CN101549531A - 用于钢丝锯的钢丝导辊 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于由圆柱形工件同时切割许多晶片的钢丝锯中的钢丝导辊，该钢丝导辊具有厚度为至少2mm且最多7.5mm的涂层，该涂层由肖氏A硬度为至少60且最多99的材料组成，而且该钢丝导辊还包括多个引导锯切钢丝的沟槽，其中这些沟槽均具有曲率半径R为锯切钢丝直径D的0.25至1.6倍的弯曲的沟槽底部及60至130°的孔径角。此外，本发明还涉及通过钢丝锯由圆柱形工件同时切割许多晶片的方法，其中使用该钢丝导辊。
Description
技术领域
本发明涉及用于钢丝锯的钢丝导辊，该钢丝锯用于从圆柱形工件，尤其是从由半导体材料组成的工件同时切割许多晶片，其中借助于推进设备，工件和钢丝锯的钢丝排沿着与工件纵轴垂直的方向进行相对运动，由此引导工件穿过钢丝排。
背景技术
通常借助于钢丝锯在一个加工步骤中将半导体材料的圆柱形单晶或多晶工件同时切割成许多半导体晶片，由此制备半导体晶片。
该钢丝锯的主要组件包括机械框架、推进设备和由包括平行的钢丝段(Drahtabschnitten)的排组成的锯切工具。该工件通常通过粘合或粘结固定在所谓的锯切条(
)上。接着将锯切条固定在装配板上，以便将工件夹在钢丝锯中。
钢丝锯的钢丝排通常由多个平行的钢丝段形成，这些钢丝段在至少两个钢丝导辊之间绷紧，钢丝导辊以可旋转的方式安装，并驱动它们之中的至少一个。钢丝段通常属于以螺旋形缠绕在辊系统上并从备用辊解绕至接收辊上的单股有限的钢丝。
在锯切过程中，推进设备的作用是引导钢丝段与工件彼此反向地相对运动。该推进运动的结果是，施加锯切悬浮液的钢丝运动以形成穿过工件的平行锯路。也称作“浆料”的锯切悬浮液含有悬浮于液体中的硬材料颗粒，如碳化硅。也可使用具有牢固结合的磨料的锯切钢丝。在此情况下，无需施加锯切悬浮液。只需添加避免钢丝和工件过热且同时从切口带走工件切屑的液态冷却润滑剂(如水)。
由圆柱形半导体材料如单晶棒制造半导体晶片对于锯切方法的要求严格。锯切方法的目的通常是使每个锯过的半导体晶片具有两个尽可能平坦且相互平行的表面。
除了厚度变化以外，半导体晶片的两个表面的平坦度也非常重要。在利用钢丝锯切割半导体单晶如硅单晶之后，由此制备的晶片具有波纹状表面。根据波纹的波长和幅度以及去除材料的深度，可以将该波纹在诸如磨削或抛光的后序步骤中部分或完全地去除。在最不利的情况下，即使在抛光之后，仍然在最终半导体晶片上检测到可能具有从几毫米至例如50毫米的周期性的此类表面不规则性(起伏、波动性)，它们对局部几何形状造成不利影响。
作为实际晶片形状与所追求的理想晶片形状(即“Sori”)的偏差的度量的弓形和翘曲参数决定性地取决于切割的直线度，而该直线度决定性地取决于所用钢丝导辊的特性。
钢丝导辊通常具有涂层。此外，它们具有许多沟槽，锯切钢丝被引导通过沟槽，并由此形成钢丝锯的钢丝排。
通常使用具有聚氨酯涂层的钢丝导辊。由于具有结合的磨料的切割钢丝，聚氨酯对于研磨浆料或者对于磨损具有显著的耐磨性。
但是在现有技术中，例如在50次操作之后，逐渐出现主要引起沟槽几何形状改变的钢丝导辊的磨损。然而这是非期望的，因为锯切钢丝的最佳引导由于该沟槽几何形状的此类改变而不再得到保证。
JP 2006-102917A2建议使用包含5至30重量％的碳化硅磨料的聚氨酯作为涂层，使得该涂层比仅包含聚氨酯的涂层明显更硬。
然而，在钢丝引导涂层过硬时，不再确保钢丝与钢丝导辊之间的摩擦连接，从而在运动中不再最佳地固定钢丝排。
这也适用于在JP 11-099465A2中所公开的钢丝导辊。在此，辊的涂层也应包含硬度可与研磨的碳化硅颗粒相比的材料。碳化硅颗粒的硬度为3000至4000HV(维氏硬度)。
