**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum multiplen Läpptrennen von Feststoffen, bei welchem ein Klingenpaket unter einem bestimmten Druck durch eine laterale Hin- und Herbewegung in der Aufschlemmung eines Läppmittels durch den zu trennenden Feststoff geführt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) auf das Klingenpaket wird eine Druckkraft von 100 bis 1000 p je Klinge ausgeübt b) die freie Arbeitslänge der Klingen liegt in einem Bereich von 110 bis 250 mm, wobei umso kürzere Klingen gewählt werden, je höher die darauf ausgeübte Druckkraft ist.
c) das Klingenpaket wird mit einer mittleren lateralen Geschwindigkeit von 30 bis 150 Meter pro Minute durch den zu zerteilenden Feststoff bewegt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Klingenunterseiten Ausnehmungen ausgebildet sind, deren Länge, gemessen in der Schneidkante der Klinge, das 1- bis 75fache der Klingendicke beträgt und die insgesamt 5 bis 40% der freien Arbeitslänge der Klingen und 5 bis 25% der Klingenhöhe einnehmen, wobei die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder die daran konstruierte Tangente im Schnittpunkt mit der Schneidkante mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 20 bis 800 einschliesst.
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Schneidkante der Klingen gemessene Länge der einzelnen Ausnehmungen das 10- bis 20fache der Klingendicke beträgt.
4. Verfahren nach den Patentansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Klingenunterseiten ausgebildeten Ausnehmungen insgesamt 25 bis 35% der freien Arbeitslänge der Klingen einnehmen.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Klingenunterseiten ausgebildeten Ausnehmungen 10 bis 20% der Klingenhöhe einnehmen.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausnehmungen begrenzenden Klingenkanten oder die daran konstruierte Tangente im Schnittpunkt mit der Schneidkante mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 40 bis 700 ausbilden.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier Ausnehmungen in den Klingenunterseiten voneinander stets gleich ist.
8. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klingen eine Dicke von 150 bis 250 m aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum multiplen Läpptrennen von Feststoffen, bei welchem ein Klingenpaket unter einem bestimmten Druck durch eine laterale Hin- und Herbewegung in der Aufschlemmung eines Läppmittels durch den zu trennenden Feststoff geführt wird.
Halbleiterstäbe aus beispielsweise Silicium oder Germanium werden häufig mit Sägen zerteilt, bei welchen das kreisrunde Sägeblatt aus beispielsweise Nickel oder Stahl, welches an der Schnittkante meist mit kleinen Diamantsplittern besetzt ist, zentral eingespannt ist und der Schnitt an der Kante erfolgt. Die Sägeblätter dieser Sägen müssen aber relativ dick gewählt werden, um die erforderliche Stabilität aufzuweisen und einen geraden Schnitt zu garantieren. Die Schnittverluste an Halbleitermaterial sind bei Verwendung dieser Sägen daher ziemlich hoch.
Bei Verwendung von Innenlochsägen, bei denen das Sägeblatt an der Peripherie eingespannt wird und in der Mitte ein Loch mit einigen Zentimetern Durchmesser aufweist, welches mit Diamantkörnern besetzt ist und als Schnittkante fungiert, können dünnere Sägeblätter verwendet werden, so dass die Materialverluste durch den Schnitt geringer werden.
Beide Sägetypen weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf. Am schwerwiegendsten wirkt sich dabei das Mikrosplitting aus, worunter Kristallzerstörungen, wie insbesondere Mikrorisse verstanden werden, die im Extremfall durch den gesamten Kristall führen und daher auch durch nachfolgende Bearbeitungsschritte wie beispielsweise Ätzen oder Läppen nicht mehr behoben werden können. Ein weiterer Nachteil liegt in der beim Sägen häufig auftretenden unregelmässigen Zerstörung der Oberflächenschicht, die durch Ätzen allein nicht oder erst nach Entfernung einer vergleichsweise dicken Oberflächenschicht behoben werden kann.
Weitere Nachteile sind darin zu sehen, dass die mit derartigen Sägen vom Stab abgeschnittenen Scheiben häufig eine gewisse Durchbiegung zeigen, also nicht völlig flach und gleichmässig dick sind, wodurch Fehler bei der Weiterverarbeitung zu Bauelementen hervorgerufen werden.
Der Nachteil der hohen Materialverluste durch den Sägeschnitt lässt sich durch Verwendung gebräuchlicher Bandsägen mit geradem Sägeblatt mindern, da die Schnittgeschwindigkeit derartiger Sägen erheblich geringer und somit die Breite des Schnittkanals kleiner ist als bei Kreissägen.
Durch Zusammenfassen mehrerer Sägeblätter zu einem Gatter lässt sich der Nachteil der in der Zeiteinheit geringeren Schnittleistung entsprechend mindern. Im Gegensatz zu den in der Holzindustrie eingesetzten Gattersägen mit profilierten Sägeblättern und den für die Steinbearbeitung üblichen Gattersägen mit an der Klinge gebundenem Schneidstoff werden für das Gattersägen von beispielsweise oxidischen Stoffen wie Saphir oder Rubin bzw. Halbleitermaterialien wie Silicium oder Germanium üblicherweise glatte Stahlklingen eingesetzt, die ein Schleifmittel wie beispielsweise Diamantpulver, welches in einem Kühlmittel aufgeschlemmt ist, mitführen. Eine derartige Gattersäge wird beispielsweise in der deutschen Patentschrift 2 039 699 beschrieben.
