DE19622004A1 - In-situ Steuerung der Planheit einer Polierscheibe - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Polieren von dünnen Werkstücken, wie beispielsweise von Silizium-Wafern, die in Halbleitern Verwendung finden.

Hintergrund der Erfindung

Bei maschinellen Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise beim Polieren oder Planschleifen von dünnen Werkstücken, wie beispielsweise Silizium-Substraten oder -Wafern, die in integrierten Schaltungen Verwendung finden, wird ein Wafer zwischen einem Träger oder einer Andruckplatte und einem rotierenden Poliertisch angeordnet, der auf seiner Oberfläche eine Polier- oder Schwabbelscheibe trägt. Die Andruckplatte übt einen Druck aus, so daß ein Abtrag einer bestimmten Menge eines Oxidüberzugs bewirkt und auf dem Wafer eine Oberfläche mit im wesentlichen gleichförmiger Planheit erzeugt wird.

Im allgemeinen schließt die Poliervorrichtung eine starre Andruckplatte oder einen starren Träger ein, an dem unpolierte Wafer befestigt werden, wobei die zu polierenden Wafer- Oberflächen zur Polierscheibe hin freiliegen, welche mit einem Polierdruck mit ihnen in Eingriff tritt. Die Polierscheibe und der Träger werden dann gewöhnlich beide mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedreht, um eine seitliche Relativbewegung zwischen den Oberflächen der Polierscheibe und der Vorderseite der Wafer zu verursachen. Während des Poliervorgangs wird im allgemeinen eine abrasive Aufschlämmung, wie beispielsweise eine Aufschlämmung aus kolloidalem Siliziumdioxid, an der Grenzfläche zwischen der Polierscheibe und der Waferoberfläche bereitgestellt, um das Polieren zu unterstützen.

Die bevorzugte Art von Maschine, bei welcher die vorliegende Erfindung verwendet wird, umfaßt einen rotierenden Polierteller, der um eine vertikale Achse drehend angetrieben wird. Gewöhnlich umfaßt der Polierteller eine horizontale Keramik- oder Metallplatte, die mit einer Polierscheibe überzogen ist, welche eine freiliegende abrasive Oberfläche zum Beispiel aus Ceroxid, Aluminiumoxid, pulverförmigem /abgeschiedenem Quarzglas oder anderen teilchenförmigen Schleifmitteln aufweist. Wie auf dem Fachgebiet bekannt, können die Polierscheiben aus verschiedenen Materialien bestehen und sind im Handel erhältlich. Gewöhnlich ist die Polierscheibe eine Polierscheibe aus geblasenem Polyurethan, wie beispielsweise die IC- und GS-Serie von Polierscheiben, die von der Rodel Products Corporation, Scottsdale, Arizona, USA erhältlich sind. Die Härte und Dichte der Polierscheibe wird auf der Grundlage der Art von Material, welches poliert werden soll, routinemäßig ausgewählt. Die Polierscheibe wird um eine vertikale Achse gedreht und weist eine ringförmige Polierfläche auf, auf welcher die Werkstücke an begrenzten Positionen aufliegen, so daß eine Bewegung des Poliertellers und der darüberliegend angebrachten Polierscheibe in bezug zu den Werkstücken einen abrasiven Abtrag der letzteren an ihren mit der besagten Polieroberfläche im Eingriff stehenden Oberflächen hervorruft. Bei sämtlichen derartigen Maschinen ist es von besonderer Bedeutung, die Polierscheibenoberfläche in einem planaren Zustand und im wesentlichen frei von Oberflächenunregelmäßigkeiten zu halten. Die Polierscheiben neigen dazu, sich beim Poliervorgang ungleichmäßig abzunützen, und es entwickeln sich Oberflächenunregelmäßigkeiten, und diese Probleme müssen gelöst werden.

Bei Wafer-Planschleifvorgängen zum Oxidschicht-Polieren kann die Polierscheibe zu schnell "uneben" werden, weil sich in der Scheibe eine "Spur" genannte Vertiefung bildet. Eine Vertiefungs- oder Spurbildung in der Polierscheibe wird dadurch hervorgerufen, daß der vordere Rand des Wafers in die Polierscheibe eintaucht und sich in diese eingräbt. Eine abrasive Nachbearbeitung der Polierscheibe zum Entfernen der Spur verschleißt die Scheibe frühzeitig. Beim Polieren von Silizium-Wafern, die einzeln an motorisch angetriebenen ebenen Andruckplatten befestigt sind, tritt der Verschleiß der Polierscheibe im allgemeinen von der Drehachse aus gesehen weiter außen auf.

Ziele der Erfindung

Es ist daher ein hauptsächliches Ziel dieser Erfindung, für eine Konditionierung von Polierscheiben zu sorgen, um Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen und eine ebene Scheibenbeschaffenheit zu erreichen.

Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung, die Notwendigkeit einer getrennten aggressiven Scheibenkonditionierung nach jedem Poliervorgang zu minimieren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, für eine bessere Steuerung des Profils und der Rauhigkeit der Polierscheibenoberfläche zu sorgen, mit der man hohe Polier- Abtragsgeschwindigkeiten und eine verbesserte Gleichförmigkeit des Abtrags über die Oberfläche des Wafers erreicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Oberflächenvertiefungen oder -spuren zu minimieren, welche sich aufgrund des Polierens in der Scheibe bilden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Gleichförmigkeit des Abtrags von Polierscheiben zu steuern und zu maximieren.

Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es, durch die Minimierung von Polierscheibenschäden, welche während des Polierens auftreten, für eine größere Beständigkeit von Polierdurchlauf zu Polierdurchlauf zu sorgen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf die Konditionierung einer Polierscheibe gerichtet, um das Oberflächenprofil der Polierscheibe zu steuern und bei ihrem Abtrag Gleichförmigkeit zu erzielen, indem man bewirkt, daß sich das Werkstück und die Polierscheibe in bezug zueinander radial hin und her bewegen, wobei das Maß der Hin- und Herbewegung ausreichend ist, so daß sich das Werkstück bis über die Ränder der Polierscheibe hinaus erstreckt. Die Hin- und Herbewegung in bezug zueinander erfolgt, während sich die Scheibe und das Werkstück wie üblich drehen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Polieren eines Werkstücks bereit, mit einem rotierenden Polierteller, der eine darauf angeordnete Polierscheibe aufweist, um die Planheit der Oberfläche, welche poliert wird, zu verbessern. Bei dem Verfahren wird das zu polierende Werkstück mit der Polierscheibe in Berührung gebracht und ein Druck dazwischen aufgebracht, während gleichzeitig sowohl die Polierscheibe und das Werkstück gedreht werden. Während sich die Scheibe und das Werkstück drehen, werden sie in bezug zueinander im wesentlichen in radialer Richtung der Drehbewegung in einem solchen Maß hin und her bewegt, daß sich das Werkstück über die Ränder der Polierscheibe hinaus erstreckt, um eine Spurenbildung zu vermeiden und den Verschleiß gleichmäßig über die Oberfläche der Polierscheibe zu verteilen.

Wenn die Polierscheibe eine ringförmige Gestalt mit einem inneren Rand und einem äußeren Rand aufweist, wird das rotierende Werkstück auf einem Bogen hin und her geschwenkt, der ausreichend lang ist, so daß sich das Werkstück über beide Ränder erstreckt. Vorzugsweise wird das Werkstück so hin und her geschwenkt, daß sich jeweils etwa ein Sechstel seines Durchmessers über einen der Ränder hinaus erstreckt, wenn sich das Werkstück in den Endpunkten der Schwenkbewegung befindet.

Eine zur Durchführung der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise verwendete Vorrichtung umfaßt eine drehbare Polierscheibe, die über einer motorgetriebenen Andruckplatte befestigt ist, und einen drehbaren Träger oder Kopf zum Tragen von einem oder mehr zu polierenden Werkstücken. Der Trägerkopf ist für eine Vertikalbewegung angepaßt, um das Werkstück mit der Polierscheibe in Berührung zu bringen, sowie auch für eine radiale Schwenkbewegung bis zu einem solchen Maß, daß ein Werkstück in radialer Richtung über die Ränder der Polierscheibe und darüber hinaus hin und her verschwenkt wird.

Kurze Beschreibungen der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein perspektivische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Polierscheibe, welche das bevorzugte Maß einer radialen Hin- und Herbewegung eines Werkstücks mit einem Durchmesser von 15,24 cm (6 Inches) zeigt, welches poliert wird.

