DE102006062871B4

DE102006062871B4 - Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE102006062871B4
Application number: DE102006062871A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pietsch Georg; Michael Kerstan; Heiko aus dem Spring
Original assignee: Siltronic AG; Peter Wolters GmbH
Current assignee: Siltronic AG; Peter Wolters GmbH
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2026-07-14

Abstract

Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht bestehend aus Tüchern, Folien oder Schäumen umfasst, in deren in Material abtragenden Kontakt mit den Halbleiterscheiben gelangenden Oberlagen Schleifmittel eingebunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des durch das im Zuge der Abnutzung der Arbeitsschichten freigesetzte Schleifmittel bewirkten Materialabtrags am gesamten Materialabtrag stets geringer ist als der Anteil des durch das fest in der Arbeitsschicht gebundene Schleifmittel bewirkten Materialabtrags.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält.
Stand der Technik
Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien (Substrate) Halbleiterscheiben mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einseiten-bezogene lokale Ebenheit (Nanotopologie), Rauigkeit und Sauberkeit benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien, insbesondere Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid und überwiegend Elementhalbleiter wie Silicium und gelegentlich Germanium. Gegebenenfalls werden auf den Halbleiterscheiben zunächst Schichtstrukturen erzeugt, bevor sie zur Herstellung von Bauelementen verwendet werden. Schichtstrukturen sind z. B. eine bauteiltragende Silicium-Oberlage auf einem Isolator („silicon on insulator”, SOI) oder eine verspannte Silicium-Germanium-Schicht („strained silicon”) auf einer Siliciumscheibe oder Kombinationen von beidem („strained silicon an insulator”, sSOI).
Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten, hergestellt, die sich allgemein in folgende Gruppen einteilen lassen:

a) Herstellung eines einkristallinen Halbleiterstabs (Kristallzucht);
b) Auftrennen des Stabs in einzelne Scheiben;
c) mechanische Bearbeitung;
d) chemische Bearbeitung;
e) chemo-mechanische Bearbeitung;
f) ggf. Herstellung von Schichtstrukturen.

Die Kombination der auf die Gruppen entfallenden Einzelschritte sowie deren Reihenfolge variiert je nach Anwendungszweck. Ferner kommt eine Vielzahl an Nebenschritten wie Reinigung, Sortieren, Messen, Verpacken usw. zum Einsatz.
Die mechanische Bearbeitung dient der Entfernung von Welligkeiten, die beim vorangegangenen Auftrennen des Halbleiterstabs, beispielsweise durch thermische Drift über die lange Trenndauer oder dynamische Selbstschärf- und Abstumpfungsprozesse entstanden sind. Ferner dient die mechanische Bearbeitung dem Abtrag der durch den rauen Sägeprozess kristallin geschädigten Oberflächenschicht und der Reduktion der Oberflächen-Rauigkeit. Vor allem jedoch wird die mechanische Bearbeitung zur globalen Einebnung der Halbleiterscheibe eingesetzt. Gemäß dem Stand der Technik kommen hier unterschiedliche Techniken zum Einsatz, wie beispielsweise das Läppen (Doppelseiten-Planläppen mit freiem Schleifkorn), das Einseitenschleifen mit einer Topfschleifscheibe („single-side grinding”, SSG), oder das simultane Doppelseitenschleifen zwischen zwei Topfschleifscheiben vorder- und rückseitig gleichzeitig („double-disk grinding”, DDG). Letzteres ist beispielsweise in DE 10142400 A1 beschrieben.
DE 10344602 A1 beschreibt ein Verfahren, das die vom Läppen bekannte Kinematik und die zwangskräftefreie Führung mit den Vorteilen des gebundenen Schleifkorns kombiniert. Dabei werden die Halbleiterscheiben in der Regel mit mehreren Läuferscheiben zwischen einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe bewegt. Die beiden Arbeitsscheiben sind beispielsweise mit einem Schleiftuch beklebt. Die Läuferscheiben, die jeweils mehrere Aussparungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben aufweisen, befinden sich wie bei einer Läppmaschine über einen Zahnkranz mit einer Abwälzvorrichtung, bestehend aus einem inneren und einem äußeren Antriebskranz, im Eingriff und werden durch diese in eine rotierende Bewegung um ihre Achse und um die Achse der Antriebskränze versetzt, sodass die Halbleiterscheiben relativ zu den ebenfalls um ihre Achse rotierenden Arbeitsscheiben Zykloidenbahnen beschreiben. Auch US 2003/0054650 A1 beschreibt ein Verfahren mit einer derartigen Kinematik, das neben seiner Hauptanwendung beim Polieren auch beim Schleifen angewandt werden kann. DE 19626396 A1 beschreibt ein Doppelseitenschleifverfahren mit derselben Kinematik. Die Werkstücke werden dabei zwischen zwei rotierenden Schleifsteinen unter Zugabe einer Schleifflüssigkeit bearbeitet.
DE 199954355 A1 offenbart eine Temperatursteuerung des Verfahrens durch Steuerung der Durchflussmenge eines Kühlmittels durch ein Kühllabyrinth mindestens einer der Arbeitsscheiben. Gemäß JP 2000-271557 A erfolgt die Temperatursteuerung durch Zuführung eines temperierten Kühlschmiermittels in den Arbeitsspalt.
WO 99/24218 A1 beschreibt ein Poliertuch mit gebundenem Abrasiv für die chemisch-mechanische Politur beispielsweise von Halbleitersubstraten, das während des Polierprozesses laufend Abrasiv freisetzt. US 598794 beschreibt ein Schleiftuch mit gebundenem Abrasiv zum Schleifen von Halbleiterscheiben, das ebenfalls während des Schleifprozesses Abrasiv freisetzt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die mit diesem Verfahren bearbeiteten Halbleiterscheiben eine Reihe von Defekten aufweisen, so dass die erhaltenen Halbleiterscheiben für besonders anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet sind: So zeigte sich beispielsweise, dass sich im Allgemeinen Halbleiterscheiben mit unvorteilhaftem balligem Dickenprofil mit einem ausgeprägten Randabfall ergeben. Die Halbleiterscheiben weisen oftmals auch irreguläre Welligkeiten in ihrem Dickenprofil sowie eine raue Oberfläche mit großer Schädigungstiefe auf. Unter Schädigungstiefe ist die Tiefe, von der Oberfläche der Halbleiterscheibe aus gerechnet, zu verstehen, bis zu der das Kristallgitter durch die Bearbeitung geschädigt, d. h. gestört wurde.
Raue Halbleiterscheiben mit großer Schädigungstiefe benötigen eine aufwändige Nachbearbeitung, durch die die Vorteile des in DE 10344602 A1 offenbarten Verfahrens zunichte gemacht werden. Ballige Halbleiterscheiben sind durch die übliche chemische und chemo-mechanische Nachfolgebearbeitung kaum oder nur mit hohem Aufwand in die gewünschte planparallele Zielform überführbar. Die verbleibende Balligkeit und der verbleibende Randabfall führt zu Fehlbelichtungen während der fotolithografischen Bauteil-Strukturierung und somit zum Ausfall der Bauelemente. Derartige Halbleiterscheiben sind daher für anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben bereitzustellen, die sich aufgrund ihrer Geometrie auch zur Herstellung von elektronischen Bauelementen mit sehr geringen Linienbreiten („design rules”) eignen.
Weiterhin stellte sich die Aufgabe, die Entstehung eines Randabfalls bei der Herstellung von Halbleiterscheiben zu vermeiden.
Es stellte sich auch die Aufgabe, andere Geometriefehler wie beispielsweise ein Dickenmaximum im Zentrum der Halbleiterscheibe verbunden mit einer stetig abnehmenden Dicke zum Rand der Scheibe hin oder ein lokales Dickenminimum im Zentrum der Halbleiterscheibe zu vermeiden.
Lösung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erstes Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben (das jedoch nicht Gegenstand der Erfindung ist), wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung die im Arbeitsspalt herrschende Temperatur konstant gehalten wird.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein zweites Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben (das ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung ist), wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zeiteinheit der Betrag der Zahl der Umläufe der Läuferscheiben um den Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung und relativ zu jeder der beiden Arbeitsscheiben größer ist als der Betrag der Zahl der Umdrehungen der einzelnen Läuferscheiben um ihre jeweiligen Mittelpunkte.
Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein drittes Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben (das ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung ist), wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Verhältnisses aus der Differenz der Beträge der theoretischen Abnutzung
der beiden Arbeitsschichten zum Mittelwert der Beträge der Abnutzung beider Arbeitsschichten für jede radiale Position r weniger als 1/1000 beträgt, wobei der Betrag der theoretischen Abnutzung einer jeden Arbeitsschicht gegeben ist durch
wobei a den Teilkreisradius der Umlaufbewegung der Läuferscheiben auf den Arbeitsscheiben um den Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung; e den Abstand des momentan betrachteten Aufpunkts vom Mittelpunkt der entsprechenden Läuferscheibe; l(e) die innerhalb der Fläche der Halbleiterscheibe verlaufende Bogenlänge des Kreises mit Radius e um den Mittelpunkt der entsprechenden Läuferscheibe; r die radiale Position bezüglich des Mittelpunkts der Arbeitsscheiben; σ_i die Winkelgeschwindigkeit des Umlaufs der Läuferscheiben um den Mittelpunkt der Arbeitsscheiben; ω_i die Winkelgeschwindigkeit der Eigendrehung der Läuferscheiben um ihre jeweiligen Mittelpunkte angibt, e_min = max{0; e_exz – R} und e_max = e_exz + R mit R = Radius der Halbleiterscheibe die untere und obere Grenze der Integration über e bezeichnen; e_exz die Exzentrizität der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe und der Index i = o für die obere Arbeitsscheibe oder i = u für die untere Arbeitsscheibe angibt, ob die Winkelgeschwindigkeiten σ_i und ω_i sich auf die obere oder die untere Arbeitsscheibe beziehen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein viertes Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben (das ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung ist), wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Arbeitsschicht der Betrag der theoretischen Abnutzung
für jede radiale Position r um weniger als 30% von der über die ganze Arbeitsschicht gemittelten theoretischen Abnutzung abweicht, wobei der Betrag der theoretischen Abnutzung einer jeden Arbeitsschicht gegeben ist durch
wobei die Symbole die beim dritten Verfahren angegebene Bedeutung haben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein fünftes Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des durch den im Zuge der Abnutzung der Arbeitsschichten freigesetzten Schleifmittels bewirkten Materialabtrags am gesamten Materialabtrag stets geringer ist als der Anteil des durch das fest in der Arbeitsschicht gebundene Schleifmittel bewirkten Materialabtrags.
Mittels der vorgenannten Verfahren und insbesondere einer sinnvollen Kombination dieser Verfahren ist es möglich, Halbleiterscheiben mit deutlich verbesserten Eigenschaften herzustellen.
Mittels der genannten Verfahren kann eine Halbleiterscheibe (die nicht Gegenstand der Erfindung ist) hergestellt werden, die gekennzeichnet ist durch

– ein isotropes Schliffbild, wobei Bereiche mit Schleifriefen, die parallel oder symmetrisch bezüglich eines Punkts oder einer Symmetrieachse zueinander verlaufen, weniger als 10% der gesamten Oberfläche der Halbleiterscheibe ausmachen,
– eine Dickenvariation von weniger als 1 μm auf der gesamten Halbleiterscheibe abzüglich eines Randausschlusses von 1 mm,
– eine auf einen am Rand der Halbleiterscheibe liegenden Bereich mit einer Breite von 1/10 des Durchmessers der Halbleiterscheibe entfallende Dickenvariation von weniger als 0,7 μm,
– eine auf einen im Zentrum der Halbleiterscheibe liegenden Bereich mit einem Durchmesser von 1/5 des Durchmessers der Halbleiterscheibe entfallende Dickenvariation von weniger als 0,3 μm,
– einen Warp und einen Bow von jeweils weniger als 15 μm,
– eine RMS-Rauigkeit von weniger als 70 nm im Korrelationslängen-Bereich von 1 μm bis 80 μm und
– eine Tiefe der oberflächennahen Kristallschädigung von weniger als 10 μm.

Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren weiter erläutert.
1 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
2 zeigt die untere Arbeitsscheibe der in 1 dargestellten Vorrichtung mit der Abwälzvorrichtung, den Läuferscheiben und den zu bearbeitenden Halbleiterscheiben in der Draufsicht.
3 veranschaulicht die Benennung und Zuordnung der charakteristischen Elemente zur Beschreibung des Bewegungsablaufs (Kinematik).
4 gibt das diametrale Dickenprofil einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silicium mit einem Durchmesser von 300 mm wieder, die einem Schleifverfahren unterworfen wurde, das alle Merkmale des ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Verfahrens verwirklichte. TTV = 0,62 μm.
5 gibt das diametrale Dickenprofil einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silicium mit einem Durchmesser von 300 mm wieder, die einem Schleifverfahren unterworfen wurde, das alle Merkmale des ersten, zweiten, dritten und vierten Verfahrens verwirklichte. TTV = 1,68 μm.
6 gibt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe wieder, die einem Schleifverfahren unterworfen wurde, das alle Merkmale des zweiten, dritten, vierten und fünften Verfahrens verwirklichte. TTV = 3,9 μm.
7 gibt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe wieder, die einem Schleifverfahren unterworfen wurde, das alle Merkmale des ersten, dritten, vierten und fünften Verfahrens verwirklichte. TTV = 0,8 μm.
8 zeigt Maschineneinstellungen (Drehzahl-Sätze) und resultierende invariante Parametersätze (mitrotierendes Bezugssystem). (A): nicht erfindungsgemäß durchgeführtes Verfahren; (B): Verfahren, das die Merkmale des zweiten, dritten und vierten Verfahrens beinhaltet.
9 gibt die den Parametersätzen aus 8 zugehörigen Bahnkurven 19 bzgl. oberer und 20 bzgl. unterer Arbeitsscheibe wieder. (A): nicht erfindungsgemäß durchgeführtes Verfahren; (B): Verfahren, das die Merkmale des zweiten, dritten und vierten Verfahrens beinhaltet.
10 zeigt die aus den Parametersätzen aus 8 berechneten radialen Abnutzungsprofile der oberen 25 und unteren 26 Arbeitsschichten. (A): nicht erfindungsgemäß durchgeführtes Verfahren; (B): Verfahren, das die Merkmale des zweiten, dritten und vierten Verfahrens beinhaltet.
11 zeigt die aus den Parametersätzen aus 8 berechneten Differenzen der radialen Abnutzungsprofile von oberer und unterer Arbeitsschicht. (A): nicht erfindungsgemäß durchgeführtes Verfahren; (B): Verfahren, das die Merkmale des zweiten, dritten und vierten Verfahrens beinhaltet.
12 zeigt die kumulierten und normierten Längen der auf den geschliffenen Halbleiterscheiben gefundenen Bearbeitungsspuren (Schleifriefen) in Abhängigkeit von ihrer Orientierung zum Notch (0°) in Form eines Histogramms. (A): Erhalten durch das zweite Verfahren; (B): Erhalten durch ein Verfahren, das die Merkmale des zweiten Verfahrens nicht verwirklicht.
Liste der verwendeten Bezugszeichen und Abkürzungen

1 obere Arbeitsscheibe
4 untere Arbeitsscheibe
5 Drehachse der Arbeitsscheiben
7 innerer Antriebskranz
9 äußerer Antriebskranz
11 obere Arbeitsschicht
12 untere Arbeitsschicht
13 Läuferscheibe
14 Aussparung in Läuferscheibe zur Aufnahme der Halbleiterscheibe
15 Halbleiterscheibe
16 Mittelpunkt der Halbleiterscheibe
17 Teilkreisradius der Mittelpunkte der Läuferscheiben in Abwälzvorrichtung
18 Aufpunkt der Halbleiterscheibe
19 Bahnkurve des Aufpunkts der Halbleiterscheibe auf unterer Arbeitsscheibe
20 Bahnkurve des Aufpunkts der Halbleiterscheibe auf oberer Arbeitsscheibe
21 Mittelpunkt der Läuferscheibe
22 Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung
24 Randbereich verringerter Dicke der Halbleiterscheibe
25 Abnutzung der oberen Arbeitsschicht
26 Abnutzung der unteren Arbeitsschicht
27 Bereich sehr hoher lokaler Abnutzung der Arbeitsschicht
28 Bereich sehr hoher Differenz der lokalen Abnutzung der Arbeitsschichten
29 Differenz der Abnutzung von oberer und unterer Arbeitsschicht
30 Arbeitsspalt
33 Balligkeit der Halbleiterscheibe
34 Kühl-Schmiermittel-Durchführungen
35 Isotrope kumulierte Verteilung der Bearbeitungsspuren (Schleifriefen)
36 Anisotrope kumulierte Verteilung der Bearbeitungsspuren (Schleifriefen)
A.S.A. Abnutzung der Arbeitsschicht
a Abstand des Mittelpunkts der Läuferscheibe vom Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung
ΔA.S.A. Differenz der Abnutzung von oberer und unterer Arbeitsschicht
e Abstand des Aufpunkts der Halbleiterscheibe vom Mittelpunkt der Läuferscheibe
e_exz Abstand des Mittelpunkts der Halbleiterscheibe vom Mittelpunkt der Läuferscheibe (= Exzentrizität der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe)
φ (Polar-)Winkel des Aufpunkts auf der Halbleiterscheibe
H Lokale Dicke der Halbleiterscheibe
l(e) Länge des Kreisbogenabschnitts des Kreisbogens um den Mittelpunkt der Läuferscheibe und durch den Aufpunkt der Halbleiterscheibe, der innerhalb der Fläche einer Halbleiterscheibe verläuft
NCL Normierte kumulierte Länge der Bearbeitungsspuren (pro Winkelklasse)
n_o Drehzahl der oberen Arbeitsscheibe
n_u Drehzahl der unteren Arbeitsscheibe
n_i Drehzahl der inneren Abwälzvorrichtung
n_a Drehzahl der äußeren Abwälzvorrichtung
r_i Teilkreisradius der inneren Abwälzvorrichtung
r_a Teilkreisradius der äußeren Abwälzvorrichtung
r radialer Abstand des Aufpunkts auf der Halbleiterscheibe zum Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung
Abnahme der Dicke der Arbeitsschicht infolge Abnutzung
R Radius der Halbleiterscheibe
RR Radiale Position auf Arbeitsscheibe
ρ Radiale Position auf Halbleiterscheibe
s Bogenlänge der Bahnkurve des Aufpunkts der Halbleiterscheibe
σ Winkelgeschwindigkeit des Umlaufs der Mittelpunkte der Läuferscheiben um den Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung („Steggeschwindigkeit”)
σ_o Steggeschwindigkeit bezüglich der oberen Arbeitsscheibe
σ_u Steggeschwindigkeit bezüglich der unteren Arbeitsscheibe
ω Winkelgeschwindigkeit der Eigendrehung der Läuferscheiben um ihre jeweiligen Mittelpunkte („Eigendrehgeschwindigkeit”)
ω_o Eigendrehgeschwindigkeit bezüglich der oberen Arbeitsscheibe
ω_u Eigendrehgeschwindigkeit bezüglich der unteren Arbeitsscheibe

