DE102007056628A1 - Verfahren zum gleichzeitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen beidseitigen Schleifen mehrerer Halbleiterscheiben, wobei jede Halbleiterschale 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 ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalts während des Schleifens bestimmt wird und die Form der Arbeitsfläche mindestens einer Arbeitsscheibe mechanisch oder thermisch in Abhängigkeit von der gemessenen Geometrie des Arbeitsspalts so verändert wird, dass der Arbeitsspalt eine vorgegebene Form aufweist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren, bei dem die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung zeitweilig mit einem Teil ihrer Fläche den Arbeitsspalt verlassen. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren, bei dem die Läuferscheibe vollständig aus einem ersten Material besteht oder ein zweites Material der Läuferscheibe so mit einem ersten Material vollständig oder teilweise beschichtet ist, dass während des Schleifens nur das erste Material in mechanischen Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangt und das erste Material keine die Schärfe des Schleifmittels ...

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 ringförmigen 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, 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 an 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 an 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.
  • Die Kombination der auf die Gruppen entfallenden Einzelschritte sowie deren Reihenfolge variiert je nach Anwendungszweck. 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 im Bad, ggf. unter Bewegung von Halbleiterscheiben und Ätzbad („laminar-flow etch", LFE), einseitiges Ätzen durch Aufbringung von Ätzmittel in die Scheibenmitte und radiales Abschleudern durch Scheibendrehung („spin etch") oder ein Ätzen in der Gasphase.
  • 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).
  • Das ggf. abschließende Erzeugen von Schichtstrukturen erfolgt durch epitaktische Abscheidung, meist aus der Gasphase, Oxidation, Aufdampfen (beispielsweise Metallisierung) usw.
  • 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.
  • Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines oder mehrerer FFP am Anfang der Bearbeitungsabfolge, meist also mittels eines mechanischen FFP, da mittels mechanischer Bearbeitung der mindestnötige Materialabtrag zur vollständigen Entfernung der Welligkeiten besonders schnell und wirtschaftlich erfolgt und die Nachteile des präferentiellen Ätzens der chemischen oder chemo-mechanischen Bearbeitung bei hohen Materialabträgen vermieden wird.
  • Die FFP erzielen die beschriebenen vorteilhaften Merkmale jedoch nur, wenn die Verfahren so durchgeführt werden können, dass eine weitgehend unterbrechungsfreie Bearbeitung von Ladung zu Ladung im gleichen Rhythmus erreicht wird. Unterbrechungen für ggf. nötige Einstell-, Abricht- oder Schärfprozesse oder häufig nötige Werkzeugwechsel führen nämlich zu unvorhersagbaren „Kaltstart"-Einflüssen, die die erwünschten Merkmale der Verfahren zunichte machen, und beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit.
  • Das Läppen erzeugt aufgrund des spröd-erosiven Materialabtrags durch die Abwälzbewegung des lose zugeführten Läppkorns eine sehr hohe Schädigungstiefe und Oberflächen-Rauhigkeit. Dies macht eine aufwändige Nachbearbeitung zur Entfernung dieser geschädigten Oberflächen-Schichten nötig, wodurch die Vorteile des Läppens wieder zunichte gemacht werden. Außerdem liefert das Läppen durch Verarmung und Schärfeverlust des zugeführten Korns beim Transport vom Rand zum Zentrum der Halbleiterscheibe stets Halbleiterscheiben mit unvorteilhaft konvexem Dickenprofil mit Scheibenrändern abnehmender Dicke („Randabfall” der Scheibendicke).
  • Das DDG verursacht kinematisch bedingt grundsätzlich einen höheren Materialabtrag im Zentrum der Halbleiterscheibe („Schleifnabel") und, insbesondere bei kleinem Schleifscheibendurchmesser, wie er beim DDG konstruktiv bevorzugt ist, ebenfalls einen Randabfall der Scheibendicke, sowie anisotrope – radialsymmetrische – Bearbeitungsspuren, die die Halbleiterscheibe verspannen („strain-induced warpage").
  • DE 10344602 A1 offenbart ein 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. Das Schleifmittel besteht aus einem auf die Arbeitsscheiben der verwendeten Vorrichtung aufgeklebten Film oder „Tuch", wie beispielsweise in US 6007407 offenbart.
  • 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. Die hohe Schädigungstiefe bedingt eine aufwändige Nachbearbeitung, die den Vorteil des in DE 10344602 A1 offenbarten Verfahrens zunichte macht. Die verbleibende Balligkeit und der verbleibende Randabfall führen zu Fehlbelichtungen während der fotolithografischen Bauteil-Strukturierung und somit zum Ausfall der Bauelemente. Derartige Halbleiterscheiben sind daher für anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet.
  • Ferner zeigte sich, dass insbesondere bei Verwendung des besonders bevorzugten Schleifmittels Diamant die im Stand der Technik bekannten Läuferscheiben-Materialien einem hohen Verschleiß unterliegen und der erzeugte Abrieb die Schnittfreudigkeit (Schärfe) der Arbeitsschicht beeinträchtigt. Dies führt zu einer unwirtschaftlich kurzen Lebensdauer der Läuferscheiben und macht häufiges unproduktives Nachschärfen der Arbeitsschichten nötig. Es zeigte sich außerdem, dass Läuferscheiben aus Metall-Legierungen, insbesondere Edelstahl, wie sie gemäß dem Stand der Technik beim Läppen verwendet werden und dort einen vorteilhaften geringen Verschleiß aufweisen, besonders ungeeignet für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren sind. So führt beispielsweise die bekannt hohe Löslichkeit von Kohlenstoff in Eisen/Stahl bei (Edel-)Stahl-Läuferscheiben zu einer sofortigen Versprödung und Abstumpfung des bei den erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendeten Diamants als Abrasiv der Arbeitsschicht. Außerdem wurde die Bildung unerwünschter Ablagerungen von Eisencarbid- und Eisenoxid-Schichten auf den Halbleiterscheiben beobachtet. Es zeigte sich, dass hohe Schleifdrücke, um ein Selbstschärfen der stumpfen Arbeitsschicht durch druckinduzierten forcierten Verschleiß zu erzwingen, ungeeignet sind, da dann die Halbleiterscheiben verformt werden und der Vorteil des FFP zunichte gemacht wird. Außerdem führt der dann vermehrt auftretende Ausbruch ganzer Schleifkörner zu einer unerwünscht hohen Rauhigkeit und Schädigung der Halbleiterscheiben. Das Eigengewicht der Läuferscheibe führt zu unterschiedlich starker Abstumpfung von oberer und unterer Arbeitsschicht und damit zu unterschiedlicher Rauhigkeit und Schädigung von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe. Es zeigte sich, dass dann die Halbleiterscheibe unsymmetrisch wellig wird, also unerwünscht hohe Werte für „Bow" und „Warp" aufweist (strain-induced warpage).
  • Aufgabe
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Halbleiterscheiben bereitzustellen, die sich aufgrund ihrer Geometrie auch zur Herstellung von elektronischen Bauelementen mit sehr geringen Linienbreiten („design rules") eignen. Es stellte sich insbesondere die Aufgabe, Geometriefehler wie beispielsweise ein Dickenmaximum im Zentrum der Halbleiterscheibe verbunden mit einer stetig abnehmenden Dicke zum Rand der Scheibe hin, einen Randabfall oder ein lokales Dickenminimum im Zentrum der Halbleiterscheibe zu vermeiden.
  • Weiter stellte sich auch die Aufgabe, eine übermäßige Oberflächen-Rauhigkeit oder -Schädigung der Halbleiterscheibe zu vermeiden. Insbesondere bestand die Aufgabe darin, eine Halbleiterscheibe mit geringem Bow und Warp zu erzeugen.
  • Schließlich stellte sich die Aufgabe, das Schleifverfahren so zu verbessern, dass ein häufiges Auswechseln oder Wiederherstellen von Verschleißteilen vermieden wird, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen.
  • Lösung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein erstes 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 ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalts während des Schleifens bestimmt wird und die Form der Arbeitsfläche mindestens einer Arbeitsscheibe mechanisch oder thermisch in Abhängigkeit von der gemessenen Geometrie des Arbeitsspalts so verändert wird, dass der Arbeitsspalt eine vorgegebene Form aufweist.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein zweites 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 ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung zeitweilig mit einem Teil ihrer Fläche den von den Arbeitsschichten begrenzten Arbeitsspalt verlassen, wobei das Maximum des Überlaufs in radialer Richtung mehr als 0% und höchstens 20% des Durchmessers der Halbleiterscheibe beträgt, wobei der Überlauf als die bezogen auf die Arbeitsscheiben in radialer Richtung gemessene Länge definiert ist, um die eine Halbleiterscheibe zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Schleifens über den Innen- oder Außenrand des Arbeitsspalts hinaus steht.
  • Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein drittes 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 ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe vollständig aus einem ersten Material besteht oder ein zweites Material der Läuferscheibe so mit einem ersten Material vollständig oder teilweise beschichtet ist, dass während des Schleifens nur das erste Material in mechanischen Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangt und das erste Material keine die Schärfe des Schleifmittels reduzierende Wechselwirkung mit der Arbeitsschicht aufweist.
  • Jedes einzelne der vorgenannten Verfahren ist geeignet, eine Halbleiterscheibe mit deutlich verbesserten Eigenschaften herzustellen.
  • Eine Kombination von zwei der drei oder besonders bevorzugt aller drei vorgenannten Verfahren ist darüber hinaus geeignet, eine Halbleiterscheibe mit besonders deutlich verbesserten Eigenschaften herzustellen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
  • 2 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung in Aufsicht auf die untere Arbeitsscheibe.
  • 3 zeigt das Prinzip eines erfindungsgemäß veränderten Arbeitsspaltes zwischen den Arbeitsscheiben einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung.
  • 4 zeigt Radialprofile des von den beiden Arbeitsscheiben einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung gebildeten Arbeitsspaltes für verschiedene Temperaturen.
  • 5 zeigt die kumulative Häufigkeitsverteilung des TTV von Halbleiterscheiben, die mit erfindungsgemäß verändertem Arbeitsspalt bearbeitet wurden, im Vergleich zur Geometrieverteilung von Halbleiterscheiben, die mit nicht erfindungsgemäß verändertem Arbeitsspalt bearbeitet wurden. (TTV = total thickness variation; Differenz aus größter und kleinster Dicke der Halbleiterscheibe)
  • 6 zeigt die während der Bearbeitung gemessene Klaffung des Arbeitsspaltes, der erfindungsgemäß durch Regelung der Arbeitsscheibenform annähernd konstant gehalten wurde, sowie resultierende Oberflächentemperaturen an verschiedenen Stellen im Arbeitsspalt. (Klaffung = Differenz aus der Weite des Arbeitsspalts nahe dem Innenrand der Arbeitsscheibe und nahe am Außenrand der Arbeitsscheibe.)
  • 7 zeigt die während der Bearbeitung gemessene Klaffung des Arbeitsspaltes, der nicht erfindungsgemäß während der Bearbeitung geregelt wurde, sowie die sich ändernden Temperaturen an verschiedenen Orten des Arbeitsspalts.
  • 8 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde, bei dem die Halbleiterscheibe während der Bearbeitung zeitweilig teilflächig den Arbeitsspalt verlässt.
  • 9 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe, die mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde, bei dem die Halbleiterscheibe während der gesamten Bearbeitung vollflächig im Arbeitsspalt verbleibt.
