DE102010040535A1

DE102010040535A1 - Method for sawing a workpiece

Info

Publication number: DE102010040535A1
Application number: DE201010040535
Authority: DE
Inventors: Martin Schoepf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-15
Also published as: WO2012031828A1; TW201244860A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sägen eines Werkstücks (10), insbesondere eines Siliziumwerkstücks, bei dem ein Sägewerkzeug (12) entlang des Werkstücks (10) verlagert wird, wobei das Sägewerkzeug (12) bei dem Verlagern mit Abrasivkörnern (14) zusammenwirkt derart, dass die Abrasivkörner (14) eine spanende Abtragung des Werkstücks (10) bewirken, und wobei zwischen dem Werkstück (10) und dem Sägewerkzeug (12) eine elektrische Spannung zum spannungsbasierten Abtragen des Werkstücks (10) angelegt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Abtragrate erhöht und die Prozessdauer verringert.The invention relates to a method for sawing a workpiece (10), in particular a silicon workpiece, in which a sawing tool (12) is displaced along the workpiece (10), the sawing tool (12) interacting with abrasive grains (14) in this way during the displacement that the abrasive grains (14) cause the workpiece (10) to be removed, and an electrical voltage is applied between the workpiece (10) and the sawing tool (12) for the voltage-based removal of the workpiece (10). The removal rate is increased and the process duration is reduced by the method according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sägen eines Werkstücks. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Drahtsägen eines Siliziumwerkstücks zum Herstellen eines Siliziumwafers.The present invention relates to a method for sawing a workpiece. More particularly, the invention relates to a method of wire sawing a silicon workpiece to produce a silicon wafer.

Stand der TechnikState of the art

Es ist oftmals erwünscht, Werkstücke, wie etwa Siliziumwerkstücke, zu sägen, um so eine gewünschte Größe beziehungsweise Struktur zu erzielen. Hierbei wird oftmals das sogenannte Drahtsägen verwendet. Dies ist ein mechanisches Trennverfahren, insbesondere für Silizium, das auch als Trennläppverfahren mit ungebundenem Schneidkorn und ungerichteter Schneide bezeichnet wird. Das Schneidkorn liegt dabei meist in einem Trägermedium vor, das zusammen mit dem Schneidkorn eine Suspension ausbildet, die auch als Slurry bezeichnet wird.It is often desirable to saw workpieces, such as silicon workpieces, to achieve a desired size or structure. Here, the so-called wire sawing is often used. This is a mechanical separation process, especially for silicon, which is also referred to as separation lapping process with unbound cutting grain and undirected cutting edge. The cutting grain is usually in a carrier medium, which forms a suspension together with the cutting grain, which is also referred to as slurry.

Ein meist dünner Draht mit einem Durchmesser von 100 μm bis 180 μm dient oftmals als Werkzeug. Eine Abwickelspule wickelt dabei den Draht über Drahtführungsrollen mit definierter Drahtgeschwindigkeit ab, bis dieser schließlich über eine Aufwickelspule wieder aufgewickelt wird. Der Draht taucht in die Suspension ein und zieht die an der Drahtoberfläche haftende Slurry in den Sägespalt des Werkstücks ein. Über eine Düse wird zusätzlich Slurry definiert auf das Drahtfeld aufgetragen. Die Schneidkörner werden so mit Hilfe des Drahtes und mit definierter Bearbeitungsgeschwindigkeit durch den Sägespalt gezogen und reißen kleine Partikel aus dem Festkörper. Dabei taucht das Werkstück mit entsprechender Vorschubgeschwindigkeit in das Drahtfeld ein, wodurch eine spanende Abtragung stattfindet.A mostly thin wire with a diameter of 100 microns to 180 microns is often used as a tool. An unwind spool winds the wire over wire guide rollers with a defined wire speed until it is finally wound up again via a take-up reel. The wire dips into the suspension and draws the slurry adhering to the wire surface into the kerf of the workpiece. Slurry is additionally defined on the wire field via a nozzle. The cutting grains are thus pulled with the help of the wire and with a defined processing speed through the kerf and tear small particles from the solid. In this case, the workpiece dips into the wire field at the appropriate feed rate, whereby a cutting removal takes place.

Der Draht schneidet dabei meist viele nah beieinander liegende dünne Wafer, die je nach industrieller Anwendung eine Dicke von zwischen 200 μm und 300 μm aufweisen können. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise bekannt aus CH 696389 A5 .The wire usually cuts many closely spaced thin wafers which, depending on the industrial application, can have a thickness of between 200 μm and 300 μm. Such a method is known, for example from CH 696389 A5 ,

Insbesondere bei der Herstellung von Siliziumwafern werden mittels Drahtsägen heutzutage bei einem Einsatz eines Drahtdurchmessers von 120 μm Schnittbreiten von ungefähr 150 μm erzielt. Der erzielte Vorschub beträgt ca. 0,4 mm/min, wodurch oftmals ein Parallelisieren des Verfahrens wirtschaftlich sinnvoll und notwendig ist. Heutzutage bearbeiten bis zu 2000 Drähte gleichzeitig beispielsweise einen als Ingot bezeichneten Silizium-Zylinder.In particular, in the production of silicon wafers are achieved by means of wire saws today with a wire diameter of 120 microns cutting widths of about 150 microns. The feed achieved is about 0.4 mm / min, which often makes parallelizing the method economically sensible and necessary. Today, up to 2000 wires simultaneously process, for example, a silicon cylinder called ingot.

