Vortrag »Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von

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Prozessüberwachung beim
Rotationsschleifen von Saphirwafern
GrindTec-Forum
Augsburg, 16. März 2012
Dipl.-Ing. Maurice Herben
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
© WZL/Fraunhofer IPT
Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von Saphirwafern
Gliederung
 Produktionstechnik am Standort Aachen
 Rotationsschleifen von Saphirwafern
 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung
 Werkstückseitige Temperaturmessung
 Zusammenfassung und Ausblick
Seite 1
Produktionstechnik am Standort Aachen
Die Institute
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
 Institut der Fraunhofer-Gesellschaft
 1980 gegründet
 ca. 360 Mitarbeiter
Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen
 Institut der RWTH Aachen
 1906 gegründet
 ca. 570 Mitarbeiter
WZLforum GmbH
 Berufliche Weiterbildung und Qualifikation
 1992 gegründet als Aachener Demonstrationslabor für
integrierte Produktionstechnik ADITEC gGmbH
 22 Mitarbeiter
Seite 2
Zwei Institute – Eine Philosophie
 Technologie der Fertigungsverfahren
 Getriebetechnik
 Prozesstechnologie
 Produktionsmaschinen
 Mess- und Qualitätstechnik
 Mechatronische Systeme
 Technologiemanagement
 Werkzeugmaschinen
 Montagetechnik
 Fertigungsmesstechnik und
Qualitätsmanagement
 Produktionssystematik
Seite 3
IPT Bereich Prozesstechnologie – Aufbau und Themenfelder
Abteilung Feinbearbeitung und Optik
 UP-Diamantbearbeitung, Präzisionsschleifen und -
polieren, Präzisionsblankpressen, FE-Prozesssimulation,
PVD-Werkzeugbeschichtung
Abteilung Hochleistungszerspanung
 Mehrachsfräsen, Präzisionshartfräsen, Präzisons-
hartdrehen, Prozess- und Systemmodellierung
Abteilung Lasermaterialbearbeitung
 Laserstrahlfügen- und -strukturieren, Laserunterstütze
Bearbeitung, Laseroberflächenbehandlung,
Generative Fertigungsverfahren, Biotechnologie
Abteilung CAx-Technologien
 CAx-Framework, CAM-Modulentwicklung, NC-
Simulation, NC-Datenoptimierung
Seite 4
IPT Bereich Prozesstechnologie – Abteilung Feinbearbeitung und Optik
 Das Fraunhofer IPT besitzt
nahezu 20 Jahre Erfahrung
in:
 Optikherstellung
 Bearbeitung
sprödharter Materialien
 Abteilung Feinbearbeitung
und Optik:
 20 Mitarbeiter
 2,3 Mio. € Erlöse in
2011
 mehr als 15 Maschinen
 Erfolgreiche Spin-Offs
Feinbearbeitung
Optik
Automatisierte Feinbearbeitung
Replikative Optikfertigung
Saphirbearbeitung
Direkte Optikfertigung
NC-Formschleifen
FE-Prozesssimulation
 ingeneric (2000)
 Aixtooling (2005)
 son-x (2011)
Seite 5
WZL Gruppe Überwachung – Struktur und Arbeitsbereiche
Technologie
der Fertigungsverfahren
Getriebetechnik
Werkzeugmaschinen
Produktionssystematik
Fertigungsmesstechnik
und Qualitätsmanagement
Verwaltung
und Technik
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke
Abteilung Überwachung und Abtragen
Abteilungsleiter: Dipl.-Ing. Dražen Veselovac
Gruppe Überwachung
Sensorintegration
und -entwicklung
Dipl.-Ing. O. Adams
Dr.-Ing. G. Wirtz
Gruppenleiter: Dipl.-Ing. Thomas Auerbach
Prozessanalyse und
überwachung
Dipl.-Ing. Gunnar Keitzel
Liliana Tamayo M.S.
Dipl.-Ing. S Kratz M.S.
