趙 果

（廣東長(zhǎng)信精密設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 前言

半導(dǎo)體制造是光伏行業(yè)發(fā)展的重要前提，硅材料的加工是半導(dǎo)體制造的重要基礎(chǔ)。雖然在科技不斷進(jìn)步的背景下，半導(dǎo)體材料的研究發(fā)展在不斷進(jìn)步，材料的種類逐漸變得更加豐富，但是，在世界范圍內(nèi)，仍然有90%以上的半導(dǎo)體材料以硅類物質(zhì)為加工材料。因此，如何發(fā)展高質(zhì)量、高純度、高水平的硅片生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)是現(xiàn)階段半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)中的研究重點(diǎn)。

如今，常用的金剛石顆粒線鋸是以高強(qiáng)度的鋼絲為基礎(chǔ)，通過科學(xué)的方式將硬度優(yōu)質(zhì)、耐磨性強(qiáng)的金剛石顆粒安置在鋼絲母線上所形成的?，F(xiàn)階段常見的金剛石線鋸有3種生產(chǎn)方法：1）通過電鍍的方式，將顆粒電鍍固定在基礎(chǔ)線上；2）通過近似于樹脂黏合劑的方式，利用樹脂硬化進(jìn)行加工；3）通過機(jī)械方式強(qiáng)硬地將顆粒擠壓到鋼絲當(dāng)中。金剛石多線切割設(shè)備與內(nèi)圓切片以及游離磨料切割方式相比，有更高的優(yōu)點(diǎn)，包括，硅片加工質(zhì)量更佳、切縫更細(xì)小、工作進(jìn)度更快、環(huán)保性能好，能夠很好地應(yīng)用在高硬度材質(zhì)的加工工作當(dāng)中?，F(xiàn)階段中，逐漸有更多的生產(chǎn)企業(yè)以及有關(guān)學(xué)者開始重視對(duì)于金剛石線鋸的研究與應(yīng)用，并且在部分領(lǐng)域中取得良好的成果，該文以日本高鳥企業(yè)制造的金剛石線鋸作為對(duì)象進(jìn)行研究。

1 光伏硅片切割方式簡(jiǎn)介

在近幾年中，隨著硬脆性材質(zhì)不斷發(fā)展，種類變得越來越多，技術(shù)不斷優(yōu)化的背景下，硬脆材料的加工機(jī)械也變得更加先進(jìn)，得到了飛躍性的提升。其中，金剛石線鋸切割技術(shù)具有極為重要的地位以及價(jià)值。硅片加工對(duì)于加工工藝以及效率有著極高的要求標(biāo)準(zhǔn)，要求更高的加工效率、成本損耗、加工質(zhì)量，環(huán)保性能，此外，在日常加工中，金剛石內(nèi)圓切割技術(shù)、金剛石外圓切割技術(shù)、游離磨料線技術(shù)，金剛石線切割技術(shù)是最常見的幾類加工方式，并且這些加工方式各有其優(yōu)點(diǎn)，有針對(duì)性運(yùn)用情景，也有其不足的缺陷[1]。

1.1 外圓切割機(jī)

最早期應(yīng)用的加工結(jié)構(gòu)方式是外圓切片機(jī)，通過在鋸片外圓上遍布金剛石顆粒，設(shè)計(jì)為切割設(shè)備，最早起源于19世紀(jì)的歐洲，在人造金剛石的發(fā)展下，達(dá)到了使用巔峰。但是在外圓加工的過程中，其加工效率會(huì)受到震動(dòng)以及噪音的干擾。當(dāng)設(shè)備高速就開始，會(huì)產(chǎn)生110dB以上的噪聲，不但會(huì)造成環(huán)境污染，同時(shí)還會(huì)影響加工精度。有個(gè)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)的方式分析出鋸片空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的頻率以及共振效果。最終得出結(jié)論，頻率受到刀片直徑的影響，隨著直徑的增大,頻率會(huì)逐漸降低。同時(shí)，加工的材料的厚度通常為刀片直徑的1/3，因此，合理提高刀片的直徑有利于減少共振頻率以及提升切割效率，但是在設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制下，如果刀片直徑過大就會(huì)造成厚度變薄的問題，剛度較弱，徑向承載切割應(yīng)力，導(dǎo)致變形的情況，增大材料的磨損，影響制造質(zhì)量，且加工的直徑也十分有限，通常在100mm內(nèi)，因此，外圓切片機(jī)多用于食材以及路面加工工作當(dāng)中，極少用于硅片加工。