JP 11-262853采用了通过用低氧等离子体处理钢丝导辊表面的类似方法。由此应使钢丝导辊的表面更均匀，这应致使钢丝导辊的寿命约为2倍。由此还可以改善锯切的晶片的波动性。该钢丝导辊包含硬的聚氨酯树脂的表面。未受损的钢丝导辊的沟槽具有在现有技术中常见的V形形状。
因此，本发明的目的在于提供适用于钢丝锯的钢丝导辊，并克服了现有技术的问题。
发明内容
本发明涉及用于由圆柱形工件同时切割许多晶片的钢丝锯中的钢丝导辊，该钢丝导辊具有厚度为至少2mm且最多7.5mm的涂层，该涂层由肖氏A硬度为至少60且最多99的材料组成，而且该钢丝导辊还包括多个引导锯切钢丝的沟槽，其中这些沟槽均具有曲率半径R为锯切钢丝直径D的0.25至1.6倍的弯曲的沟槽底部及60至130°的孔径角。
根据本发明的钢丝导辊包括肖氏A硬度等级为至少60且最多99的材料的涂层。在ISO 868中描述了弹性体的肖氏A硬度测量。
钢丝导辊的涂层优选由肖氏A硬度在82至99之间的材料组成。
特别优选使用基于聚酯或聚醚的聚氨酯。这可以包括可辊压的聚氨酯和铸塑聚氨酯。
钢丝导辊的涂层在任何情况下都不应太软，因为这对沟槽的塑性变形的耐抗性不足。在此情况下，锯切钢丝会切入钢丝导辊中。这会引起沟槽几何形状的改变，使得不再最佳地引导锯切钢丝，并且在发生侧向力时会容易地脱离。这对切割的精确度和直线度产生不利影响，从而导致更差的弓形值和翘曲值，它们在后序加工步骤中无法或仅以高费用才能改善和校正。
辊芯，即钢丝导辊的基体，优选由钢如热膨胀率低的特种钢(Ingwar钢)组成。但作为辊芯材料还可使用铝、不锈钢、钛、碳或复合材料，如GFP和CFP。GFP和CFP是分别由玻璃纤维或碳纤维增强的塑料。
钢丝导辊包括许多引导锯切钢丝的沟槽。所有沟槽均具有包括弯曲的沟槽底部和特定孔径角的沟槽侧壁的确定的均匀的几何形状。
其中引导锯切钢丝的沟槽底部的曲率半径R相当于所用锯切钢丝的直径D的至少25％，但最多大于该直径60％。这意味着R＝0.25D～1.6D。
但沟槽底部的曲率半径优选小于锯切钢丝的直径。沟槽的曲率半径R优选为锯切钢丝直径的0.4至0.9倍，即R＝0.4D～0.9D。
根据本发明，每个沟槽的孔径角均为60至130°。
孔径角优选为80至110°。
钢丝导辊的涂层厚度特别优选大于或等于2mm且小于或等于6mm。
本发明的发明人发现，与现有技术中已知的V形沟槽形状相比，根据本发明的沟槽形状具有优点。
该涂层优选由具有根据本发明的特定硬度等级的聚氨酯组成。聚氨酯为可压缩的材料。以相对较大的拉力(每圈钢丝20至30N，通常约为300圈钢丝)在辊上绷紧的锯切钢丝将涂层压缩至零点几毫米的范围内。此外，整个涂层上的压缩力不恒定，而是会发生变化。因为适用于下式，对于钢丝锯切过程特别重要的钢丝拉力直接取决于：
F＝A×E×dl/l，
其中F代表钢丝拉力，A代表钢丝的横截面积，E代表弹性模量，dl代表长度变化，而l代表钢丝的自由长度。
涂层厚度越大，则涂层的压缩力越大，这导致钢丝拉力的大幅变化而对锯切过程造成不利影响。
另一方面，不应选择涂层厚度为任意小，因为在此情况下，产生的钢丝力直接作用于辊芯上，且会导致涂层脱落。
根据本发明的2mm至7.5mm的涂层厚度避免了钢丝拉力的此类变化和辊涂层的脱落，并使在钢丝锯切过程中切割的晶片的几何品质最佳。在现有技术中，目前通常使用涂层厚度大于8mm，通常大于10mm的钢丝导辊。本发明第一次表明了钢丝导辊的涂层厚度与寿命之间的关系。
本发明的发明人发现，钢丝导辊的涂层的根据本发明的硬度以及根据本发明的涂层厚度使辊的磨损最优化，因此使钢丝导辊的寿命更长，这确保在更经济地使用助剂方面明确的经济性优点。
与涂层厚度相关的根据本发明的沟槽形状确保最佳地引导在钢丝导辊的沟槽中的锯切钢丝，还改善切割品质，因此使锯切的晶片的几何形状更佳。
根据本发明的钢丝导辊用于钢丝锯中。在此情况下将锯切钢丝多次缠绕在钢丝导辊上，从而形成钢丝锯的钢丝排。利用此类钢丝锯可以在一个加工步骤中锯切工件，特别是圆柱形工件，优选为半导体棒，特别优选为硅棒。
