WO2009053004A1 - Drahtsägen mit thixotropen läppsuspensionen - Google Patents

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WO2009053004A1
WO2009053004A1 PCT/EP2008/008820 EP2008008820W WO2009053004A1 WO 2009053004 A1 WO2009053004 A1 WO 2009053004A1 EP 2008008820 W EP2008008820 W EP 2008008820W WO 2009053004 A1 WO2009053004 A1 WO 2009053004A1
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wire
suspension
lapping
wire saw
cutting
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PCT/EP2008/008820
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John G. Beesley
Klaus Holtmann
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Meyer Burger Technology Ag
S & B Industrial Minerals Gmbh
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    • B03B—SEPARATING SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS
    • B03B5/00—Washing granular, powdered or lumpy materials; Wet separating
    • B03B5/28—Washing granular, powdered or lumpy materials; Wet separating by sink-float separation
    • B03B5/30—Washing granular, powdered or lumpy materials; Wet separating by sink-float separation using heavy liquids or suspensions
    • B03B5/44—Application of particular media therefor
    • B03B5/442—Application of particular media therefor composition of heavy media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
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    • B03B13/00—Control arrangements specially adapted for wet-separating apparatus or for dressing plant, using physical effects
    • B03B13/005—Methods or arrangements for controlling the physical properties of heavy media, e.g. density, concentration or viscosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B57/00—Devices for feeding, applying, grading or recovering grinding, polishing or lapping agents
    • 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
    • B28D5/007—Use, recovery or regeneration of abrasive mediums
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the present invention relates to a wire saw with a lapping suspension containing abrasive grain in a thixotropic suspension medium and methods of machining a workpiece using such a wire saw.
  • Comparable Bohr HugheszuA also teaches the DE 29 18 683 A1, which describes a Bohrülülungszusatz for effectively dispersing clays in an aqueous medium. Due to its high viscosity, this drilling fluid makes it easy to carry away rock fragments during rotary drilling. In addition, due to its thixotropic properties, the drilling fluid tends to gel upon interruption of the drilling operation, thus preventing chips from settling around the drill bit.
  • U.S. U.S. Patent 2,944,880 discloses a lapping composition comprising a thixotropic gel of low boiling kerosene hydrocarbons and organophilic bentonite, a hydrophobized special key, and zirconium silicate abrasive grain for grinding metal surfaces.
  • compositions which usually consist of a suspension medium with organic components such as mineral oil, a hydrophilic and / or lipophilic polyhydric alcohol compound, usually usually higher glycol compounds, as well as the abrasive grain dispersed therein such as silicon carbide. Some of these compositions may also contain small amounts of water. Colloidal particles of silica may also be dispersed in these suspension media, as disclosed in DE 699 11 549 T2.
  • the main application of these organic or organic-aqueous abrasive grain solutions is currently as a lapping suspension for wire saws for cutting silicon wafers.
  • the lapping suspension used for the wire saw should be inexpensive to manufacture, disposal, in the separation of valuable abrasive grain and / or excellent for Heat dissipation from the workpiece, ie have the highest possible heat capacity.
  • a wire saw with a lapping suspension which contains abrasive grain in a thixotropic, preferably aqueous thixotropic suspension medium.
  • the feature of the invention lies in the spatially-functional connection of the wire saw to a thixotropic lapping suspension, e.g. Storage container, line, nozzle, wire, pump, etc. with or with contact to a thixotropic Läppsuspension.
  • a thixotropic lapping suspension e.g. Storage container, line, nozzle, wire, pump, etc. with or with contact to a thixotropic Läppsuspension.
  • thixotropic suspension medium of the lapping suspension also mediates thixotropic properties.
  • a wire saw is here to understand any form of saw lapping abrasive grain for chip removal, i. as unbound grain, and applied to the workpiece of a wire and at least on a part of the workpiece along leads.
  • a wire that is stretched on two sides by means of wire guides and directed over a workpiece, with contact between the workpiece and the wire, is guided.
  • the wire can be performed for chip removal machining on the workpiece in one or both directions.
  • the wire can be repeatedly brought into the starting position and then forward again or with correspondingly long wires, the wire can be guided only in one direction.
  • most wire saws When using longer wires, which are guided over the workpiece in only one direction, most wire saws have either a rotating wire (in the sense of a band saw) or are led from a storage element such as a wire reel to the wire saw or as part of the wire saw to the cutting area and then collected on the other side of the cutting area, eg wound on an old wire spool.
  • abrasive grain is any suitable for wire sawing abrasive grain or a mixture of such abrasive grains in different sizes, shapes and / or To understand compositions.
  • an abrasive grain of silicon carbide with an average grain diameter of 5 to 15 ⁇ m is preferred.
  • Other preferred abrasive grains are boron carbide, boron nitride, silicon nitride, diamond, corundum (alumina), and / or zirconium silicate.
  • Silicon Carbide (SiC) abrasive grains are particularly suitable for machining of brittle-hard materials such as metals, semiconductor materials and insulators, eg silicon, glass, quartz, ceramics, stones (eg granite, marble), plastics (eg epoxy resins as they are used for bonding (gluing) used by workpieces) suitable.
  • brittle-hard materials such as metals, semiconductor materials and insulators, eg silicon, glass, quartz, ceramics, stones (eg granite, marble), plastics (eg epoxy resins as they are used for bonding (gluing) used by workpieces) suitable.
  • Particularly hard materials such as sapphire and silicon carbide are preferably machined with boron carbide or diamond.
  • lapping suspension is sometimes referred to in the field as an abrasive or as a slurry and comprises at least one or more types of abrasive grain, which in its physical (eg size, shape, size distribution, hardness, etc.) and chemical composition (composition, structure) may be homogeneous or heterogeneous, as well as a suspension medium, the basic function of which is ultimately to keep the abrasive grain in suspension, with the wire, but freely movable to lead and bring into contact with the wire as well as the workpiece.
  • the viscosity and wettability of the suspension medium is of crucial importance to this function.
  • the suspension medium used according to the invention for wire sawing is thixotropic, ie the stronger the shear stress during the chip-removing machining of the workpiece, the lower the viscosity of the suspension medium. The more the shear stress decreases, the more viscous the suspension will become again.
  • the viscosity of thixotropic suspension media is usually much more dependent on the shear action than on the temperature.
  • conventional non-thixotropic lapping suspensions are rapidly thinned and, for example, the abrasive grain sediments in the case of temperature increases caused by friction, resulting in a depletion of the lapping suspension.
  • a lapping suspension with thixotropic suspension medium has the advantages, among other things, that the viscosity before and after sawing is high enough for the abrasive grain to remain suspended, to which usually quite thin wire remains bound and also to be entrained by the wire, and that the viscosity during sawing, in the little more than wire-thin sawing slit, due to the shearing effect significantly decreases.
  • the entrained in the narrow shegespalt of the wire low-viscosity suspension medium exerts a considerably lower resistance on the gap wall, but is still able to connect wire, grain and workpiece and also serve as a coolant for removing the resulting heat.
  • the thixotropic suspension medium of the wire saw according to the invention will dissipate the frictional heat generated in chip-removing processing, even in the smallest gaps of the saw, from the workpiece.
  • Thixotropic, especially aqueous thixotropic lapping suspensions are therefore particularly well suited for wire saws for cutting particularly thin discs with low workpiece material loss as in wafer production for the semiconductor and solar industries.
  • thixotropic suspension media In contrast to constantly viscous suspension media, thixotropic suspension media have, in an application for wire saws, thus optimized viscosity properties before, in and after the saw blade.
  • the present invention relates to a wire saw comprising: (i) at least 2 wire guides,
  • the wire is moved in the cutting direction by means of the wire guides and (b) the wire transports the lapping suspension into and through the cutting gap of the workpiece and transfers the cutting force to the grain, characterized in that the suspension medium is thixotropic, preferably aqueous thixotropic ,
  • the present invention relates to a wire saw, which is designed as a gate saw.
  • a gang saw saw blades are stretched in a so-called gate frame.
  • the saw blades consist of tensioned wires and / or strained bands and / or strained leaves, which lead the Läpuspuspension in the kerf and thus achieve the Swirirkung.