Der Vorteil dieser Sägen liegt in der gleichmässigen Oberflächenzerstörung der Schnittfläche, die sich durch Abätzen einer dünnen Oberflächenschicht wieder beheben lässt, sowie in der Tatsache, dass praktisch alle Scheiben bow-frei sind, also gleichmässig flach und ohne Durchbiegung.
Für die Herstellung von wirtschaftlich einsetzbaren Sili ciumsolarzellen, wie sie für die Substituierung anderer, insbesondere der in absehbarer Zeit zur Neige gehenden fossilen Energieträger benötigt werden, ist es aber zwingend erforderlich - neben einer Verbilligung des Grundstoffs Silicium in der erforderlichen Reinheit - auch die Verarbeitung, insbesondere das Sägen von Siliciumstäben oder -blöcken stark zu verbilligen. Der Einsatz von üblichen Gattersägeverfahren, die heute noch, selbst mit 240 Klingen im Gatter, die pro Scheibe doppelte Sägezeit - verglichen mit der Innenlochsäge - in Anspruch nehmen, ist trotz ihrer unbestrittenen Vorteile gegenüber den anderen beschriebenen Sägeverfahren in dieser Form nicht hilfreich.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Sägeverfahren zu finden, welches zu einer erheblichen Steigerung im Austrag gesägter Plättchen in der Zeiteinheit führt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein multiples Läpptrennverfahren, welches durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet ist: a) auf das Klingenpaket wird eine Druckkraft von 100 bis 1000 p je Klinge ausgeübt b) die freie Arbeitslänge der Klingen liegt in einem Bereich von 110 bis 250 mm, wobei umso kürzere Klingen gewählt werden, je höher die darauf ausgeübte Druckkraft ist
c) das Klingenpaket wird mit einer mittleren lateralen Geschwindigkeit von 30 bis 150 Meter pro Minute durch den zu zerteilenden Feststoff bewegt.
Für das erfindungsgemässe Verfahren können Gattersägen bzw. Läpptrennmaschinen, wie sie beispielsweise in der bereits zitierten deutschen Patentschrift 2 039 699 beschrieben sind, nach den erforderlichen Umbauten eingesetzt werden.
In den Fig. 1 und 4 sind beispielhaft einige erfindungsgemässe Läpptrennklingen dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Läpptrennklinge mit gekrümmten Ausnehmungen.
Fig. 2 zeigt eine Läpptrennklinge mit Ausnehmungen in der Form eines Dreiecks.
Fig. 3 zeigt eine Läpptrennklinge mit Ausnehmungen in der Form eines regelmässigen Trapezes.
Fig. 4 zeigt Ausnehmungen in der Form kleiner Dreiecke mit nicht gleichbleibendem Abstand zweier benachbarter Ausnehmungen voneinander.
Die in der Fig. 1 dargestellte Klinge weist bogenförmige Ausnehmungen auf, welche voneinander alle den gleichen Abstand b haben. Derartige Ausnehmungen lassen sich leicht mit einem mit Diamantsplittern besetzten Kugelfräser in die vormals gerade Schneidkante fräsen. Der in der Abbildung dargestellte Winkel a stellt den Kerbwinkel dar und wird in diesem Fall von dem auf die Schneidkante gefällten Lot und der an den Bogen im Schnittpunkt des Bogens mit dem geraden Teil der Schneidkante angebrachten Tangente gebildet. Die Strecke a stellt die freie Arbeitslänge, also den Klingenteil dar, welcher im Kristall bewegt wird. Es ist dabei ganz allgemein so, dass die Umkehrpunkte in die Scheitelpunkte der ersten und letzten Ausnehmung zu liegen kommen.
In der Fig. 2 ist eine Schneidklinge dargestellt, in welcher die Ausnehmungen die Form eines Dreiecks aufweisen; auch hier ist der Abstand b zweier Ausnehmungen voneinander wiederum stets gleich. Der Kerbwinkel a wird in diesem Fall zwischen dem Lot auf die Schneidkante einerseits und dem ansteigenden Schenkel des Dreiecks anderseits ausgebildet. In der Fig. 3 ist eine Schneidkante dargestellt mit trapezförmigem Querschnitt. Der Abstand b zweier Ausnehmungen voneinander ist wiederum über die ganze Klinge gleich.
Der Kerbwinkel a wird ausgebildet zwischen dem Lot auf die Schneidkante einerseits und dem ansteigenden Schenkel des Trapezes anderseits.
In der Abbildung 4 ist eine Klinge mit Ausnehmungen entsprechend der Klinge in Figur 2 dargestellt. In diesem Fall ist jedoch der Abstand zweier Ausnehmungen voneinander nicht gleich, sondern beginnend von einem Wert ba verkürzt sich dieser Abstand von beiden Seiten zur Klingenmitte hin bis zu einem Minimalwert von bm.
Durch die Ausnehmungen, die in den Läpptrennklingen ausgebildet sind, entstehen Freiräume in der Schneidkante der Klingen, in welchen sich die Schneidkörner des Läpptrennmittels während des Sägens ansammeln und bei der Hin- und Herbewegung der Klinge durch den darübergleitenden geraden Teil der Schneidklinge über den zu zerteilenden Feststoff geführt werden und durch den hierdurch bedingten Abrieb den Feststoff zerteilen. Die Körner des Läpptrennmittels können dabei aufgrund des auf der Klinge lastenden Druckes in diese Freiräume ausweichen, sie werden nicht zwangsläufig zwischen den vertikalen Seitenanteil der Klinge und den Sägespalt gedrückt, wodurch gegenüber bekannten Läpptrennklingen ein schmalerer Schnitt erzeugt wird.
