NO324488B1 - Metode og anordning for a separere wafere fra en stabel med wafere - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår en metode for individuell separering av wafere fra en stabel av wafere ved plassering av stabelen wafere i et mikrobølgekammer, og eksponering av waferne for mikrobølger som forårsaker at vannet mellom waferne fordamper.

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler separering av stablede wafere. Mer spesifikt omhandler oppfinnelsen en metode for å separere enkle wafere fra en stabel med wafere med minimal risiko for å ødelegge waferne. En metode som bruke mikrobølger for dette formålet blir presentert.

Bakgrunn for oppfinnelsen

En wafer er en tynn plate med halvledermateriale brukt som basis for å utvikle mikroelektronikk og fotovoltaiske innretninger. Halvledermaterialet er typisk mono-eller multikrystallinsk silisium, hvorpå mikrokretser og fotovoltaiske innretninger blir konstruert ved doping (f.eks., diffusjon eller ionimplantering), etsing, og avsetting av ulike materialer. Waferne blir dermed av viktig betydning for fremstilling av halvlederinnretninger.

Wafere blir laget i ulike størrelser som spenner fra 1 inch (25,4 mm) til 11,8 inch (300 mm), og tykkelser i størrelsesorden fra 0,1-0,5 mm. Generelt blir de kuttet fra en boule (eng.: boule), dvs. en sylindrisk stang, eller fra en multikrystallinsk blokk med halvledermateriale ved å bruke en sag.

Etter rengjøring av waferne blir de stablet sammen med et tynt lag av vann mellom hver wafer. Waferne vil bli holdt sammen på grunn av overflatespenningen til vannet. Dette gjør det vanskelig å separere waferne for videre prosessering.

Å fjerne waferne fra en stabel har typisk blitt gjort manuelt fordi wafermaterialet er skjørt. Røff behandling kan enkelt resultere i ødeleggelse, eller klipping av kantene, som kan gjøre at waferne blir ubrukelige for videre fremstilling.

For å hindre slik ødeleggelse, blir vakuum "staver" vanligvis brukt som et middel for å manuelt løfte individuelle wafere fra stabelen. En stav består typisk av en stamme med en intern kanal for vakuum, en bred tupp, og vakuumaktuatorbryter for å forbinde stammen til vakuumkilden. En operatør plukker opp en wafer ved å plassere den brede tuppen til staven i senter av den plane overflaten til waferen, for deretter å gjøre at vakuum sørger for at waferen fester seg til staven.

Det å manuelt separere wafere har et antall ulemper. Waferne i en stabel har en tendens til å klistre seg sammen til hverandre, primært på grunn av overflatespenningene. En stav kan ikke alene overvinne disse effektene, noe som krever at operatøren sklir waferne fra hverandre ved å trykke mot deres kanter. Denne handlingen kan ødelegge waferne. Videre er arbeidet som kreves en signifikant prosesseringskostnad og tar betydelig tid.

Forsøk på å automatisere separeringsprosessen har vært prøvd men ikke vidt utbredt.

US 5 213 451 beskriver bruk av en dam og stråler med fluid, slik som vann eller olje til å separere wafere i en stabel. Strålene presser de ytterste waferne opp og over dammen mens waferne under holdes tilbake i stabelen av dammen. En mateenhet løfter gradvis waferstabelen, og sørger for at hver wafer til slutt blir trykket over dammen av fluidstrålene. Selv om denne metoden er raskere enn å manuelt separere waferne eksponerer den waferne fremdeles for potensiell fare. Fluidstrålene sørger for at de ytterste waferne sklir mot tilliggende wafere og kjører de tynne kantene til andre wafere mot dammen hvor hver av handlingene kan forårsake waferødeleggelse.

US 2001/0046435 angår problemene beskrevet over. Det beskrives en løsning for å individuelt separere wafere ved å rette multiple stråler av fluid mellom en ytre wafer i stabelen og en tilliggende wafer. Strålene har tilstrekkelige trykk og er tilstrekkelig plassert fra hverandre rundt waferstabelen for å forårsake at den ytterste waferen separeres longitudinalt fra tilliggende wafer uten lateral bevegelse mellom disse. Hensikten er å separere waferne i en stabel uten å forårsake glidekontakt mellom waferne. En annen hensikt er å separere waferne uten å treffe waferkantene med en kraft som er tilstrekkelig til å ødelegge dem.

JP 01028824A beskriver en fremgangsmåte for hurtig tørking av wafere ved bestråling med mikrobølger. Publikasjonen beskriver imidlertid ikke en metode for å separere individuelle wafere fra en stabel med wafere.

Selv om løsningene presentert over viser automatiserte metoder for å redusere risikoen for å ødelegge waferne i separeringsprosessen vil de fremdeles kunne eksponere individuelle waferne for potensiell skade.

Den foreliggende oppfinnelsen beskriver en ny metode for å separere wafere med minimal risiko for å eksponere dem for ødeleggelse. Dette blir gjort ved å bruke en mikrobølgeovn for å tørke waferne forut for separering.

Mikrobølger er en form for elektromagnetisk energi hvor elektromagnetiske bølger er i frekvensbåndet 300 MHz til 300 GHz. Polarmolekyler og frie ioner i mottakelige materialer responderer til disse feltene ved å skape en molekylær friksjon hvilket resulterer i varme generert gjennom hele massen til materialet. Interessen for å utnytte mikrobølgeenergi for å varme, og sentrere keramiske og pulveriserte metaller, tørking, bindemiddelfjerning, glassmelting og plasmagenerering er gradvis økende i industrien.

Mikrobølgetørking kan spille en økende viktig rolle i forsøk på å oppnå kortere leveringstider og redusere varehuskapasiteter.

Bruk av mikrobølger er skånsomt og tidssparende. I konvensjonell tørking blir energien tilført på overflaten til materialet ved stråling og konveksjon, og må penetrere innsiden for å oppnå en uniform oppvarming av materialet. Termisk konduktivitet og varmemotstand til materialet bestemmer hovedsakelig varmeprosessen. Følsomme materialer vil ofte ikke tillate høye temperaturer. Dersom materialet har dårlig varmekonduktivitet, er en utvidelse av prosessen uunngåelig.

Konvensjonelle varmeteknologier, er derfor underlagt strenge begrensninger i fremstillingen av mange produkter.

Mikrobølgeoppvarming er svært rask og enkel å regulere. Så fort som mikrobølgekilden blir slått på vil bølgene straks penetrere legemet som skal varmes opp, og konverteringen av energi begynner. Når kilden blir slått av, stopper prosessen umiddelbart. Lange oppvarmings- og nedkjølingsfaser er ikke nødvendige.

Bruk av mikrobølgeenergi for å tørke en stabel med wafere i henhold til den foreliggende oppfinnelsen har store potensielle og reelle fordeler over konvensjonell oppvarming. Den oppfinneriske metoden er plass- og arbeidseffektiv. Den krever mindre energi enn kjente metoder, og det er enkelt å kontrollere energiforsyningen, dvs. momentan kontroll av energiforsyning med korte oppvarmings-/nedvarmingsperioder.

Sammendrag av oppfinnelsen

En hensikt med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en metode for å separere stablede wafere med minimal risk for å ødelegge waferne.

For å frembringe oppfinnelsen har søkeren undersøkt to ulike metoder som involverer tørking av stabler med wafere.

Den første metoden undersøkte bruken av vakuumkammer hvor fordampningen blir assistert av oppvarming med interne varmemidler. Resultatet viste at under oppvarmingen av vakuumkammeret stabiliserer temperaturen i de våte waferne ved kokepunktet ved et gitt trykk. Ved å bruke oppvarmingselementet i bunnen av stabelen med wafere, gir dette en stor gradient i stabelen og det tar lengre tid å overføre varmen gjennom hele stabelen.

Den andre metoden undersøkte tørking av wafere i en mikrobølgeovn, hvor mikrobølgeoppvarming ble undersøkt som en mulig metode for å varme waferstabelen.

Resultatene av de to undersøkte metodene og den dielektriske konstanten til silisium (Si) og vann har vist at den andre metoden er den foretrukne. Den andre metoden er både skånsom og effektiv for å separere stablede wafere.

Følgelig krever oppfinnelsen en metode for individuell separering av wafere fra en stabel med wafere holdt sammen av overflatespenningen til en væske, hvor metoden er kjennetegnet ved å plassere stabelen av wafere i et mikrobølgekabinett, og eksponere waferene for mikrobølger med en intensitet og tidsperiode som sørger for at væsken mellom waferene fordamper. Dette frigir derved kreftene som holder waferne sammen.