  • 10 zeigt das Dickenprofil einer Halbleiterscheibe, die mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde, bei dem die Halbleiterscheibe während der Bearbeitung zeitweilig teilflächig, jedoch mit einem zu großen Flächenbereich den Arbeitsspalt verlässt.
  • 11 zeigt die mittleren Raten des Materialabtrags von Halbleiterscheiben während aufeinander folgender Bearbeitungsfahrten mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem erfindungsgemäße Läuferscheiben verwendet wurden.
  • 12 zeigt die mittleren Abtragsraten aus aufeinander folgenden Bearbeitungsläufen mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem nicht erfindungsgemäße Läuferscheiben verwendet wurden.
  • 13 zeigt den Warp einer Halbleiterscheibe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde, im Vergleich zu einer Halbleiterscheibe, die mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde.
  • 14 zeigt die Oberflächen-Schädigungstiefe („sub-surface damage", SSD) von Vorder- und Rückseite einer Halbleiterscheibe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren mit gleichartigem Materialabtrag durch die beiden Arbeitsschichten der Vorrichtung bearbeitet wurden im Vergleich zu einer nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Scheibe mit ungleichem Materialabtrag.
  • 15 zeigt die Oberflachen-Rauhigkeit von Vorder- und Rückseite einer Halbleiterscheibe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren mit gleichartigem Materialabtrag durch die beiden Arbeitsschichten der Vorrichtung bearbeitet wurde im Vergleich zu einer nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Scheibe mit ungleichem Materialabtrag.
  • 16 zeigt Diametralschnitte des Dickenprofils einer Halbleiterscheibe, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren mit geregeltem Arbeitsspalt bearbeitet wurde.
  • 17 zeigt Diametralschnitte des Dickenprofils einer Halbleiterscheibe, die mit einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet mit ungeregeltem Arbeitsspalt bearbeitet wurde.
  • 18 zeigt die Abnutzungsrate der Läuferscheiben im „beschleunigten Verschleißtest" für verschiedene getestete Materialien.
  • 19 zeigt das Verhältnis aus Materialabtrag von der Halbleiterscheibe und Abnutzung der Läuferscheibe im „beschleunigten Verschleißtest" für verschiedene getestete Materialien der Läuferscheiben.
  • 20 zeigt die relative Veränderung der Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht mit der Bearbeitungsdauer im „beschleunigten Verschleißtest" für verschiedene getestete Materialien der Läuferscheiben.
  • 21 zeigt Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer einlagiger Läuferscheiben (Vollmaterial).
  • 22 zeigt Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer mehrlagiger Läuferscheiben mit Voll- oder Teilbeschichtung.
  • 23 zeigt Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Läuferscheiben mit teilflächiger Beschichtung in Form einer oder mehrerer „Noppen" oder länglicher „Riegel".
  • 24 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Läuferscheibe, umfassend einen verzahnten Außenring und einen Einsatz.
  • 25 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Verstellung der Form einer Arbeitsscheibe durch Einwirkung symmetrischer, radialer Kräfte.
  • 26 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Regelung der Geometrie des Arbeitsspalts durch Kombination einer schnellen Regelung der Temperatur im Arbeitsspalt und einer langsamen Regelung der Form der Arbeitsscheibe.
    • 1
    obere Arbeitsscheibe
    4
    untere Arbeitsscheibe
    7
    innerer Antriebskranz
    9
    äußerer Antriebskranz
    11
    obere Arbeitsschicht
    12
    untere Arbeitsschicht
    13
    Läuferscheibe
    14
    Aussparung zur Aufnahme der Halbleiterscheibe
    15
    Halbleiterscheibe
    16
    Mittelpunkt der Halbleiterscheibe
    17
    Teilkreis Mittelpunkt Läuferscheibe in Abwälzvorrichtung
    18
    Aufpunkt auf Halbleiterscheibe
    19
    Bahnkurve eines Aufpunkts auf der Halbleiterscheibe
    21
    Mittelpunkt der Läuferscheibe
    22
    Mittelpunkt der Abwälzvorrichtung
    23
    Stellelement zur Scheibenverformung
    30
    Arbeitsspalt
    30a
    Weite des Arbeitsspalts außen
    30b
    Weite des Arbeitsspalts innen
    34
    Bohrungen zur Zuführung von Betriebsmittel
    35
    Messvorrichtung Arbeitsspalttemperatur (innen)
    36
    Messvorrichtung Arbeitsspalttemperatur (außen)
    37
    Messvorrichtung Arbeitsspaltweite (innen)
    38
    Messvorrichtung Arbeitsspaltweite (außen)
    39
    TTV-Verteilung (mit kontrolliertem Arbeitsspalt bearbeitet)
    40
    TTV-Verteilung (mit unkontrolliertem Arbeitsspalt)
    41
    Arbeitsspaltdifferenz während Bearbeitung
    42
    Temperatur im Arbeitsspalt außen
    43
    Temperatur im Arbeitsspalt innen
    44
    Temperatur im Arbeitsspalt Mitte
    45
    Dickenprofil nach Bearbeitung mit Überlauf
    46
    Dickenprofil nach Bearbeitung ohne Überlauf
    47
    Randabfall nach Bearbeitung ohne Überlauf
    48
    Abtragsrate mit Schärfe unbeeinträchtigender Läuferscheibe
    49
    Abtragsrate mit Schärfe reduzierender Läuferscheibe
    50
    Dickenprofil in Richtung Notch
    51
    Dickenprofil 45° zum Notch
    52
    mittleres Dickenprofil
    53
    Dickenprofil 135° zum Notch
    54
    Warp nach asymmetrischem Materialabtrag
    55
    Warp nach symmetrischem Materialabtrag
    56
    Einkerbung bei übermäßigem Überlauf
    57
    Temperatur in oberer Arbeitsscheibe (Volumen)
    58
    Rauhigkeit/Schädigung nach symmetrischem Materialabtrag
    59
    Rauhigkeit/Schädigung nach asymmetrischem Materialabtrag
    65
    Dickenprofil 90° zum Notch
    66
    Balligkeit bei unkontrolliertem Arbeitsspalt
    67
    Material-Bezugszeichen der Läuferscheibe
    68
    Verschleißrate der Läuferscheiben
    69
    Verhältnis aus Materialabtrag der Halbleiterscheibe und Verschleiß der Läuferscheibe
    70
    Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht nach 10 min
    71
    Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht nach 30 min
    72
    Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht nach 60 min
    73
    Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht nach 10 bis 60 min
    74
    zeitliche Entwicklung der Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht (unvollständig)
    75
    Außenverzahnung der Läuferscheibe
    76
    Aussparung in der Läuferscheibe
    77
    Auskleidung der Öffnung zur Aufnahme der Halbleiterscheibe
    78
    Verzahnung zur formschlüssigen Verbindung von Auskleidung und Läuferscheibe
    79a
    vorderseitige Beschichtung der Läuferscheibe
    79b
    rückseitige Beschichtung der Läuferscheibe
    80
    freigelassener Rand in der Beschichtung der Läuferscheibe
    81
    teilflächige Beschichtung der Läuferscheibe in Form einer runden „Noppe"
    82
    teilflächige Beschichtung der Läuferscheibe in Form eines länglichen „Riegels"
    83
    Verklebung der teilflächigen Beschichtung mit der Läuferscheibe
    84
    durchgehende, formschlüssige teilflächige Beschichtung der Läuferscheibe
    85
    verstemmte (vernietete) durchgehende teilflächige Beschichtung der Läuferscheibe
    86
    verzahnter Außenring der Läuferscheibe
    87
    Einsatz der Läuferscheibe
    90
    Messgröße innerer Spaltmesssensor
    91
    Messgröße äußerer Spaltmesssensor
    92
    Differenzglied Abstandssignal
    93
    Regelglied Spaltverstellung
    94
    Stellgröße Spaltverstellung
    95
    Messgröße innerer Temperatursensor
    96
    Messgröße äußerer Temperatursensor
    97
    Differenzglied Temperatursignal
    98
    Regelglied Spalttemperaturverstellung
    99
    Stellgröße Spalttemperaturverstellung
    A
    relative Abnutzungsrate der Läuferscheibe
    ASR
    Arbeitsscheiben-Radius
    D
    Dicke
    F
    Kraft
    G
    Verhältnis aus Materialabtrag der Halbleiterscheibe und Abnutzung der Läuferscheibe („G-Faktor")
    H
    Häufigkeit (bei kumulierter Verteilung)
    MAR
    mittlere Abtragsrate
    R
    Radius (der Halbleiterscheibe)
    RG
    relative Spaltweite (relative gap)
    RMS
    root-mean-square; Rauhigkeit
    S
    relative Schnittfreudigkeit der Arbeitsschicht
    SSD
    sub-surface damage (oberflächennahe Schädigung)
    t
    Zeit (time)
    T
    Temperatur
    TTV
    total thickness variation
    W
    warp (Welligkeit)
  • Beschreibung einer Vorrichtung, die sich zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren eignet
  • 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 (1) und in Aufsicht auf die untere Arbeitsscheibe (2).
  • Eine derartige Vorrichtung besteht aus einer oberen 1 und einer unteren Arbeitsscheibe 4 und einer aus einem inneren 7 und einem äußeren Zahnkranz 9 gebildeten Abwälzvorrichtung, in die Läuferscheiben 13 eingelegt sind. Die Arbeitsscheiben einer derartigen Vorrichtung sind ringförmig. Die Läuferscheiben besitzen Aussparungen 14, die die Halbleiterscheiben 15 aufnehmen. Die Aussparungen sind in der Regel so angeordnet, dass die Mittelpunkte 16 der Halbleiterscheiben mit einer Exzentrizität e zur Mitte 21 der Läuferscheibe liegen.
  • Bei der Bearbeitung rotieren die Arbeitsscheiben 1 und 4 und die Zahnkränze 7 und 9 mit Drehzahlen n0, nu, ni und na konzentrisch um den Mittelpunkt 22 der gesamten Vorrichtung (Vierwege-Antrieb). Dadurch laufen die Läuferscheiben einerseits auf einem Teilkreis 17 um den Mittelpunkt 22 um und vollführen andererseits gleichzeitig eine Eigenrotation um ihre jeweiligen Mittelpunkte 21. Für einen beliebigen Aufpunkt 18 einer Halbleiterscheibe resultiert bezüglich der unteren Arbeitscheibe 4 bzw. Arbeitsschicht 12 eine charakteristische Bahnkurve 19 (Kinematik), die als Trochoide bezeichnet wird. Unter einer Trochoide versteht man die Allgemeinheit aller regulären, verkürzten oder verlängerten Epi- oder Hypozykloiden.
  • Obere 1 und untere Arbeitsscheibe 4 tragen Arbeitsschichten 11 und 12, die gebundenes Schleifmittel enthalten. Geeignete Arbeitsschichten beschreibt beispielsweise US 6007407 . Die Arbeitsschichten sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie schnell montiert oder demontiert werden können. Der zwischen den Arbeitsschichten 11 und 12 gebildete Zwischenraum wird als Arbeitsspalt 30 bezeichnet, in dem sich die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung bewegen. Der Arbeitsspalt ist durch eine vom Ort (insbesondere von der radialen Position) abhängige, senkrecht zu den Oberflächen der Arbeitsschichten gemessene Weite gekennzeichnet.