Aufgrund der Ausnehmungen in der Klinge und der Tatsache, dass die Umkehrpunkte in den Scheitelpunkten der endständigen Ausnehmungen liegen, wird der stufenförmige Abtrag der Klinge durch das Läppmittel wie bei den herkömmlichen glatten Klingen vermieden. Es ist daher nicht erforderlich, die Gattersäge bzw. die Läpptrennmaschine in welcher derartige Klingen eingesetzt sind, während des Sägens abzustellen, um den Hub zu verkürzen. Hieraus resultiert wiederum eine kürzere Sägezeit, die ausserdem dazu führt, dass im Läpptrennmittel enthaltene, langgestreckte oder stabförmige Partikel ihre schädliche Wirkung entfalten könnten. Mit den bevorzugt eingesetzten Läpptrennklingen werden in kürzerer Sägezeit bei weniger Sägeverschnitt in der Qualität bessere Scheiben erhalten.
Um die erforderliche Druckkraft, die auf den Spannrahmen, in welchen das Klingenpaket eingespannt ist, von 100 bis 1000 p, vorzugsweise 100 bis 400 p je Klinge auf die Klingen einwirken zu lassen. bedarf es einer erheblichen Kürzung der freien Arbeitslänge herkömmlicher Klingen, und zwar auf etwa 110 bis 250 mm, vorzugsweise 180 bis 220 mm, wobei umso kürzere Klingen innerhalb der angegebenen Bereiche gewählt werden, je höher die darauf ausgeübten Druckkräfte sind, um ein Verbiegen der Klingen zu vermeiden. Als Klingenmaterial eignen sich insbesonders preiswert verfügbare Stahlsorten, wie etwa Federbandstahl von etwa 120 bis 250 kp/mm2, bevorzugt 200 bis 240 kp/mm2, Zugfestigkeit, da das Klingenpaket üblicherweise nach einmaliger Benutzung verworfen wird.
Der Grund hierfür liegt darin, dass das Stahlband im wesentlichen lediglich für die Führung des eigentlichen Schneidwerkzeuges, beispielsweise des Diamantkornes sorgt, welches demgemäss nicht nur zu einem Abtrag des zu zersägenden Feststoffs, sondern auch zu einem Abtrag des weicheren Stahlbandes führt. Unter der freien Arbeitslänge der Klingen wird dabei der Klingenteil verstanden, der zwischen den Halterungen frei aufgespannt ist. Die Klingenhöhe beträgt dabei zweckmässig etwa 5 bis 10 mm, besonders günstig etwa 5 bis 7 mm, bei einer Breite von etwa 100 bis 30011. Bei der Klingenbreite wird man dabei zweckmässig immer versuchen, möglichst niedrige Werte zu wählen, zweckmässig etwa 150 bis 250 um, um die Schnittverluste zu beschränken.
Lediglich bei der Anwendung vergleichsweise langer Klingen unter der Einwirkung von Druckkräften im oberen angegebenen Bereich werden die stärkeren Klingendicken erforderlich. Zweckmässig wird man dies aber dadurch vermeiden, dass man zu kurzen Klingen innerhalb des als bevorzugt angegebenen Bereiches ausweicht.
In dem Verfahren werden dabei bevorzugt Klingen eingesetzt, bei welchen in der Klingenunterseite Ausnehmungen ausgebildet sind, deren Länge gemessen in der Schneidkante der Klinge, das 1- bis 75fache der Klingendicke beträgt und die insgesamt 5 bis 40% der freien Arbeitslänge der Klingen und 5 bis 25% der Klingenhöhe einnehmen, wobei die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder daran konstruierte Tangente im Schnittpunkt mit der Schneidkante mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 20 bis 80 einschliesst.
Die besonders bevorzugte Ausführungsform dieser Läpptrennklingen sieht dabei vor, dass die in der Schneidkante der Klinge gemessene Länge der einzelnen Ausnehmungen das 10- bis 20fache der Klingendicke beträgt, und dass die in der Klingenunterseite ausgebildeten Ausnehmungen insgesamt 25 bis 35% der freien Arbeitslänge der Klingen einnehmen. Weiterhin hat es sich als besonders günstig erwiesen, die in der Klingenunterseite ausgebildeten Ausnehmungen in einer maximalen Höhe von 10 bis 20% der Klingenhöhe auszuführen.
Die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder im Falle einer gekrümmten Ausnehmung die daran im Schnittpunkt mit der Schneidkante konstruierte Tangente bildet vorzugsweise mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 40 bis 700.
Der Abstand der einzelnen Ausnehmungen in der Läpptrennklinge kann weitgehend beliebig gewählt werden, bei spielsweise derart, dass der Abstand zweier Ausnehmungen sich zur Klingenmitte hin laufend verkürzt und von der Klingenmitte an bis zum Klingenende wieder ansteigt. Bevorzugt wird allerdings die Ausführungsform, bei welcher der Abstand zweier Ausnehmungen voneinander stets gleich bleibt.
Die Anzahl der Klingen im Klingenpaket, die durch Distanzscheiben voneinander getrennt werden, ist vom Verfahren her nicht begrenzt und wird zweckmässig so hoch wie möglich ausgelegt, da der Austrag an gesägten Scheiben linear mit der Klingenzahl steigt. Eine natürliche Begrenzung der Klingenzahl liegt sinnvollerweise in der Länge des zu zerteilenden Werkstückes.
