BOULEPRO 200AX – Effiziente Schleifbearbeitung von SiC-Pucks
Die Fertigung von SiC-Wafern für die Chip-Produktion ist ein großer Wachstumsmarkt. Die Halbleiter sind nicht nur für die Elektromobilität wichtig, sondern werden auch in Ladestationen, in der 5G-Kommunikationstechnik, in Photovoltaik- und Wind-kraftanlagen eingesetzt. Sie spielen für die Energiewende eine entscheidende Rolle.
Die Fertigung eines Pucks ist aufgrund des Materials (SiC) eine Herausforderung
Die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC), dem Material für Halbleiter der neueren Generation, sind die hohe elektrische Durchschlagfestigkeit und die hohe thermische Leitfähigkeit. Das Material wird bei ca. 2400°C in speziellen Öfen als Einkristall aus einer Gasphase erzeugt. In einem zweiwöchigen Prozess wächst der sogenannte Boule, der dann zu einem „Wafer-Rohling“, dem Puck, bearbeitet werden muss. Aufgrund der hohen Härte von SiC ist das Schleifen hierfür die produktivste Fertigungsmethode.
Die Weiterverarbeitung eines Boule zu einem Puck, aus dem in einem späteren Arbeitsschritt die Wafer geschnitten werden, umfasste bisher mehrere einzelne Prozessschritte, die zum Teil mit erheblichem manuellem Aufwand verbunden waren. Die Kosten für bearbeitete Wafer hingen stark von der Anzahl und Komplexität dieser Prozessschritte ab.
Der amerikanische Sondermaschinenhersteller USACH hat sich nun dieser Problematik angenommen und mit der BOULEPRO 200AX ein Maschinenkonzept entwickelt, das alle Prozessschritte zur Erzeugung des Puck zusammenfasst, automatisiert und optimiert. USACH gehört zur amerikanischen Hardinge-Gruppe und ist spezialisiert auf die Herstellung von kundenspezifischen Schleifmaschinen für besonders schwer zu bearbeitende Werkstoffe. Zur Hardinge-Gruppe gehören auch der Schweizer Schleifspezialist Kellenberger mit den Marken Voumard und Hauser.
Die neu entwickeltn BOULEPRO 200 AX für die Schleifbearbeitung von SiC-Pucks
Verantwortlich für das Projekt BOULEPRO ist Jeff Gum, Spezialist für neue Materialien bei Hardinge. Sein Entwicklungsteam aus Ingenieuren und Anwendungstechnikern hat mit Unterstützung von SiC-Branchenexperten und Rohstofflieferanten die Ineffizienzen der bisherigen SiC-Boule-Verarbeitung analysiert und die Prozesse optimiert. Das Ergebnis ist die automatisierte All-in-One-5-Achs-Maschine BOULEPRO 200AX, auf der das Werkstück nach den gewünschten Spezifikationen ausgerichtet und bearbeitet werden kann. Auf der BOULEPRO können alle derzeit relevanten Durchmesser von SiC-Boules bearbeitet werden.
Die BOULEPRO 200AX verkürzt die Bearbeitungszeit eines Boule zu einem Puck dramatisch. Während herkömmliche Verfahren mehr als 24 Stunden benötigen, sind es mit dem BOULEPRO nur 2 bis 3 Stunden, wenn die Be- und Entladung automatisiert ist. Diese Zeitersparnis trägt zu einer Gesamtkostenreduzierung von fast 70 Prozent bei, wenn man Arbeitsaufwand, Produktionsfläche, Ausschuss, Kapazitätseffizienz und Verbrauchsmaterialien berücksichtigt.
Ein wesentlicher Faktor für die außergewöhnliche Effizienz der Maschine liegt in der vom Spannmittelhersteller Forkardt, der ebenfalls zur Hardinge-Gruppe gehört, neuentwickelten Werkstückaufnahme, die die Boules sicher und ohne Kleber und manuelle Eingriffe hält. Diese Werkzeugaufnahme kombiniert in einzigartiger Weise ein Klauenfutter, das perfekt dafür geeignet ist, den unrunden Außendurchmesser des Boule vor der Bearbeitung zu spannen, mit einem Vakuumfutter für das sichere Halten der planen Fläche des Boule.