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Polierscheibe, welche das bevorzugte Maß einer radialen Hin- und Herbewegung eines Werkstücks mit einem Durchmesser von 20,32 cm (8 Inches) zeigt, welches poliert wird.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Fig. 1 veranschaulicht die vorliegende Erfindung und zeigt ein Werkstück 11, beispielsweise einen dünnen Silizium-Wafer, der von einem starren Kopf oder Träger 13 getragen wird und poliert werden soll. Auf dem Fachgebiet sind verschiedene Mittel bekannt, um das Werkstück 11 am Kopf 13 zu befestigen, darunter Vakuumeinrichtungen oder die Oberflächenspannung einer nassen Oberfläche. Der Kopf 13 ist an einem Betätigungsarm 16 angebracht, der vertikal beweglich ist, um das Werkstück 11 in Eingriff mit der Polierscheibe 18 abzusenken oder es aus dem Eingriff mit der Polierscheibe 18 heraus anzuheben. Der Betätigungsarm 16 ist durch einen Druckzylinder 20 vertikal beweglich. Der Arm 16 ist auch in horizontaler Richtung um eine von der Mittelachse des Druckzylinders 20 gebildete Schwenkachse hin und her verschwenkbar, d. h. im wesentlichen radial zur Polierscheibe 18 und zum Werkstück 11, so daß das Werkstück 11 die gesamte Oberseite der Polierscheibe 18 quer zu deren Drehrichtung überquert und sich über den inneren Rand 18a und den äußeren Rand 18b der Scheibe hinaus erstreckt, wenn es sich an den äußersten Endpunkten seines bogenförmigen Schwenkwegs befindet. Der spezielle Aufbau des Betätigungsarms 16 ist im Hinblick auf die vorliegende Erfindung nicht von Belang. Betätigungsarme, die so arbeiten, daß sie sowohl eine vertikale Bewegung und eine horizontale Schwenkbewegung durchführen können, sind auf dem Fachgebiet bekannt. Zum Beispiel kann ein Betätigungsarm, wie beispielsweise der Arm 16, von derjenigen Art sein, die im US Patent Nr. 4,141,180 beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt das bevorzugte kleinste Maß der radialen Schwenkbewegung eines Werkstücks mit einem Durchmesser von 15,24 cm (6 Inches) in bezug zur Polierscheibe. In dieser Figur weist eine ringförmige Polierscheibe 18 einen Außendurchmesser von 81,28 cm (32 Inches) auf, und eine Ringbreite der Scheibe beträgt 21,59 cm (8 1/2 Inches), wobei somit der offene Mittelteil einen Durchmesser von 38,1 cm (15 Inches) aufweist. Bei einem Werkstück 11 mit kreisförmigem Querschnitt, wie beispielsweise einem dünnen Silizium-Wafer mit einer Außendurchmesser von 15,24 cm (6 Inches), beträgt der bevorzugte radiale Schwenkweg des Werkstücks ungefähr 11,43 cm (4,5 Inches), mit der Folge, daß der Wafer in den äußersten Endpunkten seiner Schwenkbewegung jeweils um 2,54 cm (1 Inch) (d. h. ein Sechstel des Waferdurchmessers) über den inneren Rand 18A bzw. den äußeren Rand 18B der Scheibe 18 hinausragt.

Fig. 3 zeigt das bevorzugte kleinste Maß der radialen Schwenkbewegung eines Werkstücks mit einem Durchmesser von 20,32 cm (8 Inches) in bezug zur Polierscheibe. In dieser Figur weist eine ringförmige Polierscheibe 18 einen Außendurchmesser von 81,28 cm (32 Inches) auf, und eine Ringbreite der Scheibe beträgt 27,94 cm (11 Inches), wobei somit der offene Mittelteil einen Durchmesser von 25,4 cm (10 Inches) aufweist. Bei einem kreisförmigen Werkstück 11, wie beispielsweise einem dünnen Silizium-Wafer mit einem Außendurchmesser von 20,32 cm (8 Inches), beträgt der bevorzugte radiale Schwenkweg des Werkstücks ungefähr 15,24 cm (6 Inches), mit der Folge, daß der Wafer in den äußersten Endpunkten seiner Schwenkbewegung jeweils um 3,175 cm (1 1/4 Inches) (d. h. ungefähr ein Sechstel des Waferdurchmessers) über den inneren Rand 18A bzw. den äußeren Rand 18B der Scheibe 18 hinausragt.

Es ist ersichtlich, daß während des Poliervorgangs die Hin- und Herbewegung des Werkstücks 11 über die Polierscheibe 18 erfolgt, während sich sowohl das Werkstück 11 und die Scheibe 18 drehen. Gewöhnlich drehen sich die Scheibe und das Werkstück mit derselben Drehrichtung, jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Zum Beispiel beträgt eine typische bevorzugte Drehgeschwindigkeit der Polierscheibe 18 etwa 15 U/min und diejenige des Wafer-Werkstücks 11 etwa 35 U/min. Das Maß der Schwenkbewegung oder die Bogenlänge des Schwenkwegs ändern sich in Abhängigkeit von der Größe der Werkstücke und der Größe der Polierscheibe. Das Maß der Schwenkbewegung kann für Werkstücke und Polierscheiben mit unterschiedlicher Größe routinemäßig festgelegt werden, so daß die Anforderung erfüllt wird, daß das rotierende Werkstück um ein ausreichendes Maß hin und her geschwenkt wird, so daß es sich über die Ränder der Polierscheibe 18 hinwegbewegt oder über diese hinausragt. Werkstücke 11, wie beispielsweise Silizium-Wafer mit Durchmessern von 15,24 cm (6 Inches), 20,32 cm (8 Inches), 25,4 cm (10 Inches) usw. können gemäß dieser Erfindung poliert werden.