Beschreibung der verwendeten Vorrichtung
1 zeigt die wesentlichen Elemente einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Dargestellt ist die Prinzipskizze einer Zweischeiben-Maschine zur Bearbeitung von scheibenförmigen Werkstücken wie Halbleiterscheiben, wie sie beispielsweise in DE 10007390 A1 offenbart ist, in perspektivischer Ansicht. Eine derartige Vorrichtung besitzt eine obere 1 und eine untere Arbeitsscheibe 4 mit kollinearen Drehachsen 5 und mit im wesentlichen planparalleler Anordnung der Arbeitsoberflächen der Arbeitsscheiben zueinander. Nach dem Stand der Technik sind die Arbeitsscheiben 1 und 4 aus Grauguss, Edelstahlguss, Keramik, Verbundwerkstoffen o. ä. gefertigt. Die Arbeitsoberflächen sind unbeschichtet oder mit einer Beschichtung aus beispielsweise Edelstahl oder Keramik usw. versehen. Die obere Arbeitsscheibe enthält zahlreiche Bohrungen 34, durch die dem Arbeitsspalt 30 Betriebsmittel zugeführt werden können. Für die Anwendung einer solchen Vorrichtung als Schleifmaschine ist dies ein Kühlschmiermittel (z. B. Wasser). Die Vorrichtung ist mit einer Abwälzvorrichtung für Läuferscheiben 13 versehen. Die Abwälzvorrichtung besteht aus einem inneren 7 und äußeren Antriebskranz 9. Die Läuferscheiben 13 haben jeweils wenigstens eine Aussparung, die eine zu bearbeitende Halbleiterscheibe 15 aufnehmen kann. Die Abwälzvorrichtung kann beispielsweise als Triebstock-Stiftverzahnung, als Evolventenverzahnung oder als eine andere gängige Verzahnungsart ausgeführt sein. Bevorzugt ist aus Gründen der Wartungsfreundlichkeit, der Herstellkosten und wegen der im Allgemeinen großen Maschinenabmessungen und des damit verbundenen unvermeidlichen Spiels der Getriebeelemente die diesbezüglich unkritische Stiftverzahnung. Obere 1 und untere Arbeitsscheibe 4 und innerer 7 und äußerer Antriebskranz 9 werden mit Drehzahlen n_o, n_u, n_i und n_a um im wesentlichen identische Achsen 5 angetrieben.
Im Fall der Verwendung der Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren trägt jede Arbeitsscheibe 1, 4 auf ihrer Arbeitsoberfläche eine Arbeitsschicht 11, 12, bestehend aus Tüchern (gewebt, gewirkt, gefilzt; Fasergelege, Kunststoffmatrizen mit oder ohne Fasereinlage usw.), Folien (einlagig oder mehrlagig) oder Schäumen, in deren in Material abtragenden Kontakt mit den Halbleiterscheiben gelangenden Oberlagen Schleifstoffe als Abrasiv eingebunden sind.
Ein Beispiel für eine zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Folie ist in US 6007447 offenbart. Beispiele für Tücher sind beispielsweise offenbart in WO 99/24218 und US 5863346 . Beispiele für derartige Folien oder Tücher mit strukturierter (texturierter, „mikro-replizierter”) Arbeitsoberfläche sind in US 6599177 B2 angegeben.
Vorzugsweise werden die Arbeitsschichten auf die Arbeitsscheiben aufgeklebt. Gemäß dem Stand der Technik sind derartige Tücher, Folien oder Schichten rückseitig mit einer selbstklebenden Beschichtung versehen und werden durch Klebung auf den Arbeitsscheiben befestigt. Insbesondere bei Vorrichtungen mit großen Abmessungen ist das fehlerfreie Aufbringen derartiger Arbeitsschichten auf die Arbeitsscheiben ohne Fehler wie eingeschlossene Luftblasen, Stauchen, Recken oder Bauchen der Arbeitsschicht und auch das Entfernen der Arbeitsschicht nach Verbrauch schwierig. So gibt JP 2001-219362 A eine mit Poren (Kanälen) ausgestattete Ausführung einer solchen Arbeitsschicht an, durch die zwischen Arbeitsscheiben-Oberfläche und Tuchrückseite eingeschlossene Luftblasen entweichen können, so dass sich eine plane, gleichmäßige Tuchauflage ergibt. Ferner schlägt WO 95/19242 eine Ausstattung der Tuchrückseite mit Häkchen und eine komplementär ausgestattete Arbeitsoberfläche der Arbeitsscheiben vor („Klettverschluss”), die einen besonders schnellen und rückstandsfreien Wechsel der Arbeitsschichten ermöglichen. Oft sind die Tücher, Folien, Schäume oder Schichten nicht in einem Stück herstellbar. Sie werden dann stückweise auf große Träger-Unterlagen (Folie, Tuch, Schaum usw.) aufkaschiert oder zusammengesetzt. Dies offenbart beispielsweise US 6179950 B1 .
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darüber hinaus die Befestigung der Arbeitsschichten beispielsweise durch Ansaugung mit Vakuum (durch eine luftdurchlässige Schicht der Arbeitsscheibe aus porösem Material, beispielsweise Keramik), durch magnetische oder elektrostatische Befestigung oder durch Bespannung mittels auf der Arbeitsscheibe angebrachter Spanneinrichtungen usw. geeignet.
Der zwischen den auf der oberen 1 und unteren Arbeitsscheibe 4 befestigten Arbeitsschichten 11 und 12 gebildete Arbeitsspalt, innerhalb dessen die Halbleiterscheiben bearbeitet werden, ist in 1 mit 30 bezeichnet.
2 zeigt die Vorrichtung in Aufsicht auf die untere Arbeitsscheibe 4. Die Halbleiterscheiben 15 sind in Läuferscheiben 13, die auch als Führungskäfige bezeichnet werden, eingelegt. Die Halbleiterscheiben sind nicht durch Form- oder Kraftschluss mit der jeweiligen Aussparung der Läuferscheibe fest verbunden, so dass sie sich frei innerhalb der Aussparungen bewegen können. Im bevorzugten Fall runder Halbleiterscheiben ist insbesondere eine Eigenrotation der Halbleiterscheiben in den Aussparungen der Läuferscheiben möglich. Diese Eigenrotation ist erwünscht, da die Halbleiterscheiben dann rotationssymmetrische Form annehmen, was ihre Ebenheit und Symmetrie erhöht und somit vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist.
Im Folgenden werde der Mittelpunkt der Arbeitsscheiben und Abwälzvorrichtung, also der gesamten Vorrichtung, auch mit 22 bezeichnet. Der Mittelpunkt einer Halbleiterscheibe 15 in einer Läuferscheibe 13 sei mit 16, und der Mittelpunkt dieser Läuferscheibe mit 21 bezeichnet. Ein beliebiger Aufpunkt 18 beschreibt auf der unteren Arbeitsschicht 12 der unteren Arbeitsscheibe 4 infolge der Drehung der Arbeitsscheibe und der Drehung der Antriebskränze 7 und 9 eine Bahnkurve 19. Die Mittelpunkte 21 der Läuferscheiben 13 laufen auf einem zum Mittelpunkt 22 der Abwälzvorrichtung konzentrischen Teilkreis 17 um.
3 legt weitere Kenngrößen für die Beschreibung der Bewegung der Halbleiterscheibe in der Schleifmaschine fest. Dabei ist das Bezugssystem so gewählt, dass in ihm die betrachtete Arbeitsscheibe ruht (mitrotierendes Bezugssystem). In der Aufsicht in 3 ist nur die untere Arbeitsscheibe 4 eingezeichnet. s bezeichne die Bogenlänge der Bahnkurve 19 des Aufpunkts 18 der Halbleiterscheibe 15 in einer Läuferscheibe 13 über die Arbeitsschicht 12. Die Lage dieses Aufpunkts 18 wird zu jeder Zeit beschrieben durch einen radialen Abstand r vom Mittelpunkt 22 der Abwälzvorrichtung und einen Winkel φ (ebene Polarkoordinaten). Wegen der Drehungen n_i und n_a des inneren 7 und äußeren Antriebskranzes 9 und der Drehung der Arbeitsscheibe rotiert die Läuferscheibe 13 mit Winkelgeschwindigkeit ω um ihren Mittelpunkt 21, und dieser Mittelpunkt 21 läuft mit Winkelgeschwindigkeit σ um den Mittelpunkt 22 der gesamten Vorrichtung um. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt 21 der Läuferscheibe und dem Mittelpunkt 16 der Halbleiterscheibe 15 wird als Exzentrizität e_exz der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe bezeichnet. e bezeichne den Abstand des Aufpunkts 18 auf der Halbleiterscheibe 15 vom Mittelpunkt 21 der Läuferscheibe 13. R ist der Radius der Halbleiterscheibe 15. l(e) ist die Länge des Kreisbogens mit Radius e um den Mittelpunkt 21 der Läuferscheibe 13, der innerhalb der Fläche der Halbleiterscheibe 15 verläuft.
Beschreibung des ersten Verfahrens (nicht Gegenstand der Erfindung)
Gemäß dem ersten Verfahren wird die Temperatur im Arbeitsspalt konstant gehalten, und zwar vorzugsweise während der gesamten Dauer des gleichzeitigen beidseitigen Schleifens. Dazu wird während des Schleifens die Temperatur im Arbeitsspalt gemessen und durch geeignete Maßnahmen korrigiert, wenn die gemessene Temperatur von der Solltemperatur abweicht. Die Messung der Temperatur kann beispielsweise in festgelegten Intervallen oder laufend erfolgen. Durch die konstante Temperatur im Arbeitsspalt wird eine durch Temperaturänderung bewirkte Verformung der Arbeitsscheiben vermieden und die Arbeitsscheiben werden in einer konstanten, planparallelen Form gehalten. Daraus resultiert eine deutlich verbesserte Geometrie der bearbeiteten Halbleiterscheiben.
In einer Ausführungsform dieses ersten Verfahrens weist jede Arbeitsscheibe zumindest ein Kühllabyrinth auf, das von einem Kühlmittel durchströmt wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Temperatur oder die Durchflussmenge des Kühlmittels in geeigneter Weise variiert, um einer unerwünschten Temperaturänderung entgegenzuwirken und eine konstante Temperatur im Arbeitsspalt zu erreichen. Eine geeignete und bevorzugte Anordnung von Kühllabyrinthen ist in DE 19954355 A1 offenbart. Diese Anordnung ist gekennzeichnet durch eine obere Schicht („Oberteller”), die von einem Kühllabyrinth durchzogen ist, eine thermisch isolierende Zwischenlage und eine untere Schicht („Unterteller”), die von einem zweiten Kühllabyrinth durchzogen ist. Ferner ist dort offenbart ein Verfahren zur Einstellung und Regelung der Planarität eines Poliertellers zum Lappen, Schleifen oder Polieren von Substratscheiben, wobei der Unterteller eines zumindest dreilagigen Poliertellers temperiert wird und dann die Temperatur konstant gehalten wird und der Oberteller der gesamten Arbeitsscheibe temperiert wird und die Temperatur dem jeweiligen Polierprozess derart angepasst wird, dass durch die Temperierung des Untertellers stationäre Wärmeverhältnisse in der Poliervorrichtung geschaffen werden. Eine entsprechende Anwendung ist auch beim erfindungsgemäßen Schleifverfahren möglich.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, die Temperatur im Arbeitsspalt konstant zu halten, indem die Temperatur oder die Durchflussmenge des dem Arbeitsspalt zugeführten Kühlschmiermittels entsprechend der gemessenen Temperatur variiert wird. Es können auch beide Parameter. Temperatur und Durchflussmenge, in geeigneter Weise variiert werden, um die Temperatur im Arbeitsspalt konstant zu halten. Diese Art der Regelung hat gegenüber der Temperaturregelung über die Kühllabyrinthe den Vorteil, dass sie wesentlich weniger träge ist.
Wird eine über dem festgelegten Soll-Wert liegende Temperatur gemessen, so wird die Temperatur des Kühlmittels oder des Kühlschmiermittels in einem Regelkreis gesenkt. Wird dagegen eine unter dem festgelegten Soll-Wert liegende Temperatur gemessen, so wird die Temperatur des Kühlmittels oder des Kühlschmiermittels erhöht, sodass die Temperatur im Arbeitsspalt im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Messung der Temperatur im Arbeitsspalt erfolgt beispielsweise direkt durch in die Oberfläche der Arbeitsscheiben eingebaute Temperaturfühler durch die (dünne) Arbeitsschicht hindurch oder durch in der Arbeitsschicht ausgesparte kleine „Messfenster”. Da die Arbeitsscheiben während des Schleifens rotieren, wird der Temperaturmesswert entweder berührend beispielsweise über elektrische Schleifkontakte oder berührungslos beispielsweise über Funk, Infrarot oder induktiv übertragen. Alternativ kann eine Messung der Temperatur im Arbeitsspalt auch indirekt über eine Messung der Temperatur des aus dem Arbeitsspalt ablaufenden Kühlschmiermittels erfolgen.
Beschreibung des zweiten Verfahrens (nicht Gegenstand der Erfindung)
Im Folgenden wird das zweite Verfahren näher beschrieben: Bei diesem Verfahren rotieren die Arbeitsscheiben mit höherer Winkelgeschwindigkeit um das Zentrum der gesamten Vorrichtung als die Läuferscheiben um ihre jeweiligen Mittelpunkte. Präziser ausgedrückt bedeutet dies, dass die Winkelgeschwindigkeiten Ω_i von oberer, Ω_o, und unterer, Ω_u, Arbeitsscheibe betragsmäßig größer sind als der Betrag der Differenz aus der Winkelgeschwindigkeit ω₀ der Eigendrehung der Läuferscheiben um ihre jeweiligen Mittelpunkte und der Winkelgeschwindigkeit σ₀ des Umlaufs der Läuferscheiben um den Mittelpunkt der gesamten Abwälzvorrichtung, |Ω_i| ≥ |ω₀ – σ₀|. Die Spreizung der Geschwindigkeitsverteilung wird dadurch verringert. Die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Halbleiterscheiben und den Arbeitsschichten der Arbeitsscheiben sind verfahrensbedingt nicht konstant, sondern orts- und zeitabhängig. Unter der Geschwindigkeitsverteilung ist die Häufigkeit des Vorkommens bestimmter Relativgeschwindigkeiten zu verstehen. Eine Geschwindigkeitsverteilung mit geringer Spreizung ist vorteilhaft, da sie eine isotrope Bearbeitung der Halbleiterscheiben zur Folge hat.
Im Rahmen des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Bahnkurven der Halbleiterscheiben relativ zu jeder der beiden Arbeitsscheiben vorzugsweise jeweils Epitrochoiden, d. h. reguläre, verlängerte oder verkürzte Epizykloiden.
Weiterhin ist im Rahmen des zweiten Verfahrens bevorzugt, dass die Längen der Bahnkurven, die die Halbleiterscheiben in gleichen Zeiten relativ zu den beiden Arbeitsscheiben zurücklegen, annähernd gleich sind. Diese Forderung wird insbesondere dann als erfüllt betrachtet, wenn der Betrag des Verhältnisses aus der Differenz der Längen der Bahnkurven, die die Halbleiterscheiben relativ zu den beiden Arbeitsscheiben in gleichen Zeiten zurücklegen, und dem Mittelwert der Längen dieser Bahnkurven weniger als 20% beträgt. Es gibt jedoch auch Kinematiken, die eine völlig gleiche Länge der Bahnkurven mit sich bringen, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Annähernd gleiche Längen der Bahnkurven können dadurch erreicht werden, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Läuferscheiben im Vergleich zur Rotationsgeschwindigkeit der Arbeitsscheiben relativ gering gewählt wird.
Durch die vorgenannten Maßnahmen erfahren Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheiben zu jedem Zeitpunkt gleichartige Reibungskräfte, Anlaufrichtungen der Arbeitsschichten, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Insbesondere werden abrupte Lastwechsel vermieden und eine gleichförmige Eigendrehung der Halbleiterscheiben in den Bohrungen der Läuferscheiben unterstützt. Die Geschwindigkeitsprofile sind für Vorder- und Rückseite bezüglich Spreizung und Zeitverteilung ähnlich. Es resultiert ein annähernd symmetrischer Materialabtrag von Vorder- und Rückseite und ein isotropes Schliffbild mit geringer durch ortsabhängige oder Vorder-/rückseiten-asymmetrische Rauigkeit oder oberflächennahe Kristallschädigung (damage) induzierter Verwellung der Halbleiterscheibe (strain-induced warp/bow). Dadurch wird die Oberfläche der Halbleiterscheibe eben und isotrop ohne Verwerfungen und Verformungen, wie sie beispielsweise als „Schleifnabel” (Zentrumsvertiefung) oder „Randabfall” (Dickenabnahme im Randbereich) von Schleif-, Läpp- oder Polierverfahren gemäß dem Stand der Technik bekannt sind. Daneben ergibt sich der Vorteil, dass das Kantenprofil, das in der Regel vor der Durchführung des gleichzeitigen beidseitigen Schleifens hergestellt wurde, nicht unsymmetrisch verändert wird und die Symmetrie des Kantenprofils dadurch erhalten bleibt.
Beschreibung des dritten und vierten Verfahrens (nicht Gegenstand der Erfindung)
Im Folgenden werden das dritte und vierte Verfahren im Detail beschrieben:
Da für die Durchführung des Verfahrens eine Arbeitsschicht mit selbstschärfenden Eigenschaften gefordert ist, muss die Arbeitsschicht einer gewissen endlichen Abnutzung unterliegen, um ständig neue, scharfe Schleifstoffe freizulegen, die zu einer gleichförmigen Schleifcharakteristik führen. Andererseits ist eine zu hohe Abnutzung der Arbeitsschicht von Schliff zu Schliff nicht wünschenswert, da sich dann die Dicke und Form der Arbeitsschicht zu schnell ändern würde und ein ständiges Nachführen der Bearbeitungsparameter (Maschinen- und Prozessparameter) erforderlich wäre, was zu einem unvorteilhaften, da instabilen, Prozess führen würde. Es gibt also eine optimale Abnutzungsrate, die gerade noch selbstschärfende Eigenschaften garantiert, aber andererseits nicht zu einer geometrisch allzu instabilen Arbeitsschicht führt, so dass ein weitgehend stabiler Bearbeitungsprozess möglich ist, der reproduzierbar Halbleiterscheiben mit über weite Bereiche konstanten Ebenheitseigenschaften liefert.
Um die Abnutzung der Arbeitsschicht vorhersagen zu können, muss ihre Belastung durch die von ihr bearbeiteten Halbleiterscheiben ortsaufgelöst ermittelt werden. Dies erfordert eine genaue Beschreibung der Bahnkurven, die die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung über die Arbeitsscheiben zurücklegen.
In einem mit der rotierenden Arbeitsscheibe mitbewegten Bezugssystem (invariantes Bezugssystem) lässt sich die Bahnkurve z (t) eines beliebigen Aufpunkts 18 einer Halbleiterscheibe über eine Arbeitsscheibe mit den in 3 festgelegten Bezeichnungen in komplexen Zahlen (t) = x(t) + iy(t) schreiben als (t) = ae^iσt + ee^iωt. (1)
Mit der Identität e^ix ≡ cosx + i·sinx erhält man aus Gleichung (1) sofort die zeitliche Parameterdarstellung der Bahnkurve in reellen kartesischen Koordinaten (x(t); y(t)).
Die radiale Position r(t) = |z(t)| und der Betrag ν(t) ≡ s .(t) der Bahngeschwindigkeit
ergeben sich durch Betragbildung und Ableitung nach der Zeit zu
Dabei bezeichnet s(t) die zurückgelegte Bogenlänge und ein Punkt über einer Variablen deren Ableitung nach der Zeit.
Der Winkel φ(t) der Lage des Aufpunkts P in ebenen Polarkoordinaten (r(t); φ(t)) und die zeitliche Ableitung r .(t) der radialen Position r(t) sind schließlich gegeben durch
r(t) aus Gleichung (2) und φ(t) aus Gleichung (3) liefern eine Parameterdarstellung nach der Zeit in ebenen Polarkoordinaten.
Unter Berücksichtigung von ∂ / ∂xarctan x = 1 / 1 + x² erhält man
Durch Einsetzen von Gleichung (2) für r(t) in die Ausdrücke für s .(t), r .(t) und φ .(t) erhält man die entsprechenden Ausdrücke als Funktion der radialen, Position r auf der Arbeitsscheibe,
Ohne weitere Annahmen kann die durch einen beliebigen, die Arbeitsschicht überstreichenden Aufpunkt 18 einer Halbleiterscheibe 15 verursachte radialabhängige Abnutzung
der Arbeitsschicht beschrieben werden als proportional zur pro Flächenelement r·∂r·∂φ von Aufpunkt 18 überstrichenen Bogenlänge ∂s und der dazu benötigten Zeit ∂t,
Durch Einsetzen der oben gefundenen Ausdrücke erhält man
Numerisch ermittelt man schließlich die Länge l(e) des Kreisbogens mit Radius e um den Mittelpunkt der Läuferscheibe, der durch die Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe verläuft, für alle e im erlaubten Wertebereich für
. Dadurch wird der Beitrag aller gleichwertigen Punkte der Halbleiterscheibe mit identischem Abstand e um den Mittelpunkt der Läuferscheibe, die im Zuge der Eigendrehung der Läuferscheibe alle zu irgendeiner Zeit in gleicher Weise den betrachteten Punkt der Arbeitsfläche überstreichen und zu deren Abnutzung beitragen, berücksichtigt. Integration des erhaltenen Ausdrucks über alle e ergibt schließlich den gesuchten Ausdruck
für die Abnutzung der Arbeitsschicht durch die Gesamtheit aller möglichen Aufpunkte innerhalb der flächig ausgedehnten Halbleiterscheibe,
Dabei bezeichnet der Index i = o (obere) oder i = u (untere Arbeitsscheibe) die einzelnen Winkelgeschwindigkeiten σ_o, σ_u, ω_o und ω_u bezüglich der jeweiligen Arbeitsscheibe, und e_min = max{0; e_exz – R) und e_max = e_exz + R. Da die Anordnung der Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben auf vielfältige Weise vorgenommen werden kann, wird sich in der Regel kein analytischer Ausdruck für l(e) ergeben, der eine geschlossene Lösung für das Integral in Gleichung (8) ermöglicht. In der Praxis wird daher für viele Werte e im Wertebereich {e_min ... e_max} der Wert für l(e) berechnet und statt der Integration in Gleichung (8) eine Summation über den Integranden über alle e durchgeführt. l(e) wird gelegentlich auch als „Gestaltfunktion” bezeichnet, die die Anordnung der Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben beschreibt.
Es erwies sich nun als vorteilhaft, dass Parameterkombinationen σ_i und ω_i für gegebene Werte a und e_exz einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung gewählt werden, bei denen die Abnutzung der Arbeitsschicht nach Gleichung (8) möglichst gering über den gesamten Radius der Arbeitsschicht variiert, was zur Definition des vierten Verfahrens führte. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Arbeitsschichten homogen abgenutzt werden, was einen dauerhaft gleichförmigen Materialabtrag von den Halbleiterscheiben gewährleistet. Irreguläre Welligkeiten im Dickenprofil der geschliffenen Halbleiterscheiben können so zuverlässig vermieden werden.
Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, wenn die Abnutzung der Arbeitsschicht nach Gleichung (8) möglichst ähnlich für die obere und untere Arbeitsschicht ist, was sich im dritten Verfahren widerspiegelt. Letzteres bedeutet konkret, dass der Betrag des Verhältnisses aus der Differenz der Beträge der theoretischen Abnutzung
der beiden Arbeitsschichten zum Mittelwert der Beträge der Abnutzung beider Arbeitsschichten für jede radiale Position r der Arbeitsscheiben weniger als 1/1000 beträgt. In diesem Zusammenhang ist es auch bevorzugt, dass die Änderung der Dickenhomogenität der Arbeitsschicht infolge Abnutzung weniger als ein Hundertstel des Betrags der Dickenabnahme der Halbleiterscheiben während der Schleifbearbeitung beträgt, wobei die Dickenhomogenität der Arbeitsschicht als Differenz aus größter und kleinster Dicke über die gesamte in Kontakt mit den Halbleiterscheiben gelangende Fläche der Arbeitsschicht definiert ist.
Bevorzugt wird man einen Parametersatz für den Betrieb der Schleifvorrichtung wählen, der die Anforderungen des dritten und vierten Verfahrens gleichzeitig erfüllt.
Geeignete maschinenunabhängige Parametersätze {σ_o, σ_u, ω_o, ω_u}, die die Bedingung für
erfüllen, erhält man aus den bekannten Gleichungen für Planetengetriebe,
aus den maschinenabhängigen Parametersätzen {n_o, n_u, n_i, n_a} für die Antriebsdrehzahlen n_j (j = o, Drehzahl obere Arbeitsscheibe; j = u, untere Arbeitsscheibe), n_i = Drehzahl des inneren Antriebskranzes und n_a = Drehzahl des äußeren Antriebskranzes und Überprüfung durch Einsetzen in der Formel für
, wobei r_i der Teilkreisradius des inneren und r_a der des äußeren Antriebskranzes für die Läuferscheiben sind. Aufgrund der wenigen unabhängigen Freiheitsgrade des Systems liefert dies schnell geeignete Parametersätze, die die Bedingung erfüllen.
8(A) zeigt eine ungünstige Parameterkombination {σ_i; ω_i}, die diese Eigenschaften nicht besitzt und 8(B) eine günstige, die diese Eigenschaften besitzt. Die Umrechnung der maschinenabhängigen kinematischen Parameter {n_o, n_u, n_j, n_a} in maschinenunabhängige kinematische Parameter {σ_o, σ_u, ω_j, ω_a} ist beispielsweise näher erläutert in: Th. Ardelt, Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin, Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik, IPK Berlin, 2001, ISBN 3-8167-5609-3.
Für die in DE 10007390 A1 offenbarte, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung mit Teilkreisradien r_i und r_a der Abwälzvorrichtung für die Läuferscheiben mit Kennzahlen r_i/(r_a – r_i) ≈ 0,552, r_i/(r_a + r_i) ≈ 0,262 ergibt die Umrechung des maschinenabhängigen Parametersatzes (n_o, n_u, n_i, n_a) = (30, –36, –46, 12) RPM den maschinenunabhängigen Parametersatz (σ_o, σ_u, ω_o, ω_u) = (–33.2, 32.8, 14.0, 80.0) 1/s.