Des Weiteren ist eine Sonderform des Drahtsägens bekannt, die mit gebundenen Schneidkörnen operiert. In diesem Fall wird der herkömmliche Draht durch ein drahtförmiges Werkzeug mit Schneidkornbeschichtung ersetzt. Die kinematischen Zusammenhänge sind identisch mit denen des klassischen Drahtsägens. Beim Drahtsägen mit gebundenem Korn wird keine Slurry benötigt, lediglich ein für den Schleifprozess notwendiges Kühlschmiermittel wird hier oftmals verwendet.Furthermore, a special form of wire sawing is known, which operates with bound cutting grains. In this case, the conventional wire is replaced with a wire-cut tool with a cutting grain coating. The kinematic relationships are identical to those of classic wire saws. When wire sawing with bonded grain no slurry is needed, only one necessary for the grinding process coolant is often used here.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Sägen eines Werkstücks, insbesondere eines Siliziumwerkstücks, bei dem ein Sägewerkzeug entlang des Werkstücks verlagert wird, wobei das Sägewerkzeug bei dem Verlagern mit Abrasivkörnern zusammenwirkt derart, dass die Abrasivkörner eine spanende Abtragung des Werkstücks bewirken, und wobei zwischen dem Werkstück und dem Sägewerkzeug eine elektrische Spannung zum spannungsbasierten Abtragen des Werkstücks angelegt wird.The present invention is a method for sawing a workpiece, in particular a silicon workpiece, wherein a sawing tool is displaced along the workpiece, wherein the sawing tool cooperates with the displacement of abrasive grains such that the abrasive grains cause a machining removal of the workpiece, and wherein between the workpiece and the sawing tool an electrical voltage for stress-based removal of the workpiece is applied.

Dadurch, dass ein Sägewerkzeug entlang des Werkstücks verlagert wird, wobei das Sägewerkzeug bei dem Verlagern mit Abrasivkörnern zusammenwirkt derart, dass die Abrasivkörner eine spanende Abtragung des Werkstücks bewirken, wird das Material des Werkstücks zunächst durch ein abrasives Verfahren abgetragen und das Werkstück somit gesägt. Dieses mechanische Sägeverfahren ist für das Sägen eines Werkstücks auch in kleinen Dimensionen, wie sie etwa für die Herstellung von Leistungshalbleitern verwendet werden, gut geeignet.Characterized in that a sawing tool is displaced along the workpiece, wherein the sawing tool in the displacement cooperates with abrasive grains such that the abrasive grains cause a machining removal of the workpiece, the material of the workpiece is first removed by an abrasive method and the workpiece thus sawed. This mechanical sawing method is well suited for sawing a workpiece even in small dimensions, such as those used for the production of power semiconductors.

Dabei sind die Abrasivkörner beispielsweise fest an dem Sägewerkzeug befestigt und können etwa als eine Abrasivkornbeschichtung vorliegen. Das Zusammenwirken des Sägewerkzeugs mit den Abrasivkörnern kann daher durch eine Befestigung der Abrasivkörnern an dem Sägewerkzeug bewirkt werden.The abrasive grains are firmly attached to the sawing tool, for example, and may be present as an abrasive grain coating, for example. The interaction of the sawing tool with the abrasive grains can therefore be effected by attachment of the abrasive grains to the sawing tool.

Ein Verlagern bedeutet dabei insbesondere, dass das Sägewerkzeug entlang der gewollten Schnittkante des Werkstücks bewegt wird, wobei die Abrasivkörner auf der Oberfläche des Werkstücks entlangreiben, um ein spanendes Abtragen des Werkstücks zu bewirken. Ein spanendes Abtragen bedeutet hier insbesondere, dass das abgetragene Material in Form von Spänen beziehungsweise Partikeln anfällt.In this case, a displacement means, in particular, that the sawing tool is moved along the intended cutting edge of the workpiece, wherein the abrasive grains rub against on the surface of the workpiece, in order to effect a machining removal of the workpiece. In this case, a cutting removal means in particular that the removed material is obtained in the form of chips or particles.

Erfindungsgemäß ist dabei weiterhin vorgesehen, dass zwischen dem Werkstück und dem Sägewerkzeug eine elektrische Spannung zum spannungsbasierten Abtragen des Werkstücks angelegt wird. Das abrasive Abtragen des Werkstücks wird daher unterstützt durch ein spannungsbasiertes Abtragen, wodurch wenigstens zwei Abtragprozesse parallel durchgeführt werden. Dadurch wird die Abtragrate, also das Maß an abgetragenem Material des Werkstücks, erhöht.According to the invention it is further provided that between the workpiece and the sawing tool, an electrical voltage for stress-based removal of the workpiece is applied. The abrasive removal of the workpiece is therefore supported by a stress-based removal, whereby at least two removal processes are carried out in parallel. This will be the Abtragrate, so the amount of removed material of the workpiece, increased.

Darüber hinaus kann die Vorschubgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit des Verlagerns des Sägewerkzeugs entlang der Oberfläche des Werkstücks, gesteigert werden. Im Detail können Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 1,5 mm/min erreicht werden. Derartige Vorschubgeschwindigkeiten sind sowohl für ein abrasives, als auch für ein spannungsbasiertes Abtragen des Werkstücks geeignet. Dabei ist die Vorschubgeschwindigkeit hoch genug, um wirtschaftlich sinnvoll zu arbeiten, und dabei gering genug, um auch kleinste Werkstücke mit einer hohen Genauigkeit zu bearbeiten.In addition, the feed rate, ie the speed of displacement of the sawing tool along the surface of the workpiece can be increased. In detail, feed rates of up to 1.5 mm / min can be achieved. Such feed rates are suitable for both abrasive and stress-based removal of the workpiece. The feed rate is high enough to work economically, and low enough to handle even the smallest workpieces with high accuracy.

Erfindungsgemäß wird daher eine Absenkung der bei einem Sägebeziehungsweise Bearbeitungsvorgang zu veranschlagenden Prozesszeit ermöglicht. Eine Produktion von zu formenden Werkstücken kann daher auch in Kleinserien ohne einen unverhältnismäßig hohen und daher unwirtschaftlichen Kostenaufwand durchgeführt werden.Therefore, according to the invention, it is possible to reduce the process time to be estimated in a sawing method. A production of workpieces to be formed can therefore be carried out even in small batches without a disproportionately high and therefore uneconomical cost.

Erfindungsgemäß dienen das Sägewerkzeug und das Werkstück als Elektroden. Es ist somit ersichtlich, dass das Sägewerkzeug und das Werkstück jeweils aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein sollten. Dies hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf bereits bestehenden Sägemaschinen ohne einen großen Aufwand an baulichen Maßnahmen durchgeführt werden kann. Es werden lediglich eine Spannungsquelle und gegebenenfalls geeignete Isolatoren benötigt.According to the invention, the sawing tool and the workpiece serve as electrodes. It can thus be seen that the sawing tool and the workpiece should each be formed of an electrically conductive material. This has the advantage that the inventive method can be performed on existing sawing machines without a great deal of structural measures. Only one voltage source and possibly suitable insulators are needed.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere für ein Sägen eines Siliziumwerkstücks geeignet. Jedoch können auch andere, elektrisch leitende Werkstücke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesägt werden, insbesondere Halbleiterwerkstücke wie etwa Galliumarsenid oder Indiumphosphid.The method according to the invention is particularly suitable for sawing a silicon workpiece. However, other electrically conductive workpieces can also be sawn by the method according to the invention, in particular semiconductor workpieces such as gallium arsenide or indium phosphide.

Unter einem Verfahren zum Sägen eines Werkstücks wird dabei insbesondere ein Verfahren zum Trennen oder Einkerben eines Werkstücks verstanden. Durch einen Sägevorgang können somit sowohl ein oder mehrere Teile des Werkstücks von dem Werkstück abgetrennt werden oder aber Einkerbungen beziehungsweise Strukturen in dem Werkstück geschaffen werden.In this case, a method for sawing a workpiece is understood in particular as a method for separating or scoring a workpiece. By a sawing process can thus be separated from the workpiece or one or more parts of the workpiece or notches or structures are created in the workpiece.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück eine Flüssigkeit angeordnet. Eine Flüssigkeit kann hier einerseits das Sägewerkzeug wie auch das Werkstück kühlen, was insbesondere bei einem spanenden Abtragen bevorzugt ist. Darüber hinaus kann die Flüssigkeit eine Schmierwirkung erzielen, die den benötigten Kraftaufwand zum Verlagern des Sägewerkzeugs minimiert. Dadurch wird das Sägewerkzeug geschont. Folglich kann die Flüssigkeit die Funktion eines Kühlschmiermittels aufweisen. Geeignete Flüssigkeiten umfassen etwa Glykol oder Öl, wie etwa ein mineralisches oder synthetisches Öl.In the context of a preferred embodiment of the method according to the invention, a liquid is arranged between the sawing tool and the workpiece. A liquid can here on the one hand cool the sawing tool as well as the workpiece, which is particularly preferred in a cutting removal. In addition, the liquid can achieve a lubricating effect that minimizes the effort required to move the sawing tool. As a result, the sawing tool is spared. Consequently, the liquid may have the function of a cooling lubricant. Suitable liquids include, for example, glycol or oil, such as a mineral or synthetic oil.

Zusätzlich kann die Flüssigkeit als Trägermedium für Abrasivkörner dienen, wodurch auch ein Verfahren gemäß dem Prinzip des ungebundenen Korns, also mit Schneidkörnern in dem Trägermedium, möglich ist. In dieser Ausführungsform bildet das Trägermedium mit den Abrasivkörnern eine Suspension beziehungsweise die Slurry aus, wobei die Abrasivkörner in diesem Fall von dem sich verlagernden Sägewerkzeug mitgerissen werden und so ein spanendes Abtragen des Werkstücks bewirken. Das Zusammenwirken des Sägewerkzeugs mit den Abrasivkörnern kann dabei durch ein Mitgerissenwerden der Abrasivkörner durch das Verlagern des Sägewerkzeugs bewirkt werden.In addition, the liquid can serve as a carrier medium for abrasive grains, whereby a method according to the principle of the unbound grain, ie with cutting grains in the carrier medium, is possible. In this embodiment, the carrier medium forms a suspension or the slurry with the abrasive grains, in which case the abrasive grains are entrained by the displacing sawing tool and thus effect a cutting removal of the workpiece. The interaction of the sawing tool with the abrasive grains can be effected by entrainment of the abrasive grains by displacing the sawing tool.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Spannung zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück ein Entladungsbogen zum Abtragen des Werkstücks erzeugt. In dieser Ausgestaltung wird somit im Wesentlichen auf das Funktionsprinzip des Funkenerodierens (EDM) zurückgegriffen. Der Entladungsbogen beziehungsweise Lichtbogen bewirkt, dass das Material des Werkstücks schmilzt und/oder verdampft und sich so aus dem Gefüge löst. Durch einen Spannungsbogen wird zusätzlich zu dem abrasiven Abtragen des Werkstücks daher ein thermisches Abtragen des Werkstücks möglich.In the context of a further advantageous embodiment of the method according to the invention, a discharge arc for removing the workpiece is generated by the tension between the sawing tool and the workpiece. In this embodiment, the functional principle of spark erosion (EDM) is thus essentially used. The discharge arc or arc causes the material of the workpiece to melt and / or evaporate and thus dissolve out of the structure. By a voltage arc, therefore, a thermal removal of the workpiece is possible in addition to the abrasive removal of the workpiece.

