DRAHTSäGEN MIT THIXOTROPEN LäPPSUSPENSIONEN

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtsäge mit einer Läppsuspension, die Schleifkorn in einem thixotropen Suspensionsmedium enthält, sowie Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine solche Drahtsäge zum Einsatz kommt.

Hintergrund der Erfindung

Im Bergbau sind Mischungen aus Schleifkorn und thixotropem Suspensionsmedium seit langem bekannt und kommen in der Form von Bohrspülzubereitungen zum Einsatz. Bei diesen auf Wasser basierenden Systemen wird Ton zur Herstellung der thixotropen Suspensionsmedien eingesetzt. Die Neigung dieser Ton-Wasser-Mischungen zur thixotropen Verdickung ist für den Einsatz im Bergbau vorteilhaft und wird beispielsweise bei geologischen Bohrungen genutzt. Die DE 43 02 462 A1 offenbart die Verwendung von Alkoxylaten wasserunlöslicher Alkohole zur Steuerung der Theologischen Eigenschaften fließ- und pumpfähiger wässriger Zubereitungen aus feinteiligen Mineralstoffen, die als Arbeitsmittel im Bereich des Aufschlusses geologischer Formationen eingesetzt werden. Vergleichbare Bohrspülzusätze lehrt auch die DE 29 18 683 A1 , die einen Bohrspülungszusatz zum wirksamen Dispergieren von Tonen in wässrigem Medium beschreibt. Diese Bohrspülung ermöglicht beim Rotationsbohren wegen ihrer hohen Viskosität ein einfaches Forttragen von Gesteinssplittern. Zudem neigt die Bohrspülung wegen ihrer thixotropen Eigenschaften bei der Unterbrechung des Bohrvorgangs zum Gelieren und verhindert so das Absetzen von Splittern um die Bohrspitze herum.

Das 1960 erteilte U.S. Patent 2,944,880 offenbart eine Läppzusammensetzung mit einem thixotropen Gel aus niedrig siedenden Kerosinkohlenwasserstoffen und organophilem Bentonit, einer hydrophobierten speziellen Tonart, und Zirkoniumsilikat als Schleifkorn zum Schleifen von Metalloberflächen.

Bei der spanabtragenden Bearbeitung von mineralischen und polymeren Werkstücken, insbesondere beim Zuschneiden von Halbleiterwerkstoffen wie mono- und multikristallinem Silizium, haben sich hingegen ganz spezielle Zusammensetzungen

durchgesetzt, die in der Regel aus einem Suspensionsmedium mit organischen Komponenten wie Mineralöl, einer hydrophilen und/oder lipophilen mehrwertigen Alkoholverbindung, üblicherweise meist höhere Glykolverbindungen, sowie dem darin dispergierten Schleifkorn wie beispielsweise Siliciumcarbid bestehen. Einige dieser Zusammensetzungen können auch geringe Anteile an Wasser enthalten. In diesen Suspensionsmedien können auch kolloidale Teilchen aus Kieselsäure dispergiert sein, wie es die DE 699 11 549 T2 offenbart. Die Hauptanwendung dieser organischen oder organisch-wässrigen Schleifkornlösungen ist derzeit als Läppsuspension für Drahtsägen zum Zuschneiden von Siliciumwafern.

Diese organisch-wässrigen Läppsuspensionen, die neben dem spanabtragenden Zuschneiden von Siliciumwafern durch Drahtsägen auch als Poliermittel in der Halbleiterelektronik eingesetzt werden, um Oberflächen zu glätten, haben jedoch eine ganze Reihe von Nachteile.

Da sich das Sedimentationsverhalten der im organischen Suspensionsmedium dispergierten Schleifkörner durch deren Korngröße bestimmt, muss die Viskosität des Suspensionsmediums erneut eingestellt werden, wenn sich die Korngröße ändert, um weiterhin den gleichmässigen Transport des Schleifkorns zu gewährleisten sowie die Sedimentation des Schleifkorns und etwaige Verstopfungen zu verhindern. Problematisch ist bei den derzeitig für Drahtsägen eingesetzten organischen Suspensionsmedien, dass sie wegen des hohen organischen Anteils über eine sehr geringe Wärmekapazität verfügen und nur einen geringen Schutz vor der reibungsbedingten überhitzung der Klebeverbindung zwischen dem zu bearbeiteten Werkstückes und der Opfersägeunterlage bieten. Zudem lassen sich solche organische, auf Mineralöl und/oder Glykolverbindungen basierende Suspensionsmedien, nur schlecht biologisch abbauen und die Entsorgung der Medien oder Wiederaufarbeitung des teils recht teuren Schleifkorns ist aufwändig.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drahtsäge zur Verfügung zu stellen, die mit einer kostengünstig herzustellenden Läppsuspension arbeitet, welche die oben genannten Schwachpunkte organischer Trägerflüssigkeiten nicht aufweist. Des Weiteren die eine gleichbleibende spanabtragende Wirkung ohne wesentlichen Einfluss der Korngrösse des Schleifkorns auf das bearbeitete Werkstück vermittelt und deren Viskosität nicht in gleichem Maße von der Korngrößenverteilung und der Temperatur abhängig ist, wie dies bei organischen Transportsuspensionen der Fall ist. Die für die Drahtsäge eingesetzte Läppsuspension soll kostengünstig in der Herstellung, der Entsorgung, bei der Abtrennung von wertvollem Schleifkorn und/oder exzellent zur

