硅材線鋸切割過(guò)程中的溫度分析

徐宗華，姚春燕，彭 偉，李曉佳，陳思源

(特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江杭州 310014)

硅材線鋸切割過(guò)程中的溫度分析

徐宗華，姚春燕，彭 偉，李曉佳，陳思源

(特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))，浙江杭州 310014)

為了更有效地控制硅材在線鋸切割過(guò)程中因溫度變化而引起的材料翹曲變形，采用流體力學(xué)的前處理軟件建模及對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)硅材與磨漿的流固耦合系統(tǒng)的溫度進(jìn)行了CFD分析，此外還分析了磨漿進(jìn)口速度和進(jìn)口溫度對(duì)硅材溫度分布的影響。結(jié)果表明，硅材和磨漿的溫度在線走絲方向上逐漸升高，到出口附近最高，增大磨漿的進(jìn)口速度或減小磨漿的進(jìn)口溫度，有利于降低硅材在切割過(guò)程中的溫度。

硅材切割;流固耦合;溫度分析

集成電路(IC)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ)，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的最新技術(shù)，也是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。全球90%以上IC所用的材料都是半導(dǎo)體硅材［1］。硅材切割作為硅材加工工藝流程的關(guān)鍵工序，其加工效率和加工質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)硅材生產(chǎn)的全局。線鋸可分為自由磨粒線鋸(或稱游離磨料線鋸)和固結(jié)磨料線鋸，固結(jié)磨料線鋸切割的特點(diǎn)是成本高、效率高，游離磨料線鋸切割則剛好相反［2］。目前工業(yè)上硅材的切片加工普遍使用游離磨料的線鋸切割，在游離磨料線鋸中，用于切割的大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能，其中有1/2～2/3的熱量被硅材吸收［3］，剩下的被磨漿帶走。即使切割過(guò)程中的材料去除率和熱生產(chǎn)率都很低，但對(duì)于200mm直徑的硅材，溫度可以升高20℃［4］。根據(jù)硅材在常溫下的熱膨脹系數(shù)［5］ε =2.616 ×106，硅材在切割溫度峰值處，會(huì)有10.04μm的熱膨脹，隨著硅材向大直徑方向發(fā)展，這一值將會(huì)更大，導(dǎo)致硅材的翹曲變形，影響硅材的表面性能以及機(jī)械性能。同時(shí)由于流體的粘度隨著溫度的升高而減小，溫度的升高會(huì)降低磨削液的粘度，降低流體攜帶磨粒的能力，從而影響硅材切割效率［6］。因此，控制硅材切割過(guò)程中的溫度，對(duì)于提高硅材表面的質(zhì)量以及提高硅材的切割效率都有很重要的作用。由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫儀器的限制，無(wú)法測(cè)量硅材切割時(shí)硅材與磨漿切割位置的溫度，本文嘗試?yán)昧黧w力學(xué)CFD軟件分析硅材與磨漿在線鋸切割過(guò)程中的溫度。

1 有限元分析

1.1 物理建模

圖1線鋸切割物理模型

采用單線切割的模型，利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件CFD為分析工具，建立硅材單線切割時(shí)的物理模型，如圖1所示。由于硅材線鋸切割過(guò)程中的線鋸的網(wǎng)格較細(xì)，且線鋸與硅材尺寸差異大，為了減少計(jì)算量，切割的物理模型簡(jiǎn)化為對(duì)稱模型，即模型包括線鋸、磨漿以及硅材的一半，如圖2所示。其中硅材尺寸為40mm×20mm×120mm，為了避免模型過(guò)于復(fù)雜，假設(shè)在切割區(qū)域內(nèi)和切割區(qū)域外施加磨漿處都充滿了磨漿，定義切割區(qū)域的磨漿為切割區(qū)域內(nèi)磨漿，切割區(qū)域外磨漿為切割區(qū)域外磨漿。在CFD前處理軟件建模過(guò)程中，先建立硅材、線鋸、磨漿整體，然后對(duì)線鋸、切割區(qū)域內(nèi)磨漿、切割區(qū)域外磨漿和硅材進(jìn)行體分割。

