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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Ausrichtung von
Einkristallen im Hinblick darauf, sie in einer Schneidmaschine entlang einer vorbestimmten
Schnittebene zu zerschneiden, sowie eine Vorrichtung für die Umsetzung des Verfahrens.
Die allgemein für optische oder Halbleiteranwendungen dienenden Einkristalle
müssen nach bezüglich der Achsen des Kristallgitters sehr genauen Ausrichtungen
geschnitten werden. Des Weiteren ermöglicht ihre Herstellung keine vollkommene Kontrolle
der Ausrichtung der Achsen des Kristallgitters bezüglich der geometrischen Achsen. Für
ein korrektes Schneiden muss man daher die Herstellungsfehler korrigieren und die
zwischen der Schnittebene und der gewählten oder durch nachfolgenden Einsatz oder
nachfolgende Verfahren verlangten Kristallebene gebildeten Winkel berücksichtigen. Da
das Schneiden an geometrischen Einkristallen erfolgt, müssen diese so positioniert und und
im Raum gehalten werden, dass die Bewegung des Schneidsystems parallel zur
gewünschten Schnittebene jedes der Einkristalle verläuft. Es existiert eine unendlich grosse Zahl von
möglichen Positionen, aber es existieren nur vier je Einkristall, in denen dieser auch noch
in eine Ebene senkrecht zur Schnittebene der Maschine gebracht wird. Die Positionierung
jedes der Einkristalle gemäss einer dieser vier Positionen ermöglicht daher nicht nur einen
Schnitt in der gewünschten Ausrichtung, sondern gleichzeitig auch eine Minimierung der
Schneidzeit und eine optimale Beladung der Schneidmaschine, daher eine Verbesserung
der Produktivität der Schneidvorrichtung.
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Vorrichtungen zur Ausrichtung von Einkristallen sind in der Halbleiterindustrie
schon bekannt und werden auf Innentrennschleifscheiben und Drahtsägen eingesetzt. Die
Positionierung erfolgt mit Hilfe eines direkt auf die Maschine montierten, nach y''', z'''
ausrichtbaren Tisches. Die Justierung erfolgt nach optischen oder Röntgenmessungen. Die
Korrektur wird dann gemäss y''', z''' angebracht. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil,
einerseits eine Stellung des Einkristalls zu haben, die bezüglich der Vorschubrichtung des
Schneidelements geneigt ist, was im Falle einer Drahtsäge, bei der die Drahtschicht
parallel zum geometrischen Einkristall sein muss, sehr ungünstig ist, und andererseits nicht
die Schnittlänge auf ein Minimum zu reduzieren, was dann bei Innentrennsägen ungünstig
ist, indem es ihre Produktivität verringert. Ausserdem verlangt diese Vorgehensweise, dass
der Maschinentisch vor jedem Schnitt sehr präzise eingestellt wird, und dies in einer oft
schmutzigen, daher für diese Art von Arbeitsgang wenig günstigen industriellen
Umgebung. Die für die Einstellung der Maschine erforderliche Zeit trägt ebenfalls zur
niedrigeren Produktivität bei. Auch erlaubt diese Vorgehensweise nicht das gleichzeitige
Schneiden von mehreren Einkristallen mit voneinander verschiedenen Orientierungen.
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Die Schneidmaschine hat eine feste Tischlänge, während die Einkristalle selbst
wegen der Herstellungs- oder Qualitätszwänge verschiedene Längen aufweisen können. In
einer Drahtsäge ist die Schneidzeit von der zu schneidenden Länge unabhängig, daher ist
es erforderlich, eine maximale Füllung der Säge zu haben, wenn man eine maximale
Produktivität erzielen will.
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Aus dem Dokument WO 89/10825 ist eine Vorrichtung zum Zersägen von
Werkstücken in feine Scheiben durch ein Feld von parallelen Drähten bekannt, die mit einer
Aufschlämmung beschichtet sind, wobei die Vorrichtung ein oder mehrere
Ausgleichstücke aufweist, die so in der Nähe des zu sägenden Objekts angebracht sind, dass sie
durch ihre Gegenwart einen Ausgleich des Druckes und der Menge der Aufschlämmung
nahe dem Eintrittspunkt des Drahtes in das zu sägende Stück bewirken. Nach einer
besonderen Ausführungsform dieser Vorrichtung werden zwei zu sägende Stücke auf einem
gemeinsamen Träger angeordnet und gleichzeitig gesägt. Bei dieser Vorrichtung werden
diese zu sägenden Werkstücke nicht ausserhalb der Maschine ausgerichtet oder auf ihrem
Träger befestigt.
