（机械工程专业论文）大直径晶体内圆高精度切割关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 基于现阶段我国半导体材料及特种材料切割的实际需求，本文提出了提高大直径内 圆切割精度的方法和措施。 本文首先研究了内圆切割的力学特性：晶体受晶体与刀片间的锯切力、沿刀片内圆 切线方向的切向力和垂直于刀片的振动力三个力的作用。通过力学分析认为，切割时由 于切割线速度很高，所切晶体始终承受着因主轴端面跳动引起的刀片法向振动力的作用， 振动力是影响晶片翘曲度、平面度、粗糙度的重要因素。因此，提出了采用晶片自动跟 踪校正系统，减小刀片振动力，修正振动性能参数，进而提高切割精度和切片质量。 通过对主轴旋转精度和刚度的分析，提出相应的措施，使主轴具有极高的动静态刚 性和优良的热平衡结构，能够减小主轴轴向跳动和径向跳动，减小刀片工作面与晶体加 工面之间的相对振动，从而减小刀片对切割材料表面的冲击力，减少晶体材料切割中的 飞片、碎片和刀纹。 分析了刃具及被加工材料对切割精度的影响：研究认为刀片形状，刃口磨料及被加 工材料性质对切割精度有很大的影响。刀片形状一般做成滴水状，有利于刀片的冷却， 切割时对刀基体的撞击小，提高了刀片使用寿命；被加工材料越硬，刀刃金刚石粒度越 小，锯切速度越小；相反，材料越软，粒度越大，切割速度越快。不同材料用不同的切 割速度，对切割片子的翘曲度、平面度和粗糙度都有不同的影响。 研究了切割工艺对晶片切割精度的影响：张刀状况、切削液类型，工作台切割速度 和进给压力是影响切片质量的重要因素，张刀提高了刀片切割时的刚度，减小了刀片的 变形；刀片自动跟踪系统是一种刀刃校正装置，目的是为了减小振动力；切削液类型对 切割精度有重要影响，它具有减缓刀片振动力，冷却刀片，带走切削热量，以及润滑， 清洗的多重作用；进给压力越大，锯切力越大，工作台进给速度越高。 最后，通过对提高切割精度实验的分析，获得了优化的工艺条件和工艺参数。用实 验验证了：当大幅度提高主轴精度的情况下，在不同的切割速度下，采用不同类型的切 割液对锗、铁素体、卤化镓、砷化铟、铌酸锂、石英、石榴石、石墨等多种材料进行切 片，检测其晶片的弯曲度、碎片率、刀痕、锥度等，结果显示：切片精度和切片质量取得 了显著效果。 关键词：内圆切割刀片自动跟踪系统切割精度翘曲度平面度 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n g t om ea c t u a ln e e do fo u rc o u n 奶7ss e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n ds p e c i a lt y p e m a t e r i a l sc u m r 培，t h i sp 印e rg i v e st l l em e l o d sa n ds e m e dm e a s u r e so fi m p m v i n gt 1 1 ec u t t i n g p r e c i s i o nf o rt h eb i g - d i a m e t e ri 衄e r _ c i r c l e f i r s t ly ，t h ep a p e rr e s e a r c h e so n 廿1 ed y n a m i cp r o p e r t yo fi n n e r - c i r c l e c u t t i n g ：f o r c e a i l a l y s i so ft h ec r y s t a lh a v et h r e ea s p e c t so ft b ec u t t i n gf o r c eb e t 、v e e nc r y 咖la i l db l a d ee d g e ， t h cc i r c u m f e r e n t i a lf o r c ea ta t a n g e n tt ob l a d ee d g ea n dt h ev i b r a t i n gf o r c eo fm ev e r t i c a l b l a d e a c c o r d i n gt o 廿1 ed y n 锄j ca i l a 】y s i s ，c r y s t a la l w a y sb e a r s 】eb l a d esn o 瑚a lv j b r a t i n g f o r c ew h i c hr e s u l t sf b mm a i ns p i n d l ej u i n p i l l e s s ，a n dt h ev i b r a t i n gf o r c ei sa ni m p o n a n t e l e m e n to fi n n u e n c i n gc r y s t a lsb e n d i n g ，p l a l l e n e s sa n dr o u g i l i l e s sb e c a u s e 也ec u 仕i n gl i n e a r v e l o c i t yi sv