專利名稱：一種電磨削多線切割進電方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體硅片切割加工領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及機械磨削和電解復合加工領(lǐng)域，屬于特種加工的范疇，輔助電解反應的進電采用新型非接觸式進電方法。該方法及裝置涉及到特種加工、自動控制、電工電子等學科的交叉領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，是一種交叉學科的發(fā)明專利。
背景技術(shù)：
隨著大規(guī)模集成電路、計算機以及太陽能電池等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，半導體材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應用越來越廣泛。硅片是半導體和光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的主要生產(chǎn)原料，硅片的加工制造成本在整個生產(chǎn)鏈中占據(jù)了非常大的一部分。硅片加工技術(shù)也不斷改進，從最初的內(nèi)圓切割、外圓切割發(fā)展到現(xiàn)在主流的多線切割。多線切割技術(shù)是在20世紀90年代開始發(fā)展起來的。這種切割方式是把一根細長的鋼線纏繞在排線輪上，鋼線兩頭分別由放線機構(gòu)與收線機構(gòu)拉緊。在收放線機構(gòu)與排線輪之間裝有若干張力控制輪，用以控制鋼絲的剛度。排線輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鋼線往復運動，同時將砂漿帶入加工區(qū)域進行研磨切割。砂漿是由切削液(如聚乙二醇)和碳化硅微粉按照一定的比例混合而成的具有一定黏度的流體。多線切割能一次同時切割上千片硅片，切割效率相對傳統(tǒng)的內(nèi)外圓切割要高的多，所以在大直徑硅片加工領(lǐng)域和太陽能硅片領(lǐng)域它已取代傳統(tǒng)的內(nèi)外圓切割成為這一領(lǐng)域的主力軍。然而，由于多線切割技術(shù)是依靠鋼線帶動磨粒來切割硅片，屬于機械磨削，使得硅片的表面損傷層較大，要進一步降低硅片的厚度或切割大尺寸的硅片技術(shù)難度較大。

硅片的磨削電解復合多線切割加工方法是一種新型的硅片復合加工方法，該方法利用機械磨削和電解復合加工的方法來切割硅片，其中，電解作用有利于機械切削力的減小，切割產(chǎn)物兼具磨料作用，可以降低斷絲幾率，提高硅片切割效率；機械磨削作用有利于電化學鈍化(或腐蝕)的持續(xù)進行，硅片機械損傷層更薄，表面完整性好，減少了后續(xù)減薄量，提高了材料利用率。專利CN101797713B公開了一種電磨削復合多線切割方法，但是需要采用專用的進電方法來實現(xiàn)硅錠的進電，該方法需要在硅錠和玻璃之間增加一金屬電極，利用粘結(jié)劑將硅錠和玻璃粘結(jié)在一起，并要保證硅錠與金屬電極良好的導電性，最后金屬電極通過電纜引出到電源正極；金屬切割線通過主線輥由進電塊引出連接到電源負極。該工藝方法操作復雜，需要專用金屬電極來實現(xiàn)進電，且需要額外增加一臺電解電源，致使整個工藝方法復雜，需要一臺外接的電解電源，致使整個工藝方法繁瑣。故本發(fā)明旨在發(fā)明一種新型的進電方法來解決電磨削復合多線切割的進電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡易可行的電磨削(腐蝕)-多線切割加工方法，減小切割過程中需要的機械力，降低加工難度。技術(shù)方案是采用一種非接觸式進電方法來實現(xiàn)硅錠的進電，完成電解反應。具體如下
