用于在一系列切断操作期间借助于线锯从工件切出多个切片的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在一系列切断(切分)操作期间借助于线锯从工件切出多个切片的方法，其中，所述线锯包括由锯线的移动线区段构成的线阵列和致动装置，并且所述线阵列在两个线引导辊之间的平面中被张紧，并且其中所述两个线引导辊中的每一个被支撑在固定轴承与浮动轴承之间。在所述切断操作中的每一个期间，在存在磨蚀地作用于工件上的硬质材料和工作流体的情况下，相应的工件借助于致动装置沿着垂直于工件轴线且垂直于线阵列的平面的供给(输送)方向被供给通过所述线阵列。

背景技术

这种用于切出多个切片的方法可以借助于搭接切片或磨削切片来实现。

在搭接切片的情况下，由液态载体介质中的硬质材料组成的浆料形式的工作流体被供给到在线表面与工件之间形成的工作空间。在搭接切片的情况下，材料借助于涉及工具载体(锯线)、工具(磨料)和工件的三体相互作用被去除。

在磨削切片的情况下，使用其表面中牢固地粘结有硬质材料的锯线，并且工作流体被供应，其中所述工作流体自身不含磨削材料并用作冷却润滑剂。在磨削切片的情况下，材料借助于涉及作为工具的金刚石涂敷锯线和工件的二体相互作用被去除。

在常规线锯的情况下，所述线引导辊中的每一个在其每一个端面附近设有以固定方式连接至机架并被称为固定轴承的轴承，并且在相反的端面附近设置有可相对于机架在线引导辊的轴向方向上移动并被称为浮动轴承的轴承。

存在旨在抵消切断操作期间线阵列和工件相对于彼此的布置的变化以便改善待切割下来的切片的主表面的平面平行度的已知措施。

US 5 377 568公开了一种方法，其中，位于线引导辊的外侧的参考表面相对于机架的位置被测量，并且通过调节线引导辊内部的温度来实现线引导辊的热长度增加或长度减少，直到已经再次对参考表面的测得的位置变化进行了补偿为止。

WO 2013/079683 A1公开了一种方法，其中，首先，测量在线引导辊轴承的不同温度下获得的切片形状，并且将这些形状中的每一个与相应相关联的轴承温度一起存储，然后在后续切割中，选择与预期目标形状最佳匹配的轴承温度。

US 5 875 770公开了一种方法，其中，测量来自切割的切片的形状，通过形成相对于切片的期望理想形状的差异计算与切割深度相关的修正曲线，并且在后续切割中，在切断操作期间根据该修正曲线使工件相对于线阵列在轴向方向上移动。

US 2002/0 174 861A1描述了一种方法，该方法设想控制工件的温度，以便限制被切割下来的切片的翘曲。

尽管提出了这些措施，但仍然需要改进，一方面是因为这些措施仅仅具有有限的效果，另一方面是因为特别是在半导体行业中对切片的平整度和平面平行度的要求越来越高。

发明内容

本发明的目的是制造其形状尽可能接近地匹配目标形状的可用切片。

本发明的目的通过一种用于在被划分为初始切割和后续切割的一系列切断操作期间借助于线锯从工件切出多个切片的方法来实现，其中，所述线锯包括由锯线的移动线区段构成的线阵列和致动装置，并且所述线阵列在两个线引导辊之间的平面中被张紧，其中所述两个线引导辊中的每一个被支撑在固定轴承与浮动轴承之间，所述方法包括

在所述切断操作中的每一个期间，在存在磨蚀地作用于工件上的硬质材料和工作流体的情况下，借助于致动装置沿着垂直于工件轴线且垂直于所述线阵列的平面的供给方向将相应的工件供给通过所述线阵列，其包括

在所述切断操作中的每一个期间，在将所述工件供给通过所述线阵列的同时通过利用冷却介质润湿工件来控制所述工件的温度；

在所述切断操作中的每一个期间，在通过根据第一温度曲线的规范利用冷却流体调节所述固定轴承的温度来使所述浮动轴承同时轴向移动的情况下将所述工件供给通过所述线阵列，所述第一温度曲线依赖于切割深度指定所述冷却流体的温度并与第一修正曲线相关，所述第一修正曲线依赖于切割深度指定所述浮动轴承的行程；并且

在所述切断操作中的每一个期间，在将所述工件供给通过所述线阵列的同时根据第二修正曲线的规范借助于致动元件同时使所述工件沿着所述工件轴线移动，所述第二修正曲线指定所述工件的行程，其中，所述第一修正曲线和所述第二修正曲线相反于(抑制)形状偏差；以及

