dithering") angewandt werden. Ein solcher Ditheringalgoritmus ist beispielsweise von R.W. Steinberg und L. Steinberg angegeben worden (R.W. Floyd, L. Steinberg, An adaptive algorithmfor spatial grey scale. Proceedings of the Society of Information Display 17, 75-77 (1976)). Des Weiteren ist bei dem beispielhaft beschriebenen Verfahren das Prozessmodell für den Polierschritt nur dazu verwendet worden, die Größe der lokalen Korrekturätzmuster festzulegen. Man erkennt in Figur 3, dass die Größe der lokalen Korrekturmuster von 8μm in den Strukturbreitenbereich fallt, in denen die Dämpfung der Oberflächentopographie sehr stark ist. Die genaue Form der Dämpfungskurve wurde hingegen nicht ausgenutzt, um das Korrekturmuster zu bestimmen. Durch vollständig rechnergestützte Verfahren, die die Optimierung des Korrekturmusters unter Berücksichtigung des gesamten Prozessmodells durchführen, ist daher eine noch bessere Anpassung der Mikrostrukturierung an die vorhandenen Abweichungen möglich. This relatively simple method with the aid of a fixed assignment between height class and local microstructure serves at this point only to clarify the method. It is obvious that the determination of the microstructure can be significantly improved. For example, a finer height discretization can be used in combination with a larger set of local patterns. Moreover, algorithms for converting a gray image into a black-and-white rasterized image (so-called "dithering") may also be employed Such a dithering algorithm has been proposed, for example, by RW Steinberg and L. Steinberg (RW Floyd, L. Steinberg, An adaptive algorithm for spatial gray scale Proceedings of the Society of Information Display 17, 75-77 (1976)). Furthermore, in the method described by way of example, the process model for the polishing step has only been used to determine the size of the local correction etching patterns. It can be seen in FIG. 3 that the size of the local correction patterns of 8 μm falls within the structural width range in which the attenuation of the surface topography is very strong. The exact shape of the attenuation curve, however, was not exploited to determine the correction pattern. By fully computer-aided procedures that perform the optimization of the correction pattern taking into account the entire process model, therefore, an even better adaptation of the microstructuring to the existing deviations is possible.
Diese oben beispielhaft bestimmte Mikrostruktur wird nun auf das ursprüngliche Höhenprofil aufgeprägt. Dadurch entsteht das in Figur 7 gezeigte Höhenprofil (30) (Achsendefinition und Skalierung wie in Figur 5). Es ist deutlich zu sehen, dass im Maximum nahezu die gesamte Fläche abgeätzt wird. Hier wird durch die Ätzung das lokale Höhenniveau um 400nm gesenkt. Außerhalb der lokalen Abweichung wird das Ätzmuster mit 50% Flächenbelegung verwendet, wodurch eine lokale mittlere Höhenabsenkung von nur 200nm erfolgt. Diese Differenz entspricht genau der ursprünglichen Höhe der Abweichung. Auf den Flanken der Abweichung nimmt die Flächenbelegung der Korrekturmuster zum Zentrum hin zu, um das ansteigende Höhenprofil zu kompensieren. This above-exemplified microstructure is now impressed on the original height profile. This results in the height profile (30) shown in FIG. 7 (axis definition and scaling as in FIG. 5). It can clearly be seen that almost the entire surface is etched off at the maximum. Here, the etching lowers the local height level by 400nm. Outside the local deviation, the etch pattern is used with 50% area coverage, resulting in a local mean height reduction of only 200nm. This difference corresponds exactly to the original amount of deviation. On the flanks of the deviation, the area coverage of the correction patterns toward the center increases to compensate for the increasing altitude profile.
In Figur 8 ist das Oberflächenprofil der so modifizierten Oberfläche nach dem hier angenommenen Polierverfahren gezeigt (Achsendefinition und Skalierung wie in Figur 5). Die Resttopographie (33) beträgt nur mehr etwa 5nm und ist damit um eine Größenordnung gegenüber dem reinen Polierprozess reduziert worden. Um ohne die FIG. 8 shows the surface profile of the thus modified surface according to the polishing method adopted here (axis definition and scaling as in FIG. 5). The residual topography (33) is only about 5 nm and has thus been reduced by an order of magnitude compared to the pure polishing process. To be without the
Oberflächenstrukturierung eine vergleichbare Planarität zu erreichen, müsste die Polierdauer von den hier angenommenen 90s auf etwa 300s erhöht werden.  Surface structuring to achieve a comparable planarity, the polishing time would have to be increased from the 90s assumed here to about 300s.