Die BOULEPRO ist mit einem integrierten Röntgenbeugungssystem ausgestattet, mithilfe dessen zu Beginn der Bearbeitung die Kristallorientierung ermittelt wird. Das Röntgen-Beugungssystem gibt an, wie stark die Kristallflächen bei der Endbearbeitung angepasst werden müssen. Dieses aus dem Entwicklungsprozess entstandene und inzwischen zum Patent angemeldete Verfahren der simultanen Zwei-Ebenen-Ausrichtung (Single-Step Dual plane Compensation (SSDP), ist der wichtige Schritt in der Boule-Bearbeitung, der dafür sorgt, dass der Boule in der optimalen Kristallausrichtung bearbeitet wird.
Der Prozessablauf für die Bearbeitung eines Boule kann je nach Vorgabe angepasst werden. Er beginnt mit der Bewertung der Kristallorientierung mittels Röntgenbeugung und wird gefolgt vom Vorschleifen des Außendurchmessers und dem Anbringen eines groben Domschliffs. Nach einer weiteren Messung der Kristallstruktur wird die Ausrichtung durch einen abschließenden Domschliff nochmals korrigiert, bevor die Übergabe an die Gegenspindel erfolgt. Dort wird die Keimseite geschliffen. Einer weiteren Bestätigungsmessung durch Röntgenbeugung folgt die Anbringung eines endgültigen Außendurchmessers und die für die weitere Bearbeitung notwendige Markierung durch eine Abflachung oder Kerbe.
Prozessablauf für die Herstellung eines SiC-Pucks: Vorschleifen des Außendurchmessers; grober Domschliff; Röntgen-Aufnahme; Fertigstellung des Domschliffs in der korrekten Ausrichtung; Übergabe an die Gegenspindel; Entfernung der Keimseite; Röntgen-Aufnahme zur Bestätigung; Fertigschleifen des Außendurchmessers und Abflachung/Kerbung
Ein Vorteil, der sich aus der Möglichkeit ergibt, die Röntgenbeugungsanalyse auch während der Bearbeitung durchzuführen ist der, bei jedem Verfahrensschritt die Möglichkeit zu haben, die Reihenfolge zu ändern. So kann zum Beispiel die Abflachung oder Kerbe zu einem späteren Zeitpunkt im Prozess angebracht werden als bisher üblich, ihre Ausrichtung ist dann sehr genau. Aufgrund der Flexibilität in der Reihenfolge der Arbeitsschritte des BoulePro-Prozesses und der strengen Kontrolle aller Parameter erzeugt die Maschine die Winkelkorrektur der Kristallorientierung bis zu 100-mal genauer als alle bisherigen Prozesse.
Zusatzfunktionen der BOULEPRO 200AX
Die BOULEPRO 200AX kann optional mit weiteren Funktionen ausgestattet werden. Eine davon ist die Identifizierung von Fremdpolytypen durch UV-Lichtprüfung. Wenn SiC-Boules unter UV-Licht platziert werden, zeigen sich bestimmte Fremdpolytypen, wie z. B. 6H, in einer anderen Farbe. Durch die Identifizierung der Position der 6H-Einschlüsse können diese bei der Bearbeitung entfernt werden, wodurch sichergestellt wird, dass der endgültige SiC-Puck nur den gewünschten 4H-Polytyp enthält.
Eine weitere Option ist ein Laser zur Beschriftung des fertigen SiC-Pucks z.B. mit einer Chargennummer, die für eine Materialverfolgung wichtig ist. Durch die Integration eines Bildverarbeitungssystems können hochwertige Fotos des Werkstücks in jeder Phase des Prozesses aufgenommen werden.
Die BOULEPRO 200 AX wird im Herbst auf allen Märkten in Europa, den USA und Asien vorgestellt. Jeff Gum ist überzeugt: „Unser Maschinenkonzept wird den heißumkämpften Zukunftsmarkt der SiC-Waferherstellung für immer verändern. In Sachen Quantität und vor allem in Sachen Qualität.“
