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Gegenstand
der Erfindung ist eine Sägeleiste
sowie ein unter Verwendung dieser Sägeleiste durchgeführtes Verfahren
zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem
zylindrischen Werkstück,
insbesondere einem Werkstück bestehend
aus Halbleitermaterial, wobei das Werkstück und ein Drahtgatter einer
Drahtsäge
mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse
des Werkstücks
gerichtete Relativbewegung ausführen,
durch die das Werkstück
durch das Drahtgatter geführt
wird.
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Halbleiterscheiben
werden in der Regel dadurch hergestellt, dass ein zylindrisches,
mono- oder polykristallines Werkstück aus dem Halbleitermaterial
mit Hilfe einer Drahtsäge
in einem Arbeitsgang gleichzeitig in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben aufgetrennt
wird.
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Zu
den wesentlichen Komponenten dieser Drahtsägen gehören ein Maschinenrahmen, eine Vorschubeinrichtung
und ein Sägewerkzeug,
das aus einem Gatter aus parallelen Drahtabschnitten besteht. Das
Werkstück
wird auf einer sog. Sägeleiste fixiert,
in der Regel durch Aufkitten oder Aufkleben. Die Sägeleiste
wird wiederum auf einer Montageplatte befestigt, um das Werkstück in der
Drahtsäge
einzuspannen. Verschiedene Arten von Sägeleisten sind in
US 6035845 offenbart. Die Sägeleisten
gemäß dem Stand
der Technik zeichnen sich durch einen im Wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aus, wobei eine Seite der Sägeleiste sich durch eine konkave
Krümmung
an die zylindrische Form des Werkstücks anpasst.
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In
der Regel wird das Drahtgatter der Drahtsäge von einer Vielzahl paralleler
Drahtabschnitte gebildet, die zwischen mindestens zwei Drahtführungsrollen
aufgespannt werden, wobei die Drahtführungsrollen drehbar gelagert
sind und von denen mindestens eine angetrieben ist. Die Drahtabschnitte gehören in der
Regel zu einem einzigen, endlichen Draht, der spiralförmig um
das Rollensystem geführt ist
und von einer Vorratsrolle auf eine Aufnahmerolle abgespult wird.
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Während des
Sägevorgangs
bewirkt die Vorschubeinrichtung eine gegeneinander gerichtete Relativbewegung
der Drahtabschnitte und des Werkstücks. Als Folge dieser Vorschubbewegung
arbeitet sich der mit einer Sägesuspension
beaufschlagte Draht unter Bildung von parallelen Sägespalten durch
das Werkstück.
Die Sägesuspension,
die auch als „Slurry" bezeichnet wird,
enthält
Hartstoffpartikel, beispielsweise aus Siliciumcarbid, die in einer
Flüssigkeit
suspendiert sind. Es kann auch ein Sägedraht mit fest gebundenen
Hartstoffpartikeln verwendet werden. In diesem Fall ist keine Beaufschlagung
mit einer Sägesuspension
nötig.
Es muss lediglich ein flüssiges
Kühlschmiermittel
zugegeben werden, das Draht und Werkstück vor Überhitzung schützt und gleichzeitig
Werkstückspäne aus den
Schneidspalten abtransportiert.
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Die
Herstellung von Halbleiterscheiben aus zylindrischem Halbleitermaterial,
beispielsweise aus Einkristallstäben,
stellt hohe Anforderungen an das Sägeverfahren. Das Sägeverfahren
hat in der Regel zum Ziel, dass jede gesägte Halbleiterscheibe zwei Flächen aufweist,
die möglichst
eben sind und sich parallel gegenüber liegen.
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Neben
der Dickenvariation ist die Ebenheit der beiden Flächen der
Halbleiterscheibe von großer Bedeutung.
Nach dem Auftrennen eines Halbleitereinkristalls, beispielsweise
eines Siliciumeinkristalls, mittels einer Drahtsäge weisen die dadurch hergestellten
Scheiben eine wellige Oberfläche
auf. In den Folgeschritten, wie z. B. Schleifen oder Läppen, kann diese
Welligkeit teilweise oder vollständig
entfernt werden, abhängig
von der Wellenlänge
und Amplitude der Welligkeit sowie von der Tiefe des Materialabtrags.