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Das Dokument DE 27 52 925 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ausrichtung
eines Einkristalls, die einen Rahmen umfasst, auf den ein Winkelmesskopf montiert ist, der
Drehbewegungen um drei zueinander senkrechte Achsen des auf diesem Winkelmesskopf
befestigten Einkristalls sowie die Annäherung des Einkristalls an einen Schneidträger
zulassen, auf dem dieser Einkristall befestigt werden soll. Die in diesem Dokument
beschriebene Vorrichtung erlaubt die Ausrichtung eines Einkristalls ausserhalb der
Schneidmaschine, das Dokument offenbart aber nicht, auf welche Weise die Ausrichtung erfolgen
muss, um eine geneigte Lage des Einkristalls bezüglich der Vorschubrichtung der
Schneidelemente der Maschine zu vermeiden. Ausserdem ist diese Vorrichtung so ausgelegt, dass
nur ein einzelner ausgerichteter Einkristall auf dem Schneidträger befestigt wird.
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Die Patentanmeldung EP 0 738 572 A1 gehört dem Inhaber des vorliegenden
Patents und ist an einem Datum eingereicht worden, das vor dem Prioritätsdatum des
vorliegenden Patents liegt, aber sie ist nach diesem Prioritätsdatum veröffentlicht worden.
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Sie stellt daher ein Dokument dar, wie es in Artikel 54(3) EPUe definiert ist. Dieses
Dokument offenbart ein Verfahren zur Positionierung eines Einkristalls im Hinblick auf ein
Schneiden in wohldefinierten Richtungen, das ohne eine Regelung auf der Maschine
auskommt und die Schneiddauer auf ein Minimum reduziert, indem eine Positionierung
ausserhalb der Maschine nach Drehwinkeln erfolgt, die mathematisch aus gemessenen
und/oder spezifizierten Daten erhalten werden und die den geometrischen Einkristall in
einer Ebene senkrecht zur Schneidrichtung positionieren, dabei aber die Schneidebene des
Einkristalls parallel zur Schneidrichtung der Maschine bringen. Die Vorrichtung zur
Realisierung des dort beschriebenen Verfahrens umfasst ein Gestell, zwei Zylinder, die drehbar
auf dem Gestell montiert sind und den Einkristall tragen, sowie eine Drehscheibe, die dafür
bestimmt ist, den Schneidträger zu halten, der zugleich zur Positioniervorrichtung und zur
Schneidmaschine gehört. Durch eine Hebemechanik werden der Träger und der Einkristall
miteinander in Berührung gebracht und miteinander fest verbunden, nachdem zuvor durch
Drehung um zwei Achsen ihre vorherbestimmte, gegenseitige Ausrichtung erreicht wurde.
Das Verfahren und die Vorrichtung erlauben es, eine genaue Positionierung des
Einkristalls unter günstigen Bedingungen ausserhalb der Maschine zu erreichen, aber je Träger
kann nur ein einziger Einkristall ausgerichtet und befestigt werden.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die vorgenannten Nachteile abzustellen
und eine genaue Einstellung der Lage von mehreren Einkristallen zu ermöglichen, die in
einer sauberen Umgebung auf einen gemeinsamen Schneidträger montiert werden, somit
die Schneidproduktivität zu erhöhen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist daher durch die Merkmale gekennzeichnet,
die in Anspruch 1 genannt werden, nämlich dadurch, dass mehrere Einkristalle für ein
gleichzeitiges Schneiden vorbereitet werden, dass nacheinander jeder der Einkristalle
ausserhalb der Schneidmaschine mittels einer Positioniervorrichtung in einer
vorbestimmten Ausrichtung bezüglich eines Schneidträgers, die für jeden Einkristall unterschiedlich
ist, ausgerichtet wird, dass nacheinander jeder der Einkristalle in Übereinstimmung mit der
benannten, vorbestimmten Ausrichtung, die für jeden Einkristall unterschiedlich ist, auf
dem Schneidträger befestigt wird, dessen räumliche Anordnung in der Schneidmaschine
bezüglich der Schneidebene der Maschine geometrisch definiert ist, dass der Schneidträger
nach Befestigung dieser Einkristalle gemäss der benannten, geometrisch definierten
räumlichen Anordnung in der Schneidmaschine angeordnet wird, um die benannte, vorbestimmte
Ausrichtung jedes Einkristalls in der Schneidmaschine zu erhalten, und dass alle auf den
Schneidträger montierten Einkristalle gleichzeitig geschnitten werden.
