EP2139657A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von dünnen scheiben oder folien aus halbleiterkörpern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von dünnen scheiben oder folien aus halbleiterkörpern

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EP2139657A1
EP2139657A1 EP08748746A EP08748746A EP2139657A1 EP 2139657 A1 EP2139657 A1 EP 2139657A1 EP 08748746 A EP08748746 A EP 08748746A EP 08748746 A EP08748746 A EP 08748746A EP 2139657 A1 EP2139657 A1 EP 2139657A1
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EP
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semiconductor
semiconductor film
free
separation
laser
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Withdrawn
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EP08748746A
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Christopher Eisele
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y10T83/202—With product handling means

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for the production of thin disks or films from semiconductor bodies such as polycrystalline blocks (ingots) or monocrystalline rods.
  • wire saws are used to cut brittle-hard workpieces (such as silicon).
  • brittle-hard workpieces such as silicon
  • two methods are used (description DE 19959414). Separating lapping involves the use of a slurry, while the cutting grains are firmly bonded to the wire during cutting.
  • the separation process is carried out by a relative movement of wire and workpiece. This relative movement is achieved in DE 19959474 in that the workpiece is rotated about its longitudinal axis.
  • the wire is moved and e.g. guided by pulleys several times through the workpiece so that many discs can be separated simultaneously.
  • grating multi-wire saws (DE 19959414) are particularly suitable since the wire is not stressed mechanically by the deflection.
  • the splitting of single crystal silicon rods as described in US 2004055634 may be an interesting alternative for the production of silicon wafers.
  • the lateral surface of a silicon rod is irradiated locally with ion, electron or laser beams in order to generate targeted lattice defects. This is preferably along a line which is given by the crystal axes, so that the later cleavage plane corresponds to a crystal lattice plane.
  • the splitting process takes place, for example, by mechanical shearing forces along the generated grating defects. When splitting no sawing losses. Further advantages are pure cleavage surfaces, a fast splitting process, as well as very flat surfaces.
  • US 2004055634 indicates a potential benefit of 10,000 wafers per meter of silicon rod length.
  • DE 3403826 describes a method in which a notch in the circumferential surface of a circumferential notch is locally heated with a laser. With a thermal shock treatment, the disc is then blasted off the bar. By machining the notch, however, it is expected that the thickness of the silicon wafer is limited downwards.
  • US 2005199592 also describes a separation method for separating silicon by means of laser radiation. However, this is the separation of silicon wafers in single chips. For example, an Nd: YAG laser is used
  • the material processing works with focused laser beams where the working area is limited to the immediate surroundings of the focus.
  • DE 19518263 describes a device for material processing in which the laser radiation is guided in a liquid jet onto the material surface.
  • the focused laser steel is coupled by means of a special nozzle in the most laminar liquid jet possible.
  • This method is also used when cutting silicon wafers. In this case, cutting widths of typically 50 microns are achieved, which are essentially determined by the liquid jet.
  • this process produces melt zones which, after re-solidification, can impair the mechanical stability of the workpieces. The melting zones can be significantly reduced when working with shorter laser pulses.
  • the small cutting widths can only be achieved when working within the limited depth of focus.
  • the gap width increases accordingly due to the beam focusing.
  • the present invention is based on the object, a method for producing thin semiconductor films, in particular silicon films by separating semiconductor bodies and to provide a device for carrying out this method.
  • a brittle-hard material such as semiconductor material
  • the method of the present invention advantageously advantageously utilizes the property that semiconductor wafers become more and more flexible the thinner they are.
  • Such a method is particularly advantageous if the production of the semiconductor film by separating one Surface of a semiconductor block takes place, or if the production of the semiconductor film is carried out by tangential separation from the mantle surface of a semiconductor rod.
  • the production of the semiconductor film is carried out by tangential separation from the mantle surface of a semiconductor rod.
  • the method according to the invention can be used to particular advantage if clearance for the separating tool is created by the spreading of the already separated part of the semiconductor foil from the semiconductor body, wherein the clearance is defined by the surfaces on the semiconductor body, the tip of the cutting tool and the semiconductor facing surface of the spread semiconductor film is formed.
  • a pulsed, highly focused laser beam can be used, and / or a probe with liquid or gaseous etching medium. It may also be advantageous if the separation takes place under vacuum or under a special gas atmosphere.
  • a focused laser beam modifies the semiconductor material and the modified semiconductor material is removed with a liquid or gaseous etching medium.
  • the method according to the invention can advantageously be carried out with a device which has means for spreading apart the free-cut part of the semiconductor film and means for supporting the freely cut part of the semiconductor film.
  • the means for spreading apart the free-cut part of the semiconductor film may be formed as tensile and / or pressure means and act on the cut-free part of the semiconductor film. They can be designed, for example, as electrostatically operating devices and act on the cut-free part of the semiconductor film. But they can also be designed as devices which operate with negative or positive pressure. Especially with vacuum working devices that engage the cut portion of the semiconductor film, are advantageous.
  • the means for supporting the free-cut portion of the semiconductor film are advantageously designed as a support roller and support the already separated part of the semiconductor film from such that a minimum bending radius of the spread semiconductor film is not exceeded.
