（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）環(huán)形金剛石線鋸絲制造技術(shù)及鋸切實(shí)驗(yàn)研究.pdf

摘要 摘要 集成電路 i c 多以單晶硅片為襯底材料 為降低單元制造成本 要求單晶 硅片的矗徑也越來(lái)越大 切片是硅片制造的關(guān)鍵工序 對(duì)于塞徑大于3 0 0 r a m 的 單晶硅普遍采用往復(fù)式自由磨料線鋸切片技術(shù) 往復(fù)式自由磨料線鋸加工 其材 料去除楓理是研磨 加工效率較低 且不能切割硬度更高的碳化硅羆體 陶瓷等 材料 本文提出環(huán)形樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石線鋸切割這一新工藝 利用固結(jié)在線鋸絲 基體上的金剛石磨粒直接磨削去除材料 減輕加工隧表層損傷 環(huán)形線鋸絲單方 向高速連續(xù)運(yùn)動(dòng) 大大提高切割速度和效率 可用于硅晶體切片及高硬度材料切 割加工 具有切割精度高 制造成本低 對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn) 本文設(shè)計(jì)制造了環(huán)形鋸絲線鋸床 該鋸床使用環(huán)形金剛石線鋸絲 可實(shí)現(xiàn)環(huán) 形線鋸絲單方向連續(xù)運(yùn)動(dòng) 線鋸絲走絲變速范圍是4 5 2 8 m s 滿足切割不同材料 的要求 根據(jù)鋸切實(shí)驗(yàn)要求 可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和是恒進(jìn)給力驅(qū)動(dòng) 的兩種進(jìn)給方式 利用外加力矩張緊線鋸絲 張緊力可以定量調(diào)節(jié) 張緊力范圍 1 4 6 2 5 2 n 通過(guò)裝配時(shí)精密研磨軸承安裝孑l 配裝調(diào)節(jié)軸承間隙等關(guān)鍵工藝 提高了鋸床精度和剛度 大大降低了線鋸絲振動(dòng)振幅 提高了鋸切表面面形精度 分析研究了3 0 4 不銹鋼絲 直徑0 4 m m 3 0 4 l 不銹鋼絲 直徑0 3 r a m 6 5 m n 彈簧鋼絲 直徑0 3 r a m 以及s w p b 鋼琴絲 壹徑0 3 m m 的力學(xué)性能 3 0 4 不 銹鋼絲屈服拉力為1 4 0 n 3 0 4 l 不銹鋼絲的屈服拉力為4 5 n 6 5 m n 彈簧鋼絲斷裂 拉力為1 3 1 n s w p b 鋼琴絲斷裂拉力為1 0 4 n 3 0 4 l 不銹鋼絲的彈性變形較小 而s w p b 鋼琴絲含碳量高 焊接性能差 故選3 0 4 不銹鋼絲和6 5 m n 彈簧鋼絲作 為環(huán)形線鋸絲的基體材料 兩種材料的彎曲疲勞壽命均達(dá)到l 1 0 6 次以上 采用電阻對(duì)焊工藝 分別將3 0 4 不銹鋼絲和6 5 m n 彈簧鋼絲焊接成環(huán)狀 3 0 4 不銹鋼絲焊接接頭斷裂拉力為1 1 0 n 6 5 m n 彈簧鋼絲焊接接頭的斷裂拉力9 0 n 3 0 4 不銹鋼焊縫區(qū)壺細(xì)小酶奧氏體秘鐵素體組成 具有較大豹強(qiáng)度和韌性 因此 3 0 4 不銹鋼絲更適合作為環(huán)形線鋸絲的基體材料 實(shí)驗(yàn)研究表明 3 0 4 不銹鋼絲和 6 5 m n 彈簧鋼絲焊接接頭的疲勞壽命均達(dá)到l x1 0 5 次以上 在本文實(shí)驗(yàn)條件下 3 0 4 不銹鋼絲焊接接頭的平均疲勞壽命約1 0 0 分鐘 6 5 m n 彈簧鋼絲平均疲勞壽命約 5 0 分鐘 對(duì)樹(shù)脂結(jié)合粼金剛石線鋸絲制造工藝進(jìn)行研究和優(yōu)化 樹(shù)脂結(jié)合荊金剛石線 鋸絲制造成分包括樹(shù)脂 金剛石磨粒和粉粒添加劑等 樹(shù)脂主要起粘接作用 將 金囂l 石蘑粒和線鋸絲基體牢固縫黏接在一起 金兩l 石蘑耩是切割工件的主體材料 分別選用了超細(xì)銅 c u 粉 納米氧化鋁 a 1 2 0 3 粉 納米二氧化鋯 z r 0 2 粉 納米 v 山東人號(hào) 博十 論文 黧i 一 i i i i i ii i ii i i i i i i 篁 皇詈 詈皇寡鼉慧 氮化鈦 骶 c n 粉作為樹(shù)脂添加劑 研究了不同添加劑對(duì)結(jié)合劑耐磨性的影響規(guī) 律 實(shí)驗(yàn)涯明納米二氧化錈 z r 0 9 粉作為添加荊效果最好 實(shí)驗(yàn)磅究了圓純溫度 固化時(shí)聞對(duì)樹(shù)臘結(jié)合裁強(qiáng)度的影響規(guī)律 隨圈化溫度增高 謙溫時(shí)間延長(zhǎng) 結(jié)合 劑強(qiáng)度增大 根據(jù)鋸切實(shí)驗(yàn)結(jié)果 用正交試驗(yàn)法對(duì)線鋸絲制造成分的含量進(jìn)行了 優(yōu)純 樹(shù)膳結(jié)合劑中囂氧樹(shù)秀誓含量對(duì)結(jié)合劑靜耐瘩攙影璃最大 研究了鋸切參數(shù)對(duì)鋸切表面粗糙度的影響規(guī)律 線鋸絲速度分別為4 5 m s 7 7 m s 和i i 8 m s 工 睪進(jìn)繪速度分別為0 0 3 3m m s 0 0 8 3m m s 和0 1 4 0l l l m 三種 也采用了恒進(jìn)給力驅(qū)動(dòng)方式 線鋸絲的張緊力分別為1 4 6 n 1 9 9 n 和2 5 3 n 實(shí)驗(yàn)揭示了線鋸絲速度 進(jìn)給速度 線鋸絲與工件接觸長(zhǎng)度 線鋸絲張緊力以及 恒迸給力驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式對(duì)鋸切表面粗糙度的影響規(guī)律 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析 進(jìn)行了不同線鋸絲運(yùn)動(dòng)方式和不同結(jié)合劑鋸絲的鋸切比對(duì)實(shí)驗(yàn) 與往復(fù)運(yùn)動(dòng)鋸切 表瑟相比 環(huán)形線鋸絲鋸切表面切割紋理沒(méi)有臻曼的方態(tài)性 與金屬繚合裁金剛 石線鋸鋸切表面相比 樹(shù)脂結(jié)合劑線鋸絲鋸切表面平整 無(wú)崩碎現(xiàn)象 并且凹坑 及凸超處棱煮圓滑 