DE3941038A1 - Vorrichtung zum nachschaerfen der schneidkante von trennwerkzeugen beim abtrennen von scheiben von stab- oder blockfoermigen werkstuecken, insbesondere aus halbleitermaterial, ihre verwendung und saegeverfahren - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Nachschärfen der Schneidkante von Trennwerk­ zeugen beim Abtrennen von Scheiben von stab- oder blockför­ migen Werkstücken, insbesondere aus Halbleitermaterial, ihre Verwendung und Sägeverfahren.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachschärfen der Schneidkante von Trennwerkzeugen beim Abtrennen von Scheiben von stab- oder blockförmigen Werkstücken, insbesondere aus Halbleitermaterial, ihre Verwendung und Sägeverfahren, bei denen die Schneidkante des Trennwerkzeuges während des Sä­ gens Schärfeingriffen unterworfen wird.

Beim Innenlochsägen von Stäben, insbesondere aus Halbleiter­ material wie Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder Indi­ umphosphid, oder oxidischem Material wie Quarz, Rubin, Spinell oder Granat, beispielsweise Gallium-Gadolinium-Gra­ nat, wird eine hohe geometrische Qualität der abgetrennten Scheiben gefordert. Dies gilt in besonderem Maße für Sili­ ciumscheiben mit Durchmessern von mindestens etwa 10 cm Durchmesser, die als Grundmaterial für die Herstellung hoch­ integrierter elektronischer Bauelemente eingesetzt werden. Hier geht die ständige Steigerung der Packungsdichte einher mit deutlich engeren Toleranzen im Hinblick auf die Schei­ bengeometrie, die wesentlich durch die Präzision beim Trenn­ vorgang bestimmt wird.

Die geometrische Qualität der von den Stäben oder Blöcken abgetrennten Scheiben deren Dicke im allgemeinen im Bereich von etwa 100 bis 1000 µm liegt, kann beispielsweise durch Messung einer in der Fachsprache als "warp" bezeichneten Kenngröße beurteilt werden. Darunter wird die Differenz zwi­ schen den maximalen und den minimalen Entfernungen der mitt­ leren Scheibenoberfläche von einer Referenzebene verstanden. Der "warp" einer Scheibe kann beispielsweise nach der ASTM- Norm F 657-80 festgestellt werden.

Aus der EP-A-1 96 642 ist bekannt, daß der warp der erhalte­ nen Scheiben dadurch verbessert werden kann, daß während des Trennvorganges die den Materialabtrag bewirkende Schneidkan­ te des Trennwerkzeuges, in der Regel also eines Innenloch­ säge- oder Außentrennsägeblattes, bei Abweichung vom Soll­ schnittverlauf nachgeschärft wird. Dabei wird nicht die gesamte Schneidkante nachgeschliffen, sondern hauptsächlich jeweils diejenige Seitenfläche der Schneidkante, die näher an der Sollschnittlinie liegt.

In dieser Druckschrift ist auch eine Vorrichtung angegeben, mittels derer der Schärfvorgang durchgeführt werden kann. Die Schneidkante durchläuft dabei während des Trennvorganges einen Einschnitt in einem Arbeitskopf, in dem ein über ein Rollensystem geführtes, in seiner Neigung verstellbares, mit Schleifkörnern belegtes Band bei Bedarf an die jeweils zu behandelnde Seitenfläche der Schneidkante angelegt werden kann. Diese Vorrichtung ist jedoch kompliziert und störungs­ anfällig.

Die Aufgabe der Erfindung lag darin, eine demgegenüber ein­ fachere und zuverlässigere Schärfvorrichtung anzugeben.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung, welche ge­ kennzeichnet ist durch ein aus mindestens einem mit seiner Stirnseite der Schneidkante zugewandten länglichen Schärf­ stein bestehendes, lateral zum Sägeblatt bewegliches Schärf­ system, welches stirnseitig zwei einander gegenüberliegende Arbeitsflächen besitzt, die beim Schärfen lateral mit der ihnen zugewandten Oberfläche der Schneidkante in Kontakt ge­ bracht werden können.

