采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置及其使用方法与流程

本发明涉及单晶硅材料的切割领域，尤其涉及一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置及其使用方法。

背景技术：

单晶硅材料作为最常用的半导体材料，在电子工业，航空航天等行业得到广泛应用。单晶硅属于硬脆材料；加工过程中，锯切是第一道工序，锯切表面质量的好坏直接关系到后期研磨及抛光的工作量。工业上对单晶硅等硬脆材料切割多使用线锯切割，线锯按磨料形式可分为游离磨料线锯和固结磨料线锯。金刚石线锯属于固结磨料线锯的一种，利用电镀工艺或者树脂结合的方法，将金刚石磨粒固定在金属丝上，相比于游离磨料线锯有走丝速度快、锯丝使用寿命较长、无需后期磨浆处理等优点。2000年后，出现了引入了超声振动的金刚石线锯切割工艺(按超声振动方向分为：横向超声振动和纵向超声振动)。

由于这项技术出现时间短，其中有的技术机理还不是非常明了，有必要进行相关试验研究，改善加工工艺，对于这项新技术的应用和发展有着重要的意义，同时如何将超声振动辅助加工与传统金刚石线锯切割工艺结合也是一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种将金刚石线锯与超声振动辅助加工相结合的采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置及其使用方法。

为达到上述目的，本发明提出一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置，包括机床本体和横向超声振动单元；

所述机床本体包括金刚石线锯单元，所述金刚石线锯单元包括锯丝；所述横向超声振动单元包括超声波发生装置、换能器、变幅杆、超声导轮、辅助导轮支架、辅助导轮和试验支架；所述换能器与超声波发生装置连接；所述换能器另一端与所述变幅杆相连接；所述超声导轮安装在所述变幅杆的一端，并且所述超声导轮与所述锯丝相接触；所述变幅杆与所述辅助导轮支架均设于所述试验支架上；并且所述变幅杆与所述辅助导轮支架相对设置；所述辅助导轮设于所述辅助导轮支架上，并且辅助导轮与锯丝相接触，起到辅助支撑的作用。

优选的，所述机床本体还包括机床基座、锯丝进给单元和工件回转单元；

所述锯丝进给单元设于所述机床基座上；所述金刚石线锯单元设于所述锯丝进给单元上；所述工件回转单元和所述测试单元均与所述机床基座相连接。

优选的，所述金刚石线锯单元包括第一张紧轮、第二张紧轮、第一导向轮、第二导向轮、卷丝装置和所述锯丝；所述第一张紧轮和第二张紧轮均安装在锯丝进给单元上，通过调节所述第一张紧轮与所述第二张紧轮在所述锯丝进给单元上的位置，从而调节所述第一张紧轮与所述第二张紧轮之间的间距来调节所述锯丝张紧，所述第一导向轮和所述第二导向轮安装在所述锯丝进给单元上，从而改变锯丝方向，起到导向的作用，所述卷丝装置安装在所述锯丝进给单元上，以实现卷丝，布丝的功能；所述锯丝依次绕过所述卷丝装置、第一张紧轮、第一导向轮、第二导向轮、第二张紧轮回到所述卷丝装置。

优选的，所述工件回转单元包括回转工作台以及单晶硅棒；所述单晶硅棒通过粘接蜡粘在所述回转工作台上，所述回转工作台安装在与所述机床基座相连的轴座上，通过电机带动所述回转工作台旋转实现单晶硅棒的自转，实现旋转点切割的切割方式。

优选的，所述测试单元包括锯切力测试单元和振动测试单元，所述锯切力测试单元和振动测试单元均设于所述机床基座上。

优选的，还包括测试单元，所述工件回转单元与所述机床基座相连接；所述锯切力测试单元包括测力仪，电荷放大器、数据采集器和计算机；所述测力仪通过测力仪连接板安装在与所述机床基座相连的轴座上，所述测力仪与所述电荷放大器和所述数据采集仪实现信号连接；所述电荷放大器与所述数据采集器与所述计算机实现信号连接。

