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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von scheibenförmigen Elementen, insbesondere Wafern.
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Scheibenförmige Elemente, wie beispielsweise Wafer, werden in großem Umfang für photovoltaische Solarzellen benötigt. Hierbei werden aus kristallinen Siliziumblöcken mittels Draht-Trennläppen monokristalline oder multikristalline Wafer hergestellt. Damit das Draht-Trennläppen möglichst wirtschaftlich ist, muss eine vollständige Trennung der Wafer sichergestellt werden, da bei unvollständiger Bearbeitung ein hoher wirtschaftlicher Schaden resultieren würde. Aus diesem Grund wird bei den bisherigen Herstellungsverfahren der Schnitt tendenziell zu tief gefahren. Dies führt jedoch teilweise zu instabilen Verhältnissen bei einem Entnahmevorgang der Wafer sowie zu einem unerwünschten hohen zusätzlichen Zeitverlust, da eine übliche Schnittgeschwindigkeit für das Draht-Trennläppen bei ca. 0,4 mm pro Minute liegt. Von daher wäre es wünschenswert, zum einen eine vollständige Durchtrennung des Siliziumblocks sicherzustellen und andererseits keine überflüssige Prozesszeit zu generieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Elementen, insbesondere Wafern, aus einem Materialblock, umfasst daher einen Schritt des elektrischen und/oder optischen und/oder akustischen Detektierens eines exakten Prozessendes. Hierdurch kann einerseits ein vollständiges Durchtrennen des Materialblocks in scheibenförmige Elemente erreicht werden und andererseits wird keine Prozesszeit unnötig verschwendet, indem ein Draht-Trennläpp-Prozess unnötigerweise zu lange ausgeführt wird. Erfindungsgemäß wird das Draht-Trennläppen unmittelbar nach dem vollständigen Durchtrennen des Materialblocks beendet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist ein Metalldraht an einer Grundflächenseite des Materialblocks angeordnet und in einen Stromkreis integriert, und eine Steuereinheit ist ausgelegt, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem an der Grundflächenseite angeordneten Metalldraht und dem Prozessdraht zu erfassen und dadurch ein exaktes Prozessende zu bestimmen. Erfindungsgemäß wird hierbei die Tatsache ausgenutzt, dass der Prozessdraht ebenfalls leitend ist und bei einem Kontakt mit dem grundflächenseitigen Metalldraht der Materialblock vollständig in dünne Scheiben unterteilt ist. Als grundflächenseitiger Metalldraht wird vorzugsweise ein isolierter Kupferdraht verwendet. Besonders bevorzugt ist dabei der grundflächenseitige Metalldraht mittig in einem Winkel von 90° zum Prozessdraht angeordnet, da sich während des Trenn-Drahtläppens der Prozessdraht bogenförmig anordnen kann. Hierdurch wird auch ein vollständiges Durchtrennen im mittleren Bereich des Materialblocks sichergestellt. Alternativ können auch zwei oder mehr Metalldrähte an der Grundflächenseite, insbesondere an den Kanten und der Mitte, angeordnet werden, um z. B. auch bei einem schrägen Schnitt ein exaktes Prozessende zu detektieren, indem das Prozessende erst dann erreicht ist, wenn alle angeordneten Metalldrähte an der Grundflächenseite in elektrischem Kontakt mit dem Prozessdraht stehen.
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Gemäß einem alternativen Verfahren ist an einer Grundflächenseite des Materialblocks ein licht-durchflossener Lichtleiter angeordnet. Ein exaktes Prozessende kann dabei erfasst werden, sobald der Prozessdraht beginnt, den Lichtleiter zu durchtrennen. Dies kann auf optische Weise einfach und sicher erfasst werden. Auch hierdurch ist eine exakte Bestimmung des Prozessendes möglich. Der Lichtleiter ist vorzugsweise mittig an der Grundflächenseite des Materialblocks angeordnet. Weiter bevorzugt sind auch an den Kanten der Grundflächenseite Lichtleiter angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein exaktes Prozessende mittels Detektieren von Körperschall erreicht. Hierbei wird kontinuierlich ein Körperschallsignal am Materialblock während des Draht-Trennläppens aufgenommen. Sobald ein Körperschallsensor eine Änderung des Körperschallsignals aufgrund eines vollständigen Austretens des Prozessdrahts aus dem Materialblock erfasst, bestimmt eine Steuereinheit ein exaktes Prozessende. Hierbei kann die Steuereinheit einerseits aufeinanderfolgende Körperschallsignale miteinander vergleichen oder das erfasste Körperschallsignal mit gespeicherten Körperschallsignalen vergleichen und bei Erfassen eines bestimmten Körperschallsignals ein exaktes Prozessende bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung ist der Prozessdraht in einen Stromkreis integriert, und eine Widerstandsmesseinrichtung zur Messung eines ohmschen Widerstands des Prozessdrahts ist vorgesehen. Eine Steuereinheit ist dabei ausgelegt, eine Änderung des ohmschen Widerstands zu erfassen, und, basierend auf der Änderung, ein exaktes Prozessende zu bestimmen. Dieses Verfahren kann mit einer besonders kostengünstigen Vorrichtung ausgeführt werden.
