彭 偉 王金生 姚春燕

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部／浙江省重點實驗室，杭州，310032

亞固結(jié)線鋸切割實驗研究

彭 偉 王金生 姚春燕

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部／浙江省重點實驗室，杭州，310032

針對目前游離磨料線鋸切割效率低、切縫損失大的缺點，提出了一種亞固結(jié)線鋸切割的新方法，即在線鋸表面增加凹槽，在線鋸切割時讓磨粒嵌入凹槽實現(xiàn)瞬間固結(jié)，從而達到提高效率和減小切縫損失的目的。應(yīng)用VW－6000／5000動態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)，觀測切割區(qū)域內(nèi)磨粒的運動狀態(tài)，結(jié)果表明磨粒可以實現(xiàn)瞬間固結(jié)。通過亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸的切割對比實驗，分析了兩者在切割效率、切縫寬度和表面粗糙度方面的差距。

亞固結(jié)線鋸；游離磨料加工；切割效率；切縫寬度

0 引言

目前，半導(dǎo)體材料切割方法主要有內(nèi)圓切割和多線磨料切割兩種方法。內(nèi)圓鋸片切割是將鋸片安裝在專用張緊機構(gòu)上，然后依靠內(nèi)圓部分進行切割加工，它是目前φ200mm以下硅棒切割最常用的方法［1－3］。但隨著φ300mm 和更大直徑的單晶和多晶硅錠的生產(chǎn)成功，內(nèi)圓鋸片已經(jīng)無法滿足切割要求。因此，在20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了多線鋸切割技術(shù)，從理論上來說，任意大規(guī)格的硅錠都可以由線鋸來切割，而且一次可以切割很多片［4］。多線鋸切割是將游離磨料線鋸（即細鋼絲線）來回繞成一排線網(wǎng)，在一定線速度的帶動下，將漿料帶入切割區(qū)域以去除工件材料的一種方法［5－6］，目前已成為超大規(guī)格硅錠切割最常見的方法。

為了進一步提高切割效率，在游離磨料線鋸切割技術(shù)上繼續(xù)發(fā)展了固結(jié)磨料線鋸切割技術(shù)，即通過電鍍、樹脂粘結(jié)等方法將磨料固定在高強度的鋼絲上，加工過程中，固結(jié)在鋸絲上的磨料直接獲得運動速度和一定的壓力以對工件材料進行切割，因而可以實現(xiàn)更高效率的切割，但其缺點是成本高，而且固結(jié)磨料線鋸切割后的硅片表面存在一層非晶硅（非穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)Si－Ⅱ、Si－Ⅲ）組織，這層組織對硅材料形成了一層保護膜，增加了后續(xù)腐蝕（制絨）工藝的難度，由于這層膜的存在，腐蝕工藝耗時是游離磨粒形成表面耗時的2倍［7］。因此，目前工業(yè)上半導(dǎo)體材料的切片加工依然普遍使用游離磨料的線鋸切割工藝。游離磨料線鋸切割有價格低和表面質(zhì)量好的優(yōu)點，但其低下的切割效率依然是目前亟待解決的問題。

針對目前游離磨料線鋸切割存在切割效率低、切縫損失大等問題，本文提出了一種亞固結(jié)線鋸切割的新方法。

1 亞固結(jié)線鋸切割機理及實驗驗證

1.1 切割機理

亞固結(jié)線鋸由多根細金屬線繞制而成，表面具有很多凹槽，與游離磨料線鋸光滑表面相比，當(dāng)漿料加入到亞固結(jié)線鋸表面時，可以通過凹槽攜帶更多的磨粒進入到切割區(qū)域，有利于提高切割效率和表面質(zhì)量。

當(dāng)磨粒進入到切割區(qū)域后，磨粒在微細凹槽幾何鑲嵌的作用下形成瞬時固結(jié)狀態(tài)，稱為亞固結(jié)，如圖1a所示。此時，磨粒相對工件表面的運動不再是滾動，而是產(chǎn)生類似固結(jié)磨料的劃刻和耕犁作用，因此可提高切割效率。除此之外，磨粒進入凹槽內(nèi)可減少磨粒對切槽兩側(cè)的磨耗，從而減小切縫寬度，如圖1b所示。

