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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtführungsrolle zur Verwendung in Drahtsägen zum Herstellen von Halbleiterscheiben (Wafern) für die Photovoltaik- und Halbleiterindustrie durch gleichzeitiges Abtrennen einer Vielzahl von Halbleiterscheiben von einem ein- oder polykristallinen Halbleiterrohling (Ingot). Die Halbleiterscheiben weisen üblicherweise eine Dicke von zwischen 50 µm und 400 µm und insbesondere von 100 µm und 350 µm auf.
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Eine Drahtsäge weist ein aus wenigstens einem Drahtabschnitt bestehendes sogenanntes Drahtgatter (auch als Drahtfeld bezeichnet) auf, das zwischen wenigstens zwei drehbar gelagerten Drahtführungsrollen aufgespannt ist. Häufig wird das Drahtgatter von einer Vielzahl (bis zu mehr als 100) paralleler Drahtabschnitte gebildet, welche zwischen den Drahtführungsrollen aufgespannt sind. Häufig werden auch mehr als zwei und insbesondere drei oder vier drehbar gelagerte Drahtführungsrollen verwendet. Die jeweiligen Drehachsen der Drahtführungsrollen sind dabei in der Regel zueinander parallel angeordnet. Eine oder mehrere oder alle Drahtführungsrollen können mittels eines oder mehrerer Antriebe angetrieben sein. Zum Bilden der Drahtabschnitte des Drahtgatters wird häufig ein einziger endlicher Draht spiralförmig um ein von den Drahtführungsrollen gebildetes Rollensystem geführt und dabei von einer Vorratsrolle auf eine Aufnahmerolle abgespult. Hierfür können die Drahtführungsrollen an ihrer Mantelfläche jeweils eine Vielzahl von nutförmigen Vertiefungen aufweisen, welche die Mantelfläche in Umfangsrichtung ringförmig spiralisiert umschließen und in denen der Draht geführt ist. Der Draht wird zwischen der Vorratsspule und der Aufnahmespule unter Spannung gesetzt. Der Draht besteht in der Regel aus Metall oder Kunststoff und weist in der Regel eine Dicke von zwischen 50 mm und 200 mm und insbesondere von zwischen 100 mm und 140 mm auf.
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Bei einem Sägevorgang werden der Halbleiterrohling und das Drahtgatter relativ zueinander bewegt, und gleichzeitig wird der Draht mit hoher Geschwindigkeit über die Drahtführungsrollen von der Vorratsrolle auf die Aufnahmerolle umgespult. Während des Sägevorgangs wird der Draht mit einer Flüssigkeit (wie beispielsweise Glykol oder Öl) benetzt, um den Draht zu kühlen und abgetragenes Sägegut zu entfernen. Die Flüssigkeit kann auch ein Schneidkorn wie beispielsweise Diamant oder Siliziumcarbid von geeigneter Körnung enthalten und so eine Suspension bilden. Diese Suspension wird auch als Slurry bezeichnet. Dann wird der Schneidevorgang häufig von dem in der Flüssigkeit gelösten Schneidekorn und nicht von dem Draht selber bewirkt, so dass der Draht häufig nur zum Transport der Flüssigkeit mit dem Schneidekorn dient. Wenn der Draht selbst mit einem geeigneten Schneidkorn beschichtet ist, kann auf das Vorsehen von Schneidkorn in der Flüssigkeit auch verzichtet werden.
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Während des Sägens ist der Draht einem gewissen Verschleiß ausgesetzt. Dabei ist zu beachten, dass der Draht aufgrund der spiraligen Führung über die Drahtführungsrollen wiederholt in den Halbleiterrohling einschneidet. Deshalb kann der Draht häufig nur einmal verwendet werden. Auch die Drahtführungsrollen unterliegen einem gewissen Verschleiß.
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Die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der mittels Drahtsägen hergestellten Halbleiterscheiben sind hoch. Gewünscht ist, dass jede Halbleiterscheibe zwei sich parallel gegenüberliegende ebene Flächen aufweist. Für diese Maßhaltigkeit sind die Drahtführungsrollen maßgeblich verantwortlich, da diese die Position der das Drahtgatter bildenden Drahtabschnitte festlegen. Eine fehlerhafte Führung des Drahtes durch eine Drahtführungsrolle hat häufig zur Folge, dass alle mit dem Drahtgatter gesägten Halbleiterscheiben verworfen werden müssen.
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Dabei ist problematisch, dass sich Drahtführungsrollen im Betrieb erwärmen und damit in ihren Dimensionen ändern. Gleichzeitig wird eine möglichst hohe Schnittgeschwindigkeit angestrebt, wodurch das Problem der Erwärmung noch verstärkt wird.
