DE2819420A1

DE2819420A1 - Verfahren zum zersaegen eines harten einkristall-rohlings in scheiben

Info

Publication number: DE2819420A1
Application number: DE19782819420
Authority: DE
Inventors: Johannes Grandia; John Charles Hill
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1978-12-14
Also published as: US4084354A; FR2392793A1; AU516065B2; BR7803511A; JPS6159889B2; DE2819420C2; NL7804265A; FR2392793B1; CA1084172A; CH633744A5; JPS542585A; IT7823831A0; AU3483178A; IT1111182B; SE7805925L; GB1555299A; SE429313B

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 1O5O4

bu/se

Verfahren zum Zersägen eines harten Einkristall-Rohlings in Scheiben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sägen eines harten Einkristall-Rohlings in Scheiben mittels einer Innenlochsäge.

Bei der kommerziellen Herstellung von Halbleitervorrichtungen müssen zunächst große Einkristall-Rohlinge oder Barren aus beispielsweise Silizium oder Germanium in Scheiben oder Wafer zersägt werden. Ursprünglich wurde solches Rohmaterial aus Silizium mit einer umlaufenden Piamantsäge zersägt, deren äußerer Umfang oder die Sägeschneide des Sägeblattes mit Diamantstaub besetzt war. Dieses ursprüngliche Sägeverfahren wurde bald aufgegeben, weil das relativ dicke Sägeblatt ziemlichen Materialverbrauch verursachte. Außerdem verursachten Schwingungen des Sägeblattes bei diesem Verfahren Beschädigungen der Seitenflächen der Scheiben. Für die Anwendung der Scheiben in der Halbleitertechnik müssen jedoch die Oberflächen von besonderer Güte sein. Deshalb mußten Beschädigungen durch den Prozess des Sägens durch Abschleifen oder andere Oberflächenveredelungsp rozesse beseitigt werden.

In der Halbleitertechnik wurde bald ein Verfahren eingeführt, das eine sogenannte Innenlochsäge benutzt. Das Sägeblatt in Form eines Kreisringes ist an seinem äußeren Umfange in geeigneter Weise eingespannt und die Sägeschneide wird durch den inneren Umfang des Kreisringes gebildet. Solche Iimenlochsägen für die Herstellung von Siliziumscheiben sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 025 738 und 3 039 235 beschrieben. Die Fign. 1 und 1A zeigen schematisch eine sol-

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ehe Anordnung, wo ein Rohling 10 eines Einkristalls aus Silizium um seine Längsachse gedreht und so bewegt wird, daß er gegen die Sägeschneide 12 des Sägeblattes 14 geführt wird. Der Rohling 10 wird in einer aufrechten Stellung so gehalten, daß seine Längsachse 16 (Fig. 1A) senkrecht zur Ebene des Sägeblattes 14 verläuft. Die Lehre nach diesen Patentschriften berücksichtigt noch nicht die kristallographische Orientierung des Einkristalls. Wie in der Fig. IA angedeutet, könnten die Richtungen der Längsachse 16 und der Kristallachse 20 des Rohlings 10 erheblich divergieren, meistens um mindestens 3 bis 4 . Die durch diese Verfahren erhaltenen Siliziumscheiben hatten daher nicht eine saubere kristallographische Orientierung (1,1,1) oder (1,1,0), wie sie für Halbleitervorrichtungen notwendig ist.

Später wurde ein Verfahren eingeführt, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 3 662 733 beschrieben ist. Dabei wird der Rohling nicht um seine Längsachse gedreht. Wie in den Fign. 2 und 2A schematisch dargestellt ist, wird der Rohling 3O so ausgerichtet, daß seine Längsachse 36 nicht genau senkrecht zur Ebene des Sägeblattes steht, sondern seine Kristallachse 38. Der nicht um seine Längsachse rotierende Rohling 30 wird dann gegen die Sägeschneide 32 geführt, wobei seine Orientierung beibehalten bleibt, bis eine Scheibe vom Rohling abgeschnitten ist. Dieses Verfahren erbringt Halbleiterscheiben mit sauberer kristallographischer Orientierung (1,1,1) oder (1,1,0), solange wie bei der Herstellung der Rohling entsprechend seiner kristallographischen Orientierung in Toleranzen von etwa +0,5° geführt wird.

