DE10122628A1 - Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück - Google Patents
Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem WerkstückInfo
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Abstract
Verfahren zum Auftrennen eines stab- oder blockförmigen Werkstücks mittels einer Säge, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks während des Auftrennens gemessen und das Messsignal an eine Regeleinheit weitergeleitet wird, die ein Regelsignal erzeugt, das zur Regelung der Werkstücktemperatur verwendet wird oder dass die Temperatur des Werkstücks während des Auftrennens durch ein Regelsignal, basierend auf einer zuvor bestimmten Regelkurve, geregelt wird.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen von
Scheiben von einem Werkstück, insbesondere zum Abtrennen von
Halbleiterscheiben von stab- oder blockförmigem Halbleitermate
rial.
Halbleiterscheiben werden in der Regel dadurch hergestellt,
dass ein stab- oder blockförmiges, mono- oder polykristallines
Werkstück aus dem Halbleitermaterial mit Hilfe einer Drahtsäge
in einem Arbeitsgang gleichzeitig in eine Vielzahl von Halblei
terscheiben aufgetrennt wird.
Zu den wesentlichen Komponenten dieser Drahtsägen gehören ein
Maschinenrahmen, eine Vorschubeinrichtung und ein Sägewerkzeug,
das aus einem Gatter aus parallelen Drahtabschnitten besteht.
Das Drahtgatter kann, wie in der deutschen Patentanmeldung mit
dem Aktenzeichen 199 59 414.7-14 beschrieben, aus einer Vielzahl
von Einzeldrähten bestehen, die parallel zueinander durch einen
Rahmen aufgespannt werden. In der Regel wird das Drahtgatter a
ber von einer Vielzahl paralleler Drahtabschnitte gebildet, die
zwischen mindestens zwei Drahtführungsrollen aufgespannt wer
den, wobei die Drahtführungsrollen drehbar gelagert sind und
von denen mindestens eine angetrieben ist. Die Drahtabschnitte
können zu einem einzigen, endlichen Draht gehören, der spiral
förmig um das Rollensystem geführt ist und von einer Vorrats
rolle auf eine Aufnahmerolle abgespult wird. In der Patent
schrift US 4,655,191 ist hingegen eine Drahtsäge offenbart, bei
der eine Vielzahl endlicher Drähte vorgesehen ist und jeder
Drahtabschnitt des Drahtgatters einem dieser Drähte zugeordnet
ist. Aus der EP 522 542 A1 ist auch eine Drahtsäge bekannt, bei
der eine Vielzahl von endlosen Drahtschlaufen um das Rollensys
tem laufen.
Während des Sägevorgangs bewirkt die Vorschubeinrichtung eine
gegeneinander gerichtete Relativbewegung der Drahtabschnitte
und des Werkstücks. Als Folge dieser Vorschubbewegung arbeitet
sich der mit Schneidkorn, beispielsweise aus Siliciumcarbid,
beaufschlagte Draht unter Bildung von parallelen Sägespalten
durch das Werkstück. Gemäß der DE 39 42 671 A1 sind sowohl Vor
schubeinrichtungen bekannt, mit denen das Werkstück gegen das
ruhende Drahtgatter geführt wird, als auch solche, mit denen
der Sägekopf der Drahtsäge gegen das ruhende Werkstück geführt
wird. Das Schneidkorn kann entweder in einer Sägesuspension,
die auch als "Slurry" bezeichnet wird, enthalten sein, mit der
der Draht beaufschlagt wird, oder es kann fest an den Draht ge
bunden sein, wie beispielsweise in der EP 0 990 498 A1 be
schrieben.
Die Herstellung von Halbleiterscheiben aus stab- oder blockför
migem Halbleitermaterial, beispielsweise aus Einkristallstäben,
stellt hohe Anforderungen an die Drahtsäge. Das Sägeverfahren
hat in der Regel zum Ziel, dass jede gesägte Halbleiterscheibe
Seitenflächen aufweist, die möglichst eben sind und sich paral
lel gegenüber liegen. Der so genannte "Warp" der Scheiben ist
ein bekanntes Maß für die Abweichung der tatsächlichen Schei
benform von der angestrebten idealen Form. Der Warp darf in der
Regel höchstens wenige µm betragen. Er entsteht durch eine Re
lativbewegung der Sägedrahtabschnitte gegenüber dem Werkstück,
die im Lauf des Sägeprozesses in axialer Richtung bezogen auf
das Werkstück erfolgt. Diese Relativbewegung kann beispielswei
se durch beim Sägen auftretende Schnittkräfte, axiale Verschie
bungen der Drahtführungsrollen durch Wärmeausdehnung, durch La
gerspiele oder durch die Wärmeausdehnung des Werkstücks verur
sacht sein.
