游離磨料線鋸硅晶體表面質量和加工精度實驗研究*

史 越，魏 昕，謝小柱，胡 偉，任慶磊（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

游離磨料線鋸硅晶體表面質量和加工精度實驗研究*

史 越，魏 昕，謝小柱，胡 偉，任慶磊
（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

通過進行游離磨料線切割硅晶體的正交試驗，分析了各工藝參數(shù)對加工表面粗糙度和總厚度偏差的影響趨勢。通過對試驗結果進行了方差和顯著性分析，找出了這些工藝參數(shù)對表面粗糙度和總厚度偏差影響權重大小，并得到一組最優(yōu)的參數(shù)組合。結果表明：表面粗糙度隨著走絲速度、初始張緊力、切割液濃度的增大而減小，隨著進給速度的增大而增大。走絲速度、切割液濃度、進給速度對總厚度偏差的影響與對表面粗糙度的影響趨勢基本一致，而隨著初始張緊力的增大，總厚度偏差先減小后增大，且這些參數(shù)中，進給速度對表面粗糙度影響最大，而初始張緊力對總厚度偏差影響最大。

游離磨料；線切割；正交試驗；硅片加工

隨著光伏產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，太陽能硅片的產(chǎn)量需求日益增長[1]。針對硅晶片的大徑化、超薄化的發(fā)展趨勢，半導體切割技術已逐漸由內(nèi)圓切割轉變?yōu)榫€切割[2]。

游離磨料線切割技術具有生產(chǎn)效率高、切口材料損耗小、硅片切割表面損傷層較淺等諸多優(yōu)點，尤其適用大直徑硅棒的切割，并可同時進行多條硅棒的切片。對于游離磨料線切割硅晶體的表面質量和加工精度，國內(nèi)外學者開展了較廣泛的研究。瑞士光伏和薄膜電子實驗室（EPEL）的Bidivelle等人對游離磨料線鋸切割實驗中工藝參數(shù)對硅片質量的影響進行研究[3]，采用不同的漿料濃度、磨粒進行實驗，結果表明細磨料加工出的硅片表面微裂紋深度和表面粗糙度都明顯優(yōu)于粗磨料。漿料濃度要選擇合適，過高或過低都會使硅片的表面質量下降。日本金澤工業(yè)大學的Ishi?kawa等學者[4]采用高速攝影的方法研究了線鋸切割過程中磨漿的行為，發(fā)現(xiàn)磨漿的加入狀態(tài)不同會影響切割效率和表面質量。廣東工業(yè)大學的林建榮[5]、舒繼千[6]、袁燕蕊[7]分別從研究切割實驗過程中的振動，張緊力，切割液的角度入手，分析了不同條件下工藝參數(shù)對表面質量的影響。目前，對硅片表面質量和加工精度的研究大多采用單因素的實驗方法，本文采用考慮交互作用的正交試驗的方法，通過檢測硅片鋸切表面粗糙度和總厚度偏差，研究加工工藝參數(shù)對游離磨料線切割硅片表面質量和加工精度的影響規(guī)律并優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 實驗條件和方法

游離磨料線切割實驗在改裝的電火花切割機床上進行。機床上配備了實現(xiàn)工件自動進給的移動工作臺，如圖1所示。實驗選用材料是直徑36 mm的單晶硅。切割線采用直徑為100～160 mm的表面鍍銅的高碳不銹鋼絲。磨料選用粒徑（8.5±2.0.7）mm的綠碳化硅。切割液是由水與SiC磨粒按照一定的重量配成。實驗中采用MCL-T2高精度張緊力傳感器測量切割線的初始張緊力，采用馬爾粗糙度測量儀（MarSurf XCR20）對樣件的表面粗糙度進行檢測。在硅片A-E五段處各段取10個測量點，如圖2所示，選取其中厚度最大值和最小值之差，作為硅片的總厚度偏差（TTV）。

