DE10247200A1 - Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung einer oder mehrerer Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben unter Zuführung einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit, wobei die Halbleiterscheiben durch eine oder mehrere Läuferscheiben auf einer Bahn bewegt werden, das sich dadurch auszeichnet, dass die Läuferscheibe mindestens in Teilbereichen der Vorderseite und der Rückseite mit einer unter Einsatzbedingungen chemisch inerten, weitgehend abriebfesten, reibungsarmen Beschichtung versehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Bearbeitung von Halbleiterscheiben unter Verwendung von beschichteten Läuferscheiben (englisch: carrier).
• Eine typische Prozesskette zur Herstellung von Halbleiterscheiben umfasst die Prozessschritte Sägen – Kantenverrunden – Läppen oder Schleifen – nasschemisches Ätzen – Polieren nebst Reinigungsschritten vor und/oder nach zumindest einigen der aufgeführten Prozessschritte. Insbesondere an Halbleiterscheiben, die als Ausgangsprodukt für die Fertigung moderner Bauelementegenerationen Verwendung finden sollen, sind hohe Anforderungen an Planparallelität und Ebenheit gestellt. Dem kann Rechnung getragen werden, indem in der Prozesskette mindestens ein Fertigungsschritt als gleichzeitig die Vorderseite und die Rückseite der frei bewegten Halbleiterscheiben bearbeitender Schritt ausgeführt wird. Beispiele für derartige Prozesse sind beidseitiges Läppen und beidseitiges Polieren.
• Oft werden die genannten beidseitig angreifenden Prozesse so ausgeführt, dass die Halbleiterscheiben zwischen einer rotierenden unteren Arbeitsscheibe und einer parallelen rotierenden oberen Arbeitsscheibe bewegt werden. Dabei liegen sie in Läuferscheiben mit geeignet dimensionierten Aussparungen und werden mittels eines rotierenden Innenzahnkranzes und eines rotierenden Außenzahnkranzes auf einer durch die Drehzahlen der beiden Zahnkränze definierten Planetenbahn bewegt ("planetary movement"). Mit einem solchen Planetargetriebe ausgestattete Anlagen zur beidseitigen Bearbeitung von Halbleiterscheiben sind beispielsweise in der DE 37 30 795 A1 und der DE 100 07 390 A1 beschrieben. Die Anlagen lassen sich in der Regel mit bis zu fünf Läuferscheiben gleichzeitig belegen, ohne dass letztere sich berühren. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, beispielsweise gemäß der US 6,080,048 nur eine einzige, zentrisch angeordnete Läuferscheibe zu verwenden, die Lateralbewegungen ausführt ("circular orbit movement").
• Beim beidseitigen Läppen beispielsweise gemäß der JP 11 347 926 A werden die Halbleiterscheiben unter Zuführung einer Abrasivstoffe enthaltenden Suspension, dem Läppmittel, zwischen einer oberen und einer unteren Arbeitsscheibe, die meist aus Stahl bestehen und mit Kanälen zur besseren Verteilung der Suspension versehen sind, unter einem gewissen Druck bewegt, was zum Abtrag von Halbleitermaterial führt. Das Verfahren der beidseitigen Politur von Halbleiterscheiben beispielsweise gemäß der DE 199 05 737 C2 stellt eine Weiterentwicklung des Läppens dar, wobei an Stelle der oberen und unteren Läppscheibe als Arbeitsscheiben mit Poliertuch beklebte planare Polierteller treten und ein meist alkalisch stabilisierte Kolloide enthaltendes Poliermittel zugeführt wird. Derartige Verfahren zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass nach Beendigung des Materialabtrags die Dicken von Halbleiterscheibe und Läuferscheibe annähernd gleich sind, wobei gegen Ende der Bearbeitung eine Einwirkung der Arbeitsscheibe beziehungsweise des Poliertellers auch auf die Läuferscheibe beobachtet wird.
• Die dabei eingesetzten Läuferscheiben können prinzipiell aus Stahl, Kunststoff oder Keramik bestehen. Eine Läuferscheibe aus Keramik ist beispielsweise in der JP 2000 280 167 A offenbart. Eine Läuferscheibe aus Thermoplastharz ist aus der JP 09 011 101 A bekannt, eine solche aus Laminat aus der US 5,085,009 . Nachteil derartiger Läuferscheiben aus Keramik oder Kunststoff ist ihre hohe Bruch- und Verschleißanfälligkeit in Läpp- und Polierprozessen nach dem angeführten Stand der Technik, die mit kurzen Standzeiten und damit hohen Kosten verbunden ist, in Verbindung mit einer herstellungsbedingt ausgeprägten lokalen Unebenheit insbesondere bei Verwendung von Kunststoff. Eine hochebene Läuferscheibe aus Stahl ist beispielsweise in der DE 100 23 002 A1 beansprucht. Derartige Läuferscheiben werden in der Regel nach einer definierten thermischen Vorbehandlung eingesetzt, die Härte und Verwerfungsfreiheit gewährleistet. Nachteil dieser Läuferscheibe ist, dass ihre Standzeit durch Abrieb auf wenige hundert Polierfahrten begrenzt ist, wenn eine enge Dickenrelation zur polierten Halbleiterscheibe einzuhalten ist, und sie anschließend verworfen werden muss, was im Fertigungsmaßstab ebenfalls zu nicht unerheblichen Kosten führt.
