Spiegelglattes Silizium
Bisher lassen sich die Siliziumwafer erst nach dem Polieren überprüfen. Ein neues Polierwerkzeug überwacht den Prozess ständig.
Jede kleinste Unebenheit muss weichen: Beim Polieren von Siliziumwafern für Solarzellen und Computerchips ist höchste Präzision gefragt. Bisher lassen sich die Wafer erst nach dem Polieren überprüfen. Ein neues Polierwerkzeug überwacht den Prozess ständig.
Ohne Silizium geht in der Computerindustrie nichts – die meisten Computerchips bestehen aus diesem Halbleitermaterial. Ähnlich sieht es bei Solarzellen aus: Auch sie basieren vorwiegend auf Silizium. Die Einkristalle werden in runde, etwa ein Millimeter dicke Scheiben geschnitten, Experten sprechen von Wafern. Ihre Oberflächen müssen spiegelglatt sein, Unebenheiten dürfen nur einige Nanometer betragen. Nachdem die Wafer aus einem großen Silizium-Einkristall herausgeschnitten wurden, müssen sie daher geschliffen und poliert werden. Bisher zeigt sich erst nach dem Polieren, ob die Oberfläche ausreichend glatt geworden ist. Falls nicht, heißt es, das Werkzeug erneut aufsetzen und den Prozess wiederholen – eine aufwändige Prozedur. Zudem passiert es leicht, dass das Werkzeug beim Aufsetzen Kanten in das Silizium schlägt. In diesem Fall muss das teure Material des gesamten Wafers so weit abgetragen werden, dass die Oberfläche wieder eben ist.
Abb.: Ein neues Polierwerkzeug – hier für optische Glaslinsen – misst über einen Piezosensor (dunkles Rechteck) erstmalig den Druck, mit dem die Schleifeinheiten (gesprenkelte Flächen) polieren. (Quelle: Fraunhofer IFF)
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg haben ein Polierwerkzeug entwickelt, mit dem sich der Druck auf den Wafer ständig kontrollieren lässt – auch während des Polierens. Der Clou: Im Werkzeug sind mehrere Piezo-Sensoren und -Aktoren integriert. Trifft es beim Polieren auf eine Verunreinigung oder einen Materialfehler, verstärkt sich der Druck des Werkzeugs auf die Materialoberfläche. Der Piezosensor wird etwas zusammengedrückt und wandelt diesen mechanischen Druck in elektrische Spannung um. Die wiederum gibt dem Aktor das Signal, den Druck vom Werkzeug auf das Silizium zu verändern und die Unebenheit zu beseitigen. „Die Herausforderung lag vor allem darin, die Sensoren und Aktoren so zu integrieren, dass die Oberfläche des Werkzeugs nicht beeinträchtigt wird und der Sensor dennoch nah genug an der der zu bearbeitenden Oberfläche ist“, sagt Susan Gronwald, Projektleiterin beim IFF. Ein weiterer Vorteil: Das Polierwerkzeug besteht aus drei ineinander liegenden Ringen, sodass der Rand des Wafers mit einem anderen Druck geschliffen werden kann als der innere Teil.
Auch bei optischen Glaslinsen verkürzt das neue Werkzeug die Bearbeitungsdauer und vereinfacht den Polierprozess. „Hier konnte bisher nicht gemessen werden, mit welchem Druck man Material abträgt“, sagt die Expertin. „Daher mussten die Linsen immer wieder aus dem Poliervorgang genommen werden, um die Oberfläche mit einem Laser zu kontrollieren. Der letzte Feinschliff erfolgte per Hand.“ Seit kurzem ist die sensorgestützte Schleifanlage in der industriellen Anwendung.
Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft
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