EP4302952B1 - Verfahren zum gleichzeitigen trennen einer vielzahl von scheiben von einem werkstück mittels einer drahtsäge - Google Patents

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EP4302952B1
EP4302952B1 EP22183659.6A EP22183659A EP4302952B1 EP 4302952 B1 EP4302952 B1 EP 4302952B1 EP 22183659 A EP22183659 A EP 22183659A EP 4302952 B1 EP4302952 B1 EP 4302952B1
Authority
EP
European Patent Office
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wire
workpiece
cutting
saw
movement
Prior art date
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Active
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EP22183659.6A
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EP4302952A1 (de
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Georg Pietsch
Alexander Rieger
Katharina Weindl
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Siltronic AG
Original Assignee
Siltronic AG
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Filing date
Publication date
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Priority to JP2025500143A priority patent/JP2025520953A/ja
Priority to CN202380052301.6A priority patent/CN119630522A/zh
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Priority to TW112124710A priority patent/TWI869911B/zh
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    • 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
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    • B28D5/0058—Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
    • B28D5/045—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 wires or closed-loop blades

Definitions

  • the invention relates to a method for simultaneously separating a plurality of discs from a workpiece by means of a wire saw, comprising a cut-off grinding process, wherein a workpiece is fed perpendicular to a longitudinal axis of the workpiece against a wire frame of a saw wire which is tensioned between two wire guide rollers and is moved in the longitudinal direction of the saw wire, wherein a cooling lubricant is supplied to the wire frame, and wherein discs are formed between wire sections of the wire frame, which discs are attached to a bar and between which cutting gaps exist, the bar and the discs are pulled out of the wire frame, and during the pulling out of the bar and the discs, the cutting gaps are sprayed with a liquid by means of a spray device until the wire sections have left the cutting gaps, wherein the liquid is supplied under high pressure through nozzles.
  • wafers made of single-crystal semiconductor material for structuring microelectronic components are obtained, for example, by cutting them from a cylindrical workpiece made of single-crystal silicon using wire sawing.
  • a method and a device for wire sawing are known, for example, from DE 10 2016 211 883 A1 known.
  • the saw wire is guided spirally around at least two wire guide rollers, so that two wire guide rollers span a wire frame facing the workpiece made up of parallel wire sections.
  • the outer surfaces of the wire guide rollers are provided with a plurality of circular, closed grooves running in planes perpendicular to the axes of the wire guide rollers, 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 bar to which it is glued and which feeds the workpiece perpendicularly onto the wire frame.
  • Relative motion and the presence of an abrasive cutting medium cause material to be removed from the workpiece upon contact between the workpiece and the wire frame.
  • the wire sections form cutting gaps in the workpiece, and the wire frame slowly works its way through the entire workpiece until it is completely within the saw bar.
  • the workpiece is then completely cut into slices that hang from the bar like the teeth of a comb, held only by the adhesive joint.
  • the sliced workpiece must be pulled out of the wire frame by reversing the direction of movement of the feed device (ingot retrieval).
  • Wire sawing can be divided into wire lapping and wire grinding.
  • wire lapping the saw wire is initially free of any abrasive substances, and the cutting agent is introduced in the form of a slurry, consisting of freely moving grains in a carrier fluid.
  • wire grinding abrasive cutting agents are embedded in the surface of the saw wire, and a cutting fluid is introduced that acts as a cooling fluid and contains no abrasive substances.
  • Saw wire is usually made of hypereutectic pearlitic steel (piano wire). Plain wire and structured wire (crimped wire) are used.
  • the cutting medium is usually silicon carbide (SiC), and the carrier fluid is usually oil or glycol.
  • the cutting medium is usually water, possibly with a wetting agent and defoamer additive, and the abrasive embedded in the saw wire is usually diamond.
  • the bar is made of a plastic composite material or sintered carbon.
  • the saw wire is taken from a first supply, usually in the form of a first spool on which the saw wire is wound, and after consumption is fed to a second supply, usually also in the form of a second spool.
