曹艷芬,宋慶軍,閆 凱

淺析電鍍金剛石線在切割硅材料中的應(yīng)用

曹艷芬,宋慶軍,閆 凱

(濟寧半導(dǎo)體及顯示產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,山東濟寧 272000)

電鍍金剛石線在硅材料切割中應(yīng)用廣泛,但國內(nèi)技術(shù)工藝尚不成熟。文章就電鍍金剛石線鋸的工藝技術(shù)、結(jié)構(gòu),切割后硅片的處理等方面進行了綜述,分析了國內(nèi)電鍍金剛石線鋸切割的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

電鍍金剛石線；切割；硅材料；應(yīng)用現(xiàn)狀

1 前言

硅材料是目前最主要的光伏材料,具有熔點高、硬度大、有脆性、化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的特點。目前可做太陽能電池材料的硅材料包括單晶硅、多晶硅、非晶硅。然而單晶硅、多晶硅材料都屬于硬脆材料,加工難度大,材料成本高,加工表面質(zhì)量要求高。硅材料的應(yīng)用需經(jīng)歷截斷、開方、切片等多種切割加工工序,加之隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,硅片制造技術(shù)向直徑越來越大、厚度越來越小、需求量越來越大的方向發(fā)展,因此完善硅材料的切割技術(shù)就顯得尤為重要。

行業(yè)內(nèi)對硬脆性材料的切割主要有以下要求 :高效率、低成本、窄切縫(材料利用率高)、損傷小、對環(huán)境污染小[1]。而目前電鍍金剛石切割線廣泛應(yīng)用于硅材料切割中。避免切割過程中材料的損傷、提高材料的成品率是切割硅材料等硬脆材料的難點。本文主要綜述通過改變電鍍金剛石切割線的制備工藝、結(jié)構(gòu)等方式克服切割的難點,分析了電鍍金剛石切割線在硅材料切割中的應(yīng)用現(xiàn)狀,并對金剛石切割硅材料的前景進行分析。

2 電鍍金剛石切割線在切割硅材料中的技術(shù)改進

2.1 電鍍金剛石切割線

電鍍金剛石切割線就是以金屬為結(jié)合劑,通過金屬的電沉積作用把金剛石磨料固結(jié)在芯線基體上而制成的一種線性切割工具,也是目前硅材料切割中主要使用的一種切割工具。硅片切割技術(shù)經(jīng)歷了最初的外圓片切割到內(nèi)圓片切割,再到技術(shù)較為成熟的游離磨料砂漿線鋸切割和固結(jié)磨料線鋸切割[2]。固結(jié)磨料線鋸切割就是將固體磨料固結(jié)在母線上,其磨料主要包括金剛石磨料和樹脂。而電鍍金剛石切割線是金剛石切割線固結(jié)磨料的一種形式。相對于樹脂結(jié)合劑切割,電鍍金剛石切割具有耐熱性強,基體對金剛石顆粒的把持力大的特點,廣泛應(yīng)用于硅晶體材料、寶石等貴重硬脆材料的加工中。但電鍍金剛石切割線使用壽命較短,因此,制造出更加持久、耐用、性能優(yōu)異的金剛石切割線是當(dāng)前研究的一個重要方向。

2.2 電鍍金剛石切割線的主要指標(biāo)參數(shù)

電鍍金剛石切割線的主要指標(biāo)參數(shù)包括:線徑大小、均勻性,磨料的形狀規(guī)格,鍍層對磨料的把持力、鍍層與基體的結(jié)合力等參數(shù)。這些參數(shù)直接影響金剛石切割線的性能。眾所周知,在一定程度上,金剛線的線徑越小,對切割材料的損傷越小,但同時會犧牲其機械強度,降低切割效率。2015年,國內(nèi)金剛石線線鋸直徑的技術(shù)水平在0.1mm,而日本市場上已經(jīng)出現(xiàn)了0.09mm、0.08mm的線鋸。目前,國內(nèi)市場上0.08mm線徑的線鋸大都是依賴國外進口母線進行再加工。因此,為控制好金剛石線鋸的性能,研究者們在各個領(lǐng)域針對各種指標(biāo)參數(shù),做了諸多的研究。