圖1 亞固結(jié)線鋸切割示意圖

1.2 切割機理實驗驗證

1.2.1 磨粒運動觀測平臺

應(yīng)用Kenyence公司的VW－6000／5000動態(tài)三維顯微系統(tǒng)對切割過程中磨粒的運動狀態(tài)進行拍攝；采用WXD170型往復(fù)金剛石線切割機進行切割實驗，整個觀測平臺如圖2所示。

圖2 磨粒運動觀測平臺

1.2.2 拍攝條件

拍攝時放大倍率為100，記錄幀速為每秒1000幀；亞固結(jié)線鋸采用φ0.5mm的多股線，如圖3所示；線速度0.25m／s，張緊氣缸壓力0.2MPa；工件采用光學(xué)玻璃 K9，截面尺寸為28.6mm×28.74mm；為了增強觀測效果，磨粒采用170號黑剛玉，并與PEG300以1∶20的比例配制而成。拍攝時攝像頭從切縫的側(cè)面進行拍攝。

圖3 亞固結(jié)線鋸

1.2.3 結(jié)果分析

圖4為磨粒（直徑大約為83μm）瞬間固結(jié)在線鋸凹槽內(nèi)的連續(xù)三幀圖片。從圖中可以看出磨粒已經(jīng)嵌入到線鋸的凹槽內(nèi)，保持不動，而且在線速度的帶動下向前運動，這表明磨粒在幾何凹槽的作用下可以實現(xiàn)瞬間固結(jié)。

圖4 磨粒在凹槽內(nèi)實現(xiàn)亞固結(jié)

圖5為拍攝視野中間位置油膜厚度隨時間的變化圖。從圖中可以看出油膜厚度隨時間的變化而變化，而且變化幅度相對較大。這可能是線鋸在切割過程中由于動壓、磨粒對線鋸的作用及線鋸本身振動等因素引起的。因此，固結(jié)在凹槽內(nèi)的磨粒隨著油膜厚度的變化可能脫落，脫落后磨粒可能在槽間或槽內(nèi)滾動，又變成游離磨粒。而游離的磨粒也會隨著油膜厚度的變化可能實現(xiàn)瞬間固結(jié)，這也進一步說明磨粒只能實現(xiàn)瞬間固結(jié)。

圖5 油膜厚度隨時間變化圖

2 亞固結(jié)線鋸切割實驗

2.1 實驗條件

切割實驗設(shè)備、亞固結(jié)線鋸和工件均與前述實驗相同。游離磨料線鋸采用φ0.5mm的鋼絲線。切割時的磨漿由聚乙二醇300和208號碳化硅（平均粒徑為72.05μm）以1∶0.92的比例組成。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 切割效率分析

本文所述的線鋸是指亞固結(jié)線鋸、游離磨料線鋸。切割工件時主要分三個階段：第1階段為開始切割階段，此時線鋸切割處于不穩(wěn)定狀態(tài)，線鋸的張角不斷變化且逐漸變大，表明機床設(shè)定的進給速度要低于工件實際切割的速度；在相同工藝條件下，對于切割效率高的線鋸，其張角的變化不大，切割很短距離后便進入穩(wěn)定狀態(tài)，對于切割效率低的線鋸而言，恰恰相反，張角變化較大，切割較長距離后才進入穩(wěn)定狀態(tài)。第2階段為穩(wěn)定切割階段，此時線鋸的切割張角不再變化，按照機床設(shè)定的進給速度切割。第3階段為結(jié)束切割階段，此時鋸絲的張角也在不斷變化但逐漸變小，整個切割過程如圖6所示。

切割效率是評價線鋸切割性能的重要指標(biāo)，筆者采用單位時間內(nèi)切割的長度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，即切割效率等于切割長度除以切割時間，因此切割效率要比機床設(shè)定的進給率小，切割效率越高表明其值越接近機床設(shè)定的進給率。

圖7為線速度為2m／s，張緊氣缸壓力為0.2MPa，進給速率分別為0.250mm／min、0.375mm／min、0.500mm／min時，亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸的切割效率對比圖。從圖中可以看出，亞固結(jié)線鋸的切割效率優(yōu)于游離磨料線鋸的切割效率。當(dāng)進給率較小時，亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸的切割效率比較不明顯，但當(dāng)進給率較大時，切割效率比較明顯，最大提高了35%，這說明亞固結(jié)切割方法是可行的。