哥羹環(huán)形搪脂結(jié)合荊線鑷絲畿獲褥質(zhì)量更好薛切片表面 樹(shù) 脂結(jié)合劑磨損和脫落是樹(shù)脂結(jié)合劑線鋸絲的微觀失效原因 優(yōu)化各種材料的含量 改善結(jié)合裁的固化工藝是提高樹(shù)脂結(jié)合劑的強(qiáng)度豁有效措施 分析了環(huán)形線鋸絲的工作狀況 建立了環(huán)形線鋸絲最小預(yù)緊力數(shù)學(xué)模型 線 鋸絲最小預(yù)緊力與從動(dòng)輪的摩擦力矩 導(dǎo)輪蠢徑 線鋸絲與導(dǎo)輪之間的摩擦系數(shù) 線鋸絲怠燕以及線鋸絲速度都有關(guān)系 導(dǎo)輪瘁擦阻力越大 導(dǎo)輪直徑越奪 掰需 的預(yù)緊力就越大 線鋸絲包角越小 所需的預(yù)緊力也越大 反之 所需預(yù)緊力減 小 蔫實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)備轆承麴摩擦力矩 攝此計(jì)算窶使用本線鋸床時(shí) 線 鋸絲的最小張緊力為7 8 n 建立了線鋸絲上單個(gè)翡粒受力模型 在不考慮線鋸絲彎鰱變形戇情況下推導(dǎo) 出鋸切力公式 鋸切力與多種因素有關(guān) 本文應(yīng)用實(shí)際測(cè)量的方法確定鋸切力隨 線鋸絲速度以及工件進(jìn)給速度的變化規(guī)律 分析了線鋸絲彎越變形 線鋸絲變形 位移豉及鋸切力大小對(duì)線鋸絲拉力增量的影響規(guī)律 拉力增量與切韻送線鋸絲彎 曲曲率半徑及線鋸絲單位長(zhǎng)度上法向力成正比 鋸切力引起的增量還與線鋸絲受 力后相對(duì)原始位置的擅移有關(guān) 佼移增大 線鋸絲拉力增量減小 雖然鋸甥力很 小 但使線鋸絲產(chǎn)生的拉力增量不可忽略 本諜題由國(guó)家自然科學(xué)基金資勘 n o 5 0 4 7 5 1 3 2 美鏈詞 線鋸霖 禱脂結(jié)合翔線鋸絲 切割 單晶毽 表面糨糙度 v i a b s t r a c t 暑燃蘭詈詈 竺燃懋皇詈暑阜黑懋竺 詈鼉?nèi)继m詈詈i 一 一 i i i i i 曼i 燃攔苧苧蘭 墨燃詈 皇鼉 a b s t r a c t m o s ti n t e g r a t e dc i r c u i to c b a s ea r eb u i l to ns i n g l ec r y s t a ls i l i c o nw a f e r s f o rt h e d e c r e a s i n go fm a c h i n i n gc o s t t h ed i m e n s i o no fw a f e ri n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y s l i c i n g i st h ek e yp r o c e s si nt h em a n u f a c t u r eo fs i l i c o nw a f e r s n o wt h eo s c i l l a t o r yf r e e a b r a s i v em a c h i n i n gt e c h n i q u ea r eu s e dw i d e l yf o rt h es l i c i n gw a f e rt h a td i a m e t e ri s l a r g e rt h a n3 0 0 r a m o s c i l l a t o r yf r e e a b r a s i v em a c h i n i n gt e c h n i q u ei sl o wa t p r o d u c t i v i t y 婦也er e a s o nt h a tm a t e r i a li sr e m o v e db yl a p p i n ga n di t i si m p o s s i b l et o c u tm o r eh a r d e rm a t e r i a l s u c ha ss i cc r y s t a lo rc e r a m i c se l a l u s i n gf r e ea b r a s i v e m a c h i n i n gt e c h n i q u e an e wt e c h n i q u et oc u ts i l i c o na n do t h e rh a r d e rm a t e r i a lw i t h l o o p e dr e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i nw h i c ht h eg r i t sf i x e di n w i r e 鰣n dm a t e r i a ld i r e c t l ya n db e n e f i tt or e d u c es u r f a c ed a m a g el a y e r 耽el o o p e d w i r ec a nm o v ea th i g hs p e e di no n ed i r e c t i o nc o n t i n u o u s l y s ot h ep r o d u c t i v i t yi s h i g h e r t h i sm e t h o dc a l lb eu s e di nt h es l i c i n gw a f e ro f s i l i c o na n dt h ec u t t i n go fo t h e r h a r d e rm a t e r i a l s 弧et e c h n o l o g yi sh i 曲a tc u t t i n ga c c u r a c y l o wi nc o s ta n dn o p o l l u t i o n aw i r es a wt ou s el o o p e df i x e dd i a m o n da b r a s i v ew i r ei sd e s i g n e da n dm a d e t h e l o o p e dw i r em o v e si no n ed i r e c t i o nc o n t i n u o u s l yt h ew i r ev e l o c i t yr a n g e sf r o m 4 5 m st o2 8 m s w