  • the support roller is formed so that the splayed semiconductor film is merely elastically deformed.
  • An apparatus for carrying out the method can be realized advantageously, for example, if the cutting tool is realized by a pulsed laser whose pulse length is smaller than 10e-9s, wherein the pulsed laser It should have a high beam quality and be highly focused.
  • a laser with linear intensity profile can be used.
  • This medium can be glass fibers.
  • a fiber laser can advantageously be used. Equally advantageous may be to use a frequency-multiplied laser.
  • Figure 1 is a schematic diagram of the separation process
  • Figure 2 is a schematic diagram of the tangential separation
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the tangential separation according to FIG. 2 with free space
  • Figure 4 is a schematic diagram of the multiple tangential
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the separation process according to
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of a semiconductor body 1, which is arranged on a machine tool, not shown, by means of a holder (also not shown).
  • a separating tool 2 is in engagement with the semiconductor body 1 and serves to separate a half Semiconductor body, such as a silicon block, consist of a material that is difficult to work because it has a certain brittle hardness.
  • the common processing methods are already described in more detail in the introduction to the description.
  • the cutting tool according to the invention may be embodied as a focused laser beam, a tapered glass fiber as the medium for the laser beam, a probe with etching medium, a mechanical tool or another suitable cutting tool.
  • the following is based on a highly focused laser beam as a separation tool 2, which can produce a parting line 4 with only a very small gap width 5.
  • a separation tool 2 which can produce a parting line 4 with only a very small gap width 5.
  • the free space 6 is bounded by the separating surface 7 on the semiconductor body 1, the tip of the separating tool 2 and a surface 8 of the spread semiconductor film 3 facing the semiconductor 1, as will be described in more detail later on FIG.
  • the spread is effected by means which exert tensile or compressive forces on the already separated region of the semiconductor film 3.
  • these tensile or compressive forces are indicated by two arrows Pl and P2, the arrow Pl symbolizing the compressive forces and the arrow P2 the tensile forces.
  • the means for spreading apart the semiconductor film 3 can be realized by mechanically attacking elements or by non-contact elements. It makes sense to make the spread electrostatically. But also by means of a vacuum spreading of the semiconductor film can be realized. Likewise, through a targeted air Shot the already separated area of the semiconductor film 3 are spread so that the required space 6 for the cutting tool 2 is available.
  • the resulting joint width 5 of the parting line 4 is no longer determined by the width of the cutting tool 2, but only by the width of the tip 9 of the cutting tool 2, which can be significantly narrower than, for example, a saw wire, as in the state the technique is used to produce silicon wafers.
  • the separation loss of semiconductor material is accordingly reduced considerably, because the loss-determining joint width 5 can be considerably reduced compared to the prior art.
  • the area-related silicon consumption is significantly reduced, because the working area, ie the joint width 5 is limited to the area around the focus of the cutting tool 2.
  • means for supporting the free-cut portion of the semiconductor film 3 are provided, which are formed as a support roller 10 and support the already separated part of the semiconductor film 3 such that a minimum bending radius of the spread semiconductor film 3 does not fall below becomes.
  • the arrangement and the geometry of the support roller 10 is chosen so that the splayed semiconductor film 3 is only elastically deformed.
  • the arrangement of the support roller 10 may be on a non-illustrated Werk- Grooved slide so made that it can follow the separation cut. This ensures that the already separated region of the semiconductor film 3 is always optimally supported.
  • FIG. 2 shows how, in a manner analogous to that described with reference to FIG. 1, a film 3 is separated from the outer surface of a semiconductor rod 11.
  • the same or equivalent elements are provided to avoid repetition with the same reference numerals, with a detailed description of these similar elements is unnecessary.
  • the tip 9 of a highly focused laser beam acts as a separating tool 2 separating a semiconductor film 3 from the rotating semiconductor rod 11.
  • the round shape of a semiconductor rod 11 also makes it possible to simultaneously cut a plurality of semiconductor foils 3, 31, 32 from a semiconductor rod 11, which is shown schematically in FIG.
  • the three semiconductor films 3, 31, 32 shown schematically here are supported by three support rollers 10, 101, 102 in the manner already basically described. Again, the same or equivalent elements are provided with the same reference numerals, so that a repetition of already described can be omitted.
  • FIG. 3 shows that a clearance 6 for the cutting tool 2 on the rotating semiconductor rod 11 is created by the separating surface 7 and the surface facing the semiconductor rod 11 on the semiconductor foil 3, without the tip of a tool being shown here.
  • Figure 5 shows, looking back on Figure 1, a free space 6 for a not shown separating tool according to this figure 1. Again, the same or equivalent elements with the same reference numerals.
  • a laser is used as a separating tool 2 whose beam is focused by suitable optical means such as a cylindrical lens or a diffractive optical element such that instead of a point-shaped intensity profile a line-shaped intensity profile for separating the semiconductor film 3 is formed. Furthermore, it makes sense to line up several line-shaped intensity profiles in such a way that a dividing line is formed over the entire width of the semiconductor body 1, 11, so that the entire cutting line can be quasi-continuously removed (with the repetition rate of the laser).
  • the marginal rays of the focused laser beam which are facing the semiconductor body 1, 11 should ideally run parallel to the edge of the semiconductor body 1, 11.
  • the marginal rays in the vicinity of the tip 9 of the cutting tool 2 follow the bending radius of the semiconductor foil 3, 31, 32 and with increasing distance from the focus (tip of the cutting tool 2) creates a gap that increases.
  • the semiconductor material generally silicon
  • the semiconductor material in the parting line may initially only be modified and then selectively removed (mainly modified material) with a gaseous etching medium or an etching liquid.
  • Femtosecond fiber lasers are, for example, suitable as the laser source.
  • frequency multiplication is advantageous with high efficiency because the energy density of the ablation threshold decreases for shorter wavelengths.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Scheiben oder Folien (3) aus Halbleiterkörpern (1). Dazu wird vorteilhaft als Trenn-Werkzeug (2) ein Laser verwendet, dessen Strahl mit geeigneten optischen Mitteln, beispielsweise einer Zylinderlinse derart fokussiert wird, dass anstelle eines punktförmigen Intensitätsprofils ein linienförmiges Intensitätsprofil zum Trennen der Halbleiterfolie (3) entsteht. Ferner ist es sinnvoll, mehrere Iinienförmige Intensitätsprofile so aneinander zu reihen, dass eine Trennlinie über die gesamte Breite des Halbleiterkörpers (1) entsteht, so dass die gesamte Schnittlinie quasi kontinuierlich (mit der Repetitionsrate des Lasers) abgetragen werden kann. Dabei sollten die Randstrahlen des fokussierten Laserstrahls, die dem Halbleiterkörper (1) zugewandt sind, idealerweise parallel zur Kante des Halbleiterkörpers (1) verlaufen. Auf der Seite, die der Halbleiterfolie (3) zugewandt ist, folgen die Randstrahlen in der Nähe der Spitze (9) des Trenn-Werkzeugs (2) dem Biegeradius der Halbleiterfolie (3), und mit zunehmenden Abstand vom Fokus (Spitze des Trenn- Werkzeugs 2) entsteht ein Spalt der sich vergrößert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Scheiben oder Folien aus Halbleiterkörpern
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Scheiben oder Folien aus Halbleiterkörpern wie polykristallinen Blöcken (In- gots) oder einkristallinen Stäben.
Gewöhnlich werden Drahtsägen zum Trennen von sprödharten Werkstücken (wie z.B. Silizium) verwendet. Grundsätzlich werden zwei Verfahren eingesetzt (Beschreibung DE 19959414) . Beim Trennläppen wird eine Sägesuspension (Slurry) eingesetzt, während beim Trennschleifen die Scheidkörner fest mit dem Draht verbunden sind. Für beide Verfahren gilt, dass der Trennvorgang durch eine Relativbewegung von Draht und Werkstück erfolgt. Diese Relativbewegung wird in DE 19959474 dadurch erreicht, dass das Werkstück um seine Längsachse gedreht wird. Üblicherweise wird der Draht bewegt und z.B. mit Hilfe von Umlenkrollen mehrmals durch das Werkstück geführt, sodass viele Scheiben gleichzeitig abgetrennt werden können. Beim Trennschleifen mit spröden Diamantsägedrähten sind gat- ternde Mehrdrahtsägen (DE 19959414) besonders geeignet, da der Draht nicht durch die Umlenkung mechanisch beansprucht wird.
Zur Herstellung von Siliziumscheiben mit einer Dicke von rund 200 μm für die Fotovoltaik werden gegenwärtig überwiegend Drahtsägen verwendet. Dabei ist der minimale Sägespalt durch den Drahtdurchmesser und die Sägesuspension begrenzt.
Das Spalten von einkistallinen Siliziumstäben wie in US 2004055634 beschrieben, kann eine interessante Alternative zur Herstellung von Siliziumwafern sein. Dabei wird die Mantelfläche eines Siliziumstabes mit Ionen-, Elektronen- oder Laserstrahlen lokal bestrahlt, um gezielt Gitterdefekte zu erzeugen. Dies erfolgt vorzugsweise entlang einer Linie, die durch die Kristallachsen gegeben ist, sodass die spätere Spaltebene einer Kristallgitterebene entspricht. Der Spaltvorgang erfolgt beispielsweise durch mechanische Scherkräfte entlang der erzeugten Gitterfehler. Beim Spalten entstehen keine Sägeverluste. Weitere Vorteile sind reine Spaltflächen, ein schneller Spaltvorgang, sowie sehr ebene Flächen. US 2004055634 gibt einen potentiellen Nutzen von 10000 Wafer pro Meter Siliziumstablänge an.
Wird ein Laserstahl benutzt, um die Mantelfläche des Siliziumstabes lokal zu erhitzen, kann auf die Vakuumumgebung verzichtet werden. In DE 3403826 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mit einem Laser gezielt eine Kerbe in der Mantelfläche umlaufende Kerbe lokal erhitzt wird. Mit einer Temperaturschockbehandlung wird die Scheibe anschließend vom Stab abgesprengt. Durch die mechanische Bearbeitung der Kerbe ist jedoch zu erwarten, dass die Dicke der Siliziumscheibe nach unten begrenzt ist.
