روش هاي برش پيشرفته ي تك بلورها

چكيده

براي برش با دقت بالاي مواد تك كريستال ترد و سخت كه در صنعت الكترونيك مورد استفاده قرار مي گيرند، مشكلات توليد بسيار پيچيده هستند. تنها روش هاي اندكي هستند كه در بين آنها، تكنيك هاي برش داخلي (ID) و برش دوغابي چند سيمي (MWS) امروزه در خطوط توليد به طور متداول مورد استفاده قرار مي گيرند. دو فرايند برش مختلف معمولاً مورد استفاده قرار مي گيرد. براي مواد ساينده اي كه بر روي لبه ي برش يك تيغه ي ID چسبيده اند، ماده با استفاده از دانه هاي ساينده ي آزادي از بخش در حال برش، كنده مي شوند و بوسيله ي محيط مايع (دوغاب) انتقال مي يابند. عمل برش ضرورتاً مشابه فرايند سمبه زني است كه در ماشين هاي برش غلطكي يا دندانه اي وجود دارد. فرايندهاي سايش ضرورتاً اثرات گرمايي و مكانيكي را در محل ايجاد بريدگي، ايجاد مي كند. عمق كلي نفوذ اين تخريب ها، به ديناميك فرايند برداشت ماده، وابسته است. عمق زيرسطحي تخريب ايجاد شده بوسيله ي ماشين كاري با مواد سايشي آزاد مي تواند 50 تا 60 % در مقايسه با تخريب ايجاد شده بوسيله ي ماشين كاري با مواد ساينده ي ثابت، كمتر است. استفاده از تك كريستال ها براي كاربردهاي نوري و نيمه رسانا اغلب نيازمند برش كريستال در جهت هاي دقيق نسبت به شبكه ي كريستالي است. يك مدل پيشنهاد شده است كه اجازه ي مي دهد به طور همزمان محور هندسي شمش نسبت به جابجايي وسيله ي برش، افقي باشد. در اين حالت، وسيله ي برش موازي با صفحه ي برش مورد نظر در تك كريستال مي باشد. اين خاصيت، يك خاصيت مهم است زيرا موجب كاهش زمان برش مي شود و اجازه مي دهد تا بارگذاري ماشين برشكاري بهينه شود.

مقدمه

عموماً مواد تك كريستال مورد استفاده در كاربردهاي صنعتي مانند سيليكون، GaAS، YAG، InP، تركيبات گروه هاي سوم و پنجم اصلي، كاربيدها، كوارتز، سراميك ها، مواد سختي هستند (سختي آنها در حد چند ده گيگاپاسكال مي باشد). اين مواد صلب هستند و اين بدين معناست كه ماشين كاري و برش كاري آنها سخت است. برش كريستال اولين مرحله ي توليد يك ويفر پوليش كاري شده، بعد از رشد كريستال است كه براي ساخت وسايل الكتروني در صنعت نيمه رسانا و فوتوولتائي مورد استفاده قرار مي گيرد. براي برش كاري ارزان قيمت تك كريستال ها، مشكلات توليد پيچيده مي باشد زيرا اين روش ها بايد به گونه اي باشند كه در آنها ميزان اتلاف ماده ي ناشي شده از برش، مينيمم شود (يعني اتلاف ماده مينيمم شود)، تخريب سطحي مينيمم شود، ميزان انحراف و تغييرات در ضخامت، مينيمم شود، سرعت و بازده ماكزيمم باشد و اثرات ماشين كاري بر روي فرايند بعدي، كاهش يابد. اره هاي سيمي يكي از تكنولوژي هاي پيش گام در زمينه ي ماشين هاي برش با دقت بالا است كه بوسيله ي آنها امكان توليد ويفرهاي با سطح مقطع بزرگ درصنعت نيمه رسانا و فوتوولتايي، وجود دارد.