2.3 電鍍金剛石切割線在切割硅材料中的研究

2.3.1 電鍍金剛石切割線的研究

高玉飛[3]研究了電鍍金剛石鋸絲的磨損形式,提出磨粒脫落為主要的磨損形式并通過提高磨粒的把持力而防止磨粒脫落,進而提高鋸絲的壽命。另外還探討了鋸絲切入方向與被鋸切晶體面的關(guān)系,提出鋸切單晶硅材料(100)等各晶面時,首選鋸絲切入方向。通過研究往復(fù)式電鍍金剛石線鋸加工單晶硅材料的鋸絲速度、工件進給速度、切削液和總厚度偏差等對表面形貌、表面粗糙度、翹曲度等的影響,提出了鋸絲磨損的形態(tài)和機理。李志強[4]等研究了鋸絲運動速度、工件進給力、鋸切力對單晶硅的工件質(zhì)量影響,發(fā)現(xiàn)鋸絲運動速度增加,鋸切力減小,工件進給力增大,鋸切力增加。吳平[2]還研究了電鍍液配方、電流密度、鍍液p H值、試劑等對鍍層硬度、柔韌性、結(jié)合力和內(nèi)應(yīng)力的影響,并且試驗得出了最佳電鍍參數(shù)。

研究者們還通過改變金剛石線的結(jié)構(gòu)形式來克服傳統(tǒng)線鋸壽命短、切割效率低的問題。F.Sehmid[5]等人研究了一種成形鋸絲,制造出了淚滴型線鋸,試驗表明該線鋸具有較高的穩(wěn)定性,提高了材料的利用率。石川憲一[6]將線徑0.1mm的兩根鋼琴線絞合后,通過二次電鍍將直徑為30～40μm的金剛石顆粒電鍍在其表面,做成截面是傳統(tǒng)鋸絲截面50%,扭曲強度可達3倍于、切割效率2倍于傳統(tǒng)線鋸的絞合金剛石線鋸,如圖1所示。

圖1 絞合金剛石線鋸Fig.1 Twisted diamond wire saw

河北工程大學(xué)李海強[7]制作了三絲絞合電鍍金剛石線鋸。研究表明,在切割多晶硅硅錠時,三絲線鋸較國產(chǎn)傳統(tǒng)的單絲線鋸的鋸切表面質(zhì)量好,切割能力強。但在較高的進給速度下,三絲線鋸的磨損嚴重(如圖2所示)。

圖2 三絲絞合金剛石線鋸Fig.2 Three wire twisted diamond wire saw

將固結(jié)金剛石鋸絲接成環(huán),通過導(dǎo)輪實現(xiàn)循環(huán)切割,稱為環(huán)形固結(jié)金剛石線鋸加工技術(shù)。環(huán)形鋸絲的整個長度都參加切割,鋸絲使用率高,鋸切過程中無慣性力。山東大學(xué)孟劍鋒[8]設(shè)計制造了環(huán)形電鍍金剛石線鋸,研究了鋸絲速度、進給力、材料性質(zhì)對材料的去除率、鋸切力、加工表面粗糙度、加工表面損失層及鋸絲磨損的影響。研究得出環(huán)形電鍍金剛石線鋸的加工表面質(zhì)量好于往復(fù)式線鋸;恒進給壓力下,鋸絲速度提高,切向鋸切力減小,粗糙度值降低,單晶硅線鋸加工損傷層厚度減小,但變化均較小,還在進行正交試驗下找出最佳工藝參數(shù)的研究。

目前,國內(nèi)硅材料切割使用的電鍍金剛石線鋸多是復(fù)合電鍍鎳-金剛石的方法、采用瓦特型鍍液制造的,是線徑為0.08mm、金剛石顆粒大小為3～5μm的、密度每平方毫米內(nèi)約8個金剛石顆粒的線鋸。

2.3.2 切割后硅片的研究

對于切割后硅片的研究主要通過掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察,看切片切面是否平整即表面的粗糙度及有無嚴重的崩碎現(xiàn)象。但經(jīng)進一步的研究表明,金剛石切割線切割后的硅片上存在難以去除的切割紋(如圖3所示),一定程度上使硅片表面的反射率高,不能達到太陽能電池生產(chǎn)的標(biāo)準。

圖3 金剛石切割線切割后的切割紋Fig.3 Cutting surface after diamond wire cutting

南昌大學(xué)孟虹辰[10]研究了金剛石線鋸切割多晶硅片沿切割紋方向和垂直切割紋方向的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)經(jīng)化學(xué)腐蝕拋光處理后的切割顯著提高了硅片的臨界應(yīng)變,特別是富硝酸體系溶液制絨、提高過程溫度、退火處理均能提高多晶硅片的臨界應(yīng)變,改善其抗斷裂性能。南昌大學(xué)李妙[9]采用多種制絨方法處理金剛石線鋸切割多晶硅片的表面形貌,以期提高金剛石切割硅片的反射率。研究表明氣相蝕刻方法可以完全消除硅片表面的切割紋,制絨后所得絨面具有很好的減反射效果,反射率最低可達12%。南昌大學(xué)劉小梅[11]研究了酸體系制絨、堿體系制絨和氣體刻蝕法制絨等,得出采用基于加熱蒸發(fā)的酸混合溶液體系的氣相刻蝕可以去除切割紋,降低光反射率的結(jié)論。

