DE4314152C2 - Vorrichtung zur Beseitigung der Schwingungsneigung eines Werkstückscheiben- oder Werkzeugträgers in Maschinen zur einseitigen Bearbeitung der Oberflächen von Halbleiterscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beseitigung der Schwingungsneigung eines Werkstückscheiben- oder Werkzeugträgers in Maschinen zur ein­ seitigen Bearbeitung der Oberflächen von Halbleiterscheiben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß dünne Halbleiterscheiben aus Silicium oder Galliumarsenid die Grundlage für die Herstellung vie­ ler, hochintegrierter elektronischer Bauelemente bilden. Derartige Scheiben werden aus stabförmig gezogenen Einkri­ stallen herausgesägt. Je nach Halbleitermaterial und Verwen­ dungszweck variieren die benötigten Scheibendurchmesser. Für die Herstellung höchstintegrierter Speicherbausteine auf Siliciumbasis werden die größten, technisch erreichbaren Durchmesser verwendet. In der Regel erfahren die gesägten Scheiben zunächst eine Läpp- oder Schleifbehandlung, um beim Sägen erzeugte Schäden in der Kristallstruktur im Ober­ flächenbereich zu beseitigen. Anschließende Prozeßschritte dienen besonders dem Zweck, die Geometrie und die Ober­ flächenbeschaffenheit der Scheiben zu perfektionieren. Hier­ zu gehören beispielsweise mechanische und chemomechanische Polierverfahren, bei denen die Scheiben unter dem Einfluß eines mechanisch abtragenden Poliermittels und/oder einer ätzenden Chemikalie poliert werden.

Die weiteren Ausführungen beziehen sich auf Maschinen, mit deren Hilfe die Oberflächen von Halbleiterscheiben geläppt, geschliffen oder poliert werden, und zwar einseitig und in Einzelscheibenbearbeitung. Sowohl beim einseitigen Läppen, als auch beim einseitigen Polieren werden die Scheiben in der Regel zunächst auf ebene Scheibenträger angesaugt oder aufgeklebt. Der Scheibenträger bildet einen Teil der Werk­ stückhalterung, mit der die freie Scheibenoberfläche gegen die rotierende Arbeitsfläche, den Läpp- oder den Poliertel­ ler geführt wird. Beim Schleifen sind die Verhältnisse ver­ gleichbar, nur daß an die Stelle der Werkstückhalterung die Werkzeughalterung, an die Stelle des Scheibenträgers der Werkzeugträger und an die Stelle der Arbeitsfläche die fixierte Halbleiterscheibe treten. Obwohl im folgenden der Einfachheit wegen nur von Läpp- und Poliermaschinen die Rede sein wird, versteht es sich von selbst, daß bei einer ent­ sprechenden Begriffswahl die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in Schleifmaschinen einsetzbar ist.

Während der Scheibenbearbeitung führt die Werkstückhalterung eine Oszillations- und eine Rotationsbewegung durch. Die für diese Bewegungen verantwortlichen Kräfte und der Anpreßdruck mit dem die Scheibe gegen die Arbeitsfläche geführt wird, werden von einer in die Werkstückhalterung reichenden Welle übertragen.

In der DD 264 877 A1 ist eine Aufnahme, bestehend aus einem auf einer Spindel befestigten Grundkörper und einem schwenkbaren Werkzeug- und/oder Werkstückträger, beschrieben, in die ein das Drehmoment übertragendes, winkelbewegliches sowie zentrisch in axialer Richtung pendelnd abgestütztes Element, verbunden mit einer Schweingungsdämpfungseinheit, eingelagert ist.