h i c hm e e tt oc u td i f f e r e n tm a t e r i a l s f e e d i n gm o v e m e n t si n c l u d e s s e r v o m o t o rd r i v i n ga n dc o n s t a n tf o r c ed r i v i n gt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs a w i n g e x p e r i m e n t t h ew i r et e n s i o nt h a ts p a nf r o m1 4 6 nt o2 5 2 nc a nb ea d j u s t e dq u a n t i t y b ya d d i n gat o r q u e s o m ek e yt e c h n o l o g i e s s u c ha s l a p p i n gb e a r i n gh o l e sa n d r e g u l a t i n gb e a r i n gc l e a r a n c eh a v i n gb e e na d o p t e d t h es a wi sh i g h a ta c c u r a c ya n d g o o da tr i g i d i t y s ot h ev i b r a t i o na m p l i t u d eo f t h el o o p e df i x e dd i a m o n da b r a s i v ew i r e i sr e d u c e dg r e a t l ya n dc u t t i n ga c c u r a c yi sh i g h e r t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e so f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e d i a m e t e r0 4 m m 3 0 4 l s t a i n l e s ss t e e lw i r e d i a m e t e r0 3 m m 6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r e d i a m e t e r0 3 m m a n d s w p bp i a n ow i r e d i a m e t e r0 3 m m a r er e s e a r c h e d t h ey i e l d i n gt e n s i o no ft h e3 0 4 s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s14 0 n t h ey i e l d i n gt e n s i o no ft h e3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei s4 5 n t h eb r o k e nt e n s i o no f6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ei s131na n dt h eb r o k e nt e n s i o no fs w p b p i a n ow i r ei s10 4 n 3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei sw e a k e ri np l a s t i ca n dt h es w p bp i a n o w i r ei sw e a k e ri nw e l d i n gp r o p e r t i e sf o ri t sh i g h e rc a r b o n s o3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e a n d6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ea r ec h o s e na sb a s em a t e r i a lo fl o o p e dw i r e b e n df a t i g u e v i i 山東大學(xué)博十學(xué)位論文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 懋 詈皇詈鼉l 囂詈 t i m e so f b o t hm a t e r i a l se x c e e d slxl0 6t i m e s b e e nw e l d e di n t ol o o p e ds h a p er e s p e c t i v e l y t h ew e l d i n gj o i n tb r o k e nt e n s i o no f t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r eg e t slio na n dt h eb r o k e nt e n s i o ni s9 0 nf o r6 5 m ns p r i n g s t e e lw i r e 1 1 1 ew e l d i n gj o i n to ft h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ec o n s i s t so ff i n ea u s t e n i t e a n df e r r i t et h a ta r eh i g h e r 鑫圭s t r e n g t ha n d t e n a c i t y t h e r e f o r e 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s m o r es u i t a b l et ob et h eb a s em a t e r i a lo fl o o p e dw i r e t h ew e l d i n gp o i n tf a t i g u el i f eo f t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e