DE102004040429B4

DE102004040429B4 - Doppelseiten-Poliermaschine

Info

Publication number: DE102004040429B4
Application number: DE102004040429A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Ising
Original assignee: Peter Wolters GmbH
Current assignee: Lapmaster Wolters GmbH
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2024-08-21
Also published as: US7101258B2; JP2006055984A; US20060040589A1; JP4835968B2; DE102004040429A1

Abstract

Doppelseiten-Poliermaschine mit einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe, die jeweils aus einer Polierscheibe und einer Trägerscheibe bestehen, koaxial zueinander angeordnet und relativ zueinander drehbar antreibbar sind, wobei zwischen den Polierscheiben ein Polierspalt gebildet ist, in dem flache Werkstücke beidseitig bearbeitet werden, und einer Temperiervorrichtung mindestens für die obere Arbeitsscheibe mit welcher ein Temperierfluid durch Kanäle in der oberen Arbeitsscheibe gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass den Arbeitsscheiben (10, 12) eine Abstandsmessvorrichtung (40, 42, 44; 72) zugeordnet ist, die an mindestens zwei radial beabstandeten Punkten des Polierspalts (22) den Abstand (Spaltbreite μ) der Polierscheiben (16, 20) misst, wobei innerhalb der Trägerscheibe (14) mindestens der oberen Arbeitsscheibe (10) Temperierkanäle (54) für den Durchfluß des Temperierfluids vorgesehen sind, die Temperierkanäle (54) mit einer steuerbaren Quelle (60) für das Temperierfluid verbunden sind, eine Temperaturmessvorrichtung (46; 78) vorgesehen ist zur Messung der Temperatur der Polierscheibe (16) und Steuermittel zur Veränderung der Temperatur der Trägerscheibe (14) nach...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Doppelseiten-Poliermaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mit doppelseitigen Poliermaschinen werden Werkstücke poliert, zum Beispiel Wafer, die zwei planparallele Oberflächen haben. Die Parallelität stellt dabei ein wesentliches Qualitätskriterium dar.
Eine Doppelseiten-Poliermaschine weist üblicherweise zwei Arbeitsscheiben auf, die zumeist beide über eine Welle gegenläufig angetrieben werden. Die Wellen liegen koaxial zueinander. Jede Arbeitsscheibe setzt sich zusammen aus einer Polierscheibe und einer Trägerscheibe. Die Polierscheiben bestehen üblicherweise aus einer Stahlscheibe, mit der die Trägerscheibe fest verbunden ist. Die einander zugekehrten Seiten der Polierscheiben sind mit einem Poliertuch (pad) bedeckt. Die flachen Werkstücke sind in Öffnungen sogenannter Läuferscheiben aufgenommen, die mit Hilfe von Zahn- oder Stiftkränzen drehend angetrieben werden. Die Werkstücke bewegen sich dadurch zykloidisch beim Umlauf zwischen den Arbeitsscheiben bzw. im Polierspalt. Die zur Wirkung kommende Polierfläche der oberen und unteren Arbeitsscheibe ist mithin jeweils eine Ringfläche. Eine solche Doppelseiten-Poliermaschine ist beispielsweise bekannt aus DE 100 07 390 A1 .
In den Polierspalt wird üblicherweise ein Poliermittel in Form einer Suspension eingebracht. Es ist bekannt, das Poliermittel gleichzeitig zu Kühlzwecken zu verwenden, indem es zum einen zwischen Kanälen zwischen Träger- und Polierscheibe fließt und zum anderen über achsparallele Bohrungen in der Polierscheibe in den Polierspalt hinein. Es ist ferner bekannt, zwischen Trägerscheibe und Polierscheibe Kühlkanäle vorzusehen (Labyrinth), in welche ein Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, eingeleitet wird. Das Kühlmittel wird über axiale Kanäle in der Antriebswelle geleitet über eine Drehkupplung zu einer äußeren stationären Kühlmittelquelle.
