DE3604739A1 - Mehrblattinnenlochsaege fuer das zersaegen von kristallstaeben sowie vermittels dieser saege durchgefuehrte trennverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrblattinnenlochsäge für das Zersägen von Kristallstäben in dünne Scheiben sowie vermittels dieser Säge durchgeführte Trennverfahren.

Für die Herstellung von elektronischen Bauelementen oder Solarzellen wird das eingesetzte Halbleiter- oder oxi­ dische Material, z. B. Silizium Germanium, Galliumarse­ nid, Indiumphosphid Saphir oder Gallium-Gadolinium-Gra­ nat häufig in Form von dünnen Scheiben von typisch 0,1 bis 1 mm Dicke benötigt, welche in der Regel durch Zer­ sägen des in Form von Kristallstäben oder -blöcken vor­ liegendem Ausgangsmaterials gewonnen werden. In den meisten Fällen wird dieser Sägevorgang mit Hilfe von Innenlochsägen durchgeführt.

Bei den bekannten Innenlochsägen wird das Sägeblatt am Außenrand in einen Spannrahmen eingespannt. Dieser wird durch den sich becherartig aufweitenden Spannrahmenträ­ ger gehalten der an einem Ende eines meist mittels Ku­ gel-, Luft- oder hydrodynamischen Lagers gelagerten, über ein Antriebsaggregat in Drehung versetzten Antriebszylin­ ders angebracht ist. Diese einseitige, kopflastige An­ ordnung bedingteine ungleichmäßige Beanspruchung der Lager die die Verschleißfestigkeit und Standzeit herab­ setzt sowie eine qeringfügiqe Neigung des Sägeblattes die ungünstige Auswirkungen auf den Schnittverlauf und die Schnittgenauigkeit hat. Dieser Effekt ist um so ausgeprägter je kopflastiger die Anordnung ist, so daß naturgemäß Innenlochsägen mit mehreren Sägeblättern, z. B. gemäß DE-OS 32 16 200 stärker betroffen sind als solche mit nur einem Sägeblatt. Die höhere Schnittleistung wird bei Mehrblattanordnungen daher stets auf Kosten der Schnitt­ präzision und der Standzeit erzielt, was angesichts stän­ dig steigender Genauigkeitsanforderungen unbefriedigend ist.

Die Aufgabe der Erfindung lag darin eine Mehrblattinnen­ lochsäge sowie vermittels dieser Säge durchgeführte Trenn­ verfahren anzugeben durch die bei hohen Schnittleistungen eine hohe Schnittgenauigkeit und lange Standzeiten gewähr­ leistet sind.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Mehrblattinnenlochsäge die gekennzeichnet ist durch bezüglich der Lager spiegel­ symmetrisch zu beiden Seiten eines gemeinsamen Antriebs­ zylinders angeordnete Sägeblätter oder Sägeblattgruppen.

Das vermittels einer solchen Anordnung durchgeführte Sägeverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu zersägenden Werstücke, deren Anzahl der Zahl der Sägeblätter oder Sägeblattgruppen entspricht, vor jedem Schnittvorgang durch eine gleich- oder gegenläufige Translationsbewe­ gung in die jeweilige Schnittposition gebracht und durch eine synchrone Relativbewegung zwischen jeweils dem Sägeblatt bzw. der Sägeblattgruppe und jeweils einem Werkstück gleichzeitig einem Sägevorgang unterworfen werden.

Als Werkstücke können dabei sowohl einzelne Kristallstäbe oder -blöcke, als auch aus diesen zusammengefaßte Gruppen, z. B. Stabbündel, einge­ setzt werden.

In den meisten Fällen werden die erfindungsgemäßen Mehr­ blattinnenlochsägen mit je einem Sägeblatt zu beiden Sei­ ten des Antriebszylinders eingesetzt. Eine Steigerung der Sägeleistung kann jedoch durch den Einsatz von Sägeblatt­ gruppen erreicht werden. Unter Sägeblattgruppen sind da­ bei Anordnungen zu verstehen, bei denen auf jeweils einer Seite des Antriebszylinders mehrere, vorteilhaft 2 Säge­ blätter vorliegen, deren Abstand voneinander kleiner, gleich oder größer sein kann als die Länge eines einzelnen zu zersägenden Werkstück­ kes.Zweckmäßig wird dieser Abstand im Falle von n Sägeblättern höchstens auf den n-ten Teil der Werkstücklänge einge­ stellt, wobei n einer ganzen Zahl größer oder gleich 2 entspricht. Der mögliche Minimalabstand wird größer als die Summe aus der jeweils gewünschten Scheibendicke und der Schnittfugendicke gewählt und liegt sinnvollerweise bei etwa 4 mm. Im folgenden wird aus Gründen der Verein­ fachung nur noch der Ausdruck "Sägeblatt" verwendet; die Aussagen gelten jedoch sinngemäß auch für Sägeblattgrup­ pen.