la n dt h e6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r e sa r ei n v e s t i g a t e da n db o t h f a t i g u el i f ee x c e e d s1 l0 st i m e s 1 1 l ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s a b o u t10 0m i n u e t sa n dt h ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ei sa b o u t5 0 m i n u e t su n d e re x p e r i m e n tc o n d i t i o ni nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yt om a k er e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei ss t u d i e da n do p t i m i z e d e c o m p o s i t i o ni n c l u d e sr e s i n s d i a m o n da n ds o m ea d d i t i v e s i nw h i c hw i r ei sc o n n e c t e d w i t hd i a m o n db yr e s i nb o n da n dd i a m o n di sm a i nm a t e r i a lt or c i n o v em a t e r i a l f i n ec u n a n o m e t e ra 1 2 c 3 n a n o m e t e r2 翻陵a n dn a n o m c t e rt i c n p o w d e ra r ec h o s e n r e s p e c t i v e l ya sa l la d d i t i v ei no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fa d d i t i v e so nt h es t r e n g t h a n dr e s i s t a n c eo fw e a l i ti st h em o s te f f e c t i v ef o rn a n o m e t e rz r 0 2p o w d e rt ob e a d d i t i v e 1 1 1 er u l et h a th e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ei n f l u e n c eo nr e s i nb o n ds t r e n g t hi s s t u d i e da l s o w i mt h ei n c r e a s i n go f h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e t h es t r e n g t ho fr e s i n b o n di n c r e a s e s 翻托q u a n t i t yc o n t a i n e di so p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t sa c c o r d i n gt o c u r i n ge x p e r i m e n tr e s u l ta n dt h eq u a n t i t yo fe p o x yr e s i nh a sk e yi n f l u e n c eo nt h ew e a r r e s i s t a n c eo f r e s i nb o n d 1 h es t u d yo ns i n g l ec r y s t a ls i l i c o nc u r i n gr o u g h n e s sa n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r e c a r r i e do u t i nw h i c ht h ew i r es p e e d sa l e4 5 m s 7 7 m s 11 8 m sa n dt h ef e e d i n g s p e e d sa l e0 0 3 3 m m s 0 0 8 3m i l l s 0 1 4 0m m sr e s p e c t i v e l y c o n s t a n tf o r c ed r i v i n g m o d e li sp u tt ob s ea l s o t h ew i r et e n s i o na l e14 6 n 19 9 na n d2 5 3 n t h ei n f l u e n c e r u l e so fw i r es p e e d s f e e d i n gs p e e d s t h ec o n t a c tl e n g t hb e t w e e nw i r ea n dw o r k p i e c e t h ew i r et e n s i o na n dc o n s t a n td r i v i n gm o d e lo nc u r i n gr o u g h n e s sa r ei n d i c a t e da n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t si nw h i c hw i r em o v e so s c i l l a t o r ya n d t h a te l e c t r o p l a t e dd i a m o n dw i r ei su s e da r ec a r r i e do u t t h e r ei sn oo b v i o u sr i p p l ei n t h es u r f a c e so b t a i n e du s i n gl o o p e dd i a m o n dw i r e