（機械制造及其自動化專業(yè)論文）環(huán)形金剛石線鋸絲制造技術(shù)及鋸切實驗研究.pdf

摘要 摘要 集成電路 i c 多以單晶硅片為襯底材料 為降低單元制造成本 要求單晶 硅片的矗徑也越來越大 切片是硅片制造的關(guān)鍵工序 對于塞徑大于3 0 0 r a m 的 單晶硅普遍采用往復(fù)式自由磨料線鋸切片技術(shù) 往復(fù)式自由磨料線鋸加工 其材 料去除楓理是研磨 加工效率較低 且不能切割硬度更高的碳化硅羆體 陶瓷等 材料 本文提出環(huán)形樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸切割這一新工藝 利用固結(jié)在線鋸絲 基體上的金剛石磨粒直接磨削去除材料 減輕加工隧表層損傷 環(huán)形線鋸絲單方 向高速連續(xù)運動 大大提高切割速度和效率 可用于硅晶體切片及高硬度材料切 割加工 具有切割精度高 制造成本低 對環(huán)境無污染等優(yōu)點 本文設(shè)計制造了環(huán)形鋸絲線鋸床 該鋸床使用環(huán)形金剛石線鋸絲 可實現(xiàn)環(huán) 形線鋸絲單方向連續(xù)運動 線鋸絲走絲變速范圍是4 5 2 8 m s 滿足切割不同材料 的要求 根據(jù)鋸切實驗要求 可實現(xiàn)無級調(diào)速的伺服電機驅(qū)動和是恒進給力驅(qū)動 的兩種進給方式 利用外加力矩張緊線鋸絲 張緊力可以定量調(diào)節(jié) 張緊力范圍 1 4 6 2 5 2 n 通過裝配時精密研磨軸承安裝孑l 配裝調(diào)節(jié)軸承間隙等關(guān)鍵工藝 提高了鋸床精度和剛度 大大降低了線鋸絲振動振幅 提高了鋸切表面面形精度 分析研究了3 0 4 不銹鋼絲 直徑0 4 m m 3 0 4 l 不銹鋼絲 直徑0 3 r a m 6 5 m n 彈簧鋼絲 直徑0 3 r a m 以及s w p b 鋼琴絲 壹徑0 3 m m 的力學(xué)性能 3 0 4 不 銹鋼絲屈服拉力為1 4 0 n 3 0 4 l 不銹鋼絲的屈服拉力為4 5 n 6 5 m n 彈簧鋼絲斷裂 拉力為1 3 1 n s w p b 鋼琴絲斷裂拉力為1 0 4 n 3 0 4 l 不銹鋼絲的彈性變形較小 而s w p b 鋼琴絲含碳量高 焊接性能差 故選3 0 4 不銹鋼絲和6 5 m n 彈簧鋼絲作 為環(huán)形線鋸絲的基體材料 兩種材料的彎曲疲勞壽命均達到l 1 0 6 次以上 采用電阻對焊工藝 分別將3 0 4 不銹鋼絲和6 5 m n 彈簧鋼絲焊接成環(huán)狀 3 0 4 不銹鋼絲焊接接頭斷裂拉力為1 1 0 n 6 5 m n 彈簧鋼絲焊接接頭的斷裂拉力9 0 n 3 0 4 不銹鋼焊縫區(qū)壺細小酶奧氏體秘鐵素體組成 具有較大豹強度和韌性 因此 3 0 4 不銹鋼絲更適合作為環(huán)形線鋸絲的基體材料 實驗研究表明 3 0 4 不銹鋼絲和 6 5 m n 彈簧鋼絲焊接接頭的疲勞壽命均達到l x1 0 5 次以上 在本文實驗條件下 3 0 4 不銹鋼絲焊接接頭的平均疲勞壽命約1 0 0 分鐘 6 5 m n 彈簧鋼絲平均疲勞壽命約 5 0 分鐘 對樹脂結(jié)合粼金剛石線鋸絲制造工藝進行研究和優(yōu)化 樹脂結(jié)合荊金剛石線 鋸絲制造成分包括樹脂 金剛石磨粒和粉粒添加劑等 樹脂主要起粘接作用 將 金囂l 石蘑粒和線鋸絲基體牢固縫黏接在一起 金兩l 石蘑耩是切割工件的主體材料 分別選用了超細銅 c u 粉 納米氧化鋁 a 1 2 0 3 粉 納米二氧化鋯 z r 0 2 粉 納米 v 山東人號 博十 論文 黧i 一 i i i i i ii i ii i i i i i i 篁 皇詈 詈皇寡鼉慧 氮化鈦 骶 c n 粉作為樹脂添加劑 研究了不同添加劑對結(jié)合劑耐磨性的影響規(guī) 律 實驗涯明納米二氧化錈 z r 0 9 粉作為添加荊效果最好 實驗磅究了圓純溫度 固化時聞對樹臘結(jié)合裁強度的影響規(guī)律 隨圈化溫度增高 謙溫時間延長 結(jié)合 劑強度增大 根據(jù)鋸切實驗結(jié)果 用正交試驗法對線鋸絲制造成分的含量進行了 優(yōu)純 樹膳結(jié)合劑中囂氧樹秀誓含量對結(jié)合劑靜耐瘩攙影璃最大 研究了鋸切參數(shù)對鋸切表面粗糙度的影響規(guī)律 線鋸絲速度分別為4 5 m s 7 7 m s 和i i 8 m s 工 睪進繪速度分別為0 0 3 3m m s 0 0 8 3m m s 和0 1 4 0l l l m 三種 也采用了恒進給力驅(qū)動方式 線鋸絲的張緊力分別為1 4 6 n 1 9 9 n 和2 5 3 n 實驗揭示了線鋸絲速度 進給速度 線鋸絲與工件接觸長度 線鋸絲張緊力以及 恒迸給力驅(qū)動進給方式對鋸切表面粗糙度的影響規(guī)律 并對實驗結(jié)果進行分析 進行了不同線鋸絲運動方式和不同結(jié)合劑鋸絲的鋸切比對實驗 與往復(fù)運動鋸切 表瑟相比 環(huán)形線鋸絲鋸切表面切割紋理沒有臻曼的方態(tài)性 與金屬繚合裁金剛 石線鋸鋸切表面相比 樹脂結(jié)合劑線鋸絲鋸切表面平整 無崩碎現(xiàn)象 并且凹坑 及凸超處棱煮圓滑 哥羹環(huán)形搪脂結(jié)合荊線鑷絲畿獲褥質(zhì)量更好薛切片表面 樹 脂結(jié)合劑磨損和脫落是樹脂結(jié)合劑線鋸絲的微觀失效原因 優(yōu)化各種材料的含量 改善結(jié)合裁的固化工藝是提高樹脂結(jié)合劑的強度豁有效措施 分析了環(huán)形線鋸絲的工作狀況 建立了環(huán)形線鋸絲最小預(yù)緊力數(shù)學(xué)模型 線 鋸絲最小預(yù)緊力與從動輪的摩擦力矩 導(dǎo)輪蠢徑 線鋸絲與導(dǎo)輪之間的摩擦系數(shù) 線鋸絲怠燕以及線鋸絲速度都有關(guān)系 導(dǎo)輪瘁擦阻力越大 