圖1 線切割機床

圖2 總厚度偏差測量示意圖

本文的優(yōu)化實驗中采用正交設計法，選取部分具有代表性的工藝參數(shù)因素及合適的水平點，按照正交表對影響因素及水平進行排列組合，并考慮走絲速度、進給速度、初始張緊力兩兩之間的交互作用，并對實驗結果進行采用直觀分析、方差分析和顯著性檢驗，進行參數(shù)優(yōu)化組合。

選用因素及水平，如表1所示。通過因素和水平的確定，考慮到r水平兩因素間的交互作用要占r-1列，三水平因素之間的交互作用需占兩列，僅對主要因素A、B、C作交互作用分析，忽略切割液濃度與其他因素的交互作用，選取L27(313)[8]型正交表。表頭如表2所示。

表1 正交試驗因素水平分布表

表2 正交試驗表L27(313)表頭

2 實驗結果與分析

按照正交試驗表L27(313)完成實驗，并對樣件進行測量，得到試驗結果見表3。

本實驗采用極差分析法[9]對上述試驗結果進行分析，算出各個因素在對應水平下的平均值和極差。根據(jù)計算結果，繪制出各因素水平對表面粗糙度均值變化規(guī)律如圖3所示，對總厚度偏差均值變化規(guī)律如圖4所示。

由圖3可以看出，因素B進給速度由0.3 mm/min上升至0.7 mm/min，硅片的表面粗糙度由最低值0.6 μm上升至最大值1.485 mm，幅度變化是最大的，而且在四條曲線中最陡峭，說明進給速度對表面粗糙度影響最大。從曲線的單調性可看出，硅片各處的粗糙度呈上升趨勢，這是由于隨著進給速度增大，磨粒所受的法向力增大[10]，單顆磨粒嵌入工件表層的深度越深，使得表面粗糙度增大。因素C初始張緊力由4 N上升至16 N時，硅片的表面粗糙度由最大值1.342 mm降低至最小值0.67 μm，幅度變化和曲線斜率僅次于進給速度，初始張緊力對表面粗糙度影響亦僅次于進給速度。從曲線的單調性可看出，硅片各處的粗糙度呈下降趨勢，隨著初始張緊力增加，切割線過程張緊力[6]增加，過程振動降低，這有利于切割液在加工過程中形成“水平膜”[4]而使得切割線承載切割液能力增強，進入到切割區(qū)域內(nèi)的磨粒數(shù)增加，于是瞬時有效磨粒數(shù)[10]增多。磨粒在工件表面的滾壓作用越充分，硅片表面粗糙度逐漸降低。但是，隨著初始張緊力的進一步提高到10 N時，磨粒所受的法向力增大，磨粒壓入工件表面過深，于是硅片表面粗糙度的下降趨勢會慢慢放緩。因素A走絲速度由3 m/s上升至8 m/s時，硅片各處的表面粗糙度呈下降趨勢，并且整個硅片的表面粗糙度由最大值1.173 mm降低至最小值0.856 μm，幅度變化和曲線斜率稍弱于初始張緊力，因此走絲速度對表面粗糙度影響排在第三位。從曲線的單調性可看出，隨著走絲速度的增加，表面粗糙度減小。這是因為當切割線承載切割液能力一定的情況下，隨著走絲速度越大切割線的動能越大，則傳遞到磨粒的動能增加，磨粒單位時間內(nèi)滾動次數(shù)增加，最終使瞬時有效磨粒數(shù)增加，使硅片的表面粗糙度降低。最后，因素D切割液濃度由20%上升至60%時，硅片的表面粗糙度由最大值1.073 mm降低至最小值0.95 μm，在四條曲線中，其最為平滑并且幅值變化最小，說明該因素對表面粗糙度影響最弱。從曲線的單調性可看出，硅片各處的表面粗糙度呈緩慢下降趨勢，隨著切割液濃度的逐步增加，有效磨粒數(shù)量增多，磨粒研磨更加充分，硅片表面粗糙度會慢慢下降，但增加到磨粒飽和后，表面粗糙度變化不大。

