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 WerkstückhalterungInfo
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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.
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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