e r yl l i 曲s om ep a p e rp u t sf o r w a r daw a yt ou s ec r y s t a la u t o m a t i ct r a c k i n g c o r r e c t i n gs y s t e mw 1 1 i c hc a nr e d u c et h eb l a d esv i b r a t i n gf b r c e ，c o r r e c t t 1 1 ev i b r a t i n g p e r f b 廿n a n c ep 猢e t e ra n di m p r o v em ec u t t i n gp r e c i s i o n 趾dn l es l i c eq u a l i t y s e c o n d l y ，i ta i l a l y z e sp r e c i s i o na n dr i g i d n e s so f m er e v o l v i i l gm a i ns p i n d l ea n dg i v e st h e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s ，s oa st om a k e m a i ns p i n d l eh a v eh i g h l yd y n a m i ca i l ds t a t i cr i g i d n e s s a 1 1 de x c e l l e n th e a tb a l a n c es t n l c t u r e m i c hc a nr e d u c et h ea x i a la n dr a d i a lj u m p i n e s so fm a i n s p i n d l e ，d e d u c et h e 埘a t i v ev i b r a t i o nb e t 、v e e nb l a d ew o d d n gs u 幽c ea n dc r y s t a lp r o c e s s i n g s u r f k e ，r e d u c em ei m p a c tf o r c eg i v e nb yt h eb l a d et ot h ec 删i n gm a t e r i a ls u r f 犯e ，a n da l s o r e d u c en y i n gs l i c e s ，矗a g m e n t s 卸db l a d er i p p l e sd u r i n gm ec u t t i n go f c r y s t a lm a t e r i a l s t h i r d l y ，i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eg i v e nb yb l a d ea n dp m c e s s e dm a t e r i a l st os l i c ec 删i n g p r e c i s i o n ，a 1 1 dc o n s i d e r st 1 1 a tb l a d es h 印e ，b l a d e 西n d i n gm a t e r i a l sa 1 1 dp r o c e s s e dm a t e r i a l s a r ei m p o m m tf a c t o r si n n u e n c 血gt h ec u t t i n gp r c c i s i o n g e n e r a l l y ，m es h a p eo fb l a d ei sm a d e l i k et h es h 印eo f “p p i n gw a t c r ，b e c a u s ei td o e sg o o dt ot l l ec 0 0 1 i n go fb l a d e ，t b ei t n p a c t 五m c et oc u t d n gb l a d ei ss m a l l ，a n di tc a nl e n g t h e nm eb l a d esu s i n gd m e 1 1 1 et o u 曲e rm e c u m n gm a t e r i a li s ，m es m a l l e rt h ed i 锄o n d 伊a n u l eo fb l a d ee d g ei sa n dt b es m a l l e rt h e c u 劬培v e l o c i t yi s ；v i c ev e r s a d i 虢r e n tm a t e r i a l su s ed i 位r e i i tc u “i n gv e l o c i t i e s ，w i l i c hh a v c i n d i 丘h e n ti 1 1 f l u e n c e so nt h ec u t t i n gs l i c e sb e n d i n g ，p l a n e