EP4302952A1 - Verfahren zum gleichzeitigen trennen einer vielzahl von scheiben von einem werkstück mittels einer drahtsäge - Google Patents

Verfahren zum gleichzeitigen trennen einer vielzahl von scheiben von einem werkstück mittels einer drahtsäge Download PDF

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Publication number
EP4302952A1
EP4302952A1 EP22183659.6A EP22183659A EP4302952A1 EP 4302952 A1 EP4302952 A1 EP 4302952A1 EP 22183659 A EP22183659 A EP 22183659A EP 4302952 A1 EP4302952 A1 EP 4302952A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire
workpiece
saw
cutting
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22183659.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Pietsch
Alexander Rieger
Katharina Weindl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siltronic AG
Original Assignee
Siltronic AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siltronic AG filed Critical Siltronic AG
Priority to EP22183659.6A priority Critical patent/EP4302952A1/de
Priority to PCT/EP2023/066805 priority patent/WO2024008452A1/de
Publication of EP4302952A1 publication Critical patent/EP4302952A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B28D5/0076—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material for removing dust, e.g. by spraying liquids; for lubricating, cooling or cleaning tool or work
    • 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
    • B28D5/0082—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material for supporting, holding, feeding, conveying or discharging work

Definitions

  • the subject of the invention is a method for simultaneously separating a plurality of slices from a workpiece using a wire saw, comprising a cutting grinding process, wherein a workpiece is moved perpendicular to a longitudinal axis of the workpiece against a wire frame of a sawing wire stretched between two wire guide rollers and which is moved in the longitudinal direction of the sawing wire , is delivered, wherein a cooling lubricant is supplied to the wire mesh, and discs are created between wire sections of the wire mesh, which are attached to a strip and between which there are separating gaps; and that pulling the bar and the discs out of the wire mesh.
  • disks made of single-crystalline semiconductor material for structuring microelectronic components are required.
  • Such disks are obtained, for example, by cutting off a cylindrical workpiece made of single-crystalline silicon using wire saws.
  • a method and a device for wire sawing are, for example, from the DE 10 2016 211 883 A1 known.
  • saw wire is guided in a spiral around at least two wire guide rollers, so that two wire guide rollers span a wire grid made of parallel wire sections facing the workpiece.
  • the lateral surfaces of the wire guide rollers are provided with a large number of circularly closed grooves which run in planes perpendicular to the axes of the wire guide rollers and which guide the saw wire. Rotating the wire guide rollers in the same direction creates a relative movement between the wire sections and the workpiece.
  • a wire saw also has a feed device to which the workpiece is attached via a strip to which it is glued and which feeds the workpiece vertically onto the wire frame.
  • the workpiece that has been cut into slices must be pulled out of the wire mesh by reversing the direction of movement of the feed device (Ingot Retrieval).
  • Wire sawing can be differentiated between wire cutting lapping and wire cutting looping.
  • wire cutting lapping the saw wire is initially free of abrasive substances, and the cutting agent is supplied in the form of a slurry as a freely movable grain in a carrier liquid.
  • abrasive cutting agents are anchored in the surface of the saw wire and a cutting fluid is supplied which acts as a cooling lubricant and does not contain any abrasive substances.
  • Saw wire is usually made of hypereutectic pearlitic steel (piano wire).
  • Straight (smooth) saw wires plain wire, straight wire
  • structured (structured wire, crimped wire) saw wires are used.
  • the cutting agent In wire cutting lapping, the cutting agent usually consists of silicon carbide (SiC) and the carrier fluid usually consists of oil or glycol.
  • the cutting agent When cutting wire, the cutting agent usually consists of water, possibly with a wetting agent and defoamer added, and the abrasive anchored in the saw wire is usually diamonds.
  • the bar is made of a plastic composite material or sintered carbon.
  • the saw wire When wire sawing, the saw wire is removed from a first supply, usually in the form of a first coil onto which the saw wire is wound, and after consumption is fed to a second supply, usually also in the form of a second coil.
  • the First coil is called fresh wire coil and the second coil is called old wire coil.
  • Wire sawing can be done with unidirectional or bidirectional wire movement. With unidirectional wire sawing, the saw wire is moved in a longitudinal direction from the fresh wire to the old wire coil over the entire duration of the cutting process.
  • wire sawing with bidirectional wire movement the saw wire is moved during the cutting process by means of at least one pair of directional reversals, a pair of directional reversals comprising first moving the saw wire by a first length in a first wire longitudinal direction and a second moving the saw wire by a second length in a second , the first includes exactly the opposite direction.
  • wire sawing with bidirectional wire movement can include a large number of such pairs of wire direction reversals, with the first length being chosen to be greater than the second length, so that overall the wire supply shifts from the fresh wire to the old wire coil during the cutting process.
  • the latter method is referred to as wire sawing in mit mode (pilgrim mode slicing, wirereciprocating slicing).
  • Wire saws are also known in which the workpiece can be pivoted about an axis parallel to the longitudinal axis of the workpiece during the cutting process.
  • this rotational movement can be carried out in the form of a continuous sequence of a plurality of pairs of rotation changes, one pair of rotation changes being a clockwise rotation at a first angular velocity through a first angle and a subsequent counterclockwise rotation at a second angular velocity through a second angle includes.
  • First and second angular velocities and first and second angles can also vary in the course of the cutting process, for example depending on the cutting depth or depending on the current length with which the saw wire is in the workpiece.
  • Such a recurring rocking movement of the workpiece is also referred to as rocking of the workpiece.
  • a suitable device for this is described, for example US 2022/0134600 A1 .
  • This contact surface is called the main rake surface.
  • the contact surface that the saw wire occupies with the workpiece perpendicular to this direction, i.e. in the direction of the axis of the workpiece, is called the secondary cutting surface, since no forces act here as a result of the workpiece infeed and therefore no material is initially removed.
  • the sum of all current secondary cutting surfaces of a cutting gap over the entire cutting process forms the front and back of a pair of adjacent disks.
  • the main cutting surface When wire sawing without rocking, the main cutting surface extends along the entire arc length from the entry of the saw wire into the cutting gap to the exit of the saw wire from the cutting gap.
  • the main cutting surface at all times only consists of the short arc section with which the saw wire comes into contact with the curved dividing line between the workpiece and the separating gap due to the rocking.
  • Rocking improves the supply of cooling lubricant or slurry to the separating gaps, even for workpieces with large diameters.
  • the material removal rate is proportional to the pressure on the main cutting surface.
  • the material removal rate increases disproportionately with the pressure on the main cutting surface.
  • the workpiece cut into slices is pulled out of the wire frame by resetting the feed of the workpiece.
  • the saw wire is slowly moved in the longitudinal direction of the wire and cutting fluid is added in order to draw cutting fluid into the cutting gap as a cooling lubricant and to prevent friction of the saw wire in the cutting gap and jamming of individual wire sections between the opposite secondary cutting surfaces of a cutting gap.
  • the slow wire movement causes most of the slurry to drip off the saw wire before it enters the cutting gap, so that the thickness of the slurry film covering the saw wire in the separation gap is significantly smaller than the thickness of the slurry film during the previous separation process.
  • the saw wire has play in the cutting gap and does not get jammed. This promotes uniform sliding of the wire mesh through the separation gap and ultimately out of it, without the saw wire getting jammed between the secondary rake surfaces of the gap or causing material to be removed from the secondary rake surfaces.
  • the width of the cutting gap is therefore identical to the wire diameter including the diamonds embedded in the saw wire.
  • the saw wire has no play within the separation gap and therefore often jams at different cutting depths. Due to the slow longitudinal movement of the wire, additional material is immediately removed and notches form in the walls of the separating gap. Since the walls of a separation gap form the front of one pane and the back of the immediately adjacent pane, notches are created in the panes obtained after separation. Discs with notches in the surface are unsuitable for demanding applications.
