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1、I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展研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创性切片工艺。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，严峻制约了我国半导体照明、光伏、集成电路制造等产业的进展。开发具有自主学问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构造特点，在此根底上，主要对多线切割的机械设备及掌握系统进展
2、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展了分析和总结。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IIMonocrystalline silicon cutting process equipment designABSTRACTMany line cutting machine is IC (integrated circuit), IT (information techn
3、ology), PV (photovoltaic)coredevicemanufacturingindustrysuchassubstrateflowofthekey 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 cutting of grinding, will s
4、tay 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 restrict the semiconductor
5、 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 fromabroad and domestic industry of the blockade key measures.
6、BottlenecksThis 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 microscopic mechanism were a
7、nalyzed 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 system design, the main roller
8、 | transmission system design, the wheel system design, drawing line system design, tension system designKEY WORDS: Many line cutting machine，Equipment design，Tension system，Cutting fluidIII目 录摘要ABSTRACT1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 多线切割机的国内外争论现状及进展趋势21.2.1 国内外争论现状21. 2. 2 多线切割机的技术进展趋势31.3 多线切割与内圆切割的比照41.4 多
9、线切割技术的工艺流程61.5 影响线切割切削力量的因素分析71.6 课题技术内容与本设计重点难点91.6.1 课题设计内容91.6.2 设计的重点难点92 多线切割机总体设计方案102.1 多线切割机的工作原理102.2 游离磨料多线切割机的三大辅材102.3 砂浆的组成及回收112.4 游离磨料多线切割的材料去除机理132.4.1 单颗磨粒滚动(压痕模型)142.4.2 多磨粒压痕效应模型152.4.3 弹性-流体动压效应模型162.4.4 磨削液的作用162.4.5 单晶硅各向异性的影响163 多线切割机机械系统设计173.1 本设计切割机的机械系统总体设计思路183.2 本设计切割机的主
10、要技术参数183.3 多线切割机机械系统构造与功能183.3.1 工作台升降系统设计193.3.2 主辊传动系统设计193.3.3 收放线轮系统设计213.3.4 排线系统设计233.3.5 张力系统设计24IV4 多线切割机掌握系统设计264.1 多线切割机掌握系统组成294.1.1 张力掌握系统304.1.2 多电机同步掌握系统315 结论325.1 本论文所作的工作325.2 对本课题的展望33致 谢34参考文献35单晶硅切割工艺装备设计11 绪论1.1 课题背景及意义光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
11、中具有很好的进展前景。依据赛迪参谋公司争论报告统计：”2023 年国内光伏和集成电路产业基片需求额为 2121 亿元，2023 到达 3561 亿元，从 2023 年到 2023 年其需求量平均每年以 12%-16%的速度增长。自从 60 年月起，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由于其价格低，易于生产等优势成为半导体行业的宠图 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进展，对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
12、 寸、8 寸。但随着电子通讯设备，汽车，工业自动掌握，航天与军事等的进展，将渐渐使用直径在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亲热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速往复运动把磨料带入待切割材料加工区域进展研磨，将陕西科技大学毕业设计2待切件同时切割为数百或数千片薄片的创性切片工艺。在该工艺中，切割线被缠绕在一个导线辊
13、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，已渐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肯定的争论成果。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始终没有大的突破，现在国内大局部生产硅片的厂商根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，也只把握在国内几个大型机械设备制造公司这样严峻制约了我国集成电路制造、光伏、半导体
14、照明等多项战略性产业的进展。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进展规划纲要(2023-2023 年)重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺“中特地设立“300mm 硅片多线切割机的开发【2023ZX0202302】”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始终完全依靠于国外进口的局面，保证我国电子工业安康快速地进展。争论多线切割机关键技术，开发具有我国自主学问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
15、等相关产业瓶颈的关键举措。1.2 多线切割机的国内外争论现状及进展趋势1.2.1 国内外争论现状多线切割机属于专用周密数控机床，其加工精度高、掌握系统简单、制造难度大， 国外公司从上世纪 80 年月中期开头争论，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 TAKATORI 品牌为代表，其产品承受三加工辊驱动形式，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
16、性材料、光电材料的切割。NTC 公司 MNM444B 和 MWM454B 切割机也是承受 3 个加工辊的构造，主要供给 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，承受两加工辊驱动方式，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。单晶硅切割工艺装备设计3图 1-2 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承受四个加工辊驱动， 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、E5
17、00SD、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争论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进展，对多线切割机的争论也日益得到重视，近10 年来，我国很多科研院校和企业在这方面进展了深入的争论，并取得了丰硕的成果。其中湖南大学与湖南宇晶机器合作先后开发出 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
