WO2011151022A1

WO2011151022A1 - Drahtsäge mit drahtrissüberwachung

Info

Publication number: WO2011151022A1
Application number: PCT/EP2011/002539
Authority: WO
Inventors: Willi Waelte
Original assignee: Meyer Burger Ag; De Agostini, Antonio
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-05-21
Publication date: 2011-12-08
Also published as: WO2011151022A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Drahtrissen beim Schneiden von harten Feststoffen mittels Drahtfeldes, bei dem der Feststoff durch das Drahtfeld geführt wird, und durch das Drahtfeld ein Gleichstrom geführt wird, der über das Drahtfeld eine Spannung erzeugt, die von einem Sensor überwacht wird, der bei Signaleingang einer durch Drahtriss bedingten Spannungsabweichung den Schneidvorgang unterbricht. Des Weiteren ist die Erfindung auf eine Drahtsäge zur Durchführung des genannten Verfahrens sowie die Verwendung des Verfahrens und/oder der Drahtsäge zum Schneiden von harten, vorzugsweise spröden Feststoffen, vorzugsweise Metallen und Halbmetallen, vorzugsweise mono- und polykristallinen Siliziumkristallen, Keramiken, Saphir und Germanium gerichtet.

Description

Drahtsäge mit Drahtrissüberwachung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Drahtrissen beim Schneiden von harten Feststoffen mittels eines Drahtfeldes, bei dem der Feststoff durch das Drahtfeld geführt wird und durch das Drahtfeld ein Gleichstrom geführt wird, der über das Drahtfeld eine Spannung erzeugt, die von einem Sensor überwacht wird, der bei Signaleingang einer durch Drahtriss bedingten Spannungsabweichung den Schneidvorgang unterbricht.

Des Weiteren ist die Erfindung auf eine Drahtsäge zur Durchführung des genannten Verfahrens sowie die Verwendung des Verfahrens und/oder der Drahtsäge zum

Schneiden von harten, vorzugsweise spröden Feststoffen, vorzugsweise Metallen und Halbmetallen, vorzugsweise mono- und polykristallinen Siliziumkristallen, Keramiken, Saphir und Germanium gerichtet.

Die Halbleiter- und Photovoltaikindustrie verwendet für die Herstellung von Computerchips und Photovoltaikanlagen kristallines Silizium. Das vom Hersteller als Einkristall- (Ingot) oder Polykristallblock (Brick) mit Gewichten von bis zu mehreren hundert Kilogramm bereitgestellte Rohsilizium durchläuft eine Reihe von Schneidverfahren, die die Rohkristalle in einen Quader überführen, der dann in dünne bis hauchdünne Scheiben (Wafer) geschnitten wird, die gereinigt, nachbehandelt und dann für den jeweiligen Einsatz endverarbeitet werden.

Nach dem Zuschneiden der Ingots oder Bricks mittels so genannter Innenloch-, Aussen-, Band-, Draht- und Trennsägen in Quader und Oberflächenbehandlung werden diese dann üblicherweise mit Drahtsägen (DS264, DS265 und DS271 der Meyer Burger AG, Thun, Schweiz) in oft tausende dünne bis hauchdünne Scheiben getrennt.

Eine Drahtsäge besteht typischer Weise aus zwei Drahtführungsrollen mit hochpräzisen und feinen Rillen, die einen dünnen Stahl- oder schneidmittebesetzten Stahldraht führen. Durch die Drahtspannung zwischen den Führungsrollen entsteht ein Drahtfeld, dass sich durch schnelles Drehen der Führungsrollen in eine oder alternierende Richtungen bewegt und so die Ingots und Bricks mittels gebundenem Schneidmittel oder mitgeführter Läppsuspension (auch Zerspanungssuspension genannt) in hauchdünne

Scheiben schneidet. Bei Drahtsägen unterscheidet man Slurry-Drahtsägen mit Draht und Trennflüssigkeit (z.B. DS 261 , 264, 265 und 266 der Meyer Burger AG, Thun, Schweiz), die meist aus dem Schneidmittel Siliziumcarbid oder Diamantpulver und viskosen, wässrigen oder organischen Trägerflüssigkeiten wie Glykol bestehen, sowie Drahtsägen mit schneidmittelbesetztem Draht, meist ein diamantbesetzter Draht (z.B. DS 265 und DS 264 in der Ausstattung mit Diamantdraht, CR 200 der Meyer Burger AG, Thun, Schweiz). Beim Slurry-Drahtsägen erfolgt die Trennung durch die läppende (zerspanende) Wirkung der in der Suspension von dem Draht mitgeführten Schneidmittel und beim Drahtsägen durch die fest mit dem Draht verbundenen Schneidmittel.

