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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sägen von insbesonders Blöcken mit einem Säge-Draht und einem Fluid, ein solches Fluid sowie die Verwendung damit erhaltener Produkte.
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Das Zerteilen oder Sägen von Blöcken spielt in verschiedenen Bereichen der Technik eine große Rolle. So werden beispielsweise eine aus größeren mono- oder polykristallinen Blöcken in der Solar- und Chipindustrie dünne Scheiben bzw. Platten abgetrennt, die als Träger bzw. Wafer für die eigentlichen Funktionsschichten dienen. Siliziumwafer bilden die Basis für die Herstellung von Solarzellen, welche zu gebrauchsfertigen Solarmodulen weiterverarbeitet werden. Dabei beträgt der Anteil der Herstellungskosten dieser Siliziumwafer allein ca. 55% der Gesamtkosten der Solarzellenherstellung wobei wiederum der größte Anteil dieser Kosten der Wafererzeugung dem Sägeprozess zugeordnet wird.
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Die Produktion der Siliziumwafer beginnt in einem ersten Schritt mit der Herstellung von Blöcken aus mono- oder polykristallinen Siliziumingots, die je nach Herstellungsverfahren in runder Forum oder auch als Quader gezüchtet werden. In einem weiteren zweiten Schritt werden dann diese kristallinen Ingots zu weiteren quaderförmigen Blöcken zerteilt bzw. gesägt. Diese Blöcke, die auch als Säulen oder Bricks bezeichnet werden, weisen üblicherweise bei monokristallinem Silizium einen annähernd quadratischen bzw. exakt quadratischen Querschnitt auf. Aus diesen Blöcken werden dann in einem weiteren Schritt die einzelnen Waferscheiben herausgesägt, und zwar üblicherweise quer zu ihrer Längsrichtung, so dass die durch Sägen entstandenen Seitenflächen der säulenförmigen Blöcke bzw. Bricks die der so erhaltenen Wafer bilden. In einem häufig verwendeten Sägeprozess ist das Schneide- oder Trennwerkzeug ein langer Draht. Dieser besteht bei herkömmlichen Verfahren aus einem Metall, insbesonders einer Stahllegierung. Ein solches Verfahren wird als Drahtsägen bezeichnet. Dabei sind zwei verschiedene Drahtsägetechniken zu unterscheiden.
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In einem Fall wird ein mehr oder weniger blanker bzw. glatter Draht eingesetzt, der durch eine mehr oder weniger hohe viskose Aufschlämmung geführt wird, welche das eigentliche darin suspendierte lose Sägekorn enthält. Durch die Viskosität der Trägerflüssigkeit nimmt der Draht die darin suspendierten Sägeteilchen mit, so dass diese am zu zersägenden Block an der Sägefläche nach und nach Material abspannen und auf Weise den Block zerteilen bzw. zersägen. Derartige Drahtsägen sind an sich bekannt und sind beispielsweise in der
US 6,109,253 beschrieben.
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Bei derartigen Verfahren verwendeten Sägeschlämme oder Sägeslurrys enthalten als Basis- bzw. Trägermittel üblicherweise ein Glykol oder ein Öl. Ein häufig verwendetes Glykol ist PEG 300 bzw. PEG 200. Bei dieser Art von Drahtsägen mit loser Korn dient das Fluid nicht nur zum Kühlen der Sägefront, sondern auch als Trägermaterial für das darin suspendierte Säge- bzw. Schneidkorn. Während des Sägens wird das abgespante Material des zu zersägenden Blockes ebenfalls in der Aufschlämmung angesammelt, so dass diese nach einer bestimmten Zeit ersetzt bzw. verworfen werden muss, wodurch sich die Herstellungskosten weiter erhöhen. Aus diesem Grund ist beispielsweise in der
DE 10 2007 033 258 ein Verfahren zum Regenerieren derartiger Slurrys beschrieben.
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Dies führt sowohl bei der Herstellung von Blöcken bzw. Bricks zu einem unregelmäßigen Querschnitt, der über die gesamte Länge nicht mehr quadratisch ist und zu Wafern mit unregelmäßiger Kantenlänge führt.