  • Mindestens eine Arbeitsscheibe, beispielsweise die obere 1, enthält Bohrungen 34, durch die dem Arbeitsspalt 30 Betriebsmittel zugeführt werden können, beispielsweise ein Kühlschmiermittel.
  • Zur Durchführung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise mindestens eine der beiden Arbeitsscheiben, beispielsweise die obere, mit mindestens zwei Messvorrichtungen 37 und 38 ausgestattet, von denen vorzugsweise eine (37) möglichst nah am inneren Rand der ringförmigen Arbeitsscheibe und eine (38) möglichst nah am äußeren Rand der Arbeitsscheibe angeordnet sind und die eine berührungslose Messung des jeweiligen lokalen Abstandes der Arbeitsscheiben vornehmen.
  • Derartige Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und beispielsweise in DE 10 2004 040 429 A1 offenbart.
  • Für eine besonders bevorzugte Ausführung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens ist mindestens eine der beiden Arbeitsscheiben, beispielsweise die obere, zusätzlich mit mindestens zwei Messvorrichtungen 35 und 36 ausgestattet, von denen vorzugsweise eine (35) möglichst nah am inneren Rand der ringförmigen Arbeitsscheibe und eine (36) möglichst nah am äußeren Rand der Arbeitsscheibe angeordnet sind und die eine Messung der Temperatur am jeweiligen Ort innerhalb des Arbeitsspaltes vornehmen.
  • Nach dem Stand der Technik enthalten die Arbeitsscheiben derartiger Vorrichtungen in der Regel eine Vorrichtung zum Einstellen einer Arbeitstemperatur. Beispielsweise sind die Arbeitsscheiben mit einem Kühllabyrinth versehen, das von einem mittels Thermostaten temperierten Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durchflossen wird. Eine geeignete Vorrichtung offenbart beispielsweise DE 1993 77 84 A1 . Es ist bekannt, dass sich die Form einer Arbeitsscheibe verändert, wenn sich deren Temperatur ändert.
  • Im Stand der Technik sind weiterhin Vorrichtungen bekannt, mit denen sich die Form einer oder beider Arbeitsscheiben und damit das Profil des Arbeitsspaltes zwischen den Arbeitsscheiben gezielt verändern lässt, indem radiale Kräfte symmetrisch auf die dem Arbeitsspalt abgewandte Seite der Arbeitsscheibe wirken. So offenbart DE 1995 43 55 A1 ein Verfahren, bei dem diese Kräfte über die thermische Ausdehnung eines Stellelementes erzeugt werden, welches durch eine Temperiereinrichtung beheizt oder gekühlt werden kann. Eine andere Möglichkeit zur gezielten Verformung einer oder beider Arbeitsscheiben kann beispielsweise darin bestehen, die erforderlichen radialen Kräfte F mittels einer mechanisch hydraulischen Verstelleinrichtung zu erzeugen. Durch eine Änderung des Drucks in einer solchen hydraulischen Verstelleinrichtung kann die Form der Arbeitsscheibe und damit die Form des Arbeitsspalts verändert werden. Anstelle der hydraulischen Verstelleinrichtung können aber auch piezoelektrische (Piezo-Kristalle) oder magnetostriktive (stromdurchflossene Spulen) oder elektrodynamische Stellelemente („voice coil actuator") verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die Veränderung der Form des Arbeitsspalts dadurch, dass die elektrische Spannung oder der elektrische Strom in den Stellelementen beeinflusst wird.
  • 25a und 25b zeigen schematisch, wie die Form des Arbeitsspaltes 30 verändert werden kann, indem eine Verstellvorrichtung 23 auf die obere Arbeitsscheibe 1 wirkt und diese verformt.
  • Mit solchen Vorrichtungen lassen sich insbesondere gezielt konvexe oder konkave Verformungen der Arbeitsscheibe einstellen. Diese sind besonders gut geeignet, den unerwünschten Verformungen des Arbeitsspaltes durch die Wechsellasten während der Bearbeitung entgegenzuwirken. Derartige konkave (links) und konvexe (rechts) Verformungen der Arbeitsscheiben sind als Prinzipskizze in 4 verdeutlicht. 30a bezeichnet die Weite des Arbeitsspalts 30 nahe dem Innenrand der ringförmigen Arbeitsscheibe und 30b die Weite des Arbeitsspalts nahe dem Außenrand der Arbeitsscheibe.
  • Beschreibung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens
  • Gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird die Form des zwischen den Arbeitsschichten gebildeten Arbeitsspalts während des Schleifens bestimmt und die Form der Arbeitsfläche mindestens einer Arbeitsscheibe mechanisch oder thermisch in Abhängigkeit von der gemessenen Geometrie des Arbeitsspalts so verändert, dass der Arbeitsspalt eine vorgegebene Form aufweist. Vorzugsweise wird die Form des Arbeitsspalts so geregelt, dass das Verhältnis der Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Weite des Arbeitsspalts zur Breite der Arbeitsscheiben zumindest während der letzten 10% des Materialabtrags höchstens 50 ppm beträgt. Unter dem Begriff „Breite der Arbeitsscheiben" ist deren Ringbreite in radialer Richtung zu verstehen. Falls nicht die gesamte Fläche der Arbeitsscheiben mit einer Arbeitsschicht belegt ist, ist unter dem Begriff „Breite der Arbeitsscheiben" die Ringbreite der mit Arbeitsschicht belegten Fläche der Arbeitsscheiben zu verstehen. „Zumindest während der letzten 10% des Materialabtrags" bedeutet, dass die Bedingung „höchstens 50 ppm" während der letzten 10 bis 100% des Materialabtrags erfüllt ist. Diese Bedingung kann erfindungsgemäß also auch während des gesamten Schleifverfahrens erfüllt sein. „Höchstens 50 ppm" bedeutet einen Wert im Bereich von 0 ppm bis 50 ppm. 1 ppm ist gleichbedeutend mit der Zahl 10–6.
  • Vorzugsweise wird während des Schleifens der Spaltverlauf fortwährend mittels mindestens zweier in mindestens eine der Arbeitsscheiben eingebauter berührungsloser Abstandsmesssensoren gemessen und durch Maßnahmen zur gezielten Verformung mindestens einer der beiden Arbeitsscheiben ständig so nachgeregelt, dass trotz während der Bearbeitung eingetragener thermischer Wechsellast, die bekanntermaßen eine unerwünschte Verformung der Arbeitsscheiben bewirkt, stets ein gewünschter Arbeitsspaltverlauf erhalten wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens werden die oben beschriebenen Kühllabyrinthe in den Arbeitsscheiben zur Regelung der Arbeitsscheibenform verwendet. Es wird zunächst das Radialprofil des Arbeitsspaltes im Ruhezustand der verwendeten Schleifvorrichtung für mehrere Temperaturen der Arbeitsscheiben bestimmt. Dazu wird beispielsweise die obere Arbeitsscheibe mit drei identischen Endmaßen an fixen Punkten und unter fixer Auflast auf nominell gleichmäßigen Abstand zur unteren Arbeitsscheibe gebracht und das Radialprofil des resultierenden Spalts zwischen den Arbeitsscheiben beispielsweise mit einem Mikrometertaster bestimmt. Dies wird für verschiedene Temperaturen des Kühlkreislaufes der Arbeitsscheiben durchgeführt. Auf diese Weise erhält man eine Charakterisierung der Formveränderung der Arbeitsscheiben und des Arbeitsspaltes in Abhängigkeit der Temperatur.
  • Während der Bearbeitung wird dann durch kontinuierliche Messung mit den berührungslosen Abstandsmesssensoren eine etwaige Änderung des radialen Arbeitsspaltprofils bestimmt und durch gezielte Änderung der Arbeitsscheiben-Temperierung nach Maßgabe der bekannten Temperaturcharakteristik so gegengeregelt, dass der Arbeitsspalt stets das gewünschte Radialprofil beibehält. Dies geschieht beispielsweise, indem die Vorlauftemperatur der Thermostaten für die Kühllabyrinthe der Arbeitsscheiben während der Bearbeitung gezielt geändert wird.
  • Diesem ersten erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, dass während der Bearbeitung stets eine ungewünschte Formveränderung des Arbeitsspalts auftritt, die sich mit Maßnahmen gemäß dem Stand der Technik wie beispielsweise einer konstanten Arbeitsscheibentemperierung nicht vermeiden lassen. Eine solche unerwünschte Spaltänderung wird beispielsweise durch den Eintrag thermischer Wechsellasten während der Bearbeitung bewirkt. Dies kann die während des Materialabtrags bei der Bearbeitung am Werkstück verrichtete Spanarbeit sein, die je nach Bearbeitungsfortschritt mit dem variierenden Schärfezustand des Schleifwerkzeugs schwankt. Auch treten mechanische Verformungen der Arbeitsscheiben infolge der in der Regel während der Bearbeitung gewählten verschiedenen Bearbeitungsdrücke (Auflast der oberen Arbeitsscheibe) und auch durch variierendes Taumeln der Arbeitsscheibe bei verschiedenen Bearbeitungsgeschwindigkeiten (Kinematik) auf. Ein weiteres Beispiel für variierende Bearbeitungsbedingungen, die zu einer unerwünschten Verformung der Arbeitsscheiben führen, sind chemische Reaktionsenergien bei Zugabe bestimmter Betriebsmittel in den Arbeitsspalt. Schließlich führen die Verlustleistungen der Vorrichtungsantriebe selbst zu fortwährend veränderlichen Betriebsbedingungen.
  • In einer weiteren Ausführungsform dieses ersten Verfahrens wird die Temperierung des Arbeitsspalts mit dem Arbeitsspalt während der Bearbeitung zugeführten Betriebsmedium (Kühlschmiermittel, „Schleifwasser") vorgenommen, indem dessen Temperaturvorlauf oder dessen Volumenstrom so variiert wird, dass der Arbeitsspalt die erwünschte Form annimmt. Besonders vorteilhaft ist die Kombination beider Regelmaßnahmen, da die Reaktionszeiten von der Formänderung durch die Temperierung der Arbeitsscheibe und die Schleifwasserzuführung unterschiedlich sind und somit eine den Erfordernissen noch besser angepasste Regelung des Arbeitsspalts möglich ist. Die Regelanforderungen variieren beispielsweise bei variierenden gewünschten Materialabträgen, verschiedenen Schleifdrücken, verschiedenen Schneideigenschaften unterschiedlich zusammengesetzter Arbeitsschichten usw.
  • Bevorzugt ist auch die Verwendung von Temperatursensoren, die die Temperatur im Arbeitsspalt an verschiedenen Orten während der Bearbeitung bestimmen (Temperaturprofil). Es hat sich nämlich gezeigt, dass den unerwünschten Änderungen der Form des Arbeitsspalts während der Bearbeitung häufig Temperaturänderungen im Arbeitsspalt vorausgehen. Durch erfindungsgemäße Regelung der Form des Arbeitsspalts basierend auf diesen Temperaturänderungen lässt sich eine besonders schnelle Regelung der Form des Arbeitsspalts erreichen.