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Durch diese Merkmale ist es möglich, eine Positionierung und genaue Ausrichtung
jedes der Einkristalle, die die Schneidladung darstellen, in einer günstigen Messumgebung
zu erreichen, ohne dass es erforderlich wäre, eine Einstellung der Lage auf der
Schneidmaschine vorzunehmen. Die Totzeiten dieser Maschine können daher beträchtlich
verringert werden, und da die Menge der pro Schneidladung erzeugten Scheiben maximal ist,
erhöht sich die Produktivität der Schneidmaschine ebenso stark.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass die benannte, vorbestimmte Ausrichtung erhalten wird, indem jeder Einkristall so auf
der Positioniervorrichtung angebracht wird, dass eine seiner geometrischen Achsen aus der
geometrischen Gestalt jedes Einkristalls in einer Bezugsebene enthalten ist, die der zur
Schneidebene senkrechten Arbeitsebene der Schneidmaschine entspricht, indem eine
Drehung jedes Einkristalls um einen ersten vorbestimmten, für jeden Einkristall eigenen
Winkel um die benannte geometrische Achse ausgeführt wird, um die Normale zur
Schnittebene des Einkristalls in die benannte Bezugsebene zu bringen, und indem eine relative
Drehung zwischen dem Schneidträger und jedem Einkristall um einen zweiten
vorbestimmten, für jeden Einkristall eigenen Winkel um eine zu der benannten Bezugsebene
senkrechten Achse ausgeführt wird, damit die Normale zur Schnittebene einer
Bezugsrichtung folgend ausgerichtet wird, die der Normalen zur Schneidebene der Maschine
entspricht, wobei die benannte geometrische Achse und die Normale zur Schnittebene
jedes Einkristalls in der benannten Bezugsebene enthalten sind.
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Man hilft somit auf genaue und bequeme Art und Weise dem Nachteil ab, eine
gegenüber der Vorschubrichtung der Schneidelemente der Maschine geneigte Lage der
Einkristalle zu haben, was bei Drahtsägen besonders ungünstig ist. Die geometrische
Hauptachse jedes Einkristalls kann daher vollkommen parallel zur Arbeitsebene und zur
Drahtschicht ausgerichtet werden, somit erhält man einen optimalen Schnitt, verringert
dabei aber die Schnittlänge auf ein Minimum und erhöht die Schneidladung auf ein
Maximum.
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Günstigerweise ist das durch die vorliegende Erfindung eingesetzte Verfahren
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Schnittebene jedes Einkristalls bezüglich
des Kristallgitters definiert wird, dass die Ausrichtung des Kristallgitters bezüglich der
geometrischen Gestalt jedes Einkristalls gemessen wird und dass der erste und zweite
Drehwinkel berechnet wird, indem die Ausrichtung der Schnittebene bezüglich des
Kristallgitters und bezüglich der geometrischen Gestalt jedes Einkristalls berücksichtigt wird.
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Durch diese Merkmale erhält man eine hohe Präzision der Positionierung und eine
beträchtliche Geschwindigkeit der Montage.
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Das erfindungsgemässe Verfahren wird besonders vorteilhaft bei Einkristallen
angewendet, deren geometrische Gestalt im Wesentlichen kreiszylindrisch ist, wobei die
benannte geometrische Achse der Hauptachse des Einkristalls entspricht.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zur Umsetzung des
Verfahrens, die gemäss Anspruch 7 eine Positioniervorrichtung umfasst, die dafür bestimmt
ist, einen Einkristall ausserhalb der Schneidmaschine in Übereinstimmung mit einer
vorbestimmten Ausrichtung bezüglich eines Schneidträgers auszurichten, auf dem der
Einkristall befestigt werden soll und dessen räumliche Anordnung in der Schneidmaschine
geometrisch definiert ist, und dessen Hauptachsen zu den Achsen der Schneidmaschine
parallel sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, um
zumindest zwei Einkristalle ausserhalb der Schneidmaschine in einer vorbestimmten, für
jeden Einkristall unterschiedlichen Ausrichtung auf einem Schneidträger zu befestigen und
um ein gleichzeitiges Schneiden der Einkristalle auszuführen, wobei die
Positioniervorrichtung erste Mittel umfasst, um jeden der Einkristalle in einer solchen Ausrichtung zu
halten, dass eine der geometrischen Achsen der geometrischen Gestalt jedes Einkristalls in
einer der Arbeitsebene der Schneidmaschine entsprechenden Bezugsebene enthalten ist,
und um eine Drehung des Einkristalls um einen ersten vorbestimmten Winkel um die
benannte geometrische Achse zu bewirken, damit die Normale zur Schnittebene des
Einkristalls in die benannte Bezugsebene gebracht wird, zweite Mittel, um eine relative
Drehung zwischen dem Schneidträger und jedem Einkristall um einen zweiten vorbestimmten
