EP1224067B1

EP1224067B1 - Vorrichtung und verfahren zum trennen von werkstoffen

Info

Publication number: EP1224067B1
Application number: EP01984580A
Authority: EP
Inventors: Ralf Hammer; Ralf Gruszynsky; André KLEINWECHTER; Tilo Flade
Original assignee: Freiberger Compound Materials GmbH
Current assignee: Freiberger Compound Materials GmbH
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: US20030005919A1; DE50102989D1; WO2002038349A1; CN100396460C; EP1224067A1; TW590842B; DE10055286A1; CZ301194B6; JP4302979B2; JP2004512989A; CN1394161A; SK286415B6; SK9782002A3; RU2271927C2; RU2002118120A; JP2008135712A; ATE271962T1; CN101066616A; CZ20022365A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen von Werkstoffen, insbesondere von Einkristallen.

Ein bekanntes verfahren (siehe z.B. JP-A-07 304 028) zum Trennen von Einkristallen, das insbesondere zur Erzeugung von Halbleiterwafern eingesetzt wird, ist das Innenlochtrennen. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zum Innenlochtrennen in einer Draufsicht gesehen in Richtung der Mittenlängsachse M eines Einkristalls 1. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Einkristall 1, der im wesentlichen zylinderförmig mit einer Mittenlängsachse M ausgebildet ist, auf einer nicht dargestellten Halterung angebracht und zusammen mit dieser in einer Richtung senkrecht zur Mittenlängsachse M über eine nicht dargestellte Vorschubeinrichtung verfahrbar. Zum Trennen bzw. Schneiden der Wafer ist eine Trennscheibe 2 vorgesehen, die aus einem ein konzentrisches Innenloch aufweisenden Kernblech 2a besteht, dessen das Innenloch umgebender Rand 3 mit Diamantkörnern besetzt ist und somit einen Schneidrand bildet. Die Breite des Kernbleches zwischen seinem äußeren Rand und seinem inneren Rand ist größer als der Durchmesser des Einkristalls, weshalb in der Figur schematisch nur der innere Rand dargestellt ist. Die Trennscheibe 2 ist um ihre zentrale Achse R über einen Antrieb in der in Fig. 1 gezeigten Richtung A drehbar. Die Trennscheibe und der Einkristall sind so zueinander angeordnet, dass die Rotationsachse R der Trennscheibe 2 und die Mittenlängsachse M des Einkristalls 1 in einem Abstand parallel zueinander verlaufen. Ferner ist der Einkristall 1 mittels der Vorschubeinrichtung senkrecht zu seiner Mittenlängsachse M in Richtung auf die Trennscheibe 2 hin bewegbar so daß die Trennscheibe beim Rotieren den Einkristall 1 vollständig in einer Ebene senkrecht zu seiner Mittenlängsachse M durchschneidet, und von der Trennscheibe 2 weg in eine Stellung bewegbar in der ein abgetrennter Wafer entnommen werden kann.

Innerhalb des das Innenloch umgebenden Randes 3 der Trennscheibe 2 ist in Drehrichtung A vor der Position P1 des Eintritts der Trennscheibe in den Einkristall 1, nachfolgend als eintrittsseitig bezeichnet, eine Kühl-Schmiermittel-Zuführvorrichtung 4 zum Zuführen von Kühl-Schmiermittel auf den Schneidrand vorgesehen. In Drehrichtung A nach der Position P2 des Austritts der Trennscheibe aus dem Einkristall 1, nachfolgend als austrittsseitig bezeichnet, ist eine zweite Zuführeinrichtung für Kühl-Schmiermittel vorgesehen. Im Betrieb wird vor dem Eintritt der Trennscheibe 2 in den Einkristall 1 über die Zuführvorrichtung 4 das Kühl-Schmiermittel auf den Schneidrand bzw. die Trennscheibe 2 aufgebracht, welches dann durch die Rotation der Trennscheibe 2 in den beim Trennen entstehenden Trennspalt transportiert wird. Beim Austritt der Trennscheibe 2 aus dem Einkristall 1 wird durch die zweite Zuführeinrichtung 5 erneut Kühl-Schmiermittel aufgebracht, so daß die Reinigung und der Abtransport von abgetragenem Material durch den Trennspalt gewährleistet ist. Dem Kühl-Schmiermittel werden Zusätze zugegeben, die die Oberflächenspannung herabsetzen und damit die Benetzung der Trennscheibe verbessern. Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine Vorrichtung zur Intervallspülung des Kernbleches und des Spannsystems auf.

Bei der bekannten Vorrichtung besteht das Problem, daß ein effektives Reinigen und der Abtransport des abgetragenen Materials während des Schnittes so viel Kühl-Schmiermittel erfordert, daß der Trennspalt mit Kühl-Schmiermittel und abgetragenem Material angefüllt wird. Dadurch kann es bei schmalen Trennspalten zur Berührung zwischen dem Kernblech der Trennscheibe 2 und dem Waferabschnitt kommen. Der Waferabschnitt wird durch Adhäsion an das Kernblech gezogen, und die Qualität des abgetrennten Wafers wird negativ beeinflußt. Bei großen Berührungsflächen kann es zum Wegreißen des Wafers kommen. Ist dagegen die Kühl-Schmiermittelmenge zu niedrig, reicht die Reinigungs- und Transportwirkung nicht mehr aus. Außerdem führen oberflächenentspannende Zusätze zu einer besseren Benetzung des Kernblechs, was die Verdunstung und das Eintrocknen des Sägeschlammes auf dem Kernblech fördert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen von Wafern mittels Innenlochtrennen bereitzustellen, welche bzw. welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Patentanspruch 9.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen insbesondere den Vorteil auf, daß während des Trennvorgangs weniger Kühl-Schmiermittel benötigt wird als bei der bekannten Vorrichtung. Dadurch wird ein qualitativ hochwertiger Schnitt erzeugt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung gesehen in Draufsicht in Richtung einer Einkristall-Längsachse einer bekannten Vorrichtung;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesehen in Draufsicht in Richtung der Einkristall-Mittenlängsachse;
Fig. 3: eine schematische Darstellung des Kühlungsschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Schrittes des Verteilens des Kühl-Schmiermittels auf dem Trennwerkzeug vor dem Schnitt;
Fig. 5: eine schematische Darstellung des Schrittes des Trennens; und
Fig. 6: eine schematische Darstellung des Reinigungsschrittes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Wie aus den Fig. 2 ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung in bekannter Weise die Halterung und die Vorschubeinrichtung für den Einkristall 1, sowie die Trennscheibe 2 mit dem Kernblech 2a und dem diamantkornbesetzten Rand 3 des Innenloches der Trennscheibe. Im Unterschied zu der bekannten Vorrichtung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erste Zuführeinrichtung 10 zum Zuführen von Kühl-Schmiermittel auf den Rand 3 des Innenloches und auf die Trennscheibe 2 auf, welche in Rotationsrichtung der Trennscheibe 2 gesehen austrittsseitig an der Position P2 nach dem Durchtritt.durch den Einkristall 1 vorgesehen ist. Die erste Zuführeinrichtung 10 für Kühl-Schmiermittel ist beispielsweise als Düse ausgebildet. Ferner ist eine zweite Zuführeinrichtung 11 für Reinigungsmittel austrittsseitig im Bereich des Innenlochs vorgesehen. Außerdem ist ebenfalls austrittsseitig eine Einrichtung 12 zum Zuführen von eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Druckluft, auf die Trennscheibe 2 und insbesondere den Rand 3 vorgesehen.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ist aus den Figuren 3 bis 6 ersichtlich. Vor dem Schneid- bzw. Trennvorgang sind die Trennscheibe 2 und der Einkristall 1 voneinander getrennt. Dann wird der Einkristall 1 relativ zu der Trennscheibe 2 bewegt und diese tritt rotierend in das Material des Einkristalls 1 zum Trennen ein. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird während des Trennvorganges über die Zuführeinrichtung 10 Kühl-Schmiermittel mit einem geringen Volumenstrom, d.h. mit geringer Geschwindigkeit v und geringem Druck p dem Rand 3, der den Schneidrand bildet, über die Zuführeinrichtung 10 zugeführt.

Als Kühl-Schmiermittel wird ein Kühl-Schmiermittel mit einem Zusatz verwendet, der die Oberflächenspannung σ des Kühl-Schmiermittels erhöht und somit die Benetzung des Kernbleches 2a verschlechtert. Dadurch kommt es zu einer schlechten Benetzung des Kernblechs 2a der Trennscheibe 2, und es bilden sich Tröpfchen 20 des Kühl-Schmiermittels an der Oberfläche des Kernbleches 2a. Ebenfalls während des Trennvorganges wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist, Druckluft über die Druckluftquelle 12 auf den Rand 3 geblasen, wodurch die schlechte Benetzung ausgeglichen wird. Die Druckluft trägt weiterhin zur Bildung von Tröpfchen 20 und zur Verteilung derselben bei. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, dringt während des Trennvorgangs die Trennscheibe 2 mit dem Rand 3 und den auf der Oberfläche des Kernblechs 2a entstandenen Tröpfchen 20 des Kühl-Schmiermittels in den Einkristall 1 zum Abtrennen eines Waferabschnitts 1a ein. Es wird ständig Luft und Kühl-Schmiermittel geringen Drucks p zugeführt. Die Tröpfchen 20 des Kühl-Schmiermittels auf dem Kernblech 2a nehmen für die Zeit des Schnittes das abgetragene Material auf und verteilen es auf dem Kernblech, ohne daß es zu einem Eintrocknen oder zu einer Berührung des Wafers kommt.

Nach dem Trennvorgang wird der Einkristall 1 und der abgetrennte Wafer über die Vorschubeinrichtung von der Trennscheibe 2 wegbewegt, so daß Trennscheibe und Einkristall bzw. der getrennte Wafer voneinander getrennt sind, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Jetzt wird die Reinigung und der Abtransport des auf dem Kernblech aufgestauten und in den Tröpfchen 20 eingeschlossenen Materials durchgeführt, indem Druckluft mit hohem Druck p über die Zuführeinrichtung 12 zugeführt wird und gleichzeitig Reinigungsmittel in ausreichender Menge und mit größerer Geschwindigkeit v über die Zuführeinrichtung 11 zugeführt wird.

Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren ein zweistufiges Verfahren, bei dem während des Trennvorgangs die Kühlung des Trennwerkzeugs, das Verwirbeln des Kühlmittels, das Einschließen des abgetragenen Materials in die Kühl-Schmiermitteltröpfchen und das Verteilen und Speichern der Kühl-Schmiermitteltröpfchen mit dem abgetragenen Material unter Einwirkung der Fliehkraft erfolgt. In einer zweiten Stufe wird, nachdem der Einkristall von der Trennscheibe weggefahren ist, die Reinigung und der Abtransport abgetragenen Materials über hohen Luftdruck und ausreichend Kühl-Schmiermittelzufuhr vorgenommen. Das in der zweiten Stufe verwendete Reinigungsmittel kann identisch mit dem Kühl-Schmiermittel sein, es kann jedoch auch eine andere Substanz, wie z.B. Wasser sein. Somit können Kühl-Schmiermittel und Reinigungsmittel unterschiedliche Eigenschaften haben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Kühlen und Schmieren sehr viel weniger Kühl-Schmiermittel benötigt als zum Reinigen und Abtransport des abgetragenen Materials. Ein qualitativ hochwertiger Schnitt läßt sich nur mit einer solch geringen Kühl-Schmiermittelmenge durchführen. Während des eigentlichen Trennvorganges wird die Kühl-Schmiermittelmenge auf die minimal erforderliche Menge eingestellt, um die Kühlung und Schmierung zu garantieren. Der Trennspalt ist frei und die Berührung zwischen Kernblech und Waferabschnitt wird vermieden. Bei der Reinigung ist jedoch ein wesentlich höherer Volumenstrom optimal. Diese Erfordernisse widersprechen sich. Die Kühlung und Reinigung wird daher zeitlich voneinander getrennt, da für beide Schritte unterschiedliche Volumenströme optimal sind.

Anstelle der Zuführung von Druckluft ist es auch möglich ein anderes Gas, z.B. Stickstoff zuzuführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, zur Zuführung von Kühl-Schmiermittel zu der Zuführeinrichtung 10, die die geringe Menge an Kühl-Schmiermittel während des Trennvorgangs abgibt, ein Behälter 30 vorgesehen der sich in Arbeitsstellung in konstantem Abstand oberhalb der Zuführeinrichtung 10 befindet und der über eine Leitung 31 mit dieser verbunden ist. In dem Behälter befindet sich Kühl-Schmiermittel, welches der Zuführeinrichtung 10 über die Leitung nur unter dem Einfluß der Gravitation bzw. dem hydrostatischen Druck zugeführt wird. Luftblasen in der Leitung werden nach oben abgeführt. Somit wird gewährleistet, dass auch bei geringen zuzuführenden Mengen an Kühl-Schmiermittel die konstante und blasenfreie Zufuhr gewährleistet ist.

Die Erfindung ist zum Trennen verschiedenster Werkstoffe geeignet, z.B. für optische Gläser, Kunststoffe und andere.

Claims

Vorrichtung zum Trennen von Werkstoffen, insbesondere von Einkristallen, mit
einer Trennscheibe (2) mit einem konzentrischen Loch dessen Rand (3) einen Schneidrand bildet, wobei die Trennscheibe (2) um ihre zentrale Achse drehbar ist zum Trennen des Werkstoffes (1),
einer Positioniereinrichtung zum Positionieren des zu trennenden Werkstoffes (1) derart relativ zu der Trennscheibe, dass sich die Trennscheibe beim Trennen rotierend durch den Werkstoff bewegt zum Abtrennen eines Teiles (1a) des Werkstoffes (1),
einer ersten Einrichtung (10) zum Zuführen von Kühl-Schmiermittel auf die Trennscheibe (2),
einer zweiten Einrichtung (11) zum Zuführen von Reinigungsmittel auf die Trennscheibe (2),
dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, die die erste Einrichtung (10) und die zweite Einrichtung (11) derart steuert, daß die Kühlung und Reinigung zeitlich voneinander getrennt durchgeführt werden, indem Kühl-Schmiermittel während des Trennvorgangs zugeführt und Reinigungsmittel nach dem Trennvorgang, nachdem der Teil (1a) von dem Werkstoff abgetrennt worden ist, zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so ausgebildet ist, daß das Kühlschmiermittel mit einem geringen Volumenstrom zugeführt wird und das Reinigungsmittel mit einem relativ dazu größeren Volumenstrom zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit
einer dritten Einrichtung (12) zum Zuführen eines gasförmigen Mediums auf die Trennscheibe,
dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einrichtung (12) zum Zuführen eines gasförmigen Mediums eine Düse aufweist, die so ausgebildet ist, dass das gasförmige Medium auf den Rand (3) aufgebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (10) zum Zuführen von Kühl-Schmiermittel und die dritte Einrichtung (12) zum Zuführen eines gasförmigen Mediums derart angeordnet sind, dass das Kühl-Schmiermittel und das gasförmige Medium austrittsseitig hinter dem Durchtritt der Trennscheibe (2) durch den Werkstoff (1) zugeführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (11) zum Zuführen eines Reinigungsmittels, insbesondere von Kühl-Schmiermittel, austrittsseitig vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung (10) zum Zuführen von Kühl-Schmiermittel eine Düse aufweist, die so ausgebildet ist, dass das Kühl-Schmiermittel auf den Rand (3) aufgebracht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Steuerung, die die erste Einrichtung (10) während des Trennvorgangs derart betätigt, dass nur eine geringe Menge an Kühl-Schmiermittel zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Arbeitsstellung oberhalb der ersten Einrichtung (10) ein Vorratsbehälter (30) für Kühl-Schmiermittel vorgesehen ist, der mit der ersten Einrichtung (10) über eine Leitung (31) verbunden ist, wobei die Zufuhr unter Einfluß der Gravitation erfolgt.
Verfahren zum Trennen von Werkstoffen, insbesondere zum Innenlochtrennen von Einkristallen, wobei ein Teil (1a) des Werkstoffes von dem Werkstoff (1) mittels einer beim Trennvorgang rotierend in den Werkstoff eindringenden Trennscheibe(2) abgetrennt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung und Reinigung zeitlich voneinander getrennt durchgeführt werden, indem ein Kühl-Schmiermittel während des Trennvorgangs zugeführt wird und ein Reinigungsmittel nach dem Trennvorgang, nachdem der Teil (1a) von dem Werkstoff abgetrennt worden ist, zugeführt wird,
wobei das Kühlschmiermittel mit einem geringen Volumenstrom zugeführt wird und das Reinigungsmittel mit einem relativ dazu größeren Volumenstrom zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühl-Schmiermittel in Rotationsrichtung gesehen nur austrittsseitig hinter dem Durchtritt der Trennscheibe (2) durch den Werkstoff (1) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennscheibe (2) ein gasförmiges Medium, insbesondere Druckluft, auf den Rand zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium in Rotationsrichtung der Trennscheibe nach dem Austritt der Trennscheibe aus dem Werkstoff zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühl-Schmiermittel mit einem Zusatz verwendet wird, der die Oberflächenspannung erhöht.