DE102007049811B4

DE102007049811B4 - Läuferscheibe, Verfahren zur Beschichtung einer Läuferscheibe sowie Verfahren zur gleichzeitigen beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE102007049811B4
Application number: DE102007049811.1A
Authority: DE
Inventors: J. Dipl.-Phys. Dr. Pietsch Georg; Michael Kerstan; aus dem Spring Heiko
Original assignee: Siltronic AG; Peter Wolters GmbH
Current assignee: Lapmaster Wolters GmbH
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: US9539695B2; TWI411494B; KR101275441B1; JP2009099980A; SG152121A1; KR20090039596A; TW200918236A; DE102007049811A1; CN101412201A; US20090104852A1; CN101412201B; JP5207909B2

Abstract

Läuferscheibe, geeignet zur Aufnahme einer oder mehrerer Halbleiterscheiben zu deren beidseitigen Bearbeitung in Läpp-, Schleif- oder Poliermaschinen, umfassend einen Kern aus einem ersten Material, das eine hohe Steifigkeit aufweist, der vollständig oder teilweise mit einem zweiten Material beschichtet ist, sowie wenigstens eine Aussparung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim zweiten Material um ein duroplastisches Polyurethan-Elastomer mit einer Härte von 60–80 nach Shore A handelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Läuferscheibe zur Aufnahme von Halbleiterscheiben zu deren Bearbeitung in Schleif-, Polier- und Läppmaschinen, ein Verfahren zur Beschichtung einer Läuferscheibe sowie ein Verfahren zur gleichzeitigen beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung (Läppen, Schleifen oder Polieren) von Halbleiterscheiben unter Verwendung solcher Läuferscheiben.
Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien (Substrate) Halbleiterscheiben mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, vorderseiten-bezogene lokale Ebenheit (Nanotopologie), Rauhigkeit, Sauberkeit und Freiheit von Fremdatomen, insbesondere Metalle, benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien. Halbleitermaterialien sind Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Gallium-Arsenid oder Elementhalbleiter wie hauptsächlich Silicium und gelegentlich Germanium oder auch Schichtstrukturen derselben. Schichtstrukturen sind beispielsweise eine bauteiltragende Silicium-Oberlage auf einer isolierenden Zwischenlage („silicon on insulator”, SOI) oder eine gitter-verspannte Silicium-Oberlage auf einer Silicium/Germanium-Zwischenlage mit zur Oberlage hin zunehmendem Germanium-Anteil auf einem Silicium-Substrat („strained silicon”, s-Si) oder Kombinationen von beidem („strained silicon on insulator”, sSOI). Halbleitermaterialien werden in einkristalliner Form bevorzugt für elektronische Bauelemente oder in polykristalliner Form bevorzugt für Solarzellen (Photovoltaik) verwendet.
Zur Herstellung der Halbleiterscheiben wird gemäß dem Stand der Technik ein Halbleiterstab erzeugt, der zunächst, meist mittels einer Drahtgattersäge („multi wire slicing”, MWS), in dünne Scheiben aufgetrennt wird. Anschließend erfolgen ein oder mehrere Bearbeitungsschritte, die sich allgemein in folgende Gruppen einteilen lassen:

a) mechanische Bearbeitung;
b) chemische Bearbeitung;
c) chemo-mechanische Bearbeitung;
d) ggf. Herstellung von Schichtstrukturen.