sc o m p a r e dw i t ho n eg o tf r o mt h e o s c i l l a t o r yw i r es a w t h ec u t t i n gs u r f a c e so b t a i n e du s i n gr e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei s s m o o t h e rw i t h o u tf r a g m e n tc o m p a r e dw i t ho n eo b t a i n e df r o mt h ee l e c t r o p l a t e d d i a m o n dw i r e s oi tc a ng e tb e t t e rs u r f a c ea tq u a l i t yf o rl o o p e dr e s i nb o n dd i a m o n d w i r et oc u t t h er e s i nb o n dw e a ra n dt of a l lo f fi st h em a i nr e a s o no fm i c r o c o s m i c v i i i f a i l u r e t h e s ea r ee f f e c t i v em e a s u r e st oo p t i m u mt h eq u a n t i t yc o n t a i n e do fe a c h c o m p o n e n ta n d t oi m p r o v et h es o l i d i f yt e c h n o l o g yo fr e s i nb o n d t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h el o o p e dw i r ei sa n a l y z e da n dam a t h e m a t i c sm o d e l o nm i n i m u mt e n s i o no fw i r ei sb u i l tu p n em i n i m u mt e n s i o no fw i r eh a sr e l a t i o n st o t h eg u i d ew h e e lf r i c t i o nt o r q u e d i a m e t e r a n df r i c t i o nc o e 伍c i e n tb e t w e e nw i r ea n d g u i d ew h e e l w i r ew r a pa n g l ea n dw i r ev e l o c i t y t h eb i g g e rt h ef r i c t i o ni s t h el i t t l e g u i d ew h e e ld i a m e t e ri s t h eb i g g e rt e n s i o no f w i r en e e d e di s i nc o n t r a r y t h et e n s i o n o fw i r eg e t sl e s s t h em i n i m u mt e n s i o no f w i r ei s7 8 nf r o mt h ec a l c u l a t i o nb a s e do n t h ef r i c t i o nt o r q u eg e t t i n gi nm e a s u r i n ge x p e r i m e n t w h e nt h i sw i r es a w i su s e d am o d e lt h es i n g l eg r i ts u b j e c t e dt of o r c ei si n t r o d u c e da n dt h ec u t t i n gf o r c e f o r m u l ai sg o tt oo m i tt h ei n f l u e n c eo fw i r ec u r v e dd e f o r m t h ec u r i n gf o r c er e l a t e st o m a n yf a c t o r s t h ec h a n g er u l eb e t w e e nc u t t i n gf o r c ea n dv e l o c i t y f e e d i n gv e l o c i t y i s d e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t t h ci n f l u e n c eo fw i r ec u r v e dd e f o r m s d i s p l a c e m e n ta n d c u t t i n gf o r c eo nt h ea d d i n gp u l l i n go fw i r e i sa n a l y z e d 碭ew i r ea d d i n ga m o u n t p u l l i n gs u b j e c t e dt oi sp r o p o r t i o n e dt ot h ec u r v e dr a d i u si nc u t t i n g a r e aa n dt h en o r m a l u n i tf o r c e t h ea d d i n gp u l l i n go fw i r er e l a t et ot h ed i s p l a c e m e n tw i t ho r i g i n a ll o c a t i o n o fw i r ea l s o w i t ht h ei n c r e a s i n go fw i r ed i s p l a c e m e n t t h ea d d i n gp u l l i n go fw i r eg e t s l e s s a l t h o u g ht h ec u t t i n gf o r c ei sl e s s t h ea d d i n ga m o u n tc a n n o tb en e g l e c t e d