CN102257604A - 线锯切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了线锯切割方法，该方法包括：用线锯切割工件，同时将含水切割流体从切割流体再循环贮存器施加到该线锯上；监测化学性质、物理性质中的至少之一或这两者；以及在切割所述工件的同时调节该切割流体的化学组成以保持所监测的性质。此外，本发明提供了实施本发明方法的装置。

Description

线锯切割方法
技术领域
本发明涉及线锯切割方法。具体地说，本发明涉及利用含水切割流体且包括在切割过程期间调节该切割流体的化学组成的线锯切割方法。
背景技术
线锯切割是将锭块切片成用于集成电路和光伏器件(PV)工业的薄晶片的主要方法。该方法还通常用于对其它材料的基材(如蓝宝石、碳化硅或陶瓷基材)进行切片。线锯典型地具有细金属线的网或线网(wireweb)，其中单独的线的直径为约0.15mm且通过一系列线轴、滑轮和线导向器(wire guide)以0.1至1.0mm的距离彼此平行布置。切片或切割通过使工件(如硅锭)与其上已施加研磨切割流体的运动的线接触而完成。
常规的线锯研磨浆料典型地包含通过以1∶1的重量比混合而组合的载体及研磨剂颗粒。所述载体为提供润滑和冷却的流体，例如矿物油、煤油、聚乙二醇、聚丙二醇或其它聚亚烷基二醇。该液体载体还使研磨剂保持在线上，从而使该研磨剂可与工件接触。该研磨剂典型地为硬质材料，例如碳化硅颗粒。
如上所述，该载体可为非水物质，例如矿物油、煤油、或聚(亚烷基二醇)材料(如聚(乙二醇)或聚(丙二醇))。但是，非水载体可具有若干缺点。例如，非水载体可由于胶体不稳定性而具有有限的保存期，并且还可呈现差的传热特性。
含水载体也可用于线锯切割过程；但是，这样的载体也具有一些已知的缺点。例如，在线锯切割过程期间，正被切割的材料的一部分被除去。该材料(称为截口材料(kerf))在切割流体中逐渐累积。在线锯切割硅及其它水可氧化的基材的过程中，所述截口材料可变得被氧气或水氧化。在含水切割流体中，水可氧化的工件经水氧化而产生氢气。该切割流体组合物中所存在的氢气可破坏切割流体在线网上的分布并降低线锯的切割性能。在制造环境中，氢气的产生及潜在累积还可为危险的。
含水切割流体可包含多种功能性化学组分，例如表面活性剂、消泡剂、氧化剂、pH缓冲液、增稠剂等，它们能够由于可在工件切割期间出现的情况(例如剪切、摩擦热等)而劣化。例如，一些组分可变得吸附在切割操作期间所产生的截口材料上，一些聚合物材料可因在切割线与工件之间的界面处所经历的剪切、工件(如硅锭)与切割流体组分之间的氧化还原反应等而分解成更低分子量的形式。在工件切割期间，切割流体随时间发生的化学变化可导致切割流体的不均匀的物理性质。这可降低切割过程的效率或导致切割线的失效等。
合乎期望的是，在切割过程期间，切割流体的化学组成及物理性质(例如粘度、pH、泡沫含量(foam level)等)保持相对恒定。当利用含水切割流体时，由于上述分解和不稳定性问题，这可为成问题的。因此，一直需要这样的方法，其使含水切割流体的化学组成和/或性质在整个切割操作期间保持完整。本发明满足了该需要。
发明内容
本发明提供线锯切割方法，其包括：用线锯切割工件，同时将含水切割流体从切割流体再循环贮存器施加到该线锯上；和在切割该工件的同时，调节该切割流体的化学组成。
在优选实施方式中，本发明提供利用含水切割流体的线锯切割方法。该方法包括：用线锯切割工件，同时将含水切割流体从切割流体再循环贮存器施加到该线锯上；在切割该工件的同时，监测该切割流体的化学和/或物理性质；以及调节该切割流体的化学组成，以使所监测的化学和/或物理性质保持在预定的界限或规范内。