Nicht selten kommt es bei der Bearbeitung von Ingots und Bricks zu Drahtrissen wegen der hohen mechanischen und thermischen Belastung sowie Drahtvarianzen. Neben Qualitätsabweichungen und Durchmesservarianzen des Drahtes führen wahrscheinlich auch Resonanzschwingungen des Schneidgutes zu Drahtrissen. Bei Drahtrissen muss die Bearbeitung möglichst schnell unterbrochen werden, um Schäden an der Drahtsäge, dem Schneidgut und auch Bedienpersonal zu vermeiden.

Eine bekannte Methode der Drahtrissüberwachung ist die Nutzung eines quer zum Drahtfeld gespannten Drahtes, der beim Drahtriss mit dem losen gerissenen Ende des Drahtfeldes in Kontakt kommt. Andere Möglichkeiten sind optische, akustische

elektrische und kapazitative Sensoren. Allerdings macht im Schneidbetrieb die

Verschmutzung mit Kühlmittel, Slurry, Schneidmittel und Schneidgutabrieb elektrische Sensoren besonders problematisch. Daher wurde bisher von diesen Optionen Abstand genommen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue und vorteilhafte Drahtsägen und Verfahren zur Überwachung von Drahtrissen beim Schneiden von harten Feststoffen mittels eines Drahtfeldes zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Überwachung von Drahtrissen beim Schneiden von harten Feststoffen mittels eines Drahtfeldes, bei dem der Feststoff durch das Drahtfeld geführt wird, gelöst, bei dem durch das Drahtfeld ein Gleichstrom geführt wird, der über das Drahtfeld eine Spannung erzeugt, die von einem Sensor überwacht wird, der bei Signaleingang einer durch Drahtriss bedingten Spannungsabweichung den Schneidvorgang unterbricht.

Es wurde unerwartet festgestellt, dass durch das Durchführen eines Gleichstroms durch das Drahtfeld als Modulationssignal und Überwachung der über das Drahtfeld erzeugten Spannung, vorzugsweise an der Stromeinspeisungsstelle, ein Drahtriss im Schneidbetrieb selbst bei hoher Laufgeschwindigkeit zuverlässig und ohne Verzögerung durch die drahtrissbedingte Spannungsänderung (auch Spannungshub genannt) nachweisbar ist.

Dies ist nicht nur bei trockenen und sauberen Drähten, sondern auch bei mit Schneidmittel und Schneidgutabrieb verdreckten und sogar mit Kühlflüssigkeit oder Zerspanungsflüssigkeit belegten Drahtfeldern möglich.

Die erfindungsgemässen Verfahren eignen sich vorzugsweise für Schneidverfahren mit entsprechenden Vorrichtungen (i) mit Schneidmittel besetztem Drahtfeld oder (ii) mit durch das Drahtfeld transportierten Schneidmittelsuspensionen, die auch Zerspanungssuspension, Trennflüssigkeit oder kurz„Slurry" genannt werden.

Unter einem mit Schneidmittel besetzten oder belegten Drahtfeld versteht der Fachmann die parallele Führung vieler Drähte in den Abständen, in denen das Schneidgut zu zersägen ist. Zur Herstellung von Siliziumwafern liegt der Abstand der Drähte bei beispielsweise 50 bis 300 pm. Im mit Schneidmittel besetzten Drahtfeld ist das Schneidmittel zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens fest mit dem Draht besetzt, d.h. damit verbunden. Bei auf Slurry basierenden Drahtsägen zur Durchführung der

Erfindung transportiert der Draht die Trennflüssigkeit, die meist aus dem Schneidmittel Siliziumcarbid oder Diamantpulver und viskosen, wässrigen oder organischen

Trägerflüssigkeiten wie Glykol besteht. Der Draht ist dabei über die Flüssigkeit mit dem darin suspendierten Schneidmittel verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform nutzt das Verfahren der Erfindung bzw. dazu geeignete Drahtsägevorrichtungen mit Schneidmittel besetzte Drahtfelder.