• In der JP 11 090 817 A und der JP 11 129 156 A ist beschrieben, Läuferscheiben für Läppprozesse mit Diamantkörnern zum Zwecke der Erhöhung der Abriebsfestigkeit zu beschichten. Derartige körnige Beschichtungen führen zwangsläufig zu Kratzerbildung beim Läppen und Polieren durch herausbrechende Diamantsplitter.
• Die Beschichtung von Werkstücken mit Hartstoffen zum Zwecke der Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist bekannt. DE 31 17 299 C2 beschreibt die Beschichtung von Werkstücken unter anderem aus Stahl mit Carbiden von Titan, Zirkonium und/oder Hafnium. Die Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit Titancarbid ist in der DE 197 09 980 A1 beschrieben. Die Plasmaabscheidung von Carbiden ist in der DE 198 07 086 A1 beansprucht. Die genannten Aufbringungsarten für die Schichten, die als Plasma- ("plasma vapor decomposition", PVD) oder chemische Abscheideverfahren ("chemical vapor decompositon", CVD) ausgeführt werden können, haben den Nachteil, dass sie bei 300 bis 800 °C arbeiten und dabei beispielsweise zu beschichtende Läuferscheiben für die Bearbeitung von Halbleiterscheiben thermisch verändern würden, was zu Enthärtung und Korrosionsanfälligkeit führen kann.
• Aus dem Maschinenbau ist bekannt, den Reibungskoeffizienten μ der trocknen Reibung durch Überziehen der Gleitflächen mit andersartigen Substanzen zu verändern, um den Reibungswiderstand zu vermindern und den Verschleiß der reibenden Flächen herabzusetzen. Von besonders hoher technischer Bedeutung sind Reibpaarungen, bei denen aus Stahl geformte Bauteile ohne hydrodynamische Schmierung aufeinander gleiten. Aus der DE 29 26 080 A1 und der DE 195 45 050 C2 ist eine Kohlenstoffschicht mit diamantähnlicher Kristallstruktur ("diamond-like carbon", DLC) als Reibpartner gegen Stahl bekannt. In der EP 087 836 B1 sind DLC-Gleitschichten für insbesondere Stahlwerkzeuge beansprucht, die außerdem mindestens ein metallisches Element, jedoch keine thermodynamisch stabilen Carbide enthalten.
• DLC-Schichten lassen sich bei höheren Temperaturen durch CVD und PVD, jedoch auch bereits bei Temperaturen bis 200 °C durch Plasma-unterstützte chemische Abscheidung ("plasma-enhanced chemical vapor decomposition", PECVD) oder Kathodenzerstäubung erzeugen. In der DE 197 07 232 A1 ist ein derartiges Verfahren zur Beschichtung von Spinnringen beansprucht, wobei die Schichten neben Kohlenstoff verschiedene Nebengruppenmetalle wie Titan, Niob, Tantal und/oder Wolfram enthalten können. Die GB 2 343 496 A wendet eine vergleichbare Beschichtung auf Motorkolben an, die GB 2 341 911 A auf Einspritzdüsen und die DE 39 11 101 A1 auf Drehpotenziometer.
• Zum Abrichten von Tüchern für die Politur von Halbleiterscheiben lassen sich gemäß der JP 10 217 103 A unter anderem DLC-Schichten mit Titan oder Chrom einsetzen, um das Herausbrechen von exponierten Teilen des Abrichtwerkzeugs zu verhindern. Der Stand der Technik beschreibt bisher keine Nutzung DLC-beschichteter Komponenten in der gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben in Gegenwart von Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltender Flüssigkeiten.
• Es war die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung von Halbleiterscheiben mittels einer oder mehrerer Läuferscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben unter Zuführung einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit bereitzustellen, das über eine höhere Nutzungsdauer der Läuferscheiben zu Kostenvorteilen führt.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung einer oder mehrerer Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben unter Zuführung einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit, wobei die Halbleiterscheiben durch eine oder mehrere Läuferscheiben auf einer Bahn bewegt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Läuferscheibe mindestens in Teilbereichen der Vorderseite und der Rückseite mit einer unter Einsatzbedingungen chemisch inerten, weitgehend abriebfesten, reibungsarmen Beschichtung versehen ist.
• Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren für Halbleiterscheiben unterscheidet sich von Verfahren nach dem Stand der Technik dadurch, dass die Verwendung von Läuferscheiben mit weitgehend abriebfester, gleitarmer Beschichtung zu einer Vervielfachung der möglichen Nutzungsdauer dieser Läuferscheiben führt, wobei ein Verkratzen der bearbeiteten Halbleiterscheiben etwa durch aus der Beschichtung herausbrechende Partikel nicht zu beobachten ist und so signifikant niedrigere Umarbeitungskosten als mit Verfahren nach dem Stand der Technik möglich erreicht werden. Die Tatsache, dass ursprünglich für die Reduktion von Reibungskoeffizienten der trocknen Reibung entwickelte Beschichtungen auch bei Material abtragenden Verfahren in Gegenwart einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit von Vorteil sind, ist überraschend und war nicht vorhersehbar.
