DE102010063179A1

DE102010063179A1 - Verfahren zur gleichzeitigen Material abtragenden Bearbeitung beider Seiten mindestens dreier Halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE102010063179A1
Application number: DE102010063179A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pietsch Georg
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: KR101300343B1; US20120156970A1; SG182071A1; MY156020A; JP2012125913A; CN102543709B; KR20120067302A; DE102010063179B4; JP5677929B2; TWI470687B; US8801500B2; TW201225170A; CN102543709A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Material abtragenden Bearbeitung beider Seiten mindestens dreier Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben einer Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung, wobei die Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung eine Abwälzvorrichtung aufweist, die wenigstens drei Läuferscheiben in Rotation versetzt und wobei jede der Läuferscheiben genau eineÖffnung aufweist, in die jeweils eine Halbleiterscheibe frei beweglich eingelegt ist, sodass die Halbleiterscheiben auf einer zykloidischen Bahnkurve zwischen den Arbeitsscheiben bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung sowie dieÖffnungen in den Läuferscheiben so angeordnet sind, dass die UngleichungR/e·sin(π/N*)–r/e–1≤1,2erfüllt ist, wobei N* das Verhältnis aus dem Vollwinkel und dem Winkel, unter dem die benachbarten Läuferscheiben mit dem größten Abstand zueinander in die Abwälzvorrichtung eingelegt sind, r den Radius einerÖffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, e den Radius des Teilkreises um den Mittelpunkt der Läuferscheibe, auf dem dieÖffnung angeordnet ist, und R den Radius des Teilkreises bezeichnen, auf dem sich die Läuferscheiben mittels der Abwälzvorrichtung zwischen den Arbeitsscheiben bewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur gleichzeitigen Material abtragenden Bearbeitung beider Seiten mindestens dreier Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben einer Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung, wobei die Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung eine Abwälzvorrichtung aufweist, die wenigstens drei Läuferscheiben in Rotation versetzt und wobei jede der Läuferscheiben genau eine Öffnung aufweist, in die jeweils eine Halbleiterscheibe frei beweglich eingelegt ist, sodass die Halbleiterscheiben auf einer zykloidischen Bahnkurve zwischen den Arbeitsscheiben bewegt werden.
Stand der Technik
Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien Halbleiterscheiben mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einseitenbezogene Ebenheit (Nanotopologie), Rauigkeit und Sauberkeit benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien wie Elementhalbleiter (Silicium, Germanium), Verbindungshalbleiter (beispielsweise aus einem Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems wie Aluminium, Gallium oder Indium und einem Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems wie Stickstoff, Phosphor oder Arsen) oder deren Verbindungen (beispielsweise Si_1-xGe_x, 0 < x < 1).
Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben mittels einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt, die sich allgemein in folgende Gruppen einteilen lassen:

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

Vorteilhafte Verfahren im Rahmen der Schritte (c) und (e) sind dabei sogenannte „Free Floating Processes” (FFP), bei denen beide Seiten einer Halbleiterscheibe gleichzeitig in einem Arbeitsschritt Material abtragend bearbeitet werden und zwar so, dass sich die vorder- und rückseitig während des Materialabtrags auf die Halbleiterscheibe wirkenden Bearbeitungskräfte ausgleichen, so dass die Halbleiterscheibe im Wesentlichen ohne Ausübung von Zwangskräften einer Führungsvorrichtung „frei schwimmend” bearbeitet wird. „Im Wesentlichen” bedeutet hierbei, dass durch die kinematischen Eigenheiten des Prozesses sich die während der Bearbeitung auf Vorder- und Rückseite einwirkenden Kräfte zumindest prinzipiell genau die Waage halten können und dass ggf. auftretende geringe resultierende Restkräfte nur infolge statistischer Schwankungen oder externer Störgrößen auftreten. Mit FFP können Formfehler durch Vorprozesse besonders wirksam und mit geringem Materialabtrag entfernt werden, und die FFP prägen den Halbleiterscheiben kaum eigene bearbeitungscharakteristische neue Formfehler auf.
Im Stand der Technik werden Abläufe zur Herstellung von Halbleiterscheiben bevorzugt, bei denen wenigstens einer der beteiligten Prozessschritte ein FFP ist. Im Stand der Technik besonders bevorzugt werden Abläufe, bei denen mindestens ein FFP ein Verfahren umfasst, bei dem beide Seiten mindestens zweier Halbleiterscheiben gleichzeitig zwischen zwei ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei die Halbleiterscheiben lose in jeweils mindestens eine Aufnahmeöffnung insgesamt mindestens eines dünnen außen verzahnten Führungskäfigs (Läuferscheibe) eingelegt sind, die mittels einer Abwälzvorrichtung und der Außenverzahnung unter Druck auf Zykloidenbahnen relativ zu den Arbeitsscheiben geführt werden, so dass sie dabei den Mittelpunkt der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung vollständig umlaufen (Planetenbewegung). Eine derartige Kinematik wird zum Läppen, Schleifen oder Polieren von Halbleiterscheiben eingesetzt.
US2009/0298396A1 und US2009/0298397A1 beschreiben Doppelseitenschleifverfahren mit Planetenkinematik, die auch im Fall von Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 450 mm zu einer sehr ebenen Oberfläche ohne Randabfall führen sollen. Dabei werden mehrere Halbleiterscheiben gleichen Durchmessers so in einer Läuferscheibe auf genau einem Teilkreis um den Mittelpunkt der Läuferscheibe angeordnet, dass das Verhältnis der Fläche des Teilkreises zur Fläche einer Halbleiterscheibe zwischen 1,33 und 2,0 beträgt. US2009/0298396A1 stellt darüber hinaus gewisse Anforderungen an die Größe und Anordnung der bei dem Verfahren verwendeten Schleifpellets. Dagegen offenbart US2009/0298397A1 ein Schleifverfahren mit derselben Anordnung der Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben, wobei jedoch zusätzlich zum gebundenen Schleifmittel eine alkalische Lösung eingesetzt wird und die Rotationsgeschwindigkeit der Halbleiterscheiben zwischen 5 und 80 Umdrehungen pro Minute liegt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Erfüllung dieser Anforderungen nicht ausreicht, um Halbleiterscheiben mit der erforderlichen Planparallelität der ebenen Flächen zu erhalten. Insbesondere bei einer Anordnung von nur einer großen Halbleiterscheibe pro Läuferscheibe wurde häufig keine ausreichende Ebenheit erzielt. Eine derartige Anordnung lässt sich beispielsweise im Fall von Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 450 mm bei den meisten am Markt erhältlichen Doppelseitenbearbeitungsvorrichtungen nicht vermeiden, da die entsprechenden Läuferscheiben nicht groß genug sind, um mehrere derart große Halbleiterscheiben aufnehmen zu können.
Auch andere Anordnungen von Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben sowie von Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung sind bekannt. Beispielsweise gibt DE10159848A1 an, dass in einer beispielhaft genannten Doppelseiten-Poliervorrichtung mit 1970 mm Durchmesser für den äußeren und 530 mm für den inneren Antriebskranz bis zu fünf Läuferscheiben mit 720 mm Teilkreisdurchmesser der Außenverzahnung eingelegt werden können. In jeder Läuferscheibe finden drei Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm Platz. In der Regel werden die offenbarten Anordnungen jedoch nicht mit der durch die Bearbeitung erzielbaren Planparallelität in Verbindung gebracht.
Aufgabe und Lösung
Es stellte sich somit die Aufgabe, die bekannten Doppelseitenbearbeitungsverfahren mit Planetenkinematik so zu verbessern, dass auch im Fall sehr großer Durchmesser wie beispielsweise 450 mm auf wirtschaftliche Weise besonders planparallele Halbleiterscheiben hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur gleichzeitigen Material abtragenden Bearbeitung beider Seiten mindestens dreier Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben einer Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung, wobei die Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung eine Abwälzvorrichtung aufweist, die wenigstens drei Läuferscheiben in Rotation versetzt und wobei jede der Läuferscheiben genau eine Öffnung aufweist, in die jeweils eine Halbleiterscheibe frei beweglich eingelegt ist, sodass die Halbleiterscheiben auf einer zykloidischen Bahnkurve zwischen den Arbeitsscheiben bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung sowie die Öffnungen in den Läuferscheiben so angeordnet sind, dass die Ungleichung R/e·sin(π/N*) – r/e – 1 ≤ 1,2 erfüllt ist, wobei N* das Verhältnis aus dem Vollwinkel und dem Winkel, unter dem die benachbarten Läuferscheiben mit dem größten Abstand zueinander in die Abwälzvorrichtung eingelegt sind, r den Radius einer Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, e den Radius des Teilkreises um den Mittelpunkt der Läuferscheibe, auf dem die Öffnung angeordnet ist, und R den Radius des Teilkreises bezeichnen, auf dem sich die Läuferscheiben mittels der Abwälzvorrichtung zwischen den Arbeitsscheiben bewegen.
Im Stand der Technik ist kein Zusammenhang zwischen der Anordnung der Halbleiterscheiben in einer Läuferscheibe, der Anordnung der Läuferscheiben auf der Arbeitsscheibe und der erzielbaren Planparallelität der bearbeiteten Halbleiterscheiben bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass unabhängig von der Wahl des Material-Abtragsmechanismus (Schleifen, Läppen, Polieren) und unabhängig von der Wahl des Verfahrens (Läpp-Verfahren, Pellets-Schleifen, PPG-Schleifen, Doppelseitenpolitur) aus der Zahl der möglichen Kombinationen aus der Anordnung der Halbleiterscheiben in der Läuferscheibe und der Anordnung. der Läuferscheiben auf der Arbeitsscheibe nur ein kleiner Auswahlbereich geeignet ist, um auf wirtschaftliche Weise Halbleiterscheiben mit einem hohen Maß an Planparallelität herzustellen, die für besonders anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Halbleiterscheibe in einer Läuferscheibe und Anzahl, Größe und Anordnung der Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung.