In JP 2002184724 wird die Mantelfläche mit einem fokussierten Eximerlaserstrahl lokal erhitzt. Die beiden letztgenannten Verfahren erfordern wie US 2004055634 einen Einkristall als Ausgangsmaterial. Für Spalttrennverfahren bleibt somit offen, ob in Zukunft eine wirtschaftliche Anwendung zur Herstellung von dünnen Halbleiterscheiben realisiert werden kann.
US 2005199592 beschreibt ebenfalls eine Trennmethode zum Trennen von Silizium mit Hilfe von Laserstrahlung. Allerdings handelt es sich hier um das Trennen von Siliziumscheiben in einzelne Chips. Dazu wird beispielsweise ein Nd: YAG-Laser
(1064 nm) so fokussiert, dass der Fokus im Inneren der Scheibe liegt. Dies führt zu Mikrorissen, die durch eine geeignete Anordnung zu Sollbruchstellen für die Scheibe werden. Wenn man zusätzlich an der Oberfläche mechanisch mit einem Diamantwerkzeug oder mit einem Laser eine Kerbe erzeugt, so kann die Bruchlinie noch genauer definiert werden. Nun lässt sich die Schiebe durch mechanische Belastung entlang der vorher definierten Linien brechen. US 2005199592 beschreibt wie Scheiben mit einer Dicke von beispielsweise 625 μm geteilt werden können. Für diese Scheibedicke lässt sich gezielt die Bruchkante definieren, allerdings lässt sich das Verfahren nicht beliebig auf größere Materialdicken übertragen, da der Arbeitsabstand der Fokussieroptik und die Absorption der Laserstrahlung die Eindringtiefe begrenzen.
Üblicherweise arbeitet die Materialbearbeitung mit fokussier- ten Laserstrahlen bei denen der Arbeitsbereich auf die unmittelbare Umgebung des Fokus beschränkt ist. DE 19518263 beschreibt eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung, bei der die Laserstrahlung in einem Flüssigkeitsstrahl auf die Materialoberfläche geführt wird. Dazu wird der fokussierte Laserstahl mittels einer speziellen Düse in den möglichst laminaren Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt. Dieses Verfahren findet ebenfalls Anwendung beim Trennen von Siliziumscheiben. Dabei werden Schnittbreiten von typischerweise 50 μm erreicht, die im Wesentlichen durch den Flüssigkeitsstrahl bestimmt sind. Es wurde jedoch beobachtet, dass bei diesem Verfahren trotz der Verwendung von Nanosekundenpulsen Schmelzzonen entstehen, die nach dem Wiedererstarren die mechanische Stabilität der Werkstücke beinträchtigen können. Die Schmelzzonen lassen sich deutlich verringern, wenn man mit kürzeren Laserpulsen arbeitet. DE 10020559 nennt folgende Vorteile für die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen. „Die besonderen Vorteile der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen (fs-Laserpulsen) zeigen sich insbesondere beim äußerst präzisen und sowohl thermisch als auch mechanisch minimal schädigenden Schneiden und/oder Abtragen von Materialien. Es lassen sich Abtragraten im sub-μm-Bereich mit Schnittbreiten von weniger als 500nm erreichen." Die thermisch und mechanisch minimal schädigende Bearbeitung stellt den entscheidenden Vorteil gegenüber der Bearbeitung mit Nanosekundenpulsen dar.
Die geringen Schnittbreiten lassen sich jedoch nur bei Arbeiten innerhalb der begrenzten Fokustiefe erreichen. Bei größeren Schnitttiefen erhöht sich damit die Trennfugenbreite aufgrund der Strahlfokussierung entsprechend.
Es ist bekannt, dass auch Silizium unter Ausnutzung der oben genannten Vorteile mit Femtosekundenlaserpulsen bearbeitet werden kann. Barsch et al. erreichten eine Trennfugenbreite von 10-15 μm beim Teilen einer 50 μm dicken Siliziumscheibe. Sie konnten ebenfalls zeigen, dass ein linienförmiges Strahlprofil das entlang der Schnittlinie ausgerichtet ist zu einer erhöhten Abtragsrate im Vergleich zu punktförmigen Strahlprofilen führt. Für schmale Trennfugen bleibt der Arbeitsbereich auf den räumlich beschränkten Bereich um den Fokus begrenzt. Damit lassen sich schmale Trennfugenbreiten bei der Herstellung starrer Siliziumscheiben nicht realisieren
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Halbleiterfolien, insbesondere Siliziumfolien durch Abtrennen von Halbleiterkörpern sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst.
Während ein sprödhartes Material, wie Halbleiter-Werkstoff, an sich weitgehend steif und brüchig ist, nutzt das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise gezielt die Eigenschaft, dass Halbleiterscheiben immer biegsamer werden, je dünner sie sind.
Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Halbleiterfolien, insbesondere Siliziumfolien durch Abtrennen von Halbleiterkörpern mittels eines Trenn- Werkzeugs, wenn folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a. bereitstellen eines Halbleiterkörpers; b. heranführen eines Trenn-Werkzeugs an den Halbleiterkörper; c. einleiten einer Relativbewegung zwischen Halbleiterkörper und Trenn-Werkzeug zum sukzessiven Abtrennen der Halbleiterfolie vom Halbleiterkörper; d. abspreizen des bereits frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie vom Halbleiterkörper; e. gegebenenfalls stützen des bereits frei geschnittenen Teils der abgetrennten Halbleiterfolie und f. entfernen des vollständig abgetrennten Teils der Halbleiterfolie und verbringen in eine Weiterverarbeitungsstation oder in eine Lagerposition.
Vorteilhaft ist ein derartiges Verfahren besonders dann, wenn das Herstellen der Halbleiterfolie durch Abtrennen von einer Fläche eines Halbleiterblocks erfolgt, oder wenn das Herstellen der Halbleiterfolie durch tangentiales Abtrennen von der Mantel-Fläche eines Halbleiterstabs erfolgt. Durch mehrfaches, am Umfang des Halbleiterstabs versetztes tangentiales Abtrennen von der Mantelfläche des Halbleiterstabs können in vorteilhafter Weise gleichzeitig mehrere Folien abgetrennt werden.
Ganz besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden, wenn durch das Abspreizen des bereits abgetrennten Teils der Halbleiterfolie vom Halbleiterkörper Freiraum für das Trenn-Werkzeug geschaffen wird, wobei der Freiraum durch die Flächen am Halbleiterkörper, der Spitze der Trenn-Werkzeugs und eine dem Halbleiter zugewandte Fläche der abgespreizten Halbleiterfolie gebildet wird.
Für das Trennen kann ein gepulster, stark fokussierter Laserstrahl verwendet werden, und/oder eine Sonde mit flüssigem oder gasförmigem Ätzmedium. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Trennen unter Vakuum oder unter spezieller Gasatmosphäre erfolgt.
Ferner kann es von Vorteil sein, wenn beim Trennen ein fokussierter Laserstrahl den Halbleiter-Werkstoff modifiziert und der modifizierte Halbleiter-Werkstoff mit einem flüssigen o- der gasförmigen Ätzmedium entfernt wird.
Durch das bereits erwähnte tangentiale Abtrennen von der Mantel-Fläche des Halbleiterstabs können sehr günstig Halbleiterfolien in nahezu beliebiger Länge herstellbar sein, und durch mehrfaches, am Umfang des Halbleiterstabs versetztes tangentiales Abtrennen können gleichzeitig mehrere Halbleiterfolien in nahezu beliebiger Länge hergestellt werden. Sehr günstig ist es außerdem, wenn das Trennen bei einer Werkstücktemperatur von mehr als 2000C erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft mit einer Vorrichtung durchführen, die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie und Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie aufweist. Die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie können als Zug- und/oder Druckmittel ausgebildet sein und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie angreifen. Sie können zum Beispiel als elektrostatisch arbeitende Vorrichtungen ausgebildet sein und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie angreifen. Sie können aber auch als Vorrichtungen ausgebildet sein, welche mit Unter- oder Überdruck arbeiten. Besonders mit Vakuum arbeitende Vorrichtungen, die am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie angreifen, sind vorteilhaft.
Die Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie sind vorteilhafter Weise als Stützrolle ausgebildet und stützen den bereits abgetrennten Teil der Halbleiterfolie derart ab, dass ein minimaler Biegeradius der abgespreizten Halbleiterfolie nicht unterschritten wird.
Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Stützrolle so ausgebildet ist, dass die abgespreizte Halbleiterfolie lediglich elastisch verformt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beispielsweise dadurch vorteilhaft zu realisieren, wenn das Trenn-Werkzeug von einem gepulsten Laser realisiert ist, dessen Pulslänge kleiner als 10e-9s ist, wobei der gepulsten La- ser eine hohe Strahlqualität besitzen sollte und stark fokus- siert ist.
Zum flächigen Abtrennen kann ein Laser mit linienförmigem Intensitätsprofil Verwendung finden.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn ein Laser Verwendung findet dessen Laserstrahl in einem Medium nahe an die Bearbeitungsstelle geführt wird. Dieses Medium können Glasfasern sein.
Ferner kann mit Vorteil ein Faser-Laser Verwendung finden. Genauso vorteilhaft kann es sein, einen frequenzvervielfachten Laser zu verwenden.
Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert werden.
Es zeigt
Figur 1 ein Prinzipschaubild vom Abtrennvorgang;
Figur 2 ein Prinzipschaubild vom tangentialen Abtrennen;
Figur 3 ein Prinzipschaubild vom tangentialen Abtrennen gemäß Figur 2 mit Freiraum;
Figur 4 ein Prinzipschaubild vom mehrfachen tangentialen
Abtrennen mit Freiräumen und
Figur 5 ein Prinzipschaubild vom Abtrennvorgang gemäß
Figur 1 mit Freiraum.
