光伏硅片金剛石線多線切割機切割參數(shù)優(yōu)化探究

趙 果

（廣東長信精密設備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 前言

半導體制造是光伏行業(yè)發(fā)展的重要前提，硅材料的加工是半導體制造的重要基礎。雖然在科技不斷進步的背景下，半導體材料的研究發(fā)展在不斷進步，材料的種類逐漸變得更加豐富，但是，在世界范圍內，仍然有90%以上的半導體材料以硅類物質為加工材料。因此，如何發(fā)展高質量、高純度、高水平的硅片生產(chǎn)技術，已經(jīng)是現(xiàn)階段半導體行業(yè)當中的研究重點。

如今，常用的金剛石顆粒線鋸是以高強度的鋼絲為基礎，通過科學的方式將硬度優(yōu)質、耐磨性強的金剛石顆粒安置在鋼絲母線上所形成的。現(xiàn)階段常見的金剛石線鋸有3種生產(chǎn)方法：1）通過電鍍的方式，將顆粒電鍍固定在基礎線上；2）通過近似于樹脂黏合劑的方式，利用樹脂硬化進行加工；3）通過機械方式強硬地將顆粒擠壓到鋼絲當中。金剛石多線切割設備與內圓切片以及游離磨料切割方式相比，有更高的優(yōu)點，包括，硅片加工質量更佳、切縫更細小、工作進度更快、環(huán)保性能好，能夠很好地應用在高硬度材質的加工工作當中。現(xiàn)階段中，逐漸有更多的生產(chǎn)企業(yè)以及有關學者開始重視對于金剛石線鋸的研究與應用，并且在部分領域中取得良好的成果，該文以日本高鳥企業(yè)制造的金剛石線鋸作為對象進行研究。

1 光伏硅片切割方式簡介

在近幾年中，隨著硬脆性材質不斷發(fā)展，種類變得越來越多，技術不斷優(yōu)化的背景下，硬脆材料的加工機械也變得更加先進，得到了飛躍性的提升。其中，金剛石線鋸切割技術具有極為重要的地位以及價值。硅片加工對于加工工藝以及效率有著極高的要求標準，要求更高的加工效率、成本損耗、加工質量，環(huán)保性能，此外，在日常加工中，金剛石內圓切割技術、金剛石外圓切割技術、游離磨料線技術，金剛石線切割技術是最常見的幾類加工方式，并且這些加工方式各有其優(yōu)點，有針對性運用情景，也有其不足的缺陷[1]。

1.1 外圓切割機

最早期應用的加工結構方式是外圓切片機，通過在鋸片外圓上遍布金剛石顆粒，設計為切割設備，最早起源于19世紀的歐洲，在人造金剛石的發(fā)展下，達到了使用巔峰。但是在外圓加工的過程中，其加工效率會受到震動以及噪音的干擾。當設備高速就開始，會產(chǎn)生110dB以上的噪聲，不但會造成環(huán)境污染，同時還會影響加工精度。有個學者通過實驗的方式分析出鋸片空轉狀態(tài)下的頻率以及共振效果。最終得出結論，頻率受到刀片直徑的影響，隨著直徑的增大,頻率會逐漸降低。同時，加工的材料的厚度通常為刀片直徑的1/3，因此，合理提高刀片的直徑有利于減少共振頻率以及提升切割效率，但是在設備結構的限制下，如果刀片直徑過大就會造成厚度變薄的問題，剛度較弱，徑向承載切割應力，導致變形的情況，增大材料的磨損，影響制造質量，且加工的直徑也十分有限，通常在100mm內，因此，外圓切片機多用于食材以及路面加工工作當中，極少用于硅片加工。