n e s sa n dr o u g h n e s s f o u r t h l y ，i ta i l a l ) 吧e sn l ei 1 u e n c eg i v e nb yc u m n gt e c h n i c st os l i c ec u t t i n gp r e c i s i o n ， a n dc o n s i d e r st h a ts p r e a d i n g _ b l a d ec o n d i t i o n ，c u m n g1 i q u i dt y p e ，w o r k i l l gp l a t f o mc 砌n g t i 华中科技大学硕士学位论文 v e l o c 咄f e e dp r e s s l l r ea r ei m p o n 柚tf a c t o r si i l f l u e n c i n gm eq u a l 畸o fs l i c e s s p r e a d i n g 七1 a d e i m p m v e sn l er i g i d i l e s so fc u t t i n g b l a d ea n dr e d u c e st h ec h a n c e so fd e f o m i n gt l l eb l a d c 耵1 e b l a d ea u t o m a t i ct r a c k i n gs y s t e mi st h eb l a d ec o r r e c t i n ge q u i p m e m ，a n di t sa i mi st or e d u c e v i b r a t i n gf o r c e c u m n gl i q u i dt y p e se x e na ni m p o r t a n ti n n u e n c eo nc u t t i n gp r e c i s i o n ，a n di t c a nr e t a r dt h eb l a d ev i b r a t i n gf o r c e ，c o o lb l a d e ，t a k ea w a yt h ec u t t i n gh e a t ，h a v et h e l u b r i c a t i n ga 1 1 dc l e a n i n gf u i l c t i o n s t h eb i g g e rf e e dp r c s s u r ei s ，n l eh i 曲e rm ec u t t i n gf o r c ei s a n dt h eh i g h e rw o r k i n gp l a t f b m lf e e dv e l o c i t yi s a t1 a s t ，a c c o r d i n gt o 也ea n a l y s i so fa d v a n c m gc u m n gp r e c i s i o n ，t h eo p t i i n i z e dt e c l l l l i c s q u a l i f i c a t i o n sa n dt e c l l l l i c sp a m e t e r s a r eg a i n e d t h ee x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e d ：u n d e rn l e c o n d i t i o no fg r e a t l yi m p r o v i n gm a i ns p i n d l ep r e c i s i o n ，i n d i 丘宅r e n tc u m n gv e l o c i t i e sa i l d i n d i 丘色r e n tt y p e so fc u t t i n g1 i q u i d ，d i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s u c ha sg e m a n i u mf e r r i t e ，g a l l i u m a r s e n i t e ，i n d i u ma r s e i l i t e ，l i t h i u mn i o b a t e ，o u a n z ，g g gg r a p h i t ee t c ，a r es l i c e du p ，a n d b e n d i n g ，丘a g i n e mr a t e ，b l a d em a r ka 1 1 dp r i c ko fc r y s t a la r ec h e c k e d t h er e s u l t sv a l i d a t et h a t c u t t i n gp r e c i s i o na n dc u m n gq u a l i t ya r eg r e a t l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：i 