2 zeigt ein Vergleichsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung einer Halbleiterscheibe in einer Läuferscheibe und Anzahl, Größe und Anordnung der Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung.
3 zeigt ein weiteres Vergleichsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung einer Halbleiterscheibe in einer Läuferscheibe und Anzahl, Größe und Anordnung der Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung.
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Halbleiterscheibe in einer Läuferscheibe und Anzahl, Größe und Anordnung der Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung
5 zeigt als Vergleichsbeispiel das diametrale Dickenprofil einer Halbleiterscheibe nach Bearbeitung durch ein erstes nicht erfindungsgemäßes Verfahren.
6 zeigt als weiteres Vergleichsbeispiel das diametrale Dickenprofil einer Halbleiterscheibe nach Bearbeitung durch ein zweites nicht erfindungsgemäßes Verfahren.
7 zeigt als Beispiel das diametrale Dickenprofil einer Halbleiterscheibe nach Bearbeitung durch das erfindungsgemäße Verfahren.
8 zeigt eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
9 zeigt die Auftragung der erzielten flächennormierten Ebenheit TTV* gegen den erfindungswesentlichen Parameter x/e der Anordnung von Läuferscheiben und Halbleiterscheiben für verschiedene Vorrichtungen und Bearbeitungsverfahren.
Bezugszeichenliste

1: Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe
2: Teilkreis der Anordnung einer Öffnung in einer Läuferscheibe zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe
3: Mittelpunkt der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung
4: Mittelpunkt einer Läuferscheibe
5: Mittelpunkt einer Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe
6: Einhüllende Kreislinie der Anordnung der Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe um den Mittelpunkt der Läuferscheibe
7: Teilkreis der Außenverzahnung einer Läuferscheibe
8: Teilkreis des Umlaufs der Läuferscheiben-Mittelpunkte um den Mittelpunkt der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung (Planetenbahn)
9: Verbindungsgerade der Mittelpunkte zweier benachbarter Läuferscheiben
10: äußerer Rand der ringförmigen Arbeitsscheibe
11: innerer Rand der ringförmigen Arbeitsscheibe
12: Bereich des Überlaufs der Halbleiterscheibe über den Rand der Arbeitsscheibe
13: Läuferscheibe
14: Teilkreis des inneren Antriebskranzes
15: Balliges Dickenprofil einer Halbleiterscheibe
16: Ballig-unregelmäßiges Dickenprofil einer Halbleiterscheibe
17: Gleichförmiges Dickenprofil einer Halbleiterscheibe
18: Schar von Verfahrenskonfigurationen mit x/e-Parameter und TTV* im erfindungsgemäß bevorzugten Bereich
19: Schar von Verfahrenskonfigurationen mit x/e-Parameter und TTV* außerhalb des bevorzugten, aber noch innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs
20: Teilkreis des äußeren Antriebskranzes
21: Schar von Verfahrenskonfigurationen mit x/e-Parameter und TTV* im nicht erfindungsgemäßen Bereich
30: Arbeitsspalt
31: Obere Arbeitsscheibe
32: Untere Arbeitsscheibe
33: Innerer Antriebskranz
34: Bohrungen zur Zuführung von Betriebsmitteln
35: Äußerer Antriebskranz
36: Halbleiterscheibe
37: Messvorrichtungen für Arbeitsspaltweite
39: Obere Arbeitsschicht
40: Untere Arbeitsschicht
e: Teilkreisradius der Anordnung einer Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe in einer Läuferscheibe (Exzentrizität der Öffnung)
n_a: Drehzahl des äußeren Antriebskranzes
n_i: Drehzahl des inneren Antriebskranzes
n_o: Drehzahl der oberen Arbeitsscheibe
n_u: Drehzahl der unteren Arbeitsscheibe
r*: Radius einer Halbleiterscheibe
r: Radius der kreisförmigen Öffnung in einer Läuferscheibe zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe
N: Anzahl der Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung
N*: Verhältnis des Vollwinkels zu dem Winkel, unter dem die benachbarten Läuferscheiben mit dem größten Abstand zueinander in die Abwälzvorrichtung eingelegt sind
R: Teilkreisradius des Umlaufs der Läuferscheiben-Mittelpunkte um den Mittelpunkt der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung (Planetenbahnradius)
T: Dicke einer Halbleiterscheibe
TTV: Total Thickness Variation (Spannweite der Dickenvariation über die gesamte Halbleiterscheibe, min ... max)
TTV*: flächennormierter, d. h. auf die Fläche einer 300 mm-Halbleiterscheibe bezogener TTV
x: Hälfte des Abstandes der Einhüllenden 6 zweier benachbarter Läuferscheiben

Allgemeine Beschreibung der Doppelseitenbearbeitung mit Planetenkinematik
8 zeigt die wesentlichen Elemente einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung eignet sich zum gleichzeitig beidseitigen Läppen, Schleifen oder Polieren mit Planetenkinematik. Dargestellt ist die Prinzipskizze einer Zweischeiben-Maschine zur Bearbeitung von scheibenförmigen Werkstücken wie Halbleiterscheiben, wie sie beispielsweise in DE10007390A1 offenbart ist, in perspektivischer Ansicht. 1 bis 4 zeigen eine Aufsicht auf die Anordnung der Läuferscheiben 13 sowie der Öffnungen 1 innerhalb der Läuferscheiben 13. Die in der folgenden Beschreibung der Vorrichtung und der Arbeitsweise der Vorrichtung verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf diese fünf Figuren.
Eine derartige Vorrichtung besteht aus einer oberen 31 und einer unteren Arbeitsscheibe 32 und einer aus einem inneren 33 und einem äußeren Antriebskranz 35 gebildeten Abwälzvorrichtung, in die Läuferscheiben 13 eingelegt sind. Die Arbeitsscheiben einer derartigen Vorrichtung sind ringförmig. Die Läuferscheiben besitzen Öffnungen 1, die die Halbleiterscheiben 36 aufnehmen. (Dargestellt sind Läuferscheiben mit jeweils drei Öffnungen. Die Erfindung bezieht sich dagegen auf Läuferscheiben mit nur einer Öffnung.) Bei der Bearbeitung rotieren die Arbeitsscheiben 31 und 32 und die Antriebskränze 33 und 35 mit Drehzahlen n_o, n_u, n_i und n_a konzentrisch um den Mittelpunkt 3 der gesamten Vorrichtung (Vierwege-Antrieb). Dadurch laufen die Läuferscheiben einerseits auf einem Teilkreis 8 um den Mittelpunkt 3 um und vollführen andererseits gleichzeitig eine Eigenrotation um ihre jeweiligen Mittelpunkte 4. Für einen beliebigen Punkt einer Halbleiterscheibe resultiert bezüglich der unteren Arbeitscheibe 32 und der oberen Arbeitsscheibe 31 eine charakteristische Bahnkurve (Kinematik), die als Trochoide bezeichnet wird. Unter einer Trochoide versteht man die Allgemeinheit aller regulären, verkürzten oder verlängerten Epi- oder Hypozykloiden.
Je nach der Art des Bearbeitungsverfahrens (Läppen, Polieren, Schleifen) können die obere 31 und untere Arbeitsscheibe 32 Arbeitsschichten 39, 40 tragen. Im Fall der Politur handelt es sich dabei um Poliertücher, im Fall des Schleifens um Arbeitsschichten, die gebundenes Schleifmittel enthalten. Der zwischen den Arbeitsschichten 39 und 40 gebildete Zwischenraum wird als Arbeitsspalt 30 bezeichnet, in dem sich die Halbleiterscheiben 36 während der Bearbeitung bewegen.
Mindestens eine Arbeitsscheibe, beispielsweise die obere 31, enthält Bohrungen 34, durch die dem Arbeitsspalt 30 Betriebsmittel zugeführt werden können, beispielsweise ein Kühlschmiermittel, ein Poliermittel oder ein Läppmittel. Außerdem können Messeinrichtungen 37 zur Messung der Weite des Arbeitsspalts 30 vorhanden sein.
Beim Läppen wird dem Arbeitsspalt 30 eine Aufschlämmung von losen abrasiv wirkenden Hartstoffen (Läppmittel, Läpp-Slurry) zugegeben und so ein Materialabtrag von der Halbleiterscheibe 36 bewirkt. Die Arbeitsflächen der Arbeitsscheiben 31, 32 enthalten in diesem Fall kein Schleifmittel.
Beim Schleifen dagegen umfassen die Arbeitsscheiben 31, 32 jeweils eine dem Arbeitsspalt 30 zugewandte Arbeitsschicht 39, 40, die fest gebundenes Schleifmittel enthält. Dem Arbeitsspalt 30 wird ein Kühlschmiermittel zugegeben, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält. Die Arbeitsschicht kann aus einem elastischen Schleiftuch bestehen, das fest gebundenes Schleifmittel enthält. In diesem Fall spricht man von einem PPG-Verfahren (engl. „planetary pad grinding”) Das Schleiftuch ist magnetisch, durch Vakuum, mit Klettverschluss oder durch Klebung für die Dauer der Nutzung mit der Arbeitsscheibe verbunden und kann durch eine Schälbewegung nach Gebrauch abgezogen und somit schnell gewechselt werden. Alternativ kann die Arbeitsschicht 39 auch aus einer Vielzahl starrer Schleifkörper (sog. Pellets) bestehen. Die Schleifkörper sind als Zylinder, Hohlzylinder oder gerade Prismen ausgeführt und mit ihren Stirnflächen mit der Oberfläche der Arbeitsscheibe verklebt, verschraubt oder in diese eingelassen. Der Wechsel verschlissener Schleifkörper ist aufwändiger als im Fall der Schleiftücher.