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Gemäß einem noch anderen alternativen Verfahren ist vorzugsweise der Materialblock auf einer Glasplatte fixiert und es erfolgt eine optische Überwachung der Glasplatte. Sobald während des Draht-Trennläppens der Prozessdraht in die Glasplatte eindringt, kann ein exaktes Prozessende bestimmt werden. Hierbei kann beispielsweise auch eine Änderung eines Lichtsignals durch die Glasplatte optisch erfasst werden. Dieses Verfahren ist ebenfalls sehr kostengünstig, da üblicherweise bei der Herstellung von Wafern die Siliziumblöcke auf Glasplatten aufgeklebt werden und somit die Glasplatten sowieso vorhanden sind.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls Vorrichtungen zur Durchführung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Draht-Trennläppen von scheibenförmigen Elementen aus einem Materialblock eine Steuereinheit zur exakten Bestimmung eines Prozessendes sowie eine elektrische und/oder optische und/oder akustische Vorrichtung zur Detektion eines vollständigen Austritts eines Prozessdrahtes aus dem Materialblock. Eine elektrische Erfassungsvorrichtung zur Bestimmung eines Prozessendes umfasst einen Metalldraht, welcher an einer Grundflächenseite des Materialblocks angeordnet ist. Bei einem elektrischen Kontakt zwischen dem Prozessdraht und dem Metalldraht wird ein Prozessende detektiert. Der Metalldraht ist dabei besonders bevorzugt mittig an der Grundflächenseite des Materialblocks angeordnet. Eine alternative elektrische Erfassungsvorrichtung umfasst eine Widerstandsmesseinrichtung zur Messung eines ohmschen Widerstands des Prozessdrahtes. Hierbei wird eine Änderung des ohmschen Widerstands bei einem Austreten des Prozessdrahtes aus dem Materialblock erfasst und ein exaktes Prozessende bestimmt.
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Eine bevorzugte optische Erfassungsvorrichtung umfasst einen Lichtleiter, welcher an einer Grundflächenseite des Materialblocks angeordnet ist. Sobald der Prozessdraht beginnt, den Lichtleiter zu durchtrennen, ändern sich die lichtleitenden Eigenschaften des Lichtleiters schlagartig, so dass ein Prozessende sicher erfasst werden kann. Bevorzugt ist der Lichtleiter ebenfalls mittig an der Grundflächenseite angeordnet. Alternativ kann auch eine Glasplatte optisch überwacht werden, auf welcher der Materialblock zum Halten fixiert ist.
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Eine akustische Erfassungsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Körperschallsensor, welcher Körperschall erfasst, der während des Draht-Trennläppens erzeugt wird. Sobald eine Änderung des Körperschalls durch ein vollständiges Austreten des Prozessdrahts aus dem Materialblock auftritt, wird diese Änderung durch den Körperschallsensor erfasst und ein exaktes Prozessende kann bestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung können somit bei einfachem und kostengünstigem Aufbau ein exaktes Prozessende bestimmen, wodurch insbesondere bei der Wafer-Herstellung große Kosteneinsparpotentiale erhalten werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von scheibenförmigen Elementen mittels Draht-Trennläppen, und
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2 eine schematische Schnittansicht durch die Vorrichtung von 1.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von scheibenförmigen Elementen, insbesondere Wafern, aus einem Materialblock 2 mittels Draht-Trennläppen im Detail beschrieben.
