DE10147646C1

DE10147646C1 - Verfahren zur materialabtragenden Bearbeitung der Kante einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE10147646C1
Application number: DE2001147646
Authority: DE
Inventors: Walter Frank; Thomas Hoffmann
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2021-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur materialabtragenden Bearbeitung der Kante einer Halbleiterscheibe, das folgende Schritte enthält: DOLLAR A a) Berechnung des Gesamtvolumens des abzutragenden Materials DOLLAR A b) Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit durch Vergleich des Gesamtvolumens des abzutragenden Materials mit einem vorgegebenen Wert für das Zeitspanvolumen DOLLAR A c) materialabtragende Bearbeitung der Kante der Halbleiterscheibe, wobei die Halbleiterscheibe mit der in Schritt b) berechneten Vorschubgeschwindigkeit relativ zum Bearbeitungswerkzeug bewegt wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur materialabtra genden Bearbeitung der Kante einer Halbleiterscheibe.

Die unbehandelte Kante einer von einem Einkristall abgetrennten Halbleiterscheibe hat eine vergleichsweise raue und uneinheit liche Oberfläche. Sie bricht bei mechanischer Belastung häufig aus und ist eine Quelle störender Partikel. Es ist daher üb lich, die Kante zu glätten und ihr ein bestimmtes Profil zu ge ben. Dies geschieht durch eine materialabtragende Bearbeitung der Kante mit einem geeigneten Bearbeitungswerkzeug. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen als Kantenverrunden bezeichnet. In der DE 195 35 616 A1 ist eine Schleifvorrichtung beschrieben, mit der eine solche Bearbeitung vorgenommen werden kann. Die Halbleiterscheibe ist während der Bearbeitung auf einem sich drehenden Tisch (Chuck) fixiert und wird mit der Kante gegen die sich ebenfalls drehende Arbeitsfläche eines Bearbeitungs werkzeugs zugestellt. Das Profil des Bearbeitungswerkzeugs ent spricht in der Regel komplementär dem gewünschten Kantenprofil der Halbleiterscheibe.

In DE 196 36 055 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kantenverrundung beschrieben, wobei die Scheibenkante zumindest zeitweise gleichzeitig durch mehrere Bearbeitungswerkzeuge be arbeitet wird.

Das Patent US 5,738,563 beschreibt eine Kantenverrundungsvor richtung mit einer Regelungseinheit, die dafür sorgt, dass Werkstück und Profilschleifscheibe automatisch so zueinander positioniert werden, dass das entstehende Kantenprofil des Werkstücks symmetrisch ist.

Bei den gebräuchlichen Kantenverrundungsautomaten sind die op timierten Prozessparameter, vergleichbar mit Rezepten, für be stimmte Produkte fest in den Maschinensteuerungen hinterlegt. Allen ist dabei gemeinsam, dass die Vorschubgeschwindigkeit für bestimmte Gruppen von Spezifikationen, und auch von Scheibe zu Scheibe, konstant gehalten wird.

Prinzipiell wäre für jede Spezifikation, die aus einer Kombina tion von jeweils einem Wert für Zieldurchmesser, Rohdurchmes ser, Scheibendicke, Profilform (bei symmetrischem Kantenprofil charakterisiert durch Radius, Stegbreite und Winkel) besteht, ein Satz von Verfahrensparametern (Rezept) notwendig, um eine optimale Bearbeitung zu gewährleisten. Aus der Kombination der Merkmale ergibt sich eine große Vielfalt möglicher Spezifikati onen, die durch verschiedene Flat- und Notch-Spezifikationen, sekundäre Merkmale wie Nebenflats in unterschiedlichen Winkeln zum Hauptflat, Hauptflats mit unterschiedlichen Flateckenüber gangsradien sowie asymmetrische Kantenprofile weiter vergrößert wird. Die Folge wäre eine unüberschaubar große Anzahl verschie dener Sätze von Verfahrensparametern für das Kantenverrunden.

In der Praxis werden jedoch nur die Parameter für häufig gefer tigte Spezifikationen entwickelt und in der Maschinensteuerung hinterlegt. Die Anzahl der Parametersätze wird möglichst gering gehalten, um häufiges Umstellen beim Loswechsel zu vermeiden und ein damit verbundenes Fehlerpotential zu verringern. Ein Parametersatz wird somit für eine Vielzahl unterschiedlicher, mehr oder weniger ähnlicher Spezifikationen verwendet.

Dies hat zur Folge, dass ein Großteil der Halbleiterscheiben unter nicht idealen Verhältnissen geschliffen wird. Es resul tieren zusätzliche Kräfte im Schleifprozess, die letztendlich zu Qualitätsmängeln, wie z. B. Randausbrüchen, und somit zu Ausfall führen. Ebenso werden die verwendeten Werkzeuge (Schleifscheiben) unterschiedlich belastet, was zu erheblichen Standzeitunterschieden und somit zu zusätzlichen Kosten führt.