Dies kann beispielsweise mittels eines aus einem Schärf­ stein bestehenden Schärfsystems geschehen, das jeweils auf die einen Schärfeingriff erfordernde Sägeblattseite ge­ schwenkt wird, so daß die jeweils der Schneidkante zugewand­ te Arbeitsfläche mit dieser in Kontakt gebracht werden kann. Vorteilhaft wird ein Schärfsystem vorgesehen, welches aus zwei versetzt zueinander angeordneten Schärfsteinen besteht, deren Stirnseiten sich beidseits der Schneidkante befinden, wobei die Arbeitsflächen jeweils der zu schärfenden Schneid­ kantenoberfläche zugewandt sind.

In der Figur ist schematisch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schärfeinheit dargestellt.

Die Figur zeigt das Sägeblatt 1 einer Innenlochsäge, welches an seinem hier nicht dargestellten Außenumfang in einen ro­ tierenden Spannrahmen eingespannt ist, während der Innen­ umfang 2 die beim Trennvorgang den Materialabtrag bewirkende Schneidkante trägt. In der Regel besitzt diese, wie in der Figur angedeutet, tropfenförmigen Querschnitt und besteht aus einer Metallmatrix, z. B. einer Nickelauflage mit darin eingebetteten Schneidkörnern aus hartem Material wie etwa Diamant oder Bornitrid. Neben der hier dargestellten Innen­ lochsäge mit liegendem, horizontalem Sägeblatt werden auch solche mit stehendem, vertikalem Sägeblatt eingesetzt, wobei die Erfindung für beide Anordnungen gleichermaßen geeignet ist.

Ober- und unterhalb der Sägeblattebene und versetzt zueinan­ der befinden sich die beiden Schärfsteine 3 und 4, die beide auf die Schneidkante gerichtet sind und geringfügig über de­ ren Innenrand hinausragen. Gemäß der dargestellten möglichen Ausführungsform der Vorrichtung sind beide Schärfsteine be­ vorzugt möglichst radial auf die Schneidkante gerichtet und vorteilhaft im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Grundsätzlich ist jedoch eine genau oder annähernd parallele Anordnung nicht zwingend vorgeschrieben; Abweichungen um bis zu etwa ±10° von der exakten Orientierung haben sich als noch tolerierbar erwiesen. Anstelle einer solchen parallelen Anordnung sind auch gewinkelte, beispielsweise gekreuzte oder aufeinander zulaufende Anordnungen möglich, wobei die Winkel bis zu etwa 120° betragen können. Insbesondere aus Platzgründen kann es auch zweckmäßig sein, die Schärfsteine um bis zu etwa 60° von der genau oder im wesentlichen radia­ len Orientierung abweichen zu lassen.

Es hat sich weiterhin als günstig erwiesen, wenn beide Schärfsteine gekoppelt beweglich sind, d. h. insbesondere ge­ meinsam hochgefahren oder abgesenkt werden können. Eine solche gekoppelte Bewegung kann apparativ mit dem geringsten Aufwand realisiert werden und gestattet somit auf einfache Weise effektive Schärfeingriffe auf beiden Seitenflächen der Schneidkante. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, beide Schärfsteine unabhängig voneinander beweglich vorzusehen.

Gut geeignet sind Schärfsteine in der Form von Rund- oder insbesondere Kantstäben, vorteilhaft mit quadratischem Quer­ schnitt. Zweckmäßig sind sie so dimensioniert, daß beim Schärfeingriff ihre Kontaktstrecke mit der Schneidkante etwa 3 bis 10 mm, vorteilhaft etwa 4 bis 6 mm beträgt. Die Länge unbenutzter Schärfsteine ist typisch etwa 10 bis 15 cm; bei fortschreitender Benutzung können sie bis auf den für die Befestigung erforderlichen Rest abgetragen werden. Vorteil­ haft werden Schärfsteine möglichst ähnlicher Maße und Form eingesetzt, um die Unterschiede zwischen den auf die jewei­ lige Schneidkantenseite einwirkenden Schärfoperationen ge­ ring zu halten.

Für die Schärfsteine kommen die in der Schärftechnik übli­ chen Materialien in Frage, wie sie beispielsweise auch in den sog. "Abziehsteinen" eingesetzt werden. Geeignete Mate­ rialien sind z. B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, die beispielsweise in massiver Form zur Anwendung kommen oder bevorzugt als Schleifmittelpartikel in ein Trägermaterial auf Basis von Keramik oder Kunststoff eingebunden sein kön­ nen. Aus den oben erwähnten Gründen werden vorteilhaft je­ weils beide Schärfsteine aus dem gleichen Material ausge­ wählt.