在另一优选实施方式中，本发明提供具有适合于固持工件的安装和支撑头的线锯切割装置。该线锯相对于安装和支撑头定位，以使得在操作时该工件可与该线锯接触。该装置具有施加区域以用于将线锯切割流体从再循环切割流体分配系统施加到该线锯上。该施加区域被定位且适合于将切割流体输送至该线锯。该再循环切割流体分配系统限定了切割流体流动路径。该装置具有线锯切割流体出口区域，其适合于引导切割流体离开线锯及固定的工件并回到该再循环切割流体分配系统中。该再循环分配系统还具有取样管线、或传感器、或者取样管线及传感器，其中，所述取样管线用于获得切割过程期间的切割流体样品，以监测该切割流体的一种或多种化学和/或物理性质，所述传感器适合于监测切割流体的一种或多种化学和/或物理性质。此外，该装置具有化学添加剂进料管线，其适合于响应所述监测将化学品引入到所述再循环切割流体中，从而调节所述切割流体的化学组成以使所监测的性质的水平保持在或恢复至预定界限内。
附图说明
图1示意地说明了可用于实施本发明方法的线锯切割装置。
具体实施方式
本发明提供线锯切割方法，其包括：用线锯切割工件，同时将含水切割流体从切割流体再循环贮存器施加到该线锯上；和在切割该工件的同时，调节该切割流体的化学组成。优选地，该方法还包括：在切割该工件的同时，监测该切割流体的化学和/或物理性质；以及调节该切割流体的化学组成，以使所监测的化学和/或物理性质的水平保持在或恢复至预定的界限或规范内。
在本发明的方法中，调节化学组成的步骤可包括向该再循环切割流体中加入补充量的该切割流体的至少一种化学组分(其已在工件切割期间降解或者已经从组合物中耗尽)。或者，该调节化学组成的步骤可包括向该切割流体中加入化学品，所述化学品使该切割流体的一种或多种化学和/或物理性质保持在预定界限内、或使该流体的一种或多种性质恢复回到预定界限内。基于来自切割流体的监测的指示(例如，组分的浓度或其它性质的监测和/或流体的整体物理或化学性质如粘度、传导性、粒度、表面张力、泡沫含量、密度或pH的监测)，选择将要加入的化学组分的量，以使所监测的性质的水平保持在预定界限内。
在本发明方法中，所选择的将要加入到切割流体中的化学组分或材料可为其存在、浓度或完整性(integrity)可影响切割过程的效率或功效的任何化学品。这样的化学品包括表面活性剂(如疏水性表面活性剂)，其可存在以例如改善线的润滑、改善其它化学组分与线或工件表面的接近、或控制由水被工件的还原(例如硅与水的反应)所造成的氢气释放。可添加的其它化学组分包括：氧化剂(例如，用于控制氢气产生)；消泡剂，其用于防止过量泡沫妨碍切割过程；腐蚀抑制剂，其用于防止切割线和/或工件过度腐蚀，这要根据具体情况而定；增稠剂，其用于将切割流体的粘度保持在适宜水平；抗干燥剂，其用于防止切割流体在切割线上干燥；研磨剂；酸；碱；及类似物。
表面活性剂可用于减少由于水与工件反应而产生的氢气。典型地，这样的表面活性剂为具有18或更小的亲水-亲油平衡(HLB)值的相对疏水的非离子型表面活性剂；但是，表面活性剂可因本领域已知的其它任何目的而存在，且除了非离子型表面活性剂以外，可包括阴离子型表面活性剂、两性表面活性剂及阳离子型表面活性剂。更优选地，表面活性剂具有小于13的HLB。表面活性剂的含量可通过光谱法或任何其它适宜的分析方法直接监测，或可基于切割流体的化学或物理性质(例如接触角测量结果、氢气产生速率等)间接监测。
氧化剂可通过直接化学法或光谱法监测，或者，氧化剂可通过监测与氧化剂含量相关的流体的物理或化学性质(例如氢气产生或电化学电位测量结果)间接监测。
消泡剂可用于本发明组合物中，所述消泡剂包括不溶性油、聚(二甲基硅氧烷)材料、有机的硅材料(organosilicon material)及其它有机硅(silicone)、脂肪醇烷氧基化物、一些醇、硬脂酸酯及二醇。在线锯切割过程期间所产生的泡沫可阻止研磨剂适当地接触线及工件，而且，泡沫可另外妨碍该组合物的自由流动。可加入消泡剂以减少线锯切割过程期间所产生的泡沫的量。