Vorteilhafterweise ist die Verbindung des Scheibenträgers zur Welle nicht völlig starr ausgeführt, sondern erlaubt, wie es auch in EP 284 343 A2 beschrieben worden ist, geringe horizontale und kippende Auslenkbewegungen des Scheibenträgers. Dies wird bei dem Gegenstand der EP 284 343 dadurch erreicht, daß das Wellenendstück mit seiner Stirnseite in einer zentralen Ausnehmung im Scheibenträger ruht, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Der Raum zwischen der zylinderförmigen Randbegrenzung der Aus­ nehmung und der parallel dazu befindlichen Außenfläche des Wellenendstückes ermöglicht ein freies Spiel des Wellenend­ stückes in der Ausnehmung. Die Möglichkeit der üblichen, be­ weglich gelagerten Scheibenträger, geringe horizontale und kippende Ausgleichbewegungen auszuführen, ist besonders auf dieses freie Spiel zurückzuführen. Das freie Spiel bildet gleichsam den definierten Auslegungsbereich, innerhalb des­ sen der Scheibenträger relativ zur Welle beweglich gelagert ist und innerhalb dessen Bewegungen zulässig sind.

Der beweglich gelagerte Scheibenträger ist für ein befrie­ digendes Läpp- oder Polierergebnis wesentlich und notwendig, weil

• a) die bei der Scheibenbearbeitung entstehende Reibkraft horizontal in der Ebene der Scheibenoberfläche angreift und die Abstützung dieser Reibkraft mit einem gewissen Höhenver­ satz an der Welle erfolgt. Die unterschiedliche Höhe der An­ griffspunkte dieses Kräftepaares erzeugt ein Anstelldrehmo­ ment am Scheibenträger. Dieses Anstelldrehmoment würde im Prinzip zu einer Schrägstellung des Scheibenträgers und da­ mit zu einer "kegelförmigen" Ausbildung der bearbeiteten Scheibe führen. Bei Scheibenträgern, die gegenüber der Welle starr gelagert sind, ist dieser nachteilige Effekt auch nachweisbar. Eine beginnende Schrägstellung des relativ zur Welle beweglich gelagerten Scheibenträgers bewirkt jedoch, daß der Anpreßdruck nicht mehr konzentrisch über die Gesamt­ fläche der Wellenstirnfläche, sondern exzentrisch über einen Randteil der Wellenstirnfläche übertragen wird, mit dem Re­ sultat, daß der übertragene Anpreßdruck der Anstellbewegung genau entgegenwirkt. Die Drehachse des Scheibenträgers könnte sogar durch bauliche Maßnahmen gegenüber der Wellen­ achse geneigt sein. Auch in diesem Fall würde die Achsen­ schrägstellung durch den beschriebenen Mechanismus korri­ giert werden.
• b) vermieden wird, daß mögliche Unebenheiten der Arbeitsfläche auf die Scheibenoberfläche übertragen werden.
• c) minimale Fluchtungsunterschiede von Wellenachse und Arbeitsflächenachse ausgeglichen werden, die sich bereits bei unterschiedlichen Poliertuchdicken oder Scheibendicken ergeben können, da die Scheiben normalerweise in einer bo­ genförmigen Bewegung um einen Drehpunkt mit waagrechter Achse zugestellt werden.

Dennoch bereitet der beweglich gelagerte Scheibenträger, be­ sonders beim Läppen oder Polieren großer Scheiben mit Durch­ messern von mindestens 150mm, auch erhebliche Probleme. Es treten nämlich selbsterregte Reibschwingungen auf, die eine Eigenfrequenz der Maschine oder eines Maschinenteils anre­ gen. In ungünstigen Fällen muß der Läpp- oder Poliervorgang sogar abgebrochen werden, weil die gesamte Maschine derartig zu vibrieren beginnt, daß beispielsweise zur Bearbeitung vorbereitete Scheiben aus den Horden rutschen und beschädigt werden. Weitere Folgen dieser Störung sind eine mit der Vibration verbundene Geräuschbelästigung, eine erhöhte Maschinenbelastung und vor allem ein sich in unkontrollier­ barer Weise verschlechterndes Läpp- oder Polierergebnis bei den bearbeiteten Scheiben.

