Brevet FR2734631A1 — publié le 19961129

APPAREIL POUR L'INSPECTION OPTIQUE DE PLAQUETTES PENDANT LE POLISSAGE. La présente invention concerne de manière générale une polisseuse de plaquettes et des systèmes de mesure incorporés dans un tel appareil en particulier. Des systèmes de polissage de plaquettes sont connus dans l'art. Ils polissent la couche supérieure de plaquettes en semiconducteurs jusqu'à une épaisseur souhaitée. A cette fin, la plaquette en cours de polissage est plongée dans une boue liquide d'eau et de produits chimiques pendant le processus de polissage. Une fois la plaquette polie et lavée, elle est placée dans un poste de sortie connu dans certaines sociétés sous le nom de "piste à eau ", après quoi la plaquette est placée dans une cassette de plaquettes. La cassette est maintenue dans un bain d'eau jusqu'à ce qu'elle soit remplie, après quoi la cassette entière est amenée à un poste de nettoyage pour éliminer tous les produits chimiques et les particules de boue liquide qui adhèrent encore aux plaquettes dans la cassette et pour sécher les plaquettes. Après nettoyage, les plaquettes sont amenées jusqu'à un poste de mesure pour déterminer si le polisseur a conféré l'épaisseur souhaitée à leurs couches supérieures. La figure 1, à laquelle on fait maintenant brièvement référence, illustre une piste à eau de l'art antérieur, telle que la piste à eau du polisseur n 372 fabriqué par IPEC Westech Inc. de Phoenix, Arizona, USA. La piste à eau, désignée par 10 comprend un châssis 12 et une base 14. Le châssis 12 comporte des trous de buse 16 reliés à des buses (non montrées) qui envoient des courants d'eau 18 à travers les trous 16. La base 14 présente des trous 20 reliés à des barboteurs qui font bouillonner de petites quantités d'eau 22 à travers les trous 20. Lorsqu'une plaquette 25 est lâchée dans la piste à eau 10, avec sa face qui porte le motif tournée vers le bas, les buses et les barboteurs sont activés. Les courants 18, provenant des jets d'eau, servent à pousser la plaquette 25 dans la direction indiquée par la flèche 24. De petits flux 22 écartent la plaquette 25 légèrement de la base 14 et assurent qu'elle ne frotte jamais contre celle-ci pendant son déplacement le long de la piste, de manière que le motif se trouvant sur la plaquette ne soit pas rayé. D'autres sociétés fabriquent des polisseurs dont les postes de sortie ne sont constitués que par les cassettes. Un tel polisseur est fabriqué sur la base du polisseur 6DS-SP de R. Howard Strasbaugh Inc. San Luis Obispo, Californie, USA. Un objet de la présente invention est de proposer un système de mesure pouvant être installé à l'intérieur d'une machine à polir et, plus particulièrement, à l'intérieur d'un poste de sortie d'une machine à polir. Conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention, la présente invention comprend un système optique, qui examine la plaquette à travers une fenêtre dans le poste de sortie, et un système de préhension, qui amène la plaquette dans une position d'examen prédéterminée à l'intérieur du poste de sortie tout en maintenant la surface portant le motif complètement sous l'eau. La présente invention comprend également une unité d'entraînement vers le bas destinée à tirer le système de mesure légèrement au-dessous de l'horizontale avant la mesure et ramène ensuite le système de mesure à l'horizontale. Conformément à un premier mode de réalisation préféré de la présente invention, le système de préhension comprend une porte levable qui reçoit la plaquette en une position prédéterminée, et un élément de préhension qui saisit la plaquette, la transporte jusqu'à l'emplacement d'examen et l'immerge dans l'eau avec un petit angle par rapport à l'horizontale. L'élément de préhension maintient également la plaquette en place pendant l'opération de mesure, après quoi, il la libère et la porte levable est levée. La présente invention concerne également un procédé d'immersion d'une plaquette dans l'eau de telle sorte que très peu de bulles soient produites à la surface de la plaquette. Le procédé de la présente invention comprend de préférence l'étape consistant à immerger la plaquette pendant qu'elle est maintenue de telle sorte que son