增稠剂可用于本发明组合物中，所述增稠剂包括聚羧酸酯、聚(乙二醇)材料及纤维素化合物(如羟丙基纤维素或羟乙基纤维素)。可加入增稠剂以增加该组合物的粘度并减少氢气的产生。优选地，增稠剂为非离子型聚合物，且其重均分子量优选大于20,000道尔顿(Da)、更优选为至少50,000Da(例如50,000至150,000Da)。适宜的非离子型聚合物增稠剂包括：纤维素化合物(例如羟乙基纤维素)、聚氧化烯化合物例如聚(乙二醇)化合物、环氧乙烷-环氧丙烷共聚物等。
如果需要的话，本发明组合物中可包含腐蚀抑制剂。通常使用的腐蚀抑制剂的实例包括磷酸酯、羧酸酯聚合物、氨基化合物等。可添加腐蚀抑制剂以例如减少切割线锯的线及其它部分的腐蚀。
本发明组合物中可包含抗干燥剂，所述抗干燥剂包括例如丙三醇、二醇衍生物(例如二(乙二醇))、及多元醇(例如1，6-己二醇及季戊四醇)。可添加抗干燥剂以确保切割工具上的滑轮及运动部件在切割过程期间保持适当的润滑。
本发明组合物中可包含研磨剂以辅助切割过程。适宜的研磨剂的实例包括碳化硅、氮化硼、碳化硼及金刚石。
优选地，将该组合物的各种功能性组分作为含水溶液或含水悬浮液加入到该组合物中。
可将酸添加至本发明组合物中以调节该组合物的pH。适宜的酸包括无机酸，例如盐酸、硫酸、磷酸及硝酸。还可使用有机酸，包括羧酸(例如乙酸、柠檬酸及琥珀酸)、有机膦酸及有机磺酸。
可将碱加入到本发明组合物中以调节该组合物的pH。适宜的碱包括金属氢氧化物化合物(例如氢氧化钠及氢氧化钾)、金属氧化物(例如氧化镁及氧化钙)、胺、羧酸盐(例如乙酸钠)等。
可监测粘度以确保该组合物将研磨剂适当地保持在切割线上，同时在线锯及工件周围自由地流动。在长时间进行线锯切割后，组合物的粘度可能变化，且该粘度变化可降低线切割过程的性能，除非将添加剂添加至该组合物中以增加、降低或维持粘度。优选地，在切割过程期间，切割流体的粘度基本上得以保持。
此外，可监测pH以确保切割流体在用于正在切割的工件的合适pH范围内或者防止不期望的副反应(例如氢气的产生)。如果发现切割流体为不期望的碱性，可向再循环切割流体中加入酸以使pH恢复至所需范围。同样地，如果发现切割流体的pH为过高的酸性，则可向流体中加入碱。
可监测流体的密度或比重以确定例如流体是否在适当浓度范围内以及是否应添加水以降低该组合物中的添加剂的浓度。
可监测切割流体的固体物百分率以确定研磨剂是否以适当的浓度存在。或者，可监测流体液相的固体物含量以确定含水载体中的溶解物的含量是否在适当规范内。
可监测切割流体的泡沫高度以确定消泡剂组分的含量是否已经由于线锯切割过程期间所发生的吸收而降低。
可监测线张力以确保该张力在适当规范内以减少线的损耗及断裂。
可监测切割流体的温度以确保由线锯切割过程所产生的摩擦热不使该组合物的温度升高至高于适当规范。
可监测氢气的产生以确定在切割过程期间是否正在产生过量的氢气。响应于该监测，可将氢抑制材料(例如酸、疏水性表面活性剂或氧化剂)添加至切割流体中以抑制过量氢气的产生。
待添加至切割流体中以调节化学组成的化学品可响应于该监测而手工添加、或者可通过经由来自监测设备的回馈信号控制的泵或其它分配器自动添加。在一些实施方式中，化学品在切割过程期间按预定基准添加而无需直接监测该组合物中的化学品。这通常是在如下情况下进行：在先的经验或实验证明需要在切割过程期间以规定进度分批或连续添加化学品、和/或化学品浓度的监测可为困难或不方便的。例如，当已确定切割流体的化学和/或物理性质(例如粘度、氢气产生速率等)在切割过程期间以可预料的方式发生不期望的变化，而且所选化学品的有规律的或连续的添加抵消了所关注的切割流体性质的不期望的变化时，可连续地或有规律地将化学品添加至切割流体中而无需监测该化学品。
