DE1079243B - Anordnung zur Elektroerosion mit mehreren Elektroden - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Für die Fertigung von Halbleiteranordnungen werden Halbleiterplättchen mit bestimmten Abmessungen benötigt. Diese Plättchen werden durch Sägen vermittels sehr dünner und daher leicht verkantender Sägeblätter aus stangenförmigen und plattenförmigen Halbleiterrohlingen herausgeschnitten. Der Sägevorgang ist unbefriedigend, da der sehr spröde und harte Halbleiterwerkstoff beim Verkanten der Sägeblätter bzw. beim Schlagen rotierender Sägen leicht bricht.

Aus der Metallverarbeitung ist für die Bearbeitung von metallischen Werkstücken das Funkenerosionsverfahren bekannt, wobei die metallischen Werkstücke als Elektroden dienen. Die Stromdurchflutung des Werkstückes würde aber die Halbleiterwerkstoffe unzulässig hoch erwärmen, was zu unerwünschten Veränderungen im Halbleiterwerkstoff führen würde. Auch müßten bei Verwendung der bekannten Verfahren hohe und schwer beherrschbare Spannungen verwendet werden.

Zwar ist es auch bekannt, mit Hilfe einzelner Funkenentladungen einen im Luftweg zwischen zwei Elektroden befindlichen dielektrischen Werkstoff zu lochen, wobei zwei Elektroden verschiedener Polung zu beiden Seiten des plattenförmigen Werkstückes angeordnet sind. Dieses bekannte Verfahren eignet sich jedoch aus den vorgenannten Gründen ebenfalls nicht zum Bearbeiten von Halbleiterwerkstoffen.

Soll das Funkeneros ions verfahr en zum Bearbeiten von Halbleiterwerkstoffen verwendet werden, so muß dies ohne unzulässige Erwärmung des Werkstückes bei möglichst niedriger Spannung erfolgen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektroerosiven Bearbeitung unter Verwendung von gegeneinander isolierten Einzelelektroden und eines strömenden Dielektrikums. Die Erfindung besteht darin, daß bei Bearbeitung von gegen Stromdurchgang empfindlichen Werkstoffen, insbesondere von Halbleitermaterialien, die beiden Pole des Entladekreises an die beiden nebeneinander angeordneten Elektroden bzw. wechselweise an mehrere an sich bekannte, nebeneinander angeordnete Teilelektroden gelegt sind und der Entladungsweg von der einen Elektrode über das keinen Stromanschluß aufweisende Werkstück zu der gegensätzlich gepolten Nachbarelektrode führt und daß der kleinste Abstand von zwei gegensätzlich gepolten Nachbarelektroden mindestens gleich der Summe beider Funkenspaltlängen zwischen Elektroden und Werkstück ist und der Abstand diesen Wert vorzugsweise ein wenig überschreitet. Sind die Nachbarelektroden dabei gegenüber einer Werkstückseite angeordnet, über die die Elektroden beim Bearbeiten nicht hinweg bewegt werden, und nur durch eine Isolierschicht getrennt, so darf der Abstand dieser Nachbarelektroden die Summe beider Funkenspaltlängen Anordnung zur Elektroerosion
mit mehreren Elektroden

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G.m.b.H.,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Paul Büro, Hamburg,
ist als Erfinder genannt worden

nur so weit überschreiten, daß der Teil des Werkstückes, welcher der die beiden Teilelektroden trennenden Isolierschicht gegenüberliegt, durch die Entladung zwischen den Elektroden und dem Werkstück mit abgetragen wird.

^a5 Da der Abstand der Elektroden kurz gewählt wird, ist der elektrische Widerstand des Stromweges im Halbleiterwerkstoff klein, und es kann mit niedrigen Spannungen gearbeitet werden. Es erfolgt nur eine partielle Erwärmung des Werkstückes, weil praktisch nur der Teil des Halbleiterwerkstoffes von Strom durchflossen wird, der anschließend herausgetrennt wird.

Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht auf eine sehr einfache Weise das Trennen von HaIbleiterwerkstoffen und weist den wesentlichen Vorteil auf, daß die abzutrennenden Scheiben während des Trennvorganges einer sehr geringen seitlichen Belastung ausgesetzt sind. Auch ermöglicht das Verfahren bei entsprechender Formgebung der Elektroden und der Elektrodenanordnung jede gewünschte und mechanisch nicht ausführbare Schnittlinienführung.

