CN103056730B - 一种电磨削多线切割进电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磨削多线切割进电方法及装置，属于半导体硅片切割加工领域，该发明涉及到特种加工、自动控制、电工电子等学科的交叉领域专业知识，是一种交叉学科的发明专利。加工方法是：在多线切割机床上通过金属切割线对加工工件进行磨削加工，在加工过程中，向切割区域喷射切削液，在磨削区域上施加电磁场，所述电磁场的磁力线方向与切割线的轴向运动方向相交。加工装置是：包括切割线、加工工件，其特征在于：还包括有一个磁场发生装置。本发明提供的电磨削多线切割进非接触式进电进电方法代替了电磨削多线切割的电气连接，简化了整个工艺系统的结构，通过电磁场的感应电流使加工工件产生钝化，有利于磨削加工的进行。

Description

一种电磨削多线切割进电方法及装置

技术领域

本发明属于半导体硅片切割加工领域，更具体地说，本发明涉及机械磨削和电解复合加工领域，属于特种加工的范畴，辅助电解反应的进电采用新型非接触式进电方法。该方法及装置涉及到特种加工、自动控制、电工电子等学科的交叉领域专业知识，是一种交叉学科的发明专利。

背景技术

随着大规模集成电路、计算机以及太阳能电池等相关产业的不断发展，半导体材料在现代工业中的应用越来越广泛。硅片是半导体和光伏产业链中的主要生产原料，硅片的加工制造成本在整个生产链中占据了非常大的一部分。硅片加工技术也不断改进，从最初的内圆切割、外圆切割发展到现在主流的多线切割。

多线切割技术是在20世纪90年代开始发展起来的。这种切割方式是把一根细长的钢线缠绕在排线轮上，钢线两头分别由放线机构与收线机构拉紧。在收放线机构与排线轮之间装有若干张力控制轮，用以控制钢丝的刚度。排线轮高速正反向有节奏地旋转实现钢线往复运动，同时将砂浆带入加工区域进行研磨切割。砂浆是由切削液（如聚乙二醇）和碳化硅微粉按照一定的比例混合而成的具有一定黏度的流体。多线切割能一次同时切割上千片硅片，切割效率相对传统的内外圆切割要高的多，所以在大直径硅片加工领域和太阳能硅片领域它已取代传统的内外圆切割成为这一领域的主力军。然而，由于多线切割技术是依靠钢线带动磨粒来切割硅片，属于机械磨削，使得硅片的表面损伤层较大，要进一步降低硅片的厚度或切割大尺寸的硅片技术难度较大。

硅片的磨削电解复合多线切割加工方法是一种新型的硅片复合加工方法，该方法利用机械磨削和电解复合加工的方法来切割硅片，其中，电解作用有利于机械切削力的减小，切割产物兼具磨料作用，可以降低断丝几率，提高硅片切割效率；机械磨削作用有利于电化学钝化（或腐蚀）的持续进行，硅片机械损伤层更薄，表面完整性好，减少了后续减薄量，提高了材料利用率。

专利CN101797713B公开了一种电磨削复合多线切割方法，但是需要采用专用的进电方法来实现硅锭的进电，该方法需要在硅锭和玻璃之间增加一金属电极，利用粘结剂将硅锭和玻璃粘结在一起，并要保证硅锭与金属电极良好的导电性，最后金属电极通过电缆引出到电源正极；金属切割线通过主线辊由进电块引出连接到电源负极。该工艺方法操作复杂，需要专用金属电极来实现进电，且需要额外增加一台电解电源，致使整个工艺方法复杂，需要一台外接的电解电源，致使整个工艺方法繁琐。故本发明旨在发明一种新型的进电方法来解决电磨削复合多线切割的进电。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易可行的电磨削(腐蚀)-多线切割加工方法，减小切割过程中需要的机械力，降低加工难度。技术方案是采用一种非接触式进电方法来实现硅锭的进电，完成电解反应。具体如下：

一种电磨削多线切割进电方法，包括下列步骤：在多线切割机床上通过切割线对加工工件进行磨削加工，在加工过程中，向切割区域喷射切削液，其特征在于：在磨削区域上施加电磁场，所述电磁场的磁力线方向与切割线的轴向运动方向相交；所述的切割线的材质是金属。

