DE102014208187B4 - Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben mit besonders gleichmäßiger Dicke von einem Werkstück - Google Patents

Abstract

Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem zylindrischen Werkstück mit einem Durchmesser, wobei das Trennen mit einer Drahtsäge in Gegenwart eines flüssigen Schneidmittels erfolgt, wobei die Drahtsäge umfasst einen Sägedraht, der zwischen drehbaren Drahtführungsrollen ein aus vielen parallel angeordneten Drahtabschnitten bestehendes Drahtgatter aufspannt, wobei die Drahtabschnitte mit einer Längsspannung durch Rotation der Drahtführungsrollen unter fortgesetztem Wechseln zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung, eine Relativbewegung zum Werkstück beschreiben, wobei der Draht während des Drehens in die erste Richtung um eine erste Länge und während des Drehens in die zweite Richtung um eine zweite Länge bewegt wird und die zweite Länge kürzer als die erste ist, wobei zum Zeitpunkt des Einschneidens der Drahtabschnitte in das Werkstück mit einer ersten Einschnitttiefe die Längsspannung der Drahtabschnitte höher ist als zu einem zweiten Zeitpunkt mit einer zweiten Einschnitttiefe, der nach dem Zeitpunkt des Einschneidens liegt und zu dem die Eingriffslänge 1 der Drahtabschnitte in das Werkstück > 0 ist, wobei der Draht ein Monofilament-Stahldraht mit einem ersten Durchmesser ist, der durch plastische Verformung in Drahtquerrichtung mit einer Vielzahl zickzack-förmiger Ausstülpungen und Einbuchtungen versehen wurde, deren Hüllkurve in der Ebene senkrecht zur Drahtlängsrichtung einen zweiten Durchmesser aufweist, wobei der zweite Durchmesser größer als der erste Durchmesser ist, und die Drahtspannung zum Zeitpunkt des Einschneidens der Drahtabschnitte in das Werkstück mit der ersten Einschnitttiefe zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen der Drahtspannung zum zweiten Zeitpunkt mit der zweiten Einschnitttiefe beträgt.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, insbesondere von Halbleiterscheiben von einem Kristall, mittels durch Draht unterstütztes Trennläppen.
• Für viele Anwendungen werden dünne ebene Scheiben aus bestimmten Materialien benötigt, beispielsweise Glasscheiben als Substrate zur Herstellung von Magnetspeicherplatten, Scheiben aus Saphir oder Siliciumcarbid als Unterlage zur Fertigung optoelektronischer Bauteile oder Halbleiterscheiben zur Herstellung photovoltaischer Zellen („Solarzellen“) oder als Substrate zur Strukturierung mikroelektronischer oder mikro-elektromechanischer Bauelemente.
• Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien wie beispielsweise Elementhalbleiter (Silicium, Germanium), Verbindungshalbleiter (beispielsweise Aluminium oder Gallium) oder deren Verbindungen (beispielsweise Si_1-xGe_x, 0 < x < 1; AlGaAs, AlGaInP usw.).
• Das Ausgangsmaterial liegt meist als Stab aus einkristallinem (Elektronikanwendungen) oder multikristallinem (Solarzellen) Halbleitermaterial vor, und die benötigten Scheiben aus diesem Material werden durch ein Span abhebendes Verfahren wie dem Trennläppen vom Stab abgetrennt. Als Span wird ein vom Werkstück gelöstes Teilchen bezeichnet.
• Für das Abtrennen von Halbleiterscheiben haben insbesondere das Trennläppen und das Trennschleifen besondere Bedeutung. Beim Trennläppen liegen die Material abtragenden Werkzeuge in Form scharfkantiger Körner eines Hartstoffes, beispielsweise Siliciumcarbid, als Aufschlämmung in einer viskosen Trägerflüssigkeit vor, und ein Werkzeugträger in Form eines Drahtes, auf dem Trägerflüssigkeit und Hartstoffe anhaften, bringt diese in Kontakt mit dem Werkstück. Die Trägerflüssigkeiten umfassen beispielsweise Wasser, Polyole, Mineralöle, Glykole oder Mischungen der genannten. Die Hartstoffaufschlämmung wird als Slurry bezeichnet. Durch Bewegung des Drahtes in Drahtlängsrichtung, Ausüben einer Kraft in Drahtquerrichtung und Zufuhr von Slurry gelangen Hartstoffe zwischen Draht- und Werkstückoberfläche, werden relativ zu dieser mittels einer Gleit- oder Wälzbewegung unter Druck bewegt und lösen mittels spröd-erosiver Materialüberlastung oder -ermüdung Späne aus dem Werkstück.
• Kennzeichnend für das Trennläppen ist, dass das Slurry Hartstoffe enthält, die einen Materialabtrag bewirken und der Werkzeugträger keine Hartstoffe enthält, die einen Materialabtrag bewirken, und dass der Materialabtrag auf einer Dreikörperwechselwirkung beruht (1. Werkstück, 2. Hartstoff, 3. Werkzeugträger).
• Beim Trennschleifen liegen die Material abtragenden Werkzeuge in Form scharfkantiger Körner aus Hartstoffen fest gebunden an eine Werkzeugträger-Oberfläche vor. Werkzeugträger ist beispielsweise ein Draht.
• Kennzeichnend für das Trennschleifen ist, dass der Werkzeugträger fest gebundene Hartstoffe enthält, die einen Materialabtrag bewirken und das Kühlschmiermittel keine Hartstoffe enthält, die einen Materialabtrag bewirken, und dass der Materialabtrag auf einer Zweikörperwechselwirkung beruht (1. Werkstück, 2. auf dem Werkzeugträger fest gebundene Hartstoffe).
• Der Vorgang des Trennläppens und des Trennschleifens mittels eines Drahtes wird zusammenfassend auch als Drahtsägen bezeichnet.
• Beim Trennläppen und beim Trennschleifen umfassen die verwendeten Hartstoffe beispielsweise Siliciumcarbid, Borcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Chromoxid, Titannitrid, Wolframcarbid, Titancarbid, Vandiumcarbid, Diamant, Saphir sowie Mischungen der genannten. Besondere Bedeutung hat beim Trennläppen Siliciumcarbid, beim Trennschleifen Diamant.
• Der Draht als Werkzeugträger kann monofilar oder aus mehreren Strängen oder Fasern, auch unterschiedlicher Materialien, verseilt sein und gegebenenfalls zusätzliche Beschichtungen aus Metallen, Legierungen oder Kunststoffen tragen.
• Beim Trennläppen und beim Trennschleifen bestehen die Drähte beispielsweise aus gehärtetem Stahl („Pianodraht“), Kunststoffen, Kohlefasern oder Metalllegierungen.
• Sowohl das Trennläppen als auch das Trennschleifen können mit einem oder mehreren Drähten durchgeführt werden. Beispiele für letztere sind so genannte Gattersägen, bei denen die Vielzahl der Einzeldrähte in einem Rahmen (Gatter) befestigt sind, der dann in Drahtlängsrichtung hin- und herbewegt wird, so dass sich die Drähte durch das Werkstück hindurcharbeiten.
• Besondere Bedeutung beim Abtrennen von Scheiben aus einem Stab aus Halbleitermaterial haben Drahtsägen mit genau einem Draht.
• Stäbe aus Halbleitermaterial für Elektronikanwendungen werden vor dem Trennprozess meist so bearbeitet, dass sie eine gerade kreiszylindrische Form mit einer Stabachse, einer Zylindermantelfläche und zwei Zylinderstirnflächen (Grund- und Deckfläche) aufweisen. Meist wird parallel zur Zylinderachse noch eine Kennrille (Notchkerbe) in die Mantelfläche des Stabs eingeschliffen, die bspw. eine bestimmte Kristallrichtung markiert. Die durch den Trennprozess erhaltenen Halbleiterscheiben werden auch als „Wafer“ bezeichnet und weisen selbst wieder eine gerade kreiszylindrische Form auf, wobei die Zylinderhöhe einige Zehntel Millimeter bis zu etwa einem Millimeter beträgt und die Zylindergrundfläche einen Durchmesser von 75 bis 450 mm besitzt. Als kleine Stäbe oder Wafer gelten solche mit bis zu 150 mm Durchmesser, als mittelgroße solche bis 200 mm, als große solche bis 300 mm und als sehr große solche bis 450 mm.
• Das Auftrennen in Scheiben mittels Trennläppen oder Trennschleifen erfolgt entlang einer Vielzahl möglichst ebener und möglichst parallel zueinander verlaufender Trennspalte, die im Wesentlichen senkrecht zur Stabachse verlaufen, d.h. mit einer Abweichung von bis zu 2° bezogen auf die Stabachsen-Senkrechte.
• Trennläppen und Trennschleifen sind gleichermaßen gut zum Auftrennen kleiner und mittlerer Halbleiterstäbe geeignet. Für das Auftrennen großer und sehr großer Halbleiterstäbe hat das Trennläppen besondere Bedeutung, da es auch bei langen Kontaktlängen des Drahts mit dem Stab Wafer liefert, deren Vorder- und Rückseite ein hohes Maß an Ebenheit und Parallelität zueinander aufweisen. Zudem weisen dann die Trennflächen, die nun Vorder- und Rückseite der abgetrennten Scheiben bilden, eine geringe Tiefe kristalliner Schädigung durch den Trennprozess auf.
• Durch Trennläppen erhaltene Wafer sind aufgrund der geringen Schädigungstiefe weniger bruchempfindlich, und während der Folgebearbeitung braucht nur noch wenig Material abgetragen werden, um schließlich einen Wafer mit dem gewünscht hohen Grad an Planparallelität von Vorder- und Rückseite und Defektarmut zu erhalten. Durch Trennläppen können daher besonders hochwertige Wafer besonders wirtschaftlich hergestellt werden.
• Die Länge, entlang derer ein Drahtabschnitt in jedem Moment des Trennprozess durch das Werkstück verläuft und auf der der Drahtabschnitt somit jeweils Material abtragend wirkt, wird als Eingriffslänge des Drahtabschnitts bezeichnet.
• Im Folgenden wird das „Vieldraht-Trennläppen“ ([slurry] multiwire slicing, MWS, S-MWS) unter Bezug auf die Bezugszeichen aus 1 näher beschrieben.
• Beim Trennläppen umschlingt der Draht 1 mindestens zwei zylindrische Drahtführungsrollen 3 und 4 mit parallel zueinander angeordneten Zylinderachsen 5 und 6 spiralförmig so, dass auf zumindest einer Seite dieser Anordnung eine Vielzahl von Abschnitten 11 des Drahtes parallel zueinander, in einer Ebene und senkrecht zu den Zylinderachsen zu liegen kommen (25) und sich bei gleichsinniger Drehung 7 und 8 der Drahtführungsrollen um ihre jeweiligen Achsen die Drahtabschnitte 11 mit einheitlicher Geschwindigkeit und parallel zueinander in Drahtlängsrichtung bewegen. Diese zumindest eine Seite parallel zueinander verlaufender Drahtabschnitte wird als Draht- oder Sägegatter bezeichnet. Die Lage des Drahtgatters wird dabei so gewählt, dass sie dem zu trennenden Stab zugewandt ist.