表3 正交試驗結果

圖3 表面粗糙度正交試驗極差分析圖

圖4 總厚度偏差正交試驗極差分析圖

由圖4有可以看出，因素C初始張緊力由4 N上升至16 N時，硅片的總厚度偏差由最大值44.444 mm降低至最小值20.333 μm，幅度變化是最大的，而且在四條曲線中最陡峭，說明初始張緊力對總厚度偏差影響最大。在游離磨料線鋸加工過程中，總厚度偏差的大小主要是因切割線振動引起的[5]。從曲線的單調性可看出，硅片總厚度偏差呈先下降后上升趨勢，并在10 N處獲得最小值。在初始張緊力4～10 N時，切割線過程張緊力增加，過程振動降低，使得總厚度偏差減小，在初始張緊力10～16 N時，由于張緊力過大，切割線產(chǎn)生拉伸變形導致張緊力減小，過程振動增加，總厚度偏差增大。因素B進給速度由0.3 mm/ min上升至0.7 mm/min，硅片的總厚度偏差由最低值28.778 μm上升至最大值41.556 mm，幅度變化和曲線斜率僅次于初始張緊力，進給速度對總厚度偏差影響亦僅次于初始張緊力。從曲線的單調性可看出，硅片總厚度偏差呈上升趨勢，這是由于工件的進給速度越大，磨粒受到的法向力越大，切割線變形增大，過程張緊力減小，振動增大，總厚度偏差增大。因素A走絲速度由3 m/s上升至8 m/s時，硅片的總厚度偏差呈下降趨勢，并且由最大值28.444 mm降低至最小值38.333 μm，幅度變化和斜率稍弱于進給速度，因此走絲速度對總厚度偏差影響排在第三位。從曲線的單調性可看出，隨著走絲速度的增加，振動減小，總厚度偏差減小。最后，因素D切割液濃度由20%上升至60%時，硅片的總厚度偏差由最大值33.778 mm降低至最小值34.444 μm，在四條曲線中，其最為平滑并且幅值變化最小，說明該因素對總厚度偏差影響最弱。

本實驗采用方差分析法對對實驗結果進行分析，選出一組表面粗糙度和總厚度偏差較小的優(yōu)化方案。對表3的試驗結果進行F-檢驗[9]可得表4和表5。

表4 表面粗糙度正交試驗方差分析表

表5 總厚度偏差正交試驗方差分析表

由表4中F比的大小可以看出，在a=0.1的水平上，進給速度和初始張緊力對表面粗糙度的影響是非常顯著的。其次是走絲速度，溶液的濃度和因素間的交互作用影響并不明顯。

所以影響表面粗糙度因素的主次關系為：進給速度＞初始張緊力＞走絲速度＞切割液濃度。與極差分析圖反應的結果一致。

由表5中F比的大小可以看出，在a=0.1的水平上，初始張緊力對總厚度偏差的影響是非常顯著的，因素間的交互作用影響較為明顯。影響總厚度偏差因素的主次關系為：初始張緊力＞走絲速度和初始張緊力的交互作用＞進給速度＞進給速度和初始張緊力的交互作用＞走絲速度＞走絲速度和進給速度的交互作用＞切割液濃度。

由于表面粗糙度和總厚度偏差越小越好，從表4可以看出，優(yōu)方案應取各因素最小均值所對應的水平。因此，優(yōu)化的工藝參數(shù)組合為：走絲速度8 m/s，進給速度0.3 mm/min，初始張緊16 N，切割液濃度60%。這與圖3所體現(xiàn)的最小值是一致的。對比表5，在走絲速度8 m/s，進給速度0.3 mm/min，切割液濃度60%都能取到最小的總厚度偏差，這和表面粗糙度的最優(yōu)參數(shù)組合一致，而在初始張緊力為10 N的時候才能獲得最小的總厚度偏差。根據(jù)F比的大小得知，初始張緊力對總厚度偏差的影響較對表面粗糙度的影響更為顯著，所以最優(yōu)初始張緊力應選10 N。

3 結論

（1）在游離磨料線切割硅晶體的過程中，加工表面粗糙度隨著走絲速度、初始張緊力、切割液濃度的增大而減小。隨著進給速度的增大而增大。其中表面粗糙度隨進給速度、初始張緊力的變化幅度較大，走絲速度次之，而隨切割液濃度的變化比較緩和。各工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響程度依次是：進給速度、初始張緊力、走絲速度、切割液濃度。

