Innovationspotentiale durch Quasipunkteingriff beim Drahttrennläppen

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1 Innovationspotentiale durch Quasipunkteingriff beim Drahttrennläppen Prof. Dr.-Ing. habil. K. Künanz, Dr.-Ing. Erdmann Knösel, Dipl.-Ing. (FH) Oliver Naumann, Dipl.-Ing. Gunnar Leitte, Dipl.-Ing. (FH) Christian Seifert 1 Einleitung Die in den folgenden Abschnitten dargestellten Arbeiten und Ergebnisse sind integraler Bestandteil im Rahmen des Verbundprojektes "NEON 200 mm x 200 mm x 200 µm Wafer". Für die Fertigung dieser so genannten Thin-Wafer für die Photovoltaikindustrie stellen die Untersuchungen zum Quasipunkteingriff beim Drahttrennläppen einen Teil der Verfahrensentwicklung dar. Es sollen die grundlegenden theoretischen Zusammenhänge, Vor- und Nachteile des Verfahrens sowie erste Versuchsergebnisse aufgezeigt werden. 2 Das Verfahren Drahttrennläppen Obwohl das Verfahren mit der Anwendung zum Trennen von Jadescheiben um 1900 v. Chr. im alten China eines der ältesten Fertigungsverfahren der Welt ist, konnte es sich erst seit etwa 20 Jahren als industrielles Fertigungsverfahren zum Trennen von überwiegend sprödharten Materialien durchsetzten. Abb. 2.1: (a) Verfahrensprinzip des Drahttrennläppens, v f Vorschubgeschwindigkeit, v D Drahtgeschwindigkeit (b) Querschnitt durch den Läppspalt /Kün-04/ In Abbildung 2.1 ist das Verfahrensprinzip dargestellt. Dabei wird ein endlicher, nur etwa µm dünner und hochfester Stahldraht so geführt, dass sich ein paralleles Drahtgitter ergibt. Ein Vorteil des Verfahrens ist seine hohe Produktivität. Sie ergibt sich vor allem daraus, dass bis zu mehrere tausend Wafer gleichzeitig hergestellt werden können. Der Draht wird mit hoher Drahtgeschwindigkeit v D zwischen 5 10 m/s axial bewegt und dabei mit einem Läppgemisch, der Slurry, umspült. Die Vorschubgeschwindigkeit ist vom Werkstoff sowie der Größe und Anzahl der Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 1

2 herzustellenden Wafer abhängig. Diese Slurry besteht aus einer flüssigen Trägerphase, wie z.b. Öl, Wasser oder Glykol und dem Läppmittel, für die Bearbeitung von Silizium meist Siliziumcarbid, für andere Anwendungen aber auch Korund, Borcarbid und Diamant /Kün-04/. Im Unterschied zu den allgemein bekannten Läppverfahren ist für die Gestalterzeugung der getrennten Wafer, nicht die Hauptläppfläche, welche abgearbeitet wird, sondern die Nebenläppfläche von Bedeutung (Abb. 2.1 b). Weiterhin ist die bei der konventionellen Läppbearbeitung unregelmäßige Bewegungsrichtung beim Drahttrennläppen nicht realisierbar. Die gerichtete Bewegung der Läppkörner spiegelt deren Verschleiß im Arbeitsergebnis wider. So entsteht die charakteristische Trompetenform des Läppspaltes und damit eine Dickenzunahme der getrennten Wafer in Bewegungsrichtung des Drahtes. (Abb. 2.2). Abb. 2.2: Typische Dickenzunahme der Wafer in Richtung Drahtgeschwindigkeit aufgrund des Läppmittelverschleißes, d Drahtdurchmesser, v D Drahtgeschwindigkeit, T Teilung /Kün-04/ Diese Formabweichung der Wafer wird maßgeblich durch die Streuung der Korngrößenverteilung der Läppkörner bestimmt. Bei großen Streuungen ergibt sich eine höhere Keiligkeit der Scheiben, da sich vorrangig nur die größten Körner am Läppprozess beteiligen und erst mit deren Verschleiß die Körner mit mittlerer Korngröße zum Einsatz kommen und den Abstand zwischen Draht und Waferoberfläche bestimmen /Tsch-04/. Bei der beabsichtigten Herstellung von Thin-Wafern für die Photovoltaik aber auch bei anderen Anwendungen tritt diese Keiligkeit als kritischer Qualitätsparameter der getrennten Wafer auf. Zur Vermeidung der Keiligkeit gibt es verschiedene Ansätze. Beim Drahttrennläppen mit oszillierender Drahtbewegung wird die Keiligkeit in die Oberflächenrauheit verlagert. Es entstehen zwar annähernd quasi-gleichdicke Wafer, die starken Riefen in der Oberfläche erfordern jedoch eine Nachbearbeitung. Eine Vermeidung der Keiligkeit durch Ausgleich mit entsprechend unterschiedlichen Rillenabständen der Drahtführungswalzen sowie die ständige Zufuhr von frischem unverschlissenem Läppgemisch durch rotierenden Draht sind nur aus der Patentliteratur bekannt. Eine weitere, allerdings kostenintensivere Alternative ist die Verwendung von wesentlich verschleißfesteren Läppmitteln wie Borcarbid oder Diamant. Im Folgenden Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 2

