DE102004011996B4 - Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen von scheibenförmigen Werkstücken - Google Patents

Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen von scheibenförmigen Werkstücken Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen eines scheibenförmigen Werkstücks (1), umfassend zwei im Wesentlichen kreisförmige Schleifräder (3) mit kollinear angeordneten Rotationsachsen (9), wobei sich die Schleifflächen (10) der Schleifräder (3) in axialer Richtung bezogen auf die Rotationsachsen (9) gegenüber stehen, und zwei sich ebenfalls gegenüber stehende Vorrichtungen (2) zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen Werkstücks (1), die jeweils wenigstens ein hydrostatisches Lager und jeweils wenigstens eine Staudruckdüse (4) zur Messung des Abstands zwischen dem Werkstück (1) und der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung (2) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche (7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) derart nichtplanar gestaltet ist, dass der Abstand zwischen der Oberflä- che (7) und dem Werkstück (1) an dem Rand (8) der Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) einen minimalen Wert annimmt, der den Schleifrädern (3) zugewandt ist, und dieser Abstand mit zunehmender Entfernung zu den Schleifrädern (3) zunimmt.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen von scheibenförmigen Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Vorrichtungen, die zum gleichzeitigen Schleifen beider Seiten von scheibenförmigen Werkstücken, beispielsweise Halbleiterscheiben oder im Besonderen Siliciumscheiben, eingesetzt werden, sind im Stand der Technik bekannt. Sie werden in der Regel als Doppelseitenschleifmaschinen bezeichnet. Eine verbreitete Variante des Doppelseitenschleifens ist ein im Englischen als „double disk grinding" oder kurz DDG bezeichnetes Verfahren.
  • DDG-Maschinen nach dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in JP2000-280155A und JP2002-307303A beschrieben sind, weisen zwei einander gegenüber liegende Schleifräder auf, deren Rotationsachsen kollinear angeordnet sind. Während des Schleifvorgangs wird ein zwischen den Schleifrädern positioniertes scheibenförmiges Werkstück auf beiden Seiten gleichzeitig durch die beiden um ihre Achse rotierenden Schleifräder bearbeitet, während es durch eine ringförmige Halte- und Rotationseinrichtung in seiner Position gehalten und gleichzeitig um die eigene Achse gedreht wird. Während des Schleifvorgangs werden die beiden Schleifräder in axialer Richtung zugestellt, bis die gewünschte Enddicke des Werkstücks erreicht ist.
  • Die Halte- und Rotationseinrichtung kann beispielsweise Reibräder umfassen, die am Rand des Werkstücks angreifen. Sie kann aber auch eine Einrichtung sein, die das Werkstück ringförmig umgibt, und die in eine ggf. am Umfang des Werkstücks vorhandene Rille, Nut oder Einkerbung (engl. „notch") eingreift. Eine derartige Einrichtung wird i. d. R. als „notch finger" bezeichnet. Um die gesamte Fläche des Werkstücks zu bearbeiten, wird das Werkstück relativ zu den Schleifrädern so geführt, dass die abrasiven Schleifsegmente der Schleifräder eine Kreisbahn beschreiben, welche ständig über das Werkstückzentrum verläuft.
  • Das Werkstück ist dabei in der Regel nicht fest fixiert, sondern wird durch zwei zu beiden Seiten des Werkstücks angebrachte Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung, im Folgenden „Hydropads" genannt, axial in Position gehalten. Derartige Vorrichtungen sind in JP2000-280155A beschrieben. Gemäß dem Stand der Technik werden die dem Werkstück zugewandten Oberflächen der zwei Hydropads eben gestaltet und parallel zueinander ausgerichtet. Jedes Hydropad umfasst mehrere hydrostatische Lager, zwischen denen Nuten zum Abführen des für die hydrostatische Lagerung eingesetzten Mediums (im Folgenden als „Hydrolagermedium" bezeichnet) sowie des Schleifkühlmittels angeordnet sind.
