Drahtsägen von Siliziumwafern

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Eine Bedingung zur kostenneutralen Etablierung der Stromversorgung durch Photovoltaik ist das Erreichen der Netzparität, d.h. gleiche Kosten für die Stromerzeugung wie durch die Nutzung konventioneller Energiequellen. Zwischen einem Viertel und einem Drittel der Herstellungskosten für Solarzellen fallen bei der Vereinzelung der mono- oder polykristallinen Silizium-Ingots zu Wafern an.

Industriell werden zur Vereinzelung Multi-Wire-Sägen eingesetzt. Ein Stahldraht wird über Umlenkrollen geführt, welche durch Einkerbungen einen konstanten Abstand der Drahtschlaufen gewährleisten. Der Ingot wird gegen das mit abrasiver Slurry benetzte Drahtnetz gedrückt, wodurch der Sägevorgang ausgeführt wird. Die Slurry besteht typischerweise aus Polyethylenglykol und kantigen SiC-Körnern.

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Problemstellung

Großes Potenzial für Einsparungen ist durch die Reduzierung des Sägeverlusts (kerf loss) gegeben, da etwa die Hälfte des Siliziums zerspant wird. Der Sägeverlust wird maßgeblich durch den Drahtdurchmesser und die Größenverteilung der SiC-Körner in der Slurry bestimmt, er wird aber auch durch die Geschwindigkeit und Spannung des Drahts beeinflusst.

Die Sägeeffizienz beschreibt das Verhältnis von der Menge an gesägtem Silizium zu der dafür eingesetzten Energie. Diese Kenngröße soll natürlich möglichst hoch sein. Auch die Sägeeffizienz ist eine Funktion der oben genannten Prozessparameter und Materialeigenschaften.

Eine Herausforderung liegt damit in der gleichzeitigen Optimierung des Sägeverlustes und der Sägeeffizienz.

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Ergebnisse

Partikelbasierte Simulationen liefern neuartige Einblicke in den experimentell schwer zugänglichen Drahtsägeprozess. In expliziter Weise werden dabei sowohl die Hydrodynamik des Trägerfluids als auch die Dynamik der SiC-Körner im Sägespalt berücksichtigt [Bie08a].

Im Rahmen des BMU-Projekts KerfLoss (Förderkennzeichen: 0327601E) wurde eine Partikelmodellierung für den Drahtsägeprozess erfolgreich eingesetzt. Das Auftreten unterschiedlicher Kontaktregimes, d.h. die Anzahl der Kornlagen zwischen Draht und Kerbgrund, und die damit zusammenhängende Krafteinwirkung auf den Ingot konnten in Abhängigkeit von Drahtspannung und Drahtgeschwindigkeit bestimmt werden.

Als nächster Schritt steht die Implementierung eines Abtragsmodells an, um eine konkrete Optimierung von Sägeverlust und Sägeeffizienz durchführen zu können.

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