پارامترهاي هندسي

براي كاربردهاي الكترونيك، بررسي 4 پارامتر هندسي ضروري است:
1) ضخامت مركزي ويفر (VT)
2) تغييرات ضخامت كل ويفر (TTV)
3) ميزان تاب
4) ميزان قوس يا خمش ويفر
همچنين مهم ترين پارامتر، كيفيت سطحي مانند زبري و آسيب هاي سطحي است. براي كاربردهاي فوتوولتايي (PV)، تنها ضخامت ويفر و TTV مهم مي باشد. ضخامت مركزي ويفر (TV) ميزاني از توزيع ضخامت در داخل حمام توليد مي باشد (يك اندازه گيري ضخامت در وسط ويفر انجام مي شود)؛ در حالي كه TTV يك معيار از توزيع ضخامت در داخل يك ويفر منفرد است (چندين اندازه گيري از ضخامت در يك ويفر انجام شده است). TTV به عنوان تفاوت ميان ضخامت ماكزيمم و مينيمم، تعريف مي شود. TV عموماً به دليل سايش ابزار و مكانيزم هاي تغذيه ي ابزار ايجاد مي شود. TTV بوسيله ي سايش ابزار و تغييرات محلي در بازده برش، ايجاد مي شود.
تاب برداشتن (wrap) يك ويژگي توپوگرافي سه بعدي سطح هندسي نمونه نسبت به سطح متوسط مي باشد. شكل 1 يك مثال در مورد دياگرام تاب يك ويفر سيليكوني است كه نشاندهنده ي تغييرات توپوگرافي دو بعدي اين ويفر است. يك چنين داده هايي معمولاً از عبور كل سطح ويفر از ميان دو پروب و اندازه گيري تغييرات بالقوه ي مربوط به توپوگرافي ويفر، بدست مي آيند. اين تاب بوسيله ي ناپايداري قطعات ماشين مانند تغييرات ايجاد شده بواسطه ي ايجاد گرما و القاي تنش هاي داخلي، ايجاد مي شود و بنابراين نشانه ي خوبي براي تغييرات ايجاد شده در حين فرايند برش و پايداري در رشد كريستال مي باشد. تاب برداشتن يك مشكل مهم در صنعت الكترونيك است زيرا كاهش ميزان تاب و اصلاح آن بعد از برش كاري، هزينه بر و وقت گير مي باشد.
خمش يا قوس ويفر در واقع انحنا نسبت به تقارن دايره اي است كه به طور نمونه وار بوسيله ي آزادسازي در حين برش و تنش هاي داخلي ايجاد مي شود كه در طي كريستاليزاسيون در كريستال ايجاد مي شود. از اين رو، اين مشكل، يك مشكل مربوط به كريستاليزاسيون است. برخلاف TV و TTV، تاب برداشتن و خمش نمي تواند بواسطه ي اعمال عمليات هاي ثانويه مانند پوليش كاري، سايش و يا اچ كردن، از بين رود. به همين دليل اين مشكل را بايد در مرحله ي برش يا رشد بلور، مينيمم كرد.
تخريب هاي سطحي به فرايند زدايش ماده وابسته اند و بوسيله ي تغييرات محلي در فشار ابزار و قطر بخش ساينده، ايجاد مي شود. زبري سطحي در گستره ي 0.5 تا 5 ميكرون، به پارامترهاي فرايند مانند نيروي برش، لرزش ها، كشش ابزار، نرخ برش و اندازه ي مواد ساينده، وابسته است. نوسانات بلند برد مانند حالت موجي كه بواسطه ي تغييرات ناگهاني در كنترل فرايند يا هموژن نبودن ماده (مانند ذرات SiC، SiN در سيليكون پلي كريستال ريخته گري شده)، ايجاد مي شود، ظاهراً موجب ايجاد اثر قابل توجه بر روي كيفيت ويفر است.