  • In die Hydropads sind jeweils ein oder mehrere Messsensoren integriert, welche während des Schleifvorgangs eine Messung des Abstands zwischen der Oberfläche der Hydropads und der Werkstückoberfläche ermöglichen. Diese Abstandsmessung wird üblicherweise mit Hilfe von Staudruckdüsen als pneumatische Staudruckmessung durchgeführt. Die Staudruckdüsen sind als einfache Bohrungen in den Rändern der hydrostatischen Lager, die die Führungsflächen bilden, ausgeführt. Um den Abstand zwischen den Hydropads und dem Werkstück möglichst nahe am Ort der Schleifbearbeitung messen zu können, sind die Staudruckdüsen in der Regel nahe an dem Rand der Hydropads angebracht, der den Schleifrädern benachbart ist.
  • Diese Abstandsmessung ist Teil eines Regelkreises, der für die Zentrierung des Werkstücks zwischen den Hydropads sorgt. Das Stellglied dieses Regelkreises ist das Schleifradpaar, welches in Abhängigkeit vom Ergebnis der Staudruckmessung axial zur eigenen Rotationsachse derart verschoben wird, dass der gemessene Staudruck und damit der Abstand des Werkstücks vom Hydropad auf beiden Seiten des Werkstücks gleich wird.
  • Bei einer derartigen Lagerung des scheibenförmigen Werkstücks während des Schleifvorgangs treten folgende Fehler auf, welche zu einer Verschlechterung der Geometrie des bearbeiteten Werkstücks und insbesondere des als Nanotopographie bekannten Geometrieparameters führen:
    • 1. Die Staudruckmessung erfolgt während des Schleifvorgangs. Dies bedeutet, dass Hydrolagermedium und Schleifkühlmittel, das mit Werkstückspänen befrachtet ist, in den Bereich der Staudruckdüsen gelangen und die Staudruckmessung stören können. Folglich wird das Werkstück während des Schleifvorgangs nicht genau äquidistant zwischen den Hydropads positioniert.
    • 2. Durch unterschiedlich abrasives Verhalten der beiden Schleifräder resultieren unterschiedliche Druckspannungen in der Oberfläche des Werkstücks (engl. „subsurface damage"), welche zu einer Krümmung des Werkstücks führen. Diese Krümmung ist im Allgemeinen rotationssymmetrisch ausgeprägt. Dies hat wiederum zur Folge, dass sich Teilbereiche des Werkstücks nicht mittig zwischen den Hydropads befinden. Da die hydrostatische Lagerung diesem Bestreben des Werkstücks entgegenwirkt, wird das Werkstück ungleichmäßig gegen die beiden Schleifräder gedrückt und eine entsprechend rotationssymmetrische Krümmung in das Werkstück geschliffen.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bestand somit darin, verbesserte Hydropads zur Verfügung zu stellen, deren Verwendung in einer DDG-Maschine zu einer verbesserten Werkstückgeometrie nach dem Schleifvorgang führt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Shleifen von scheibenförmigen Werkstücken mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1.
  • Erfindungsgemäß sind die dem Werkstück zugewandten Flächen der Hydropads derart beschaffen, dass der Abstand zwischen Werkstück und Hydropads am Ort der Staudruckdüsen, die in der Regel nahe an den Schleifrädern angeordnet sind, möglichst gering ist, da die Störanfälligkeit mit dem Messabstand zunimmt. Andererseits wird der Einfluss der Werkstückkrümmung auf die Lage des Werkstücks im hydrostatischen Lager auf Grund der Hebelwirkung mit zunehmendem Abstand vom Schleifrad immer größer. Der Abstand der Hydropads vom Werkstück nimmt daher erfindungsgemäß mit steigendem Abstand zum Schleifrad bzw. zu den in der Regel nahe dem Rand des Schleifrads angeordneten Staudruckdüsen zu. Um dies zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß die dem Werkstück zugewandte Oberfläche der Hydropads nicht eben ausgeführt. Beispielsweise kann die Oberfläche der Hydropads kegelförmig oder konvex ausgeführt werden, wobei sich im günstigsten Fall der Punkt der größten Annäherung an das Werkstück, d. h. beispielsweise die Spitze des Kegels, imaginär im Schleifradzentrum befindet. Die Oberfläche der Hydropads. kann auch derart mit Stufen versehen sein, dass die Anforderung erfüllt ist, dass der Abstand der Hydropads vom Werkstück mit steigendem Abstand zum Schleifrad bzw. zu den in der Regel nahe dem Rand des Schleifrads angeordneten Staudruckdüsen zunimmt. Die Oberfläche der Hydropads ist vorzugsweise derart gestaltet, dass der Abstand zwischen dem Hydropad und der fertig geschliffenen Oberfläche des Werkstücks in der Nähe der Schleifräder und damit der Staudruckdüsen im Bereich zwischen 50 und 200 μm (besonders bevorzugt zwischen 80 und 120 μm) und weit davon entfernt im Bereich zwischen 150 und 250 μm (besonders bevorzugt zwischen 130 und 170 μm) liegt.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen von scheibenförmigen Werkstücken mit den Merkmalen nach Patentanspruch 5.
