多線(xiàn)切割機(jī)砂漿控制系統(tǒng)研究

黨蘭煥，賀敬良，王學(xué)軍，吳序堂

（1. 西南石油大學(xué)，成都 610500；2. 北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；3. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

多線(xiàn)切割機(jī)砂漿控制系統(tǒng)研究

黨蘭煥1，賀敬良2，王學(xué)軍2，吳序堂3

（1. 西南石油大學(xué)，成都 610500；2. 北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；3. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

多線(xiàn)切割機(jī)是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種高效率切割設(shè)備，在半導(dǎo)體行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體單晶材料的加工很多采用多線(xiàn)切割機(jī)進(jìn)行切割[1]，近年來(lái)，超薄的太陽(yáng)能硅片切割也大量采用多線(xiàn)切割機(jī)，它主要采用多圈繞制的金屬鋼線(xiàn)對(duì)被切材料進(jìn)行批量切割加工，由于金屬鋼線(xiàn)直徑很小，普遍在0.08mm-0.16mm之間，當(dāng)繞制在特殊加工的軸輥線(xiàn)槽上后，即可磨削切割厚度200um左右的硅片，最新技術(shù)的多線(xiàn)鋸甚至能切割厚度達(dá)120um的超薄硅片，由于切割線(xiàn)直徑很小，切割過(guò)程中材料的損耗也相應(yīng)減小,切割效率高[2]，切割的硅片表面粗糙度、TTV值、彎曲度、翹曲度等指標(biāo)均好于其他方式加工的硅片，而切割晶片的幾何參數(shù)主要取決于多線(xiàn)切割機(jī)的工藝條件[3]，因此，多線(xiàn)切割機(jī)在半導(dǎo)體及太陽(yáng)能硅片的切割領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著技術(shù)的日趨成熟，目前多線(xiàn)切割已成為太陽(yáng)能硅片切割的主要切割手段[4]。多線(xiàn)切割機(jī)切割原理如圖1所示。

圖1 多線(xiàn)切割機(jī)切割原理

硅棒材料在緩慢下降的過(guò)程中，繞制在軸棍槽中的多圈金屬鋼線(xiàn)則進(jìn)行高速單向或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)噴射在金屬鋼線(xiàn)上的砂漿對(duì)硅料進(jìn)行持續(xù)磨削，從而將硅棒切割成多個(gè)硅片。在硅棒的切割過(guò)程中，砂漿的作用非常重要，砂漿必須要有足夠的切削能力，并且要保持一定的密度和黏度，而噴射到切割線(xiàn)上的砂漿還必須要有足夠的流量，在切割過(guò)程中，隨著切割線(xiàn)、砂漿和硅料之間持續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生大量的熱，作為切削介質(zhì)的砂漿必須帶走產(chǎn)生的熱量，以保持系統(tǒng)正常的工作溫度，否則，產(chǎn)生的熱量累積會(huì)逐步升高，從而使砂漿和硅料的溫度都逐步升高，這會(huì)對(duì)硅片切割質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，容易出現(xiàn)崩邊，表面損傷，形成缺陷[5,6]，甚至造成斷線(xiàn)。因此，在硅片切割過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)硅料的切割狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控砂漿的密度、流量、溫度等數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制砂漿流量。因此，研究多線(xiàn)切割機(jī)的砂漿控制系統(tǒng)，獲得穩(wěn)定的砂漿流量對(duì)于硅片的切割過(guò)程是非常重要的。

1 砂漿控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于對(duì)太陽(yáng)能硅片TTV值及表面粗糙度的要求，采用多線(xiàn)切割機(jī)對(duì)硅棒進(jìn)行切割時(shí)要求砂漿流量的波動(dòng)范圍保持在±2L/min，砂漿流量過(guò)大，會(huì)對(duì)切片形成沖擊，切割過(guò)程中會(huì)造成掉片，砂漿流量太小，將造成切削能力不足，切割溫度升高，從而影響硅片表面質(zhì)量，切割時(shí)要求砂漿溫度波動(dòng)范圍保持在±1℃以?xún)?nèi)，溫度波動(dòng)過(guò)大，極易對(duì)切割狀態(tài)產(chǎn)生影響，甚至造成斷線(xiàn)，從而造成切割硅棒報(bào)廢。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)砂漿溫度和流量的控制要求，砂漿控制單元的設(shè)計(jì)采用質(zhì)量流量傳感器、砂漿泵、砂漿攪拌泵、砂漿噴射裝置及運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，根據(jù)砂漿流量的控制要求，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 流量控制系統(tǒng)原理

攪拌泵可把磨削砂粒和切削油攪拌成一定密度的砂漿漿液，使砂粒和切削油充分混合，砂漿泵用于將攪拌均勻的砂漿抽取到砂漿噴射管中，并以一定的流量噴射到切割線(xiàn)上，用于對(duì)硅棒的高速切割，由于流量大小對(duì)硅片的切割非常重要，因此設(shè)置質(zhì)量流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂漿流量，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整砂漿泵轉(zhuǎn)速，使砂漿流量根據(jù)設(shè)置值變化。