Beim Polieren (Doppelseitenpolitur, DSP) sind die Arbeitsschichten 39, 40 Poliertücher, die keine abrasiv wirkenden Stoffe enthalten. Dem zwischen den Poliertüchern gebildeten Arbeitsspalt 30 wird ein Poliermittel (Polier-Slurry) zugegeben, das abrasiv wirkende Stoffe enthält, bevorzugt ein kolloid-disperses alkalisches Kieselsol. Das Poliertuch ist elastisch und kann, ähnlich wie das Schleiftuch beim PPG-Verfahren, mittels einer Schälbewegung von der Arbeitsscheibe entfernt und somit leicht ausgewechselt werden.
Ausführliche Erfindungsbeschreibung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Erfindung beruht auf einer Vielzahl von Versuchen mit unterschiedlichen Doppelseitenbearbeitungsverfahren (Doppelseiten-Politur, Läppen, Pellets-Schleifen und PPG-Schleifen), und entsprechenden Vorrichtungen mit verschiedenen Anzahlen und Anordnungen der Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben und Anzahlen, Größen und Anordnungen von Läuferscheiben in der jeweiligen Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung. Der Erfindung liegt die dabei gewonnene Erkenntnis zugrunde, dass allen Verfahren offenbar trotz ihrer unterschiedlichen Materialabtrags-Mechanismen (chemisch, erosiv, spanend) und Unterschiede in den verwendeten Vorrichtungen grundlegende kinematische und topologische Bedingungen gemein sind, die erfüllt sein müssen, um auf wirtschaftliche Weise sehr ebene Halbleiterscheiben mit Eignung für besonders anspruchsvolle Anwendungen erzielen zu können. Die angeführten Verfahren gemäß dem Stand der Technik erkennen die Zusammenhänge nicht oder beziehen sich nur auf isolierte Teilaspekte dieser Zusammenhänge, die nicht ausreichen, um die wirtschaftliche Herstellung von Halbleiterscheiben mit besonders ebener Form zu ermöglichen.
Die Erfindung bezieht sich auf das Verhältnis der beiden Parameter x und e (siehe 1): x ist der halbe Abstand der Einhüllenden 6 der in benachbarten Läuferscheiben 13 befindlichen Öffnungen 1 zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe. Dabei ist unter der Einhüllenden 6 der in einer Läuferscheibe 13 angeordneten Öffnung 1 der Kreis innerhalb der Läuferscheibe 13 und um deren Mittelpunkt 4 zu verstehen, der die Fläche umrandet, die die Öffnung 1 bei Rotation der Läuferscheibe 13 um ihren Mittelpunkt 4 überstreicht. Anders ausgedrückt ist die einhüllende Kreislinie 6 diejenige Kreislinie um den Mittelpunkt 4 der Läuferscheibe 13, die die gesamte Fläche der Öffnung 1 gerade noch vollständig umfasst. e ist die Exzentrizität der Öffnung 1 auf der Läuferscheibe 13, d. h. der Radius des Teilkreises 2, auf dem die Öffnung 1 um das Zentrum 4 der jeweiligen Läuferscheibe 13 angeordnet ist.
Der Erfindung liegt insbesondere die Beobachtung zugrunde, dass das Verhältnis x/e aus einem eng begrenzten Bereich gewählt werden muss, um besonders ebene Halbleiterscheiben zu erhalten und gleichzeitig das Verfahren besonders wirtschaftlich durchführen zu können.
Jeder mit den beschriebenen doppelseitigen Gruppenbearbeitungsverfahren mit umlaufenden Läuferscheiben vertraute Fachmann wird versuchen, die Verfahren möglichst wirtschaftlich durchzuführen, d. h. er wird dafür sorgen, dass die Gesamtfläche der in einer Maschinenladung gleichzeitig bearbeiteten Halbleiterscheiben einen möglichst großen Anteil der auf den ringförmigen Arbeitsscheiben für die Bearbeitung zur Verfügung stehenden Fläche einnimmt.
Die wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist nun, dass die Halbleiterscheiben dabei nicht beliebig angeordnet sein dürfen, sondern die Anordnung der Öffnung 1 innerhalb einer Läuferscheibe 13 und die Abstände zwischen den Einhüllenden 6 der benachbarten Läuferscheiben 13 so gewählt sein müssen, dass das Verhältnis x/e kleiner oder gleich 1,2 ist.
Bei gleichmäßigen Abständen zwischen jeweils benachbarten Läuferscheiben 13 und identischen Anordnungen der Öffnung 1 auf allen Läuferscheiben 13 kann das Verhältnis x/e folgendermaßen berechnet werden: x/e = R/e·sin(π/N) – r/e – 1
Dabei bezeichnet R den Radius des Teilkreises 8, auf dem die Läuferscheibenmittelpunkte 4 mittels der aus innerem 33 und äußerem Antriebskranz 35 (siehe 8) gebildeten Abwälzvorrichtung zwischen den ringförmigen Arbeitsscheiben 31, 32 um den Mittelpunkt 3 der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung umlaufen (Planetenbewegung); N bezeichnet die Anzahl der in die Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung eingelegten Läuferscheiben 13; r gibt den Radius einer Öffnung 1 in der Läuferscheibe 13 zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe an; und e ist der Radius des Teilkreises 2 um das Zentrum 4 der Läuferscheibe 13, auf dem der Mittelpunkt 5 der Öffnung 1 liegt. Erfindungsgemäß umfasst jede Läuferscheibe genau eine Öffnung 1 zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe.
Ebenso können die Läuferscheiben 13 mit unterschiedlichen Abständen 2x der Einhüllenden 6 benachbarter Läuferscheiben 13 auf dem Teilkreis 8 angeordnet sein. In diesem Fall ist der maximale Abstand 2x, den die Einhüllenden benachbarter Läuferscheiben zueinander aufweisen, erfindungswesentlich, wie er sich gemäß Berechnung aus x/e = R/e·sin(π/N*) – r/e – 1 ergibt. N* bezeichnet in diesem Fall das Verhältnis aus dem Vollwinkel (2π rad) und dem Winkel, unter dem die benachbarten Läuferscheiben mit dem größten Abstand zueinander in die Abwälzvorrichtung eingelegt sind. π/N* bezeichnet also in diesem Fall die Hälfte des Winkels, unter dem die beiden benachbarten Läuferscheiben 13 mit dem größten Abstand. zueinander in die Abwälzvorrichtung eingelegt sind. N* ist im Allgemeinen nicht ganzzahlig, da bei derart ungleichmäßiger Verteilung der Läuferscheiben mit unterschiedlichen Abständen zueinander der Winkel zwischen benachbarten Läuferscheiben mit dem größten Abstand zueinander im Allgemeinen kein Teiler des Vollwinkels ist. Im Fall einer gleichmäßigen Verteilung der Läuferscheiben mit identischen Abständen aller benachbarten Läuferscheiben gilt N* = N.
Bevorzugt erfolgt die Anordnung der Läuferscheiben 13 in der aus Innen- und Außenstiftkranz gebildeten Abwälzvorrichtung so, dass die Einhüllenden 6 benachbarter Läuferscheiben 13 jeweils möglichst gleiche Abstände zueinander aufweisen. Dies ist jedoch aus mathematischen Gründen (Planetengetriebe-Gleichungen) nur dann genau erfüllbar, wenn die Gesamtzahl der Stifte auf Außen- und Innenstiftkranz ohne Rest durch die Anzahl der eingelegten Läuferscheiben teilbar ist. Dies ist konstruktiv nicht für alle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Doppelseitenbearbeitungsvorrichtungen erfüllt oder wenn, dann meist nur für eine bestimmte Zahl an eingelegten Läuferscheiben. Die bevorzugte Anordnung mit möglichst gleichen Abständen der Einhüllenden 6 benachbarter Läuferscheiben 13 ist hier als diejenige definiert, bei der die Summe der Beträge der Abweichungen der Abstände benachbarter Einhüllender 6 vom mittleren Abstand benachbarter Einhüllender 6 aller Läuferscheiben 13 minimal wird.
Weiterhin kann die Öffnung 1 innerhalb der verschiedenen Läuferscheiben 13 einer Belegung unterschiedlich angeordnet sein. In diesem Fall ist der Mittelwert aller Exzentrizitäten e_i der Läuferscheiben LS₁, LS₂, ..., LS_N, i = 1, 2, ..., N erfindungswesentlich. Bevorzugt wird jedoch, dass alle Läuferscheiben 13 dieselbe Anordnung der Öffnung 1 aufweisen, d. h. dass alle Läuferscheiben 13 einer Belegung gleich sind.
Die in Anspruch 1 wiedergegebene Ungleichung umfasst alle diskutierten Sonderfälle und wird daher zur Definition der Erfindung verwendet.
In der Praxis lässt sich eine Anordnung der Öffnung in der Läuferscheibe und der mindestens drei Läuferscheiben auf der ringförmigen Arbeitsscheibe und in der. aus Innen- und Außenstiftkranz und der Außenverzahnung der Läuferscheibe gebildeten Abwälzvorrichtung stets leicht so finden, dass die in Anspruch 1 wiedergegebene Ungleichung erfüllt ist:
Erfindungsgemäß soll x/e ≤ 1,2 sein. Daher kann man, ausgehend von einer gegebenen Anordnung, bei der sich beispielsweise nach Messung der Parameter x/e anfänglich als zu groß erweist, zunächst weitere Läuferscheiben des gleichen Typs in die Abwälzvorrichtung einlegen und zwar bevorzugt so viele, wie darin bei möglichst geringem Abstand voneinander noch Platz haben und besonders bevorzugt so, dass sie möglichst gleichen Abstand zueinander besitzen. Durch diese Maßnahme wird der bestimmende Abstand 2x zwischen den Einhüllenden der Öffnungsanordnung benachbarter Läuferscheiben minimiert und somit x/e reduziert. Reicht dies noch nicht, können die anfänglich verwendeten Läuferscheiben gegen solche ausgetauscht werden, bei denen die Öffnung in jeder Läuferscheibe näher am Fußkreis der Außenverzahnung der Läuferscheibe liegt. Dadurch wird die maßgebliche Exzentrizität e der Anordnung der Öffnung in der Läuferscheibe erhöht und x/e somit reduziert. Bevorzugt verwendet man auch eine Kombination beider Maßnahmen.
Als besonders geeignet zur Herstellung von Halbleiterscheiben mit besonders gleichförmiger Dicke erwiesen sich Anordnungen, bei denen der erfindungswesentliche Parameter x/e kleiner oder gleich 0,55 ist. Es zeigte sich nämlich, dass die mit einer gegebenen Anordnung erzielbare Ebenheit der Halbleiterscheibe – beispielsweise beschrieben durch die globale Ebenheit über die gesamte Halbleiterscheibe (TTV, Total Thickness Variation; Differenz zwischen maximaler und minimaler Dicke einer Halbleiterscheibe) – und die Dickenschwankungen innerhalb einer Fahrt tendenziell geringer werden, wenn besonders kleine Werte für x/e realisiert sind. Der besonders bevorzugte Grenzwert von x/e ≤ 0,55 ergibt sich dabei wie folgt:
Einem Läppen, PPG- oder Pellets-Schleifen folgt bei der Herstellung von Halbleiterscheiben in der Regel ein chemo-mechanisches Polieren nach, bevorzugt eine simultane Doppelseitenpolitur (DSP). Beim Polieren können nur sehr geringe Materialabtragsraten erzielt werden. Das Polieren ist daher zeitaufwändig und teuer, und man ist bestrebt, mit einem möglichst geringen Materialabtrag auszukommen. Jedoch ist erfahrungsgemäß auch ein Mindestabtrag beim DSP erforderlich, der sich aus einer Mindestlaufzeit ergibt, die Vorrichtung und Prozess benötigen, um in ein thermisches Gleichgewicht zu gelangen. Nur so sind von Fahrt zu Fahrt gleichbleibende und steuerbare Ergebnisse möglich. Die Politur ist meist der letzte maßgeblich formgebende Bearbeitungsschritt bei der Herstellung von Halbleiterscheiben und muss deshalb besonders hohe Anforderungen an die erhaltene Ebenheit und Dickenkonstanz der so bearbeiteten Halbleiterscheiben erfüllen. Ein DSP-Mindestabtrag mit guten und konstanten Ergebnissen liegt erfahrungsgemäß bei etwa 10 μm. Voraussetzung zur Durchführung eines stabilen DSP-Prozesses ist eine bereits sehr gute Ebenheit der Halbleiterscheiben vor der Politur und eine sehr enge Verteilung der Eingangsdicke aller Halbleiterscheiben einer Maschinenbeladung. In der Praxis hat sich gezeigt, dass der DSP-Abtrag mindestens etwa zehnmal so hoch sein muss wie die gesamte Schwankungsbandbreite der Eingangsdicken der Halbleiterscheiben einer DSP-Beladung, also größte Dicke der dicksten minus geringste Dicke der dünnsten Halbleiterscheibe, damit die erzielte Ebenheit und Dickenhomogenität nach der DSP-Fahrt nur noch von den Eigenschaften des durchgeführten DSP-Prozesses und nicht von den Vorprodukteigenschaften bestimmt sind. Bei ±1 μm Verteilung der Eingangsdicken um den Mittelwert einer Beladung sind also etwa 20 μm DSP-Mindestabtrag erforderlich. Dies ist ein Erfahrungswert; der tatsächlich erforderliche Abtragswert hängt vom Typ des Poliertuchs, dem Druck und der Kinematik und den Eigenschaften des zugeführten Poliermittels ab.
Schließlich sind 20–30 μm auch ein maximal sinnvoller DSP-Abtrag, nicht nur aus den angegebenen wirtschaftlichen Gründen. Bei höherem Materialabtrag mit DSP, also längerer Polierdauer und folglich längerer Einwirkzeit des Poliermittels gehen unvermeidlich im Poliermittel enthaltene Spurenmetalle auf die Halbleiterscheiben über und kontaminieren diese. Es gibt also insgesamt einen gerade noch akzeptablen Grenzwert für die Ebenheit und Dickenschwankung, um die Gesamtbearbeitung der Halbleiterscheiben in hoher Qualität und Prozessausbeute und wirtschaftlich durchführen zu können. Dieser Grenzwert liegt für PPG- oder Pellets-geschliffene Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm bei etwa TTV = 1 μm. Für größere Halbleiterscheiben darf der noch akzeptable TTV-Wert um das Verhältnis der Fläche dieser Halbleiterscheiben zu der einer 300 mm-Halbleiterscheibe größer sein, für kleinere Halbleiterscheiben muss er entsprechend diesem Flächenverhältnis darunter liegen. Es zeigte sich, dass dafür Werte von x/e ≤ 1,2 und, besonders bevorzugt, x/e ≤ 0,55 besonders geeignet sind. Der flächennormierte, d. h. auf die Fläche einer 300-mm-Halbleiterscheibe bezogene TTV-Wert wird hier als TTV* bezeichnet.
Die Läuferscheiben sind mit einer Außenverzahnung versehen, die in den inneren und den äußeren Antriebskranz der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung eingreift. Da die Zähne oder Stifte der Antriebskränze eine ausreichende Steifigkeit uns somit Stärke besitzen müssen, um die Kräfte zur Bewegung der Läuferscheibe übertragen zu können, besitzt auch die korrespondierende Außenverzahnung der Läuferscheibe eine entsprechende minimal zulässige Zahnprofiltiefe. Die Öffnung in der Läuferscheibe zur Aufnahme der Halbleiterscheibe kann auch nicht beliebig nah am Fußkreis der Außenverzahnung angeordnet werden, ohne die mechanische Stabilität der Läuferscheibe zu beeinträchtigen. Daher kann x nicht beliebig klein werden kann. In der Praxis ist ein Wert von x/e von weniger als 0,05 kaum zu erreichen. Besonders bevorzugt wird also ein Parameter x/e mit 0,05 ≤ x/e ≤ 0,55.
Läppen und Doppelseitenpolieren sind Verfahren, die einen Materialabtrag von der Halbleiterscheibe mittels einer Drei-Körper-Wechselwirkung – (1) Läppteller, (2) Läppmittel, (3) Halbleiterscheibe beim Läppen und (1) Poliertuch, (2) Poliermittel, (3) Halbleiterscheibe beim Doppelseitenpolieren bewirken. Um einen Materialabtrag zu erzielen, muss das Läpp- bzw. Poliermittel aus dem Arbeitsspalt, dem es zugeführt wird, stets über die Ränder der Halbleiterscheibe transportiert und möglichst gleichmäßig über die Fläche der Halbleiterscheibe, also der Wechselwirkungszone zwischen Halbleiterscheibe und Läppscheibe beim Läppen bzw. zwischen Halbleiterscheibe und Poliertuch beim Doppelseitenpolieren, verteilt werden, um einen gleichförmigen Materialabtrag zu erzielen. Dazu müssen die Halbleiterscheiben möglichst gleichmäßig und nach Maßgabe der Beziehung der ihre Anordnung beschreibenden Parameter gemäß Anspruch 1 (und bevorzugt gemäß Anspruch 2) über den zur Bearbeitung zur Verfügung stehenden ringförmigen Bereich der Arbeitsscheiben verteilt sein.
Beim Läppen, PPG und Pellets-Schleifen unterliegt die Arbeitsfläche einem Verschleiß. Wenn die von den Halbleiterscheiben während der Bearbeitung überstrichene Fläche innerhalb der Fläche der ringförmigen Arbeitsfläche liegt, bildet sich daher im Laufe der Zeit in radialer Richtung ein wannenförmiges Dickenprofil der Arbeitsschicht (PPG, Pellets-Schleifen) bzw. der Arbeitsscheibe (Läppen) aus, und die damit bearbeiteten Halbleiterscheiben erhalten zunehmend eine unerwünscht ballige Form. Um dem entgegenzuwirken, ordnet man die Halbleiterscheiben so in den Läuferscheiben an, dass sie während der Eigendrehung der Läuferscheiben zeitweilig teilflächig über den inneren und äußeren Rand der ringförmigen Arbeitsfläche hinauslaufen. Aufgrund der Rotation der Arbeitsscheiben und des Umlaufs der Läuferscheiben um den Mittelpunkt der Vorrichtung überstreicht dabei dieser sogenannte „Werkstück-Überlauf” 12 (1, 3 und 4) bei geeigneter Drehzahlwahl den gesamten Rand der Arbeitsfläche, so dass sich diese gleichförmiger abnutzt. Dafür ist eine exzentrische Anordnung der Öffnung zur Aufnahme der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe erforderlich oder eine Arbeitsfläche mit einer Ringbreite kleiner als der Durchmesser der Halbleiterscheibe.
Beim DSP ist ein Werkstücküberlauf nicht erforderlich, weil das Poliertuch keinem Verschleiß unterliegt, der dessen Form maßgeblich verändern würde.
Ein ständiger Werkstücküberlauf mittels einer konzentrisch in der Läuferscheibe angeordneten Halbleiterscheibe über den Rand einer Arbeitsfläche mit einer Ringbreite kleiner als der Durchmesser der Halbleiterscheibe erwies sich allein jedoch als unzureichend. Es ist zusätzlich eine exzentrische Halbleiterscheiben-Anordnung in der Läuferscheibe erforderlich, um gute Ebenheiten und Dickenhomogenitäten zu erzielen.
