Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von Saphirwafern

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1 Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von Saphirwafern GrindTec-Forum Augsburg, 16. März 2012 Dipl.-Ing. Maurice Herben Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

2 Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von Saphirwafern Gliederung Produktionstechnik am Standort Aachen Rotationsschleifen von Saphirwafern Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung Werkstückseitige Temperaturmessung Zusammenfassung und Ausblick Seite 1

3 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

4 Produktionstechnik am Standort Aachen Zwei Institute Eine Philosophie Technologie der Fertigungsverfahren Prozesstechnologie Produktionsmaschinen Mess- und Qualitätstechnik Mechatronische Systeme Technologiemanagement Getriebetechnik Werkzeugmaschinen Montagetechnik Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Produktionssystematik Seite 3

5 Produktionstechnik am Standort Aachen IPT Bereich Prozesstechnologie Aufbau und Themenfelder Abteilung Feinbearbeitung und Optik UP-Diamantbearbeitung, Präzisionsschleifen und - polieren, Präzisionsblankpressen, FE-Prozesssimulation, PVD-Werkzeugbeschichtung Abteilung Hochleistungszerspanung Mehrachsfräsen, Präzisionshartfräsen, Präzisonshartdrehen, 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

6 Produktionstechnik am Standort Aachen 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 ingeneric (2000) Aixtooling (2005) son-x (2011) Feinbearbeitung Automatisierte Feinbearbeitung Saphirbearbeitung NC-Formschleifen Optik Replikative Optikfertigung Direkte Optikfertigung FE-Prozesssimulation Seite 5

7 Produktionstechnik am Standort Aachen WZL Gruppe Überwachung Struktur und Arbeitsbereiche Produktionssystematik Getriebetechnik Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Technologie der Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinen Verwaltung und Technik Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke Abteilung Überwachung und Abtragen Gruppe Überwachung Abteilungsleiter: Dipl.-Ing. Dražen Veselovac Gruppenleiter: Dipl.-Ing. Thomas Auerbach Sensorintegration und -entwicklung Prozessanalyse und überwachung Prozessregelstrategien und -systeme Systemprogrammierung und -implementation Eigenspannung und Randzonenanalyse Dipl.-Ing. O. Adams Dr.-Ing. G. Wirtz Dipl.-Ing. Gunnar Keitzel Liliana Tamayo M.S. Dipl.-Ing. S Kratz M.S. Dipl.-Ing. T. Auerbach Dipl. Ing. S. Gierlings Dipl.-Ing. M. Brockmann S. Kamps R. Seidner Dipl.-Phys. B. Krüger Seite 6

9 Rotationsschleifen von Saphirwafern Der Werkstoff Saphir und seine Anwendungen Kristallgitter Einbettung/ Linse LED p-kontakt p-gan AlGaN InGaN MQW Mechanisch - Chemisch - Optisch n-kontakt n-gan GaN-Puffer Substratvorderseite Saphirsubstrat Kathodenleiter Anodenleiter Innerer Reflektor Saphir-Wafer Einkristall, Gitterstruktur hexagonal-rhomboedrisch c-plane Orientierung (0001) defekt- und kontaminationsfrei Durchmesser mm (2-8 ) Dicke ca. 500 μm c-plane r-plane C Achse a-plane Seite 8

10 Rotationsschleifen von Saphirwafern Herstellungskette Saphir-basierter Halbleiterbauelemente Front-End-Bereich Back-End-Bereich Multi-Wire-Slicing Läppen Polieren Dünnen Dicing n s n Lo n Lu Epitaxie n s Primäre Anforderungen hohe Formgenauigkeit geringe Oberflächenrauheit geringe Störtiefe Primäre Anforderungen minimale Enddicke geringe Eigenspannungen (geringe Rauheit und Störtiefe) Seite 9

11 Rotationsschleifen von Saphirwafern Schleifwerkzeug, Wafer und Prozesskinematik Vorschubgeschwindigkeit v f Schleifscheibe Wafer Saphirwafer segmentiertes Diamantwerkzeug Spindeldrehzahl n s Kontaktzone Waferdrehzahl n w Seite 10

12 Rotationsschleifen von Saphirwafern Maschinenausstattung am Fraunhofer IPT - G&N MultiNano Schleifspindeln Nennleistung 4 / 8 kw Spindeldrehzahl /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 /min Kühlmittel (Schleifwasser) Zufuhr durch Spindel max. 400 l/h Seite 11

13 Rotationsschleifen von Saphirwafern 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 nm Wärmeübertragung Seite 12

14 Rotationsschleifen von Saphirwafern 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 Werkzeugentwicklung und Parameterstudien Forschungsschwerpunkte Werkzeugentwicklung und Parameterstudien Kühlschmierstoffuntersuchungen Ermittlung der Schädigungstiefe Prozessüberwachung Wasser Maschine KSS-Tank Abwasser Auffangbehälter Seite 13

15 Rotationsschleifen von Saphirwafern Nachgeschalteter Prozess Planpolieren mit Planetenkinematik Randbedingungen Doppelseitenplanbearbeitungsanlage Peter Wolters AC530-P Waferdurchmesser 50 mm (2 ) Minimale Waferanzahl: 8 Normalkraft F = 1,6 kn Forschungsschwerpunkte Mechanische und Chemomechanische Polierbearbeitung Poliermittelbenchmark Prozesskettenbetrachtung Seite 14

16 Rotationsschleifen von Saphirwafern 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 Zeitspanungsvolumen abhängig vom Waferradius Seite 15

18 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung Entwicklung einer sensorbestückten Schleifscheibe Ausgleichsmasse Antenne Kühlmitteldurchlass Standardtopfschleifscheibe Schleifbelag drei-achsiger Kraftsensor Elektronik Schutzring Seite 17