2 砂漿控制方法分析及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)砂漿流量和溫度的控制要求，采用較為容易實(shí)現(xiàn)的ON-OFF方式進(jìn)行控制，首先對(duì)砂漿流量控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定好砂漿流量，并設(shè)定流量波動(dòng)范圍為-2L/min—2L/min，砂漿流量從零開(kāi)始上升，通過(guò)流量傳感器檢測(cè)砂漿流量變化，如果流量的波動(dòng)大于設(shè)定值+2L/min，則控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)減小砂漿泵轉(zhuǎn)速來(lái)提高砂漿流量，如果流量的波動(dòng)小于設(shè)定值-2L/min，則控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)增加砂漿泵轉(zhuǎn)速來(lái)提高砂漿流量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此控制方式簡(jiǎn)單易行，但控制精度較差，由于砂漿溫度并不能迅速增加，控制上有滯后，這樣往往會(huì)使控制目標(biāo)超差，試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 溫度ON-OFF控制圖

由試驗(yàn)可知，采用ON-OFF控制方式達(dá)不到控制精度的要求，擬采用PID控制方法，以提高控制精度。根據(jù)PID算法的輸出量公式如下：

式中，U為輸出量，P值是比例帶(PB)；I值為積分時(shí)間(Ti)；D值為微分時(shí)間(Td)。比例帶PB控制輸出量的大小，是控制砂漿流量精度的基礎(chǔ)因素，而e = PV(現(xiàn)在值)– SV(設(shè)定值)，當(dāng)目前砂漿流量等于設(shè)定流量時(shí)，e值即為零，此時(shí)P控制中即無(wú)輸出量，P無(wú)輸出量是無(wú)法將砂漿流量一直保持在設(shè)定值的，此時(shí)便需利用I控制來(lái)執(zhí)行補(bǔ)償?shù)膭?dòng)作。因此，當(dāng)激活I(lǐng)量控制時(shí)，公式中1/Ti*1/PB∫edt也隨之運(yùn)算，式中可知Ti是位于算式中分母的位置，所以當(dāng)Ti值愈小時(shí)，所算得的積分量愈大；反之，Ti值愈大，則計(jì)算的積分量則愈小。而當(dāng)系統(tǒng)砂漿流量產(chǎn)生變化時(shí)，將激活D量控制。在系統(tǒng)中，當(dāng)砂漿流量快速的下降時(shí)，此時(shí)U(輸出量)=P量+I量+D量。相反，系統(tǒng)中砂漿流量快速上升時(shí)，此時(shí)U(輸出量)=P量+I量-D量，因此D量是用來(lái)控制流量急劇變化時(shí)，輸出的快速反應(yīng)以減少和設(shè)定值的誤差。D量值是由公式中TD*1/Pb de/dt 計(jì)算取得，因此當(dāng)D值愈大時(shí)，反應(yīng)的速度愈快；反之，D值愈小，反應(yīng)速度愈慢。

根據(jù)PID控制方法分別對(duì)砂漿流量進(jìn)行控制，設(shè)置好砂漿流量和溫度，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量和溫度，由于砂漿流量上升慢，采用PID控制能較好地控制砂漿流量的變化，但砂漿流量在開(kāi)始控制中出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，檢測(cè)的流量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 砂漿流量PID控制圖

分析發(fā)現(xiàn)，由于砂漿流量在開(kāi)機(jī)后上升慢，監(jiān)測(cè)流量低，必需提高砂漿泵轉(zhuǎn)速以增加流量，轉(zhuǎn)速提高使得流量迅速增大，從而造成流量過(guò)高，而形成上下振蕩。實(shí)際上，P值調(diào)整的太小，則將會(huì)產(chǎn)生流量增加過(guò)高而造成上下振蕩的情形，若將P值調(diào)整的太大，則流量應(yīng)答速度慢，不易達(dá)到設(shè)定的流量值，需要I值和D值調(diào)整。通過(guò)反復(fù)多次調(diào)整PID參數(shù)，砂漿流量的波動(dòng)最終能很好地控制在±2L/min以?xún)?nèi)，而且流量在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中也非常恒定。

3 流量控制方法驗(yàn)證和討論

采用調(diào)整好的PID參數(shù)控制砂漿系統(tǒng)進(jìn)行兩根單晶材料的切割試驗(yàn)，由于太陽(yáng)能硅棒材料是準(zhǔn)方形，切成的硅片四角為圓弧形，通過(guò)實(shí)際切割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)恒定的砂漿流量并不適應(yīng)硅片的切割，尤其在切至末端時(shí)，硅片極易被砂漿沖掉，造成切割的成片率降低，硅片破損嚴(yán)重，太陽(yáng)能單晶硅片外形是準(zhǔn)方形，厚度在180-200um之間，如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能硅片外形圖

