DE19959414A1 - Vorrichtung zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück mit einer Längsachse mit einem Drahtgatter aus Sägedraht mit einer Vorschubeinrichtung, die eine translatorische, senkrecht zu der Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drahtgatter der Drahtsäge bewirkt, in deren Verlauf das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das Drahtgatter aus einer Vielzahl von Einzeldrähten gebildet ist und daß eine Einrichtung zum Halten und zum Drehen des Werkstücks um die Längsachse vorhanden ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum gleich­ zeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück sowie ein zugehöriges Verfahren.

Zum Abtrennen von Scheiben von einem sprödharten Werkstück sind Drahtsägen bekannt, die mit einer Sägesuspension (Slurry) arbeiten (Trennläppen), und andere, bei denen Schneidkörner fest an die Sägedrähte gebunden sind (Trennschleifen). Alter­ nativ zu Sägedrähten werden auch Sägebänder und Trennklingen als Werkzeuge eingesetzt.

Das Trennschleifen mit diamantbestückten Sägedrähten findet vorwiegend in der Einzelschnitt-Technik Anwendung. Unterschei­ den lassen sich Anlagen, die mit einem aufgespulten, offenen Einzeldraht und solche, die mit einem mit hoher Geschwindig­ keit umlaufenden Endlosdraht arbeiten. Gleichzeitige Mehrfach­ schnitte sind mit diesen Methoden nicht möglich.

Das Diamantsägedrähten mit einem mehrfach aufgespulten, endli­ chen Einzeldraht wird in der noch nicht offengelegten Anmel­ dung DE 198 51 070 beschreiben. Diese Anmeldung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück wobei das Werkstück durch eine translatorische, senkrecht zur Längsachse gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Drahtgatter einer Drahtsäge mit Hilfe einer Vor­ schubeinrichtung durch das von einem Sägedraht gebildete Drahtgatter geführt wird. Diese Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück während des Abtrennens der Schei­ ben um die Längsachse gedreht wird.

Trotz einer Vielzahl von Vorteilen hat dieses Verfahren wie­ derum spezifische Nachteile:

• - Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung ist das Vorhandensein eines separaten Drahtführungssystems, welches aus mindestens zwei Spulen zum Auf- und Abwickeln der Drähte sowie aus mehreren Spann- und Führungsrollen ge­ bildet wird. Bedingt durch die fest mit dem Sägedraht ver­ bundenen Schneidkörner ist der Diamantsägedraht sehr spröde und gering elastisch verformbar, so daß das Auf- und Abwickeln erschwert ist.
• - Die Diamantsägedrähte sind aufgrund ihrer geringen Elasti­ zität, ihrer hohen Sprödigkeit und hohen mechanischen Kerb­ wirkung sehr empfindlich. Diese mechanische Empfindlichkeit begünstigt Drahtschädigungen und -risse an Spann- und Füh­ rungsrollen.
• - Es sind Drahtlängen von mehreren Kilometer erforderlich. Diese sind im heutigen Stand der Technik nicht oder nur be­ grenzt in hinreichender Menge und Qualität verfügbar.

Eine gatternde Mehrdrahtsäge mit diamantbelegtem Werkzeug wird in US 4,727,852 beschrieben. Bei dieser Fixed Abrasive Slicing Technique (FAST-Technik) werden die longitudinal ausgerichte­ ten Sägedrähte in einen Rahmen gespannt, der eine translatori­ sche, oszillierende Bewegung durch das Werkstück ausführt, welches selbst um eine senkrecht zu den Drähten gerichtet Ach­ se schaukelt, so daß aufgrund der geringen Kontaktlänge zwi­ schen Sägedraht und Werkstück eine akzeptable Abtrennrate ge­ währleistet sein soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein verbessertes Sägeverfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück mit einer Längsachse ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit einem Drahtgatter aus Sägedraht mit einer Vorschubeinrichtung, die eine translatorische, senkrecht zu der Längsachse des Werk­ stücks gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drahtgatter der Drahtsäge bewirkt, in deren Verlauf das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das Drahtgatter aus einer Vielzahl von Einzel­ drähten gebildet ist und daß eine Einrichtung zum Halten und zum Drehen des Werkstücks um die Längsachse vorhanden ist.

