Titel

Verfahren zur Herstellung von dünnen Platten aus Werkstoffen geringer Duktilität mittels temperaturinduzierter mechanischer Spannung unter Verwendung von vorgefertigten Polymer-Folien

Technisches Gebiet

Produktionstechnik, Materialwissenschaft, Halbleitertechnik

Stand der Technik

In vielen technischen Bereichen (z.B. Mikroelektronik- oder Photovoltaiktechnologie) werden Materialien wie z.B. Silizium, Germanium oder Saphir häufig in der Form dünner Scheiben und Platten (so genannte Wafer) gebraucht. Standardmässig werden solche Wafer derzeit durch Sägen aus einem Ingot hergestellt, wobei relativ grosse Materialverluste ("kerf-loss") entstehen. Da das verwendete

Ausgangsmaterial oft sehr teuer ist, gibt es starke Bestrebungen, solche Wafers mit weniger Materialaufwand und damit effizienter und kostengünstiger herzustellen.

Beispielsweise gehen mit den derzeit üblichen Verfahren allein bei der Herstellung von Siliziumwafer für Solarzellen fast 50% des eingesetzten Materials als "kerf-loss" verloren. Weltweit gesehen entspricht dies einem jährlichen Verlust von über 2 Milliarden Euro. Da die Kosten des Wafers den grössten Anteil an den Kosten der fertigen Solarzelle ausmachen (über 40%), könnten durch entsprechende

Verbesserungen der Waferherstellung die Kosten von Solarzellen signifikant reduziert werden.

Besonders attraktiv für eine solche Waferherstellung ohne kerf-loss ("kerf-free wafering") erscheinen Verfahren, die auf das herkömmliche Sägen verzichten und z.B. durch Einsatz von temperaturinduzierten Spannungen direkt dünne Wafer von einem dickeren Werkstück abspalten können. Dazu gehören insbesondere

Verfahren, wie sie z.B. in PCT/US2008/012140 und PCT/EP2009/067539

beschrieben sind, wo zum Erzeugen dieser Spannungen eine auf das Werkstück aufgetragene Polymerschicht verwendet wird.

Diese Polymerschicht wird nach aktuellem Stand der Technik in flüssiger Form in einem Gießverfahren auf das zu bearbeitende Werkstück aufgetragen und dann dort ausgehärtet. Dabei wird beim Auftragen genau so viel Masse aufgebracht, dass die Oberflächenspannung den Polymer-Film auf dem Werkstück hält. Diese Methode führt zu einem nicht genügend definierbaren Randabschluss von Werkstück und Polymerschicht. Insbesondere kann am Rand der Polymerschicht keine exakt senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks stehende Kante erzielt werden. Dadurch kann es am Rand der Polymerschicht dazu kommen, dass einerseits die Schicht lokal zu dünn wird und dass durch die Oberflächengeometrie der Krafteintrag beim Erzeugen von temperaturinduzierten Spannungen relativ Undefiniert geschieht. Beide Probleme führen zu unkontrollierbar rauen Oberflächen im Randbereich der produzierten Wafer. Ausserdem wird beim bisherigen Giessverfahren relativ viel Zeit sowie eine stets exakt horizontale Ausrichtung der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks benötigt, um die gleichmässige Verteilung des Polymers durch Zerlaufen

sicherzustellen. Zudem müssen ev. im flüssigen Polymer vorhandene Luftblasen einzeln beseitigt werden, was relativ zeitaufwendig ist.

Schliesslich ist beim bisherigen Verfahren die Dicke des Polymerfilms begrenzt, weil ab einer bestimmten Schichtdicke die Oberflächenspannung nicht mehr ausreicht, um den Film auf dem Werkstück zu halten und deshalb das Polymer über den Rand des Werkstücks hinausläuft. Mit der vorliegenden Erfindung - dem Aufbringen von vorfabrizierten Polymerfolien - werden alle diese Probleme und Einschränkungen behoben. Als Werkstück wird dabei vorzugsweise ein dickerer Wafer verwendet, von welchem dann unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens ein oder mehrere, dünnere Wafer abgespaltet werden.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperschichten bzw. Festkörperplatten, insbesondere von Wafern, zu vereinfachen und insbesondere im Hinblick auf die Herstellungskosten zu

verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Darstellung der Erfindung

Vorgefertigte (d.h., nicht direkt auf dem Werkstück verfestigte) Polymerfolien können so gefertigt werden (z.B. mittels Zuschneiden, Stanzen, Glessen in Schalungen), dass ein viel genauer definierbarer Randabschluss von Werkstück und

Polymerschicht erreicht wird.

Polymerfolien lassen sich vorfertigen, qualifizieren und getrennt vom Werkstück herstellen, so dass die Fertigung und Qualifikation der Polymerschicht unabhängig von der Waferfertigung geschehen kann. Mit anderen Worten: die Eigenschaften der Polymerschicht können somit unabhängig von anderen Prozessschritten definiert und kontrolliert werden.