1.2 內(nèi)圓切割機(jī)

金剛石內(nèi)圓切片機(jī)是將刀片的外圈穩(wěn)固在設(shè)備當(dāng)中，運(yùn)用刀片內(nèi)部鑲嵌的金剛石作為刀具展開加工。整個(gè)刀片因?yàn)閺埩Φ脑蚨€(wěn)固在設(shè)備上，刀片也由于張力的影響而提高的刀片本身的剛性。所以，刀片的厚度可以適當(dāng)降低，最低可以降到0.2mm，減少了對(duì)材料的耗損。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，該類型切割機(jī)器成為了過去階段中的主要加工技術(shù)，具有加工穩(wěn)定性高、切縫細(xì)、節(jié)約材料的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)常應(yīng)用在玻璃，藍(lán)寶石等材料的加工過程當(dāng)中[2]。如今，隨著芯片制造要求的增加，硅片的發(fā)展也逐漸向著厚度的趨勢(shì)前進(jìn)，這期間內(nèi)圓切片機(jī)不適用于大制定薄片材料切割的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來。對(duì)于200mm以下的單晶硅加工都會(huì)到來較為嚴(yán)重的變形問題，針對(duì)碳化硅晶體等超硬類型材料，由于硬度過高的原因，導(dǎo)致切割加工十分受阻，設(shè)備損耗較高，長(zhǎng)期加工使用會(huì)導(dǎo)致使用性能嚴(yán)重下降。

1.3 游離磨料線切割設(shè)備

游離磨料的線切割方式，有效地改善了傳統(tǒng)切片設(shè)備的缺陷，能夠加工材料的直徑更大，切縫更細(xì)，并且消耗更低，同時(shí)能夠回避由于刀具自身的影響而造成的切割故障問題，具有更優(yōu)質(zhì)的切割質(zhì)量。但是，在硅棒去除機(jī)理中，因?yàn)樵擃愋偷那懈罴夹g(shù)是通過砂漿結(jié)合金剛石顆粒形成的滾壓釬入完成加工切割，金剛石在經(jīng)過硅片外表面時(shí)造成裂紋問題，還有可能導(dǎo)致硅片表面出現(xiàn)殘余應(yīng)力以及相變層，而受到參與應(yīng)力的影響，會(huì)造成硅片出現(xiàn)翹曲變形問題，需要之后進(jìn)行修整，且加工精度也難以掌控[3]。

1.4 現(xiàn)代固結(jié)金剛石線切割機(jī)

現(xiàn)代固結(jié)金剛石線多線加工技術(shù)能夠有效解決游離磨料線加工不足的問題，是當(dāng)前加工硬脆材質(zhì)的主要研究領(lǐng)域。相比于其他技術(shù)而言，金剛石線多選7個(gè)技術(shù)，具體具備以下優(yōu)勢(shì)：1）更長(zhǎng)的切割距離，改善以往外圓、內(nèi)圓加工技術(shù)中的尺寸制約，零件的加工尺寸更大。2）切縫更細(xì)，金剛石線將高強(qiáng)度鋼絲作為基礎(chǔ)母線，其線徑較細(xì)，能夠制作直徑1 mm以下的各種絲線，該文研究的日本高鳥公司所制造的金剛石線，是基于（0.11±0.01）mm為母線加工出平均直徑在（0.14±10） mm金剛石線，在切割實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于硅棒的切縫損失0.17 mm。3）更快的加工效率，在高速切割的情況下，因?yàn)樵撉懈罴夹g(shù)中金剛石被安裝在鋼絲上，所以不會(huì)出現(xiàn)磨料流入長(zhǎng)深切縫的問題，相對(duì)于游離磨料線鋸切割技術(shù)具有更高的切割技術(shù)，更高的加工質(zhì)量；內(nèi)圓切割技術(shù)在加工反力的影響下，有可能會(huì)導(dǎo)致崩片問題，而金剛石線因?yàn)椴捎镁€性切割技術(shù)進(jìn)行加工，所以加工操作更加平穩(wěn)。4）能夠進(jìn)行更高強(qiáng)度的材料切割，在對(duì)于碳化硅或者其他高強(qiáng)度材料的加工過程時(shí)，增加金剛石顆粒的切割技術(shù)能夠避免其他加工技術(shù)中存在的刀具損耗嚴(yán)重的問題，具有良好的切割性能。

