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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Stab mittels einer Drahtsäge.
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Eine Vorrichtung zum Trennläppen eines Stabs in eine Vielzahl von Scheiben gleichzeitig umfasst Draht, mehrere Drahtführungsrollen und eine Vorrichtung zum Bewegen des Stabs. Die Drahtführungsrollen haben jeweils die Form eines geraden Kreiszylinders und besitzen jeweils eine Achse, um die sie drehbar gelagert sind, und eine Zylindermantelfläche, die mit einer Vielzahl jeweils geschlossener und in Ebenen senkrecht zur Achse verlaufender Rillen in Abständen zueinander versehen sind. Die Drahtführungsrolle ist axial um einen Rollenkern drehbar gelagert. In die Mantelfläche der Drahtführungsrolle sind einzelnen Rillen für die Drahtführung eingeschnitten. Der Rillenabstand, der sog. Pitch, kann entlang der Drahtführungsrollen gleich oder unterschiedlich sein.
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Der Draht wird in den Rillen spiralförmig so um die Drahtführungsrollen herumgeführt, dass zwischen zwei Drahtführungsrollen ein Gatter aus parallel zueinander und in einer Ebene verlaufenden Abschnitten des Drahts aufgespannt wird.
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Der zu zersägende Stab ist mittels einer Sägeleiste an einer Haltevorrichtung derart befestigt, dass die Stirnflächen des Werkstücks parallel zu den Drahtabschnitten des Drahtgatters ausgerichtet sind.
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Ein Verfahren zum Trennläppen eines Stabs in eine Vielzahl von Scheiben gleichzeitig in der beschriebenen Vorrichtung umfasst ein gleichsinniges Drehen der Drahtführungsrollen um ihre Achsen und ein Zustellen des Stabs mittels der Vorrichtung zum Bewegen des Stabs senkrecht auf das Drahtgatter zu und durch dieses hindurch unter Zuführung einer Aufschlämmung aus abrasiv wirkenden Hartstoffen („Slurry“) in einer Trägerflüssigkeit. Die Drehung der Drahtführungsrollen um ihre Achsen führt dabei zu einer Bewegung der Drahtabschnitte des Gatters relativ zum Stab. Durch das Zustellen des Stabs senkrecht zum Gatter gelangen die Drahtabschnitte in Kontakt mit dem Stab und üben bei fortgesetzter Zustellung des Stabs eine Kraft auf den Stab aus. Hartstoffe, Kraft und Relativbewegung bewirken einen Materialabtrag vom Stab, so dass sich die Drahtabschnitte langsam durch den Stab hindurcharbeiten. Die Drahtabschnitte erzeugen dabei parallel zueinander verlaufende Trennspalte im Stab, so dass nach vollständigem Durchtrennen des Stabs eine Vielzahl gleichförmiger Scheiben vorliegt.
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Für viele Anwendungen wird eine Vielzahl gleichförmiger Scheiben mit einem hohen Grad an Konstanz ihrer Dicke und Ebenheit über deren gesamte Oberfläche benötigt, beispielsweise Scheiben aus einem Stab einkristallinen Halbleitermaterials als Substrate für die Fertigung photovoltaischer, elektronischer, mikrolektronischer oder mikro-elektromechanischer Bauelemente oder optischer Substrate, die zudem besonders kostengünstig und in großen Stückzahlen hergestellt werden sollen. Dem Drahttrennläppen kommt hierbei besondere Bedeutung zu.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Drahttrennläppen sind beispielsweise angegeben in
GB 717874 A.
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Die Patentschrift
JP 2003117797A beschreibt ein Verfahren zum Schneiden eines Halbleiterstabes in Halbleiterscheiben, wobei gleichzeitig ein Kristall und ein zusätzliches Opfermaterial geschnitten werden.
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Die Patentschrift
CN 108698191 A beschreibt ein Herstellungsverfahren von Halbleiterscheiben unter Verwendung einer Drahtsäge, wobei ein nach dem Schneiden eines ersten Halbleiterstabes der Draht für das Schneiden eines zweiten Stabes verwendet wird.
