(57)【要約】      （修正有）【課題】確実かつ極めて精密に両面処理機で処理されるワークピースの厚さを決定する方法を提供する。【解決手段】両面処理機で処理されるワークピース１８の厚さを測定するための方法に関し、両面処理機の上部加工ディスク１０と下部加工ディスク１２との間の作業間隙１６内で、加工ディスクが除材する仕方で回転しながらワークピースが処理される工程と、処理中に、ワークピースの厚さが、上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクに配置された光学的厚さ測定装置によって測定される工程であって、厚さ測定装置が、上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクにおいて貫通孔２０を通って作業間隙内に配置されたワークピースの厚さを測定する工程と、厚さ測定装置の測定結果が、両面処理機の制御装置４２に供給される工程と、ワークピースの予め指定した目標厚さに達すると、制御装置が、ワークピースの処理作業を終了する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面処理機で処理される平坦なワークピース（１８）の厚さを測定するための方法であって、
‐前記両面処理機の上部加工ディスク（１０）と下部加工ディスク（１２）との間に形成された作業間隙（１６）内で、前記加工ディスク（１０、１２）が除材する仕方で互いに対して回転しながら、前記ワークピースが処理される工程と、
‐前記ワークピース（１８）の処理中に、前記ワークピースの厚さが、前記上部加工ディスク（１０）および／または前記下部加工ディスク（１２）に配置された少なくとも１つの光学的厚さ測定装置によって光学的に測定される工程であって、前記少なくとも１つの厚さ測定装置が、前記上部加工ディスク（１０）および／または前記下部加工ディスク（１２）において少なくとも１つの貫通孔（２０）を通って前記作業間隙（１６）内に配置された前記ワークピース（１８）の前記厚さを測定する、工程と、
‐前記少なくとも１つの厚さ測定装置の測定結果が、前記両面処理機の制御装置（４２）に供給される工程と、
‐前記ワークピース（１８）の予め指定した目標厚さに達すると、前記制御装置（４２）が、前記ワークピースの処理の作業を終了する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの厚さ測定装置は、干渉厚さ測定方法によって前記ワークピース（１８）の前記厚さを測定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの厚さ測定装置の光放射源が赤外線を放出することを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの厚さ測定装置の少なくとも１つの集束光学部品（２２）が前記少なくとも１つの貫通孔（２０）内に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記集束光学部品（２２）は、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上の焦点深度を有することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの貫通孔（２０）は、前記作業間隙（１６）への入口の周辺において圧縮空気で洗い流されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記作業間隙（１６）に対する過剰圧力が前記少なくとも１つの貫通孔（２０）で発生することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの厚さ測定装置の光放射源から光放射に少なくとも部分的に透明である少なくとも１つの保護窓（２４）が、前記厚さ測定装置と前記作業間隙（１６）との間の前記少なくとも１つの貫通孔（２０）内に配置されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの保護窓（２４）は、酸化アルミニウムまたはフッ化カルシウムからなることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの保護窓（２４）は、１０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、最も好ましくは０．３ｍｍ以下の前記少なくとも１つの貫通孔（２０）を備える前記加工ディスクの前記作業間隙（１６）の範囲を定める表面に対して後退することを特徴とする、請求項８または９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの保護窓（２４）は、洗浄液を用いる洗浄装置によって前記作業間隙（１６）の側から洗浄されることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ワークピースの厚さは、前記上部加工ディスク（１０）および／または前記下部加工ディスク（１２）に構成される複数の貫通孔（２０）によって、前記ワークピース（１８）の処理中に光学的に測定されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ワークピースの厚さは、処理中に同時に前記種々の貫通孔（２０）を通って測定されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ワークピースの厚さは、処理中に異なる時間に前記種々の貫通孔（２０）を通って測定されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
複数のワークピース（１８）が前記両面処理機で同時に処理され、前記少なくとも１つの厚さ測定装置の測定結果は、いずれの場合にも、１つのワークピース（１８）に明確に割り当てられることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの厚さ測定装置は、前記上部加工ディスク（１０）および／または前記下部加工ディスク（１２）に振動減衰した仕方で配置されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記制御装置は、前記加工ディスク（１０、１２）とは別の位置に配置されることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの厚さ測定装置と前記制御装置（４２）との間のデータ転送、および前記少なくとも１つの厚さ測定装置の電力供給は、少なくとも１つの摺動接点を介して行うことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両面処理機で処理される平坦なワークピースの厚さを測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェハ、特にシリコンウェハなどの平坦なワークピースは、両面処理機、例えば両面研磨機で除材する仕方で処理される。品質要求を達成するために、このワークピースの研磨の除去中にワークピースの厚さを検査することが極めて重要である。最良のワークピース形状を実現するための目標とする窓は、約１００ｎｍである。目標とする限度を過ぎた場合、例えば処理作業に時間がかかりすぎるため、エッジ形状は通常、ウェハの消費者の要求に対して十分ではない。特に、ワークピースの平坦度に高い需要がある。典型的に、ウェハ形状パラメータＳＦＱＲｍａｘ、すなわちシリコンウェハ上の局所的平坦度（「サイト平坦度」）の最大値に対する要求は、１５ｎｍまたは最低でも１０ｎｍである。例えば曇りのない研磨または研削など、他の処理作業中に、それぞれのワークピースの厚さの正確な知識も必要となる。
【０００３】
加工ディスクの距離、それ故に間接的にワークピースの厚さを、渦電流センサによって測定する工程が知られている。しかし、前述の正確度要求は常に実現できるとはかぎらない。加えて、この種の測定は、研磨布などの加工ディスク上の作業被膜の厚さおよび摩耗に左右される。したがって、研磨剤の特性（温度、ｐＨ値、寿命、希釈物、固形物の濃度、固形粒径）および研磨布の特性（コンディショニングの性質、ダイヤモンドドレッシングの種類、平坦度、形状、摩耗、艶出し）、ならびプロセスおよびハンドリング時間など、複数の外部パラメータに基づいてワークピースの厚さを予測することは、標準的な手順である。これらの外部パラメータを検査することによって、可能な限り一定の処理条件（繰り返し可能な除去速度）に適合することを試みる。次に、処理時間および既知の予備測定によって厚さを検査する。しかし、前述の正確度要求は、この方法でもいつも実現できるとはかぎらない。具体的には、外部パラメータは、例えば摩耗により、処理中に変化する。これは、予測されたワークピースの厚さからの偏差となる。したがって、ワークピースの外部厚さ測定は一般に、両面処理機での処理後に行われる。これは、計測技術およびプロセス技術の観点の両面で複雑である。具体的には、ウェハは、測定前に洗浄プラントで洗浄されなければならない。両面処理機の生産能力に応じて、実質的な測定能力が提供されなければならない。加えて、処理後に、このように許容できない厚さ偏差のみを決定することができる。処理機のプロセスパラメータは、状況に応じて間隔をおいて補正され、結果としてスクラップとなる。
【０００４】
干渉法によってウェハなどの平坦なワークピースの厚さを測定するプロセスは一般に、国際公開第２０１０／０３７４５２号パンフレットにより既知である。このように、ワークピースの厚さは、極めて精密に確立することができる。例えば、平坦なワークピースの厚さを決定するための光学的測定方法が、特許文献１、特許文献２、特許文献３、または特許文献４により既知である。厚さ測定装置は、処理機に固定され、例えばその機械の回転部内の測定開口部を通って、その機械で処理されたワークピースの厚さを測定する。当然のことながら、測定装置の光軸が測定開口部と精度よく整列する場合に測定を行うことが可能である。これは、設計およびプロセス工学的条件において複雑であり、比較的少ない測定点のみが利用可能である。これは結果として、測定の信頼性および正確度に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００３７６９９号明細書
【特許文献２】欧州特許第１９７０１６３号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１１２００９００１８７５号明細書
【特許文献４】米国特許第６４３７８６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
説明した従来技術を発端として、本発明の目的はそれ故に、前述の種類の方法を提供することであり、これによって、単純なプロセス工学的方法を用いて、確実かつ極めて精密に両面処理機で処理されるワークピースの厚さを決定することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、請求項１の主題によって目的を実現する。従属請求項、本明細書、図面において有利な構成を見出すことができる。
【０００８】
本発明は、両面処理機で処理される平坦なワークピースの厚さを測定するための方法によって目的を実現し、この方法は、
‐両面処理機の上部加工ディスクと下部加工ディスクとの間に形成された作業間隙内で、加工ディスクが除材する仕方で互いに対して回転しながら、ワークピースが処理される工程と、
‐ワークピースの処理中に、ワークピースの厚さが、上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクに配置された少なくとも１つの光学的厚さ測定装置によって光学的に測定される工程であって、少なくとも１つの厚さ測定装置が、上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクにおいて少なくとも１つの貫通孔を通って作業間隙内に配置されたワークピースの厚さを測定する、工程と、
