1. Inleiding
Dubbelzijdig polijsten (DSP) is de laatste en meest cruciale stap in de mechanische bewerking van glaswafers van gesmolten siliciumdioxide. Het is tevens de langste bewerkingsfase en speelt een doorslaggevende rol in de uiteindelijke productkwaliteit.
Tijdens dit proces zijn veelvoorkomende oppervlaktefouten onder meer putjes, krassen, afgebroken randen, scheuren en volledige breuk van de wafer. Van deze fouten kunnen putjes en krassen vaak worden beperkt of zelfs worden hersteld door middel van procesoptimalisatie en omgevingsbeheersing. Afgebroken randen, scheuren en breuk zijn echter onomkeerbare fouten die direct leiden tot afkeuring van de wafer.
Bij ultradunne wafers van gesmolten siliciumdioxide blijven breukgerelateerde defecten de grootste uitdaging bij het realiseren van een hoog rendement en een stabiele productie.
2. Soorten breukdefecten
Breukdefecten in glaswafels omvatten doorgaans drie categorieën:
- Afbrokkeling van de randen (randbreuk)
Wordt doorgaans gedefinieerd als zichtbare beschadiging aan de randen of ontbrekende fragmenten die langer zijn dan 0,3 mm. - Scheuruitbreiding
Scheuren ontstaan vaak bij afgebroken randen en breiden zich geleidelijk uit naar het binnenin van de wafer. - Volledige breuk (breuk)
Zodra scheuren zich onder belasting tijdens verdere verwerking of hantering verder uitbreiden, treedt een catastrofale defectvorming van de wafer op.
In de industriële praktijk wordt de wafer, zodra er randafbrokkeling wordt vastgesteld, doorgaans als een defect product aangemerkt en uit de verdere verwerking gehaald, aangezien het risico op defecten in de volgende stappen groot is.
3. Oorzaak van breuken tijdens dubbelzijdig polijsten
Tijdens het DSP-proces ondergaat de wafer een complexe bewegingsreeks die wordt aangestuurd door:
- Rotatie van de bovenste plaat
- Rotatie van de onderplaat
- Rotatie van het zonnewiel
- Beweging van de drager (planeetwiel)
Onder deze omstandigheden ondergaat de wafer een gecombineerde beweging van omwenteling en eigenrotatie, waardoor een nauwkeurige spanningsanalyse uiterst complex wordt.
Uit productiestatistieken blijkt echter een duidelijke trend: breukdefecten ontstaan vrijwel altijd aan de rand van de wafer. Dit wijst erop dat de randsterkte van de wafer de belangrijkste factor is die het breukgedrag bepaalt.
4. Randsterkte als belangrijkste faalfactor
De breukweerstand van een wafer van gesmolten siliciumdioxide wordt voornamelijk bepaald door de sterkte van de randen.
Om de mechanische stabiliteit te verbeteren, worden wafers doorgaans onderworpen aan afschuinen van randen (afschuining), wat helpt om spanningsconcentraties aan de randen te verminderen. Een goed ontworpen afschuining verbetert de breukweerstand aanzienlijk.
Maar zelfs met randbescherming kunnen onjuiste bewerkingsparameters of een te hoge mechanische belasting er nog steeds toe leiden dat er scheurtjes ontstaan in het afgeschuinde gebied.
5. Spanningsanalyse aan de rand van de wafer
Tijdens het DSP-proces wordt de rand van de wafer blootgesteld aan een combinatie van krachten:
- F₁: Verticale drukkracht
Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door de polijstdruk van de bovenste plaat. - F₂: Horizontale kracht
Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door centrifugale krachten tijdens de rotatie en de reactiekracht van het draagsysteem.
Bij de afgeschuinde rand kunnen deze krachten worden opgesplitst in:
- Normale krachten loodrecht op het afschuiningsvlak
- Tangentiële krachten die evenwijdig lopen aan het afschuiningsvlak
De gecombineerde spanningstoestand kan worden uitgedrukt als de superpositie van:
- Normale spanning (druk- en trekcomponenten)
- Afschuifspanning (glijende onderdelen)
Wanneer deze spanningen de mechanische sterktegrens van gesmolten siliciumdioxide overschrijden, ontstaat er een scheur, die doorgaans aan de rand begint en zich naar binnen voortplant.
6. Storingsmechanisme in ultradunne wafers
Bij ultradunne wafers van gesmolten siliciumdioxide (doorgaans met een dikte van < 0,3 mm) neemt het risico op breuk aanzienlijk toe als gevolg van verschillende factoren:
6.1 Verminderde constructiesterkte
Naarmate de dikte afneemt, neemt de algehele mechanische stijfheid van de wafer aanzienlijk af, waardoor deze gevoeliger wordt voor externe belasting.
6.2 Verkleind beschermingsgebied van de afschuining
Ultradunne wafers hebben een veel kleiner afschuiningsvolume en contactoppervlak. Daardoor wordt het beschermende effect van de randafschuining verzwakt.
6.3 Verhoogde spanningsconcentratie
Onder dezelfde polijstomstandigheden:
- Het contactoppervlak neemt af
- De lokale spanning per oppervlakte-eenheid neemt toe
- De spanningsconcentratie aan de rand neemt aanzienlijk toe
Dit leidt tot een snelle toename van zowel de normale spanning als de schuifspanning aan de rand.
7. Conclusie
Breukdefecten in glaswafels van gesmolten siliciumdioxide tijdens het dubbelzijdig polijsten worden voornamelijk veroorzaakt door overmatige spanning aan de rand van de wafer. Wanneer de gecombineerde normale en schuifspanningen de mechanische sterktegrens van het materiaal overschrijden, treden randafbrokkeling, scheuruitbreiding en uiteindelijk breuk op.
Ultradunne wafers zijn bijzonder kwetsbaar vanwege hun geringere dikte, verminderde randbescherming en verhoogde spanningsconcentratie.
Om de opbrengst van wafers te verbeteren, moet er dan ook bijzondere aandacht worden besteed aan:
- Optimalisatie van de randsterkte
- Verbetering van het afschuiningontwerp
- Regeling van de polijstdruk
- Optimalisatie van het toerental
- Verbetering van de processtabiliteit
Door deze factoren zorgvuldig te beheersen, kan het risico op breuken aanzienlijk worden verminderd, wat leidt tot een hogere opbrengst en een grotere betrouwbaarheid bij de productie van wafers van gesmolten siliciumdioxide.