Unter einer Längsachse des Werkstücks ist im Sinne der Erfin­ dung die geometrische Mitte des Werkstücks zu verstehen. Das Werkstück erstreckt sich rotationssymmetrisch um diese Achse.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl für den Betrieb mit einem Slurry, als auch für den Betrieb mit Sägedraht aus­ gelegt sein, der mit Schneidkorn, beispielsweise Diamant, be­ legt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise für den Betrieb mit Sägedraht ausgelegt, der mit Schneidkorn, beispielsweise Diamant belegt ist.

Als Sägedrähte dienen vorzugsweise offene Diamantsägedrähte. Vorzugsweise haben diese einen Kerndurchmesser von ca. 100 µm bis 800 µm und eine Diamantkorngröße von 15 µm bis 150 µm. Prinzipiell ist auch der Einsatz eines Sägedrahtes, der CBN (kubischem Bornitrid) oder SiC als Schneidkorn besitzt, mög­ lich.

Der Querschnitt des Sägedrahtes kann kreisförmig oder beliebig geformt sein. Vorzugsweise wird Sägedraht verwendet, dessen Länge dem Abstand der Sägeköpfe entspricht.

Die Drähte werden vorzugsweise zu einem Lineargatter, in dem die Drähte einen definierten Abstand und eine definierte Span­ nung haben, zusammengestellt. Abstand und Spannung sind durch die Bearbeitungsaufgabe vorgegeben.

Beispielsweise beträgt bei der Herstellung von keramischen Substraten für magnetische Speicherplatten der Drahtabstand vorzugsweise ca. 0,7 bis 1,5 mm, die Drahtbelastung vorzugs­ weise bis zu 1000 g/Draht und die tangentiale Drahtgeschwin­ digkeit vorzugsweise 1 bis 3 m/s.

Erfindungsgemäß ist das Drahtgatter vorzugsweise ein Linear­ gatter aus Einzeldrähten. Das Lineargatter entspricht vorzugs­ weise dem aus US 4,727,852 bekannten Gatter der FAST-Technik, so daß auf dieses Patent insoweit Bezug genommen wird. (US 4,727,852 is hereby incorporated by reference).

Bezüglich der Einrichtung zum Halten und Drehen des Werkstücks wird auf die deutsche Anmeldung DE 198 51 070, insbesondere die Figuren und die Erläuterung der Figuren in der Beschreibung Bezug genommen. (DE 198 51 070 is hereby incorporated by refe­ rence).

Der Einsatz eines aus einer Vielzahl von Einzeldrähten zusam­ mengesetzten Sägegatters hat gegenüber einem mehrfach aufge­ spulten Drahtgatter folgende wesentlichen Vorteile:

• - Die Herstellung von kurzen Diamant-Sägedrähten ist aufgrund der geringeren Drahtlänge prozeßtechnisch sicherer be­ herrschbar. Ein aus Einzeldrähten zusammengesetztes Säge­ gatter ist somit einfach und in hoher Qualität erhältlich.
• - Die Sägedrähte können aufgrund der kürzeren Länge einen ge­ ringeren Durchmesser und einen beliebig geformten Quer­ schnitt haben.
• - In der Vorrichtung zum Sägen werden weniger Drahtführungs- und Spannrollen benötigt und dadurch verringert sich die Gefahr einer Drahtschädigung und eines Drahtrisses beim Sä­ gen.
• - Einfachere Maschinenkonzepte lassen sich realisieren. Ins­ besondere können aufwendige Drahtführungs- und Verlegeein­ heiten eingespart werden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Abtrennen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkstück, das eine Längsachse aufweist, durch eine translatorische, senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drahtgatter aus einer Vielzahl von Ein­ zeldrähten mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung durch das Drahtgatter geführt und beim Durchdringen in Scheiben geteilt, wobei das Werkstück während des Abtrennens der Scheiben um seine Längsachse gedreht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt eine signifikante Stei­ gerung der Sägekapazität. So steigt im Vergleich zum Kapp­ schnitt während des Sägens die Sägekapazität an, weil bereits ein Vorschubweg entsprechend des halben Durchmessers bei Voll­ zylindern oder der Wandstärke bei Hohlzylindern genügt, um die Scheibe vollständig abtrennen zu können. Gleichzeitig liegt über die gesamte Schnittlänge eine geringe, konstante Ein­ griffslängen des Werkzeuges bei ununterbrochenem Eingriff vor. Dies ist vorteilhaft, da es einen stationären Prozeß und ein stationäres Werkzeugverhalten sicherstellt. Durch gezieltes Wählen der Eingriffslänge des Sägedrahtes und der Vorschubge­ schwindigkeit können kürzere Sägezeiten erreicht werden. Das Anbringen einer Sägeleiste vor und das Ablösen der verbliebe­ nen Sägeleiste nach dem Abtrennen kann beim Abtrennen von Halbleiterscheiben entfallen.

