DE69206685T2

DE69206685T2 - Poliermaschine mit einem gespannten Feinschleifband und einem verbesserten Werkstückträgerkopf

Info

Publication number: DE69206685T2
Application number: DE69206685T
Authority: DE
Inventors: Andre Baldy; Gerard Barrois; Henry Blanc; Marcel Dominiak
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1991-06-06
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: EP0517594B1; EP0517594A1; JPH05177523A; DE69206685D1; US5335453A

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Poliermaschine mit einem gespannten Feinschleifband und einem verbesserten Plättchenbzw. Scheibenträgerkopf zum Gegenstand.
Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Maschine ist z.B. bekannt durch ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 8, Nr. 83 (M-290) (1520) 17. April 1984 & JP-A 59 001 151.
Die Erfindung wird insbesondere beim Polieren von in Halbleiterscheiben (z.B. aus Silicium) integrierten mikroelektronischen Komponenten angewendet.
Herstellungsverfahren solcher Köpfe sind in zahlreichen Dokumenten beschrieben und insbesondere in US-A-4,837,924 und US- A-4,333,229. Das erste Dokument bezieht sich auf Köpfe mit "horizontaler" Struktur, da gebildet durch einen auf der Oberseite einer Halbleiterscheibe abgeschiedenen Schichtenstapel, und der zweite auf Köpfe mit "vertikaler" Struktur, da abgeschieden auf der Schnittfläche einer solchen Scheibe.
Die auf solchen Scheiben ausgeführten Mikro- Bearbeitungen bestehen im ersten Fall darin, diverse im Laufe des Herstellungsverfahrens erhaltene zwischenstufliche Unteraufbauten zu nivellieren (oder "planarisieren") und zu polieren, einen Spalt zu definieren und die Gesamtheit des Kopfes in die Hauptebene des Substrats zu bringen, die auch Flugebene genannt wird.
Im zweiten Fall haben die Mikro-Bearbeitungen den Zweck, einen Spalt zu definieren und die Form der Flugkufen anzupassen.
Obwohl eventuell geeignet zur Herstellung von Köpfen der zweiten Kategorie (Vertikalköpfe) ist die erfindungsgemäße Maschine vor allem bestimmt für das Polieren von Aufbauten oder Unteraufbauten, die der ersten Kategorie entsprechen (Horizontalköpfe), denn in diesem Fall sind die technischen Probleme am schwierigsten.
Die Figur 1 zeigt als zu polierendes Beispiel einen Schreib- und Lesemagnetkopf in Horizontalstruktur. Das dargestellte Beispiel entspricht dem letzten Herstellungsschritt vor dem Endpolieren. Dieser Aufbau umfaßt ein Siliciumsubstrat 10, in das eine Wanne geätzt wurde, einen Magnetkreis 12 aus Eisen-Nickel- Legierung, eine Doppelspule 14 aus Kupfer, eine Siliciumdioxidschicht 16 von 3 bis 6 µm Dicke, einen nichtmagnetischen Spacer 18 aus Siliciumdioxid von ungefähr 1µm Dicke und zwei obere Polschuhe 20 aus Eisen-Nickel. Die Endpolierebene ist gestrichelt markiert und mit 22 bezeichnet.
Das Abtragen von Material betrifft die Polschuhe 20 und die Siliciumdioxid-Überwüchse 23. Um den Magnetkreis nicht zu verändern, darf dieses Abtragen die Dicke der gleichmäßigen Siliciumdioxidschicht nicht um mehr als 0,3 µm verringern. Die Endpolierebene definiert die Flugebene des Kopfes.
Zwei solcher Köpfe werden im allgemeinen Seite an Seite auf zwei parallelen, "Skis" genannten Streifen angeordnet, die in einer generell katamaranförmigen Struktur zwei Flugebenen definieren.
Das Polieren, darin bestehend, Material in sehr kleinen Mengen abzutragen, ist bestens bekannt. Man benützt es in der Metallographie, der Optik und der Mikroelektronik. Die eine oder die andere der folgenden beiden Techniken wird angewandt:
- das Schleifen mit Diamantwerkzeug: es handelt sich um eine Bearbeitung, bei der man einen halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen "Span" bildet durch zwei kombinierte Relativbewegungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück (einer Vorschubbewegung und einer Schnittbewegung);
- das Läppen und das Polieren: es handelt sich um ein mehr oder weniger feines und gesteuertes Abtragen (oder Kaltbearbeiten) der Oberfläche durch Reiben an sehr unterschiedlichen, von Natur aus nicht-abrasiven Scheiben, auf die ein Schleifmittel als Paste oder als wäßrige Lösung aufgebracht wird; eine Variante besteht darin, daß man auf einer Rotationspolierplatte eine Scheibe aus einem Schleiffilm anbringt, die man während des Polierens mit einer Flüssigkeit netzt, um das Werkstück zu kühlen und das Verschmutzen bzw. Verschmieren zu vermeiden.
Das Polieren von Halbleiterscheiben, die eine sehr große Anzahl von integrierten Mikrokomponenten enthalten, verursacht spezielle und schwierige Probleme:
- als erstes ist die Scheibe verformt und verformbar,
- weiterhin muß das Läppen geeignet sein für mehrere Materialien mit sehr unterschiedlichen Härten: Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid/Titankarbid-Legierung, Eisen/Nickel-Legierung,
- die zu läppenden Stücke haben sehr kleine Oberflächen in bezug auf die Siliciumscheibe,