‐少なくとも１つの厚さ測定装置の測定結果が、両面処理機の制御装置に供給される工程と、
‐ワークピースの予め指定した目標厚さに達すると、制御装置が、ワークピースの処理作業を終了する工程と、を含む。
【０００９】
両面処理機は、例えば両面研磨機であり得る。しかし、これはまた、例えば両面研削機などの別の両面処理機であり得る。両面処理機の作業間隙で、複数のワークピースを同時に処理することができ、両面で材料を除去する。この目的のために、加工ディスクは、作業被膜、例えば研磨被膜を規則的に備える。ワークピースが浮動する仕方で保持される、半導体ウェハなどの１つ以上のワークピースを受容するための開口部を各々有するロータディスクが知られている。ロータディスクは、その外周に歯を有しており、その歯は作業間隙の外側および内側で対応する歯と噛み合う。結果として、ロータディスクは、作業間隙内で回転し、ワークピースは、作業間隙を通ってサイクロイド軌道に沿って導かれる。このように、非常に均一な処理を実現することができる。処理中に、加工ディスクのうちの１つまたは両方の加工ディスクは次に、反対方向に回転駆動することができる。このような両面処理機は既知である。
【００１０】
本発明によれば、ワークピースの厚さは、作業間隙内でワークピースの処理中に上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクに固定された少なくとも１つの光学的厚さ測定装置によって光学的に測定される。この目的のために、厚さ測定装置を備えた上部および／または下部加工ディスクは、貫通孔を有しており、そこを通って、それぞれの加工ディスクとともに同様に回転する厚さ測定装置は、ワークピースの厚さを検出する。したがって、貫通孔は、光学的厚さ測定装置から作業間隙に完全に延在しており、その中にワークピースが配置される。加工ディスクはまた、作業間隙の範囲を定める第１の部分、および担体ディスクの仕方で第１の部分を保持する第２の部分の２ピース構造を有する。次いで、それに応じて厚さ測定装置は、担体として構成される第２の部分に取り付けることができる。
【００１１】
前述のように、本発明による厚さ測定装置は光学的に動作し、その結果、高精度を実現する。この目的のために、この装置は、光放射源、例えばレーザを有する。光放射源からの放射は、光ファイバなどの光ガイドに結合することができ、これは光放射を、必要であれば、例えばレンズを含む集束光学部品を介して、貫通孔を通って測定されるワークピースに向ける。具体的には、厚さ測定装置が測定する貫通孔または貫通穴は、上部および／または下部加工ディスクで分散して構成することができる。作業被膜が加工ディスクに提供される場合、それに応じて前記作業被膜はまた、作業間隙内に配置されたワークピースを測定することができるように、貫通孔を有しなければならないことが理解される。
【００１２】
処理中に検出された少なくとも１つの厚さ測定装置の測定結果はまた、ワークピースの処理中に制御装置に供給される。前記制御装置は、測定値を、例えばワークピースに予め指定した目標厚さと比較することができる。目標厚さに達すると直ちに、制御装置は、現行の処理作業を終了することができる。これは、処理機全体におけるワークピースの処理作業の終了であり得る。しかし、現行の処理作業の終了後に、その後の異なる処理作業が始まり、これは次に、制御装置によって制御されることも可能である。当然のことながら、測定結果はまた、制御装置に転送する前に処理することができる。例えば、測定結果は、介在したコンピュータまたは類似のものに最初に供給することができ、これはさらに、厚さ測定装置の厚さの値を処理し、フィルタリングされるか、平滑化されるか、または異なる仕方で処理されたその厚さの値を確認し、これは最終的に制御装置に送信される。この点において、コンピュータまたは類似のものは、制御装置の一部であり得る。
【００１３】
加工ディスクを有する厚さ測定装置の本発明による固定接続の利点は、加工ディスクにおける単一貫通孔の場合であっても、回転する加工ディスクによって遮られない光経路が、どの時点でも、ワークピースを有する処理区域、すなわち作業間隙に向けられることである。したがって、従来技術で提案されたものなど、機械のフレームまたは筐体に回転しない仕方で配置される測定装置とは対照的に、連続的に厚さ測定を行うことも可能である。いずれの場合でも、得られた測定値の範囲および数字は、従来技術の場合にあるように、設計条件に限定されない。
【００１４】
加えて、本発明の利点は、貫通孔が厚さ測定装置の側から密閉可能であり、したがって埃および湿気が厚さ測定装置の光経路または集束光学部品に入ることができないことである。それと同時に、本発明による直接光学的厚さ測定は、処理中に厚さを精密にその場検出することを可能にし、入念な予備測定およびその後の外部測定が不要になる。より正確に言えば、制御装置は、所定の目標厚さまたは所定の最小限の除去に達した後、処理作業を自動的に終了することができる。本発明によるワークピースの厚さの信頼できる正確なその場決定により、入念な外部測定器における測定能力が省ける。生産ロジスティクスは、もはやプロセス履歴を知るのに必須ではないので、簡略化される。除去速度を安定させるための精密に連続的な作業はもはや不可欠ではなく、スクラップの量を減少させる。
【００１５】
既に述べたように、本発明による方法は、ウェハ、例えば（単結晶）シリコンウェハ、実際には低濃度ドープｐ型ウェハおよび高濃度ドープｐ型ウェハの両方の場合における処理中に、特に有利な方式で使用することができる。これはまた、ホウ素、リン、ヒ素、または混合を含む他のドーピングに適用している。当然のことながら、本発明による方法はまた、有利にも他のワークピース、例えばシリコン、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、ケイ酸塩、もしくは他の物質から作られる、単結晶、多結晶、またはガラス状ワークピースに適用することができる。
【００１６】
ワークピースは平坦であり、好ましくは平面ワークピースであり、円形または正方仕方であってもよい。直径が１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、および４５０ｍｍのＳＥＭＩ規格に従って、ずらした径を有する約１００ｍｍ〜４５０ｍｍの径範囲内のウェハ、特に３００ｍｍの径を有するシリコンウェハを含むウェハが特に好ましい。典型的な厚さ範囲は、３００ｍｍ、特に７７０μｍ〜８００μｍの径を有するシリコンウェハの場合、３００μｍ〜９５０μｍの範囲である。完全なウェハ処理プロセスチェーン後に追求されるワークピースの目標厚さは典型的に、７７０μｍ〜７８０μｍであり、両面研磨中のワークピースの厚さは通常、０μｍ〜最大２０μｍであり、要求される許容度によりそれを超える。ワークピースにおける光放射の吸収性は、例えばシリコンワークピースのドーピングに応じて材料の光学濃度が変動するように、変動する。両方だが、特に後者が測定結果に影響を及ぼす。対応するワークピースの特性が事前に知られている場合、それに応じて制御装置は、測定方法を調整するか、あるいはこれらのワークピースの特性を考慮するために、好適な仕方で測定結果を修正することができる。この目的のために、ワークピースを種々のクラスに分け、かつ両面処理機の操作者が制御装置でそのクラスを選択することができるようにすることが可能である。あるいは、ワークピースの特性、例えばドーピング濃度は、制御装置で数値として記憶されることが可能であり、制御装置は次に、好適な仕方で測定結果を調整する。別の代替としては、両面処理機でのそれらのワークピースの特性、またはワークピース特性と相関する特性、例えばウェハのドーピング濃度の場合における伝導率を測定することであり、したがって制御装置は次に、好適な仕方で測定結果を修正することができる。具体的には、材料の光学濃度は、ワークピースの温度に応じて変動する。これは結果的に、測定結果に影響を及ぼす。ワークピースの温度が測定中に既知である場合、これは次に、制御装置において適切な仕方で考慮することができる。制御装置でのそれぞれの処理作業に予測される温度の記憶、種々の温度範囲の分類、および／または操作者による温度範囲の選択が考えられるであろう。制御装置に進む温度測定装置の温度測定値を使用することも可能である。この場合、例えば、加工ディスクに規則的に供給される冷却媒体の温度が可能である。これらは、例えば、両面処理機の出入口で、またはクーラント槽で好適な測定装置によって測定可能である。作業間隙内、その上、またはその近くの好適な測定装置によって測定される温度もまた、基準とされ得る。
【００１７】
光学的ワークピースの厚さは特に、本発明によって決定され得ることが理解される。屈折率が既知であるかまたは確認されている場合、（機械的）ワークピースの厚さは、これから決定することができる。
【００１８】
本発明によれば、測定されたワークピースの厚さは、特定のワークピースの厚さに達する時点、またはその厚さを下回る時点で、現行の処理作業を終了するか、またはその後の処理作業に移るためにとりわけ使用することができる。この目的のために、制御装置に従って指定された処理プログラムは、複数の処理作業を含んでおり、この作業は、予め指定したワークピースの目標厚さに達するか、もしくはそれを下回る時点で、いずれの場合でも連続して終了するか、または次の処理作業に移ることができる。このような処理作業は、直ちにまたは中断しながら互いの後をついて行くことができる。当然のことながら、測定されたワークピースの厚さはまた、現行のワークピース除去速度を決定し、かつ除去速度を所定のレベルに導くために、例えばアルゴリズムによって好適な仕方でワークピース処理中にプロセスパラメータを調整するために使用することができる。
【００１９】
少なくとも１つの厚さ測定装置が制御装置に送信する複数のデータは、特にアルゴリズムを活用して、統計的もしくは一般的数学的手法、データフィルタリング、平均化、外挿法、もしくは傾向判定、または他のデータ評価で評価することが好ましく、この評価はワークピースの厚さを表す良好な時間分解をもたらすようにする。このようなアルゴリズムとしては、前述のように、好ましくは較正および補正に基づいた測定結果の修正が挙げられる。
【００２０】
特に好ましい構成によれば、少なくとも１つの厚さ測定装置は、干渉厚さ測定方法によってワークピースの厚さを測定することができる。干渉測定方法を用いて、ワークピースの厚さは、特に精密な仕方で決定することができる。少なくとも１つの厚さ測定装置の光放射の必須条件は、部分的に透明かつ部分的に反射するワークピースであり、したがってこのワークピースは、光放射の当該部分がワークピースを通過して戻ることができるようにする。干渉厚さ測定方法は、例えば前述の国際公開第２０１０／０３７４５２号パンフレットにより既知である。この方法は一般に、本発明において使用することができる。この場合、光放射は、ワークピースの上面に向けられ、そこで第１の放射部が上面で反射され、第２の放射部がワークピースの厚さを貫通し、ワークピースの底面で反射され、ワークピースの上面に再び現れる。第１および第２の放射部は次に、干渉パターンの形成下で干渉する。この干渉パターンを用いて、ワークピースの上面とワークピースの底面との間の光学的ワークピースの厚さは、国際公開第２０１０／０３７４５２号パンフレットに記載されるように決定することができる。例えば国際公開第２０１０／０３７４５２号パンフレットに記載されるように、屈折率が既知であるかまたは確立されている場合、機械的なワークピースの厚さがさらに決定されてもよい。赤外線放射スペクトルをワークピースの上面に向けることも可能であり、そこで放射部の干渉により生成された放射は、分光計によって分析することができる。
【００２１】
少なくとも１つの厚さ測定装置の光放射源は特に、赤外線を放出することができる。これは、特に高濃度ドープしたシリコンワークピースの厚さ測定中に特に有利であり、このワークピースは、ホウ素またはリンなどの外来原子を特異的に備えたシリコンワークピースを意味する。光放射源は、１０５０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長域において赤外線を放出することが好ましい。何故ならシリコンがこの波長域で特に透明であるからである。この波長域は、１１５０ｎｍ〜１３５０ｎｍがより好ましい。
