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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, wobei zwischen dem Werkstück und parallel angeordneten bewegten Drähten einer Drahtsäge eine Relativbewegung ausgeführt wird, in deren Verlauf das Werkstück in Scheiben geteilt wird.
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Als Werkstücke kommen beispielsweise Einkristalle oder polykristalline Kristallblöcke in Betracht, die zu Substratscheiben für elektronische oder photovoltaische Anwendungen zerteilt werden. Halbleiterscheiben aus Silizium sind bekannte Vertreter solcher Substratscheiben.
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In der
EP 7980090 A2 ist der prinzipielle Aufbau einer Drahtsäge und deren Funktionsweise beschrieben. Die Drahtsäge umfasst mindestens zwei Drahtführungsrollen, um die ein Sägedraht gewickelt ist, so dass ein Drahtgatter („wire web”) aus parallel nebeneinander angeordneten Drähten resultiert. Die Drähte sind Abschnitte eines langen Sägedrahtes, der von einer Spenderspule über Umlenkrollen und die Drahtführungsrollen auf eine Empfängerspule läuft. Das Werkstück, das über eine Sägeleiste auf einem Tisch fixiert ist, wird üblicherweise gegen das von den parallel liegenden Drähten gebildete Drahtgatter bewegt. Alternativ zu einem solchen Tischvorschub ist es prinzipiell auch möglich, das Drahtgatter gegen das Werkstück zu bewegen. Während die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drahtgatter ausgeführt wird, wird eine festes Schleifkorn enthaltende Suspension („slurry”) zu Trennspalten geführt, die das von den Drähten mitgeschleppte Schleifkorn in das Werkstück läppt. Alternative Verfahren arbeiten mit Schleifkorn, das an die Drähte gebunden ist. In diesem Fall tritt an die Stelle der Suspension eine Flüssigkeit, die zum Kühlen und zum Entfernen von aus den Trennspalten geläpptem Material zugeführt wird.
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Gegen Ende des Verfahrens schneiden die Drähte in die Sägeleiste ein und hinterlassen eine Vielzahl von mit der Sägeleiste verbundenen Scheiben.
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Üblicherweise besteht das Ziel, das Verfahren so zu gestalten, dass die hergestellten Scheiben möglichst planparallele Seiten aufweisen. Dickenvarianz (TTV) und Formabweichungen wie „warp” sollen möglichst gering sein.
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Es hat sich herausgestellt, dass es im Hinblick auf dieses Ziel von Vorteil ist, die Laufrichtung der bewegten Drähte von einer Vorlaufrichtung zu einer Rücklaufrichtung zyklisch umzukehren. Während des Bewegens der Drähte in Rücklaufrichtung wird Sägedraht auf die Spenderspule zurückgespult. Der für einen Zyklus benötigte Drahtaufwand entspricht der Differenz (Dv – DR) der während des Zyklus in Vorlaufrichtung und in Rücklaufrichtung bewegten Drahtlängen Dv und DR. Dieser Drahtaufwand dividiert durch die Zyklusdauer entspricht der effektiven Geschwindigkeit des Sägedrahts während des Zyklus.
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Der Sägedraht wird während des Eingriffs in das Werkstück verschlissen und zwar in Abhängigkeit von der Eingriffslänge, mit der Sägedraht und Werkstück während des Verfahrens in Kontakt stehen. Inhomogener Drahtverschleiß im Verlauf der aufgewendeten Drahtlänge sollte möglichst vermieden werden, weil die Breite des Trennspaltes und die Dicke der abgetrennten Scheiben vom Durchmesser der Drähte abhängt.
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Es wurden daher Verfahren entwickelt, die einem inhomogenen Drahtverschleiß mehr oder weniger erfolgreich entgegenwirken. Solche Verfahren werden nachfolgend Referenz-Verfahren genannt. In der
DE 10 2006 058 823 A1 sind einige dieser Verfahren erwähnt oder näher beschrieben, darunter eines, das die Steuerung der effektiven Geschwindigkeit des Sägedrahts umfasst.
