| Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung einer Mikrostruktur zwecks Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens, das die folgenden Schritte aufweist: ermitteln einer Oberflächenabweichung einer Werkstückoberfläche von einer gewünschten Zielgeometrie; und ermitteln einer auf die Werkstückoberfläche aufzuprägenden Mikrostruktur, wobei die Mikrostruktur eine kurzwelligere Oberflächenstruktur aufweist als die ursprüngliche Werkstückoberfläche und so gewählt wird, dass langwellige Abweichungen der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie kompensiert werden, so dass nach einem Aufprägen der ermittelten Mikrostruktur auf die Werkstückoberfläche in einem anschließend durchführbaren Polierverfahren bessere Polierergebnisse und/oder kürzere Polierzeiten erzielbar sind. 2. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei zum Ermitteln der Mikrostruktur eine Zuordnung zwischen einer Höhenstruktur der Werkstückoberfläche und einer lokalen Mikrostruktur erfolgt. 3. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: bereitstellen eines Prozessmodells zur Vorhersage der Oberflächengeometrie einer Werkstückoberfläche nach einem Polierverfahren. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Prozessmodell verwendet wird, um die aufzuprägende Mikrostruktur zu bestimmen. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das Prozessmodell wenigstens einen der folgenden Parameter umfasst: Temperatur, Poliergeschwindigkeit, Polierdruck, Material, Rauigkeit und frequenzabhängiges Elastizitätsmodul einer elastischen Polieroberfläche. 6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine Anpassung der Geometrie von auf dem Werkstück aufzubringenden Bauteilen zu kompensieren, welche mit einem nachfolgenden Lithographieverfahren strukturiert werden können. 7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine Formgebung des Werkstückes selbst oder durch den Einsatz weiterer optischer Elemente zu korrigieren. 8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ermittelte Mikrostruktur durch Optimierungsprozesse ermittelt wird. 9. Mikrostrukturierungsverfahren zur Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens, das den folgenden Schritt aufweist: Aufprägen einer mit Hilfe des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ermittelten Mikrostruktur auf eine Werkstückoberfläche. 10. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur mithilfe eines materialabtragenden Strukturierverfahrens aufgeprägt wird. 11. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur mithilfe eines materialaufbringenden Strukturierverfahrens aufgeprägt wird. 12. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur mithilfe eines materialabtragenden Strukturierungsverfahrens und eines materialaufbringenden Strukturierverfahrens aufgeprägt wird. 13. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines lithographischen Verfahrens zum Strukturieren einer Lackmaske und mit Hilfe eines anschließenden Ätzschrittes zum Abformen der Lackmaskengeometrie in die Werkstückoberfläche vorgenommen wird. 14. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Lackmaske direkt mithilfe eines tintenstrahldruckähnlichen Verfahrens erzeugt (aufgedruckt) wird. 15. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Lackmaske direkt mithilfe einer Druckmatrix erzeugt wird. 16. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolitographischen Verfahrens unter Zuhilfenahme einer Photomaske vorgenommen wird. 17. Mikrostrukturierungsverfahren Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolitographischen Verfahrens unter Verwendung eines computergesteuerten Laserstrahles vorgenommen wird. 18. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines computergesteuerten Laserablationsverfahrens vorgenommen wird. 19. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines computergesteuerten mechanischen Abtragsverfahrens, insbesondere durch mechanisches Ritzen mit geeignet harten Spitzen, vorgenommen wird. 20. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei eine Oberflächenstruktur, die durch eine Platzierung von Bauelementen auf dem Werkstück und die dabei angewandten Fertigungsprozesse erzeugt wird, durch eine Platzierung von weiteren nicht-funktionalen Bauelementen so beeinflusst wird, dass langwellige Abweichungen von der Zielgeometrie unter Inkaufnahme der Erzeugung von kurzwelligen Abweichungen reduziert werden. 21. Mikrostrukturierungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Mikrostruktur bereits durch eine darauf zugeschnittene Prozessführung formgebender Vorprozesse erzeugt wird. 22. Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen, das die folgenden Schritte aufweist: bereitstellen einer mikrostrukturierten Werkstückoberfläche, deren Mikrostruktur mithilfe des Mikrostrukturierungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 21 erzeugt worden ist; aufsetzen einer elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche; und polieren der Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes zwischen elastischer Oberfläche und Werkstückoberfläche und durch Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zueinander, wobei ein Material für die elastische Oberfläche verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. 23. Polierverfahren gemäß Anspruch 22, das des Weiteren den folgenden Schritt aufweist: auswählen von Prozessbedingungen, insbesondere der Temperatur und/oder des Betrages der Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und der elastischen Oberfläche, sodass die Polierzeit möglichst kurz wird. 24. Polierverfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei die Verfahrensschritte mehrfach hintereinander ausgeführt werden. 25. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24. 26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, die folgendes aufweist: eine Mikrostrukturierungseinheit zum Mikrostrukturieren einer Werkstückoberfläche gemäß einem der Ansprüche 9 bis 21 ; und eine Poliereinheit zum Polieren der Werkstückoberfläche. 27. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch mit: einem Träger zum Tragen eines Werkstückes; und einem Polierkissen und einem Polierkissenträger zum Tragen desselben; wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass das Polieren einer Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes des Polierkissens auf die Werkstückoberfläche und durch ein Bewegen des Polierkissens und der Werkstückoberfläche relativ zueinander erfolgt. 28. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 27, wobei das Polierkissen ein geschäumtes Material aufweist. 29. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Polierkissen eine raue Oberfläche aufweist. 30. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das Polierkissen nur an einzelnen Polierkissenspitzen mit der Werkstückoberfläche in Kontakt ist. 31. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei zwischen dem Polierkissen, welches direkt auf der Werkstückoberfläche aufliegt, und dem Polierkissenträger eine Zwischenschicht aus weicherem viskosen, weicherem elastischen oder weicherem visko- elastischen Material, insbesondere aus Pech oder Harz oder einem Polymer, vorgesehen ist. 32. Verwendung einer Mikrostrukturierungseinheit zur Verbesserung eines Verfahrens zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. |
Präzisionsoberflächen
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Verbesserung eines Polierverfahrens und einer Poliervorrichtung, die zur Korrektur von geometrischen Abweichungsfehlern auf Präzisionsoberflächen eingesetzt werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Makrostruktur zwecks Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche
anzuwendenden Polierverfahrens, ein Mikrostrukturierungsverfahren zur Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens, ein Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen, ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode zum Ausfuhren der erfindungsgemäßen Verfahren sowie zu den Verfahren zugehörige Vorrichtungen.
Stand der Technik
In vielen technischen Anwendungen werden Oberflächen einer wohldefinierten Gestalt benötigt. Der Grad der Abweichung der tatsächlichen Gestalt von einer im technischen Verfahren angenommenen ist dabei entscheidend für die Anwendbarkeit.
Beispiele von Anwendungen, bei denen die Genauigkeit solcher wohldefinierten
Oberflächenformen eine wesentliche Rolle spielen sind:
Oberflächen von optischen Elementen wie Linsen und Spiegel:
In optischen Systemen werden die gewünschten Abbildungseigenschaften dadurch erreicht, dass das elektromagnetische Feld des verwendeten Lichtes mit Hilfe der Brechung (Linsen) und der Reflektion (Spiegel) an wohldefinierten Grenzflächen von Materialien
unterschiedlicher optischer Eigenschaften in der gewünschten Art und Weise beeinflusst wird. Die tolerierbaren Abweichungen von der idealen Oberflächenform liegen dabei im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge. Je geringer die Abweichung desto größer ist die Güte der optischen Abbildung. Gerade für optische Systeme mit hohen numerischen Aperturen wie sie zum Beispiel in den Projektionssystemen für die Halbleiterlithographie verwendet werden, kommt erschwerend hinzu, dass die Form der optischen Grenzflächen nicht mehr durch eine einfache Kugeloberfläche genähert werden kann, sondern asphärische Geometrien notwendig sind.
Planarität von zu strukturierenden Oberflächen in der Halbleiter- und Mikrosystemfertigung: In der Halbleiterfertigung werden die elektronischen Bauteile mit Hilfe von lithografischen Strukturierungsverfahren auf Siliziumsubstraten aufgebaut. Aus Gründen der
Wirtschaftlichkeit versucht man dabei, die Abmessungen der Bauteile (insbesondere der Transistoren) immer kleiner zu fertigen, um die Zahl der Bauteile pro Siliziumflächeneinheit zu erhöhen. Die dabei verwendeten optischen Abbildungsverfahren werden mit steigendem Auflösungsvermögen auch immer empfindlicher gegenüber Defokusfehlern, d.h.
insbesondere auch Abweichungen von der zu strukturierenden Oberfläche von der
Fokusebene des optischen Systems. Daher ist es notwendig, die zu strukturierenden
Oberflächen möglichst planar zu bekommen. Dies gilt sowohl für die Oberfläche der
Ausgangsubstrate als auch für die Oberfläche von Zwischenschichten. Beispielsweise müssen die Oberflächen von dielektrischen Schichten, die die elektronischen Bauteile von der darüberliegenden Metallisierungsebene oder aufeinanderfolgende Metallisierungsebenen voneinander isolieren, sehr eben sein.
Planarität von Maskensubstraten in der EUV (extreme ultraviolette) Lithographie:
Um den oben angesprochenen Trend zu immer kleineren Strukturgrößen in der
Halbleiterfertigung weiter zu verfolgen, ist man darauf angewiesen, kleinere Wellenlängen als die derzeit eingesetzten zu verwenden. Ein weit verbreiteter Ansatz ist es, weiche
Röntgenstrahlung mit einer Vakuumwellenlänge von etwa 13.5nm zu verwenden. Für diese Strahlung ist kein hinreichend transparentes Material zur Verwendung in refraktiven optischen Elementen bekannt. Daher werden optische Systeme ausschließlich aus reflektiven Elementen aufgebaut. Um den einfallenden vom reflektierten Strahl räumlich zu trennen, wird mit Einfallswinkeln gearbeitet, die leicht vom senkrechten Einfall abweichen (typischerweise 6 Grad). Für die Photomaske, die das abzubildende Schaltkreismuster trägt, ergibt sich daraus wiederum eine sehr strikte Anforderung an die Planarität der Oberfläche. Wie in Figur 1 dargestellt, übersetzt sich jede lokale vertikale Abweichung in einen lateralen Versatz der abbildenden Strahlen. Ein einfallender Strahl (2) wird von der ideal planaren Oberfläche (3) reflektiert (Strahl (6)). Eine von der idealen Oberfläche abweichende Oberfläche (4) reflektiert einen an derselben Stelle einfallenden Strahl (1) in einer anderen Höhe. Dadurch wird in dem reflektieren Strahl (5) ein Versatz gegenüber dem von der ideal planaren
Oberfläche reflektierten Strahl (6) erzeugt.
Festplattenscheiben:
Bei den heute gängigen magnetischen Massenspeichern, den sogenannten
Festplattenlaufwerken, wird die binäre Information als Polarisationsrichtung einer kleinen magnetischen Domäne abgespeichert. Die Domänen werden durch eine magnetische Schicht gebildet, die auf einer schnell rotierenden Scheibe aufgebracht ist. Zum Lesezugriff muss ein magnetischer Sensor in sehr geringem Abstand über die magnetische Schicht geführt werden, um die Polarisationsrichtung der Domänen zweifelsfrei messen zu können. Um die dafür notwendigen geringen Abstände zwischen Lesekopf und magnetischer Schicht bei den erforderlichen hohen Lesegeschwindigkeiten zu ermöglichen, muss die magnetische Schicht auf einem sehr ebenen Substrat aufgebracht werden.
Typischerweise dürfen bei den oben geschilderten Anwendungen die Abweichungen von der Soll- bzw. Zielgeometrie nur wenige Nanometer betragen.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden mit dem Begriff„Werkstückoberfläche" nur derjenige Teil der Oberfläche des Werkstückes bezeichnet, für den die Anforderungen in Bezug auf Formabweichung und Rauigkeit gelten soll.
Es ist in der technischen Optik üblich, gekrümmte Oberflächen, die von der sphärischen Geometrie abweichen, in sogenannte Asphären und Freiformfiächen einzuteilen, wobei der erste Begriff solche Flächen bezeichnet, die noch eine Rotationssymmetrie aufweisen. Da diese Unterscheidung für die Anwendung des hier offengelegten Verfahrens nicht wesentlich ist, werden im folgenden die Begriffe„Freiformfläche" und„asphärische" Fläche oder kurz „ Asphäre" als synonyme Begriff für eine von der Kugelform abweichende gekrümmte Oberfläche verwendet.
Um die oben beschriebenen Anforderungen an die Formabweichungen von Oberflächen zu erreichen, werden nach dem Stand der Technik Polierverfahren eingesetzt. Die Notwendigkeit zum Einsatz von solchen Polierverfahren entsteht daraus, das die vorangegangenen Prozessschritte eine nicht tolerierbare Oberflächenrauigkeit hinterlassen haben.
Für optische Bauteile und auch Wafersubstrate sind dies mechanische Bearbeitungsverfahren wie Sägen, Schleifen oder Fräsen, mit welchen die Werkstückoberfläche in die gewünschte Form gebracht wird.