一種電磨削多線切割進電方法，包括下列步驟在多線切割機床上通過切割線對加工工件進行磨削加工，在加工過程中，向切割區(qū)域噴射切削液，其特征在于在磨削區(qū)域上施加電磁場，所述電磁場的磁力線方向與切割線的軸向運動方向相交；所述的切割線的材質(zhì)是金屬。本發(fā)明的技術(shù)方案原理是導體在切割磁力線時會產(chǎn)生感應電動勢，若電路閉合形成回路，則有電流流過該導體。如果在運動的切割線周圍施加一個電磁場，該磁場可以讓切割線在其截面的直徑方向上產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的正負兩端即為切割線截面直徑的兩端。加工工件一般是半導體材料，摻雜硅、本征硅或碳化硅、鍺等，因為切割線和加工工件之間接觸間隙極小，而多線切割所用的切削液電導率很低，切割線和加工工件之間的接觸電阻小于切削液的電阻，切割線上所產(chǎn)生的電壓不會通過切削液形成回路，所以切割線直徑兩端與加工工件可以形成一個閉合回路。切割線一方面由于切割磁力線產(chǎn)生電壓形成電源，另一方面又與加工工件一起構(gòu)成電化學反應的陰極和陽極。切削液由于具有弱的導電性，故能形成微弱的電化學反應，在加工工件上會發(fā)生陽極鈍化。因此，切割線、加工工件以及切削液共同構(gòu)成了電化學反應所需的電源、陰極、陽極以及電解液，產(chǎn)生了微弱的電化學反應，在加工工件的電化學反應陽極附近區(qū)域會形成鈍化膜。陽極鈍化產(chǎn)物相比于半導體工件來說，更易被磨削去除，因此，加工工件材料不斷被快速移動的金屬切割線夾帶的磨料刮除；新鮮表面露出后，繼續(xù)發(fā)生電解作用，材料去除過程不斷重復。鈍化膜使得切割線進行磨削時，磨削加工更易進行，殘余應力更小。電化學反應所需的電壓可以通過合理設計磁場強度和切割線的運動速度得到。上述所述的施加的磁場可以通過永磁鐵或者電磁鐵實現(xiàn)。對于磁場的方向，只要能夠`與切割線的軸向運動方向相交即可，磁場的方向不限于垂直于切割線的軸向運動方向，也可以與切割線軸向運動方向呈一定的角度，實際加工時可以進行調(diào)整，其目的是在切割線在其截面的兩側(cè)各形成不同的感應電動勢。凡能夠?qū)崿F(xiàn)上述該目的的磁場方向，都可以使本發(fā)明的技術(shù)方案得到實施。上述的磁力線的方向最好與切割線垂直，因為在相同切割線運動速度的條件下，該方向可以使得到的感應電動勢最大。進一步地，磁感應線與切割線進給方向之間可以平行、斜向相交、或者垂直，就能夠保證切割線的截面在運動時，因作切割磁力線運動而在截面的直徑方向上產(chǎn)生正極和負極的感應電動勢，此時在切割線的截面一側(cè)存在正極感應電動勢，而另一側(cè)存在有負極感應電動勢。最好是磁力線方向與切割線的進給方向平行，如圖3所示，在這個條件下，切割線上的負極區(qū)域正對著加工面，會在加工面上形成陽極鈍化，并且鈍化區(qū)域最大，使鈍化-切割效果更好。上述的切割線應該采用金屬錢，例如是多線切割機用的金剛線或者鍍銅鋼線； 上述的切割線的絲徑優(yōu)選為100 150 i! m ; 上述的切割線的走絲速度優(yōu)選在100 1000m/min ；
在加工過程中，上述的切割線的張力可以控制在10 40N。上述的半導體加工工件可以是摻雜硅、本征硅或碳化硅、鍺等半導體材料；
上述的磨料可以采用粒徑小于20 ii m的碳化娃磨粒；
上述的切削液可以采用含水量較大的水基切削液，也可以用含微量水或基本不含水的水溶性切削液。例如，可以用聚乙二醇與碳化硅磨?；旌隙?。作為本發(fā)明的改進方案，在電磁場的區(qū)域外側(cè)還設置有磁場屏蔽部件。這樣可以隔絕所施加電磁場對其他部件的影響。磁場屏蔽部件可以采用公知的可以屏蔽磁場的材料，例如導磁涂料、金屬敷層屏蔽材料、填充復合型屏蔽材料、防電磁輻射纖維等。本發(fā)明的創(chuàng)新主要是利用了磁生電的原理，通過施加磁場來實現(xiàn)非接觸式的進電來完成電磨削多線切割。
有益效果
