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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren zur Herstellung einer
besonders ebenen Halbleiterscheibe mit guter Nanotopologie und einem
schädigungsarmen "Finish" nach der mechanischen
Bearbeitung, eine solche Halbleiterscheibe und eine Vorrichtung
zum beidseitigen Schleifen von flachen Werkstücken.
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Für Elektronik,
Mikroelektronik und (Mikro-)Elektromechanik werden Ausgangsmaterialien (Substrate)
mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, Dickenverteilung,
einseiten-bezogene lokale Ebenheit (Nanotopologie), Rauigkeit und
Sauberkeit benötigt.
Als Substrate werden, je nach Verwendungszweck, Scheiben ("Wafer ") aus Metallen, Isolatoren
oder Halb- leitermaterial, insbesondere Verbindungshalbleiter wie
Gallium-Arsenid und überwiegend
Elementhalbleiter wie Silicium und gelegentlich Germanium eingesetzt.
Ferner werden unter Halbleiterscheiben auch Substrate mit künstlich erzeugten
Schichtstrukturen verstanden, wie z.B. Silicium auf Siliciumdioxid
(SOI, silicon on insulator), vorzugsweise epitaktisch hergestellte
Silicium-Germanium-Mischkristalle (gitterverspanntes Silicium, "strained silicon") und Silicium-Germanium-Mischkristalle
auf Siliciumdioxid (sSOI, strained SOI). Halbleiterscheiben müssen insbesondere
bei der Verwendung in der Mikroelektronik besonders dickenkonstant,
global und lokal eben, glatt und sauber sein.
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Die
auf die Vorderseite (Bauteilseite) bezogene Ebenheit von Halbleiterscheiben
innerhalb auf der Oberfläche
angeordneter Messfenster von beispielsweise 2 mm × 2 mm oder
10 mm × 10
mm wird nach SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International)
als "Nanotopologie" bezeichnet. Mit
jeder neuen Bauteilgeneration ("Design-Rule"), die nach den kleinsten
noch definiert und reproduzierbar hergestellten Strukturausdehnungen
bezeichnet wird, gehen abermals verschärfte Anforderungen an die Nanotopologie
einher. Derzeit sind bereits die Anforderungen für die 130 nm-, 90 nm- und 65
nm-Generation zu erfüllen.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden Halbleiterscheiben aus Silicium in einer Vielzahl
von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt, die sich
allgemein in folgende Gruppen unterteilen lassen:
- a)
Herstellung eines einkristallinen Siliciumstabes (Kristallzucht)
- b) Auftrennen des Stabes in einzelne Scheiben ("Wafering", "Sägen")
- c) mechanische Bearbeitung
- d) chemische Bearbeitung
- e) chemo-mechanische Bearbeitung
- f) ggf. Beschichtung
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Dazu
kommt eine Vielzahl an Nebenschritten wie Reinigung, Sortieren,
Messen, Verpacken usw., die jedoch keinen unmittelbaren Einfluss
auf die Scheibenebenheit und insbesondere die Nanotopologie haben
und daher im Folgenden nicht weiter betrachtet werden.
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Die
Herstellung eines einkristallinen Siliciumstabes erfolgt üblicherweise
durch Tiegelziehen (Czochralski-Verfahren). Darüber hinaus werden Stäbe mit einem
Durchmesser von ≤ 200
mm auch durch Zonenziehen (Rekristallisation eines Stabes aus polykristallinem
Silicium) hergestellt.
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Bevorzugte
Trennverfahren sind das Drahtsägen
("multi-wire slicing", MWS) mit freiem
Korn ("slurry"-MWS) oder mit gebundenem
Korn (Diamantdraht-MWS).
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Die
mechanische Bearbeitung dient der Entfernung von Sägewelligkeiten,
dem Abtrag der durch die raueren Sägeprozesse kristallin geschädigten oder
vom Sägedraht
kontaminierten Oberflächenschichten
und vor allem der globalen Einebnung der Halb leiterscheiben. Hier
werden sequentielle Einseiten-Schleifverfahren ("single-side grinding", SSG) und simultane Doppelseiten-Schleifverfahren
("double-disk grinding", DDG) sowie Läppen und
Flachhonen verwendet.
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Beim
Einseitenschleifen wird die Halbleiterscheibe rückseitig auf einer Unterlage
("chuck") gehalten und vorderseitig
von einer Topf- oder, was weniger gebräuchlich ist, von einer Außenschleifscheibe
unter Drehung von Unterlage und Schleifscheibe und langsamer radialer
Zustellung eingeebnet.
