DE10014445C2

DE10014445C2 - Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE10014445C2
Application number: DE2000114445
Authority: DE
Inventors: Anton Schnegg; Robert E Rurlaender
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: DE10014445A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen eines Halb leiterstabes in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben.

Scheibenförmiges Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, das zur Herstellung elektronischer Bauelemente oder zur Her stellung von Solarzellen verwendet wird, ist durch Zerteilen des stab- oder blockförmigen Ausgangsmaterials erhältlich. Die ses Ausgangsmaterial ist insbesondere ein einkristalliner Halb leiterstab, der nach dem Czochralski- oder dem Floating-Zone- Verfahren hergestellt wird oder ein polykristalliner Stab oder Block, der beispielsweise nach dem Siemens-Verfahren herge stellt wird.

Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabes gemäß dem Stand der Technik bergen Nachteile, insbesondere durch die mechani sche Bearbeitung des hochreinen Halbleitermaterials. So verur sachen sowohl Innenlochsägen wie auch Drahtsägen eine uner wünschte Scheibengeometrie, Scheibenoberfläche und Kontaminati on des Halbleitermaterials. In nachfolgenden Schleif-, Polier- und Ätzschritten müssen induzierte Kristallgitterdefekte, Geo metriefehler und Kontaminationen beseitigt werden. Demnach zieht die mechanische Zerteilung eines Halbleiterstabes eine Vielzahl von Reparaturschritten nach sich.

Die US 4,465,550 beschreibt ein Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabes in Halbleiterscheiben mittels eines Metall drahtes, der mit geschmolzenem Natriumhydroxid beaufschlagt und durch elektrischen Stromfluß beheizt ist. Dieser Metalldraht läuft um und ist gleichzeitig einer kontinuierlichen Vorschub bewegung relativ zum Werkstück unterworfen. Der Nachteil an diesem Verfahren ist, daß der Metalldraht das Halbleitermateri al kontaminiert. Insbesondere diffundieren durch die erhöhte Temperatur bei diesem Verfahren Metalle tief in den Bulk der Halbleiterscheiben.

In der US 3,915,770 ist ein ähnliches Verfahren beschrieben, bei dem jedoch ein scheibenförmiges Transportmittel für ein flüssiges saures Ätzmittel verwendet wird.

Die US 5,912,186 offenbart ein Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabs mit Hilfe eines Ätzgases, das am gewünschten Schneidort durch einen Laserstrahl angeregt und so mit dem Halbleitermaterial zur Reaktion gebracht wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabes bereitzustellen, das eine Zerstörung des Kristallgitters durch eine mechanische Bearbeitung und eine Kontamination des Halbleitermaterials durch Metalle ausschließt.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder andere Feststoffe angewendet, die sich in einem geeigneten Fluid lösen oder mit einem geeig neten Fluid zu flüssigen oder gasförmigen Produkten reagieren.

Durch die Verabreichung von reaktions fähigem Fluid, dessen Reaktion mit der Oberfläche des Halblei termaterials nahezu spontan abläuft, und einer Bewegung, die das reaktive Fluid zur Oberfläche und die Reaktionsprodukte von der Oberfläche abtransportiert, ein Zerteilen des Halbleiterma terials möglich. Genereller Bestandteil der Erfindung ist die Kombination von Chemie und Mechanik in Form von Geschwindigkeit bzw. Relativgeschwindigkeit.

Die Transportvorrichtung berührt die Oberfläche des Halbleitermaterials nicht, um jedes Damage oder Kontamina tionen zu vermeiden. Die Transportvorrichtung ist als Band oder Faden ausgeführt und wird entweder kontinuierlich o der oszillierend betrieben. Die Transportvorrichtung enthält keine Metalle und besteht bevor zugt aus hydrophilen Fäden oder Zwirnen, beispielsweise aus Viskose, Polyamiden, Polyimiden oder kohlefaserverstärktem Koh lenstoff.

Das Fluid ist alkalisch oder sauer; als Fluid werden bevorzugt Alkali in mittleren Konzentrationen in einem Lösemittel, bei spielsweise Wasser oder Alkohol oder Mischungen von HF und HNO₃, in einem Lösemittel, beispielsweise Essig- oder Schwefelsäure verwendet.

