ZENNER, Björn (Linnefantstrasse 2, Gelsenkirchen, 45894, DE)
BEESLEY, John, G. (Aumattweg 22, Hinterkappelen, CH-3032, CH)
MEYER BURGER AG (Allmendstrasse 86, Thun, CH-3600, CH)
HOLTMANN, Klaus (Salzwedler Hof 11, Hannover, 30179, DE)
ZENNER, Björn (Linnefantstrasse 2, Gelsenkirchen, 45894, DE)
BEESLEY, John, G. (Aumattweg 22, Hinterkappelen, CH-3032, CH)
| Patentansprüche:
1. Verwendung einer Mischung aus einem thixotropen und im Wesentlichen wasserbasierten Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel zur spanabtragenden Bearbeitung, insbesondere zur spanabtragenden Trennung, von Werkstücken, vorzugsweise von Halbleiterkristallen.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die spanabtragende Trennung durch Drahtschneiden oder Drahtsägen bewirkt wird.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterkristallen um Silizium-Einkristalle oder um Kristalle aus Polysilizium handelt.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmedium mit den darin dispergierten sowie abrasiv wirkenden Körnern zur nicht formgebenden spanabtragenden Bearbeitung, beispielsweise zum Trennen des Werkstückes, eingesetzt wird.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmedium ca. 1 Gew.-% bis ca. 10 Gew.-%, insbesondere ca. 1 Gew.-% bis ca. 5 Gew.-% und vorzugsweise ca. 2 Gew.-% bis ca. 3 Gew.- % eines in Wasser gelösten Tonminerals aufweist.
6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tonmineral in geringer Körnung mit einer mittleren Korngröße von unterhalb 500 μm, vorzugsweise weniger als 200 μm und besonders bevorzugt weniger als 100 μm eingesetzt wird.
7. Verwendung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Tonmineral ein Schichtmineral, insbesondere Dreischicht-Tonmineral, beispielsweise Bentonit, eingesetzt wird.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung eine Viskosität von weniger als 1 Pas, insbesondere weniger als 500 mPas und vorzugsweise eine solche im Bereich von 30 bis 350 mPas in Abhängigkeit vom Anteil der abrasiven Körner aufweist.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der benutzten Mischung die Körner des Abrasivmittels für eine Wiederverwendung abgetrennt werden.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die benutzte Mischung nach Zugabe von zusätzlichem Dispersionsmittel und/oder eines Flockungsmittels sedimentiert wird.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiv wirkenden Körner in einer Korngröße unterhalb von 100 μm, bevorzugt mit weniger als 50 μm, eingesetzt werden.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das thixotrope und im Wesentlichen wasserbasierte Dispersionsmedium mehr als 85 Gew.-% Wasser als Dispersionsmittel enthält.
13. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße bzw. die Korngrößenverteilung des thixotropen Zusatzes zu dem Dispersionsmedium kleiner gleich der Korngröße bzw. der Komgrößen- Verteilung der abrasiv wirkenden Partikel eingestellt wird. |
Verwendung einer Mischung aus im Wesentlichen einem thixotropen Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Mischung aus einem thixotropen Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel.
Solche Mischungen sind allgemein bekannt und kommen in der Praxis als beispielsweise Bohrspülzubereitungen zum Einsatz. In diesem Zusammenhang wird die Eindickung von wasserbasierten Systemen unter Einsatz von Tonen in großem Umfang ausgenutzt. Tatsächlich neigen diese Mischungen zu einer thixotropen Eindickung, was vorteilhaft für die beschriebenen Einsatzzwecke, beispielsweise in Verbindung mit geologischen Bohrungen genutzt wird. So beschäftigt sich die DE 43 02 462 A1 mit der Verwendung von Alkoxylaten wasserunlöslicher Alkohole zur Steuerung der rheologischen Eigenschaften fließ- und pumpfähiger wässriger Zubereitungen feinteiliger Mineralstoffe, die als Arbeitsmittel im Bereich des Aufschlusses geologischer Formationen ein- gesetzt werden.
Vergleichbare Bohrspülzusätze sind Gegenstand der DE 29 18 683 A1. Hier wird ein Bohrspülungszusatz zur wirksamen Dispergierung von Tonen in einem wässrigen Medium beschrieben. Die fragliche Bohrspülung kommt beim Rotationsbohren zum Einsatz und ermöglicht aufgrund ihrer Viskosität ein einfaches Forttragen von Gesteinssplittern. Aufgrund der thixotropen Eigenschaften der Bohrspülung neigt sie bei einer Unterbrechung des Bohrvorganges zum Gelieren und verhindert, dass sich Splitter um die Bohrspitze herum absetzen.
Die spanabtragende Bearbeitung von Werkstücken und hier insbesondere von Halbleiterkristallen, zu denen Silizium-Einkristalle gehören, wird ganz
unabhängig hiervon mit speziellen wässrigen Zusammensetzungen durchgeführt. Diese umfassen in der Regel ein Dispersionsmedium, welches auf organische Komponenten zurückgreift, nämlich aus einer hydrophilen mehrwertigen Alkohol-Verbindung, einer lipophilen mehrwertigen Alkohol-Verbindung und Wasser zusammengesetzt ist. In dem Dispersionsmedium werden aus einem Silikat hergestellte kolloidale Kieselsäure-Teilchen dispergiert, wie dies die DE 699 11 549 T2 im Detail beschreibt.
Das vorgenannte spanabtragende Bearbeitungsverfahren und die zugehörige wässrige Zusammensetzung bzw. das wässrige Schneidfluid ist mit Nachteilen behaftet. Das gilt auch für Poliermittel auf dieser Basis, die in der Halbleiterelektronik durchweg eingesetzt werden, um gesägte und zu prozessierende Wafer vor anschließenden Prozessschritten an der Oberfläche zu glätten.
Tatsächlich hat sich in diesem Zusammenhang nämlich herausgestellt, dass die Sedimentation der im organischen Dispersionsmedium dispergierten abrasiv wirkenden Körner durch die Korngröße des Schleifmittels und mithin der Körner bestimmt wird. Steigt die Größe der Körner, so muss das Dispersionsmedium auf eine höhere Viskosität eingestellt werden, um unverändert einen einwand- freien Transport des Schleifmittels zu gewährleisten sowie eine Sedimentation des Abrasionsmittels und etwaige Verstopfungen zu verhindern.
Um dieser erhöhten Viskosität der Mischung respektive Schneidsuspension entgegenzuwirken, wird in der Regel die Konzentration des Schleifmittels reduziert, um die Gesamtviskosität einschließlich der Körner beizubehalten. Das verlangsamt jedoch den spanabtragenden Vorgang bzw. einen an dieser Stelle meistens durchgeführten Sägeprozess. Ein weiterer systembedingter Nachteil derartiger bekannter organischer Dispersionsmedien besteht darin, dass sie über eine nur geringe Wärmekapazität verfügen. Dadurch besteht nur ein geringer Schutz vor überhitzung und das fragliche Dispersionsmedium lässt sich zudem nur schwer abbauen und zurückgewinnen.
Ebenfalls nachteilig bei solchen organischen Dispersionsmedien ist der aufwändige Herstellungsprozess und die notwenige Entsorgung nach dem Gebrauch. Vielfach ist eine Wiederverwendung nicht möglich, da im Dispersionsmedium gelöste Feinstanteile aus gebrauchten abrasiv wirkenden Körnern und zusätzlich Abrieb nicht mit finanziell vertretbarem Aufwand an Technik und Zeit ausgeschleust werden können.
Im Rahmen der JP 10-081872 mit dem Titel "Aqueous dispersion medium composition for abrasive grain and method for cutting ingot by using cutting fluid made therefrom" wird ein Dispersionsmedium mit darin befindlichen abrasiv wirkenden Körnern beschrieben. Das Dispersionsmedium greift jedoch nicht auf Wasser alleine als Dispersionsmittel zurück, sondern nennt zusätzlich und obligatorisch Carboxylsäure. Auf diese Weise kann der PH-Wert des bekannten Dispersionsmediums insgesamt so eingestellt werden, dass bei einem hiermit durchgeführten Trennvorgang chemische Reaktionen zuverlässig vermieden werden.
Darüber hinaus beschreibt die US 2002/0039875 A1 eine Polierflüssigkeit zum Prozessieren von Halbleitern, die jedoch nicht beispielsweise zur spanab- tragenden Trennung solcher Halbleiterkristalle eingesetzt wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Mischung aus einem thixotropen Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel zur spanabtragenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von Halbleiterkristallen, so weiterzuentwickeln, dass bei verbesserter Wärmekapazität und einwandfreiem Bearbeitungsergebnis eine kostengünstige Wiederaufbereitung respektive Entsorgung gelingt.
Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist Gegenstand der Erfindung die Ver- wendung einer Mischung aus einem thixotropen und im Wesentlichen wässrigen bzw. wasserbasierten Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel zur spanabtragenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Halbleiterkristallen. Bei
diesen Halbleiterkristallen handelt es sich bevorzugt um Silizium-Einkristalle. Daneben können natürlich auch Werkstücke aus Polysilizium bearbeitet werden. Ebenso solche aus anderen Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumindiumphosphit usw..
Im Rahmen der Erfindung wird also die spezielle Verwendung einer Mischung aus dem Dispersionsmedium und den darin als weitere Phase bzw. Arbeitsmittel dispergierten abrasiv wirkenden Körnern unter Schutz gestellt, und zwar zur nicht formgebenden spanabtragenden Bearbeitung, insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Halbleiterkristallen. Das heißt, es geht in der Regel um spanabtragende Trennvorgänge, zu denen beispielsweise das Sägen, Drahtschneiden, Drahtsägen etc. des betreffenden Werkstückes gehört. Bei diesem Werkstück handelt es sich - wie bereits beschrieben - um einen Halbleiterkristall, welcher mit Hilfe der Mischung bei einem entsprechenden spanabtragenden Trennvorgang in Scheiben gewünschter Stärke (Wafer) unterteilt wird. Die Scheiben werden anschließend meistens noch poliert, um sie für weitere Prozessschritte vorzubereiten.
Bei dem Dispersionsmedium handelt es sich im Rahmen der Erfindung und nach üblichem Verständnis um ein heterogenes Gemenge aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden. In der Regel handelt es sich hierbei um Kolloide. Tatsächlich greift die Erfindung auf ein im Wesentlichen wässriges Dispersionsmedium zurück, also ein überwiegend auf Wasser basierendes Dispersionsmedium, bei dem also Wasser - bis auf etwaige Hilfsstoffe - überwiegend das Dispersionsmittel darstellt. Bei den dem Wasser bzw. dem überwiegenden Dispersionsmittel ggf. noch zugesetzten Hilfsstoffen kann es sich um beispielsweise Rostschutzmittel, Entschäumer, Flockungsmittel etc. handeln, die den spanabtragenden Trennvorgang bzw. die spanabtragende Trennung der Halbleiterkristalle in die Scheiben besser ablaufen lassen, aber insgesamt nicht unbedingt erforderlich sind.
Die Erfindung hat erkannt, dass sich ein an sich bekanntes thixotropes sowie im Wesentlichen wasserbasiertes Dispersionsmedium vorteilhaft mit darin enthaltenen dispergierten und abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel für die beschriebene spanabtragende Bearbeitung von Werkstücken und hier insbe- sondere von Halbleiterkristallen einsetzen lässt. Dabei geht es überwiegend um die spanabtragende Trennung dieser Halbleiterkristalle in Scheiben, da solche Halbleiterkristalle überwiegend stangenartig bzw. als stangenartige Einkristalle vorliegen und quer zu ihrer Längserstreckung in die Scheiben bzw. Wafer unterteilt bzw. getrennt werden.
In diesem Zusammenhang kommt der thixotropen Wirkung des Dispersionsmediums für den beschriebenen Einsatzzweck besondere Bedeutung zu. Denn dem Dispersionsmedium kommen neben dem Transport der abrasiv wirkenden Körner bzw. allgemein eines Abrasionsmittels in der Mischung noch weitere Aufgaben zu. So muss das thixotrope Dispersionsmedium für die Kühlung einer Trennstelle bei der spanabtragenden Trennung sorgen. Außerdem muss das thixotrope Dispersionsmittel sicherstellen, dass die abrasiv wirkenden Körner bzw. das Abrasionsmittel nicht sedimentiert. Hierzu ist eine thixotrope Flüssigkeit bzw. das thixotrope Dispersionsmedium ideal geeignet. Denn wenn ein solches thixotropes Dispersionsmedium nicht bewegt wird, wird es fest in der Art eines Gels und die in der Mischung vorhandenen abrasiv wirkenden Körner bleiben an ihrem Platz. Dagegen führt eine Bewegung des thixotropen Dispersionsmittels und folglich der Mischung aus diesem thixotropen Dispersionsmittel und den abrasiven Körnern dazu, dass das Dispersions- medium, und demzufolge auch die Mischung, flüssig werden, wobei sich durch die Bewegung die abrasiv wirkenden Körner allerdings nicht mehr absetzen und sedimentieren können.
Nach vorteilhafter Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße thixotrope Dispersionsmedium geladene kolloide Partikel auf. Diese geladenen kolloiden Partikel bilden bei ausreichender Konzentration in dem Dispersionsmedium zueinander Netzwerke und im günstigsten Fall ein elastisches Gel, welches die abrasiv wirkenden Körner der Mischung dauerhaft in sich trägt. Als Folge
hiervon wird die beschriebene Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner verhindert und lassen sich etwaige damit verbundene negative Auswirkungen im Rahmen der Erfindung verhindern. Das heißt, der Transport der Mischung durch eine in der Regel eingesetzte Trennmaschine oder Trennvorrichtung für den beschriebenen spanabtragenden Trennvorgang wird nicht durch etwaige Sedimentation behindert, so dass die Verarbeitung besonders einfach und funktionssicher erfolgt.
Zugleich ist die Stärke der Bindung zwischen den einzelnen kolloiden Partikeln jedoch gering, so dass bei ausreichend hohen Scherraten das Netzwerk wieder reversibel aufgelöst werden kann. Als Folge hiervon wird die Suspension wieder dünnflüssiger, bzw. sinkt die Viskosität, so dass sich insgesamt das thixotrope Verhalten erklärt. Als kolloide Partikel in dem Dispersionsmedium kommen Smektite, also Schichtsilikate bzw. Schichtmineralien mit Dreischichtstruktur, bevorzugt zum Einsatz. Diese werden üblicherweise in Wasser als Dispersionsmittel suspendiert und stellen die dispergierte Phase dar. In diesem Zusammenhang ist entscheidend eine hohe Fließgrenze des Dispersionsmittels bei gleichzeitig geringer Viskosität unter Scherspannung.
Das überwiegend wasserbasierente thixotrope Dispersionsmedium nach der Erfindung stellt vorteilhaft eine Suspension eines in Wasser gelösten Tonminerals dar. Dabei weist das Dispersionsmedium ca. 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, insbesondere ca. 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% und vorzugsweise ca. 2 Gew.-% bis 3 Gew.-% des in Wasser gelösten Tonminerals auf. Der Rest (also bis zu ca. 99 Gew.-%) des Dispersionsmediums wird von dem Wasser als Dispersionsmittel gebildet, welches auch bei Vorhandensein der zuvor angesprochenen Hilfsstoffe in der Regel mehr als 85 Gew.-% des im Rahmen der Erfindung eingesetzten wasserbasierenden thixotropen Dispersionsmediums ausmacht. Auf diese Weise unterstützt das Wasser wesentlich den spanab- tragenden Trennvorgang bzw. die Trennung und sorgt für eine vorteilhafte Kühlung der Trennstelle. Dadurch kann der Trennvorgang beschleunigt werden. Im übrigen lässt sich die beschriebene Mischung aus dem Abrasionsmittel bzw.
den abrasiv wirkenden Körnern und dem wässrigen thixotropen Dispersionsmedium besonders vorteilhaft recyclen, wie nachfolgend erläutert wird.
Im Allgemeinen kommt die erfindungsgemäße Mischung beim Drahtschneiden bzw. Drahtsägen von Halbleiterkristallen zum Einsatz. Die eigentliche Trennung des Halbleiterkristalls in die gewünschten Scheiben wird nicht durch den Draht als solchen bewirkt, sondern letztendlich durch die abrasiv wirkenden Körner bzw. das Abrasionsmittel in der erfindungsgemäßen Mischung. Dieser Materialabtrag wird auch als Läppen bezeichnet, weil hier mit losen Körnern, den abrasiv wirkenden Körnern im Gegensatz zum Schleifen gearbeitet wird, bei dem das jeweilige Korn fest gebunden ist. Durch das Drahtsägen und den damit einhergehenden Läppvorgang werden hohe Oberflächengüten wegen des geringen Materialabtrags erreicht.
Dabei ist zusätzlich von Bedeutung, dass die Korngröße der abrasiv wirkenden Körner annähernd homogen ist, also eine schmale Korngrößenverteilung vorliegt. Andernfalls können vereinzelte größere Körner relativ tiefe Riefen erzeugen. Bewährt hat es sich in diesem Zusammenhang, wenn mehr als 90 % der abrasiv wirkenden Körner innerhalb einer Spanne von ± 50 % im Vergleich zur mittleren Korngröße des jeweils eingesetzten abrasiv wirkenden Kornes angesiedelt sind.
Aufgrund der dargestellten schmalen Korngrößenverteilung der abrasiv wirkenden Körner bzw. des Abrasionsmittels in der erfindungsgemäßen Mischung empfiehlt es sich, auch für den Zusatz bzw. die dispergierte Phase, welcher für die gewünschte Thixotropie sorgt, eine vergleichbare Korngrößenverteilung einzustellen. Für den Fall, dass an dieser Stelle Tonmineralien als Zusatz als Berücksichtigung finden, ist es ebenfalls günstig, wenn mehr als 90 % dieser Körner innerhalb einer Spanne von ± 50 % im Vergleich zur mittleren Korn- große des jeweils eingesetzten Kornes angesiedelt sind.
Zusätzlich und von besonderer Bedeutung ist der Umstand, dass die Korngröße und/oder die Korngrößenverteilung der dispergierten Phase des Dispersions-
mediums, also im Allgemeinen der in Wasser als Dispersionsmittel disper- gierten Kolloide, kleiner oder gleich im Vergleich zur Korngröße des Abrasionsmittels respektive der mittleren Korngrößenverteilung des eingesetzten Abrasionsmittels ist. Anders ausgedrückt, wird in der Regel die Korn- große des thixotropen Zusatzes zu dem Dispersionsmedium kleiner oder gleich der Korngröße der abrasiv wirkenden Körner eingestellt. Alternativ oder zusätzlich ist auch die Korngrößenverteilung des thixotropen Zusatzes schmaler als diejenige der abrasiv wirkenden Körner ausgelegt. Das heißt, hier wird man beispielsweise auf eine Korngrößenverteilung zurückgreifen, bei welcher mehr als 90 % der Körner des thixotropen Zusatzes innerhalb einer Spanne von + 40 % im Vergleich zur mittleren Korngröße des jeweils eingesetzten Kornes des thixotropen Zusatzes angesiedelt sind.
Bei dieser Bemessungsregel geht die Erfindung von der grundsätzlichen Erkenntnis aus, dass beispielsweise Bentonit als möglicher thixotroper Zusatz (dispergierte Phase) in dem Dispersionsmedium aus Montmorillonit (Kolloidbildner) und Begleitmaterialien bzw. Begleitmineralien besteht. Beim Disper- gieren dieses thixotropen Zusatzes (Rühren mit hoher Scherung) in dem Dispersionsmittel bzw. Wasser zerfallen die Bentonitkömer im Beispielsfall in win- zig kleine Blättchen aus Montmorillonitkristallen auseinander. Diese verfügen regelmäßig über eine Kantenlänge von ca. 1 - 3 μm bei ca. 1 - 2 nm Dicke. Aus diesen Blättchen wird das bereits angesprochene Gel gebildet, welches das thixotrope Verhalten zeigt. Die Körner der Begleitmineralien tragen also nicht zur Gelbildung bei.
Bei dem Dispergieren des thixotropen Zusatzes (Tonmineral) zerfällt also der Zusatz bis auf etwaige Begleitmineralien. Durch Mahlen des Zusatzes und Einstellen der Korngröße sowie der Korngrößenverteilung wird vorsorglich und primär die maximale Größe bzw. die Verteilung der Begleitmineralien einge- stellt. Es kommt letztlich und in der Quintessenz also darauf an, die Korngröße und auch die Korngrößenverteilung der Begleitmineralien an die Korngröße des Abrasionsmittels und dessen Korngrößenverteilung anzupassen. Tatsächlich stellt diese Bemessungsregel im Wesentlichen sicher, dass hierdurch die
abrasiv wirkenden Partikel einwandfrei und praktisch sortenrein in der Mischung sedimentieren können, wenn dies gewünscht wird. Anderenfalls bestünde die Gefahr, dass in dem Sediment zusätzlich noch (grobkörnige) Begleitmineralien vorhanden sind.
Die erläuterte Bemessungsregel, dass die im Wasser als Dispersionsmittel dispergierten Kolloide (Tonmineral) eine Korngröße aufeisen, die kleiner oder gleich im Vergleich zur Korngröße des Abrasionsmittels ausgebildet ist bzw. die Kolloide respektive Tonmineralien mit einer Korngrößenverteilung dem Dispersionsmittel (Wasser) zugesetzt werden, die schmaler als diejenige der abrasiv wirkenden Körner ausgelegt ist, zieht noch einen weiteren Vorteil nach sich. Denn hierdurch wird sichergestellt, dass die Wirkung der abrasiv wirkenden Körner bzw. des Abrasionsmittels nicht durch demgegenüber größere Körner aus dem Begleitmaterial bzw. den (grobkörnigen) Begleitmineralien behindert wird. Das heißt, die Körner des Begleitmaterials bzw. Begleitminerals zu den Montmorillonitkristallen im Beispielfall können durch diese Bemessungsregel die Oberflächenqualität der bei der spanabtragenden Trennung entstehenden Scheiben (Wafer) nicht negativ beeinflussen.
Wie bereits erläutert, setzt sich das erfindungsgemäße thixotrope und wässrige bzw. wasserbasierte Dispersionsmedium überwiegend aus Wasser als dem Dispersionsmittel (Wasseranteil meistens mehr als 85 Gew.-% im Dispersionsmedium) und dem bereits angesprochenen Tonmineral in der angegebenen Konzentration zusammen. Bei den eingesetzten Tonmineralien handelt es sich bevorzugt um smektithaltige Tonerden, wie zum Beispiel Bentonit aber auch Hektorit. Darüber hinaus sind andere Smektite wie Corrensit, Rectorit, Saponit, Stevensit usw. denkbar. Diese sind für das beschriebene thixotrope Verhalten bekannt. Dabei lassen sich grundsätzlich sowohl synthetische als auch natürliche Tonmineralien einsetzen. Ebenso modifizierte natürliche Mineralien.
Auch gewisse Stärken sowie organische Polymere können als Kolloide vorteilhaft in Wasser gelöst werden und als erfindungsgemäßes Dispersionsmedium
zum Einsatz kommen. Femer sind neben Tonmineralien auch nadeiförmige Kettensilikate wie Sepiolith in der Lage, thixotrope wässrige Suspensionen zu bilden. Diese erfordern allerdings sehr hohe Feststoffanteile und die Fließgrenze ist im Vergleich zur Viskosität weniger gut ausgeprägt. Im Ergebnis werden von der Erfindung also nicht nur tonmineralische kolloide Partikel um- fasst. Grundsätzlich geeignet sind somit alle kolloiden Dispersionen, bei denen Wechselwirkungen zwischen den Kolloiden auftreten, also auch Mischungen beispielsweise aus organischen Makromolekülen und Smektiten.
Im Detail wird das thixotrope Verhalten des in der Regel im Wasser gelösten Tonminerals dadurch bewirkt, dass sich in einer solchen Tonmineralsuspension ohne Bewegung Brücken zwischen den einzelnen gelösten Partikeln bzw. Smektiten bilden. Diese Brücken stellen das bereits angesprochene Netzwerk dar, welches die in dem Dispersionsmedium dispergierten abrasiv wirkenden Körner trägt und deren Sedimentation verhindert. Das gelingt besonders einfach dadurch, dass die abrasiv wirkenden Körner mit Korngrößen unterhalb von 100 μm, vorzugsweise weniger als 50 μm und bevorzugt unter 20 μm ausgerüstet sind.
Erst wenn diese Mischung bzw. allgemein das beschriebene Dispersionsmedium einer scherenden Bewegung unterzogen wird, brechen die beschriebenen Brücken auf. Da in der Regel beispielsweise 1 kg an den abrasiv wirkenden Körnern mit 1 I des Dispersionsmediums gemischt wird, stehen innerhalb der Mischung genügend Körner zur Verfügung, so dass selbst bei geringfügigen mikroskopischen Scherraten die angesprochenen Brücken aufbrechen und die Viskosität der Mischung sinkt. Das stellt im Allgemeinen jedoch kein Problem dar, weil eine entsprechende Flüssigkeitsbewegung der Mischung mit einem Mischungstransport verbunden ist, welcher entweder in die gewünschte spanabtragende Bearbeitung mündet oder danach in eine Wieder- aufbereitung oder eine erneute Nutzung der Mischung.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die abrasiv wirkenden Körner beispielsweise mit einem mittleren Korndurchmesser von weniger als 100 μm, insbesondere
unterhalb von 50 μm und bevorzugt im Bereich von ca. 20 μm in dem thixotropen Dispersionsmedium dispergiert werden. Denn derartige Korngrößen lassen sich in dem beschriebenen Netzwerk unschwer aufnehmen und halten. Außerdem empfiehlt die Erfindung in dem Dispersionsmedium neben dem Dispersionsmittel Wasser als Zusatz das Tonmineral in geringer Körnung mit Korngrößen von deutlich weniger als 500 μm.
In der Regel beträgt die Korngröße des eingesetzten Tonminerals weniger als 200 μm und liegt besonders bevorzugt unterhalb von 100 μm. Vorzugsweise mag die Korngröße des Tonminerals weniger als 50 μm und sogar unter 20 μm angesiedelt sein. Auf diese Weise wird insgesamt eine relativ geringe Viskosität der Mischung aus den abrasiv wirkenden Körnern und dem Dispersionsmedium aus Wasser und dem Tonmineralzusatz zur Verfügung gestellt. Tatsächlich werden erfindungsgemäß Viskositäten von zumeist deutlich weniger als 1 Pas (1 Pascal-Sekunde) beobachtet. Die Viskosität liegt damit immer unterhalb derjenigen von beispielsweise Glycerin (1 ,5 Pas), bei 20° C gemessen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die vorgenannte beschriebene dynamische Viskosität der Mischung im Bereich von weniger als 500 mPas angesiedelt ist und vorzugsweise unter 400 mPas liegt. Meistens wird ein Bereich zwischen 30 und 350 mPas in Abhängigkeit vom Anteil der abrasiven Körner für die Mischung beobachtet. Dadurch stehen geringe Viskositäten zur Verfügung, welche insbesondere für die Herstellung von Scheiben aus Polysilizium oder Silizium-Einkristallen (Silizium-Wafem) besonders bevorzugt sind. Denn die fragliche Mischung dient in der Regel dazu, einen Draht zu spülen, welcher den besagten Silizium-Einkristall oder allgemein den Halbleiterkristall durchtrennt. Dabei wird meistens mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit von ca. 0,1 mm/Min, gearbeitet und die Schnittbreite im Bereich von unterhalb von 0,2 mm eingestellt. Ein Beispiel für eine solche Trennvorrichtung wird in der DE 698 24 655 T2 beschrieben.
Infolge der geringen Viskosität der erfindungsgemäßen Mischung kommt es an dieser Stelle nicht zur Ausbildung sogenannter "taper". Denn die Mischung legt
sich aufgrund ihrer geringen Viskosität praktisch mit gleichmäßiger Flüssigkeitsdicke um den Draht hinsichtlich seiner gesamten Länge und es kommt praktisch nicht oder kaum dazu, dass sich die Mischung zu Beginn des Schneidvorganges staut und gegen Ende des Schneidvorganges nicht mehr ausreichend verfügbar ist. Das heißt, die Gefahr, dass sich in der Sägefuge ein Keil (taper) bildet, wird deutlich reduziert. Dies umso mehr, als es sich empfiehlt, den Draht oder allgemein das Trennwerkzeug mit alternierender Schneidrichtung durch den zu trennenden Halbleiterkristall zu führen.
Dadurch, dass die beschriebene "Keilwirkung" (taper) innerhalb der Sägefuge bzw. im Bereich der Trennstelle reduziert ist und infolge der verringerten Viskosität zugleich ein besserer Materialtransport an dieser Stelle stattfindet, wird auch die Rauhigkeit der erzeugten Scheibe (Silizium-Wafer) gegenüber bisherigen Vorgehensweisen verringert. Als Folge kann auf aufwändige Nachbear- beitungen zur Politur zum Teil verzichtet werden bzw. sind diese Nacharbeitmaßnahmen deutlich weniger aufwändig als beim Stand der Technik, welcher mit den zuvor bereits angesprochenen organischen Dispersionsmedien arbeitet.
Hinzu kommt, dass die mittels der erfindungsgemäßen Mischung geschnittenen Wafer im Beispielfall ohne Einsatz von Chemikalien schlicht mit (deionisiertem) Wasser und durch Ultraschall gereinigt werden können. Das lässt sich auf den Einsatz von überwiegend Wasser als Bestandteil des Dispersionsmediums einerseits und die Möglichkeit der einfachen Abtrennung der einzelnen Bestandteile aus der Mischung andererseits zurückführen. Des Weiteren ist von Bedeutung, dass während des Sägeprozesses praktisch kein metallischer Abrieb an den abrasiv wirkenden Körnern abgelagert wird. Das heißt, das Abrasionsmittel bzw. die abrasiv wirkenden Körner müssen nach ihrer Abtrennung durch beispielsweise Sedimentation aus der benutzten Mischung nicht einem aufwändigen und problematischen chemischen Reinigungsvorgang (mit Säure) unterzogen werden.
Wie einleitend bereits erläutert, können dem thixotropen sowie überwiegend wasserbasierten Dispersionsmedium Hilfsstoffe zugesetzt werden. Dabei ist es
ergänzend denkbar, die rheologischen Eigenschaften des Dispersionsmediums durch den Zusatz von Elektrolyten zu ändern. Auch der PH-Wert lässt sich variieren. Zu diesem Zweck können ergänzend und lediglich beispielhaft Phosphorsäure, Zitronensäure, Polyphosphate und hier insbesondere Triphosphate zu- gesetzt werden, wobei allerdings nach wie vor das Wasser den Hauptbestandteil (mit mehr als 85 Gew.-%) des thixotropen wasserbasierten erfindungsgemäßen Dispersionsmediums darstellt.
Hinzu kommt, dass sich die erfindungsgemäße und benutzte Mischung beson- ders einfach aufbereiten lässt. Dabei kann man zunächst den gewünschten Grobanteil des Abrasivmittels beispielsweise durch Filtern oder in einem Zyklon aus der Suspension bzw. Mischung abscheiden. Alternativ kann das Dispersionsmedium bzw. die benutzte Mischung beispielsweise mit Wasser soweit verdünnt werden, dass sich das zuvor beschriebene Netzwerk nicht mehr bildet und es zu einer Sedimentation kommt. Diese Sedimentation führt zu einer Trennung nach Korngrößen.
Der unerwünschte Feinanteil aus dem geschnittenen Werkstoff bzw. Silizium und den Körnern respektive Siliziumcarbid kann dann durch die bereits enthal- tenen Tonmineralien sowie gegebenenfalls unter Zugabe weiterer Tonmineralien und optional eines Flockungsmittels ausgeflockt werden. Alternativ hierzu lässt sich auch der PH-Wert oder die Elektrolytkonzentration ändern und die Ausflockung und folglich Sedimentation erreichen. Immer wird der Vorteil erreicht, dass die Körner aus dem Abrasivmittel praktisch nicht oder kaum ver- loren gehen. Das Gleiche gilt für das Dispersionsmedium. Das heißt, der Anteil nicht wiederverwendbaren Abfalls ist gegenüber dem bisherigen Stand der Technik deutlich reduziert. Hinzu kommt, dass das ausgeflockte Material gesundheitlich unbedenklich ist und einer sekundären Nutzung zugeführt werden kann. Auch die Entsorgung einer normalen Deponie ist möglich. Das heißt, spe- zielle Entsorgungsmaßnahmen müssen nicht ergriffen werden.
Wie bereits erläutert, setzt sich das Dispersionsmedium aus dem Dispersionsmittel (meistens Wasser als Hauptbestandteil) und einem Zusatz (als disper-
gierte Phase) zusammen, der regelmäßig für die gewünschte Thixotropie sorgt. Dieser Zusatz (in der Regel das Tonmineral) kann mit den abrasiv wirkenden Körnern aus beispielsweise Siliziumkarbid trocken gemischt und vermarktet werden. Die Trockenmischung aus dem Zusatz und den abrasiv wirkenden Kör- nern wird dann erst unmittelbar vor der Verarbeitung mit dem Dispersionsmittel zu der Mischung vervollständigt. Dadurch werden Transportkosten gespart, weil das Dispersionsmittel (Wasser) meistens ohnehin am Ort der spanabtragenden Bearbeitung vorhanden ist.
BEISPIEL:
1. Stand der Technik
Beim Stand der Technik wird im Zusammenhang mit dem Drahtsägen von Silizium beispielsweise eine Mischung aus Polyethylenglycol und Silizium-Car- bidkömern mit einem mittleren Korndurchmesser von 10 μm eingesetzt. Die SiIi- zium-Carbidkörner werden im Verhältnis 1 kg auf 1 I dem Polyethylenglycol hinzugefügt. Daraufhin ergibt sich eine Gesamtdichte der Suspension von ca. 1 ,6 kg/l. Die Viskosität dieser bekannten Dispersion liegt im Bereich von ca. 350 mPas.
Aufgrund von während des Sägevorganges zwangsläufig eingelagerten Halbleiterpartikeln steigt die Viskosität und es besteht die Gefahr, dass Zuführungskanäle in der Trennvorrichtung verstopfen können.
2. Erfindungsgemäße Mischung
Es hat sich gezeigt, dass bereits eine Suspension von 2 Gew.-% sehr fein ver- mahlenem Bentonit (mit einer Körnung von weniger als 100 μm) in Wasser bei vergleichbaren Mischungsbedingungen selbst über einen Zeitraum von 60 Stunden keine sichtbare Sedimentation der Silizium-Carbidkörner gezeigt hat. Tatsächlich wurde die Mischung so hergestellt, dass das vorgenannte Dispersionsmedium mit dem Anteil von 2 Gew.-% Bentonit in Wasser zu 1 I mit 1 kg
der Silizium-Carbidkörner gleicher Körnung wie im Beispiel 1. gemischt wurde, um die Ergebnisse zu vergleichen.
Das heißt, während beim Stand der Technik bereits deutliche Sedimentations- erscheinungen beobachtet werden, zeigt die erfindungsgemäße Mischung solche selbst nach 60 Stunden nicht. Das lässt sich im Wesentlichen darauf zurückführen, dass der in Wasser gelöste Bentonit selbst in der eingestellten Konzentration von 2 Gew.-% mit seinen kolloiden und geladenen Smektitplättchen das zuvor bereits angesprochene Netzwerk bildet und darin die Silizium-Carbid- körner gehalten werden, so dass sie nicht sedimentieren können. Außerdem wird die mechanische Verzahnung der spitzen Siliziumkörner untereinander verringert, weil diese in dem Netzwerk beabstandet sind. Dadurch lässt sich die Mischung mit geringem mechanischen Aufwand lösen und problemlos transportieren.
Die dynamische Viskosität liegt im Bereich von ca. 40 mPas. Daraus resultiert, dass das Leitungssystem leicht durch Spülen mit Wasser gereinigt werden kann. Mechanische Reinigungen sind nicht erforderlich. Das Spülwasser kann über die Kanalisation entsorgt werden.
3. Eine erfindungsgemäße Mischung aus 1 kg Silizium-Carbidkörnern mit einer mittleren Körnung im Bereich von ca. 10 μm mit 1 I des Dispersionsmediums, welches 2,5 Gew.-% Bentonit enthält, führt auf eine dynamische Viskosität von 150 mPas.
4. Sämtliche Versuche mit der erfindungsgemäßen Mischung nach 2. haben gezeigt, dass die Mischung nach dem Durchgang durch das Werkstück (Silizium) lediglich um ca. 1° C in der Temperatur erhöht war (bei 20° C Ausgangstemperatur). Dabei wurde mit einer Drahtsäge mit einer Drahtdicke um ca. 100 μm und einer Drahtgeschwindigkeit von maximal 14 m/s gearbeitet. Die Keilbildung über die Schnittlänge von 100 mm betrug ca. 20 μm. Schleifspuren wurden nicht beobachtet.