DE10206098A1

DE10206098A1 - Konditionierwerkzeug

Info

Publication number: DE10206098A1
Application number: DE2002106098
Authority: DE
Inventors: Lothar Schaefer; Thorsten Matthee; Volker Herold; Olaf Sandkuhl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Konditionierwerkzeug zum Aufrauhen und Entfernen von Unebenheiten bzw. Formabweichungen eines Polierwerkzeuges für Wafer oder optische Bauteile, mit einem scheibenförmigen Grundkörper. DOLLAR A Der Grundkörper besteht auf jeder seiner Oberflächen entweder aus einem chemisch inerten Material oder ist mit einem chemisch inerten Material beschichtet und weist zumindest auf einer Konditionieroberfläche eine Diamantoberfläche mit einer determinierten oder stochastischen kraftaufnehmenden Struktur auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konditionierwerkzeug und Verwendungen hierfür. Derartige Konditionierwerkzeuge werden zur Aufarbeitung, Einsatzvorbereitung und/oder Verschleißbeseitigung von Polierwerkzeugen aus dem Bereich der Wafer-Herstellung oder der Herstellung optischer Bauelemente verwendet.
Wafer werden nach jedem Strukturierungsprozeß zu ihrer Planarisierung poliert. Dazu wird u. a. das chemomechanische Polieren mit chemisch aggressiven Medien (Suspensionen, Slurries) eingesetzt. Dabei kommt es beim Polieren der Wafer sowohl zum Verschleiß als auch zu einer Veränderung der Oberflächenschicht, einer sogenannten Verglasung, der Polier-Pads. Um reproduzierbare Polierergebnisse zu erhalten, muß das Polier-Pad regelmäßig konditioniert (abgerichtet) werden. Bei dem Abrichtprozeß wird die veränderte Oberflächenschicht aufgerauht und zugleich die Ebenheit der Oberfläche des Polier-Pads wieder hergestellt.
Nach dem Stand der Technik erfolgt das Konditionieren mit abrasiv wirkenden Diamant-Werkzeugen (Diamantkörner mit galvanischer oder Sinterbindung), bürstenartigen Werkzeugen, z. B. aus Kunststoff, oder mit Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen.
Ziel des Konditionierens ist die Erzeugung eines makrogeometrisch ebenen Polier-Pads, z. B. für die Waferbearbeitung, bzw. allgemein eines formgenauen Polierwerkzeuges. Beispielsweise kann beim Polieren optischer Bauteile das Polierwerkzeug z. B. auch ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche sein. Daneben soll die hinsichtlich ihrer Eigenschaften durch den Polierprozeß veränderte Randschicht ("Verglasung") beseitigt werden. Für den Polierprozeß ist es weiterhin in vielen Fällen vorteilhaft, wenn eine definierte Aufrauhung erfolgt. Zur Gewährleistung der Formgenauigkeit/Ebenheit ist es erforderlich, daß einerseits das Konditionierwerkzeug makrogeometrisch eine definierte Form bzw. Ebene verkörpert und andererseits eine geeignete Relativbewegung zwischen Konditionierwerkzeug ("Dresser") und Polierwerkzeug gewählt wird.
Während beim Schleifen der Werkzeugeingriff meist wegbestimmt ist, ist er beim Konditionieren kraftbestimmt. Weiterhin liegt beim Konditionieren ein vollflächiger Engriff (Kontakt) zwischen Konditionierwerkzeug und Polier-Pad vor. Nach der Terminologie der Fertigungstechnik ist das hier beschriebene Konditionieren aufgrund der Kinematik und der Kontaktbedingungen innerhalb der Hauptgruppe "Trennen" je nach Ausführungsform des Werkzeuges der Gruppe "Spanen mit geomtetrisch bestimmter Schneide" oder "Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide" zuzuordnen. Hinsichtlich der Kinematik und der Art des Werkzeugeingriffes gibt es Ähnlichkeiten mit dem Fertigungsverfahren "Honen" (DIN 8589). Die relative Geschwindigkeit beim Konditionieren ist vergleichsweise niedrig, während sie beim Schleifen meist sehr hoch gewählt wird.
Die scheibenförmigen Konditionierwerkzeuge nach dem Stand der Technik werden, nachdem mittels eines Polier-Pads ein Wafer bearbeitet wurde, unter Wirkung einer Normalkraft stirnseitig mit dem bereits verwendeten Polier-Pad in Kontakt gebracht und in radialer Richtung mehrmals über das Polier-Pad geführt, wobei sowohl das Konditionierwerkzeug als auch das Polierwerkzeug (Table) mit dem Polier-Pad eine rotatorische Bewegung ausführen. Mit herkömmlichen Werkzeugen wird jedoch das gewünschte Konditionierergebnis nur unzureichend erreicht. Insbesondere wird die metallische Bindung zwischen dem Grundkörper des Konditionierwerkzeugs und der darauf befindlichen Konditionierschicht infolge der chemischen Einwirkung angegriffen, wodurch Körner sich von dem Konditionierwerkzeug lösen können, welche sich in das Polier-Pad einlagern oder sich dann darauf befinden und dann beim Polieren Kratzer auf den Wafern erzeugen.
Bekannte Lösungen von Konditionierwerkzeugen für die CMP-Technologie beruhen darauf, dass entsprechend strukturierte Körper aus hochfesten Keramiken (Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid) verwendet werden (Fa. Kyocera/Japan) oder dass metallisch gebundene Diamant-Werkzeuge mit einer zusätzlichen korrosionsbeständigen Schicht versehen werden (Fa. Abrasive Technology/USA).
Trotz der hohen Verschleißfestigkeit der Hochleistungskeramiken ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich einzelne Körner verschleißbedinqt aus dem Werkstoff herauslösen relativ hoch. Ebenso wird eine mit dem Ziel der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit aufgebrachte Beschichtung während des Konditionierprozesses beansprucht und damit Verschleiß unterliegen, so dass nach einer gewissen Zeit die Korrosionsbeständigkeit nicht mehr gegeben ist und die Bindung der Diamantkörner der chemischen Beanspruchung ausgestzt ist.
Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, dass Diamantkörner mit einer CVD (Chemical Vapor Deposited) Schicht mit einem Silizium-Substrat verbunden werden (Fa. Diamonex/USA). Hier dient die CVD-Diamantschicht, ähnlich wie bei der Lösung der Fa. Abrasive Technology/USA in erster Linie als korrosionsbeständige Schutzschicht, die darüber hinaus eine feste Bindung zu den Diamantkörnern und zur Silicium- Unterlage herstellen soll. Der eigentliche Schneidstoff ist daher die vorab aufgebrachte Diamantkörnung mit Korngrößen von 50 µm und mehr, die aus der Hochtemperatur/Hochdruck-Diamantsynthese oder aus natürlichen Diamantvorkommen stammen, und nicht die CVD-Diamantschicht. Die Zerspanungseigenschaften beim Konditionieren werden daher durch diese Körner bestimmt und nicht durch die CVD-Diamantschicht. Dies schränkt die Flexibilität bei der Gestaltung der Werkzeugoberflächenstrukturen erheblich ein und führt wegen der Unregelmäßigkeiten der Körner in Bezug auf Form, Größe und Aufbringung auf die Siliciumoberfläche zu einer vergleichsweise großen Variation der Kornüberstände. Dies limitiert die Genauigkeit der Konditionierbearbeitung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Konditionierwerkzeug zu schaffen, mit dem eine zuverlässige Konditionierung von Polier-Pads für die CMP (Chemo-Mechanisches Polieren)-Technologie durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Konditionierwerkzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie Verwendungen der erfindungsgemäßen Konditionierwerkzeuge werden in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Konditionierwerkzeug besteht der Grundkörper aus einem formstabilen, verschleißfesten Werkstoff, beispielsweise einer Hochleistungskeramik. Dieser wird mit einer determinierten oder stochastischen kraftaufnehmenden Struktur versehen. Daraufhin wird der Grundkörper mit einer Diamantschicht beschichtet. Alternativ kann auch die Diamantschicht selbst die determinierte oder stochastische kraftaufnehmende Struktur aufweisen, die der Diamantschicht bei der Erzeugung oder nachfolgend mit einem geeigneten Verfahren aufgeprägt wird. Als weitere Alternative kann auch der Grundkörper selbst aus monokristallinem Diamant, beispielsweise als scheibenförmiges Teil, strukturiert sein.
Das Konditionierwerkzeug kann dabei vollflächig strukturiert sein oder aus einzelnen Elementen (Pellets) aufgebaut werden, die jeweils einen Grundkörper mit Diamantoberfläche aufweisen. Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, daß sämtliche der Außenwelt ausgesetzten Oberflächen des Konditionierwerkzeuges des Grundkörpers oder der Konditionier-Oberfläche aus einem chemisch inerten Material bestehen oder allseitig bzw. in den verbleibenden Bereichen mit einem chemisch inerten Material, vorzugsweise Diamant, beschichtet ist.
Als kraftaufnehmende Struktur werden vorteilhafterweise keilförmige Elemente, beispielsweise eine Pyramidenstruktur oder eine Kegelstruktur, eine Pyramidenstumpfstruktur oder eine Kegelstumpfstruktur, vorteilhafterweise mit einer Grundfläche zwischen 0,5 × 0,5 und 0,6 × 0,6 mm, mit einem Spitzen-Winkel von ca. 90° verwendet. Diese Strukturen weisen eine entsprechende abrasive bzw. abtrennende Wirkung auf das Polier-Pad auf. Die Schneidwirkung resultiert dabei einerseits aus der kraftaufnehmenden Struktur und außerdem aus den mikrokristallinen Schneidkanten der polykristallinen Diamantoberflächenschicht. Diese scharfen Kanten der Diamantkristalle der Oberflächenschicht sind entsprechend schneidfreudig.
Im folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Konditionierwerkzeuge beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Konditionierwerkzeug und
Fig. 2 ein weiteres erfindungsgemäßes Konditionierwerkzeug.
In Fig. 1A ist ein Konditionierwerkzeug 1 dargestellt, das eine scheibenförmige Gestalt mit einem Durchmesser 2 und einer Höhe 3 aufweist (Fig. 1A). In Fig. 1B ist ein Ausschnitt aus der Oberfläche des Konditionierwerkzeuges 1 aus Fig. 1A dargestellt. Wie zu erkennen ist, befindet sich auf einem Substrat 5 eine Anordnung aus pyramidenstumpfförmigen Strukturen 6, die jeweils eine Stumpfoberfläche 7 aufweisen. Die Basisdimensionen der vierseitigen Pyramiden 6 betragen 0,5 mm für Länge und Breite, während die Pyramidenstumpfoberfläche eine Breite und Länge 11 von jeweils 0,1 mm aufweist.
Fig. 2 zeigt ein Konditionierwerkzeug, das demjenigen in Fig. 1 entspricht. Daher werden gleiche und ähnliche Bezugszeichen für gleiche und ähnliche Elemente verwendet. Im Unterschied zu Fig. 1 ist nun auf dem Grundkörper 5 (Substrat 5) eine Anordnung von vierseitigen Pyramidenstümpfen vorgesehen, wobei die Länge der Seitenkanten in Längs- und in Querrichtung der Basisfläche des Pyramidenstumpfes 6 jeweils 0,6 mm betragen. Die Stumpfoberfläche 11 besitzt wiederum Seitenkanten mit einer Länge von 0,1 mm in Längs- und Querrichtung.