plan de surface fasse un petit angle par rapport à l'horizontale. Dans un second mode de réalisation, le système de mesure comprend un bain d'eau et un système de préhension au- dessus. Le système de préhension comprend des éléments de maintien des plaquettes, qui reçoivent la plaquette, et un élément de préhension dont la position initiale se trouve au-dessus de la position de réception prévue de la plaquette. L'élément de préhension est relié de manière souple en formant un angle avec un piston, de telle sorte que la plaquette est immergée dans l'eau en formant un angle par rapport à l'horizontale. La présente invention sera comprise et appréciée de manière plus complète à partir de la description détaillée suivante faite en regard des dessins sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'une piste à eau selon l'art antérieur; la figure 2 est une vue schématique d'un système de mesure pouvant être installé à l'intérieur d'une machine à polir, le système de mesure étant construit et pouvant fonctionner conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention; les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 sont des vues de côté schématiques d'un système de préhension faisant partie du système de mesure de la figure 2 lors de différentes étapes de fonctionnement; la figure 9 est une vue schématique d'un exemple de système optique faisant partie du système de mesure de la présente invention; la figure 10 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation du système de mesure de la présente invention; et les figures 11, 12 et 13 sont des vues de côté du système de mesure respectivement pendant la réception, le transfert et la mesure de la plaquette. On fait maintenant référence à la figure 2, qui illustre une unité de mesure pouvant être installée à l'intérieur d'une machine à polir, telle que la machine IPEC Westech, le système de mesure étant construit et pouvant fonctionner conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention et aux figures 3, 4, 5, 6, 7, et 8 qui illustrent le fonctionnement d'un système de préhension faisant partie du système de mesure de la figure 2. Des numéros de référence similaires sont utilisés pour faire référence aux éléments de la piste à eau précédemment décrite. Le système de mesure, désigné par 30, comprend un système optique 32 et un système de préhension 34 pouvant fonctionner en conjonction avec une piste à eau 36. Le système optique 32 peut être n'importe quel système optique capable de mesurer l'épaisseur de la couche supérieure de la plaquette à travers l'eau. La figure 9 fournit un exemple d'un tel système optique; d'autres systèmes optiques sont également incorporés dans la présente invention. Le système de préhension 34 comprend une porte levable , un élément de préhension 42 déplaçable en translation, un coussinet à vide 44 et un système à vide 46. La porte 40 est commandée par un mécanisme de levage 48 qui soulève et abaisse la porte 40 si nécessaire. La porte 40 a une surface supérieure 50 avec un bord extérieur incurvé 52 et une pluralité de saillies 54 s'étendant vers le bas depuis la surface supérieure 50 jusque dans l'eau. Les saillies 54 forment une surface inférieure sur laquelle la porte 40 est abaissée tout en permettant à l'eau de passer à travers la porte 40. Le bord incurvé 52 est conformé pour correspondre au bord incurvé de la plaquette 25 de telle sorte que, lorsque la porte 40 est dans sa position abaissée, elle empêche la plaquette 25 de dépasser la piste à eau et maintient la plaquette 25 dans une position reproductible. L'élément de préhension 42 se déplace par translation entre la position de collecte de la plaquette définie par le bord incurvé 52 et une position de mesure de plaquette indiquée sur la figure 2 par la plaquette 25. Bien que cela ne soit pas visible sur la figure 2, la base de la piste à eau à l'emplacement de mesure de plaquette a été remplacée par une fenêtre 60 (figures 3 à 9) pour permettre au système optique 32 d'examiner la surface à motif 62 de la plaquette 25. Pour les besoins de l'explication, la surface à motif 62 est montrée de manière exagérée sur les figures. L'élément de préhension 42 peut être déplacé par