  • the wire saw is designed as a gate saw, which is characterized in that they
  • the wire and / or the belt carries the lapping suspension into and through the cutting gap of the workpiece and transfers cutting force to the grain, which is characterized in that the suspension medium is thixotropic, preferably aqueous thixotropic.
  • the wire or in the gate saw the wire and / or the band for chip removal machining, preferably on and / or sawing through the workpiece, must be stretched and guided in the cutting direction on the workpiece.
  • wire guides (with saws the guided saw gate and optionally additionally at least one wire guide roller) serve for clamping and guiding, at least one per side of the wire serving as a fixing and tensioning element / fastening element (in the simplest case, two loops or grips for the Hands), roller, roller, spool, pulley, etc. may be configured.
  • at least 2 to 4 wire guides are used for this purpose.
  • the wire guides preferably move the wire continuously (eg, from one wire spool to the other, with the wire moving in one direction or as a circulatory system in the sense of a band saw), or intermittently alternately in one and, after a certain time, in the opposite wire direction (FIG.
  • the wire diameter and twice the largest grain diameter (d s o 3 value) corresponds to, for example, 1, 450 mm to 200 microns (as in semiconductor wafers or solar wafers.) In gate saws this groove spacing corresponds to the wire, respectively, sheet and / or band gap.
  • the wire of the wire saws according to the invention may be any suitable wire for this purpose.
  • It may consist of metallic, non-metallic, eg inorganic / organic fibers, fiber bundles, braided cords or, and is preferably a metallic wire of iron and more preferably of iron-carbon alloys. These fibers, fiber bundles, braided cords and wires are usually coated. This layer can serve to increase the surface hardness and / or for corrosion protection.
  • wire but also functionally identical and equivalent ropes (saw ropes), rods, sheets, sheets or belts can be used, which transport the Läppsuspension in and through the cutting gap.
  • such wires have a diameter of 60 to 175 ⁇ m, more preferably 80 to 160 ⁇ m, most preferably 100 to 140 ⁇ m.
  • the wires consist essentially of plastic fibers, plastic fiber bundles, metals, steels or alloys thereof, preferably iron and carbon, more preferably iron and 0.7-1.2% carbon.
  • this layer consists of a copper and nickel layer.
  • the statements made on wires for coatings and materials are applicable to fibers, fiber bundles, braided cords, ropes, rods, sheets, tapes, sheets, etc. for the promotion of Läppsuspension, these having a width and / or diameter of 0.06 to 100 mm, more preferably from 0.08 to 60 mm, most preferably from 0.1 to 30 mm.
  • the suspension medium for the wire saws of the invention may contain any type of compound (s) suitable for imparting thixotropic properties to the suspension medium.
  • thixotropy-promoting compounds are preferably selected from the group consisting of phyllosilicates, celluloses, chain silicates, saponites, zeolites, fuller 's earth, aryl ureas and phthalocyanine pigments.
  • the suspension medium for the wire saws according to the invention contains clay minerals dissolved in water as thixotropy-promoting compound.
  • the suspension medium for the wire saws according to the invention particularly preferably has about 1 to 10% by weight, preferably about 1 to 5% by weight, and more preferably about 2 to 3% by weight, of a clay mineral dissolved in water.
  • the clay mineral has a mean grain size of less than 500 microns, preferably less than 200 microns and more preferably less than 100 microns, most preferably less than 50 microns based on the dry mineral.
  • purified forms of clay minerals are used, which are free of trace minerals, which are commonly present in processed clay minerals at concentrations of 10 to 20%, in exceptional cases up to 40%.
  • the clay mineral is a layered mineral, preferably a three-layer clay mineral, more preferably bentonite.
  • Clay layer materials are schichflplchenförmige minerals, which in the suspension, in particular in an alkaline medium, on the microscopic scale at rest, initially mutually crosslink in all directions. However, these parallelize under the influence of shock or shear forces and then glide past each other for lack of internal adhesion.
  • the type and amount of the abrasive grain may exert an influence on the viscosity of the lapping suspension, and thus the viscosities of the lapping suspension and the thixotropic suspension medium may be different.
  • wire saws with lapping suspensions containing abrasive grain in a thixotropic suspension medium for cutting brittle and hard materials, preferably metals, insulators and semiconductors, more preferably multi-and monocrystalline silicon.
  • Further materials which are easy to cut with the wire saws according to the invention are, for example, gallium arsenide, germanium, silicon carbide, sapphire, ceramics, rock, glass and quartz.
  • Typical wire saws for these applications are simple table machines (loading possibility on a wire field level) with single or multiple parallel loaded workpieces, for example the models DS 264 and DS 265, as well as double table machines, on which two levels (eg on the upper and lower Wire field, if they are arranged horizontally) can be loaded in parallel or multiple workpieces in parallel, for example, the model DS 262 Meyer-Burger AG, Thun, CH, including the workpieces of multi-and monocrystalline silicon in wafers with thicknesses of 70 microns to 1.2 mm for the semiconductor and solar industry.
  • These conventional suspension media are expensive to manufacture and disposal and have a low heat capacity to dissipate the frictional heat generated during the cutting process.
  • Wire saws typical for cutting brittle-hard materials are preferably suitable for spatially-functional connection with thixotropic lapping suspensions for producing wire-saws according to the invention.
  • Wire saws according to the invention preferably comprise one, several or all of the following features: (2) wire guide rolls, (3) wire, (4) cutting space, (5) lapping suspension vessel with thixotropic lapping suspension of abrasive grain and thixotropic suspension medium, (6) Pump for the thixotropic lapping suspension, (7) heat exchanger for cooling the used thixotropic lapping suspension, (8) lapping suspension flow meter, (9) lapping suspension viscosity meter, (10) workpiece splitter filter, (11) lapping suspension nozzles, preferably in inclined position (12) Sprenkler above the Läppsuspensions electer (5) for reducing the foam in aqueous Läppsuspensionen with clay minerals, in particular bentonite, (13) agitator, (14 ) Baffles, (15) pulleys,
  • a wire saw according to the invention may have one or more of the abovementioned elements as long as it is in spatially-functional connection with a thixotropic lapping suspension.
  • the wire saws according to the invention in particular those with clay minerals dissolved in water, it has proven advantageous to adapt the wire saws as follows, in particular when clay minerals are used for the thixotropic lapping suspension which leave disturbing deposits / sediments on drying, which can fall on the wire field in the form of dried lumps and thereby deflect the wire on the wire guide rollers and thus cause wire defects that affect the cutting process (eg by deflection or orphaning (sticking together of the wires) or contaminate the saw, or form foam, which can lead to depletion of abrasive grain in the lapping suspension.
  • the lapping suspension is not perpendicular from above but obliquely on the wire, preferably at an angle of approximately 0 to 75, preferably 5 to 60, more preferably 8 to 30 degrees to the wire, preferably with and / or against the cutting direction , applied.
  • the lapping suspension is conveyed via a nozzle and / or a vane (ie, any mechanical device that changes the direction and speed of the lapping suspension, eg, a baffle, baffle, etc.) obliquely on the wire in front of the cutting nip, around the vector components the suspension speed best possible to adjust the vector components of the wire speed.
  • a vane any mechanical device that changes the direction and speed of the lapping suspension, eg, a baffle, baffle, etc.
  • the purpose of the inclined vane behind the nozzle is to: (a) design the contact of lapping suspension with the wire so that as little as possible viscosity-reducing shear forces occur and (b) the viscosity of the lapping suspension reduced in the pump, conduit and nozzle can build up before it is brought into contact with the wire.
  • the guide vane is preferably designed in shape and position so that it can be variably adapted to the respective workpiece.
  • FIG. Particularly preferred nozzle (s) (1, 6) and / or guide vane (s) (2) to the wire (field) (5) and workpiece (3) arranged to each other that the horizontal distance between the workpiece and nozzle or Guide vane 0.5 to 50, preferably 1 to 40, more preferably 4 to 25 mm and most preferably 16 to 23 and at the same time the vertical distance from the nozzle or vane to the wire 0.5 to 30, preferably 1 to 20, more preferably 2 to 15, and most preferably 4 to 9 mm.