Insbesondere ein derartiges thermisches Abtragen des Werkstücks ermöglicht neben einer deutlich vergrößerten Abtragungsrate das Sägen von Werkstücken mit sehr komplexen Formen und Konturen. Dabei ist eine hohe Maßhaltigkeit möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist so ferner auch bei sehr harten Metallen möglich, da hier vorwiegend die Schmelz- beziehungsweise Verdampfungstemperatur von Bedeutung ist, jedoch weniger die Härte eine Grenze setzt.In particular, such a thermal removal of the workpiece allows not only a significantly increased removal rate, the sawing of workpieces with very complex shapes and contours. In this case, a high dimensional accuracy is possible. The method according to the invention is thus also possible in the case of very hard metals, since the melting or evaporation temperature is predominantly of importance here, but less the hardness sets a limit.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück ein Dielektrikum angeordnet wird. Das Dielektrikum kann dabei durch die Flüssigkeit gebildet sein. Auf diese Weise kann die Ausbildung eines geeigneten Entladungsbogens sichergestellt werden, der nicht durch eine elektrisch leitende Komponente zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück gestört oder gehindert wird. In besonders vorteilhafter Weise wird das Dielektrikum insbesondere ausgewählt aus entionisiertem Wasser oder einem Öl, wie etwa einem synthetischen Öl.It is particularly advantageous if a dielectric is arranged between the sawing tool and the workpiece. The dielectric can be formed by the liquid. In this way, the formation of a suitable discharge arc can be ensured, which is not disturbed or hindered by an electrically conductive component between the sawing tool and the workpiece. Most preferably, the dielectric is selected from deionized water or an oil, such as a synthetic oil.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück als Anode und das Sägewerkzeug als Kathode polarisiert, um einen Elektronenfluss zwischen dem Werkstück und dem Sägewerkzeug zu ermöglichen. In dieser Ausgestaltung wird daher im Wesentlichen das Funktionsprinzip des elektrochemischen Abtragens (ECM) verwendet. Der durch die angelegte Spannung erzeugte fließende Strom bewirkt dabei, dass aus dem Material des Werkstücks Ionen sich von dem Werkstück lösen, wodurch das Werkstück abgetragen wird. Neben einer deutlich vergrößerten Abtragungsrate verglichen mit einem reinen abrasiven Abtragen des Werkstücks wird durch das Verwenden eines elektrochemischen Abtragens das Erzeugen von kompliziertesten räumlichen Formen ermöglicht. Darüber hinaus sind mit einem derartigen Verfahren Bearbeitungen mit höchster Präzision im Mikrometerbereich möglich. Ferner werden nach dem Sägen Oberflächen mit einer höchsten Güte erhalten. In the context of a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the workpiece is polarized as the anode and the sawing tool as the cathode in order to allow an electron flow between the workpiece and the sawing tool. In this embodiment, therefore, essentially the functional principle of electrochemical removal (ECM) is used. In this case, the flowing current generated by the applied voltage causes ions of the material of the workpiece to detach from the workpiece, whereby the workpiece is removed. In addition to a significantly increased removal rate compared to a purely abrasive removal of the workpiece is made possible by using an electrochemical removal of creating the most complicated spatial shapes. In addition, machining with the highest precision in the micrometer range is possible with such a method. Further, after sawing, surfaces having a highest quality are obtained.

Dabei ist es besonders bevorzugt, dass zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück ein Elektrolyt angeordnet wird. Auch der Elektrolyt kann durch die Flüssigkeit gebildet sein. Auf diese Weise kann ein ausreichender Stromfluss zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück sichergestellt werden, wobei die aus dem Material des Werkstücks sich gelösten Ionen in den Elektrolyten wandern. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Elektrolyt eine Leitfähigkeit in einem Bereich von ≥ 5 mS/cm bis ≤ 75 mS/cm aufweist. Besonders bevorzugte Elektrolyten, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden können, sind insbesondere ausgewählt ist aus einer wässrigen Natriumchloridlösung oder einer wässrigen Natriumnitratlösung.It is particularly preferred that an electrolyte is arranged between the sawing tool and the workpiece. The electrolyte may also be formed by the liquid. In this way, a sufficient flow of current between the sawing tool and the workpiece can be ensured, wherein the ions dissolved from the material of the workpiece migrate into the electrolyte. In this case, it is particularly preferred for the electrolyte to have a conductivity in a range of ≥ 5 mS / cm to ≦ 75 mS / cm. Particularly preferred electrolytes that can be used in the invention are in particular selected from an aqueous sodium chloride solution or an aqueous sodium nitrate solution.

In dem Fall, dass zusätzlich zu dem abrasiven Abtragen des Werkstücks ein gemeinsames thermisches und elektrochemisches Abtragen durchgeführt wird, findet im Wesentlichen ein sogenanntes ECDM-Verfahren statt. In diesem Fall sollte zwischen dem Werkstück und dem Sägewerkzeug eine Substanz, insbesondere eine Flüssigkeit, angeordnet sein, die eine elektrische Leitfähigkeit von ≤ 10 mS/cm aufweist. Auf diese Weise kann die Leitfähigkeit ausreichend hoch sein, um zumindest einen geringen elektrischen Strom zwischen dem Werkstück und dem Sägewerkzeug zu ermöglich, der ein elektrochemisches Abtragen des Werkstücks erlaubt. Darüber hinaus ist die Leitfähigkeit gering genug, um das Ausbilden eines Entladungsbogens zu ermöglichen.In the event that a joint thermal and electrochemical removal is performed in addition to the abrasive removal of the workpiece, essentially a so-called ECDM method takes place. In this case, a substance, in particular a liquid, should be arranged between the workpiece and the sawing tool, which has an electrical conductivity of ≦ 10 mS / cm. In this way, the conductivity can be sufficiently high to allow at least a small electrical current between the workpiece and the sawing tool, which allows electrochemical removal of the workpiece. In addition, the conductivity is low enough to allow the formation of a discharge arc.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Sägewerkzeug mit Abstand zu dem Werkstück entlang diesem verlagert, wobei der Abstand insbesondere durch die Anordnung und/oder Dicke der Abrasivkörner bestimmt wird. Unter einem Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Sägewerkstück wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass die Außenseite des Sägewerkzeugs nicht in direktem Kontakt mit dem Werkstück steht. Dies ist insbesondere bei spannungsbasierten beziehungsweise elektrischen Abtragungsverfahren zu bevorzugen, weil diese insbesondere mit einem Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Sägewerkstück wie gewünscht arbeiten. Der Abstand kann dabei durch die Anordnung und/oder Dicke der Abrasivkörner bestimmt sein. In dem Fall, dass die Abrasivkörner an dem Sägewerkzeug befestigt sind, bestimmt die Dicke der Abrasivkörner direkt den Abstand zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück. In der Ausgestaltung, in der die Abrasivkörner sich in einem Trägermedium befinden und von dem sich verlagernden Sägewerkzeug mitgerissen werden, muss der Abstand naturgemäß so gewählt werden, dass durch ein Einwirken des Sägewerkzeugs die mitgeschleiften Abrasivkörner ein spanendes Abtragen des Werkstücks ermöglichen. Daher wird der Abstand auch in diesem Fall durch die Anordnung, beziehungsweise Dicke der Abrasivkörner bestimmt.Within the scope of a further advantageous embodiment of the present invention, the sawing tool is displaced along the workpiece at a distance from the workpiece, the distance being determined in particular by the arrangement and / or thickness of the abrasive grains. In the context of the invention, a distance between the tool and the saw-cutting piece is understood to mean that the outside of the sawing tool is not in direct contact with the workpiece. This is to be preferred in particular in the case of stress-based or electrical removal methods, because they work as desired, in particular with a distance between the tool and the saw-work piece. The distance can be determined by the arrangement and / or thickness of the abrasive grains. In the case that the abrasive grains are attached to the sawing tool, the thickness of the abrasive grains directly determines the distance between the sawing tool and the workpiece. In the embodiment in which the abrasive grains are located in a carrier medium and are entrained by the displacing sawing tool, the distance must of course be chosen so that allow the entrained Abrasivkörner a machining removal of the workpiece by an action of the sawing tool. Therefore, the distance is also determined in this case by the arrangement, or thickness of the abrasive grains.

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sägewerkzeug ausgewählt aus einem Kupfer-, Messing-, Graphit-, Wolfram- oder Stahl-Draht. Auf diese Weise bietet das Sägewerkzeug eine ausreichend große Stabilität, Zugfestigkeit und ist dabei elektrisch leitend, so dass sowohl ein abrasives, als auch ein spannungsbasiertes beziehungsweise elektrisches Abtragen es Werkstücks möglich ist.In the context of a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the sawing tool is selected from a copper, brass, graphite, tungsten or steel wire. In this way, the sawing tool provides a sufficiently high stability, tensile strength and is electrically conductive, so that both an abrasive, as well as a voltage-based or electrical removal of the workpiece is possible.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Spannung von ≥ 10 V verwendet wird. Dabei ist die angelegte Spannung besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Art des spannungsbasierten Abtragens des Werkstücks zu wählen. Insbesondere werden bei einem EDM und einem ECDM-Verfahren Spannungen in einem Bereich von ≥ 100 V bis ≤ 500 V gewählt, wohingegen bei einem ECM-Verfahren Spannungen in einem Bereich von ≥ 10 V bis ≤ 80 V besonders geeignet sind.It is also advantageous if a voltage of ≥ 10 V is used. In this case, the applied voltage is particularly preferably to be selected as a function of the type of stress-based removal of the workpiece. Specifically, in an EDM and an ECDM method, voltages in a range of ≥ 100 V to ≦ 500 V are selected, whereas in an ECM method, voltages in a range of ≥ 10 V to ≦ 80 V are particularly suitable.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Sägen eines Werkstücks gemäß dem nebengeordneten Anspruch.The subject of the present invention is furthermore an apparatus for sawing a workpiece according to the independent claim.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention;

2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 a schematic representation of another embodiment of the method according to the invention.

In 1 ist schematisch die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Sägen eines Werkstücks 10 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere Verwendung finden, um ein Drahtsägen bei einem Siliziumwerkstück durchzuführen, um so beispielsweise einen Siliziumwafer herzustellen.In 1 schematically is the operation of a method according to the invention for sawing a workpiece 10 shown. The method according to the invention can be used, in particular, to carry out a wire sawing on a silicon workpiece, for example to produce a silicon wafer.

Es ist ein Werkstück 10 gezeigt. Um das Werkstück 10 zu sägen, wird entlang des Werkstücks 10 ein Sägewerkzeug 12 verlagert beziehungsweise entlang diesem geführt. Das Sägewerkzeug 12 kann dabei insbesondere ein Metalldraht, wie etwa ein Kupfer-, Messing-, Graphit-, Wolfram- oder Stahl-Draht sein. Diese Metalle sind einerseits gut für ein Drahtsägen geeignet. Andererseits sind diese Drähte als Metalle elektrisch leitend, was insbesondere für ein spannungsbasiertes Abtragen des Werkstücks 10 von Bedeutung ist. Das Sägwerkzeug 12 beziehungsweise der Metalldraht kann dabei eine Dicke in einem Bereich von ≥ 100 μm bis ≤ 180 μm aufweisen.It is a workpiece 10 shown. To the workpiece 10 to saw, is along the workpiece 10 a sawing tool 12 relocated or guided along this. The sawing tool 12 may in particular be a metal wire, such as a copper, brass, graphite, tungsten or steel wire. On the one hand, these metals are well suited for wire sawing. On the other hand, these wires are electrically conductive as metals, which in particular for a stress-based removal of the workpiece 10 is important. The sawing tool 12 or the metal wire can have a thickness in a range of ≥ 100 μm to ≦ 180 μm.