translation par n'importe quel système de translation; un exemple d'un tel système est montré sur la figure 2 et est désigné par 64. Le coussinet à vide 44 est typiquement un coussinet en forme de soufflet monté à l'extrémité de l'élément de préhension 42 et relié au système à vide 46. Le coussinet à vide 44 produit une aspiration de telle sorte que l'élément de préhension 42 puisse soulever la plaquette 25 et la déplacer de la position de collecte jusqu'à une position de mesure. De plus, le vide est maintenu pendant la mesure et est seulement supprimé une fois la mesure achevée. Les figures 3 à 8 illustrent le fonctionnement du système de préhension 34. Initialement, et comme montré sur la figure 3, les jets, désignés par 70, et les barboteurs, désignés par 72, de la piste à eau sont mis en service et la porte 40 est abaissée. Le polisseur (non représenté) place la plaquette 25 à l'intérieur de la piste à eau et les flux 16 émis par les jets 70 poussent la plaquette 25 vers la porte 40. L'élément de préhension 42 se trouve à la position de collecte de la plaquette, montrée à gauche sur les figures 3 à 8. Une fois la plaquette 25 en position de collecte, comme montré sur la figure 4, l'élément de préhension 42 abaisse le coussinet à vide 44 pour saisir la plaquette 25. On appréciera que l'élément de préhension 42 puisse être formé par n'importe quel mécanisme, tel qu'un piston, qui peut déplacer sur commande le coussinet à vide 44 vers le haut et vers le bas. Puisque les barboteurs 72 sont en service, les petits flux 22 maintiennent la plaquette 25 écartée de la base 14 de la piste à eau. L'élément de préhension 42 soulève ensuite la plaquette hors de l'eau (figure 5) et les jets 70 sont désactivés. Conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'axe de symétrie 74 du coussinet à vide 44 est incliné d'un petit angle a par rapport à l'axe vertical 76. Par conséquent, un axe 75 selon le plan de la plaquette 25 forme le même petit angle a par rapport à l'axe horizontal 78. L'angle a est typiquement compris dans la gamme de 2 à 50. L'unité de translation 64 déplace ensuite l'élément de préhension 42 jusqu'à la position de mesure, montrée à l'extrémité droite des figures 4 à 8. Dans le même temps, et comme montré sur la figure 6, un mécanisme d'entraînement vers le bas abaisse légèrement toute la piste, l'unité de préhension et de système optique (en formant un angle de 1 à 3 ), autour d'une charnière 80 (figures 2 à 8), pour forcer l'eau vers la position de mesure de la plaquette. D'autres procédés destinés à pousser l'eau vers la position de mesure sont également incorporés dans la présente invention. Après l'abaissement de la piste à eau, l'élément de préhension 42 fait descendre la plaquette 25 vers la fenêtre 60. Puisque le coussinet à vide 44 est incliné, la plaquette n'entre pas dans l'eau d'un seul coup, mais progressivement. Initialement, seul le côté désigné par 82 est immergé. Au fur et à mesure que l'élément de préhension 42 pousse le coussinet à vide 44 davantage vers le bas, la plaquette 25 est de plus en plus immergée jusqu'à ce qu'elle soit entièrement dans l'eau. Le coussinet à vide 44 est suffisamment souple pour se conformer à l'angle modifié de la plaquette 25. On appréciera le fait que, en immergeant progressivement la plaquette dans l'eau, peu de bulles, s'il y en a, sont produites près de la surface à motif de la plaquette 25. On note que la plaquette 25 ne s'appuie pas contre la fenêtre 60 mais qu'elle est maintenue contre des surfaces saillantes 84, de telle sorte qu'il y ait une couche d'eau 86 entre elle et la fenêtre 60. Du fait de l'immersion progressive de la plaquette 25, la couche d'eau 86 contient, si c'est le cas, peu de bulles et par conséquent, constitue un milieu de connexion uniforme entre le système optique 32 et la surface à motif 62 de la plaquette 25. Une fois que le système optique 32 a terminé de mesurer la surface à motif 62 de la plaquette 25, l'élément de préhension 42 rappelle le coussinet à vide 44, avec la plaquette 25 encore fixée, dans sa position supérieure. Le mécanisme d'entraînement vers le bas fait tourner la piste à eau autour de la charnière 80 pour la rappeler dans sa position d'origine, la