- schließlich handelt es sich darum, auf einer Scheibe abgeschiedene Schichten auf ihre Dicke zu bearbeiten und generell muß man gleichzeitig die 600 Magnetköpfen entsprechenden, um einige Mikrometer vorstehenden 600 überwüchse polieren, und dies mit einer Genauigkeit in der Nanometer-Größenordnung, ohne die Dicke der dünnen Schicht, die die Scheibe bedeckt, um mehr als 200 bis 300 µm zu verringern.
Die bekannten Poliermaschinen können nicht alle diese Forderungen erfüllen. Insbesondere ist die Verwendung einer körnig-abrasiven Flüssigkeit oder eines auf einen Träger geklebten Schleiffilms nicht geeignet, wovon man sich in Verbindung mit den Figuren 2 bis 6 überzeugen kann.
Die Figur 2 zeigt zunächst das bekannte Läpp-Prinzip mit einer Flüssigkeit, die Schleifkörner enthält. Die Scheibe 10 und ihre Überwüchse 25 befinden sich einer Polierplatte 23 gegenüber und die mit Schleifkörnern durchsetzte Flüssigkeit 24 bildet einen Film zwischen der Scheibe und der Bezugsebene bzw. - fläche. Die Translationsbewegung der Scheibe bewirkt die Abrasion der Überwüchse.
Jedoch führen komplexe hydrodynamische Phänomene, die vor allem verbunden sind mit der Bildung von Wirbelbewegungen um die Überwüchse herum und mit Kavitationsphänomenen, zu einer schlechten Politur, deren Resultat in Figur 3 dargestellt ist. In dieser Figur zeigt der Teil a einen Überwuchs 25a vor dem Polieren, dessen Form im wesentlichen der entspricht, der man im Falle der integrierten Magnetköpfe begegnet, wie man in der Folge besser verstehen wird. Dieses Profil nimmt nach dem Beginn des Polierens die Form 25b an (Teil b) und schließlich die Form 25c (Teil c) nach dem Ende des Polierens. Man sieht, daß das angestrebte Resultat nicht erzielt wurde, denn bei Erreichen der Flugebene sind noch Spitzen vorhanden. Insbesondere sind die weichen Materialien stärker eingetieft als die harten Materialien.
Eine andere bekannte Technik besteht darin, einen auf eine Bezugsplatte geklebten mikroabrasiven Plastikfilm zu verwenden. So sieht man in Figur 4 eine Bezugsplatte 23, auf die ein mikroabrasiver Film 27 mittels Klebepunkten 28 geklebt ist (Aerosole). Die Klebeschicht weist eine Dicke von ungefähr 100 µm auf. Die Dicke der Folie ist ungefähr 50 bis 75 µm. Das Ganze weist also eine Dicke von ungefähr 150 bis 175 µm auf.
Die Figur 5 zeigt diese Schleifmittel zusammen mit einer Scheibe 10 und ihren zu polierenden Überwüchsen 25. Man sieht, daß das Vorhandensein der Überwüchse und die relativ große Dicke der Polierschicht deren Faltung zur Folge hat durch örtliches Komprimieren der Folie und Zusammendrücken der Klebepunkte. Auch in diesem Fall ist die erzielte Endpolitur nicht befriedigend. Die Figuren 6 zeigen schematisch das Profil eines polierten Schuhs 29 vor dem Polieren (Figur 6a) und nach dem Polieren (Figur 6b).
Außerdem kennt man Poliermaschinen, die einen mikroabrasiven Film verwenden, der nicht auf eine Bezugsfläche geklebt sondern über eine Platte gespannt ist. Solche Maschinen werden in den Dokumenten DE-U-8 717 353 und DOS 26 37 343 beschrieben. Diese Maschinen umfassen eine Abwickelspule und eine Aufwickelspule, zwischen denen in einer schrittweisen Bewegung das Mikro- bzw. Feinschleifband läuft. Dieses Band läuft über ein Teil aus weichem Material. Das zu polierende Stück, das im vorliegenden Fall ein Tellerfuß ist, wird gehalten durch einen sich drehenden Kopf. Eine pneumatische Einrichtung, angeordnet am Unterteil der Maschine, ermöglicht, das Feinschleifband von unten gegen den Tellerfuß zu drücken, so daß dieser den Schleiffilm verformt und sich in das weiche Teil eindrückt. Die Spannung des Bandes wird hergestellt durch Klemmen oder Backen, die gleichzeitig die schrittweise Förderung des Bandes ermöglichen.
Eine solche Maschine ist aus vielen Gründen nicht geeignet zum Polieren von Halbleiterscheiben. Zunächst ist das Eindrücken in das weiche Material unerwünscht aus schon erwähnten Gründen, nämlich den runden und deformierten Erhöhungen. Man muß folglich auf einer vollkommen ebenen Bezugsplatte arbeiten und mit einem sehr dünnen Feinschleiffilm, damit man die Flachheit der Bezugsplatte ausnützen kann.
Außerdem kann man für das Polieren von Tellerfüßen grobe Schleifkörner verwenden, benötigt aber für das Polieren von Halbleiterscheiben sehr viel feinere Körner. Mit solchen Körnern tritt jedoch ein Klebephänomen der Scheibe an dem Schleiffilm auf, so sehr, daß es am Ende des Polierens der Bildung eines Luftkeils bedarf, um die Scheibe abzulösen. Dieses Phänomen hat die Tendenz, Faltungen des Feinschleifbandes zu verursachen. Um dieses Risiko zu vermeiden, müßte man das Feinschleifband sehr stark spannen, und dies über seine gesamte Breite. Nun, dies ist bei der Maschine des Dokuments DE-U-8 717 353 unmöglich, da zu diesem Zweck nur Klemmen (oder Backen) vorgesehen sind, die das Band an seinen Seiten klemmen. Mit solchen Einrichtungen erhält man an den Rändern des Bandes eine gewisse Spannung, aber nicht in dessen Mitte, und zudem bestünde eine reale Reißgefahr des Bandes.