Die sich auf der oberen Arbeitsschicht 11 ergebenden Bahnkurven 19 sind in der linken Hälfte von 9 gezeigt. Die sich auf der unteren Arbeitsschicht 12 ergebenden Bahnkurven 20 sind in der rechten Hälfte von 9 gezeigt. Die Arbeitsschichten weisen für die Parameterkombination nach 8(A) eine extrem inhomogene Abnutzung nach Gleichung (8) (10(A)) auf. Für die untere Arbeitsschicht ergibt sich nahe an deren innerem Rand ein scharf begrenzter Bereich 27 mit extrem hoher lokaler Abnutzung und ein breiterer Bereich 25 mit etwas erhöhter Abnutzung relativ zur Abnutzung 26 der oberen Arbeitsschicht. Die Differenz beider für diese gewählten Verfahrensparameter berechneten Abnutzungen der Arbeitsschichten ist in 11(A) gezeigt (28).
Im Gegensatz dazu zeigt 8(B) eine Wahl der Verfahrensparameter gemäß dem dritten und vierten Verfahren. Die erhaltene Abnutzung der oberen und unteren Arbeitsschicht (25 und 26) ist symmetrisch über den Radius der Arbeitsscheibe der Vorrichtung und nahezu identisch für obere und untere Arbeitsschicht (10(B)). Die Differenz 29 der Abnutzungen beider Arbeitsschichten ist über 100-mal geringer als bei in dem in 8(A) angegebenen Beispiel.
Das dritte und vierte Verfahren erlauben die Herstellung von Halbleiterscheiben mit den oben beschriebenen Eigenschaften, wobei die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Anforderungen beider Verfahren gleichzeitig erfüllt werden.
Beschreibung des fünften erfindungsgemäßen Verfahrens
Im Folgenden wird das fünfte erfindungsgemäße Verfahren beschrieben: Bei diesem Verfahren ist der Anteil des durch den im Zuge der Abnutzung der Arbeitsschicht freigesetzten Schleifmittels bewirkten Materialabtrag am gesamten Materialabtrag stets geringer als der Anteil des durch das fest in der Arbeitsschicht gebundene Schleifmittel bewirkten Materialabtrags.
Dies wird neben einer geeigneten Wahl der mittleren Auflast der oberen Arbeitsscheibe insbesondere und vorzugsweise durch eine gleichmäßige Belastung der Arbeitsschicht über die gesamte Bahnkurve erreicht. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, die Temperatur im Arbeitsspalt gemäß dem ersten Verfahren konstant zu halten, um eine durch Temperaturänderungen bedingte Verformung der Arbeitsscheiben zu vermeiden. Dadurch ergibt sich ein über den gesamten Prozess und in jedem Punkt paralleler Arbeitsspalt zwischen den Arbeitsschichten der oberen und unteren Arbeitsscheibe, und die Arbeitsschichten werden von den während der Bearbeitung über sie hinweggeführten Halbleiterscheiben mit konstanter Kraft belastet. Ein struktureller Zusammenbruch der Kornbindung der Arbeitsschichten unter vorzeitigem Freisetzen unverbrauchten Schneidkorns („parasitäres Läppen”) infolge Überlast wird so genauso vermieden wie das ebenfalls unerwünschte Aussetzen eines gleichförmigen Materialabtrags von den Halbleiterscheiben infolge Unterlast („Einschnitt-Schwellkraft”).
Auch das dritte und vierte Verfahren sind dazu geeignet, eine gleichmäßige Belastung und dadurch eine homogene Abnutzung der Arbeitsschichten zu erreichen. Durch die ungleichmäßigen Bearbeitungskräfte bei ungleichförmig abgenutzten Arbeitsschichten wird die Bindung der in den Arbeitsschichten enthaltenen Schleifstoffe lokal überlastet. Die Tücher verschleißen dann örtlich besonders schnell und setzen übermäßig unverbrauchtes Abrasiv frei. Es kommt zum sog. „parasitären Läppen”, d. h. einem Materialabtrag überwiegend durch freies Korn wie beim Läppen mit Läpp-Slurry. Dies kann durch Sicherstellung einer gleichmäßige Abnutzung der Arbeitsschichten vermieden werden, was zu Halbleiterscheiben mit einer deutlich geringeren Rauigkeit, einer geringeren Schädigungstiefe und einem reduzierten Randabfall führt.
Darüber hinaus kann diese Anforderung auch durch eine homogene und wenig gespreizte Geschwindigkeitsverteilung erreicht werden, die wiederum vorzugsweise durch das zweite Verfahren erzielt wird. Die Materialabtragsrate variiert beim Schleifen nämlich infolge beispielsweise einer endlichen Einschnitt-Schwellkraft und infolge von Kühlschmiermittel- und Schleifschlamm-Transportphänomenen im Allgemeinen nicht notwendig proportional zu Druck und Geschwindigkeit der Schleifbewegung. Eine inhomogene oder gespreizte Geschwindigkeitsverteilung würde daher im Allgemeinen die Arbeitsschicht ungleichförmig belasten und zu einem ungleichmäßigen Materialabtrag und somit einer unerwünschten resultierenden Form der Halbleiterscheibe führen.
Weiterhin ist es bevorzugt, eine ausreichende Durchflussmenge des Kühlschmiermittels zu wählen, die eine übermäßige Abnutzung der Arbeitsschichten vermeidet. Zu wenig Kühlschmiermittel führt zu lokaler Erwärmung der Arbeitsschicht und damit Überlastung von Schleifkorn (Verlust der Schnittfähigkeit), Kornbindung oder infolge Wärmeausdehnung und Druckanstieg ungleichförmiger Abnutzung. Zu viel Kühlschmiermittel führt zu einem teilweisen Aufschwimmen der Halbleiterscheiben („Aqua-Planing”) und somit ebenfalls zu einer Beeinträchtigung der Gleichförmigkeit des Materialabtrags.
Insbesondere ist auch bevorzugt, dass die Dickenabnahme der Arbeitsschicht infolge Abnutzung während eines Schleifvorgangs weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 2% der Dickenabnahme der Halbleiterscheiben während des Schleifvorgangs beträgt.
Jedes der fünf Verfahren trägt dazu bei, eine Halbleiterscheibe mit den oben beschriebenen Eigenschaften herzustellen. Besonders vorteilhafte Eigenschaften der Halbleiterscheibe ergeben sich jedoch, wenn man die Erfordernisse mehrerer oder im Idealfall aller Verfahren gleichzeitig erfüllt.
Bevorzugte Ausführungsformen
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die für alle erfindungsgemäßer Verfahren gültig sind:
Als in den Arbeitsschichten gebundenes Schleifmittel ist ein Hartstoff mit einer Mohs-Härte ≥ 6 bevorzugt. Mögliche, im Stand der Technik bekannte Schleifstoffe sind Diamant, Siliciumcarbid (SiC), Cerdioxid (CeO₂), Korund (Aluminiumoxid, Al₂O₃), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN; kubisches Bornitrid, CBN), ferner Siliciumdioxid (SiO₂), Borcarbid (B₄C) bis hin zu wesentlich weicheren Stoffen wie Bariumcarbonat (BaCO₃), Calciumcarbonat (CaCO₃) oder Magnesiumcarbonat (MgCO₃). Besonders bevorzugt sind jedoch Diamant, Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumoxid (Al₂O₃; Korund).
Die mittlere Korngröße des Schleifmittels sollte unter 9 μm liegen. Die bevorzugte Größe der in den Arbeitsschichten gebundenen Schleifkörner beträgt im Fall von Diamant als Schleifmittel im Mittel 0,1 bis 9 μm und besonders bevorzugt 0,1 bis 6 μm. Die Diamanten sind bevorzugt einzeln oder als Konglomerate („cluster”) in der Bindungsmatrix der Arbeitsschicht eingebunden. Im Fall einer Konglomeratbindung beziehen sich die als bevorzugt angegebenen Korndurchmesser auf die Primärteilchengröße der Cluster-Konstituenten.
Bevorzugt werden Arbeitsschichten mit keramischer Bindung eingesetzt, besonders bevorzugt ist eine Kunstharzbindung; im Fall von Arbeitsschichten mit Konglomeraten auch ein hybridgebundenes System (keramische Bindung innerhalb der Konglomerate und Kunstharz-Bindung zwischen Konglomeraten und Arbeitsschicht-Matrix).
Die Härte der Arbeitsschicht beträgt bevorzugt mindestens 80 Shore A. Besonders bevorzugt ist die Arbeitsschicht mehrlagig aufgebaut, wobei die Ober- und die Unterlage unterschiedliche Härten aufweisen, so dass Punktelastizität und langwellige Nachgiebigkeit der Arbeitsschicht unabhängig voneinander den Verfahrenserfordernissen angepasst werden können.
Vor der ersten Verwendung einer Arbeitsschicht werden die in der Arbeitsschicht eingebundenen Schleifstoffe vorzugsweise durch Abtragen der obersten Schicht freigelegt, um sie für den Schleifvorgang nutzbar zu machen. Diese Initialschärfung wird beispielsweise mit Hilfe von Schleifsteinen oder Messern durchgeführt, die vorzugsweise auf speziell modifizierten Läuferscheiben montiert sind und ähnlich wie im erfindungsgemäßen Verfahren selbst mittels der Abwälzvorrichtung über die beiden Arbeitsscheiben geführt werden. Die Initialschärfung wird im Englischen auch als „dressing” bezeichnet.
Bevorzugt erfolgt das Schärfen („dressing”) mit Schleifsteinen, die Schleifkorn enthalten, das eine ähnliche Kerngröße aufweist wie das Schleifmittel in den Arbeitsschichten. Diese „Schärfsteine” können beispielsweise ringförmig und in einen außenverzahnte Mitnehmerring eingefügt sein, so dass sie mittels der Abwälzvorrichtungen der Schleifmaschine auf geeignete Weise zwischen der oberen und unteren Arbeitsschicht entlang geführt werden können. Bevorzugt überstreichen die Schärfsteine während des Abrichtens die gesamte Fläche der Arbeitsschichten und laufen besonders bevorzugt sogar zeitweilig oder auch ständig etwas über deren Rand hinaus. Bevorzugt ist das Schleifkorn so im Scharfstein gebunden, dass der Verschleiß der Schärfsteine noch einen wirtschaftlichen Schärfbetrieb erlaubt, sich aber während des Schärfprozesses stets mindestens eine Lage losen Schärfstein-Korns in der Arbeitszone zwischen Schärfstein- und Arbeitsschicht-Oberfläche befindet, so dass das Schärfen überwiegend durch freies (ungebundenes) Korn erfolgt.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Scharfprozess eine gestörte oberflächennahe Schicht in der Arbeitsschicht erzeugt, deren Tiefe etwa die Ausdehnung des Schärfkorns hat. Ein Schärfstein mit zu grobem Korn prägt daher der Arbeitsschicht eine Struktur auf, die vom Korn des Schärfsteins und nicht von den Eigenschaften der Arbeitsschicht gekennzeichnet ist. Dies ist unvorteilhaft für das gewünschte möglichst gleichförmige Selbstschärfen der Arbeitsschicht im nachfolgenden Schleifbetrieb. Ein zu feiner Schärfstein liefert zu geringen Materialabtrag und führt zu einem unwirtschaftlichen Schärfvorgang. Schließlich hat sich gezeigt, dass ein Schärfen überwiegend durch freies Schärfkorn infolge der Abwälzbewegung des Schärfkorns bei der Schärfbewegung weniger gerichtete Kräfte auf die Arbeitsschicht ausübt als ein Schärfen mit überwiegend festem Schärfkorn und eine zwar rauere, aber besonders isotrope geschärfte Arbeitsschicht resultiert.
Bevorzugt wird zum Schärfen oder Abrichten der Arbeitsschicht ein Korn verwendet, das weicher ist als das in der Arbeitsschicht verwendete Schleifkorn. Besonders bevorzugt ist das Schärfkorn aus Korund (Al₂O₃).
Im erfindungsgemäßen Betrieb gemäß dem beanspruchten Verfahren werden bei geeigneter Wahl von Arbeitsschicht und Maschinenparametern durch fortwährende Abnutzung der Arbeitsschicht stumpf gewordene Schleifstoffreste entfernt und ständig neue, schnittfreudige Schleifstoffe freigelegt. Dadurch ist ein Dauerbetrieb bis zur vollständigen Abnutzung der Arbeitsschichten möglich. Diese Betriebsbedingung ohne zwischenzeitlichen Nachschärf-Eingriff wird als „selbstschärfendes Arbeiten” der Arbeitsschichten bezeichnet und ist besonders bevorzugt. Das Eingreifen der an der Oberfläche der Arbeitsschichten exponierten Körner in die Oberfläche der Halbleiterscheiben und der durch die Relativbewegung von Arbeitschicht und Halbleiterscheiben erfolgende Materialabtrag wird technisch als „Vielkorn-Schleifen mit geometrisch unbestimmter Schneide” bezeichnet.
Bevorzugt wird das Schleifen so betrieben, dass die gewählten Geschwindigkeiten der Antriebe der Schleifvorrichtung zu möglichst ebenen Halbleiterscheiben führen. Aufgrund der kinematischen Kopplung von Werkzeug- und Werkstück-Bewegung („Planetengetriebe”) kann dann die Bewegung der Arbeitsscheiben nicht mehr unabhängig gewählt werden. Insbesondere können Bewegungsabläufe auftreten, bei denen die Abnutzung der Arbeitsschichten nicht mehr vollständig homogen über ihre gesamte Fläche erfolgt. Die Arbeitsschichten verlieren also langsam ihre anfängliche Form, und es unter Umständen ein gelegentliches zwischenzeitliches Abrichten der Arbeitsschichten zur Wiederherstellung eines planparallelen Arbeitsspalts unumgänglich. Bevorzugt wird die Arbeitsschicht so gewählt, dass selbstschärfender Betrieb mit möglichst geringer Abnutzung erzielt wird, und die Antriebe so eingestellt, dass bei noch möglichst guter Form der Halbleiterscheibe eine möglichst gleichmäßige Belastung der Arbeitsschicht erfolgt, so dass die derartige zwischenzeitliche Abrichtvorgänge möglichst selten erfolgen müssen. Für einen gewünschten TTV der Halbleiterscheibe von kleiner 1 μm gilt ein Betrieb noch als wirtschaftlich, wenn höchstens nach jeder 20. Fahrt abgerichtet werden muss; für einen TTV kleiner 2, wenn höchstens nach jeder 50. Fahrt abgerichtet werden muss.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Materialabtrag durch überwiegend flächigen Eingriff der Arbeitsschicht bewirkt wird. Unter „flächigem Eingriff” sei verstanden, dass der Teil der Fläche der Arbeitsschicht, der sich tatsächlich im Mittel während der Schleifbearbeitung im Kontakt mit der Halbleiterscheibe befindet, deutlich größer ist als die Kontaktfläche des Schleifbelags einer Topfschleifscheibe bei der Bearbeitung mittels eines konventionellen Topfschleifscheiben-Schleifenprozesses, beispielsweise DDG oder SSG. (Beim DDG macht die Kontaktfläche des Schleifbelags der Topfschleifscheibe in Eingriff etwa 0,5% bis 3% der Fläche der Halbleiterscheibe aus; beim SSG sind dies etwa 0,5% bis 5%.) Bevorzugt liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil bei größer 5% und besonders bevorzugt bei 10% bis 80%.
Bevorzugt ist auch, dass die in Kontakt mit den Arbeitsschichten gelangenden Teile der Läuferscheiben kein Metall enthalten. Die Läuferscheiben sind vorzugsweise aus einem vollständig metallfreien Material, beispielsweise einem keramischen Material, hergestellt. Es sind aber auch Läuferscheiben mit einem Kern aus beispielsweise Stahl oder Edelstahl, die mit einer nicht-metallischen Beschichtung überzogen sind, bevorzugt. Eine solche Beschichtung besteht vorzugsweise aus thermoplastischen Kunststoffen, Keramik oder organisch-anorganischen Hybridpolymeren wie beispielsweise Ormocer^® (einer Silikatverbindung), Diamant („diamond-like carbon”, DLC), ersatzweise aber auch aus einer Hartverchromung oder Nickel-Phosphor-Beschichtung.
Im Fall von Läuferscheiben aus Metall bzw. mit einem Metallkern sind die Wandungen der Aussparungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben bevorzugt mit einem keramischen Material ausgekleidet, sodass kein direkter Kontakt zwischen der Halbleiterscheibe und dem Metall der Läuferscheibe entsteht.
Bevorzugt sind die Aussparungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben derart exzentrisch bezüglich des Zentrums der jeweiligen Läuferscheibe angebracht, dass der Mittelpunkt der Läuferscheibe außerhalb der Fläche der Halbleiterscheiben liegt. Beispielsweise ist dies bei der Bearbeitung von Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm eine Exzentrizität von mehr als 150 mm relativ zum Zentrum der Läuferscheibe. Eine Läuferscheibe hat bevorzugt drei bis acht Aussparungen für Halbleiterscheiben. Während eines Schleifvorgangs befinden sich vorzugsweise fünf bis neun Läuferscheiben gleichzeitig in der Schleifmaschine.
Für den Betrag s .(t) = ν(t) = |ν(t)| der Bahngeschwindigkeit
mit der sich beliebige Aufpunkte 18 der Halbleiterscheiben 15 über die Arbeitsscheiben 1 und 4 bewegen, ist ein Bereich von 0,02 bis 100 m/s bevorzugt und ein Bereich von 0,02 bis 10 m/s besonders bevorzugt. Aufgrund der Einschränkungen, die beispielsweise die in DE 10007390 A1 beschriebene geeignete Vorrichtung bezüglich der realisierbaren Drehzahlen der Hauptantriebe aufweist und die typisch für nach dem Stand der Technik verfügbare, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtungen ist, ist ein Bereich von 0,2 bis 6 m/s für die Bahngeschwindigkeit besonders bevorzugt.
Der Druck, mit dem die Arbeitsschichten während der Bearbeitung gegen die Halbleiterscheiben gepresst werden, und die Bahngeschwindigkeit der Halbleiterscheiben über die Arbeitsschichten werden während des Hauptlastschritts vorzugsweise so gewählt, dass die Gesamtabtragsrate, d. h. die Summe der Abtragsraten auf beiden Seiten der Halbleiterscheiben 2 bis 60 μm/min beträgt. Unter Hauptlastschritt ist die Bearbeitungsphase zu verstehen, innerhalb derer der größte Anteil am Gesamtabtrag der gesamten Schleifbehandlung bewirkt wird, wobei als Bearbeitungsphase wiederum ein Zeitabschnitt zu verstehen ist, während dessen alle Verfahrensparameter konstant bleiben. In der Regel ist der Hauptlastschritt die Bearbeitungsphase mit dem höchsten Druck oder der anteilig längsten Dauer oder beidem. Im Fall einer Arbeitsschicht mit Schleifkörnern aus Diamant mit einer mittleren Größe von 3 bis 15 μm ist eine Abtragsrate zwischen 2,5 und 25 μm/min besonders bevorzugt.
Für den Druck, den die Arbeitsscheiben während des Hauptlastschritts auf die Halbleiterscheiben ausüben, ist ein Bereich von 0,007 bis 0,5 bar bevorzugt und ein Bereich von 0,012 bis 0,3 bar besonders bevorzugt. Für diese Angabe ist der Druck auf die Gesamtfläche der zur Bearbeitung in der Vorrichtung befindlichen Halbleiterscheiben bezogen und nicht auf die effektive Kontaktfläche zwischen Arbeitsschicht und Halbleiterscheiben.
Weiterhin ist eine gegensinnige Drehung der Arbeitsscheiben in Bezug auf die mittlere Umlaufgeschwindigkeit der Läuferscheiben während des Hauptlastschritts der Bearbeitung bevorzugt.
Zusätzlich ist besonders bevorzugt, dass die Drücke, Drehzahlen und damit Bahngeschwindigkeiten für die verschiedenen Bearbeitungsphasen unterschiedliche Werte annehmen. Schließlich ist auch besonders bevorzugt, dass in bestimmten Niederdruck-Bearbeitungsphasen („Ausfeuer”- oder „spark out”-Phasen) die Arbeitsscheiben gleichsinnig rotieren. Eine solche Ausfeuer-Phase ist insbesondere ganz am Ende der gesamten Schleifbehandlung sinnvoll und daher bevorzugt.
Das im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Kühlschmiermittel besteht bevorzugt aus einer wasser-basierten Mischung einer oder mehrerer der im Folgenden genannten Stoffe: Viskositätsmodifizierende Zusätze, insbesondere viskositätserhöhende Zusätze wie beispielsweise Glykole, z. B. kurz- oder längerkettige Polyethylenglykole, Alkohole, Sole oder Gele (z. B. Zusätze von hochdisperser Kieselsäure) und ähnliche Stoffe, die als Kühlmittel oder Schmiermittel bekannt sind. Ferner sind pH-Wert-modifizierende Zusätze wie Säuren, Laugen und zusammengesetzte Pufferlösungen bevorzugt. Besonders bevorzugt sind alkalische Zusätze wie Kaliumhydroxid (KOH), Kaliumcarbonat (K₂CO₃), Tetramethylammoniumhydroxid (N(CH₃)₄OH), Tetrametyhlammoniumcarbonat (N(CH₃)₄CO₃), Ammoniumhydroxid (NH₄OH) und Natriumhydroxid (NaOH). Der pH-Wert des Kühlschmiermittels liegt vorzugsweise im Bereich 7,0 bis 12,5. Ferner können Komplexbildner zugesetzt werden, insbesondere solche, die Kupfer-Komplexe bilden. Ein besonders bevorzugtes Kühlschmiermittel ist aber auch reines Wasser ohne jeglichen Zusatz.
Die dem Arbeitsspalt über die Durchführung in der oberen Arbeitsscheibe zugeführten Mengen an Kühlschmiermittel liegen bevorzugt im Bereich zwischen 0,2 und 50 l/min und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 20 l/min. Die angegebenen Werte sind über eine komplette Schleifbehandlung gemessene Mittelwerte Und beziehen sich auf ca. 1,5 m² effektive Arbeitsscheiben-Oberfläche, wie sie beispielsweise die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete, in DE 10007390 A1 offenbarte Vorrichtung aufweist.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren für die Bearbeitung von Halbleiterscheiben aus einkristallinem Silicium mit einem Durchmesser von größer oder gleich 100 mm, besonders bevorzugt mit einem Durchmesser von 300 mm oder größer, eingesetzt. Die bevorzugte Anfangsdicke vor der Bearbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt 500 bis 1000 μm. Für Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm ist eine Anfangsdicke von 775 bis 950 μm besonders bevorzugt.
Die Halbleiterscheiben werden nach der Auftrennung des Halbleiterstabs in Scheiben (beispielsweise mittels einer Drahtsäge, Bandsäge oder Innenlochsäge) und vor der abschließenden Finish-Bearbeitung (beispielsweise mittels einer chemo-mechanischen Politur) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet. Weitere Bearbeitungsschritte zwischen Trennen und dem erfindungsgemäßen Verfahren oder zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und der abschließenden Finish-Bearbeitung können optional hinzugenommen werden, ohne die Eignung der beanspruchten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe zu beeinträchtigen. Dies können beispielsweise weitere mechanische, chemische oder chemo-mechanische Bearbeitungsschritte aus den Gruppen b), c) und d) des Bearbeitungsablaufs zur Herstellung von Halbleiterscheiben sein, wie sie im Stand der Technik (siehe oben) angegeben sind.
Die Enddicke der Halbleiterscheiben nach Bearbeitung durch das erfindungsgemäße Verfahren beträgt bevorzugt 500 bis 950 μm und besonders bevorzugt 775 bis 870 μm. Der Gesamtabtrag, d. h. die Summe der Einzelabträge von beiden Seiten der Halbleitscheibe, beträgt bevorzugt 7,5 bis 120 μm und besonders bevorzugt 15 bis 90 μm.
Es ist bevorzugt, dem erfindungsgemäßen Schleifverfahren nach dem Auftrennen des Halbleiterstabs in Scheiben ein mechanisches Bearbeitungsverfahren gemäß dem Stand der Technik voranzuschicken.
Es ist ferner bevorzugt, dem erfindungsgemäßen Schleifverfahren vor der abschließenden Finish-Bearbeitung weitere Feinbearbeitungsverfahren gemäß dem Stand der Technik nachfolgen zu lassen.
Schließlich ist es bevorzugt, das erfindungsgemäße Schleifverfahren zwischen dem Stabtrennen und der Finish-Bearbeitung durch Vor- und Nachbearbeitungsschritte durch Verfahren gemäß dem Stand der Technik zu ergänzen.
Besonders bevorzugt ist es, die Halbleiterscheiben direkt nach dem Auftrennen des Stabs dem erfindungsgemäßen Schleifverfahren und im Anschluss daran einer chemo-mechanischen Politur zu unterwerfen und darüber hinaus keine weiteren Material abtragenden Bearbeitungsschritte durchzuführen. Als Material abtragend sind insbesondere Ätzbehandlungen, Läppbehandlungen oder Schleifbehandlungen zu verstehen, bei denen die von den Halbleiterscheiben abgetragene Materialdicke größer als die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den Halbleiterscheiben verbleibende Dickenvariation (TTV) ist. In diesem Sinne als nicht Material abtragende Schritte wie Reinigungs-, Ätz-, Schleif- oder Politurschritte mit Materialabträgen von weniger als die auf den erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheiben verbleibende Dickenvariation (TTV), oder aber auch Mess-, Sortier- und nicht wesentlich die Fläche der Halbleiterscheiben verändernde Schritte wie beispielsweise eine Kantenverrundung oder -politur sollen dadurch nicht ausgeschlossen sein.
Beschreibung der Halbleiterscheibe (die nicht Gegenstand der Erfindung ist)
Ergebnis der Anwendung der beschriebenen Verfahren, insbesondere einer geeigneten Kombination einiger oder vorzugsweise aller Verfahren, ist eine Halbleiterscheibe mit einer geringen Dickenvariation, deren Restunebenheit nicht durch einen sog. „Schleifnabel” (lokale Dickenabnahme im Scheibenzentrum) oder einen sog. „Randabfall” (Dickenabnahme im Randbereich der Halbleiterscheibe) maßgeblich bestimmt ist und deren Oberfläche eine weitgehend isotrope, insbesondere nicht zentro- bzw. radialsymmetrische Verteilung der als Schleifriefen bezeichneten Bearbeitungsspuren und eine Rauigkeit von unter 70 nm RMS aufweist.
Die Halbleiterscheibe hat insbesondere folgende vorteilhaften Eigenschaften:

– Ein isotropes Schliffbild, wobei Bereiche mit Schleifriefen, die parallel oder symmetrisch bezüglich eines Punkts oder einer Symmetrieachse zueinander verlaufen, weniger als 10% der gesamten Oberfläche der Halbleiterscheibe ausmachen. Die Bestimmung des Grades der Isotropie des Schliffbildes wird nachfolgend erläutert.

12 zeigt die aufaddierten (kumulierten) Längen der Schleifriefen auf einer Halbleiterscheibe je Winkelklasse als Maß der Isotropie der bearbeiteten Halbleiterscheibe (Histogramm in ebenen Polarkoordinaten). Die aufaddierten Längen sind auf die mittlere Schleifriefenlänge über alle Winkel normiert angegeben. 12(A) weist die weitgehend gleich verteilten, in Summe weitgehend gleich langen Bearbeitungsspuren 35 einer Halbleiterscheibe mit isotropem Schliffbild auf (Variation der kumulierten Schleifriefenlängen je Winkelklasse kleiner ±10% gegenüber der mittleren kumulierten Schleifriefenlänge über alle Winkel). 12(B) gibt das Schleifriefen-Histogramm 36 einer, anisotropen Halbleiterscheibe wieder. zur Ermittlung der Werte wird die Oberfläche einer Halbleiterscheibe visuell inspiziert und die auf jede Winkelklasse (hier: alle 15°; innerhalb ±7,5°) entfallende Anzahl, multipliziert mit der Länge der Schleifriefen ermittelt. Da bei Schleifverfahren die Größe und Tiefe der Schleifriefen den Abmessungen des verwendeten Schleifkorns ähneln, ist ein solches Verfahren weitgehend ohne Mehrdeutigkeit durch Beiträge von sehr feinen oder sehr groben Riefen innerhalb der gegebenen Grenzen (±10%) verlässlich und praktikabel. Alternativ kann beispielsweise auch ein weniger aufwändiges winkelaufgelöstes Streulichtverfahren eingesetzt werden, bei dem der Glanz der Halbleiteroberfläche (außerspekular gestreutes Licht) winkelabhängig gemessen und dessen Winkelvariation als Maßzahl für die Isotropie der Oberfläche verwendet wird. Die Winkel sind relativ zum Notch der Halbleiterscheibe angegeben (Notch = 0°).