Ferner kommt eine Vielzahl an Nebenschritten wie Kantenbearbeitung, Reinigung, Sortieren, Messen, thermische Behandlung, Verpacken usw. zum Einsatz.
Mechanische Bearbeitungsschritte gemäß dem Stand der Technik sind das Läppen (simultanes Doppelseitenläppen einer Mehrzahl von Halbleiterscheiben im „Batch”), das Einseitenschleifen einzelner Halbleiterscheiben mit einseitiger Aufspannung der Werkstücke (meist als sequentielles Doppelseitenschleifen durchgeführt; „single-side grinding”, SSG; „sequential SSG”) oder das simultane Doppelseitenschleifen einzelner Halbleiterscheiben zwischen zwei Schleifscheiben (simultaneous „double-disk grinding”, DDG).
Die chemische Bearbeitung umfasst Ätzschritte wie alkalische, saure oder Kombinations-Ätze.
Die chemo-mechanische Bearbeitung umfasst Polierverfahren, in denen mittels Relativbewegung von Halbleiterscheibe und Poliertuch unter Krafteinwirkung und Zufuhr einer Poliersuspension (beispielsweise alkalisches Kieselsol) ein Materialabtrag erzielt wird. Im Stand der Technik sind Batch-Doppelseiten-Polituren („double-side polishing”, DSP) und Batch- und Einzelscheiben-Einseitenpolituren beschrieben (Montage der Halbleiterscheiben mittels Vakuum, Klebung oder Adhäsion während der Polierbearbeitung einseitig auf einer Unterlage).
Für die Herstellung besonders ebener Halbleiterscheiben kommt denjenigen Bearbeitungsschritten besondere Bedeutung zu, bei denen die Halbleiterscheiben weitgehend zwangskräftefrei „frei schwimmend” ohne kraft- oder formschlüssige Aufspannung bearbeitet werden („free-floating processing”, FFP). FFP beseitigt besonders schnell und bei geringem Materialverlust Welligkeiten, wie sie beispielsweise durch thermische Drift oder Wechsellast beim MWS erzeugt werden.
Im Stand der Technik bekannte FFP sind Läppen, DDG und DSP, wobei DDG im Rahmen dieser Erfindung nicht betrachtet werden soll (andere Kinematik).
Ein Läppverfahren ist z. B. in Feinwerktechnik & Messtechnik 90 (1982) 5, S. 242–244, offenbart.
Ein DSP-Verfahren ist z. B. in Applied Optics 33 (1994) 7945 beschrieben.
DE 103 44 602 A1 offenbart ein weiteres mechanisches FFP-Verfahren, bei dem mehrere Halbleiterscheiben in jeweils einer Aussparung einer von mehreren mittels eines ringförmigen äußeren und eines ringförmigen inneren Antriebskranzes in Rotation versetzten Läuferscheiben liegen und dadurch auf einer bestimmten geometrischen Bahn gehalten werden und zwischen zwei rotierenden, mit gebundenem Schleifmittel belegten Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden. Dieses Verfahren wird auch mit „Planetary Pad Grinding” oder einfach PPG bezeichnet. Das Schleifmittel besteht aus einem auf die Arbeitsscheiben der verwendeten Vorrichtung aufgeklebten Film oder „Tuch”, wie beispielsweise in US 6007407 offenbart.
Als Abrasiv kommen Hartstoffe zum Einsatz, bspw. Diamant, Siliciumcarbid (SiC), kubisches Bornitrid (CBN), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Cerdioxid (CeO₂), Zirkondioxid (ZrO₂), Korund/Aluminiumoxid/Saphir (Al₂O₃) und viele weitere Keramiken mit Korngrößen von unter 1 bis zu einigen 10 Mikrometern. Für die Bearbeitung von Silicium wird besonders Diamant bevorzugt, ferner auch Al₂O₃, SiC und ZrO₂. Der Diamant ist – als Einzelkorn oder mittels einer keramischen, metallischen oder Kunstharz-Primärbindung zu Konglomeraten gebunden – in die Keramik-, Metall- oder Kunstharz-Matrix der Schleifkörper eingelagert.
DE 103 44 602 A1 offenbart weiterhin ein Verfahren, bei dem die Arbeitsscheiben entweder mit einer Vielzahl von Schleifkörpern, die gebundenes Abrasiv enthalten, beklebt werden oder bei denen das Abrasiv in einer Schicht oder einem „Tuch” gebunden ist und derartige Tücher auf die Arbeitsscheibe geklebt werden. Weiter sind Befestigungen der Arbeitsschicht mittels Vakuum, Verschrauben, Bespannen oder mittels Klettverschluss, elektrostatisch oder magnetisch (siehe z. B. US 6019672 A ). Manchmal sind die Arbeitsschichten als Tücher oder Schichtfolien ausgeführt ( US 6096107 A , US 6599177 B2 ).
Bekannt sind auch Pollen mit strukturierten Oberflächen, umfassend erhöhte Bereiche, die in Kontakt mit dem Werkstück gelangen und vertiefte Bereiche, über die Kühlschmiermittel zu- und Schleifschlamm und verbrauchtes Korn abgeführt werden kann. Ein derartig strukturiertes Schleifwerkzeug (Schleiftuch) offenbart bspw. US 6007407 A . Hier ist das Schleiftuch rückseitig selbstklebend, was einen einfachen Wechsel des Schleifwerkzeugs auf der Arbeitsscheibe erlaubt.
Geeignete Vorrichtungen zur Durchführung der die Erfindung betreffenden Bearbeitungsverfahren (Läppen, DSP und PPG) bestehen im Wesentlichen aus einer ringförmigen oberen und unteren Arbeitsscheibe und einer Abwälzvorrichtung umfassend am Innen- und am Außenrand der ringförmigen Arbeitsscheiben angeordnete Zahnkränze. Obere und untere Arbeitsscheibe und innerer und äußerer Zahnkranz sind konzentrisch angeordnet und besitzen kollineare Antriebsachsen. Die Werkstücke sind in dünne, außen verzahnte Führungskäfige, sog. „Läuferscheiben”, eingelegt, die während der Bearbeitung mittels der Abwälzvorrichtung zwischen den beiden Arbeitsscheiben bewegt werden.
Bei PPG umfasst die Arbeitsscheibe wie zuvor erwähnt eine Arbeitsschicht mit fest gebundenem Abrasiv.
Beim Läppen werden Arbeitsscheiben, sog. Läppteller, aus Gussmaterial, in der Regel einem Stahlguss, bsp. Kugelgraphit-Grauguss, verwendet. Diese enthalten neben Eisen und Kohlenstoff eine Vielzahl an Buntmetallen in unterschiedlichen Konzentrationen.
Bei DSP sind die Arbeitsscheiben mit einem Poliertuch belegt, wobei das Poliertuch beispielsweise aus einem thermoplastischen oder hitzehärtbaren Polymer besteht. Es eignet sich auch eine verschäumt Platte oder ein Filz- oder Fasersubstrat, welches mit einem Polymer imprägniert ist.
Bei Läppen und DSP werden zusätzlich Läpp- bzw. Poliermittel zugeführt.
Für das Läppen sind als Trägerflüssigkeiten für das Läppmittel (Schleifstoffaufschlämmung, Abrasivstoffe), auch Slurry genannt, Öle, Alkohole und Glykole bekannt.
Für DSP sind mit Kieselsol beaufschlagte wässrige Poliermittel bekannt, die bevorzugt alkalisch sind und ggf. weitere Additive enthalten wie chemische Puffersysteme, Tenside, Komplexbildner, Alkohole und Silanole.