Mit dem Aufkommen von Magnetblasenspeichern braucht man jetzt

t auch harte Scheiben aus Granatmaterialien, wie beispielsweise Gadolinium-Gallium-Granat (GGG),welche wesentlich härter als allgemein übliche Halbleitermaterialien sind, wie Germanium

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und Silizium. Nach einem amerikanischen Härtemeßverfahren hat beispielsweise Silizium die Härte 650, während GGG den Wert 1200 aufweist. Um Granatrohlinge in Scheiben zu zersägen, wird daher üblicherweise das mit Bezug auf die Fig. 2 beschriebene Verfahren angewendet. Jedoch die wesentlich größere Härte dieser Materialien bringt auch bei diesem Verfahren Probleme mit sich.

Ein großes Problem ist die wesentlich verringerte Standzeit der Sägeblätter. Während man beispielsweise mit einem Innenlochsägeblatt etwa 2000 Scheiben aus Silizium absägen kann, ist mit dem gleichen Sägeblatt die Herstellung von nur etwa 25 bis 50 Scheiben gleicher Größe aus Granatmaterial möglich. Sowohl die Anzahl zusätzlicher notwendiger Sägeblätter als auch der Aufwand an Zeit und Arbeit zum Auswechseln dieser Sägeblätter verteuert das Zersägen von Rohlingen aus Granatmaterial erheblich.

Magnetblasenscheiben erfordern aber Oberflächen, die glatt, eben, parallel und praktisch frei von Gitterfehlern sind. Die Oberflächen von GGG-Scheiben, die man durch Sägen mit einer Innenlochsäge bei nicht rotierendem Rohling erhält, sind rauh, uneben, nicht parallel, d.h., keilförmig, und haben Gitterfehler, die sich bis in beachtliche Tiefe erstrecken können. Um solche Scheiben für die Anwendung brauch- :bar zu machen, muß man beide Seiten der Scheibe Oberflächen-'vergütungsverfahren unterziehen, wie beispielsweise Läppen |und Polieren. Das Läppverfahren verteuert diese Scheiben

erheblich, weil dieser Verfahrensschritt sowohl zeitraubend ist, als auch erhebliche Mengen von Halbleitermaterial unnötig verbraucht.

;Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum ,Zersägen eines harten Einkristall-Rohlings in Scheiben mittels .einer Innenlochsäge anzugeben, um auch Kristalle verarbeiten

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zu können, deren Härte größere Werte als 700 aufweist, wobei auch die Standzeit der Sägeblätter wesentlich erhöht ist, so daß sich Scheiben ergeben, deren Oberflächen bei parallelen Flächen mit wenig Gitterstörungen von ausreichender Güte sind.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich äußert harte Kristalle zu Scheiben mit brauchbaren Oberflächen zersägen. Außer für Gadolinium-Gallium-Granat gilt dies auch für Saphir und dgl. Dementsprechend wird also ein Rohling zunächst vorzugsweise durch Schleifen vorbehandelt, um die longitudinale Rohlingsachse parallel zu seiner kristallographischen Orientierungsachse zu bringen, die bei Halterung in Verarbeitungslage senkrecht zum Sägeblatt liegt. Beim Zersägen wird Sorge dafür getragen, daß diese Orientierung und Ausrichtung beibehalten bleibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Dank der Erfindung ergeben sich Scheiben mit einwandfreien Oberflächeneigenschaften, wobei zudem noch relativ wenige Gitterstörungen zu verzeichnen sind, so daß diese Scheiben an sich direkt poliert werden können, ohne, wie sonst üblich, vorher einen Läppverfahrensgang anwenden zu müssen. Dies schließt allerdings nicht aus, daß bei ganz speziellen Verwendungszwecken der Scheiben auch eine vorherige Läppung durchaus zweckmäßig sein kann.

Die Erfindung wird anschließend anhand eines Ausführungs-

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beispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben. ^O f 3HtV

Fig.l ist eine schematische Draufsicht auf eine Innenlochsäga, die nach einem bekannten Verfahren arbeitet und vrobei der Rohling um seine. Längsachse gedreht wird.