– Eine Dickenvariation von weniger als 1 μm auf der gesamten Halbleiterscheibe abzüglich eines Randausschlusses von 1 mm, wobei eine Dickenvariation von bis zu 50 nm oder sogar weniger erreichbar ist. Der Begriff „Dickenvariation” ist im Sinne des gebräuchlichen Parameters „TTV” (total thickness variation) zu verstehen.
– Eine auf einen am Rand der Halbleiterscheibe liegenden Bereich mit einer Breite von 1/10 des Durchmessers der Halbleiterscheibe entfallende Dickenvariation von weniger als 0,7 μm, wobei auch Werte von 50 nm oder weniger erreichbar sind. Die Halbleiterscheibe weist somit keinen nennenswerten Randabfall auf.
– Eine auf einen im Zentrum der Halbleiterscheibe liegenden Bereich mit einem Durchmesser von 1/5 des Durchmessers der Halbleiterscheibe entfallende Dickenvariation von weniger als 0,3 μm, wobei auch Werte von 50 nm oder weniger erreichbar sind. Die Halbleiterscheibe weist somit keinen nennenswerten Schleifnabel auf.
- Einen Warp und einen Bow von jeweils weniger als 15 μm, wobei auch Werte von 1 μm oder weniger erreichbar sind. Der Parameter „Warp” ist gemäß ASTM F 1390 und DIN 50441-5 definiert, der Parameter „Bow” gemäß ASTM F 534 and DIN 50441-5.
– Eine RMS-Rauigkeit von weniger als 70 nm, wobei auch Werte von 1 nm oder weniger erreichbar sind. Die angegebenen Werte beziehen sich auf einen Korrelationslängen-Bereich von 1 μm bis 80 μm.
– Eine Tiefe der oberflächennahen Kristallschädigung von weniger als 10 μm und bis hin zu 0,2 μm und weniger.