圖6 線鋸切割過程示意圖

圖7 不同進給速率下切割效率對比圖

2.2.2 工件表面粗糙度分析

使用表面粗糙度儀對切割后的工件表面進行測量，分別取工件的左、中、右，上、中、下共9個點，然后再取其平均值。圖8所示為線速度為2m／s，張緊氣缸壓力為0.2MPa，進給速率為0.5 mm／min時，亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸切割后工件表面的粗糙度。從圖中可以看出亞固結(jié)線鋸切割后的表面粗糙度小于游離磨料線鋸切割后的表面粗糙度，平均表面粗糙度值分別為2.319μm和2.5507μm，減小了9.08%。

圖8 工件表面粗糙度

2.2.3 工件表面形貌分析

圖9 切割后的工件表面形貌

采用VAGA3掃描電鏡（SEM）對切割后的工件表面進行形貌觀察。圖9為線速度2m／s，張緊氣缸壓力0.2MPa，進給速率0.5mm／min時，亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸切割后的表面形貌（×500倍）。從圖中可以看出，亞固結(jié)線鋸切割后的工件表面比游離磨料線鋸切割后的工件表面精細，這與所測的表面粗糙度值一致。但這兩種表面形貌比較類似，均為微細凹坑，其主要原因是工件切割后的表面實際上是切縫的側(cè)面，如圖1所示，線鋸上的張緊力作用到切縫底部及周邊上。而在切縫側(cè)面，線鋸與工件的作用力主要與線鋸振動、動壓等因素有關(guān)［8］。而由圖10可知，當(dāng)線速度為1.5m／s時，亞固結(jié)線鋸（φ0.5mm）與切縫側(cè)面的平均 間 隙 最 小，其 值 為 （722.62－500）／2＝111.31μm，已超過了磨粒的平均粒徑72.05μm，因此，在切縫側(cè)面實現(xiàn)亞固結(jié)的磨粒較少而且還是瞬間固結(jié)，很快就會脫落，脫落后磨粒很可能在線速度的作用下在凹槽間滾動，又變成了游離磨粒對工件進行“滾壓”去除，很可能將前面亞固結(jié)所形成的劃痕覆蓋掉，因而很難找到劃痕，這一點與固結(jié)磨料線鋸切割不一樣。這也說明亞固結(jié)線鋸切割的表面質(zhì)量要優(yōu)于固結(jié)磨料線鋸切割的表面質(zhì)量。

圖10 不同速度下切縫寬度對比圖

但在切縫底部就不一樣了，圖11為線速度2m／s，張 緊 氣 缸 壓 力 0.2MPa，進 給 速 率 0.5 mm／min時，亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸切縫底部的表面形貌（×1000倍），從圖中可以看出亞固結(jié)線鋸的切縫底部有劃痕，而游離磨料線鋸沒有劃痕，這主要是由于線張緊力作用到磨粒，使亞固結(jié)后產(chǎn)生劃痕。

圖11 切縫底部表面形貌

2.2.4 切縫寬度分析

使用VW－6000／5000動態(tài)三維顯微系統(tǒng)對切縫進行表面觀察和寬度測量。在進行切縫測量時，由于形成的切縫寬度不均勻，因此求其平均值進行比較。圖10為進給速率0.5mm／min，張緊氣缸壓力0.2MPa，線速度分別為1m／s、2m／s、2.5m／s時，亞固結(jié)線鋸與游離磨料線鋸的切縫寬度對比圖。從圖中可以看出亞固結(jié)線鋸的切縫寬度要比游離磨料的切縫寬度小，最大減小了5.87%，這也進一步證明亞固結(jié)線鋸切割方法的有效性。

圖12分別為線速度2m／s，進給速率0.5 mm／min，張緊氣缸壓力0.2MPa時，亞固結(jié)線鋸和游離磨料線鋸切割后的切縫形貌。從圖中可以看出，兩種線鋸切割出的切縫均有崩邊現(xiàn)象，但亞固結(jié)線鋸與游離磨料線鋸相比，切縫崩邊現(xiàn)象少，這主要是因為磨粒嵌入到亞固結(jié)線鋸的凹槽內(nèi)，減小了磨粒對切縫邊緣的作用。