在所述切断操作中的每一个期间和/或在所述切断操作中的每一个之前确定所述形状偏差。

所述方法可以被配置成搭接切片或磨削切片。切割深度(doc)表示在进入工件切割到退出工件切割的区域中与供给方向相反的长度。

调节固定轴承的温度(以下称为线引导温度控制，WGTC)引起固定轴承以及由此其部件沿着线引导辊的轴向方向的收缩或膨胀，从而导致浮动轴承的轴向移动以及由此线引导辊相对于工件的移动。调节固定轴承的温度由此具有与借助于致动元件使工件沿着工件轴线移动(以下称为锭料定位控制，IPC)在质量(定性)方面相同的效果。致动元件优选地为压电致动器。由此，导致相应行程的变量在WGTC的情况下为冷却流体的温度，而在IPC的情况下为用于驱动致动元件的信号。

根据本发明，两种措施均被设想到，以使任何可能的形状偏差最小化。存在与该方案相关联的特定优点。如果以结合的方式使用这些措施，可以获得线引导辊相对于工件的比在仅使用这些措施中的一种时的可能幅度大的运动幅度(行程量)。浮动轴承和工件的运动与引起所述运动的变量线性相关的范围比仅使用所述措施中的一种时可获得的相应范围宽。与IPC的情况相比，在WGTC的情况下从改变引起运动的变量到实际发生该运动花费显著更多的响应时间，特别是如果致动元件为压电致动器则更是如此。由此，两种措施具有不同的控制带宽。因此，有利的是，借助于IPC抑制(抵消)相对高频的形状偏差(即取决于切割深度的以相对大的梯度改变的形状偏差)以及借助于WGTC抑制相对低频的形状偏差。由于不同的响应时间，通过IPC进行的控制可以被用于衰减通过WGTC进行的控制的过冲。此外，IPC和WGTC的结合的控制带宽大于IPC的控制带宽或WGTC的控制带宽。两种措施的结合使得能够在单位时间内获得更大的行程，因为浮动轴承和工件的移动由两个独立的致动器实施。

如果形状偏差在切断操作之前被确定，则术语形状偏差是指切片的形状曲线或切片的平均形状曲线相对于参考形状曲线的偏差。

如果形状偏差在切断操作期间被确定，则术语形状偏差是指通过观察到的切口(锯缝)的中心的线的位置相对于参考迹线的位置的偏差，或者代表多条这样的线的平均线的位置相对于参考迹线的位置的偏差。如果切断操作是完全无故障的，即没有线引导辊的意外轴向移动和/或工件的意外轴向移动，则该线和所述参考迹线将会相对于公共参考(参照)点具有相同的位置。公共参考点是空间中保持静止的位置，例如机架上的位置。如果观察到多个切口，则经过这些切口的中心的线的位置被平均化以给出平均线的位置。处于该线或平均线和参考迹线的相同高度处的(多个)点表示某一切割深度。因此，该线上或平均线上的这种点与参考迹线上的对应点的距离指示由这些点表示的切割深度处的形状偏差。

对一个或多个切口的观察优选地通过利用光学辐射、IR辐射、X射线或γ射线进行的照射来执行。此外，还可以考虑对切口进行机械扫描或者对切口进行电感或电容测量。

所述形状偏差在所述切断操作中的每一个期间和/或在所述切断操作中的每一个之前被确定。

根据一个实施例，形状偏差的确定基于在切断操作期间观察一个或多个切口，并且建立两个闭合控制回路。第一控制回路借助于WGTC对控制误差作出响应，即对所确定的形状偏差作出响应，并且第二控制回路借助于IPC作出响应，其中，待执行以矫正所述形状偏差的浮动轴承和工件的移动利用在所述回路之间分配的工作来实施。浮动轴承借助于WGTC根据第一修正曲线移动，所述第一修正曲线依赖于切割深度确定浮动轴承的行程。依赖于切割深度指定冷却流体的温度的所述第一温度曲线与第一修正曲线相关。预先通过实验确定产生相应线引导辊的浮动轴承的指定行程所需的冷却流体的温度变化。第一修正曲线依赖于(依据)切割深度确定浮动轴承执行以减小形状偏差的行程的比例。工件借助于IPC根据第二修正曲线移动。第二修正曲线依赖于切割深度确定工件执行以减小形状偏差的行程的比例。这两个比例的总和对应于减小所确定的形状偏差所需的行程。行程的比例可以被均等地划分或不同地划分。在适用的情况下，考虑呈第三修正曲线的形式的工件与线阵列的线区段之间的相对移动的另一比例，所述第三修正曲线依赖于切割深度指定工件的长度变化。所述长度变化通过利用冷却介质润湿工件(锭料冷却，IC)而产生。