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Beim Drahttrennläppen wird Draht in seiner Längsrichtung von einer Abwickel-(Vorrats-, Frischdraht-) auf eine Aufwickel- (Aufnahme-, Altdraht-) Spule bewegt. Bekannt sind Ausführungen mit Bewegungen in nur eine Richtung und Bewegungen unter ständiger Richtungsumkehr der Bewegungsrichtung. Die Bewegungen können mit veränderlichen Geschwindigkeiten erfolgen. Ein Drahttrennläppen mit Drahtbewegung in nur eine Richtung wird als Unidirektional-Sägen bezeichnet, ein Drahttrennläppen unter ständiger Richtungsumkehr als ein Sägen im „Pilgerschritt“-Verfahren.
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Beim Drahttrennläppen unterliegt der Draht einem Verschleiß. Sein Durchmesser nimmt dabei beim Durchlaufen des Drahtgatters von der Frischdraht-Zufuhrseite (Frischdrahtspule) zur Altdraht-Abfuhrseite (Altdrahtspule) ab. Wegen der Abnahme des Drahtdurchmessers durch Verschleiß nimmt bei gleichem Abstand der Drahtführungsrillen auf der Drahtführungsrolle die Dicke der durch Abtrennen vom Stab erhaltenen Scheiben von der Frisch- zur Altdrahtseite zu.
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Allein zu Schnittbeginn ist der Sägedraht nicht (bei Neudraht) oder nur wenig verschlissen (bei zweiten bis n-ten Schnitt). Erst durch den allmählichen Verschleiß des Sägedrahtes durch das vielfache Einschneiden des Sägedrahtes in den Stab wird die stationäre Scheibendicke eingestellt, wobei sich auf der Eintrittsseite des Sägedrahtes in den Sägespalt durch den geringfügig dickeren Sägedraht ein sog. Einschnittkeil ausbilden kann. Dieser Einschnittkeil bestimmt auch die Minimaldicke der vom Stab abgetrennten Scheiben.
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Während durch das Zurückspulen des bereits verschlissenen Sägedrahtes diese Minimaldicke am Einschnitt positiv manipuliert werden kann, ist dies bei einem Neudraht, also einem unverschlissenen Draht, nicht möglich. Das führt zu einem Ausbeuteverlust, da eine gleichmäßige Dicke der von einem Stab abgetrennten Scheiben durch den während der ersten Sägeprozesse entstehenden Durchmessergradienten bei einem Neudraht durch einen entsprechenden Gradienten beim Drahtabstand (Pitch) nicht vollkommen ausgeglichen werden kann.
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Beim Drahtsägen wird der Sägedraht in seiner Längsrichtung von der Sendespule auf eine Empfängerspule bewegt. Bekannt sind Drahtsägeprozesse unter ständiger Richtungsumkehr der Bewegungsrichtung (bidirektional). Dieses Sägeverfahren wird auch als Pilgerschrittverfahren bezeichnet und ist beispielsweise in
US 2010 1630 10 A2 offenbart. Als Pilgerschritt wird ein erstes Bewegen des Drahts in Längsrichtung in eine erste Richtung um eine erste Drahtlänge und ein nachfolgendes zweites Bewegen des Drahts in eine zweite, der ersten Richtung genau entgegengesetzte Richtung um eine zweite Drahtlänge bezeichnet, wobei die zweite Länge kürzer als die erste Länge gewählt wird. Durch geeignete Wahl von erster und zweiter Länge kann ein Draht gezielt auf ein bestimmtes Maß abgenutzt werden und so besonders wirtschaftlich gearbeitet werden.
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Allerdings löst das Pilgerschrittverfahren nicht das Problem, dass insbesondere bei einem Frischdraht auf der Drahteintrittsseite der Drahtdurchmesser dicker ist als auf der Drahtaustrittsseite.
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DE 102006058819 A1 offenbart ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, welches eine Längsachse und eine Umfangsfläche aufweist, wobei das über eine auf der Umfangsfläche des Werkstücks aufgebrachte Sägeleiste auf einem Tisch befestige Werkstück durch eine senkrecht zur Längsachse gerichtete Relativbewegung zwischen dem Tisch und dem Drahtgatter einer Drahtsäge mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung durch das von einem mehrfach über Umlenkrollen gewickelten Sägedraht gebildete Drahtgatter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Sägeleiste gegenüberliegenden Seite der Umfangsfläche des Werkstücks eine Vorverschleißleiste befestigt ist, die vor dem Eindringen des Sägedrahtes des Drahtgatters in das Werkstück durch dieses Drahtgatter geführt und zerspant wird und die so dimensioniert ist, dass zur Zerspanung des Querschnitts der Vorverschleißleiste wenigstens die gesamte Drahtlänge der nachfolgend beim Sägen des Werkstücks genutzten Drahtgatterwicklungen benötigt wird.
