DE102004036720B4 - Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten zylindrischen Werkstück - Google Patents

Abstract

Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten, zylindrischen Werkstück, wobei das Werkstück und ein Drahtgatter einer Drahtsäge mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung ausführen, durch die das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zu Beginn des Sägevorgangs mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit im Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min abläuft, bis sich ein Schnitt mit einer Tiefe im Bereich von 0,1 bis 2 mm gebildet hat, diese Geschwindigkeit anschließend derart erhöht wird, dass sie für eine Dauer von 2 bis 120 Sekunden in einem Bereich von 2 bis 100 mm/min liegt und die Geschwindigkeit danach wieder so verringert wird, dass sie in einem Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min liegt.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten zylindrischen Werkstück, insbesondere einem Werkstück bestehend aus Halbleitermaterial, wobei das Werkstück und ein Drahtgatter einer Drahtsäge mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung ausführen, durch die das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird.
• Halbleiterscheiben werden in der Regel dadurch hergestellt, dass ein zylindrisches, mono- oder polykristallines Werkstück aus dem Halbleitermaterial mit Hilfe einer Drahtsäge in einem Arbeitsgang gleichzeitig in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben aufgetrennt wird.
• Zu den wesentlichen Komponenten dieser Drahtsägen gehören ein Maschinenrahmen, eine Vorschubeinrichtung und ein Sägewerkzeug, das aus einem Gatter aus parallelen Drahtabschnitten besteht. In der Regel wird das Drahtgatter von einer Vielzahl paralleler Drahtabschnitte gebildet, die zwischen mindestens zwei Drahtführungsrollen aufgespannt werden, wobei die Drahtführungsrollen drehbar gelagert sind und von denen mindestens eine angetrieben ist. Die Drahtabschnitte gehören in der Regel zu einem einzigen, endlichen Draht, der spiralförmig um das Rollensystem geführt ist und von einer Vorratsrolle auf eine Aufnahmerolle abgespult wird. Eine derartige Drahtsäge ist beispielsweise in US 57 71 876 beschrieben.
• Während des Sägevorgangs bewirkt die Vorschubeinrichtung eine gegeneinander gerichtete Relativbewegung der Drahtabschnitte und des Werkstücks. Als Folge dieser Vorschubbewegung arbeitet sich der Draht unter Bildung von parallelen Sägespalten durch das Werkstück, wodurch das Werkstück in Scheiben aufgetrennt wird. Der Draht wird dabei mit einer Sägesuspension beaufschlagt, die auch als „Slurry" bezeichnet wird und die in einer Flüssigkeit suspendierte Hartstoffpartikel enthält, beispielsweise aus Siliciumcarbid. Es kann aber auch ein Sägedraht mit einer gebundenen abrasiven Körnung verwendet werden, z. B. ein mit Diamanten versehener Draht.
• Beim Sägeverfahren gemäß dem Stand der Technik bewegt die Vorschubeinrichtung das Drahtgatter mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zum Werkstück. Zu Beginn des Sägeprozesses berühren die Drahtabschnitte das Werkstück zunächst nicht. Durch den Vorschub werden Werkstück und Drahtgatter mit einer definierten Geschwindigkeit aufeinander zu bewegt. Sobald die Drahtabschnitte das Werkstück berühren, setzt ein Materialabtrag ein, der zur Ausbildung der Sägespalte führt. Die Vorschubbewegung wird mit definierter Geschwindigkeit gemäß einem vorgegebenen Vorschubprofil fortgesetzt, wodurch die Schnittkraft zu Beginn des Schnitts kontinuierlich bis zu einem Maximalwert ansteigt. Die Vorschubbewegung wird so lange fortgesetzt, bis das Werkstück in Scheiben aufgetrennt ist. Bei Werkstücken mit rundem Querschnitt wird die Vorschubgeschwindigkeit gewöhnlich über ein Vorschubprofil so variiert, dass am Anfang und am Ende des Schnitts, wenn die Eingriffslänge gering ist, die Vorschubgeschwindigkeit höher ist als im Bereich höherer Eingriffslängen dazwischen. Vorschubprofile dieser Art sind in US 60 62 209 beschrieben.
