DE102011005948B4 - Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, umfassend während eines Sägevorgangs das Bewegen von parallel angeordneten Drahtabschnitten eines Sägedrahts relativ zum Werkstück, so dass die Scheiben entstehen, wobei die Drahtabschnitte zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt sind, die jeweils einen gerillten Belag aufweisen, der eine bestimmte Dicke hat; und das Messen einer durch Temperaturänderung hervorgerufenen Längenänderung des Belags von einer der Drahtführungsrollen mit Hilfe von Ringen, die an den Enden des Belags ausschließlich am Belag befestigt sind, indem Abstände zwischen Sensoren und den Ringen gemessen werden; und das Kühlen der Drahtführungsrollen in Abhängigkeit der gemessenen Abstände.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, bei dem während eines Sägevorgangs parallel angeordnete Drahtabschnitte eines Sägedrahts relativ zum Werkstück bewegt werden, so dass die Scheiben entstehen.
  • Ein derartiges Verfahren wird unter Verwendung einer Drahtsäge durchgeführt. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer Drahtsäge sind beispielsweise in der US 2002/0174861 A1 oder der US 2010/0089377 A1 beschrieben. Eine geeignete Drahtsäge umfasst demnach mindestens zwei Drahtführungsrollen, um die ein Sägedraht vielfach gewunden ist. Dabei entstehen zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannte und parallel angeordnete Drahtabschnitte, die ein Drahtfeld bilden, durch das das Werkstück während des Sägevorgangs bewegt wird. Es sind auch Drahtsägeverfahren bekannt, bei denen stattdessen das Drahtfeld durch das Werkstück bewegt wird.
  • Als Werkstücke kommen Materialien in Betracht, die in Scheiben getrennt werden müssen, insbesondere Blöcke aus Halbleitermaterial, von denen Halbleiterscheiben abgetrennt werden.
  • Die Drahtführungsrollen weisen einen Belag mit einer bestimmten Dicke und mit Rillen auf, die die Drahtabschnitte führen. Der Bereich der Oberfläche des Belags verschleißt mit der Dauer der Beanspruchung durch den Sägevorgang. Solange der Belag noch ausreichend dick ist, kann der verschlissene Bereich der Oberfläche des Belags durch Abschleifen entfernt und der auf diese Weise regenerierte dünnere Belag weiterverwendet werden.
  • Der Sägedraht wird während des Sägevorgangs von einer Vorratsspule auf eine Empfängerspule gewickelt. Die Laufrichtung des Sägedrahts wird dabei üblicherweise zyklisch gewechselt, wodurch eine umfassendere Nutzung des Sägedrahts erreicht wird.
  • Zum Abtrennen der Scheiben ist Schneidkorn notwendig, das in spanender Arbeitsweise Material vom Werkstück abträgt. Das Schneidkorn kann am Sägedraht fest gebunden sein. Häufiger wird stattdessen eine Sägesuspension eingesetzt, in der das Schneidkorn dispergiert ist und die dem Drahtfeld zugeführt wird.
  • Halbleiterscheiben, die auf diese Weise hergestellt werden, sollten möglichst ebene und planparallele Seitenflächen haben. Damit Scheiben mit einer derartigen geometrischen Charakteristik entstehen können, sollte während des Sägevorgangs eine axiale Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den Drahtabschnitten, also eine Relativbewegung parallel zur Mittelachse des Werkstücks, vermieden werden. Findet eine solche Relativbewegung trotzdem statt, entstehen Scheiben mit gekrümmten Querschnitt. Der Grad der Durchbiegung der Scheiben wird oftmals durch einen Kennwert, der warp genannt wird, angegeben.