Wärmeableitung vom Werkstück sein, d.h. eine möglichst hohe Wärmekapazität aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Drahtsäge mit einer Läppsuspension gelöst, die Schleifkorn in einem thixotropen, vorzugsweise wässrigen thixotropen Suspensionsmedium enthält.

Da sich die erfindungsgemässe Drahtsäge als solche in ihren Bauteilen nicht notwendigerweise wesentlich von üblichen Drahtsägen mit viskosen, nicht thixotropen Suspensionsmedien unterscheiden muss, liegt das erfindungsgemäße Merkmal in der räumlich-funktionellen Verbindung der Drahtsäge mit einer thixotropen Läppsuspension, z.B. Lagerbehälter, Leitung, Düse, Draht, Pumpe, etc. mit bzw. mit Kontakt zu einer thixotropen Läppsuspension.

Es wird als selbstverständlich angesehen, dass das thixotrope Suspensionsmedium der Läppsuspension auch thixotrope Eigenschaften vermittelt.

Als Drahtsäge ist hier jede Form von Säge zu verstehen, die zur spanabtragenden Bearbeitung Schleifkorn läppend, d.h. als ungebundenes Korn, und gerichtet auf das Werkstück eines Drahtes aufbringt und wenigstens an einem Teil des Werkstückes entlang führt. Letztendlich reicht dazu in der einfachsten Form ein Draht, der an zwei Seiten mittels Drahtführungen gespannt wird und gerichtet über ein Werkstück, mit Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Draht, geführt wird. Der Draht kann dabei zur spanabtragenden Bearbeitung auf dem Werkstück in eine oder beide Richtungen geführt werden. Bei Führung des Drahtes in nur eine Richtung kann der Draht immer wieder in die Ausgangsstellung gebracht und dann erneut vorwärts geführt werden oder bei entsprechend langen Drähten kann der Draht auch nur in eine Richtung geführt werden. Bei Verwendung längerer Drähte, welche in nur einer Richtung über das Werkstück geführt werden, haben die meisten Drahtsägen entweder einen umlaufenden Draht (im Sinne einer Bandsäge) oder werden von einem Vorratselement wie beispielsweise einer Neudrahtspule zur Drahtsäge oder als Bestandteil der Drahtsäge zum Schneidbereich geführt und dann auf der anderen Seite des Schneidbereiches gesammelt, z.B. auf einer Altdrahtspule aufgespult.

Unter dem Begriff Schleifkorn ist jedes zum Drahtsägen geeignete Schleifkorn bzw. eine Mischung solcher Schleifkörner in verschiedenen Grossen, Formen und/oder

Zusammensetzungen zu verstehen. Zum Schneiden von beispielsweise Siliziumwafern ist ein Schleifkorn aus Siliziumcarbid mit einem mittleren Korndurchmesser von 5 bis 15 μm bevorzugt. Andere bevorzugte Schleifkörner bestehen aus Borcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Diamant, Korund (Aluminiumoxid) und/oder Zirkoniumsilikat. Schleifkörner aus Siliziumkarbid (SiC) sind besonders gut zur spanabtragenden Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen wie Metallen, Halbleitermaterialien und Isolatoren, z.B. Silizium, Glas, Quarz, Keramiken, Steine (z.B. Granit, Marmor), Kunststoffe (z.B. Epoxydharzen wie sie zur Verbindung (Kleben) von Werkstücken verwendet werden) geeignet.

Besonders harte Werkstoffe wie Saphir und Siliziumkarbid werden bevorzugt mit Borkarbid oder Diamant bearbeitet.