In Figur 1 ist stark schematisiert ein Halbleiterkörper 1 gezeigt, der auf einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine mit Hilfe einer ebenfalls nicht dargestellten Halterung angeordnet ist. Ein Trenn-Werkzeug 2 befindet sich im Eingriff mit dem Halbleiterkörper 1 und dient zur Abtrennung einer Halb- leiterfolie 3 von dem Halbleiterkörper 1. Halbleiterkörper, beispielsweise ein Siliziumblock, bestehen aus einem Werkstoff, der nur schwer zu bearbeiten ist, weil er eine gewisse spröde Härte hat. Die gängigen Bearbeitungsmethoden sind in der Beschreibungseinleitung bereits näher beschrieben. Das Trenn-Werkzeug gemäß der Erfindung kann als fokussierter Laserstrahl, eine spitz zulaufende Glasfaser als Medium für den Laserstrahl, eine Sonde mit Ätzmedium, ein mechanisches Werkzeug oder ein anderes geeignetes Trenn-Werkzeug ausgeführt sein. Nachfolgend wird von einem stark fokussierten Laserstrahl als Trenn-Werkzeug 2 ausgegangen, der eine Trennfuge 4 mit einer nur sehr geringen Trennfugenbreite 5 erzeugen kann. Durch das erfindungsgemäße Abspreizen der bei der Abtrennung erzeugten Halbleiterfolie 3 wird zwischen dem Halbleiterkörper 1 und der abgetrennten Halbleiterfolie 3 ein Freiraum 6 geschaffen, zwischen dessen Begrenzungsflächen das Trennwerkzeug 2 agieren kann. Der Freiraum 6 wird durch die Trenn- Fläche 7 am Halbleiterkörper 1, die Spitze des Trenn- Werkzeugs 2 und eine dem Halbleiter 1 zugewandte Fläche 8 der abgespreizten Halbleiterfolie 3 begrenzt, wie später noch zur Figur 5 näher beschrieben werden wird.
Die Abspreizung wird durch Mittel bewirkt, welche Zug- oder Druckkräfte auf den bereits abgetrennten Bereich der Halbleiterfolie 3 ausüben. Zur Verdeutlichung sind diese Zug- oder Druckkräfte mit zwei Pfeilen Pl und P2 bezeichnet, wobei der Pfeil Pl die Druckkräfte und der Pfeil P2 die Zugkräfte symbolisiert. Die Mittel zum Abspreizen der Halbleiterfolie 3 können durch mechanisch angreifende Elemente, oder durch berührungslos angreifende Elemente realisiert sein. Es bietet sich an, die Abspreizung elektrostatisch vorzunehmen. Aber auch mittels Vakuum ist eine Abspreizung der Halbleiterfolie realisierbar. Ebenso kann durch einen gezielten Luftüber- schuss der bereits abgetrennte Bereich der Halbleiterfolie 3 so abgespreizt werden, dass der benötigte Freiraum 6 für das Trenn-Werkzeug 2 zur Verfügung steht.
Die resultierende Trennfugenbreite 5 der Trennfuge 4 wird nicht mehr durch die Breite des Trenn-Werkzeugs 2 bestimmt, sondern nur noch durch die Breite der Spitze 9 des Trenn- Werkzeugs 2, die erheblich schmäler sein kann, als beispielsweise ein Sägedraht, wie er beim Stand der Technik zur Herstellung von Siliziumwafern benutzt wird. Der Trenn-Verlust an Halbleiter-Werkstoff reduziert sich demgemäß erheblich, weil die den Verlust bestimmende Trennfugenbreite 5 gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden kann. Beim Einsatz eines stark fokussierten Laserstrahls als Trenn- Werkzeug 2 reduziert sich der flächenbezogene Siliziumverbrauch erheblich, weil der Arbeitsbereich, d. h. die Trennfugenbreite 5 auf den Bereich um den Fokus des Trenn- Werkzeugs 2 beschränkt bleibt. Ermöglicht wird die Schaffung des dazu erforderlichen Freiraums durch das erfindungsgemäße Abspreizen der bereits frei geschnittenen Halbleiterfolie 3. Je dünner die abgetrennte Halbleiterfolie 3 ist, desto biegsamer wird sie und umso besser lässt sie sich abspreizen, wobei die Grenzen durch die elastische Verformung der Halbleiterfolie 3 gegeben sind. Um ein Abknicken der abgespreizten Halbleiterfolie 3 zu verhindern, sind Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie 3 vorhanden, die als Stützrolle 10 ausgebildet sind und den bereits abgetrennten Teil der Halbleiterfolie 3 derart abstützen, dass ein minimaler Biegeradius der abgespreizten Halbleiterfolie 3 nicht unterschritten wird. Die Anordnung und die Geometrie der Stützrolle 10 ist so gewählt, dass die abgespreizte Halbleiterfolie 3 lediglich elastisch verformt wird. Die Anordnung der Stützrolle 10 kann auf einem nicht dargestellten Werk- zeugschlitten derart beweglich erfolgen, dass sie dem Trennschnitt folgen kann. Hiermit ist sicher gestellt, dass der bereits abgetrennte Bereich der Halbleiterfolie 3 immer optimal gestützt wird.
