DE2722779A1

DE2722779A1 - Laepptrennklingen

Info

Publication number: DE2722779A1
Application number: DE19772722779
Authority: DE
Inventors: Alfred Moritz; Dieter Dipl Chem Dr Regler
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1977-05-20
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE2722779C2; US4161167A

Description

Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zum multiplen Läpptrennen von Feststoffen bei welchem ein Klingenpaket unter einem bestimmten Druck durch eine laterale Hin- und Herbewegung in der Aufschlämmung eines geeigneten Läppmittels durch den zu trennenden Feststoff geführt wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf das Klingenpaket -eine Druckkraft von 100 bis 1000 ρ je Klinge ausgeübt wird,

b) die freie Arbeitsränge der Klingen in einem Bereich von 110 bis 250 mm liegt, wobei um so kürzere Klingen gewählt werden sollen, je höher die darauf ausgeübte Druckkraft ist und

c) das Klingenpaket mit einer mittleren lateralen Geschwindigkeit von 30 bis .50 m pro Minute durch den zu zerteilenden Feststoff bewegt wird.

Gegenstand der vorliegenden Zusatzanmeldung sind Läpptrennk1Ingen zur optimalen Durchführung dieses Verfahrens.

Die in Gattersägen, bzw. multiplen Läpptrennmaschinen zum Sägen von Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silicium oder Germanium oder oxidischen Substanzen wie Saphir oder Rubin eingesetzten Klingenpakete bestehen aus einer Vielzahl von Einzelklingen, welche durch Distanzscheiben voneinander getrennt in einem Spanngatter eingespannt sind. Diese Einzelklingen stellen dabei im wesentlichen Metallstreifen mit rechteckigem Querschnitt dar, die üblicherweise aus Stahl hergestellt werden. Die Klingen sind glatt und unbeschichtet und werden mit hohem Druck über den zu zerteilenden Feststoff geführt. Die eigentliche

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Schneidwirkung resultiert dabei aus dem in einem Kühlmittel aufgeschlämmten Läpptrennpulver aus beispielsweise feinteiligem Siliciumcarbid- oder Diamantpulver. Der Nachteil dieser bekannten glatten Klingen liegt nun darin, daß durch die glatte Ausführung relativ wenig Läppmittel in den Sägespalt eingezogen wird. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß bei der Druckausübung auf die Klinge Läpptrennmittel bevorzugt zwischen die vertikalen Seitenflächen von Klinge und Werkstück gedrückt und von der Klinge im zu zerteilenden Feststoff bewegt wird.Dies führt zu einer unerwünschten Verbreiterung des Sägespalts und damit zu unerwünschten Schneidverlusten des bearbeiteten Feststoffs, Ein weiterer gravierender Nachteil dieser Klingen liegt außerdem darin, daß der Sägevorgang immer wieder abgebrochen und erst nach einer Hubverkürzung fortgesetzt werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß die verwendeten Läpptrennmittel nicht nur härter sind als der zu zerteilende Feststoff sondern auch härter als die Schneidklinge. Dies führt während des Sägens zu einem zunehmenden Abtrag der Klinge. Dieser Abtrag ist stufenförmig, wobei die Stufen sich am Beginn und am Ende des beim Sägen durch den Feststoff bewegten Klingenteils ausbilden. Bei einer bestimmten Höhe dieser Stufen führen sie zu Randausbrüchen an den aus den beispielsweise Halbleiterstäben geschnittenen Scheiben. Um dies zu verhindern, wird die Säge üblicherweise rechtzeitig abgestellt und der Hub verkürzt. Die Hubverkürzung führt dazu,daß nur noch ein kürzerer Klingenbereich durch den zu zerteilenden Feststoff hin- und hergeführt wird bis sich auch hier am Anfangs- und Endpunkt dieses Klingenbereichs Stufen ausbilden. Hierauf wird die Maschine wiederum abgestellt und der Hub erneut verkürzt. Durch diese laufende Hubverkürzung ergeben sich aufgrund der im wesentlichen gleichen lateralen Geschwindigkeit des im Kristall bewegten verkürzten Klingenabschnitts längere Verweilzeiten der Klinge im Kristall,woraus im Ergebnis keilige Scheiben resultieren, das heißt Scheiben, deren Dicke senkrecht zur Schneidrichtung, also in Richtung des Sägevorschubs abnimmt .Dieser, zunehmende Seitenverschnitt wird

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auch insofern durch die über die Huberverkürzung bedingte längere Sägezeit gefördert da hierdurch begünstigt auch längliche stäbchenfönnige Schneidkörper, die in den üblichen Läpptrennmitteln immer neben den hauptsächlich vertretenen annähernd kubischen Schneidkörpern vorliegen, zum Einsatz kommen.

