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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, insbesondere von Halbleiterscheiben von einem Halbleiterkristall, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Für viele Anwendungen werden dünne ebene Scheiben aus bestimmten Materialien benötigt, beispielsweise Glasscheiben als Substrate zur Herstellung von Magnetspeicherplatten (”hard drive disks”, HDD), Scheiben aus Saphir oder Siliciumcarbid als Unterlage zur Fertigung optoelektronischer Bauteile oder Halbleiterscheiben zur Herstellung von photovoltaischen Zellen (”Solarzellen”) oder als Substrate zur Strukturierung mikroelektronischer oder mikro-elektromechanischer Bauelemente.
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Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien (wie z. B. Elementhalbleiter (Silicium, Germanium) oder Verbindungshalbleiter (z. B. III–V)) werden insbesondere als meist einkristallines Grundmaterial für elektronische Bauelemente benötigt und müssen dafür besonders hohe Anforderungen in Bezug auf Ebenheit, Sauberkeit und Defektarmut erfüllen.
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Zum Abtrennen der Scheiben von einem Werkstück wird insbesondere das Trennläppen verwendet. Darunter versteht man ein Abtrennen von Teilkörpern wie beispielsweise Scheiben aus einem Werkstück durch Bilden von Trennspalten mittels Läppen.
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Einen umfassenden Überblick über ein solche Trennverfahren liefert die
DE 10 2012 203 275 A1 , auf die bezüglich näherer Details verwiesen wird.
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Beim Vielfach-Trennläppen entsteht eine Vielzahl von Scheiben gleichzeitig, beispielsweise indem ein Draht so umgelenkt wird, dass er in Gestalt mehrerer Abschnitte desselben Drahts mehrfach in Eingriff mit dem Werkstück gelangt und so eine Vielzahl von Trennspalten gleichzeitig bildet. Eine dafür geeignete Vorrichtung (”Slurry-Drahtsäge”, ”slurry wire saw”) umfasst Draht, mindestens zwei zylindrische Drahtführungsrollen, die jeweils drehbar um ihre jeweilige Zylinderachse gelagert und deren Achsen horizontal und parallel zueinander angeordnet sind und deren Mantelflächen jeweils eine Vielzahl konzentrisch um die jeweilige Achse und weitgehend äquidistant zueinander verlaufende Rillen aufweisen, eine Ab- und eine Aufwickelspule, eine Vorrichtung zum Vorspannen des Drahtes in Drahtlängsrichtung, eine Zustellvorrichtung, mit der das Werkstück senkrecht zu den Achsen der Drahtführungsrollen auf die durch die Achsen aufgespannte Ebene zugestellt werden kann, und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Schneidmittels in Form einer Aufschlämmung von losen Hartstoffen in einer Trägerflüssigkeit. Der Draht wird unter Spannung mittels der Rillen spiralförmig mehrfach so über die Drahtführungsrollen geführt, dass einzelne Drahtabschnitte parallel zueinander zu liegen kommen und ein Drahtgatter bilden. Durch gleichsinnige Drehung der Drahtführungsrollen wird der Draht von der Abwickelspule ab- und auf die Aufwickelspule aufgewickelt. Dabei bewegen sich die Drahtabschnitte des Drahtgatters jeweils parallel zueinander und mit gleicher Geschwindigkeit in Drahtlängsrichtung.
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Der Trennvorgang umfasst üblicherweise ein gleichförmiges Bewegen der Drahtabschnitte im Drahtgatter durch gleichsinnige Drehung der Drahtführungsrollen; ein langsames Zustellen des Werkstücks parallel zur Senkrechten des Drahtgatters auf das bewegte Drahtgatter hin; ein In-Kontakt-Bringen des Werkstücks mit dem bewegten Drahtgatter unter Zuführung von Schneidmittel; das Bewegen des Werkstücks durch das Drahtgatter unter fortgesetzter Zuführung des Schneidmittels und schließlich das Beenden von Zustellung des Werkstücks und Drehung der Drahtführungsrollen, wenn das Drahtgatter sich durch den gesamten Querschnitt des Werkstücks hindurch gearbeitet hat und sich vollständig innerhalb einer Sägeleiste befindet, die als Haltehilfe am Werkstück befestigt ist.