Dies erwies sich aus folgenden Gründen als plausibel: Beim Läppen und beim DSP unterstützt offenbar die exzentrische „Pumpbewegung” der Halbleiterscheibe den Transport von Läpp- bzw. Poliermittel vom Rand zum Zentrum der Halbleiterscheibe und ermöglicht so einen gleichförmigen Materialabtrag. (Eine exzentrisch in der Läuferscheibe angeordnete Halbleiterscheibe vollführt unter der von der Abwälzvorrichtung angetriebenen Eigendrehung der Läuferscheibe eine Kreiselbewegung ähnlich dem Laufrad einer Kreiselpumpe und gibt so kinetische Energie an das umgebende Fluid-Polier-, Läpp- oder Kühlschmiermittel – ab, so dass ein Transport des Fluids bewirkt wird.) Beim PPG oder Pellets-Schleifen führt diese Pumpbewegung entsprechend zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Kühlschmiermittels über Halbleiter- und Arbeitsschicht-Oberfläche und wirkt so einer Erwärmung und Verformung des Arbeitsspalts entgegen. Ferner verbrauchen oder verdrängen mit unzureichender Exzentrizität in der Läuferscheibe angeordnete Halbleiterscheiben beim Umlauf der Läuferscheibe um das Zentrum der Vorrichtung im Arbeitsspalt das Läpp- oder Poliermittel bzw. das Kühlschmiermittel für die auf nahezu derselben Bahnkurve umlaufenden Halbleiterscheiben der nachfolgenden Läuferscheiben. Dies führt zu ungleichen Bearbeitungsergebnissen der Halbleiterscheiben verschiedener Läuferscheiben derselben Bearbeitungsfahrt.
Aufgrund der Eigenarten der Planetengetriebe-Kinematik (zykloidische Bahnkurven) erfolgt diese Verarmung im Arbeitsspalt anisotrop, da das Polier- oder Läppmittel bzw. das Kühlschmiermittel nur punktuell über einzelne Zuführungen 34 in der oberen Arbeitsscheibe 31 zugeführt wird (8) und infolge einer mangelnden Exzentrizität der Halbleitscheibenanordnung in den Läuferscheiben nicht ausreichend homogen im Arbeitsspalt verteilt wird.
Außerdem wird durch eine unzureichende Exzentrizität die vorteilhafte freie Bewegung der Halbleiterscheibe in der Aufnahmeöffnung der Läuferscheibe unterdrückt. Aus Symmetriegründen halten sich bei konzentrischer Anordnung der Halbleiterscheibe nämlich die während der Bewegung im Arbeitsspalt auf die Halbleiterscheibe einwirkenden Kräfte die Waage, so dass kein resultierendes Drehmoment auf die Halbleiterscheibe wirkt, das eine Eigendrehung in der Aufnahmeöffnung antreibt. (Die Bahnkurve eines beliebigen Punkts einer konzentrisch in der Läuferscheibe angeordneten Halbleiterscheibe ist stets ein geschlossener Kreis.) Ein Mangel an Eigendrehung der Halbleiterscheiben in ihren Aufnahmeöffnungen führt zu nicht rotationssymmetrischen Dickenprofilen, also „keiligen” Halbleiterscheiben.
Ist eine derart nicht erfindungsgemäße Anordnung zusätzlich auch noch so ausgeführt, dass weite Zwischenräume zwischen den Halbleiterscheiben bzw. den Einhüllenden ihrer Anordnung in benachbarten Läuferscheiben entstehen, wird die so betriebene Bearbeitung darüber hinaus auch noch besonders unwirtschaftlich, da über die breiten Zwischenräume teures Polier- bzw. Läppmittel ungenutzt aus dem Arbeitsspalt abfließt und die zur Verfügung stehende Arbeitsoberfläche unzureichend mit Halbleiterscheiben belegt ist (kleine Beladungsgrößen einer Bearbeitungsfahrt; geringer Durchsatz). Zwar kann Polier- bzw. Läppmittel teilweise wiederverwendet werden und in einem Gleichgewicht aus teilweise verworfenem gebrauchten Polier-/Läppmittel und anteilig zudosiertem neuen Polier-/Läppmittel mehrfach durch den Arbeitsspalt geführt werden und dieser Vorgang dem Anteil des ungenutzten Läpp-/Poliermittels in gewissen Grenzen angepasst werden; jedoch ist dies stets mit erheblichen Verlusten durch Auskristallisieren (Poliermittel) bzw. Verklumpen (Läppmittel) und großem Aufwand an Filterung und Abtrennung von Läpp- bzw. Polierschlamm und nur unter Inkaufnahme einer schlechteren Oberflächenqualität der so bearbeiteten Halbleiterscheiben möglich.
Zusätzlich erwärmen sich der Läppteller und vor allen Dingen das Poliertuch in. Bereichen mit verarmtem Läpp- bzw. Poliermittel stärker als in Bereichen mit einem Überschuss an Läpp- oder Poliermittel, da in ersteren die Kühlwirkung frisch zugeführten Läpp-/Poliermittels fehlt. Insbesondere das Poliertuch beim Polieren, das aus geschäumtem Kunststoff oder verwobenen oder gefilzten Kunststofffasern besteht und daher Wärme sehr schlecht leitet, erwärmt sich besonders schnell. Dadurch dehnt es sich lokal aus. Bei nicht erfindungsgemäßer Anordnung erfolgt die Ausdehnung ungleichmäßig über die Arbeitsoberfläche der Arbeitsscheibe, und es resultiert aufgrund der über die Bahnkurve einer Halbleiterscheibe ungleichmäßigen Druckverhältnisse ein ungleichmäßiger Materialabtrag. Beim Polieren verläuft der Materialumsatz zusätzlich wegen der chemischen Komponente des Poliermechanismus auch noch temperaturabhängig. Lokal schwankende Temperaturen eines ungleichmäßig von Halbleiterscheiben überstrichenen Poliertuchs führen daher zu besonders ungleichförmigem Materialabtrag und zudem zu stark schwankenden Oberflächendefekten (Anätzungen, erhöhte Grundrauhigkeit („Polierschleier”, „Haze”).
Beim Schleifen mittels Tuch oder Pellets erfolgt der Materialabtrag hingegen über eine Zwei-Körper-Wechselwirkung – (1) im Schleifbelag (Tuch oder Pellets) gebundenes Schleifkorn, (2) Halbleiterscheibe. Das Problem eines gleichförmigen Massentransports wie beim Läppen oder Doppelseitenpolieren entfällt hier, weil das Schleifkorn fest in die Arbeitsschicht eingebunden ist und mittels der vorteilhaften Planetenkinematik gleichmäßig an jede zu bearbeitende Oberflächenstelle der Halbleiterscheibe geführt wird. Beim Schleifen mit gebundenem Korn dominieren daher andere Prozesse, die bestimmen, ob eine einer Halbleiterscheibe mit gleichförmiger oder mit ungleichförmiger Dicke erzielt wird.
Anders als beim Polieren oder Läppen, bei denen der Materialabtrag langsam und mit geringen Zeitspanvolumina mittels einer Wälzbewegung des losen Polier- bzw. Läppkorns in der Kontaktzone zwischen Läppteller bzw. Poliertuch und Halbleiterscheibe erfolgt, erfolgt der Materialabtrag beim Schleifen mit gebundenem Korn aufgrund der direkten Kraftübertragung der Kornbewegung aufgrund der Relativbewegung von Arbeitsschicht und Halbleiterscheibe mit vergleichsweise wesentlich höheren Zeitspanvolumina als beim Polieren oder Läppen.
Beim Polieren werden, bezogen auf die Dickenabnahme aller Halbleiterscheiben einer Maschinenbeladung, typische Abtragsraten von 0,5–1 μm/min erreicht, beim Läppen, je nach Läppkornmaterial und -größe, typischerweise 3–5 μm/min und beim Schleifen 20–40 μm/min. Beim Schleifen fällt daher besonders viel Schleifschlamm je Zeiteinheit an, und zwar gleichmäßig über die gesamte Fläche der Halbleiterscheibe. Dieser muss abgeführt werden, damit das Schleiftuch nicht verstopft, eine gleichmäßige Schnittfreudigkeit beibehält und damit lokale Überhitzungen durch unterschiedliche Gleitreibungen infolge aufgestauten Schleifschlamms vermieden werden. Hier begünstigt offenbar eine ausreichend große Exzentrizität der Halbleiterscheiben-Anordnung in der Läuferscheibe mit der damit verbundenen Kreisel- oder Pumpbewegung eine schnelle Abfuhr des entstehenden Schleifschlamms. Außerdem gewährleistet die Kreiselbewegung eine gleichmäßige Zufuhr von Kühlschmiermittel und unterstützt damit eine ausreichende und gleichförmige Kühlung der gesamten Oberfläche der Halbleiterscheiben.
Insbesondere beim Schleifen (Zweikörper-Wechselwirkung), sinngemäß jedoch auch beim Läppen oder Polieren, kann die Halbleiterscheibe an Stellen mit aufgestautem Kühlschmiermittel (bzw. Läpp- oder Poliermittel) „aufschwimmen” und so aus dem Material abtragenden Eingriff mit der Arbeitsschicht gelangen. Es resultiert ein über die Bahnkurve ungleichmäßiger Materialabtrag mit verschlechterten Ebenheiten und Dickenschwankungen der Halbleiterscheiben. Durch Vergrößern des Abstands benachbarter Läuferscheiben und somit der Halbleiterscheiben, beispielsweise durch Herausnehmen einer oder mehrerer Läuferscheiben aus der Bearbeitungsvorrichtung und Verteilung der verbliebenen Läuferscheiben möglichst gleichmäßig über den so gewonnenen Platz, wird das Problem lokal gestauten Betriebsmittels oder unzureichend abgeführten Schleif-, Läpp- oder Polierschlamms nicht gelöst, da über die großen Zwischenräume nur einfach Betriebsmedium ungenutzt ablaufen würde, ohne in. Kontakt mit der Halbleiterscheibe gelangt zu sein. Dies verstärkt eher noch eine ungleichmäßige Temperatur des Arbeitsspalts. Außerdem ist so eine Vorgehensweise unwirtschaftlich (weniger Halbleiterscheiben je Maschinenbeladung; Verschwendung von Betriebsmedium).