衄e r _ d r c l ec u m n g t h eb l a d ea u t o m a ! t i ct r a c k i n gs y g t c m c u m n gp r e c i s i o n b e n d 血g p l a n e n e s s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：驾弓厶专 日期：2 0 0 6 年印月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密r j ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：凯苗。考指导教师签名：j 狩云 日期：2 0 0 6 年争月“日日期：2 0 0 6 年垆月2 占日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着半导体制造技术的飞速发展，各种新材料、新器件不断涌现，为了增加芯片 产量和降低器件制造成本，各种半导体材料的制造趋向大直径化、高精度化。由于半导 体材料的厚度也相应增大来保证大尺寸材料的强度，半导体材料和芯片尺寸变化所导致 的材料加工量的增加以及对材料加工精度和表面质量更高的要求，使已有的材料加工技 术面临挑战。本文用提高主轴旋转精度和刚度的措施、刀刃形状和张刀状况及切削液对 切片精度和切片质量的重要影响、工作台切割速度在半导体材料切割中的作用等大量篇 幅详细分析了国内大直径半导体材料精密切割加工工艺的原理和特点，研究了国内外内 圆精密切割技术应用的现状及发展方向，解决了影响我国大直径晶体内圆高精密切割技 术的瓶颈。 1 1 课题来源、目的、意义 随着i c 向着u l s i g l s i 电路的发展，除了半导体材料硅、锗外，陶瓷、玻璃、耙 材、钽酸锂、铌酸锂、水晶、宝石等各种材料的切割范围越来越广。切割材料直径的增 大以及对几何尺寸表面机械损伤层、晶格完整性、晶片的精度等的要求越来越严格，均 对大直径内圆切割的精度提出了更高的要求。我国现在使用的大直径晶片切割机是1 9 9 7 年开发并商品化的，但由于切割精度偏低，限制了其使用范围。 内圆切割机的切割精度主要体现在所切割晶片的平面度、翘曲度、平行度、表面粗 糙度和平均厚度等方面。研究表明，切割精度对抛光工序的成品率和返工率起关键作用， 因而，对整个生产成本有重要影响。 当前g “s 和硅半导体材料圆片的典型规格要求如下表： 表卜l 典型2 英寸g a a s 圆片规格 l e c 法纵向梯度冷凝法 电阻率( q c m ) 2 x 1 0 7 1 0 7 迁移率( c 岔v s ) 4 0 0 0 5 0 0 0 载流浓度 x 。0 4 ( 典型直) 1 0 3 平行度( um ) 4 5 厚度( um ) 4 5 05 0 0 价格( $ c m 2 ) 1 01 5 华中科技大学硕士学位论文 表卜2 大直径硅圆片的典型规格要求 清洁度 o 0 3 氧浓度( c m l )规格要求3 碳浓度( c m - 3 ) 1 5 1 0 ” 金属玷污( p p b ) 0 0 0 1 原生位错( c m l ) 0 1 直径( 砌) 1 5 0 厚度( u m )6 2 5 或6 7 5 翘曲( u m ) 1 0 整体平行度( u m ) 3 从表卜1 和表卜2 看出，随着直径的增大，圆片的翘曲度、整体平行度要求越来越 高。简单的说，投入到生产线的抛光片应当是平整、洁净和无损伤的。但是长期以来， 许多公司常常在获得良好质量的晶体单晶后，却做不出合用的晶片来，在制片的各个工 序中都隐藏着造成损失的环节。所有的切割都会产生表面损伤，对于s i ，它一般小于 1 0 u m ，而对于g a a s ，可达5 0 u m ，对于i 一族化合物则更为严重。虽可以通过研磨取掉 切割损伤，但成本迅速增高，特别在切片过程中，表面如果切割的很不平整，甚至出现 锥形、变厚、弯曲、崩边、碎片、刀痕等，如图卜1 所示。为取掉切片过程中材料表面 大量的损伤，制备高质量的抛光片，研磨时至少要取掉表面切割深度三倍的损伤层；这 样为以后的研磨、化学机械抛光造成了一定的困难。若切割后的晶片很平整，就可直接 进行抛光，节约大量的资金。 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 晶片趣厚 ( b ) 晶片弯曲 一 ( c ) 晶片锥形 莎霉 崔 ( e ) 表嚣不规刘 l 起的晶菏弯曲 ( f ) 黠片向刀片外弯曲 ( g ) 晶片向刀片弯船 图卜l 晶片缺陷 ( h ) 品片向刀片内弯曲 图l 2 尾x 射线摇摆睦线结合分段腐蚀联测出熬切割片表囊盼损伤鼷厚度。3 ( w = w m w c ) ： 3 l乡 o。!，。l- 华中科技大学硕士学位论文 一 创 蠲 蛊 习 御 躺 辏 硅材料每面损伤的深度( u m ) 图1 2 硅材料每面损伤深度与弯曲宽度的关系。1 从图卜2 中看出：大多数的切割对片子的损伤在离表面2 0 m 范围内；切割成 的片子是弯曲的，弯曲的程度与片子的两面损伤有很大关系；令b 为片子凹入的深度， d 为直径，如果弯曲具有一个均匀的曲率关系r = d 2 ( 8 b ) ，应变与弯曲的关系式为。