Im ungünstigsten
Fall können
Reste dieser Welligkeit auch noch nach einer Politur auf der fertigen
Halbleiterscheibe nachgewiesen werden, wo sie sich negativ auf die
lokale Geometrie auswirken. An verschiedenen Orten auf der gesägten Scheibe
sind diese Wellen unterschiedlich stark ausgeprägt. Besonders kritisch ist
dabei der Endbereich des Schnitts, in dem besonders stark ausgeprägte Wellen auftreten
können,
die je nach Art der Folgeschritte auch auf dem Endprodukt nachweisbar
sind.
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Aus
DE 10 2005 007 312
A1 ist bekannt, dass die Welle im Endbereich des Schnitts,
die bei Sägeprozessen
gemäß dem Stand
der Technik auftritt, bei den Scheiben besonders stark ausgeprägt ist,
die an den Enden des zylindrischen Werkstücks abgetrennt wurden. In der
Mitte des Werkstücks
(in axialer Richtung) weisen die abgetrennten Scheiben dagegen nahezu
keine Welle im Endbereich des Schnitts auf. Weiterhin wurde der
durch die Sägesuspension
erzeugte axiale Staudruck-Gradient als Ursache für die am Ende des Sägeprozesses
entstehende Welle identifiziert. Gemäß
DE 10 2005 007 312 A1 wird
deshalb die Menge der Sägesuspension, mit
der das Drahtgatter beaufschlagt wird, reduziert, und dadurch die
Welligkeit der gesägten
Halbleiterscheiben im Endbereich des Schnitts verringert. Es hat
sich jedoch gezeigt, dass diese Maßnahme nicht ausreichend ist,
um den steigenden Anforderungen an die lokale Geometrie gerecht
zu werden.
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Es
bestand daher die Aufgabe, die im Endbereich des Schnitts entstehende
lokale Welligkeit noch stärker
zu reduzieren.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Sägeleiste 1 zum
Fixieren eines im Wesentlichen zylindrischen Werkstücks 2 beim
Abtrennen von Scheiben von diesem Werkstück 2 mit einer Drahtsäge, wobei die
Sägeleiste 1 eine
senkrecht zu ihrer Längsrichtung
konkav gekrümmte
erste Fläche 4,
die zum Verbinden mit dem Werkstück 2 vorgesehen
ist, eine der ersten Fläche 4 gegenüber liegende
zweite Fläche 5, die
zum Verbinden mit einer Montageplatte vorgesehen ist, sowie zwei
Seitenflächen 6, 7,
die die erste Fläche 4 und
die zweite Fläche 5 verbinden,
aufweist, wobei die beiden Kanten 8, 9 der Sägeleiste 1,
an denen die Seitenflächen 6, 7 an
die erste Fläche 4 stoßen, zueinander
einen Abstand a aufweisen, wobei eine gedachte Gerade 10 auf
der ersten Fläche 4 deren
minimalen Abstand d zur zweiten Fläche 5 kennzeichnet, und
wobei die Seitenflächen 6, 7 einen
auf Höhe
der Gerade 10 und senkrecht zum Abstand d gemessenen Abstand
b aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand b kleiner
ist als der Abstand a.
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Die
Aufgabe wird auch gelöst
durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von
Scheiben von einem im Wesentlichen zylindrischen Werkstück, wobei
das mit einer Sägeleiste
verbundene Werkstück
und ein Drahtgatter einer Drahtsäge
mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse
des Werkstücks
gerichtete Relativbewegung ausführen,
durch die das Werkstück durch
das Drahtgatter geführt
wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Sägeleiste verwendet
wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben:
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1 zeigt
den Querschnitt einer Sägeleiste gemäß dem Stand
der Technik mit einem darauf fixierten zylindrischen Werkstück.
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2 zeigt
den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Sägeleiste mit einem darauf fixierten zylindrischen
Werkstück.