  • the first spool is referred to as the fresh wire spool and the second spool as the old wire spool.
  • Wire sawing can be carried out with unidirectional or bidirectional wire movement. In unidirectional wire sawing, the saw wire is moved in a longitudinal wire direction from the fresh wire spool to the old wire spool for 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 direction reversals, wherein a pair of direction reversals comprises a first movement of the saw wire by a first length in a first longitudinal wire direction and a second movement of the saw wire by a second length in a second direction exactly opposite to the first.
  • wire sawing with bidirectional wire movement can comprise a plurality of such pairs of wire direction reversals, wherein the first length is selected to be greater than the second length, so that overall the wire supply shifts from the fresh wire spool to the old wire spool during the cutting process.
  • the latter process is called mit mode slicing (wire reciprocating 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, wherein a pair of rotation changes comprises a clockwise rotation at a first angular speed through a first angle and a subsequent counterclockwise rotation at a second angular speed through a second angle.
  • the first and second angular speeds and the first and second angles can also vary during the cutting process, for example, depending on the cutting depth or the current length of the saw wire 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 purpose is described, for example, in the US 2022/0134600 A1 .
  • the main cutting surface In wire sawing without rocking, the main cutting surface extends along the entire arc length from the point where the saw wire enters the cutting gap to the point where it exits the cutting gap. In wire sawing with rocking, the main cutting surface always consists only of the short arc section with which the saw wire contacts the parting line between the workpiece and the cutting gap, which is curved due to the rocking. Rocking improves the supply of coolant or slurry to the cutting gap, even with workpieces with large diameters.
  • the material removal rate is proportional to the pressure on the main rake face.
  • the material removal rate increases disproportionately with the pressure on the main rake face.
  • Rocking allows for faster cut-off grinding (but not faster cut-off lapping) than without rocking.
  • the sliced workpiece is removed from the wire frame by resetting the workpiece feed.
  • the saw wire is moved slowly in the longitudinal direction of the wire and cutting fluid is added to draw cutting fluid into the cutting gaps as a cooling lubricant and prevent friction of the saw wire in the cutting gaps and jamming of individual wire sections between the opposing secondary rake faces 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 surrounding the saw wire The thickness of the slurry film surrounding the ingot in the cutting gap is significantly less than the thickness of the slurry film during the preceding cutting process.
  • the saw wire thus has play in the cutting gap and does not jam. This promotes smooth gliding of the wire frame through the cutting gap and ultimately out of it, without the saw wire jamming between the secondary chip faces of the gap or causing material removal from the secondary chip faces.
  • the feed device is further retracted. Consequently, the saw wire is deflected in the transverse direction of the wire and thus elastically stretched in the longitudinal direction. This causes the saw wire to experience an increasing restoring force. When this force has increased sufficiently, the saw wire jumps from the cutting depth at which it jammed during retrieval to a shallower cutting depth, where it jams again, and so on (stick-and-slip movement of the saw wire). If the tensile force due to the longitudinal stretching caused by 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 retrieved from the defective wire frame, the wire scraps must be removed manually from the cutting gaps, 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 cut workpiece must then be moved out of the defective wire frame by resetting the feed device, the wire scraps removed from the cutting gaps, the wire frame repaired, the wire sections rethreaded into the existing cutting gaps, and the workpiece fed back to the cutting depth at which the wire break occurred in order to complete the cutting process.
  • wire lapping threading and feeding the workpiece in the wire frame is effortless and without the saw wire getting stuck at certain cutting depths, as the surrounding slurry film allows the saw wire sufficient play in the cutting gap.
  • wire grinding where the saw wire has no freedom of movement, the saw wire jams when feeding the workpiece, and notches are created.
  • US 2009/0223539 A1 For example, describes a method for cleaning panes for solar applications, which, after completion of the separation process and After removal from the wire saw, the workpieces are immersed in a cleaning bath while still attached to the saw bar (sacrificial bar) with their adhesive joint. The joints are sprayed with rinsing fluid from several separate spray nozzles. Wherever rinsing fluid is sprayed, the cutting gap in the water bath widens, thus enhancing the cleaning effect. By moving the nozzles relative to the workpiece, all cutting gaps can be widened one after the other and thus successively cleaned. The described method does not contribute to avoiding the consequences of stick-and-slip movement of the saw wire during ingot retrieval.