本发明还提供线锯切割装置。该装置包括：安装和支撑头，其适合于固持工件；线锯，其相对于所述安装和支撑头定位以使得在操作时该工件可与该线锯接触；施加区域，其被定位且适合用于将切割流体从再循环切割流体分配系统施加到该线锯上；以及线锯切割流体出口区域，其适合于引导切割流体离开所述线锯及固定的工件并回到切割流体流动路径中。该再循环切割流体分配系统限定切割流体流动路径，且包括监测探测器或取样器设备以监测切割流体的性质或者对流体进行取样以用于监测。该装置还包括化学品进料管线以响应所述监测将化学品加入到所述再循环切割流体中。
当线锯切割装置处于操作状态时，该再循环切割流体分配系统包括具有图1中箭头所指示方向的切割流体流。该线锯示意图中的箭头表示线锯的运动。线锯的运动方向可在线锯操作期间反转。切割流体的流动方向在线锯操作期间通常不反转。
该再循环切割流体分配系统中的流速典型地在2000Kg/h至8000Kg/h(例如，3000Kg/h至6000Kg/h)的范围内。根据该特定实施方式，通过磁力分离器的流速可为所述再循环切割流体分配系统的流速的0％或更高(例如，10％或更高、20％或更高、30％或更高、40％或更高、50％或更高、100％或更高、200％或更高、300％或更高、400％或更高、或500％或更高)。根据该特定实施方式，通过磁力分离器的流速典型地为所述再循环切割流体分配系统的流速的1000％或更低(例如，900％或更低、800％或更低、700％或更低、600％或更低、500％或更低、90％或更低、80％或更低、70％或更低、60％或更低、或50％或更低)。
该再循环切割流体分配系统还可包括收集器。收集器典型地为将切割流体从工件输送回该再循环切割流体分配系统内的循环中的表面。例如，该收集器可为这样的容器：其包括经定位以收集从线锯流出或滴下的切割流体的敞开顶部，且具有用于使切割流体流出的出口或排放口。该出口可位于底部、侧面、或可包括从收集器顶部浸入到所收集的切割流体中的管子或虹吸管。该收集器可以许多不同的方式配置。例如，该收集器可为漏斗状、圆锥状、棱锥状或为半球状的壳。该收集器还可为一个或多个面，所述面成角度以将切割流体引导到该再循环切割流体分配系统内的切割流体罐中。
该再循环切割流体分配系统可包括切割流体罐以及一个或多个泵，如果需要的话。切割流体罐提供用于切割流体的贮存器且典型地位于泵的上游。该切割流体罐典型地具有搅拌器或搅动器以有助于防止在工具操作期间或在工具空转时切割流体的固体组分的沉降。
该再循环切割流体分配系统可包括热交换器。该热交换器可位于再循环切割流体分配系统中的任何位置处。热交换器还可位于组件(例如切割流体罐、收集器、泵等)的内部、周围或与其一体化。典型配置为热交换器定位成包括单独的泵的单独的再循环系统，其中该单独的再循环系统交换在切割流体罐内的切割流体。该热交换器可用于冷却或加热切割流体。例如，如果粘度对于线锯装置的适当操作而言太高，则对切割流体进行加热可用于降低该切割流体的粘度。或者，例如，如果粘度对于线锯装置的适当操作而言太低，则对切割流体进行冷却可用于提高该切割流体的粘度。切割流体的温度还可影响切割流体组分的分解速率。
该再循环切割流体分配系统可包括一个或多个收集器、一个或多个切割流体罐、一个或多个泵、以及一个或多个热交换器、或它们的任意组合。该再循环切割流体分配系统可进一步包括用于在各组件之间输送切割流体的管路。所述管路典型地包括将流动限定为一个维度的结构，例如管子或导管。当重力允许切割流体流过该再循环切割流体分配系统时，该管路可包括更加开阔的结构(例如槽)。该管路甚至可包括在管子中的开口，其允许切割流体注入该再循环切割流体分配系统的另一组件(如切割流体罐)中。或者，例如，在该再循环切割流体分配系统的其中流动为水平方向的部分中，该管路可由槽组成。
