EP0307901A2 - Gattersäge zum multiplen Läpptrennen von stab- oder blockförmigen Werkstücken in Scheiben - Google Patents

Gattersäge zum multiplen Läpptrennen von stab- oder blockförmigen Werkstücken in Scheiben Download PDF

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EP0307901A2
EP0307901A2 EP19880115074 EP88115074A EP0307901A2 EP 0307901 A2 EP0307901 A2 EP 0307901A2 EP 19880115074 EP19880115074 EP 19880115074 EP 88115074 A EP88115074 A EP 88115074A EP 0307901 A2 EP0307901 A2 EP 0307901A2
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EP
European Patent Office
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feed
frame saw
workpieces
saw according
block
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Withdrawn
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EP19880115074
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Dipl.-Ing. Egglhuber
Wolfgang Dipl.-Ing. Ermer
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Heliotronic Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft fur Solarzellen-Grundstoffe Mbh
Heliotronic GmbH
Original Assignee
Heliotronic Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft fur Solarzellen-Grundstoffe Mbh
Heliotronic GmbH
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Publication date
Application filed by Heliotronic Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft fur Solarzellen-Grundstoffe Mbh, Heliotronic GmbH filed Critical Heliotronic Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft fur Solarzellen-Grundstoffe Mbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/0058—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/04—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools
    • B28D5/042—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools by cutting with blades or wires mounted in a reciprocating frame

Definitions

  • the invention relates to a gang saw for multiple lapping of rod-shaped or block-shaped workpieces, in particular made of semiconductor material, in disks, in which the workpiece is pressed by means of a feed system against a blade package which is reciprocated and fed in with a lapping agent suspension and clamped in a clamping frame.
  • gallium-gadolinium-garnet, ruby, spinel, quartz or glass in slices of typically 0.1 to 1 mm thickness are known to be used in addition to the hole saws also gang saws.
  • the workpiece to be cut is pressed by means of a feed system against a reciprocating gate consisting of a blade package clamped in a clamping frame, the lapping agent suspension causing the actual material removal, usually a suspension, at the separation point of cutting grains made of hard material, for example silicon carbide, is supplied.
  • a reciprocating gate consisting of a blade package clamped in a clamping frame
  • the lapping agent suspension causing the actual material removal, usually a suspension, at the separation point of cutting grains made of hard material, for example silicon carbide
  • the object of the invention was therefore to provide a frame saw with the aid of which thin disks, in particular less than 350 .mu.m disk thickness, can be obtained after the multiple lapping separation process with low losses and high sawing power and which are free of cracks and breakouts.
  • a gang saw which is characterized in that in the feed system the workpiece carrier system receiving the workpieces is connected to the feed block carrying out the actual feed movement by means of one or more systems which can vibrate in the feed direction.
  • the workpieces are thus mounted so that they can vibrate in the vertical direction, they can yield to the force surges caused by the blade contour during the sawing process. Ultimately, these are intercepted by an evasive movement of the workpiece, which significantly reduces the loads and the fluctuations in the cutting force.
  • Spring systems are used with particular advantage as oscillatory systems, for example in the form of spiral springs, disc springs or in particular leaf springs. It is also possible to use hydraulic systems, e.g. Oil pads, pneumatic systems or magnetic systems.
  • the natural frequency of the oscillatory systems is expediently chosen such that it is higher than the frequency of the reciprocating movement of the blade pack in order to ensure that the workpiece is tracked sufficiently quickly and thus constant contact with the blades.
  • the natural frequency can be set, for example by changing the free length in the case of leaf springs, in order to be able to adapt the device to changes in the operating parameters, if necessary.
  • an additional vertical vibration can be superimposed on the movement of the workpiece carrier system that is ultimately forced by the movement of the blade package, for example by vibrating it via a vibrator.
  • the amplitude of these vibrations is expediently about 1/2 to 1/1000 of the up and down movement of the workpiece caused by the blade pack carrier system set.
  • the frequency corresponds favorably to 2 to 10 times the reciprocating movement of the blade pack.
  • the figure shows the workpiece 1, for example a block made of solar cell base material based on multicrystalline silicon, which e.g. is cemented onto a cutting base 2, e.g. is clamped in the workpiece table 3 by means of screws.
  • An upper and a lower spring holder 4 and 5 are attached to the workpiece table 3.
  • the work table 3 is followed by a dynamometer 6, for example in the form of a force transducer, with the aid of which the cutting forces occurring during the sawing process can be monitored.
  • the workpiece holder ends with a holding block 7, which is connected via a leaf spring 8 to the feed block 9 which performs the actual feed movement.
  • the lower guide spring 10 and the upper guide spring 11, which are connected on the one hand to the lower and upper spring brackets 5 and 4 of the support system and on the other hand by the lower spring suspension 12 and the upper spring suspension 13 are held.
  • other guides are also possible, such as slide or roller guides or guides via air or hydraulic bearings.
  • the feed block 9 can be moved up and down within the feed frame 14, so that the workpiece 1 can be pressed against the reciprocating blade pack 15, which is only shown schematically here, with the respectively provided contact pressure or the intended feed rate.
  • a prism guide 16 can be provided, for example.
  • the feed block 9 is connected to a spindle 18 driven by a motor 17, for example an infinitely variable electric motor, by means of which its upward and downward movement is effected within the feed frame 14.
  • this feed movement is controlled in accordance with the course of the cutting forces acting on the workpiece 1 in the vertical direction, as measured by the dynamometer 6, for example via a computer.
  • the feed rate can be increased if a stronger contact force of the workpiece 1 against the blade pack is required, while this force can also be reduced if necessary by slowing down the feed rate.
  • the frame saws designed according to the invention are distinguished by a number of advantages over the frame saws equipped with conventional feed systems. Since the feed system with its bearings is almost vibration-free, their lifespan is significantly increased. Because of the compensation of the force peaks and surges occurring during the sawing process, the resulting mechanical loads on the workpiece also decrease during the sawing process, so that the achievable slice thicknesses can be significantly reduced.
  • panes as a basic solar cell material can only be of a satisfactory quality up to a thickness of about 350 to 400 ⁇ m, that is to say free of cracks, scoring and breakouts, and in a satisfactory range of over 90 % lying yield can be sawn.
  • the thickness could be reduced down to the range of 100 ⁇ m with excellent quality and a yield of over 90%. At the same time, this means more than doubling the number of silicon wafers obtained per block.
  • the cutting rate that is to say the area sawed in the unit of time (based in each case on silicon wafers) from the previously usual value of approx. 1.4 cm2 / min to approx. 1.8 to 2.0 cm2 / min.
  • the mass of the feed systems can be significantly reduced compared to conventional ones, and in particular a low mass of the carrier system means that the workpiece can follow the wear contour better and the cutting force is therefore less subject to fluctuations.