  • Die Staudruckdüsen werden während des Schleifvorgangs turbulent von einem Gemisch aus Hydrolagermedium, Schleifkühlmittel und Werkstückspänen umspült. Dieses stellt einen erheblichen Störfaktor für die Messung dar. Um dieses Problem zu lösen, wird dieses Gemisch erfindungsgemäß auf möglichst kurzem Weg aus dem kritischen Bereich in der Umgebung der Staudruckdüsen abgeleitet. Die Abführung erfolgt direkt durch eine Bohrung, die parallel zur Staudruckbohrung in unmittelbarer Nähe derselben angebracht ist. Die störende Flüssigkeit wird durch diese Bohrung, durch das Hydropad hindurch aus dem kritischen Bereich entfernt.
  • Um die Wirkung zu verbessern, werden vorzugsweise mehrere in der Umgebung der Staudruckdüse angebracht. Vorzugsweise sind die Bohrungen äquidistant zu den jeweils benachbarten Bohrungen und zur Staudruckdüse angebracht.
  • Bevorzugt ist es auch, die erfindungsgemäße Form der Hydropads (siehe oben) mit den Bohrungen und ggf. den ringförmigen Nuten zur Abführung von Flüssigkeit aus der Umgebung der Staudruckdüsen zu kombinieren.
  • Eine andere Möglichkeit, die Wirkung zu verbessern, besteht darin, die Bohrung an der Oberfläche des Hydropads, die dem Werkstück zugewandt ist, in einer Nut enden zu lassen, die die Staudruckdüse ringförmig umgibt. Dies ist ebenfalls bevorzugt. Die Nut ist vorzugsweise kreisförmig ausgeführt, sie kann aber auch eine andere geometrische Form haben.
  • Eine weitere mögliche Ausgestaltung ist eine Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen von scheibenförmigen Werkstücken, umfassend zwei kollinear angeordnete, im Wesentlichen kreisförmige Schleifräder, deren Schleifflächen sich in axialer Richtung bezogen auf die Rotationsachsen der Schleifräder gegenüber stehen und zwei sich ebenfalls gegenüber stehende Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen Werkstücks, die jeweils wenigstens ein hydrostatisches Lager und jeweils wenigstens eine Staudruckdüse zur Messung des Abstands zwischen dem Werkstück und der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück zugewandte Oberfläche jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung an ihrem dem Schleifrad benachbarten Rand keine vom Rand ausgehenden Nuten aufweist.
  • Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass möglichst wenig Schleifkühlmittel aus dem. Bereich der Schleifräder zwischen die Hydropads und das Werkstück und damit in den Bereich um die Staudruckdüsen gelangt. Die Menge der die Messung störenden Flüssigkeit wird durch diese Maßnahme reduziert und somit die Genauigkeit der Messung verbessert.
  • Besonders bevorzugt ist es, die letztgenannte Maßnahme mit der erfindungsgemäßen Form der Hydropads (siehe oben) und den Bohrungen und ggf. den ringförmigen Nuten zur Abführung von Flüssigkeit aus der Umgebung der Staudruckdüsen zu kombinieren.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Figuren beschrieben:
  • 1 zeigt schematisch ein scheibenförmiges Werkstück, das zwischen zwei erfindungsgemäßen kegelförmigen Hydropads gelagert ist und von zwei kollinear angeordneten Schleifrädern bearbeitet wird. Die Darstellung ist ein Schnitt entlang einer Ebene, die die Achse des Werkstücks und die Achsen der Schleifräder enthält.