  • Als Ursache für das Auftreten der genannten Relativbewegung werden in der US 2010/0089377 A1 Längenänderungen des Werkstücks und der Drahtführungsrollen genannt, die auf Temperaturänderungen und eine damit verbundene Wärmeausdehnung beziehungsweise Wärmekontraktion zurückgehen. Tatsächlich wird insbesondere bei der Bewegung des Sägedrahts um die Drahtführungsrollen und beim Eingriff des Sägedrahts in das Werkstück Reibungswärme erzeugt, und durch Wärmetransport insbesondere die Temperatur des Werkstücks, der Drahtführungsrollen und der Lager der Drahtführungsrollen verändert. In der US 2010/0089377 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Verlagerung des Werkstücks in axialer Richtung gemessen wird und die axiale Verlagerung der Drahtführungsrollen derart geregelt wird, dass sie mit der Gemessenen korrespondiert.
  • In der JP 10 166 354 A2 ist ein Verfahren beschrieben, das das Messen einer axialen Verschiebung der Drahtführungsrolle umfasst. Hierfür wird der Abstand zwischen einem Sensor und einer Messplatte gemessen, wobei die Messplatte an der Drahtführungsrolle befestigt ist.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, umfassend während eines Sägevorgangs das Bewegen von parallel angeordneten Drahtabschnitten eines Sägedrahts relativ zum Werkstück, so dass die Scheiben entstehen, wobei die Drahtabschnitte zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt sind, die jeweils einen gerillten Belag aufweisen, der eine bestimmte Dicke hat; und das Messen einer durch Temperaturänderung hervorgerufenen Längenänderung des Belags von einer der Drahtführungsrollen mit Hilfe von Ringen, die an den Enden des Belags ausschließlich am Belag befestigt sind, indem Abstände zwischen Sensoren und den Ringen gemessen werden; und das Kühlen der Drahtführungsrollen in Abhängigkeit der gemessenen Abstände.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die Messung des Abstands zwischen dem Sensor und einer an der Drahtführungsrolle befestigten Messplatte ungünstig ist, weil dadurch eine thermisch bedingte Längenänderung des Belags der Drahtführungsrolle unbeachtet bleibt. Die Längenänderung des Belags sollte beachtet werden, weil ihr Beitrag zur Verlagerung der Drahtabschnitte aus vorgesehenen Soll-Lagen größer als der Beitrag ist, der einer Längenänderung der Drahtführungsrolle geschuldet ist.
  • Erfindungsgemäß wird das berücksichtigt, indem gemessen wird, wie sich die Länge des Belags im Verlauf des Sägevorgangs verändert, und indem die Drahtführungsrollen proportional zur gemessenen Längenänderung des Belags gekühlt werden. Konkret wird eine durch Temperaturänderung hervorgerufene Längenänderung des Belags mit Hilfe von Ringen gemessen, die an den Enden des Belags ausschließlich am Belag befestigt sind, indem Abstände zwischen Sensoren und den Ringen gemessen werden. Die Drahtführungsrollen werden in Abhängigkeit der gemessenen Abstände gekühlt.
  • Dadurch, dass die Ringe an den Enden des Belags angeordnet sind und ausschließlich am Belag befestigt sind, verändert sich die axiale Position der Ringe proportional zur Längenänderung des Belags der Drahtführungsrolle. Das Verfahren berücksichtigt mit dem Belag der Drahtführungsrolle und dessen Längenänderung den Störfaktor, der zum größten Teil für eine mögliche axiale Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den Drahtabschnitten verantwortlich ist.
  • Die Ringe bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Metall oder aus Graphit. Die Messung der Abstände wird vorzugsweise stellvertretend für beide Drahtführungsrollen des Drahtfelds nur an einer der Drahtführungsrollen vorgenommen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, entsprechende Messungen an beiden Drahtführungsrollen des Drahtfelds vorzunehmen, und die Drahtführungsrollen in Abhängigkeit der jeweils gemessenen Abstände zu kühlen.
  • Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Kühlen der Drahtführungsrollen derart, dass der Unterschied zu Abständen, die vor dem Sägevorgang zwischen den Sensoren und den Ringen bestanden, kleiner oder Null wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden die Drahtführungsrollen derart gekühlt, dass thermisch bedingte Längenänderungen des Belags der Drahtführungsrollen während des Sägevorgangs möglichst rückgängig gemacht werden.
  • Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Kühlen der Drahtführungsrollen derart, dass auf eine thermisch bedingte Längenänderung des Werkstücks mit einer gleichgerichteten thermisch bedingten Längenänderung des Belags der Drahtführungsrollen reagiert wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden die Drahtführungsrollen derart gekühlt, dass eine thermisch bedingte Längenänderung des Werkstücks durch eine thermisch bedingte Längenänderung des Belags der Drahtführungsrollen möglichst kompensiert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens, die mit der ersten oder der zweiten Ausführungsform kombiniert werden kann, werden die Drahtführungsrollen und deren Festlager voneinander unabhängig gekühlt. Diese Variante berücksichtigt zusätzlich den Einfluss einer thermisch bedingten Längenausdehnung des Festlagers während des Sägevorgangs.
  • Die Längenänderung des Werkstücks während des Sägevorgangs hängt von der Länge ab, die das Werkstück vor dem Sägevorgang hat, und von der während des Sägevorgangs entstehenden Wärmemenge. Die Letztere ist abhängig von den gewählten Prozessbedingungen, die durch eine Gesamtheit verschiedener Prozessparameter beschrieben wird. Zu diesen Prozessparametern gehören insbesondere die Geschwindigkeit des Sägedrahts, die Menge und Temperatur der Sägesuspension, die dem Drahtfeld zugeführt wird, die Vorschubgeschwindigkeit, mit der das Werkstück durch das Drahtfeld bewegt wird, die Art des Schneidkorns und die Art des Trägermaterials, mit dem das Werkstück gehalten wird. Bleiben die gewählten Prozessbedingungen über mehrere Sägevorgänge unverändert, hängt die Längenänderung des Werkstücks während eines der Sägevorgänge nur noch von der Länge ab, die das Werkstück vor dem Sägevorgang hat.
  • Für Sägevorgänge, die unter den selben Prozessbedingungen ablaufen, ist es daher ausreichend, einmalig ein Werkstück unter den gewählten Prozessbedingungen in Scheiben zu trennen und während des Sägevorgangs die Temperatur des Werkstücks zu messen. Danach kann für diesen Sägevorgang und für alle anderen Sägevorgänge, die unter den gewählten Prozessbedingungen ablaufen sollen und mit denen gleichartiges Material geschnitten werden soll, eine Kurve erstellt werden, die die Längenänderung eines Werkstücks in Abhängigkeit der Schnitt-Tiefe oder der Dauer des Sägevorgangs vorhersagt. Die Längenänderung kann mit Hilfe des linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Werkstücks, des gemessenen Temperaturverlaufs und der Länge, die das Werkstück vor dem jeweiligen Sägevorgang hat, berechnet werden.
  • Das Kühlen der jeweiligen Drahtführungsrolle und des jeweiligen Festlagers erfolgt vorzugsweise derart, dass zu jedem Zeitpunkt des Sägevorgangs die Differenz ΔLW(x) – (ΔLF + ΔLB(x)) kleiner als 20 μm ist, wobei ΔLW(x) die axiale Verschiebung ist, die eine axiale Position x auf dem Werkstück in Folge einer Längenänderung des Werkstücks erfährt, die durch die Temperaturänderung des Werkstücks verursacht wird, ΔLF die Längenänderung ist, die das jeweilige Festlager durch die Temperaturänderung des Festlagers erfährt, und ΔLB(x) die axiale Verschiebung ist, die die axiale Position x auf dem Belag der Drahtführungsrolle in Folge einer Längenänderung des Belags erfährt, die durch die Temperaturänderung des Belags verursacht wird. Die axiale Position x ist eine Position auf der Mittelachse des Werkstücks oder eine äquivalente Position.