Vorzugsweise sind die parallel zueinander angeordneten Elektroden in an sich bekannter Weise plattenförmig ausgebildet und führen in an sich bekannter Weise hin- und hergehende Bewegung aus. Ebenso können die Elektroden in an sich bekannter Weise als kreisrunde Scheiben ausgebildet sein und um eine gemeinsame Achse rotieren. Die Elektroden werden dabei vorzugsweise mittels einer maximal 0,15 mm starken Glimmerschicht gegeneinander isoliert.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bildet die Gesamtheit der parallel zueinander angeordneten Elektroden einen kreisringförmigen Querschnitt und weisen die Elektroden selbst einen kreisringsegment-

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artigen Querschnitt auf. Die Einzelelektroden können auch aus Flach- oder Runddrähten bestehen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellen die Verbindungslinien der parallel zueinander angeordneten Elektroden beliebig geformte Randflächen zu bearbeitender Halbleiterpläftchen, vorzugsweise Waffelmuster, dar. Die Elektroden sind bei diesen Anordnungen in Kunststoff als Isoliermaterial eingebettet.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die in an sich bekannter Weise an gegenüberliegenden Seiten der plattenförmigen Werkstücke angeordneten Elektroden in an sich bekannter Weise hohl ausgebildet und weisen die Elektrodenprofile die Form von aus plattenförmigen Halbleiterstücken auszuschneidenden Halbleiterplättchen auf.

Die Anordnung ist jedoch nicht allein zum Trennen von Halbleiterwerkstoffen geeignet. Es lassen sich ohne weiteres auch Vertiefungen, wie Mulden oder Rillen, herstellen. Wird eine größere Werkstoffmenge von der Oberfläche eines Werkstückes abgetragen, so ist auch die Erzeugung von Hügeln und Stegen möglich. Bei plattenförmigen Werkstücken können diese Oberflächengestaltungen dazu doch auf beiden Oberflächen erzielt werden.

Die Erfindung wird an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 a und 1 b zeigen eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung mit nebeneinanderliegenden, gestreckten Elektroden;

Fig. 2 a und 2 b zeigen eine Vorrichtung mit rotierenden, nebeneinanderliegenden Elektroden;

Fig. 3 a und 3 b sowie Fig. 4 a bis 4 c zeigen eine zylindrische Vorrichtung mit Segmentelektroden;

Fig. 5 veranschaulicht dk waffeiförmige Anordnung von Elektroden;

Fig. 6, 7, 8 und 9 zeigen Vorrichtungen mit beidseitig des Werkstückes angeordneten Elektroden und verschiedenen Halterungsarten für das Werkstück.

Zwei in den Fig. 1 a und 1 b dargestellte, aus Molybdänblech von beispielsweise 0,15 mm Stärke gefertigte nebeneinanderliegende Elektrodenplatten 1 sind mittels einer Glimmerzwischenlage 2 voneinander isoliert und durch Verschrauben zu einem Paket verbunden. Das Elektrodenpaket ist an Stützen 3 befestigt, die auf Schienen 4 entlanggeführt werden können.

Diese Anordnung ermöglicht eine Verschiebung des Elektrodenpakets in dessen Längsrichtung. An einer der Stützen 3 ist dazu noch ein Antrieb 5 a vorgesehen, der für eine ständige Hin- und Herbewegung des Elektrodenpakets sorgt. Die unteren Kanten der Elektroden werden bei dem Hin- und Herbewegen über einem stangenförmigen Halbleiterwerkstück 6 hinwegbewegt.

Ein in Fig. 2 dargestellter weiterer Antrieb 5 b sorgt in bekannter Weise selbsttätig für eine Verschiebung des Elektrodenpakets in Richtung des Pfeiles ο senkrecht zum Werkstück 6 und für die Konstanthaltung die günstigste Größe der Funkenspalte zwischen den Elektroden 1 und dem Werkstück 6.

Das Werkstück 6 wird in einer Halterung 7 durch Verklemmen oder auch mittels Unterdruck in der zum Schneiden erforderlichen Stellung gehalten. Die ganze Anordnung befindet sich in einer an der Bearbeitungsstelle vorbeiströmenden dielektrischen Flüssigkeit, beispielsweise in Transformatoröl 8. An Stelle der dielektrischen Flüssigkeit können in bekannter Weise auch komprimierte Gase benutzt werden.

