Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Elektronenstrahlung. Unter Werkstückbearbeitung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist sowohl die materialverändernde Verarbeitung, insbesondere die Materialabtragung, als auch die materialneutrale Bearbeitung, insbesondere die Werkstückvermessung, zu verstehen.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken hat man verschiedene grundlegende Probleme zu bewältigen. Ein erstes Problem besteht darin, das Werkstück exakt zu positionieren, bevor es zum Beispiel materialverändernd bearbeitet werden soll. Eine solche Positionierung kann etwa von der Lage konkreter Oberflächenstrukturen abhängen. Insbesondere bei aus nicht transparenten Werkstoffen bestehenden Werkstücken ist die exakte Positionierung schwierig, wenn sie von der Lage von Oberflächenstrukturen abhängt, die auf der Werkstückrückseite liegen. Das Werkstück muss daher aufwendig vermessen und/oder die Bearbeitungsvorrichtung entsprechend justiert werden.

Ein zweites Problem besteht darin, beim Materialabtrag die verbleibende Materialschichtdicke zu bestimmen. Dieses Problem stellt sich beispielsweise bei der materialabtragenden Werkstückbearbeitung mittels Elektronenstrahl, aber auch zum Beispiel beim nasschemischen ätzen von Siliziumwafern.

Ein weiteres Problem besteht darin, bei der materialabtragenden Bearbeitung eines mehrschichtigen Werkstücks den Materialabtrag genau dann zu beenden, wenn eine Schichtgrenze erreicht ist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einem gemeinsamen Funktionsprinzip, mit dem alle vorgenannten Probleme in einfacher und eleganter Weise lösbar sind. Demzufolge wird das Werkstück auf einer ersten Werkstückseite mit Elektronenstrahlung bestrahlt, die so gewählt ist, dass sie im Material des Werkstücks Röntgenstrahlung erzeugt. Die aus dem Werkstück auf einer der ersten Werkstückseite gegenüberliegenden zweiten Werkstückseite austretende Röntgenstrahlung wird dann detektiert.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken umfasst demzufolge zusätzlich zu einer Werkstückaufnahme eine entsprechende Elektronenstrahlungsquelle auf einer ersten Seite der Werkstückaufnahme und einen entsprechenden Röntgenstrahlungsdetektor auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Werkstückaufnahme gegenüberliegend der Elektronenstrahlungsquelle.

Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass Elektronenstrahlen im Material Röntgenstrahlen erzeugen, die mit einem einfachen Detektor erfasst werden können. Zwar absorbiert das Material die Röntgenstrahlen selbst wieder. Ab einer bestimmten Materialdicke werden die

Röntgenstrahlen jedoch nicht mehr vollständig vom Material absorbiert. Indem die auf der Rückseite des Werkstücks austretende Röntgenstrahlung detektiert wird, kann auf die Materialschichtdicke an der betreffenden Stelle zurückgeschlossen werden.

Dieses Prinzip kann einerseits zur Vermessung der Werkstückoberfläche und Bestimmung konkreter Oberflächenstrukturen verwendet werden. In diesem Fall wird die Elektronenstrahlung zweckmäßiger Weise so gering gewählt, dass eine Materialveränderung nicht erfolgt. Vorzugsweise wird ein gebündelter Elektronenstrahl verwendet und damit die Oberfläche der

ersten Werkstückseite abgetastet, beispielsweise entlang einer oder mehrerer Linien. An Stellen des Werkstücks, die ausreichend dünn sind, dass die im Werkstück mittels des Elektronenstrahls erzeugte Röntgenstrahlung auf der Werkstückrückseite austritt, lässt sich anhand sich ändernder Röntgenstrahlungsintensitätswerte auf

Oberflächenstrukturen zurückschließen, wobei ohne weitere Informationen allerdings keine zuverlässige Aussage darüber zu treffen ist, ob sich die Oberflächenstrukturen auf der Werkstückvorderseite oder auf der Werkstückrückseite oder auf beiden Seiten befinden. Immerhin kann anhand der Höhe der detektierten Röntgenstrahlungsintensität ein Maß für die Schichtdicke und ein Schichtdickenprofil abgeleitet werden, das durch Vergleich mit materialabhängigen Referenzwerten exakt quantifizierbar ist.

Sind zwar die Oberflächenstrukturen auf der Werkstückvorderseite und auf der Werkstückrückseite bekannt, nicht dagegen ihr vertikaler Abstand zueinander und/oder ihre laterale Position relativ zueinander, so lässt sich anhand des ermittelten Dickenprofils sowohl auf ihre relative vertikale als auch auf ihre relative laterale Position zurückschließen. Dies ermöglicht es insbesondere, ein Werkstück lateral exakt zu positionieren, bevor es in irgendeiner Weise weiter bearbeitet wird .