• Die Drahtführungsrollen sind dabei in der Regel jeweils mit einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter, senkrecht zur Zylinderachse verlaufender und bezüglich benachbarter Drahtführungsrollen fluchtender geschlossener Rillen 2 versehen, in denen die einzelnen Windungen des Drahtes geführt sind.
• Durch Bewegen der Drahtabschnitte in Drahtlängsrichtung, Zugabe der Aufschlämmung mit den Hartstoffen auf das Drahtgatter und Zustellen des Werkstücks auf das Drahtgatter zu und durch dieses hindurch wird der Materialabtrag bewirkt.
• Die Drahtlängsspannung des Drahtes in Drahtlaufrichtung wird im Zulauf zum und im Ablauf aus dem Drahtgatter mittels Umlenkrollen, die an Hebeln befestigt sind, geregelt, wobei eine Veränderung des Winkels, unter dem der Hebel zur Drahtlängsrichtung steht, eine Lauflängenänderung des Drahts bewirkt und so der Draht mehr oder weniger gestrafft werden kann.
• Das vom Draht auf den Hebel ausgeübte Drehmoment liefert ein Maß für die tatsächliche Drahtspannung, so dass über Drehmomentmessung und Winkelverstellung ein geschlossener Kreis für die Regelung der Drahtlängsspannung gegeben ist. Hebel mit Umlenkrolle werden aufgrund ihrer schnellen Hin- und Herbewegung bei auftretenden Regelabweichungen als „Tänzer“ bezeichnet.
• Während des Schnitts unterliegt der Draht infolge Abriebs einem Verschleiß. Der Drahtquerschnitt nimmt etwa proportional mit dem Produkt aus der kumulativen Länge des Drahtkontakts mit dem Werkstück 15 und dem je Schnittspalt zerspanten Werkstückvolumen ab. Dadurch nimmt die Breite der Schnittspalte 13 von der ersten Stirnfläche 12 des Stabes, bei der der Draht erstmalig in einen ersten Trennspalt eintritt, zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 24 des Stabes ab, bei der der Draht letztmalig aus einem letzten Trennspalt heraustritt.
• Die erste Stirnfläche wird auch als Drahtzufuhrseite 12 des Stabes bezeichnet, die zweite Stirnfläche 24 als Drahtabfuhrseite des Stabes.
• Die Dickenabnahme des Drahtes wird im Allgemeinen durch eine graduelle Abnahme des Abstands benachbarter Rillen 2 der Drahtführungsrollen 3 und 4 von der Drahtzufuhrseite 12 zur Drahtabfuhrseite 24 des Stabs ausgeglichen, so dass die vom Stab abgetrennten Wafer im Mittel über die gesamte Länge des Stabes eine konstante Dicke aufweisen.
• Der Draht kann während des Trennvorgangs fortwährend in einer Richtung von einer Geberspule über die Drahtführungsrollen und das Gatter auf eine Nehmerspule umgewickelt werden, so dass sich die Drahtabschnitte während des gesamten Trennvorgangs in eine Richtung bewegen. Dies wird als unidirektionales Sägen bezeichnet.
• Der Draht kann auch unter Richtungsänderung durch das Werkstück geführt werden. Ein derartiger bidirektionaler Schnitt kann über den gesamten Drahtdurchlauf des Drahtvorrats von der Geberspule über Gatter und Werkstück zur Nehmerspule geschehen und anschließend vollständig von der ursprünglichen Nehmerspule, die somit zur Geberspule wird, zurück zur ursprünglichen Geberspule, die jetzt zur Nehmerspule wird. Aufgrund des Drahtverschleißes würden auf dem „Rückweg“ jedoch die Werkstücke dicker als auf dem „Hinweg“ des Drahtes werden, was unerwünscht ist.
• Zur Herstellung großer und sehr großer Wafer für besonders anspruchsvolle Anwendungen besitzt das Trennläppen unter vielfacher und fortwährender Richtungsumkehr des Drahtlaufs nach dem so genannten Pilgerschritt-Verfahren („pilgrim step motion“, „wire reciprocation“) besondere Bedeutung.
• Als Pilgerschritt wird dabei ein aufeinander folgendes Paar von Drahtrichtungsumkehrungen bezeichnet. Ein Pilgerschritt umfasst ein erstes Bewegen des Drahtes in eine erste Drahtlängsrichtung um eine erste Länge und anschließend ein zweites Bewegen des Drahtes in eine zweite, der ersten Richtung genau entgegengesetzte Richtung um eine zweite Länge, wobei die zweite Länge kleiner als die erste Länge gewählt wird.
• Je Pilgerschritt durchläuft dadurch insgesamt eine der Summe beider Längen entsprechende Drahtlänge das Werkstück, während sich der in Schneideingriff mit dem Werkstück gelangende Drahtabschnitt dabei insgesamt nur um einen der Differenz beider Längen entsprechenden Betrag von der Geber- zur Nehmerspule hin weiterbewegt. Der Draht wird daher beim Pilgerschritt-Verfahren um den Faktor, der sich als Verhältnis aus der Summe zur Differenz der beiden Längen ergibt, mehrfach genutzt. Die Differenz beider Längen sei der Einfachheit halber als „Nettobewegung“ des Drahtes über einen vollständigen Pilgerschritt bezeichnet, mit einer Netto-Drahtzufuhr 9 und einer Netto-Drahtabfuhr 10 (1).
• Bei einem im Pilgerschritt-Verfahren getrennten Stab wird in Analogie zu den Bezeichnungen eines Stabes, der durch unidirektionale Drahtbewegung getrennt wurde, die erste Stirnfläche des Stabs, an der der Draht in Richtung seiner Nettobewegung erstmalig in den ersten Trennspalt eintritt, als Drahtzufuhrseite des Stabs und die gegenüberliegende zweite Stirnfläche, an der der Draht in Richtung seiner Nettobewegung letztmalig aus dem letzten Trennspalt austritt, als Drahtabfuhrseite des Stabs bezeichnet.
• Da die Länge der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung und somit Drahtnutzlänge und -verschleiß frei gewählt werden können, eignet sich das Pilgerschritt-Verfahren gut zum Trennen von Werkstücken in eine geringere Anzahl von Scheiben vergleichsweise kürzerer Werkstücke, die mit nur einmaligem Drahtdurchlauf (unidirektionaler Schnitt) nicht unter wirtschaftlicher Drahtnutzung getrennt werden könnten. Besonders gut eignet sich das Pilgerschritt-Verfahren zum Trennen von Werkstücken mit über den Schnittverlauf veränderlichen Drahteingriffslängen, also beispielsweise zylindrischen Halbleiterstäben.
• Zum Abtrennen von Wafern von einem Halbleiterstab wird der Stab zunächst seiner gesamten Länge nach mit einem Teil seiner Mantelfläche auf eine Halte-, Montage- oder Sägeleiste montiert, beispielsweise eine Leiste aus Hartkohle, Glas, Kunststoff oder einem Verbundmaterial. Diese Sägeleiste ist auf ihrer stababgewandten Seite so geformt oder mit einem weiteren Adapter verbunden, dass Sägeleiste oder Adapter in einer korrespondierenden Aufnahmevorrichtung, die fest am Zustelltisch, der den Stab während des Trennvorgangs senkrecht auf das Gatter zu und durch dieses hindurch zustellt, eingespannt werden können. Der Verbund zwischen Stab und Sägeleiste wird durch Klebung, der zwischen Sägeleiste und Adapter durch Klebung, Kraft- oder Formschluss (beispielsweise Verspannen oder Verschrauben) hergestellt. Die Stabachse wird im Wesentlichen senkrecht zur Zustellrichtung und senkrecht zur Richtung der Drähte im Gatter und somit im Wesentlichen in der durch die Drahtabschnitte des Gatters aufgespannten Ebene ausgerichtet.
• Der Zustelltisch ist meist über dem Drahtgatter angeordnet und stellt den eingespannten Stab senkrecht auf die von den Drahtabschnitten des Gatters aufgespannte Ebene zu.
• Im Folgenden wird wieder Bezug auf 1 genommen. Die Seite der Zylindermantelfläche des Stabes, in die die Drahtabschnitte des Gatters entlang ihrer Längsrichtung in die Schnittspalte eintreten, wird als momentane Drahteintrittsseite 17 bezeichnet, die, an der sie entlang ihrer Längsrichtung wieder aus den Schnittspalten heraustreten als momentane Drahtaustrittseite 18. Parallel zur Stabachse 14 ist über dem Drahtgatter 25 drahteintrittsseitig eine Düsenleiste 19 mit Slurrydüsen 21 angeordnet, die sich über die gesamte Länge des Drahtgatters erstreckt und die Drahtabschnitte 11 vor deren Eintritt in den Stab gleichmäßig mit Slurry 22 beaufschlagt.
• Bei unidirektionalem Schnitt mit nur einer Drahteintrittsseite ist dazu eine, bei bidirektionalem Schnitt mit zeitlich alternierenden Drahtein- und -austrittsseiten sind zwei Düsenleisten 22 und 23, je eine auf jeder Seite des Stabs, vorgesehen. Die beiden Düsenleisten 19 und 20 können alternierend geschaltet werden, so dass jeweils die momentan drahteintrittseitige aktiv ist, oder beide der Einfachheit halber auch dauerhaft betrieben werden.
• Durch Zustellen des Stabes auf das Gatter zu wird der Stab in seiner gesamten Länge entlang einer Linie auf dem Zylindermantel des Stabes parallel zur Stabachse in Kontakt mit dem Gatter gebracht. Diesen Moment der ersten Berührung der Drahtabschnitte mit dem Stab bezeichnet man als Einschnittvorgang oder kurz Einschnitt. Unter weiterer Zustellung, Bewegung der Drahtabschnitte des Gatters in Drahtlängsrichtung und Zufuhr von Slurry, arbeiten sich die Drahtabschnitte Material abtragend langsam durch den Stab hindurch.
• Der Schnitt ist beendet, sobald alle Drahtabschnitte des Gatters den gesamten Querschnitt des Stabes überstrichen haben und vollständig in der Sägeleiste angelangt sind. Den Moment der letzten Berührung der Drahtabschnitte mit dem Stab bezeichnet man als Ausschnittvorgang oder kurz Ausschnitt. Im in 1 gezeigten Beispiel erfolgt der Schnitt von der gegenüberliegenden Stabseite auf die Seite mit der Kennrille 26 zu. Die Montageleiste, die den Stab hält, ist mit diesem an dieser gegenüberliegenden Seite verklebt (nicht gezeigt).
• Die Stabzustellung wird beendet und der Stab wieder langsam aus dem Gatter herausgefahren. Beim Herausfahren aus dem Gatter wird der Draht weiterhin zumindest langsam bewegt, um ein Verhaken der Drahtabschnitte an etwaigen Unregelmäßigkeiten der zuvor erzeugten Schnittflächen zu verhindern.
