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Die Erfindung betrifft verbesserte fluide Trennmedien, wie Sägefluide oder Slurries insbesonders zum Zersägen von sprödharten Materialblöcken, sowie Ihre Verwendung insbesonders zur Herstellung von Wafern, sowie Photovoltaikelementen.
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Wafer, z. B. solche aus Silizium, dienen als Trägerplatte für elektronische Bauteile, insbesonders für Halbleiterbauelemente und Photovoltaikelemente. Sie bilden die Basis für die Herstellung von Solarzellen, welche zu gebrauchsfertigen Solarmodulen weiterverarbeitet werden. Die Wafer werden dabei selbst durch Zersägen multikristalliner quaderförmiger Blöcke, Säulen oder Bricks bzw. monokristalliner, runder bzw. quadrierter Ingots erhalten, wobei das Zersägen üblicherweise mittels Drahtsägen erfolgt, bei denen eine Vielzahl parallel verlaufender, eng nebeneinander liegende Drähte mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit entlang ihrer Längsrichtung über das zu sägende Gut bewegt werden. Eine derartige Drahtsäge ist beispielsweise in der
US-A 2006/0249134 beschrieben.
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Beim Sägen werden Schneide- bzw. Trennwerkzeuge, also die Sägedrähte, zumindest an der jeweiligen Schneidestelle (Schneidspalt) mit einem fluiden Trennmedium in Kontakt gebracht, das unter anderem zum Kühlen der Sägefläche und des Drahtes dient und daher auch als Coolant bezeichnet wird. Das Fluid kann ggf. Abrasions- bzw. Schleifpartikel enthalten und wird demzufolge als Slurry bezeichnet. Beim Einsatz von Sägedrähten mit gebundenem Korn enthält das Fluid üblicherweise keine dieser Abrasions- bzw. Schleifpartikel.
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In ersterem Fall werden die in der Slurry enthaltenen Abrasionspartikel durch den sich mit großer Geschwindigkeit bewegenden Draht mitgerissen und bewirken durch ihre Bewegung im Schneidspalt ein Abplatzen von sprödhartem Material im Schneidspalt, welcher sich dadurch ständig vertieft und so zum Durchtrennen des sprödharten Ausgangskörpers und das Abtrennen der einzelnen Waferscheiben führt.
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Im zweiten Fall befinden sich die harten Abrasionspartikel, welche z. B. aus Diamant sein können, festgebunden auf der Oberfläche des Sägedrahtes und spanen durch die schnelle Bewegung des Drahtes im Schnittspalt sprödhartes Material ab, wodurch sich der Schneidspalt ständig vertieft und so zum Durchtrennen des sprödharten Ausgangskörpers und seinem Zertrennen in einzelnen Waferscheiben führt.
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In beiden Fällen des als Wafersägen bekannten Sägeprozesses werden unterschiedliche fluide Trennmedien verwendet, deren flüssige Phase auch nur als Fluid, Coolant, Sägefluid oder als Trägerfluid bezeichnet werden und z. B. aus 1 oder unterschiedlichen Glykolen bestehen, denen zusätzlich rheologisch aktive Mittel zugemischt sein können.
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Der Anteil der Herstellungskosten der Siliziumwafer beträgt ca. 55% der Gesamtkosten der Solarzellenherstellung, wobei wiederum der grösste Anteil der Kosten bei der Waferherstellung allein dem Sägen zugeordnet wird. Zum Beispiel hat die Verwendung von Slurries dabei einen Kostenanteil von ca. 10% bis 15% am gesamten Sägeprozess. Durch eine wirtschaftliche und ökologische Wiederaufbereitung solcher verbrauchter Slurries bzw. Coolants können daher die Kosten bei der Herstellung solcher Wafer, insbesonders beim Einsatz von Slurries im Sägeprozess deutlich gesenkt werden.
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Darüber hinaus wird der Einsatz solcher Slurries bzw. von Coolants bei der Herstellung von Siliziumwafern in der Zukunft an Bedeutung gewinnen, denn gerade diese bestimmen, ob die Herstellung von Siliziumwafern mit geringem Schnittverlust bzw. mit geringem Energieaufwand bzw. mit hoher Ausbeute bei hoher Oberflächenqualität der Wafer gelingt. Die Herstellung von dünnen Siliziumwafern bzw. das Sägen mit geringen Schnittverlust (Kerf) ist außerdem angestrebt, um mit möglichst geringem Materialeinsatz eine möglichst hohe Anzahl von Wafern pro eingesetzter Brickmasse herzustellen.
