数控多线切割技术及发展趋势

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专题报道

数控多线切割技术及发展趋势

戴瑜兴，汤睿，张义兵，蒋近

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１００８２）

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，引起了发达国家的广泛重视。论述了数控多线切割技术的特征；介绍了我国自行研制的ＸＱ１２０和ＸＱ３００系列数控多线切割机床并与国外产品进行比较；指出了开发大型数控多线切割机床的技术难点；阐述了我国研发具有自主知识产权的大型数控多线切割机床设备的必要性。

关键词：多线切割；半导体加工；集成电路制造技术；数控机床；张力控制中图分类号：ＴＮ３０５．１

文献标识码：Ａ

文章编号：１００４－４５０７（２００７）１１－０００１－０４

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＭｕｌｔｉ－ｗｉｒｅＳａｗＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄ

ＤＡＩＹｕ－ｘｉｎｇ，ＴＡＮＧＲｕｉ，ＺＨＡＮＧＹｉ－ｂｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＪｉｎ

（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，４１００８２Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓａｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇｉｖｅｓｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｃｉｒｃｕｉｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙａｇｒｅａｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｂｅｃｏｍｅｓａｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒ－ｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩＣｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔｇａｉｎｓｔｈｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｃｏｕｎｔｒｉｅｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓａｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＸＱ１２０ａｎｄＸＱ３００ｓｅｒｉｅｓｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓａｗｓｗｈｉｃｈａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｖｅｒｓｅａｓｐｒｏｄｕｃｔｓ；ｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓａｗ；ａｎｄｍａｄｅｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓａｗｂｙｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙｗｈｉｃｈｏｗｎｓｔｈｅｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｒｉｇｈｔｓｉｓｖｅｒｙｎｅｃｅｓｓａｒｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓａｗ；Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｒｏｃｅｓｓ；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｃｉｒｃｕｉｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｎｕ－ｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｅ；Ｔｅｎｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

１引言

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

［１］

。目前，ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ

收稿日期：２００７－１０－２５

作者简介：戴瑜兴（１９５６．１－），男，湖南大学教授，博士生导师，主要研究方向：数字化系统设计理论与应用，现代底层网络通信技术。

（总第１５４期）１

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Ｃｉｒｃｕｉｔ集成电路）正向着ＶＬＳＩ（ＶｅｒｙＬａｒｇｅ－ＳｃａｌｅＩｎ－ｔｅｇｒａｔｉｏｎ超大规模集成电路）／ＵＬＳＩ（ＵｌｔｒａＬａｒｇｅ－ＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）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［２］。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［３］，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［４］，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［５］。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［６］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［７］、宝石、玻璃、及压电陶瓷加工行业。

由于技术垄断，国际市场也被这几家公司所垄断，我国半导体制造业起步较晚，数控多线切割机床市场完全被上述几家公司所垄断，如瑞士ＭｅｙｅｒＢｕｒｇｅｒ公司和日本Ｔａｋａｔｏｒｉ公司，基本上垄断了国内数控多线切割机床市场。由于市场需求量巨大，多线切割机床产品呈现供不应求的状况，以瑞士ＭｅｙｅｒＢｕｒｇｅｒ公司为例，其产品订单已排到２００９年。

２．２国内数控多线切割技术现状

我国半导体制造行业起步较晚，多线切割技术一直是我国半导体材料切割加工的瓶颈。国家政府也意识到了半导体制造行业对国家综合国力发展的重要性，鼓励并资助具有一定制造基础和研发实力的企业、学校研究开发国产的数控多线切割机床设备。国内已有多家企业着手开发数控多线切割机床产品，如中日合资的上海日进机床有限公司、湖南宇晶机器实业有限公司和兰州瑞德集团（原兰新集团）都相继研制了数控多线切割机床样机或产品。

现仅以湖南宇晶机器实业有限公司研制的产品为例进行说明。ＸＱ１２０Ａ和ＸＱ１２０Ｂ数控多线切割机床产品于２００６年上半年推向国内外市场，于２００６年１２月３０日通过科技成果鉴定，是我国第一代具有自主知识产权的多线切割机床。第一代产品的主要特征：由张力重锤设定张力，编码器反馈张力变化以及ＰＬＣ和调速电机控制排线系统；采用ＰＬＣ和伺服电机控制工作台的动作。该机主要用于水晶、石英、蓝宝石、磁性材料等硬脆材料的切割加工。该机型自问世以来，已累计销售３０余台，市场前景广阔。在此基础上，又于２００７年上半年向市场推出了ＸＱ３００Ａ数控多线切割机床产品，于２００７年１０月２７日通过科技成果鉴定，是我国第二代自主研制的数控多线切割机床产品。第二代产品的主要特征：采用伺服电机直接转矩控制取代张力重锤来控制张力，提高了张力控制精度；提出了基于伺服电机自带绝对值编码器信息的排线及限位控制方法，显著提高了排线性能，排线均匀平整；通过走线速度指令的优化设计，有效地缩短了速度

２国内外数控多线切割技术研究状况及趋势

２．１国外数控多线切割技术状况

多线切割机床属于大型精密数控机床，其加工精度高、控制系统复杂、制造难度大，国际上仅有少数几家大型机械制造公司掌握数控多线切割机床技术，如瑞士ＭｅｙｅｒＢｕｒｇｅｒ公司、ＨＣＴ公司、日本Ｔａｋａｔｏｒｉ公司、ＮＴＣ公司等。

