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畢業(yè)設計（論文）
文 獻 綜 述
畢業(yè)設計（論文） 文獻綜述
?金剛石線鋸切割機綜述
1 前言
脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學及其它領域得到廣泛應用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽能光伏產業(yè)、半導體、真空電鍍等高精端產業(yè)中。伴隨半導體、光伏材料技術的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設備受到越來越廣泛的關注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線鋸切割機是近十幾年來獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設備，包括使用游離磨料和固結磨料兩類。根據鋸絲的運動方式和機床結構，也可分為往復式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數十個微米，同時具備線鋸切割的特點，能夠對硬脆材料進行精密、窄鋸縫切割，且可實現成形加工。隨著在大尺寸半導體和光電池薄片切割中的應用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現出一系列無可比擬的優(yōu)點：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產量大，效率高等[2]。
2 國內外發(fā)展現狀
2.1 國外線鋸切割機概況
用金剛石線鋸切割脆性半導體材料的工藝最早由Mesh于20世紀70年代提出W.Ebner進行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成往復式多線鋸的往復式試驗機床，金剛石鋸的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機驅動輪鼓帶動鋸絲往復運動。W.Ebner用之進行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀80年代，出現了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線鋸進行了硅切片實驗，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人則對金剛石線鋸的切害特性進行初步實驗研究[3]。
20世紀90年代，尤其是近幾年來，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對其研究也更為深入。Li等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動，同時壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應力分布和作用，發(fā)現磨粒對材料的最大剪切應力發(fā)生在微觀切削表面之下，據此對磨料的選擇進行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動一嵌入”模型中，磨粒的運動除滾動和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat等人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為，在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內，鋸絲與磨漿的運動構成了一個彈性流體動力學環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數，還得出結論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動產生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對薄片切割過程中鋸絲的振動模型和熱應力進行了分析，提出一個反饋控制算法，根據在線測得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數對切割過程進行控制，最后提出了一種分析、改進鋸切工藝的方法。Wei等人對單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進行切割實驗，建立了一個軸向運動的鋸絲振動模型，通過振動仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應和磨漿阻尼對鋸絲振動幅度的影響并認為，鋸絲振動受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對切片表面質量進行了高精度測量[5]。
在得到廣泛應用的游離磨料線切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無疑對切割性能和質量有直接影響，同時也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開發(fā)了一種適合切割大截面硅片時使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過濾機對被微細硅切屑所污染的磨漿進行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對油基磨漿的凈化和回收進行了研究并認為，鋸絲中的鐵質粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導磁體分離器先進行被磁化磨粒的分離，再進行硅粉末的分離，實現磨漿的凈化和回收重用[6]。
國外線切割設備生產廠家主要有日本TAKATORI公司，不二越機械工業(yè)株式會社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產品技術角度劃分，瑞士的兩家公司生產的線切割機水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來，專攻線切割機技術，如今已成為業(yè)界的技術帶頭人。
TAKATORI公司產品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導體材料的切割。該公司其他一些線切割設備主要用于截面尺寸較小的磁性材料、光電材料的切割。以上三種線切割機產品都屬于三軸(導輪)驅動形式，MWS-610SD采用材料向下運動的切割方式。這兩種線切割機線絲存線長度不超過150KM。不二越機械工業(yè)株式會社線切割機主要有FSW-150型。三軸(導輪)驅動形式，可切150×150方形材料（主要針對太陽能光電硅材料切割）存線長度不超過150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線切割機MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導輪)驅動形式，存線長度達400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機基礎上研制出DS261、DS262、BS800三種機型。其中DS262機型是專為太陽能級硅片切割設計的，該機型一次可切四根單晶棒料。其最大生產效率為一次自動切割過程中能切出圓片4400片。BS800機型是帶鋸切割方形材料的設備[7]。