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Beim
simultanen Doppelseitenschleifen, das beispielsweise in der EP-868
974 A2 beschrieben ist, wird die Halbleiterscheibe frei schwimmend
zwischen zwei, auf gegenüberliegenden
kollinearen Spindeln montierten, Schleifscheiben simultan beidseitig
bearbeitet und dabei weitgehend frei von Zwangskräften axial
zwischen einem vorder- und rückseitig
wirkenden Wasser- (hydro- statisches Prinzip) oder Luftkissen (aerostatisches
Prinzip) geführt
und radial lose von einem umgebenden dünnen Führungsring oder von einzelnen
radialen Speichen an einem Davonschwimmen gehindert. Die Halbleiterscheibe
rotiert während
des Schleifens um ihre Symmetrieachse. Diese Rotation wird durch
vorder- und rückseitig
angreifende Reibräder, über einen
Mitnehmer ("notch finger"), der in die Orientierungs-Kennkerbe
("notch") der Halbleiterscheibe
eingreift, oder durch Reibriemen angetrieben, die die Halbleiterscheibe
teilweise umfänglich
umschlingen. Von besonderer Bedeutung für den Erfolg des DDG-Prinzips
in Bezug auf das Erzielen sehr guter Geometrie- und Nanotopologiewerte
der Halbleiterscheibe ist eine exakte Ausrichtung der Spindeln zueinander
(Kollinearität)
und der Zentrumsebene zwischen den Schleifrädern und der Mittenebene der
Halbleiterscheibe (Koplanarität).
Ferner sind Anordnung, Druck, Dicke, Durchflussrate und Gleichförmigkeit
der Luft- oder Wasserkissen ("Hydro-Pads") besonders wichtig.
Die Vorrichtung zur Erzeugung dieser Luft- oder Wasserkissen kann starr
angeordnet sein, wobei dann durch die abnehmende Dicke der Halbleiterscheibe
die Dicke der Luft- oder Wasserkissen während des Schleifens zunimmt,
oder – bevorzugt
auf konstante Dicke der Luft- oder Wasserkissen während des
Materialabtrags gesteuert – während des
Schleifens nachgeführt
werden. Um die exakte Ausrichtung zu gewährleisten, wird eine Reihe
von verschiedenen Messvorrichtungen verwendet, die die Lage der
Halbleiterscheibe überwachen
und sich einstellenden Asymmetrien durch axiales Verschieben der
Spindeln entgegenwirken. Zusätzlich
zur Absolutmessung der Lage der Halbleiterscheibe wird in der Regel
auch deren Dicke durch synchrones vorder- und rückseitiges Antasten in situ
ermittelt und für
die Steuerung der Schleifprozessschritte (Spindelzustellung) und
insbesondere für
eine zieldicken-genaue Endabschaltung verwendet.
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Die
Kante der Halbleiterscheibe muss in der Regel auch bearbeitet werden
(Kantenverrunden). Hierzu werden konventionelle Schleifschritte
mit profilierten Schleifscheiben, Bandschleifverfahren mit kontinuierlichem
oder periodischem Werkzeugvorschub oder integrierte Kantenverrundungsverfahren (Kanten-
schleifen und -polieren in einem Schritt) eingesetzt.
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Die
Gruppe der chemischen Bearbeitungsschritte umfasst Reinigungs- und Ätzschritte,
insbesondere zum Entfernen von Verunreinigungen, zum Abtragen von
geschädigten
Oberflächenschichten und
zur Verringerung der Oberflächen-Rauigkeit. Beim Ätzen kommen Ätzschritte
mit alkalischen Medien, insbesondere auf Basis von NaOH, KOH oder Tetramethylammonium-Hydroxid
(TMAH) und Ätzschritte
mit sauren Medien, insbesondere auf Basis von Mischungen von HNO3/HF oder Kombinationen solcher Ätzschritte
zum Einsatz. Gelegentlich werden auch andere Ätzverfahren wie das Plasma-Ätzen verwendet.
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Die
Gruppe der chemo-mechanischen Bearbeitungsschritte umfasst Polierschritte,
mit denen durch teilweise chemische Reaktion und teilweise mechanischen
Materialabtrag (Abrasion) die Oberfläche geglättet wird. Beim Einseitenpolieren
(single-side polishing, SSP) wird die Halbleiterscheibe während der
Bearbeitung rückseitig
auf einer Trägerplatte
mit Kitt, Vakuum oder Adhäsion
gehalten. Beim Doppelseitenpolieren (DSP) ist die Halbleiterscheibe lose
in eine dünne
Zahnscheibe eingelegt und wird vorder- und rückseitig simultan "frei schwimmend" zwischen einem oberen
und einem unteren, mit einem Poliertuch belegten Polierteller poliert.
Das Polieren umfasst in der Regel einen oder mehrere Vor- (Abtragspolitur)
und Schleierfrei-(Feinpolitur) Polierschritte und ggf. noch Zwischenschritte
("buff polish"). Das Vorpolieren
kann als Einzelscheiben- oder Mehrscheiben-SSP oder -DSP ausgeführt werden. Beim
Schleierfrei-Polieren
kommt aufgrund der höheren
Reibungskräfte
(weicheres Poliertuch) nur das SSP in Form einer Einzelscheibenpolitur
oder Mehrscheibenpolitur zum Einsatz.
