单晶硅切割工艺装备设计(完).doc

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1、单晶硅切割工艺装备设计 摘 要 多线切割机是IC(集成电路)、IT(信息技术)、PV(光伏)等行业核心器件基片制造 流程中的关键装备。多线切割是目前最先进的切片加工技术，其原理是通过金属线的 高速往复运动把磨料带入待切割材料中进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片 薄片的创新性切片工艺。但多线切割机制造技术难度大，其核心技术长期被瑞士、日 本等国家的极少数公司所垄断，严重制约了我国半导体照明、光伏、集成电路制造等 产业的发展。开发具有自主知识产权的多线切割技术及装备，已成为突破国外技术封 锁和国内产业瓶颈的关键举措。 本文分析了多线切割机的工作原理和结构特点，在此基础上，主要对多线切割的 机

2、械设备及控制系统进行了设计。其次对影响多线切割效率的因素以及多线切割的微 观机理进行了分析和总结。经过比照同类切割机以及查阅相关资料，确定了所设计多 线切割机的主要技术参数与工艺参数，其设备设计主要内容包括：升降台工作系统设 计|、主辊传动系统设计、收放线轮系统设计、排线系统设计、张力系统设计。 关键词：多线切割机，设备设计，张力系统，切割液 Monocrystalline silicon cutting process equipment design ABSTRACT Many line cutting machine is IC (integrated circuit), IT (inf

3、ormation technology), PV (photovoltaic) core device manufacturing industry such as substrate flow of the key equipment. Many line is the most advanced slice processing technology, the principle of which is through the metal line of high speed reciprocating movement into the abrasive materials for cu

4、tting of grinding, will stay cut into pieces and cutting for hundreds or thousands of thin slices of innovation slice process. But many line cutting mechanism, the technical difficulties made core technology has long Switzerland, Japan and other countries a monopoly of the company, which seriously r

5、estrict the semiconductor lighting in our country, and photovoltaic, integrated circuit manufacturing industry. Development with independent intellectual property rights of the many line cutting technology and equipment, and has become a breakthrough technology from abroad and domestic industry of t

6、he blockade key measures. Bottlenecks This paper analyzed the working principle of five-axis wedm machine and the structure characteristics, based on this, mainly to the many line of mechanical equipment and control system design. Next to influence the efficiency of the line and the linear factors m

7、icroscopic mechanism were analyzed and summarized. After the same cutting machine and inspection according to related material, make sure the design line cutting machine more than the main technical parameters and process parameters, the equipment design main content includes: lift platform work sys

8、tem design, the main roller | transmission system design, the wheel system design, drawing line system design, tension system design KEY WORDS: Many line cutting machine，Equipment design，Tension system，Cutting fluid 目 录 摘要 ABSTRACT 1 绪论1 1.1 课题背景及意义1 1.2 多线切割机的国内外研究现状及发展趋势2 1.2.1 国内外研究现状 2 1.2.2 多线切

9、割机的技术发展趋势3 1.3 多线切割与内圆切割的对比4 1.4 多线切割技术的工艺流程6 1.5 影响线切割切削能力的因素分析7 1.6 课题技术内容与本设计重点难点9 1.6.1 课题设计内容9 1.6.2 设计的重点难点9 2 多线切割机总体设计方案10 2.1 多线切割机的工作原理10 2.2 游离磨料多线切割机的三大辅材10 2.3 砂浆的组成及回收11 2.4 游离磨料多线切割的材料去除机理13 2.4.1 单颗磨粒滚动(压痕模型)14 2.4.2 多磨粒压痕效应模型15 2.4.3 弹性-流体动压效应模型16 2.4.4 磨削液的作用16 2.4.5 单晶硅各向异性的影响16 3

10、 多线切割机机械系统设计17 3.1 本设计切割机的机械系统总体设计思路18 3.2 本设计切割机的主要技术参数 18 3.3 多线切割机机械系统结构与功能18 3.3.1 工作台升降系统设计19 3.3.2 主辊传动系统设计19 3.3.3 收放线轮系统设计21 3.3.4 排线系统设计23 3.3.5 张力系统设计24 4 多线切割机控制系统设计26 4.1 多线切割机控制系统组成29 4.1.1 张力控制系统30 4.1.2 多电机同步控制系统31 5 结论 32 5.1 本论文所作的工作32 5.2 对本课题的展望33 致 谢 34 参考文献 35 1 绪论 1.1 课题背景及意义 光