Der Funkenerzeugung dient beispielsweise ein Transformator 9. Die von einem Kondensator 10 während der Halbwellen aufgespeicherte Energie wird über Zuleitungsdrähte 11 an die Elektrodenplatten 1 angelegt. Die Funkenentladungen erfolgen dann, wenn sich die Elektroden 1 dem Werkstück 6 so weit genähert haben, daß die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums überschritten wird. Da die Elektroden eng beieinanderliegen, ist der Funkenweg bzw. der Weg des Stromdurchganges im Halbleiterwerkstück kurz, so daß dieses nur einer geringen Erwärmung ausgesetzt ist, die dazu nur dort erfolgt, wo das Werkstück abgetragen werden soll.

Es hat sich gezeigt, daß im Funkenspalt nur eine geringe Menge des herausgetrennten Halbleiterwerkstoffes durch Verdampfung verlorengeht, da sich aus dem die Vorrichtung einhüllenden Transformatoröl eine große Zahl von Werkstoffteilchen wiedergewinnen und erneut der Verwendung zuführen läßt. Das Heraustrennen erfolgt daher offenbar vorwiegend durch starke Kavitationskräfte bei den Funkenentladüngen.

In den Fig. 2 a und 2 b ist eine Abwandlung der in Fig. 1 angegebenen Vorrichtung dargestellt. Die von der Glimmerzwischenlage 2 getrennten Elektroden 1 sind bei dieser Anordnung scheibenförmig ausgebildet.

Durch den Mittelpunkt des Elektrodenpakets ist eine von einem Antrieb 5 β in Umlauf gesetzte Achse 12 geführt, mit welcher die Ränder der Elektrodenscheiben 1 kontinuierlich an dem Halbleiterwerkstück vorbeibewegt werden. Die an den Elektroden liegende Spannung wird über Schleifkontakte 13 auf die Elektroden 1 übertragen. Ebenso wie die in den Fig. 1 a und 1 b dargestellte Vorrichtung wird auch bei dieser Vorrichtung der Abstand zwischen den Elektroden und dem Werkstück durch einen selbsttätig arbeitenden Antrieb 5 b eingestellt.

Um besonders schmale Trennspalte zu erzielen, ist es wichtig, ein günstiges Verhältnis zwischen der Leitfähigkeit des Halbleiters, der angelegten Spannung, der Breite der Isolierzwischenlage zwischen den Elektroden und der Breite der Elektroden zu wählen. Bei einer Spannung von 120 bis 160 V wurden beispielsweise ein kleinster Elektrodenabstand und eine Elektrodenbreite von je 0,15 mm gewählt. Bei Verwendung niedrigerer Spannungen, oder falls die mit den angegebenen Abmessungen erzielbaren Trennspalte zu breit sind, können Funkenspalt, Elektrodenabstand und -breite auch noch schmaler gewählt werden.

Zur Erzielung schmaler Trennspalte oder Rillen eignen sich insbesondere Elektrodenanordnungen, bei denen Funkenstrecken zwischen einer Anzahl in Reihe angeordneter Elektroden wechselnder Polarität und längs der gewünschten Schnittlinien verlaufen. Die Fig. 3 a bis 3 c zeigen einen Zylinder 14, der mit Aussparungen 15 versehen ist, in die den Aussparungen entsprechende Kreisringsegmente 16 eingeführt sind. Die Segmente sind an einem durchbohrten Schaft 17 befestigt, der durch den Zylinderkopf hindurchgeführt ist. Während der Zylinder 14 über einen Schleifkontakt 18 mit dem einen Pol des Kondensators 10 verbunden ist, erhalten die Segmente 16 ihre Spannung über einen Schleifkontakt 19. Die Wandung der Anordnung wird somit von Elektroden wechselnder Polarität gebildet.

Die Spalte zwischen den Segmenten verschiedener Polarität sind mit einer isolierenden, beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Masse 20 ausgefüllt. Die Vorrichtung wird von einem auf den Schaft 18 einwirkenden Antrieb 5 α in umlaufende Bewegung ver-

?■> setzt und mittels eines weiteren nicht dargestellten,

vorzugsweise selbsttätig arbeitenden Antriebes so nahe an das Halbleiterwerkstück 6 herangebracht, daß die Funkenentladungen zwischen den Segmenten einsetzen können.