Winkel um eine zu der benannten Bezugsebene senkrechten Achse zu bewirken, damit die
Normale zur Schnittebene in einer Bezugsrichtung ausgerichtet wird, die der Normalen zur
Schneidebene der Maschine entspricht, wobei dritte Mittel eine Relativbewegung entlang
der geometrischen Achse der Einkristalle gestatten, um die kompakteste Gruppierung der
verschiedenen Einkristalle auf dem Schneidträger zu ermöglichen, sowie vierte Mittel, um
eine relative Translationsbewegung zwischen jedem Einkristall und dem Schneidträger zu
bewirken, die dazu bestimmt sind, den Schneidträger und den Einkristall im Hinblick
darauf einander zu nähern, dass letzterer in der benannten vorbestimmten, für jeden
Einkristall unterschiedlichen Ausrichtung auf dem Schneidträger befestigt wird, und
dadurch, dass die ersten Mittel einen Greifmechanismus, der um eine Drehachse drehbar auf
einen oberen Abschnitt eines Gestells der Positioniervorrichtung montiert und so ausgelegt
ist, den Einkristall zu halten, sowie ein erstes Winkelmessorgan umfassen, mit dem der
erste vorbestimmte Drehwinkel bestimmt werden kann, wobei die zweiten Mittel eine
bezüglich des benannten Gestells drehbar montierte Drehscheibe umfassen, deren
Hauptebene parallel zu der benannten Bezugsebene und zur Drehachse des Greifmechanismus
ist, wobei diese Drehscheibe so ausgelegt ist, dass sie den Schneidträger in einer
geometrisch definierten Lage hält, und ein zweites Winkelmessorgan vorgesehen ist, um, den
benannten zweiten, vorbestimmten Drehwinkel zu bestimmen, wobei die dritten Mittel
einen Mechanismus der Parallelverschiebung bezüglich der benannten Drehachse
umfassen, der es gestattet, den Einkristall in der kompaktesten Weise mit den anderen, vor
oder nach ihm auf den Schneidträger montierten Einkristallen zu positionieren, und die
vierten Mittel einen Mechanismus der Verschiebung in einer zu der benannten
Bezugsebene senkrechten Richtung umfassen, der die gegenseitige Annäherung des
Schneidträgers und des Einkristalls ermöglicht, wobei der Schneidträger so gestaltet ist, dass seine
Positionierung in der Schneidmaschine gemäss einer geometrischen Lage erfolgt, die der
auf der benannten Drehscheibe definierten geometrischen Lage entspricht, so dass die
Bezugsebene und die Bezugsrichtung der Arbeitsebene und der Normalen zur
Schneidebene der Maschine entsprechen.
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Durch diese Merkmale erhält man eine rasche, genaue und den Schneidmaschinen
angepasste Positionierung, die ein exaktes Zerschneiden jedes Einkristalls in einer
minimalen Zeit ermöglicht, und zwar unabhängig von der Zahl der Einkristalle, die die
Schneidladung darstellen. Weiter wird die Schneidgenauigkeit von der eingesetzten
Schneidmaschine oder bei der Bandfertigung vom Bedienungspersonal unabhängig,
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Die Positionierung mehrerer Einkristalle auf dem gleichen Schneidträger ist
besonders einfach, schnell und preisgünstig, gewährleistet aber zugleich eine hohe
Schneidpräzision der Gruppe von Einkristallen.
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Weitere Vorteile gehen aus den in den abhängigen Ansprüchen ausgedrückten
Merkmalen und der Beschreibung hervor, die hiernach die Erfindung eingehender mit
Hilfe von Zeichnungen darlegt, die schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform
vorstellen.
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Fig. 1 veranschaulicht perspektivisch ein Beispiel eines Einkristalls mit seinen
geometrischen und kristallographischen Achsen und die gewählte Schneidebene.
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Fig. 2A und 2B veranschaulichen in zwei orthogonalen Ansichten die nach
einem bekannten und derzeit eingesetzten Verfahren erhaltene Lage des Einkristalls, die
das gleichzeitige Schneiden von mehreren Einkristallen nicht zulässt.
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Fig. 3A und 3B stellen in zwei orthogonalen Ansichten die Lagen von zwei
Einkristallen dar, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erhalten
wurden.
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Fig. 4 stellt ein Vektorschema der verschiedenen eingesetzten Bezugssysteme dar.
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Fig. 5A, 5B und 5C veranschaulichen die von jedem der Einkristalle
eingenommenen Lage in der Abfolge des der vorliegenden Erfindung eingesetzten
Ausrichtungsverfahrens.
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Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung für
die Umsetzung des Verfahrens.
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Fig. 7A und 7B veranschaulichen in zwei Ansichten die Positionierung von drei
auf einem Schneidträger ausgerichteten Einkristallen.