11、伏和半导体照明产业是我国的战略性产业之一。光伏产业属于新兴行业，由于 它具有环保，低耗等多个明显优点，所以在以后的工业进程中具有很好的发展前景。 根据赛迪顾问公司研究报告统计：”2007 年国内光伏和集成电路产业基片需求额为 2121 亿元，2008 达到 3561 亿元，从 2009 年到 2012 年其需求量平均每年以 12%- 16%的速度增长。自从 60 年代起，半导体材料被广泛的应用于各类电子元件，其中硅 类半导体更是因为其价格低，易于生产等优势成为半导体行业的新宠（图 1-1 为全球 硅晶体产量变化曲线图）。于此同时集成电路也正朝着极大规模集成电路/超大规模集 成电路的方向发展，对

12、硅锭的切片加工设备的精度、加工件的几个规格及切片的厚度、 平行度等主要指标均提出了更高的要求。目前，世界需求量最大的硅片直径在 6 寸、6.5 寸、8 寸。但随着电子通讯设备，汽车，工业自动控制，航天与军事等的发展，将逐渐 使用直径在 300mm、450mm 的硅片。 图 1-1 全球半导体级单晶硅/太阳能级多晶硅/以及单/多晶硅产量 多线切割机是一种广泛应用于 IC、IT、PV 行业中，如单晶硅、蓝宝石、石英晶体、 压电陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料精密切片加工的电子专用设备，同时它更是光电信 息产业核心器件基片制造流程中的关键装备。多线切割是目前应用最广的切片加 工技术，其原理是通过金属线的高

13、速往复运动把磨料带入待切割材料加工区域进行研 磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创新性切片工艺。在该工艺中，切割线 被缠绕在一个导线辊上，可以一次性完成相当于多刀切割机数百次的切割量，而且在 切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等关键技术指标上均明显优于传统的加 工设备，多线切割机以其切割速度快、加工精度高、切割损耗低的优点，已逐渐取代 了传统的内圆切割和外圆切割技术，成为硬脆性材料切片加工的主流设备。 时至今日，世界各国对于多线切割机的研制已经取得了一定的研究成果。尤其以 日本、瑞士最先进入产业化，商品化。而我国在多线切割机的研制方面却一直没有大 的突破，现在国内大部分生产硅片的厂

14、商基本上都是使用外国进口的设备。同时国内 对于多线切割机的设计制造技术，也只掌握在国内几个大型机械设备制造公司这样严 重制约了我国集成电路制造、光伏、半导体照明等多项战略性产业的发展。为了打破 国外技术垄断，促进我国集成电路制造、半导体照明、光伏等产业相关行业产业链的 形成，我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)重大专项“极 大规模集成电路制造装备及成套工艺中专门设立“300mm 硅片多线切割机的开发 【2009ZX0201102】”的子课题。 多线切割机的成功研制和实现产业化，将攻克极大规模集成电路制造产业链中基 片加工环节的核心技术，解决我国多线切割机设备长期以来

15、一直完全依赖于国外进口 的局面，保证我国电子工业健康快速地发展。研究多线切割机关键技术，开发具有我 国自主知识产权的高精度多线切割机产品，是突破国外技术封锁和国内集成电路等相 关产业瓶颈的关键举措。 1.2 多线切割机的国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 国内外研究现状 多线切割机属于专用精密数控机床，其加工精度高、控制系统复杂、制造难度大， 国外公司从上世纪 80 年代中期开始研究，目前国外线切割设备生产厂家主要有日本 TAKATORl 公司、NTC 公司以及瑞士的 M&B 公司、HCT 公司等。各品牌的切割机产 品各有特色，按主辊的个数来分类，代表性的产品见图 1-2。日本线切割机以 T

16、AKATORI 品牌为代表，其产品采用三加工辊驱动形式，代表性产品 MWS- 3020、MWS-610SD(见图 1-2a)，其系列产品可用于 100mm200m 之间水晶、蓝宝石、 磁性材料、光电材料的切割。NTC 公司 MNM444B 和 MWM454B 切割机也是采用 3 个加工辊的结构，主要提供 300mm 晶圆片线切割机。瑞士 MeyerBurger 公司的 DS261DS264 系列大型切割机专为太阳能级硅片切割设计，采用两加工辊驱动方式， 该机型最大可切直接为 8 英可的硅棒，具有走线速度快、加工精度高的优点，其中 DS-264(见图 l-2c)在我国使用较为广泛。 图 1-2