Der auf das Gatter, in welchem das Klingenpaket eingespannt ist, ausgeübte Druck, der im Vorstehenden als Druckkraft, die pro Klinge einwirkt, angegeben ist, wird allgemein erst dann voll zur Geltung gebracht, wenn alle Klingen des Klingenpakets im Stab greifen, d.h. wenn alle Klingen des Klingenpakets mit der Oberfläche des zu zerteilenden Werkstoffs in einen Abtrag verursachenden Kontakt gebracht sind. Würde man nämlich vorher bereits den vollen Druck auf das Gatter einwirken lassen, so würde dies, insbesondere bei Werkstücken mit Unebenheiten in der Oberflächenstruktur bedeuten, dass die gesamte Druckkraft, die auf das Spanngatter einwirkt, letztlich nur auf einen Teil der Klingen, nämlich auf die, die mit dem Werkstück Kontakt haben, sich auswirkt und somit höher wäre als dies erwünscht ist.
Diese überhöhten Druckkräfte könnten dann zu einem Verbiegen oder gar Reissen dieser Klingen im Klingenpaket führen.
Die Erhöhung der mittleren lateralen Geschwindigkeit von derzeit üblich etwa maximal 27 m/Minute auf etwa 30 bis 150 Minute, vorzugsweise 90 bis 120 m/Minute, lässt sich durch die Erhöhung der Frequenz, mit welcher das Klingenpaket pulsierend über das zu zersägende Werkstück hin und her bewegt wird, erreichen. Die laterale Geschwindigkeit wird ausserdem durch die Klingenlänge und den maximalen Werkstoffdurchmesser in der Schneidrichtung bestimmt und folgt vereinfacht der Formel
EMI3.1
wobei 1 die Klingenlänge, s der maximale Werkstoffdurchmesser und v die Frequenz sind. Es wurde gefunden, dass bei einer lateralen Geschwindigkeit von geringfügig mehr als 150 Minuten der Abtrag schlagartig auf annähernd Null abfällt, ein Effekt wie er ähnlich dem Autofahrer als Aquaplaning geläufig ist.
Als Antrieb für das Klingenpaket eignen sich bei Frequenzen bis etwa 20 Hz die üblicherweise in Gattersägen eingebauten klassischen Kurbel antriebe mit einem vermittels einer Kurbelscheibe bewegten Pleuel.
Bei der Einstellung höherer Frequenzen und damit einhergehenden höheren lateralen Geschwindigkeiten des Klingenpaketes über 90 m/Minute sind derartige Antriebe aufgrund der enormen Beschleunigungskräfte nicht mehr optimal.
Hier eignen sich Antriebe über Linearmotoren oder besonders günstig Hydropulsantriebe, wie sie beispielsweise von der Firma Schenck, Darmstadt, hergestellt werden und in welchen allgemein die auftretenden Beschleunigungs- und Abbremskräfte von einem Öldruclzzylinder beherrscht werden oder aber auch Antriebe auf elektromagnetischer Basis.
Als Läppmittel können die bei Draht- oder Gattersägen üblichen Mittel eingesetzt werden, wie etwa Korundpulver, Siliciumcarbid, Borcarbid, kubisches Bornitrid oder Diamantpulver, wobei die Härte und somit die Standzeit in der angegebenen Reihenfolge ansteigt. Eingesetzt werden diese Stoffe bevorzugt mit einer Korngrösse von 10 bis 50 um, aufgeschlemmt in einem Öl, beispielsweise einer Mineralölfraktion mit einer mittleren Viskosität von 30 bis 60 cP. Das Gewichtsverhältnis Schneidkorn zu Öl beträgt dabei etwa 1: 10 bis 1: 3.
Das zu wählende Schneidkorn ist dabei abhängig von der Art des zu zerteilenden Feststoffs, so lassen sich beispielsweise Saphir oder Spinell wirtschaftlich nur mit Diamant oder kubischem Bornitrid zerteilen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird besonders vorteilhaft für das Sägen von Halbleitermaterialien, wie Silicium, Germanium, III-V-Verbindungen wie etwa Galliumarsenid und Galliumphosphid, oxidischen Substanzen wie etwa Saphir, Spinell, Rubin aber auch für weiche Stoffe wie beispielsweise hexagonales Bornitrid eingesetzt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich Schneidleistungen erreichen, die um ein Vielfaches über der aller bekannter Verfahren liegen.
Vergleichsbeispiel 1
Ein einkristalliner Siliciumstab mit den Abmessungen 50 x 50 x 220 mm wurde mit einer Gattersäge der Firma Meyer & Burger AG, Steffisburg, Schweiz, vom Typ GS 1 quer zur Längsachse in Scheiben zersägt.
Das Klingenpaket bestand aus 240 Klingen mit einer Stärke von 200 m, einer Höhe von 6 mm und einer freien Arbeitslänge von 355 mm. Nach dem Aufsetzen der Klingen auf den Siliciumstab wurden die Klingen in üblicher Weise mit einer geringen lateralen Geschwindigkeit von anfangs einigen Metern pro Minute fast drucklos über den Kristall geführt. Erst nachdem alle Klingen im Siliciumstab zu greifen begonnen hatten, wurde die laterale Geschwindigkeit, mit welcher das Klingenpaket über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, auf 27 m pro Minute erhöht und bis zum Ende des Sägevorgangs beibehalten. Auf das Klingenpaket wurde dabei während des Sägens eine Druckkraft von 60 p je Klinge ausgeübt. Nach jeweils 3 Stunden Sägezeit wurde die Säge abgeschaltet und der Hub um jeweils 6 mm verkürzt. Für diese Umrüstzeit wurden dabei jeweils ca. 15 Minuten benötigt.
Nachdem die laterale Geschwindigkeit, mit welcher die Klinge über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, gleichbleibend war, sank damit die Sägegeschwindigkeit. Aufgrund der hierdurch bedingten längeren Verweilzeit der Klinge im Kristall und aufgrund des zeitabhängigen Substratabtrages wurde damit mit fortschreitendem Sägen der Sägespalt immer breiter bzw. die herausgesägten Scheibchen immer dünner. Als Läpptrennmittel wurde dabei Siliciumcarbid mit einer Korngrössenverteilung zwischen 10 bis 50 um, aufgeschlämmt in einem Mineralöl mit einer Viskosität von 45 cP, eingesetzt. Nach einer Sägezeit von 24,5 Stunden und einer Umrüstzeit von fast 2 Stunden, hervorgerufen durch das zur Hubverkürzung erforderli- che Abschalten der Maschine, wurden 239 Scheiben mit einer durchschnittlichen Dicke von 470 um erhalten.
Der Keilfehler der Scheiben lag in der Grössenordnung von 12 um/ cm, gemessen senkrecht zur Schneid richtung, also in Richtung des Sägevorschubs. Die Schneidleistung, bezogen auf die reine Sägezeit ohne Berücksichtigung der Umrüstzeit, betrug dabei ca. 0,017 cm2 pro Minute und Klinge.
Beispiel 1
Ein einkristalliner Siliciumstab mit den Abmessungen 50 x 50 x 220 mm wurde mit einer Läpptrennmaschine quer zur Längsachse in Scheiben zersägt. Als Säge wurde eine Läpptrennmaschine verwendet, die im wesentlichen einer Gattersäge der Firma Meyer & Burger AG, Steffisburg, Schweiz, vom Typ GS 1 entsprach, jedoch durch Umbauten so umgerüstet worden war, dass kürzere Klingen mit einer höheren Geschwindigkeit unter höherem Druck bewegt werden konnten.
Das Klingenpaket bestand aus 240 Klingen mit einer Stärke von 200 um, einer Höhe von 6 mm und einer freien Arbeitslänge von 200 mm. Die Schneidkante war dabei glatt ausgebildet. Nach dem Aufsetzen der Klingen auf den Siliciumstab wurden die Klingen in üblicher Weise mit einer geringen lateralen Anfangsgeschwindigkeit von einigen Metern pro Minute fast drucklos über den Kristall geführt. Erst nachdem alle Klingen im Siliciumstab zu greifen begonnen hatten, wurde nunmehr die laterale Geschwindigkeit, mit welcher das Klingenpaket über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, auf 45 m/Minute erhöht. Auf das Klingenpaket wurde dabei während des Sägens eine Druckkraft von nunmehr 180 p je Klinge ausgeübt.
Als Läpptrennmittel wurde Siliciumcarbid mit einer Korngrössenverteilung von 27 bis 30 um, aufgeschlämmt in einer Mineralölfraktion mit einer Viskosität von 45 cP, wobei auf 3 Gew.-Teile Mineralöl 1 Gew.-Teil Siliciumcarbid zugegeben wurde, verwendet.
Nach jeweils etwa 45 Minuten Sägen musste die Säge abgeschaltet werden, da sich durch den Abrieb der Klinge an den Umkehrpunkten Stufen ausgebildet hatten, die bei weiterem Sägen zu Wandausbrüchen an den Siliciumscheiben führen würden. Nach einer Verkürzung des Hubs um ca.
6 mm wurde nach einer Umrüstzeit von etwa 15 Minuten das Sägen wieder aufgenommen.
Nach einer reinen Sägezeit von 2,6 Stunden wurden 239 Scheiben von 470 um Dicke und einer Keiligkeit in der zur Schneidrichtung senkrechten Scheibchenachse von ca. 5 um pro cm erhalten. Dies entsprach einer Schneidleistung von 0,16 cm2 pro Minute und Klinge.
Beispiel 2
Es wurde analog dem Vergleichsbeispiel 2 verfahren, nur mit der Ausnahme, dass die Schneidkante der verwendeten Klingen bogenförmige Ausnehmungen von - gemessen in der Schneidkante 6 mm Länge und einer Höhe im Scheitelpunkt von 1 mm aufwies. Über die gesamte Länge der Klingen waren jeweils 20 derartige Ausnehmungen im gleichen Abstand voneinander ausgebildet, wobei die Umkehrpunkte beim Sägen in den Scheitelpunkten der beiden endständigen Ausnehmungen lagen.
Der Sägeprozess musste kein einziges Mal unterbrochen werden. Nach einer reinen Sägezeit von 2,08 Stunden wurden 239 Scheiben von 480 um Dicke erhalten. Die Scheiben wiesen keine Keiligkeit auf. Dies entsprach einer Schneidleistung von 0,2 cm2 pro Minute und Klinge.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. A method for multiple lapping of solids, in which a blade package is guided under a certain pressure by a lateral back and forth movement in the slurry of a lapping agent through the solid to be separated, characterized by the combination of the following features: a) is applied to the blade package a pressure force of 100 to 1000 p per blade is exerted b) the free working length of the blades is in a range of 110 to 250 mm, the shorter the blades, the higher the pressure force exerted on them.
c) the pack of blades is moved through the solid to be cut at an average lateral speed of 30 to 150 meters per minute.