【００２２】
少なくとも１つの厚さ測定装置の少なくとも１つの集束光学部品は、少なくとも１つの貫通孔内に配置することができる。例えば好適なレンズまたは類似のものを含むことができる集束光学部品と測定されるワークピースとの間の距離の減少は、光出力、ひいては達成可能な信号品質を高める。具体的には、高い光吸収性を有するワークピースは、精度の良い十分な光出力の場合のみに決定することができる。加工ディスクの厚さは、これに関して既に問題があり得る。したがって、この構成の場合に集束光学部品が加工ディスクに導入され、それ故にワークピースから短距離であることが想定されることが有利である。
【００２３】
さらなる構成によれば、集束光学部品は、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上の焦点深度を有することができる。厚さ測定方法の難しさの１つは、集束光学部品とワークピースとの間で変化する距離である。具体的には、研磨布など、ワークピースの間に通常配置される、加工ディスクの作業被膜の厚さは、作業被膜の種類および摩耗に応じて異なる。しかし、測定技術によって決定されるワークピースの厚さは、これらの状況とは関係なく、可能な限り、＋／−０．１μｍ未満、特に約＋／−０．０５μｍの偏差で決定される。したがって、この構成の場合、大きい焦点深度を有する集束光学部品が想定される。達成可能な正確度を高めるために、集束光学部品はさらに、焦点深度が処理区域を完全に囲むように機械的に調整可能であってもよく、この区域は、ワークピースが種々の処理状態の間に配置されるか、あるいはワークピースが前記処理区域を焦点深度の中心に入れる区域を意味する。この場合、機械的調整は、例えば処理作業間の中断中に実行することができるように実施されてもよい。原則として、例えば研磨布の厚さなどの追加のパラメータを含む、処理作業中または調整指示に従って使用される作動機構もまた実現可能である。
【００２４】
少なくとも１つの貫通孔は、作業間隙への入口の周辺において圧縮空気で洗い流されてもよい。少なくとも１つの貫通孔で作業間隙に対する過剰圧力を発生させることも可能である。両方が厚さ測定装置、特に集束光学部品を作業間隙からの汚染から保護する働きをする。この保護はまた、測定作業期間に光経路のみ解放するシャッターと組み合わすことができる。
【００２５】
しかし、少なくとも１つの厚さ測定装置の光放射源から光放射に少なくとも部分的に透明である少なくとも１つの保護窓が、厚さ測定装置と作業間隙との間の少なくとも１つの貫通孔内に配置される場合に特に好ましい。具体的には、保護窓は、光放射源からの放射に実質的に完全に透明であり得る。このような保護窓の厚さは、好ましくは０．５ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内、特に好ましくは２〜１０ｍｍの範囲内である。具体的には、シリコンワークピースの場合、赤外線の範囲で透明である材料が保護窓に好適である。保護窓に好ましい材料は、酸化アルミニウムまたはフッ化カルシウムである。両面研磨機で研磨剤として通常使用される、特にアルカリ媒体に対する保護窓の高い耐薬品性もまた有利である。一般に、有利な特性は、低い温膨張または加工ディスクに類似の温度膨張、高い耐擦傷性、および低破損化である。
【００２６】
別の構成によれば、少なくとも１つの保護窓は、１０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、最も好ましくは０．３ｍｍ以下の少なくとも１つの貫通孔を備える加工ディスクの作業間隙の範囲を定める表面に対してさらに後退することができる。ワークピース側での保護窓の表面が加工ディスク表面の近くに配置されるという事実は、作業間隙と保護窓との間の空間が迅速に、作業中に作動媒体、例えば研磨剤で均一に満たされることを意味する。さらに、作動媒体は、均一で乱流が少なく流れ、保護窓を超える泡をほとんど作らない。そうしないと、これは、不安定な測定結果につながる可能性がある。保護窓がわずかしか後退しないという事実はまた、ワークピースと保護窓との間で、例えば作動媒体膜、例として研磨剤膜により、測定信号に干渉することを回避するのを促すのに有用である。次いで、この厚さは、状況に応じて制限され、測定信号は、ワークピースの厚さに対する信号と区別され、取り除かれ得る。
【００２７】
別の実施形態では、少なくとも１つの保護窓は、２ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下の少なくとも１つの貫通孔を備える加工ディスクの作業間隙の範囲を定める表面に対して後退することができる。前述の構成の場合以外では、保護窓は、程度の差はあるが、前述の構成では２ｍｍ以上、有利に後退する可能性があり、したがって作動媒体膜は特に厚いであろう。この厚さは次に、底部で制限され、生じ得るあらゆる測定信号がその後、ワークピースの厚さに対する信号と区別され、取り除かれる可能性がある。
【００２８】
保護窓が特に作業間隙の方向に平面を有する必要がないことを前述の構成に対しても指摘されるべきである。前述の数値は次に、最も遠くに突き出る保護窓の一部が後退していることと関係している。この点において、これは、光の大部分が保護窓の区域を通って導かれる場合に十分であってもよく、この区域は前述の実施形態に対するその形状において一致する。
【００２９】
少なくとも１つの保護窓は、洗浄液を用いる洗浄装置によって作業間隙の側から洗浄することができる。処理作業の終了中またはその直前に、作業間隙を制限のない洗浄処理媒体で、例えば脱イオン水またはアルカリ溶液で洗い流すことに加えて、またはその代わりに、保護窓はまた、処理作業後、２つの処理作業の間、または処理作業前に洗浄装置で制限なしに洗い流すことができる。これは、低圧下で手動で行うことができる。しかし、保護窓が加圧洗浄液、例えば脱イオン水またはアルカリ溶液でワークピース側から規則的に制限なしに洗い流される方法が好ましい。これは、制御装置によって自動的に行うことができる。これは好ましくは、加工ディスクの作業被膜を制限なしに洗い流すか、またはリフレッシュするために使用される同一の装置であり得る。作動媒体が乱流の仕方で保護窓を超えて流れて泡を作る前述の問題に対処するために、作業間隙と保護窓との間の空間には同様に、液体、好ましくは水、アルカリ溶液、または作業媒体自体で処理作業中に慎重に供給することができる。
【００３０】
別の構成によれば、ワークピースの厚さは、上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクで構成される複数の貫通孔によってワークピースの処理中に光学的に測定されることが想定され得る。原則として、目地厚さ測定装置で種々の貫通孔を通って（各加工ディスクに対して）厚さ測定を実施することが可能であり、ここで厚さ測定装置の光放射源からの放射はその場合、好適な仕方で、例えばビームスプリッタによって分けられ得る。しかし、当然のことながら、複数の厚さ測定装置が、この目的のために、上部加工ディスクまたは下部加工ディスクに配置されることもまた実行可能である。ワークピースの厚さは、処理中に同時に種々の貫通孔を通って測定することができる。しかし、処理中の異なる時間に、すなわち時間を互いにずらして、種々の貫通孔を通ってワークピースの厚さを測定することもまた可能である。
【００３１】
前述のように、複数のワークピースが両面処理機で同時に処理され得る。このプロセスでは、測定誤差が分類されてもよく、ワークピースが実際に光学的厚さ測定装置の光経路内にあった間に確認された測定値のみが考慮されるか、またはそれが好ましく考慮されるようにする。その結果、いずれの場合にも、少なくとも１つ厚さ測定装置の測定結果を１つのワークピースに明確に関連付けることがさらに可能である。これは、位置の知識、ならびに良くても、高い時間精度でのロータディスクおよび加工ディスクのねじりも必要である。しかし、この情報は機械構成に応じて利用可能である。加えて、測定値の数もまた、他の方式で、例えばパルス式厚さ測定によって制限されてもよく、そこで放射パルスは、光経路でのシャッター、電気回路、またはアルゴリズムに基づいて分類することによって提供することができる。
【００３２】
別の構成によれば、少なくとも１つの厚さ測定装置は、上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクに振動減衰した仕方で配置されることが想定され得る。厚さ測定装置、例えば厚さ測定装置の評価ユニットの分光計の振動減衰した形、または良くても防振した仕方で装着することにより、測定結果の変造が振動によって減少または回避され得る。本明細書に関係する処理作業では、１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、特に１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの代表的な周波数で振動が生じる。振動減衰は、それぞれの周波数帯に合わせて調整される、アクティブ型の電気振動減衰またはパッシブ型の振動減衰、例えば弾性装着であってもよい。このように、加工ディスクと厚さ測定装置との間、例えば厚さ測定装置の評価ユニットの機械的または熱誘導の機械的筋交いを避けることができる。
【００３３】
制御装置は、加工ディスクとは別の場所で配置することができる。少なくとも１つの厚さ測定装置と制御装置との間のデータ転送、および少なくとも１つの厚さ測定装置の電力供給はその場合、少なくとも１つの摺動接点を介して行うことができる。上部加工ディスクおよび／または下部加工ディスクに規則的に配置された少なくとも１つの厚さ測定装置の評価ユニットは、光グリッド、および例えばＣＣＤセンサを有する。一方では、回転する加工ディスクに配置された厚さ測定装置と、加工ディスクとは別に配置される両面処理機の回転しない制御装置との間のデータ転送、すなわち電気測定信号の転送は確保されなければならない。特に金接点を有するスリップリングを好適な摺動接点として使用することができる。一方では、同様のことが厚さ測定装置の電力供給にも当てはまる。それによって信号は、バスシステム、例えばＰｒｏｆｉＢＵＳまたはＰｒｏｆｉＮＥＴを介して直接または間接的に交換することができる。
図面を参照しながら、本発明の代表的な一実施形態を以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による方法を実施するための両面処理機を模式的に示す図である。
【図２】従来技術の方法を例示するためにヒストグラムを模式的に示す図である。
【図３】本発明による方法を例示するためにヒストグラムを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
特に指示がない限り、同一の参照番号は、図面において同一の対象物を示す。
図１に示す両面処理機は、例えば両面研磨機であり得る。両面研磨機は、上部加工ディスク１０と、上部加工ディスク１０と対向する下部加工ディスク１２とを有する。上部加工ディスク１０および下部加工ディスク１２の一部はいずれの場合にも、作業被膜１４、例えば研磨布であり得る。この作業被膜１４により、上部加工ディスク１０および下部加工ディスク１２はそれらの間に、ワークピースの除材処理のための作業間隙１６の範囲を定める。参照番号１８は、図解目的の例示のために、ワークピース、例えばウェハを示す。例えば、作業間隙１６には、回転可能に配置されたロータディスクを実際に設けることができ、ロータディスクは各々、作業間隙１６における同時処理のために複数のワークピースを受容することが理解される。
【００３６】