19 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung Eingriffsverhältnisse des Segments n s 120 Eintritt 100 Aktive Segmentfäche [%] Austritt Wafer Segment s l s v s n c l k l k +l s t s t k t k +t s t [ms] s = Weg des Segments l k = Länge der Kontaktzone (t k =l k /v s ) l s = Länge des Segments (t s =l s /v s ) v s = 2 n s r s = Geschw. des Segments Seite 18

20 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung Gesamtkräfte am Segment und flächenbezogene Lasten am Wafer 80 Eintritt 60 F n F t, F n [N] Austritt 1 Austritt 0,8 F n F t, F n [Nmm -2 ] Eintritt F t 0,6 0,4 0,2 F t 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0 t [ms] r [mm] Waferdurchmesser: D w =200 mm Waferorientierung: (100) Vorbearbeitung: D46 Kühlmittel: Wasser Schleifscheibe: D3 C120 Kunstharz Bindung Schnittgeschwindigkeit: v c = 50 m/sec Vorschubgeschwindigkeit: v f = 70 μm/min Chuckdrehzahl: n c = 50 min -1 Seite 19

21 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung BMWi-Innonet Projekt»IntelliTool«IWT Ziele Entwicklung und industrielle Qualifizierung eines modular aufgebauten, intelligenten Werkzeugsystems zur Überwachung und Regelung anspruchsvoller Hochleistungsschleifprozesse. Lösungsansatz Werkzeugkonzept mit modular integrierten Sensoren zur Erfassung der Bearbeitungskräfte und Kontaktzonentemperaturen ohne Rückwirkung auf den Rotationsschleifprozesses. Entwicklung innovativer IR-basierter Temperatursensorik, 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

22 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung»IntelliTool«Sensorintegriertes Modulares Topfschleifwerkzeug konventionelle Schleifscheibe sensorintegriertes Schleifwerkzeug Spindel Telemetriesystem Spindel integriertes standardisiertes Werkzeugspannsystem Messsignal Spindelflansch Schleifbelag Grundkörper Signalfluss Neuentwickelter sensorintegrierter Werkzeuggrundkörper Elektronik Schleifmodul integrierte Sensorik austauschbares Schleifsegment Seite 21

23 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung»IntelliTool«Sensorintegriertes Modulares Topfschleifwerkzeug Seite 22

24 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung»IntelliTool«Sensorintegriertes Modulares Topfschleifwerkzeug Integrierte Messtechnik Seite 23

25 Werkzeugseitige Kraft- und Temperaturmessung»IntelliTool«Datenübertragung Statorring zur Leistungsübertragung Rotorring zur Leistungs- und Datenübertragung Daten-Empfangskopf Seite 24

27 Werkstückseitige Temperaturmessung Optische Eigenschaften von Saphir IR-Transmissionsspektrum einer 2 mm dicken Saphirund Quarzglasscheibe Quarzglas Saphir 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 3 μm 5 μm Source: Korth Kristalle Seite 26

28 Werkstückseitige Temperaturmessung Messprinzip Maschinensteuerung v f Schleifspindel Topfschleifscheibe n s Saphirwafer (IR-Transparent) IR-Transparenter Vakuumchuck n c Infrarotstrahlung Datenakquisitionskette IR-Sensor Seite 27

29 Werkstückseitige Temperaturmessung Prüfstand zur Temperaturmessung beim Rotationsschleifen Riemengetriebe Lagergehäuse Abschirmrohr Infrarotkamera Gehäuse Dünnringlager Hohlwelle Ingot Kontaktzone n c Kabel- und Schlauchdurchführung Pneumatikzylinder Schwenk- und Schiebeeinheit Antriebsmotor n s v f Kühlwasserzufuhr Schleifscheibe Maschinentisch Riemenspanneinheit Kühlluftzufuhr Seite 28

30 Werkstückseitige Temperaturmessung Temperaturmessung im Prüfstand Beispiel Silizium T b 62 C 58 Waferzentrum n s n w C R r T b r T b b s R b s T b r R Belagsbreite Background Temperatur Radiusposition auf dem Wafer Radiusposition auf der Schleifscheibe Seite 29

31 Werkstückseitige Temperaturmessung 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 IR- Strahlung 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

32 Werkstückseitige Temperaturmessung»ThermoGrind«Realisiertes Chucksystem Schleifscheibe 4 Saphirchuck Werkstückspindel Druckluftzufuhr Lamellendichtung Spindelgehäuse Seite 31

33 Werkstückseitige Temperaturmessung»ThermoGrind«Realisiertes Chucksystem - Messpositionen 3 Messpositionen innerhalb der Kontaktzone Vakuumkanäle Seite 32

34 Werkstückseitige Temperaturmessung Emissionsgrad Unbekannt Messsystemkalibrierung Erforderlich Schleifscheibe Heißluftpistole Belagsegment Thermoelement IR-Kamera Seite 33

35 Werkstückseitige Temperaturmessung»ThermoGrind«- Beispiel einer Messung Versuchbedingungen Wafer: 2 C-plane Werkzeug: D20 Metallbindung n s = /min n w = 50 1/min v f = 100 μm/min Kühlung: Wasser, 200 l/min T pyr, =1 [ C] 3 Pyrometer 3 Power [kw] ,75 Messpositionen 20 0, Spindelleistung 10 0,25 Einlauf Stat. Prozess Ausfunken t [s] 2 Wafer Chuck Seite 34

37 Prozessüberwachung beim Rotationsschleifen von Saphirwafern 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

38 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