ZENNER, Björn (Linnefantstrasse 2, Gelsenkirchen, 45894, DE)
BEESLEY, John, G. (Aumattweg 22, Hinterkappellen, CH-3032, DE)
MEYER BURGER AG (Allmendstrasse 86, Thun, CH-3600, CH)
HOLTMANN, Klaus (Salzwedlerhof 11, Hannover, 30179, DE)
ZENNER, Björn (Linnefantstrasse 2, Gelsenkirchen, 45894, DE)
BEESLEY, John, G. (Aumattweg 22, Hinterkappellen, CH-3032, DE)
Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufbereiten einer Mischung aus einem Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern im Zuge ihrer Verwendung als Schleifmittel zur spanabtragenden Bearbeitung, insbesondere zur spanabtragenden Trennung von Werkstücken, vorzugsweise von Halbleiterkristallen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Dispersionsmedium ein thixotropes sowie im Wesentlichen wasserbasiertes Dispersionsmedium eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiv wirkenden Körner durch Verdünnen des Dispersionsmediums bzw. der Mischung mit Wasser und/oder Beruhigen der Mischung und/oder eine eingebrachte gezielte Scherwirkung eine Sedimentation erfahren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unerwünschter Feinanteil in der aufzubereitenden Mischung ausgeflockt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Kolloiden in dem Dispersionsmedium zur Variation der Viskosität bzw. Gelstärke des Dispersionsmediums in Abhängigkeit von der Korngröße jeweils auszuscheidender abrasiv wirkender Körner eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmedium ca. 1 Gew.-% bis ca. 10 Gew.-%, insbesondere ca. 1 Gew.-% bis ca. 5 Gew.-% und vorzugsweise ca. 2 Gew.-% bis ca. 3 Gew.-% eines im Wasser löslichen Tonminerals aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tonmineral in der aufzubereitenden Mischung enthaltenen Abrieb, insbesondere Metall- abrieb einer eingesetzten Trennvorrichtüng bzw. Drahtsäge (2), einlagert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinanteil in der aufzubereitenden Mischung durch Zugabe weiterer Ton- mineralien und/oder eines Flockungsmittels und/oder durch Druckluftbeaufschlagung ausgeflockt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflockung durch änderung des PH-Wertes und/oder der Elektrolytkonzentration innerhalb der Mischung begünstigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Tonmineral der aufzubereitenden Mischung bis zu einem Anteil von ca. 1 Gew.-% bis ca. 1 , 5 Gew.-%, bezogen auf das Dispersionsmedium, durch Wasserzugabe verdünnt wird.
10. Vorrichtung zum Aufbereiten einer Mischung aus einem Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern, welche als Schleifmittel für die span- abtragende Bearbeitung, insbesondere spanabtragende Trennung von Werkstücken, vorzugsweise Halbleiterkristallen, eingesetzt werden, mit einer Trennvorrichtung (2), einem Tank (1) für die Mischung sowie einer Sedimentationseinrichtung (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Dispersionsmedium der Mischung thixotrop und im Wesentlichen wasserbasiert ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die Sedimentationseinrichtung (4) eine Druckluftleitung (6) angeschlossen ist, welche die Sedimentationseinrichtung (4) beaufschlagt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentationseinrichtung (4) eine perforierte Zwischenwand (5) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzubereitende Mischung in der Sedimentationseinrichtung (4) zur
Sedimentation mechanisch unbeaufschlagt bleibt und ruht bzw. allenfalls einer laminaren Strömung unterzogen wird. |
Verfahren und Vorrichtung zum Aufbereiten einer Mischung aus einem thixotropen Dispersionsmedium sowie abrasiv wirkenden Körnern als Schleifmittel
Beschreibung:
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.
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 ).
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.
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.
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.
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.
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.
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..
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.
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.
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.
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/cm 2 bzw. N/m 2 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Außerdem empfiehlt die Erfindung in dem Dispersionsmedium neben dem Dispersionsmittel Wasser als Zusatz das Tonmineral in geringer Körnung mit
Korngrößen von deutlich weniger als 500 μm einzusetzen.
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 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).
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
Beispiel 1 : Einstellung der Tragkraft eines Gels
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.
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.
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.
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.
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 g
Tribomont (Bentonit) in einem Liter deionisiertem Wasser bei 3000 Upm pro
Minute für 30 Minuten dispergiert. Die Suspension wurde für 24 Stunden bei
25° C quellen gelassen. Der zeitliche Verlauf der Gelstärke ist in der besagten
Fig. 1 gezeigt. Bereits nach ca. 10 sec. Ruhezeit zeigte die wässrige Suspension bzw. das solchermaßen hergestellte thixotrope sowie im
Wesentlichen wasserbasierte Dispersionsmedium einen Schubmodul von ca. einem Pa. Damit ein Teilchen in diesem Gel absinken kann, muss also der
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.
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.
Im Rahmen der Fig. 2 zeigt die durchgezogene Linie das Sedimenta- tionsverhalten allgemein von Teilchen in einer Flüssigkeit. Dabei ist auf der Y-
Achse jeweils die Sinkgeschwindigkeit v des betreffenden Teilchens und auf der
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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/m 2 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.
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.
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.
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.
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.
Vergleichsbeispiel
1. Stand der Technik
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.
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.
2. Erfindungsgemäße Mischung
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.
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.
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.
Allgemeines Ausführungsbeispiel
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.
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 m 2 /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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ausführungsbeispiel zur Rückgewinnung bzw. zum Aufbereiten der Mischung
Zunächst wird das Dispersionsmedium aus 1 kg Wasser als Dispersionsmittel und 25 g Bentonit als dispergierte Phase bzw. thixotroper Zusatz hergestellt.
Der Anteil des Wassers beträgt also ca. 97,6 Gew.-% bezogen auf das
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vergleichsbeispiel
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.
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.
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.
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.
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.
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 m a /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.
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.
Versuchsbeschreibung
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. Der
Eisengehalt wird durch Bestimmung des Gewichtsverlustes der geläppten
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 dem
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.
Alle Proben werden mittels Salpetersäure aufgeschlossen, um sämtliches Eisen als dreiwertige Ionen vorliegen zu haben. Die Analyse des Eisengehaltes erfolgt über Atom-Absorptions-Spektroskopie.
Dabei ergeben sich folgende Ergebnisse:
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.
Unbehandelte Originalmischung: 1
Frisches Siliziumcarbid: 0,64
Recyceltes Siliziumcarbid(Sediment): 0,3 Dekantierter Feinanteil: 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.
Diagramme, welche den Erfolg der Trennung nach Korngrößen zeigen:
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.