Der engste Abstand zwischen den spiegelsymmetrisch zu beiden Seiten des gemeinsamen Antriebszylinders ange­ ordneten Sägeblättern richtet sich danach, auf weiche Weise die Werkstücke in die jeweilige Schnittposition gebracht werden. Während bei einer gleichläufigen Trans­ lationsbewegung dieser Abstand auf jeden Fall größer als die Werkstücklänge gewählt wird, kann er bei einer gegen­ läufigen Translationsbewegung der Werkstücke in die Schnitt­ position sowohl kleiner als auch größer sein. Abstände unterhalb der Werkstücklänge erfordern jedoch dann wenn die Scheiben bei jedem Schnittvorgang vollständig abge­ trennt werden, den Einsatz von Entnahmevorrichtungen, so daß deren erforderlicher Wirkungsbereich zwischen den Sä­ geblättern den minimal möglichen Abstand bestimmt. Grund­ sätzlich können die Abstände zwischen den Sägeblättern oder Sägeblattgruppen bei der erfindungsgemäßen Mehrblatt­ innenlochsäge, in Abhängigkeit vom jeweils eingesetzten Lager und der Position der Sägeblätter in weiten Grenzen variiert werden; bewährt ha­ ben sich Abstände von 3 bis 200 cm.

Der gemeinsame Antriebszylinder zu dessen beiden Seiten die Blätter spiegelsymmetrisch bezüglich der Lager ange­ ordnet sind, wird bevorzugt mit einem Innendurchmesser eingesetzt, der größer ist als der Innenlochdurchmesser der Sägeblätter und vorteilhaft annähernd dem Innendurch­ messer des Spannsystems entspricht in das sie eingespannt sind. Diese Forderungen lassen sich günstig mit Hilfe von mittels Magnet-, Luft- oder hydrodynamischen Lagern außen­ gelagerten Antriebszylindern erfüllen. Die Außenlagerung von rotierenden Systemen mittels solcher Lager ist grund­ sätzlich bekannt und wird in vielen anderen Bereichen, z.B. bei Zentrifugen eingesetzt. Auch für die Kraftübertragung von dem eigentlichen Antriebsaggregat z.B. einem Elektro­ motor auf diesen Antriebszylinder sind dem Fachmann ver­ schiedene Möglichkeiten, z. B. mittels Riemen, bekannt und bedürfen hier daher keiner weiteren Erläuterung.

Der Vorteil eines großen, vorzugsweise annähernd dem Innendurchmessers des Spannrahmens entsprechenden Innendurchmessers des Antriebszylinders liegt darin, daß bei Schnittverfahren, bei denen die Kristallstäbe zu­ nächst ohne Entnahme in eine Vielzahl miteinander verbundener Scheiben zerlegt werden, die bearbeitbare Länge des Werkstückes nicht, wie bei herkömmlichen Innenlochsägen, durch die becherartig sich verengende Form des Spannrahmenträgers beschränkt wird. Grundsätzlich sind aber auch an die herkömmlichen Innenlochsägen mit weitem Spannrahmen und engem Antriebszylinder angelehnte Ausführungsformen denkbar bei de­ nen beispielsweise ein zentraler enger Antriebszylinder zu beiden Sei­ ten becherartig zur Aufnahme des Spannrahmens aufgeweitet ist. Grund­ sätzlich können die Spannrahmen und Sägeblätter auch innerhalb des An­ triebszylinders angeordnet sein.

Anhand der Fig. 1 werden beispielhaft und selbstverständ­ lich nicht im Sinne einer Beschränkung eine mögliche Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Mehrblattinnenlochsäge sowie mit ihr durchführbare Sägeverfahren erläutert.