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Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass die Verwendung von Sägedrähten mit gebundenen Korn insbesonders von Diamant- und Korunddrähten beim Schneiden die Kristallstruktur des Materials stärker gestört wird was zu Verspannungen im Material und damit auch zu einer erhöhten Bruchempfindlichkeit der später daraus erhaltenen Wafer führt. Auch reichen die beim Sägen mit festem Korn entstehenden Schäden wesentlich tiefer in die kristalline Materialstruktur hinein, als dies beim bekannten Sägen mit losen Korn geschieht. Wird ein derartiger Draht mit gebundenem Korn zur Herstellung von Wafern verwendet, hat es sich auch gezeigt, dass dann durch das Ausweichen des Drahtes bei Störungen im Material die Wafer keine konstante Dicke mehr aufweisen.
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Dieses meist als Sägen bezeichnete Trennen ist in dieser Variante der Prozessführung eigentlich ein Trenn-Läppen. Dabei werden Schneide- bzw. Trennwerkzeuge, d. h. die Sägedrähte, zumindest an der jeweiligen Schneidestelle (Schneidefront) mit einem fluiden Kühl- oder einer Trennslurry in Kontakt gebracht, welche/s Abrasions- bzw. Schleif- oder Sägepartikel enthält, die an der Schneidefront durch Materialabtrag einen Schneidspalt entstehen lassen und so durch Vertiefen des Schneidspaltes das Zerteilen- bzw. Abtrennen der einzelnen Waferscheiben bewirken.
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In einer anderen Variante der Prozessführung kommt als Sägedraht ein mit harten Sägepartikeln wie z. B. Diamant oder Korund besetzter Draht zum Einsatz. Die auf der Oberfläche des Drahtes einem Schneid- bzw. Sägebelag festhaftend aufgebrachten Sägepartikel, sog. gebundenes Korn oder festes Korn bewirken einen Sägeprozess, durch den sich ebenfalls ein Schneidspalt herausbildet. Auch dieses Sägen erfolgt üblicherweise in Gegenwart eines Kühlfluids welches jedoch keine Sägekörner oder andere zugesetzen Feststoffpartikel enthält.
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Dabei hat es sich insbesonders beim Sägen mit festem Korn gezeigt, dass der Sägedraht beim Schnitt häufig seitlich ausgelenkt wird, was zu einer unerwünschten Geometrie führt.
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Die vorliegende Erfindung, hat daher zum Ziel, die Drahtauslenkung beim Schnitt mit festem Korn zwischen den Ingot-äußeren Bricks und der Ingot-Außenkante (Außenschwarte) zu reduzieren und damit eine erwünschte geometrische Form der Ingot-äußeren Bricks zu erreichen.
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Die Erfindung hat auch zum Ziel, die Sägeleistung, bzw. die Abtragsleistung mit festem gebundenem Korn, zu steigern.
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Die Erfindung hat des Weiteren zum Ziel die Oberflächenstruktur insbesonders die mikroskopische Oberflächenstruktur derartiger Wafer zu verbessern und die Bruchanfälligkeit weiter zu verringern.
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Schließlich hat die Erfindung auch zum Ziel das Altern von Sägedrähten mit gebundenem Korn zu verhindern.
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Das Ziel wird mit den in den unabhängigen Patentansprüchen definierten Merkmalen erreicht.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich das zuvor beschriebene Ziel dadurch erreichen lässt, indem feine Körner mit einer Härte und/oder einer Duktilität zugesetzt werden, die größer ist als diejenige des zu zersägenden Materials.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Sägen von noch zu squarenden Blöcken, Ingots, Bricks oder Wafern umfasst daher den Einsatz von Sägedraht mit festem bzw. gebundenen Korn zusammen mit weiteren Feststoff-Partikeln, welche die zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
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Typische Feststoffpartikel sind beispielsweise Granate wie z. B. Saphire oder auch Korund, Diamant, SiO2 oder Zirkon. Des Weiteren haben sich Partikel aus Eisenoxyd sowie Seltenerdoxyde sowie deren Carbide und Nitride als geeignet gezeigt.
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In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden ein Gemisch aus mindestens zwei Teststoffpartikeln aus verschiedenen Materialien verwendet.