M&B公司線切割機主要用于200mm硅圓片和太陽能級硅片的切割加工，四軸導輪驅動形式，大大增強了工作臺的承料面積。HCT公司生產的線切割機主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機型主要用于太陽能級硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導體圓片加工生產，E500ED-8為200mm設備，E400E-12為300mm設備。HCT公司與M&B線切割機設備主要以四軸導輪驅動形式設計，這樣可以增大工作臺的面積，增大切割能力[8]。
2.2 國內線鋸切割機概況
我國半導體切割技術起步較晚，目前國內處于領先水平的是四十五所自主研制開發(fā)的DXQ601型多線切割機，具有手動、自動功能模式。界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進給速度、砂漿流量。其操作簡潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準確，保證切片精度。采用主軸電機變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機閉環(huán)控制[9]。
樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出，線切割硅片表面粗糙度大，外表面損傷大，但損傷層的厚度要小于常規(guī)內圓鋸切割硅片，并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺往復式金剛石線鋸機床。孫建章等人設計了一臺往復自旋式電鍍金剛石線鋸數控切割機，以氣缸為驅動裝置，步進電機控制鋸絲旋轉，在二維數控工作臺上實現對非金屬硬脆材料的切割及曲線加工。高偉對固結磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進行了研究，進行了花崗巖的切割實驗，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因[10]。
國內最早從事太陽能多線切割機開發(fā)的是上海日進。上海日進引進日本技術，早在2006年就推出了第一臺多線切割樣機，樣機類似NTC MWM442D。樣機在日進內部切割試驗結果良好，切除的硅片質量完全合格。但是在客戶實際試用的時候，還是遇到了很多的問題，如成品率低、斷線率高、設備的控制精度比國外進口設備要差[11]。
湖南宇晶在2006年左右開始研制多線切割機，主要針對水晶切割市場。經過幾年的實驗和改進后，目前在國內也已經銷售出了幾十臺多線切割機，取得了長足的進步。但是該公司還沒有開發(fā)出適應太陽能硅片切割的多線切割機[12]。
陜西漢江機床公司展出的4620型數控多線切割機。該機經過多年研制，突破并掌握關鍵技術而開發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設備，最大工件250mm，最大工件長度820mm，最大存線量800km。其解決了高精度排線導輪的多輥同步驅動技術，恒張力控制技術，高精度切割進給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線導輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術[13]。
中國電子科技集團承擔的國家重大科技項目300mm多線切割機研制成功，打破了國內生產線上運行的12英寸多線切割機全部為進口設備的現狀,該機將完成商業(yè)機型的生產工藝驗收。國產切割機無論從品種規(guī)格，或性能參數指標各方面，與國外機相比，已縮小了差距，并接近國外水平[14]。
3 研究發(fā)展方向
從金剛石線鋸技術的發(fā)展來看，許多突破性技術申請了專利保護，相對機理性研究的滯后而言，工業(yè)實踐中的應用發(fā)展很快。下述為近年來金剛石線鋸裝備技術發(fā)展的幾個方面。
3.1 磨漿與回收
在硅片等貴重材料的精密切割中，減少切縫損失、提高表面質量非常重要。對此，磨漿是一個重要影響因素。理想的磨漿應滿足工藝、環(huán)境與健康、經濟三方面要求，應具有粘度適中、化學性質穩(wěn)定、清潔力強、易處理、可生物降解、無害、價格低等特點，其總體趨勢是使用粒度更小的金剛石磨料，如HLC公司的HS-20型磨漿使用水溶性基漿，使用粒度小于15um的金剛石磨料，具有很好的工藝性。
磨漿的回收重用則滿足了綠色制造和降低成本的要求。在半導體和光電池切割過程中，磨漿消耗占所有消耗成本的60%，因此各設備制造商紛紛投入磨漿回收設備的研制。HCL公司的ARM系統(tǒng)能去除70%以上的切屑，達到90％金剛石磨?；厥章?。
3.2 大尺寸硅錠加工
金剛石線鋸多采用多線往復式結構，為滿足大截面切片和提高產量的需求，導輪間距、導輪槽數和鋸絲長度不斷增大，提高了大尺寸硅錠的多件、多片同時切割能力。目前，Diamond Wire Technology部公司生產的金剛石線鋸最大已能切割直徑45Omm的硅錠。MEY-ERBURGER公司生產的DS262型線鋸能同時切割4根長520mm、截面為153mmx153mm或直徑為6mm的硅棒，一次切4400片。HCL公司的ESOOED一8型線鋸則可同時對6根長500mm、直徑3mm的硅棒進行切割，一次切出6000片。
3.3 導輪槽加工
切片加工中，工件由并排繞于導輪上的多條鋸絲同時切割，片厚由導輪上的線槽間距決定。目前的趨勢是切片面積越來越大，厚度越來越薄，尤其光電池工業(yè)對厚度偏差和總厚度偏差提出了更高的要求，促進新的開槽技術的發(fā)展。
以前的導輪槽底部圓弧曲率半徑大，鋸絲定位不準確，增大了總厚度偏差。另外，槽的表面不夠光滑，磨漿易于滲入。新的開槽技術固定底部半徑50um，槽的斜面粗糙度達到N5(RaO0.2一0.4um)，整個槽為一次加工成形，精度較高。目前，已經能得到厚度為140um的太陽能電池切片。
3.4 切割力測量與控制
切割力的大小影響切片加工的效率和表面質量，Diamond Wire Technology公司使用電容傳感器對鋸絲撓度進行非接觸在線測量，通過換算得到切割力的大小，并采用搖動機構控制切割過程中（切割圓柱時）鋸絲對工件的接觸長度，使得接觸長度較小且保持一致，實現恒定小切削力切割，有利于提高表面質量。
3.4 金剛石固結技術
固結金剛石線鋸主要有兩種：一種是將金剛石磨粒電鍍于鋼絲上，另一種則是直接將磨粒滾壓嵌入到鋼絲中。滾壓嵌入的方法降低了鋼絲的強度，并不常見。而傳統(tǒng)的鎳鍍技術只能得到數公里長的鋸絲，因此電鍍金剛石線據發(fā)展緩慢。近年來，新的電鍍技術突破了這一極限，金剛石線鋸逐漸進入實用階段。日本的A.L.M.T公司利用其專利技術生產出了100km長的電鍍金剛石鋸絲[15]。
4 總結
超硬材料行業(yè)除了重視金剛石線鋸的研究之外，更要大力投入切割設備的研究，因為兩者是密不可分的。當然，硬脆材料切割設備是高精密設備，除了設計之外，還要，還要配以高精密機械制造裝備和高水平的機加工，才能保證設備的制造質量和技術性能指標。才能保證設備的制造質量和技術性能指標。超硬材料行業(yè)應該為我國半導體產業(yè)和光伏產業(yè)的發(fā)展，為減少硅材料消耗，降低制造成本，解決生產中的關鍵，打破當前國外設備的壟斷局面，做出更大的貢獻。
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參考文獻
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