• Ausgangsprodukt des Verfahrens ist eine Halbleiterscheibe, die auf bekannte Weise von einem Kristall abgetrennt und kantenverrundet und gegebenenfalls weiteren Prozessschritten unterworfen wurde. Sie kann, je nach Verfahren und Zielsetzung, eine gesägte, geläppte, geschliffene, geätzte, polierte oder epitaxierte Oberfläche besitzen. Falls dies gewünscht wird, kann die Kante der Halbleiterscheibe poliert sein. Endprodukt des Verfahrens ist eine Halbleiterscheibe, die beidseitig geläppt oder poliert ist und den nach dem Stand der Technik hergestellten Halbleiterscheiben gleicher Qualität bezüglich ihrer Herstellkosten überlegen ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur gleichzeitig beidseitigen Bearbeitung verschiedenartiger scheibenförmiger Körper beispielsweise durch Läppen und Polieren eingesetzt werden, die aus einem Material bestehen, welches durch die genannten Verfahren bearbeitbar ist. Derartige Materialien sind beispielsweise Gläser, etwa auf Siliciumdioxid-Basis, und Halbleiter, etwa Silicium, Silicium/Germanium und Galliumarsenid. Silicium in einkristalliner Form zur Weiterverwendung in der Fertigung von elektronischen Bauelementen, beispielsweise Prozessoren und Speicherelementen, ist im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugt.
• Das Verfahren eignet sich besonders zur Bearbeitung von Halbleiterscheiben mit Durchmessern von gleich oder größer 100 mm und Dicken von etwa 0,2 bis 2 mm. Diese können entweder direkt als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiter-Bauelementen eingesetzt werden oder nach Durchführung weiterer Prozessschritte wie nasschemisches oder Plasmaätzen, Polieren und/oder nach Aufbringen von Schichten wie Rückseitenversiegelungen oder einer epitaktischen Beschichtung der Scheibenvorderseite und/oder nach Konditionierung durch eine Wärmebehandlung ihrem Bestimmungszweck zugeführt werden. Neben der Herstellung von Scheiben aus einem homogenen Material kann die Erfindung natürlich auch zur Herstellung von mehrschichtig aufgebauten Halbleitersubstraten sowie zur Regenerierung ("recycling") beispielsweise von mit Schichten beaufschlagter Halbleiterscheiben eingesetzt werden.
• Die weitere Beschreibung des Verfahrens erfolgt am Beispiel der beidseitigen Politur von Siliciumscheiben. Für den Fachmann ist es dabei selbstverständlich, dass eine Siliciumscheibe bis zu 1 Mol-% Fremdmaterial, beispielsweise Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Arsen oder Sauerstoff enthalten kann, welche die Eigenschaften des Kristallgitters etwa im Hinblick auf elektrische oder Defekteigenschaften gezielt beeinflussen. Die Erfindung lässt sich problemlos auch bei Vorliegen derartiger Dotierstoffe ausführen. Die Angaben sind prinzipiell auf andere unter Zuführung von Abrasivstoffen oder Kolloiden enthaltenden Flüssigkeiten beidseitig angreifende Verfahren übertragbar, wenn beispielsweise statt mit Poliertuch belegte Polierteller mit Kanälen ausgestattete Arbeitsscheiben zum Einsatz kommen.
• Prinzipiell ist es möglich, eine Anzahl beispielsweise durch ein Innenloch- oder Drahtsägeverfahren gesägter Siliciumscheiben direkt dem erfindungsgemäßen beidseitigen Polierschritt zu unterziehen. Es ist jedoch bevorzugt, die scharf begrenzten und daher mechanisch sehr empfindlichen Scheibenkanten mit Hilfe einer geeignet profilierten Schleifscheibe zu verrunden. Weiterhin ist es zwecks Verbesserung der Geometrie und teilweisem Abtrag der zerstörten Kristallschichten bevorzugt, die Siliciumscheiben abtragenden Schritten wie Läppen und/oder Schleifen und/oder Ätzen zu unterziehen, wobei alle genannten Schritte nach dem Stand der Technik ausgeführt werden.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Polierschrittes kann eine handelsübliche Anlage zur gleichzeitig beidseitigen Politur geeigneter Größe verwendet werden, die mit einer einzigen zentralen nach dem "Circulat orbit movement"-Prinzip oder mehrerer durch ein Planetargetriebe bewegter Läuferscheiben arbeitet. Die Polieranlage besteht im Wesentlichen aus einem frei horizontal drehbaren unteren Polierteller und einem parallelen frei horizontal drehbaren oberen Polierteller, die beide mit Poliertuch bedeckt sind, und erlaubt unter kontinuierlicher Zuführung eines Poliermittels geeigneter chemischer Zusammensetzung über Zuführungen durch den oberen Polierteller das beidseitige abtragende Polieren.