17、代表性的切割机产品 瑞士HCT公司在切割机领域起步早，其设计的切割机产品多采用四个加工辊驱动， 工作台的面积大产品属于切割机市场的高端产品，其主要产品有 E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四种，其中E400SD、E500S两种机型主要 适高精度多线切割机数控系统关键技术及其应用研究用于太阳能级硅片加工，最大加 工到150mm。E500ED-8，E400E-12适用于半导体圆片加工生产，E500ED-8为200mm 设备，E400E-12为300mm设备。 随着我国光电信息产业的飞速发展，对多线切割机的研究也日益得到重视，近 10 年来，我国许多科研院校和企业在这方面

18、进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。 其中湖南大学与湖南宇晶机器有限公司合作先后开发出 XQ300 系列切割机产品投入市 场应用，目前已成功销售 100 余台。电子集团四十五所、上海日进及兰州瑞德设备制 造有限公司等高科技企业也成功开发了系列多线切割机。 1.2.2 多线切割机的技术发展趋势 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家 投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。多线切割机的发 展趋势可概括如下： （a）大型化。在保证加工精度的基础上，增加加工辊切割面的有效面积，以便一 次加工更多材料，使晶片加工的切片一致性提高，提高基片的档次，同

19、时降低生产成 本。 （b）高速度。高速数控系统会使多线切割机的实现高速化，走线速度的提高，有 利于加快切割速度，提高线割机加工效率。另外，走线速度的增加将提高砂浆的流动 性、渗透性，等效于增加砂浆配比，一方面增强切割机的研磨效果，另一方面可以减 少单位切片研磨砂的消耗量，降低生产成本。 （c）高精度。改善多线切割及动态、静态特性等有效措施，机器精度提高，高精 度的切割机系统会使使切割线无效磨擦减少，切割线径减小一方面会使加工材料损耗 减少，加工晶片表面损伤层浅，粗糙度小，出片率高。另一方面会提高切片的弯曲度、 翘曲度、平行度、总厚度公差等核心性能指标。 （d）电镀金刚石线锯切割。电镀金刚石线锯

20、是把金刚石或者碳化硅颗粒用一定的 技术固定到切割线上进行切割。这样做可以极大的提高切割效率，降低切割成本。并 且如果采用电镀金刚石线锯切割就可以直接采用水做切割液。大大的改善了工作环境。 （e）智能化。综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，切割 机加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处 理，在网络化基础上实现了中央集中控制的群控加工。 1.3 多线切割技术与内圆切割技术分析 在硅片切割工艺发展过程中，内圆切割技术在多线切割还未成熟之前一直是硅片 加工的主流技术。其切割原理及其切割机外观如图 1-3。该技术于二十世纪七十年代末 发展成熟。随着硅片

21、切割直径的不端增大，内圆切割工艺所需内圆刀片尺寸不断增大， 刀片张紧力也相应增大。同时刀片刃口的加厚增加了切割损耗，高速切割使硅片表面 的损伤层及刀具损耗加大。这些缺点使内圆切割技术在硅片大直径化方向，在提高品 质、提高效率、降低成本方面均受到了制约。加之内圆切割刀具制作上也存在很多困 难，基于这样的情况，渐渐的内圆切割技术将被多线切割所取代。图 1-4 为多线切割 机外观图。 图 1-3 内圆切割机外观及其切割原理图 图 1-4 多线切割机外观图 虽然现在在大直径单晶硅切割加工中多线切割技术作为主流的加工方式，逐步取代 传统的内圆切割技术方式。但在所有的硅材料切片加工中，内圆切割技术与线切割

22、技 术在实际应用中任互为补充的而存在着。 内圆切割虽然具有诸多限制因素，但它也具有自己无法比拟的优点。其优点主要表 现在：切片精度高；切片成本低；每片都可调整，灵活性高；小批量多规格加工是具 有可调性；自动、单片切割模式切换方便；辅料成本低；在不同片厚，不同棒径下所 需调整时间少；修刀、装刀方便快捷。 相对的多线切割技术也有很多不足的地方，其缺点主要有：片厚误差较大；切割 过程不易控制，不易实现智能检测控制；切割风险极大（因为是整棒切割，一旦断丝 则基本整棒报废）；无法实现单片质量控制（只有等一次切割完成后，才能对整批硅 片进行检测）。 由于当下切割技术的不断发展，人们对硅片的质量也有了更高的