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Besonders
anspruchsvolle Anwendungen können über die
genannten Verfahren hinaus eine Fein-Nachbearbeitung der Halbleiterscheibe
erfordern, mit der Formabweichungen gezielt lokal nachbearbeitet
werden. Beispiele für
solche so genannten Sub-Apertur-Verfahren
sind das "Plasma-Assisted Chemical
Etching" (PACE)
und verwandte Plasma-Ätzverfahren,
beispielsweise das "jet-
etch"-Verfahren.
Ein relativ neues Subapertur-Verfahren mit großem Potenzial ist das Magneto-Rheologische "Finishen" (MRF), das beispielsweise
in US2003/060020 A1 näher
beschrieben ist und als Einzelscheiben oder Mehrscheiben-Bearbeitungsverfahren
durchgeführt
werden kann. Das MRF-Verfahren nutzt für den lokalen Materialabtrag
eine magnetorheologische Flüssigkeit
(Ferrofluid), deren Viskosität
im Magnetfeld feldstärkeabhängig um
bis zu viele Größenordnungen
zunimmt. Damit lässt
sich lokal ein steifes (magnetisch "eingedicktes") "Schleifwerkzeug" erzeugen, mit dem
die Oberfläche
der Halbleiterscheibe abgeschliffen wird. Die mit dem MRF-Verfahren
erzielbaren Ebenheiten sind, bei erheblich größerem Bearbeitungsaufwand (Zykluszeit), denen
einer Politur um bis zu einer Größenordnung überlegen.
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Zur
Herstellung von besonders ebenen Halbleiterscheiben mit guter Nanotopologie
werden bevorzugt mehrstufige materialabtragende mechanische Bearbeitungsschritte
verwendet. Beispielsweise gibt die US-5,942,445 ein Verfahren an,
das aus der Abfolge aus einem ersten, groben Schleifschritt in einer
ersten Schleifmaschine besteht, wobei bevorzugt DDG eingesetzt wird, und
nachfolgend einem beidseitigen sequentiellem SSG mit einem feinen Schleifrad
in einer zweiten Schleifmaschine. Diese mehrstufige Prozessabfolge
ist jedoch komplex, wenig flexibel und erfordert durch das wiederholte
Ein- und Ausschleifen in Summe sehr hohe Materialabträge. Insbesondere
macht aber das SSG die Vorteile des vorangegangenen DDG größtenteils
wieder zunichte.
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Die
US-6,066,565 beschreibt einen Prozessablauf mit einem zweistufigen
mechanischen Planarisierungsschritt, wobei das Verrunden der Kante
der Halbleiterscheibe zwischen dem ersten und dem zweiten mechanischen
Planarisierungsschritt durchgeführt
wird und bei dem die beiden Planarisierungsschritte jeweils unabhängig aus
einer ganzen Gruppe vorgeschlagener mechanischer Bearbeitungsprozesse
ausgewählt
werden. Die Gruppe umfasst DDG, SSG, Läppen sowie Plasma-Ätzen. Auch
dieser Prozessablauf ist komplex, materialintensiv, störungsanfällig und
teuer.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die wirtschaftliche
Herstellung einer besonders ebenen Halbleiterscheibe mit guter Nanotopologie
und einem schädigungsarmen "Finish" nach der mechanischen
Bearbeitung, das eine Reduktion eines gegebenenfalls noch notwendigen
Materialabtrags in Folgeprozessschritten zulässt.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe,
umfassend ein beidseitiges Schleifen der Halbleiterscheibe, bei dem
die Halbleiterscheibe mit einem Schleifwerkzeug auf beiden Seiten
gleichzeitig zuerst grob und anschließend fein geschliffen wird,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Halbleiterscheibe zwischen
dem Grobschleifen und dem Feinschleifen in einer Schleifmaschine
gespannt bleibt und das Schleifwerkzeug beim Übergang vom Grobschleifen zum
Feinschleifen mit im Wesentlichen gleich bleibender Last in Eingriff
gebracht wird.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum beidseitigen Schleifen
von flachen Werkstücken,
umfassend zwei Doppelspindeln mit jeweils einer inneren und einer äußeren Teilspindel, eine
Einrichtung zum Be- und Entladen des Werkstücks und eine zwischen den Doppelspindeln
angeordnete Werkstückaufnahme,
von der das Werkstück während eines
Schleifschrittes frei schwimmend gehalten wird, wobei die Teilspindeln
koaxial angeordnet sind und Schleifräder zum Schleifen von sich
gegenüberliegenden
Seiten des Werkstücks
tragen und jeweils mindestens eine Teilspindel je Doppelspindel unabhängig von
der anderen Teilspindel der Doppelspindel axial verschiebbar ist.