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Allgemein eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, auf der Schneidmaschine
Einkristalle anzuordnen, die im Voraus ausgerichtet und auf den gleichen Schneidträger
montiert wurden und deren Schnittebene parallel zur Schneidebene der Maschine ausgerichtet
ist, um so die Schnittlänge auf ein Minimum zu reduzieren und gleichzeitig die Füllung des
Schneidträgers auf ein Maximum zu erhöhen. Diese Festlegung der Ausrichtung erfolgt
mathematisch für jeden Einkristall, und zwar ausgehend von Messungen, die ausgeführt
werden, um die Abweichung jedes geometrischen Einkristalls vom Kristallgitter zu
bestimmen, wobei die Anforderungen des nachfolgenden Prozesses bezüglich der Kristallachsen
einbezogen werden. Die Montage der Einkristalle auf einen Schneidträger kann dann mit
Hilfe einer Positioniervorrichtung erfolgen, die eine genaue Messung der Drehwinkel der
geometrischen Einkristalle zulässt und es gestattet, sie so, wie sie sind, auf einen
gemeinsamen Schneidträger zu montieren, der ein Teil mit Markierungen für die Ausrichtung ist,
das zur Schneidmaschine gehört. Die Einkristalle können auf dem Schneidträger
angeflanscht oder vorzugsweise aufgeklebt werden, wobei dieser Träger nach seiner Überführung
in die Schneidmaschine die Einkristalle in vollkommener, schon vorhandener
Ausrichtung darbietet, bereit, ohne nochmalige Justierung gesägt zu werden. Darüber
hinaus ist die Schnittgenauigkeit unabhängig von der eingesetzten Maschine oder, im Falle
einer Bandfertigung, vom Bedienungspersonal.
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Die Positioniervorrichtung stellt sich als ein Tisch oder Gestell mit einer
Drehscheibe dar, deren Drehachse z''' senkrecht ist und auf die der Schneidträger gelegt wird,
auf dem die Einkristalle letztlich fixiert werden sollen. Dieser Träger hat ein
Markierungssystem, das mit dem der Schneidmaschine identisch ist. Der Einkristallträger ist ein
Schnittstellenteil zwischen der Positioniervorrichtung und der Schneidmaschine. Er hat
daher die gleiche Lage auf der Positioniervorrichtung und auf der Schneidmaschine. Über
der Drehscheibe, aber ortsfest bezüglich des Tisches findet man einen Mechanismus, der
den Einkristall hält und ihn um seine waagerechte x-Achse dreht, wobei weiter eine
Möglichkeit zur Verschiebung entlang dieser gleichen x-Achse besteht. Im Falle von
zylindrischen Einkristallen besteht dieses System aus einem Greifmechanismus, der es
gestattet, den Einkristall an seinem Ende zu fassen. Der Einkristall kann sich dann parallel
zu seiner Längenausdehnung um seine x-Achse drehen. Die Bewegung der Scheibe und
die Drehung des Einkristalls ermöglichen es, ihn in jeder beliebigen Ausrichtung zu
positionieren. Die Werte der beiden Drehwinkel werden durch die Anforderungen des
fertigen Erzeugnisses bestimmt und mathematisch berechnet. Der Mechanismus für eine
Verschiebung in der x-Richtung erlaubt es, den Einkristall an jeder beliebigen Stelle auf
dem Schneidträger anzuordnen, um eine maximale Füllung zu gewährleisten. Nachdem die
beiden Drehungen und die Translation in der x-Richtung ausgeführt worden sind, bringt
ein Mechanismus den Träger und den Einkristall selbst zusammen, wobei aber ihre relative
Lage erhalten bleibt. Das kann entweder durch Anheben der Drehscheibe oder durch
Absenken des Einkristalls erfolgen. Nachdem der Kontakt hergestellt ist, wird der
Einkristall an der richtigen Stelle angeflanscht oder angeklebt. Der Schritt wird mit anderen
Einkristallen wiederholt, bis der Schneidträger ganz gefüllt ist. Der Schneidträger kann
dann in die Schneidmaschine überführt werden. Die Einkristalle sind somit ausgerichtet
und bereit, gleichzeitig zerschnitten zu werden. Die Drehwinkel um x und z''' werden
durch integrierte elektronische Vorrichtungen wie Kodierer oder durch mechanische
Vorrichtungen wie Nonien zum Beispiel gemessen.
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Fig. 1 stellt ein Beispiel eines zu zerschneidenden Einkristalls 2 dar, der eine
zylindrische geometrische Gestalt mit den geometrischen Achsen x, y, z hat, wobei die x-
Achse die Hauptachse ist. Die Achsen x', y', z' des Kristallgitters dieses Einkristalls sind
zu den geometrischen Achsen nicht parallel. Die Winkel a und f zwischen den Achsen y'
und y bzw. z' und z werden durch optische oder Röntgenmessungen bestimmt und
definieren allgemein den Fabrikationsfehler des Einkristalls. Fig. 1 zeigt weiter die gewählte
oder geforderte Schnittebene 12 des Einkristalls mit ihren Achsen y" und z", die um
Winkelwerte p und t bezüglich der Achsen y' und z' des Kristallgitters geneigt sind, sowie
die Normale x" zur Schnittebene. Die Winkelwerte p und t werden allgemein in
Abhängigkeit von den Erfordernissen der weiteren Verwendung des abgeschnittenen
Einkristalls definiert. Es versteht sich, dass diese Winkel p und t auch zum Beispiel null sein
könnten, nämlich wenn Siliciumwafer gewonnen werden sollen, die parallel zur (100)-
Ebene geschnitten sind.