  • Die Regelung der Form des Arbeitsspalts kann also durch Maßnahmen der direkten Formänderung mindestens einer der Arbeitsscheiben, beispielsweise durch die beschriebene hydraulische oder thermische Formänderungs-Vorrichtung, oder der indirekten Formänderung durch Änderung von Temperatur oder Menge des dem Arbeitsspalt zugeführten Betriebsmittels (wodurch eine Temperaturänderung des Arbeitsspalts und somit auch der Arbeitsscheiben bewirkt wird, die die Form der Arbeitsspalts verändern) vorgenommen werden. Besonders vorteilhaft ist eine Regelung des Arbeitsspalts über eine Erfassung der Weiten des Arbeitsspalts oder der darin herrschenden Temperaturen, Rückkopplung der gemessenen Werte in die Steuerungseinheit der Vorrichtung und Nachführung von Druck bzw. Temperatur (direkte Formänderung) bzw. Temperatur und Menge (indirekte Formänderung) in einem geschlossenen Regelkreis. Für beide Verfahren – die direkte oder die indirekte Formänderung des Arbeitsspalts – kann zur Ermittlung der Regelabweichung wahlweise die Weite oder die Temperatur des Arbeitsspalts verwendet werden. Die Verwendung der gemessenen Weite des Arbeitsspalts zur Ermittlung der Regelabweichung hat den Vorteil der absoluten Berücksichtigung der Spaltabweichung (in Mikrometern) und den Nachteil der Zeitverzögerung. Die Verwendung der im Arbeitsspalt gemessenen Temperaturen hat den Vorteil der höheren Geschwindigkeit, da Regelabweichungen schon berücksichtigt werden, noch bevor sich die Arbeitsscheibe verformt hat, und den Nachteil, dass eine genaue Vorkenntnis der Abhängigkeit der Form des Arbeitsspalts von der Temperatur vorliegen muss (Referenz-Spaltprofile).
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht in einer Kombination beider Verfahren. Vorzugsweise wird die Form des Arbeitsspalts wegen der hohen Geschwindigkeit dieser Regelung auf einer kurzen Zeitskala auf der Basis der im Arbeitsspalt gemessenen Temperaturen geregelt. Die gemessenen Weiten des Arbeitsspalts am inneren und äußeren Rand der Arbeitsscheiben werden dagegen vorzugsweise verwendet, um eine auf einer langen Zeitskala stattfindende Drift der Form des Arbeitsspalts festzustellen und ggf. dieser Drift entgegenzuregeln.
  • Eine Ausgestaltung dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform ist schematisch in 26 dargestellt. In einem ersten, langsamen Regelkreis senden die berührungslosen Abstandssensoren 37 und 38 fortwährend Messsignale 90 und 91 über ein Differenzglied 92 an ein Regelglied 93. Dieses Regelglied sendet eine Stellgröße 94 an ein Stellelement zur Scheibenverformung 23. Damit kann eine langsame Drift der Geometrie des Arbeitsspalts ausgeregelt werden. In einem zweiten, schnellen Regelkreis senden die Temperatursensoren 35 und 36 Messsignale 95 und 96 an ein Regelglied 98, dessen Stellgröße 99 in Abhängigkeit vom vorgegebenen Soll-Temperaturprofil auf die Temperatur und/oder auf die Durchflussmenge eines in den Arbeitsspalt zugeführten Kühlschmierstoffes wirkt. Damit kann einer Temperaturänderung im Arbeitsspalt entgegengeregelt werden, noch bevor es dadurch zu einer Beeinflussung der Spaltgeometrie kommt.
  • Es hat sich gezeigt, dass die größte Ebenheit der Halbleiterscheiben bei Bearbeitung durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt wird, wenn der Arbeitsspalt während der Bearbeitung in radialer Richtung eine weitgehend gleichförmige Weite aufweist, d. h. die Arbeitsscheiben parallel zueinander verlaufen oder eine leichte Klaffung von innen nach außen aufweisen. Bevorzugt wird daher in einer weiteren Ausführungsform dieses ersten Verfahrens ein konstanter oder sich leicht von innen nach außen aufweitender Arbeitsspalt. Im Fall einer beispielhaften Vorrichtung, deren Arbeitsscheiben einen Außendurchmesser von 1470 mm und einen Innendurchmesser von 561 mm aufweisen, beträgt die Breite der Arbeitsscheiben folglich 454,5 mm. Die Abstandssensoren befinden sich aufgrund ihrer endlichen Einbaugröße nicht genau am inneren und äußeren Rand der Arbeitsscheibe, sondern auf Teilkreisdurchmessern von 1380 mm (äußerer Sensor) bzw. 645 mm (innerer Sensor), so dass der Sensorabstand 367,5 mm, also rund 400 mm beträgt. Als besonders bevorzugt hat sich ein radialer Verlauf der Weite des Arbeitsspalts zwischen innerem und äußerem Sensor im Bereich von 0 µm (Parallelverlauf) bis 20 µm (Aufweitung von innen nach außen) erwiesen. Das Verhältnis der Differenz zwischen der Weite des Arbeitsspalts am äußeren und inneren Rand zur Breite der Arbeitsscheiben, die bei der Messung berücksichtigt wird, beträgt also besonders bevorzugt zwischen 0 und 20 µm/400 mm = 50 ppm.
  • Die Eignung dieses ersten Verfahrens zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe der Bereitstellung besonders ebener Halbleiterscheiben verdeutlichen die Figuren 5, 6, 8 und 17.
  • 5 zeigt die Häufigkeitsverteilung H (in Prozent) des TTV von Halbleiterscheiben, die mit erfindungsgemäß mittels Kühllabyrinthen und Messung der Weite des Arbeitsspalts geregeltem Arbeitsspalt bearbeitet wurden (39), im Vergleich zur Verteilung des TTV von Halbleiterscheiben, die mit nicht erfindungsgemäß geregeltem Arbeitsspalt bearbeitet wurden (40). Das erfindungsgemäße Verfahren der Arbeitsspaltregelung führt zu deutlich besseren TTV-Werten. (Der TTV = „total thickness variation" bezeichnet die Differenz aus größter und kleinster über die gesamte Halbleiterscheibe gemessener Dicke. Die gezeigten TTV-Werte wurden mit einem kapazitiven Messverfahren ermittelt.)
  • Wenn für die Bearbeitung der Halbleiterscheiben durch das erfindungsgemäße Verfahren ein besonders geringer Gesamt-Materialabtrag verlangt ist, ist häufig die Bearbeitungsdauer kürzer als die Reaktionszeit der beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Arbeitsspaltregelung. Es hat sich gezeigt, dass es in solchen Fällen ausreichend ist, wenn der Arbeitsspalt zumindest gegen Ende der Bearbeitung, d. h. während der letzten 10% des Materialabtrags, mit der bevorzugten radial homogenen Weite oder leichten Klaffung von innen nach außen verläuft.
  • 6 zeigt die in einem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Differenz 41 aus der Weite des Arbeitsspalts nahe dem Innendurchmesser und nahe dem Außendurchmesser der Arbeitsscheiben während der Bearbeitung. Die Gesamt-Bearbeitungszeit betrug etwa 10 min. Es wurde ein Gesamtmaterialabtrag der Halbleiterscheiben von 90 µm erzielt. Die mittlere Abtragsrate betrug also etwa 9 µm/min. Der Arbeitsspalt verläuft, bis auf die Druckaufbauphase innerhalb der ersten 100 s, erfindungsgemäß parallel oder mit leichter Klaffung. Die Spaltaufweitung von innen nach außen am Ende der Bearbeitung beträgt erfindungsgemäß etwa 15 µm.
  • Gezeigt sind ebenfalls die während der Bearbeitung gemessenen Temperaturen an verschiedenen Orten der zur einen Seite den Arbeitsspalt begrenzenden Oberfläche der oberen Arbeitsscheibe nahe dem Innendurchmesser der ringförmigen Arbeitsscheibe (43), in der Mitte (44) und nahe dem Außendurchmesser (42), sowie die mittlere Temperatur 57 im Volumen der Arbeitsscheibe. Form und Temperatur der Arbeitsscheibe wurden durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert, dass der Arbeitsspalt erfindungsgemäß über die gesamte Bearbeitungszeit parallel oder mit leichter Klaffung verläuft. (G = „gap difference", Differenz aus innen und außen gemessener Spaltweite; ASV = Temperatur an der Arbeitsscheibenoberfläche im Volumen; ASOA = Temperatur an der Arbeitsscheibenoberfläche außen; ASOI = Temperatur an der Arbeitsscheibenoberfläche innen; ASOM = Temperatur der Oberfläche in der Mitte zwischen „innen" und „außen"; T = Temperatur in Grad Celsius, t = Zeit).
  • 16 zeigt das zugehörige Dickenprofil dieser erfindungsgemäß mit geregeltem Arbeitsspalt bearbeiteten Halbleiterscheibe. Dargestellt sind vier Diametralprofile der Dicke, durchgeführt unter 0° (50), 45° (51), 90° (65) und 135° (53) zur Kennkerbe (Notch) der Halbleiterscheibe. 52 gibt das über die vier Einzelprofile gemittelte Diametralprofil wieder. (D = lokale Dicke in Mikrometern, R = Radialposition der Halbleiterscheibe in Millimetern). Die Messwerte wurden mit einem kapazitiven Dickenmessverfahren ermittelt. Der TTV, also die Differenz aus größter und kleinster Dicke über die gesamte Halbleiterscheibe, beträgt in dem gezeigten Beispiel der erfindungsgemäß mit geregeltem Arbeitsspalt bearbeiteten Halbleiterscheibe 0,55 µm.
  • 7 zeigt als Vergleichsbeispiel den Verlauf von Arbeitsspaltdifferenz 41 und Temperaturen innen 43, in der Mitte 44, außen 42 und im Volumen 57 in einem nicht erfindungsgemäß durchgeführten Verfahren. Temperaturen und Form ändern sich infolge der beschriebenen während der Bearbeitung eingetragenen thermischen und mechanischen Wechsellasten. Der Arbeitsspalt wurde nicht nachgeregelt und weist am Ende der Bearbeitung eine nicht erfindungsgemäße Verengung um etwa 25 µm von innen nach außen auf.
  • 17 zeigt das zugehörige Dickenprofil der im Vergleichsbeispiel nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe, bei der der Arbeitsspalt während der Bearbeitung nicht erfindungsgemäß geregelt wurde. Deutlich ist die extreme Balligkeit der erhaltenen Halbleiterscheibe zu erkennen, mit einem ausgeprägten Punkt maximaler Dicke 66. Aufgrund der Größe der verwendeten Vorrichtung (Ringbreite der Arbeitsscheibe 454,5 mm) und der Größe der Halbleiterscheiben (300 mm) kann jede Läuferscheibe nur eine Halbleiterscheibe aufnehmen. Die Exzentrizität e des Mittelpunkts 16 der Halbleiterscheibe bezüglich des Mittelpunktes 21 der Läuferscheibe betrug e = 75 mm (2). Entsprechend liegt der Punkt 66 maximaler Dicke etwa 75 mm exzentrisch bezüglich des Zentrums der Halbleiterscheibe (16). Die sich ergebende Halbleiterscheibe ist insbesondere also nicht rotationssymmetrisch. Der TTV der im nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel gezeigten Halbleiterscheibe beträgt 16,7 µm.
  • Beschreibung des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens
  • Im Folgenden wird das zweite erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben: Bei diesem Verfahren verlassen die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung zeitweilig mit einem bestimmten Anteil ihrer Fläche den Arbeitsspalt und die Kinematik der Bearbeitung ist vorzugsweise so gewählt, dass infolge dieses „Überlaufs" der Halbleiterscheiben im Lauf der Bearbeitung nach und nach die gesamte Fläche der Arbeitsschichten einschließlich ihrer Randbereiche vollständig und im Wesentlichen gleich oft überstrichen wird. Der „Überlauf" ist als die bezogen auf die Arbeitsscheiben in radialer Richtung gemessene Länge definiert, um die eine Halbleiterscheibe zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Schleifens über den Innen- oder Außenrand des Arbeitsspalts hinaus steht. Erfindungsgemäß beträgt das Maximum des Überlaufs in radialer Richtung mehr als 0% und höchstens 20% des Durchmessers der Halbleiterscheibe. Bei einer Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm beträgt der maximale Überlauf daher mehr als 0 mm und höchstens 60 mm.