t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a n o 5 0 4 7 51 3 2 k e y w o r d s w i r es a w r e s i nb o n dd i a m o n dw i r e c u t s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n r o u g h n e s s i x 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn) 行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果 對(duì)本文的研究做出重 要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本 聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 生耋型堅(jiān) 日 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保 留或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱 和借閱 本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān) 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本 學(xué)位論文 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 撇 咝新簽名赫日期 趔嘲 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 本課題研究的謦的與意義 集成電路 i c 是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ) i c 技術(shù)是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和 社會(huì)信息純發(fā)展最主要的商新技術(shù) 也是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)韭的核心技術(shù) l c 多 以單晶硅片為襯底材料 1 2 1 制造i c 的硅片 要求具有優(yōu)良的壓電 光電和熱電 性能 其表蠢存在飪何微小缺陷都會(huì)破壞晶體材料表面性能 甚至導(dǎo)致結(jié)晶構(gòu)造 的變化 影響元件的工作精度和可靠性 因此要求制造i c 的硅片晶格是具有無(wú)畸 變的超光滑無(wú)損傷襲瑟 其加工精度的要求甚至達(dá)到納米級(jí) 幾十年來(lái) 芯片加 工盡管在加工技術(shù) 加工設(shè)備方面都有了相當(dāng)大的進(jìn)步 但加工原理無(wú)重大突破 其典型的制造工藝流程 3 6 1 如圖1 1 圖l 1i c 芯片制造工藝流程 首先切片工序?qū)尉Ч杈w切成盤(pán)形薄晶片 然后再利用研磨或磨削方法磨 平晶體表霹達(dá)到技術(shù)要求 硅材料具有低塑性 高硬度 易脆性破壞等特點(diǎn) 其 材料的去除是通過(guò)裂紋的傳播和交叉完成的 加工方法不當(dāng)會(huì)引起加工表面層組 織的破壞 直接影響產(chǎn)品的成品率 切片是硅片機(jī)械加工的第一道工序 切片質(zhì) 量直接影響著芯片質(zhì)量及成晶率 表面粗糙度過(guò)大 面型精度過(guò)低 后續(xù)工序無(wú) 法消除遺罄誤差 表面損傷層太深會(huì)造成后續(xù)工序中碎片 產(chǎn)生廢品 因此切片 費(fèi)用在整個(gè)加工成本中占有很大比例 7 8 1 過(guò)去對(duì) 2 0 0 m m 以下較小直徑硅晶體切片以及硬質(zhì)合金等高硬度材料的切 割 可采溺金剛石內(nèi)圓切片機(jī)叫l(wèi) 加工 該方法工藝成熟 刀片運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 加工 表面平整 切片厚度可以小于1 m m 盼l4 1 但是該工藝不能適應(yīng)更大直徑硅片切片 因?yàn)榈毒吲c工件之間為剛性接觸 更大直徑的刀片會(huì)使硅晶體因表面損傷層加深 蔗發(fā)生碎片現(xiàn)象 直徑越大的硅晶片 所能刻制的集成電路越多 芯片的成本也就越低 資料 介紹 1 5 m 3 0 0 m m 硅片制造劃塊數(shù)是國(guó)2 0 0 m m 硅片的2 5 倍 成本節(jié)約3 0 對(duì) 于矗徑大手 i 3 0 0 m m 的硅晶體切片 通常采用的是往復(fù)式自由磨料線鋸切片工 藝 與內(nèi)圓切片機(jī)切片工藝相比 自豳磨料線鋸切片具有能切割大直徑晶體 鋸 霜損失小 禳少產(chǎn)生演邊現(xiàn)象幫表面損傷層淺等優(yōu)點(diǎn)f 1 6 灞 毽是鑫壺瘞料線鋸切 片效率較低 很難切割硬度更高的碳化硅單晶 陶瓷等材料 研磨液的流體動(dòng)壓 效應(yīng)對(duì)掬王矮量影響攝大 研磨液需蓐續(xù)處理 回收利髑困難 易造成環(huán)境污染 從材料去除機(jī)理上講 自由磨料線鋸切片相當(dāng)于研磨加工 磨料垂直作用于加工 表蕊 在切割亟上產(chǎn)生較深的表面裂紋 表層質(zhì)量及損傷屢不易控制 導(dǎo)致硅片 強(qiáng)度降低 固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)是使用匿結(jié)瘞料金剛石線鋸絲切割磺脆材料 與自蠢 蘑料線鋸切割相比 其材料去除機(jī)理是不同的 加工過(guò)程中線鋸絲上的金剛石磨 粒蠱接獲得運(yùn)動(dòng)速度襁一定的壓力對(duì)材辯進(jìn)行壤削加互 金剛石磨粒對(duì)脆性材料 耕犁 相當(dāng)予尖銳題頭在脆性材料表藹上刻劃 董串 穗圾其課題組研究證明 刻 劃比壓痕的表面裂紋淺 因此固結(jié)磨料線鋸切片比自由磨料線鋸切片更能獲得高 震量的表謠 與鑫由磨料線鑷翡 三體薅料瘞損加工 楣瀧 它屬予 二體磨料磨損 加工 其加工效率是自由磨料線鋸的數(shù)倍以上 目前固結(jié)磨料線鋸切片工藝已少 量廢用于生產(chǎn)實(shí)際 如 切割裁造太辯戇電池多磊硅等 