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Die
Vorrichtung unterscheidet sich vom Stand der Technik, der beispielsweise
von der US-3,885,925 und der WO-99/39873 A1 repräsentiert wird, insbesondere
durch das Anordnen von zwei Doppelspindeln, wodurch das beanspruchte Verfahren
erst möglich
ist.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein, eine Grob- und eine Feinbearbeitung der Halbleiterscheibe
umfassendes simultanes Doppelseitenschleifen in einem unterbrechungsfreien
Arbeitsschritt in einer Maschine durchgeführt, wobei die Halbleiterscheibe
zwischen einem Paar kollinear angeordneter Doppelspindeln geschliffen
wird, und die Mittenebene der Halbleiterscheibe und die Zentrumsebene
zwischen den Schleifrädern
koplanar sind.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein, eine Grob- und eine Feinbearbeitung der Halbleiterscheibe
umfassendes simultanes Doppelseitenschleifen in einem unterbrechungsfreien
Arbeitsschritt in einer Maschine durchgeführt, wobei die Halbleiterscheibe
zwischen einem Paar Doppelspindeln geschliffen wird, wobei die Mittenebene
der Halbleiterscheibe und die Zentrumsebene zwischen den Schleifrädern koplanar
sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind die Doppelspindeln
während
des Grobschleifens aus einer kollinearen Anordnung gekippt und während des
Feinschleifens wieder kollinear ausgerichtet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die simultane Doppelseitenbearbeitung
der Halbleiterscheibe beim Wechsel vom Grobschleifen zum Feinschleifen weitgehend
ohne Lastwechsel und damit in einem unterbrechungsfreien Arbeitsschritt
erfolgt. Beim Wechsel vom Grobschleifen zum Feinschleifen werden
die beiden Feinschleifräder
der Doppelspindeln vorder- und rückseitig
so in Eingriff gebracht, dass die Halbleiterscheibe während des
Eingriffswechsels ihre kräftefreie
Zentrumslage zwischen den sie axial führenden Aufnahmekissen nicht
verlässt
und daher im wesentlichen zu keiner Zeit unerwünschte, weil deformierende,
resultierende Zwangskräfte
auf sie ausgeübt
werden. Dazu wird die tatsächliche
Position der Schleifradvorderkanten, deren Lage aufgrund der Abnutzung
des Schleifbelages einer Änderung unterliegt,
durch Überwachung
der Lage und der Dicke der Halbleiterscheibe jeweils so bestimmt
und nachgeführt,
dass stets mit einem minimalen und vorzugsweise nahezu verschwindenden
Sicherheitsabstand vor dem Eintauchen der Schleifräder ("air cut") geschliffen werden
kann.
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Diese
weitgehende Lastwechselfreiheit wird gemäß der zweiten Ausführungsform
des Verfahrens umgesetzt, indem beim Grobschleifen durch Verstellen
der Neigung der Doppelspindeln eine nicht-Planare Form der Halbleiterscheibe
gezielt eingestellt wird und das Feinschleifrad beim Feinschleifen
wegen der Form der grobgeschliffenen Halbleiterscheibe nicht schlagartig
in einen umfänglichen
Volleingriff mit der Halbleiterscheibe gelangt, sondern langsam und
unter kontinuierlichem, nichtabrupten Kräftewechsel in die nicht-Planar
vorgeschliffene Halbleiterscheibe eintaucht ("hineinschleift") und die letztlich erwünschte Planparallelität der Halbleiterscheibe erst
beim Feinschleifen erzeugt wird.
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Durch
die erfindungsgemäße weitgehend lastwechselfreie,
mehrstufige und unterbrechungsfreie Bearbeitung mittels Doppelspindeln
mit jeweils Schleifrädern
zum Grobschleifen und Feinschleifen (Dual-spindle Double-Disk Grinding,
DDDG) mit kräfte freier
Werkstückführung und
simultaner Vorder- und Rückseitenbearbeitung
werden die beschriebenen Nachteile von mehrstufigen Bearbeitungsverfahren
in verschiedenen Maschinen und mit verschiedenen Werkzeugen vermieden
und es ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
So ist
eine schnelle Bearbeitung gewährleistet,
da ein vollständiger
Be- und Entladezyklus, der aufgrund der erforderlichen Präzision beim
Doppelseitenschleifen mit Maschinenwechsel prinzipbedingt sehr lange
dauert, gespart wird. Es können
nahezu beliebige Grob-/Feinschleifrad-Kombinationen verwendet werden,
insbesondere auch solche, deren Grobschleifrad derartig raue Oberflächen erzeugt,
dass die Halbleiterscheibe in einem Verfahren, das ein Grobschleifen
und ein Feinschleifen mit einem Maschinenwechsel beinhaltet, während der
Handhabung beim Be- und Entladen oder beim Transport aufgrund der
hohen Bruchanfälligkeit
solcher grobgeschliffener Halbleiterscheiben ausfallen würde. Feinschleifräder zum
Erzeugen von besonders schädigungsarmen
und glatten Oberflächen
("Finish") gelten jedoch als
schnittunwillig und benötigen
eine typische Anschliffrauigkeit, also beispielsweise eine grob vorgeschliffene
Oberfläche,
um überhaupt
in die Halbleiterscheibe eintauchen zu können. Mit dem vorgeschlagenen
Verfahren kann ein Oberflächen-Finish erzeugt werden,
wie es bei einem entsprechenden mehrstufigen Schleifverfahren mit
Maschinenwechsel wirtschaftlich nicht möglich ist. Es zeigt sich nämlich, dass
der Nachschliff mit Feinschleifrädern mit
besonders feinem Schleifbelag auf grob vorgeschliffenen Oberflächen auch
ein extrem langsames Eintauchen des Feinschleifrades verlangt. Bei schnellerem
Eintauchen treten aufgrund der erwähnten Schnittunwilligkeit des
Feinschleifrades Lastspitzen auf, die zur Überlast am Notch oder Notchfinger führen und
den Bruch der Halbleiterscheibe bewirken können. Dieses langsame Eintauchen
ist nur mit einem nahezu verschwindenden Sicherheitsabstand vor
dem Eintauchen der Schleifräder
("air cut") mit wirtschaftlichen
Zykluszeiten möglich.