优选的，所述振动测试单元包括测量头、数字示波器和振动测量仪；所述测量头、数字示波器和振动测量仪之间实现信号连接。

优选的，所述锯丝为电镀金刚石线锯丝，基体为不锈钢。

本发明还提出一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：调配装置；

步骤2：工件回转单元带动单晶硅棒做回转运动；

步骤3：金刚石线锯单元带动锯丝做往复运动；

步骤4：横向超声振动单元为所述锯丝提供横向振动；

步骤5：所述锯丝对所述单晶体硅棒进行切割；

步骤6：测试单元记录切割工艺的工艺值；

步骤7：完成切割。

优选的，在步骤1中，调配装置包括将锯切力测试单元和振动测试单元架设在机床基座上，使用试验支架将横向超声振动单元安装在机床基座上，调整超声导轮和辅助导轮的位置，使其与所述锯丝充分接触，接着完成各测试单元的调试。

优选的，在步骤2中，包括电机带动工作台进行旋转，所述工作台带动所述单晶硅棒做回转运动。

优选的，在步骤3中，包括所述线锯在卷丝装置的带动下做往复运动，同时锯丝进给单元所述锯丝、第一张紧轮、第二张紧轮、第一导向轮和第二导向轮均向下运动，实现锯丝的进给运动。

优选的，在步骤4中，包括所述横向超声振动单元中超声波发生装置工作，通过换能器和变幅杆，将高频电能转换为机械振动，再借由下端连接的超声导轮将超声振动传递给所述锯丝，使所述锯丝产生横向振动。

优选的，在步骤6中，包括测力仪工作，通过电荷放大器和数据采集器将信号传递至计算机显示并记录；与此同时，振动测试单元通电工作，采集所述锯丝的振动信号，通过数字示波器显示所述锯丝的振动波形。

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：将横向超声振动应用在金刚石线锯切割单晶硅工艺中，同等切割试验条件下，相比于普通金刚石线锯切割，施加了横向超声振动的金刚石线锯切割过程中的法向锯切力和切向锯切力均有所减小；切片表面粗糙度下降；切割效率增加。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例中一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的主视图；

图3为本发明一实施例中一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的俯视图；

图4为本发明一实施例中一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的右视图。

图5为本发明一实施例中一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的切割示意图。

图6为本发明一实施例中工件轴向速度速度对各因素的影响趋势图；

图7为本发明一实施例中工件进给速度对各因素的影响趋势图；

图8为本发明一实施例中工件旋转速度对个因素的影响趋势图；

图9为本发明一实施例中普通线锯切割单晶硅片表面形貌；

图10为本发明一实施例中采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置切割单晶硅片表面形貌。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提出一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置，包括机床本体和横向超声振动单元1；

机床本体包括金刚石线锯单元2，金刚石线锯单元2包括锯丝21；横向超声振动单元1包括超声波发生装置11、换能器、变幅杆12、超声导轮13、辅助导轮支架14、辅助导轮15和试验支架16；换能器与变幅杆12相连接；超声导轮13安装在变幅杆12的一端，并且超声导论与锯丝21相接触；变幅杆12另一端与超声波发生装置11连接；变幅杆12与辅助导轮支架14均设于试验支架16上；并且变幅杆12与辅助导轮支架14相对设置；辅助导轮15设于辅助导轮支架14上，并且辅助导轮15与锯丝21相接触，起到辅助支撑的作用。

在本实施例中，机床本体还包括机床基座、锯丝进给单元3和工件回转单元4；

锯丝进给单元3设于机床基座上；金刚石线锯单元2设于锯丝进给单元3上；工件回转单元4与机床基座相连接。

在本实施例中，金刚石线锯单元2包括第一张紧轮22、第二张紧轮23、第一导向轮24、第二导向轮25、卷丝装置26和锯丝21；第一张紧轮22和第二张紧轮23均安装在锯丝进给单元3上，通过调节第一张紧轮22与第二张紧轮23在锯丝进给单元3上的位置，从而调节第一张紧轮22与第二张紧轮23之间的间距来调节锯丝21张紧，第一导向轮24和第二导向轮25安装在锯丝进给单元3上，从而改变锯丝21方向，起到导向的作用，卷丝装置26安装在锯丝进给单元3上，以实现卷丝，布丝的功能；锯丝21依次绕过卷丝装置26、第一张紧轮22、第一导向轮24、第二导向轮25、第二张紧轮23回到卷丝装置26。