• Die Läuferscheiben für das erfindungsgemäße Polierverfahren besitzen eine bevorzugte Dicke von 0,2 bis 2 mm und eine besonders bevorzugte Dicke von 0,5 bis 1 mm, die sich nach der Enddicke der polierten Siliciumscheiben richtet, welche letztlich vom Durchmesser der Siliciumscheiben und vom geplanten Anwendungszweck abhängt. Ihr Durchmesser variiert bevorzugt von 100 bis 1500 mm und besonders bevorzugt von 450 bis 750 mm für Anlagen mit Planetargetriebe und von 900 bis 1200 mm für Anlagen, die nach dem "Circulat orbit movement"-Prinzip arbeiten, was zu einem bevorzugten Verhältnis Dicke:Durchmesser von 1:100 bis 1:7500 führt. Der Siliciumabtrag durch die beidseitige Politur beträgt bevorzugt 2 bis 70 μm und besonders bevorzugt 5 bis 50 μm. Beim Läppen können ähnliche geometrische Relationen von Vorteil sein, wobei der bevorzugte Abtrag 10 bis 100 μm beträgt.
• Prinzipiell können die eingesetzten Läuferscheiben aus jedem Material gefertigt werden, das unter den Einsatzbedingungen stabil ist. Bevorzugt ist Metall oder Kunststoff. Besonders bevorzugt ist ein Material, das neben der Eigenschaft einer gegenüber den mechanischen Beanspruchungen ausreichenden Stabilität zur Herstellung ebener, spannungs- und wellenfreier Läuferscheiben in der gewünschten Dicke und Geometrie geeignet ist. Diese Eigenschaften besitzen Stähle, beispielsweise Chromstähle, die daher ein besonders bevorzugtes Material für den Läuferscheiben-Grundkörper darstellen. Die Herstellung und Konditionierung derartiger Läuferscheiben kann dabei beispielsweise durch Walzen, Laserschneiden, Tempern, Läppen und Reinigen erfolgen. Die Läuferscheiben besitzen eine oder mehrere Aussparungen bevorzugt in Kreisform zur Aufnahme von einer oder mehrerer Siliciumscheiben sowie in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weitere Aussparungen zur Verbesserung des Poliermittelflusses während der beidseitigen Politur.
• Die Erfindung sieht vor, die Läuferscheiben mindestens in Teilbereichen der Vorderseite und der Rückseite mit einer unter Einsatzbedingungen, also beispielsweise bei Durchführung eines Polier- oder Läppprozesses nach dem Stand der Technik unter Zuführung einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit, weitgehend abriebfesten, gleitarmen Beschichtung zu versehen. Bevorzugt ist, dass diese Beschichtung mindestens 50 der Fläche der Vorderseite und der Rückseite bedeckt; besonders bevorzugt ist eine vollständige Bedeckung der Vorderseite und der Rückseite der Läuferscheiben. Die schmalen Flanken der Läuferscheiben beispielsweise im Bereich der Verzahnung können ebenfalls beschichtet sein, jedoch ist dies nicht zwingend erforderlich.
• Die Beschichtung lässt sich prinzipiell nach verschiedenen Fertigungsschritten zur Herstellung einer Läuferscheibe aufbringen. Eine Aufbringung vor oder nach dem letzten Bearbeitungsschritt ist bevorzugt. Im Falle der besonders bevorzugten Läuferscheiben aus Stahl ist eine Aufbringung nach Formgebung und Oberflächenbehandlung beispielsweise durch Laserschneiden ge folgt von Läppen und/oder Schleifen und/oder Polieren sowie gegebenenfalls vorgesehener Härtungs- und/oder Anlassprozesse, jedoch vor dem Einbringen eventuell notwendiger Kunststoffteile wie Kunststoffverzahnungen oder Auskleidungen von Öffnungen besonders bevorzugt.
• Die Dicke der Beschichtung richtet sich prinzipiell nach ihrer chemischen Zusammensetzung sowie nach dem geplanten Anwendungszweck der Läuferscheiben. Es entspricht der Idee der Erfindung, die Beschichtung signifikant dünner zu gestalten als die Läuferscheibe, da sie als Schutz und weniger als Verschleißteil ausgeführt wird. Bevorzugt ist eine Dicke von 0,1 μm bis 50 μm auf der Vorderseite und auf der Rückseite. Im Falle der Anwendung in der gleichzeitig beidseitigen Politur ist eine Dicke von 1 bis 10 μm besonders bevorzugt. Derartig dimensionierte Schichten sind einerseits ausreichend mechanisch und chemisch stabil und lassen sich andererseits in homogener Stärke zu vertretbaren Kosten aufbringen. Die Dickenvariation innerhalb der Beschichtung sollte in jedem Falle bei gleich oder kleiner 3 μm liegen; typische Werte liegen bei der besonders bevorzugten Schichtdicke bei gleich oder kleiner 0,5 μm. In gewissen Fällen kann es zielführend sein, die Beschichtung nach einer gewissen Einsatzdauer der Läuferscheibe, die deutlich höher, beispielsweise um ein 10-faches höher als die Einsatzdauer einer unbeschichteten Läuferscheibe ist, zu erneuern. Die mittlere Dicke der beschichteten, einsatzbereiten Läuferscheiben liegt bevorzugt um 0,1 bis 50 μm und besonders bevorzugt um 0,5 bis 20 μm niedriger als die mittlere Dicke der Siliciumscheiben nach der erfindungsgemäßen Politur.
