DE4136566C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Zerteilen von zylindrischen, sprödharten, nichtmetallischen Werkstoffen in scheibenförmige Zwischenprodukte. Die für dieses Verfahren in Frage kommenden Materialien mit einer Vickers-Härte von bis zu HV 15000 N/mm² stellen aufgrund ihrer besonderen Werk­ stoffeigenschaften extreme Anforderungen an den Zerspanungsprozeß. Ganz besondere Bedeu­ tung kommen dabei den Substratwerkstoffen für Elektronikbauteile wie beispielsweise Silizium, Germanium oder Galliumarsenid zu.

Das aus der Schmelze entstehende Halbzeugmaterial liegt in Zylinderform, sogenannten "Barren" oder "Ingots" vor. Die weitere Verarbeitung erfordert ein Zerteilen dieses Barrens in dünne Scheiben, die auch als "Ronden" oder "Wafer" bezeichnet werden. Der Trennprozeß stellt in zunehmendem Maße immer höhere Forderungen bezüglich Maßhaltigkeit und Oberflächen­ beschaffenheit der so gewonnenen Scheiben: Sie sollen möglichst planparallel sein, wobei es von besonderer Wichtigkeit ist, daß eine der beiden Flächen so plan wie möglich ist, damit sie für die weitere Bearbeitung als Referenzfläche dienen kann.

Aus den Patentschriften DE 36 13 132 C2 und DE 37 37 540 C1 sind bereits Erfindungen bekannt, die eine Lösung zu der Forderung nach einer ebenen Referenzfläche vorschlagen: Die Lösung besteht in einer Integration von Abtrenn- und Einebnungsprozeß: Die durch den vorangegangenen Abtrennprozeß unebene Stirnfläche des Barren wird, bevor eine weitere Scheibe abgetrennt wird, durch einen spanabhebenden Abtragsprozeß eingeebnet. Diese eingeebnete Fläche dient dann nach einem weiteren Abtrennvorgang bei dem dadurch entstehenden Wafer als plane Referenzfläche für die weitere Bearbeitung.

Wie in den beiden vorgenannten Schriften ausgeführt ist, wird der Einebnungsprozeß der Barren­ stirnseite vorzugsweise durch Schleifen und der Abtrennprozeß vorzugsweise durch eine Innen­ lochsäge ausgeführt. Wie weiterhin aus diesen beiden Schriften hervorgeht, besteht unter dem Gesichtspunkt der Produktivität eine besonders vorteilhafte Anwendung darin, Schleif- und Sägevorgang gleichzeitig bzw. nur geringfügig zeitlich versetzt durchzuführen, wobei Schleif- und Sägevorgang unter Ausnutzung derselben Vorschubbewegung vollzogen werden.

Besonders dieser letztgenannte Sachverhalt weist jedoch auf eine wesentliche Einschränkung der durch die beiden o.g. Schriften dokumentierten Stand der Technik hin:

Der Tennvorgang als der kritischere der beiden parallel ablaufenden Arbeitsgänge wird mit einer ihm eigenen optimalen Vorschubbewegung vollzogen, d. h. daß sowohl der Bewegungsablauf als auch die Geschwindigkeit speziell auf den Trennvorgang abgestimmt sind. Im Sinne des oben genannten Produktivitätsaspektes wird der Schleifvorgang unter Ausnutzung derselben Vorschub­ bewegung vollzogen, wobei die Prozeßbedingungen für den Schleifprozeß im allgemeinen Fall nicht optimal sind. Die konstruktiven und kinematischen Randbedingungen erfordern, daß für den Schleifvorgang nur das Plan-Seiten-Längsschleifen in Frage kommt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit identisch sein muß mit der des Trennvorgangs.

Diese einschränkenden Randbedingungen beeinträchtigen besonders die Oberflächengüte des Schleifvorgangs in nachhaltiger Weise. Im Hinblick auf ausreichende Abtragsleistung und permanente Schneidfähigkeit muß ein relativ grobes Korn gewählt werden, worauf die dadurch erzielte Oberflächengüte gezwungenermaßen relativ rauh ausfallen muß. Für die weitere Fertigung der Wafer wäre es jedoch besonders vorteilhaft, wenn die durch Schleifen entstandene ebene Fläche bereits eine so gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen würde, daß sie ohne zwischenzeitliche Bearbeitung den Anforderungen der nachfolgenden Prozesse genügen würde.