(I)本發(fā)明通過施加一個磁場產(chǎn)生感應電動勢來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磨削多線切割的外接電源系統(tǒng)，非接觸式進電代替了電磨削多線切割的電氣連接，簡化了整個工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。(2)傳統(tǒng)電磨削多線切割需要靠專用進電方式實現(xiàn)進電，該方法需要在硅錠和玻璃之間增加一金屬電極，利用粘結(jié)劑將硅錠和玻璃粘結(jié)在一起，并要保證硅錠與金屬電極良好的導電性，最后金屬電極通過電纜引出到電源正極。這相比于現(xiàn)有的多線切割工藝流程多了一道工序，增加了工藝的復雜程度和成本。而采用本專利的方法，工藝上無須任何改變，對整個工藝流程和成本沒有影響。


圖1是本發(fā)明提供的電磨削多線切割裝置示意 圖2是本發(fā)明原理三維局部示意 圖3是實施例1加工過程原理二維局部示意 圖4是實施例1加工過程等效電路模型 圖5是實施例2加工過程原理二維局部示意 圖6是實施例2加工過程等效電路模型 其中，I是磁場發(fā)生器；2是磁場屏蔽擋板；3是切割線；4是硅錠。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本專利作進一步的說明如下。實施例1 如圖1 圖4所示。(I)在多線切割機的切割室中安裝好磁場發(fā)生器1，磁場發(fā)生器I可以采用螺栓連接或者螺釘連接的方式固定，磁場的方向可以根據(jù)實際情況設置，目的是使切割線3在運動時，可以使切割線3的截面的兩側(cè)產(chǎn)生感應電動勢。在本實施例中，磁場的方向與切割線3的運動方向垂直且與切割線3的進給方向平行。所施加的磁場可以采用永磁鐵或者電磁鐵來產(chǎn)生，所施加的磁場的強度要求可調(diào)，確保在走絲速度不變的情況下，能調(diào)節(jié)感應電動勢的大小以應對不同電阻率的材料的加工，本實施例中可以設置磁場強度50T，切割線是鍍銅鋼線。(2)在切割室的頂部和底部各安裝一塊磁場屏蔽擋板2，以防止所施加的磁場對機器其他設備的影響，所安裝的磁場屏蔽擋板2采用螺釘連接的方式固定到切割室的頂部和底部。(3)將準備好的硅錠4裝載到工作臺上，切割線3直徑150 iim，設置好切割線3的線速度1000m/min、進給速度根據(jù)加工情況可調(diào)整,可控制在200 500 u m/min之間；進給方向如圖3中V箭頭方向所示。采用砂漿的組成碳化硅磨粒和聚乙二醇按質(zhì)量比0. 8 1配比，流量120kg/min ；
(4)開始熱機加工。本實施例中，加工過程的等效電路圖如圖4所示。等效的電路圖如圖3和圖4所示，具體說來，Al ClBl區(qū)域為待加工工件的部分區(qū)域，A2C2區(qū)域為切割線3左邊的一個區(qū)域，B2C2區(qū)域為切割線3右邊的一個區(qū)域。切割線3沿其軸線垂直于紙面向里作走絲運動(立體圖可參見圖2)，由于切割線3的截面作切割磁力線的運動，故A2C2區(qū)域、B2C2區(qū)域上會產(chǎn)生感應電動勢，B2C2區(qū)域為正極。AlCl和A2C2區(qū)域之間通過一極小的間隙相互接觸形成回路，BlCU B2C2區(qū)域之間也通過一個極小的間隙接觸形成回路。AlCl區(qū)域相當于是電化學反應的陽極，發(fā)生陽極鈍化形成鈍化膜。切割線3在運動過程中，在切削液的輔助下，不斷除去在AlCl區(qū)域生成的鈍化膜，被除去的鈍化膜也可以起到磨料的作用，鈍化膜相對于硅錠本身更易被磨削，因此降低了加工過程的難度。
實施例2
如圖5和圖6所示，與實施例1的區(qū)別在于，磁場的方向與切割線進給方向之間呈45°的夾角。本實施例中，加工過程的等效電路圖如圖6所示。具體說來，A1D1C1B1區(qū)域為待加工工件，A2D2為切割線左邊的一個區(qū)域，B2C2為切割線右邊的一個區(qū)域。切割線3沿其軸線垂直于紙面向里作走絲運動，切割線3上產(chǎn)生感應電動勢，B2C2為正極，A2D2為負極。AlDl和A2D2之間通過一極小的間隙相互接觸形成回路，BlCl和B2C2之間也通過一個極小的間隙接觸形成回路。AlDl區(qū)域是電化學反應的陽極，發(fā)生陽極鈍化形成鈍化膜。本實施例中，切割線3直徑120 u m,切割線3的線速度500m/min、進給速度根據(jù)加工情況可調(diào)整，可控制在200 500 u m/min之間；