２（总第１５４期

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换向过渡时间，降低了走线系统电机功率的要求；在收放线电机和主电机的控制中，提出了无轴传动的自适应逆控制算法，保证了系统的同步性和稳定性。可全面实现对半导体材料及各种硬脆材料的高精度、高速度、低损耗切割。

表１为国产数控多线切割机床与国外产品主要技术指标对比。ＸＱ３００Ａ多线切割机床的各项主要技术指标已超过了相同加工尺寸的日本Ｔａｋａｔｏｒｉ公司产品。

表１

国产数控多线切割机床与国外产品比较

最大加工尺寸８２０ｍｍ×２２０ｍｍ×２２０ｍｍ；张力控钢丝运行速度：最快９００ｍ／ｍｉｎ；制精度：小于０．５Ｎ；最小切片厚度：０．１ｍｍ；单片平行度≤０．００５ｍｍ；使用切割线直径：φ０．１０～φ０．１８ｍｍ；切片速度：０．０１～９９９．９ｍｍ／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［９］。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

日本Ｔａｋａｔｏｒｉ国产国产

ｍｗｓ－３０２０ＸＱ１２０ＡＸＱ３００Ａ

最大加工尺寸／

ｍｍ×ｍｍ×ｍｍ最高走线速度／ｍ ｍｉｎ张力控制精度／Ｎ金属线最大往复次数／次 ｍｉｎ－１机械参数自识别

－１

３００×１５０

×１９０４００±１９无

２０×３００×１１００×７０１５０×１９０２８０±２１２无

５８０±０．７１６有

国产第一代和第二代数控多线切割机床产品的诞生，打破了国外几家公司垄断数控多线切割机床市场的局面，初步解决了国产半导体制造生产线的瓶颈，对我国半导体制造业的国际竞争力和国内集成电路产业的发展起到了极大的推动作用。２．３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［８］。

３我国第三代数控多线切割机床的研制

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：

（总第１５４期）３

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时间，提高生产效率；研究砂浆中研磨材料配比以增加设及供砂方式，可以提高硅片的加工质量［１０］；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φ２００ｍｍ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］

赵明华．半导体设备产业崛起在中国［Ｊ］．半导体行业．２００７，（０１）：１８．

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康仁科，田业冰，郭东明等．大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状［Ｊ］．金刚石与磨料磨具工程，２００３，（４）：１４．［５］［６］

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王琮．半导体材料加工设备的新秀—多线切割机［Ｊ］．电子工业专用设备．２００４（４）．６４．

［１０］Ｃ．Ｆｕｎｋｅｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃＭｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆＭｕｌｔｉ－Ｗｉｒｅ

Ｓａｗｉｎｇ［Ｃ］．ＦｒｅｉｂｅｒｇｅｒＦｏｒｓｃｈｕｎｇｓｈｅｆｔｅＢ３２７Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｉｅ；ＩＳＢＮ３－８６０１２－２１８－５（２００４）２０６．

４结束语

在硅片的切割技术领域，瑞士、日本等发达国

家处于领先水平。我国多线切割机床设备虽然作出了一定的成绩，但是整体技术和制造水平仍落后瑞士、日本等发达国家５～１０年，导致了我国大型多线切割机床市场被国外设备垄断的局面。我国在“十一五”规划中突出强调了要加强制造业的发展，其中包括“超大规模及极大规模集成电路制造装备及成套工艺”。国家也规划用３～５年的时间，使我国微电子产业的总体技术水平与国际先进水平缩短１～２个技术周期，可见国家对发展我国半导体产业的高度重视。因此，开发拥有自主知识产权的大型多线切割技术和设备，对于打破国外的技术封锁，推动我国半导体产业的发展，具有巨大的意义。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（行业新闻）

ＤＩＳＣＯ上市新型激光加工设备一台设备即可完成贴附有ｌｏｗ－ｋ膜的晶圆切割

据日经ＢＰ社报道，日本ＤＩＳＣＯ公司开发出了新型激光加工设备“ＤＦＬ７２６０”，该设备配备２个激光振荡器，只需一台即可切割使用了ｌｏｗ－ｋ膜的晶圆。该设备预定于２００８年４月上市。

向样品照射激光使其部分气化的烧蚀（ａｂｒａｓｉｏｎ）加工技术能够进行ｌｏｗ－ｋ膜的沟槽加工和晶圆切割。但是，由于对ｌｏｗ－ｋ膜进行沟槽加工（不出现剥离）和以较小热应力切割硅晶圆的加工对激光振荡器的要求不同，因此，此前一般需要２台激光加工设备。

此次通过配备２个激光振荡器，使得利用一台设备处理附有ＤＡＦ（ｄｉｅａｔｔａｃｈｆｉｌｍ）且厚度在１００μｍ以下的ｌｏｗ－ｋ膜的３００ｍｍ晶圆成为了可能。而且，如果配备２台同类激光振荡器，相同条件下的加工能力还可得到提高。除此之外，通过提高设备的刚性在提高轴精度的同时，且实现了１０００ｍｍ／ｓ的最大进给速度。

体积实际上小于以往２台该设备的外形尺寸约为２８００ｍｍ×１２００ｍｍ×１８００ｍｍ。考虑到维护空间，

设备的总和。另外，该公司预定在２００７年１２月５～７日于千叶县幕张Ｍｅｓｓｅ会展中心举办的“ＳＥＭＩＣＯＮＪＡＰＡＮ２００７”上展出该产品。４（总第１５４期

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