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摘要：数控多线切割技术实现了集成电路制造技术的跨越式发展，已成为数控机床制造技术及集成电路制造技术的重要标志。本文主要探讨了数控多线切割技术要点及发展趋势。
关键词：数控多线；切割技术；发展趋势
中图分类号：X703文献标识码： A
1引言
随着人类社会的进步和日益发展的需求，能源作为推动社会快速发展的重要作用而被全球所关注。尤其是当人们普遍认为地球上有限的资源终有终结的一天时，科学家们无不把许多精力用在了寻求新能源的领域。如水力发电、风力发电、太阳能发电等。近年来，太阳能的应用越来越广。对于这取之不尽，用之不竭的太阳能，让全人类的目光都聚焦在这里，使硅片加工业也随之兴起，从而使光伏产品得以高速发展。然而，对于硅材料的加工要求也越来越高，超薄硅片的切割技术，打破了传统锯片加工的形式，采用多线的加工方法引领当今硅片生产的潮流，硅片多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术。
在一个国家国民经济的发展中，电子信息产业是龙头，而集成电路产业则是整个电子信息产业的核心和基础，集成电路产业的振兴对一个国家的经济发展有着重要的战略意义。目前，IC(Integrate Circuit 集成电路)正向着 VLSI(Very Large-Scale Integration 超大规模集成电路)/ULSI (Ultra Large Scale Integration)方向发展，对半导体加工设备的精度、效率、加工件的几何规格及切片的厚度、平行度、表面微观质量等主要指标均提出了更高的要求。同时，随着国际上硅原材料价格不断上涨，减少加工时的损耗就是降低了加工成本，因此，对加工损耗也提出了更高的要求。
IC的加工过程一般包括：（1）硅棒磨圆；（2）切边；（3）切片；（4）倒角；（5）研磨；（6）倒棱；（7）抛光；（8）清洗。其中切片加工工序是至关重要的一道工序，其主要工艺要求为：高效率、低成本、窄切缝（材料利用率高）、无损伤、无环境污染等，切片质量直接影响着IC的加工质量和成品率。传统的硅片切片方式是内圆切割，工件与刀具之间为刚性接触，机床的运动精度、刀具的几何精度以及工艺过程中产生的力、热、振动等，都影响切片质量，采用内圆切割工艺切割的硅片会产生较大的翘曲变形，硅片表面还会残留切痕和微裂纹，硅片内部损伤层较深，在研磨过程中很难消除，增大了碎片的可能性。多线切割方式已经取代了内圆切割方式成为硅片加工方式的主流，这种切割方式利用金属线的单向或者往复高速运动，把磨料带入加工区域进行研磨切割，将半导体材料一次同时切割成数百片薄片。多线切割方式具有加工精度高、切割效率高、节约原材料等优点。
随着多线切割技术的成熟和不断发展，其高精度、高效率、低损耗的优点使其应用范围从单纯的半导体单晶硅加工扩大到太阳能多晶硅、石英晶体、宝石、玻璃、及压电陶瓷加工行业。
2数控多线切割技术要点
所谓硅片切割就是用线切割的方式把硅棒切割成一定厚度的硅片，硅片厚度一般在0.18mm-0.20mm 左右，有时在切割中还要进行厚度转变等，为了在一块硅片上最大限度地切割出尽量多的硅片，尽量提高产量，减少晶体硅原料的用量，必须解决切割技术中的重要问题。