  • Je größer die Differenz ist, desto weiter sind die Drahtabschnitte von den Soll-Lagen entfernt, die einen geraden Schnitt durch das Werkstück gewährleisten würden. Und die Differenz wird ohne Gegenmaßnahmen umso größer, je größer der Abstand der axialen Position x zur Mitte der Drahtführungsrolle ist. Das ist besonders dann zu beachten, wenn mehrere Werkstücke nebeneinander angeordnet werden, um sie gleichzeitig zu sägen. Eine solche Anordnung von Werkstücken wird vorgenommen, um das zur Verfügung stehende Drahtfeld möglichst vollständig nutzen zu können.
  • Es ist bevorzugt, auf eine axiale Verschiebung ΔLW(x) mit dem Kühlen der jeweiligen Drahtführungsrolle und des jeweiligen Festlagers in der Weise zu reagieren, dass die Differenz ΔLW(x) – (ΔLF + ΔLB(x)) kleiner als 20 μm ist.
  • Das kann dadurch geschehen, dass die axiale Längenänderung des Belags der Drahtführungsrolle während des Sägevorgangs gemessen wird, ebenso wie die axiale Längenänderung des Festlagers, und die Kühlung der Drahtführungsrollen und deren Festlager in Abhängigkeit der gemessenen Längenänderungen in voneinander unabhängiger Weise geregelt werden.
  • Das kann alternativ auch geschehen, indem das Werkstück derart gekühlt wird, dass ΔLW(x) während des Sägevorgangs kleiner als 5 μm ist, und die Drahtführungsrollen und deren Festlager in voneinander unabhängiger Weise derart gekühlt werden, dass die Summe (ΔLF + ΔLB(x)) während des Sägevorgangs kleiner als 25 μm, vorzugsweise kleiner als 10 μm ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, Temperaturänderungen und damit einhergehende Längenänderungen des Werkstücks und des Festlagers und des Belags der jeweiligen Drahtführungsrolle während des Sägevorgangs vollständig zu unterdrücken.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise eingesetzt, um Scheiben mit möglichst planparallelen Seitenflächen herzustellen. Es ist aber auch nicht ausgeschlossen, das Ziel des Verfahrens abzuändern und Scheiben mit einer bestimmten beabsichtigten Durchbiegung herzustellen.
  • Das Werkstück wird während des Sägevorgangs typischerweise derart gehalten, dass es sich bei einer Temperaturänderung an beiden Enden axial ausdehnen oder zusammenziehen kann. Es besteht beispielsweise aus polykristallinem oder einkristallinem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium. Es hat typischerweise die Form eines zylindrischen Stabstücks mit einem Durchmesser, der ausreicht, um Scheiben mit einem Durchmesser im Bereich von 200 bis 450 mm herstellen zu können.
  • Ein Einkristall aus Silizium, der zu Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm getrennt wird, erfährt während des Sägevorgangs eine maximale Temperaturänderung in einer Größenordnung von typischerweise 30°C, was einer maximalen Längenänderung in einer Größenordnung von typischerweise 25 μm entspricht. Die angegebenen Größenordnungen sind typisch für Verfahren, bei denen der Einkristall nicht gekühlt wird.
  • Die Längenänderung des Belags der Drahtführungsrolle während des Sägevorgangs in Folge einer Temperaturänderung des Belags hängt insbesondere vom linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Belags, von der Dicke des Belags und von der während des Sägevorgangs entstehenden Wärmemenge ab. Die Letztere wird maßgeblich von den Prozessbedingungen und der Länge beeinflusst, die das Werkstück vor dem Sägevorgang hat. Für Sägevorgänge, die unter denselben Prozessbedingungen und mit gleichartigem Belagmaterial durchgeführt werden, ist die Längenänderung des Belags nur von der Länge des Werkstücks und von der Dicke des Belags abhängig.