Im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen ein Slurry ein­ gesetzt wird, bietet das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Einsatz eines Slurry Vorteile. Der Slurry verteilt sich beim Drehen des Werkstücks im Sägespalt besser, so daß eine ausrei­ chende Versorgung des Sägespalts mit Slurry gewährleistet ist. Das Drehen des Werkstücks um die Längsachse kann auch zu einer punktförmigen Berührung zwischen dem Sägedraht und dem Werk­ stück im Schneidspalt führen und damit zu einem hohen Säge­ druck. Das Abtrennen der Scheiben kann dadurch und durch ein mögliches Erhöhen der relativen Geschwindigkeit des Sägedrah­ tes bei gegenläufiger Drehrichtung von Werkstück und Sägedraht beschleunigt werden. Eine gegebenenfalls notwendige Reduzie­ rung der Umlaufgeschwindigkeit des Sägedrahtes kann durch eine entsprechende Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Werkstücks ausgeglichen werden. Die genannten Vorteile führen insgesamt zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der Einsatz eines Kühlschmierstoffes im erfindungsgemäßen Ver­ fahren (Naßschnitt) kann prozeßnah beim Durchlaufen eines Beckens, in dem der Sägedraht benetzt wird, erfolgen. Der ge­ samte Trennvorgang kann auch in einer Wanne vollständig unter Kühlschmierstoff durchgeführt werden. Über die bekannten Vor­ teile der Kühlung, Schmierung und Spülung hinaus bietet dieses Verfahren den Vorteil, daß die Sägedrähte schwingungsfrei ar­ beiten. Dadurch erhöht sich die Standzeit der Sägedrähte und die Prozeßsicherheit zusätzlich. Der Einsatz eines Kühl­ schmiermittels beim Abtrennen von Scheiben von einem sprödhar­ ten Werkstück mittels eines Drahtgatters ist z. B. aus DE 198 41 492 (entspricht der US Anmeldung mit der Serial Number 09/387454) bekannt.

Über die prozeßtechnischen Vorteile hinaus sind mit der Erfin­ dung weitere Vorteile verbunden. So steigt die Scheibenausbeu­ te aufgrund der, durch geringe Sägedrahtdurchmesser ermöglich­ te geringe Spaltweite an, und die Form- und Maßgenauigkeit (TTV-total thickness variation, Welligkeit) kann verbessert werden. Gleichzeitig begünstigt der Rotationsschnitt eine rotationssymmetrische Form (Ebenheit) des Werkstücks. Dies verringert den Bearbeitungsaufwand bei nachfolgenden Ferti­ gungsschritten.

Die Erfindung eignet sich außer zum Abtrennen von Halbleiter­ scheiben von einem Kristall besonders zum Abtrennen von Schei­ ben, die zu Speichermedien (hard disks) weiterverarbeitet wer­ den sollen. Im Unterschied zu Kristallen, die als massive Kör­ per vorliegen, werden Scheiben, die zu Speichermedien weiter­ verarbeitet werden sollen, von Werkstücken getrennt, die wegen einer axialen Bohrung rotationssymmetrische Hohlkörper sind.

Die Werkstücke bestehen vorzugsweise aus sprödhartem Material wie Silicium oder Galliumarsenid, wenn es sich um Halbleiter­ material handelt und aus Siliciumcarbid, wenn es sich um Mate­ rial zur Herstellung von Speichermedien handelt.