Fig.IA ist eine schematische Darstellung des Rohlings des Einkristalls und zeigt die kristallographische Orientierung bezüglich seiner Längsachse.

Fig.2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Innenlochsäge, die nach einem bekannten Verfahren arbeitet und wobei der Rohling ohne Eigenrotation zersägt wird.

Fig.2A zeigt die kristallographische Orientierung des Rohlings.

Fig.3 veranschaulicht die Reihenfolge der Schritte des neuen Verfahrens.

Fig. 4 ist eine schematische Draufsieht .auf eine Innenlochsäge, welche nach dem beschriebenen Verfahren arbeitet.

Fig.4A ist die zugehörige Darstellung der kristallographischen Orientierung des Rohlings.

Der Rohling des Einkristalls wird vorzugsweise durch

Schleifen so vorbereitet, dass seine Längsachse in die gleiche Richtung wie seine Kristallachse fällt. Dann wird der Rohling in eine Halterung eingesetzt und so ausgerichtet, dass diese gemeinsame Längsachse und Kristallachse sich senkrecht zur Ebene des Sägeblattes erstreckt. Dann wird der Rohling um seine Längsachse gedreht, wobei diese Orientierung beibehalten wird, und er wird genügend lange gegen die Sägeschneide geführt, bis eine entsprechende Scheibe vom Rohling des Kristalles abgesägt ist. Auf diese Weise erhaltene Halbleiterscheiben oder Wafer sind eben, haben parallele Flächen, sind verhältnismässig glatt und haben dementsprechend wenig Gitterfehler. Diese Wafer können daher unmittelbar poliert werden, ohne dass der bisher übliche Verfahrensschritt des Läppens notwendig ist.

Die Verfahrensschritte sind im Flussdiagramm der Fig.3

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stichwortartig aufgeführt. Der wichtige erste Schritt ist das Vorbereiten des Rohlings. Ein solcher Rohling eines Einkristallsaus einem Material wie Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) wird auf herkömmliche Weise gewonnen, beispielsweise nach der Czochralski-Methode. Das beschriebene Verfahren zum Sägen von Halbleiterscheiben kann auf jegliches Exiikristallinaterial angewendet werden, es ist jedoch besonders brauchbar für solche Materialien mit grossen Härtewerten, die oberhalb 700 liegen. Das Verfahren wird im Folgenden beschrieben mit einem Ausführungsbeispiel, bei welchem als Halbleitermaterial Gadolinium-Gallium-Granat verwendet wird. Es ist jedoch für jedes harte Einkristallmaterial verwendbar, wie beispielsweise andere Granate, Saphire oder ähnliche Materialien.

Durch ein übliches Verfahren, beispielsweise mittels Röntgenstrahlen, wird zunächst die kristallographische Orientierung des Rohlings bestimmt. Danach wird der rohe Kristall abgeschliffen in einer sol'.hen Weise, dass beispielsweise die Kristallachse 40 parallel zu oder gleichachsig mit der Längsachse 42 des Rohlings 44 ist, wie in der Fig.4A dargestellt. Die Toleranz für beide Achsenrichtungen sollte innerhalb 0,05 liegen. Wenn nähmlich beide Achsenrichtungen nicht genügend übereinstimmen, dann haben auch die erhaltenen Scheiben nicht die richtige kristallographische Orientierung.

Der nächste Verfahrensschritt ist die kristallographische Ausrichtung. Der Rohling 44, welcher entsprechend der Fig.4A vorbehandelt wurde, wird anschliessend in eine Haltevorrichtung eingesetzt, die irgendeine Klemmvorrichtung oder andere geeignete Vorrichtung 45 aufweist ,um den Rohling 44in seiner bestimmten Lage zu halten. Die Haltevorrichtung 45 für den Rohling wird in nicht dargestellter Weise mit anderen Teilen der Apparatur verbunden, womit der Rohling 44 um seine Längsachse gedreht werden und dabei die eingestellte Ausrichtung präzis aufrechterhalten kann.