圖2 線鋸切割對(duì)稱的物理模型

為了減少整體網(wǎng)格的數(shù)量，優(yōu)化網(wǎng)格的質(zhì)量，在線鋸切割硅材的物理模型劃分網(wǎng)格的時(shí)候，硅材用虛面進(jìn)行體分割，對(duì)與磨漿相連的硅材區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，三維網(wǎng)格模型如圖3所示，為了更清楚地看到網(wǎng)格的大小和分布，選取模型的橫截面網(wǎng)格圖及其切割區(qū)域附件網(wǎng)格放大圖，選取的橫截面與線鋸的方向垂直，如圖4所示。

圖3 線鋸切割模型的網(wǎng)格劃分

圖4 線鋸切割橫截面網(wǎng)格圖及網(wǎng)格細(xì)化部分放大圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

流體區(qū)域應(yīng)用的控制方程是三維不可壓縮方程，固定區(qū)域應(yīng)用能量方程，流體區(qū)域和固定區(qū)域流固耦合，求解時(shí)直接從相鄰的單元求解中計(jì)算出熱傳導(dǎo)，其直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程為［7］:

式中的第二、三、四項(xiàng)是質(zhì)量流密度(單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的流體質(zhì)量)的散度，可用矢量符號(hào)寫(xiě)出為:

對(duì)于不可壓縮流體，其流體密度為常數(shù)，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為:

動(dòng)量方程為:

式中:Su，Sv，Sw為3個(gè)動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)。

固體區(qū)域的熱傳導(dǎo)方程，根據(jù)有限元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用，在硅材切割過(guò)程中可以建立無(wú)內(nèi)熱源瞬態(tài)溫度場(chǎng)的微分方程，

1.3 邊界條件的設(shè)定

1.3.1 熱源大小

由于切割的少部分能量用于帶走切屑，大部分能量用于硅材與線之間的摩擦生熱，假設(shè)熱源平均分布在硅材與線切割區(qū)域里的流體里，熱載荷的大小為體熱源 q［4］:

式中:q為施加在切割區(qū)域內(nèi)磨漿的體熱源大小;P為線切割功率;V為線鋸與硅材之間磨漿區(qū)域的體積大小;ε為切割功率的實(shí)際利用率。

式中:T為圖5中的線鋸切割時(shí)線鋸的張力;V為線鋸的走絲速度;R為切割過(guò)程中硅材產(chǎn)生的溝槽半徑。如圖5所示，α為鋼絲彎曲角度，d為線與硅材的距離。實(shí)際切割加工時(shí)的工藝參數(shù)為:R=0.4mm，α =2°，T=30N。

圖5 線鋸切割硅材示意圖

1.3.2 邊界層設(shè)置

為了簡(jiǎn)化磨漿的材料模型，這里的磨漿采用聚乙二醇流體，磨漿流動(dòng)認(rèn)為是三維不可壓縮湍流流動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工況，磨漿選擇標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，入口采用速度邊界，出口采用自由出口邊界。設(shè)置初始進(jìn)口溫度和出口溫度，磨漿與硅材接觸的面設(shè)置為wall，軟件自動(dòng)生成wall－shadow，線鋸設(shè)置為粘性無(wú)窮大的流體，線鋸與磨漿接觸的面設(shè)置為wall，壁面速度設(shè)置為線鋸的走絲速度。硅材與空氣接觸的表面換熱系數(shù)h［8］設(shè)置為5W/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅材與磨漿的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

將流固耦合系統(tǒng)的各物體材料特性和邊界條件施加到有限元模型上，其中磨漿進(jìn)口速度為20m/s，磨漿的進(jìn)口溫度為300K。第300s時(shí)得到的硅材－磨漿－線流固耦合系統(tǒng)在額定工況下的溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 線走絲方向上硅材－磨漿截面溫度場(chǎng)

從溫度場(chǎng)分布云圖很難區(qū)分硅材和磨漿具體的溫度大小，為了更清晰地顯示磨漿、硅片沿線走絲方向上的溫度，選取了線走絲方向上(為圖7中Z的方向)磨漿和硅材的溫度變化曲線圖，如圖7和圖8所示。