23、要求。硅片直径 将更大，片厚将更薄。而内圆切割机使用环形不锈钢内圆切片，内刃口镀制金刚砂颗 粒，周边用机械方法张紧，这种切片机根据单晶硅的装夹不同又可分为立式和卧式， 主轴结构形式为流体静压轴承，工作介质可以是空气或者主轴油，刀片刃口厚度在 0.280.34mm 之间，这种设备单元加工效率较低，材料损耗大，仅适用于片厚变化较 大，加工尺寸较小的小型企业。 多线切割机的切割机理与内圆切割机完全不同，它采用直径在 0.080.20mm 的合 金钼丝代替了内圆刀片，大大的降低了切割过程中硅棒损耗。多线切割可分为游离磨 料多线切割和镀膜金刚石多线切割。游离磨料多线切割机将合金钼丝缠绕在导线轮上， 驱动

24、导线轮和单晶硅棒做相对运动，砂浆磨削、冷却达到磨切硅片的目的。镀膜金刚 石线切割则是把金刚石颗粒电镀在切割线上，进行的切割方式。多线切割所切硅片与 内圆切割所切硅片相比具有弯曲度（BOW）、翘曲度（WARP）、平行度（TAPER） 好，片厚误差小，切口小，刃口切割磨损小，硅片表面损伤层较浅，硅片质量受人为 影响小等优点。且多线切割应用领域更广，它不仅可以用作单晶硅的切割，还在砷化 镓、人造宝石、蓝宝石、水晶、碳化硅等硬脆性材料的切割中具有广泛的应用。多线 切割机与内圆切割机的具体性能比较见下表 1-1。 表 1-1 多线切割机与内圆切割机性能比较表 性质参数游离磨料多线切割 内圆切割 切割方式

25、研磨 磨削 切割表面特征 线痕 破碎、开裂 损伤层深度（um） 1015 2030 生产效率(cm2/hr） 110220 1030 单次切片数（片） 20003200 1 硅料损耗（um） 200300 300500 硅片最小厚度 （um） 180220 300350 最大切割直径 （mm） 大于 300 小于 200 硅片弯曲度轻微严重 1.4 线切割技术的工艺流程 多线切割技术是利用线网与工件的相对运动来实现对工件的切割。从一根完整的 硅棒到硅片成品要经过很多道工序。总的来说线切割的工艺流程如下图 1-5 所示。 图 1-5 线切割工艺流程图 下面我将分别对每道工序 进行简单的说明。 （

26、a）圆棒分段：既是把单晶整棒（一般在 12 米）进行简单的分段。所分晶棒的 长度随多线切割机加工能力的不同也不尽相同。一般在 300400m 之间。 （b）圆棒开方：开方的过程由专门的开方机进行，开方既是把切好的晶棒段进行 加工，使之成为硅锭的过程。 （c）磨面：对开方过的晶锭四个表面进行打磨，达到要求的表面粗糙度。 （d）滚圆：用磨床将硅锭的四条棱进行打磨，使其光滑平整。 （e）粘胶：把待切的硅锭用特制的胶水粘在工件铁板上，方便硅锭在切割机上的 装夹。 （f）多线切割：既是把硅锭多线切割成硅片的过程。也是整个线切割工艺流程中 最为重要的一环。 （g）脱胶：把切好的硅锭连同工件板一起放在脱胶槽

27、内，使硅片和工件板分离。 便于下阶段硅片的清洗。 （h）硅片清洗：清洗掉硅片上残留的砂浆液，初步剔除不合格及有缺损的硅片。 硅片清洗现在又专门的硅片清洗机。 （i）硅片检验：对加工好的硅片进行细致的检验。主要检验内容有：厚薄不均、 线痕、硅落边缘、脏污、应力片等。 1.5 影响线切割切削能力的因素分析 在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是：切割液的粘度， 碳化硅微粉的粒型及粒度，砂浆的粘度，砂浆的流量，钢线的速度，钢线的张力，工 件的进给速度等。 （1）切割液（PEG）的粘度 由于在整个切割过程中，碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的， 所以切割液主要起悬浮和冷却的

28、作用。 （a）切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系 统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士线 切割机要求切割液的粘度不低于 55，而 NTC 要求 22-25，安永则低至 18。只有符合机 器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及 砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。 （b）由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割 液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标，就会导致液的流动性差，不能将 温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度 控