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Bei kreiszylindrischen Werkstücken verändert sich beim Trennvorgang die freie Weglänge des Sägedrahtes zwischen den das Drahtgatter aufspannenden beiden Drahtführungsrollen und den eingangs- und ausgangsseitigen Werkstückseiten. Zu Beginn des Sägeprozesses ist die freie Drahtlänge zwischen einer Drahtführungsrolle und der Eintrittsstelle in das Werkstück länger als bei fortschreitendem Prozess. Nachdem die Hälfte des Werkstückes zersägt ist, nimmt die freie Drahtlänge wieder zu. Je länger die freie Drahtlänge ist, desto stärker kann der Draht schwingen und desto ungenauer wird die Einschnittskante.
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In der
DE 39 42 671 A1 wird beschrieben, im Sägebereich zwischen den beiden Drahtführungsrollen bewegliche Hilfsführungsrollen vorzusehen, um so den Drahtabschnitten des Drahtgatters einen zusätzlichen Umlenkwinkel aufzugeben. Der Abstand der Hilfsführungsrollen vom Werkstück kann verändert werden. Die zusätzlichen Hilfsführungsrollen beschränken jedoch die verfügbare Schneidelänge.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist die Reduktion von Drahtschwingungen. Es ist wünschenswert, die Genauigkeit der Einschnittskante möglichst während des gesamten Trennvorgangs auch ohne Verlust von Schneidelänge hoch zu halten.
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Lösung der Aufgabe
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 und durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung erlaubt, bei einer Vorrichtung zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück (im Folgenden auch als Drahtsäge bezeichnet) den Abstand zwischen zwei einen Sägebereich begrenzenden und relativ zueinander verschiebbaren Drahtführungsrollen, zwischen denen ein Drahtgatter aufweisend eine Vielzahl von parallel verlaufenden Drahtabschnitten aufgespannt ist und von denen mindestens eine angetrieben ist, um die Vielzahl von parallel verlaufenden Drahtabschnitten mit einer Zugkraft zu beaufschlagen, und die Drahtspannung in den Drahtabschnitten des Drahtgatters durch geeignete Einrichtungen zu verändern bzw. einzustellen. Dadurch kann die freie Weglänge des Sägedrahtes zwischen den das Drahtgatter aufspannenden beiden Drahtführungsrollen und den eingangs- und ausgangsseitigen Werkstückseiten auch bei z. B. kreiszylindrischen Werkstücken möglichst klein und vorzugsweise konstant gehalten werden, ohne die verfügbare Schneidelänge an sich zu begrenzen. Dadurch kommt es zu geringeren Drahtschwingungen und der Ein- und Ausschnitt des Drahtes wird genauer. Gleichzeitig können Veränderungen der Drahtspannung durch die Veränderung des Abstands kompensiert werden. Alternativ kann auch eine erwünschte Veränderung der Drahtspannung erzielt werden, was insgesamt den Trennvorgang verbessert.
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Die beiden Drahtführungsrollen sind verschiebbar gelagert, so dass sie während des Trennvorgangs auf einfache Weise in einem erwünschten Abstand zur Werkstückmantelfläche gehalten werden können. Zweckmäßigerweise erfolgt die Verstellung kontinuierlich, beispielsweise mittels hydraulischer Antriebe, Spindeln oder Stellmotoren. Um den Sägebereich nicht einzuschränken, weist die Drahtsäge in dem Sägebereich zwischen den zwei Drahtführungsrollen zweckmäßigerweise keine anderen Rollen auf.
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Der erwünschte Abstand zur Werkstückoberfläche während des Trennvorgangs kann eingehalten werden, indem eine Abstandsregelung während des Trennvorgangs oder eine Abstandssteuerung nach Vermessung des Werkstücks durchgeführt wird. Für die Abstandsregelung wird der momentane Abstand während des Trennvorgangs vermessen, z. B. mittels Lasermessung oder Lichtschranken. Für die Abstandssteuerung wird das Werkstück vor dem Trennvorgang vermessen und eine Sollbewegungsbahn für die Drahtführungsrolle daraus ermittelt.
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Eine bevorzugte Möglichkeit zur Einstellung der Drahtspannung in den Drahtabschnitten des Drahtgatters ist der Einsatz wenigstens einer verschiebbaren, zweckmäßigerweise nicht angetriebenen Drahtspannrolle außerhalb des Sägebereichs. Die wenigstens eine Drahtspannrolle wird zweckmäßigerweise senkrecht zur Drahtrichtung verschoben, um dadurch die Drahtlänge und damit die Drahtspannung zu verändern. Ist sie nicht angetrieben, kann eine Beeinflussung der Drahtspannung durch einen weiteren Antrieb vermieden werden. Sie liegt außerhalb des Sägebereichs, um den Sägebereich nicht einzuschränken.