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Die dabei verwendeten Trägerfluide oder Trägerflüssigkeiten unterscheiden sich üblicherweise unter anderem durch ihre Viskosität. Häufig verwendete Trägerflüssigkeiten sind dabei Öl, sowie insbesonders Glykole, wie PEG300, PEG400 oder PEG200.
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Diese Trägerflüssigkeiten dienen auch als Kühlmittel und haben vor allem die Aufgabe, die beim der Abrasion bzw. dem Abspanen von Materialteilchen an der Schneidefront im Schnittspalt durch Reibung erzeugte Hitze aufzunehmen und abzutransportieren. Darüber hinaus dienen sie auch dazu, die im Schnittspalt abgespanten Materialteilchen (Kerf) aus diesem zu entfernen. Darüber hinaus dienen sie auch als Suspendiermittel und Transportvehikel bei der Verwendung von losen ungebundenen Abrasionspartikeln bzw. Schneidekörnern.
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Da nun derartige Trägerflüssigkeiten die aus den Blöcken, Säulen, Bricks bzw. Ingots in den Schnittspalten abradierten bzw. abgespanten Materialteilchen (Kerf) nur in einer begrenzten Menge aufnehmen können, müssen die verwendeten Slurries bzw. Coolants von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass insbesondere beim Zersägen von Siliziumblöcken die Viskosität der Sägeflüssigkeit mit zunehmender Beladung an abradierten bzw. abgespanten Materialteilchen (Kerf) stark ansteigt, was zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs beim Sägen führt. Gleichzeitig steigt auch die erzeugte Reibungwärme stark an, was wiederum zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs bei der Kühlung des Coolants bzw. der Slurry führt.
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Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass bei der Verwendung von Sägedrähten insbesonders bei erhöhter Beladung der Slurry bzw. des Coolants mit abradierten bzw. abgespanten Partikeln, die Sägedrähte seitlich ausgelenkt werden, wodurch Wafer, mit nicht konstanter Dicke erhalten werden, welche keine vollkommen ebenen Seitenflächen aufweisen sondern die Sägeriefen, auch Saw Marks genannt, aufweisen.
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Die
EP 1752521 A1 beschreibt ein wässriges Trägerfluid für abrasive Teilchen. Dieses wässrige Trägerfluid enthält Glykole und Glykolether in einem Verhältnis von 1:1 bis 99:1 und 2–50 Gew.-% Wasser. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine aus einem derartigen Trägerfluid hergestellte Slurry bei längerer Verwendung einen sprunghaften Anstieg der Viskosität erfährt, d. h. „sie kippt”. Auch ist diese Slurry dann nur schwer recyclebar und wird deswegen meist verworfen.
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In der
JP 2002-080883 A wird ein wasserlösliches Trägerfluid für eine Drahtsäge beschrieben, welche 90–99.499 Gew.-% eines wasserlöslichen Glykols, wasserlöslichen Glykolethers und wasserlöslichen Glykolesthers sowie bis zu 5 Gew.-% einer organischen Säure und bis zu 5 Gew.-% eines organischen Smektits enthält. Ein derartiges Fluid, welches mit Wasser zum fertigen Sägeslurry vermischt wird, soll eine verringerte Wasserstoffbildung zeigen.
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Die Erfindung hat daher zum Ziel, ein Trägerfluid bzw. Sägefluid bereitzustellen, welches die zuvor genannten Nachteile vermeidet und das bei Verwendung als Coolant oder als Slurrybestandteil beim Wafersägen neben einer erhöhten Waferausbeute, eine verlängerte Stand- bzw. Gebrauchszeit aufweist und welches die Energie, die bei der Herstellung von Wafern benötigt wird, verringert.
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Die Erfindung hat auch zum Ziel, ein Sägefluid bzw. eine Sägeslurry bereitzustellen, welche vielfach recycelt werden kann und mit dem sich auch nach mehrmaliger Verwendung noch gute Wafer sägen lassen.