根据另一实施例，形状偏差的确定基于已切下切片的平均形状曲线与参考形状曲线的比较，所述比较提供总修正曲线，所述总修正曲线甚至在切断操作之前确定依赖于切割深度(作为切割深度的函数)的、为避免出现在不使用应对措施的情况下将预期到的形状偏差(以比较的角度)所需的行程。总修正曲线被划分为第一修正曲线和第二修正曲线，以及在适用情况下的第三修正曲线，并且这确定将借助于WGTC和IPC执行的行程的比例以及在适用情况下将借助于IC执行的工件的长度变化的比例。在这种情况下，同样，行程和工件的长度变化的比例可以被均等地划分或以一些其他比率划分。

根据另一实施例，WGTC和IPC被采用，以抑制(抵消)形状偏差，所述形状偏差的确定在所述切断操作中的每一个期间执行，并且IC被采用，以抑制在所述切断操作中的每一个之前确定的形状偏差，或者反之亦然。

根据另一实施例，WGTC和IC被采用，以抑制形状偏差，所述形状偏差的确定在所述切断操作中的每一个期间执行，并且IPC被采用，以抑制在所述切断操作中的每一个之前确定的形状偏差，或者反之亦然。

根据另一实施例，IPC和IC被采用，以抑制形状偏差，所述形状偏差的确定在所述切断操作中的每一个期间执行，并且WGTC被采用，以抑制在所述切断操作中的每一个之前确定的形状偏差，或者反之亦然。

切片的表面由主表面和边缘表面组成。主表面包括切片的前侧和后侧。如在翘曲测量的情况下所常见，切片可以通过被布置在一对传感器之间进行测量。所述传感器中的每一个在测量点处测量切片的面对主表面的距离。测量点可以分布于主表面上，或者可以沿着相对于供给方向偏差不超过±20°的切片的直径定位。测量点优选地位于沿着切片的直径(具体地与供给方向相反)的位置i处，并且因此每个测量点与特定的切割深度相关联。测量点的密度优选地不小于每厘米1个，并且一个测量点与最近的相邻点之间的距离优选地对所有测量点而言均相同。

切片的形状曲线是连接测量点si的线，这些测量点si根据规则si＝D-(FDi-BDi)在位置i处被算出，其中D是传感器之间的距离，FDi是上传感器与切片的前侧上的相应测量点之间的距离，并且BDi是下传感器与切片的后侧上的相应测量点之间的距离。应当注意，本发明也可以使用形状曲线的替代定义来实施，只要该替代定义将切片的形状依赖于切片深度进行编码(即，使其作为切割深度的函数)即可。

切片的平均形状曲线是通过对多个切片的形状曲线平均化而获得的形状曲线。参考形状曲线是期望(理想)的形状曲线，优选地是具有完全平坦且相互平行的主表面的切片的形状曲线。平均形状曲线对于借助于相同的线锯进行的优选至少1至5个(次)切断操作所产生的切片而确定，其中这些切断操作在将由该线锯实施的切断操作之前与其紧邻地(已经)进行。用于平均形状曲线的创建的切片的选择可以基于切片或基于切割，或者可以包括两者。在基于切片进行选择的情况下，来自一切断操作的某些切片被使用，以通过平均化来确定相应的平均形状曲线，而其他切片被排除掉。例如，在平均化处理中仅考虑在工件中具有特定位置的那些切片，例如沿着工件轴线仅每第15个至第25个切片。基于切片进行选择的另一种可能性是排除掉相对于切断操作中的所有切片的平均形状曲线具有最大和最小形状曲线偏差的切片(所谓的截尾均值)。可替代地，可以从平均化切片中排除掉其形状曲线偏离切断操作中的所有切片的平均形状曲线超过1至2σ(西格玛)的切片。在基于切割的选择中，来自至少一个切断操作的所有切片被用于确定平均形状曲线，并且来自至少一个其他切断操作的所有切片均从中被排除掉。