図示の例では、貫通孔２０、具体的には貫通穴が上部加工ディスク１０で構成される。貫通孔２０には、上部加工ディスク１０に取り付けられる厚さ測定装置の集束光学部品２２が配置される。集束光学部品２２は、例えば好適なレンズを含むことができる。図示の例では、集束光学部品２２と作業間隙１６との間の貫通孔２０内には、保護窓２４が配置される。貫通孔２０の他端を、好適な封止要素２６によって図解する。厚さ測定装置は、測定および評価ユニット２８をさらに含み、これは制振ダンパ３０によって上部加工ディスク１０の上面に取り付けられる。一方、測定および評価ユニット２８内には、光放射源、例えばレーザ、好ましくは赤外線レーザが配置される。光放射源から発せられた放射は、光ファイバケーブル３２、具体的にはガラスファイバを介して集束光学部品２２に導かれ、保護窓２４を通って後者によって結像され、この窓はワークピース１８への光放射に対して少なくとも部分的に透明である。加えて、測定および評価ユニット２８内には、光放射センサ、例えばＣＣＤ、および例えば光グリッドがさらに配置される。測定および評価ユニット２８は、光放射を放出するために放射源を制御する。これは、ワークピース１８の上面によって部分的に反射され、ワークピース１８に部分的に入り、ワークピース１８の底面によって反射され、次いでワークピース１８を再び通過した後、上面で再び出る。ワークピースの上面およびワークピースの底面から戻る光放射は、集束光学部品２２および光ファイバケーブル３２を介して、測定および評価ユニット２８内に配置されたセンサに導かれ、互いに干渉する。ワークピースの厚さ１８を決定するために、センサによって受信された測定信号を、測定および評価ユニット２８内で評価することができる。具体的には、ワークピースの厚さは、例えば国際公開第２０１０／０３７４５２号パンフレットに記載されるように干渉測定器で確認することができる。
【００３７】
測定値は、信号線３４を介して、ロータリジョイント３６、例えばスリップリングに達し、このロータリジョイントは、両面処理機の駆動シャフト３８の周辺に設けられ、これにより上部加工ディスク１０が作業時に回転駆動される。ロータリジョイント３６は、その他端で、追加の信号線４０を介して両面処理機の制御装置４２（ＰＬＣ）に接続される。また、厚さ測定装置用の電源を参照番号４４で示す。電源には、第１の電力線４６を介して、追加的なロータリジョイント４８、例えば再度のスリップリングが設けられ、このロータリジョイントは今度は、駆動シャフト３８、および厚さ測定装置に接続された第２の電力線５０に配置される。
【００３８】
ワークピースの厚さは、この両面処理機で実施される本発明による方法により、信頼できる精密な仕方で処理中に確認することができる。予め指定した目標厚さが提供された測定結果に基づいて達せられたことを制御装置４２が確証した場合、制御装置４２は、現行の処理作業を終了する。その後、制御装置４２は、指定したその後の処理工程を開始するか、あるいはワークピースの処理を完全に終了する。
【００３９】
例示のために、図１は、１つだけの貫通孔を介してワークピースの厚さを測定する厚さ測定装置のみを示す。当然のことながら、ワークピースの厚さは同時または時間差をおいて複数の貫通孔を通って測定することが可能であり、これが上部加工ディスク１０および／または下部加工ディスク１２に配置された複数の厚さ測定装置を用いようと、厚さ測定装置のみを用いようと、光路は前述の原則に記載されるように好適な仕方で分けられる。
【００４０】
図２は、処理後のワークピースに対して確認された厚さ測定値の度数分布、または複数の処理されたワークピース、この場合、ウェハに対して本発明による厚さ測定をしない従来の両面処理方法に対する目標厚さからの偏差を示す。図３は、処理後に確認された厚さ測定値の度数分布、またはこの場合、本発明による厚さ決定を用いて、複数の処理されたワークピース、この場合も同様に、ウェハに対して同一の両面処理機に対する目標厚さからの偏差を示す。本発明によるプロセスを使用するときに厚さ偏差が従来の方法のものよりも大幅に低いことが明らかである。具体的には、本発明による方法では標準偏差２σの２倍がわずか０．２５μｍであるが、従来の方法ではそれが１．１１μｍである。
【図１】
2018034298.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
Method for measuring the thickness of flat workpieces
The invention relates to a method for measuring the thickness of flat workpieces processed in a double-side processing machine. Flat workpieces such as wafers, in particular silicon wafers, are processed in a material-removing manner in double-side processing machines, for example double-side polishing machines. During this removal polishing of the workpieces, it is of vital importance to inspect the workpiece thickness in order to attain the quality requirements. The target window for achieving the best possible workpiece geometry is approx. 100 nm. If the target measure is passed, for example because the processing operation takes too long, the edge geometry is generally not sufficient for the requirements of wafer consumers. In particular, high demands are placed on the flatness of the workpieces. Typically, the requirement for the wafer geometry parameter SFQRmax, i.e. the maximum value of the local flatness (“site flatness”) on a silicon wafer, is 15 nm or even as low as 10 nm. During other processing operations such as, for example, haze-free polishing or even grinding, a precise knowledge of the respective workpiece thickness is also required. 
The process of measuring the distance of the working disks and, therefore indirectly the workpiece thickness, by means of eddy current sensors is known. However, the accuracy requirements explained above cannot always be achieved. In addition, this type of measurement is dependent on the thickness and the wear of a working coating on the working disk such as a polishing cloth. It is therefore standard procedure to predict the workpiece thickness based on a plurality of external parameters such as the properties of the polishing agent (temperature, pH value, age, dilution, concentration of solids, solid particle sizes) and the polishing cloth (nature of the conditioning, type of diamond dressing, flatness, shape, wear, glazing) as well as process and handling times. By inspecting these external parameters, an attempt is made to comply with process conditions which are as constant as possible (a repeatable removal rate). The thickness is then inspected via the process time and a known preliminary measurement. The accuracy requirements mentioned above cannot, however, be regularly achieved with this method either. In particular, the external parameters change during processing, for example, due to wear. This results in deviations from the predicted workpiece thickness. Therefore, an external thickness measurement of the workpieces is generally performed following processing in the double-side processing machine. This is complex, both from a metrological and process technology point of view. In particular, the wafers must be cleaned in a cleaning plant prior to measurement. Depending on the production capacity of the double-side processing machine, a substantial measurement capacity must be provided. In addition, a non-permissible thickness deviation can only be determined in this way following processing. The process parameters of the processing machine are corrected at correspondingly staggered intervals, resulting in scrap. 
