5. - Система крепления слитка, обеспечивающая подвод – отвод слитка, 6 – нижняя станина станка, 8-12 – шпиндель станка

Рисунок 2.14 – Станок резки с горизонтальной подачей слитка «Алмаз 6М» 4, 29

Недостатками резки слитков на пластины дисковыми пилами являются: сложность установки и натяжения отрезного круга, низкая производительность, значительные потери кремния на пропил, недостаточно высокие геометрические характеристики резанных пластин.

Однако, станки данного типа эффективны при производстве пластин малых серий с необходимостью резки слитка на пластины разной толщины.

Слиток

Поддерживающая прокладка и держатель слитка

Растянутый диск

Алмазный слой

1 – шпиндель, 2 – диск с алмазной кромкой, 3 – слиток, 4 – держатель слитка, 5 – отрезанная пластина, 6 – сборник для пластин после ручного их отделения от прокладки

Рисунок 2.15 Схема резки диском с внутренней алмазной режущей кромкой 4, 21

Вторым способом резки, получившим широкое распространение, является резка на станках струнной (проволочной) резки [1, 4, 21]. Схема проволочной реки пластин показана на рисунке 2.16. В зависимости от назначения станки струнной резки делятся на станки для электронного кремния и солнечного кремния. Станок струнной резки позволяет одновременно проводить разрезание всего слитка на сотни пластин, что позволяет существенно повысить производительность операции.

Применение проволоки 0,12 – 0,16 мм вместо алмазных кругов с толщиной режущей кромки 0,36 – 0,48 мм позволяет существенно уменьшить ширину реза (пропила) и потери кремния. Пластины после резки струной имеют значительно меньший нарушенный слой за счет использования абразивного материала с более мелким зерном (40 – 50 мкм, по сравнению с 50 – 80  мкм при дисковой резке).

а) б)

1 – подающая катушка с проволокой, 2 - проволока, 3 - направляющие валы,

4 – слиток, закрепленный на столе станка, 5 - натяжное устройство, 6 – приемная катушка с проволокой

Рисунок 2.16 – Схема резки слитка на пластины проволокой: (а) – на станке E500S 31, (б) на станке TAKATORI MWS-610SN» [32]

В настоящее время также используется проволока, покрытая алмазным абразивом [21]. Нанесение алмазосодержащего слоя с размерами зерна 1-20 мкм проводят гальваническим способом. Использование такой проволоки обеспечивает более высокую производительность резки, однако сложность обеспечения однородных механических и геометрических характеристик на значительной длине такого инструмента препятствует его широкому применению. Станки струнной резки не требуют постоянной правки режущего инструмента и корректировки режимов в процессе резки.

Для резки слитков диаметром 100 мм используют 2 стола, для диаметров 125, 150, 200 мм – один стол. Одновременно на одном столе можно резать несколько слитков общей длиной равной длине стола (470 – 500 мм). Для подачи проволоки используются подающая (1) и принимающая (6) бобины (катушки). Длина проволоки на бобине обычно составляет 200-400 км. Для создания проволочной сетки используются четыре направляющих вала (3) (в других станках может использоваться три направляющих вала), на наружной поверхности которых прорезаны пазы с шагом соответствующим шагу резки. Шаг резки зависит от толщины пластины. Таким образом, формируется проволочная сетка (пила) (2). Направляющие валы и подающая и принимающая бобины приводятся в движение управляемыми двигателями. Подача проволоки может осуществляться как в одном направлении, так и с изменением направления подачи проволоки. Во втором случае проволока подается в прямом направлении на несколько сотен метров, затем в обратном направлении на расстояние несколько меньше, чем в прямом. При этом один и тот же отрезок проволоки может использоваться до трех раз. Во время резки на проволочную сетку подается суспензия из абразивного порошка (карбид кремния черный или зеленый, зернистостью 10-20 мкм) и связывающей жидкости (масло или водорастворимая жидкость, например, полиэтиленгликоль). Скорость движения проволоки, ее обратное и прямое движение, оптимальный состав и скорость подачи суспензии настраиваются в зависимости от требований к пластинам.

