張力調節系統在金剛石單線切割設備上的應用

衣忠波，王仲康，楊生榮

(中國電子科技集團公司第四十五研究所材料設備事業部，北京東燕郊065201)

近年來，以碳化硅為代表的第三代半導體材料得到了迅速發展。碳化硅作為目前發展最成熟的寬帶隙半導體材料，具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，其優異的性能可以滿足現代電子技術對高溫、高頻、高功率、高壓以及抗輻射的新要求。碳化硅材料硬度極高，在自然界僅次于金剛石，加工難度大。目前碳化硅的切割是碳化硅生產應用過程的瓶頸，急需解決。

1 單線切割技術的介紹

單線切割技術采用金剛石磨粒作為固定磨料，可以很好的切割碳化硅等高硬度的材料。固定金剛石磨粒單線切割是將微小的金剛石顆粒以各種方法固定在微細的鋼線上做成切割線(見圖1、圖2)，通過一定的布線方式使金剛線在放線輪和收線輪之間以一定的速度往返運動，通過切割線上眾多磨粒的微量切削作用來達到去除材料、切割薄片。

圖1 金剛線放大圖

圖2 金剛石線橫截面的結構放大圖

在切割過程中，為了獲得優良的表面質量，必須使切割線的張力均勻變化，防止由于張力突變而導致切割線斷線。由于金剛石切割線價格昂貴,切割過程的斷線不僅會耽誤加工進度，影響切片精度，還會造成一定的經濟損失。因此，在單線切割設備中，必須增加張力調節系統，在張力突然變化的情況下減小張力的波動范圍，對張力的變化突變起緩沖作用，改善系統動態性能，有效降低斷線風險。

2 張力調節系統在國外設備的應用

目前，國外的單線切割設備的張力調節系統大多是僅采用氣缸調節。如圖3在設備后采用張力調整輪與氣缸活塞桿連接。在切割線張力發生變化的時候，切割線對張力調整輪的力發生變化，從而引起氣缸活塞桿受力發生變化。切割線張力、氣缸壓力以及金剛石線通過張力調整輪后形成的自然角度的變化，來形成一種平衡關系。該機構包含三個要素：張力、氣缸壓力以及金剛石線通過緩沖輪后形成的自然角度，數學表達式為：

T(csaα+cosβ)=PA

T為切割線的張力

α、β為線與水平方向的夾角

PA為氣缸推力

從上述關系可知，在假定氣缸壓力不變的情況下，當線中張力增加時，α、β同時增大，氣缸推力在線絲中的分力相應減小。

圖3 國外單線切割設備

這種設備由于僅僅采用氣缸進行張力變化的緩沖，由于氣缸變化的滯后性，以及反應的靈敏性的局限性，不能對張力的變化進行即時調節，影響張力調節的效果，不能達到有效的張力調節。

3 張力調節系統在國內單線切割設備的應用

3.1 張力調節原理介紹

這種單線切割設備采用的是超低摩擦氣缸和拉簧的結構，進行切割線張力的調節，見圖4。氣缸采用BF隔膜形成完全密封，基本上不存在氣體的泄漏；依靠隔膜的滾動作用，摩擦變得極小，同時具有響應速度快，壓力控制精度高的特點。設備采用了超精密氣動控制閥，具有優異的減壓特性、壓力特性、流量特性，特別是超高減壓靈敏度，能夠保證在切割線壓力發生突然變化時，能夠快速響應，滿足控制的要求。拉簧的存在能夠拉力的瞬間變化，以適應張力的瞬間變化，能夠在極短的時間內達到平衡。

由于張力調節機構的存在，當系統張力發生變化的情況下，氣缸推動張力臂左右擺動，能有效的對張力變化進行調節，防止張力突變而引起斷線。緩沖原理從物理模型上講它是一個三力平衡體系，當切割線中張力突然增大時，氣缸活塞桿所受壓力增大，氣缸被壓縮，缸體中的壓力隨之增大，氣動系統通過氣動控制閥進行自動調節，釋放出多余壓力，因此，氣缸會在新的位置保持壓力恒定。另一方面，彈簧變形量減小，彈簧拉力減小從而自動補償系統張力的增大，反之，亦然。

圖4 張力調節模型圖

3.2 建立張力調節機構數學模型

按圖3結構，根據剛體定軸轉動微分方程可以建立系統運動微分方程為：

則上述微分方程可整理為：

方程(2)的通解為

其中A、θ為積分常數，由初始條件決定。轉角由兩部分組成，由于阻尼的存在，第一部分振動隨時間增加，呈指數衰減，但這一過渡過程性能對綱絲線的瞬態張力是有影響的(見圖5)，當瞬態張力在金剛石線中產生的應力超過材料的強度極限時，必然會產生斷線現象。第二部分是受迫振動。其振動頻率等于激振力頻率振幅為：

從式(4)可以看出，機構輸出振幅隨頻率差的增加而減小。

圖5 張力調節機構瞬態性能

ω0，即系統固有頻率，當ω=ω0時其擺角φ的振幅可求出：

這時，張力調節輪的振幅為：

式中

F0sinωt—綱絲線張力

m—轉動系統質量

l—結構參數

φ—轉動系統旋轉角度

從(3)式可以看出，系統響應是一正弦曲線(見圖6)，當激振頻率小于系統固有頻率時，系統響應與載荷同相，即擺角沿著載荷增大的方向運動，但當激振頻率遠遠大于系統固有頻率時，系統響應與載荷反相，且振幅迅速減小。

圖6 系統響應與載荷關系曲線圖

從穩態情況看，當金剛石線中張力增大時，氣缸被壓縮，彈簧縮短，彈簧變形減小，彈性力降低，從而達到新的平衡狀態。數學表達式如式8所示

從8式中看出，張力T的變化與轉角φ成函數關系，因此，可以通過檢測轉角的大小而間接獲得張力的大小，從而進行對張力大小的監測。

實驗表明，單線切割機的切割線的張力變化是影響晶片切割質量、減少斷線的重要因素，必須增加合理的張力調節系統，才能保證得到較好的切割效果。國內的該種張力調節系統在應用中，取得了很好的效果。

4 結束語

本文闡述了單線切割設備切割線張力變化的影響及調節的必要性，以及張力調節系統在國內外單線切割設備上的應用。隨著通態電阻低并且散熱性好的碳化硅器件的迅速發展，針對硬度極高的碳化硅材料的線切割設備的競爭也將更加激烈，促使我們必須不斷增加單線切割技術的技術積累。

[1]韓鄭生等譯，半導體制造技術[M]，北京：電子工業出版社，2004.8-2.

[2]Craig W.Hardin,1 Jun Qu,2 and A lbert J.Shih3,Fixed Abrasive Diamond Wire Saw Slicing of Single-Crystal Silicon CarbideWafers[z].

[3]W ILLIAM ISAAC CLARK。FIXED-ABRASIVE DIAMONDWIRESAW MACHINING[z].