  • JP 2006-66793 A describes a similar process in which a block of cut discs is sprayed with a spray liquid from the side using spray nozzles for cleaning purposes after the cutting process has been completed and removed from the wire saw.
  • US 2011/0168212 describes a similar process for cleaning thin, easily breakable solar wafers after sawing and removing the severed workpiece from the wire saw.
  • JP2004-106360 describes a process in which, after wire cutting and ingot retrieval of a workpiece, a rinsing liquid is sent through channels in the bar to clean the cutting gap.
  • a method according to the preamble of the appended claim 1 is the EP 2 955 745 A1 can be found.
  • the object of the invention is to avoid stick-and-slip movements of the saw wire and their adverse consequences.
  • the nozzles spray liquid onto the separation gap during withdrawal.
  • the nozzle bars perform an oscillating stroke parallel to the workpiece axis, causing fluid to temporarily impinge on each cutting gap from at least one nozzle in the plane of the corresponding cutting gap. This injects fluid deep into the cutting gap, and the change in spray pressure caused by the oscillating movement causes a continuous, periodic fanning out of all the cutting gaps as the bar and discs are withdrawn from the cutting gaps.
  • the pressure at which the liquid is supplied through the nozzles is preferably selected so that the outlet speed of the flushing agent corresponds to the speed at which the wire is moved relative to the workpiece.
  • the nozzles are part of a spraying device comprising at least one nozzle bar each, which is arranged laterally of the wire guide rollers of the wire frame between the respective wire guide roller and the workpiece.
  • the nozzle bars can perform a reciprocating movement parallel to the workpiece axis and are preferably arranged parallel to the rotational axes of the wire guide rollers.
  • nozzle bars are precisely two nozzle bars, one of which is arranged on the fresh wire inlet side and one on the old wire outlet side of the workpiece, viewed in the direction of the workpiece axis.
  • the nozzles are preferably aligned so that each nozzle generates a partial jet of liquid that is tangential to the wire frame and aligned in one of the planes in which the separating gaps run.
  • the amplitude of the oscillating movement with which the respective The distance between the nozzle bar and the nozzle bar, which 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 double the amplitude, is therefore at least the distance between two nozzles. This ensures that after one period of oscillating movement, each nozzle covers all the separating gaps located between it and the neighboring nozzle.
  • the number of nozzles per nozzle bar is preferably 10 to 50.
  • the highest possible number of nozzles is particularly preferred.
  • the upper limit is only the dimensions of the nozzles. This reduces the required stroke of the oscillating movement of the nozzle bar, and the separation gaps are covered at shorter intervals.
  • the workpiece is advanced using a feed device.
  • the wire guide rollers rotate in the same direction, so that the wire sections move relative to the workpiece. As they engage the workpiece, material is removed as a result of the feed movement.
  • the workpiece is completely cut, and a multitude of parallel cutting gaps are created between the wheels, which are held by the bar.
  • the removal of the bar and the discs from the cutting 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-crystal semiconductor material.
  • the method preferably also comprises pivoting the workpiece about an axis parallel to the longitudinal axis of the workpiece during the abrasive cutting operation, wherein the workpiece performs a plurality of pairs of pivoting movements, and a pair of pivoting movements comprises a first pivoting through a first angle at a first angular velocity and a subsequent second pivoting through a second angle at 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 saw wire is preferably a hypereutectic pearlitic steel wire (piano wire) with cutting media fixed to its surface.
  • the cutting media are preferably diamonds.
  • the saw wire can be moved longitudinally during the abrasive cutting process with or without reversing the direction.
  • the saw wire is moved by means of a plurality of piling steps, wherein each piling step comprises 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 longitudinal direction, exactly opposite to the first longitudinal direction of the wire, by a second length, and wherein the first length is greater than the second length.
