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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abtrennen von Halbleiterscheiben von einem Werkstück mit einem Sägedraht.
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Für Elektronik, Mikroelektronik und Mikro-Elektromechanik werden als Ausgangsmaterialien (Substrate) Halbleiterscheiben (Wafer) mit extremen Anforderungen an globale und lokale Ebenheit, einseiten-bezogene lokale Ebenheit (Nanotopologie), Rauigkeit und Sauberkeit benötigt. Halbleiterscheiben sind Scheiben aus Halbleitermaterialien, insbesondere Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid und überwiegend Elementhalbleiter wie Silicium und gelegentlich Germanium.
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Gemäß dem Stand der Technik werden Halbleiterscheiben in einer Vielzahl von aufeinander folgenden Prozessschritten hergestellt, wobei im ersten Schritt beispielsweise ein Einkristall (Stab) aus Halbleitermaterial mit dem Czochralski-Verfahren gezogen oder ein polykristalliner Block aus Halbleitermaterial gegossen wird, und in einem weiteren Schritt das entstandene kreiszylindrische oder blockförmige Werkstück aus Halbleitermaterial („Ingot“) mittels Drahtsägen in einzelne Halbleiterscheiben aufgetrennt wird.
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Dabei wird zwischen Einzelschnittdrahtsägen und Mehrfachdrahtsägen, im Folgenden als MW-Drahtsägen (MW = multiple wire) bezeichnet, unterschieden. MW-Drahtsägen werden insbesondere dann eingesetzt, wenn in einem Arbeitsschritt ein Werkstück, beispielsweise ein Stab aus Halbleitermaterial, in eine Vielzahl von Scheiben (Wafern) zersägt werden soll.
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In der
WO 99/00210 A1 wird beispielsweise eine Drahtsäge für das Sägen von Steinplatten beschrieben, wobei mehrere Sägedrähte in Rillen auf Drahtführungsrollen laufen und sich zwischen der mit jeweils einem Sägedraht besetzten Rille eine oder mehrere unbesetzte Rillen befinden können.
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JP 2010-030000 A beschreibt eine Drahtsäge für das Sägen von Halbleiterscheiben, die mit einem durchlaufenden Draht ein Sägegatter aufspannt, bei dem der zunehmende Abnutzungsgrad des Sägedrahtes während des Sägens durch Veränderung des Abstandes der Rillen entlang der Drahtführungsrollen kompensiert wird.
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In der
JP 2000-309015 A wird ein Verfahren zum Schneiden von Halbleiterscheiben beschrieben, bei dem eine Drahtsäge verwendet wird, deren Drahtführungsrollen Rillen aufweisen.
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In der
US-5 771 876 A ist das Funktionsprinzip einer Drahtsäge beschrieben, die zur Herstellung von Halbleiterscheiben geeignet ist. Zu den wesentlichen Komponenten dieser Drahtsägen gehören ein Maschinenrahmen, eine Vorschubeinrichtung und ein Sägewerkzeug, das aus einem Gatter (Drahtgatter, „wire web“) aus parallelen Drahtabschnitten besteht.
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Eine MW-Drahtsäge ist beispielsweise in
EP 990 498 A1 offenbart. Hierbei läuft ein langer, mit gebundenem Schneidkorn belegter Sägedraht spiralförmig über Drahtspulen und bildet ein oder mehrere Drahtgatter.
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In der Regel wird das Drahtgatter von einer Vielzahl paralleler Drahtabschnitte gebildet, die zwischen mindestens zwei Drahtführungsrollen aufgespannt werden, wobei die Drahtführungsrollen drehbar gelagert sind und von denen mindestens eine angetrieben ist. Die Drahtführungsrollen sind üblicherweise mit einem Belag, beispielsweise Polyurethan, versehen. Gemäß
DE 10 2007 019 566 B4 und
DE 10 2010 005 718 A1 sind in den Belag der Drahtführungsrolle eine Vielzahl von Rillen zur Führung des Sägedrahtes eingeschnitten, wobei alle Rillen einen gekrümmten Rillengrund und Rillenflanken mit einem bestimmten Öffnungswinkel aufweisen.
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Die Längsachsen der Drahtführungsrollen sind in der Regel senkrecht zum Sägedraht im Drahtgatter ausgerichtet.
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Die Herstellung von Scheiben aus Halbleitermaterial (Wafer) stellt besonders hohe Anforderungen an die Präzision des Abtrennvorganges. Hierzu ist es wichtig, dass die Vielzahl der Rillen auf der Drahtführungsrolle, in denen der Sägedraht geführt wird, exakt parallel laufen und die Rillen und der Sägedraht in einer Linie (Fluchtung) liegen.
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Gemäß
DE 102 37 247 A1 kann der Abstand zwischen zwei Rillen auf der Drahtführungsrolle gleich sein oder sich von der Drahteinlaufseite zur Drahtauslaufseite verringern. Die Verringerung des Rillenabstandes trägt dem Umstand Rechnung, dass der Durchmesser des Drahtes während des Sägeprozesses abnimmt, so dass durch den verringerten Rillenabstand trotz dünneren Sägedrahtes gleichmäßig dicke Scheiben vom Werkstück abgetrennt werden.
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Durch den ständigen Kontakt mit dem Sägedraht unterliegen sowohl die Beschichtung der Drahtführungsrollen als auch die in die Beschichtung geschnittenen Rillen einem Verschleiß und müssen regelmäßig erneuert werden, um sog. Fluchtungsfehler zu vermeiden. Fluchtungsfehler, beispielsweise wenn die Rille der Drahtführungsrolle und der in dieser Rille liegende Draht nicht mehr auf einer geraden Linie liegen, können zu einer Beschädigung, beispielsweise einer Riefenbildung, auf den Oberflächen der abgetrennten Halbleiterscheiben führen.
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Sind die Rillen der Drahtführungsrolle verschlissen, müssen diese erneuert werden. Hierzu muss in der Regel die Drahtführungsrolle aus der Drahtsäge ausgebaut werden und eine neue Beschichtung und oder neue Rillen in die Oberfläche der Beschichtung der Drahtführungsrolle eingebracht werden (rillieren der Drahtführungsrolle). Diese regelmäßig durchzuführenden Arbeiten führen zu Stillstandszeiten der Drahtsäge und beschränken damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
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Es ist daher wünschenswert, den Zeitraum zwischen der Erneuerung verschlissener Rillen zu verlängern. Dies kann beispielsweise durch die Beschichtung der Drahtführungsrolle mit einem geeigneten Material erfolgen.
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Wie auch in
WO 2011/122144 A1 beschrieben werden üblicherweise Drahtführungsrollen verwendet, die eine Beschichtung aus Polyurethan (PU) aufweisen. Polyurethane sind weitgehend widerstandsfähig gegen das lose Feststoffe (Abrasive) enthaltende flüssige Schneidmittel (Slurry) bzw. gegen Abrieb aufgrund von Sägedrähten mit gebundenem Korn.
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Allerdings darf die Beschichtung der Drahtführungsrolle weder zu weich noch zu hart sein. Bei einem zu weichen Material ist die Beschichtung nicht genügend widerstandsfähig gegen die plastische Verformung der Rillen, wodurch es zu einer unerwünschten Veränderung der Rillengeometrie kommt. Bei einem zu harten Material kann der Reibschluss zwischen Draht und Drahtführungsrolle nicht mehr sichergestellt werden, wodurch das Drahtgatter nicht mehr optimal in Bewegung gesetzt werden kann.
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Zur Verringerung des Verschleißes der Beschichtung einer Drahtführungsrolle schlägt die
JP 2006102917 A2 als Belag Urethan mit 5 bis 30 Gewichtsprozent Siliciumcarbid-Korn vor, so dass der Belag deutlich härter als nur ein aus Urethan bestehender Belag ist.
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Ein härterer Belag verlängert zwar den Zeitraum zwischen der Erneuerung verschlissener Rillen, hat aber die oben genannten Nachteile.
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Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Halbleiterwerkstück mittels einer Drahtsäge zur Verfügung zu stellen, wobei der Zeitraum zwischen der Erneuerung verschlissener Rillen der Drahtführungsrollen verlängert wird und damit die Stillstandzeiten der Drahtsäge verringert werden, ohne die Nachteile eines zu harten Materials für den Belag zu haben.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß Patentanspruch 1 durch ein Verfahren zum Abtrennen von Halbleiterscheiben von einem Werkstück (3) durch einen Sägedraht (2a), wobei der Sägedraht (2a) ein mindestens durch zwei Drahtführungsrollen (1) aufgespanntes Drahtgatter (2) umfassend eine Vielzahl parallel angeordneter Drahtabschnitte bildet, der Sägedraht (2a) durch Rillen (4), die untereinander einen Abstand A haben, in den beiden Mantelflächen von den mindestens zwei Drahtführungsrollen (1) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben einer drahtführenden Rille (4) Rillen (4a) vorhanden sind, in die während des Drahtsägens kein Draht (2a) eingelegt ist, und, dass der Abstand A zwischen zwei Rillen (4) von der Drahteinlaufseite zur Drahtauslaufseite abnimmt und, dass nachdem die drahtführenden Rillen (4) verschlissen sind, der Sägedraht (2a) in die noch nicht verschlissenen Rillen umgewickelt wird.