  • Diesem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, dass sich im Vergleichsbeispiel eines Schleifverfahrens, bei dem die Halbleiterscheiben stets vollständig innerhalb des Arbeitsspaltes verbleiben, im Zuge der Abnutzung der Arbeitsschichten ein wannenförmiges Radialprofil der Arbeitsschichtdicke ergibt. Dies haben Messungen des Spaltprofils nach der Methode aus 4 gezeigt.
  • Die größere Dicke der Arbeitsschicht zum Innen- und Außenrand der ringförmigen Arbeitsscheiben hin führt zu einem dort verringerten Arbeitsspalt, der einen höheren Materialabtrag derjenigen Bereiche der Halbleiterscheibe bewirkt, die diesen Bereich im Verlauf der Bearbeitung überstreichen. Die Halbleiterscheibe erhält ein unerwünscht balliges Dickenprofil mit zu ihrem Rand hin abnehmender Dicke („Randabfall").
  • Werden nun im Rahmen des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens die Bedingungen so gewählt, dass die Halbleiterscheibe zeitweilig teilflächig über den Innen- und Außenrand der Arbeitsschichten hinaus läuft, erfolgt eine über die gesamte Ringbreite der Arbeitsschicht radial weitgehend gleichförmige Abnutzung, es bildet sich kein wannenförmiges Radialprofil der Arbeitsschichtdicke aus, und es wird kein Randabfall der so erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe bewirkt.
  • In einer Ausführungsform dieses zweiten Verfahrens wird die Exzentrizität e der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe so groß gewählt, dass während der Bearbeitung ein erfindungsgemäßer zeitweiliger teilflächiger Überlauf der Halbleiterscheibe über den Rand der Arbeitsschicht hinaus erfolgt.
  • In einer anderen Ausführungsform dieses zweiten Verfahrens wird die Arbeitsschicht ringförmig an Innen- und Außenrand so beschnitten, dass während der Bearbeitung ein erfindungsgemäßer zeitweiliger teilflächiger Überlauf der Halbleiterscheibe über den Rand der Arbeitsschicht hinaus erfolgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform dieses zweiten Verfahrens wird eine Vorrichtung mit so kleinem Durchmesser der Arbeitsscheiben gewählt, dass die Halbleiterscheibe erfindungsgemäß zeitweilig teilflächig über den Rand der Arbeitsscheiben hinausläuft.
  • Besonders bevorzugt ist auch eine geeignete Kombination aller drei genannten Ausführungsformen.
  • Die Forderung dieses zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Halbleiterscheiben nach und nach die gesamte Fläche der Arbeitsschichten einschließlich ihrer Randbereiche vollständig und im Wesentlichen gleich oft überstreichen, wird dadurch erfüllt, dass die Hauptantriebe einer zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung in der Regel AC-Servomotoren (AC = Wechselstrom, engl. „alternating current") sind, bei denen grundsätzlich eine veränderliche Verzögerung zwischen Soll- und Ist-Drehzahl auftritt (Schleppwinkel). Selbst wenn die Drehzahlen für die Antriebe so gewählt werden, dass nominell periodische Bahnen resultieren, die besonders unvorteilhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind, ergeben sich aufgrund der AC-Servoregelung in der Praxis stets ergodische (aperiodische) Bahnen. Damit wird obige Forderung stets erfüllt.
  • 8 zeigt das Dickenprofil 45 einer gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm. Der Überlauf betrug 25 mm. Die Halbleiterscheibe weist nur geringe zufällige Dickenschwankungen auf und besitzt insbesondere keinen Randabfall. Der TTV beträgt 0,61 µm.
  • 9 gibt als Vergleichsbeispiel das Dickenprofil 46 einer nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm wieder, bei dessen Bearbeitung die Halbleiterscheibe stets vollflächig im Arbeitsspalt blieb. Es ergibt sich eine ausgeprägte Dickenabnahme 47 im Randbereich der Halbleiterscheibe. Der TTV beträgt über 4,3 µm.
  • 10 gibt als weiteres Vergleichsbeispiel das Dickenprofil einer nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe mit einem Durchmesser von 300 mm wieder, bei dessen Bearbeitung der Überlauf nicht erfindungsgemäß groß war, nämlich 75 mm. Es treten deutlich ausgeprägte Einkerbungen 56 in einer Entfernung vom Rand der Halbleiterscheibe auf, die der Weite des Überlaufs entspricht (75 mm).
  • Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei übermäßigem Überlauf aufgrund der fehlenden Führung der Halbleiterscheibe außerhalb des Arbeitsspaltes die Halbleiterscheibe infolge Durchbiegung von Halbleiterscheibe oder Läuferscheibe teilweise in axialer Richtung aus der sie führenden Aussparung der Läuferscheibe heraustritt. Beim Wiedereintritt des überlaufenden Teils der Halbleiterscheibe in den Arbeitsspalt stützt sich dann die Halbleiterscheibe mit einem Teil ihrer in der Regel verrundeten Kante auf der Kante der Läuferscheiben-Aussparung ab. Bei nicht zu großem Überlauf wird die Halbleiterscheibe beim Wiedereintritt in den Arbeitsspalt unter Reibung zurück in die Aussparung gezwungen; bei zu hohem Überlauf gelingt dies nicht, und die Halbleiterscheibe bricht. Dieses „Zurückschnappen" in die Läuferscheiben-Aussparung führt zu überhöhtem Materialabtrag im Bereich des Randes der Arbeitsschicht. Dies erzeugt die im Vergleichsbeispiel von 10 auftretenden Einkerbungen 56. Der TTV der Halbleiterscheibe vom Vergleichsbeispiel beträgt 2,3 µm. Die Einkerbungen 56 sind besonders schädlich, da aufgrund des dort stärkeren Materialabtrags Rauhigkeit und Schädigungstiefe erhöht sind und sich die starke Krümmung des Dickenprofils im Bereich der Einkerbungen 56 besonders ungünstig auf die Nanotopologie der Halbleiterscheibe auswirkt.
  • Erfindungsgemäß beträgt der Überlauf mehr als 0% und weniger als 20% des Durchmessers der Halbleiterscheibe und bevorzugt zwischen 2% und 15% des Durchmessers der Halbleiterscheibe.
  • Beschreibung des dritten erfindungsgemäßen Verfahrens
  • Im Folgenden wird das dritte erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Läuferscheiben mit einer genau festgelegten Wechselwirkung mit den Arbeitsschichten eingesetzt. Erfindungsgemäß gehen die Läuferscheiben entweder eine sehr geringe Wechselwirkung mit den Arbeitsschichten ein, so dass letztere in ihrem Schnittverhalten nicht beeinträchtigt werden, oder die Läuferscheiben gehen eine besonders starke, die Arbeitsschicht gezielt aufrauende Wechselwirkung mit den Arbeitsschichten ein, so dass letztere kontinuierlich während der Bearbeitung geschärft werden. Dies wird erreicht durch eine geeignete Wahl des Materials der Läuferscheiben.
  • Dem dritten erfindungsgemäßen Verfahren liegt folgende Beobachtung zu Grunde: Die im Stand der Technik bekannten Materialien für Läuferscheiben sind für die Durchführung des Schleifverfahrens vollständig ungeeignet. Läuferscheiben aus Metall, wie sie beispielsweise beim Läppen und beim Doppelseitenpolieren verwendet werden, unterliegen beim Schleifverfahren einem außerordentlich hohen Verschleiß und gehen eine unerwünschte starke Wechselwirkung mit der Arbeitsschicht ein. In den Arbeitsschichten ist bevorzugt Diamant als Abrasivum enthalten. Der beobachtete hohe Verschleiß liegt in der bekannt hohen Schleifwirkung von Diamant auf harte Materialien begründet; die unerwünschte Wechselwirkung besteht beispielsweise darin, dass der Kohlenstoff, aus dem Diamant besteht, insbesondere in Eisen-Metalle (Stahl, Edelstahl) mit hoher Rate hineinlegiert. Der Diamant versprödet und verliert schnell seine Schnittwirkung, so dass die Arbeitsschicht stumpf wird und nachgeschärft werden muss. Ein derartiges häufiges Nachschärfen führt zu unwirtschaftlichem Verbrauch an Arbeitsschicht-Material, unerwünschten häufigen Unterbrechungen der Bearbeitung und zu instabilen Bearbeitungsabläufen mit schlechten Ergebnissen für Oberflächen-Beschaffenheit, Form und Dickenkonstanz der so bearbeiteten Halbleiterscheiben. Außerdem ist eine Kontamination der Halbleiterscheibe mit metallischem Abrieb unerwünscht. Ähnlich unvorteilhafte Eigenschaften wurden auch an anderen Läuferscheiben-Materialien beobachtet, die ebenfalls getestet wurden, beispielsweise Aluminium, eloxiertes Aluminium, metallisch beschichtete Läuferscheiben (beispielsweise hart verchromte Schutzschichten oder Schichten aus Nickel-Phosphor).
  • Nach dem Stand der Technik sind Verschleißschutz-Beschichtungen der Läuferscheibe aus Materialien hoher Härte, geringem Gleitreibungskoeffizienten und nach Vergleichstabellen geringer Abnutzung unter Reibung bekannt. Während diese beispielsweise beim Doppelseitenpolieren sehr verschleißarm sind und damit beschichtete Läuferscheiben bis zu einigen tausend Bearbeitungszyklen Stand halten, zeigte sich, dass derartige nicht-metallische Hartbeschichtungen beim Schleifverfahren einem äußerst hohen Verschleiß unterliegen und daher ungeeignet sind. Beispiele sind keramische oder glasartige (Emaille) Beschichtungen sowie Beschichtungen aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC, diamond-like carbon).
  • Es wurde ferner beobachtet, dass beim Schleifverfahren jedes untersuchte Material für die Läuferscheibe einem mehr oder weniger hohen Verschleiß unterliegt und dass der auftretende Materialabrieb in der Regel eine Wechselwirkung mit der Arbeitsschicht eingeht. Dies führt meist zu einem schnellen Verlust der Schärfe (Schnittfreudigkeit) oder einer starken Abnutzung der Arbeitsschicht. Beides ist unerwünscht.
  • Um geeignete Materialien für Läuferscheiben zu finden, die die genannten Nachteile nicht aufweisen, wurde eine Vielzahl von Muster-Läuferscheiben untersucht. Es zeigte sich, dass einige Materialien oder Beschichtungen der Läuferscheibe, wenn sie nur der Einwirkung der Arbeitsschicht allein unterliegen, tatsächlich die erwarteten Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise erweisen sich kommerzielle verfügbare sog. „Gleitbeschichtungen" oder „Verschleiß-Schutzbeschichtungen" beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) als widerstandsfähig gegenüber der Einwirkung der Arbeitsschicht allein. Wenn derartig beschichtete Läuferscheiben aber bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Einwirkung der Arbeitsschicht und der Einwirkung des durch die Bearbeitung erzeugten, beispielsweise Silicium enthaltenden Schleifschlamms unterliegen, so zeigte sich, verschleißen auch diese Gleit- oder Schutzbeschichtungen äußerst schnell.
