一种基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及金刚石线切割加工技术领域，特别涉及一种基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置及其控制方法。

背景技术

单晶硅由于其优良的半导体性能，在集成电路产业中得到广泛应用，全球99％以上的集成电路均采用单晶硅片作为衬底材料。随着半导体行业的蓬勃发展，市场对硅片产能需求日益扩大，硅片切割工艺的提升也迎来新的机遇和挑战。

硅片主要由硅棒经切片、研磨和抛光等工序制备而成，其中切片加工是首道也是至关重要的加工工序。切片加工将硅棒切割成具有一定厚度的硅片，切割过程中脆性单晶硅材料在外力作用下被去除，形成具有一定粗糙度和损伤层厚度的硅片表面。目前，内圆切割、游离磨料线切割和金刚石线切割是单晶硅切片生产的主要切割方法。内圆切割技术通过内径涂覆金刚石磨粒的环形刀片切割单晶硅棒，利用金刚石磨粒与单晶硅之间的相互作用实现材料去除。游离磨料线切割技术是SiC磨料在液体带动下沿着金属丝进入单晶硅切槽并不断滚压磨削单晶硅切槽表面材料完成切割，切割过程中通过SiC颗粒、金属丝和单晶硅之间的相互作用来实现切槽和材料去除。

金刚石线切割技术是利用粘接或电镀在张紧金属丝上的金刚石磨粒直接持续磨削单晶硅切槽表面材料完成切割，切割过程中通过被张紧金刚石线上的金刚石磨粒和单晶硅之间的直接相互作用实现切槽和材料去除。与内圆切割技术和游离磨料线切割技术相比，金刚石线切割技术具有切割效率高、切缝尺寸小、切片范围广等特点，已成为单晶硅衬底切片加工的主流方法。

针对金刚石线切割设备来说，金刚石线的张力稳定性是衡量金刚石线切割设备的重要指标。然而，在金刚石线切割加工过程中，金刚石线的切割换向和在持续张紧作用下的塑性变形会使金刚石线的张紧力产生变化，从而对切割线的寿命和切割质量产生巨大影响。为保证切片效率和切片质量，在金刚石线切割工艺中对金刚石切割线的张紧力进行实时监测控制，保持切割过程中金刚石线张紧力的恒定至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现维持金刚石线切割过程中金刚石线张紧力恒定的基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置。

本发明的另一目的是提供一种采用上述基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置实现的金刚石线张紧控制方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置，包括电磁驱动机构、张紧执行机构和恒力控制机构；其中，

电磁驱动机构包括电磁铁芯、线圈和线圈套；线圈套呈水平设置并固定在装置底板上，线圈缠绕在线圈套上，电磁铁芯与线圈套呈同轴设置并插装在线圈套内；

张紧执行机构包括直线滑动机构和张紧轮；直线滑动机构由滑台和滑轨构成；滑轨固定在装置底板上，滑台装配在滑轨上，其与电磁铁芯同轴设置并固定在电磁铁芯一端；张紧轮可转动地设置在滑台的顶面上；

恒力控制机构包括六轴力传感器、上位机和信号发生器；六轴力传感器设置在滑台与张紧轮之间，六轴力传感器固定在滑台上，且其与张紧轮呈同轴设置；信号发生器的两个输出端与线圈的两端相连接；上位机分别通过数据传输线与六轴力传感器和信号发生器相连接。

进一步地，电磁驱动机构还包括盒体和弹簧；盒体的一组对侧侧板上居中开设有通孔，使线圈套通过通孔插装固定在盒体内；盒体的另一侧板上对称设置有两个接线端子，使线圈的两侧线端连接在位于盒体内的两个接线端子上，信号发生器的输出端连接在位于盒体外的两个接线端子上；电磁铁芯的另一端设有挡板，弹簧以不完全压缩状态套装在电磁铁芯外侧，其一端抵在挡板上、另一端抵在盒体的侧板上，提供一个初始弹簧张紧力。