Zwischen dem Rahmenblock 1 und dem Rahmenoberbau 2 befindet sich ein mit Hilfe eines Außenlaqers 3, z. B. eines Luft-, Magnet- oder hydrodynamischen Lagers gelagerter Antriebszy­ linder 4. Spiegelsymmetrisch zum Lager trägt dieser an bei­ den Seiten je einen Spannrahmen 5, der beispielsweise in der von herkömmlichen Innenlochsägen bekannten Art und Wei­ se gestaltet sein kann und in den je ein Sägeblatt 6 einge­ spannt ist. Durch den Einsatz entsprechender Mehrblattspann­ rahmen kann, bei unverändertem Antriebszylinder 4, die vor­ liegende Anordnung auch für mehr als zwei gleichzeitige Schnittvorgänge umgerüstet werden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die Innendurchmesser des Spannrahmens 5 und des Antriebszylinders 4 annähernd gleich groß, wenn­ gleich auch unterschiedliche Innendurchmesser grundsätzlich nicht ausgeschlossen sind.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das eigentliche An­ triebsaggregat, üblicherweise ein Elektromotor, sowie die Kraftübertragung, vorteilhaft ein Flachriemen, durch welche der Antriebszylinder 4 und damit die Sägeblätter 6 in Dre­ hung versetzt werden nicht dargestellt. Grundsätzlich ist z.B. auch die Kraftübertragung mittels Keil- oder Zahn­ riemen denkbar.

Die Werkstücke 7, z. B. Kristallstäbe oder -blöcke aus ge­ gossenem, multi-kristallinem Silicium mit Kolumnarstruktur, sind gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Schneidunterlage 8 auf dem Werkstückträger 9 befestigt, z. B. durch Aufkitten oder Aufkleben. Dieser liegt an beiden Enden auf den Zustell­ schlitten 10 auf, und kann mittels eines Antriebes 11, z. B. eines Schrittmotors, Translationsbewegungen ausführen, um die Werkstücke in die vorgesehene Schnittposition zu bringen.

Vorteilhaft kann der Werkstückträger 9 noch durch beispiels­ weise pneumatisch oder hydraulische Stützen 12 unterstützt werden.

Die Ausführungsform mit einem die Zustellschlitten 10 verbrückenden Werk­ stücksträger 9, der durch die Innenlochöffnung beider Sägeblätter 6 und den Antriebszylinder 4 geführt ist und an beiden Enden aufliegt, ist im Rahmen der Erfindung insbesondere mit zusätzlichen Stützen 12, bevor­ zugt da sie während des Sägevorganges ein besonders günstiges Schwingungs­ verhalten gewährleistet. Selbstverständlich sind jedoch auch Anordnungen mit zwei getrennten, einseitig aufliegenden und mit jeweils dem freien Ende den Sägeblättern zugewandten Werkstückträgern die eine gegenläufige Translationsbewegung der Werkstücke vollführen, denkbar.

Der Vorschub der während des eigentlichen Sägevorganges eine Relativbewegung zwischen den Werkstücken 7 und den rotieren­ den Sägeblättern 6 bewirkt, geschieht mit Hilfe des Vorschub­ schlittens 13 und kann vorzugsweise hydraulisch mittels eines Vorschubzylinders 14, aber auch mittels eines anderen Antriebs, z. B. mittels Elektromotor gesteuert werden.

Selbstverständlich sind durch die beispielhaft vorgestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Säge Variationen der Kinematik, z. B. Zustellung und Vorschub durch Translations­ bewegung des Antriebszylinders 4 bei ruhenden Werkstücken 7, oder Anordnungen mit stehendem Antriebszylinder 4 nicht aus­ geschlossen. Daneben sind Ausführungsformen denkbar, die z. B. mit zusätzlichen Einrichtungen zur Entnahme abgetrennter Scheiben, beispielsweise gemäß US-PS 44 45 494, versehen sind oder mit Füllstationen, die bei Schnittverfahren, bei denen die Kristallstäbe in eine Vielzahl miteinander verbundener Scheiben zertrennt werden die Schnittfugen zwischen den Scheiben füllen und so die Verbindung der Scheiben stabili­ sieren.