  • 2 zeigt eines der in 1 dargestellten Hydropads sowie das entsprechende Schleifrad in der Draufsicht.
  • 3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform einer Staudruckdüse in der Draufsicht dar, wobei eine kreisförmige Nut in das Hydropad eingearbeitet ist, die die Staudruckdüse umgibt.
  • 4 zeigt die in 3 dargestellte Staudruckdüse im Querschnitt.
  • Die 1 und 2 zeigen schematisch ein scheibenförmiges Werkstück (1), das zwischen zwei erfindungsgemäßen kegelförmigen Hydropads (2) gelagert ist und von zwei kollinear angeordneten Schleifrädern (3) bearbeitet wird. Die Position der Staudruckdüsen (4) liegt knapp oberhalb des Werkstückzentrums, d. h. nahe am Rand der Hydropads. Mit Hilfe der Staudruckdüsen wird der Abstand zwischen den fixen Hydropads und der Werkstückoberfläche gemessen. Der Abstand zwischen Werkstück und Hydropads ist an dem Rand des Hydropads, der dem Schleifrad (3) zugewandt ist, und damit auch am Ort der Staudruckdüse (4), sehr klein und nimmt mit zunehmendem Abstand zum Schleifrad zu.
  • Die 3 und 4 stellen eine bevorzugte Ausführungsform einer Staudruckdüse (4) dar. Kreisförmig um die Staudruckdüse ist eine Nut (5) in das Hydropad (2) eingebracht. In dieser Nut wird das pneumatische Medium aus der Staudruckdüse sowie das angrenzende Hydrolagermedium gesammelt und durch eine Bohrung (6) durch das Hydropad abgeführt. In der Bohrung sowie in der Nut ist dadurch ein Druck vorhanden, der annähernd dem normalen Umgebungsdruck entspricht. Auf diese Weise bleibt die Staudruckmessung weitgehend unbeeinflusst von den Fremdmedien.
  • Beispiele
  • Von mehreren Silicium-Einkristallen mit einem Durchmesser von 300 mm wurden mittels einer herkömmlichen Drahtgattersäge (engl. „multi wire saw", MWS) ca. 10000 Scheiben mit einer Dicke von weniger als 1000 μm abgetrennt. Die Hälfte der Scheiben wurde anschließend einem Doppelseitenschleifverfahren gemäß dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiel) unterworfen, die andere Hälfte einem Doppelseitenschleifverfahren gemäß der Erfindung (Beispiel), wobei jeweils ca. 50 μm Material pro Scheibenseite abgetragen wurde. Dafür wurde eine handelsübliche Doppelseiten-Schleifmaschine (DDG-Maschine) vom Typ DXSG 320 der Firma Koyo Machine Industries Co., Ltd., Japan, eingesetzt. Nach dem Schleifen wurden die Siliciumscheiben geätzt und poliert. Die polierten Siliciumscheiben wurden mittels Nanomapper, (Firma ADE) im SQMM Mode vermessen. Ausgewertet wurden die THA4-Werte.
  • Vergleichsbeispiel:
  • Die Schleifmaschine war mit zwei Hydropads gemäß dem Stand der Technik ausgerüstet, deren dem Werkstück zugewandte Oberfläche eben war. Die Hydropads wiesen jeweils eine Staudruckdüse (4) an der in den 1 und 2 angegebenen Position auf. Außerdem wies jedes der Hydropads mehrere Nuten auf, die von dem Rand des Hydropads ausgehen, der dem Schleifrad zugewandt ist. Die Messung der Nanotopographie an den fertigen, polierten Siliciumscheiben ergab einen Mittelwert von 32,0 nm für den Parameter THA4 mit einer Standardabweichung von 8,0 nm.