A process of measuring the thickness of flat workpieces, such as wafers, by means of interferometry is generally known from WO 2010/037452 A1. In this way, the workpiece thickness can be established extremely precisely. For example, optical measuring methods for determining the thickness of flat workpieces are also known from US 2006/0037699 A1, EP 1 970 163 B1, DE 11 2009 001 875 T5 or US 6 437 868 B1. The thickness measurement apparatus is fixed on the processing machine and measures the thickness of the workpieces processed in the machine, for example through a measurement opening in a, for example, rotating part of the machine. It is of course only possible to take measurements if the optical axis of the measuring apparatus is aligned precisely with the measurement opening. This is complex in design and process engineering terms, and only relatively few measuring points are available. This, in turn, adversely affects the reliability and accuracy of the measurement. 
Starting from the explained prior art, the object of the invention is therefore to provide a method of the type indicated above, with which it is possible to determine the thickness of workpieces processed in a double-side processing machine reliably and extremely precisely, using a simple process engineering method. 
The invention achieves the object through the subject-matter of Claim 1. Advantageous configurations can be found in the dependent claims, the description, and the figures. 
The invention achieves the object through a method for measuring the thickness of flat workpieces processed in a double-side processing machine, comprising the steps:
- the workpieces are processed in a working gap formed between an upper working disk and a lower working disk of the double-side processing machine while the working disks rotate relative to one another in a material-removing manner,
- during the processing of the workpieces the workpiece thickness is optically measured by means of at least one optical thickness measurement apparatus arranged on the upper working disk and/or the lower working disk, wherein the at least one thickness measurement apparatus measures the thickness of the workpieces located in the working gap through at least one through-hole in the upper working disk and/or the lower working disk,
- the measurement results of the at least one thickness measurement apparatus are supplied to a control apparatus of the double-side processing machine,
- on reaching a previously specified target thickness of the workpieces the control apparatus terminates the processing operation of the workpieces.
The double-side processing machine can, for example, be a double-side polishing machine. However, it can also be another double-side processing machine such as, for example, a double-side grinding machine. Multiple workpieces can be processed simultaneously in the working gap of the double-side processing machine, removing material on both sides. To this end, the working disks are regularly provided with a working coating, for example a polishing coating. Rotor disks, which each have openings for receiving one or more workpieces such as semiconductor wafers, in which the workpieces are held in a floating manner, are known. The rotor disks have teeth on their outer circumference, which teeth mesh with corresponding teeth on the outer side and on the inner side of the working gap. As a result, the rotor disk rotates in the working gap and the workpieces are guided along cycloid tracks through the working gap. A particularly uniform processing can be achieved in this way. During the processing one of the working disks or both working disks can then be rotatingly driven in opposite directions. Such double-side processing machines are themselves known. 
According to the invention, the workpiece thickness is optically measured by means of at least one optical thickness measurement apparatus fixed to the upper working disk and/or the lower working disk during the processing of the workpieces in the working gap. To this end, the upper and/or lower working disk equipped with the thickness measurement apparatus has a through-hole, through which the thickness measurement apparatus which also rotates with the respective working disk detects the workpiece thickness. The through-hole therefore extends from the optical thickness measurement apparatus right into the working gap, in which the workpieces are located. The working disk can also have a two-piece construction with a first part which delimits the working gap and a second part which holds the first part in the manner of a carrier disk. The thickness measurement apparatus can then accordingly also be attached to the second part which is configured as a carrier. 
As explained, the thickness measurement apparatus according to the invention operates optically and accordingly achieves a high precision. To this end, it has an optical radiation source, for example a laser. The radiation from an optical radiation source can be coupled into a light guide, such as a fiber optic, which directs the optical radiation, if necessary, via a focusing optic comprising, for example, lenses through the through-hole onto the workpieces to be measured. The through-hole or through-bore through which the thickness measurement apparatus measures can, in particular, be configured decentrally in the upper and/or lower working disk. It is understood that if a working coating is provided on the working disk, said working coating must accordingly also have the through-hole so that the workpieces located in the working gap can be measured.