Bei entsprechenden Verfahren mit Maschinenwechsel stehen Schwankungen
wegen thermischer Drift kurzen Zykluszeiten entgegen. Beim erfindungsgemäßen Einmaschinen-Doppelspindel- Doppelseiten-Simultanschleifen
(DDDG) ist die Wirtschaftlichkeit aufgrund der unmittelbaren Abfolge
von Grob- und Feinschleifschritt
gegeben, da zwischen beiden Teilschritten keine thermische Drift
entstehen kann und die Enddicke des Grobschliffs, die gleichzeitig
die Eingangsdicke des Feinschliffs ist, mit demselben Messwerkzeug viel
genauer in situ überwacht
und gesteuert werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren weiter erläutert.
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1 zeigt
das Ergebnis von Messungen der Nanotopologie und von lichtstreuenden
Oberflächendefekten
bei grobgeschliffenen und polierten Halbleiterscheiben, wobei verschieden
schnittfreudige Schleifräder
zum Grobschleifen verwendet wurden.
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In 2 ist
das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Einmaschinen-Doppelspindel-Doppelseiten-Simultanschleifen (DDDG)
dargestellt.
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3 zeigt die Vorrichtung und eine Halbleiterscheibe
zu verschiedenen Zeitpunkten des Verfahrens, jeweils getrennt für die erste
(3a)–d)) und die zweite (3e)–g))
Ausführungsform
des Verfahrens: 3a) das Beladen der
Schleifvorrichtung; 3b) das Grobschleifen
der Halbleiterscheibe; 3c) das Feinschleifen
der Halbleiterscheibe und 3d) das
Entladen der Schleifvorrichtung. 3e) zeigt
den lastwechselfreien Übergang
beim Grobschleifen zum Feinschleifen gemäß der zweiten Ausführungsform
des Verfahrens und die nicht-planare Zwischenform der Halbleiterscheibe; 3f) das Aufsetzen des Feinschleifrades
auf die Halbleiterscheibe und 3g) das
Feinschleifen der Halbleiterscheibe beim Entstehen der planaren
Endform der Halbleiterscheibe.
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4a) nennt die wesentlichen Schritte eines
die Erfindung einbeziehenden, allgemeinen Verfahrens zur Herstellung
besonders ebener und planparalleler Halbleiterscheiben. 4b) nennt besonders bevorzugte Ausgestaltungsformen
des allgemeinen Verfahrens, die weitere Prozessschritte umfassen.
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Zunächst zur
Detailbeschreibung von 1: Diese zeigt die statistische
Verteilung (Mittelwert, Quartile, 2-Sigma-Werte, Ausreißer; "Box-and-Whisker"-Plot) der Nanotopologie
(oben) und der lichtstreuenden Oberflächendefekte (unten) von Gruppen polierter
Halbleiterscheiben, die mit unterschiedlich groben und damit schnittfreudigen
DDG-Schleifrädern
simultan doppelseitengeschliffen worden waren. Es zeigt sich, dass
je aggressiver (gröber, schnittfreudiger)
das Schleifrad ist, desto besser ist die gemessene Nanotopologie,
aber desto höher auch
die nach Ätzen
und Politur noch verbleibende Restschädigung der Oberfläche der
Halbleiterscheibe. Offenbar sind eine gute Nanotopologie und eine schädigungsarme
Oberfläche
nicht gleichzeitig und mit nur einem Schleifrad zu erhalten. Es
ist vielmehr ein Doppelbearbeitungsschritt mit einem Grobschleifen
und einem Feinschleifen nötig,
der erfindungsgemäß mit einer
DDDG-Vorrichtung durchgeführt
wird.