導(dǎo)輪直徑越奪 掰需 的預(yù)緊力就越大 線鋸絲包角越小 所需的預(yù)緊力也越大 反之 所需預(yù)緊力減 小 蔫實驗方法測量實驗設(shè)備轆承麴摩擦力矩 攝此計算窶使用本線鋸床時 線 鋸絲的最小張緊力為7 8 n 建立了線鋸絲上單個翡粒受力模型 在不考慮線鋸絲彎鰱變形戇情況下推導(dǎo) 出鋸切力公式 鋸切力與多種因素有關(guān) 本文應(yīng)用實際測量的方法確定鋸切力隨 線鋸絲速度以及工件進給速度的變化規(guī)律 分析了線鋸絲彎越變形 線鋸絲變形 位移豉及鋸切力大小對線鋸絲拉力增量的影響規(guī)律 拉力增量與切韻送線鋸絲彎 曲曲率半徑及線鋸絲單位長度上法向力成正比 鋸切力引起的增量還與線鋸絲受 力后相對原始位置的擅移有關(guān) 佼移增大 線鋸絲拉力增量減小 雖然鋸甥力很 小 但使線鋸絲產(chǎn)生的拉力增量不可忽略 本諜題由國家自然科學(xué)基金資勘 n o 5 0 4 7 5 1 3 2 美鏈詞 線鋸霖 禱脂結(jié)合翔線鋸絲 切割 單晶毽 表面糨糙度 v i a b s t r a c t 暑燃蘭詈詈 竺燃懋皇詈暑阜黑懋竺 詈鼉?nèi)继m詈詈i 一 一 i i i i i 曼i 燃攔苧苧蘭 墨燃詈 皇鼉 a b s t r a c t m o s ti n t e g r a t e dc i r c u i to c b a s ea r eb u i l to ns i n g l ec r y s t a ls i l i c o nw a f e r s f o rt h e d e c r e a s i n go fm a c h i n i n gc o s t t h ed i m e n s i o no fw a f e ri n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y s l i c i n g i st h ek e yp r o c e s si nt h em a n u f a c t u r eo fs i l i c o nw a f e r s n o wt h eo s c i l l a t o r yf r e e a b r a s i v em a c h i n i n gt e c h n i q u ea r eu s e dw i d e l yf o rt h es l i c i n gw a f e rt h a td i a m e t e ri s l a r g e rt h a n3 0 0 r a m o s c i l l a t o r yf r e e a b r a s i v em a c h i n i n gt e c h n i q u ei sl o wa t p r o d u c t i v i t y 婦也er e a s o nt h a tm a t e r i a li sr e m o v e db yl a p p i n ga n di t i si m p o s s i b l et o c u tm o r eh a r d e rm a t e r i a l s u c ha ss i cc r y s t a lo rc e r a m i c se l a l u s i n gf r e ea b r a s i v e m a c h i n i n gt e c h n i q u e an e wt e c h n i q u et oc u ts i l i c o na n do t h e rh a r d e rm a t e r i a lw i t h l o o p e dr e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i nw h i c ht h eg r i t sf i x e di n w i r e 鰣n dm a t e r i a ld i r e c t l ya n db e n e f i tt or e d u c es u r f a c ed a m a g el a y e r 耽el o o p e d w i r ec a nm o v ea th i g hs p e e di no n ed i r e c t i o nc o n t i n u o u s l y s ot h ep r o d u c t i v i t yi s h i g h e r t h i sm e t h o dc a l lb eu s e di nt h es l i c i n gw a f e ro f s i l i c o na n dt h ec u t t i n go fo t h e r h a r d e rm a t e r i a l s 弧et e c h n o l o g yi sh i 曲a tc u t t i n ga c c u r a c y l o wi nc o s ta n dn o p o l l u t i o n aw i r es a wt ou s el o o p e df i x e dd i a m o n da b r a s i v ew i r ei sd e s i g n e da n dm a d e t h e l o o p e dw i r em o v e si no n ed i r e c t i o nc o n t i n u o u s l yt h ew i r ev e l o c i t yr a n g e sf r o m 4 5 m st o2 8 m s w h i c hm e e tt oc u td i f f e r e n tm a t e r i a l s f e e d i