Im Falle der Halbleiterfertigung und bei der Fertigung von Mikrosystemen entsteht die Rauigkeit dadurch, dass ein integrierter Schaltkreis oder ein Mikrosystem aus mehreren Schichten von lokal abgegrenzten Bauteile endlicher Höhe aufgebaut wird. Die Bauteile werden üblicherweise mit Hilfe von lithografischen Verfahren hergestellt, die eine endliche Abbildungstiefe haben. Die Bauteilhöhe in einer Schicht erzeugt intrinsisch eine
Oberflächenrauigkeit, die sich nachteilig auf die lithografische Strukturierung der
nachfolgenden Bauteilebene auswirkt.
Polierverfahren haben die Aufgabe, die aus den vorangegangenen Prozessschritten übrig gebliebene Oberflächenrauigkeit auf das erforderliche Maß zu reduzieren, ohne jedoch die Oberflächenform über das tolerierbare Maß hinaus zu verändern. Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über verschiedene existierende Polierverfahren gegeben werden.
Flächenpolierverfahren
Bei Flächenpolierverfahren werden Formkörper aus nichtdeformierbaren Materialien verwendet, deren Form der Negativabdruck der Werkstückoberfläche ist, im Folgenden auch Polierkissenträger genannt. Auf diesen Formkörpern werden Polierkissen aus elastischen Materialien befestigt.
Der so entstandene Polierkopf wird durch eine geeignete mechanische Vorrichtung unter einem definierten Druck auf die Werkstückoberfläche gedrückt. Gleichzeitig werden das Werkstück und der Polierkopf derart in Bewegung versetzt, dass ihre Oberflächen eine Relativbewegung zueinander ausfuhren.
In den Spalt zwischen Polierkissen und Werkstück wird eine sogenanntes Poliermittel gegeben, dies ist typischerweise eine Suspension aus sehr kleinen Polierpartikeln eines hinreichend harten Materials. Weiterhin sind in der Flüssigkeit gegebenenfalls geeignete Reagenzien für einen chemischen Angriff auf das zu polierende Material gelöst.
Die Polierpartikel in der Suspension werden vom Polierkissen gegen die Werkstückoberfläche gedrückt und gleichzeitig durch die Relativbewegung über die Oberfläche bewegt. Diese Kombination aus Druck und Bewegung bewirkt einen Materialabtrag ähnlich dem
makroskopischen Kratzen.
Dieser mechanische Materialabtrag kann durch den chemischen Angriff der Oberfläche unterstützt werden, indem die im Schleifmittel enthaltenen Reagenzien die chemische Beschaffenheit der Oberfläche so verändern, dass der mechanische Abtrag erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht wird.
Bei derartigen Polierverfahren kann der makroskopische Materialabtrag durch die sogenannte Preston Gleichung beschrieben werden (F.W. Preston, "The theory and design of plate glass polishing machines," J. Soc. Glass Technol. 11, 214-256 (1927)). Das heißt, die Abtragsrate ist proportional dem Produkt aus Anpressdruck und Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Oberflächen. Die Proportionalitätskonstante ist der sogenannte Prestonkoeffizient. Er ist insbesondere abhängig vom Material der Werkstückoberfläche sowie von den
Eigenschaften der Poliersuspension.
Aus der Druckabhängigkeit des Materialabtrages resultiert die glättende Wirkung des Verfahrens. An lokalen Erhebungen der Oberfläche wird das elastische Polierkissen stärker eingedrückt. Daher setzt es der eindrückenden Oberfläche einen stärkeren Widerstand entgegen. Diese lokale Druckverstärkung bewirkt nach der oben erwähnten Preston'schen Gleichung einen größeren Materialabtrag als in der tiefergelegenen Umgebung. Dadurch wird die lokale Erhebung schneller abgetragen. Dieser Effekt setzt sich solange fort, bis die Kompression des Polierkissens über die gesamte Kontaktfläche gleich ist. Dann herrscht überall der gleiche Anpressdruck, und die Oberfläche des Werkstücks wird nur noch gleichmäßig abgetragen.
Es ist unmittelbar klar, dass bei diesem Verfahren die Oberflächenform des Werkstückes sich nach und nach der Form des Polierkopfes anpassen wird, und zwar um so stärker, je länger der Poliervorgang dauert. Für ebene Werkstücke bedeutet dies, dass der Polierkissenträger und das Polierkissen selbst sehr eben gearbeitet sein müssen, damit auch das Werkstück eben bleibt. Entsprechendes gilt für die Politur von sphärischen Werkstücken.
Für das Polieren von asphärischen Flächen und Freiformflächen stellt diese Tatsache eine prinzipbedingtes Problem dar. Um die Relativbewegung zwischen Polierkissen und
Werkstück zu realisieren, müssen beide Oberflächen in gewissen Grenzen laufend gegeneinander bewegt werden. Die Bedingung einer perfekten Übereinstimmung der Oberflächenform kann aber für Asphären im besten Fall nur in einem Punkt gewährleistet werden. In leicht verschobenen Positionen treten Anpassungsabweichungen auf.
Darüber hinaus ist es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht möglich, für jede
Freiformfläche einen dedizierten Polierkopf bereitzustellen. Stattdessen hält man
üblicherweise einen mehr oder minder großen Satz an Polierköpfen unterschiedlicher Krümmungsformen vor und wählt je nach Anwendung den passendsten aus. Diese nur näherungsweise Anpassung der Oberflächengeometrie vergrößert den Formfehler zusätzlich.
Zur Lösung dieses Problems sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden, bei denen die Form des Polierkopfes direkt an das zu schleifende Werkzeug angepasst werden kann, etwa durch verschiebbare Metallstifte oder durch thermisch verformbare Materialien. Bei diesen Verfahren bleibt das zuvor beschriebene Problem bestehen, dass die Anpassung nur in einem Punkt exakt vorgenommen werden kann. Wegen der zum mechanischen Abtrag erforderlichen Relativbewegung ist eine Oberflächenabweichung in den anderen Punkten nicht zu vermeiden. Darüber hinaus kann man eine durch die vorangegangenen
Arbeitsschritte verursachte Formabweichung nicht mehr korrigieren, da sie ja in das
Polierwerkzeug eingeprägt wird.
Lokale Polierverfahren
Zur Vermeidung dieser Probleme bei Verwendung von großflächigen Polierköpfen beziehungsweise zur Korrektur der durch die flächigen Polierverfahren erzeugten Fehler, werden lokale Polierverfahren eingesetzt, die es erlauben, lokale Korrekturen der
Oberflächenform anzubringen und dabei die Rauigkeit nicht über ein tolerierbares Maß zu erhöhen.
Eine Gruppe von solchen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Polierwerkzeug so ausgeführt ist, dass das Polierkissen entweder an sich nur eine geringe Ausdehnung hat (z.B. bei den sogenannten Polierstiften) oder so geformt und geführt wird, dass sich zu jedem Zeitpunkt nur eine kleine Fläche in Kontakt mit dem Werkstück befindet.
Genau wie bei den flächigen Polierverfahren wird durch eine geeignete Bewegung des Polierwerkzeuges eine Relativbewegung zwischen Werkstück- und Polierkopfoberfläche erzeugt. Diese Relativbewegung erzeugt unter Zugabe einer Poliersuspension und unter Beaufschlagung eines geeigneten Drucks einen auf die Kontaktfläche begrenzten Materialabtrag.
Die abgetragene Höhe wird z.B. dadurch gesteuert, wie lange der Polierkopf an einer bestimmten Stelle auf der Werkstückoberfläche polierend verweilt. Zur Korrektur von Oberflächenabweichungen von der Soll- bzw. Zielgeometrie, die aus vorangegangenen Messungen bekannt sind, werden die entsprechenden lokalen Polierdauern bestimmt.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist die im Vergleich zu den Flächenpolierverfahren kleine Kontaktfläche zwischen Polierkopf und Werkstück, die zu langen Prozesszeiten und damit zu hohem Verschleiß des Polierkopfes führt.
Nachteilig ist außerdem, dass die Korrektur von Sollabweichungen auf solche Abweichungen beschränkt ist, deren lateralen Abmessungen mindestens so groß sind, wie die Kontaktfläche. Diese liegen typischerweise im Bereich von wenigen Millimetern.
Eine andere Gruppe von lokalen Polierverfahren bilden die sogenannnten magneto- rheologischen Verfahren. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass die Poliersuspension neben den Polierkörnchen auch magnetisierbare Partikel enthält. Die Poliersuspension wird auf einen Tragkörper aufgebracht und kann dann mit Hilfe eines starken Magnetfeldes verfestigt werden. Durch die Form des Tragkörpers und der Magnetlinien lässt sich wiederum eine kleine Kontaktfläche zwischen Werkstück und Polierkopf (hier der Tragkörper mit der magnetisch verfestigten Suspension) einstellen.
Der weitere Poliervorgang gestaltet sich analog zu den oben beschriebenen Verfahren.
Nachteilig an den magneto-rheologischen Verfahren ist, dass nur relativ geringe Abtragsraten erzielt werden können. Das hängt damit zusammen, dass die Poliersuspension durch das Magnetfeld nicht sehr stark verfestigt werden kann.
Eine weitere Methodik, die nach dem Stand der Technik zur lokalen Nachbearbeitung eingesetzt wird, besteht darin, die in der Poliersuspension gelösten Partikel nicht durch einen festen Körper auf das Werkstück aufzudrücken, sondern allein durch einen schnell fließenden Flüssigkeitsstrom. Eine solches Verfahren ist beispielsweise in DE 101 13 599 Al beschrieben. Hier fließt der Flüssigkeitsstrom durch einen Ringspalt, der zwischen einer Austrittsdüse und der Werkstückoberfläche gebildet wird.
Durch den fehlenden direkten mechanischen Anpressdruck der Polierpartikel sind die erreichbaren Abtragsraten sehr gering. Außerdem gilt mindestens im Fall der in DE 101 13 599 Al beschriebenen Vorrichtung, dass die Dimension der Austrittsdüse die laterale
Ausdehnung der korrigierbaren Abweichungen nach unten begrenzt.
Beschreibung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile der bestehenden Polierverfahren zu überwinden. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, Formabweichungen zu korrigieren, deren laterale Ausdehnung kleiner ist als der Bereich, der mit den bestehenden Verfahren (d.h. in der Regel wenige Millimeter) poliert werden kann. Daneben werden die erforderlichen Polierzeiten verkürzt, was zum einen hilft, die
Oberflächentreue (d.h. die Genauigkeit, mit der die gewünschte Oberflächenform erreicht wird) zu verbessern und zum anderen, den Verbrauch bzw. Verschleiß an Prozessmitteln zu verringern. Es ist möglich, aus den Prozessparametern eine möglichst genaue und einfache mathematische Modellierung der Oberflächengeometrie nach dem Polieren zu erhalten. Eine solche Modellierung ermöglicht es, die Geometrie etwaig verbleibender Abweichungen nach dem Polieren vorherzusagen und damit ihren Einfluss auf nachfolgende Prozessschritte und auch in der Endanwendung abzuschätzen und gegebenenfalls entsprechende
Gegenmaßnahmen anzuwenden.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche.
Abhängige Patentansprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Wie oben beschrieben, wird die glättende Wirkung des Polierens mit elastischen Polierkissen durch die unterschiedlichen Anpressdrücke der Polierpartikel auf die Werkstückoberfläche hervorgerufen. Diese Unterschiede resultieren dadurch, dass eine lokale Erhebung der Werkstückoberfläche relativ zur undeformierten Oberfläche des Polierkissens eine
Deformation in dem Polierkissen hervorruft. Diese lokale Deformation bewirkt eine elastische Gegenkraft in dem elastischen Medium, mit der die Polierkissenoberfläche die Polierpartikel auf die Werkstückoberfläche drückt.
Für Deformationen, die wesentlich kleiner sind als die Ausdehnung des Polierkissens in Richtung der Deformation, ist die elastische Kraft proportional zur Deformation selbst. Die Proportionalitätskonstante ist die sogenannte Federhärte. Wird die Federhärte auf die
Ausdehnung des Kissens bezogen, so erhält man eine charakteristische Materialeigenschaft, das sogenannte Elastizitätsmodul (im Englischen auch Young's modulus genannt). Die glättende Wirkung des oben beschriebenen Polierprinzips ist umso rascher, je härter das Material des verwendeten Polierkissens ist. Ein hartes Material (d.h. mit einem großen Elastizitätsmodul) wird einer gegebenen Eindrückung durch eine lokale Unebenheit der Werkstückoberfläche eine größere Kraft entgegensetzen als ein weiches Material. Dadurch ist auch der lokale Abtrag an der lokalen Unebenheit größer, und die Unebenheit wird schneller eingeebnet.
In vielen elastischen Materialien, insbesondere in Polymeren, ist das Elastizitätsmodul davon abhängig, ob die Deformation statischer oder dynamischer Natur ist, das heißt genauer mit welcher Geschwindigkeit eine bestimmte Deformation erreicht wird. Dieses Verhalten beschreibt man üblicherweise durch ein frequenzabhängiges, komplexwertiges
Elastizitätsmodul. Eine in der Zeit sinusartig varierende Kraft wird auch eine ebenso variierende Deformation hervorrufen. Die maximale Amplitude der Deformation ist dabei proportional zur maximalen Amplitude der angelegten Kraft, wobei die
Proportionalitätskonstante jetzt der Betrag des (komplexen) Elastizitätsmoduls ist. Die Phase des Elastizitätsmoduls beschreibt eine etwaige zeitliche Verzögerung zwischen der Kraft und der Deformation.