进一步地，张紧执行机构还包括轴承和轴套，且六轴力传感器、轴承、轴套和张紧轮同轴设置；轴套固定在六轴力传感器的顶面上，轴承装配在轴套上，张紧轮套装并固定在轴承上。

进一步地，六轴力传感器通过沿圆周方向均布设置的多个螺钉居中固定在滑台的顶面上。

进一步地，轴套通过沿圆周方向均布设置的多个螺钉居中固定在六轴力传感器的顶面上。

进一步地，恒力控制机构还包括电压放大器，其通过数据传输线连接在上位机与六轴力传感器之间。

进一步地，张紧轮与六轴力传感器呈水平放置，使缠绕在张紧轮上的金刚石线以平行于六轴力传感器的水平坐标轴(X轴或Y轴)的方式设置。该设置方式可不经过坐标变换直接获得表现金刚石线张紧力及其力矩的电压信号；另外，如不采用金刚石线与六轴力传感器水平坐标轴平行的设置方式，则还需要对力及力矩进行空间坐标系下的换算后才能得到金刚石线的张紧力。

一种采用上述基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置实现的金刚石线张紧控制方法，步骤为：

S1、将金刚石线切割装置中的金刚石线套装在张紧控制装置的张紧轮上；

S2、通过上位机控制信号发生器产生具有一定幅值、频率和方向的电流信号，并传输给线圈，以对电磁铁芯产生设定强度和方向的磁场；

S3、六轴力传感器持续检测金刚石线的张紧力及力矩的电压信号，并直接或通过电压放大器传输给上位机；其中，金刚石线初始张紧后六轴力传感器9检测到的张紧力为F

S4、随着切割过程中金刚石线发生塑性变化，金刚石线在当前磁场电流中产生的张紧力发生变化，因此，上位机持续将六轴力传感器传输过来的电压信号换算为新的金刚石线实时张紧力F’，并将该张紧力F’与初始张紧力F

S5、上位机将步骤S4计算得到的新磁场电流转换为电流信号，并控制信号发生器发出新的电流信号，以使线圈产生新的磁场，进而通过驱动电磁铁芯的位移微调实现维持金刚石线的恒力张紧。

与现有技术相比，该基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置是基于电磁感应原理设计而成，其通过相互配合的电磁驱动机构、张紧执行机构和恒力控制机构，实现了金刚石线切割加工过程中张紧金刚石线的恒力准确控制和快速位置调节，维持切割过程中金刚石线张力恒定，进而实现提升切割效率和切片质量的目的。

附图说明

图1为本发明的基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置的结构示意图；

图2为本发明的基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置的电磁驱动机构的结构示意图；

图3为本发明的基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置的张紧执行机构的结构示意图；

图4为本发明的基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置实现金刚石线张紧力控制的流程图；

图5为本发明的基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置的六轴力传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

如图1所示，该基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置包括电磁驱动机构、张紧执行机构和恒力控制机构；其中，

如图2所示，电磁驱动机构包括U型支撑架2、盒体3、弹簧5、电磁铁芯6、线圈14和线圈套15；具体地，

盒体3通过U型支撑架2固定在底板1上；为了便于装卸和维修，盒体3为具有可拆卸顶盖4的盒体；在盒体的一组对侧侧板上居中开设有通孔、在盒体的另一侧板上对称设置有两个接线端子；

线圈套15通过盒体上的通孔以其轴线呈水平态设置的方式插装并通过螺栓连接固定在盒体内；线圈14缠绕在线圈套15上，其两侧线端分别连接固定在盒体的两个接线端子上；

电磁铁芯6插装在线圈套15的轴向通孔内，并保持与线圈套15呈同轴设置，其一端设有挡板；弹簧5呈以不完全压缩状态套装在电磁铁芯6的端侧，且其一端抵在挡板上、另一端抵在盒体3上；

如图3所示，张紧执行机构包括直线滑动机构、轴承11、张紧轮12和轴套16；具体地，

直线滑动机构由滑台7和滑轨8构成；滑轨8以其轨道延伸方向与电磁铁芯6轴线方向一致的方式固定在底板1上；滑台7装配在滑轨8上，其与电磁铁芯6呈同轴设置；电磁铁芯6的另一端通过双头螺柱17居中固定在滑台7的侧壁上，使电磁铁芯6能够带动滑台7在滑轨8上往复运动，以实现滑台位置的微调；

轴套16通过螺钉居中固定在滑台7的顶面上，轴承11装配在轴套16上，使其能够相对轴套16自由转动；张紧轮12套装并固定在轴承11的外侧，使其与轴承11同步转动；紧固螺栓10依次插装在轴承11的中心孔内并与轴套16的中心孔螺纹连接，通过紧固螺栓10的螺帽限位在轴承11的中心孔边缘处，以固定轴承11和张紧轮12。