Im Falle von Alkali bieten sich NaOH und KOH an, die wegen ge ringer Kosten und geringer Umweltbelastung die bevorzugten Rea genzien darstellen. Andere alkalisch reagierende Stoffe wie beispielsweise Amine, beispielsweise Tetramethylamoniumhydroxid oder Salze schwacher organischer Säuren werden ebenfalls ver wendet. Um ein Maximum an Abtragsgeschwindigkeit in Verbindung mit Wirtschaftlichkeit zu erzielen, wird Alkali bei erhöhter Temperatur verwendet. Bevorzugt wird eine 5 bis 50 Gew.-%ige Lösung, besonders bevorzugt eine 10 bis 40 Gew.-%ige Lösung von KOH oder NaOH in Wasser bei einer Temperatur bevorzugt von 40 bis 120°C, besonders bevorzugt von 60 bis 100°C verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens werden dem Fluid thixotrope Materialien, beispielsweise SiO₂, Ruße oder Thixotropiermittel, wie beispielsweise vernetz tes Polyethylen, Polypropylen oder Methyl-Cellulose zugesetzt, um die Verarbeitbarkeit des Fluids zu verbessern. Die zunehmen de Viskosität unterbindet ein Verspritzen des Fluidstroms und das Anätzen des Halbleitermaterials läßt sich kontrollieren. Durch das thixotrope Verhaften der Lauge wird an (nicht beweg ten) Stellen hoher Viskosität das Anätzen durch fehlenden Stofftransport unterbunden, während an Stellen hoher Geschwin digkeit der Stofftransport in der dann niedrig viskosen Auf schlämmung zur und von der Oberfläche sehr schnell erfolgt und die Ätzung/Trennung völlig isotrop und kräftefrei erfolgt.

Die Isotropie des Ätzabtrags wird weiter begünstigt durch die erhöhte Temperatur und damit Abtragsrate und durch die, mit ho her Geschwindigkeit vorliegenden Strömung des Fluids. Um einen Filmriß zu vermeiden, wird das Fluid mittels angepaßten Düsen durchmessers und applizierten Drucks vor dem Kontakt mit der Transportvorrichtung auf eine geeignete Geschwindigkeit vorbe schleunigt.

Die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit mittels Temperaturer höhung folgt den allgemeinen chemischen Gesetzen. Beispielswei se wird der Kristallstab erwärmt, was eine gewisse Verbreite rung der Reaktionszone nach sich zieht. Bevorzugt wird das Flu id erwärmt, was die Temperaturverteilung deutlich einengt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist die "punktuelle" Erwär mung der Reaktionszone, wie beispielsweise des Schneidspalts mittels elektromagnetischer Strahlung. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung wird so gewählt, daß die Strah lung möglichst vollständig von dem Halbleitermaterial absor biert wird. Zweckmäßigerweise wird die gewählte elektromagneti sche Strahlung weder von dem Fluid noch von der Transportvor richtung absorbiert. Für das Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabes setzt man vorzugsweise Laserlicht ein, das entweder über einen gepulsten und lateral verschiebbaren Punkt fokus oder aber einen Strichfokus verfügt, der einen breiteren Bereich im Spalt ausleuchtet und somit erwärmt. Für das Verfah ren zum Bearbeiten der Oberfläche einer Halbleiterscheibe, bei spielsweise zum Glätten oder zur Geometrieverbesserung, verwen det man vorzugsweise einen Laser mit flächigem Fokus, wie bei spielsweise einen Excimer-Laser, dessen Ausleuchtungsfläche zu sätzlich über eine Rechteck-Blende oder eine flexible Blende einstellbar ist.

Nachfolgend werden mehrere mögliche Transportvorrichtungen und deren bevorzugte Verwendung beschrieben.