1.2 內圓切割機

金剛石內圓切片機是將刀片的外圈穩(wěn)固在設備當中，運用刀片內部鑲嵌的金剛石作為刀具展開加工。整個刀片因為張力的原因而穩(wěn)固在設備上，刀片也由于張力的影響而提高的刀片本身的剛性。所以，刀片的厚度可以適當降低，最低可以降到0.2mm，減少了對材料的耗損。隨著技術的不斷發(fā)展，該類型切割機器成為了過去階段中的主要加工技術，具有加工穩(wěn)定性高、切縫細、節(jié)約材料的優(yōu)勢，經(jīng)常應用在玻璃，藍寶石等材料的加工過程當中[2]。如今，隨著芯片制造要求的增加，硅片的發(fā)展也逐漸向著厚度的趨勢前進，這期間內圓切片機不適用于大制定薄片材料切割的缺點也逐漸暴露出來。對于200mm以下的單晶硅加工都會到來較為嚴重的變形問題，針對碳化硅晶體等超硬類型材料，由于硬度過高的原因，導致切割加工十分受阻，設備損耗較高，長期加工使用會導致使用性能嚴重下降。

1.3 游離磨料線切割設備

游離磨料的線切割方式，有效地改善了傳統(tǒng)切片設備的缺陷，能夠加工材料的直徑更大，切縫更細，并且消耗更低，同時能夠回避由于刀具自身的影響而造成的切割故障問題，具有更優(yōu)質的切割質量。但是，在硅棒去除機理中，因為該類型的切割技術是通過砂漿結合金剛石顆粒形成的滾壓釬入完成加工切割，金剛石在經(jīng)過硅片外表面時造成裂紋問題，還有可能導致硅片表面出現(xiàn)殘余應力以及相變層，而受到參與應力的影響，會造成硅片出現(xiàn)翹曲變形問題，需要之后進行修整，且加工精度也難以掌控[3]。

1.4 現(xiàn)代固結金剛石線切割機

現(xiàn)代固結金剛石線多線加工技術能夠有效解決游離磨料線加工不足的問題，是當前加工硬脆材質的主要研究領域。相比于其他技術而言，金剛石線多選7個技術，具體具備以下優(yōu)勢：1）更長的切割距離，改善以往外圓、內圓加工技術中的尺寸制約，零件的加工尺寸更大。2）切縫更細，金剛石線將高強度鋼絲作為基礎母線，其線徑較細，能夠制作直徑1 mm以下的各種絲線，該文研究的日本高鳥公司所制造的金剛石線，是基于（0.11±0.01）mm為母線加工出平均直徑在（0.14±10） mm金剛石線，在切割實驗中，對于硅棒的切縫損失0.17 mm。3）更快的加工效率，在高速切割的情況下，因為該切割技術中金剛石被安裝在鋼絲上，所以不會出現(xiàn)磨料流入長深切縫的問題，相對于游離磨料線鋸切割技術具有更高的切割技術，更高的加工質量；內圓切割技術在加工反力的影響下，有可能會導致崩片問題，而金剛石線因為采用線性切割技術進行加工，所以加工操作更加平穩(wěn)。4）能夠進行更高強度的材料切割，在對于碳化硅或者其他高強度材料的加工過程時，增加金剛石顆粒的切割技術能夠避免其他加工技術中存在的刀具損耗嚴重的問題，具有良好的切割性能。

綜上可知，如今對芯片的加固標準逐漸提升，高硬度材料應用越來越普遍，強化對于金剛石線多線切割技術的具有極為重要的價值性。

2 金剛石多線切割機的加工機理

現(xiàn)階段中大多數(shù)晶體硅太陽能設備中所運用的硅片都是由砂漿多線切割技術進行制作的，雖然硅片的表面質量相較于早期的切割技術有了較大程度地提升，但是該操作方式需要消耗很多的碳化硅磨料以及切削液，工作成本偏高，砂漿難以回收，會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。像比之下，固結金剛石顆粒的多線切割設備的優(yōu)勢就變得更加突出。固結金剛石切割技術最早起源于20世紀80年代，其工作效率高于其他切割方式，且無須消耗漿料，更加環(huán)保。金剛多線切割機所加工的表面質量，主要受到工藝參數(shù)的影響，因此要通過實驗的方式進行明確，此外，探究新設備對于硅棒的加工機理，也會影響到設備的工作效率，所以一定要進行針對性研究，為設備質量的優(yōu)化提供研究基礎。