Die Anregung der Schwingungen durch den beweglichen Schei­ benträger lassen sich zwar zum Teil vermeiden, indem wich­ tige Prozeßparameter wie die Drehzahl der Arbeitsfläche, die Zusammensetzung des Läpp- oder Poliermittels, die Beschaf­ fenheit des Poliertuches oder der Anpreßdruck geändert wer­ den. Solche Maßnahmen haben jedoch die unerwünschte Folge, daß die angestrebten Scheibenqualitäten entweder nicht mehr, oder nur um den Preis längerer Bearbeitungszeiten pro Scheibe erreicht werden.

Die Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin, eine Vor­ richtung zur Beseitigung der Schwingungsneigung des Schei­ benträgers anzugeben, die das Auftreten von Reibschwingungen und deren schädliche Folgen zuverlässig vermeidet.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die gekennzeichnet ist durch einen elastisch verformbaren Führungsring, der am Werkstückscheiben- oder Werkzeugträger lösbar befestigt ist und mit seinem Innenumfang an der Welle radial bündig anliegt, wodurch er von der Axialkraftübertragung der Welle entkoppelt ist.

Überraschenderweise genügt das Abstützen der Welle durch den erfindungsgemäßen Führungsring, um zu verhindern, daß die Maschine, insbesondere bei der Bearbeitung von Scheiben mit Durchmessern von mindestens 150mm, zu Eigenschwingungen an­ geregt wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt Querschnittszeichnungen von bevor­ zugten Ausführungsformen des Führungsringes. In Fig. 2 ist der Querschnitt einer Werkstückhalterung dargestellt, die mit einem Führungsring ausgestattet ist. Selbstverständlich sind die Zeichnungen nur als Beispiel und nicht im Sinne einer Beschränkung der Erfindung zu verstehen.

Wie in Fig. 1a dargestellt, besteht der Führungsring 1 vor­ zugsweise aus zwei, konzentrisch zueinanderliegenden, Kreisring­ scheiben (im folgenden Kreisscheiben genannt) unterschiedlichen Durchmessers. Der Zwischenraum zwischen der äußeren Kreisscheibe 2 und der inneren Kreis­ scheibe 3 wird von einer gummi-elastischen Masse 4 ausge­ füllt. Die gummi-elastische Masse hält die beiden Kreis­ scheiben in einer festen Bindung zueinander. Die den Außen­ rand des Führungsringes bildende äußere Kreisscheibe ist mit mehreren Bohrungen 5, vorzugsweise 2 bis 6 mit gleichem Ab­ stand zueinander, versehen. Der Innendurchmesser der inneren Kreisscheibe ist dem Durchmesser der Welle so angepaßt, daß der Führungsring mit seinem durch den von der inneren Kreis­ scheibe vorgegebenen Innenumfang an der Welle bündig an­ liegt. Die Kreisscheibendicke beträgt günstigerweise 3 bis 6 mm. Als Werkstoffe für die Kreisscheiben sind insbesondere Stahl oder Metallegierungen mit stahlähnlichen Eigenschaften geeignet, wenn auch gehärtete Kunststoffe ebenfalls verwen­ det werden können. Die gummi-elastische Masse, beispiels­ weise ein Siliconkautschuk, Gummi oder synthetischer Kaut­ schuk mit einem Molekülgerüst aus Kohlenstoff, besitzt vor­ zugsweise eine Shore A-Härte von 25 bis 60. Zweckmäßigerwei­ se sollte das gewählte Material auch eine hohe Reißfestig­ keit aufweisen, damit die daraus gefertigten Führungsringe den Betriebsbedingungen besonders lange standhalten. Schließlich ist noch eine gute Haftung der Masse an dem Werkstoff, aus dem die Kreisscheiben gefertigt sind, zu be­ achten.