• Die Herstellung von Halbleiterscheiben aus zylindrischem Halbleitermaterial, beispielsweise aus Einkristallstäben, stellt hohe Anforderungen an das Sägeverfahren. Das Sägeverfahren hat in der Regel zum Ziel, dass jede gesägte Halbleiterscheibe zwei Flächen aufweist, die möglichst eben sind und sich parallel gegenüber liegen. Die gemäß dem Stand der Technik gesägten Halbleiterscheiben weisen aber eine Oberflächenstruktur auf, die nicht ideal eben ist, sondern eine gewisse Riefigkeit und Welligkeit hat. Besonders ausgeprägt ist diese Welligkeit auf den ersten etwa 10 bis 15% der gesamten Vorschubstrecke im Werkstück. Die abgetrennten Scheiben weisen also im Einsägebereich verstärkt Wellen auf, die im Lauf der weiteren Bearbeitungsschritte, beispielsweise Schleifen oder Läppen, nicht oder nur mit großem Aufwand beseitigt werden können. Im ungünstigsten Fall können Reste dieser Welligkeit auch noch nach einer Politur auf der fertigen Halbleiterscheibe nachgewiesen werden, wo sie sich negativ auf die lokale Geometrie auswirken.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bestand somit darin, die Entstehung dieser Welligkeit im Einsägebereich so weit wie möglich zu verhindern.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten, zylindrischen Werkstück, wobei das Werkstück und ein Drahtgatter einer Drahtsäge mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung ausführen, durch die das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zu Beginn des Sägevorgangs mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit im Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min abläuft, bis sich ein Schnitt mit einer Tiefe im Bereich von 0,1 bis 2 mm gebildet hat, diese Geschwindigkeit anschließend derart erhöht wird, dass sie für eine Dauer von 2 bis 120 Sekunden in einem Bereich von 2 bis 100 mm/min liegt und die Geschwindigkeit danach wieder so verringert wird, dass sie in einem Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min liegt.
• Die zur vorliegenden Erfindung führenden Untersuchungen haben ergeben, dass auf den Sägedraht nicht nur eine Kraft F_f in Vorschubrichtung (siehe 1) wirkt, sondern auch eine Kraftkomponente in der Richtung der Werkstückachse (Axialkraft F_a). Diese Axialkraft bewirkt insbesondere bei Beginn des Schnitts, wenn das Drahtgatter noch nicht seine maximale Spannung und Steifigkeit erreicht hat, eine axiale Auslenkung der Drähte, die zu einer Welligkeit auf den gesägten Scheiben führen kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt, dass schon kurz nach Schnittbeginn die maximale Steifigkeit des Drahtgatters erreicht wird und so eine Auslenkung der Drähte in Richtung der Achse des Werkstücks im weiteren Schnittverlauf minimiert werden kann. Das Verfahren minimiert die Welligkeit der gesägten Scheiben, was dazu führt, dass aufwendige glättende Folgeschritte, wie beispielsweise Läppen oder Schleifen, minimiert werden können. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben.
• 1 zeigt die Prozesskräfte beim Einsägen in das Werkstück.
• 2 zeigt ein Vorschubprofil gemäß Stand der Technik.
• 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Vorschubprofil.
• 4 zeigt ein Oberflächenprofil am Beginn der Schnittdistanz einer erfindungsgemäß abgetrennten Halbleiterscheibe. Die y-Achse gibt die Amplitude der Oberflächen-Welligkeit an.
• 5 zeigt das entsprechende Oberflächenprofil am Beginn der Schnittdistanz einer gemäß dem Stand der Technik abgetrennten Halbleiterscheibe.