In vielen Polymeren wächst des Elastizitätsmodul mit steigender Frequenz an. Dieser Anstieg hat seine Ursache in einem sogenannten Glasübergang bzw. allgemeiner in einem
viskoelastischen Übergang und ist insbesondere in der Nähe einer sogenannten
Glassübergangsfrequenz besonders stark, während er für sehr kleine und sehr große
Frequenzen eine Sättigung aufweist. Das Elastizitätsmodul oberhalb und unterhalb der Glasübergangsfrequenz kann sich um einen Faktor 10 oder mehr unterscheiden. Eine typische Frequenzabhängigkeit ist in Figur 2 gezeigt, die den Glassübergang eines Polyurethans (PTMG2000/MDI 3/BDO/DMPD) zeigt. Die Werte für das Schermodul (Kurve (8) gekennzeichnet durch o) und für den Verlustfaktor (Kurve (7) gekennzeichnet durch D) bei Raumtemperatur sind gegen den dekadischen Logarithmus der Frequenz auf der x- Achse (9) angetragen. Die Kurve für das Schermodul bezieht sich auf die linke y- Achse (10) in
Einheiten von Pascal, während sich die Kurve für den Verlustfaktor auf die rechte y- Achse (11) in dimensionslosen Einheiten bezieht. (Aus: J. V. Duffy, G. F. Lee, J. D. Lee, and B. Hartmann, in R. D. Corsaro, and L. H. Sperling, eds., Sound and Vibration Damping with Polymers, (ACS Symposium Series 424),ACS Press, Washington, D.C., 1990, pp. 281-300).
Neben dem Glasübergang werden in vielen Polymeren weitere Übergänge bei höheren Frequenzen beobachtet. In Polyurethanen sind beispielsweise neben dem Glasübergang (auch α-Übergang) auch ein ß- und ein γ-Übergang bekannt. Zur Vereinfachung sollen in der vorliegenden Anmeldung als "Glasübergänge" auch solche Sekundärübergänge verstanden werden, da die relevanten Eigenschaften für diese Übergänge ähnlich sind.
Das in der Figur 2 gezeigte Schermodul ist bis auf den Faktor 2(1 -μ) identisch zum
Elastizitätsmodul. Dabei bezeichnet μ die Poissonzahl, welche für die meisten Polymere unabhängig von der Frequenz bei ungefähr 0.5 liegt. Die Frequenzabhängigkeit der
Glasübergänge insbesondere von Polymeren kann in guter Näherung durch folgende Funktion beschrieben werden:
E(„) = E o H E„- E o )- T (FD
\ + ω l ω tr
Dabei ist E 0 das statische Elastizitätsmodul und E 00 das Elastizitätsmodul im Limes unendlicher Frequenzen. ω tr ist die Glasübergangsfrequenz. Eine genauere Beschreibung des Glasübergangs gelingt mit dem Havriliak-Negami Model. In beiden Modellen ist die
Frequenzabhängigkeit eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Frequenz ω und der Glasübergangsfrequenz ω tr .
Der Anstieg des frequenzabhängigen Elastizitätsmoduls hat zur Folge, dass langsame Veränderungen der Deformation eine kleinere Kraft erfordern als schnelle.
Tatsächlich ist die Deformation eines Polierkissens während eines Poliervorganges dynamisch. Die Relativbewegung zwischen der Werkstückoberfläche und dem Polierkissen führt jeden Punkt des Polierkissens eine gewisse Strecke über die Werkstückoberfläche. Betrachtet man die Strecke, welche ein bestimmter Punkt der Polierkissenoberfläche auf der Werkstückoberfläche zurücklegt, so bewirkt jede Unebenheit in der Werkstückoberfläche entlang dieser Strecke eine zeitlich variierende lokale Deformation des Polierkissens in dem betrachteten Punkt.
Der zeitliche Verlauf der Deformation wird bei gegebener Relativbewegung zwischen Polierkissen und der Werkstückoberfläche von der lateralen Form der Unebenheit bestimmt. Eine weit ausgedehnte Unebenheit vermittelt bei identischer Höhe eine langsamere
Deformation im Polierkissen als eine wenig ausgedehnte Unebenheit. Aufgrund der dynamischen Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls ist dann aber in Punkten identischer Höhe beider Unebenheiten die elastische Kraft im Falle der weit ausgedehnten Unebenheit immer kleiner als in den entsprechenden Punkten der weniger ausgedehnten Unebenheit. Dieser Unterschied resultiert aus dem Anstieg des Elastizitätsmodul (genauer dessen Betrages) mit der Geschwindigkeit der Deformation. Insbesondere wäre im Falle eines ruhenden
Polierkissens für beide Unebenheiten die elastische Kraft in Punkten gleicher Höhe identisch, da im statischen Fall alleine das lokale Ausmaß der elastischen Deformation die elastische Kraft bestimmt. Wegen der insgesamt kleineren Kräfte im Falle der ausgedehnten Unebenheit ist auch die Differenz zwischen der Kraft am Fuße und am Gipfel der Unebenheit kleiner als im Falle der weniger ausgedehnten. Daher wird letztere schneller eingeebnet.
Dieser Unterschied rührt nicht daher, dass bei einer weiter ausgedehnten Unebenheit mehr Material abgetragen werden muss, um eine ebene Oberfläche zu erhalten, sondern stellt einen eigenständigen Effekt dar. Am einfachsten macht man sich dies anhand zweier
sinuswellenförmigen Oberflächentopographien unterschiedlicher räumlicher Frequenz klar. In diesem Fall ist die Menge des Materials, die zur vollständigen Planarisierung abgetragen werden muss, in beiden Fällen gleich, da sich das Volumen der Gräben und Erhebungen genau ausgleicht. Ein Punkt des Polierkissens, welcher senkrecht zu den Wellenkämmen über eine der beiden Oberflächen geführt wird, erfährt in diesem Fall eine in der Zeit sinusartig variierende Deformation. Wegen des oben beschriebenen elastischen Verhaltens ist die resultierende Kraftdifferenz zwischen Wellenberg und Grabenboden im Fall der kurzwelligen Obeflächentopographie größer als im langwelligen Fall. Damit ist auch die Abtragsdifferenz im kurzwelligen Fall größer mit dem Resultat, dass die Unebenheit schneller abgetragen wird.
Für die weitere Diskussion ist die Fourierzerlegung einer gegebenen Oberflächentopographie zweckmäßig. Dabei wird die Oberflächentopographie als Linearkombination von ebenen Wellen in zwei Dimensionen unterschiedlicher Richtung und Wellenlänge beschreiben. Im Folgenden bezeichnen wir den Kehrwert der Wellenlänge als räumliche Frequenz.
Der Erfϊndungsgedanke für die vorliegende Erfindung knüpft an die oben diskutierte
Materialeigenschaft von manchen elastischen Oberflächen an: Für die elastische Oberfläche bei Polierprozessen wird ein Material verwendet, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. Ein typisches Beispiel für ein derartiges Deformationsverhalten sind viskoelastische Materialien, insbesondere Polymere. Für jeden in diesen Materialien auftretenden Glasübergang (inklusive der erwähnten Sekundärübergänge) ist das Elastizitätsmodul unterhalb der Glasübergangsfrequenz deutlich kleiner als oberhalb.
Die Eigenschaft an das dynamische Verhalten des Elastizitätsmoduls des Polierkissens macht man sich erfindungsgemäß dadurch zu Nutze, dass man bei Polierprozessen die vorhandenen Abweichungen der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie durch Aufprägen einer geeigneten kurzwelligen Oberflächenstruktur (der sogenannten Mikrostrukturierung) so korrigieren kann, dass die langwelligen Abweichungen (mit einer kleinen räumlichen
Frequenz) so weit als möglich unterdrückt werden und vorteilhafterweise nach der
Mikrostrukturierung nur kurzwellige Abweichungen übrig bleiben, die dann im
nachfolgenden Polierschritt wesentlich rascher abgetragen werden als die ursprünglichen langwelligen Abweichungen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt also in der Ermittlung einer geeigneten
Mikrostruktur, die zur Verbesserung eines auf eine Werkstückoberfläche anzuwendenden Polierverfahrens dienen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer solchen Mikrostruktur umfasst dabei wenigstens zwei Verfahrensschritte: Zum einen das Ermitteln einer Oberflächenabweichung einer Werkstückoberfläche von einer gewünschten
Zielgeometrie, und zum anderen das Ermitteln einer auf die Werkstückoberfläche
aufzuprägenden Mikrostruktur, wobei die Mikrostruktur eine kurzwelligere
Oberflächenstruktur aufweist als die ursprüngliche Werkstückoberfläche und so gewählt wird, dass langwellige Abweichungen der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie kompensiert bzw. unterdrückt werden, so dass nach einem Aufprägen der ermittelten Mikrostruktur auf die Werkstückoberfläche in einem anschließend durchführbaren Polierverfahren bessere
(insbesondere kleinere Sollgeometrieabweichungen und/oder kürzere Polierzeiten)
Polierergebnisse erzielbar sind.
Dabei soll der gewählte Begriff„Mikrostrukturierung" bzw.„Mikrostruktur" andeuten, dass die aufzuprägende Struktur von kürzerer Wellenlänge ist als die Ausgangsstruktur. Der Begriff wird also gewissermaßen als Synonym für„klein" bzw.„kurzwellig" verwendet (ähnlich wie im Begriffspaar„Miro- und Makrokosmos"). Der Begriff bedeutet hingegen keine ausschließliche Festlegung auf Strukturen im Mikrometerbereich. Gleichwohl können mittels Mikrostrukturierung gegebenenfalls auch Strukturen mit Wellenlängen im
Mikrometerbereich erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt zum Ermitteln der
Mikrostruktur eine Zuordnung zwischen einer Höhenstruktur der Werkstückoberfläche und einer lokalen Mikrostruktur. Die Höhenstruktur einer Werkstückoberfläche ist beispielsweise aus Messungen bekannt, kann jedoch auch auf theoretischem Wege durch Simulation ermittelt werden. Unter einer lokalen Mikrostruktur wird dabei eine Mikrostruktur verstanden, die nur in einem räumlich begrenzten Bereich auf die Werkstückoberfläche aufzuprägen ist. Bei der oben angesprochenen Zuordnung wird beispielsweise die Werkstückoberfläche in verschiedene kleine Bereiche unterteilt, jeder der Bereiche wird hinsichtlich des darin befindlichen Höhenprofils untersucht bzw. klassifiziert, und jedem der Bereiche wird basierend auf der Klassifizierung eine lokale Mikrostruktur zugeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren zur
Ermittlung einer Mikrostruktur des Weiteren den folgenden Schritt auf: Bereitstellen eines Prozessmodells zur Vorhersage der Oberflächengeometrie einer Werkstückoberfläche nach einem Polierverfahren. Ein solches Prozessmodell kann bereits existieren oder aber auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens designed und/oder optimiert werden. Parameter eines solchen Prozessmodelles können sein: Temperatur, Poliergeschwindigkeit, Polierdruck, Material, Rauigkeit und Elastizitätsmodul einer elastischen Polieroberfläche. Dabei ist das Elastizitätsmodul frequenzabhängig, es ist also kein klassischer konstanter Parameter, sondern eine frequenzabhängige Funktion.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Prozessmodell dazu verwendet, um die aufzuprägende Mikrostruktur zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Ermittlung einer Mikrostruktur wird die aus dem Prozessmodell vorhergesagte
Oberflächengeometrie verwendet, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine Anpassung der Geometrie von auf dem Werkstück aufzubringenden Bauteilen zu kompensieren, welche mit einem nachfolgenden Lithographieverfahren strukturiert werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet, einen Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung der Werkstückoberfläche von der Zielgeometrie entsteht, durch eine
Formgebung des Werkstückes selbst oder durch den Einsatz weiterer optischer Elemente zu korrigieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Mikrostruktur durch Optimierungsprozesse ermittelt. Hierzu können insbesondere iterative Verfahren eingesetzt werden.
Zur Ermittlung einer geeigneten kurzwelligen Oberflächenstruktur kann aus den
beschriebenen elastischen Eigenschaften des Polierkissens in Kombination mit den anderen Prozessbedingungen also ein mathematisches Modell abgeleitet werden, welches die
Veränderung einer gegebenen Oberflächentopographie durch den Polierprozess zumindest näherungsweise beschreibt.
Die erfindungsgemäß genutzte Eigenschaft des dynamischen Verhaltens des
Elastizitätsmoduls ist gleichbedeutend damit, dass ein solches mathematisches Prozessmodell den Charakter eines Tiefpasses für die räumlichen Frequenzen hat. Die quantitativen
Eigenschaften eines solchen Prozessmodells hängen ausschließlich von den verwendeten Prozessbedingungen und -materialien ab, aber insbesondere nicht von der Form der
Werkstückoberfläche.