  • the cooling lubricant and the liquid preferably consist of water, optionally containing a liquid additive. Both can have identical or different compositions.
  • the liquid additive is preferably a wetting agent, a corrosion inhibitor, a viscosity-influencing agent, for example, glycol and/or methylcellulose, a defoamer, or any mixture of these agents.
  • the procedure according to the invention is preferably also used to respond appropriately to an interruption in the cutting process, particularly as a result of a saw wire break. It prevents wire sections from getting stuck when pulling the workpiece out after the wire break and returning the workpiece to the position before the wire break, and prevents scoring or elastic deformation from impairing the quality of the wheels.
  • Interrupting the cutting process occurs while continuing to move the saw wire in the longitudinal direction and involves pulling the workpiece out of the cutting gaps, returning the workpiece to the cutting gaps, and continuing the cutting process.
  • fluid is injected through the nozzles into the cutting gaps. sprayed and the nozzle bars are moved parallel to the longitudinal axis of the workpiece.
  • the saw wire is moved longitudinally during the cutting process at a speed that is at least ten times faster than the speed of the saw wire's movement longitudinally when the workpiece is pulled out and returned during the interruption of the cutting process.
  • wire guide rollers As shown, during wire sawing, saw wire 4 is guided spirally around at least two wire guide rollers such that two wire guide rollers 5 and 6 span a wire frame 24 facing the workpiece 1 made up of parallel wire sections.
  • the wire guide rollers have the shape of right circular cylinders with axes of rotation 7 and 8 that are aligned parallel to each other and about which they can be rotated in directions 11.
  • the outer surfaces of the wire guide rollers are provided with a plurality of circularly closed grooves 23 that run in planes perpendicular to the axes of rotation 7 and 8 and guide the saw wire 4. Rotating the Wire guide rollers create a relative movement between the wire sections and the workpiece.
  • Fresh saw wire is taken 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 feed device to which the workpiece 1 is attached to a bar 2 by adhesive bonding 25 and which feeds the workpiece perpendicularly onto the wire frame (direction 3).
  • the relative movement and the presence of an abrasive cutting agent cause material to be removed from the workpiece upon contact between the workpiece and the wire frame.
  • each wire section of the wire frame 24 forms a separating gap 22 by means of continued material removal from the workpiece.
  • the side walls of a separating gap 22 each delimit the back side of one and the front side of a second disc 34 of a pair of immediately adjacent discs.
  • the cutting medium consists of diamonds 33 firmly embedded in the surface of the wire 1.
  • a cooling lubricant 15 which itself contains no abrasive cutting media (hard materials)
  • the cutting-off process is complete when the entire wire frame has worked its way completely through the workpiece and has come to rest in the bar 2.
  • the discs 34 of the completely cut workpiece then hang from the half-cut bar like the teeth of a comb, connected to the bar 2 only by the adhesive joint 25.
  • the wire saw shown is provided with a left nozzle bar 16 and a right nozzle bar 17.
  • the nozzle bars 16, 17 carry a plurality of nozzles 20 that spray a liquid 21 onto the cutting gaps 22 of the workpiece 1.
  • the axes 18 and 19 of the nozzle bars are arranged parallel to one another and parallel to the rotational axes 7 and 8 of the wire guide rollers 5 and 6 spanning the wire frame 24, and perpendicular to the cutting gaps 22 of the workpiece 1 and parallel to the longitudinal axis 26 of the workpiece 1, respectively.
  • the nozzle bars perform oscillating movements 27 and 28 in the directions of their axes 18 and 19. Due to this periodic displacement, the jets of liquid 21 leaving the individual nozzles 20 sweep over the cutting gaps 22 of the workpiece 1 at periodic intervals.
  • Fig. 1 shows the nozzle bar 16 to the left of the workpiece 1, i.e. on the fresh wire input side, and the nozzle bar 17 to the right of the workpiece 1, i.e. on the old wire output side, and both, as seen from the direction of the feed device, below the wire gate 24.
  • the nozzle bars can also be arranged above the wire gate 24.