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Als besonders zweckmäßig haben sich Aluminiumoxydpartikel erwiesen welche vorzugsweise mit kleinen Diamantpartikeln vermischt sind. Des Weiteren haben sich auch Kombinationen von kolloidalen Diamantpartikeln und SiO2-Partikeln als geeignet erwiesen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zugesetzten losen Partikel einen Durchmesser auf, der höchstens die Hälfte, insbesonders höchstens das 0,45fache der Varianz des gebundenen Korns beträgt. Besonders bevorzugt sind Durchmesser, die max. das 0,4fache der Varianz betragen. Durchmesser, die ein Drittel ± 20% der Varianz betragen, haben sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Dabei bedeutet Varianz die Unterschiede der maximalen Höhe mit der das gebundene Korn aus der Drahtoberfläche herausragt, d. h. die Unterschiede zwischen der minimalsten und der maximalsten Höhe der Kornspitzen. Darüber hinaus hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass das zugesetzte Korn eine Härte aufweist, die geringer ist als diejenige des gebundenen Korns. Vorzugsweise ist die Härte mindestens 10% insbesonders mindestens 20% geringer. Die zugesetzten losen Partikel, welche für die Herstellung von Wafern verwendet werden, weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 0,5–5 μm insbesonders von 1–3 μm auf wobei Partikel welche für das Squaren, d. h. das Zersägen von Ingots zu Bricks verwendet werden, einen Durchmesser von 2–12 insbesonders von 3–9 μm. Die Durchmesser entsprechen den in diesem technischen Bereich üblichen durchsschnittlichen Durchmessern. Wird SiO2 als zugesetztes loses Korn verwendet ist es bevorzugt ein Kühlfluid zu verwenden, welches möglichst wenig Wasser enthält, insbesonders welches frei ist von Wasser und welches höchstens unvermeidbare durch Luftfeuchtigkeit oder andere Prozesse eingetragene Wassermengen enthält.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Draht mit den weiteren Feststoffpartikeln derart zusammen verwendet, dass diese entweder in einem Sägefluid suspendiert werden und dann mit dem Sägedraht zusammen über die Schneidfront geschleift werden oder aber sie sind separat vom Sägefluid außerhalb der Schneidefront angeordnet und der Sägedraht wird über sie hinweggeschleift.
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Dabei können die weiteren Feststoffpartikel als großer fester Gegenstand eigesetzt werden, über dem der Sägedraht hinweggeschleift wird oder sie können in eine weitere vorzugsweise weichere Matrix eingebettet sein über die ebenfalls der Sägedraht in schleifender Form geleitet wird. Die weiteren Feststoffpartikel weisen insbesonders bei ihrer Verwendung in der Säge- bzw. Kühlflüssigkeit eine Größe auf, welche vorzugsweise kleiner ist als diejenige des gebundenen Korns. Insbesonders weisen sie einen Durchmesser auf, welcher geringer ist als die Höhe in der das gebundene Korn über den Sägedraht hinausreicht.
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Die zu zersägenden Blöcke bzw. Werkstücke, haben üblicherweise die Gestalt eines Körpers mit runder, rechteckiger, quadratischer oder pseudoquadratischer Grundfläche. So werden z. B. bei der Herstellung von Solarwafern aus Kristallingots, üblicherweise längliche Blöcke mit rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt herausgesägt bzw. geschnitten. Dieser Vorgang wird als „Blocking” oder „Squaring” bezeichnet.
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Die zu schneidenden Blöcke, bzw. deren Teile, bestehen üblicherweise aus monokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium, Siliziumcarbid, Saphir, Quarz, Smaragd, Rubin, Keramik und/oder Aluminiumdioxid.
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Der erfindungsgemäße Sägedraht besteht aus Metall insbesondere aus Eisen bzw. Legierungen davon wie z. B. Stahl. Besonders bevorzugt wird als Draht ein Federstahldraht aus Chrom-Nickel-Stahl verwendet. Dazu sind insbesondere die Werkstofftypen 1.4310, 1.4401, 1.4539, 1.4568 und 1.4571 (Bezeichnungen nach DIN 17224) geeignet. Der Draht enthält in seiner Matrix eingebundene feste Partikel (Sägekorn), welche aus der Drahtoberfläche herausragen. Derartige Partikel sind üblicherweise härter als das zu sägende Material.
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Bei der Verwendung von Diamant kann dieser sowohl synthetischen als auch natürlichen Ursprungs sein.
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Der Draht hat vorzugsweise einen Durchmesser von 150 bis 280 μm, und besonders bevorzugt von 200 bis 250 μm.
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Das im Draht eingebundene Sägekorn ist insbesonders ausgewählt, aus der Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid, Al2O3, Bornitrid, Titancarbid, Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid, Borcarbid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid, Hafniumnitrid und Galliumnitrid sowie Diamant.
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Die weiteren Feststoffteilchen weisen vorzugsweise eine Mohs`sche Härte von mindestens 7,5 bzw. 8 auf wobei eine Mohs`sche Härte von mindestens 8,5 oder 9 bevorzugt ist. Ganz besonders ist eine Härte von mindestens 9,2 bzw. mindestens 9,3 bevorzugt.
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Die im Kühlfluid bzw. in einer Matrix eingebundenen weiteren Körner haben einen Durchmesser von 0,1 μm bzw. 15 μm, bevorzugterweise von mindestens 0,5 μm bzw. 0,8 μm. μm. Bevorzugte Maximaldurchmesser betragen maximal 12 μm, insbesonders maximal 9 μm.
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Es ist auch möglich, dass der Draht von Sägekorn nicht vollständig ummantelt wird. Dabei weist die Sägeschicht Bereiche auf, die den Draht nicht ummanteln. In zweckmäßiger Ausgestaltung kann diejenige Drahtoberfläche, die nicht mit der Sägeschicht bedeckt bzw. ummantelt ist, mit einer nicht elektrisch leitfähigen Deckschicht beschichtet sein. In der einfachsten Ausführung ist die nicht mit der Sägeschicht bedeckte Drahtoberfläche frei von Beschichtungen.
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Vorzugsweise ist der Draht in längsrichtung ring- bzw. bandförmig oder quer zur Längsrichtung spiralförmig ummantelt.
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Um während des Sägeprozesses Wärme abzuführen, wird üblicherweise ein übliches Kühlmittel verwendet. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden üblicherweise wässrige Kühl- bzw. Sägefluids verwendet. In der einfachsten Ausführungsform ist das Fluid Wasser. Wird SiO2 als Korn zugesetzt, dann ist das Fluid vorzugsweise wasserfrei.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Abtragsrate vorzugsweise um mindestens 5%, insbesonders um mindestens 8% speziell um mindestens 9% bzw. 10% erhöhen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Bricks als Zwischenprodukt für die Herstellung von Wafern sowie zum Zersägen der Bricks zu Wafern, die z. B. wiederum zur Herstellung von Photovoltaikelementen verwendet werden.
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Die folgende Erfindung soll anhand des folgenden Beispiels näher erläutert werden.
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Es wurde ein Draht (Hersteller Asahi, Dmr. 250 μ, besetzt mit Diamanten der Korngröße von 30 μm bis 40 μm) mit einer Zugkraft von 80 N über eine Länge von 800 mm gespannt. Dann wurde eine ebene Siliziumplatte mit ihrer parallel zum Draht liegenden Oberfläche (50 mm Seitenlänge) in der Mitte der aufgespannten Länge senkrecht so gegen den Draht gedrückt, dass dieser 3 mm aus seiner Ruhelage ausgelenkt wurde. Durch die Auslenkung von 3 mm wurde eine Normalkraft des Drahtes von 1,2 N auf die Plattenoberfläche aufgebaut. Daraufhin wurde die Platte relativ zum Draht dadurch verschoben, dass diese Platte jeweils 100 mm in die eine, und danach in eine andere Richtung entlang des gespannten Drahtes verschoben wurde, wobei die Platte mit einem Hub von 3 μm in Richtung der Drahtauslenkung zugeführt wurde. Die Kontaktzone zwischen Draht und Siliziumplatte wurde entweder mittels reinem Leitungswasser oder einer Suspension aus Leitungswasser und 75 g Al2O3-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1 μm, gesprüht. Bei diesem Vorgang arbeitete sich der Draht in die Oberfläche des Siliziumkörpers ein. Nach Abschluss des Vorgangs wurde an der senkrecht zur Drahtachse stehenden Seite der Siliziumplatte mit einem Koordinatenmessgerät (Herstellerfirma Werth, Gießen, Deutschland) die Tiefe der eingeschnittenen Kerbe gemessen. Beim Vergleich des lediglich mit Leitungswasser gekühlten Schnittes mit dem Schnitt der durch Zuführung von Wasser- und Aluminiumoxidpulver hergestellt wurde, zeigt es sich, dass mittels der suspendierten Al2O3-Körnern eine etwa 10% tiefere Kerbe erhalten wurde. Darüber hinaus zeigt es sich, dass die Oberflächen geringere Störungen aufwies.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6109253 [0004]
- DE 102007033258 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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