porte 40 est levée, et les jets 70 et les barboteurs 72 sont activés. Le système à vide 46 supprime le vide et la plaquette 25 tombe dans la piste à eau. Le flux d'eau déplace la plaquette 25 vers et sous la porte 40, à présent ouverte. Un capteur 90 détermine le moment o la plaquette 25 réussit à passer au-delà de la piste à eau. Le procédé décrit ci-dessus peut maintenant commencer pour la plaquette suivante. On se réfère à présent à la figure 9 qui illustre de manière schématique un exemple d'un système optique 32 approprié. Le système optique 32 est un spectrophotomètre basé sur le microscope et comprend une lentille d'objectif 100, une lentille convergente 102, un diviseur de faisceau 104, un miroir à sténopé 106, une lentille de relais 108 et un spectrophotomètre 110. Il comprend en outre une source de lumière 112, un condenseur 114, une caméra à dispositif à couplage de charge 116 (CCD) et une seconde lentille de relais 118. La lumière provenant de la source de lumière 112 est envoyée, le long d'une fibre optique 113, jusqu'au condenseur 114. A son tour, le condenseur 114 dirige la lumière vers le diviseur de faisceau 104. Celuici dirige la lumière vers la surface de la plaquette par l'intermédiaire des lentilles 102 et 100 et par l'intermédiaire de la fenêtre 60 et de la couche d'eau 86. La lumière réfléchie par la surface à motif 62 est recueillie par l'objectif 100 et focalisée, par la lentille 102, sur le miroir à sténopé 106. La lentille de relais 108 reçoit la lumière qui a traversé le miroir à sténopé 106 et la focalise sur le spectrophotomètre 110. Le miroir à sténopé 106 laisse passer la lumière à travers son trou vers le spectromètre 110 et dirige la lumière qui frappe la surface du miroir vers la caméra CCD 116. La seconde lentille de relais 118 reçoit la lumière réfléchie par le miroir à sténopé 106 et la focalise sur la caméra CCD 116. Puisque le sténopé est placé au centre du plan de l'image qui est le plan focal de la lentille 102, il agit comme une ouverture de diaphragme, laissant seulement passer la partie collimatée du faisceau lumineux. Ainsi, le sténopé réduit considérablement toute lumière diffusée dans le système. La lentille de relais 108 collecte la lumière provenant du sténopé et l'envoie au spectrophotomètre 110. De plus, puisque le sténopé est situé dans le plan image du système d'image optique (lentilles 100 et 102), seule cette partie de la lumière, réfléchie par la surface de la plaquette 25, qui est de la taille du sténopé divisé par le grossissement, traversera le sténopé. La lentille de relais 118 collecte la lumière et la focalise sur la caméra CCD 116. Le sténopé sert à situer le point de mesure dans l'image de la plaquette 25. Puisque le sténopé laisse passer la lumière, plutôt que de la réfléchir vers la caméra CCD 116, il apparaît comme un point sombre net dans l'image produite par la lentille 118. Ainsi, lors de l'examen de l'image CCD, l'emplacement du point de mesure est immédiatement identifié, comme étant l'emplacement du point sombre. On se réfère à présent aux figures 10 à 14 qui illustrent la mesure de l'épaisseur selon la présente invention, mise en oeuvre dans une machine à polir similaire à celle fabriquée par Strasbaugh qui n'a pas de piste à eau. Dans ce mode de réalisation, la machine à polir ou un robot extérieur (non montré) amène la plaquette 25 jusqu'à une station de sortie du polisseur. Lorsque la mesure est achevée, le robot amène les plaquettes 25 jusqu'à leur cassette à une autre station de sortie. La figure 10 est une vue d'en haut et les figures 11, 12 et 13 illustrent la station de mesure dans trois états. La station de mesure 130 comprend une unité de préhension 132, un système optique 134 et un bain d'eau 136. Le système optique 134 est situé au-dessous du bain d'eau 136 et peut être n'importe quel système optique approprié, tel que celui décrit ci-dessus. Comme dans le mode de réalisation précédent, le bain d'eau 136 a une fenêtre sur sa surface inférieure, désignée par 140 sur la figure 11, à travers laquelle le système optique 134 peut éclairer la plaquette 25. L'unité de préhension 132 comprend un support de plaquette 150, illustré comme étant formé de deux éléments