Die getrennte Fertigung von Folie und Wafer hat beispielsweise den Vorteil, dass die Parameter zum Härten der Polymerschicht, wie z.B. Härtetemperatur und -zeit, sehr frei wählbar sind. So können z.B. bei der Verwendung von zwei Polymerschichten auf demselben Werkstück die beiden Schichten unabhängig voneinander gehärtet werden, was bei der bisherigen Methode nicht möglich ist. Ausserdem führt das Härten direkt auf dem Werkstück mit der bisherigen Methode bei Härtetemperaturen über Raumtemperatur automatisch zu einer Vorspannung des Films bei

Raumtemperatur. Diese Vorspannung kann nach dem Abspalten zu starkem

Durchbiegen und Zerbrechen der produzierten Wafer führen. Die Verwendung einer vorgefertigten Folie macht es möglich, die Aushärtetemperatur der Folie frei zu wählen ohne Auswirkungen auf eine eventuelle Vorspannung.

Zudem kann mit Hilfe der Erfindung auch die Stärke der Polymerschicht beliebig gewählt und genau eingestellt werden (wir verwenden üblicherweise Dicken zwischen ca. 0.1 und 10mm, vorzugsweise zwischen 0.4 und 1mm, wobei zur Herstellung dickerer Wafer dickere Polymerschichten verwendet werden). Speziell können beispielsweise auch strukturierte Folien verwendet werden, wo z.B. die Foliendicke je nach Position gezielt variiert wird* so dass Folienschichten mit definierten Dickenprofilen möglich sind.

Als Polymer kann z.B. ein Polydiorganolsiloxan verwendet werden, z.B.

Polydimethylsiloxane (PDMS). Im folgenden wird als Polymerfolie eine Folie aus PDMS und als Werkstück ein dicker Wafer aus Silizium beschrieben; es können aber auch andere geeignete Polymere und Werkstücke (z.B. aus anderen Materialien wie Germanium, Saphir, etc) verwendet werden.

Zur Herstellung der Polymerfolien verwenden wir PDMS Sylgard 184 von Dow Corning. Dies ist ein zweikomponentiges Gemisch, das thermisch ausgehärtet wird (wir verwenden dazu z.B. Mischverhältnisse zwischen Härter:Basismaterial von 1 :10 bis 1 :3). Zum Härten verwenden wir - je nach Härtezeit - Temperaturen von

Raumtemperatur bis ca. 200°C, vorzugsweise von ca. 60°C bis 150°C. Wir verwenden üblicherweise Härtezeiten zwischen ca. 1-20 Minuten (bei hohen

Temperaturen) und 1 -2 Tage (bei Raumtemperatur). Bei PDMS Sylgard 184 handelt es sich vor dem Härten um eine viskose Flüssigkeit, die z.B. mittels Giessverfahren auf eine glatte Oberfläche (z.B. Spiegel) aufgebracht wird und dort zu einer Folie aushärtet. Die Folie wird von dieser Oberfläche dann abgezogen (z.B. mechanisch), gegebenenfalls weiterverarbeitet, und danach auf das Werkstück aufgebracht.

Ausserdem kann die fertige Folie bereits vor dem Aufbringen auf das Werkstück untersucht und ihre Qualität überprüft werden (z.B. mit üblichen mechanischen, optischen oder elektrischen Messverfahren, etc). Neben dem hier beschriebenen Verfahren zur Folienherstellung sind viele andere Verfahren in der Industrie üblich (z.B. Herstellung durch Extrusion), welche ebenfalls für die vorliegende Erfindung anwendbar sind.

Die fertige Folie wird danach auf die Oberfläche des Werkstücks (z.B. dicker Wafer) aufgebracht. Dabei ist eine gute Haftung der Folie auf dem Werkstück wichtig: die Verbindung zwischen Werkstück und Folie muss genügend grosse Scherkräfte für das Abspalten sowie grosse Temperaturschwankungen für das thermische

Induzieren der nötigen Spannungen aushalten können.

Für das Aufkleben der Folie bietet sich ein dünner PDMS-Film als Kleber an (z.B. ebenfalls unter Verwendung von Sylgard 184). Dieser wird z.B. mit einer Spritze in der Mitte der zu beklebenden Oberfläche auf dem Werkstück aufgetragen (einige Milliliter für einen 5-inch Wafer). Danach wird die Folie aufgelegt und mit einer Rolle oder Walze unter leichtem Druck auf das Werkstück gepresst. Durch Hin- und Herbewegen der Rolle verteilt sich der Kleberfilm unter der Folie, Luftblasen werden entfernt. Die Aushärtung des Klebers kann bei Raumtemperatur erfolgen. Für die Vermeidung von Zugspannungen nach dem Split (siehe Foto) empfiehlt sich eine Klerberhärtetemperatur von unter 60°C. Für ein einfacheres Verteilen des Kleberfilms mit der Rolle ist eine geringere Viskosität des Klebers vorteilhaft, was z.B. einfach durch einen grösseren Anteil an Härtersubstanz (z.B. 1 :3 HärterrBasismaterial) erreicht werden kann. Die Härtezeiten variieren wie bei der Folienherstellung abhängig von der Härtetemperatur (siehe oben).