  • Beispiel:
  • Die Schleifmaschine war mit zwei erfindungsgemäßen Hydropads (2) ausgerüstet, deren dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche konisch ausgebildet war, wie 1 zeigt. Der Abstand zwischen Hydropad und Werkstückoberfläche war bei den Staudruckdüsen ca. 50 μm geringer als am Ort der weitesten Entfernung von den Schleifrädern. Die Hydropads wiesen jeweils eine Staudruckdüse (4) an der in den 1 und 2 angegebenen Position auf, wobei die Staudruckdüsen mit einer Ringnut (5) und einer Bohrung (6) ausgestattet waren. Außerdem wiesen die Hydropads keine Nuten auf, die von dem Rand des Hydropads ausgehen, der dem Schleifrad zugewandt ist. Die Messung der Nanotopographie an den fertigen, polierten Siliciumscheiben ergab einen Mittelwert von 26,5 nm für den Parameter THA4 mit einer Standardabweichung von 4,3 nm.
  • Die erfindungsgemäßen Veränderungen an den Hydropads führten somit zu einer signifikanten Verbesserung der Nanotopographie und zu einer höheren Prozessstabilität, die sich in einer geringeren Standardabweichung widerspiegelt. Eine genaue Analyse der verschiedenen Maßnahmen ergab, dass die Änderung der Form der Hydropads hauptsächlich zu dem verringerten Mittelwert führt, während die Anbringung der Ringnut und der Bohrung zur Abführung von störender Flüssigkeit und der Verzicht auf die vom Rand ausgehenden Nuten in erster Linie zu einer Verringerung der Standardabweichung führen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in herkömmlichen DDG-Maschinen zum Schleifen von scheibenförmigen Werkstücken zum Einsatz kommen, beispielsweise zum Schleifen von Halbleiterscheiben, insbesondere von Siliciumscheiben.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen eines scheibenförmigen Werkstücks (1), umfassend zwei im Wesentlichen kreisförmige Schleifräder (3) mit kollinear angeordneten Rotationsachsen (9), wobei sich die Schleifflächen (10) der Schleifräder (3) in axialer Richtung bezogen auf die Rotationsachsen (9) gegenüber stehen, und zwei sich ebenfalls gegenüber stehende Vorrichtungen (2) zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen Werkstücks (1), die jeweils wenigstens ein hydrostatisches Lager und jeweils wenigstens eine Staudruckdüse (4) zur Messung des Abstands zwischen dem Werkstück (1) und der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung (2) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche (7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) derart nichtplanar gestaltet ist, dass der Abstand zwischen der Oberflä- che (7) und dem Werkstück (1) an dem Rand (8) der Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) einen minimalen Wert annimmt, der den Schleifrädern (3) zugewandt ist, und dieser Abstand mit zunehmender Entfernung zu den Schleifrädern (3) zunimmt.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche (7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) konisch ausgeführt ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche (7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) konvex ausgeführt ist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche (7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) Stufen aufweist.
  5. Vorrichtung zum simultanen beidseitigen Schleifen eines scheibenförmigen Werkstücks (1), umfassend zwei im Wesentlichen kreisförmige Schleifräder mit kollinear angeordneten Rotationsachsen (9), wobei sich die Schleifflächen (10) der Schleifräder (3) in axialer Richtung bezogen auf die Rotationsachsen (9) gegenüber stehen, und zwei sich ebenfalls gegenüber stehende Vorrichtungen (2) zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen Werkstücks (1), die jeweils wenigstens ein hydrostatisches Lager und jeweils wenigstens eine Staudruckdüse (4) zur Messung des Abstands zwischen dem Werkstück (1) und der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung (2) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe jeder Staudruckdüse (4) zumindest eine Bohrung (6) angebracht ist, durch die Flüssigkeit und ggf. Schleifabrieb aus der Umgebung der Staudruckdüse (4) abgeführt werden kann.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung an der Oberfläche der Vorrichtung zur hydrostatischen Lagerung des scheibenförmigen Werkstücks in einer Nut endet, die die Staudruckdüse ringförmig umgibt.
  7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück (1) zugewandte Oberfläche (7) jeder der beiden Vorrichtungen zur hydrostatischen Lagerung (2) an ihrem dem Schleifrad (3) benachbarten Rand (8) keine vom Rand (8) ausgehenden Nuten aufweist.
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