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Die bei Einführung des Werkstückes von oben ins Sägegatter, unten an dem Werkstück angebrachte Vorverschleißleiste dient dazu, den Draht definiert vor zu verschleißen, so dass sich bei Einschnitt in das Werkstück nur noch Draht auf dem Gatter befindet, welcher alle vorhergehenden Sägespalte bereits in der Vorverschleißleiste passiert hat. Hierdurch wird die Dickenänderung des Drahtes in die Vorverschleißleiste verlagert. Die Dickenvarianz der Scheiben mit höheren Sägespaltnummern wird, in Vorschubrichtung gemessen, entsprechend verringert.
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Nachteilig ist, dass die Vorverschleißleiste zerspant wird und für jeden neuen Sägevorgang ausgetauscht werden muss.
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Aus dieser Problematik ergab sich die Aufgabenstellung der Erfindung, ein wirtschaftlicheres Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück mittels einer Drahtsäge zur Verfügung zu stellen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Stab, indem der Stab durch ein von zwei sich gleichsinnig drehenden Drahtführungsrollen aufgespanntes Drahtgatter aus Sägedraht bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftrennen des Stabs ein Schleifkörper mit gebundenem Schleifkorn gegen das Drahtgatter gepresst wird, um den Sägedraht zu schleifen.
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Die Erfindung sieht ein definiertes Schleifen des Drahtes vor der Verwendung vor. Dadurch lässt sich die minimale Dicke der vom Stab abgetrennten Scheiben erhöhen, so dass eine Ausbeutesteigerung erzielt werden kann.
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Beim Schleifen des Sägedrahts handelt es sich um ein spanendes Verfahren mit gebundenem Korn zum Materialabtrag, wobei der Sägedraht nur mit jeweils einem Teil, in der Regel mit weniger als einem Drittel seiner Oberfläche mit dem Schleifkörper in Berührung kommt.
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Für das Vorschleifen des Sägedrahtes wird ein Schleifkörper verwendet, der In einer Ausführungsform mit einer Spannvorrichtung an Stelle des Stabs in die Drahtsäge eingebaut wird, so dass eine Oberfläche des Schleifkörpers in Kontakt mit den Drahtabschnitten des Drahtgatters kommt.
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Durch die Bewegung des Sägedrahts in seine Längsrichtung schleifen die einzelnen Drahtabschnitte über die eine Oberfläche des Schleifkörpers, wobei es zu einem definierten Materialabtrag beim Sägedraht kommt. Die Stärke des Materialabtrags und damit die Verringerung des Drahtdurchmessers wird durch den Anpressdruck der Oberfläche des Schleifkörpers gegen das Drahtgatter, der Härte der Oberfläche des Schleifkörpers und der Kontaktzeit zwischen der Oberfläche des Schleifkörpers und den jeweiligen Drahtabschnitten bestimmt. Die Kontaktzeit zwischen der Oberfläche des Schleifkörpers und einem Drahtabschnitt wird sowohl durch die relative Breite der Oberfläche des Schleifkörpers, als auch die Geschwindigkeit, mit der der Sägedraht über diese Oberfläche schleift, bestimmt.
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Durch den Aufbau des Drahtgatters ergibt sich ein wiederholter Kontakt eines Drahtabschnittes mit der Oberfläche des Schleifkörpers. Durch die durch die Umlenkung des Sägedrahtes bewirkte zufällige Torsion wird der Sägedraht nicht einseitig abgeschliffen, sondern während des Schleifvorgangs ganzseitig.
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In einer Ausführungsform wird der Draht mindestens über die Länge vorgeschliffen, die der gesamten Länge des Sägedrahtes entspricht, der das Drahtgatter von der Drahteintrittsseite bis zur Drahtaustrittsseite entspricht.
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Nach dem Schleifvorgang wird der Draht idealerweise wieder über die vorgeschliffene Länge zurückgespult, so dass für das erste Vereinzeln eines Stabes in eine Vielzahl von Scheiben vorgeschliffener Draht zur Verfügung steht, wobei der vorverschlissene Draht einen geringeren Durchmesser hat als der neue Draht.
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Während des Schleifens des Sägedrahts wird gegebenenfalls ein Kühlschmiermittel zugeführt.
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Idealerweise wird der Sägedraht über seine gesamte Länge geschliffen.