Außerdem ist es mit den vorhergehenden Maschinen unmöglich, das unter Spannung gehaltene Schleifband kontinuierlich laufen zu lassen. Der Vorschub des Bandes kann nur schrittweise erfolgen, da dieses durch Klauen gespannt wird, die es festklemmen.
Die Notwendigkeit, sehr feine Polierkörner und einen sehr gespannten Film zu verwenden, der ein Festkleben der Scheibe verursacht, hat weitere Schwierigkeiten zur Folge, die nicht gelöst werden durch die in DE-U-8 717 353 und D-OS-26 37 343 beschriebenen Maschinen. In derartigen Maschinen wird nämlich das zu polierende Stück, im vorliegenden Fall ein Teller, in einem Träger festgehalten durch einen Unterdruck, der über dem Teller erzeugt wird. Ein solcher Unterdruck, der sehr stark sein müßte, um die Halbleiterscheibe festzuhalten, würde diese zerbrechen.
Schließlich wäre ein Rotationsbewegungskopf wie der der zitierten Dokumente nicht geeignet zum Polieren von Halbleiterscheiben, da dann das Zentrum der Scheibe nicht poliert würde. Eine einfache Rotationsbewegung eignet sich nur für ringförmige Teile wie Tellerfüße.
Die vorliegende Erfindung hat gerade die Beseitigung dieser Nachteile zur Zielsetzung. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung zwei Typen von Anordnungen vor:
- die erste, verbunden mit der Verwendung eines gespannten Feinschleifbandes, sieht zunächst vor, daß das Band über einer Bezugsplatte mit einer steifen, planen Oberfläche gespannt wird: anschließend sieht sie spezielle Einrichtungen zum Spannen des Bandes zwischen der Abwickelspule und der Aufwickelspule vor, und dies ohne Verwendung von Klauen, Backen oder Klemmen, was ermöglicht, den Film über seine gesamte Breite gleichmäßig zu spannen; dies ermöglicht außerdem einen kontinuierlichen Durchlauf des Bandes, um es zu erneuern;
- die zweite Anordnungen ist verbunden mit den Einrichtungen zum Tragen der Scheibe bzw. des Wafers ; diese Einrichtungen sind derart, daß eine kreisförmige Translationsbewegung erzielt wird; diese spezielle Bewegung verändert ständig die Richtung der auf das Schleifband ausgeübten Kräfte (360º pro Umdrehung), ebenso in der Längsrichtung (also der Fortbewegungsrichtung oder der Gegenrichtung) wie in der Querrichtung. Diese speziellen Kräfte, die die Tendenz haben, Faltungen des Bandes zu verursachen, erfordern, daß dieses vollkommen gespannt ist, was zu dem vorhergehenden Problem zurückführt; da der Wafer von Natur aus verformbar und verformt ist, wird eine Scheibe aus einem weichen Material vorgesehen, angeordnet auf der Rückseite des Wafers; schließlich ermöglicht ein Kugelgelenksystem, einen Gelenkpunkt möglichst nahe der Polierebene zu haben, was das Auftreten eines Störmoments bei der kreisförmigen Translationsbewegung verringert, das sich im Falle dieser starken Kräfte, die auf den Wafer ausgeübt werden, um ihn zu verschieben, besonders ungünstig auswirkt.
Alle diese Einrichtungen wirken zusammen bei der Lösung der mit dem Polieren der Halbleiter-Wafer verbundenen Probleme. Man kann diese Probleme folgendermaßen zusammenfassen: bei einer Poliermaschine mit gespanntem Schleiffilm handelt es sich darum, den breiten (ungefähr 15 bis 45 cm), sehr feinen (25 bis 50 µm) Schleiffilm gespannt zu halten ohne Faltung (mit ungefähr 10 bis 50 kg, also 4 bis 5 kg pro mm² Bandquerschnitt). Beispielsweise beträgt die Spannung für eine Breite von 3oomm und eine Dicke von 25 µm 35kg auf einer Bezugsfläche, die ebenso lang ist wie die Breite des Films. Das derart gespannte Schleifband muß kontinuierlich und sehr langsam fortbewegt werden (0,2 bis 20 cm/min), einstellbar, gesteuert und ruckfrei. Diese beiden Bedingungen (Spannung und Vorschubgeschwindigkeit) dürfen auf keinen Fall gestört werden durch die Kräfte, die auf das Band ausgeübt werden durch das zu polierende Muster. Dieses, in eine Rotationsbewegung versetzt, muß durch einen geeigneten Kopf gehalten werden, der der Verformung des Musters Rechnung tragen kann und die Störmomente verhindert.
Die bei der Erfindung verwendbaren Feinschleiffolien (oder "-bänder" oder "-filme") können handelsübliche Folien sein wie die der Firma 3M. Der Film "Film Imperial Lapping (ILF)" der Dicke 12 oder 25 oder 35 oder 50 oder 75 µm ist geeignet. Dieser Film ist als Rolle erhältlich.
Auf genaue Weise hat die vorliegende Erfindung folglich eine Poliermaschine zum Gegenstand, die, wie bestimmte bekannte Maschinen, umfaßt:
- ein Feinschleifband, gespannt über einer Platte, zwischen einer Abwickelspule und einer Aufwickelspule,
- einen Trägerkopf zum Festhalten eines zu polierenden Musters, wobei die zu polierende Fläche dem Feinschleifband gegenübersteht,
- eine Abwickelspule, ausgestattet mit Einrichtungen, um ein Widerstandsmoment auf sie auszuüben, und eine Aufwickelspule, angetrieben durch einen Motor,
dadurch gekennzeichnet:
daß die Platte eine Platte mit einer steifen und planen Oberseite ist,