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Abstract

Es wird eine Gattersäge zum multiplen Läpptrennen von stab- oder blockförmigen Werkstücken in Scheiben, insbesondere Siliciumscheiben als Grundmaterial für Solarzellen, angegeben. Erfindungsgemäß wird das Werkstückträgersystem über ein oder mehrere schwingungsfähige Systeme mit dem die eigentliche Vorschubbewegung ausführenden Vorschubblock verbunden. Durch diese Anordnung werden die beim Trennvorgang auftretenden Kraftstöße auf das Werkstück ausgeglichen. Dies bewirkt gegenüber herkömmlichen Gattersägen eine Verbesserung der Schneidleistung und Verlängerung der Sägestandzeit und ermöglicht die Herstellung von Scheiben mit geringer Dicke.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gattersäge zum multiplen Läpp­trennen von stab- oder blockförmigen Werkstücken, insbeson­dere aus Halbleitermaterial, in Scheiben, bei welcher das Werkstück vermittels eines Vorschubsystems gegen ein unter Zufuhr einer Läppmittelsuspension hin- und herbewegtes, in einen Spannrahmen eingespanntes Klingenpaket gedrückt wird.
  • Für das Zersägen von stab- oder blockförmigen Werkstücken insbesondere aus Halbleitermaterialien wie z. B. Silicium, Germanium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid, oder oxidi­schen Materialien wie z. B. Gallium-Gadolinium-Granat, Rubin, Spinell, Quarz oder Glas in Scheiben von typisch 0,1 bis 1 mm Dicke werden bekanntlich neben den Innenlochsägen auch Gattersägen eingesetzt. Diese arbeiten nach dem Prinzip des multiplen Läpptrennens, d.h. das zu zertrennende Werkstück wird mittels eines Vorschubsystems gegen ein hin- und herbe­wegtes, aus einem in einen Spannrahmen eingespannten Klin­genpaket bestehendes Gatter gedrückt, wobei an die Trenn­stelle die den eigentlichen Materialabtrag bewirkende Läpp­mittelsuspension, meist eine Suspension von Schneidkörnern aus hartem Material, z.B. Siliciumcarbid, zugeführt wird. Solche Sägeverfahren bzw. die entsprechenden Gattersägen sind bekannt und werden beispielsweise in der DE-A-27 22 782 bzw. der entsprechenden US-A-41 87 827 oder der DE-A-32 47 826 bzw. der entsprechenden US-A-45 39 972 beschrieben.
  • Im Verlauf des Sägevorganges entstehen Verschleißkonturen an den Klingen und an den Werkstücken, welche insbesondere in den Umkehrpunkten nahezu stoßartig starke Kräfte zwischen Klingen und Werkstück hervorrufen. Nicht zuletzt wegen die­ser Kraftstöße kommt es immer wieder zu Rissen und Ausbrü­chen in den erhaltenen Scheiben. Insbesondere beim Zersägen von multikristallinen Siliciumblöcken mit quadratischem Querschnitt (Seitenlänge typisch ca. 10 cm) in dünne Schei­ben als Grundmaterial für Solarzellen scheitert eine an sich schon wegen der Ausbeuteverbesserung wünschenswerte Verrin­gerung der Scheibendicke auf Werte unterhalb der derzeit üb­lichen Standarddicke von etwa 350-550 µ m an den rasch stei­genden Verlusten beim Sägevorgang.
  • Die Aufgabe der Erfindung lag also darin, eine Gattersäge anzugeben, mit deren Hilfe sich nach dem multiplen Läpp­trennverfahren bei geringen Verlusten und hoher Sägeleistung dünne Scheiben, insbesondere von weniger als 350 µ m Schei­bendicke, erhalten lassen, die frei von Rissen und Ausbrü­chen sind.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine Gattersäge, welche da­durch gekennzeichnet ist, daß im Vorschubsystem das die Werkstücke aufnehmende Werkstückträgersystem über ein oder mehrere in Vorschubrichtung schwingungsfähige Systeme mit dem die eigentliche Vorschubbewegung ausführenden Vorschub­block verbunden ist.
  • Da die Werkstücke somit in vertikaler Richtung schwingungs­fähig gelagert sind, können sie den beim Sägevorgang durch die Klingenkontur verursachten Kraftstößen nachgeben. Letzt­endlich werden diese also durch eine Ausweichbewegung des Werkstückes abgefangen, wodurch sich die einwirkenden Be­lastungen und gleichzeitig auch die Schwankungen der Schnittkraft deutlich verringern lassen.