• Die oben beschriebene Relativbewegung zwischen dem Werkstück 1 (siehe 1) und dem durch die Drahtführungsrollen 2 aufgespannten Drahtgatter 3 wird zunächst mit einer üblichen Geschwindigkeit (die Geschwindigkeit dieser Relativbewegung wird im Folgenden als Vorschubgeschwindigkeit V bezeichnet) im Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min, bevorzugt von 0,5 bis 0,9 mm/min, gestartet (siehe 2 und 3). Im Lauf der Vorschubbewegung berührt das Werkstück 1 zu einem gewissen Zeitpunkt das Drahtgatter 3 und es setzt ein Materialabtrag an der Oberfläche des Werkstücks 1 ein. Dieser Zeitpunkt entspricht in 2 und 3 der Vorschubposition P = 0. Gemäß dem Stand der Technik beginnt danach bereits die Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit V (siehe 2 oder US 60 62 209 ). Dagegen wird gemäß der Erfindung (siehe 3), sobald sich ein Schnitt mit einer Tiefe von 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise mit einer Tiefe von 0,1 bis 1 mm gebildet hat, die Vorschubgeschwindigkeit V sprunghaft, d. h. innerhalb kurzer Zeit, auf einen Wert im Bereich von 2 bis 100 mm/min, vorzugsweise 20 bis 40 mm/min erhöht. Der zu diesem Zeitpunkt bereits vorhandene flache Schnitt stabilisiert das Drahtgatter 3. Die Vorschubgeschwindigkeit V verbleibt in diesem zweiten, hohen Geschwindigkeitsbereich, bis das Drahtgatter 3 eine maximale Durchbiegung und Steifigkeit erreicht hat, die sonst erst später, bei runden Werkstücken erst bei maximaler Eingriffslänge im Werkstück, erreicht wird. Ist dieser Punkt erreicht, wird die Vorschubgeschwindigkeit V wieder auf einen deutlich geringeren Wert von 0,3 bis 1,2 mm/min, bevorzugt von 0,6 bis 0,9 mm/min, reduziert. Mit einer Vorschubgeschwindigkeit V in diesem Bereich wird der Schnitt fortgesetzt.
• Die Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass die effektive, maximale Drahtdurchbiegung und damit effektive Drahtspannung des Drahtgatters, die sich bei herkömmlichen Verfahren mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit erst im Laufe des Schnitts ergibt, unmittelbar bei Schnittbeginn vorgegeben wird. (Die effektive Drahtspannung ergibt sich aus der Summe der nominellen Spannung, die in der Maschine vor Schnittbeginn definiert eingestellt wird, und der Vorschubspannung, die aus der Vorschubkraft resultiert). Dadurch erreicht das Drahtgatter bereits bei Schnittbeginn seine maximale Steifigkeit. Drahtauslenkungen in axialer Richtung des Werkstücks, d. h. senkrecht zur Vorschubrichtung, können auf diese Weise vermindert werden (siehe 1). Sprunghafte Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit, wie sie für die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, wurden bisher vermieden, da sie zu diskontinuierlichen Oberflächenstrukturen auf der abgetrennten Scheibe führen können. In der vorliegenden Erfindung wird die sprunghafte Änderung der Vorschubgeschwindigkeit jedoch im äußersten Randbereich des Werkstücks und damit auch der Scheibe durchgeführt, die bei der späteren Herstellung elektronischer Bauelemente nicht genutzt wird.
• Vergleichsbeispiel:
• Ein einkristalliner Silicium-Stab 1 mit einem Durchmesser von 300 mm und kreisrundem Querschnitt wird mit einer herkömmlichen Drahtsäge in Scheiben aufgetrennt. Der Vorschub der Drahtsäge wird dabei so gesteuert, dass zu Beginn des Schnitts bei sehr kurzen Eingriffslängen die Vorschubgeschwindigkeit V 0,8 mm/min beträgt. Nach Einsägen in den Silicium-Stab 1 wird die Vorschubgeschwindigkeit V kontinuierlich abgesenkt (2), bis sie im mittleren Querschnittsbereich einen Wert von 0,4 mm/min erreicht. Am Ende des Schnitts bei stark abnehmender Eingriffslänge wird die Vorschubgeschwindigkeit V spiegelbildlich zur Anfangsphase wieder erhöht. Bedingt durch die auftretende Axialkraft F_a erfährt der Draht im Einsägebereich eine axiale Auslenkung, die auf der gesägten Siliciumscheibe eine typische Welligkeit hinterlässt (5). Auf 10,1% der so hergestellten Scheiben konnte nach einer Politur ein Nanotopographie-Defekt festgestellt werden, der auf die Einsägewelle zurückzuführen ist.