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In der industriellen Praxis müssen unterschiedliche Kundenaufträge termingebunden abgearbeitet werden. So ist es häufig erforderlich, Werkstücke in Scheiben zu teilen, die kürzer oder länger sind als Werkstücke, für die ein als optimal angesehenes Sägerezept zur Verfügung steht. Ein Sägerezept benennt die zur Bearbeitung eines Werkstücks als optimal angesehenen Prozessparameter eines Referenz-Verfahrens, insbesondere die zeitabhängige Steuerung der effektiven Geschwindigkeit des Sägedrahts und des Tischvorschubs. Steht ein als optimal angesehenes Sägerezept zur Bearbeitung eines Werkstücks nicht zur Verfügung, weil das Werkstück eine abweichende Länge hat, sollte das berücksichtigt werden und ein entsprechendes Sägerezept ausgearbeitet werden. Um den dafür benötigten Aufwand einzusparen, wird stattdessen häufig ein Sägerezept benutzt, das für die Bearbeitung des Werkstücks mit der abweichenden Länge nicht optimal ist.
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Ähnliches gilt für Kundenaufträge, die sich dadurch unterscheiden, dass unterschiedliche Scheibendicken verlangt werden. Ein als optimal angesehenes Sägerezept berücksichtigt auch die zur Anwendung kommende Teilung. Als Teilung („pitch”) bezeichnet man den Abstand zwischen benachbarten Drähten des Drahtgatters. Dieser Abstand entspricht auch dem Abstand der Führungsrillen der Drahtführungsrollen und bestimmt maßgeblich die Dicke der hergestellten Scheiben. Steht kein Sägerezept zu Verfügung, das hinsichtlich einer nachgefragten Teilung als optimal angesehen wird, sollte das berücksichtigt und ein entsprechendes Sägerezept ausgearbeitet werden. Um den dafür benötigten Aufwand einzusparen, wird stattdessen häufig ein Sägerezept benutzt, das hinsichtlich der Verwendung der nachgefragten Teilung nicht optimal ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem Werkstücke unabhängig von ihrer Länge und unabhängig von der nachgefragten Teilung erfolgreich in Scheiben geteilt werden können und das ohne besonderen Aufwand durchführbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, wobei zwischen dem Werkstück und parallel angeordneten bewegten Drähten einer Drahtsäge eine Relativbewegung ausgeführt wird, in deren Verlauf das Werkstück in Scheiben geteilt wird,
wobei die Laufrichtung der Drähte, die von Sägedraht gebildet werden, von einer Vorlaufrichtung zu einer Rücklaufrichtung zyklisch umgekehrt wird, und
wobei ein Drahtpunkt des Sägedrahts vom Eintritt in das Werkstück bis zum Verlassendes Werkstücks eine Anzahl Z0 von Zyklen absolviert, wenn die Länge des Werkstücks einer Referenz-Länge L0 und die Teilung der Drahtsäge einer Referenz-Teilung T0 entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Werkstück in Scheiben geteilt wird und die Länge L des Werkstücks oder die Teilung T der Drahtsäge oder die Länge L des Werkstücks und die Teilung T der Drahtsäge von der Referenz-Länge L0 beziehungsweise der Referenz-Teilung T0 abweicht, und die während eines Zyklus in Vorlaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht und die in Rücklaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht so gewählt werden, dass ein Drahtpunkt des Sägedrahts vom Eintritt in das Werkstück bis zum Verlassendes Werkstücks die Anzahl Z0 von Zyklen absolviert.
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Das Verfahren umfasst eine einfach durchzuführende Änderung eines zur Verfügung stehenden Sägerezepts, das hinsichtlich der Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Referenz-Länge L0 und einer Referenz-Teilung T0 als optimal betrachtet wird. Die Änderung erfolgt in der Weise, dass die Anzahl Z0 von Zyklen, die ein Drahtpunkt des Sägedrahts vom Eintritt in das Werkstück bis zum Verlassen des Werkstücks absolviert, gleich bleibt.
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Die Parameter des Sägerezepts, die geändert werden, sind die in Vorlaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht Dv und die in Rücklaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht DR. Das auf diese Weise geänderte Sägerezept kann dann als optimal hinsichtlich der Bearbeitung eines Werkstücks mit der Länge L und einer Teilung T der Drahtsäge betrachtet werden.
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Die erfindungsgemäße Berücksichtigung einer von L0 abweichenden Länge des Werkstücks und/oder einer von T0 abweichenden Teilung der Drahtsäge, hat mindestens zwei wichtige Vorteile. Zum einen sind Dickenvarianz und „warp” der hergestellten Scheiben besser und zum anderen ist der gesamte Drahtaufwand, also die Länge des zum Herstellen der Scheiben benötigten Sägedrahts, niedriger. Das Letztere kann sich in einem Umfang auswirken, dass nach der Bearbeitung eines Werkstücks noch ausreichend Sägedraht auf der Spenderspule für die Bearbeitung eines weiteren Werkstücks zur Verfügung steht, während ohne die erfindungsgemäße Änderung des Sägerezepts der Sägedraht verworfen werden muss, weil dessen Länge für die Bearbeitung eines weiteren Werkstücks nicht mehr ausreicht.