  • Als schwingungsfähige Systeme werden mit besonderem Vorteil Federsysteme eingesetzt, beispielsweise in Form von Spiral­federn, Tellerfedern oder insbesondere Blattfedern. Gleich­falls möglich ist die Verwendung von hydraulischen Systemen, z.B. Ölpolstern, pneumatischen Systemen oder magnetischen Systemen.
  • Zweckmäßig wird die Eigenfrequenz der schwingungsfähigen Systeme so gewählt, daß sie höher liegt als die Frequenz der Hin- und Herbewegung des Klingenpaketes, um eine genügend rasche Nachführung des Werkstückes und somit stetigen Kon­takt zu den Klingen zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, Systeme vorzusehen, bei denen die Eigenfrequenz einstellbar ist, beispielsweise durch Verände­rung der freien Länge im Falle von Blattfedern, um das Gerät ggf. an Änderungen der Betriebsparameter anpassen zu kön­nen.
  • Gegebenenfalls kann der letztlich durch die Bewegung des Klingenpaketes erzwungenen Bewegung des Werkstückträger­systems eine zusätzliche vertikale Schwingung überlagert werden, beispielsweise indem dieses über einen Vibrator in Vibrationen versetzt wird. Die Amplitude dieser Vibrationen wird dabei zweckmäßig auf etwa 1/2 bis 1/1000 der durch das Klingenpaket verursachten Auf- und Abbewegung des Werkstück­ trägersystems eingestellt. Die Frequenz entspricht günstig dem 2 bis 10-fachen der Hin- und Herbewegung des Klingenpa­ketes.
  • In der Figur ist schematisch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten Vorschubsystems darge­stellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Dar­stellung der vollständigen Gattersäge verzichtet wurde.
  • Die Figur zeigt das Werkstück 1, beispielsweise einen Block aus Solarzellengrundmaterial auf Basis von multikristallinem Silicium, welcher z.B. auf eine Schneidunterlage 2 aufgekit­tet ist, die z.B. mittels Schrauben in den Werkstücktisch 3 eingespannt ist. Am Werkstücktisch 3 sind eine obere und eine untere Federhalterung 4 und 5 angebracht. Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform schließt sich an den Werkstück­tisch 3 ein Kraftmesser 6, beispielsweise in Form eines Kraftaufnehmers an, mit dessen Hilfe die beim Sägevorgang auftretenden Schnittkräfte überwacht werden können. Die Werkstückhalterung endet mit einem Halteblock 7, der über eine Blattfeder 8 mit dem die eigentliche Vorschubbewegung ausführenden Vorschubblock 9 verbunden ist.
  • Zur Führung dieses gesamten Werkstückträgersystems innerhalb des Vorschubblocks und zur Gewährleistung einer einwandfrei­en Schwingungsmöglichkeit in Vorschubrichtung dienen die untere Führungsfeder 10 und die obere Führungsfeder 11, welche einerseits mit der unteren und oberen Federhalterung 5 und 4 des Trägersystems verbunden sind und andererseits von der unteren Federaufhängung 12 und der oberen Federauf­hängung 13 gehalten werden. Anstelle eines solchen gefeder­ten Führungssystems, welches den Vorteil eines nahezu ver­schleißfreien Betriebes hat, kommen jedoch auch andere Füh­rungen in Frage, wie z.B. Gleit- oder Rollführungen oder Führungen über Luft- oder hydraulische Lager.
  • Anstelle der hier dargestellten Variante mit einem einzelnen Werkstück 1 haben sich insbesondere auch solche Anordnungen bewährt, bei denen die Werkstücke jeweils paarweise gesägt werden. Die weiteren Ausführungen sollen jedoch aus Gründen der Vereinfachung nur auf ein Werkstück bezogen werden, ob­wohl sie sich sinngemäß auch auf mehrere Werkstücke, insbe­sondere Werkstückpaare, übertragen lassen.