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3 stellt
einen statistischen Vergleich der Ergebnisse bezüglich der Welligkeit im Aussägebereich
bei Verwendung einer Sägeleiste
gemäß dem Stand
der Technik und bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Sägeleiste
dar.
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Eine
Sägeleiste
ist eine längliche
Leiste, die aus einem geeigneten Material, beispielsweise aus Graphit,
Glas, Kunststoff o. ä.,
gefertigt ist und die zur Fixierung eines Werkstücks während des Drahtsägeprozesses
vorgesehen ist. Eine Sägeleiste
gemäß dem Stand
der Technik zeichnet sich durch einen im Wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aus, wobei jedoch die Fläche, die zur Fixierung des
zylindrischen Werkstücks
vorgesehen ist, eine dem Werkstück
entsprechende konkave Krümmung
aufweist, sodass sich die Form der Sägeleiste der Form des Werkstücks anpasst.
Gemäß der Erfindung
ebenso wie gemäß dem Stand
der Technik erfolgt die Fixierung des Werkstücks an der Sägeleiste
vorzugsweise durch Auf kitten oder Aufkleben. Durch die Anpassung
an die Form des Werkstücks
wird eine größtmögliche Klebefläche und
daher eine größtmögliche Verbindungskraft
zwischen Werkstück
und Sägeleiste
erreicht. Die Form einer Sägeleiste
lässt sich
allgemein wie folgt beschreiben:
Zunächst wird definiert, dass unter
der Längsrichtung der
Sägeleiste 1 die
Richtung parallel zur Längsachse 3 des
damit verbundenen Werkstücks 2 zu
verstehen ist. Wie beschrieben, hat die Sägeleiste 1 eine senkrecht
zu ihrer Längsrichtung
konkav gekrümmte erste
Fläche 4,
die zum Verbinden mit dem Werkstück 2 vorgesehen
ist. Der ersten Fläche 4 gegenüber liegt
eine zweite Fläche 5,
die zum Verbinden mit einer Montageplatte (nicht dargestellt) vorgesehen ist.
Die Flächen 4 und 5 werden
durch zwei Seitenflächen 6, 7 verbunden.
Die beiden Kanten 8, 9, an denen die Seitenflächen 6, 7 an
die erste Fläche 4 stoßen, weisen
zueinander einen Abstand a auf. Im mittleren Bereich der ersten
Fläche 4 lässt sich
eine Gerade 10 definieren, die in Längsrichtung durch alle Punkte
auf dieser Fläche
verläuft,
die einen minimalen Abstand d zur zweiten Fläche 5 haben. Anders ausgedrückt verläuft diese
Gerade 10 in Längsrichtung
(d. h. parallel zur Längsachse 3 des
mit der Sägeleiste
verbundenen Werkstücks)
dort, wo die Sägeleiste 1 die
geringste Dicke aufweist, wobei diese minimale Dicke gleichbedeutend
mit dem Abstand d ist. Die Gerade 10 liegt an der Stelle,
an der das Drahtgatter am Ende des Sägeprozesses aus dem Werkstück 2 austritt.
Ein weiteres für
die Sägeleiste charakteristisches
Maß ist
die Länge
b einer Strecke, die die Gerade 10 senkrecht schneidet,
senkrecht zum Abstand d steht und deren Endpunkte auf den Seitenflächen 6, 7 liegen.
Anders ausgedrückt
ist b der auf Höhe
der Gerade 10 gemessene Abstand zwischen den Seitenflächen 6, 7.
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Eine
erfindungsgemäße Sägeleiste 1 (2)
zeichnet sich dadurch aus, dass der Abstand b kleiner ist als der
Abstand a.
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Bevorzugt
ist, dass die Beziehung 0,5·a < b < 0,96·a gilt.
Besonders bevorzugt ist, dass die Beziehung 0,6·a < b < 0,75·a gilt.
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Demgegenüber sind
bei einer Sägeleiste
gemäß dem Stand
der Technik (1) die Abstände a und b gleich groß.