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Das Referenz-Verfahren, ebenso wie die Referenz-Länge L
0 des Werkstücks und die Referenz-Teilung T
0 der Drahtsäge können frei gewählt werden. Dem gewählten Referenz-Verfahren liegt ein Sägerezept zugrunde, das in Verbindung mit der Referenz-Länge L
0 und der Referenz-Teilung T
0 als optimal betrachtet wird. Bevorzugt ist ein Referenz-Verfahren, bei dem die effektive Drahtgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Tischposition verändert wird. Bevorzugt ist ebenfalls ein Referenz-Verfahren, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit des Tisches in Abhängigkeit der Tischposition verändert wird. Besonders bevorzugt ist ein in der
DE 10 2006 058 823 A1 beschriebenes Referenz-Verfahren, bei dem die effektive Drahtgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Vorschubgeschwindigkeit des Tisches und des Werkstückquerschnitts geregelt wird, so dass ein gleichmäßiger Verschleiß des Sägedrahts resultiert. Als Referenz-Länge L
0 des Werkstücks ist eine Werkstücklänge bevorzugt, die zur vollständigen Nutzung der Drähte des Drahtgatters führt. Als Referenz-Teilung T
0 der Drahtsäge ist eine Teilung bevorzugt, die von Kunden besonders häufig nachgefragt wird.
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Erfindungsgemäß besonders beachtete Parameter des Sägerezepts sind die während eines Zyklus in Vorlaufrichtung und in Rücklaufrichtung bewegten Drahtlängen Dv und DR. Üblicherweise ist Dv größer als DR. Der Drahtaufwand pro Zyklus, also die während eines Zyklus effektiv bewegte Drahtlänge entspricht der Differenz (Dv – DR) oder (1 – x)·Dv, mit dem Verhältnis x = DR/Dv.
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Das Teilen der Referenz-Länge durch die Referenz-Teilung, L0/T0, ergibt die Anzahl der entstehenden Trennspalte. Zwischen den Trennspalten bildet der Sägedraht um die Drahtführungsrollen laufende Schlaufen, deren Länge S eine vom Drahtsäge-Modell abhängige Größe ist. Die Wegstrecke, die ein Drahtpunkt des Sägedrahts vom ersten bis zum letzten Kontakt mit dem Werkstück durchschnittlich überwinden muss, beträgt (L0/T0)·S.
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Die Anzahl Z0 der Zyklen, die ein Drahtpunkt des Sägedrahts absolviert bis es die Wegstrecke überwunden hat, entspricht dem Quotienten aus Wegstrecke und effektiv pro Zyklus bewegter Drahtlänge: Z0 = (L0/T0)·S/(1 – x)·Dv.
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Zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer von der Referenz-Länge L0 abweichenden Länge L und/oder beim Wechsel auf eine von der Referenz-Teilung T0 abweichenden Teilung T werden die während eines Zyklus in Vorlaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht Dv und die in Rücklaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht DR so gewählt, dass die Anzahl der Zyklen wieder Z0 ist, also der Anzahl der Zyklen entspricht, die sich bei Anwendung des in Verbindung mit der Referenz-Länge L0 und der Referenz-Teilung T0 als optimal betrachteten Sägerezepts ergibt. Die während eines Zyklus in Rücklaufrichtung bewegte Drahtlänge DR wird so geändert, dass das Verhältnis x erhalten bleibt. Nach Änderung der Länge Dv und nach Änderung der Länge DR soll hinsichtlich der gewählten Länge Dv' und der gewählten Länge DR' gelten: Z0 = (L/T)·S/(1 – x)Dv', mit DR/Dv = DR'/Dv' = x.
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Bei Berücksichtigung der von einer Referenz-Länge des Werkstücks abweichenden Länge des Werkstücks oder der von der Referenz-Teilung der Drahtsäge abweichenden Teilung der Drahtsäge ist die während eines Zyklus in Vorlaufrichtung bewegte Länge Dv' an Sägedraht proportional zur Länge L des Werkstücks und umgekehrt proportional zur Teilung T der Drahtsäge:
Dv' = Dv·(L/T)/(L0/T0). Die in Vorlaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht Dv' wird dieser Formel entsprechend gewählt.