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Vorzugsweise ist die wenigsten eine Drahtspannrolle so angeordnet und verschiebbar gelagert, dass durch ihre Verschiebung gewünschtenfalls auch eine Auflagefläche des Sägedrahtes auf den Drahtführungsrollen (sog. Umschlingung) eingestellt und damit insbesondere den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden kann.
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Eine ebenso bevorzugte Möglichkeit zur Einstellung der Drahtspannung in den Drahtabschnitten des Drahtgatters ist das Erreichen einer Differenzdrehzahl der beiden Drahtführungsrollen. Sind beide Drahtführungsrollen angetrieben (üblicherweise elektromotorisch), können unterschiedliche Drehzahlsollwerte vorgegeben werden. Sind beide oder ist nur eine Drahtführungsrolle angetrieben, kann die Drahtspannung auch durch Vorgabe unterschiedlicher Drehwiderstände für die Drahtführungsrollen, z. B. durch Bremsen, eingestellt werden. Angetrieben meint, dass die Drahtführungsrolle die Vielzahl von parallel verlaufenden Drahtabschnitten antreibt, d. h. mit einer Zugkraft beaufschlagt, und nicht, dass die Drahtführungsrolle von der Vielzahl von parallel verlaufenden Drahtabschnitten angetrieben wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drahtsäge.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand einer in 1 beispielhaft dargestellten möglichen Ausführungsform näher erläutert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die zur Darstellung des Erfindungsgedankens sinnvollen Bestandteile der Drahtsäge gezeigt, während auf die Darstellung weiterer üblicher und dem Fachmann ohnehin geläufiger Einrichtungen, z. B. zur Lagerung der Drahtführungsrollen und des Werkstückträgers im Maschinengestell, verzichtet wird. Dies gilt auch für die Einrichtungen zum Auf- und Abspulen sowie zum Spannen und Entspannen des Drahtes vor und nach dem Passieren des Systems der Drahtführungsrollen, für die Versorgung der Vielzahl der Sägespalte, deren Anzahl typisch etwa 100 bis 2000 beträgt, mit Läpptrennmittel, sowie auch dessen Entsorgung.
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In 1 ist eine Drahtsäge als Trennvorrichtung zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück 1 in einer schematischen Frontalansicht dargestellt. Ein Werkstück 1, beispielsweise in Form eines Rundstabes, kann z. B. aus Halbleitermaterial wie Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid, oder oxidischem Material wie Gallium-Gadolinium-Granat oder Quarz bestehen. Das Werkstück 1 ist auf eine Schneidunterlage 2 aufgekittet, wobei durch eine nicht dargestellte Vorschubeinrichtung eine Vorschubbewegung zwischen dem Werkstück 1 und der Drahtsäge in eine mit einem langen senkrechten Doppelpfeil angegebene Richtung ausgeführt wird.
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Die Drahtsäge weist im vorliegenden Beispiel drei Drahtführungsrollen 4a, 4b, 4c auf, über die ein Draht 3 wendelartig geführt wird, um ein aus einer Vielzahl von in einem bestimmten Abstand senkrecht zur Zeichenebene parallel nebeneinander verlaufenden Drahtabschnitten bestehendes Drahtgatter (Drahtharfe) zu bilden.
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Zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4b ist ein Sägebereich 7 gebildet, der beim Trennen mit dem Werkstück 1, wie gezeigt, in Kontakt kommt.
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Die beiden den Sägebereich 7 begrenzenden Drahtführungsrollen 4a, 4b sind entlang der mit den beiden waagrechten Doppelpfeilen gekennzeichneten Richtung relativ zueinander und relativ zum Werkstück 1 verschiebbar gelagert. In der Figur ist zur Veranschaulichung eine Verschiebung der rechten Drahtführungsrolle 4b in eine strichpunktiert gezeichnete Lage dargestellt.
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Zum Bewirken der Verschiebung der Drahtführungsrollen 4a und 4b sind ein geeigneter Antrieb 8, z. B. ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb, und eine Antriebssteuerungseinheit (z. B. SPS) 9 zur Steuerung des Antriebs 8 vorgesehen. Antrieb 8 und Antriebssteuerungseinheit 9 sind Teil einer Abstandseinstelleinrichtung zum Einstellen eines Abstands zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4b.