Bei diesem beispielhaften Verfahren der Festlegung der Mikrostruktur werden Bereiche, in denen die Werkstückoberfläche nur wenig von der Sollgeometrie abweicht, mit einem Korrekturmuster von 50% Flächenbelegung geätzt. Dies ist notwendig, um auch (in Figur 5 nicht gezeigte) negative Höhenabweichungen korrigieren zu können. Ein Nachteil ist allerdings, dass grundsätzlich die gesamte Werkstückoberfläche geätzt werden muss. Es kann deshalb je nach Anforderung und Ausgangstopographie vorteilhaft sein, das Referenzniveau für die Höhenabweichung geeignet zu verschieben und den gesamten vom Ätzprozess ermöglichten Höhenkorrekturbereich nur zur Korrektur der positiven Abweichungen zu verwenden. Alternativ kann auch eine Kombination aus materialabtragenden und -aufbringenden In this exemplary method of determining the microstructure, regions in which the workpiece surface deviates only slightly from the desired geometry are etched with a correction pattern of 50% surface coverage. This is necessary in order to also be able to correct negative height deviations (not shown in FIG. 5). A disadvantage, however, is that basically the entire workpiece surface must be etched. It may therefore be advantageous, depending on the requirement and the output topography, to appropriately shift the reference level for the height deviation and to use the entire height correction range made possible by the etching process only to correct the positive deviations. Alternatively, a combination of material-removing and -aufbringenden
Mikrostrukturierungsverfahren verwendet werden. Microstructuring be used.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel verwenden wir ein Laserablationsverfahren zur Oberflächenstrukturierung. In another application example, we use a laser ablation process for surface structuring.
Laserablationsverfahren erreichen typischerweise eine minimale Strukturierungsbreite von 10 - 50μm. Unter Verwendung desselben Verfahrens wie im vorangegangenen Beispiel zur Ermittlung des Korrekturätzmusters ergibt sich damit eine maximale Strukturbreite von etwa 40μm - 200μm. Bei dieser Strukturbreite ist das Elastizitätsmodul unter den oben genannten Prozessbedingungen noch nicht in der hochfrequenten Sättigung. Laser ablation techniques typically achieve a minimum patterning width of 10 - 50μm. Using the same method as in the preceding example for determining the correction etching pattern, this results in a maximum structure width of about 40 μm-200 μm. With this structure width, the modulus of elasticity under the above-mentioned process conditions is not yet in the high-frequency saturation.
Daher wird in diesem Anwendungsbeispiel eine Relativgeschwindigkeit von 2.5- 12.5m/s verwendet, was also um einen Faktor 5-25 höher ist als im vorhergehenden Therefore, in this application example, a relative speed of 2.5- 12.5 m / s is used, which is higher by a factor of 5-25 than in the previous one
Anwendungsbeispiel. Sollten solche Relativgeschwindigkeiten mit einer in Figur 2 gezeigten rotierenden Poliermaschine nicht erreichbar sein, so können beispielsweise Example. If such relative speeds can not be achieved with a rotating polishing machine shown in FIG
Linearpoliermaschinen verwendet werden, bei denen das Poliertuch nur in einer Linear polishing machines are used, in which the polishing cloth only in one
translatorischen Bewegung über das Werkstück geführt wird. translational movement is performed over the workpiece.
Die Erhöhung der Relativgeschwindigkeit hat zur Folge, dass die räumliche Frequenz der aufgeprägten Mikrostruktur in eine höhere Frequenz der im Polierkissen erzeugten The increase in the relative speed has the consequence that the spatial frequency of the impressed microstructure in a higher frequency of the generated in the polishing pad
Deformation umgewandelt wird. Insbesondere gilt der Zusammenhang: ωt = vr ωs (F2) wobei ωt die zeitliche Frequenz der Deformation, ωs die räumliche Frequenz und vr die Relativgeschwindigkeit bezeichnet. Deformation is converted. In particular, the relationship applies: ω t = v r ω s (F 2) where ω t denotes the temporal frequency of the deformation, ω s the spatial frequency and v r the relative velocity.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel nehmen wir an, dass die erreichbare maximale Relativgeschwindigkeit nur 2 m/s beträgt und das Strukturierungsverfahren eine minimale Auflösung von 20μm hat. Damit sind die durch die Mikrostrukturierung erzeugten zeitlichen Deformationsfrequenzen nur um einen Faktor 0.4 geringer als im ersten Anwendungsbeispiel. In another application example, we assume that the achievable maximum relative speed is only 2 m / s and the structuring method has a minimum resolution of 20 μm. Thus, the temporal deformation frequencies generated by the microstructuring are only by a factor 0.4 less than in the first application example.
Um diesen Faktor auszugleichen, wird in diesem Anwendungsbeispiel die To compensate for this factor, in this application example
Temperaturabhängigkeit des Glasübergangs ausgenutzt. Utilized temperature dependence of the glass transition.
Das Temperaturverhalten der Glasübergangsfrequenz folgt bei den meisten Polymeren in guter Näherung einem Arrhenius-Gesetz, das heißt, es gilt:
Figure imgf000037_0001
wobei ΔH eine materialspezifische Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante, T die
The temperature behavior of the glass transition frequency follows in most cases an Arrhenius law for most polymers, that is to say:
Figure imgf000037_0001
where ΔH is a material-specific activation energy, R is the gas constant, T is the
Temperatur und ω0 eine Materialkonstante ist. Da die Frequenzabhängigkeit des Temperature and ω 0 is a material constant. Since the frequency dependence of
Elastizitätsmoduls nur vom Verhältnis ω/ωtr abhängt, ist eine Verschiebung der Modulus of elasticity depends only on the ratio ω / ω tr , is a shift of
Glasübergangsfrequenz von ωtr i zu ωtr>2 äquivalent zu einer Skalierung der Frequenzachse um den Faktor ωtr>2/ωtr,i• Glass transition frequency from ω tr i to ω tr> 2 equivalent to a scaling of the frequency axis by the factor ω tr> 2 / ωtr, i •
Um die Glasübergangsfrequenz ωtr um den Faktor 0.4 gegenüber der Temperatur Ti aus dem ersten Anwendungsbeispiel zu verringern und damit die gesamte Frequenzabhängigkeit um denselben Faktor zu skalieren, ergibt sich folgender Zusammenhang: In order to reduce the glass transition frequency ω tr by a factor of 0.4 compared to the temperature Ti from the first application example, and thus to scale the entire frequency dependence by the same factor, the following relationship arises:
0,4 = ^ ωtr 1 = exp,^ K (f I 2 -f I 1), (F4) 0.4 = ^ ω tr 1 = exp, ^ K (f I 2 -f I 1 ), (F4)
Typische Aktivierungsenergien liegen im Bereich von 10-100 kJ/mol und können durch geeignete Herstellungsverfahren des verwendeten Polymers eingestellt werden. Typical activation energies are in the range of 10-100 kJ / mol and can be adjusted by suitable methods of preparation of the polymer used.