1 ： 一 1 6 。b s = _ 3 d 2 当切割温度大约在5 0 0 的弹性形变温度之下，硅片应力) 1 0 9 聊。时，s ) 5 1 0 3 会 发生脆性断裂。 在较高温度下，弹性的弯曲随着施加的应力，会让位于塑性形变，如图卜3 的曲线 所示是各种切割后的机械损伤。 产生的应力( n m 。2 ) 图卜3 由机械应力形成的形变和脆裂。1 4 华中科技大学硕士学位论文 当前，尽管随着多线切割机的发展，大批量硅材料的切割都由多线切割机代替内圆 切割机来实现。但是，由于新材料的不断涌现，在研究院所和高校，小规模，小批量的 切割越来越多，且只能采用内圆切割方式。 内圆切割是将高强度的轧制钢板冲成大圆盘，带有中心空洞，沿中心空洞边缘用电 镀的方法将粒径严格控制的金钢石封入。将这种刀片夹在一个安装框架上，此框架靠强 拉力将外环拉紧，使中心切割孔接近其弹性极限，形成一个薄的，具有很大刚性的刀片。 用它进行精确的切割，并使材料的刃口损耗降到最低，用以切割硬脆材料的切割方式。 当被外环拉紧的内圆刀片高速旋转切入半导体材料，最后切割成片时，此拉力会稍 有松驰，而刀片会发生轻微的抖动( 颤动) ，处于切缝一边的锯条是钢性的，但处于另 一边的局部被切的硅片会稍有松驰，随着刀片边缘的抖动，刀片的金钢石对锯条和硅片 的作用造成了两边不同的损伤，当重新切另一片时，刚暴露出的锯条表面就成为新一片 的一个边。这种晶片若设备运行正常，刀片安装或操作正确，切割液流量合适，晶体可 以被切成厚度完全均匀，很小弯曲的晶片。但若设备( 主轴、工作台速度、送料系统) 有任何一方有故障，或刀片安装、切割液流量、工作台切割速度大小等不合适或操作不 正确，在切割时，都会造成刀片变斜，造成品片切割后厚度不均匀，两面损伤层深、弯 曲大、崩边等现象。为以后晶片制造带来困难。 影响内圆切片质量的主要因素有：( 1 ) 主轴的旋转精度；( 2 ) 刀片安装的刚度、张力； ( 3 ) 切削液的种类和流量。( 4 ) 切割材料的种类和切割速度；( 5 ) 切割刀片的状况等。 系统研究这些参数和零部件精度，对提高半导体材料切割片子的质量，减少腐蚀后 的研磨，化学机械抛光，节约成本，制作高质量的抛光片有重要意义。为越来越多的新 材料的加工，制作新的器件，满足国内电子工业的更快发展有重要意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究溉况 国外内圆切割设备及技术起步于7 0 年代初期，在8 0 年代后期1 5 0 衄和2 0 0 帆的切 割设备完成了制造，进入生产线生产。 典型的国外内圆切割机有瑞士m e y e rb u r g e r 的t s 系列和r 本东京精密的t s k 系 列。3 ，特别以瑞士m e y e r b u r g e r 的t s 系列内圆切割机以其适用性和自动化程度高而比 较有名。t s 系列内圆切割机有t s 一2 3 ：空气主轴，切割直径由1 2 5 m ；t s 一2 0 5 和t s 一2 0 6 华中科技大学硕士学位论文 空气主轴，切割直径由2 0 0 m 。日本东京精密的t s k 系列内圆切割机有s l m _ 1 1 6 g 、 s l m - 2 2 7 d 、s l m - 4 0 0 e ：精密滚动主轴，分别切割中l o o 呦、m1 5 0 m 、中2 0 0 唧直径材 料。阻其切割质量高，机器可靠性高而高誉满全球。而日本t o y o 公司采用滚动轴承主 轴结构，于1 9 9 7 年研发成功了3 0 0 姗内圆切割机t s m 一3 0 0 型“1 ，其刀片外径达1 1 8 0 i i i 【n ( 4 6 5 英寸) ，内径4 1 0m ，其基体采用超精密自动弯曲控制技术( s s h ) ，控制切割 过程的刀体变形，其切割晶锭尺寸直径长度是巾3 0 0 2 0 0 衄；送料速度：5 m m i n 或 2 5 m m i n ：切割速度：4 0i i m m i n ；主轴转速1 6 0 0 n m i n ( m a x ) ；采用机械张刀方式。该 切割机代表着世界上机械滚动轴承主轴结构，内圆刀片切割最先进的技术水平。总之， 国外内圆切割技术从小到大已经比较成熟，切割精度高，主要是采取了：( 1 ) 普遍采用大 直径空气静压主轴技术，大幅度提高了主轴的轴向跳动和径向跳动，( 2 ) 所有大直径的内 圆切割机都安装精密自动弯曲控制技术，自动控制切割过程，大大提高了切割精度，( 3 ) 熟悉硅及各种半导体材料切割最优工艺条件及工艺技术参数。( 4 ) 目前普遍采用多线切割 机进行大规模的半导体材料切割“1 。缺点：内圆切割机最低切割速度高，不能满足特种 材料如蓝宝石、铌酸锂、钽酸锂等高硬度材料的切割，满足不了各种难切割材料的切割 要求。 1 2 2 国内研究概况 切割设备是半导体制造业中基础设备，在信息产业的发展中起着重要作用。我国的 半导体切割设备和切割技术经过多年的发展，基本实现了从中5 0 衄到由1 5 0 姗的实用化 和巾2 0 0 姗的样机的研制。国内的主要机型有，q p 一5 0 9 型，q p 一3 0 l d 型，q p 一6 1 3 a 型， q p 一8 1 6 型“3 。