29、制。 （2）碳化硅微粉的粒型及粒度 太阳能硅片的切割其实是钢线带着碳化硅微粉在切，所以微粉的粒型及粒度是硅 片表片的光洁程度和切割能力的关键。激光划片机、粒型规则，切出来的硅片表明就 会光洁度很好；粒度分布均匀，就会提高硅片的切割能力。 （3）砂浆的粘度 线切割机对硅片切割能力的强弱，与砂浆的粘度有着不可分割的关系。而砂浆的 粘度又取决于硅片激光划片机切割液的粘度、硅片切割液与碳化硅微粉的适配性、硅 片切割液与碳化硅微粉的配比比例、砂浆密度等。只有达到机器要求标准的砂浆粘度 （如 NTC 机器要求 250 左右）才能在切割过程中，提高切割效率，提高成品率。 （4）砂浆的流量 钢线在高速运动中，

30、要完成对硅料的切割，必须由砂浆泵将砂浆从储料箱中打到 喷砂咀，再由喷砂咀喷到钢线上。砂浆的流量是否均匀、流量能否达到切割的要求， 都对切割能力和切割效率起着很关键的作用。如果流量跟不上，就会出现切割能力严 重下降，导致线痕片、断线、甚至是机器报警。 （5）钢线的速度 由于线切割机可以根据用户的要求进行单向走线和双向走线，因而两种情况下对 线速的要求也不同。单向走线时，钢线始终保持一个速度运行（MB 和 HCT 可以根据 切割情况在不同时间作出手动调整） ，这样相对来说比较容易控制。目前单向走线的操 作越来越少，仅限于 MB 和 HCT 机器。 双向走线时，钢线速度开始由零点沿一个方向用 2-3

31、 秒的时间加速到规定速度， 运行一段时间后，再沿原方向慢慢降低到零点，在零点停顿 0.2 秒后再慢慢地反向加速 到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中， 线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高，但不能低于或超过砂 浆的切割能力。如果低于砂浆的切割能力，就会出现线痕片甚至断线；反之，如果超 出砂浆的切割能力，就可能导致砂浆流量跟不上，从而出现厚薄片甚至线痕片等。 目前 MB 的平均线速可以达到 13 米/秒，NTC 达 10.5-11 米/秒。 （6）钢线的张力 钢线的张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一。张力控制不好是产生线痕片、 崩边、甚至

32、短线的重要原因。 （a）钢线的张力过小，将会导致钢线弯曲度增大，带砂能力下降，切割能力降低。 从而出现线痕片等。 （b）钢线张力过大，悬浮在钢线上的碳化硅微粉就会难以进入锯缝，切割效率降 低，出现线痕片等，并且断线的几率很大。 （c）如果当切到胶条的时候，有时候会因为张力使用时间过长引起偏离零点的变 化，出现崩边等情况。MB、NTC 等线切割机一般的张力控制在送线和收线相差不到 1，只有安永的相差 7.5。 （7）工件的进给速度 工件的进给速度与钢线速度、砂浆的切割能力以及工件形状在进给的不同位置等 有关。工件进给速度在整个切割过程中，是由以上的相关因素决定的，也是最没有定 量的一个要素。但控

33、制不好，也可能会出现线痕片等不良效果，影响切割质量和成品 率。 1.6 课题设计内容与本设计重点难点 1.6.1 课题设计内容 多线切割机设计所采用的技术可以概括为以下五个系统： （a）主辊传动系统此系统主要包括主辊的设计，主辊驱动系统的设计。 （b）线丝张紧系统线丝张紧力保持一定的张力是保证切割表面质量的主要因 素。 （c）切割进给伺服系统（工作台升降系统）在保证不断线的情况下，实现硅 片切割的高效性。 （d）收放线轮系统收放线轮的设计、制造、回收。 （e）砂浆系统磨料的密度、温度、粘度调节。砂浆废液的回收分离技术。如 何提高砂浆的可利用率，延长砂浆使用寿命，降低生产成本。 （f）自动排线系

34、统提高排线精准度，降低断线几率，减少布线错误，降低劳 动强度。 多线切割机的生产工艺主要有以下几个方面： （a）多线切割机的三大生产辅料切割液、碳化硅、切割线。 （b）影响多线切割切削能力的主要因素。 （c）游离磨料多线切割的材料去除机理。 1.6.2 设计的重点难点 本设计主要是对多线切割机各执行系统的机械设计，对多线切割生产工艺的整体 认识，以及对影响其切削能力因素的探究及其微观材料去除机理的学习。 在设计过程中，各执行机构的机械设计，装配将是本设计的最主要内容。此外对 生产工艺的整体认识及对其微观切削原理的学习也将是本设计的一个方面。 设计的难点将主要集中在各机构的机械设计上，对各机构的