Bei einem Verlagern des Sägewerkzeugs 12 entlang der Oberfläche des Werkstücks 10 wirken auf das Werkstück 10 Schneidkörner beziehungsweise Abrasivkörner 14 ein. Durch das Einwirken der Abrasivkörner 14 auf das Werkstück 10 wird dieses mechanisch gesägt beziehungsweise abrasiv abgetragen.When moving the sawing tool 12 along the surface of the workpiece 10 act on the workpiece 10 Cutting grains or abrasive grains 14 one. By the action of the abrasive grains 14 on the workpiece 10 this is sawn mechanically or abraded abrasive.

Demzufolge sollten die Abrasivkörner 14 derart ausgestaltet sein, dass diese bei einem Einwirken auf das Werkstück 10 ein spanendes Abtragen des Werkstücks 10 beziehungsweise von Material des Werkstücks 10 bewirken können. Die Abrasivkörner 14 sind dazu insbesondere Partikel, die aus Siliciumcarbid bestehen oder dieses zumindest zu einem Großteil umfassen. Siliciumcarbid ist ein dem Diamant sehr ähnlicher Werkstoff weist folglich eine sehr hohe Härte auf, die in einem Bereich von 9,6 (Mohs) und 2600 (Vickers, Knoop) liegen kann. Eine derart hohe Härte ist zu bevorzugen, damit das Abrasivkorn 14 selbst bei einem Sägevorgang nicht beschädigt wird oder sich in einem zu hohen Maße abnutzt. Darüber hinaus ist Siliciumcarbid auch bei Temperaturen über 800°C gegen Sauerstoff in einem hohen Maße oxidationsbeständig, und ist ferner elektrisch nicht leitend, was insbesondere bei einer Kombination der spanenden Abtragung mit einer spannungsbasierten Abtragung von Nutzen ist. Weitere bevorzugte Materialien, die die Abrasivkörner 14 umfassen können, sind etwa Diamant oder kubisches Bornitrid (CBN).Consequently, the abrasive grains should 14 be configured such that these in an action on the workpiece 10 a machining removal of the workpiece 10 or of material of the workpiece 10 can effect. The abrasive grains 14 For this purpose, in particular particles which consist of silicon carbide or comprise this at least to a large extent. Silicon carbide, a material very similar to diamond, thus has a very high hardness, which can range from 9.6 (Mohs) and 2600 (Vickers, Knoop). Such a high hardness is preferable, so that the abrasive grain 14 even with a sawing process is not damaged or wears too high a degree. In addition, silicon carbide is highly resistant to oxidation even at temperatures above 800 ° C against oxygen, and is also electrically non-conductive, which is particularly useful in a combination of chip removal with stress-based ablation. Other preferred materials containing the abrasive grains 14 may include diamond or cubic boron nitride (CBN).

In der Ausführungsform gemäß 1 sind die Abrasivkörner 14 fest an dem Sägewerkzeug 12 befestigt, man spricht hier auch von einem Sägen mit gebundenem Korn. Dadurch findet ein Sägevorgang automatisch dann statt, wenn das Sägewerkzeug 12 entlang der Oberfläche des Werkstücks 10 verlagert wird, da die Abrasivkörner 14 so auf das Werkstück 10 einwirken. Dabei wird das Sägewerkzeug 12 mit Abstand zu dem Werkstück 10 entlang diesem verlagert wobei der Abstand insbesondere durch die Dicke der Abrasivkörner 14 bestimmt wird. Es kann durch das Sägewerkzeug 12 ein Druck in Richtung des Werkstücks 10 ausgeübt werden, was durch den Pfeil 16 verdeutlicht wird. Das Sägewerkzeug 12 beziehungsweise seine Oberfläche kann so immer genau den Abstand zu dem Werkstück 10 einhalten, der im Wesentlichen der Dicke, beziehungsweise dem Durchmesser der Abrasivkörner 14 entspricht, wobei eine Eindringtiefe der Abrasivkörner 14 in das Werkstück 10 zu berücksichtigen ist. Selbstverständlich kann in dieser Ausführungsform der Abstand zwischen dem Sägewerkzeug 12 und dem Werkstück 10 dabei eingestellt werden, indem bei der Befestigung der Abrasivkörner 14 auf dem Sägewerkzeug 12 der Durchmesser der Abrasivkörner 14 gewählt wird beziehungswiese eine Mehrzahl von Schichten an Abrasivkörnern auf dem Sägewerkzeug 12 angeordnet wird.In the embodiment according to 1 are the abrasive grains 14 firmly on the sawing tool 12 fastened, one speaks here also of a sawing with bound grain. As a result, a sawing process automatically takes place when the sawing tool 12 along the surface of the workpiece 10 is shifted because the abrasive grains 14 so on the workpiece 10 act. This is the sawing tool 12 with distance to the workpiece 10 displaced along this, the distance being determined in particular by the thickness of the abrasive grains 14 is determined. It can by the sawing tool 12 a pressure in the direction of the workpiece 10 be exercised, what by the arrow 16 is clarified. The sawing tool 12 or its surface can always exactly the distance to the workpiece 10 Maintain the substantially the thickness, or the diameter of the abrasive grains 14 corresponds to a penetration depth of the abrasive grains 14 into the workpiece 10 to take into account. Of course, in this embodiment, the distance between the sawing tool 12 and the workpiece 10 be adjusted while, by attaching the abrasive grains 14 on the sawing tool 12 the diameter of the abrasive grains 14 A plurality of layers of abrasive grains are selected on the sawing tool 12 is arranged.

Durch ein Verlagern des Sägewerkzeugs 12 entlang der Oberfläche des Werkstücks 10 und dabei vorzugsweise durch das Ausüben eines Drucks des Sägewerkzeugs 12 in Richtung des Pfeils 16 beziehungsweise eines Druckes des Werkstücks 10 in entgegengesetzter Richtung kann dabei eine Einkerbung 18 erhalten werden, die den Sägeprozess verdeutlicht. Dabei ist vorzugsweise das Vorsehen einer Substanz 20, wie etwa einer Flüssigkeit, zwischen dem Sägewerkzeug 12 und dem Werkstück 10 von Vorteil, die als Kühlschmiermittel dienen kann und den Sägeprozess so vereinfacht.By moving the sawing tool 12 along the surface of the workpiece 10 and preferably by applying a pressure of the sawing tool 12 in the direction of the arrow 16 or a pressure of the workpiece 10 in the opposite direction can be a notch 18 which illustrates the sawing process. In this case, it is preferable to provide a substance 20 , such as a liquid, between the sawing tool 12 and the workpiece 10 advantageous, which can serve as a cooling lubricant and thus simplifies the sawing process.