Um den hohen Qualitätsanforderungen hinsichtlich der Oberflä chengüte trotzdem gerecht zu werden, wird bislang der Kanten verrundungsprozess mit zwei Umdrehungen der Halbleiterscheibe plus Überschliff gefahren, was sich allerdings nachteilig auf die Prozessdauer auswirkt.

Die Aufgabe bestand daher darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Kanten von Halbleiterscheiben unterschied licher Spezifikationen materialschonend und gleichzeitig wirt schaftlich unter weitgehendem Ausschluss von Fehlerquellen ver rundet werden können.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur materialabtra genden Bearbeitung der Kante einer Halbleiterscheibe, das fol gende Schritte enthält:

a) Berechnung des Gesamtvolumens des abzutragenden Materials
b) Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit durch Vergleich des Gesamtvolumens des abzutragenden Materials mit einem vorgegebe nen Wert für das Zeitspanvolumen
c) materialabtragende Bearbeitung der Kante der Halbleiter scheibe, wobei die Halbleiterscheibe mit der in Schritt b) be rechneten Vorschubgeschwindigkeit relativ zum Bearbeitungswerk zeug bewegt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst unter Berück sichtigung der Parameter Scheiben-Rohdurchmesser, Scheiben- Zieldurchmesser, aktuelle Scheibendicke und Profilform (Radius, Winkel, Stegbreite) das Rotationsvolumen des abzutragenden Ma terials für jede zu bearbeitende Halbleiterscheibe individuell berechnet. Damit wird anschließend der Prozessparameter "Vor schubgeschwindigkeit" universell so bestimmt, dass die Kanten von Halbleiterscheiben unterschiedlicher Durchmesser, Profil formen und Dicken unter gleichen optimierten Bedingungen scho nend verrundet werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand von Fi guren detailliert beschrieben.

Fig. 1 stellt die für die Berechnung der beim Kantenverrunden abzutragenden Gesamtquerschnittsfläche A_ges notwendigen Parame ter der Halbleiterscheibe bzw. des Kantenprofils dar.

Fig. 2 veranschaulicht die der Berechnung des Rotationsvolumens des abzutragenden Materials zugrunde liegenden Größen.

In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den Eingangs- und Zielparametern der zu bearbeitenden Halbleiter scheibe das Gesamtvolumen des abzutragenden Materials berech net. Dazu werden, wie in Fig. 1 ersichtlich, der Rohdurchmes ser D_roh, der Zieldurchmesser D_nom, die Scheibendicke THK sowie die Parameter des Kantenprofils verwendet. Letztere umfassen im Fall eines symmetrischen Kantenprofils die Größen Stegbreite b_S, den Radius r_KV sowie den Facettenwinkel α.

Vorzugsweise wird zur Berechnung des Volumens V des abzutragen den Materials unter Ausnutzung der Rotationssymmetrie die Gul dinsche Regel
V = A_ges.2.π.y_s
angewendet (W. Beitz, K.-H. Küttner, "Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau", 14. Aufl., S. 29 u. S. 127, Springer: Ber lin, Heidelberg, New York (1981)). Demnach ist der Rauminhalt V eines Rotationskörpers gleich dem Produkt aus dem Flächeninhalt der den Körper erzeugenden Fläche A_ges und dem Umfang des Krei ses, den der Schwerpunkt S der Fläche A_ges bei einer vollen Um drehung beschreibt. Die Anwendung der Guldinschen Regel ist in Fig. 2 für ein symmetrisches Kantenprofil veranschaulicht. Die Gesamtquerschnittsfläche
A_ges = ΣA_i
des abzutragenden Profils wird als Summe der Teilflächen A_i be rechnet. Die Teilflächen sind in Fig. 1 durch gestrichelte Li nien angedeutet. Der Flächenschwerpunktsabstand

der Gesamtquerschnittsfläche A_ges zur Rotationsachse z berechnet sich aus den Teilflächen und deren jeweiligem Abstand y_i, von der Rotationsachse z. Das nach der Guldinschen Regel berechnete Rotationsvolumen ist das Gesamtvolumen V des abzutragenden Pro fils. Dieses wird auch als Spanvolumen bezeichnet.

Das Spanvolumen wird im nächsten Schritt b) des erfindungsgemä ßen Verfahrens mit einem vorgegebenen Wert für das Zeitspanvo lumen verglichen. Die Kenngröße "Zeitspanvolumen" ist bei spielsweise in K.-T. Preger, E. Paucksch, "Zerspantechnik", 5. Aufl., Vieweg: Braunschweig, Wiesbaden (1982), definiert. Sie gibt das pro Zeiteinheit abgetragene Volumen des Werkstücks beispielsweise in der Einheit mm³/s an. Sie resultiert damit aus dem Materialabtrag und den kinematischen Verfahrensparame tern, z. B. dem Vorschub.

Ein fest vorgegebener, konstanter Vorschub bedingt je nach dem Volumen des abzutragenden Materials ein unterschiedliches Zeit spanvolumen, was zu den oben genannten Problemen bei den Kan tenverrundungsverfahren nach dem Stand der Technik führt. Er findungsgemäß wird deshalb das Zeitspanvolumen und nicht der Vorschub vorgegeben. Das für das zu bearbeitende Material opti male Zeitspanvolumen, das eine materialschonende und gleichzei tig noch möglichst rasche Bearbeitung ermöglicht, wird vorzugs weise durch Versuche bestimmt.

Aus dem Vergleich zwischen berechnetem Spanvolumen und vorgege benem Zeitspanvolumen (d. h. aus der Division Spanvolumen/Zeit spanvolumen) resultiert die Zeit, die zum Schleifen der Schei benkante für eine Umdrehung der Halbleiterscheibe zur Verfügung steht. Der Kehrwert dieser Zeit wird durch den Schleifautomaten schließlich als Chuck-Drehzahl umgesetzt.

In Schritt c) wird die Scheibenkante mit der in Schritt b) be stimmten Vorschubgeschwindigkeit (Chuck-Drehzahl) bearbeitet. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Prozessführung, bei der der Schleifprozess nach einer Umdrehung beendet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, be stimmte Bereiche des Scheibenumfangs mit höheren oder niedrige ren Vorschubgeschwindigkeiten (Segmentschleifen) zu bearbeiten. Die in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens errechnete Vorschubgeschwindigkeit wird für das jeweilige Profil als 100- %-Wert definiert. An besonders kritischen Bereichen des Schei benumfangs, z. B. Einschliff- und Ausschliffstelle, Hauptflat, Flatecken, Übergangsradien und Nebenflats, kann durch entspre chende Faktoren gezielt mit erhöhtem oder bevorzugt mit redu ziertem Vorschub gefahren werden.

Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass unabhängig von den individuellen Gegebenheiten der zu bearbeitenden Halbleiterscheibe alle möglichen Profile durch die automatisch angepasste Vorschubgeschwindigkeit mit dem gleichen Zeitspanvolumen gefertigt werden können. Das bedeutet, dass bei jeder Spezifikation unter Berücksichtigung der aktuel len Dicke der Halbleiterscheibe innerhalb einer bestimmten Zeit konstant das gleiche Volumen des Materials abgeschliffen wird. Somit werden kritische Profile (mit großem Materialabtrag) au tomatisch mit reduziertem und unkritische Profile (mit geringem Materialabtrag) mit erhöhtem Vorschub gefertigt. Durch die Be arbeitung mit einem konstanten, optimal an das zu bearbeitende Material angepassten Zeitspanvolumen wird das Profil der Halb leiterscheiben besonders schonend gefertigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es auch, das Profil wäh rend nur einer Umdrehung der Halbleiterscheibe vollständig zu schleifen, was besonders bevorzugt ist. Bis auf einen geringen Überschliff von wenigen Winkelgraden erübrigt sich eine zweite Umdrehung. Dies bedeutet eine durchschnittliche Verringerung der Prozesszeit um ca. 30%. Durch Unterlassen der zweiten Um drehung entfällt der marginale Kontakt der Schleifscheibe mit dem fertigen Profil. Dadurch wird eine zusätzliche Schädigung der Randzone (Damage) vermieden. Damit können insbesondere bis lang als kritisch geltende Profile mit deutlich verringerten Randdefekten erzeugt werden.

Weiterhin resultiert die gleichmäßigere Belastung der Schleif werkzeuge in einer Angleichung und generellen Erhöhung der Werkzeugstandzeiten und damit in einer Kostenreduktion.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens werden die Parameter Rohdurchmesser D_roh, Zieldurchmesser D_nom, Solldicke, Radius r_KV, Winkel α und Steg breite b_S vor Beginn des Schleifprozesses in einen Steuerungs rechner eingegeben. Damit wird unter Berücksichtigung des vor gegebenen Zeitspanvolumens die aktuelle Vorschubgeschwindigkeit (Chuck-Drehzahl) errechnet. Die aktuelle Dicke jeder Halblei terscheibe wird vor der Übergabe in die Schleifstation automa tisch gemessen und die für diese Halbleiterscheibe angepasste Vorschubgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des aktuellen Dickenmesswerts berechnet. Dadurch werden Dickenschwankungen von Scheibe zu Scheibe kompensiert. Mit der angepassten Vor schubgeschwindigkeit wird nun die Kante der Halbleiterscheibe verrundet.