Man trifft hier auf eine grundsätzliche Problematik der Schleiftechnologie: Entweder schleift man mit grobem Korn und relativ großer Abtragsleistung bei vergleichsweise schlechter Oberflächen­ güte oder aber mit feinem Korn und kleiner Abtragsleistung bei guter Oberflächengüte. Im hier vorliegenden Fall erfordern die übergeordneten Gesichtspunkte des Trennvorganges und die damit verbundene Vorschubgeschwindigkeit eine relativ hohe Abtragsleistung und damit ein grobes Korn, welches zwangsläufig eine relativ rauhe Oberfläche am Werkstück erzeugt. Wie bereits oben erwähnt, wäre jedoch eine feine Oberfläche für die Weiterverarbeitung der Wafer wünschenswert. Der standardmäßige Lösungsansatz der Schleiftechnologie sieht bei solchen Problemfällen eine zweistufige Bearbeitung vor: Vorschleifen mit grobem Korn und abschließende Endbearbeitung mit feinem Korn. Diese standardmäßig praktizierte Vorgehensweise in dieser einfachen Form ist hier jedoch nicht anwendbar, da zwei Schleifwerkzeuge in klassischer Form unter den gegebenen konstruktiven Randbedingungen und unter Ausnutzung derselben Vorschubbewegung nicht auf dasselbe Werkstück einwirken können.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, für den hier vorliegenden Fall des Längs-Seiten-Planschleifens und unter Ausnutzung erfindungsgemäßer Hilfsmittel eine Kombination von grobkörnigem Vorschleifen mit hoher Abtragsleistung und feinkörniger Endbearbeitung mit hoher Oberflächen­ güte bei Ausnutzung einer gemeinsamen Vorschubbewegung zu ermöglichen, wobei die Vorgänge des Vor- und Feinschleifens zeitlich nacheinander, aber überlappend, ausgeführt werden.

Die folgenden Figuren verdeutlichen diese Vorgehensweise prinzipiell:

Fig. 1 gibt die Ausgangsstellung vor der Bearbeitung wieder und dient im wesentlichen zur Beschreibung der Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht in derselben Stellung.

Die Fig. 3-6 stellen einige markante Positionen eines Bearbeitungsganges dar.

Wie Fig. 1 verdeutlicht, besteht die Vorrichtung im wesentlichen aus einem Schleifscheibenträger 1, dessen Lagerung in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber weggelassen ist. Am Außenrand dieses Schleifscheibenträgers 1 sind konzentrisch zu dessen Rotationsachse zwei ringförmige Schleifscheiben 2 und 3 angeordnet, wobei es sich bei Scheibe 2 um die Schruppscheibe und bei Scheibe 3 um die Schlichtscheibe handelt. Der Schleifscheibenträger 1 mit den Schleif­ scheiben 2 und 3 ist relativ zum Sägewerkzeug mit dem Schneidbelag 4 axial beweglich, so daß der axiale Zwischenraum zwischen der Stirnseite der Schleifscheiben und dem Sägeblatt 11 mit Sägebelag 4 variiert werden kann. Beide Schleifscheiben sind mit je einer Abrichtelektrode 5 und 6 ausgestattet, die getrennt voneinander betrieben werden. Dabei ist die Schruppelektrode 5 der Schruppscheibe 2 und die Schlichtelektrode 6 der Schlichtscheibe 3 zugeordnet.

Wie Fig. 2 in der Draufsicht veranschaulicht, wirkt auf die innere Schleifscheibe 2 nicht nur die Abrichtelektrode 5, sondern auch der Abstandssensor 14, der die axiale Lage der Stirnfläche der Schleifscheibe 2 erfaßt. Desgleichen wird die axiale Lage der Stirnfläche der Schleifscheibe 3 durch den Abstandssensor 15 erfaßt. Aus dem Differenzbetrag der durch die beiden Sensoren 14 und 15 aufgezeichneten Wege läßt sich der für den Schleifvorgang überaus wichtige axiale Versatz der Stirnflächen der beiden Schleifscheiben ermitteln.

Des weiteren wird die Vorrichtung durch ein Trennwerkzeug ergänzt, welches hier beispielhaft als Innenlochsäge aufgeführt ist: Das rotierende Sägewerkzeug ist hier nur grob schematisch angedeu­ tet: Der Sägebelag 4 ist radial etwas weiter von der Rotationsachse entfernt angeordnet wie die Schlichtscheibe 3. Der Schneidbelag 4 ist auf einem kreisringförmigen Trägerblech 11 aufgebracht, welches seinerseits zwischen einem unteren Spannkantenring 9 und einem oberen Spannkanten­ ring 10 eingeklemmt ist und durch einen hier nicht dargestellten Mechanismus radial aufgeweitet und dabei gespannt worden ist. Die beiden Spannkantenringe sind mit einem rotationssymmetrischen Grundkörper 8 fest verbunden, der gegenüber dem Maschinengestell drehbar gelagert ist.