Polierkissen aus Polyurethanen, wie sie typischerweise beim Polieren eingesetzt werden, liegen bei den typischen beim Polieren verwendeten Anpressdrücken nicht vollflächig auf der Werkstückoberfläche auf. Stattdessen haben sie aufgrund ihrer rauen Oberfläche nur mit den am weitesten herausragenden Spitzen Kontakt mit der Werkstückoberfläche. Die effektive Kontaktfläche macht nur einen Anteil im einstelligen Prozentbereich der nominellen
Kontaktfläche aus (siehe C. L. Elmufdi and G. P. Muldowney, "A novel optical technique to measure pad-wafer contact area in chemical mechanical planarization," in Mater. Res. Soc. Symp. Proc, T. Y. Tsui, Y. -C. Joo, L. Michaelson, M. Lane, and A. A. Volinsky, Eds., vol. 914, 2006, pp. paper 0914-Fl 2-06.).
Unter bestimmten Annahmen (insbesondere, dass die Häufigkeit der Polierkissenspitzen mit ihrer Höhe exponentiell abnimmt, die Spitzen im Kontaktbereich kugelförmig sind und Hertzscher Kontakt vorliegt), kann man zeigen, dass der elastische Kontakt durch ein effektives exponentielles Federgesetz beschrieben werden kann, wobei in den Vorfaktor das Elastizitätsmodul des Polierkissenmaterials linear eingeht (siehe J. Vlassak, "A model for chemical-mechanical polishing of a material surface based on contact mechanics," Journal of the Mechanics and Physics of solids, vol. 52, pp. 847-873, 2004).
Für kleine Deformationen kann man das Exponentialgesetz durch den linearen Term der Taylorentwicklung nähern. In diesem Fall folgt aus der Preston'schen Gleichung, dass die Einebnung einer sinoidalen Oberflächentopographie beim Polieren exponentiell mit der Zeit verläuft, wobei die Zeitkonstante proportional zum Wert des Elastizitätsmodul bei der resultierenden Frequenz ist, welche durch die Relativgeschwindigkeit und durch die räumliche Frequenz bestimmt wird. Dieses Verhalten ist äquivalent zu einer Faltung im Ortsraum mit einer Faltungsfunktion, welche aufgrund der Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls glockenförmig ist und deren charakteristische Breite mit der Polierdauer zunimmt.
Für größere Deformationen ist eine lineare Näherung des effektiven Federgesetzes nicht mehr ausreichend. Die Taylorentwicklung muss dann zu höheren Termen erweitert werden. Damit wird die mathematische Beschreibung des Prozesses komplizierter, denn eine Faltung im Ortsraum ist dann nicht mehr ausreichend. Die mathematische Beschreibung erfolgt vorteilhafterweise im Fourierraum des Ortsraumes. Der quadratische Term der
Taylorentwicklung kann dann beispielsweise durch die Autokorrelationsfunktion des Oberflächenprofiles berechnet werden.
Das grundlegende Verhalten eines Polierprozesses, demgemäß mit dem oben beschriebenen Verlauf des dynamischen Elastizitätsmoduls kurzwellige Oberflächenstrukturen schneller eingeebnet werden als langwellige, bleibt auch bei Hinzunahme höhere Ordnungen bestehen. Diese Eigenschaft ist Grundlage der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen.
Es ist offensichtlich, dass ein Prozessmodell immer nur eine statistische Näherung für die Summe der Einzelabträge sein kann, die durch die individuellen Polierkissenspitzen im Laufe des Poliervorganges verursacht werden. Daher ist für den Einsatz eines erfindungsgemäßen Polierverfahrens vorteilhaft, dafür Sorge zu tragen, dass alle Bereiche der
Werkstückoberfläche, deren Form im Poliervorgang bearbeitet werden soll, mit einer hinreichend großen Anzahl von Polierkissenspitzen in Kontakt kommen. Dies bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die gewünschte Formgebung auch in den tief liegenden Bereichen der Werkstückoberfläche ausreichend schnell erreicht wird.
Dies lässt sich beispielsweise durch eine genügend große Rauigkeit der
Polierkissenoberfläche erreichen. Dadurch wird sichergestellt, dass auch in den tiefer liegenden Gebieten der Werkstückoberfläche eine große Zahl von Polierkissenspitzen aufliegt.
Vor diesem Hintergrund ist die Verwendung von geschäumten Materialien für das Polierkissen vorteilhaft, da durch die Einstellung der Porengröße die Rauigkeit des Polierkissens beeinflusst werden kann. Nach dem Stand der Technik werden Polierkissen vor dem Polierprozess mit geeigneten Diamantwerkzeugen aufgeraut (konditioniert). Dabei wird die Oberfläche soweit abgetragen, das an der Oberfläche eine offene Porenstruktur entsteht. Die Porenwände bilden dann die Spitzen, mit denen das Polierkissen beim Poliervorgang auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Größere Poren ergeben nach dem Auftauen eine größere Rauigkeit.
Es ist weiterhin vorteilhaft, zwischen dem Polierkissen, welches direkt auf der
Werkstückoberfläche aufliegt, und dem Polierkissenträger eine zusätzliche Zwischenschicht aus weicherem viskosen, weicherem elastischen oder weicherem visko-elastischen Material, insbesondere aus Pech oder Harz oder einem Polymer, aufzubringen. Durch geeignete Wahl der Elastizitätsmodule und der Schichtdicken der beiden Schichten kann man
vorteilhafterweise erreichen, dass langreichweitige Höhenunterschiede in der
Werkstückoberfläche durch die weichere Zwischenschicht ausgeglichen werden. Für diese weichere Schicht eignet sich auch ein Material mit einer hohen Viskosität wie beispielsweise bestimmte Peche oder Harze. Solche Materialien bieten den Vorteil, dass ihr statisches Elastizitätsmodul null ist. Daher ist auch das dynamische Elastizitätsmodul bei niedrigen Frequenzen sehr klein. Daher vollzieht sich auch die Einebnung langwelliger Abweichungen zwischen Polierkopfoberfläche und Werkstückoberfläche, wie sie etwa bei Verwendung nur näherungsweise angepasster Polierkopfoberflächen auftreten, sehr langsam.
Wie im gegenwärtigen Stand der Technik wird vorausgesetzt, dass die Abweichungen von der gewünschten Oberflächenform an einer hinreichenden großen Zahl von Punkten auf der Werkstückoberfläche bekannt ist.
Für die Fertigung optischer Elemente wird diese Information typischerweise mit
interferometrischen Messverfahren gewonnen.
Bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen oder Mikrosystemen kann die
Oberflächenform üblicherweise aus den Platzierungsdaten der Bauelemente (d.h. den
Layoutdaten) in den der vorangegangenen Ebenen und der Prozessbedingungen abgeleitet werden.
Des weiteren wird vorausgesetzt, dass für den verwendeten Polierprozess und dessen
Prozessbedingungen ein Prozessmodell bestimmt wurde, welches, wie oben ausgeführt, aufgrund der beschriebenen Eigenschaft des Elastizitätsmoduls der elastischen Oberfläche einen tiefpassartigen Charakter für die Oberflächengeometrie hat. Dies kann entweder durch empirische Messungen an Hand von geeigneten Teststrukturen oder direkt aus den
Prozessbedingungen und Materialeigenschaften oder einer Kombination beider Methoden abgeleitet sein.
Der Werkstückoberfläche kann nun durch geeignete Verfahren (sog.
Mikrostrukturierungsverfahren, siehe unten) eine kurzwellige Oberflächenstruktur aufgeprägt werden. Diese Oberflächenstruktur wird mit Hilfe des Prozessmodells so gewählt, dass sie in Kombination mit der bestehenden Oberflächengeometrie, (das heißt insbesondere mit den bekannten Abweichungen), nach dem Polierprozess so gut wie möglich mit der gewünschten Zieloberfläche übereinstimmt. Ziel ist es, die langwelligen Abweichungen mit Hilfe von kurzwelligen Strukturen zu korrigieren.
Die lateralen Ausdehnungen der aufgeprägten Oberflächenstruktur sollten möglichst klein gewählt werden, um die Einebnungsdauer für die aufgeprägte Oberflächenstruktur im anschließenden Polierschritt so kurz wie möglich zu halten. Hierbei ist den etwaigen
Auflösungsgrenzen des verwendeten Strukturierungsprozesses Rechnung zu tragen.
Das so präparierte Werkstück kann nun mit dem dem Prozessmodell zu Grunde liegenden Polierverfahren poliert werden. Gemäß dem weiter oben beschriebenen Effekt wird die aufgeprägte kurzwellige Oberflächenstruktur wesentlich schneller eingeebnet als die langwelligen Abweichungen der unbehandelten Oberfläche.Das Verfahren zum Aufprägen der Oberflächenstruktur muss es ermöglichen, mit einer hinreichenden lateralen und vertikalen Auflösung die geforderte Struktur aufzuprägen. Die Experimente, die zu der beschriebenen Erfindung führten, zeigen, dass vorteilhafterweise minimale Strukturgrößen im Bereich von etwa lOμm geeignet sind, um in Kombination mit kommerziell verfügbaren Polierkissen und typischen Poliergeschwindigkeiten (z.B. 0.5 m/s) ausreichend
Korrekturmöglichkeiten zu bieten.
Solche Strukturgrößen können z.B. mit Hilfe von laserbasierten lithografischen Verfahren, wie sie bei der Herstellung von Photomasken für die Halbleiterfertigung üblich sind, ohne technische Schwierigkeiten auf ebenen Substraten hergestellt werden. Auf gekrümmten Substraten ist eine lithographische Strukturierung ebenfalls möglich (siehe z.B.„Laser- lithography on non-planar surfaces" by D. Radtke and U.D. Zeitner in Optics Express, Vol. 15, Issue 3, pp. 1167-1174 ). Bei diesem Verfahren lässt sich für jedes Werkstück die erforderliche Oberflächenstruktur individuell anpassen. Es ist daher sehr geeignet zur Korrektur von Einzelstücken und
Kleinserien, sowie zur Korrektur von unsystematischen Abweichungen, d.h. Abweichungen die von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich sind.
Zur Korrektur von systematischen Fehlern, insbesondere bei der Fertigung von größeren Stückzahlen, erscheint die Verwendung einer Photomaske sinnvoll, mit deren Hilfe man eine identische Oberflächenstruktur auf eine Vielzahl von Werkstücken belichten kann. Die Belichtung kann dann entweder als Kontaktbelichtung oder mit Hilfe einer Projektionsoptik erfolgen.
Eine Kombination beider Verfahren ist ebenfalls vorteilhaft, um sowohl systematische als auch zufällige Abweichungen zu korrigieren.
Weiterhin kann die Lackmaske auch durch hochauflösende Drucktechniken auf die
Werkstückoberfläche aufgebracht werden. Vorteilhaft sind sogenannte
tintenstrahldruckähnliche bzw. InkJet- Verfahren, welche unter Ausnutzung von
piezoelektrischen oder thermischen Verfahren sehr kleine Flüssigkeitsmengen an
vordefinierten Positionen der Werkstückoberfläche aufbringen können. Solche Verfahren sind wohlbekannt um in elektronischer Form vorliegende Bilder auf Papier zu drucken.
Entsprechend lassen sich mit solchen Verfahren, die zur Korrektur notwendigen
Lackmaskenstrukturen auf die Werkstückoberfläche aufbringen und anschließend analog zur Photolithographie in die Werkstückoberfiäche ätzen.
Analog zur Photomaske kann man auch bei der Drucktechnik-basierten
Lackmaskenstrukturierung eine Druckmaske (oder Druckmatrix) verwenden, um
systematische Abweichungen an einer großen Zahl von Werkstücken einfacher zu korrigieren. Dieses Verfahren ist in der Offsetdrucktechnik wohlbekannt. Hier verwendet man
Druckplatten, die mit den Bild- und Textdaten bebildert werden und mit denen dann in einer Art Stempelverfahren eine große Zahl von Abzügen hergestellt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Mikrostrukturierungsverfahrens wird das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines fotolithographischen Verfahrens unter Verwendung eines computergesteuerten
Laserstrahles vorgenommen.
Für das erfindungsgemäße Mikrostrukturierungsverfahren sind auch andere Strukturierungsverfahren denkbar, wie zum Beispiel Mikrogravieren, Laserablation oder Mikroätzen. Solche Verfahren haben gegenüber der Mikrolithographie den Vorteil, dass nicht nur die laterale Dimensionen sondern auch die lokale Strukturierungstiefe zur Korrektur der Oberflächenabweichung innerhalb eines Prozessschrittes variiert werden kann. Außerdem erfolgt der Materialabtrag direkt (also ohne Umweg über eine maskierte Ätzung). Durch die einfachere Prozessführung wird eine direkte Integration in eine Poliervorrichtung erleichtert. Dadurch können die Strukturierung und das Polieren direkt in derselben Werkstückhalterung erfolgen.
