DE4335980A1 - Werkstückhalterung für Rotationsschleifmaschinen zum Schleifen von Halbleiterscheiben und Verfahren zum Positionieren der Werkstückhalterung - Google Patents

Werkstückhalterung für Rotationsschleifmaschinen zum Schleifen von Halbleiterscheiben und Verfahren zum Positionieren der Werkstückhalterung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Werkstückhalterung für Rota­ tionsschleifmaschinen zum Schleifen von Halbleiterscheiben, mit einer zum rotierenden Schleifwerkzeug zeigenden, drehba­ ren Arbeitsfläche, auf der die zu bearbeitende Halbleiter­ scheibe abgelegt wird, und mit Mitteln, auf denen die Werk­ stückhalterung axial abgestützt ist. Ferner betrifft die Er­ findung ein Verfahren zum Positionieren der Werkstückhalte­ rung.
Der relativen räumlichen Lage der Drehachse der Werkstück­ halterung und der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs der Rotationsschleifmaschine kommt beim Schleifen der Ober­ flächen von Halbleiterscheiben eine entscheidende Bedeutung zu. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, daß die Rota­ tionsachse des Schleifwerkzeugs und die Drehachse der Werk­ stückhalterung unter Einschluß eines definierten Winkels einander zu- oder gegeneinander geneigt gehalten werden, um der Halbleiterscheibe durch das Schleifen eine besondere Geometrie, beispielsweise eine gekrümmte Seitenfläche zu verleihen.
In der Regel ist das Ziel vorgegeben, durch den Schleifvor­ gang eine Schicht gleichmäßiger Dicke von einer der Seiten­ flächen der zu bearbeitenden Halbleiterscheibe abzutragen. Die Voraussetzung zum Erreichen dieses Ziels ist, daß die Arbeitsfläche der Werkstückhalterung und die Schleifebene des Schleifwerkzeugs parallel zueinander liegen. Um diese Bedingung zu erfüllen, müssen die Drehachse der Werkstück­ halterung und die Rotationsachse des Schleifwerkzeugs pa­ rallel orientiert sein.
Während des Schleifens einer Halbleiterscheibe können sich die Achslagen infolge von Temperatureinflüssen und vorherr­ schenden Prozeßkräften verändern. Es müssen demnach Möglich­ keiten vorgesehen sein, die gewünschte relative Lage der beiden Achsen wiederherzustellen.
Bisher geschieht dies durch gezieltes Verändern der Orien­ tierung der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs, indem die Spindel des Schleifwerkzeugs um einen definierten Drehpunkt gedreht oder ihre Aufhängung verformt wird. Die Orientierung der Drehachse der starr gelagerten Werkstückhalterung wird dabei nicht geändert. Diese Vorgehensweise ist umständlich, zeitaufwendig und liefert hinsichtlich der ständig steigen­ den Anforderungen an die Geometrie der geschliffenen Halb­ leiterscheiben zu ungenaue Ergebnisse.
Es bestand deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit der (dem) sich die relative räumli­ che Lage der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs und der Drehachse der Werkstückhalterung auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit definiert einstellen läßt.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Werkstückhalterung für Rotationsschleifmaschinen zum Schleifen von Halbleiterschei­ ben, mit einer zum rotierenden Schleifwerkzeug zeigenden, drehbaren Arbeitsfläche, auf der die zu bearbeitende Halb­ leiterscheibe abgelegt wird, und mit Mitteln, auf denen die Werkstückhalterung axial abgestützt ist, die dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Mittel Piezoelemente sind, die von­ einander unabhängig angesteuert werden können und beim An­ steuern eine Änderung ihrer Längenausdehnung erfahren, wobei ein angesteuertes Piezoelement die Werkstückhalterung an der Stelle axial anhebt oder absenkt, an der es die Werkstück­ halterung abstützt.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Positionie­ ren der erfindungsgemäßen Werkstückhalterung gelöst, bei dem die Piezoelemente derart angesteuert werden, daß die Dreh­ achse der Werkstückhalterung und die Rotationsachse des Schleifwerkzeugs parallel orientiert sind oder eine defi­ nierte Position zueinander einnehmen.
Unter einem Piezoelement sind an sich bekannte und im Handel vertriebene piezoelektrische Translatoren zu verstehen, die elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandeln. Der Er­ findung liegt nun die Idee zu Grunde, Piezoelemente in die Werkstückhalterung von Rotationsschleifmaschinen für Halb­ leiterscheiben zu integrieren und ihre Bewegung zum Positio­ nieren der Werkstückhalterung zu nutzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Figur näher be­ schrieben. Die Figur zeigt schematisch und beispielhaft den Querschnitt durch eine Rotationsschleifmaschine zum Schlei­ fen von Halbleiterscheiben. Es sind nur die zum besseren Verständnis der Erfindung erforderlichen Merkmale darge­ stellt.