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Fig. 2A und 2B zeigen in einer seitlichen Ansicht und in Draufsicht die Lage
des Einkristalls 2, die durch das bekannte und vor der vorliegenden Erfindung
üblicherweise eingesetzte Verfahren erreicht wird, indem eine Ausrichtung des Einkristalls
durch Drehung um die geometrischen Achsen y und z ausgeführt wird. Der Einkristall 2 ist
dann nicht parallel zur Ebene des Drahtfeldes 4, wenn eine Drahtsäge als Schneidorgan
eingesetzt wird. Die Maschinenebene x''', y''' der Schneidmaschine ist nicht parallel zur
geometrischen x-Achse des Einkristalls 1. Die Vorschubrichtung des Drahtfeldes 4 entlang
z''' ist nicht senkrecht zum Einkristall, was für die Schnittqualität nachteilig ist, ausserdem
verhindert dies die Montage mehrerer Einkristalle mit verschiedenen Ausrichtungen.
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Fig. 3A und 3B veranschaulichen die Ausrichtung von Einkristallen, wie sie
durch das Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erreicht wird,
indem eine Ausrichtung der Einkristalle durch Drehung um die Achsen x&sub1;, x&sub2; und z'''
erfolgt. Das Drahfeld 4 der als Schneidmaschine eingesetzten Drahtsäge befindet sich in
der Ebene x''', y''', während die geometrische Achse x&sub1;, x&sub2; der Einkristalle parallel zu
dieser Ebene x''', y''' ist. Jeder Einkristall befindet sich daher in einer optimalen Lage
bezüglich der Schneidorgane, so dass ein sehr präzises Schneiden erreicht wird.
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Das Vektorschema der verschiedenen, für die Positionierung eingesetzten
Bezugssysteme ist in Fig. 4 dargestellt und umfasst das Bezugssystem x, y, z, das an die
geometrische Gestalt des Einkristalls gebunden ist, das Bezugssystem x', y', z', das an das
Kristallgitter des Einkristalls gebunden ist, das Bezugssystem x", y", z", das der
Schnittebene des Einkristalls entspricht, sowie das Bezugssystem x''', y''', z''', das für die
Positioniervorrichtung und die Schneidmaschine verwendet wird.
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Die Schnittebene entspricht der Ebene y", z", ihre Normale entspricht der
Richtung von x". Der Fluchtungsfehler der geometrischen Gestalt des Einkristalls 2 gegenüber
dem Kristallgitter wird durch die Winkel a und f bestimmt, die den Winkeln y'y und z'z
entsprechen. Die den Winkeln y"y und z"z entsprechenden Winkel p und t bestimmen die
Ausrichtung der gewählten Schnittebenen gegenüber dem Bezugssystem des
Kristallgitters. Die Normale x" zur Schnittebene y", z" definiert einen Vektor X" (x, y, z), der
einen Winkel g mit der geometrischen x-Achse bildet, während die Projektion des Vektors
X"(x, y, z) auf die Ebene y, z einen Winkel d mit y bildet.
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Der Winkel d entspricht daher dem Drehwinkel um die geometrische x-Achse, der
erforderlich ist, um die Normale x" zur Schnittebene y", z" in eine Bezugsebene zu
bringen, die der Arbeitsebene x''', y''' der Maschine entspricht.
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Der Winkel g entspricht dem Drehwinkel um die senkrechte Achse z''', bei dem
die Normale x" zur Schnittebene einer Bezugsrichtung folgend ausgerichtet ist, die der
Normalen x''' zur Schneidebene y''', z''' der Maschine entspricht, damit die gewünschte
Schnittebene mit der Schneidebene der Schneidmaschine zusammenfällt.
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Die Winkel d und g können für jeden Einkristall berechnet werden, und die
mathematische Lösung bietet sich wie folgt dar:
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X' = M(a, f)X,
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wo M(a, f) die Rotationsmatrix für die Winkel a und f ist, und
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X" = M(t, p)X',
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wo M(t, p) die Rotationsmatrix für die Winkel p und t ist.
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Daraus folgt, dass die beiden Winkel d und g, die jeder der geometrischen
Einkristalle um x und z''' überstreicht, durch die Komponenten X"x, X"y, X"z von
X" (x, y, z) im Bezugspunkt x''', y''', z''' erhalten werden, wobei X" der zur Ebene y", z"
im Maschinen-Bezugssystem senkrechte Vektor ist;
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d = arctan(X"z/X"y),
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g = arctan(X"y² + X"z²)1/2/X"x.
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Das Positionierverfahren zur Erlangung der optimalen Ausrichtung, die in den
Fig. 3A und 3B dargestellt ist, wird genauer unter Bezugnahme auf die Fig. 5A, 5B
und 5C beschrieben, die drei aufeinanderfolgende Positionen veranschaulichen. In Fig.