綜上可知，如今對(duì)芯片的加固標(biāo)準(zhǔn)逐漸提升，高硬度材料應(yīng)用越來越普遍，強(qiáng)化對(duì)于金剛石線多線切割技術(shù)的具有極為重要的價(jià)值性。

2 金剛石多線切割機(jī)的加工機(jī)理

現(xiàn)階段中大多數(shù)晶體硅太陽能設(shè)備中所運(yùn)用的硅片都是由砂漿多線切割技術(shù)進(jìn)行制作的，雖然硅片的表面質(zhì)量相較于早期的切割技術(shù)有了較大程度地提升，但是該操作方式需要消耗很多的碳化硅磨料以及切削液，工作成本偏高，砂漿難以回收，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。像比之下，固結(jié)金剛石顆粒的多線切割設(shè)備的優(yōu)勢(shì)就變得更加突出。固結(jié)金剛石切割技術(shù)最早起源于20世紀(jì)80年代，其工作效率高于其他切割方式，且無須消耗漿料，更加環(huán)保。金剛多線切割機(jī)所加工的表面質(zhì)量，主要受到工藝參數(shù)的影響，因此要通過實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行明確，此外，探究新設(shè)備對(duì)于硅棒的加工機(jī)理，也會(huì)影響到設(shè)備的工作效率，所以一定要進(jìn)行針對(duì)性研究，為設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)化提供研究基礎(chǔ)。

由表1可知，單晶硅的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于抗剪強(qiáng)度，所以，在具體的加工過程中，如果硅棒承受過大的剪切力，就有可能導(dǎo)致破碎的情況，對(duì)加工質(zhì)量造成影響。參考有關(guān)資料，可知脆性材料的切割力以及加工表面效果關(guān)系到其斷裂韌性，斷裂韌性越高，被加工材料的切向力和法向力就更高。

表1 單晶硅的基本特性

2.1 硬脆材料的切除機(jī)理

因?yàn)楹芏鄦尉Ч枰约岸嗑Ч瓒际谴嘈圆牧希趯?shí)際加工的過程中很容導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)硅晶體的使用強(qiáng)度造成影響，導(dǎo)致?lián)p壞的問題，降低后續(xù)加工的設(shè)備質(zhì)量。因此，探究金剛石線切割工作中的單、多晶硅等硬脆材質(zhì)的去除機(jī)理，是改善設(shè)備參數(shù)，增強(qiáng)硅片加工的重要前提[4]。

常見硬脆材料有2種去除方式，分別是脆性斷裂去除以及塑性流動(dòng)去除。脆性去除方式會(huì)導(dǎo)致碎粒尖端出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致硅片表面劃損更重；塑性去除方式是讓硅棒在塑性區(qū)內(nèi)進(jìn)行切割，在被切割時(shí)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，完成加工。

國(guó)外學(xué)者通過測(cè)定脆性材料硬度壓痕實(shí)驗(yàn)，探究出材料在載荷狀態(tài)下的斷裂機(jī)理，明確斷裂與塑性之間的臨界載荷Pc，如公式（1）所示。

式中：0λ為綜合系數(shù)，；CK為材料的斷裂韌性；H是材料的硬度。

如果實(shí)際載荷CPP< ，硅棒會(huì)出現(xiàn)塑性切割，對(duì)金剛石顆粒的影響下，出現(xiàn)塑性切割，不會(huì)產(chǎn)生裂紋；如果的實(shí)際載荷CPP> ，硅棒就會(huì)出現(xiàn)脆性去除，加工時(shí)產(chǎn)生裂痕導(dǎo)致?lián)p壞情況較大。