在本实施例中，工件回转单元4包括回转工作台41以及单晶硅棒；单晶硅棒通过粘接蜡粘在回转工作台41上，回转工作台41安装在与机床基座相连的轴座上，通过电机带动回转工作台41旋转实现单晶硅棒的自转，实现旋转点切割的切割方式。

在本实施例中，还包括测试单元5，测试单元5均与机床基座相连接；测试单元5包括锯切力测试单元51和振动测试单元52，锯切力测试单元51和振动测试单元52均设于机床基座上。

在本实施例中，锯切力测试单元51包括测力仪，电荷放大器、数据采集器和计算机；测力仪通过测力仪连接板安装在与机床基座相连的轴座上，测力仪与电荷放大器和数据采集器实现信号连接；电荷放大器与数据采集器与计算机实现信号连接。

在本实施例中，振动测试单元52包括测量头、数字示波器和振动测量仪；测量头、数字示波器和振动测量仪之间实现信号连接。

在本实施例中，锯丝21为电镀金刚石线锯丝21，基体为不锈钢。

本发明还提出一种采用横向超声振动辅助切割单晶硅的装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：调配装置包括将锯切力测试单元51和振动测试单元52架设在机床基座上，使用试验支架16将横向超声振动单元1安装在机床基座上，调整超声导轮13和辅助导轮15的位置，使其与锯丝21充分接触，接着完成各测试单元5的调试；

步骤2：电机带动工作台进行旋转，工作台带动单晶体硅棒做回转运动；

步骤3：线锯在卷丝装置26的带动下做往复运动，同时锯丝进给单元3锯丝21、第一张紧轮22、第二张紧轮23、第一导向轮24和第二导向轮25均向下运动，实现锯丝21的进给运动；

步骤4：横向超声振动单元1中超声波发生装置11工作，通过换能器和变幅杆12，将高频电能转换为机械振动，再借由下端连接的超声导轮13将超声振动传递给锯丝21，使锯丝21产生横向振动；

步骤5：锯丝21对单晶体硅棒进行切割；

步骤6：测力仪工作，通过电荷放大器和数据采集器将信号传递至计算机显示并记录；与此同时，振动测试单元52通电工作，采集锯丝21的振动信号，通过数字示波器显示锯丝21的振动波形；

步骤7：完成切割。

下面将通过具体实施例对本发明的技术效果做出进一步的解释说明：

1.试验目的：对比研究在不同切割条件下，横向超声振动辅助金刚石线锯切割单晶硅与普通线锯切割单晶硅的锯切力变化、切片表面粗糙度、三维形貌等

2.试验装置：基于原有的金刚石线锯机床，加装检测设备及自行设计的试验支架。

3.试验相关参数：试验在改进的往复式金刚石线锯机床上进行，锯丝往复运动速度为2～8m/s，进给速度为0.5～2mm/min，工件旋转速度为5～20r/min。工件为无掺杂单晶硅棒，直径36mm，长度100mm。切割时工件自转以实现锯丝与工件选点接触切割。采用自来水作为冷却液。所用锯丝为电镀金刚石线锯，采用直径为0.3mm的高强度不锈钢丝作为基体，电镀固结金刚石磨粒制成，金刚石磨粒平均直径为50μm，电镀后名义直径为0.35mm，锯丝总长为120m，切割时设定张紧力为112n。采用成功超声公司的超声波发生器和变幅杆，工作频率为19.8～20.2khz，变幅杆末端输出振幅为0～15μm。采用kistler-9257b型测力仪、kistler-5070a电荷放大器、kistler-5697a数据采集卡对锯切力进行测量。加工完成后，采用mitutoyosj-201便携式粗糙度测量仪测量硅片表面粗糙度值。

4.试验设计及结果：选取对加工质量影响最大的三个因素：线锯轴向速度、工件进给速度、工件旋转速度。每个因素分别选择4个水平，覆盖常用加工参数范围，且水平值在选择范围内平均分布，所选因素及其水平如表1所示：

