磁感应游离磨粒线锯切割新方法

This proposal introduces a magnetic induction based control of free abrasives for high-efficient wire saw slicing so that it reduces the kerf loss and improves material utilization and cutting efficiency. The magnetized wire only absorbs magnetic abrasives in a specific area of wire, which makes more magnetic abrasives gether in the specific area, also named paramagnetic area of wire. This increases instantaneous effectiveness of abrasives and improves the cutting efficiency of wire saw. In the same time, the width of the kerf is reduced due to the decrease of the abrasive between the wire saw and the kerf. The proposal studies magnetic properties of the wire medium field, and establishes the experimental platform of the novel free-abrasive wire saw slcing, and investigates the relation between magnetic field line distribution of the wire and the film formation state of the magnetic abrasives slurry. A theoretic model of minimum cutting kerf is built based on the experiments. The mechanical conditions and movement pattern of the abrasives in the magnetic cutting field will be studied. An evaluation method between the number of instantaneous effective abrasives and cutting efficiency is proposed. Through this study on the silicon crystal cutting, a wire saw technology with less kerf loss and better wafer surface quality can be realized. This novel method of wire saw slicing with low cost and high efficiency is of important significance to reduce the manufacturing cost in practical applications.

为了降低线锯切割过程中切缝损耗，提高半导体材料利用率和线锯切割效率，本项目结合锯丝磁化特点，提出一种磁感应游离磨粒线锯切割新方法。利用被磁化的锯丝仅在特定区域吸附磁性磨粒的特性，使切割过程中更多的磨粒聚集到锯丝与工件之间，即锯丝的顺磁区，增加瞬时有效磨粒，从而提高切割效率；降低磨粒相对锯丝运动，从而降低锯丝磨损；锯丝两侧逆磁区的磨粒较少，减少对切槽的磨削，从而减小切缝宽度。项目研究内容主要包括：分析锯丝介质场的磁场特性，搭建磁感应游离磨粒线锯实验平台；获得锯丝不同区域磁力线分布与磨浆成膜状态及磨粒运动方式的关系，建立最小切缝理论模型；进行不同区域磨粒受力分析，确立瞬时有效磨粒数与切割效率关系；以硅晶体为切割对象，采用新方法进行系列实验研究，实现一种低切缝损耗、高切割效率的线锯切割技术。项目提出的方法是线锯切割的新思路，对于提高材料的利用率和降低制造成本具有重要的理论意义与实用价值。

在半导体行业成本的摩尔定律作用下，人们对于降低切割成本、提高切割效率的要求越来越高。传统游离磨粒线锯切割过程中，磨粒常难以进入到长而狭窄的切削区域内，造成线锯切割性能下降，切缝损耗增加。为了降低线锯切割过程中切缝损耗，提高半导体材料利用率和线锯切割效率，本项目在传统游离磨粒线锯切割技术基础上复合了磁场的作用，通过在锯丝外添加辅助匀强磁场，利用被磁化的锯丝在高梯度磁场力的作用下主动吸附磁性磨粒，增加进入磁感应切削区域的有效磨粒数，改善锯丝的切削能力，从而提高线锯切割效率。同时，由于锯丝两侧逆磁区的磁性磨粒较少，减少切槽两侧的磨削，从而减小切缝宽度，降低材料损耗。项目研究建立了磁性磨粒在待进入切削区域的动力学模型，应用有限元方法仿真研究了磁场方向对磁性磨粒动力学特性的影响。搭建了磁性磨粒吸附观测实验平台，应用高速摄影仪对锯丝周围磁性磨粒的运动行为进行实验研究。基于磁性磨粒在锯丝周围形成的高梯度磁场中的受力分析，建立了锯丝表面吸附磁性磨粒层的理论模型。基于脆性材料去除机理和磁感应切削区域内磁性磨粒的运动接触状态，将磁性磨粒分为有效加工磁性磨粒和瞬间有效加工磁性磨粒，建立了磁感应切削区域内单颗磁性磨粒的平均作用力与各工艺参数的数学关系。搭建了磁感应游离磨粒线锯切割实验平台，采用单因素实验分析方法，考察了不同工艺参数对磁感应游离磨粒线锯切割性能影响的实验研究。相对普通游离磨粒线锯切割，磁感应游离磨粒线锯切割的切缝宽度降低了6%，切割效率提高了9.2%，并使切片表面粗糙度从2.341um减小到1.811um。项目研究较好地完成了预期目标。项目的研究成果对于提高材料的利用率和降低制造成本具有重要的理论意义与实用价值。基于本项目的研究，在国际国内学术期刊发表研究论文14篇，其中SCI、EI收录论文10篇；授权发明专利4项，授权实用新型专利5项；培养博士研究生2名，硕士研究生5名。