In Figur 2 ist dargestellt, wie in analoger Weise wie zu Figur 1 beschrieben, eine Folie 3 von der Mantelfläche eines Halbleiterstabs 11 abgetrennt wird. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind zur Vermeidung von Wiederholungen mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, wobei sich eine detaillierte Beschreibung dieser gleichartigen Elemente erübrigt. Die Spitze 9 eines stark fokussierten Laserstrahls bewirkt als Trenn-Werkzeug 2 das Abtrennen einer Halbleiterfolie 3 von dem rotierenden Halbleiterstab 11. Durch die Verwendung eines Halbleiterstabs 11 als Ausgangsmaterial kann die Länge der abgetrennten Folie sehr groß werden, theoretisch einige Kilometer. Die runde Form eines Halbleiterstabs 11 ermöglicht es auch, gleichzeitig mehrere Halbleiterfolien 3, 31, 32 aus einem Halbleiterstab 11 zu schneiden, was in der Figur 4 schematisch dargestellt ist. Die hier schematisch gezeigten drei Halbleiterfolien 3, 31, 32 werden von drei Stützrollen 10, 101, 102 in der bereits grundsätzlich beschriebenen Art und Weise gestützt. Auch hier sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass eine Wiederholung von bereits Beschriebenem unterbleiben kann.
In Figur 3 ist gezeigt, dass ein Freiraum 6 für das Trenn- Werkzeug 2 am rotierenden Halbleiterstab 11 durch die Trenn- Fläche 7 und die dem Halbleiterstab 11 zugewandte Fläche an der Halbleiterfolie 3 geschaffen wird, ohne dass hier die Spitze eines Werkzeugs gezeigt ist.
Entsprechendes gilt für die gezeigten Freiräume in Figuren 4. Figur 5 zeigt zurückblickend auf Figur 1 einen Freiraum 6 für ein nicht dargestelltes Trennwerkzeug gemäß dieser Figur 1. Auch hier sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass vorteilhaft als Trenn- Werkzeug 2 ein Laser verwendet wird, dessen Strahl mit geeigneten optischen Mitteln wie beispielsweise einer Zylinderlinse oder eines diffraktiven optischen Elements derart fokus- siert wird, dass anstelle eines punktförmigen Intensitätsprofils ein linienförmiges Intensitätsprofil zum Trennen der Halbleiterfolie 3 entsteht. Ferner ist es sinnvoll, mehrere linienförmige Intensitätsprofile so aneinander zu reihen, dass eine Trennlinie über die gesamte Breite des Halbleiterkörpers 1, 11 entsteht, so dass die gesamte Schnittlinie quasi kontinuierlich (mit der Repetitionsrate des Lasers) abgetragen werden kann.
Ferner sollten die Randstrahlen des fokussierten Laserstrahls, die dem Halbleiterkörper 1, 11 zugewandt sind, idealerweise parallel zur Kante des Halbleiterkörpers 1, 11 verlaufen. Auf der Seite, die der Halbleiterfolie 3, 31, 32 zugewandt ist, folgen die Randstrahlen in der Nähe der Spitze 9 des Trenn-Werkzeugs 2 dem Biegeradius der Halbleiterfolie 3, 31, 32 und mit zunehmenden Abstand vom Fokus (Spitze des Trenn-Werkzeugs 2) entsteht ein Spalt der sich vergrößert.
Für das Siliziumschneiden mittels Femtosekundenlaser ist es ein Vorteil, entweder in einer Schutzgasatmosphäre, einer Atmosphäre, die mit dem verdampften Silizium reagiert oder im Vakuum zu arbeiten. Damit können ungewünschte Reaktionspro- dukte vermieden werden und die Oberflächenqualität wird verbessert .
Neben dem direkten Laserabtrag kann der Halbleiterwerkstoff, im Allgemeinen Silizium, in der Trennfuge zunächst auch nur modifiziert werden und anschließend mit einem gasförmigen Ätzmedium oder einer Ätzflüssigkeit selektiv (hauptsächlich modifiziertes Material) entfernt werden.
Als Laserquelle eignen sich beispielsweise Femtosekunden- Faserlaser. Insbesondere Frequenzvervielfachung ist bei hoher Effizienz von Vorteil, da sich für kürzere Wellenlängen die Energiedichte der Ablationsschwelle verringert.