Neben den beschriebenen materialabtragenden Strukturierverfahren können auch
materialaufbringenden Verfahren eingesetzt werden. So können zum Beispiel
schichtabscheidende Verfahren unter Verwendung einer entsprechend strukturierten
Lochmaske angewandt werden. Auch hochauflösende Drucktechniken können bei geeigneter Wahl der Prozessparameter eingesetzt werden. Eine solche Anwendung erscheint
insbesondere vorteilhaft für den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren bei reflektiven optischen Elementen. In diesem Fall sind die optischen Eigenschaften des Substrates unwichtig, da die Reflektion an einer nachträglich aufgedampften dünnen Schicht erfolgt.
Bei den materialaufbringenden Strukturierungsverfahren ist es eventuell unvermeidlich, dass der Polierprozess das zur Strukturierung aufgebrachte Material schneller oder langsamer abträgt als das Material der Werkstückoberfläche. Dieser Unterschied kann im Prozessmodell durch die Einführung eines ortsabhängigen Prestonkoeffizienten berücksichtigt werden.
Alternativ kann auch nach dem materialaufbringenden Strukturierungsverfahren eine ausreichend dicke homogene Zwischenschicht abgeschieden werden, welche dann die neue Werkstückoberfläche bildet, die im nachfolgenden Polierschritt bearbeitet werden kann.
Natürlich ist es auch möglich, materialabtragende und -aufbringende Verfahren zu
kombinieren. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn sich die Höhenabweichungen nur über einen geringen Anteil der gesamten Werkstückoberfläche erstrecken, aber sowohl in die Oberfläche hinein als auch aus der Oberfläche hinaus zeigen. In diesem Fall können die unterschiedlichen Abweichungen durch das jeweils komplementäre Strukturierungsverfahren korrigiert werden, so dass die zu strukturierende Fläche auf die Abweichungen selbst beschränkt bleibt.
Um trotz eines begrenzten Auflösungsvermögens eines verwendeten Strukturierungsverfahren ein hohes dynamisches Elastizitätsmodul für die aufgeprägte Mikrostruktur zu erreichen, kann ein elastisches Material gewählt werden, dessen Glasübergangsfrequenz auf das Auflösungsvermögen des eingesetzten Strukturierungsverfahrens abgestimmt ist.
Die elastischen Eigenschaften vieler Polymere lassen sich aus den Beiträgen der einzelnen Monomere über sogenannte Gruppenbeitrags- oder Fragmentmethoden ableiten. Dies gilt insbesondere auch für die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls. So konnten Davis und Szabo die Frequenzabhängigkeit von 14 Polyurethanen sehr exakt aus den
Monomerbeiträgen ermitteln. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist, dass die
Glasübergangsfrequenz in den untersuchten Materialien um etwa 10 Größenordnungen variierte (siehe W.M. Davis and J.P. Szabo,„Group contribution analysis applied to the Havriliak-Negami model for polyurethanes", Comp. And Theor. Polymer Science, 11 (2001), pp 9-15). Das bedeutet, dass die Glasübergangsfrequenz des verwendeten
Polierkissenmaterials durch geeignete Materialsynthese in weiten Bereichen auf die
Auflösung und die verwendete Relativgeschwindigkeit angepasst werden kann.
Auch die Größen des niederfrequenten und des hochfrequenten Elastizitätsmoduls lassen sich durch eine geeignete Zusammensetzung des verwendeten Materials für das erfindungsgemäße Verfahren optimieren. Um den Einfluss durch langreichweitige Abweichungsfehler zwischen Polierkopf und Sollgeometrie zu minimieren, sollte das entsprechende niederfrequente Elastizitätsmodul so klein wie möglich sein. Gleichzeitig sollte das hochfrequente
Elastizitätsmodul möglichst groß sein, damit die aufgeprägte Oberflächenstruktur möglichst rasch eingeebnet werden kann.
Darüber hinaus lassen sich zwei Prozessparameter geeignet wählen, um in gewissen Grenzen die Abstimmung zwischen der Glasübergangsfrequenz und dem Auflösungsgrenzen des Strukturierungsverfahrens zu optimieren.
Zum einen verschiebt eine Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück- und Polierkissenoberfläche den zeitlichen Verlauf der durch eine gegebene Mikrostruktur bewirkten Deformation zu höheren Frequenzen und erhöht damit den wirkenden
Elastizitätsmodul.
Zum anderen ist die Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls temperaturabhängig. Bei geringeren Temperaturen verschiebt sich die Glasübergangsfrequenz zu kleineren Werten. Mit einer Temperaturerniedrigung erreicht man daher für eine gegebene Mikrostruktur ebenfalls höhere Werte für den wirkenden Elastizitätsmodul. Es ist offensichtlich, dass der in Einklang mit der Erfindung stehende Prozesszyklus, beinhaltend Ermittlung der Oberflächenabweichung, Bestimmung und Aufprägen des Korrekturmusters und anschließendes Polieren, auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erreichbaren
Strukturierungstiefen des gewählten Strukturierungsprozesse nicht ausreichen, um die vorhandenen Abweichungen in einem einzigen Prozesszyklus zu korrigieren. Auch können bei mehrmaliger Anwendung in den verschiedenen Schritten unterschiedliche
Strukturierungsbreiten, Polierkissenmaterialen und Prozessbedingungen eingesetzt werden, um Abweichungen auf unterschiedlichen Längen- und Höhenskalen zu korrigieren.
In Einklang mit dem vorstehend allgemein Ausgeführten betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. Dies weist wenigstens die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer mikrostrukturierten
Werkstückoberfläche, deren Mikrostruktur mit Hilfe eines der vorstehend beschriebenen Mikrostrukturierungsverfahren erzeugt worden ist; Aufsetzen einer elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche; und Polieren der Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes zwischen elastischer Oberfläche und Werkstückoberfläche und durch Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zueinander, wobei ein Material für die elastische Oberfläche verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. Auf diese Weise lässt sich insbesondere die Polierzeit zum Polieren einer Werkstückoberfläche deutlich verkürzen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Polierverfahren wird eine mikrostrukturierte
Werkstückoberfläche bereitgestellt. Dieses Bereitstellen kann so gestaltet sein, dass die vor dem Polierschritt erforderliche Mikrostrukturierung zeitlich und/oder räumlich getrennt von dem Polierschritt vorgenommen worden ist. Es ist aber auch möglich, dass die
Mikrostrukturierung zeitnah zum Polierschritt und dabei insbesondere auch räumlich nah - beispielsweise in derselben Firma - oder sogar mit Hilfe einer einzigen Vorrichtung, die eine Mikrostrukturierungseinheit und eine Poliereinheit aufweist, vorgenommen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Polierverfahren den folgenden Verfahrensschritt auf: Auswählen von Prozessbedingungen, so dass die benötigte Polierzeit möglichst kurz wird. Dies können insbesondere die Temperatur und/oder der Betrag der Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und der elastischen Oberfläche sein, wobei die oben allgemein beschriebenen funktionalen Zusammenhänge zwischen den Parametern ausgenutzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten AusfQhrungsform des erfindungsgemäßen
Polierverfahrens werden einzelne Verfahrensschritte mehrfach hintereinander ausgeführt. Dabei können diese Verfahrensschritte mit identischen oder aber veränderten
Prozessparametern ausgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode zum Ausführen der
erfindungsgemäßen Verfahren. Typischerweise handelt es sich dabei um auf einem
Datenträger gespeicherte Software, ein solcher separater Datenträger ist aber nicht zwingend erforderlich. Der Programmcode kann dabei in sämtlichen bekannten Programmiersprachen geschrieben sein.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, wird die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt durch das beschriebene Verfahren zur Ermittlung einer Mikrostruktur umgesetzt. Die Erfindung umfasst dabei also diverse theoretische Aspekte bzw. Verfahrensschritte, die gängigerweise unter Zuhilfenahme von Computerprogrammen realisiert werden dürften. Dabei ist es auch möglich, das Verfahren zur Ermittlung einer Mikrostruktur zu trennen von dem
Mikrostrukturierungs- bzw. Polierverfahren selbst: Die Mikrostruktur kann zeitlich, räumlich und personell unabhängig von der Durchführung des eigentlichen
Mikrostrukturierungsverfahrens bzw. von der Durchführung eines Polierverfahrens durchgeführt werden. Auch lässt sich aus genanntem Grunde ein entsprechendes
Computerprogrammprodukt zur Ermittlung einer Mikrostruktur separat vertreiben.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Verfahren zur Ermittlung der Mikrostruktur mit dem eigentlichen Mikrostrukturierungsverfahren sowie gegebenenfalls auch mit dem darauf folgenden Polierverfahren zu verknüpfen. Sämtliche Verfahren können computergesteuert ablaufen, wobei mithilfe einer entsprechenden Software zum einen die notwendige
Mikrostruktur bestimmt wird, und zum anderen das Mikrostrukturierungsverfahren und gegebenenfalls das nachfolgende Polierverfahren computergesteuert ablaufen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. Eine solche Vorrichtung weist eine Mikrostrukturierungseinheit zum Mikrostrukturieren einer Werkstückoberfläche wie oben beschrieben und eine Poliereinheit zum Polieren der Werkstückoberfläche auf. Es ist dabei beispielsweise möglich, bereits existierende Poliereinheiten bzw. Poliervorrichtungen um eine entsprechende
Mikrostrukturierungseinheit zu ergänzen bzw. damit zu kombinieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese einen Träger zum Tragen eines Werkstückes und ein Polierkissen und einen
Polierkissenträger zum Tragen derselben auf, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass das Polieren einer Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes des Polierkissens auf die Werkstückoberfläche und durch ein Bewegen des Polierkissens und der
Werkstückoberfläche relativ zueinander erfolgt.
Vorteilhaft weist dabei das Polierkissen ein geschäumtes Material auf. Besonders bevorzugt werden dabei visko-elastische Polymerschäume wie beispielsweise insbesondere
Polyurethanschaum.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem
Polierkissen, welches direkt auf der Werkstückoberfläche aufliegt, und dem Polierkissenträger eine Zwischenschicht aus weicherem viskosen, weicherem elastischen oder weicherem visko- elastischen Material, insbesondere aus Pech oder Harz oder auch geeigneten Polymeren, vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Verwendung einer Mikrostrukturierungseinheit zur Verbesserung eines Verfahrens zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen. Wie oben bereits im Detail ausgeführt, sind
Verfahren und Vorrichtungen zur Strukturierung von Werkstückoberflächen bereits hinreichend bekannt, mit Hilfe der bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es
insbesondere auch möglich, die im Rahmen der Erfindung als Mikrostruktur bezeichnete Struktur auf eine Werkstückoberfläche aufzuprägen. Gänzlich unbekannt ist hingegen die Verwendung solcher Strukturierungseinheiten zu dem gemäß der Erfindung angestrebten Zweck, nämlich zur Verbesserung bereits bekannter Polierverfahren und Verfahren zur Formgebung von Werkstückoberflächen.
Im Folgenden sollen noch einmal die Vorteile des Erfindungsgedankens explizit diskutiert werden:
Die eigentliche Korrektur von langwelligen Abweichungen von Werkstückoberflächen von einer Zielgeometrie wird nicht mehr durch Polieren erreicht, sondern durch
Mikrostrukturierung. Mikrostrukturierungsverfahren weisen eine um Größenordnungen bessere (also höhere) Ortsauflösung auf als die lokalen Polierverfahren nach dem Stand der Technik. Damit ist eine wesentlich genauere Korrektur der Abweichungen möglich, insbesondere, wenn deren laterale Ausdehnung klein ist. Durch die Ausnutzung der dynamischen Charakteristik geeigneter elastischer Materialien für das Polierkissen kann eine erfindungsgemäß eingeprägte Oberflächentopographie wesentlich schneller eingeebnet werden als die ursprünglichen Abweichungen. Damit reduzieren sich die benötigten
Polierzeiten gegenüber dem Stand der Technik. Mit der Prozessverkürzung verringert sich auch der Verbrauch an Prozessmitteln (insbesondere weniger Energie und
Schleifmittelverbrauch) sowie die Abnutzung der Polierwerkzeuge.
Darüber hinaus bietet eine verkürzte Polierdauer auch einen prinzipiellen Vorteil. Es ist verhältnismäßig aufwendig und für asphärische Flächen sogar unmöglich, die Oberfläche des Polierkissens exakt an die gewünschte Oberfläche anzupassen. Für planare und sphärische Oberflächen müssen dazu der Polierkissenträger und das Polierkissen selbst sehr exakt gearbeitet werden. Für asphärische Flächen ist eine exakte Anpassung im Allgemeinen prinzipiell nur in einem Punkt möglich. Durch die für den Polierprozess notwendige
Relativbewegung ergeben sich zu nahezu allen Zeitpunkten Abweichungen zur idealen Anpassung wegen der relativen Verschiebung des Polierkopfes aus der idealen Position. Bei sonst identischen Prozessbedingungen übertragen sich solche Anpassungsfehler umso stärker auf das Werkstück, je länger die Polierdauer ist. Eine kürzere Polierdauer, wie sie durch den erfindungsgemäßen Prozess erreicht werden kann, erlaubt daher eine größere Formtreue des Polierprozesses.
Weiterhin können auch die im vorigen Abschnitt beschriebene Anpassungsabweichungen des Polierkopfs von der gewünschten Werkstückoberfläche ebenfalls durch die beschriebene Mikrostrukturierungskorrektur korrigiert werden.