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Drahtführungsrollen können massiv oder hohl und aus Metall oder (faser) verstärktem Kunststoff gebildet sein. Häufig weist die Mantelfläche eine Beschichtung auf, welche den Kontakt zum Draht herstellt, so dass die Drahtführungsrolle in radialer Richtung einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen kann. Die den Draht führenden nutförmigen Vertiefungen sind dann in der Beschichtung ausgebildet.
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In 1 ist eine Drahtführungsrolle nach dem Stand der Technik schematisch im Querschnitt gezeigt.
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Die Drahtführungsrolle 11 aus dem Stand der Technik weist ein metallisches Innenrohr 12 auf, welches über ebenfalls metallische Stützringe 13 mit einem Außenrohr 14 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) verbunden ist. An den beiden Stirnseiten des Außenrohrs 14 sind von außen metallische Krafteinleitungselemente 15 eingeklebt oder eingepresst, welche eine kraft-/formschlüssige Verbindung zwischen dem Innenrohr 12 und dem Außenrohr 14 herstellen. Die Mantelfläche des Außenrohrs 14 trägt eine üblicherweise als Bezug bezeichnete Beschichtung 17 aus Polyurethan, welche nutförmige Vertiefungen zum Führen des Drahtes aufweist (nicht gezeigt).
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Eine Drahtsäge mit Drahtführungsrollen ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 019 566 bekannt. Zur Erhöhung der Haltbarkeit der Drahtführungsrollen wird hier ein besonderer Belag vorgeschlagen.
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Eine weitere Drahtführungsrolle aus dem Stand der Technik ist aus der
DE 103 49 287 bekannt. Diese vorbekannte Drahtführungsrolle ist mehrteilig aus einem Grundkörper und einem abtrennbaren Beschichtungsträger zusammengesetzt, und weist einen Kühlkanal für Kühlluft auf.
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Bei den vorbekannten Drahtführungsrollen ist es nachteilig, dass diese zum Erzielen einer erforderlichen Steifigkeit eine zu große Masse aufweisen. Außerdem ist die Ausdehnung bei Temperaturerhöhung in Längsrichtung und Umfangsrichtung der Drahtführungsrollen zu ungleichmäßig.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Drahtführungsrolle für Drahtsägen zum Herstellen von Halbleiterscheiben bereit, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise ausräumen. Insbesondere stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Drahtführungsrollen bereit, welche in Längsrichtung eine höhere differentielle Temperaturstabilität und insgesamt eine kleinere Masse aufweisen.
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Ausführungsformen stellen eine Drahtführungsrolle zur Verwendung in Drahtsägen zum Herstellen von Halbleiterscheiben bereit, welche ein Innenrohr aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff, ein Außenrohr aus faserverstärktem Kunststoff, und zwei Krafteinleitungselemente aufweist. Das Außenrohr umgibt das Innenrohr konzentrisch. Die beiden Krafteinleitungselemente sind an den Stirnseiten des Innenrohrs und des Außenrohrs angeordnet, und verbinden das Innenrohr und das Außenrohr kraftschlüssig. Die Krafteinleitungselemente werden jeweils von einem ringförmigen Grundkörper aus Metall und einem mit diesem verbundenen scheibenförmigen Verbindungskörper aus Metall oder faserverstärktem Kunststoff gebildet. Der scheibenförmige Verbindungskörper stellt die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Innenrohr und dem ringförmigen Grundkörper her und ist somit zwischen dem Innenrohr und dem ringförmigen Grundkörper angeordnet. Der ringförmige Grundkörper stellt die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Verbindungskörper und dem Außenrohr her.
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Da das Krafteinleitungselement aus zwei Teilelementen mit unterschiedlichen Funktionen aufgebaut ist, ist es möglich, die Teilelemente gezielt für ihre jeweilige Funktion mit optimalen Wandstärken und aus optimalen Materialen auszubilden. Insgesamt kann das Krafteinleitungselement so mit geringeren Wandstärken und mit geringeren Metallmengen ausgebildet werden. So kann mittels des ringförmigen Grundkörpers die Kraftübertragung zwischen einem Lager und dem Außenrohr und mittels des scheibenförmigen Verbindungskörpers die Abdichtung des Innenraums der Drahtführungsrolle gegenüber beim Sägevorgang verwendeten Flüssigkeiten sowie die Verbindung zum Innenrohr optimiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind wenigstens 90 % und bevorzugt wenigstens 95 % und weiter bevorzugt 100 % der Masse eines jeden ringförmigen Grundkörpers der Krafteinleitungselemente von der Innenwand des Außenrohrs um weniger als 50 % und bevorzugt um weniger als 40 % und weiter bevorzugt um weniger als 35 % des Radius der Innenwand des Außenrohrs beabstandet. Somit befindet sich ein ganz überwiegender Teil des aus Metall gebildeten Teilelements der Krafteinleitungselemente im Bereich des Außenrohrs, wo es auch funktionell für die Kraftleitung zu einem Lager benötigt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein jeder scheibenförmige Verbindungskörper der Krafteinleitungselemente eine Masse auf, die weniger als 40 % und insbesondere weniger als 30 % und weiter insbesondere weniger als 20 % der Masse des ringförmigen Grundkörpers des Krafteinleitungselements beträgt. Somit hat dieses Teilelement nur einen untergeordneten Anteil an der Gesamtmasse des Krafteinleitungselements. Dies ist möglich, da dieses Teilelement nur einer kraftschlüssigen Verbindung zum Innenrohr und der Abdichtung eines Innenraums der Drahtführungsrolle dient.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Raum zwischen den beiden scheibenförmigen Verbindungskörpern der Krafteinleitungselemente frei von Elementen, welche das Innenrohr mit dem Außenrohr verbindenden. Dies führt dazu, dass sich das Außenrohr zwischen den beiden scheibenförmigen Verbindungskörpern im Hinblick auf temperaturbedingte Längenänderungen überall in etwa gleich verhält.