表1试验因素水平表

为了研究单个因素对试验结果的影响，采用单因素试验法进行试验，根据表1所示的试验因素水平表安排试验，在相同的加工参数下，分别进行普通金刚石线锯切割单晶硅和横向超声辅助金刚石线锯切割单晶硅的试验验安排及试验结果如表2、3所示：

表2普通金刚石线锯切割单晶硅试验安排及试验结果表

表3横向超声振动辅助金刚石线锯切割单晶硅试验安排及试验结果表

5.试验数据分析：

加工时，锯丝沿x轴方向以线速度vs做往复轴向运动，同时在金刚石线锯机床上的部件的带动下沿z轴负方向以线速度vw向下做进给运动，单晶硅工件在回转工作台带动下以转速nw绕自身轴向做圆周运动。当处于横向超声振动辅助切割工况时，锯丝沿z轴以振幅a、频率f做往复振动。加工时工件受到的法向锯切力fn和切向锯切力ft。法向锯切力fn沿z轴负方向，切向锯切力ft沿x轴方向，正负取决于锯丝运动方向，切割示意图如图5所示。

由试验结果分析可得因素线锯轴向速度、工件进给速度和工件旋转速度对于试验结果的影响，如图6、图7、图8所示：从图中可以看出：

①随着线锯轴向运动速度的增加，普通线锯切割和横向超声振动辅助线锯切割的法向锯切力、切向锯切力以及表面粗糙度值呈减小趋势，这是因为锯丝轴向运动速度增加，提高了单位时间内参与切削的磨粒数量，增加了材料去除率，使单颗磨粒受力减小。单位时间内磨过同一位置的磨粒数量增多，提高了对硅片表面的反复研磨作用，降低了表面粗糙度值。

②随着工件进给速度的增加，普通线锯切割和横向超声振动辅助线锯切割的法向锯切力、切向锯切力以及表面粗糙度值呈增加趋势。这是因为工件进给速度增加导致单位时间内线锯去除材料量的增加，即单颗磨粒切削深度增加，导致了单颗磨粒所受磨削力增加，宏观表现为锯丝所受法向和切向锯切力增加。较大的磨削力使单晶硅在磨粒挤压下产生的裂纹扩展更宽，导致表面粗糙度增加。同时由于单位时间内磨过同一位置的磨粒数量减少，减少了锯丝对硅片表面的反复研磨作用，提高了表面粗糙度值。

③随着工件旋转速度的增加，普通线锯切割和横向超声振动辅助线锯切割的法向锯切力、切向锯切力以及表面粗糙度值呈减小趋势。这是因为工件旋转速度增加导致单位时间内工件上同一位置接触的磨粒增多，单颗磨粒的平均切入深度减小，所以法向和切向锯切力减小，宏观表现为锯丝所受法向和切向锯切力减小。同时，单位时间内工件上同一位置接触的磨粒增多导致对硅片表面的反复研磨作用提高，降低了表面粗糙度值。

④相比于普通线锯，施加了横向超声振动的线锯切割单晶硅时，法向锯切力、切向锯切力以及表面粗糙度值均有所减小。

表面形貌分析：图9、图10为相同切割试验条件(线锯轴向速度为4m/s；工件进给速度为1mm/min；工件旋转速度为10r/min)下，普通线锯切割和横向超声振动辅助线锯切割后硅片表面形貌，采用基恩士vxh6000光学显微镜进行检测，放大倍数为2000倍。结果显示：在同样的检测表面面积下，普通线锯切割的硅片划痕面积占比大于横向超声振动辅助切割的硅片划痕面积占比，普通线锯切割的硅片凹坑面积占比大于横向超声振动辅助切割硅片的凹坑面积占比。因为划痕是由塑性去除模式造成的，凹坑是由脆性去除模式造成的。在超声激励下，磨粒对单晶硅的材料去除作用以塑性去除为主，而普通锯切以脆性去除为主，故造成了二者划痕凹坑占比的不同。说明施加横向超声振动可以提高锯切过程中塑性去除模式的占比，减少脆性去除模式的占比，降低硅片表面粗糙度值，减少硅片表面损伤。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。