另一部分的科學(xué)研究人員結(jié)合斷裂力學(xué)基礎(chǔ)，深化了切割過程中塑性以及脆性的深度問題，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，如公式（2）所示。

式中：E是材料的彈性模量，KC為斷裂強(qiáng)度，H為硬度，hc為單晶硅的臨界深度。

根據(jù)有關(guān)資料填入對(duì)應(yīng)數(shù)值，最終換算出Hc=0.158um，也就是在進(jìn)行單晶硅材質(zhì)切削的過程中，金剛石顆粒最大切削深度低于臨界深度，那么在加工時(shí)期中只會(huì)出現(xiàn)塑性切除。

還有學(xué)者在基于此基礎(chǔ)進(jìn)行深入計(jì)算，深度分析相關(guān)參數(shù)，最終得出結(jié)論：如果適當(dāng)增強(qiáng)詩句的速度、通過較小的進(jìn)給速度以及不大的磨粒尺寸，硅可以在延性域內(nèi)消除，能夠提高加工質(zhì)量。

我國(guó)國(guó)內(nèi)學(xué)者陳明君在對(duì)于超精密模具單晶硅的研究當(dāng)中，通過對(duì)魔力尺寸以及硅片加工質(zhì)量的深化探究，如果選用磨粒尺寸小于25μm的金剛石砂輪，能夠單晶硅在塑性模式下完成加工，最終清除表面的裂紋。

2.2 單顆金剛石顆粒切割的深度分析

金剛石線多謝切割硅棒的去除機(jī)理類似于磨削加工，將金剛石線比擬為金屬結(jié)合劑的砂輪，通過金剛石對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加工，在單顆金剛石切割深度較低的基礎(chǔ)上，達(dá)到塑性域切削的效果。由上文可知，硅棒的切割機(jī)理是有會(huì)受到切削深度的影響。在加工過程中，起到刀具作用的金剛石顆粒最先與硅棒進(jìn)行接觸，金剛石的最大切割深度小于單晶硅材質(zhì)的臨界切深時(shí)，加工機(jī)理為塑形去除，也就是要符合μm，反之即為脆性去除。

由于金剛石線的具體加工質(zhì)量會(huì)受到企業(yè)加工工藝的控制，其顆粒分布是否平均、面積是否類似、大小是否相同硬性參數(shù)，不同的企業(yè)生產(chǎn)加工會(huì)得到多種生產(chǎn)結(jié)果。該文重點(diǎn)分析日本高鳥金剛石電鏡掃描結(jié)果，假設(shè)金剛石顆粒能夠確保平均分布，且顆粒大小均勻類似。結(jié)合江西某公司獲取的具體切割數(shù)值，假設(shè)加工過程中設(shè)備的走線速度為900m/min，對(duì)應(yīng)供電的進(jìn)給速度為VW=1m/min。

根據(jù)對(duì)應(yīng)公式分析，單顆金剛石的最高切削深度如下。

由此可知，最大切角深度小于單晶硅單晶硅臨界深度，因此，加工方式為塑性去除，最終加工完成的硅晶體質(zhì)量最佳。

另外，通過由hMAX

式中：VW為工件的的進(jìn)給速度，VS為金剛石線的走線速度。

該階段中，金剛石顆粒的最高切角深度小于臨界切深，因此在切割進(jìn)行時(shí)為塑性去除，由公式可知，在金剛石確定的條件下，金剛石線上的顆粒數(shù)為固定數(shù)值，那么單顆金剛石的最高切削深只會(huì)收到工件加工速度以及線鋸的工作速度影響。兩者之間成正比關(guān)系，金剛石顆粒的最高切削深度，會(huì)隨著工件進(jìn)給速度加快而增加，隨著走線速度的降低，也會(huì)導(dǎo)致切削深度提高。因此，科學(xué)控制金剛石多線切割設(shè)備的總線速率以及工件進(jìn)給速度對(duì)硅片的切割效果帶來極大影響，具有極為關(guān)鍵的控制作用[5]。