Die erfindungsgemäße Werkstückhalterung 1 (im englischen Sprachraum "Chuck" genannt) weist als besonderes technisches Merkmal drei Piezoelemente 2 auf, die vorzugsweise am Maschinenrahmen 3 verankert sind. Die Piezoelemente stützen die Werkstückhalterung axial ab. Sie sind so angeordnet, daß sie beim Ansteuern, das heißt, bei Änderung der angelegten elektrischen Spannung eine Änderung ihrer axialen Längenaus­ dehnung erfahren. Je nach Spannungsänderung wird die Werk­ stückhalterung an der Stelle, an der sie von einem Piezoele­ ment abgestützt wird, axial angehoben oder abgesenkt. Als Stützstellen 4, an denen die Werkstückhalterung von den Piezoelementen axial abgestützt wird, sind Stellen bevor­ zugt, die an der Peripherie der Werkstückhalterung liegen, weil das von den Piezoelementen ausübbare Drehmoment bei einer peripheren Anordnung größer ist, als bei einer Anord­ nung der Stützstellen näher an der Drehachse 5 der Werk­ stückhalterung. Die zuletzt genannte Anordnung der Stütz­ stellen kann jedoch zweckmäßig sein, wenn die gewünschte relative räumliche Lage der Drehachse der Werkstückhalterung und der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs bei einer peri­ pheren Anordnung der Stützstellen nicht einzustellen ist.
Die Werkstückhalterung ist vorzugsweise mit einer Ansaugvor­ richtung ausgestattet, die es ermöglicht, eine zu bearbei­ tende Halbleiterscheibe mit einer ihrer Seitenflächen an die Arbeitsfläche der Werkstückhalterung zu saugen.
Jedem Piezoelement ist ein eigener Meßtaster zugeordnet, der die aktuelle Längenausdehnung des Piezoelements registriert. Die Piezoelemente werden nach Maßgabe der einzustellenden relativen räumlichen Lage der Drehachse 5 der Werkstückhal­ terung 1 und der Rotationsachse 6 des Schleifwerkzeugs 7 an­ gesteuert. Zur Ansteuerung der Piezoelemente ist eine zen­ trale Steuereinheit vorgesehen, mit der jedes Piezoelement unabhängig von den übrigen angesteuert werden kann. Die Meß­ taster und die zentrale Steuereinheit sind der Einfachheit wegen in der Figur weggelassen.
Die auf den Piezoelementen abgestützte Werkstückhalterung läßt sich mit hoher Präzision positionieren. Werden alle Piezoelemente gleichzeitig angesteuert und ihre Längenaus­ dehnungen um einen bestimmten Wert gleichsinnig geändert, vollzieht die Werkstückhalterung eine Vorschubbewegung bei unverändert orientierter Drehachse 5. Diese Art von Vorschub ist besonders dann einem Vorschub durch eine axiale Bewegung der Werkzeugspindel 8 vorzuziehen, wenn beim geforderten Schleifabtrag nur sehr enge Toleranzen zulässig sind und der Vorschub möglichst gleichmäßig und kontinuierlich erfolgen soll. Es ist daher zweckmäßig, das Schleifen einer Halblei­ terscheibe zunächst mit einem über die Bewegung der Werk­ zeugspindel gesteuerten Vorschub zu beginnen und auf den über die Bewegung der Werkstückhalterung gesteuerten Vor­ schub zu wechseln, sobald sich das Schleifwerkzeug im Be­ reich des maximalen Hubs der Piezoelemente befindet.
Die Werkstückhalterung kann auch so positioniert werden, daß sich die räumliche Orientierung ihrer Drehachse und damit die relative Lage dieser Achse zur Rotationsachse des Schleifwerkzeugs verändert. Dies geschieht dadurch, daß eines oder mehrere der Piezoelemente angesteuert werden, wo­ bei die oben erwähnte symmetrische, also gleichzeitige An­ steuerung aller Piezoelemente bei gleichsinniger Änderung der Längenausdehnung ausgenommen ist. Bei nicht-symmetri­ scher Ansteuerung der Piezoelemente werden die Arbeitsfläche 9 der Werkstückhalterung 1 und die darauf liegende Halblei­ terscheibe 10 aus ihren ursprünglichen Lagen gekippt.
Jedem Ist-Zustand der Längenausdehnung der Piezoelemente ist demzufolge eine definierte räumliche Orientierung der Drehachse der Werkstückhalterung zugeordnet. Besteht der Be­ darf, diese zu ändern, beispielsweise nachdem bei der Überprüfung der Geometrie einer geschliffenen Halbleiterscheibe festgestellt wurde, daß sich die relative räumliche Lage der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs und der Drehachse der Werkstückhalterung während des Schleifens der Halbleiter­ scheibe verändert hat, kann durch geeignetes Ansteuern der Piezoelemente die ursprüngliche relative räumliche Lage der beiden Achsen wiederhergestellt werden. Je nach Vorgabe werden die Piezoelemente so angesteuert, daß die Drehachse der Werkstückhalterung und die Rotationsachse des Schleif­ werkzeugs parallel orientiert sind oder eine definierte Position zueinander einnehmen. Die Werkstückhalterung wird zweckmäßigerweise mit Hilfe der zentralen Steuereinheit, über die sich alle Piezoelemente einzeln oder gemeinsam an­ steuern lassen, in der gewünschten Weise positioniert.