Eine exzentrische Anordnung der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe führt beim Abwälzen der Läuferscheibe (Eigendrehung und Umlauf um den Vorrichtungsmittelpunkt) zu Wechseln der Lasten nach Betrag und Richtung, mit denen die Halbleiterscheibe während der Bewegung entlang ihrer Bahnkurve an die Wand der Aufnahmeöffnung gedrückt wird, und der Verteilung der Reibkräfte auf ihre Fläche. Dadurch wird eine Eigendrehung der Halbleiterscheibe innerhalb der Aufnahmeöffnung in der Läuferscheibe, in der sie ja nur lose einliegt, angetrieben. Diese Eigendrehung der Halbleiterscheibe liefert einen zusätzlichen dritten Freiheitsgrad zu dem nur zwei Freiheitsgrade besitzenden reinen Planetenumlauf der Läuferscheiben um das Vorrichtungszentrum. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad der Werkstückbewegung führt zu einer besonders isotropen Bearbeitung der Halbleiterscheibe mit besonders guten Ebenheiten und guter Dickenhomogenität aller Halbleiterscheiben einer Fahrtbelegung. Eine fehlende Exzentrizität unterdrückt die Eigendrehung der Halbleiterscheiben in den Läuferscheiben und führt zu rotationsunsymmetrischen Halbleiterscheiben, beispielsweise in Form einer Keiligkeit ihres Dickenprofils.
Die Lage der oberen Arbeitsscheibe relativ zur unteren Arbeitsscheibe ist durch drei Punkte vollständig bestimmt. (Drei Punkte bestimmen die Lage einer Ebene vollständig.) Bei drei Läuferscheiben mit je einer Halbleiterscheibe mit genau konzentrischer Anordnung in der Läuferscheibe wäre die Lage der oberen zur unteren Arbeitsscheibe und damit der Arbeitsspalt zwischen den Arbeitsscheiben gerade genau bestimmt. Eine anfängliche, beispielsweise durch Halbleiterscheiben mit unterschiedlicher Eingangsdicke hervorgerufene Schieflage der oberen Arbeitsscheibe relativ zur unteren, würde dadurch während der Bearbeitung als ungedämpfte Taumelbewegung der oberen relativ zur unteren Arbeitsscheibe zu keiligen, dickenungleichen Halbleiterscheiben führen.
Wenn die Halbleiterscheiben jedoch aufgrund einer exzentrischen Anordnung innerhalb der Läuferscheibe zusätzlich eine Exzenterbewegung vollführen, verschieben sich entsprechend während der Bearbeitung fortwährend die die Lage der oberen Arbeitsscheibe bestimmenden Auflagepunkte auf den Halbleiterscheiben, und eine Taumelbewegung kommt nicht mehr zustande oder wäre stark gedämpft, so dass sich Form und Dicke der Halbleiterscheiben einer Fahrtbeladung schnell angleichen und gute Ebenheit und Dickenkonstanz über alle Halbleiterscheiben einer Fahrt erzielt werden. So können bei ausreichend exzentrischer Anordnung der Halbleiterscheiben sogar bei nur insgesamt drei Halbleiterscheiben in insgesamt drei Läuferscheiben – der minimal möglichen Beladung einer Bearbeitungsfahrt – eine gute Ebenheit und Dickenhomogenität erzielt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, zusätzlich die Zahl der Halbleiterscheiben zu erhöhen, d. h. möglichst viele Läuferscheiben mit entsprechend einander möglichst nahe kommenden Halbleiterscheiben benachbarter Läuferscheiben (kleine Abstände 2x) zu wählen. Dadurch wird die Lage der oberen Arbeitsscheibe relativ zur unteren geometrisch überbestimmt (mehr als drei Auflagepunkte), und es resultieren besonders ebene und dickengleichförmige Halbleiterscheiben. (Halbleiterscheiben mit Form- oder Dickenabweichungen können sich nicht mehr durch den bereits durch drei Punkte festgelegten Arbeitsspalt bewegen, ohne zwangsläufig auf eine planparallele Form hin Material abtragend bearbeitet zu werden.)
Gute Bearbeitungsergebnisse werden also nur für bestimmte Verhältnisse der Abstände 2x und Exzentrizitäten e innerhalb des bevorzugten Bereichs x/e ≤ 1,2 erhalten, und dies gilt unabhängig vom im Einzeln zugrunde liegenden Wirkmechanismus des Materialabtrags für alle Doppelseitenbearbeitungsverfahren mit Planetenkinematik, bei denen jede Läuferscheibe eine Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe aufweist. Dies ist insbesondere bei großen Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von mehr als 300 mm der Fall. Die Halbleiterscheiben können insbesondere einen Durchmesser von 400 mm oder mehr aufweisen. Bei Siliciumscheiben wird zukünftig ein Durchmesser von 450 mm praktische Bedeutung erlangen.
Die simultan beide Seiten einer Gruppe von Halbleiterscheiben gleichzeitig bearbeitenden Verfahren werden voraussichtlich auch für noch größere Halbleiterscheiben vorteilhaft sein. Die Anwendbarkeit ist nur durch maschinenbauliche Einschränkungen begrenzt, beispielsweise wenn der erforderliche Arbeitsscheibendurchmesser deutlich mehr als 2,5 m betragen müsste, um noch mindestens drei Läuferscheiben von ausreichender Größe zur Aufnahme je einer Halbleiterscheibe darauf anordnen zu können. Für sehr große Halbleiterscheiben werden insbesondere Anordnungen mit nur genau einer Halbleiterscheibe je Läuferscheibe an Bedeutung gewinnen. (Eine angenommene Minimalkonfiguration für eine Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung mit drei Läuferscheiben mit je drei Halbleiterscheiben von 450 mm hätte beispielsweise einen Durchmesser von mindestens 2355 mm. Eine kinematisch bevorzugte Auslegung für fünf Läuferscheiben mit je drei Halbleiterscheiben 450 mm käme beispielsweise auf einen Durchmesser von mindestens 2955 mm. Passende Läuferscheiben wären nicht mehr stabil genug, um die 225% größeren Reibkräfte gegenüber einer Belegung mit drei Halbleiterscheiben mit 300 mm Durchmesser zerstörungsfrei aufbringen zu können.) Vorrichtungen mit Läuferscheiben mit nur je einer Halbleiterscheibe sind hingegen sicherlich bis zu 600 mm Halbleiterscheibendurchmesser verwendbar und praktikabel.
Beispiele und Vergleichsbeispiele
Beispiel 1
Der erfindungsgemäße Zusammenhang wird zunächst anhand von 1 näher verdeutlicht. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Im gezeigten Beispiel sind fünf (N = 5) Läuferscheiben 13 bezüglich ihrer jeweiligen Mittelpunkte 4 auf einem Teilkreis 8 mit Radius R um den Mittelpunkt 3 der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung auf den ringförmigen Arbeitsscheiben angeordnet. In jeder Läuferscheibe 13 ist genau eine Halbleiterscheibe mit Durchmesser 450 mm in eine Aufnahmeöffnung 1 mit Radius r eingelegt.
Der Mittelpunkt 5 der Öffnung 1 ist dabei auf einem Teilkreis 2 mit Radius e um den Mittelpunkt 4 der Läuferscheibe angeordnet. Der Radius r der Öffnung 1 ist dabei etwas größer als der Radius r* der Halbleiterscheibe, so dass die Halbleiterscheibe frei beweglich bleibt und sich innerhalb der Öffnung 1 frei drehen oder mit ihrem Umfang an der Wandung der Öffnung 1 abwälzen kann. Die genaue Lage der Halbleiterscheibe innerhalb der Öffnung 1 und ihre Bewegung während der Bearbeitung ist aufgrund der losen Einlage unbekannt. In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist die genaue Lage der Halbleiterscheibe in der Öffnung während der Bearbeitung jedoch unwesentlich; die Halbleiterscheibe ist daher in 1 aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt.
Durch Rotation der Läuferscheibe 13 um ihren Mittelpunkt 4 überstreicht die Öffnung 1 eine Fläche, die von der konzentrisch zu Mittelpunkt 4 angeordneten kreisförmigen Einhüllenden 6 umrandet wird. Die Einhüllende 6 liegt dabei per Konstruktionszwang stets vollständig innerhalb des Teilkreises 7 der Außenverzahnung einer jeden Läuferscheibe 13, mit der sich die Läuferscheibe in der aus Innen- und Außenstiftkranz gebildeten Abwälzvorrichtung abwälzt und so auf einer Planetenbahn um das Zentrum 3 der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung umläuft. Erfindungsgemäß umfasst jede Läuferscheibe 13 nur jeweils genau eine Öffnung 1. Die Einhüllenden 6 benachbarter Läuferscheiben 13 weisen einen Abstand 2x voneinander auf.
Für das in 1 gezeigte Beispiel wurde eine Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung vom Typ „AC-2000” der Firma Peter Wolters GmbH (Rendsburg, Deutschland) verwendet und auf dieser eine Bearbeitung nach dem PPG-Verfahren durchgeführt. Die Vorrichtung weist einen Teilkreisdurchmesser 20 des Außenstiftkranzes von 1970 mm und eine Teilkreisdurchmesser 14 des Innenstiftkranzes von 530 mm auf. Die Läuferscheiben haben folglich einen Teilkreisdurchmesser 7 ihrer Außenverzahnung von 720 mm, und der Radius des Teilkreises 8, auf dem die Mittelpunkte 4 der Läuferscheiben 13 lieben, betrug folglich R = 625 mm. Die Läuferscheiben 13 wurden nun erfindungsgemäß so ausgelegt, dass der Mittelpunkt 5 einer Öffnung 1 mit Radius r = 225,5 mm zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe 13 mit Radius r* = 225 mm (0 450 mm) um einen Betrag e = 111,5 mm gegenüber dem Mittelpunkt 4 der Läuferscheibe exzentrisch angeordnet war. Die Halbleiterscheibe besaß somit 0,5 mm Radial- bzw. 1 mm Diametralspiel innerhalb der Öffnung. Die Größe der ringförmigen Arbeitsschicht 40 wurde so zugeschnitten, dass bei der gewählten Exzentrizität die Öffnungen 1 mit den Halbleiterscheiben zeitweilig teilflächig um bis zu 10 mm über deren Innen- (11) und Außenrand 10 hinausliefen (Überlauf 12).