由此可見對硅片進行化學(xué)腐蝕拋光處理、蝕刻制絨、退火處理均可以有效改善晶體硅材料表面的裂紋影響,從而改善硅片的抗斷裂性能。

3 未來發(fā)展的幾點建議

電鍍金剛石線鋸由于其制造成本低、線鋸直徑小等特點,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于硅材料的切割加工。

我國對金剛石切割線的需求量大,研究尚處于發(fā)展階段,還需要針對下述領(lǐng)域進一步展開研究,找準突破:

(1)對金剛石線鋸使用前后鍍層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進行分析研究,找準線鋸失效的主要原因,進一步反推對鍍層工藝研究的把控。

(2)對切割前后的硅材料結(jié)構(gòu)進行細致分析,找出表面損傷機制,進一步把握金剛石線鋸的研究方向。

(3)設(shè)計高性能電鍍金剛石線鋸與制備技術(shù),特別是制備工藝流程的設(shè)計,攻關(guān)克難,找出技術(shù)突破口,做出高效精密的國產(chǎn)線鋸。

4 結(jié)語

綜上所述,國內(nèi)的金剛石線鋸產(chǎn)品盡管存在把持力低、壽命短的缺點,但通過對磨損形式的機理分析、對生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究分析、對硅片材料的處理,可以在一定程度上改善電鍍金剛石線鋸在硅材料中的應(yīng)用,但與國際上的技術(shù)差距還很大。我國對金剛石線鋸的研究較晚,我們要認清形勢、找準差距、厚積薄發(fā),相信金剛石線鋸技術(shù)的發(fā)展追趕上日本等技術(shù)發(fā)達國家指日可待。

[1] 高偉,劉鎮(zhèn)昌,Philip Bex,等.超硬磨料在硬脆材料切割中的應(yīng)用[J].金剛石與磨料磨具工程,2001(3):26-29.

[2] 吳平.電鍍金剛石切割線鍍層性能及其切割能力的研究[D].青島科技大學(xué),2013.

[3] 高玉飛.電鍍金剛石線鋸切割單晶硅技術(shù)及機理研究[D].山東大學(xué),2009.

[4] 李志強,張棟,曹曉彥,等.電鍍金剛石線鋸切割單晶硅的試驗研究[J].內(nèi)江科技,2013,34(5):49-49.

[5] F.Schmid,M.B.Smith,C.P.Khattak.Kerf Reduction Using Shaped Wire[C].Conference Record of the IEEE photovoltaic Specialists Conference,1993:205-208.

[6] 石川憲一.金剛石電沉積絞合線鋸的開發(fā)[J].超硬材料工程, 2004,16(2):34-38.

[7] 李海強.三絲絞合電鍍金剛石線鋸切割晶體硅的性能研究[D].河北工程大學(xué),2014.

[8] 孟劍峰.環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工技術(shù)及加工質(zhì)量研究[D].山東大學(xué),2006.

[9] 李妙.金剛石線鋸切割多晶硅片表面特性與制絨方法研究[D].南昌大學(xué),2014.

[10] 孟虹辰.金剛石線鋸切割多晶硅片力學(xué)性能及其改善[D].南昌大學(xué),2014.

[11] 劉小梅.金剛石線鋸切割多晶硅片的表面性質(zhì)與刻蝕制絨方法研究[D].南昌大學(xué),2014.

Brief Analysis of the Application of Electroplated Diamond Wine in Silicon Material Cutting

CAO Yan-fen,SONG Qing-jun,YAN Kai
(Jining Quality Supervision and Inspection Center of Semiconductor and Display Products,Jining,Shandong 272000,China)

Electroplated diamond wire is widely used in silicon material cutting,but the technology is not mature yet in china.The technology and structure of electroplated diamond wire and the wafer processing after cutting and some other aspects have been reviewed.Meanwhile,the application status and development prospect of the electroplated diamond wire in China has been analyzed.

electroplated diamond wire;cutting;silicon material;application status

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0048-03

2017-06-12

曹艷芬(1982-),女,工程師,碩士研究生,從事半導(dǎo)體及顯示產(chǎn)品的檢測、研究工作。

曹艷芬,宋慶軍,閆凱.淺析電鍍金剛石線在切割硅材料中的應(yīng)用[J].超硬材料工程,2017,29(4):48-50.