Aufgabe der Erfindung war e,s daher, eine Läpptrennklinge zu finden, welche die vorstehend geschilderten Nachteile,, die beim Schneiden mit üblichen Läpptrennklingen auftreten, beseitigt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in der Klingenunterseite Ausnehmungen ausgebildet sind, deren Länge gemessen in der Schneidkante der Klinge, das 1 bis 75-fache der Klingendicke beträgt und die insgesamt 5 bis 40 % der freien Arbeitslänge der Klingen und 5 bis 25 % der Klingenhöhe einnehmen, wobei die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder daran konstruierte Tangente im Schnittpunkt mit der Schneidkante mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 20 bis 80° einschließt.

Die bevorzugte Ausführungsform dieser Läpptrennklingen sieht dabei vor, daß die in der Schneidkante der Klinge gemessene Länge der einzelnen Ausnehmungen das 10 bis 20-fache der Klingenhöhe beträgt, und daß die in der Klingenunterseite ausgebildeten Ausnehmungen insgesamt 25 bis 35 % der freien Arbeitslänge der Klingen einnehmen. Weiterhin hat es sich als besonders günstig erwiesen, die in der Klingenunterseite ausgebildeten Ausnehmungen in einer maximalen Höhe von 10 bis 20 % der Klin-

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genhöhe auszuführen.

Die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder im Falle einer gekrümmten Ausnehmung die daran im Schnittpunkt mit der Schneidkante konstruierte Tangente bildet vorzugsweise mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 40 bis 70°. ^v

Der Abstand der einzelnen Ausnehmungen in der Läpptrennklinge kann weitgehend beliebig gewählt werden, beispielsweise derart, daß der Abstand zweier Ausnehmungen sich zur Klingenmitte hin laufend verkürzt und von der Klingenmitte an bis zum Klingenende wieder ansteigt. Bevorzugt wird allerdings die Ausführungsform, bei welcher der Abstand zweier Ausnehmungen voneinander stets gleich bleibt.

Die Abmessungen der Einzelklingen werden dabei so gewählt, daß die freie Arbeitslänge dieser Klingen etwa 110 bis 250 mm, vorzugsweise 180 bis 220 mm beträgt, wobei um so kürzere Klingen innerhalb der angegebenen Bereiche gewählt werden, je höher die darauf ausgeübten Druckkräfte sind um ein Verbiegen der Klingen zu vermeiden. Als Klingenmaterial eignen sich besonders preiswert verfügbare Stahlsorten, wie beispielsweise Federbandstahl von etwa 120 bis 250 kp pro mm bevorzugt 200 bis

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240 kp pro mm Zugfestigkeit. Unter der freien Arbeitslänge der Klinge wird dabei der Klingenteil verstanden, der zwischen den Halterungen frei aufgespannt ist und im zu zerteilenden Werkstück bewegt wird. Die Klingenhöhe beträgt dabei zweckmäßig etwa 5 bis 10 mm, besonders günstig etwa 5 bis 7 mm , bei einer Dicke von etwa 100 bis 3oo ^,um. Bei der Klingendicke wird man dabei zweckmäßig immer versuchen, möglichst niedrige Werte zu wählen, zweckmäßig etwa 150 bis 250/um, um die Schnittverluste zu beschränken.

Die erfindungsgemäßen Läpptrennklingen sind nicht nur mit Vorteil bei dem Verfahren wie es im Hauptpatent beschrieben ist

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einsetzbar, sondern verbessern auch andere bekannte Verfahren zum Läpptrennen, sodaß auch Klingen mit anderen Dimensionen, sofern sie die im Hauptanspruch als zwingend aufgeführten Eigenschaften aufweisen, mit Vorteil eingesetzt werden können.