Aus plattenförmigen Halbleiterrohlingen werden mittels dieser Vorrichtung Halbleiterplättchen einwandfrei herausgetrennt.

Eine vielseitiger verwendbare Abwandlung dieser Vorrichtung ist in den Fig. 4 a bis 4 c wiedergegeben. Die Segmente des Kreisringes 14 sind dabei noch weiter unterteilt. Als Einzelelektroden dienen Drähte 21 mit rundem oder eckigem Profil, deren Enden auf das Werkstück 6 gerichtet sind.

Auch bei dieser Ausführungsform liegen stets Elektroden ungleicher Polarität nebeneinander. Ebenfalls sind die Elektroden in eine Isoliermasse 20 eingebettet. Die Funkenstrecken liegen bei dieser Anordnung so eng nebeneinander, daß auch ohne Drehung der Vorrichtung das Heraustrennen eines Halbleiterplättchens aus dem Werkstück erfolgen kann. Damit ist der Weg freigegeben zur Herstellung von beliebig geformten Halbleiterplättchen. Zur Veranschaulichung der sich ergebenden vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten ist in Fig. 5 eine waffeiförmige Elektrodenanordnung wiedergegeben, die das gleichzeitige Ausschneiden mehrerer Halbleiterplättchen aus einem Rohling ermöglicht.

Mittels anderer nach dem gleichen Prinzip hergestellter Elektrodenanordnungen wird der Halbleiterwerkstofr nur teilweise abgetragen, wobei ganz nach den vorliegenden Erfordernissen Vertiefungen in das Werkstück hinein oder Erhöhungen aus diesem heraus gearbeitet werden.

Neben der vielseitigen Anwendbarkeit der dicht nebeneinanderliegenden Funkenstrecken ergibt sich weiterhin eine gleichmäßigere Abtragung des Werkstoffes. Bei der Annäherung der Elektrodenanordnung an das Werkstück setzen die Funkenentladungen wie bei den bisher beschriebenen Anordnungen zunächst dort ein, wo der Abstand zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität und dem Werkstück am kleinsten ist. Infolge der Materialabtragung an dieser Stelle vergrößert sich der Abstand nach einer gewissen Anzahl von Entladungen so weit, daß an dieser Stelle zunächst keine weitere Entladung stattfinden kann. Wird die Anordnung daraufhin weiter auf das Werkstück zu bewegt, so wird an irgendeiner Stelle, die den kleinsten Abstand zwischen der Elektrodennanordnung und dem Werkstück aufweist, erneut eine Reihe von Entladungen stattfinden. Diese Vorgänge dauern so lange an, bis die gewünschte Bearbeitung des HaIbleiterplättchens vollendet ist. Der Isolierstoff zwischen den Elektroden muß naturgemäß so beschaffen sein, daß er ebenso schnell wie die sich abnutzenden Elektroden verbraucht wird.

Um eine möglichst gute Kühlung der Elektroden zu erreichen, sind deren außenliegende Ränder nicht isoliert. Wird an diesen vorbei, beispielsweise durch den Schaft 17 hindurch, das als Dielektrikum dienende Transformatorenöl oder Gas geführt, so trägt dieses zur Kühlung bei.

Für die Bearbeitung dünner, beispielsweise 0,4 mm starker plattenförmiger Halbleiterwerkstücke dienen auch in den Fig. 6 bis 9 dargestellte Vorrichtungen, bei denen die beispielsweise rohrförmig ausgebildeten Elektroden 1 (Fig. 6 bis 8) in bekannter Weise beiderseits des Werkstückes 6 angeordnet und mit Hilfe von Antrieben 5 gegenüber diesem verschiebbar sind. In der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung ist das Halbleiterwerkstück 6 in einer Klemmvorrichtung 21 horizontal gehaltert. An die Stelle der Klemmvorrichtung 21 kann ohne weiteres eine Halterung mittels Unterdruck treten, die den besonderen Vorteil einer leichten Lösbarkeit und somit Auswechselbarkeit der Werkstücke bietet. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 ist das Werkstück 6 auf einer in der Klemmvorrichtung 21 gehaltenen Folie 22 mit einem leitfähigen Kleber aufgeklebt. Auch diese Vorrichtung kann abgeändert werden, indem mehrere plattenförmige Halbleiterwerkstücke 6 in einer Reihe auf ein folienähnliches Band aufgeklebt werden, welches diese nacheinander und absatzweise mit Zeitintervallen, die der zum Bearbeiten eines Halbleiterplattchens benötigten Zeit entsprechen, zwischen die Elektroden befördert. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Werkstücke in der in Fig. 8 dargestellten Weise vertikal einzuspannen, wobei dann die Elektroden 1 in horizontaler Richtung geführt werden müssen.