Polierprozesse wie der in Figur 4 charakterisierte laufen bei Raumtemperatur und darüber ab. Durch eine Temperaturverringerung von 1OK bis 30K kann man daher je nach Polishing processes such as that characterized in Figure 4 occur at room temperature and above. Due to a temperature reduction from 1OK to 30K you can therefore depending on
Aktivierungsenergie Skalierungen der Frequenzabhängigkeit um den hier angenommenen Faktor 0.4 und darüber erreichen. Activation energy Scaling the frequency dependence around the factor assumed here 0.4 and above.
Daher wird in diesem Anwendungsbeispiel der Polierkissenträger mit Hilfe einer geeigneten Temperaturregelung auf eine Temperatur abgekühlt, die etwa 1OK bis 30K unterhalb der Prozesstemperatur aus dem ersten Anwendungsbeispiel liegt. Dies kann beispielsweise durch eine Flüssigkeitskühlung mit einem geeigneten Kühlmittel, wie sie in Figur 10 angedeutet ist, ermöglicht werden. Ein Kühlmittel strömt über den Zufluss (55), eine Rohrleitung (52) im Inneren des Polierkissenträgers und den Abfluss (56) durch den Polierkissenträger. Auch andere Kühlvorrichtungen etwa mit Peltierelementen sind möglich. Therefore, in this application example, the polishing pad carrier is cooled by means of a suitable temperature control to a temperature which is about 10K to 30K below the process temperature of the first application example. This can be made possible, for example, by liquid cooling with a suitable coolant, as indicated in FIG. A coolant flows through the inflow (55), a pipe (52) inside the polishing pad carrier and the drain (56) through the polishing pad carrier. Other cooling devices such as with Peltier elements are possible.
Damit erreicht man trotz der größeren Strukturbreiten und der geringeren This is achieved despite the larger structure widths and the lower
Relativgeschwindigkeit wieder, dass die durch die Mikrostrukturierung induzierten Relative speed again, that induced by the microstructuring
Deformationsfrequenzen in dem Bereich liegen, in dem das dynamische Elastizitätsmodul die gewünschten hohen Werte annimmt. In einem weiteren Anwendungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von einer Mikrolinsenmatrix verwendet. Im Unterschied zu den bisherigen Anwendungsbeispielen wird hier die Form der optisch aktiven Oberfläche direkt durch die geeignete Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt. Deformation frequencies are in the range in which the dynamic elastic modulus assumes the desired high values. In a further example of application, the method according to the invention is used for the production of a microlens matrix. In contrast to the previous application examples, the shape of the optically active surface is generated directly by the appropriate application of the method according to the invention.
Jede Einzellinse soll einen Durchmesser im Bereich von lmm haben, und die Anordnung soll beispielsweise in einer quadratischen Matrix erfolgen, wobei der Abstand der Linsen identisch zu deren Durchmesser sein. Das Linsenprofil soll sphärisch sein mit einem Each individual lens should have a diameter in the range of lmm, and the arrangement should, for example, take place in a square matrix, the spacing of the lenses being identical to their diameter. The lens profile should be spherical with a
Kugelradius von 500mm. Dadurch ergibt sich eine Linsenhöhe von 1 μm. Ball radius of 500mm. This results in a lens height of 1 micron.
Man geht von einem planaren Substrat eines geeigneten Materials (z.B. Quarzglas oder Silizium) aus. In dieses Substrat wird durch photolithographische Mikrostrukturierung eine geeignete Mikrostruktur eingeprägt. Die Berechnung der Mikrostruktur kann auf analoge Weise wie im ersten Anwendungsbeispiel erfolgen, wobei als Sollgeometrie in diesem Beispiel die Oberfläche der Mikrolinsenmatrix eingesetzt wird. Durch den anschließenden Polierschritt wird wiederum die kurzwellige Mikrostruktur eingeebnet, aber die langwelligen Komponenten der aufgebrachten Mikrostruktur bleiben erhalten und bilden die gewünschten sphärischen Mikrolinsen. One starts from a planar substrate of a suitable material (e.g., quartz glass or silicon). Into this substrate a suitable microstructure is impressed by photolithographic microstructuring. The calculation of the microstructure can be carried out in a manner analogous to that in the first application example, the surface of the microlens matrix being used as the desired geometry in this example. The subsequent polishing step once again flattens the short-wave microstructure, but the long-wave components of the applied microstructure are retained and form the desired spherical microlenses.