n gm o v e m e n t si n c l u d e s s e r v o m o t o rd r i v i n ga n dc o n s t a n tf o r c ed r i v i n gt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs a w i n g e x p e r i m e n t t h ew i r et e n s i o nt h a ts p a nf r o m1 4 6 nt o2 5 2 nc a nb ea d j u s t e dq u a n t i t y b ya d d i n gat o r q u e s o m ek e yt e c h n o l o g i e s s u c ha s l a p p i n gb e a r i n gh o l e sa n d r e g u l a t i n gb e a r i n gc l e a r a n c eh a v i n gb e e na d o p t e d t h es a wi sh i g h a ta c c u r a c ya n d g o o da tr i g i d i t y s ot h ev i b r a t i o na m p l i t u d eo f t h el o o p e df i x e dd i a m o n da b r a s i v ew i r e i sr e d u c e dg r e a t l ya n dc u t t i n ga c c u r a c yi sh i g h e r t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e so f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e d i a m e t e r0 4 m m 3 0 4 l s t a i n l e s ss t e e lw i r e d i a m e t e r0 3 m m 6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r e d i a m e t e r0 3 m m a n d s w p bp i a n ow i r e d i a m e t e r0 3 m m a r er e s e a r c h e d t h ey i e l d i n gt e n s i o no ft h e3 0 4 s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s14 0 n t h ey i e l d i n gt e n s i o no ft h e3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei s4 5 n t h eb r o k e nt e n s i o no f6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ei s131na n dt h eb r o k e nt e n s i o no fs w p b p i a n ow i r ei s10 4 n 3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei sw e a k e ri np l a s t i ca n dt h es w p bp i a n o w i r ei sw e a k e ri nw e l d i n gp r o p e r t i e sf o ri t sh i g h e rc a r b o n s o3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e a n d6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ea r ec h o s e na sb a s em a t e r i a lo fl o o p e dw i r e b e n df a t i g u e v i i 山東大學(xué)博十學(xué)位論文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 懋 詈皇詈鼉l 囂詈 t i m e so f b o t hm a t e r i a l se x c e e d slxl0 6t i m e s b e e nw e l d e di n t ol o o p e ds h a p er e s p e c t i v e l y t h ew e l d i n gj o i n tb r o k e nt e n s i o no f t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r eg e t slio na n dt h eb r o k e nt e n s i o ni s9 0 nf o r6 5 m ns p r i n g s t e e lw i r e 1 1 1 ew e l d i n gj o i n to ft h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ec o n s i s t so ff i n ea u s t e n i t e a n df e r r i t et h a ta r eh i g h e r 鑫圭s t r e n g t ha n d t e n a c