Insbesondere für die erwähnten lokalen Polierverfahren mit Polierstiften und ähnlichen kleinen Polierköpfen erlaubt die beschriebene Korrektur der Anpassungsabweichungen die Verwendung von größeren Polierstiftoberflächen. Damit wird die Polierdauer für ein gegebenes Werkstück zusätzlich reduziert.
Weiterhin erfordert ein erfindungsgemäßes Polierverfahren nur einen zusätzlichen
Prozessschritt, nämlich die Mikrostrukturierung, um es in bestehende Fertigungsprozesse zu integrieren. Insbesondere lässt es sich auf Flächenpolierverfahren anwenden und erlaubt bereits in diesem Prozessschritt die genauere Korrektur von lokalen Abweichungen.
Außerdem reduzieren sich bei asphärischen Flächen durch die geringere Prozessdauer die durch die prinzipbedingte Fehlanpassung hervorgerufenen Geometrieabweichungen. Damit entfällt im besten Fall die Notwendigkeit für nachfolgende lokale Korrekturpolierschritte, mindestens aber werden die notwendigen Korrekturen stark reduziert. Darüber hinaus erlauben es diese Vorteile, asphärische Flächen derselben Oberflächentreue mit einem verringerten Satz an Polierkopfformen zu fertigen. Dadurch werden ebenfalls Prozesskosten eingespart.
Weitere Vorteile ergeben sich bei dem Einsatz in der Halbleiterfertigung oder der Fertigung von Mikrosystemen. Dort werden die Bauelemente durch schichtweisen Aufbau hergestellt, wobei in jeder Schicht die notwendige Mikrostrukturierung durch lithographische Verfahren erfolgt. Die verwendeten lithografi sehen Verfahren haben in der Regel eine planare
Fokusebene und eine geringe Abbildungstiefe (auch Tiefenschärfe genannt). Jede Unebenheit in der zu belichtenden Oberfläche bewirkt einen lokalen Fokusfehler und damit einen Fehler in der Breite der abgebildeten Struktur. Um diesen Fehler möglichst gering zu halten, werden die Zwischenoberflächen mit dem oben beschriebenen chemisch-mechanischen
Polierverfahren plan poliert.
Der erfindungsgemäße Planarisierungsmechanismus beruht dabei im Wesentlichen auf der bereits mehrfach erwähnten Eigenschaft des Elastizitätsmoduls der elastischen Oberfläche: Das Elastizitätsmodul weist in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische
Abhängigkeit in der Art auf, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame Deformationen. Dadurch ist es möglich, die zeitliche Veränderung der
Oberflächenstruktur mit relative einfachen mathematischen Mitteln sehr präzise
vorherzusagen. Da in das Prozessmodell bekannte Material- und Prozesseigenschaften eingehen, kann dieses Modell für beliebige Prozessbedingungen aufgestellt werden. Damit entfallen oder verringern sich die bislang aufwändigen Prozesscharakterisierungen mit Hilfe von Topographiemessungen an definierten Teststrukturen, wie sie beispielsweise in DE 100 65 380 B4 beschrieben werden.
Es ist nach dem Stand der Technik üblich, die Anordnung der für die Funktion des integrierten Schaltkreises notwendigen Strukturen so zu wählen, dass die Oberfläche nach dem Polieren möglichst eben ist. Auch ist es üblich, zusätzliche Strukturen (sogenannte Füllstrukturen) einzufügen oder die Form der funktional notwendigen Strukturen so zu wählen, dass die Oberfläche nach dem Polieren möglichst eben ist. Die Regeln, nach denen diese Veränderungen und Einfügungen vorgenommen werden, sind bisher empirischer Natur und wenig genau.
Eine weit verbreiteter Ansatz ist es, die lokale Layoutdichte (das heisst den Anteil der strukturierten Fläche an einem Ort, gemittelt innerhalb einer gewissen Umgebung) auf einen bestimmten Wertebereich einzugrenzen. Der Größe des Mittelungsbereichs wird durch empirische Messungen bestimmt und als eine charakteristische Länge des CMP Prozesses angesehen. Typische Werte für diese Planarisierungslänge liegen im Bereich von mehreren 100 μm bis zu wenigen Millimetern. Es ist unmittelbar klar, dass ein solcher Ansatz den Einfluss der kleinräumigen Layoutdichtevariationen nicht berücksichtigt. Es hat sich aber gezeigt, dass diese kleinräumigen Layoutdichtevariationen einen wesentlichen Teil der Höhenvariation nach dem Polieren verursachen, die insbesondere auch nicht durch ein automatisches Nachfahren der Fokusebene bei der Belichtung korrigiert werden können.
Darüber hinaus müssen solche empirischen Prozessmodelle bei jeder Änderung der
Prozessbedingungen neu ermittelt werden.
Durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Regeln ohne neuerliche empirische Charakterisierung ermittelt werden, da das Prozessmodell in definierter Art und Weise von Materialeigenschaften und Prozessparametern abhängt. Außerdem ist die Vorhersagekraft eines Prozessmodells, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ermittelt worden ist, wesentlich genauer, da der Einfluss der kleinräumigen Layoutdichtevariationen korrekt modelliert wird.
Aus demselben Grund ist es erfindungsgemäß möglich, die Oberflächengeometrie nach dem Polierprozess sehr genau vorherzusagen. Durch diese Vorhersage ist es möglich, den Einfluss von etwaigen nicht korrigierbaren Geometrieabweichungen durch geeignete Maßnahmen zu kompensieren. So ist es beispielsweise möglich, einen vorhandenen Defokusfehler durch einen geeigneten Strukturbreitenvorhalt in der darauf zu belichtenden Ebenen zu
kompensieren. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, den Einfluss einer lokalen
Abweichung der Dielektrizitätsschichtdicke zwischen zwei Metallebenen vom nominalen Wert simulatorisch zu untersuchen, um zu prüfen, ob die Abweichung an dieser Stelle kritisch für die Funktion des Schaltkreises ist, und ihren Einfluss gegebenenfalls durch eine geeigneten Auslegung der elektronischen Bauelemente zu kompensieren. Bei Linsenelementen ist es bei Kenntnis der systematischen Abweichungen von der Sollgeometrie möglich, die negativen Effekte durch geeignetes Design anderer oder zusätzlicher optischer Elemente zu lindern.
Die vorliegende Erfindung wird noch besser verstanden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 : illustriert einen lateralen Versatz von abbildenden Strahlen bei Vorliegen einer
Abweichung von einer idealplanaren Oberfläche;
Fig. 2: zeigt eine typische Frequenzabhängigkeit des Elastizitätsmoduls eines Polymers mit einem Glasübergang;
Fig. 3: zeigt in schematischer Darstellung eine chemisch-mechanische Poliermaschine für
Wafersubstrate;
Fig. 4: zeigt ein Ergebnis empirischer Untersuchungen zur Glättung einer
Oberflächentopographie als Funktion der räumlichen Frequenz;
Fig. 5: zeigt ein interpoliertes Höhenprofil;
Fig. 6: illustriert eine nach einem Polierverfahren gemäß des Standes der Technik
verbliebene Resttopographie;
Fig. 7: zeigt ein Höhenpro fil, auf das eine Mikrostruktur aufgeprägt wurde,
Fig. 8: illustriert ein Oberflächenprofil nach Mikrostrukturierung und anschließendem
Polierverfahren;
Fig. 9: zeigt eine Vorrichtung, mit deren Hilfe sowohl eine Mikrostrukturierung als auch ein Polierprozess durchgeführt werden kann;
Fig. 10: zeigt beispielhaft eine Vorrichtung, gemäß der Mikrostrukturierung und Polieren direkt in derselben Werkstückhalterung erfolgen können; und
Fig. 11 : zeigt ein Beispiel für eine Mikrostrukturierung, wobei ein materialbtragendes
Strukturierverfahren mit einem materialaufbringenden Verfahren kombiniert wird.
Figur 9 zeigt eine Vorrichtung, um das erfindungsgemäße Mikrostrukturierungsverfahren unter Verwendung eines lithographischen Strukturierungsverfahrens durchzuführen. Ein Roboterarm (43) mit einer Werkstückaufhahmevorrichtung (44) legt ein mit Photolack lackiertes Werkstück zunächst auf den Objekttisch (41) einer Belichtungseinheit. Dort wird der Photolack mit Hilfe eines Laserstrahles (40) belichtet. Der Laserstrahl wird durch eine geeignete Optik (39) auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Um an jeder Stelle der
Werkstückoberfläche das geeignete Korrekturmuster in den Lack zu belichten, ist die
Fokussieroptik (39) (oder alternativ der Objekttisch (41)) in alle drei Raumachsen verfahrbar. Anschließend legt der Roboterarm (43) das belichtete Werkstück zunächst in eine
Entwicklerstation (36), in der der Lack entwickelt, d.h. je nach Lacksorte der belichtete oder der unbelichtet Lack vorteilhafterweise nasschemisch abgelöst wird. Anschließend werden in der Ätzkammer (37) die vom Lack nicht maskierten Bereiche geätzt, so dass in der
Werkstückoberfläche die gewünschte Mikrostruktur entsteht. In einer Reinigungsstation (38) werden die verbliebenen Lackreste entfernt. Nun wird das Werkstück auf die Polierstation (42) gelegt und poliert.
Fig. 10 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die Mikrostrukturierung und das Polieren direkt in derselben Werkstückhalterung erfolgen können.
Zur Vereinfachung der Darstellung wird ein planares Werkstück (50) dargestellt. Das
Werkstück ist auf einem Halter (49) angebracht, welcher durch die Welle (48) in Drehung versetzt wird. Auf dem Polierkissenträger (52) ist das Polierkissen (51) angebracht. Beide werden über die Welle (54) ebenfalls in Rotation versetzt und darüber hinaus gegen das Werkstück gepresst. Über die Poliersuspensionszuführung (58) wird die Poliersuspension (45) auf die Werkstückoberfläche aufgebracht und verteilt sich (durch (57) angedeutet) dort insbesondere auch in den Zwischenraum zwischen Polierkissen (51) und Werkstück (50). Für das Aufprägen der verfahrensgemäßen Mikrostruktur ist eine Vorrichtung zur Laserablation in die Poliermaschine integriert. Eine geeignete Optik (46) fokussiert einen Laserstrahl (47) auf die Werkstückoberfläche. Die Optik ist in der Ebene parallel zu Oberfläche verfahrbar um an jedem Punkt der Werkstückoberfläche die geeignete Mikrostruktur aufzuprägen. Für gekrümmte Oberflächen kann die vertikale Position des Lasersfokus durch eine geeignete Optik oder durch Verfahren der Optik selbst variiert werden. Der Fachmann erkennt, dass in diesem Anwendungsbeispiel im Gegensatz zu den bislang beschriebenen
Anwendungsbeispielen der Polierkopf kleiner ist als das Werkstück. Diese Ausgestaltung erscheint hier zweckmäßig, da im umgekehrten Fall die Werkstückoberfläche nicht ohne weiteres für die Mikrostrukturierung zugänglich ist, da sie vollständig vom Polierkissen bedeckt ist. Die Ausgestaltung in diesem Anwendungsbeispiel ist beispielhaft, nicht jedoch beschränkend zu verstehen.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, ist es möglich, materialabtragende und -aufbringende Verfahren zur Mikrostruktierung miteinander zu kombinieren. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn sich die Höhenabweichungen nur über einen geringen Anteil der gesamten Werkstückoberfläche erstrecken, aber sowohl in die Oberfläche hinein als auch aus der Oberfläche hinaus zeigen. In diesem Fall können die unterschiedlichen Abweichungen durch das jeweils komplementäre Strukturierungsverfahren korrigiert werden, so dass die zu strukturierende Fläche auf die Abweichungen selbst beschränkt bleibt. Ein Beispiel einer solchen Prozessfolge ist in Figur 11 gezeigt. In denjenigen Bereichen, in denen die
Abweichung der Werkstoffoberfläche (60) nach außen zeigen, werden durch ein abtragendes Strukturierungsverfahren lokal Material abgetragen (61). In den Bereichen, in denen die Abweichungen nach innen zeigen, werden durch ein materialaufbringendes Verfahren lokal Material (62) aufgebracht. Dann wird eine homogenen Schicht (63) aufgebracht, die so dick ist, dass sie während der Polierdauer, die notwendig ist, um die verbleibenden
Höhenunterschiede einzuebenen, nicht vollständig abgetragen wird. Der Polierprozess erzeugt dann eine ebene Oberfläche (64) der Schicht (63).
Die folgenden Ausführungsbeispiele werden beispielhaft anhand des Planarschleifens von Siliziumwafern erläutert. Dies liegt zum einen daran, dass für dieses Anwendungsbeispiel eine quantitative Prozesscharakterisierung zur Verfügung steht, anhand derer sich die erfindungsgemäßen Vorteile beispielhaft quantifizieren lassen. Zum anderen ist die
Darstellung von planaren Werkstücken in Zeichnungen einfacher und übersichtlicher zu erreichen als für gekrümmte Flächen.
Alle Anwendungsbeispiele lassen sich aber durch geeignete Poliervorrichtungen auch auf gekrümmte Flächen verallgemeinern. Der wesentliche Unterschied besteht darin, einen gekrümmten Polierkissenkopf zu verwenden, der ein Negativabdruck der
Werkstückoberfläche ist.
