DE10122628A1 - Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück - Google Patents

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.

Der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels aufge­ zeigt:

Vergleichsbeispiel 1 Ungeregelter Prozess

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.

Beispiel 1 Geregelter Prozess

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.