3 soll nun die Möglichkeit zur Vermeidung der Keiligkeit unter Verwendung des Quasipunkteingriffes dargestellt werden. 3 Quasipunkteingriff beim Drahttrennläppen Neben weiteren Vorteilen sind die primären Ziele des Drahttrennläppens mit Quasipunkteingriff eine höhere Produktivität und die Vermeidung der Keiligkeit. Der Quasipunkteingriff beim Drahttrennläppen, welcher durch einen kurzen Eingriffbogen gekennzeichnet ist, kann durch unterschiedliche Kinematiken erzeugt werden. Er kann durch pendelndes Drahtfeld oder pendelndes bzw. rotierendes Werkstück entstehen. Die Pendel- oder Rotationsbewegung bewirkt ein sich ständig wiederholendes Überstreichen der kurzen Eingriffstelle über dem Gesamteingriffbogen mit dem Pendelbzw. Rotationsradius. Abbildung 3.1 zeigt das Prinzip des Quasipunkteingriffes. Abb. 3.1: Verfahrensprinzip Quasipunkteingriff, v QPE stellt die Umfangsgeschwindigkeit des Quasipunkteingriffes dar /Lei-04/ Mit dem benetzten Draht gelangt stets frische Slurry an die wandernde Stelle des Quasipunkteingriffes mit der relativ kleinen Engriffslänge l m in Relation zur Gesamtbreite des Ingots. Es wird damit grundsätzlich die Möglichkeit eröffnet, der oben beschriebenen Keiligkeit der Wafer entgegen zu wirken. In Abbildung 3.2 ist das Modell zum Drahttrennläppen mit Quasipunkteingriff dargestellt. Durch die Vorschubbewegung des Werkstückes gegen den vorgespannten Draht entsteht in Vorschubrichtung die Vorschubkraft F f. Nur im Bereich des Eingriffsbogens befindet sich der Draht mit dem Werkstück über die Läppkörner in Kontakt. Für diesen Bereich wird der mittlere Läppdruck definiert. Ohne Pendeln, würde die Eingriffslänge l m der Werkstückbreite b entsprechen. Da die Vorschubkraft infolge der nicht zu überschreitenden Zugfestigkeit des Drahtfeldes begrenzt ist, kann der Läppdruck beim Quasipunkteingriff durch Verringerung der Eingrifflänge gegenüber dem konventionellen Drahttrennläppen gesteigert werden. Über die damit in Verbindung stehenden Vorteile wird weiter unten berichtet. Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 3

4 mittl. Läppdruck : p o Vorschubkraft F f p o = l m o F f d n Anzahl Drahtspannung s D Drahtdurchzugkraft F D Ingot d = Drahtdurchmesser n = Anzahl der Drähte Eingrifflänge l m z Draht Eingriffbogen Drahtgeschwindigkeit v D Gesamteingriffbogen ohne Pendeln: l m = b y x Werkstückbreite b Abb. 3.2: Modellierung des Quasipunkteingriffes /Lei-04/ Zur Absicherung einer über die gesamte Waferhauptfläche konstanten Qualität des Wafers ist die Einhaltung des Quasipunkteingriffes sowohl in seinen geometrischen als auch seinen kinematischen Eigenschaften unabdingbar. Dazu zählen insbesondere die Eingriffslänge l m und die Geschwindigkeit des Quasipunkteingriffes. Die aus der Patentliteratur bekannt gewordenen Kinematiken erfüllen die genannten Anforderungen entweder gar nicht oder nur unzureichend. Es wurde daher eine nicht näher zu beschreibende Einrichtung entwickelt, gebaut und erprobt, die weitestgehend diesen Anforderungen genügte. Entsprechend Abbildung 3.3 werden die Nachteile deutlich, wenn es nicht gelingt, die mit der Vorschubbewegung einhergehende Verkleinerung des Pendelradius durch eine ständige Vergrößerung und Anpassung des Pendelwinkels zu kompensieren. v QPE,o v QPE,u Schenkel des Pendelwinkels a 1 Eingriffbogen, an dem sich ein Radius ausbildet Pendelwinkel a 1 Pendelwinkel a 2 Eingriffgerade Abb. 3.3: Wechselwirkung Gesamteingriffsbogenradius und Pendelradius /Lei-04/ Wenn dieser notwendige Regelmechanismus nicht vollständig gelingt, bilden sich an den Wirkstellen außerhalb des Pendelbereiches unerwünschte Eingriffsgeraden an Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 4