  • the feed device is reset further.
  • the sawing wire is consequently deflected in the transverse direction of the wire and thereby elastically stretched in the longitudinal direction of the wire.
  • the saw wire experiences an increasing restoring force.
  • the saw wire jumps from the cutting depth at which it jammed during retrieval to a lower cutting depth where it jams again and so on (stick-and-slip movement of the saw wire).
  • the tensile force due to the longitudinal wire elongation as a result of the transverse deflection of the saw wire exceeds the material strength of the saw wire, the saw wire will break during ingot retrieval. In this case, the workpiece must be completely returned from the defective wire frame, the wire residues must be removed from the cutting gaps by hand, and the wire frame must be repaired before the next cutting process. This is time-consuming and costly.
  • the saw wire breaks during the cutting process due to overloading or material defects in the saw wire.
  • the partially separated workpiece must then be moved out of the defective wire mesh by resetting the feed device, the wire residues removed from the separation gaps, the wire mesh repaired, the wire sections re-threaded into the existing separation gaps and the workpiece up to the cutting depth at which the Wire breakage occurred must be closed again in order to be able to complete the cutting process.
  • wire cutting lapping the workpiece can be threaded and fed into the wire mesh effortlessly and without the saw wire getting caught at certain cutting depths, as the saw wire has sufficient play in the cutting gap due to the surrounding slurry film.
  • the saw wire jams when the workpiece is fed and notches are created.
  • JP 2006-66793 A describes a similar process in which a block of cut disks is sprayed laterally with a spray liquid using spray nozzles after the cutting process has been completed and removed from the wire saw for cleaning.
  • US 2011/0168212 describes a similar process for cleaning thin, easily fragile solar wafers after sawing and removing the cut workpiece from the wire saw.
  • JP2004-106360 describes a process in which, after wire cutting lapping and ingot retrieval of a workpiece, a rinsing liquid is sent through channels in the strip to clean the cutting gaps.
  • the object of the invention is to avoid stick-and-slip movements of the saw wire and their disadvantageous consequences.
  • the nozzles spray liquid onto the separation gap during extraction.
  • the surrounding air is swirled and the panes are caused to vibrate using the Bernoulli effect.
  • the nozzle strips carry out an oscillating lifting movement parallel to the workpiece axis, which is why liquid from at least one nozzle in the plane of the corresponding separating gap temporarily impinges on each separating gap. In this way, liquid gets deep into the separation gaps and the change in spray pressure caused by the oscillating movement causes a continuous, periodic fanning out of all the separation gaps while the strip and the disks are pulled out of the separation gaps.
  • the pressure at which the liquid is supplied through the nozzles is preferably selected so that the exit speed of the flushing agent corresponds to the speed at which the wire is moved relative to the workpiece.
  • the nozzles are preferably part of a spraying device, each comprising at least one nozzle strip, which are arranged on the side of the wire guide rollers of the wire mesh between the respective wire guide roller and the workpiece.
  • the nozzle strips can perform a lifting movement parallel to the workpiece axis and are preferably arranged parallel to the axes of rotation of the wire guide rollers.
  • nozzle strips are preferably aligned in such a way that each nozzle produces a partial jet of liquid that is oriented tangentially to the wire gate and in one of the planes in which the separation gaps run.
  • the amplitude of the oscillating movement with which the respective Nozzle bar is moved parallel to the longitudinal axis of the workpiece is preferably at least half the distance between two adjacent nozzles.
  • the total stroke corresponding to the double amplitude is at least the distance between two nozzles. In this way it is ensured that after a period of oscillating movement, each nozzle sweeps over all the separation gaps that are located between this nozzle and the adjacent nozzle.
  • the number of nozzles per nozzle strip is preferably 10 to 50.
  • the highest possible number of nozzles is particularly preferred.
  • the number is only limited by the dimensions of the nozzles. The required stroke of the oscillatory movement of the nozzle bar is therefore smaller and the separation gap is swept over at shorter intervals.
  • the workpiece is fed using a feed device.
  • the wire guide rollers rotate in the same direction, so that the wire sections describe a relative movement to the workpiece and material is removed when engaging the workpiece as a result of the feed movement.
  • the workpiece is completely cut and a large number of parallel cutting gaps are created between disks, which are held by the bar.
  • Pulling the strip and the disks out of the separating gaps involves resetting the feed device while moving the wire sections in the longitudinal direction of the wire in the presence of cooling lubricant.
  • the workpiece is preferably a circular cylindrical rod made of single-crystalline semiconductor material.
  • the method preferably also includes pivoting the workpiece about an axis parallel to the longitudinal axis of the workpiece during the cut-off process, wherein the workpiece performs a plurality of pairs of pivoting movements, and a pair of pivoting movements includes a first pivoting about a first angle at a first angular speed and a subsequent second pivoting through a second angle with a second angular velocity.
  • the first and second angular velocities and the first and second Angles of two pairs of consecutive pairs of pivoting movements are preferably different.
  • the sawing wire is preferably a hypereutectic pearlitic steel wire (piano wire), on the surface of which cutting means are fixed.
  • the cutting means are preferably diamonds.
  • Moving the saw wire in the longitudinal direction during the cutting process can take place without or with reversal of direction.
  • the saw wire is moved by means of a plurality of vocational steps, each vocational step being a first movement of the wire in a first longitudinal direction by a first length and a second movement of the saw wire in a second direction exactly opposite to the first longitudinal direction of the wire Longitudinal direction includes a second length and the first length is greater than the second length.
  • the cooling lubricant and the liquid preferably consist of water, which optionally contains a liquid additive. Both can be identical or have different compositions.
  • the liquid additive is preferably a wetting agent, an anti-corrosion agent, an agent influencing the viscosity, for example glycol and/or methyl cellulose, a defoaming agent or any mixture of these agents.
  • the procedure according to the invention is preferably also used to react appropriately to an interruption of the cutting process, in particular as a result of a crack in the saw wire. It avoids that when the workpiece is pulled out after the wire breaks and when the workpiece is returned to the position before the wire breaks, wire sections get caught and grooves or elastic deformations impair the quality of the discs.
  • Interrupting the cutting process occurs while continuing to move the saw wire in the longitudinal direction and includes pulling the workpiece out of the cutting gaps, returning the workpiece to the cutting gap and continuing the cutting process. While the workpiece is being returned, liquid flows through the nozzles into the separation gap sprayed and the nozzle bars are moved parallel to the longitudinal axis of the workpiece.
  • the movement of the saw wire in the longitudinal direction during the cut-off process takes place at a speed that is at least ten times faster than the speed of movement of the saw wire in the longitudinal direction when pulling out and returning the workpiece in the course of interrupting the cut-off process.
  • wire guide rollers have the shape of straight circular cylinders with axes of rotation 7 and 8 that are aligned parallel to one another and around which they can be rotated in directions 11.
  • the lateral surfaces of the wire guide rollers are provided with a large number of circularly closed grooves 23 which run in planes perpendicular to the axes of rotation 7 and 8 and which guide the saw wire 4. Rotating in the same direction Wire guide rollers create a relative movement between wire sections and the workpiece.
  • Fresh saw wire is removed from a first wire supply, the so-called fresh wire spool (direction 9), and used saw wire is fed to a second wire supply, the so-called old wire spool (direction 10).
  • the wire saw also has a delivery device to which the workpiece 1 is attached by gluing 25 to a bar 2 and which delivers the workpiece vertically onto the wire frame (direction 3).
  • the relative movement and the presence of an abrasive cutting agent produce material removal from the workpiece when the workpiece and the wire mesh come into contact.
  • each wire section of the wire mesh 24 forms a separation gap 22 by means of continued material removal from the workpiece.
  • the side walls of a separation gap 22 each delimit the back of one and the front of a second disk 34 of a pair of immediately adjacent disks.
  • the cutting means are diamonds 33, which are firmly embedded in the surface of the wire 1.