Um den mechanischen abrasiven Abtragprozess zu unterstützen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Sägewerkzeug 12 und dem Werkstück 10 eine Spannung angelegt wird, wie dies durch die Spannungsquelle 22 in 1 verdeutlicht wird. Auf diese Weise kann das rein mechanische Abtragen des Werkstücks 10 durch ein spannungsbasiertes beziehungsweise elektrisches Abtragen unterstützt und die Abtragrate und die Prozessdauer so verbessert werden.In order to support the mechanical abrasive removal process, it is inventively provided that between the sawing tool 12 and the workpiece 10 a voltage is applied, as by the voltage source 22 in 1 is clarified. In this way, the purely mechanical removal of the workpiece 10 supported by a voltage-based or electrical removal and the removal rate and the process duration are thus improved.

Beispielsweise kann durch die Spannung zwischen dem Sägewerkzeug 12 und dem Werkstück 10 ein Entladungsbogen zum Abtragen des Werkstücks 10 erzeugt werden. Durch den Entladungsbogen beziehungsweise Spannungsbogen schmilzt beziehungsweise verdampft das Material des Werkstücks 10, wodurch eine thermische Unterstützung des mechanischen Sägevorgangs möglich ist.For example, by the tension between the sawing tool 12 and the workpiece 10 a discharge arc for removing the workpiece 10 be generated. Through the discharge arc or voltage arc melts or evaporates the material of the workpiece 10 , whereby a thermal support of the mechanical Sägevorgangs is possible.

In diesem Verfahren ist ein Abstand zwischen dem Sägewerkzeug 12 und dem Werkstück 10 vorzugsweise so zu wählen, dass ein Spalt in einer Größenordnung von ≥ 0,004 mm bis ≤ 0,5 mm entsteht. Diese Spaltgröße ist wie bereits ausgeführt durch die Auswahl und Anordnung der Abrasivkörner 14 einstellbar. Ein Aufwändiges Einstellen und Überwachen der Spaltgröße beziehungsweise des Abstandes ist so nicht notwendig. Besonders bevorzugt wird bei einem EDM- und einem ECDM-Verfahren ein Spalt in einem Bereich von etwa ≥ 5 μm bis ≤ 100 μm ausgebildet. Bei einem ECM-Verfahren weist der Spalt vorzugsweise eine Größe in einem Bereich von etwa ≥ 5 μm bis ≤ 1000 μm auf. Die genau Spaltgröße wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der angelegten Spannung gewählt.In this method is a distance between the sawing tool 12 and the workpiece 10 preferably to be selected such that a gap of the order of ≥ 0.004 mm to ≤ 0.5 mm is formed. This gap size is as already stated by the selection and arrangement of the abrasive grains 14 adjustable. A time-consuming setting and monitoring of the gap size or the distance is not necessary. Particularly preferably, in an EDM and ECDM method, a gap is formed in a range of about ≥ 5 μm to ≦ 100 μm. In an ECM method, the gap preferably has a size in a range of about ≥ 5 μm to ≦ 1000 μm. The exact gap size is preferably selected as a function of the applied voltage.

Insbesondere sind die Abrasivkörner 14 dabei aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Siliciumcarbid, ausgebildet und sind daher an dem spannungsbasierten Abtragungsprozess nicht beteiligt. Sie dienen vielmehr ausschließlich dem mechanischen Abtragen des Werkstücks 10. Darüber hinaus ist die Substanz 20 in diesem Fall vorzugsweise ebenfalls ein Dielektrikum. Dieses kann dann insbesondere ausgewählt werden aus entionisiertem Wasser oder einem Öl. Beide Substanzen dienen als guter Isolator, um einen Spannungsbogen in geeigneter Weise nicht zu behindern, und haben ferner für ein Kühlschmiermittel geeignete Eigenschaften.In particular, the abrasive grains 14 thereby formed of an electrically insulating material, such as silicon carbide, and are therefore not involved in the stress-based ablation process. Rather, they serve exclusively for the mechanical removal of the workpiece 10 , In addition, the substance 20 in this case also preferably a dielectric. This can then be selected in particular from deionized water or an oil. Both substances serve as a good insulator to suitably not interfere with a voltage arc, and further have properties suitable for a cooling lubricant.

Alternativ oder zusätzlich zu einem thermischen Abtragen des Werkstücks 10 kann erfindungsgemäß ein elektrochemisches beziehungsweise anodisches Abtragen des Werkstücks 10 erfolgen. Dazu kann das Werkstück 10 als Anode und das Sägewerkzeug 12 als Kathode polarisiert werden. Darüber hinaus kann, um einen ausreichenden Stromfluss zwischen dem Werkstück 10 und dem Sägewerkzeug 12 zu ermöglichen, als Substanz 20 ein Elektrolyt gewählt werden. Der Elektrolyt kann dabei insbesondere ausgewählt werden aus einer wässrigen Natriumchloridlösung oder einer wässrigen Natriumnitratlösung. Ferner weist der Elektrolyt vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich von ≥ 5 mS/cm bis ≤ 75 mS/cm auf.Alternatively or in addition to a thermal removal of the workpiece 10 can according to the invention an electrochemical or anodic removal of the workpiece 10 respectively. This can be done by the workpiece 10 as an anode and the sawing tool 12 be polarized as a cathode. In addition, to ensure adequate flow of current between the workpiece 10 and the sawing tool 12 to allow, as a substance 20 an electrolyte can be selected. The electrolyte can be selected in particular from an aqueous sodium chloride solution or an aqueous sodium nitrate solution. Further, the electrolyte preferably has an electrical conductivity in a range of ≥ 5 mS / cm to ≦ 75 mS / cm.