Claims

1. Konditionierwerkzeug zum Aufrauhen und Entfernen von Unebenheiten bzw. Formabweichungen eines Polierwerkzeuges für Wafer oder optische Bauteile, mit einem scheibenförmigen Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß
der Grundkörper auf jeder seiner Oberflächen entweder aus einem chemisch inerten Material besteht oder mit einem chemisch inerten Material beschichtet ist und
zumindest auf seiner Konditionieroberfläche eine Diamantoberfläche mit einer determinierten oder stochastischen kraftaufnehmenden Struktur aufweist.

2. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantoberfläche als Struktur aus dem Grundkörper hervorragende Strukturelemente aufweist.

3. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantoberfläche kegel- oder pyramidenförmige bzw. kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Strukturelemente aufweist, wobei die Basisfläche der Strukturelemente zu dem Grundkörper orientiert und ihre Spitze aus dem Grundkörper hervorragt.

4. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantoberfläche kegel- oder pyramidenförmige bzw. kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Strukturelemente aufweist, die durch Urform-, Umform- oder Trennverfahren als Grundkörper hergestellt wurden.

5. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramiden- bzw. pyramidenstumpfförmigen Strukturelemente eine dreieckige oder rechteckige, zum Grundkörper orientierte Basisfläche aufweisen.

6. Werkzeug nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramiden und/oder kegelstumpfförmigen Strukturelemente eine zu ihrer Basisfläche parallele oder unter einem vorbestimmten Winkel geneigte Fläche an der Stumpfspitze aufweisen.

7. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche an der Stumpfspitze einen Durchmesser zwischen 0,05 und 0,5 mm aufweist.

8. Werkzeug nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche an der Stumpfspitze eine Kantenlänge zwischen 0,05 und 0,2 mm aufweist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisfläche der Strukturelemente eine Grundfläche von ca. 0,3 bis 1,0 mm Durchmesser bzw. Kantenlänge aufweisen.

10. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisfläche der Strukturelemente eine Grundfläche von ca. 0,5 bis 0,6 mm Durchmesser oder Kantenlänge aufweisen.

11. Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die pyramiden- bzw. pyramidenstumpfförmigen Strukturelemente eine Basisfläche mit einer Kantenlänge zwischen 0,5 mm und 0,6 mm aufweisen

12. Werkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente eine rechteckige, quadratische, dreieckige, fünfeckige, sechseckige, runde oder ovale Basisfläche aufweisen.

13. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantoberfläche eine Rauheit zwischen 50 nm und 50 µm aufweist.

14. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht aus polykristallinem Diamant besteht.

15. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper und/oder die Diamantschicht jeweils für sich oder einstückig aus monokristallinem Diamant bestehen.

16. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper die Struktur aufweist und mit Diamant beschichtet ist.

17. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper nicht entsprechend der Struktur profiliert und die Struktur als Profilierung der Diamantschicht ausgebildet ist.

18. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht nach oder während des Aufbringens auf den Grundkörper mit der Struktur versehen wurde.

19. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper scheibenförmig ist.

20. Werkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Grundkörper einen Durchmesser zwischen 20 mm und 30 mm und/oder eine Dicke zwischen 3 mm und 5 mm aufweisen.

21. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Grundkörper auf einem Trägerelement benachbart zueinander angeordnet sind.

22. Verwendung eines Werkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Konditionieren eines Polierwerkzeugs, insbesondere eines Polierwerkzeugs für Wafer oder optische Bauelemente wie Spiegel, Linsen und dergleichen.