  • a cooling lubricant 15 which itself does not contain any abrasive cutting agents (hard materials)
  • the cutting process is finished when the entire wire mesh has worked its way completely through the workpiece and has come to rest in the bar 2.
  • the discs 34 of the completely separated workpiece then hang like the teeth of a comb, only connected to the strip 2 by the adhesive joint 25, on the half-cut strip.
  • the wire saw shown is provided with a left nozzle bar 16 and a right nozzle bar 17.
  • the nozzle strips 16, 17 carry a plurality of nozzles 20 which spray a liquid 21 onto the separating gap 22 of the workpiece 1.
  • the axes 18 and 19 of the nozzle strips are arranged parallel to one another and parallel to the axes of rotation 7 and 8 of the wire guide rollers 5 and 6 spanning the wire gate 24 and perpendicular to the separating gaps 22 of the workpiece 1 or parallel to the longitudinal axis 26 of the workpiece 1.
  • the nozzle strips carry out oscillating movements 27 and 28 in the directions of their axes 18 and 19. As a result of this periodic displacement, the jets of liquid 21, which leave the individual nozzles 20, sweep over the separating gap 22 of the workpiece 1 at periodic intervals.
  • Fig. 1 shows the nozzle strip 16 to the left of workpiece 1, i.e. on the fresh wire input side, and nozzle strip 17 to the right of workpiece 1, i.e. on the old wire output side, and both, seen from the direction of the feed device, below the wire gate 24. Deviating from this, the nozzle strips can also be above the wire gate 24 be arranged.
  • the method according to the invention can also be carried out with a wire saw, in which the workpiece can be pivoted about an axis parallel to the longitudinal axis of the workpiece during the cutting process. With this rocking, only a portion of the entire wire section running within a separation gap comes into material-removing contact with the workpiece at any given time. Viewed in the longitudinal direction of the wire, gaps are formed between the saw wire and the workpiece in front of and behind this instantaneous contact surface, extending in the direction of the workpiece infeed. If the nozzle strips are arranged above the wire grid, the liquid can get particularly easily between the saw wire and the workpiece.
  • the nozzle strips are arranged below the wire grid, hardly any liquid can get between the saw wire and the workpiece despite rocking.
  • the separated parts of the workpiece that protrude under the wire mesh - the later disks - are particularly well stimulated to oscillate by the Bernoulli effect of the jet of liquid and thus periodically increase and decrease the cutting gap width.
  • Fig. 2 (A) and (B) shows details of a spray device comprising the nozzle strips 16 and 17 in a top view (viewed from the direction of the delivery device) onto the left nozzle strip 16 and a part of the workpiece 1 with the separating gaps 22 and the longitudinal axis 26 of the workpiece.
  • Fig. 2 (A) shows the nozzle bar 16 with axis 18 parallel to the longitudinal axis 26 of the workpiece at the beginning of the oscillating movement 27 parallel to the axis 18.
  • nozzles 31 part of whose jet of liquid 21 runs exactly in the plane of a separating gap 22, whereby liquid 21 is pressed deep into the separating gap 22.
  • the pair of adjacent disks 34 which the separation gap 22 separates, are elastically pushed away from the separation gap in directions of movement 29, as a result of which the separation gap expands into an expanded separation gap 30 expands elastically.
  • nozzles 32 no part of whose jet of liquid 21 runs within the plane of a separation gap 22, and which therefore do not expand any separation gap elastically.
  • the jets of liquid 21 entrain air 35 from the environment by means of momentum exchange (entrainment).
  • the left nozzle bar 16 When the left nozzle bar 16 has carried out the oscillating movement 27 in the direction of the axis 18, it reaches the in Fig. 2 (B) shown position of the other end of their oscillating movement.
  • the nozzles 31, some of whose jets press liquid into a separation gap and thus widen it, are now in a different position and expand different separation gaps than those in the arrangement Fig. 2 (A) .
  • the amplitude of the oscillating movement 27 is at least the value of the distance between two adjacent nozzles.
  • the jets of liquid 21 (liquid incompressible) and the air 35 (air/gas compressible) entrained by the jets sweep over disks 34 and separating gaps 22. Since they flow around disks and separating gaps in different planes during the oscillating movement, the disks 34 are stimulated to oscillate by the dynamic changes in air pressure of the air entrained by the jets (Bernoulli effect). In other words, elastic deflections of the disks and periodically widening and tapering separation gaps are stimulated.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben (34) von einem Werkstück (1) mittels einer Drahtsäge, umfassendeinen Trennschleifvorgang, wobei ein Werkstück (1) senkrecht zu einer Längsachse (26) des Werkstücks gegen ein zwischen zwei Drahtführungsrollen (5, 6) gespanntes Drahtgatter (24) eines Sägedrahts (4), der in Längsrichtung des Sägedrahts bewegt wird, zugestellt wird, wobei ein Kühlschmiermittel dem Drahtgatter (24) zugeführt wird, und wobei zwischen Drahtabschnitten des Drahtgatters (24) Scheiben (34) entstehen, die an einer Leiste (2) befestigt sind und zwischen denen Trennspalte (22) bestehen, unddas Herausziehen der Leiste (2) und der Scheiben (34) aus dem Drahtgatter (24), wobei während des Herausziehens der Leiste (2) und der Scheiben (34) das Besprühen der Trennspalte (22) mit einer Flüssigkeit (21) mittels einer Sprühvorrichtung, bis die Drahtabschnitte die Trennspalte (22) verlassen haben, wobei die Flüssigkeit (21) unter hohem Druck durch Düsen (14) zugeführt wird, die an Düsenleisten (16, 17) befestigt sind, die parallel zur Längsachse (26) des Werkstücks (1) oszillierend bewegt werden, wobei die Flüssigkeit (21) und mitgerissene Luft (35) die Scheiben (34) zeitweilig zum Schwingen anregen.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück mittels einer Drahtsäge, umfassend einen Trennschleifvorgang, wobei ein Werkstück senkrecht zu einer Längsachse des Werkstücks gegen ein zwischen zwei Drahtführungsrollen gespanntes Drahtgatter eines Sägedrahts, der in Längsrichtung des Sägedrahts bewegt wird, zugestellt wird, wobei ein Kühlschmiermittel dem Drahtgatter zugeführt wird, und wobei zwischen Drahtabschnitten des Drahtgatters Scheiben entstehen, die an einer Leiste befestigt sind und zwischen denen Trennspalte bestehen; und das
    das Herausziehen der Leiste und der Scheiben aus dem Drahtgatter.
  • Für eine Vielzahl von Anwendungen werden gleichförmige Scheiben mit guter Planparallelität ihrer Vorder- und Rückseiten benötigt, die arm sind an kristallinen und strukturellen Defekten. Ein Beispiel sind Scheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial zum Strukturieren mikroelektronischer Bauelemente. Derartige Scheiben werden beispielsweise durch Abtrennen von einem zylindrischen Werkstück aus einkristallinem Silicium mittels Drahtsägen erhalten.