a) Außentrennsäge: Bei dieser Variante, die nicht beansprucht wird, wird ein dünnes Sägeblatt bevorzugt mit einer rauhen und besonders bevorzugt mit einer speziell geriffelten Kante für den Transport des Fluids in schnelle Rotation versetzt. Vor zugsweise werden Relativgeschwindigkeiten von 80 bis 120 m/s erzielt. Schaltet man mehrere Sägeblätter im Abstand der ge wünschten Scheibendicke hintereinander, ist es leicht möglich, mehrere Scheiben zeitgleich vom Stab zu trennen. Das Fluid wird beispielsweise mittels einer Düse in den Schneidspalt eingeblasen oder das Sägeblatt wird mit dem Fluid beaufschlagt. Das Blatt berührt das Halbleitermaterial nicht.
b) Bandsäge: Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Schneidkanae einer Bandsäge entsprechend der Außentrennsäge in ihrer Form vorbereitet. Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Bandsäge hat den Vorteil, daß die Füh rung des Bandes durch den Kristallstab stabiler verläuft. Der Regelaufwand ist geringer als bei einer Außentrennsäge. Der Sä gevorgang selbst ist entsprechend dem der Außentrennsäge. Bei den Bandsägen ist die zeitgleiche Bearbeitung mit mehreren Bän dern Stand der Technik und problemlos für dieses Trennverfahren anwendbar. Auch hier berührt das Sägeband das Halbleitermateri al nicht.
c) Drahtsäge: Das Drahtsägeverfahren ist für die Zerteilung von Kristallstäben wohl etabliert, wobei mittels eines Sägedrahtes und einer Abrasiv-Slurry der Schnitt erzeugt wird. Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren kein Abrasiv verwendet wird, können die Relativgeschwindigkeiten von gängigen 10 m/s bevorzugt auf 20 bis 120 m/s erhöht werden. Erfindungsgemäß wird statt einem Draht aus hydrophobem Stahl oder Messing ein aus einem hydro phileren, vorzugsweise Baumwolle, derivatisierte Cellulose (Viskose), und oberflächenreicheren Material gewählt, wie bei spielsweise Garne, Zwirne, Polymere, beispielsweise Polyamide oder Kohlefaser. Diese Fäden weisen genügend hohe Reißfestig keiten auf, sind gegen die verwendete Lauge ausreichend stabil und verfügen wegen der Struktur des Fadens über eine hohe Auf nahmefähigkeit an Fluid. Die beispielsweise als Garn ausgebil dete Transportvorrichtung findet in einer Drahtsäge gemäß dem Stand der Technik Anwendung. Mittels einer Vielzahl von paral lelen Transportvorrichtungen in Form eines Gatters aus Garn wird dann ein Halbleiterstab in eine Vielzahl von Halbleiter scheiben zerteilt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl auf Drahtsägen gemäß dem Stand der Technik mit oszillierender Transportrichtung des Fadens als auch kontinuierlicher Trans portrichtung des Fadens anwendbar. Mittels des Garns wird das Fluid entlang des Halbleitermaterials geführt. Dabei steht nur der Fluidstrom in Kontakt mit dem Halbleitermaterial; die Transportvorrichtung dagegen berührt das Halbleitermaterial nicht. Der Faden wird unmittelbar vor dem Schneidspalt, bei spielsweise mittels einer Düsenvorrichtung mit Beschleunigungs strecke, mit dem Fluid beaufschlagt.
d) Strahldüse: In einer weiteren möglichen Variante, die jedoch nicht beansprucht wird, wird als Transportvorrichtung für das Fluid eine Düse verwendet. Das verwendete Fluid wird mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche geschossen. Das ausgetretene Fluid wird über einen Ringkanal oder einen in lateraler Schnittrichtung angebrachten Saugrüssel abgesaugt, erneut er wärmt und dem Prozeß wieder zugeführt. Der Durchmesser der Düse und damit der Schnittbreite kann nach Wunsch eingestellt wer den. Über den Düsendurchmesser und den Vordruck lassen sich Fluidströme mit Geschwindigkeiten bis zu 150 m/s erreichen. Bei dieser nicht beanspruchten Variante verwendet man bevorzugt ei ne Lösung ohne Thixotropiermittel, da eine hohe Viskosität den Ausstoß aus der Düse behindern würde.

Verschiedene Varianten bieten sich für ein schnelles Trennen mehrerer Scheiben an; ein Kamm mehrerer in Serie geschalteter Düsen, womit die Bewegung in lateraler Richtung wesentlich ver kürzt wird. Zweckmäßigerweise werden, um mehrere Schnitte pa rallel auszuführen, Einzeldüsen oder Düsenkämme parallel ge schaltet. Die letztgenannte, nicht beanspruchte Variante (Strahldüse) ist auch geeignet, lokale Unebenheiten auf der O berfläche einer Halbleiterscheibe zu beseitigen. Dazu fährt man mit dem Strahl mit reaktiven Komponenten die vorher vermessene und der Steuerung der Düse übergebene Stellen höherer Dicke an und ätzt gezielt an diesen Stellen den Überstand weg. Wichtig dabei ist, daß sowohl Fließgeschwindigkeit wie laterale Bewe gungsgeschwindigkeit und der Strahl-Winkel der Düse mit dynami schen Algorithmen der Höhenkontur der Scheibe angepaßt werden können, um ein optimales Geometrieergebnis zu erhalten.

Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zerteilen eines Halb leiterstabes resultiert eine verkürzte Prozeßkette zur Herstellung von Halbleiterscheiben. Diese Prozeßkette besteht nur aus den Schritten Zerteilen eines Halbleiterstabes, einer Politur, gegebenenfalls aus begleitenden Schritten wie Kantenverrunden und Bearbeitung der Rückseite, sowie der Reinigung der fertig polierten Halbleiterscheibe.

Nachfolgend sind Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabes mittels einer Sägevorrich tung und einem Faden als Transportvorrichtung für das Fluid be schrieben.

Beispiel 1

An einen Motor mit max 600 Upm wurde eine Rolle auf der Achse befestigt. Eine zweite Rolle wurde im Abstand von 25 cm an ei nem Galgen (Stativ) aufgehängt. Ein umlaufender Faden verband die beiden Rollen und wurde von der Motorachse angetrieben. Die Spannung des Fadens war über eine Spiralfeder vorgegeben. Gegen den Faden wurde ein Silicium Kristall geführt, so daß er ihn leicht berührte. Der angetriebene Faden wurde dann mit einer 10 Gew.-%igen Lösung von KOH unmittelbar vor dem Kristallstück be feuchtet. Nach einer Bearbeitungsdauer von 3 h wurde eine deut liche Rille im Kristall festgestellt, deren Tiefe etwa 0,1 mm betrug.

Beispiel 2

Mit gleicher Anordnung wurde ein zweiter Versuch unternommen, nur daß statt der KOH-Lösung eine gut gepufferte Polierslurry (SiO₂) verwendet wurde. Schon bei Raumtemperatur und den oben angegebenen Verhältnissen wurde der Abtrag von 0,1 mm bereits nach einer Bearbeitungsdauer von 1,5 h erreicht, obwohl der Fa den das Werkstück nicht berührte.

Beispiel 3

Wegen der Probleme mit dem Endlosfaden wurde eine Laborvorrich tung gebaut, bei der ein Faden (Viskose) von einer Spindel auf eine andere Spindel umgewickelt wird. Diese Anordnung erlaubt wesentlich höhere Geschwindigkeiten nämlich von bis zu 100 m/s und gestattet hohe Konzentrationen des Alkali und Temperaturen, die nur durch die verwendeten Materialien begrenzt werden. In diesem Beispiel war der Spritzschutz aus Polypropylen gebaut, was eine maximale Temperatur von 80°C erlaubte. Wegen der ho hen Geschwindigkeit des Fadens wurde eine Beschleunigungs strecke für die chemische Komponente (50 Gew.-% KOH bei 60°C) eingerichtet, da sonst der Flüssigkeitsfilm abriß und die Ab tragsraten deutlich reduziert wurden. Bei einer mittleren Ge schwindigkeit von 30 m/s wurden Abtragsraten von durchschnitt lich 50 µm/min. erhalten.

Beispiel 4

Für kurze Zeit wurde die Geschwindigkeit des Fadens auf 85 m/s erhöht. Aus dem Abtrag von 600 µm in 7 min läßt sich eine Ab tragsrate von ca. 80 bis 85 µm/min ableiten.

Beispiel 5

Zu einer einfacheren Prozeßführung (einfache Beschleunigungs strecke für das Trennmittel, kein Spritzen der Lauge) gelangte man, wenn das Ätzmittel mittels Thixotropiermittel hochviskos eingestellt wurde. Der Zusatz von 30 Gew.-% SiO₂ oder 5 bis 10 Gew.-% vernetztes Polypropylen wurde die Abtragsrate um ca. 10% reduziert, die Prozeßführung aber wesentlich vereinfacht.

Nachfolgend sind Beispiele des nicht beanspruchten Verfahrens zum Zerteilen eines Halbleiterstabes mittels einer Düse als Transportvorrichtung für das Fluid beschrieben.