de support, un coussinet à vide 152, similaire au coussinet à vide 44, et un piston 160. Le polisseur place la plaquette 25 sur le support de plaquette 150 tandis que le coussinet vide 152 est initialement en position au-dessus du support , comme montré sur la figure 11. une fois que le support de plaquette 150 reçoit la plaquette dans une position prédéterminée, le coussinet à vide 152, qui est commandé par le piston 160, avance vers la plaquette et la saisit en appliquant du vide. Maintenant que le coussinet à vide 152 maintient la plaquette, les supports de plaquettes 150 s'écartent, comme indiqué. Le piston 160 pousse ensuite l'ensemble du coussinet à vide et de la plaquette vers le bain 136. Ceci est montré sur la figure 12 qui montre également que le coussinet à vide 152 maintient la plaquette 25 inclinée d'un petit angle a par rapport à l'horizontale. L'angle a provient du fait que, comme dans le mode de réalisation précédent, l'axe de symétrie du coussinet à vide 152 fait un petit angle a avec l'axe vertical. Comme dans le mode de réalisation précédent, en immergeant la plaquette 25 dans l'eau sous un angle a, peu de bulles, s'il y en a, restent sur la surface inférieure de la plaquette après immersion totale. La figure 13 représente la plaquette 25 à sa position de mesure, complètement immergée. Typiquement, la plaquette 25 ne touche pas directement la surface immergée 163 de la fenêtre 140, mais elle repose sur un support de mesure 168. Le résultat est qu'il y a une couche d'eau 164 entre la plaquette 25 et la surface 163 de la fenêtre. Une fois le procédé de mesure terminé, le piston 160 rappelle la plaquette 25 à sa position d'origine et les éléments 150 de support de plaquette sont rappelés dans leur position de réception de plaquette. Le piston 160 place la plaquette 25 sur les éléments 150 de support de plaquette et supprime le vide. Le robot externe peut maintenant prendre la plaquette pour l'amener vers une autre station de sortie o se trouve une cassette de plaquettes mesurées et traitées. Les spécialistes dans l'art apprécieront que la présente invention ne se limite pas à ce qui a été montré et décrit en particulier ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Polisseur de plaquettes susceptible d'effectuer des mesures d'épaisseur, caractérisé en ce qu'il comprend: a. une unité de polissage destinée à polir une couche supérieure d'une plaquette (25) en présence d'une boue; et b. une unité de mesure d'épaisseur montée sur ledit polisseur et destinée à mesurer l'épaisseur de ladite couche supérieure pendant que ladite plaquette (25) est immergée dans de l'eau. 2. Polisseur de plaquettes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une piste de sortie dans laquelle ladite eau s'écoule, ladite piste comprenant une surface de fond dans laquelle une fenêtre (60; 140) est montée. 3. Polisseur de plaquettes selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite unité de mesure d'épaisseur comprend: a. une porte incurvée (40) ayant un rayon de courbure généralement similaire à celui de ladite plaquette (25), ladite porte incurvée étant située dans une position de préhension; b. un élément de préhension (42; 160) destiné à déplacer ladite plaquette (25) de ladite position de préhension jusqu'à une position de mesure au- dessus d'une couche d'eau (86; 164) située au-dessus de ladite fenêtre (60; 140); et c. un système optique (32; 134) monté sous ladite fenêtre, destiné à mesurer l'épaisseur de ladite couche supérieure à travers ladite fenêtre et ladite couche d'eau. 4. Polisseur de plaquettes selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également une unité d'entraînement vers le bas destinée à tirer ladite surface de fond au-dessous de l'horizontale. 