2.3 工件最大恒進(jìn)給力的決定

對(duì)于設(shè)備的機(jī)加工進(jìn)給力主要做到有效管理，如果進(jìn)給力過低，那么就會(huì)對(duì)工件的加工效果造成影響；如果進(jìn)給力過高，那么就會(huì)對(duì)導(dǎo)致線出現(xiàn)金剛線出現(xiàn)線弓的情況，會(huì)干擾線鋸的實(shí)際切割性能，所以，一定要科學(xué)地分析實(shí)際建工情況，來決定合理的進(jìn)給力范圍。

在實(shí)際加工的過程當(dāng)中，常見的硅棒為128×128與156×1562種尺寸，在進(jìn)給速率方面切割整個(gè)硅棒的時(shí)間略長(zhǎng)于：

之后結(jié)合實(shí)際加工過程當(dāng)中線鋸的實(shí)際情況來判斷進(jìn)給力的具體取值區(qū)間。線弓情況具體是指，在實(shí)際加工的過程當(dāng)中，設(shè)備進(jìn)行進(jìn)給，金剛石線在進(jìn)行工件切割的時(shí)候，由于壓力而產(chǎn)生的彎曲量。并且在不同的部位中，所產(chǎn)生的具體線弓量也有很大的差別。

從實(shí)驗(yàn)獲取的的金剛石線對(duì)工件最高豎直方向的反力：h=3.5mm。通過對(duì)單根的金剛石進(jìn)行受力分析可知，工件的支反力為式中：F指的是單根金剛石的最高張緊力，h為工件豎直方向的反力，θ為線鋸收到反力后所形成的夾角度數(shù)，AB為設(shè)備加工寬度。

結(jié)合具體的加工需求，槽輪的槽輪中心距為460 mm，工件寬度為128 mm或者156 mm，為了確保AB最低，因此選取156 mm寬的工件，可知：

由此得到在輪上的布線共計(jì)有1520根，由此計(jì)算出，工件的最大總支反力：

由于再具體加工的過程當(dāng)中，加工的向下進(jìn)給力較低，由此可判斷出在某一瞬間的工件進(jìn)給力與工件支反力相同，那么最大進(jìn)給力：

通過改靜態(tài)條件下進(jìn)給力與張緊力之間的關(guān)系可知：

通過上式可知，當(dāng)線弓感應(yīng)器接收到線弓情況提高的時(shí)候，就說明金剛石線的張緊力正在提升，那么就有可能會(huì)導(dǎo)致斷線的情況，為了減少線弓問題，在發(fā)現(xiàn)線弓上升時(shí)，機(jī)頭的進(jìn)給力也會(huì)隨之降低，管理進(jìn)給的電機(jī)收到信號(hào)進(jìn)而降低功率，減小轉(zhuǎn)速，降低設(shè)備的進(jìn)給速度[6]。

3 結(jié)語

半導(dǎo)體零件是現(xiàn)代太陽能光伏行業(yè)的重要基礎(chǔ)，硅材質(zhì)生產(chǎn)與加工又是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在科技不斷發(fā)展的背景下，材料的類型也在不斷變化，雖然材料種類在增多，但是世界范圍內(nèi)仍然有90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是以硅材質(zhì)為加工基礎(chǔ)。硅棒的加工一直到最終芯片的生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷過極為煩瑣的化學(xué)機(jī)械生產(chǎn)過程，包括硅棒切片、表面研磨、拋光，制絨等。其中硅片的切割作為整個(gè)硅材質(zhì)加工的重要基礎(chǔ)，也是首要工序，其加工質(zhì)量會(huì)直接影響芯片的制作效果，在切割硅片時(shí)，加工參數(shù)的變化會(huì)影響到最終的加工質(zhì)量以及效率，因此，分析并增強(qiáng)硅材料的切割技術(shù)參數(shù)對(duì)于硅片加工具有極為重要的作用，該文重點(diǎn)研究了單顆金剛石最大切削深度對(duì)加工質(zhì)量的影響，最終得出結(jié)論，提高總線速率，降低材料進(jìn)給速率，能夠有效提高硅片的表面加工質(zhì)量。