بررسي روش هاي برش براي تك كريستال هاي سيليكون

يك تعداد اندك از روش ها موجود، براي توليد مقياس بزرگ دربرش با دقت بالاي تك كريستال ها در كاربردهاي الكترونيكي، مناسب هستند:
روش متداول برش داخلي (ID)
روش برش قطر خارجي (OD)
روش برش با تيغه ي ساينده بر اساس روش ID (GS)
برش با استفاده از تيغه هاي چندتايي داراي ساينده هاي ثابت (MBF)
برش با استفاده از سيم هاي ساينده ي چند تايي ثابت ( )
برش با استفاده از دوغاب و تيغه هاي چندتايي (MBS)
برش با استفاده از دوغاب و سيم هاي چندتايي (MWS)
شكل 2 قانون اره كاري ID را به تصوير كشيده است. واحد اره كاري ID از يك تيغه ي فولادي تشكيل شده است كه لبه هاي برش در قطر دروني يك حفره در تيغه واقع شده است. نمونه ي كاري به حفره ي مركزي تغذيه مي شود و بريده هاي ويفر با حركت عمودي آرايه هاي تيغه اي ايجاد مي شود. در برخي موارد، اين پيكربندي به صورت يك تيغه ي عمودي است و نمونه ي تحت برش به صورت عمودي قرار مي گيرد. اين تيغه بر روي حلقه اي ثابت شده است كه بوسيله ي يك موتور الكتريكي به كار مي افتد. اين حياتي است كه عملكرد اره مناسب باشد تا بدين صورت، تاب ويفر كاهش يابد. در واقع حركت اره بايد به طور يكنواخت باشد. حركت اره بايد در داخل يك قيد انجام شود تا بدين صورت صلبيت محوري حفظ گردد. حركت اره هم مي تواند با استفاده از سيستم هاي مكانيكي و هم با استفاده از سيستم هاي هيدروليك انجام شود. تلاش هاي توسعه اي اصلي بر روي برش ID معمولي هنوز هم بر روي روش هاي مختلفي تمركز دارد كه بوسيله ي آنها مي توان انحراف تيغه را كنترل كرد. اين كنترل ها با استفاده از نازل هاي هواي فشرده و كنترل سرعت چرخشي انجام مي شود. قاب داخلي شامل يك زمينه از ذرات الماس است كه در يك لايه ي به هم پيوسته از نيكل قرار گرفته است. اين لايه بوسيله ي الكتروپليتينگ بر روي هسته ي تيغه، اعمال شده است. ضخامت تيغه بعلاوه ي لايه ي ساينده ميزان ماده ي برش پيدا كرده را تعيين مي كند. اين مقدار با پهناي بريده شده يا اتلاف برش (kerf loss) ناميده مي شود. براي يك تيغه ي فولادي 250 ميكروني، اتلاف برشي برابر با 350 ميكرون در هنگام اره كاري ID مشاهده مي شود. يك ماده ي خنك كننده مانند آب و تركيبات خنك كننده (مواد روان ساز و عوامل ترشونده) در ناحيه ي برش ريخته مي شود تا بدين صورت بتوان سطح مشترك اره- شمش خنك سازي شود و از جدا شدن ذرات ساينده از تيغه جلوگيري گردد. بعد از اينكه اره از شمش خارج شود، ويفر تازه برش خورده بوسيله ي يك سه نظام مجهز به خلأ برداشته مي شود و به يك كاست انتقال داده مي شود. يك از مشكلات اصلي در برش با استفاده از ID توليد عيوب بر روي ويفر است كه در جايي ايجاد مي شود كه اره از كريستال خارج مي شود. اين عيب را شكست اره يا تراشه برداري خروج مي نامند. تراشه برداري حاصل از خروج به طور قابل توجهي بهره وري ماده ي مورد استفاده را كاهش مي دهد.
استفاده از نيروي كنترل شده در حركت تيغه، استفاده از ذرات الماس با اندازه ي ريزتر و استفاده از مايعات برنده موجب افزايش خروجي و كاهش ميزان اتلاف برش مي شود. بهينه سازي تمام اين پارامترها موجب پديد آمدن ظرفيت تاب براي ديفرهاي 200 ميلي متري برابر با 15 تا 25 ميكرون باشد. تكنولوژي برش ID با قدمت 40 ساله، به خوبي مورد بررسي قرارگرفته است. اين بررسي ها در مقالاتي انجام شده است كه از دهه ي 1960 تاكنون به چاپ رسيده اند.
بهبودهاي ديگر در زمينه ي ظرفيت تاب مي تواند با استفاده از روش برش با تيغه ي ساينده بر اساس روش ID (GS) انجام شود. اين روش در واقع شامل يك اره ي ID معمولي است كه بر روي يك چرخ سنباده ثابت شده است (شكل 2). بنابراين، سايش سطح جلوي شمش قبل از برش يك صفحه ي مرجع ايجاد مي كند كه موجب پديد آمدن تاب هاي اندكي (در حد 5 تا 12 ميكرون) مي شود. به هرحال، روش GS ، زمان سيكل فرايند را افزايش مي دهد و در نتيجه ميزان خروجي با استفاده از اين روش كمتر است. يكي ديگر از محدوديت هاي بزرگ ديگر، مصرف بالاتر ماده ي اوليه مي باشد. افزايش زمان مورد نياز براي برش كاري و همچنين ميزان مصرف بيشتر ماده موجب مي شود تا هزينه هاي مربوط به توليد، 15 تا 20 % در مقايسه با روش هاي برش معمولي ID، افزايش يابد.
شكل 3 يك آرايه ي شماتيك از اره ي سيمي يا چند تيغه اي رفت و برگشتي را نشان مي دهد. يك شبكه از سيم ها (مشابه روش برش با ساينده ي ثابت (FAST)) يا يك شبكه از تيغه ها با ساينده هاي ثابت (MBF) يا متحرك (MBS) بين دو سري تيغه قرار مي گيرند كه اين دو سري بر روي يك قاب داراي حركت رفت و برگشتي نصب شده است. دو غلطك راهنماي دندانه دار در نزديكي نمونه ي در حال برش قرار مي گيرد. شمش در داخل يك مكانيزم تزريق قرار مي گيرد كه عمود بر شبكه ي برش مي باشد. از آنجايي كه اين روش ضرورتاً براي كاربردهاي فوتوولتانيك ساخته شده است، يك مكانيزم ديگر سطح مقطع مستطيلي نمونه را حركت مي دهد و بدين وسيله با تغيير زاويه ي برش طول تماس با لبه ي برش كوتاه مي شود. در پيشرفت هاي اخير در زمينه ي FAST ، از يك سري از سيم قطره اي شكل با ذرات ساينده ي الماسي تشكيل شده است كه اين ذرات به لبه هاي برشي متصل شده اند. اتلاف برشي (ضخامت ماده ي در حالت از زدايش) كه با تكنولوژي هاي كنوني قبل حصول مي باشد در حدود 230 ميكرون است و امكان اين وجود دارد كه اين مقدار با استفاده از سيم هاي با مقطع عرضي بهبود يافته به 150 ميكرون نيز مي رسد. آب مورد استفاده به عنوان مواد خنك كننده عمل مي كند و همچنين براده هاي حاصله را از محل توليد، خارج مي كنند بدون آنكه موجب پديد آمدن مشكلات مربوط به خروج ضايعات شود. FAST براي توليد انبوه ويفرهاي الكترونيكي استفاده نمي شود اما يك تكنيك قابل رقابت براي توليد در مقياس كوچك، محسوب مي شود.
شكل 4a و 4b اره ي دوغابي چند سيمه و با بازده بالا را نشان مي دهد. اره ي سيمي شامل يك سيم فولادي متحرك با قطر 180 ميكرون (يا يك سويه يا دو سويه) است كه بر روي سطح نمونه ي در حال برش (مانند تك كريستال يا شمش سيليكوني) قرار داده مي شود(شكل 4a). سيم تكي بر روي يك راهنماهاي سيم پيچيده شده است و وجود شيارهاي دقيق موجب تشكيل يك شبكه از سيم هاي موازي مي شود (شكل 4b). راهنماهاي سيم بوسيله ي يك محرك مي چرخند و اين چرخش موجب مي شود تا كل سيم ها با سرعت نسبتاً بالا (5 ) حركت كنند. يك جفت نازل با سرعت جريان بالا سيم هاي متحرك را تغذيه مي كنند. اين كار موجب ايجاد نيروي فشاري بر روي سطح نمونه مي شود. ذرات ساينده (مانند SiC) در نقطه ي برش مي تواند منجر به انجام فرايند برش شود. نمونه ي كاري (يا شبكه ي سيم ها) به طور عمودي حركت مي كنند. كشش سيم در طي فرايند برش، ثابت است (10-30 N) و ميزان آن با استفاده از بازخوردهايي انتخاب مي شود كه در هنگام فرايند بدست مي آيد. قرقره هاي تغذيه ي سيم طول سيم جديد را مهيا مي كند و يك بخش ذخيره ساز، سيم مصرف شده را جمع آوري مي كند. ظرفيت قطري شمشي كه مي توان استفاده كرد، تنها به فضاي بين شافت هاي مربوط به راهنماهاي سيم و مسير عمودي است. آخرين نسل ماشين هاي برش سيمي مي تواند دو شمش با قطر 200 ميلي متر و طول 500 ميلي متر و يا 6 شمش با قطر 75 ميلي متر و طول 500 ميلي متر را برش دهند.
اتلاف برش (k) در اره هاي MWS از روي مشاهده و تجربه با فرمول زير محاسبه مي شود:

كه در اينجا، D قطر سيم و d اندازه ي ذرات ساينده مي باشد. يك اتلاف برش براي MWS در هنگامي كه از سيمي با قطر 160 ميكرون استفاده شده است برابر با 200 ميكرون مي باشد. تمايل به استفاده از تكنولوژي سيمي موجب شد تا سيم هاي با قطر 140 ميكرون نيز به زودي توسعه يابد و اين مسئله موجب كاهش در اتلاف حاصل از برش مي شود. براي شمش هاي كوچكتر و مواد نرم تر(مانند InP)، ساينده هاي با اندازه ي كوچكتر و سيم هاي با قطر كوچكتر (براي مثال 80 ميكرون) مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. اين كار موجب كاهش اتلاف برش به حدود 100 ميكرون مي شود.
عملكردهاي اصلي دوغاب به صورت زير مي باشد:
1) حمل ذرات ساينده به نقطه ي برش
2) خروج براده هاي توليد شده از محل برش
3) خارج كردن حرارت
متداول ترين دوغاب هاي مورد استفاده، داراي مواد خنك كننده ي بر پايه ي روغن، محلول و بر پايه ي آب هستند و ذرات ساينده ي مورد استفاده در آنها عمدتاً از جنس SiC مي باشد. به هر حال، براي مواد سيليكوني، مواد خنك كننده ي بر پايه ي آب پيشنهاد نمي شود زيرا موجب هيدراته شدن سيليكون مي شود:

از زماني كه اره هاي چند سيمه ي مدرن به عنوان يك تكنولوژي در برش شمش هاي بزرگ سيليكوني مورد استفاده قرار گرفت، تحقيقات اساسي بر روي مدل سازي و كنترل فرايندهاي توليد MWS مدرن انجام شده است و بوسيله ي اين كار، آگاهي بهتري در مورد مكانيزم برش و بهينه سازي فرايند صنعتي، حاصل شده است.

فرايند جداشدن ماده

روش هايس برش مختلف مي تواند بر اساس فرايند جداشدن ماده، طبقه بندي شوند. در مورد تكنولوژي هاي با ساينده ي ثابت (ID، OD، MBF، MWF و FAST)، ماده بوسيله ي دانه هاي الماس ويا ماده ي سختي جدا مي شود كه به سختي به محور يا سيم برش چسبيده اند. اين چسبندگي با استفاده از فرايند الكتروپليتينگ ايجاد مي شود. از اين رو، براي ساينده هاي ثابت، سرعت برخورد بخش ساينده به صورت زير است:

عمل برش ضرورتاً مشابه عمل برش در ابزارهاي برش تك لبه ي و معمولي مي باشد. اين ابزارها شامل فرايند تراش- برخورد هستند و برش حاصل شده از آنها سريع مي باشد. همچنين يك ناحيه ي تماس بزرگ بين ابزار و نمونه ي كاري ايجاد مي شود.
در مورد تكنيك مواد ساينده ي آزاد (MBS و MWS)، ماده بوسيله ي دانه هاي ساينده ي ثالثي جدا مي شوند كه در يك محيط مايع انتقال مي يابند. ازاينرو، براي مواد ساينده هاي آزاد:

كه در اينجا است و نشاندهنده ي خواص تريبولوژيك (ترشوندگي، كشش سطحي)، خواص هندسي (تخلخل)، و خواص هيدروديناميكي (ويسكوزيته، فشار) است و به اندازه ي دانه ي مواد ساينده، تركيب شيميايي دوغاب، نوع ماده ي ساينده و سرعت آنها نيز وابسته است. يك اره ي سيمي مدرن و با بازده بالا، مي تواند سيم هاي خود را با سرعتي بيش از به دوره قرقره هاي مخصوص دستگاه بپيچد. در اين وسايل تلاش براي رسيدن به سرعتي برابر با است.
عمل برش در مورد ماشين هاي با ساينده ي آزاد (كه از اين به بعد به آن FAM گفته مي شود)، ضرورتاً مشابه فرايند تراش سه بعدي است كه بوسيله ي يك ماشين برش غلطكي و دندانه دار انجام مي شود (شكل 5). سيم به عنوان يك حمل كننده ي دوغاب عمل مي كند و يك بار فشاري سيكلي ايجاد مي كند. دانه هاي ساينده ي بزرگتر در برخي اوقات بوسيله ي زبري هاي سطحي نمونه و ابزار گير مي افتند و سپس موجب حركت چرخشي اين دو بدنه (موازي با حركت برشي) مي شود. در طي اين چرخش، دانه هاي ساينده بخشي از بار فشاري را از يك سطح به سطح ديگر انتقال مي دهد و اين كار منجر به ايجاد فرورفتگي در هر دو سطح مي شود. عمق نفوذ نسبي در هر سطح بوسيله ي سختي نسبي دو ماده تعيين مي شود.
الگوي تنش در ناحيه ي تورفتگي بوسيله ي يك تماس خطي ميان سطوح در معرض بار فشاري ايجاد مي شود و سايش لغزشي ايجاد شده حاصل از تنش هايي است كه به خاطر نيروهاي نرمال و مماسي اعمال شده بوسيله ي سيم، ايجاد شده اند. تنش هاي فشاري ماكزيمم (نيروي نرمال) در نوك شكاف ايجاد شده يافت مي شود كه علت آن ايجاد بار سيكلي مي باشد. تنش فشاري ماكزيمم (نيروي نرمال) كه در نوك شكاف وجود دارد، موجب پديد آمدن ترك هاي ميكروني مي شود. همزمان با كاهش استحكام خستگي به دليل بارگذاري سيكلي، اين ترك ها در زمان حركت شمش در جهت عكس محور سيم، انتشار مي يابند. تنش برشي ماكزيمم (نيروي مماسي) در فاصله ي نزديكي از سطح ايجاد مي شود. ماكزيمم تنش برشي زيرسطحي، تشكيل شكاف (براده هاي ماده) درسطح شمش را تسهيل مي كند. نرخ جدا شدن ماده (يا نرخ سايش) () با فرمول زير محاسبه مي شود:

كه در اينجا، b ضريب شبه سايش است و ضرورتاً به خواص الاستيك ماده (مدول يانگ، تافنس شكست و سختي)، پارامترهاي تريبولوژي (ناحيه ي تماس و ضخامت فيلم) و ويسكوزيته ي حامل مايع، وابسته است. علاوه بر اين، ضريب b به غلظت دانه هاي ساينده وابسته است و با قطر دانه قابل مقايسه است. توجه كنيد كه اين نسبت كه در حدود 7 است، عموماً مقداري بين قطر برش و اندازه ي متوسط دانه هاي ساينده است.
در عمل، معادله ي بالا تنها در زير فشار بحراني صدق مي كند. به دليل ايجاد برهمكنش هاي الاستوهيدروديناميك ميان سيم و دوغاب ويسكوز، يك فيلم از دوغاب در نقطه ي برش، تشكيل مي شود. با افزايش ويسكوزيته، ضخامت اين فيلم افزايش و با افزايش بار اعمال شده، كاهش مي يابد. از اين رو، در فشارهاي اعمالي به اندازه ي كافي بالا، اين انتظار وجود دارد كه اين دوغاب به طور كامل از سطح مشترك ميان ابزار و نمونه ي كاري، خارج مي شود و اين مسئله منجر به كاهش ناگهاني بازده برش كاري مي شود. يك كار تحقيقاتي، پيشنهاد مي دهد كه در شرايط عملياتي اره هاي سيمي، افزايش سرعت سيم مي تواند مقدار فشار آستانه را افزايش دهد.
توجه كنيد كه سرعت سيم همچنين داراي محدوديت هاي خاص خود مي باشد. در حقيقت اين را مي توان مشاهده كرد كه اين سيم با ناپايداري لرزشي شديدي مواجه است. اين ناپايداري تنها در سرعت هاي بالا (معمولاً بالاتر از ) ايجاد مي شود. اين واضح است كه اين مسئله معمولاً دغدغه محسوب نمي شود زيرا سرعت هاي عملياتي اره هاي سيمي معمولاً در گستره ي است.
به عبارت ديگر، براي سرعت هاي تغذيه ي معين ماده ي اوليه، سرعت پايين تر سيم موجب ايجاد فشار بالاتر بر روي سيم مي شود. اين مسئله به اين دليل رخ مي دهد كه سرعت سيم و سرعت تغذيه با سرعت جدا شدن ماده از شمش در ارتباط هستند. علاوه بر اين، حد پايين سرعت سيم، در زير مقداري است كه بازده برش افت مي كند. اين مسئله به دليل فشار هيدروديناميكي دوغاب در شكاف ورودي ايجاد مي شود. بنابراين، هيچ دوغابي قادر به رسيدن به بخش داخلي برش نيست و در نتيجه، كنترل فرايند از دست مي رود.
در يك فشار بار و سرعت سيم مجاز و معين، تغييرات در بازده برش كاري تحت تأثير قرار مي گيرد. اين مسئله مخصوصاً بوسيله ي مقدار دوغابي تحت تأثير قرار مي گيرد كه به نقطه ي برش كاري مي رسد. براي شمش هاي با سطح مقطع مدور،زاويه ي ورود (α) سيم نسبت به نمونه ي كاري براي نيمه ي اول برش، كمتر از 90 درجه است؛ در حالي كه براي نيمه ي دوم برش بزرگتر از90 درجه است (شكل 6). وقتي α زاويه ي حاد است (كوچكتر از 90 درجه است)، دوغاب به ناحيه ي برش كشيده مي شود. به عبارت ديگر، وقتي α منفرد باشد (بزرگتر از 90 درجه باشد)، لبه ي ورودي به واسطه ي مالش، دوغاب را از ناحيه ي برش، خارج مي كند. با مقايسه، اين مسئله شبيه ايجاد براده در اره هاي ID مي باشد (اما مكانيزم آن متفاوت است).
يك راه براي افزايش بازده برش، افزايش مقدار دوغاب وارد شده به ناحيه ي برشكاري مي باشد. براي مثال اين كار مي تواند با افزايش سرعت سيم يا افزودن مقدار لرزش هاي فراصوت به سيم، قابل حصول است. استفاده از مافوق صوت موجب انتقال موج هاي كوچك ضربه اي به ذرات و ورود آنها به ناحيه ي برش مي شود (شكل 7). استفاده از مافوق صوت اجازه ي برش سريع تر و بهبود هندسه را مي دهد. اين كار موجب افزايش خروجي به ميزان 30- 50 % مي شود، بدون آنكه زبري سطح تغييركند. علاوه بر پيچيدگي مكانيزمي، يكي از محدوديت هاي استفاده از مافوق صوت، افزايش اتلاف برش به دليل لرزش مي باشد؛ در حالي كه در زير سرعت براي سيم، اين سرعت بر روي دامنه ي لرزش اثري ندارد.