- daß der Musterträgerkopf ein steifes Teil und eine Scheibe aus elastischem Material mit einer gewissen Dicke umfaßt, wobei diese Scheibe an besagtem steifem Teil befestigt ist und den zu polierenden Wafer aufnimmt, das steife Teil durch ein Pendelrollenlager bzw. Kugelgelenklager und eine Vertikalachse verbunden ist mit Einrichtungen, um den Trägerkopf in eine kreisende Translationsbewegung zu versetzen.
Auf jeden Fall gehen die Merkmale und Vorteile der Erfindung besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele und bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1, schon beschrieben, zeigt ein Beispiel eines zu polierenden Stücks, das einem Schreib- und Lesemagnetkopf entspricht,
- die Figur 2, schon beschrieben, zeigt die bekannte Läpp-Methode mit einem Schleifkörner enthaltenden Flüssigkeitsfilm,
- die Figur 3, schon beschrieben, zeigt das Profils eines Musters im Laufe eines nach der vorhergehenden Methode durchgeführten Polierens,
- die Figur 4, schon beschrieben, zeigt das bekannte Läppverfahren mittels eines auf eine Bezugsplatte geklebten mikroabrasiven Plastikfilms,
- die Figur 5, schon beschrieben, zeigt die während des Polierens an einer geklebten mikroabrasiven Folie entstehende Verformung,
- die Figur 6, schon beschrieben, zeigt das Profil eines durch die Techniken der Figuren 4 und 5 polierten Schuhs,
- die Figur 7 zeigt die generelle Anordnung der erfindungsgemäßen Maschine mit einer gespannten Feinschleiffohe und einem Zirkulartranslations-Waferträger,
- die Figuren 8a und 8b (jeweils Draufsicht und Seitenansicht) zeigen eine erfindungsgemäße Poliermaschine,
- die Figur 9 zeigt drei Stellungen (a, b, c) des Trägerkopfs und stellt die Verteilung der ausgeübten Kraft dar,
- die Figur 10 ist eine Kurve, die die Veränderungen der Eindrücktiefen des Wafers in die weiche Scheibe in Abhängigkeit von der auf den Trägerkopf ausgeübten Belastungskraft zeigt,
- die Figur 11 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel des Trägerkopfs,
- die Figur 12 zeigt ein Detail eines peripheren Rings,
- die Figur 13 zeigt eine Ausführungsart des peripheren Rings,
- die Figur 14 zeigt einen zwischenstuflichen Unteraufbau bei der Herstellung eines Schreib- und Lesemagnetkopfes,
- die Figur 15 zeigt das Profil dieses Unteraufbaus vor und nach dem Polieren,
- die Figur 16 zeigt den fertigen Magnetkopf,
- die Figur 17 zeigt das Profil dieses Kopfes vor und nach dem Polieren.
Die in Figur 7 dargestellte Maschine umfaßt schematisch:
- eine ortsfeste Polierplatte 30,
- einen Musterträgerkopf 32, umfassend eine steifes Teil 140 und eine Scheibe aus weichem Material 142 mit einer bestimmten Dicke (e). Der Durchmesser der weichen Scheibe ist im wesentlichen der maximale, die Zone des Wafers einschließende Durchmesser, die bedeckt ist mit den zu polierenden Überwüchsen. Die Scheibe 142 ist an dem steifen Teil 140 befestigt und nimmt den zu polierenden Wafer 144 auf. Dieser wird also durch die Wirkung der während des Polierens auf den Trägerkopf ausgeübten Kraft teilweise hineingepreßt in die Dicke der Scheibe 142; das weiche Material der Scheibe 142 kann ein Elastomer sein,
- Einrichtungen 34 zum Ausüben einer Kraft F auf den Trägerkopf 32, um das zu polierende Muster 144 auf die Polierpiatte 30 zu drücken und um den Kopf in bezug auf die Platte zu verschieben, wobei diese Einrichtungen einen Exzenter 37 enthalten können.
Die Poliereinrichtung umfaßt ein mikroabrasives Band oder eine solche Folie 33, gespannt und auf eine Bezugsplatte 30 gedrückt. Die Folie 33 wird gespannt durch Einrichtungen 35, 35', die beiderseits der Platte 30 angeordnet sind.
Die Figuren 8a und 8b zeigen eine besondere Ausführungsart von Einrichtungen 35, 35', die sich gut zum Spannen der Schleiffohe eignen und deren langsames Durchlaufen über der Platte ermöglichen. In diesen Figuren ist die Maschine im Teil a als Draufsicht und im Teil b als Seitenansicht dargestellt.
Aus Gründen der Vereinfachung umfaßt die dargestellte Maschine weder den Träger des zu polierenden Wafers noch den Exzenter noch die Rotationsspindel, usw.. Die Figuren 8a und 8b beschränken sich auf die Bezugsplatte und auf die diversen Einrichtungen zum Spannen und Fördern des Feinschleifbandes. So wie dargestellt umfaßt die Maschine eine erste Spule 40 und eine zweite Spule 50, beiderseits der Bezugsplatte 30 angeordnet. Auf diese Spulen ist ein Feinschleifband 33 gewickelt, das also zwischen diesen beiden Spulen gespannt wird.
Die erste Spule 40 ist eine Abwickelspule, ausgestattet mit Einrichtungen zum Ausüben eines Widerstandsmoments; die zweite Spule 50 ist eine Aufwickelspule, angetrieben durch einen Motor. Das Feinschleifband 33 kann sich also von der ersten Spule 40 zu der zweiten Spule 50 bewegen, indem es über der Bezugsplatte 30 durchläuft, was eine Erneuerung der abrasiven Fläche ermöglicht.