Der Begriff Läppsuspension wird auf dem Gebiet gelegentlich auch als Schleifmittel oder als Slurry bezeichnet und umfasst wenigstens eine oder mehrere Arten von Schleifkorn, welches in seiner physikalischen (z.B. Grosse, Form, Grössenverteilung, Härte, etc.) und chemischen Beschaffenheit (Zusammensetzung, Struktur) homogen oder heterogen sein kann, sowie ein Suspensionmedium, dessen grundlegende Funktion es letztendlich ist, das Schleifkorn in Suspension zu halten, mit dem Draht, aber frei beweglich zu führen und mit dem Draht wie auch dem Werkstück in Kontakt zu bringen. Die Viskosität und Benetzungsfähigkeit des Suspensionsmediums ist für diese Funktion von entscheidender Bedeutung.

Das erfindungsgemäss für Drahtsägen eingesetzte Suspensionsmedium ist thixotrop, d.h. je stärker die Scherbeanspruchung während der spanabtragenden Bearbeitung des Werkstückes ist, desto geringer wird die Viskosität des Suspensionsmediums. Je mehr die Scherbeanspruchung abnimmt, desto viskoser wird die Suspension wieder. Die Viskosität von thixotropen Suspensionsmedien ist meist erheblich abhängiger von der Schereinwirkung als von der Temperatur. Dagegen werden konventionelle nicht thixotrope Läppsuspensionen bei z.B. durch Reibung verursachten Temperaturer- höhungen schnell dünnflüssiger und das Schleifkorn sedimentiert, es kommt zu einer Verarmung der Läppsuspension. Eine Läppsuspension mit thixotropem Suspensionsmedium hat daher unter anderem die Vorteile, dass die Viskosität vor und nach dem Sägen hoch genug ist, damit das Schleifkorn suspendiert bleibt, an dem meist recht dünnen Draht gebunden bleibt und auch von dem Draht mitgeführt wird, und dass die Viskosität während des Sägens, im kaum mehr als drahtdünnen Sägespalt, wegen der Scherwirkung deutlich abnimmt. Das im engen Sägespalt vom Draht mitgeführte

niedriger viskose Suspensionsmedium übt einen erheblich geringeren Widerstand auf die Spaltwand aus, vermag aber immer noch Draht, Korn und Werkstück zu verbinden und zudem als Kühlflüssigkeit zum Abtransport der entstehenden Wärme zu dienen. So können überhitzungsschäden am Werkstück, insbesondere der Klebeverbindung und Draht zu verhindert bzw. eine schnellere Drahtführung gestatt werden. Je nach Wärmekapazität und Ausführungsform wird das thixotrope Suspensionsmedium der erfindungsgemässen Drahtsäge die bei der spanabtragenden Bearbeitung entstehende Reibungswärme selbst in kleinsten Sägespalten vom Werkstück abführen. Thixotrope, insbesondere wässrige thixotrope Läppsuspensionen sind daher besonders gut für Drahtsägen zum Schneiden besonders dünner Scheiben mit geringem Werkstückmaterialverlust wie in der Waferherstellung für die Halbleiterindustrie und Solarindustrie geeignet.

Im Gegensatz zu konstant viskosen Suspensionsmedien, haben thixotrope Suspensionsmedien bei einer Anwendung für Drahtsägen, somit optimierte Viskositätseigenschaften vor, im und nach dem Sägespalt.

In einer bevorzugten detaillierteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Drahtsäge, umfassend: (i) mindestens 2 Drahtführungen,

(ii) Draht,

(iii) eine Läppsuspension enthaltend Schleifkorn und Suspensionsmedium, wobei

(a) der Draht mittels der Drahtführungen in Schneidrichtung bewegt wird und (b) der Draht die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt des Werkstücks transportiert und die Schnittkraft auf das Korn überträgt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Suspensionsmedium thixotrop, vorzugsweise wässrig thixotrop ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Drahtsäge, die als Gattersäge ausgeführt ist. Bei einer Gattersäge sind Sägeblätter in einem sogenannten Gatterrahmen gespannt. Im Falle einer Slurry-/ respektive Läppsuspensionsgattersäge bestehen die Sägeblätter aus gespannten Drähten und/oder gespannten Bändern und/oder gespannten Blättern, welche die Läppsuspension in den Sägespalt führen und somit die Sägewirkung erzielen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Drahtsäge als Gattersäge ausgeführt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie

(i) mindestens ein Sägegatter mit mindestens einem Draht und/oder mindestens einem Band in Schneidrichtung ausgerichtet, (iii) eine Läppsuspension enthaltend Schleifkorn und Suspensionsmedium, wobei

(a) der Draht und/oder das Band mittels Sägegatter in Schneidrichtung bewegt wird und

(b) der Draht und/oder das Band die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt des Werkstücks transportiert und Schnittkraft auf das Korn überträgt, umfasst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Suspensionsmedium thixotrop, vorzugsweise wässrig thixotrop ist.