  • the lapping suspension in a lapping suspension container preferably by stirring and / or by spraying with liquid, the lapping suspension in a lapping suspension container (i), preferably by spraying with lapping suspension or water, (ii) by the addition of defoaming agents and / or (iii) by Use of hydrophobized surfaces in the container to defoam or reduce the foaming or prevent.
  • clay mineral preferably three-layer mineral, more preferably bentonite, is used in the lapping suspension which has been classified so as to at least partially remove the foam-forming fines.
  • the wire saw according to the invention comprises a component, preferably a scraper and / or a rinsing device, which at least partially strips and / or rinses the lapping suspension from the used outgoing wire and preferably a collection vessel, for example the lapping suspension vessel with the lapping suspension , for immediate or later recycling or processing.
  • a component preferably a scraper and / or a rinsing device, which at least partially strips and / or rinses the lapping suspension from the used outgoing wire and preferably a collection vessel, for example the lapping suspension vessel with the lapping suspension , for immediate or later recycling or processing.
  • inventive wire saw have also spatial separation devices that separate the cutting room of other components of the wire saw so that components outside the cutting room substantially not come into contact with the Läppsuspension have been found to be advantageous.
  • the cutting space is at least partially separated by liquid curtains, preferably water, from other components.
  • Evaporation rate of the contained water quite quickly. It is therefore advantageous To keep the humidity in the cutting room as high as possible in order to avoid drying out the lapping suspension and the clay minerals deposited in the cutting room. It is therefore preferred to keep the cutting space moist by means of a spray, preferably by means of a suspended spray, so as to reduce or completely avoid the evaporation of liquid in the lapping suspension and / or in deposited clay mineral, preferably water.
  • spray mist it is preferably introduced into the cutting space in an amount in which the lapping suspension on the wire is not diluted and preferably a substantially constant liquid content is maintained in the lapping suspension.
  • a mechanical puller which cleans the walls of the cutting room of remote Läppsuspension. This can be used if necessary and at least partially clean the cutting room.
  • machine inner walls, Ableitbleche, Verschalungsbleche and components of the Läppsuspensions Preferably, machine inner walls, Ableitbleche, Verschalungsbleche and components of the Läppsuspensions shall be hydrophobic coated to reduce the formation of deposits.
  • the viscosity of the suspension medium is controlled by the choice of the pump size, the pump type and / or the flow rate.
  • piping systems cross sections or the change of cross sections on a conveyor line
  • heat exchangers and other components can be designed to control the viscosity via the flow speed of the lapping suspension.
  • the cross section of a line with thixotropic Läppsuspension in the inventive wire saw is expanded so far that the gelation can use.
  • a slowdown distance / device for the lapping suspension in front of the nozzle This can be designed in the form of a reservoir in front of or directly at the nozzle.
  • the viscosity of the lapping suspension can vary greatly with the shear rate.
  • the present invention relates to a method for chip-removing machining of a workpiece in which a wire saw according to the invention separates a workpiece into two or more parts, the workpiece preferably being made of hard, in particular brittle-hard materials, most preferably multicrystalline or monocrystalline Silicon exists.
  • the invention relates to a method of machining a workpiece in which a wire saw according to the invention separates a workpiece into two or more parts, one or more lines, one or more heat exchangers, one or more probes of the wire saw connected to the lapping suspension be in direct contact, rinsed in the cutting operation and or in the cutting break with suspension medium, Läppsuspension or rinsing liquid.
  • the workpiece is silicon
  • the lapping suspension contains bentonite
  • the mean grain size of the dry bentonite is preferably less than 100 ⁇ m, more preferably less than 50 ⁇ m,
  • Fig. 1 shows schematically an arrangement of components in a wire saw with additional elements which is customary for cutting silicon wafers and which are specially provided for operation with clay-based lapping suspensions.
  • the reference numerals have the following meaning: 1 - workpiece, for example, a monocrystalline or multicrystalline silicon block
  • Fig. 2 shows schematically a wire saw with wire field (5), which is guided over deflection rollers (7), wherein the workpiece (3) by means of feed unit (4) with the moving wire (5) is brought into contact and the right nozzle tip for the thixotropic lapping suspension (6) has a fixed vertical distance to the wire and a fixed horizontal distance to the workpiece. Also, the low tip (2) of the left vane on the left nozzle (1) has a fixed vertical distance to the wire and a fixed horizontal distance to the workpiece. The from the through Wire moving lapping suspension cut part is marked with (8).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtsäge mit einer Läppsuspension, die Schleifkorn in einem thixotropen Suspensionsmedium enthält, sowie Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine solche Drahtsäge zum Einsatz kommt.

Description

DRAHTSÄGEN MIT THIXOTROPEN LÄPPSUSPENSIONEN
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtsäge mit einer Läppsuspension, die Schleifkorn in einem thixotropen Suspensionsmedium enthält, sowie Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine solche Drahtsäge zum Einsatz kommt.
Hintergrund der Erfindung
Im Bergbau sind Mischungen aus Schleifkorn und thixotropem Suspensionsmedium seit langem bekannt und kommen in der Form von Bohrspülzubereitungen zum Einsatz. Bei diesen auf Wasser basierenden Systemen wird Ton zur Herstellung der thixotropen Suspensionsmedien eingesetzt. Die Neigung dieser Ton-Wasser-Mischungen zur thixotropen Verdickung ist für den Einsatz im Bergbau vorteilhaft und wird beispielsweise bei geologischen Bohrungen genutzt. Die DE 43 02 462 A1 offenbart die Verwendung von Alkoxylaten wasserunlöslicher Alkohole zur Steuerung der Theologischen Eigenschaften fließ- und pumpfähiger wässriger Zubereitungen aus feinteiligen Mineralstoffen, die als Arbeitsmittel im Bereich des Aufschlusses geologischer Formationen eingesetzt werden. Vergleichbare Bohrspülzusätze lehrt auch die DE 29 18 683 A1 , die einen Bohrspülungszusatz zum wirksamen Dispergieren von Tonen in wässrigem Medium beschreibt. Diese Bohrspülung ermöglicht beim Rotationsbohren wegen ihrer hohen Viskosität ein einfaches Forttragen von Gesteinssplittern. Zudem neigt die Bohrspülung wegen ihrer thixotropen Eigenschaften bei der Unterbrechung des Bohrvorgangs zum Gelieren und verhindert so das Absetzen von Splittern um die Bohrspitze herum.
Das 1960 erteilte U.S. Patent 2,944,880 offenbart eine Läppzusammensetzung mit einem thixotropen Gel aus niedrig siedenden Kerosinkohlenwasserstoffen und organophilem Bentonit, einer hydrophobierten speziellen Tonart, und Zirkoniumsilikat als Schleifkorn zum Schleifen von Metalloberflächen.
Bei der spanabtragenden Bearbeitung von mineralischen und polymeren Werkstücken, insbesondere beim Zuschneiden von Halbleiterwerkstoffen wie mono- und multikristallinem Silizium, haben sich hingegen ganz spezielle Zusammensetzungen durchgesetzt, die in der Regel aus einem Suspensionsmedium mit organischen Komponenten wie Mineralöl, einer hydrophilen und/oder lipophilen mehrwertigen Alkoholverbindung, üblicherweise meist höhere Glykolverbindungen, sowie dem darin dispergierten Schleifkorn wie beispielsweise Siliciumcarbid bestehen. Einige dieser Zusammensetzungen können auch geringe Anteile an Wasser enthalten. In diesen Suspensionsmedien können auch kolloidale Teilchen aus Kieselsäure dispergiert sein, wie es die DE 699 11 549 T2 offenbart. Die Hauptanwendung dieser organischen oder organisch-wässrigen Schleifkornlösungen ist derzeit als Läppsuspension für Drahtsägen zum Zuschneiden von Siliciumwafern.
Diese organisch-wässrigen Läppsuspensionen, die neben dem spanabtragenden Zuschneiden von Siliciumwafern durch Drahtsägen auch als Poliermittel in der Halbleiterelektronik eingesetzt werden, um Oberflächen zu glätten, haben jedoch eine ganze Reihe von Nachteile.