  • Der Belag ist typischerweise derart auf dem Kern der Drahtführungsrollen befestigt, dass er sich bei einer Temperaturänderung ungehindert an beiden Enden axial ausdehnen oder zusammenziehen kann. Die Längenänderung des Belags kann jedoch in gewissen Grenzen beschränkt werden, indem der Belag auf den darunter liegenden Kern der Drahtführungsrolle geklemmt wird, beispielsweise durch an beiden Enden des Belags angeordnete Klemmringe. Die Klemmringe fixieren den Belag auf dem Kern der Drahtführungsrolle und schränken eine durch Temperaturänderung bedingte Längenänderung des Belags ein. Das Klemmen des Belags auf den Kern der Drahtführungsrolle kommt insbesondere dann in Betracht, wenn beabsichtigt wird, eine möglichst geringe oder keine thermisch bedingte Längenänderung des Belags der Drahtführungsrolle zuzulassen.
  • Bei einer typischen Dicke des Belags von 6 mm erfährt ein Belag aus Polyurethan beim Abtrennen der Scheiben vom erwähnten Einkristall aus Silizium ohne Berücksichtigung von Kühlmaßnahmen und ohne Berücksichtigung der Klemmung des Belags auf den Kern der Drahtführungsrolle eine maximale Temperaturänderung in einer Größenordnung von typischerweise 20°C und eine maximale Längenausdehnung in einer Größenordnung von typischerweise 80 μm. Der Belag ist demnach einer deutlich stärkeren Längenänderung unterworfen als der Einkristall.
  • Die das Drahtfeld aufspannenden Drahtführungsrollen sind typischerweise jeweils über eine Welle in einem Festlager und einem Loslager gelagert. Das Festlager kann sich bei einer Temperaturänderung nicht an beiden Enden axial ausdehnen oder zusammenziehen, sondern nur an dem Ende, das dem Loslager gegenüberliegt. Eine Längenänderung des Festlagers verschiebt den Belag der Drahtführungsrolle und damit jeden der Drahtabschnitte um einen einheitlichen Betrag.
  • Bei einer typischen Konfiguration des Festlagers erfährt das Festlager beim Abtrennen der Scheiben vom erwähnten Einkristall aus Silizium ohne Berücksichtigung von Kühlmaßnahmen eine maximale Temperaturänderung in einer Größenordnung von typischerweise 1,5°C und eine maximale Längenausdehnung in einer Größenordnung von typischerweise 6 μm.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt in einer schematischen Weise die Längenänderungen, die maßgeblich dafür verantwortlich sind, dass eine axiale Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den Drahtabschnitten auftreten kann.
  • 2 zeigt im Querschnitt eine Drahtführungsrolle, die zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, und das zu dieser Drahtführungsrolle gehörende Festlager.
  • 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch das Werkstück 12, die Drahtführungsrolle 1 und das Festlager 2. Dargestellt sind die Längenänderungen, die maßgeblich dafür verantwortlich sind, dass eine axiale Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den Drahtabschnitten auftreten kann. Dazu gehören die Längenänderung ΔLW des Werkstücks 12, die Längenänderung ΔLB des Belags 8 der Drahtführungsrolle 1 und die Längenänderung ΔLF des Festlagers 2 der Drahtführungsrolle. Die Längenänderungen ΔLB und ΔLW sind der Einfachheit wegen so dargestellt, als wären das Festlager und die Drahtführungsrolle nicht miteinander verbunden. Demzufolge wird ein Punkt mit einer axialen Position an den Enden des Werkstücks in Folge von Wärmeausdehnung des Werkstücks um den Betrag ΔLW verschoben, und ein Punkt mit einer axialen Position an den Enden des Belags der Drahtführungsrolle in Folge von Wärmeausdehnung des Belags um den Betrag ΔLB.