Die Erfindung sieht vor, das Werkstück beim Abtrennen von Scheiben um die Längsachse zu drehen. Dem Anwender stehen da­ bei verschiedene Möglichkeiten offen. So kann die Drehrichtung beibehalten oder periodisch oder nach einem bestimmten Pro­ gramm geändert werden. Das Werkstück kann bei Änderung der Drehrichtung in eine Richtung länger gedreht werden, als in die Gegenrichtung, oder auch in jede Drehrichtung gleich lange gedreht werden.

Bei einem als Hohlkörper ausgebildeten Werkstück ist zum Dre­ hen des Werkstücks ein Trägerkörper notwendig, beispielsweise ein Stab aus Glas, Graphit, Metall oder Kunststoff, der im Hohlraum des Werkstücks mit der Innenumfangsfläche des Werk­ stücks verbunden ist.

Im Fall der Verwendung einer Sägeleiste oder eines anderen Trägerkörpers treibt man das Abtrennen der Scheiben so weit voran, daß der Sägedraht des Drahtgatters auch in, den Träger­ körper einschneidet. Die abgetrennten Scheiben bleiben so auf dem Rest des Trägerkörpers fixiert.

Der Winkel, um den das Werkstück beim Abtrennen der Scheiben gedreht wird, ist vorzugsweise größer als 0° und kleiner als 360°, sofern eine Sägeleiste auf die Umfangsfläche des Werk­ stücks geklebt oder gekittet ist. Besonders bevorzugt ist ein Drehwinkel von 5° bis 355°. Wird keine solche Sägeleiste ver­ wendet, oder wird ein als Hohlkörper ausgebildetes Werkstück in Scheiben geteilt, sollte der Drehwinkel größer als 0° sein, vorzugsweise mindestens 5° betragen und kann beliebig über diesem Wert liegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Werkstück zu Beginn des Abtrennens der Scheiben durch Pinolen und am Ende des Abtrennens der Scheiben durch Rollen gehalten, wobei die Pinolen an Stirnseiten des Werkstücks und die Rollen an der Umfangsfläche des Werkstücks eingreifen. Dieses Verfahren eignet sich für massive Werkstücke wie Kris­ talle aus Halbleitermaterial.

Bei als Hohlkörper ausgebildeten Werkstücken greifen die Pino­ len am Trägerkörper an, der sich im Hohlraum des Werkstücks befindet. Sie drehen den Trägerkörper und damit auch das Werk­ stück um dessen Längsachse.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfah­ rens werden mehrere Werkstücke nebeneinander angeordnet und die Scheiben gleichzeitig von den Werkstücken abgetrennt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Figuren näher erläutert, wobei nur Merkmale dargestellt sind, die zur Erläuterung bei­ tragen.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Lineargat­ ter vor Beginn des Abtrennens von Scheiben von einem Werk­ stück. Das Lineargatter (1) enthält Sägedrähte (2), bei denen Schneidkorn (3) fest an den Sägedraht (2) gebunden ist, auf einem Sägekopf (4) montiert. Diese Sägevorrichtung oszilliert gemäß der durch den Pfeil (5) angegebenen Bewegungsrichtung. Das Werkstück (6) wird durch eine translatorische, senkrecht zu der Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung mit Hilfe einer Vorschubeinheit von unten durch das Drahtgat­ ter geführt und beim Durchdringen in Scheiben geteilt. Alter­ nativ kann mit der Vorschubeinrichtung das Drahtgatter zum Werkstück bewegt werden. Die Pfeile (7, 7') symbolisieren die jeweilige Bewegungsrichtung. Das Werkstück (6) wird dabei um seine Längsachse bewegt, was durch den Pfeil (8) dargestellt ist. Die Drehrichtung kann beibehalten oder periodisch geän­ dert oder auch beliebig an die Oszillation der Sägedrähte an­ gepaßt werden. Das Werkstück kann bei Änderung der Drehrich­ tung in eine Richtung länger gedreht werden als in Gegenrich­ tung. Es kann aber auch in jede Richtung gleichlang gedreht werden.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit dem Unterschied, daß das Werkstück (6) durch eine transla­ torische, senkrecht zu der Längsachse gerichtete Relativbewe­ gung mit Hilfe einer Vorschubeinheit von oben durch das Line­ argatter geführt wird.

Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Lineargatter (1) sowie Sägekopf (4) und Werkstück (6), wobei schematisch auch eine Vorrichtung zum Drehen (9), Halten (10) und Spannen (11) des Werkstücks (6) sowie eine Vorschubeinheit (12) für das Werkstück (6) darge­ stellt sind. Das Werkstück (6) erstreckt sich rotationssymmet­ risch um seine Längsachse. Zum Halten und zum Drehen des Werk­ stücks eignen sich beispielsweise die bereits genannten Pino­ len.

Alternativ zu den in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Ausfüh­ rungen können auch mehrere Werkstücke in paralleler oder se­ rieller Anordnung gesägt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, mit der ein als Hohl­ zylinder ausgebildetes Werkstück (6) mit Hilfe von Spanndornen aus einer Zwischenschicht (13) und einem metallischen Grund­ körper (15) mechanisch gespannt werden können. Alternativ kann das als Hohlzylinder ausgebildetes Werkstück (6) mit Hilfe einer geeigneten, aushärtbaren Zwischenmasse (13) mit dem Spanndorn vergossen werden. In beiden Fällen sind die Zwi­ schenschichten (13) so beschaffen, daß die Sägedrähte (2) beim Durchtrennen des Werkstücks (6) ohne Beschädigung in diese einsägen können und gleichzeitig die resultierenden Scheiben (14) auf dem Spanndorn (15) fest fixiert sind. (7) gibt die Sägerichtung der Sägedrähte (2) wieder. Die Ausführung zum Drehen ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Drehzahl des Werkstücks so eingestellt werden kann, daß im Trennpunkt eine Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 30 m/s vorliegt.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren, bei dem eine Kühlschmiermittel­ versorgung (16) über Düsen (17) vorzugsweise parallel zur Vor­ schubbewegung zugeführt wird. Alternativ kann die Kühlschmier­ mittelversorgung schräg oder senkrecht zur Vorschubbewegung zugeführt werden.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Kühlschmiermittelver­ sorgung, bei der der Sägedraht (2) beim Durchlaufen eines Be­ ckens (18) mit Flüssigkeit (16) benetzt wird.

Fig. 7 zeigt eine Variante der Kühlschmiermittelversorgung bei der der gesamte Trennvorgang des Werkstoffes (6) mittels des Sägedrahtes (2) in einer Wanne (19) vollständig unter Kühlschmierstoff durchgeführt wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück mit einer Längs­ achse mit einem Drahtgatter aus Sägedraht mit einer Vor­ schubeinrichtung, die eine translatorische, senkrecht zu der Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drahtgatter der Drahtsäge bewirkt, in deren Verlauf das Werkstück durch das Drahtgat­ ter geführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das Drahtgat­ ter aus einer Vielzahl von Einzeldrähten gebildet ist und daß eine Einrichtung zum Halten und zum Drehen des Werk­ stücks um die Längsachse vorhanden ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgatter ein Lineargatter ist.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sägedraht ein mit Schneidkorn beleg­ ter Sägedraht ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Sägedrähte Diamant-Sägedrähte dienen.

5. Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abtrennen der Scheiben vom Werkstück mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 erfolgt.

6. Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem sprödharten Werkstück, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück, das eine Längsachse aufweist, durch eine translatorische, senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung zwischen dem Werk­ stück und dem Drahtgatter aus einer Vielzahl von Einzel­ drähten mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung durch das Drahtgatter geführt und beim Durchdringen in Scheiben geteilt wird, wobei das Werkstück während des Abtrennens der Scheiben um seine Längsachse gedreht wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben unter Einwirkung einer Slurry abgetrennt werden.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es unter Einsatz eines Kühlschmierstoffes durchgeführt wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Werkstücke nebeneinander angeord­ net und die Scheiben gleichzeitig von den Werkstücken abge­ trennt werden.