5 denen kein Quasipunkteingriff realisiert werden kann und wo die Vorschubgeschwindigkeit nur in ihrer Teilkomponente wirksam ist. Des Weiteren ist es unerlässlich, die Pendelachse in den Koordinaten x und y exakt zum Drahtfeld auszurichten. Mögliche Auswirkungen sind in Abbildung 3.4 zu erkennen. Stelle mit in y- Richtung hohem Läppdruck Stelle mit in y-richtung nur leicht erhöhtem Läppdruck Stelle mit in y- Richtung hohem Läppdruck Draht Pendelbewegung Ergebnis y z x aufgrund der Pendelauslenkung in negative y-richtung bewegter Ingot Abb. 3.4: Wafergeometrie mit dejustierter Pendelachse /Lei-04/ Jeweils entsprechend der möglichen Pendelauslenkung, bewirkt ein verstärkter Läppdruck auf die Nebenläppflächen des Wafers an den Ein- und Austrittsstellen des Ingots, ggf. gewollte aber im Allgemeinen ungewollte konvexe Oberflächen. Die Justierung der Pendelachse zum Drahtfeld erfolgt mit einer speziellen Vorrichtung, die an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden soll. Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 5

6 4 Erfolgversprechende Ergebnisse beim Drahttrennläppen mit Quasipunkteingriff 4.1 Steigerung der Produktivität mittels Quasipunkteingriff Grundsätzlich gilt beim Drahttrennläppen von Silizium, dass bei einer Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit der sich einstellende Läppdruck im Wirkspalt geringer zunimmt als die Zunahme der Vorschubgeschwindigkeit /Kün-04/. Diesen Zusammenhang verdeutlicht die Abbildung 4.1, wo der Läppdruck bei Silizium nur mit 66 % einer Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit folgt. 0,1 mittlerer Läppdruck p [N/mm²] 0,08 0,06 0,04 0,02 Silizium Aluminiumguss Abb. 4.1: /Gas-03/ 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Vorschubgeschwindigkeit v f [mm/min] Mittlerer Läppdruck in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v f Damit sind grundsätzlich Vorschubgeschwindigkeitssteigerungsmöglichkeiten gegeben, wenn alle folgenden notwendigen Restriktionen eingehalten werden: Maximal begrenzte Vorschubkraft infolge der Drahtzugfestigkeit Qualitätkriterien am Werkstück Riefenbildung infolge des seitlichen Auswanderns des Drahtfeldes oder eines einzelnen Drahtes Unzulässig hohe Randzonenschädigungen infolge zu kräftiger Indentereindrücke am Werkstück Unzulässig vergrößerte Rauheit am Werkstück Überschreitung der Bruchzähigkeit des Läppkornes und damit in der Folge Zusammenbruch des Wirkmechanismus. Beim Quasipunkteingriff wird die Eingriffslänge wesentlich verkürzt und bei vergleichbaren Vorschubkräften der Läppdruck erhöht. Nunmehr besteht die Möglichkeit Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 6