切断操作中的切片的平均形状曲线在一系列切断操作的过程中发生变化。变化被优选地用于评估线锯的性能。它们可以指示锯线和/或线引导辊的面层(表层)部或经受磨损的线锯的任何其他部件的磨损。因此，优选地，形状偏差的阈值被定义，当达到或超过该阈值时，启动维护活动(预测性维护活动)，而非另一切断操作。甚至在达到这种阈值之前，这种变化可以被用作采取调节措施以抵消(应对)由于磨损而导致的工作结果的恶化的理由。例如，这种调节措施可以是改变工作流体的组成和/或温度和/或改变锯线速度和/或其他工艺特有参数。

在锯系统中发生变化后进行的切断操作代表特定情况。例如，当存在线引导辊的变化、对线锯进行的机械调节或者工作流体的物理或化学性质的变化时，在锯系统中发生这种变化。锯系统改变后的首批或初期切断操作(即所谓的初始切割)优选地由1至5个切断操作组成。对于初始切割，优选地通过将切片的平均形状曲线与参考形状曲线进行比较来确定形状偏差，其中，使用在锯系统被改变之前进行的一个或多个初始切割的过程中由相同线锯产生的切片的平均形状曲线。

根据本发明，建议在所述切断操作中的每一个期间附加地提供对工件的温度的控制，更具体地，通过利用冷却介质润湿工件(锭料冷却，IC)提供所述控制。根据一个实施例，借助于闭合控制回路执行控制，其中工件的温度形成受控变量，并且冷却介质的温度形成控制回路的操纵变量。控制回路的参考变量优选地为恒定温度。冷却介质优选地为流体或者搭接切片或磨削切片中使用的工作流体。通过控制工件的温度，可以限制由工件的热膨胀引起的切片的形状偏差。控制回路例如可以如US 2002/0 174861A1中所描述的那样来实现。

根据优选实施例，根据第二温度曲线控制工件的温度，所述第二温度曲线依赖于切割深度指定冷却介质的温度。第二温度曲线与第三修正曲线相关，所述第三修正曲线相反于形状偏差。冷却介质的温度影响工件的伸长(量)并由此影响工件和线阵列的线区段的相对位置。工件的长度变化通过控制工件的温度特意地产生，以便连同浮动轴承和工件的移动一起减小形状偏差。

根据本发明使用的线锯包括两个或更多个线引导辊。线引导辊的固定轴承的温度调节可以限于以下两个线引导辊，其中所述线阵列在所述两个线引导辊之间被张紧，工件借助于所述两个线引导辊被进给(进料)。

工件优选地由处于多晶或单晶状态的诸如硅的半导体材料构成。工件的横截面的周边为正方形、矩形或圆形。在圆柱形工件的情况下，工件轴线延伸通过圆柱体的中心。根据本发明的方法特别适用于生产由单晶硅构成、直径为至少200mm，特别是至少300mm的圆形半导体晶片。

下面参照附图描述本发明的细节。

附图说明

图1示意性地示出了在本发明的使用中起作用的线锯的特征。

图2示出了线锯的进一步细节。

图3示出了通过工件的切口的轨迹以及由参考迹线表示的设想轨迹。

图4示出了在切断操作之前用于确定切片的形状偏差的两个传感器之间的切片的布置。

图5示出了当增加WGTC和IPC的幅度时获得的优点。

图6示出了移动幅度A与引起该移动的变量线性相关的范围。

图7示出了总修正曲线在WGTC与IPC之间的有利划分。

图8示出了通过将WGTC与IPC相结合可在单位时间内获得的更大行程。

图9示出了总修正曲线在WGTC与IPC之间的有利划分如何衰减在将WGTC用作唯一措施的情况下将会观察到的幅度的过冲。

所使用的附图标记列表

1线引导辊

2线阵列

3锯线

4工件

5固定轴承

6浮动轴承

7机架

8面层部

9通道

10方向箭头

11方向箭头

12致动装置

13 切口探测器

14 数据处理单元

15 致动元件

16 控制单元

17 切口

18 参考迹线

19 上传感器

20 下传感器

21 切片

22用于调节工件温度的装置

具体实施方式

适用于实施根据本发明的方法的线锯包括由锯线3的移动线区段构成(组成)的线阵列2，所述线阵列2在两个线引导辊1之间的平面中被张紧。在切断操作期间，工件4借助于致动装置12沿着垂直于工件轴线且垂直于线阵列2的平面的供给方向被供给通过线阵列2。在该操作过程中，张紧线阵列2的线引导辊1以及工件4分别依赖于(依据)第一和第二修正曲线在根据(对应于)方向箭头10、11的轴向方向上移动。第一修正曲线和第二修正曲线相反于(抑制)在切断操作之前或期间确定的形状偏差。为了确定切断操作期间的形状偏差，存在用于观察切口的切口探测器13。此外，设置有用于创建第一修正曲线、第二修正曲线和在适用的情况下的第三修正曲线的数据处理单元14。数据处理单元14向致动元件15传输控制信号，其依赖于切割深度导致工件4根据第二修正曲线在如方向箭头11所示沿着工件轴线的方向上移动。此外，设置有用于调节工件4的温度的装置22。如果在每个切断操作之前确定形状偏差，则数据处理装置14向装置22传输第二温度曲线，其导致根据第三修正曲线的工件长度的变化。