    • Stand der Technik / Probleme
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drahtsägen sind beispielsweise aus der DE 10 2016 211 883 A1 bekannt. Beim Drahtsägen wird Sägedraht spiralförmig um mindestens zwei Drahtführungsrollen herumgeführt, so dass zwei Drahtführungsrollen ein dem Werkstück zugewandtes Drahtgatter aus parallel zueinander verlaufenden Drahtabschnitten aufspannen. Die Mantelflächen der Drahtführungsrollen sind mit einer Vielzahl kreisförmig geschlossener und in Ebenen senkrecht zu den Achsen der Drahtführungsrollen verlaufender Rillen versehen, die den Sägedraht führen. Gleichsinniges Drehen der Drahtführungsrollen erzeugt eine Relativbewegung zwischen den Drahtabschnitten und dem Werkstück. Eine Drahtsäge weist ferner eine Zustellvorrichtung auf, an der das Werkstück über eine Leiste, an die es geklebt ist, befestigt ist und die das Werkstück senkrecht auf das Drahtgatter zustellt. Die Relativbewegung und die Anwesenheit eines abrasiv wirkenden Schneidmittels erzeugen bei Kontakt von Werkstück und Drahtgatter einen Materialabtrag vom Werkstück. Bei fortgesetztem Zustellen bilden die Drahtabschnitte Trennspalte im Werkstück aus, und das Drahtgatter arbeitet sich langsam durch das gesamte Werkstück hindurch, bis das Drahtgatter vollständig innerhalb der Sägeleiste zu liegen kommt. Das Werkstück ist dann vollständig in Scheiben aufgetrennt, die wie Zinken eines Kamms, nur durch die Klebefuge gehalten, an der Leiste hängen.
  • Nach Beenden des Trennvorgangs muss das in Scheiben aufgetrennte Werkstück durch Umkehrung der Bewegungsrichtung der Zustellvorrichtung aus dem Drahtgatter herausgezogen werden (Ingot Retrieval).
  • Drahtsägen kann nach Drahttrennläppen und Drahttrennschleifen unterschieden werden. Beim Drahttrennläppen ist der Sägedraht zunächst frei von abrasiv wirkenden Stoffen, und das Schneidmittel wird in Form einer Aufschlämmung (Slurry) als frei bewegliches Korn in einer Trägerflüssigkeit zugeführt. Beim Drahttrennschleifen sind in der Oberfläche des Sägedrahts abrasiv wirkende Schneidmittel verankert und es wird eine Schneidflüssigkeit zugeführt, die als Kühlschmiermittel (cooling fluid) wirkt und keine abrasiv wirkenden Stoffe enthält.
  • Sägedraht besteht meist aus hypereutektischem perlitischem Stahl (Pianodraht). Es kommen gerade (glatte) Sägedrähte (plain wire, straight wire) und strukturierte (structured wire, crimped wire) Sägedrähte zum Einsatz.
  • Beim Drahttrennläppen besteht das Schneidmittel meist aus Siliciumcarbid (SiC) und die Trägerflüssigkeit meist aus Öl oder Glycol. Beim Drahttrennschleifen besteht das Schneidmittel meist aus Wasser, ggf. mit einem Netzmittel- und Entschäumer-Zusatz, und das im Sägedraht verankerte Schleifmittel sind in der Regel Diamanten. Die Leiste besteht aus einem Kunststoff-Verbundmaterial oder aus gesinterter Kohle.
  • Beim Drahtsägen wird der Sägedraht einem ersten Vorrat, meist in Form einer ersten Spule, auf die der Sägedraht aufgewickelt ist, entnommen, und nach Verbrauch einem zweiten Vorrat zugeführt, meist ebenfalls in Form einer zweiten Spule. Die erste Spule wird als Frischdraht-Spule und die zweite Spule als Altdraht-Spule bezeichnet. Drahtsägen kann mit unidirektionaler oder bidirektionaler Drahtbewegung erfolgen. Beim unidirektionalen Drahtsägen wird der Sägedraht über die gesamte Dauer des Trennvorgangs in einer Drahtlängsrichtung von der Frischdraht- zur Altdrahtspule bewegt. Beim Drahtsägen mit bidirektionaler Drahtbewegung wird der Sägedraht während des Abtrennvorgangs mittels mindestens eines Paares von Richtungsumkehrungen bewegt, wobei ein Paar an Richtungsumkehrungen ein erstes Bewegen des Sägedrahts um eine erste Länge in eine erste Drahtlängsrichtung und ein zweites Bewegen des Sägedrahts um eine zweite Länge in eine zweite, der ersten genau entgegengesetzten Richtung umfasst. Insbesondere kann das Drahtsägen mit bidirektionaler Drahtbewegung eine Vielzahl derartiger Paare von Drahtrichtungsumkehrungen umfassen, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge gewählt wird, so dass sich insgesamt der Drahtvorrat während des Trennvorgangs von der Frischdraht- zur Altdrahtspule hin verlagert. Das letztgenannte Verfahren wird als Drahtsägen im Pilgerschritt (pilgrim mode slicing, wirereciprocating slicing) bezeichnet.
  • Es sind auch Drahtsägen bekannt, bei denen während des Trennvorgangs das Werkstück um eine Achse parallel zur Längsachse des Werkstücks geschwenkt werden kann. Insbesondere kann diese Rotationsbewegung in Form einer fortwährenden Abfolge aus einer Vielzahl von Paaren an Rotationswechseln durchgeführt werden, wobei ein Paar eines Rotationswechsels ein Rotieren im Uhrzeigersinn mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit um einen ersten Winkel und ein nachfolgendes Rotieren im Gegenuhrzeigersinn mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit um einen zweiten Winkel umfasst. Dabei können erste und zweite Winkelgeschwindigkeiten und erste und zweite Winkel im Verlauf des Trennvorgangs auch variieren, bspw. in Abhängigkeit von der Schnitttiefe oder in Abhängigkeit von der momentanen Länge, mit der sich der Sägedraht im Werkstück befindet. Eine solche wiederkehrende Schaukelbewegung des Werkstücks wird auch als Rocking des Werkstücks bezeichnet. Eine dafür geeignete Vorrichtung beschreibt beispielsweise die US 2022/0134600 A1 .
  • Während des Trennvorgangs wird Material hauptsächlich entlang der Kontaktfläche, entlang derer sich der Sägedraht mit dem Werkstück in Material abtragender Berührung befindet und die sich entgegengesetzt zur Richtung der Werkstückzustellung erstreckt, abgetragen. Diese Kontaktfläche wird als Hauptspanfläche bezeichnet. Die Kontaktfläche, die der Sägedraht mit dem Werkstück senkrecht zu dieser Richtung, also in Richtung der Achse des Werkstücks, einnimmt, wird als Nebenspanfläche bezeichnet, da hier keine Kräfte infolge der Werkstückzustellung wirken und somit zunächst kein Material abgetragen wird. Die Summe aller momentanen Nebenspanflächen eines Trennspalt über den gesamten Trennvorgang bilden Vorder- und Rückseite eines Paares benachbarter Scheiben.
  • Beim Drahtsägen ohne Rocking erstreckt sich die Hauptspanfläche entlang der gesamten Bogenlänge vom Eintritt des Sägedrahts in den Trennspalt bis zum Austritt des Sägedrahts aus dem Trennspalt. Beim Drahtsägen mit Rocking besteht zu jeder Zeit die Hauptspanfläche nur aus dem kurzen Bogenabschnitt, mit dem der Sägedraht Kontakt mit der aufgrund des Rockings gekrümmten Trennlinie zwischen Werkstück und Trennspalt hat. Rocking verbessert die Versorgung der Trennspalte mit Kühlschmiermittel oder Slurry auch bei Werkstücken mit großen Durchmessern.
  • Beim Trennläppen ist die Materialabtragsrate proportional zum Druck auf die Hauptspanfläche. Beim Trennschleifen steigt die Materialabtragsrate überproportional mit dem Druck auf die Hauptspanfläche. Mit Hilfe des Rockings kann also schneller trenngeschliffen (aber nicht schneller trenngeläppt) werden als ohne Rocking.