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Im Folgenden werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen detailliert besch rieben.
- 1 zeigt eine Drahtsäge gemäß dem Stand der Technik, umfassend zwei Drahtführungsrollen 1, zwischen denen ein aus parallel verlaufenden Drahtabschnitten gebildetes Drahtgatter 2 verläuft, das in ein an einer Werkstückaufnahme (nicht eingezeichnet) befestigtes Werkstück 3 einsägt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Drahtsäge stark vereinfacht und beispielsweise ohne Umlenkrollen dargestellt.
- 2 zeigt den Querschnitt einer Drahtführungsrolle 1 mit Rillen 4 im Abstand A, die eine Breite B und eine Tiefe T haben. Gemaß dem Stand der Technik ist zum Beispiel jeder Rille 4 ein Draht 2a eingelegt (2a). Bei der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle ist im ersten Lebenszyklus der Drahtführungsrolle nur jede n-te Rille (n ≥ 2) mit einem Draht 2a belegt (2b). Sind die mit Draht 2a belegten Rillen 4 verschlissen (Ende des ersten Lebenszyklus, in 2c als Vertiefung dargestellt), wird der Draht 2a in die benachbarte, noch ungebrauchte Rille 4a eingelegt (2c). In 2 weisen die Rillen 4 bzw. 4a beispielhaft einen konstanten Abstand A auf.
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Das Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück 3 mittels einer Drahtsäge unter Anwendung der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle kann in jeder Drahtsäge erfolgen, in der der Sägedraht 2a über rillierte Drahtführungsrollen 1 geführt wird.
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Eine Drahtführungsrolle 1 ist eine in der Regel kreiszylindrische Rolle, die axial um einen Rollenkern drehbar gelagert ist, mit einem Mantel mit einer äußeren Mantelfläche, in dem die Rillen 4 für die Drahtführung eingeschnitten sind, sowie zwei Seitenflächen. Bevorzugt entspricht die Länge der Drahtführungslänge der Länge von Drahtführungsrollen gemäß dem Stand der Technik.
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Der Sägedraht 2a wird von einer Vorratsspule (Geberrolle) über durch ein von mindestens zwei Drahtführungsrollen 1 aufgespanntes Drahtgatter 2, umfassend eine Vielzahl aus parallel zueinander angeordneten Drahtabschnitten, auf eine Empfängerspule (Nehmerrolle) gewickelt. Während des Sägeprozesses kann der Sägedraht 2a nur in eine Richtung oder unter periodischen Richtungswechsel (Pilgerschrittverfahren) gewickelt werden.
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In einer ersten Ausführungsform besteht die Drahtführungsrolle 1 nur aus einem einzigen Material, d.h. die Mantelfläche der Drahtführungsrolle 1 besteht aus dem gleichen Material wie der Rollenkern der Drahtführungsrolle 1.
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In der ersten Ausführungsform besteht die Drahtführungsrolle
1 bevorzugt aus einem Polyurethan auf Polyesterbasis oder Polyetherbasis, wie beispielsweise in
DE 10 2007 019 566 B4 offenbart. In dieser Ausführungsform wird der Mantel der Drahtführungsrolle
1 von einer nicht abgrenzbaren Schichtdicke zwischen der Mantelfläche, der in Richtung Längsachse verlaufenden Oberfläche der Drahtführungsrolle
1, und dem Rollenkern gebildet.
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In einer zweiten Ausführungsform bestehen der Rollenkern der Drahtführungsrolle 1 aus einem ersten Material, bevorzugt aus Stahl, Aluminium oder einem Verbundwerkstoff, beispielsweise glasfaser- oder kohlefaserverstärkte Kunststoffen und der Mantel der Drahtführungsrolle 1 aus einem zweiten Material, das gleich oder unterschiedlich vom ersten Material sein kann. Das zweite Material umschließt, zumindest längsseitig, das erste Material mit der Dicke D. Die Dicke D des Mantels liegt bevorzugt zwischen 0,5 und 50 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 und 25 mm.
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In der zweiten Ausführungsform ist der Rollenkern mit dem zweiten Material belegt oder beschichtet. Der Belag oder die Beschichtung können fest mit dem Rollenkern verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben, oder in Form eines entfernbaren Überzugs, der beispielsweise über seitliche Klemmringe mit dem Rollenkern verbunden ist, ausgeführt sein.
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In der zweiten Ausführungsform besteht der Mantel (Belag, Beschichtung) der Drahtführungsrolle
1 bevorzugt aus einem Polyurethan auf Polyesterbasis oder Polyetherbasis, wie beispielsweise in
DE 10 2007 019 566 B4 offenbart sowie aus Copolymerisaten und ist ggf. versetzt mit Zumischungen.
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Im Folgenden wird der Begriff Mantel unabhängig davon verwendet, ob der Rollenkern eine aus einem zweiten Material bestehende zum Rollenkern hin abgrenzbare äußere Beschichtung aufweist oder nicht.
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Die in den Mantel mit jeweils einem Abstand A eingeschnittenen Rillen 4 dienen zur Führung des Sägedrahtes, das heißt, der Sägedraht liegt in den Rillen 4. Die Rillen 4 einer Drahtführungsrolle 1 sind bevorzugt gleich tief. Die Tiefe T der Rillen 4 liegt bevorzugt in einem Bereich von 50 bis 1500 µm.
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Die Breite B der einzelnen Rillen 4 ist bevorzugt gleich. Ebenfalls bevorzugt ist eine kontinuierliche Verringerung der Breite B der Rillen 4 von der Drahteinlaufseite zur Drahtauslaufseite, um eine optimale Führung des Sägedrahtes 2a, dessen Durchmesser durch Verschleiß während des Durchdringens der Drahtabschnitte des Drahtgatters 2 durch das Werkstück 3 sich verringert, zu gewährleisten.
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Die Rillen 4 sind bevorzugt auf den beiden sich in horizontaler Ebene gegenüberliegenden Drahtführungsrollen 1 gleich positioniert, so dass der später in der Rille 4 geführte Sägedraht orthogonal zu den jeweiligen Drehachsen der Drahtführungsrollen 1 verläuft. Somit ist auch ein - in Bezug auf die Längsachse des zu zersägenden Werkstückes 3 - senkrechtes Einschneiden des Drahtgatters 2 in das Werkstück 3 gewährleistet.
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Die Rillen 4 für die spätere Drahtführung werden bevorzugt mechanisch, besonders bevorzugt optisch mittels eines Lasers in den Mantel der Drahtführungsrollen 1 eingebracht.
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Bei einer Drahtführungsrolle 1 gemäß dem Stand der Technik ist zum Beispiel jede Rille 4 im Mantel mit einem Sägedraht belegt, wobei die Rillen 4 einen Abstand A (Pitch), gemessen von Rillenmitte zu Rillenmitte, voneinander haben. Bei der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle 1 ist nur jede n-te Rille 4 (n ≥ 2) mit einem Draht belegt, so dass zwischen zwei mit einem Draht 2a belegten Rillen 4, die einen Abstand A voneinander haben, mindestens eine nicht mit einem Draht 2a belegte Rille 4a vorhanden ist und außerdem verringert sich besagter Abstand A zweier Rillen von der Drahteinlauf- zur Drahtauslaufseite.
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Der Abstand A zwischen zwei mit einem Draht belegten Rillen 4 wird im Wesentlichen von der Zieldicke der von einem Werkstück 3 abzutrennenden Scheiben, der verwendeten Sägeslurry und von dem Durchmesser (Dicke) des Drahtes 2a bestimmt. Der Abstand A zwischen zwei mit einem Draht 2a belegten Rillen 4 wird erfindungsgemäß zum Zweck der Verschleißkompensation des Drahtes - die Drahtdicke verringert sich während des Drahtsägens von der Drahteinlaufseite zur Drahtauslaufseite des Drahtgatters 2 - variabel oder konstant (fester Pitch) sein.
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Damit die Länge der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle 1 sich gegenüber einer Drahtführungsrolle 1 gemäß dem Stand der Technik nicht ändert, wird jeweils zwischen zwei mit einem Draht 2a belegten Rillen 4 bei der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle 1 mindestens eine neue Rille 4a in den Mantel eingebracht, die zunächst nicht mit Draht 2a belegt ist (2a und 2b).
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Beträgt beispielsweise der Abstand A zwischen zwei mit einem Draht 2a belegten Rillen 4 einer Drahtführungsrolle 1 gemäß dem Stand der Technik 1500 µm, und soll die Zahl der nutzbaren Rillen verdoppelt werden (Doppelrillierung), wird bei der erfindungsgemäßen Führungsrolle 1 jeweils zwischen zwei Rillen 4 eine neue Rille 4a eingeschnitten, wobei der Abstand A' zwischen der Rille 4 und der Rille 4a sich auf 1500/2 = 750 µm verringert (2b).
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Der Mindestabstand A' zwischen einer mit einem Draht 2a belegten Rille 4 und einer nicht mit einem Draht 2a belegten Rille 4a wird von dem Durchmesser des unverbrauchten Sägedrahtes 2a und von dem Material, aus dem der Mantel besteht, bestimmt, da die Rille 4 eine ausreichende seitliche Stabilität aufweisen muss, um den Sägedraht 2a während des Drahtsägeprozesses stabil führen zu können.
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Der Abstand A zwischen zwei mit einem Draht 2a belegten Rillen 4 verringert sich von der Drahteinlaufseite zur Drahtauslaufseite.
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Um ein senkrechtes Einschneiden des Drahtgatters 2 in das Werkstück 3 zu gewährleisten, sind bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Drahtführungsrollen 1 in einer Drahtsäge zum Abtrennen von Scheiben aus einem Werkstück 3 die Rillen 4 der das Drahtgatter aufspannenden Drahtführungsrollen 1 gleich zu belegen.
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Sind beispielsweise bei einer Drahtführungsrolle 1 die erste, die dritte, die fünfte usw. Rille 4 mit einem Draht 2a belegt, so sind auch die korrespondierende erste, die dritte, die fünfte usw. Rille 4 der mindestens zweiten Drahtführungsrolle 1 mit dem Draht 2a zu belegen.
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Wird mit dieser Drahtbelegung der Rillen 4 der Drahtsägeprozess gestartet, verschleißen die mit dem Draht 2a belegten Rillen 4 im Laufe des Sägeprozesses oder der Sägeprozesse. Sind die mit dem Draht 2a belegten Rillen 4 verschlissen, ist der Lebenszyklus dieser Rillen 4 beendet.
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Der Sägedraht 2a wird nun von der verschlissenen Rille 4 in die benachbarte, vorher nicht mit einem Sägedraht 2a belegte Rille 4a umgespult, so dass der Drahtsägeprozess mit unverbrauchten Rillen 4a auf derselben Drahtführungsrolle 1 fortgesetzt werden kann. Der Abstand A zwischen den unverbrauchten Rillen 4a entspricht bevorzugt dem Abstand A der im vorangegangenen Sägeprozess verschlissenen Rillen 4.
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Das Umspulen des Drahtgatters 2 in die nächste Rillenkombination, also die jeweils zur verschlissenen Rille 4 benachbarte und noch unbenutzte Rille 4a, erfolgt bevorzugt manuell analog zum Aufziehen eines Drahtgatters 2 gemäß dem Stand der Technik. Ebenfalls bevorzugt ist das automatische Umspulen des Sägedrahtes 2a.
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Ist beispielsweise nur jede zweite Rille 4 bzw. 4a mit einem Sägedraht 2a belegt (n = 2), verdoppelt sich der Zeitraum der Verwendbarkeit der Drahtführungsrolle 1, da diese erst nach dem Verschleiß der neu mit Sägedraht belegten Rillen 4a ausgewechselt bzw. neu rilliert werden muss.
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Ist am Anfang der Nutzung der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle nur jede dritte Rille 4 (n = 3) mit einem Sägedraht 2a belegt, verdreifacht sich die Nutzungsdauer der Drahtführungsrolle 1, da nach dem Verschleiß der Rillen 4 noch zwei neue, unverbrauchte Rillen 4a für nachfolgende Sägeprozesse zur Verfügung stehen.
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Bevorzugt ist die Geometrie (Tiefe und die Breite) aller Rillen 4 bzw. 4a der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle 1 gleich.
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Besonders bevorzugt ist die Geometrie der jeweils zu einer mit einem Draht 2a belegten Rille 4 bzw. 4a an den Verschleiß des Sägedrahtes 2a angepasst. So kann beispielsweise die Breite der noch nicht mit einem Sägedraht 2a belegten Rille 4a etwas geringer sein als die Breite der im ersten Lebenszyklus der Drahtführungsrolle mit einem Draht 2a belegten Rille 4, da sich der Durchmesser des Sägedrahtes 2a durch Verschleiß während des Drahtsägens verringert.