露結(jié)磨料線鋸切片一般 配備與往復(fù)式自由磨料線鋸切片類似的機(jī)床 受機(jī)床結(jié)構(gòu)及慣性力的限制 線鋸 絲運(yùn)動(dòng)速度較低 僅淹重 3 米 秒 船工效率低 不麓充分利用金剛石工其的傀點(diǎn) 與往復(fù)式自由磨料線鋸切片相似 1 9 線鋸絲的往返變換速度也會(huì)在切割襲面上產(chǎn) 生波紋 降低甥妻g 表露的西形精度 綜上所述 內(nèi)圓切片工藝與往復(fù)式自由磨料線鋸切片工藝有其固有的缺點(diǎn) 隧結(jié)磨料線鋸切割具有表面損傷層淺 加工效率高的優(yōu)點(diǎn) 但醋前受線鑷絲運(yùn)動(dòng) 方式的限制 切割精度低 受制造工藝的限制 如電鍍金剛石線鋸絲常0 造成本較 高 受磨料在基體上圃著方法的限制 金剛石磨料與線鋸絲基體結(jié)合強(qiáng)度不高 線鋸絲懿壽命也受到限制 囂就研究新型前磨料露著方法 使爝更細(xì) 強(qiáng)度更高 的線鋸絲基體材料 改變線鋸絲運(yùn)動(dòng)方式 對(duì)于提高切割表面質(zhì)量 提高材料利 用率其畜重要意義 針對(duì)太壹徑硅晶體對(duì)切片技術(shù)掰帶來(lái)的撬戰(zhàn)以及切割其它離 硬度材料的需求 本課題提出一種鋸切硅晶體及其它高硬度材料的新工芑 即使 第1 蘋(píng)緒論 用環(huán)形固結(jié)磨料線鋸絲切割 線鋸絲單方向連續(xù)運(yùn)動(dòng) 減小或消除線鋸絲運(yùn)動(dòng)速 度變化對(duì)面形精度的影響 切削速度大 效率高 本課題擬研究基于固結(jié)磨料金 剛石線鋸絲的制作工藝 研制鋸切實(shí)驗(yàn)設(shè)備 并進(jìn)行鋸切硅晶體等實(shí)驗(yàn) 研究加 工工藝參數(shù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備等對(duì)鋸切表面的影響規(guī)律 驗(yàn)證固結(jié)磨料金剛石線鋸絲的 鋸切性能 對(duì)于發(fā)展硬脆材料精密加工理論和提高金剛石磨料線鋸絲的制造水平 具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值 1 2 硅晶體切片典型工藝 1 2 1 內(nèi)圓切片機(jī)切片工藝 圖1 2 為內(nèi)圓切片機(jī)主軸及張刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)副2 0 1 圓鋸片基體材料為不銹鋼 形狀為圓環(huán)形 在內(nèi)孔邊緣上電鍍金剛石磨料作為切削刃 刀片3 固定在上刀環(huán) 1 與下刀環(huán)5 之間 下刀環(huán)5 與連接盤(pán)7 固定在切片機(jī)主軸1 0 上 切割加工時(shí) 主軸帶動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn) 同時(shí)相對(duì)工件徑向進(jìn)給 主軸支承多采用精密角接觸球 軸承 精度穩(wěn)定 調(diào)節(jié)方便 采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑 也可采用空氣靜壓軸承或液體靜 壓軸承 采用空氣靜壓軸承 對(duì)氣源要求較高 氣體壓力變化 會(huì)改變主軸剛度 及回轉(zhuǎn)精度 回轉(zhuǎn)精度低于滾珠球軸承 需要有供油系統(tǒng) 且存在泄露污染問(wèn)題 工件與刀盤(pán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有兩種方式 采用液體靜壓軸承 承載能力較大 但 國(guó)內(nèi) 外內(nèi)圓切片機(jī)較少采用此種結(jié)構(gòu) 即工件直線運(yùn)動(dòng)和刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) 第一種進(jìn) 給方式 導(dǎo)軌形狀精度及磨損影響切片精度 對(duì)于大直徑硅片切割影響更大 第 二種進(jìn)給方式 刀盤(pán)在自轉(zhuǎn)的同時(shí)又繞支承中心擺動(dòng) 刀片相對(duì)工件運(yùn)動(dòng) 在擺 動(dòng)的過(guò)程中切下工件 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)精度及剛度容易保證 對(duì)于大直徑或較厚硅片切 割多采用此種結(jié)構(gòu) 切片厚度送進(jìn)機(jī)構(gòu)一般由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)控制 刀片安裝是內(nèi)圓切片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù) 液壓張刀法 另一種是機(jī)械張刀法 2 1 盈 目前刀片安裝方法主要有兩種 一種是 液壓張刀法是向上刀環(huán)槽內(nèi)與壓力環(huán)上 面形成的腔體內(nèi)注入黃油 使其產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)而加夾緊刀片 這種方法的優(yōu)點(diǎn) 是刀片張力均勻 缺點(diǎn)是壓強(qiáng)不足夠大 且液壓油長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)有泄漏 會(huì)使 刀片上產(chǎn)生的張力和剛性有所減小 目前該方法較少采用 機(jī)械張刀法是用螺栓 將刀片固定在刀盤(pán)上并與機(jī)床主軸連接 圖1 2 調(diào)節(jié)壓力環(huán)中的壓力螺釘夾緊 刀片 這種方法優(yōu)點(diǎn)是夾緊力大 能夠修正刀片的橢圓變形 提高了刀片的剛度 和切割性能 因而被廣泛使用 山東大學(xué)博十學(xué)位論文 i 上了丁環(huán)2 連接螺栓3 刀片4 晶棒5 下刀環(huán) 6 篷緊螺釘7 連接盤(pán)8 轆承9 轆套l o 主鞋 圖1 2 內(nèi)圓切片機(jī)盎軸及張刀系統(tǒng) 2 0 1 隨著內(nèi)圓切片刀尺寸增大 夾緊刀片所需張力增大 刀片軸向變形也相應(yīng)增 大 刃髏墨波浪形 這種變形不僅使切口寬度變寬 