Способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины



Способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины
Способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины
Способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины

 


Владельцы патента RU 2429964:

Закрытое акционерное общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" (RU)

Изобретение относится к области обработки поли- и монокристаллических слитков полупроводниковых материалов с целью разделения их на пластины и может быть использовано при изготовлении пластин, используемых в производстве полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Техническим результатом является увеличение производительности процесса резки. Способ включает фиксацию слитка на оправке с помощью клеящей мастики, подачу слитка в горизонтальном направлении боковой поверхностью сквозь совершающие циклическое возвратно-поступательное движение вертикальные ряды смачиваемой абразивной суспензией проволоки вплоть до полного прорезания слитка, слиток фиксируют на оправке торцевой частью. Причем между боковой поверхностью слитка и оправкой размещают слой вязкой мастики, оправку с приклеенным слитком располагают вертикально свободным торцом вниз под углом не менее 7° к виртуальной плоскости, в которой расположены ряды проволоки, а подачу слитка осуществляют сквозь ряды проволоки, совершающие циклическое возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости. 3 ил.

 

Изобретение относится к области обработки поли- и монокристаллических слитков кремния с целью разделения их на пластины и может быть использовано при изготовлении пластин, используемых в производстве полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Известен способ проволочной резки кремниевого слитка, который предусматривает фиксацию разрезаемого слитка на держателе и резку слитка движущейся со скоростью 700÷800 м/с в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси слитка проволокой, армированной алмазной крошкой [1].

Указанный способ имеет следующие недостатки:

- высокая стоимость инструмента, обусловленная использованием в качестве режущего инструмента высокопрочной стальной проволоки, армированной абразивным материалом из искусственных или природных алмазов;

- большие потери кремния при резке, обусловленные тем, что резка осуществляется с весьма большой (V~5÷10 мм/мин) скоростью, при этом ширина реза оказывается весьма значительной, а в области реза возникают значительные механические нарушения;

- малая производительность метода, обусловленная тем, что резка производится одиночной проволочной пилой.

В настоящее время данный способ резки применяется только для раскройки слитка, резки слитка на мерные заготовки, а также для отрезания от слитка толстых тестовых шайб для контрольных операций.

Известен способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины, включающий приклейку с помощью клеящей мастики слитка боковой поверхностью к оправке, закрепленной на держателе, подачу слитка в направлении сверху вниз боковой поверхностью сквозь ряды проволоки, совершающей возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости, и резку слитка рядами проволоки с подачей в область резания абразивной суспензии вплоть до прорезания слитка до оправки [2].

Основное достоинство резки параллельными рядами проволоки заключается в том, что этим методом получают резаные пластины с минимальными поверхностными нарушениями структуры ввиду малых термодинамических напряжений, возникающих в зоне контакта инструмента с разрезаемым слитком.

Такой способ позволяет выполнять одновременно разрезку слитка на большое количество пластин, при этом за счет обеспечения наименее возможной из всех существующих методов резки толщины отрезаемых пластин и ширины пропила достигается большая экономия обрабатываемых материалов [3].

Сущность способа поясняется фиг.1, на которой представлена схема устройства, обеспечивающего осуществление процесса резки, где:

1 - слиток кремния;

2 - оправка из эпоксидной композиции;

3 - слой клеящей мастики;

4 - держатель;

5 - проволока;

6 - цилиндрические барабаны;

Vc - скорость подачи слитка сквозь ряды проволоки, мм/мин;

Vп - скорость движения проволоки, м/с;

- направления перемещения проволоки.

Проволочная пила представляет собой проволоку 5 из высокопрочной стали толщиной 0,08÷0,15 мм с наружным покрытием толщиной до 20 мкм из мягкого металла (как правило, это медь). С помощью автоматизированного укладчика станка резки формируют ряды проволоки 5 между барабанами 6.

Барабаны 6 представляют собой цилиндры длиной ~300 мм, на поверхности которых сформировано до 800 шт кольцевых канавок, расположенных на расстоянии 100÷200 мкм друг от друга, в которые и происходит укладка проволоки автоматизированным укладчиком [3].

Слиток 1 закрепляют боковой поверхностью на оправке 2 с помощью клеящей мастики 3, после чего оправку с закрепленным на ней слитком фиксируют в держателе 4. Как правило, фиксацию оправки на держателе осуществляют креплением типа «ласточкин хвост».