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Dies bedeutet auch, dass die Sägeslurry bei längerer Verwendung nicht kippt.
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Diese Ziele werden durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale erreicht.
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Es wurde nämlich gefunden, dass durch einen Zusatz von mit einem Alkyl-Rest veretherten Glykolen zu einem ein oder mehrere Glykole enthaltenden Trägerfluid und der Nutzung dieses Trägerfluids direkt als Sägefluid oder Coolant oder zur Herstellung einer Slurry, nicht nur die zum Sägen aufgewendete Energie verringert werden kann, sondern dass damit auch die zum Kühlen der Slurry bzw. des Coolants notwendige Energie verringert wird. Das Fluid ist im wesentlichen frei von Wasser bzw. weist einen möglichst geringen Wassergehalt auf.
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Das Sägefluid weist daher maximal 5 Vol.-% Wasser auf, was ca. 4,24 Gew.-% entspricht (ca. 1,13 g/cm3), wobei es jedoch typischerweise weniger als 2 Gew.-% Wasser enthält. Üblicherweise wird kein Wasser zugesetzt, d. h. der Wassergehalt entsteht lediglich durch unvermeidbares Einschleppen mit den Ausgangsmaterialien und durch Eintrag über die Luftfeuchtigkeit.
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Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise auch die Belastung des Sägefluids mit Kerf deutlich höher sein kann, wodurch sich die Stand- bzw. Nutzungszeit des Coolants bzw. der Slurry drastisch erhöht.
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Das Fluid ist im wesentlichen frei von Wasser bzw. weist einen möglichst geringen Wassergehalt auf.
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Das Sägefluid enthält insbesonders weniger als 1,8 Gew.-% bzw. Gew.-% Wasser, wobei Wassergehalte von weniger als 1,3 bzw. weniger als 1 Gew.-% besonders bevorzugt sind. Typische Gehalte an Wasser sind weniger als 0,8 bzw. 0,5 Gew.-%, wobei ganz besonders maximale Wassergehalte 0,3 bzw. 0,2 Gew.-% bevorzugt sind. Im ungebrauchten Zustand ist das aus den Komponenten zusammen gemischte Sägefluid bis auf einen lieferspezifikationsbedingten Wassergehalt der Komponenten bis auf einen minimalen Anteil von typischerweise max. 0,2 Gew.-% frei von Wasser. Dieser Gehalt steigt während des Gebrauchs durch Eintrag von Luftfeuchtigkeit oder ein Einschleppen auf andere Weise an. Insbesondere an Tagen oder an Standorten mit erhöhter Luftfeuchtigkeit erhöht sich der Wassergehalt des Sägefluides während des Sägens ungewollt, wodurch sich die Standzeit des erfindungsgemäßen wasserfreien bzw. wasserarmen Trennfluids oder Coolants bzw. der Slurry verringert. Auch in solchen ungünstigen Fällen werden Wassergehalte des Sägefluids bzw. der flüssigen Phase der Slurry von größer oder gleich 2 Gew.-% durch die Zugabe von neuen ungebrauchten Fluiden bzw. von recyclisierter gebrauchter Sägefluid oder Slurrys bzw. durch Beeinflussung der Umgebungsbedingungen beim Sägen bewusst ausgeschlossen.
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Außerdem werden mit dem erfindungsgemäßen Sägefluid bzw. Trennfluids der Verwendung dieses Sägefluids in einer Slurry fleckenfreie Wafer erhalten bzw. die Fleckenbildung wird stark verringert. Schließlich lassen sich damit gesägte Wafer auch bei starker Verschlammung auf einfache Weise mit Wasser abspülen.
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Das erfindungsgemäße Sägefluid bzw. Trennfluid enthält üblicherweise mindestens ein Basisglykol. Typische Basisglykole weisen die Formel HO-[(CH2)x-O]n-H auf.
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Dabei bedeutet n eine ganze Zahl. Übliche Maximalwerte für n betragen 14 oder insbesonders 10, wobei Maximalwerte von 7 bzw. 5 besonders bevorzugt sind. Ein bevorzugter unterer Wert für n ist insbesonders 2, wobei sich auch ein unterer Wert von 3 als geeignet erwiesen hat. x bedeutet 1, 2, 3 oder 4.