In den Figuren 1 mit 4 sind beispielhaft einige erfindungsgeraäße Läpptrennklingen dargestellt.

Figur 1 zeigt eine Läpptrennklinge mit gekrümmten Ausnehmungen. Figur 2 zeigt eine Läpptrennklinge mit Ausnehmungen in der Form eines Dreiecks.

Figur 3 zeigt eine Läpptrennklinge mit Ausnehmungen in der Form eines regelmäßigen Trapezes.

Figur 4 zeigt Ausnehmungen in der Form kleiner Dreiecke mit nicht gleichbleibendem Abstand zweier benachbarter Ausnehmungen voneinander. < '

Die in der Figur 1 dargestellte Klinge weist bogenförmige Ausnehmungen auf, welche voneinander alle den gleichen Abstand b haben. Derartige Ausnehmungen lassen sich leicht mit einem mit Diamantsplittern besetzten Kugelfräser in die vormals gerade Schneidkante fräsen. Der in der Abbildung dargestellte Winkel °f stellt den Kerbwinkel dar und wird in diesem Fall von dem auf die Schneidkante gefällten Lot und der an den Bogen im Schnittpunkt des Bogens mit dem geraden Teil der Schneidkante angebrachten Tangente gebildet. Die Strecke a stellt die freie Arbeitslänge, also den Klingenteil dar, welcher im Kristall bewegt wird. Es ist dabei ganz allgemein so, daß die Umkehrpunkte in die Scheitelpunkte der ersten und letzten Ausnehmung zu liegen kommen. In der Figur 2 ist eine Schneidklinge dargestellt, in welcher die Ausnehmungen die Form eines Dreiecks aufweisen· auch hier ist der Abstand b zweier Ausnehmungen voneinander wiederum stets gleich. Der Kerbwinkel OC

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wird in diesem Fall zwischen dem Lot auf die Schneidkante einerseits und dem ansteigenden Schenkel des Dreiecks andererseits ausgebildet. In der Figur 3 ist eine Schneidkante dargestellt mit trapezförmigem Querschnitt. Der Abstand b zweier Ausnehmungen voneinander ist wiederum über die ganze Klinge gleich. Der Kerbwinkel 06 wird ausgebildet zwischen dem Lot auf die Schneidkante einerseits und dem ansteigenden Schenkel des Trapezes andererseits.

In der Abbildung 4 ist eine Klinge mit Ausnehmungen entsprechend der Klinge in Figur 2 dargestellt. In diesem Fall ist jedoch der Abstand zweier Ausnehmungen voneinander nicht gleich, sondern beginnend von einem Wert b_a verkürzt sich dieser Abstand von beiden Seiten zur Klingenmitte hin bis zu einem Minimalwert von b .

Durch die Ausnehmungen, die in den erfindungsgemäßen Läpptrennklingen ausgebildet sind, entstehen Freiräume in der Schneidkante der Klingen, in welchen sich die Schneidkörner des Läpptrennmittels während des Sägens ansammeln und bei der Hin- und Herbewegung der Klinge durch den darüber gleitenden geraden Teil der Schneidklinge über den zu zerteilenden Feststoff geführt werden und durch den hierdurch bedingten Abrieb den Feststoff zerteilen.Die Körner des Läpptrennmittels können dabei aufgrund des auf der Klinge lastenden Druckes in diese Freiräume ausweichen, sie werden nicht zwangsläufig zwischen den vertikalen Seitenteil der Klinge und den Sägespalt gedrückt, wodurch gegenüber bekannten Läpptrennklingen ein schmalerer Schnitt erzeugt wird. Aufgrund der Ausnehmungen in der Klinge und der Tatsache, daß die Umkehrpunkte in den Scheitelpunkten der endständigen Ausnehmungen liegen, wird der stufenförmige Abtrag der Klinge durch das Läppmittel wie bei den herkömmlichen glatten Klingen vermieden. Es ist daher nicht erforderlich, die Gattersäge bzw. die Läpptrenhmaschine in welcher derartige Klingen eingesetzt sind, während des Sägens abzustellen, um den Hub zu verkürzen. Hieraus resultiert wiederum eine kürzere

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Sägezeit, die außerdem dazu führt, daß im Läpptrennmittel enthaltene langgestreckte oder stabförmige Partikel ihre schädliche Wirkung entfalten könnten. Der Vorteil bei Einsatz der erfindungsgemäßen Läpptrennklingen liegt demgemäß darin, daß in kürzerer Sägezeit bei weniger Sägeverschnitt in der Qualität bessere Scheiben erhalten werden.