  • Dies liegt darin begründet, dass der fest in der Arbeitsschicht gebundene Diamant eine Schleif- und die lose im erzeugten Siliciumschlamm enthaltenen Silicium-, Siliciumdioxid- und andere Teilchen eine Läppwirkung erzeugen. Diese Mischbelastung aus Schleifen und Läppen stellt eine vollständig andere Belastung für die Läuferscheibenmaterialien dar, als sie durch ein Schleifen oder Läppen jeweils allein erfolgen.
  • Für das Zustandekommen des dritten erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Vielzahl von Läuferscheiben aus unterschiedlichen Materialien angefertigt und einem Vergleichstest zur Bestimmung von Materialverschleiß und Wechselwirkung mit der Arbeitsschicht unterzogen. Dieser „beschleunigte Verschleißtest" ist im Folgenden beschrieben: Es wird eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß 1 und 2 verwendet. Die obere Arbeitsscheibe wird während des Tests nicht verwendet und ist ausgeschwenkt. Vor Beginn der Testreihe eines Läuferscheiben-Materials wird die untere Arbeitsschicht 12 jeweils frisch und mit einem konstant gehaltenen Schärfverfahren geschärft, um gleiche Ausgangsbedingungen zu schaffen. Die mittlere Dicke einer Läuferscheibe 13 aus einem Material, dessen Abnutzungs- und Wechselwirkungsverhalten untersucht werden soll, wird in mehreren Punkten vermessen (Mikrometer) und ersatzweise, bei Kenntnis des spezifischen Gewichts von Läuferscheibe und Beschichtung, über Wägung bestimmt. Die Läuferscheibe wird in die Abwälzvorrichtung 7 und 9 eingelegt und gleichförmig mit einem ersten Gewicht belastet. Die mittlere Dicke einer Halbleiterscheibe 15 wird gemessen oder, bevorzugt, über Wägung bestimmt. Die Halbleiterscheibe wird in die Läuferscheibe eingelegt und gleichförmig mit einem zweiten Gewicht belastet. Die untere Arbeitsscheibe 4 mit der unteren Arbeitsschicht 12 und die Abwälzvorrichtung 7 und 9 werden mit fest gehaltenen vorgewählten Drehzahlen für eine bestimmte Zeitdauer in Bewegung gesetzt. Nach Ablauf der Zeit wird die Bewegung gestoppt, Läuferscheibe und Halbleiterscheibe werden entnommen und, nach Reinigung und Trocknung, deren mittlere Dicken bestimmt. Während der Bewegung von Arbeitsscheibe und Abwälzvorrichtung relativ zu Läuferscheibe und Halbleiterscheibe unter Last erfolgt eine Materialabnutzung (unerwünschter Verschleiß) von der Läuferscheibe und ein Materialabtrag von der Halbleiterscheibe (erwünschte Schleifwirkung). Dieser Ablauf aus Wägung, Verschleiß-/Abtrags-Einwirkung und Wägung wird mehrfach wiederholt.
  • 18 zeigt den so ermittelten mittleren Dickenverlust (Abnutzungsrate A) von Läuferscheiben in µm/min für eine Vielzahl von Materialien in logarithmischer Auftragung. Die während des Tests in Kontakt mit der Arbeitsschicht und dem Schleifschlamm vom Abtrag der Halbleiterscheibe gelangenden Materialien 67 der Läuferscheiben und die Versuchsbedingungen sind in Tabelle 1 angegeben. 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 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. 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.
    Kürzel Läuferscheiben-Material
    Art Aufbringung LS-Last
    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
    Tabelle 1: Läuferscheiben-Materialien für Verschleißtest
  • Es zeigt sich, dass die verschiedenen Materialien für die Läuferscheibe unter der komplexen Mischbelastung aus Schleifwirkung durch die Arbeitsschicht und Läppwirkung durch den Schleifschlamm infolge des Materialabtrags von der Halbleiterscheibe höchst unterschiedliche Abnutzungsraten für die Läuferscheibe ergeben. Der Wert für Material i (PP-Faser verstärktes PP) war nicht zuverlässig bestimmbar (gestrichelte Linie für Messpunkt und Fehlerbalken in 18). Die niedrigsten Verschleißraten zeigen beispielsweise PVC (c für 2 kg Testlast und d für 4 kg Testlast), PET (e für eine thermoplastische selbstklebende Folie bei 2 kg Testlast und f für eine mittels eines Heißlaminierverfahrens aufgebrachte Folie aus kristallinem PET), PP (h) und PE (m für eine sehr dünne, weiche Folie aus LD-PE und n für eine dickere, härtere Folie aus LD-PE mit anderem Molekulargewicht). Eine besonders niedrige Verschleißrate wird mit einem elastomeren PU erzielt (o).
  • 19 zeigt das Verhältnis aus während eines Testdurchlaufs erzieltem Materialabtrag von der Halbleiterscheibe und der gemessenen Abnutzung der Läuferscheibe. In diese Auftragung geht eine die Schnittfreudigkeit (Schärfe) der vor Versuchsbeginn jeweils frisch abgerichteten Arbeitsschicht unmittelbar ein. Einige Läuferscheibenmaterialien machen die Arbeitsschicht schnell stumpf, so dass nur eine geringere Abtragsrate für die Halbleiterscheibe erzielt wird und das Verhältnis aus Läuferscheiben-Abnutzung und Halbleiterscheiben-Abtrag noch ungünstiger wird. Vorteilhaft hohe Werte für den so erklärten „G-Faktor" (Spanverhältnis) liefern Läuferscheiben aus PVC (c und d), PET (e und f) und Keramikpartikel gefülltem EP (p); jedoch ist das für PU (o) ermittelte Verhältnis noch um mehr als einen Faktor zehn höher als das der vorgenannten Materialien.
  • 20 zeigt die Wechselwirkung des Abriebs des Läuferscheibenmaterials mit der Arbeitsschicht. Dargestellt sind die jeweiligen Abtragsraten 73, die unter den konstanten Testbedingungen nach jeweils 10 min Testdauer (70), 30 min (71) und 60 min (72) erzielt werden, bezogen auf die mittleren Abtragsraten des Bezugsmaterials c (PVC-Folie bei 2 kg Testlast). Ein Abfallen der Abtragsrate der Arbeitsschicht über die Zeit ist unerwünscht. Eine derartige Läuferscheibe macht die Arbeitsschicht schnell stumpf und würde häufiges Nachschärfen und instabile und unwirtschaftliche Arbeitsabläufe zur Folge haben. Für einige Läuferscheibenmaterialien nimmt die Schärfe der Arbeitsschicht so schnell ab, dass sie bei 30 min oder 60 min völlig stumpf ist, oder die Läuferscheibe aus dem Material war so instabil, dass sie nach wenigen Minuten vollständig verschlissen oder gebrochen war (gestrichelte Linien 74, beispielsweise für Pertinax (ein mit Phenolharz getränktes Papier, allg. als „Hartpapier" bezeichnet) j, PE-Folie m oder die getestete EP-Grundierungsbeschichtung q oder die „Verschleißschutzbeschichtung" ZSV216 r. Als vorteilhaft bzgl. geringer Abstumpfung der Schärfe der Arbeitsschicht erweisen sich Läuferscheiben aus den Materialien PA (l) und PE (n). Besonders stabil und von geringer abstumpfender Wirkung auf die Schärfe der Arbeitsschicht ist jedoch ein elastomeres PU (o).
  • Ferner zeigt sich in 20, dass Läuferscheibenmaterialien, bei denen eine Faser verstärkte Schicht in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangt, zu einer besonders schnellen Abstumpfung der Arbeitsschicht führt: Die Schleifwirkung der Arbeitsschicht ist beispielsweise für EP-GFK (a und b), EP-CFK (g) und PP-GFK (h) bereits nach 10 min drastisch abgesunken und kommt nach einigen weiteren Minuten fast völlig zum Erliegen. Im Vergleich zum Glasfaser verstärkten EP (a und b) stumpft eine Beschichtung aus EP ohne Glasfasern (p) die Arbeitsschicht deutlich langsamer ab. Daher ist bevorzugt, dass das erste Material keine Glasfasern, keine Kohlefasern und keine keramischen Fasern enthält.
  • Für eine erste Ausführungsform dieses erfindungsgemäßen dritten Verfahrens (wechselwirkungsarme Läuferscheibe) wird eine Läuferscheibe verwendet, die vollständig aus einem ersten Material besteht oder eine Voll- oder Teilbeschichtung aus einem ersten Material so trägt, dass während der Bearbeitung nur diese Schicht in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangt, wobei dieses erste Material eine hohe Abriebfestigkeit aufweist.
  • Bevorzugt für dieses erste Material sind Polyurethan (PU), Polyethylenterephthalat (PET), Silikon, Gummi, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und Polyvinylbutyral (PVB), Epoxydharz und Phenolharze. Ferner können auch Polycarbonat (PC), Polymethylmetacrylat (PMMA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyoxymethylen/Polyacetal (POM), Polysulfon (PSU), Polyphenylensulfon (PPS) und Polyetyhlensulfon (PES) mit Vorteil verwendet werden.
  • Besonders bevorzugt sind Polyurethane in Form thermoplastischer Elastomere (TPE-U). Ebenfalls besonders bevorzugt sind Silikone als Silikongummi (Silikonelastomer), Silikonkautschuk oder Silikonharz, ferner Gummi in Form vulkanisierten Kautschuks, Butadienstyrol-Gummi (SBR), Acrylnitril-Gummi (NBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) usw. sowie Fluorkautschuk. weiter wird besonders bevorzugt PET als teilkristallines oder amorphes Polymer, insbesondere thermoplastisches Elastomer auf (Co-)Polyester-Basis (TPE-E), sowie Polyamid, insbesondere PA66 und thermoplastisches Polyamid-Elastomer (TPE-A), und Polyolefine wie PE oder PP, insbesondere thermoplastische Olefin-Elastomere (TPE-O). Schließlich wird besonders bevorzugt PVC, insbesondere plastifiziertes (weiches) PVC (PVC-P).
  • Ebenfalls bevorzugt sind für Beschichtung oder Vollmaterial faserverstärkte Kunststoffe (compound plastics; fibrereinforced plastics, FRP), wobei die Faserverstärkung nicht aus Glasfasern, Kohlefasern oder keramischen Fasern besteht. Besonders bevorzugt für die Faserverstärkung sind Naturfasern und Kunststofffasern, beispielsweise Baumwolle, Cellulose usw. und Polyolefine (PE, PP), Aramide usw.
  • Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Läuferscheiben geben die Abbildungen 21 bis 24 wieder. 21 zeigt Läuferscheiben 15, die vollständig aus einem ersten Material bestehen (einlagige Läuferscheiben). Beispielhaft ist in 21(A) eine Läuferscheibe mit einer Öffnung 14 zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe gezeigt und in 21(B) eine mit mehreren Öffnungen 14 zur gleichzeitigen Aufnahme mehrerer Halbleiterscheiben. Die Läuferscheiben umfassen neben diesen Aufnahmeöffnungen stets eine Außenverzahnung 75, die in die aus innerem und äußerem Stiftkranz gebildete Abwälzvorrichtung der Bearbeitungsmaschine eingreift, sowie optional eine oder mehrere Durchbrüche oder Öffnungen 76, die vorrangig dem besseren Durchfluss und Austausch des dem Arbeitsspalt zugeführten Kühlschmiermittels zwischen Vorder- und Rückseite (oberer und unterer Arbeitsschicht) dienen.
