超声复合线锯锯切单晶硅的温度场仿真分析

郭明壮，王艳，宋李兴

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

单晶硅作为一种重要的半导体材料，被广泛应用于光伏发电与电子信息领域，尤其在太阳能发电和集成电路中占有举足轻重的地位[1]。单晶硅半导体器件的制备过程中需要将单晶硅棒切割成为晶圆后再进行下一步加工。单晶硅属于硬脆性半导体材料，难以对其采用传统机械切割工艺加工[2]。超声振动辅助金刚石线锯作为一种新兴硬脆性材料加工技术，已在一些超硬材料的加工试验中取得了良好的加工效果。超声振动辅助金刚石线锯相比传统线锯具有锯切力小、工件表面质量高、切片厚度小、切缝小等优势，在众多的新型锯切方式中最具有发展潜力[3]。

在单晶硅切割过程中，线锯不断磨削硅棒，所消耗的能量大部分转化为热，其中大约有1/2至1/3 被硅棒所吸收，导致磨削区的温度升高。由于切片过程历时较长，硅片表面产生热应力逐渐累积并最终产生较大的热变形[4]。研究显示，加工直径为200 mm 的硅片所产生的热变形大约为10.4μm[5]。这直接影响到硅片的表面质量，因此，研究硅片锯切过程中的温度场分布对提高硅片的表面加工质量具有十分重要的意义。

1 热分析理论基础

1.1 超声振动辅助金刚石线锯锯切加工原理

如图1 所示，金刚石线锯在丝筒、张紧轮、主导轮、超声导轮、辅助导轮、工件之间形成环路。工件为圆柱形单晶硅柱体。加工时张紧轮受到气缸施加的恒定张紧力Ftp，使线锯全部张紧，电机驱动丝筒旋转，丝筒带动锯丝以线速度vs往复运动。……