  • 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-off process.
  • the workpiece can be pivoted about an axis parallel to the longitudinal axis of the workpiece during the cutting-off process.
  • the nozzle bars are arranged below the wire frame, hardly any fluid can penetrate between the saw wire and the workpiece despite rocking.
  • the severed parts of the workpiece protruding below the wire frame – the future disks – are particularly well stimulated to oscillate by the Bernoulli effect of the fluid jet, thus periodically increasing and decreasing the cutting gap width.
  • Fig. 2 (A) and (B) shows details of a spraying device comprising the nozzle bars 16 and 17 in a top view (viewed from the direction of the feed device) of the left nozzle bar 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.
  • the pair of adjacent discs 34 separated by the separation gap 22 is elastically pushed away from the separation gap in the direction of movement 29, whereby the separation gap expands into a widened separation gap 30 elastically expands.
  • nozzles 32 whose jet of liquid 21 does not extend within the plane of a separation gap 22, and thus does not elastically expand any separation gap.
  • the jets of liquid 21 entrain air 35 from the environment by means of momentum exchange (entrainment).
  • the amplitude of the oscillating movement 27 is at least the value of the distance between two adjacent nozzles.

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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, das Herausziehen der Leiste und der Scheiben aus dem Drahtgatter, und 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.
  • 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.
  • Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des anhängenden Anspruchs 1 ist der EP 2 955 745 A1 zu entnehmen.
  • 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,
    • das Herausziehen der Leiste und der Scheiben aus dem Drahtgatter, und 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 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 (34) von einem Werkstück (1) mittels einer Drahtsäge, umfassend einen Trennschleifvorgang, wobei ein Werkstück (1) senkrecht zu einer Längsachse (26) des Werkstücks (1) gegen ein zwischen zwei Drahtführungsrollen (5,6) gespanntes Drahtgatter (24) eines Sägedrahts (4), der in Längsrichtung des Sägedrahts (4) bewegt wird, zugestellt wird, wobei ein Kühlschmiermittel (15) 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, das Herausziehen der Leiste (2) und der Scheiben (34) aus dem Drahtgatter und 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 (20,31,32) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude der oszillierenden Bewegung (27, 28) 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 (4) in Längsrichtung, umfassend das Herausziehen des Werkstücks (1) aus den Trennspalten (22); das Zurückführen des Werkstücks (1) in die Trennspalte; und
    das Fortsetzen des Trennschleifvorgangs, wobei während des Zurückführens des Werkstücks (1) Flüssigkeit (21) durch die Düsen (31,32) in die Trennspalte (22) gesprüht wird und die Düsenleisten (16,17) parallel zur Längsachse (26) des Werkstücks (1) bewegt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Schwenken des Werkstücks (1) um eine Achse parallel zur Längsachse (26) der Werkstücks (1) während des Trennschleifvorgangs, wobei das Werkstück (1) 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 (15) Wasser und einen ersten flüssigen Zusatz und die Flüssigkeit (21) 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 (4) aus hypereutektischem perlitischem Stahldraht besteht, auf dessen Oberfläche Diamanten (33) als Schneidmittel fixiert sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) ein kreiszylindrischer Stab aus einkristallinem Halbleitermaterial ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Bewegen des Sägedrahts (4) in Längsrichtung während des Trennschleifvorgangs mit einer Geschwindigkeit, die mindestens zehnmal schneller ist als die Geschwindigkeit der Bewegung des Sägedrahts (4) in Längsrichtung beim Herausziehen und Zurückführen des Werkstücks (1).
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Bewegen des Sägedrahts (4) in Längsrichtung ohne Richtungsumkehr.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Bewegen des Sägedrahts (4) in Längsrichtung mit Richtungsumkehr, wobei der Sägedraht (4) mittels einer Vielzahl von Pilgerschritten bewegt wird, wobei ein Pilgerschritt jeweils ein erstes Bewegen des Drahts (4) in eine erste Längsrichtung um eine erste Länge und ein zweites Bewegen des Sägedrahts (4) 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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