Da die Werkstücke in dem Polierspalt zwischen oberer und unterer Polierscheibe bewegt werden, wird ihre Geometrie (Parallelität der Oberflächen) maßgeblich bestimmt durch die Geometrie der Polierscheiben, besser durch den Geometrieunterschied zwischen der oberen und der unteren Polierscheibe, das heißt den Polierspalt.
Wie schon erwähnt, kann die beim Polieren benötigte Temperatur durch ein entsprechendes Kühlmittel eingestellt werden. Zu Beginn eines Poliervorgangs ist die Temperatur zum Beispiel 40°C. Beim Polieren wird jedoch nicht unerhebliche Prozesswärme erzeugt. Dadurch verformt sich die Polierscheibe. Denn der Temperaturunterschied zwischen Trägerscheibe und Polierscheibe, die, wie erwähnt, fest miteinander verbunden sind, ergibt eine unterschiedliche Ausdehnung der beiden Scheiben mit der Folge, dass die Arbeitsfläche der betroffenen Polierscheibe eine konvexe Form einnimmt. Wird die Temperatur der Polierscheibe reduziert, ergibt sich wieder ein gleichmäßiger Polierspalt.
Aus JP 63047051 A ist eine Vorrichtung zum Doppelseitenschleifen bekannt, bei der mehrere kontaktlose Sensoren in radialer Richtung in Freiräumen eines fächerartig geformten Schleifsteins angeordnet sind. Die Sensoren messen einen Abstand zwischen einen unteren und oberen Schleifstein. Hieraus wird auf die Ebenheit der Schleifsteine geschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine doppelseitige Poliermaschine so zu schaffen, daß zu jedem Zeitpunkt ein annähernd gleichmäßiger Polierspalt über den Radius der Polierfläche erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Doppelseiten-Poliermaschine ist den Arbeitsscheiben eine Abstandsmessvorrichtung zugeordnet, die an mindestens zwei radial beabstandeten Punkten des Polierspalts den Abstand (Spaltbreite) der Polierscheiben misst. Ist der gemessene Abstand an mindestens zwei Punkten gleich, kann von einer Parallelität der Arbeitsflächen der Polierscheiben ausgegangen werden. Ist hingegen der Abstand unterschiedlich, liegt eine unerwünschte Verformung der Polierscheibe vor, zumindest wenn bei einer zuvor durchgeführten Messung eine Parallelität festgestellt wurde. Es versteht sich, dass Ungenauigkeiten in der Bearbeitung der Arbeitsflächen der Polierscheiben hier außer Betracht bleiben müssen.
Es ist zwar denkbar, den Abstand zwischen den Poliertüchern zu messen, es ist jedoch einfacher und genauer, den Abstand zwischen den einander zugekehrten Arbeitsflächen der Polierscheiben zu ermitteln, die üblicherweise aus Stahl sind.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise der Abstand radial innen und radial außen gemessen. Dadurch wird bereits eine ziemlich sichere Beurteilung dahingehend möglich, ob eine von der Temperatur verursachte Verformung der Polierscheibe stattgefunden hat.
Es sind verschiedene Sensoren denkbar, den Abstand zu messen. In einer Ausgestaltung der Erfindung werden hierfür Wirbelstromsensoren vorgeschlagen. Wirbelstromsensoren beruhen auf dem Prinzip, daß mit Hilfe eines Wechselfeldes des Sensors in der gegenüberliegenden Polierscheibe ein Wirbelstrom erzeugt wird, der seinerseits ein Feld zur Folge hat, das in einer Empfangsvorrichtung des Sensors gemessen wird. Die Stärke des empfangenden Feldes ist ein Maß für die Spaltbreite. Es versteht sich, dass eine solche Abstandsmessung nur in dem Augenblick vorgenommen werden kann, in dem sich weder ein Werkstück noch eine Läuferscheibe im Bereich des Sensors befindet, weil sonst das Messergebnis verfälscht würde. Für einen Wirbelstromsensor wird eine Spule zur Erzeugung eines Sendefeldes benötigt sowie eine Empfangsspule zum Empfangen des durch den Wirbelstrom erzeugten Feldes.
