EP2347433A1 - Verfahren zur mechanischen charakterisierung von produktionsmaschinen für sprödbrechende materialien - Google Patents

Verfahren zur mechanischen charakterisierung von produktionsmaschinen für sprödbrechende materialien

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EP2347433A1
EP2347433A1 EP09748024A EP09748024A EP2347433A1 EP 2347433 A1 EP2347433 A1 EP 2347433A1 EP 09748024 A EP09748024 A EP 09748024A EP 09748024 A EP09748024 A EP 09748024A EP 2347433 A1 EP2347433 A1 EP 2347433A1
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EP
European Patent Office
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mechanical
damage
stress
brittle
breaking
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09748024A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Kray
Jörg BAGDAHN
Stephan SCHÖNFELDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2347433A1 publication Critical patent/EP2347433A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/62—Manufacturing, calibrating, or repairing devices used in investigations covered by the preceding subgroups
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/04—Apparatus for manufacture or treatment
    • H10P72/0428—Apparatus for mechanical treatment or grinding or cutting

Definitions

  • the invention relates to a method for the mechanical characterization of production machines for refractile materials, in which a mechanical characterization of such production facilities is made possible by mechanical strength measurements of structurally pre-damaged reference bodies and a determination of the stresses in the area of the damage.
  • the greatest damage that can be caused by the breakage of a partially processed wafer in a solar cell production is the stoppage of plants when they are blocked or damaged by wafer fragments.
  • a major problem is the mechanical specification of the devices, which must not exceed a given breakage rate for a given wafer thickness and their objective verification. This specification is poorly defined and can not really be tested during commissioning, as the result depends heavily on the mechanical properties of the wafers used. Here a standardization of the mechanical test specification is necessary so that the measured fracture of the machine or wafer pre-damage can be assigned.
  • a method for the mechanical characterization of production machines for brittle-breaking materials is provided. This is based on the fact that in a first step a) several reference bodies are produced from the refractile material, the strength distribution of the reference bodies being either known or ascertainable.
  • step b) in a part of the reference body targeted structural damage, e.g. Cracks introduced to specifically affect the distribution of strength, i. the mechanical strength of the reference body is reduced to a desired value.
  • structural damage e.g. Cracks introduced to specifically affect the distribution of strength, i. the mechanical strength of the reference body is reduced to a desired value.
  • step c) the reference bodies are then processed in the production machine.
  • the reference bodies are subjected to a mechanical test in which the reference bodies are loaded with the introduced damage with a tensile stress.
  • an evaluation of the maximum occurring stress in the area of the damage by means of statistical strength distribution then takes place. It is a statistical evaluation of the calculated breaking stresses, e.g. using the Weibull distribution function, which describes the failure of brittle materials.
  • the location of the failure can be determined by means of a pho- tograph.
  • F represents the force
  • L describes the distance between the outer bearings
  • 1 represents the distance between the inner bearings
  • h denotes the wafer thickness or the height of the workpiece
  • b describes the wafer width.
  • substantially equidistant damage to introduce damages into the reference bodies. These can be generated for example by laser, falling tips or hardness impressions.
  • the characteristic breaking stresses are preferably set in the range of 20 MPa to 150 MPa.
  • the breakage tests may preferably be determined by means of a 3 or 4 bar test, wherein the damage must be subjected to tensile loading or carried out by means of a ball-on-ring test.
  • the test object In a ball-on-ring test, the test object is positioned on an annular support. A ball is placed on the specimen so that its center lies on the symmetry axis of the support ring. Now, the ball is moved vertically along this axis of symmetry to deform the specimen and eventually to break. In this case, as in the 4-bar process, the impressed force is absorbed as a function of the travel path. With the ball-on-ring method, especially stresses are generated in the area of the impressing ball and thus less stress on the edges than in the 4-bar break test.
  • brittle-refractory material is preferably a material selected from the group consisting of
  • semiconductor devices in particular semiconductor wafers, such as silicon wafers, solar cells or ceramic materials used.
  • Fig. 1 Schematic representation of the 4-bar test.
  • FIG. 3 Graphical representation of the double logarithmic plot using the measured probability of failure S and the voltage values ⁇ .
  • Fig. 1 the structure for the 4-beam test is shown schematically. 1 denotes the test piece or workpiece which is subjected to the test.
  • Fig. 2 shows a graph for determining the parameters m and b.
  • the calculated y-value from In [In (1/1-S)] is plotted against In ⁇ .
  • FIG. 3 shows the double logarithmic plot using the measured failure probability S and the voltage values ⁇ .
  • FIG. 4 shows the corresponding Weibull statistic.
  • the error probability is plotted as a function of the voltage. Starting at a voltage of 140 MPa, the error probability increases exponentially and from a value of 230 MPa asymptotically approaches the limit 1.
  • Example 1 Introduction of damages with defined crack length (no distribution of crack lengths).
  • Wafer thickness h 0.196 mm
  • Wafer width b 125 mm
  • Test type 4-beam bending test
  • the failure probability S is calculated from the stress values ⁇ using the formula:
  • the Weibull statistics determined in the break test can be used to calculate the voltage that has occurred. This voltage value is then used to specify the maximum voltages occurring in the device.
  • FIG. 4 graphically illustrates the corresponding Weibull statistic.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Charakterisierung von Produktionsmaschinen für sprödbrechende Materialien, bei dem anhand von mechanischen Festigkeitsmessungen von strukturell vorgeschädigten Referenzkörpern und einer Bestimmung der Spannungen im Bereich der Schädigung eine mechanische Charakterisierung derartiger Produktionsanlagen ermöglicht wird.

Description

Verfahren zur mechanischen Charakterisierung von Produktionsmaschinen für sprödbrechende Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Charakterisierung von Produktionsmaschinen für sprödbrechende Materialien, bei dem anhand von mechanischen Festigkeitsmessungen von strukturell vorgeschädigten Referenzkörpern und einer Bestimmung der Spannungen im Bereich der Schädigung eine mechanische Charakterisierung derartiger Produktionsanlagen ermöglicht wird.
In der Solarzellen- und Waferproduktion werden im großtechnischen Maßstab Produktionsmaschinen einge- setzt, die von den Solarzellen- und Waferproduzenten zugekauft werden. Insbesondere im Hinblick auf immer dünner werdende Wafer müssen die Hersteller die Bruchverluste minimieren.
Häufig werden in der Prozesskette einer Solarzellen- Produktion einige Wafer zerbrochen, so dass nicht alle Wafer als funktionierende Solarzellen die Produktion bzw. das Labor verlassen. Dies gilt insbesondere für sehr dünne Wafer, die bei gleichen einwirkenden Kräften leichter brechen als dickere Wafer.
Der größte Schaden, der durch den Bruch eines teilprozessierten Wafers in einer Solarzellenproduktion hervorgerufen werden kann, ist der Stillstand von An- lagen, wenn diese durch Waferbruchstücke blockiert bzw. beschädigt werden.
Ein großes Problem besteht in der mechanischen Spezifikation der Geräte, die eine gegebene Bruchrate für eine festgelegte Waferdicke nicht überschreiten dürfen sowie in deren objektiver Überprüfung. Diese Spezifikation ist unzureichend definiert und kann bei der Inbetriebnahme nicht wirklich geprüft werden, da das Ergebnis stark von den mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Wafer abhängt. Hier ist eine Standardisierung der mechanischen Prüfvorschrift vonnö- ten, damit der gemessene Bruch der Maschine bzw. den Wafervorschäden zugeordnet werden kann.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Produktionsanlagen für den großtechnischen Maßstab in einfacher Weise geprüft werden können, so dass festgestellt werden kann, ob die Belastung auf die Wafer durch die Produktionsanlage in den definierten Festigkeitsspezifikationen liegen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur mechanischen Charakterisierung von Produktionsmaschinen für spröd- brechende Materialien bereitgestellt. Dieses basiert darauf, dass in einem ersten Schritt a) mehrere Refe- renzkörper aus dem sprödbrechenden Material hergestellt werden, wobei die Festigkeitsverteilung der Referenzkörper entweder bekannt oder ermittelbar ist.
Im Anschluss werden in Schritt b) in einen Teil der Referenzkörper gezielt strukturelle Schädigungen, z.B. Risse, eingebracht, um die Festigkeitsverteilung gezielt zu beeinflussen, d.h. die mechanische Festigkeit der Referenzkörper wird auf einen gewünschten Wert reduziert.
In Schritt c) erfolgt dann eine Bearbeitung der Referenzkörper in der Produktionsmaschine. Dabei werden die Referenzkörper einem mechanischen Test unterzogen, bei dem die Referenzkörper mit den eingebrachten Schädigungen mit einer Zugspannung belastet werden.
In einem weiteren Schritt d) erfolgt dann eine Auswertung der maximal auftretenden Spannung im Bereich der Schädigung mittels statistischer Festigkeitsver- teilung. Es handelt sich um eine statistische Auswertung der ermittelten Bruchspannungen, z.B. mittels der Weibull-Verteilungsfunktion, welche das Versagen spröder Materialien beschreibt. Zudem kann durch Fak- tographie der Ort des Versagens bestimmt werden.
Über den quantitativen Parameter der Festigkeitsverteilung, die über die gezielten Schädigungen sogar mit begrenzter Ortsauflösung erhalten werden kann, ist eine kalibrierte Messung der mechanischen Belas- tungen in einer Produktionsmaschine möglich. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine quantitative Spezi- fikation bezüglich der mechanischen Belastung zu garantieren und zu überprüfen.
Die Auswertung der Bruchspannung erfolgt über mechanische Beziehungen, die sich für den 4 -Balken- Biegetest wie folgt darstellt:
2 bh2
F stellt dabei die Kraft dar, L beschreibt den Abstand der äußeren Lager, 1 steht für den Abstand der inneren Lager, h kennzeichnet die Waferdicke bzw. die Höhe des Werkstücks und b beschreibt die Waferbreite.
Im Allgemeinen sind Schädigungen im Material in Lage und Größe statistisch verteilt. Bei spröden Materialien versagt das gesamte Bauteil bei Erreichen der kritischen Spannung an einem Defekt. Dieses Verhalten wird auch als Weakest-Link-Modell beschrieben und in der Weibuliverteilung berücksichtigt. Dabei berechnet sich die Ausfallwahrscheinlichkeit wie folgt:
mit VE = belastetes effektives Probevolumen, σ = Spannung, σe = charakteristische Bruchspannung und m = Weibull -Modul. Zur genaueren Erläuterung wird z.B. auf H. Behnken, M. Apel, D. Franke: Simulation of mechanical stress during bending tests for crys- talline wafers . Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Osaka, Japan (2003) , p. 1308-1311 verwiesen.
Es ist bevorzugt, im Wesentlichen äquidistante Schä- digungen in die Referenzkörper einzubringen. Diese können beispielsweise durch Laser, Fallspitzen oder Härteeindrücke erzeugt werden.
Im mechanischen Test erfolgt eine Messung der Bruchspannung der Referenzkörper. Die charakteristischen Bruchspannungen werden vorzugsweise im Bereich von 20 MPa bis 150 MPa eingestellt.
Die Bruchtests können vorzugsweise anhand eines 3- oder 4 -Balkentests bestimmt werden, wobei die Schädigungen zugbelastet werden müssen, oder anhand eines Ball-on-ring Tests (Kugel -auf -Ring Tests) durchgeführt werden.
Beim Ball-on-ring-Versuch wird der Prüfling auf einem ringförmigen Auflager positioniert. Eine Kugel wird auf den Prüfling aufgelegt, so dass ihr Mittelpunkt auf der Symmetrieachse des Auflager-Rings liegt. Nun wird die Kugel entlang dieser Symmetrieachse vertikal verfahren, um den Prüfling zu verformen und schließlich zu brechen. Dabei wird, wie im 4 -Balken- Verfahren, die aufgeprägte Kraft in Abhängigkeit des Verfahrweges aufgenommen. Mit dem Ball-on-ring- Verfahren werden vor allem Spannungen im Bereich der eindrückenden Kugel erzeugt und dadurch die Kanten weniger belastet als im 4 -Balken-Bruchtest .