Um kleinere Kugelradien zu erreichen, kann bei dieser Anwendung mit größeren Ätztiefen gearbeitet werden, oder es können mehrere Prozesszyklen gegebenenfalls mit In order to achieve smaller ball radii, larger etching depths can be used in this application, or several process cycles can optionally be carried out with it
unterschiedlichen Prozessparametern (insbesondere Polierkissenrauigkeit) verwendet werden. Außerdem kann es zur Berechnung der Mikrostruktur notwendig werden, mit different process parameters (in particular polishing pad roughness) can be used. In addition, it may be necessary to calculate the microstructure with
Prozessmodellen zu arbeiten, die die höheren Ordnungen des effektiven Federgesetzes berücksichtigen. Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer weicheren elastischen To work process models that take into account the higher orders of the effective pen law. It is also advantageous to use a softer elastic
Zwischenschicht zwischen dem oberen Polierkissen und dem Polierkissenträger, um die Anpassung der Polierkissenoberfläche an die langreichweitigen Höhenunterschiede zu erlauben. Intermediate layer between the upper polishing pad and the polishing pad carrier to allow adjustment of the polishing pad surface to the long range height differences.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel verwenden wir das aus dem dynamischen In another application example, we use this from the dynamic one
Elastizitätsmodul und der anderen Prozessparametern bestimmte Prozessmodell zur Elastic modulus and the other process parameters specific process model for
Platzierung von Füllstrukturen zur Verbesserung der Planarität einer dielektrischen Placement of filling structures to improve the planarity of a dielectric
Isolationsschicht zwischen zwei Metallebenen eines integrierten Schaltkreises. Wir gehen davon aus, dass das Prozessmodell durch eine einfache Faltung mit der in Figur 4 gezeigten Faltungsfunktion beschrieben werden kann, das heißt, dass die Höhenunterschiede in der dielektrischen Schicht klein sind gegenüber der Rauigkeit des Polierkissens. Zunächst wird aus dem Leiterbahnenlayout der unteren Metallschicht eine Näherung für die Oberflächengeometrie der Werkstückoberfläche nach der Abscheidung der dielektrischen Schicht errechnet. Im einfachsten Fall erfolgt dies dadurch, dass allen Flächen, auf denen eine Leiterbahn gezeichnet ist, die Höhe der Metallschichtdicke zugeordnet wird, und alle anderen Bereiche auf die Höhe null gesetzt werden. Vorteilhafter ist es an dieser Stelle, genauere Modelle für den Abscheideprozess zu verwenden. Dann wird die Oberfläche in kleine Parzellen unterteilt, und in jeder Parzelle wird die mittlere Höhe errechnet. Die Insulation layer between two metal layers of an integrated circuit. We assume that the process model can be described by a simple convolution with the convolution function shown in Figure 4, that is, the height differences in the dielectric layer are small compared to the roughness of the polishing pad. First, an approximation for the surface geometry of the workpiece surface after the deposition of the dielectric layer is calculated from the strip layout of the lower metal layer. In the simplest case, this is done by assigning the height of the metal layer thickness to all surfaces on which a printed conductor is drawn, and setting all other regions to zero height. It is more advantageous at this point to use more accurate models for the deposition process. Then the surface is divided into small plots, and in each plot the average height is calculated. The
Parzellengröße wird dabei vorteilhafterweise so gewählt, dass sie deutlich kleiner ist als der typische Radius der Faltungsfunktion des Prozessmodells. Plot size is advantageously chosen so that it is significantly smaller than the typical radius of the convolution function of the process model.
Mit der so ermittelten Oberflächengeometrie und dem Prozessmodell wird die With the thus determined surface geometry and the process model, the
Oberflächengeometrie nach dem Polierprozess ermittelt. Für den hier angenommen Fall erfolgt dies vorteilhafterweise durch Multiplikation der fouriertransformierten Surface geometry determined after the polishing process. For the case assumed here, this is advantageously done by multiplying the Fourier transform
Oberflächengeometrie mit der fouriertransformierten Faltungsfunktion des Prozessmodells. Surface geometry with the Fourier-transformed folding function of the process model.