Der wesentliche Unterschied beim Polieren von Werkstücken aus anderen Materialien besteht in einer Anpassung der Polierzeiten und gegebenenfalls der Verwendung anderer
Poliersuspensionen. Beide Modifikationen haben keinen Einfluss auf die wesentlichen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 3 zeigt die schematische Darstellung einer chemisch mechanischen Poliermaschine für Wafersubstrate. Bei dieser Anwendung soll die Waferoberfläche planar poliert werden. Der Polierkissenträger (15) ist daher als Scheibe ausgeführt und das Polierkissen (19) als dünnes Poliertuch. Der Polierkissenträger (15) wird durch eine Welle (16) in Rotation versetzt. Auf dem Träger ist ein Polierkissen (19) befestigt. Durch einen Flüssigkeitsauslass (17) wird die Poliersuspension (18) kontinuierlich auf das Polierkissen aufgebracht, so dass sie sich über dem Polierkissen und insbesondere auch zwischen dem Wafer (14) und dem Polierkissen (19) verteilt. Der Waferträger (13) presst den Wafer (14) mit einem einstellbaren Anpressdruck auf das Polierkissen (19). Über die Welle (12) wird auch der Waferträger (13) und mit ihm der Wafer (14) in Rotation versetzt.
Wafer und Polierkopf werden jeweils in Rotation um ihren jeweiligen Mittelpunkt versetzt. Die Winkelgeschwindigkeit dieser Rotationen ist so eingestellt, dass auf der gesamten
Waferoberfläche dem Betrage nach dieselbe Relativgeschwindigkeit zwischen Wafer- und Polierkissenoberfläche herrscht. Die Richtung der Relativgeschwindigkeit rotiert im
Bezugssystem des Wafer gleichmäßig mit der Zeit. Dadurch wird ein isotroper Abtrag erreicht, der zusätzlich in jedem Punkt des Wafers identisch ist.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen Wafer- und Poliertuchoberfläche wurde auf etwa 0.5m/s eingestellt. Das Polierkissen (16) ist ein doppellagiges Polyurethantuch. Die untere Schicht, welche mit der Waferoberfläche in direktem Kontakt steht, ist ein etwa 1270μm dickes, aufgeschäumtes Polyurethantuch. Die Poren haben eine typische Größe von etwa lOμm bis 80μm. Die zweite Lage ist ein weiteres, dickeres Poliertuch, insbesondere mit einem geringeren Elastizitätsmodul. Der nominale Anpressdruck zwischen Wafer und
Polierkissen beträgt etwa 41.4kPa. Die Poliersuspension enthält vorteilhafterweise 30% Polierpartikel aus Siliziumoxid, die eine mittlere Größe von 50nm haben. Eine bevorzugte Polierdauer beträgt 90s.
Empirische Untersuchungen zur Glättung der Oberflächentopographie als Funktion der räumlichen Frequenz haben den in Figur 4 Zusammenhang unter diesen Prozessbedingungen ergeben. Die Kurve (21) zeigt die Dämpfung der Amplitude (angetragen auf der y- Achse (22) in dimensionslosen Einheiten) von sinoidalen Oberflächentopographien in Abhängigkeit von deren Wellenlänge (angetragen auf der oberen x- Achse (20) in μm), bzw. der räumlichen Frequenz (untere x-Achse (23) in μm "1 ). Deutlich ist das tiefpassartige Verhalten des
Polierprozesses zu erkennen. Dieses Prozessmodell resultiert aus dem durch Formel (Fl) genäherten Verlauf des dynamischen Elastizitätsmoduls mit einer Glasübergangsfrequenz von etwa 18000 Hz. Als Beispiel für eine mögliche Oberflächenabweichung nehmen wir an, dass der ansonsten ideal planare Wafer mit einem Durchmesser von 300mm an einer beliebigen Stelle eine gaussförmige Erhebung habe, die eine Höhe von 200nm und eine Halbwertsbreite von etwa 500μm habe. Die Oberflächengeometrie des Wafers sei aus einer interferometrischen
Messung bekannt, welche eine laterale Auflösung im Bereich von lOμm hat. In Figur 5 ist das interpolierte Höhenprofil (24) einer solchen Abweichung als Funktion des Ortes (in μm auf der x-Achse (26)) aufgetragen. Der Nullpunkt der Höhenachse (25) ist dabei so gewählt, das sich alle Abweichungen im Mittel aufheben. Die Richtung der Höhenachse zeigt aus der Waferoberfläche hinaus. Die Höhen auf der Höhenachse sind in Einheiten von nm angegeben. Wegen der sehr geringen Ausdehnung der Erhebung ist die mittlere Höhe der
Waferoberfläche nahezu identisch zur Höhe in großen Abständen von der Erhebung.
Nach Anwendung des oben beschriebenen Polierverfahrens nach dem Stand der Technik (das heißt insbesondere ohne das Aufprägen einer kurzwelligen Oberflächenstruktur, also ohne Mikrostrukturierung) verbleibt die in Figur 6 gezeigte Resttopographie (27) (Achsendefinition und Skalierung wie in Figur 5). Die angenommene Abweichung wird nur um einen Faktor von etwa 4 reduziert. Der verbleibende maximale Höhenunterschied nach dem Polierprozess beträgt etwa 54nm.
Für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Höhenprofil in Figur 5 nun eine geeignete Mikrostruktur ermittelt. In diesem Beispiel gehen wir davon aus, dass ein Lithograpieverfahren zur Verfügung steht, welches eine laterale Auflösung von besser als 2μm, sowie eine Ätztiefe von d=400nm hat. Dann lässt sich eine geeignete
Mikrostruktur auf folgende Art finden. Die zur Verfügung stehende Ätztiefe wird in 16 äquidistante Klassen unterteilt. Jeder dieser Höhenklassen wird ein 4x4 Pixelmuster zugeordnet. Ausgefüllte (schwarze) Pixel bezeichnen 2x2 μm 2 große Felder, an denen geätzt wird, während bei unausgefüllten (weissen) Pixeln auf 2x2 μm 2 großen Feldern keine Ätzung stattfindet. Die mittlere Höhe der so entstehenden lokalen Ätzmuster sind bis auf einen Offset von d/2 und den Faktor„-1" identisch zum Mittelpunkt des zugeordneten Höhenintervalls. Ein solcher Satz von lokalen Ätzmustern zusammen mit den zugehörigen Höhenklassen ist beispielhaft in der folgenden Tabelle aufgelistet.
Tabelle 1: Zuordnungstabelle zwischen lokaler Höhenabweichung und lokalem
Korrekturätzmuster
Aus den interferometrischen Höhendaten der Werkstückoberfläche werden nun die
Durchschnittshöhen in bündig aneinanderliegenden quadratischen 8x8 μm 2 großen Bereichen bestimmt. Nach der Definition der Höhenskala ist diese lokale Durchschnittshöhe
gleichbedeutend mit der Differenz zwischen dieser lokalen und der globalen
Durchschnittshöhe. Die lokale Durchschnittshöhe fällt in eine der 16 äquidistanten
Höhenklassen. Die zur Korrektur dieser Differenz notwendige lokale Mikrostruktur wird dann anhand der Tabelle 1 bestimmt.
Dieses relativ einfache Verfahren mit Hilfe einer festen Zuordnung zwischen Höhenklasse und lokaler Mikrostruktur dient an dieser Stelle nur der Verdeutlichung des Verfahrens. Es ist offensichtlich, dass die Bestimmung der Mikrostruktur deutlich verbessert werden kann. Beispielsweise lässt sich eine feinere Höhendiskretisierung in Kombination mit einem größeren Satz an lokalen Mustern verwenden. Darüberhinaus können auch Algorithmen zur Umwandlung eines Graubildes in ein gerastertes Schwarzweissbild (sog.„Dithering") angewandt werden. Ein solcher Ditheringalgoritmus ist beispielsweise von R.W. Steinberg und L. Steinberg angegeben worden (R.W. Floyd, L. Steinberg, An adaptive algorithmfor spatial grey scale. Proceedings of the Society of Information Display 17, 75-77 (1976)). Des Weiteren ist bei dem beispielhaft beschriebenen Verfahren das Prozessmodell für den Polierschritt nur dazu verwendet worden, die Größe der lokalen Korrekturätzmuster festzulegen. Man erkennt in Figur 3, dass die Größe der lokalen Korrekturmuster von 8μm in den Strukturbreitenbereich fallt, in denen die Dämpfung der Oberflächentopographie sehr stark ist. Die genaue Form der Dämpfungskurve wurde hingegen nicht ausgenutzt, um das Korrekturmuster zu bestimmen. Durch vollständig rechnergestützte Verfahren, die die Optimierung des Korrekturmusters unter Berücksichtigung des gesamten Prozessmodells durchführen, ist daher eine noch bessere Anpassung der Mikrostrukturierung an die vorhandenen Abweichungen möglich.
Diese oben beispielhaft bestimmte Mikrostruktur wird nun auf das ursprüngliche Höhenprofil aufgeprägt. Dadurch entsteht das in Figur 7 gezeigte Höhenprofil (30) (Achsendefinition und Skalierung wie in Figur 5). Es ist deutlich zu sehen, dass im Maximum nahezu die gesamte Fläche abgeätzt wird. Hier wird durch die Ätzung das lokale Höhenniveau um 400nm gesenkt. Außerhalb der lokalen Abweichung wird das Ätzmuster mit 50% Flächenbelegung verwendet, wodurch eine lokale mittlere Höhenabsenkung von nur 200nm erfolgt. Diese Differenz entspricht genau der ursprünglichen Höhe der Abweichung. Auf den Flanken der Abweichung nimmt die Flächenbelegung der Korrekturmuster zum Zentrum hin zu, um das ansteigende Höhenprofil zu kompensieren.
In Figur 8 ist das Oberflächenprofil der so modifizierten Oberfläche nach dem hier angenommenen Polierverfahren gezeigt (Achsendefinition und Skalierung wie in Figur 5). Die Resttopographie (33) beträgt nur mehr etwa 5nm und ist damit um eine Größenordnung gegenüber dem reinen Polierprozess reduziert worden. Um ohne die
Oberflächenstrukturierung eine vergleichbare Planarität zu erreichen, müsste die Polierdauer von den hier angenommenen 90s auf etwa 300s erhöht werden.
Bei diesem beispielhaften Verfahren der Festlegung der Mikrostruktur werden Bereiche, in denen die Werkstückoberfläche nur wenig von der Sollgeometrie abweicht, mit einem Korrekturmuster von 50% Flächenbelegung geätzt. Dies ist notwendig, um auch (in Figur 5 nicht gezeigte) negative Höhenabweichungen korrigieren zu können. Ein Nachteil ist allerdings, dass grundsätzlich die gesamte Werkstückoberfläche geätzt werden muss. Es kann deshalb je nach Anforderung und Ausgangstopographie vorteilhaft sein, das Referenzniveau für die Höhenabweichung geeignet zu verschieben und den gesamten vom Ätzprozess ermöglichten Höhenkorrekturbereich nur zur Korrektur der positiven Abweichungen zu verwenden. Alternativ kann auch eine Kombination aus materialabtragenden und -aufbringenden
Mikrostrukturierungsverfahren verwendet werden.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel verwenden wir ein Laserablationsverfahren zur Oberflächenstrukturierung.
Laserablationsverfahren erreichen typischerweise eine minimale Strukturierungsbreite von 10 - 50μm. Unter Verwendung desselben Verfahrens wie im vorangegangenen Beispiel zur Ermittlung des Korrekturätzmusters ergibt sich damit eine maximale Strukturbreite von etwa 40μm - 200μm. Bei dieser Strukturbreite ist das Elastizitätsmodul unter den oben genannten Prozessbedingungen noch nicht in der hochfrequenten Sättigung.
Daher wird in diesem Anwendungsbeispiel eine Relativgeschwindigkeit von 2.5- 12.5m/s verwendet, was also um einen Faktor 5-25 höher ist als im vorhergehenden
Anwendungsbeispiel. Sollten solche Relativgeschwindigkeiten mit einer in Figur 2 gezeigten rotierenden Poliermaschine nicht erreichbar sein, so können beispielsweise
Linearpoliermaschinen verwendet werden, bei denen das Poliertuch nur in einer
translatorischen Bewegung über das Werkstück geführt wird.
Die Erhöhung der Relativgeschwindigkeit hat zur Folge, dass die räumliche Frequenz der aufgeprägten Mikrostruktur in eine höhere Frequenz der im Polierkissen erzeugten
Deformation umgewandelt wird. Insbesondere gilt der Zusammenhang: ω t = v r ω s (F2) wobei ω t die zeitliche Frequenz der Deformation, ω s die räumliche Frequenz und v r die Relativgeschwindigkeit bezeichnet.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel nehmen wir an, dass die erreichbare maximale Relativgeschwindigkeit nur 2 m/s beträgt und das Strukturierungsverfahren eine minimale Auflösung von 20μm hat. Damit sind die durch die Mikrostrukturierung erzeugten zeitlichen Deformationsfrequenzen nur um einen Faktor 0.4 geringer als im ersten Anwendungsbeispiel.