  • Der Vorschubblock 9 kann innerhalb des Vorschubrahmens 14 auf- und abwärts bewegt werden, so daß sich das Werkstück 1 gegen das hier nur schematisch dargestellte, hin- und herbe­wegte Klingenpaket 15 drücken läßt, und zwar mit der jeweils vorgesehenen Anpreßkraft bzw. der vorgesehenen Vorschubge­schwindigkeit. Zur Führung dieser Vorschubbewegung innerhalb des Vorschubrahmens 14, die ein möglichst geringes seitli­ches Spiel aufweisen soll, kann beispielsweise eine Pris­menführung 16 vorgesehen werden.
  • Gemäß der hier dargestellten Variante ist der Vorschubblock 9 mit einer über einen Motor 17, beispielsweise einen stu­fenlos regelbaren Elektromotor, angetriebenen Spindel 18 verbunden, durch welche seine Auf- bzw. Abwärtsbewegung in­nerhalb des Vorschubrahmens 14 bewirkt wird. Gemäß einer be­vorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Vorschub­bewegung nach Maßgabe des durch den Kraftmesser 6 erfaßten Verlaufes der in vertikaler Richtung auf das Werkstück 1 wirkenden Schnittkräfte gesteuert, beispielsweise über einen Rechner. Beim Verlassen eines zweckmäßig in Vorversuchen er­mittelten Sollwertbereiches kann dann die Vorschubgeschwin­digkeit erhöht werden, wenn eine stärkere Anpreßkraft des Werkstückes 1 gegen das Klingenpaket erforderlich ist, wäh­rend sich diese Kraft durch Verlangsamen der Vorschubge­schwindigkeit nötigenfalls auch verringern läßt.
  • Grundsätzlich sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen mit festeingestelltem konstantem oder vorprogram­miertem variablem Vorschub gearbeitet wird.
  • Für die Übertragung der durch die Spindel 18 und den Vor­schubblock 9 bestimmten Vorschubbewegung auf das Werkstück­trägersystem kommen neben der hier beispielhaft vorgestell­ten und bevorzugten Blattfeder 8 auch andere schwingungsfä­hige Systeme in Betracht. So ist beispielsweise der Einsatz einer Hydraulikaufhängung denkbar, obwohl solche Systeme im allgemeinen eine geringere Lebensdauer als mechanische Fe­dersysteme besitzen.
  • Die erfindungsgemäß gestalteten Gattersägen zeichnen sich gegenüber den mit herkömmlichen Vorschubsystemen ausgestat­teten Gattersägen durch eine Reihe von Vorteilen aus. Da das Vorschubsystem mit seinen Lagern nahezu schwingungsfrei ist, erhöht sich deren Lebensdauer deutlich. Wegen des Ausgleichs der während des Sägevorganges auftretenden Kraftspitzen und -stöße nehmen auch die daraus resultierenden mechanischen Belastungen des Werkstückes beim Sägevorgang ab, so daß sich die erzielbaren Scheibendicken deutlich senken lassen. Beispielsweise können mit herkömmlichen Gattersägen aus Siliciumblöcken mit einer Kolumnarstruktur aus Bereichen mit kristallographischer Vorzugsorientierung Scheiben als Solar­zellengrundmaterial erfahrungsgemäß nur bis zu einer Dicke von etwa 350 bis 400 µ m in befriedigender Qualität, d.h. frei von Rissen, Riefen und Ausbrüchen, und in befriedigen­der d.h. über 90% liegender Ausbeute gesägt werden. Mit den erfindungsgemäßen Gattersägen konnte, bei ausgezeichneter Qualität und über 90% liegender Ausbeute, die Dicke bis in den Bereich von 100 µ m reduziert werden. Dies bedeutet gleichzeitig mehr als eine Verdoppelung der Anzahl der pro Block erhaltenen Siliciumscheiben. Des weiteren konnte bei den derzeit üblichen Standardscheibendicken durch den Ein­satz der erfindungsgemäßen Gattersäge die Schnittrate, also die in der Zeiteinheit gesägte Fläche (bezogen jeweils auf Siliciumscheiben) von dem bisher üblichen Wert von ca. 1.4 cm²/min auf ca. 1.8 bis 2.0 cm²/min gesteigert werden. Da­raus ergeben sich deutlich kürzere Sägezeiten, die jeweils zum Zertrennen eines Blocks in Scheiben erforderlich sind. Darüber hinaus kann die Masse der Vorschubsysteme gegenüber herkömmlichen deutlich gesenkt werden, wobei insbesondere eine geringe Masse des Trägersystems bewirkt, daß das Werk­stück der Verschleißkontur besser folgen kann und somit die Schneidkraft geringeren Schwankungen unterliegt.