Vermittels der in Fig. 1 dargestellten Mehrblattinnenloch­ säge lassen sich beispielsweise Siliciumblöcke aus Solar­ zellengrundmaterial die typisch einen Querschnitt von 10×10 cm und eine Länge von ca. 30 cm aufweisen, gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren zersägen. Zunächst werden diese Blöcke, die vorteilhaft auf ihrer Unterseite mit einer Schneidunter­ lage aus beispielsweise Glas, Keramik oder Kohlenstoff ver­ sehen sind, auf dem Werkstückträger befestigt, beispielswei­ se eingespannt aufgeklebt oder aufgekittet. Dabei kommt einer der Blöcke außerhalb, einer innerhalb der beiden in diesem Fall z. B. etwa 35 cm voneinander entfernten Sägeblätter (Außendurchmesser z. B. ca. 55 cm, Innenlochdurchmesser z. B. ca. 18 cm) zu liegen und zwar vorteilhaft so, daß beide relativ zu dem jeweils auf sie einwirkenden Sägeblatt eine identische Position einnehmen. Eine sol­ che identische Relativposition der Blöcke zum Sägeblatt ist zwar nicht zwingend erforderlich empfiehlt sich aber schon im Hinblick auf eine optimale Schnittausbeute und eine während des gesamten Sägevorganges gleichmäßige Belastung der Sägeblätter und Lager.

Danach werden beide Blöcke durch eine Translationsbewegung des Werkstückträgers gleichläufig in die Innenöffnung der Sägeblätter eingefahren bis die vorgesehene Schnittposition erreicht ist. Eine Aufwärtsbewegung des Vorschubschlittens 13 führt dann die Blöcke an die beispielsweise diamantbesetzte Schneidkante der rotierenden Sägeblätter, die sich unter Aus­ bildung einer Schnittfuge immer weiter in das jeweilige Werk­ stück einzuarbeiten beginnt bis sich schließlich die ge­ wünschte Scheibe gebildet hat. Bei Sägen wie der der Fig. 1 entsprechenden, bei denen keine Scheibenentnahme vorgesehen ist, wird diese Scheibe nicht vollständig vom Restblock ab­ getrennt, sondern eine eine stabile Halterung der Scheibe gewährleistende Verbindung, vorteilhaft über die Schneidunter­ lage belassen. Dann wird der Vorschubschlitten in die Aus­ gangsposition zurückgefahren der Werkstückträger bewegt bei­ de Blöcke gleichläufig in die nächste Schnittposition, und der nächste Schnitt wird durch eine Aufwärtsbewegung des Vor­ schubschlittens in das Werkstück gelegt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Blöcke in der gewünschten Weise, d. h. gegebenenfalls auch unter Aussparung von verunreinigten Teil­ stücken oder Randbereichen in eine Vielzahl miteinander verbun­ dener Scheiben zersägt sind. Diese werden dann entnommen so daß schließlich durch Auftrennen der Verbindung, z. B. Abschlei­ fen Absägen Aufschmelzen oder Auflösen, die einzelnen Schei­ ben gewonnen werden können.

Denkbar ist auch eine Variante dieses Sägeverfahrens bei der die Aus­ gangsposition beider Blöcke an der Außenseite der Sägeblätter liegt und ihre Translationsbewegung gegenläufig ins Innere des Antriebs­ zylinders führt. Diese Verfahrensweise erfordert jedoch einen beträcht­ lichen Anstand der Sägeblätter voneinander um beide Blöcke aufzu­ nehmen. Es kann daher zur Verringerung des Raumbedarfes nötig sein, die Werkstücke zunächst nur zur Hälfte aufzusägen, sie dann in die Ausgangsposition zurückzufahren, um 180° zu drehen, und schließlich vom anderen Ende her den Sägevorgang weiter zuführen. Eine Verringe­ rung des Raumbedarfes kann auch dadurch erreicht werden, daß das Werkstück in mehreren Etappen zersägt und der zersägte Teilabschnitt jeweils entnommen wird.

Allgemein sind solche Sägeverfahren, bei denen zunächst die Scheiben nicht vollständig vom Restblock abgetrennt werden (sog. Kammschnitt) im Rahmen der Erfindung bevorzugt, da auf die oft aufwendigen Entnahmevorrichtungen verzichtet werden kann. Selbstverständlich sind jedoch die Sägeverfahren mit vollständiger Abtrennung und Entnahme der Scheiben nicht aus­ geschlossen. Dabei können Varianten mit außen- bzw. innenlie­ gender Scheibenentnahme (Zustellung der Werkstücke durch ge­ genläufige Translation von innen nach außen bzw. von außen nach innen) oder mit einseitig innen-, einseitig außenliegen­ der Scheibenentnahme (bei Zustellung der Werkstücke durch gleichläufige Translation) eingesetzt werden.