多线切割原理是使用钢丝线带动砂浆中的碳化硅微粉，对硅进行切断的一种加工方法。在加工过程中，高速旋转的导线轮带动钢线以一定的压力压在被加工的硅体上，同时，在切割部位喷淋一定量的砂浆，使其中的碳化硅微粉悬浮在钢线上，在钢线高速运动的同时，通过碳化硅颗粒对硅进行磨削，从而使硅体被切开，实现切断、切方、切片等加工工艺。多线切割技术中，利用钢丝在导轮上刻上精密的线槽，线槽的精度要与所使用的切割线的直径相匹配，四个顺序缠绕的导轮的线槽上下平行，钢线通过线槽形成两个两个平行线网，两个上下平行的线网就可以确定硅片的切割厚度和切割锯痕的宽度。导轮的旋转是利用发电机来带动的，导轮旋转可以带动切割钢线高速运行，运行速度每秒可以达到10米到20米之间。喷砂机在工作台旁边喷出砂浆，砂浆均匀地布局在线网上，通过金属丝的高速运行，给碳化硅研磨料提供动力来进行硅片的切割。已经放出或用过的钢线利用收线轮收集，然后利用放线轮将新的钢线放出。导轮间的空间和工作台的垂直形成共同决定切割晶棒的直径最大值，比较常见的是150mm-200mm的单晶棒料，而且，随着目前切割技术的不断进步，300mm的硅片生产也有較快的发展。
多线切割比内圆切割有着明显的优势，下面就对两种技术进行比较说明。
首先，多线切割比内圆切割的效率高，每次切割的数量可以达到几千片，切割速度在300平方英尺／小时到2000平方英尺／小时之间，相比之下，内圆切割的效率就小多了，每次只能切割出一片。
第二，多线切割的材料消耗少。多线切割的切割用料只为内圆切割用料的60%。
第三，利用多线切割可以最大限度的降低硅片表面的损坏程度。
第四，多线切割精度高，硅片较薄，同一块硅棒，利用多线切割法可以切出更多的硅片，有较高的收得率。
第五，多线切割方法的加工硅锭有较大的直径，便于生产和使用。
同时，多线切割也有很多缺点和不足：
首先，在调节切片厚度时困难较大，难以再切割中进行有效的检测和质量控制；而由于内圆切割方法每次只切割一片，因此也就方便随时进行质量、厚度检测，对每片都方便进行晶体状况和厚度的调整。
第二，多线切割要就较高的切割成功率，如果出现断丝等状况，就会导致晶棒报废，因此有较大的风险。
第三，生产成本较高。切割使用的金属线只能使用一次，且价格较贵，而内圆切割片机的价格则远远低于线切割机的价格，一般前者价格是后者价格的三分之一左右。切割钢丝非常细，直径只有 70μm-160μm，它是利用含碳量极高的钢线材加工而成的，切割钢丝强度高、尺寸精度准确，且在表面镀有黄铜。因此切割钢丝有较小的切割损失，同时又较高的切割率和更加平整光滑的切割面。切割钢丝在半导体切割、集成电路切割、水晶切割等硬质、脆质材料的切割中有重要的应用价值。
3数控多线切割技术发展趋势
国外数控多线切割机床已经发展到了第四代产品，国内多家企业正在研究开发第三代数控多线切割机床。为了满足大直径半导体硅片的加工要求，数控多线切割机床正朝着不断增大切割加工尺寸、提高切片质量、切割效率、运行稳定性、智能化水平等方向发展。
我国正致力于开发第三代数控多线切割机床，主要用于半导体单晶硅材料的切割，其基本特征：最大加工尺寸820 mm×220 mm×220 mm；张力控制精度：小于0.5N；钢丝运行速度：最快900 m/min；最小切片厚度：0.1 mm；单片平行度≤0.005mm；使用切割线直径：φ0.10～φ0.18mm；切片速度：0.01～999.9 mm/min。
主要攻克的难点包括多线切割机床张力控制技术，高速主轴技术，多传感器智能检测技术，故障自诊断技术。张力控制是多线切割机床的核心技术之一。在切割过程中，切割线的张力一般设定在25～30N，切割线单向或者往复运动完成切割动作时，张力必须保持稳定。张力稳定性将影响切割过程中切割线的抖动，直接影响加工质量；同时，张力稳定性也决定了切割线的稳定性，因为如果在切割过程中由于张力不稳定而造成断线，则将损失掉成百上千片的切片，造成巨大的经济损失。高速主轴技术是实现高速加工的主传动部分，散热和润滑是高速主轴技术的两大难点。