Die Schärfsteine sind in den Schärfsteinaufnahmen 5 und 6 befestigt, beispielsweise durch Einspannen, Verklemmen, Ver­ kleben oder Verschrauben. Diese gewährleisten die genaue und möglichst spielfreie Ausrichtung der Schärfsteine bezüglich der Schneidkante und sind, z. B. über die Verbindungsstege 7 und 8, mit einem aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Führungssystem verbunden, mit dessen Hilfe vorteilhaft aneinander gekoppelte Hub- und Absenkbewegungen der Aufnahmen 5 und 6 und damit der Schärfsteine ausgeführt werden können. Durch das gekoppelte Hochfahren bzw. Absenken der Schärfsteine können die in die Stirnseiten 9 der Schärf­ steine eingearbeiteten Arbeitsflächen jeweils lateral an eine Seitenfläche der Schneidkante herangeführt und alterna­ tiv mit ihr in Kontakt gebracht werden. Vorteilhaft ist im Führungssystem zusätzlich zu der Hub- und Senkeinheit auch eine Führungseinheit in radialer Richtung vorgesehen, um die Schärfsteine auf die Schneidkante zu bzw. von dieser weg be­ wegen zu können. Dadurch wird sowohl das Auswechseln der Schärfsteine als auch insbesondere das Nachführen erleich­ tert, wenn die Arbeitsfläche eines Schärfsteines aufge­ braucht ist. Gleichzeitig kann damit die Eingriffstiefe der Schneidkante in die Stirnfläche der Schärfsteine und somit auch die Intensität des Schärfvorganges gesteuert werden.

Die exakte Führung der Hub- und Senk- sowie gegebenenfalls auch der Hin- und Herbewegung kann durch geeignete Führungs­ elemente, beispielsweise durch entsprechend angeordnete Füh­ rungszylinder, Führungsschienen oder entsprechende Getriebe gewährleistet werden. Die Bewegung kann grundsätzlich, z. B. mit Hilfe von Stellschrauben, von Hand ausgeführt werden, aber auch mit Hilfe von, günstig rechnergesteuerten, Schrittmotoren.

Das gesamte Schärfsystem wird zweckmäßig an einer geeigneten Position am Geräterahmen befestigt, von welcher aus die Schärfsteine, ohne das Abtrennen der Scheiben vom Stab oder Block und ihre Entnahme der behindern, in ihre Arbeitsstel­ lung im Innenloch und dort bei Bedarf in Kontakt mit der Schneidkante gebracht werden können. Bewährt hat sich bei­ spielsweise eine Befestigung am bei den meisten Geräten vor­ handenen Schutzdeckel des Sägeblattes.

Beim eigentlichen Sägevorgang unter Einsatz der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung wird in der bekannten Art die Abweichung erfaßt, die das Sägeblatt bezüglich der Sollschnittlinie aufweist, während es sich durch das Werkstück arbeitet, um die gewünschte Scheibe abzutrennen. Dafür kommen beispiels­ weise Magnet- oder Wirbelstromsensoren in Frage, mit deren Hilfe mit einer Auflösung von etwa 1 µm auch durch die ent­ stehende Scheibe hindurch die Position des Sägeblattes wäh­ rend des Sägens verfolgt werden kann. Gegebenenfalls kann zusätzlich auch die Schnittkraft und/oder der auftretende Körperschall während des Sägevorganges überwacht werden, um weitere Aufschlüsse über den Schnittverlauf und auch die Auswirkung von Schärfeingriffen zu gewinnen.

Wenn dabei die Auslenkung des Sägeblattes einen vorher fest­ gelegten Toleranzwert überschreitet, der sich im allgemeinen aus der gewünschten geometrischen Qualität des Produktes, also der gesägten Scheiben, ergibt oder in Vorversuchen er­ mittelt wurde, wird jeweils die Seite der Schneidkante einem Schärfeingriff unterzogen, die der Sollschnittlinie zuge­ wandt ist. Zu diesem Zweck wird das Schärfsystem hochgefah­ ren bzw. abgesenkt, so daß die Arbeitsfläche des jeweils der zu schärfenden Seitenfläche der Schneidkante benachbarten Schärfsteins mit dieser in Kontakt gebracht wird. Dabei kann schrittweise die Position des Schärfsteins verändert werden, so daß beim Schärfeingriff jeweils stufenweise eine bestimm­ te Menge des Schärfsteins abgetragen wird, bis die Schneid­ kante wieder frei rotieren kann. Daneben besteht auch die Möglichkeit, insbesondere bei längeren Schärfoperationen, den Schärfstein kontinuierlich gegen die zu schärfende Schneidkantenfläche zu führen. Wenn die Messung zeigt, daß die Abweichung des Sägeblattes die vorgegebenen Toleranzwer­ te nicht bzw. nicht mehr überschreitet, kann der Schärfein­ griff beendet werden. Danach kann der Sägevorgang ohne Schärfen weitergeführt werden, bis die Abweichung des Säge­ blattes es erneut erforderlich macht, den oberen oder unte­ ren Schärfstein in Funktion zu bringen. Gegebenenfalls kann es auch erforderlich sein, zusätzliche Schärfeingriffe außerhalb einer Sägeoperation bei frei rotierender Schneid­ kante durchzuführen.