35、总体控制也将是个不小的难题。此 外对影响切削因素的探究也是一个不可忽视的难点。 2 多线切割机总体设计方案 2.1 多线切割机的工作原理 将硅棒加工成成品硅片要经过很多步工序，而多线切割硅锭则是所有加工工序中 最为重要的一步。一根完整的硅棒要经过圆棒分段、开方、磨面、滚圆、粘胶、硅锭 多线切割、脱胶、清洗、硅片检验等多个工序最终才能成为合格的产品。其中圆棒分 段、开方、切割则是最重要的工序。 图 2-1 硅棒的分段、开方、切割示意图 多线切割机的工作原理是：将一根从放线轮引出的钢丝通过导向小滑轮和张紧机 构缠绕在两个平行的主辊上，主辊上有槽。且这些槽间距一定（一般在 0.3mm 左右）。 钢丝

36、通过平行的线槽缠绕在主辊上，形成多重切割线网。再从主辊的另一端将使用过 的钢线通过导向小滑轮和排线机构收集在收线轮上。钢线的传动主要由主辊电路和收 放线轮电路施加的扭矩带动。钢线上的张紧力则有张紧系统控制，且一般由切割硅锭 尺寸的不同张紧力也略有不同（如：6.5 寸、6 寸的切割张力约为 18N，8 寸的切割张 力约为 21N）。工作台升降过程中，将事先装夹好的硅锭推向正在高速运动的线网上， 从而使硅锭与线网产生相对运动。从而实现对硅锭的切割，最终获得所需的硅薄片。 如图 2-2。 往往在实际切割加工中，为了使硅锭前后切割均匀，降低钢线成本，切割过程都 是往复进行的。也就是说有一段钢线会对硅锭

37、进行三次切割。 1.工作台 2.硅锭 3.砂浆管 4.砂浆缸 5.主辊 6.导向小滑轮 7.张力系统 8.排线导向滑轮 9.线轮 图 2-2 多线切割原理图 2.2 游离磨料多线切割机的三大辅材 游离磨料多线切割机三大辅材分别是：切割液、切割砂、切割线。 （1）切割液 切割液的主要作用：切割液在切割过程中主要起到，冷却钢线、悬浮切割砂、润 滑等作用。 切割液的主要成分是聚乙二醇，属于非离子型，能溶于水及有机溶剂。对碳化硅 具有高悬浮性，切割液的使用能有效的降低表面张力，其高的润滑性可减少切割过程 中的摩擦力，同时它还具有湿润、冷却、抗氧化和易清洗等优点，在加工过程中使硅 片的损伤层浅，切割片薄

38、、成品率高、易于清洗。切割液除了在硅棒加工中有很好的 表现，它本身也具有无毒、无腐蚀性、无异味、不易变质、存放时间长、易运输、综 合性能好等诸多优点。下面列举由河北晶龙精细化工有限公司自主研发的切割液的具 体技术参数如下表 2-1。 表 2-1 切割液产品技术指标 产品外观（25）无色透明液体 色号（铂钴）50 粘度（map,s 25） 5258 PH 值 5.08.0 水含量（%） 0.5 密度（20） 1.1201.130 折光率（20） 1.4621.468 电导率 100 重金属含量，ppm 5 （2）切割砂 在多线切割中，所采用的切割砂主要有人造金刚石颗粒和碳化硅颗粒两种。现阶 段国

39、内大多硅片生产厂家大都选用碳化硅做为其主要的切割砂。 碳化硅具有硬度高、抗高温性能好、导热率高、高温稳定性好等特性。基于碳化 硅的这些显著优点，它被广泛应用于机械零件、电子元件、石材加工等领域。从全世 界碳化硅使用数量上看，冶金领域的碳化硅用量最大。在碳化硅的总消费量中 68%用 于冶金，32%用于制作磨料。 表 2-2 日本 FUJIMI 产品粒度标准 随着光伏半导体产业的迅速发展，碳化硅由于其自身的高强度、高硬度等性能， 也被广泛的在半导体切割中使用。由于国内在半导体多线切割用碳化硅微分的生产起 步较晚，国内的半导体厂家开始大都使用进口的碳化硅，世界比较知名的碳化硅生产 厂家如：德国 ES