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Die
Verwendung der erfindungsgemäßen Sägeleiste
führt überraschenderweise
zu einer deutlich reduzierten Welligkeit im Aussägebereich. Es ist nicht klar,
auf welchem Effekt diese Wirkung beruht. Im Laufe der im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen wurde
jedoch folgende Beobachtung gemacht:
Während des Sägevorgangs wird das Drahtgatter
mit Sägesuspension
beaufschlagt. Die Drahtabschnitte transportieren die Sägesuspension
mit hoher Geschwindigkeit Richtung Werkstück und in die Schneidspalte
hinein, wo sie ihre abrasive Wirkung entfaltet. Sobald das Drahtgatter
in eine Sägeleiste gemäß dem Stand
der Technik eindringt, die einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt
aufweist, ist zu beobachten, dass ein Teil der Sägesuspension durch den Aufprall
auf die geraden Seitenflächen
der Sägeleiste
weit in die der Drahtbewegung entgegengesetzte Richtung zurück geschleudert
wird, wobei ein Teil der zurück
geschleuderten Sägesuspension wieder
auf die Richtung Werkstück
laufenden Drahtabschnitte des Drahtgatters trifft. Dagegen wird
beim Einsägen
in eine erfindungsgemäße Sägeleiste
beobachtet, dass ein Teil der Sägesuspension
durch den Aufprall auf die schrägen
Seitenflächen
der Sägeleiste
im Wesentlichen senkrecht nach oben, jedoch nicht in die entgegengesetzte
Richtung zurück
geschleudert wird. Möglicherweise
verursacht die auf das Drahtgatter zurück geschleuderte Sägesuspension
eine ungleichmäßige Beaufschlagung
der Drahtabschnitte mit Sägesuspension
oder eine unkontrollierte seitliche Auslenkung der Drahtabschnitte
in Längsrichtung
des Werkstücks.
Es ist denkbar, dass die Verringerung der Welligkeit im Aussägebereich auf
die weitgehende Eliminierung dieses Effekts zurückzuführen ist. Es sind jedoch auch
andere Erklärungen
denkbar.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Sägeleiste
symmetrisch zu einer durch die Längsachse 3 des
Werkstücks 2 sowie
die Gerade 10 verlaufenden Ebene aufgebaut. Ebenfalls bevorzugt
ist, dass die Seitenflächen 6, 7 ebene
Flächen
sind. Bevorzugt ist auch, dass die zweite Fläche (5) eine ebene
Fläche
ist.
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Die
Verwendung der erfindungsgemäßen Sägeleiste
ist besonders vorteilhaft, wenn mit einer Hartstoffpartikel enthaltenden
Sägesuspension
gearbeitet wird, die während
des Abtrennens von Scheiben vom Werkstück mit Hilfe wenigstens einer
Düseneinheit
auf das Drahtgatter gesprüht
wird. Die erfindungsgemäße Sägeleiste
kann aber auch eingesetzt werden, wenn ein Sägedraht mit gebundenen Hartstoffpartikeln
eingesetzt wird, der mit Hilfe wenigstens einer Düseneinheit
mit einem flüssigen Kühlschmiermittel
beaufschlagt wird.
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Als
eine Düseneinheit
wird die Gesamtheit aller Düsen
bezeichnet, die das Drahtgatter auf einer Seite des Werkstücks mit
Sägesuspension
oder Kühlschmiermittel
beaufschlagen. Eine Düseneinheit kann
beispielsweise eine längliche,
parallel zu den Achsen der Drahtführungsrollen und zur Achse
des Werkstücks
verlaufende, längliche,
schlitzförmige Düse sein,
was bevorzugt ist. Falls mehrere solcher Düsen auf einer Seite des Werkstücks über dem Drahtgatter
angebracht sind, bilden diese Düsen
zusammen genommen eine Düseneinheit.
Eine Düseneinheit
kann auch aus einer vorzugsweise linear angeordneten Reihe einzelner
Düsen bestehen,
wobei diese Reihe parallel zu den Achsen der Drahtführungsrollen
und zur Achse des Werkstücks
verläuft und
wobei jede Düse
beispielsweise einen runden Querschnitt hat und einen Drahtabschnitt
des Drahtgatters mit Sägesuspension
oder Kühlschmiermittel beaufschlagt.