本发明的技术方案原理是：导体在切割磁力线时会产生感应电动势，若电路闭合形成回路，则有电流流过该导体。如果在运动的切割线周围施加一个电磁场，该磁场可以让切割线在其截面的直径方向上产生感应电动势，感应电动势的正负两端即为切割线截面直径的两端。加工工件一般是半导体材料，掺杂硅、本征硅或碳化硅、锗等，因为切割线和加工工件之间接触间隙极小，而多线切割所用的切削液电导率很低，切割线和加工工件之间的接触电阻小于切削液的电阻，切割线上所产生的电压不会通过切削液形成回路，所以切割线直径两端与加工工件可以形成一个闭合回路。切割线一方面由于切割磁力线产生电压形成电源，另一方面又与加工工件一起构成电化学反应的阴极和阳极。切削液由于具有弱的导电性，故能形成微弱的电化学反应，在加工工件上会发生阳极钝化。因此，切割线、加工工件以及切削液共同构成了电化学反应所需的电源、阴极、阳极以及电解液，产生了微弱的电化学反应，在加工工件的电化学反应阳极附近区域会形成钝化膜。阳极钝化产物相比于半导体工件来说，更易被磨削去除，因此，加工工件材料不断被快速移动的金属切割线夹带的磨料刮除；新鲜表面露出后，继续发生电解作用，材料去除过程不断重复。钝化膜使得切割线进行磨削时，磨削加工更易进行，残余应力更小。电化学反应所需的电压可以通过合理设计磁场强度和切割线的运动速度得到。上述所述的施加的磁场可以通过永磁铁或者电磁铁实现。

对于磁场的方向，只要能够与切割线的轴向运动方向相交即可，磁场的方向不限于垂直于切割线的轴向运动方向，也可以与切割线轴向运动方向呈一定的角度，实际加工时可以进行调整，其目的是在切割线在其截面的两侧各形成不同的感应电动势。凡能够实现上述该目的的磁场方向，都可以使本发明的技术方案得到实施。上述的磁力线的方向最好与切割线垂直，因为在相同切割线运动速度的条件下，该方向可以使得到的感应电动势最大。

进一步地，磁感应线与切割线进给方向之间可以平行、斜向相交、或者垂直，就能够保证切割线的截面在运动时，因作切割磁力线运动而在截面的直径方向上产生正极和负极的感应电动势，此时在切割线的截面一侧存在正极感应电动势，而另一侧存在有负极感应电动势。最好是磁力线方向与切割线的进给方向平行，如图3所示，在这个条件下，切割线上的负极区域正对着加工面，会在加工面上形成阳极钝化，并且钝化区域最大，使钝化-切割效果更好。

上述的切割线应该采用金属钱，例如是多线切割机用的金刚线或者镀铜钢线；

上述的切割线的丝径优选为100～150μm；

上述的切割线的走丝速度优选在100～1000m/min；

在加工过程中，上述的切割线的张力可以控制在10～40N。

上述的半导体加工工件可以是掺杂硅、本征硅或碳化硅、锗等半导体材料；

上述的磨料可以采用粒径小于20μm的碳化硅磨粒；

上述的切削液可以采用含水量较大的水基切削液，也可以用含微量水或基本不含水的水溶性切削液。例如，可以用聚乙二醇与碳化硅磨粒混合而成。

    作为本发明的改进方案，在电磁场的区域外侧还设置有磁场屏蔽部件。这样可以隔绝所施加电磁场对其他部件的影响。磁场屏蔽部件可以采用公知的可以屏蔽磁场的材料，例如：导磁涂料、金属敷层屏蔽材料、填充复合型屏蔽材料、防电磁辐射纤维等。

本发明的创新主要是利用了磁生电的原理，通过施加磁场来实现非接触式的进电来完成电磨削多线切割。

有益效果

（1）本发明通过施加一个磁场产生感应电动势来代替传统电磨削多线切割的外接电源系统，非接触式进电代替了电磨削多线切割的电气连接，简化了整个工艺系统的结构。

（2）传统电磨削多线切割需要靠专用进电方式实现进电，该方法需要在硅锭和玻璃之间增加一金属电极，利用粘结剂将硅锭和玻璃粘结在一起，并要保证硅锭与金属电极良好的导电性，最后金属电极通过电缆引出到电源正极。这相比于现有的多线切割工艺流程多了一道工序，增加了工艺的复杂程度和成本。而采用本专利的方法，工艺上无须任何改变，对整个工艺流程和成本没有影响。

附图说明

图1是本发明提供的电磨削多线切割装置示意图；

图2是本发明原理三维局部示意图；

图3是实施例1加工过程原理二维局部示意图；

图4是实施例1加工过程等效电路模型图；

图5是实施例2加工过程原理二维局部示意图；

图6是实施例2加工过程等效电路模型图；

其中，1是磁场发生器；2是磁场屏蔽挡板；3是切割线；4是硅锭。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步的说明如下。

实施例1

如图1～图4所示。

(1) 在多线切割机的切割室中安装好磁场发生器1，磁场发生器1可以采用螺栓连接或者螺钉连接的方式固定，磁场的方向可以根据实际情况设置，目的是使切割线3在运动时，可以使切割线3的截面的两侧产生感应电动势。在本实施例中，磁场的方向与切割线3的运动方向垂直且与切割线3的进给方向平行。所施加的磁场可以采用永磁铁或者电磁铁来产生，所施加的磁场的强度要求可调，确保在走丝速度不变的情况下，能调节感应电动势的大小以应对不同电阻率的材料的加工，本实施例中可以设置磁场强度50T，切割线是镀铜钢线。

(2) 在切割室的顶部和底部各安装一块磁场屏蔽挡板2，以防止所施加的磁场对机器其他设备的影响，所安装的磁场屏蔽挡板2采用螺钉连接的方式固定到切割室的顶部和底部。

(3) 将准备好的硅锭4装载到工作台上，切割线3直径150μm，设置好切割线3的线速度1000m/min、进给速度根据加工情况可调整，可控制在200～500μm/min之间；进给方向如图3中V箭头方向所示。

采用砂浆的组成：碳化硅磨粒和聚乙二醇按质量比0.8：1配比，流量120kg/min；

(4) 开始热机加工。

本实施例中，加工过程的等效电路图如图4所示。

等效的电路图如图3和图4所示，具体说来，A1 C1B1区域为待加工工件的部分区域，A2C2区域为切割线3左边的一个区域，B2C2区域为切割线3右边的一个区域。切割线3沿其轴线垂直于纸面向里作走丝运动(立体图可参见图2)，由于切割线3的截面作切割磁力线的运动，故A2C2区域、B2C2区域上会产生感应电动势，B2C2区域为正极。A1C1和A2C2区域之间通过一极小的间隙相互接触形成回路，B1C1、B2C2区域之间也通过一个极小的间隙接触形成回路。A1C1区域相当于是电化学反应的阳极，发生阳极钝化形成钝化膜。

切割线3在运动过程中，在切削液的辅助下，不断除去在A1C1区域生成的钝化膜，被除去的钝化膜也可以起到磨料的作用，钝化膜相对于硅锭本身更易被磨削，因此降低了加工过程的难度。

实施例2

如图5和图6所示，与实施例1的区别在于，磁场的方向与切割线进给方向之间呈45°的夹角。

本实施例中，加工过程的等效电路图如图6所示。

具体说来，A1D1C1B1区域为待加工工件，A2D2为切割线左边的一个区域，B2C2为切割线右边的一个区域。切割线3沿其轴线垂直于纸面向里作走丝运动，切割线3上产生感应电动势，B2C2为正极，A2D2为负极。A1D1和A2D2之间通过一极小的间隙相互接触形成回路，B1C1和B2C2之间也通过一个极小的间隙接触形成回路。A1D1区域是电化学反应的阳极，发生阳极钝化形成钝化膜。

本实施例中，切割线3直径120μm，切割线3的线速度500m/min、进给速度根据加工情况可调整，可控制在200～500μm/min之间；

采用切削液的组成：碳化硅磨粒和聚乙二醇按质量比0.8：1配比，碳化硅磨料的粒径控制在小于20μm，切削液流量150kg/min；

实施例3

与实施例1的区别在于：本实施例中，切割线3直径100μm，切割线3的线速度100m/min、进给速度根据加工情况可调整，可控制在200～500μm/min之间；采用切削液的组成：碳化硅磨粒和聚乙二醇按质量比0.8：1配比，碳化硅磨料的粒径控制在小于20μm，切削液流量100kg/min。

Claims (8)

1.一种电磨削多线切割进电方法，包括下列步骤：在多线切割机床上通过切割线对加工工件进行磨削加工，在加工过程中，向切割区域喷射切削液，其特征在于：在磨削区域上施加电磁场，所述电磁场的磁力线方向与切割线的轴向运动方向相交；所述的切割线的材质是金属。

2.根据权利要求1所述的电磨削多线切割进电方法，其特征在于：所述的电磁场的磁力线方向与切割线的轴向运动方向垂直。

3.根据权利要求1所述的电磨削多线切割进电方法，其特征在于：所述的电磁场的磁力线方向与切割线的进给方向平行。

4.根据权利要求1所述的电磨削多线切割进电方法，其特征在于：在磨削区域外侧还设置有磁场屏蔽部件。

5.根据权利要求1所述的电磨削多线切割进电方法，其特征在于：所述的切割线的丝径为100～150μm。

6.根据权利要求1所述的电磨削多线切割进电方法，其特征在于：所述的切割线的走丝速度是100～1000m/min。

7.根据权利要求1所述的电磨削多线切割进电方法，其特征在于：所述的切削液是由聚乙二醇与碳化硅磨粒混合而成。

8.一种电磨削多线切割进电加工装置，包括切割线、加工工件，其特征在于：还包括有一个磁场发生装置，所述的磁场发生装置的磁力线方向与切割线的轴向运动方向相交；在磨削区域外侧还设置有磁场屏蔽部件。