Selbstverständlich muss der Draht bzw. bei der Gattersäge der Draht und/oder das Band zur spanabtragenden Bearbeitung, vorzugsweise An- und/oder Durchsägen des Werkstückes, gespannt und in Schneidrichtung auf dem Werkstück geführt werden. Zum Spannen und Führen dienen bei Drahtsägen übliche Drahtführungen (bei Gattersägen das geführte Sägegatter und optional zusätzlich mindestens eine Drahtführungsrolle), mindestens eine pro Seite des Drahtes, die als Fixier-und Spannelement/Befestigungselement (es reichen im einfachsten Fall zwei Schlaufen oder Griffe für die Hände), Rolle, Walze, Spule, Umlenkrolle, etc. ausgestaltet sein können. Vorzugsweise kommen zu diesem Zweck mindestens 2 bis 4 Drahtführungen zum Einsatz. Die Drahtführungen bewegen den Draht vorzugsweise kontinuierlich (z.B. von einer Drahtspule auf die andere, wobei sich der Draht nur in eine Richtung bewegt oder als Kreislaufsystem im Sinne einer Bandsäge) oder diskontinuierlich abwechslungsweise in die eine und nach einer gewissen Zeit in die entgegengesetzte § Drahtrichtung (Vor- und Rücklauf des Drahtes d.h. im „Pilgeschritt" [hin und her]), wobei die kontinuierliche Bewegung in eine Drahtrichtung am meisten bevorzugt ist. Besonders bevorzugte Drahtführungen sind Drahtführungsrollen in der Form von berillten Walzen mit einem Rillenabstand, der der fertigen Werkstückdicke plus dem Drahtdurchmesser und dem Zweifachen des grössten Korndurchmessers (d _s o ₃ Wert) entspricht, z.B. 1 ,450 mm bis 200 μm (wie bei Halbleiterwafern oder Solarwafern). Bei Gattersägen entspricht dieser Rillenabstand dem Draht, respektive Blatt-/ oder Bandabstand.

Der Draht der erfindungsgemässen Drahtsägen kann jeder für diesen Zweck geeignete Draht sein. Er kann aus metallischen, nicht-metallischen, z.B. anorganischen/ organischen Fasern, Faserbündeln, Flechtschnüren oder bestehen und ist vorzugsweise eine metallischer Draht aus Eisen und mehr bevorzugt aus Eisen-Kohlenstoff- Legierungen. Diese Fasern, Faserbündel, Flechtschnüre und Drähte sind in der Regel beschichtet. Diese Schicht kann zur Erhöhung der Oberflächenhärte und/oder zum Korrosionsschutz dienen. Alternativ zu Draht können aber auch funktions- und wesensgleiche Seile (Sägeseile), Stäbe, Blätter, Bleche oder Bänder zum Einsatz kommen, die die Läppsuspension in und durch den Schneidspalt transportieren.

Vorzugsweise haben solche Drähte einen Durchmesser von 60 bis 175 μm, mehr bevorzugt 80 bis 160 μm, am meisten bevorzugt 100 bis 140 μm. In bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Drähte im Wesentlichen aus Kunststofffasern, Kunststofffaserbündeln, Metallen, Stählen oder Legierungen daraus, vorzugsweise aus Eisen und Kohlenstoff, mehr bevorzugt aus Eisen und 0.7 - 1.2% Kohlenstoff. Zum Korrosionsschutz sind diese Drähte in der Regel beschichtet. Vorzugsweise besteht diese Schicht aus einer Kupfer- und Nickelschicht. Die für Drähte gemachten Aussagen zu Beschichtungen und Materialien sind auf Fasern, Faserbündel, Flechtschnüre, Seile, Stäbe, Blätter, Bänder, Bleche, etc. zur Förderung der Läppsuspension übertragbar, wobei diese eine Breite und/oder Durchmesser von 0.06 bis 100 mm, mehr bevorzugt von 0.08 bis 60 mm am meisten bevorzugt von 0.1 bis 30 mm aufweisen.

Das Suspensionsmedium für die Drahtsägen der Erfindung kann jede Art von Verbindung(en) enthalten, die dazu geeignet ist, dem Suspensionsmedium thixotrope Eigenschaften zu vermitteln. Solche thixotropievermittelnden Verbindungen werden vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Schichtsilikaten, Zellulosen, Kettensilikaten, Saponiten, Zeoliten, „Fuller ^' s earth", Arylharnstoffen und Phthalocyanin- pigmenten.

In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Suspensionsmedium für die erfindungsgemässen Drahtsägen in Wasser gelöstes Tonmineral als thixotropievermittelnde Verbindung. Besonders bevorzugt weist das Suspensionsmedium für die erfindungsgemässen Drahtsägen ungefähr 1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 1 bis 5 Gew.- % und mehr bevorzugt ungefähr 2 bis 3 Gew.-% eines in Wasser gelösten Tonminerals auf.