• Die chemische und strukturelle Zusammensetzung der Beschichtung ist prinzipiell sekundär, wenn sie unter Einsatzbedingungen die Anforderungen der Erfindung (1) chemische Inertheit, (2) weitgehende Abriebfreiheit und (3) Reibungsarmut erfüllt. Die Reibungsarmut, ausgedrückt über den Gleitreibungskoeffizienten μ, lässt sich bei den vorliegenden Systemen nicht hinreichend genau quantifizieren, da im Gegensatz zu trocknen Reibsystemen im Maschinenbau beispielsweise bei der erfindungsgemäßen Politur ein dynamisches System aus Läuferscheibe, Poliertuchoberfläche und Poliermittel vorliegt, bei dem sich beispielsweise die Beschaffenheit der Poliertuchoberfläche mit der Einsatzdauer verändern kann. In der Praxis zeigt sich jedoch empirisch, dass viele typische Beschichtungssysteme, beispielsweise durch PVD- und CVD-Verfahren aufgebrachte Metallnitrid- oder -carbidnitridschichten die Anforderung (3) nicht erfüllen. Andererseits führen galvanische Metallisierungen, beispielsweise eine Hartverchromung, unter Umständen zu Problemen hinsichtlich der Anforderungen (1) und/oder (2).
• Bevorzugt sind alle drei Anforderungen gleichzeitig erfüllende Beschichtungen, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff und einem oder mehreren Nebengruppenmetallen bestehen und aus 50 bis 99 Gew.-% Kohlenstoff und 50 bis 1 Gew.-% Metall aufgebaut sind. Dabei sind homogene Schichten, aber auch Mehrschichtsysteme möglich. Beispielsweise kann durch die Einführung von Zwischenschichten, insbesondere solchen Zwischenschichten aus Refraktärmetallen, wie Titan, Niob, Tantal oder Wolfram, die Schichthaftung im Einzelfall erhöht werden. Dem Fachmann ist dabei klar, dass die Schichten in geringerem Umfang auch andersartige Stoffe, beispielsweise nichtmetallische Stoffe wie Silicium, Fluor und/oder Sauerstoff, enthalten können.
• Besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung sind Beschichtungen, die ein oder mehrere Metalle der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems der chemischen Elemente sowie Kohlenstoff überwiegend, das heißt zu mindestens 90 % in diamantähnlicher Struktur (DLC) enthalten. Metalle der vierten Nebengruppe sind Titan, Zirkonium und Hafnium. Metalle der fünften Nebengruppe sind Vanadium, Niob und Tantal. Metalle der sechsten Nebengruppe sind Chrom, Molybdän und Wolfram. Derartige DLC-Schichten sind in der Regel vernetzt, besitzen gute Hafteigenschaften und verfügen über eine glatte Oberfläche, vor allem wenn das beschichtete Substrat, in diesem Falle die Läuferscheibe, eine glatte Oberfläche besitzt. Ihre Härte liegt typischerweise von 1000 bis 4000 Vickers-Härtegraden und ihr Elastizitätsmodul von 100 bis 1000 Gigapascal bei einer Tempe raturbeständigkeit von 300 bis 400 °C, die für den Einsatz der Läuferscheiben bei oder nahe Raumtemperatur unkritisch ist. Sie überziehen die Oberfläche der Läuferscheibe gleichmäßig und erfüllen die geforderten Eigenschaften hinsichtlich Inertheit sowie Verschleiß- und Gleiteigenschaften. Bei vollflächiger Aufbringung ist auch ein Schutz der Läuferscheibe beispielsweise gegen Poliermittel gegeben, was unter Umständen den Einsatz niedrigerer Stahlqualitäten, beispielsweise Federbandstahl anstelle von Edelstahl, ermöglicht. DLC/Metall-Schichten haben gegenüber reinen DLC-Schichten der Vorteil besserer Haftung auf der Läuferscheibe. Ein weiterer Vorteil betrifft ihre elektrische Leitfähigkeit, die eine Aufbringung mit technisch einfacheren und preiswerteren Gleichstromprozessen ermöglicht.
