Der perfekte Schnitt

Zwiebeln in feine Scheiben zu schneiden, will nicht nur geübt sein, auch die Wahl des richtigen Schneidwerkzeugs trägt zum Gelingen der Zwiebelringe bei. Ähnlich verhält es sich beim Sägen von quaderförmigen Siliziumblöcken zur Herstellung von Wafern für Solarzellen.

Damit aus den Siliziumblöcken, auch Ingots genannt, hauchdünne Wafer entstehen, ist ein besonderes Sägewerkzeug nötig: Ähnlich einem Eierschneider fräst sich ein filigraner Draht mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 Stundenkilometern durch den Ingot. Mehrere Hundert Kilometer lang ist dieser Draht, und er wird so geführt, dass der Quader gleichzeitig in Hunderte von Wafern zersägt wird. Dieser Prozess dauert etwa sechs Stunden. Die Scheiben, die dabei entstehen, sind etwa 180 Mikrometer dick.

»Die Herausforderung beim Sägen der Wafer ist, die Sägespaltbreite zu reduzieren«, erklärt Dr. Rainer Kübler, Leistungsbereichsleiter am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Das ist der Abstand zwischen zwei Wafern, der maßgeblich durch die Dicke des Drahtes bestimmt ist. Der Stahldraht wird mit einer Art Paste, der Slurry, benetzt – eine Mischung aus Siliziumcarbid und Polyethylenglycol. Sie ist härter als Silizium und fräst sich durch den Ingot. Der Spalt entsteht, weil das Silizium beim Sägen zerstaubt. »Bisher betragen die Spaltbreiten etwa 180 Mikrometer«, sagt Kübler. »Das bedeutet: Bei einer Waferdicke von 180 Mikrometern haben wir pro Siliziumscheibe die gleiche Menge an Verschnitt. Das ist ineffizient.« Das Ziel der Forscher: »Wir wollen geringere Sägespaltbreiten von etwa 100 Mikrometern erreichen, die auch industriell umgesetzt werden können.«

Dazu untersuchen sie in einem vom Bundesumweltministerium BMU finanzierten Forschungsprojekt den Abtragungsmechanismus mit einer Einspalt-Drahtsäge: Vor allem sind die Wissenschaftler an den Wechselwirkungen zwischen Draht, Slurry und Silizium interessiert. Zudem arbeiten sie mit computergestützten Modellen, so dass sie verschiedene Konstellationen simulieren können. Welche Kräfte wirken beim Sägen mit dünnen Drähten? Wie erreicht man eine gute Benetzung des Drahts? Wie müssen die Korngrößen und die Verteilung der Partikel in der Slurry beschaffen sein?

»Wir wollen diese Fragen beantworten und so zu optimalen Draht-Slurry-Systemen kommen, die sich für den industriellen Gebrauch eignen«, sagt Kübler. Derzeit erzielen die Forscher Sägespaltbreiten von 90 Mikrometern – eine enorme Steigerung der Effizienz, denn der Ausschuss lässt sich so um die Hälfte verringern.