Zudem ist bevorzugt, dass das Tonmineral eine mittlere Korngröße von weniger als 500 μm, vorzugsweise weniger als 200 μm und mehr bevorzugt weniger als 100 μm, am meisten bevorzugt unter 50 μm bezogen auf das trockene Mineral aufweist.

Es werden vorzugsweise aufgereinigte Formen von Tonmineralien eingesetzt, welche frei von Begleitmineralien sind, welche üblicherweise in aufbereiteten Tonmineralien mit Konzentrationen von 10 bis 20 %, in ausserordentlichen Fällen bis zu 40 %, vorhanden sind.

In der am meisten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Drahtsäge ist das Tonmineral ein Schichtmineral, vorzugsweise ein Dreischichttonmineral, mehr bevorzugt Bentonit.

Tonschichtmaterialien sind schichWplättchenförmige Mineralien, die sich in Suspension, insbesondere in alkalischem Medium, im mikroskopischen Massstab im Ruhezustand zunächst in alle Richtungen gegenseitig vernetzen. Allerdings parallelisieren sich diese unter der Einwirkung von Erschütterungen oder Scherkräften und gleiten dann mangels internem Haftvermögen untereinander aneinander vorbei.

Es ist bevorzugt, dass die Viskosität der Läppsuspension, d.h. inkl. Schleifkorn, der erfindungsgemässen Drahtsäge bei 20 °C weniger als 1 Pas, vorzugsweise weniger als 500 mPas ist und mehr bevorzugt im Bereich von 30 bis 350 mPas liegt (z.B. messbar mit einem Brookfield Viskosimeter unter Verwendung des Probekörper S2 bei der Drehzahl 100 1/min). Die Art und Menge des Schleifkorns kann einen Einfluss auf die Viskosität der Läppsuspension ausüben und somit können die Viskositäten der Läppsuspension und des thixotropen Suspensionsmediums verschieden sein.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verbindung von Drahtsägen mit Läppsuspensionen, welche Schleifkorn in einem thixotropen Suspensionsmedium enthalten, für das Schneiden von spröden und harten Werkstoffen, vorzugsweise von Metallen, Isolatoren und Halbleitern, mehr bevorzugt von multi- und monokristallinem Silizium herausgestellt. Weitere Materialien, die mit den erfindungsgemässen Drahtsägen gut zu schneiden sind, sind beispielsweise Galliumarsenid, Germanium, Siliziumkarbid, Saphir, Keramiken Gestein, Glas und Quarz.

Typische Drahtsägen für diese Anwendungen sind Einfachtischmaschinen (Belademöglichkeit auf einer Drahtfeldebene) mit einfach oder mehrfach parallel beladenen Werkstücken, beispielsweise die Modelle DS 264 und DS 265, wie auch Doppeltischmaschinen, bei welchen auf zwei Ebenen (bspw. auf dem oberen und dem unteren

Drahtfeld, wenn diese horizontal angeordnet sind) einfach oder mehrere Werkstücke parallel beladen werden können, beispielsweise das Modell DS 262 der Meyer-Burger AG, Thun, CH, die unter anderem Werkstücke aus multi- und monokristallinem Silizium in Wafer mit Dicken von 70 μm bis 1.2 mm für die Halbleiter- und Solarindustrie herstellen. Bisher wurden ausschliesslich, auf ölen und Polyolen, z.B. Polyethylengly- kolen basierende, viskose, schleifkornhaltige Läppsuspensionen zum Schneiden von sprödharten Materialien, insbesondere von Halbleitern, wie multi- und monokristallinem Silizium, eingesetzt. Diese herkömmlichen Suspensionsmedien sind teuer in der Herstellung und der Entsorgung und haben eine geringe Wärmekapazität zum Abführen der beim Schneidvorgang entstehenden Reibungswärme.

Ebenso ist die anschliessende Reinigung der mit öl oder PEG getrennten Wafer mit grossem aparativen Aufwand und umweltbelastenden chemischen Substanzen verbunden. Des Weiteren greifen öl und PEG die Umlenkrollen und Drahtführungsrollen an und verringern dadurch deren Einsatzdauer.