Da sich das Sedimentationsverhalten der im organischen Suspensionsmedium dispergierten Schleifkörner durch deren Korngröße bestimmt, muss die Viskosität des Suspensionsmediums erneut eingestellt werden, wenn sich die Korngröße ändert, um weiterhin den gleichmässigen Transport des Schleifkorns zu gewährleisten sowie die Sedimentation des Schleifkorns und etwaige Verstopfungen zu verhindern. Problematisch ist bei den derzeitig für Drahtsägen eingesetzten organischen Suspensionsmedien, dass sie wegen des hohen organischen Anteils über eine sehr geringe Wärmekapazität verfügen und nur einen geringen Schutz vor der reibungsbedingten Überhitzung der Klebeverbindung zwischen dem zu bearbeiteten Werkstückes und der Opfersägeunterlage bieten. Zudem lassen sich solche organische, auf Mineralöl und/oder Glykolverbindungen basierende Suspensionsmedien, nur schlecht biologisch abbauen und die Entsorgung der Medien oder Wiederaufarbeitung des teils recht teuren Schleifkorns ist aufwändig.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drahtsäge zur Verfügung zu stellen, die mit einer kostengünstig herzustellenden Läppsuspension arbeitet, welche die oben genannten Schwachpunkte organischer Trägerflüssigkeiten nicht aufweist. Des Weiteren die eine gleichbleibende spanabtragende Wirkung ohne wesentlichen Einfluss der Korngrösse des Schleifkorns auf das bearbeitete Werkstück vermittelt und deren Viskosität nicht in gleichem Maße von der Korngrößenverteilung und der Temperatur abhängig ist, wie dies bei organischen Transportsuspensionen der Fall ist. Die für die Drahtsäge eingesetzte Läppsuspension soll kostengünstig in der Herstellung, der Entsorgung, bei der Abtrennung von wertvollem Schleifkorn und/oder exzellent zur Wärmeableitung vom Werkstück sein, d.h. eine möglichst hohe Wärmekapazität aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Drahtsäge mit einer Läppsuspension gelöst, die Schleifkorn in einem thixotropen, vorzugsweise wässrigen thixotropen Suspensionsmedium enthält.
Da sich die erfindungsgemässe Drahtsäge als solche in ihren Bauteilen nicht notwendigerweise wesentlich von üblichen Drahtsägen mit viskosen, nicht thixotropen Suspensionsmedien unterscheiden muss, liegt das erfindungsgemäße Merkmal in der räumlich-funktionellen Verbindung der Drahtsäge mit einer thixotropen Läppsuspension, z.B. Lagerbehälter, Leitung, Düse, Draht, Pumpe, etc. mit bzw. mit Kontakt zu einer thixotropen Läppsuspension.
Es wird als selbstverständlich angesehen, dass das thixotrope Suspensionsmedium der Läppsuspension auch thixotrope Eigenschaften vermittelt.
Als Drahtsäge ist hier jede Form von Säge zu verstehen, die zur spanabtragenden Bearbeitung Schleifkorn läppend, d.h. als ungebundenes Korn, und gerichtet auf das Werkstück eines Drahtes aufbringt und wenigstens an einem Teil des Werkstückes entlang führt. Letztendlich reicht dazu in der einfachsten Form ein Draht, der an zwei Seiten mittels Drahtführungen gespannt wird und gerichtet über ein Werkstück, mit Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Draht, geführt wird. Der Draht kann dabei zur spanabtragenden Bearbeitung auf dem Werkstück in eine oder beide Richtungen geführt werden. Bei Führung des Drahtes in nur eine Richtung kann der Draht immer wieder in die Ausgangsstellung gebracht und dann erneut vorwärts geführt werden oder bei entsprechend langen Drähten kann der Draht auch nur in eine Richtung geführt werden. Bei Verwendung längerer Drähte, welche in nur einer Richtung über das Werkstück geführt werden, haben die meisten Drahtsägen entweder einen umlaufenden Draht (im Sinne einer Bandsäge) oder werden von einem Vorratselement wie beispielsweise einer Neudrahtspule zur Drahtsäge oder als Bestandteil der Drahtsäge zum Schneidbereich geführt und dann auf der anderen Seite des Schneidbereiches gesammelt, z.B. auf einer Altdrahtspule aufgespult.
Unter dem Begriff Schleifkorn ist jedes zum Drahtsägen geeignete Schleifkorn bzw. eine Mischung solcher Schleifkörner in verschiedenen Grossen, Formen und/oder Zusammensetzungen zu verstehen. Zum Schneiden von beispielsweise Siliziumwafern ist ein Schleifkorn aus Siliziumcarbid mit einem mittleren Korndurchmesser von 5 bis 15 μm bevorzugt. Andere bevorzugte Schleifkörner bestehen aus Borcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Diamant, Korund (Aluminiumoxid) und/oder Zirkoniumsilikat. Schleifkörner aus Siliziumkarbid (SiC) sind besonders gut zur spanabtragenden Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen wie Metallen, Halbleitermaterialien und Isolatoren, z.B. Silizium, Glas, Quarz, Keramiken, Steine (z.B. Granit, Marmor), Kunststoffe (z.B. Epoxydharzen wie sie zur Verbindung (Kleben) von Werkstücken verwendet werden) geeignet.
Besonders harte Werkstoffe wie Saphir und Siliziumkarbid werden bevorzugt mit Borkarbid oder Diamant bearbeitet.
Der Begriff Läppsuspension wird auf dem Gebiet gelegentlich auch als Schleifmittel oder als Slurry bezeichnet und umfasst wenigstens eine oder mehrere Arten von Schleifkorn, welches in seiner physikalischen (z.B. Grosse, Form, Grössenverteilung, Härte, etc.) und chemischen Beschaffenheit (Zusammensetzung, Struktur) homogen oder heterogen sein kann, sowie ein Suspensionmedium, dessen grundlegende Funktion es letztendlich ist, das Schleifkorn in Suspension zu halten, mit dem Draht, aber frei beweglich zu führen und mit dem Draht wie auch dem Werkstück in Kontakt zu bringen. Die Viskosität und Benetzungsfähigkeit des Suspensionsmediums ist für diese Funktion von entscheidender Bedeutung.
Das erfindungsgemäss für Drahtsägen eingesetzte Suspensionsmedium ist thixotrop, d.h. je stärker die Scherbeanspruchung während der spanabtragenden Bearbeitung des Werkstückes ist, desto geringer wird die Viskosität des Suspensionsmediums. Je mehr die Scherbeanspruchung abnimmt, desto viskoser wird die Suspension wieder. Die Viskosität von thixotropen Suspensionsmedien ist meist erheblich abhängiger von der Schereinwirkung als von der Temperatur. Dagegen werden konventionelle nicht thixotrope Läppsuspensionen bei z.B. durch Reibung verursachten Temperaturer- höhungen schnell dünnflüssiger und das Schleifkorn sedimentiert, es kommt zu einer Verarmung der Läppsuspension. Eine Läppsuspension mit thixotropem Suspensionsmedium hat daher unter anderem die Vorteile, dass die Viskosität vor und nach dem Sägen hoch genug ist, damit das Schleifkorn suspendiert bleibt, an dem meist recht dünnen Draht gebunden bleibt und auch von dem Draht mitgeführt wird, und dass die Viskosität während des Sägens, im kaum mehr als drahtdünnen Sägespalt, wegen der Scherwirkung deutlich abnimmt. Das im engen Sägespalt vom Draht mitgeführte niedriger viskose Suspensionsmedium übt einen erheblich geringeren Widerstand auf die Spaltwand aus, vermag aber immer noch Draht, Korn und Werkstück zu verbinden und zudem als Kühlflüssigkeit zum Abtransport der entstehenden Wärme zu dienen. So können Überhitzungsschäden am Werkstück, insbesondere der Klebeverbindung und Draht zu verhindert bzw. eine schnellere Drahtführung gestatt werden. Je nach Wärmekapazität und Ausführungsform wird das thixotrope Suspensionsmedium der erfindungsgemässen Drahtsäge die bei der spanabtragenden Bearbeitung entstehende Reibungswärme selbst in kleinsten Sägespalten vom Werkstück abführen. Thixotrope, insbesondere wässrige thixotrope Läppsuspensionen sind daher besonders gut für Drahtsägen zum Schneiden besonders dünner Scheiben mit geringem Werkstückmaterialverlust wie in der Waferherstellung für die Halbleiterindustrie und Solarindustrie geeignet.
Im Gegensatz zu konstant viskosen Suspensionsmedien, haben thixotrope Suspensionsmedien bei einer Anwendung für Drahtsägen, somit optimierte Viskositätseigenschaften vor, im und nach dem Sägespalt.
In einer bevorzugten detaillierteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Drahtsäge, umfassend: (i) mindestens 2 Drahtführungen,
(ii) Draht,
(iii) eine Läppsuspension enthaltend Schleifkorn und Suspensionsmedium, wobei
(a) der Draht mittels der Drahtführungen in Schneidrichtung bewegt wird und (b) der Draht die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt des Werkstücks transportiert und die Schnittkraft auf das Korn überträgt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Suspensionsmedium thixotrop, vorzugsweise wässrig thixotrop ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Drahtsäge, die als Gattersäge ausgeführt ist. Bei einer Gattersäge sind Sägeblätter in einem sogenannten Gatterrahmen gespannt. Im Falle einer Slurry-/ respektive Läppsuspensionsgattersäge bestehen die Sägeblätter aus gespannten Drähten und/oder gespannten Bändern und/oder gespannten Blättern, welche die Läppsuspension in den Sägespalt führen und somit die Sägewirkung erzielen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Drahtsäge als Gattersäge ausgeführt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
(i) mindestens ein Sägegatter mit mindestens einem Draht und/oder mindestens einem Band in Schneidrichtung ausgerichtet, (iii) eine Läppsuspension enthaltend Schleifkorn und Suspensionsmedium, wobei
(a) der Draht und/oder das Band mittels Sägegatter in Schneidrichtung bewegt wird und
(b) der Draht und/oder das Band die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt des Werkstücks transportiert und Schnittkraft auf das Korn überträgt, umfasst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Suspensionsmedium thixotrop, vorzugsweise wässrig thixotrop ist.
Selbstverständlich muss der Draht bzw. bei der Gattersäge der Draht und/oder das Band zur spanabtragenden Bearbeitung, vorzugsweise An- und/oder Durchsägen des Werkstückes, gespannt und in Schneidrichtung auf dem Werkstück geführt werden. Zum Spannen und Führen dienen bei Drahtsägen übliche Drahtführungen (bei Gattersägen das geführte Sägegatter und optional zusätzlich mindestens eine Drahtführungsrolle), mindestens eine pro Seite des Drahtes, die als Fixier-und Spannelement/Befestigungselement (es reichen im einfachsten Fall zwei Schlaufen oder Griffe für die Hände), Rolle, Walze, Spule, Umlenkrolle, etc. ausgestaltet sein können. Vorzugsweise kommen zu diesem Zweck mindestens 2 bis 4 Drahtführungen zum Einsatz. Die Drahtführungen bewegen den Draht vorzugsweise kontinuierlich (z.B. von einer Drahtspule auf die andere, wobei sich der Draht nur in eine Richtung bewegt oder als Kreislaufsystem im Sinne einer Bandsäge) oder diskontinuierlich abwechslungsweise in die eine und nach einer gewissen Zeit in die entgegengesetzte § Drahtrichtung (Vor- und Rücklauf des Drahtes d.h. im „Pilgeschritt" [hin und her]), wobei die kontinuierliche Bewegung in eine Drahtrichtung am meisten bevorzugt ist. Besonders bevorzugte Drahtführungen sind Drahtführungsrollen in der Form von berillten Walzen mit einem Rillenabstand, der der fertigen Werkstückdicke plus dem Drahtdurchmesser und dem Zweifachen des grössten Korndurchmessers (dso3 Wert) entspricht, z.B. 1 ,450 mm bis 200 μm (wie bei Halbleiterwafern oder Solarwafern). Bei Gattersägen entspricht dieser Rillenabstand dem Draht, respektive Blatt-/ oder Bandabstand. Der Draht der erfindungsgemässen Drahtsägen kann jeder für diesen Zweck geeignete Draht sein. Er kann aus metallischen, nicht-metallischen, z.B. anorganischen/ organischen Fasern, Faserbündeln, Flechtschnüren oder bestehen und ist vorzugsweise eine metallischer Draht aus Eisen und mehr bevorzugt aus Eisen-Kohlenstoff- Legierungen. Diese Fasern, Faserbündel, Flechtschnüre und Drähte sind in der Regel beschichtet. Diese Schicht kann zur Erhöhung der Oberflächenhärte und/oder zum Korrosionsschutz dienen. Alternativ zu Draht können aber auch funktions- und wesensgleiche Seile (Sägeseile), Stäbe, Blätter, Bleche oder Bänder zum Einsatz kommen, die die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt transportieren.
Vorzugsweise haben solche Drähte einen Durchmesser von 60 bis 175 μm, mehr bevorzugt 80 bis 160 μm, am meisten bevorzugt 100 bis 140 μm. In bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Drähte im Wesentlichen aus Kunststofffasern, Kunststofffaserbündeln, Metallen, Stählen oder Legierungen daraus, vorzugsweise aus Eisen und Kohlenstoff, mehr bevorzugt aus Eisen und 0.7 - 1.2% Kohlenstoff. Zum Korrosionsschutz sind diese Drähte in der Regel beschichtet. Vorzugsweise besteht diese Schicht aus einer Kupfer- und Nickelschicht. Die für Drähte gemachten Aussagen zu Beschichtungen und Materialien sind auf Fasern, Faserbündel, Flechtschnüre, Seile, Stäbe, Blätter, Bänder, Bleche, etc. zur Förderung der Läppsuspension übertragbar, wobei diese eine Breite und/oder Durchmesser von 0.06 bis 100 mm, mehr bevorzugt von 0.08 bis 60 mm am meisten bevorzugt von 0.1 bis 30 mm aufweisen.
Das Suspensionsmedium für die Drahtsägen der Erfindung kann jede Art von Verbindung(en) enthalten, die dazu geeignet ist, dem Suspensionsmedium thixotrope Eigenschaften zu vermitteln. Solche thixotropievermittelnden Verbindungen werden vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Schichtsilikaten, Zellulosen, Kettensilikaten, Saponiten, Zeoliten, „Fuller's earth", Arylharnstoffen und Phthalocyanin- pigmenten.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Suspensionsmedium für die erfindungsgemässen Drahtsägen in Wasser gelöstes Tonmineral als thixotropievermittelnde Verbindung. Besonders bevorzugt weist das Suspensionsmedium für die erfindungsgemässen Drahtsägen ungefähr 1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 1 bis 5 Gew.- % und mehr bevorzugt ungefähr 2 bis 3 Gew.-% eines in Wasser gelösten Tonminerals auf. Zudem ist bevorzugt, dass das Tonmineral eine mittlere Korngröße von weniger als 500 μm, vorzugsweise weniger als 200 μm und mehr bevorzugt weniger als 100 μm, am meisten bevorzugt unter 50 μm bezogen auf das trockene Mineral aufweist.
Es werden vorzugsweise aufgereinigte Formen von Tonmineralien eingesetzt, welche frei von Begleitmineralien sind, welche üblicherweise in aufbereiteten Tonmineralien mit Konzentrationen von 10 bis 20 %, in ausserordentlichen Fällen bis zu 40 %, vorhanden sind.
In der am meisten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Drahtsäge ist das Tonmineral ein Schichtmineral, vorzugsweise ein Dreischichttonmineral, mehr bevorzugt Bentonit.
Tonschichtmaterialien sind schichWplättchenförmige Mineralien, die sich in Suspension, insbesondere in alkalischem Medium, im mikroskopischen Massstab im Ruhezustand zunächst in alle Richtungen gegenseitig vernetzen. Allerdings parallelisieren sich diese unter der Einwirkung von Erschütterungen oder Scherkräften und gleiten dann mangels internem Haftvermögen untereinander aneinander vorbei.
Es ist bevorzugt, dass die Viskosität der Läppsuspension, d.h. inkl. Schleifkorn, der erfindungsgemässen Drahtsäge bei 20 °C weniger als 1 Pas, vorzugsweise weniger als 500 mPas ist und mehr bevorzugt im Bereich von 30 bis 350 mPas liegt (z.B. messbar mit einem Brookfield Viskosimeter unter Verwendung des Probekörper S2 bei der Drehzahl 100 1/min). Die Art und Menge des Schleifkorns kann einen Einfluss auf die Viskosität der Läppsuspension ausüben und somit können die Viskositäten der Läppsuspension und des thixotropen Suspensionsmediums verschieden sein.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verbindung von Drahtsägen mit Läppsuspensionen, welche Schleifkorn in einem thixotropen Suspensionsmedium enthalten, für das Schneiden von spröden und harten Werkstoffen, vorzugsweise von Metallen, Isolatoren und Halbleitern, mehr bevorzugt von multi- und monokristallinem Silizium herausgestellt. Weitere Materialien, die mit den erfindungsgemässen Drahtsägen gut zu schneiden sind, sind beispielsweise Galliumarsenid, Germanium, Siliziumkarbid, Saphir, Keramiken Gestein, Glas und Quarz.
Typische Drahtsägen für diese Anwendungen sind Einfachtischmaschinen (Belademöglichkeit auf einer Drahtfeldebene) mit einfach oder mehrfach parallel beladenen Werkstücken, beispielsweise die Modelle DS 264 und DS 265, wie auch Doppeltischmaschinen, bei welchen auf zwei Ebenen (bspw. auf dem oberen und dem unteren Drahtfeld, wenn diese horizontal angeordnet sind) einfach oder mehrere Werkstücke parallel beladen werden können, beispielsweise das Modell DS 262 der Meyer-Burger AG, Thun, CH, die unter anderem Werkstücke aus multi- und monokristallinem Silizium in Wafer mit Dicken von 70 μm bis 1.2 mm für die Halbleiter- und Solarindustrie herstellen. Bisher wurden ausschliesslich, auf ölen und Polyolen, z.B. Polyethylengly- kolen basierende, viskose, schleifkornhaltige Läppsuspensionen zum Schneiden von sprödharten Materialien, insbesondere von Halbleitern, wie multi- und monokristallinem Silizium, eingesetzt. Diese herkömmlichen Suspensionsmedien sind teuer in der Herstellung und der Entsorgung und haben eine geringe Wärmekapazität zum Abführen der beim Schneidvorgang entstehenden Reibungswärme.
Ebenso ist die anschliessende Reinigung der mit öl oder PEG getrennten Wafer mit grossem aparativen Aufwand und umweltbelastenden chemischen Substanzen verbunden. Des Weiteren greifen öl und PEG die Umlenkrollen und Drahtführungsrollen an und verringern dadurch deren Einsatzdauer.
Solche zum Schneiden von sprödharten Werkstoffen typischen Drahtsägen sind vorzugsweise zur räumlich-funktionellen Verbindung mit thixotropen Läppsuspensionen zur Herstellung erfindungsgemässer Drahtsägen geeignet. Erfindungsgemässe Drahtsägen umfassen vorzugsweise eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale: (2) Drahtführungsrollen, (3) Draht, (4) Schneid- bzw. Trennraum, (5) Läppsuspensions- behälter mit thixotroper Läppsuspension aus Schleifkorn und thixotropem Suspensionsmedium, (6) Pumpe für die thixotrope Läppsuspension, (7) Wärmetauscher zur Kühlung der gebrauchten thixotropen Läppsuspension, (8) Messgerät für den Läppsuspensions- durchfluss, (9) Messgerät für die Läppsuspensionsviskosität, (10) Filter für Werkstücksplitter, (11) Läppsuspensionsdüsen, vorzugsweise in Schrägstellung zum Draht, an welchen Leitschaufeln (z.B. ein Leitblech, Prallblech, Abweiser, richtungsgebendes Element) befestigt sein können, (12) Sprenkler über dem Läppsuspensionsbehälter (5) zur Schaumverringerung bei wässrigen Läppsuspensionen mit Tonmineralien, insbesondere Bentonit, (13) Rührwerk, (14) Prall-/Schutzbleche, (15) Umlenkrollen, (16) Werkstückträger für das zu schneidende Werkstück (1), vorzugsweise ein zu schneidendes mono- oder multikristallines Siliziumwerkstück, vorzugsweise mit Vorschub (nach unten, oben oder seitlich in den Draht), vorzugsweise mit Opferplatte, z.B. aus Glas oder Kunststoff, (17) Neudrahtspule und (18) Altdrahtspule. Eine erfindungsgemässe Draht- säge kann eine oder mehrere der o.g. Elemente aufweisen, solange sie in räumlich- funktioneller Verbindung mit einer thixotropen Läppsuspension steht. Bei den erfindungsgemässen Drahtsägen, insbesondere solchen mit in Wasser gelösten Tonmineralien, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Drahtsägen wie folgt anzupassen, insbesondere dann, wenn Tonmineralien für die thixotrope Läppsuspension zum Einsatz kommen, welche beim Trocknen störende Ablagerungen/Sedimente hinter- lassen, welche in Form von ausgetrockneten Klümpchen auf das Drahtfeld fallen können und dadurch auf den Drahtführungsrollen den Draht auslenken und somit Drahtfehler verursachen, welche den Schneidvorgang (z.B. durch Auslenkung oder Verwaisen (Zusammenkleben) der Drähte) beeinflussen oder die Säge verschmutzen, oder Schaum bilden können, welcher zu einer Verarmung an Schleifkorn in der Läppsuspension führen kann.
Vorzugsweise wird bei den erfindungsgemässen Drahtsägen die Läppsuspension nicht senkrecht von oben, sondern schräg auf den Draht, vorzugsweise im Winkel von ungefähr 0 bis 75, vorzugsweise 5 bis 60, mehr bevorzugt 8 bis 30 Grad zum Draht, vorzugsweise mit und/oder gegen die Schneidrichtung, aufgetragen.
Besonders bevorzugt wird die Läppsuspension über eine Düse und/oder eine Leitschaufel (d.h. jede mechanische Vorrichtung, die die Richtung und Geschwindigkeit der Läppsuspension verändert, bspw. ein Leitblech, Prallblech, etc.) schräg auf den Draht vor den Schneidspalt gefördert, um die Vektorkomponenten der Suspensionsgeschwindigkeit bestmöglich den Vektorkomponenten der Drahtgeschwindigkeit anzupassen.
Der Zweck der schräg gestellten Leitschaufel hinter der Düse ist: (a) den Kontakt von Läppsuspension mit dem Draht so zu gestalten, dass möglichst wenig viskositätsre- duzierende Scherkräfte auftreten und (b) sich die in Pumpe, Leitung und Düse reduzierte Viskosität der Läppsuspension wieder aufbauen kann, bevor diese mit dem Draht in Kontakt gebracht wird.
Die Leitschaufel ist vorzugsweise in Form und Position so ausgestaltet, dass sie variabel an das jeweilige Werkstück angepasst werden kann.
Als besonders wichtig für den optimalen Auftrag thixotroper Läppsuspensionen hat sich die Anordnung der Düse und/oder der Leitschaufel relativ zu dem Draht und zum Werkstück erwiesen. In diesem Zusammenhang wird auf die Figur 2 verwiesen. Besonders bevorzugt ist/sind Düse(n) (1 ,6) und/oder Leitschaufel(n) (2) zum Draht(feld) (5) und Werkstück (3) so zueinander angeordnet, dass der Horizontalabstand zwischen Werkstück und Düse bzw. Leitschaufel 0,5 bis 50, vorzugsweise 1 bis 40, mehr bevorzugt 4 bis 25 mm und am meisten bevorzugt 16 bis 23 und gleichzeitig der Vertikalabstand von Düse bzw. Leitschaufel zum Draht 0,5 bis 30, vorzugsweise 1 bis 20, mehr bevorzugt 2 bis 15 und am meisten bevorzugt 4 bis 9 mm beträgt.
Es ist auch bevorzugt, die Läppsuspension in einem Läppsuspensionsbehälter (i) mechanisch, vorzugsweise durch Rühren und/oder durch Besprühen mit Flüssigkeit, vorzugsweise durch Besprühen mit Läppsuspension oder Wasser, (ii) durch den Zusatz von Entschäumungsmitteln und/oder (iii) durch den Einsatz hydrophobierter Oberflächen im Behälter zu entschäumen bzw. die Schaumbildung zu vermindern oder verhindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform kommt Tonmineral, vorzugsweise Dreischicht- mineral, mehr bevorzugt Bentonit, in der Läppsuspension zum Einsatz, das so klassifiziert wurde, um den schaumbildenenden Feinanteil zumindest teilweise zu entfernen.
Es ist weiterhin für die erfindungsgemässe Drahtsäge bevorzugt, dass sie ein Bauteil, vorzugsweise einen Abstreifer und/oder eine Spülvorrichtung, umfasst, welche die Läppsuspension vom gebrauchten abgehenden Draht wenigstens teilweise abstreift und/oder abspült und vorzugsweise einem Sammelgefäß, beispielsweise dem Läppsuspensionsbehälter mit der Läppsuspension, zur sofortigen oder späteren Wiederverwertung oder Aufarbeitung zuführt.
Für die erfindungsgemässen Drahtsäge haben sich auch räumliche Trennvorrichtungen, die den Schneidraum von anderen Bauteilen der Drahtsäge derart trennen, dass Bauteile ausserhalb des Schneidraums im Wesentlichen nicht mit der Läppsuspension in Kontakt kommen, als vorteilhaft herausgestellt.
In einer bevorzugten Drahtsäge wird der Schneidraum wenigstens teilweise durch Flüssigkeitsvorhänge, vorzugsweise aus Wasser, von anderen Bauteilen abgetrennt.
Auf Wasser basierende Läppsuspensionen mit Tonmineralien trocknen beim Schneiden wegen der auf einer grossen Oberfläche versprühten Schicht aufgrund der hohen
Verdampfungsrate des enthaltenen Wassers recht schnell aus. Es ist daher vorteilhaft, die Luftfeuchtigkeit im Schneidraum möglichst hoch zu halten, um ein Austrocknen der Läppsuspension und der im Schneidraum abgesetzten Tonmineralien zu vermeiden. Es ist daher bevorzugt, den Schneidraum mittels Sprühnebel, vorzugsweise mittels schwebefähigem Sprühnebel, feucht zu halten, um so die Verdampfung von Flüssigkeit in der Läppsuspension und/oder in abgeschiedenem Tonmineral, vorzugsweise von Wasser, zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
Bei dem Einsatz von Sprühnebel wird dieser vorzugsweise in einer Menge in den Schneidraum eingebracht, bei welcher die Läppsuspension auf dem Draht nicht verdünnt wird und vorzugsweise einen im Wesentlichen gleichbleibenden Flüssigkeitsanteil in der Läppsuspension aufrecht gehalten wird.
Vorteilhaft ist auch ein mechanischer Abzieher, welcher die Wände des Schneidraums von abgesetzter Läppsuspension reinigt. Dieser kann bei Bedarf eingesetzt werden und den Schneidraum wenigstens teilweise reinigen.
Eine andere Möglichkeit, um die Ablagerung von Läppsuspension und/oder Tonmineralien im Schneidraum zu vermeiden, ist die Ausgestaltung einer erfindungs- gemässen Drahtsäge mit auswechselbaren Wänden, z.B. Schmutzfangblechen oder Verschalungen welche, während des Betriebs oder nach dem Entladen der bearbeiteten Werkstücke, durch Ersatzbleche / Ersatzverschalungen ersetzt werden können.
Vorzugsweise können Maschineninnenwände, Ableitbleche, Verschalungsbleche sowie Komponenten der Läppsuspensionsförderung hydrophob beschichtet sein, um die Bildung von Ablagerungen zu reduzieren.
Vorzugsweise wird durch die Wahl der Pumpengrösse, des Pumpentyps und/oder der Fliessgeschwindigkeit die Viskosität des Suspensionsmediums gesteuert.
Des Weiteren können Leitungssysteme (Querschnitte resp. die Veränderung von Querschnitten auf einer Förderstrecke), Wärmetauscher und andere Komponenten (Messgeräte, Schieber) zur Steuerung der Viskosität über die Fliessgeschwindigkeit der Läppsuspension ausgelegt werden.
Vorzugsweise wird der Querschnitt einer Leitung mit thixotroper Läppsuspension in der erfindungsgemässen Drahtsäge soweit aufgeweitet, dass die Gelbildung einsetzen kann. Besonders bevorzugt ist eine Verlangsamungsstrecke/vorrichtung für die Läppsuspension vor der Düse. Diese kann in Form eines Reservoirs vor oder unmittelbar an der Düse ausgestaltet sein.
Die Viskosität der Läppsuspension kann stark mit der Scherrate variieren. Wird die
Läppsuspension stark geschert, so wandelt sich das Gel in eine Newtonsche Flüssigkeit um. Wird die Scherrate auf diese Suspensionsflüssigkeit anschliessend reduziert, bildet sich das tixotrope Gel erneut.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu spanab- tragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine erfindungsgemässe Drahtsäge ein Werkstück in zwei oder mehr Teile trennt, wobei das Werkstück vorzugsweise aus harten, insbesondere sprödharten Materialien, am meisten bevorzugt aus multikristallinem oder monokristallinem Silizium besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine erfindungsgemässe Drahtsäge ein Werkstück in zwei oder mehr Teile trennt, wobei eine oder mehrere Leitungen, ein oder mehrere Wärmetauscher ein oder mehrere Messsonden der Drahtsäge, die mit der Läppsuspension in direktem Kontakt stehen, im Schneidbetrieb und oder in der Schneidpause mit Suspensionsmedium, Läppsuspension oder Spülflüssigkeit gespült werden.
Besonders bevorzugt sind die o.g. Verfahren, bei denen
(a) das Werkstück aus Silizium besteht, (b) die Läppsuspension Bentonit enthält,
(c) die mittlere Korngrösse des trockenen Bentonits vorzugsweise unter 100 μm, mehr bevorzugt unter 50 μm ist,
(d) die Viskosität der Läppsuspension bei 20 0C vorzugsweise bei 30 bis 350 mPas liegt und (e) das Bentonit in der Läppsuspension vorzugsweise zu ungefähr 1 bis 10, mehr bevorzugt zu 1 bis 5 Gew.-%, am meisten bevorzugt zu ungefähr 2 bis 3 Gew.-% vorliegt.
Im Folgenden wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in mehr Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die nicht als beschränkend für den Umfang der Erfindung vorgesehen sind, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.
Figuren
Fig. 1 zeigt schematisch eine zum Schneiden von Siliciumwafem übliche Anordnung von Bauteilen in einer Drahtsäge mit zusätzlichen Elementen, welche speziell für den Betrieb mit auf Ton basierenden Läppsuspensionen vorgesehen sind. Dabei haben die Bezugszahlen die folgende Bedeutung: 1 - Werkstück, beispielsweise ein mono- oder multikristalliner Siliziumblock
2 - Drahtführungsrollen
3 - Draht
4 - Schneid- bzw. Trennraum
5 - Läppsuspensionsbehälter mit Schleifkorn und Suspensionsmedium 6 - Läppsuspensionspumpe
7 - Wärmetauscher zur Kühlung der gebrauchten Läppsuspension
8 - Messgerät für den Läppsuspensiondurchfluss
9 - Messgerät für die Läppsuspensionviskosität
10 - Filter für Werkstücksplitter 11 - Läppsuspensionsdüsen in Schrägstellung mit Leitschaufeln
12 - Sprenkler zur Schaumverringerung
13 - Rührer
14 - Prall-/Schutzbleche,
15 - Umlenkrollen 16 - Werkstückträger mit Vorschub (nach unten in den Draht), Opferplatte, z.B. aus
Glas oder Kunststoff
17 - Neudrahtspule
18 - Altdrahtspule
Fig. 2 zeigt schematisch eine Drahtsäge mit Drahtfeld (5), das über Umlenkrollen (7) geführt wird, wobei das Werkstück (3) mittels Vorschubeinheit (4) mit dem bewegten Draht (5) in Kontakt gebracht wird und die rechte Düsenspitze für die thixotrope Läppsuspension (6) einen festgelegten Vertikalabstand zum Draht und einen festgelegten Horizontalabstand zum Werkstück aufweist. Auch die tiefliegende Spitze (2) der linken Leitschaufel an der linken Düse (1) hat einen festgelegten Vertikalabstand zum Draht und einen festgelegten Horizontalabstand zum Werkstück. Der von der durch Draht bewegten Läppsuspension geschnittene Teil wird mit (8) gekennzeichnet.