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Wird
eine Sägesuspension
eingesetzt, ist es bevorzugt, den Fluss der Sägesuspension am Ende des Schnitts
zu reduzieren, wie in
DE
10 2005 007 312 A1 offenbart.
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Ebenfalls
ist es bevorzugt, die Temperatur der Sägesuspension auf den letzten
10 % der Schnittdistanz zu erhöhen,
um die Viskosität
der Sägesuspension
und damit den Staudruck-Gradienten zu
reduzieren. Vorzugsweise wird die Temperatur der Sägesuspension
auf den letzten 10 % der Schnittdistanz um bis zu 20 K erhöht.
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Die
Schnittdistanz ist die Strecke, die das Drahtgatter während des
gesamten Sägevorgangs im
Werkstück
insgesamt zurücklegt,
also der gesamte Vorschubweg im Werkstück. Die Schnittdistanz entspricht
bei Werkstücken,
die die Form eines Kreiszylinders aufweisen, dem Durchmesser des
Werkstücks.
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Die
beste Wirkung wird durch Kombination der Verwendung einer erfindungsgemäßen Sägeleiste
mit einer Erhöhung
der Temperatur der Sägesuspension
und gleichzeitiger Verringerung des Flusses der Sägesuspension
am Ende des Schnitts erzielt.
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Beispiele
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Um
die Wirkung des Einsatzes der erfindungsgemäßen Sägeleisten zu untersuchen, wurde eine
größere Anzahl
zylindrischer, einkristalliner Silicium-Stabstücke mit einem Durchmesser von
300 mm und einer Länge
von 80 mm bis 355 mm mittels einer kommerziell erhältlichen
Vier-Rollen-Drahtsäge in
Scheiben mit einer Dicke von etwa 930 μm geschnitten. Der Sägedraht
wurde mit einer Sägesuspension
beaufschlagt, die in Dipropylenglycol suspendierte Hartstoffpartikel
aus Siliciumcarbid enthielt. Am Schnittende wurde die Menge der
Sägesuspension
wie in
DE 10 2005
007 312 A1 beschrieben reduziert. Bei der Hälfte der
Sägevorgänge wurde eine
Sägeleiste
gemäß dem Stand
der Technik (Vergleichsbeispiel) und bei der anderen Hälfte eine
erfindungsgemäße Sägeleiste
(Beispiel) verwendet.
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Bei
jeder der auf diese Weise hergestellten Siliciumscheiben wurde die
Welligkeit im Aussägebereich
bestimmt. Als Welligkeit werden Formabweichungen (Peak to Valley)
im Raumwellenlängenbereich
von 2 mm bis 10 mm ohne den Anteil der Dickenvariation bezeichnet.
Als Aussägebereich
werden die letzten 50 mm der Schnittdistanz festgelegt.
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Die
Welligkeit im Aussägebereich
wird wie folgt ermittelt:
Der mit einem Paar kapazitiver Abstandsmesssensoren
(jeweils einer für
die Vorder- und Rückseite
der Siliciumscheibe) ausgestattete Messkopf des Messgeräts wird
entlang der in Schnittrichtung durch das Scheibenzentrum verlaufenden
Geraden über
die Vorder- und Rückseite
der Siliciumscheibe geführt. Als
Schnittrichtung wird die Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Drahtgatter
während
des Drahtsägevorgangs
bezeichnet. Dabei wird alle 0,2 mm der Abstand zwischen den Sensoren
und der Vorder- bzw. Rückseite
der Siliciumscheibe gemessen und aufgezeichnet. Durch einen Tiefpassfilter
(Gauß-Filter) wird die
Oberflächenrauhigkeit
im Raumwellenlängenbereich
von < 2 mm eliminiert. Nach
diesen Schritten liegen die Auswertekurven für die Vorderseite und die Rückseite
der Siliciumscheibe vor.
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Zur
Bestimmung der Welligkeit im Aussägebereich lässt man nun ein Fenster von
10 mm Länge über die
in Schnittrichtung gesehen letzten 50 mm jeder der beiden Auswertekurven
für die
Vorder- und Rückseite
laufen (rolling boxcar filtering). Die maximale Abweichung (Peak
to Valley) innerhalb des Fensters wird als die Welligkeit am Ort
des Fensterzentrums bezeichnet. Der größte aller auf der Vorder- und
Rückseite
auf den letzten 50 mm der Auswertekurven bestimmte Welligkeit wird
im folgenden Vergleichsbeispiel und Beispiel als Welligkeit des
Aussägebereichs
bezeichnet.
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Vergleichsbeispiel
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Es
wurden symmetrische Sägeleisten
gemäß dem Stand
der Technik eingesetzt, wobei die Abstände a und b (siehe 1)
jeweils 170 mm und die Dicke d 14,5 mm betrugen. Insgesamt wurden
auf diese Weise etwa 1000 Siliciumscheiben hergestellt und gemäß der zuvor
beschriebenen Vorschrift die Welligkeit des Aussägebereichs bestimmt.
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Beispiel
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Es
wurden erfindungsgemäße symmetrische Sägeleisten
mit a = 170 mm, b = 114 mm und d = 14,5 mm eingesetzt. Insgesamt
wurden auf diese Weise ebenfalls etwa 1000 Siliciumscheiben hergestellt
und gemäß der zuvor
beschriebenen Vorschrift die Welligkeit des Aussägebereichs bestimmt.
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Die
Ergebnisse dieser Messungen wurden statistisch ausgewertet. Die
statistische Auswertung ist in 3 dargestellt.
Auf der Abszisse ist die Welligkeit WA des
Aussägebereichs
in μm aufgetragen. Auf
der Ordinate ist die kumulierte Häufigkeit P des Auftretens von
0 bis 1 aufgetragen. Kurve 11 zeigt das Ergebnis des Vergleichsbeispiels,
Kurve 12 das Ergebnis des Beispiels. Die Kurven geben jeweils
an, welcher Anteil der Siliciumscheiben höchstens die auf der Abszisse
angegebene Welligkeit WA des Aussägebereichs
aufweist. So ist der 3 beispielsweise zu entnehmen,
dass lediglich etwa 35 % der gemäß dem Vergleichsbeispiel
erzeugten Siliciumscheiben (Kurve 11) eine Welligkeit des
Aussägebereichs
von höchstens
10 μm aufweisen.
Dagegen weisen immerhin etwa 80 % der gemäß dem Beispiel (Kurve 12)
erzeugten Siliciumscheiben eine Welligkeit des Aussägebereichs
von höchstens
10 μm auf. Insgesamt
ist aus der gegenüber
Kurve 11 deutlich nach links verschobenen Kurve 12 zu
erkennen, dass die Welligkeit der erfindungsgemäß erzeugten Siliciumscheiben
erheblich geringer ist als diejenige der gemäß dem Stand der Technik erzeugten
Siliciumscheiben. Außerdem
ist dem steileren Verlauf der Kurve 12 zu entnehmen, dass
die Streuung der Welligkeit des Aussägebereichs gegenüber dem
Stand der Technik verringert werden konnte.
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Der
Anwendungsbereich der Erfindung erstreckt sich auf alle Sägeverfahren,
bei denen zylindrische Werkstücke
mittels einer Drahtsäge
unter Zuführung
einer Sägesuspension
in eine Vielzahl von Scheiben aufgetrennt werden und bei denen es
auf eine hohe Ebenheit und geringe Welligkeit der Produkte ankommt.
Vorzugsweise wird die Erfindung bei der Herstellung von Halbleiterscheiben,
insbesondere von Siliciumscheiben, angewendet. Der Begriff „zylindrisch" ist so zu verstehen,
dass die Werkstücke einen
im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen, wobei gewisse Abweichungen, beispielsweise
an der Mantelfläche
angebrachte Orientierungskerben (engl. „notch") oder Orientierungsebenen (engl. „flat") unerheblich sind.