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Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die beiden ringförmigen Grundkörper der Krafteinleitungselemente jeweils um weniger als 25 % und insbesondere um weniger als 15 % der axialen Länge des Außenrohrs in das Außenrohr hinein. Aufgrund dieses vergleichsweise geringen Eindringens der Krafteinleitungselemente in das Außenrohr ist der Bereich, in dem sich das Außenrohr im Hinblick auf temperaturbedingte Längenänderungen überall in etwa gleich verhält, vergleichsweise groß. Hierdurch wird die Temperaturstabilität in axialer Richtung der Drahtführungsrolle erhöht.
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Gemäß einer Ausführungsform bestehen das Innenrohr, das Außenrohr und die Krafteinleitungselemente insgesamt zu weniger als 40 % der Masse aus Metall und zu mehr als 60 % der Masse aus (faser) verstärktem Kunststoff und insbesondere zu weniger als 35 % der Masse aus Metall und zu mehr als 65 % der Masse aus (faser) verstärktem Kunststoff. Dieser vergleichsweise hohe Anteil von faserverstärktem Kunststoff an der Drahtführungsrolle führt zu einer erheblichen Massenreduktion der Drahtführungsrolle, wodurch die Trägheit der Drahtführungsrolle reduziert wird. Weiter führt dieser vergleichsweise hohe Anteil von faserverstärktem Kunststoff an der Drahtführungsrolle zu einer erhöhten Temperaturstabilität der Drahtführungsrolle.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Außenrohr einen Außendurchmesser von zwischen 150 mm und 400 mm und insbesondere von 350 mm ± 25 mm und eine axiale Länge von zwischen 750 mm und 1.500 mm und insbesondere von 1.000 mm ± 150 mm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Außenrohr aus einem quasiisotropen Laminat eines Faserkunststoffverbundes und insbesondere aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff im Kreuzwickelverbund gebildet. Hierdurch ist eine verbesserte Steifigkeit des Außenrohrs erzielbar.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht zwischen der Innenseite des Außenrohrs und der Außenseite der ringförmigen Grundkörper der Krafteinleitungselemente ein Presssitz, so dass auf eine Verklebung oder anderweitige Befestigung der ringförmigen Grundkörper der Krafteinleitungselemente am Außenrohr verzichtet werden kann. Weiter stellt ein Presssitz eine ausreichende Abdichtung gegenüber einem Eindringen von beim Sägevorgang verwendeten Flüssigkeiten sicher.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Außenrohr radial außen eine Beschichtung und insbesondere eine Polyurethan-Beschichtung sowie eine zwischen dem Außenrohr und der Beschichtung liegende Koppelschicht aus einem quasiisotropen Laminat eines Faserkunststoffverbundes und insbesondere aus einem kohlenfaserverstärkten Kunststoff im Kreuzwickelverbund mit 45° Kreuzlagen auf. Diese Koppelschicht stellt eine sichere Verbindung zur Beschichtung her, und erleichtert so auch eine ggf. erforderliche Wiederbeschichtung der Drahtführungsrolle.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1 schematisch eine Querschnittsansicht durch eine Drahtführungsrolle nach dem Stand der Technik zeigt; und
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2 schematisch eine Querschnittsansicht durch eine Drahtführungsrolle gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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In 2 ist eine Drahtführungsrolle gemäß einer Ausführungsform schematisch im Querschnitt gezeigt.
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Die Drahtführungsrolle 1 weist ein Innenrohr 2 auf, das in der gezeigten Ausführungsform aus faserverstärktem Kunststoff besteht. Weiter weist die Drahtführungsrolle 1 ein Außenrohr 3 aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff im Kreuzwickelverbund auf, welches das Innenrohr 2 konzentrisch umgibt. An den beiden Stirnseiten des Außenrohrs 3 sind Krafteinleitungselemente 4, 4' angeordnet, welche eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 herstellen und einen Innenraum 7 der Drahtführungsrolle 1 nach außen abdichten.
