DE2722782A1

DE2722782A1 - Verfahren zum multiplen laepptrennen von feststoffen

Info

Publication number: DE2722782A1
Application number: DE19772722782
Authority: DE
Inventors: Alfred Moritz; Dieter Dipl Chem Dr Regler; Erhard Dipl Chem Dr Sirtl
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1977-05-20
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1978-11-30
Also published as: BE867202A; JPS53145178A; FR2391052B1; US4187827A; DE2722782C2; DK222878A; FR2391052A1; IT7849430A0; GB1597927A; NL7804612A; IT1103284B

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum multiplen Läpptrennen von Feststoffen, bei welchem ein Klingenpaket unter einem bestimmten Druck durch eine laterale Hin- und Herbewegung in der Aufschlemmung eines geeigneten Läppmittels durch den zu trennenden Feststoff geführt wird.

Halbleiterstäbe aus beispielsweise Silicium oder Germanium werden häufig mit Sägen zerteilt, bei welchen das kreisrunde Sägeblatt aus beispielsweise Nickel oder Stahl, welches an der Schnittkante meist mit kleinen Diamantsplittern besetzt ist, zentral eingespannt ist und der Schnitt an der Kante erfolgt. Die Sägeblätter dieser Sägen müssen aber relativ dick gewählt werden, um die erforderliche Stabilität aufzuweisen und einen geraden Schnitt zu garantieren. Die Schnittverluste an Halbleitermaterial sind bei Verwendung diesei Sägen daher ziemlich hoch.

Bei Vervendung von Innenlochsägen, bei denen das Sägeblatt an der Peripherie eingespannt wird und in der Mitte ein Loch mit einigen Zentimetern Durchmesser aufweist, welches mit Diamantkörnern besetzt ist und als Schnittkante fungiert, können dünnere Sägeblätter verwendet werden, so daß die Materialverluste durch den Schnitt geringer werden.

Beide Sägetypen weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf. Am schwerwiegendsten wirkt sich dabei das Mikrosplitting aus, worunter Kristallzerstörungen, wie insbesondere Mikrorisse verstanden werden, die im Extremfall durch den gesamten Kristall führen und daher auch durch nachfolgende Bearbeitungsschritte wie beispielsweise Ätzen oder Läppen nicht mehr behoben werden können. Ein weiterer Nachteil liegt in der beim Sägen häufig auftretenden unregelmäßigen Zerstörung der Oberflächenschicht, die durch Ätzen allein nicht oder erst nach Entfernung einer vergleichsweise dicken Oberflächenschicht behoben werden kann. Weitere Nachteile sind darin zu sehen, daß die mit derartigen Sägen vom Stab abgeschnittenen Scheiben häufig eine gewisse Durchbiegung zeigen, also

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nicht völlig flach und gleichmäßig dick sind, wodurch Fehler bei der Veiterverarbeitung zu Bauelementen hervorgerufen werden.

Der Nachteil der hohen Materialverluste durch den Sägeschnitt läßt sich durch Verwendung gebräuchlicher Bandsägen mit geradem Sägeblatt mindern, da die Schnittgeschwindigkeit derartiger Sägen erheblich geringer und somit die Breite des Schnittkanals kleiner ist als bei Kreissägen. Durch Zusammenfassen mehrerer Sägeblätter zu einem Gatter läßt sich der Nachteil der in der Zeiteinheit geringeren Schnittleistung entsprechend mindern. Im Gegensatz zu den in der Holzindustrie eingesetzten Gattersägen mit profilierten Sägeblättern und den für die Steinbearbeitung üblichen Gattersägen mit an der Klinge gebundenem Schneidstoff weiaen für das Gattersägen von beispielsweise oxidischen Stoffen wie Saphir oder Rubin bzw. Halbleitermaterialien wie Silicium oder Germanium üblicherweise glatte Stahlklingen eingesetzt, die ein Schleifmittel wie beispielsweise Diamantpulver, welches in einem Kühlmittel aufgeschlemmt ist, mitführen. Eine derartige Gattersäge wird beispielsweise in der deutschen Patentschrift 20 39 699 beschrieben. Der Vorteil dieser Sägen liegt in der gleichmäßigen Oberflächenzerstörung der Schnittfläche, die sich durch Abätzen einer dünnen Oberflächenschicht wieder beheben läßt, sowie in der Tatsache, daß praktisch alle Scheiben "bow-frei" sind, also gleichmäßig flach und ohne Durchbiegung.

Für die Herstellung von wirtschaftlich einsetzbaren Siliciumsolarzellen, wie sie für die Substituierung anderer, insbesondere der in absehbarer Zeit zur Neige gehenden fossilen Energieträger benötigt werden, ist es aber zwingend erforderlich - neben einer Verbilligung des Grundstoffs Silicium in der erforderlichen Reinheit -auch die Verarbeitung, insbesondere das Sägen von Siliciumstäben ' oder -blocken stark zu verbilligen. Der Einsatz von ,üblichen Gattersageverfahren, die heute noch, seibat mit 240 Klingen im

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Gatter, die pro Scheibe doppelte Sägezeit - verglichen mit der Innenlochsäge - in Anspruch nehmen, ist trotz ihrer unbestrittenen Vorteile gegenüber den anderen beschriebenen Sägeverfahren in dieser Form nicht hilfreich.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Sägeverfahren zu finden, welches zu einer erheblichen Steigerung im Austrag gesägter Plättchen in der Zeiteinheit führt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein multiples Läpptrennverfahren, welches durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet ist:

a) auf das Klingenpaket wird eine Druckkraft von 100 bis 1000 ρ je Klinge ausgeübt.

b) die freie Arbeitslänge der Klingen liegt in einem Bereich von 110 bis 250 mm, wobei umso kürzere Klingen gewählt werden, je höher die darauf ausgeübte Druckkraft ist

c) das Klingenpaket wird mit einer mittleren lateralen Geschwindigkeit von 30 bis 150 Meter pro Minute durch den zu zerteilenden Feststoff bewegt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können Gattersägen bzw. Läpptrennmaschinen, wie sie beispielsweise in der bereits zitierten deutschen Patentschrift 20 39 699 beschrieben sind, nach den erforderlichen Umbauten eingesetzt werden.

Um die erfindungsgemäß erforderliche Druckkraft, die- auf den Spannrahmen, in welchen das Klingenpaket eingespannt ist, von 100 bis 1000 p, vorzugsweise 100 bis 400 ρ je Klinge auf die Klingen einwirken zu lassen, bedarf es einer erheblichen Kürzung der freien Arbeitslänge herkömmlicher Klingen, und zwar auf etwa 110 bis 250 mm,

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vorzugsweise l80 bis 220 mm, wobei umso kürzere Klingen innerhalb der angegebenen Bereiche gewählt werden, je höher die darauf ausgeübten Druckkräfte sind, um ein Verbiegen der Klingen zu vermeiden. Als Klingenmaterial eignen sich insbesondere preiswert verfügbare Stahlsorten, wie etwa Federbandstahl von etwa 120

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bis 250 kp/mm , bevorzugt 200 bis 240 kp/mm Zugfestigkeit, da das Klingenpaket üblicherweise nach einmaliger Benutzung verworfen wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Stahlband im wesentlichen lediglich für die Führung des eigentlichen Schneidwerkzeuges, biespielsweise des Diamantkornes sorgt, welches demgemäß nicht nur zu einem Abtrag des zu zersägenden Feststoffs, sondern auch zu einem Abtrag des weicheren Stahlbandes führt. Unter der freien Arbeitslänge der Klingen wird dabei der Klingenteil verstanden, der zwischen den Halterungen frei aufgespannt ist. Die Klingenhöhe beträgt dabei zweckmäßig etwa 5 bis 10 mm, besonders günstig etwa 5 bis 7 mm, bei einer Breite von etwa 100 bis 300 u. Bei der Klingenbreite wird man dabei zweckmäßig immer versuchen möglichst niedrige Werte zu wählen, zweckmäßig etwa 150 bis 250 ^um, um die Schnittverluste zu beschränken. Lediglich bei der Anwendung vergleichsweise langer Klingen unter der Einwirkung von Druckkräften im oberen angegebenen Bereich werden die stärkeren Klingendicken erforderlich. Zweckmäßig wird man dies aber dadurch vermeiden, daß man zu kurzen Klingen innerhalb des als bevorzugt angegebenen Bereiches ausweicht.

Die Anzahl der Klingen im Klingenpaket, die durch Distanzscheiben voneinander getrennt werden, ist vom Verfahren her nicht begrenzt und wird zweckmäßig so hoch wie möglich ausgelegt, da der Austrag an gesägten Scheiben linear mit der Klingenzahl steigt. Eine natürliche Begrenzung der Klingenzahl liegt sinnvollerweise in der Länge des zu zerteilenden Werkstückes.