In dieser Ausgestaltung kann durch die angelegte Spannung zwischen dem Werkstück 10 und dem Sägewerkzeug 12 ein Strom fließen, der ein elektrochemisches Abtragen des Werkstücks 10 ermöglicht. Im Detail gehen an der Anode, also dem Werkstück 10, Ionen in Lösung und wandern insbesondere durch den Elektrolyten zu dem Sägewerkzeug 14.In this embodiment, by the applied voltage between the workpiece 10 and the sawing tool 12 a current flow, which is an electrochemical removal of the workpiece 10 allows. Going in detail at the anode, so the workpiece 10 , Ions in solution and migrate in particular through the electrolyte to the sawing tool 14 ,

Dabei können das thermische und das elektrochemische Abtragverfahren gleichermaßen in Kombination zusätzlich zu dem abrasiven Verfahren eingesetzt werden. In diesem Fall ist somit die Steigerung der Abtragrate durch ein paralleles Verwenden eines mechanischen, thermischen und eines elektrochemischen Abtragens möglich. Bei einem Hybridprozess, also einer Kombination von thermischen und elektrochemischen Abtragverfahren, agiert die anodische Auflösung des Materials des Werkstücks vorzugsweise während der Zündverzögerung des thermischen Verfahrens.In this case, the thermal and the electrochemical removal method can be used equally in combination in addition to the abrasive method. In this case, it is thus possible to increase the removal rate by using mechanical, thermal and electrochemical removal in parallel. In a hybrid process, ie a combination of thermal and electrochemical removal processes, the anodic dissolution of the material of the workpiece preferably acts during the ignition delay of the thermal process.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Verfahren gemäß 2 entspricht im Wesentlichen dem Verfahren von 1, weshalb entsprechende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied des Verfahrens gemäß 2 liegt in der Anordnung des Abrasivkorns 14 beziehungsweise der Abrasivkörner 14. Während die Abrasivkörner 14 in 1 an dem Sägewerkzeug 12 befestigt sind, liegen dieses gemäß 2 lose in der Substanz 20, in diesem Fall einem Trägermedium, vor. Dieses Verfahren wird daher auch als Sägen mit losem Korn bezeichnet. In dieser Ausgestaltung werden die Abrasivkörner 14 von dem sich bewegenden Sägewerkzeug mitgerissen und wirken so auf das Werkstück 10 ein, um ein spanendes Abtragen zu bewirken.In 2 a further embodiment of the method according to the invention is shown. The method according to 2 corresponds essentially to the method of 1 why corresponding components are provided with the same reference numerals. The difference of the method according to 2 lies in the arrangement of the abrasive grain 14 or the abrasive grains 14 , While the abrasive grains 14 in 1 on the sawing tool 12 are fixed, this are according to 2 loose in the substance 20 , in this case a carrier medium. This method is therefore also referred to as sawing with loose grain. In this embodiment, the abrasive grains 14 entrained by the moving sawing tool and thus act on the workpiece 10 to effect a chipping.

Auch in diesem Fall ist eine genaue Abstandsregelung nicht erforderlich, da der Abstand zwischen dem Sägewerkzeug und dem Werkstück durch die Dicke, beziehungsweise den Durchmesser und die Anordnung der Abrasivkörner 14 bestimmt wird.Also in this case, a precise distance control is not required, since the distance between the sawing tool and the workpiece by the thickness, or the diameter and the arrangement of the abrasive grains 14 is determined.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

CH 696389 A5 [0004]

Claims

Method for sawing a workpiece ( 10 ), in particular a silicon workpiece, in which a sawing tool ( 12 ) along the workpiece ( 10 ), wherein the sawing tool ( 12 ) when moving with abrasive grains ( 14 ) cooperates in such a way that the abrasive grains ( 14 ) a cutting removal of the workpiece ( 10 ), and wherein between the workpiece ( 10 ) and the sawing tool ( 12 ) an electrical voltage for stress-based removal of the workpiece ( 10 ) is created.

Method according to claim 1, characterized in that between the sawing tool ( 12 ) and the workpiece ( 10 ) A liquid is arranged.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that by the tension between the sawing tool ( 12 ) and the workpiece ( 10 ) a discharge arc for removing the workpiece ( 10 ) is produced.

Method according to claim 3, characterized in that between the sawing tool ( 12 ) and the workpiece ( 10 ) a dielectric is arranged, which is selected in particular from deionized water or an oil.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the workpiece ( 10 ) as the anode and the sawing tool ( 12 ) is polarized as a cathode to allow an electron flow between the workpiece ( 10 ) and the sawing tool ( 12 ).

Method according to claim 5, characterized in that between the sawing tool ( 12 ) and the workpiece ( 10 ) an electrolyte is selected, which is in particular selected from an aqueous sodium chloride solution or an aqueous sodium nitrate solution.

Method according to claim 5, characterized in that between the sawing tool ( 12 ) and the workpiece ( 10 ) a substance is arranged, which has an electrical conductivity of ≤ 10 mS / cm.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sawing tool ( 12 ) at a distance from the workpiece ( 10 ) is displaced along this, wherein the distance in particular by the arrangement and / or thickness of the abrasive grains ( 14 ) is determined.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the sawing tool ( 12 ) is selected from a copper, brass, graphite, tungsten or steel wire.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that a voltage of ≥ 10 V is used.

Device for sawing a workpiece ( 10 ), in particular a silicon workpiece, comprising a sawing tool ( 12 ), characterized in that the device comprises means for carrying out the method according to one of claims 1 to 10.