Die Exzentrizität e der Öffnung in der Läuferscheibe war so groß wie möglich gewählt worden, nämlich so, dass gerade noch ausreichend Material (gehärteter Stahl) verblieb, damit die Läuferscheibe in diesem Bereich, der regelmäßig in den „Überlauf” eintritt und somit vertikal nicht durch die Arbeitsschichten geführt und gestützt wird, nicht wegknicken konnte. Mit R = 625 mm, N = 5, r = 225,5 mm und e = 111,5 mm ergibt sich x = 30,366 mm und x/e = 0,272. x/e liegt somit im besonders bevorzugten Bereich 0,05 ≤ x/e ≤ 0,55.
Das PPG-Schleiftuch des in 1 gezeigten Beispiels enthielt Diamant als Abrasiv, mit einer Korngröße zwischen 2 und 6 μm (5%- und 95%-Wert der kumulativen Korngrößen-Konzentration). Durch Relativbewegung von Arbeitsscheiben und Halbleiterscheiben unter Druck und Zugabe von Wasser bewirkte das Abrasiv einen spanenden Materialabtrag mit geometrisch unbestimmten Schneiden.
Die für das in 1 gezeigte Beispiel verwendete Vorrichtung besaß eine Vorrichtung zur gezielten Verformung der oberen Arbeitsscheibe so, dass der Arbeitsspalt zwischen den Arbeitsschichten, in dem die Halbleiterscheiben während der Bearbeitung bewegt werden, unter mechanischer (Druckaufbau) und thermischer Wechsellast (Spanarbeit, Reibarbeit, Antriebsverluste) parallel gehalten werden konnte. Die Verformung der oberen Arbeitsscheibe geschah in einem geschlossenen Regelkreis mit Hilfe zweier in der oberen Arbeitsscheibe angeordneter Sensoren, die berührungslos fortwährend während der Bearbeitung den Abstand zwischen den beiden Oberflächen der Arbeitsscheiben messen (Bezugszeichen 37 in der schematischen Vorrichtungsdarstellung 8).
7 zeigt das diametrale Dickenprofil T(r*) in Mikrometer (μm) einer gemäß Beispiel 1 bearbeiteten Halbleiterscheibe. Das Dickenprofil wurde mit einem kapazitiven Messverfahren ermittelt, bei dem zwei einander gegenüberstehende Messsonden acht Radien (alle 45°) über Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheibe abfahren. Die Messsonde, die ihr zugewandte Oberfläche der Halbleiterscheibe und das dazwischen liegende Luftscheibchen bilden jeweils einen Kondensator. Durch Vermessen der Kapazität wird die Dicke des jeweiligen Luftscheibchens (Dielektrikum) bestimmt. Diese liefert ein direktes Maß für den Höhenverlauf der jeweiligen Seite der Halbleiterscheibe, da die Messsonden auf einem gemeinsamen Bügel, der die Halbleiterscheibe umgreift, in starrem Abstand zueinander befestigt sind. Die Differenz dieser Höhenwerte liefert nach Eichung des Messsondenabstands mittels Messung einer Halbleiterscheibe bekannter Dicke dann die absolute Dicke der Halbleiterscheibe.
Die Messvorrichtung vermisst acht Radien, jeweils im Abstand von 45°, und setzt daraus Dickenprofile von vier Durchmessern zusammen. 7 zeigt den aus diesen vier Durchmesser-Messungen errechneten mittleren Dickenverlauf (Dickenprofil). 7 zeigt, dass die Dicke einer mit der in 1 dargestellten Anordnung bearbeiteten Halbleiterscheibe überaus gleichförmig ist (Kurve 17). Die „kantige” Struktur des so erhaltenen Dickenprofils spiegelt die Messgenauigkeit des verwendeten 450 mm-Prototyp-Messgeräts wieder. Die Ebenheit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Halbleiterscheibe kommt nahe an diese Auflösungsgrenze heran.
Vergleichsbeispiel 1
2 zeigt als Vergleichsbeispiel eine nicht erfindungsgemäße Anordnung. Es wurde dieselbe Vorrichtung wie in Beispiel 1 (1) verwendet. Schleiftuch und Kühlschmiermitteltyp und -fluss (Wasser) waren identisch. Der Druck der oberen auf die untere Arbeitsscheibe wurde proportional zur Anzahl der Halbleiterscheiben in einer Beladung verringert, um eine gleiche Materialabtragsrate zu erzielen (vergleichbare mechanische und thermische Wechsellasten während der Bearbeitung). Der Abstand des Arbeitsspalts wurde wie in Beispiel 1 beschrieben mit einer Mess- und Verstellvorrichtung während der Bearbeitung fortwährend konstant gehalten, um eine bestmögliche Ebenheit und geringst mögliche Schwankung der mittleren Einzeldicken einer jeden Halbleiterscheibe um den Mittelwert der Dicken aller Halbleiterscheiben einer Bearbeitungsfahrt zu erzielen.
Der einzige Unterschied bestand darin, dass in Vergleichsbeispiel 1 nur drei statt wie in Beispiel 1 fünf Läuferscheiben (der maximal möglichen Anzahl) eingelegt wurden, und zwar unter gleichen Abständen 2x der Einhüllenden 8 benachbarter Läuferscheiben 13, also jeweils im Winkel von 120° zueinander.
Die die Anordnung bestimmenden Kennzahlen R = 625 mm, r = 225,5 mm (Halbleiterscheibe mit r* = 225 mm, also 450 mm Durchmesser) und e = 111,5 mm blieben in Vergleichsbeispiel 1 gegenüber Beispiel 1 unverändert; jedoch ist nun N = 3 (im Gegensatz zu N = 5 aus Beispiel 1). Es ergibt sich mit x = 204,266 mm erwartungsgemäß ein sehr großer halber Abstand zwischen den Einhüllenden 6 der Anordnung der Öffnung 1 zur Aufnahme der Halbleiterscheibe zwischen benachbarten Läuferscheiben. Mit x/e = 1,832 liegt der erfindungsgemäß maßgebliche Parameter im nicht erfindungsgemäßen Bereich.
Eine Anordnung mit derart großen Abständen liefert von Bearbeitungsfahrt zu Bearbeitungsfahrt höchst unterschiedliche Halbleiterscheiben, so zum Beispiel eine mit einem Dickenprofil wie in 6 gezeigt. (Das Dickenprofil wurde mit der im Zusammenhang mit 7 erläuterten Messmethode und auf gleiche Weise ermittelt.) 6 zeigt ein Dickenprofil einer Halbleiterscheibe mit ballig unregelmäßiger Form. Aufgrund der exzentrischen Lage der Halbleiterscheiben in der Läuferscheibe entstand offenbar zwar noch eine ausreichende Eigenrotation der Halbleiterscheibe in der Aufnahmeöffnung, so dass das Dickenprofil nicht asymmetrisch keilig ist, sondern noch eine leichte Rotationssymmetrie aufweist. (Der Bereich größter Dicke liegt im Zentrum der Halbleiterscheibe.). Die Mittelung des Messverfahrens über die für verschiedene Azimutalwinkel aufgenommenen Messspuren führt jedoch dazu, dass das erhaltene eindimensionale Dickenprofil stets weitgehend rotationssymmetrisch aussieht, obwohl es der tatsächliche zweidimensionale Dickenverlauf über die gesamte der Halbleiterscheibe nicht ist.
Beispiel 1 (1) und Vergleichsbeispiel 1 (2) belegen, dass eine exzentrische Anordnung der Halbleiterscheibe in der Läuferscheibe, die für 1 und 2 identisch ist, allein nicht hinreichend für den Erhalt guter Bearbeitungsergebnisse ist.
Vergleichsbeispiel 2
3 zeigt ein weiteres Vergleichsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung mit vollkommen konzentrisch in den Läuferscheiben angeordneter Öffnung 1. Gezeigt ist die Anordnung von insgesamt sechs (N = 6) 450 mm-Halbleiterscheiben (r* = 225 mm) in insgesamt sechs Läuferscheiben mit einem Teilkreisdurchmesser ihrer Außenverzahnung von 482,85 mm. Das Beispiel wurde mit einer Bearbeitungsvorrichtung vom Typ AC1500P3 der Fa. Peter Wolters GmbH mit einem Teilkreis 8 für den Umlauf der Läuferscheibenmittelpunkte um den Vorrichtungsmittelpunkt 3 mit R = 507,75 mm erzielt. Die Bearbeitung wurde als PPG durchgeführt mit gleichen Arbeitsschichten und Kühlschmiermittel (Wasser) wie in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1. Aufgrund der geringen Größe der Läuferscheiben ist eine Anordnung einer 450 mm-Halbleiterscheibe nur nahezu vollkommen konzentrisch möglich. Wie in den anderen gezeigten Beispielen und Vergleichsbeispielen und wie im Stand der Technik üblich sind die Öffnungen in der Läuferscheibe zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe mit einem Kunststoff ausgekleidet („Rähmchen”, engl.: „insert”). Dieser verhindert einen direkten Kontakt der Halbleiterscheibe mit dem Material der Läuferscheibe und beugt so Schäden der Halbleiterscheibe durch direkten Kontakt mit dem harten Stahl des Läuferscheibenmaterials und einer Kontamination mit durch Spurenmetalle (Fe, Ni, Cu) vor. Die Auskleidung wird mittels eines Spritzgussverfahrens eingebracht. Wegen der elastischen Verformung des Stahlkörpers aufgrund der hohen Drücke beim Spritzgießen und durch Schrumpfung des eingebrachten Kunststoffes beim Abkühlen weist die Auskleidung in der Regel eine geringe Rundheitsabweichung und Exzentrizität auf. Im in 2 gezeigten Fall lag diese etwa bei e = 0,5 mm.