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1 zeigt schematisch die Vorrichtung 1, bei der ein aus kristallinem Werkstoff, z. B. Silizium, hergestellter Materialblock 2 mittels eines Prozessdrahts 3 durch ein Draht-Trennläppen in eine Vielzahl von Wafern 13 unterteilt wird. Der Draht wird dabei über ein Rollensystem geführt, so dass der Draht nacheinander alle Sägekanäle durchläuft. An den Trennstellen wird eine sogenannte ”Slurry” vorgesehen, welche üblicherweise ein Gemisch aus Glykol oder Öl und Silizium-Karbid-Körnern umfasst. Der Materialblock 2 ist zur Stabilisierung mittels einer ersten Klebstoffschicht 11 auf eine Glasplatte 10 aufgeklebt. Die Glasplatte 10 ist ihrerseits mittels einer zweiten Klebstoffschicht 12 auf einem Werkstückträger 9 fixiert. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Prozessdraht 3, welcher den Draht-Trennläppvorgang ausführt. Der Materialblock 2 kann dabei aus einem monokristallinen Material oder einen multikristallinen Material sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Erfassungsvorrichtung zur Detektion eines Austritts des Prozessdrahtes 3 aus dem Materialblock 2. Im in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Erfassungsvorrichtung einen Metalldraht 5, welcher an einer Grundflächenseite 2a des Materialblocks 2 befestigt ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Metalldraht 5 mittels der ersten Klebstoffschicht 11 an der Grundflächenseite 2a befestigt. Dabei ist der Metalldraht 5 mittig am Materialblock 2 angeordnet. Ferner ist der Metalldraht 5 in einem Winkel von 90° zur Ausrichtung des Prozessdrahtes 3 angeordnet. Der Metalldraht 5 ist in einen Stromkreis 7 eingebunden, wobei der Stromkreis 7 eine Spannungsquelle 8 umfasst und eine Spannungsmessvorrichtung 6 in den Stromkreis integriert ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Steuereinheit 4, welche mit der Spannungsmessvorrichtung 6 verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Elementen läuft dabei wie folgt ab. Nach dem Start des Draht-Trennläppverfahrens, bei dem der Prozessdraht 3, wie durch die Pfeile A angedeutet, immer tiefer in den Materialblock 2 bewegt wird, bildet sich eine bogenförmige Form des Prozessdrahtes 3 aus. Diese Form bleibt bis zum Ende des Prozesses erhalten. Um den Materialblock 2 vollständig in scheibenförmige Elemente 13 zu trennen, muss daher der Prozess solange durchgeführt werden, bis der Prozessdraht 3 mit dem mittigen, stromdurchflossenen Metalldraht 5 in Kontakt kommt. Wenn dieser Kontakt, welcher mittels der Messvorrichtung 6 erfasst wird und ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 4 übertragen wird, vorhanden ist, kann die Steuereinheit 4 sicher ein exaktes Prozessende bestimmen, bei dem der Materialblock 2 gerade eben vollständig durchtrennt wurde. Hierbei muss der Draht-Trennläppvorgang nicht unnötigerweise zu lange ausgeführt werden, da durch den Kontakt zwischen dem Prozessdraht 3 und dem an der Grundflächenseite 2a angeordneten Metalldraht 5 sicher eine vollständige Durchtrennung vorhanden ist.
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Die Steuereinheit 4 ist dabei vorzugsweise in einer Steuerung der Maschine integriert. Es sei angemerkt, dass selbstverständlich auch mehrere Metalldrähte 5 an der Grundflächenseite 2a, beispielsweise an den Kanten senkrecht zum Prozessdraht 3, angeordnet werden können und die Steuereinheit 4 dann ein vollständiges Durchtrennen des Materialblocks 2 bestimmt, wenn alle vorhandenen Metalldrähte, d. h., an den beiden Kanten und in der Mitte, mit dem Prozessdraht 3 in Kontakt sind.
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Es sei ferner angemerkt, dass eine optische Erfassungseinrichtung einen gleichen Aufbau wie 2 zeigt aufweisen kann, wobei lediglich der Metalldraht 5 durch einen Lichtleiter ausgetauscht wird und eine Messvorrichtung am Lichtleiter angeordnet wird, welche z. B. eine abnehmende Lichtstärke infolge eines beginnenden Durchtrennens des Lichtleiters durch den Prozessdraht 3 erfasst. Da die fixierende Klebstoffschicht 11 relativ dünn ist, kann eine alternative optische Erfassungsvorrichtung auch durch optische Überwachung der Glasplatte 10 einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Eine alternative elektrische Erfassungsvorrichtung könnte durch Überwachung eines ohmschen Widerstands des Prozessdrahts 3 ausgebildet sein.