Säge- und Schleifwerkzeug sind bezüglich ihrer Drehbewegung gemeinsam oder einzeln für sich gelagert, drehen aber in jedem Fall um eine gemeinsame Achse. Bei gemeinsamer Lagerung ist der Drehsinn und die Drehzahl beider Werkzeuge zwangsläufig gleich, bei getrennter Lagerung sind sie im allgemeinen Fall unterschiedlich.

Die folgende Beschreibung eines einzelnen Schleif-Abtrennvorganges soll das Verständnis dieses Verfahrens erleichtern:

Der Barren 7 wird mittels eine hier nicht näher beschriebenen Vorrichtung zu Beginn des Vorganges etwa zentrisch positioniert und axial so weit nach unten verschoben, bis sich die höchste Stelle seiner durch den vorangegangenen Abtrennvorgang entstandenen Stirnfläche gerade unter­ halb der durch die Stirnfläche der Schruppscheibe 2 aufgespannten Fläche befindet. Diese axiale Lage des Barrens 7 wird dann während der ganzen Dauer dieses einen Bearbeitungsschrittes beibehalten.

Nach der axialen Fixierung wird der Barren 7 in eine horizontale Vorschubbewegung versetzt. Dabei kommt sein unteres Ende zunächst in Berührung mit der relativ grobkörnigen Schruppscheibe 2, die den größten Teil des Materialabtrages beim Einebnen der Stirnfläche bewerkstelligt (Fig. 3). Im weiteren Verlauf der horizontalen Vorschubbewegung kommt der Barren 7 mit der feinkörnigen Schlichtscheibe 3 in Kontakt (Fig. 4), die nur geringfügig über die Schruppscheibe 2 hinausragt. Die Abtragsleistung von Schlichtscheibe 3 ist sehr gering, die am Werkstück erzeugte Oberfläche ist allerdings wegen der Feinkörnigkeit der Schleifscheibe sehr gut.

Im weiteren Verlauf seiner Vorschubbewegung kommt der Barren 7 mit dem Schneidbelag 4 des Innenlochsägeblattes in Kontakt (Fig. 5). Der Abstand zwischen Oberkante Schlichtscheibe 3 und Unterkante von Schneidbelag 4 wird vorab durch die Möglichkeit der relativen axialen Verschiebbarkeit von Schleif- und Abtrennwerkzeug so einjustiert, daß ein Wafer der gewünschten Dicke entsteht.

Fig. 6 zeigt schließlich den Zustand nach dem Ende des Abtrennprozesses. Die Unterseite des abgetrennten Wafers 12 ist durch die sehr steife Führung des Schleifwerkzeuges eben und kann damit bei den weiteren Bearbeitungsgängen als Referenzfläche genutzt werden. Die obere Begrenzungsfläche des Wafer ist hingegen i.a. uneben, da das Trennwerkzeug aufgrund seiner geometrischen Abmessungen in axialer Richtung sehr viel nachgiebiger ist.

Beide Schleifwerkzeuge werden unabhängig voneinander mit je einem elektrolytischen Abrichter betrieben. Dabei sind die Betriebsparameter für den Abrichter 6 der Schlichtscheibe 3 darauf ausgerichtet, im Sinne einer möglichst guten Oberflächengüte mit möglichst feinkörniger Schleif­ scheibe arbeiten zu können. Mit dem elektrolytischen Abrichter wird während des Schleifprozesses kontinuierlich die metallische Bindung an ihrer Oberfläche in Metalloxyd umgesetzt. Dadurch können gezielt die stumpfen Schleifkörner aus der dann geschwächten Bindung herausbrechen, um nachrückenden, schneidfähigen Körnern Platz zu machen.

Die Betriebsweise des Abrichters 5 für die Schruppscheibe 2 vollzieht sich zwar nach dem gleichen Prinzip, hat jedoch eine gänzlich andere Zielvorstellung im Auge: Das Zusammenspiel zwischen Schruppscheibe 2 und Schlichtscheibe 3 bzw. eine definierte Aufteilung der Abtragsleistungen auf beide Scheiben ist nur dann möglich, wenn der axiale Versatz zwischen Oberkante Schruppscheibe 2 und Oberkante Schlichtscheibe 3 exakt unter Kontrolle zu halten ist. Dieser Betrag muß genau eingehalten werden, um das äußerst bescheidene Spankammervolumen der Schlichtscheibe 3 nicht zu überfordern und ein Zusetzen der Schlichtscheibe 3 auf jedem Fall zu vermeiden.