Um eine möglichst ebene Oberflächengeometrie der Werkstückoberfläche nach dem Polieren zu erreichen, sucht man nun eine Höhenkorrekturfunktion, um die die ursprüngliche In order to achieve a surface geometry of the workpiece surface that is as flat as possible after polishing, one now looks for a height correction function, around which the original
Oberflächengeometrie korrigiert werden muss. Aufgrund des tiefpassartigen Verhaltens des Prozessmodells kann man eine solche Höhenkorrekturfunktion dadurch finden, dass man von der ursprünglichen Oberflächengeometrie nur die langwelligen Komponenten bis zu einer bestimmten räumlichen Frequenz berücksichtigt und alle kurzwelligeren Beiträge zu null setzt. Die räumliche Grenzfrequenz ermittelt man aus der Faltungsfunktion in der Art, dass die Fläche unterhalb der Grenzfrequenz einen sehr großen Anteil (z.B. 95%) an dem Surface geometry must be corrected. Due to the low-pass behavior of the process model, such a height correction function can be found by taking into account only the long-wave components up to a certain spatial frequency from the original surface geometry and setting all shorter-wave contributions to zero. The spatial cutoff frequency is determined from the convolution function such that the area below the cutoff frequency accounts for a very large fraction (e.g., 95%) of the
Gesamtintegral der Faltungsfunktion hat. Die Lage einer entsprechend gewählten Total integral of the convolution function has. The location of a suitably chosen
Grenzfrequenz ist beispielhaft in Figur 4 durch (66) angedeutet und dort mit ωthr bezeichnet. Durch Rücktransformation der so ermittelten Höhenkorrekturfunktion in den Ortsraum erhält man an jedem Ort die erforderliche Höhe, um welche die mittlere Höhe durch Hinzufügen entsprechender Füllstrukturen verändert werden muss. Da die Höhenkorrekturfunktion nur bis zu der räumlichen Grenzfrequenz ωthr von null verschieden ist, gilt die ermittelte Cutoff frequency is indicated by way of example in FIG. 4 by (66) and designated there by ω thr . By inverse transformation of the height correction function thus determined into the spatial space, the required height is obtained at each location by which the mean height must be changed by adding corresponding filling structures. Since the altitude correction function is different from zero only up to the spatial limit frequency ω thr , the determined
Höhenkorrektur für einen größeren Bereich als die ursprünglich gewählte Parzellengröße. Dadurch wird der Ausdehnung der Faltungsfunktion Rechnung getragen. Je größer dieser Bereich ist, desto größer ist auch die Fläche, auf der Füllstrukturen platziert werden können, und desto einfacher wird es daher, die Höhenkorrektur zu erreichen. Altitude correction for a larger area than the originally selected plot size. This accommodates the expansion of the convolution function. The larger this area is, the larger the area on which fill structures can be placed and the easier it is to achieve the height correction.
Im Allgemeinen wird dieses Verfahren sowohl positive als auch negative Höhenkorrekturen ermitteln. Da üblicherweise nur ein Hinzufügen zusätzlicher Füllstrukturen erlaubt ist, ergibt sich dadurch das Problem, dass nur positive Höhenkorrekturen (d.h. eine Anhebung der mittleren lokalen Höhe) möglich sind. Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass die Höhenkorrekturfunktion durch einen konstanten Offset erweitert wird, der so groß gewählt wird, dass die negativen Höhenkorrekturen in positive Werte umgewandelt werden. Da es sich um einen konstanten, also ortsunabhängigen Offset handelt, verändert er die In general, this method will detect both positive and negative altitude corrections. Since usually only adding additional filling structures is allowed results This poses the problem that only positive altitude corrections (ie an increase of the mean local altitude) are possible. This problem can be solved by extending the altitude correction function by a constant offset, which is chosen so large that the negative altitude corrections are converted into positive values. Since it is a constant, that is location-independent offset, he changed the
Oberflächengeometrie nach dem Polieren nicht. Surface geometry after polishing not.
Im Folgenden werden besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung noch einmal aufgezählt. In the following, particularly advantageous embodiments of the invention are enumerated again.
A Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen umfassend die Schritte: A method of polishing and shaping workpiece surfaces comprising the steps of:
- Ermitteln der Maßabweichungen von der gewünschten Geometrie - Determining the deviations from the desired geometry
- Aufsetzen einer elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche - placing an elastic surface on the workpiece surface
- Polieren der Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes der elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche und Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zu einander gekennzeichnet durch Polishing the workpiece surface by generating a pressure of the elastic surface on the workpiece surface and moving the elastic surface and the workpiece surface relative to each other
die Verwendung eines Materials für die elastische Oberfläche, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame the use of a material for the elastic surface whose modulus of elasticity has a dynamic dependence in a certain frequency range such that the force necessary to produce a time varying deformation in the material is greater for rapid deformations than for slow ones
Deformationen. Deformations.
B Polierverfahren nach Beispiel 1, mit dem Schritt B polishing method according to Example 1, with the step
Strukturieren der Werkstückoberfläche mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens vor dem Polierschritt, derart, dass langwellige Abweichungen von der Sollgeometrie unter Inkaufnahme einer definierten kurzwelligen Oberflächentopographie reduziert werden. Patterning the workpiece surface by means of a microstructuring method before the polishing step, such that long-wave deviations from the desired geometry are reduced, accepting a defined short-wave surface topography.
C Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis B mit dem Schritt C polishing method according to one of Examples A to B with the step
Auswählen der Prozessbedingungen, insbesondere der Temperatur und dem Betrag der Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und der elastischen Oberfläche, derart dass durch die Mikrostrukturierung erzeugte kurzwellige Selecting the process conditions, especially the temperature and the amount of Relative speed between the workpiece surface and the elastic surface, so that generated by the microstructure short-wave
Abweichungen wesentlich schneller eingeebnet werden, als unkorrigierte langwellige Abweichungen.  Deviations are leveled much faster than uncorrected long-wave deviations.
D Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis C, D polishing method according to one of Examples A to C,
wobei die Verfahrensschritte mehrmals hintereinander ausgeführt werden.  wherein the method steps are carried out several times in succession.
E Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D, E polishing method according to one of examples B to D,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolithographisches Verfahren unter zu Hilfenahme einer Photomaske vorgenommen wird.  the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a photolithographic method with the aid of a photomask.
F Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D, F polishing method according to one of Examples B to D,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolithographischen Verfahrens unter Verwendung eines computergesteuerten Laserstrahles vorgenommen wird.  in that the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a photolithographic method using a computer-controlled laser beam.
G Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D, G polishing method according to one of Examples B to D,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe von aus der Drucktechnik bekannten lithographischen Verfahren zum Strukturieren einer Lackmaske und einem anschließenden Ätzschritt zum Abformen der Lackmaskengeometrie in die  the structuring of the workpiece surface with the aid of lithographic processes known from printing technology for structuring a resist mask and a subsequent etching step for molding the resist mask geometry into the mask
Werkstückoberfläche vorgenommen wird.  Workpiece surface is made.
H Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D, H polishing method according to one of Examples B to D,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe einer computergesteuerten Laserablationsverfahren vorgenommen wird.  that the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a computer-controlled laser ablation method.
I Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D, I polishing method according to one of examples B to D,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines computergesteuerten mechanischen Abtragsverfahren etwa durch mechanisches Ritzen mit geeignet harten Spitzen vorgenommen wird. J Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D, that the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a computer-controlled mechanical removal method, for example by mechanical scribing with suitably hard tips. J polishing method according to one of examples B to D,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Mikrostruktur bereits durch eine geeignete Prozessführung formgebender Vorprozesse erzeugt wird.  that the microstructure is already generated by a suitable process control of shaping preliminary processes.
K Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis C, K polishing method according to one of examples A to C,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Oberflächenstruktur, die durch eine Platzierung von Bauelementen und die Fertigungsprozesse erzeugt wird, durch eine Platzierung von weiteren nichtfunktionalen Bauelementen so beeinflusst wird, dass langwellige Abweichungen von der Sollgeometrie unter Inkaufnahme von kurzwelligen Abweichungen reduziert werden.  that the surface structure, which is generated by a placement of components and the manufacturing processes, is influenced by a placement of other non-functional components so that long-wave deviations from the desired geometry are reduced, taking into account short-wave deviations.
L Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis K, L polishing method according to one of the examples A to K,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass aus den Prozess- und Materialeigenschaflten ein Prozessmodell zur Vorhersage der Oberflächengeometrie nach dem Polierverfahren abgeleitet wird.  that a process model for the prediction of the surface geometry after the polishing process is derived from the process and material properties.
M Polierverfahren nach Beispiel L, M polishing method according to example L,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, den Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung von der Sollgeometrie entsteht, durch eine Formgebung des Werkstückes selbst oder weiterer optischer Elemente zu korrigieren.  that the surface geometry predicted from the process model is used to correct the aberration caused by a deviation from the desired geometry by shaping the workpiece itself or other optical elements.
N Polierverfahren nach Beispiel L, N polishing method according to Example L,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, den Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung von der Sollgeometrie entsteht, durch eine Anpassung der Geometrie von Bauteilen zu kompensieren, welche mit einem nachfolgenden Lithographieverfahren strukturiert werden.  that the surface geometry predicted from the process model is used to compensate for the aberration resulting from a deviation from the desired geometry by adapting the geometry of components which are patterned by a subsequent lithography process.
O Vorrichtung zur Durchführung eines Polierverfahrens nach einem der Beispiele A bis J mit einem Waferträger (13) zum Tragen des Werkstückes und einem Polierkissenträger (15) zum Tragen der elastischen Oberfläche, wobei das Polieren der An apparatus for carrying out a polishing method according to any one of Examples A to J, comprising a wafer carrier (13) for supporting the workpiece and a polishing pad carrier (15) for supporting the elastic surface, the polishing of
Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes der elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche und Bewegen der elastischen Oberfläche und der Workpiece surface by generating a pressure of the elastic surface on the Workpiece surface and moving the elastic surface and the
Werkstückoberfläche relativ zu einander durch eine geeignete Mechanik erfolgt und einer Vorrichtung, welche Mikrostrukturen durch eines der in Beispiel E bis H beschriebenen Verfahren erzeugen kann. Workpiece surface is done relative to each other by a suitable mechanism and a device that can produce microstructures by any of the methods described in Example E to H.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Ermittlung einer Mikrostruktur zwecks Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens, das die folgenden Schritte aufweist: ermitteln einer Oberflächenabweichung einer Werkstückoberfläche von einer gewünschten Zielgeometrie; und A method of determining a microstructure to improve a polishing process to be applied to a workpiece surface, comprising the steps of: determining a surface deviation of a workpiece surface from a desired target geometry; and
ermitteln einer auf die Werkstückoberfläche aufzuprägenden Mikrostruktur, wobei die Mikrostruktur eine kurzwelligere Oberflächenstruktur aufweist als die ursprüngliche  determine a microstructure to be applied to the workpiece surface, wherein the microstructure has a shorter-waved surface structure than the original one
Werkstückoberfläche und so gewählt wird, dass langwellige Abweichungen der Workpiece surface and is chosen so that long-wave deviations of
Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie kompensiert werden, so dass nach einem Workpiece surface can be compensated by the target geometry, so that after a
Aufprägen der ermittelten Mikrostruktur auf die Werkstückoberfläche in einem anschließend durchführbaren Polierverfahren bessere Polierergebnisse und/oder kürzere Polierzeiten erzielbar sind. Imprinting of the determined microstructure on the workpiece surface in a subsequently feasible polishing process better polishing results and / or shorter polishing times can be achieved.
2. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei zum Ermitteln der 2. Method according to the preceding claim, wherein for determining the
Mikrostruktur eine Zuordnung zwischen einer Höhenstruktur der Werkstückoberfläche und einer lokalen Mikrostruktur erfolgt. Microstructure takes place an assignment between a height structure of the workpiece surface and a local microstructure.
3. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: A method according to any one of the preceding claims, further comprising the step of:
bereitstellen eines Prozessmodells zur Vorhersage der Oberflächengeometrie einer Werkstückoberfläche nach einem Polierverfahren.  providing a process model for predicting the surface geometry of a workpiece surface after a polishing process.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Prozessmodell verwendet wird, um die aufzuprägende Mikrostruktur zu bestimmen. 4. The method of claim 3, wherein the process model is used to determine the microstructure to be imprinted.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das Prozessmodell wenigstens einen der folgenden Parameter umfasst: Temperatur, Poliergeschwindigkeit, Polierdruck, Material, Rauigkeit und frequenzabhängiges Elastizitätsmodul einer elastischen 5. The method according to claim 3, wherein the process model comprises at least one of the following parameters: temperature, polishing speed, polishing pressure, material, roughness and frequency-dependent elastic modulus of an elastic
Polieroberfläche. Polishing surface.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine Anpassung der Geometrie von auf dem Werkstück aufzubringenden Bauteilen zu kompensieren, welche mit einem nachfolgenden Lithographieverfahren strukturiert werden können. 6. The method according to any one of claims 3 to 5, wherein the predicted from the process model surface geometry is used, an aberration caused by a Deviation of the workpiece surface from the target geometry arises to compensate by adjusting the geometry of applied to the workpiece components, which can be structured with a subsequent lithographic process.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine Formgebung des Werkstückes selbst oder durch den Einsatz weiterer optischer Elemente zu korrigieren. 7. The method of claim 3, wherein the surface geometry predicted from the process model is used to correct an aberration resulting from a deviation of the workpiece surface from the target geometry by shaping the workpiece itself or by using further optical elements.
8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ermittelte 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the determined
Mikrostruktur durch Optimierungsprozesse ermittelt wird. Microstructure is determined by optimization processes.
9. Mikrostrukturierungsverfahren zur Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens, das den folgenden Schritt aufweist: 9. A microstructuring method for improving a polishing method to be applied to a workpiece surface, comprising the following step:
Aufprägen einer mit Hilfe des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ermittelten Mikrostruktur auf eine Werkstückoberfläche.  Imprinting a determined by means of the method according to one of claims 1 to 8 microstructure on a workpiece surface.
10. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur mithilfe eines materialabtragenden Strukturierverfahrens aufgeprägt wird. 10. The microstructuring method according to claim 9, wherein the microstructure is impressed by means of a material-removing structuring method.
11. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur mithilfe eines materialaufbringenden Strukturierverfahrens aufgeprägt wird. 11. The microstructuring method according to claim 9, wherein the microstructure is impressed by means of a material-applying patterning process.
12. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur mithilfe eines materialabtragenden Strukturierungsverfahrens und eines materialaufbringenden Strukturierverfahrens aufgeprägt wird. 12. The microstructuring method according to claim 9, wherein the microstructure is impressed by means of a material-removing structuring method and a material-applying structuring method.
13. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines lithographischen Verfahrens zum Strukturieren einer Lackmaske und mit Hilfe eines anschließenden Ätzschrittes zum Abformen der 13. The microstructuring method according to claim 9, wherein the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a lithographic method for patterning a resist mask and with the aid of a subsequent etching step for molding the lacquer mask
Lackmaskengeometrie in die Werkstückoberfläche vorgenommen wird. Lackmaskengeometrie is made in the workpiece surface.
14. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Lackmaske direkt mithilfe eines tintenstrahldruckähnlichen Verfahrens erzeugt (aufgedruckt) wird. The microstructuring method according to claim 13, wherein the resist mask is directly formed (printed) by means of an ink jet printing-like process.
15. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Lackmaske direkt mithilfe einer Druckmatrix erzeugt wird. The microstructuring method according to claim 13, wherein the resist mask is directly generated by means of a pressure matrix.
16. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolitographischen Verfahrens unter Zuhilfenahme einer Photomaske vorgenommen wird. 16. The microstructuring method according to claim 9, wherein the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a photolithographic method with the aid of a photomask.
17. Mikrostrukturierungsverfahren Anspruch 9, wobei das Strukturieren der 17. Microstructuring method according to claim 9, wherein structuring the
Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolitographischen Verfahrens unter Verwendung eines computergesteuerten Laserstrahles vorgenommen wird. Workpiece surface is made by means of a photolithographic process using a computer-controlled laser beam.
18. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines computergesteuerten Laserablationsverfahrens vorgenommen wird. 18. A microstructuring method according to claim 9, wherein the structuring of the workpiece surface is performed by means of a computer-controlled laser ablation method.
19. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines computergesteuerten mechanischen Abtragsverfahrens, insbesondere durch mechanisches Ritzen mit geeignet harten Spitzen, vorgenommen wird. 19. The microstructuring method according to claim 9, wherein the structuring of the workpiece surface is carried out by means of a computer-controlled mechanical removal method, in particular by mechanical scribing with suitably hard tips.
20. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei eine Oberflächenstruktur, die durch eine Platzierung von Bauelementen auf dem Werkstück und die dabei angewandten Fertigungsprozesse erzeugt wird, durch eine Platzierung von weiteren nicht-funktionalen Bauelementen so beeinflusst wird, dass langwellige Abweichungen von der Zielgeometrie unter Inkaufnahme der Erzeugung von kurzwelligen Abweichungen reduziert werden. 20. The microstructuring method according to claim 9, wherein a surface structure, which is generated by a placement of components on the workpiece and the manufacturing processes used therein, is influenced by a placement of further non-functional components such that long-wave deviations from the target geometry at the expense of Generation of short-wave deviations can be reduced.
21. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur bereits durch eine darauf zugeschnittene Prozessführung formgebender Vorprozesse erzeugt wird. 21. The microstructuring method according to claim 9, wherein the microstructure is already produced by a tailored process control of shaping preliminary processes.
22. Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen, das die folgenden Schritte aufweist: 22. A method of polishing and shaping workpiece surfaces, comprising the steps of:
bereitstellen einer mikrostrukturierten Werkstückoberfläche, deren Mikrostruktur mithilfe des Mikrostrukturierungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 21 erzeugt worden ist; aufsetzen einer elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche; und polieren der Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes zwischen elastischer Oberfläche und Werkstückoberfläche und durch Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zueinander, providing a microstructured workpiece surface whose microstructure has been produced by the microstructuring method according to any one of claims 9 to 21; placing an elastic surface on the workpiece surface; and polishing the workpiece surface by creating a pressure between the elastic surface and the workpiece surface and by moving the elastic surface and the workpiece surface relative to each other,
wobei ein Material für die elastische Oberfläche verwendet wird, dessen  wherein a material for the elastic surface is used, the
Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Young's modulus in a certain frequency range has a dynamic dependence such that the force necessary to produce a time-varying deformation in the material is greater for rapid deformations than for slow ones
Deformationen. Deformations.
23. Polierverfahren gemäß Anspruch 22, das des Weiteren den folgenden Schritt aufweist: auswählen von Prozessbedingungen, insbesondere der Temperatur und/oder desThe polishing method according to claim 22, further comprising the step of: selecting process conditions, particularly temperature and / or temperature
Betrages der Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und der elastischen Oberfläche, sodass die Polierzeit möglichst kurz wird. Amount of the relative speed between the workpiece surface and the elastic surface, so that the polishing time is as short as possible.
24. Polierverfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei die Verfahrensschritte mehrfach hintereinander ausgeführt werden. 24. Polishing method according to one of claims 22 to 23, wherein the method steps are carried out several times in succession.
25. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24. 25. Computer program product with a program code for carrying out the method according to one of claims 1 to 24.
26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, die folgendes aufweist: 26. A device for carrying out the method according to one of claims 22 to 25, which has the following:
eine Mikrostrukturierungseinheit zum Mikrostrukturieren einer Werkstückoberfläche gemäß einem der Ansprüche 9 bis 21 ; und  a microstructuring unit for microstructuring a workpiece surface according to one of claims 9 to 21; and
eine Poliereinheit zum Polieren der Werkstückoberfläche.  a polishing unit for polishing the workpiece surface.
27. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch mit: 27. Device according to the preceding claim with:
einem Träger zum Tragen eines Werkstückes; und  a carrier for supporting a workpiece; and
einem Polierkissen und einem Polierkissenträger zum Tragen desselben;  a polishing pad and a polishing pad carrier for carrying the same;
wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass das Polieren einer Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes des Polierkissens auf die Werkstückoberfläche und durch ein Bewegen des Polierkissens und der Werkstückoberfläche relativ zueinander erfolgt. wherein the apparatus is arranged to polish a workpiece surface by generating a pressure of the polishing pad on the workpiece surface and moving the polishing pad and the workpiece surface relative to each other.
28. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 27, wobei das Polierkissen ein geschäumtes Material aufweist. 28. The device of claim 26, wherein the polishing pad comprises a foamed material.
29. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Polierkissen eine raue Oberfläche aufweist. 29. The device according to claim 26, wherein the polishing pad has a rough surface.
30. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das Polierkissen nur an einzelnen Polierkissenspitzen mit der Werkstückoberfläche in Kontakt ist. 30. The apparatus of claim 26, wherein the polishing pad is in contact with the workpiece surface only at individual polishing pad tips.
31. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei zwischen dem Polierkissen, welches direkt auf der Werkstückoberfläche aufliegt, und dem Polierkissenträger eine 31. The device according to one of claims 26 to 30, wherein between the polishing pad, which rests directly on the workpiece surface, and the polishing pad carrier a
Zwischenschicht aus weicherem viskosen, weicherem elastischen oder weicherem visko- elastischen Material, insbesondere aus Pech oder Harz oder einem Polymer, vorgesehen ist. Intermediate layer of softer viscous, softer elastic or softer visco-elastic material, in particular of pitch or resin or a polymer, is provided.
32. Verwendung einer Mikrostrukturierungseinheit zur Verbesserung eines Verfahrens zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. 32. Use of a microstructuring unit for improving a method for polishing and shaping workpiece surfaces.
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