Berührungslose Kleinteile-Handhabung in der Halbleiter-Industrie (Chips & Dies)

Schonende, wartungsfreie und reinraumtaugliche Handhabung mit Ultraschall

Schwebendes Substrat

Herausforderungen bei der Bearbeitung von Dies
Technischer Fortschritt und die Nachfrage an immer kleinere und leistungsfähigere Prozessoren führen ständig zu anspruchsvollen Anforderungen. Um die Herstellung innovativer Produkte zu ermöglichen, werden neue Techniken, wie z.B. die Stapelung sehr dünner Chips benötigt. Besonders die Eigenschaften dieser dünnen Wafer und Chips stellen eine zusätzliche Herausforderung bei der Handhabung dar. Die Materialien sind flexibel, zerbrechlich und wellig, wobei sie häufig außerdem speziell behandelte Oberflächen (z.B. mit Klebstoff) besitzen.

Herkömmliche Handhabungssysteme weisen häufig Probleme auf, wie die Kontamination durch Partikel bei Luftlagern, die durch die Luftverwirbelungen von Druckluft entstehen (z.B. bei Bernoulli-Greifern). Andere Systeme ohne Luftzufuhr, wie z.B. Vakuum-Greifer können bei der Handhabung Spuren wie Abdrücke oder Kratzer auf dem Substrat hinterlassen. Mit Hilfe des patentierten Ultraschall-Lagers von ZS-Handling können Substrate gleichmäßig auf einem durch Schwingungen generierten Luftfilm schweben und dadurch während des Handlings berührungslos gehalten werden. Durch eine Kombination aus Unterdruck und Ultraschall wirken gleichzeitig anziehende und abstoßende Kräfte auf das Werkstück und halten es somit auch beim Greifen von oben auf Abstand.

Wie funktioniert das Ultraschall-Lager?
Die Ultraschallbewegung der sogenannten Sonotrode erzeugt einen tragenden Gasfilm (Luft oder Prozessgas) zwischen der Sonotrodenoberfläche und dem Substrat. Das Substrat schwebt auf dem entstandenen Gasfilm in Abständen von 10 - 150μm. Unter Ausnutzung von Auftriebskräften durch Vakuum wird eine Handhabung von oben ermöglicht. Auf diese Weise wird jeder mechanische Oberflächenkontakt vermieden.

Die Physik des Ultraschalllagers ergibt sich aus der Strömungsdynamik und nicht aus akustischen Prinzipien. Der Gasdruck im Spalt zwischen dem Werkstück und der schwingenden Oberfläche steigt durch die zyklische Kompression und Dekompression des dünnen Gasfilms. Daher ist es notwendig, ein gleichmäßiges Schwingungsmuster zu realisieren, um gleichbleibende Schwebekräfte über die gesamte Sonotrode zu erzeugen. Die Schwingungen werden nicht in die Substrate übertragen und führen zu keinen Beeinträchtigungen des Substratmaterials.

Vorteile
Mit den abstoßenden Kräften der Ultraschalllagers kann das Substrat ohne jegliche Reibung auch mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegt werden. Zusätzlich können flexible Materialien durch diese Technik berührungslos „glattgezogen“, also in einer gleichmäßigen zentrierten Position gehalten werden. Bei sehr kleinen Bauteilen (bis ca. 12x12 mm) wirkt bei genauer Anpassung der Greiferspitze der Selbstzentrierungseffekt, wodurch selbst für sehr genaues Positionieren keine Randanschläge erforderlich sind.

Das Kraftprofil der Handhabungssysteme von ZS-Handling ist ähnlich dem eines konventionellen Luftlagers, es ist jedoch keine Druckluftversorgung erforderlich. Das bedeutet, dass z.B. in einer Reinraumumgebung die laminare Luftströmung – anders als bei Bernoulli Greifern – durch keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten gestört wird und keine Partikel durch Fremdluft bzw. über Leitungen eindringen können. Außerdem können in neuen Produktionslinien die Kosten für die Druckluftversorgung eingespart werden.

Durch die Vermeidung von Oberflächenkontakt und ohne dynamische Turbulenzen im Umgebungsgas können keine Beschädigungen, Mikrokratzer, Mikrorisse oder Verunreinigungen das Substrat schädigen. Das Handling an bearbeiteten oder beschichteten Oberflächen ist berührungslos möglich, wodurch mehr Freiheitsgrade in der Prozess- und Maschinengestaltung möglich sind. Während des Handlings wird außerdem eine hohe Ebenheit des Substrats erreicht.

Die Systeme können in allen atmosphärischen Prozessen und in bis zu 20% Teilvakuumprozessen eingesetzt werden. Dabei werden weniger Ressourcen, wie z.B. Energie oder Druckluft benötigt als bei einem Standard-Luftlager. Dies wirkt sich in der Energie- und Kostenbilanz positiv für die Handhabungssysteme von ZS-Handling aus.

Beispielhafte Anforderungen eines Anwendungsfalls:
In einer Reinraumumgebung von ISO 6 sollen Dies unterschiedlicher Größe (10x10 mm, 5x5 mm und 5x12 mm) von einem geschnittenen, auf Sägefolie gehefteten Wafer (ø 300 mm) mit einem berührungslosen Greifer vereinzelt werden. Anschließend sollen die Dies für den nachfolgenden Bonding-Prozess wieder abgelegt werden.

Die Lösung von ZS-Handling
beinhaltet den MicroLevi Greifer mit unterschiedlichen, über eine Spannzange leicht austauschbaren Greiferspitzen für die verschiedenen Größen. Mit Ultraschall und gleichzeitigem Vakuum kann der Die von oben gegriffen und berührungslos gehalten und geschwenkt werden. Durch die Selbst-Zentrierwirkung an der Greiferspitze kann der Die selbst bei schnellen Beschleunigungen von über 2g präzise gegriffen und abgelegt werden. Um eine optimale Zentrierwirkung zu erhalten, muss die Greiferspitze genau an das Format des Dies angepasst werden, daher sind für diese Anwendung drei unterschiedliche, Greiferspitzen notwendig. Der Greifer kann durch einen adaptierbaren Flansch an jeden beliebigen Roboter bzw. jedes Achsen-System angeschlossen werden. Greifer und Gehäuse bestehen aus eloxiertem Aluminium, die Greiferspitze aus Titan.

Die-Greifer ohne Greiferspitze

In der hier beschriebenen Anwendung werden die zu vereinzelnden Dies durch Pins unter dem Wafer nach oben gedrückt, um so die Haftkraft an der Klebefolie zu verringern und eine berührungslose Vereinzelung zu erleichtern. Der so angehobene Die wird von der Greiferspitze ohne Kontakt aufgenommen und mit hoher Geschwindigkeit zum nächsten Prozessschritt gebracht, wo er durch Ausschalten des Unterdrucks einfach und präzise abgelegt werden kann.

Die-Greifer

Zusammenfassung
Der komplette Prozessablauf bei der Handhabung von Dies findet vollautomatisiert statt.
Mit Hilfe der Ultraschall-Schwingungen wird der Die auf dem gleichmäßig erzeugten Luftfilm in einer zentrierten Position gehalten, so dass Kratzer oder jegliche sonstige Berührungen vermieden werden. Zudem wird der im Reinraum vorhandene laminare Luftstrom nicht durch Turbulenzen beeinträchtigt, wodurch Verunreinigungen durch Partikel verhindert werden können.

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