DE102011003006A1

DE102011003006A1 - Verfahren zur Bereitstellung jeweils einer ebenen Arbeitsschicht auf jeden der zwei Arbeitsscheiben einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011003006A1
Application number: DE102011003006A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pietsch Georg
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-01-22
Also published as: US20120189777A1; US8795776B2; CN102601725B; SG182914A1; TW201231218A; CN102601725A; DE102011003006B4; KR101355760B1; KR20120085213A; JP5514843B2; MY156292A; JP2012156505A; TWI457200B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung jeweils einer ebenen Arbeitsschicht (32, 39) auf jeder der zwei Arbeitsscheiben (13, 26) einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung, die eine ringförmige obere Arbeitsscheibe (13), eine ringförmige untere Arbeitsscheibe (26) und eine Abwälzvorrichtung (20, 21) umfasst, wobei die beiden Arbeitsscheiben (13, 26) sowie die Abwälzvorrichtung (20, 21) um die Symmetrieachse (28) der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung rotierbar gelagert sind und wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: (a) Aufbringen einer unteren Zwischenschicht (29) auf der Oberfläche der unteren Arbeitsscheibe (26) und einer oberen Zwischenschicht (16) auf der Oberfläche der oberen Arbeitsscheibe (13); (b) gleichzeitiges Ebnen beider Zwischenschichten (16, 29) mittels mindestens dreier Abrichtvorrichtungen, jeweils umfassend eine Abrichtscheibe (34), mindestens einen einen Abrasivstoff enthaltenden Abrichtkörper (35, 36) und eine Außenverzahnung (37), wobei die Abrichtvorrichtungen mittels der Abwälzvorrichtung (20, 21) und der Außenverzahnung (37) unter Druck und Zugabe eines Kühlschmiermittels, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält, auf Zykloidenbahnen über die Zwischenschichten (16, 29) bewegt werden und so einen Materialabtrag von den Zwischenschichten (16, 29) bewirken; und (c) Aufbringen einer unteren Arbeitsschicht (32) gleichförmiger Dicke auf die untere Zwischenschicht (29) und einer oberen Arbeitsschicht (39) gleichförmiger Dicke auf die obere Zwischenschicht (16).

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung jeweils einer ebenen Arbeitsschicht auf jeder der zwei Arbeitsscheiben einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung, die eine ringförmige obere Arbeitsscheibe, eine ringförmige untere Arbeitsscheibe und eine Abwälzvorrichtung umfasst, wobei die beiden Arbeitsscheiben sowie die Abwälzvorrichtung um die Symmetrieachse der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung rotierbar gelagert sind.
Stand der Technik
Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien Halbleiterscheiben mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einseiten-bezogene 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.

Vorteilhaft sind bei der Herstellung von Halbleiterscheiben für besonders anspruchsvolle Anwendungen dabei Abläufe, die mindestens ein Bearbeitungsverfahren umfassen, bei denen beide Seiten der Halbleiterscheiben gleichzeitig in einem Bearbeitungsschritt mittels zweier Arbeitsflächen Material abtragend bearbeitet werden und zwar so, dass sich die vorder- und rückseitig während des Materialabtrags auf die Halbleiterscheibe wirkenden Bearbeitungskräfte im Wesentlichen ausgleichen und keine Zwangskräfte durch eine Führungsvorrichtung auf die Halbleiterscheibe ausgeübt werden, die Halbleiterscheibe also „frei schwimmend” bearbeitet wird.
Im Stand der Technik werden dabei Abläufe bevorzugt, bei denen beide Seiten mindestens dreier Halbleiterscheiben gleichzeitig zwischen zwei ringförmigen Arbeitsscheiben Material abtragend bearbeitet werden, wobei die Halbleiterscheiben lose in Aufnahmeöffnungen mindestens dreier außen verzahnter Führungskäfige (Läuferscheiben) eingelegt sind, die mittels einer Abwälzvorrichtung und der Außenverzahnung unter Druck auf Zykloidenbahnen durch den zwischen den Arbeitsscheiben gebildeten Arbeitsspalt geführt werden, so dass sie dabei den Mittelpunkt der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung vollständig umlaufen können. Derart vollflächig beide Seiten einer Mehrzahl von Halbleiterscheiben simultan Material abtragend bearbeitende Verfahren mit umlaufenden Läuferscheiben sind das Doppelseiten-Läppen („Läppen”), Doppelseiten-Polieren (DSP) und das Doppelseiten-Schleifen mit Planetenkinematik („Planetary Pad Grinding”, PPG). Von diesen besitzen insbesondere das DSP und das PPG besondere Bedeutung. Im Unterschied zum Läppen umfassen die Arbeitsscheiben beim DSP und beim PPG zusätzlich jeweils eine Arbeitsschicht, deren einander zugewandte Seiten die Arbeitsflächen darstellen. PPG und DSP sind im Stand der Technik bekannt und werden im Folgenden kurz beschrieben.
Das „Planetary Pad Grinding” (PPG) ist ein Verfahren aus der Gruppe der mechanischen Bearbeitungsschritte, das einen Materialabtrag mittels eines Schleifens bewirkt. Es ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2007 013 058 A1 und eine dafür geeignete Vorrichtung beispielsweise in DE19937784A1 . Beim PPG umfasst jede Arbeitsscheibe eine Arbeitsschicht, die gebundenes Schleifmittel enthält. Die Arbeitsschichten liegen in Form strukturierter Schleiftücher vor, die klebend, magnetisch, formschlüssig (beispielsweise Klettverschluss) oder mittels Vakuum auf den Arbeitsscheiben befestigt sind. Die Arbeitsschichten weisen eine ausreichende Haftung auf der Arbeitsscheibe auf, um sich während der Bearbeitung nicht zu verschieben, zu verformen (Bildung einer Wulst) oder abzulösen. Sie sind jedoch mittels einer Schälbewegung leicht von den Arbeitsscheiben entfernbar und somit schnell auswechselbar, so dass ohne lange Rüstzeiten schnell zwischen verschiedenen Schleiftuch-Typen für unterschiedliche Anwendungen gewechselt werden kann. Geeignete Arbeitsschichten in Form rückseitig selbstklebend ausgestatteter Schleiftücher sind beispielsweise beschrieben in US5958794 . Das in den Schleiftüchern verwendete Schleifmittel (Abrasiv) ist bevorzugt Diamant.
Das Doppelseiten-Polieren (DSP) ist ein Verfahren aus der Gruppe der chemo-mechanischen Bearbeitungsschritte. Eine DSP-Bearbeitung von Siliciumscheiben ist beispielsweise beschrieben in US2003/054650A und eine dafür geeignete Vorrichtung in DE10007390A1 . In dieser Beschreibung soll unter „chemo-mechanischer Politur” ausschließlich verstanden werden ein Materialabtrag mittels einer Mischeinwirkung, umfassend ein chemisches Ätzen mittels einer Lauge und ein mechanisches Erodieren mittels im wässrigen Medium dispergierten losen Korns, welches durch ein Poliertuch, das keine in Kontakt mit der Halbleiterscheibe gelangenden Hartstoffe enthält, in Kontakt mit der Halbleiterscheibe gebracht wird und so unter Druck und Relativbewegung einen Materialabtrag von der Halbleiterscheibe bewirkt. Beim DSP liegen die Arbeitsschichten in Form von Poliertüchern vor, und diese sind klebend, magnetisch, formschlüssig (beispielsweise Klettverschluss) oder mittels Vakuum auf den Arbeitsscheiben befestigt. Die Lauge weist beim chemo-mechanischen Polieren bevorzugt einen pH-Wert zwischen 9 und 12 auf, und das darin dispergierte Korn ist bevorzugt ein kolloid-disperses Kieselsol mit Korngrößen der Solteilchen zwischen 5 nm und einigen Mikrometern.
Dem PPG und dem DSP ist gemein, dass die Ebenheit und Parallelität der Arbeitsflächen unmittelbar die erzielbare Ebenheit und Parallelität der durch sie bearbeiteten Halbleiterscheibe bestimmen. Für PPG ist dies in DE 10 2007 013 058 A1 beschrieben. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen gelten besonders strenge Anforderungen an die Planparallelität der Halbleiterscheibe und somit an die Planparallelität der Arbeitsflächen.
