半导体材料的亚固结磨料线锯切割机理研究

游离磨料线锯切割是目前半导体材料切割的主要方法。本项目旨在探索一种"亚固结磨料线锯切割"新方法,通过钢丝表面微细压痕的几何镶嵌和流体动压双重作用，实现磨料在切削过程中的瞬时固结（称之为亚固结）。通过研究钢丝表面微细压痕的三维构型对游离磨料的亚固结机理，实现磨料对工件表面的作用模式由"滚压"转为"耕犁"，以提高磨料的切割效率；通过研究钢丝表面微细槽的三维构型对游离磨料的导入效应，提高磨粒进入切割区域的数量并减少游离磨料对切缝侧面的切削作用，以达到提高切割效率和减少刀损的目的；通过研究钢丝表面微细压痕的三维构型对磨削热的导出效应，减少晶片因磨削热引起的翘曲变形。通过上述三项核心内容的研究，实现一种比现有游离磨料线锯切割方法具有更高切割效率、更高的材料利用率和更高的加工精度的硅片切割新方法。该方法的实现对于半导体材料加工业、特别是降低太阳能光伏电池制造成本迅速推广应用太阳能技术无疑具有十分重要。

利用线锯进行切割加工是制备半导体和光电晶体基片的上游关键技术。而随着微电子和光电子技术飞速发展，对半导体和光电晶体的切割加工提出更高要求。高效率、低成本、高精度、窄切缝、小翘曲变形、低表面损伤、低碎片率、无环境污染等是目前半导体和光电晶体的切割加工的新趋势。本项目研究亚固结磨料线锯切割新方法，通过利用锯丝表面微槽的几何镶嵌作用，实现磨料在切削过程中的瞬时亚固结，这种表面具有微槽的锯丝简称为亚固结线。在亚固结磨料切割过程中磨料可以顺利导入微槽中，减少对工件切槽两侧的磨耗，从而降低切缝损耗。深入研究了游离磨料和固结磨料线锯切割国内外研究现状。通过调研金属丝表面微成型方法，按照四类微细加工成形技术分别进行了尝试性的试验研究，最后根据生产实际情况，采用绕丝法，进行亚固结线表面微槽的成型机理研究，设计并制造了新型亚固结线锯锯丝成型机，利用该成型机试制了用于实验的亚固结线。通过理论计算和软件编程，建立了亚固结磨料线锯切割过程中的油膜厚度方程。利用高速摄像仪拍摄线锯切割过程中锯丝与磨浆局部区域，研究了切削区域中锯丝表面微槽的三维构型与磨粒的运动状态之间的关系，由于锯丝表面微槽的镶嵌作用，有较多的磨粒在线锯行进中相对工件表面处于划刻和耕犁的工作状态，实现接近固结磨料线锯的切割效果。建立了磨粒在锯丝表面微槽内的力学模型，得到了磨粒实现亚固结的条件，表明切割过程中磨粒是可以实现亚固结的，提出了亚固结磨料线切割机理。同时分析了锯丝表面微槽的螺旋角度、磨粒半径、工件材料硬度及锯丝本身材料硬度对亚固结磨料线锯切割的影响，结果表明随着螺旋角度的增加，磨粒更容易实现亚固结；随着磨粒半径、工件材料硬度、线锯材料硬度的增加，磨粒将不容易实现亚固结。通过仿真和实验研究了线锯切割过程中工件-磨浆-锯丝温度变化。在相同实验条件下完成传统的游离磨料、亚固结磨料线锯切割的对比实验，结果表明在相同工艺条件下，亚固结磨料线锯切割的切割效率、工件的表面粗糙度、切缝宽度、切缝崩边现象均优于普通游离磨料线锯切割，同时通过实际的切割实验研究了磨粒匹配、切割工艺对亚固结磨料线锯的切割性能的影响。