Claims

Patentansprüche
1. Drahtsäge mit einer Läppsuspension, die Schleifkorn in einem thixotropen Suspensionsmedium enthält.
2. Drahtsäge nach Anspruch 1 , umfassend
(i) mindestens 2 Drahtführungen,
(ii) Draht,
(iii) eine Läppsuspension enthaltend Schleifkorn und Suspensionsmedium, wobei
(a) der Draht mittels der Drahtführungen in Schneidrichtung bewegt wird und b) der Draht die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt des Werkstücks transportiert und die Schnittkraft auf das Korn überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Suspensionsmedium thixotrop ist.
3. Drahtsäge nach Anspruch 1 oder 2, die als Gattersäge ausgeführt, die vorzugsweise dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
(i) mindestens ein Sägegatter mit mindestens einem Draht und/oder mindestens einem Band in Schneidrichtung ausgerichtet, (iii) eine Läppsuspension enthaltend Schleifkorn und Suspensionsmedium, wobei
(a) der Draht und/oder das Band mittels Sägegatter in Schneidrichtung bewegt wird und
(b) der Draht und/oder das Band die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt des Werkstücks transportiert und Schnittkraft auf das Korn überträgt, umfasst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Suspensionsmedium thixotrop ist.
4. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Suspensionsmedium ungefähr 1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 1 bis 5 Gew.-% und mehr bevorzugt ungefähr 2 bis 3 Gew.-% eines in Wasser gelösten Tonminerals aufweist.
5. Drahtsäge nach Anspruch 4, wobei das Tonmineral eine mittlere Korngröße von weniger als 500 μm, vorzugsweise weniger als 200 μm und mehr bevorzugt weniger als 100 μm, am meisten bevorzugt unter 50 μm bezogen auf das trockene Mineral aufweist.
6. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Tonmineral ein Schichtmineral, vorzugsweise ein Dreischichttonmineral, mehr bevorzugt Bentonit, ist.
7. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Viskosität der Läppsuspension bei 20 0C weniger als 1 Pas, vorzugsweise weniger als 500 mPas ist und mehr bevorzugt im Bereich von 30 bis 350 mPas liegt.
8. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Läppsuspension schräg auf den Draht, vorzugsweise im Winkel von ungefähr 0 bis 75, vorzugsweise 5 bis 60 und mehr bevorzugt 8 bis 30 Grad zum Draht, vorzugsweise in Schneidrichtung, aufgetragen wird.
9. Drahtsäge nach Ansprüche 8, wobei die Läppsuspension über eine Düse und/oder eine Leitschaufel schräg auf den Draht vor dem Schneidspalt gefördert wird.
10. Drahtsäge nach Anspruch 9, wobei Düse und/oder Leitschaufel zum Draht und Werkstück so zueinander angeordnet sind, dass der Horizontalabstand zwischen
Werkstück und Düse bzw. Leitschaufel 0,5 bis 50, vorzugsweise 1 bis 40, mehr bevorzugt 4 bis 25 mm und am meisten bevorzugt 16 bis 23 und gleichzeitig der Vertikalabstand von Düse bzw. Leitschaufel zum Draht 0,5 bis 30, vorzugsweise 1 bis 20, mehr bevorzugt 2 bis 15 und am meisten bevorzugt 4 bis 9 mm beträgt.
11. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Läppsuspension in einem Läppsuspensionsbehälter (i) mechanisch, vorzugsweise durch Rühren und/oder durch Besprühen mit Flüssigkeit, vorzugsweise durch Besprühen mit Läppsuspension oder Wasser, (ii) durch den Zusatz von Entschäumungsmitteln und/oder (iii) durch den Einsatz hydrophobierter Oberflächen im Behälter entschäumt wird bzw. die Schaumbildung vermindert oder verhindert wird.
12. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 4 bis 11 , wobei das Tonmineral, vorzugsweise Dreischichtmineral, mehr bevorzugt Bentonit, in der Läppsuspension zuvor so klassifiziert wurde, um den schaumbildenenden Feinanteil zumindest teilweise zu entfernen.
13. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend ein Bauteil, vorzugsweise einen Abstreifer und/oder eine Spülvorrichtung, die die Läppsuspension vom gebrauchten abgehenden Draht wenigstens teilweise abstreift und/oder abspült und vorzugsweise einem Sammelgefäß zur sofortigen oder späteren Wiederverwertung oder Aufarbeitung zuführt.
14. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend räumliche Trennvorrichtungen, die den Schneidraum von anderen Bauteilen der Drahtsäge derart trennen, dass Bauteile ausserhalb des Schneidraums im Wesentlichen nicht mit der
Läppsuspension in Kontakt kommen.
15. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der ein Schneidraum wenigstens teilweise durch Flüssigkeitsvorhänge, vorzugsweise aus Wasser, von anderen Bauteilen abgetrennt ist.
16. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der ein Schneidraum mittels Sprühnebel, vorzugsweise mittels schwebefähigem Sprühnebel, feucht gehalten wird, um so die Verdampfung von Flüssigkeit in der Läppsuspension, vorzugsweise von Wasser, zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
17. Drahtsäge nach Anspruch 16, bei der Sprühnebel in einer Menge in den Schneidraum eingebracht wird, die die Läppsuspension auf dem Draht nicht verdünnt und vorzugsweise einen im Wesentlichen gleichbleibenden Flüssigkeitsanteil in der Läppsuspension aufrecht hält.
18. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend einen Abzieher, der die Wände des Schneidraums bei Bedarf von Läppsuspension wenigstens teilweise reinigt.
19. Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend auswechselbare Wände Schmutzbleche / Schmutzfangbleche und/oder Spüldüsen im Schneidraum der Drahtsäge.
20. Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine erfindungsgemässe Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 19 ein Werkstück in zwei oder mehr Teile trennt, wobei das Werkstück vorzugsweise aus harten, insbesondere spröd harten Materialien, am meisten bevorzugt aus multikristallinem oder monokristallinem Silizium besteht.
21. Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine Drahtsäge nach einem der Ansprüche 1 bis 19 ein Werkstück in zwei oder mehr Teile trennt, wobei eine oder mehrere Leitungen, ein oder mehrere Wärmetauscher ein oder mehrere Messsonden der Drahtsäge, die mit der Läppsuspension in direktem Kontakt stehen, im Schneidbetrieb und oder in der Schneidpause mit Suspensionsmedium, Läppsuspension oder Spülflüssigkeit gespült werden.
22. Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung nach Anspruch 20 oder 21 , bei dem
(a) das Werkstück aus Silizium besteht,
(b) die Läppsuspension Bentonit enthält, (c) die mittlere Korngrösse des trockenen Bentonits vorzugsweise unter 100 μm, mehr bevorzugt unter 50 μm ist,
(d) die Viskosität der Läppsuspension bei 20 0C vorzugsweise bei 30 bis 350 mPas liegt und
(e) das Bentonit in der Läppsuspension vorzugsweise zu ungefähr 1 bis 10, mehr bevorzugt zu 1 bis 5 Gew.-%, am meisten bevorzugt zu ungefähr 2 bis 3
Gew.-% vorliegt.
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