Проволоку приводят в движение со скоростью Vп=4÷12 м/с, циклически изменяя направление движения проволоки на противоположное, в результате чего обеспечивается синхронное возвратно-поступательное перемещение рядов проволоки 5 между барабанами 6.

Слиток 1 боковой поверхностью опускают до соприкосновения с виртуальной плоскостью, образованной движущимися рядами проволоки 5, и устанавливают заданную скорость подачи слитка Vc=0,3÷1,0 мм/мин.

При этом на проволоку через щелевые сопла распылителей (на фиг.1 не показаны) непрерывно подается абразивная суспензия, частицы абразива из которой (обычно это частицы карбида кремния SiC размером 4÷15 мкм), захваченные поверхностью движущейся проволоки, собственно и осуществляют процесс резки.

Взаимодействие абразивных зерен с полупроводниковым материалом приводит к появлению микротрещин и выколов в последнем и послойному удалению обрабатываемого материала.

При малых скоростях подачи кремниевого слитка (Vc=0,3÷0,4 мм/мин, т.е. когда прикладываемое усилие невелико) происходит незначительное его разрушение. При этом ширина реза обеспечивается на уровне 0,08÷0,2 мм.

При указанных режимах слиток ⌀ 150 мм в процессе резки будет разделен на 600÷700 пластин толщиной до 200 мкм за 6÷7 час.

К недостаткам, присущим этому способу, относится следующее:

- повышенный износ нижнего барабана, обусловленный тем, что абразивная суспензия, подаваемая на верхние ряды проволоки, частично стекает вниз и попадает на нижний барабан, что и приводит к его преждевременному износу по сравнению с горизонтальными барабанами;

- время, необходимое для разделения разрезанного слитка на отдельные пластины, составляет до 10% времени резки, что определяется технологией разделения: оправку с прикрепленными к ней пластинами снимают с держателя и располагают наклонно в ванне с холодной (Т=15÷20°С) водой, затем в течение 30÷40 мин плавно поднимают температуру воды до Т~70°С, в результате чего мастика размягчается, и пластины отделяют от оправки.

Известен способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины, включающий приклейку с помощью клеящей мастики слитка боковой поверхностью к оправке, закрепленной на держателе, подачу слитка в горизонтальном направлении боковой поверхностью сквозь ряды проволоки, совершающей возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости, и резку слитка рядами проволоки с подачей в область резания абразивной суспензии вплоть до прорезания слитка до оправки [4].

Сущность способа поясняется фиг.2, на которой представлена схема устройства, обеспечивающего осуществление процесса резки, где:

1 - слиток кремния;

2 - оправка из эпоксидной композиции;

3 - слой клеящей мастики;

4 - держатель;

5 - проволока;

6 - цилиндрические барабаны;

7 - форсунки подачи абразивной суспензии;

8 - привод горизонтального перемещения слитка;

Vc - скорость подачи слитка сквозь ряды проволоки, мм/мин;

Vп - скорость движения проволоки, м/с;

- направления перемещения проволоки.

Недостатком данного способа проволочной резки является снижение производительности процесса, обусловленная необходимостью демонтажа оправки с прорезанным слитком, помещения оправки в ванну с холодной водой с плавным нагревом воды до размягчения мастики и последующим отделением пластин от оправки.

Задачей изобретения является увеличение производительности процесса резки.

Это достигается тем, что при резке кремниевого слитка на пластины, предусматривающей фиксацию слитка на оправке с помощью клеящей мастики, подачу слитка в горизонтальном направлении боковой поверхностью сквозь совершающие циклическое возвратно-поступательное движение вертикальные ряды смачиваемой абразивной суспензией проволоки вплоть до полного прорезания слитка, слиток фиксируют на оправке торцевой частью, причем между боковой поверхностью слитка и оправкой размешают слой вязкой мастики, оправку с приклеенным слитком располагают вертикально свободным торцом вниз под углом не менее 7° к виртуальной плоскости, в которой расположены ряды проволоки, а подачу слитка осуществляют сквозь ряды проволоки, совершающие циклическое возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости.

В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование вертикальной ориентации слитка под небольшим углом к плоскости рядов проволоки, с размещением между боковой поверхностью слитка и оправкой слоя вязкой мастики, с целью исключения операции последующего отделения отрезанных пластин от оправки.