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Die 2 zeigt
eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einmaschinen-Doppelspindel-Doppelseiten-Simultanschleifen (DDDG),
mit einander gegenüberliegenden,
kollinear ausgerichteten Doppelspindeln 1A (linke Doppelspindel)
und 1B (rechte Doppelspindel). Die Doppelspindeln (1A, 1B)
bestehen aus einer inneren Grobschleifspindel (2A, 2B)
und einer äußeren Feinschleifspindel
(3A, 3B) in koaxialer Anordnung, die jeweils ein
grobes Schleifrad (6A, 6B) und ein feines Schleifrad
(4A, 4B) tragen. Die Schleifräder weisen Schleifbeläge mit grobem
(7A, 7B) und feinem Schleifkorn (5A, 5B)
auf. Alternativ können
das grobe und das feine Schleifrad auch vertauscht angeordnet sein,
also das grobe Schleifrad im Verhältnis zum feinen Schleifrad
außen
liegen. Eine Halbleiterscheibe 8 wird in axialer Richtung
vorder- und rückseitig
von einer, Wasser- oder Luftkissen (11A, 11B),
so genannte "hydro-pads" oder "air-pads", umfassenden Werkstückaufnahme
lose geführt.
In radialer Richtung wird die Halbleiterscheibe 8 von einem
sie am Umfang umgebenden Ring 12 am Davonschwimmen gehindert,
wobei der Ring geschlossenen ist oder aus speichenartigen Abschnitten
besteht. Der Ring 12 ist dünner als die Enddicke der Halbleiterscheibe 8 und
in einem stabilen Trägerring 9 eingespannt.
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Gemäß 3a) wird zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens
die von Seitenwänden (10A, 10B)
begrenzte Schleifkammer geöffnet
und mit einer Halbleiterscheibe 8 beladen. Die Schleifspindeln
(1A, 1B) mit den Grob- und Feinschleifrädern (6A, 6B)
und (4A, 4B) auf den inneren (2A, 2B) und äußeren (3A, 3B)
Teilspindeln sind zurückgefahren.
Die Halbleiterscheibe 8 wird beispielsweise von einem Roboterarm
als Beladeeinrichtung (nicht gezeigt) in die Schleifkammer eingeführt. Beim
Rückzug
der Beladeeinrichtung wird beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums 13 im
rechten Teil der Schleifkammer sichergestellt, dass die Halbleiterscheibe
in der Schleifkammer verbleibt. Anschließend wird die Schleifkammer
durch ein Zurückbewegen
der Seitenwand 10A geschlossen. Zum in 3b) dargestellten
Zeitpunkt sind die inneren Teilspindeln (2A, 2B)
der Doppelspindeln (1A, 1B), die gegenüber den äußeren Teilspindeln
(3A, 3B) eine Hubbewegung um einen festen Betrag
in axialer Richtung vollführen
können,
in einer vorgeschobenen Position, so dass beim Zustellen der Doppelspindeln
(1A, 1B) auf die Halbleiterscheibe 8 nur
die Grobschleifräder
(6A, 6B) mit der Halbleiterscheibe 8 in
Eingriff gelangen. Die Halbleiterscheibe 8 schwimmt kräftefrei
zwischen den Wasser- oder Luftkissen (11A, 11B)
und befindet sich mit ihrer Mittenebene koplanar zur Zentrumsebene
zwischen den Schleifrädern.
Die Grobschleifräder
(6A, 6B) schleifen die Halbleiterscheibe 8 durch
langsames Zustellen der rotierenden Doppelspindeln (1A, 1B)
in die rotierende Halbleiterscheibe 8 hinein auf eine Grobschliff-Zieldicke 14 herunter.
Das Erreichen der Grobschliff-Zieldicke 14 wird durch ein
in situ arbeitendes Messmittel (20A, 20B) festgestellt,
das die Halbleiterscheibe vorder- und rückseitig simultan antastet
und dadurch während
des Schleiffortganges deren momentane Dicke kontinuierlich ermittelt.
Durch einen Vergleich mit der tatsächlichen Position der Spindeln (1A, 1B)
zum Zeitpunkt des Erreichens der Zieldicke am Ende des Grob- und
des Feinschleifschrittes lassen sich die tatsächlichen momentanen Höhen der Schleifbeläge (7A, 7B)
und (5A, 5B) vom Grob- (6A, 6B)
und vom Feinschleifrad (4A, 4B) unabhängig voneinander
ermitteln und für
die erforderlichen axialen Positionskorrekturen der jeweiligen Spindelstellungen
verwenden. Mit Hilfe der Messmittel (20A, 20B)
oder weiterer Abstandssensoren wird auch sichergestellt, dass sich
die Halbleiterscheibe 8 mit der Mittenebene fortwährend in
der Zentrumsebene zwischen den Schleifrädern befindet. Weiterhin korrigiert man
die Positionen der Doppelspindeln durch die beim Erreichen der Zieldicke
ermittelten tatsächlichen
Positionen der Vorderkanten der Schleifbeläge (7A, 7B)
und (5A, 5B), so dass die Vorderkanten der Schleifbeläge während des
Schleifens ebenfalls symmetrisch auf diese Zentrumsebene hin zustellen. Auf
diese Weise ist sichergestellt, dass die Halbleiterscheibe 8 eine
kräftefreie
Zentrumslage nicht verlässt
und insbesondere keine oder kaum Zwangskräfte, insbesondere im kritischen
Moment des Ein- und Ausschleifens (Eintauchen bzw. "Ausfeuern" und Zurückziehen),
auf sie einwirken.