圖12 切縫形貌

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用 VW－6000／5000動態(tài)三維顯微系統(tǒng)對磨粒運動狀態(tài)進行分析，表明磨?？梢郧度氲絹喒探Y(jié)線鋸的凹槽內(nèi)，實現(xiàn)瞬間固結(jié)。

（2）亞固結(jié)線鋸的切割效率、表面粗糙度、切縫寬度、切縫崩邊現(xiàn)象均優(yōu)于游離磨料線鋸。

（3）實驗結(jié)果表明，亞固結(jié)線鋸切割方法具有較好的應(yīng)用前景。下一步將對切割表面的組織、鋸線凹槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性價比等方面作進一步深入的研究。

［1］Dyer L D，McGregor A D，et al.Kerf Loss Reduction in Internal Diameter Sawing：US，432508［P］.1982－10－04.

［2］Craig W H.Fixed Abrasive Diamond Wire Saw Slicing of Single Crystal SiC Wafers and Wood［D］.Raleigh：North Carolina State University，2003.

［3］葛培琪，孟劍鋒，陳舉華，等.硅晶體精密切片技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)研究［J］.工具技術(shù)，2005，39（9）：3－5.

Ge Peiqi，Meng Jianfeng，Chen Juhua，et al.Precision Slicing Technology for Single Crystal Silicon and Relative Basic Research［J］.Tool Engineering，2005，39（9）：3－5.

［4］Swanson R M.A Vision for Crystalline Silicon Photovoltaics［J］.Progress in Photovotaics，2006，14：443－453.

［5］Bhagavat M，Prasad V，Kao I.Elasto－Hydrodynamic Interaction in the Free Abrasive Wafer Slicing Using a Wire Saw：Modeling and Finite Element Analysis［J］.Journal of Tribology，2000，122（4）：394－404.

［6］M?ller H J.Basic Mechanisms and Model of Multi Wire Sawing［J］.Advanced Engineering Materials，2004，6（7）：501－513.

［7］Bidiville A，Wasmer K，Kraft R，et al.Diamond Wire－Sawn Silicon Wafers——from the Lab to the Cell Production［C］／／Wafer－based Silicon Solar Cells and Materials Technology.Silicon Feedstock，Crystallisation and Wafering.Hamburg：EU PVSEC，2009：1400－1405.

［8］Schumann M，Singh M，Orellana T，et al.Reaching a Kerf Loss below 100μm by Optimizing the Relation between Wire Thickness and Abrasive Size for Multi－Wire Sawing［C］／／Wafer－based Silicon Solar Cells and Materials Technology.Silicon Feedstock，Crystallisation and Wafering.Hamburg：EU PVSEC，2009：1222－1227.

Experimental Study of Semi－fixed Wire Sawing

Peng Wei Wang Jinsheng Yao Chunyan
Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology，Ministry of Education and Zhejiang Province，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310032

In view of low sawing efficiency and large kerf loss in the free abrasive wire sawing，a new method of semi－fixed wire sawing was put forward.In order to improve sawing efficiency and reduce kerf loss，wire saw surface made groove and abrasive particles were embedded into the groove to realize the instant consolidation.VW－6000／5000 dynamic microscope system observed the motion state of the abrasive particle in the cutting area.The results indicate that abrasive particle can realize the instant consolidation in the groove.The differences in sawing efficiency，surface roughness and kerf width by semi－fixed wire saw and steel wire saw were analysed by cutting experiments.

semi－fixed wire saw；free abrasive machining；sawing efficiency；kerf width

TQ164

10.3969／j.issn.1004－132X.2013.09.019

2012—02—16

國家自然科學(xué)基金資助項目（51075367）；浙江省自然科學(xué)基金資助項目（Y1090931）

（編輯 袁興玲）

彭 偉，男，1958年生。浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方面為精密加工和快速成型加工技術(shù)。王金生，男，1978年生。浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。姚春燕（通信作者），女，1971年生。浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院副教授。