The measurement results of the at least one thickness measurement apparatus detected during the processing are also supplied to a control apparatus during the processing of the workpieces. Said control apparatus can compare the measured values, for example, with a target thickness previously specified for the workpieces. As soon as the target thickness is reached the control apparatus can terminate the current processing operation. This can be the end of the processing operation of the workpieces in the processing machine as a whole. However, it is also possible that following the end of the current processing operation, a different subsequent processing operation commences which is, in turn, controlled by the control apparatus. The measurement results can of course also be processed prior to forwarding to the control apparatus. The measurement results can, for example, be initially supplied to an interposed computer or similar, which further processes the thickness values of the thickness measurement apparatus and ascertains those thickness values which have been filtered, smoothed or processed in a different way, which are finally sent to the control apparatus. The computer or similar can, in this respect, also be part of the control apparatus. 
The advantage of the fixed connection according to the invention of the thickness measurement apparatus having the working disk is that, even in the case of a single through-hole in the working disk, a light path which is not interrupted by the rotating working disk is directed into the process area having the workpieces, i.e. the working gap, at any time. Therefore, as opposed to measuring apparatuses which are arranged in a non-rotating manner on a frame or housing of the machine, such as those proposed in the prior art, it is also possible to take thickness measurements continuously. In any case, the scope and the number of the measured values obtained are not restricted in design terms, as is the case in the prior art. 
In addition, the advantage of the invention is that the through-hole can be sealed from the side of the thickness measurement apparatus so that dirt and moisture cannot get into the light path or the focusing optic of the thickness measurement apparatus. At the same time, the direct optical thickness measurement according to the invention makes it possible to detect the thickness precisely in situ during processing, wherein an elaborate preliminary measurement and an external subsequent measurement are dispensed with. Rather, the control apparatus can automatically terminate the processing operation after reaching the predefined target thickness or a predefined minimum removal. Due to the reliable and precise in-situ determination of the workpiece thickness according to the invention, measuring capacities on elaborate external measuring instruments are freed up. The production logistics are simplified, as it is no longer essential to know the process history. Precisely continuous operation in order to stabilize the rate of removal is no longer absolutely necessary, reducing the volume of scrap. 
As already mentioned, the method according to the invention can be used in a particularly advantageous way during the processing of wafers, for example (monocrystalline) silicon wafers, and indeed both in the case of lightly doped p-type and in the case of highly doped p-type wafers. This also applies to boron, phosphorus, arsenic or other, including mixed, dopings. Of course, the method according to the invention can also be advantageously applied to other workpieces, for example monocrystalline, polycrystalline or glass-like workpieces made of silicon, silicon carbide, aluminum oxide, silicate or other materials. 
The workpieces are flat, preferably planar workpieces, which can be circular or even square. Wafers within a diameter range between approx. 100 mm and 450 mm, with diameters staggered in accordance with the SEMI standard of 100 mm, 125 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm and 450 mm, including in particular silicon wafers having the diameter 300 mm, are particularly preferred. Typical thickness ranges are in the range of 300 μm to 950 μm, in the case of silicon wafers having a diameter of 300 mm in particular between 770 μm to 800 μm. The target thickness of the workpieces striven for following the complete wafer processing process chain is typically between 770 μm and 780 μm and the workpiece thickness during double-side polishing is usually between 0 μm and up to 20 μm above that due to the required allowance. The absorption of the optical radiation in the workpiece varies, as does the optical density of the material, depending on, for example, the doping of the silicon workpieces. Both, but in particular the latter, influence the measurement result. If the corresponding workpiece property is known in advance, the control apparatus can adjust the measurement method accordingly or modify the measurement result in a suitable manner, in order to take account of these workpiece properties. To this end, it is possible to divide workpieces into different classes and to allow an operator of the double-side processing machine to select the class in the control apparatus. Alternatively, the workpiece properties, for example the doping concentration, could be stored as a numerical value in the control apparatus which then adjusts the measurement result in a suitable manner. Another alternative would be measuring those workpiece properties or properties correlating with them, for example conductivity in the case of the doping concentration of wafers, in the double-side processing machine so that the control apparatus can, in turn, modify the measurement result in a suitable manner. In particular, the optical density of the material varies depending on the temperature of the workpieces. This, in turn, influences the measurement result. If the workpiece temperature is known during the measurement, this can, in turn, be taken account of in an appropriate manner in the control apparatus. The storing of the temperature expected for the respective processing operation in the control apparatus, the classification of different temperature ranges and/or the selection of a temperature range by the operator would be conceivable. It is also possible to use temperature measurement values of temperature measuring apparatuses which go to the control apparatus. In this case, for example, temperatures of the cooling media which are regularly supplied to the working disks are possible. These can be measured, for example, by means of suitable measuring apparatuses in the inlet or outlet of the double-side processing machine or also in the coolant reservoir. Temperatures, which are measured by means of suitable measuring apparatuses in, on or near the working gap, can also be taken as a basis. 
It is understood that the optical workpiece thickness can in particular be determined according to the invention. If the refractive index is known or ascertained, the (mechanical) workpiece thickness can then be determined from this. 
According to the invention, the measured workpiece thickness can, on reaching or falling below a certain workpiece thickness, above all be used to terminate the current processing operation or to transfer to a subsequent processing operation. A processing program specified according to the control apparatus can, to this end, include multiple processing operations which can be successively terminated in each case on reaching or falling below a previously specified target thickness of the workpieces, or transferred to the next processing operation. Such processing operations can follow each other immediately or with interruptions. Of course, the measured workpiece thickness can also be used to determine the current workpiece removal rate and adjust process parameters during the workpiece processing in a suitable manner, for example by means of an algorithm, in order to bring the removal rate to a predefined level. 
The plurality of data, which the at least one thickness measurement apparatus transmits to the control apparatus, are preferably evaluated with statistical or general mathematical methods, data filtering, averaging, extrapolation or trend determination or other data evaluation, in particular with the aid of algorithms, such that the evaluation produces good time-resolved representatives of the workpiece thickness. Such algorithms include an alteration of the measurement results preferably on the basis of a calibration and corrections as described above. 
According to a particularly preferred configuration, the at least one thickness measurement apparatus can measure the thickness of the workpieces by means of an interferometric thickness measurement method. Using interferometric measurement methods, the workpiece thickness can be determined in a particularly precise manner. The prerequisite for the optical radiation of the at least one thickness measurement apparatus is partially transparent and partially reflecting workpieces which therefore allow a relevant portion of the optical radiation to pass through the workpiece and back. An interferometric thickness measurement method is, for example, known from the aforementioned WO 2010/037452 A1. This method can generally be used within the context of the present invention. In this case, optical radiation is directed at the top side of the workpiece, wherein a first radiation portion is reflected on the top side and a second radiation portion penetrates the workpiece thickness, is reflected on the bottom side of the workpiece and emerges again on the top side of the workpiece. The first and the second radiation portions then interfere under formation of an interference pattern. Using this interference pattern, the optical workpiece thickness between the top side of the workpiece and the bottom side of the workpiece can be determined in the manner described in WO 2010/037452 A1. If the refractive index is known or established, for example as described in WO 2010/037452 A1, the mechanical workpiece thickness can, in addition, be determined. It is also possible to direct an infrared radiation spectrum at the top side of the workpiece, wherein the radiation created by interference of the radiation portions can be analyzed by means of a spectrometer. 
An optical radiation source of the at least one thickness measurement apparatus can in particular emit infrared radiation. This is particularly favorable during the thickness measurement of, in particular, highly doped silicon workpieces, that means silicon workpieces specifically provided with foreign atoms such as boron or phosphorus. The optical radiation source preferably emits infrared radiation in the wavelength range between 1050 nm and 1600 nm, because silicon is particularly transparent in this wavelength range. This wavelength range is more preferably between 1150 nm and 1350 nm. 
At least one focusing optic of the at least one thickness measurement apparatus can be arranged in the at least one through-hole. A reduction of the distance between the focusing optic, which can for example comprise suitable lenses or similar, and the workpieces to be measured increases the light output and therefore the attainable signal quality. In particular, workpieces having a high degree of light absorption can only be determined in the case of sufficient light output with sufficient precision. The thickness of the working disk can already be problematic in this context. It is therefore advantageously envisaged in the case of this configuration that the focusing optic is introduced into the working disk and is therefore a short distance from the workpiece. 