Wie in der Fig.4 dargestellt ist, wird der Rohling so mit der Innenlochsäge in Verbindung gebracht, dass sowohl seine Kristallachse als auch seine Längsachse sich senkrecht zur Ebene des Sägeblattes 46 erstrecken. Der innere Umfang des ringförmigen Säge-

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blattes 46 bildet die Sägeschneide 48. Der Rohling 44 wird um seine Längsachse gedreht und dabei gegen die Sägeschneide. 48 bewegt. Während dieses Vorgangs kann über eine Düse 50 Flüssigkeit zugeführt werden, die zum Kühlen und zum gleichzeitigen Schmieren dient. Das Sägeblatt 46 läuft'in dem durch den eingezeichneten Pfeil angedeuteten Umlaufsinn um. Vorzugsweise rotiert der Rohling im gleichen UmIaufsinn. Die Richtung und Menge der Kühl- und Schmierflüssigkeit wird entsprechend eingestellt. Das Sägeblatt 46 läuft mit verhältnismässig hoher Geschwindigkeit um, beispielsweise mit 2000-2500 je Minute.

Der Rohling dreht sich um seine Längsachse mit einer verhältnismässig geringen Geschwindigkeit, die grossenteils von der Apparatur, insbesondere der Präzision der Lagerung und des Antriebs abhängt. Beispielsweise erlauben Luftlager oder hydrostatische Lager eine höhere Umlaufgeschwindigkeit als mit Kugellagern ausgerüstete Antriebe. Je nach Ausführung der Apparatur liegt die Drehgeschwindigkeit des Rohlings im Bereich zwischen 10 und Umdrehungen je Minute. Ob man jedoch insbesondere die höheren Umlaufgeschwindigkeiten erreichen kann, hängt weitgehend von der verwendeten Apparatur ab. In der folgenden Tabelle sind einige Versuchsergebnisse dargestellt.

spiel	Umlauf Rohling U/min	Anzahl Wafer	Sägespuren Tiefe	Anzahl Wafer je Sägeblatt	Ebenheit cm/cm	Paral lelismus cm/cm
1	0	25	annehmbar	5	0,0010	0,0005
2	30	85	annehmbar	17	0,0002	0,0002
3	45	192	annehmbar	38	0,0002	0,0002
4	50	a)	ungenügend	—	—	—

a) starke Sägespuren

Im Beispiel Nr. 1 erfolgte keine Eigendrehung des Rohlings. Es konnten 25 Scheiben mit etwa 5 cm Durchmesser aus Gadolinium-Gallium-Granat abgesägt werden, bis das Sägeblatt unbrauchbar wurde. Bei einem Verfahren gemäss der Erfindung, wie in Beispiel 2 gezeigt, wurden 85 Scheiben abgesägt, bevor das Sägeblatt unbrauchbar wurde. Dabei erfolgte die Eigendrehung des Rohlings mit 30 Umdrehungen je

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Minute. Im Beispiel Nr.3 mit einer Eigendrehung des Rohlings von 45 Umdrehungen je Minute wurden sogar 192 Scheiben erreicht.

Im Beispiel Nr. 4 erfolgte die Eigenumdrehung des Rohlings mit 50 Umdrehungen je Minute zu schnell. Die Erschütterungen und Vibrationen der Apparatur bewirkten, dass die erhaltenen Scheiben zu rauh ausfielen, um noch brauchbar zu sein. Die erhaltenen Scheiben zeigten also starke Sägespuren. Die Tiefe solcher Sägespuren wurde . bei den Beispielen danach beurteilt, wie sich die Scheiben verhielten, wenn sie anschliessend nach einem üblichen Verfahren poliert wurden. Die durchschnittliche Tiefe der Sägespuren war noch annehmbar für die Beispiele 1,2 und 3. Aber es war bei den Beispielen 2 und 3 leichter, die Tiefe der Sägespuren im annehmbaren Rahmen zuhalten, als bei dem Beispiel 1, welches das bisher gebräuchliche Verfahren betrifft. Dies wird dadurch veranschaulicht, wie oft das Sägeblatt neu zugerichtet werden musste. Im Beispiel 1 musste das Sägeblatt nach je 5 Scheiben erneuert werden. Dem gegenüber konnten in einer Standzeit des Sägeblattes bei den Beispielen 2 und 3 17 bzw. 38 Scheiben abgesägt werden.

