Process Modelling of Diamond Wire Sawing

Abstract

Photovoltaic technology plays an important role in the efforts to reduce greenhouse gas emissions during energy generation. The growth in total installed capacity has been remarkable in recent years, but if energy production is to be emission-free by 2050, the energy generated by solar power must grow by 24% annually. The demand for silicon wafers, on which the most widespread technology is based, is correspondingly high. To produce wafers, silicon monocrystals are cut into hundreds of wafers at a time on diamond wire saws using a < 100 µm thick wire impregnated with diamonds. Efforts to maximise material utilisation are leading to the use of thinner wires to produce larger and thinner wafers. These efforts present challenges in terms of weakening and deformation of the wafers. The weakening results from the brittle material behaviour during cutting. Under certain conditions, the hard and brittle silicon can be cut in a ductile manner, resulting in a less damaged surface. Plastic flow is only possible under atmospheric conditions by pressure-induced phase transformations, which, however, can lead to amorphisation of the material on the surface, thus to volume change and potentially to deformation-inducing stresses. In this study, a contribution to the state of the art is made by systematically investigating the relationship of the pressure induced by the cut with normal forces and indentation depth in single grain scratch tests. The scratch and ploughing hardness, friction coeffcient and cutting-tonormal force ratio are determined. The influence of grain shape on phase change at high cutting speeds is discussed. The results are applied to diamond wire sawing. A model for the description of the wire bow due to acting forces is presented. Based on this, a correlation between forces, cutting speed, wire topography and the achieved material removal rate is derived. Verification experiments are carried out on a specially developed wire sawing machine.

Die Photovoltaiktechnik nimmt bei den Bestrebungen, den Treibhausgasausstoss während der Energieerzeugung zu reduzieren, einen wichtigen Stellenwert ein. Der Zuwachs der installierten Gesamtleistung ist seit Jahren beachtlich. Wenn die Energieerzeugung jedoch bis 2050 emmissionsfrei sein soll, muss die durch Solarstrom erzeugte Energie jährlich um 24% wachsen. Entsprechend hoch ist der Bedarf an Siliziumwafern, auf denen die verbreitetste Technologie beruht. Zur Herstellung von Wafern werden Siliziumeinkristalle auf Diamantdrathsägen durch einen < 100 µm dicken, mit Diamanten belegten Draht in hunderte Wafer gleichzeitig getrennt. Bestrebungen die Materialausnutzung zu maximieren führen zur Verwendung immer dünnerer Drähte um grössere Wafer mit immer geringerer Dicke zu erzeugen. Diese Bestrebungen bringen Herausforderungen mit sich, die sich durch Schwächung und Verformung der Wafer äussern. Die Schwächung resultiert aus dem spröden Materialverhalten beim Schnitt. Das sprödharte Silizium kann unter bestimmten Voraussetzungen duktil geschnitten werden, was zu einer weniger stark geschädigten Oberfläche führt. Das plastische Fliessen ist unter atmosphärischen Bedingungen nur durch druckinduzierte Phasenumwandlungen möglich, die jedoch zu Amorphisierung des Materials auf der Oberfläche, somit zu Volumenänderung und potenziell zu verformungsinduzierenden Spannungen führen können. In dieser Arbeit wird ein Beitrag zum Stand des Wissens geleistet, indem der Zusammenhang des durch den Schnitt induzierten Druck mit Normalkräften und Eindgringtiefe in Einzelkornkratzversuchen systematisch untersucht wird. Dabei werden Kratz- und Pflüghärte, Reibkoeffzient und Schnitt-zu-Normalkraft Verhältnis bestimmt. Der Einfluss der Kornform auf die Phasenveränderung bei hoher Schnittgeschwindigkeit wird diskutiert. Die Ergebnisse werden auf das Diamantdrahtsägen übertragen. Es wird ein Modell zur Beschreibung des Drahtbogens aufgrund wirkender Kräfte vorgestellt. Darauf aufbauend wird ein Zusammenhang zwischen Kräften, Schnittgeschwindigkeit, Drathttopografie und die erreichte Abtragrate erarbeitet. Verifikationsexperimente werden auf einer eigens entwickelten Drahtsägemaschine durchgeführt.