Beispiele
Für das Zustandekommen der im Folgenden beschriebenen Beispiele 1 bis 4 mit 4 bis 7 wurde eine Vorrichtung verwendet, deren für die Erfindung relevante Merkmale in DE 10007389 A1 beschrieben sind und die weiter oben bereits erläutert wurden (Poliermaschine Peter Wolters AC-1500P3). Für die nachfolgend angegebenen Beispiele wurden unterschiedliche „Trizact^® Diamond Tile”-Glas-Schleiftücher als Arbeitsschichten verwendet, die von der Fa. 3M, USA, zur Verfügung gestellt wurden und beispielsweise in US 6007407 beschrieben sind. Die Tücher sind rückseitig selbstklebend ausgestattet und wurden auf die Arbeitscheiben der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung geklebt. Die in den nachfolgenden Beispielen verwendeten Tücher waren mit Diamant als Abrasivum gefüllt. Die Korngrößenverteilung betrug 2–6 μm. Bei den in Beispielen 1, 3 und 4 verwendeten Tüchern war das Abrasivum erfindungsgemäß fest gebunden; in Beispiel 2 jedoch lediglich lose, so dass der Schleifbelag schnell verschliss und als „Spender” für nicht erfindungsgemäß freies Korn im Eingriff mit den Werkstücken fungierte.
Als Werkstücke wurden 300 mm Silicium-Einkristallscheiben mit Ausgangsoberfläche wie nach Trennen (Drahtsägen) erhalten verwendet. Sie hatten eine Ausgangsdicke von 915 μm. Der Materialabtrag betrug in allen Beispielen 90 μm, die Enddicke nach Bearbeitung also 825 μm. Die Halbleiterscheiben waren in Läuferscheiben aus glasfaser-verstärktem Epoxidharz (EP-GFK) eingelegt, die eine Anfangsdicke von 800 μm besaßen (Dickenabnahme durch Verschleiß). Die Beschickung bestand aus jeweils fünf Läuferscheiben mit je einer Halbleiterscheibe. Der Druck der Arbeitsscheiben während der Bearbeitung auf die Werkstücke betrug um 340 daN und wurde so erhöht oder erniedrigt, dass im Mittel Abtragsraten von 10–20 μm/min erzielt wurden.
Als Kühlschmiermittel wurde Wasser verwendet (entionisiertes Reinstwasser), das mit einer Rate von zwischen 3 und 20 l/min über Bohrungen in der oberen Arbeitsscheibe dem Arbeitsspalt zugeführt wurde.
Beispiel 1
4 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silicium von 300 mm Durchmesser, die durch Bearbeitung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren mit allen Merkmalen des ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Verfahrens erhalten wurde. Das Dickenprofil wurde durch Mittelung von 4 diametral verlaufenden Einzelmessungen unter 0°, 45°, 90° und 135° relativ zur Orientierungskennkerbe (engl. „notch”) der Halbleiterscheibe ermittelt. Die Dickenvariation über die gesamte Halbleiterscheibe (total thickness variation, TTV) wird unter Berücksichtigung aller gemessenen Dickenwerte ermittelt und beträgt in diesem Beispiel 0,62 μm. Die Dickenprofile wurden mit Hilfe einer kapazitiven Messmethode ermittelt, bei der ein Paar einander gegenüberstehender Messsonden die Abstände zur Vorder- und Rückseite der zwischen ihnen entlang geführten Halbleiterscheibe ermittelt. Der Randausschluss (nicht messbarer Randbereich der Halbleiterscheibe) beträgt 1 mm. H bezeichnet im Diagramm die Dicke der Halbleiterscheibe (in Mikrometern), ρ die Radialposition des jeweiligen Dickenmesswerts (in Millimetern).
Beispiel 2
5 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe einer nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe. Der Materialabtrag von der Halbleiterscheibe wurde während der Bearbeitung überwiegend von freiem (ungebundenem) Korn bewirkt („parasitäres Läppen”). Aufgrund des zum vollflächigen Materialabtrag nötigen Transports des freien Korns vom freien Arbeitsspalt über den Rand der Halbleiterscheibe zu deren Zentrum und infolge des Verlusts der Schnittfreudigkeit des Korns auf diesem Weg (Verschleiß) tritt eine Verarmung an abtragsfähigem Korn vom Rand zum Zentrum der Halbleiterscheibe auf. Der Materialabtrag ist daher am Rand höher als im Zentrum der Halbleiterscheibe. Es resultiert eine konvexe Form der Halbleiterscheibe mit zum Rand hin abnehmender Dicke („Randabfall”) 24. Der TTV beträgt 1,68 μm.
Beispiel 3
6 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe nach Bearbeitung mit einer für die erfindungsgemäße Durchführung des beanspruchten Verfahrens geeigneten Vorrichtung, jedoch mit verformten Arbeitsscheiben.
Da die Arbeitsscheiben aus unterschiedlichen Materialen mit entsprechend unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt sind, tritt stets eine gewisse unvermeidliche Verformung bei ungeeigneter Wahl der Temperatur aufgrund des „Bimetall-Effekts” auf. Ferner kann eine derartige Störung der Planparallelität durch zeitabhängigen Temperatureintrag während des Bearbeitungsablaufs selbst, beispielsweise durch die im Arbeitsspalt 30 verrichtete Spanarbeit (die zur Erwärmung führt) erfolgen; denn dadurch entsteht von der Bearbeitungszone 30 in die Arbeitsscheiben 1 und 4 hinein ein Temperaturgefälle, welches die Arbeitsscheiben (zeitabhängig) verformt. Die derart bearbeiteten Halbleiterscheiben weisen eine ausgeprägte Balligkeit 33 auf (hohe Dicke im Zentrums- und geringe Dicke im Randbereich).
In dem in 6 gezeigten Beispiel waren während der Bearbeitung nur unzureichende Maßnahmen zum Konstanthalten der Temperatur im Arbeitsspalt getroffen worden (ungeeignete Wahl der Temperaturen des doppelten Kühlsystems der Arbeitsscheibe; keine ausreichende Steuerung von Temperatur und Menge des dem Arbeitsspalt zugeführten Kühlschmiermittels (Wasser). Der TTV der in diesem Beispiel erhaltenen Halbleiterscheibe beträgt 3,9 μm.
Beispiel 4
7 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe nach Bearbeitung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit gleichförmiger Abnutzung der Arbeitschicht (Formkonstanz) und mit konstant gehaltener Temperatur und Arbeitsscheibenform, jedoch mit einer Kinematik, die nicht den Anforderungen des zweiten Verfahrens entsprach. Der Betrag der Differenz aus Eigendrehgeschwindigkeit der Läuferscheiben und Umlaufgeschwindigkeit der Läuferscheiben um das Zentrum der Abwälzvorrichtung war betragsmäßig etwas größer als der Betrag der Umlaufgeschwindigkeit der Läuferscheiben relativ zu den Arbeitsscheiben, so dass die Halbleiterscheiben bezüglich der einen Arbeitsscheibe Epitrochoiden und bezüglich der anderen Arbeitsscheibe Hypotrochoiden beschrieben. Da die in den Beispiel gewählten Antriebsgeschwindigkeiten zwar außerhalb, jedoch noch nahe am Bereich gemäß dem zweiten Verfahren lagen, resultiert ein noch recht guter TTV von 0,8 μm.

