DE202008008720U1

DE202008008720U1 - Drahtsägevorrichtung

Info

Publication number: DE202008008720U1
Application number: DE200820008720
Authority: DE
Original assignee: Wacker Schott Solar GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2018-07-01

Abstract

Drahtsäge zum Sägen mindestens eines Werkstücks (30) mittels einem oder mehrerer Sägedrähte, die zwischen Drahtführungsmitteln (3, 4, 5, 6) aufgespannt sind und die ein Feld aus äquidistant nebeneinander liegenden Sägedrähten bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtsäge mindestens zwei Sägefelder (10, 20) umfasst, wobei jedes Sägefeld einen unabhängigen Drahtantrieb (12, 22) aufweist.

Description

Die Neuerung betrifft eine Drahtsägevorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Drahtsägevorrichtungen dieser Art mit einer Bewegung des oder der Drähte oder des zu sägenden Werkstücks sind bereits bekannt, insbesondere in der Industrie für Elektronikbauteile aus Ferriten, Quarzen und Kieselerden, um Materialien wie poly- oder einkristallines Silizium oder Materialien wie GaAs, InP, GGG oder auch Quarz, künstlichen Saphir und keramische Materialien in dünnen Scheiben, sog. Wafern, zu gewinnen.
In den bekannten Vorrichtungen wird aus benachbarten Drähten, die beispielsweise mittels einem Satz 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 definieren. Auf diese Weise dienen sie auch als Drahtführungsmittel. Das zu sägende Werkstück selbst ist beispielsweise an einem Tisch befestigt, der sich senkrecht zu der aus parallel aufgespannten Drähten gebildeten Drahtfeld bzw. dem Sägefeld verschiebt, wobei die Verschiebungsgeschwindigkeit die Schneidgeschwindigkeit definiert. Das den Schnitt bewirkende Mittel ist entweder ein am Draht fest fixiertes Schleifmittel (festes Korn) oder ein in Gestalt einer Aufschlämmung am Draht frei haftendes freies Schleifmittel (freies Korn). Zum Zersägen des Werkstückes in dünne Scheiben, werden die gespannten Drähte des Drahtfeldes in den Rillen der Zylinder geführt bzw. Durch diese Zylinder gezo gen. 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.
Da bei derartigen Sägen, insbesonders bei der Herstellung von dünnen Wafern, der Durchmesser des verwendeten Sägedrahtes den Mindestverlust an Material definiert, 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 das entsprechende Werkstück in seiner Gesamtlänge bzw. einem Teil seiner Gesamtlänge verworfen werden. Aufgrund der Abnahme der Reißfestigeit des Sägedrahtes infolge seines dünnen Durchmessers bzw. seiner zusätzlichen Abnutzung muss entweder die Sägegeschwindigkeit entsprechend reduziert werden oder die Breite des Drahtfeldes von Anfang an geringer gehalten werden, wodurch die Auslastung der relativ teuren Sägevorrichtung ebenfalls verringert wird.
Der Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, eine Drahtsägevorrichtung anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile vermeidet. Dabei soll die Erfindung insbesonders für dünne Drähte, d. h. Drähte mit einem Durchmesser von ≤ 120 μm, insbesonders ≤ 100 μm geeignet sein. Besonders soll die Drahtsägevorrichtung für Drähte bis zu einem Durchmesser von 60 μm geeignet sein und auch die Herstellung von Solarwafern mit einer Kantenlänge von 6 bzw. 8 Zoll ermöglichen.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die neuerungsgemäße Drahtsägevorrichtung zum Sägen mindestens eines insbesonders prismatischen Werkstücks weist ein ebenes Säge- bzw. Drahtfeld auf, das aus nebeneinander verlaufenden, jedoch voneinander beabstandeten Drähten gebildet wird, wobei die Drähte des Sägefeldes zwischen Drahtführungsmitteln aufgespannt sind. Zweckmäßigerweise wird dabei ein langer Draht verwendet, der von einem ersten Drahtspeicher her verlaufend um die Drahtführungsmittel spiralförmig aufgewickelt ist und nach Gebrauch in einen zweiten Drahtspeicher aufgenommen wird. Dabei weist die Drahtsägevorrichtung mindestens zwei Sägefelder auf, wobei üblicherweise jedes Sägefeld einen vorzugsweise unabhängigen Drahtantrieb aufweist. Als Drahtfeld, Sägezone bzw. Sägefeld wird derjenige Bereich bezeichnet, der das Werkstück schneidet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens zwei solche Sägefelder, die jedoch nicht räumlich zusammenhängend angeordnet sein müssen. Dadurch, dass jedes der Sägefelder einen eigenen, unabhängigen Drahtantrieb, ein Drahtführungssystem sowie ein Drahtzuleitungs- und -ableitungssystem aufweist, ergibt sich der Vorteil, den Betrieb eines oder mehrerer Sägefelder zu unterbrechen, beispielsweise nach einem Riss des Sägedrahts, während die nicht betroffenen Sägefelder weiter betrieben werden können. Prinzipiell ist es auch möglich, bei einer kurzen Unterbrechung den zerstörten Draht bei Bedarf zu entfernen. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, den Materialverlust nur auf den Teil des Werkstückes zu beschränken, der mit dem gerissenen Drahtfeld gesägt werden sollte bzw. wie bereits gegenwärtig praktiziert, auf nur einen Teil dieses Teiles.
Unter einem Drahtantrieb ist ein Getriebe oder Motor zu verstehen, der die vom Drahtspeicher kommende Drahtzufuhreinrichtung und/oder die Drahtabführeinrichtung und/oder eines oder mehrere der Drahtführungsmittel antreibt. Mehrere Abtriebsstränge eines Getriebes stellen unabhängige Drahtantriebe im Sinne der Neuerung dar, wenn diese unabhängig von einander zu- und abschaltbar sind, auch dann, wenn das Getriebe von einem gemeinsamen Motor angetrieben ist. Bevorzugt ist die Geschwindigkeit der jeweiligen Drahtantriebe regelbar, wodurch es ermöglicht wird, in den jeweiligen Sägefeldern verschiedene Werkstücke mit einer jeweils gewünschten Geschwindigkeit des Drahtvorschubs zu sägen. Der die Sägefelder bildende Sägedraht kann kontinuierlich oder mit alternierende Bewegungsrichtung angetrieben sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Säge- bzw. Drahtfelder durch jeweils einen Draht gebildet werden, der mehrfach, d. h. spiralförmig um ein Paar von Drahtführungsmitteln gewickelt ist. Mit dieser Ausführungsform ist ein kontinuierlicher Antrieb des Sägedrahtes besonders gut durchführbar. Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Neuerung ist es vorgesehen, dass jedes Sägefeld einen eigenen Drahtspeicher aufweist, mittels welchen jeweils separate Sägedrähte kontinuierlich förderbar sind bzw. zugeführt werden. Dadurch, dass die Sägedrähte der jeweiligen Sägefelder nicht zusammenhängend ausgeführt sind und über unabhängige Drahtspeicher zugeführt bzw. aufgenommen werden, besteht die Möglichkeit, die einzelnen Sägefel der völlig unabhängig voneinander zu betreiben.
Es besteht die Möglichkeit, mehrere nebeneinander liegende Sägefelder gemeinsam in einer Ebene anzuordnen, wodurch besonders lange Werkstücke gesägt werden können. In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Sägefelder jedoch in zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet. Durch das Anordnen von Sägefeldern in verschiedenen Ebenen lässt sich ein zur Verfügung stehender Raum besser ausnutzen, was besonders in der Massenproduktion, insbesonders von Wafern, vorteilhaft ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Sägefelder übereinander angeordnet, und zwar insbesondere in einer Flucht, wodurch die Beschickung mit mehreren zu sägenden Werkstücken besonders einfach und schnell möglich ist. Die für die Drahtsägevorrichtung zur Verfügung stehende Fläche wird effektiv genutzt, bzw. die von der neuerungsgemäßen Drahtsägevorrichtung benötigte Fläche wird vorteilhaft minimiert.
Dabei weist eine bevorzugte Ausführungsform mindestens ein erstes Sägefeld mit Umlenkrollen zum Umlenken desjenigen Teils des Sägefeldes, d. h. des Trumes, auf, welches einem zweiten Sägefeld zugewandt ist. Bei der Zuführung von Werkstücken zu Sägefeldern, welche in benachbarten Ebenen angeordnet sind, können die zurücklaufenden, nicht sägenden Drahtfelder bzw. Trume des ersten Sägefelds so umgelenkt werden, dass mehr Raum für die dem zweiten Sägefeld zuzuführenden Werkstücke zur Verfügung steht, wodurch insgesamt die Vorrichtung kompakter wird und daher weniger Raum benötigt.
Bei der beschriebenen Umlenkung ist es beispielsweise möglich, die zurücklaufenden, nicht sägenden Trume des Sägefel des außen um das zweite Sägefeld herum zu leiten. Besonders bevorzugt sind Leertrume des Sägefeldes eines ersten Sägefelds jedoch derart über Umlenkrollen geführt, dass der Abstand des des Leertrumes des Sägefeldes, also des rücklaufenden, nicht sägenden Drahtfeldes auf der Rück- bzw. Unterseite des ersten Sägefelds zu den Sägetrumen des Sägefeldes eines zweiten Sägefelds vergrößert wird. Im Gegenzug wird in dem ersten Sägefeld der Abstand der Leertrume zu den zugehörigen Sägefeldtrumen (Sägefeld) verkleinert, und zwar vorzugsweise gerade so weit, wie es die im ersten Sägefeld zu sägenden Werkstücke zulassen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, indem die Umlenkrollen verstellbar ausgeführt sind. Dadurch wird eine Anpassung der jeweiligen Sägefelder auf verschiedene Größen von Werkstücken ermöglicht. Zudem wird die Bauhöhe der Sägevorrichtung verringert, so dass gegebenenfalls auch mehrere Sägevorrichtungen übereinander angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform sind mindestens die Sägetrume eines Sägefelds durch eine Stützrolle unterstützt, wodurch eine größere Anzahl an Werkstücken pro Sägefeld gesägt werden kann, ohne dass die Durchbiegung der Sägetrume das Sägeergebnis beeinträchtigt. Die Stützrolle trägt zur Stabilisierung des Sägedrahts bei, d. h. zur Verringerung von Schwingungen und/oder von Abweichungen rechtwinklig zur Laufrichtung bei.
Bei der erfindungsgemäßen Drahtsägevorrichtung ist insbesondere durch die übereinander liegende Anordnung der separaten Sägefelder eine geringere Stellfläche notwendig. Ebenfalls vorteilhaft ist nur eine Auffangwanne und nur ein Vorrat stank für ein Säge- bzw. Schleifmittel (Sägeslurry) notwendig, wodurch weitere Kostenvorteile und Platzersparnis erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Neuerung lassen sich bei einer vorgegebenen Raumgröße sowohl pro Grundfläche als auch pro Raumhöhe mehr Drahtsägevorrichtungen in ein Gebäude einbringen, als dies bei nebeneinander liegenden Anordnung möglich wäre. Auf diese Weise ist es möglich, die Sägeleistung pro Gebäude- oder Raumgrundfläche wesentlich zu erhöhen. Darüber hinaus ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die Kosten bei zuführenden Elementen, wie z. B. der Zuleitung und Lagerung von Sägeslurries, Strom, Vorratgefäßen, Kühlflüssigkeiten etc. zu verringern, was zu einer Verringerung der Investitionskosten und der Betriebskosten pro geschnittener Waferfläche beiträgt.
Nachfolgend wird die Neuerung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Neuerungsgedanken nicht ein.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Drahtsäge;
2 eine schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der neuerungsgemäßen Drahtsägevorrichtung;
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst die Sägevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ein erstes Sägefeld 10 und ein zweites Sägefeld 20, die um jeweils ein Paar bildenden Drahtführungszylinder 3 und 4 bzw. 5 und 6 als Drahtführungsmittel aufgespannt sind. Die Zylinder wei sen Rillen auf, welche den Sägeabstand definieren. Die Achsen der Drahtführungsmittel bzw. Zylinder sind parallel angeordnet und beispielsweise auf einem nicht dargestellten Maschinenrahmen montiert. Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch mehr als vier Drahtführungszylinder aufweisen. Die Drahtführungszylinder 3, 4, 5, 6 definieren mit ihren oberen Mantellinien die parallele Ebenen der Sägefelder 10, 20. Die separaten Sägedrähte 11, 21 werden von in 1 veranschaulichten Drahtspeichern 15 bzw. 15', 25 bzw. 25' bereitgestellt, wobei die Drahtspeicher hier beispielsweise jeweils aus einer Abwickelspule und einer Aufwickelspule bestehen und wobei die Richtung der Drahtbewegung durch Pfeile angedeutet ist. Selbstverständlich kann die Richtung der Drahtbewegung umgekehrt werden.
Unabhängig voneinander wirkende Drahtantriebe 12, 22 des ersten und zweiten Sägefelds 10, 20 sind schematisch dargestellt und umfassen beispielsweise Antriebswellen der Drahtführungszylinder 3, 4, 5, 6. In die Peripherie der Drahtführungszylinder 3, 4, 5, 6 sind nicht dargestellte Rillen eingraviert, die den Abstand zwischen benachbarten Drähten der jeweiligen Sägefelder 10, 20 und daher die Dicke der gesägten Scheiben definieren. Bei einem Riss des Sägedrahts in einem der Sägefelder 10, 20 kann durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sägevorgang in dem jeweils anderen Sägefeld ohne Verzögerung weiter fortgeführt werden.
Die zu sägenden Werkstücke 30 sind an einer nicht dargestellten Aufhängung befestigt. Diese zu sägenden Werkstücke 30 haben in der Regel eine verlängerte prismatische Gestalt mit einer runden, quadratischen, pseudoquadratischen oder rechteckigen Grundfläche.
Die separaten Sägedrähte 11, 21 werden von den Drahtspeichern 15, 25 den Drahtführungszylindern 12, 22 zugeführt und zwischen den Drahtführungszylindern 12/12 bzw. 22/22 gespannt, gleichzeitig geführt sowie gezogen. Der Sägedraht 11, 21 besteht günstigerweise aus Federstahl und hat beispielsweise einen Durchmesser, der kleiner als 200 μm ist, vorzugsweise sogar kleiner als 120 μm bzw. kleiner 100 μm. Eine zweckmäßige Untergrenze beträgt ca. 60 μm. Damit lassen sich Blöcke 30 aus harten Materialien oder besonderer Zusammensetzung, insbesondere für die Halbleiterindustrie und Solaranlagen, oder aber keramische Materialien wie das Silicium, Keramik, Verbindungen von Elementen der Gruppen III–V und II–VI, GGG (Gadolinium-Gallium-Granat), Saphir usw. in Scheiben einer ungefähren Dicke von 0,1 bis 5 mm zersägen. Das Schleifmittel ist ein handelsübliches Erzeugnis und kann als Diamant, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid usw. in auf dem Draht fixierter Form oder frei in einer Flüssigkeit aufgeschlämmt vorliegen, die als Fördereinrichtung für die Schleifmittelteilchen dient.
In der 2 ist eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtsäge schematisch dargestellt, wobei gleich bezeichnete Elemente denen der vorhergehenden Figuren entsprechen. Die Werkstücke 30 sägende Bereiche des Sägedrahts der Sägefelder 10, 20 werden als Sägetrume 13, 23 bezeichnet, die rücklaufenden, nicht sägenden Bereiche als Leertrume 14, 24. Die Leertrume 14 des ersten Sägefelds 10 sind mittels Umlenkrollen 7 so umgelenkt, dass der Abstand zu den Sägetrumen 23 des zweiten Sägefelds erhöht ist. Dadurch wird vorteilhaft mehr Raum für die Zuführung von Werkstücken 30 zum zweiten Sägefeld 20 geschaffen. Sind die Umlenkrollen 7 verstellbar, dann ist die erfin dungsgemäße Anordnung besonders flexibel für verschiedene Größen von Werkstücken einsetzbar.
In der 2 ist eine weitere Ausführungsform der neuerungsgemäßen Drahtsägevorrichtung dargestellt. Dabei wird, um eine Durchbiegung der Sägetrume 13 zu verringern, das Sägefeld 10 durch eine Rolle 8 unterstützt. Zudem werden dadurch auch Schwingungen des Sägedrahts verringert.

