22.01.2019

Sägen, schleifen und polieren – Toleranzen und Standards in der Waferbearbeitung

Wafer sind das Substrat für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen, Leuchtdioden, mikromechanischen Bauteilen und Solarzellen. Die besonders feinen, sogenannten Thin-Wafer werden vor allem für die Herstellung von 3D-IC-Baugruppen benötigt. Die mikrometerkleinen Schaltungen entstehen durch Stapeln und Verbinden in vertikaler Richtung. Dabei werden auf ausgedünnten Wafern angebrachte Chips zusammengefügt. Durch diese Miniaturisierung lassen sich noch effizientere Schaltungen, bspw. für größere Solid-State-Disks, kompaktere CMOS-Bildsensoren sowie leistungsfähigere und energieeffizientere Logikbausteine realisieren. Die Anforderungen, die an die Spezifikationen des Ausgangsprodukts Wafer gestellt werden, sind immens. Beim Sägen, Schleifen und Polieren kommt es auf höchste Präzision an.

Das Ausgangsprodukt sägen

Der Ingot, ein Block aus Silizium oder einem Compound-Material wie Saphir oder GaAs, ist das Ausgangsprodukt bei der Waferherstellung. Mit einer hochgenauen Wafersäge werden von ihm einzelne Rohwafer abgetrennt. Dabei entstehen Riefen, deren Breite und Tiefe überwacht werden müssen. Optische Messsysteme mit Multi-Sensor-Konfiguration sind für diese Aufgabe optimal einsetzbar. Die Sägekontur lässt sich nicht nur dreidimensional visualisieren, sondern auch quantitativ, metrologisch charakterisieren – eine Aufgabe, bei der klassische optische Mikroskope an ihre Grenzen stoßen. Durch die quantitative Messung kann der Sägeprozess besser gesteuert werden, sodass die Abweichungen in diesem Arbeitsschritt deutlich geringer ausfallen. Zudem lässt sich der Werkzeugverschleiß der Bearbeitungsmaschinen überwachen und das Verhalten verschiedener Materialien beim Sägeprozess evaluieren.

Gleichmäßig schleifen

Nach dem Sägen werden die Wafer mithilfe der mechanischen Verfahren Schleifen und Läppen gedünnt. Beim Schleifen eines Roh- oder strukturierten Wafers müssen bestimmte Qualitätsparameter eingehalten werden. Bei Rohwafern zeigt z.B. der TTV-Wert (ein statistischer Wert, basierend auf einer metrologischen Waferdickenmessung, der die absolute Dickenvariation des gesamten Wafers angibt) den gleichmäßigen Abtrag während des Schleifens an. Nur so lässt sich sicherstellen, dass nur Wafer mit einem sehr niedrigen TTV-Wert für Prozessschritte, wie sie bspw. in der Mikroelektronik oder Mikrosystemtechnik anfallen, weiter verwendet werden.

Eben muss er sein

Neben der Dickenvariation kommt es bei Rohwafern auch auf die Einhaltung der Ebenheit an. Höhenunterschiede führen beim späteren Stapeln zu einem 3D-IC-Waferpaket u.U. zu Kontaktierungsproblemen. Die Wafer müssen zudem auf eine genaue Dicke geschliffen und die in das Substrat eingebrachte Dotierung nicht zu weit abgetragen werden. Auch der Waferrand kann mit einer 2D-Profilmessung stichprobenartig kontrolliert werden. Daraus kann der Waferhersteller auf die Abnutzung der Schleifwerkzeuge schließen und die Prozessparameter optimieren. Auch der Verschnitt am Waferrand spielt eine wichtige Rolle. Je effizienter hier gearbeitet wird, desto mehr Chips lassen sich später auf dem Wafer herstellen und der sog. Füllfaktor steigt. Prozessierte Wafer, die bspw. mit Bumpstrukturen oder Solderballs versehen sind, können hinsichtlich ihrer Höhe, Breite und Koplanarität vermessen werden.

Die Messanforderungen erfüllen

Messungen mit mehreren Schichten, z.B. bei gebondeten oder getapten Wafern, Randbeurteilungen der Wafer oder Bewertungen der Koplanarität von Bumpstrukturen - mit dem optischen Messsystem von FRT können Sie ihre Wafer hochgenau vermessen und die steigenden Anforderungen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfüllen.

Glatt polieren

Beim Polierprozess der gedünnten Wafer übt ein Polierpad Druck aus, um Kontakt zur Waferoberfläche herzustellen und diese zu polieren. Dazu wird eine Polierpaste (Slurry) verwendet, die chemisch wirksame Stoffe und abrasive Materialien enthält. Der Abtrag auf der Waferoberfläche erfolgt über Reibung. Bei einem Dry-Polish-Prozess, ist das chemische und abrasive Material in einem Pad gebunden, somit genügt ein geringerer Anpressdruck. Zur Überwachung des Polierprozesses kommen wieder optische Messsysteme zum Einsatz, auch der MicroProf® von FRT lässt sich nutzen. Die gemessenen Rauheitsparameter lassen u.a. Rückschlüsse auf die Oberflächengüte zu.

Ein Messgerät für alle Fälle

Das System kann mit einer diametral angeordneten Sensorkonfiguration (TTV-Setup), bestehend aus zwei berührungslos arbeitenden, chromatischen Punktsensoren, ausgestattet werden. Aufgrund der modularen Multi-Sensor Technik lässt sich das System jederzeit, z.B. mit einem Infrarot-Schichtdickensensor, erweitern. Mit dem MicroProf® können Dickenvariation, Ebenheit, Bump-Koplanarität und Oberflächentopographie an Rohwafern und strukturierten oder mehrschichtigen Wafern hochauflösend gemessen und quantitativ charakterisiert werden. Die Parameter werden nach dem Standard des Halbleiter-Industrieverbands SEMI ermittelt. Alle Wafergrößen bis 300 mm z.B. aus Silizium, Galliumarsenid oder Saphir können vollautomatisch gemessen werden. Mit diesen Erkenntnissen können Produktionsanlagen optimiert und die Effizienz gesteigert werden.

 

Sie suchen nach weiteren Informationen? Diese finden Sie hier!

Sie haben weitere Fragen oder Anmerkungen? Dann kontaktieren Sie uns! Unsere Experten helfen Ihnen gerne bei der Lösung Ihrer Messaufgaben.