Weiterhin ist es möglich, die mechanische Festigkeit der Referenzkörper durch beidseitiges Abschleifen oder Polieren oder durch nass-/ trockenchemisches Ätzen zu erhöhen.
Als sprödbrechendes Material wird vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Halbleiterbauteilen, insbesondere Halbleiterwafern, wie z.B. Siliziumwafern, Solarzellen oder keramischen Materialien eingesetzt.
Anhand der folgenden Figuren 1 bis 4 und des Bei- spiels 1 soll das anmeldungsgemäße Verfahren näher erläutert werden, ohne es auf diese Varianten einschränken zu wollen.
Fig. 1 Schematische Darstellung des 4 -Balkentests .
Fig. 2 Graphische Darstellung zur Ermittlung der
Parameter m und b zur Berechnung der Bruchspannung .
Fig. 3 Graphischen Darstellung der doppelt logarithmischen Auftragung unter Verwendung der gemessenen Ausfallwahrscheinlichkeit S und der Spannungswerte σ.
Fig. 4 Graphische Darstellung der Weibull-
Statistik.
In Fig. 1 ist der Aufbau für den 4 -Balkentest schematisch dargestellt. Mit 1 wird der Prüfling bzw. das Werkstück bezeichnet, das dem Test unterzogen wird.
Über die Balken 2, 3, 4 und 5 wird eine Kraft von jeweils F/2 auf das Werkstück ausgeübt. Der Abstand zwischen Balken 2 und Balken 3 wird mit 1, der Anstand zwischen Balken 4 und Balken 5 mit L bezeich- net. Die Höhe des Werkstücks entspricht h und die Breite des Werkstücks entspricht b.
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung zur Ermittlung der Parameter m und b. Hier wird der berechnete y- Wert aus In[In (1/1-S)] gegen In σ aufgetragen. Die Parameter der Geradengleichung ergeben m = Wei- bull-Modul und die Bruchspannung σ0 = exp (-b/m) .
In Fig. 3 ist die doppelt logarithmische Auftragung unter Verwendung der gemessenen Ausfallwahrschein- lichkeit S und der Spannungswerte σ dargestellt. Die aus dieser Auftragung ermittelte Geradengleichung lautet y = 10,433x - 55,72 bei R2 = 0,9377, σ0 = 208,67 MPa und VE = 1.
In Fig. 4 ist die entsprechende Weibull-Statistik dargestellt. Hier ist die Fehlerwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Spannung aufgetragen. Ab einer Spannung von 140 MPa steigt die Fehlerwahrscheinlichkeit exponentiell an und nähert sich ab einem Wert von 230 MPa asymptotisch dem Grenzwert 1 an.
Beispiel 1: Einbringung von Schädigungen mit definierter Risslänge (keine Verteilung von Risslängen) .
Waferdicke h = 0,196 mm
Waferbreite b = 125 mm
Abstand der äußeren Lager L = 60 mm
Abstand der inneren Lager 1 = 20 mm Anzahl gebrochene Wafer N = 20
Versuchsart: 4 -Balkenbiegetest
Wenn eine Defekt-Verteilung eingebracht wird, müssen mehrere Wafer zur Ermittlung der Bruchkraft-Werte F[N] gebrochen werden. Anschließend werden und folgende Schritte ausgeführt:
Zuerst erfolgt eine Sortierung der ermittelten Bruchkraft-Werte F[N] nach der Größe. Dieser Schritt ist in Tabelle 1 dargestellt. Spalte B zeigt hier die sortierten Werte. Tabelle 1:
Im nächsten Schritt erfolgt die Berechnung der Spannungswerte σ aus den Bruchkraft-Werten F[N] anhand der Formel:
F L σ =
wobei F die Bruchkraft-Werte und L den Abstand der äußeren Lager beschreibt, b steht für die Waferbreite und h für die Höhe des Wafers . Tabelle 2 zeigt die Auflistung der berechneten Spannungswerte σ.