i t y t h e r e f o r e 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s m o r es u i t a b l et ob et h eb a s em a t e r i a lo fl o o p e dw i r e t h ew e l d i n gp o i n tf a t i g u el i f eo f t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e la n dt h e6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r e sa r ei n v e s t i g a t e da n db o t h f a t i g u el i f ee x c e e d s1 l0 st i m e s 1 1 l ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s a b o u t10 0m i n u e t sa n dt h ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ei sa b o u t5 0 m i n u e t su n d e re x p e r i m e n tc o n d i t i o ni nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yt om a k er e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei ss t u d i e da n do p t i m i z e d e c o m p o s i t i o ni n c l u d e sr e s i n s d i a m o n da n ds o m ea d d i t i v e s i nw h i c hw i r ei sc o n n e c t e d w i t hd i a m o n db yr e s i nb o n da n dd i a m o n di sm a i nm a t e r i a lt or c i n o v em a t e r i a l f i n ec u n a n o m e t e ra 1 2 c 3 n a n o m e t e r2 翻陵a n dn a n o m c t e rt i c n p o w d e ra r ec h o s e n r e s p e c t i v e l ya sa l la d d i t i v ei no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fa d d i t i v e so nt h es t r e n g t h a n dr e s i s t a n c eo fw e a l i ti st h em o s te f f e c t i v ef o rn a n o m e t e rz r 0 2p o w d e rt ob e a d d i t i v e 1 1 1 er u l et h a th e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ei n f l u e n c eo nr e s i nb o n ds t r e n g t hi s s t u d i e da l s o w i mt h ei n c r e a s i n go f h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e t h es t r e n g t ho fr e s i n b o n di n c r e a s e s 翻托q u a n t i t yc o n t a i n e di so p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t sa c c o r d i n gt o c u r i n ge x p e r i m e n tr e s u l ta n dt h eq u a n t i t yo fe p o x yr e s i nh a sk e yi n f l u e n c eo nt h ew e a r r e s i s t a n c eo f r e s i nb o n d 1 h es t u d yo ns i n g l ec r y s t a ls i l i c o nc u r i n gr o u g h n e s sa n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r e c a r r i e do u t i nw h i c ht h ew i r es p e e d sa l e4 5 m s 7 7 m s 11 8 m sa n dt h ef e e d i n g s p e e d sa l e0 0 3 3 m m s 0 0 8 3m i l l s 0 1 4 0m m sr e s p e c t i v e l y c o n s t a n tf o r c ed r i v i n g m o d e li sp u tt ob s ea l s o t h ew i r et e n s i o na l e14 6 n 19 9 na n d2 5 3 n t h ei n f l u e n c e r u l e so