如图2所示，线引导辊1被安装在固定轴承5与浮动轴承6之间。固定轴承5和浮动轴承6被支撑在机架7上。线引导辊1具有面层部8，所述面层部8设有凹槽，锯线3在所述凹槽中行进。固定轴承5包括通道9，用于调节固定轴承5的温度的冷却流体经过所述通道9。如果增大所述流体的温度，则固定轴承5的热膨胀导致线引导辊1在浮动轴承6的方向上的轴向移动，并且浮动轴承6在由方向箭头10所示的线引导辊1的轴线的方向上相对于机架7向外移动。如果降低所述冷却流体的温度，则引起线引导辊1以及浮动轴承6在相反方向上的移动。冷却流体的温度通过与第一修正曲线相关的第一温度曲线依赖于切割深度(作为切割深度的函数)被指定。连接到热交换器和泵的控制单元16确保经过固定轴承5的流体具有在达到一定的切割深度时相应的第一温度曲线所要求的温度。数据处理单元14向控制单元16传输第二温度曲线，其导致根据第一修正曲线的浮动轴承的移动。

图3示出了通过工件4的切口17的轨迹和由参考迹线18表示的设想轨迹。经过切口的中心的线相对于参考迹线的相应偏差对应于总修正曲线，所述总修正曲线可被划分为呈第一修正曲线和第二修正曲线以及适用情况下的第三修正曲线的形式。

图4示出了用于在切断操作之前确定其形状偏差的两个传感器19、20之间的切片的布置。传感器19、20测量根据一定的切割深度在供给方向上沿着切片21的直径的一定位置i处上传感器19与切片21的前侧相距的距离FDi以及下传感器20与切片21的后侧相距的距离BDi。切片的形状曲线是连接根据规则si＝D-(FDi–BDi)计算的测量值si的线，其中D表示传感器之间的距离。通过将切片的形状曲线与参考形状曲线进行比较来获得切片的形状偏差。依赖于切割深度的相对于参考形状曲线的偏差对应于总修正曲线，所述总修正曲线在WGTC和IPC之间进行划分，呈第一修正曲线和第二修正曲线的形式。

图5示出了当增加WGTC和IPC的幅度时所获得的优点。如果总修正曲线要求具有虚线量级的幅度A的行程，则不可能单独借助于WGTC或IPC来实现该行程，因为利用相应的单独措施所能获得的行程是不够的。只有结合WGTC和IPC才可以实现这一点。

图6示出了在具有静止位置B1的范围B2中，移动的幅度A与引起该移动的变量(输入，I)线性相关。在该范围之外，出现相对于线性行为的偏离，从而导致误差Δ。通过结合WGTC和IPC，整个系统线性反应的范围B2被增大。

图7示出了总修正曲线在WGTC与IPC之间的有利划分，其包括借助于WGTC和第一修正曲线抵消低频形状偏差以及借助于IPC和第二修正曲线抵消高频形状偏差。为此，优选地使用转换(分频)技术，该转换技术借助于低通滤波器(LP)和高通滤波器(HP)将该形状偏差的低频部分分配给借助于WGTC进行的修正，并将形状偏差的高频部分分配给借助于IPC进行的修正。

图8示出了借助于WGTC和IPC的结合可以在单位时间Δ内获得更大的总幅度A2+A1，因为通过两个独立的致动器来实施浮动轴承和工件的移动。当单独使用WGTC或IPC时，在该时间单位中只能分别获得A1和A2中的一个幅度。

图9示出了总修正曲线在WGTC与IPC之间的有利划分如何在时间t上衰减幅度A的过冲(右图)，所述对冲将会在将WGTC用作唯一措施时被观察到(左图)。

对说明性实施例作出的上述描述应理解为是示例性的。由此作出的公开一方面使本领域技术人员能够理解本发明以及与其相关的优点，另一方面还包括在本领域技术人员的理解范围内显而易见的对于所描述的结构和方法的变型(改变)和修改。