Die beiden Spulen 40, 50 sind unter der Oberseite der Bezugsplatte 30 angeordnet, wobei zwei Trommeln 53, 51 zwischen den Spulen und der Bezugsplatte 30 angeordnet sind. Das Feinschleifband 33 läuft nach dem Abwickeln von der Spule 40 und vor dem Aufwickeln auf die Spule 50 über diese Trommeln 53, 51. Diese Trommeln sind vorzugsweise etwas unterhalb der Oberseite der Platte 30 angeordnet, damit das Feinschleifband 33 auf dem Weg zu und von der Platte einen kleinen Winkel Θ mit der Horizontalen bildet, was seinen Kontakt mit dieser verbessert.
Bei der dargestellten Variante ist die Abwickelspule 40 mit einem Gestell 60 verbunden durch zwei Pendellager 41, 42 und zwei Gleitführungen 43, 44, der Enden sich abstützen auf zwei Druckmeßwertgebern 45, 46, die durch zwei einstellbare Anschläge 47, 48 mit dem Gestell verbunden sind. Die Einstellung der Anschläge ermöglicht, die Spannung des Bandes über seine gesamte Breite auszugleichen.
Die Einrichtungen zum Ausüben eines Widerstandsmoments auf die Spule 40 können bei einer ersten Variante gebildet werden durch einen ringförmigen Motor 62, der direkt auf eines der Lager 41 oder 42 montiert ist, am Ende der Gleitführung 43. Steuereinrichtungen 64 dieses Motors sind ebenfalls vorgesehen. Bei einer zweiten Variante werden diese Einrichtungen gebildet durch einen separaten Motor 66 der Spule 40 und durch einen Übertragungsriemen 68 zwischen diesem Motor 66 und der Abwickelspule 40. Das gespannte Trum 68a des Riemens 68 befindet sich in einer zu den Gleitführungen 43, 44 senkrechten Ebene. Steuereinrichtungen 64 dieses Motors sind ebenfalls vorgesehen.
Außerdem sind die beiden an den Enden der Gleitführungen 43, 44 vorgesehenen Druckmeßwertgeber 45, 46 verbunden mit den Steuereinrichtungen 64 der Motoren 62 oder 66, die ein Widerstandsmoment auf die Abwickelspule 40 ausüben.
Die Aufwickelspule 50 ihrerseits wird durch einen Getriebemotor 70 angetrieben. Diese Spule kann mit dem Getriebemotor durch eine Übertragung-Unterbrechungseinrichtung 70 wie z.B. eine mechanische Kupplung oder eine elektromagnetische Kupplung verbunden sein.
Nun werden detaillierter die Struktur und die Funktionen des Musterträgerkopfs beschrieben, der mit dem gespannten Feinschleifband zusammenwirkt, um ein Polieren unter den weiter oben erläuterten Bedingungen zu ermöglichen.
Wie in Figur 7 dargestellt, umfaßt der Musterträgerkopf eine weiche Scheibe 142, deren Rolle in Figur 9 erläutert wird.
In dieser Figur sieht man in Teil a den Kopf abgehoben von dem zu polierenden Wafer 144, der mit einer stark übertriebenen Verformung dargestellt wurde, um gut die Funktionen hervorzuheben, die von der weichen Scheibe 142 erfüllt werden. Die zu polierenden Erhöhungen sind mit 143 bezeichnet.
Die vertikal auf das steife Teil 140 ausgeübte Kraft F hat die Wirkung, das Ganze gegen die Polierfläche 130 zu drücken, wobei die erhöhten Muster 143 sich auf dieser Fläche abstützen (Teil b). Jedoch ist aufgrund der Anfangsverformung des Wafers die Anpreßkraft dieser Erhöhungen auf der Polierfläche 130 ungleich verteilt: es gibt in dem dargestellten Beispiel relativ große Kräfte F1 am Rand und relativ kleine Kräfte F2 in der Mitte.
Die Anwendung einer größeren Belastungskraft auf das steife Teil 140 hat die Wirkung, daß der Wafer 144 eindringt in die weiche Scheibe 142 (Teil c). Dieser Eindruck nimmt die anfängliche Verformung des Wafers an und ermöglicht, diese zu kompensieren. Die durch jede Erhöhung auf die Polierebene ausgeübte Kraft F3 ist dann im wesentlichen dieselbe auf der gesamten Fläche der Polierebene.
Unter diesen Bedingungen versteht man, daß die auf den Wafer ausgeübte Belastungskraft zwei Funktionen erfüllt:
- die Hauptfläche des Wafers dazu zu bringen, sich an die Geometrie der Bezugsfläche anzupassen, und dies unabhängig von den Anfangsverformungen und den Dickenabweichungen dieses Wafers,
- an jedem Überwuchs einen ausreichenden Druck zu erhalten, so daß der Materialabtrag für eine bestimmte Verschiebungsgeschwindigkeit effektiv und optimal ist.
Sobald der Wafer auf dem Feinschleiffilm aufliegt, verschiebt man den Träger in bezug auf die Läppebene entsprechend einer kreisenden Translationsbewegung (Rotation der Wafermitte um einen Punkt herum, der sich in der Läppebene befindet, wobei der Wafer immer dieselbe Ausrichtung beibehält). So hat jeder Überwuchs dieselbe Lineargeschwindigkeit, egal wo er sich auf dem Wafer befindet.
Bei der vorhergehend beschriebenen Konfiguration nimmt jeder Überwuchs eine seiner Höhe proportionale Belastung auf. Dann, nach einer Teilnivellierung, erhalten alle Überwüchse bzw. Erhöhungen eine identische Belastung. Man kann dann davon ausgehen, daß der Kontakt an jeder Erhöhung korrekt ist. Wenn jedoch die Höhe der Erhöhungen abnimmt, nimmt der Abstand ab, der die Hauptfläche des Wafers und die Läppebene trennt; da der Kontakt zwischen zwei Ebenen bzw. Flächen nie perfekt ist, treten die durch die Viskosität der Luft entstehenden Phänomene auf und haben die Tendenz, ein partielles Ablösen des Wafers zu verursachen. Daher muß man die Verschiebungsgeschwindigkeit verringern und/oder den auf den Waferträger ausgeübten Druck erhöhen.
Das erfindungsgemäße Abtragen von Material schließt den Gebrauch von jeder Kühlflüssigkeit oder von Partikel-Drainage aus. Die Arbeit wird folglich "trocken" ausgeführt. Falls nötig, kann man Vakuum herstellen in der Arbeitszone oder die Luft durch ein leichtes Gas wie Helium ersetzen.
Die Bestimmung der Kennwerte der erfindungsgemäß zu verwendenden weichen Scheibe beginnt mit dem Wert der auf den Wafer auszuübenden Minimalkraft Po, um die Geometrie der Vorderseite dazu zu bringen, sich an die Bezugsfläche anzuschmiegen.
Im Falle einer homogenen kalottenförmigen Verformung des Wafers geht es darum, den Wafer so zu biegen, daß die von der Kraft ausgehenden Belastung die Durchbiegung "f" annuliert.
Die Materialwiderstandsgesetze ergeben für Po:
Po = (3πE e³f)/5 r²
wo: - E der Elastizitätsmodul (oder YOUNG-Modul) des den Wafer bildenden Materials ist,
- Po eine punktförmige, in Wafermitte (Spitze der Wölbung) wirkende Last ist, wobei der Wafer sich auf seinem Umfang abstützt,
- e die mittlere Dicke des Wafers ist,
- r der Radius des Wafers ist.
Diese auf den Wafer ausgeübte Last Po verteilt sich völlig heterogen. Diese Last konzentriert sich nämlich in der Mitte, wobei die Ränder des Wafers die Bezugsfläche ohne Kraftübertragung kaum berühren.
Im Falle komplexer Verformungen besteht bei Anwendung der vorhergehenden Formel eine gute Annäherung darin, derjenigen Erhöhung Rechnung zu tragen, die am schwierigsten in Kontakt zu bringen ist mit der Bezugsfläche. Diese Errechnung läuft darauf hinaus, die Verhältnisse f/r² zu vergleichen in einer durch diese Durchbiegung f bestimmten Zone mit dem Radius "r". Wenn das maximale Verhältnis ermittelt ist, bringt man die erforderliche Belastungskraft auf, um diese Verformung auf der gesamten Fläche der weichen Scheibe aufzunehmen.
Anschließend geht es darum, die zulässige Belastungsverteilungstoleranz bzw. -abweichung (écart de repartition d'effort) zu bestimmen. Dies ist ein Kompromiß zwischen der maximalen Homogenität und dem durch das Schleifmittel maximal zulässigen Druckwert für bestimmte Erhöhungen (Schädigungsrisiko der Schleiffläche oder der Erhöhungen). Man geht generell davon aus, daß 5 bis 10% Abweichung akzeptabel sind. Als maximale Belastungskraft nimmt man einen Wert P1 gleich 10- bis 20mal der Wert von Po, berechnet wie weiter oben angegeben.
Erst jetzt kann man die Kennwerte der Scheibe bestimmen. Die Kurve der Figur 10 zeigt die Eindrücktiefe (Ordinate) als Funktion des Drucks (Abszisse), wobei vorausgesetzt wird, daß die Belastung auf eine Einheitsfläche verteilt ist.
Die Gerade A berücksichtigt nicht die Endlichkeit der Dicke der Scheibe (anders ausgedrückt setzt sie eine unendliche Dicke voraus). Die Kurve B trägt dieser Dicke Rechnung. Eine endliche Dicke führt zu einem "Durchfedern" des die Scheibe bildenden Materials (im allgemeinen ein Elastomer).
Die Belastung P1 liefert den Wert des Drucks auf die zum Zeichnen der Kurve gewählte Einheitsfläche. Man überträgt diesen Wert auf die Kurve, um die entsprechende Durchbiegung zu erhalten, nämlich "f1".
Die Eindrücktiefe des weichen Materials ist je nach Dicke des Wafers veränderlich. Die Belastung P1 führt zu einem Druck, der der Dicke des Wafers in einem bestimmten Punkt proportional ist.
Man trägt auf der Ordinatenachse den Wert der maximalen Dickenabweichung Δe der Wafer auf, indem man ihn auf f1 zentriert. Man erhält somit die maximale Änderung ΔP1, zurückzuführen auf die Abweichung Δe um P1.
Man überprüft dann, ob P1 kompatibel bleibt mit den gewählten 5 bis 10% Homogenität.
Wenn dieser Wert überschritten wird, kann man:
- die Dicke der weichen Scheibe erhöhen, wenn man sich nahe des horizontalen Bereichs der Kurve befindet,
- ihre Weichheit erhöhen und folglich eine neue Kurve wählen, wenn man sich schon weit weg von der Durchfederung befindet.
Man kann feststellen, daß es nicht wünschenswert ist, im unteren Bereich der Kurve zu arbeiten, da der Kontakt zwischen der weichen Scheibe und dem Wafer nicht an allen Punkten gewährleistet ist. Die Eindrücktiefenänderungen der weichen Scheibe können andere Ursachen haben:
- veränderliche Dicke der weichen Scheibe;
- schlechte Ebenheit des Trägers, auf den die Scheibe geklebt ist;
- schlechte Verklebung der Scheibe auf ihrem Träger.
Diese Abweichungen müssen innerhalb der Grenze der schon berücksichtigten 5 bis 10% gehalten werden.
Die weiter oben hinsichtlich der Bestimmung des Minimaldrucks und des weichen Trägers erwähnten Mechanismen wirken sich aus bei der regulierenden Rolle der weichen Scheibe. Wenn nämlich die zu nivellierenden Überwüchse variable Höhen aufweisen, sind es zunächst die höchsten, die den größten Teil der Belastungskraft P1 aufnehmen. Der Wafer erfährt in dieser Zone eine Durchbiegung, die im weichen Material durch eine zusätzliche Eindrücktiefe kompensiert wird, was sich durch eine Erhöhung des Drucks in dieser Zone ausdrückt. Der Punkt wird infolgedessen schneller abgetragen als die anderen.
Verschiedene Ausführungsarten des Waferträgers werden nun in Verbindung mit den Figuren 11 bis 13 beschrieben.