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Der Sägedraht sollte nach dem Schleifen einen geringeren Durchmesser als neuer, unverbrauchter Sägedraht aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist der Abstand der Rillen der Drahtführungsrollen dem verringerten Durchmesser des vorgeschliffenen Sägedrahtes angepasst.
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Beim gebundenen Schleifkorn des Schleifkörpers kann es sich um Diamant handeln. Es kommt jedes Material in Frage, das härter ist als das Material des Sägedrahts (in der Regel Stahl).
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Beim Sägedraht kann es sich um strukturierten Draht oder um glatten Draht handeln. Es kann sich auch um glatten Draht umfassend abrasiv wirkende Hartstoffe, die fest auf die Drahtoberfläche aufgebracht sind, handeln.
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Beim zu zersägenden Stab handelt es sich vorzugweise um einen Halbleiterstab, besonders bevorzugt aus mono- oder polykristallinem Silicium.
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Eine Drahtsäge umfasst üblicherweise zwei Drahtführungsrollen, zwischen denen ein Sägedraht zu einem aus parallel verlaufenden Drahtabschnitten bestehenden Drahtgatter aufgespannt ist, das in ein an einer Werkstückaufnahme befestigtes Werkstück einsägt.
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In einer Ausführungsform wird der Schleifkörper mittels einer Befestigungsvorrichtung so über dem Drahtgatter positioniert, dass eine Oberfläche des Schleifkörpers in Kontakt mit den Drahtabschnitten des Drahtgatters kommt, so dass bei einer Bewegung des Sägedrahtes in Längsrichtung der Sägedraht entlang der einen Oberfläche des Schleifkörpers geführt wird und ein Materialabtrag am Sägedraht durch Schleifen erfolgt.
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Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen der Erfindung angegebenen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind.
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Figuren
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterstab
- 2
- Drahtgatter, bestehend aus einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter aus dem Sägedraht 2a gebildeter Drahtabschnitte
- 2a
- Sägedraht
- 3
- Drahtführungsrolle mit einer äußeren Mantelfläche enthaltend Führungsrillen
- 4
- Schleifkörper
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1 zeigt eine Drahtsäge, umfassend zwei Drahtführungsrollen 3, zwischen denen ein Sägedraht 2a zu einem aus parallel verlaufenden Drahtabschnitten bestehenden Drahtgatter 2 aufgespannt ist, das in ein an einer Halbleiterstabaufnahme (nicht eingezeichnet) befestigten Halbleiterstab 1 einsägt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Drahtsäge stark vereinfacht und beispielsweise ohne Umlenkrollen dargestellt. Dargestellt ist auch der Schleifkörper 4, der vor dem Zersägen von Stab 1 in die Drahtsäge eingebaut wird, um den Sägedraht 2a zu schleifen.
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Das Trennläppen wird mit so genannten glatten Drähten oder mit strukturierten Drähten betrieben. Als glatter Draht wird ein Draht in Form eines Zylinders mit kreisförmiger Grundfläche und sehr großer Höhe (das ist die Länge des Drahts) bezeichnet; als strukturierter Draht ein glatter Draht, der durch zusätzliche plastische Verformung mit einer Vielzahl gleichförmiger Ausstülpungen und Einbuchtungen in Richtungen senkrecht zur Drahtlängsrichtung (der Höhe des Glattdraht-Zylinders) versehen wurde. Strukturierter Draht ist beispielsweise beschrieben in
EP 1 827 745 .
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Während des Sägens wird eine Aufschlämmung abrasiv wirkender Hartstoffe in einem flüssigen Träger zugeführt. Vorzugweise umfasst die Aufschlämmung Hartstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si3N4), Siliciumdioxid (SiO2), Borcarbid (B4C), Bornitrid (BN) und Diamant. Als Trägerflüssigkeit eigen sich insbesondere Glykol oder Öl.
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Beim Trennschleifen sind abrasiv wirkende Hartstoffe, beispielsweise Diamant, fest auf die Drahtoberfläche aufgebracht und mit dieser, beispielsweise über eine galvanisch erzeugte Nickelbindung oder mittels Kunstharz, fest verbunden. Beim Trennschleifen wird dem Drahtgatter ein meist im Wesentlichen Wasser enthaltendes Kühlschmiermittel 40, das keine Abrasivstoffe enthält, aus den Düsen 38 zugeführt. Beim Trennschleifen wird glatter Draht verwendet.
