浅析电镀金刚石线在切割硅材料中的应用

曹艳芬,宋庆军,闫 凯

浅析电镀金刚石线在切割硅材料中的应用

曹艳芬,宋庆军,闫 凯

(济宁半导体及显示产品质量监督检验中心,山东济宁 272000)

电镀金刚石线在硅材料切割中应用广泛,但国内技术工艺尚不成熟。文章就电镀金刚石线锯的工艺技术、结构,切割后硅片的处理等方面进行了综述,分析了国内电镀金刚石线锯切割的应用现状和发展前景。

电镀金刚石线；切割；硅材料；应用现状

1 前言

硅材料是目前最主要的光伏材料,具有熔点高、硬度大、有脆性、化学性质相对稳定的特点。目前可做太阳能电池材料的硅材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅。然而单晶硅、多晶硅材料都属于硬脆材料,加工难度大,材料成本高,加工表面质量要求高。硅材料的应用需经历截断、开方、切片等多种切割加工工序,加之随着科学技术的不断发展,硅片制造技术向直径越来越大、厚度越来越小、需求量越来越大的方向发展,因此完善硅材料的切割技术就显得尤为重要。

行业内对硬脆性材料的切割主要有以下要求 :高效率、低成本、窄切缝(材料利用率高)、损伤小、对环境污染小[1]。而目前电镀金刚石切割线广泛应用于硅材料切割中。避免切割过程中材料的损伤、提高材料的成品率是切割硅材料等硬脆材料的难点。本文主要综述通过改变电镀金刚石切割线的制备工艺、结构等方式克服切割的难点,分析了电镀金刚石切割线在硅材料切割中的应用现状,并对金刚石切割硅材料的前景进行分析。

2 电镀金刚石切割线在切割硅材料中的技术改进

2.1 电镀金刚石切割线

电镀金刚石切割线就是以金属为结合剂,通过金属的电沉积作用把金刚石磨料固结在芯线基体上而制成的一种线性切割工具,也是目前硅材料切割中主要使用的一种切割工具。硅片切割技术经历了最初的外圆片切割到内圆片切割,再到技术较为成熟的游离磨料砂浆线锯切割和固结磨料线锯切割[2]。固结磨料线锯切割就是将固体磨料固结在母线上,其磨料主要包括金刚石磨料和树脂。而电镀金刚石切割线是金刚石切割线固结磨料的一种形式。相对于树脂结合剂切割,电镀金刚石切割具有耐热性强,基体对金刚石颗粒的把持力大的特点,广泛应用于硅晶体材料、宝石等贵重硬脆材料的加工中。但电镀金刚石切割线使用寿命较短,因此,制造出更加持久、耐用、性能优异的金刚石切割线是当前研究的一个重要方向。

2.2 电镀金刚石切割线的主要指标参数

电镀金刚石切割线的主要指标参数包括:线径大小、均匀性,磨料的形状规格,镀层对磨料的把持力、镀层与基体的结合力等参数。这些参数直接影响金刚石切割线的性能。众所周知,在一定程度上,金刚线的线径越小,对切割材料的损伤越小,但同时会牺牲其机械强度,降低切割效率。2015年,国内金刚石线线锯直径的技术水平在0.1mm,而日本市场上已经出现了0.09mm、0.08mm的线锯。目前,国内市场上0.08mm线径的线锯大都是依赖国外进口母线进行再加工。因此,为控制好金刚石线锯的性能,研究者们在各个领域针对各种指标参数,做了诸多的研究。

2.3 电镀金刚石切割线在切割硅材料中的研究

2.3.1 电镀金刚石切割线的研究

高玉飞[3]研究了电镀金刚石锯丝的磨损形式,提出磨粒脱落为主要的磨损形式并通过提高磨粒的把持力而防止磨粒脱落,进而提高锯丝的寿命。另外还探讨了锯丝切入方向与被锯切晶体面的关系,提出锯切单晶硅材料(100)等各晶面时,首选锯丝切入方向。通过研究往复式电镀金刚石线锯加工单晶硅材料的锯丝速度、工件进给速度、切削液和总厚度偏差等对表面形貌、表面粗糙度、翘曲度等的影响,提出了锯丝磨损的形态和机理。李志强[4]等研究了锯丝运动速度、工件进给力、锯切力对单晶硅的工件质量影响,发现锯丝运动速度增加,锯切力减小,工件进给力增大,锯切力增加。吴平[2]还研究了电镀液配方、电流密度、镀液p H值、试剂等对镀层硬度、柔韧性、结合力和内应力的影响,并且试验得出了最佳电镀参数。

研究者们还通过改变金刚石线的结构形式来克服传统线锯寿命短、切割效率低的问题。F.Sehmid[5]等人研究了一种成形锯丝,制造出了泪滴型线锯,试验表明该线锯具有较高的稳定性,提高了材料的利用率。石川宪一[6]将线径0.1mm的两根钢琴线绞合后,通过二次电镀将直径为30～40μm的金刚石颗粒电镀在其表面,做成截面是传统锯丝截面50%,扭曲强度可达3倍于、切割效率2倍于传统线锯的绞合金刚石线锯,如图1所示。

图1 绞合金刚石线锯Fig.1 Twisted diamond wire saw

河北工程大学李海强[7]制作了三丝绞合电镀金刚石线锯。研究表明,在切割多晶硅硅锭时,三丝线锯较国产传统的单丝线锯的锯切表面质量好,切割能力强。但在较高的进给速度下,三丝线锯的磨损严重(如图2所示)。