Сущность изобретения поясняется фиг.3, где:

1 - слиток кремния;

2 - оправка из эпоксидной композиции;

3 - слой клеящей мастики;

4 - держатель;

5 - проволока;

8 - привод горизонтального перемещения слитка;

9 - слой вязкой мастики;

10 - виртуальная плоскость расположения рядов проволоки;

11 - ось слитка;

φ - угол наклона слитка к виртуальной плоскости расположения рядов проволоки, °;

Vc - скорость подачи слитка сквозь ряды проволоки, мм/мин;

Vп - скорость движения проволоки, м/с;

- направления перемещения проволоки.

Для реализации заявляемого способа используют Г-образную оправку 2, изготавливаемую из эпоксидной композиции.

Слиток 1 приклеивают торцом к короткому плечу оправки 2 с помощью клеящей мастики 3 (смесь из 60 г клея «APALDITE AV 144-2» и 40 г клея «HARDENER HV 997»), а между боковой поверхностью слитка 1 и длинным плечом оправки 2 размещают слой вязкой мастики 9. Оправку 2 с закрепленным слитком 1 фиксируют в держателе 4, после чего производят ориентацию оси слитка 11 относительно виртуальной плоскости 10, образованной движущимся рядам проволоки 5, под углом φ~7°.

Слиток 1 боковой поверхностью с помощью привода горизонтального перемещения 8 подают в сторону рядов проволоки 5, при этом на проволоку через щелевые сопла распылителей (на фиг.3 не показаны) осуществляют подачу абразивной суспензии, содержащей частицы карбида кремния SiC.

Ориентированный таким образом слиток 1 со скоростью Vп=0,3÷0,4 мм/мин подают сквозь ряды проволоки 5, при этом разрезание слитка начинается со стороны нижнего свободного торца. Слиток в процессе резки разогревается до температуры Т~45°С.

Когда нижние ряды проволоки прорежут слиток до слоя вязкой мастики 9, отрезанные пластины начнут под собственным весом отклоняться в противоположную сторону от оси слитка, поскольку оказываются приклеенными к оправке слоем вязкой мастики. Вязкость мастики подбирают таким образом, чтобы отрезанная пластина, отклонившись от оправки 2 до вертикального положения, под собственным весом самостоятельно отрывалась от оправки.

Поскольку полное прорезание слитка 1 до слоя вязкой мастики 9 вследствие наклона слитка происходит неодновременно по длине слитка, отделение отрезанных пластин от оправки 2 происходит также с небольшим сдвигом во времени (например, при резке слитка ⌀ 150 мм и длиной 300 мм при скорости резания Vc=0,4 мм/мин отделение пластин от оправки начинается примерно за 10÷12 мин до окончания процесса резки, т.е. скорость отделения пластин составляет 50÷60 пластин/мин). Оторвавшиеся от оправки пластины выводятся из зоны резания либо по дополнительно размещенному под слитком наклонному лотку, либо за счет естественного падения вниз в расположенную под слитком емкость с теплой (Т~45°С) водой.

Нижний предел угла наклона слитка φ ограничен величиной 7°, т.к. при меньшем угле наклона скорость отделения пластин от оправки существенно возрастает. Это приводит к лавинному сползанию пластин с оправки и захвату массивом отделившихся пластин части вязкой мастики, что вызывает необходимость включения в технологический процесс непредусмотренной операции отмывки пластин от следов вязкой мастики.

Верхний предел угла наклона φ теоретически ничем не ограничен, однако на практике при углах φ>7° искажение формы отрезаемых пластин (эллипсность - при резке цилиндрических слитков, прямоугольность - при резке квадратированных слитков) резко ограничивает их использование в дальнейшем производстве фотоэлектрических преобразователей, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (например, стандартное предельно допустимое отклонение для пластин ⌀ 150 мм не должно превышать ±1 мм, что как раз и соответствует отклонению оси слитка на 7° от виртуальной плоскости, в которой расположены ряды проволоки [5]).

Пример выполнения.

По предлагаемому способу были проведены 3 процесса резки слитков монокристаллов кремния ⌀150 мм марки КДБ-10 (111)-4° на модернизированном станке проволочной резки фирмы «Mayer & Burger» (модель DS-265).