  • Die Darstellung gemäß 2 zeigt, dass die Drahtführungsrolle 1 und das zu dieser gehörende Festlager 2 jeweils Kanäle 3 und 4 aufweisen, die an Kühlkreisläufe angeschlossen sind, die unabhängig voneinander mit Kühlmittel versorgt werden. Der Kühlkreislauf der Drahtführungsrolle 1 ist derart ausgeführt, dass ein Kühlmittel wie beispielsweise Wasser durch Drehdurchführungen in die während des Sägevorgangs rotierende Drahtführungsrolle 1 geleitet wird.
  • In die Kühlkreisläufe eingebunden sind jeweils Wärmetauscher (nicht dargestellt), Steuerungseinheiten 5 und 6, sowie Sensoren 7, die zwei unabhängig voneinander arbeitende Regelkreise zum Kühlen der Drahtführungsrolle 1 und des Festlagers 2 mit Mess-Signalen versorgen. Die von den Sensoren 7 gelieferten Mess-Signale werden in den Steuerungseinheiten 5 und 6 umgewandelt in Kühlparameter als Stellgrößen zum Kühlen der Drahtführungsrolle 1 und des Festlagers 2 in voneinander unabhängiger Weise.
  • Die Sensoren 7 messen den Abstand ΔL zu jeweils zugeordneten Ringen 9, die an den Enden des Belags 8 der Drahtführungsrolle 1 angeordnet sind. Die Ringe 9 sind am Belag 8 selbst befestigt und haben ausschließlich Kontakt zum Belag 8. Falls es gewünscht ist, die Längenänderung des Kerns der Drahtführungsrolle zu berücksichtigen, kann ein weiterer Sensor 11 vorgesehen sein, mit dem der Abstand zum Kern 10 der Drahtführungsrolle gemessen wird. Der Kern 10 der Drahtführungsrolle 1 ist üblicherweise aus Invar gefertigt, so dass dessen Einfluss auf die Änderung der axialen Lage der Drahtabschnitte entsprechend gering ist.
  • Beispiel:
  • Einkristalle aus Silizium mit einem Durchmesser von 300 mm wurden mittels einer vier Drahtführungsrollen umfassenden Drahtsäge in Scheiben getrennt. Die das Drahtfeld aufspannenden Drahtführungsrollen und deren zugehörige Festlager hatten die in 2 gezeigte Struktur und wurde erfindungsgemäß gekühlt. Die erfindungsgemäße Messung der Abstände zwischen den Sensoren und den Ringen erfolgte stellvertretend für beide Drahtführungsrollen des Drahtfelds an einer der Drahtführungsrollen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, umfassend während eines Sägevorgangs das Bewegen von parallel angeordneten Drahtabschnitten eines Sägedrahts relativ zum Werkstück, so dass die Scheiben entstehen, wobei die Drahtabschnitte zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt sind, die jeweils einen gerillten Belag aufweisen, der eine bestimmte Dicke hat; und das Messen einer durch Temperaturänderung hervorgerufenen Längenänderung des Belags von einer der Drahtführungsrollen mit Hilfe von Ringen, die an den Enden des Belags ausschließlich am Belag befestigt sind, indem Abstände zwischen Sensoren und den Ringen gemessen werden; und das Kühlen der Drahtführungsrollen in Abhängigkeit der gemessenen Abstände.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Kühlen der Drahtführungsrollen derart, dass der Unterschied zu Abständen, die vor dem Sägevorgang zwischen den Sensoren und den Ringen bestanden, kleiner oder Null wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Kühlen der Drahtführungsrollen derart, dass auf eine thermisch bedingte Längenänderung des Werkstücks mit einer gleichgerichteten thermisch bedingten Längenänderung des Belags der Drahtführungsrollen reagiert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das voneinander unabhängige Kühlen der Drahtführungsrollen und eines Festlagers der Drahtführungsrollen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend das Klemmen des Belags auf einen darunter liegenden Kern der Drahtführungsrollen.
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