Bei einer (anschließenden) materialabtragenden Werkstückbearbeitung kann das erfindungsgemäße Messprinzip beispielsweise zur Bestimmung einer Restschichtdicke eingesetzt werden. Sobald der Materialabtrag so weit fortgeschritten ist, dass die im Material von der Elektronenstrahlung erzeugte Röntgenstrahlung auf ihrem Weg durch die verbleibende Materialschichtdicke nicht vollständig absorbiert wird, sondern auf der Werkstückrückseite austritt, kann die auf der Werkstückrückseite detektierte Röntgenstrahlungsintensität als Maß für die verbleibende Schichtdicke herangezogen und ausgewertet werden. Sobald die detektierte

Röntgenstrahlung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet, der für das betreffende Material eine bestimmte Materialschichtdicke definiert, kann der Materialabtragungsvorgang beendet werden. Dieses Prinzip ist insbesondere geeignet für Verfahren, bei denen der Materialabtrag mittels des Elektronenstrahls selbst erfolgt. Es ist aber genauso geeignet für andere Verfahren, bei denen der Materialabtrag in anderer Weise erfolgt.

Es ist auch möglich, die jeweils aktuell detektierte Röntgenstrahlung, also den aktuellen Dickenwert, als Stellgröße in einen die Materialabtragung steuernden Regelkreis einfließen zu lassen. Beispielsweise kann die Leistung eines den Materialabtrag bewirkenden Elektronenstrahls in geeigneter Weise reduziert werden, je näher man der gewünschten Materialschichtrestdicke kommt. Die detektierte Röntgenstrahlung ist dabei immer eine Funktion der eingestrahlten Elektronenstrahlintensität pro Fläche, der Materialschichtdicke und des Materials selbst.

Eine weitere interessante Möglichkeit zur Steuerung eines materialabtragenden Bearbeitungsprozesses mittels des erfindungsgemäßen Prinzips besteht darin, die Materialabtragung in vertikaler Richtung genau dann zu beenden, wenn in einem mehrschichtigen Material eine Schichtgrenze erreicht ist. Dabei wird die physikalische Eigenschaft ausgenutzt, dass das Röntgenspektrum der von der Elektronenstrahlung erzeugten Röntgenstrahlung für unterschiedliche Materialien unterschiedlich ist. Bei Erreichen einer Schichtgrenze ändert sich somit schlagartig die Charakteristik der detektierten Röntgenstrahlung.

Die Erfindung lässt sich somit in mehrfacher Hinsicht bei der Werkstückbearbeitung einsetzen, insbesondere bei der Werkstückjustage zur lateralen Positionsbestimmung oder beim Materialabtrag zur vertikalen

Positionsbestimmung oder für beides. Sie eignet sich beispielsweise zum Einsatz bei der Herstellung von Mikrokomponenten für die Hochtemperaturdrucksensorik, insbesondere zur Steuerung der Membrandicke beim ätzen von Silizium und Bestimmung der Membranrestdicke.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken,

Figur 2 schematisch den Vorgang des Abtastens eines Werkstücks mittels eines Elektronenstrahls, und

Figur 3 schematisch den Vorgang des Materialabtragens mittels Elektronenstrahl.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst ein Elektronenstrahlgerät 1 , welches parallel zu einem in einer Werkstückaufnahme 2 aufgenommenen Werkstück 3 verlagerbar ist, um den aus dem Elektronenstrahlgerät 1 austretenden Elektronenstrahl 4 über die Oberfläche einer ersten Seite 3a des Werkstücks 3 bewegen zu können. Die von dem Elektronenstrahl 4 im Werkstoff des Werkstücks 3 erzeugte Röntgenstrahlung wird, soweit sie aus der Rückseite 3b des Werkstücks 3 austritt, mittels eines Röntgenstrahlungsdetektors 5 detektiert, der relativ zur Werkstückaufnahme 2 gegenüberliegend dem Elektronenstrahlgerät 1 angeordnet ist. Das Elektronenstrahlgerät 1 und der Röntgenstrahlungsdetektor 5 sind an eine Auswerteeinrichtung 6

angeschlossen, die unter Berücksichtigung der aktuellen Position des Elektronenstrahlgeräts 1 und der vom Röntgenstrahlungsdetektor 5 detektierten Röntgenstrahlung die Dicke des Werkstücks 3 an der vom Elektronenstrahl 4 zu dem betreffenden Zeitpunkt bestrahlten Stelle des Werkstücks 3 bestimmt. Indem die Elektronenstrahlung als gebündelter Elektronenstrahl 4 an einer definierten Stelle des Werkstücks 3 auftrifft, muss der Röntgenstrahlungsdetektor 5 selbst nicht ortsaufgelöst arbeiten. Zur Ortsauflösung kann die Elektronenstrahlrichtung des Elektronenstrahls 4 beziehungsweise die aktuelle Position des Elektronenstrahlgeräts 1 herangezogen werden.