Eine erhöhte Temperatur des Siliziums vergrößert die Abtragsrate bei der Ablation mit Femtosekundenlasern
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterkörper
2 Trenn-Werkzeug
3 Halbleiterfolie
4 Trennfuge
5 Trennfugenbreite
6 Freiraum
7 Trenn-Fläche
8 Fläche an der Halbleiterfolie
9 Spitze des Trenn-Werkzeugs 2
10 Stützrolle
11 Halbleiterstab
31 Halbleiterfolie
32 Halbleiterfolie
101 Stützrolle
102 Stützrolle

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von dünnen Halbleiterfolien, insbesondere Siliziumfolien, durch Abtrennen von Halbleiterkörpern mittels eines Trenn-Werkzeugs, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a. bereitstellen eines Halbleiterkörpers (1, 11); b. heranführen eines Trenn-Werkzeugs (2) an den Halbleiterkörper (1, 11); c. einleiten einer Relativbewegung zwischen Halbleiterkörper (1, 11) und Trenn-Werkzeug (2) zum sukzessiven Abtrennen der Halbleiterfolie (3, 31, 32) vom Halbleiterkörper
(1, 11); d. abspreizen des bereits frei geschnittenen Teils (8) der Halbleiterfolie (3, 31, 32) vom Halbleiterkörper (1, 11); e. gegebenenfalls stützen des bereits frei geschnittenen Teils (8) der abgetrennten Halbleiterfolie (3, 31, 32) und f. entfernen des vollständig abgetrennten Teils der Halbleiterfolie und verbringen in eine Weiterverarbeitungsstation oder in eine Lagerposition.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Halbleiterfolie (3, 31, 32) durch Abtrennen von einer Fläche (7) eines Halbleiterblocks (1) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Halbleiterfolie (3, 31, 32) durch tangentiales Abtrennen von der Mantel-Fläche (7) eines Halbleiterstabs (11) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Halbleiterfolie (3, 31, 32) durch mehrfaches, am Umfang des Halbleiterstabs (11) versetztes tangentiales Abtrennen von der Mantelfläche (7) des Halbleiterstabs (11) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Abspreizen des bereits abgetrennten Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) vom Halbleiterkörper (1, 11) Freiraum (6) für das Trenn-Werkzeug (2) geschaffen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (6) durch die Flächen (7) am Halbleiterkörper (1, 11), der Spitze (9) der Trenn-Werkzeugs (2) und eine dem Halbleiterkörper (1, 11) zugewandte Fläche (8) der abgespreizten Halbleiterfolie (3, 31, 32) gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Trennen ein gepulster, stark fokussierter Laserstrahl verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Trennen eine Sonde mit flüssigem oder gasförmigem Ätzmedium verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen unter Vakuum oder unter spezieller Gasatmosphäre erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Trennen ein fokussierter Laserstrahl den Halbleiter-Werkstoff modifiziert und der modifizierte Halbleiter-Werkstoff mit einem flüssigen o- der gasförmigen Ätzmedium entfernt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch tangentiales Abtrennen von der Mantel-Fläche (7) des Halbleiterstabs (11) Halbleiterfolien (3, 31, 32) in nahezu beliebiger Länge herstellbar sind.
12. Verfahren nach Anspruch 3 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrfaches, am Umfang des Halbleiterstabs (11) versetztes tangentiales Abtrennen gleichzeitig mehrere Halbleiterfolien in nahezu beliebiger Länge herstellbar sind.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen bei einer Werkstücktemperatur von mehr als 200°C erfolgt.
14. Verfahren zur Herstellung von dünnen Halbleiterfolien, insbesondere Siliziumfolien, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Halbleiterfolie (3, 31, 32) durch tangentiales Abtrennen von der Mantel-Fläche (7) eines Halbleiterstabs (11) erfolgt.
15. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) und bevorzugt Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) als Zug- und/oder Druckmittel ausgebildet sind und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie (3, 31, 32) angreifen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) als elektrostatisch arbeitende Vorrichtungen ausgebildet sind und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie (3, 31, 32) angreifen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) als mit Unter- oder Ü- berdruck arbeitende Vorrichtungen ausgebildet sind und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie (3, 31, 32) angreifen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) als mit Vakuum arbeitende Vorrichtungen ausgebildet sind und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie (3, 31, 32) angreifen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) als mit Druckgas arbeitende Vorrichtungen ausgebildet sind und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie (3, 31, 32) angreifen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie (3, 31, 32) als Stützrolle (10) ausgebildet sind und den bereits abgetrennten Teil der Halbleiterfolie (3, 31, 32) derart abstützen, dass ein minimaler Biegeradius der abgespreizten Halbleiterfolie (3, 31, 32) nicht unterschritten wird.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrolle (10) so ausgebildet ist, dass die abgespreizte Halbleiterfolie (3, 31, 32) lediglich elastisch verformt wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trenn-Werkzeug (2) von einem gepulsten Laser realisiert ist, dessen Pulslänge kleiner als 10e-9s ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulsten Laser eine hohe Strahlqualität besitzt und stark fokussiert ist.
25. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser mit linienförmigem Intensitätsprofil Verwendung findet.
26. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser Verwendung findet dessen Laserstrahl in einem Medium nahe an die Bearbeitungsstelle geführt wird.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium Glasfasern Verwendung finden.
28. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faser-Laser Verwendung findet .
29. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein frequenzvervielfachter Laser Verwendung findet.
30. Halbleiterfolie hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-14.
31. Halbleiterfolie nach Anspruch 30 dadurch gekennzeichnet, dass die Folie länger ist als der Umfang des Siliziumblocks oder Stabs von dem sie abgetrennt wurde.
32. Halbleiterfolie nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der drei Verbindungslinien zwischen drei beliebigen Punkten auf der Folie, die nicht auf einer Linie liegen und deren Flächennormalen parallel sind, die Eigenschaft aufweisen, dass sich entlang der Verbindungslinien die Kristallorientierung kontinuierlich ändert.
33. Anlage mit einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 15-29 zur Herstellung von Folien mit einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-14.
34. Produktionslinie mit einer Anlage gemäß dem Anspruch 33,
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