Die Ebenheit und der Parallelismus der Scheiben wurde mit einem herkömmlichen Messtaster untersucht, welcher die Messwerte in cm/cm des Auslaufens angab. Die für die Ebenheit gemessenen, Werte von 0,0002 für die Beispiele 2 und 3 waren besser als der Wert; OjOOlOyder für das Beispiel nach dem herkömmlichen Verfahren erzielt' wurde. Die Messwarte 0,0002 für den Parallelismus bei den Beispielen 2 und 3 waren ebenfalls besser als der Wert 0,0005, welcher für das Beispiel 1 nach den herkömmlichen Verfahren erzielt wurde. Die Wafer nach den Beispielen 2 und 3 wurden visuell untersucht und ihre Oberflächen als ausreichend glatt befunden.

Die verbesserten Werte für Ebenheit und Parallelismus der Scheiben und die erheblich geringere Anzahl von Gitterfehlern erlaubt es nun, dass eine Scheibe aus Gadolinium-Gallium-Granat sofort poliert werden kann, ohne dass es notwendig ist, die Flächen der Scheiben zuerst zu läppen. Die nachdem herkonunlichen Verfahren hergestellten Scheiben des Beispiels 1 mussten nämlich zuerst auf beiden

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Seiten, geläppt v/erden und anschliesscnd poliert, damit die Water ausreichend eben und parallel genug waren und auch genügend wenig Gitterstörstellen aufwiesen, um als Trägermedium für Magnetblasen geeignet zu sein. Die nach den Beispielen 2 und 3 erhaltenen Scheiben waren von gleich guter Qualität. Sie waren für die Anwendung in Magnetblasenvorrichtungen.schon dadurch geeignet, dass man sie auf beiden Seiten polierte, ohne sie erst vorher läppen zu müssen. Wenn man ein Trägermedium für llagnetblasen von hervorragender Qualität erhalten will, genügt es, nur eine der Oberflächen vor dem Polieren zu läppen.

Das beschriebene Verfahren ist besonders geeignet für harte Einkristallmaterialien wie Gadolinium-Gallium-Granat, Granate, Saphire oder ähnliche Materialien, weil es damit möglich ist, diese harten Materialien leichter als mit den bisherigen Methoden zu sägen und doch dabei Wafer mit überragend guten Eigenschaften zu erhalten. Das beschriebene Verfahren kann jedoch auch mit Vorteil bei weicheren Materialien wie Germanium oder Silizium verwendet werden, wenn es auf besondere Anforderungen bezüglich der Ebenheit und des Parallelismus ankommt.

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Claims

2813420 - y- PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Zersägen eines harten Einkristall-Rohlings, vorzugsweise aus Gadolinium-Gallium-Granat oder Saphir, in Scheiben mittels einer Innenlochsäge, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst zur eindeutigen Orientierung der Längsachse (42) des Rohlings mit einer ausgezeichneten kristallographischen Achse (40) die Oberfläche des Rohlings (44) zubereitet wird, daß dann der Rohling in eine Halterung (45) so eingesetzt wird, daß die genannte Achse sich senkrecht zur Ebene des Sägeblattes (46) der Innenlochsäge erstreckt, und daß während des Absägens einer Scheibe der Rohling um die genannte Achse gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zubereitung des Rohlings so erfolgt, daß die sich ergebende Längsachse von der Kristallachse höchstens um 0,1° abweicht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Längsachse von der Kristallachse kleiner als 0,05° ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Sägens der Rohling mit einer Drehzahl zwischen 10 und 100 Umdrehungen je Minute um seine Längsachse gedreht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling mit einer Drehzahl zwischen 10 und 45 Umdrehungen je Minute gedreht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling und das Sägeblatt im gleichen Sinne rotieren.

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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling und das Sägeblatt im gegenläufigen Sinne rotieren.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abschließend mindestens eine Seite einer jeweiligen Scheibe poliert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß_/insbesondere zur Verwendung in Magnetblasen-Funktionseinheiten, die zu polierende Seite einer Scheibe vorher geläppt wird.

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