商速旋轉(zhuǎn)時(shí)還產(chǎn)生附熱軸向 振動(dòng) 降低表面面形精度f(wàn) 2 3 有些內(nèi)圓切片機(jī)對(duì)切片工藝進(jìn)行了改進(jìn)f 2 4 1 如 鋸 切前增加磨平工序 用已磨平表面作失切割時(shí)輔助基露 與普通走匿切片相比 平面度誤差減小了2 5 1 2 5 1 t o 鍶s h o f f h k 公司研制了一種新型的硅片內(nèi)圓切割 機(jī) 2 6 1 該切割機(jī)可同時(shí)進(jìn)行鋸切和磨削工序 大幅度提高切片精度 雖然內(nèi)菡切片翔工表面粗糙度德較小 平面度較好 毽磨粒對(duì)切割材料表面 的沖擊力較大 隨著硅片真徑的增大 內(nèi)徑切片機(jī)刀片直徑更大 刀具變形及加 工孛振擺舾囊 造殘船王西翹曲變形增大 表露損傷層加深 主轆回轉(zhuǎn)精度較低 時(shí) 上述現(xiàn)象更為嚴(yán)重 2 7 2 s 這種損傷帶到下步工序中 在研磨過(guò)程中很難消除 對(duì)于直徑大于3 0 0 r a m 的毽侍甥片 不得不尋求薪的途徑 1 2 2 往復(fù)式自由磨料線鋸切片工藝 到目前為止 用于硅 石英晶體等脆性材料切片的主要是自由磨料多線鋸切 片工藝 鋸絲運(yùn)動(dòng)方式為往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng) 圈1 3 為豳本平外出公司m w m 4 4 型 往復(fù)式運(yùn)動(dòng)自由磨料線鋸切割示意豳 2 9 1 一根細(xì)長(zhǎng)的金屬絲纏繞在一組線輪上 金屬絲兩頭分別出放線機(jī)構(gòu)與收線機(jī)構(gòu)拉緊 張緊機(jī)構(gòu)將金屬絲張緊 線輪高速 正反囪有節(jié)奏建旋轉(zhuǎn) 實(shí)現(xiàn)金屬絲徒復(fù)運(yùn)動(dòng) 在金屬絲與工件之間噴入游離磨料 漿液 運(yùn)動(dòng)的金屬絲將磨料帶入切割區(qū) 通過(guò)磨料與工件材料之間的相互作用 實(shí)現(xiàn)材料去除 切割進(jìn)給楓構(gòu)均勻運(yùn)動(dòng) 推動(dòng)晶體硅棒寓高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的金屬絲 移動(dòng) 片料切斷后落入收片盒中 實(shí)現(xiàn)一次多片切割加工 這是一種理想的晶體 第1 章緒論 切片工藝 3 0 3 1 1 能滿足大直徑硅片切割并提高生產(chǎn)效率 d i a m o n d m r et e c h n o l o g y 公司的金剛石線鋸最大切割崖徑達(dá)4 5 0 m m t 3 盈 m e y e rb u r g e r 公司 3 3 的線鋸 床一次可切出4 4 0 0 片 研 被 主 主 圖1 3 往復(fù)式移動(dòng)線鋸床原理圖嘲 自由磨料線鋸切割與研磨加工相似 與內(nèi)圓鋸片工藝相比 在材料去除機(jī)理 切割表面特征 生產(chǎn)率等方面均有不同 3 4 k a o 等人 3 5 認(rèn)為自由磨料線鋸切割的 材料去除機(jī)理是通過(guò)裂紋的傳播和交叉完成的 圈l o 為材料去除楓理模型 該 模型近似認(rèn)為錐形磨粒釬入彈性工件 磨粒在金屬絲與晶體之間滾動(dòng) 在接觸區(qū) 蘑料釬入硅鑫體 形成凹坑載裂紋 蠢于金屬絲的運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致晶體以切瘸形式被 切除 s i c 錐頂 多 變形蘸弋 茜 圖1 4 游離磨線鑲切割謄孝料去除模型滔 山東大學(xué)博十學(xué)能論文 b h a g a v a t 等人f 3 6 則在這個(gè)模型中考慮了磨漿的作用 并認(rèn)為在鋸絲帶動(dòng)游離 壤料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi) 鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了 個(gè)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑環(huán)境 用有限元方法分析鋸絲與硅錠問(wèn)的群漿彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑現(xiàn)象 得出結(jié)論 磨漿 簿膜厚度大于乎均磨粒尺寸 是磨粒的流動(dòng)產(chǎn)生了切蹲 因此鋸口尺寸大于線徑 與二倍蘑粒尺寸之和 t a k a y aw a t a n a b e 3 弼實(shí)驗(yàn)研究了自由磨多線鋸切割石英晶 體 分析影響切片精度的主要因素 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提如了切片最佳條件模型 磨 粒誘裁時(shí)呈 三棱溺 狀分東 萁突出尖角部分切割王籜 鋸熊與工件切割面之闋 間隙大于磨粒平均直徑 文獻(xiàn) 3 8 3 9 也支持此種推理模型 l i 4 0 1 等人提出鋸絲施加 在密粒上鰉力豢動(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng) 同時(shí)匿擠磨粒嵌入切削表面 從兩形戒 剝落片屑和表面裂縫 形成宏觀的切割作用 往復(fù)式童由磨糕線鋸結(jié)構(gòu)復(fù)雜 維修困難 燕王時(shí)的研蘑漿滾會(huì)污染硅棒耱 加工區(qū) 使用后的研磨漿液必須后續(xù)處理 由于運(yùn)動(dòng)部件慣性的限制 走絲速度 低 4 h 熨 限制了切割速度 皇由磨料線鋸切割是剩期漿料中的磨料運(yùn)動(dòng)對(duì)硅材料 進(jìn)行研磨型加工 磨料與硅材料的實(shí)際接觸面積較小 因此材料的去除率較低 也造成加工效率較低 如果要加工硬度更高憋s i c 單晶體 陶瓷等材糕 這神融 翻磨料線鋸就很難勝任了 固結(jié)蘑料金剛石線鋸切割 可以在很大程度上克服上 述問(wèn)題 1 3 固結(jié)磨料線鋸切割技術(shù)研究 霾結(jié)磨料線鋸切割大多使霜金剛石線器絲切割 關(guān)于謄結(jié)磨料線鋸酶研究圭 受集中在鋸切工藝以及固結(jié)磨料線鋸絲的制造方法等方面 固結(jié)磨料線鋸切割技 術(shù)最初起源于本材切裁嘲 2 0