（2）工藝參數(shù)對總厚度偏差的影響和對表面粗糙度的影響趨勢一致，不同的是在初始張緊力為10 N時，總厚度偏差取到最小值。其對總厚度偏差的影響程度依次是:初始張緊力、走絲速度和初始張緊力的交互作用、進給速度、進給速度和初始張緊力的交互作用、走絲速度、走絲速度和進給速度的交互作用、切割液濃度。

（3）工藝參數(shù)間的交互作用對表面粗糙度的影響不是很明顯，而對總厚度偏差的影響很顯著。隨著水平的增大走絲速度和初始張緊力的交互作用對總厚度偏差的降低起加強作用，進給速度和初始張緊力的交互作用對總厚度偏差的降低起削弱作用，走絲速度和進給速度的交互作用對總厚度偏差的降低亦起削弱作用。

（4）從試驗結果分析得到一組優(yōu)化的參數(shù)組合：走絲速度8m/s，進給速度0.3 mm/min，初始張緊10 N，切割液濃度60%。

［1］T.Liedke*，M.Kuna.A macroscopic mechanical model of the wire sawing process［J］.International Journal of Ma?chine Tools&Manufacture 51（2011）：711-720.

［2］Egemen Teomete.Roughness Damage Evolution Due to Wire Saw Progress［J］.A International Journal of Preci? sion Engineering and Manufacturing，2011，12（6）：941-947.

［3］Bidiville.A.，Wasmer.K。，Michler.J.，Nasch.P.M.，VanderMeer.M.and Ballif.C.Mechanisms of wafer sawing and impact on wafer properities［J］.Progress in Photo?voltaics：Research and Applications，2010，18（8）：563-572.

［4］K I.Ishikawa，H.Suwabe，S I.Itoh，M.Uneda.A basic study on behavior of slurry actions at multi-wire saw［J］.Key Engineering Materials，2003，（238-239）：89-92.

［5］林建榮.游離磨料線切割硅晶體過程的振動研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2006.

［6］舒繼千.游離磨粒線切割硅片過程切割線張緊力及線磨損機理研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2009.

［7］袁艷蕊.游離磨料線切割硅晶體過程的切割液作用規(guī)律研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2010.

［8］方開泰，馬長興.正交與均勻試驗設計［M］.北京：科學出版社，2001.

［9］李云雁，胡傳榮.試驗設計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.7.

［10］丁寅.游離磨料線切割中磨粒的力學行為及其對切割表面質量的影響研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2011.

Experimental Investigation on the Surface Quality and Machining Accuracy of Free-Abrasive Wiresaw Slicing Crystalline Silicon

SHI Yue，WEI Xin，XIE Xiao-zhu，HU Wei，REN Qing-lei
（Faculty of Mechanical and Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

Basing on making orthogonal experiment in slicing Crystalline Silicon by free-abrasive wiresaw，the influence of various process parameters on the surface roughness and total thickness variation are analyzed.Variance and saliency of the results are also analyzed，the descending order of the impact on different parameters is found.Meanwhile，obtain a set of optimal combination of parameters.The research results show that the surface roughness decreases with the increasing of wire speed，initial wire tension and slurry concentration，while increases with the increasing of the table speed.The influence of wire speed，slurry concentration，table speed on the total thickness variation is the same as the influence of various process parameters on the surface roughness.Total thickness variation first increases and then decreases while increases with the increasing of the initial wire tension.The results also indicated that the impact of table speed on the surface roughness is the greatest.However the impact of initial wire tension on the total thickness variation is the greatest.

free abrasive；wiresaw；orthogonal experiment；silicon wafer manufacturing

TG66

A

1009－9492(2014)05－0024－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.005

史 越，男，1989年生，湖北枝江人，碩士研究生。研究領域：硬脆性材料的精密與超精密加工。

(編輯：阮 毅)

*廣東省自然科學基金項目（編號：5001807）；廣東省科技計劃項目（編號：2005B10201019）

2013－11－17