Durch die Bewegung des Scheibenträgers während des Betriebes der Scheibenbearbeitungs-Maschine wird die gummi-elastische Masse in einem Führungsring gemäß der in Fig. 1a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich auf Druck und Zug belastet. In den Fig. 1b und 1c sind in Querschnittszeichnungen mög­ liche Ausführungsformen dargestellt, bei denen die gummi­ elastische Masse hauptsächlich eine Schubbelastung (Fig. 1b) oder eine kombinierte Schub-, Druck- und Zugbelastung (Fig. 1c) erfährt. Im Unterschied zum bereits beschriebenen Führungsring der Ausführungsform gemäß Fig. 1a überlappen sich bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1b und 1c die innere Kreisscheibe 3 und die äußere Kreisscheibe 2 teilweise (zusätzlich ist in Fig. 1b und 1c die Lage des Führungsringes im Scheibenträger angedeutet). Die Dicke der äußeren Kreisscheibe ist etwa ab der Hälfte des Scheibenra­ dius zum Innenumfang hin sprung- oder keilförmig reduziert. Die dadurch entstehende Vertiefung ist mit der gummi-elasti­ schen Masse 4 vorteilhafterweise so ausgefüllt, daß zusammen mit der darauf ruhenden inneren Kreisscheibe eine nahezu einheitliche Dicke des Führungsringes resultiert. Zweckmäßi­ gerweise hält die gummi-elastische Masse die beiden Kreis­ scheiben in einer festen Bindung zueinander und bildet mit ihnen zusammen den erfindungsgemäßen Führungsring.

Gegebenenfalls kann der Führungsring auch einteilig ausge­ führt sein und insgesamt aus einer gummi-elastischen Masse oder einem Kunststoff bestehen. Bevorzugt werden stabile und gleitfähige Kunststoffe wie beispielsweise Polyoxymethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Die Elastizität des einteiligen Führungsringes wird vorzugsweise durch konstruktive Maßnahmen abgestimmt. Dies kann dadurch geschehen, daß in den Führungsring konzentrisch zum Außenum­ fang Löcher gebohrt werden oder daß der Kunststoff des Füh­ rungsringes in einem konzentrisch zum Außenumfang liegenden Bereich gerillt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 1d dargestellt. Der gänzlich aus Kunststoff bestehen­ de, einteilige Führungsring 1 ist in einem konzentrisch zum Außenumfang liegenden Bereich zu einem Steg S stark ver­ jüngt, wodurch die notwendige elastische Verformbarkeit des Führungsringes erhöht wird.

In einer Weiterbildung der gezeigten Ausführungsformen ist mindestens der an der Welle bündig anliegende Innenumfang des Führungsringes mit einem Kunststoffbelag versehen, der eine verbesserte Gleitfähigkeit gegenüber der Welle ermöglicht.

Es wurde gefunden, daß mit dem Führungsring der Auslegungs­ bereich, innerhalb dessen der Scheibenträger relativ zur Welle beweglich gelagert ist, durch die Wahl der gummi­ elastischen Masse definiert wählbar wird. Ohne den Führungs­ ring ist er durch das freie Spiel des Wellenendstückes vor­ gegeben und läßt sich insbesondere nicht verkürzen. Es wurde ferner gefunden, daß innerhalb des gewählten Auslegungsbe­ reiches der Führungsring eine dem Betrag nach größere Wider­ standskraft entfalten können muß, als die maximale Reibkraft ist, die während der Scheibenbearbeitung zur Wirkung ge­ langt. Dann wird die Schwingungsneigung des Scheibenträgers wirksam beseitigt. Grundsätzlich ist deshalb der Führungs­ ring in seiner Ausgestaltungsform an Hand von Vorversuchen so zu wählen, daß bei gegebenen Prozeßparametern wie bei­ spielsweise Läpp- oder Polierdruck und Rotationsgeschwindig­ keit der Arbeitsfläche, diese Bedingung erfüllt wird.