• Die Aufbringung derartiger Beschichtungen aus DLC und Metall auf die Läuferscheiben kann im Rahmen der Erfindung nach dem Stand der Technik erfolgen, beispielsweise gemäß den in der EP 087 836 B1 , der DE 39 11 101 A1 und der DE 197 07 232 A1 angegebenen Verfahren. Als Kohlenstoffquelle eignen sich Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe. Als Metallquelle eignen sich Metallplatten. Als Aufbringverfahren eignen sich die Methode der Kathodenzerstäubung sowie Plasmaverfahren (PECVD) unter Vakuum und/oder Inertgas und/oder Kohlenwasserstoffatmosphäre, die beide besonders bevorzugt, da sie bei Temperaturen von gleich oder kleiner 300 °C möglich sind; ein typischer Temperaturbereich für die Abscheidung umfasst 150 bis 250 °C. Dies ermöglicht die Beschichtung von Läuferscheiben aus Kunststoff entsprechender Thermostabilität. Auch die Beschichtung der besonders bevorzugten Läuferscheiben aus Stahl ist möglich, ohne dass vom Fachmann aus den Phasendiagrammen der entsprechenden Stähle ersichtliche Gefügeveränderungen beispielsweise unter unerwünschter Verformung auftreten.
• Um während des Polierens eine Beschädigung der Scheibenkante durch die Innenkante der Aussparung in der Läuferscheibe zu verhindern, kann beim beidseitigen Polieren – wie auch beim beidseitigen Läppen – nach Aufbringen der Beschichtung die Innenseite der Aussparungen beispielsweise gemäß der EP 208 315 B1 mit einer Auskleidung von gleicher Dicke wie die Läuferscheibe belegt werden, was bevorzugt ist. Als geeignet haben sich in diesem Zusammenhang verschiedene Kunststoffe erwiesen, beispielsweise Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und Polyvinylidendifluorid (PVDF), die alle gleichermaßen bevorzugt sind. Die Kunststoffe können gegebenenfalls verstärkende inerte Füllstoffe, beispielsweise Glasfasern oder Glaskugeln, enthalten. Um eine freie Beweglichkeit der Siliciumscheibe in der so mit Kunststoff ausgekleideten Aussparung der rotierenden Läuferscheibe zu gewährleisten, muss die ausgekleidete Aussparung geringfügig, das heißt um etwa 0,2 bis 2 mm größer im Durchmesser sein als die zu polierenden Siliciumscheiben. Die Auskleidung lässt sich durch Extrusion mit der Läuferscheibe verbinden; sie kann bei Beschädigung oder periodisch ausgetauscht werden.
• Im Rahmen der hinsichtlich der Läuferscheiben gemachten Ausführungen wird der beidseitige Polierschritt in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise durchgeführt. Bevorzugt wird mit einem handelsüblichen Polyurethan-Poliertuch mit 60 bis 90 Shore-A-Härtegraden poliert, das über eingearbeitete verstärkende Polyesterfasern verfügen kann. Im Falle der Politur von Siliciumscheiben empfiehlt sich die kontinuierliche Zuführung eines Poliermittels mit einem pH-Wert von bevorzugt 9,5 bis 12,5 aus bevorzugt 1 bis 10 Gew.-% SiO₂ als Kolloid in Wasser.
• Die Siliciumscheiben werden nach Beendigung der Politur aus der Polieranlage entnommen und nach dem Stand der Technik gereinigt und getrocknet. Es schließt sich in der Regel eine Bewertung verschiedener Qualitätsmerkmale nach dem Fachmann bekannten Methoden an. Ein derartiges Merkmal kann beispielsweise die lokale Ebenheit sein. Weitere bewertete Qualitätsmerkmale können die Vorderseite, die Rückseite und/oder die Kante der Scheiben betreffende Eigenschaften sein. Hierbei kommt der visuellen Beurteilung des Auftretens und Umfanges von Kratzern, Flecken und sonstiger Abweichungen von der idealen Siliciumoberfläche unter stark gebündeltem Licht eine hohe Bedeutung zu. Darüber hinaus können beispielsweise Untersuchungen von Rauigkeit, Nanotopografie und Metallkontamination auf handelsüblichen Messgeräten sinnvoll beziehungsweise gefordert sein. Nach der Ausführung der Erfindung in Gestalt eines Läppverfahrens schließt sich im Wesentlichen eine Kontrolle von Dicke, Geometrie und Kratzerrate der Siliciumscheiben an.
• Hinsichtlich dieser zur Scheibencharakterisierung herangezogenen Parameter weisen die erfindungsgemäß hergestellten Siliciumscheiben keine Nachteile gegenüber Siliciumscheiben auf, die nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurden. Sie lassen sich durch die verlängerte Nutzungsdauer der Läuferscheiben allerdings um bis zu 15 % kostengünstiger pro beidseitig Material abtragendem Prozessschritt als nach bekannten Verfahren herstellen.
• Zur Beschreibung der Erfindung gehören Figuren, welche diese verdeutlichen und sich auf die Politur von Siliciumscheiben des Durchmessers 300 mm auf einer Polieranlage mit Planetargetriebe für die beidseitige Politur von Halbleiterscheiben beziehen. Die der Erfindung zu Grunde liegenden Zusammenhänge lassen sich analog auf kleinere oder größere Polieranlagen für eine oder mehrere Läuferscheiben sowie sonstige vergleichbare Anlagen für andere Prozesse und auf die Bearbeitung von kleineren oder größeren Halbleiterscheiben übertragen; die Figuren beinhalten daher in keinem Fall eine Einschränkung der Erfindung.