Schließlich kann beispielsweise wie bei der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung das Werkstück 6 in bekannter Weise auf einer der Elektroden 1 befestigt sein. Diese Elektrode dient dabei als Werkstückauflage. Mehrere Elektroden der anderen Polarität werden dann in bekannter Weise von einer nicht dargestellten Vorrichtung in der durch den Pfeil b angegebenen Richtung über das Werkstück hinwegbewegt, wobei die zwischen den bewegten Elektroden und dem Halbleiterwerkstück überspringenden Funken das Halbleiterwerkstück abtragen. Die Konstanthaltung des Abstandes zwischen den beweglichen Elektroden und dem Werkstück erfolgt auch in diesem Fall selbsttätig mittels der in der Zeichnung nicht dargestellten Vorrichtung.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur elektroerosiven Bearbeitung unter Verwendung von gegeneinander isolierten Einzelelektroden und eines strömenden Dielektrikums, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bearbeitung von gegen Stromdurchgang empfindlichen Werkstoffen, insbesondere von Halbleitermaterialien, die beiden Pole (11) des Entladekreises an die beiden nebeneinander angeordneten Elektroden (1) bzw. wechselweise an mehrere an sich bekannte, nebeneinander angeordnete Teilelektroden (1,16) gelegt sind und der Entladungsweg von der einen Elektrode über das keinen Stromanschluß aufweisende Werkstück (6) zu der gegensätzlich gepolten Nachbarelektrode führt und daß der kleinste Abstand von zwei gegensätzlich gepolten Nachbarelektroden mindestens gleich der Summe beider Funkenspaltlängen zwischen Elektroden und Werkstück ist und der Abstand diesen Wert vorzugsweise ein wenig überschreitet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von zwei Nachbarelektroden die Summe beider Funkenspaltlängen nur so weit überschreitet, daß der Teil des Werkstückes, welcher der die beiden Teilelektroden trennenden Isolierschicht (2, 20) gegenüberliegt, durch die Entladung zwischen den Elektroden und dem Werkstück mit abgetragen wird.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander angeordneten Elektroden (1) in an sich bekannter Weise plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise in an sich bekannter Weise eine hin- und hergehende Bewegung ausführen.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander angeordneten Elektroden (1) in an sich bekannter Weise als kreisrunde Scheiben ausgebildet sind und um eine gemeinsame Achse (12) rotieren.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander angeordneten Elektroden (1) mittels einer maximal 0,15 mm starken Glimmerschicht (2) gegeneinander isoliert sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander angeordneten Elektroden (I₃16) einen kreisringförmigen Querschnitt bilden und selbst einen kreisringsegmentartigen Querschnitt aufweisen (Fig. 3 a bis 3 c) bzw. aus Flach- oder Runddrähten (Fig. 4 a bis 4 c) bestehen.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinien der parallel zueinander angeordneten Elektroden (1) beliebig geformte Randflächen zu bearbeiten-

der Halbleiterplättchen, vorzugsweise Waffelmuster (Fig. 5 a und 5 b), darstellen.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in Kunststoff als Isoliermaterial (20) eingebettet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise an gegenüberliegenden Seiten der plattenförmigen Werkstücke (6) angeordneten Elektroden (1) in an sich bekannter Weise hohl ausgebildet sind und die Elektrodenprofile die Form von aus den plattenförmigen Halbleiterstücken auszuschneidenden Halbleiterplättchen aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 1 045 574, 971 051, 802;

schweizerische Patentschrift Nr. 273 469;

USA.-Patentschrift Nr. 1807 971;

»Schriftenreihe des Verlages Technik«, SVT 177, S. 76, 78,91; SVT 94, S. 49.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen