Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Scheiben oder Folien aus Halbleiterkörpern

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Scheiben oder Folien aus Halbleiterkörpern wie polykristallinen Blöcken (In- gots) oder einkristallinen Stäben.

Gewöhnlich werden Drahtsägen zum Trennen von sprödharten Werkstücken (wie z.B. Silizium) verwendet. Grundsätzlich werden zwei Verfahren eingesetzt (Beschreibung DE 19959414) . Beim Trennläppen wird eine Sägesuspension (Slurry) eingesetzt, während beim Trennschleifen die Scheidkörner fest mit dem Draht verbunden sind. Für beide Verfahren gilt, dass der Trennvorgang durch eine Relativbewegung von Draht und Werkstück erfolgt. Diese Relativbewegung wird in DE 19959474 dadurch erreicht, dass das Werkstück um seine Längsachse gedreht wird. üblicherweise wird der Draht bewegt und z.B. mit Hilfe von Umlenkrollen mehrmals durch das Werkstück geführt, sodass viele Scheiben gleichzeitig abgetrennt werden können. Beim Trennschleifen mit spröden Diamantsägedrähten sind gat- ternde Mehrdrahtsägen (DE 19959414) besonders geeignet, da der Draht nicht durch die Umlenkung mechanisch beansprucht wird.

Zur Herstellung von Siliziumscheiben mit einer Dicke von rund 200 μm für die Fotovoltaik werden gegenwärtig überwiegend Drahtsägen verwendet. Dabei ist der minimale Sägespalt durch den Drahtdurchmesser und die Sägesuspension begrenzt.

Das Spalten von einkistallinen Siliziumstäben wie in US 2004055634 beschrieben, kann eine interessante Alternative

zur Herstellung von Siliziumwafern sein. Dabei wird die Mantelfläche eines Siliziumstabes mit Ionen-, Elektronen- oder Laserstrahlen lokal bestrahlt, um gezielt Gitterdefekte zu erzeugen. Dies erfolgt vorzugsweise entlang einer Linie, die durch die Kristallachsen gegeben ist, sodass die spätere Spaltebene einer Kristallgitterebene entspricht. Der Spaltvorgang erfolgt beispielsweise durch mechanische Scherkräfte entlang der erzeugten Gitterfehler. Beim Spalten entstehen keine Sägeverluste. Weitere Vorteile sind reine Spaltflächen, ein schneller Spaltvorgang, sowie sehr ebene Flächen. US 2004055634 gibt einen potentiellen Nutzen von 10000 Wafer pro Meter Siliziumstablänge an.

Wird ein Laserstahl benutzt, um die Mantelfläche des Siliziumstabes lokal zu erhitzen, kann auf die Vakuumumgebung verzichtet werden. In DE 3403826 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mit einem Laser gezielt eine Kerbe in der Mantelfläche umlaufende Kerbe lokal erhitzt wird. Mit einer Temperaturschockbehandlung wird die Scheibe anschließend vom Stab abgesprengt. Durch die mechanische Bearbeitung der Kerbe ist jedoch zu erwarten, dass die Dicke der Siliziumscheibe nach unten begrenzt ist.

In JP 2002184724 wird die Mantelfläche mit einem fokussierten Eximerlaserstrahl lokal erhitzt. Die beiden letztgenannten Verfahren erfordern wie US 2004055634 einen Einkristall als Ausgangsmaterial. Für Spalttrennverfahren bleibt somit offen, ob in Zukunft eine wirtschaftliche Anwendung zur Herstellung von dünnen Halbleiterscheiben realisiert werden kann.

US 2005199592 beschreibt ebenfalls eine Trennmethode zum Trennen von Silizium mit Hilfe von Laserstrahlung. Allerdings handelt es sich hier um das Trennen von Siliziumscheiben in

einzelne Chips. Dazu wird beispielsweise ein Nd: YAG-Laser

(1064 nm) so fokussiert, dass der Fokus im Inneren der Scheibe liegt. Dies führt zu Mikrorissen, die durch eine geeignete Anordnung zu Sollbruchstellen für die Scheibe werden. Wenn man zusätzlich an der Oberfläche mechanisch mit einem Diamantwerkzeug oder mit einem Laser eine Kerbe erzeugt, so kann die Bruchlinie noch genauer definiert werden. Nun lässt sich die Schiebe durch mechanische Belastung entlang der vorher definierten Linien brechen. US 2005199592 beschreibt wie Scheiben mit einer Dicke von beispielsweise 625 μm geteilt werden können. Für diese Scheibedicke lässt sich gezielt die Bruchkante definieren, allerdings lässt sich das Verfahren nicht beliebig auf größere Materialdicken übertragen, da der Arbeitsabstand der Fokussieroptik und die Absorption der Laserstrahlung die Eindringtiefe begrenzen.

üblicherweise arbeitet die Materialbearbeitung mit fokussier- ten Laserstrahlen bei denen der Arbeitsbereich auf die unmittelbare Umgebung des Fokus beschränkt ist. DE 19518263 beschreibt eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung, bei der die Laserstrahlung in einem Flüssigkeitsstrahl auf die Materialoberfläche geführt wird. Dazu wird der fokussierte Laserstahl mittels einer speziellen Düse in den möglichst laminaren Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt. Dieses Verfahren findet ebenfalls Anwendung beim Trennen von Siliziumscheiben. Dabei werden Schnittbreiten von typischerweise 50 μm erreicht, die im Wesentlichen durch den Flüssigkeitsstrahl bestimmt sind. Es wurde jedoch beobachtet, dass bei diesem Verfahren trotz der Verwendung von Nanosekundenpulsen Schmelzzonen entstehen, die nach dem Wiedererstarren die mechanische Stabilität der Werkstücke beinträchtigen können.

Die Schmelzzonen lassen sich deutlich verringern, wenn man mit kürzeren Laserpulsen arbeitet. DE 10020559 nennt folgende Vorteile für die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen. „Die besonderen Vorteile der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen (fs-Laserpulsen) zeigen sich insbesondere beim äußerst präzisen und sowohl thermisch als auch mechanisch minimal schädigenden Schneiden und/oder Abtragen von Materialien. Es lassen sich Abtragraten im sub-μm-Bereich mit Schnittbreiten von weniger als 500nm erreichen." Die thermisch und mechanisch minimal schädigende Bearbeitung stellt den entscheidenden Vorteil gegenüber der Bearbeitung mit Nanosekundenpulsen dar.

Die geringen Schnittbreiten lassen sich jedoch nur bei Arbeiten innerhalb der begrenzten Fokustiefe erreichen. Bei größeren Schnitttiefen erhöht sich damit die Trennfugenbreite aufgrund der Strahlfokussierung entsprechend.

Es ist bekannt, dass auch Silizium unter Ausnutzung der oben genannten Vorteile mit Femtosekundenlaserpulsen bearbeitet werden kann. Barsch et al. erreichten eine Trennfugenbreite von 10-15 μm beim Teilen einer 50 μm dicken Siliziumscheibe. Sie konnten ebenfalls zeigen, dass ein linienförmiges Strahlprofil das entlang der Schnittlinie ausgerichtet ist zu einer erhöhten Abtragsrate im Vergleich zu punktförmigen Strahlprofilen führt. Für schmale Trennfugen bleibt der Arbeitsbereich auf den räumlich beschränkten Bereich um den Fokus begrenzt. Damit lassen sich schmale Trennfugenbreiten bei der Herstellung starrer Siliziumscheiben nicht realisieren

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Halbleiterfolien, insbesondere Siliziumfolien durch Abtrennen von Halbleiterkörpern

sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst.

Während ein sprödhartes Material, wie Halbleiter-Werkstoff, an sich weitgehend steif und brüchig ist, nutzt das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise gezielt die Eigenschaft, dass Halbleiterscheiben immer biegsamer werden, je dünner sie sind.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Halbleiterfolien, insbesondere Siliziumfolien durch Abtrennen von Halbleiterkörpern mittels eines Trenn- Werkzeugs, wenn folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a. bereitstellen eines Halbleiterkörpers; b. heranführen eines Trenn-Werkzeugs an den Halbleiterkörper; c. einleiten einer Relativbewegung zwischen Halbleiterkörper und Trenn-Werkzeug zum sukzessiven Abtrennen der Halbleiterfolie vom Halbleiterkörper; d. abspreizen des bereits frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie vom Halbleiterkörper; e. gegebenenfalls stützen des bereits frei geschnittenen Teils der abgetrennten Halbleiterfolie und f. entfernen des vollständig abgetrennten Teils der Halbleiterfolie und verbringen in eine Weiterverarbeitungsstation oder in eine Lagerposition.

Vorteilhaft ist ein derartiges Verfahren besonders dann, wenn das Herstellen der Halbleiterfolie durch Abtrennen von einer

Fläche eines Halbleiterblocks erfolgt, oder wenn das Herstellen der Halbleiterfolie durch tangentiales Abtrennen von der Mantel-Fläche eines Halbleiterstabs erfolgt. Durch mehrfaches, am Umfang des Halbleiterstabs versetztes tangentiales Abtrennen von der Mantelfläche des Halbleiterstabs können in vorteilhafter Weise gleichzeitig mehrere Folien abgetrennt werden.

Ganz besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden, wenn durch das Abspreizen des bereits abgetrennten Teils der Halbleiterfolie vom Halbleiterkörper Freiraum für das Trenn-Werkzeug geschaffen wird, wobei der Freiraum durch die Flächen am Halbleiterkörper, der Spitze der Trenn-Werkzeugs und eine dem Halbleiter zugewandte Fläche der abgespreizten Halbleiterfolie gebildet wird.

Für das Trennen kann ein gepulster, stark fokussierter Laserstrahl verwendet werden, und/oder eine Sonde mit flüssigem oder gasförmigem ätzmedium. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Trennen unter Vakuum oder unter spezieller Gasatmosphäre erfolgt.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn beim Trennen ein fokussierter Laserstrahl den Halbleiter-Werkstoff modifiziert und der modifizierte Halbleiter-Werkstoff mit einem flüssigen o- der gasförmigen ätzmedium entfernt wird.

Durch das bereits erwähnte tangentiale Abtrennen von der Mantel-Fläche des Halbleiterstabs können sehr günstig Halbleiterfolien in nahezu beliebiger Länge herstellbar sein, und durch mehrfaches, am Umfang des Halbleiterstabs versetztes tangentiales Abtrennen können gleichzeitig mehrere Halbleiterfolien in nahezu beliebiger Länge hergestellt werden.

Sehr günstig ist es außerdem, wenn das Trennen bei einer Werkstücktemperatur von mehr als 200 ⁰ C erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft mit einer Vorrichtung durchführen, die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie und Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie aufweist. Die Mittel zum Abspreizen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie können als Zug- und/oder Druckmittel ausgebildet sein und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie angreifen. Sie können zum Beispiel als elektrostatisch arbeitende Vorrichtungen ausgebildet sein und am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie angreifen. Sie können aber auch als Vorrichtungen ausgebildet sein, welche mit Unter- oder überdruck arbeiten. Besonders mit Vakuum arbeitende Vorrichtungen, die am frei geschnittenen Teil der Halbleiterfolie angreifen, sind vorteilhaft.

Die Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie sind vorteilhafter Weise als Stützrolle ausgebildet und stützen den bereits abgetrennten Teil der Halbleiterfolie derart ab, dass ein minimaler Biegeradius der abgespreizten Halbleiterfolie nicht unterschritten wird.

Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Stützrolle so ausgebildet ist, dass die abgespreizte Halbleiterfolie lediglich elastisch verformt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beispielsweise dadurch vorteilhaft zu realisieren, wenn das Trenn-Werkzeug von einem gepulsten Laser realisiert ist, dessen Pulslänge kleiner als 10e-9s ist, wobei der gepulsten La-

ser eine hohe Strahlqualität besitzen sollte und stark fokus- siert ist.

Zum flächigen Abtrennen kann ein Laser mit linienförmigem Intensitätsprofil Verwendung finden.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn ein Laser Verwendung findet dessen Laserstrahl in einem Medium nahe an die Bearbeitungsstelle geführt wird. Dieses Medium können Glasfasern sein.

Ferner kann mit Vorteil ein Faser-Laser Verwendung finden. Genauso vorteilhaft kann es sein, einen frequenzvervielfachten Laser zu verwenden.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert werden.

Es zeigt

Figur 1 ein Prinzipschaubild vom Abtrennvorgang;

Figur 2 ein Prinzipschaubild vom tangentialen Abtrennen;

Figur 3 ein Prinzipschaubild vom tangentialen Abtrennen gemäß Figur 2 mit Freiraum;

Figur 4 ein Prinzipschaubild vom mehrfachen tangentialen

Abtrennen mit Freiräumen und

Figur 5 ein Prinzipschaubild vom Abtrennvorgang gemäß

Figur 1 mit Freiraum.

In Figur 1 ist stark schematisiert ein Halbleiterkörper 1 gezeigt, der auf einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine mit Hilfe einer ebenfalls nicht dargestellten Halterung angeordnet ist. Ein Trenn-Werkzeug 2 befindet sich im Eingriff mit dem Halbleiterkörper 1 und dient zur Abtrennung einer Halb-

leiterfolie 3 von dem Halbleiterkörper 1. Halbleiterkörper, beispielsweise ein Siliziumblock, bestehen aus einem Werkstoff, der nur schwer zu bearbeiten ist, weil er eine gewisse spröde Härte hat. Die gängigen Bearbeitungsmethoden sind in der Beschreibungseinleitung bereits näher beschrieben. Das Trenn-Werkzeug gemäß der Erfindung kann als fokussierter Laserstrahl, eine spitz zulaufende Glasfaser als Medium für den Laserstrahl, eine Sonde mit ätzmedium, ein mechanisches Werkzeug oder ein anderes geeignetes Trenn-Werkzeug ausgeführt sein. Nachfolgend wird von einem stark fokussierten Laserstrahl als Trenn-Werkzeug 2 ausgegangen, der eine Trennfuge 4 mit einer nur sehr geringen Trennfugenbreite 5 erzeugen kann. Durch das erfindungsgemäße Abspreizen der bei der Abtrennung erzeugten Halbleiterfolie 3 wird zwischen dem Halbleiterkörper 1 und der abgetrennten Halbleiterfolie 3 ein Freiraum 6 geschaffen, zwischen dessen Begrenzungsflächen das Trennwerkzeug 2 agieren kann. Der Freiraum 6 wird durch die Trenn- Fläche 7 am Halbleiterkörper 1, die Spitze des Trenn- Werkzeugs 2 und eine dem Halbleiter 1 zugewandte Fläche 8 der abgespreizten Halbleiterfolie 3 begrenzt, wie später noch zur Figur 5 näher beschrieben werden wird.

Die Abspreizung wird durch Mittel bewirkt, welche Zug- oder Druckkräfte auf den bereits abgetrennten Bereich der Halbleiterfolie 3 ausüben. Zur Verdeutlichung sind diese Zug- oder Druckkräfte mit zwei Pfeilen Pl und P2 bezeichnet, wobei der Pfeil Pl die Druckkräfte und der Pfeil P2 die Zugkräfte symbolisiert. Die Mittel zum Abspreizen der Halbleiterfolie 3 können durch mechanisch angreifende Elemente, oder durch berührungslos angreifende Elemente realisiert sein. Es bietet sich an, die Abspreizung elektrostatisch vorzunehmen. Aber auch mittels Vakuum ist eine Abspreizung der Halbleiterfolie realisierbar. Ebenso kann durch einen gezielten Luftüber-

schuss der bereits abgetrennte Bereich der Halbleiterfolie 3 so abgespreizt werden, dass der benötigte Freiraum 6 für das Trenn-Werkzeug 2 zur Verfügung steht.

Die resultierende Trennfugenbreite 5 der Trennfuge 4 wird nicht mehr durch die Breite des Trenn-Werkzeugs 2 bestimmt, sondern nur noch durch die Breite der Spitze 9 des Trenn- Werkzeugs 2, die erheblich schmäler sein kann, als beispielsweise ein Sägedraht, wie er beim Stand der Technik zur Herstellung von Siliziumwafern benutzt wird. Der Trenn-Verlust an Halbleiter-Werkstoff reduziert sich demgemäß erheblich, weil die den Verlust bestimmende Trennfugenbreite 5 gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden kann. Beim Einsatz eines stark fokussierten Laserstrahls als Trenn- Werkzeug 2 reduziert sich der flächenbezogene Siliziumverbrauch erheblich, weil der Arbeitsbereich, d. h. die Trennfugenbreite 5 auf den Bereich um den Fokus des Trenn- Werkzeugs 2 beschränkt bleibt. Ermöglicht wird die Schaffung des dazu erforderlichen Freiraums durch das erfindungsgemäße Abspreizen der bereits frei geschnittenen Halbleiterfolie 3. Je dünner die abgetrennte Halbleiterfolie 3 ist, desto biegsamer wird sie und umso besser lässt sie sich abspreizen, wobei die Grenzen durch die elastische Verformung der Halbleiterfolie 3 gegeben sind. Um ein Abknicken der abgespreizten Halbleiterfolie 3 zu verhindern, sind Mittel zum Stützen des frei geschnittenen Teils der Halbleiterfolie 3 vorhanden, die als Stützrolle 10 ausgebildet sind und den bereits abgetrennten Teil der Halbleiterfolie 3 derart abstützen, dass ein minimaler Biegeradius der abgespreizten Halbleiterfolie 3 nicht unterschritten wird. Die Anordnung und die Geometrie der Stützrolle 10 ist so gewählt, dass die abgespreizte Halbleiterfolie 3 lediglich elastisch verformt wird. Die Anordnung der Stützrolle 10 kann auf einem nicht dargestellten Werk-

zeugschlitten derart beweglich erfolgen, dass sie dem Trennschnitt folgen kann. Hiermit ist sicher gestellt, dass der bereits abgetrennte Bereich der Halbleiterfolie 3 immer optimal gestützt wird.

In Figur 2 ist dargestellt, wie in analoger Weise wie zu Figur 1 beschrieben, eine Folie 3 von der Mantelfläche eines Halbleiterstabs 11 abgetrennt wird. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind zur Vermeidung von Wiederholungen mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, wobei sich eine detaillierte Beschreibung dieser gleichartigen Elemente erübrigt. Die Spitze 9 eines stark fokussierten Laserstrahls bewirkt als Trenn-Werkzeug 2 das Abtrennen einer Halbleiterfolie 3 von dem rotierenden Halbleiterstab 11. Durch die Verwendung eines Halbleiterstabs 11 als Ausgangsmaterial kann die Länge der abgetrennten Folie sehr groß werden, theoretisch einige Kilometer. Die runde Form eines Halbleiterstabs 11 ermöglicht es auch, gleichzeitig mehrere Halbleiterfolien 3, 31, 32 aus einem Halbleiterstab 11 zu schneiden, was in der Figur 4 schematisch dargestellt ist. Die hier schematisch gezeigten drei Halbleiterfolien 3, 31, 32 werden von drei Stützrollen 10, 101, 102 in der bereits grundsätzlich beschriebenen Art und Weise gestützt. Auch hier sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass eine Wiederholung von bereits Beschriebenem unterbleiben kann.

In Figur 3 ist gezeigt, dass ein Freiraum 6 für das Trenn- Werkzeug 2 am rotierenden Halbleiterstab 11 durch die Trenn- Fläche 7 und die dem Halbleiterstab 11 zugewandte Fläche an der Halbleiterfolie 3 geschaffen wird, ohne dass hier die Spitze eines Werkzeugs gezeigt ist.

Entsprechendes gilt für die gezeigten Freiräume in Figuren 4.

Figur 5 zeigt zurückblickend auf Figur 1 einen Freiraum 6 für ein nicht dargestelltes Trennwerkzeug gemäß dieser Figur 1. Auch hier sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass vorteilhaft als Trenn- Werkzeug 2 ein Laser verwendet wird, dessen Strahl mit geeigneten optischen Mitteln wie beispielsweise einer Zylinderlinse oder eines diffraktiven optischen Elements derart fokus- siert wird, dass anstelle eines punktförmigen Intensitätsprofils ein linienförmiges Intensitätsprofil zum Trennen der Halbleiterfolie 3 entsteht. Ferner ist es sinnvoll, mehrere linienförmige Intensitätsprofile so aneinander zu reihen, dass eine Trennlinie über die gesamte Breite des Halbleiterkörpers 1, 11 entsteht, so dass die gesamte Schnittlinie quasi kontinuierlich (mit der Repetitionsrate des Lasers) abgetragen werden kann.

Ferner sollten die Randstrahlen des fokussierten Laserstrahls, die dem Halbleiterkörper 1, 11 zugewandt sind, idealerweise parallel zur Kante des Halbleiterkörpers 1, 11 verlaufen. Auf der Seite, die der Halbleiterfolie 3, 31, 32 zugewandt ist, folgen die Randstrahlen in der Nähe der Spitze 9 des Trenn-Werkzeugs 2 dem Biegeradius der Halbleiterfolie 3, 31, 32 und mit zunehmenden Abstand vom Fokus (Spitze des Trenn-Werkzeugs 2) entsteht ein Spalt der sich vergrößert.

Für das Siliziumschneiden mittels Femtosekundenlaser ist es ein Vorteil, entweder in einer Schutzgasatmosphäre, einer Atmosphäre, die mit dem verdampften Silizium reagiert oder im Vakuum zu arbeiten. Damit können ungewünschte Reaktionspro-

dukte vermieden werden und die Oberflächenqualität wird verbessert .

Neben dem direkten Laserabtrag kann der Halbleiterwerkstoff, im Allgemeinen Silizium, in der Trennfuge zunächst auch nur modifiziert werden und anschließend mit einem gasförmigen ätzmedium oder einer ätzflüssigkeit selektiv (hauptsächlich modifiziertes Material) entfernt werden.

Als Laserquelle eignen sich beispielsweise Femtosekunden- Faserlaser. Insbesondere Frequenzvervielfachung ist bei hoher Effizienz von Vorteil, da sich für kürzere Wellenlängen die Energiedichte der Ablationsschwelle verringert.

Eine erhöhte Temperatur des Siliziums vergrößert die Abtragsrate bei der Ablation mit Femtosekundenlasern

Bezugs zeichenliste

1 Halbleiterkörper

2 Trenn-Werkzeug

3 Halbleiterfolie

4 Trennfuge

5 Trennfugenbreite

6 Freiraum

7 Trenn-Fläche

8 Fläche an der Halbleiterfolie

9 Spitze des Trenn-Werkzeugs 2

10 Stützrolle

11 Halbleiterstab

31 Halbleiterfolie

32 Halbleiterfolie

101 Stützrolle

102 Stützrolle