Im Stand der Technik sind Läuferscheiben bekannt, die bspw. aus Ronden aus einem ersten harten, steifen Material, bspw. Stahl, insbes. Edelstahl bestehen, die passend zur Abwälzvorrichtung außen verzahnt sind und in ihrer Fläche Bohrungen zum Durchtritt des Kühlschmiermittels und eine oder mehrere Aussparungen zur Aufnahme einer oder mehrerer Halbleiterscheiben aufweisen, wobei die Bohrungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben meist mit einem zweiten, weicheren Material ausgekleidet sind.
Diese Auskleidungen sind lose in die Aussparungen eingelegt ( JP 57041164 ) oder in diesen fixiert ( EP 0 197 214 A2 ). Die Fixierung kann durch Klebung oder Formschluss erfolgen, ggf. mit Unterstützung durch vergrößerte Kontaktflächen (korrespondierende Polygone in Aussparung und Auskleidung) oder auch durch Verankerung mittels korrespondierender Hinterschneidungen („Schwalbenschwanz”) ( EP 0 208 315 B1 ).
Im Stand der Technik für die Auskleidung bekannte Materialien sind z. B Polyvinylchlorid (PVD), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE) ( EP 0 208 315 B1 ), sowie Polyamid (PA), Polystyrol (PS) und Polyvinylidendifluorid (PVDF).
Ebenfalls bekannt sind Läuferscheiben, die aus nur einem einzigen, ausreichend steifen Material hergestellt sind, bspw. einem Hochleistungskunststoff oder einem Kunststoff mit einer Verstärkung aus bspw. Glas-, Kohle- oder Synthesefasern ( JP 2000127030 A2 ). Aus US 5882245 sind Läuferscheiben aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyaryletherketon (PAEK), Polyetherimid (PEI), Polyimid (PI), Polyethersulfon (PES), Polyamidimid (PAI), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylentherephthalat (PET) Polybutylentherepthalat (PBT), Acetalhomopolymer (POM-H), Acetalcopolymer (POM-C) und Flüssigkristallpolymer (LCP) sowie Epoxid (EP) bekannt. US 5882245 offenbart auch Läuferscheiben mit aufgebrachten Schutzlackierungen auf Basis von Epoxid (EP), Epoxid-Acrylat-Mischung (EP/AC), Polyurethan-Acrylat-Mischung (PU/AC) oder Epoxid-Acrylat-Polyurethan (EP/AC/PU).
Aus EP 0 197 214 A2 ist bekannt, bei einer Läuferscheibe aus einem ersten Material (z. B. Stahl) Aufnahmen für die Halbleiterscheiben aus synthetischen Polymerharzen wie Polyurethan, Polyester, Polyethylen, Polycabonat, PVC, Epoxid, Nylon, Akrylatpolymere usw. vorzusehen. Weiterhin ist die Verwendung von Poylurethan zur Aufnahme von Halbleiterscheiben in Polierköpfen zu einer einseitigen Bearbeitung allgemein bekannt.
Für die Anwendung beim Läppen wird meist eine einlagige Stahl- oder Edelstahl-Läuferscheibe mit oder ohne Auskleidung verwendet (vgl. DE 102 50 823 B4 ). Wegen des aggressiven, wenig selektiv Material abtragenden freien Läppkorns im Läpp-Slurry unterliegen die Stahl- oder Edelstahl-Läuferscheiben einem hohen Verschleiß.
Der Verschleiß lässt sich etwas verringern, wenn die Dicke der Läuferscheiben deutlich dünner als die Enddicke der Halbleiterscheiben gewählt wird. Er beträgt in diesem Fall jedoch immer noch mindestens 0,2–0,4 μm je Läpp-Fahrt mit 90 μm Material-Zielabtrag von den Halbleiterscheiben.
Infolge der stetigen und erheblichen Dickenabnahme der Läuferscheiben vergrößert sich der Rest-Überstand der Halbleiterscheiben bei Erreichen ihrer Zieldicke über die Restdicke der Läuferscheiben stetig. Dies führt zu sich stetig verändernden Bearbeitungsbedingungen. Dadurch verschlechtert sich die erreichbare Ebenheit der Halbleiterscheiben erheblich.
Der Materialabrieb von den Läuferscheiben führt darüber hinaus zu einer zusätzlichen Kontamination der Halbleiterscheiben mit Spurenmetallen. Damit eine sichere Führung der Halbleiterscheiben in den Aufnahmeöffnungen der Läuferscheiben gewährleistet, darf der Überstand der Halbleiterscheibe über die Restdicke der dem Verschleiß unterliegenden Läuferscheibe bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Für einige Profilformen der Kanten der Halbleiterscheiben darf der Gesamtverschleiß der Läuferscheibe bereits 10 μm nicht überschreiten, da die Halbleiterscheiben sonst während der Bearbeitung die Aufnahmeöffnungen der Läuferscheiben verlassen und es zum Bruch kommt. Daher ist auch beim Läppen der Verschleiß der Läuferscheibe ein großes Problem.
Für die Anwendung beim chemo-mechanischen Doppelseitenpolieren mit kolloidalem Kieselsol („colloidal silica”) in alkalischer Dispersion sind Läuferscheiben mit einer Beschichtung aus Plasma abgeschiedenem diamantartigem Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) vorgschlagen worden ( US 2005/0202758 A1 ). Die DLC-Beschichtung verhindert wirkungsvoll eine Kontamination der Halbleiterscheiben durch Metall. Die Herstellung der DLC-Beschichtung ist jedoch extrem aufwändig und teuer und macht den gesamten Polierprozess insgesamt sehr teuer.
Insbesondere bei Verwendung des Schleifmittels Diamant unterliegen die im Stand der Technik bekannten Läuferscheiben-Materialien einem sehr hohen Verschleiß. Der Materialabrieb von der Läuferscheibe beeinträchtigt die Schnittfreudigkeit (Schärfe) der Arbeitsschichten. Dies fuhrt zu einer unwirtschaftlich kurzen Lebensdauer der Läuferscheiben und macht häufiges unproduktives Nachschärfen der Arbeitsschichten nötig.
Darüber hinaus wurde bei allen Läuferscheiben aus im Stand der Technik bekannten Kunststoffen mit Faserverstärkung ein sehr hoher Verschleiß beobachtet. Dieser betrug mindestens drei bis zu einigen zehn Mikrometern Dickenabnahme der Läuferscheibe je Einsatzfahrt mit 90 μm Materialabtrag von den Halbleiterscheibe. Dadurch sind die Läuferscheiben nur für wenige Fahrten nutzbar, was unwirtschaftlich ist.
Es zeigte sich ferner, dass im Stand der Technik bekannte zusätzliche beidseitige Beschichtungen ohne Faserverstärkung, bspw. durch Lack- oder Verschleißschutz-Beschichtungen aus EP, EP/AC, PU/AC usw., wie bspw. in US 5 882 245 offenbart, alle einem sehr hohen Verschleiß unterliegen. Im Fall von EP und EP-basierten Mischbeschichtungen führten sie darüber hinaus zu einem besonders schnellen Abstumpfen der Arbeitsschicht.
Insbesondere erwiesen sich spezielle Hartbeschichtungen als Beschichtung für Läuferscheiben zur Durchführung des PPG-Verfahrens als völlig ungeeignet. Bspw. war eine mit 3 μm DLC beschichtete Läuferscheibe, die bei Einsatz im Doppelseitenpolieren (DSP) mit kolloid-dispersem alkalischem Kieselsol (chemo-mechanische Politur) einige hundert bis weit über tausend Einsatzfahrten genutzt werden kann, beim Einsatz in einem PPG-Verfahren bereits nach wenigen Sekunden vollständig bis auf die blanke Metalloberfläche abgetragen. Als genauso ungeeignet erwiesen sich keramische oder andere Hartstoff-Beschichtungen.
Schließlich zeigte sich, dass manche der auf den Läuferscheibenkern aufgebrachten Beschichtungsmaterialien sehr hohen (Reibungs-)kräften ausgesetzt sind, die zur Ablösung von mittels im Stand der Technik bekannter Methoden zur Schichtaufbringung hergestellten Beschichtungen führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, beschichtete Läuferscheiben bereitzustellen, die bei ihrem Einsatz in Läpp-, Polier- und Schleifmaschinen einem besonders geringen Verschleiß unterliegen und deren Beschichtung gut haftet.
Diese Aufgabe wurde gelöst durch eine Läuferscheibe, geeignet zur Aufnahme einer oder mehrerer Halbleiterscheiben zu deren beidseitigen Bearbeitung in Läpp-, Schleif- oder Poliermaschinenumfassend einen Kern aus einem ersten Material, das eine hohe Steifigkeit aufweist, der vollständig oder teilweise mit einem zweiten Material beschichtet ist, sowie wenigstens eine Aussparung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim zweiten Material um ein duroplastisches Polyurethan-Elastomer mit einer Härte von 50–80 nach Shore A handelt.
Bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Läuferscheibe sind in den Ansprüchen 2 bis 13 beansprucht.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur gleichzeitigen beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden.
Bei der Material abtragenden Bearbeitung handelt es sich vorzugsweise um ein beidseitiges Schleifen der Halbleiterscheiben, wobei jede Arbeitscheibe eine Arbeitsschicht mit abrasivem Material umfasst.
Ebenfalls bevorzugt ist ein beidseitiges Läppen der Halbleiterscheiben unter Zuführung einer Suspension, die abrasives Material beinhaltet.
Weiterhin bevorzugt ist eine Doppelseitenpolitur unter Zuführung einer Dispersion, die Kieselsol beinhaltet, wobei jede Arbeitsscheibe ein Poliertuch als Arbeitsschicht umfasst.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Ergebnisse wurden mittels eines Verfahrens zum simultanenen beidseitigen Schleifen von Halbleiterscheiben erzielt, bei dem eine Vielzahl von Läuferscheiben aus unterschiedlichen Materialien/Beschichtungen getestet wurden. Ein entsprechendes Verfahren ist in DE 103 44 602 A1 beschrieben. Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist bspw. in DE 100 07 390 A1 offenbart.
1 zeigt die Abnutzungsrate von Läuferscheiben aus verschiedenen getesteten Materialien.
2 zeigt das Verhältnis aus Materialabtrag von der Halbleiterscheibe und Abnutzung der Läuferscheibe für verschiedene getestete Materialien der Läuferscheiben.
3 zeigt die relative Veränderung der Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht mit der Bearbeitungsdauer für verschiedene getestete Materialien der Läuferscheiben.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Läuferscheibe mit einer Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, bestehend aus Kern, beidseitiger Beschichtung und Auskleidung, (A) in Explosionsdarstellung, (B) in perspektivischer Darstellung, (C)–(E) in Detaildarstellung eines Ausschnitts der Kontaktzone zwischen Öffnung und Auskleidung.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Läuferscheibe mit drei Öffnungen zur Aufnahme dreier Halbleiterscheiben, bestehend aus Kern, beidseitiger Beschichtung und Auskleidung, (A) in Explosionsdarstellung, (B) in perspektivischer Darstellung, (C)–(G) in Detaildarstellung eines Querschnitts durch die Kontaktzone zwischen Kern, Beschichtung und Auskleidung der Läuferscheibe
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der getesteten Läuferscheibenmaterialien. Die erste Spalte gibt die Bezugszeichen für die Zuordnung zu den Ergebnissen an, die nachfolgend in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt sind. Tabelle 1 gibt auch an, ob das in Kontakt mit Arbeitsschicht und Schleifschlamm gelangende Material der Läuferscheibe als Beschichtung („Schicht”, beispielsweise aufgebracht durch Sprühen, Tauchen, Streichen und ggf. einer nachfolgenden Aushärtung), als Folie oder als Vollmaterial vorlag. Die zweite Spalte gibt die Art des untersuchten Läuferscheibenmaterials an.
Die in Tabelle 1 verwendeten Abkürzungen bedeuten: „GFK” = Glasfaser verstärkter Kunststoff, „PPFK” = PP-Faser verstärkter Kunststoff. Die Kürzel für die verschiedenen Kunststoffe sind die allgemein gebräuchlichen: EP = Epoxid; PVC = Polyvinylchlorid; PET = Polyethylenterephthalat (Polyester), PTFE = Polytetrafluorethylen, PA = Polyamid, PE = Polyethylen, PU = Polyurethan und PP = Polypropylen, D-PU-E(60A) = duroplastisches Polyurethan-Elastomer mit 60° Shore A Härte. ZSV216 ist die Herstellerbezeichnung einer getesteten Gleitbeschichtung und Hartpapier ein Papierfaser verstärktes Phenolharz. „Keramik” bezeichnet in die angegebene EP-Matrix eingebettete mikroskopische Keramikpartikel. „kalt” bezeichnet die Aufbringung mittels einer selbstklebend ausgestatteten Folienrückseite und „heiß” einen Heißlaminierprozess, bei dem die mit Schmelzkleber ausgestattete Folienrückseite über Erhitzung und Verpressung mit dem Läuferscheibenkern verbunden wurde. Die Spalte „LS-Last” gibt die Gewichtsbelastung der Läuferscheibe während des Verschleißtests an. Die Gewichtsbelastung der Halbleiterscheibe betrug für alle Fälle 9 kg.
Die Materialien mit Bezugszeichen a bis n und p bis r dienen als Vergleichsbeispiel. Die meisten von ihnen sind bereits als Materialien für Läuferscheiben gemäß Stand der Technik bekannt.
Alle Materialien a bis n und p bis r erwiesen sich als zur Lösung der Aufgabe ungeeignet.
Läuferscheibe mit Material o (thermoplastisches Polyurethan) wäre prinzipiell geeignet, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber nicht bevorzugt, da sie, wie im folgenden gezeigt wird, Läuferscheibe s mit einer Beschichtung aus einem duroplastischem Polyurethan-Elastomer unterlegen ist.
1 zeigt die Abnutzungsrate A [μm/min] von Läuferscheiben mit in Wechselwirkung mit den Arbeitsschichten gelangenden Materialien a bis s.
Für jedes Material wurde ein Satz Läuferscheiben angefertigt, mit Halbleiterscheiben beladen und Schleiffahrten mit jeweils gleichem Materialabtrag von den Halbleiterscheiben durchgeführt.
Die Abnutzungsrate A der Läuferscheiben wurde aus der Abnahme der Dicke der mit den Arbeitsschichten in Kontakt gelangenden Testmaterialien der Läuferscheiben und der Bearbeitungsdauer bis zum Erreichen des Zielabtrags von den Halbleiterscheiben berechnet. Die Dickenabnahme wurde durch Wägung vor und nach jeder Schleiffahrt und dem bekannten spezifischen Gewicht der Testmaterialien bestimmt. Für jedes Läuferscheibenmaterial wurden mehrere derartige Testfahrten durchgeführt.

Die Fehlerbalken in den Figuren 1, 2 und 3 geben die Schwankungsbreite der Einzelmessungen der Einzelfahrten gegenüber dem Mittelwert über alle Fahrten wieder (runde Datenpunkte). Der Maßstab der y-Achse in 1 und 2 ist logarithmisch gewählt, da sich die Verschleißraten der verschiedenen Materialien über mehrere Größenordnungen erstrecken.

Kürzel	Läuferscheiben-Material
	Art	Aufbringung			LS-Last
	Art	Schicht	Folie	Vollmater.	[kg]
a	EP-GFK			x	2
b	EP-GFK			X	4
c	PVC-Folie		X		2
d	PVC-Folie		X		4
e	PET (kalt)		X		2
f	PET (heiß)		X		4
g	EP-CFK			X	4
h	PP-GFK			X	4
i	PP-PPFK			X	4
j	Hartpapier			X	4
k	PTFE II	X			4
l	PA-Film		X		4
m	PE (I)	X			4
n	PE (II)	X			4
o	PU	X			4
p	EP/Keramik	X			4
q	EP (Grundierung)	X			4
r	Gleitbesch. ZSV216	X			4
s	D-PU-E (60A)	X			4

Tabelle 1: Läuferscheiben-Materialien

Die Läuferscheibenmaterialien a bis n und p bis r unterliegen einem sehr hohen Verschleiß (1). Läuferscheiben aus derartigen Materialien besitzen unwirtschaftlich kurze Lebensdauern und führen aufgrund der fortwährenden Abnutzung zu sich ständig ändernden Prozessbedingungen, da der Überstand der Halbleiterscheiben bei Erreichen der Zieldicke über die verbleibende Restdicke der Läuferscheiben von Versuchsfahrt zu Versuchsfahrt ständig zunimmt.
Einzig die Materialien o (Bezugszeichen 1) und insbesondere s (Bezugszeichen 1a) weisen eine hohe Verschleißfestigkeit auf.
Dies wird besonders deutlich in 2.
2 gibt das Verhältnis G aus in einer Versuchsfahrt erzieltem Materialabtrag von den Halbleiterscheiben und der dabei erhaltenen Dickenabnahme der Läuferscheiben infolge Verschleißes für die getesteten Materialien an. Für Material o ist dieses „Verschleißverhältnis” G (Bezugszeichen 2) um mehr als eine Größenordnung besser als das des nächst besten untersuchten Materials. Bei Material s zeigt sich eine weitere Verbesserung.
3 schließlich gibt die Entwicklung der Schnittfreudigkeit (Schärfe) S der Arbeitsschicht in Einheiten relativ zu einem Referenzmaterial (Material c: PVC-Folie bei 2 kg Testlast) an. Die Schärfe wird aus der bei konstanten Betriebsparametern (Druck, Kinematik, Kühlschmierung, Arbeitsschicht) erzielten tatsächlichen Materialabtragsraten von den Halbleiterscheiben in Bezug auf die bei diesen Bedingungen mit dem Referenzmaterial erhaltenen Materialabtragsraten von den Halbleiterscheiben ermittelt. Zu Beginnn jeder Testserie mit einem Läuferscheibenmaterial wurde die Arbeitsschicht neu abgerichtet und geschärft, so dass für jede Testserie identische Anfangsbedingungen gegeben waren. Dann wurden mit jedem Läuferscheibenmaterial eine Mehrzahl von Testschliffen an Halbleiterscheiben durchgeführt und dabei die resultierenden Materialabtragsraten von den Halbleiterscheiben in μm/min jeweils nach zehn Minuten (Bezugszeichen 3), nach 30 Minuten (Bezugszeichen 4) und nach 60 Minuten (Bezugszeichen 5) Gesamt-Einsatzzeit gemessen und auf die des Referenzmaterials bezogen (ebenfalls in μm/min). Es zeigt sich, dass die meisten Läuferscheibenmaterialien dazu führen, dass die Arbeitsschichten schnell ihre anfängliche Schnittfreudigkeit unmittelbar nach Schärfen verlieren und schnell stumpf werden. Diese Materialien (a bis n und p bis r) sind daher ungeeignet.
Einzig die Materialien o und insbesondere das erfindungsgemäße Material s weisen eine sehr geringe Abnahme der Schnittfreudigkeit der Arbeitsschichten über die Testdauer auf.
Bei diesen Materialien ist die Abnahme der Schnittfreudigkeit nur noch von den Eigenschaften der bei den Tests eingesetzten Arbeitsschicht bestimmt. Die Arbeitsschicht war relativ hart gewählt, so dass sie keinen „selbstschärfenden” Betrieb zuließ. Mit „Selbstschärfen” wird allgemein bezeichnet, wenn das Rücksetzen der Bindung des Schleifwerkzeugs infolge Beanspruchung mindestens so schnell erfolgt wie der Verschleiß der an der Oberfläche frei stehenden – „arbeitenden” – Abrasivkörner, so dass in einem dynamischen Gleichgewicht stets mindestens soviel neues schnittfreudiges Korn freigesetzt wird, wie aufgrund des Verschleißes während der Bearbeitung verbraucht wird.
Nur Polyurethane (o und s) sind also als Läuferscheiben-Materialien geeignet.
Polyurethane sind eine weite Stoffgruppe, die Materialien mit höchst unterschiedlichen Eigenschaften umfasst.
Es zeigte sich, dass nur spezielle Polyurethane besonders gut geeignet sind:
Die verschiedenen Polyurethansysteme lassen sich aufteilen in heiß- oder kalthärtende Gießsysteme (duroplastische Polyurethane, thermo-set palyurethane) und feste Systeme, die in Spritzguss, Extrusion o. ä. oder zur Vulkanisation (Nachvernetzung) verarbeitet werden (thermoplastische Polyurethane, thermo-plastic polyurethane).
Beide Systeme überdecken je nach Rezeptur und Behandlung einen breiten Härtebereich. Insbesondere die duroplastischen Polyurethane können mit Härten von 60° Shore A bis > 70° Shore D formuliert werden.
Im Härtebereich von etwa 20° Shore A bis 90° Shore A weisen duroplastische Polyurethane elastomere (kautschukartige) Eigenschaften auf (duroplastisches Polyurethan-Elastomer, D-PU-E).
Es zeigte sich nun, dass ein zur Beschichtung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Läuferscheibe geeignetes Material elastomere Eigenschaften aufweisen sollte.
Von Vorteil sind insbesondere Materialien mit hoher Reißfestigkeit (hoher Einreiß- und Weiterreiß-Widerstand), Elastizität (Rückprallelastizität), Abriebfestigkeit und einem geringen Nass-Gleitreibungswiderstand. Materialien mit diesen Eigenschaften weisen jedoch keine ausreichende Steifigkeit auf, um den während der Bewegung in der Abwälzvorrichtung auf sie einwirkenden Kräften Stand zu halten. Eine Erhöhung der Steifigkeit mittels Faserverstärkung ist aufgrund der beobachteten unerwünschten abstumpfenden Wirkung von Fasern auf die Arbeitsschichten ungeeignet.
Die Erfinder haben erkannt, dass Läuferscheiben mehrlagig und aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein sollten, nämlich

– einem „Kern” aus einem ersten, steifen Material, bpsw. (gehärteter) (Edel-)Stahl, der der Läuferscheibe eine ausreichende Stabilität gegen die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Läuferscheibe wirkenden Kräfte verleiht;
– einer vorzugsweise beidseitigen Beschichtung aus einem Verschleiß resistenten und weichen zweiten Material, erfindungsgemäß ist dies am besten bei einem duroplastischen Polyurethan-Elastomer gegeben; und
– vorzugsweise einem dritten Material, das die Öffnungen in der Läuferscheibe zur Aufnahme der Halbleiterscheiben auskleidet und mechanische (Splittern, Bruch) oder chemische (Metallkontamination) Schädigung verhindert.

Ausführungsbeispiele für Läuferscheiben zeigen 4 und 5.
4 zeigt eine Läuferscheibe mit einer Öffnung 11 zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe.
Eine derartige Bauform ergibt sich, wenn die Halbleiterscheiben groß und die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Vorrichtung Arbeitsscheiben mit geringem Durchmesser besitzen. Dies ist beispielsweise bei einer Zweischeiben-Feinschleifmaschine Typ „AC-1500” der Fa. Peter Wolters AG, Rendsburg, der Fall, deren zwei ringförmige Arbeitsscheiben einen Außendurchmesser von 1470 mm und einen Innendurchmesser von 561 mm aufweisen und deren Abwälzvorrichtung für die Läuferscheiben aus einem Außenzahnkranz mit einem Teilkreisdurchmesser von 1498,35 mm und einem Innenzahnkranz mit einem Teilkreisdurchmesser von 532,65 mm besteht, woraus sich ein Teilkreisdurchmesser von 482,85 für die Außenverzahnung der Läuferscheibe ergibt. (Der Fußkreisdurchmesser der Außenverzahnung der Läuferscheibe beträgt 472,45 mm.)
Eine derartige Läuferscheibe mit verfügbarem Durchmesser ~470 mm kann, mit entsprechenden Öffnungen versehen, bspw. genau eine Halbleiterscheibe von 300 mm Durchmesser (4) aufnehmen oder mit bis zu drei Halbleiterscheiben von 200 mm Durchmesser (5) oder bis zu fünf Halbleiterscheiben von 150 mm Durchmesser oder bis zu acht Halbleiterscheiben von 125 mm Durchmesser bestückt sein. Bei entsprechend größeren Arbeitsscheiben- und kleineren Halbleiterscheiben-Abmessungen können die Läuferscheiben entsprechend mehr Halbleiterscheiben aufnehmen.
4 und 5 zeigen bevorzugte Elemente von erfindungsgemäßen Läuferscheiben:

– den „Kern” 8 aus einem ersten, nicht in Kontakt mit den Arbeitsschichten gelangenden Material von hoher Steifigkeit, das der Läuferscheibe eine mechanische Stabilität verleiht, so dass sie den während der Abwälzbewegung zwischen den Arbeitsscheiben auf sie einwirkenden Kräften ohne plastische Verformung Stand hält;
– eine vorder- (9a) und rückseitige Beschichtung (9b) aus einem zweiten Material, das während der Bearbeitung der Halbleiterscheibe in Kontakt mit den Arbeitsscheiben gelangt, das eine hohe Verschleißfestigkeit gegenüber der Einwirkung aus gebundenem Korn (Arbeitsschicht) und freiem Korn (Schleifschlamm, Abrieb infolge Materialabtrag von den Halbleiterscheiben) aufweist; und
– eine oder mehrere Auskleidungen 10 aus einem dritten, einen direkten Materialkontakt zwischen Halbleiterscheibe und Kern 8 der Läuferscheibe verhindernden Material.