Zunächst umfaßt der in Figur 11 dargestellte Träger einen steifen zweiteiligen Körper 150-152, auf dem sich die weiche Scheibe 142 abstützt, und eine Einrichtung 158, die drei Drehungen in drei senkrechten Achsen ermöglicht, wobei zwei dieser Drehungen, benutzt zum richtigen Positionieren und Ausrichten des Wafers 144 in der Bezugsebene, partiell sein können (oder mit begrenztem Ausschlag), und die dritte, um eine zur Bezugsebene senkrechte Achse, vollständig ist. Die Einrichtung 158 ermöglicht die Verbindung mit einer vertikalen Achse 160. Diese Einrichtung ist vorzugsweise ein Pendelrollenlager oder ein Nadellager in Verbindung mit einem Kugelgelenk. Der steife Körper 150 ist umgeben von einem peripheren Ring 162, in dem ein Absatz 163 vorgesehen ist. Die Höhe des Absatzes 163 ist kleiner als die Dicke des Wafers, und sein Durchmesser ist etwas größer als der des Wafers. Der Wafer 144 sitzt in diesen Absatz 163. Das ringförmige Teil 162 wird mit dem steifen Körper 150 verbunden durch Säulchen 164 und Federn 166.
Die auf die Achse 160 ausgeübte Vertikalkraft verläuft nicht über den peripheren Ring 162 sondern durch das Gelenk 158, den steifen Körper 150 und die Scheibe 142. Der Ring 162 dient nur dazu, den Wafer 144 mitzuführen bei der für das Polieren nötigen kreisförmigen Translationsbewegung, wobei diese Bewegung erzeugt wird durch die horizontale Antriebskraft des Trägers (z.B. erzeugt durch den Exzenter 37 der Figur 7).
Der steife Körper 150-152 ist durchbohrt von einem Kanal 170, der über eine Leitung 172 mit einem nicht dargestellten Vakuumgerät verbunden ist. Dieses Gerät ermöglicht, den Wafer 144 während der Phasen festzuhalten, wo der Träger nicht gegen die Polierfläche gedrückt wird.
Die Figur 12 zeigt ein Detail des peripheren Rings 162 mit seinem Absatz 163 zur Aufnahme des Wafers 144. Bei der dargestellten Variante ist der Ring 162 versehen mit einer Ringnut 161 und durchbohrt vom einem Kanal 174, der über eine sehr biegsame Leitung 176 verbunden ist mit einem nicht dargestellten Vakuumgerät. Diese Variante ist für Poliervorgänge vorgesehen, die größere Drehmomentkräfte erfordern als im Falle der Figur 11.
Bei der in Figur 13 dargestellten Variante wird der periphere Ring durch einen dünnen Ring 180 gebildet, z.B. aus Stahlfolie, wobei dieser dünne Ring steif ist in seiner Ebene aber biegsam in der senkrechten Richtung. Dieser Ring 180 ist eingebettet in ein sehr nachgiebiges Material 182, z.B. Silikon. Ein solches ringförmiges Teil ist in der horizontalen Ebene ausreichend steif um die Schnittkräfte zu übertragen, und dabei in vertikaler Richtung ausreichend nachgiebig, um sich den Fehlern des Wafers anzupassen.
Mit der oben beschriebenen Poliermaschine hat der Anmelder bemerkenswerte Resultate erzielt, dargestellt in den Figuren 14 bis 17.
Die Figur 14 zeigt im Schnitt einen Unteraufbau, der einem Schreib- und Lesemagnetkopf in Horizontalstruktur von der Art entspricht, die betreffs Figur 1 schon erwähnt wurde. Der Unteraufbau der Figur 14 umfaßt im wesentlichen ein Siliciumsubstrat 100, zwei Wannenränder 102 aus Siliciumdioxid, zwei vertikale Klötzchen 104 aus Eisen-Nickel. Es handelt sich darum, diesen Unteraufbau einer Ebene 106 entsprechend zu polieren vor Inangriffnahme der Operationen zur Bildung der oberen Polschuhe.
Das Profil des Unteraufbaus vor dem Polieren ist dargestellt im Teil a der Figur 15. Auf der Abszissenachse beträgt die Gesamtheit des gemessenen Intervalls 1,2mm (die angegebenen Einheiten sind also Mikrometer). Auf der Ordinatenachse sind die Einheiten Hunderstelnanonmeter. Man sieht bei dieser Messung deutlich die beiden Ränder der Wanne und in der Mitte die beiden vertikalen Klötzchen aus Eisen-Nickel.
Nach dem Polieren weist das Profil die Form des Teils b der Figur 15 auf. Die Gesamtheit des gemessenen Intervalls beträgt 4mm (was bedeutet, daß die Messung die Gesamtheit des den Kopf tragenden "Ski" betrifft). Der Ordinaten-Maßstab beträgt Zehntelnanometer. Die restliche Erhöhung in der natürlichen Krümmung des "Ski" ist kleiner oder gleich 30nm (diese Krümmung ist ein Bruchteil der Verformung des Substrats).
Die Figur 16 zeigt den Kopf nach den Operationen zur Bildung des nichtmagnetischen Spacers 110 und der oberen Polschuhe 112 aus Eisen-Nickel. Erhöhungen 114 erscheinen in der Mitte des Kopfes. Die Endpolierebene ist mit 116 bezeichnet.
Im Teil a der Figur 17 sieht man das Profil dieses Unteraufbaus vor dem Läppen. Die Einheiten sind dieselben wie für die Figur 15: 1,2 mm für die gesamte Abszissenachse und Hundertstelnanometer als Ordinaten. Die drei den Erhöhungen der Polschuhe entsprechende Spitzen sind deutlich zu sehen.
Der Teil b der Figur 17 zeigt die Messung nach dem Polieren. Die Einheiten der Abszissenachse sind wieder Mikrometer und die der Ordinatenachse Zehntelnanometer. Es ist keine Resterhöhung festzustellen und man mißt nur die natürliche Krümmung der Kufe (wobei diese Krümmung ein Bruchteil der Krümmung des Substrats ist).