当本发明的线锯装置处于操作状态时，使固定在安装和支撑头上的工件压向运动的线锯，同时将切割流体供给至该线锯。该线锯具有两个或更多个线导向辊，所述线导向辊的轴相互平行布置，而且，线经引导环绕它们一次或多次。典型地，线锯具有三个线导向辊且该线在线导向器周围经多次引导形成线网。本发明方法可使用具有超过3个线导向器的配置。该线锯通过线导向辊的旋转而运动，这导致线的截面沿纵向方向运动。运动的方向可在操作期间改变或处于恒定方向。例如，在切割过程期间，该方向可以从一个方向变动为另一个方向。
本发明线锯中所使用的线可由本领域已知的任何适宜的材料制成。典型地，该线的厚度为0.01mm或更大(例如，0.05mm或更大、0.1mm或更大、或0.15mm或更大)。典型地，该线的厚度为0.5mm或更小(例如，0.4mm或更小、0.3mm或更小、0.25mm或更小、或0.2mm或更小)。典型地，该线由硬质拉制钢制成。或者，该线可由一种或多种合金(例如含有Fe、Ni、Cr、Mo和/或W的合金)制成。由于线在切割操作期间发生磨损，因此，磨损的材料与该再循环切割流体分配系统中的切割流体一起再循环并污染该切割流体。
图1示出了可用于本发明方法的装置的实施方式。再循环切割流体分配系统100限定切割流体的流动路径。在切割由安装和支撑头102固持的工件104的时候，该再循环切割流体分配系统100在施加区域105处将研磨切割流体施加到运动的线锯106上。在线锯切割流体出口区域107处，切割流体流动离开线锯106和工件104并回到该再循环切割流体分配系统。该再循环切割流体分配系统100还包括收集器108，其被定位以收集来自线锯切割流体出口区域107的用过的切割流体。切割流体在收集器出口109处离开收集器108并在罐入口115处流入切割流体罐116。切割流体经由罐出口117流出罐116并经由泵入口111流入切割流体泵112中。然后，切割流体经由泵出口113流出切割流体泵112。
全部或部分切割流体可分流到冷却回路126(如果需要的话)中，以将施加到线锯的切割流体的温度保持在所需温度范围内。切割流体经由冷却回路泵128分流到冷却回路126中并进入热交换器130。该切割流体流出热交换器130并回到分配系统100内的循环中。如果需要的话，取样/监测管线132可与冷却回路126相交以获得切割流体的样品，该样品用于对切割流体的性质进行离位监测和/或用于对切割流体的性质进行原位监测。未分流到冷却回路126中的切割流体直接流至线锯106和工件104上。如果需要的话，可将监测探测器120定位于该切割流体流动路径内的任何位置处以监测该切割流体在切割操作期间的化学和/或物理性质。可将探测器120方便地定位于切割流体罐116(如果需要的话)内。可将进料管线122定位于该切割流体流动路径内的任何位置处以响应监测将化学品添加至该切割流体中。例如，可将进料管线122定位于罐116(如果需要的话)内。化学品供给泵110可连接至进料管线122并可用于将化学品从化学品供给罐124添加至根据本发明的组合物中。
提供以下非限制性实施例以进一步说明本发明的一些方面。
实施例1
用线锯Myer-Burger 261切割尺寸为125mm×125mm×45mm的多晶硅锭。使用包含以下物质的切割流体进行该切割过程：50％的碳化硅、42％的水、2％的增稠剂、6％的抗干燥剂、20ppm的杀生物剂防腐剂(可作为
Figure BDA0000069414860000091
从Rohm and Haas Company购得)及0.25％的
Figure BDA0000069414860000092
420(一种购自AirProducts and Chemicals，Inc.的消泡表面活性剂)；所有百分率皆以重量计。
在切割期间，可目视监测泡沫的水平以使该水平保持低于在浆料顶部的气泡单层。当已经利用线锯切割45mm的锭块时，观察到该切割溶液中的泡沫的量已增加至不能接受的程度。基于该观察结果，将额外量的
Figure BDA0000069414860000093
420消泡表面活性剂添加至该切割流体中，以使标称浓度达到0.5重量％。当添加额外的表面活性剂时，泡沫消散且该线锯的性能恢复至可接受的程度。

Claims (15)

1.一种线锯切割方法，其包括：
用线锯切割工件，同时将含水切割流体从切割流体再循环贮存器施加到该线锯上；
在切割该工件的同时，监测该切割流体的化学和/或物理性质；以及
调节该切割流体的化学组成以使所监测的性质的水平保持在或恢复至预定界限内。
2.权利要求1的方法，其中，调节该化学组成包括：向该切割流体中加入补充量的所述切割流体的至少一种化学组分以将所监测的性质恢复回到所述预定界限内。
3.权利要求1的方法，其中，调节该化学组成包括：以足以使切割速率及品质保持在预定界限内的量加入所述切割流体的化学组分。
4.权利要求3的方法，其中，所述加入的化学品选自疏水性表面活性剂、氧化剂、消泡剂、增稠剂、腐蚀抑制剂、抗干燥剂、酸或碱。
5.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为消泡剂，且所述消泡剂包括有机硅。
6.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为消泡剂，且所述消泡剂包括C8～C22醇。
7.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为增稠剂，且所述增稠剂包括纤维素化合物。
8.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为增稠剂，且所述增稠剂包括丙烯酸酯聚合物。
9.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为腐蚀抑制剂，且所述腐蚀抑制剂包括磷酸烷基酯或氨基化合物。
10.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为抗干燥剂，且所述抗干燥剂包括醇。
11.权利要求4的方法，其中，所述加入的化学品为抗干燥剂，且所述抗干燥剂包括盐。
12.权利要求1的方法，其中，所述监测的性质选自粘度、pH、密度、泡沫高度、线张力、固体物百分率、氢气产生、该切割流体的温度、该切割流体的化学组分、或含水载体的光学性质。
13.一种线锯切割装置，其包含：
安装和支撑头，其适合于固持工件；
线锯，其相对于所述安装和支撑头定位使得在操作时该工件可与该线锯接触；
施加区域，其用于将线锯切割流体从再循环切割流体分配系统施加到该线锯上，该施加区域被定位且适合于将切割流体输送至该线锯，该再循环切割流体分配系统限定切割流体流动路径；
线锯切割流体出口区域，其适合于引导切割流体离开所述线锯及固定的工件并回到该再循环切割流体分配系统中；
所述再循环分配系统，其包含取样管线、或传感器、或者取样管线及传感器，其中，所述取样管线用于获得在切割过程期间的所述切割流体的样品以监测该切割流体的一种或多种化学和/或物理性质，所述传感器适合于监测所述切割流体的一种或多种化学和/或物理性质；以及
化学添加剂进料管线，其适合于响应所述监测将化学品引入到所述再循环切割流体中以调节所述切割流体的化学组成以使所监测的性质的水平保持在或恢复至预定界限内。
14.权利要求13的装置，其中，所述监测的性质选自粘度、pH、密度、泡沫高度、线张力、固体物百分率、氢气产生、该切割流体的温度、该切割流体的化学组分、或含水载体的光学性质。
15.权利要求13的装置，其中，所述被引入到该再循环切割流体中的化学品选自疏水性表面活性剂、氧化剂、消泡剂、增稠剂、腐蚀抑制剂、抗干燥剂、酸或碱。
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