Eine der wichtigsten Ursachen für eine bezüglich des Werkstücks
axiale Relativbewegung zwischen Werkstück und Drahtabschnitten
liegt darin, dass die Zerspanung des Werkstücks durch das
Schneidkorn eine erhebliche Wärmemenge freisetzt, die im Lauf
des Sägeprozesses zur Erwärmung des Werkstücks und damit zu ei
ner thermischen Ausdehnung führt. Dies wiederum führt nicht nur
zu einer Erhöhung des Warp, sondern auch zu einer deutlichen
Welligkeit der gesägten Scheiben. Eine besonders starke Tempe
raturerhöhung erfolgt auf den ersten Millimetern des Schnitts
nach dem Einschneiden in das Werkstück. Mit zunehmender Eingriffslänge
steigt die Temperatur des Werkstücks weiter an. Im
Bereich der maximalen Eingriffslänge erreicht auch die Werk
stücktemperatur ihr Maximum und sinkt im weiteren wieder leicht
ab, was neben der abnehmenden Zerspanungswärme auch auf den
Kühlrippeneffekt der entstehenden Scheiben zurückzuführen ist.
Bei Verwendung von Slurry als Sägehilfsmittel kann die Wärme
ausdehnung des Werkstücks dadurch eingeschränkt werden, dass
der eingesetzte Slurry auf eine vorgegebene Temperatur gebracht
wird, bevor er dem Sägedraht zugeführt wird. Dies wird, wie in
der Zusammenfassung der JP 5200734 beschrieben, durch einen
Wärmetauscher im Slurrytank erreicht. Dabei wird die Temperatur
des Slurry konstant gehalten. In der Zusammenfassung der JP 7171753
ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Temperatur
des Slurry im Vorratstank gemessen und das Messsignal zur Steu
erung des Flusses einer Kühlflüssigkeit eingesetzt wird, die in
einem Wärmetauscher den Vorratstank durchströmt, wodurch eine
konstante Slurrytemperatur erreicht wird. Ein ähnliches Verfah
ren ist in der Zusammenfassung der JP 10180750 beschrieben.
Hier fließt der Slurry durch einen Wärmetauscher, der in der
Zuführungsleitung zur Drahtsäge eingebaut ist. Eine Temperatur
sonde in der Zuführungsleitung zwischen Wärmetauscher und
Drahtsäge ermöglicht eine Regelung des Kühlmittelflusses im
Wärmetauscher, wodurch ebenfalls eine konstante Slurrytempera
tur gewährleistet werden kann. Der temperierte Slurry verrin
gert die Temperaturschwankung des Werkstücks.
Die WO 00/43162 offenbart ebenfalls mehrere Möglichkeiten, die
Schwankung der Werkstücktemperatur während des Sägens zu be
grenzen. So wird vorgeschlagen, das Werkstück während des Sä
gens mit einem Kühlmedium, dessen Temperatur konstant gehalten
wird, zu beströmen. Dieses Medium ist ein Fluid, das durch ei
nen Wärmetauscher strömt, bevor es mit dem Werkstück in Kontakt
gebracht wird. Beispielsweise wird Slurry konstanter Temperatur
nicht nur dem Sägedraht zugeführt, sondern auch direkt dem
Werkstück, wodurch eine bessere Kühlung gewährleistet ist. Dem
Werkstück können auch andere Flüssigkeiten oder Gase wie z. B.
Luft konstanter Temperatur zugeführt werden.
Der Nachteil aller genannten Verfahren ist, dass die Tempera
turschwankungen des Werkstücks nur unzureichend kompensiert
werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die mit der
Erwärmung des Werkstücks verbundenen Nachteile effizienter zu
vermeiden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Auftrennen
eines stab- oder blockförmigen Werkstücks mittels einer Säge,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks wäh
rend des Auftrennens gemessen und das Messsignal an eine Regel
einheit weitergeleitet wird, die ein Regelsignal erzeugt, das
zur Regelung der Werkstücktemperatur verwendet wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Tem
peratur des Werkstücks während des Auftrennens in Scheiben er
fasst wird und so eine gezielte Gegensteuerung bei Temperatur
änderungen möglich ist. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Ver
fahren wird nach dem Stand der Technik lediglich die Temperatur
eines Kühlmediums, meist des Slurry, konstant gehalten. Dadurch
können Temperaturänderungen des Werkstücks aber nur unzurei
chend reduziert werden.
