DE102006038001B3

DE102006038001B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Werkstücktrocknung und/oder Trockenhaltung bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102006038001B3
Application number: DE200610038001
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Kray
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-08-15
Also published as: CH700816B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine Trocknung und/oder eine Trockenhaltung eines Werkstücks bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung erlaubt. Ebenso wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung bereitgestellt, die die Durchführung des besagten Verfahrens gewährleistet. Verwendung findet das Verfahren beim Schneiden, Mikrostrukturieren, Dotieren von Festkörpern oder der lokalen Abscheidung von Fremdelementen auf Siliciumwafern.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine Trocknung und/oder eine Trockenhaltung eines Werkstücks bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung erlaubt. Ebenso wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung bereitgestellt, die die Durchführung des besagten Verfahrens gewährleistet. Verwendung findet das Verfahren beim Schneiden, Mikrostrukturieren, Dotieren von Festkörpern oder der lokalen Abscheidung von Fremdelementen auf Siliciumwafern.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, bei denen mit Hilfe eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers Silicium oder andere Werkstoffe geätzt oder ablativ abgetragen werden. Z.B. beschreibt die EP 0 762 947 B1 einen flüssigkeitsstrahlgeführten Laser, wobei hier Wasser als flüssiges Medium eingesetzt wird. Der Wasserstrahl dient hier als Leitmedium für den Laserstrahl und als Kühlmittel für die Kanten der bearbeiteten Stellen auf dem Substrat, wobei das Ziel einer Verringerung der Schäden durch thermische Spannung im Material verfolgt wird. Mit flüssigkeitsstrahlgeführten Lasern werden sauberere Schnittgruben erreicht als mit „trockenen" Lasern. Auch das Problem des ständigen Nachfokussierens des Laserstrahls bei zunehmender Grabentiefe ist mit im Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Lasern gelöst. Nach wie vor treten jedoch bei den beschriebenen Systemen Oberflächenschädigungen in einem Ausmaß auf, das einen weiteren Materialabtrag an den Bearbeitungsflächen erfordert, der sowohl den Gesamtprozess der Materialbearbeitung aufwendig gestaltet als auch zu zusätzlichem Materialverlust und damit erhöhten Kosten führt.
Ebenso sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, bei denen Laserlicht zur Anregung von Ätzmedien sowohl in gasförmiger wie in flüssiger Form über dem Substrat angewendet wird. Als Ätzmedien dienen hier verschiedene Stoffe, z.B. Kaliumhydroxyd-Lösungen unterschiedlicher Konzentration (von Gutfeld, R. J./Hodgson, R. T.: „Laser enhanced etching in KOH" in: Appl. Phys. Lett., Vol. 404, 352–354, 15. February (1982)) bis hin zu flüssigen oder gasförmigen halogenierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere Brommethan, Chlormethan oder Trifluorjodmethan (Ehrlich, D. J./Osgood, R. M./Deutsch, T. F.: „Laserinduced microscopic etching of GaAs and InP" in: Appl. Phys. Lett., Vol. 36(8), 698–700, 15. April (1980)).
Weitere Verfahren zur Bearbeitung von Festkörpern, z.B. zur Mikrostrukturierung von Halbleitern bei der Chipherstellung oder zur Kantenisolation bei Solarzellen, beschreiben die Druckschriften DE 36 432 84 A und WO 99/56907 A1 der Firma SYNOVA SA.
Die Abtragung des Materials erfolgt dabei entweder rein ablativ, rein chemisch oder es werden beide Prozesse miteinander gekoppelt. Die Form des Abtrags ist abhängig von der Wahl der Laserparameter (Intensität des Laserlichts, Wellenlänge, Pulsdauer, etc.) und der Wahl des flüssigen Mediums.