مقايسه كلي روش هاي برش مختلف

يكي از ضعف هاي روش هاي اره كاري با ساينده ي ثابت، جداشدن ذرات الماس از لبه ي برش به دليل سرعت هاي برخورد بالا و تنش هاي برشي موجود مي باشد. اين فهميده شده است كه ظرفيت برش ابزار به سرعت با زمان كاهش مي يابد. از اين رو، افزايش هزينه هاي عملياتي به دليل فرسوده شدن لبه ي برش ايجاد مي شود. در روش هاي بر پايه ي دوغاب، ذرات ساينده ي آزاد به صورت يك فرايند پيوسته به ناحيه ي برش افزوده مي شوند.
در بين روش ها، روش MBS با ناپاديداري هاي ديناميكي روياروست كه علت آن، وجود يك نقطه ي تماس بين تيغه و نمونه ي كاري و تغيير در پروفايل سايشي در طي فرايند برش مي باشد. اين مشكل به طور واضح در روش MWS وجود ندارد. در اين روش، سيم ها هواره با نمونه ي كاري در تماس هستند و اين سيم ها به طور پيوسته تجديد مي شوند.
فشار باراعمال شده در MWS (و FAST) بوسيله ي استحكام كششي نسبتاً پايين سيم ها، محدود مي شوند. اين مسئله موجب كاهش سرعت جداشدن ماده مي شود. در نتيجه، سرعت تغذيه ي مجازدر اره ي سيمي، در مقايسه با اره هاي ID، به طور قابل توجهي كاهش مي يابد و برخي از مزيت هاي مربوط به برش صدها ويفر در يك زمان، مختل مي شود. علارغم اين محدوديت ها، سرعت خروجي اره هاي سيمي، 5 تا 30 برابر بزرگتر از تكنولوژي ID هاي مدرن، مي باشد.
كاهش در هزينه هاي توليد ويفرهاي سيليكوني براي وسايل نيمه رسانا تا حدي با افزايش قطر ويفر، افزايش مي يابد. ويفرهاي سيليكوني كه در ابتدا داراي قطر 100 ميلي متر بودند، امروزه داراي قطر 200 ميلي متر هستند. هم اكنون تلاش ها بر روي استفاده از ويفرهاي سيليكوني 300 ميلي متري در خطوط توليد در حال انجام است و بحث ها در مورد استفاده از ويفرهاي 400 ميلي متري نيز شروع شده است. اين رويه مشكلات شديدي را در زمينه ي اره هاي ID ايجاد مي كند. در واقع ابعاد تيغه هاي مورد استفاده در اين اره ها بايد 4 برابر قطر شمش باشد. اين مسئله مستلزم افزايش ضخامت تيغه به منظور حفظ خاصيت صلبيت تيغه مي باشد . از اين رو اين مسئله صرفنظر از مشكلات طراحي، موجب افزايش اتلاف برش مي شود. با توجه به كار انجام شده بوسيله ي Oishi و همكارانش در سال 1998، يك اره ي ID براي يك شمش 200 ميلي متري، اتلافي برابر با 350 ميكرون ايجاد مي كند. كه با افزايش قطر تيغه به منظور برش سيليكون هاي 400 ميكروني، اين اتلاف به 500 ميكرون مي رسد. براي مقايسه بايد گفت: يك MWS مدرن كه از سيم هاي با قطر 180 ميلي متر استفاده مي كند، اتلاف برشي برابر با 220 ميكرون دارد. اين اتلاف براي ويفرهاي 400 ميكروني و با قطر بزرگتر، ثابت است.در روش MWS نسبت به روش ID، دانه هاي ساينده ي بزرگتر مورد استفاده قرار مي گيرند.
مزيت ها و محدوديت هاي اصلي تكنولوژي هاي برش مختلف در جدول 1 آورد شده است. امروزه، تنها تكنولوژي هاي برش ID و MWS به طور تجاري در خطوط توليد (براي برش با دقت بالاي ويفرهاي سيليكوني، مورد استفاده قرار مي گيرند.