Im Rahmen der Erfindung kann jedes Verfahren eingesetzt werden,
das geeignet ist, die Temperatur des Werkstücks zu beeinflus
sen. Bevorzugt wird zu diesem Zweck ein Fluid eingesetzt, das
in einem Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur gebracht
und anschließend dem Werkstück über Düsen zugeführt wird. Die
Düsen sind oberhalb oder seitlich oberhalb des Werkstücks ange
bracht. Unter den Fluiden sind Flüssigkeiten auf Grund ihrer
verglichen mit Gasen höheren Wärmekapazität besonders bevor
zugt. Wird als Sägehilfsmittel ein Slurry verwendet, ist es be
sonders bevorzugt, diesen zur Temperaturregelung des Werkstücks
einzusetzen, da in diesem Fall kein zusätzlicher Flüssigkeits
behälter benötigt wird. Die Temperierung des Slurry erfolgt e
benfalls in einem Wärmetauscher. Bevorzugt ist auch eine ther
moelektrische Kühlung des Werkstücks mit Hilfe von Peltier-
Elementen, die entweder an den Stirnflächen des Werkstücks oder
an der Kittleiste angebracht werden. Die thermoelektrische Küh
lung mit Peltier-Elementen hat den besonderen Vorteil, dass die
Einstellung der Regelgröße Temperatur aufgrund der geringen
Trägheit schnell erfolgen kann.
Die Regelung des Wärmetauschers bzw. der Peltier-Elemente er
folgt durch eine Regeleinheit, die mit den Messsignalen der
Werkstücktemperaturmessung gespeist wird und diese in ein Re
gelsignal umsetzt. Die Messung der Werkstücktemperatur erfolgt
durch Temperatursensoren wie Thermoelemente oder Widerstands
thermometer. Diese werden bevorzugt an mindestens einer der
Stirnflächen des Werkstücks angebracht. Wird das Werkstück zum
Auftrennen auf eine Kittleiste aufgekittet, wie dies beispiels
weise bei der Herstellung von Siliciumscheiben üblich ist, ist
auch eine Temperaturmessung an der Kittleiste bevorzugt. Die
Temperatur der Kittleiste wird entweder an ihrer Oberfläche o
der in Bohrungen, die die Temperatursensoren aufnehmen, gemes
sen.
Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Ver
fahrens besteht darin, zunächst eine Regelkurve für eine Art
von Werkstücken gleichen Materials und gleicher Geometrie zu
ermitteln. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass mindestens
bei einem Werkstück, vorzugsweise aber bei mehreren gleicharti
gen Werkstücken nacheinander (mit anschließender Mittelwertbil
dung), während des Auftrennens die Werkstücktemperatur gemessen
und in der oben beschriebenen Weise durch variable Kühlung ge
regelt wird. Dabei wird entweder das Messsignal oder alternativ
das Regelsignal, das durch die Regeleinheit erzeugt und mit dem
die Kühlung geregelt wird, als Funktion der Zeit aufgezeichnet.
Die auf diese Weise ermittelte Regelkurve wird im Folgenden
beim Auftrennen weiterer gleichartiger Werkstücke zur Regelung
der Werkstückkühlung eingesetzt. Bei dieser Variante kann dar
auf verzichtet werden, bei jedem Werkstück während des Auftren
nens die Werkstücktemperatur zu messen, da die Temperaturmes
sung durch die einmal bestimmte Regelkurve ersetzt wird. Dieses
Verfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn viele gleichar
tige Werkstücke in der gleichen Art und Weise bearbeitet wer
den. Werden unterschiedliche Arten von Werkstücken bearbeitet,
so ist für jede Art zunächst die Regelkurve zu bestimmen und im
Folgenden bei jedem Werkstück die zu Material und Geometrie
passende Regelkurve auszuwählen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß ausgestattete
Drahtsäge, bei der die Regelung der Werkstücktemperatur über
den temperaturkontrollierten Slurry erfolgt.
Fig. 2 zeigt am Beispiel eines Silicium-Einkristalls mit einem
Durchmesser von 200 mm den Vergleich der Temperaturverläufe
nach dem Stand der Technik und bei Verwendung einer erfindungs
gemäßen Temperaturregelung.