18、州瑞德设备制造等高科技企业也成功开发了系列多线切割机。1.2.2 多线切割机的技术进展趋势随着计算机技术的高速进展，传统的制造业开头了根本性变革，各工业兴旺国家投入巨资，对现代制造技术进展争论开发，提出了全的制造模式。多线切割机的进展趋势可概括如下：（a） 大型化。在保证加工精度的根底上，增加加工辊切割面的有效面积，以便一次加工更多材料，使晶片加工的切片全都性提高，提高基片的档次，同时降低生产本钱。（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淌性、渗透性，等效于增加砂浆配比，一方面增加切割机的
19、研磨效果，另一方面可以削减单位切片研磨砂的消耗量，降低生产本钱。（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削减，切割线径减小一方面会使加工材料损耗减陕西科技大学毕业设计4少，加工晶片外表损伤层浅，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。电镀金刚石线锯是把金刚石或者碳化硅颗粒用肯定的技术固定到切割线上进展切割。这样做可以极大的提高切割效率，降低切割本钱。并且假设承受电镀金刚石线锯切割就可以直接承受水做切割液。大大的改善了工作环境。（e） 智能化。综合了计
20、算机、多媒体、模糊掌握、神经网络等多学科技术，切割机加工过程中可以自动修正、调整与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理， 在网络化根底上实现了中心集中掌握的群控加工。1.3 多线切割技术与内圆切割技术分析在硅片切割工艺进展过程中，内圆切割技术在多线切割还未成熟之前始终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月末进展成熟。随着硅片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，高速切割使硅片外表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、
21、降低本钱方面均受到了制约。加之内圆切割刀具制作上也存在很多困难，基于这样的状况，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单晶硅切割工艺装备设计5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。但在全部的硅材料切片加工中，内圆切割技术与线切割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较的优点。其优点主要表现在：切片精度高；切片本钱低；每片都可调整，敏捷性高；小批量多规格加工是具有可调性；自动、单片切割模式切
22、换便利；辅料本钱低；在不同片厚，不同棒径下所需调整时间少；修刀、装刀便利快捷。相对的多线切割技术也有很多缺乏的地方，其缺点主要有：片厚误差较大；切割过程不易掌握，不易实现智能检测掌握；切割风险极大由于是整棒切割，一旦断丝则根本整棒报废；无法实现单片质量掌握只有等一次切割完成后，才能对整批硅片进展检测。由于当下切割技术的不断进展，人们对硅片的质量也有了更高的要求。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，这种切片机依据单晶硅的装夹不同又可分为立式和卧式，主轴构造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0.2
23、80.34mm 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，它承受直径在 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，驱动导线轮和单晶硅棒做相对运动，砂浆磨削、冷却到达磨切硅片的目的。镀膜金刚石线切割则是把金刚石颗粒电镀在切割线上，进展的切割方式。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，片陕西科技大学毕业设计6厚误差小，切口
24、小，刃口切割磨损小，硅片外表损伤层较浅，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切割方式切割外表特征游离磨料多线切割研磨线痕内圆切割磨削裂开、开裂损伤层深度um1015生产效率(cm2/hr11022020301030单次切片数片 硅料损耗um202332002003001300500硅片最小厚度um180220300350最 大 切 割 直 径mm大于 300小于 200硅
25、片弯曲度稍微严峻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以下图 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 进展简洁的说明。a圆棒分段：既是把单晶整棒一般在 12 米进展简洁的分段。所分晶棒的长度随多线切割机加工力量的不同也不尽一样。一般在 300400m 之间。单晶硅切割工艺装备设计7（b） 圆棒开方：开方的过程由特地的开方机进展，开方既是把切好的晶棒段进展加工，使之成为硅锭的过程。（c） 磨面：对开方过的晶锭四个外表进展打磨，到达要求的外表粗糙度。（d）
26、 滚圆：用磨床将硅锭的四条棱进展打磨，使其光滑平坦。（e） 粘胶：把待切的硅锭用特制的胶水粘在工件铁板上，便利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内，使硅片和工件板分别。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。硅片清洗现在又特地的硅片清洗机。（i） 硅片检验：对加工好的硅片进展细致的检验。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 影响线切割切削力量的因素分析在整个切割过程中，对硅片的质量以及
27、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展切割的，所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。（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
28、进入切割区。（b） 由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中，会由于摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。假设粘度不达标，就会导致液的流淌性差，不能将温度降下来而造成灼伤片或者消灭断线，因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度掌握。（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滑程度和切割力量的关键。激光划片机、粒型规章，切出来的硅片说明就会光滑度很好；粒度分布均匀，就会提高硅片的切割力量。陕西科技大学毕业设计8（3） 砂浆的粘度线切割机对硅片切割力量的强弱，与砂浆的粘度有着不行分割的关系。而砂浆的粘度又取决于硅片激光划片
29、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。只有到达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，要完成对硅料的切割，必需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、流量能否到达切割的要求，都对切割力量和切割效率起着很关键的作用。假设流量跟不上，就会消灭切割力量严峻下降， 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依据用户的要求进展单向走线和双向走线，因而两种状况下对线速的要求也不同。单向走线时，钢
30、线始终保持一个速度运行MB 和 HCT 可以依据切割状况在不同时间作出手动调整，这样相对来说比较简洁掌握。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，钢线速度开头由零点沿一个方向用2-3 秒的时间加速到规定速度，运行一段时间后，再沿原方向渐渐降低到零点，在零点停顿0.2 秒后再渐渐地反向加速到规定的速度，再沿反方向渐渐降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中，线切割机的切割力量在肯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力量。假设低于砂浆的切割力量，就会消灭线痕片甚至断线；反之，假设超出砂浆的切割力量，就可能导致砂浆流量跟不上，从而消灭厚薄片