2. The method according to claim 1, characterized in that recesses are formed in the underside of the blade, the length of which, measured in the cutting edge of the blade, is 1 to 75 times the blade thickness and the total 5 to 40% of the free working length of the blades and 5 take up to 25% of the blade height, the blade edge delimiting the recesses or the tangent constructed thereon at the point of intersection with the cutting edge with the solder falling on the cutting edge including a notch angle of 20 to 800.
3. The method according to claim 2, characterized in that the length of the individual recesses measured in the cutting edge of the blades is 10 to 20 times the blade thickness.
4. The method according to claims 2 and 3, characterized in that the recesses formed in the underside of the blade take up a total of 25 to 35% of the free working length of the blades.
5. The method according to claim 1, characterized in that the recesses formed in the underside of the blade occupy 10 to 20% of the blade height.
6. The method according to claim 1, characterized in that the blade edges delimiting the recesses or the tangent constructed thereon form a notch angle of 40 to 700 at the point of intersection with the cutting edge with the solder fell on the cutting edge.
7. The method according to claim 1, characterized in that the distance between two recesses in the undersides of the blades from one another is always the same.
8. The method according to claim 1, characterized in that the blades have a thickness of 150 to 250 m.
The invention relates to a method for multiple lapping of solids, in which a set of blades is guided through the solid to be separated under a certain pressure by a lateral reciprocation in the slurry of a lapping agent.
Semiconductor rods made of, for example, silicon or germanium are often cut up with saws in which the circular saw blade made of, for example, nickel or steel, which is usually covered with small diamond chips on the cutting edge, is clamped centrally and the cut is made on the edge. However, the saw blades of these saws must be chosen relatively thick in order to have the required stability and to guarantee a straight cut. The cutting losses of semiconductor material are therefore quite high when using these saws.
When using internal hole saws, in which the saw blade is clamped at the periphery and has a hole in the middle with a few centimeters in diameter, which is filled with diamond grains and acts as a cutting edge, thinner saw blades can be used, so that the material losses due to the cut are reduced will.
However, both types of saw have a number of disadvantages. The most serious effect is microsplitting, which means crystal destruction, in particular microcracks, which in extreme cases lead through the entire crystal and can therefore no longer be remedied by subsequent processing steps such as etching or lapping. Another disadvantage is the irregular destruction of the surface layer that frequently occurs during sawing, which cannot be remedied by etching alone or only after removal of a comparatively thick surface layer.
Further disadvantages can be seen in the fact that the disks cut off from the rod with such saws frequently show a certain deflection, that is to say are not completely flat and uniformly thick, which leads to errors in the further processing into components.
The disadvantage of the high material losses due to the saw cut can be reduced by using conventional band saws with a straight saw blade, since the cutting speed of such saws is considerably lower and thus the width of the cutting channel is smaller than with circular saws.
By combining several saw blades into one frame, the disadvantage of the lower cutting performance in the unit time can be reduced accordingly. In contrast to the frame saws with profiled saw blades used in the wood industry and the frame saws with cutting material bound to the blade, which are common for stone processing, smooth steel blades are usually used for the frame sawing of, for example, oxidic materials such as sapphire or ruby or semiconductor materials such as silicon or germanium carry an abrasive such as diamond powder suspended in a coolant. Such a frame saw is described, for example, in German Patent 2,039,699.
The advantage of these saws is the uniform surface destruction of the cut surface, which can be remedied by etching off a thin surface layer, and the fact that practically all discs are bow-free, i.e. evenly flat and without bending.
For the production of economically usable silicon solar cells, as they are required for the substitution of other, in particular in the foreseeable future, fossil fuels, it is imperative - in addition to a cheapening of the basic material silicon in the required purity - also the processing, in particular to greatly reduce the cost of sawing silicon rods or blocks. The use of conventional frame sawing methods, which today, even with 240 blades in the frame, take twice the sawing time per disc - compared to the internal hole saw - is not helpful in this form, despite their undisputed advantages over the other sawing methods described.
The invention was therefore based on the object of finding a sawing method which leads to a considerable increase in the discharge of sawn chips in the unit of time.
This task is solved by a multiple lapping separation process, which is characterized by the combination of the following features: a) a pressure force of 100 to 1000 p per blade is exerted on the blade package b) the free working length of the blades is in a range of 110 to 250 mm , the shorter the blades chosen, the higher the pressure force exerted on them
c) the pack of blades is moved through the solid to be cut at an average lateral speed of 30 to 150 meters per minute.
For the process according to the invention, frame saws or lapping cutters, as described, for example, in the already cited German patent specification 2,039,699, can be used after the necessary conversions.
1 and 4, some lapping separating blades according to the invention are shown by way of example.
Fig. 1 shows a lapping separating blade with curved recesses.
Fig. 2 shows a lapping separating blade with recesses in the shape of a triangle.
Fig. 3 shows a lapping separating blade with recesses in the form of a regular trapezoid.
Fig. 4 shows recesses in the form of small triangles with a non-constant distance between two adjacent recesses.
The blade shown in Fig. 1 has arcuate recesses, which are all at the same distance b. Such recesses can easily be milled into the previously straight cutting edge with a ball cutter fitted with diamond chips. The angle a shown in the figure represents the notch angle and in this case is formed by the solder dropped on the cutting edge and the tangent attached to the arc at the intersection of the arc with the straight part of the cutting edge. The distance a represents the free working length, i.e. the part of the blade that is moved in the crystal. It is generally the case that the reversal points come to lie in the vertices of the first and last recess.