Um diesen Faktor auszugleichen, wird in diesem Anwendungsbeispiel die
Temperaturabhängigkeit des Glasübergangs ausgenutzt.
Das Temperaturverhalten der Glasübergangsfrequenz folgt bei den meisten Polymeren in guter Näherung einem Arrhenius-Gesetz, das heißt, es gilt: wobei ΔH eine materialspezifische Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante, T die
Temperatur und ω 0 eine Materialkonstante ist. Da die Frequenzabhängigkeit des
Elastizitätsmoduls nur vom Verhältnis ω/ω tr abhängt, ist eine Verschiebung der
Glasübergangsfrequenz von ω tr i zu ω tr>2 äquivalent zu einer Skalierung der Frequenzachse um den Faktor ω tr> 2/ωtr,i•
Um die Glasübergangsfrequenz ω tr um den Faktor 0.4 gegenüber der Temperatur Ti aus dem ersten Anwendungsbeispiel zu verringern und damit die gesamte Frequenzabhängigkeit um denselben Faktor zu skalieren, ergibt sich folgender Zusammenhang:
0,4 = ^ ω tr 1 = exp,^ K (f I 2 -f I 1 ), (F4)
Typische Aktivierungsenergien liegen im Bereich von 10-100 kJ/mol und können durch geeignete Herstellungsverfahren des verwendeten Polymers eingestellt werden.
Polierprozesse wie der in Figur 4 charakterisierte laufen bei Raumtemperatur und darüber ab. Durch eine Temperaturverringerung von 1OK bis 30K kann man daher je nach
Aktivierungsenergie Skalierungen der Frequenzabhängigkeit um den hier angenommenen Faktor 0.4 und darüber erreichen.
Daher wird in diesem Anwendungsbeispiel der Polierkissenträger mit Hilfe einer geeigneten Temperaturregelung auf eine Temperatur abgekühlt, die etwa 1OK bis 30K unterhalb der Prozesstemperatur aus dem ersten Anwendungsbeispiel liegt. Dies kann beispielsweise durch eine Flüssigkeitskühlung mit einem geeigneten Kühlmittel, wie sie in Figur 10 angedeutet ist, ermöglicht werden. Ein Kühlmittel strömt über den Zufluss (55), eine Rohrleitung (52) im Inneren des Polierkissenträgers und den Abfluss (56) durch den Polierkissenträger. Auch andere Kühlvorrichtungen etwa mit Peltierelementen sind möglich.
Damit erreicht man trotz der größeren Strukturbreiten und der geringeren
Relativgeschwindigkeit wieder, dass die durch die Mikrostrukturierung induzierten
Deformationsfrequenzen in dem Bereich liegen, in dem das dynamische Elastizitätsmodul die gewünschten hohen Werte annimmt. In einem weiteren Anwendungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von einer Mikrolinsenmatrix verwendet. Im Unterschied zu den bisherigen Anwendungsbeispielen wird hier die Form der optisch aktiven Oberfläche direkt durch die geeignete Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt.
Jede Einzellinse soll einen Durchmesser im Bereich von lmm haben, und die Anordnung soll beispielsweise in einer quadratischen Matrix erfolgen, wobei der Abstand der Linsen identisch zu deren Durchmesser sein. Das Linsenprofil soll sphärisch sein mit einem
Kugelradius von 500mm. Dadurch ergibt sich eine Linsenhöhe von 1 μm.
Man geht von einem planaren Substrat eines geeigneten Materials (z.B. Quarzglas oder Silizium) aus. In dieses Substrat wird durch photolithographische Mikrostrukturierung eine geeignete Mikrostruktur eingeprägt. Die Berechnung der Mikrostruktur kann auf analoge Weise wie im ersten Anwendungsbeispiel erfolgen, wobei als Sollgeometrie in diesem Beispiel die Oberfläche der Mikrolinsenmatrix eingesetzt wird. Durch den anschließenden Polierschritt wird wiederum die kurzwellige Mikrostruktur eingeebnet, aber die langwelligen Komponenten der aufgebrachten Mikrostruktur bleiben erhalten und bilden die gewünschten sphärischen Mikrolinsen.
Um kleinere Kugelradien zu erreichen, kann bei dieser Anwendung mit größeren Ätztiefen gearbeitet werden, oder es können mehrere Prozesszyklen gegebenenfalls mit
unterschiedlichen Prozessparametern (insbesondere Polierkissenrauigkeit) verwendet werden. Außerdem kann es zur Berechnung der Mikrostruktur notwendig werden, mit
Prozessmodellen zu arbeiten, die die höheren Ordnungen des effektiven Federgesetzes berücksichtigen. Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer weicheren elastischen
Zwischenschicht zwischen dem oberen Polierkissen und dem Polierkissenträger, um die Anpassung der Polierkissenoberfläche an die langreichweitigen Höhenunterschiede zu erlauben.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel verwenden wir das aus dem dynamischen
Elastizitätsmodul und der anderen Prozessparametern bestimmte Prozessmodell zur
Platzierung von Füllstrukturen zur Verbesserung der Planarität einer dielektrischen
Isolationsschicht zwischen zwei Metallebenen eines integrierten Schaltkreises. Wir gehen davon aus, dass das Prozessmodell durch eine einfache Faltung mit der in Figur 4 gezeigten Faltungsfunktion beschrieben werden kann, das heißt, dass die Höhenunterschiede in der dielektrischen Schicht klein sind gegenüber der Rauigkeit des Polierkissens. Zunächst wird aus dem Leiterbahnenlayout der unteren Metallschicht eine Näherung für die Oberflächengeometrie der Werkstückoberfläche nach der Abscheidung der dielektrischen Schicht errechnet. Im einfachsten Fall erfolgt dies dadurch, dass allen Flächen, auf denen eine Leiterbahn gezeichnet ist, die Höhe der Metallschichtdicke zugeordnet wird, und alle anderen Bereiche auf die Höhe null gesetzt werden. Vorteilhafter ist es an dieser Stelle, genauere Modelle für den Abscheideprozess zu verwenden. Dann wird die Oberfläche in kleine Parzellen unterteilt, und in jeder Parzelle wird die mittlere Höhe errechnet. Die
Parzellengröße wird dabei vorteilhafterweise so gewählt, dass sie deutlich kleiner ist als der typische Radius der Faltungsfunktion des Prozessmodells.
Mit der so ermittelten Oberflächengeometrie und dem Prozessmodell wird die
Oberflächengeometrie nach dem Polierprozess ermittelt. Für den hier angenommen Fall erfolgt dies vorteilhafterweise durch Multiplikation der fouriertransformierten
Oberflächengeometrie mit der fouriertransformierten Faltungsfunktion des Prozessmodells.
Um eine möglichst ebene Oberflächengeometrie der Werkstückoberfläche nach dem Polieren zu erreichen, sucht man nun eine Höhenkorrekturfunktion, um die die ursprüngliche
Oberflächengeometrie korrigiert werden muss. Aufgrund des tiefpassartigen Verhaltens des Prozessmodells kann man eine solche Höhenkorrekturfunktion dadurch finden, dass man von der ursprünglichen Oberflächengeometrie nur die langwelligen Komponenten bis zu einer bestimmten räumlichen Frequenz berücksichtigt und alle kurzwelligeren Beiträge zu null setzt. Die räumliche Grenzfrequenz ermittelt man aus der Faltungsfunktion in der Art, dass die Fläche unterhalb der Grenzfrequenz einen sehr großen Anteil (z.B. 95%) an dem
Gesamtintegral der Faltungsfunktion hat. Die Lage einer entsprechend gewählten
Grenzfrequenz ist beispielhaft in Figur 4 durch (66) angedeutet und dort mit ω thr bezeichnet. Durch Rücktransformation der so ermittelten Höhenkorrekturfunktion in den Ortsraum erhält man an jedem Ort die erforderliche Höhe, um welche die mittlere Höhe durch Hinzufügen entsprechender Füllstrukturen verändert werden muss. Da die Höhenkorrekturfunktion nur bis zu der räumlichen Grenzfrequenz ω thr von null verschieden ist, gilt die ermittelte
Höhenkorrektur für einen größeren Bereich als die ursprünglich gewählte Parzellengröße. Dadurch wird der Ausdehnung der Faltungsfunktion Rechnung getragen. Je größer dieser Bereich ist, desto größer ist auch die Fläche, auf der Füllstrukturen platziert werden können, und desto einfacher wird es daher, die Höhenkorrektur zu erreichen.
Im Allgemeinen wird dieses Verfahren sowohl positive als auch negative Höhenkorrekturen ermitteln. Da üblicherweise nur ein Hinzufügen zusätzlicher Füllstrukturen erlaubt ist, ergibt sich dadurch das Problem, dass nur positive Höhenkorrekturen (d.h. eine Anhebung der mittleren lokalen Höhe) möglich sind. Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass die Höhenkorrekturfunktion durch einen konstanten Offset erweitert wird, der so groß gewählt wird, dass die negativen Höhenkorrekturen in positive Werte umgewandelt werden. Da es sich um einen konstanten, also ortsunabhängigen Offset handelt, verändert er die
Oberflächengeometrie nach dem Polieren nicht.
Im Folgenden werden besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung noch einmal aufgezählt.
A Verfahren zum Polieren und zur Formgebung von Werkstückoberflächen umfassend die Schritte:
- Ermitteln der Maßabweichungen von der gewünschten Geometrie
- Aufsetzen einer elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche
- Polieren der Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes der elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche und Bewegen der elastischen Oberfläche und der Werkstückoberfläche relativ zu einander gekennzeichnet durch
die Verwendung eines Materials für die elastische Oberfläche, dessen Elastizitätsmodul in einem bestimmten Frequenzbereich eine dynamische Abhängigkeit in der Art aufweist, dass die Kraft, welche notwendig ist, um eine zeitlich variierende Deformation in dem Material zu erzeugen, für rasche Deformationen größer ist als für langsame
Deformationen.
B Polierverfahren nach Beispiel 1, mit dem Schritt
Strukturieren der Werkstückoberfläche mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens vor dem Polierschritt, derart, dass langwellige Abweichungen von der Sollgeometrie unter Inkaufnahme einer definierten kurzwelligen Oberflächentopographie reduziert werden.
C Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis B mit dem Schritt
Auswählen der Prozessbedingungen, insbesondere der Temperatur und dem Betrag der Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkstückoberfläche und der elastischen Oberfläche, derart dass durch die Mikrostrukturierung erzeugte kurzwellige
Abweichungen wesentlich schneller eingeebnet werden, als unkorrigierte langwellige Abweichungen.
D Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis C,
wobei die Verfahrensschritte mehrmals hintereinander ausgeführt werden.
E Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolithographisches Verfahren unter zu Hilfenahme einer Photomaske vorgenommen wird.
F Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines photolithographischen Verfahrens unter Verwendung eines computergesteuerten Laserstrahles vorgenommen wird.
G Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe von aus der Drucktechnik bekannten lithographischen Verfahren zum Strukturieren einer Lackmaske und einem anschließenden Ätzschritt zum Abformen der Lackmaskengeometrie in die
Werkstückoberfläche vorgenommen wird.
H Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe einer computergesteuerten Laserablationsverfahren vorgenommen wird.
I Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit Hilfe eines computergesteuerten mechanischen Abtragsverfahren etwa durch mechanisches Ritzen mit geeignet harten Spitzen vorgenommen wird. J Polierverfahren nach einem der Beispiele B bis D,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrostruktur bereits durch eine geeignete Prozessführung formgebender Vorprozesse erzeugt wird.
K Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis C,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächenstruktur, die durch eine Platzierung von Bauelementen und die Fertigungsprozesse erzeugt wird, durch eine Platzierung von weiteren nichtfunktionalen Bauelementen so beeinflusst wird, dass langwellige Abweichungen von der Sollgeometrie unter Inkaufnahme von kurzwelligen Abweichungen reduziert werden.
L Polierverfahren nach einem der Beispiele A bis K,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus den Prozess- und Materialeigenschaflten ein Prozessmodell zur Vorhersage der Oberflächengeometrie nach dem Polierverfahren abgeleitet wird.
M Polierverfahren nach Beispiel L,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, den Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung von der Sollgeometrie entsteht, durch eine Formgebung des Werkstückes selbst oder weiterer optischer Elemente zu korrigieren.
N Polierverfahren nach Beispiel L,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aus dem Prozessmodell vorhergesagte Oberflächengeometrie verwendet wird, den Abbildungsfehler, der durch eine Abweichung von der Sollgeometrie entsteht, durch eine Anpassung der Geometrie von Bauteilen zu kompensieren, welche mit einem nachfolgenden Lithographieverfahren strukturiert werden.
O Vorrichtung zur Durchführung eines Polierverfahrens nach einem der Beispiele A bis J mit einem Waferträger (13) zum Tragen des Werkstückes und einem Polierkissenträger (15) zum Tragen der elastischen Oberfläche, wobei das Polieren der
Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines Druckes der elastischen Oberfläche auf die Werkstückoberfläche und Bewegen der elastischen Oberfläche und der
Werkstückoberfläche relativ zu einander durch eine geeignete Mechanik erfolgt und einer Vorrichtung, welche Mikrostrukturen durch eines der in Beispiel E bis H beschriebenen Verfahren erzeugen kann.