fw i r es p e e d s f e e d i n gs p e e d s t h ec o n t a c tl e n g t hb e t w e e nw i r ea n dw o r k p i e c e t h ew i r et e n s i o na n dc o n s t a n td r i v i n gm o d e lo nc u r i n gr o u g h n e s sa r ei n d i c a t e da n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t si nw h i c hw i r em o v e so s c i l l a t o r ya n d t h a te l e c t r o p l a t e dd i a m o n dw i r ei su s e da r ec a r r i e do u t t h e r ei sn oo b v i o u sr i p p l ei n t h es u r f a c e so b t a i n e du s i n gl o o p e dd i a m o n dw i r e sc o m p a r e dw i t ho n eg o tf r o mt h e o s c i l l a t o r yw i r es a w t h ec u t t i n gs u r f a c e so b t a i n e du s i n gr e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei s s m o o t h e rw i t h o u tf r a g m e n tc o m p a r e dw i t ho n eo b t a i n e df r o mt h ee l e c t r o p l a t e d d i a m o n dw i r e s oi tc a ng e tb e t t e rs u r f a c ea tq u a l i t yf o rl o o p e dr e s i nb o n dd i a m o n d w i r et oc u t t h er e s i nb o n dw e a ra n dt of a l lo f fi st h em a i nr e a s o no fm i c r o c o s m i c v i i i f a i l u r e t h e s ea r ee f f e c t i v em e a s u r e st oo p t i m u mt h eq u a n t i t yc o n t a i n e do fe a c h c o m p o n e n ta n d t oi m p r o v et h es o l i d i f yt e c h n o l o g yo fr e s i nb o n d t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h el o o p e dw i r ei sa n a l y z e da n dam a t h e m a t i c sm o d e l o nm i n i m u mt e n s i o no fw i r ei sb u i l tu p n em i n i m u mt e n s i o no fw i r eh a sr e l a t i o n st o t h eg u i d ew h e e lf r i c t i o nt o r q u e d i a m e t e r a n df r i c t i o nc o e 伍c i e n tb e t w e e nw i r ea n d g u i d ew h e e l w i r ew r a pa n g l ea n dw i r ev e l o c i t y t h eb i g g e rt h ef r i c t i o ni s t h el i t t l e g u i d ew h e e ld i a m e t e ri s t h eb i g g e rt e n s i o no f w i r en e e d e di s i nc o n t r a r y t h et e n s i o n o fw i r eg e t sl e s s t h em i n i m u mt e n s i o no f w i r ei s7 8 nf r o mt h ec a l c u l a t i o nb a s e do n t h ef r i c t i o nt o r q u eg e t t i n gi nm e a s u r i n ge x p e r i m e n t w h e nt h i sw i r es a w i su s e d am o d e lt h es i n g l eg r i ts u b j e c t e dt of o r c ei si n t r o d u c e da n dt h ec u t t i n gf o r c e f o r m u l ai sg o tt oo m i tt h ei n f l u e n c eo fw i r ec u r v e dd e f o r m t h ec u r i n gf o r c er e l a t e st o m a n yf a c t o r s t h ec h a n g er u l eb e t w e e nc u t