1. Einleitung
Das beidseitige Polieren (DSP) ist der letzte und entscheidende Schritt bei der mechanischen Bearbeitung von Quarzglaswafern. Es ist zugleich die zeitaufwendigste Bearbeitungsphase und spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität des Endprodukts.
Zu den häufigen Oberflächenfehlern, die während dieses Prozesses auftreten können, zählen Vertiefungen, Kratzer, Kantenausbrüche, Risse und der vollständige Bruch des Wafers. Von diesen lassen sich Vertiefungen und Kratzer oft durch Prozessoptimierung und Umgebungskontrolle minimieren oder sogar beheben. Kantenausbrüche, Risse und Brüche sind jedoch irreversible Fehler, die unmittelbar zur Aussortierung des Wafers führen.
Bei ultradünnen Quarzglaswafern stellen bruchbedingte Defekte nach wie vor die größte Herausforderung für eine hohe Ausbeute und eine stabile Produktion dar.
2. Arten von Bruchdefekten
Bruchdefekte in Glaswafer umfassen im Allgemeinen drei Kategorien:
- Kantenausbrüche (Kantenbruch)
In der Regel definiert als sichtbare Beschädigungen an den Kanten oder fehlende Fragmente, die länger als 0,3 mm sind. - Rissausbreitung
Risse entstehen häufig an abgesplitterten Kanten und breiten sich nach und nach in den Waferkörper aus. - Vollständiger Bruch (Zerbrechen)
Sobald sich Risse unter Belastung während der weiteren Verarbeitung oder Handhabung ausbreiten, kommt es zu einem katastrophalen Waferausfall.
In der industriellen Praxis wird der Wafer, sobald eine Kantenabplatzung festgestellt wird, in der Regel als fehlerhaft eingestuft und aus der weiteren Verarbeitung aussortiert, da bei ihm ein hohes Ausfallrisiko in den nachfolgenden Schritten besteht.
3. Entstehung von Rissen beim beidseitigen Polieren
Während des DSP durchläuft der Wafer einen komplexen Bewegungsablauf, der durch folgende Faktoren gesteuert wird:
- Drehung der oberen Platte
- Drehung der unteren Platte
- Drehung des Sonnenrads
- Bewegung des Trägerrads (Planetenrads)
Unter diesen Bedingungen unterliegt der Wafer einer kombinierten Bewegung aus Umdrehung und Eigenrotation, was eine präzise Spannungsanalyse äußerst komplex macht.
Die Produktionsstatistiken zeigen jedoch einen eindeutigen Trend: Bruchdefekte entstehen fast immer am Waferrand. Dies deutet darauf hin, dass die Randfestigkeit des Wafers der entscheidende Faktor für das Bruchverhalten ist.
4. Kantenfestigkeit als entscheidender Versagensfaktor
Die Bruchfestigkeit eines Quarzglas-Wafers wird in erster Linie durch seine Kantenfestigkeit bestimmt.
Um die mechanische Stabilität zu verbessern, werden Wafer in der Regel einer Kantenabschrägung (Fasung), was dazu beiträgt, die Spannungskonzentration an den Kanten zu verringern. Eine richtig gestaltete Fase verbessert die Bruchfestigkeit erheblich.
Doch selbst bei Kantenschutz können falsche Bearbeitungsparameter oder eine übermäßige mechanische Belastung dennoch dazu führen, dass im Bereich der Fase ein Versagen einsetzt.
5. Spannungsanalyse am Waferrand
Während des DSP-Prozesses wirkt auf den Waferrand eine Kombination verschiedener Kräfte ein:
- F₁: Vertikale Druckkraft
Hauptsächlich durch den Polierdruck der oberen Platte verursacht. - F₂: Horizontale Kraft
Hauptsächlich verursacht durch Zentrifugalkräfte während der Rotation und die Reaktionskraft des Trägersystems.
An der abgeschrägten Kante lassen sich diese Kräfte wie folgt zerlegen:
- Normalkräfte senkrecht zur Fasenoberfläche
- Tangentialkräfte parallel zur Fasenfläche
Der kombinierte Spannungszustand lässt sich als Überlagerung folgender Komponenten darstellen:
- Normale Spannung (Druck- und Zugkomponenten)
- Scherbeanspruchung (Gleitkomponenten)
Wenn diese Spannungen die mechanische Festigkeitsgrenze von Quarzglas überschreiten, kommt es zur Rissbildung, die typischerweise an der Kante beginnt und sich nach innen ausbreitet.
6. Ausfallmechanismen bei ultradünnen Wafern
Bei ultradünnen Quarzglaswafern (typischerweise mit einer Dicke von < 0,3 mm) steigt das Bruchrisiko aufgrund verschiedener Faktoren erheblich an:
6.1 Verminderte Festigkeit der Konstruktion
Mit abnehmender Dicke nimmt die mechanische Gesamtsteifigkeit des Wafers deutlich ab, wodurch er empfindlicher gegenüber äußeren Belastungen wird.
6.2 Verkleinerter Schutzbereich der Fase
Ultradünne Wafer weisen ein deutlich geringeres Fasenvolumen und eine deutlich kleinere Kontaktfläche auf. Dadurch wird die Schutzwirkung der Kantenfasung geschwächt.
6.3 Erhöhte Spannungskonzentration
Unter denselben Polierbedingungen:
- Die Kontaktfläche verringert sich
- Die lokale Spannung pro Flächeneinheit steigt
- Die Spannungskonzentration an den Kanten nimmt deutlich zu
Dies führt zu einem raschen Anstieg sowohl der Normalspannung als auch der Scherspannung an der Kante.
7. Schlussfolgerung
Bruchschäden an Wafern aus Quarzglas während des beidseitigen Polierens werden in erster Linie durch übermäßige Spannungen am Waferrand verursacht. Wenn die kombinierten Normal- und Scherspannungen die mechanische Festigkeitsgrenze des Materials überschreiten, kommt es zu Randausbrüchen, Rissausbreitung und schließlich zum Bruch.
Ultradünne Wafer sind aufgrund ihrer geringeren Dicke, des geschwächten Kantenschutzes und der erhöhten Spannungskonzentration besonders anfällig.
Um die Waferausbeute zu verbessern, muss daher ein starker Fokus auf folgende Punkte gelegt werden:
- Optimierung der Kantenfestigkeit
- Verbesserung der Fasenausführung
- Regelung des Polierdrucks
- Optimierung der Drehzahl
- Verbesserung der Prozessstabilität
Durch eine sorgfältige Steuerung dieser Faktoren lässt sich das Bruchrisiko erheblich senken, was zu einer höheren Ausbeute und einer verbesserten Fertigungszuverlässigkeit bei der Herstellung von Quarzglaswafern führt.
