Taglio del silicio con seghe a filo

Il silicio (Si; peso specifico: 2,42 g/cm3; numero atomico: 14; massa atomica relativa: 28,086; punto di fusione: circa 1420 °C) è un metalloide semiconduttore utilizzato quale materiale di base (wafer) in microelettronica e quale substrato nelle celle fotovoltaiche. La produzione dei wafer di silicio, che utilizza una tecnologia molto sofisticata, consiste nel tagliare le barre di silicio, i cosiddetti lingotti, di elevata purezza chimica in fette aventi spessore variabile tra 150 e 300 µm e usualmente di 200 µm. L’evoluzione tecnologica delle attrezzature di taglio, vale a dire le seghe a filo, ha consentito di ridurre ulteriormente lo spessore del wafer a 120-140µm diminuendo i costi per il materiale e quindi quello del prodotto finito. Ulteriori riduzioni dello spessore del wafer sono limitate dall’aumento della fragilità del pezzo. Il procedimento di taglio a filo deve assicurare il rispetto di specifiche molto rigorose riguardanti la purezza chimica, l’ordine cristallografico, le tolleranze meccaniche micrometriche, la totale assenza di pulviscolo nonché la temperatura e l’umidità controllate.
Per l’operazione di taglio sono utilizzate apposite macchine, le seghe a filo, che impiegano fili elicoidali di acciaio. Tali fili sono disposti su supporti appropriati per mantenerli separati ed equidistanti. Il taglio avviene facendo scorrere il filo di acciaio sulla barra di silicio in presenza di una sospensione abrasiva (slurry). Le miscele di base possono essere costituite da oli minerali strutturati e legati in modo differente per assicurare elevate forze di taglio e basse perdite per attrito oppure da glicoli speciali (impiegati soprattutto nel settore fotovoltaico) che permettono di ottimizzare le condizioni di taglio con elevata dispersione del calore, finiture superficiali a bassa rugosità e riciclo della polvere abrasiva. Sono utilizzate anche miscele a base di acqua vantaggiose per quanto riguarda pulizia, raffreddamento e consumo energetico.

 

Le seghe a filo
La sega a filo, pur basandosi su un principio di funzionamento elementare, richiede una gestione molto complessa in quanto deve assicurare assoluta linearità meccanica, stabilità termica e affidabilità di esecuzione del processo produttivo. Infatti, il filo di acciaio ad alta resistenza, che presenta un diametro di 120 o 140 µm ed è in fase di valutazione anche filo con diametro di 100 µm, si avvolge attorno a una serie di guida-filo per dare origine a un ordito orizzontale composto da numerosi fili paralleli, fino a un migliaio. I guida-filo presentano una elevata velocità di rotazione per imprimere all’intero ordito dei fili, che durante il taglio sono bagnati con una miscela abrasiva, una velocità variabile da 5 a 25 m/s. Velocità maggiori possono comportare rottura sia del filo sia del silicio nonché imperfezioni nel wafer anche se vi sono risparmi nei costi energetici. Un parametro determinante per la qualità della lavorazione è la forza con cui la sega a filo penetra nel lingotto: normalmente il valore ottimale è di circa 30 newton e scostamenti da tale valore causano tagli imperfetti e spreco di materiale. Sono anche in fase di sviluppo seghe con fili di diametro minore e disposizione più ravvicinata in modo da realizzare wafer più sottili con minori sfridi di lavorazione. Il controllo del processo di taglio  avviene tramite un trasduttore che registra la forza esercitata sul silicio dalla sega a filo, acquisisce i dati di misura fondamentali, valuta le deviazioni dalla forza nominale e trasmette le informazioni al controllo di produzione che automaticamente corregge i parametri di funzionamento della sega a filo. Vi sono tre tipi di seghe a filo in funzione delle caratteristiche del filo utilizzato: slurry-based wire , diamond wire, structured wire.

Seghe a filo e slurry
Nelle macchine slurry-based wire viene utilizzata una miscela di carburo di silicio e glicole polietilenico, lo slurry, che, trasportata sui fili in movimento, effettua il processo di taglio per l’azione erosiva del carburo di silicio. Lo sviluppo tecnologico ha portato ad assottigliare i fili e a ridurre la dimensione dei grani di carburo di silicio al fine di ridurre gli sfridi del taglio.

 Seghe a filo diamantato
Le macchine diamond wire saw utilizzano fili diamantati per cui non serve ricorrere a una miscela abrasiva in quanto tale azione è svolta dalla superficie diamantata del filo. In questo modo si utilizza solo acqua quale elemento refrigerante. Con questa modalità di taglio è necessaria una gestione molto accurata del filo in quanto sulla sua superficie sono applicate mediante un materiale legante i frammenti di diamante riducendo sensibilmente la flessibilità del filo che comunque presenta il notevole vantaggio di poter lavorare a una velocità di taglio fino a 3 mm/min.

Seghe a filo strutturato
Viene proposto anche un nuovo tipo di filo, lo structured wire, caratterizzato da arricciature giacenti su due piani ortogonali, uno verticale e uno orizzontale, le quali facilitano il trasporto della miscela abrasiva consentendo di operare a una più elevata velocità di taglio.

 Il sistema di controllo
Per assicurare la qualità delle fette di silicio è necessario effettuare un controllo continuo del processo di taglio al fine di prevenire errori di produzione e perdite di materiale. Un sistema di controllo può essere costituito da un trasduttore di forza e da un amplificatore industriale. Il primo registra la forza esercitata dalla sega a filo sul silicio, il secondo acquisisce con continuità i valori di forza e li conferisce al controllo di produzione. Sono rilevate anche le deviazioni dalla forza nominale che vengono trasmesse  al controllo di produzione il quale corregge automaticamente i parametri di gestione della segatrice. Il continuo monitoraggio della forza di taglio favorisce una maggiore efficienza nella produzione dei wafer poiché gli eventuali errori rilevati possono essere corretti immediatamente in quanto il segnale di retroazione continua attiva un sistema di allarme che consente di rendere minimo lo scarto di materiale e di migliorare la qualità finale dei wafer.

 

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