t i n gf o r c ea n dv e l o c i t y f e e d i n gv e l o c i t y i s d e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t t h ci n f l u e n c eo fw i r ec u r v e dd e f o r m s d i s p l a c e m e n ta n d c u t t i n gf o r c eo nt h ea d d i n gp u l l i n go fw i r e i sa n a l y z e d 碭ew i r ea d d i n ga m o u n t p u l l i n gs u b j e c t e dt oi sp r o p o r t i o n e dt ot h ec u r v e dr a d i u si nc u t t i n g a r e aa n dt h en o r m a l u n i tf o r c e t h ea d d i n gp u l l i n go fw i r er e l a t et ot h ed i s p l a c e m e n tw i t ho r i g i n a ll o c a t i o n o fw i r ea l s o w i t ht h ei n c r e a s i n go fw i r ed i s p l a c e m e n t t h ea d d i n gp u l l i n go fw i r eg e t s l e s s a l t h o u g ht h ec u t t i n gf o r c ei sl e s s t h ea d d i n ga m o u n tc a n n o tb en e g l e c t e d t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a n o 5 0 4 7 51 3 2 k e y w o r d s w i r es a w r e s i nb o n dd i a m o n dw i r e c u t s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n r o u g h n e s s i x 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨立進 行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任 何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果 對本文的研究做出重 要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識到本 聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 生耋型堅 日 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保 留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱 和借閱 本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本 學(xué)位論文 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 撇 咝新簽名赫日期 趔嘲 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 本課題研究的謦的與意義 集成電路 i c 是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會的基礎(chǔ) i c 技術(shù)是推動國民經(jīng)濟和 社會信息純發(fā)展最主要的商新技術(shù) 也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)韭的核心技術(shù) l c 多 以單晶硅片為襯底材料 1 2 1 制造i c 的硅片 要求具有優(yōu)良的壓電 光電和熱電 性能 其表蠢存在飪何微小缺陷都會破壞晶體材料表面性能 甚至導(dǎo)致結(jié)晶構(gòu)造 的變化 影響元件的工作精度和可靠性 因此要求制造i c 的硅片晶格是具有無畸 變的超光滑無損傷襲瑟 其加工精度的要求甚至達到納米級 幾十年來 芯片加 工盡管在加工技術(shù) 加工設(shè)備方面都有了相當(dāng)大的進步 但加工原理無重大突破 其典型的制造工藝流程 3 6 1 如圖1 1 圖l 1i c 芯片制造工藝流程 首先切片工序?qū)尉Ч杈w切成盤形薄晶片 然后再利用研磨或磨削方法磨 平晶體表霹達到技術(shù)要求 硅材料具有低塑性 高硬度 易脆性破壞等特點 其 材料的去除是通過裂紋的傳播和交叉完成的 加工方法不當(dāng)會引起加工表面層組 織的破壞 直接影響產(chǎn)品的成品率 切片是硅片機械加工的第一道工序 切片質(zhì) 量直接影響著芯片質(zhì)量及成晶率 表面粗糙度過大 面型精度過低 后續(xù)工序無 法消除遺罄誤差 表面損傷層太深會造成后續(xù)工序中碎片 產(chǎn)生廢品 因此切片 費用在整個加工成本中占有很大比例 7 8 1 過去對 2 0 0 m m 以下較小直徑硅晶體切片以及硬質(zhì)合金等高硬度材料的切 割 可采溺金剛石內(nèi)圓切片機叫l(wèi) 加工 該方法工藝成熟 刀片運動平穩(wěn) 加工 表面平整 