تخريب هاي سطحي

به دليل نيازمندي هاي فني، فيزيكي، شيميايي و هندسي زيرلايه هاي مورد استفاده براي اجزاي ميكروالكتروني پيچيده، عيوب ريزساختاري، به طور خاص در لايه ي سطحي، مي تواند منجر به تغيير خواص زيرلايه شوند. عمموماً از آنجايي كه تمام انحرافات رخ داده در اين ملزومات مي تواند به عنوان عيب در نظر گرفته شود، تنها مهم ترين عيوب فيزيكي كه بوسيله ي ماشين كاري ايجاد مي شود را بيان كرده ايم. فرايند سايش ضرورتاً موجب ايجاد اثرات مكانيكي و گرمايي در مكان ايجاد برش، مي شود. تخريب هاي فيزيكي زير سطحي به چند ناحيه تقسيم بندي مي شود (شكل 8).
ناحيه ي اول كه به سختي تخريب شده است، يك ناحيه ي چند صد نانومتري تا چند ميكروني است كه ناحيه اي شبه پلي كريستالي است. اين ناحيه به دليل افزايش محلي دما به خاطر تغيير شكل الاستيك يا حركت ذرات ساينده بر روي شمش، ايجاد شده است. ساختار پلي كريستال منتج شده منجر به تغييرات برنامه ريزي نشده در خواص الاستيك ماده ي برش داده شده، مي شود. همچنين دانسيته و خواص مكانيكي اين بخش نيز تغيير مي كند. در زير اين لايه، ناحيه اي با دانسيته ي بالا از ميكروترك تشكيل شده است. ترك هاي عميق تر مي تواند در ناحيه ي انتقال نابجايي ها در بالاي يك ناحيه ي تنشي عاري از ترك، مشاهده شود. ميدان هاي تنشي بالا كه بوسيله ي ماشين كاري با مواد ساينده ايجاد مي شود، به طور محسوسي، غلظت نابجايي ها را افزايش مي دهد كه اين افزايش در حقيقت منجر به تنش هاي باقيمانده مكانيكي و گرمايي در لايه ي نزديك به سطح مي شود. در لايه هاي عميق تر، اين تنش ها با تغيير شكل الاستيك ماده ي بالك (يعني تنش هاي كرنشي)، خنثي مي شود. عدم تطابق در انبساط گرمايي و دانسيته ي ميان بخش آشفته ي نزديك به سطح و زيرلايه ي بالك غير آشفته، موجب تحدب يا پهن شدگي در ويفر مي شود كه به آن تاب يا قوس مي گويند.
عمق كلي نفوذ اين تخريب ها در حد چند ده ميكرومتر است و اين عمق به ديناميك فرايند جداكردن ماده وابسته است. سرعت هاي ضربه ي بالا كه بواسطه ي برخورد لبه هاي برش تكي بر روي نمونه ايجاد مي شود (مشابه اثري كه ساينده هاي ثابت ايجاد مي كنند)، عمق تخريب را در برش به روش FAM، افزايش مي دهد. علاوه بر اين، اثرات گرمايي در FAM نسبت به ماشين كاري با ساينده ي ثابت، كمتر است. يك اره ي ID 200 ميلي متري، داراي يك سرعت مماسي در حدود در ديواره ي داخلي خود است كه در مقايسه با سرعت ساينده هاي آزاد (در هر موردي)، بيشتر است. عمق تخريب در MWS به صورت تجربي در حدود 1.5 برابر قطر دانه هاي ساينده است و عموماً كمتر از نصف عمق تخريب است كه بوسيله ي ماشين هاي ساينده ي ثابت ايجاد مي شود. كاهش در عمق تخريب مي تواند دراصل با استفاده از كاهش اندازه ي دانه هاي ساينده حاصل شود كه اين مسئله منجر به كاهش نيروهاي دانه اي و كاهش ناحيه ي تخريب مي شود. به هر حال، قابليت انطباق و مناسب بودن نوع پيوند در ماده ي ساينده، مشكلات پيچيده تري را در سيستم هاي با ساينده ي ثابت، ايجاد مي كند. علاوه بر اين، سرعت جدا شدن ماده با قطر ساينده در FAM در ارتباط است. با اينحال، چندين مطالعه ي به چاپ رسيده، نشان داده اند كه در حقيقت، عمق تخريب سطحي در MWS مربوط به ويفرهاي سيليكوني، به ميزان 50 تا 60 % كمتر از ويفرهاي توليد شده با روش اره ي ID است (جدول 2).
اين مسئله همچنين در شكل 9 نشان داده شده است. در اين شكل، تصوير سطوح سيليكوني بدست آمده با استفاده از يكك ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشان داده شده است. اين ويفرها بوسيله ي اره ي ID و MWS برش داده شده اند. اين به نظر مي رسد كه سطح نمونه ي برش داده شده با MWS نرم تر است و ترك هاي عميق تري در ويفر برش داده شده با روش ID، مشاهده مي شود.