Die Kenntnis einer Verformung der Polierscheibe aufgrund der Abstandsmessung kann dazu genutzt werden, die Auswirkungen zu kompensieren oder Mittel vorzusehen, die Verformung rückgängig zu machen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, innerhalb der Trägerscheibe mindestens der oberen Arbeitsscheibe Temperierkanäle für den Durchfluss des Temperierfluids vorzusehen. Die Temperierkanäle sind mit einer steuerbaren Quelle für das Temperierfluid verbunden. Zum Beispiel wird eine Temperierflüssigkeit verwendet, die in einem stationären Speichervolumen aufgenommen ist. Das Speichervolumen kann über eine Drehkupplung und axiale Kanäle in der Welle für die obere Arbeitsscheibe zu den Temperaturkanälen der Trägerscheibe geführt werden. Das Volumen des Speichers für die Temperierflüssigkeit ist vorzugsweise relativ gering, zum Beispiel gleich oder nur geringfügig größer als das Volumen der Temperierkanäle. Dadurch wird erreicht, dass die Temperatur des Temperierfluids rasch geändert werden kann, um rasch die Temperatur der Trägerscheibe zu ändern.
Es ist ferner eine Temperaturmessvorrichtung vorgesehen zur Messung der Temperatur der Polierscheibe. Teilweise oder zusätzlich kann die Temperatur des Poliertuchs ermittelt werden. Nach Maßgabe der gemessenen Temperatur wird die Temperatur des Temperiermittels beziehungsweise der Trägerscheibe geändert.
Es wurde bereits erwähnt, dass ein Temperaturunterschied zwischen Träger- und Polierscheibe zu einer Verformung der Polierscheibe und damit Veränderung des Polierspaltes entlang seines Radius zur Folge hat. Wird dafür gesorgt, dass die Temperatur der Trägerscheibe annähernd der Temperatur der Polierscheibe entspricht, werden unerwünschte Verformungen der Polierscheibe vermieden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen doppelseitigen Poliermaschine ist es daher möglich, die Spaltgeometrie während des Polierpro zesses konstant zu halten unabhängig von der Prozesstemperatur und des Polierdruckes, der seinerseits eine bestimmte Temperatur im Gefolge hat.
Um den Polierspalt konstant zu halten, sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Regelvorrichtung vor. Sie enthält einen ersten Regler, der aus der Differenz zwischen einem Sollwert für die Spaltbreite und gemessenen Istwerten der Spaltbreite einen Temperatursollwert ermittelt. Ein zweiter Regler berechnet aus den gemessenen Isttemperaturen der Polierscheibe und dem Temperatursollwert des ersten Reglers einen Stellwert für die Steuermittel der Temperiervorrichtung. Vorzugsweise ist dem Speicher für das Temperiermittel sowohl eine Heiz- als auch Kühlvorrichtung zugeordnet, um die jeweils gewünschte Temperatur rasch einzustellen.
Es versteht sich, dass die beschriebene Erfindung unabhängig davon ist, ob den Arbeitsscheiben eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist zur Begrenzung der Prozesstemperatur auf einen Maximalwert. Derartige Kühlvorrichtungen sind, wie bereits erwähnt wurde, für derartige Poliermaschinen längst Stand der Technik.
Es versteht sich, daß auch anderen Maßnahmen oder Mittel denkbar sind, eine unerwünschte Verformung der Polierscheibe rückgängig zu machen, z. B. durch eine Verformung der Trägerscheibe, z. B. auf mechanische oder magnetische Weise.