Vergleichsbeispiel 1

Ein einkristalliner Siliciumstab mit den Abmessungen 50 χ 50 χ 220 mm wurde mit einer Gattersäge der Firma Meyer & Burger AG, Steffisburg, Schweiz, vom Typ GS 1 quer zur Längsachse in Scheiben zersägt. *

Das Klingenpaket bestand aus 240 Klingen mit einer Stärke von 2OO^um, einer Höhe von 6 mm und ßiner freien Arbeitslänge von 355 mm. Nach dem Aufsetzen der Klingen auf den Siliciumstab wurden die Klingen in üblicher Weise mit einer geringen lateralen Geschwindigkeit von anfangs einigen Metern pro Minute fast drucklos über den Kristall geführt. Erst nachdem alle Klingen im Siliciumstab zu greifen begonnen hatten, wurde die laterale Geschwindigkeit, mit welcher das Klingenpaket über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, auf 27 m pro Minute erhöht und bis zum Ende des Sägevorgangs beibehalten. Auf das Klingenpaket wurde dabei während des Sägens eine Druckkraft von 60 ρ je Klinge ausgeübt. Nach jeweils 3 Stunden Sägezeit wurde die Säge abgeschaltet und der Hub um jeweils 6 mm verkürzt. Für diese Umrüstzeit wurden dabei jeweils cirka 15 Minuten benötigt. Nachdem die laterale Geschwindigkeit mit welcher die Klinge über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde gleichbleibend war, sank damit die Sägegeschwindigkeit. Aufgrund der hierdurch bedingten längeren Verweilzeit der Klinge im Kristall und aufgrund des

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zeitabhängigen Substratabtrages wurde damit mit fortschreitendem Sägen der Sägespalt immer breiter bzw. die herausgesägten Scheibchen immer dünner. Als Läpptrennmittel wurde dabei Siliciumcarbid mit einer Korngrößenverteilung zwischen 10 bis 50/lam aufgeschlämmt in einem Mineralöl mit einer Viskosität von 45 cP eingesetzt. Nach einer Sägezeit von 24,5 Stunden und einer Umrüstzeit von fast 2 Stunden* hervorgerufen durch das zur Hubverkürzung erforderliche Abschalten der Maschine wurden 239 Scheiben mit einer durchschnittlichen Dicke von 470/im erhalten· Der Keilfehler der Scheiben lag in der Größenordnung von 12vum/cm, gemessen senkrecht zur Schneidrichtung, also in Richtung des Sägevorschubs. Die Schneidleistung, bezogen auf die reine Sägezeit ohne Berücksichtigung der Umrüstzeit, betrug dabei ca. 0,017 cm~ pro Minute und Klinge.

Vergleichsbeispiel 2

Ein einkristalliner Siliciumstab mit den Abmessungen 50 χ 50 χ 220 mm wurde mit einer Läpptrennmaschine quer zur Längsachse in Scheiben zersägt. Als Säge wurde eine Läpptrennmaschine verwendet, die im wesentlichen einer Gattersäge der Firma Meyer & Burger AG, Steffisburg, Schweiz, vom Typ GS 1 entsprach, jedoch durch Umbauten so umgerüstet worden war, daß kürzere Klingen mit einer höheren Geschwindigkeit unter höherem Druck bewegt werden konnten.