主要切割中5 0 硼、中1 0 0 唧、巾1 5 0 m 、中2 0 0 m 直径的材料。但是，随着 军事装备的迅速发展和通讯技术的不断进步，新材料、新器件的研究蓬勃发展，一些新 材料如：锑锌镉、石榴石、la 擅1 魄晶体、蓝宝石、铌酸锂、钽酸锂等由于硬度高，难 切割、数量少，都需要高精度内圆切割。因此，大直径内圆切割再受青睐。多年来，新 型材料的涌现，内圆切割是唯一理想的切割方式，满足了国内研究院所，企业单位的大 直径半导体材料的切割需求。为此，我国内圆切割技术为应对市场的不断变化和国内需 求，一直努力提高大直径内圆切割机的切割精度，降低工作台的切割速度，满足特种材 料的切割要求：( 1 ) 国内从2 0 0 3 起采用先进的交流伺服驱动结构，代替直流电机驱动方 式，大幅度降低工作台切割速度和加快送料系统速度，切割速度下降到0 5 m m m i n ，代 替了国外及国内以前都普遍采用的直流电机驱动模式，结束了切割速度不能低于 6 衄m i n ，无法切割特种材料：铌酸锂、石榴石、蓝宝石等特硬材料的历史，超过了国 6 华中科技大学硕士学位论文 外同类设备使用范围。( 2 ) 在国内大直径空气静压主轴暂时无法实现的情况下，从结构和 技术两方面来提高机械滚动轴承支承的主轴精度，提高主轴及刀盘轴向和径向精度，减 小刀片切割时的振动力。( 3 ) 研究和试验各种不同材料的切割工艺条件和技术参数。 但目前国内的大直径内圆切割机：( 1 ) 没有安装刀片自动跟踪仪，自动检测和调整刀 片切割状态，用以提高切割精度，限制了我国切割机切割精度和切片质量。所以设计和 安装刀片自动跟踪校正仪及其实用化，是提高我国大直径切割机切割精度的关键技术和 技术难点。( 2 ) 力求熟悉半导体材料和特别是特种材料切割的最优工艺条件及工艺技术参 数，满足目前我国科研院所特种材料加工的需要。 我国切割设备及技术将来发展趋势是：研究开发我国自己的多线切割设备和大直径 空气静压主轴技术，以满足国内大规模半导体材料加工的需要。 1 3 本文研究内容 本文针对大直径晶片内圆切割专用设备特点及新材料切割中存在的实际问题，以提 高我国大直径内圆切割设备竞争力的需要，分析研究了我国大直径晶片高精度内圆切割 中的一些关键技术，为如何满足新材料切割精度的要求，寻找到一系列的措施和方法。 主要研究内容如下： ( 1 ) 内圆切割晶片的切割特性研究及力学分析； ( 2 ) 研究了主轴的旋转精度和刚度对切割表面质量和切割精度的重要影响； ( 3 ) 分析了刃具及被加工材料、张刀状况、切削液流量、切割速度、进给压力，刀 片自动跟踪校证系统对切割精度的影响； ( 4 ) 用正交实验优化工艺参数，并用优化的参数进行实验，检验取得的实际效果。 华中科技大学硕士学位论文 2 内圆切割力学特性研究 切割机在切片过程中，虽然型号不同，所切的材料不同，切割工艺不同，但是切片机 的切割原理则是相同的。研究切割机切片过程中的受力特性，对理解切片原理，制定切割 工艺，提高切割精度具有极其重要的意义。 2 1 刀片的切割特征 内圆刀片是用电镀的方法在薄不锈钢圆环( 称作基体) 的内圆周沉积了一层金刚石砂 粒的刀具，见图2 一l ，在刀片的外圆部分有多个小孔，安装内圆刀片，通过这些小孔将其 固定在切片机的鼓形旋转体( 称作刀盘1 上，张紧外圆，给内圆以很强的张力。内圆刀片有 不同的几种张紧方式，现在多使用图2 1 ( b ) 所示的机械张紧方式，采用这种方式时， 用夹紧刀环固定刀片，张紧刀环施加机械力，即用外圆张引的方法维持刀片内圆的圆度， 并得到刀片整体较大的刚性。结果达到刀片刃部刚性高，切割阻力等外力引起的刃口的 振动小。 刀片的结构特点如图2 1 ( a ) 所示，它是以0 1 n l m o 1 5 m m 厚度的不锈钢圆环为基 准，内圆上均匀地镀有一层o 3 0 3 5 m m 厚的金钢石作为切削刃；靠近外圆边缘处加工有 若干均布的小圆孔，用以把刀片固定到上下刀环之间。现在金钢石刃口形状一般做成水 滴状，前端圆孤部分为主切削刃，上下两圆弧为副切削刃，后面两圆弧我们且称之为后 隙面。把刀片张紧到刀环上之后，基体及刃口金钢石内便形成了拉应力，这个拉应力使 刀片具有径向刚度及轴向刚度。刀片具有切割硬脆材料的能力。 切割晶棒时，刀盘高速旋转，刀片内圆刃口的金刚石镀层垂直切入晶棒，即可切下 晶片，见图2 1 ( c ) 。晶棒沿切割方向的进给及切割厚度由数控系统精密控制。因此，用这 种切割方式，按切割厚度要求指标，可切割各种半导体材料，通用性强，切割精度高。 与线切割相比较，内圆切割不需要连续供给磨液( 砂粒和磨削液的混合物) 、废弃物处 理量小、不污染环境及切割成本稳定，切割量容易控制等特点。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 切割时受力特点分析 图2 1 刀盘的结构 张紧内圆刀片时，刀片内径为a ，外径为b ，外周的张力为p ，刀片圆周方向的应 力与内圆的应力一样，其值为盯，盯= 2 6 2 p ，( 6 2 一口2 ) 0 1 。刀片的刚性与盯和基体厚 度t 的乖积成比例增高：张力p 大，盯值大，基体厚度t 高，刀片刚性好，但刀片的厚 度受到限制。为了降低切割成本，基体的厚度t 必须要小，若基体厚度小的情况下，要 想提高刀片刚性，就必须使用抗拉强度高的基体，以增大仃值。