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Die Drahtsäge weist weiterhin mindestens eine Drahtspannrolle 5 außerhalb des Sägebereichs 7 auf, d. h. die Drahtabschnitte im Sägebereich 7 berühren die Drahtspannrolle 5 nicht. Im vorliegenden Beispiel ist nur eine Drahtspannrolle 5 dargestellt, jedoch kann auch zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4c eine Drahtspannrolle vorgesehen sein. Die Drahtspannrolle 5 ist nicht angetrieben und entlang der mit einem kurzen senkrechten Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung verschiebbar gelagert. Die zwischen den Drahtführungsrollen 4b und 4c verlaufenden Drahtabschnitte berühren die Drahtführungsrolle 5, die dementsprechend zweckmäßigerweise in ihrer Längserstreckung in die Zeichenebene hinein und in der Anzahl ihrer Rillen zur Führung der Drahtabschnitte den Drahtführungsrollen entspricht.
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Es ist erkennbar, dass durch Verschieben der Drahtführungsrolle 4b in der Figur nach links die Länge der Drahtabschnitte zwischen den Führungsrolle 4a und 4b reduziert wird. Dies führt unter ansonsten gleichen Bedingungen zu einer drastischen Reduzierung der Drahtspannung in den Drahtabschnitten. Gemäß der hier dargestellten bevorzugten Ausführung der Erfindung kann dies vermieden werden, indem die Drahtspannrolle 5 aus der mit durchgezogener Linie dargestellten Position in die mit strichpunktierter Linie dargestellte Position in der Figur nach oben verschoben wird. Dementsprechend verändert auch der Draht 3 seinen Verlauf von dem mit durchgezogener Linie dargestellten Verlauf in den mit strichpunktierter Linie dargestellten Verlauf.
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Zum Bewirken der Verschiebung der Drahtspannrolle 5 sind ein geeigneter Antrieb, z. B. ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb, und eine Antriebssteuerungseinheit (z. B. SPS) zur Steuerung des Antriebs vorgesehen (nicht gezeigt, jedoch analog zu Antrieb 8 und Antriebssteuerungseinheit 9). Antrieb und Antriebssteuerungseinheit sind Teil einer Drahtspanneinrichtung zum Einstellen einer Spannung in der Vielzahl von parallel verlaufenden Drahtabschnitten zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4b.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Länge des um die Drahtführungsrollen gewendelten Drahtes 3 auch durch entsprechende Steuerung der Abwickelrolle und/oder der Aufwickelrolle an die geometrischen Gegebenheiten angepasst werden.
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Weiterhin alternativ oder zusätzlich kann eine Spannung in den zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4b verlaufenden Drahtabschnitten durch Vorgabe einer Differenzdrehzahl zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4b eingestellt werden. Dazu können beispielsweise beide Drahtführungsrollen 4a und 4b unabhängig voneinander angetrieben werden, wobei den beiden Drahtführungsrollen 4a und 4b unterschiedliche Solldrehzahlen vorgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine oder können beide der Drahtführungsrollen 4a und 4b unterschiedlich gebremst werden, um unterschiedliche Rotationswiderstände bereitzustellen. Im ersten Fall sind Antrieb und Antriebssteuerungseinheit Teil der Drahtspanneinrichtung, im zweiten Fall Bremse und Bremssteuerungseinheit, und stellen jeweils Mittel dar, um eine Differenzdrehzahl zwischen den zwei Drahtführungsrollen einzustellen.
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Alle genannten Antriebs- und Bremssteuerungseinheiten können Teil derselben Recheneinheit (z. B. SPS) sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Trennen einer Vielzahl von Scheiben von dem Werkstück 1 das Werkstück 1 in der Zeichenebene entlang der mit dem kurzen Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung nach oben in die Drahtsäge geschoben. Dabei wird die sich jeweils zwischen der Mantelfläche des Werkstücks 1 und der benachbarten Drahtführungsrolle 4a bzw. 4b ergebende freie Weglänge konstant gehalten, indem die Drahtführungsrollen 4a, 4b in der Zeichenebene entlang der mit den waagrechten Doppelpfeilen gekennzeichneten Richtung verschoben werden. Gleichzeitig wird die Spannung in den Drahtabschnitten zwischen den Drahtführungsrollen 4a und 4b im wesentlichen konstant gehalten, indem die Drahtspannrolle 5 in der Zeichenebene entlang der mit dem kurzen Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung verschoben wird. Das richtige Zusammenwirken der einzelnen Vorgänge wird von den beteiligten Steuerungseinheiten gesteuert.