  • Das Herausziehen des in Scheiben zertrennten Werkstücks aus dem Drahtgatter erfolgt beim Drahtsägen durch Rückstellen der Zustellung des Werkstücks. Dabei wird der Sägedraht langsam in Drahtlängsrichtung bewegt und Schneidflüssigkeit zugegeben, um Schneidflüssigkeit als Kühlschmierung in die Trennspalte zu ziehen und dort die Reibung des Sägedrahts in den Trennspalten und ein Verklemmen einzelner Drahtabschnitte zwischen den gegenüberliegenden Nebenspanflächen eines Trennspalts zu verhindern. Beim Ingot Retrieval nach Drahttrennläppen tropft durch die langsame Drahtbewegung das meiste Slurry vom Sägedraht ab, bevor dieser in die Trennspalte eintritt, so dass die Dicke des Slurryfilms, der den Sägedraht im Trennspalt umgibt, wesentlich geringer ist als die Dicke des Slurryfilms während des vorangegangenen Trennvorgangs. Der Sägedraht hat beim Ingot Retrieval nach Drahttrennläppen somit Spiel im Trennspalt und verklemmt nicht. Das begünstigt ein gleichförmiges Gleiten des Drahtgatters durch die Trennspalte und schließlich aus diesen heraus, ohne dass der Sägedraht zwischen den Nebenspanflächen des Spalts verklemmt oder einen Materialabtrag von den Nebenspanflächen verursacht.
  • Beim Drahttrennschleifen umgibt keine Aufschlämmung von Schneidmittel den Sägedraht. Die Breite der Trennspalte ist somit identisch mit dem Drahtdurchmesser einschließlich der in den Sägedraht eingebundenen Diamanten. Während des Ingot Retrievals hat der Sägedraht somit kein Spiel innerhalb der Trennspalte und verklemmt daher häufig bei verschiedenen Schnitttiefen. Durch die langsame Drahtlängsbewegung erfolgt dort sofort ein zusätzlicher Materialabtrag und es bilden sich Kerben in den Wänden der Trennspalte. Da die Wände eines Trennspalts die Vorderseite einer und die Rückseite der unmittelbar benachbarten Scheibe bilden, entstehen so Kerben in den nach Vereinzeln erhaltenen Scheiben. Scheiben mit Kerben in der Oberfläche sind für anspruchsvolle Anwendungen ungeeignet.
  • Während des Hängenbleibens des Sägedrahts bei einer Schnitttiefe während des Ingot Retrievals nach Drahttrennschleifen wird die Zustellvorrichtung weiter zurückgestellt. Der Sägedraht wird folglich in Drahtquerrichtung ausgelenkt und dadurch in Drahtlängsrichtung elastisch gedehnt. Der Sägedraht erfährt dadurch eine steigende Rückstellkraft. Wenn diese ausreichend angewachsen ist, springt der Sägedraht von der Schnitttiefe, bei der er während des Retrievals verklemmte, zu einer geringeren Schnitttiefe, wo er wieder verklemmt und so weiter (Stick-and-slip-Bewegung des Sägedrahts). Wenn die Zugkraft aufgrund der Drahtlängsdehnung infolge der Querauslenkung des Sägedrahts die Materialfestigkeit des Sägedrahts überschreitet, reißt der Sägedraht während des Ingot Retrievals. In diesem Fall muss das Werkstück vollständig aus dem defekten Drahtgatter rückgestellt werden, die Drahtreste von Hand aus den Trennspalten entfernt werden, und das Drahtgatter vor dem nächsten Trennvorgang wieder repariert werden. Das ist zeitaufwendig und kostenintensiv.
  • Gelegentlich reißt der Sägedraht während des Trennvorgangs aufgrund Überlastung oder Materialfehlern im Sägedraht. Das teilweise aufgetrennte Werkstück muss dann durch Rückstellen der Zustell-Vorrichtung aus dem defekten Drahtgatter herausgefahren, die Drahtreste aus den Trennspalten entfernt, das Drahtgatter repariert, die Drahtabschnitte in die bereits vorhandenen Trennspalte wieder eingefädelt werden und das Werkstück bis zu der Schnitttiefe, bei der der Drahtriss auftrat, wieder zugestellt werden, um den Trennvorgang beenden zu können. Beim Drahttrennläppen gelingen Einfädeln und Zustellen des Werkstücks im Drahtgatter mühelos und ohne Hängenblieben des Sägedrahts bei bestimmten Schnitttiefen, da der Sägedraht aufgrund des umgebenden Slurryfilms ausreichend Spiel im Trennspalt hat. Beim Drahttrennschleifen, bei dem der Sägedraht keine Bewegungsfreiheit hat, verklemmt der Sägedraht beim Zustellen des Werkstücks, und es werden Kerben erzeugt.
  • Selbst wenn der mit Diamanten besetzte Sägedraht bei der Zustellung des Werkstücks nach Drahtriss oder beim Rückstellen der Zustellung während eines Ingot Retrievals nicht erkennbar verhakt, führt der Mangel an Bewegungsfreiheit doch in jedem Fall zu einem zusätzlichen Materialabtrag von den den Spalt begrenzenden Seitenwänden und somit zu einer Schädigung der Vorder- und Rückseiten der betreffenden Scheiben. Eine solche Schädigung verursacht Materialspannungen in der geschädigten Oberfläche, die, wenn sich scheibenvorder- und -rückseitige Spannung nicht genau ausgleichen (was in der Regel nicht der Fall ist), die Scheibe elastisch verformen. Diese elastische Verformung durch Oberflächenschädigung ist der plastischen Verformung überlagert, und die plastische Verformung kann nicht isoliert durch Bestimmen der Scheibenform mittels Messung nach dem Drahtsägen bestimmt und somit auch nicht durch geeignete Maßnahmen gezielt beseitigt werden. Letzteres ist erforderlich, denn die elastische Verformung verschwindet, wenn in der Material abtragenden Folgebearbeitung die geschädigten Schichten entfernt werden, während die plastische Verformung verbleibt, wenn sie nicht durch gezielten Materialabtrag beseitigt wird.
  • US 2009/0223539 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Reinigen von Scheiben für Solaranwendungen, die nach Abschluss des Trennvorgangs und Entfernen aus der Drahtsäge, noch mit ihrer Klebefuge an der Sägeleiste (Opferleiste) hängend, in ein Reinigungsbad eingetaucht werden. Die Trennfugen werden von mehreren separaten Sprühdüsen mit Spülflüssigkeit beaufschlagt. Dort, wo Spülflüssigkeit eingesprüht wird, weitet sich der Trennspalt im Wasserbad auf, so dass sich die Reinigungswirkung verstärkt. Durch Bewegen der Düsen relativ zum Werkstück können nacheinander alle Trennspalte aufgeweitet und so sukzessive gereinigt werden. Das beschriebene Verfahren leistet keinen Beitrag zur Vermeidung der Folgen einer Stick-and-Slip-Bewegung des Sägedrahts beim Ingot Retrieval.
  • JP 2006-66793 A beschreibt ein ähnliches Verfahren, bei dem ein Block aufgetrennter Scheiben nach Abschluss des Trennvorgangs und Ausbau aus der Drahtsäge zwecks Reinigung seitlich mittels Sprühdüsen mit einer Spühflüssigkeit besprüht wird.
  • US 2011/0168212 beschreibt ein ähnliches Verfahren zur Reinigung dünner, leicht zerbrechlicher Solarwafer nach Sägen und Ausbau des zertrennten Werkstücks aus der Drahtsäge.
  • JP2004-106360 beschreibt ein Verfahren, bei dem nach Drahttrennläppen und Ingot Retrieval eines Werkstücks eine Spülflüssigkeit durch in der Leiste vorhandene Kanäle zum Reinigen der Trennspalte geschickt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Stick-and-slip-Bewegungen des Sägedrahts und deren nachteilige Folgen zu vermeiden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück mittels einer Drahtsäge, umfassend
    • einen Trennschleifvorgang, wobei ein Werkstück senkrecht zu einer Längsachse des Werkstücks gegen ein zwischen zwei Drahtführungsrollen gespanntes Drahtgatter eines Sägedrahts, der in Längsrichtung des Sägedrahts bewegt wird, zugestellt wird, wobei ein Kühlschmiermittel dem Drahtgatter zugeführt wird, und wobei zwischen Drahtabschnitten des Drahtgatters Scheiben entstehen, die an einer Leiste befestigt sind und zwischen denen Trennspalte bestehen, und
    • das Herausziehen der Leiste und der Scheiben aus dem Drahtgatter; gekennzeichnet durch während des Herausziehens der Leiste und der Scheiben das Besprühen der Trennspalte mit einer Flüssigkeit mittels einer Sprühvorrichtung, bis die Drahtabschnitte die Trennspalte verlassen haben, wobei die Flüssigkeit unter hohem Druck durch Düsen zugeführt wird, die an Düsenleisten befestigt sind, die parallel zur Längsachse des Werkstücks oszillierend bewegt werden, wobei die Flüssigkeit und mitgerissene Luft die Scheiben zeitweilig zum Schwingen anregen.
