Untersuchung der technologischen Grundlagen und Potenziale der Multi-Wire Trenntechnologien bei Verwendung von monokristallinem Silizium
Final Report Abstract
Das Multi-Wire Trennverfahren konnte sich sowohl in der Halbleiterindustrie als auch in der stark wachsenden Photovoltaikindustrie als effizientes Sägeverfahren für die Herstellung von Wafern etablieren. Die Potenziale der Technologie können jedoch bis heute nicht ausgeschöpft werden, da das grundlegende prozesstechnologische Wissen noch gering und überwiegend empirischer Natur ist. Dieses Projekt hat dazu beigetragen, ein tiefer gehendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen der Vielzahl von Prozesseinflussgrößen auf die Prozess- und der Waferqualität zu erlangen. Es wurden zunächst die grundlegenden Eigenschaften und das dynamische Verhalten der Suspension untersucht. Die ermittelten rheologischen Eigenschaften der Suspension sowie die Charakteristika des eingesetzten Abrasivmittels lieferten eine solide Basis für die Interpretation von Erkenntnissen aus späteren prozesstechnologischen Untersuchungen. Da der Trenndraht ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Werkzeugsystems ist, wurden auch die Eigenschaften des Trenndrahts und insbesondere dessen Oberflächenbeschaffenheit analysiert. Der Effekt des Drahtverschleißes auf die Adhäsion zwischen Draht und Suspension stand hierbei im Vordergrund. Die zwischen Ingot und Trenndraht auftretenden Prozesskräfte stellen eine wichtige Größe zur Quantifizierung und somit zur Analyse des Trennprozesses dar. Es wurde dazu eine für Langzeitmessungen geeignete DMS-basierte Kraftmessplattform entwickelt. Die Plattform, mittels der eine Erfassung der Normal- und Tangentialkraft möglich wäre, wurde jedoch aus Kostengründen nicht in einen Prototypen umgesetzt. Für alle prozesstechnologischen Untersuchungen wurde stattdessen eine bereits am Fraunhofer IPT vorhandene piezoelektrische Kraftmessplattform eingesetzt. Da die Suspension aufgrund ihres Werkzeugcharakters maßgeblich das Prozessverhalten bestimmt, ist die Untersuchung der einsatzbedingten Zustandsänderung der Suspension für die Interpretation der Prozesszusammenhänge unerlässlich. Die Alterung der Suspension wurde daher im Vorfeld zur experimentellen Prozessanalyse in mehreren Stufen untersucht. Zur Analyse der Einwirkung von Umgebung und Maschine wurden zunächst Leerlaufuntersuchungen durchgeführt, bei der das Suspensionsfließverhalten sowie der Kornverschleiß über der Einsatzdauer betrachtet wurden. Darauf aufbauend wurden unter gleichen Prozessbedingungen Trennversuche durchgeführt. Durch den Abgleich der Erkenntnisse aus Leer- und Trennlauf konnte schließlich für unterschiedliche Suspensionen die prozessbedingte Alterung des Suspension abgeleitet werden. Die Vorgänge im Schnittspalt sind weitestgehend unbekannt und es exisfieren verschiedene Theorien bzgl. der Kornbewegung in der Kontaktzone. Um ein substanzielles Prozesswissen aufzubauen, wurde daher versucht, die Vorgänge und Kornbewegungen im Schnittspalt zu visualisieren. Der Siliziumingot wurde hierzu durch einen für sichtbares Licht transparenten Ingot aus Floatglas ersetzt. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wurde so der Schnittspalt durch den Ingot betrachtet. Für eine wasserbasierte Suspension konnten bei niedrigen Drahtgeschwindigkeiten und ohne Zustellung des Ingots die Wirkpartner Trenndraht, Suspension, Körner und Ingot identifiziert werden. Eine systematische Visualisierung des Kornbewegungsablaufs war mit dem zur Verfügung stehenden Versuchsauftiau jedoch nicht möglich. Umfangreiche Untersuchungen wurden im Rahmen der experimentellen Prozessanalyse durchgeführt. Hierbei wurde sowohl der Einfluss der grundlegenden maschinenseitigen Prozessstellgrößen als auch der Einfluss der Suspensionszusammensetzung auf das Prozessverhalten analysiert. Zur Prozessqualifizierung wurden die Schnittspaltbreite, die Tangential- und Normalkraft sowie die Oberflächenrauheit der Wafer herangezogen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden Haupteffektdiagramme für die einzelnen Maschinen- und Werkzeugparameter erarbeitet. Hieraus konnten grundlegende Zusammenhänge, insbesondere mit dem vorher untersuchten Suspensionsverhalten abgeleitet werden. Die erarbeitete Datenbasis liefert eine fundierte Grundlage für die Entwicklung von Prozessmodellen. Im Rahmen des Projekts konnte so bereits ein Modellansatz zur Vorhersage der Anzahl der aktiven Körner im Schnittspalt entwickelt werden.