Die Ebenheit der Arbeitsfläche wird zunächst maßgeblich durch die Ebenheit der Arbeitsscheibe, die die Arbeitsschicht trägt, bestimmt. Es sind folgende Verfahren bekannt, um die Arbeitsscheiben von Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtungen möglichst eben zu machen:
Bekannt ist beispielsweise ein Abdrehen des Arbeitsscheiben-Rohkörpers mittels Spanabnahme durch einen Drehstahl. Bevorzugt erfolgt das Plandrehen nach Montage der Arbeitsscheibe in der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung, da die nachträgliche Montage die Arbeitsscheibe wieder verspannen oder verformen kann. Alternativ kann die Arbeitsscheibe auch vor der Montage auf einer entsprechend größeren Bearbeitungsvorrichtung beispielsweise durch Läppen auf Planarität hin bearbeitet werden und muss dann besonders verspannungsarm montiert werden. Allen bekannten Maßnahmen ist jedoch gemein, dass sie die Ebenheit der Arbeitsscheibe zwar verbessern können, aber nicht in dem Maße, wie es für die Herstellung von Halbleiterscheiben für besonders anspruchsvolle Anwendungen erforderlich wäre.
Die Parallelität der Arbeitsflächen zueinander wird ebenfalls zunächst maßgeblich durch die Parallelität der Arbeitsscheiben, die jeweils eine Arbeitsschicht tragen, bestimmt. Es sind folgende Verfahren bekannt, um die Arbeitsscheiben von Doppelseiten-Bearbeitungsverfahren möglichst parallel zueinander zu machen:
Zunächst wird eine Arbeitsscheibe, bevorzugt die untere, die in der Regel starr in der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung gelagert ist, durch Abdrehen nach Einbau oder durch Läppen auf einer separaten Bearbeitungsvorrichtung vor Einbau in die Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung möglichst eben gemacht. Dann wird die andere Arbeitsscheibe, bevorzugt die obere, die in der Regel kardanisch gelagert ist und sich dadurch zumindest im globalen Mittel stets parallel zur unteren Arbeitsscheibe ausrichten kann, in die Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung eingebaut und gegen die untere Arbeitsscheibe eingeläppt. Auch ist ein vorhergehendes Plandrehen der oberen Arbeitsscheibe in einer separaten Bearbeitungsvorrichtung denkbar; jedoch müssen in jedem Fall abschließend beide Arbeitsscheiben nach Einbau in die Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung gegeneinander geläppt werden, um die Bearbeitungsspuren vom Abdrehen oder die Absätze vom wegen des großen Spanvolumens notwendigen mehrfachen Wechsel oder Nachschärfen des Drehstahls zu entfernen.
Da die Arbeitsscheiben abschließend stets geläppt werden müssen, weisen sie am Ende des Ebnungsvorgangs ein balliges Profil auf und ihre einander zugewandten Oberflächen verlaufen daher nur unzureichend parallel zueinander.
Im Stand der Technik sind Möglichkeiten bekannt, eine einmal eingestellte möglichst gute Planparallelität der Arbeitsflächen auch unter einer thermischen und mechanischen Wechselbelastung aufrecht zu erhalten. Eine besonders steife Arbeitsscheibe mit guter Kühlung ist beispielsweise beschrieben in DE10007390A1 . Möglichkeiten zur aktiven Einstellung der Arbeitsscheibenform sind beispielsweise DE 10 2004 040 429 A1 oder DE 10 2006 037 490 A1 offenbart. Diese Verfahren zur gezielten Verformung der Arbeitsscheiben während der Bearbeitung sind jedoch ungeeignet, eine anfänglich unebene Arbeitsscheibe in einem Maße eben zu machen, dass die Arbeitsfläche einer auf der Arbeitsscheibe aufgebrachten Arbeitsschicht die für die Herstellung von Halbleiterscheiben für besonders anspruchsvolle Anwendungen erforderliche Ebenheit und Parallelität beider Arbeitsflächen zueinander aufweist.
Schließlich werden die Ebenheit der Arbeitsflächen und die Parallelität beider Arbeitsflächen zueinander durch das Dickenprofil der auf die Arbeitsscheiben aufgebrachten Arbeitsschichten bestimmt. Die Arbeitsschicht kann, wenn sie in hohem Maße dickenkonstant und elastisch ist, günstigstenfalls die Form der Arbeitsscheibe nachbilden.
Im Stand der Technik sind schließlich Verfahren bekannt, um die Arbeitsschicht abzurichten. Unter einem Abrichten versteht man die gezielte Materialabnahme von einem Werkzeug. Man unterscheidet ein formgebendes Abrichten (engl. „truing”) und ein die Oberflächeneigenschaften des Werkzeugs veränderndes Abrichten (engl. „dressing”, „conditioning”, „seasoning”). Beim formgebenden Abrichten wird mithilfe geeigneter Abrichtvorrichtungen Material vom Werkzeug so abgetragen, dass eine gewünschte Zielform der in Kontakt mit den Werkstücken gelangenden Elemente des Werkzeugs entsteht. Im Gegensatz dazu wird beim nur die Oberflächeneigenschaften des Werkzeugs verändernden Abrichten so wenig Material abgetragen, dass die gewünschte Eigenschaftsänderung, beispielsweise ein Anrauen, Säubern oder Nachschärfen, gerade erreicht wird, dabei jedoch eine maßgebliche Formänderung des Werkzeugs vermieden wird.
Im Fall von DSP kann jedoch ein formgebendes Abrichten der Arbeitsschichten (Poliertücher) nicht durchgeführt werden, da die Nutzschicht eines Poliertuchs extrem dünn ist. Die Nutzschicht ist deshalb so dünn, weil das Poliertuch bei seiner Nutzung praktisch keinem Material abtragenden Verschleiß unterliegt. Da beim DSP kein formgebendes Abrichten durchgeführt werden kann, kann eine aus einer unebenen Arbeitsscheibe resultierende Unebenheit der Arbeitsfläche nicht korrigiert werden.
Beim PPG gelangt die Arbeitsschicht (Schleiftuch) mittels der in ihr gebundenen Schleifmittel in Eingriff mit der Halbleiterscheibe und bewirkt unter Druck und Relativbewegung den Materialabtrag. Das Schleiftuch unterliegt daher einem Verschleiß. Da das PPG-Schleiftuch einem Verschleiß unterliegt, weist dessen Nutzschicht in der Regel eine erhebliche Stärke auf (mindestens einige Zehntel Millimeter), so dass ein wirtschaftlicher Einsatz ohne häufige Produktionsunterbrechungen durch Schleiftuchwechsel möglich ist und seine Ebenheit durch wiederholtes Abrichten wiederhergestellt werden kann. Im Stand der Technik wird unmittelbar nach Aufbringen eines neuen Schleiftuchs ein Abrichten durchgeführt, um Schleifkorn an der Arbeitsfläche freizulegen (Initialschärfung). Ein Verfahren zur Initialschärfung ist beispielsweise beschrieben in T. Fletcher et al., Optifab, Rochester, New York, May 2, 2005.
Sowohl das Initialschärfen allein als auch das regelmäßige Abrichten zum Wiederherstellen der Form der Arbeitsfläche ist mit so geringen Materialabträgen von der Arbeitsschicht verbunden, dass dies die mögliche Lebensdauer des Schleiftuchs nicht wesentlich verkürzt.
Prinzipiell ist es beim PPG im Gegensatz zur DSP möglich, die Arbeitsschicht so durch ein erheblich verlängertes formgebendes Abrichten abzurichten, dass auch auf einer unebenen Arbeitsscheibe, wie sie im Stand der Technik nicht besser herstellbar ist, eine ebene Arbeitsfläche erzielt wird. Dabei muss jedoch ein erheblicher Teil der anfänglichen Nutzschichthöhe an Material vom Schleiftuch abgetragen werden, beispielsweise mehr als ein Drittel. Dies macht das beschriebene Verfahren aber unwirtschaftlich (hoher Verbrauch teuren Schleiftuchs, hoher Verbrauch der Abrichtsteine, langwieriger Abrichtvorgang mit langem Anlagenstillstand).