  • Die Düsen sprühen während des Herausziehens Flüssigkeit auf die Trennspalte. Dabei wird umgebende Luft verwirbelt und die Scheiben mittels Bernoulli-Effekt in Vibration versetzt. Die Düsenleisten führen eine oszillierende Hubbewegung parallel zur Werkstückachse aus, weshalb auf jeden Trennspalt zeitweilig Flüssigkeit aus mindestens einer Düse in der Ebene des entsprechenden Trennspalts auftrifft. Auf diese Weise gelangt Flüssigkeit tief in die Trennspalte und der durch die oszillierende Bewegung bedingte Wechsel des Sprühdrucks bewirkt ein fortwährendes periodisches Auffächern nach und nach aller Trennspalte während des Herausziehens der Leiste und der Scheiben aus den Trennspalten.
  • Der Druck, mit dem die Flüssigkeit durch die Düsen zugeführt wird, wird vorzugsweise so gewählt, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Spülmittels der Geschwindigkeit entspricht, mit der der Draht relativ zum Werkstück bewegt wird.
  • Die Düsen sind vorzugsweise Bestandteil einer Sprühvorrichtung umfassend mindestens jeweils eine Düsenleiste, die seitlich der Drahtführungsrollen des Drahtgatters zwischen der jeweiligen Drahtführungsrolle und dem Werkstück angeordnet sind. Die Düsenleisten können eine Hubbewegung parallel zur Werkstückachse vollführen und sind vorzugsweise parallel zu Drehachsen der Drahtführungsrollen angeordnet.
  • Besonders bevorzugt sind genau zwei Düsenleisten, von denen in Richtung der Werkstückachse betrachtet eine Frischdraht-eingangsseitig und eine Altdraht-ausgangsseitig seitlich des Werkstücks angeordnet sind. Die Düsen sind bevorzugt so ausgerichtet, dass jede Düse einen Teilstrahl an Flüssigkeit erzeugt, der tangential zum Drahtgatter und in einer der Ebenen, in denen die Trennspalte verlaufen, ausgerichtet ist. Die Amplitude der oszillierenden Bewegung, mit dem die jeweilige Düsenleiste parallel zur Längsachse des Werkstücks bewegt wird, beträgt vorzugsweise mindestens die Hälfte des Abstands zweier benachbarter Düsen. Der gesamte, der Doppelamplitude entsprechende Hub beträgt also mindestens den Abstand zweier Düsen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass nach einer Periode der oszillierenden Bewegung jede Düse alle Trennspalte, die sich zwischen dieser Düse und der benachbarten Düse befinden, überstreicht.
  • Die Anzahl der Düsen je Düsenleiste beträgt vorzugsweise 10 bis 50. Eine möglichst hohe Düsenzahl ist besonders bevorzugt. Die Anzahl ist nach oben hin nur durch die Abmessungen der Düsen begrenzt. Der erforderliche Hub der Oszillationsbewegung der Düsenleiste wird dadurch geringer und das Überstreichen der Trennspalte erfolgt in kürzeren Intervallen.
  • Beim Trennschleifvorgang wird das Werkstück mittels einer Zustellvorrichtung zugestellt. Die Drahtführungsrollen drehen sich gleichsinnig, so dass die Drahtabschnitte eine Relativbewegung zum Werkstück beschreiben und beim Eingreifen ins Werkstück in Folge der Zustellbewegung ein Materialabtrag erfolgt. Am Ende des Trennschleifvorgangs ist das Werkstück vollständig zertrennt und eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender Trennspalte zwischen Scheiben entstanden, die von der Leiste gehalten werden.
  • Das Herausziehen der Leiste und der Scheiben aus den Trennspalten umfasst das Rückstellen der Zustellvorrichtung unter Bewegung der Drahtabschnitte in Drahtlängsrichtung in Anwesenheit von Kühlschmiermittel.
  • Das Werkstück ist vorzugsweise ein kreiszylindrischer Stab aus einkristallinem Halbleitermaterial.
  • Das Verfahren umfasst vorzugsweise auch das Schwenken des Werkstücks um eine Achse parallel zur Längsachse der Werkstücks während des Trennschleifvorgangs, wobei das Werkstück eine Vielzahl von Paaren von Schwenkbewegungen ausführt, und ein Paar von Schwenkbewegungen ein erstes Schwenken um einen ersten Winkel mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit und ein nachfolgendes zweites Schwenken um einen zweiten Winkel mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit umfasst. Die ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeiten und die ersten und zweiten Winkel zweier Paare von aufeinanderfolgenden Paaren von Schwenkbewegungen sind vorzugsweise unterschiedlich.
  • Der Sägedraht ist vorzugsweise ein hypereutektischer perlitischer Stahldraht (Pianodraht), auf dessen Oberfläche Schneidmittel fixiert sind. Die Schneidmittel sind vorzugsweise Diamanten.
  • Das Bewegen des Sägedrahts in Längsrichtung während des Trennschleifvorgangs kann ohne oder mit Richtungsumkehr erfolgen. Beim Bewegen des Sägedrahts in Längsrichtung mit Richtungsumkehr wird der Sägedraht mittels einer Vielzahl von Pilgerschritten bewegt, wobei ein Pilgerschritt jeweils ein erstes Bewegen des Drahts in eine erste Längsrichtung um eine erste Länge und ein zweites Bewegen des Sägedrahts in eine zweite, der ersten Drahtlängsrichtung genau entgegengesetzte Längsrichtung um eine zweite Länge umfasst und die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
  • Das Kühlschmiermittel und die Flüssigkeit bestehen vorzugsweise aus Wasser, das gegebenenfalls einen flüssigen Zusatz enthält. Beide können identisch oder unterschiedlich zusammengesetzt sein. Der flüssige Zusatz ist vorzugsweise ein Netzmittel, ein Korrosionsschutzmittel, ein die Viskosität beeinflussendes Mittel, beispielsweise Glykol und/oder Methylcellulose, ein Entschäumungsmittel oder eine beliebige Mischung dieser Mittel.
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird vorzugsweise auch genutzt, um angemessen auf eine Unterbrechung des Trennschleifvorgangs zu reagieren, insbesondere in Folge eines Risses des Sägedrahts. Sie vermeidet, dass beim Herausziehen des Werkstücks nach dem Drahtriss und beim Zurückversetzen des Werkstücks in die Position vor dem Drahtriss Drahtabschnitte hängen bleiben und Riefen oder elastische Verformungen die Qualität der Scheiben beeinträchtigen.
  • Das Unterbrechen des Trennschleifvorgangs geschieht unter Fortführen des Bewegens des Sägedrahts in Längsrichtung und umfasst das Herausziehen des Werkstücks aus den Trennspalten, das Zurückführen des Werkstücks in die Trennspalte und das Fortsetzen des Trennschleifvorgangs. Während des Zurückführens des Werkstücks wird Flüssigkeit durch die Düsen in die Trennspalte gesprüht und die Düsenleisten werden parallel zur Längsachse des Werkstücks bewegt.