• 1 zeigt eine Läuferscheibe nach dem Stand der Technik zur Aufnahme von drei Siliciumscheiben für die beidseitige Politur mit einem Durchmesser von 720 mm (Teilkreis), bestehend aus Läuferscheibenkörper 1 und Verzahnung 2 sowie Öffnungen 3 für die eine Belegung mit Halbleiterscheiben und weitere Aussparungen 4.
• 2 zeigt die maximale Anordnung von fünf der in 1 dargestellten Läuferscheiben in einer Polieranlage, die Läuferscheiben belegt mit jeweils drei Halbleiterscheiben in den Öffnungen 3, zwischen zwei Antriebskränzen 5 und 6 auf einem mit Poliertuch beklebten unteren Polierteller 7, wobei der Durchmesser des inneren Stiftkranzes 5 530 mm und der des äußeren Stiftkranzes 6 1970 mm beträgt. Der obere Polierteller ist in dieser Aufsicht nicht dargestellt.
• 3 zeigt das Verschleißverhalten der im Vergleichsbeispiel eingesetzten unbeschichteten Läuferscheibe (dünne Linie) und der im Beispiel eingesetzten beschichteten Läuferscheibe (dicke Linie) sowie den im Rahmen der hier durchgeführten Politur nutzbaren Dickenbereich von 768 bis 778 μm.
• Vergleichsbeispiel und Beispiel
• Vergleichsbeispiel und Beispiel betreffen die beidseitige Politur von Siliciumscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm im Produktionsmaßstab auf einer Anlage des Typs AC2000 von Fa. Peter Wolters (Rendsburg). Die Siliciumscheiben wurden nach dem Stand der Technik durch Drahtsägen eines Einkristalls, Kantenverrunden, Oberflächenschleifen, Ätzen in einem konzentrierten Salpetersäure/Flusssäure-Gemisch und Kantenpolieren hergestellt und besaßen eine Dicke von 805 μm. Es bestand die Aufgabe, die Siliciumscheiben so zu polieren, dass (a) die fertig polierten Siliciumscheiben um 2 μm dicker sind als die Läuferscheiben, (b) die Enddicke der Siliciumscheiben von 770 bis 780 μm beträgt und (c) mindestens 25 μm Silicium durch die Politur entfernt werden.
• Vergleichsbeispiel
• Es wurden fünf Läuferscheiben aus rostfreiem Chromstahl (Stahlsorte 1.4034) der Dicke 778 μm mit einer Konstruktion gemäß 1 und einer Härte von 45 Rockwell-Härtegraden durch Walzen, Laserschneiden, Läppen, Wärmebehandlung und Polieren hergestellt. Die drei Aussparungen zur Aufnahme der Siliciumscheiben wurden durch Extrusion mit PVDF in gleicher Dicke wie die Läuferscheibe ausgekleidet und besaßen einen lichte Öffnungsweite von 301 mm. Als Poliertuch fand ein handelsübliches Polyesterfaser-verstärktes Polyurethantuch mit 74 Shore-A-Härtegraden Verwendung. Das wässerige Poliermittel enthielt 3 Gew.-% kolloidal gelöstes SiO₂ und besaß eine pH-Wert von 11,5. Oberer und unterer Polierteller wurden jeweils auf 38°C temperiert. Der spezifische Polierdruck betrug 0,15 bar, was zu einer Abtragsrate von 0,7 μm/min führte.
• Die Siliciumscheiben wurden zunächst bis zu einer Enddicke von 780 μm poliert, um die Bedingungen (a) bis (c) zu erfüllen. Nach Entnahme aus der Polieranlage, Reinigung und Trocknung erfolgte eine visuelle Oberflächeninspektion auf Kratzer unter Hazelicht, wobei in dieser und den nachfolgenden Polierfahrten keine Probleme festgestellt wurden. Mit den aufgeführten Prozessbedingungen wurden größere Mengen an Siliciumscheiben poliert. Zwischen den Polierfahrten wurden die Poliertücher durch Verwendung von Bürstenscheiben an Stelle der Läuferscheiben unter Zuführung von Wasser gereinigt. Für jede Polierfahrt wurde die Enddicke der Siliciumscheiben und somit der Abtrag stichprobenartig mit einem kapazitiv arbeitenden Geometriemessgerät bestimmt. Nach jeder fünften Polierfahrt wurde die Dicke der Läuferscheiben mit einem Taster gemessen. Die Polierzeit in den nachfolgenden Polierfahrten wurde jeweils so festgelegt, dass die fertig polierte Siliciumscheibe um jeweils 2 μm dicker war als die Läuferscheibe. Das in 3 dargestellte Abnutzungsverhalten der Läuferscheiben unter Polierbedingungen führte dazu, dass diese nach 300 Fahrten eine Dicke von nur noch 768 μm besaßen; die Enddicke der Siliciumscheiben war dementsprechend mit 770 μm und der Polierabtrag mit 35 μm festgesetzt. Nach diesen 300 Polierfahrten konnten die Läuferscheiben nicht mehr zur Erfüllung der Aufgabe eingesetzt werden. Die Verwendung bei der Politur minderwertigerer Spezifikationen führt zu einer nahezu linearen Fortsetzung des Verschleißes.
