DE102011018359A1

DE102011018359A1 - Verfahren zum Drahtsägen im Pendelmodus

Info

Publication number: DE102011018359A1
Application number: DE102011018359A
Authority: DE
Inventors: Rolf Martin; Andreas Menzel; Antje Liesk
Original assignee: Schott Solar AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Drahtsägen beschrieben, das sich dadurch auszeichnet, dass es mindestens einen Richtungswechsel des Sägedrahtes und das Auswählen, ob die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs vor dem mindestens einen Richtungswechsel höher sein soll, als die Geschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs nach dem mindestens einen Richtungswechsel und/oder ob bei gleicher Sägedrahtgeschwindigkeit der Vorschub des sprödharten Werkstücks während des Sägedrahtrücklaufs größer sein soll als der Vorschub während des Sägedrahtvorlaufs, umfasst.

Description

Drahtsägevorrichtungen, bei denen sich die Drähte oder das zu sägende Werkstück bewegen, kommen in der Industrie regelmäßig zum Einsatz, insbesondere um aus Materialien wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Gadoliniumgallium-Granat (GGG), synthetischem Quarzglas oder auch Quarz, künstlichem Saphir und aus keramischen Materialien dünne Scheiben, sogenannte Wafer, zu gewinnen.
Die zu sägenden Werkstücke, welche auch als Ingots, Blöcke oder Bricks bezeichnet werden, haben üblicherweise die Gestalt eines Prismas mit runder, rechteckiger, quadratischer oder pseudoquadratischer Grundfläche. So werden z. B. zur Herstellung von Solarwafern meist längliche Blöcke mit rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt verwendet.
In den bekannten Vorrichtungen wird aus benachbarten Drähten, die beispielsweise mittels eines Satzes von mindestens zwei parallel angeordneten Zylindern aufgespannt sind, eine Sägezone bzw. ein Sägefeld gebildet. Dabei weisen die Zylinder Rillen auf, die den Abstand zwischen den Drähten des Sägefeldes und somit die Dicke der zu sägenden Scheiben festlegen. Auf diese Weise dienen sie auch als Drahtführungsmittel. Das zu sägende Werkstück selbst ist beispielsweise an einem Trägertisch befestigt, der senkrecht zu dem aus parallel aufgespannten Drähten gebildeten Drahtfeld bzw. zu dem Sägefeld verschoben wird. Durch das gleichzeitige Verschieben des Werkstücks und das schnelle Drehen der Führungsrollen in eine Richtung wird das Werkstück in hauchdünne Scheiben geschnitten, wobei die Verschiebungsgeschwindigkeit die Schneidgeschwindigkeit definiert.
Das den Schnitt bewirkende Mittel ist üblicherweise ein am Draht fest fixiertes Schleifmittel (festes Korn) beispielsweise ein hochrissfester Stahldraht, der auf seiner Oberfläche eingebettete Abrasivkörner zum Beispiel Diamanten aufweist, oder ein in Gestalt einer Aufschlämmung am Draht frei haftendes ungebundenes Schleifmittel (freies Korn).
Um konstante Sägeleistungen zu erzielen und die mit dem Werkstück in Kontakt stehenden Drähte nicht zu überhitzen, kommt regelmäßig eine Kühlflüssigkeit zum Einsatz. Diese dient außerdem auch als Schmier- oder Gleitmittel und/oder Reinigungsmittel zur Aufnahme und zum Abtransport von Schneidgut. Die Zusammensetzung dieser Flüssigkeit variiert je nach Aufgabe und Bedarf von dünnflüssig bis hochviskos oder auch thixotrop, wässrig, organisch oder gemischt, und enthält meist Additive wie Korrosionsschutzmittel, Stabilisatoren, Konservierungsmittel, sog. EP-Zusätze (extreme pressure additives), Emulgatoren und Lösungsvermittler. Zudem kann die Flüssigkeit das freie, in der Flüssigkeit vorliegende, ungebundene Schleifmittel, z. B. Siliziumcarbid-Körner, transportieren. Durch seine abrasive Wirkung bewirkt das Siliziumcarbid durch ein Ausbrechen von Material das eigentliche Durchsägen, daher wird diese Methode auch als Drahttrennläppen bezeichnet.
Um Materialkosten zum Beispiel für Sägedraht einzusparen, wurde bereits versucht, anstatt eines unidirektionalen Sägemodus, bei dem der Sägedraht während des Schnittes ausschließlich in eine Richtung verläuft, das Sägeverfahren im sog. Pendelmodus durchzuführen, in dem zunächst in die eine Richtung (vorwärts) und sodann in die entgegengesetzte Richtung (rückwärts) gesägt wird.
In der JP2002254287 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die die Lebensdauer der Zylinder, zwischen denen die Drähte gespannt sind, mittels einer speziellen Drahteinspeisung erhöht.
In der WO200953004 wird außerdem beschrieben, dass Drahtführungen den Draht vorzugsweise kontinuierlich von einem Zylinder auf einen anderen überführen, wobei sich der Draht in eine Richtung bewegt, also aufgewickelt werden muss. Alternativ kann dies auch mittels eines Kreislaufsystemes erfolgen, oder aber der Draht kann abwechselnd in die eine und dann in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden, so dass die Bewegung insgesamt diskontinuierlich im Pendelmodus verläuft.
Aus der WO201109587 ist ferner ein Schneiden von polykristallinem Silizium im Pendelmodus bekannt, wobei der Draht ca. 1000 m vorwärts und 900 m rückwärts bewegt werden kann, so dass kontinuierlich 100 m Neudraht eingefügt werden und die Drahtlänge vorwärts stets größer ist als die Drahtlänge rückwärts.
Allerdings bewirkt ein derartiger Pendelmodus, dass eine relativ breite und unsymmetrische Rillenstruktur (Riefenstruktur) auf der Waferoberfläche entsteht, welche nur schwer wieder zu entfernen ist und bei der weiteren Verarbeitung der Wafer ggf. Probleme bereitet, wenn die Wafer beispielsweise bestimmte Geometrieparameter nicht erfüllen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drahtsägeverfahren im Pendelmodus anzugeben, welches die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, dass sich das zuvor beschriebene Ziel dadurch erreichen lässt, dass Vor- und Rücklauf eines ein Drahtfeld bildenden Sägedrahtes mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgt, oder der Sägevorschub, d. h. die Verschiebung des Werkstückes in das Drahtfeld hinein verändert wird. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Geschwindigkeitsunterschied mindestens das 1,1-fache beträgt.
Es wird daher ein Verfahren zum Sägen mindestens eines insbesonders sprödharten Werkstücks mittels einer Drahtsäge bereitgestellt, bei der ein Sägedraht ein Drahtfeld bildet und sich der Sägedraht entlang seiner Drahtlänge abwechselnd in eine Vorwärts- und eine Rückwärtsgeschwindigkeit bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass die

– Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung höher ist als die Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung und/oder
– der Vorschub des Drahtfeldes in das zu sägende Werkstück in das Drahtrücklaufs größer ist als der Vorschub während des Drahtvorlaufs.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Drahtsägen mindestens eines insbesonders sprödharten Werkstücks mit mindestens einem ein Drahtfeld bildenden Sägedrahtes bereitgestellt, wobei der Sägedraht sich entlang seiner Drahtlänge bewegt bzw. läuft, umfassend

– mindestens einen Wechsel der Bewegungsrichtung des Sägedrahts und nachdem der Wechsel auch erfolgt ist
– ein Erhöhen oder Vermindern der Geschwindigkeit des Sägedrahtes und/oder
– des Vorschubs des sprödharten Werkstücks, wobei der Vorschub während des Sägedrahtrücklaufs größer ist als der Vorschub während des Sägedrahtvorlaufs

Somit ist es denkbar, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs vor dem mindestens einen Richtungswechsel höher ist, als die Geschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs nach dem mindestens einen Richtungswechsel und gleichzeitig der Vorschub des sprödharten Werkstücks während des Sägedrahtrücklaufs größer ist als der Vorschub während des Sägedrahtvorlaufs.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, nur die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs vor dem mindestens einen Richtungswechsel höher zu wählen, als die Geschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs nach dem mindestens einen Richtungswechsel oder bei gleicher Sägedrahtgeschwindigkeit lediglich der Vorschub des sprödharten Werkstücks während des Sägedrahtrücklaufs gegenüber dem Vorschub während des Sägedrahtvorlaufs zu erhöhen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann das den Schnitt bewirkende Mittel ein am Draht fest fixiertes Schleifmittel (festes Korn) sein oder es kann ein in einer Aufschlämmung am Draht frei haftendes freies Schleifmittel (freies Korn) verwendet werden.
Das Schleifmittel enthält zum Drahtsägen geeignete Schleifkörner bzw. eine Mischung solcher Schleifkörner in verschiedenen Größen, Formen und/oder Zusammensetzungen. Vorzugsweise weisen die Schleifkörner einen mittleren Durchmesser im Bereich von 5 bis 30 μm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 10 und 20 μm auf. Bevorzugte Schleifkörner bestehen aus Diamant, Siliziumcarbid, Al₂O₃, Bornitrid, Borcarbid, Titancarbid, Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid, Titannitrid oder Zirkoniumnitrid. Besonders bevorzugt bestehen, die Schleifkörner aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Diamant, Borcarbid und Siliziumcarbid. Diamant kann dabei sowohl synthetischen als auch natürlichen Ursprungs sein.
Vorzugsweise weisen die Schleifpartikel eine Mohssche Härte von mindestens 8, insbesonders 8,5 besonders bevorzugt von mindestens 9 auf.
Vorzugsweise weist der Sägedraht einen Durchmesser von mindestens 90 μm, insbesonders mindestens 100 μm auf, wobei die Drahtobergrenze vorzugsweise höchstens 160 μm, insbesonders 140 μm beträgt.
Ferner wird bevorzugt, dass der Sägedraht im Wesentlichen aus Kunststofffasern, Metallen, Stählen oder Legierungen besteht.
Vorzugsweise ist der verwendete Draht aus Stahl. Besonders bevorzugt wird als Draht ein Federstahldraht aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl verwendet. Typischerweise wird ein Draht verwendet, der dem Fachmann als sog. „Patentiert gezogener Federstahldraht” bekannt ist.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren gesägten sprödharten Materialien umfassen Metalle, Halbleitermaterialien und Isolatoren z. B. Ferrite, Quarze und synthetisches Quarzglas, Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Gadoliniumgallium-Granat (GGG), künstlichen Saphir, uni- und polykristallines Silizium, Kunststoffe und Keramiken. Bevorzugt sind jedoch kristalline Materialien, und zwar sowohl polykristalline als auch monokristalline Materialien.
Unter dem Begriff Werkstück wird im Folgenden ein einzelnes, abgegrenztes Teil verstanden. Ferner wird bevorzugt, dass es sich bei dem sprödharten Werkstück um einen Siliziumkristall mit den zuvor genannten Abmessungen 156 mm × 156 mm mit Gesamtlänge von 1000 mm handelt.
Unter dem Begriff Richtungswechsel wird im Folgenden verstanden, dass der Draht mindestens einmal in die der Anfangsrichtung entgegengesetzte Richtung geführt wird, also eine Pendelbewegung vollführt bzw. einmal hin und her fährt.
Vorzugsweise wird bei dem Wechsel in der Vorwärts- in eine Rückwärtsbewegung bzw. umgekehrt die Bewegungsgeschwindigkeit des Drahtes mit einer Beschleunigung von mindestens 0,1 insbesonders mindestens 0,5 m/s² abgebremst. Besonders bevorzugt sind Bremsbeschleunigungen von mindestens 1 m/s².
Typische Obergrenzen der Bremsbeschleunigung betragen höchstens 7 bzw. höchstens 5 m/s² wobei höchstens 4 m/s² besonders bevorzugt sind. Typische aktuelle Bremsbeschleunigungen betragen 2 ± 0,5 m/s².
Vorzugsweise wird diese Pendelbewegung solange durchgeführt, bis das sprödharte Werkstück durchschnitten ist. Demnach finden beliebig viele Richtungswechsel statt.
Vorzugsweise wird unter dem Begriff Vorschub der Tischvorschub verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es den Schnittprozess mit Schnittgeschwindigkeiten (Drahtgeschwindigkeiten) bis zu 25 m/s, vorzugsweise bis zu 22 m/s besonders bevorzugt bis zu 17 bzw. ± 15 m/s durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat überraschenderweise den Vorteil, dass die Rillenbreite des Drahtvorlaufs sowie des Drahtrücklaufs deutlich geringer ausfällt, als bei bekannten Drahtsägeverfahren, die im Pendelmodus arbeiten. Mit anderen Worten wird die Rillenstruktur, die sich aus Rillenbreite vorwärts und Rillenbreite rückwärts zusammensetzt, fast symmetrisch. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass wegen der Drahtrissgefahr lediglich ein begrenzter Drahtabrieb beim Sägen zugelassen werden kann. Daher kann eine symmetrische Rillenstruktur nicht beliebig angenähert werden. Dennoch sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Wafer unter anderem aufgrund der symmetrischeren Rillenstruktur deutlich besser zur weiteren Verarbeitung geeignet, als herkömmlich hergestellte.
Vorzugsweise beträgt die Rillenbreite des Vorlaufs bzw. Rücklaufs höchstens 1000 μm insbesonders höchstens 800 bzw. 700 μm wobei höchstens 500 μm bevorzugt sind. Zweckmäßigerweise beträgt die Rillenbreite 300 ± 100 μm. Dies hat den Vorteil, dass die Rillen mit bloßem Auge nicht mehr sichtbar sind.
Ferner hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass der Drahtabrieb geringer ausfällt, als bei herkömmlichen Drahtsägeverfahren mit Pendelmodus und sich daher die Wahrscheinlichkeit eines Drahtabrisses minimiert. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bei Drahtsägen bei der Herstellung von dünnen Wafern der Durchmesser des verwendeten Sägedrahtes den Mindestverlust an Material definiert. Daher werden zur Erhöhung der erzielbaren Anzahl an Wafern pro kg Brick immer dünnere Drähte verwendet. Da jedoch die Drähte beim Sägen ebenfalls einem Abrieb unterliegen, verringert sich ihr Durchmesser mit jedem Durchlauf. Durch diese Abnutzung wird die Reißfestigkeit des Sägedrahtes im Laufe der Zeit stark verringert. Reißt nun ein derartig dünner Sägedraht, dann muss der gesamte Sägeprozess gestoppt und im ungünstigsten Fall das Werkstück in seiner Gesamtlänge bzw. einem Teil seiner Gesamtlänge verworfen werden.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, da es die Keiligkeit der produzierten Wafer im Vergleich zu unidirektionalen Drahtsägeverfahren reduziert. Mit anderen Worten ist der Polierabtrag in der radialen Richtung zum Zentrum des Wafers homogener als bei unidirektionalen Drahtsägeverfahren.
Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei der Herstellung von Wafern von Vorteil, sondern auch überall da, wo Scheiben im Drahtsägeverfahren hergestellt werden, bei denen vorgegebene Oberflächen kostengünstig herzustellen sind.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird so gesägt, dass die Rillenstruktur (Rillenbreite vorwärts zu Rillenbreite rückwärts) nahezu symmetrisch ausfällt. Insbesonders unterscheiden sich die Rillenbreiten um 30, 20, 15, 10%, höchstens 30% bzw. 20% wobei höchstens 15% bzw. 10% bevorzugt werden.
Unter dem Begriff Pendelverhältnis wird im Folgenden ein Verhältnis von der durchlaufenen Drahtlänge in Vorwärtsrichtung zur durchlaufenen Drahtlänge in Rückwärtsrichtung verstanden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Maximalgeschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs größer als die Maximalgeschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs.
Dies hat den Vorteil, dass eine symmetrische Rillenstruktur besser angenähert werden kann.
In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, dass Vor – und Rücklauf des Sägedrahtes bis zum Erreichen der jeweiligen Endgeschwindigkeit eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung darstellen.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs mindestens das 1,2- bzw. 1,25-fache der Geschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs.
Vorzugsweise beträgt die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs mindestens das 1,1- bis 2- bzw. 3-fache des Sägedrahtrücklaufs, bei Geschwindigkeiten des Sägedrahtvorlaufes von 5,5 m/s bis 25 m/s.
Dies ist vorteilhaft, da sich unter diesen Voraussetzungen das Verhältnis der Rillenbreite zwischen Sägedrahtvorlauf und Sägedrahtrücklauf sichtbar verringert.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Vorschub des sprödharten Werkstücks während des Sägedrahtrücklaufs mindestens das 1,2-fache des Vorschubs während des Sägedrahtvorlaufs.
Dies hat den Vorteil, dass sich das Verhältnis der Rillenbreite zwischen Sägedrahtvorlauf und Sägedrahtrücklauf noch einmal deutlich verringert.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die minimale Laufstrecke vorwärts 300 m und die minimale Laufstrecke rückwärts 100 m.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die maximale Laufstrecke vorwärts 3000 m insbesonders 2000 m wobei maximale Strecken von 1500 bzw. 1000 m bevorzugt sind. Die maximale Laufstrecke rückwärts beträgt vorzugsweise 2000, insbesonders 1500 m, wobei 1000 bzw. 800 m bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind maximale Laufstrecken von 500 m.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die minimale Sägedrahtgeschwindigkeit vorwärts 5,5 m/s und die minimale Sägedrahtgeschwindigkeit rückwärts 5 m/s.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die maximale Sägedrahtgeschwindigkeit vorwärts 25 m/s und die maximale Sägedrahtgeschwindigkeit rückwärts 23 m/s.
Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass sie insbesondere zur Herstellung von Solar-Wafern eingesetzt werden können.
Bevorzugt wird ferner, dass das Drahtsägeverfahren ein Verfahren ist, bei dem ein in Gestalt einer Aufschlämmung am Draht frei haftendes freies Schleifmittel (freies Korn) zu Einsatz kommt.
In dieser Ausgestaltung hat die Erfindung den Vorteil, dass die Dickenunterschiede zwischen Drahteintritt- und Drahtaustrittseite geringer sind als beim unidirektionalen Drahtsägen, da die Zerkleinerung der freien Körner im Sägespalt in beide Richtungen erfolgt.
Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren von der Schnittposition als Führungsgröße zur Prozesszeit als Führungsgröße gewechselt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002254287 [0007]
WO 200953004 [0008]
WO 201109587 [0009]