圖7磨漿沿走絲方向的溫度變化曲線

圖8 硅材沿走絲方向的溫度變化曲線

如圖7所示，磨漿的溫度從進(jìn)口到出口逐漸上升，是由于磨漿的溫度是一個(gè)溫度積累的過(guò)程;到出口趨于平衡，是由于外界環(huán)境溫度和出口處換熱的效果。如圖8所示，硅材的溫度隨著線走絲方向逐漸升高，到出口附近達(dá)到最高，是由于切割區(qū)域磨漿溫度的升高導(dǎo)致硅材的溫度上升;硅材的溫度在出口處下降，是由于硅材與空氣的自然對(duì)流換熱的作用。

2.2 磨漿進(jìn)口速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)磨漿進(jìn)口速度分別為 10m/s、20m/s、30m/s，進(jìn)口溫度為300K時(shí)，切割區(qū)域附近硅材溫度沿著走絲方向的變化曲線如圖9所示，其中曲線A、B、C 分別指磨漿進(jìn)口速度是 30m/s、20m/s和10m/s時(shí)硅材線走絲方向上的溫度變化曲線。

如圖9所示，硅材溫度變化曲線A對(duì)應(yīng)的磨漿進(jìn)口速度為30m/s，溫升是11K，而溫度變化曲線B對(duì)應(yīng)的磨漿的進(jìn)口速度是10m/s，溫升為14K，這是因?yàn)槟{的流速越大，單位時(shí)間內(nèi)的流量越大，能帶走的熱量就越多，自然硅材的溫升就越小，所以增大磨漿的進(jìn)口速度有利于降低硅材的溫度。

圖9 硅材線走絲方向上的溫度變化曲線

2.3 磨漿進(jìn)口溫度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)磨漿進(jìn)口溫度分別為280K、300K、330K，進(jìn)口速度為10m/s時(shí)，切割區(qū)域附近硅材沿著走絲方向的變化曲線如圖8、圖10和圖11所示。

圖10 線走絲方向上硅材溫度變化曲線

由圖8，10，11可知，磨漿進(jìn)口溫度的大小對(duì)硅材溫度有很大的影響，當(dāng)磨漿進(jìn)口溫度為280K時(shí)，硅材溫度從297K升高到311K(圖8);當(dāng)磨漿進(jìn)口溫度為300K時(shí)(圖6)，硅材溫度從302K升高到316K;當(dāng)磨漿進(jìn)口溫度為330K時(shí)，硅材溫度從312K升高到323K(圖9)。因此控制磨漿進(jìn)口溫度，對(duì)硅材的溫度控制非常重要。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，磨漿都是循環(huán)使用的，使用過(guò)的磨漿溫度大于進(jìn)口的溫度，因此對(duì)循環(huán)使用的磨漿進(jìn)行冷卻是十分必要的。

圖11 硅材沿走絲方向的溫度變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

在線鋸切割過(guò)程中，硅材和磨漿的溫度沿著線走絲方向逐漸升高，到出口附近達(dá)到最高且有下降的趨勢(shì);磨漿的進(jìn)口速度和溫度對(duì)硅材的溫度有重要的影響，尤其是磨漿的進(jìn)口溫度，在實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，磨漿都是循環(huán)使用的，搭建冷卻系統(tǒng)降低循環(huán)使用的磨漿溫度，對(duì)控制硅材切割過(guò)程中的溫度、減少硅材的翹曲變形十分重要。

［1］吳明明，周兆忠，巫少龍.單晶硅片的制造技術(shù)［J］.新技術(shù)新工藝，2004(5):7－10.

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Finite Element Simulation of the Silicon Wiresaw Temperature Field

XU Zonghua，YAO Chunyan，PENG Wei，LI Xiaojia，CHEN Siyuan
(Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)

In order to avoid the bow and warp on silicon ingot from temperature variation during slicing，it introduces the importance of the temperature control during silicon slicing，applies CFD to simulate the temperature filed of fluid and silicon ingot in the fluid－solid coupling system.The temperature distribution and profile through vertical section of silicon wafer is obtained in different fluid inlet speed and temperature respectively.The results show that the temperature of the silicon and fluid increases along the wire direction and reaches maximum near the outlet，higher speed and lower temperature of the inlet fluid both helps to reduce the silicon temperature during slicing.

Silicon Slicing;Fluid－solid Coupling;Temperature Field Analysis

TP319

A

2095－509X(2013)03－0066－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.03.015

2012－08－23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075367);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1090931)

徐宗華(1986—)，女，江西贛州人，浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。