附图说明
下面借助于附图阐述本发明。
图1所示为钢丝导辊的沟槽的根据本发明的几何形状。
图2所示为钢丝导辊取决于涂层厚度的可能操作次数。
图3所示为钢丝导辊的两组涂层厚度的几何参数波动max的比较。
图4所示为钢丝导辊的两组涂层厚度的几何参数波动in的比较。
图5所示为钢丝导辊的两组涂层厚度的几何参数直线形状范围(LSR，总翘曲)的比较。
具体实施方式
例如通过扫描电容传感器对测定锯的推进方向上的晶片几何形状。首先，得到正面信号与背面信号之差。为了测定波动性，使10mm长的窗口通过由此得到的评价曲线。窗口内的最大偏差形成对于窗口中心的新值(滚动的方波过滤)。在对晶片的整个扫描中的最大偏差(峰至谷(PV))是波动max。以相同的方式方法测得波动in，但是仅考虑扫描的最初50mm(钢丝锯切割范围)。翘曲是整个晶片的中心线(neutraleFaser)与参考平面(三维)的最大偏差之和(向上和向下)。
直线形状范围(LSR)是在锯的推进方向上扫描的中心线与参考直线(二维)的最大偏差之和。
例如E+H Eichhorn+Hausmann公司的测量装置MX 7012(HighResolution Thickness and Surface Profiler for as-sawn Wafer)适用于测定所述几何参数。
图1所示为钢丝导辊的单一沟槽的根据本发明的几何形状，其中R代表沟槽底部的曲率半径，a代表沟槽侧壁的孔径角。此外还有直径D的锯切钢丝以及浆料颗粒(锯切悬浮液)。
图2所示为使用钢丝导辊直至其被更换的可能操作次数的平均数以及取决于钢丝导辊的涂层厚度的相关标准偏差。
可以发现，随着涂层厚度(大于8mm)变大，可能操作次数减少。更换钢丝引导的主要原因均是切割品质差。
图3所示为取决于所用钢丝导辊的两组涂层厚度的切割品质。
为此，在使用涂层厚度小于或等于6mm的钢丝导辊时以及对于涂层厚度大于或等于8mm的钢丝导辊，比较几何参数波动max。均表示为累积频率，几何参数以该累积频率出现。
小于或等于6mm的涂层厚度表现出更好的波动max。
图4中同样显示出取决于所用钢丝导辊的两组涂层厚度的切割品质。为此，在使用涂层厚度小于或等于6mm的钢丝导辊时以及对于涂层厚度大于或等于8mm的钢丝导辊，比较几何参数波动in。均表示为累积频率，几何参数以该累积频率出现。
在小于或等于6mm的涂层厚度时表现出更好的波动in。
图5中也研究了取决于所用钢丝导辊的两组涂层厚度的切割品质。为此，在使用涂层厚度小于或等于6mm的钢丝导辊时以及对于涂层厚度大于或等于8mm的钢丝导辊，比较几何参数直线形状范围。均表示为累积频率，几何参数以该累积频率出现。
在小于或等于6mm的涂层厚度时表现出更好的直线形状范围(LSR)参数。
总之，由此发现以更高的涂层厚度产生差的切割结果，而钢丝导辊的根据本发明的涂层厚度范围是特别有利的。
Claims (6)
1、用于由圆柱形工件同时切割许多晶片的钢丝锯中的钢丝导辊，该钢丝导辊具有厚度为至少2mm且最多7.5mm的涂层，该涂层由肖氏A硬度为至少60且最多99的材料组成，而且该钢丝导辊还包括多个引导锯切钢丝的沟槽，其中这些沟槽均具有曲率半径R为锯切钢丝直径D的0.25至1.6倍的弯曲的沟槽底部及60至130°的孔径角。
2、根据权利要求1的钢丝导辊，其中所述钢丝导辊的涂层由肖氏A硬度在82至99之间的材料组成。
3、根据权利要求1或2的钢丝导辊，其中所述沟槽底部的曲率半径R为锯切钢丝直径D的0.4至0.9倍。
4、根据权利要求1的钢丝导辊，其中所述沟槽的孔径角为80至110°。
5、根据权利要求1至4之一的钢丝导辊，其中使用聚氨酯作为所述涂层材料。
6、通过钢丝锯由圆柱形工件同时切割许多晶片的方法，其中使用根据权利要求1至5之一的钢丝导辊。
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