مسائل اقتصادي

هزينه هاي توليد حداقل براي زيرلايه هاي تك كريستال با دقت ابعادي بالا كه در مصارف ميكروالكترونيك و ميكرومكانيك مورد استفاده قرار مي گيرند، به احتمال زياد با فرايندهاي برشي حاصل مي شود كه داراي اتلاف برش اندك، تخريب سطحي اندك، تاب، تغييرات ضخامت اندك و نرخ توليد و بازده بالا هستند. ميزان اتلاف برش حداقل ضرورتاً به خاطر اين مسئله در نظر گرفته مي شود كه رشد تك كريستال ها داراي فرايندهاي پيچيده و هزينه هاي بالايي هستند. حداقل شدن ميزان تخريب سطحي و عيوب هندسي موجب مي شود تا هزينه هاي افزوده مربوط به زمان ماشين كاري متعاقب و هزينه هاي مربوط به آن كاهش يابد.
سرمايه گذاري هاي اقتصادي در مورد تكنيك هاي برش MWS و ID براي مواد تك كريستال با مقايسه ي معيارهايي همچون اتلاف برش (ميكرومتر)، سرعت برش ()، بهره وري از ماده ()، عمق تخريب سطحي (ميكرون) و توان عملياتي سالانه انجام مي شود. يك چنين بررسي هاي مقايسه اي بر روي معيارهاي عملياتي تكنيك هاي اصلي مورد استفاده براي برش سيليكون، در جدول 2 آورده شده است. در اين جدول داده هاي مربوط به برش سيليكون هاي پلي كريستالي را كه در كاربردهاي فوتوولتايي مورد استفاده قرار مي گيرد، نيز آورده است. اين داده ها مويد اين است كه روش اره كاري چند سيمه، داراي بهره وري و بازده بالاست و ميزان اتلاف برش و تخريب سطحي در آن نيز حداقل مي باشد.
در يك بازده توليد معادل 99 % و ضخامت 285 ميكرون براي ويفرهايي كه با روش MWS توليد مي شوند، يك صرفه جويي حداقل 25 % را ايجاد مي كند. اين صرفه جويي در هنگامي رخ مي دهد كه قطر سيم و اندازه ي دانه ي مواد ساينده به ترتيب از 180 ميكرون و 15 ميكرون به 100 ميكرون و 5 ميكرون كاهش يابد.
ساينده هاي SiC به تنهايي 35 % از هزينه هاي ماده ي مصرفي را در بر دارد. همچنين دوغاب مورد استفاده (ماده ي خنك كننده و ساينده) تقريبا 60 % از هزينه هاي ماده ي مصرفي در برش ويفرها با روش MWS را به خود اختصاص داده است. همچنين وقتي ميزان ضايعات موجود در اين دوغاب ها به 10- 20 % برسد، نياز است تا دوغاب تعويض گردد. به عبارت ديگر، تقريباً 10000 تن دوغاب زائد به صورت سالانه توليد مي شود. قيمت دوغاب هاي جديد از جنس مواد خنك كننده و SiC در حدود 10 دلار بر كيلوگرم است. با توجه به ميزان استفاده، هزينه ي استفاده از اين دوغاب ها بسيار بالاست. خوشبختانه اين ضايعات اغلب اجتناب ناپذير هستند. در حقيقت، تفكيك و سايش اين دانه هاي ساينده به طور قطع رخ مي دهد اما اين ميزان از تفكيك و سايش جزئي است. اگر تمام دانه هاي ساينده ي مشاركت كننده در برش، تنها يكبار استفاده شوند، اين مسئله با اين حالت هم ارز است كه سيم را با يك لايه از ماده ي ساينده پوشش دهيم (مشابه ماشين كاري با ساينده هاي ثابت). براي مثال حجم يك لايه ي منفرد از ذرات ساينده ي 10 ميكروني بر روي ماسوره هاي 500 km با سيم با قطر 180 ميكروني، كمتر از 2 ليتر بر برش مي باشد. در حقيقت، بازده برش يك دوغاب (aging slurry) عمدتاً بوسيله ي پيرسازي دوغاب كاهش مي يابد. اين كار با چسبيدن ذرات ريز حاصل از برش بر روي سطح ذرات ساينده انجام مي شود (شكل 10a).
اين ذرات آلوده كننده بر روي اين دانه ها ثابت شده اند و مشابه گلوله هاي بلبرينگ عمل مي كنند و از برش نمونه جلوگيري مي كند. بازيافت دوغاب مي تواند با استفاده از تأسيسات خاص قابل انجام مي باشد. در شكل 11 رويه ي انجام اين كار آورده شده است. يك نمونه از دانه هاي تميز شده در شكل 10b نشان داده شده است. اين رويه، يك فرايند با هزينه ي پايين است كه در واقع كار تميزكاري را تحت نيروي گريز از مركز مناسب انجام مي دهد. با استفاده از نيروي گريز از مركز، امكان جداسازي ذرات ريز حاصل از برش از ذرات ساينده وجود دارد. يك چنين تأسيساتي داراي بازدهي بالاتر از 85 % هستند. اين تأسيسات همچنين اجازه ي بازيافت و تصفيه ي مواد خنك سازي كننده را نيز مي دهد. اين بدين معناست كه استفاده از يك چنين تكنيكي نه تنها هزينه هاي مربوط به توليد ويفر از روش برش سيمي را كاهش مي دهد، بلكه همچنين مقدار مقدار 10000 تا 1500 تن لجن توليد مي كند كه اين مسئله موجب كاهش هزينه ها مي شود. در همين زمان، مسائل محيط زيستي در اين زمينه نيز كاهش مي يابد.