摘要：通過雙向結構線鋸切割晶體硅片試驗，分析了切片表面的微觀形貌特點，研究了砂漿用量與進給速度對硅片表面粗糙度(Ra)、總厚度偏差(TTV)、翹曲度的影響大小。結果表明：結構線鋸切割晶體硅片表面參數正常，符合檢測標準，為切割效率提高，成本降低開辟了一條新的道路。

關鍵詞 結構線鋸 晶體硅片 切割

Study on The Machining Performance of Crystal Silicon Wafer Cut by Using New Structure Wire Saw

ZHAI DaDong,CHEN Jie

(TBEA SUNOASIS CO.,LTD, XinJiang 830011,China)

Abstract: fluid rate and ingot feed speed have significant dffects on the saw maching process.Based on reciprocating structure wire saw slicing silicon wafers experiments,the silicon wafer surface topography was analyzed,and the influences of fluid rate and feed speed on wafes surface roughness,total thickness variation(TTV),warpage were studied.The results indicate that the New Structure Wire Saw slicing crystal silicon wafer surface parameters, test standard, as the cutting efficiency, cost reduction has opened up a new road。

Key words：structure wire saw;crystal silicon wafer;cutting

1 引言

目前，太陽能硅片制造工藝主要流程為：單晶拉直或多晶澆鑄—開方—磨面和倒角—硅晶棒切片——清洗—分揀包裝。切片是把硅晶棒變為硅晶片的一道重要工序，其切片質量的好壞直接影響后續加工工序及最終加工質量。目前，切片的主要方法有兩種：一是利用鋼線鋸高速運行帶動懸浮在PEG中的碳化硅磨削晶棒實現切片；二是直接利用鋼線表面鑲嵌或電鍍有金剛石的金剛線鋸磨削晶棒塊實現切片[1-4]。由于第二種切片方式需要對現有設備進行改造，費用昂貴，且還需要改進電池片工藝，因此沒有廣泛推廣利用。而第一種工藝也存在切片質量不穩地，成本偏高的缺點，因此，如何提高硅片切割質量，降低成本是各個硅片生產廠家迫切需要解決的問題。

本文進行了結構線鋸雙向切割硅片的實驗，分析了切片表面微觀形貌特點及形成原因，研究了工藝參數對硅片的表面粗糙度、總厚度偏差(TTV)、翹曲度與亞表面損傷層厚度(SSD)的影響，并對實驗結果進行了分析。

2 試 驗

2.1 試驗方法


圖1 瑞士梅耶博格DS264型切片機示意圖

本實驗選用瑞士梅耶博格DS264型切片機進行雙向結構線鋸試驗。圖1為此切割裝置的示意圖。

2.2 實驗方案與硅片質量評價

因為結構線鋸具有降低砂漿用量，提高切割效率的優點，所以本文實驗方案將以砂漿用量和切割進給進行兩因子兩水平進行試驗。試驗后檢測硅片厚度和表面粗糙，以及切割后鋼線鋸和碳化硅磨損值，并與直鋼線鋸切割進行對比分析。

加工參數與切割條件如表1所示。使用基恩士3D掃描顯微鏡觀察切割的硅片表面形貌[5]；利用蔡司電子顯微鏡觀查碳化硅形貌；采用TR200型表面粗糙度測量儀沿工件進給方向測量硅片的表面線痕深度(Rt值)；采用WA-200硅片厚度電阻率測試儀測量硅片厚度差值(TTV值)；采用EXPLOIT塞尺測量硅片翹曲度。

表1 結構線鋸切割條件與加工參數



3 結果與討論

3.1 切割硅片表面形貌分析

圖2是分別采用不同切割條件切割的硅片表面形貌圖。由圖可知，硅片表面存在凹槽和損傷層。原因是鋼線鋸和硅錠同時擠壓碳化硅，產生較大的摩擦力，形成碳化硅磨削切割硅錠造成。結構線鋸切割產生的凹槽和損傷層與直鋼線鋸切割硅片相比沒有太大差別，不需要對后續太陽電池片的生產工藝進行調整，更不會對硅片效率產生影響。


3.2 砂漿用量對硅片Rt和TTV的影響

眾所周知，砂漿用量的減少，將導致切割硅片質量波動，甚至會增大斷線風險。而斷線的主要原因是硅粉導致砂漿粘度上升，碳化硅無法進入切割區域，鋼線磨損增大產生斷線。



上圖為結構線鋸在不同砂漿用量下切割的硅片照片，由圖可知，硅片表面沒有異常線痕。檢測硅片表面Rt和TTV值，當砂漿用量為330kg時，Rt值在8.52-10.62微米之間，TTV值在4.31-5.42微米之間；當砂漿用量為270kg是，Rt值在9.16-10.25微米之間，TTV值在4.25-6.23微米之間。Rt值和TTV值隨著砂漿用量降低而略有增加，但是最高不超過11，符合A類片標準。

3.3進給速度對硅片Rt和TTV的影響

眾所周知，切割進給速度將加大對鋼線的壓力，提高切割效率的同時，也增加了斷線的風險。而斷線的主要原硅錠對鋼線的壓力加大，摩擦力增加，鋼線磨損加大，超出了鋼線承受范圍導致斷線[6]。