切片厚度可以小于1 m m 盼l4 1 但是該工藝不能適應(yīng)更大直徑硅片切片 因為刀具與工件之間為剛性接觸 更大直徑的刀片會使硅晶體因表面損傷層加深 蔗發(fā)生碎片現(xiàn)象 直徑越大的硅晶片 所能刻制的集成電路越多 芯片的成本也就越低 資料 介紹 1 5 m 3 0 0 m m 硅片制造劃塊數(shù)是國2 0 0 m m 硅片的2 5 倍 成本節(jié)約3 0 對 于矗徑大手 i 3 0 0 m m 的硅晶體切片 通常采用的是往復(fù)式自由磨料線鋸切片工 藝 與內(nèi)圓切片機切片工藝相比 自豳磨料線鋸切片具有能切割大直徑晶體 鋸 霜損失小 禳少產(chǎn)生演邊現(xiàn)象幫表面損傷層淺等優(yōu)點f 1 6 灞 毽是鑫壺瘞料線鋸切 片效率較低 很難切割硬度更高的碳化硅單晶 陶瓷等材料 研磨液的流體動壓 效應(yīng)對掬王矮量影響攝大 研磨液需蓐續(xù)處理 回收利髑困難 易造成環(huán)境污染 從材料去除機理上講 自由磨料線鋸切片相當(dāng)于研磨加工 磨料垂直作用于加工 表蕊 在切割亟上產(chǎn)生較深的表面裂紋 表層質(zhì)量及損傷屢不易控制 導(dǎo)致硅片 強度降低 固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)是使用匿結(jié)瘞料金剛石線鋸絲切割磺脆材料 與自蠢 蘑料線鋸切割相比 其材料去除機理是不同的 加工過程中線鋸絲上的金剛石磨 粒蠱接獲得運動速度襁一定的壓力對材辯進行壤削加互 金剛石磨粒對脆性材料 耕犁 相當(dāng)予尖銳題頭在脆性材料表藹上刻劃 董串 穗圾其課題組研究證明 刻 劃比壓痕的表面裂紋淺 因此固結(jié)磨料線鋸切片比自由磨料線鋸切片更能獲得高 震量的表謠 與鑫由磨料線鑷翡 三體薅料瘞損加工 楣瀧 它屬予 二體磨料磨損 加工 其加工效率是自由磨料線鋸的數(shù)倍以上 目前固結(jié)磨料線鋸切片工藝已少 量廢用于生產(chǎn)實際 如 切割裁造太辯戇電池多磊硅等 露結(jié)磨料線鋸切片一般 配備與往復(fù)式自由磨料線鋸切片類似的機床 受機床結(jié)構(gòu)及慣性力的限制 線鋸 絲運動速度較低 僅淹重 3 米 秒 船工效率低 不麓充分利用金剛石工其的傀點 與往復(fù)式自由磨料線鋸切片相似 1 9 線鋸絲的往返變換速度也會在切割襲面上產(chǎn) 生波紋 降低甥妻g 表露的西形精度 綜上所述 內(nèi)圓切片工藝與往復(fù)式自由磨料線鋸切片工藝有其固有的缺點 隧結(jié)磨料線鋸切割具有表面損傷層淺 加工效率高的優(yōu)點 但醋前受線鑷絲運動 方式的限制 切割精度低 受制造工藝的限制 如電鍍金剛石線鋸絲常0 造成本較 高 受磨料在基體上圃著方法的限制 金剛石磨料與線鋸絲基體結(jié)合強度不高 線鋸絲懿壽命也受到限制 囂就研究新型前磨料露著方法 使爝更細 強度更高 的線鋸絲基體材料 改變線鋸絲運動方式 對于提高切割表面質(zhì)量 提高材料利 用率其畜重要意義 針對太壹徑硅晶體對切片技術(shù)掰帶來的撬戰(zhàn)以及切割其它離 硬度材料的需求 本課題提出一種鋸切硅晶體及其它高硬度材料的新工芑 即使 第1 蘋緒論 用環(huán)形固結(jié)磨料線鋸絲切割 線鋸絲單方向連續(xù)運動 減小或消除線鋸絲運動速 度變化對面形精度的影響 切削速度大 效率高 本課題擬研究基于固結(jié)磨料金 剛石線鋸絲的制作工藝 研制鋸切實驗設(shè)備 并進行鋸切硅晶體等實驗 研究加 工工藝參數(shù)與實驗設(shè)備等對鋸切表面的影響規(guī)律 驗證固結(jié)磨料金剛石線鋸絲的 鋸切性能 對于發(fā)展硬脆材料精密加工理論和提高金剛石磨料線鋸絲的制造水平 具有重要理論意義和應(yīng)用價值 1 2 硅晶體切片典型工藝 1 2 1 內(nèi)圓切片機切片工藝 圖1 2 為內(nèi)圓切片機主軸及張刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)副2 0 1 圓鋸片基體材料為不銹鋼 形狀為圓環(huán)形 在內(nèi)孔邊緣上電鍍金剛石磨料作為切削刃 刀片3 固定在上刀環(huán) 1 與下刀環(huán)5 之間 下刀環(huán)5 與連接盤7 固定在切片機主軸1 0 上 切割加工時 主軸帶動刀片高速旋轉(zhuǎn) 同時相對工件徑向進給 主軸支承多采用精密角接觸球 軸承 精度穩(wěn)定 調(diào)節(jié)方便 采用潤滑脂潤滑 也可采用空氣靜壓軸承或液體靜 壓軸承 采用空氣靜壓軸承 對氣源要求較高 氣體壓力變化 會改變主軸剛度 及回轉(zhuǎn)精度 回轉(zhuǎn)精度低于滾珠球軸承 需要有供油系統(tǒng) 且存在泄露污染問題 工件與刀盤之間的相對運動有兩種方式 采用液體靜壓軸承 承載能力較大 但 國內(nèi) 外內(nèi)圓切片機較少采用此種結(jié)構(gòu) 即工件直線運動和刀盤轉(zhuǎn)動 第一種進 給方式 導(dǎo)軌形狀精度及磨損影響切片精度 對于大直徑硅片切割影響更大 第 二種進給方式 刀盤在自轉(zhuǎn)的同時又繞支承中心擺動 刀片相對工件運動 在擺 動的過程中切下工件 擺動機構(gòu)精度及剛度容易保證 對于大直徑或較厚硅片切 割多采用此種結(jié)構(gòu) 切片厚度送進機構(gòu)一般由步進電機驅(qū)動滾珠絲杠機構(gòu)控制 刀片安裝是內(nèi)圓切片機的關(guān)鍵技術(shù) 液壓張刀法 另一種是機械張刀法 2 1 盈 目前刀片安裝方法主要有兩種 一種是 液壓張刀法是向上刀環(huán)槽內(nèi)與壓力環(huán)上 面形成的腔體內(nèi)注入黃油 使其產(chǎn)生足夠的壓強而加夾緊刀片 這種方法的優(yōu)點 是刀片張力均勻 缺點是壓強不足夠大 