游离磨料线切割硅片表面粗糙度的理论分析和实验研究

作     者：史越 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏昕

授予年度：2014年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：游离磨料 线切割 硅片 表面粗糙度 

摘      要：随着光伏产业和电子产业的高速发展,太阳能硅片的产量需求日益增长。针对硅晶片的大径化、超薄化的发展趋势,半导体切割技术已逐渐由内圆切割转变为线切割。游离磨料线切割技术具有生产效率高、切口材料损耗小、硅片切割表面损伤层较浅等诸多优点,尤其适用于大直径硅棒的切割,并可同时进行多条硅棒的切片。表面粗糙度的大小是评价硅片加工质量重要的指标之一,为了得到较低的表面粗糙度,需要开展大量繁杂的实验来探究切割参数对表面粗糙度的影响规律。国内外学者对游离磨料线切割硅片的表面质量开展了较广泛的研究。由于游离磨料线切割过程中,影响硅片表面粗糙度的因素很多,而且其运动方式的特殊,单晶硅材料的力学特性也不同于金属材料,因此,为了提高加工硅片的表面质量,对于建立游离磨料线切割硅片表面粗糙度Ra的预测模型意义重大。 本文基于脆性材料压痕断裂力学模型,考虑游离磨料线切割过程中磨粒处于全接触状态下的“滚压—嵌入运动方式,理论分析游离磨料线切割过程中的力学行为和材料去除形式,建立表面粗糙度Ra的模型;并仿真分析了走丝速度、进给速度、张紧力、磨料粒径、切割液浓度、切割区域长度对其的影响规律。同时,通过单因素实验,分析了工艺参数条件对表面粗糙度的影响,并将实验数据拟合成曲线,得出各个因素对表面粗糙度Ra的经验公式。通过对比分析拟合曲线和仿真曲线,验证了理论模型的正确性。此外,论文还通过正交试验对游离磨料线切割的硅片表面粗糙度和总厚度偏差进行工艺优化,并探讨主要因素之间的交互作用,最后用多元回归的方法得出表面粗糙度Ra的经验公式,验证与理论公式的一致性。 本文的主要研究结果如下： 1)在理论上分析游离磨料线切割过程中磨粒滚动条件下的受力和材料去除率,通过对磨粒的运动形式和接触状态、单颗磨粒的去除体积、磨粒的分布、切割线和磨粒间力的作用进行分析,求得单颗磨粒的法向力和切向力。 2)建立了表面粗糙度Ra与各工艺参数的理论模型。硅片表面粗糙度Ra随着走丝速度、切割线张紧力、切割液浓度的增大而减小,随着工件进给速度、磨料粒径、硅棒直径的增大而上升。 3)通过实验值验证预测模型的正确性。比较拟合公式的指数项得出各工艺参数对表面粗糙度凡影响权重从大到小依次是：进给速度、初始张紧力、走丝速度、切割区域长度、切割液浓度、磨料粒径。 4)通过正交试验对游离磨料线切割的硅片表面粗糙度和总厚度偏差进行工艺优化分析了因素组合的交互作用,并用多元回归的方法得出表面粗糙度Ra的经验公式。