Die Erfindung soll gemäß eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
1 zeigt äußerst schematisch die beiden Arbeitsscheiben einer Doppelseiten-Poliermaschine mit erfindungsgemäßen Vorkehrungen.
2 zeigt die obere Arbeitsscheibe einer Doppelseiten-Poliermaschine nach dem Stand der Technik.
3 zeigt ein Schaltbild für eine Regelvorrichtung der Temperatur der Trägerscheibe der oberen Arbeitsscheibe nach 1.
In 1 ist eine obere Arbeitsscheibe 10 und eine untere Arbeitsscheibe 12 einer Doppelseiten-Poliermaschine zu erkennen. Alle übrigen Teile einer solchen Maschine sind fortgelassen. Sowohl obere als auch untere Scheibe 10, 12 werden über eine Welle gegenläufig angetrieben. Die obere Arbeitsscheibe 10 kann relativ zur unteren 12 angehoben und auch zur Seite geschwenkt werden, damit Läuferscheiben und Werkstücke in den Läuferscheiben auf die untere Arbeitsscheibe 12 aufgelegt oder von dieser entfernt werden können. Läuferscheiben und Werkstücke (zum Beispiel Wafer) sind ebenso wenig dargestellt wie die Antriebsmittel für die Läuferscheiben. Diese Mittel sind Stand der Technik.
Die obere Arbeitsscheibe setzt sich aus einer Trägerscheibe 14 und einer Polierscheibe 16 zusammen. Die untere Arbeitsscheibe hat eine untere Trägerscheibe 18 und eine untere Polierscheibe 20. Zwischen den Polierscheiben 16, 20 ist ein Polierspalt 22 gebildet. Die einander zugekehrten Arbeitsflächen der Polierscheiben 16, 20 werden mit einem Poliertuch (nicht gezeigt) bedeckt. Der Druck, mit dem die obere Arbeitsscheibe auf die Werkstücke wirkt, wird durch das Gewicht der oberen Arbeitsscheibe 10 und möglicherweise über einen zusätzlichen Druck, der auf die Welle wirkt, aufgebracht. Er ist für einen Polierprozess vorgegeben. Es ist im übrigen auch bekannt, die obere Arbeitsscheibe 10 über ein Universalgelenk an der Antriebswelle aufzuhängen, damit die Parallelität im Polierspalt 12 erzielt wird. Diese ist Voraussetzung dafür, dass die Werkstücke planparallele Außenseiten erhalten.
In 2 ist eine obere Arbeitsscheibe 30 dargestellt mit einer Trägerscheibe 32 und einer Polierscheibe 34. Wie im Fall von 1 sind auch im Fall von 2 Trägerscheibe 32 und Polierscheibe 34 fest miteinander verbunden. In 2 ist ferner eine Kühlvorrichtung 36 dargestellt, welche über Kanäle, die bei 38 dargestellt sind und innerhalb der nicht gezeigten Welle für die obere Arbeitsscheibe 30 geführt sind, mit einem Labyrinth- oder Kanalsystem in der Arbeitsscheibe 30 verbunden. Eine derartige Kühlung ist bekannt. Kommt es aufgrund des Polierprozesses zu einer unterschiedlichen Erwärmung von Polierscheibe 34, die üblicherweise aus Stahl besteht, und Trägerscheibe 32, die ebenfalls aus Metall geformt ist, ergibt sich zum Beispiel eine konvexe Form der Arbeitsfläche der Polierscheibe 30. Die Polierscheibe 34 dehnt sich radial stärker aus als die Trägerscheibe 32. Dies wird durch die Vorrichtung nach 1 vermieden.