由圖可知，進給速度由0.31mm/min提高到0.34mm/min時，硅片線間距由0.18mm增加到0.24mm，但硅片沒有異常線痕。檢測硅片表面Rt和TTV值得出，當切割進給0.31mm/min時，Rt值在7.25-8.12微米之間，TTV值在3.47-6.68微米之間；當切割進給速度為0.34mm/min時，Rt值在8.57-10.60微米之間，TTV值在4.32-6.85微米之間；Rt值和TTV值隨著切割進給速度略有增加。即進給速度增加，結構線鋸也能切割出滿足質量要求的硅片。

3.4鋸切工藝參數對硅片翹曲度的影響

硅片的翹曲會導致在后續電池片上產過程中產生碎片，造成二次損失。同時，結構線鋸與直鋼線鋸的外觀形貌由很大區別，因此對其切割硅片的翹曲度進行測量[7]。結果顯示，結構線鋸切割晶片的翹曲度值在20-30微米之間，當切割進給速度由0.31mm/min增加到0.34mm/min時，硅片翹曲度增大了2.24微米，增加幅度不大。

晶片產生翹曲的主要原因是鋸切時，鋸絲與工件接觸區域長度的變化帶來切割區溫度的變化，導致硅棒的熱膨脹變化，因此鋸切區域的溫度對晶片的翹曲度有很大的影響[8]。結構線鋸切割進給增加時，硅片翹曲度并沒有明顯增大的原因有兩方面，一方面是試驗中切割鋼線速度沒有變化；另一方面，結構線鋸特殊的形貌使其帶砂能力相比直鋼線來說更強，進入切割區域的砂漿量增加，對切割區域的冷卻性能的到加強，可以緩解進給速度提高導致摩擦熱上升的問題。

3.5結構線鋸及磨損情況

線鋸切割機在切割硅棒時，鋸絲由于高壓和強烈的摩擦，以及可能的高溫作用，碳化硅微粒的運動切割以及大的拉力和循環往復運動使鋸絲產生拉斷和疲勞斷裂，降低鋸絲的使用壽命[9]。因此，必須關注不同切割條件下，線鋸和碳化硅的磨損情況，規避斷線風險。



由圖5右可知，270kg切割時結構線鋸表面的銅鋅鍍層還留存一部分，而在0.34mm/min進給下，銅鋅鍍層已經完全磨損掉。



表2為結構線鋸切割前后線徑檢測數據。由表可知，砂漿用量為270kg時，磨損值為11.2微米，橢圓度為2.34；切割進給速度為0.34mm/min時，磨損值為12.5微米，橢圓度為3.24。切割進給速度增加比砂漿用量降低對鋼線磨損和橢圓度的影響略大，與相同切割條件下直鋼線的磨損和橢圓度相比較更低。



由圖6可知，結構線鋸切割后的碳化硅（1500#）的形貌保持較好，其中粒徑（D50）由8.3微米降低為8.05微米，磨損了0.25微米，與直鋼線相比略有減少。

主要原因是結構線鋸帶砂能力較直鋼線更好，切割時其表面附帶有更多砂漿，硅棒直接接觸和磨損表面的機會下降導致其磨損和橢圓度更低，同時，碳化硅的磨損值也略有下降，切割硅片外觀質量更好。

4 結 論

結構線鋸切割時，砂漿用量降低和進給速度提高后，硅片的Rt值、TTV值和翹曲度略有增加，符合A類片標準，而且，切割后結構線鋸磨損和橢圓度，以及碳化硅磨損值可以控制在正常范圍內，可以降低砂漿用量，提高切割效率。

參考文獻:

[1] 任丙彥,王平,李艷玲,李寧,羅曉英.Si片多線切割技術與設備的發展現狀與趨勢[J].趨勢與展望,2010,,35(4):301-304.

[2] Hardin C W,Shih A J,Lemaster R L.Diamond Wire Machining of Wood[J].Forest Products Journal,2004,54(11):50-55.

[3] 高偉,劉迎,劉鎮昌.環形電鍍金剛石線鋸鋸切工藝參數的正交實驗研究[J].機械設計與制造,2006,(4):91-92.

[4] 丁寅,魏昕.游離磨料線切割硅晶體中的磨粒力學行為研究綜述 [J].金剛石與磨料磨具工程,2011,31(1):47-52.

[5] Agarwal S,Rao P V.Experimental Investigation of Surfane/Subsurface Damage Formation and Material Removal Mechanisms in SiC Grinding[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2008,48(6):398-710.

[6] 徐徐光,周國安.多線切割晶體表面質量研究[J].電子工業專用設備,2008,166(11):20-23.

[7] 李保軍,馬濤. 多線切割工藝中切割線直徑對翹曲度影響的研究 [J].電子工業專用設備,2009, 2(8):16-19.

[8] Puneet G,Milind S K.Warp of Silicon Wafers Produced from Wire Saw Slicing:Modeling,Simulation,and Experiments[J].ECS Transactions,2006,2(2):123-134.

[9] 靳永吉.線鋸切割失效機理的研究[J].電子工業專用設備,2006,142(11):25-27.