Tabelle 2:
Im darauf folgenden Schritt erfolgt die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit S aus den Spannungswerten σ anhand der Formel:
/-0,5
S =
N mit i = 1 bis 20, N (Anzahl gebrochene Wafer) = 20 Tabelle 3 zeigt die berechneten Werte für S. Tabelle 3
Im Anschluss erfolgt eine Linearisierung der Messwerte, um die Auswertung zu vereinfachen und das Ergebnis anschaulicher darstellen zu können. Auf diese Weise können lineare Regressionsmethoden zur Bestimmung der Weibullparameter genutzt werden. 5(σ) = l b + mx - y
Die Parameter der Geradengleichung ergeben m = Wei- bull-Modul und die Bruchspannung σ0 = exp(-b/m) . Die Parameter sind schematisch Fig. 2 zu entnehmen.
Wird nun die Maschine mit einem vergleichbaren Satz von Wafern beschickt und die Ausfallrate bestimmt, so kann anhand der im Bruchtest bestimmten Weibull- Statistik auf die aufgetretene Spannung zurückgerechnet werden. Dieser Spannungswert wird dann zur Spezifikation der maximal im Gerät auftretenden Spannungen verwendet. In Fig. 4 ist die entsprechende Weibull- Statistik grafisch dargestellt.
Um bei geringer Probenanzahl diese Spannung mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ist es wünschenswert, geschädigte Waferlose mit hohem Weibull-Modul m zu verwenden .
Der erfindungsgemäße Fall ist in Figur 3 dargestellt. Sollte die zu prüfende Maschine bei der Bearbeitung eines vergleichbaren Waferloses eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 63,2% zeigen, so kann geschlossen werden, dass eine maximale Spannung von 208,67 MPa auftritt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur mechanischen Charakterisierung von Produktionsmaschinen für sprödbrechende Materialien, bei dem
a) mehrere Referenzkörper, deren Festigkeitsver- teilung bekannt ist und/oder ermittelt wird, aus dem sprödbrechenden Material hergestellt werden,
b) in einen Teil der Referenzkörper aus spröd- brechendem Material gezielt strukturelle Schädigungen eingebracht werden, um die Festigkeitsverteilung gezielt zu beeinflussen,
c) eine Bearbeitung der Referenzkörper in der Produktionsmaschine durchgeführt wird und
d) eine Auswertung der maximal auftretenden Spannungen im Bereich der Schädigungen mittels statistischer Festigkeitsverteilung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der maximalen Spannung mit Hilfe der Weibull- Statistik nach folgender Funktion berechnet wird: mit
S(σ) = Ausfallwahrscheinlichkeit, VE = belaste- tes effektives Probenvolumen, σ = Spannung, σe = charakteristische Bruchspannung, m = Weibull- Modul .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen äquidistante Schädigungen in die Referenzkörper eingebracht werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturellen Schädigungen mittels Laser, Fallspitzen oder Härteeindrücken erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung der Ausfallwahrscheinlichkeit P bei der Bearbeitung in der Produktionsmaschine erfolgt.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die auftretenden Bruchspannungen im Bereich von 20 MPa bis 150
MPa eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchtests anhand eines 3- oder 4 -Balkentests, oder Kugel - auf -Ring Tests durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Festigkeit der Referenzkörper durch beidseitiges Abschleifen, Polieren oder nass-/ trockenchemisches Ätzen erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als sprödbrechendes
Material ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Halbleiterbauteilen, insbesondere Halbleiterwafern, wie z.B. Siliciumwafern, Solarzellen, keramischen Materialien, eingesetzt wird.
EP09748024A 2008-10-09 2009-10-08 Verfahren zur mechanischen charakterisierung von produktionsmaschinen für sprödbrechende materialien Withdrawn EP2347433A1 (de)

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