Aufgabe
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also darin, die Ebenheit und Planparallelität der Arbeitsschichten einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung für DSP oder PPG weiter zu verbessern, ohne einen erheblichen Materialabtrag durch ein formgebendes Abrichten der Arbeitsschicht zu erfordern.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bereitstellung jeweils einer ebenen Arbeitsschicht auf jeder der zwei Arbeitsscheiben einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung, die eine ringförmige obere Arbeitsscheibe, eine ringförmige untere Arbeitsscheibe und eine Abwälzvorrichtung umfasst, wobei die beiden Arbeitsscheiben sowie die Abwälzvorrichtung um die Symmetrieachse der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung rotierbar gelagert sind und wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:

(a) Aufbringen einer unteren Zwischenschicht auf der Oberfläche der unteren Arbeitsscheibe und einer oberen Zwischenschicht auf der Oberfläche der oberen Arbeitsscheibe;
(b) gleichzeitiges Ebnen beider Zwischenschichten mittels mindestens dreier Abrichtvorrichtungen, jeweils umfassend eine Abrichtscheibe, mindestens einen einen Abrasivstoff enthaltenden Abrichtkörper und eine Außenverzahnung, wobei die Abrichtvorrichtungen mittels der Abwälzvorrichtung und der Außenverzahnung unter Druck und Zugabe eines Kühlschmiermittels, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält, auf Zykloidenbahnen über die Zwischenschichten bewegt werden und so einen Materialabtrag von den Zwischenschichten bewirken; und
(c) Aufbringen einer unteren Arbeitsschicht gleichförmiger Dicke auf die untere Zwischenschicht und einer oberen Arbeitsschicht gleichförmiger Dicke auf die obere Zwischenschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, hoch ebene Arbeitsflächen bereitzustellen, ohne dass ein formgebendes Abrichten erforderlich wäre. Damit ist das Verfahren auch im Fall von DSP anwendbar, wo ein formgebendes Abrichten der Arbeitsschicht aufgrund deren geringer Dicke nicht möglich ist. Im Fall von PPG kann eine mit einem formgebenden Abrichten verbundene erhebliche Reduzierung der Dicke und damit der möglichen Lebensdauer der Arbeitsschicht vermieden werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1: Radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsscheiben.
2: Radialer Verlauf der Form der unteren Arbeitsscheibe.
3: Radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsflächen nach Präparation durch ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren.
4: Radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsflächen nach Präparation durch das erfindungsgemäße Verfahren.
5: Schematische Darstellung der wesentlichen Elemente einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
6: Ausführungsbeispiel einer Abrichtvorrichtung zum Ebnen der Zwischenschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
7: Schematische Darstellung der Schritte (a) bis (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bezugszeichenliste

1: radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsscheiben bei 0° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
2: radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsscheiben bei 90° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
3: radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsscheiben bei 180° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
4: radialer Verlauf des Abstandes der Arbeitsscheiben bei 270 Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
5: radialer Verlauf der Form der unteren Arbeitsschicht bei 0° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
6: radialer Verlauf der Form der unteren Arbeitsschicht bei 90° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
7: radialer Verlauf der Form der unteren Arbeitsschicht bei 180° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
8: radialer Verlauf der Form der unteren Arbeitsschicht bei 180° Azimut (nicht erfindungsgemäßes Verfahren)
9: Radialprofil des Arbeitsspalts zwischen den Arbeitsflächen bei 0° Azimut (erfindungsgemäßes Verfahren)
10: Radialprofil des Arbeitsspalts zwischen den Arbeitsflächen bei 90° Azimut (erfindungsgemäßes Verfahren)
11: Radialprofil des Arbeitsspalts zwischen den Arbeitsflächen bei 180° Azimut (erfindungsgemäßes Verfahren)
12: Radialprofil des Arbeitsspalts zwischen den Arbeitsflächen bei 180° Azimut (erfindungsgemäßes Verfahren)
13: obere Arbeitsscheibe
14: Halbleiterscheibe
15: Läuferscheibe
16: obere Zwischenschicht
17: Arbeitsspalt zwischen den Arbeitsflächen
18: Kanäle zur Zuführung von flüssigem Betriebsmedium
19: untere Arbeitsfläche
20: äußerer Stiftkranz
21: innerer Stiftkranz
22: Vorrichtung zum Messen der Spaltweite zwischen den Oberflächen der Arbeitsscheiben nahe dem Innenumfang
23: Vorrichtung zum Messen der Spaltweite zwischen den Oberflächen der Arbeitsscheiben nahe dem Außenumfang
24: Rotationsachse der oberen Arbeitsscheibe
25: Rotationsachse der unteren Arbeitsscheibe
26: untere Arbeitsscheibe
27: Öffnung in der Läuferscheibe zur Aufnahme einer Halbleiterscheibe
28: Rotations- und Symmetrieachse der gesamten Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung
29: untere Zwischenschicht
30: Oberfläche der unteren Zwischenschicht vor Einebnung
31: Oberfläche der unteren Zwischenschicht nach Einebnung
32: untere Arbeitsschicht
33: ebene Arbeitsfläche der unteren Arbeitsschicht nach Präparation durch das erfindungsgemäße Verfahren
34: Abrichtscheibe
35: oberer Abrichtkörper
36: unterer Abrichtkörper
37: Außenverzahnung der Abrichtvorrichtung
38: obere Arbeitsfläche
39: obere Arbeitsschicht
40: Oberfläche der oberen Zwischenschicht vor Einebnung
41: Oberfläche der oberen Zwischenschicht nach Einebnung
42: ebene Arbeitsfläche der oberen Arbeitsschicht nach Präparation durch das erfindungsgemäße Verfahren
W: Abstand zwischen den einander zu weisenden Oberflächen der Arbeitsscheiben
U: Höhe (Dicke) der unteren Arbeitsscheibe
G: Abstand zwischen den Arbeitsflächen
R: Radialposition auf der Arbeitsscheibe
n_o: Drehzahl der oberen Arbeitsscheibe
n_u: Drehzahl der unteren Arbeitsscheibe
n_i: Drehzahl des inneren Stiftkranzes
n_a: Drehzahl des äußeren Stiftkranzes

Ausführliche Erfindungsbeschreibung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben.
5 zeigt die wesentlichen Elemente einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Material abtragenden Bearbeitung beider Seiten mehrerer Halbleiterscheiben mit umlaufenden Läuferscheiben, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht: Eine obere, ringförmige Arbeitsscheibe 13 und eine untere Arbeitsscheibe 26 rotieren auf kollinearen Achsen 24 und 25 mit Umdrehungsgeschwindigkeiten n_o und n_u. Innerhalb des Innendurchmessers der ringförmigen Arbeitsscheiben 13 und 26 sind ein Innenstiftkranz 21 und außerhalb des Außendurchmessers der ringförmigen Arbeitsscheiben 13 und 26 ein Außenstiftkranz 20 angeordnet, die mit Umdrehungsgeschwindigkeiten n_i und n_a kollinear zu den Arbeitsscheiben und somit um die gemeinsame Gesamtachse 28 der Doppelseitenbearbeitungsvorrichtung rotieren. Innen- 21 und Außenstiftkranz 20 bilden eine Abwälzvorrichtung, in die mindestens drei Läuferscheiben 15 mit einer passenden Außenverzahnung eingelegt sind. 5 zeigt eine Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung, in die beispielsweise fünf Läuferscheiben 15 eingelegt sind. Die Läuferscheiben 15 weisen jeweils mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere Öffnungen 27 zur Aufnahme von Halbleiterscheiben 14 auf. In dem in 5 gezeigten Beispiel sind je drei Halbleiterscheiben 14 in jede der fünf Läuferscheiben eingelegt. In diesem Beispiel werden je Bearbeitungsfahrt (Maschinenbeladung) also fünfzehn Halbleiterscheiben 14 gleichzeitig bearbeitet.
Erfindungsgemäß tragen beide Arbeitsscheiben 13 und 26 auf ihren einander zugewandten Oberflächen Zwischenschichten (obere Zwischenschicht 16 in 5, 7 und untere Zwischenschicht 29 in 7). Die einander zugewandten Oberflächen der Zwischenschichten tragen Arbeitsschichten (obere Arbeitsschicht 39 in 5 und untere Arbeitsschicht 32 in 7). Die einander zugewandten Oberflächen der Arbeitsschichten 39 und 32 bilden die Arbeitsflächen 38 und 19. Diese gelangen während der Bearbeitung in Kontakt mit Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheiben 14.
Mittels der Abwälzvorrichtung 20, 21 und der Außenverzahnung werden die Läuferscheiben 15 mit den Halbleiterscheiben 14 auf zykloidischen Bahnen gleichzeitig über die obere 38 und die untere Arbeitsfläche 19 geführt. Kennzeichnend für die gezeigte Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung ist dabei, dass die Läuferscheiben dabei auf Planetenbahnen um die Achse 28 der gesamten Vorrichtung umlaufen. Der zwischen den Arbeitsflächen 38 und 19 gebildete Raum, in dem sich die Läuferscheiben dabei bewegen, wird als Arbeitsspalt 17 bezeichnet. Während der Bearbeitung übt die obere Arbeitsscheibe 13 eine Kraft auf die untere Arbeitsscheibe 26 aus, und es wird über Kanäle 19 in der oberen Arbeitsscheibe 13 ein Betriebsmedium zugeführt.