Der spezifische Verschleiß der Schruppscheibe 2 ist geringer als der der Schlichtscheibe 3, so daß sich bei ansonst gleichen Konstruktions- und Betriebsbedingungen die Stirnflächen der Schleif­ werkzeuge langfristig in axialer Richtung angleichen würden, wodurch die Schlichtoperation allmählich außer Funktion gesetzt werden würde. Um in erster grober Näherung den Abstand auch längerfristig aufrecht erhalten zu können, wird die Schruppscheibe 2 schmaler ausgeführt als die Schlichtscheibe 3. Eine Feinanpassung des axialen Abstandes der Stirnflächen beider Schleif­ scheiben kann dann über die elektrischen Betriebsdaten vorgenommen werden.

Bei diesem Zusammenspiel des Abrichtens von Schruppscheibe 2 mit Elektrode 5 einerseits und Schlichtscheibe 3 mit Elektrode 6 andererseits ist zu berücksichtigen, daß die elektrischen Betriebsdaten für Schlichtscheibe 3 vor allem darauf abzielen müssen, den kritischen Schärfezu­ stand der Scheibe aufrecht zu erhalten. Dieser Umstand ist bei der Schruppscheibe 2 unkritisch. Deren elektrische Betriebsdaten werden vor allem darauf optimiert, den axialen Versatz zur Schlichtscheibe auf dem gewünschten Niveau zu halten. Mit den elektrischen Betriebsdaten des elekrolytischen Abrichters 5 für die Schruppscheibe 2 wird also der Bindungsabtrag an der Schruppscheibe 2 kontinuierlich so beschleunigt oder verlangsamt, daß zwischen den beiden Schleifscheiben 2 und 3 genau der gewünschte Axialversatz entsteht bzw. aufrecht erhalten wird. Zur genauen Kontrolle des Axialversatzes zwischen Schrupp- und Schlichtscheibe werden die Sensoren 14 und 15 benötigt, deren Differenzwert als Signal für die elektrischen Betriebsdaten der Schruppscheibe genutzt wird, so daß ein geschlossener Regelkreis entsteht.

Die vorstehenden Erläuterungen beziehen sich auf eine Kombination des Schleifapparates mit einer Innenlochsäge, die beide um eine senkrechte Achse rotieren. Die gleiche Anordnung ist auch mit waagerechter Rotationsachse denkbar.

In Ergänzung zu den obenstehenden Erläuterungen ist auch eine Kombination des oben beschrie­ benen Schleifapparates mit anderen Trennverfahren möglich, wobei hier beispielhaft das Draht- oder Bandsägen angeführt seien. Grundsätzlich kommen alle weiteren Trennverfahren in Frage, die mit Einzelschnitt arbeiten.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Zerteilen von Halbleiterbarren in Halbleiterscheiben, die im wesentlichen aus Trennwerkzeug und Schleifwerkzeug besteht, die so angeordnet sind, daß unter Aus­ nutzung einer gemeinsamen, radial zum Barren gerichteten Vorschubbewegung das untere Ende des Barrens zunächst mit dem topfförmigen Schleifwerkzeug in Eingriff kommt, welches die untere Stirnfläche des Barrens eben schleift und anschließend bzw. zeitlich versetzt mit dem Trennwerkzeug in Eingriff kommt, welches den Wafer vom Barren abtrennt, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Schleifwerkzeug aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Topfschleifscheiben besteht, die beide mit metallischer Bindung versehen sind, wobei die äußere, feinkörnige Schlichtscheibe mit elektrolytischem Abrichter zur Erzielung einer feinstmöglichen Werkstückoberfläche und die innere, grobkörnige Schruppscheibe mit elektrolytischem Abrichter zur Erzielung eines definierten axialen Versatzes der Stirnflächen beider Schleifwerkzeuge ausgestattet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Trennwerkzeug um eine Innenlochsäge handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Trennwerkzeug um eine Bandsäge handelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Trennwerkzeug um eine Drahtsäge handelt.

5. Verfahren zur Durchführung eines kombinierten Schleif- und Trennprozesses mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1-4, wobei der Abrichter (6) für die Schlichtscheibe (3) so betrieben wird, daß eine bestmögliche Werkstückoberfläche entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrichter (5) für die Schruppscheibe (2) so betrieben wird, daß der axiale Versatz der Stirnflächen von Schlichtscheibe (3) und Schruppscheibe (2) auf einem genau definierten Betrag gehalten wird.