Die DE 198 60 084 B4 beschreibt ein Verfahren zum Strukturieren eines mit einer Platinschicht und einer Barriereschicht versehenen Substrates, wobei auf das Substrat eine Ätzmaske aufgebracht wird und die Platinschicht und die Barriereschicht mittels eine Ätzverfahrens unter Einwirkung eines reinen Argonplasmas mit nahezu rein physikalischem Abtrag unter Verwendung der Ätzmaske geätzt wird. Nachteilig hierbei ist, dass stets eine Ätzmaske auf das Substrat aufgebracht werden muss, um saubere Ätzungen durchführen zu können.
Weiterhin ist aus der DE 10 2004 009 742 A1 ein Verfahren zum Herstellen rückseitenbeschichteter Halbleiterchips bekannt, wobei zunächst eine Schutzfolie auf die Halbleiterchipstrukturen aufgebracht wird und danach ein Abtragen von Wafermaterial von der Rückseite des Wafers erfolgt. Zum Schutz der nicht zu ätzenden Bereiche des Wafers muss hier ebenso eine separate Aufbringung einer Schutzfolie erfolgen.
Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Trocknung von Wafern geht zudem aus der DE 10 2004 044 394 A1 hervor. Dieses Verfahren findet insbesondere dann An wendung, wenn zuvor eine Reinigung des Wafers erfolgt ist.
Allen genannten Verfahren liegt jedoch das inhärente Problem zugrunde, dass das Werkstück von der verwendeten Flüssigkeit benetzt wird. Durch die Vernebelung der Flüssigkeit beim Auftreffen auf das Werkstück sowie die kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr kann das Werkstück mit der Zeit vollständig mit der Flüssigkeit benetzt sein, was in einigen Anwendungen unerwünscht ist. Zudem entstehen durch den notwendigen Trocknungsschritt zusätzliche Kosten, die z.B. bei der Anwendung in der Photovoltaik Probleme durch erhöhten Platzbedarf der Maschine bei gleich bleibendem Durchsatz ergeben. Insbesondere bei der Verwendung von reaktiven Flüssigkeiten, die beispielsweise bei Ätzverfahren eingesetzt werden, ist eine fortwährende Benetzung des Werkstücks und somit einer weiteren Reaktion des Ätzmediums mit der Oberfläche des Werkstücks unerwünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, eine effiziente Trocknung des Werkstücks nach Benetzung mit der Flüssigkeit zu gewährleisten. Weiterhin war es Aufgabe der Erfindung, bei einem flüssigkeitsstrahlgeführten Ätzverfahren eine Benetzung von Bereichen des Werkstücks, die nicht bearbeitet werden sollen, zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In Anspruch 9 wird ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben. Ansprüche 14 und 15 geben Verwendungen des Verfahrens wieder. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt, wobei neben mindestens einem Bearbeitungskopf, der den Flüssigkeitsstrahl führt, mindestens ein weiterer Bearbeitungskopf verwendet wird und durch diesen bereits bearbeitete Bereiche des Werkstücks getrocknet werden und/oder nicht zu bearbeitende Bereiche des Werkstücks vor Flüssigkeitsbenetzung geschützt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung dabei nahe am Werkstück geführt. Erfindungsgemäß ist darunter zu verstehen, dass der Bearbeitungskopf höchstens 0,5 cm, bevorzugt 0,1 cm, entfernt vom Werkstück geführt wird.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zusätzlich am Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder - trockenhaltung eine Zufuhr von trockenem Inertgas erfolgt. Dadurch wird gewährleistet, dass ein kontinuierlicher horizontaler Gasfluss auf der aktuell nicht bearbeiteten Werkstückoberfläche erzeugt wird, der einerseits diese trocknet, andererseits durch den Gasstrom das Eindringen von Flüssigkeitströpfchen durch die seitlichen Öffnungen zum restlichen Prozessraum erschwert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Inertgas zur Unterstützung des Trocknungsprozesses dabei erwärmt wird. Die Temperatur des Inertgases kann dabei in Abhängigkeit von der gewählten Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls eingestellt werden. Werden beispielsweise niedersiedende, organische Lösungsmittel, wie z.B. Tetrachlormethan oder Chloroform, verwendet, so reicht eine Temperatur von ca. 60 °C zur Gewährleistung einer vollständigen Trocknung aus. Werden hingegen höher siedende Solventien, wie z.B. Wasser, verwendet, so kann eine Einstellung der Temperatur des Inertgases auch beispielsweise 120 °C betragen.