由表1可知，單晶硅的抗拉強度要遠高于抗剪強度，所以，在具體的加工過程中，如果硅棒承受過大的剪切力，就有可能導致破碎的情況，對加工質量造成影響。參考有關資料，可知脆性材料的切割力以及加工表面效果關系到其斷裂韌性，斷裂韌性越高，被加工材料的切向力和法向力就更高。

表1 單晶硅的基本特性

2.1 硬脆材料的切除機理

因為很多單晶硅以及多晶硅都是脆性材料，而在實際加工的過程中很容導致裂紋的產(chǎn)生，進而對硅晶體的使用強度造成影響，導致?lián)p壞的問題，降低后續(xù)加工的設備質量。因此，探究金剛石線切割工作中的單、多晶硅等硬脆材質的去除機理，是改善設備參數(shù)，增強硅片加工的重要前提[4]。

常見硬脆材料有2種去除方式，分別是脆性斷裂去除以及塑性流動去除。脆性去除方式會導致碎粒尖端出現(xiàn)裂紋，進而導致硅片表面劃損更重；塑性去除方式是讓硅棒在塑性區(qū)內進行切割，在被切割時產(chǎn)生塑性流動，完成加工。

國外學者通過測定脆性材料硬度壓痕實驗，探究出材料在載荷狀態(tài)下的斷裂機理，明確斷裂與塑性之間的臨界載荷Pc，如公式（1）所示。

式中：0λ為綜合系數(shù)，；CK為材料的斷裂韌性；H是材料的硬度。

如果實際載荷CPP< ，硅棒會出現(xiàn)塑性切割，對金剛石顆粒的影響下，出現(xiàn)塑性切割，不會產(chǎn)生裂紋；如果的實際載荷CPP> ，硅棒就會出現(xiàn)脆性去除，加工時產(chǎn)生裂痕導致?lián)p壞情況較大。

另一部分的科學研究人員結合斷裂力學基礎，深化了切割過程中塑性以及脆性的深度問題，構建了數(shù)學模型，如公式（2）所示。

式中：E是材料的彈性模量，KC為斷裂強度，H為硬度，hc為單晶硅的臨界深度。

根據(jù)有關資料填入對應數(shù)值，最終換算出Hc=0.158um，也就是在進行單晶硅材質切削的過程中，金剛石顆粒最大切削深度低于臨界深度，那么在加工時期中只會出現(xiàn)塑性切除。

還有學者在基于此基礎進行深入計算，深度分析相關參數(shù)，最終得出結論：如果適當增強詩句的速度、通過較小的進給速度以及不大的磨粒尺寸，硅可以在延性域內消除，能夠提高加工質量。

我國國內學者陳明君在對于超精密模具單晶硅的研究當中，通過對魔力尺寸以及硅片加工質量的深化探究，如果選用磨粒尺寸小于25μm的金剛石砂輪，能夠單晶硅在塑性模式下完成加工，最終清除表面的裂紋。

2.2 單顆金剛石顆粒切割的深度分析

金剛石線多謝切割硅棒的去除機理類似于磨削加工，將金剛石線比擬為金屬結合劑的砂輪，通過金剛石對目標進行加工，在單顆金剛石切割深度較低的基礎上，達到塑性域切削的效果。由上文可知，硅棒的切割機理是有會受到切削深度的影響。在加工過程中，起到刀具作用的金剛石顆粒最先與硅棒進行接觸，金剛石的最大切割深度小于單晶硅材質的臨界切深時，加工機理為塑形去除，也就是要符合μm，反之即為脆性去除。

由于金剛石線的具體加工質量會受到企業(yè)加工工藝的控制，其顆粒分布是否平均、面積是否類似、大小是否相同硬性參數(shù)，不同的企業(yè)生產(chǎn)加工會得到多種生產(chǎn)結果。該文重點分析日本高鳥金剛石電鏡掃描結果，假設金剛石顆粒能夠確保平均分布，且顆粒大小均勻類似。結合江西某公司獲取的具體切割數(shù)值，假設加工過程中設備的走線速度為900m/min，對應供電的進給速度為VW=1m/min。