Wenn die in 5 gezeigte Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung für ein chemo-mechanisches Doppelseiten-Polieren eingesetzt wird, sind die Arbeitsschichten 39 und 32 Poliertücher, die keine während der Bearbeitung in Kontakt mit den Oberflächen der Halbleiterscheiben 14 gelangende abrasiv wirkenden Hartstoffe enthalten. Das über die Kanäle 18 dem Arbeitsspalt 17 zugeführte Betriebsmedium ist ein Poliermittel, das vorzugsweise ein kolloid-disperses Kieselsol mit einem pH-Wert zwischen 9 und 12 enthält.
Wenn die in 5 gezeigte Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung für ein Doppelseiten-Schleifen nach dem PPG-Prinzip eingesetzt wird, sind die Arbeitsschichten 39 und 32 Schleiftücher, die fest gebundene Abrasivstoffe in Kontakt mit den Oberflächen der Halbleiterscheiben 14 enthalten. Das über die Kanäle 18 dem Arbeitsspalt 17 zugeführte Betriebsmedium ist ein Kühlschmiermittel, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält. Bevorzugt wird beim PPG als Kühlschmiermittel reines Wasser ohne weitere Zusätze verwendet.
Der Materialabtrag wird schließlich durch die beschriebene Relativbewegung der Halbleiterscheiben 14 zu den Arbeitsschichten 39 und 32 bewirkt. Beim DSP erfolgt der Materialabtrag mittels einer Dreikörperwechselwirkung von (1) Poliertuch, (2) Kieselsol mit reaktiven OH^–-Gruppen des alkalischen Poliermittels und (3) dem jeweiligen Poliertuch zugewandter Oberfläche der Halbleiterscheibe 14. Beim PPG erfolgt der Materialabtrag mittels einer Zweikörperwechselwirkung von (1) Schleiftuch mit gebundenem Abrasiv und (2) dem jeweiligen Schleiftuch zugewandter Oberfläche der Halbleiterscheibe 14.
Die Form des zwischen den Arbeitsflächen 38 und 19 gebildeten Arbeitsspalts 17 bestimmt maßgeblich die Form der in ihm bearbeiteten Halbleiterscheiben 14. Ein möglichst paralleler Spaltverlauf liefert Halbleiterscheiben 14 mit sehr planparallelen Vorder- und Rückseiten. Ein radial klaffender oder azimutal welliger („taumelnder”) Spalt liefert hingegen eine schlechte Planparallelität von Vorder- und Rückseite, beispielsweise in Form einer Keiligkeit der Dicke oder Welligkeit der Halbleiterscheiben-Oberfläche. Manche Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtungen weisen daher Sensoren 22 und 23 auf, die an unterschiedlichen Radialpositionen beispielsweise in der oberen Arbeitsscheibe 13 angeordnet sind und die während der Bearbeitung den Abstand der einander zugewandten Oberflächen der Arbeitsscheiben 13 und 26 messen.
Die Messung des Abstands der Arbeitsscheiben 13 und 26 lässt indirekt Rückschlüsse auf den Abstand der den Materialabtrag von den Halbleiterscheiben 14 bewirkenden und somit maßgeblichen Arbeitsflächen 38 und 19 zu. Daraus kann – zumindest indirekt und bei Kenntnis der Dicke der Arbeitsschichten 39 und 32, beispielsweise, weil diese einem konstanten und somit vorhersagbaren Verschleiß unterliegen – auf die Dicke der Halbleiterscheiben 14 geschlossen werden. Dies erlaubt eine gezielte Endabschaltung bei Erreichen der Zieldicke der Halbleiterscheiben 14.
Die Verwendung mehrerer Sensoren 22 und 23, die auf unterschiedlichen Radialpositionen angeordnet sind, erlaubt darüber hinaus zudem Rückschlüsse über den Radialverlauf und – bei guter Zeitauflösung der Abstandsmessung und einer Absolutwinkel-Kodierung der Drehwinkel beider Arbeitsscheiben – zumindest prinzipiell auch über den Azimutalverlauf des Arbeitsspalts 17. Manche Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtungen sind daher zusätzlich mit Stellelementen ausgestattet, die eine Verformung des Arbeitsspaltes – meist nur in radialer Richtung (Klaffung) und mit festgelegter ein-parametrischer Charakteristik – beispielsweise durch Verformung einer Arbeitsscheibe bewirken. Wenn diese Verformung nach Maßgabe des gemessenen Abstands fortwährend in einem geschlossenen Regelkreis erfolgt, kann ein weitgehend paralleler Arbeitsspalt eingestellt werden und auch bei thermischer und mechanischer Wechsellast während der Bearbeitung konstant gehalten werden.
7 erläutert die zur Präparation eines gleichförmigen Arbeitsspalts erforderlichen Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Auf die unebene obere 13 und untere Arbeitsscheibe 26 (7(A)) werden in Schritt (a) eine obere 16 und eine untere Zwischenschicht 29 aufgebracht (7(B)). Die aufgebrachten Zwischenschichten 16, 29 weisen vorzugsweise ein gewisses Maß an Elastizität auf, um der Form der jeweiligen Arbeitsscheibe folgen zu können, um einen formschlüssigen Verbund zu bilden. Da sie der Form der Arbeitsscheibe folgen, sind ihre einander zugewandten Oberflächen 40 und 30 ebenso uneben wie die Oberflächen der Arbeitsscheiben 13 und 26.
Für die Zwischenschichten wird bevorzugt ein Kunststoff gewählt. Platten aus Kunststoff sind auch in großen Abmessungen und mit guter Maßhaltigkeit erhältlich und lassen sich einfach Material abtragend bearbeiten. Die Zwischenschichten können auch aus mehreren Platten durch lückenlose Parkettierung zusammengesetzt werden. Etwaige anfängliche Dickenunterschiede an den Stoßkanten der einzelnen „Kacheln” werden durch den Abrichtschritt entfernt, so dass eine homogene Belegung resultiert. Kunststoffe sind im Allgemeinen schlechte Wärmeleiter. Der Wärmeübergang vom Arbeitsspalt, in dem sich später die Halbleiterscheiben bewegen, in die Arbeitsscheibe, die in der Regel von einem Kühllabyrinth durchzogen ist und so eine Abführung der entstandenen Bearbeitungswärme bewirkt, erfolgt jedoch über die gesamte Fläche, so dass die Wärmeleitung auch nach Aufbringen der Zwischenschicht noch ausreichend ist. Bevorzugt werden Kunststoffe für die Zwischenschicht verwendet, die eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Diese sind in der Regel Graphit-(Ruß-) oder auch Aluminium-, Metalloxid- oder Kupfer-gefüllt und leicht erhältlich.
Bevorzugte Kunststoffe für die Zwischenschichten sind Polyamid (PA), Acetal (Polyoxymethylen, POM), Acryl (Polymethylmethacrylat, PMMA; Plexiglas), Polycarbonat (PC), Polysulfon (PSU), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyvinylchlorid (PVC). Besonders bevorzugt sind duroplastische Kunststoffe wie Epoxidharz (EP), Polyesterharz (UP), Phenolharz oder nicht-elastomere Polyurethane (PU). Besonders bevorzugt ist ein Glas- oder Kohlefaser-verstärktes Epoxidharz (GFK-EP, CFK-EP). Durch die Faserverstärkung ist es formstabil, jedoch in dünnen Stärken ausreichend elastisch, um der Kontur der unebenen Arbeitsscheibe zu folgen und einen formschlüssigen Verbund zu ermöglichen. Die angegebenen Duroplaste können gut durch Span abhebende Bearbeitung bearbeitet werden, insbesondere gefüllte oder faserverstärkte Epoxidharze. Sie lassen sich auch besonders gut dauerhaft mit der Arbeitsscheibe verbinden. Bei einem Verkleben mit Epoxidharz erfolgt die Aushärtung mittels Polyaddition. Es treten also keine niedermolekularen Nebenprodukte wie beispielsweise Wasser von einer Polykondensation auf, und es müssen keine Lösemittel entweichen, was durch die die Klebefuge abdeckende Zwischenschicht stark verzögert wäre.
Bevorzugt wird die Verbindung der Zwischenschicht 16, 29 mit der Arbeitsscheibe 13, 26 durch dauerhafte Verbindung hergestellt. Die Zwischenschicht soll bei jeder Montage einer neuen Arbeitsschicht 32, 39, die ja einem Verschleiß unterliegt und daher regelmäßig gewechselt werden muss, als sorgfältig präparierte, sehr ebene Bezugsoberfläche permanent auf der Arbeitsscheibe verbleiben.