• Nach dem Herausfahren wird der Verbund aus aufgesägtem Stab, Säge- und Montageleiste der Einspannvorrichtung am Zustelltisch entnommen. Nach Schnittende hängt somit eine Vielzahl von Wafern wie Zinken an einem Kamm, mit einem Teil ihrer Umfangsfläche mit der Sägeleiste verbunden, an der teilweise eingeschnittenen Sägeleiste. Durch Lösen der Klebeverbindung werden die Wafer vereinzelt. Das Lösen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein wasser- oder wärmelöslicher Kleber verwendet wurde und der Verbund aus Wafern, Säge- und Montageleiste zum so genannten Entkitten in ein heißes Wasserbad eingetaucht wird.
• Das Slurry-Trennläppen und eine dafür geeignete Vorrichtung zum Trennen von Halbleiterscheiben sind beispielsweise beschrieben in EP 0 798 091 A2 .
• Die Breite des erzeugten Trennspalts und somit die Dicke der durch das Trennen erhaltenen Wafer hängt ab von der Dicke des Drahtes, der Dicke des Slurryfilms, der den Draht im Trennspalt umgibt, und dem Abstand der Rillen in den Drahtführungsrollen, die den Draht führen. Da sich die Stärke des Drahts durch Verschleiß und die Dicke des Slurryfilms durch Abstreifen oder Verbrauch während des Trennvorgangs fortwährend ändern, unterliegt das Trennläppen bestimmten Einschränkungen hinsichtlich der mit ihm erreichbaren Grade an Zielformtreue der dadurch erhaltenen Wafer. Diese Einschränkungen werden im Folgenden beschrieben.
• Beim Eintritt eines Drahtabschnitts in das Werkstück wird ein Großteil des anhaftenden Slurrys abgestreift. Von dem in den Trennspalt gelangenden Slurry wird der größte Teil mit zunehmendem Eindringen des Drahts in den Stab immer weiter abgestriffen oder verbraucht. Der Kornverbrauch durch Verschleiß besteht vorrangig in einem Zerbrechen oder Zersplittern der Hartstoffe oder einem Verlust ihrer scharfkantigen, den Materialabtrag bewirkenden Schneidflächen durch Verrunden oder Absplittern. Die in Drahteintrittsrichtung gesehene Dickenabnahme des den Sägedraht umgebenden Slurryfilms wird auch als „Slurrytrichter“ (engl. slurry funnel) bezeichnet. Ein jeder Trennspalt ist aufgrund des Slurrytrichters drahteintrittsseitig am Werkstückrand breit und verjüngt sich keil- oder trichterförmig in Drahtlaufrichtung entlang der Drahteingriffslänge auf die gegenüberliegende Drahtaustrittseite zu.
• Bei unidirektionalem Schnitt und großen oder sehr großen Halbleiterstäben gelangt insbesondere im Bereich längster Drahteingriffslänge - bei einem kreiszylindrischen Stab also dann, wenn dieser genau zur Hälfte durchtrennt ist - praktisch kein Slurry mehr zur Drahtaustrittseite des Stabes. Es entstehend Scheiben mit von der Drahteintritt- zur Drahtaustrittseite keilförmig zunehmender Dicke mit drahtaustrittseitig sehr hoher Rauigkeit („Sägeriefen“). Halbleiterscheiben mit keilförmiger Dicke und großer Rauigkeit sind für anspruchsvolle Anwendungen nicht geeignet. Das unidirektionale Trennläppen ist daher zur Herstellung hochwertiger großer oder sehr großer Wafer nicht verwendbar.
• Beim Pilgerschritt-Verfahren wird die Richtung der Drahtlängsbewegung fortwährend umgekehrt. Dadurch entstehen in jedem Trennspalt abwechselnd links und rechts „Slurrytrichter“. Wenn die Stabzustellung so langsam bzw. die Richtungsänderung der Drahtlängsbewegung so schnell erfolgt, dass sich die Slurry-Trichter jeden zweiten Richtungswechsel (= ein vollständiger Pilgerschritt) - in Stabvorschubrichtung gesehen - etwas überlappen, wird der Trennspalt effektiv beidseitig mit Slurry versorgt, und das Slurry muss nur noch jeweils bis zur Stabmitte transportiert werden. Durch die Überlappung wird auch die durch den Slurry-Trichter verursachte jeweils drahteintrittseitige Aufweitung der Trennspalte und somit Verjüngung der Wafer verringert. Die erhaltenen Wafer sind dann nicht mehr keilförmig, sondern weisen nur noch eine leichte Sattelform mit vom Zentrum zu ihren Rändern in die beiden Drahtlaufrichtungen leicht abnehmenden Dicken auf. Die minimale Dicke tritt im Randbereich größter Drahteingriffslänge auf, also wenn ein kreiszylindrischer Stab genau zur Hälfte durchtrennt ist. Die Zonen minimaler Dicke im Randbereich größter Drahteingriffslänge sind in 2 mit 27 und 29 bezeichnet. Aufgrund der Nettobewegung des Drahtes beim Trennläppen nach dem Pilgerschrittverfahren und der Dickenabnahme, die der Draht dabei erfährt, ist die drahteintrittseitige Verjüngung 27 etwas stärker als die drahtaustrittseitige Verjüngung 29 des Wafers; jedoch sind beide deutlich geringer als die Keiligkeit eines Vergleichsschnittes mit unidirektionaler Drahtbewegung.
• Die Ausprägung dieser Sattelform kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren reduziert werden, beispielsweise einer einschnittslängenabhängigen Anpassung der ersten und zweiten Drahtbewegungslängen der Pilgerschritte oder durch Erhöhung des Drahteinsatzes im Bereich der größten Ausprägung der Sattelform. Insbesondere kann beispielsweise die Stabzustellgeschwindigkeit soweit reduziert werden, dass sich die Slurry-Trichter zweier Drahtumkehrungen fast vollständig überlappen. Grenzen sind den Maßnahmen zur Reduktion der Sattelform durch die Wirtschaftlichkeit gesetzt, da sich so sehr lange Gesamttrennzeiten und hohe Drahtlängenverbräuche ergeben.
• Eine weitere Einschränkung der durch Trennläppen erzielbaren Ebenheit von Vorder- und Rückseite von aus Stäben mit über den Schnitt veränderlichen Drahteingriffslängen erhaltenen Scheiben besteht in Form eines so genannten „Einschnittkeils“ 28 ( 2). Dieser Einschnittkeil umfasst eine Abschrägung der Vorder- und Rückseite in Drahtquerrichtung und auf die Scheibenmittelebene zu, die sich über die gesamte Scheibenbreite in Drahtlängsrichtung erstreckt.
• Der Einschnittkeil ergibt sich bei zylindrischen Stäben beispielsweise daraus, dass im Moment der ersten Berührung des Drahtgatters mit dem Stab die Eingriffslänge der Drahtabschnitte und somit auch der Drahtverschleiß Null sind.
• Die erstmalig einschneidenden Drahtabschnitte weisen, weil sie zunächst noch keinem Verschleiß unterlegen haben, einen größeren Durchmesser auf als die später in Eingriff gelangenden Drahtabschnitte, die bereits Trennspalte endlicher Länge durchlaufen und somit einem Verschleiß unterlegen haben. Es resultiert somit eine mit zunehmender Einschnitttiefe keilförmige Dickenzunahme 28 der Wafer. Zusätzlich verlaufen im Moment der ersten Berührung der Drahtabschnitte mit einem zylindrischen Stab die Drahtabschnitte tangential zur Mantelfläche des Stabs. Es wird dann weniger Slurry abgestriffen als bei weiterem Schnittfortgang, wenn die Eingrifflängen endlich sind und die Drahtabschnitte zunehmend steiler - im Bereich längster Eingriffslänge (halber Schnitt) sogar genau senkrecht - auf die Stabmantelfläche treffen und sich dort ein regelrechter Schwall abgestriffenen Slurries am Punkt des Eintritts eines jeden Drahtabschnitts in den Stab aufbaut.
• WO 2013/051183 A1 beschreibt ein Drahttrennläppen im Pilgerschrittverfahren, bei dem konische Drahtführungsrollen verwendet werden, wobei der Abstand des Grundes der Rillen zur Achse der Drahtführungsrolle von der Drahtzufuhrseite zur Drahtabfuhrseite abnimmt. Dadurch gelangen, bei Zustellung des Stabes mit der Stabachse senkrecht auf die Drahtführungsrollenachsen zu, die drahtzufuhrseitigen Drahtabschnitte des Drahtgatters zuerst in Eingriff mit dem Stab. Infolge der Nettobewegung des Drahtes wandern diese Drahtabschnitte von der Drahtzufuhr- zur Drahtabfuhrseite der Drahtführungsrolle weiter und sind, wenn durch weitere Stabzustellung auf das Gatter zu schließlich auch der drahtabfuhrseitige Teil des Stabes in Material abtragenden Eingriff mit dem Drahtgatter gelangt, durch Abnutzung dünner geworden, so dass der Ausbildung des Einschnittkeils entgegengewirkt wird.
• Aufgrund der konischen Form der Drahtführungsrollen nehmen die Längen für jeweils eine Windung um die Drahtführungsrolle von der Drahtzu- zur -abfuhrseite von Rille zu Rille ab. Alle Rillen einer jeden Drahtführungsrolle drehen sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit; aufgrund der von der Drahtzufuhr- zur -abfuhrseite abnehmenden Rillendurchmesser jedoch nicht mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit. Da der Draht jedoch durch die Umfanggeschwindigkeit der Rillen im Gatter bewegt wird, nimmt die axiale Drahtspannung daher von der Drahtzufuhr- zur -abfuhrseite hin im Gatter ab.
• Den mit Drahttrennverfahren vertrauten Fachleuten ist bekannt, dass die Ebenheit des erzeugten Trennspalts mit abnehmender Drahtlängsspannung abnimmt. Es werden mit dem beschriebenen Verfahren somit Scheiben mit zur Drahtabfuhrseite hin verschlechterter Ebenheit erzeugt.
• Dieser grundsätzliche Verfahrensmangel kann auch dadurch nicht beseitigt werden, dass beispielsweise in nahe liegender Weise vier Drahtführungsrollen verwendet werden, von denen die oberen beiden, die das Gatter der in Eingriff mit dem Stab gelangenden Drahtabschnitte aufspannen, mit drahtzufuhr- zu -abfuhrseitig wachsender und die unteren beiden mit einer Rillentiefe drahtzufuhr- zu -abfuhrseitig schrumpfender Rillentiefe versehen werden, die genau komplementär zueinander gewählt werden. Zwar wären dann die Längen der Drahtwicklungen über die gesamte Länge der Drahtführungsrollen konstant, jedoch würde es infolge der bei gleichen Winkelgeschwindigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten zu einem starken erzwungenen Schlupf der Drähte in den Rillen zwischen oberen und unteren Drahtführungsrollen kommen. Dadurch würden die Rillen der Drahtführungsrollen sehr stark verschleißen und infolgedessen durch Abrieb vom Draht unterschiedlich eingeschnitten werden, wodurch der erhoffte Vorteil des Verfahrens bereits in kürzester Zeit zunichte gemacht würde. WO 2013/051183 A1 diskutiert diese vermeintliche Lösung des Verschleißproblems nicht.