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Ebenfalls geeignete Glykole weisen als Repetitionseinheiten solche Glykole auf, die aus Ethylen-, Propylen- und Butylen-Einheiten aufgebaut sind. Dabei können die Einheiten sowohl linear als auch aus verzweigten bzw. isomeren Einheiten aufgebaut sein. Sie können auch aus gemischten Einheiten aufgebaut sein.
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Typische Basisglykole sind PEG200, sowie PEG300 und PEG400. Bevorzugt sind jedoch Ethylenglykole sowie Propylenglykole und Gemische davon. Besonders bevorzugt sind Ethylenglykol, Diethylenglykol und Triethylenglykol bzw. Dipropylenglykol.
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Das erfindungsgemäß zugesetzte veretherte Glykol ist insbesonders ein Polyethylenglykol, der mit einem Alkylrest verethert ist. Er weist vorzugsweise die Formel HO-[(CH2-)a-O]b-R auf.
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Dabei bedeutet b eine ganze Zahl von mindestens 1 bzw. 2 insbesonders 1–8 und a 1, 2, 3 oder 4. R bedeutet ein linearer oder verzweigter Alkylrest mit 1–10 bzw. 1–8 C-Atomen.
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Ist das Basisglykol PEG300 bzw. PEG400 kann erfindungsgemäß der Zusatz von einem Ethylenglykol der allg. Formel HO[CH2-O)m-H mit m = 1 oder 2 erfolgen. In diesem speziellen Fall kann auf den Zusatz eines mit einem Alkyl-Rest veretherten Glykolethers verzichtet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist a = 2. R steht für einen Alkylrest mit 1–10 C-Atomen vorzugsweise 2–8 C-Atome.
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Besonders bevorzugt sind veretherte Alkylreste mit einem maximalen Anteil an C-Atomen von 6, insbesonders von 4.
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Typischerweise beträgt der Anteil des mit einem Alkylrest veretherten Glykols an der gesamten Menge des Sägefluids (d. h. ohne ggf. enthaltene Schneidekörner, sowie weitere Additive) mindestens 1 Gew.-%, wobei eine Mindestmenge von 3 insbesonders 5 Gew.-% bevorzugt sind. Besonders bevorzugt sind Mindestmengen von 10 Gew.-%. Ein üblicher Maximalanteil des mit einem Alkylrest veretherten Glykolanteils am Gesamtfluid beträgt maximal 50 Gew.-%, wobei maximal 40 Gew.-% bevorzugt ist. Besonders bevorzugt sind Maximalwerte von 35 bzw. 30 Gew.-%.
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Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Fluid auch noch mit hoher Verschlammung, d. h. einen hohen Gehalt an abgespanten Materialpartikeln, verwendbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird von Zeit zu Zeit verbrauchte Sägeslurry bzw. Coolant entnommen und teilweise durch neues ersetzt.
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Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, einen Gehalt an abgespanten Materialpartikeln (Kerf) von 2–8 Gew.-%, vorzugsweise von 2–6 Gew.-% einzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält z. B. die Slurry bis zu 5 Vol.-% Wasser, vorzugsweise jedoch die flüssige Phase der Slurry, das Sägefluid nur weniger als 2 Gew.-% Wasser.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Wasser einen leicht sauren pH-Wert von 3–6 auf, wobei ein pH-Wert von 3 bis 5, insbesonders ein pH-Wert von 4 +/– 0,5 besonders bevorzugt ist. Der Gehalt dieses Wassers an Säure beträgt dabei zwischen 0,1 und 3 mol/1, wobei ein Wert zwischen 0,5 und 2 mol/1 besonders bevorzugt ist. Eine typische Konzentration beträgt dabei 1 +/– 0,5 mol/l. Erfindungsgemäß sind hierbei sämtliche Säuren verwendbar, solange diese bei Gebrauch weder Sägedraht noch das zu sägende Material angreifen. Es hat sich hier jedoch gezeigt, dass Zitronensäure ganz besonders geeignet ist.
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Typische zu zersägende Materialien sind sämtliche sprödharten, insbesonders kristallinen Materialen, wobei mono- oder polykristallines Silizium besonders bevorzugt ist.
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Das erfindungsgemäße Sägefluid eignet sich besonders zur Verwendung mit Drahtsägen, insbesonders sog. Multiwire-Sägen. Dabei ist das Sägefluid sowohl für das Sägen mit loser als auch mit gebundenem Korn geeignet. Beim Sägen mit loser Korn wird eine Slurry, die aus einer Suspension aus Abrasionskörnern, meist SiC, Diamant oder Korund, und dem Sägefluid besteht, auf ein auf ein aus vielen Drähten gebildetes Drahtfeld aufgebracht. Jeder der parallel zueinander geführten Einzeldrähte erfährt vor dem Eindringen in das sprödharte Material eine Benetzung durch die Slurry. Die Slurry wird von jedem der sich schnell bewegenden Drähte mitgerissen und dringt zusammen mit dem Draht in den Schneidspalt ein. Im engen Schneidspalt entfalten die Abrasionskörner ihre abradierende Wirkung, indem sie sowohl den Draht als auch das sprödharte Material zeitweise so berühren bzw. sich in diesem Zwischenraum verklemmen, dass Material von der Kontaktstelle bzw. Kontaktfläche abplatzt bzw. entfernt wird. Die Drähte schneiden sich so immer tiefer in das sprödharte Material ein, bilden Schneidspalte und führen letztendlich zu einem vollständigen Durchtrennen des zu zersägenden Materials z. B. eines Blockes, einer Säule, eines Bricks.
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Beim Sägen mit gebundenem Korn wird ein Sägedraht benutzt, bei dem an dessen Oberfläche die entsprechend harten Abrasionspartikel fest mit diesem Sägedraht verbunden sind. Im Unterschied zum oben beschriebenen Sägen mit loser Korn schleifen die am Draht anhaftenden Abrasionspartikel über die Oberfläche des Schneidspaltes und spanen dabei etwas sprödhartes Material ab. Das erfindungsgemäße Sägefluid dient in diesem Verfahren zur Kühlung und der Aufnahme an abgespanntem sprödharten Material. Auch dabei schneiden sich die Drähte immer tiefer in das sprödharte Material ein, bilden Schneidspalte und führen letztendlich zu einem vollständigen Durchtrennen des zu zersägenden Materials z. B. eines Blockes, einer Säule, eines Bricks bzw. eines quadrierten oder runden Ingots führt.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines derartigen Fluids bei der Herstellung von elektronischen Bausteinen, wie insbesonders Computerchips und insbesonders Photovoltaikzellen, sowie derartige Anlagen.
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Die Erfindung soll an folgenden Beispielen näher erläutert werden:
Es wurde ein SägefFuid aus Diethylenglykol und Diethylenglykol-Monobutylether im Verhältnis 4:1 hergestellt. Dieses Sägefluid wurde in einem Verhältnis von 52 Gew.-% Sägefluid zu 48% Siliciumcarbid zu einer Slurry vermischt. Mit dieser Slurry wurde ein Siliziumblock mit der Kantenlänge von 6 Zoll zu Wafern mit einer Dicke von 200 μm gesägt. Die Drahtgeschwindigkeit betrug dabei 14 m/s und der Vorschub 400 μm/min. Es wurde ein Draht von 130 μm Durchmesser verwendet, wobei der Pitch (der Abstand zwischen 2 Drähten) 360 μm betrug.
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Der gleiche Versuch wurde mit einer handelsüblichen Slurry durchgeführt, bei der als Sägefluid PEG200 verwendet wurde. Beim Vergleich der erfindungsgemäßen Slurry zu einer handelsüblichen Slurry zeigte sich, dass bei der PEG200-basierten Slurry gemäß dem Stand der Technik bereits die Ausgangsviskosität wesentlich höher war und während des Beladens mit abgespanten Siliziummaterialteilchen (Kerf) laufend zunahm. Im Gegensatz dazu war die Ausgangsviskosität der erfindungsgemäßen Slurry bereits deutlich geringer und nahm während der Beladung mit Siliziumpartikeln (Kerf) sogar leicht ab.
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Der Verlauf ist in 1 dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0249134 A [0002]
- EP 1752521 A1 [0013]
- JP 2002-080883 A [0014]