Длина слитков составляла от 290 до 310 мм. При этом использовалась проволока марки ТА-63 (производства фирмы «Trefil Arbed») с содержанием углерода более 0,6 мас.%. Диаметр проволоки - 140 мкм, толщина нанесенного на проволоку медного слоя - 20 мкм. Длина проволоки на бобине - 65000 м. Для смачивания рядов проволоки при резке использовалась абразивная суспензия марки ПЭГ-300 на основе полиэтиленгликоля (абразив - SiC, размер зерна - 10÷11 мкм).

Скорость подачи слитка составляла Vc=0,3 мм/мин, скорость перемещения проволоки составляла Vп=11 м/с (режим возвратно-поступательного перемещения проволоки - циклическая подача 3000 м в прямом направлении и 2700 м в обратном).

Средняя длительность процессов резки (с учетом подготовительных операций по формированию рядов проволоки на барабанах) составляла около 8 часов.

Время от начала отделения первой отрезанной пластины до последней (всего отрезалось 600 пластин) составляло в среднем 11 мин.

Отрезанные пластины удалялись из зоны резания с помощью наклонного лотка, расположенного под нижним торцом слитка.

Таким образом, производительность процесса резки (средние затраты времени на резку 1 пластины, вычисленные по результатам 3-х процессов), составила величину 1,25 пластин/мин.

Производительность процесса при резке аналогичного слитка кремния по технологии прототипа (включающего разделение разрезанного слитка на пластины в ванне с теплей водой в течение 1,17 час) составляла 1,08 пластин/мин.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение производительности процесса резки слитков кремния на пластины минимум на 13%.

Источники информации

1. Патент США, МПК B28D 1/02, №5878737 от 09 марта 1999 г.

2. Патент США, МПК B28D 1/06, №6237585 от 29 мая 2001 г.

3. At the cutting edge of precision silicon technology. Manual (Wire Saw DS 265). - «Mayer Burger Swiss Slicing Systems» (CH-3613, Steffisburg / Switzerland), 2006, pp.87÷122.

4. Патент США, МПК B28D 1/08, №6067976 от 30 мая 2000 г. - прототип.

5. SEMI M6.6-85. Standard for 150 mm monocrystalline solar cell grade silicon clices. - «Book of SEMI Standards» (805 East Middlefield Road, Mountain View, CA 94043-4080, USA), 1997, p.1.

Способ проволочной резки кремниевого слитка на пластины, предусматривающий фиксацию слитка на оправке с помощью клеящей мастики, подачу слитка в горизонтальном направлении боковой поверхностью сквозь совершающие циклическое возвратно-поступательное движение вертикальные ряды смачиваемой абразивной суспензией проволоки вплоть до полного прорезания слитка, отличающийся тем, что слиток фиксируют на оправке торцевой частью, причем между боковой поверхностью слитка и оправкой размещают слой вязкой мастики, оправку с приклеенным слитком располагают вертикально свободным торцом вниз под углом не менее 7° к виртуальной плоскости, в которой расположены ряды проволоки, а подачу слитка осуществляют сквозь ряды проволоки, совершающие циклическое возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области механической обработки твердых хрупких материалов, а именно к способам механической резки монокристаллов на пластины. .

Изобретение относится к разрезанию блоков из твердых материалов, в частности из полупроводников, стекла и керамики, на пластины путем воздействия свободно подаваемого абразива и бесконечного циркулирующего прочного несущего элемента.

Изобретение относится к области обработки кристаллов и может быть использовано при обработке алмазов, а именно при обточке рундиста бриллианта в ювелирной промышленности.

Изобретение относится к устройствам для обработки полупроводниковых материалов и может быть использовано при подготовке образцов полупроводниковых монокристаллов с атомарно-чистой поверхностью .

Пила // 575221

Изобретение относится к области обработки поли- и монокристаллических слитков полупроводниковых материалов с целью разделения их на пластины и может быть использовано при изготовлении пластин, используемых в производстве солнечных батарей, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Изобретение относится к устройству для обработки твердых и хрупких неметаллических материалов, в частности к устройству для разрезания слитков кремния. Алмазная проволочная пила, содержащая ячейки из алмазных проволочных полотен, намотанных на параллельные катушки с возможностью резания заготовки на столике для резки, причем диаметр, по меньшей мере, одного последующего вдоль направления резания полотна превышает диаметр, по меньшей мере, одного предыдущего полотна, расположенного впереди по направлению резания, что способствует достижению более экономного использования кремния для удовлетворения потребностей производства, так как получаемые пропилы более узкие, а толщина кремниевых пластин меньше. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх