WO2009053007A1 - Method and device for recovering a mixture of a thixotropic dispersant and abrasive grains as abrasives - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a process for the preparation or separation of grains from a mixture of a dispersion medium and the abrasive particles concerned in the course of their use as abrasive for chip removal, in particular for the chip-removing separation of workpieces, preferably semiconductor crystals.
- the core therefore is to separate the abrasive grains from the mixture. These grains act or act as a whole the mixture as an abrasive in chip removal machining.
- wire saws or wire machines are generally used, which use a mixture (slurry) of the dispersion medium and the abrasive grains as abrasive , With the aid of this mixture, the cutting process is made possible only because the particles which are freely movable and abrasive in the mixture cause a lapping process associated therewith (see DE 195 38 612 A1).
- a dispersion medium which consists of organic components, namely a hydrophilic polyhydric alcohol compound, a lipophilic polyhydric alcohol compound and water, is generally used.
- colloidal silica particles prepared from a silicate are dispersed, as described in detail in DE 699 11 549 T2.
- WO 2006/137098 A1 is a method for the reuse of such abrasively used in the lapping process. kender grains. For this purpose, hydrocyclones or centrifuges are used, which is relatively expensive. This is where the invention starts.
- the invention is based on the technical problem of further developing such a method so that the procedural complexity is reduced and the costs of an associated device are minimized.
- the dispersion medium used is based primarily on water as the dispersion medium, which as a rule represents a proportion of more than 85% by weight in the dispersion medium. It is furthermore of particular importance that the dispersion medium has a thixotropic behavior, ie a viscosity or viscosity which changes depending on the mechanical loading of the dispersion medium.
- the viscosity of the thixotropic and substantially water-based dispersion medium according to the invention is generally adjusted so that the concentration of colloids or colloidal particles is dimensioned in the dispersion medium so that sedimentieren at dormant dispersion medium, the abrasive grains of desired grain size for their separation, whereas mostly Fine components are retained in the dispersion medium.
- the thixotropic dispersion medium and the abrasive grains as abrasives form the overall mixture, which is used for chip-removing machining of workpieces and in particular for chip-removing separation of semiconductor crystals.
- These semiconductor crystals are preferably rod-shaped or rod-shaped silicon monocrystals, which in the course of the chip-removing separation into slices desired size and previously set thickness (wafer) to be separated.
- workpieces made of polysilicon can be processed.
- those of other semiconductor materials such as gallium arsenide, gallium indium phosphite, etc ..
- the dispersion medium with the abrasive grains dispersed therein is used for non-forming chip-removing machining.
- This workpiece is, as already described and preferred, a semiconductor crystal, which is subdivided with the aid of the mixture in a corresponding chip-removing separation process in the desired thickness wafers (wafers), which are then usually still polished to order them for further process steps prepare.
- the invention has surprisingly recognized that a thixotropic and substantially water-based dispersion medium known per se can advantageously be used with the grains dispersed therein as an additional phase and having abrasives as abrasives for the described chip-removing machining of workpieces, in particular of semiconductor crystals.
- the thixotropic effect of the dispersion medium for the described application is of particular importance.
- the dispersion medium has, according to an advantageous embodiment, charged colloidal particles. These charged colloidal particles form networks with sufficient concentration in the dispersion medium to each other and in the best case an elastic gel, which carries the abrasive grains permanently in itself.
- the colloidal particles in the dispersion medium are smectites, ie layer silicates with a three-layer structure, which are preferably used. These are usually suspended in water as a dispersant. In this context, a high yield strength of the dispersant is crucial, with low viscosity under shear stress. This is basically known from DE 1 023 732.
- the buoyancy of the particles to be sedimented is not changed by increasing the density of the dispersion medium in the mixture. Rather, the density and also the density of the dispersion medium remain essentially the same and the gel strength is merely adjusted by the addition of more or less colloidal particles.
- the gel strength is a measure of the gelling ability of the gel, which can be determined using, for example, a Bousher gelling tester. The gel strength is generally measured in g / cm 2 or N / m 2 or in Pa or mPa. In any case, according to the invention, the gel strength is varied in order to selectively retain or sediment the abrasive grains in the gel which forms the abrasive grains, as will be explained in more detail below.
- the dispersion medium about 1 wt .-% to 10 wt .-%, in particular about 1 wt .-% to 5 wt .-% and preferably about 2 wt .-% to 3 wt. -% of a clay mineral dissolved in water. That is, the dispersion medium is composed predominantly of water as the dispersant and the already mentioned clay mineral in the indicated concentration. The proportion of water is the dispersion medium usually more than 85% by weight.
- the clay minerals used are preferably smectite-containing clays, for example bentonite, but also hectorite. In addition, other smectites such as corrensite, rectorite, saponite, stevensite, etc. are conceivable. These are known for the described thixotropic behavior. Basically both synthetic and natural clay minerals can be used.
- Certain starches as well as organic polymers can advantageously be dissolved in water and used as the dispersion medium according to the invention.
- acicular chain silicates such as sepiolite are able to form thixotropic aqueous suspensions.
- these require very high solids content and the yield point is less well compared to the viscosity.
- not only clay mineral colloidal particles are encompassed by the invention.
- the thixotropic behavior of the clay mineral which is generally dissolved in the water, is brought about by the formation of bridges between the individual dissolved particles or smectites in such a clay mineral suspension without movement.
- These bridges represent the already mentioned network, which carries the abrasive grains dispersed in the dispersion medium and prevents their sedimentation. This is achieved particularly simply by equipping the abrasive grains with particle sizes below 100 .mu.m, preferably less than 50 .mu.m and preferably below 20 .mu.m.
- the abrasive grains are dispersed in the thixotropic dispersion medium, for example, with an average grain diameter of less than 100 ⁇ m, in particular below 50 ⁇ m, and preferably in the range of approximately 20 ⁇ m. Because such grain sizes can be easily record and hold in the described network.
- the invention recommends in the dispersion medium in addition to the dispersant water as an additive, the clay mineral in low grain size with
- Na and / or Li bentonites dissolved in water for the gelation can be used.
- Particularly preferred synthetically produced hectorite has proven to be favorable, which although relatively expensive, but shows a very good thixotropic gelation.
- the grain size of the clay mineral used is less than 200 microns and is more preferably below 100 microns and usually even below 50 microns or even below 20 microns. In this way, overall a relatively low viscosity of the mixture of the abrasive grains and the dispersion medium of water and the clay mineral additive is provided. In fact, inventively viscosities of mostly significantly less than 1 Pas (1 pascal-second) are observed. The viscosity is thus always below that of, for example, glycerol (1, 5 Pas).
- the abovementioned described dynamic viscosity of the mixture is in the range of less than 500 mPas and is preferably below 400 mPas. Usually, a range between 30 and 350 mPas is observed depending on the proportion of abrasive grains for the mixture. As a result, low viscosities are available, which in particular for the production of slices of silicon single crystals (Silicon wafers) are particularly preferred. Because the mixture in question is usually used to rinse a wire, which cuts through the said silicon single crystal or generally the semiconductor crystal. It is usually worked with a low feed rate of about 0.1 mm / min, and set the cutting width in the range of below 0.2 mm. An example of such a separating device is described in DE 698 24 655 T2.
- the method according to the invention is particularly suitable for first employing abrasively acting grains based on silicon carbide, boron carbide and / or diamond for the chip-removing machining and subsequently separating them from the mixture.
- quartz, glass, ceramics, etc. can be processed in this way chip removal and in particular be subjected to a chip-removing separation.
- the mixture according to the invention and used can be processed very easily.
- the invention is based on the recognition that generally sedimentation processes, including the sedimentation of abrasive grains, obeys Stokes's law, according to which the rate of descent in a liquid (the dispersion medium) depends on the grain diameter, the density difference between the grain and the liquid and the viscosity of the liquid is dependent. By changing (increasing) the viscosity of large and heavy abrasive grains, their sinking speed can be reduced.
- the dispersion medium according to the invention is not subjected to shear stress or mechanical loading, the already mentioned gel is formed.
- a gel is an E-modulus solid.
- the modulus of elasticity of the gel of the thixotropic and substantially water-based dispersion medium depends on the number and strength of the bonds of its colloids per unit volume. Thus, the type and concentration of the colloid in the water is responsible for the number and strength of the bonds and thus the modulus of elasticity.
- This modulus represents or is synonymous with the gel strength already referred to in the introduction.
- the modulus of elasticity or the gel strength is time-dependent, because the formation of the network from the colloids is time-dependent, as the following example makes clear:
- Fig. 1 the time course of gel formation according to Fann for a 2.5 wt .-% aqueous bentonite solution with the brand name "tribomont" is shown.
- the Y-axis represents the gel strength in divisions, where the respective Y-value multiplied by 0.48 indicates the gel strength in Pa.
- the time in seconds is removed. Only when shear stresses or general mechanical forces act on the gel, the network described above breaks and then larger volumes of the gel can be shifted against each other, which then results in a (previously not observed, of course) certain viscosity of the gel.
- the load on a gel caused by a particle is proportional to the quotient of the weight and the projection area of the particle. Since the volume of the respective particle (s) in an assumed spherical appearance increases with the cube of the radius, but the projection surface only increases with the square of the radius, a large particle (abrasive grain) in a given gel becomes more likely than sink a small sphere of equal density.
- the gel point and the gel strength are determined.
- the pendulum devices according to WEISS (DIN 4127) and the ball harp according to SOOS (DIN V 4126-100, Section 6.1.2 ff.) are available as test devices.
- the ball harp according to SOOS consists of spheres of the same density with different radii, which are connected via threads of different lengths to a frame, which is lowered into the gel to be examined. One then determines which sphere radius no longer sinks into the gel. This spherical radius of known density allows a statement about the bearing capacity of the gel and consequently both the gel point and the gel strength.
- the gel strength of a thixotropic suspension or of the water-based thixotropic dispersion medium according to the invention can be determined. It makes use of the fact that a gel can transmit shear forces. So if the viscous Simeter between two nested cylinders with a distance x a gel, so at the beginning of a slow rotational movement of the cylinder to another torque is transmitted, which can be measured.
- the gel strength is given in the already indicated scale parts, the scale parts being converted into the gel strength with the unit Pa by multiplying the scale values by the factor 0.48, as already explained with reference to FIG.
- the gel strength depends on the time in which the gel is not subjected to any shear stress.
- Tribomont (bentonite) in one liter of deionized water at 3000 rpm per
- Fig. 1 shown. Already after about 10 sec. Resting time showed the aqueous suspension or the thus prepared thixotropic and in
- Substantially water-based dispersion medium has a shear modulus of about one Pa. So that a particle can sink in this gel, must therefore
- the solid line generally shows the sedimentation behavior of particles in a liquid. It is on the Y-
- X-axis be represented radius r.
- abrasive grains having a particle size below 100 microns preferably having a diameter of less than 50 microns
- These design rules apply in any case for the approach of the mixture in the course of its use in the subsequent wire cutting or wire sawing.
- the dispersion medium is diluted with water as a rule until a sedimentation of the abrasive effect occurs Grains is effected, namely at a suitable gel strength of the resulting from the thus prepared dispersion medium gel (see Fig. 2).
- the dilution is carried out until the desired abrasive particles to be sedimented actually sink through the stationary dispersion medium (gel) to the bottom of an associated container and deposit themselves here.
- the process of preparing the mixture of the abrasive grains and the thixotropic and substantially water-based dispersion medium takes place only when a certain degree of contamination of the mixture is achieved here by additionally dissolved fine particles or fines (mostly abrasion). This degree of contamination can be determined optically, for example. If the mixture is soiled that it has to be treated, it is completely or partially removed from the actual chip-removing separation process. Only then is the dispersion medium diluted and dispersed, to such an extent that the abrasive grains (for the first time) sediment (can). Because in the previously completed separation process sedimentation should not take place so as not to clog the separator.
- the sedimentation of the abrasive grains can be done by diluting the dispersion medium with water and / or by the fact that the mixture is no longer - as in the separation process - kept moving or reassured.
- the sedimentation can also be achieved by introducing a shearing action.
- the dispersion medium formed in this way will be approx. 1 min. Rest period without shear forces a gel strength of about 1 N / m 2 according to a Pa. Consequently, a particle sinking and sedimenting in this gel, ie the abrasive grain in the example, must produce a pressure of more than 1 Pa in order to be able to sediment in such a gel. If one starts from a spherical volume of the abrasive grain, the corresponding minimum grain diameter is calculated to be approximately 60 ⁇ m.
- the thixotropic dispersion medium thus set retains abrasive grains in its quiescent state or does not sediment grains having a grain diameter of less than 60 ⁇ m.
- abrasives or abrasive grains of other density such as boron nitride, corundum, diamond, etc., of course, other grain diameter, as the previously explained diagram corresponding to FIG. 2 makes clear.
- Such a dispersion medium is diluted, that is, the proportion of the clay mineral in the example to the already mentioned about 1 wt .-% to 1, 5 wt .-% is reduced, so decreases accordingly, the viscosity and consequently the gel strength, so that now abrasive particles with particle diameters well below 60 microns can still sediment.
- predominantly fines are retained in the dispersion medium, that is, grains in the mixture having a grain diameter of perhaps 20 ⁇ m or 10 ⁇ m and below.
- These fines are generally flocculated according to the invention after separation of the suspension above the sediment. Most of these are unwanted fines from the cut material or silicon and abrasion of the grains or the silicon carbide or other abrasive.
- These fines are flocculated by the already contained clay minerals and optionally with the addition of further clay minerals and optionally a flocculant.
- the pH or the electrolyte concentration of the mixture can also be changed and the flocculation and consequently sedimentation can be achieved.
- the silicon or pure silicon contained in the suspension or the dispersion medium can be separated as valuable material by other methods, for. B. discharged by flotation of the other solids become. The silicon thus obtained can be recycled back into the material cycle, for example reflowing and processing into polysilicon or, in the best case, monocrystalline silicon.
- the grains of the abrasive or the abrasive grains are virtually impossible or hardly lost.
- the flocculated material is harmless to health and can be used for secondary use. Disposal via a normal landfill is possible. This means that special disposal measures do not have to be taken.
- the dispersion medium is composed of the dispersion medium (usually water) and an additive which regularly provides the desired thixotropy.
- This additive usually the clay mineral
- the abrasive grains of, for example, silicon carbide. The dry mix of the additive and the abrasive grains is then completed to the mixture just prior to processing with the dispersant.
- transport costs are saved, because the dispersion medium (water) is usually already present at the place of chip removal machining.
- the mixture of the dispersion medium and the abrasive grains is prepared, then the said mixture for chip removal machining, in particular for the chip-removing separation of workpieces and here preferably Haibieitermaterialien used.
- the soiled mixture is wholly or partly treated as described.
- the abrasive grains are separated from the (soiled) mixture. Comparative example
- a mixture of polyethylene glycol and silicon carbide grains having an average grain diameter of 10 ⁇ m is used.
- the silicon carbide grains are added in a ratio of 1 kg to 1 l of the polyethylene glycol. This results in a total density of the suspension of about 1, 6 kg / l.
- the viscosity of this known dispersion is in the range of about 350 mPas.
- the mixture of the present invention does not show such even after 60 hours.
- This can essentially be attributed to the fact that the bentonite suspended in water, even at the adjusted concentration of 2% by weight with its colloid and charged smectite platelets, forms the previously mentioned network and contains therein the Silicon carbide grains (or other abrasive grains) are kept so that they can not sediment.
- the mechanical interlocking of the pointed silicon grains with each other is reduced because they are spaced in the network. As a result, the mixture can be solved with little mechanical effort and transport easily.
- the dynamic viscosity is in the range of about 40 mPas.
- the piping of the separator can be easily cleaned by rinsing with water. Mechanical cleaning is not required.
- the rinse water can be disposed of via the sewage system.
- a mixture according to the invention of 1 kg of silicon carbide grains having a mean grain size in the range of about 10 ⁇ m with 1 l of the dispersion medium which contains 2.5% by weight of bentonite leads to a dynamic viscosity of 150 mPas.
- all solids with a particle size smaller than 5 microns from the reusable solids content greater than 5 microns (abrasives) are separated in the example.
- a clay mineral or generally phyllosilicate is used for producing the thixotropic properties of the dispersion medium.
- clay minerals are due to their extremely large, especially inner surfaces of several 100 m 2 / g in a position to store in the mixture to be treated, in particular metal abrasion, store or store.
- metal abrasion in particular iron abrasion
- the iron particles are now absorbed by the clay mineral present in the dispersion medium and consequently can not adversely affect the cutting properties of the abrasive particles, as has hitherto been the case. This ensures that the abrasive particles practically without additional (acid) treatment after their sedimentation can be fed directly to a recycling or can be re-introduced into the circulation for a subsequent separation process.
- the iron present in the polluted dispersion medium or the iron particles as such can not be adsorbed by the clay mineral in the dispersion medium. Rather, only the adsorption of iron cations takes place. For this reason, the metallic iron in the (polluted) thixotropic and substantially water-based dispersion medium according to the invention must be oxidized. This is generally ensured by oxygen or air injection using a compressed air line.
- such iron particles or resulting water-insoluble compounds generally belong to the fine particles and are flocculated together with the other fine particles.
- a further factor contributing to this is the fact that a sedimentation device for the treatment of the mixture is generally equipped with the already mentioned connected gas source, in particular an air source. With the help of this air source, the aufaufende mixture is applied to the interior and foamed. At the same time, the air introduced into the mixture to be treated ensures that any iron still present in the mixture undergoes oxidation and is brought into a filterable form by the possible addition of flocculants.
- the gas or air introduced into the mixture to be treated ensures that premature sedimentation of the abrasive or abrasive grains is prevented. Because due to the described dilution of the dispersion medium in the course of treatment (dilution of the dispersion medium until the Bentonitanteii is about 1 wt .-% to 1, 5 wt .-%) this is regularly no longer able to abrasive grains of the grains Be able to carry particles.
- the air supply produces a total mixing, but does not result in shear forces, Therefore, after the application of air, the desired gel forms relatively quickly and a good separation result is observed.
- the tank for the mixture as well as any sedimentation device may also be equipped with a perforation release agent.
- This perforation release agent is, according to an advantageous design, a microperforated floor or a microperforated partition wall.
- the compressed air or generally a gas can be introduced under pressure.
- the fine particles of clay mineral, silicon abrasion of the grains, etc. which collect above them, are first separated by suction or pouring off the abrasive grains.
- the sediment from the abrasive grains is then overcoated with water or generally a liquid and again brought with the aid of compressed air from the microperforated base plate or the perforation release agent with the water layered over into a homogeneous suspension to this suspension from the sedimentation or a To pump appropriately designed container and, for example, in the circuit to transfer directly into the tank for the mixture through which the wire of the wire saw is guided or with the help of which the wire of the wire saw undergoes wetting by the mixture.
- the proportion of water is thus about 97.6 wt .-% based on the
- the sedimentation device 4 is provided with a microperforated intermediate wall or, in general, a perforation separator, in the present case a bottom 5. equipped, in which in the example, a pressure line 6 is connected. In this way, compressed air can be injected into the microperforated floor or the intermediate wall 5.
- this suspension of water and abrasives can be thickened by a FesWlüssig separation.
- processes are preferably used again in which the abrasive grains are separated from the liquid phase by gravity, since this prevents clogging of sieves.
- a lamellar thickener which has a high separation efficiency with little space and without moving parts.
- Iron content is determined by determining the weight loss of the lapped
- Sediment is separated by decantation. Subsequently, both the fine fraction and the sediment are dried at about 105 ° C to determine the solids content. As a reference, a sample of the unpurified original and unpolluted mixture is also dried.
- All samples are digested with nitric acid to have all the iron present as trivalent ions.
- the analysis of the iron content is done by atomic absorption spectroscopy.
- the amount of iron in the separated fines of the treated mixture is thus about 100 times greater than the iron content in the sedimented recycled silicon carbide, which is virtually free of iron.
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Aufbereiten einer Mischung aus einem thixotropen Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel Method and apparatus for treating a mixture of a thixotropic dispersion medium and abrasive grains as abrasives
Beschreibung:Description:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten bzw. Abtrennen von Körnern aus einer Mischung aus einem Dispersionsmedium sowie den be- treffenden abrasiv wirkenden Körnern im Zuge ihrer Verwendung als Schleifmittel zur spanabtragenden Bearbeitung, insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Werkstücken, vorzugsweise Halbleiterkristallen. Im Kern geht es folglich darum, die abrasiv wirkenden Körner aus der Mischung abzutrennen. Dabei fungieren diese Körner bzw. fungiert die Mischung als Ganzes als Schleifmittel bei der spanabtragenden Bearbeitung.The invention relates to a process for the preparation or separation of grains from a mixture of a dispersion medium and the abrasive particles concerned in the course of their use as abrasive for chip removal, in particular for the chip-removing separation of workpieces, preferably semiconductor crystals. The core therefore is to separate the abrasive grains from the mixture. These grains act or act as a whole the mixture as an abrasive in chip removal machining.
Bei der Bearbeitung von Halbleiterkristallen, insbesondere Silizium und der spanabtragenden Trennung solcher Kristalle zu Scheiben (Wafern) werden im Allgemeinen Drahtsägen oder Drahtmaschinen eingesetzt, die auf eine Mi- schung (Aufschlämmung bzw. Slurry) aus dem Dispersionsmedium sowie den abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel zurückgreifen. Mit Hilfe dieser Mischung wird der Schneidprozess erst ermöglicht, weil die in der Mischung frei beweglichen und abrasiv wirkenden Körner einen hiermit einhergehenden Läpp-Prozess bewirken (vgl. DE 195 38 612 A1 ).In the processing of semiconductor crystals, in particular silicon, and the chip-removing separation of such crystals into wafers, wire saws or wire machines are generally used, which use a mixture (slurry) of the dispersion medium and the abrasive grains as abrasive , With the aid of this mixture, the cutting process is made possible only because the particles which are freely movable and abrasive in the mixture cause a lapping process associated therewith (see DE 195 38 612 A1).
Im Stand der Technik wird in der Regel auf ein Dispersionsmedium zurückgegriffen, welches aus organischen Komponenten besteht, nämlich einer hydrophilen mehrwertigen Alkohol-Verbindung, einer lipophilen mehrwertigen Alkohol-Verbindung und Wasser zusammengesetzt ist. In dem Dispersionsmedium werden aus einem Silikat hergestellte kolloidale Kieselsäure-Teilchen disper- giert, wie dies die DE 699 11 549 T2 im Detail beschreibt.In the prior art, a dispersion medium which consists of organic components, namely a hydrophilic polyhydric alcohol compound, a lipophilic polyhydric alcohol compound and water, is generally used. In the dispersion medium, colloidal silica particles prepared from a silicate are dispersed, as described in detail in DE 699 11 549 T2.
Darüber hinaus ist Gegenstand der WO 2006/137098 A1 ein Verfahren zur Wiederverwendung solcher bei dem Läpp-Prozess eingesetzter abrasiv wir- kender Körner. Dazu werden Hydrozyklone oder Zentrifugen eingesetzt, was relativ kostenaufwendig ist. Hier setzt die Erfindung ein.In addition, the subject matter of WO 2006/137098 A1 is a method for the reuse of such abrasively used in the lapping process. kender grains. For this purpose, hydrocyclones or centrifuges are used, which is relatively expensive. This is where the invention starts.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Verfahren so weiter zu entwickeln, dass der verfahrenstechnische Aufwand verringert ist und die Kosten einer zugehörigen Vorrichtung minimiert sind.The invention is based on the technical problem of further developing such a method so that the procedural complexity is reduced and the costs of an associated device are minimized.
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Aufbereiten einer Mischung aus einem Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Kömern im Zuge ihrer (der Körner) Verwendung als Schleifmittel zur spanabtragenden Bearbeitung, insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Werkstücken, vorzugsweise Halbleiterkristallen, vorgesehen, dass als Dispersionsmedium ein thixotropes sowie im Wesentlichen wasserbasiertes Dispersionsmedium zum Einsatz kommt.To solve this technical problem is in a generic method for preparing a mixture of a dispersion medium and abrasive Kommer in the course of their (the grains) use as abrasive for chip removal, especially for chip removal of workpieces, preferably semiconductor crystals, provided that as a dispersion medium a thixotropic and substantially water-based dispersion medium is used.
Erfindungsgemäß basiert das eingesetzte Dispersionsmedium also primär auf Wasser als Dispersionsmittel, welches in der Regel einen Anteil von mehr als 85 Gew.-% in dem Dispersionsmedium darstellt. Von besonderer Bedeutung ist des Weiteren, dass das Dispersionsmedium über ein thixotropes Verhalten verfügt, also eine je nach mechanischer Beaufschlagung des Dispersionsmediums veränderliche Viskosität bzw. Zähflüssigkeit. Dabei wird die Viskosität des thixotropen und im Wesentlichen wasserbasierten Dispersionsmediums erfindungsgemäß im Allgemeinen so eingestellt, dass die Konzentration an Kolloiden bzw. kolloiden Partikeln in dem Dispersionsmedium so bemessen wird, dass bei ruhendem Dispersionsmedium die abrasiv wirkenden Körner gewünschter Korngröße zu ihrer Abtrennung sedimentieren, wohingegen meistens Feinbestandteile in dem Dispersionsmedium zurückgehalten werden.Thus, according to the invention, the dispersion medium used is based primarily on water as the dispersion medium, which as a rule represents a proportion of more than 85% by weight in the dispersion medium. It is furthermore of particular importance that the dispersion medium has a thixotropic behavior, ie a viscosity or viscosity which changes depending on the mechanical loading of the dispersion medium. In this case, the viscosity of the thixotropic and substantially water-based dispersion medium according to the invention is generally adjusted so that the concentration of colloids or colloidal particles is dimensioned in the dispersion medium so that sedimentieren at dormant dispersion medium, the abrasive grains of desired grain size for their separation, whereas mostly Fine components are retained in the dispersion medium.
Das thixotrope Dispersionsmedium sowie die abrasiv wirkenden Körner als Schleifmittel bilden insgesamt die Mischung, weiche zur spanabtragenden Bearbeitung von Werkstücken und insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Halbleiterkristallen eingesetzt wird. Bei diesen Halbleiterkristallen handelt es sich bevorzugt um stangenartige bzw. stangenförmige Silizium- Einkristalle, welche im Zuge der spanabtragenden Trennung in Scheiben gewünschter Größe und zuvor eingestellter Dicke (Wafer) getrennt werden. Daneben können selbstverständlich auch Werkstücke aus Polysilizium bearbeitet werden. Ebenso solche aus anderen Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumindiumphosphit usw..The thixotropic dispersion medium and the abrasive grains as abrasives form the overall mixture, which is used for chip-removing machining of workpieces and in particular for chip-removing separation of semiconductor crystals. These semiconductor crystals are preferably rod-shaped or rod-shaped silicon monocrystals, which in the course of the chip-removing separation into slices desired size and previously set thickness (wafer) to be separated. In addition, of course, workpieces made of polysilicon can be processed. Likewise those of other semiconductor materials, such as gallium arsenide, gallium indium phosphite, etc ..
Dabei wird in der Regel das Dispersionsmedium mit den darin dispergierten abrasiv wirkenden Körnern, also die vorgenannte Mischung, zur nicht formgebenden spanabtragenden Bearbeitung eingesetzt. Hiermit sind die bereits angesprochenen spanabtragenden Trennvorgänge gemeint, zu denen bei- spielsweise das Drahtsägen, Drahtschneiden etc. des betreffenden Werkstückes gehört. Bei diesem Werkstück handelt es sich, wie bereits beschrieben und bevorzugt, um einen Halbleiterkristall, welcher mit Hilfe der Mischung bei einem entsprechenden spanabtragenden Trennvorgang in die Scheiben gewünschter Stärke (Wafer) unterteilt wird, die anschließend meistens noch poliert werden, um sie für weitere Prozessschritte vorzubereiten.As a rule, the dispersion medium with the abrasive grains dispersed therein, ie the abovementioned mixture, is used for non-forming chip-removing machining. This refers to the previously mentioned chip-removing separation processes, which include, for example, wire sawing, wire cutting, etc. of the relevant workpiece. This workpiece is, as already described and preferred, a semiconductor crystal, which is subdivided with the aid of the mixture in a corresponding chip-removing separation process in the desired thickness wafers (wafers), which are then usually still polished to order them for further process steps prepare.
Die Erfindung hat überraschender Weise erkannt, dass sich ein an sich bekanntes thixotropes sowie im Wesentlichen wasserbasiertes Dispersionsmedium vorteilhaft mit den darin als zusätzliche Phase dispergierten und abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel für die beschriebene spanabtragende Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von Halbleiterkristallen, einsetzen lässt. Dabei kommt der thixotropen Wirkung des Dispersionsmediums für den beschriebenen Einsatzzweck besondere Bedeutung zu. Denn das Dispersionsmedium weist nach vorteilhafter Ausgestaltung geladene kolloide Partikel auf. Diese geladenen kolloiden Partikel bilden bei ausreichender Konzentration in dem Dispersionsmedium zueinander Netzwerke und im günstigsten Fall ein elastisches Gel, welches die abrasiv wirkenden Körner dauerhaft in sich trägt. Als Folge hiervon wird eine Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner im normalen Betrieb bzw. bei der spanabtragenden Bearbeitung verhindert und lassen sich etwaige damit verbundene negative Auswirkungen im Rahmen der Erfindung verhindern. Das heißt, der Transport der Mischung durch eine in der Regel eingesetzte Trennmaschine bzw. Trennvorrichtung (Drahtsägemaschine) wird nicht durch etwaige Sedimentation behindert, so dass die Verarbeitung besonders einfach und funktionssicher erfolgt.The invention has surprisingly recognized that a thixotropic and substantially water-based dispersion medium known per se can advantageously be used with the grains dispersed therein as an additional phase and having abrasives as abrasives for the described chip-removing machining of workpieces, in particular of semiconductor crystals. The thixotropic effect of the dispersion medium for the described application is of particular importance. For the dispersion medium has, according to an advantageous embodiment, charged colloidal particles. These charged colloidal particles form networks with sufficient concentration in the dispersion medium to each other and in the best case an elastic gel, which carries the abrasive grains permanently in itself. As a result, sedimentation of the abrasive grains during normal operation or chip removal processing is prevented and any adverse effects associated therewith can be prevented within the scope of the invention. That is, the transport of the mixture through a usually used separation machine (wire saw machine) is not affected by any sedimentation hindered, so that the processing is particularly simple and reliable.
Zugleich ist die Stärke der Bindung zwischen den einzelnen kolloiden Partikeln jedoch gering, so dass bei ausreichend hohen Scherraten das Netzwerk wieder reversibel aufgelöst werden kann. Als Folge hiervon wird die Suspension wieder dünnflüssiger, bzw. sinkt die Viskosität bei einer mechanischen Scherbeanspruchung, so dass sich insgesamt das thixotrope Verhalten erklärt. Als kolloide Partikel in dem Dispersionsmedium kommen Smektite, also Schicht- Silikate mit Dreischichtstruktur, bevorzugt zum Einsatz. Diese werden üblicherweise in Wasser als Dispersionsmittel suspendiert. In diesem Zusammenhang ist entscheidend eine hohe Fließgrenze des Dispersionsmittels bei gleichzeitig geringer Viskosität unter Scherspannung. Das ist grundsätzlich durch die DE 1 023 732 bekannt.At the same time, however, the strength of the bond between the individual colloidal particles is low, so that at sufficiently high shear rates, the network can be reversibly resolved again. As a consequence of this, the suspension again becomes less viscous, or the viscosity decreases with a mechanical shear stress, so that overall the thixotropic behavior is explained. The colloidal particles in the dispersion medium are smectites, ie layer silicates with a three-layer structure, which are preferably used. These are usually suspended in water as a dispersant. In this context, a high yield strength of the dispersant is crucial, with low viscosity under shear stress. This is basically known from DE 1 023 732.
Im Gegensatz zu dieser Vorveröffentlichung wird erfindungsgemäß jedoch nicht der Auftrieb der zu sedimentierenden Partikel durch Erhöhung der Dichte des Dispersionsmediums in der Mischung verändert. Vielmehr bleibt die Wichte und auch die Dichte des Dispersionsmediums im Wesentlichen gleich und wird lediglich durch die Zugabe mehr oder weniger kolloider Partikel die Gelstärke eingestellt. Tatsächlich handelt es sich bei der Gelstärke um ein Maß für die Gelierfähigkeit des Gels, welche sich unter Verwendung beispielsweise eines Bousher-Gelier-Testers bestimmen lässt. Die Gelstärke wird im Allgemeinen in g/cm2 bzw. N/m2 gemessen oder in Pa bzw. mPa. Jedenfalls wird erfin- dungsgemäß die Gelstärke variiert, um in dem sich bildenden Gel die abrasiv wirkenden Körner gezielt und nach Korngrößen getrennt zurückzuhalten oder sedimentieren zu lassen, wie nachfolgend noch im Detail erläutert wird.In contrast to this prior publication, however, according to the invention, the buoyancy of the particles to be sedimented is not changed by increasing the density of the dispersion medium in the mixture. Rather, the density and also the density of the dispersion medium remain essentially the same and the gel strength is merely adjusted by the addition of more or less colloidal particles. In fact, the gel strength is a measure of the gelling ability of the gel, which can be determined using, for example, a Bousher gelling tester. The gel strength is generally measured in g / cm 2 or N / m 2 or in Pa or mPa. In any case, according to the invention, the gel strength is varied in order to selectively retain or sediment the abrasive grains in the gel which forms the abrasive grains, as will be explained in more detail below.
Es hat sich allgemein bewährt, dass das Dispersionsmedium ca. 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, insbesondere ca. 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% und vorzugsweise ca. 2 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines in Wasser gelösten Tonminerals aufweist. Das heißt, das Dispersionsmedium setzt sich überwiegend aus Wasser als dem Dispersionsmittel und dem bereits angesprochenen Tonmineral in der angegebenen Konzentration zusammen. Dabei beträgt der Anteil des Wassers an dem Dispersionsmedium in der Regel mehr als 85 Gew-%. Bei den eingesetzten Tonmineralien handelt es sich bevorzugt um smektithaltige Tonerden, wie zum Beispiel Bentonit aber auch Hektorit. Darüber hinaus sind andere Smektite wie Corrensit, Rectorit, Saponit, Stevensit usw. denkbar. Diese sind für das beschriebene thixotrope Verhalten bekannt. Dabei lassen sich grundsätzlich sowohl synthetische als auch natürliche Tonmineralien einsetzen.It has generally been proven that the dispersion medium about 1 wt .-% to 10 wt .-%, in particular about 1 wt .-% to 5 wt .-% and preferably about 2 wt .-% to 3 wt. -% of a clay mineral dissolved in water. That is, the dispersion medium is composed predominantly of water as the dispersant and the already mentioned clay mineral in the indicated concentration. The proportion of water is the dispersion medium usually more than 85% by weight. The clay minerals used are preferably smectite-containing clays, for example bentonite, but also hectorite. In addition, other smectites such as corrensite, rectorite, saponite, stevensite, etc. are conceivable. These are known for the described thixotropic behavior. Basically both synthetic and natural clay minerals can be used.
Auch gewisse Stärken sowie organische Polymere können vorteilhaft in Wasser gelöst werden und als erfindungsgemäßes Dispersionsmedium zum Einsatz kommen. Ferner sind neben Tonmineralien auch nadeiförmige Kettensilikate wie Sepiolith in der Lage, thixotrope wässrige Suspensionen zu bilden. Diese erfordern allerdings sehr hohe Feststoffanteile und die Fließgrenze ist im Vergleich zur Viskosität weniger gut ausgeprägt. Im Ergebnis werden von der Erfindung also nicht nur tonmineralische kolloide Partikel umfasst.Certain starches as well as organic polymers can advantageously be dissolved in water and used as the dispersion medium according to the invention. Furthermore, in addition to clay minerals also acicular chain silicates such as sepiolite are able to form thixotropic aqueous suspensions. However, these require very high solids content and the yield point is less well compared to the viscosity. As a result, not only clay mineral colloidal particles are encompassed by the invention.
Im Detail wird das thixotrope Verhalten des in der Regel im Wasser gelösten Tonminerals dadurch bewirkt, dass sich in einer solchen Tonmineralsuspension ohne Bewegung Brücken zwischen den einzelnen gelösten Partikeln bzw. Smektiten bilden. Diese Brücken stellen das bereits angesprochene Netzwerk dar, welches die in dem Dispersionsmedium dispergierten abrasiv wirkenden Körner trägt und deren Sedimentation verhindert. Das gelingt besonders einfach dadurch, dass die abrasiv wirkenden Körner mit Korngrößen unterhalb von 100 μm, vorzugsweise weniger als 50 μm und bevorzugt unter 20 μm ausgerüstet sind.In detail, the thixotropic behavior of the clay mineral, which is generally dissolved in the water, is brought about by the formation of bridges between the individual dissolved particles or smectites in such a clay mineral suspension without movement. These bridges represent the already mentioned network, which carries the abrasive grains dispersed in the dispersion medium and prevents their sedimentation. This is achieved particularly simply by equipping the abrasive grains with particle sizes below 100 .mu.m, preferably less than 50 .mu.m and preferably below 20 .mu.m.
Erst wenn diese Mischung bzw. allgemein das beschriebene Dispersionsmedium einer scherenden Bewegung unterzogen wird, brechen die beschriebenen Brücken auf. Da in der Regel beispielsweise 1 kg an den abrasiv wirkenden Körnern mit 1 I des Dispersionsmediums gemischt wird, stehen innerhalb der Mischung genügend Körner zur Verfügung, so dass seibst bei geringfügigen mikroskopischen Scherraten die angesprochenen Brücken aufbrechen und die Viskosität der Mischung sinkt. Das stellt im Allgemeinen jedoch kein Problem dar, weil eine entsprechende Flüssigkeitsbewegung der Mischung mit einem Mischungstransport verbunden ist, welcher entweder in die gewünschte span- abtragende Bearbeitung mündet oder danach in eine Wiederaufbereitung oder eine erneute Nutzung der Mischung.Only when this mixture or generally the described dispersion medium is subjected to a shearing motion, the bridges described break. As a rule, for example, 1 kg of the abrasive grains is mixed with 1 l of the dispersion medium, enough grains are available within the mixture, so that at slight microscopic shear rates, the addressed bridges break open and the viscosity of the mixture decreases. However, this is generally not a problem, because a corresponding liquid movement of the mixture is associated with a mixture transport, which is either in the desired Span- eroding processing or thereafter in a reprocessing or reuse of the mixture.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die abrasiv wirkenden Körner beispielsweise mit einem mittleren Korndurchmesser von weniger als 100 μm, insbesondere unterhalb von 50 μm und bevorzugt im Bereich von ca. 20 μm in dem thixo- tropen Dispersionsmedium dispergiert werden. Denn derartige Korngrößen lassen sich in dem beschriebenen Netzwerk unschwer aufnehmen und halten.It is particularly preferred if the abrasive grains are dispersed in the thixotropic dispersion medium, for example, with an average grain diameter of less than 100 μm, in particular below 50 μm, and preferably in the range of approximately 20 μm. Because such grain sizes can be easily record and hold in the described network.
Außerdem empfiehlt die Erfindung in dem Dispersionsmedium neben dem Dispersionsmittel Wasser als Zusatz das Tonmineral in geringer Körnung mitIn addition, the invention recommends in the dispersion medium in addition to the dispersant water as an additive, the clay mineral in low grain size with
Korngrößen von deutlich weniger als 500 μm einzusetzen.Use grain sizes of significantly less than 500 microns.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können alternativ oder zusätzlich für die Gelbildung in Wasser gelöste Na- und/oder Li-Bentonite eingesetzt werden. Besonders bevorzugt hat sich synthetisch erzeugtes Hektorit als günstig erwiesen, welches zwar relativ kostenaufwendig ist, aber eine sehr gute thixotrope Gelbildung zeigt.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, alternatively or additionally, Na and / or Li bentonites dissolved in water for the gelation can be used. Particularly preferred synthetically produced hectorite has proven to be favorable, which although relatively expensive, but shows a very good thixotropic gelation.
In der Regel beträgt die Korngröße des eingesetzten Tonminerals weniger als 200 μm und liegt besonders bevorzugt unterhalb von 100 μm und meistens sogar unter 50 μm oder sogar unterhalb von 20 μm. Auf diese Weise wird insgesamt eine relativ geringe Viskosität der Mischung aus den abrasiv wirkenden Körnern und dem Dispersionsmedium aus Wasser und dem Tonmineralzusatz zur Verfügung gestellt. Tatsächlich werden erfindungsgemäß Viskositäten von zumeist deutlich weniger als 1 Pas (1 Pascal-Sekunde) beobachtet. Die Viskosität liegt damit immer unterhalb derjenigen von beispielsweise Glycerin (1 ,5 Pas).In general, the grain size of the clay mineral used is less than 200 microns and is more preferably below 100 microns and usually even below 50 microns or even below 20 microns. In this way, overall a relatively low viscosity of the mixture of the abrasive grains and the dispersion medium of water and the clay mineral additive is provided. In fact, inventively viscosities of mostly significantly less than 1 Pas (1 pascal-second) are observed. The viscosity is thus always below that of, for example, glycerol (1, 5 Pas).
Besonders bevorzugt ist es, wenn die vorgenannte beschriebene dynamische Viskosität der Mischung im Bereich von weniger als 500 mPas angesiedelt ist und vorzugsweise unter 400 mPas liegt. Meistens wird ein Bereich zwischen 30 und 350 mPas in Abhängigkeit vom Anteil der abrasiven Körner für die Mischung beobachtet. Dadurch stehen geringe Viskositäten zur Verfügung, welche insbesondere für die Herstellung von Scheiben aus Silizium-Einkristallen (Silizium-Wafern) besonders bevorzugt sind. Denn die fragliche Mischung dient in der Regel dazu, einen Draht zu spülen, welcher den besagten Silizium-Einkristall oder allgemein den Halbleiterkristall durchtrennt. Dabei wird meistens mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit von ca. 0,1 mm/Min, gearbeitet und die Schnittbreite im Bereich von unterhalb von 0,2 mm eingestellt. Ein Beispiel für eine solche Trennvorrichtung wird in der DE 698 24 655 T2 beschrieben.It is particularly preferred if the abovementioned described dynamic viscosity of the mixture is in the range of less than 500 mPas and is preferably below 400 mPas. Mostly, a range between 30 and 350 mPas is observed depending on the proportion of abrasive grains for the mixture. As a result, low viscosities are available, which in particular for the production of slices of silicon single crystals (Silicon wafers) are particularly preferred. Because the mixture in question is usually used to rinse a wire, which cuts through the said silicon single crystal or generally the semiconductor crystal. It is usually worked with a low feed rate of about 0.1 mm / min, and set the cutting width in the range of below 0.2 mm. An example of such a separating device is described in DE 698 24 655 T2.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders dazu, abrasiv wirkende Körner auf Siliziumcarbid-, Borcarbid- und/oder Diamantbasis zunächst für die spanabtragende Bearbeitung einzusetzen und hinterher aus der Mischung abzutrennen. Das gilt insbesondere beim Einsatz eines solchermaßen hergestellten Schleifmittels bzw. einer betreffenden Mischung in Verbindung mit dem Drahtsägen bei der Bearbeitung von mono- oder polykristallinem Silizium. Aber auch Quarz, Glas, Keramik etc. können auf diese Weise spanabtragend bearbeitet werden und insbesondere einer spanabtragenden Trennung unterzogen werden.The method according to the invention is particularly suitable for first employing abrasively acting grains based on silicon carbide, boron carbide and / or diamond for the chip-removing machining and subsequently separating them from the mixture. This applies in particular to the use of an abrasive produced in such a way or a relevant mixture in connection with the wire sawing in the processing of mono- or polycrystalline silicon. But even quartz, glass, ceramics, etc. can be processed in this way chip removal and in particular be subjected to a chip-removing separation.
Infolge der geringen Viskosität der erfindungsgemäßen Mischung kommt es bei der vorgeschalteten spanabtragenden Bearbeitung nicht zur Ausbildung sogenannter "taper". Denn die Mischung legt sich aufgrund ihrer geringen Viskosität praktisch mit gleichmäßiger Flüssigkeitsdicke um den Draht hinsichtlich seiner gesamten Länge und es kommt praktisch nicht oder kaum dazu, dass sich die Mischung zu Beginn des Schneidvorganges staut und gegen Ende des Schneidvorganges nicht mehr ausreichend verfügbar ist. Das heißt, die Gefahr, dass sich in der Sägefuge ein Keil (taper) bildet, wird deutlich reduziert. Dies umso mehr, als es sich empfiehlt, den Draht oder allgemein das Trennwerkzeug mit alternierender Schneidrichtung durch den zu trennenden Halbleiterkristall zu führen.Due to the low viscosity of the mixture according to the invention, there is no formation of so-called "taper" in the preceding chip-removing machining. Because the mixture settles due to their low viscosity with virtually uniform liquid thickness around the wire in its entire length and it is virtually impossible or hardly to the fact that the mixture at the beginning of the cutting process jams and is no longer sufficiently available towards the end of the cutting process. This means that the risk of a taper forming in the saw joint is significantly reduced. All the more so, as it is recommended to lead the wire or generally the cutting tool with an alternating cutting direction through the semiconductor crystal to be separated.
Dadurch, dass die beschriebene "Keilwirkung" (taper) innerhalb der Sägefuge reduziert ist und infolge der verringerten Viskosität zugleich ein besserer Materialtransport an dieser Stelle stattfindet, wird auch die Rauhigkeit der erzeugten Scheibe (Silizium-Wafer) gegenüber bisherigen Vorgehensweisen ver- ringert. Als Folge kann auf aufwändige Nachbearbeitungen zur Politur zum Teil verzichtet werden bzw. sind diese Nacharbeitmaßnahmen deutlich weniger aufwändig als beim Stand der Technik, welcher mit den zuvor bereits angesprochenen organischen Dispersionsmedien arbeitet.The fact that the described "wedge effect" (taper) is reduced within the Sägefuge and at the same time a better material transport takes place at this point due to the reduced viscosity, also the roughness of the produced slice (silicon wafer) is compared to previous approaches ver Ringert. As a result can be dispensed with elaborate post-processing for polishing partially or these reworking measures are much less expensive than in the prior art, which works with the previously mentioned organic dispersion media.
Dabei lässt sich die erfindungsgemäße und benutzte Mischung besonders einfach aufbereiten. Hier geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass allgemein Sedimentationsverfahren, also auch die Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner, dem Stokes'sche Gesetz gehorchen, wonach die Sinkgeschwindig- keit in einer Flüssigkeit (dem Dispersionsmedium) vom Korndurchmesser, dem Dichteunterschied zwischen Korn und Flüssigkeit und der Viskosität der Flüssigkeit abhängig ist. Durch Veränderung (Erhöhung) der Viskosität kann bei großen und schweren abrasiv wirkenden Körnern deren Sinkgeschwindigkeit reduziert werden.In this case, the mixture according to the invention and used can be processed very easily. Here, the invention is based on the recognition that generally sedimentation processes, including the sedimentation of abrasive grains, obeys Stokes's law, according to which the rate of descent in a liquid (the dispersion medium) depends on the grain diameter, the density difference between the grain and the liquid and the viscosity of the liquid is dependent. By changing (increasing) the viscosity of large and heavy abrasive grains, their sinking speed can be reduced.
Wird das erfindungsgemäße Dispersionsmedium keiner Scherspannung bzw. einer mechanischen Beaufschlagung unterzogen, so bildet sich das bereits angesprochene Gel. Ein solches Gel stellt einen Festkörper mit E-Modul dar. Die Größe des E-Moduls des Gels aus dem thixotropen sowie im Wesentlichen wasserbasierten Dispersionsmedium hängt von der Anzahl und Stärke der Bindungen seiner Kolloide pro Volumeneinheit ab. Damit ist die Art und Konzentration des Kolloids im Wasser für die Anzahl und Stärke der Bindungen und folglich den E-Modul verantwortlich. Dieser E-Modul stellt die einleitend bereits in Bezug genommene Gelstärke dar bzw. ist mit dieser synonym. Der E- Modul bzw. die Gelstärke ist zeitabhängig, weil die Ausbildung des Neztwerkes aus den Kolloiden zeitabhängig verläuft, wie das nachfolgende Beispiel deutlich macht:If the dispersion medium according to the invention is not subjected to shear stress or mechanical loading, the already mentioned gel is formed. Such a gel is an E-modulus solid. The modulus of elasticity of the gel of the thixotropic and substantially water-based dispersion medium depends on the number and strength of the bonds of its colloids per unit volume. Thus, the type and concentration of the colloid in the water is responsible for the number and strength of the bonds and thus the modulus of elasticity. This modulus represents or is synonymous with the gel strength already referred to in the introduction. The modulus of elasticity or the gel strength is time-dependent, because the formation of the network from the colloids is time-dependent, as the following example makes clear:
In der Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf der Gelbildung nach Fann für eine 2,5 Gew.-%ige wässrige Bentonit-Lösung mit dem Markennamen "tribomont" dargestellt. Hierbei stellt die Y-Achse die Gelstärke in Skalenteilen dar, wobei der jeweilige Y-Wert mit 0,48 multipliziert die Gelstärke in Pa angibt. Auf der X- Achse ist dagegen die Zeit in sec. abgetragen. Erst wenn Scherspannungen bzw. allgemein mechanische Kräfte auf das Gel einwirken, bricht das zuvor beschriebene Netzwerk auf und können dann größere Volumina des Gels gegeneinander verschoben werden, woraus dann eine (zuvor natürlich nicht beobachtete) bestimmte Viskosität des Gels resultiert.In Fig. 1 the time course of gel formation according to Fann for a 2.5 wt .-% aqueous bentonite solution with the brand name "tribomont" is shown. Here, the Y-axis represents the gel strength in divisions, where the respective Y-value multiplied by 0.48 indicates the gel strength in Pa. On the X-axis, on the other hand, the time in seconds is removed. Only when shear stresses or general mechanical forces act on the gel, the network described above breaks and then larger volumes of the gel can be shifted against each other, which then results in a (previously not observed, of course) certain viscosity of the gel.
Beispiel 1 : Einstellung der Tragkraft eines GelsExample 1: Adjustment of the carrying capacity of a gel
Die durch ein Teilchen, in vorliegendem Fall die abrasiv wirkenden Körner, verursachte Last auf ein Gel ist proportional zum Quotienten aus der Gewichtskraft und der Projektionsfläche des Teilchens. Da das Volumen des betreffenden Teilchens bzw. der abrasiv wirkenden Körner bei einem angenommen kugelförmigen Aussehen mit der dritten Potenz des Radius, die Projektionsfläche aber nur mit dem Quadrat des Radius steigt, wird ein großes Teilchen (abrasiv wirkendes Korn) in einem bestimmten Gel eher als eine kleine Kugel mit gleicher Dichte absinken.The load on a gel caused by a particle, in the present case the abrasive grains, is proportional to the quotient of the weight and the projection area of the particle. Since the volume of the respective particle (s) in an assumed spherical appearance increases with the cube of the radius, but the projection surface only increases with the square of the radius, a large particle (abrasive grain) in a given gel becomes more likely than sink a small sphere of equal density.
Zur Bestimmung der Tragfähigkeit eines Gels werden üblicherweise der Gelpunkt und die Gelstärke bestimmt. Als Versuchsgeräte stehen hierzu unter anderem die Pendelgeräte nach WEISS (DIN 4127) sowie die Kugelharfe nach SOOS (DIN V 4126-100 Abschnitt 6.1.2 ff.) zur Verfügung.To determine the carrying capacity of a gel, usually the gel point and the gel strength are determined. For this purpose, the pendulum devices according to WEISS (DIN 4127) and the ball harp according to SOOS (DIN V 4126-100, Section 6.1.2 ff.) Are available as test devices.
Die Kugelharfe nach SOOS besteht aus Kugeln gleicher Dichte mit unter- schiedlichen Radien, die über unterschiedlich lange Fäden mit einem Rahmen verbunden sind, der in das zu untersuchende Gel abgesenkt wird. Man bestimmt dann, welcher Kugelradius nicht mehr im Gel versinkt. Dieser Kugelradius bekannter Dichte lässt eine Aussage über die Tragfähigkeit des Gels und folglich sowohl den Gelpunkt als auch die Gelstärke zu.The ball harp according to SOOS consists of spheres of the same density with different radii, which are connected via threads of different lengths to a frame, which is lowered into the gel to be examined. One then determines which sphere radius no longer sinks into the gel. This spherical radius of known density allows a statement about the bearing capacity of the gel and consequently both the gel point and the gel strength.
Mit dem sogenannten Fann-Viskosimeter kann die Gelstärke einer thixotropen Suspension bzw. des erfindungsgemäßen wasserbasierten thixotropen Dispersionsmediums bestimmt werden. Dabei macht man sich zu Nutze, dass ein Gel Scherkräfte übertragen kann. Befindet sich also bei dem genannten Visko- simeter zwischen zwei ineinanderstehenden Zylindern mit einem Abstand x ein Gel, so wird beim Beginn einer langsamen Rotationsbewegung eines der Zylinder zum anderen ein Drehmoment übertragen, das gemessen werden kann. Die Gelstärke wird in den bereits angegebenen Skalenteilen angegeben, wobei die Skalenteile in die Gelstärke mit der Einheit Pa durch Multiplizieren der Skalenwerte mit dem Faktor 0,48 umgerechnet werden, wie dies bereits mit Bezug zur Fig. 1 erläutert wurde.With the so-called Fann viscometer, the gel strength of a thixotropic suspension or of the water-based thixotropic dispersion medium according to the invention can be determined. It makes use of the fact that a gel can transmit shear forces. So if the viscous Simeter between two nested cylinders with a distance x a gel, so at the beginning of a slow rotational movement of the cylinder to another torque is transmitted, which can be measured. The gel strength is given in the already indicated scale parts, the scale parts being converted into the gel strength with the unit Pa by multiplying the scale values by the factor 0.48, as already explained with reference to FIG.
Wie bereits ausgeführt, ist die Gelstärke von der Zeit abhängig, in der das Gel keiner Scherspannung ausgesetzt wird. Im Rahmen der Fig. 1 wurden 25 gAs already stated, the gel strength depends on the time in which the gel is not subjected to any shear stress. In the context of FIG. 1, 25 g
Tribomont (Bentonit) in einem Liter deionisiertem Wasser bei 3000 Upm proTribomont (bentonite) in one liter of deionized water at 3000 rpm per
Minute für 30 Minuten dispergiert. Die Suspension wurde für 24 Stunden beiMinute dispersed for 30 minutes. The suspension was allowed to stand for 24 hours
25° C quellen gelassen. Der zeitliche Verlauf der Gelstärke ist in der besagten25 ° C allowed to swell. The time course of the gel strength is in the said
Fig. 1 gezeigt. Bereits nach ca. 10 sec. Ruhezeit zeigte die wässrige Suspension bzw. das solchermaßen hergestellte thixotrope sowie imFig. 1 shown. Already after about 10 sec. Resting time showed the aqueous suspension or the thus prepared thixotropic and in
Wesentlichen wasserbasierte Dispersionsmedium einen Schubmodul von ca. einem Pa. Damit ein Teilchen in diesem Gel absinken kann, muss also derSubstantially water-based dispersion medium has a shear modulus of about one Pa. So that a particle can sink in this gel, must therefore
Druck unter dem Teilchen ein Pa überschreiten. Wenn der ausgeübte Druck geringer ist, bleibt das Teilchen (das abrasiv wirkende Korn im Rahmen der Erfindung) dauerhaft im Gel eingelagert, es schwebt.Pressure below the particle exceeds a Pa. If the applied pressure is lower, the particle (the abrasive grain in the invention) remains permanently embedded in the gel, it floats.
Um nun das Abrasionsmittel bzw. die abrasiv wirkenden Körner im Rahmen des erfindungsgemäßen Aufbereitungs- bzw. Trennverfahrens aus der Mischung abzutrennen, werden idealerweise keine mechanischen Scherspannungen auf das Gel ausgeübt, sondern dieses fungiert praktisch ausschließlich als elastisches Gel. Als Folge hiervon kommt es zu einer Sedimentation in einem Festkörper. Im Rahmen der Sedimentation üben lediglich die Körner der "richtigen" Korngröße eine Scherspannung auf das Gel aus, wodurch die Bindung bricht und das besagte Korn bis zur nächsten Bindung durchrutscht usw.. Kleinere Körner werden dagegen in dem Gel zurückgehalten. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die Sinkgeschwindigkeit sehr gering ist, wobei die Sinkbewegung dadurch auch keine Turbulenzen und damit Scherspannungen im Gel induziert. Sobald das auf diese Weise sedimentierte Partikel bzw. das abrasiv wirkende Korn sedimentiert ist, bildet sich die Bindung im Gel wieder. Dieser grundsätzliche Zusammenhang ist in der nachfolgenden Fig. 2 dargestellt.In order to separate the abrasive or the abrasive grains from the mixture in the preparation or separation process according to the invention, ideally no mechanical shear stresses are exerted on the gel, but this acts almost exclusively as an elastic gel. As a consequence, sedimentation occurs in a solid. In sedimentation, only the grains of the "right" grain size exert a shear stress on the gel, breaking the bond and causing said grain to slip through until the next bond, etc. Smaller grains, on the other hand, are retained in the gel. It is immediately apparent that the rate of descent is very low, whereby the sinking movement thereby induces no turbulence and thus shear stress in the gel. Once sedimented in this way sedimented particle or the abrasive grain, the bond is formed in the gel again. This basic relationship is shown in the following Fig. 2.
Im Rahmen der Fig. 2 zeigt die durchgezogene Linie das Sedimenta- tionsverhalten allgemein von Teilchen in einer Flüssigkeit. Dabei ist auf der Y-In the context of FIG. 2, the solid line generally shows the sedimentation behavior of particles in a liquid. It is on the Y-
Achse jeweils die Sinkgeschwindigkeit v des betreffenden Teilchens und auf derEach axis the rate of descent v of the particle in question and on the
X-Achse sein Radius r dargestellt. Wie zu erwarten, gibt es in einer Flüssigkeit keinen Fixpunkt, bei dem das betreffende Teilchen in der Schwebe bleibt. Ohne die immer zu beobachtende Brownsche Molekularbewegung sinken letztendlich alle Teilchen ab.X-axis be represented radius r. As expected, there is no fixed point in a liquid in which the particle in question remains in suspension. Without the ever observable Brownian motion, all particles eventually sink.
Die gestrichelte Linie in der Fig. 2 zeigt nun das Sedimentationsverhalten von Teilchen in einem Gel im Allgemeinen und im Speziellen das Sedimentationsverhalten der abrasiv wirkenden Körner in dem thixotropen und im Wesentlichen wasserbasierten erfindungsgemäßen Dispersionsmedium, welches ruht und das angesprochene Gel ausgebildet hat. Man erkennt, dass die Sinkgeschwindigkeit v abhängig von der Gelstärke und dem Teilchen unterhalb einer kritischen Korngröße r auf Null zurückgeht. Kleinere Teilchen bleiben folglich dauerhaft in der Schwebe (Sinkgeschwindigkeit = Null).The dashed line in FIG. 2 now shows the sedimentation behavior of particles in a gel in general and in particular the sedimentation behavior of the abrasive grains in the thixotropic and substantially water-based dispersion medium according to the invention, which rests and has formed the mentioned gel. It can be seen that the rate of descent v decreases to zero, depending on the gel strength and the particle below a critical grain size r. Smaller particles thus remain permanently in suspension (sinking speed = zero).
Bei Rückgriff auf abrasiv wirkende Körner mit einer Korngröße unterhalb von 100 μm, bevorzugt mit einer solchen von weniger als 50 μm, hat sich eine Viskosität der Mischung von weniger als 1 Pas, insbesondere weniger als 500 mPas und vorzugsweise eine solche im Bereich von 30 bis 350 mPas in Abhängigkeit vom Anteil der betreffenden Körner als besonders günstig erwiesen (gemessen nach zwei Minuten mit einem Brookfield Viskosimeter). Diese Bemessungsregeln gelten jedenfalls für den Ansatz der Mischung im Zuge seiner Verwendung beim anschließenden Drahtschneiden bzw. Drahtsägen.When resorting to abrasive grains having a particle size below 100 microns, preferably having a diameter of less than 50 microns, has a viscosity of the mixture of less than 1 Pas, in particular less than 500 mPas and preferably in the range of 30 to 350 mPas proved to be particularly favorable depending on the proportion of the grains in question (measured after two minutes with a Brookfield viscometer). These design rules apply in any case for the approach of the mixture in the course of its use in the subsequent wire cutting or wire sawing.
Soll nun die zuvor noch einmal kurz charakterisierte Mischung nach ihrer Benutzung aufbereitet werden bzw. sollen die abrasiv wirkenden Kömer aus der Mischung abgetrennt werden, so wird im Detail das Dispersionsmittel in der Regel mit Wasser verdünnt, bis eine Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner bewirkt wird, und zwar bei einer geeigneten Gelstärke des aus dem solchermaßen aufbereiteten Dispersionsmedium entstehenden Gels (vgl. Fig. 2). Dabei erfolgt die Verdünnung so weitgehend, bis die gewünschten und zu sedimentierenden abrasiv wirkenden Körner tatsächlich durch das ruhende Dispersionsmedium (Gel) auf den Boden eines zugehörigen Behälters sinken und sich hier ablagern.If the previously briefly characterized mixture is to be treated after use or the abrasive grains are to be separated from the mixture, the dispersion medium is diluted with water as a rule until a sedimentation of the abrasive effect occurs Grains is effected, namely at a suitable gel strength of the resulting from the thus prepared dispersion medium gel (see Fig. 2). In this case, the dilution is carried out until the desired abrasive particles to be sedimented actually sink through the stationary dispersion medium (gel) to the bottom of an associated container and deposit themselves here.
Es kommt zur Sedimentation bzw. Entmischung. Durch den Zusatz von Wasser zur Verdünnung wird der Anteil des Dispersionsmittels (Wasser) an dem Dispersionsmedium insgesamt erhöht. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Anteil des im Dispersionsmedium gelösten Tonminerals bei ca. 1 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-% nach dem Verdünnen liegt.It comes to sedimentation or separation. The addition of water for dilution increases the proportion of the dispersing agent (water) in the dispersion medium as a whole. It has proved to be advantageous if the proportion of clay mineral dissolved in the dispersion medium at about 1 wt .-% to 1, 5 wt .-% after dilution.
Dabei versteht es sich, dass der Vorgang des Aufbereitens der Mischung aus den abrasiv wirkenden Körnern und dem thixotropen sowie im Wesentlichen wasserbasierten Dispersionsmedium erst dann erfolgt, wenn ein betimmter Verschmutzungsgrad der Mischung durch hierin zusätzlich gelöste Feinpartikel bzw. Feinanteile (überwiegend Abrieb) erreicht ist. Dieser Verschmutzungsgrad lässt sich beispielsweise optisch ermitteln. Ist die Mischung soweit verschmutzt, dass sie aufbereitet werden muss, wird sie ganz oder teilweise aus dem eigentlichen spanabtragenden Trennvorgang ausgeschleust. Erst dann wird das Dispersionsmedium verdünnt und dispergiert, und zwar soweit, dass die abrasiv wirkenden Körner (erstmals) sedimentieren (können). Denn bei dem zuvor absolvierten Trennvorgang soll eine Sedimentation ja nicht stattfinden, um die Trennvorrichtung nicht zu verstopfen. Die Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner kann durch Verdünnen des Dispersionsmediums mit Wasser und/oder dadurch erfolgen, dass die Mischung nicht mehr - wie beim Trennvorgang - in Bewegung gehalten wird bzw. eine Beruhigung erfährt. Grundsätzlich lässt sich die Sedimentation auch durch Einbringen einer Scherwirkung erzielen.It is understood that the process of preparing the mixture of the abrasive grains and the thixotropic and substantially water-based dispersion medium takes place only when a certain degree of contamination of the mixture is achieved here by additionally dissolved fine particles or fines (mostly abrasion). This degree of contamination can be determined optically, for example. If the mixture is soiled that it has to be treated, it is completely or partially removed from the actual chip-removing separation process. Only then is the dispersion medium diluted and dispersed, to such an extent that the abrasive grains (for the first time) sediment (can). Because in the previously completed separation process sedimentation should not take place so as not to clog the separator. The sedimentation of the abrasive grains can be done by diluting the dispersion medium with water and / or by the fact that the mixture is no longer - as in the separation process - kept moving or reassured. In principle, the sedimentation can also be achieved by introducing a shearing action.
Geht man beispielsweise von einer 2,5 Gew.-%igen Suspension des Tonminerals im Beispielfall in einem Liter Wasser aus, das heißt werden 25 g des Tonminerals in einen Liter Wasser aufgegeben und dispergiert, so stellt sich für das solchermaßen gebildete Dispersionsmedium nach ca. 1 min. Ruhezeit ohne Scherkräfte eine Gelstärke von ca. 1 N/m2 entsprechend einem Pa ein. Folglich muss ein in diesem Gel absinkendes und sedimentierendes Partikel, also das abrasiv wirkende Korn im Beispielfall, einen Druck von mehr als 1 Pa erzeugen, um in einem solchen Gel sedimentieren zu können. Geht man von einem kugelförmigen Volumen des abrasiv wirkenden Kornes aus, so errechnet sich der hierzu korrespondierende minimale Korndurchmesser zu ca. 60 μm. Das heißt, das auf diese Weise eingestellte thixotrope Dispersionsmedium hält in seinem Ruhezustand abrasiv wirkende Körner zurück bzw. lässt solche Körner nicht sedimentieren, die einen Korndurchmesser von unter 60 μm aufweisen. Bei Abrasionsmitteln bzw. abrasiv wirkenden Körnern anderer Dichte wie z. B. Bornitrid, Korund, Diamant usw. ergeben sich selbstverständlich andere Korndurchmesser, wie das bereits zuvor erläuterte Diagramm entsprechend der Fig. 2 deutlich macht.If, for example, a 2.5% strength by weight suspension of the clay mineral is used in one liter of water, ie 25 g of the clay mineral are added to one liter of water and dispersed, then the dispersion medium formed in this way will be approx. 1 min. Rest period without shear forces a gel strength of about 1 N / m 2 according to a Pa. Consequently, a particle sinking and sedimenting in this gel, ie the abrasive grain in the example, must produce a pressure of more than 1 Pa in order to be able to sediment in such a gel. If one starts from a spherical volume of the abrasive grain, the corresponding minimum grain diameter is calculated to be approximately 60 μm. That is, the thixotropic dispersion medium thus set retains abrasive grains in its quiescent state or does not sediment grains having a grain diameter of less than 60 μm. For abrasives or abrasive grains of other density such. As boron nitride, corundum, diamond, etc., of course, other grain diameter, as the previously explained diagram corresponding to FIG. 2 makes clear.
Wenn ein solches Dispersionsmedium verdünnt wird, also der Anteil des Tonminerals im Beispielfall auf die bereits angesprochenen ca. 1 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-% verringert wird, so sinkt dementsprechend auch die Viskosität und als Folge hiervon die Gelstärke, so dass nunmehr abrasiv wirkende Partikel mit Korndurchmessern deutlich unterhalb von 60 μm noch sedimentieren können. In diesem Fall werden also überwiegend Feinanteile in dem Dispersionsmedium zurückgehalten, das heißt in der Mischung befindliche Körner mit einem Korndurchmesser von vielleicht 20 μm oder 10 μm und darunter. Diese Feinanteile werden erfindungsgemäß im Allgemeinen nach dem Abtrennen der über dem Sediment stehenden Suspension ausgeflockt. Meistens handelt es sich hierbei um unerwünschte Feinanteile aus dem geschnittenen Werkstoff bzw. Silizium und Abrieb der Körner respektive des Siliziumkarbids oder eines anderen Abrasionsmittels. Diese Feinanteile werden durch die bereits enthaltenen Tonmineralien sowie gegebenenfalls unter Zugabe weiterer Tonmineralien und optional eines Flockungsmittels ausgeflockt. Alternativ oder zusätzlich hierzu lässt sich auch der PH-Wert oder die Elektrolytkonzentration der Mischung ändern und die Ausflockung und folglich Sedimentation erreichen. Das in der Suspension bzw. dem Dispersionsmedium enthaltene Silizium respektive Reinstsilizium kann als Wertstoff durch andere Verfahren abgetrennt werden, z. B. durch Flotation von den anderen Feststoffen ausgeschleust werden. Das solchermaßen gewonnene Silizium lässt sich in den Stoffkreislauf zurückführen, beispielsweise wieder Einschmelzen und zu Polysilizium oder im günstigsten Fall zu einkristallinem Silizum verarbeiten.If such a dispersion medium is diluted, that is, the proportion of the clay mineral in the example to the already mentioned about 1 wt .-% to 1, 5 wt .-% is reduced, so decreases accordingly, the viscosity and consequently the gel strength, so that now abrasive particles with particle diameters well below 60 microns can still sediment. In this case, therefore, predominantly fines are retained in the dispersion medium, that is, grains in the mixture having a grain diameter of perhaps 20 μm or 10 μm and below. These fines are generally flocculated according to the invention after separation of the suspension above the sediment. Most of these are unwanted fines from the cut material or silicon and abrasion of the grains or the silicon carbide or other abrasive. These fines are flocculated by the already contained clay minerals and optionally with the addition of further clay minerals and optionally a flocculant. Alternatively or additionally, the pH or the electrolyte concentration of the mixture can also be changed and the flocculation and consequently sedimentation can be achieved. The silicon or pure silicon contained in the suspension or the dispersion medium can be separated as valuable material by other methods, for. B. discharged by flotation of the other solids become. The silicon thus obtained can be recycled back into the material cycle, for example reflowing and processing into polysilicon or, in the best case, monocrystalline silicon.
Immer wird im Rahmen der Erfindung sichergestellt, dass die Körner aus dem Abrasivmittel bzw. die abrasiv wirkenden Körner praktisch nicht oder kaum verloren gehen. Das Gleiche gilt für das Dispersionsmedium. Denn die neben den abrasiv wirkenden Körnern zusätzlich noch in der aufzubereitenden Mischung enthaltenen Feinanteile werden bekanntermaßen z. B. ausgeflockt oder anderweitig abgetrennt und lassen sich abschöpfen. Der Anteil an nicht wiederverwendbarem Abfall ist folglich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik deutlich reduziert. Hinzu kommt, dass das ausgeflockte Material gesundheitlich unbedenklich ist und einer sekundären Nutzung zugeführt werden kann. Auch die Entsorgung über eine normale Deponie ist möglich. Das heißt, spezielle Entsorgungsmaßnahmen müssen nicht ergriffen werden.It is always ensured within the scope of the invention that the grains of the abrasive or the abrasive grains are virtually impossible or hardly lost. The same applies to the dispersion medium. Because in addition to the abrasive grains additionally contained in the mixture to be processed fine fractions are known to z. B. flocculated or otherwise separated and can be skimmed off. The proportion of non-reusable waste is therefore significantly reduced compared to the prior art. In addition, the flocculated material is harmless to health and can be used for secondary use. Disposal via a normal landfill is possible. This means that special disposal measures do not have to be taken.
Wie bereits erläutert, setzt sich das Dispersionsmedium aus dem Dispersionsmittel (meistens Wasser) und einem Zusatz zusammen, der regelmäßig für die gewünschte Thixotropie sorgt. Dieser Zusatz (i. d. R. das Tonmineral) kann mit den abrasiv wirkenden Körnern aus beispielsweise Siliziumkarbid trocken gemischt und vermarktet werden. Die Trockenmischung aus dem Zusatz und den abrasiv wirkenden Körnern wird dann erst unmittelbar vor der Verarbeitung mit dem Dispersionsmittel zu der Mischung vervollständigt. Dadurch werden Transportkosten gespart, weil das Dispersionsmittel (Wasser) meistens ohnehin am Ort der spanabtragenden Bearbeitung vorhanden ist.As already explained, the dispersion medium is composed of the dispersion medium (usually water) and an additive which regularly provides the desired thixotropy. This additive (usually the clay mineral) can be dry blended and marketed with the abrasive grains of, for example, silicon carbide. The dry mix of the additive and the abrasive grains is then completed to the mixture just prior to processing with the dispersant. As a result, transport costs are saved, because the dispersion medium (water) is usually already present at the place of chip removal machining.
Immer wird zunächst die Mischung aus dem Dispersionsmedium und den abrasiv wirkenden Körnern hergestellt, dann die besagte Mischung zur spanabtragenden Bearbeitung, insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Werkstücken und hier vorzugsweise Haibieitermaterialien eingesetzt. Während oder im Allgemeinen nach diesem Vorgang wird die verschmutzte Mischung ganz oder teilweise wie beschrieben aufbereitet. Dabei werden insbesondere die abrasiv wirkenden Körner aus der (verschmutzten) Mischung abgetrennt. VergleichsbeispielAlways first, the mixture of the dispersion medium and the abrasive grains is prepared, then the said mixture for chip removal machining, in particular for the chip-removing separation of workpieces and here preferably Haibieitermaterialien used. During or generally after this procedure, the soiled mixture is wholly or partly treated as described. In particular, the abrasive grains are separated from the (soiled) mixture. Comparative example
1. Stand der Technik1. State of the art
Beim Stand der Technik wird im Zusammenhang mit dem Drahtsägen von Silizium beispielsweise eine Mischung aus Polyethylenglycol und Silizium- Carbidkörnern mit einem mittleren Korndurchmesser von 10 μm eingesetzt. Die Silizium-Carbidkörner werden im Verhältnis 1 kg auf 1 I dem Polyethylenglycol hinzugefügt. Daraufhin ergibt sich eine Gesamtdichte der Suspension von ca. 1 ,6 kg/l. Die Viskosität dieser bekannten Dispersion liegt im Bereich von ca. 350 mPas.In the prior art, in connection with the wire sawing of silicon, for example, a mixture of polyethylene glycol and silicon carbide grains having an average grain diameter of 10 μm is used. The silicon carbide grains are added in a ratio of 1 kg to 1 l of the polyethylene glycol. This results in a total density of the suspension of about 1, 6 kg / l. The viscosity of this known dispersion is in the range of about 350 mPas.
Aufgrund von während des Sägevorganges zwangsläufig eingelagerten Halbleiterpartikeln steigt die Viskosität und es besteht die Gefahr, dass Zuführungs- kanäle in der Trennvorrichtung verstopfen können. Zudem sinkt die Schneidgeschwindigkeit des Drahtsägeprozesses.Due to semiconductor particles inevitably embedded during the sawing process, the viscosity increases and there is the risk that supply channels in the separating device can become clogged. In addition, the cutting speed of the wire sawing process decreases.
2. Erfindungsgemäße Mischung2. Mixture according to the invention
Es hat sich gezeigt, dass bereits eine Suspension von 2 Gew.-% sehr fein ver- mahlenem Bentonit (mit einer Körnung von weniger als 100 μm) in Wasser bei vergleichbaren Mischungsbedingungen selbst über einen Zeitraum von 60 Stunden keine sichtbare Sedimentation der Silizium-Carbidkörner gezeigt hat. Tatsächlich wurde die Mischung so hergestellt, dass das vorgenannte Disper- sionsmedium mit dem Anteil von 2 Gew.-% Bentonit in Wasser zu 1 I mit 1 kg der Silizium-Carbidkörner gleicher Körnung wie im Beispiel 1. gemischt wurde, um die Ergebnisse zu vergleichen.It has been shown that even a suspension of 2% by weight of very finely ground bentonite (with a grain size of less than 100 μm) in water under comparable mixing conditions, even over a period of 60 hours, does not show any visible sedimentation of the silicon carbide grains showed. In fact, the mixture was prepared by mixing the aforesaid dispersion medium containing 2% by weight of bentonite in water to 1 liter with 1 kg of the same grained silicon carbide grains as used in Example 1 to compare the results ,
Das heißt, während beim Stand der Technik bereits deutliche Sedimentations- erscheinungen beobachtet werden, zeigt die erfindungsgemäße Mischung solche selbst nach 60 Stunden nicht. Das lässt sich im Wesentlichen darauf zurückführen, dass der in Wasser suspendierte Bentonit selbst in der eingestellten Konzentration von 2 Gew.-% mit seinen kolloiden und geladenen Smektit- plättchen das zuvor bereits angesprochene Netzwerk bildet und darin die Silizium-Carbidkörner (oder andere abrasiv wirkende Körner) gehalten werden, so dass sie nicht sedimentieren können. Außerdem wird die mechanische Verzahnung der spitzen Siliziumkörner untereinander verringert, weil diese in dem Netzwerk beabstandet sind. Dadurch lässt sich die Mischung mit geringem mechanischen Aufwand lösen und problemlos transportieren.That is, while significant sedimentation phenomena are already observed in the prior art, the mixture of the present invention does not show such even after 60 hours. This can essentially be attributed to the fact that the bentonite suspended in water, even at the adjusted concentration of 2% by weight with its colloid and charged smectite platelets, forms the previously mentioned network and contains therein the Silicon carbide grains (or other abrasive grains) are kept so that they can not sediment. In addition, the mechanical interlocking of the pointed silicon grains with each other is reduced because they are spaced in the network. As a result, the mixture can be solved with little mechanical effort and transport easily.
Die dynamische Viskosität liegt im Bereich von ca. 40 mPas. Daraus resultiert, dass das Leitungssystem der Trennvorrichtung leicht durch Spülen mit Wasser gereinigt werden kann. Mechanische Reinigungen sind nicht erforderlich. Das Spülwasser kann über die Kanalisation entsorgt werden.The dynamic viscosity is in the range of about 40 mPas. As a result, the piping of the separator can be easily cleaned by rinsing with water. Mechanical cleaning is not required. The rinse water can be disposed of via the sewage system.
Allgemeines AusführungsbeispielGeneral embodiment
Eine erfindungsgemäße Mischung aus 1 kg Silizium-Carbidkörnem mit einer mittleren Körnung im Bereich von ca. 10 μm mit 1 I des Dispersionsmediums, welches 2,5 Gew.-% Bentonit enthält, führt auf eine dynamische Viskosität von 150 mPas. Dabei sollen nach dem Sägevorgang in der verschmutzten Mischung alle Feststoffe mit einer Korngröße kleiner 5 μm vom wiederzuverwendenden Feststoffanteil größer 5 μm (Abrasionsmittel) im Beispielfall getrennt werden.A mixture according to the invention of 1 kg of silicon carbide grains having a mean grain size in the range of about 10 μm with 1 l of the dispersion medium which contains 2.5% by weight of bentonite leads to a dynamic viscosity of 150 mPas. In this case, after the sawing process in the polluted mixture all solids with a particle size smaller than 5 microns from the reusable solids content greater than 5 microns (abrasives) are separated in the example.
Bei der Aufbereitung der zuvor beschriebenen (verschmutzten) Mischung hat es sich als besonders günstig erwiesen, dass ein Tonmineral bzw. allgemein Schichtsilikat zur Herstellung der thixotropen Eigenschaften des Dispersions- mediums Verwendung findet. Denn solche Tonmineralien sind aufgrund ihrer äußerst großen, insbesondere inneren Oberflächen von mehreren 100 m2/g in der Lage, in der aufzubereitenden Mischung enthaltenen Abrieb, insbesondere Metallabrieb, einzulagern oder anzulagern. Solcher Metallabrieb, insbesondere Eisenabrieb, resultiert von der eingesetzten Trennvorrichtung bzw. dem an dieser Sieiie verwendeten Draht bei einer Drahtsäge. Erfindungsgemäß werden die Eisenpartikel nun von dem im Dispersionsmedium vorhandenen Tonmineral aufgenommen und können folglich die Schneideigenschaften der abrasiv wirkenden Partikel nicht negativ beeinflussen, wie dies bisher der Fall war. Hierdurch ist gewährleistet, dass die abrasiv wirkenden Partikel praktisch ohne zusätzliche (Säure-)Behandlung nach ihrer Sedimentation unmittelbar einer Wiederverwertung zugeführt werden können bzw. sich wieder in den Kreislauf für einen anschließenden Trennvorgang einbringen lassen.In the treatment of the above-described (polluted) mixture, it has proved to be particularly favorable that a clay mineral or generally phyllosilicate is used for producing the thixotropic properties of the dispersion medium. Because such clay minerals are due to their extremely large, especially inner surfaces of several 100 m 2 / g in a position to store in the mixture to be treated, in particular metal abrasion, store or store. Such metal abrasion, in particular iron abrasion, results from the used separation device or the wire used in this Sieiie in a wire saw. According to the invention, the iron particles are now absorbed by the clay mineral present in the dispersion medium and consequently can not adversely affect the cutting properties of the abrasive particles, as has hitherto been the case. This ensures that the abrasive particles practically without additional (acid) treatment after their sedimentation can be fed directly to a recycling or can be re-introduced into the circulation for a subsequent separation process.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das in dem verschmutzten Dispersionsmedium vorhandene Eisen bzw. die Eisenpartikel als solche nicht von dem Tonmineral im Dispersionsmedium adsorbiert werden können. Vielmehr findet lediglich die Adsorption von Eisenkationen statt. Aus diesem Grund muss das metallische Eisen in dem (verschmutzten) thixotropen und im Wesentlichen wasserbasierten erfindungsgemäßen Dispersionsmedium oxidiert werden. Das wird im Allgemeinen durch Sauerstoff- oder Lufteinblasung mit Hilfe einer Druckluftleitung gewährleistet.It should be noted that the iron present in the polluted dispersion medium or the iron particles as such can not be adsorbed by the clay mineral in the dispersion medium. Rather, only the adsorption of iron cations takes place. For this reason, the metallic iron in the (polluted) thixotropic and substantially water-based dispersion medium according to the invention must be oxidized. This is generally ensured by oxygen or air injection using a compressed air line.
Im Übrigen gehören solche Eisenpartikel oder resultierende wasserunlösliche Verbindungen im Allgemeinen zu den Feinpartikeln und werden zusammen mit den übrigen Feinpartikeln ausgeflockt. Hierzu trägt ergänzend der Umstand bei, dass eine Sedimentationseinrichtung für die Aufbereitung der Mischung im Allgemeinen mit der bereits angesprochenen angeschlossenen Gasquelle, insbesondere Luftquelle, ausgerüstet ist. Mit Hilfe dieser Luftquelle wird die auf- zubereitende Mischung im Innern beaufschlagt und aufgeschäumt. Zugleich sorgt die in die aufzubereitende Mischung eingebrachte Luft dafür, dass etwaiges noch in der Mischung befindliches Eisen eine Oxidation erfährt und durch den eventuellen Zusatz von Flockungsmitteln in eine filtrierbare Form gebracht wird.Incidentally, such iron particles or resulting water-insoluble compounds generally belong to the fine particles and are flocculated together with the other fine particles. A further factor contributing to this is the fact that a sedimentation device for the treatment of the mixture is generally equipped with the already mentioned connected gas source, in particular an air source. With the help of this air source, the aufaufende mixture is applied to the interior and foamed. At the same time, the air introduced into the mixture to be treated ensures that any iron still present in the mixture undergoes oxidation and is brought into a filterable form by the possible addition of flocculants.
Des Weiteren sorgt das in die aufzubereitende Mischung eingebrachte Gas bzw. die Luft dafür, dass eine vorzeitige Sedimentation des Abrasionsmittels bzw. der abrasiv wirkenden Körner verhindert wird. Denn aufgrund der beschriebenen Verdünnung des Dispersionsmediums im Zuge der Aufbereitung (Verdünnen des Dispersionsmediums, bis der Bentonitanteii ca. 1 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-% beträgt) ist dieses regelmäßig nicht mehr in der Lage, die Körner der abrasiv wirkenden Partikel tragen zu können. Die Luftbeaufschlagung erzeugt insgesamt eine Durchmischung, resultiert aber nicht in Scherkräften, weshalb sich nach der Luftbeaufschlagung das gewünschte Gel relativ schnell bildet und ein gutes Trennergebnis beobachtet wird.Furthermore, the gas or air introduced into the mixture to be treated ensures that premature sedimentation of the abrasive or abrasive grains is prevented. Because due to the described dilution of the dispersion medium in the course of treatment (dilution of the dispersion medium until the Bentonitanteii is about 1 wt .-% to 1, 5 wt .-%) this is regularly no longer able to abrasive grains of the grains Be able to carry particles. The air supply produces a total mixing, but does not result in shear forces, Therefore, after the application of air, the desired gel forms relatively quickly and a good separation result is observed.
Der Tank für die Mischung sowie eine etwaige Sedimentationseinrichtung mögen darüber hinaus mit einem Perforationstrennmittel ausgerüstet werden. Bei diesem Perforationstrennmittel handelt es sich nach vorteilhafter Gestaltung um einen mikroperforierten Boden oder eine mikroperforierte Zwischenwand. In diese mikroperforierte Platte oder Zwischenwand kann die Druckluft oder allgemein ein Gas unter Druck eingebracht werden. Dadurch wird einerseits die Schaumbildung und das Ausflocken der Feinstpartikel ermöglicht und andererseits nach Wegfall der Gas- bzw. Luftbeaufschlagung die Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner zugelassen bzw. je nach Gas- bzw. Luftbeaufschlagung in Gang gesetzt.The tank for the mixture as well as any sedimentation device may also be equipped with a perforation release agent. This perforation release agent is, according to an advantageous design, a microperforated floor or a microperforated partition wall. In this micro-perforated plate or partition, the compressed air or generally a gas can be introduced under pressure. As a result, on the one hand the foaming and flocculation of the ultrafine particles is made possible and on the other hand admitted after elimination of gas or air admission, the sedimentation of the abrasive grains or set depending on gas or Luftbeaufschlagung in motion.
Nach der Sedimentation der abrasiv wirkenden Körner in der Sedimentationseinrichtung wird zunächst der sich darüber sammelnde Feinanteil aus Tonmineral, Siliziumabrieb der Körner etc. durch Absaugen oder Abgießen von den abrasiv wirkenden Körnern getrennt. Das Sediment aus den abrasiv wirkenden Körnern wird dann mit Wasser oder allgemein einer Flüssigkeit überschichtet und erneut mit Hilfe der Druckluft aus der mikroperforierten Bodenplatte bzw. dem Perforationstrennmittel mit dem darüber geschichteten Wasser in eine homogene Suspension gebracht, um diese Suspension aus der Sedimentationseinrichtung bzw. einem entsprechend gestalteten Behälter abzupumpen und beispielsweise im Kreislauf unmittelbar in den Tank für die Mischung zu überführen, durch welchen der Draht der Drahtsäge geführt wird bzw. mit dessen Hilfe der Draht der Drahtsäge eine Benetzung durch die Mischung erfährt.After the sedimentation of the abrasive grains in the sedimentation device, the fine particles of clay mineral, silicon abrasion of the grains, etc., which collect above them, are first separated by suction or pouring off the abrasive grains. The sediment from the abrasive grains is then overcoated with water or generally a liquid and again brought with the aid of compressed air from the microperforated base plate or the perforation release agent with the water layered over into a homogeneous suspension to this suspension from the sedimentation or a To pump appropriately designed container and, for example, in the circuit to transfer directly into the tank for the mixture through which the wire of the wire saw is guided or with the help of which the wire of the wire saw undergoes wetting by the mixture.
Nach diesem Reinigungsschritt ist es denkbar, das Sediment nochmals zu verdünnen und in einer Suspension aufzumischen. Das geiingt insofern problemlos, als das im Dispersionsmedium vorhandene Tonmineral beim ersten Schritt innerhalb der Sedimentationseinrichtung mit den Feinanteilen bereits ausgeflockt worden ist. Dadurch kann das Volumen des Wassers bei diesem anschließenden und möglicherweise zusätzlichen Reinigungsschritt weiter erhöht werden. Dabei lassen sich die abrasiv wirkenden Körner erneut in einer Sedimentationseinrichtung mit mikroperforiertem Boden respektive mikroper- forierter Zwischenwand sowie unter Rückgriff auf eine eingebrachte Gasquelle oder Luft behandeln.After this purification step, it is conceivable to dilute the sediment again and to mix it up in a suspension. This is problematic insofar as the clay mineral present in the dispersion medium has already been flocculated with the fines in the first step within the sedimentation device. This allows the volume of water to continue in this subsequent and possibly additional purification step increase. In the process, the abrasive grains can be treated again in a sedimentation device with a microperforated bottom or a microperforated intermediate wall and with recourse to an introduced gas source or air.
Ausführungsbeispiel zur Rückgewinnung bzw. zum Aufbereiten der MischungEmbodiment for recovering or preparing the mixture
Zunächst wird das Dispersionsmedium aus 1 kg Wasser als Dispersionsmittel und 25 g Bentonit als dispergierte Phase bzw. thixotroper Zusatz hergestellt.First, the dispersion medium is prepared from 1 kg of water as a dispersing agent and 25 g of bentonite as a dispersed phase or thixotropic additive.
Der Anteil des Wassers beträgt also ca. 97,6 Gew.-% bezogen auf dasThe proportion of water is thus about 97.6 wt .-% based on the
Dispersionsmedium (1 kg / 1 ,025 « kg 97,6 Gew.-%). Zu dieser Dispersion kommen dann noch ca. 1 kg abrasiv wirkende Körner aus Siliziumcarbid. Die solchermaßen erhaltene Mischung wird zum Läppen von Silizium-Einkristallen im Zuge ihrer Trennung in Wafer eingesetzt.Dispersion medium (1 kg / 1, 025 kg kg 97.6 wt .-%). About 1 kg abrasive grains of silicon carbide are then added to this dispersion. The mixture thus obtained is used for lapping silicon single crystals in the course of their separation into wafers.
Man erkennt in der nachfolgenden Fig. 3 eine Drahtsägemaschine 2, die durch einen Tank 1 hindurchgeführt wird, in welchem sich die vorgenannte Mischung befindet. Dadurch, dass sich die Mischung an einen Draht der Drahtsäge- maschine 2 legt, kann ein Silizium-Einkristall 3 in die gewünschten Scheiben respektive Wafer geschnitten werden.It can be seen in the following Fig. 3, a wire saw machine 2, which is passed through a tank 1, in which the aforementioned mixture is located. Because the mixture is applied to a wire of the wire saw machine 2, a silicon monocrystal 3 can be cut into the desired disks or wafers.
Nach dem Gebrauch der Mischung bzw. bei Überschreiten eines bestimmten und vorgegebenen Verschmutzungsgrades wird der Anteil des Bentonits von ehemals ca. 2,5 Gew.-% im Dispersionsmedium durch Verdünnen der Mischung bzw. des Dispersionsmediums mit Wasser auf ca. 1 ,2 Gew.-% reduziert. Dabei wird das Dispersionsmedium unter Einbringung von Scherkräften erneut dispergiert. Das geschieht in einer Sedimentationseinrichtung bzw. einem Verdünnungstank 4. Die aufzubereitende Mischung wird hierzu aus dem Tank 1 in die bereits angesprochene Sedimentationseinrichtung bzw. den Verdünnungstank 4 gepumpt und hier verdünnt.After use of the mixture or exceeding a certain and predetermined degree of contamination, the proportion of bentonite formerly about 2.5 wt .-% in the dispersion medium by diluting the mixture or the dispersion medium with water to about 1, 2 wt. -% reduced. The dispersion medium is redispersed with the introduction of shear forces. This is done in a sedimentation device or a dilution tank 4. For this purpose, the mixture to be treated is pumped from the tank 1 into the already mentioned sedimentation device or the dilution tank 4 and diluted here.
Die Sedimentationseinrichtung 4 ist mit einer mikroperforierten Zwischenwand bzw. allgemein einem Perforationstrennmittel, vorliegend einem Boden 5 aus- gerüstet, an welchen im Beispielfall eine Druckleitung 6 angeschlossen ist. Auf diese Weise kann Druckluft in den mikroperforierten Boden bzw. die Zwischenwand 5 eingeblasen werden.The sedimentation device 4 is provided with a microperforated intermediate wall or, in general, a perforation separator, in the present case a bottom 5. equipped, in which in the example, a pressure line 6 is connected. In this way, compressed air can be injected into the microperforated floor or the intermediate wall 5.
Mit Hilfe der eingeblasenen Luft wird einerseits eine Oxidation des Eisens in der gebrauchten (verschmutzten) Mischung begünstigt und die Anlagerung von Eisen an den Silizium-Carbidkörnern verhindert bzw. die Adsorption der Eisenkationen an dem Bentonit ermöglicht. Andererseits sorgt die Zufuhr von Luft dafür, dass die abrasiv wirkenden Körner bzw. Silizium-Carbidkömer nicht vor der kompletten Befüllung sedimentieren können. Um nun die Sedimentationsphase einzuleiten, wird die Druckluft abgeschaltet bzw. die Druckluftleitung 6 zugesperrt.On the one hand, with the aid of the injected air, oxidation of the iron in the used (polluted) mixture is favored and the addition of iron to the silicon carbide grains is prevented or the adsorption of the iron cations on the bentonite is made possible. On the other hand, the supply of air ensures that the abrasive grains or silicon Carbidkömer can not sediment before the complete filling. In order to initiate the sedimentation phase, the compressed air is switched off or the compressed air line 6 is closed.
Aufgrund des thixotropen Charakters der Mischung bildet sich aus dem Dis- persionsmedium relativ rasch ein Gel, weil keine mechanischen Scherkräfte mehr eingebracht werden (vgl. Fig. 2). Als Folge hiervon sinken die abrasiv wirkenden Körner bzw. Silizium-Carbidkörner auf die mikroperforierte Zwischenwand 5 ab und bilden hier eine Sedimentationsschicht. Je nach durch die Verdünnung eingestellter Viskosität kann zwischen den in der Sedimentations- schicht abgelagerten Grobanteilen und ihrem Korndurchmesser und den in der gebrauchten Mischung nach wie vor verbleibenden Feinanteilen unterschieden werden. Als Folge hiervon wird der über dem sich ablagernden Sediment bestehende Feinanteil aus Wasser, Bentonit, Silizium und fein gemahlenen Silizium-Carbidkörnern von dem Sediment aus den eigentlich abrasiv wirkenden Körnern respektive Silizium-Carbidkörnern abgetrennt.Due to the thixotropic nature of the mixture, a gel forms relatively quickly from the dispersion medium because no more mechanical shear forces are introduced (compare FIG. 2). As a result, the abrasive grains or silicon carbide grains sink onto the microperforated partition wall 5 and form a sedimentation layer here. Depending on the viscosity set by the dilution, a distinction can be made between the coarse fractions deposited in the sedimentation layer and their grain diameter and the fine fractions remaining in the used mixture. As a consequence of this, the fine fraction of water, bentonite, silicon and finely ground silicon carbide grains existing above the depositing sediment is separated from the sediment by the grains which are actually abrasive or silicon carbide grains.
Der überstehende Feinanteil aus Abrieb, Silizium, Tonmineral (Bentonit), Eisen etc. wird aus dem Verdünnungstank bzw. der Sedimentationseinrichtung 4 abgezogen und gesondert behandelt. Dies kann z. B. durch die Zugabe von Flockungsmitteln erfolgen. Die ausgefiockten Bestandteile können unschwer durch Siebe abgeschöpft oder herausgefiltert werden oder man gibt ihnen Zeit zur erneuten Sedimentation, die durch eine Zentrifuge oder einen Hydrozyklon beschleunigt werden kann. Möglich ist auch eine Rückgewinnung des Siliziumanteils aus dem Feinanteil, z. B. durch Flotation. Anschließend wird das Sediment aus den abrasiv wirkenden Körnern mit reinem Wasser überschichtet. Durch Beaufschlagen des Sediments erneut mit Druckluft über die Druckluftleitung 6 wird das Sediment bzw. werden die zuvor abgesetzten abrasiv wirkenden Partikel erneut in eine Suspension überführt. Diese Suspension kann in einen weiteren Tank gepumpt werden, um eine erneute Verdünnung zu erfahren bzw. lässt sich durch Zugabe von Oxidations- mitteln und weiterer eingeblasener Luft das restliche Eisen oxidieren.The supernatant fines from abrasion, silicon, clay mineral (bentonite), iron, etc. are removed from the dilution tank or the sedimentation device 4 and treated separately. This can be z. B. by the addition of flocculants. The fumigated components can easily be skimmed off or filtered out by sieves, or they are given time for re-sedimentation, which can be accelerated by a centrifuge or a hydrocyclone. It is also possible to recover the silicon content from the fines, z. B. by flotation. Subsequently, the sediment from the abrasive grains is covered with pure water. By applying the sediment again with compressed air via the compressed air line 6, the sediment or the previously deposited abrasive particles are again transferred to a suspension. This suspension can be pumped into another tank in order to experience a renewed dilution, or the remaining iron can be oxidized by the addition of oxidants and further blown-in air.
In einem weiteren ergänzenden Reinigungsschritt kann diese Suspension von Wasser und Abrasionsmittel durch eine FesWFlüssig-Trennung eingedickt werden. Bevorzugt kommen dabei wieder Verfahren zum Einsatz, bei denen die abrasiven Körner durch die Schwerkraft von der flüssigen Phase getrennt werden, da so eine Verstopfung von Sieben vermieden wird. Besonders vor- teilhaft ist dabei der Einsatz eines Lamelleneindickers, der eine hohe Trennleistung bei geringem Platzbedarf und ohne bewegliche Teile aufweist.In a further supplementary purification step, this suspension of water and abrasives can be thickened by a FesWlüssig separation. In this case, processes are preferably used again in which the abrasive grains are separated from the liquid phase by gravity, since this prevents clogging of sieves. Particularly advantageous is the use of a lamellar thickener, which has a high separation efficiency with little space and without moving parts.
Die eingedickten Abrasionsmittel bzw. eingedickten abrasiv wirkenden Körner können dann in einem weiteren Schritt mit Wasser und Tonmineral (Bentonit) oder einer geeigneten Tonmineralsuspension (Bentonitsuspension) unter Zugabe von frischen Abrasionsmitteln bzw. frischen abrasiv wirkenden Körnern dispergiert werden. Eine Trocknung des Abrasionsmittels ist bei der Verwendung von Wasser als Dispersionsmittel nicht nötig.The thickened abrasives or thickened abrasive grains can then be dispersed in a further step with water and clay mineral (bentonite) or a suitable clay mineral suspension (bentonite suspension) with the addition of fresh abrasives or fresh abrasive grains. A drying of the abrasive is not necessary when using water as a dispersant.
Grundsätzlich kann die solchermaßen hergestellte Suspension aber auch unmittelbar und erneut in den Tank 1 rückgeführt werden und steht für den beschriebenen Läpp-Prozess in Verbindung mit der Drahtsägemaschine 2 wieder zur Verfügung. Zu diesem Zweck ist es lediglich noch erforderlich, der Suspension aus den abrasiv wirkenden Körnern und Wasser den erforderlichen Anteil an Bentonit bzw. allgemein Tonrninerai zuzusetzen um die gewünschten thixotropen Eigenschaften erneut einzustellen. VergleichsbeispielIn principle, however, the suspension prepared in this way can also be returned immediately and again to the tank 1 and is available again for the described lapping process in conjunction with the wire saw machine 2. For this purpose, it is only necessary to add the required amount of bentonite or Tonrninerai to the suspension of the abrasive grains and water in order to set the desired thixotropic properties again. Comparative example
Ein besonderer Vorteil bei der Aufbereitung der erfindungsgemäßen Mischung auf Basis der wässrigen kolloidalen Suspension aus Tonmineralien und hier bevorzugt Smectiten respektive Montmorilonit als Hauptbestandteil des regelmäßig eingesetzten Betonits gegenüber anderen thixotropen kolloidalen Suspensionen z. B. auf Basis von organischen Kolloiden liegt in der Verhinderung der Verschmutzung des Abrasionsmittels bzw. der abrasiv wirkenden Körner mit Eisenabrieb. Tatsächlich resultiert der vorgenannte Eisenabrieb primär aus der Abnutzung des Rates bei einem Trennvorgang mit beispielsweise einer Drahtsägemaschine. Dabei reduziert dieser Eisenabrieb bzw. eine daraus resultierende Verschmutzung der Mischung die Schneidleistung des Abrasionsmittels. Aus diesem Grund wird im Stand der Technik das beim Recycling erhaltene Abrasionsmittel, vorzugsweise die Siliziumcarbidkörner, nochmals mit Säure behandelt, um das Eisen in Lösung zu bringen. Die Entsorgung der gebrauchten Säure ist mit zusätzlichen Kosten verbunden. Auch das Abtrennen von Eisen von dem damit kontaminierten Siliziumcarbid- mittels Magnetabscheidern ist aufwendig, da hierbei ja auch das am Eisen haftende Siliziumcarbid mit aus der Suspension entfernt wird.A particular advantage in the treatment of the mixture according to the invention based on the aqueous colloidal suspension of clay minerals and preferably smectites or montmorilonite as the main constituent of regularly used Betonits over other thixotropic colloidal suspensions z. B. based on organic colloids is in the prevention of contamination of the abrasive or the abrasive grains with iron abrasion. In fact, the aforesaid iron abrasion results primarily from wear of the billet during a cutting operation with, for example, a wire-sawing machine. This iron abrasion or a resulting contamination of the mixture reduces the cutting performance of the abrasive. For this reason, in the prior art, the abrasive obtained in the recycling, preferably the Siliziumcarbidkörner, again treated with acid to bring the iron in solution. The disposal of the used acid is associated with additional costs. The separation of iron from the thus contaminated Siliziumcarbid- by means of magnetic separators is expensive, since in this case also the adhering to the iron silicon carbide is removed from the suspension.
Es gibt nun zwei Gründe, warum gerade eine wässrige Suspension aus Tonmineralien und folglich die erfindungsgemäße Mischung aus dem hieraus hergestellten Dispersionsmedium das Anhaften von Eisen an allgemein den abrasiv wirkenden Körnern und im Speziellen dem Lithiumcarbid reduziert oder ganz verhindert.There are now two reasons why an aqueous suspension of clay minerals and consequently the mixture according to the invention of the dispersion medium prepared therefrom reduce or completely prevent the adhesion of iron to generally the abrasive grains and in particular the lithium carbide.
Tatsächlich liegt das Eisen aus dem Drahtabrieb in Form kleinster Partikel vor, die mit Korndurchmessern im Bereich von ca. 1 μm ausgerüstet sind. Diese ultrafeinen Eisenpartikel weisen eine sehr große Oberfläche auf. Bei einem organischen Dispersionsmedium wie z. B. Poiyethyiengiykol oder Öl nach dem Stand der Technik sind die vorgenannten Eisenpartikel vor einem Angriff durch Sauerstoff weitestgehend geschützt und können so nicht oxidieren. D. h., bei einer Mischung nach dem Stand der Technik wäre die erfindungsgemäß durchgeführte Druck- bzw. Gasbeaufschlagung mit Hilfe der Druckluftleitung 6 nicht erfolgreich bzw. würde keine Wirkung zeigen.In fact, the iron from the wire abrasion is in the form of very small particles, which are equipped with grain diameters in the range of about 1 micron. These ultrafine iron particles have a very large surface area. In an organic dispersion medium such. B. Poiyethyiengiykol or oil according to the prior art, the aforementioned iron particles are largely protected from attack by oxygen and thus can not oxidize. That is, in a prior art blend, this would be according to the invention performed pressure or gas application using the compressed air line 6 is not successful or would show no effect.
Demgegenüber kann das den überwiegenden Teil des erfindungsgemäßen Dispersionsmediums ausmachende Wasser insbesondere bei niedrigen Temperaturen Sauerstoff physikalisch aufnehmen. Dies führt dann zu einer Oxidation des metallischen Eisens bzw. der in der Mischung als Verschmutzung vorliegenden Eisenpartikel. Bei vorwiegend auf organischen Dispersionsmedien beruhenden Mischungen nach dem Stand der Technik lässt sich selbst bei einer Zugabe von Wasser dieser Effekt nur schwer erreichen. Dies lässt sich im Wesentlichen darauf zurückführen, dass solche Mischungen durch ihre geringe Wärmekapazität beim Schneiden warm werden und somit Sauerstoff nicht mehr ausreichend gelöst werden kann.In contrast, the water constituting the major part of the dispersion medium according to the invention can absorb oxygen, especially at low temperatures. This then leads to an oxidation of the metallic iron or the iron particles present in the mixture as soiling. In the case of mixtures based on organic dispersion media based on the prior art, this effect is difficult to achieve even with the addition of water. This can essentially be attributed to the fact that such mixtures become warm due to their low heat capacity during cutting and thus oxygen can no longer be sufficiently dissolved.
Neben dem beschriebenen chemischen Effekt der Auflösung des metallischen Eisens in der erfindungsgemäßen Mischung führt zusätzlich noch ein physikalischer Effekt dazu, dass sich weniger oder gar kein Eisen auf den abrasiv wirkenden Körnern bei der erfindungsgemäßen Mischung niederschlägt So weisen die in der Mischung gelösten Eisenpartikel bei einem organischen Disperstonsmedium nach dem Stand der Technik eine extrem große Oberfläche auf. Sie sind also aufgrund der Oberflächenspannung sehr instabil. Daher werden die Eisenpartikel versuchen, die Oberfläche abzubauen, was dadurch erfolgen kann, dass sich die Eisenpartikel auf dem Siliziumcarbid oder aligemein den abrasiv wirkenden Körnern niederschlagen. Tatsächlich handelt es sich bei den abrasiv wirkenden Kömem im Rahmen von Mischungen nach dem Stand der Technik um die jeweils einzige Komponente in dieser Mischung, die eine feste Oberfläche aufweist. Ist an den besagten Körnern die beschriebene Anlagerung erfolgt, können sich weitere Eisenpartikel anlagern. Der Effekt ist also vergleichbar dem Kristallwachstum an einem Nukleus und der Bildung eines derartigen Keims. Das gilt jedenfalls für Mischungen nach dem Stand der Technik auf Basis von organischen Dispersionsmediβn.In addition to the described chemical effect of the dissolution of the metallic iron in the mixture according to the invention additionally leads to a physical effect that precipitates less or no iron on the abrasive grains in the inventive mixture Thus, the dissolved in the mixture iron particles in an organic Disperstonsmedium according to the prior art, an extremely large surface area. So they are very unstable due to the surface tension. Therefore, the iron particles will try to degrade the surface, which may be due to the iron particles precipitating on the silicon carbide or, generally, the abrasive grains. In fact, in the context of blends of the prior art, the abrasively acting particles are the only component in this mixture which has a solid surface. If the attachment described has occurred on the said grains, further iron particles can accumulate. The effect is thus comparable to the crystal growth at a nucleus and the formation of such a germ. This applies in any case to mixtures of the prior art based on organic dispersion mediums.
Wird nun ein solches organisches Dispersionsmedium durch ein erfindungsgemäßes Dispersioπsmedlum also eine wässrige Suspension auf Basis von beispielsweise Beπtoπit ersetzt, so wird dadurch die in der Suspension und damit dem Dispersionsmedium verfugbare Oberfläche drastisch erhöht Hierzu tragen wesentlich die Montmorilonitkristalle bei, welche die thixotrope Suspension bilden und eine Oberfläche von mehreren 100 ma/g aufweisen. Da diese Oberflächen der Montmorilonitkristalle negativ geladen sind, bieten sie sich als (inneren) Oberfläche zum Niederschlag des Eisens bzw. der in der benutzten Mischung gelösten Eisenpartikel an. Alternativ hierzu ist es ebenso vorstellbar, dass sich die Montmorilonitkristalle mit ihren positiv geladenen Kanten um das jeweilige Eisenpartikel anlagern und es somit abschirmen.If now such an organic dispersion medium by an inventive Dispersioπsmedlum so an aqueous suspension based on For example, Beπtoπit replaced, thereby the available in the suspension and thus the dispersion medium surface drastically increased contribute significantly to the Montmorilonitkristalle, which form the thixotropic suspension and have a surface area of several 100 m a / g. Since these surfaces of the montmorilonite crystals are negatively charged, they offer themselves as (inner) surface for precipitation of the iron or dissolved in the mixture used iron particles. Alternatively, it is also conceivable that the Montmorilonitkristalle attach with their positively charged edges to the respective iron particles and thus shield it.
Ob die Prozesse simultan oder zeitlich versetzt ablaufen, spielt insgesamt keine Rolle. Jedenfalls wird die Anzahl von Eisenpartikeln bei der erfindungsgemäßen Mischung deutlich reduziert, die sich auf den abrasiv wirkenden Kömem niederschlagen oder niederschlagen können. Auf diese Weise lässt sich das Eisen bzw. lassen sich die Eisenpartikel, die sich nicht auf den abrasiv wirkenden Körnern niederschlagen, bei der Reinigung bzw. Aufbereitung der erfindungsgemäßen Mischung zusammen mit den übrigen Feinanteilen aus beispeilsweise den abrasiv wirkenden Körnern und dem Silizium aus der Mischung entfernen. Hieraus erklärt sich, dass sich eine Behandlung der solchermaßen gewonnenen abrasiv wirkenden Kömem mit Säure erübrigt.It does not matter if the processes run simultaneously or at different times. In any case, the number of iron particles is significantly reduced in the mixture according to the invention, which can be reflected or precipitate on the abrasive Komömem. In this way, the iron or can be the iron particles that do not affect the abrasive grains, in the purification or processing of the mixture according to the invention together with the other fines of example, the abrasive grains and the silicon from the mixture remove. This explains why a treatment of the thus obtained abrasive Kömem with acid is unnecessary.
Versuchsbeschreibungtest description
2 kg einer erfindungsgemäßen Mischung aus 1 kg deionisiertem Wasser, 25 g Bentonit und 1 kg Siliziumcarbidkörnem wird zum Nachweis der zuvor beschriebenen Wirkungen zum Läppen von Eisenplatten verwendet. Der2 kg of a mixture according to the invention of 1 kg of deionized water, 25 g of bentonite and 1 kg of Siliziumcarbidkörnem is used to demonstrate the effects described above for lapping iron plates. The
Eisengehalt wird durch Bestimmung des Gewichtsverlustes der geläpptenIron content is determined by determining the weight loss of the lapped
Platten ermittelt Die so erhaltene Mischung wird dann durch Zugabe von deionisiertem Wasser so weit im Zuge ihrer Aufbereitung verdünnt, dass der Betonitgehalt in der Suspension auf 1,25 Gew.-% reduziert wird. Anschließend erfolgt eine Sedimentation, wobei der verbleibende Feinanteil von demPlates determined The mixture thus obtained is then diluted by the addition of deionized water so far in the course of their treatment that the Betonitgehalt in the suspension is reduced to 1.25 wt .-%. Subsequently, a sedimentation, wherein the remaining fines of the
Sediment durch Dekantieren getrennt wird. Anschließend werden sowohl der Feinanteil als auch das Sediment bei ca. 105° C getrocknet, um den Feststoffanteil zu ermitteln. Als Referenz wird auch eine Probe der ungereinigten originalen und nicht verschmutzten Mischung getrocknet.Sediment is separated by decantation. Subsequently, both the fine fraction and the sediment are dried at about 105 ° C to determine the solids content. As a reference, a sample of the unpurified original and unpolluted mixture is also dried.
Alle Proben werden mittels Salpetersäure aufgeschlossen, um sämtliches Eisen als dreiwertige Ionen vorliegen zu haben. Die Analyse des Eisengehaltes erfolgt über Atom-Absorptions-Spektroskopie.All samples are digested with nitric acid to have all the iron present as trivalent ions. The analysis of the iron content is done by atomic absorption spectroscopy.
Dabei ergeben sich folgende Ergebnisse:This results in the following results:
Die Menge an Eisen in der Originalmischung wird als Referenz mit 1 angenommen. Sämtliche Angaben beziehen sich auf die Anteile des Eisens in der analysierten Trockenmasse.The amount of iron in the original mixture is taken as a reference of 1. All data relate to the proportions of iron in the dry matter analyzed.
Unbehandelte Originalmischung: 1Untreated original mixture: 1
Frisches Siliziumcarbid: 0,64Fresh silicon carbide: 0.64
Recyceltes Siliziumcarbid(Sediment): 0,3 Dekantierter Feinanteil: 28Recycled silicon carbide (sediment): 0.3 Decanted fines: 28
Die Menge an Eisen in dem abgetrennten Feinanteil der aufbereiteten Mischung ist also etwa 100mal größer als der Eisenanteil im sedimentierten recyceltem Siliziumcarbid, welches praktisch eisenfrei ist. Damit wird der besondere Erfolg bei der Aufbereitung der erfindungsgemäßen Mischung deutlich.The amount of iron in the separated fines of the treated mixture is thus about 100 times greater than the iron content in the sedimented recycled silicon carbide, which is virtually free of iron. Thus, the particular success in the preparation of the mixture according to the invention becomes clear.
Diagramme, welche den Erfolg der Trennung nach Korngrößen zeigen:Diagrams showing the success of the separation according to grain sizes:
Zum Abschluss werden noch 4 Diagramme gezeigt, die die zuvor ausführlich beschriebene Trennung der abrasiv wirkenden Kömer nach ihrer jeweiligen Korngröße im Zuge des erfindungsgemäßen Aufbereitungsverfahrens deutlich machen. Zu diesem Zweck wurden 500 g Siliziumcarbid mit 500 g destilliertem Wasser, 12,5 g Bentonit und 60 g Silitin N85 (Hoffmann Mineral) als Feinaπteil dispergiert und nachfolgend in einem Kolben zur statischen Sedimentation umgefüllt. Nach 2 Std. wurde der flüssige Feinanteil im Gel vom festen Siliziumcarbid-Sediment durch Dekantieren getrennt. Die Ausgangsstoffe, die Mischung und das recycelte Sediment wurden nass der nachfolgenden Korngrößenanalyse unterzogen. Dazu wurde die Lichtstreuung verwendet. Finally, 4 diagrams are shown, which make clear the previously described in detail separation of the abrasive grains according to their respective particle size in the course of the treatment process according to the invention. For this purpose, 500 g of silicon carbide were dispersed with 500 g of distilled water, 12.5 g of bentonite and 60 g of Silitin N85 (Hoffmann Mineral) as Feinaπteil and subsequently in a flask for static sedimentation decanted. After 2 hours, the liquid fines in the gel were separated from the solid silicon carbide sediment by decantation. The starting materials, the mixture and the recycled sediment were wet subjected to the subsequent particle size analysis. For this the light scattering was used.
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