Claims

1. Poliermaschine, umfassend:

- ein Feinschleifband (33), gespannt über einer Platte zwischen einer Abwickelspule (40) und einer Aufwickelspule,

- einen Trägerkopf, geeignet zum Festhalten eines zu polierenden Musters (44), wobei die zu polierenden Fläche dem Feinschleifband gegenübersteht,

- eine Abwickelspule (40), ausgestattet mit Einrichtungen (62, 66), um auf sie ein Widerstandsmoment auszuüben, und eine Aufwickelspule (50), angetrieben durch einen Motor,

dadurch gekennzeichnet:

- daß die Platte eine Platte mit einer steifen und planen Oberseite ist,

- daß der Musterträgerkopf (32) ein steifes Teil (140) und eine Scheibe aus elastischem Material (142) mit einer gewissen Dicke umfaßt, wobei diese Scheibe an besagtem steifen Teil (140) befestigt ist und das zu polierende Plättchen (44) aufnimmt, das steife Teil (140) durch ein Pendelrollenlager bzw. Kugelgelenklager (58) und eine Vertikalachse (60) verbunden ist mit Einrichtungen (34), um den Trägerkopf (32) in eine kreisende Translationsbewegung zu versetzen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwickelspule (40) mit einem Gestell (60) verbunden ist durch zwei Pendellager (41, 42) und zwei Gleitführungen (43, 44), deren Enden sich abstützen auf zwei Druckmeßwertgeber (45, 46), mit dem Gestell verbunden durch zwei verstellbare Anschläge (47, 48), wobei die Einstellung der Anschläge ermöglicht, die Spannung des Bandes über seine gesamte Breite auszugleichen.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Ausüben eines Widerstandsmoments auf die Abwickelspule (40) gebildet werden durch einen ringförmigen Motor (62), der direkt auf eines der Pendellager (41, 42) montiert ist, am Gleitführungsende (43), und durch Steuereinrichtungen (64) dieses Motors.

4. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Ausüben eines Widerstandsmoments auf die Abwickelspule (40) gebildet werden durch einen von der Abwickelspule getrennten Motor (66) und durch einen übertragungsriemen (68) zwischen diesem Motor (66) und der Abwickelspule (40), wobei dieser Riemen ein in einer zu den Gleitführungen (43,44) senkrechten Ebene gespanntes Trum (68a) hat, und durch Steuereinrichtungen (64) dieses Motors.

5. Maschine nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an den Enden der beiden Gleitführungen (43, 44) angeordneten Druckmeßwertgeber (45, 46) verbunden sind mit den Steuereinrichtungen (64) des ein Widerstandsmoment auf die Abwickelspule (40) ausübenden Motors (62, 66).

6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwickelspule (50) angetrieben wird durch einen Getriebemotor (70).

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwickelspule (50) mit dem Getriebemotor (70) durch eine Übertragung-Unterbrechungseinrichtung (72) wie z.B. eine mechanische Kupplung oder eine elktromagnetische Kupplung verbunden ist.

8. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwickeispule (40) und die Aufwickelspule (50) unterhalb der Oberseite der Bezugsplatte (30) angeordnet sind, wobei zwei Trommeln (51, 53) zwischen den Spulen und der Bezugsplatte (30) angeordnet sind und das Feinschleifband (33) nach seinem Abwickeln von der Abwickelspule (40) und vor seinem Aufwickeln auf die Aufwickeispule (50) über diese Trommeln (51, 53) läuft.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Trommeln (51, 53) unterhalb der Oberseite der Bezugsplatte (30) angeordnet sind und das Feinschleifband (33) bei seinem Eintreffen auf der Platte und beim Verlassen der Platte in bezug auf die Horizontale einen Winkel (Θ) bildet.

10. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steife Teil (150-152) des Trägerkopfes von einem peripheren Ring (162) umgeben ist, der eine Vertiefung (163) aufweist, die einen etwas größeren Durchmesser als das Plättchen (44) hat und eine Höhe, die etwas kleiner ist als die Dicke des Plättchens, wobei dieses (44) in der Vertiefung (163) sitzt, dieser Ring (162) verbunden ist mit dem steifen Teil (150) des Plättchenhalters durch Einrichtungen (164), imstande auf den Ring (162) und folglich auf das Plättchen (44) die Kräfte zu übertragen, die verbunden sind mit der Querverschiebung des Trägerkopfes in bezug auf den Feinschleiffilm, und der auf den Trägerkopf ausgeübte Druck durch den steifen Teil (150-152) und die Scheibe aus elastischem Material (142) auf das Plättchen übertragen wird.

11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Ring (162) gebildet wird durch einen dünnen flachen Ring (180), steif in seiner Ebene aber biegsam senkrecht zu dieser Ebene, und aus einem elastischen Material (182), um den dünnen Ring (180) herum gegossen.

12. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steife Teil (150) des Trägerkopfes durchbohrt ist von einem Kanal (170), der ebenfalls die Scheibe aus elastischem Material (142) durchquert, wobei dieser Kanal (170) über einen Schlauch (172) mit einer Vakuumeinrichtung verbunden ist.

13. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Ring (162) durchbohrt ist von einem Kanal (174), der in der Vertiefung (163) mündet, in der das Plättchen (44) sitzt, wobei dieser Kanal (174) über einen biegsamen Schlauch (176) verbunden ist mit einer Vakuumeinrichtung.