Die Erfindung ist auch anwendbar, wenn eine Mehrzahl von Werkstücken 11 oder Wafern gleichzeitig poliert wird. Dies wird erreicht, indem man die Werkstücke 11 oder Wafer an einem Träger oder Kopf befestigt, der sowohl vertikal und horizontal beweglich ist. Eine Vorrichtung dieser Art ist auf dem Fachgebiet bekannt und zum Beispiel im US Patent Nr. 4,239,567 und im US Patent Nr. 5,329,732 beschrieben, wobei das letztere das gleichzeitige Polieren von fünf Wafern offenbart.

In Fällen, wo die Polierscheibe 18 stark abgenutzt ist und unerwünschte Spuren darin aufweist, kann mit dieser Erfindung eine Wiederaufarbeitung der Scheibe 18 erreicht werden. Dies wird erreicht, indem man den Trägerkopf 13 am Betätigungsarm 16 über ein Pendellager befestigt, das ein Verschwenken des Kopfs 13 ermöglicht und bewirkt, daß die vorderen Ränder des Werkstücks 11 in die Polierscheibe 18 eintauchen und sich in diese eingraben, so daß schließlich die Spuren oder Vertiefungen darin beseitigt werden. Das US Patent Nr. 4,270,314 ist ein Beispiel eines bekannten Standes der Technik für eine schwenkbare Anbringung einer Andruckplatte.

Die Durchführung der vorliegenden Erfindung verlängert die Lebensdauer von Polierscheiben beträchtlich. Durch Bewahrung der gewünschten Planheit der Scheiben und Vermeidung der Bildung von Spuren darin wird die Gleichförmigkeit des Poliervorgangs beträchtlich verbessert und ein Materialabtrag vom Werkstück 11 wird mit vorhersagbarer Geschwindigkeit erreicht.

Claims (9)

1. Verfahren zum Polieren einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines rotierenden Poliertellers mit einer darauf angeordneten Polierscheibe zum Entfernen von Unregelmäßigkeiten von der zu polierenden Oberfläche, bei dem das zu polierende Werkstück mit dem Polierscheibe in Berührung gebracht und ein Druck dazwischen aufgebracht wird, und bei dem die Polierscheibe und gleichzeitig das Werkstück gedreht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) und die Polierscheibe (18) in bezug zueinander in einem solchen Maß radial hin und her bewegt werden, daß sich das Werkstück (11) im Verlauf der radialen Hin- und Herbewegung über sämtliche freiliegenden Ränder der Polierscheibe (18) hinaus erstreckt, um den Abtrag über die Oberfläche der Polierscheibe (18) zu verteilen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polierscheibe (18) ringförmig ist und einen inneren und äußeren kreisförmigen Rand (18A, 18B) aufweist, und daß sich das Werkstück (11) im Verlauf der radialen Hin- und Herbewegung über den inneren und äußeren Rand (18A, 18B) hinaus erstreckt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein dünner kreisförmiger Wafer (11) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der radialen Hin- und Herbewegung derart ist, daß sich in mindestens einem Endpunkt des Bewegungswegs mindestens etwa ein Sechstel eines Werkstückdurchmessers über einen Rand (18A, 18B) der Polierscheibe (18) hinaus erstreckt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) quer zur Drehrichtung der Polierscheibe (18) um eine vertikale Schwenkachse hin und her verschwenkt wird.

6. Vorrichtung zum Polieren eines Werkstücks zum Entfernen von Oberflächenunregelmäßigkeiten und zum Schaffen einer allgemein ebenen Werkstückoberfläche, umfassend:
eine Polierscheibe, die in einer Poliermaschine für eine Drehung um eine vorbestimmte Achse montiert ist;
eine Scheibenantriebseinrichtung, um die Polierscheibe um die vorbestimmte Achse zu drehen;
einen Trägerkopf zum Tragen mindestens eines zu polierenden Werkstücks; gekennzeichnet durch eine Trägerkopf-Antriebseinrichtung, um den Trägerkopf (13) und das Werkstück (11) in bezug zur Polierscheibe (18) zu drehen und radial hin und her zu bewegen, um das Werkstück (11) im Verlauf der radialen Hin- und Herbewegung über sämtliche freiliegenden Ränder (18A, 18B) der Polierscheibe (18) hinaus zu verschieben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polierscheibe (18) ringförmig ist und einen inneren und einen äußeren kreisförmigen Rand (18A, 18B) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf (13) schwenkbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkopf (13) eine Mehrzahl von Werkstücken (11) trägt.