Anhand der Fig. 1 wird im Folgenden eine bevorzugte Ausfüh
rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:
Ein Werkstück 1 ist über eine Kittleiste 2 und eine Montage platte 3 am nicht dargestellten Maschinenrahmen einer Drahtsäge nach dem Stand der Technik befestigt. Der Sägedraht 4 läuft spiralförmig über vier Drahtführungsrollen 5 und bildet auf diese Weise ein Drahtgatter. Der Sägedraht wird durch Slurrydü sen 6 mit Slurry beaufschlagt, wobei der Slurry durch den sich bewegenden Draht zum Schneidort transportiert wird. (In Fig. 1 ist der Zustand vor Beginn des Sägeprozesses dargestellt.) Der Slurry wird von einem Behälter 7, der mit einem vom Motor 8 an getriebenen Rührer 9 ausgestattet ist, über einen Slurrykreis lauf 10 mit Hilfe einer Pumpe 11 zu den Slurrydüsen 6 transpor tiert. Der Slurry wird nach Nutzung im Sägeprozess zurückge führt zum Behälter 7. Zwischen Pumpe 11 und Slurrydüsen 6 pas siert der Slurry einen Wärmetauscher 12. Dieser wird durch das Messsignal einer Temperatursonde 13 geregelt, die die Tempera tur des Slurry im Behälter 7 misst. Eine derartige Temperatur regelung ist Stand der Technik. Zusätzlich ist die Drahtsäge mit einem zweiten Slurrykreislauf 14 ausgestattet. Über diesen wird Slurry vom Behälter 7 durch eine Pumpe 15 zu den Zusatzdü sen 16 transportiert. Diese sind oberhalb oder seitlich oberhalb des Werkstücks angebracht, so dass das Werkstück mit Slur ry beaufschlagt wird. Zwischen Pumpe 15 und den Zusatzdüsen 16 passiert der Slurry einen Wärmetauscher 17. Der Wärmetauscher wird von einer Regeleinheit 18 geregelt. Erfindungsgemäß wird während des Sägens die Temperatur des Werkstücks an mindestens einer Stelle gemessen. In Fig. 1 ist eine Temperaturmessung an der Stirnseite des Werkstücks durch fünf auf einer vertikalen Linie angebrachten Temperatursensoren 19 dargestellt. Die Mess signale werden in die Regeleinheit 18 eingespeist, so dass die Regelung des Wärmetauschers 17 auf der Basis der gemessenen Werkstücktemperatur erfolgt. Wird eine über dem Sollwert lie gende Werkstücktemperatur gemessen, wird die Slurrytemperatur im Wärmetauscher 17 verringert. Bei einer unter dem Sollwert liegenden Werkstücktemperatur wird die Kühlleistung des Wärme tauschers verringert, so dass sich eine höhere Slurrytemperatur einstellt.
Ein Werkstück 1 ist über eine Kittleiste 2 und eine Montage platte 3 am nicht dargestellten Maschinenrahmen einer Drahtsäge nach dem Stand der Technik befestigt. Der Sägedraht 4 läuft spiralförmig über vier Drahtführungsrollen 5 und bildet auf diese Weise ein Drahtgatter. Der Sägedraht wird durch Slurrydü sen 6 mit Slurry beaufschlagt, wobei der Slurry durch den sich bewegenden Draht zum Schneidort transportiert wird. (In Fig. 1 ist der Zustand vor Beginn des Sägeprozesses dargestellt.) Der Slurry wird von einem Behälter 7, der mit einem vom Motor 8 an getriebenen Rührer 9 ausgestattet ist, über einen Slurrykreis lauf 10 mit Hilfe einer Pumpe 11 zu den Slurrydüsen 6 transpor tiert. Der Slurry wird nach Nutzung im Sägeprozess zurückge führt zum Behälter 7. Zwischen Pumpe 11 und Slurrydüsen 6 pas siert der Slurry einen Wärmetauscher 12. Dieser wird durch das Messsignal einer Temperatursonde 13 geregelt, die die Tempera tur des Slurry im Behälter 7 misst. Eine derartige Temperatur regelung ist Stand der Technik. Zusätzlich ist die Drahtsäge mit einem zweiten Slurrykreislauf 14 ausgestattet. Über diesen wird Slurry vom Behälter 7 durch eine Pumpe 15 zu den Zusatzdü sen 16 transportiert. Diese sind oberhalb oder seitlich oberhalb des Werkstücks angebracht, so dass das Werkstück mit Slur ry beaufschlagt wird. Zwischen Pumpe 15 und den Zusatzdüsen 16 passiert der Slurry einen Wärmetauscher 17. Der Wärmetauscher wird von einer Regeleinheit 18 geregelt. Erfindungsgemäß wird während des Sägens die Temperatur des Werkstücks an mindestens einer Stelle gemessen. In Fig. 1 ist eine Temperaturmessung an der Stirnseite des Werkstücks durch fünf auf einer vertikalen Linie angebrachten Temperatursensoren 19 dargestellt. Die Mess signale werden in die Regeleinheit 18 eingespeist, so dass die Regelung des Wärmetauschers 17 auf der Basis der gemessenen Werkstücktemperatur erfolgt. Wird eine über dem Sollwert lie gende Werkstücktemperatur gemessen, wird die Slurrytemperatur im Wärmetauscher 17 verringert. Bei einer unter dem Sollwert liegenden Werkstücktemperatur wird die Kühlleistung des Wärme tauschers verringert, so dass sich eine höhere Slurrytemperatur einstellt.