Beim zweiten Material handelt es sich um ein duroplastisches Polyurethan-Elastomer.
Die Läuferscheiben besitzen vorzugsweise eine Außenverzahnung 16, die zu der aus innerem und äußerem Zahnkranz gebildeten Abwälzvorrichtung der Schleifvorrichtung korrespondiert.
Die in Kontakt mit den Arbeitsschichten gelangenden vorder- und rückseitigen Beschichtungen 9a und 9b können vollflächig ausgeführt sein, d. h. den Kern 8 der Läuferscheibe vorder- und rückseitig vollständig bedecken, oder sie sind teilflächig so ausgeführt, dass beliebige Freiflächen, bspw. 13 oder 14, an Vorder- (13a) und Rückseite (13b) entstehen, ohne dass jedoch der Kern 8 in Kontakt mit den Arbeitsschichten gelangt.
Üblicherweise enthalten die Läuferscheiben weitere Öffnungen 15, durch die Kühlschmiermittel zwischen unterer und oberer Arbeitsscheibe ausgetauscht werden kann, so dass obere und untere Arbeitsschichten stets gleiche Temperatur aufweisen. Dies wirkt einer unerwünschten Verformung des zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspaltes durch Verformung der Arbeitsschichten bzw. Arbeitsscheiben infolge thermischer Ausdehnung unter Wechsellast entgegen. Außerdem wird die Kühlung der in den Arbeitsschichten eingebundenen Abrasive verbessert und gleichförmiger, und dadurch verlängert sich deren wirksame Lebensdauer.
Die Auskleidungen 10 der Läuferscheiben und die zugehörigen Öffnungen 11 der Läuferscheibe besitzen meist passige Außen- (17a) bzw. Innen-Konturen (17b) und sind mittels Formschluss oder Adhäsion (Klebung) miteinander verbunden (17). 4(C) zeigt in vergrößerter Darstellung eines Ausschnittes 18 der Läuferscheibe verschiedene im Stand der Technik bekannte Ausführungen für den Verbund 17 zwischen Kern 8 und Auskleidung 10 der Läuferscheiben: links mittels Formschluss mit Hinterschneidungen (Schwalbenschwanz, JP 103 29 013 A2 ), in der Mitte mit glatter Grenzfläche (Verbund durch Verklebung, Einpressen usw.; EP 0 208 315 B1 ) und rechts mit durch Aufrauhung vergrößerter Kontaktfläche für verbesserte Haftung.
5(C)–5(G) geben bevorzugte Ausführungsformen für die Beschichtung 9 auf Vorder- (9a) und Rückseite (9b) des Kerns 8 der Läuferscheibe und für die Auskleidung 10 der Aufnahmeöffnungen 11 für die Halbleiterscheiben an. Dargestellt ist jeweils ein kleiner Ausschnitt 19 der Läuferscheibe im Querschnitt. 5(C) zeigt die oben beschriebene Ausführungsform mit teilflächigen Beschichtungen 9a und 9b und Freiflächen 13a und 13b im Bereich der Kühlschmiermittel-Durchtrittsöffnung 15 und der Auskleidung 10.
Besonders bevorzugt sind auch Ausführungen der Läuferscheiben, bei denen auch das dritte Material für die Auskleidung der Aufnahmeöffnungen für die Halbleiterscheiben aus einem duroplastischen Polyurethanelastomer besteht. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt 5(D). Hier ist die Beschichtung 9 um den Rand der Kerns 8 an der Aufnahmeöffnung 11 für die Halbleiterscheibe herumgeführt, so dass sie die Auskleidung 10 ersetzt (9 = 10).
Vorzugsweise wird die Schichtstärke an der Wand der Aufnahmeöffnung 11 entsprechend dünn gewählt (22), so dass eine ausreichend formstabile Führung der Halbleiterscheibe gewährleistet wird.
Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung 9 um den Rand des Kerns 8 an den Kühlschmiermittel-Durchtrittsöffnungen 15 herumgeführt ist (20) (5(E)). Das Herumführen der Beschichtung um die Kanten vermeidet scharfe Stoßkanten. Dies verringert die Anforderungen an die Materialhaftung zwischen Schicht und Kern, die wegen der auftretenden Schälkräfte besonders gut sein muss.
Besonders vorteilhaft ist es deshalb auch, wenn die Kanten der Beschichtung 9 gebrochen, also bspw. verrundet sind (21).
Ferner ist besonders bevorzugt, wenn die Beschichtung an den Stellen, an denen sie einem höheren Verschleiß unterliegt, dicker ausgeführt ist. Dies sind primär die Außenbereiche der Läuferscheibe, in der Nähe der Außenverzahnung, aber auch die Kanten an den Kühlschmiermittel-Durchtrittsöffnungen 15 und den Aufnahmeöffnungen 11 für die Halbleiterscheiben. Im Beispiel 5(F) ist eine Beschichtung gezeigt, die sowohl an der Kante an der Kühlschmiermittel-Durchtrittsöffnung 15 als auch an der Aufnahmeöffnung 15 für die Halbleiterscheibe verstärkt ist (22) und die zusätzlich um den Rand der Aufnahmeöffnung für die Halbleiterscheibe herumgeführt ist (9 = 10).
Schließlich ist besonders bevorzugt, wenn die voll- oder teilflächig ausgeführte Beschichtung 9 von Vorder- und Rückseite des Kerns 8 über Öffnungen 23 im Kern miteinander verbunden ist, wie in 5(G) dargestellt. Diese Öffnungen bzw. „Kanäle” 23 unterstützen die Haftung der Schicht 9 durch einen zusätzlichen Formschluss. Die Beschichtung 9 kann dann insbesondere auch so teilflächig ausgeführt werden, dass sie nur noch aus einer Mehrzahl einzelner „Noppen” 9 von geringer lateraler Ausdehnung, vorder-/rückseitig verbunden über Bohrungen 23, zusammengesetzt ist. Die Bohrungen 23 können dabei beliebige Querschnitte haben, bspw. kreisförmig, eckig, als „Schlitze” usw.
Es hat sich gezeigt, dass der Kern der Läuferscheibe eine hohe Steifigkeit und eine hohe Zugfestigkeit aufweisen muss, um den beim Einsatz in der Abwälzvorrichtung auftretenden Kräften Stand zu halten.
Insbesondere erwies sich ein hohes Elastizitätsmodul als vorteilhaft, um eine übermäßige Verformung der Läuferscheibe im Bereich der Außenverzahnung zu vermeiden, der sich jeweils im „Überhang” zwischen Arbeitsscheibenrand und Verzahnung der Abwälzvorrichtung befindet und in dem die Läuferscheibe nicht vorder- und rückseitig durch die beiden Arbeitsscheiben geführt und in einer Bewegungsebene gehalten wird.
Ferner zeigte sich, dass der Kern eine hohe Festigkeit (Zugfestigkeit R_m oder Härte) aufweisen sollte, damit bei Verformung im „Überhang” und insbesondere unter Einwirkung der Kräfte durch die Stifte der Abwälzvorrichtung auf die Zahnflanken der Läuferscheibe der Kern der Läuferscheibe nicht plastisch verformt wird, bpsw. durch Ausbildung von Knicken oder Wellen oder durch „Aufbördelungen” von Material an den Zahnflanken.
Es zeigte sich, dass der Elastizitätsmodul des Materials für den Kern der Läuferscheibe bevorzugt größer als 70 GPa und die Zugfestigkeit größer als 1 GPa (entsprechend einer Rockwell-Härte von über 30 HRC) sein sollte, um den bei Einsatz in der Abwälzvorrichtung auftretenden Kräften Stand zu halten.
Bevorzugt beträgt der Elastizitätsmodul des Materials für den Kern der Läuferscheibe 70–600 GPa und besonders bevorzugt 100–250 GPa.
Die Zugfestigkeit beträgt bevorzugt 1–2,4 GPa (30–60 HRC) und besonders bevorzugt 1,2–1,8 GPa (40–52 HRC).
Vorzugsweise weist das duroplastische Polyurethan-Elastomer eine Härte von 40° Shore A bis 80° Shore A auf.
Die Auskleidungen der Öffnungen in der Läuferscheibe zur Aufnahme. der Halbleiterscheiben bestehen bevorzugt aus einem Thermoplast, das im Hochdruck-Spritzguss-Verfahren verarbeitet werden kann.
Besonders bevorzugt bestehen die Auskleidungen aus PVDF, PA, PP, PC (Polycarbonat) oder PET. Ferner sind Auskleidungen aus PS, PMMA (Polymethylmethacrylat), Perfluoralkoxy (PFA), LCP und PVC bevorzugt.
Vorzugsweise weist die Läuferscheibe eine Gesamtdicke von zwischen 0,3 bis 1,0 mm auf.
Bevorzugt beträgt die Dicke des steifen, der Läuferscheibe Stabilität verleihenden Kerns zwischen 30% und 98%, besonders bevorzugt zwischen 50% und 90% der Gesamtdicke der Läuferscheibe.
Die Beschichtung besteht vorzugsweise beidseitig und ist bevorzugt auf beiden Seiten der Läuferscheibe gleich dick.
Je nach Ausführung ergeben sich also Schichtdicken für die beidseitige Beschichtung der Läuferscheibe von zwischen einigen Mikrometern (typisch einige zehn Mikrometer) und einigen hundert Mikrometern (typisch 100 μm bis 200 μm).