  • Vorzugsweise erfolgt das Bewegen des Sägedrahts in Längsrichtung während des Trennschleifvorgangs mit einer Geschwindigkeit, die mindestens zehnmal schneller ist, als die Geschwindigkeit der Bewegung des Sägedrahts in Längsrichtung beim Herausziehen und Zurückführen des Werkstücks im Zuge der Unterbrechung des Trennschleifvorgangs.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Drahtsäge vorgestellt.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
    • Fig. 1 zeigt Merkmale der Drahtsäge und des Werkstücks, die zum Verständnis der Erfindung beitragen.
    • Fig. 2 (A) und (B) zeigen Einzelheiten einer Sprühvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
    Liste der verwendeten Bezugszeichen
    • 1
    Werkstück
    2
    Leiste
    3
    Richtung der Zustellung
    4
    Sägedraht
    5
    linke Drahtführungsrolle
    6
    rechte Drahtführungsrolle
    7
    Drehachse
    8
    Drehachse
    9
    Richtung der Drahtzufuhr
    10
    Richtung der Drahtabfuhr
    11
    Richtung der Drehung der Drahtführungsrolle
    12
    Leiste
    13
    Leiste
    14
    Düse
    15
    Kühlschmiermittels
    16
    linke Düsenleiste
    17
    rechte Düsenleiste
    18
    Achse der linken Düsenleiste
    19
    Achse der rechten Düsenleiste
    20
    Düse
    21
    Flüssigkeit
    22
    Trennspalt
    23
    Rille
    24
    Drahtgatter
    25
    Klebefuge
    26
    Längsachse des Werkstücks
    27
    oszillierende Bewegung
    28
    oszillierende Bewegung
    29
    Bewegungsrichtung
    30
    aufgeweiteter Trennspalt
    31
    Düse
    32
    Düse
    33
    Diamanten
    34
    Scheibe
    35
    mitgerissene Luft
    Detaillierte Beschreibung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, wird beim Drahtsägen Sägedraht 4 derart spiralförmig um mindestens zwei Drahtführungsrollen herumgeführt, dass zwei Drahtführungsrollen 5 und 6 ein dem Werkstück 1 zugewandtes Drahtgatter 24 aus parallel zueinander verlaufenden Drahtabschnitten aufspannen. Die Drahtführungsrollen weisen die Form gerader Kreiszylinder auf mit Drehachsen 7 und 8, die parallel zueinander ausgerichtet sind und um die sie in Richtungen 11 gedreht werden können. Die Mantelflächen der Drahtführungsrollen sind mit einer Vielzahl kreisförmig geschlossener und in Ebenen senkrecht zu den Drehachsen 7 und 8 verlaufender Rillen 23 versehen, die den Sägedraht 4 führen. Gleichsinniges Drehen der Drahtführungsrollen erzeugt eine Relativbewegung zwischen Drahtabschnitten und Werkstück. Dabei wird frischer Sägedraht aus einem ersten Drahtvorrat, der sogenannten Frischdrahtspule, entnommen (Richtung 9) und verbrauchter Sägedraht einem zweiten Drahtvorrat, der sogenannten Altdrahtspule, zugeführt (Richtung 10). Die Drahtsäge weist ferner eine Zustellvorrichtung auf, an der das Werkstück 1 durch Verklebung 25 mit einer Leiste 2 befestigt ist und die das Werkstück senkrecht auf das Drahtgatter zustellt (Richtung 3). Die Relativbewegung und die Anwesenheit eines abrasiv wirkenden Schneidmittels erzeugen bei Kontakt von Werkstück und Drahtgatter einen Materialabtrag vom Werkstück. Durch fortgesetzte Zustellung, Relativbewegung und Zufuhr von Schneidmittel bildet jeder Drahtabschnitt des Drahtgatters 24 mittels fortgesetzten Materialabtrags vom Werkstück einen Trennspalt 22 aus. Die Seitenwände eines Trennspalts 22 begrenzen jeweils die Rückseite einer und die Vorderseite einer zweiten Scheibe 34 eines Paares unmittelbar benachbarter Scheiben.
  • Das Schneidmittel sind Diamanten 33, die in der Oberfläche des Drahts 1 fest eingebunden sind. Während des Trennschleifvorgangs wird dem Drahtgatter 24 über zwei Leisten 12, 13 links und rechts des Werkstücks, die mit Düsen 14 versehen sind, ein Kühlschmiermittel 15 zugegeben, das selbst keine abrasiv wirkenden Schneidmittel (Hartstoffe) enthält. Der Trennschleifvorgang ist beendet, wenn sich das gesamte Drahtgatter vollständig durch das Werkstück hindurchgearbeitet hat und in der Leiste 2 zu liegen gekommen ist. Die Scheiben 34 des vollständig aufgetrennten Werkstücks hängen dann wie Zinken eines Kamms, nur durch die Klebefuge 25 mit der Leiste 2 verbunden, an der halb durchtrennten Leiste.
  • Die dargestellte Drahtsäge ist mit einer linken Düsenleiste 16 und einer rechten Düsenleiste 17 versehen. Die Düsenleisten 16, 17 tragen eine Vielzahl von Düsen 20, die eine Flüssigkeit 21 auf die Trennspalte 22 des Werkstücks 1 sprühen. Die Achsen 18 und 19 der Düsenleisten sind parallel zueinander und parallel zu den Drehachsen 7 und 8 der das Drahtgatter 24 aufspannenden Drahtführungsrollen 5 und 6 und senkrecht zu den Trennspalten 22 des Werkstücks 1 bzw. parallel zur Längsachse 26 des Werkstücks 1 angeordnet. Die Düsenleisten führen oszillierende Bewegungen 27 und 28 in Richtungen ihrer Achsen 18 und 19 aus. Durch dieses periodische Verschieben überstreichen die Strahlen der Flüssigkeit 21, die die einzelnen Düsen 20 verlassen, die Trennspalte 22 des Werkstücks 1 in periodischen Abständen.
  • Die bevorzugte Anordnung gemäß Fig. 1 zeigt die Düsenleiste 16 links vom Werkstück 1, also Frischdraht-eingangsseitig, und Düsenleiste 17 rechts vom Werkstück 1, also Altdraht-ausgangsseitig, und beide, aus Richtung der Zustellvorrichtung gesehen, unterhalb des Drahtgatters 24. Abweichend davon können die Düsenleisten auch oberhalb des Drahtgatters 24 angeordnet sein.
  • Wie bereits erwähnt kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer Drahtsäge durchgeführt werden, bei der das Werkstück während des Trennschleifvorgangs um eine Achse parallel zur Längsachse des Werkstücks geschwenkt werden kann. Bei diesem Rocking gelangt zu jedem Zeitpunkt nur ein Teilabschnitt des gesamten innerhalb eines Trennspalt verlaufenden Drahtabschnitts in Material abtragenden Kontakt mit dem Werkstück. In Drahtlängsrichtung betrachtet werden vor und hinter dieser momentanen Kontaktfläche Spalte zwischen Sägedraht und Werkstück mit Ausdehnung in Richtung der Werkstückzustellung gebildet. Wenn die Düsenleisten oberhalb des Drahtgatters angeordnet sind, kann die Flüssigkeit besonders gut zwischen Sägedraht und Werkstück gelangen. Wenn die Düsenleisten unterhalb des Drahtgatters angeordnet sind, kann trotz Rocking kaum Flüssigkeit zwischen Sägedraht und Werkstück gelangen. Andererseits werden in diesem Fall die unter das Drahtgatter ragenden aufgetrennten Teile des Werkstücks - die späteren Scheiben - durch den Bernoulli-Effekt des Strahls der Flüssigkeit besonders gut zum Schwingen und somit periodischen Vergrößern und Verkleinern der Trennspaltbreite angeregt.
  • Fig. 2 (A) und (B) zeigt Einzelheiten einer die Düsenleisten 16 und 17 umfassenden Sprühvorrichtung in Aufsicht (aus Richtung der Zustellvorrichtung betrachtet) auf die linke Düsenleiste 16 und einen Teil des Werkstücks 1 mit den Trennspalten 22 und der Längsachse 26 des Werkstücks.