采用切削液的組成碳化硅磨粒和聚乙二醇按質(zhì)量比0. 8 1配比，碳化硅磨料的粒徑控制在小于20 u m,切削液流量150kg/min ；
實施例3
與實施例1的區(qū)別在于本實施例中，切割線3直徑lOOiim，切割線3的線速度IOOm/min、進給速度根據(jù)加工情況可調(diào)整，可控制在200 500 y m/min之間；采用切削液的組成碳化硅磨粒和聚乙二醇按質(zhì)量比0. 8 1配比，碳化硅磨料的粒徑控制在小于20 ilm，切削液流量 100kg/min。
權(quán)利要求
1.一種電磨削多線切割進電方法，包括下列步驟在多線切割機床上通過切割線對加工工件進行磨削加工，在加工過程中，向切割區(qū)域噴射切削液，其特征在于在磨削區(qū)域上施加電磁場，所述電磁場的磁力線方向與切割線的軸向運動方向相交；所述的切割線的材質(zhì)是金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磨削多線切割進電方法，其特征在于所述的電磁場的磁力線方向與切割線的軸向運動方向垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磨削多線切割進電方法，其特征在于所述的電磁場的磁力線方向與切割線的進給方向平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磨削多線切割進電方法，其特征在于在磨削區(qū)域外側(cè)還設置有磁場屏蔽部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磨削多線切割進電方法，其特征在于所述的切割線的絲徑為100 150 u mo
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磨削多線切割進電方法，其特征在于所述的切割線的走絲速度是100 1000m/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磨削多線切割進電方法，其特征在于所述的切削液是由聚乙二醇與碳化硅磨?；旌隙伞?br> 8.一種電磨削多線切割進電加工裝置，包括切割線、加工工件，其特征在于還包括有一個磁場發(fā)生裝置，所述的電磁場發(fā)生裝置的磁力線方向與切割線的軸向運動方向相交。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磨削多線切割進電加工裝置，其特征在于在磨削區(qū)域外側(cè)還設置有磁場屏蔽部件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電磨削多線切割進電方法及裝置，屬于半導體硅片切割加工領(lǐng)域，該發(fā)明涉及到特種加工、自動控制、電工電子等學科的交叉領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，是一種交叉學科的發(fā)明專利。加工方法是在多線切割機床上通過金屬切割線對加工工件進行磨削加工，在加工過程中，向切割區(qū)域噴射切削液，在磨削區(qū)域上施加電磁場，所述電磁場的磁力線方向與切割線的軸向運動方向相交。加工裝置是包括切割線、加工工件，其特征在于還包括有一個磁場發(fā)生裝置。本發(fā)明提供的電磨削多線切割進非接觸式進電進電方法代替了電磨削多線切割的電氣連接，簡化了整個工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過電磁場的感應電流使加工工件產(chǎn)生鈍化，有利于磨削加工的進行。
文檔編號B24B1/00GK103056730SQ201210593309
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者周翟和, 鮑官培, 汪煒 申請人:南京航空航天大學