Die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente des Scheibenträgers sind, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Basis­ platte 6, ein Haltering 7 und eine Einsatzplatte 8. Die Ein­ satzplatte ist günstigerweise so geformt, daß sie sowohl eine zentrale Ausnehmung zur Aufnahme der Welle 9 besitzt, als auch eine Vertiefung an der Oberfläche, die die Aufnahme des Führungsringes 1 gestattet. Das Wellenendstück ruht mit seiner Stirnseite in der zentralen Ausnehmung der Einsatz­ platte. Der Führungsring bildet vorzugsweise einen aus­ tauschbaren Teil des Scheibenträgers. Die Zu- oder Abführung von Prozeßfluiden und das Heranführen des Vakuums zum Ansau­ gen der Halbleiterscheibe erfolgt über eine oder mehrere Steigleitungen 10 in der Welle. Der O-Ring 11 sorgt für die erforderliche Abdichtung gegenüber Vakuum und Prozeßfluiden.

Der Führungsring 1 liegt erfindungsgemäß mit seinem Innenum­ fang bündig an der Welle 9 an. Über die Bohrungen 5 im Füh­ rungsring und entsprechende Bohrlöcher in der Einsatzplatte wird der Führungsring mit den Schrauben 12 fest mit der Ein­ satzplatte verschraubt. Er ist damit routinemäßig oder bei Verschleiß ohne besonderen Aufwand auswechselbar. Auch der Austausch mit einem andersartig ausgeführten Führungsring - beispielsweise mit einem, dessen elastisch verformbare Masse eine andere Shore-Härte besitzt oder einem, der auf Schub­ anstatt auf Druck- und Zugbelastung ausgelegt ist - ist je­ derzeit auf einfache Weise durchführbar. Die Art der Be­ festigung des Führungsringes ist nicht kritisch, so daß im Prinzip auch andere, in der Technik bekannte Befestigungsar­ ten verwendet werden können.

Die übrigen Bestandteile der in Fig. 2 dargestellten Werk­ stückhalterung sind dem Fachmann bekannt. Sie bedürfen auch keiner Beschreibung, weil die Erfindung dadurch nicht näher charakterisiert würde.

Der erfindungsgemäße Führungsring verhindert vollkommen das freie Spiel der Welle im Scheibenträger, ohne die bewegliche Lagerung des Scheibenträgers in ihrer vielfältigen Funktion zu behindern. Die Neigung des Scheibenträgers zu Schwingun­ gen wird durch den Führungsring erfolgreich beseitigt, so daß auch ohne die Änderung von Prozeßparametern ein schäd­ liches Einschwingen der Bearbeitungsmaschine oder von Teilen davon unterbleibt. Wie eingangs bereits erwähnt, ist die Er­ findung nicht auf die Verwendung in Läpp- und Poliermaschi­ nen beschränkt, sondern insbesondere auch in Schleifmaschi­ nen einsetzbar.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Beseitigung der Schwingungsneigung eines Werkstück­ scheibenträgers in Maschinen zur einseitigen Bearbeitung der Oberflächen von Halbleiterscheiben, wobei die Halbleiterscheiben einzeln bearbeitet werden und der Werkstückscheiben- oder Werkzeugträger derartig­ beweglich gelagert ist, daß er relativ zu einer den Anpreßdruck auf die zu bearbeitende Halbleiterscheibe übertragenden Welle geringe horizontale und kippende Auslenkbewegungen durchführen kann, gekennzeichnet durch einen elastisch verformbaren Führungsring (1), der am Scheiben- oder Werkzeugträger lösbar befestigt ist und mit seinem Innenumfang an der Welle (9) radial bündig anliegt, wodurch er von der Axialkraftübertragung der Welle entkoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsring (1) von zwei, konzentrisch zueinanderlie­ genden Kreisringscheiben (2, 3) unterschiedlichen Durchmessers und einer die beiden Kreisringscheiben (2, 3) in einer festen Bindung zueinander haltenden gummi-elastischen Masse (4), gebildet wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslegungsbereich innerhalb dessen der Scheibenträger relativ zur Welle (9) beweglich gelagert ist, in Abhängigkeit von der Wahl des elastischen Materials (4), das den Führungsring (1) verformbar werden läßt, definiert wählbar wird.

4. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 in Maschinen zur einseitigen Bearbeitung der Oberflächen von einzelnen Halbleiterscheiben, insbesondere in Läpp-, Polier- und Schleifmaschinen.