• Beispiel:
• Ein einkristalliner Silicium-Stab 1 mit einem Durchmesser von 300 mm und kreisrundem Querschnitt wird mit einer herkömmlichen Drahtsäge in Scheiben aufgetrennt, wobei ein erfindungsgemäßes Vorschubprofil verwendet wird, wie in 3 dargestellt. Dabei wird beim Einsägen eine Vorschubgeschwindigkeit V von 0,8 mm/min verwendet, bis der Draht im Werkstück 1 eine Vorschubposition P (Schnitttiefe) von 1 mm erreicht. Dann wird die Vorschubgeschwindigkeit V für eine Dauer von 8 s auf 30 mm/min erhöht und danach wieder auf eine Geschwindigkeit von 0,7 mm/min abgesenkt. Danach folgt der Vorschub wieder einem kontinuierlichen Profil, wie es im Vergleichsbeispiel beschrieben wurde. Bedingt durch die so erzeugte erhöhte Steifigkeit des Drahtgatters 3 während der Einsägephase kann eine axiale Auslenkung der Drähte weitgehend reduziert werden, wodurch die Einsägewelle stark vermindert wird (4). Dadurch wurde der prozentuale Anteil von Siliciumscheiben mit Nanotopographie-Defekten an dieser Stelle auf 1,2% reduziert.
• Der Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf alle Sägeverfahren, bei denen sprödharte zylindrische Werkstücke mittels einer Drahtsäge unter Zuführung einer Sägesuspension oder durch Verwendung eines mit abrasiver Körnung besetzten Drahts in eine Vielzahl von Scheiben aufgetrennt werden und bei denen es auf eine hohe Ebenheit (Nanotopographie) und geringe Welligkeit der Produkte ankommt. Vorzugsweise wird die Erfindung bei der Herstellung von Halbleiterscheiben, insbesondere von Silciumscheiben, angewendet. Der Begriff „zylindrisch" ist nicht so zu verstehen, dass die Werkstücke einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen müssen. Die Werkstücke können vielmehr die Form eines beliebigen allgemeinen Zylinders aufweisen. Ein allgemeiner Zylinder ist ein Körper, der von einer Zylinderfläche mit geschlossener Leitkurve und zwei parallelen Ebenen, den Grundflächen des Zylinders, begrenzt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten, zylindrischen Werkstück, wobei das Werkstück und ein Drahtgatter einer Drahtsäge mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung ausführen, durch die das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zu Beginn des Sägevorgangs mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit im Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min abläuft, bis sich ein Schnitt mit einer Tiefe im Bereich von 0,1 bis 2 mm gebildet hat, diese Geschwindigkeit anschließend derart erhöht wird, dass sie für eine Dauer von 2 bis 120 Sekunden in einem Bereich von 2 bis 100 mm/min liegt und die Geschwindigkeit danach wieder so verringert wird, dass sie in einem Bereich von 0,3 bis 1,2 mm/min liegt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit zu Beginn des Sägevorgangs im Bereich von 0,5 bis 0,9 mm/min liegt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit auf 20 bis 40 mm/min erhöht wird, sobald sich ein Schnitt mit einer Tiefe im Bereich von 0,1 bis 2 mm gebildet hat.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit erhöht wird, sobald sich ein Schnitt mit einer Tiefe von 0,1 mm bis 1 mm gebildet hat.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit sprunghaft erhöht wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit nach den genannten 2 bis 120 s auf einen Wert im Bereich von 0,6 bis 0,9 mm/min reduziert wird.