Claims

Drahtsäge zum Sägen mindestens eines Werkstücks (30) mittels einem oder mehrerer Sägedrähte, die zwischen Drahtführungsmitteln (3, 4, 5, 6) aufgespannt sind und die ein Feld aus äquidistant nebeneinander liegenden Sägedrähten bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtsäge mindestens zwei Sägefelder (10, 20) umfasst, wobei jedes Sägefeld einen unabhängigen Drahtantrieb (12, 22) aufweist.
Drahtsäge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägefelder (10, 20) jeweils durch ein Paar von Drahtführungsmitteln aufgespannt sind.
Drahtsäge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sägefeld (10, 20) einen unabhängigen Drahtspeicher (15, 25) aufweist, mittels welchen jeweils separate Sägedrähte (11, 21) kontinuierlich förderbar sind.
Drahtsäge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägefelder (10, 20) in zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet sind.
Drahtsäge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägefelder übereinander angeordnet sind.
Drahtsäge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Sägefeld (10) Umlenkrollen (7) zur Umlenkung derjenigen Trume (14) des Sägedrahts aufweist, welches einem zweiten Sägefeld (20) zugewandt ist.
Drahtsäge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leertrume (14) des Sägedrahts eines ersten Sägefelds (10) derart über Umlenkrollen (7) geführt sind, dass der Abstand der Leertrume (14) des Sägedrahts des ersten Sägefelds (10) zu den Sägetrumen (23) des Sägedrahts eines zweiten Sägefelds (20) vergrößert ist.
Drahtsäge nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkrollen (7) verstellbar ausgeführt sind.
Drahtsäge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sägetrum (13) eines Sägefelds (10) durch eine Stützrolle (8) unterstützt ist.