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Beim
Erreichen der Grobschliff-Zieldicke 14 werden die inneren
Teilspindeln (2A, 2B) um den durch den axialen
Hubmechanismus bestimmten Betrag (18A, 18B) zurückgezogen,
so dass die Grobschleifräder
(6A, 6B) aus dem Eingriff mit der Halbleiterscheibe 8 und
die Feinschleifräder
(4A, 4B) in eine vordere Position gelangen. Gleichzeitig
oder zumindest zeitnah danach werden die Doppelspindeln (1A, 1B)
mit den beiden Teilspindeln (2A, 2B) und (3A, 3B)
um den Betrag (19A, 19B) der axialen Hubbewegung
der inneren Teilspindeln (2A, 2B) und unter Berücksichtigung
des Grads unterschiedlicher Abnutzung der Grob- und Feinschleifbeläge (7A, 7B)
und (5A, 5B) zugestellt.
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Zum
in 3c) dargestellten Zeitpunkt befinden
sich die Feinschleifräder
(4A, 4B) bereits in vorderer Position und schleifen
mit den Schleifbelägen (5A, 5B)
durch weitere Zustellung der Doppelspindeln (1A, 1B)
in die Halbleiterscheibe 8 hinein, bis die Messmittel (20A, 20B)
das Erreichen der vorgegebenen Feinschliff-Zieldicke 15 feststellen.
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Zum
in 3d) dargestellten Zeitpunkt sind die
Doppelspindeln (1A, 1B) vollständig zurückgezogen, die Rotation der
Halblei terscheibe 8 gestoppt und die Versorgung für die Wasser-
oder Luftkissen (11A, 11B) ausgeschaltet. Die
Halbleiterscheibe wird, beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums 22 im
rechten Teil der Schleifkammer an der unbewegten Seitenwand 10B der
Schleifkammer fixiert, und die Schleifkammer durch Zurückfahren
der Seitenwand 10A geöffnet.
Anschließend
wird die Halbleiterscheibe mit Hilfe einer Entladeeinrichtung, beispielsweise
eines Roboterarms der Schleifkammer entnommen und damit der Schleifzyklus
beendet.
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3e) zeigt den lastwechselfreien Übergang
beim Grobschleifen zum Feinschleifen gemäß der zweiten Ausführungsform
des Verfahrens und die nicht-planare Zwischenform der Halbleiterscheibe 8. Diese
Ausführungsform
erlaubt ein besonders schonendes, nahezu kontinuierliches, unterbrechungs- und
zwangskräftefreies
Bearbeiten der Halbleiterscheibe. Die Doppelspindeln (1A, 1B)
werden vor dem Grobschleifen um vorzugsweise symmetrische Winkel
(21A, 21B) geneigt, wodurch die Schleifräder die
Halbleiterscheibe 8 beim Grobschleifen in die nicht-planare
Zwischenform 18 bringen.
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Wie
in 3f) gezeigt ist, ermöglicht die nicht-planare
Zwischenform 18, die die Halbleiterscheibe nach dem Grobschleifen
besitzt, dass das Feinschleifrad (4A, 4B) besonders
schonend, kräftearm
und einen abrupten Lastwechsel vermeidend in die Halbleiterscheibe 8 eintauchen
kann. Beim Eintauchen in die Halbleiterscheibe 8 hat das
Feinschleifrad (4A, 4B) nur einen Punktkontakt 17 mit
der Halbleiterscheibe 8, so dass anfänglich nur sehr geringe Zerspanungskräfte wirksam
werden. Vor dem Feinschleifen der Halbleiterscheibe werden die Anstellwinkel
(21A, 21B) zurückgenommen,
so dass die Doppelspindeln wieder kollinear ausgerichtet und die Mittenebene
der Halbleiterscheibe und die Zentrumsebene zwischen den Schleifrädern koplanar
sind. Die in 3g) gezeigte planparallele
Zielform 16 mit einer Enddicke der Halbleiterscheibe wird
durch das Feinschleifen erzeugt. Der Schleifzyklus wird anschließend entsprechend
der Ausführungen
zu 3d beendet.
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4a) nennt die wesentlichen Schritte eines
allgemeinen Verfahrens zur Herstellung besonders ebener und planparalleler
Halbleiterscheiben mit mindestens einer polierten Seitenfläche, wobei das
erfindungsgemäße Einmaschinen-Doppelspindel-Doppelseiten-Simultanschleifen
(DDDG) einer der Schritte des allgemeinen Verfahrens ist. Die wesentlichen
Schritte der Abfolge umfassen (1) das Trennen von Halbleiterscheiben
von einem Stab, insbesondere von einem Einkristall, (2)
das DDDG und (3) das Polieren von mindestens einer Seitenfläche der
geschliffenen Halbleiterscheibe.
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4b) nennt besonders bevorzugte Ausgestaltungsformen
des allgemeinen Verfahrens, die weitere Prozessschritte umfassen.