Im nächsten Schritt (b) wird ein gleichzeitiges formgebendes Abrichten beider Zwischenschichten 16 und 29 mittels mindestens dreier Abrichtvorrichtungen, jeweils umfassend eine Abrichtscheibe 34 (siehe 6), mindestens einen Abrichtkörper 35, 36 und eine Außenverzahnung 37, durchgeführt, wobei die Abrichtvorrichtungen mittels der Abwälzvorrichtung 21, 22 und der Außenverzahnung 37 unter Druck und Zugabe eines Kühlschmiermittels, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält, auf Zykloidenbahnen über die Zwischenschichten 16, 29 bewegt werden und so einen Materialabtrag von den Zwischenschichten 16, 29 bewirken.
Für das formgebende Abrichten der Zwischenschicht eignet sich eine Abrichtvorrichtung, wie sie in 6 schematisch gezeigt ist. Die Abrichtvorrichtung umfasst eine Abrichtscheibe 34, mindestens einen Abrichtkörper 35, 36 und eine Außenverzahnung 37. Die Abrichtscheibe 34 dient als Träger, auf dem der mindestens eine Abrichtkörper 35 aufgebracht ist. Die Abrichtvorrichtung kann jedoch auch aus einem Stuck ausgeführt sein. In diesem Fall sind Abrichtscheibe 34 und Abrichtkörper 35, 36 identisch, und der Abrichtkörper 35, 36 gelangt somit gleichzeitig in Eingriff mit beiden auf den Arbeitsscheiben der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung aufgebrachten Zwischenschichten. Die Außenverzahnung 37 ist dann an ihm befestigt oder in ihn integriert. Bevorzugt besteht eine geeignete Abrichtvorrichtung jedoch aus den einzelnen Elementen, wie in 6 gezeigt. Die Abrichtscheibe 34 trägt dann mindestens einen oberen Abrichtkörper 35 und mindestens einen unteren Abrichtkörper 36, die in Eingriff mit der oberen und unteren Zwischenschicht gelangen. Im Fall jeweils genau eines oberen Abrichtkörpers 35 und genau eines unteren Abrichtkörpers 36 sind diese bevorzugt ringförmig.
Das Abrichten kann mit Abrichtkörpern 35 und 36 durchgeführt werden, die in Kontakt mit der Zwischenschicht Abrasivstoffe freisetzen und so einen Materialabtrag von der Zwischenschicht mit loser Korn bewirken. Dies unterscheidet sich vom Läppen, das ja ebenfalls einen Materialabtrag mit loser Korn bewirkt, maßgeblich dadurch, dass das Material abtragende Korn direkt an der Wirkstelle freigesetzt wird und arbeitet. Die Nachteile des Läppens, nämlich eine ballige Form der geläppten Werkstücke (hier: der Zwischenschicht) aufgrund von Läppmittelverarmung beim Transport vom Rand zum Zentrum des Werkstücks wird erfindungsgemäß auf diese Weise vermieden. Durch ein Abrichten mittels Läppen mit zugeführtem Korn kann die Zwischenschicht daher nicht erfindungsgemäß geebnet werden. Das Abrichten mit der beschriebenen Abrichtvorrichtung kann auch nicht direkt auf den Arbeitsscheiben durchgeführt werden und so das Aufbringen einer Zwischenschicht umgangen werden, da die erfindungsgemäßen Abrichtvorrichtungen von den Werkstoffen, aus denen die Arbeitsscheibe besteht – bevorzugt Stahlguss (Kugelgraphit-Grauguss oder Edelstahlguss) – keinen Materialabtrag bewirken oder sehr schnell verschleißen und dadurch ihre Form verlieren.
Das Abrasiv enthält in diesem Fall des Abrichtens mit freigesetztem Korn bevorzugt Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumcarbid (SiC), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN), Borcarbid (B₄C), Quarz (SiO₂) oder Cerdioxid (CeO₂) oder Mischungen der genannten Stoffe.
Das Abrichten der Zwischenschicht kann erfindungsgemäß auch mit Abrichtkörpern 35 und 36 durchgeführt werden, die fest gebundenes Abrasiv in Kontakt mit der Zwischenschicht enthalten und so einen Materialabtrag mit fest gebundenem Korn bewirken. Auch dieses Abrichten kann nicht zum unmittelbaren Abrichten der unebenen Arbeitsscheibe selbst eingesetzt werden, da das in den Abrichtkörpern 35 und 36 fest gebundene Abrasiv bevorzugt Diamant oder Siliciumcarbid (SiC), besonders bevorzugt Diamant ist. Diamant eignet sich nicht zur Bearbeitung von Stählen. Stahl weist eine hohe Löslichkeit für Kohlenstoff auf, aus dem Diamant ja besteht. In Kontakt mit Stahl verrunden die Schneidkanten des Diamanten sofort und die Abrichtkörper werden stumpf.
Beim Abrichten der Zwischenschicht mit fest gebundenem Korn umfassen die Abrichtkörper bevorzugt sogenannte Diamant-„Pellets”. Unter „Pellets” versteht man allgemein eine Serie gleichförmiger Körper mit mindestens zwei Seitenflächen, die planparallel zueinander verlaufen, beispielsweise Zylinder, Hohlzylinder oder Prismen, die das Abrasiv mit Kunstharz, durch Sintern und Verbacken (keramische oder glasartige Bindung) oder metallisch gebunden enthalten. Besonders bevorzugt wird beim Abrichten der Zwischenschicht als Abrichtkörper auch ein PPG-Schleiftuch verwendet, das beidseitig auf die Abrichtscheibe 34 (6) geklebt wird. Die PPG-Schleiftücher wurden ursprünglich für die Material abtragende Bearbeitung von Glas (Optiken) entwickelt und eignen sich deshalb besonders gut zur effektiven Bearbeitung von Glasfaser-gefülltem Epoxidharz, das einen hohen Glasanteil besitzt.
Um bei aufgebrachten Zwischenschichten 16, 29 die Wärmeleitung vom Arbeitsspalt 17 zu den Arbeitsscheiben 13, 26 weiter zu verbessern, wird bevorzugt beim formgebenden Abrichten der Zwischenschichten so viel Material abgetragen, dass die jeweilige Zwischenschicht am Ende des Abrichtvorgangs die höchsten Erbebungen der betreffenden Arbeitsscheibe gerade noch bedeckt. In jedem Fall soll die Zwischenschicht nach Abrichten die gesamte Arbeitsscheibe, auf die sie aufgebracht ist, noch vollständig bedecken, d. h. es sollen keine Durchbrüche auftreten. Als praktikabel hat sich ein Wert erwiesen, bei dem die nach Abrichten verbleibende Dicke an der dünnsten Stelle maximal ein Zehntel der verbleibende Dicke der dicksten Stelle der Zwischenschicht beträgt. Bei einer Arbeitsscheibe, die eine Unebenheit mit einer Amplitude von etwa 20 μm aufweist (2), reicht es also aus, wenn die Zwischenschicht nach Abrichten an den dünnsten Stellen nur noch wenige Mikrometer dick ist. Eine derart dünne Zwischenschicht beeinträchtigt die Wärmeleitung dann überhaupt nicht mehr.
Durch das beschriebene Abrichten lassen sich extrem gute Ebenheiten erzeugen. 7(C) zeigt die so erzielten ebenen Oberflächen 41 und 31 der oberen 16 und unteren Zwischenschicht 29 auf den darunter liegenden unebenen Arbeitsscheiben 13 und 26.
7(D) zeigt die Anordnung aus den unebenen Arbeitsscheiben 13 und 26 mit den geebneten Zwischenschichten 16 und 29 und den abschließend in Schritt (c) aufgebrachten Arbeitsschichten 39 und 32 mit den einander zugewandten Arbeitsflächen 38 und 19. Wegen der Ebenheit der Zwischenschichten 16 und 29 weisen auch die Arbeitsschichten 39, 32 bereits unmittelbar nach Aufbringen sehr ebene Arbeitsflächen 42, 33 auf. Sie sind ohne weitere Abrichtmaßnahmen für die Bearbeitung von Halbleiterscheiben für besonders anspruchsvolle Anwendungen geeignet.
Optional kann jedoch zusätzlich in Schritt (d) ein nicht formgebendes Abrichten der Arbeitsschichten 39 und 32 durchgeführt werden. Dafür können ebenfalls die für Schritt (c) beschriebenen Abrichtverfahren verwendet werden.