Claims

Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht bestehend aus Tüchern, Folien oder Schäumen umfasst, in deren in Material abtragenden Kontakt mit den Halbleiterscheiben gelangenden Oberlagen Schleifmittel eingebunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des durch das im Zuge der Abnutzung der Arbeitsschichten freigesetzte Schleifmittel bewirkten Materialabtrags am gesamten Materialabtrag stets geringer ist als der Anteil des durch das fest in der Arbeitsschicht gebundene Schleifmittel bewirkten Materialabtrags.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenabnahme der Arbeitsschicht infolge Abnutzung während des gleichzeitigen beidseitigen Schleifens weniger als 10% der Dickenabnahme der Halbleiterscheiben beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenabnahme der Arbeitsschicht infolge Abnutzung während des gleichzeitigen beidseitigen Schleifens weniger als 2% der Dickenabnahme der Halbleiterscheiben beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung die im Arbeitsspalt herrschende Temperatur konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Arbeitsspalt herrschende Temperatur konstant gehalten wird, indem die Temperatur im Arbeitsspalt gemessen und die Durchflussmenge oder die Temperatur oder Durchflussmenge und Temperatur des Kühlmittels, das durch je wenigstens ein Kühllabyrinth in jeder der beiden Arbeitsscheiben strömt, entsprechend der gemessenen Temperatur variiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Arbeitsspalt herrschende Temperatur konstant gehalten wird, indem die Temperatur im Arbeitsspalt gemessen und die Durchflussmenge oder die Temperatur oder Durchflussmenge und Temperatur des Kühlschmiermittels, das dem Arbeitsspalt zugeführt wird, entsprechend der gemessenen Temperatur variiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zeiteinheit der Betrag der Zahl der Umläufe der Läuferscheiben um den Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung und relativ zu jeder der beiden Arbeitsscheiben größer ist als der Betrag der Zahl der Umdrehungen der einzelnen Läuferscheiben um ihre jeweiligen Mittelpunkte.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen der Bahnkurven, die die Halbleiterscheiben relativ zu den beiden Arbeitsscheiben zurücklegen, annähernd gleich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Verhältnisses aus der Differenz der Längen der Bahnkurven, die die Halbleiterscheiben relativ zu den beiden Arbeitsscheiben zurücklegen, und dem Mittelwert der Längen dieser Bahnkurven weniger als 20% beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des gleichzeitigen beidseitigen Schleifens stets zumindest 5% der Fläche einer jeden Halbleiterscheibe in Kontakt mit der Arbeitsschicht ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsschichten durch Klebung, durch Bespannung, magnetisch, elektrostatisch, mit Vakuum oder Klettverschluss mit der jeweiligen Arbeitsscheibe verbunden sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schärfen oder Abrichten der Arbeitsschicht ein Schärfstein mit einem Schärfkorn verwendet wird, dessen Korngröße gleich der des in der Arbeitsschicht verwendeten Schleifkorns ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schärfen oder Abrichten der Arbeitsschicht überwiegend durch loses, nicht mehr im Schärfstein gebundenes Korn erfolgt.