2 shows a cutting blade in which the recesses have the shape of a triangle; here too the distance b between two recesses is always the same. The notch angle a is formed in this case between the solder on the cutting edge on the one hand and the rising leg of the triangle on the other. 3 shows a cutting edge with a trapezoidal cross section. The distance b between two recesses is again the same across the entire blade.
The notch angle a is formed between the solder on the cutting edge on the one hand and the rising leg of the trapezoid on the other.
Figure 4 shows a blade with recesses corresponding to the blade in Figure 2. In this case, however, the distance between two recesses is not the same, but starting from a value ba, this distance shortens from both sides to the center of the blade down to a minimum value of bm.
The recesses formed in the lapping separating blades create free spaces in the cutting edge of the blades, in which the cutting grains of the lapping separating agent accumulate during sawing and during the reciprocating movement of the blade through the straight part of the cutting blade sliding over it over the part to be cut Are guided solid and break up the solid due to the resulting abrasion. The grains of the lapping release agent can escape into these free spaces due to the pressure exerted on the blade, they are not necessarily pressed between the vertical side portion of the blade and the sawing gap, as a result of which a narrower cut is produced compared to known lapping separating blades.
Due to the recesses in the blade and the fact that the reversal points lie in the apexes of the terminal recesses, the step-like removal of the blade by the lapping agent is avoided, as in the case of the conventional smooth blades. It is therefore not necessary to shut down the frame saw or the lapping cutting machine in which such blades are used in order to shorten the stroke. This in turn results in a shorter sawing time, which also leads to the fact that elongated or rod-shaped particles contained in the lapping release agent could develop their harmful effect. With the preferably used lapping separating blades, better discs are obtained in shorter sawing times with less saw waste in quality.
In order to allow the required compressive force on the clamping frame in which the blade assembly is clamped to act on the blades from 100 to 1000 p, preferably 100 to 400 p, per blade. a considerable reduction in the free working length of conventional blades is required, namely to approximately 110 to 250 mm, preferably 180 to 220 mm, the shorter the blades being selected within the ranges specified, the higher the pressure forces exerted thereon, in order to prevent the blades from bending to avoid. Suitable steel materials are particularly inexpensive steel grades, such as spring band steel of about 120 to 250 kp / mm2, preferably 200 to 240 kp / mm2, tensile strength, since the blade pack is usually discarded after a single use.
The reason for this is that the steel strip essentially only guides the actual cutting tool, for example the diamond grain, which accordingly not only leads to a removal of the solid to be sawn, but also to a removal of the softer steel strip. The free working length of the blades is understood to mean the blade part that is freely stretched between the holders. The blade height is expediently about 5 to 10 mm, particularly advantageously about 5 to 7 mm, with a width of about 100 to 30011. In the case of the blade width, it will always be expedient to try to select values as low as possible, expediently about 150 to 250 μm to limit the cutting losses.
The thicker blade thicknesses are only required when using comparatively long blades under the influence of compressive forces in the above range. This will expediently be avoided by avoiding short blades within the range indicated as preferred.
In the process, blades are preferably used in which recesses are formed in the underside of the blade, the length of which, measured in the cutting edge of the blade, is 1 to 75 times the blade thickness and the total 5 to 40% of the free working length of the blades and 5 to Take up 25% of the blade height, the blade edge delimiting the recesses or tangent constructed thereon at the intersection with the cutting edge with the solder dropped on the cutting edge including a notch angle of 20 to 80.
The particularly preferred embodiment of these lapping separating blades provides that the length of the individual recesses measured in the cutting edge of the blade is 10 to 20 times the blade thickness, and that the recesses formed in the underside of the blade take up a total of 25 to 35% of the free working length of the blades . Furthermore, it has proven to be particularly favorable to make the recesses formed in the underside of the blade at a maximum height of 10 to 20% of the blade height.
The blade edge delimiting the recesses or, in the case of a curved recess, the tangent constructed thereon at the intersection with the cutting edge preferably forms a notch angle of 40 to 700 with the solder that has fallen onto the cutting edge.
The distance between the individual recesses in the lapping separating blade can largely be chosen as desired, for example in such a way that the distance between two recesses is continuously shortened towards the center of the blade and increases again from the center of the blade to the end of the blade. However, the embodiment is preferred in which the distance between two recesses always remains the same.
The method does not limit the number of blades in the blade pack, which are separated from one another by spacer disks, and is expediently designed to be as high as possible since the discharge on sawn disks increases linearly with the number of blades. A natural limitation of the number of blades lies in the length of the workpiece to be cut.
The pressure exerted on the gate in which the blade pack is clamped, which is given above as the compressive force acting per blade, is generally only fully brought into play when all of the blades of the blade pack grip in the rod, i.e. when all of the blades of the blade assembly are brought into contact with the surface of the material to be cut. If you were to allow the gate to be subjected to full pressure beforehand, this would mean, in particular for workpieces with unevenness in the surface structure, that the entire pressure force acting on the clamping gate would ultimately only affect part of the blades, namely the that are in contact with the workpiece, have an effect and would therefore be higher than is desired.
These excessive pressure forces could then cause these blades to bend or even tear in the blade pack.
The increase in the mean lateral speed from the currently customary maximum of about 27 m / minute to about 30 to 150 minutes, preferably 90 to 120 m / minute, can be increased by increasing the frequency with which the blade package pulsates back and forth over the workpiece to be sawn is moved here. The lateral speed is also determined by the blade length and the maximum material diameter in the cutting direction and follows the formula in a simplified manner
EMI3.1
where 1 is the blade length, s is the maximum material diameter and v is the frequency. It was found that at a lateral speed of slightly more than 150 minutes, the abrasion suddenly drops to almost zero, an effect similar to that known to motorists as aquaplaning.