Die Kühlflüssigkeiten bzw. Slurries für Drahtsägen dienen auch als Schmier- oder Gleitmittel und/oder Reinigungsmittel zur Aufnahme und Abtransport von Schneidgut. Die Zusammensetzungen dieser Flüssigkeiten variieren je nach Aufgabe und Bedarf von dünnflüssig bis hochviskos oder auch thixotrop, wässrig, organisch oder gemischt, und enthalten oft übliche Additive wie Schmier- oder Gleitmittel, Korrosionsschutzmittel, Stabilisatoren, Konservierungsmittel, sog. EP-Zusätze (extreme pressure additives), Viskositäts- oder Thixotropie-vermittelnde Substanzen, Emulgatoren, Lösungsvermittler, etc. Die Stärke des Gleichstroms hängt bei dem erfindungsgemässen Verfahren grossteils vom Drahtfeld, d.h. dem Drahtmaterial, der Drahtlänge, der Leitfähigkeit und dessen mittleren Durchmesser, sowie vom dem Abstand der Elektroden und ggf. der Menge und des Widerstands der vorzugsweise vorhandenen Slurry-, Kühl- und/oder Gleitflüssigkeit ab.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Draht des Drahtfeldes zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens einen mittleren Durchmesser von 50 bis 250, vorzugsweise 100 bis 200, mehr bevorzugt 120 bis 180 und am meisten bevorzugt 140 bis 150 [im (Mikrometer) auf. Das Material des Drahtes ist möglichst reissfest und besteht vorzugsweise wenigstens teilweise aus einem leitfähigen metallischen Feststoff, üblicherweise Eisen, Stahl und entsprechenden Legierungen.

Besonders bevorzugt sind Drähte mit einem Widerstand von 1 bis 100, vorzugsweise 2 bis 50, mehr bevorzugt 3 bis 20, am meisten bevorzugt 3 bis 10 Ohm/m.

Das am Drahtfeld befestigte oder in der Slurry suspendierte Schneidmittel ist abhängig von der Härte und den weiteren Eigenschaften des zu sägenden Feststoffes. Vorzugsweise wird es ausgewählt aus Siliziumcarbid, Diamant und Borcarbid, vorzugsweise Siliziumcarbid und Diamant, ist am meisten bevorzugt Diamant.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in dem erfindungsgemässen Verfahren eine Flüssigkeit zur Drahtkühlung verwendet, die den am Drahtfeld angelegten Gleichstrom vorzugsweise um nicht mehr als 80, mehr bevorzugt nicht mehr als 70, mehr bevorzugt nicht mehr als 60, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 % ableitet.

Die erfindungsgemäss eingesetzte Flüssigkeit kann auch andere bzw. weitere Aufgaben erfüllen, z.B. Gleitmittel, Korrosionsschutzmittel, Tenside, etc. enthalten. Vorzugsweise haben die im erfindungsgemässen Verfahren eingesetzten Flüssigkeiten eine relative Leitfähigkeit von weniger als 5, vorzugsweise weniger als 2, mehr bevorzugt weniger als 1 am meisten bevorzugt weniger als 0.5 mS/cm.

Es hat sich herausgestellt, überraschender weise auch bei Nutzung von leitenden Flüssigkeiten, dass die Wahl eines Gleichstroms durch das Drahtfeld, der in einer über das Drahtfeld erzeugten Spannung zwischen 100 und 1000 mV resultiert, besonders gut für das erfindungsgemässe Verfahren geeignet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der durch das Drahtfeld geführte Gleichstrom, vorzugsweise ein negativer Gleichstrom, so gewählt, dass über das Drahtfeld eine Spannung von 100 bis 1000, vorzugsweise 200 bis 500 und am meisten bevorzugt 300 bis 400 mV erzeugt wird, (kohärenter mit Anspruch 1 und dem geänderten Anspruch 5.)

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der am Drahtfeld angelegte Gleichstrom eine Stromstärke von 200 bis 20, vorzugsweise 100 bis 30, mehr bevorzugt 80 bis 30, noch mehr bevorzugt 70 bis 35, am meisten bevorzugt 60 bis 40 bzw. 55 bis 45 μΑ über das Drahtfeld auf.

Vorzugsweise ist der angelegte Gleichstrom ein negativer Gleichstrom. Ein negativer Gleichstrom kann je nach zu schneidendem Material den Vorteil haben, dass eine elektrolytische Zersetzungsreaktion vermieden wird, z.B. beim Schneiden von Silizium. Der angelegte Gleichstrom ist vorzugsweise (möglichst) konstant.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung das o.g.

Verfahren, bei dem

(i) der Draht einen mittleren Durchmesser von 50 bis 250, vorzugsweise 100 bis 200, mehr bevorzugt 120 bis 180 pm und vorzugsweise einen Widerstand von 1 bis 100, vorzugsweise 2 bis 50, mehr bevorzugt 3 bis 20, am meisten bevorzugt 3 bis 10 Ohm/m aufweist,

(ii) eine Flüssigkeit zur Drahtkühlung verwendet wird, die den am Drahtfeld

angelegten Gleichstrom um nicht mehr als 80, vorzugsweise nicht mehr als 70, mehr bevorzugt nicht mehr als 60, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 % vermindert, und

(iii) der durch das Drahtfeld geführte Gleichstrom, vorzugsweise ein negativer Gleichstrom, so gewählt ist, dass über das Drahtfeld eine Spannung von 100 bis 1000, vorzugsweise 200 bis 500 und am meisten bevorzugt 300 bis 400 mV erzeugt wird.

Eine negative und möglichst konstante Stromstärke ist bevorzugt. Die vom Sensor im Schneidbetrieb aufgenommenen Eingangssignale verändern sich bei einem Drahtriss erkennbar. Es kommt zu einem Spannungshub. Allerdings kommt es im Betrieb häufig zu Rauschen durch Hintergrundsignale wie durch das unregelmässige Spritzen von Flüssigkeiten auf das Drahtfeld und Vibrationen, die die Elektroden und/oder den Sensor beeinflussen. Auch Richtungswechsel bei erfindungemässen Sägeverfahren im Pendelbetrieb führen zu messbaren Spannungsschwankungen. Daher sollten je nach Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens Drahtrisskriterien für die jeweiligen Betriebparameter wie Maschinentyp der Drahtsäge, angelegter Strom, Kühlflüssigkeit, Drahttyp, Drahtlänge und Drahtgeschwindigkeit, etc. festgelegt werden, die in Echtzeit mit den Eingangssignalen im Schneidbetrieb verglichen werden können.

Es hat sich auch überraschender Weise gezeigt, dass kleinere Ströme relativ zu grösseren Strömen bzw. damit einhergehende Spannungen über das Drahtfeld von 100 bis 1000 mV überproportional hohe Spannungshübe bei Drahtrissen auslösen und so Drahtrisse besser von nicht durch Drahtriss bedingten Spannungsschwankungen zu unterscheiden sind. Daher wird das erfindungsgemässe Verfahren vorzugsweise bei den oben genannten Stromstärken bzw. den damit einhergehenden Spannungen über das Drahtfeld von 100 bis 1000 mV eingesetzt. Im Bereich der bevorzugten Stromstärken bzw. Spannungen über das Drahtfeld von 100 bis 1000 mV ist der Abstand von

Hintergrundspannungsschwankungen zu Spannungshüben durch Drahtrisse

überproportional.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Eingangssignale des Sensors direkt und möglichst ohne Verzögerung, vorzugsweise in Echtzeit auf Drahtrisskriterien überprüft. Dazu werden die vom Sensor aufgenommenen Eingangssignale während des Schneidverfahrens einer Signalverarbeitungsvorrichtung zugeführt, die die Eingangssignale auf Drahtrisskriterien überprüft. Alternativ oder gleichzeitig können die Eingangssignale zwischengespeichert werden, um eine spätere oder gleichzeitige Auswertung wie durch einen online-Vergleich zu gestatten und so z.B. die Drahtrisskriterien zu bestimmen bzw. anzupassen. Bei Übereinstimmung der

Eingangssignale mit den Drahtrisskriterien wird dann der Schneidvorgang möglichst umgehend unterbrochen, z.B. durch Abbremsen der Drahtführungsrollen.

Vorteilhaft können dem Sensor ein oder mehrere Verstärker, z.B. auch invertierende Verstärker, Filter, z.B. Tiefpassfilter und/oder Analog-Digital-Wandler (ADC), etc. nachgeschaltet sein, die einer Signalverabeitungsvorrichtung, z.B. einem Mikrocomputer, vorgeschaltet sind bzw. ein Bestandteil davon sind.

Filter bzw. Tiefpassfilter von 0,5 bis 4, vorzugsweise 1 bis 2 Hz sind bevorzugt.

Die Elektrode, mit der der Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle in die Drahtspule eingespeist wird, kann beispielsweise eine möglichst abriebfeste Kohlenstoffelektrode sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Gleichstrom an der Eingangspule des Drahtfeldes oder am Draht zwischen der Eingangsspule und dem Drahtfeld eingespeist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens nimmt der Sensor zur Messung der am Drahtfeld erzeugten Spannung das Signal am Einspei- sungseingang des Gleichstroms, d.h. in der direkten Nähe der Gleichstromquelle ab.

In einem weiteren Aspekt löst die Erfindung die gestellten Aufgaben mittels einer

Drahtsäge mit Drahtrissüberwachung zum Schneiden von harten Feststoffen mit

Drahtfeld, Drahtführungsrollen, Gleichstromquelle und wenigstens einem Elektrodenpaar mit Kontakt zum Drahtfeld, vorzugsweise über die isolierten Drahtspulen, sowie wenigstens einem Sensor, bei der im Schneidbetrieb die Gleichstromquelle am

Elektrodenpaar einen Gleichstrom in das Drahtfeld einspeist und die daraus erzeugte Spannung von einem Sensor überwacht wird, der bei Signaleingang einer durch

Drahtriss bedingten Spannungsabweichung die Drahtführungsrollen anhält.

Wie entsprechend für das o.g. Verfahren ausgeführt, sind bevorzugte Parameter für die erfindungsgemässe Drahtsäge dass

(a) der Draht des Drahtfeldes einen mittleren Durchmesser von 50 bis 250 pm,

vorzugsweise 100 bis 200 pm, mehr bevorzugt 120 bis 180 pm und am meisten bevorzugt 140 bis 150 pm und vorzugsweise einen Widerstand von 1 bis 100, vorzugsweise 2 bis 50, mehr bevorzugt 3 bis 20, am meisten bevorzugt 3 bis 10 Ohm/m aufweist, und/oder

(b) das Schneidmittel am Drahtfeld ausgewählt ist aus Siliziumcarbid, Diamant und Borcarbid, vorzugsweise Siliziumcarbid und Diamant, am meisten bevorzugt Diamant ist, und/oder

(c) die die Drahtsäge eine Kühlflüssigkeit zur Drahtkühlung und/oder eine

Zerspanungssuspension aufweist, die den am Drahtfeld angelegten Gleichstrom um nicht mehr als 80, vorzugsweise nicht mehr als 70, mehr bevorzugt nicht mehr als 60, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 % ableitet, und/oder

(d) der durch das Drahtfeld geführte Gleichstrom, vorzugsweise ein negativer Gleichstrom, so gewählt ist, dass über das Drahtfeld eine Spannung von 100 bis 1000, vorzugsweise 200 bis 500 und am meisten bevorzugt 300 bis 400 mV erzeugt wird und/oder

(e) die Drahtsäge eine Signalverarbeitungsvorrichtung aufweist, die Eingangssignale des Sensors während des Schneidverfahrens nach Drahtrisskriterien überprüft.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung die o.g.

Drahtsäge, bei der

(i) der Draht einen mittleren Durchmesser von 100 bis 200, vorzugsweise 140 bis 150 pm aufweist und vorzugsweise einen Widerstand von 1 bis 100, vorzugsweise 2 bis 50, mehr bevorzugt 3 bis 20, am meisten bevorzugt 3 bis 10 Ohm/m aufweist, und

(ii) eine Flüssigkeit zur Drahtkühlung und/oder eine Zerspanungssuspension verwendet wird, die den am Drahtfeld (2) angelegten Gleichstrom um nicht mehr als 80, vorzugsweise nicht mehr als 70, mehr bevorzugt nicht mehr als 60, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 % vermindert, und

Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemässen Drahtsäge der Gleichstrom an der Eingangsspule oder am Draht zwischen Eingangspule und Drahtfeld eingespeist. Zudem ist bevorzugt, dass bei der erfindungsgemässen Drahtsäge das Signal am Einspeisungs- eingang des Gleichstroms abgenommen wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines der o.g Verfahrens und/oder einer o.g. Drahtsäge zum Schneiden von harten, vorzugsweise spröden Feststoffen, vorzugsweise Metallen und Halbmetallen, vorzugsweise mono- und polykristallinen Siliziumkristallen, Keramiken, Saphir und Germanium.

Ganz besonders bevorzugt ist diese Verwendung zur Herstellung von Siliziumwafern. Im Folgenden wird die Erfindung anhand nicht beschränkend auszulegender Figuren und Beispielen erläutert.

Figuren

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Drahtsäge (1) mit Drahtfeld (2), Stromeinspeisungsstelle (3), Draht (4), mit invertierendem Verstärker (10), Tiefpassfilter (11), Analog-Digital-Wandler (ADC) (12) und Microcomputer (13), Stromquelle (7), Eingangsspule (6A), Ausgangsspule (6B), Widerständen (14, 15, 17) und Drahtführungsrollen (9A, 9B), wobei die Drahtführungsrollen (9A, 9B) und Spulen (6A, 6B) isoliert sind und die Elektroden des Stromkreislaufs an der Eingangsspule (6A) und an der

Ausgangsspule (6B) angeordnet sind.

Der vorzugsweise negative Strom, z.B ca. -50 μΑ, fliesst von der Stromquelle (7) über den Elektrodenkontakt (8A) und die Eingangsspule (6A) auf den Draht (4), über das Drahtfeld (2) zum Elektrodenkontakt (8B) über den Abschlusswiderstand (15) gegen Gehäusemasse und erzeugt so eine negative Sensorspannung an der Stromeinspeisungsstelle (3).

Sobald Kühlflüssigkeit zugegeben wird, fliesst ein Teil des Stroms über die leitende Flüssigkeit auf dem Drahtfeld (17) zur Gehäusemasse, verkleinert so den ohmschen Widerstand des Drahtfeldes und verringert so die negative Sensorspannung an der Stromeinspeisungsstelle (3).

Die Sensorspannung wird an der Einspeisungsstelle (3) der Stromquelle (7) gemessen, über einen invertierendem Verstärker (10), ein Tiefpassfilter (1 1) und ein Analog-Digital- Wandler (ADC) (12) einer Signalverarbeitungsvorrichtung in Form eines Microcomputers (13) zugeführt.

Bedingt durch den Widerstand des Drahts (4) und den Widerstand der Flüssigkeit/Zerspanungssuspension (17) stellt sich die Spannung ein, die bei Drahtrissen dann einen deutlichen Spannungshub erfährt.

Figs. 2a bis 2d zeigen grafisch den zeitlichen Spannungsverlauf (Y-Achse ist die Spannung, in Fig. 2a in V, ansonsten in mV;) vor, während (siehe Pfeil) und nach dem Auftreten von Drahtrissen in Probeläufen zum Schneiden von polykristallinen Silizium- ingots im Pendelbetrieb (mit Richtungswechsel) (Figs. (2a, 2b, 2c) und ohne Richtungswechsel (Fig. 2d) mit Drahtsägen vom Typ DS 264 (Figs. 2(a) & (b)); Typ DS 256 (Fig. 2(c)); Typ DS 271 (Fig. (d)) bei Verwendung diamantbesetzter Drähte zusammen mit handelsüblicher Kühlflüssigkeit unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen. Bei den Figuren 2a, 2b und 2d ist deutlich der Spannungsabfall zu Beginn bei Zugabe der Kühlflüssigkeit zu sehen. In den Figuren 2a bis 2c erkennt man deutlich ein Zick-Zack- Muster im Spannungsverlauf, das durch den Polaristationseffekt beim Pendelbetrieb zustande kommt. In der Figur 2d erkennt man kurz nach dem durch Drahtriss bedingten Spannungshub einen weiteren geringeren Spannungsabfall auf Null, der durch einen Folgekurzschluss auf Gehäusemasse verursacht wurde.

Beispiel Schneiden von Siliziumwafern mit diamantbesetzter Drahtsäge mit

erfindungsgemässer Drahtrissüberwachung

Es wurden polykristalline Ingots zuerst mittels einer Bandsäge vom Typ BS806 oder BS805 (Meyer-Burger AG) gecroppt, die Schmelzkappen entfernt, dann gebrickt und anschliessend mittels einer Innenlochsäge vom Typ TS207 (Meyer-Burger AG) nochmals„gecroppt". Als Kühlflüssigkeit wurde bei diesen Verfahren jeweils nur Wasser eingesetzt. Der resultierende Quader wurde dann in zwölf etwa gleich grosse Bricks im Format 156 x 156 mm mittels der oben genannten Bandsäge geteilt. Vor der Weiterverarbeitung wurden die Seitenflächen wie üblich glatt geschliffen.

Dann wurde jeweils ein Brick mittels einer der Drahtsägen vom Typ DS 264, DS 256 und DS 271 in der Ausführung als Diamantdrahtsäge (Meyer-Burger, Thun, Schweiz;

Diamantdraht von DWT Diamond Wire Corporation, Colorado, USA, mit einem

Durchmesser von 145 pm, galvanisch gebunden Diamantkörner mit einer durchschnittlichen Grösse von etwa 20 bis 25 μιτη, Durchmesser des Kerndrahts = 120 pm) in Wafer mit einer Breite von 200 pm geschnitten. Als Kühlmittel wurde Stadtwasser mit 5 % üblichen Additiven (TP715, Meyer-Burger, Steffisburg, Schweiz) mit einem pH-Wert von 7,2 eingesetzt. Die Widerstände der Diamantdrähte für die Drahtsägen DS 264, 256 und 271 betrugen jeweils ca. 30 KOhm. Die Kühlflüssigkeiten hatten eine hohe Leitfähigkeit von ca. 1 mS/cm und verminderten den Widerstand auf ca. 25 bis 30 %. Bei Einsatz von Kühlflüssigkeit wird das Eingangssignal hauptsächlich von der Menge und der

Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit bestimmt. Wegen der hohen Leitfähigkeit wird der eingespeiste Strom gegen Gehäusemasse und gegen das Drahtende abgeleitet.

Geschnitten wurde im Pendelbetrieb (Figs. 2a-c) mit einer Geschwindigkeit von ca. 13 m/s bzw. in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit von ca. 13 m/s (Fig. 2d). Der Vorschub betrug ca. 1 mm/min. Das Kühlmittel durchlief während des Schneidprozesses übliche Filterstufen. Ein Schnitt dauerte ohne Drahtriss ungeachtet der Länge der Bricks etwa drei Stunden. Bei den beobachteten Drahtrissen handelt es sich um spontane, d.h. nicht provozierte Drahtrisse.

In den für die Drahtrissüberwachung adaptierten oben genannten Drahtsägen wurde das Drahtsägerollensystem isoliert, d.h. die Eingangs- und Ausgangsspulen (6A, 6B) sowie die Drahtführungsrollen ((9A und 9B) wurden isoliert. Der signalgebende Gleichstrom von etwa -50 μΑ wurde mittels einer steuerbaren Gleichstromquelle (7) über Kohlenstoffelektroden (8A, 8B) über die Eingangsspule (6A) auf das Drahtfeld (2) zur Ausgangsspule (6B) geleitet. Die Sensorspannung wurde direkt an der Stromeinspeisungsstelle (3) abgenommen. Die Spannung ist das Ergebnis des Stromes durch die Widerstände des Drahts (4), der eingesetzten Kühlflüssigkeit (17) und des Abschlusswiderstands (15).

Das gemessene Spannungssignal wurde über einen invertierenden Verstärker (10), einem Tiefpassfilter (11 ) von ca. 1 bis 2 Hz zugeführt, bevor ein Analog-Digital-Wandler (ADC) (12) das resultierende digitale Signal an einen Microcomputer weiter gab, der als Signalverarbeitungsvorrichtung (5) die digitalisierten Eingangssignale mit vorgegebenen Drahtrisskriterien abgeglichen hat. Bei Übereinstimmung mit diesen Drahtrisskriterien wurde das Drahtfeld möglichst schnell abgebremst.

Die Ergebnisse der Drahtrissüberwachungen wurden als zeitliche Spannungsverläufe in den Figuren 2a bis 2d grafisch dargestellt und in der Beschreibung der Figuren erläutert. Das Drahtrissereignis ist in den Grafiken klar zu erkennen und mit einem Pfeil gekennzeichnet.