Beim Schärfen arbeitet sich die Schneidkante mit der mit dem Schärfstein in Kontakt befindlichen Seitenfläche jeweils um einen durch die Anhebung oder Senkung bestimmten Betrag in diesen ein, so daß letztlich eine stufenförmige, dem Nega­ tivprofil der Schneidkante entsprechende Oberfläche quer über die Stirnfläche des Schärfsteines wandert. Die Ein­ griffstiefe der Schneidkante in den Schärfstein beträgt ty­ pisch zwischen 0.01 und 2 mm, vorteilhaft 0.05 bis 0.2 mm; sie wird vorteilhaft so eingestellt, daß die Schneidkante zumindest von ihrer Scheitelfläche bis zu ihrem Quer­ schnittsmaximum beim Schärfvorgang in Kontakt mit dem Schärfstein kommen kann. Diese Eingriffstiefe kann beispielsweise mit Hilfe der eine radiale Verschiebung der Schärfsteine gestattenden Führungselemente eingestellt werden. Die Abschätzung des für einen bestimmten Schärfeffekt erforderlichen radialen Zustellweges kann beispielsweise über Messungen der Schnittkraft erfolgen.

Bei noch unbenutzten Schärfsteinen oder noch nicht bean­ spruchten Stirnflächen hat es sich als günstig erwiesen, vor dem eigentlichen Sägevorgang die Schärfsteine kurz mit der jeweils zu schärfenden Seitenfläche der Schneidkante und in der jeweils gewählten Eingriffstiefe in Kontakt zu bringen, um dadurch eine entsprechend geformte Arbeitsfläche an der Stirnfläche der Schärfsteine zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich mit Vorteil bei Innenlochsägen verwenden, und eignet sich insbesondere für solche Sägeverfahren, bei denen der Schärfeingriff während des eigentlichen Sägevorganges erfolgt, bei dem die Scheibe vom Stab oder Block abgetrennt wird. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber den Verfahren, bei denen die Schärfein­ griffe nur bei frei rotierendem Sägeblatt erfolgen, und der Erfolg oder Mißerfolg der Operation erst an Hand der folgen­ den gesägten Scheiben überprüft werden kann, so daß notwen­ dig Ausschußscheiben anfallen. Bewährt hat sich die Vorrichtung beim Innenlochsägen von eine große Eingriffstie­ fe des Sägeblattes erfordernden Werkstücken, insbesondere beim Innenlochsägen von Scheiben aus Einkristallstäben, z. B. aus Silicium, mit großen Durchmessern ab mindestens etwa 100 mm, insbesondere ab etwa 150 mm. Neben dem Einsatz bei Innenlochsägen kommt die Vorrichtung auch für Außentrennsägen, deren Schneidkante also am Außenumfang des Sägeblattes liegt, in Frage.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert:

Eine handelsübliche Anordnung zum Innenlochsägen von Silici­ umstäben wurde an dem das rotierende Innenlochsägeblatt (Außendurchmesser ca. 86 cm, Innenlochdurchmesser ca. 30.5 cm, Schneidkante Nickel-beschichtet mit eingebetteten Dia­ mantkörnern) umgebenden Schutzdeckel mit einer analog der Figur gestalteten Schärfvorrichtung mit einem von Hand über einen zur Sägeblattebene axial ausgerichteten Führungszylin­ der mittels Stellschraube heb- und senkbaren Schärfsystem bestückt. Über die beiden Verbindungsstege waren dabei die zwei Schärfsteinaufnahmen in das Innenloch des horizontal liegenden Sägeblattes eingeführt. In jede war mittels Schrauben ein ca. 10 cm langer Schärfstein quadratischen Querschnittes (Kantenlänge ca. 6 mm) eingespannt, welcher aus einer keramischen Masse mit eingebetteten Korundschleif­ körnern bestand. Beide Schärfsteine waren annähernd parallel zueinander ausgerichtet und wiesen im wesentlichen radial auf die Schneidkante des Sägeblattes. In der Ausgangsposi­ tion waren sie um ca. 60 mm gegeneinander versetzt und befanden sich mit ihrem als Arbeitsfläche vorgesehenen Stirnabschnitt jeweils ober- bzw. unterhalb der Schneidkan­ te.