• Eine ungleichmäßige Drahtspannung im Gatter führt zudem dazu, dass die Drahtlängsspannungen der Drahtabschnitte im Mittel über das Gatter sehr klein gewählt werden müssen, da die drahtzulaufseitigen, am stärksten gespannten Drahtabschnitte maximal die Drahtlängsspannung aufweisen dürfen, bei der der Draht sicher noch nicht reißt, und alle anderen Drahtabschnitte somit weniger gespannt sind als diese. Damit erfährt der größte Teil der Drahtabschnitte eine zur Drahtabfuhrseite zunehmende Drahtdurchbiegung mit zunehmend schlechterer Drahtführung und schlechterer Ebenheit der erhaltenen Wafer.
• Zwar wird sich durch Drahtschlupf die über das Drahtgatter ungleiche Drahtspannung etwas ausgleichen. Damit ist aber das Verfahren nach WO 2013/051183 A1 für eine Durchführung nach dem Pilgerschrittprinzip ungeeignet, weil in der zweiten Hälfte eines jeden Pilgerschritts Drahtabschnitte von drahtabfuhrseitig kurzen Windungslängen auf drahtzufuhrseitig lange Windungslängen zurückgelangen würden, wodurch sie dort überspannt und reißen würden. Dem könnte nur entgegengewirkt werden, indem die Drahtlängsspannung, mit der der Draht dem Gatter geregelt zugeführt wird (Soll-Drahtlängsspannung), noch weiter reduziert würde, um zur Vermeidung von Drahtrissen während des Trennvorgangs eine ausreichend sichere Drahtspannungsreserve bis zur Drahtrissspannung zu gewährleisten. Dies würde aber mit einer abermals verschlechterten Ebenheit der erhaltenen Wafer aufgrund der ungenauen und unsicheren Drahtführung in den Trennspalten einhergehen.
• Das in WO 2013/051183 A1 angegebene Verfahren ist zur Herstellung hochebener Halbleiterscheiben für anspruchsvolle Anwendungen daher ungeeignet.
• US 8 146 581 B2 offenbart ein Verfahren zum Drahttrennläppen, bei dem die Achse des Stabs leicht in Zustellrichtung gegen die Achsen der Drahtführungsrollen hin verkippt ist. Dabei weisen die Drahtführungsrollen zylindrische Form auf, ihre Achsen sind parallel zueinander angeordnet und alle Rillen zur Führung des Sägedrahtes gleichmäßig tief eingeschnitten. Durch die Verkippung von Stab- und Drahtführungsrollenachsen wird bei Zustellung des Stabes somit ein stirnflächiges Stabende zuerst und das gegenüberliegende Stabende zuletzt eingeschnitten.
• Da die Umfangsgeschwindigkeiten aller Drahtabschnitte gleich sind, vermeidet dieses Verfahren zwar die Probleme durch über das Drahtgatter variierende Drahtspannungen und übermäßigen Rillenverschleiß durch Drahtschlupf; jedoch führt die Achsverkippung zu einer zusätzlichen Kraft in Drahtquerrichtung und parallel zur Stabachse (Hangabtriebskraft). Die Hangabtriebskraft wirkt nur im Moment des jeweiligen Einschnitts eines jeden Drahtabschnitts und verschwindet, sobald der Einschnitt erfolgt ist. Die Schnittfläche verläuft also mit im Bereich des Einschnitts aus der durch querkraftfreien Schnitt erzeugten Schnittebene heraus ausgelenkten Drähten und ist daher dort gekrümmt. Da die Hangabtriebskraft auf benachbarte Drahtabschnitte annähernd gleich ist, verlaufen Vorder- und Rückseite der erhaltenen Scheiben im Wesentlichen parallel zueinander und mit einer für Vorder- und Rückseite im Einschnittbereich gleichförmigen Krümmung. Die erhaltenen Scheiben weisen somit eine im Wesentlichen konstante Dicke, aber eine gekrümmte Form auf („Einschnittwelle“) .
• US 8 146 581 B2 nutzt diese durch Verkippen gezielt erzeugte Einschnittwelle, um eine zufälligen Einschnittwelle, die ein zuvor hangabtriebskraft-frei geschnittener Wafer etwaig aufweist, auszugleichen. Das Verfahren kann auch in naheliegender Weise dazu verwendet werden, einem Einschnittkeil entgegenzuwirken, da infolge des Verkippens die einzelnen Drahtabschnitte entlang der Stabachse zeitlich nacheinander einschneiden und somit einem unterschiedlichen Verschleiß unterliegen. Diese Verwendungsmöglichkeit erkennt US 8 146 581 B2 nicht.
• Da im Verfahren nach US 8 146 581 B2 infolge der Stabverkippung entlang gegen die Stabachse verkippten Ebenen getrennt wird, weisen die erhaltenen Scheiben eine unerwünschte Fehlorientierung auf. Diese Fehlorientierung könnte durch entsprechend gegenläufige Verkippung der Kristallachse gegen die Drehachse beim vorangehenden Rundschleifen des Stabes ausgeglichen werden. Dazu müsste beim Rundschleifen jedoch für jeden Stab bereits im Vorhinein bekannt sein, welche Verkippung um welchen Winkel nachfolgend für eine Drahtsäge erforderlich sein würde, damit die momentane Neigung dieser Drahtsäge, eine Einsägewelle auszubilden, genau ausgeglichen werden könnte, ohne dass die erhaltenen Scheiben eine Fehlorientierung aufweisen. Dies ist aus Gründen der Kausalität offensichtlich nicht möglich.
• Nach US 8 146 581 B2 getrennte Scheiben weisen daher stets eine unerwünschte Fehlorientierung auf, so dass das Verfahren für die Herstellung von Scheiben für anspruchsvolle Anwendungen ebenfalls ungeeignet ist.
• Die US 2012/0298090 A1 stellt ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mit hoher Genauigkeit bereit, indem Spannungseinstellvorrichtungen verwendet werden, um die Spannung in einem Draht in einer Drahtsäge an eine vorbestimmte Zielspannung anzugleichen, während nur die Spannung in einem wickelseitigen Draht effektiv reduziert wird.
• Die GB 2 476 658 A beschreibt ein Verfahren zum Schneiden eines Materialblocks in eine Vielzahl von Plättchen durch Bewegen einer planaren Anordnung paralleler, sich schnell bewegender Drähte relativ zum Block (oder umgekehrt) in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Drähte und Aufbringen einer Aufschlämmung oder eines Fluids auf die Drähte, bevor die Drähte den Block durchqueren.
• Die EP 1 287 958 A1 beschreibt Drahtsägen mit einer Variation der Vorschubgeschwindigkeit der dem Werkstück zugeführten Aufschlämmung, der Viskosität der Aufschlämmung oder der Vorschubgeschwindigkeit eines Drahts, in Abhängigkeit von der Schnittlänge oder dem Winkel zwischen dem Draht und dem Umfang des Werkstücks.
• Die JP 2012-121 101 A beschreibt einen gewellten Sägedraht, an dem Hartstoffe fixiert sind.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Vieldraht-Trennläppverfahrens nach der Pilgerschritt-Methode zum Abtrennen von Scheiben mit einem gleichbleibend hohen Maß an Ebenheit ihrer Vorder- und Rückseite aus einem Stab, die einen über alle Drahtgatterpositionen gleichbleibend geringen Einschnittkeil aufweisen.
• Gelöst wird die Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren, das darauf abzielt, im Einschnitt den Wirkdurchmesser des Sägedrahts zu reduzieren.
• Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem zylindrischen Werkstück mit einem Durchmesser mit einer Drahtsäge in Gegenwart eines flüssigen Schneidmittels, umfassend einen Sägedraht, der zwischen drehbaren Drahtführungsrollen ein aus vielen parallel angeordneten Drahtabschnitten bestehendes Drahtgatter aufspannt, die Drahtabschnitte mit einer Längsspannung durch Rotation der Drahtführungsrollen unter fortgesetztem Wechseln zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung, eine Relativbewegung zum Werkstück beschreiben, der Draht während des Drehens in die erste Richtung um eine erste Länge und während des Drehens in die zweite Richtung um eine zweite Länge bewegt wird und die zweite Länge kürzer als die erste ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zeitpunkt des Einschneidens der Drahtabschnitte in das Werkstück mit einer ersten Einschnitttiefe die Längsspannung der Drahtabschnitte höher ist als zu einem zweiten Zeitpunkt mit einer zweiten Einschnitttiefe, der nach dem Zeitpunkt des Einschneidens liegt und zu dem die Eingriffslänge l der Drahtabschnitte in das Werkstück > 0 ist, wobei der Draht ein Monofilament-Stahldraht mit einem ersten Durchmesser ist, der durch plastische Verformung in Drahtquerrichtung mit einer Vielzahl zickzack-förmiger Ausstülpungen und Einbuchtungen versehen wurde, deren Hüllkurve in der Ebene senkrecht zur Drahtlängsrichtung einen zweiten Durchmesser aufweist, wobei der zweite Durchmesser größer als der erste Durchmesser ist, und die erste Drahtspannung zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen der zweiten Drahtspannung beträgt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zum Trennen eines Stabes aus Halbleitermaterial mittels einer Drahtsäge verwendet. Besonders bevorzugt weist der Halbleiterstab eine gerade kreiszylindrische Form auf.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Gegenwart eines flüssigen Schneidmittels, das eine Trägerflüssigkeit und in der Trägerflüssigkeit befindliche lose Hartstoffe umfasst, durchgeführt. Das flüssige Schneidmittel (Suspension) wird auch als Slurry bezeichnet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines strukturierten Monofilament-Stahldrahts ausgeführt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird ebenfalls bevorzugt unter Verwendung eines Torsions-Drahts ausgeführt. Mit Torsion wird eine schraubenförmige Drehung des Drahtes um seine Längsachse durch elastische Verwindung des Drahtes bezeichnet.
• Ein strukturierter Draht ist insbesondere ein Draht mit einem ersten Durchmesser, wobei der Draht durch plastische Verformung in Drahtquerrichtung mit einer Vielzahl zickzack-förmiger Ausstülpungen und Einbuchtungen versehen wurde, deren Hüllkurve in der Ebene senkrecht zur durchschnittlichen Drahtlängsrichtung einen zweiten Durchmesser aufweist, der größer ist als der erste Durchmesser.
• Der erste Durchmesser umfasst somit den Durchmesser des „Kerndrahts“, aus dem der strukturierte Draht durch plastische Verformung hergestellt wurde. Der zweite Durchmesser, der „Wirkdurchmesser“ des strukturierten Drahts, umfasst den Kerndurchmesser und die Spitze-zu-Spitze-Amplitude der wellenförmigen Verformungen.
• Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren mit anfänglich erhöhter Einschnitt-Drahtspannung bei der Verwendung von strukturiertem Draht. Dieser weist eine Vielzahl von wellenförmigen seitlichen Drahtverformungen um eine bestimmte Amplitude auf, die sich in periodischem Abstand über die Längsrichtung des Drahtes wiederholen („Welldraht“).
• Beispiele für strukturierte Drähte, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, sind beispielsweise in JP 2004- 243 492 A oder EP1827745 B2 beschrieben.
• JP 2004- 243 492 A lehrt einen Draht, der wellenförmige Ausbuchtungen aufweist, deren Amplitude in einer Transversalebene des Drahtes verläuft oder sich in Form einer Helix schraubenförmig in Drahtlängsrichtung um den Draht herumwindet.
• EP1827745 B2 offenbart einen Draht mit wellenförmigen Ausbuchtungen einer ersten Amplitude und einer ersten Wellenlänge in eine erste Transversalrichtung des Drahtes und einer zweiten Amplitude und einer zweiten Wellenlänge in eine zweite Transversalrichtung des Drahtes, wobei die erste und zweite Amplitude und die erste und zweite Wellenlänge jeweils verschieden gewählt sind und die erste Transversalebene senkrecht auf der zweiten Transversalebene steht.
• Durch diese Wellen erhält der Draht im Mittel über seine Längsrichtung einen scheinbaren Durchmesser, der um die Amplitude der seitlichen Auslenkungen gegenüber dem Durchmesser des Drahtkerns, vergrößert ist. Damit der Wirkquerschnitt im Mittel über die Drahtlängsrichtung näherungsweise kreisförmig und isotrop erscheint, muss diese Verformung mindestens in die beiden senkrecht aufeinander stehenden transversalen Richtungen zeigen, also zwei senkrecht aufeinander stehende, einander überlagerte Wellenstrukturen.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Draht eine Wellenform in nur einer Transversalrichtung aufzuprägen und den Draht anschließend um seine Längsachse zu tordieren („verdrillen“), wodurch die wellenförmige Auslenkung in Form einer Helix um den Draht herumläuft.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist also auch besonders vorteilhaft, wenn der Draht die Merkmale Strukturierung und Torsion gleichzeitig aufweist.
• Auch kann der Drahtquerschnitt selbst periodisch in senkrecht aufeinander stehenden Transversalrichtungen verformt sein, was zu einem ovalen, sich in Drahtlängsrichtung periodisch ändernden oder - wieder durch Verdrillen des Drahts - „rotierenden“ Querschnitt führt.
• Strukturierter Draht zeichnet sich durch einen besseren Transport von Slurry in den Trennspalt aus, da sich in den Vertiefungen („Taschen“) der Drahtoberfläche ein Vorrat an Slurry anlagern kann, ohne bei Eintritt des Drahts in den Trennspalt und beim weiteren Durchlaufen des Trennspalts gleich abgestriffen zu werden. Dadurch wird eine bessere Qualität der Trennflächen (weniger Schleifriefen) erreicht und es können größere Werkstücke oder Werkstücke gegebener Größe schneller gesägt werden (kürzere Zeit für einen vollständigen Trennvorgang).
• Jeder Trennvorgang, also das Bewegen des Drahtes bzw. der Drahtabschnitte des Drahtgatters über eine vollständige Querschnittsfläche des Werksstücks für einen jeden Trennspalt, wird vorzugsweise mit neuem, d.h. nicht bei einem vorangegangenen Trennvorgang verwendeten Draht, durchgeführt, da der Draht während des Zerspanens des Werkstückes verschleißt. Durch den Verschleiß verliert der Draht zunehmend seine runde Form. Da der Draht während des Trennvorgangs einer zufälligen Torsion unterliegt, erzeugen unrunde Drähte innerhalb kurzer Schnittfortschrittsabstände variierende Trennspalt- und somit Scheibendicken. Diese werden als Sägeriefen bezeichnet und sind unerwünscht.
• Der Draht wird von einer Geberspule (Vorratsspule) auf eine Nehmerspule (Empfängerspule) mit einer wählbaren Geschwindigkeit gewickelt. Dabei ist der Draht um mindestens zwei Drahtführungsrollen mit einer Vielzahl an senkrecht zu den Achsen der Drahtführungsrollen verlaufenden Rillen gewunden. Die zwischen den beiden Drahtführungsrollen vorhandenen Drahtabschnitte bilden das Drahtgatter. Das Gatter umfasst somit eine Vielzahl von parallel zueinander und in einer Ebene laufender Abschnitte des Drahtes.
• Der Draht wird dem Drahtgatter über die das Drahtgatter begrenzenden Drahtführungsrollen von der Geberspule mit einer geregelten Drahtlängsspannung (Drahtspannung) zugeführt. Die Regelung der Drahtspannung erfolgt bevorzugt mittels eines so genannten Tänzers.
• Die Drahtlängsspannung des Drahtes in Drahtlaufrichtung wird im Zulauf zum und im Ablauf aus dem Drahtgatter mittels Umlenkrollen, die an Hebeln befestigt sind, geregelt, wobei eine Veränderung des Winkels, unter dem der Hebel zur Drahtlängsrichtung steht, eine Lauflängenänderung des Drahts bewirkt und so der Draht mehr oder weniger gestrafft werden kann.
• Das vom Draht auf den Hebel ausgeübte Drehmoment liefert ein Maß für die tatsächliche Drahtspannung, so dass über Drehmomentmessung und Winkelverstellung ein geschlossener Kreis für die Regelung der Drahtlängsspannung gegeben ist. Hebel mit Umlenkrolle werden aufgrund ihrer schnellen Hin- und Herbewegung bei auftretenden Regelabweichungen als „Tänzer“ bezeichnet.
• Wenn der Sägedraht nun während des Trennvorgangs in Drahtlängsrichtung bewegt wird, kann es aufgrund von schwankender Reibung beim Abwickeln des Drahtes von der Drahtspule, beim Durchlaufen der zahlreichen Trennspalte (Trennvorgang) oder durch Lagerreibung der Drahtführungsrollen oder diverser Umlenkrollen zur Führung des Drahtes in der Trennvorrichtung zu einem Schwanken der Drahtspannung kommen. Diese Schwankung kann durch Messen des Drehmoments und Bewegen des Hebelarms in die entsprechende Richtung mittels einer geschlossenen Regelschleife stets konstant gehalten werden.
• Da der Draht beim Trennvorgang schnell in Drahtlängsrichtung bewegt wird (typischerweise einige 10 m/s), treten etwaige Drahtspannungsschwankungen in entsprechend schneller Abfolge auf, und der Hebelarm „tanzt“ zum Ausgleich in entsprechend schnellem Wechsel sehr schnell mal in die eine, dann in die andere Winkelrichtung um seine Drehachse hin und her, was ihm seinen Namen verleiht.
• Die Drahtspannung, mit der der Draht über die das Drahtgatter begrenzenden Drahtführungsrollen dem Drahtgatter zugeführt wird, bestimmt wiederum die Drahtspannung der Drahtabschnitte im Gatter.
• Die Drahtspannung im Gatter ist entscheidend für die erzielte Ebenheit der vom Werkstück abgetrennten Scheiben. Die Drahtspannung im Gatter muss so gewählt werden, dass keiner der Drahtabschnitte im Gatter sicher noch nicht reißt, das heißt, der Draht muss den Drahtführungsrollen mit der Drahtspannung (Soll-Drahtlängsspannung) zugeführt werden, bei der während des Trennvorgangs eine ausreichend sichere Drahtspannungsreserve bis zur Drahtrissspannung gewährleistet ist.
• Für das Trennen des zylindrischen Werkstückes mit einem Durchmesser in eine Vielzahl von Scheiben wird das Werkstück mittels einer Montageleiste in einer Drahtsäge befestigt. Über eine Zustellvorrichtung wird das Werkstück senkrecht von oben durch das Drahtgatter unter Zuführung einer Aufschlämmung von Hartstoffen in einer Trägerflüssigkeit als Schneidmittel zu den Drahtabschnitten des Drahtgatters bei gleichzeitiger Rotation der Drahtführungsrollen unter fortgesetztem Wechseln zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung, geführt.
• Während des Drehens der Drahtführungsrolle in die erste Richtung wird der Draht - und damit die Drahtabschnitte im Drahtgatter - um eine erste Länge und während des Drehens in die zweite Richtung um eine zweite Länge, jeweils relativ zum Werkstück, bewegt, wobei die zweite Länge kürzer als die erste ist (Pilgerschrittverfahren).
• Ein Pilgerschritt umfasst eine Hin- und eine Zurückbewegung des Drahtes, wobei der Draht insgesamt eine der Summe beider Längen entsprechende Drahtlänge (Nettodrahtbewegung) weiter bewegt wird, also von der Geberspule auf die Nehmerspule gewickelt wird. Beträgt beispielsweise die erste Länge (Hinbewegung) 500 m und die zweite Länge (Rückbewegung) 300 m, so beträgt die Nettodrahtbewegung 500 m + (-300 m) = 200 m.
• Das Trennen kreiszylindrischer Werkstücke (beispielsweise Halbleiterstäbe) in den erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zwangsläufig stets entlang streng konvexer Trennflächen. Mit streng konvex wird eine Fläche bezeichnet, für die jede Strecke, die zwei beliebige Punkte auf der Randlinie der Fläche verbindet, bis auf die Endpunkte der Strecke stets vollständig innerhalb der Fläche verläuft.
• Insbesondere ist die Länge bzw. Eingriffslänge l, die die Drahtabschnitte innerhalb des Werkstücks verlaufen, im Moment des ersten Kontaktes der Drahtabschnitte mit der Oberfläche eines Stabs mit streng konvexen Trennflächen gleich Null, nimmt im Laufe des weiteren Trennvorgangs mit zunehmender Einschnitttiefe des Drahtgatters stetig bis zu einem Maximum (entsprechend dem halben Durchmesser des kreiszylindrischen Werkstücks) zu und nach Erreichen des Maximums wieder stetig ab, um am Ende des Trennvorgangs, also im Moment des letzten Kontaktes der Drahtabschnitte mit der Oberfläche des Werkstückes, wieder Null zu werden.
• Figurenliste
• 1: Vereinfachte Darstellung einer für ein Vieldrahttrennläppverfahren geeigneten Trennvorrichtung mit allen wesentlichen Elementen.
• 2: Wafer, hergestellt durch ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren.
• 3: Verlauf der Zentrumsdicke eines mit nicht erfindungsgemäßem Verfahren hergestellten Wafers. 3 (A): entlang Schnittlinie A-A'; 3 (B): entlang Schnittlinie B-B'.
• 4: Abhängigkeit der dynamischen Viskosität frischen und gebrauchten Slurries vom Schergefälle bei 25 °C (A), 30 °C (B) und 60 °C (C).
• 5: Korngrößenverteilung des Feststoffanteils in frischem und gebrauchtem Slurry.
• Bezugszeichenliste