如图1所示，恒力控制机构包括六轴力传感器9、上位机18和信号发生器19；具体地，

六轴力传感器9设置在滑台7与轴套16之间，且保持张紧轮12、轴承11、轴套16和六轴力传感器9四者呈同轴设置；具体地，六轴力传感器9首先通过沿圆周方向均布设置的多个螺钉水平且居中地固定在滑台7的顶面上，而后轴套16再通过沿圆周方向均布设置的多个螺钉水平且居中地固定在六轴力传感器9上，使缠绕在张紧轮12上的金刚石线平行于六轴力传感器9的水平坐标轴(X轴或Y轴)设置，使六轴力传感器9直接测量出金刚石线的张紧力及力矩；具体来说，在工作状态下，金刚石线缠绕在张紧轮12上，张紧轮12、轴承11和轴套16自外向内依次套装，因而当金刚石线受到来自金刚石线切割装置的拉力时，其表现为与之平衡的金刚石线抵抗拉伸的张紧力，此时，张紧轮12同时受力并传递给轴套16，使与轴套16固定连接的六轴力传感器9可以实时检测到该金刚石线的张紧力；

上位机19通过信号传输线与信号发生器20连接，上位机19控制信号发生器20发射指定的电流信号；信号发生器20的输出端子与盒体的两个接线端子通过导线相连接，使其与线圈14之间形成一个闭合回路，信号发生器20用于发射具有一定幅值、频率和方向的电流信号，以使线圈14通电并在电磁铁芯6周围形成具有相应强度和方向的磁场；

上位机19通过信号传输线与六轴力传感器9连接，用于实时接收六轴力传感器9检测到的力和力矩信号，从而实时获取金刚石线张紧力的变化情况。

作为本实施例的一个优选技术方案，在上位机18与六轴力传感器9之间还可以加装一个电压放大器18，以对六轴力传感器9传输的电压信号进行放大，即将六轴力传感器9实时捕获的电压信号传递给电压放大器，再由电压放大器将放大后的电压信号传递给上位机。

实施例2

如图4所示，采用该基于电磁控制的金刚石线张紧控制装置实现对金刚石线的张紧进行控制的方法的具体实施步骤如下：

S1、将金刚石线切割装置中的金刚石线13套装在该张紧控制装置的张紧轮12上；

S2、通过上位机19控制信号发生器20产生具有一定幅值、频率和方向的电流信号，进而传输给线圈14以产生电流，并形成指定强度和方向的电磁场；此时，电磁铁芯6在电磁力的作用下前后移动，并带动滑台7在滑轨8上前后移动；

S3、六轴力传感器9实时检测金刚石线的张紧力及其力矩信号，再通过直接方式或通过信号放大器16放大的方式传输给上位机18；

具体来说，由于张紧轮12固定在滑台7上，因此当滑台7发生移动时，缠绕在张紧轮12上的金刚石线跟随张紧轮移动实现不同程度的张紧；该过程中，六轴力传感器9实时检测出空间六自由度上其自身所承受力和力矩信号，即能够反应出张紧轮的受力情况，进而可以得到金刚石线的张紧程度，即张紧力F；

如图5所示，传感器自身带有方向性，因此，基于笛卡尔坐标系，以传感器重心为原点，传感器能够测得其自身在x方向、y方向和z方向上承受的力和力矩分别为F

S4、金刚石线在使用过程中自身会产生塑性变形以及换向时出现波动，导致同样驱动条件下金刚石线的张紧力会发生变化；因此，上位机18实时接收由六轴力传感器9传输过来的电压信号，并将该电压信号实时换算为金刚石线张紧力F’，再将金刚石线张紧力F’与初始张紧力F

S5、上位机18将步骤S4计算得到的新磁场电流转换为电流信号，并控制信号发生器20发出具有新幅值、新频率的电流信号，以使线圈14产生新的磁场，进而使电磁铁芯6在新磁场力的作用下带动张紧轮向前/向后运动微调；这样，缠绕在张紧轮12上的金刚石线13即可在金刚石线13的拉力、弹簧5的弹力和电磁力的共同作用下实现力的动态平衡，即金刚石线13的恒力张紧。