Durchgehende Pfeile bezeichnen verbindlich vorgesehene Prozessschritte
und gestrichelte Pfeile zusätzliche,
optionale Prozessschritte, wobei die Angabe der optionalen Schritte
nur Beispiele umfasst und nicht vollständig ist. Die Ausgestaltungsformen
gliedern sich in zwei unterschiedliche Kernabfolgen, nämlich
- (1) mit den Schritten Trennen → Kantenverrunden → DDDG → Feinpolitur
und
- (2) mit den Schritten Trennen → DDDG → Kantenverrunden → Feinpolitur.
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In
beiden Kernabfolgen kann optional ein Ätzen nach der mechanischen
Bearbeitung erfolgen, mit dem von einer oder von beiden Seiten der
Halbleiterscheibe Material abgetragen wird. Ferner kann optional
der Feinpolitur eine Vorpolitur vorangehen, wobei diese eine simultane
Doppelseitenpolitur (DSP) oder eine sequentielle Einseitenpolitur
(SSP) sein kann. Ferner kann die SSP ein nur die Halbleiterscheibe
rückseitig
polierender Schritt sein (backside touch-polish, BSTP). Zusätzlich kann
zwischen der Vor- und der Feinpolitur eine Geometrie-Fein-Nachbearbeitung mit
einem Subapertur-Verfahren, vorzugsweise dem Magneto-Rheologischen Finishen
(MRF), stattfinden.
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Anwendungsbeispiele
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Als
Beispiel für
eine Anwendung des erfindungsgemäßen DDDG-Verfahrens werden
folgende Prozessparameter als bevorzugt offenbart:
Beim Grobschleifen
sind dies ein von der inneren oder der äußeren Teilspindel gehaltenes
Schleifrad mit einer Körnung
von 4 – 50 μm und mit
Diamant als Abrasiv, das keramisch oder metallisch gebunden ist, ein
Schleifabtrag von 2 × 20 μm – 2 × 60 μm bei einer Spindeldrehzahl
von 1000 – 12000
U/min und einer Spindelzustellrate von 15 – 300 μm/min (bezogen auf beide Spindeln)
sowie eine Drehzahl der Halbleiterscheibe von 5 – 100 U/min und eine Kühlschmierung mit
Wasser von 0,1 – 5
l/min. Das Ergebnis ist eine Halbleiterscheibe mit grobgeschliffenen
Seitenflächen
mit einer Rauigkeit von 250 – 3000 Å RMS (1 – 80 μm) und einer
Dickenvariation TTV von 0.7 – 3 μm (bei einem
Verfahren mit koaxial angeordneten Doppelspindeln beim Grobschleifen).
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Beim
Feinschleifen sind dies ein von der inneren oder der äußeren Teilspindel
gehaltenes Schleifrad mit einer Körnung von 0.1 – 5 μm und mit Diamant,
CeO2, Al2O3, SiC, BaCO3 (besonders
bevorzugt ist Diamant) als Abrasiv, das keramisch oder mit Kunstharz,
gegebenenfalls keramisch und mit Kunstharz, vorzugsweise unter Konglomeratbindung, gebunden
ist, ein Schleifabtrag von 2 × 2,5 – 2 × 20 μm bei einer
Spindeldrehzahl von 1000 – 12000 U/min
und einer Spindelzustellrate von 5 – 60 μm/min (bezogen auf beide Spindeln),
sowie eine Drehzahl der Halbleiterscheibe von 5 – 100 U/min und eine Kühlschmierung
mit Wasser von 0,1 – 5
l/min. Das Ergebnis ist eine Halbleiterscheibe mit feingeschliffenen
Seitenflächen
mit einer Rauigkeit von 5 – 200 Å RMS (gemessen
mit einem Profilometer mit 1 – 80 μm-Filter)
und einer Dickenvariation TTV von < 1 μm.
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Der
Axialhub einer vorzugsweise verwendeten DDDG-Vorrichtung mit axial
verschiebbarer Innenspindel beträgt
5 – 25
mm, besonders bevorzugt 12 mm. Die Genauigkeit des Messgeräts zum insitu Erfassen
der Dicke einer Halbleiterscheibe ist vorzugsweise besser als ± 0.7 μm (2 σ Wert), wobei
die Messung vor zugsweise über
eine mechanische Antastung mit kapazitiver oder induktiver Messaufnahme
erfolgt.
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Ergebnis
eines Verfahrens gemäß der Kernabfolgen
(1) oder (2) ist eine Halbleiterscheibe mit einem
lokalen Ebenheitswert auf einer Vorderseite von kleiner als 16 nm
in einem Messfenster von 2 mm × 2
mm Fläche
und von kleiner als 40 nm in einem Messfenster von 10 mm × 10 mm
Fläche.
Eine solche Halbleiterscheibe ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden
Erfindung. Sie weist vorzugsweise eine Oberflächen-Rauigkeit von höchstens
200 Å RMS auf
und besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Silicium, einem Verbindungshalbleiter,
einem "strained
silicon"-, einem
SOI- oder einem sSOI-Substrat.