In 1 sind zwei Sensoren 40, 42 mit einer Abstandsmessvorrichtung 44 verbunden. Die Sensoren 42, 40, beispielsweise Wirbelstromsensoren, messen den Abstand der Arbeitsflächen der Polierscheiben 16, 20 voneinander, und zwar an unterschiedlichen radialen Punkten, das heißt der Sensor 42 liegt an der inneren Seite der ringförmigen Polierfläche und der Sensor 40 an der äußeren Seite. Sind die gemessenen Abstände (Spaltbreite) gleich, ist die Arbeitsfläche der Polierscheibe 16 vollständig eben. Werden hingegen Unterschiede gemessen, liegt eine Verformung aufgrund unterschiedlicher Temperaturen von Trägerscheibe 14 und Polierscheibe 16 vor.
In 1 ist ferner ein Temperatursensor 46 in der Polierscheibe 16 vorgesehen, der mit einer Temperaturmessvorrichtung 48 in Verbindung steht. Die stationären Vorrichtungen 44, 48 sind über Leitungen 50 beziehungsweise 52 innerhalb der nicht gezeigten hohlen Welle für die obere Arbeitsscheibe 10 zur Arbeitsscheibe 10 hin geführt, und zwar über jeweils eine ebenfalls nicht gezeigte Schleifringanordnung. Derartige Signalübertragungen sind an sich bekannt.
In 1 sind ferner bei 54 Temperierkanäle in der oberen Arbeitsscheibe 14 angedeutet, die über einen Zuführkanal 56, oder einen Abführkanal 58 mit einem stationären Speichervolumen 60 für ein Temperierfluid, zum Beispiel Wasser, verbunden sind. Die Kanäle 56, 58 befinden sich ebenfalls in der nicht gezeigten Welle für die obere Arbeitsscheibe, wobei die Verbindung der Kanäle 56, 58 mit dem Speichervolumen 60 über eine nicht gezeigte Drehkupplung erfolgt.
Innerhalb des Speichervolumens für das Temperierfluid befindet sich eine Temperierschlange 62, die von einer Kühl- und/oder Heizvorrichtung 64 versorgt wird. Mit Hilfe der Vorrichtung 64 ist es möglich, rasch die Temperatur des Fluids im Speichervolumen 60 einzustellen und damit die Temperatur der Trägerscheibe 14 zu beeinflussen. Anzustreben ist, dass während des Polierprozesses die Temperatur der Trägerscheibe 14 annähernd der Temperatur der Polierscheibe 16 entspricht.
Mit der Regelschaltung nach 3 soll die Geometrie des Polierspaltes 22 (1) geregelt werden. Somit ist die Spaltgeometrie die zu regelnde Regelstrecke 70. Die Abstandsmessvorrichtung, etwa in Form der Sensoren 40, 42, ist bei 72 dargestellt. Über den Block 74 wird ein Sollwert für die Gleichmäßigkeit des Abstandes beziehungsweise der Spaltbreite vorgegeben. Idealerweise beträgt die Differenz null. Ein erster Regler 76 ermittelt aus dem Sollwert und den gemessenen Differenzen für die Spaltbreite einen Temperatursollwert T_Soll, der mit einem Temperaturwert T_Ist verglichen wird. Die erste Temperatur wird zum Beispiel vom Fühler 46 ermittelt. In 3 ist die Temperaturmessvorrichtung mit 78 bezeichnet. Die Temperaturdifferenz wird auf einen zweiten Regler (Temperaturregler) 80 gegeben, der ein Steuer- oder Stellsignal für das Kühl- oder Heizaggregat erzeugt, das in 3 mit 82 bezeichnet ist und etwa der Heizstange 62 und dem Aggregat 64 nach 1 entspricht. Es versteht sich, dass auch separate Vorrichtungen für das Kühlen und Heizen vorgesehen werden können. Das Heizen kann zum Beispiel mit Widerstandswärme erfolgen, also elektrisch, während das Kühlen auf andere Weise durchgeführt werden kann. Es sei zu 3 noch nachgetragen, dass die Differenz der Messwerte der Sensoren 40, 42 mit Δμ bezeichnet ist. Außerdem sei noch erwähnt, dass die Störgröße, die im wesentlichen aus der Prozeßwärme herrührt, in 3 mit Z (Block 84) bezeichnet ist.