在主轴高速运转的情况下，主轴轴承将产生大量热量，如果不能保证散热能力，则会降低轴承的寿命和加工精度，甚至损坏轴承和电机等；高速主轴的润滑也是一大难点，为了减小轴承内部摩擦和磨损，降低发热量，必须要有良好的润滑机构。目前主要的润滑方式有：脂润滑、油雾润滑、少油润滑 3 种。其中少油润滑是一种新型的润滑方式，具有供油量精确，散热效果好，润滑油利用率极高，无环境污染等特点。多传感器智能检测技术是大型数控多线切割机床必须解决的技术难点。主要包括：张力检测传感器，切割线偏转传感器，断线检测传感器，工作台异常检测传感器，排线器异常检测传感器等。这些传感器是相互联系的，如何接收众多传感器的反馈，实现对多线切割机床系统的稳定可靠的控制，是在大型数控多线切割机床的研制中必须解决的问题。故障自诊断技术是大型数控多线切割机床智能化的重要部分，在发生故障时，系统可根据监测的结果进行故障定位，并给出实时处理方案, 提高了系统的安全性和稳定性。系统故障自诊断技术实现故障检测、故障报警、故障存储、故障处理等功能。此外，针对国际上数控多线切割机床的发展趋势，可以增加自动绕线功能，以提高设备自动化水平，节约人工手动绕线的时间，提高生产效率；研究砂浆中研磨材料配比以及供砂方式，可以提高硅片的加工质量；增加设置硅材料回收装置，将被切割下来的硅材料从研磨液中分离出来供再次利用，进一步降低切割的损耗。
国产第三代数控多线切割机床的研制成功，将会打破国内φ200 mm硅片生产线上的最后一个瓶颈，打破国外产品市场垄断，降低IC行业购置和运行成本，具有巨大的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]任丽.超薄太阳能硅片线切割工艺中悬浮液特性研究[J].太阳能学报，2008,03
[2]张阙宗.硅单晶抛光片的加工技术[M].北京：化学工业出版社，2005
[3]刘志东，邱明波．太阳能硅片切割技术的研究[J]．电加工与模具．2009，3
关键词：数控多线；切割技术；发展趋势
中图分类号：X703文献标识码： A
1引言
随着人类社会的进步和日益发展的需求，能源作为推动社会快速发展的重要作用而被全球所关注。尤其是当人们普遍认为地球上有限的资源终有终结的一天时，科学家们无不把许多精力用在了寻求新能源的领域。如水力发电、风力发电、太阳能发电等。近年来，太阳能的应用越来越广。对于这取之不尽，用之不竭的太阳能，让全人类的目光都聚焦在这里，使硅片加工业也随之兴起，从而使光伏产品得以高速发展。然而，对于硅材料的加工要求也越来越高，超薄硅片的切割技术，打破了传统锯片加工的形式，采用多线的加工方法引领当今硅片生产的潮流，硅片多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术。
在一个国家国民经济的发展中，电子信息产业是龙头，而集成电路产业则是整个电子信息产业的核心和基础，集成电路产业的振兴对一个国家的经济发展有着重要的战略意义。目前，IC(Integrate Circuit 集成电路)正向着 VLSI(Very Large-Scale Integration 超大规模集成电路)/ULSI (Ultra Large Scale Integration)方向发展，对半导体加工设备的精度、效率、加工件的几何规格及切片的厚度、平行度、表面微观质量等主要指标均提出了更高的要求。同时，随着国际上硅原材料价格不断上涨，减少加工时的损耗就是降低了加工成本，因此，对加工损耗也提出了更高的要求。
