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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Straffen
einer in einer Drahtsäge auftretenden
Drahtschlaufe nach einem Riss im Drahtfeld. Die Erfindung betrifft
außerdem
eine Anordnung zum Sägen
von Ingots.
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Bei
der Wafer-Herstellung müssen
Silizium-Säulen
zersägt
werden. Hierfür
wird üblicherweise
eine Drahtsäge
verwendet. Bei einem Drahtriss innerhalb des Drahtfeldes muss hierbei
ein Teil des Drahtfeldes entfernt werden. Da im Bereich des fehlenden
Drahtfeldes der Ingot nicht mehr weiter durchtrennt wird, entstehen
hierbei unter Umständen
erhebliche Verluste. Prinzipiell ist es möglich, die freien Enden des
Sägedrahtes
nach einem Drahtriss wieder miteinander zu verschweißen. Hierzu
müssen
die Enden jedoch aus dem Drahtfeld herausgeführt werden, was zur Ausbildung
einer Drahtschlaufe führt. Mit
einer derartigen, losen Drahtschlaufe ist ein weiterer Betrieb der
Drahtsäge
jedoch nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zu schaffen, welches die Verluste beim Sägen von
Ingots nach einem Drahtriss im Feld mittels einer Drahtsäge reduziert.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zum Sägen
von Ingots zu verbessern.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Der
Kern der Erfindung besteht darin, zum Straffen einer Drahtschlaufe,
welche bei einem Riss des Sägedrahts
und anschließenden
Verschweißen
der freien Drahtenden gebildet wird, diese Schlaufe mit Hilfe einer
Eingriffs-Einrichtung und einer damit zusammenwirkenden Krafterzeugungs-Einrichtung
zu straffen.
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Hierbei
ist die von der Krafterzeugungs-Einrichtung auf die Eingriffs-Einrichtung ausgeübte Kraft je
nach Bedarf einstellbar. Somit kann eine vorgegebene Spannung in
der Drahtschlaufe erreicht werden.
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Als
besonders einfache Ausbildung der Eingriffs-Einrichtung hat sich
eine drehbar gelagerte Umlenkrolle erwiesen.
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Eine
Führungs-Schiene,
entlang welcher die Eingriffs-Einrichtung verfahrbar ist, ermöglicht ein präzises, kontrolliertes
Spannen des Sägedrahts. Außerdem können auf
der Führungs-Schiene
vorteilhaft Anschläge
zum Begrenzen der maximalen Verfahrbarkeit der Eingriffs-Einrichtung
vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
ist sowohl die Führungs-Schiene
als auch die Befestigungs-Einrichtung zum
optimalen Anpassen der Straff-Vorrichtung an unterschiedliche Drahtsägen verstellbar
ausgebildet.
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Eine
Einstellung der Kraft zum Straffen der Drahtschlaufe derart, dass
die Drahtspannung in der Drahtschlaufe kleiner ist als die Drahtspannung
im Drahtfeld der Drahtsäge,
führt zu
einem Heranziehen der Drahtschlaufe an das Drahtfeld, sodass die Drahtschlaufe
zunehmend kleiner wird. Nach einer kurzen Übergangszeit ist die Drahtsäge somit
wieder ohne die Straff-Vorrichtung
einsatzbereit.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Fortsetzen
des Sägevorgangs
nach einem Drahtriss und anschließenden Verschweißen der
freien Enden des Sägedrahts
erwiesen. Hierbei kann das unversehrte Drahtfeld der Drahtsäge beim
Verschweißen
des Sägedrahtes
mit dem zu sägenden
Ingot in Eingriff bleiben. Hierdurch werden Verluste minimiert.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer an einer Drahtsäge montierten
Straff-Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zum Sägen
von Ingots umfasst eine Drahtsäge 1 und
eine Vorrichtung 2 zum Straffen einer in der Drahtsäge 1 auftretenden
Drahtschlaufe 3.
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Der
Aufbau der Drahtsäge 1 ist
prinzipiell bekannt. Die Drahtsäge 1 umfasst
mindestens zwei parallel zueinander ausgerichtete, jeweils um eine Drehachse 4 drehbar
gelagerte Drahtführungsrollen 5.
Die Drahtführungsrollen 5 sind
gleichsinnig in einer Drehrichtung 6 um die jeweilige Drehachse 4 drehbar.
Die Drahtführungsrollen 5 sind
in einem Rahmen 10 der Drahtsäge 1 drehbar gelagert.
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Über die
Drahtführungsrollen 5 ist
ein Sägedraht 7 zum
Sägen mindestens
eines Ingots 8 geführt.
Beim zu sägenden
Ingot 8 handelt es sich insbesondere um einen Halbleiter-Ingot,
insbesondere einen Silizium-Ingot. Der Sägedraht 7 ist in parallel zueinander
angeordneten Wicklungen auf den Drahtführungsrollen 5 angeordnet.
Die Wicklungen bilden ein Drahtfeld 9.
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Ferner
weist die Drahtsäge 1 eine
Abwickelspule 11 zum Abwickeln des Sägedrahts 7 auf. In
die Abwickelspule 11 ist eine Spann-Einrichtung 36 integriert,
mittels welcher die Abwickelspule 11 entgegen ihrer Abwickel-Richtung 37 spannbar
ist. Hierdurch ist der Sägedraht 7 im
Drahtfeld 9 mit einer vorgebbaren Spannung S1 spannbar.
Von der Abwickelspule 11 ist der Sägedraht 7 mit einer
Spannung S1 in das Drahtfeld 9 auf
den Drahtführungsrollen 5 geführt. Entsprechend
ist am Auslauf des Drahtfeldes 9 eine Aufwickelspule 12 zum
Aufwickeln des Sägedrahts 7 vorgesehen.
Um ein kontrolliertes Aufwickeln des Sägedrahts 7 auf die
Aufwickelspule 12 zu gewährleisten, ist auch diese vorteilhafterweise
mit einer Spann-Einrichtung 38 versehen.
Die Spann-Einrichtung 38 unterstützt hierbei eine Drehung der
Aufwickelspule 12 in Aufwickel-Richtung 39. Vorzugsweise ist
die von der Spann-Einrichtung 36 der Abwickelspule 11 auf
den Sägedraht 7 ausgeübte Spannung S1 größer als
die von der Spann-Einrichtung 38 der Aufwickelspule 12.
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Alternative
Ausführungen
der Drahtsäge 1 sind
ebenfalls denkbar.
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Die
Straff-Vorrichtung 2 umfasst eine Befestigungs-Einrichtung 13 zum
Anbringen der Straff-Vorrichtung 2 am Rahmen 10 der
Drahtsäge 1,
eine Eingriffs-Einrichtung 14 zum Ineingriffbringen mit
der zu straffenden Drahtschlaufe 3 und eine mit der Eingriffs-Einrichtung 14 zusammenwirkende
Krafterzeugungs-Einrichtung 15 zum Ausüben einer Kraft auf die Eingriffs-Einrichtung 14.
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Im
Folgenden wird die Befestigungs-Einrichtung 13 genauer
beschrieben. Die Befestigungs-Einrichtung 13 umfasst eine
Klemmstange 16. Die Klemmstange 16 ist zweigeteilt
ausgebildet. Sie umfasst eine obere Klemmstange 17 und
eine untere Klemmstange 18. Die Klemmstange 16 kann
jedoch auch einteilig ausgebildet sein. Die obere Klemmstange 17 ist
mittels eines oberen Klemmblocks 19 am Rahmen 10 der
Drahtsäge 1 befestigbar.
Entsprechend ist die untere Klemmstange 18 mittels eines
unteren Klemmblocks 20 am Rahmen 10 der Drahtsäge 1 befestigbar.
Der obere Klemmblock 19 ist mittels einer ersten Höhenverstellung 21 höhenverstellbar
mit der oberen Klemmstange 17 verbunden. Entsprechend ist
der untere Klemmblock 20 mittels einer zweiten Höhenverstellung 22 mit
der unteren Klemmstange 18 verbunden. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel
ist nur einer der Klemmblöcke 19, 20 höhenverstellbar
mit der Klemmstange 16 verbunden, während der andere der Klemmblöcke 19, 20 fest
mit der Klemmstange 16 verbunden ist. Die Höhenverstellung 21, 22 ist
beispielsweise als Gewindestange ausgebildet.
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Die
Befestigungs-Einrichtung 13 ist somit verstellbar ausgebildet.
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Auf
der Klemmstange 16 ist eine Führungsschiene 23 angeordnet.
Die Führungsschiene 23 ist vorzugsweise
höhenverstellbar
und/oder verschwenkbar mit der Klemmstange 16 verbunden.
Sie ist somit sehr flexibel in Bezug auf das Drahtfeld 9 der Drahtsäge 1 ausrichtbar.
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Die
Führungsschiene 23 dient
der Führung der
Eingriffs-Einrichtung 14. Die Eingriffs-Einrichtung 14 ist
entlang der Führungsschiene 23 verschiebbar, insbesondere
verfahrbar. Zum Begrenzen der maximalen Verfahrbarkeit der Eingriffs-Einrichtung 14 ist ein
vorderer Anschlag 24 und ein hinterer Anschlag 25 auf
der Führungsschiene 23 vorgesehen.
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Die
Eingriffs-Einrichtung 14 umfasst einen Verfahr-Schlitten 26.
Am Verfahr-Schlitten 26 ist eine Umlenk-Rolle 27 befestigt.
Die Umlenk-Rolle 27 ist drehbar um eine Umlenk-Rollen-Achse 28.
Die Umlenk-Rollen-Achse 28 verläuft insbesondere horizontal.
Der Verfahr-Schlitten 26 ist entlang der Führungsschiene 23 in
einer Spann-Richtung 29 verfahrbar.
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Am
der Umlenk-Rolle 27 entgegengesetzten Ende des Verfahr-Schlittens 26 ist
eine Spann-Schnur 30 befestigt. Die Spann-Schnur 30 ist über eine
erste Spann-Umlenk-Rolle 31 und eine zweite Spann-Umlenk-Rolle 32 geführt. Sie
ist an ihrem dem Verfahr-Schlitten 26 entgegengesetzten Ende
mit einem Gegengewicht 33 verbunden. Die Spann-Umlenk-Rollen 31, 32 sind
um Spann-Umlenk-Rollen-Achsen 34, 35 drehbar mit
der Führungsschiene 23 verbunden.
Die Führungsschiene 23 ist im
Bereich der ersten Spann-Umlenk-Rollen-Achse 34 abgewinkelt
ausgebildet. Die zweite Spann-Umlenk-Rolle ist am Ende der Führungsschiene 23 angeordnet.
Das Gegengewicht 33 bildet zusammen mit der über die
Spann-Umlenk-Rollen 31, 32 geführten Spann-Schnur 30 die
Krafterzeugungs-Einrichtung 15. Durch geeignete Auswahl
des Gegengewichts 30 ist die auf die Eingriffs-Einrichtung 14 ausgeübte Kraft
einstellbar.
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Die
Umlenkrollen 27, 31 und 32 sind leichtgängig, reibungsarm
gelagert. Zu ihrer Lagerung ist beispielsweise jeweils ein Kugel-,
Rollen- oder Nadellager vorgesehen.
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Die
erste Spann-Umlenkrolle 31 stellt sicher, dass die vom
Gegengewicht 33 auf den Verfahr-Schlitten 26 ausgeübte Kraft
unabhängig
von der Position des Verfahr-Schlittens 26 auf der Führungsschiene 23 in
Spann-Richtung 29,
das heißt
parallel zur Führungsschiene 23 zeigt.
Durch die zweite Spann-Umlenk-Rolle 32 wird erreicht, dass
das Gegengewicht 33 in einer einfach zu erreichenden Höhe hängt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfasst die Krafterzeugungs-Einrichtung 15 anstelle des
Gegengewichts 33 ein Federelement. Ebenso ist es möglich, zur
Verschiebung des Verfahr-Schlittens 26 auf der Führungsschiene 23 eine
pneumatische oder elektromagnetische Krafterzeugungs-Einrichtung 15 vorzusehen.
Hierdurch ist insbesondere eine besonders kompakte Bauweise der
Straff-Vorrichtung 2 erzielbar. Schließlich ist es möglich, zum
Verfahren des Verfahr-Schlittens 26 entlang der Führungsschiene 23 die
Spann-Schnur 30 auf eine drehantreibbar gelagerte Welle
aufzuwickeln.
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Vorzugsweise
sind alle Bestandteile der Straff-Vorrichtung 2 aus einem
nicht rostenden Material. Sie sind außerdem resistent gegen beim
Betrieb der Drahtsäge 1 eingesetzte
Flüssigkeiten,
welche in Form von auch als Slurry bekannten Aufschlämmungen
beim Betrieb der Drahtsäge 1 vom
Sägedraht 7 verspritzt
werden können.
Beispielsweise ist insbesondere das Lager der Umlenk-Rolle 27 flüssigkeitsdicht
gekapselt ausgebildet.
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Im
Folgenden wird das Vorgehen nach einem Riss des Sägedrahtes 7 im
Drahtfeld 9 der Drahtsäge 1 beschrieben.
Nach einem Drahtriss des Sägedrahts 7 wird
die Straff-Vorrichtung 2 am Rahmen 2 der Drahtsäge 1 befestigt.
Hierzu wird zunächst
der untere Klemmblock 20 auf den Rahmen 10 der
Drahtsäge 1 aufgesetzt.
Sodann wird die Gewindestange der Höhenverstellung 21 und/oder 22 etwas
eingedreht. Nach Einsetzen des oberen Klemmblocks 19 am
Rahmen 10 der Drahtsäge 1 wird
die Gewindestange der Höhenverstellung 21 und/oder 22 wieder
herausgedreht. Hierdurch wird die Klemmstange 16 mit Hilfe
der Klemmblöcke 19, 20 im
Rahmen 10 der Drahtsäge 1 verspannt.
Um einen sicheren Sitz der Klemmstange 16 im Rahmen 10 der
Drahtsäge 1 sicherzustellen,
wird die Gewindestange der Höhenverstellung 21 und/oder 22 festgezogen.
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Die
Klemmstange 16 wird, gegebenenfalls durch ein Verschieben
des oberen und/oder unteren Klemmblocks 19, 20 vertikal
ausgerichtet. Hierdurch wird die Gefahr eines seitlichen Wegrutschens
vermieden.
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Idealerweise
wird die Führungsschiene 23 an
der Klemmstange 16 so verstellt, dass sie etwa auf halber
Höhe mittig
zwischen den Drahtführungsrollen 5 angeordnet
ist. Sie wird vorzugsweise derart verschwenkt, dass sie in etwa
horizontal verläuft.
Der mit der Horizontalen eingeschlossene Winkel beträgt insbesondere
weniger als 10°.
Sodann werden zunächst
die freien Enden des Sägedrahts 7 miteinander
verschweißt.
Hierzu werden einige wenige, insbesondere ein oder zwei Windungen
des Drahtfelds 9 im Bereich der Rissstelle manuell von
den Drahtführungsrollen 5 abgewickelt,
um die freien Enden des Sägedrahts 7 überhaupt
zum Verschweißen
in Berührung
bringen zu können.
Beim Verschweißen der
freien Enden des Sägedrahts 7 wird
somit die Drahtschlaufe 3 hergestellt. In der Drahtschlaufe 3 ist der
Sägedraht 7 mit
einer Spannung S0 gespannt, wobei gilt:
S0 < S1. Üblicherweise
ist der Sägedraht 7 in
der Drahtschlaufe 3 zunächst überhaupt
nicht gespannt, S0 = 0.
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Beim
Verschweißen
des Sägedrahts 7 kann das
restliche Drahtfeld 9 mit dem zu sägenden Ingot in Eingriff bleiben.
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Sodann
wird der verschweißte
Sägedraht 7, das
heißt
die Drahtschlaufe 3, über
die Umlenk-Rolle 27 gelegt. Anschließend wird die Umlenk-Rolle 27 mit Hilfe
des Verfahr-Schlittens 26 in Spann-Richtung 29 verfahren,
wodurch die Drahtschlaufe 3 gespannt wird. Hierbei übt das Gegengewicht 33 eine
Kraft F auf den Verfahr-Schlitten 26 aus, welche zumindest eine
Komponente senkrecht zum Drahtfeld 9 aufweist. Durch die
Kraft F wird in der Drahtschlaufe eine Spannung S2 erzeugt,
wobei gilt: S0 < S2 < S1, insbesondere
S0 < S2 < 0,5 × S1, vorzugsweise S0 < S2 < 0,2 × S1.
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Wird
nun die Drahtsäge 1 mit
geringer Rotationsgeschwindigkeit der Drahtführungsrollen 5 um deren
Drehachsen 4 wieder gestartet, wird der Verfahr-Schlitten 26 und
somit die Drahtschlaufe 3 aufgrund der Spannungs-Differenz
S1 – S2 an das Drahtfeld 9 herangezogen.
Der Sägedraht 7 im
Drahtfeld 9 zwischen der Umlenk-Rolle 27 und der
Abwickelspule 11 ist hierbei stärker gespannt als der Sägedraht 7 im
Drahtfeld 9 zwischen der Umlenk-Rolle 27 und der Aufwickelspule 12.
Hierdurch entsteht ein Schlupf, der die Drahtschlaufe 3 langsam
an das Drahtfeld 9 heranzieht. Die Drahtschlaufe 3 wird
dadurch zunehmend kleiner. Der Verfahr-Schlitten 26 fährt bei
diesem Vorgang mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm pro
Sekunde bis 1 cm pro Sekunde, insbesondere im Bereich von 0,5 mm
pro Sekunde bis 2 mm pro Sekunde, vorzugsweise von etwa 1 mm pro Sekunde
gegen die Spann-Richtung 29 entlang der Führungsschiene 23 zum
vorderen Anschlag 24. Ist der Verfahr-Schlitten 26 am
vorderen Anschlag 24 angekommen, wird die Drahtsäge 1 kurzzeitig
gestoppt und der Sägedraht 7 von
der Umlenk-Rolle 27 genommen. Anschließend wird die Drahtsäge 1 wieder
gestartet. Vorzugsweise wird die Drahtsäge 1 so lange mit
verminderter Geschwindigkeit betätigt,
bis die Schweißstelle
vollständig
durch das Drahtfeld 9 gefahren und auf die Aufwickelspule 12 aufgewickelt ist.
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Anschließend kann
die Straff-Vorrichtung 2 wieder abgebaut und gereinigt
werden.
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Mit
Hilfe der Straff-Vorrichtung 2 lässt sich die nach einem Drahtriss
entstehende Lücke
im Drahtfeld 9 auf eine Breite von weniger als 10 cm, ins besondere
weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 3 cm, beschränken. In
Pilotversuchen konnte die Lücke
im Drahtfeld 9 nach einem Drahtriss sogar vollständig vermieden
werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der
Sägedraht 7 zum
Verschweißen
der freien Enden nicht von den Drahtführungsrollen 5 abgewickelt
wird. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, ein Überbrückungsstück zwischen den beiden freien
Enden des Sägedrahts 7 anzuordnen
und mit diesen zu verschweißen.