Beschreibung

Beim Dünnen bzw . Oberflächenbearbeiten flacher Werkstücke , z . B . beim Polieren, Schleifen oder Ätzen, insbesondere von Wafer, ist es für ein genaues und zielgerichtetes Einstellen der Werkstückdicke erforderlich, diese schon während der Bearbeitung berührungslos zu Messen . In der Praxis ist es häufig nicht möglich, dies mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen, da die Umgebungsbedingungen und Werkstückgegebenheiten dem entgegenstehen . Optische bzw . laseroptische Verfahren entfallen z . B . wegen starkem Verschmutzen durch Partikelabrieb, umhersprühender Chemikalien oder vieler nicht definierbarer optisch relevanter Schichten zwischen Messsystem und Werkstückoberfläche .

Messtaster können durch die Reibung in Schwingungen geraten und hinterlassen Schleifspuren, die auf den Werkstücken, insbesondere auf Wafer, häufig unerwünscht sind und nur durch einen anschließenden, messtechnisch nicht kontrollierten Materialabtrag entfernt werden können . Des weiteren verschleißen die Kontaktflächen der Messtaster, was ebenfalls zum Erhöhen der Ungenauigkeit der Messergebnisse führt .

Auf induktive Wegsysteme reagieren viele Werkstückwerkstoffe nicht . Zu dieser Gruppe von Werkstücken gehören auch die Wafermaterialien .

Kapazitive Messsysteme reagieren stärker auf die Chemikalien und Wasser, als auf das Werkstückmaterial, insbesondere bei Wafermaterialien .

Herkömmliche Ultraschallsensoren sind durch ihre relativ hohe Wellenlänge zu ungenau. Herkömmliche Staudruckdüsen können berührungslos Abstände zwischen Messobjekt und Staudruckdüsen bestimmen, dies zwar mit hoher Genauigkeit, jedoch nur bei sehr kleinen Messbereichen, häufig wesentlich kleiner als 0 , 1 mm. Mit dem Messen des Abstandes zwischen Messobjekt und Staudruckdüsen last sich bei bekannter Position der Düsenspitze und der Werkstückaufspanntischoberfläche die Werkstückdicke berechnen.

Aus der DE 101 17 923 Al , der US 5 , 789 , 661 und der JP 2001221624 A sind MesSeinrichtungen bekannt, bei denen eine Staudruckdüse auf einer Nachführeinheit befestigt ist . Diese Nachführeinheit kann mit Hilfe eines Schrittmotors mit Gewindespindel so weit an die zu messende Oberfläche eines Werkstücks herangefahren werden, dass sich die zu messende Oberfläche im Messbereich der Staudruckdüse befindet .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein hochpräzises System zum Messen der Dicke flacher Werkstücke, insbesondere von Wafer, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zum berührungslosen, hochgenauen Messen der Dicke flacher Werkstücke, insbesondere von Wafer, schon während des Bearbeitens , insbesondere beim Polieren, Schleifen oder Ätzen, bei der eine Staudruckdüse auf einer Nachführeinheit angeordnet ist, mit Mitteln zum Verfahren der Nachführeinheit in Richtung der zu messenden Oberfläche des Werkstücks , und mit Mitteln zum Erfassen der Position der Nachführeinheit, wobei ein Signal der Mittel zum Erfassen der Position der Nachführeinheit und damit auch der Staudruckdüse sowie ein Messsignal der Staudruckdüse an eine Auswerteeinrichtung geleitet werden, und wobei diese Auswerteeinrichtung mit diesen beiden Signalen und unter Berücksichtigung der

Geometrieverhältnisse der Vorrichtung die Dicke des Werkstücks bestimmt , dadurch gelöst , dass die Mittel zum Verfahren der Nachführeinheit einen oder mehrere Aktoren umfassen, und dass die Stellbewegungen des oder der Aktoren direkt in eine Bewegung der Nachführeinheit umgesetzt werden. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch einen un.-ioπvpIizierten Aufbau aus . Trotzdem ist die erzielbare Messgenauigkeit höher als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen. Die erzielbaren Meßungenauigkeiten liegen im Submikrometerbereich.

Dazu wird ein hoch präzises StaudruckdüsenmessSystem verwendet , das auf einer Nachführeinheit befestigt ist . Die Nachführeinheit kann eine Führung, insbesondere eine Schlittenführung, aufweisen .