• Beispiel
• Für das Beispiel standen fünf Läuferscheiben gemäß 1 mit polierter Oberfläche zur Verfügung, die im Unterschied zu den Läuferscheiben des Vergleichsbeispiels zunächst eine Dicke von 768 μm besaßen. In einer entsprechend dimensionierten Reaktionskammer wurden die Läuferscheiben einzeln nach dem Verfahren der Kathodenzerstäubung vollflächig mit einer Titan-haltigen DLC-Schicht belegt. Als Titanquelle dienten seitlich angebrachte Titankathoden, als Kohlenstoffquelle wurde Acethylen (Ethin) zugeführt. In dem bei 200 °C ablaufenden Beschichtungsverfahren wurde zunächst 0,5 μm Titan als Haftvermittlungsschicht aufgetragen und anschließend Titan und DLC-Kohlenstoff im Atomverhältnis 1:1. Nach Erreichen einer Schichtdicke von 3 μm auf jeder Seite, womit die Läuferscheiben eine Gesamtdicke von 774 μm besaßen, wurde der Abscheideprozess beendet und die Läuferscheibe nach langsamem Abkühlen aus der Kammer entnommen und nach Auskleidung ihrer Bestimmung zugeführt.
• Wie ebenfalls in 3 dargestellt, erwiesen sich derart beschichtete Läuferscheiben in der wie im Vergleichsbeispiel ausgeführten beidseitigen Politur im großtechnischen Maßstab als wesentlich verschleißfester. Nach 300 Fahrten war ein Dickenschwund von lediglich wenigen Zehntel μm zu messen. Selbst nach 2000 Polierfahrten konnten die beschichteten Läuferscheiben noch zur Erfüllung der Aufgabe eingesetzt werden, da der Dickenschwund nur 2 μm, das heißt 1 μm pro Seite, betrug. Probleme mit abplatzender Beschichtung und/oder verkratzen Siliciumscheiben wurden nicht beobachtet.
• Es ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur beidseitigen Politur von Siliciumscheiben mit den beanspruchten Läuferscheiben durch die Möglichkeit der deutlich verlängerten Verwendung der in der Herstellung teuren Läuferscheiben über eine Reduktion der Hilfstoffkosten deutliche Kostenvorteile gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik aufweist.

Claims (14)

1. Verfahren zur gleichzeitig beidseitigen Material abtragenden Bearbeitung einer oder mehrerer Halbleiterscheiben zwischen zwei rotierenden Arbeitsscheiben unter Zuführung einer Abrasivstoffe oder Kolloide enthaltenden Flüssigkeit, wobei die Halbleiterscheiben durch eine oder mehrere Läuferscheiben auf einer Bahn bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe mindestens in Teilbereichen der Vorderseite und der Rückseite mit einer unter Einsatzbedingungen chemisch inerten, weitgehend abriebfesten, reibungsarmen Beschichtung versehen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im Wesentlichen aus Kohlenstoff und mindestens einem Nebengruppenmetall besteht, wobei der Kohlenstoffanteil der Beschichtung 50 bis 99 Gew.-% und der Metallanteil der Beschichtung 50 bis 1 Gew.-% ausmacht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebengruppenmetall ein Element der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensystems ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffanteil der Beschichtung im Wesentlichen in diamantähnlicher Form (DLC) vorliegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei einer Temperatur von gleich oder kleiner 300 °C aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe aus Metall oder aus Kunststoff oder aus Kombinationen daraus besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe aus Stahl besteht und die Öffnungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben mit Kunststoff ausgekleidet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe von 0,2 bis 2 mm und die Beschichtung auf jeder Seite von 0,1 bis 50 μm dick ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Vorderseite und die gesamte Rückseite der Läuferscheibe mit der Beschichtung bedeckt sind und die Dickenvariation der Beschichtung gleich oder kleiner 3 μm beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferscheibe nach Abnutzung der Beschichtung erneut mit einer gleichartigen Beschichtung beaufschlagt und die Läuferscheibe erneut bestimmungsgemäß eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Läuferscheibe aus mehreren übereinander liegenden Beschichtungen aufgebaut ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung als beidseitige Politur zwischen zwei mit Poliertuch bedeckten Poliertellern unter Zuführung einer Abrasivteilchen oder Kolloide enthaltenden alkalischen Poliermittels unter Abtrag von mindestens 2 μm Halbleitermaterial ausgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig beidseitige Material abtragende Bearbeitung als beidseitiger Läppschritt zwischen zwei Läppscheiben mit kanalartigen Vertiefungen unter Zuführung einer Abrasivteilchen enthaltenden Suspension unter Abtrag von mindestens 10 μm Halbleitermaterial ausgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterscheibe im Wesentlichen aus Silicium besteht.