1

Draht

2

Rille

3

drahtzulaufseitige Drahtführungsrolle

4

drahtaustrittseitige Drahtführungsrolle

5

Achse der linken Drahtführungsrolle

6

Achse der rechten Drahtführungsrolle

7

Drehrichtung der linken Drahtführungsrolle

8

Drehrichtung der rechten Drahtführungsrolle

9

Drahtzufuhr

10

Drahtabfuhr

11

Drahtabschnitt

12

(Stirnfläche der) Drahtzufuhrseite des Stabs

13

Trennspalt

14

Stabachse

15

Halbleiterstab

16

schnittanfangsseitiger Durchstoßpunkt der diametralen Schnittlinien A-A' und B-B'

16'

schnittendeseitiger Durchstoßpunkt der diametralen Schnittlinien A-A' und B-B'

17

Drahteintrittseite des Trennspalts

18

Drahtaustrittseite des Trennspalts

19

drahtzulaufseitige Slurrydüsenleiste

20

drahtaustrittseitige Slurrydüseleiste

21

Slurrydüsen

22

drahtzutrittseitiger Slurryvorhang

23

drahtaustrittseitiger Slurryvorhang

24

(Stirnfläche der) Drahtabfuhrseite des Stabs

25

Drahtgatter

26

Kennrille (am abgetrennten Wafer: Kennkerbe, Notch)

27

drahteintrittseitige randnahe Dickenabnahme im Bereich längster Eingriffslänge entlang Schnittlinie D-D`

28

keilförmige Dickenabnahme im Einsägebereich („Einschnittkeil“)

29

drahtaustrittseitige randnahe Dickenabnahme im Bereich längster Eingriffslänge entlang Schnittlinie C-C`

30

Zentrumsdicke entlang Schnittlinie A-A` bzw. B-B'

31

Abhängigkeit der dynamischen Viskosität frischen Slurries vom Schergefälle bei 25 °C

32

Abhängigkeit der dynamischen Viskosität gebrauchten Slurries vom Schergefälle bei 25 °C

33

Abhängigkeit der dynamischen Viskosität frischen Slurries vom Schergefälle bei 30 °C

34

Abhängigkeit der dynamischen Viskosität gebrauchten Slurries vom Schergefälle bei 30 °C

35

Abhängigkeit der dynamischen Viskosität frischen Slurries vom Schergefälle bei 60 °C

36

Abhängigkeit der dynamischen Viskosität gebrauchten Slurries vom Schergefälle bei 60 °C

37

Korngrößenverteilung frischen Slurries

38

Korngrößenverteilung gebrauchten Slurries

39

lokales Maximum der Korngrößenverteilung gebrauchten Slurries bei kleinen Korngrößen

D

lokale Dicke in Mikrometern

z

Länge in Richtung der Zustellung des Werkstücks auf das Gatter in Millimetern

D.V.

dynamische Viskosität in mPa · s (Millipaskalsekunden)

S.R.

Scherrate dv/dh (v = Geschwindigkeit, h = Höhe im Flüssigkeitsfilm) in 1/s (s = Sekunde)

η

Formelzeichen für die dynamische Viskosität (griech. Eta)

PRE

vorher (frisches Slurry)

POST

nachher (gebrauchtes Slurry)

C.F.

Partikel-Zählhäufigkeit (count frequency) in Prozent

P.S.

Partikelgröße (particle size) in Mikrometern (µm)

• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren ausführlich beschrieben.
• Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens
• Dem Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, dass mit zunehmender Drahtlängsspannung im Drahtzulauf und somit im Drahtgatter die Breite des Trennspaltes abnimmt. Bei glatten Drähten wird vermutlich die Eigenbewegung in Drahtquerrichtung (Vibration) des Drahts mit zunehmender Drahtspannung zu höheren Frequenzen hin verschoben. Höhere Frequenzen wiederum erfahren eine stärkere Dämpfung im viskosen Sägeslurry, wodurch die Amplitude der Vibration und somit die Weite des erzeugten Trennspalts abnimmt.
• Drähte, die bei der Herstellung durch plastische Verformung in Transversalrichtung mit einer Knick-, Wellen- oder Helixstruktur versehen wurden, um Anhaftung und Transport des Sägeslurries zu verbessern („Welldraht“), strecken sich zusätzlich mit zunehmender Drahtlängsspannung. Schwingungsabnahme und Streckung bewirken eine Abnahme des effektiven oder Wirkdurchmessers des Drahtes und somit eine Abnahme der Trennspaltbreite und Zunahme der Dicke der abgetrennten Scheiben.
• Beim Trennen von zylindrischen Werkstücken entlang streng konvexer Trennflächen kann die Drahtspannung zumindest im Moment des Einschnitts wesentlich höher als im weiteren Schnittfortgang gewählt werden, ohne dass der Draht reißt. Dies ist möglich, da die zusätzliche mechanische Belastung des Drahtes aufgrund seiner Bewegung durch das viskose Slurry und die Reibung durch die verrichtete Spanarbeit mit verschwindender Eingriffslänge ebenfalls verschwinden. Mit zunehmender Eingriffslänge l der Drahtabschnitte in das Werkstück nimmt auch die mechanische Belastung der Drahtabschnitte zu, so dass die ausreichend sichere Drahtspannungsreserve bis zur Drahtrissspannung geringer ist als im Moment des Einschnitts, bei der die Eingriffslänge verschwindet.
• Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Drahtlängsspannung im Drahtzulauf - und somit im Drahtgatter - und im Drahtablauf in Abhängigkeit von der Eingriffslänge l der Drahtabschnitte des Gatters im Werkstück variiert, d.h. der Sägeprozess wird mit zeitlich unterschiedlichen Längsspannungen der Drahtabschnitte im Drahtgatter durchgeführt. Zum Zeitpunkt des Einschneidens der Drahtabschnitte in das Werkstück ist die Längsspannung der Drahtabschnitte höher als zu einem zweiten Zeitpunkt, der nach dem Zeitpunkt des Einschneidens liegt.
• In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Trennen von zylindrischen Werkstücken entlang streng konvexer Trennflächen die Drahtspannung bei einer Einschnitttiefe von ≤ 2% des Durchmessers des Werkstückes um ≤ 80% und bei einer Einschnitttiefe von ≤ 5% des Durchmessers des zylindrischen Werkstückes um ≤ 50% gegenüber der Drahtspannung erhöht, die der Draht aufweist, wenn die Eingriffslänge l der Drahtabschnitte gleich dem Durchmesser des Werkstückes ist, also wenn die Eingriffslänge l maximal ist.
• Diese Drahtspannung bei maximaler Drahteingriffslänge ist die geringste Spannung, mit der der Draht dem Gatter während des gesamten Trennvorgangs zugeführt wird. Sie wird gerade so groß gewählt, dass der Draht sicher noch nicht reißt. Beispielsweise kann sie so gewählt werden, dass es maximal in einem festgelegten Bruchteil von Schnitten zu einem Drahtriss kommt, beispielsweise in 1 % aller Schnitte. (Deutlich weniger als 1 % Drahtrissquote sind auch bei beliebig geringer Drahtspannung nicht realisierbar, da der Draht selbst herstellungsbedingt Fehler aufweist, die gelegentlich zum Riss führen.) Die genaue Wahl dieser minimalen Spannung ist von zahlreichen Faktoren abhängig: dem Drahtdurchmesser, der Größe der maximalen Eingriffslänge (Durchmesser des Werkstücks), der Gesamtlänge des für einen vollständigen Trennvorgang eingesetzten Drahtlänge (und somit der Querschnittsverringerung des Drahts infolge Verschleiß), der Längsgeschwindigkeit des Drahts, der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks, der Zusammensetzung des Slurries und vielen anderen. Die geeignete minimale Spannung wird daher experimentell bestimmt.
• Da das Gatter eine nicht unerhebliche Länge Drahtes aufnimmt, sollte diese minimale Spannung, mit der der Draht dem Gatter zugeführt wird, bereits so weit vor dem Erreichen maximaler Eingriffslänge erreicht sein, wie es dauert, bis die dem im Gatter vorhandenen Draht entsprechende Länge Drahtes zugeführt worden ist. Dadurch haben auch die Drahtabschnitte am drahtabfuhrseitigen Ende des Gatters, das Draht einer geänderten Zuführspannung als letztes erreicht, im Moment längster Eingriffslänge und folglich stärkster Belastung des Drahts eine ausreichend geringe Spannung, um nicht zu reißen.
• Entsprechend kann bereits so lange vor Erreichen der längsten Eingriffslänge, bei der die Drahtspannung am geringsten sein soll, die Spannung des dem Gatter zugeführten Drahts bereits wieder erhöht werden, wie es dauert, bis sich der zugeführte Draht mit der gewählten Spannung infolge der Nettobewegung des Drahts von der Drahtzufuhr- zur -abfuhrseite des Gatters voran gearbeitet hat. Alternativ kann die Drahtspannung in der zweiten Hälfte des Trennvorgangs auch konstant gehalten werden, beispielsweise, um das Risiko eines Drahtrisses noch weiter zu reduzieren; denn die Reparatur eines Drahtrisses in der zweiten Schnitthälfte ist besonders aufwändig. Außerdem erfolgt der Ausschnitt aus dem Stab je stets mit verbrauchtem Draht; das Problem eines dem Einschnittkeil entsprechenden „Ausschnittkeils“ ist somit nicht vorhanden.
• Beispielsweise kann bei einem zylindrischen Werkstück mit einem Durchmesser von 300 mm die Drahtspannung bis zu einer Einschnitttiefe von 6 mm um bis zu 80% gegenüber der Drahtspannung, bei der der Draht im Bereich längster Eingriffslänge l sicher noch nicht reißt, erhöht werden, und bis zu einer Einschnitttiefe von 15 mm um immerhin noch bis zu 50%.
• Mit zunehmender Eingriffslänge l der Drahtabschnitte im Werkstück nimmt die auf den Draht in Zugrichtung (Drahtlängsrichtung) wirkende Kraft in zunehmendem Maße durch die viskose Reibung, die der Draht aufgrund des Schergefälles im Slurryfilm, der sich zwischen Draht und Schnittfläche (stabaxiale Drahtquerrichtung) und Schnittfront (vorschubgerichtete Drahtquerrichtung) aufbaut, zu. Nur noch zu einem immer geringer werdenden Teil wird die auf den Draht in Zugrichtung (Drahtlängsrichtung) wirkende Kraft durch die von außen mittels der Tänzer geregelten Drahtlängsspannung, mit der der Draht dem Gatter zu- oder aus diesem abgeführt wird, bestimmt, d.h. die Drahtlängsspannung zum bzw. vom Gatter unterscheidet sich von der Drahtlängsspannung im Gatter.
• Geht die Drahteingriffslänge l (Einschnitt) gegen Null, geht auch die viskose Reibung im Trennspalt gegen Null, so dass die volle Spannung, bis zu der der Draht sicher noch nicht reißt, durch die Tänzer aufgebracht werden kann und keine Drahtspannungsreserve für die viskose Reibung im Trennspalt berücksichtigt werden muss.
• Im Folgenden ist ein Beispiel für das Verfahren angegeben: In einem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel wurde zunächst ein monofilarer Trennläppdraht aus gehärtetem Kohlenstoffstahl C90 mit einem Durchmesser von 175 µm und mit einer vom Hersteller angegebenen Bruchspannung von 82 N zum Schneiden eines geradzylindrischen Stabs aus monokristallinem Silicium mit einem Durchmesser von 300 mm verwendet, wobei die mittlere Stabzustellrate 0,4 mm/min und der Drahteinsatz 164 m/Wafer betrug. Die gerade noch drahtrisssichere Drahtlängsspannung ergab sich zu 30 N.
• In einem Beispiel zum erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein gleicher Draht mit den gleichen Parametern (mittlere Stabzustellrate 0,4 mm/min, 164 m/Wafer Drahteinsatz, 300 mm Stabdurchmesser, 30 N Drahtspannung im Bereich längster Eingriffslänge) eingesetzt, wobei die durch die Tänzer geregelte Drahtlängsspannung in der Drahtzu- bzw. -abfuhr beim Einschnitt und in bis zu 6 mm Einschnitttiefe auf 54 N und in bis zu 15 mm Einschnitttiefe auf 45 N erhöht wurde.
• 3 zeigt den Verlauf 30 der Dicke zweier in dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Wafer eines 300 mm Siliciumstabes, und zwar 3 (A) den eines Wafers von der Drahtzufuhrseite 12 des Siliciumstabes 15 in 1 mit Dickenmessung entlang der diametralen Schnittlinie A-A`, und 3 (B) den eines Wafers von der Drahtabfuhrseite 24 des Stabs 15 entlang B-B'. Parallel wurden in 3 (A) und 3 (B) die Dickenverläufe entlang randnaher Sehnen im Bereich längster Drahteingriffslänge, also wenn der Stab zur Hälfte durchgetrennt ist, parallel zur Zentrumslinie A-A' bzw. B-B' gemessen, und zwar einmal (Dickenprofil 27) drahteintrittsseitig (17 in 1) entlang D-D` und einmal (Dickenprofil 29) drahtaustrittseitig (18 in 1) entlang C-C'. Der Einschnitttiefe z = 0 mm entspricht dabei der Durchstoßpunkt 16 (Einschnitt) und z = 300 mm der Durchstoßpunkt 16' (Ausschnitt) der diametralen Schnittlinie B-B` (3 (B)) und analog der diametralen Schnittlinie A-A` (3 (A)), wobei der Durchstoßpunkt derjenige Punkt ist, an dem der Sägedraht in das Werkstück ein- bzw. austritt.
• Die diametralen Dickenprofile von Wafern vom drahtzufuhrseitigen Ende des Stabs weisen stets nur eine schwache oder völlig verschwindende Dickenabnahme 28 im Einschnittbereich auf (3 (A)). Die Dickenabnahme 28 nimmt dann von Wafer zu Wafer vom Drahtzufuhr- zum Drahtabfuhrende des Stabes jedoch kontinuierlich zu und ist schließlich für Wafer vom drahtabfuhrseitigen Ende des Stabes am größten („Einschnittkeil“ 28 in 3 (B)). Dies ist eine völlig unerwartete und nicht naheliegend zu erklärende Beobachtung.
• Ein Erklärungsversuch, der sich auch für das Zustandekommen der anderen Verfahren als wesentlich erwies, beruhte auf folgenden zwei Beobachtungen und Überlegungen:
• Zum Ersten bestehen die beim Einschnitt in Eingriff mit dem Stab gelangenden Drahtabschnitte des Gatters im Wesentlichen aus unverbrauchtem, also dickem Draht, da der vorangegangene Schnitt ja stets in der Montageleiste endet, mit der der Stab an der Zustellvorrichtung befestigt ist. Das Material der Montageleiste - in den aufgeführten Beispielen und Vergleichsbeispielen zu erfindungsgemäßen Verfahren eine Leiste aus Hartkohle - ist zu weich, um einen nennenswerten Drahtverschleiß zu verursachen. Der Schnitt des Drahtgatters in die Kohleleiste erfolgt einige Millimeter tief, damit sicher alle Drahtabschnitte des Gatters den Stab vollständig durchtrennt haben. In den angegebenen Beispielen wurde am Schnittende etwa 7 mm tief in die Montageleiste eingeschnitten.
• Das einige Millimeter tiefe Einschneiden des Drahtgatters in die Kohleleiste dauert lange genug, um durch die Nettobewegung des Drahts über die dabei ablaufenden Pilgerschritte den Drahtvorrat im Gatter mindestens einmal vollständig auszutauschen. Es befindet sich also im Moment des Einschnitts beim darauffolgenden Stab dicker, weil nahezu unverschlissener, Draht im Gatter.
• Zum Zweiten gilt, dass der Einschnitt entweder mit den Drahtabschnitten, die beim vorangegangenen Trennvorgang den Ausschnitt in der Kohleleiste beendet haben, oder durch Draht einer neuen Spule, wenn der nach dem vorangegangenen Trennvorgang auf der Drahtspule verbliebene Drahtvorrat für einen weiteren Trennvorgang nicht mehr ausreicht und die Spule gewechselt werden musste, erfolgt. Da die Kohleleiste leicht zu durchtrennen ist und somit fast keinen Drahtverschleiß verursacht, findet der Einschnitt also stets mit fast frischem (Kohleleiste) oder frischem (Spulenwechsel) Draht statt.
• Es wurde beobachtet, dass an frischem, also glattem Draht nur wenig Slurry anhaftet. Der Slurryfilm, der einen frischen Draht umgibt, ist daher dünn. Nahe der drahtzufuhrseitigen Stirnfläche des Stabes halten sich die Zunahme des Trennspalts durch die erhöhte Dicke des frischen Drahts und die Abnahme des Trennspalts durch die reduzierte Dicke des Slurryfilms etwa die Waage, so dass Wafer, die aus Stabpositionen an der Drahtzufuhrseite des Stabs herausgetrennt wurden, keinen oder nur einen geringen Einschnittkeil aufweisen.
• An der gegenüberliegenden Drahtabfuhrseite des Stabs hat der Draht bereits eine Vielzahl von Trennspalten durchlaufen und somit einem Verschleiß unterlegen. Es wurde beobachtet, dass verschlissener, also rauer Draht von einem wesentlich dickeren Slurryfilm umgeben ist. An der drahtabfuhrseitigen Stirnfläche des Stabes wird die Dickenabnahme des Drahts durch Verschleiß durch die Dickenzunahme des Slurryfilms infolge der Aufrauung des Drahts mehr als ausgeglichen. Dies erklärt aus den gemachten Beobachtungen und angestellten Überlegungen, dass Wafer aus Stabpositionen nahe der Drahtabfuhrseite des Stabs einen ausgeprägten Einschnittkeil aufweisen.
• Insgesamt nimmt der Einschnittkeil, der die erwünscht gleichförmige Dicke eines Wafers beeinträchtigt, somit von Wafern, die aus drahtzufuhrseitigen Stabpositionen herausgetrennt wurden, hin zu Wafern, die aus drahtabfuhrseitigen Stabpositionen herausgetrennt wurden, kontinuierlich zu.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Erzeugen von wesentlich schmaleren Einschnitt-Schnittspalten dadurch, dass die im Gatter vorliegenden Drahtabschnitte im Moment des Einschnitts eine wesentlich höhere Drahtlängsspannung aufweisen als später im weiteren Schnittverlauf mittels der Tänzer eingeregelt wird. Die stark überhöhte Längsspannung einer Drahtquerauslenkung in Axialrichtung des Stabes wirkt der Verbreiterung des Trennspaltes entgegen.
• Es wurde beobachtet, dass bei einem strukturierten Draht die Spannung, bis zu der die Drahtspannung während des Einschnitts erhöht werden kann, sogar noch höher als die maximal für einen glatten, unstrukturierten Draht gleichen Kerndurchmessers wählbare Spannung eingestellt werden kann.
• Ein Teil der Drahtspannungsreserve bis zum Drahtriss wird durch unvorhersehbare momentane Belastungsspitzen verbraucht, die beispielsweise aufgrund der Trägheit der Spannungsregelung durch die Tänzer oder durch unvorhergesehene kurzzeitige Blockaden des Drahttransports in dem aus vielen beweglichen Elementen bestehenden Drahtverlegesystems entstehen.
• Darüber hinaus liefern die Verformungen des im erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt eingesetzten strukturierten Drahts eine zusätzliche Federwirkung, die spontane Spitzen der Drahtlängsspannung absorbieren kann, so dass bei strukturiertem Draht weniger Spannungsreserve bis zum Drahtriss zur Verfügung stehen muss, um noch sicher drahtrissfrei Sägen zu können.
• Unter den verschiedenen strukturierten Drähten konnte Draht mit konstantem Querschnitt und seitlichen Ausbuchtungen („Welldraht“) mit der höchsten, noch sicher drahtrissfreien Spannung eingesetzt werden. Derartiger Draht ist daher bevorzugt.
• Mit zunehmender Drahtlängsspannung zieht sich der Welldraht etwas in die Länge, die seitlichen Auslenkungen werden etwas flacher und der Wirkquerschnitt des Welldrahts nimmt geringfügig ab. Der gewünschte Effekt der Trennspaltverjüngung durch erhöhte Drahtlängsspannung ist also bei Verwendung von Welldraht im erfindungsgemäßen Verfahren besonders ausgeprägt, und die Verwendung von Welldraht wirkt der Entstehung eines Einschnittkeils der erhaltenen Wafer besonders wirkungsvoll entgegen.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Verwendung von Welldraht durch eine erhebliche Vergrößerung der Drahtlängsspannung bis fast zur Bruchgrenze des Drahtes gekennzeichnet. Dabei wird der Wirkdurchmesser des Welldrahts bis praktisch auf den des Glattdrahts, aus dem der Welldraht gebildet wurde, reduziert, ohne dass der Welldraht reißt. Je nach Ausführung des Welldrahts kann der Wirkdurchmesser durch dieses „Glattziehen“ um bis zu 20 µm abnehmen.
• Durch das Glattziehen gehen die durch die Wellstruktur gebildeten „Taschen“ für Slurry verloren und die Slurry-Transportfähigkeit des Drahtes sinkt auf die eines vergleichbaren Glattdrahts, der keine „Taschen“ aufweist.
• Die Verringerung des Slurryfilms, der den Draht umgibt, begünstigt zusätzlich einen engen Trennspalt und führt somit zu einem entsprechend dickeren Wafer, wie es zur Lösung der Aufgabe der Erfindung gewünscht ist.
• Im erfindungsgemäßen Verfahren für das Erzielen eines dünneren Trennspalts im Moment des Einsägens ist es bereits ausreichend, wenn die Drahtabschnitte im Drahtgatter vor dem Einschnitt eine wesentlich höhere Drahtlängsspannung aufwiesen und während des Trennprozesses selbst Draht mit normaler, nicht erhöhter Drahtlängsspannung zugeführt wird.
• So konnte auch hier beispielsweise das Gatter vor Beginn des Trennvorgangs mit Draht unter einer um bis zu 80 % gegenüber der Drahtspannung, bei der der Draht üblicherweise zugeführt wird und bei der auch bei größter Drahteingriffslänge und somit größter Drahtbelastung noch mit Sicherheit kein Drahtbruch auftritt, erhöhten Drahtspannung belegt werden, ohne dass dies zu einem höheren Drahtbruchrisiko beim Einschnitt führte.
• Der Grund hierfür ist, wie beschrieben, dass es einige Zeit dauert, bis sich der mit anderer Drahtspannung dem Gatter zugeführter Draht gleichmäßig drahtlängsspannungsändernd durch das Gatter hindurchgearbeitet und so die Spannung aller Drahtabschnitte im Gatter geändert hat. Bis dies erfolgt ist, ist infolge der Stabzustellung der Schnitt bereits so tief und die Eingriffslängen l der Drahtabschnitte sind so lang, dass infolge dann auftretenden Drahtverschleißes bei geeignet gewähltem Drahtrezept (Wahl der ersten und zweiten Längen des Pilgerschritts in Abhängigkeit von der Einschnitttiefe) einem weiteren Einschnittkeil entgegengewirkt werden kann.
• In verschiedenen Beispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden 300 mm-Siliciumstäbe von Längen bis zu 400 mm in durchschnittlich 350 Wafer aufgetrennt und dabei insgesamt in verschiedenen Trennprozessen je Trennvorgang zwischen 40 und 120 km Draht mit 175 µm Durchmesser eingesetzt, entsprechend zwischen 115 und 340 m Draht je Wafer oder durchschnittlich zwischen 130 und 400 m Draht je Millimeter Einschnitttiefe im Stab. Die Bruchgrenze des Drahts war vom Hersteller mit mindestens 74 N angegeben. Die Länge einer vollständigen Gatterbelegung mit Draht betrug bei der verwendeten Drahtsäge etwa 1200 m (etwa 400 Windungen mit je etwa 2,5 m Länge). Vor Schnittbeginn wurde dem Gatter 1200 m Draht mit 54 N zugeführt und der Trennvorgang begonnen. Infolge der Nettobewegung des Drahts war die Belegung des Drahtgatters demnach bei 3 bis 9 mm Einschnitttiefe bereits vollständig ausgetauscht und alle Drahtabschnitte im Gatter hatten dann die verringerte Grundspannung, mit der der Draht ab Schnittbeginn zugeführt wurde (30 N). Bei Verwendung von 175 µm-Welldraht konnte die erhöhte Grundspannung der Drahtgatter-Vorbelegung sogar auf 60 N und die reduzierte Grundspannung nach Schnittbeginn auf 36 N erhöht werden, ohne dass das Risiko eines Drahtbruchs erkennbar höher wurde.
• Während des Schnitts erfährt der Draht eine vom Zeitspanvolumen abhängige Drahtquerauslenkung in Stabvorschubrichtung, die Drahtdurchbiegung. Diese vergrößert die erforderliche Einschnitttiefe, ab der aufgrund ausreichend zur Verfügung stehenden Spanvolumens ein effektiver Drahtverschleiß stattfindet, zusätzlich.
• Erst die Rückstellkraft des Drahtes aufgrund dieser Drahtdurchbiegung bewirkt ja das Schergefälle im Slurryfilm zwischen den Drahtabschnitten und dem Grund der Trennspalte, an dem der Trennvorgang voranschreitet. Das Schergefälle, also das Verhältnis aus Relativgeschwindigkeit und Filmdicke, bestimmt die Materialabtragsrate; vgl. F.W. Preston, J. Soc. Glass Technol. 11 (1927) 214 - 256.