Während des Sägevorganges wird in der üblichen Weise die ent­ stehende Wärme sowie das anfallende abgetragene Material durch ein Kühlmittel abgeführt welches beispielsweise über ein Schlauchsystem an die Trennstelle gelangt, durch ein System von Schlitzen abfließen kann und schließlich aufgefangen und gegebenenfalls nach einem Wiederaufarbeitungsschritt wieder eingespeist werden kann. Auch die Steuerung des Vor­ schubs bzw.der Zustellung kann in der bekannten Weise von Hand vorzugsweise aber mittels Hydraulik bzw. Schrittmotor erfolgen.

Die erfindungsgemäße Mehrblattinnenlochsäge und die vermit­ tels dieser Säge durchgeführten Sägeverfahren eignen sich insbesondere zum Zersägen von Solarzellengrundmaterial auf Siliciumbasis, welches meist in Form von Siliciumblöcken mit ca. 10×10 cm Querschnitt und ca. 20 bis 40 cm Länge durch einen Gießprozeß erhalten wird, in Scheiben von meist 350 bis 500 µm Dicke. Gleichermaßen lassen sich jedoch die ein­ gangs erwähnten Halbleiter- oder oxidischen Materialien in dünne Scheiben von 0,1 bis 1 mm Dicke zersägen. Weiterhin können auch andere in Stabform vorliegende Stoffe, z.B. Quarz- oder anderes Glas oder Stäbe auf Kohlenstoffbasis in dünne Scheiben von bis zu 30 mm Dicke zertrennt werden.

Aufgrund des spiegelsymmetrischen Aufbaues wirken beim Sä­ gen gleichmäßige Belastungen auf Sägeblätter und Lager ein. Daraus ergibt sich eine gegenüber herkömmlichen Mehrblatt­ innenlochsägen höhere Schnittgenauigkeit, verbesserte Lauf­ eigenschaften, gleichmäßigere Sägeblattbeanspruchung und längere Standzeiten. Daneben ist die Reparaturfreundlich­ keit größer da bei Defekten an einem der Sägeblätter nur jeweils dieses eine ausgewechselt werden muß.

Claims (6)

1. Mehrblattinnenlochsäge für das Zersägen von Kristallstä­ ben in dünne Scheiben, gekennzeichnet durch bezüglichder Lager (3) spiegelsymmetrisch zu beiden Seitendes gemeinsamen Antriebszylinders (4) angeordnete Sägeblätter oder Sägeblattgruppen (6).

2. Mehrblattinnenlochsäge nach Anspruch 1 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sägeblätter oder Säge­ blattgruppen (6) einen Abstand voneinander haben, der grö­ ßer ist als die Länge eines zu zersägenden Werkstückes (7).

3. Mehrblattinnenlochsäge nach den Ansprüchen 1 und 2 ge­ kennzeichnet durch einen durch die Innenloch­ öffnung beider Sägeblätter oder Sägeblattgruppen (6) und den Antriebszylinder (4) geführten, an beiden außenliegen­ den Enden gestützten Werkstückträger (9).

4. Verfahren zum Zersägen von Kristallstäben vermittels einer Mehrblattinnenlochsäge nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Werk­ stücke, deren Anzahl der Anzahl der Sägeblätter oder Säge­ blattgruppen entspricht, vor jedem Schnittvorgang durch eine gleich- oder gegenläufige Translationsbewegung in die jeweilige Schnittposition gebracht und durch eine synchrone Relativ-Bewegung zwischen jeweils dem Sägeblatt bzw. der Sägeblattgruppe und jeweils einem Werkstück gleichzei­ tig einem Sägevorgang unterworfen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kristallstäbe beim Sägevorgang in eine Vielzahl miteinander verbundener Scheiben zertrennt werden, deren Verbindung erst nach Beendigung des Sägevor­ ganges in einem zusätzlichen Schritt aufgetrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheiben bei jedem Sägevor­ gang vollständig vom Kristallstab abgetrennt und mittels einer Entnahmevorrichtung entnommen werden.