5A ist der Einkristall auf die Positioniervorrichtung gebracht worden, und seine
geometrischen Achsen x, y, z sind mit den Achsen x''', y''', z''' der Ausfluchtungsvorrichtung und
der Schneidmaschine ausgefluchtet.
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Dann wird eine Drehung um die geometrische Achse x''' oder x um einen
Winkelwert d ausgeführt, um den Vektor X" in die Ebene x''', y''' zu bringen (Fig. 5B).
Eine Drehung des geometrischen Einkristalls um einen Winkel g um die Achse z''' bringt
den Vektor X" in eine Position, in der er mit der Achse x''' kolinear ist (Fig. 5C). Nach
diesen beiden Drehungen ist der geometrische Einkristall x, y, z parallel zur Ebene x''',
y''' ausgerichtet, und zwar unter einem Winkel g bezüglich der Normalen X''' zur
Schneidebene, der den Erfordernissen des danach eingesetzten Verfahrens entspricht. Das
daraus folgende Sägen erfolgt mit Winkeln t und p bezüglich der kristallographischen
Achsen y' und z'. Es versteht sich, dass die zweite Drehung auch ausgeführt werden
könnte, indem der Schneidträger um einen Winkel -g gedreht wird, während der Einkristall
unbewegt bleibt, wie dies in der in Fig. 6 veranschaulichten Ausführungsform realisiert
wird.
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Letztere besteht aus einer Positioniervorrichtung 1, die es gestattet, jeden
Einkristall 2 ausserhalb der Schneidmaschine in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten
Ausrichtung bezüglich eines Schneidträgers auszurichten, der in der Gestalt eines Trägers
3 vorliegt, auf dem die Einkristalle nach angemessener Ausrichtung befestigt werden.
Daher enthält die Positioniervorrichtung 1 einen Tisch oder ein Gestell 5 mit einem
Oberteil 6 und einem Unterteil 7.
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Der auszurichtende Einkristall 2 wird durch eine drehbare Greifvorrichtung 8 mit
seiner Hauptachse parallel zur x-Achse ausgerichtet. Ein Winkelmessorgan in Gestalt eines
Kodierers 10 erlaubt es, den Drehwinkel d des Einkristalls um die x-Achse zu messen.
Dank eines Translationsmechanismus 13 kann sich die Greifvorrichtung 8 linear entlang x
verschieben.
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Eine Drehscheibe 11 ist um die z'''-Achse drehbar auf das Unterteil 7 des Gestells
1 montiert. Ein in die Drehscheibe 11 integriertes Winkelmesssystem erlaubt es, den
Drehwinkel g um die z'''-Achse zu messen. Der Träger 3 wird auf der Drehscheibe 11 in
einer genauen, im Voraus bestimmten Ausrichtung gehalten.
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Die Drehscheibe 11 ist ferner entlang der Richtung z''' gleitend auf das Unterteil 7
des Gestells montiert, um den Träger 3 mittels eines Hebemechanismus 9 dem Einkristall 2
zu nähern und den Einkristall 2 auf dem Träger 3 zu befestigen. Nach einer
aufeinanderfolgenden Befestigung mehrerer Einkristalle können der Träger 3 und die Einkristalle
2 gemäss einer im Voraus bestimmten geometrischen Lage in die Schneidmaschine
gebracht werden, und zwar so, dass die Bezugsebene x'''s, y'''s des Trägers 3 der
Arbeitsebene x''', y''' der Schneidmaschine entspricht und dass die Senkrechte x''' zur
Schneidebene der Maschine parallel zur Bezugsrichtung x'''s des Trägers ist.