Claims (4)

1. Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem zylindrischen Werkstück mit einem Durchmesser, wobei das Trennen mit einer Drahtsäge in Gegenwart eines flüssigen Schneidmittels erfolgt, wobei die Drahtsäge umfasst einen Sägedraht, der zwischen drehbaren Drahtführungsrollen ein aus vielen parallel angeordneten Drahtabschnitten bestehendes Drahtgatter aufspannt, wobei die Drahtabschnitte mit einer Längsspannung durch Rotation der Drahtführungsrollen unter fortgesetztem Wechseln zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung, eine Relativbewegung zum Werkstück beschreiben, wobei der Draht während des Drehens in die erste Richtung um eine erste Länge und während des Drehens in die zweite Richtung um eine zweite Länge bewegt wird und die zweite Länge kürzer als die erste ist, wobei zum Zeitpunkt des Einschneidens der Drahtabschnitte in das Werkstück mit einer ersten Einschnitttiefe die Längsspannung der Drahtabschnitte höher ist als zu einem zweiten Zeitpunkt mit einer zweiten Einschnitttiefe, der nach dem Zeitpunkt des Einschneidens liegt und zu dem die Eingriffslänge 1 der Drahtabschnitte in das Werkstück > 0 ist, wobei der Draht ein Monofilament-Stahldraht mit einem ersten Durchmesser ist, der durch plastische Verformung in Drahtquerrichtung mit einer Vielzahl zickzack-förmiger Ausstülpungen und Einbuchtungen versehen wurde, deren Hüllkurve in der Ebene senkrecht zur Drahtlängsrichtung einen zweiten Durchmesser aufweist, wobei der zweite Durchmesser größer als der erste Durchmesser ist, und die Drahtspannung zum Zeitpunkt des Einschneidens der Drahtabschnitte in das Werkstück mit der ersten Einschnitttiefe zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen der Drahtspannung zum zweiten Zeitpunkt mit der zweiten Einschnitttiefe beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Einschnitttiefe von ≤ 2% des Durchmessers des Werkstückes die Längsspannung um ≤ 80% gegenüber der Drahtspannung erhöht ist, die der Draht aufweist, wenn die Eingriffslänge l der Drahtabschnitte gleich dem Durchmesser des Werkstückes ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Einschnitttiefe von ≤ 5% des Durchmessers des Werkstückes die Längsspannung um ≤ 50% gegenüber der Drahtspannung erhöht ist, die der Draht aufweist, wenn die Eingriffslänge l der Drahtabschnitte gleich dem Durchmesser des Werkstückes ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einschnitttiefe zwischen 0 und 5 % der größten Eingriffslänge eines Drahtabschnitts in das Werkstück beträgt.

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