Da erfindungsgemäß die Stellbewegung des einen oder der mehreren Aktoren direkt auf die Nachführeinheit wirken, kann die Nachführeinheit spielfrei und ohne Slipstickeffekt bewegt werden . Dies ermöglicht eine hoch präzise Relativbewegung in Richtung der bearbeiteten Werkstückoberfläche so das der Messbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis zu mehreren Millimetern oder sogar einigen Zentimetern reichen kann und die erzielte Messunsicherheit im Mikrometerbereich, bzw. Submikrometerbereich, liegt .

Die Bereitstellung der Energie für die verwendeten Aktoren kann dabei elektrisch, magnetisch oder fluidisch sein .

Ein bevorzugter, hochpräziser, elektrisch angetriebener Aktor ist ein geregelter, auf der Basis von elektrostriktivem Material beruhender Aktor, wie z . B . ein Piezoaktor .

Ein bevorzugter, hochpräziser, magnetisch angetriebener Aktor ist ein geregelter, auf der Basis von magnetostriktivem Material beruhender Aktor, wie z . B . ein Terfenol-D-Aktor .

Wenn der Stellweg eines Aktors nicht ausreicht , können mehrere Aktoren in Reihe geschaltet werden . Durch individuelle Ansteuerung der in Reihe geschalteten Aktoren kann=der Weg der Stellbewegung der Nachführeinheit weiter erhöht werden .

Bei der Verwendung von elektrostriktiven und/oder magnetostriktiven Aktoren kann eine gesonderte Führung der Nachführeinheit entfallen, da die eigene Steifigkeit dieser Materialien in der Regel ausreichend ist . Dadurch wird der konstruktive Aufbau vereinfacht und es können besonders kleine und präzise Bewegungen mit der Nachführeinheit ausgeführt werden .

Ein bevorzugter, hochpräziser, fluidisch angetriebener Aktor kann ein mit Flüssigkeit , bevorzugt Wasser, befüllter Balg sein, bevorzugt ein Metallbalg, dessen Befüllung mit einer entsprechenden Volumenstromsteuerung oder -regelung eingestellt wird . Bei Verwenden eines Balges kann bei gleichbleibender Volumenstromsteuerung oder -regelung die Genauigkeit der Positionierbarkeit relativ einfach erhöht werden, indem der Durchmesser des Balges größer gewählt wird . Bei einer Vergrößerung des Durchmessers des Balges wird bei gleichbleibend kleinstem Durchfluss der Volumenstromsteuerung eine geringere Längsausdehnung des Balges erreicht . Ein Balg wird deshalb bevorzugt, weil er gegenüber Zylindern reibungsfrei arbeitet und damit kein Slipstickverhalten auftritt . Das Slipstickverhalten ist bei Stellwegen im Mikrometerbereich und Submikrometerbereich unbedingt zu vermeiden . Eine bevorzugte Ausführung eines verwendeten Balges ist ein Balg aus Metall, da sich mit diesem eine hohe Eigensteifigkeit ohne zusätzliche Führungen realisieren lässt .

Ein flüssiges Fluid wird bevorzugt, weil es praktisch inkompressibel ist und damit eine Volumenstromsteuerung oder -regelung erfolgreich eingesetzt werden kann. Wenn ein Balg eingesetzt wird, kann die erforderliche hochgenaue Messung der Position der Staudruckdüse durch einen weiteren hochpräzisen Sensor erfolgen, der nicht den Restriktionen durch die Umgebungs- und/oder Randbedingungen unterworfen ist, bevorzugt ein Wirbelstromsensor, der außerhalb des Bearbeitungsbereiches angeordnet sein kann. Das Messsignal dieses Sensors oder des geregelten piezoelektrischen Antriebes , das Messsignal der Staudruckdüse und die Geometrieverhältnisse erlauben mittels eines Rechners eine Bestimmung der Werkstückdicke, sowie das notwendige Nachführen der Staudruckdüse durch die Aktoransteuerung, um den Abstand zwischen Staudruckdüse und Werkstückoberfläche innerhalb des zulässigen Messbereiches der Staudruckdüse zu halten.

Wenn bei einer vereinfachten Bauform auf eine automatische Nachführeinheit verzichtet werden soll , kann die Positionierung der Staudruckdüse manuell , insbesondere mit Hilfe eines Getriebes erfolgen.

Die Position der Staudruckdüse wird vorteilhafter Weise mittels eines fest eingebauten Positionssensors erfasst . Alertnativ ist es auch möglich, die Position der Staudruckdüse mittels externer Messmittel , insbesondere mittels Endmaßen, zu erfassen und die solcherart ermittelte Position von Hand in die Auswerteeinrichtung einzugeben.