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Bei dem erfindungsgemäß bearbeiteten Werkstück handelt es sich vorzugsweise um einen Block aus einkristallinem oder polykristallinem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium. Besonders bevorzugt ist ein zylindrischer Einkristall aus Silizium, der aus einer in einem Tiegel bereitgestellten Schmelze gezogen oder durch Zonenziehen hergestellt wurde.
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Zur weiteren Beschreibung der Erfindung wird nachfolgend Bezug auf Figuren genommen.
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1 zeigt, wie eine Drahtsäge prinzipiell aufgebaut ist.
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2 zeigt ein Werkstück mit Radius R und die Länge l des Einriffs der Drähte bei einer Position y des Tisches.
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3 zeigt die Drahtbewegung als Verlauf der Drahtposition in Abhängigkeit der Zeit.
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4 zeigt den Drahtaufwand in Abhängigkeit der Länge des Werkstücks L und der Teilung T bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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5 zeigt eine statistische Auswertung in Bezug auf Dickenvarianz (TTV) und „warp”.
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Die in 1 dargestellte Drahtsäge umfasst Drahtführungsrollen 1, um die Sägedraht 2 zu einer Vielzahl von Schlaufen gewickelt ist. Zwischen den zwei oberen Drahtführungsrollen formt der Sägedraht ein Drahtgatter aus parallel liegenden bewegten Drahten 3, gegen die ein Werkstück 4, das eine Länge L hat, durch Verändern der Position eines nicht gezeigten Tisches, an dem das Werkstück befestigt ist, geführt wird. Der Abstand zwischen benachbarten Drähten entspricht der Teilung T. Die Drähte bewegen sich in der Ebene des Drahtgatters in Folge des Abwickelns beziehungsweise Aufwickelns des Sägedrahts von einer Spenderspule beziehungsweise Empfängerspule, die nicht dargestellt sind.
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Wie in 2 gezeigt, stehen die durch das Werkstück dringenden Drähte mit dem Werkstück über eine sich mit der Tischposition TP verändernde Eingriffslänge l in Kontakt, die maximal der Länge des Radius R des Werkstücks entspricht.
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Die Laufrichtung der Drähte wird zyklisch umgekehrt, indem ein Teil der während eines Zyklus auf die Empfängerspule gewickelten Länge des Sägedrahts auf die Spenderspule zurückgewickelt wird. 3 zeigt den Verlauf der Position x eines Drahtpunkts des Sägedrahts in Abhängigkeit der Zeit t. Die während eines Zyklus in Vorlaufrichtung bewegte Drahtlänge Dv entspricht der im Zeitintervall Δtv erfolgenden Positionsänderung Δxv. Die während eines Zyklus in Rücklaufrichtung bewegte Drahtlänge DR entspricht der im Zeitintervall Δtr erfolgenden Positionsänderung Δxr.
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Für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Referenz-Länge L
0 von 350 mm und einer Referenz-Teilung T
0 von 916 μm ergeben sich bei Anwendung eines hinsichtlich L
0 und T
0 als optimal betrachteten Sägerezepts die in Tabelle 1 stehenden Kennzahlen. Das Sägerezept sieht eine während eines Zyklus in Vorlaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht D
v von 160 m und ein Verhältnis x = D
v/D
R von 0,5 vor. Die Länge S einer Schlaufe beträgt 2,1 m. Tabelle 1
L0 [mm] | T0 [μm] | Dv [ m ] | (L0/T0) | (1 – x)·Dv [m] | Z0 | DAW [m] |
350 | 916 | 160 | 382,09 | 80 | 10,03 | 55557,08 |
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Unter Berücksichtigung von weiteren Parametern des Sägerezepts wie der Beschleunigung des Sägedrahts, der effektiven Geschwindigkeit des Sägedrahts, der Tischvorschub-Geschwindigkeit und der Dauer der Werkstückbearbeitung ergibt sich ein Drahtaufwand pro Werkstück (DAW) von ungefähr 55,5 km.