硅片的準(zhǔn)方形是通過(guò)圓形硅棒切斷、切方后磨削而成的，成型的準(zhǔn)方形硅棒在切割時(shí)要粘接在玻璃托板上，當(dāng)被切割至硅棒末端時(shí)，硅片輪廓變小，砂漿沖擊在硅片斜面上，流速會(huì)對(duì)硅片造成很大沖擊，造成部分硅片掉落、破損，必須根據(jù)硅片外形變化實(shí)時(shí)調(diào)整砂漿流量。因此，采用砂漿變流量的控制方式應(yīng)該能解決這一問(wèn)題，即根據(jù)硅片外形尺寸變化實(shí)時(shí)調(diào)整砂漿流量，使砂漿流量即相對(duì)恒定，又隨著硅片外形的變化而變化。另外，切削速度對(duì)晶片崩碎坑的影響較大[7]，必須進(jìn)行變速進(jìn)給控制，通過(guò)控制硅棒進(jìn)給速度的變化和砂漿流量的變化，減小砂漿在切割末端時(shí)的沖擊，增加硅片表面質(zhì)量，并減少崩邊和破損。對(duì)于125mm規(guī)格的硅片，上圖中L1=L2=125mm，h1=h2=20mm，由于圓弧部分直徑為150mm，當(dāng)L1變化至L0的過(guò)程中，其圓弧部分變化較小，砂漿對(duì)這部分變化量造成的影響較小，可將此部分圓弧變化視為直線(xiàn)，假設(shè)硅棒進(jìn)給時(shí)在L0處速度為V0，進(jìn)給至L1處時(shí)速度為V1，則硅片寬度在圓弧部分的長(zhǎng)度L變化為：

采用125mm規(guī)格的硅片進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)硅片初始寬度L0值為85mm，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置硅片進(jìn)給初速度V0為0.25mm/min，V1設(shè)置為0.3mm/min，隨著進(jìn)給時(shí)間Δt的變化，硅片寬度L值將最終增加到125mm，設(shè)置砂漿流量在90-110L/min之間變化，切割過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)硅片長(zhǎng)度變化，而流量變化的控制方式與進(jìn)給速度的控制相同，多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)切割2根硅棒時(shí)，砂漿流量從120L/min變化到85L/min時(shí)，砂漿溫升很低，最大約為29.5℃左右，硅片的成片率也大大增加，在未進(jìn)行變速進(jìn)給和變流量控制前，切割后硅片掉片約在20-30片左右，改進(jìn)控制后每次切割掉片小于2片，通過(guò)檢測(cè)清洗后的硅片，由于采用變速進(jìn)給方式，硅片的邊緣破損和表面質(zhì)量均有很大提高，完全達(dá)到太陽(yáng)能硅片的指標(biāo)要求，硅棒切割后的硅片如圖6所示。

4 結(jié)論

圖6 切割后的硅片外形圖

本文通過(guò)試驗(yàn)分析介紹了多線(xiàn)切割機(jī)在硅片切割中砂漿流量的控制方法和控制方案，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，該方法通過(guò)多次切割試驗(yàn)證明可行，而且所切硅片具有很好的切割質(zhì)量，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到工藝要求，解決了多線(xiàn)切割機(jī)中砂漿控制對(duì)切割硅片的影響，在對(duì)156mm規(guī)格的硅片試切中也取得了很好的效果。

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Multi-wire saw cutting slurry control system research

DANG Lan-huan1, HE Jing-liang2, WANG Xue-jun2, WU Xu-tang3

多線(xiàn)切割機(jī)是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種高效率切割設(shè)備，在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它通過(guò)驅(qū)動(dòng)多圈繞制的金屬鋼線(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)噴射在金屬鋼線(xiàn)上的砂漿對(duì)硅材料進(jìn)行磨削切割，在多線(xiàn)切割機(jī)對(duì)硅片的切割過(guò)程中，砂漿必須保持一定的流量和溫度，才能對(duì)硅料進(jìn)行持續(xù)高效的切割，砂漿流量的變化會(huì)影響切割效率和切割質(zhì)量，切割過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱量，砂漿在循環(huán)過(guò)程中必須帶走產(chǎn)生的熱量，否則熱量在砂漿中聚積，對(duì)硅片切割會(huì)產(chǎn)生不利甚至斷線(xiàn)。研究了多線(xiàn)切割機(jī)砂漿控制系統(tǒng)，對(duì)硅片切割中砂漿流量控制方法進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)該砂漿控制系統(tǒng)能得到的穩(wěn)定的流量，砂漿流量波動(dòng)很小，很好地提高了硅片切割質(zhì)量及切割成片率，工藝線(xiàn)使用效果良好。

多線(xiàn)切割機(jī)；砂漿流量；PID控制

黨蘭煥（1971－），女，高級(jí)工程師，博士生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法。

TN305.5

A

1009-0134(2010)06-0068-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.23

2009-08-21