Der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend
anhand eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels aufge
zeigt:
Mit einer Slurry-Drahtsäge nach dem Stand der Technik wurde ein
einkristalliner Siliciumstab mit einem Durchmesser von 200 mm
in eine Vielzahl von Scheiben aufgetrennt. Die Schnittzeit be
trug etwa 400 Minuten. Wie die mit V1 bezeichnete Kurve in
Fig. 2 zeigt, steigt die Temperatur des Siliciumstabs kurz nach
dem Einsägen in den Stab sprunghaft an und erreicht nach etwas
mehr als 100 Minuten nach dem Einsägen ihr Maximum, das etwa 16
°C über der Temperatur beim Beginn des Prozesses liegt. Danach
fällt die Temperatur langsam bis zum Ende des Prozesses um etwa
12°C ab. Die mit S bezeichnete Kurve gibt die Position des Sä
gekopfs in mm und damit den Sägefortschritt an.
Alle Verfahrensparameter wurden wie in Vergleichsbeispiel 1 ge
wählt. Zusätzlich wurde aber nicht mit konstanter Slurrytempe
ratur, sondern mit einer erfindungsgemäßen Temperaturregelung
gearbeitet, so dass das Werkstück über die Düsen 16 mit Kühl
flüssigkeit mit variabler Temperatur in der Weise überströmt
wurde, dass die Temperaturänderung des Werkstücks möglichst
klein bleibt. Die Schwankung der Werkstücktemperatur beträgt in
diesem Fall lediglich etwa 5°C, wie die mit B1 bezeichnete
Kurve in Fig. 2 zeigt. Dadurch kann der maximale Warp der ge
sägten Wafer von typischerweise 15 µm auf 10 µm verringert wer
den.
Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf alle Sä
geverfahren, bei denen es auf eine hohe Ebenheit und geringe
Welligkeit der Produkte ankommt. Da die Erfindung keine säge
spezifischen Merkmale nutzt, ist sie bei beliebigen Sägen an
wendbar, insbesondere bei Drahtsägen, die mit gebundenem
Schneidkorn (Diamantdraht) oder Slurry arbeiten, aber auch bei
Bandsägen und Innenlochsägen.
Claims (11)
1. Verfahren zum Auftrennen eines stab- oder blockförmigen
Werkstücks mittels einer Säge, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur des Werkstücks während des Auftrennens gemes
sen und das Messsignal an eine Regeleinheit weitergeleitet
wird, die ein Regelsignal erzeugt, das zur Regelung der
Werkstücktemperatur verwendet wird.
2. Verfahren zum Auftrennen eines stab- oder blockförmigen
Werkstücks mittels einer Säge, dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur des Werkstücks während des Auftrennens durch
ein Regelsignal basierend auf einer zuvor bestimmten Regel
kurve geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regelkurve dadurch bestimmt wird, dass die Temperatur des
Werkstücks während des Auftrennens gemessen und durch die
Messung ein Messsignal erzeugt wird, das zur Regelung der
Werkstücktemperatur verwendet wird, wobei die Regelkurve
aufgezeichnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Regelkurve passend zu Material und Geometrie des Werkstücks
gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Regelsignal einen Wärmetauscher regelt,
der die Temperatur eines Kühlmediums einstellt, und dass das
Kühlmedium dem Werkstück zugeführt wird und das Werkstück
temperiert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kühlmedium eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, und dass es
dem Werkstück über Düsen, die oberhalb oder seitlich ober
halb des Werkstücks angebracht sind, zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Flüssigkeit mit einem zum Auftrennen des Werkstücks verwen
deten Slurry identisch ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Regelsignal wenigstens ein am Werkstück
oder an einer Kittleiste angebrachtes Peltier-Element re
gelt, das zur Temperierung des Werkstücks eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks gleichzeitig an
mehreren Stellen an der Oberfläche des Werkstücks oder einer
Kittleiste oder in Bohrungen in der Kittleiste gemessen
wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 9, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks an der
Stirnseite des Werkstücks gemessen wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks
konstant gehalten wird.
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