Solche zum Schneiden von sprödharten Werkstoffen typischen Drahtsägen sind vorzugsweise zur räumlich-funktionellen Verbindung mit thixotropen Läppsuspensionen zur Herstellung erfindungsgemässer Drahtsägen geeignet. Erfindungsgemässe Drahtsägen umfassen vorzugsweise eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale: (2) Drahtführungsrollen, (3) Draht, (4) Schneid- bzw. Trennraum, (5) Läppsuspensions- behälter mit thixotroper Läppsuspension aus Schleifkorn und thixotropem Suspensionsmedium, (6) Pumpe für die thixotrope Läppsuspension, (7) Wärmetauscher zur Kühlung der gebrauchten thixotropen Läppsuspension, (8) Messgerät für den Läppsuspensions- durchfluss, (9) Messgerät für die Läppsuspensionsviskosität, (10) Filter für Werkstücksplitter, (11) Läppsuspensionsdüsen, vorzugsweise in Schrägstellung zum Draht, an welchen Leitschaufeln (z.B. ein Leitblech, Prallblech, Abweiser, richtungsgebendes Element) befestigt sein können, (12) Sprenkler über dem Läppsuspensionsbehälter (5) zur Schaumverringerung bei wässrigen Läppsuspensionen mit Tonmineralien, insbesondere Bentonit, (13) Rührwerk, (14) Prall-/Schutzbleche, (15) Umlenkrollen, (16) Werkstückträger für das zu schneidende Werkstück (1), vorzugsweise ein zu schneidendes mono- oder multikristallines Siliziumwerkstück, vorzugsweise mit Vorschub (nach unten, oben oder seitlich in den Draht), vorzugsweise mit Opferplatte, z.B. aus Glas oder Kunststoff, (17) Neudrahtspule und (18) Altdrahtspule. Eine erfindungsgemässe Draht- säge kann eine oder mehrere der o.g. Elemente aufweisen, solange sie in räumlich- funktioneller Verbindung mit einer thixotropen Läppsuspension steht.

Bei den erfindungsgemässen Drahtsägen, insbesondere solchen mit in Wasser gelösten Tonmineralien, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Drahtsägen wie folgt anzupassen, insbesondere dann, wenn Tonmineralien für die thixotrope Läppsuspension zum Einsatz kommen, welche beim Trocknen störende Ablagerungen/Sedimente hinter- lassen, welche in Form von ausgetrockneten Klümpchen auf das Drahtfeld fallen können und dadurch auf den Drahtführungsrollen den Draht auslenken und somit Drahtfehler verursachen, welche den Schneidvorgang (z.B. durch Auslenkung oder Verwaisen (Zusammenkleben) der Drähte) beeinflussen oder die Säge verschmutzen, oder Schaum bilden können, welcher zu einer Verarmung an Schleifkorn in der Läppsuspension führen kann.

Vorzugsweise wird bei den erfindungsgemässen Drahtsägen die Läppsuspension nicht senkrecht von oben, sondern schräg auf den Draht, vorzugsweise im Winkel von ungefähr 0 bis 75, vorzugsweise 5 bis 60, mehr bevorzugt 8 bis 30 Grad zum Draht, vorzugsweise mit und/oder gegen die Schneidrichtung, aufgetragen.

Besonders bevorzugt wird die Läppsuspension über eine Düse und/oder eine Leitschaufel (d.h. jede mechanische Vorrichtung, die die Richtung und Geschwindigkeit der Läppsuspension verändert, bspw. ein Leitblech, Prallblech, etc.) schräg auf den Draht vor den Schneidspalt gefördert, um die Vektorkomponenten der Suspensionsgeschwindigkeit bestmöglich den Vektorkomponenten der Drahtgeschwindigkeit anzupassen.

Der Zweck der schräg gestellten Leitschaufel hinter der Düse ist: (a) den Kontakt von Läppsuspension mit dem Draht so zu gestalten, dass möglichst wenig viskositätsre- duzierende Scherkräfte auftreten und (b) sich die in Pumpe, Leitung und Düse reduzierte Viskosität der Läppsuspension wieder aufbauen kann, bevor diese mit dem Draht in Kontakt gebracht wird.

Die Leitschaufel ist vorzugsweise in Form und Position so ausgestaltet, dass sie variabel an das jeweilige Werkstück angepasst werden kann.

Als besonders wichtig für den optimalen Auftrag thixotroper Läppsuspensionen hat sich die Anordnung der Düse und/oder der Leitschaufel relativ zu dem Draht und zum Werkstück erwiesen. In diesem Zusammenhang wird auf die Figur 2 verwiesen.

Besonders bevorzugt ist/sind Düse(n) (1 ,6) und/oder Leitschaufel(n) (2) zum Draht(feld) (5) und Werkstück (3) so zueinander angeordnet, dass der Horizontalabstand zwischen Werkstück und Düse bzw. Leitschaufel 0,5 bis 50, vorzugsweise 1 bis 40, mehr bevorzugt 4 bis 25 mm und am meisten bevorzugt 16 bis 23 und gleichzeitig der Vertikalabstand von Düse bzw. Leitschaufel zum Draht 0,5 bis 30, vorzugsweise 1 bis 20, mehr bevorzugt 2 bis 15 und am meisten bevorzugt 4 bis 9 mm beträgt.

Es ist auch bevorzugt, die Läppsuspension in einem Läppsuspensionsbehälter (i) mechanisch, vorzugsweise durch Rühren und/oder durch Besprühen mit Flüssigkeit, vorzugsweise durch Besprühen mit Läppsuspension oder Wasser, (ii) durch den Zusatz von Entschäumungsmitteln und/oder (iii) durch den Einsatz hydrophobierter Oberflächen im Behälter zu entschäumen bzw. die Schaumbildung zu vermindern oder verhindern.

In einer bevorzugten Ausführungsform kommt Tonmineral, vorzugsweise Dreischicht- mineral, mehr bevorzugt Bentonit, in der Läppsuspension zum Einsatz, das so klassifiziert wurde, um den schaumbildenenden Feinanteil zumindest teilweise zu entfernen.

Es ist weiterhin für die erfindungsgemässe Drahtsäge bevorzugt, dass sie ein Bauteil, vorzugsweise einen Abstreifer und/oder eine Spülvorrichtung, umfasst, welche die Läppsuspension vom gebrauchten abgehenden Draht wenigstens teilweise abstreift und/oder abspült und vorzugsweise einem Sammelgefäß, beispielsweise dem Läppsuspensionsbehälter mit der Läppsuspension, zur sofortigen oder späteren Wiederverwertung oder Aufarbeitung zuführt.

Für die erfindungsgemässen Drahtsäge haben sich auch räumliche Trennvorrichtungen, die den Schneidraum von anderen Bauteilen der Drahtsäge derart trennen, dass Bauteile ausserhalb des Schneidraums im Wesentlichen nicht mit der Läppsuspension in Kontakt kommen, als vorteilhaft herausgestellt.

In einer bevorzugten Drahtsäge wird der Schneidraum wenigstens teilweise durch Flüssigkeitsvorhänge, vorzugsweise aus Wasser, von anderen Bauteilen abgetrennt.

Auf Wasser basierende Läppsuspensionen mit Tonmineralien trocknen beim Schneiden wegen der auf einer grossen Oberfläche versprühten Schicht aufgrund der hohen

Verdampfungsrate des enthaltenen Wassers recht schnell aus. Es ist daher vorteilhaft,

die Luftfeuchtigkeit im Schneidraum möglichst hoch zu halten, um ein Austrocknen der Läppsuspension und der im Schneidraum abgesetzten Tonmineralien zu vermeiden. Es ist daher bevorzugt, den Schneidraum mittels Sprühnebel, vorzugsweise mittels schwebefähigem Sprühnebel, feucht zu halten, um so die Verdampfung von Flüssigkeit in der Läppsuspension und/oder in abgeschiedenem Tonmineral, vorzugsweise von Wasser, zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.

Bei dem Einsatz von Sprühnebel wird dieser vorzugsweise in einer Menge in den Schneidraum eingebracht, bei welcher die Läppsuspension auf dem Draht nicht verdünnt wird und vorzugsweise einen im Wesentlichen gleichbleibenden Flüssigkeitsanteil in der Läppsuspension aufrecht gehalten wird.

Vorteilhaft ist auch ein mechanischer Abzieher, welcher die Wände des Schneidraums von abgesetzter Läppsuspension reinigt. Dieser kann bei Bedarf eingesetzt werden und den Schneidraum wenigstens teilweise reinigen.

Eine andere Möglichkeit, um die Ablagerung von Läppsuspension und/oder Tonmineralien im Schneidraum zu vermeiden, ist die Ausgestaltung einer erfindungs- gemässen Drahtsäge mit auswechselbaren Wänden, z.B. Schmutzfangblechen oder Verschalungen welche, während des Betriebs oder nach dem Entladen der bearbeiteten Werkstücke, durch Ersatzbleche / Ersatzverschalungen ersetzt werden können.

Vorzugsweise können Maschineninnenwände, Ableitbleche, Verschalungsbleche sowie Komponenten der Läppsuspensionsförderung hydrophob beschichtet sein, um die Bildung von Ablagerungen zu reduzieren.

Vorzugsweise wird durch die Wahl der Pumpengrösse, des Pumpentyps und/oder der Fliessgeschwindigkeit die Viskosität des Suspensionsmediums gesteuert.

Des Weiteren können Leitungssysteme (Querschnitte resp. die Veränderung von Querschnitten auf einer Förderstrecke), Wärmetauscher und andere Komponenten (Messgeräte, Schieber) zur Steuerung der Viskosität über die Fliessgeschwindigkeit der Läppsuspension ausgelegt werden.

Vorzugsweise wird der Querschnitt einer Leitung mit thixotroper Läppsuspension in der erfindungsgemässen Drahtsäge soweit aufgeweitet, dass die Gelbildung einsetzen kann.

Besonders bevorzugt ist eine Verlangsamungsstrecke/vorrichtung für die Läppsuspension vor der Düse. Diese kann in Form eines Reservoirs vor oder unmittelbar an der Düse ausgestaltet sein.

Die Viskosität der Läppsuspension kann stark mit der Scherrate variieren. Wird die

Läppsuspension stark geschert, so wandelt sich das Gel in eine Newtonsche Flüssigkeit um. Wird die Scherrate auf diese Suspensionsflüssigkeit anschliessend reduziert, bildet sich das tixotrope Gel erneut.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu spanab- tragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine erfindungsgemässe Drahtsäge ein Werkstück in zwei oder mehr Teile trennt, wobei das Werkstück vorzugsweise aus harten, insbesondere sprödharten Materialien, am meisten bevorzugt aus multikristallinem oder monokristallinem Silizium besteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zu spanabtragenden Bearbeitung eines Werkstückes, bei dem eine erfindungsgemässe Drahtsäge ein Werkstück in zwei oder mehr Teile trennt, wobei eine oder mehrere Leitungen, ein oder mehrere Wärmetauscher ein oder mehrere Messsonden der Drahtsäge, die mit der Läppsuspension in direktem Kontakt stehen, im Schneidbetrieb und oder in der Schneidpause mit Suspensionsmedium, Läppsuspension oder Spülflüssigkeit gespült werden.

Besonders bevorzugt sind die o.g. Verfahren, bei denen

(a) das Werkstück aus Silizium besteht, (b) die Läppsuspension Bentonit enthält,

(c) die mittlere Korngrösse des trockenen Bentonits vorzugsweise unter 100 μm, mehr bevorzugt unter 50 μm ist,

(d) die Viskosität der Läppsuspension bei 20 ⁰ C vorzugsweise bei 30 bis 350 mPas liegt und (e) das Bentonit in der Läppsuspension vorzugsweise zu ungefähr 1 bis 10, mehr bevorzugt zu 1 bis 5 Gew.-%, am meisten bevorzugt zu ungefähr 2 bis 3 Gew.-% vorliegt.

Im Folgenden wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in mehr Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die nicht als

beschränkend für den Umfang der Erfindung vorgesehen sind, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.

Figuren

Fig. 1 zeigt schematisch eine zum Schneiden von Siliciumwafem übliche Anordnung von Bauteilen in einer Drahtsäge mit zusätzlichen Elementen, welche speziell für den Betrieb mit auf Ton basierenden Läppsuspensionen vorgesehen sind. Dabei haben die Bezugszahlen die folgende Bedeutung: 1 - Werkstück, beispielsweise ein mono- oder multikristalliner Siliziumblock

2 - Drahtführungsrollen

3 - Draht

4 - Schneid- bzw. Trennraum

5 - Läppsuspensionsbehälter mit Schleifkorn und Suspensionsmedium 6 - Läppsuspensionspumpe

7 - Wärmetauscher zur Kühlung der gebrauchten Läppsuspension

8 - Messgerät für den Läppsuspensiondurchfluss

9 - Messgerät für die Läppsuspensionviskosität

10 - Filter für Werkstücksplitter 11 - Läppsuspensionsdüsen in Schrägstellung mit Leitschaufeln

12 - Sprenkler zur Schaumverringerung

13 - Rührer

14 - Prall-/Schutzbleche,

15 - Umlenkrollen 16 - Werkstückträger mit Vorschub (nach unten in den Draht), Opferplatte, z.B. aus

Glas oder Kunststoff

17 - Neudrahtspule

18 - Altdrahtspule

Fig. 2 zeigt schematisch eine Drahtsäge mit Drahtfeld (5), das über Umlenkrollen (7) geführt wird, wobei das Werkstück (3) mittels Vorschubeinheit (4) mit dem bewegten Draht (5) in Kontakt gebracht wird und die rechte Düsenspitze für die thixotrope Läppsuspension (6) einen festgelegten Vertikalabstand zum Draht und einen festgelegten Horizontalabstand zum Werkstück aufweist. Auch die tiefliegende Spitze (2) der linken Leitschaufel an der linken Düse (1) hat einen festgelegten Vertikalabstand zum Draht und einen festgelegten Horizontalabstand zum Werkstück. Der von der durch

Draht bewegten Läppsuspension geschnittene Teil wird mit (8) gekennzeichnet.