EP3976335A1 - Verfahren zum abtrennen einer vielzahl von scheiben von werkstücken während einer anzahl von abtrennvorgängen mittels einer drahtsäge und halbleiterscheibe aus einkristallinem silizium - Google Patents

Verfahren zum abtrennen einer vielzahl von scheiben von werkstücken während einer anzahl von abtrennvorgängen mittels einer drahtsäge und halbleiterscheibe aus einkristallinem silizium

Info

Publication number
EP3976335A1
EP3976335A1 EP20722431.2A EP20722431A EP3976335A1 EP 3976335 A1 EP3976335 A1 EP 3976335A1 EP 20722431 A EP20722431 A EP 20722431A EP 3976335 A1 EP3976335 A1 EP 3976335A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire
profile
saw
temperature profile
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20722431.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Pietsch
Peter Wiesner
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.)
Siltronic AG
Original Assignee
Siltronic AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siltronic AG filed Critical Siltronic AG
Publication of EP3976335A1 publication Critical patent/EP3976335A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/04—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools
    • B28D5/045—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools by cutting with wires or closed-loop blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D57/00—Sawing machines or sawing devices not covered by one of the preceding groups B23D45/00 - B23D55/00
    • B23D57/003—Sawing machines or sawing devices working with saw wires, characterised only by constructional features of particular parts
    • B23D57/0053—Sawing machines or sawing devices working with saw wires, characterised only by constructional features of particular parts of drives for saw wires; of wheel mountings; of wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/0058—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/0058—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material
    • B28D5/0076—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material for removing dust, e.g. by spraying liquids; for lubricating, cooling or cleaning tool or work

Definitions

  • the invention relates to a method for separating a large number of
  • each 10 of the wire guide rollers is mounted between a fixed bearing and a floating bearing.
  • the invention also relates to a semiconductor wafer made of monocrystalline silicon, which is made accessible by the method.
  • wafers which are subject to particularly high requirements with regard to uniformity and plane parallelism of their respective front and rear sides are wafers made of semiconductor material, which are used as substrates for the production of microelectronic components. Particular importance to
  • the saw wire is spiraled around at least two
  • Wire guide rollers a wire mesh is spanned from mutually parallel sections of the saw wire.
  • the wire guide rollers have the shape of
  • the outer surfaces of the wire guide rollers have a coating made of a wear-resistant material, which is closed with a ring and in
  • Planes is provided perpendicular to the wire guide roller axis extending grooves that guide the saw wire.
  • Rotate the wire guide rollers in the same direction around their Cylinder axes cause the wire sections of the wire mesh to move relative to the workpiece, and by bringing the workpiece and the wire mesh into contact in the presence of an abrasive, the wire sections thus cause material to be removed.
  • the wire sections form separating gaps in the workpiece and work their way through the workpiece until they all come to rest in the holding bar.
  • the workpiece is then cut into a multitude of uniform disks which, like the teeth of a comb, hang from the holding bar by means of the adhesive joint.
  • Wire saws and methods of wire sawing are known, for example, from DE 10 2016 211 883 A1 or DE 10 2013 219 468 A1.
  • Wire sawing can be done using abrasive lapping or abrasive cutting.
  • Separating lapping is supplied to the space between the wire surface and the workpiece in the form of a slurry of hard materials (slurry).
  • slurry hard materials
  • the material is removed by means of a three-body interaction of saw wire, hard materials and workpiece.
  • saw wire is used in the surface of which hard materials are firmly bound, and a working fluid is supplied that does not itself contain any abrasive substances and which acts as a cooling lubricant.
  • cut-off grinding the material is removed by means of a two-body interaction of saw wire with bonded hard materials and the workpiece.
  • the saw wire is mostly piano wire made of, for example, hypereutectoid
  • the hard materials of the slurry consist, for example, of silicon carbide (SiC) in a viscous carrier liquid, for example glycol or oil.
  • the bonded hard material consists, for example, of diamond, which is positively and non-positively connected to the wire surface by galvanic nickel or synthetic resin bonding or by rolling.
  • a smooth saw wire has the shape of a circular cylinder of very great height (namely the length of the wire).
  • a structured saw wire is a smooth wire that has been provided with a large number of bulges and indentations along its entire length in directions perpendicular to the longitudinal direction of the wire.
  • W013053622 A1 describes an example of smooth saw wire for separating lapping, an example of structured saw wire for separating lapping US9610641 BB and an example for smooth saw wire with diamond coating for
  • each of the wire guide rollers is in the vicinity of one of its end faces with a bearing which is firmly connected to the machine frame and is referred to as a fixed bearing, and in the vicinity of the opposite one
  • Wire guide roller axles mean that the separating gaps, the sides of which form the front and back of adjacent panes, deviate from their planes perpendicular to the wire guide roller axles, so the panes become wavy. Wavy washers are unsuitable for demanding applications.
  • Wire guide roller in the axial direction at best proportional to its distance from the fixed bearing. However, the wire guide roller actually heats up
  • Wire guide rollers are used, each of which is rotatably mounted on a hollow shaft, the hollow shaft being heated or cooled in several sections at different temperatures and thus being able to be expanded or contracted in sections in the axial direction.
  • the length of the wire guide roller in the axial direction is changed non-linearly (non-uniformly), at least for a few sectors.
  • the method does not take sufficient account of changes in the arrangement of the workpiece and wire mesh as a result of thermal or mechanical load changes.
  • Wire guide rollers are used, the interior of which and one of their bearings, which rotate the wire guide rollers, are temperature-controlled independently of one another by means of a cooling liquid.
  • the method does not take into account that thermal and mechanical deformation of the structural elements of the wire saw are not constant and reproducible and that time-dependent deformations are not taken into account
  • Storage temperature is selected so that it corresponds to the selection of stored shapes that best match the desired target shape. This procedure does not take into account the extent and behavior of the thermal response of the wire saw change from cut to cut according to a drift and time-variable disturbance variables act according to a noise. The mechanical load change that occurs when wire sawing is also not taken into account.
  • wafers made of semiconductor material are often subjected to further processing steps after the wire sawing.
  • processing steps can be the grinding of the front and back (sequential or simultaneous on both sides), the lapping of the front and back (simultaneously on both sides), the etching of the
  • the unilateral or sequential bilateral processing methods have in common that one side of the semiconductor wafers is held in a clamping device, for example by means of a vacuum table (vacuum chuck), while the opposite side is processed.
  • the thickness of a semiconductor wafer is usually small compared to yours
  • Diameter When clamping, a semiconductor wafer is therefore elastically deformed in such a way that the wafer is deformed by forces (load on the processing tool and clamping forces, for example as a result of the applied vacuum) and
  • Resetting deformation forces tensioning of the disk
  • the object of the present invention is to overcome the
  • the object is achieved by a method for severing a plurality of slices of workpieces during a number of severing operations by means of a wire saw, which comprises a wire mesh from moving wire sections
  • a first change in the temperature profile in the course of the separation processes from a first temperature profile with a constant temperature profile to a second temperature profile that is proportional to the difference between a first average shape profile and a shape profile of a reference disk, the first
  • Average shape profile of panes is determined, which have been separated according to the first temperature profile.
  • Disks that are separated from a workpiece by the method according to the invention are almost unaffected by the axial movements of the
  • the fixed bearing can be tempered, for example, by means of resistance heating or by means of one or more Peltier cooling elements. Particularly preferred, however, is temperature control of the fixed bearing by guiding a liquid through the fixed bearing of the respective wire guide roller during the separation processes, the temperature of the liquid for each of the separation processes following a temperature profile that specifies the temperature of the liquid as a function of the depth of cut.
  • a further change of the temperature profile to a further temperature profile is preferably provided.
  • the further temperature profile is proportional to Difference of a further average shape profile of previously separated panes and the shape profile of the reference pane, the previously separated panes originating from at least 1 to 5 separation processes that immediately preceded a current separation process.
  • Average shape profile can be performed based on a slice-related selection of slices.
  • certain panes of a separation process are used to determine the respective
  • Averaging takes into account that have a certain position in the workpiece, approximately only every 15th to 25th slice along the length of the workpiece.
  • Another option for the pane-related selection is the exclusion of panes with the greatest and the smallest deviation of the shape profile from the average shape profile of all panes in the cutting process.
  • disks can also be excluded from the averaging whose shape profile is from
  • Average shape profile of all disks in the separation process deviates by more than 1 to 2 sigma.
  • the further average shape profile can also be determined based on a section-related selection of slices.
  • all slices are from at least one
  • Separation process used to determine a further average shape profile by averaging and all panes excluded from at least one other separation process.
  • the further average shape profile can be determined based on a slice-related and a cut-related selection. In this case, at least one of the preceding separation processes is selected and at least one of the preceding separation processes
  • the surface of a disc consists of the front, back and edge.
  • the center of the disk is its center of mass.
  • the “regression plane” of a disc is the plane to which the sum of the distances of all points on the front and back is minimal.
  • the “median area” of a disc is the set of center points of all the lines that connect pairs of points lying mirror-symmetrically to the compensation plane, one of which is on the front and one on the
  • a “surface-related form error” of a disk is present if the central surface deviates from the compensation plane.
  • Reference disk is a disk without area-related thickness errors and without area-related form errors.
  • a disc with a certain thickness profile or a certain shape profile over the location on the front and back can also be selected as a reference disc, if a wedge-shaped or spherical disc, for example, is desired as the target of bar cutting by wire saws.
  • a convex disk is advantageous, for example, if the convexity counteracts a change in shape by subsequent application of a tensioned layer to the front (e.g. epitaxial layer) or rear (e.g. protective oxide).
  • Infeed direction is the direction in which the workpiece is infeed onto the wire mesh.
  • the "area-related thickness profile" of a pane describes the thickness of a pane as a function of the location on the compensation plane.
  • the “center line” of a disk is the line in the central surface that extends through the center of the disk in the feed direction.
  • the “thickness profile” of a pane is the thickness of the pane as a function of its location on the center line.
  • Depth of cut is a location on the center line and describes the extent of the
  • the “shape profile” of a disc is the course of the center line relative to the course of the center line of a reference disc.
  • the course of the center line is determined at measuring points along the cutting depth.
  • Average shape profile is a shape profile obtained by averaging the shape profiles of several panes, whereby each shape profile is weighted equally (arithmetic averaging) or the shape profile of certain panes is specially weighted (weighted averaging) due to their position in the workpiece.
  • Shape deviation means the deviation of a shape profile from one
  • Target shape profile for example from the shape profile of a reference disk.
  • Temporal profile is the course of the temperature of a liquid as a function of the depth of cut, whereby the liquid is used during the separation process
  • Tempering of the fixed bearing is passed through the fixed bearing of the respective wire guide roller of the wire frame. If necessary, the temperature control of the fixed bearing causes an expansion or contraction of the fixed bearing, the axial component of which is the floating bearing so the axial position of the associated wire guide roller along the
  • the axis of rotation of the wire guide roller moves. This movement of the
  • Wire guide roller then counteracts the occurrence of a form deviation.
  • any disk can always be made up of a combination
  • Thickness profile and shape profile are described.
  • TTV total thickness variation, GBIR
  • Warp is a key figure describing the shape deviation, which denotes the sum of the greatest distances in each case that the compensation surface has to the central surface in the direction of the front of the pane and in the direction of the rear of the pane.
  • Bow is another such characteristic number and denotes the distance between the compensation plane and the central surface in the center of the disc.
  • Another variable that describes the form deviation is the waviness. It can be quantified as the waviness number Wav red and is determined on the basis of a waviness profile which is derived from the shape profile.
  • Wav red the characteristic wavelength
  • the maximum of the distance is determined that the measuring points of the shape profile have to the compensation plane. The beginning of the measuring window is moved along the cutting depth from measuring point to measuring point of the shape profile and the
  • the waviness number Wav red is a measure of the reduced linear waviness and designates the maximum value of the waviness profile, with values of areas of a given length at the start and end of the cut
  • the characteristic wavelength and the lengths of the areas that are not considered can be freely selected.
  • the characteristic wavelength is preferably 2 mm to 50 mm and the predetermined lengths of the areas that are not taken into account are preferably 5 mm to 25 mm each.
  • the semiconductor wafer according to the invention is based on a characteristic wavelength of 10 mm and lengths of the areas that are not taken into account of 20 mm each.
  • the observations mentioned relate to the separating lapping of a straight circular cylindrical rod made of silicon into wafers with a diameter of 300 mm. However, they apply equally to workpieces with a different shape and to cut-off grinding.
  • the surface of a straight circular cylinder comprises its circular base area (first end face), its top surface congruent to the base area (second end face opposite the first) and its
  • a straight circular cylinder has a rod axis that is perpendicular to the base and top surface and runs through the center points of the same. The distance between the base and top surface along this rod axis is called the height of the cylinder.
  • Shape profiles of such disks differ greatly from one another. As a result, there cannot be a temperature profile which can be used to make the shape of all disks of a workpiece flat at the same time. By shifting the workpiece relative to the wire mesh depending on the cutting depth during During the separation process, only panes with an approximately flat shape can be obtained.
  • Positions on the rod axis and obtained by immediately successive cutting processes usually differ only slightly from one another, while those of such disks with the same positions but obtained by
  • the temperature profile may have to be changed at least slightly from separation process to separation process in order to include panes
  • Wire mesh especially at the moment of the incision, i.e. at the moment of the first contact of the workpiece with the wire mesh, but also over the whole
  • Disconnection process is subject to a strong thermal and mechanical load change.
  • a heat output of a few kW is applied to the workpiece
  • Wire guide rollers and their bearings is transferred and the wire guide rollers are subjected to a mechanical load change with a force in the range of 10 kN in the transverse direction during a separation process. Fifthly, it was observed that the mechanical load change leads to an increase in the friction in the bearings via which the wire guide rollers are connected to the
  • Machine frame are connected.
  • the rolling friction of the rolling elements increases as a result of the increased axial load; on the other hand, it increases
  • Friction as a result of the axis of the bearing bushes being tilted relative to the axis that the wire guide roller has in the unloaded state. This tilting leads to flexing of the bearing bush in the sleeve connected to the machine frame into which the bearing bush is fitted. This flexing work leads to heating at the bearing bush / sleeve transition.
  • Expansion of the bearing in particular in the axial direction, can be used to adjust the axial position of the wire guide rollers to reduce the heating and the associated axial position change to a desired level by means of a cooling acting in the vicinity of the outer circumference of the bearing sleeve.
  • Wire guide roller of a wire saw due to increased bearing friction or deformation (heating by flexing) to a shift in the position of
  • Wire guide roller leads in the axis position relative to the machine frame.
  • Temperature profile which specifies the temperature of the liquid that is passed through the fixed bearing of the respective wire guide roller of the wire frame
  • the sequence of separation processes expediently begins after a change in the sawing system, i.e. after a change in at least one feature of the wire saw, the saw wire or the cooling lubricant.
  • the sawing system has changed, for example, when a change from
  • the first separation processes of the sequence preferably consist of 1 to 5 separation processes.
  • Shape profiles are determined from all slices of the initial cuts or from slices of a slice-related selection of the slices of the initial cuts.
  • a first average shape profile is determined from the shape profiles by averaging, which can optionally be weighted.
  • the first average shape profile is then compared with the shape profile of a reference disk by subtracting the shape profile of the reference disk from the first average shape profile.
  • the form deviation determined in this way corresponds approximately to an expected form deviation, the panes of a subsequent separation process
  • the form deviation determined therefore serves as a benchmark for a
  • Corrective action that is directed against the expected form deviation is therefore not carried out using the first temperature profile, but rather using a second temperature profile that is proportional to the form deviation determined. If the detected shape deviation indicates, for example, that maintaining the first temperature profile would result in slices whose center line would be offset by a certain amount on average in an axial direction of the wire guide rollers at a certain cutting depth, the second temperature profile provides a temperature of the liquid at the corresponding cutting depth which has the consequence that the fixed bearing due to thermal expansion, the wire guide roller assigned to it by the same amount in the opposite direction
  • the separation processes of the sequence following the initial cuts are therefore carried out in accordance with the second temperature profile, and the temperature profile is thus changed for the first time.
  • the number of second separation processes in the sequence is, if no further change in the temperature profile is provided, preferably 1 to 15 separation processes. In principle, however, all cutting processes that follow the first change in the temperature profile can also be carried out using the second temperature profile, at least until a change in the sawing system occurs.
  • the further temperature profile is determined anew before each of the further separation processes.
  • the 1 to 5 cutting processes immediately preceding the respective current cutting process of the further cutting processes or of panes of a wafer-related selection of these panes or one
  • shape profiles are determined.
  • a further average shape profile is determined from the shape profiles by averaging, which can optionally be weighted, before the current separation process. The further average shape profile is then combined with the shape profile of the
  • the reference disk is compared by subtracting the shape profile of the reference disk from the further average shape profile. On the basis of the established
  • Shape deviation a further temperature profile is determined which is proportional to the shape deviation determined.
  • the current cutting process is shown under
  • a further temperature profile is determined in an analogous manner. In other words, after the number of 1 to 5 disconnections that the
  • a semiconductor wafer which is produced by a method according to the invention and optionally has a polished front and rear side after subsequent processing steps is characterized by particularly low waviness.
  • the invention therefore also relates to a semiconductor wafer made of single-crystal silicon, which is characterized by a waviness number Wav red of not more than 7 pm, preferably not more than 3 pm, provided the diameter of the
  • Semiconductor wafer is 300 mm, or characterized by a waviness number Wav red of not more than 4.5 pm, preferably not more than 2 pm, provided the diameter of the semiconductor wafer is 200 mm.
  • Wav red waviness number
  • the wavelength for determining Wav red is 10 mm and the lengths of the areas not taken into account at the start of the cut (incision) and at
  • the end of the cut (cutout) is 20 mm each.
  • Semiconductor wafer already has the waviness number Wav red in the stressed area in the sawn state, i.e. in the unpolished state.
  • the method according to the invention is fundamentally independent of the material of the workpiece. However, it is particularly suitable for cutting off wafers made of semiconductor material and is preferably used for cutting off wafers
  • other shapes such as a cuboid or a straight prism, are also possible.
  • the method is also independent of the number of wire guide rollers
  • Wire saw In addition to the two wire guide rollers, between which the wire mesh is stretched, one or more further wire guide rollers can be provided.
  • the disks are severed during a severing process by
  • Cut-off grinding by supplying a cooling lubricant to the wire sections, which is free of substances that have an abrasive effect on the workpiece, or by lapping cutting while supplying a cooling lubricant to the wire sections, which consists of a slurry of hard materials.
  • the hard materials preferably consist of diamond and are fixed on the surface of the saw wire by galvanic bonding or by bonding with synthetic resin or by form-fitting bonding.
  • the hard materials preferably consist of silicon carbide and are preferably in glycol or oil slurried.
  • the saw wire preferably has a diameter of 70 gm to 175 gm and is preferably made of hypereutectoid pearlitic steel. Furthermore, the saw wire can be provided along its longitudinal axis with a multiplicity of protuberances and indentations in directions perpendicular to the longitudinal axis.
  • a pair of direction reversals each moving the saw wire in a first longitudinal direction of the wire by a first length and a second subsequent movement of the saw wire in a second Wire longitudinal direction comprises a second length, the second wire longitudinal direction of the first wire longitudinal direction
  • the saw wire when moving the first length is the
  • Wire supply is supplied and, when moving by the second length, is supplied with a second tensile force in the longitudinal direction of the wire from a second wire supply, the second tensile force being less than the first tensile force.
  • Fig. 1 shows a perspective view of features that are typical of a wire saw.
  • Fig. 2 shows a sectional view through a wire guide roller and its
  • FIG 3 show the shape profile and the waviness profile (upper diagram) of a disk which was not produced according to the invention, and the temperature profile (lower diagram) which was used during the separation process not according to the invention.
  • Fig. 1 shows features that are typical of a wire saw. This includes at least two wire guide rollers 1, a wire mesh 2 made of wire sections
  • the wire guide roller 1 is mounted between a fixed bearing 5 and a floating bearing 6.
  • Fixed bearing 5 and floating bearing 6 are on one
  • the wire guide roller 1 carries a covering 8 which is provided with grooves in which the saw wire 3 runs.
  • the fixed bearing 5 comprises a channel 9 through which a liquid for controlling the temperature of the fixed bearing 5 is passed. If the temperature of the liquid is increased, the thermal expansion of the fixed bearing 5 causes an axial displacement of the wire guide roller 1 in the direction of the floating bearing 6, and the floating bearing 6 moves in the direction indicated by a double arrow 11 of the axis of the wire guide roller opposite the
  • a control unit 10 which is in connection with a heat exchanger and a pump, ensures that the through the fixed bearing 5 is directed
  • Temperature profile has the required temperature.
  • the invention is based on one not according to the invention
  • SiC silicon carbide
  • FEPA F-500 a carrier liquid made from dipropylene glycol
  • the distance between two horizontal grid lines in the diagram below is 1 ° C.
  • the temperature was actually kept very constant with Solst deviations of less than 0.1 ° C.
  • the semiconductor wafer has a strong deformation in the incision region 20, that is to say within the first 10% of the
  • the incision wave Depth of cut, which is referred to as the incision wave, and a strong deformation in the cutout area 21, that is, within the last approximately 10% of the depth of cut, which is called the cutout wave. That derived from the shaped profile 12
  • Waviness profile 13 (W waviness, dashed line), which is the amount of the difference in the deformation of the semiconductor wafer within a along the
  • Depth of cut sliding measurement window depicts, has strong deflections in the incision area 20 and in the cutout area 21.
  • Fig. 4 shows in the upper diagram the shape profile 16 and the waviness profile 17 derived therefrom of a semiconductor wafer separated by a method according to the invention and in the lower diagram the temperature profiles 18 and 19 of the left and right fixed bearing of the wire gate spanning
  • Temperature profile carried out which was calculated from the deviation of the pane-related average shape profile of the previous separation process from the shape profile of a reference pane. This further temperature profile is shown in the lower diagram of FIG. 4. The temperature profile shows im
  • the application of the further temperature profile can also be used as incremental parts
  • the machine-specific constant used to calculate the temperature profiles indicates by how many micrometers the shape profile changes when the fixed bearing temperature is increased or decreased by one degree Celsius, and is dependent on the effectiveness of the cooling, e.g. the flow temperature, the cooling capacity of the heat exchanger, which supplies the cooling water and is determined by the flow rate (cross section) of the cooling water. Since all of these variables are subject to fluctuations and are also specific to the wire saw, the machine-specific constant can only be determined very imprecisely.
  • the sign of the machine-specific constant results from which of the two sides of the semiconductor wafer is defined as the front and which as the rear.
  • the rod made of semiconductor material was always with the seeding end (that end face of the rod of two end faces, the position of which was closer to a single-crystal seed crystal during the manufacture of the rod) in the direction of the wire guide roller fixed bearing and with the second
  • Front face oriented in the direction of the floating bearing, and as the front of the
  • Semiconductor wafer defines the area of the semiconductor wafer pointing towards the end of the vaccine and, as the rear side of the semiconductor wafer, the area of the semiconductor wafer pointing away from the end of the vaccine.
  • the front side of the semiconductor wafer faces upwards and its rear side faces downwards. In this arrangement the sign for converting the
  • the particular effectiveness of the incremental control according to the invention is that the machine-specific constant does not have to be precisely known, since an incremental control has the fundamental property of converging towards the target value (the shape profile of the reference disk), provided that the proportionality factor, namely the machine-specific constant is not selected too high. In the latter case, the regulation would oscillate and not, as desired, converge. So there will be a mere estimate for the Constant always obtained in the course of a few separating processes semiconductor wafers with very flat shape profiles, provided that this estimated value is assumed to be too small in terms of amount.
  • the same estimated value for the machine-specific constant can therefore be assumed for different wire saws, preferably a constant with an amount in the range from 0.2 to 5 pm / ° C.
  • the sign of the machine-specific constant results, as described, from the definition of the directions in which the front and back of the semiconductor wafers point in relation to the rod built into the wire saw. Differences between wire saws with different actual constants then only result in the speed of convergence, but not in the achievable amount
  • the waviness number Wav red is determined on the basis of the shaped profile of a disk, as explained below using the example of the shaped profiles 12 in FIG. 3 and 16 in FIG. 4. From such a shape profile, the amount of the difference between the maximum and minimum of the shape profile within the measurement window is determined within a measurement window with a characteristic wavelength of 10 mm in the direction of the depth of cut (DOC). The position of the start of the measuring window is gradually determined along the cutting depth for each measuring point of the shape profile and the amount of the difference is determined for each of these positions. The amounts of differences obtained in this way are plotted as a function of the cutting depth, with the position of the start of the measuring window indicating the respective cutting depth.
  • DOC depth of cut
  • a waviness profile is obtained which, for example, the curves 13 in FIG. 3 and 17 in FIG. 4 embody.
  • the waviness number Wav red is determined from the waviness profile in that at the start and end of the cut the values of the amounts of the differences are disregarded within a length of 20 mm and the maximum of the remaining values of the amounts of the differences is determined as the waviness number Wav red .
  • the waviness number Wav red of the semiconductor wafer not produced according to the invention about 12 pm, corresponding to the maximum 24 of the waviness W of the waviness profile 13 and taking into account a grid spacing of the ordinate of 4 pm.
  • the waviness number Wav red is the waviness number Wav red
  • Semiconductor wafer produced according to the invention about 3 ⁇ m, corresponding to the maximum of the waviness W of the waviness profile 17 and taking into account a grid spacing of the ordinate of 4 ⁇ m.

Landscapes

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  • Grinding-Machine Dressing And Accessory Apparatuses (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von Werkstücken während einer Anzahl von Abtrennvorgängen mittels einer Drahtsäge, die ein Drahtgatter aus sich bewegenden Drahtabschnitten eines Sägedrahts umfasst, das zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt ist, wobei jede der Drahtführungsrollen zwischen einem Festlager und einem Loslager gelagert ist. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die durch das Verfahren zugänglich wird. Das Verfahren umfasst das Zustellen eines der Werkstücke in Gegenwart einer Arbeitsflüssigkeit während eines jeden der Abtrennvorgänge entlang einer Zustellrichtung gegen das Drahtgatter in Anwesenheit von Hartstoffen, die abrasiv auf das Werkstück einwirken; das Temperieren des Festlagers der jeweiligen Drahtführungsrolle während der Abtrennvorgänge gemäß einem Temperaturprofil, das eine Temperatur in Abhängigkeit einer Schnitttiefe vorgibt; einen ersten Wechsel des Temperaturprofils im Verlauf der Abtrennvorgänge von einem ersten Temperaturprofil mit konstantem Temperaturverlauf zu einem zweiten Temperaturprofil, das proportional zur Differenz eines ersten Durchschnittsformprofils und eines Formprofils einer Referenzscheibe ist, wobei das erste Durchschnittsformprofil von Scheiben bestimmt wird, die nach Maßgabe des ersten Temperaturprofils abgetrennt wurden.

Description

VERFAHREN ZUM ABTRENNEN EINER VIELZAHL VON SCHEIBEN VON WERKSTÜCKEN WÄHREND EINER ANZAHL VON ABTRENNVORGÄNGEN MITTELS EINER DRAHTSÄGE UND HALBLEITERSCHEIBE AUS EINKRISTALLINEM
SILIZIUM
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von
Scheiben von Werkstücken während einer Anzahl von Abtrennvorgängen mittels einer Drahtsäge, die ein Drahtgatter aus sich bewegenden Drahtabschnitten eines
Sägedrahts umfasst, das zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt ist, wobei jede 10 der Drahtführungsrollen zwischen einem Festlager und einem Loslager gelagert ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die durch das Verfahren zugänglich wird.
Stand der Technik
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Für viele Anwendungen werden dünne, gleichförmige Scheiben eines Materials benötigt. Ein Beispiel für Scheiben, an die besonders hohe Anforderungen bezüglich Gleichförmigkeit und Planparallelität ihrer jeweiligen Vorder- und Rückseiten gestellt werden, sind Scheiben (wafers) aus Halbleitermaterial, die als Substrate zur Fertigung 20 mikroelektronischer Bauelemente verwendet werden. Besondere Bedeutung zur
Herstellung derartiger Scheiben besitzt das Drahtsägen, bei dem gleichzeitig eine
Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück abgetrennt werden, da es besonders wirtschaftlich ist.
25 Beim Drahtsägen wird Sägedraht spiralförmig so um mindestens zwei
Drahtführungsrollen herumgeführt, dass auf der dem zu zertrennenden und mit einer Halteleiste verklebten Werkstück zugewandten Seite zweier benachbarter
Drahtführungsrollen ein Drahtgatter aus parallel zueinander verlaufenden Abschnitten des Sägedrahts aufgespannt wird. Die Drahtführungsrollen weisen die Form von
30 Kreiszylindern auf, die Achsen dieser Kreiszylinder sind parallel zueinander
angeordnet, und die Mantelflächen der Drahtführungsrollen besitzen einen Belag aus einem verschleißresistenten Material, der mit ringförmig geschlossenen und in
Ebenen senkrecht zur Drahtführungsrollenachse verlaufenden Rillen versehen ist, die den Sägedraht führen. Gleichsinniges Drehen der Drahtführungsrollen um ihre Zylinderachsen bewirkt eine Bewegung der Drahtabschnitte des Drahtgatters relativ zum Werkstück, und mittels In-Kontakt-Bringen von Werkstück und Drahtgatter unter Anwesenheit eines Abrasivs bewirken die Drahtabschnitte so einen Materialabtrag. Durch fortgesetztes Zustellen des Werkstücks bilden die Drahtabschnitte Trennspalte im Werkstück aus und arbeiten sich durch das Werkstück hindurch, bis sie alle in der Halteleiste zu liegen kommen. Das Werkstück ist dann in eine Vielzahl gleichförmiger Scheiben zertrennt, die wie Zinken eines Kamms mittels der Klebefuge an der Halteleiste hängen. Drahtsägen und Verfahren zum Drahtsägen sind beispielsweise aus der DE 10 2016 211 883 A1 oder der DE 10 2013 219 468 A1 bekannt.
Drahtsägen kann mittels Trennläppen oder Trennschleifen erfolgen. Beim
Trennläppen wird dem Zwischenraum zwischen Drahtoberfläche und Werkstück Arbeitsflüssigkeit in Form einer Aufschlämmung aus Hartstoffen (Slurry) zugeführt. Der Materialabtrag erfolgt beim Trennläppen mittels einer Dreikörper-Wechselwirkung aus Sägedraht, Hartstoffen und Werkstück. Beim Trennschleifen wird Sägedraht verwendet, in dessen Oberfläche Hartstoffe fest eingebunden sind, und es wird eine Arbeitsflüssigkeit zugeführt, die selbst keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält und die als Kühlschmiermittel wirkt. Der Materialabtrag erfolgt beim Trennschleifen dann mittels einer Zweikörper-Wechselwirkung aus Sägedraht mit gebundenen Hartstoffen und Werkstück.
Der Sägedraht ist meistens Pianodraht aus beispielsweise übereutektoidem
perlitischem Stahl. Die Hartstoffe der Aufschlämmung bestehen beispielsweise aus Siliciumcarbid (SiC) in einer viskosen Trägerflüssigkeit, beispielsweise Glycol oder Öl. Der gebundene Hartstoff besteht beispielsweise aus Diamant, der durch galvanische Nickel- oder Kunstharzbindung oder durch Einrollen form- und kraftschlüssig mit der Drahtoberfläche verbunden ist.
Beim Trennläppen wird glatter oder strukturierter Sägedraht verwendet, beim
Trennschleifen nur glatter Sägedraht. Ein glatter Sägedraht besitzt die Form eines Kreiszylinders von sehr großer Höhe (nämlich der Drahtlänge). Ein strukturierter Sägedraht ist ein glatter Draht, der auf seiner gesamten Länge mit einer Vielzahl von Ausbuchtungen und Einstülpungen in Richtungen senkrecht zur Drahtlängsrichtung versehen wurde. Ein Beispiel für glatten Sägedraht zum Trennläppen beschreibt die W013053622 A1 , ein Beispiel für strukturierten Sägedraht zum Trennläppen die US9610641 BB und ein Beispiel für glatten Sägedraht mit Diamantbelag zum
Trennschleifen die US 7 926 478 B2.
Bei üblichen Drahtsägen ist jede der Drahtführungsrollen jeweils in der Nähe einer ihrer Stirnflächen mit einem Lager, das fest mit dem Maschinenrahmen verbunden ist und als Festlager bezeichnet wird, und in der Nähe der gegenüberliegenden
Stirnfläche mit einem Lager, das in Achsrichtung der Drahtführungsrolle beweglich ist und als Loslager bezeichnet wird, gelagert. Das ist erforderlich, um eine mechanische Überbestimmung des Aufbaus zu vermeiden, die zu unvorhersehbaren Verformungen führt.
Insbesondere im Moment des ersten Kontakts des Drahtgatters mit dem Werkstück, also beim Einsägen, kommt es zu einem abrupten mechanischen und thermischen Lastwechsel. Die Anordnung von Drahtgatter und Werkstück zueinander verändert sich, und die Komponente dieser Veränderung in Richtung der
Drahtführungsrollenachsen führt dazu, dass die Trennspalte, deren Seiten Vorder- und Rückseite benachbarter Scheiben bilden, aus ihren Ebenen senkrecht zu den Drahtführungsrollenachsen abweichen, die Scheiben also wellig werden. Wellige Scheiben sind für anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet.
Es sind Verfahren bekannt, die darauf abzielen, die Planparallelität der Hauptflächen der durch Drahtsägen erhaltenen Scheiben zu verbessern.
Aus US 5 377 568 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Position einer außen an der Drahtführungsrolle befindlichen Bezugsfläche parallel zu und in der Nähe von der Loslager-Stirnfläche relativ zum Maschinenrahmen gemessen wird und mittels Temperierung des Drahtführungsrollen-Innenraums eine thermische Längenzunahme oder Längenabnahme der Drahtführungsrolle bewirkt wird, bis die gemessene
Positionsänderung der Bezugsfläche wieder ausgeglichen ist. Die Positionen der Drahtabschnitte des Drahtgatters verschieben sich bei Ausdehnung der
Drahtführungsrolle in Achsrichtung günstigstenfalls proportional zu ihrem Abstand vom Festlager. Tatsächlich erwärmt sich die Drahtführungsrolle jedoch
ungleichmäßig, da sie von außen (ungleichmäßig) erwärmt (thermische Lastwechsel) und von innen gekühlt wird, aber die radiale Wärmeleitung in der Drahtführungsrolle aufgrund ihrer Konstruktion - nicht zuletzt durch das Kühllabyrinth selbst - nicht für jede Achsposition identisch ist, so dass die Ausdehnung der Drahtführungsrolle entlang ihrer Achse ungleichmäßig erfolgt.
Aus JP 2003 145 406 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Wirbelstromsensor die Position einer Stelle außen an einer Drahtführungsrolle misst und nach Maßgabe dieser Positionsmessung die Temperatur des Kühlwassers, das das Innere der Drahtführungsrolle temperiert, geändert wird. Das Verfahren erfasst die Änderung der Anordnung von Werkstück zu Drahtgatter in Folge thermischen oder mechanischen Lastwechsels nur unzureichend.
Aus KR 101 340 199 B1 ist ein Verfahren zum Drahtsägen bekannt, bei dem
Drahtführungsrollen verwendet werden, die jeweils auf einer Hohlwelle drehbar gelagert sind, wobei die Hohlwelle in mehreren Abschnitten mit unterschiedlicher Temperatur erwärmt oder gekühlt und somit abschnittweise in Achsrichtung ausgedehnt oder zusammengezogen werden kann. Dadurch wird, zumindest für wenige Sektoren, die Länge der Drahtführungsrolle in Achsrichtung nichtlinear (ungleichförmig) geändert. Das Verfahren berücksichtigt jedoch nur unzureichend die Anordnungsänderung von Werkstück und Drahtgatter in Folge thermischen oder mechanischen Lastwechsels.
Aus US 2012/0240915 A1 ist ein Verfahren zum Drahtsägen bekannt, bei dem
Drahtführungsrollen verwendet werden, deren Innenraum und eines deren Lager, die die Drahtführungsrollen drehend lagern, unabhängig voneinander mittels einer Kühlflüssigkeit temperiert werden. Das Verfahren lässt jedoch unberücksichtigt, dass thermische und mechanische Verformung der konstruktiven Elemente der Drahtsäge nicht konstant und reproduzierbar sind und zeitabhängige unberücksichtigte
Störgrößen zusätzlich einwirken.
Aus WO 2013/079683 A1 ist schließlich ein Verfahren zum Drahtsägen bekannt, bei dem zunächst die sich für verschiedene Temperaturen der Drahtführungsrollenlager ergebenden Formen von Scheiben gemessen und jede dieser Formen mit der jeweils zugehörigen Lagertemperatur gespeichert wird und dann im Folgeschnitt die
Lagertemperatur so ausgewählt wird, wie es der am besten mit der gewünschten Zielform übereinstimmenden Auswahl gespeicherter Formen entspricht. Dieses Verfahren berücksichtigt nicht, dass sich Maß und Verhalten der thermischen Antwort der Drahtsäge von Schnitt zu Schnitt entsprechend einer Drift ändern und zeitveränderliche Störgrößen entsprechend einem Rauschen einwirken. Ebenso bleibt der beim Drahtsägen auftretende mechanische Lastwechsel unberücksichtigt.
Insbesondere Scheiben aus Halbleitermaterial werden nach dem Drahtsägen häufig weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen. Solche Bearbeitungsschritte können das Schleifen von Vorder- und Rückseite (sequentiell oder simultan beidseitig), das Läppen von Vorder- und Rückseite (simultan beidseitig), das Ätzen der
Halbleiterscheibe und das Polieren von Vorder- und Rückseite (meist durchgeführt als sequentielle oder simultan beidseitige Grobpolitur und als einseitige Feinpolitur) umfassen. Den einseitigen oder sequentiell beidseitigen Bearbeitungsverfahren ist dabei gemein, dass eine Seite der Halbleiterscheiben in einer Aufspannvorrichtung gehalten wird, beispielsweise mittels eines Vakuumtischs (vacuum chuck), während die gegenüberliegende Seite bearbeitet wird.
Die Dicke einer Halbleiterscheibe ist üblicherweise klein im Vergleich zu ihrem
Durchmesser. Beim Aufspannen wird eine Halbleiterscheibe deshalb elastisch so verformt, dass die Scheibe verformende Kräfte (Auflast des Bearbeitungswerkzeugs und Spannkräfte, beispielsweise in Folge des angelegten Vakuums) und
rückstellende Verformungskräfte (Verspannung der Scheibe) sich die Waage halten: Die gehaltene Seite der Halbleiterscheibe schmiegt sich an die Aufspannvorrichtung an. Nach Materialabtrag von der bearbeiteten Seite und Lösen der Halbleiterscheibe von der Aufspannvorrichtung entspannt sich die aufgrund der Bearbeitung dünner gewordene Halbleiterscheibe in ihre ursprüngliche Form. Mit anderen Worten, nachfolgende Bearbeitungsschritte verbessern das Maß an Planparallelität von Vorder- und Rückseite in der Regel nicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Überwindung der
geschilderten Probleme durch die Bereitstellung eines Verfahrens, welches die Änderung der Anordnung von Werkstück zu Drahtgatter in Folge thermischer oder mechanischer Lastwechsel besser berücksichtigt und Scheiben mit geringer
Welligkeit liefert.
Ausführliche Erfindungsbeschreibung Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von Werkstücken während einer Anzahl von Abtrennvorgängen mittels einer Drahtsäge, die ein Drahtgatter aus sich bewegenden Drahtabschnitten eines
Sägedrahts umfasst, das zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt ist, wobei jede der Drahtführungsrollen zwischen einem Festlager und einem Loslager gelagert ist, das Verfahren umfassend
das Zustellen eines der Werkstücke in Gegenwart eines Kühlschmiermittels während eines jeden der Abtrennvorgänge entlang einer Zustellrichtung gegen das Drahtgatter in Anwesenheit von Hartstoffen, die abrasiv auf das Werkstück einwirken;
das Temperieren des Festlagers der jeweiligen Drahtführungsrolle während der Abtrennvorgänge gemäß einem Temperaturprofil, das eine Temperatur in
Abhängigkeit einer Schnitttiefe vorgibt;
einen ersten Wechsel des Temperaturprofils im Verlauf der Abtrennvorgänge von einem ersten Temperaturprofil mit konstantem Temperaturverlauf zu einem zweiten Temperaturprofil, das proportional zur Differenz eines ersten Durchschnittsformprofils und eines Formprofils einer Referenzscheibe ist, wobei das erste
Durchschnittsformprofil von Scheiben bestimmt wird, die nach Maßgabe des ersten Temperaturprofils abgetrennt wurden.
Scheiben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren von einem Werkstück abgetrennt werden, sind nahezu unbeeinflusst durch axiale Bewegungen der
Drahtführungsrollen in Folge thermischer Ausdehnung der Festlager. Infolgedessen ist die Formabweichung solcher Scheiben von einer Referenzscheibe minimiert.
Das Festlager kann beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung oder mittels eines oder mehrerer Peltier-Kühlelemente temperiert werden. Besonders bevorzugt ist jedoch das Temperieren des Festlagers durch Leiten einer Flüssigkeit durch das Festlager der jeweiligen Drahtführungsrolle während der Abtrennvorgänge, wobei die Temperatur der Flüssigkeit für jeden der Abtrennvorgänge einem Temperaturprofil folgt, das die Temperatur der Flüssigkeit in Abhängigkeit der Schnitttiefe vorgibt.
Stellvertretend für die anderen Ausgestaltungen ist die weitere Beschreibung des Verfahrens auf diese bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung gerichtet.
Vorzugsweise ist ein weiterer Wechsel des Temperaturprofils zu einem weiteren Temperaturprofil vorgesehen. Das weitere Temperaturprofil ist proportional zur Differenz eines weiteren Durchschnittsformprofils zuvor abgetrennter Scheiben und des Formprofils der Referenzscheibe, wobei die zuvor abgetrennten Scheiben von mindestens 1 bis 5 Abtrennvorgängen stammen, die einem aktuellen Abtrennvorgang unmittelbar vorausgegangen sind.
Das Bestimmen des ersten Durchschnittsformprofils und des weiteren
Durchschnittsformprofils kann auf einer scheibenbezogenen Auswahl von Scheiben basierend durchgeführt werden. Bei einer scheibenbezogenen Auswahl werden bestimmte Scheiben eines Abtrennvorgangs zur Bestimmung des jeweiligen
Durchschnittsformprofils durch Mittelwertbildung herangezogen und andere
ausgeschlossen. Beispielsweise werden nur solche Scheiben bei der
Mittelwertbildung berücksichtigt, die eine bestimmte Lage im Werkstück haben, etwa nur jede 15te bis 25te Scheibe entlang der Länge des Werkstücks. Eine weitere Möglichkeit der scheibenbezogenen Auswahl ist der Ausschluss von Scheiben mit der größten und der geringsten Abweichung des Formprofils vom Durchschnittsformprofil aller Scheiben des Abtrennvorgangs. Alternativ können auch Scheiben von der Mittelwertbildung ausgeschlossen werden, deren Formprofil vom
Durchschnittsformprofil aller Scheiben des Abtrennvorgangs um mehr als 1 bis 2 Sigma abweicht.
Das Bestimmen des weiteren Durchschnittsformprofils kann stattdessen auch basierend auf einer schnittbezogenen Auswahl von Scheiben erfolgen. Bei einer schnittbezogenen Auswahl werden sämtliche Scheiben von mindestens einem
Abtrennvorgang zur Bestimmung eines weiteren Durchschnittsformprofils durch Mittelwertbildung herangezogen und sämtliche Scheiben von mindestens einem anderen Abtrennvorgang davon ausgeschlossen.
Darüber hinaus kann das Bestimmen des weiteren Durchschnittsformprofils basierend auf einer scheibenbezogenen und einer schnittbezogenen Auswahl durchgeführt werden. In diesem Fall wird mindestens einer der vorangegangenen Abtrennvorgänge ausgewählt und mindestens einer der vorangegangenen Abtrennvorgänge
ausgeschlossen, und gleichzeitig werden von den ausgewählten Abtrennvorgängen jeweils bestimmte Scheiben ausgewählt und jeweils andere ausgeschlossen und die so insgesamt ausgewählten Scheiben zur Mittelwertbildung herangezogen. Definitionen, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich sind, sowie Überlegungen und Beobachtungen, die zur Erfindung geführt haben, behandeln die nachfolgenden Abschnitte dieser Beschreibung.
Die Oberfläche einer Scheibe setzt sich zusammen aus Vorderseite, Rückseite und Randfläche. Das Zentrum der Scheibe ist deren Massenschwerpunkt.
„Ausgleichsebene“ (regression plane) einer Scheibe ist die Ebene, zu der die Summe der Abstände aller Punkte der Vorderseite und der Rückseite minimal ist.
„Mittelfläche“ (median area) einer Scheibe ist die Menge der Mittelpunkte aller Strecken, die Paare aus spiegelsymmetrisch zur Ausgleichsebene liegender Punkte verbinden, von denen sich jeweils einer auf der Vorderseite und einer auf der
Rückseite befindet.
Ein„flächenbezogener Dickenfehler“ einer Scheibe liegt vor, wenn sich die Längen dieser Strecken mit dem Ort auf der Vorderseite und der Rückseite ändern.
Ein„flächenbezogener Formfehler“ einer Scheibe liegt vor, wenn die Mittelfläche von der Ausgleichsebene abweicht.
„Referenzscheibe“ ist eine Scheibe ohne flächenbezogenen Dickenfehler und ohne flächenbezogenen Formfehler. Als Referenzscheibe kann auch eine Scheibe mit einem bestimmten Dickenverlauf oder einem bestimmten Formverlauf über den Ort auf Vorder- und Rückseite gewählt werden, wenn entsprechend eine beispielsweise keilförmige oder ballige Scheibe als Ziel des Stabauftrennens durch Drahtsägen gewünscht wird. Eine ballige Scheibe ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Balligkeit einer Formveränderung durch nachfolgendes Aufbringen einer verspannten Schicht auf Vorder- (bspw. Epitaxieschicht) oder Rückseite (bspw. Schutzoxid) entgegenwirkt. „Zustellrichtung“ ist die Richtung der Zustellung des Werkstücks auf das Drahtgatter. Das„flächenbezogene Dickenprofil“ einer Scheibe bezeichnet die Dicke einer Scheibe als Funktion des Ortes auf der Ausgleichsebene.
„Mittellinie“ einer Scheibe ist die Linie in der Mittelfläche, die sich in Zustellrichtung durch das Zentrum der Scheibe erstreckt.
„Dickenprofil“ einer Scheibe ist die Dicke der Scheibe als Funktion des Orts auf der Mittellinie.
„Schnitttiefe“ ist ein Ort auf der Mittellinie und bezeichnet die Ausdehnung des
Trennspalts in Zustellrichtung während des Abtrennvorgangs. „Formprofil“ einer Scheibe ist der Verlauf der Mittellinie relativ zum Verlauf der Mittellinie einer Referenzscheibe. Der Verlauf der Mittellinie wird an Messpunkten entlang der Schnitttiefe bestimmt.
„Durchschnittsformprofil“ ist ein durch Mittelwertbildung der Formprofile mehrerer Scheiben erhaltenes Formprofil, wobei zur Mittelwertbildung jedes Formprofil gleich gewichtet (arithmetische Mittelwertbildung) oder das Formprofil bestimmter Scheiben wegen deren Lage im Werkstück besonders gewichtet (gewichtete Mittelwertbildung) wird.
„Formabweichung“ bezeichnet die Abweichung eines Formprofils von einem
Zielformprofil, beispielsweise vom Formprofil einer Referenzscheibe.
„Temperaturprofil“ ist der Verlauf der Temperatur einer Flüssigkeit in Abhängigkeit der Schnitttiefe, wobei die Flüssigkeit während des Abtrennvorgangs zum
Temperieren des Festlagers durch das Festlager der jeweiligen Drahtführungsrolle des Drahtgatters geleitet wird. Das Temperieren des Festlagers bewirkt bei Bedarf eine Ausdehnung oder Kontraktion des Festlagers, deren Axialkomponente das Loslager so die Axialposition der zugehörigen Drahtführungsrolle entlang der
Drehachse der Drahtführungsrolle verschiebt. Diese Bewegung der
Drahtführungsrolle wirkt dann dem Entstehen einer Formabweichung entgegen.
Die Gestalt einer beliebigen Scheibe kann stets durch eine Kombination aus
Dickenprofil und Formprofil beschrieben werden. TTV (total thickness Variation, GBIR) ist eine Kennzahl, die die Differenz des größten und des kleinsten Werts des flächenbezogenen Dickenprofils bezeichnet. Warp ist eine die Formabweichung beschreibende Kennzahl, die die Summe der jeweils größten Abstände bezeichnet, die die Ausgleichsfläche zur Mittelfläche in Richtung zur Vorderseite der Scheibe und in Richtung zur Rückseite der Scheibe hat. Bow ist eine weitere derartige Kennzahl und bezeichnet den Abstand der Ausgleichsebene zur Mittelfläche im Zentrum der Scheibe. Eine weitere Größe, die die Formabweichung beschreibt, ist die Welligkeit (waviness). Sie lässt sich als Welligkeitszahl Wavred quantifizieren und wird auf der Grundlage eines Welligkeitsprofils bestimmt, welches vom Formprofil abgeleitet ist. Innerhalb eines Messfensters einer vorbestimmten Länge, der charakteristischen Wellenlänge, wird das Maximum des Abstands bestimmt, den die Messpunkte des Formprofils zur Ausgleichsebene haben. Der Anfang des Messfensters wird entlang der Schnitttiefe von Messpunkt zu Messpunkt des Formprofils bewegt und die
Bestimmung des Maximums des Abstands für jede Position des Messfensters wiederholt. Die Menge der so ermittelten Maxima, aufgetragen gegen die Positionen des jeweils zugehörigen Messfensters, ergibt ein Profil der Welligkeit in Abhängigkeit von der Schnitttiefe bezüglich der charakteristischen Wellenlänge, das
Welligkeitsprofil. Die Welligkeitszahl Wavred ist ein Maß für die reduzierte lineare Welligkeit und bezeichnet den maximalen Wert des Welligkeitsprofils, wobei Werte von Bereichen vorgegebener Länge am Schnittanfang und am Schnittende
unbeachtet bleiben. Grundsätzlich können die charakteristische Wellenlänge und die Längen der unbeachtet bleibenden Bereiche frei gewählt werden. Die
charakteristische Wellenlänge beträgt vorzugsweise 2 mm bis 50 mm und die vorgegebenen Längen der unbeachtet bleibenden Bereiche sind vorzugsweise jeweils 5 mm bis 25 mm. Im Zusammenhang mit der noch zu beschreibenden
erfindungsgemäßen Halbleiterscheibe werden eine charakteristische Wellenlänge von 10 mm und Längen der unbeachtet bleibenden Bereiche von jeweils 20 mm zugrunde gelegt.
Die erwähnten Beobachtungen beziehen sich auf das Trennläppen eines gerade kreiszylindrischen Stabs aus Silizium in Scheiben (wafer) mit 300 mm Durchmesser. Sie gelten jedoch gleichermaßen für Werkstücke mit anderer Form und für das Trennschleifen. Die Oberfläche eines geraden Kreiszylinders umfasst dessen kreisförmige Grundfläche (erste Stirnfläche), dessen zur Grundfläche kongruente Deckfläche (zweite Stirnfläche, die der ersten gegenüberliegt) und dessen
Mantelfläche (Menge der Punkte des Stabs mit maximalem Abstand zur Stabachse). Ein gerader Kreiszylinder besitzt eine Stabachse, die senkrecht auf Grund- und Deckfläche steht und durch die Mittelpunkte derselben verläuft. Der Abstand von Grund- und Deckfläche entlang dieser Stabachse wird als Höhe des Zylinders bezeichnet.
Erstens wurde beobachtet, dass Dickenprofile und Formprofile von Scheiben mit Positionen auf der Stabachse, die nahe beieinanderliegen, sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Die Dickenprofile von Scheiben mit Positionen auf der Stabachse, die weiter voneinander entfernt sind, sind zwar ähnlich, aber die
Formprofile solcher Scheiben unterscheiden sich stark voneinander. Folglich kann kein Temperaturprofil existieren, durch dessen Anwendung die Form aller Scheiben eines Werkstücks gleichzeitig eben gemacht werden kann. Durch eine, von der Schnitttiefe abhängige Verschiebung des Werkstücks relativ zum Drahtgatter während des Abtrennvorgangs werden also nur Scheiben mit näherungsweise ebener Form erhalten werden können.
Zweitens wurde beobachtet, dass die Formprofile von Scheiben mit gleichen
Positionen auf der Stabachse und erhalten durch unmittelbar aufeinander folgende Abtrennvorgänge sich meist nur geringfügig voneinander unterscheiden, während diejenigen solcher Scheiben mit gleichen Positionen, aber erhalten durch
Abtrennvorgänge, zwischen denen mehrere dazwischenliegende Abtrennvorgänge durchgeführt werden, erheblich voneinander abweichen. Folglich kann es kein
Temperaturprofil geben, durch dessen Anwendung und Beibehaltung die Form von Scheiben mit derselben Stabposition und hervorgehend aus aufeinander folgenden Abtrennvorgängen über viele Abtrennvorgänge hinweg unverändert bleibt.
Stattdessen muss das Temperaturprofil gegebenenfalls von Abtrennvorgang zu Abtrennvorgang zumindest geringfügig geändert werden, um Scheiben mit
näherungsweise ebener Form über eine Vielzahl von Abtrennvorgängen hinweg erhalten zu können.
Drittens wurde beobachtet, dass die Veränderung der Formprofile gleich positionierter Scheiben, erhalten durch aufeinanderfolgende Abtrennvorgänge, in einen stetigen, vorhersagbaren Anteil und einen unstetigen spontanen Anteil aufgeteilt werden kann. Ein vorausberechnetes Temperaturprofil wird folglich nur den stetigen vorhersagbaren Anteil der Veränderung berücksichtigen können, und es wird trotz Anwendung des Temperaturprofils eine Formveränderung festgestellt werden, die von Abtrennvorgang zu Abtrennvorgang nach Art und Ausmaß schwankt und nicht vorhersagbar ist.
Viertens wurde beobachtet, dass die relative Anordnung von Werkstück und
Drahtgatter insbesondere im Moment des Einschnitts, also im Moment des ersten Kontakts des Werkstücks mit dem Drahtgatter, aber auch über den gesamten
Abtrennvorgang hinweg, einem starken thermischen und mechanischen Lastwechsel unterliegt. Es wurde insbesondere festgestellt, dass beim Einschnitt des Sägedrahts in das Werkstück eine Wärmeleistung von einigen kW auf das Werkstück, die
Drahtführungsrollen und deren Lager übertragen wird und die Drahtführungsrollen während eines Abtrennvorgangs einem mechanischen Lastwechsel mit einer Kraft im Bereich von 10 kN in Achsquerrichtung ausgesetzt werden. Fünftens wurde beobachtet, dass der mechanische Lastwechsel zu einer Erhöhung der Reibung in den Lagern führt, über die die Drahtführungsrollen mit dem
Maschinenrahmen verbunden sind. Zum einen erhöht sich die Rollreibung der Wälzkörper infolge der erhöhten axialen Auflast, zum anderen erhöht sich die
Reibung in Folge einer Verkippung der Achse der Lagerbüchsen gegenüber der Achse, den die Drahtführungsrolle in unbelastetem Zustand hat. Diese Verkippung führt zu einem Walken (flexing) der Lagerbüchse in der mit dem Maschinenrahmen verbundenen Hülse, in die die Lagerbüchse eingepasst ist. Diese Walkarbeit führt am Übergang Lagerbuchse/Hülse zu einer Erwärmung.
Folglich sollte die Änderung der Lagertemperatur und die damit verbundene
Ausdehnung des Lagers insbesondere in Achsrichtung zu einer Verstellung der Axialposition der Drahtführungsrollen dahingehend genutzt werden, mittels einer in der Nähe des Außenumfangs der Lagerhülse wirkenden Kühlung die Erwärmung und die damit verbundene axiale Positionsänderung auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren.
Sechstens wurde beobachtet, dass die Erwärmung des Festlagers der
Drahtführungsrolle einer Drahtsäge infolge erhöhter Lagerreibung oder Verformung (Erwärmung durch Walkarbeit) zu einer Verschiebung der Lage der
Drahtführungsrolle in deren Achsposition gegenüber dem Maschinenrahmen führt.
Siebtens wurde beobachtet, dass das Drahtsägen Scheiben mit Welligkeiten erzeugt, die insbesondere in Zustellrichtung ausgeprägt sind und dass solche Welligkeiten mit lateralen Wellenlängen im Bereich um etwa 10 mm durch dem Drahtsägen
nachfolgende Bearbeitungsschritte praktisch nicht reduziert werden können. Die Welligkeit einer vollständig bearbeiteten Scheibe wird daher in dieser Hinsicht bereits maßgeblich durch das Drahtsägen bestimmt.
Vor dem Hintergrund dieser Beobachtungen wird vorgeschlagen, im Verlauf einer Anzahl von Abtrennvorgängen mittels der Drahtsäge eine Sequenz von
Abtrennvorgängen vorzusehen, die sich darin unterscheiden, dass das
Temperaturprofil, welches die Temperatur der Flüssigkeit vorgibt, die durch das Festlager der jeweiligen Drahtführungsrolle des Drahtgatters geleitet wird,
unterschiedlich ist. Die Sequenz von Abtrennvorgängen beginnt zweckmäßigerweise nach einer Änderung des Sägesystems, also nach einer Änderung von mindestens einem Merkmal der Drahtsäge, des Sägedrahts oder des Kühlschmiermittels. Eine Änderung des Sägesystems liegt beispielsweise vor, wenn ein Wechsel von
Drahtführungsrollen erfolgte oder mechanische Justierungen an der Drahtsäge vorgenommen wurden. Die ersten Abtrennvorgänge der Sequenz, die sogenannten Initialschnitte, bestehen vorzugsweise aus 1 bis 5 Abtrennvorgängen. Diese
Abtrennvorgänge werden nach Maßgabe eines ersten Temperaturprofils
durchgeführt, das einen konstanten Temperaturverlauf während des Eingriffs der Drahtabschnitte in das Werkstück vorgibt.
Von allen Scheiben der Initialschnitte oder von Scheiben einer scheibenbezogenen Auswahl der Scheiben der Initialschnitte werden Formprofile ermittelt. Aus den Formprofilen wird durch Mittelwertbildung, die gegebenenfalls gewichtet sein kann, ein erstes Durchschnittsformprofil bestimmt. Das erste Durchschnittsformprofil wird anschließend mit dem Formprofil einer Referenzscheibe verglichen, indem das Formprofil der Referenzscheibe vom ersten Durchschnittsformprofil subtrahiert wird. Die so festgestellte Formabweichung entspricht näherungsweise einer erwartbaren Formabweichung, die Scheiben eines nachfolgenden Abtrennvorgangs
durchschnittlich aufweisen würden, wenn der nachfolgende Abtrennvorgang nach Maßgabe des ersten Temperaturprofils durchgeführt werden würde.
Die festgestellte Formabweichung dient daher als Richtmaß für eine
Korrekturmaßnahme, die der erwartbaren Formabweichung entgegengerichtet ist. Die den Initialschnitten folgenden Abtrennvorgänge werden daher nicht unter Anwendung des ersten Temperaturprofils durchgeführt, sondern unter Anwendung eines zweiten Temperaturprofils, das proportional zur festgestellten Formabweichung ist. Weist die festgestellte Formabweichung beispielsweise daraufhin, dass bei Beibehaltung des ersten Temperaturprofils Scheiben entstehen würden, deren Mittellinie bei einer bestimmten Schnitttiefe durchschnittlich um einen bestimmten Betrag in eine axiale Richtung der Drahtführungsrollen versetzt wäre, sieht das zweite Temperaturprofil bei der entsprechenden Schnitttiefe eine Temperatur der Flüssigkeit vor, die zur Folge hat, dass das Festlager aufgrund von Wärmeausdehnung die ihm zugeordnete Drahtführungsrolle um denselben Betrag in die entgegengesetzte Richtung
verschiebt. Durch das Temperieren des jeweiligen Festlagers nach Maßgabe des zweiten Temperaturprofils wird der sonst zu erwartenden Formabweichung entgegengewirkt. Die den Initialschnitten folgenden Abtrennvorgänge der Sequenz werden also nach Maßgabe des zweiten Temperaturprofils durchgeführt und damit das Temperaturprofil erstmalig gewechselt. Die Anzahl der zweiten Abtrennvorgänge der Sequenz beträgt, sofern kein weiterer Wechsel des Temperaturprofils vorgesehen ist, vorzugsweise 1 bis 15 Abtrennvorgänge. Grundsätzlich können aber auch alle Abtrennvorgänge, die dem ersten Wechsel des Temperaturprofils folgen, unter Anwendung des zweiten Temperaturprofils durchgeführt werden, zumindest solange, bis eine Änderung des Sägesystems eintritt.
Besonders bevorzugt ist jedoch, die Anzahl der Abtrennvorgänge, die den
Initialschnitten folgen und die unter Anwendung des zweiten Temperaturprofils durchgeführt werden, auf eine Anzahl von 1 bis 5 Abtrennvorgänge zu begrenzen und alle weiteren Abtrennvorgänge zumindest bis zum Eintritt einer Änderung des
Sägesystems unter Anwendung eines weiteren Temperaturprofils durchzuführen. Das weitere Temperaturprofil wird vor jedem der weiteren Abtrennvorgänge neu bestimmt.
Von allen Scheiben der dem jeweiligen aktuellen Abtrennvorgang der weiteren Abtrennvorgänge unmittelbar vorausgegangenen 1 bis 5 Abtrennvorgänge oder von Scheiben einer scheibenbezogenen Auswahl dieser Scheiben oder einer
schnittbezogenen Auswahl dieser Scheiben oder einer scheibenbezogenen und schnittbezogenen Auswahl dieser Scheiben werden Formprofile ermittelt. Aus den Formprofilen wird durch Mittelwertbildung, die gegebenenfalls gewichtet sein kann, vor dem aktuellen Abtrennvorgang ein weiteres Durchschnittsformprofil bestimmt. Das weitere Durchschnittsformprofil wird anschließend mit dem Formprofil der
Referenzscheibe verglichen, indem das Formprofil der Referenzscheibe vom weiteren Durchschnittsformprofil subtrahiert wird. Auf der Grundlage der festgestellten
Formabweichung wird ein weiteres Temperaturprofil bestimmt, das proportional zur festgestellten Formabweichung ist. Der aktuelle Abtrennvorgang wird unter
Anwendung des weiteren Temperaturprofils durchgeführt. Für jeden nachfolgenden Abtrennvorgang wird ein weiteres Temperaturprofil in analoger Weise bestimmt. Mit anderen Worten, nach der Anzahl von 1 bis 5 Abtrennvorgängen, die den
Initialschnitten folgen, wird mit jedem weiteren Abtrennvorgang das Temperaturprofil gewechselt. Eine Halbleiterscheibe, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und gegebenenfalls nach nachfolgenden Bearbeitungsschritten eine polierte Vorder- und Rückseite aufweist, zeichnet sich durch eine besonders geringe Welligkeit aus. Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch eine Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die gekennzeichnet ist durch eine Welligkeitszahl Wavred von nicht mehr als 7 pm, vorzugsweise nicht mehr als 3 pm, sofern der Durchmesser der
Halbleiterscheibe 300 mm beträgt, oder gekennzeichnet durch eine Welligkeitszahl Wavred von nicht mehr als 4,5 pm, vorzugsweise nicht mehr als 2 pm, sofern der Durchmesser der Halbleiterscheibe 200 mm beträgt. Die charakteristische
Wellenlänge zur Bestimmung von Wavred beträgt 10 mm und die Längen der unberücksichtigt bleibenden Bereiche am Schnittanfang (Einschnitt) und am
Schnittende (Ausschnitt) betragen jeweils 20 mm. Eine erfindungsgemäße
Halbleiterscheibe weist die Welligkeitszahl Wavred im beanspruchten Bereich bereits im gesägtem Zustand auf, also im unpoliertem Zustand.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich unabhängig vom Material des Werkstücks. Es eignet sich jedoch besonders zum Abtrennen von Scheiben aus Halbleitermaterial und wird vorzugsweise zum Abtrennen von Scheiben aus
einkristallinem Silizium eingesetzt. Dementsprechend hat ein Werkstück
vorzugsweise die Form eines geraden Kreiszylinders mit einem Durchmesser von mindestens 200 mm, vorzugsweise mindestens 300 mm. Andere Formen, wie die eines Quaders oder eines geraden Prismas kommen aber auch in Betracht. Das Verfahren ist auch unabhängig von der Anzahl der Drahtführungsrollen der
Drahtsäge. Neben den beiden Drahtführungsrollen, zwischen denen das Drahtgatter gespannt ist, können eine oder mehrere weitere Drahtführungsrollen vorgesehen sein.
Das Abtrennen der Scheiben während eines Abtrennvorgangs erfolgt durch
Trennschleifen unter zuführen eines Kühlschmiermittels zu den Drahtabschnitten, das frei von Stoffen ist, die auf das Werkstück abrasiv einwirken, oder durch Trennläppen unter Zuführen eines Kühlschmiermittels zu den Drahtabschnitten, das aus einer Aufschlämmung von Hartstoffen besteht. Im Fall des Trennschleifens bestehen die Hartstoffe vorzugsweise aus Diamant und sind auf der Oberfläche des Sägedrahts durch galvanische Bindung oder durch Bindung mittels Kunstharz oder durch formschlüssige Bindung fixiert. Im Fall des Trennläppens bestehen die Hartstoffe vorzugsweise aus Siliciumcarbid und sind vorzugsweise in Glycol oder Öl aufgeschlämmt. Der Sägedraht hat vorzugsweise einen Durchesser von 70 gm bis 175 gm und besteht vorzugsweise aus übereutektoidischem perlitischem Stahl. Des Weiteren kann der Sägedraht entlang seiner Längsachse mit einer Vielzahl an Ausstülpungen und Einbuchtungen in Richtungen senkrecht zur Längsachse versehen sein.
Des Weiteren ist bevorzugt, den Sägedraht während eines Abtrennvorgangs in einer fortwährenden Abfolge von Paaren von Richtungsumkehrungen zu bewegen, wobei ein Paar von Richtungsumkehrungen jeweils ein erstes Bewegen des Sägedrahts in eine erste Drahtlängsrichtung um eine erste Länge und ein zweites nachfolgendes Bewegen des Sägedrahts in eine zweite Drahtlängsrichtung um eine zweite Länge umfasst, die zweite Drahtlängsrichtung der ersten Drahtlängsrichtung
entgegengesetzt ist und die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
Vorzugsweise wird der Sägedraht beim Bewegen um die erste Länge dem
Drahtgatter mit einer ersten Zugkraft in Drahtlängsrichtung aus einem ersten
Drahtvorrat zugeführt und beim Bewegen um die zweite Länge mit einer zweiten Zugkraft in Drahtlängsrichtung aus einem zweiten Drahtvorrat zugeführt, wobei die zweite Zugkraft geringer als die erste Zugkraft ist.
Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend unter Verweis auf Zeichnungen erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung Merkmale, die für eine Drahtsäge typisch sind.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Drahtführungsrolle und deren
Lagerung.
Fig. 3 zeigen das Formprofil und das Welligkeitsprofil (oberes Diagramm) einer Scheibe, die nicht erfindungsgemäß hergestellt wurde, und das Temperaturprofil (unteres Diagramm), das während des nicht erfindungsgemäßen Abtrennvorgangs zur Anwendung kam.
Fig. 4 zeigen das Formprofil und das Welligkeitsprofil (oberes Diagramm) einer Scheibe, die erfindungsgemäß hergestellt wurde, und das Temperaturprofil (unteres Diagramm), das während des erfindungsgemäß durchgeführten Abtrennvorgangs zur Anwendung kam.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Drahtführungsrolle
2 Drahtgatter
3 Sägedraht
4 Werkstück
5 Festlager
6 Loslager
7 Maschinenrahmen
8 Belag
9 Kanal
10 Steuerungseinheit
11 Richtung der Bewegung des Loslagers
12 Formprofil
13 Welligkeitsprofil
14 Temperaturprofil
15 Temperaturprofil
16 Formprofil
17 Welligkeitsprofil
18 Temperaturprofil
19 Temperaturprofil
20 Einschnittbereich
21 Ausschnittbereich
22 Einschnittbereich
23 Ausschnittbereich
24 Maximum im inneren Teilbereich von 13
Detaillierte Beschreibung erfindunqsqemäßer Ausführunqsbeispiele Fig.1 zeigt Merkmale, die für eine Drahtsäge typisch sind. Dazu gehören mindestens zwei Drahtführungsrollen 1 , die ein Drahtgatter 2 aus Drahtabschnitten eines
Sägedrahts 3 aufspannen. Zum Abtrennen von Scheiben wird ein Werkstück 4 gegen das Drahtgatter 2 in der durch einen Pfeil symbolisierten Zustellrichtung zugestellt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Drahtführungsrolle 1 zwischen einem Festlager 5 und einem Loslager 6 gelagert. Festlager 5 und Loslager 6 sind auf einem
Maschinenrahmen 7 abgestützt. Die Drahtführungsrolle 1 trägt einen Belag 8, der mit Rillen versehen ist, in denen der Sägedraht 3 läuft. Das Festlager 5 umfasst einen Kanal 9, durch den eine Flüssigkeit zum Temperieren des Festlagers 5 geleitet wird. Wird die Temperatur der Flüssigkeit erhöht, bewirkt die Wärmeausdehnung des Festlagers 5 eine axiale Verschiebung der Drahtführungsrolle 1 in Richtung des Loslagers 6, und das Loslager 6 bewegt sich in die mit einem Doppelpfeil 11 gekennzeichnete Richtung der Achse der Drahtführungsrolle gegenüber dem
Maschinenrahmen 7. Wird die Temperatur der Flüssigkeit verringert, wird eine
Verschiebung der Drahtführungsrolle 1 und des Loslagers 6 in die entgegengesetzte Richtung bewirkt. Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Flüssigkeit in
Abhängigkeit der Schnitttiefe durch ein Temperaturprofil vorgegeben und das
Temperaturprofil im Verlauf einer Anzahl von Abtrennvorgängen mindestens einmal geändert. Eine Steuerungseinheit 10, die in Verbindung mit einem Wärmeaustauscher und einer Pumpe steht, sorgt dafür, dass die durch das Festlager 5 geleitete
Flüssigkeit beim Erreichen einer bestimmten Schnitttiefe die vom jeweiligen
Temperaturprofil verlangte Temperatur hat.
Beispiel und Vergleichsbeispiel
Die Erfindung wird im Folgenden an einem nicht erfindungsgemäßen
Vergleichsbeispiel (Fig. 3) und einem erfindungsgemäßen Beispiel (Fig. 4)
verdeutlicht.
Fig. 3 zeigt in der oberen Hälfte das Formprofil 12 einer mittels Drahttrennläppens abgetrennten Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium mit 300 mm Durchmesser über die Schnitttiefe (D.O.C = Depth Of Cut). Der Trennvorgang erfolgte mittels eines Stahldrahts mit 175 pm Durchmesser innerhalb von etwa 13 Stunden unter
Verwendung von Siliciumcarbid (SiC) mit einer mittleren Korngröße von etwa 13 pm (FEPA F-500), aufgeschlämmt in einer Trägerflüssigkeit aus Dipropylenglycol.
Während des Trennvorgangs wurden die Temperaturen zur Kühlung der Festlager konstant gehalten bei Werten, die aus vorangegangenen Trennvorgängen als optimal für den Erhalt möglichst ebener Halbleiterscheiben bestimmt worden waren. Das untere Diagramm von Fig. 3 zeigt in Abhängigkeit der Schnitttiefe das
Temperaturprofil 14 der Kühlwasser-Temperatur des linken (TL = Temperatur links; durchgezogene Linie) und das entsprechende Temperaturprofil 15 der Kühlwasser- Temperatur des rechten (TR = Temperatur rechts; gestrichelt) Festlagers der beiden Drahtführungsrollen, die das Drahtgatter aufspannen.
Der Abstand zwischen zwei horizontalen Gitter-Linien im unteren Diagramm beträgt 1 °C. Die Temperatur wurde also tatsächlich sehr konstant eingehalten mit Sol st- Abweichungen von weniger als 0,1 °C. Das in diesem Vergleichsbeispiel erhaltene Formprofil 12 der Halbleiterscheibe (S = Shape, also Form(profil); durchgezogene Linie) ist jedoch sehr uneben. Insbesondere weist die Halbleiterscheibe eine starke Verformung im Einschnittbereich 20 auf, also innerhalb der ersten 10 % der
Schnitttiefe, die als Einschnittwelle bezeichnet wird, und eine starke Verformung im Ausschnittbereich 21 auf, also innerhalb der letzten annähernd 10 % der Schnitttiefe, die als Ausschnittwelle bezeichnet wird. Das vom Formprofil 12 abgeleitete
Welligkeitsprofil 13 (W = Welligkeit, Waviness; gestrichelte Linie), das den Betrag der Differenz der Verformung der Halbleiterscheibe innerhalb eines entlang der
Schnitttiefe gleitenden Messfensters abbildet, weist im Einschnittbereich 20 und im Ausschnittbereich 21 starke Ausschläge auf.
Fig. 4 zeigt im oberen Diagramm das Formprofil 16 und das davon abgeleitete Welligkeitsprofil 17 einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren abgetrennten Halbleiterscheibe und im unteren Diagramm die Temperaturprofile 18 und 19 des linken und des rechten Festlagers der das Drahtgatter aufspannenden
Drahtführungsrollen. Zur Herstellung der Halbleiterscheibe mit den Eigenschaften gemäß Fig.4 wurden zunächst fünf Abtrennvorgänge unter Anwendung eines konstanten Temperaturprofils entsprechend der unteren Hälfte von Fig. 3
durchgeführt und die Formprofile der erhaltenen Halbleiterscheibe eines jeden Abtrennvorgangs stichprobenweise (jede 15. Halbleiterscheibe, vom Stabanfang zum Stabende) gemittelt, wobei die Formprofile der jeweils den Stirnflächen des Stabs nächsten Halbleiterscheiben nicht berücksichtigt wurden (scheibenbezogene Auswahl), und sodann die so erhaltenen scheibenbezogenen Durchschnittsformprofile eines jeden Abtrennvorgangs über die fünf Abtrennvorgänge gemittelt
(schnittbezogene Auswahl).
Durch Multiplikation des so erhaltenen scheiben- und schnittbezogenen
Durchschnittsformprofils mit einer zuvor experimentell ermittelten,
maschinenspezifischen Konstante (in °C/pm), die die Empfindlichkeit der
Formprofiländerung (in pm) je Temperaturveränderung des Festlagers (in °C) angibt, wurde ein erstes nichtkonstantes Temperaturprofil für die schnitttiefenabhängige Festlagertemperierung erhalten und damit ein weiterer Abtrennvorgang durchgeführt. Dieser ergab Halbleiterscheiben mit einem scheibenbezogenen
Durchschnittsformprofil, das bereits deutlich ebener war als das scheiben- und schnittbezogene Durchschnittsformprofil der ersten fünf Abtrennvorgänge unter Anwendung des konstanten Temperaturprofils. Da die Stellgröße, nämlich das erste nichtkonstante Temperaturprofil, für diesen Abtrennvorgang durch Rückgriff
(Regression) auf das konstante Temperaturprofil erhalten wurde, kann die
Anwendung dieses Temperaturprofils auch als regressive Regelung bezeichnet werden.
Der Abtrennvorgang, der die Halbleiterscheibe erzeugte, deren Formprofil das obere Diagramm von Fig. 4 zeigt, wurde schließlich unter Anwendung eines
Temperaturprofils durchgeführt, das aus der Abweichung des scheibenbezogenen Durchschnittsformprofils des vorangegangenen Abtrennvorgangs vom Formprofil einer Referenzscheibe errechnet wurde. Dieses weitere Temperaturprofil ist im unteren Diagramm von Fig. 4 gezeigt. Das Temperaturprofil weist im
Einschnittbereich 22 innerhalb der ersten 10 % der Schnitttiefe deutlich erhöhte und im Ausschnittbereich 23 innerhalb der letzten annähernd 10 % der Schnitttiefe deutlich reduzierte Temperaturen auf, mit der Folge, dass die Einschnittwelle im Einschnittbereich 20 und die Ausschnittwelle im Ausschnittbereich 21 entsprechend dem oberen Diagramm von Fig. 3 nicht beobachtet werden.
Da die Stellgröße, nämlich das weitere Temperaturprofil, sich gegenüber derjenigen des vorangegangenen Abtrennvorgangs nur um die der Differenz (Inkrement) des aus dem scheibenbezogenen Durchschnittformprofil des vor-vorangegangenen und der des vorangegangenen Abtrennvorgangs entsprechenden Änderung unterscheidet, kann die Anwendung des weiteren Temperaturprofils auch als inkrementeile
Regelung bezeichnet werden.
Die zur Berechnung der Temperaturprofile herangezogene maschinenspezifische Konstante gibt an, um wie viele Mikrometer sich das Formprofil bei Erhöhung oder Erniedrigung der Festlagertemperatur um ein Grad Celsius verändert, und ist von der Wirksamkeit der Kühlung, also beispielsweise von der Vorlauftemperatur, von der Kühlleistung des Wärmetauschers, der das Kühlwasser liefert, und vom Durchfluss (Querschnitt) des Kühlwassers bestimmt. Da alle diese Größen Schwankungen unterliegen und zudem drahtsägespezifisch sind, kann die maschinenspezifische Konstante nur sehr ungenau bestimmt werden.
Das Vorzeichen der maschinenspezifischen Konstante ergibt sich daraus, welche der beiden Seiten der Halbleiterscheibe als Vorder- und welche als Rückseite definiert ist. In den vorliegenden Beispielen wurde der Stab aus Halbleitermaterial stets mit dem Impflingsende (diejenige Stirnfläche des Stabs von zwei Stirnflächen, deren Position sich während der Herstellung des Stabs näher zu einem einkristallinen Impfkristalls befand) in Richtung des Drahtführungsrollen-Festlagers und mit der zweiten
Stirnfläche in Richtung des Loslagers orientiert, und als Vorderseite der
Halbleiterscheibe die zum Impflingsende weisende Fläche und als Rückseite der Halbleiterscheibe die vom Impflingsende weg weisende Fläche der Halbleiterscheibe festgelegt. In Übereinstimmung mit den Darstellungen in Fig. 3 und Fig. 4 weist die Vorderseite der Halbleiterscheibe nach oben und deren Rückseite nach unten. In dieser Anordnung ist das Vorzeichen für die Umrechnung des
Durchschnittsformprofils in das Temperaturprofil negativ. Bei einer umgekehrten Orientierung des Stabs in der Drahtsäge wäre die maschinenspezifische Konstante positiv.
Die besondere Wirksamkeit von insbesondere der erfindungsgemäßen inkrementeilen Regelung besteht nun darin, dass die maschinenspezifische Konstante nicht genau bekannt sein muss, da eine inkrementeile Regelung die grundsätzliche Eigenschaft aufweist, auf den Zielwert (dem Formprofil der Referenzscheibe) hin zu konvergieren, sofern der Proportionalitätsfaktor, nämlich die maschinenspezifische Konstante, nicht zu hoch gewählt wird. Im letzteren Fall würde die Regelung oszillieren und nicht, wie gewünscht, konvergieren. Es werden also auch mit einem bloßen Schätzwert für die Konstante stets im Verlauf weniger Abtrennvorgänge Halbleiterscheiben mit sehr ebenen Formprofilen erhalten, sofern dieser Schätzwert eher betragsmäßig zu klein angenommen wird.
Insbesondere kann daher für unterschiedliche Drahtsägen derselbe geschätzte Wert für die maschinenspezifische Konstante angenommen werden, vorzugsweise eine Konstante mit einem Betrag im Bereich von 0.2 bis 5 pm/°C. Das Vorzeichen der maschinenspezifischen Konstante ergibt sich, wie beschrieben, aus der Festlegung, in welche Richtungen Vorder- und Rückseite der Halbleiterscheiben in Bezug auf den in die Drahtsäge eingebauten Stab weisen. Unterschiede zwischen Drahtsägen mit unterschiedlichen tatsächlichen Konstanten ergeben sich dann nur noch in der Geschwindigkeit der Konvergenz, nicht jedoch im erreichbaren Maß an
Planparallelität der Halbleiterscheiben. Deren Restunebenheiten sind nur noch von den von Abtrennvorgang zu Abtrennvorgang auftretenden unvorhersehbaren
Schwankungen des jeweiligen Abtrennvorgangs (Rauschgrößen) bestimmt.
Die Welligkeitszahl Wavred wird ausgehend vom Formprofil einer Scheibe, wie nachfolgend am Beispiel der Formprofile 12 in Fig. 3 und 16 in Fig. 4 erklärt, bestimmt. Aus einem solchen Formprofil wird innerhalb eines Messfensters mit einer charakteristischen Wellenlänge von 10 mm in Richtung der Schnitttiefe (D.O.C.) der Betrag der Differenz zwischen Maximum und Minimum des Formprofils innerhalb des Messfensters bestimmt. Die Position des Anfangs des Messfensters wird entlang der Schnitttiefe nach und nach auf jeden Messpunkt des Formprofils festgelegt und für jede dieser Positionen der Betrag der Differenz bestimmt. Die so erhaltenen Beträge von Differenzen werden in Abhängigkeit der Schnitttiefe aufgetragen, wobei die Position des Anfangs des Messfensters die jeweilige Schnitttiefe angibt. So wird ein Welligkeitsprofil erhalten, das beispielsweise die Kurven 13 in Fig. 3 und 17 in Fig. 4 verkörpern. Die Welligkeitszahl Wavred wird aus dem Welligkeitsprofil bestimmt, indem am Schnittanfang und am Schnittende die Werte der Beträge der Differenzen jeweils innerhalb einer Länge von 20 mm unbeachtet bleiben und von den verbleibenden Werten der Beträge der Differenzen das Maximum als Welligkeitszahl Wavred bestimmt wird.
Dementsprechend beträgt ausgehend von der Form S des Formprofil 12 in Fig. 3, die Welligkeitszahl Wavred der nicht erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterscheibe etwa 12 pm, entsprechend des Maximums 24 der Welligkeit W des Welligkeitsprofils 13 und unter Berücksichtigung eines Gitterabstands der Ordinate von 4 pm.
Ausgehend vom Formprofil 16 in Fig. 4 ist die Welligkeitszahl Wavred der
erfindungsgemäß hergestellten Halbleiterscheibe etwa 3 pm, entsprechend des Maximums der Welligkeit W des Welligkeitsprofils 17 und unter Berücksichtigung eines Gitterabstands der Ordinate von 4 pm.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche
Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente durch den Schutzbereich der Ansprüche abgedeckt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von Werkstücken während einer Anzahl von Abtrennvorgängen mittels einer Drahtsäge, die ein
Drahtgatter aus sich bewegenden Drahtabschnitten eines Sägedrahts umfasst, das zwischen zwei Drahtführungsrollen gespannt ist, wobei jede der Drahtführungsrollen zwischen einem Festlager und einem Loslager gelagert ist, das Verfahren umfassend das Zustellen eines der Werkstücke in Gegenwart einer Arbeitsflüssigkeit während eines jeden der Abtrennvorgänge entlang einer Zustellrichtung gegen das Drahtgatter in Anwesenheit von Hartstoffen, die abrasiv auf das Werkstück einwirken;
das Temperieren des Festlagers der jeweiligen Drahtführungsrolle während der Abtrennvorgänge gemäß einem Temperaturprofil, das eine Temperatur in
Abhängigkeit einer Schnitttiefe vorgibt;
einen ersten Wechsel des Temperaturprofils im Verlauf der Abtrennvorgänge von einem ersten Temperaturprofil mit konstantem Temperaturverlauf zu einem zweiten Temperaturprofil, das proportional zur Differenz eines ersten Durchschnittsformprofils und eines Formprofils einer Referenzscheibe ist, wobei das erste
Durchschnittsformprofil von Scheiben bestimmt wird, die nach Maßgabe des ersten Temperaturprofils abgetrennt wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend
einen weiteren Wechsel des Temperaturprofils zu einem weiteren Temperaturprofil, das proportional zur Differenz eines weiteren Durchschnittsformprofils zuvor abgetrennter Scheiben und des Formprofils der Referenzscheibe ist, wobei die zuvor abgetrennten Scheiben von mindestens 1 bis 5 Abtrennvorgängen stammen, die einem aktuellen Abtrennvorgang unmittelbar vorangegangen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend das Verwenden des ersten Temperaturprofils während eines ersten der Abtrennvorgänge, der nach einer Änderung von mindestens einem Merkmal der Drahtsäge, des Sägedrahts oder der Arbeitsflüssigkeit stattfindet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Bestimmen des ersten Durchschnittsformprofils und des weiteren Durchschnittsformprofils basierend auf einer scheibenbezogenen Auswahl von Scheiben.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Bestimmen des weiteren Durchschnittsformprofils basierend auf einer schnittbezogenen Auswahl von Scheiben.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Bestimmen des weiteren Durchschnittsformprofils basierend auf einer scheibenbezogenen und einer schnittbezogenen Auswahl von Scheiben.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend das Bestimmen des ersten Durchschnittsformprofils und des weiteren Durchschnittsformprofils basierend auf einer gewichteten Mittelwertbildung des Formprofils von Scheiben.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sägedraht ein übereutektoidischer perlitischer Stahldraht ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sägedraht einen Durchmesser von 70 pm bis 175 pm aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der Sägedraht entlang einer Drahtlängsachse mit einer Vielzahl an Ausstülpungen und Einbuchtungen in Richtungen senkrecht zur Drahtlängsachse versehen ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend das Zuführen eines Kühlschmiermittels als Arbeitsflüssigkeit zu den Drahtabschnitten während der Abtrennvorgänge, wobei die Hartstoffe aus Diamant bestehen und auf der Oberfläche des Sägedrahts durch galvanische Bindung, durch Kunstharzbindung oder durch formschlüssige Bindung fixiert sind, und das Kühlschmiermittel frei von Stoffen ist, die auf das Werkstück abrasiv einwirken.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend das Zuführen der Arbeitsflüssigkeit in Form einer Aufschlämmung der Hartstoffe in Glycol oder Öl zu den Drahtabschnitten während der Abtrennvorgänge, wobei die die Hartstoffe aus Siliciumcarbid bestehen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend das Bewegen des Sägedrahts in einer fortwährenden Abfolge von Paaren von Richtungsumkehrungen, wobei ein Paar von Richtungsumkehrungen jeweils ein erstes Bewegen des
Sägedrahts in eine erste Drahtlängsrichtung um eine erste Länge und ein zweites nachfolgendes Bewegen des Sägedrahts in eine zweite Drahtlängsrichtung um eine zweite Länge umfasst, die zweite Drahtlängsrichtung der ersten Drahtlängsrichtung entgegengesetzt ist, und die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Sägedraht beim Bewegen in die um die erste Länge dem Drahtgatter mit einer ersten Zugkraft in Drahtlängsrichtung aus einem ersten Drahtvorrat zugeführt wird, und beim Bewegen um die zweite Länge mit einer zweiten Zugkraft in Drahtlängsrichtung aus einem zweiten Drahtvorrat zugeführt wird, und wobei die zweite Zugkraft geringer als die erste Zugkraft ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Werkstück aus einem Halbleitermaterial besteht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Werkstück die Form eines geraden Prismas aufweist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Werkstück die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist.
18. Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, gekennzeichnet durch eine Welligkeitszahl Wavred von nicht mehr als 7 pm und einen Durchmesser von 300 mm, oder durch eine Welligkeitszahl Wavred von nicht mehr als 4,5 pm und einen
Durchmesser von 200 mm.
19. Halbleiterscheibe nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine
Welligkeitszahl Wavred von nicht mehr als 3 pm und einen Durchmesser von 300 mm, oder durch eine Welligkeitszahl Wavred von nicht mehr als 2 pm und einen
Durchmesser von 200 mm.
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