Die Staudruckdüse ist während des Messens über dem nicht von der BearbeitungsScheibe abgedeckten Werkstückteil positioniert . Für das Kontrollieren der Dicke großer Werkstücke, insbesondere von Wafer, können dabei mehrere Sensoren/Staudruckdüsen nebeneinander angeordnet werden oder

ein Sensor wird bzw. mehrere Sensoren werden während des Bearbeitens über das Werkstück geführt . Besonders vorteilhaft ist es , wenn in diesem Fall der oder die Sensoren über einen Radius , eine Sehne oder eine Diagonale des Werkstücks geführt werden.

Werden mit zwei oder mehreren Staudruckdüsen gleichzeitig die Position der Oberfläche des Werkstückaufspanntisches und die Oberfläche des Werkstücks ermittelt, kann die Änderung der Höhenposition des Werkstückaufspanntisches , bzw. die Relativbewegung zwischen Werkstückaufspanntisch und Werkzeug, infolge von Wärmedehnung oder Bearbeitungskräften bei der Werkstückdickenberechnung mit berücksichtigt werden.

Bei gleichzeitiger Bearbeitung beider Werkstückstirnseiten, z . B . beim Synchrondoppelseitenschleifen oder -polieren, bei dem ein Werkstückaufspanntisch fehlt, kann die

MessVorrichtung ebenfalls verwendet werden, wenn auf der messdüsenabgewandten Werkstückstirnseite genau gegenüber der

Messdüse auch eine Staudruckdüse bzw. eine gleiche

MessVorrichtung vorhanden ist, die den gleichen Fluiddruck erzeugt . Dadurch entstehen keine Kraftdifferenzen, die zu einem Verwinden des dünnen Werkstücks führen können.

Alternativ kann an Stelle der zweiten Messdüse eine anderweitige Abstützung dafür sorgen, dass das Werkstück durch den Fluidstrahl der Messdüse nicht weggedrückt wird.

Um während der Oberflächenbearbeitung die Messunsicherheit des erfindungsgemäßen Staudruckdüsenmesssystems zu verringern, kann der Messpunkt des Werkstückes vor dem Messen durch eine oder mehrere gasführende Reinigungsdüsen von Flüssigkeit und Abrieb freigeblasen werden, so dass die Messung auf der sauberen Werkstückoberfläche erfolgt .

Das erfindungsgemäße StaudruckdüsenmessSystem erreicht eine Messunsicherheit im Mikrometerbereich, bzw. Submikrometerbereich, und erweitert den zulässigen Messbereich von Staudruckdüsen von einigen zehn Mikrometern auf bis zu mehreren Millimetern oder sogar einigen Zentimetern.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens können der nachfolgenden Zeichnung entnommen werden.

Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Zeichnungen

Es zeigen:

Figuren 1 , 2 , 3 und 4 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum berührungslosen und hochgenauen Bestimmen der Dicke flacher Werkstücke, die in eine Werkzeugmaschine integriert ist, schematisch dargestellt .

Ein Werkstück 5 ist auf einem Werkstückaufspanntisch 6 fixiert, der wiederum auf einer Antriebsspindel 8 montiert ist .

Oberhalb des Werkstücks 5 ist eine Werkzeugspindel 1 , welche zum Antrieb einer Schleifscheibe 2 dient, angeordnet . Parallel zur Werkzeugspindel 1 ist eine Nachführeinheit 9 mit einer oder mehreren Staudruckdüse 3 , die ein AbstandsmessSystem enthält, angeordnet . Über Signalkabel und Steuerleitungen 11, die nicht alle mit Bezugszeichen versehen wurden, ist eine Maschinensteuerung 10 , die gleichzeitig auch eine Auswerteeinrichtung für die Signale der Staudruckdüsen 3 umfasst, mit den Staudruckdüsen 3 und der Werkzeugspindel 1 verbunden.

Im ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Staudruckdüsen 3 vorhanden, von denen eine auf die Oberfläche des Werkstückaufspanntisches 6 gerichtet ist und die andere auf das Werkstück 5 gerichtet ist . Die Staudruckdüsen 3 blasen einen Fluidstrahl 4, insbesondere einen Luftstrahl, gegen das Werkstück 5 beziehungsweise gegen die Oberfläche des WerkstückaufSpanntisches 6.

Die auf das Werkstück 5 gerichtete Staudruckdüse 3 ist über eine Nachführeinheit 9 mit dem Ständer 7 verbunden, während die auf den Werkstückaufspanntisch 6 gerichtete Staudruckdüse 3 bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel starr mit dem Ständer 7 verbunden ist .