Es ergibt sich ein Abstand 2x zwischen den Einhüllenden 6 der Anordnung der Öffnung 1 zur Aufnahme der Halbleiterscheibe mit x = 28,363 mm, und x/e = 427 liegt im nicht erfindungsgemäßen Bereich.
Obwohl der Abstand zwischen den Einhüllenden im Vergleichsbeispiel 2 sogar noch geringer ist als im erfindungsgemäßen Beispiel 1, erhält man Halbleiterscheiben mit sehr schlechten Bearbeitungsergebnissen für Ebenheit und Dickenschwankung. Eine aus wirtschaftlichen Gründen naheliegende möglichst dichte Belegung der verfügbaren Arbeitsfläche mit Halbleiterscheiben ist also allein ebenfalls nicht hinreichend, um gute Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.
Die im Einzelnen in den ausgeführten Beispielen und Vergleichsbeispielen erhaltenen Ebenheiten und die dabei verwendeten Verfahren, Vorrichtungen und Parameter der Anordnung der Halbleiterscheiben sind in Tab. 1 zusammengefasst. Tab. 1 zeigt den Parameter x/e, die erzielte Ebenheit (TTV) sowie die Kennzahlen der verwendeten Vorrichtung für mit PPG, Läppen und DSP erfindungsgemäß und nicht erfindungsgemäß bearbeitete Halbleiterscheiben. Tab. 1 zeigt außerdem die erzielten Ebenheiten für eine Vielzahl weiterer dabei verwendeter Anordnungen, Vorrichtungen und Verfahren, die hier nicht weiter im Einzelnen erläutert werden.
Beispiel 2
Beispiel 2 schließlich stellt dem Vergleichsbeispiel 2 eine erfindungsgemäße Anordnung auf derselben Bearbeitungsvorrichtung gegenüber (N = 6, R = 507,75). Die Anordnung ist in 4 dargestellt. Wieder wurde die Abwälzvorrichtung mit sechs Läuferscheiben maximal dicht belegt. Um im erfindungsgemäßen Beispiel 2 (4) im Gegensatz zu Vergleichsbeispiel 2 (3) eine exzentrische Anordnung der Halbleiterscheiben in den kleinen Läuferscheiben zu erreichen, wurden kleinere Halbleiterscheiben verwendet (r* = 150 mm, also Halbleiterscheiben mit 300 mm Durchmesser) und in Öffnungen 1 mit r = 150,5 mm eingelegt. Die Exzentrizität e der Öffnungen 1 wurde dabei so gewählt (e = 72,5 mm), dass die Einhüllenden 6 benachbarter Läuferscheiben in beiden Fällen nahezu gleiche Abstände 2x aufwiesen (x = 30,875 in Beispiel 2 und x = 28,363 in Vergleichsbeispiel 2). Für Beispiel 2 ergibt sich x/e = 0,426 im bevorzugten Bereich.
Die gemäß Beispiel 2 in gleicher Weise wie im Vergleichsbeispiel 2 PPG-bearbeiteten Halbleiterscheiben lieferten die in Tabelle 1 zusammengefassten Ergebnisse (TTV = 0,9 μm).
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2 zeigen somit, dass eine dichte Belegung (kleine Abstände 2x der Einhüllenden 6 der Anordnung der Öffnung 1 benachbarter Läuferscheiben 13) notwendig, jedoch allein nicht hinreichend ist, um gute Bearbeitungsergebnisse zu erzielen. (Bei zu großem Abstand 2x wie in Vergleichsbeispiel 1 lässt sich mit keiner Wahl der Exzentrizität e ein gutes Bearbeitungsergebnis erzielen.)
Weitere Beispiele und Vergleichsbeispiele
Tab. 1 enthält auch mit durch Läppbearbeitung erzielte Beispiele und Vergleichsbeispiele. Für erfindungsgemäß mittels Läppen bearbeitete Halbleiterscheiben erhält man ebene und dickenhomogene Halbleiterscheiben mit sehr ebenen Dickenprofilen, die dem in 7 gezeigten Beispiel 1 einer mit PPG bearbeiteten Halbleiterscheibe ähneln. Im Fall eines nicht erfindungsgemäß durchgeführten Läppverfahrens (x/e > 1,2) erhält man Halbleiterscheiben mit einem Dickenprofil, wie es beispielsweise 5 zeigt. Ähnlich wie bei nicht erfindungsgemäß mittels PPG bearbeiteten Halbleiterscheiben (6) zeigt 5 eine Halbleiterscheibe mit balligem Dickenprofil. Wieder befindet sich die dickste Stelle im Zentrum der Halbleiterscheibe, jedoch weist die ballige Form einer nicht erfindungsgemäß geläppten Halbleiterscheibe eine gleichförmigere und ausgeprägt rotationssymmetrische Abnahme der Dicke 15 vom Zentrum zum Rand der Halbleiterscheibe auf.
Die in Tab. 1 zusammengefassten Ergebnisse sind in 9 grafisch dargestellt. Die gefüllten Kreise (·) beziehen sich auf das PPG-Verfahren, die ungefüllten Kreise (o) auf das Läppverfahren und die ungefüllten Quadrate (☐) auf das DSP-Verfahren. Um den TTV für die verschiedenen mit erfindungsgemäßem und nicht erfindungsgemäßem Parameter x/e durchgeführten Beispiele und Vergleichsbeispiele für die verschiedenen dazu verwendeten Halbleiterscheibendurchmesser vergleichen zu können, wurde der tatsächlich jeweils über die gesamte Halbleiterscheiben-Oberfläche ermittelte TTV-Wert auf den sich rechnerisch für eine Halbleiterscheibe mit 300 mm Durchmesser und gleicher Ebenheit ergebenden Wert umgerechnet. Der TTV-Wert einer 450 mm-Halbleiterscheibe wurde so durch 2,25 geteilt, um einen Vergleichswert TTV* = TTV/2,25 zu erhalten, der der 2,25-mal so großen Messfläche der 450 mm-Halbleiterscheibe im Gegensatz zu der einer 300 mm-Halbleiterscheibe Rechnung trägt.
9 zeigt, dass der erfindungsgemäße Bereich für x/e durch TTV* ≤ 1 μm vom nicht erfindungsgemäßen Bereich für x/e mit TTV* > 1 deutlich getrennt ist. Dabei werden für DSP und PPG Parameter x/e mit TTV* < 1 μm besonders bevorzugt. Für durch Läppen bearbeitete Halbleiterscheiben darf der besonders bevorzugte TTV*-Wert etwas größer als 1 μm sein (18). Läppen erzeugt eine Oberfläche mit aufgrund des spröd-erosiven Materialabtragsmechanismus' wesentlich tieferer Schädigung oberflächennaher Schichten der Halbleiterscheibe (Sub-Surface Damage), deren Entfernen einen zusätzlichen zwischen Läppen und Politur eingefügten Materialabtragsschritt, beispielsweise ein Ätzen oder ein Feinschleifen mit einer sequentiell beide Seiten Material abtragend bearbeitenden Einseiten-Feinschleif-Vorrichtung, erforderlich macht oder eine Politur mit erhöhtem Materialabtrag. Aufgrund dieser für geläppte Halbleiterscheiben daher ohnehin erforderlichen zusätzlichen Bearbeitung sind etwas schlechtere relative Ebenheiten TTV* daher noch akzeptabel. Tab. 1
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0298396 A1 [0006, 0006]
US 2009/0298397 A1 [0006, 0006]
DE 10159848 A1 [0007]
DE 10007390 A1 [0020]

Claims

Verfahren zur gleichzeitigen Material abtragenden Bearbeitung beider Seiten mindestens dreier Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden ringförmigen Arbeitsscheiben einer Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung, wobei die Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung eine Abwälzvorrichtung aufweist, die wenigstens drei Läuferscheiben in Rotation versetzt und wobei jede der Läuferscheiben genau eine Öffnung aufweist, in die jeweils eine Halbleiterscheibe frei beweglich eingelegt ist, sodass die Halbleiterscheiben auf einer zykloidischen Bahnkurve zwischen den Arbeitsscheiben bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung sowie die Öffnungen in den Läuferscheiben so angeordnet sind, dass die Ungleichung R/e·sin(π/N*) – r/e – 1 ≤ 1,2 erfüllt ist, wobei N* das Verhältnis aus dem Vollwinkel und dem Winkel, unter dem die benachbarten Läuferscheiben mit dem größten Abstand zueinander in die Abwälzvorrichtung eingelegt sind, r den Radius einer Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe, e den Radius des Teilkreises um den Mittelpunkt der Läuferscheibe, auf dem die Öffnung angeordnet ist, und R den Radius des Teilkreises bezeichnen, auf dem sich die Läuferscheiben mittels der Abwälzvorrichtung zwischen den Arbeitsscheiben bewegen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Läuferscheiben in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung sowie die Öffnungen in den Läuferscheiben so angeordnet sind, dass die Ungleichung 0,05 ≤ R/e·sin(π/N*) – r/e – 1 ≤ 0,55 erfüllt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Halbleiterscheiben einen Durchmesser von 400 mm oder mehr ausweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Öffnungen aller Läuferscheiben dieselbe Größe aufweisen und in derselben Weise auf den Läuferscheiben angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf jeder Läuferscheibe eine einhüllende Kreislinie um den Mittelpunkt der Läuferscheibe definiert ist, die die Öffnung zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe gerade vollständig umfasst, und wobei die Läuferscheiben so in der Abwälzvorrichtung angeordnet sind, dass die Summe der Beträge der Abweichungen der Abstände der einhüllenden Kreislinien benachbarter Läuferscheiben vom mittleren Abstand benachbarter einhüllender Kreislinien minimal ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Abstände der einhüllenden Kreislinien aller benachbarten Läuferscheiben gleich sind.