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung einer Läuferscheibe, geeignet zur Verwendung bei der beidseitigen Bearbeitung von Halbleiterscheiben in Läpp-, Schleif- oder Poliermaschinen, die einen metallischen Kern und wenigstens eine Aussparung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe umfasst, beinhaltend folgende Schritte: chemische Aktivierung des Kerns der Läuferscheibe durch chemische, elektro-chemische oder Behandlung mit einem Plasma, Aufbringen eines Haftvermittlers auf den derart vorbehandelten Kern der Läuferscheibe, Aufbringen eines Polyurethan-Präpolymers auf den Haftvermittler mittels Verguss, Vernetzen und Vulkanisieren zu einer Polyurethanschicht sowie Rückschleifen der Polyurethanschicht auf Zieldicke.
Es zeigte sich, dass die unvernetzten Präpolymere von duroplastischen Elastomer-Polyurethanen eine hohe Viskosität und, je nach Formulierung, teilweise sehr kurze Verarbeitungszeiten bis zum Einsetzen der Polyurethan-Vernetzung aufweisen.
Als Präpolymer wird die unvernetzte Mischung aus Polyol [Polyester- bzw. Polyätherpolyol], Polyisocyanat und Vernetzern (z. B. Diole oder Amine), durch deren nachfolgende Vernetzung und Vulkanisation (Nachhärtung) Polyurethane mit der charakteristischen Urethangruppe, -NH-CO-O-, entstehen, bezeichnet.
Die kurze Topfzeit lässt in der Regel nur die Verarbeitung des Präpolymers durch Verguss mit Mindestmaterialstärken von mehreren Millimetern zu. Je nach Formulierung und Vernetzungsverhalten erfolgt dieser Verguss als Kalt- oder Warmverguss.
Wegen der einige Millimeter dicken Mindestmaterialstärken weist eine durch Verguss hergestellte Beschichtung eine so hohe Eigenstabilität auf, dass bei Reibbelastung der Beschichtung (Last parallel zur Oberfläche), Dehnung und Stauchung (Last senkrecht zur Oberfläche) an der Grenzfläche zum Substrat nur Zug-, Druck- und Scherkräfte auftreten, die relativ unkritisch sind und vergleichsweise geringe Ansprüche an die Haftung zwischen Polyurethanbeschichtung und Substrat stellen.
Bei Schichtdicken im Bereich einiger zehn bis hundert Mikrometer und geringen Härten der Schicht zwischen bspw. 40° und 80° Shore A hingegen treten überwiegend Schälkräfte auf, die besonders hohe Ansprüche an die Haftung zwischen PU-Schicht und Läuferscheibenkern stellen.
Dabei stellte sich nicht die Haftung an der Grenzfläche zwischen dem üblicherweise zwischen Substrat und Beschichtung aufgetragenen Haftvermittler und der PU-Beschichtung als Problem heraus, sondern die Haftung zwischen Substrat (Metallkern der Läuferscheibe) und Haftvermittler.
Der Haftvermittler wird zunächst auf den Kern der Läuferscheibe mittels Sprühen, Tauchen, Fluten, Streichen, Walzen oder Rakeln aufgetragen und getrocknet. Dann erfolgt die Aufbringung der eigentlichen Beschichtung.
Es zeigte sich, dass die für die Haftvermittler vorgeschlagenen üblichen Vorbehandlungsmethoden bei Weitem nicht ausreichten, um eine ausreichende Haftung von Haftvermittler und PU-Beschichtung auf dem Kern der Läuferscheibe zu erzielen.
Beschichtungen, bei denen der Läuferscheiben-Kern vor Aufbringen von Haftvermittler und PU-Beschichtung mit im Stand der Technik bekannten Verfahren wie dem Entfetten durch Reinigen in Waschlösungen oder mit Lösungsmittel und dem Vergrößern der Haft-Oberfläche durch Aufrauhen, bpsw. durch Anschleifen oder Sandstrahlen, vorbehandelt worden war, hielten im Einsatz den hohen auftretenden Schälkräften nicht Stand, und es kam stets zu großflächigen Ablösungen der Beschichtung.
Insbesondere die mechanischen Vorbehandlungen (Schleifen oder Sandstrahlen) erwiesen sich als besonders unvorteilhaft. Zwar verbesserte sich die Haftung geringfügig aber nicht ausreichend; jedoch verschlechterte sich die Ebenheit des Läuferscheibenkerns infolge rauhigkeits- und schädigungsinduzierter unsymmetrischer Verspannung. Eine wellige Läuferscheibe ist unerwünscht, da sich die Halbleiterscheiben dann nicht sicher in die Aufnahmeöffnungen der Läuferscheiben einlegen lassen und im Randbereich teilweise unbemerkt mit den Auskleidungen der Aufnahmeöffnungen überlappen, so dass es beim Absenken der oberen Arbeitsscheibe der Schleifvorrichtung zu einem Bruch der Halbleiterscheibe kommt.
Vor allem jedoch unterliegt eine verwellte Läuferscheibe einem ungleichmäßigen Verschleiß. Dies verkürzt ihre Nutzungsdauer und ist somit unwirtschaftlich; insbesondere jedoch ergeben sich örtlich unterschiedliche Überstände er Halbleiterscheiben über die Läuferscheibe, was den Kühlschmiermitteltransport und die erzielbare Ebenheit- der Halbleiterscheiben einschränkt.
Das Haftproblem zwischen (metallischem) Kernmaterial und Haftvermittler-Zwischenschicht wurde durch chemische Aktivierung der Oberfläche des Kernmaterials gelöst.
Die Aktivierung wird vorzugsweise mittels Ätzen durch Säuren oder Laugen erreicht.
Beispielsweise sind Natron-(NaCH) oder Kalilauge (KOH), insbesondere konzentrierte NaOH oder KOH, ggf. unter Zusatz eines Lösungsmittels, bspw. eines Alkohols (Ethanol, Methanol), geeignet.
Bevorzugt erfolgt die Aktivierung durch Ätzen mit Säuren, bspw. mit Salzsäure (HCl), Schwefelsäure (H₂SO₄), Phosphorsäure (H₃PO₄), Salpetersäure (HNO₃) oder Chlorsäure (HClO₃, HClO₄).
Besonders bevorzugt erfolgt die Aktivierung durch Ätzen mit oxidierenden Säuren, insbesondere Salpetersäure (HNO₃), unter Zusatz von Fluorid-Ionen (Flusssäure, HF).
Das Ätzen mit oxidierenden Säuren erzeugt insbesondere auch auf Edelstahl eine reproduzierbare Oxidschicht, die einen besonders guten Haftgrund für den nachträglichen Auftrag der Haftvermittler-Zwischenschicht bildet.
Daneben ist auch eine Aktivierung der Oberfläche des metallischen Kernmaterials mittels Niederdruck-Plasma, insbes. mit einem Sauerstoff-Plasma möglich.
Die erforderliche geringe Schichtdicke kann über gleichmäßige dicke Beschichtung mittels Verguss und Schichtverlauf und Rückschliff nach Vernetzung und Vulkanisation der Dickschicht auf Zielmaß mittels Flachschleifen erzielt werden.
Eine beidseitige Beschichtung des Läuferscheibenkerns wird durch sequentielle Bearbeitung erst der einen und dann der anderen Seite des Läuferscheibenkerns erreicht.
Beim Vernetzen und Vulkanisieren (Nachhärten) erfährt das Polyurethan eine geringe Volumenschrumpfung. Dadurch verspannt sich die erzeugte Schicht und verwellt die Läuferscheibe. Nach vollständiger Beschichtung beider Seiten der Läuferscheibe gleichen sich die Spannungen auf beiden Seiten im wesentlichen aus. Es verbleibt jedoch infolge der sequentiellen Beschichtung beider Seiten stets eine gewisse Restspannung und damit Restwelligkeit der fertig beschichteten Läuferscheibe.
Da jedoch die Verspannungen zu langwelligen Restwelligkeiten führen, die im Einsatz der Läuferscheibe ohne größere und lokal stark schwankende Rückstellkräfte elastisch ausgeglichen werden, sind derart hergestellte Läuferscheiben zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Von Vorteil ist jedoch eine simultane Beschichtung beider Seiten des Läuferscheibenkerns in einem einzigen Bearbeitungsschritt.
Dies kann beispielsweise durch Verguss und Aushärtung in einer Form erfolgen, in die der Läuferscheibenkern zentriert gehalten wird.
Besonders bevorzugt ist eine beidseitig gleichzeitige Beschichtung bereits auf Zieldicke.
Ein vollflächiger Verlauf des PU-Präpolymers in der Form kann trotz der erhöhten Viskosität des PU-Präpolymers und der geringen Schichtdicke in ausreichender Weise erreicht werden, wenn das Präpolymer unter Vakuum oder mittels Druck in die Form eingebracht wird.