Zusätzlich können chemische Zusätze zur Vermeidung von Trocknungsrückständen auf das Werkstück aufgebracht werden. Die Aufbringung der chemischen Zusätze kann beispielsweise über den Inertgasstrom (z.B. durch Einbringen des chemischen Zusatzes in den Inertgasstrom durch Sprühvernebelung) erfolgen. Dabei sind die chemischen Zusätze beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkoholen (z.B. Isopropanol. Propylenglykol, Ethanol), Tensiden (v.a. schaumarme, nicht-ionische Tenside (z.B. Fettalkoholpolyethylenpolypropylenglykolether), Zitronensäure, Lösungsvermittler (z.B. Cumolsulfonat) sowie Gemischen hiervon.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Verfahren so geführt wird, dass die Bewegungen des mindestens einen Bearbeitungskopfes zur Flüssigkeitsstrahlführung und des mindestens einen Bearbeitungskopfes zur Trocknung und/oder Trockenhaltung des Werkstückes so aufeinander abgestimmt sind, dass sie identische Bewegungsrichtung aufweisen und in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist darun ter zu verstehen, dass die beiden Bearbeitungsköpfe in einer solchen Relation zueinander geführt werden, dass zum einen eine möglichst schnelle Trocknung der zu bearbeitenden Stelle erfolgt, zum anderen die Bereiche des Werkstückes, die nahe am Flüssigkeitsstrahl liegen und somit einer potentiellen Benetzung durch Flüssigkeitstropfen stärker exponiert sind, möglichst effektiv vor einer Benetzung geschützt sind. Zudem ist eine Bewegung der beiden unterschiedlichen Bearbeitungsköpfe in gleiche Richtung vorteilhaft.
Zur Unterstützung des Bearbeitungsprozesses kann selbstverständlich mindestens ein Laser verwendet werden, der beispielsweise auch in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt sein kann.
Erfindungsgemäß wird ebenso eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken bereitgestellt, die mindestens einen Bearbeitungskopf zur Erzeugung eines laminaren Flüssigkeitsstrahls sowie mindestens einen weiteren Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung enthält, wobei der mindestens eine Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung flächig ausgeführt ist. Darunter ist zu verstehen, dass der Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung eine Schirmfläche aufweist, die das darunterliegende Werkstück vor einer Benetzung mit Tröpfchen, die aus dem Aufprallprozess des Flüssigkeitsstrahls auf die Oberfläche resultieren, schützt. Diese Schirmfläche ist dabei nicht auf bestimmte geometrische Formen beschränkt, sondern kann je nach zu bearbeitendem Werkstück diesem angepasst werden. Ausführungsformen können beispielsweise zweidimensional, wie z.B. quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder oval, aber auch dreidimensional, z.B. durch Abwinkelung der Schirmfläche sein.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung eine Inertgaszufuhr, beispielsweise in Form eines Schlauchs, einer Leitung oder einem Rohr, aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Inertgaszufuhr mittig am Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung angeordnet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass zugeführtes Inertgas gleichmäßig unter der Schirmfläche abströmen kann und somit ein horizontaler, kontinuierlicher Gasstrom erzeugt wird, der das Eindringen von Sprühnebeltröpfchen unter die Schirmfläche erschwert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Bearbeitungskopfes zur Werkstücktrocknung und/oder – trockenhaltung – dies ist die dem Werkstück abgewandte Seite des Bearbeitungskopfes – derartig gestaltet ist, dass auf die Oberfläche auftreffende Flüssigkeit zur Mitte abläuft. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass der Bearbeitungskopf in einer dritten Dimension so gestaltet ist, dass nach allen Seiten des Kopfes eine schiefe Ebene resultiert, die zur Mitte hin abfallend ist. Dort gesammelte Flüssigkeit kann beispielsweise über aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen abgesaugt werden.