At frequencies up to around 20 Hz, the classic crank drives usually installed in frame saws with a connecting rod moved by means of a crank disk are suitable as drives for the blade package.
When setting higher frequencies and the associated higher lateral speeds of the blade pack above 90 m / minute, such drives are no longer optimal due to the enormous acceleration forces.
Drives via linear motors or particularly inexpensive hydropulse drives, such as those manufactured by the company Schenck, Darmstadt, are suitable here and in which the acceleration and braking forces that occur are generally controlled by an oil pressure cylinder, or drives on an electromagnetic basis.
Lapping agents which can be used are those which are customary in wire or gang saws, such as corundum powder, silicon carbide, boron carbide, cubic boron nitride or diamond powder, the hardness and thus the service life increasing in the order given. These substances are preferably used with a grain size of 10 to 50 μm, suspended in an oil, for example a mineral oil fraction with an average viscosity of 30 to 60 cP. The weight ratio of cutting grain to oil is about 1:10 to 1: 3.
The cutting grain to be selected depends on the type of solid to be cut, for example, sapphire or spinel can only be cut economically with diamond or cubic boron nitride.
The method according to the invention is used particularly advantageously for sawing semiconductor materials such as silicon, germanium, III-V compounds such as gallium arsenide and gallium phosphide, oxidic substances such as sapphire, spinel, ruby but also for soft materials such as hexagonal boron nitride.
With the method according to the invention, cutting performance can be achieved which is many times higher than that of all known methods.
Comparative Example 1
A single-crystalline silicon rod with the dimensions 50 x 50 x 220 mm was sawn into slices transversely to the longitudinal axis using a gang saw from Meyer & Burger AG, Steffisburg, Switzerland.
The blade package consisted of 240 blades with a thickness of 200 m, a height of 6 mm and a free working length of 355 mm. After the blades had been placed on the silicon rod, the blades were passed over the crystal in a conventional manner at a low lateral speed of initially a few meters per minute, almost without pressure. Only after all the blades in the silicon rod had started to grip was the lateral speed at which the blade package was passed over the silicon rod to be cut increased to 27 m per minute and maintained until the end of the sawing process. A pressure of 60 p per blade was exerted on the blade pack during the sawing. After every 3 hours of sawing, the saw was switched off and the stroke was shortened by 6 mm. Approximately 15 minutes were required for this changeover time.
After the lateral speed at which the blade was guided over the silicon rod to be cut was constant, the sawing speed decreased. As a result of the longer dwell time of the blade in the crystal and the time-dependent removal of substrate, the sawing gap became ever wider as the sawing progressed and the sawn-off slices thinner and thinner. Silicon carbide with a grain size distribution between 10 to 50 μm, slurried in a mineral oil with a viscosity of 45 cP, was used as the lapping release agent. After a sawing time of 24.5 hours and a changeover time of almost 2 hours, caused by the machine having to be switched off to shorten the stroke, 239 disks with an average thickness of 470 μm were obtained.
The wedge error of the disks was of the order of magnitude of 12 μm / cm, measured perpendicular to the cutting direction, that is to say in the direction of the saw feed. The cutting performance, based on the pure sawing time without taking into account the changeover time, was about 0.017 cm2 per minute and blade.
example 1
A single-crystalline silicon rod with the dimensions 50 x 50 x 220 mm was sawn into slices with a lapping cutting machine transversely to the longitudinal axis. A lapping cutting machine was used as the saw, which essentially corresponded to a frame saw from Meyer & Burger AG, Steffisburg, Switzerland, of type GS 1, but had been modified by conversions so that shorter blades could be moved at a higher speed under higher pressure .
The blade package consisted of 240 blades with a thickness of 200 µm, a height of 6 mm and a free working length of 200 mm. The cutting edge was smooth. After the blades had been placed on the silicon rod, the blades were passed over the crystal in a conventional manner at a low lateral initial speed of a few meters per minute, almost without pressure. Only after all of the blades in the silicon rod had started to grip was the lateral speed at which the blade package was passed over the silicon rod to be cut increased to 45 m / minute. A pressure force of now 180 p per blade was exerted on the blade pack during the sawing.
Silicon carbide with a grain size distribution of 27 to 30 μm, slurried in a mineral oil fraction with a viscosity of 45 cP, with 1 part by weight of silicon carbide being added to 3 parts by weight of mineral oil, was used as the lapping release agent.
The saw had to be switched off after every 45 minutes of sawing because the blade had worn away at the turning points, which would result in wall breaks on the silicon wafers if sawing continued. After shortening the stroke by approx.
6 mm was resumed after a changeover time of about 15 minutes.
After a pure sawing time of 2.6 hours, 239 disks with a thickness of 470 µm and a wedge in the disk axis perpendicular to the cutting direction of approximately 5 µm per cm were obtained. This corresponded to a cutting performance of 0.16 cm2 per minute and blade.
Example 2
The procedure was analogous to that of Comparative Example 2, with the exception that the cutting edge of the blades used had arcuate recesses of - measured in the cutting edge 6 mm long and a height at the apex of 1 mm. 20 such recesses were formed at the same distance from each other over the entire length of the blades, the reversal points during sawing being at the apexes of the two end recesses.
The sawing process did not have to be interrupted once. After a pure sawing time of 2.08 hours, 239 disks 480 µm thick were obtained. The disks were not wedge-shaped. This corresponded to a cutting performance of 0.2 cm2 per minute and blade.