图2 三丝绞合金刚石线锯Fig.2 Three wire twisted diamond wire saw

将固结金刚石锯丝接成环,通过导轮实现循环切割,称为环形固结金刚石线锯加工技术。环形锯丝的整个长度都参加切割,锯丝使用率高,锯切过程中无惯性力。山东大学孟剑锋[8]设计制造了环形电镀金刚石线锯,研究了锯丝速度、进给力、材料性质对材料的去除率、锯切力、加工表面粗糙度、加工表面损失层及锯丝磨损的影响。研究得出环形电镀金刚石线锯的加工表面质量好于往复式线锯;恒进给压力下,锯丝速度提高,切向锯切力减小,粗糙度值降低,单晶硅线锯加工损伤层厚度减小,但变化均较小,还在进行正交试验下找出最佳工艺参数的研究。

目前,国内硅材料切割使用的电镀金刚石线锯多是复合电镀镍-金刚石的方法、采用瓦特型镀液制造的,是线径为0.08mm、金刚石颗粒大小为3～5μm的、密度每平方毫米内约8个金刚石颗粒的线锯。

2.3.2 切割后硅片的研究

对于切割后硅片的研究主要通过扫描电子显微镜进行微观形貌观察,看切片切面是否平整即表面的粗糙度及有无严重的崩碎现象。但经进一步的研究表明,金刚石切割线切割后的硅片上存在难以去除的切割纹(如图3所示),一定程度上使硅片表面的反射率高,不能达到太阳能电池生产的标准。

图3 金刚石切割线切割后的切割纹Fig.3 Cutting surface after diamond wire cutting

南昌大学孟虹辰[10]研究了金刚石线锯切割多晶硅片沿切割纹方向和垂直切割纹方向的力学性能,发现经化学腐蚀抛光处理后的切割显著提高了硅片的临界应变,特别是富硝酸体系溶液制绒、提高过程温度、退火处理均能提高多晶硅片的临界应变,改善其抗断裂性能。南昌大学李妙[9]采用多种制绒方法处理金刚石线锯切割多晶硅片的表面形貌,以期提高金刚石切割硅片的反射率。研究表明气相蚀刻方法可以完全消除硅片表面的切割纹,制绒后所得绒面具有很好的减反射效果,反射率最低可达12%。南昌大学刘小梅[11]研究了酸体系制绒、碱体系制绒和气体刻蚀法制绒等,得出采用基于加热蒸发的酸混合溶液体系的气相刻蚀可以去除切割纹,降低光反射率的结论。

由此可见对硅片进行化学腐蚀抛光处理、蚀刻制绒、退火处理均可以有效改善晶体硅材料表面的裂纹影响,从而改善硅片的抗断裂性能。

3 未来发展的几点建议

电镀金刚石线锯由于其制造成本低、线锯直径小等特点,现已广泛应用于硅材料的切割加工。

我国对金刚石切割线的需求量大,研究尚处于发展阶段,还需要针对下述领域进一步展开研究,找准突破:

(1)对金刚石线锯使用前后镀层的内部结构变化进行分析研究,找准线锯失效的主要原因,进一步反推对镀层工艺研究的把控。

(2)对切割前后的硅材料结构进行细致分析,找出表面损伤机制,进一步把握金刚石线锯的研究方向。

(3)设计高性能电镀金刚石线锯与制备技术,特别是制备工艺流程的设计,攻关克难,找出技术突破口,做出高效精密的国产线锯。

4 结语

综上所述,国内的金刚石线锯产品尽管存在把持力低、寿命短的缺点,但通过对磨损形式的机理分析、对生产工艺参数的研究分析、对硅片材料的处理,可以在一定程度上改善电镀金刚石线锯在硅材料中的应用,但与国际上的技术差距还很大。我国对金刚石线锯的研究较晚,我们要认清形势、找准差距、厚积薄发,相信金刚石线锯技术的发展追赶上日本等技术发达国家指日可待。

[1] 高伟,刘镇昌,Philip Bex,等.超硬磨料在硬脆材料切割中的应用[J].金刚石与磨料磨具工程,2001(3):26-29.

[2] 吴平.电镀金刚石切割线镀层性能及其切割能力的研究[D].青岛科技大学,2013.

[3] 高玉飞.电镀金刚石线锯切割单晶硅技术及机理研究[D].山东大学,2009.

[4] 李志强,张栋,曹晓彦,等.电镀金刚石线锯切割单晶硅的试验研究[J].内江科技,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] 石川宪一.金刚石电沉积绞合线锯的开发[J].超硬材料工程, 2004,16(2):34-38.

[7] 李海强.三丝绞合电镀金刚石线锯切割晶体硅的性能研究[D].河北工程大学,2014.

[8] 孟剑峰.环形电镀金刚石线锯加工技术及加工质量研究[D].山东大学,2006.

[9] 李妙.金刚石线锯切割多晶硅片表面特性与制绒方法研究[D].南昌大学,2014.

[10] 孟虹辰.金刚石线锯切割多晶硅片力学性能及其改善[D].南昌大学,2014.

[11] 刘小梅.金刚石线锯切割多晶硅片的表面性质与刻蚀制绒方法研究[D].南昌大学,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

曹艳芬(1982-),女,工程师,硕士研究生,从事半导体及显示产品的检测、研究工作。

曹艳芬,宋庆军,闫凯.浅析电镀金刚石线在切割硅材料中的应用[J].超硬材料工程,2017,29(4):48-50.