故而，在刃口厚度受到 限制的情况下，开发大直径内圆刀片，必须用抗拉强度更高，宽幅的不锈钢基体。 针对这种情况，为生产适应多数用户的要求，几年前国外就开发出了满足大直径切 割要求的刀片基体。表2 1 列出了现在使用的内圆刀片不锈钢s u s 一3 0 4 ，s u s 一3 0 1 ，s 一2 及新开发的s s h 的机械指标。图2 2 列出了s 一2 和s s h 两种钢的应力分布曲线。1 。 表2 1 i d 刀片的机械基体性质“1 钢种抗拉强度n m m 2延伸率， s u s 3 4 01 3 7 2 1 5 8 61 4 以上 s u s 一3 0 1 1 5 8 6 1 7 6 41 4 以上 s 2 1 8 1 3 2 0 5 81 4 以上 s s h2 0 0 9 2 3 0 31 4 以上 9 华中科技大学硕士学位论文 ? 蚕 童 r 谶 0 2o 4o 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 延伸牢镐 图2 2 应力分布曲线”1 s s h 与现在主要使用的s 一2 比较，抗拉强度高1 0 以上，面且切割时耐交变应 力，韧性很好。 刀片装在刀盘上以后在切割边缘所产生的力可用装在锭条上的测力计跟踪，测力计 联有x y z t 记录仪，当刀片通过整个直径时，可同时测量出：进刀时晶体与刀片间的 直接负荷力即正压力p x ，沿刀片内圆切线方向的牵引力即切向力p ，是垂直于刀片的 振动力p ：”3 ：振动力虽然很小，但很重要，这些数值与操作条件有关。 切割速度( c m m i n ) 图2 3 切割速度与切割力的关系。3 刀刃的失效( u m ) 图2 4 刀刃的失效与弯曲度的关系。1 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 是力的测量结果，用蒸馏水作切割液，其中：口一p ；，一p ，+ 一p ：，o 一 弯曲度。用含1 聚乙烯乙二醇代替水，可由p ：表现出来，它仅为0 0 4 n ，而弯曲度小于 1 0 u ：图2 4 ，切后进行腐蚀，以显示出真实的与刀片挠曲有关的变形，+ 为弯曲”。 根据实验，如图2 3 、图2 4 示出在变换切割速度条件下，获得的典型结果。其中 p 。就是正压力，它不仅由工作台驱动电机功率有关，而且正压力的大小决定了刀片所受 载荷的大小，从而决定了刀片的锯切能力。影响正压力的主要因素有：刀片内刃口金钢 石颗粒的粒度、浓度、等级、被切材料的种类、锯切工艺参数、工作台进给速度等。工 作台进给速度增加，还引起进给方面或切向力增大，而锯切深度增加，会导致正压力明 显增大，切向力减小。切割半导体材料过程实质是一种缓进给磨削。其中进给时的工作 台速度，金钢石颗料尺寸，材料种类对正压力起决定作用。 早期l o n s 通过试验获得了单个磨粒上的作用力，得到了磨粒尺寸与进给量及进给 压力之间的关系，研究认为：迸给压力和切向力之间的比例为5 1 5 ，而进给压力是主 要的锯切力分量。磨粒越大，作用在磨粒的进给压力越大。1 。 锯切刀包括材料的破碎阻力，金钢石和晶体材料之间的摩擦力。显然，破碎阻力与 被切材料的物理性能、化学成分、矿物组成以及锯切工艺参数有关。j e r r o 用有限元的 方法分析了金钢石锯片的切割过程，作者建立了一个模型以计算切割硬脆材料的切削 力。模型包括加工工艺和工具的参数”3 。如锯片的圆周速度、进给速度、锯片直径、切 割深度、磨粒尺寸、金钢石烧结的密度及分布情况等。模型不包括工件材料参数、如弹 性模量、泊松比等。作者通过有限元的方法，先计算出单个磨粒的切割状况，然后计算 出整个锯片的切割力。 金钢石锯片主切削刃的形状对刀体受力及切片质量具有极其重要的影响。在理想情 况下，主切削刃呈半圆形，在切割过程中，当被切材料以一定的切割速度运行时，主切 削刃上便承受着均匀的切割阻力， 切削刃上承受的切割阻力可分解为刃口正压力p x 、切向分力p ，和垂直于刀片平面 的轴向力p ：( 振动力) 则： p = ，c o s 口( 2 - 1 ) 只= 尸s i n a 其中：p ：切割时产生的合力 a ：只与p 的夹角 ( 2 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 因锯切力与切削刃口正压力成正比 厂= 皿 ( 2 3 ) k 为摩擦系数 据此，刃口切削力的分布图”3 如图2 5 ( a ) 所示，从图中看出主切削刃头部切削力 最大，向两侧过渡过程中以余弦曲线衰减。 由于刃口两侧面的切削张力很差，在理想的情况下，退刀的过程中被切材料会形 成二次切割，表面上留下一圈圈回刀波纹。实践中，为了消除回刀波纹，往往把刀口修 成图2 5 ( b ) 所示形状。 图2 5 刃口修整状况及受力 c a b 此时，晶片定位边斜面上的切割正压力为： 只= p s i n ( 2 - 4 ) 切削力如图2 5 所示，这意味着削弱了下半部分的切削能力，使刀头上扬，从而， 切出的片子不是平面，而是大圆面。这样，在回刀过程中不再产生回刀波纹。在实际生 产中，只要此圆弧弦高于晶片所要求的t t v 值，即能切出高质量的片子。