Claims

Läuferscheibe, geeignet zur Aufnahme einer oder mehrerer Halbleiterscheiben zu deren beidseitigen Bearbeitung in Läpp-, Schleif- oder Poliermaschinen, umfassend einen Kern aus einem ersten Material, das eine hohe Steifigkeit aufweist, der vollständig oder teilweise mit einem zweiten Material beschichtet ist, sowie wenigstens eine Aussparung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim zweiten Material um ein duroplastisches Polyurethan-Elastomer mit einer Härte von 60–80 nach Shore A handelt.
Läuferscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Elastizitätsmodul von 70–600 GPa besitzt.
Läuferscheibe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Elastizitätsmodul von 100–250 GPa besitzt.
Läuferscheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine Rockwell-Härte von HRC 30 bis HRC 60 besitzt.
Läuferscheibe gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine Rockwell-Härte von HRC 40 bis HRC 52 besitzt.
Läuferscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Stahl ist.
Läuferscheibe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Edelstahl ist.
Läuferscheibe gemäß einem den Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aussparung der Läuferscheibe in ihrem Randbereich mit einem dritten Material ausgekleidet ist, welches ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylentherephthalat (PET), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Perfluoralkoxy (PFA) oder Mischungen dieser Materialien.
Läuferscheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aussparung der Läuferscheibe in ihrem Randbereich mit einem duroplastischen Polyurethanelastomer einer Härte von 60–80 nach Shore A ausgekleidet ist.
Läuferscheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtdicke der Läuferscheibe zwischen 0,3 und 1,0 mm beträgt und eine Dicke des Kerns der Läuferscheibe aus dem ersten Material zwischen 30% und 98% der Gesamtdicke der Läuferscheibe beträgt.
Läuferscheibe gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kerns der Läuferscheibe zwischen 50% und 90% der Gesamtdicke der Läuferscheibe beträgt.
Läuferscheibe gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schichten aus dem zweiten Material auf beiden Seiten des Kerns gleich ist.
Läuferscheibe gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im Bereich einiger oder aller Kanten der Öffnungen in der Läuferscheibe dicker ist als in den übrigen Bereichen.
Verfahren zur Beschichtung einer Läuferscheibe, geeignet zur Verwendung bei der beidseitigen Bearbeitung von Halbleiterscheiben in Läpp-, Schleif- oder Poliermaschinen, die einen metallischen Kern und wenigstens eine Aussparung umfasst, beinhaltend folgende Schritte: chemische Aktivierung des Kerns der Läuferscheibe durch chemische, elektro-chemische oder Behandlung mit einem Plasma, Aufbringen eines Haftvermittlers auf den derart vorbehandelten Kern der Läuferscheibe, Aufbringen eines Polyurethan-Präpolymers auf den Haftvermittler mittels Verguss, Vernetzen und Vulkanisieren zu einer Polyurethanschicht sowie Rückschleifen der Polyurethanschicht auf Zieldicke.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethan beidseitig simultan auf den Kern der Läuferscheibe aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Polyurethan-Präpolymers in einer Form mittels Vakuum oder unter Druck geschieht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler Silan enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Material zum Auskleiden einer Kante einer Aussparung mittels eines Hochdruck-Spritzguss-Verfahrens eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyurethan-Beschichtung ganz oder teilweise um einige oder alle Kanten von Öffnungen oder Aussparungen der Läuferscheibe derart herumgeführt ist, dass vorder- und rückseitige Beschichtung miteinander verbunden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Aktivierung durch chemische Behandlung um eine Behandlung mit einem Ätzmedium (Säure oder Lauge) handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium ausgewählt wird aus einer Gruppe bestehend aus Phosphorsäure (H₃PO₄), Salpetersäure (HNO₃), Schwefelsäure (H₂SO₄), Flusssäure (HF), Salzsäure (HCl) oder Gemischen der genannten Säuren.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ätzens zusätzlich ein Oxidationsmittel auf das erste Material einwirkt.
Verfahren zur gleichzeitigen beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterscheibe frei beweglich in einer Aussparung einer von mehreren mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzten Läuferscheiben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 liegt und dadurch auf einer zykloidischen Bahnkurve bewegt wird, wobei die Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei es sich bei der Material abtragenden Bearbeitung um ein beidseitiges Schleifen der Halbleiterscheiben handelt und jede Arbeitscheibe eine Arbeitsschicht mit abrasivem Material umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei es sich bei der Material abtragenden Bearbeitung um ein beidseitiges Läppen der Halbleiterscheiben unter Zuführung einer Suspension, die abrasives Material beinhaltet, handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei es sich bei der Material abtragenden Bearbeitung um eine Doppelseitenpolitur unter Zuführung einer Dispersion, die Kieselsol beinhaltet, handelt, wobei jede Arbeitscheibe ein Poliertuch als Arbeitsschicht umfasst.