Es sei ferner erwähnt, dass eine Temperierung der Trägerscheibe 14 auch auf andere Weise erfragen kann, indem eine Heiz- oder Kühlvorrichtung in die Trägerscheibe integriert wird, beispielsweise in Form einer elektrischen Heizung in der Trägerscheibe 14.

Claims

Doppelseiten-Poliermaschine mit einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe, die jeweils aus einer Polierscheibe und einer Trägerscheibe bestehen, koaxial zueinander angeordnet und relativ zueinander drehbar antreibbar sind, wobei zwischen den Polierscheiben ein Polierspalt gebildet ist, in dem flache Werkstücke beidseitig bearbeitet werden, und einer Temperiervorrichtung mindestens für die obere Arbeitsscheibe mit welcher ein Temperierfluid durch Kanäle in der oberen Arbeitsscheibe gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass den Arbeitsscheiben (10, 12) eine Abstandsmessvorrichtung (40, 42, 44; 72) zugeordnet ist, die an mindestens zwei radial beabstandeten Punkten des Polierspalts (22) den Abstand (Spaltbreite μ) der Polierscheiben (16, 20) misst, wobei innerhalb der Trägerscheibe (14) mindestens der oberen Arbeitsscheibe (10) Temperierkanäle (54) für den Durchfluß des Temperierfluids vorgesehen sind, die Temperierkanäle (54) mit einer steuerbaren Quelle (60) für das Temperierfluid verbunden sind, eine Temperaturmessvorrichtung (46; 78) vorgesehen ist zur Messung der Temperatur der Polierscheibe (16) und Steuermittel zur Veränderung der Temperatur der Trägerscheibe (14) nach Maßgabe der von der Temperaturmessvorrichtung (46, 78) gemessenen Temperatur vorgesehen sind, und wobei ein erster Regler (76) einen Temperatursollwert (T_Soll) aus der Differenz eines Sollwerts (δμSoll) für die Spaltbreite (22) und gemessenen Istwerten (δμIst) für die Spaltbreite ermittelt und ein zweiter Regler (80) aus der gemessenen Isttemperatur der Polierscheibe (16) und dem Temperatursollwert (T_Soll) für die Polierscheibe (16) einen Stellwert für die Steuermittel berechnet.
Doppelseiten-Poliermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Sensor (42) radial innen und mindestens ein zweiter Sensor (40) radial außen in Bezug auf die obere Polierscheibe (16) angeordnet ist.
Doppelseiten-Poliermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wirbelstromsensoren zur Messung der Spaltbreite vorgesehen sind.
Doppelseiten-Poliermaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Arbeitsscheibe (10) über eine Welle angetrieben ist und die Sensoren (40, 42) über Leitungen (50) in der Welle und eine Schleifringanordnung mit einer stationären Abstandsmessvorrichtung (44) verbunden sind.
Doppelseiten-Poliermaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Arbeitsscheibe über eine Welle angetrieben ist und die Fluidquelle (60) über eine Drehkupplung und axiale Kanäle (56, 58) in der Welle mit den Temperierkanälen (54) in der Trägerscheibe (14) verbunden ist.
Doppelseiten-Poliermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (76) ein PI-Regler und der zweite Regler (80) ein PID-Regler ist.
Doppelseiten-Poliermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Fluidquelle (60) einen Speicher für Temperierflüssigkeit aufweist, dessen Volumen im Verhältnis zum Volumen der Temperierkanäle (54) in der gleichen Größenordnung liegt, und der Fluidspeicher eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (62, 64) aufweist.
Doppelseiten-Poliermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsscheibe (10, 12) ein eigener Kühlkreislauf zugeordnet ist mit Kühlkanälen in der Polierscheibe (16, 20).