Der auf das Gatter, in welchem das Klingenpaket eingespannt ist, ausgeübte Druck, der im Vorstehenden als Druckkraft, die pro Klinge einwirkt, angegeben ist, wird allgemein erst dann voll zur Geltung gebracht, wenn alle Klingen des Klingenpakets im Stab greifen,

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d.h. wenn alle Klingen des Klingenpakets mit der Oberfläche des zu zerteilenden Werkstoffs in einen Abtrag verursachenden Kontakt gebracht sind. Würde man nämlich vorher bereits den vollen Druck auf das Gatter einwirken lassen, so würde dies, insbesondere bei Werkstücken mit Unebenheiten in der Oberflächenstruktur bedeuten, daß die gesamte Druckkraft, die auf das Spanngatter einwirkt, letztlich nur auf einen Teil der Klingen, nämlich auf die, die mit dem Werkstück Kontakt haben, sich auswirkt und somit höher wäre als dies erwünscht ist. Diese überhöhten Druckkräfte könnten dann zu einem Verbiegen oder gar Reißen dieser Klingen im Klingenpaket führen.

Die Erhöhung der mittleren lateralen Geschwindigkeit von derzeit üblich etwa maximal 27 m/Minute auf erfindungsgemäß etwa 30 bis 15c m/Minute, vorzugsweise 90 bis 120 m/Minute, läßt sich durch die Erhöhung der Frequenz, mit welcher das Klingenpaket pulsierend über das zu zersägende Werkstück hin- und herbewegt wird, erreichen. Die laterale Geschwindigkeit wird außerdem durch die Klingenlänge und den maximalen Werkstoffdurchmesser in der Schneidrichtung bestimmt und folgt vereinfacht der Formel

V = (^1-^).V · Faktor

wobei 1 die Klingenlänge, £_ der maximale Werkstoffdurchmesser und V die Frequenz sind. Es wurde gefunden, daß bei einer lateralen Geschwindigkeit von geringfügig mehr als I50 m/Minute der Abtrag schlagartig auf annähernd Null abfällt, ein Effekt wie er ähnlich dem Autofahrer als Aquaplaning geläufig ist.

Als Antrieb für das Klingenpaket eignen sich bei Frequenzen bis etwa 20 Hz die üblicherweise in Gattersägen eingebauten klassischen Kurbelantriebe mit einem vermittels einer Kurbelscheibe bewegten Pleuel.

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Bei der Einstellung höherer Frequenzen und damit einhergehenden höheren lateralen Geschwindigkeiten des Klingenpaketes über 90 m/ Minute sind derartige Antriebe aufgrund der enormen Beschleunigungskräfte nicht mehr optimal.

Hier eignen sich Antriebe über Linearmotoren oder besonders günstig Hydropulsantriebe, wie sie beispielsweise von der Firma Schenck, Darmstadt, hergestellt werden und in welchen allgemein die auftretenden Beschleunigungs- und Abbremskräfte von einem Öldruckzylinder beherrscht werden oder aber auch Antriebe auf elektromagnetischer Basis.

Als Läppmittel können die bei Draht- oder Gattersägen üblichen Mittel eingesetzt werden, wie etwa Korundpulver, Siliciumcarbid, Boi carbid, kubisches Bornitrid oder Diamantpulver, wobei die Härte und somit die Standzeit in der angegebenen Reihenfolge ansteigt. Eingesetzt werden diese Stoffe bevorzugt mit einer Krongröße von 10 bis 50 um, aufgeschlemmt in einem Öl, beispielsweise einer

Mineralölfraktion mit einer mittleren Viskosität von 30 bis 60 cP. Das Gewichtsverhältnis Schneidkorn zu Öl beträgt dabei etwa 1 : bis 1 : 3.

Das zu wählende Schneidkorn ist dabei abhängig von der Art des zu zerteilenden Feststoffs, so lassen sich beispielsweise Saphir oder Spinell wirtschaftlich nur mit Diamant oder kubischem Bornitrid zerteilen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders vorteilhaft für das Sägen von Halbleitermaterialien, wie Silicium, Germaniumj III-V-Verbindungen wie etwa Galliumarsenid und Galliumphosphid, oxidischen Substanzen wie etwa Saphir, Spinell, Rubin aber auch für weiche Stoffe wie beispielsweise hexagonales Bornitrid eingesetzt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Schneidleistungen erreichen, die um ein Vielfaches über der aller bekannter Verfahren liegen.

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Vergleichsbeispiel

Ein einkristalliner Siliciumstab mit den Abmessungen 50 χ 50 χ 220 mm wurde mit einer Gattersäge der Firma Meyer & Burger AG, Steffisburg, Schweiz, vom Typ GS 1 quer zur Längsachse in Scheiben zersägt. Das Klingenpaket bestand aus 240 Klingen mit einer Stärke von 200 um, einer Höhe von 6 mm und einer freien Arbeitslänge von 355 mm. Nach dem Aufsetzen der Klingen auf den Siliciumstab wurden die Klingen in üblicher Weise mit einer geringen lateralen Geschwindigkeit von anfangs einigen Metern pro Minute fast drucklos über den Kristall geführt. Erst nachdem alle Klingen im Siliciumstab zu greifen begonnen hatten, wurde die laterale Geschwindigkeit, mit welcher das Klingenpaket über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, auf 27 m/Minute erhöht. Auf das Klingenpaket wurde dabei während dei Samens eine Druckkraft von 60 ρ je Klinge ausgeübt. Als Läpptrennmittel wurde Siliciumcarbid mit einer Korngrößenverteilung von 27 bis 30 um, aufgeschlemmt in einer Mineralölfraktion mit einer Viskosität von 45 cP wobei auf drei Gewichtsteile Mineralöl ein Gewichtsteil Siliciumcarbid zugegeben wurde, verwendet.

Nach einer reinen Sägezeit von 24,5 Stunden wurden 239 Scheiben von

470 um Dicke erhalten. Dies entsprach einer Sägeleistung von

2 0,017 cm pro Minute und Klinge.

Beispiel

Ein einkristalliner Siliciumstab mit den Abmessungen 50 χ 50 χ 220 mm wurde mit einer Läpptrennmaschine, die im wesentlichen der im Vergleichsbeispiel zitierten Gattersäge entsprach, die jedoch durch

Umbauten so umgerüstet war, daß kürzere Klingen mit einer höheren Geschwindigkeit und unter höherem Druck bewegt werden konnten. Auch hier wurde der Stab wieder quer zur Längsachse in Scheiben gesägt.

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Das Klingenpaket bestand wiederum aus 240 Klingen mit einer Stärke von 200 zim, einer Höhe von 6 mm, jedoch einer freien Arbeitslänge von 200 mm. Nach dem Aufsetzen der Klingen auf den Siliciumstab wurden auch jetzt wieder die Klingen in üblicher Weise mit einer geringen lateralen Geschwindigkeit von anfangs einigen Metern pro Minute ebenfalls fast drucklos über den Kristall geführt. Erst nachdem alle Klingen im Siliciumstab zu greifen begonnen hatten, wurde nunmehr die laterale Geschwindigkeit, mit welcher das Klingenpaket über den zu zerteilenden Siliciumstab geführt wurde, auf 45 m/Minute erhöht. Auf das Klingenpaket wurde dabei während des Sägens eine Druckkraft von nunmehr 18O ρ je Klinge ausgeübt. Als Läpptrennmittel wurde wie im Vergleichsbeispiel Siliciumcarbid in einer Mineralölfraktion mit einer Viskosität von 45 cP im Gewichtsverhältnis drei Teile Mineralöl auf einen Teil Siliciumcarbid verwendet .

Nach einer reinen Sägezeit von 2,6 Stunden wurden 239 Scheiben von 470 Aim Dicke erhalten. Dies entsorach einer Schneidleistung von 0,l6 cm pro Minute und Klinge.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum multiplen Läpptrennen von Feststoffen, bei welchem ein Klingenpaket unter einem bestimmten Druck durch eine laterale Hin- und Herbewegung in der Aufschwemmung eines geeigneten Läppmittels durch den zu trennenden Feststoff geführt wird, gekennzei chnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) auf das Klingenpaket wird eine Druckkraft von 100 bis 1000 ρ je Klinge ausgeübt

b) die freie Arbeitslänge der Klingen liegt in einem Bereich von 110 bis 250 mm, wobei umso kürzere Klingen gewählt werden, je höher die darauf ausgeübte Druckkraft ist.

c) das Klingenpaket wird mit einer mittleren lateralen Geschwindigkeit von 30 bis 150 Meter pro Minute durch den zu zerteilenden Feststoff bewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf das Klingenpaket eine Druckkraft von 100 bis 400 ρ pro Klinge ausgeübt wird.'

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß Klingen mit einer freien Arbeitslänge von 180 bis 220 mm gewählt werden.

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ORIGINAL !NSPECTEO

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet , daß das Klingenpaket mit einer mittleren lateralen Geschwindigkeit von 90 bis 120 Meter pro Minute durch den zu zerteilenden Feststoff geführt wird.

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