Beispiel 1

Eine Düse mit 50 µm Durchmesser wurde mit einer gepufferten Slurry aus SiO₂-Partikeln (Kieselsol mit Teilchengrößen von 20 nm, entsprechend einer spezifischen Oberfläche von 200 m²/g) un ter 20 bar beaufschlagt und über die Oberfläche eines Silicium- Kristallstückes bewegt. Bei einer Schnittlänge von 100 mm konn te in 2 h ein Graben von 65 µm Breite und einer Tiefe von 35 µm erreicht werden.

Beispiel 2

Bei gleichem Aufbau der Apparatur wurde der chemische Anteil an Alkali um Faktor 5 erhöht und gleichzeitig die Temperatur von Raumtemperatur auf 80°C erhöht. Mit diesen Parametern wurde eine Ätzrate von ca. 8 µm/min erhalten.

Beispiel 3

Bei gleichem Aufbau wie in Beispiel 1 und unter Verwendung ei ner kalten Alkali-Lösung in Wasser wurde in den Strahl ein La serlicht (HeCd, λ = 442 nm) eingekoppelt, womit die zu bearbei tende Stelle des Siliciumkristalls punktuell auf ca. 200°C er wärmt wurde. Die Abtragsrate betrug in diesem Fall 1,1 µm/min.

Nachfolgend sind Beispiele des ebenfalls nicht beanspruchten Verfahrens zum Glätten der Oberfläche einer Halbleiterscheibe mittels einer Düse als Transportvorrichtung für das Fluid be schrieben.

Beispiel 1

Eine geschliffene Siliciumscheibe wurde mittels kapazitiver Messmethode auf seine Dicke vermessen, wobei ca. 4900 Punkte angefahren wurden. Aus den Einzeldicken wurde die lokale Form der Scheibe berechnet. Die Koordinaten der Dickenwerte wurden einer Steuereinheit übertragen, die einen Wasserstrahl spiral förmig über die Scheibe führte, wobei die jeweilige Verweilzeit der Düse den lokalen Dicken entsprach. Der Fluidstrahl wurde aus einer Düse mit 0,5 mm Durchmesser unter einem Druck von 5 bar auf die Scheibenoberfläche geschleudert. Dem Wasser war ei ne Slurry aus SiO₂-Teilchen und KOH zugesetzt, die den Abtrag an Silicium beschleunigen sollte. Die Größe der SiO₂-Solteilchen betrug ca. 50 nm, entsprechend einer spezifischen Oberfläche von 50 m²/g SiO₂. Die KOH-Konzentration wurde auf 2 Gew.-% ein gestellt. Als Ergebnis der Behandlung wurde zwar keine wesent liche Verbesserung der lokalen Ebenheit erzielt, die Oberflä chengüte bezüglich Rauheit war dagegen wesentlich verbessert, da der behandelte Bereich einen hohen Glanz aufwies, wogegen der unbehandelte ein mattes Grau darstellte.

Beispiel 2

In gleicher Art wie im obigen Beispiel wurde eine Düse von 150 µm Durchmesser verwendet, der Druck auf 10 bar erhöht und eine gut gepufferte Slurry mit 5 Gew.-% SiO₂-Anteil eingesetzt. Bei einer Bearbeitungsdauer von 400 s/Halbleiterscheibe wurde ein mittlerer Abtrag von 1,2 µm erreicht, die Verbesserung der lo kalen Geometrie betrug im Mittel 0,15 µm.

Claims

1. Verfahren zum Zerteilen eines Halbleiterstabs in eine Viel zahl von Halbleiterscheiben mit Hilfe eines Fluids, das mittels einer Transportvorrichtung, die den Halbleiterstab nicht berührt, zunächst auf der Oberfläche des Halbleiter stabs und später in einem sich bildenden Schneidspalt ge führt wird und das Halbleitermaterial in einer chemischen Reaktion löst und die gelösten Reaktionsprodukte mit dem Fluidstrom abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportvorrichtung als metallfreier Faden oder als metallfreies Band ausgeführt ist, das mit einer Geschwin digkeit von 1 bis 200 m/s relativ zum Halbleiterstab bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid entweder Alkali oder Mischungen von HF und HNO₃ in einem Lösemittel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluid thixotrope Materialien oder Thixotropiermittel zugesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Transportvorrichtung unmittelbar vor dem Schneidspalt mittels einer Düsenvorrichtung mit dem Fluid be aufschlagt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Transportvorrichtung entweder kontinuier lich oder oszillierend betrieben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Fluid und/oder das Halbleitermaterial er wärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidspalt mittels elektromagnetischer Strahlung erwärmt wird.