Bei einem Poliertuch für das DSP-Verfahren kann beispielsweise ein nicht formgebendes Abrichten (Konditionieren, Dressen) erforderlich sein, um eine Feinglättung vorzunehmen. Als praktisch hat sich ein maximal zulässiger Abtrag von 1/10 der anfänglichen Dicke der zur Verfügung stehenden Nutzschicht der Arbeitsschicht herausgestellt. Bei einem Poliertuch für das DSP-Verfahren beträgt die Nutzschichthöhe nur einige 10 μm bis maximal etwa 200 μm. Es sollten also nur bevorzugt weniger als etwa 5 μm, besonders bevorzugt jedoch nur 1–3 μm abgetragen werden. Vorzugsweise enthalten die Abrichtkörper 35, 36 in diesem Fall einen fest gebundenen Abrasivstoff, sodass sie einen Materialabtrag von den Arbeitsschichten mittels gebundenem Korn bewirken. Die bevorzugten Abrasivstoffe für diese Anwendung sind Diamant und Siliciumcarbid (SiC).
Andererseits kann ein nicht formgebendes Abrichten auch erforderlich sein, um bei einem Schleiftuch für das PPG-Verfahren eine Initialschärfung vorzunehmen. Bei der Initialschärfung werden wenige Mikrometer der obersten Schicht des Schleiftuchs abgetragen, um schnittaktives Abrasiv freizulegen. Bei einem PPG-Schleiftuch beträgt die Nutzschichtdicke beispielsweise etwa 600 μm. Ein Abrichten von maximal 10 bis 12 μm, besonders bevorzugt jedoch nur 4 bis 6 μm können als nicht formgebend bewertet werden. Im Allgemeinen wird daher im Fall eines PPG-Schleiftuchs weniger als 1/50 der anfänglichen Nutzschichtdicke abgetragen. Vorzugsweise geben die Abrichtkörper 35, 36 in diesem Fall beim Kontakt mit den Arbeitsschichten Abrasivstoff abgibt, sodass ein Materialabtrag von den Arbeitsschichten mittels loser Korn bewirkt wird. Die Abrichtkörper enthalten in diesem Fall mindestens einen der folgenden Stoffe: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumcarbid (SiC), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN), Borcarbid (B₄C).
Beispiel und Vergleichsbeispiel
Für das Beispiel und das Vergleichsbeispiel wurde eine Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung vom Typ AC2000 der Fa. Peter Wolters GmbH (Rendsburg, Deutschland) verwendet. Die ringförmigen Arbeitsscheiben der Vorrichtung haben einen Außendurchmesser von 1935 mm und einen Innendurchmesser von 563 mm. Die Ringbreite beträgt also 686 mm.
1 zeigt den Verlauf W = W(R) des Abstandes W (in Mikrometern) zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Arbeitsscheiben der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung in Abhängigkeit vom Arbeitsscheibenradius R (in Millimetern). Für die Abstandsmessung wurde die obere Arbeitsscheibe auf drei unter 120° auf der unteren Arbeitsscheibe aufgestellte Endmaße gelagert. Die Endmaße standen auf gleichen Radien, die so gewählt waren, dass die Durchbiegung der oberen Arbeitsscheibe unter Schwerkraft bei Aufstützen auf diese drei Lagerpunkte näherungsweise minimal wurde. Diese Punkte einer Kreisringplatte entsprechen den sogenannten Bessel- oder Airypunkten, auf die ein Biegebalken mit gleichmäßiger Linienlast auf zwei Punkte aufgelegt werden muss, damit er eine minimale Durchbiegung über seine gesamte Länge aufweist.
Der Radialverlauf des Arbeitsscheibenabstands wurde mit einer Abstandsmessunr vermessen. Die AC2000 weist eine Vorrichtung zum Verstellen der Radialform der oberen Arbeitsscheibe auf. Die Form kann zwischen konvex und konkav relativ zur unteren Arbeitsscheibe eingestellt werden. Es wurde die Einstellung verwendet, die einen möglichst gleichförmigen Radialverlauf des Spalts zwischen den Arbeitsscheiben ergab. 1 zeigt die so erhaltenen Radialprofile des Arbeitsscheibenabstands für vier verschiedene Drehwinkel (Azimut) der oberen relativ zur unteren Arbeitsscheibe (Kurve 1 für 0°, Kurve 2 für 90°, Kurve 3 für 180° und Kurve 4 für 270°) bei gleichbleibender Messspur auf der unteren Arbeitsscheibe. Aufgrund der Abmessungen der Messuhr (Auflagefüße) war nur der Radialbereich 302,5 ≤ R ≤ 942,5 einer Messung zugänglich. Es wurden also 640 mm des insgesamt 686 mm breiten Rings vermessen.
Die gezeigte Tellerform wurde durch Einläppen gemäß dem Stand der Technik erzielt. Deutlich ist in 1 sichtbar, dass der Abstand zwischen den Arbeitsscheiben hauptsächlich in radialer Richtung variiert. Er ist am Außen- und am Innenradius am größten und etwa bei halber Ringbreite am geringsten. Dies entspricht einem Abfall der Arbeitsscheibendicke am Innen und am Außenrand, wie er für die Läppbearbeitung charakteristisch ist. Die geringere azimutale Abweichung (unterschiedliche Verläufe W(R) 1 und 3 gegenüber 2 und 4 insbesondere bei großen Radien R > 700) deutet auf eine Verspannung der Arbeitscheiben entlang einer diametral durch die Symmetrieachse 28 der Vorrichtung verlaufenden Knicklinie hin.
2 zeigt den Verlauf U = U(R) der Höhe U (in Mikrometern) der unteren Arbeitsscheibe derselben Vorrichtung in Abhängigkeit vom Arbeitsscheibenradius R (in Millimetern). Für die Messung wurde ein verbiegungssteifes Stahllineal diametral über die untere Arbeitsscheibe auf zwei in den Besselpunkten angeordnete Endmaße aufgelegt und der Abstand zwischen der dem Lineal zuweisenden Oberfläche der unteren Arbeitsscheibe und dem Lineal mittels einer Messuhr bei verschiedenen Radien bestimmt. Die Messungen wurden bei den gleichen Winkeln (Azimut) wie die in 1 gezeigte Messung des Arbeitsscheibenabstands W(R) durchgeführt (Kurve 5 bei 0°, Kurve 6 bei 90°, Kurve 7 bei 180° und Kurve 8 bei 270°). Die untere Arbeitsscheibe weist einen Abfall ihrer Höhe zum Außen- und Innenrand hin auf und besitzt ihre größte Dicke („Bauch”) bei einem Radius etwas größer als die halbe Ringbreite.
Die obere Arbeitsscheibe ist beweglich (kardanisch) gelagert und damit einer direkten Messung ihrer Form mittels der Linealmethode nicht zugänglich. Ihre Form ergibt sich jedoch direkt aus der Differenz der Verläufe W(R) (1) und U(R) (2). Das Maximum der Höhendifferenz in 2 beträgt etwa 17 μm, das Maximum der Abstandsdifferenz in 1 beträgt etwa 32 μm. Der zum Außen- und Innenrand klaffende Spalt zwischen den ringförmigen Arbeitsscheiben verteilt sich also etwa gleichmäßig auf obere und untere Arbeitsscheibe, die etwa einen gleichen „Bauch” in der Ringmitte besitzen.
Vergleichsbeispiel
Im Vergleichsbeispiel wurde ein PPG-Schleiftuch vom Typ 677XAEL der Fa. 3M als Arbeitsschicht direkt auf jede der durch 1 und 2 charakterisierten Arbeitsscheiben der beschriebenen Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung aufgeklebt. Es besteht aus einer 0,76 mm dicken unterliegenden Trägerschicht, mit der das Tuch auf der Zwischenschicht aufgeklebt wird, und einer 0,8 mm dicken Oberschicht, von der maximal 650 μm als Nutzschicht verwendbar ist. Die beiden Schleiftücher wurden mittels eines Abrichtverfahrens geebnet, bei dem im Mittel jeweils etwa 60 μm Material vom oberen und vom unteren Schleiftuch abgetragen wurden. Dafür wurden Abrichtvorrichtungen in einem ähnlichen Verfahren verwendet, wie für das Abrichten der Zwischenschicht im nachfolgenden Beispiel beschrieben. Das Abrichten wurde bei einer Einstellung der Vorrichtung zum Verstellen der Radialform der oberen Arbeitsscheibe durchgeführt, für die zuvor zwischen den unbeklebten Arbeitsscheiben der bestmöglich gleichförmige Radialverlauf des Spalts zwischen den Arbeitsscheiben gemessen worden war („optimaler Arbeitspunkt”).
3 zeigt den Verlauf G = G(R) des Abstandes G zwischen den beiden Arbeitsflächen nach dem Abrichten. Der Abstand G bezeichnet die Weite des Arbeitsspalts 17 in 5.
Der beim Abrichten erzielte Materialabtrag von im Mittel jeweils etwa 60 μm ist weit mehr als für ein nicht formgebendes Abrichten zur Initialschärfung (Freilegen von Abrasivkorn) erforderlich gewesen wäre, aber offenbar noch zu wenig, um einen gleichförmigen Spalt G(R) = const. zu erzielen: Die Ungleichförmigkeit des Abstands W = W(R) der Arbeitsscheiben (1; ca. 32 μm) konnte zwar reduziert werden, ist aber mit ca. 17 μm Amplitude noch viel zu groß, um damit Halbleiterscheiben mit für anspruchsvolle Anwendungen geeigneten Planparallelitäten ihrer Oberflächen erzielen zu können. 3 zeigt nur das Spaltprofil 34 für 0°. Die azimutale Ungleichförmigkeit des Spalts wurde weitgehend beseitigt, so dass die radiale Ungleichförmigkeit dominiert und ein Spaltprofil 34 für einen Winkel den gesamten Arbeitsspalt vollständig beschreibt.
Wäre die aufgebrachte Arbeitsschicht ein Poliertuch gewesen, hätte der Materialabtrag von ca. 60 μm Material durch das Abrichten das Poliertuch bereits unbrauchbar gemacht, da die Nutzdicke eines Poliertuchs nur einige 10 μm beträgt – und es wäre dennoch kein gleichförmiger Arbeitsspalt zu erzielen gewesen.
Beispiel
Die durch die in 1 und 2 dargestellten Unebenheiten charakterisierten Arbeitsscheiben wurden quadrantenweise mit aus 1000 × 1000 mm² großen Rohplatten ringsegmentförmig zugeschnittenen, 0,5 mm dicken glasfaserverstärkten Epoxidharzplatten beklebt. Dies ist ein sehr gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneter Kunststoff. Er ist in großen Abmessungen, mit guter Maßhaltigkeit und in konstanter Qualität leicht verfügbar, da GFK-EP in großen Mengen als Standardmaterial bei der Herstellung elektronischer Leiterplatten (printed circuit boards) verwendet wird. Die Verklebung erfolgte zunächst mittels einer 50 μm starken trägerlosen, stark haftenden Kunstharz-Klebeschicht, so dass bei Misserfolg die aufgebrachte Zwischenschicht wieder rückstandsfrei hätte entfernt werden können. Die Klebeschicht wird von einer Schutzfolie gehalten und wurde mit den zugeschnittenen Epoxidharzplatten unter Wärme und Druck verbunden (Aufbügeln). Nach Abziehen der Schutzfolie waren die GFK-Zuschnitte somit selbstklebend ausgerüstet und wurden damit mit der Arbeitsscheibe verklebt. Durch anschließendes manuelles Anwalzen wurde ein guter Kraft- und Formschluss zwischen Arbeitsscheibe und Zwischenschicht erzielt.
Zur Ebnung der so aufgebrachten Zwischenschichten wurden Abrichtvorrichtungen des in 5 dargestellten Typs verwendet. Jede der Abrichtvorrichtungen umfasste eine ringförmige Abrichtscheibe 34 aus 15 mm Aluminium, eine damit verschraubte ringförmige Außenverzahnung 37 aus 6 mm Edelstahl, die in die aus Innen- und Außenstiftkranz der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung gebildete Abwälzvorrichtung eingreift, und 24 vorder- und 24 rückseitig auf die Abrichtscheibe aufgeklebte zylindrische Schleifkörper 35, 36 mit 70 mm Durchmesser und 25 mm Höhe aus Edelkorund rosa, die gleichmäßig auf einem Teilkreis mit 604 mm Durchmesser angeordnet sind. Es wurden vier derartige Abrichtvorrichtungen gleich verteilt in die Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung eingelegt.
Das Abrichten erfolgte bei einer Auflagekraft der oberen Arbeitsscheibe von 400 daN und gegenläufiger Rotation von oberer und unterer Arbeitsscheibe von etwa 30/min (Umdrehungen pro Minute) relativ zu den Abrichtvorrichtungen, die mit etwa 1/min in der Bearbeitungsvorrichtung umliefen und sich mit etwa 6/min um ihre jeweiligen eigenen Achsen drehten. Das Abrichten wurde wieder am optimalen Arbeitspunkt (bestmöglich gleichförmiger Arbeitsspalt vor Aufkleben der Zwischenschichten) durchgeführt. Das Abrichten der Zwischenschichten erfolgte in mehreren Teilabträgen, um den Abtragserfolg zwischenzeitlich überprüfen und die erreichte Ebenheit vermessen zu können. Die Epoxidharzplatten waren zuvor an mehren Stellen mit kleinen Öffnungen versehen worden, durch die die unterliegende Arbeitsscheibe mit einer Messvorrichtung angetastet und so die verbliebene Dicke der Epoxidharzplatte bestimmt werden konnte. Am Ende des Abrichtvorgangs betrug die dünnste einer Messung zugängliche Stelle noch knapp 100 μm, die tatsächlich dünnste Stelle wurde auf 50 μm geschätzt. Dies entspricht der Dicke einer Glasfaserlage (50 μm). Die Zwischenschicht ist also auch an ihren dünnsten Stellen noch stabil und löst oder verformt sich auch nicht bei einem Wechsel der Arbeitsschicht, bei dem ja Zugkräfte auftreten (Abziehen der Arbeitsschicht mittels Schälbewegung).
Nach der Einebnung der Zwischenschichten wurde als Arbeitsschicht wiederum ein PPG-Schleiftuch vom Typ 677XAEL der Fa. 3M auf jede der beiden Zwischenschichten aufgeklebt.
Abschließend wurde eine Initialschärfung vorgenommen. Aufgrund der exzellenten Planlage bereits nach Montage auf die hoch ebene Zwischenschicht reichten etwa 10 μm Materialabtrag, um alle „Kacheln” in allen Bereichen des Schleiftuchs anzuschärfen. Dies wurde mittels vor Abrichten an verschiedenen Stellen der Tuchoberfläche verstreut aufgebrachte Farbmarkierungen überprüft, die nach Abrichten alle gleichmäßig entfernt worden waren. Für die Initialschärfung wurden die Abrichtvorrichtungen in einem ähnlichen Verfahren verwendet, wie oben für das Abrichten der Zwischenschicht beschrieben. Abschließend wurden die Arbeitsflächen durch intensives Spülen von losem verbliebenem Korund gereinigt.
4 zeigt das Radialprofil der Weite G (in Mikrometern) des Arbeitsspalts zwischen den einander zugewandten Arbeitsflächen der derart vorbereiteten Arbeitsschichten. Über den der Messung zugänglichen Radialbereich von 640 mm der gesamten Ringbreite von 686 mm variiert die Weite des Arbeitsspalts nur um ±1 μm. Die Messung wurde nach Verformen der oberen Arbeitsscheibe auf optimal gleichförmigen Arbeitsspalt und Auflage der oberen Arbeitsscheibe auf drei auf der unteren Arbeitsscheibe aufgestellten Endmaßen erhalten. Die Messgenauigkeit dieses Verfahrens liegt bei etwa ±1 μm und ergibt sich aus der Genauigkeit der Auflage des Fußes, der groß genug sein muss, um auf mehreren der mehrere Quadratmillimeter großen Kacheln, in die das Schleiftuch strukturiert ist, sicher aufzuliegen und dem Antasten der gegenüberliegenden Arbeitsfläche mit einem Messfühler, der ebenfalls sicher auf mehreren Kacheln aufliegen muss, sowie der Messgenauigkeit der Messuhr selbst.
In die erfindungsgemäß vorbereitete Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung wurden fünf Läuferscheiben mit je drei Öffnungen und in diese insgesamt 15 Halbleiterscheiben mit 300 mm Durchmesser eingelegt und eine Kontrollfahrt durchgeführt. Trotz des geringen Materialabtrags bei der Initialschärfung zeigte die Arbeitsschicht die von Vorversuchen ohne eingeebnete Zwischenschicht und mit erheblich erhöhtem, formgebendem Anfangsabrichten (150 μm Abtrag) gewohnten Materialabtragsraten und auftretenden Schleifkräfte. Die Kontrollfahrt wurde bei aus Eichkurven bekannter Einstellung bestmöglicher Parallelität der Arbeitsscheiben zueinander durchgeführt. Die Form der Arbeitsscheiben wurde während der Fahrt nachgeregelt, d. h. unter den auftretenden thermischen und mechanischen Wechsellasten konstant gehalten. Die bearbeiteten Halbleiterscheiben wiesen eine Ebenheit von ca. 1 μm TTV auf.
Schließlich hat sich gezeigt, dass vorrangig die Parallelität der die Halbleiterscheibe Material abtragend bearbeitenden Arbeitsflächen zueinander maßgeblich ist für die erzielbare Ebenheit der Halbleiterscheibe. Es stellte sich heraus, dass es ausreicht, wenn die einzelnen Arbeitsflächen dabei nur kurzwellig eben sind; langwellig dürfen sie verformt sein, solange sie nur unter jeder Winkelstellung zueinander parallele Arbeitsflächen aufweisen. Unter „kurzwellig” sind dabei Längen zu verstehen, die größer sind als diejenigen Längen, oberhalb derer sich die Halbleiterscheiben aufgrund ihrer endlichen Steifigkeit verformen können, die aber deutlich kleiner sind als die Abmessungen der Halbleiterscheibe; unter „langwellig” Längen, die deutlich größer als der Durchmesser der Halbleiterscheiben bis hin zum Durchmesser der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung (ein bis zwei Meter) sind.
Die Strukturierung eines PPG-Schleiftuchs in Form einer Vielzahl regelmäßig angeordneter „Kacheln” und „Gräben” von jeweils wenigen Millimetern Ausdehnung beeinträchtigt die erzielbare Ebenheit also nicht, da sich die Halbleiterscheiben auf Millimeter-Skala aufgrund ihrer Steifigkeit nicht der Form einer derart strukturierten Arbeitsfläche anpassen können. Aufgrund der Rotationssymmetrie der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Doppelseiten-Beabeitungsvorrichtungen können also die Zwischenschichten radialsymmetrisch zur Drehachse leicht gekrümmt sein, also beispielsweise eine Arbeitsfläche konkav und die andere Arbeitsfläche genau komplementär dazu konvex. In der Praxis erhält man beim Abrichten meist näherungsweise gegenläufig sphärisch gekrümmte Arbeitsschichten (Kugelschalen). Solange die maximale Differenz der Abweichung von einer ebenen Form über die gesamte Arbeitsschicht geringer als 50 μm ist, erhält man Halbleiterscheiben mit derselben Planparallelität ihrer Oberflächen wie durch Bearbeitung mit perfekt planparallelen Arbeitsflächen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007013058 A1 [0006, 0008]
DE 19937784 A1 [0006]
US 5958794 [0006]
US 2003/054650 A [0007]
DE 10007390 A1 [0007, 0012]
DE 102004040429 A1 [0012]
DE 102006037490 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Fletcher et al., Optifab, Rochester, New York, May 2, 2005 [0016]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung jeweils einer ebenen Arbeitsschicht (32, 39) auf jeder der zwei Arbeitsscheiben (13, 26) einer Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung, die eine ringförmige obere Arbeitsscheibe (13), eine ringförmige untere Arbeitsscheibe (26) und eine Abwälzvorrichtung (20, 21) umfasst, wobei die beiden Arbeitsscheiben (13, 26) sowie die Abwälzvorrichtung (20, 21) um die Symmetrieachse (28) der Doppelseiten-Bearbeitungsvorrichtung rotierbar gelagert sind und wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: (a) Aufbringen einer unteren Zwischenschicht (29) auf der Oberfläche der unteren Arbeitsscheibe (26) und einer oberen Zwischenschicht (16) auf der Oberfläche der oberen Arbeitsscheibe (13); (b) gleichzeitiges Ebnen beider Zwischenschichten (16, 29) mittels mindestens dreier Abrichtvorrichtungen, jeweils umfassend eine Abrichtscheibe (34), mindestens einen einen Abrasivstoff enthaltenden Abrichtkörper (35, 36) und eine Außenverzahnung (37), wobei die Abrichtvorrichtungen mittels der Abwälzvorrichtung (20, 21) und der Außenverzahnung (37) unter Druck und Zugabe eines Kühlschmiermittels, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält, auf Zykloidenbahnen über die Zwischenschichten (16, 29) bewegt werden und so einen Materialabtrag von den Zwischenschichten (16, 29) bewirken; und (c) Aufbringen einer unteren Arbeitsschicht (32) gleichförmiger Dicke auf die untere Zwischenschicht (29) und einer oberen Arbeitsschicht (39) gleichförmiger Dicke auf die obere Zwischenschicht (16).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Zwischenschichten (16, 29) aus einem Kunststoff bestehen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der mindestens eine Abrichtkörper (35, 36) in Schritt (b) bei Kontakt mit den Zwischenschichten (16, 29) Abrasivstoff abgibt und so einen Materialabtrag von den Zwischenschichten (16, 29) mittels loser Korn bewirkt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der in dem mindestens einen Abrichtkörper (35, 36) enthaltene Abrasivstoff mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumcarbid (SiC), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN), Borcarbid (B₄C), Quarz (SiO₂), Cerdioxid (CeO₂).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der mindestens eine Abrichtkörper (35, 36) in Schritt (b) einen fest gebundenen Abrasivstoff enthält, der einen Materialabtrag von den Zwischenschichten (16, 29) mittels fest gebundenem Korn bewirkt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der in dem mindestens einen Abrichtkörper (35, 36) enthaltene Abrasivstoff Diamant oder Siliciumcarbid (SiC) enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei nach Durchführung von Schritt (b) jede der Zwischenschichten (16, 29) die jeweilige Arbeitsscheibe (13, 26) noch vollständig bedeckt und die verbleibende minimale Dicke einer jeden Zwischenschicht (16, 29) maximal 1/10 der verbleibenden maximalen Dicke der betreffenden Zwischenschicht (16, 29) beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Arbeitsschichten (32, 39) für die chemo-mechanische Politur von Halbleiterscheiben geeignete Poliertücher sind, die keine Abrasivstoffe enthalten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei nach Schritt (c) ein zusätzlicher Schritt (d) ausgeführt wird, umfassend ein gleichzeitiges Abrichten beider Arbeitsschichten (32, 39) mittels mindestens dreier Abrichtvorrichtungen, jeweils umfassend eine Abrichtscheibe (34), mindestens einen einen fest gebundenen Abrasivstoff enthaltenden Abrichtkörper (35, 36) und eine Außenverzahnung (37), wobei die Abrichtvorrichtungen mittels der Abwälzvorrichtung (20, 21) und der Außenverzahnung (37) unter Druck und Zugabe eines Kühlschmiermittels, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält, auf Zykloidenbahnen über die Arbeitsschichten (32, 39) bewegt werden und so einen Materialabtrag von den Arbeitsschichten (32, 39) mittels gebundenem Korn bewirken, wobei der Materialabtrag weniger als 1/10 der Nutzschichtdicke der jeweiligen Arbeitsschicht (32, 39) beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der in dem mindestens einen Abrichtkörper (35, 36) enthaltene Abrasivstoff Diamant oder Siliciumcarbid (SiC) enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Arbeitsschichten (32, 39) für das Schleifen von Halbleiterscheiben geeignete Schleiftücher sind, die fest gebundenen Abrasivstoff enthalten.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei nach Schritt (c) ein zusätzlicher Schritt (d) ausgeführt wird, umfassend ein gleichzeitiges Abrichten beider Arbeitsschichten (32, 39) mittels mindestens dreier Abrichtvorrichtungen, jeweils umfassend eine Abrichtscheibe (34), mindestens einen Abrichtkörper (35, 36) und eine Außenverzahnung (37), wobei die Abrichtvorrichtungen mittels der Abwälzvorrichtung (20, 21) und der Außenverzahnung (37) unter Druck und Zugabe eines Kühlschmiermittels, das keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält, auf Zykloidenbahnen über die Arbeitsschichten (32, 39) bewegt werden, wobei der mindestens eine Abrichtkörper (35, 36) beim Kontakt mit den Arbeitsschichten (32, 39) Abrasivstoff abgibt und so einen Materialabtrag von den Arbeitsschichten (32, 39) mittels loser Korn bewirkt und wobei der Materialabtrag weniger als 1/50 der Nutzschichtdicke der jeweiligen Arbeitsschicht (32, 39) beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der in dem mindestens einen Abrichtkörper (35, 36) enthaltene Abrasivstoff mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumcarbid (SiC), Zirkondioxid (ZrO₂), Bornitrid (BN), Borcarbid (B₄C).