Wirtschaftliche Wafer-Herstellung Saint-Gobain Abrasives, Wesseling

300-mm-Wafer werden als Wachstumsträger der Zukunft gesehen. Dagegen soll der Bedarf an kleineren Wafern, abgesehen von Spezialprodukten, nur noch geringfügig wachsen. Die Produktivität der großen Wafer ist wesentlich höher. Pro Baueinheit, die aus einem 300-mm-Wafer hergestellt wird, werden 30 bis 40% der Kosten im Vergleich zu einer 200-mm-Scheibe eingespart. Denn durch den größeren Radius gibt es weniger Abfall. Bei einem 100-mm-Wafer dauert das Belichten genauso lange wie bei einem 300-mm-Wafer. Das bringt riesige Einsparungspotenziale. Um diese Wafer herzustellen, sind die bisherigen Techniken, wie beispielsweise das Innenlochsägen beim Trennen, oder das Läppen bei der Oberflächenbearbeitung nicht mehr oder nur unzureichend geeignet.

„Bei der Waferherstellung ist äußerste Präzision mit besten Werkzeugen gefordert“, so Helge Willers, Market Manager Electronics des Unternehmens. „Das beginnt schon beim Schneiden der hauchdünnen Scheiben aus den bis zu zwei Meter langen und runden Einkristallen, und geht über das Kantenverrunden bis hin zum Oberflächenschleifen, -polieren und -säubern. Jeder Arbeitsschritt, der höchste Qualität liefert, minimiert den Aufwand der nachfolgenden Fertigungsprozesse oder macht sie gar überflüssig.“

Mit einem kompletten Satz aufeinander abgestimmter Werkzeuge und Prozesse für alle Bearbeitungsschritte wurde auf die hohen Anforderungen in der Fertigung und dem Wunsch der Hersteller nach kostensenkenden Lösungen reagiert.

Zum Trennen der Wafer aus den Saphir- bzw. SiC-Blöcken kommt das Multi-Wire-Slicen (MWS) zum Einsatz. Gegenüber dem bisher angewandten Innenlochsägen ergibt sich eine erhöhte Produktivität um mehrere hundert Prozent bei weniger Schnittverlust und besserer Oberflächenqualität. So wird wie bei einem Eierschneider ein Schneiddraht über mehrere Umlenkrollen so geführt, dass ein Feld von mehreren hundert parallel verlaufenden Drahtschlingen entsteht. So können – mit minimiertem Schnittverlust – in einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Wafern gleichzeitig geschnitten werden. „Gebräuchlich war bisher das Drahttrennläppen mit losem Diamantkorn. Doch muss bei dieser Art des MWS permanent Läppsuspension zugeführt und aufwändig entsorgt werden“, so Willers.

Durch einen galvanisch, mit Diamant belegten Stahldraht in Nickelbindung, gehört dieses Problem der Vergangenheit an. Das gebundene Korn und festgelegte Spezifikationen machen den Prozess darüber hinaus beherrschbar und steuerbar.

Außerdem kommt eine neue Technologie im Rahmen des MWS zum Einsatz, FAST (Fixed Abrasive Slicing Technology) genannt. Bei diesem System rotiert der Saphir- bzw. SiC-Rohling mit einer Umdrehungszahl von bis zu 5000 min-1 und wird mit einem Vorschub von 10 mm/min an das Drahtschlingensystem herangeführt, das gleichzeitig eine Hin- und Herbewegung von bis zu 100 Zyklen pro Minute ausführt.

Ein wichtiger Vorteil dieses neuen Trennschleifverfahrens sind die geringen Rand-, Oberflächen- und Tiefenschädigungen, die wesentliche Eingangsgrößen für die nachfolgenden Bearbeitungsschritte darstellen – und dies bei sehr dünnen Schnittbreiten. Bisher sind Schnittbreiten bis 0,24 mm (davon 0,18 mm Stahldrahtdurchmesser) möglich, doch wird bereits an einer neuen, weitaus dünneren Generation von Diamanttrenndrähten gearbeitet, die auch zum Bearbeiten sprödharter und insbesondere teurer Materialien geeignet sind.

Nachdem die Wafer aus den Blöcken herausgetrennt sind, werden die Kanten verrundet sowie Geometriefehler und Oberflächenschäden behoben. Zielgerichtetes Engineering stimmt dabei die Werkzeuge auf ihre Einsatzgebiete genau ab. In enger Zusammenarbeit mit der Halbleiterindustrie werden sämtliche Faktoren des Schleifprozesses analysiert, und die gewonnenen Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt. Das können neu entwickelte Schleifwerkzeuge, aber auch optimierte Parameter für den jeweiligen Prozess sein. Ein Beispiel sind noch leistungsfähigere, maßgeschneiderte Kantenverrundungs-Schleifscheiben, um die mechanisch empfindliche Kante des Wafers durch Profilierung zu schützen.

Oder die Toleranzen für die Oberflächengenauigkeit. Sie sind bei der Waferherstellung äußerst gering, und betragen nur wenige µm. Bezogen auf eine Fläche von rund 150 km2 wären gerade mal zwei Zentimeter Höhendifferenz zulässig. Insbesondere im Bereich der 300-mm-Wafer hat sich das Rotationsschleifen gegenüber dem Läppen durchgesetzt. Kleinere Maschinendimensionen, hohe Automatisierbarkeit und Prozesssicherheit sowie konstante Schleifkräfte lassen engste Geometrietoleranzen einhalten.

Um die Rauigkeit der Oberfläche zu reduzieren und die engen Toleranzgrenzen einzuhalten, wurden neue Schleifscheiben entwickelt, die nicht nur die Glätte erhöhen, sondern es auch erlauben, noch dünnere Wafer zu schleifen. Möglich wurde dies durch die Norton „Fixed-Abrasive-Vertical-Spindle-Technologie“ (FAVS), die die beim Schleifvorgang auftretenden Kräfte erheblich vermindert. Die Schleifmittel verhindern eine Beschädigung der Wafer unter der Oberfläche und verteilen gleichmäßig den Druck während des Schleifvorganges. So bleibt eine optimale Geometrie der Scheiben erhalten. Eine regelmäßig unterbrochene Schleiffläche sorgt für einen optimierten Kühlmittelfluss. Die Schleifscheiben mit FAVS-Technologie realisieren Waferdicken von < 100 µm mit niedrigsten Oberflächenrauigkeiten. Trotz kürzerer Bearbeitungszeit bei höheren Vorschüben werden so fehlerfreie Oberflächen erreicht. Aufwändige und teilweise qualitätsmindernde Nacharbeiten, wie z. B. das umweltbelastende Ätzen können weitgehend entfallen. Und durch neuartige Bindungssysteme wird die doppelte Standzeit erreicht.

Diamantdraht mit gebundenem Korn, Trenntechnologie FAST, innovative Schleifscheiben zur Kantenverrundung sowie Schleifscheiben mit FAVS-Technologie, alles aufeinander abgestimmte Werkzeuge und Verfahren, die der Halbleiterindustrie Lösungen anbieten, Saphir, Silizium und SiC effizient zu bearbeiten. So ist es möglich, auch Produkte wie blaue LEDs oder 300-mm-Wafer in bester Qualität prozesssicher herzustellen.

EPP 465