CN111516160A - 一种多线切割机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多线切割机，尤其涉及一种可提高多线切割后衬底品质的多线切割机槽轮槽距的设计，适用于使用固结磨料多线切割加工晶硅、碳化硅、水晶、蓝宝石等硬质材料。本发明根据实际生产中切割线的粗细、损耗规律、沟槽的位置和切割能力之间的关系，结合线切割能力的衰减变化规律设计出一种槽距符合切割规律的槽轮。通过此设计可在切割过程中使钻石线稳定磨耗、切割稳定进行，切割后会得到整体厚度均匀和表面质量较优的衬底，提高切割后衬底品质，减少后续加工成本。

Description

一种多线切割机
技术领域
本发明涉及一种多线切割机，尤其涉及一种可提高线切割后衬底品质的多线切割机，适用于使用固结磨料多线切割加工晶硅、碳化硅、水晶、蓝宝石等硬质材料。
背景技术
蓝宝石是现代工业，尤其是微电子、光电子产业极为重要的基础材料。由于其综合了优良的机械、光学、电学以及抗辐射性能，已广泛应用于耐高温高压器件、光学系统、特种窗口、耐磨损器件、红外制导、导弹整统罩等民用、军事、科研高科技领域。蓝宝石是一种硬度值仅次于金刚石的高硬度材料，对其切割成晶片的方法，由于其高硬度，国内外目前切割蓝宝石的方法均采用多线切割技术。
多线切割技术是世界上比较先进的蓝宝石晶片加工技术，其原理是通过一根高速运动的切割线带动附着在线上的切割刃料对蓝宝石等硬脆材料进行摩擦，从而达到切割效果。在整个过程中，切割线通过导线轮的引导，在主轴上形成一张线网，而待加工工件通过工作台的上升下降实现工件的进给，可将蓝宝石硬脆材料一次同时切割成数百片，多线切割技术与其他技术相比有效率高、产能高、精度高等优点。随之，多线切割技术已逐渐取代了传统的刀锯片、砂轮片及内圆切割，成为目前采用最广泛的蓝宝石等硬脆材料切割技术。
多线切割装置切割线的切割能力在切割过程中存在着一定的磨损，切割线的磨损与槽轮沟槽的位置相关，沟槽的位置不同，切割线的磨损程度不同，切割能力也具有一定的差异。槽轮的切割线要求硬度较高，一般采用镍作为线芯，在表面涂覆一层钻石颗粒，切割线的粗细变化是因为切割线表面的钻石颗粒被磨耗引起的，钻石颗粒被磨耗后，切割线的切割能力降低，槽轮的线网不稳定，这容易导致切割出的衬底厚度不均匀和翘曲不稳定，有些衬底的翘曲程度偏大，后续站点需要对此部分翘曲偏大的衬底和正常衬底进行区分和修复，增加了时间和人力成本。
槽轮的沟槽位置不同影响着钻石线线径的粗细，钻石线的线径大小影响着切割后衬底的厚度，衬底的厚度影响着衬底的翘曲，衬底的翘曲一般用Warp值来表示，Warp值的具体含义是指衬底整体的上下翘曲程度，Warp值越小表示衬底的表面平整性越好。由于衬底的厚度主要由槽轮的槽距决定，槽距和切割线的切割能力之间存在着指数关系
Figure 540273DEST_PATH_IMAGE001
,D代表槽轮的切割能力，
Figure 888209DEST_PATH_IMAGE002
代表槽轮的的初始切割能力，k为自然数，x代表槽距的位置，槽距是由沟槽的位置决定，指数关系
Figure 532817DEST_PATH_IMAGE001
代表随着槽距位置从槽轮的进线端至出线端逐渐增大，槽轮的切割能力逐渐减小，且减小的规律为由快变慢。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种多线切割机，其特点在于新型的槽轮槽距设计，槽轮的槽距按照
Figure 723627DEST_PATH_IMAGE003
来设计，其中L代表槽距，
Figure 354460DEST_PATH_IMAGE004
代表初始槽距，k代表系数，x代表槽距的位置，L和
Figure 212694DEST_PATH_IMAGE004
根据切割后衬底的尺寸决定，衬底的尺寸包括衬底直径和厚度，L的范围值为
Figure 375341DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 319026DEST_PATH_IMAGE006
，k的范围值为0<k<1，k的具体数值根据切割后衬底的尺寸决定，衬底的尺寸包括衬底直径和厚度，x的取值范围为自然数。
所述槽轮的切割线切割能力的衰减具有由快到慢的规律，所述槽轮的槽距设计依这个规律
Figure 753550DEST_PATH_IMAGE003
设计为两段式，第一段槽距的设计为
Figure 200712DEST_PATH_IMAGE007
,第二段槽距的设计为
Figure 187122DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 962311DEST_PATH_IMAGE009
代表槽轮第一段的第一个槽距，即初始槽距，
Figure 59580DEST_PATH_IMAGE010
代表槽轮第一段的第二个槽距，
Figure 767773DEST_PATH_IMAGE011
代表系数，