IC的加工过程一般包括：（1）硅棒磨圆；（2）切边；（3）切片；（4）倒角；（5）研磨；（6）倒棱；（7）抛光；（8）清洗。其中切片加工工序是至关重要的一道工序，其主要工艺要求为：高效率、低成本、窄切缝（材料利用率高）、无损伤、无环境污染等，切片质量直接影响着IC的加工质量和成品率。传统的硅片切片方式是内圆切割，工件与刀具之间为刚性接触，机床的运动精度、刀具的几何精度以及工艺过程中产生的力、热、振动等，都影响切片质量，采用内圆切割工艺切割的硅片会产生较大的翘曲变形，硅片表面还会残留切痕和微裂纹，硅片内部损伤层较深，在研磨过程中很难消除，增大了碎片的可能性。多线切割方式已经取代了内圆切割方式成为硅片加工方式的主流，这种切割方式利用金属线的单向或者往复高速运动，把磨料带入加工区域进行研磨切割，将半导体材料一次同时切割成数百片薄片。多线切割方式具有加工精度高、切割效率高、节约原材料等优点。
随着多线切割技术的成熟和不断发展，其高精度、高效率、低损耗的优点使其应用范围从单纯的半导体单晶硅加工扩大到太阳能多晶硅、石英晶体、宝石、玻璃、及压电陶瓷加工行业。
2数控多线切割技术要点
所谓硅片切割就是用线切割的方式把硅棒切割成一定厚度的硅片，硅片厚度一般在0.18mm-0.20mm 左右，有时在切割中还要进行厚度转变等，为了在一块硅片上最大限度地切割出尽量多的硅片，尽量提高产量，减少晶体硅原料的用量，必须解决切割技术中的重要问题。
多线切割原理是使用钢丝线带动砂浆中的碳化硅微粉，对硅进行切断的一种加工方法。在加工过程中，高速旋转的导线轮带动钢线以一定的压力压在被加工的硅体上，同时，在切割部位喷淋一定量的砂浆，使其中的碳化硅微粉悬浮在钢线上，在钢线高速运动的同时，通过碳化硅颗粒对硅进行磨削，从而使硅体被切开，实现切断、切方、切片等加工工艺。多线切割技术中，利用钢丝在导轮上刻上精密的线槽，线槽的精度要与所使用的切割线的直径相匹配，四个顺序缠绕的导轮的线槽上下平行，钢线通过线槽形成两个两个平行线网，两个上下平行的线网就可以确定硅片的切割厚度和切割锯痕的宽度。导轮的旋转是利用发电机来带动的，导轮旋转可以带动切割钢线高速运行，运行速度每秒可以达到10米到20米之间。喷砂机在工作台旁边喷出砂浆，砂浆均匀地布局在线网上，通过金属丝的高速运行，给碳化硅研磨料提供动力来进行硅片的切割。已经放出或用过的钢线利用收线轮收集，然后利用放线轮将新的钢线放出。导轮间的空间和工作台的垂直形成共同决定切割晶棒的直径最大值，比较常见的是150mm-200mm的单晶棒料，而且，随着目前切割技术的不断进步，300mm的硅片生产也有較快的发展。
多线切割比内圆切割有着明显的优势，下面就对两种技术进行比较说明。
首先，多线切割比内圆切割的效率高，每次切割的数量可以达到几千片，切割速度在300平方英尺／小时到2000平方英尺／小时之间，相比之下，内圆切割的效率就小多了，每次只能切割出一片。
第二，多线切割的材料消耗少。多线切割的切割用料只为内圆切割用料的60%。
第三，利用多线切割可以最大限度的降低硅片表面的损坏程度。
第四，多线切割精度高，硅片较薄，同一块硅棒，利用多线切割法可以切出更多的硅片，有较高的收得率。
第五，多线切割方法的加工硅锭有较大的直径，便于生产和使用。
同时，多线切割也有很多缺点和不足：
首先，在调节切片厚度时困难较大，难以再切割中进行有效的检测和质量控制；而由于内圆切割方法每次只切割一片，因此也就方便随时进行质量、厚度检测，对每片都方便进行晶体状况和厚度的调整。
第二，多线切割要就较高的切割成功率，如果出现断丝等状况，就会导致晶棒报废，因此有较大的风险。