Prinzipiell können bis zu zwei der drei Piezoelemente durch Stützelemente ersetzt werden. In diesen Fällen ist jedoch die Bewegungsfreiheit der Werkstückhalterung mehr oder weni­ ger eingeschränkt und der Vorschub der Werkstückhalterung nicht möglich.
Das beschriebene Verfahren zum Positionieren der Werkstück­ halterung von Rotationsschleifmaschinen für Halbleiterschei­ ben hat den besonderen Vorteil, daß die Korrektur der räum­ lichen Orientierung der Drehachse der Werkstückhalterung sehr schnell und ohne besonderen Aufwand durchgeführt werden kann. Die Genauigkeit der Achseinstellung ist so hoch, daß Halbleiterscheiben mit verbesserter Präzision geschliffen werden können. Die Erfindung wird deshalb bevorzugt zum Schleifen von Siliciumscheiben und sogenannten gebondeten SOI-Scheiben (SOI = silicon on insulator) verwendet.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die axiale Schnittkraft des Schleifwerkzeugs über die am Piezoelement anliegende elek­ trische Spannung gemessen werden kann. Eine unvorhergesehene Änderung der Schnittkraft während des Schleifens einer Halb­ leiterscheibe kann ein Indiz dafür sein, daß sich die rela­ tive räumliche Lage der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs und der Drehachse der Werkstückhalterung unbeabsichtigt geändert hat. Es kann aber auch bedeuten, daß sich ein anderer, den Schleifvorgang wesentlich beeinflussender Para­ meter geändert hat. Deshalb ist es zweckmäßig, während des Schleifens einer Halbleiterscheibe die wirkende axiale Schnittkraft mit Hilfe der Piezoelemente zu überwachen und beim Auftreten von Anomalien das Schleifverfahren zu unter­ brechen und die Rotationsschleifmaschine zu überprüfen.
Beispiel
In einem Versuch wurde die Werkstückhalterung einer Rota­ tionsschleifmaschine vom Typ Disco DFG-82IF/8 in der in der Figur gezeigten Weise von drei Piezoelementen der Fa. Physik Instrumente axial am Maschinengestell abgestützt. Der maxi­ male Hub der Piezoelemente war auf 10 µm ausgelegt. Jedem Piezoelement war ein Meßtaster zum Erfassen der Längenaus­ dehnung des Piezoelements zugeordnet. Die Piezoelemente konnten von einer zentralen Steuereinheit aus angesteuert werden. Mit dieser Maschinenanordnung wurden Halbleiter­ scheiben geschliffen mit der Vorgabe, daß sie nach dem Schleifen möglichst eben sein sollten. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens war es möglich, daß die totale Dickenvariation jeder Halbleiterscheibe (TTV-Wert) als Maß für deren Ebenheit unter dem Wert von 1 µm gehalten werden konnte.

Claims (10)

1. Werkstückhalterung für Rotationsschleifmaschinen zum Schleifen von Halbleiterscheiben, mit einer zum rotie­ renden Schleifwerkzeug zeigenden, drehbaren Arbeits­ fläche, auf der die zu bearbeitende Halbleiterscheibe abgelegt wird, und mit Mitteln, auf denen die Werkstück­ halterung axial abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Piezoelemente sind, die von einander unab­ hängig angesteuert werden können und beim Ansteuern eine Änderung ihrer Längenausdehnung erfahren, wobei ein an­ gesteuertes Piezoelement die Werkstückhalterung an der Stelle axial anhebt oder absenkt, an der es die Werk­ stückhalterung abstützt.
2. Werkstückhalterung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß drei Piezoelemente zum axialen Abstützen der Werkstück­ halterung vorgesehen sind.
3. Werkstückhalterung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die zu bearbeitende Halbleiter­ scheibe an die Arbeitsfläche der Werkstückhalterung an­ zusaugen.
4. Werkstückhalterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente die Werkstückhalterung an deren Peri­ pherie abstützen.
5. Werkstückhalterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Piezoelement mit einem Meßtaster ausgerüstet ist, der seine Längenausdehnung registriert.
6. Werkstückhalterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß eine zentrale Steuereinheit vorgesehen ist, mit der die Piezoelemente angesteuert werden.
7. Verfahren zum Positionieren einer Werkstückhalterung ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente derart angesteuert werden, daß die Drehachse der Werkstückhalterung und die Rotationsachse des Schleifwerkzeugs parallel orientiert sind oder eine definierte Position zueinander einnehmen.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente so angesteuert werden, daß die Werk­ stückhalterung eine Vorschubbewegung ausführt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während des Schleifens einer Halblei­ terscheibe die axiale Schnittkraft der Rotationsschleif­ maschine mit Hilfe der Piezoelemente gemessen wird und die Werkstückhalterung nach einer unvorhergesehenen Än­ derung der Schnittkraft neu positioniert wird.
10. Verwendung der Werkstückhalterung gemäß einem der An­ sprüche 1 bis 6 zum Schleifen von Halbleiterscheiben, insbesondere von Siliciumscheiben oder von SOI-Scheiben (SOI = silicon on isulator).
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