40、K、日本 FUJIMI 等。近几年，随着国内半导体行业的不断发展，国 内一些厂家在碳化硅微分的生产中也取得了不小的进展。如：晶华化工、安阳瑞金金 属材料有限公司等。 在单晶硅多线切割中，碳化硅的选用对硅片的厚度、质量也起到很重要的影响。 硅片厚度的计算公式如下：硅片厚度=槽距（钢线直径+3.5D50 值），其中，D50 值 是指碳化硅的粒度中值。由于国内的半导体切割碳化硅微粉大部分出口日本，则现在 在国内比较傲通用的是日本标准。表 2-2 是日本 FUJIMI 生产的产品的粒度标准。 在实际的生长使用中，因为碳化硅微粉具有较强吸水性，在空气中极容易受潮团 结，所以要保存在干净干燥的环境中。团结

41、后，碳化硅颗粒分散性降低，致使砂浆的 粘度降低，同时也可能在砂浆中形成假性颗粒物和团结物。应尽量避免碳化硅微粉裸 露在空气中时间过长。在使用之前最好可以进行烘砂。 （3）切割线 现阶段行业中切割线的种类比较多，最为理想的是具有高刚度、不易断丝的合金 钼丝切割线。但切割线大都为一次性使用，生产厂家在保证质量的前提下，为了降低 生产成本，大都选用镀铜的高强度钢丝作为其切割线。 切割线在多线切割生产中，主要是作为切削载体而存在的。现阶段在国内市场上 钢线的型号主要有含碳量为 80#、90#等几种。下表 2-3 为含碳量为 80#和 90#的钢线的 技术参数。（圈径：取一米钢线，使其垂直自由落下，所形

42、成封闭圆的直径即为此钢 线的圈径。） 表 2-3 含碳量为 80#、90#钢线技术参数 80#90# 钢线直径 （mm） 0.1200.00150.1100.0015 标准为 0.1200.003 圈径（mm） 80 100 标准为 80 圆度(mm) 0.0010,001 标准为 0.002 绕线张力 （N） 2.51 2.5 标准为 3 2.3 砂浆的组成及回收 砂浆的组成其实就是上面介绍过的两种多线切割机辅材（切割砂、切割液）以一 定比例搅拌混合而成的。切割进行时，通过砂浆管将砂浆用喷嘴直接喷到进行切割的 金属切割线网上。金属切割线带着粘有切割砂的砂浆到切割槽中，从而对硅锭进行切 割。砂

43、浆的主要机能组成既是切割砂，一般常用的切割砂有碳化硅和金刚石两种。但 这两种切割砂价格都很昂贵，大概会占到整个切片成本的 25%35%之间。 一组固体碳化硅颗粒浓度变化范围在 30%60%，且平均颗粒大小是 530um。使 用砂浆的主要目的是运输切割砂进入线槽，进而到达晶体表面。砂浆的进入是通过切 割线和高粘度的砂浆之间的相互作用共同完成的。通常只有一小部分的砂浆可以进入 切割区域，影响这个的很重要的一个因素是砂浆的粘度和切割的速度。一般在工业生 产上，砂浆密度的确定是经过计算和长期的经验总结得来的。在我实习的工厂中砂浆 密度为 1.630g/。 3 cm 由于在多线切割中砂浆的使用量非常大，

44、且砂浆的制作成本非常高。所以对废砂 浆的回收利用就成了一个势在必行的趋势。多线切割废砂浆中，其组成主要有：聚乙 二醇 35%；碳化硅微粉 33%；单晶硅微粉 9%；水 5%和组成切割液的其他物质 15%。其中聚乙二醇、碳化硅、单晶硅的市场价格都非常昂贵。现阶段国内对废砂浆 的分离技术还只能停留在对切割液和切割砂的分离上，且分离成本较高。而对最值钱 的单晶硅微粉却只能采取强碱反应的方式去除，根本无法进行提纯。所以多线切割废 砂浆的分离提纯必将是将来我们需要研究解决的方向。 2.4 游离磨料线切割的材料去除机理 多线切割技术有效切割的目的是：在保证硅片切割质量的前提下，以一个较高的 处理量、以最少