31、甚至线痕片等。目前 MB 的平均线速可以到达 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。张力掌握不好是产生线痕片、崩边、甚至短线的重要缘由。（a） 钢线的张力过小，将会导致钢线弯曲度增大，带砂力量下降，切割力量降低。从而消灭线痕片等。（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，消灭线痕片等，并且断线的几率很大。（c） 假设当切到胶条的时候，有时候会由于张力使用时间过长引起偏离零点的变化，消灭崩边等状况。MB、NTC 等线切割机一般的张力掌握在送线和收线相差不到 1， 只有安永的相差 7.5
32、。（7） 工件的进给速度工件的进给速度与钢线速度、砂浆的切割力量以及工件外形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打算的，也是最没有定量的单晶硅切割工艺装备设计9一个要素。但掌握不好，也可能会消灭线痕片等不良效果，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承受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肯定的张力是保证切割外表质量的主要因素。（c） 切割进给伺服系统工作台升降系统在保证不断线的状况下，实现硅片切割的高效性
33、。（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、粘度调整。砂浆废液的回收分别技术。如何提高砂浆的可利用率，延长砂浆使用寿命，降低生产本钱。（f） 自动排线系统提高排线精准度，降低断线几率，削减布线错误，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） 影响多线切割切削力量的主要因素。（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生疏，以及对影响其切削力量因素的探究及其微观材料去除机理的学习。在设计过程中
34、，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生疏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，对各机构的总体掌握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行无视的难点。陕西科技大学毕业设计102 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全部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
35、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。且这些槽间距肯定一般在 0.3mm 左右。钢丝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掌握，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
36、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，降低钢线本钱，切割过程都是往复进展的。也就是说有一段钢线会对硅锭进展三次切割。单晶硅切割工艺装备设计111.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
37、液的使用能有效的降低外表张力，其高的润滑性可削减切割过程中的摩擦力，同时它还具有潮湿、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、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 色号铂钴无色透亮液体50粘度map,s 255258PH 值水含量%密度20 折光率20 电导率 5.08.00.51.1201.1301.4621.468100重金属含量，ppm 5陕
38、西科技大学毕业设计12（2） 切割砂在多线切割中，所承受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快速进展，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
39、较晚，国内的半导体厂家开头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 ESK、日本FUJIMI 等。近几年，随着国内半导体行业的不断进展，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局部出口日本，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，由于碳化硅微粉具有较强吸水
40、性，在空气中极简洁受潮团结， 所以要保存在干净枯燥的环境中。团结后，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。应尽量避开碳化硅微粉暴露在空气单晶硅切割工艺装备设计13中时间过长。在使用之前最好可以进展烘砂。（3） 切割线现阶段行业中切割线的种类比较多，最为抱负的是具有高刚度、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，为了降低生产本钱，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 8
41、0#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mm0.1200.0015标准为0.1200.0030.1100.0015圈径mm 80 100标准为80圆度(mm)0.0010,001绕线张力N标准为0.0022.512.52.3 砂浆的组成及回收标准为3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、切割液以肯定比例搅拌混合而成的。切割进展时，通过砂浆管将砂浆用喷嘴直接喷到进展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，从而对硅锭进展切割。
42、砂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，或许会占到整个切片本钱的 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，进而到达晶体外表。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。通常只有一小局部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，砂浆密度确实定是经过计算和长期的阅历总结得来的。在我实习的工厂中砂浆密度为1.630g/ cm 3。由于在多线切割中砂浆的使用量格外大，且砂浆的制作本钱
43、格外高。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：聚乙二醇陕西科技大学毕业设计1435%；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格外昂贵。现阶段国内对废砂浆的分别技术还只能停留在对切割液和切割砂的分别上，且分别本钱较高。而对最值钱的单晶硅微粉却只能实行强碱反响的方式去除，根本无法进展提纯。所以多线切割废砂浆的分别提纯必将是将来我们需要争论解决的方向。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、以最少的砂浆用量
44、和硅锭损失来进展的切割。由于制约切割质量的因素格外多， 很多参数也会随状况的不同而发生转变，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依据阅历来操作的。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看图 2-3，钢丝和硅锭外表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到达最大值，王两侧则渐渐减小。由于钢线的横向振动，
45、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，它打算了最终硅片的外表质量。国内外对游离磨料线切割过程材料去除机理的争论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展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所单晶硅切割工艺装备设计15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外表产生相对滚动，并在油膜压力作用下嵌入工件材料加工外表，使材料外表产生裂开和裂纹，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根底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。争论结果说明，最大法向应力消灭在磨粒