Rotationsschleifen von Siliziumwafern: Präzises Messen von Bearbeitungskräften bei höchster Beschleunigung

Für die kostengünstige Produktion von Speicherchips, Computerprozessoren oder Mikroelektronisch-Mechanischen Systemen (MEMS) ist die Halbleiterindustrie auf große Mengen von Siliziumwafern mit äußerst präziser Oberfläche angewiesen. Ein elementarer Bestandteil der Prozesskette zur Herstellung derartiger Wafer ist das Rotationsschleifen. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT entwickelte jetzt ein hochgenaues Messverfahren, mit dessen Hilfe der Schleifprozess beschleunigt und die Materialverluste reduziert werden können. Auf diese Weise lassen sich die Fertigungskosten deutlich reduzieren.

Das neue Messsystem erlaubt erstmals, die Bearbeitungskräfte beim Schleifen direkt in der Kontaktzone zwischen Wafer und Werkzeug zu ermitteln. Der Messsensor, der in eine Topfschleifscheibe integriert wird, arbeitet selbst bei Drehzahlen von 6000 min-1 mit einer Zentrifugalbeschleunigung bis zu 5000 g noch zuverlässig. Diese hohen Drehzahlen, zusammen mit den damit verbundenen Kräften, ließen eine „In-Prozess-Messung“ beim Rotationsschleifen bisher nicht zu.

Bislang sind die Kräfte, die im Schleifprozess auf den Wafer einwirken, weitgehend unbekannt. Eine detaillierte Betrachtung dieser Belastungen ist die Voraussetzung, um korrigierend in die Maschinensteuerung einzugreifen und die Prozessführung je nach Bearbeitungsziel zu optimieren. Ziele einer neuen Prozessführungsstrategie sind unter anderem geringere Kristallstörtiefen und bessere Randzoneneigenschaften des fertig geschliffenen Wafers. Mit den Messdaten, die das System des Fraunhofer IPT ermittelt, lässt sich der gesamte Schleifprozess qualitativ verbessern und beschleunigen. Die Standzeiten des Werkzeugs können zudem deutlich gesteigert werden.

Sensorintegration in die Topfschleifscheibe

Das neue Messsystem besteht aus einem piezoelektrischen Dreikomponentensensor, der in eine segmentierte, feinkörnige Diamantschleifscheibe integriert ist. Mit dem Sensor lässt sich die Verteilung der Normal-, Tangential- und Radialkräfte an einem Schleifscheibensegment über seiner Kontaktlänge untersuchen. Bei der Integration des Sensors in das Schleifwerkzeug legte das Fraunhofer IPT besonderes Augenmerk auf die dynamischen Eigenschaften des Systems, um bei extremen Zentrifugalbeschleunigungen die Gefahr eines Systemversagens zu vermeiden.

Grundlagenuntersuchungen zum Schleifprozess

In ersten Grundlagenversuchen kam das neue Messsystem bereits zum Einsatz, um die Zusammenhänge zwischen Prozesskräften und Maschinenparametern zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde die Spindeldrehzahl systematisch zwischen 1500 und 6000 min-1 variiert. Die Prozesseffizienz nimmt aufgrund der steigenden Reibung des Werkzeugs vom Waferrand zum Zentrum hin ab. Dabei hat sich gezeigt, dass dabei am Rand des Wafers die größten Zerspankräfte auftreten, doch geht weniger Energie durch Reibung verloren, so dass die Zerspanung mit geringerem volumenbezogenem Energieeinsatz gelingt.

In weiterführenden Arbeiten plant das Fraunhofer IPT, eine Normalkraft-basierte Steuerung zu entwickeln, die die Schädigungen beim Rotationsschleifen der Wafer minimiert. Geplant ist außerdem, durch diese Entwicklung die Auslegung zukünftiger Rotationsschleifmaschinen mit hydrostatischen Waferlagerungen zu vereinfachen.

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Fraunhofer-Institut für
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