  • 21(C) zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße einlagige Läuferscheibe aus einem ersten Material, bei der die Öffnung 14 zur Aufnahme der Halbleiterscheibe mit einem dritten Material 77 ausgekleidet ist. Diese zusätzliche Auskleidung 77 wird bevorzugt, wenn das erste Material der Läuferscheibe 15 sehr hart ist und im direkten Kontakt mit der Halbleiterscheibe zu einem erhöhten Risiko von Beschädigungen im Randbereich der Halbleiterscheibe führen würde. Das dritte Material der Auskleidung 77 wird dann weicher gewählt, so dass Kantenschäden ausgeschlossen sind. Die Auskleidung ist beispielsweise durch Verklebung oder Formschluss, gegebenenfalls mittels eines die Kontaktfläche vergrößernden „Schwalbenschwanzes" 78, wie in dem Ausführungsbeispiel in 21(C) gezeigt, mit der Läuferscheibe 15 verbunden. Beispiele für geeignete dritte Materialien 77 sind offenbart in EP 0208315 B1 .
  • Bevorzugt ist ebenfalls, wenn die Läuferscheibe einen nicht in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangenden Kern aus einem Material mit höherer Steifigkeit (Elastizitätsmodul) als die in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangende Beschichtung aufweist. Besonders bevorzugt sind für den Läuferscheibenkern Metalle, insbesondere legierte Stähle, insbesondere korrosionsgeschützte (Edelstahl) und/oder Federstähle, und faserverstärkte Kunststoffe. Die Beschichtung, d. h. das erste Material, besteht in diesem Fall vorzugsweise aus einem unverstärkten Kunststoff. Die Beschichtung wird vorzugsweise durch Abscheidung, Tauchen, Sprühen, Fluten, Warm- oder Heißklebung, chemische Klebung, Sintern oder Formschluss auf den Kern aufgebracht. Die Beschichtung kann auch aus einzelnen Punkten oder Streifen bestehen, die durch Fügen oder Pressen, Spritzguss oder Klebung in passende Bohrungen des Kerns eingefügt werden.
  • Ausführungsbeispiele derartiger mehrlagiger Läuferscheiben, umfassend einen Kern 15 aus dem zweiten Material und eine vorder-(79a) und rückseitige Beschichtung 79b aus dem ersten Material, zeigt 22. 22(A) beschreibt dabei eine Läuferscheibe, bei der deren Vorder- und Rückseite über die volle Fläche des Kerns 15 beschichtet ist, während 22(B) eine teilflächig beschichtete Läuferscheibe beschreibt, bei der im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise ein ringförmiger Bereich 80 an der Öffnung zur Aufnahme der Halbleiterscheibe und an der Außenverzahnung der Läuferscheibe freigelassen wurde.
  • Vorteile teilflächig beschichteter Läuferscheiben nach Beispiel in 22(B) beinhalten, dass z. B. der Rand der Öffnung zur Aufnahme der Halbleiterscheibe mit einer Auskleidung aus einem dritten Material 77 wie in 21(C) versehen werden kann, die nur mit dem härteren zweiten Material des Kerns 15 verbunden ist und wahlweise vor oder nach der Beschichtung angebracht werden kann, oder dass z. B. der Bereich der Außenverzahnung frei von dem verschleißarmen ersten Material gehalten wird und dadurch störender Materialabrieb beim Abwälzen in der Abwälzvorrichtung der Bearbeitungsmaschine vermieden wird.
  • Für die Kunststoffe eines nicht in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangenden Kerns wird eine Faserverstärkung aus steifen Fasern, beispielsweise Glas- oder Kohlefasern, insbes. Ultrahochmodul-Kohlefasern, bevorzugt.
  • Besonders bevorzugt wird die Beschichtung in Form eines vorgefertigten Filmes mittels Lamination in einem kontinuierlichen Verfahren (Rollenlamination) aufgebracht. Der Film ist dabei rückseitig mit einem Kaltkleber oder, besonders bevorzugt, mit einem Warm- oder Heißkleber beschichtet (Heißlamination), bestehend aus Basispolymeren TPE-U, PA, TPE-A, PE, TPE-E oder Ethylenvinylacetat (EVAc) oder ähnlichen.
  • Ferner ist bevorzugt, wenn die Läuferscheibe aus einem steifen Kern und einzelnen Abstandshaltern besteht, wobei die Abstandshalter aus einem abriebfesten Material mit niedrigem Gleitwiderstand bestehen und so angeordnet sind, dass der Kern während der Bearbeitung nicht in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangt.
  • Ausführungsbeispiele für Läuferscheiben mit derartigen Abstandshaltern gibt 23 wieder. Die Abstandshalter können beispielsweise vorder-(81a) und rückseitig (81b) aufgebrachte „Noppen" oder „Punkte" 81 oder längliche „Riegel" 82 jeweils beliebiger Form und in beliebiger Anzahl sein (23(A)). Diese Abstandshalter 82a (Vorderseite der Läuferscheibe) und 82b (Rückseite) können beispielsweise durch Verkleben, z. B. mittels einer rückseitigen Selbstklebebeschichtung 83 der einzelnen Beschichtungselemente 82 (und 81), mit der Läuferscheibe 15 verbunden sein (23(B)) oder formschlüssig in Bohrungen in der Läuferscheibe eingepasst sein (84) oder durch Verstemmen, Vernieten, Verschmelzen usw. beispielsweise pilzförmig an Vorder- und Rückseite der Läuferscheibe verbreiterte (verpresste usw.) durch Bohrungen in der Läuferscheibe hindurchgehende Elemente 85 sein. Auch können eine vorder-(79a) und rückseitige (79b) Beschichtung gemäß den Ausführungsbeispielen in 22 mittels mehrerer durch Bohrungen in der Läuferscheibe verlaufender Stege gemäß dem Beispiel der Beschichtungselemente 84 bzw. 85 in 23(B) miteinander verbunden sein und dadurch eine zusätzliche Sicherung vor unerwünschtem Ablösen der aufgebrachten Beschichtung 79 liefern.
  • Schließlich ist bevorzugt, dass der Kern aus dem zweiten Material ausschließlich aus einem dünnen äußeren ringförmigen Rahmen der Läuferscheibe besteht, wobei dieser Ring die Verzahnung der Läuferscheibe für den Antrieb durch die Abwälzvorrichtung beinhaltet. Eine aus dem ersten Material bestehende Einlage umfasst eine oder mehrere Aussparungen für jeweils eine Halbleiterscheibe. Vorzugsweise ist das erste Material durch Formschluss, Klebung oder Spritzguss mit dem ringförmigen Rahmen verbunden. Vorzugsweise ist der Rahmen wesentlich steifer und verschleißärmer als die Einlage. Während der Bearbeitung gelangt vorzugsweise nur die Einlage in Kontakt mit der Arbeitsschicht. Besonders bevorzugt ist ein Stahlrahmen mit einer Einlage aus PU, PA, PET, PE, PE-UHWM, PBT, POM, PEEK oder PPS.
  • Wie in 24 verdeutlicht wird bevorzugt, dass der ringförmige Rahmen 86 mit der Verzahnung dünner ist als die Einlage 87 und im wesentlichen mittig zur Dicke der Einlage 87 mit dieser verbunden ist, damit der Rahmen aus dem zweiten Material nicht in Berührung mit den Arbeitsschichten der Bearbeitungsvorrichtung gelangt. Die Verbindungsstelle zwischen Einlage 87 und Rahmen 86 ist bevorzugt stumpf ausgeführt, wie beim formschlüssig eingepressten Abstandshalter 84 in 23(B) gezeigt, oder besteht in einer Verbreiterung der Einlage 87 nach dem Beispiel des Abstandshalters 85 in 23(B) über den Rand des Rahmens 86 hinaus.
  • Besonders bevorzugt ist, wenn die vorgenannten, durch Kontakt mit der Arbeitsschicht einem Verschleiß unterliegenden Abstandshalter durch Fügen in Bohrungen im Kern oder durch Aufkleben auf die Oberfläche des Kerns leicht ausgewechselt werden können.
  • Ebenfalls besonders bevorzugt ist, dass die abgenutzte teil- oder vollflächige Beschichtung leicht vom Kern abgelöst und durch Aufbringen einer neuen Beschichtung erneuert werden kann. Das Ablösen erfolgt bei geeigneten Stoffen am einfachsten durch geeignete Lösungsmittel (beispielsweise PVC durch Tetrahydrofuran, THF), Säuren (beispielsweise PET oder PA durch Ameisensäure) oder durch Erhitzen in sauerstoffreicher Atmosphäre (einäschern).
  • Im Fall eines Kerns aus einem teuren Material, beispielsweise Edelstahl oder aufwändig durch Materialabtrag (Schleifen, Läppen, Polieren) auf Dicke kalibriertes, getempertes oder anderweitig nachbehandeltes oder beschichtetes Metall wie Stahl, Aluminium, Titan oder Legierungen dieser, Hochleistungskunststoff (PEEK, PPS, POM, PSU, PES o. ä., ggf. mit einer zusätzlichen Faserverstärkung) usw. wird eine Wiederverwendung der Läuferscheibe nach weitgehendem Verschleiß der Beschichtung durch mehrmaliges neu Aufbringen der Verschleißbeschichtung bevorzugt. Besonders bevorzugt wird dabei die Beschichtung in Form einer Folie, die mittels Stanzen, Schneidplotter o. ä. zuvor passgenau auf die Maße der Läuferscheibe zugeschnitten wurde, mittels Lamination deckungsgleich aufgebracht, so dass keine Nacharbeit wie ein Trimmen eventuell überstehender Teile der Beschichtung, Kanten Versäubern, Entgraten usw. erforderlich ist. Dabei kann im Fall eines Kerns aus Hochleistungskunststoff besonders bevorzugt auch ein Rest der verschlissenen Erstbeschichtung verbleiben.
  • Im Fall eines Kerns aus einem preiswerten Material, beispielsweise einem ggf. zusätzlich Faser verstärkten Kunststoff wie EP, PU, PA, PET, PE, PBT, PVB o. ä., wird eine einmalige Beschichtung bevorzugt. Dabei erfolgt die Beschichtung besonders bevorzugt bereits auf dem Rohling (Tafel) für den Kern, und die Läuferscheibe wird erst aus der aus rückseitiger Beschichtung, Kern und vorderseitiger Beschichtung gebildeten „Sandwich"-Tafel mittels Fräsen, Schneiden, Wasserstrahl-Schneiden, Laser-Schneiden o. ä. herausgetrennt. Nach Verschleiß der Beschichtung bis fast auf den Kern wird die Läuferscheibe in diesem Ausführungsbeispiel dann verworfen.
  • 11 gibt als Beispiel die für aufeinander folgende Bearbeitungs-Fahrten F erhaltene mittlere Abtragsrate MAR der Halbleiterscheibe wieder, wobei eine erfindungsgemäß nicht die Schärfe der Arbeitsschicht beeinflussende Läuferscheibe verwendet wurde. Die mittlere Abtragsrate bleibt über die hier gezeigten 15 Bearbeitungszyklen im Wesentlichen konstant (48). Der Materialabtrag von der Halbleiterscheibe während eines Bearbeitungszyklus betrug 90 µm. Die Läuferscheibe bestand aus einem Edelstahlkern, der vorder- und rückseitig mit einer 100 µm dicken PVC-Beschichtung versehen war. Die Dickenabnahme dieser Beschichtung infolge Verschleiß betrug im Mittel 3 µm je Bearbeitungszyklus.