5. Polisseur de plaquettes selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de mesure d'épaisseur est montée sur une piste à eau (10) du polisseur afin de mesurer l'épaisseur d'une couche supérieure d'une plaquette (25), ladite unité de mesure d'épaisseur comprenant: a. une porte incurvée (40) ayant un rayon de courbure généralement similaire à celui de ladite plaquette, ladite porte incurvée étant située dans une position de préhension; b. une fenêtre (60; 140) montée dans une surface de fond de ladite piste à eau (10); c. un élément de préhension (42; 160) destiné à déplacer ladite plaquette (25) depuis ladite position de préhension jusqu'à une position de mesure au-dessus d'une couche d'eau (86; 164) située au-dessus de ladite fenêtre (60; 140); et d. un système optique (32; 134) monté sous ladite fenêtre et destiné à mesurer l'épaisseur de ladite couche supérieure à travers ladite fenêtre et ladite couche d'eau. 6. Polisseur de plaquettes selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément de préhension (42; 160) comprend un coussinet de préhension (44; 152) monté sur ledit élément de préhension, un axe de symétrie dudit coussinet de préhension faisant un angle a par rapport à l'horizontale. 7. Polisseur de plaquettes selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit coussinet de préhension comprend un coussinet (44; 152) en forme de soufflet qui fonctionne en conjonction avec une pompe à vide pour produire une aspiration à l'intérieur dudit coussinet. 8. Polisseur de plaquettes selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite unité de mesure d'épaisseur comprend: a. un bain d'eau (136) ayant une fenêtre (60; 140) dans sa surface de fond; b. un élément de préhension (42; 160) destiné à déplacer ladite plaquette (25) depuis une position de préhension au-dessus dudit bain d'eau jusqu'à une position de mesure au-dessus d'une couche d'eau située au-dessus de la fenêtre; et, c. un système optique (32; 134) monté sous ladite fenêtre (60; 140), destiné à mesurer l'épaisseur de ladite couche supérieure à travers ladite fenêtre et ladite couche d'eau. 9. Polisseur de plaquettes selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de mesure d'épaisseur est montée sur un bain d'eau pour mesurer l'épaisseur d'une couche supérieure d'une plaquette (25), caractérisé en ce qu'il comprend: a. un bain d'eau (136); b. une fenêtre (60; 140) montée dans une surface de fond dudit bain; c. un élément de préhension (42; 160) destiné à déplacer ladite plaquette (25) depuis une position de préhension au-dessus dudit bain d'eau jusqu'à une position de mesure au-dessus de la couche d'eau (86; 164) située au- dessus de ladite fenêtre; et d. un système optique (32; 134) monté sous ladite fenêtre, destiné à mesurer l'épaisseur de ladite couche supérieure à travers ladite fenêtre et ladite couche d'eau. 10. Polisseur de plaquettes selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément de préhension comprend un coussinet de préhension (44; 152) monté sur lui, l'axe de symétrie dudit coussinet de préhension faisant un angle a par rapport à l'horizontale. 11. Procédé de mesure de l'épaisseur de la couche supérieure polie d'une plaquette au moyen du polisseur selon l'une des revendications 1 à 10, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à immerger la plaquette dans de l'eau en l'inclinant d'un angle a par rapport à la surface de l'eau, afin d'éviter l'introduction de bulles sous la plaquette. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il consiste à presser ladite plaquette (25) contre une surface (84; 168) qui est parallèle à une fenêtre de mesure (60) située sous la surface de ladite eau. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il consiste à: a. soulever ladite plaquette depuis une position de préhension; b. déplacer la plaquette depuis ladite position de préhension jusqu'à une position de mesure; c. positionner la plaquette dans ladite position de mesure sous une surface d'eau, une couche mince (86; 136) de ladite eau étant située au-dessus d'une fenêtre (60; ); et d. mesurer l'épaisseur de ladite couche supérieure à travers ladite fenêtre et ladite couche d'eau. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite étape de positionnement comprend l'étape consistant à immerger ladite plaquette (25) dans l'eau, de telle sorte que le plan de la plaquette forme un angle par rapport à la surface de l'eau. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que ladite eau est contenue dans un bain, ladite étape de positionnement consistant à modifier l'angle de la surface inférieure du bain pour déplacer ladite eau vers ladite position de mesure.