7 einer Steigerung der Vorschubkraft bis an die oben beschriebenen Grenzen durch Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit. Da aber der Läppdruck einer Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit nur mit 66 % folgt, sind überdurchschnittliche Produktivitätsreserven erschließbar. Dies wird aus Abbildung 4.2 deutlich, wo experimentell der Nachweis für eine Produktivitätserhöhung um 50 % erbracht werden konnte. Mittlere gemessene bezogene mittl. bezogener Läppdruck p Drahtdurchzugskraft F D,b,M mb [N/mm²]* [N/mm²] 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 Pendeldrahttrennläppen 0,01 Drahttrennläppen ohne Pendelbewegung 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Vorschubgeschwindigkeit v f [mm/min] Abb. 4.2: Produktivitätsvergleich mit und ohne Quasipunkteingriff /Lei-04/ 4.2 Verringerung bzw. Beseitigung der Keiligkeit der Wafer Infolge des geometrisch kinematischen Wanderns des Quasipunkteingriffes in Verbindung mit der damit geschaffenen Zufuhrmöglichkeit stets frischer, unverschlissener Slurry direkt bis an die Wirkstelle, sind die Voraussetzungen geschaffen, die Keiligkeit der Wafer entscheidend zu verringern oder auch zu beseitigen. In Abbildung 4.3 sind Messergebnisse mit und ohne Quasipunkteingriff aufgezeigt, die dieses vorteilhafte Ergebnis belegen. Die Dickenvariation der Wafer konnte beim Drahttrennläppen mit Quasipunkteingriff deutlich auf 5 µm reduziert werden. Bei der Bearbeitung ohne Quasipunkteingriff variiert die Waferdicke aufgrund der auftretenden Keiligkeit um ein Vielfaches. Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 7

8 Örtliche Waferdicke D W [µm] Verlauf der örtlichen Waferdicken mit und ohne Quasipunkteingriff ohne Quasipunkteingriff mit Quasipunkteingriff Breite B j des Wafers [mm] Abb. 4.3: Verringerung der Keiligkeit /Lei-04/ 4.3 Vermeidung der Riefenbildung im Bereich Drahtaustritt Versuche an Wafern mit einer Breite von 210 mm ergaben beim konventionellen Drahttrennläppen Riefen im Austrittsbereich des Drahtes. Beim richtigen Einsatz des Drahttrennläppens mit Quasipunkteingriff ist diese auf den Verschleiß der Läppkörner zurückzuführende Riefenbildung zu umgehen. Darüber hinaus wird es denkbar, auch noch wesentlich breitere Ingots bis über 300 mm riefenfrei fertigen zu können. 4.4 Verbesserung der gemittelten Oberflächerauheit R Z Mit der Realisierung des Quasipunkteingriffes ist ein nicht unwesentlicher weiterer Vorteil in Form der Verkleinerung der Oberflächenrauheit an den Waferoberflächen verbunden. Dies resultiert aus der durch die Pendelbewegung hervorgerufenen wiederholten Überläppung der Nebenläppflächen. Seitlich des Drahtes werden durch die Wechselwirkung zwischen der Waferoberfläche und den Läppkörnern bei geringen Kräften die Oberflächen eingeebnet. Gestützt wird diese Hypothese durch Versuche mit unterschiedlichen Pendelwinkeln. Deren Ergebnisse sind in Abbildung 4.4 aufgezeigt. Ein vergrößerter Pendelwinkel erhöht die Anzahl der Überläppungen der Nebenläppflächen, was zu vermehrter Glättung der Oberfläche und damit zu geringeren Rauhtiefen R z führt. Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 8

9 6,5 Gemittelte Rauhtiefe R z [µm] 6 5,5 5 4,5 4 3, Pendelwinkel a [ ] Abb. 4.4: 04/ Verringerung der Rauhtiefe durch Vergrößerung des Pendelwinkels /Lei- 5. Zusammenfassung Ausgehend von einer kurzen Beschreibung des bekannten Drahttrennläppverfahrens mit seinem Wirkmechanismus zum Trennen von Siliziumwafern wird auf die kinematisch und geometrisch neue Variante des Verfahrens in Form des Quasipunkteingriffs eingegangen. Das neue Verfahren mit seinen Besonderheiten wird beschrieben. Besonders herausgestellt werden Möglichkeiten zur Produktivitätssteigerung, zur Verringerung bzw. Vermeidung der Keiligkeit an den Wafern, zur Vermeidung von Riefenbildung am Drahtaustritt bei großen Waferbreiten und der Verbesserung der Oberflächenrauheit an den Waferoberflächen. Literatur /Kün-04/ Künanz, Knösel, Seifert, Lösche, Gaßmann: Werkstückqualität und Produktivität beim Drahttrennläppen von nichtmetallischen und metallischen Werkstoffen. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, Ausgabe 61, S. 233, 2004 /Tsch-04/ Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik, 7. Auflage 2004 /Leit-04/ /Gas-03/ Leitte: Erhöhung der Qualität durch Quasipunkteingriff beim Drahttrennläppen von Siliziumwafern, Diplomarbeit TU Dresden, 2004 Gaßmann: Ökonomischer Verfahrensvergleich Drahttrennläppen, Diplomarbeit TU Dresden, 2003 Forschungsergebnisbericht 2004 Seite 9

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