硅片多线切割系统动态性能及控制技术研究

摘要

多线切割技术自问世以来以切割硅片尺寸大、切片薄且质量好、材料损耗量小、效率高等优势,迅速成为半导体切片加工的主流方法。本文针对多线切割技术的材料加工机理,加工系统中锯丝和机床整体结构的动态力学特性,锯丝走丝系统张力控制等关键问题进行深入研究,为多线切割机的研制和应用提供了理论基础和指导。研究成果将服务于实现我国半导体加工精密装备国产化,突破国外产品技术封锁的战略。
　　多线切割机床是一个涉及机、电、液、控等多领域的复杂加工系统,虽已应用在工业生产线上,但加工机理还存在很多不明确之处,特别是系统的动态特性对材料加工机理的影响。本文在游离磨料多线切割技术加工方面,针对在加工中硅晶体材料去除的主要原因进行探讨,应用流体力学理论研究浆料池中研磨液的流动状态及对单晶硅物料的压力作用。借助有限元方法模拟碳化硅磨粒切割单晶硅的加工过程,描述了加工中的各种微观现象及进行参数分析,了解悬浮于研磨液中的大量碳化硅磨粒总体运动规律以及对硅片加工质量的影响。通过实验验证了模拟研究的可行性,为线锯加工技术奠定了理论依据。
　　线锯加工系统良好的动态性能是切片稳定、可靠进行的前提。锯丝是加工进行的主要载体,以动力学理论为基础,建立加工区锯丝振动模型,求解模态参数,通过主要加工参数对锯丝动态特性影响规律的分析可以得到参数最佳设定范围,并深入研究锯丝振动形态与硅片表面质量的内在关系。应用理论研究与试验研究相结合的方法对机床整机结构进行动态特性分析,根据识别的模态参量,得出多线切割系统潜在的薄弱环节,并根据锯丝、机械结构模态特性和机床控制系统设计参数之间的关系,并提出了结构改进方案,为机床合理设计提供了理论和实际指导。
　　锯丝的张力控制是控制系统的核心与难点,在对多线切割走丝系统各环节特点与相互关系全面分析的基础上,详细推导出张力各子环节的数学模型,结合多电机运送锯丝速度跟踪情况以及锯丝张力与走丝速度的耦合关系,提出张力摆动臂电机直接闭环结合线速度差间接闭环的控制策略,开发了多线切割机张力的硬件、软件数控系统,达到功能与指标要求,有效解决了多线切割机恒张力精密控制问题。
　　针对多线切割机走丝系统非线性、时变、多参量的复杂性特点,将模糊控制理论引入到张力控制策略中,在锯丝张力数字PID控制系统的基础上,设计了张力调节摆动臂模糊-PID控制改进算法,仿真结果表明,该方案使张力系统从稳定性、准确性和快速性等方面都有很大的提高,为多线切割机张力控制系统的后续开发和升级提出了指导方向。

目录

硅片多线切割系统动态性能及控制技术研究

RESEARCH ON DYNAMIC PERFORMANCEAND CONTROL SYSTEM OF SILICON WAFERMULTI WIRE SAW

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 硅片的发展进程

1.1.2 硅片切片技术的发展

1.1.3 硅片多线切割系统的研究意义

1.2 国内外多线切割技术研究现状

1.2.1 国内外多线切割机床研究状况

1.2.2 国内外多线切割加工机理研究状况

1.2.3 国内外机床动态特性研究状况

1.2.4 国内外张力控制技术研究状况

1.3本课题问题的提出

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 游离磨料多线切割技术材料去除机理

2.1 引言

2.2 研磨液流体运动研究

2.3 碳化硅磨粒切割单晶硅的有限元模拟

2.4 实验验证

2.5 本章小结

第3章 多线切割机动力学分析

3.1 引言

3.2 加工区锯丝振动模型及动力学分析

3.3 整机结构振动特性分析

3.4 本章小结

第4章 机电张力系统建模及控制系统研制

4.1 引言

4.2 多线切割机控制系统组成

4.3 走丝系统各部件数学模型

4.4 精密张力控制系统研制

4.5 本章小结

第5章 张力控制算法设计及仿真

5.1 引言

5.2 控制策略

5.3 走丝系统张力PID控制

5.4 张力电机模糊-PID控制

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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