Das Klingenpaket bestand aus 240 Klingen mit einer Stärke von 200/um, einer Höhe von 6 mm und einer freien Arbeitslänge von 200 mm. Die Schneidkante war dabei glatt ausgebildet. Nach dem Aufsetzen der Klingen auf den Siliciumstab wurden die Klingen in üblicher Weise mit einer geringen lateralen Anfangsgeschwindigkeit von einigen Metern pro Minute fast drucklos über den Kristall geführt. Erst nachdem alle Klingen im Siliciumstab zu greifen be-

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gönnen hatten, wurde nunmehr die laterale Geschwindigkeit, mit welcher das Klingenpaket über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, auf 45 m/min erhöht. Auf das Klingenpaket wurde dabei während des Sägens eine Druckkraft von nunmehr 180 ρ je Klinge ausgeübt. Als Läpptrennm^ttel wurde Siliciumcarbid mit einer Korngrößenverteilung von 27 bis 30 ^m, auf geschlämmt in einer Mineralölfraktion mit einer Viskosität von 45 cP wobei auf 3 Gew.-Tl. Mineralöl 1 Gew.-Tl. Siliciumcarbid zugegeben wurde, verwendet.

Nach jeweils etwa 45 Minuten Sägen mußte die Säge abgeschaltet werden, da sich durch den Abrieb der Klinge an den Umkehrpunkten Stufen ausgebildet hatten, die bei weiterem Sägen zu Wandausbrüchen an den Siliciumscheiben führen würden.Nach einer Verkürzung des Hubs um cirka 6 mm wurde nach einer Umrüstzeit von etwa 15

Minuten das Sägen wieder aufgenommen.

Nach einer reinen Sägezeit von 2,6 Stunden wurden 239 Scheiben von 470 Atm Dicke und einer Keiligkeit in der zur Schneidrichtung senkrechten Scheibchenachse von cirka 5/am pro cm erhalten. Dies entsprach einer Schneidleistung von 0,16 cm pro Minute und Klinge,

Beispiel

Es wurde analog dem Vergleichsbeispiel 2 verfahren nur mit der Ausnahme, daß die Schneidkante der verwendeten Klingen bogenförmige Ausnehmungen von - gemessen in der Schneidkante - 6 mm Länge und einer Höhe im Scheitelpunkt von 1 mm aufwies, über die gesamte Länge der Klingen waren jeweils 20 derartige Ausnehmungen im gleichen Abstand voneinander ausgebildet, wobei die Umkehrpunkte beim Sägen in den Scheitelpunkten der beiden endständigen Ausnehmungen lagen.

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Der Sägeprozess mußte kein einziges Mal unterbrochen werden. Nach einer reinen Sägezeit von 2,08 Stunden wurden 239 Scheiben von 48O/im Dicke erhalten. Die Scheiben wiesen keine Keilig-

2 keit auf. Dies entsprach einer Schneidleistung von 0,2 cm pro Minute und Klinge.

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Claims

Patentansprüche

1. Läpptrennklingen zur optimalen Durchführung des Verfahrens zum multiplen Läpptrennen von Feststoffen nach Patentanmeldung P , dadurch gekennzeichnet, daß in der Klingenunterseite'Ausnehmungen ausgebildet sind, deren Länge, gemessen in der Schneidkante der Klinge, das 1 bis 75-fache der Klingendicke beträgt und die insgesamt 5 bis 40 % der freien Arbeitslänge der Klingen und 5 bis 25 % der Klingenhöhe einnehmen, wobei die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder die daran konstruierte Tangente im Schnittpunkt mit der Schneidkante mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot einen Kerbwinkel von 20 bis 80° einschließt.

2. Läpptrennklingen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Schneidkante der Klinge gemessene Länge der einzelnen Ausnehmungen das 10 bis 20-fache der Klingendicke beträgt.

3. Läpptrennklingen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Klingenunterseite ausgebildeten Ausnehmungen insgesamt 25 bis 35 % der

freien Arbeitslänge der Klingen einnehmen.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Läpptrennklingen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die in der Klingenunterseite ausgebildeten Ausnehmungen 10 bis 20 % der Klingenhöhe einnehmen.

5. Iäpptrennklingen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausnehmungen begrenzende Klingenkante oder die daran konstruierte Tangente im Schnittpunkt mit der Schneidkante mit dem auf die Schneidkante gefällten Lot

einen Kerbwinkel von 40 bis 70° ausbildet. J

6. Läpptrennklingen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier Ausnehmungen voneinander stets gleich ist.

7. Läpptrennklingen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klingen eine Dicke von 150 bis 250 /um aufweisen.

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