Durch den Vergleich der Ausgangssignale der beiden Staudruckdüsen 3 kann unter Berücksichtigung der Position der Nachführeinheit 9 , die durch ein internes Positionsmesssystem an die in der Maschinensteuerung 10 integrierte Auswerteeinheit übermittelt wird, die Dicke des Werkstücks 5 bestimmt werden. Außerdem kann durch ein geeignetes Nachführen der Nachführeinheit 9 oder ein Anheben beziehungsweise Senken des Werkstückaufspanntisches 6 durch in der Figur nicht dargestellte Mittel gewährleistet werden, dass beide Staudruckdüsen 3 immer einen geeigneten Abstand zum Werkstückaufspanntisch 6 beziehungsweise zum Werkstück 5

haben. Dieser Abstand muss innerhalb des Messbereichs der Staudruckdüsen liegen.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 , 3 und 4 sind für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet worden und es gilt das bezüglich Figur 1 Gesagte entsprechend.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist nur eine Staudruckdüse 3 vorhanden. Die Staudruckdüse 3 ist auf das Werkstück 5 gerichtet . An der Spitze der Staudruckdüse 3 ist eine Referenzfläche 15 angeordnet . Ein Abstandssensor 13 ist auf diese Referenzfläche 15 gerichtet, so dass die Verfahrwege der Staudruckdüse 3 mit Hilfe des Abstandssensors 13 einfach und zuverlässig erfasst werden können. Natürlich können auch der Abstandssensor 13 und die Referenzfläche 15 konstruktiv gewechselt werden. In diesem Fall ist der Abstandssensor 13 starr am Ständer 7 befestigt, während die Referenzfläche 15 mit der Spitze der Staudruckdüse 3 verbunden ist .

Dabei können verschiedene Bauarten von Abstandssensoren 13 eingesetzt werden, da für das Messprinzip des Abstandssensors 13 nicht die gleichen Beschränkungen bezüglich der Rand- und Umgebungsbedingungen gelten, die für die berührungslose Messung des Werkstücks 5 gelten. Dies liegt zum Einen daran, dass der Abstandssensor das Werkstück nicht berührt und zum Anderen, dass die Bedingungen in der Umgebung des Abstandssensors 13 günstiger sind als die in der Umgebung des Werkstücks während der Bearbeitung. Auch kann das Material der Referenzfläche 15 aus einem Material sein, was den Anforderungen des Abstandssensor 13 bestens angepasst ist, und nicht den Restriktionen des Werkstückmateriales unterworfen ist .

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Nachführeinheit 9 der Staudruckdüse 3 als Faltenbalg 12 ausgebildet, der mit Hilfe einer Volumenstromsteuerung und -regelung mit mehr oder weniger Fluid gefüllt werden kann. Dadurch führt der Balg 12 eine Längenänderung aus , die zum Verfahren und Nachführen der Staudruckdüse 3 genutzt wird.

Der Balg 12 ist an ein Gegenlager 14 befestigt, das wiederum an dem Ständer 7 angebracht ist .

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wird das Werkstück 5 beidseitig von je einer Schleifscheibe 2 gleichzeitig bearbeitet . Wegen des symmetrischen Aufbaus sind die unterhalb des Werkstücks 5 befindlichen Bauteile nicht mit Bezugszeichen versehen.

Zu beiden Seiten des Werkstücks 5 ist j e eine Staudruckdüse 3 vorgesehen, die über eine Nachführeinheit 9 so an das Werkstück 5 herangeführt werden können, dass sich die Staudruckdüse 3 innerhalb ihres Messbereichs befindet .

Vorteilhaft an diesem symmetrischen Aufbau ist, dass die von den Staudruckdüsen 3 auf das Werkstück 5 ausgeübten Kräfte sich gegenseitig aufheben.

Die Lagerung des Werkstücks ist in Figur 3 nicht dargestellt .

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wird der Abstandssensor 13 direkt und starr mit der Düse verbunden, als Referenzfläche dient ein Teil des

Werkstückaufspanntisches 6 , welcher nicht von dem Werkstück bedeckt wird. Durch diese Konstruktion werden durch fehlende Zwischenbauteile wie Getriebe u. a . , Störgrößen hervorrufende durch Spiel , Reibung, Deformation infolge von Kräften,

Slipstick, Maßfehler der Bauteile durch ihrer Fertigung und Längenänderung durch Wärmedehnung eliminiert .