Alternativ zur beschriebenen Methode kann die Folie auch mit anderen üblichen Verfahren auf das Werkstück aufgeklebt werden, z.B. unter Verwendung eines Vakuum-Laminators. Schliesslich kann die Folie auch direkt (ohne Kleber) mit der Oberfläche des Werkstücks verbunden werden, z.B. mittels "Plasma activated bonding" (z.B. Aktivierung der PDMS-Folie in Stickstoffplasma, Aufpressen der Folie auf Werkstück, ggf. "Annealing") oder z.B. durch Auflaminieren (Aufschmelzen) einer thermoplastischen Folie (z.B. Geniomer von Wacker Silicones).

Nachdem die Folie aufgeklebt und der Kleber ausgehärtet ist, wird wie in den im Stand der Technik beschriebenen Referenzen üblich z.B. durch thermisch induzierte Spannungen ein dünner Wafer vom Werkstück abgelöst, wobei die Folie noch auf einer Seite des Wafers anhaftet. Die Folie kann dann vom hergestellten Wafer z.B. mit mechanischen oder chemischen Methoden abgelöst werden, wie in den erwähnten Referenzen dargestellt.

Um das Ablösen der Folie nach dem Abspalten des Wafers zu erleichtern, kann das Werkstück vor dem Aufkleben der Folie mit einer dünnen Opferschicht beschichtet werden. Die Folie wird dann nicht direkt auf die Oberfläche des Werkstücks, sondern auf die Opferschicht aufgeklebt. Nach dem Abspalten des Wafers kann die zwischen Werkstückoberfläche und Folie befindliche Opferschicht z.B. chemisch aufgelöst werden, wodurch sich die Folie vom hergestellten Wafer ablöst. Als Opferschicht eignet sich ein Material, welches im ganzen Temperaturbereich von ca. -200°C bis Raumtemperatur grosse Kräfte übertragen kann und dabei sowohl auf dem

Werkstück wie auch auf der Folie gut haftet, und welches ausserdem einfach (z.B. chemisch) aufgelöst werden kann. Beispielsweise können solche Opferschichten durch Sol-Gel-Prozesse hergestellt werden, wie sie in der Industrie derzeit z.B. zur Beschichtung von Glasen (Antireflex, etc) eingesetzt werden (geeignet sind insbesondere Aluminium-, Titan- oder Zirkon-basierte Sole). Auch bei Verwendung der bisherigen Methode mit Aufgiessen des Polymers und Aushärten direkt auf dem Werkstück oder bei Verwendung von "Plasma activated bonding" kann die

Verwendung einer solchen Opferschicht zwischen Polymer und Werkstück das Ablösen des Polymerfilms vom abgespalteten Wafer deutlich verbessern.

Ausserdem ist es möglich, die Funktionen von Opferschicht und Kleber zu kombinieren, d.h., zum Aufkleben der Folie einen Kleber zu verwenden, der einfach wieder aufgelöst werden kann (z.B. chemisch, oder durch Aufschmelzen, etc). Z.B. kann als Kleber auch ein Sol-Gel (siehe oben) verwendet werden.

Nachdem die Folie vom hergestellten Wafer abgelöst ist, kann sie - falls gewünscht - gereinigt und danach auf ein neues Werkstück aufgebracht werden. Dadurch ist es möglich, dieselbe Folie mehrfach zur Herstellung von Wafer zu verwenden. Dies kann den Materialverbrauch und die Kosten des Gesamtprozesses signifikant reduzieren. Für eine Wiederverwendung der Folie ist es insbesondere vorteilhaft, wie oben beschrieben einen wieder auflösbaren Kleber zu verwenden, da in diesem Fall nach dem Auflösen der Kleberschicht an der Folie keine Kleberrückstände mehr verbleiben.

Eine präferierte Realisierung der vorliegenden Erfindung besteht darin, Folien nach einem der hier beschriebenen Verfahren auf beide gegenüberliegende Seiten eines dicken Wafers aufzukleben. Dadurch kann der dicke Wafer in zwei dünne Wafer aufgespalten werden. Diese Situation ist in Abb. 1 dargestellt, wobei die Zahlen in den Kreisen folgendes bezeichnen: (1) Polymerfolie, (2) Kleber, (3) Opferschicht, (4) Werkstück - dicker Wafer, (5) produzierter dünner Wafer.