且液壓油長時間使用后會有泄漏 會使 刀片上產(chǎn)生的張力和剛性有所減小 目前該方法較少采用 機械張刀法是用螺栓 將刀片固定在刀盤上并與機床主軸連接 圖1 2 調(diào)節(jié)壓力環(huán)中的壓力螺釘夾緊 刀片 這種方法優(yōu)點是夾緊力大 能夠修正刀片的橢圓變形 提高了刀片的剛度 和切割性能 因而被廣泛使用 山東大學(xué)博十學(xué)位論文 i 上了丁環(huán)2 連接螺栓3 刀片4 晶棒5 下刀環(huán) 6 篷緊螺釘7 連接盤8 轆承9 轆套l o 主鞋 圖1 2 內(nèi)圓切片機盎軸及張刀系統(tǒng) 2 0 1 隨著內(nèi)圓切片刀尺寸增大 夾緊刀片所需張力增大 刀片軸向變形也相應(yīng)增 大 刃髏墨波浪形 這種變形不僅使切口寬度變寬 商速旋轉(zhuǎn)時還產(chǎn)生附熱軸向 振動 降低表面面形精度f 2 3 有些內(nèi)圓切片機對切片工藝進行了改進f 2 4 1 如 鋸 切前增加磨平工序 用已磨平表面作失切割時輔助基露 與普通走匿切片相比 平面度誤差減小了2 5 1 2 5 1 t o 鍶s h o f f h k 公司研制了一種新型的硅片內(nèi)圓切割 機 2 6 1 該切割機可同時進行鋸切和磨削工序 大幅度提高切片精度 雖然內(nèi)菡切片翔工表面粗糙度德較小 平面度較好 毽磨粒對切割材料表面 的沖擊力較大 隨著硅片真徑的增大 內(nèi)徑切片機刀片直徑更大 刀具變形及加 工孛振擺舾囊 造殘船王西翹曲變形增大 表露損傷層加深 主轆回轉(zhuǎn)精度較低 時 上述現(xiàn)象更為嚴(yán)重 2 7 2 s 這種損傷帶到下步工序中 在研磨過程中很難消除 對于直徑大于3 0 0 r a m 的毽侍甥片 不得不尋求薪的途徑 1 2 2 往復(fù)式自由磨料線鋸切片工藝 到目前為止 用于硅 石英晶體等脆性材料切片的主要是自由磨料多線鋸切 片工藝 鋸絲運動方式為往復(fù)式直線運動 圈1 3 為豳本平外出公司m w m 4 4 型 往復(fù)式運動自由磨料線鋸切割示意豳 2 9 1 一根細長的金屬絲纏繞在一組線輪上 金屬絲兩頭分別出放線機構(gòu)與收線機構(gòu)拉緊 張緊機構(gòu)將金屬絲張緊 線輪高速 正反囪有節(jié)奏建旋轉(zhuǎn) 實現(xiàn)金屬絲徒復(fù)運動 在金屬絲與工件之間噴入游離磨料 漿液 運動的金屬絲將磨料帶入切割區(qū) 通過磨料與工件材料之間的相互作用 實現(xiàn)材料去除 切割進給楓構(gòu)均勻運動 推動晶體硅棒寓高速往復(fù)運動的金屬絲 移動 片料切斷后落入收片盒中 實現(xiàn)一次多片切割加工 這是一種理想的晶體 第1 章緒論 切片工藝 3 0 3 1 1 能滿足大直徑硅片切割并提高生產(chǎn)效率 d i a m o n d m r et e c h n o l o g y 公司的金剛石線鋸最大切割崖徑達4 5 0 m m t 3 盈 m e y e rb u r g e r 公司 3 3 的線鋸 床一次可切出4 4 0 0 片 研 被 主 主 圖1 3 往復(fù)式移動線鋸床原理圖嘲 自由磨料線鋸切割與研磨加工相似 與內(nèi)圓鋸片工藝相比 在材料去除機理 切割表面特征 生產(chǎn)率等方面均有不同 3 4 k a o 等人 3 5 認為自由磨料線鋸切割的 材料去除機理是通過裂紋的傳播和交叉完成的 圈l o 為材料去除楓理模型 該 模型近似認為錐形磨粒釬入彈性工件 磨粒在金屬絲與晶體之間滾動 在接觸區(qū) 蘑料釬入硅鑫體 形成凹坑載裂紋 蠢于金屬絲的運動 導(dǎo)致晶體以切瘸形式被 切除 s i c 錐頂 多 變形蘸弋 茜 圖1 4 游離磨線鑲切割謄孝料去除模型滔 山東大學(xué)博十學(xué)能論文 b h a g a v a t 等人f 3 6 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 壤料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi) 鋸絲與磨漿的運動構(gòu)成了 個彈性流體動力潤滑環(huán)境 用有限元方法分析鋸絲與硅錠問的群漿彈性流體動力潤滑現(xiàn)象 得出結(jié)論 磨漿 簿膜厚度大于乎均磨粒尺寸 是磨粒的流動產(chǎn)生了切蹲 因此鋸口尺寸大于線徑 與二倍蘑粒尺寸之和 t a k a y aw a t a n a b e 3 弼實驗研究了自由磨多線鋸切割石英晶 體 分析影響切片精度的主要因素 根據(jù)實驗結(jié)果提如了切片最佳條件模型 磨 粒誘裁時呈 三棱溺 狀分東 萁突出尖角部分切割王籜 鋸熊與工件切割面之闋 間隙大于磨粒平均直徑 文獻 3 8 3 9 也支持此種推理模型 l i 4 0 1 等人提出鋸絲施加 在密粒上鰉力豢動磨粒沿切削表面滾動 同時匿擠磨粒嵌入切削表面 從兩形戒 剝落片屑和表面裂縫 形成宏觀的切割作用 往復(fù)式童由磨糕線鋸結(jié)構(gòu)復(fù)雜 維修困難 燕王時的研蘑漿滾會污染硅棒耱 加工區(qū) 使用后的研磨漿液必須后續(xù)處理 由于運動部件慣性的限制 走絲速度 低 4 h 熨 限制了切割速度 皇由磨料線鋸切割是剩期漿料中的磨料運動對硅材料 進行研磨型加工 磨料與硅材料的實際接觸面積較小 因此材料的去除率較低 也造成加工效率較低 如果要加工硬度更高憋s i c 單晶體 陶瓷等材糕 這神融 翻磨料線鋸就很難勝任了 固結(jié)蘑料金剛石線鋸切割 可以在很大程度上克服上 述問題 1 3 固結(jié)磨料線鋸切割技術(shù)研究 霾結(jié)磨料線鋸切割大多使霜金剛石線器絲切割 關(guān)于謄結(jié)磨料線鋸酶研究圭 受集中在鋸切工藝以及固結(jié)磨料線鋸絲的制造方法等方面 固結(jié)磨料線鋸切割技 術(shù)最初起源于本材切裁嘲 2 0