Prozessregelstrategien und
-systeme
Dipl.-Ing. T. Auerbach
Dipl. Ing. S. Gierlings
Dipl.-Ing. M. Brockmann
Systemprogrammierung
und
-implementation
Eigenspannung
und
Randzonenanalyse
S. Kamps
R. Seidner
Dipl.-Phys. B. Krüger
Seite 6
Gliederung
Seite 7
Der Werkstoff Saphir und seine Anwendungen
Kristallgitter
Einbettung/
Linse
LED
p-Kontakt
p-GaN
AlGaN
InGaN MQW
n-Kontakt
n-GaN
Mechanisch - Chemisch - Optisch
GaN-Puffer
Substratvorderseite
Saphirsubstrat
Innerer Reflektor
Kathodenleiter
Anodenleiter
Saphir-Wafer
 Einkristall, Gitterstruktur
c-plane
C Achse
hexagonal-rhomboedrisch
 c-Plane Orientierung (0001)
 defekt- und kontaminationsfrei
 Durchmesser 50-200 mm (2-8“)
 Dicke ca. 500 μm
r-plane
a-plane
Seite 8
Herstellungskette Saphir-basierter Halbleiterbauelemente
Front-End-Bereich
Läppen
Polieren
nLo
ns
nLu
Dünnen
Dicing
Epitaxie
Multi-Wire-Slicing
Back-End-Bereich
Primäre Anforderungen
Primäre Anforderungen
 hohe Formgenauigkeit
 minimale Enddicke
 geringe Oberflächenrauheit
 geringe Eigenspannungen
 geringe Störtiefe
 (geringe Rauheit und Störtiefe)
ns
Seite 9
Schleifwerkzeug, Wafer und Prozesskinematik
Vorschubgeschwindigkeit vf
Schleifscheibe
Wafer
Saphirwafer
segmentiertes Diamantwerkzeug
Spindeldrehzahl ns
Kontaktzone
Waferdrehzahl nw
Seite 10
Maschinenausstattung am Fraunhofer IPT - G&N MultiNano
Schleifspindeln
 Nennleistung 4 / 8 kW
 Spindeldrehzahl
500 – 4000 1/min
 mechanisch gelagert
Schleifkopfzustellung
 Zustellgeschwindigkeit
0,001 – 0,500 mm/min
 Auflösung 0,1 μm
 kleinste Zustellung 1 μm
Vakuumspanntische (Chucks)
 Anzahl 3
 Durchmesser bis 200 mm
 Chuckdrehzahl 0 - 200 1/min
Kühlmittel (Schleifwasser)
 Zufuhr durch Spindel
 max. 400 l/h
Seite 11
Background des Fraunhofer IPT - Siliziumbearbeitung
 Randbedingungen
 Waferdurchmesser bis
300 mm (12“)
 Luftgelagerte Schlichtspindel bis 6000 min-1
 Kunstharzgebundene
Diamantschleifscheiben
D3 bis D46
 Spindelleistungsmessung
 Forschungsschwerpunkte
 Werkzeugentwicklung
und Parameterstudien
 Charakterisierung der
Oberflächenschädigung
 Kraft- und Temperaturmessung
 Simulation der
Wärmeübertragung
nm
108.6
-407.9
112.9
0.0 0.0
Seite 12
Aktivitäten am Fraunhofer IPT
 Randbedingungen
 Waferdurchmesser ab
50 mm (2“)
 Mechanisch gelagerte
Schlichtspindel bis
4000 min-1
 Metall und keramisch gebundene Diamantschleifscheiben D3 bis D46
Maschine
Wasser
KSS-Tank
Abwasser
Auffangbehälter
 Kühlschmierstoffuntersuchungen
 Ermittlung der
Schädigungstiefe
 Prozessüberwachung
Seite 13
Nachgeschalteter Prozess – Planpolieren mit Planetenkinematik
 Randbedingungen
 Doppelseitenplan-
bearbeitungsanlage
Peter Wolters AC530-P
 Waferdurchmesser
50 mm (2“)
 Minimale Waferanzahl: 8
 Normalkraft F = 1,6 kN
 Mechanische und
Chemomechanische
Polierbearbeitung
 Poliermittelbenchmark
 Prozesskettenbetrachtung
Seite 14
Motivation für die Prozessüberwachung
Marktanforderungen
 Zunehmender Zeit- und Kostendruck
 Höhere Anforderungen die Oberflächenqualität
Prozessüberwachung
Konflikt
 Optimierte Werkzeug- und Prozessentwicklung
 Steigerung der Prozessstabilität und -effizienz
Prozesskomplexität
 Schwer Zerspanbar
 Inhomogene Kontaktzone (lokales Zeitspanungs-
volumen abhängig vom Waferradius
Seite 15
Gliederung
Seite 16
Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung
Entwicklung einer sensorbestückten Schleifscheibe
Standardtopfschleifscheibe
Schleifbelag
drei-achsiger
Kraftsensor
Ausgleichsmasse
Antenne
Kühlmitteldurchlass
Elektronik
Schutzring