根據(jù)對應公式分析，單顆金剛石的最高切削深度如下。

由此可知，最大切角深度小于單晶硅單晶硅臨界深度，因此，加工方式為塑性去除，最終加工完成的硅晶體質量最佳。

另外，通過由hMAX

式中：VW為工件的的進給速度，VS為金剛石線的走線速度。

該階段中，金剛石顆粒的最高切角深度小于臨界切深，因此在切割進行時為塑性去除，由公式可知，在金剛石確定的條件下，金剛石線上的顆粒數(shù)為固定數(shù)值，那么單顆金剛石的最高切削深只會收到工件加工速度以及線鋸的工作速度影響。兩者之間成正比關系，金剛石顆粒的最高切削深度，會隨著工件進給速度加快而增加，隨著走線速度的降低，也會導致切削深度提高。因此，科學控制金剛石多線切割設備的總線速率以及工件進給速度對硅片的切割效果帶來極大影響，具有極為關鍵的控制作用[5]。

2.3 工件最大恒進給力的決定

對于設備的機加工進給力主要做到有效管理，如果進給力過低，那么就會對工件的加工效果造成影響；如果進給力過高，那么就會對導致線出現(xiàn)金剛線出現(xiàn)線弓的情況，會干擾線鋸的實際切割性能，所以，一定要科學地分析實際建工情況，來決定合理的進給力范圍。

在實際加工的過程當中，常見的硅棒為128×128與156×1562種尺寸，在進給速率方面切割整個硅棒的時間略長于：

之后結合實際加工過程當中線鋸的實際情況來判斷進給力的具體取值區(qū)間。線弓情況具體是指，在實際加工的過程當中，設備進行進給，金剛石線在進行工件切割的時候，由于壓力而產(chǎn)生的彎曲量。并且在不同的部位中，所產(chǎn)生的具體線弓量也有很大的差別。

從實驗獲取的的金剛石線對工件最高豎直方向的反力：h=3.5mm。通過對單根的金剛石進行受力分析可知，工件的支反力為式中：F指的是單根金剛石的最高張緊力，h為工件豎直方向的反力，θ為線鋸收到反力后所形成的夾角度數(shù)，AB為設備加工寬度。

結合具體的加工需求，槽輪的槽輪中心距為460 mm，工件寬度為128 mm或者156 mm，為了確保AB最低，因此選取156 mm寬的工件，可知：

由此得到在輪上的布線共計有1520根，由此計算出，工件的最大總支反力：

由于再具體加工的過程當中，加工的向下進給力較低，由此可判斷出在某一瞬間的工件進給力與工件支反力相同，那么最大進給力：

通過改靜態(tài)條件下進給力與張緊力之間的關系可知：

通過上式可知，當線弓感應器接收到線弓情況提高的時候，就說明金剛石線的張緊力正在提升，那么就有可能會導致斷線的情況，為了減少線弓問題，在發(fā)現(xiàn)線弓上升時，機頭的進給力也會隨之降低，管理進給的電機收到信號進而降低功率，減小轉速，降低設備的進給速度[6]。

3 結語

半導體零件是現(xiàn)代太陽能光伏行業(yè)的重要基礎，硅材質生產(chǎn)與加工又是半導體行業(yè)發(fā)展的重要基礎，在科技不斷發(fā)展的背景下，材料的類型也在不斷變化，雖然材料種類在增多，但是世界范圍內仍然有90%以上的半導體產(chǎn)業(yè)是以硅材質為加工基礎。硅棒的加工一直到最終芯片的生產(chǎn)會經(jīng)歷過極為煩瑣的化學機械生產(chǎn)過程，包括硅棒切片、表面研磨、拋光，制絨等。其中硅片的切割作為整個硅材質加工的重要基礎，也是首要工序，其加工質量會直接影響芯片的制作效果，在切割硅片時，加工參數(shù)的變化會影響到最終的加工質量以及效率，因此，分析并增強硅材料的切割技術參數(shù)對于硅片加工具有極為重要的作用，該文重點研究了單顆金剛石最大切削深度對加工質量的影響，最終得出結論，提高總線速率，降低材料進給速率，能夠有效提高硅片的表面加工質量。