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Somit gestattet es die beschriebene Vorrichtung, die das im Einzelnen beschriebene
Verfahren einsetzt, die vorliegende Erfindung zu realisieren, nämlich mehrere Einkristalle
ausserhalb der Schneidmaschine auf einem Schneidträger zu positionieren, und zwar so,
dass die Einkristalle, wenn sie auf ihren Träger montiert und in eine Schneidmaschine
eingeführt worden sind, mit einer gegebenen Ausrichtung der Kristallachsen bezüglich der
Sägeebene gleichzeitig zerschnitten werden. Des Weiteren ist die Position der
zylindrischen Einkristalle derart, dass die Mantellinien dieser Zylinder bei Benutzung einer
Drahtsäge parallel zum Drahtfeld 4 liegen, bzw. parallel zur Richtung der Bewegung, die die
Dicke der Wafer definiert, wenn es sich um ein Schneiden mit Sägeblatt handelt. Zu
diesem Zweck wird die Ausrichtung des Kristallgitters bezüglich der geometrischen Gestalt
des Einkristalls optisch oder mit Röntgenstrahlen gemessen. Die Positioniervorrichtung 1
oder der Schneidträger 3 können deshalb vorteilhafterweise so ausgelegt sein, dass sie auf
einen Röntgenstrahlgenerator montiert werden können und die Positionierung der
Einkristalle gleichzeitig ausgeführt und kontrolliert werden kann. Da die Ausrichtung der
Schnittebene y", z" gegenüber dem Kristallgitter x', y, z' durch die nachfolgende
Anwendung festgelegt wird, werden die Werte des Drehwinkels der Einkristalle d um die x-Achse
und der Positioniervorrichtung g um die z'''-Achse mathematisch bestimmt. Wenn die
beiden Drehungen für jeden Einkristall gemäss den berechneten Werten ausgeführt worden
sind, befinden sich die Einkristalle in der für die Schneidmaschine erwünschten Stellung,
nämlich senkrecht zum Vorschub (z''') des Schnitts, und sie haben darüber hinaus ihre
Schnittebenen (y&sub1;"z&sub1;", y&sub2;"z&sub2;", y&sub3;"z&sub3;") parallel zur Schneidebene (y'''z''') der
Maschine, wie in Fig. 7A und 7B für drei Einkristalle Z veranschaulicht, deren
kristallographische Achsen x1, x2, x3 parallel zur Ebene x'''z''' der Schneidmaschine und des
Trägers 3 sind. Die Positioniervorrichtung erlaubt eine Befestigung der Einkristalle entweder
durch Anflanschen oder durch Ankleben auf den Träger 3, der bezüglich der
Schneidmaschine in seiner Stellung vormarkiert ist. Ausserdem wird durch die durch das
Verfahren gegebene Ausrichtung bei zylindrischen Einkristallen die Sägelänge auf ein
Minimum reduziert. Die Schneidmaschine braucht daher nach der Überführung der
Einkristalle auf den Schneidträger und der Überführung dieses Trägers in die
Schneidmaschine keinerlei Regelvorrichtung, um ein Schneiden gemäss winkelmässigen
Spezifikationen zu gewährleisten. Das Drahtfeld einer Drahtsäge bleibt während des ganzen
Schneidvorgangs parallel zu den geometrischen Einkristallen, gewährleistet aber eine
passende Orientierung der so hergestellten Wafer. Desgleichen bleibt das Sägeblatt einer
Blattsäge senkrecht zu den Einkristallen.
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Es versteht sich, dass die oben beschriebene Ausführungsform keinerlei
einschränkenden Charakter besitzt und dass sie innerhalb des Rahmens, der durch Anspruch 1
definiert wird, alle wünschenswerten Abwandlungen erfahren kann. Insbesondere könnten
die beiden Drehwinkel um die Achsen x und z''' durch Winkel ersetzt werden, die
bezüglich anderer geometrischer und kristallographischer Bezugssysteme definiert und
berechnet werden, aber zu dem gleichen Ergebnis führen, nämlich dass die Normale zur
Schnittebene jedes Einkristalls in einer Bezugsrichtung ausgerichtet ist, die der Normalen
zur Schneidebene der Maschine entspricht, und dass eine im Voraus bestimmte
geometrische Achse jedes Einkristalls und die Normale zur Schnittebene in einer Bezugsebene
liegen, die der Arbeitsebene der Maschine entspricht. Desgleichen könnte die Schnittebene
durch andere Winkel als p und t bezüglich des Kristallgitters definiert werden, und die
Abweichung des Kristallgitters von der geometrischen Gestalt jedes Einkristalls könnte
durch andere gemessene Winkel als a und f angegeben werden.
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Die Winkelmessorgane könnten elektronische, optische oder mechanische Organe
sein.
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Die Annäherung bzw. die Kontaktierung von Einkristall und Träger könnte von
unten oder von oben her erfolgen, und indem entweder der Schneidträger oder der
benannte Einkristall bewegt wird.
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Die Drehungen um die beiden Achsen, die waagerechte x-Achse und die senkrechte
z'''-Achse, könnten zeitlich umgekehrt erfolgen, indem zuerst die Drehung um die z'''-
Achse und danach die Drehung um die waagerechte x-Achse ausgeführt wird.
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Die Translation parallel zu x könnte erfolgen, indem nicht der Einkristall, sondern
der Schneidträger bewegt wird.
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Die Vorrichtung könnte ebenfalls für das ausgerichtete Schneiden von Einkristallen
jeder anderen geometrischen Gestalt oder von anderen Materialien als Einkristallen
eingesetzt werden, zum Beispiel von polykristallinen Aggregaten mit einer vorbestimmten
Kristallorientierung, von einfachen oder polysynthetischen Zwillingskristallen, orientierten
Kristallanhäufungen, Legierungen, orientierten kristallinen Substanzen in einer amorphen
Matrix, zum Beispiel polarisierenden Materialien, oder einfach zu dem Zweck, den
gewonnenen Scheiben oder Wafern eine besondere Gestalt zu erteilen.