Перед резкой проводят ориентированную наклейку слитка на прокладку и держатель (путем поворота и смещения слитка относительно оси держателя), который закрепляется на столе станка. В комплект станка Е500Е-8 входит рентгеновская установка (гониометр), которая позволяет определять угол поворота слитка для приклейки к прокладке и держателю стола.

Процесс проволочный резки происходит следующим образом. Проволочное полотно движется в прямом или обратном направлении. На проволочное полотно из боковых форсунок подается абразивная суспензия, при помощи которой осуществляется процесс резки. Стол со слитком опускается на проволочное полотно с определенной скоростью. Полотно вступает в контакт со слитком и начинает резать его на пластины. По мере того как стол станка продвигает слиток через проволочную сетку, он разрезается на пластины, при этом пластины удерживаются прокладкой. После окончания резки держатель с пластинами снимается со станка и помещается в горячую воду (85-90 С) для отпаривания с целью отклейки пластин от прокладки.

На рисунке 2.17 показан станок струнной резки Е500Е-8 фирмы НСТ, Швейцария, который предназначен для резки слитков диаметром 100, 125, 150, 200 мм.

Для струнной резки могут использоваться менее габаритные станки, которые имеют не четыре, а три направляющих вала и более короткий держатель, например, станок «TAKATORI MWS-610SN» фирмы TAKATORI, Япония [32].

В новой серии станков SN фирмы TAKATORI предусмотрена подача и съем проволоки напрямую, что обеспечивает контроль точности натяжения проволоки и высокую скорость ее перемещения с использованием системы контроля вращающего момента сервомотора. В обычной системе резки поток свободного абразива в зону резки непостоянен и зависит от вязкости масла в суспензии, которое обычно неоднородно. В обычной системе резки по мере изменения поперечного сечения в процессе резки меняется и скорость резки, чтобы компенсировать изменения в линейном контакте проволоки со слитком. Это создает непостоянный эффект шлифования и негативно влияет на качество резки. В системе TAKATORI используется движение качания, при котором образуется дугообразный контакт в зоне резки, что дает возможность свободному абразиву попадать в зону контакта между проволокой и обрабатываемым слитком в однородном виде, что положительно влияет на качество и точность резки, а так же уменьшает время резки. Это дуговое качание не только положительно влияет на процесс резки, но также подшлифовывает получаемые пластины, что влияет на качество поверхности пластин, а также ускоряет их последующий цикл обработки.

Рисунок 2.17 – Станок струнной резки Е500Е-8 с программным обеспечением 31

В таблице 2.5 приведено сравнение характеристик процессов резки слитков алмазным кругом и проволокой.

Таблица 2.5 – Сравнение методов резки пластин [21]

Параметр	Резка алмазным кругом	Проволочная резка
Гибкость при производстве малых объемов продукции	Очень высокая	Очень низкая
Производство больших объемов продукции	Недостаточно эффективно	Высокая эффективность
Резка тонких пластин	Плохая геометрия тонких пластин	Высокое качество тонких пластин
Прогиб коробление пластин	Высокий	Низкий
Управление ориентацией пластин	Хорошее	Недостаточно хорошее
Потребление кремния	Очень высокое	Очень низкое
Производительность	Низкая	Высокая

Швейцарская фирма HCT Shaping System SA, которая в 2009 вошла в состав фирмы Applied Materials (США), была первой в создании технологии проволочной резки на промышленном уровне. Фирма НСТ выпускает также станки Е400Е-12, Е500S-8 («S», Solar - станок предназначен для резки солнечного кремния, «E», electronic – электронного) [31]. В настоящее время оборудование для струнной резки выпускают и другие производители, например, DS 265, DS 261 фирмы Meyer und Burger, Швейцария [33, 34], AWSM 3800.4, AWSM 4800.2 фирмы KUKA Systems GmbH, Германия [35, 36].

На сегодняшний день струнная резка является наиболее перспективным и экономически выгодным процессом резки слитков на пластины при больших объемах производства, так как он обеспечивает высокую производительность, низкое потребление кремния и хорошие геометрические характеристики пластин.

После резки проводится очистка и травление поверхности пластин, которые будут рассмотрены в разделе 2.5.10.