Vorzugsweise sind die Bereiche des Scheibenumfangs, in denen mit erhöhter oder verringerter Vorschubgeschwindigkeit gefahren wird (Segmentschleifen) durch Parametersätze (sog. CAM-Rezepte) eindeutig definiert. Das für die jeweilige Flatlage definierte Rezept wird zu Beginn des Schleifprozesses einmalig ausgewählt. Dadurch wird festgelegt, bei welchen Drehwinkeln mit 100% der berechneten Vorschubgeschwindigkeit und in welchen Bereichen mit veränderter Vorschubgeschwindigkeit (z. B. 60% der berech neten Vorschubgeschwindigkeit) das Profil entlang des Umfangs der Halbleiterscheibe geschliffen wird. Die jeweilige Änderun gen der aktuellen Vorschubgeschwindigkeit erfolgt dabei vor zugsweise nicht abrupt, sondern entsprechend verzögert bzw. be schleunigt (sog. Rampen). Dadurch werden ruckartige Kräfte ver mieden, die zu einer Beeinträchtigung des Schliffbilds führen würden.

Um den Ort einer kinematischen Änderung am Scheibenumfang genau zu treffen, werden vorzugsweise Reaktionszeiten der Maschine kompensiert. Eine bekannte Reaktionszeit entspricht bei der je weils aktuellen Chuckdrehzahl einem bestimmten Winkel. Dieser Winkel wird intern laufend berechnet. Der im CAM-Rezept defi nierte Winkel für die nächste Änderung der Vorschubgeschwindig keit wird um diesen Winkel (Vorhaltewinkel) korrigiert. Dadurch wird es möglich, den Ort für eine Änderung der Vorschubge schwindigkeit exakt zu treffen.

Der Aufwand des Bedienungspersonals für das Einstellen der Ma schine beschränkt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren auf die Eingabe der Roh- und Zielmaße gemäß der vorgegebenen Spezifika tion.

Die Erfindung wurde anhand des Kantenverrundens beschrieben. Das Konzept, materialabtragende Bearbeitungen bei vorgegebenem, konstantem Zeitspanvolumen und daraus resultierend mit ange passter Vorschubgeschwindigkeit vorzunehmen, kann jedoch bei jedem spanenden Abtragsprozess angewendet werden. So ist bei der Herstellung von Halbleiterscheiben neben dem Kantenverrun den eine Anwendung beim Innendurchmesser-Trennschleifen (ID- Sägen), Drahtsägen oder Planschleifen möglich, letztendlich in jedem Prozess, bei dem während des Schleifens oder Trennens veränderliche Spanvolumen abgetragen werden. Das erfindungsge mäße Verfahren kann auf unterschiedlichste sprödharte Materia lien angewendet werden, bevorzugt jedoch auf Halbleitermateri al. besonders bevorzugt auf Silicium.

Die Berechnung und Beschreibung des Spanvolumens kann bei kom plexen Formen einen erheblichen, ggf. unverhältnismäßig hohen Aufwand nach sich ziehen. Da jedoch mit zunehmendem Spanvolumen auch die resultierenden Kräfte ansteigen, kann die Erfindung in der Art weiter entwickelt werden, mittels geeigneter Sensorik in Abhängigkeit der Prozesskräfte die Vorschubgeschwindigkeit zu regeln. Dadurch lässt sich der Zustand der Werkzeugschneide (Abnutzungsgrad, Verschmutzungsgrad), die Wirkung von Schärf eingriffen sowie der Einfluss eines Kühlschmiermittels und des sen Zuführung berücksichtigen.

Claims

1. Verfahren zur materialabtragenden Bearbeitung der Kante ei ner Halbleiterscheibe, das folgende Schritte enthält:

a) Berechnung des Gesamtvolumens des abzutragenden Materi als
b) Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit durch Vergleich des Gesamtvolumens des abzutragenden Materials mit einem vorgegebenen Wert für das Zeitspanvolumen
c) materialabtragende Bearbeitung der Kante der Halbleiter scheibe, wobei die Halbleiterscheibe mit der in Schritt b) berechneten Vorschubgeschwindigkeit relativ zum Bearbei tungswerkzeug bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die materialabtragende Bearbeitung nach einer Umdrehung der Halbleiterscheibe abgeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass für bestimmte Segmente des Umfangs der Halb leiterscheibe die in Schritt b) berechnete Vorschubge schwindigkeit mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert wird und diese Segmente mit der auf diese Weise berechneten korrigierten Vorschubgeschwindigkeit bearbeitet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Eingangs- und Zielparameter vor Beginn der Bearbeitung in einen elektronischen Rechner eingegeben werden und dieser in Schritt a) daraus das Gesamtvolumen des abzutragenden Materials berechnet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Eingangsdicke der Halbleiterscheibe vor Beginn der Bearbeitung gemessen und das Ergebnis in die Be rechnung des Gesamtvolumens des abzutragenden Materials in Schritt a) eingeht.