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Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, bleibt der Drahtaufwand pro Werkstück unverändert, wenn unter Anwendung desselben Sägerezepts ein Werkstück mit einer Länge L bearbeitet wird, die kleiner ist, als die Referenz-Länge. Die Anzahl der Zyklen Z, die ein Drahtpunkt des Sägedrahts absolviert, während es mit dem Werkstück in Kontakt steht, nimmt wegen der geringeren Länge des Werkstücks ab und ist kleiner als Z
0. Tabelle 2
L [mm] | T = T0 [μm] | D [m] | (L/T) | (1 – x)·Dv [m] | Z | DAW [m] |
330 | 916 | 160 | 360,26 | 80 | 9,46 | 55557,08 |
310 | 916 | 160 | 338,42 | 80 | 8,88 | 55557,08 |
290 | 916 | 160 | 316,59 | 80 | 8,31 | 55557,08 |
270 | 916 | 160 | 294,75 | 80 | 7,74 | 55557,08 |
250 | 916 | 160 | 272,92 | 80 | 7,16 | 55557,08 |
230 | 916 | 160 | 251,09 | 80 | 6,59 | 55557,08 |
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die Anzahl der Zyklen bei Z
0 zu halten, indem die während eines Zyklus in Vorlaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht D
v und die während eines Zyklus in Rücklaufrichtung bewegte Länge an Sägedraht D
R so gewählt werden, dass sie den Längen D
v' beziehungsweise D
R' entsprechen. Tabelle 3 zeigt das Resultat in Bezug auf die Kennzahlen. Tabelle 3
L [mm] | T = T0 [μm] | [m] | (L/T) | (1 – x)·Dv' [m] | Z = Z0 | DAW [m] |
330 | 916 | 150,85 | 360,26 | 75,42 | 10,03 | 54834,88 |
310 | 916 | 141,71 | 338,42 | 70,85 | 10,03 | 54041,73 |
290 | 916 | 132,57 | 316,59 | 66,28 | 10,03 | 53166,63 |
270 | 916 | 123,42 | 294,75 | 61,71 | 10,03 | 52196,21 |
250 | 916 | 114,28 | 272,92 | 57,14 | 10,03 | 51113,99 |
230 | 916 | 105,14 | 251,09 | 52,57 | 10,03 | 49899,45 |
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Demzufolge ist der Drahtaufwand pro Werkstück deutlich niedriger, wenn erfindungsgemäß gearbeitet wird.
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Das Gleiche gilt, wenn, wie gemäß Tabelle 4, eine von der Referenz-Teilung abweichende größere Teilung T der Drahtsäge oder, wenn, wie gemäß Tabelle 5, eine von der Referenz-Länge abweichende kleinere Länge L des Werkstücks und eine von der Referenz-Teilung abweichende größere Teilung T der Drahtsäge auf die erfindungsgemäße Weise berücksichtigt wird. Tabelle 4
L = L0 [mm] | T [μm] | Dv' [m] | (L/T) | (1 – x)·Dv' [m] | Z = Z0 | DAW [m] |
350 | 816 | 179,60 | 428,92 | 89,80 | 10,03 | 56907,17 |
350 | 1000 | 146,56 | 350,00 | 73,28 | 10,03 | 54471,55 |
Tabelle 5
L [mm] | T [μm] | Dv' [m] | (L/T) | (1 – x)·Dv' [m] | Z = Z0 | DAW [m] |
330 | 816 | 169,34 | 404,41 | 84,67 | 10,03 | 56231,39 |
330 | 1000 | 138,18 | 330,00 | 69,09 | 10,03 | 53714,32 |
310 | 816 | 159,08 | 379,90 | 79,54 | 10,03 | 55487,44 |
310 | 1000 | 129,81 | 310,00 | 64,90 | 10,03 | 52884,30 |
290 | 816 | 148,81 | 355,39 | 74,40 | 10,03 | 54664,48 |
290 | 1000 | 121,43 | 290,00 | 60,71 | 10,03 | 51970,46 |
270 | 816 | 138,55 | 330,88 | 69,27 | 10,03 | 53749,19 |
270 | 1000 | 113,06, | 270,00 | 56,53 | 10,03 | 50959,42 |
250 | 816 | 128,29 | 306,37 | 64,14 | 10,03 | 52725,13 |
250 | 1000 | 104,68 | 250,00 | 52,34 | 10,03 | 49834,82 |
230 | 816 | 118,02 | 281,86 | 59,01 | 10,03 | 51571,68 |
230 | 1000 | 96,31 | 230,00 | 48,15 | 10,03 | 48576,37 |
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Der prozentuale Drahtaufwand in Abhängigkeit vom in Prozent ausgedrückten Verhältnis L/L0 ist in 4 für drei verschiedene Teilungen der Drahtsäge graphisch dargestellt.
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5 zeigt eine statistische Auswertung in Bezug auf Dickenvarianz (TTV) und „warp”. Für beide Parameter erhält man eine engere Verteilung (TTV', warp'), wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, und eine breitere Verteilung (TTV, warp), wenn das gleiche Sägerezept angewendet wird, ohne die Länge L des Werkstücks und die Teilung T der Drahtsäge zu berücksichtigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 7980090 A2 [0003]
- DE 102006058823 A1 [0008, 0016]