Das Verfahren findet insbesondere Verwendung beim Schneiden, Mikrostrukturieren und Dotieren von Festkörpern und/oder lokalem Abscheiden von Fremdelementen auf Festkörpern, insbesondere von Siliciumwafern. Weiterhin erweist sich das Verfahren insbesondere von Vorteil bei der Kantenisolation von Solarzellen.
In nachfolgender Figur ist eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens abgebildet, ohne die Erfindung auf die abgebildete Ausführungsmöglichkeit zu beschränken.
In der Figur ist ein Trocknungskopf 1 mit einer Inertgaszuführung 2 versehen und über einem zu bearbeitenden Werkstück 4 angebracht. Durch die großflächig angebrachte Abschirmung des Trocknungskopfes 1 ist eine effektive Abschirmung des Werkstücks 4 vor einer Benetzung durch Tröpfchen, die beim Auftreten des Flüssigkeitsstrahls 8 aus dem Bearbeitungskopf 3 auf die Oberfläche des Werkstücks 4 entstehen, gewährleistet. Durch die Zuführung von Inertgas ist zudem eine effiziente Trocknung der Bearbeitungsspur 5 gewährleistet. In der abgebildeten Weise bewegt sich der Bearbeitungskopf zur Führung des Flüssigkeitsstrahls 3 und der Trocknungskopf 1 in die gleiche Bearbeitungsrichtung oder der Trocknungskopf 1 ist statisch. Ebenso ist dargestellt, dass die Austrittsrichtung des Inertgases 7 durch die mittige Zuführung des Inertgases 2 zu allen Seiten gleichmäßig gewährleistet ist.

Claims

Verfahren zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung eines Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, dass neben mindestens einem Bearbeitungskopf, der den Flüssigkeitsstrahl führt, mindestens ein weiterer Bearbeitungskopf verwendet wird und durch diesen bereits bearbeitete Bereiche des Werkstückes getrocknet und/oder nicht zu bearbeitende Bereiche des Werkstückes vor Flüssigkeitsbenetzung geschützt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung nahe am Werkstück geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder – trockenhaltung eine Zufuhr von trockenem Inertgas erfolgt.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein horizontaler Inertgasstrom auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt wird und somit zudem ein Eindringen von Flüssigkeitströpfchen von der Seite erschwert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas zur Un terstützung des Trocknungsprozesses erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass chemische Zusätze oder ein Gas mit chemischen Zusätzen zur Vermeidung von Trocknungsrückständen auf das Werkstück aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen des mindestens einen Bearbeitungskopfes zur Flüssigkeitsstrahlführung und des mindestens einen Bearbeitungskopfes zur Trocknung und/oder Trockenhaltung des Werkstückes so aufeinander abgestimmt sind, dass sie identische Bewegungsrichtung aufweisen und in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung des Bearbeitungsprozesseszusätzlich mindestens ein Laser verwendet wird.
Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken enthaltend mindestens einen Bearbeitungskopf zur Erzeugung eines laminaren Flüssigkeitsstrahls sowie mindestens einen weiteren Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung, wobei der mindestens eine Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung flächig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf eine Inertgaszufuhr aufweist.
Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgaszufuhr mittig angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bearbeitungskopfes derartig gestaltet ist, dass auf die Oberfläche auftreffende Flüssigkeit zur Mitte abläuft und abgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung des Bearbeitungsprozesses zusätzlich mindestens ein Laser vorhanden ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beim Schneiden, Mikrostrukturieren, Dotieren von Festkörpern und/oder lokalen Abscheiden von Fremdelementen auf Festkörpern, insbesondere von Silicium-Wafern.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei der Kantenisolation von Solarzellen.