Seite 17
Eingriffsverhältnisse des Segments
Aktive Segmentfäche [%]
120
Eintritt
100
ns
Austritt
80
Wafer
nc
Segment
vs
s
lk+ls
lk
60
40
20
0 0
ls




ts
tk
tk+ts
t [ms]
s = Weg des Segments
lk = Länge der Kontaktzone (tk=lk/vs)
ls = Länge des Segments (ts=ls/vs)
vs = 2·ns·rs = Geschw. des Segments
Seite 18
Gesamtkräfte am Segment und flächenbezogene Lasten am Wafer
Ft“, Fn“ [Nmm-2]
Ft, Fn [N]
80
Fn
Eintritt
60
Austritt
1
Austritt
Eintritt
0,8
Fn“
0,6
40
0,4
Ft
20
00
0,5
1
1,5
0,2
2
2,5
t [ms]
Waferdurchmesser:
Waferorientierung:
Vorbearbeitung:
Kühlmittel:
Ft “
Dw=200 mm
(100)
D46
Wasser
0
0
20
40
60
80
100
r [mm]
Schleifscheibe:
D3 C120 Kunstharz Bindung
Schnittgeschwindigkeit:
vc = 50 m/sec
Vorschubgeschwindigkeit:
vf = 70 μm/min
Chuckdrehzahl:
nc = 50 min-1
Seite 19
BMWi-Innonet Projekt »IntelliTool«
Ziele
 Entwicklung und industrielle Qualifizierung eines
modular aufgebauten, intelligenten Werkzeugsystems
zur Überwachung und Regelung anspruchsvoller
Hochleistungsschleifprozesse.
Lösungsansatz
 Werkzeugkonzept mit modular integrierten Sensoren
IWT
zur Erfassung der Bearbeitungskräfte und Kontaktzonentemperaturen ohne Rückwirkung auf den
Rotationsschleifprozesses.
 Entwicklung innovativer IR-basierter Temperatur-
sensorik, mit der eine prozesssichere lokale Erfassung
der Kontaktzonentemperaturen im Schleifprozess
möglich ist.
 Hochdynamische Regelungskette auf Basis der lokal
erfassten Prozesskenngrößen (Kraft und Temperatur).
Seite 20
»IntelliTool« – Sensorintegriertes Modulares Topfschleifwerkzeug
konventionelle Schleifscheibe
Spindel
sensorintegriertes Schleifwerkzeug
integriertes
standardisiertes
Werkzeugspannsystem
Messsignal
Spindel
Telemetriesystem
Spindelflansch
Schleifbelag
Grundkörper
Signalfluss
Neuentwickelter
sensorintegrierter
Werkzeuggrundkörper
Elektronik
Schleifmodul
integrierte
Sensorik
austauschbares
Schleifsegment
Seite 21
Seite 22
Integrierte Messtechnik
Seite 23
»IntelliTool« – Datenübertragung
Statorring zur
Leistungsübertragung
Rotorring zur Leistungs- und
Datenübertragung
Daten-Empfangskopf
Seite 24
Gliederung
Seite 25
Werkstückseitige Temperaturmessung
Optische Eigenschaften von Saphir
IR-Transmissionsspektrum
einer 2 mm dicken Saphirund Quarzglasscheibe
Saphir
Quarzglas
Relevante Wellenlängenbereiche und übliche
Detektortypen
SWIR
MWIR
 SWIR (short-wave infrared)
Wellenlänge 1 - 3 μm
InGaAs Detektoren
 MWIR (mid-wave infrared)
Wellenlänge 3 - 5 μm
InSb, HgCdTe and PbSe
Detektoren
33 μm
μm
55 μm
μm
Source: Korth Kristalle
Seite 26
Messprinzip
Maschinensteuerung
vf
Schleifspindel
Topfschleifscheibe
ns
Saphirwafer (IR-Transparent)
IR-Transparenter
Vakuumchuck
nc
Infrarotstrahlung
Datenakquisitionskette
IR-Sensor
Seite 27
Prüfstand zur Temperaturmessung beim Rotationsschleifen
Abschirmrohr
Infrarotkamera
Kabel- und Schlauchdurchführung
Riemengetriebe
Gehäuse
Lagergehäuse
Dünnringlager
Pneumatikzylinder
Hohlwelle
Ingot
Kontaktzone
Schwenk- und
Schiebeeinheit
nc
Antriebsmotor
ns
vf
Kühlwasserzufuhr
Schleifscheibe
Maschinentisch
Kühlluftzufuhr
Riemenspanneinheit
Seite 28
Temperaturmessung im Prüfstand – Beispiel Silizium
Tb
62°C
Waferzentrum
58
ns
54
nw
50
46
42
r
R
38
34°C
Tb
Tb
r
bs
R
bs
Tb
r
R
Belagsbreite
Background Temperatur
Radiusposition auf dem Wafer
Radiusposition auf der Schleifscheibe
Seite 29
Europäisches Projekt »ThermoGrind«
Ziel
 Temperaturgeregeltes Rotationsschleifen von Saphir-Wafern
zur effizienten Herstellung von modernen weißen LED
Lichtquellen.