According to a further configuration, the focusing optic can have a focus depth of at least 1 mm, preferably at least 2 mm. One difficulty of the thickness measurement method is the changing distance between the focusing optic and the workpiece. In particular, the thickness of the working coating which is usually located therebetween, such as a polishing cloth, of the working disk, varies depending on the type of working coating and the wear. However, the workpiece thickness which is determined by measuring technology is to be determined with a deviation if at all possible of less than +/-0.1 μm, in particular approx. +/-0.05 μm independently of these circumstances. Therefore, in the case of this configuration, a focusing optic is envisaged which has a large focus depth. In order to increase the attainable accuracy, the focusing optic can furthermore be mechanically adjustable such that the focus depth fully encloses the process area, that means the area in which the workpiece is located during the different processing conditions, or places said process area into the center of the focus depth. The mechanical adjustment can, in this case, be implemented such that it can be carried out, for example, during interruptions between processing operations. In principle, an actuated mechanism which is used during the processing operation or in accordance with an adjustment instruction, which includes additional parameters such as, for example, a polishing cloth thickness, is also feasible.
The at least one through-hole can be flushed with compressed air in the area of its entry to the working gap. It is also possible to generate an excess pressure with respect to the working gap in the at least one through-hole. Both serve to protect the thickness measurement apparatus, in particular a focusing optic, from contamination from the working gap. This protection can also be combined with a shutter which only releases the light path for the duration of a measuring operation. 
However, it is particularly preferred if at least one protective window which is at least partially transparent to optical radiation from an optical radiation source of the at least one thickness measurement apparatus is arranged in the at least one through-hole between the thickness measurement apparatus and the working gap. The protective window can, in particular, be substantially completely transparent to the radiation from an optical radiation source. The thickness of such a protective window is preferably within a range between 0.5 mm and 20 mm, particularly preferably between 2 and 10 mm. In particular, in the case of silicon workpieces, materials that are transparent in the range of infrared radiation are suitable for the protective window. Preferred materials for the protective window are aluminum oxide or calcium fluoride. A high chemical resistance of the protective windows in particular to alkaline media, which are typically used as polishing agents in double-side polishing machines, is also advantageous. Generally, advantageous properties are a low temperature expansion or a temperature expansion similar to the working disk material, a high scratch resistance and a low tendency to fractures. 
According to another configuration, the at least one protective window can be set further back with respect to the surface delimiting the working gap of the working disk provided with the at least one through-hole by not more than 10 mm, preferably not more than 3 mm, more preferably not more than 1 mm, most preferably not more than 0.3 mm. The fact that the surface of the protective window on the workpiece side is located close to the working disk surface means that the space between the working gap and the protective window is quickly filled homogeneously with a working medium, for example a polishing agent, during operation. In addition, the working medium flows evenly, less turbulently and forming few bubbles past the protective window. Otherwise, this could lead to unstable measurement results. The fact that the protective window is only set back slightly can also be useful for helping to avoid interfering measuring signals, e.g. due to a working medium film, e.g. a polishing agent film, between the workpiece and the protective window. The thickness thereof would then be limited accordingly and a measurement signal can be distinguished and filtered out from the signal for the workpiece thickness. 
In another embodiment, the at least one protective window can be set back with respect to the surface delimiting the working gap of the working disk provided with the at least one through-hole by at least 2 mm and at most 10 mm. Other than in the case of the configuration explained above, the protective window could also be advantageously set back to a greater extent, at least 2 mm in the configuration described above, so that the working medium film would be particularly thick. The thickness thereof would then be limited at the bottom and any measurement signal which might occur could then be distinguished and filtered out from the signal for the workpiece thickness. 
It should also be pointed out with respect to the aforementioned configurations that the protective window does not have to have a flat surface, in particular in the direction of the working gap. The numerical values indicated above then relate to that part of the protective window which protrudes furthest being set back. In this respect, it may suffice if a majority of the light is guided through the area of the protective window, which area corresponds in terms of its geometry to the embodiments described above.
The at least one protective window can be cleaned from the side of the working gap by a cleaning apparatus using a cleaning fluid. In addition to or instead of flushing the working gap with a free-flushing process medium, for example deionized water or an alkaline solution, during or shortly before the end of the processing operation, the protective window can also be freely flushed following a processing operation, between two processing operations or before a processing operation with a cleaning apparatus. This can be done manually under low pressure. However, a method in which the protective window is regularly freely flushed from the workpiece side with a pressurized cleaning fluid, e.g. with deionized water or an alkaline solution, is preferred. This can be done automatically by the control apparatus. This can preferably be the same apparatus which is used to freely flush or refresh the working coatings of the working disks. The space between the working gap and the protective window can also be deliberately supplied during the processing operation with a liquid, preferably with water, an alkaline solution or the working medium itself, in order to address the problem described above that the working medium flows past the protective window in a turbulent manner and forming bubbles.
According to another configuration, it can be envisaged that the workpiece thickness is optically measured during the processing of the workpieces by means of multiple through-holes which are configured in the upper working disk and/or the lower working disk. It is in principle possible to carry out the thickness measurement through the different through-holes (for each working disk) with a joint thickness measurement apparatus, wherein the radiation from an optical radiation source of the thickness measurement apparatus can then be divided up in a suitable manner, for example by means of beam splitters. However, it is of course also feasible that multiple thickness measurement apparatuses are arranged, to this end, on the upper working disk or on the lower working disk. The workpiece thickness can be measured through the different through-holes simultaneously during processing. However, it is also possible to measure the workpiece thickness through the different through-holes at different times during processing. i.e. staggered from each other. 
As explained above, multiple workpieces can be simultaneously processed in the double-side processing machine. In the process, measuring errors can be sorted so that measured values, which were ascertained while a workpiece was actually in the light path of the optical thickness measurement apparatus, are only or preferably taken into account. It is then additionally possible to clearly associate the measurement results of the at least one thickness measurement apparatus in each case to one workpiece. This requires knowledge of the position and, at best, also the twisting of the rotor disks and the working disks in high temporal precision. However, this information is available depending on the machine configuration. In addition, the number of measured values can also be restricted in other ways, for example by pulsed thickness measurements, wherein the radiation pulse can be provided by means of a shutter in the light path, an electrical circuit or sorting on the basis of an algorithm. 
According to another configuration, it can be envisaged that the at least one thickness measurement apparatus is arranged in a vibration-dampened manner on the upper working disk and/or the lower working disk. Due to the mounting in a vibration-dampened or, at best, vibration-insulated manner of the thickness measurement apparatus, for example a spectrometer of an evaluation unit of the thickness measurement apparatus, a falsification of the measurement results can be reduced or avoided by vibrations. Vibrations with typical frequencies between 10 Hz and 1000 Hz, in particular between 100 Hz and 1000 Hz, occur in the processing operation concerned here. The vibration dampening can be an active, electronic vibration dampening or a passive vibration dampening, for example an elastic mounting, adjusted to the respective frequency band. In this way, a mechanical or thermally induced mechanical bracing between the working disk and the thickness measurement apparatus, for example of an evaluation unit of the thickness measurement apparatus, can be avoided. 
The control apparatus can be arranged in a separate location from the working disks. The data transfer between the at least one thickness measurement apparatus and the control apparatus and the electrical supply of the at least one thickness measurement apparatus can then take place via at least one sliding contact. An evaluation unit of the at least one thickness measurement apparatus arranged on the upper and/or lower working disk regularly has an optical grid and, for example, a CCD sensor. On the one hand, the data transfer, i.e. the transfer of electrical measuring signals, between the thickness measurement apparatus located on the rotating working disk and the non-rotating control apparatus of the double-side processing machine, which is arranged separately from the working disk, must be ensured. A slip ring, in particular having gold contacts, can be used as a suitable sliding contact. On the other hand, the same is also true of the electric supply of the thickness measurement apparatus. The signals can thereby be exchanged directly or indirectly or via a BUS system, for example ProfiBUS or ProfiNET. 
One exemplary embodiment of the invention will be explained in greater detail below with reference to the figures, wherein:
Fig. 1 schematically shows a double-side processing machine for carrying out the method according to the invention,
Fig. 2 schematically shows a histogram in order to illustrate a method of the prior art, and
Fig. 3 schematically shows a histogram in order to illustrate the method according to the invention. 
Unless otherwise indicated, the same reference numerals denote the same objects in the figures. 
The double-side processing machine shown in Fig. 1 can, for example, be a double-side polishing machine. The double-side processing machine has an upper working disk 10 and a lower working disk 12 opposite the upper working disk 10. Part of the upper working disk 10 and the lower working disk 12 can, in each case, be a working coating 14, for example a polishing cloth. With this working coating 14, the upper and lower working disks 10, 12 delimit between them a working gap 16 for material-removing processing of workpieces. The reference numeral 18 shows, by way of example for illustrative purposes, a workpiece, for example a wafer. It is understood that, for example, rotatably arranged rotor disks can in practice be provided in the working gap 16, which rotor disks each receive multiple workpieces for simultaneous processing in the working gap 16. 