Mittels der Vorrichtung gemäß Figur 1 kann sowohl die Oberflächenkontur des Werkstücks 3 erfasst werden, indem die Oberfläche 3a mit geeigneter relativ geringer Elektronenstrahlungsintensität abgetastet wird. Dies funktioniert, soweit die Strahlungsintensität ausreichend groß und die Materialdicke ausreichend gering ist, dass mittels des Elektronenstrahls 4 im Werkstück 3 erzeugte Röntgenstrahlung auf der Rückseite 3b des Werkstücks 3 austritt.

Andererseits kann mittels der Vorrichtung gemäß Figur 1 während der materialabtragenden Werkstückbearbeitung die Restdicke des Werkstücks 3 ermittelt werden, insbesondere wenn der Elektronenstrahl 4 selbst die Werkstoffabtragung hervorruft. Aufgrund der ermittelten Restdicke kann der Abtragungsprozess gesteuert und/oder bei einer vorgegebenen Restdicke gestoppt werden.

Figur 2 zeigt schematisch den Vorgang des Abtastens der Oberfläche eines mehrschichtigen Werkstücks 3. Das Werkstück 3 besteht aus insgesamt drei Schichten 11 , 12, 13. Die obere Seite 3a des Werkstücks 3, auf weiche

die Elektronenstrahlung 4 auftrifft, weist eine Vertiefung 7 auf. Die unterste Schicht 13 ist nur lokal im Bereich der Aussparung 7 vorhanden.

Beim Abtasten der Oberfläche 3a mittels des Elektronenstrahls 4 zur Bestimmung der relativen lateralen Lage der unteren lokalen Schicht 13 zur oberen Aussparung 7 überstreicht der Elektronenstrahl 4 von links nach rechts zunächst einen relativ dicken Bereich des Werkstücks 3, in welchem die im Werkstück 3 durch die Elektronenstrahlung 4 erzeugte Röntgenstrahlung 8 auf ihrem Weg zur Werkstückrückseite 3b vollständig absorbiert wird. Sobald der Elektronenstrahl 4 die Aussparung 7 erreicht, ist die Schichtdicke des Werkstücks 3 ausreichend gering, dass die erzeugte Röntgenstrahlung 8 an der Werkstückrückseite 3b austritt und mittels des (in Figur 2 nicht dargestellten) Röntgenstrahldetektors 5 detektiert werden kann. Im weiteren Verlauf überstreicht der Elektronenstrahl 4 die lokale Beschichtung 13. In diesem Abschnitt tritt an der Rückseite 3b des

Werkstücks 3 keine Röntgenstrahlung 8 aus, weil sie aufgrund der erhöhten Materialschichtdicke vollständig absorbiert wird. Selbst wenn sie nicht vollständig absorbiert würde, würde die in diesem Abschnitt austretende Röntgenstrahlungsintensität zumindest abnehmen, so dass die relative Lage der lokalen Schicht 13 zur gegenüberliegenden Vertiefung 7 dennoch eindeutig feststellbar wäre. Aufgrund der so ermittelten Vermessungsdaten kann das Werkstück und/oder die Werkstückbearbeitungsvorrichtung zur weiteren Bearbeitung des Werkstücks 3 exakt justiert werden.

Figur 3 zeigt dasselbe Werkstück 3 nach einer materialabtragenden

Bearbeitung mittels eines entsprechend stärkeren Elektronenstrahls 4. Da zuvor die exakte relative Lage der lokalen Schicht 13 auf der Werkstückrückseite 3b relativ zur Werkstückvorderseite 3a ermittelt wurde, ist es möglich, die Schicht 11 in exakt dem über der lokalen Schicht 13 liegenden Abschnitt vertikal abzutragen. Dabei wird der (in Figur 3 nicht

dargestellte) Röntgenstrahlungsdetektor 5 zunächst eine ständige Zunahme der Röntgenstrahlungsintensität detektieren. Sobald die Schicht 11 bis zur Grenze zur Schicht 12 abgetragen ist, ändert sich das Röntgenstrahlungsspektrum der vom Elektronenstrahl 4 im Werkstück 3 erzeugten Röntgenstrahlung 8 aufgrund des unterschiedlichen Materialverhaltens der Schichten 11 und 12. Dies wird von der Auswerteeinrichtung 6 entsprechend registriert und der weitere Materialabtrag an der konkreten Stelle gestoppt. Der Elektronenstrahl wird solange hin und herbewegt, bis an jeder Stelle des über der lokalen Beschichtung 13 liegenden Abschnitts das Material der Schicht 11 bis zur Schicht 12 abgetragen ist.