  • 12 gibt als Vergleichsbeispiel die für aufeinander folgende Bearbeitungs-Fahrten F erhaltene mittlere Abtragsrate MAR der Halbleiterscheibe wieder, wobei eine nicht erfindungsgemäße Läuferscheibe verwendet wurde, die eine die Schärfe der Arbeitsschicht reduzierende Wirkung aufwies. Die mittlere Abtragsrate fällt kontinuierlich von Bearbeitungszyklus zu Bearbeitungszyklus ab von anfangs über 30 µm/min bis auf unter 5 µm/min innerhalb der gezeigten 14 Bearbeitungszyklen. Die Läuferscheibe bestand aus glasfaserverstärktem Epoxidharz. Die Dickenabnahme dieser Beschichtung infolge Verschleiß betrug im Mittel 3 µm je Bearbeitungszyklus.
  • Für eine zweite Ausführungsform des dritten erfindungsgemäßen Verfahrens („schärfende Läuferscheibe") wird eine Läuferscheibe verwendet, die vollständig aus einem zweiten Material besteht oder eine Beschichtung der Teile, die in Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangen, aus einem zweiten Material trägt, wobei dieses zweite Material Stoffe enthält, die die Arbeitsschicht schärfen.
  • Bevorzugt ist, dass dieses zweite Material Hartstoffe enthält und beim Kontakt mit der Arbeitsschicht einer Abnutzung unterliegt, so dass durch die Abnutzung Hartstoffe freigesetzt werden, die die Arbeitsschicht schärfen. Besonders bevorzugt ist, dass die bei der Abnutzung des zweiten Materials freigesetzten Hartstoffe weicher sind als das in der Arbeitsschicht enthaltene Schleifmittel. Besonders bevorzugt ist, wenn das freigesetzte Material Korund (Al2O3), Siliciumcarbid (SiC), Zirkonoxid (ZrO2), Siliciumdioxid (SiO2) oder Ceroxid (CeO2) ist und das in der Arbeitsschicht enthaltenen Schleifmittel Diamant ist. Besonders bevorzugt sind die aus dem ersten Material der Läuferscheibe freigesetzten Hartstoffe so weich (SiO2, CeO2) oder ihre Korngröße ist so gering (Al2O3, SiC, ZrO2), dass sie die Rauhigkeit und Schädigungstiefe der Halbleiterscheiben-Oberfläche, die durch die Bearbeitung durch die Schleifmittel aus der Arbeitsschicht bestimmt wird, nicht erhöhen.
  • In der Regel ist der Grad der Wechselwirkung zwischen Läuferscheibe und Arbeitsschicht für die beiden Arbeitsschichten unterschiedlich. Dies liegt beispielsweise am Eigengewicht der Läuferscheibe, die zu einer erhöhten Wechselwirkung mit der unteren Arbeitsschicht führt, oder an der Verteilung des dem Arbeitsspalt zugeführten Betriebsmittels (Kühlschmierung), das auf Ober- und Unterseite einen unterschiedlichen Kühlschmiermittel-Film erzeugt. Insbesondere bei einer nicht erfindungsgemäßen, die Schärfe der Arbeitsschicht reduzierenden Läuferscheibe kommt es zu einer stark asymmetrischen Abstumpfung zwischen oberer und unterer Arbeitsschicht. Das bewirkt einen unterschiedlichen Abtrag von Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe, und es tritt eine unerwünschte rauhigkeitsinduzierte Verformung der Halbleiterscheibe auf.
  • 13 zeigt als Beispiel den Warp W einer mit einer erfindungsgemäßen, aus PVC bestehenden Läuferscheibe bearbeiteten Halbleiterscheibe (55) und als Vergleichsbeispiel den Warp einer mit einer nicht erfindungsgemäßen Läuferscheibe bearbeiteten Halbleiterscheibe (54). Die nicht erfindungsgemäße Läuferscheibe besteht im gezeigten Beispiel aus Edelstahl. Kohlenstoff des Diamants der Arbeitsschicht löst sich im Edelstahl, der Diamant versprödet und die Arbeitsschicht wird stumpf. Bedingt durch das Gewicht der Läuferscheibe ist die Wechselwirkung der Läuferscheibe mit der unteren Arbeitsschicht größer als die mit der oberen, so dass die untere Arbeitsschicht schneller stumpf wird. Dadurch erfolgt ein zwischen Unter- und Oberseite stark unsymmetrischer Materialabtrag von der Halbleiterscheibe mit stark unterschiedlicher Vorder- und Rückseiten-Rauhigkeit. Es bildet sich eine Verwerfung (Warp) aus (strain-induced warpage). Der Warp ist gegen die radiale Messposition R auf der Halbleiterscheibe aufgetragen. Der Warp W bezeichnet das Maximum der Durchbiegung einer kräftefrei gelagerten Halbleiterscheibe infolge Verformung oder Verspannung über ihren gesamten Durchmesser an. Der Warp der erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe beträgt 7 µm, der der nicht erfindungsgemäß bearbeiteten 56 µm.
  • 14 zeigt als Beispiel die Schädigungstiefen (sub-surface damage, SSD) der Unter-(O) und Oberseite (U) einer mit einer erfindungsgemäßen Läuferscheibe (PVC-Folie, laminiert auf einen Kern aus Edelstahl) bearbeiteten Halbleiterscheibe (58) und als Vergleichsbeispiel die einer mit einer nicht erfindungsgemäßen Läuferscheibe (Glasfaser verstärktes Epoxidharz) bearbeiteten (59). Bei der erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe 58 ist das SSD im Rahmen des Messfehlers für beide Seiten gleich. Bei der nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe 59 ist das SSD der durch die obere Arbeitsschicht bearbeiteten Seite O deutlich geringer und das der durch die untere Arbeitsschicht bearbeiteten Seite U deutlich höher als das der für beide Selten der erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe erhaltene. Das SSD wurde mit einem laserakustischen Messverfahren bestimmt (Messung der Schalldispersion nach Laserpulsanregung).
  • 15 zeigt als Beispiel die RMS-Rauhigkeiten RNS der Ober- (O) und Unterseite (U) einer mit einer erfindungsgemäßen Läuferscheibe (PVC auf Edelstahl) bearbeiteten Halbleiterscheibe (58) und als Vergleichsbeispiel die einer mit einer nicht erfindungsgemäßen Läuferscheibe (Glasfaser verstärktes Epoxid) bearbeiteten (59). Bei der erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe (58) ist die Rauhigkeit im Rahmen des Messfehlers für beide Seiten gleich. Bei der nicht erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe 59 ist die Rauhigkeit der durch die obere Arbeitsschicht bearbeiteten Seite O deutlich geringer und die der durch die untere Arbeitsschicht bearbeiteten Seite U deutlich höher als die der für beide Seiten der erfindungsgemäß bearbeiteten Halbleiterscheibe erhaltene. (RNS = root-mean-square, quadratischer Mittelwert der Rauhamplituden). Die Rauhigkeit wurde mit einem Stylus-Profilometer bestimmt (80 µm Filterlänge).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10344602 A1 [0014, 0015]
    • - US 6007407 [0014, 0054]
    • - DE 10007390 A1 [0051]
    • - DE 102004040429 A1 [0057]
    • - DE 19937784 A1 [0059]
    • - DE 19954355 A1 [0060]
    • - EP 0208315 B1 [0113]

Claims (20)

  1. 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 ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht umfasst, die gebundenes Schleifmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe vollständig aus einem ersten Material besteht oder ein zweites Material der Läuferscheibe so mit einem ersten Material vollständig oder teilweise beschichtet ist, dass während des Schleifens nur das erste Material in mechanischen Kontakt mit der Arbeitsschicht gelangt und das erste Material keine die Schärfe des Schleifmittels reduzierende Wechselwirkung mit der Arbeitsschicht aufweist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine hohe Abriebfestigkeit aufweist.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material keine Glasfasern, keine Kohlefasern und keine keramischen Fasern enthält.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen oder mehrere der folgenden Stoffe enthält: Polyurethan (PU), Polyethylenterephthalat (PET), Silikon, Gummi, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyvinylbutyral (PVB), Epoxydharz, Phenolharz, Polycarbonat (PC), Polymethylmetacrylat (PMMA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyoxymethylen/Polyacetal (POM), Polysulfon (PSU), Polyphenylensulfon (PPS) und Polyetyhlensulfon (PES).
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen oder mehrere der folgenden Stoffe enthält: Polyurethan in Form eines thermoplastischen Elastomers (TPE-U), Silikongummi, Silikonkautschuk, Silikonharz, vulkanisierter Kautschuk, Butadienstyrol-Gummi (SBR), Acrylnitril-Gummi (NBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Fluorkautschuk, teilkristallines oder amorphes Polyethylenterephthalat (PET), thermoplastisches Elastomer auf Polyester-Basis oder Co-Polyester-Basis (TPE-E), Polyamid, Polyolefine und Polyvinylchlorid (PVC).
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheiben eine Beschichtung aus dem ersten Material und einen Kern aus dem zweiten Material aufweisen, wobei das zweite Material ein höheres Elastizitätsmodul besitzt als das erste Material.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall ist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Stahl ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Kunststoff ist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff faserverstärkt ist.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein unverstärkter Kunststoff ist.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Abscheidung, Tauchen, Sprühen, Fluten, Warm- oder Heißklebung, chemische Klebung, Sintern oder Formschluss auf den Kern aufgebracht ist.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einzelnen Punkten oder Streifen besteht und dass diese Punkte oder Streifen durch Fügen oder Pressen, Spritzguss oder Klebung in passende Bohrungen des Kerns eingefügt werden.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nach Abnutzung vom Kern abgelöst und eine neue Beschichtung aus dem ersten Material aufgebracht wird, wobei der Kern wiederverwendet wird.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus dem zweiten Material ausschließlich aus einem dünnen äußeren Ring der Läuferscheibe besteht, wobei dieser Ring eine Verzahnung der Läuferscheibe für den Antrieb durch die Abwälzvorrichtung umfasst, wobei das erste Material durch Formschluss, Klebung oder Spritzguss mit diesem Kern verbunden ist und wobei das erste Material eine oder mehrere Aussparungen für jeweils eine Halbleiterscheibe aufweist.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 6 bis 10, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Schärfen des Schleifmittels in der Arbeitsschicht bewirkt.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schärfen durch Freisetzen von Hartstoffen aus dem ersten Material der Läuferscheibe erfolgt.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem ersten Material der Läuferscheibe freigesetzten Hartstoffe weicher als das Schleifmittel der Arbeitsschicht sind.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die freigesetzten Hartstoffe Korund (Al2O3), Siliciumcarbid (SiC), Ceroxid (CeO2) oder Zirkonoxid (ZrO2) sind und das Schleifmittel der Arbeitsschicht Diamant enthält.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem ersten Material der Läuferscheibe freigesetzten Hartstoffe so weich sind oder deren Korngröße so klein ist, dass sie die Rauhigkeit und Schädigungstiefe der Oberfläche der Halbleiterscheibe, die durch die Bearbeitung durch die Schleifmittel aus der Arbeitsschicht bestimmt wird, nicht erhöhen.
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