张力调节系统在金刚石单线切割设备上的应用

衣忠波，王仲康，杨生荣

(中国电子科技集团公司第四十五研究所材料设备事业部，北京东燕郊065201)

近年来，以碳化硅为代表的第三代半导体材料得到了迅速发展。碳化硅作为目前发展最成熟的宽带隙半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，其优异的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率、高压以及抗辐射的新要求。碳化硅材料硬度极高，在自然界仅次于金刚石，加工难度大。目前碳化硅的切割是碳化硅生产应用过程的瓶颈，急需解决。

1 单线切割技术的介绍

单线切割技术采用金刚石磨粒作为固定磨料，可以很好的切割碳化硅等高硬度的材料。固定金刚石磨粒单线切割是将微小的金刚石颗粒以各种方法固定在微细的钢线上做成切割线(见图1、图2)，通过一定的布线方式使金刚线在放线轮和收线轮之间以一定的速度往返运动，通过切割线上众多磨粒的微量切削作用来达到去除材料、切割薄片。

图1 金刚线放大图

图2 金刚石线横截面的结构放大图

在切割过程中，为了获得优良的表面质量，必须使切割线的张力均匀变化，防止由于张力突变而导致切割线断线。由于金刚石切割线价格昂贵,切割过程的断线不仅会耽误加工进度，影响切片精度，还会造成一定的经济损失。因此，在单线切割设备中，必须增加张力调节系统，在张力突然变化的情况下减小张力的波动范围，对张力的变化突变起缓冲作用，改善系统动态性能，有效降低断线风险。

2 张力调节系统在国外设备的应用

目前，国外的单线切割设备的张力调节系统大多是仅采用气缸调节。如图3在设备后采用张力调整轮与气缸活塞杆连接。在切割线张力发生变化的时候，切割线对张力调整轮的力发生变化，从而引起气缸活塞杆受力发生变化。切割线张力、气缸压力以及金刚石线通过张力调整轮后形成的自然角度的变化，来形成一种平衡关系。该机构包含三个要素：张力、气缸压力以及金刚石线通过缓冲轮后形成的自然角度，数学表达式为：

T(csaα+cosβ)=PA

T为切割线的张力

α、β为线与水平方向的夹角

PA为气缸推力

从上述关系可知，在假定气缸压力不变的情况下，当线中张力增加时，α、β同时增大，气缸推力在线丝中的分力相应减小。

图3 国外单线切割设备

这种设备由于仅仅采用气缸进行张力变化的缓冲，由于气缸变化的滞后性，以及反应的灵敏性的局限性，不能对张力的变化进行即时调节，影响张力调节的效果，不能达到有效的张力调节。

3 张力调节系统在国内单线切割设备的应用

3.1 张力调节原理介绍

这种单线切割设备采用的是超低摩擦气缸和拉簧的结构，进行切割线张力的调节，见图4。气缸采用BF隔膜形成完全密封，基本上不存在气体的泄漏；依靠隔膜的滚动作用，摩擦变得极小，同时具有响应速度快，压力控制精度高的特点。设备采用了超精密气动控制阀，具有优异的减压特性、压力特性、流量特性，特别是超高减压灵敏度，能够保证在切割线压力发生突然变化时，能够快速响应，满足控制的要求。拉簧的存在能够拉力的瞬间变化，以适应张力的瞬间变化，能够在极短的时间内达到平衡。

由于张力调节机构的存在，当系统张力发生变化的情况下，气缸推动张力臂左右摆动，能有效的对张力变化进行调节，防止张力突变而引起断线。缓冲原理从物理模型上讲它是一个三力平衡体系，当切割线中张力突然增大时，气缸活塞杆所受压力增大，气缸被压缩，缸体中的压力随之增大，气动系统通过气动控制阀进行自动调节，释放出多余压力，因此，气缸会在新的位置保持压力恒定。另一方面，弹簧变形量减小，弹簧拉力减小从而自动补偿系统张力的增大，反之，亦然。

图4 张力调节模型图

3.2 建立张力调节机构数学模型

按图3结构，根据刚体定轴转动微分方程可以建立系统运动微分方程为：

则上述微分方程可整理为：

方程(2)的通解为

其中A、θ为积分常数，由初始条件决定。转角由两部分组成，由于阻尼的存在，第一部分振动随时间增加，呈指数衰减，但这一过渡过程性能对纲丝线的瞬态张力是有影响的(见图5)，当瞬态张力在金刚石线中产生的应力超过材料的强度极限时，必然会产生断线现象。第二部分是受迫振动。其振动频率等于激振力频率振幅为：

从式(4)可以看出，机构输出振幅随频率差的增加而减小。

图5 张力调节机构瞬态性能

ω0，即系统固有频率，当ω=ω0时其摆角φ的振幅可求出：

这时，张力调节轮的振幅为：

式中

F0sinωt—纲丝线张力

m—转动系统质量

l—结构参数

φ—转动系统旋转角度

从(3)式可以看出，系统响应是一正弦曲线(见图6)，当激振频率小于系统固有频率时，系统响应与载荷同相，即摆角沿着载荷增大的方向运动，但当激振频率远远大于系统固有频率时，系统响应与载荷反相，且振幅迅速减小。

图6 系统响应与载荷关系曲线图

从稳态情况看，当金刚石线中张力增大时，气缸被压缩，弹簧缩短，弹簧变形减小，弹性力降低，从而达到新的平衡状态。数学表达式如式8所示

从8式中看出，张力T的变化与转角φ成函数关系，因此，可以通过检测转角的大小而间接获得张力的大小，从而进行对张力大小的监测。

实验表明，单线切割机的切割线的张力变化是影响晶片切割质量、减少断线的重要因素，必须增加合理的张力调节系统，才能保证得到较好的切割效果。国内的该种张力调节系统在应用中，取得了很好的效果。

4 结束语

本文阐述了单线切割设备切割线张力变化的影响及调节的必要性，以及张力调节系统在国内外单线切割设备上的应用。随着通态电阻低并且散热性好的碳化硅器件的迅速发展，针对硬度极高的碳化硅材料的线切割设备的竞争也将更加激烈，促使我们必须不断增加单线切割技术的技术积累。

[1]韩郑生等译，半导体制造技术[M]，北京：电子工业出版社，2004.8-2.

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