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Die Krafteinleitungselemente 4, 4' sind aus zwei Teilelementen gebildet und bestehen jeweils aus einem ringförmigen Grundkörper 41, 41' aus Metall und einem mit diesem verbundenen scheibenförmigen Verbindungskörper 42, 42' aus faserverstärktem Kunststoff.
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In der gezeigten Ausführungsform besteht zwischen der radial außen liegenden Fläche der ringförmigen Grundkörper 41, 41' der Krafteinleitungselemente 4, 4' und der radial innen liegenden Fläche des Außenrohrs 3 ein Presssitz, wodurch sowohl eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den ringförmigen Grundkörpern 41, 41' und dem Außenrohr 3 als auch eine Abdichtung des Innenraums 7 der Drahtführungsrolle 1 nach außen erzielt wird. Hierbei erstrecken sich die beiden ringförmigen Grundkörper 41, 41' jeweils um etwa 13 % der axialen Länge des Außenrohrs 3 in das Außenrohr 3 hinein. Weiter sind 100 % der Masse jedes ringförmigen Grundkörpers 41, 41' von der Innenwand des Außenrohrs 3 um weniger als 35 % des Radius R der Innenwand des Außenrohrs 3 beabstandet. Dabei nimmt eine radiale Dicke der ringförmigen Grundkörper 41, 41' ausgehend von den Stirnseiten des Außenrohrs 3 in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Stirnseite rampenförmig ab. Aufgrund der so erzielten Materialkonzentration im Bereich der Stirnseiten des Außenrohrs 3 ist mittels der ringförmigen Grundkörper 41, 41' eine gute Kraftübertragung zu (in der Figur nicht gezeigten) Lagern und/oder Antrieben möglich, welche über Gewindebohrungen 43, 43' mit den ringförmigen Grundkörpern 41, 41' verbindbar sind.
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Die scheibenförmigen Verbindungskörper 42, 42' der Krafteinleitungselemente 4, 4' sind mit ihrer radial außen liegenden Fläche jeweils mit der radial innen liegenden Fläche der ringförmigen Grundkörper 41, 41' und mir ihrer radial innen liegenden Fläche jeweils mit der radial außen liegenden Fläche des Innenrohrs 2 verklebt. Die scheibenförmigen Verbindungskörper 42, 42' weisen in der gezeigten Ausführungsform jeweils eine Masse auf, die weniger als 20 % der Masse des zugehörigen ringförmigen Grundkörpers 41, 41' beträgt. Eine derart niedrige Masse ist ausreichend, da die scheibenförmigen Verbindungskörper 42, 42' lediglich zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Innenrohr 2 und dem ringförmigen Grundkörper 41, 41' und zum Herstellen einer Abdichtung des Innenraums 7 der Drahtführungsrolle 1 nach außen dienen. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Verbindungskörper 42, 42' und dem Außenrohr 3 wird durch die ringförmigen Grundkörper 41, 41' hergestellt.
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Wie in 2 gut ersichtlich sind zwischen den beiden scheibenförmigen Verbindungskörpern 42, 42' der Krafteinleitungselemente 4, 4' keine das Innenrohr 2 mit dem Außenrohr 3 verbindenden Elemente angeordnet.
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Das Außenrohr 3 weist radial außen eine Koppelschicht 6 aus einem faserverstärkten Kunststoff im Kreuzwickelverbund mit 45° Kreuzlagen auf, welche Koppelschicht 6 eine Beschichtung 5 aus Polyurethan trägt. In die Beschichtung 5 aus Polyurethan sind nutförmige Vertiefungen zum Führen eines Drahtes einer Drahtsäge eingebracht, welche in der 2 nicht eigens gezeigt sind.
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In der gezeigten Ausführungsform weist die Drahtführungsrolle 1 einen Außendurchmesser von 350 mm, eine Länge von 1.020 mm und ein Gewicht von 120 kg auf. Ein Verhältnis von faserverstärktem Kunststoff zu Metall beträgt 68/22, der Rest entfällt auf die Beschichtung 5 aus Polyurethan.
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In den Figuren sind im Interesse einer übersichtlichen Darstellung nur diejenigen Elemente, Komponenten und Funktionen dargestellt, die einem Verständnis der vorliegenden Erfindung förderlich sind. Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch nicht auf die dargestellten Elemente, Komponenten und Funktionen beschränkt, sondern enthalten weitere Elemente, Komponenten und Funktionen, soweit sie für ihre Verwendung oder ihren Funktionsumfang erforderlich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007019566 [0010]
- DE 10349287 [0011]