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = 一 2 3 晶片切割的力学模型 切割晶片的理论几何形状与刀片刃口及其不锈钢基体的轴向弹性变形密切相关。下 面以常用的晶体材料为例进行理论分析： 如前所述，首先把切割阻力分解沿刃口表面的切向分力与法向正压力，并以主切削 刃中心为原点，建立坐标系，对于上部分 最= p c o s 盯 ( 2 ，5 ) 再把法向压力分解为刀片的轴向与径向力，则上面某一点轴向力为m ， 只= l ，( x ，j ，) 吐 圆弧参数方程为 i x = r c o s 目 1v = rs i n 口 ( o 臼卢) x 7 = 一rs i n 臼 y = 一r c o s 臼 = f m 吐= r s i n 2 d 瓜磊而* 畋 = 去瑚r 砒。s 2 口= 丢脚一s 卢， 对刀片刃口下部修磨平后，断面成直线计算如下 y = 融+ b = t g y r i g y = t g y b 一翰 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 义2 厂+ = 1 8 0 ” ，= 9 0 。一拿 y = c 留( x r )( 月c o s s 工s 月) ( 2 1 1 ) e = 圭州n 2 ，= 圭p s i n ( 1 8 。嗍= 圭蹦n ( 2 蚴 写= 胍棚吐= l 争s i l l 厅而以= 圭删一s 仂 ( 2 _ 1 3 ) 由上面推导过程可知，由于主切削刃口下面被修成了直线，从而它的轴向分力由 丢瑚( 1 一c 。s ) 增大到圭尸r ( 1 一c 。s 卢) 。这意味着在切割过程中，刃口存在一个向上的推 华中科技大学硕士学位论文 力p 上= p 足( 1 一c o s ) ，这一力延着刀刃与被切材料接触的部分均匀分布着。 n 下面对边界条件、受力状态进行分析，简化建立力学模型。3 。 险色j 磊z r 墨带“幽虫 缸皿旺阻弋凰渤q 图2 6 边界力学模型图 如图2 6 所不，m 是川片川口芎矩图，是一连! 实阴凹线，q 是j 斤训剖明州u 别j 图，是分段连续的，c 、d 两点都是剪力的转折点。均布作用力是刃口正压力 。 对于a c 段： q = 警 ( 2 ) 鸠= 筹( - 3 w 2 “2 臼 ( 2 - 1 5 ) 只= 器【( 3 垮2 吖3 】 ( 2 _ 1 6 ) 对于c d 段： q = 舟瓮爿 任切 坂= 辨化f 一掣 正= 籍卜增q 冉掣 陋柳 f = 兰，= 芝， i ：截面的轴惯性矩 1 4 华中科技大学硕士学位论文 通过上面的理论分析看到切割区( c 段) ，变形成对称的4 次方形曲线分布，而在 非切割区变形则以3 次方形曲线分布。对于圆形材料切割过程中c 值是变数”1 。 c = 2 x 砭r x ) r 一所切材料半径 ( 2 - 2 0 ) 由此，把参数c 代入上列公式，把圆片按直径大小分成n 等份，每个等份点进行 计算，并画出其曲线图，最后把最大直径上的曲线分成n 等份，并相应地按切割方向光 滑连接起来。就得到切割表面外形图，如图2 6 所示，它是一个对称的凸面。下一次切 割仍然会切出同样的曲面。 2 4 力学特性分析 从力学模型上，清楚地看到，弯矩图是一连续的曲线，而剪刀图是分段连续的。c 、 d 两点都是剪力的转折点。 分别对a c 段及c d 段的挠度方程求导数”。 a c 段：= 焉 2 ( 3 膏_ 1 2 f 2 】 ( 2 _ 2 1 ) c 。段：盎k r z 垮垅冉钭 沼z z ， 把x _ a 代入( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 式，可以得到c 点，挠度方程的导数值相等，这说明 了挠度曲线在c 、d 点均是连续的。 再对a c 段、c d 段：f x 求导数如下： a c 段：刀= 籍r 2 ) - 2 4 掌 2 3 c 哦：茄肛加4 孝+ 竽 协2 a ， 把x _ a 代入( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 式，可以得到c 点挠度方程的二阶导数值相等，也就 是说切割入口与出口均无加速突变现象，这说明，尽管刀刃口在切割过程中因受力而变 形。但这一变形是均匀的，在刀刃的入口与出口处无突变力的作用。通过c d 段的二阶 导数。我们还发现加速度函数是呈二次曲线形状。也就是说加速度最大值发生在切割材 料的中，心地带。 华中科技大学硕士学位论文 而入口与出口均有一定的加速度值，据此，就可以绘制出刀刃变形对被切材料挤压 产生的轴向应力曲线1 ，如图2 7 所示： 图2 7 切割的入口与出口应力集中现象 从图2 7 可以看出，在切割的入口与出口处均有应力集中现象，而在中间区域应力 分布成二次抛物线形，中央处最大。因此，在切割刚开始或切割快要结束时，区间c 值很小，两头的应力集中区域靠的很近，容易形成“崩边”或“断根”现象。 进步对a c 段、c d 段的f x ”求导数 a c 段：正”= 黑 ( 2 1 6 ) c 哦= 籍 _ 2 4 + 掣 - 筹 _ l + 警 沼 通过分析得出，在垂直平面的轴向力作用下会激起刀片振动，产生振动力。而刀片 的振动对切割( 因主轴转速很高) 质