Claims

Verfahren zum Drahtsägen mindestens eines sprödharten Werkstücks mit mindestens einem Sägedraht, umfassend – mindestens ein Richtungswechsel des Sägedrahtes und – auswählen, ob die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs vor dem mindestens einen Richtungswechsel höher sein soll, als die Geschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs nach dem mindestens einen Richtungswechsel und/oder ob bei gleicher Sägedrahtgeschwindigkeit der Vorschub des sprödharten Werkstücks während des Sägedrahtrücklaufs größer sein soll als der Vorschub während des Sägedrahtvorlaufs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Parameter eingehalten wird, dass die auf dem Werkstück durch die Pendelkinematik erzeugte sichtbare Rillenstruktur, nahezu symmetrisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalgeschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs größer ist, als die Maximalgeschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Sägedrahtvorlaufs mindestens das 1,1-fache der Geschwindigkeit des Sägedrahtrücklaufs beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub des sprödharten Werkstücks während des Sägedrahtrücklaufs mindestens um das 1,2-fache größer ist, als der Vorschub während des Sägedrahtvorlaufs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Laufstrecke vorwärts 300 m und die minimale Laufstrecke rückwärts 100 m betragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Sägedrahtgeschwindigkeit vorwärts 5,5 m/s und die minimale Sägedrahtgeschwindigkeit rückwärts 5 m/s betragen.