Claims (10)

1. Gattersäge zum multiplen Läpptrennen von stab- oder blockförmigen Werkstücken in Scheiben, bei welcher die Werkstücke vermittels eines Vorschubsystems gegen ein unter Zufuhr einer Läppmittelsuspension hin- und herbe­wegtes, in einen Spannrahmen eingespanntes Klingenpaket gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Vor­schubsystem das die Werkstücke aufnehmende Werkstück­trägersystem über ein oder mehrere in Vorschubrichtung schwingungsfähige Systeme mit dem die eigentliche Vor­schubbewegung ausführenden Vorschubblock verbunden ist.
2. Gattersäge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schwingungsfähige Systeme ausgewählt werden, deren Ei­genfrequenz höher liegt als die Frequenz der Hin- und Herbewegung des Klingenpaketes.
3. Gattersäge nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß als schwingungsfähige Systeme Federsysteme vorgesehen sind.
4. Gattersäge nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke jeweils paarweise auf dem Werkstückträgersystem befestigt sind.
5. Gattersäge nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegung des Werk­stückträgersystems zusätzlich eine vertikale Vibration überlagert wird.
6. Gattersäge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche vertikale Vibration eine Frequenz be­sitzt, die dem 2 bis 10-fachen der Frequenz der Hin-und Herbewegung des Klingenpaketes entspricht.
7. Gattersäge nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Vorschub­bewegung nach Maßgabe der beim Drücken der Werkstücke gegen das Klingenpaket auftretenden vertikalen Kräfte gesteuert wird.
8. Verwendung einer Gattersäge nach den Ansprüchen 1 bis 7 zum Zersägen von Siliciumblöcken in Scheiben.
9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Siliciumblöcke eine Kolumnarstruktur aus Bereichen mit kristallographi­scher Vorzugsorientierung aufweisen.
10. Verwendung nach den Ansprüchen 8 oder 9, wobei Scheiben mit einer Dicke von weniger als 350 µ m gesägt werden.
EP19880115074 1987-09-17 1988-09-15 Gattersäge zum multiplen Läpptrennen von stab- oder blockförmigen Werkstücken in Scheiben Withdrawn EP0307901A2 (de)

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JPS5822655A (ja) * 1981-07-27 1983-02-10 Kenichi Ishikawa ２方向加振系による硬脆材料の切断方法及び切断装置
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