45、的砂浆用量和硅锭损失来进行的切割。由于制约切割质量的因素非常 多，很多参数也会随情况的不同而发生改变，所以想要最大限度的实现切割的最优化 是很难是实现的。在实际的工业生产中，对切割最优化的实现主要是根据经验来操作 的。 图 2-3 单一线槽切割微观示意图 从单一一个切割线槽来观察（图 2-3），钢丝和硅锭表面之间的空间内填充着切割 液和切割砂。当工作台进给时，硅锭和切割线之间相对挤压，晶体被推向切割线。切 割线由于相互压力的作用发生弯曲。该弯曲的角度有切割硅锭尺寸的不同而不同。但 其一般的变化范围在 1-5。钢线上的压力随着接触点的范围而变化，在钢线与硅锭接 触的正下方压力达到最大值，王两侧则

46、逐渐减小。由于钢线的横向振动，也会有额外 的力施加在线槽的两侧。线槽两侧的切割过程是极为重要的，它决定了最终硅片的表 面质量。 国内外对游离磨料线切割过程材料去除机理的研究主要集中在磨料和切割线与工 件作用模型、磨削液作用模型等方面，目前提出的去除机理模型包括：单颗磨粒滚动 压痕模型、多磨粒压痕效应模型以及弹性一流体动压效应模型等。 2.4.1 单颗磨粒滚动(压痕模型) 在游离磨料多线切割方法切割过程中，存在于工件和切割线之间磨削液中的磨粒 在工件加工区域进行滚动一压痕作用或者刮擦一压痕作用，实现材料的去除(如图2-4所 示)。 图2-4 游离磨料多线切割微观原理示意图 游离磨粒的滚动一压痕加

47、工模型，其实质就是将单颗磨粒视为一个圆锥体，在高 速运动的切割线的带动下与切削区域的加工表面产生相对滚动，并在油膜压力作用下 嵌入工件材料加工表面，使材料表面产生破碎和裂纹，从而实现材料的去除(见图2-5)。 图2-5 磨粒切割模型 在该模型的基础上进一步分析加工过程中单颗磨粒所受的法向作用力和切向作用 力在边界条件下所产生的应力，建立应力分析模型。研究结果表明，最大法向应力出 现在磨粒的压入点位置，而最大剪应力出现在接触点表面下方。该模型可以在一定程 度上预测一定的加工条件下材料的去除率，有助于确定优化磨粒的几何参数从而更利 于线切割的加工。 2.4.2 多磨粒压痕效应模型 为了进一步了解游

48、离磨粒线切割过程材料的去除机理，研究者们考虑到多磨粒对 工件压痕和接触效应的影响，仿真分析了游离磨粒多磨粒压痕效应。该模拟分析假定 磨粒具有一个相当锐利的圆锥形刃尖，在工件加工表面上产生一个 0.2tma 的压痕，并 认为游离磨料线切割过程中材料的接触效应主要受压痕载荷、压痕间距两个参数影响。 研究结果发现，在一定的压入深度条件下，磨粒滚动压痕载荷与磨粒间距成正比例关 系，并且：磨粒压痕间距减小，或压痕载荷增大，滚动压痕深度会提高，从而使材料 去除量增加；磨粒压痕间距减小，卸载后工件表面的弹性恢复率提高，加工表面的横 向裂纹扩展加剧，材料去除率提高；磨粒压痕间距减小，加工表面的凹坑数目增加，

49、磨粒与工件表面间的摩擦减少，切割效率提高。 2.4.3 弹性-流体动压效应模型 研究者还应用有限元方法对游离磨料线切割晶片过程中的流体动压效应进行分析， 给出切割区流体动压力和膜厚分布曲线图。研究结果表明，加工区域具有切割线进口 油膜压力大于出口油膜压力、线接触处油膜中间薄两边厚的分布特点，并指出油膜厚 度随走丝速度和磨削液粘度增大而增加，随切割线弓角增大而减小；油膜压力随走丝 速度和磨削液粘度增大而减小，随切割线弓角增大而增大。磨粒悬浮于磨削液中，材 料去除是靠油膜压力和切割线运动共同促使磨粒在加工表面滚压一嵌入作用实现的。 在油膜厚度适中和走丝速度尽可能高的条件下，控制切割线弓角在 40 一 60，增大切割 线张紧力，提高磨削液粘度，并使用较粗磨料将有利于提高材料去除率。 山东大学桑波等人通过自柔顺系数法建立油膜厚度方程，运用有限差分法求解雷 诺方程，并对游离磨料线切割切