Etter å ha eksponert stabelen med waferne for mikrobølger med en energi og tidsperiode som er tilstrekkelig lang til at væsken fordamper, kan waferne enkelt bli separert fra hverandre enten manuelt eller automatisk, f.eks. ved å bruke en robot.

Oppfinnelsen er videre kjennetegnet ved et kabinett for bruk i en metode for å individuelt separere wafere fra en stabel med wafere holdt sammen av overflatespenningen til en væske, hvor kabinettet omfatter retningskontrollerte mikrobølgemidler for å eksponere waferene for mikrobølger, og temperaturkontrollmidler for å justere effekt og tidseksponering for mikrobølger, slik at stabelen med wafere undergår en kontrollert tørkeprosess.

Ytterligere detaljer ved oppfinnelsen er definert i de vedlagte uselvstendige kravene.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Den oppfinneriske metoden for å individuelt separere wafere fra en stabel wafere holdt sammen av overflatespenningen til fluid vil nå bli beskrevet i videre detalj.

Waferne blir underlagt en tørkeprosess som involverer mikrobølger. Prosessen omfatter å plassere en stabel med wafere i et mikrobølgekabinett, og eksponere waferne for mikrobølger med en intensitet og tidsperiode som sørger for at fluid, fortrinnsvis vann, mellom waferne fordamper. Kabinettet kan være et standardkabinett brukt i mikrobølgeovner for å blokkere elektromagnetiske bølger på utsiden av kabinettet for å sørge for strålingssikkerhet. Kabinettet kan enten være lukket eller delvis lukket.

I en foretrukket utførelse kan kabinettet videre omfatte temperaturkontrollmidler i tillegg til standard mikrobølgeovnmidler.

Dersom kabinettet er lukket kan kabinettet omfatte vakuumpumpemidler for å anvende vakuum for å kunne fremskynde tørkeprosessen. Andre teknikker kan også bli brukt, f.eks. varm luft. Midler for å fjerne fuktighet produsert i prosessen er fortrinnsvis innbefattet. Dette er spesielt viktig dersom et lukket kabinett blir brukt.

Størrelsen til kabinettet ville være avhengig av skalaen til batchprosessen, dvs. antall av wafere som skal behandles samtidig.

Den vedlagte figuren viser skjematisk en batchprosess for å tørke stablede wafere.

For batchprosessering omfatter systemet et transportbånd. Transportbåndet vil bevege stabelen med wafere gjennom mikrobølgeovnen med en hastighet som er justert for å stå i samsvar med antall wafere som skal behandles, dvs. at waferne eksponeres for en energi og tidsperiode som er tilstrekkelig lang for at vannet fordamper.

Mikrobølger kan bli kombinert med varm luft og/eller andre teknikker for å øke tørkeprosessen.

I det følgende blir en foretrukket metode for å separere wafere fra en stabel med wafere beskrevet.

En eller flere stabler med wafere blir plassert i kurver lagd av mikrobølgetransparent materiale, dvs. materiale som ikke plukker opp det elektromagnetiske feltet, og som er motstandsdyktig for høye temperaturer.

Kurvene blir plassert på et transportbelte som vil laste waferne inn i mikrobølgekabinettet. Transportbåndet kan kontinuerlig bevege stabelen med wafere gjennom mikrobølgene, eller stoppe i et tidsrom og så fortsette transporteringen. Dette kan være en automatisk prosess basert på vekt av stabelen med wafere eksponert for mikrobølgene.

Stabelen med wafere kan inneholde kun et fåtall, eller flere hundre wafere. Stabelen kan være i en horisontal eller vertikal posisjon, og mikrobølgekabinettet kan romme én eller flere stabler samtidig.

Varmen som er nødvendig for å tørke waferne er fordampningsenergien, dvs. energien som er nødvendig for å varme opp waferne til prosesstemperaturen pluss varmetapene til omgivelsene.

For å bestemme energien som er nødvendig for mikrobølgetørking er regelen at en mikrobølgeutgangseffekt på 1 kW er nødvendig for å fordampe 1 kg vann pr. time. Denne regelen gjelder så lenge som det initialt er tilstrekkelig fuktighet.

Det har blitt vist at ved en sammenstilling av 300 silisiumstabler, som inneholder totalt 63 g med vann, vil det kreves mindre enn 15 min. for fordamping med en forsynt intensitet på 1 kW. Dette illustrerer at mikrobølger som jobber med 1 kW utgang har kapasiteten til å tørke mer enn 20 kg våte silisiumwafere innenfor 1 time, dvs. ca. 500 kg/dag i en kontinuerlig operasjon.

For å oppnå en effektiv batchprosess som kan følge produksjonshastigheten til wafere så må flere parametere bli kombinert. Effekt, tid og vannvolum må bli kombinert for å kunne oppnå en skånsom og rask tørkeprosess. Tiden er gitt av hastigheten til transportbeltet og lengden av tunnelen dannet av kabinettet. Effekten kan være i størrelsesorden fra 0,1 kW til 100 kW.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet med et foretrukket eksempel med henvisning til figuren. Imidlertid vil en fagperson på området innse at flere variasjoner og alternativer finnes innenfor omfanget av oppfinnelsen og som fremsatt i det vedlagte kravsettet.

Hovedprinsippene til oppfinnelsen er den beskrevne metoden som involverer bruk av mikrobølger for å tørke en stabel med wafere. Etter tørkeprosessen kan stabelen med wafere bli separert enten manuelt eller automatisk.

I tilfellet ved en automatisk prosess kan en robot bli brukt med det formål å separere, enten på innsiden eller utsiden av kabinettet hvor tørkeprosessen foregår.

Dersom en automatisk separering av wafere skal foregå på innsiden av tørkeskapet er det ulike foretrukne metoder for å gjøre dette avhengig av størrelsen til kabinettet.

I tilfelle med et lite kabinett med rom for kun én stabel med wafere samtidig, kan tørkeprosessen bli stoppet etterfulgt av å la en robot på innsiden av kabinettet utføre separeringen.

I én utførelse kan retningskontrollerte antenner for å sende mikrobølger bli brukt slik at én ende av stabelen med wafere blir bestrålt og følgelig tørket før den andre. Dersom denne metoden blir brukt kan wafere bli fjernet fra den tørkede delen av stabelen, mens den andre delen blir tørket ved hjelp av retningskontrollerte mikrobølger. Denne teknikken vil øke hastigheten på tørke- og separeringsprosessen.

I tilfelle med større kabinett for å tørke flere enn én stabel av wafere, kan waferne som kommer inn i kabinettet bli bestrålt med mikrobølger, mens en stabel som blir fjernet på den andre enden av kabinettet kan bli håndtert av robotmidler for å separere waferne fra stabelen med wafere.

Dersom separeringen på den annen side skal foregå på utsiden av tørkekabinettet, kan en robot plukke opp stabelen med wafere etter at den har blitt tørket og frakte den over til en lokasjon hvor separeringen skal foregå.

Den foreliggende oppfinnelsen er ikke begrenset til silisiumwafere men kan bli brukt på alle typer wafere. Metoden kan videre bli brukt på alle typer plater som holdes sammen av overflatespenning, dvs. et fluid.

Claims (10)

1. Metode for individuell separering av wafere fra en stabel med wafere holdt sammen av overflatespenningen til en væske, hvor metoden er karakterisert ved: - å plassere stabelen av wafere i et mikrobølgekabinett, og eksponere waferene for mikrobølger med en intensitet og tidsperiode som sørger for at væsken mellom waferene fordamper.

2. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at væsken er vann.

3. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at waferene er silisiumwafere.

4. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at mikrobølgekabinettet har atmosfærisk trykk.

5. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at mikrobølgekabinettet er et vakuumkammer.

6. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at intensiteten til mikrobølgene og eksponeringstiden blir justert slik at mengden vann mellom waferene fordamper.

7. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at mikrobølgene blir retningskontrollert slik at én del av stabelen vil tørke før den andre, for derved å muliggjøre separering av wafere fra den tørre delen mens den våte delen tørker.

8. Kabinett for bruk i en metode for å individuelt separere wafere fra en stabel med wafere holdt sammen av overflatespenningen til en væske, hvor kabinettet er karakterisert ved at det omfatter: retningskontrollerte mikrobølgemidler for å eksponere waferene for mikrobølger, og temperaturkontrollmidler for å justere effekt og tidseksponering for mikrobølger, slik at stabelen med wafere undergår en kontrollert tørkeprosess.

9. Kabinett i henhold til krav 8, karakterisert ved at det videre omfatter vakuumpumpemidler.

10. Kabinett i henhold til krav 8, karakterisert ved at det videre omfatter robotmidler for å separere tørre wafere.