In the example shown a through-hole 20, in particular a through-bore, is configured in the upper working disk 10. A focusing optic 22 of a thickness measurement apparatus that is attached to the upper working disk 10 is located in the through-hole 20. The focusing optic 22 can, for example, comprise suitable lenses. In the example shown, a protective window 24 is arranged in the through-hole 20 between the focusing optic 22 and the working gap 16. The other end of the through-hole 20 is illustrated by a suitable sealing element 26. The thickness measurement apparatus additionally comprises a measurement and evaluation unit 28 which is attached by means of vibration dampers 30 to the top side of the upper working disk 10. An optical radiation source, for example a laser, preferably an infrared laser, is arranged, on the one hand, in the measurement and evaluation unit 28. The radiation emitted from the optical radiation source is conducted via a fiber-optic cable 32, in particular a glass fiber, to the focusing optic 22 and is focused by the latter through the protective window 24 which is at least partially transparent to the optical radiation onto the workpiece 18. In addition, an optical radiation sensor, for example a CCD sensor and for example an optical grid, is additionally located in the measuring and evaluation unit 28. The measurement and evaluation unit 28 controls the radiation source in order to emit optical radiation. This is partially reflected by the top side of the workpiece 18, partially enters the workpiece 18, is reflected by the bottom side of the workpiece 18 and then exits again at the top side after passing through the workpiece 18 again. The optical radiation coming back from the top side of the workpiece and the bottom side of the workpiece is conducted via the focusing optic 22 and the fiber-optic cable 32 to the sensor arranged in the measurement and evaluation unit 28 and interfere with one another. The measuring signals received by the sensor can be evaluated in the measurement and evaluation unit 28, in order to determine the workpiece thickness 18. In particular, the workpiece thickness can be ascertained interferometrically as described, for example, in WO 2010/037452 A1. 
The measured values arrive via a signal line 34 at a rotary joint 36, for example a slip ring, which is provided in the area of the drive shaft 38 of the double-side processing machine, by means of which the upper working disk 10 is rotatingly driven during operation. The rotary joint 36 is connected at its other end via an additional signal line 40 to a control apparatus 42 (PLC) of the double-side processing machine. A power supply for the thickness measurement apparatus is also shown with reference numeral 44. The supply is provided via a first power line 46, a further rotary joint 48, for example a slip ring again, which is in turn arranged on the drive shaft 38, and a second power line 50 connected to the thickness measurement apparatus. 
The workpiece thickness can be ascertained during processing in a reliable and precise manner with the method according to the invention which is carried out with this double-side processing machine. If the control apparatus 42 establishes that a previously specified target thickness has been reached on the basis of the measurement results provided, the control apparatus 42 terminates the current processing operation. The control apparatus 42 can subsequently start the specified subsequent processing step or terminate the processing of the workpieces altogether.
For illustrative reasons, Fig. 1 only shows a thickness measurement apparatus which measures the workpiece thickness via only one through-hole. It is of course possible for the workpiece thickness to be measured through multiple through-holes simultaneously or at staggered times, whether this is by means of multiple thickness measurement apparatuses arranged on the upper working disk 10 and/or the lower working disk 12 or only by means of a thickness measurement apparatus, the light path of which is divided up in a suitable manner, as described in principle above.
Fig. 2 shows a frequency distribution of the thickness measured values ascertained for the workpieces following processing or their deviation from the target thickness for a conventional double-side processing method without the thickness measurement according to the invention for a plurality of processed workpieces, in this case wafers. Fig. 3 shows a frequency distribution of the thickness measured values ascertained following processing or their deviation from the target thickness for the same double-side processing machine, but in this case with the thickness determination according to the invention, for a plurality of processed workpieces, in this case wafers again. It is obvious that the thickness deviation when using the process according to the invention is considerably lower than it is for the conventional method. In particular, double the standard deviation 2σ in the method according to the invention is only 0.25 μm while it is 1.11 μm in the conventional method.
Claims
1. A method for measuring the thickness of flat workpieces (18) processed in a double-side processing machine, comprising the steps:
- the workpieces are processed in a working gap (16) formed between an upper working disk (10) and a lower working disk (12) of the double-side processing machine while the working disks (10, 12) rotate relative to one another in a material-removing manner,
- during the processing of the workpieces (18) the workpiece thickness is optically measured by means of at least one optical thickness measurement apparatus arranged on the upper working disk (10) and/or the lower working disk (12), wherein the at least one thickness measurement apparatus measures the thickness of the workpieces (18) located in the working gap (16) through at least one through-hole (20) in the upper working disk (10) and/or the lower working disk (12),
- the measurement results of the at least one thickness measurement apparatus are supplied to a control apparatus (42) of the double-side processing machine,
- on reaching a previously specified target thickness of the workpieces (18) the control apparatus (42) terminates the processing operation of the workpieces.
2. The method according to Claim 1, characterized in that the at least one thickness measurement apparatus measures the thickness of the workpieces (18) by means of an interferometric thickness measurement method.
3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an optical radiation source of the at least one thickness measurement apparatus emits infrared radiation. 
4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one focusing optic (22) of the at least one thickness measurement apparatus is arranged in the at least one through-hole (20).
5. The method according to Claim 4, characterized in that the focusing optic (22) has a focus depth of at least 1 mm, preferably at least 2 mm. 
6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one through-hole (20) is flushed with compressed air in the region of its entry to the working gap (16).
7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an excess pressure with respect to the working gap (16) is generated in the at least one through-hole (20). 
8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one protective window (24) which is at least partially transparent to optical radiation from an optical radiation source of the at least one thickness measurement apparatus is arranged in the at least one through-hole (20) between the thickness measurement apparatus and the working gap (16). 
9. The method according to Claim 8, characterized in that the at least one protective window (24) consists of aluminum oxide or calcium fluoride.
10. The method according to any one of Claims 8 or 9, characterized in that the at least one protective window (24) is set back with respect to the surface delimiting the working gap (16) of the working disk provided with the at least one through-hole (20) by not more than 10 mm, preferably not more than 3 mm, more preferably not more than 1 mm, most preferably not more than 0.3 mm. 
11. The method according to any one of Claims 8 to 10, characterized in that the at least one protective window (24) is cleaned from the side of the working gap (16) by a cleaning apparatus using a cleaning fluid. 
12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the workpiece thickness is optically measured during the processing of the workpieces (18) by means of multiple through-holes (20) which are configured in the upper working disk (10) and/or the lower working disk (12).
13. The method according to Claim 12, characterized in that the workpiece thickness is measured through the different through-holes (20) simultaneously during processing.
14. The method according to Claim 12, characterized in that the workpiece thickness is measured through the different through-holes (20) at different times during processing.
15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that multiple workpieces (18) are simultaneously processed in the double-side processing machine, wherein the measurement results of the at least one thickness measurement apparatus are, in each case, clearly allocated to one workpiece (18). 
16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one thickness measurement apparatus is arranged in a vibration-dampened manner on the upper working disk (10) and/or the lower working disk (12). 
17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control apparatus is arranged at a separate location from the working disks (10, 12).
18. The method according to Claim 17, characterized in that the data transfer between the at least one thickness measurement apparatus and the control apparatus (42) and the electrical supply of the at least one thickness measurement apparatus is effected via at least one sliding contact. 
Abstract
The invention relates to a method for measuring the thickness of flat workpieces processed in a double-side processing machine, comprising the steps:
- the workpieces are processed in a working gap formed between an upper working disk and a lower working disk of the double-side processing machine while the working disks rotate relative to one another in a material-removing manner,
- during the processing of the workpieces the workpiece thickness is optically measured by means of at least one optical thickness measurement apparatus arranged on the upper working disk and/or the lower working disk, wherein the at least one thickness measurement apparatus measures the thickness of the workpieces located in the working gap through at least one through-hole in the upper working disk and/or the lower working disk,
- the measurement results of the at least one thickness measurement apparatus are supplied to a control apparatus of the double-side processing machine,
- on reaching a previously specified target thickness of the workpieces the control apparatus terminates the processing operation of the workpieces.
【図１】
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【図２】
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【図３】
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