Zunächst wurde nun durch kurzzeitiges Anheben bzw. Absenken der Hubeinheit der obere sowie der untere Schärfstein mit der frei rotierenden Schneidkante in Kontakt gebracht, wobei die Eingriffstiefe jeweils ca. 0.2 mm betrug. Damit war die Vorrichtung betriebsbereit.

Nun konnte der eigentliche Sägevorgang begonnen werden, bei dem ein Siliciumstab (Durchmesser ca. 150 mm) nacheinander in Scheiben von ca. 0.8 mm Dicke zersägt wurde. Bei jedem Sägevorgang wurde mittels Wirbelstromsensor der Lauf des Sägeblattes durch das Werkstück überwacht, wobei eine Abwei­ chung vom Sollschnittverlauf um ca. ±10 µm als noch tole­ rierbar angesehen wurde. Bei Überschreiten dieses Wertes wurde durch Anheben bzw. Absenken der Schärfvorrichtung bei unverändert fortgesetztem Sägevorgang jeweils die der Soll­ schnittlinie zugewandte Seitenfläche der Schneidkante mit der entsprechenden Arbeitsfläche eines Schärfsteines in Kon­ takt gebracht. Der Kontakt wurde dabei, ggf. auch durch kon­ tinuierliches Nachführen, jeweils so lange aufrechterhalten, bis der Meßsensor anzeigte, daß das Sägeblatt sich wieder in Richtung auf die Sollschnittlinie zurückzubewegen begann.

Auf diese Weise wurden insgesamt ca. 1000 Siliciumscheiben gesägt. Als Kriterium für die geometrische Qualität der nach diesem Verfahren erhaltenen Scheiben wurde der "warp"- Wert (gemäß ASTM-Norm F 657-80) herangezogen, der von 97.5% der Scheiben eingehalten oder unterschritten wurde. Dieser Wert lag bei ca. 20 µm, während bei Sägevorgängen ohne der­ artige Schärfeingriffe lediglich "warp"-Werte um etwa 30 µm zu erzielen waren.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Nachschärfen der Schneidkante von Trenn­ werkzeugen beim Abtrennen von Scheiben von stab- oder blockförmigen Werkstücken, insbesondere aus Halbleiter­ material, gekennzeichnet durch ein aus mindestens einem mit seiner Stirnseite der Schneidkante zugewandten läng­ lichen Schärfstein bestehendes, lateral zum Sägeblatt bewegliches Schärfsystem, welches stirnseitig zwei ein­ ander gegenüberliegende Arbeitsflächen besitzt, die beim Schärfen lateral mit der ihnen zugewandten Oberfläche der Schneidkante in Kontakt gebracht werden können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schärfsystem aus zwei versetzt zueinander an­ geordneten Schärfsteinen besteht, deren Stirnseiten sich beidseits der Schneidkante befinden, wobei die Arbeitsflächen jeweils der zu schärfenden Schneid­ kantenoberfläche zugewandt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schärfsteine gekoppelt beweglich sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schärfsteine im wesentlichen parallel angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schärfsystem radial auf die Schneidkante ausgerichtet ist.

6. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 beim Innenlochsägen.

7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu zersägenden Werkstücke Stäbe mit minde­ stens 10 cm Durchmesser sind.

8. Verfahren zum Innenlochsägen von stab- oder block­ förmigen Werkstücken, bei dem während des Trennvor­ ganges die Schneidkante des rotierenden Sägeblattes einer Schärfoperation unterworfen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schärfoperation mit einer Vor­ richtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Schärfoperation die Eingriffstiefe der Schneidkante in den Schärfstein zwischen 0.01 und 2 mm beträgt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schärfoperation jeweils an der einer Sollschnittlinie zugewandten Seitenfläche der Schneidkante durchgeführt wird.