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zur Überwachung von Drahtrissen beim Schneiden von harten

Feststoffen mittels eines Drahtfeldes (2), bei dem der Feststoff durch das Drahtfeld (2) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Drahtfeld (2) ein

Gleichstrom geführt wird, der über das Drahtfeld eine Spannung erzeugt, die von einem Sensor (3) überwacht wird, der bei Signaleingang einer durch Drahtriss bedingten Spannungsabweichung den Schneidvorgang unterbricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (4) des

Drahtfeldes (2) einen mittleren Durchmesser von 50 bis 250, vorzugsweise 100 bis 200, mehr bevorzugt 120 bis 180 und am meisten bevorzugt 140 bis 150 [im aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das

Schneidmittel am Drahtfeld (2) ausgewählt ist aus Siliziumcarbid, Diamant und Borcarbid, vorzugsweise Siliziumcarbid und Diamant, am meisten bevorzugt Diamant ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit zur Drahtkühlung oder eine Zerspanungssuspension verwendet wird, die den am Drahtfeld (2) angelegten Gleichstrom um nicht mehr als 80,

vorzugsweise nicht mehr als 70, mehr bevorzugt nicht mehr als 60, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 % ableitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Drahtfeld geführte Gleichstrom, vorzugsweise ein negativer Gleichstrom, über das Drahtfeld eine Spannung von 100 bis 1000, vorzugsweise 200 bis 500 und am meisten bevorzugt 300 bis 400 mV erzeugt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sensor (3) aufgenommenen Eingangssignale während des Schneidverfahrens auf Drahtrisskriterien überprüft werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom an der Eingangsspule (6a) oder am Draht (4) zwischen Eingangspule (6a) und Drahtfeld (2) eingespeist wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) das Signal am Einspeisungseingang des Gleichstroms abnimmt.

9. Drahtsäge (1 ) mit Drahtrissüberwachung zum Schneiden von harten Feststoffen mit Drahtfeld (2), Drahtführungsrollen (6A, 6B), Gleichstromquelle (7) und wenigstens einem Elektrodenpaar (8A, 8B) mit Kontakt zum Drahtfeld (2) sowie wenigstens einem Sensor (3), dadurch gekennzeichnet, dass im Schneidbetrieb die Gleichstromquelle (7) am Elektrodenpaar (8A, 8B) einen Gleichstrom in das Drahtfeld (2) einspeist und die daraus erzeugte Spannung von einem Sensor (3) überwacht wird, der bei Signaleingang einer durch Drahtriss bedingten Spannungsabweichung die Drahtführungsrollen (6A, 6B) anhält.

10. Drahtsäge (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (4) des Drahtfeldes (2) einen mittleren Durchmesser von 50 bis 250 μιτι, vorzugsweise 100 bis 200 μηι, mehr bevorzugt 120 bis 180 μηι und am meisten bevorzugt 140 bis 150 μπι aufweist.

1 1 . Drahtsäge (1 ) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das

12. Drahtsäge (1 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kühlflüssigkeit zur Drahtkühlung und/oder eine Zerspanungssuspension aufweist, die den am Drahtfeld (2) angelegten Gleichstrom um nicht mehr als 80, vorzugsweise nicht mehr als 70, mehr bevorzugt nicht mehr als 60, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 % ableitet.

13. Drahtsäge (1 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der angelegte Gleichstrom, vorzugsweise ein negativer Gleichstrom, so gewählt wird, dass die über dem Drahtfeld erzeugte Spannung 100 bis 1000, vorzugsweise 200 bis 500, am meisten bevorzugt 300 bis 400 mV aufweist.

14. Drahtsäge (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Signalverarbeitungsvorrichtung (5) aufweist, die Eingangssignale des Sensors (3) während des Schneidverfahrens nach Drahtrisskriterien überprüft.

15. Drahtsäge (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom an der Eingangsspule (6a) oder am Draht (4) zwischen Eingangsspule (6a) und Drahtfeld (2) eingespeist wird.

16. Drahtsäge (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) das Signal am Einspeisungseingang des Gleichstroms abnimmt.

17. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder einer Drahtsäge (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 16 zum Schneiden von harten, vorzugsweise spröden Feststoffen, vorzugsweise Metallen und Halbmetallen, vorzugsweise mono- und polykristallinen Siliziumkristallen, Keramiken, Saphir und Germanium.

18. Verwendung nach Anspruch 17 zur Herstellung von Siliziumwafern.