Figure 659506DEST_PATH_IMAGE012
代表槽轮第二段的第一个槽距，即初始槽距，
Figure 312204DEST_PATH_IMAGE013
代表槽轮第二段的第二个槽距，
Figure 822951DEST_PATH_IMAGE014
代表系数。从多线切割的大量生产总结出的数据结果来看，现行槽轮靠近进线段的前18%的位置切割后衬底翘曲偏大，采用两段式设计可以有效改善此问题，使切割后衬底的整体翘曲变好。
进一步的，所述槽轮进线端处的切割线切割能力衰减速率过快，槽轮第一段的槽距除了根据
Figure 510284DEST_PATH_IMAGE003
的公式来设计，还需要在槽距的宽度上补偿
Figure 713864DEST_PATH_IMAGE004
值的0-20%，这一点设计得到的槽轮在进线端处切出的衬底整体厚度较大，衬底的厚度影响着衬底的翘曲，在大量生产的过程中，存在着衬底的翘曲随衬底厚度的增大逐渐变好的规律，槽轮进线端处切出的衬底整体厚度较大，翘曲也更好，可在后端的加工工序中使用不同的制程参数使衬底厚度和翘曲等与其它衬底加工到一致的水平，这部分衬底的整体质量更优。
所述槽轮的槽距设计为两段式，第一段的最后一个槽距为第二段的第一个槽距的1-1.2倍，为了防止槽轮的两段之间存在翘曲的突变，切割应力均匀变化，第一段的最后一个槽距设计为第二段的第一个槽距的1-1.2倍。
优选的，所述槽轮的槽距两段之间的间距为1-2mm，防止槽轮开槽距时造成崩边，防止槽轮的两段槽距之间存在翘曲的突变。
优选的，所述槽轮的表面上涂覆有提高槽轮表面硬度的优化材料。
进一步的，所述优化材料为聚乙烯或者聚氨酯或者两者的混合物。
优选的，槽轮的硬度为A80°-A99°。
优选的，所述槽轮的开槽为V型槽。
优选的，槽轮槽距的深度为0.30mm-0.38mm。
优选的，槽轮槽距的槽角为88°-92°。
利用本发明提供的多线切割机可对多种半导体材料进行切割，切割材料包括碳化硅、硅、水晶、蓝宝石、氮化镓或者砷化镓。
本发明所设计出的多线切割机在切割过程中钻石线稳定磨耗、切割稳定进行，切割后的前段部分衬底厚度较大且表面平整度较好，提高了切割后衬底品质，减少后续加工成本，取消了切割后翘曲偏大的衬底和正常衬底的区分工作，去除了后续站点对翘曲偏大的衬底进行修复的工序，减少了人力成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明实施例一的槽轮结构示意图。
图中：1、槽轮进线端，2、槽距。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1所示为4寸650μm蓝宝石衬底多线切割的槽轮结构示意图，为了使切割过程中钻石线稳定磨耗，切割稳定进行，切割后得到整体厚度均匀和表面质量较优的衬底，提高切割后衬底品质，减少后续加工成本，槽轮的槽距根据
Figure 853858DEST_PATH_IMAGE003
来设计，其中L代表槽距，
Figure 27350DEST_PATH_IMAGE004
代表初始槽距，k代表系数，x代表槽距的位置，L和
Figure 444556DEST_PATH_IMAGE004
根据切割后衬底的尺寸决定，比如衬底直径和厚度,L的范围值为
Figure 678092DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 180748DEST_PATH_IMAGE006
，k的范围值为0<k<1，k的具体数值根据切割后衬底的尺寸决定，比如衬底直径和厚度，x的取值范围为自然数。
大规模量生产过程中为了保证衬底切割成本的优势，4寸650μm的蓝宝石衬底槽轮的长度大约为300mm，这样可以在控制多线切割制程的稳定性下一次性切割出较多的衬底。
从多线切割的大量生产总结出的数据结果来看，现行槽轮靠近进线段的前18%的位置切割后衬底翘曲偏大，为了改善槽轮进线端衬底的翘曲，提高切割后衬底翘曲的一致性，将槽距设计为两段式。
衬底的厚度影响着衬底的翘曲，在大量生产的过程中，存在着衬底的翘曲随衬底厚度的增大逐渐变好的规律，槽轮进线端处切出的衬底整体厚度较大，翘曲也随之更好，槽轮第一段的槽距除了根据
Figure 157932DEST_PATH_IMAGE003
的公式来设计，还需要在槽距的宽度上补偿
Figure 554278DEST_PATH_IMAGE004
值的0-20%，使槽轮在进线端处切出的衬底整体厚度较大，可在后端的加工工序中使用不同的制程参数使衬底厚度和翘曲等与其它衬底加工到一致的水平，这部分衬底的整体质量会更优。
实施例一中槽轮的第一段根据
Figure 96730DEST_PATH_IMAGE007
设计，
Figure 945737DEST_PATH_IMAGE009
代表槽轮第一段的第一个槽距，
Figure 867557DEST_PATH_IMAGE015
，……，给定第一段的第一个槽距
Figure 852831DEST_PATH_IMAGE009
为1.0400mm，k值取0.00005，x的值在0-15之间，根据
Figure 693748DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 905417DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 489982DEST_PATH_IMAGE017
，……，第一段的第二个槽距为1.03990mm，第一段的第三个槽距为1.03984mm，……，第一段的最后一个槽距为1.03922mm。
所述槽轮的槽距设计为两段式，为了防止槽轮的两段之间存在翘曲的突变，切割应力均匀变化，第一段的最后一个槽距设计为第二段的第一个槽距的1-1.2倍。
实施例一中槽轮的第二段根据
Figure 736287DEST_PATH_IMAGE008
设计，
Figure 748105DEST_PATH_IMAGE012
代表槽轮第二段的第一个槽距，
Figure 712650DEST_PATH_IMAGE018
，……，结合第一段的最后一个槽距设计为第二段的第一个槽距的1-1.2倍，给定第二段的第一个槽距
Figure 835327DEST_PATH_IMAGE012
为1.0212mm，k值取0.00006，x的值在16-299之间，根据
Figure 936138DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 384437DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 570699DEST_PATH_IMAGE020
，……，第二段的第二个槽距为1.0202mm，第二段的第三个槽距为1.02018mm，……，第二段的最后一个槽距为1.00306mm。
为了防止槽轮开槽距时造成崩边，防止槽轮的两段槽距之间存在翘曲的突变，所述槽轮的槽距两段之间的间距为1.5mm。
实施例一中槽轮的硬度为A80°-A99°，硬度在A80°-A99°之间可以满足槽轮在使用时的强度。
实施例一中槽轮开槽的槽型为V型槽，现有的多线切割导轮上的线槽槽型一般呈“V”字型，具有上宽下尖的特点，且槽与槽之间具有一钝边，此种线槽由于其上宽下尖的特点而具有较好的固定线网的作用。
实施例一中槽轮槽距的深度为0.30mm-0.38mm。
实施例一中槽轮槽距的槽角为88°-92°，利用特定的沟槽角度设计，使切割线在切割过程中不容易因为杂质而造成跳线，进而提高稳定性。
实施例一中槽轮的表面上涂覆有优化材料，优化材料为聚乙烯或者聚氨酯或者两者的混合物，涂覆优化材料可以提高槽轮的强度，降低切割线对槽轮的摩擦，延长槽轮的使用寿命，提高工作效率。
本实施例中的多线切割机可对多种半导体材料进行切割，切割材料包括碳化硅、水晶、蓝宝石、氮化镓或砷化镓。
实施例二
实施例二为4寸720μm蓝宝石衬底多线切割的槽轮。
槽轮线切割后的衬底厚度变大，需要设计的槽距随之变大，槽轮的槽距变大，第一段的沟槽数量随之减小，槽轮长度不变的情况下，切割出的衬底数量会减少。
衬底的厚度影响着衬底的翘曲，在量产的过程中，存在着衬底的翘曲随衬底厚度的增大逐渐变好的规律，槽轮进线端处切出的衬底整体厚度较大，翘曲也随之更好，槽轮第一段的槽距除了根据
Figure 497067DEST_PATH_IMAGE003
的公式来设计，还需要在槽距的宽度上补偿
Figure 577018DEST_PATH_IMAGE004
值的0-20%，使槽轮在进线端处切出的衬底整体厚度较大，可在后端的加工工序中使用不同的制程参数使衬底厚度和翘曲等与其它衬底加工到一致的水平，这部分衬底的整体质量会更优。
本实施例中槽轮第一段的槽距根据
Figure 806005DEST_PATH_IMAGE007
设计，
Figure 604197DEST_PATH_IMAGE009
代表槽轮第一段的第一个槽距，
Figure 224270DEST_PATH_IMAGE015
，……，给定第一段的第一个槽距
Figure 158728DEST_PATH_IMAGE009
为1.1043mm，k值取0.00005，x的值在0-14之间，根据
Figure 558617DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 578525DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 846696DEST_PATH_IMAGE017
，……，第一段的第二个槽距为1.10416mm，第一段的第三个槽距为1.1041mm，……，第一段的最后一个槽距为1.10349mm。
为了防止槽轮开槽距时造成崩边，防止槽轮的两段槽距之间存在翘曲的突变，所述槽轮的槽距两段之间的间距为2mm。
实施例二中槽轮的第二段根据
Figure 776606DEST_PATH_IMAGE008
设计，
Figure 472029DEST_PATH_IMAGE012
代表槽轮第二段的第一个槽距，
Figure 120179DEST_PATH_IMAGE021
，……，结合第一段的最后一个槽距设计为第二段的第一个槽距的1-1.2倍，给定第二段的第一个槽距
Figure 926461DEST_PATH_IMAGE012
为1.0844mm，k值取0.00006，x的值在15-280之间，根据
Figure 835511DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 577202DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 837282DEST_PATH_IMAGE020
，……，第二段的第二个槽距为1.0833mm，第二段的第三个槽距为1.08327mm，……，第二段的最后一个槽距为1.07562mm。
实施例二中槽轮的硬度为A80°-A99°。
实施例二中槽轮开槽的槽型为V型槽。
实施例二中槽轮槽距的深度为0.30mm-0.38mm。
实施例二中槽轮槽距的槽角为88°-92°。
本实施例中的多线切割机可对多种半导体材料进行切割，切割材料包括碳化硅、水晶、蓝宝石、氮化镓或砷化镓。
本发明所设计出的多线切割机在切割过程中钻石线稳定磨耗、切割稳定进行，切割后的前段部分衬底厚度较大且表面翘曲较好，可在后端的加工工序中使用不同的制程参数使衬底厚度和翘曲等与其它衬底加工到一致的水平，这部分衬底的整体质量会更优，本发明所设计出的槽轮提高了切割后衬底品质，取消了切割后翘曲偏大的衬底和正常衬底的区分工作，去除了后续站点对翘曲偏大的衬底进行修复的工序，减少了后续加工成本和人力成本。

Claims (9)

1.一种多线切割机，其主要结构包括槽轮、导轮、工作台、冷却循环系统和切割线，其特征在于，多线切割中切割能力与切割线的线径粗细、损耗程度和槽轮沟槽的位置相关，槽轮的槽距按照
Figure 636663DEST_PATH_IMAGE001
来设计；
其中L代表槽距，
Figure 541165DEST_PATH_IMAGE002
代表初始槽距，k代表系数，x代表槽距的位置，L的范围值为
Figure 843970DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 201133DEST_PATH_IMAGE004
，k的范围值为0<k<1，x的取值范围为自然数。
2.根据权利要求1所述的一种多线切割机，其特征在于，所述槽轮的槽距根据
Figure 880376DEST_PATH_IMAGE001
设计为两段式，第一段槽距的设计根据
Figure 373806DEST_PATH_IMAGE005
的规律,第二段槽距的设计根据
Figure 847512DEST_PATH_IMAGE006
的规律，
Figure 691972DEST_PATH_IMAGE007
代表槽轮第一段的第一个槽距，即初始槽距，
Figure 378168DEST_PATH_IMAGE008
代表槽轮第一段的第二个槽距，
Figure 381896DEST_PATH_IMAGE009
代表系数，
Figure 898940DEST_PATH_IMAGE010
代表槽轮第二段的第一个槽距，即初始槽距，
Figure 355330DEST_PATH_IMAGE011
代表槽轮第二段的第二个槽距，
Figure 986162DEST_PATH_IMAGE012
代表系数。
3.根据权利要求2所述的一种多线切割机，其特征在于，所述槽轮第一段的槽距除了根据
Figure 313238DEST_PATH_IMAGE001
的公式来设计时，还需要在槽距的宽度上补偿
Figure 4114DEST_PATH_IMAGE002
值的0-20%。
4.根据权利要求2所述的一种多线切割机，其特征在于，第一段的最后一个槽距为第二段的第一个槽距的1-1.2倍。
5.根据权利要求2所述的一种多线切割机，其特征在于，所述槽轮的槽距两段之间的间距为0.5-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种多线切割机，其特征在于，所述槽轮的表面上涂覆有提高槽轮表面硬度的优化材料。
7.根据权利要求6所述的一种多线切割机，其特征在于，所述优化材料为聚乙烯或者聚氨酯或者两者的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种多线切割机，其特征在于，所述槽轮的开槽为V型槽。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种多线切割机，其特征在于，所述多线切割机可对多种半导体材料进行切割，切割材料包括碳化硅、硅、水晶、蓝宝石、氮化镓或砷化镓。
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