第三，生产成本较高。切割使用的金属线只能使用一次，且价格较贵，而内圆切割片机的价格则远远低于线切割机的价格，一般前者价格是后者价格的三分之一左右。切割钢丝非常细，直径只有 70μm-160μm，它是利用含碳量极高的钢线材加工而成的，切割钢丝强度高、尺寸精度准确，且在表面镀有黄铜。因此切割钢丝有较小的切割损失，同时又较高的切割率和更加平整光滑的切割面。切割钢丝在半导体切割、集成电路切割、水晶切割等硬质、脆质材料的切割中有重要的应用价值。
3数控多线切割技术发展趋势
国外数控多线切割机床已经发展到了第四代产品，国内多家企业正在研究开发第三代数控多线切割机床。为了满足大直径半导体硅片的加工要求，数控多线切割机床正朝着不断增大切割加工尺寸、提高切片质量、切割效率、运行稳定性、智能化水平等方向发展。
我国正致力于开发第三代数控多线切割机床，主要用于半导体单晶硅材料的切割，其基本特征：最大加工尺寸820 mm×220 mm×220 mm；张力控制精度：小于0.5N；钢丝运行速度：最快900 m/min；最小切片厚度：0.1 mm；单片平行度≤0.005mm；使用切割线直径：φ0.10～φ0.18mm；切片速度：0.01～999.9 mm/min。
主要攻克的难点包括多线切割机床张力控制技术，高速主轴技术，多传感器智能检测技术，故障自诊断技术。张力控制是多线切割机床的核心技术之一。在切割过程中，切割线的张力一般设定在25～30N，切割线单向或者往复运动完成切割动作时，张力必须保持稳定。张力稳定性将影响切割过程中切割线的抖动，直接影响加工质量；同时，张力稳定性也决定了切割线的稳定性，因为如果在切割过程中由于张力不稳定而造成断线，则将损失掉成百上千片的切片，造成巨大的经济损失。高速主轴技术是实现高速加工的主传动部分，散热和润滑是高速主轴技术的两大难点。在主轴高速运转的情况下，主轴轴承将产生大量热量，如果不能保证散热能力，则会降低轴承的寿命和加工精度，甚至损坏轴承和电机等；高速主轴的润滑也是一大难点，为了减小轴承内部摩擦和磨损，降低发热量，必须要有良好的润滑机构。目前主要的润滑方式有：脂润滑、油雾润滑、少油润滑 3 种。其中少油润滑是一种新型的润滑方式，具有供油量精确，散热效果好，润滑油利用率极高，无环境污染等特点。多传感器智能检测技术是大型数控多线切割机床必须解决的技术难点。主要包括：张力检测传感器，切割线偏转传感器，断线检测传感器，工作台异常检测传感器，排线器异常检测传感器等。这些传感器是相互联系的，如何接收众多传感器的反馈，实现对多线切割机床系统的稳定可靠的控制，是在大型数控多线切割机床的研制中必须解决的问题。故障自诊断技术是大型数控多线切割机床智能化的重要部分，在发生故障时，系统可根据监测的结果进行故障定位，并给出实时处理方案, 提高了系统的安全性和稳定性。系统故障自诊断技术实现故障检测、故障报警、故障存储、故障处理等功能。此外，针对国际上数控多线切割机床的发展趋势，可以增加自动绕线功能，以提高设备自动化水平，节约人工手动绕线的时间，提高生产效率；研究砂浆中研磨材料配比以及供砂方式，可以提高硅片的加工质量；增加设置硅材料回收装置，将被切割下来的硅材料从研磨液中分离出来供再次利用，进一步降低切割的损耗。
国产第三代数控多线切割机床的研制成功，将会打破国内φ200 mm硅片生产线上的最后一个瓶颈，打破国外产品市场垄断，降低IC行业购置和运行成本，具有巨大的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]任丽.超薄太阳能硅片线切割工艺中悬浮液特性研究[J].太阳能学报，2008,03
[2]张阙宗.硅单晶抛光片的加工技术[M].北京：化学工业出版社，2005
[3]刘志东，邱明波．太阳能硅片切割技术的研究[J]．电加工与模具．2009，3