Lösungsansatz
 Entwicklung eine Sensor-Integrierten Vakuumspannsystems
für Saphir-Wafer. Die in der Prozesszone entstehenden IRStrahlung wird dabei durch den Wafer und den Chuck geleitet
und so für die Temperaturmessung zugänglich gemacht.
 Entwicklung eines thermischen Regelkreis-Systems bestehend
aus Hardware und Softwarekomponenten. Die darin
enthaltene DAC ermöglicht die In-Prozessmessung von
Temperaturen für die Technologieentwicklung.
 Machbarkeitsnachweis für den temperaturgeregelten
Rotationsschleifprozess. Die Prozessregelung wird durch die
Integration geeigneter Regelalgorithmen und -kriterien in das
realisierte Regelkreis-System erzielt.
Seite 30
»ThermoGrind« – Realisiertes Chucksystem
Schleifscheibe
4” Saphirchuck
Werkstückspindel
Druckluftzufuhr
Lamellendichtung
Spindelgehäuse
Seite 31
»ThermoGrind« – Realisiertes Chucksystem - Messpositionen
3 Messpositionen
innerhalb der
Kontaktzone
Vakuumkanäle
Seite 32
Emissionsgrad Unbekannt – Messsystemkalibrierung Erforderlich
Heißluftpistole
Schleifscheibe
Belagsegment
Thermoelement
IR-Kamera
Seite 33
»ThermoGrind« - Beispiel einer Messung
Versuchbedingungen
Wafer:
2” C-plane
Werkzeug: D20 Metallbindung 40 Tpyr, =1 [°C]
2500 1/min
ns =
50 1/min
nw =
100 μm/min
vf =
30
Kühlung: Wasser, 200 l/min
3 Pyrometer
3
Power [kW]
1
2
1
0,75
Messpositionen
20
0,5
Spindelleistung
2
3
0,25
10
Einlauf
1
Stat. Prozess
Ausfunken
0
80
2”
2” Wafer
90
100
110
0
120 t [s]
Chuck
Seite 34
Gliederung
Seite 35
Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
 Durch die werkzeugseitige Integration geeigneter
Sensoren lassen sich die Prozesskräfte und
Kontaktzonentemperaturen beim Rotationsschleifen
lokal aufgelöst erfassen.
 Die optischen Eigenschaften des Werkstoffes Saphir
ermöglichen die werkstückseitige Temperaturmessung
in der Kontaktzone ohne vorherige Präparation des
Wafers oder des Werkzeugs.
 Zu beiden Messkonzepten wurden entsprechende
sensorintegrierte Systeme entwickelt und realisiert.
Ausblick
 Kraft- und Temperaturbasierte Prozess- und
Werkzeugentwicklung für das Rotationsschleifen.
 Entwicklung von Regelungskonzepten zur
Prozessoptimierung oder -stabilisierung.
Seite 36
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
The presented work was supported by the 7th
Framework Programme of the European Commission
within the project entitled „ThermoGrind“
Seite 37

Vortrag »Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von

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