  • Fig. 2 (A) zeigt die Düsenleiste 16 mit Achse 18 parallel zur Längsachse 26 des Werkstücks am Anfang der oszillierenden Bewegung 27 parallel zur Achse 18. Es gibt Düsen 31, von denen ein Teil deren Strahls von Flüssigkeit 21 genau in der Ebene jeweils eines Trennspalts 22 verläuft, wodurch Flüssigkeit 21 tief in den Trennspalt 22 hineingedrückt wird. Im Zuge dessen wird das Paar benachbarter Scheiben 34, das der Trennspalt 22 trennt, in Bewegungsrichtungen 29 vom Trennspalt elastisch weggedrückt, wodurch sich der Trennspalt zu einem aufgeweiteten Trennpalt 30 elastisch aufweitet. Darüber hinaus gibt es Düsen 32, von denen kein Teil deren Strahls von Flüssigkeit 21 innerhalb der Ebene eines Trennspalts 22 verläuft, und die somit keinen Trennspalt elastisch aufweiten. Die Strahlen von Flüssigkeit 21 reißen mittels Impulsaustauschs Luft 35 aus der Umgebung mit (entrainment).
  • Wenn die linke Düsenleiste 16 die oszillierende Bewegung 27 in Richtung der Achse 18 ausgeführt hat, erreicht sie die in Fig. 2 (B) gezeigte Position des anderen Endes ihrer oszillierenden Bewegung. Die Düsen 31, von denen ein Teil deren Strahlen Flüssigkeit in einen Trennspalt hineindrücken und ihn so aufweiten, sind nun in einer anderen Position und weiten andere Trennspalte auf als diejenigen in der Anordnung gemäß Fig. 2 (A). Die Amplitude der oszillierenden Bewegung 27 beträgt mindestens den Wert des Abstandes zweier benachbarter Düsen.
  • Während der oszillierenden Bewegung 27 streichen die Strahlen von Flüssigkeit 21 (Flüssigkeit inkompressibel) und die von den Strahlen mitgerissene Luft 35 (Luft/Gas kompressibel) über Scheiben 34 und Trennspalte 22 hinweg. Da sie während der oszillierenden Bewegung Scheiben und Trennspalte in unterschiedlichen Ebenen umströmen, werden die Scheiben 34 durch die dynamischen Luftdruckänderungen der von den Strahlen mitgerissenen Luft zu Schwingungen angeregt (Bernoulli-Effekt). Mit anderen Worten, es werden elastische Auslenkungen der Scheiben und sich periodisch verbreiternde und verjüngende Trennspalte angeregt.
  • Der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen zur Vermeidung des Stick-and-Slips des Sägedrahts bei Ingot Retrieval und beim Repositionieren eines Werkstücks nach einer Unterbrechung des Trennschleifvorgangs haben gezeigt, dass eine Schwingungsanregung der Scheiben notwendig ist, um die Reibungskräfte des Sägedrahts im engen Trennspalt zu reduzieren. Ein Aufweiten des Trennspalts durch forciertes Hineinpressen von Flüssigkeit an wechselnden Trennspalten und der damit verknüpfte Reinigungseffekt als einzige Maßnahme, läuft zu langsam ab. Damit lässt sich nicht verhindern, dass der Sägedraht beim Ingot Retrieval oder beim Repositionieren des Werkstücks nach einer Unterbrechung des Trennschleifvorgangs Riefen oder strain-induced Warpage erzeugt.
  • Nur das Anregen von Schwingungen der Scheiben mittels des Bernoulli-Effekts durch einen Strahl von Flüssigkeit und mitgerissener Luft erweist sich als zur Lösung der Aufgabe geeignet.

Claims (12)

  1. Verfahren zum gleichzeitigen Trennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück mittels einer Drahtsäge, umfassend
    einen Trennschleifvorgang, wobei ein Werkstück senkrecht zu einer Längsachse des Werkstücks gegen ein zwischen zwei Drahtführungsrollen gespanntes Drahtgatter eines Sägedrahts, der in Längsrichtung des Sägedrahts bewegt wird, zugestellt wird, wobei ein Kühlschmiermittel dem Drahtgatter zugeführt wird, und wobei zwischen Drahtabschnitten des Drahtgatters Scheiben entstehen, die an einer Leiste befestigt sind und zwischen denen Trennspalte bestehen, und
    das Herausziehen der Leiste und der Scheiben aus dem Drahtgatter, gekennzeichnet durch während des Herausziehens der Leiste und der Scheiben das Besprühen der Trennspalte mit einer Flüssigkeit mittels einer Sprühvorrichtung, bis die Drahtabschnitte die Trennspalte verlassen haben, wobei die Flüssigkeit unter hohem Druck durch Düsen zugeführt wird, die an Düsenleisten befestigt sind, die parallel zur Längsachse des Werkstücks oszillierend bewegt werden, wobei die Flüssigkeit und mitgerissene Luft die Scheiben zeitweilig zum Schwingen anregen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude der oszillierenden Bewegung gleich oder größer ist, als die Summe des Abstands zweier benachbarter Düsen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Unterbrechen des Trennschleifvorgangs unter Fortführen des Bewegens des Sägedrahts in Längsrichtung, umfassend
    das Herausziehen des Werkstücks aus den Trennspalten;
    das Zurückführen des Werkstücks in die Trennspalte; und
    das Fortsetzen des Trennschleifvorgangs, wobei während des Zurückführens des Werkstücks Flüssigkeit durch die Düsen in die Trennspalte gesprüht wird und die Düsenleisten parallel zur Längsachse des Werkstücks bewegt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Schwenken des Werkstücks um eine Achse parallel zur Längsachse der Werkstücks während des Trennschleifvorgangs, wobei das Werkstück eine Vielzahl von Paaren von Schwenkbewegungen ausführt und ein Paar von Schwenkbewegungen ein erstes Schwenken um einen ersten Winkel mit einer ersten Winkelgeschwindigkeit und ein nachfolgendes zweites Schwenken um einen zweiten Winkel mit einer zweiten Winkelgeschwindigkeit umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeiten und die ersten und zweiten Winkel zweier Paare von aufeinanderfolgenden Paaren von Schwenkbewegungen unterschiedlich sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlschmiermittel Wasser und einen ersten flüssigen Zusatz und die Flüssigkeit Wasser und einen zweiten flüssigen Zusatz umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite flüssige Zusatz identisch sind und ein Netzmittel oder ein Korrosionsschutzmittel oder ein die Viskosität beeinflussendes Mittel, ein Entschäumungsmittel oder eine Mischung davon umfassen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sägedraht aus hypereutektischem perlitischem Stahldraht besteht, auf dessen Oberfläche Diamanten als Schneidmittel fixiert sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein kreiszylindrischer Stab aus einkristallinem Halbleitermaterial ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Bewegen des Sägedrahts in Längsrichtung während des Trennschleifvorgangs mit einer Geschwindigkeit, die mindestens zehnmal schneller ist als die Geschwindigkeit der Bewegung des Sägedrahts in Längsrichtung beim Herausziehen und Zurückführen des Werkstücks.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Bewegen des Sägedrahts in Längsrichtung ohne Richtungsumkehr.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Bewegen des Sägedrahts in Längsrichtung mit Richtungsumkehr, wobei der Sägedraht mittels einer Vielzahl von Pilgerschritten bewegt wird, wobei ein Pilgerschritt jeweils ein erstes Bewegen des Drahts in eine erste Längsrichtung um eine erste Länge und ein zweites Bewegen des Sägedrahts in eine zweite, der ersten Drahtlängsrichtung genau entgegengesetzte Längsrichtung um eine zweite Länge umfasst und die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
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Citations (7)

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