金刚石线锯切割晶体硅模式研究
第３３卷第２期 ２０１１年６月 南昌大学学报（工科版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、 ＶｏＪ．３３ ＮＯ．２ Ｊｕｎ．２０１１
文章编号：１００６—０４５６（２０１１）０２—０１９４—０６
金刚石线锯切割晶体硅模式研究
蔡二辉，汤斌兵，周浪
（南昌大学太阳能光伏学院，江西南昌３３００３１）
摘要：通过单颗金刚石刻划晶体硅实验和金刚石线锯切割晶体硅片表面形貌观察，分析研究了金刚石线锯切 割晶体硅的模式。结果表明：在较大正压力下刻划时，金刚石主要以脆性模式切割晶体硅，划痕呈破碎崩坑状，在 单颗金刚石刻划实验条件下可看到脆性解理条纹；而在较小的压力下，金刚石主要以塑性模式切割晶体硅，划痕相 对平直光滑；金刚石线锯切割晶体硅片时，硅片表面呈现大量由脆性断裂留下的不规则凹坑和较长的光滑划痕，显 示出以脆性模式与塑性模式混合切割模式。分析其原因可能是由于切割过程中线锯正下方对晶体硅的压力较大， 以脆性模式进行多颗粒反复刻划；而与此同时，线锯侧面金刚石颗粒以小得多侧向压力对切割暴露出的硅表面进 行蹭磨刻划，因此产生塑性模式刻划。 关键词：硅；切割；金刚石线锯 中图分类号：ＴＮ３０５．１ 文献标志码：Ａ
Ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｄｅ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｗｉｒｅ Ｓａｗ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ
ＣＡＩ Ｅｒ—ｈｕｉ，ＴＡＮＧ Ｂｉｎ—ｂｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｌａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｅｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｗａｓ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｌａｒ ｗａｆｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉ—
ｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｃｏｒｉｎｇ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｓｌｉｃｉｎｇ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ
ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｅｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ，ｕｎｃ￣ｅｒ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｓ— ｓｕｒｅ，ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｓ ｃｕｔ ｂｙ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｉｎ ｂｒｉｔｔｌｅ ｍｏｄｅｌ，ｗｉｔｈ ｂｒｏｋｅｎ ｐｉｔｓ ｏｎ ｃｕｔ ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ ｂｒｉｔｔｌｅ
ｃｌｅａｖａｇｅ ｓｔｒｉｐｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｃｏｒｉｎｇ ｔｅｓｔ；ｕｎｄｅｒ ｌｏｗｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｓ ｃｕｔ ｂｙ ｄｉａ— ｍｏｎｄ ｉｎ ｐｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｗｉｔｈ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｆｉａｔ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈ ｓｃｒａｔｃｈｅｓ．Ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒｓ ｓｌｉｃｅｄ ｂｙ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ。ｔｈｅｒｅ
ｗｅｒｅ ｌｏｔｓ ｏｆ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｐｉｔｓ，ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｍｏｏｔｈ ｓｃｒａｔｃｈｅｓ ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅｍ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｔｔｌｅ
ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｍａｙ ｂｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｗａｓ ｈｉｇｈ，ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｓ ｃｕｔ ｉｎ ｂｒｉｔｔｌｅ ｍｏｄｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｘｐｏｓｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｏｕｌｄ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ ｂｅ ｓｃｒａｔｃｈｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ ｄｉａｍｏｎｄｓ ｏｎ ｌａｔｅｒａｌ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅ ｓａｗ，ｕｎｄｅｒ ａ ｍｕｃｈ ｌｏｗｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｃｕｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎ ｐｌａｓ—
ｔｉｃ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａ ｃｕｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ａ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ｂｒｉｔｔｌｅ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍｏｄｅ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｄｉ－ ａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ ｓｌｉｃｉｎｇ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃｕｔｔｉｎｇ；ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ ｓａｗ
金刚石线锯是指在不锈钢丝基体上电
基合金，固结镶嵌高硬度、高耐磨性的金冈 镀一层镍
０石颗粒，
制成的一种切割工具。它最早出现在２０世纪８０年
代，具有更高的切割效率，无需浆料等优点，因此受
到越来越广泛的关注，并有望成为晶体硅等硬脆材 料切片技术的未来发展方向…。金刚石线锯应用
到太阳电池硅片加工行业，将大大降低晶体硅太阳
电池的制作成本，有利于晶体硅太阳电池的纵深发
展。而金刚石线锯切割硅片的翘曲度、弯曲度、总厚
度误差、中心厚度误差等表面质量，需要通过切割机
收稿日期：２０１０—１１—２０ 作者简介：蔡二辉（１９８３一），男，硕士生；通信作者：周浪（１９６２一），男，教授，博士生导师，ｌｚｈｏｕ＠ｎｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 引文格式：蔡二辉，汤斌兵，周浪．金刚石线锯切割晶体硅模式研究［Ｊ］．南昌大学学报：工科版，２０１１，３３（２）：１９４—１
９９ 第２期 蔡二辉，等：金刚石线锯切割晶体硅模式研究
制和模型及实验的研究进一步确定。
金刚石对脆性材料的压痕、刻痕实验和机制，已 有学者进行了较多的研究 Ｊ。宗文俊等 在金刚
石超精密切削晶体硅的研究中指出，对于晶体硅材
料有一个脆性转变的最小临界值，当最大切削厚度 小于此临界值时，硅表层以塑性方式去除为主，可以
获取超光滑的加工表面。一些学者 应用分子动
力学方法建立了单晶硅超精密磨削过程的分子动力 学仿真模型，模拟了晶体硅磨削去除的过程机制。
磨削过程中，磨粒附近的单晶硅表面及内部有变形 存在，但无明显的裂纹产生，材料的去除方式应为塑
性模式。金刚石刀具精密加工的硅片 经过典型
拉曼光谱检测，证实了在高压力下，硅片的表面薄层 转变为非晶硅（仅一Ｓｉ），非晶硅层下仍然是晶体硅，
接近非晶硅层的位错密度比更深的区域要高。电导
率的测量表明 ：硅片上的凹槽从缺口边缘逐渐接
近压头时，电导率有了很大的增加，由半导体变为导 体，说明压头下的单晶硅可能已转变为金属相。大 家一致认为，相转变和位错滑移是晶体硅畸变的２
个主要机制，而多数学者更多地支持相转变的观点。
金刚石加工晶体硅的机制模式对其加工硅片效率和
硅片表面损伤的控制有很大的影响，因此很有必要 对金刚石加工晶体硅的机制模式进行深入研究。
学者们对金刚石线锯切割硅片的实验和机制研 究较少。金刚石线锯切割脆性材料的去除机制与磨
削相似，锯丝相当于金属结合剂的砂轮，固结的金刚
石磨粒对晶体硅耕犁，在单颗粒切削深度足够小的 前提下，可以实现塑性域切削，类似于两体“磨粒一 磨损”的耕犁效应 Ｊ。与游离磨料砂浆线锯切割相
比，金刚石线锯切割相当于尖锐压头在脆性材料表
面上刻划，而刻划比游离磨料形成的压痕表面裂纹
浅 。因此，金刚石线锯有望能切割加工出更高表 面质量的切片。
本文通过金刚石线锯刻划切割晶体硅片和单颗 金刚石在不同的压力下刻划硅片的实验，对比观察
了刻划切割硅片的表面形貌，并测试了刻划后硅片
的电学性能等，研究分析了金刚石刻划切割的模式 和机制，提出了金刚石线锯加工晶体硅片的去除机 制模式。
１ 实验方法
１．１实验材料与设备
取自正常生长的Ｐ型多晶硅锭进行切割实验，
在精细机械抛光的单晶硅片上进行单颗金刚石颗粒 的刻划实验。切割设备为沈阳科晶ＳＬＸ一６０１Ａ型
往复式单线切割机，最大的线速度为２ ｍ／ｓ，依靠砝
码的重量和液压系统控制工件的进给速度，切割过 程中使用循环水作为切屑液并进行冷却。采用的金
刚石线锯直径为２７０ ｐｂｍ，其表层均布尺寸为 ＿）２０～ ３０ ｍ的金刚石颗粒，如图１所示。
图１金刚石线锯的ＳＥＭ微观形貌 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｗｉｒｅ
１．２实验过程 与太阳电池硅片切割生产中一致，切割垂直于
晶体生长方向进行，主要切割工艺参数如表１所示。 刻划实验中，使用单颗金刚石在不同的压力下对抛
光后的单晶硅片进行刻划，添加水作为切削液，旨在 模拟金刚石线锯上单颗金刚石在切割晶体硅过程中
的具体去除机制模式。切割后的硅片在无水乙醇中
超声波清洗１０ ｍｉｎ，超纯水清洗数次，１８％的ＨＣＩ溶
液中清洗５ ｍｉｎ，然后在超纯水超声波清洗１０ ｒａｉｎ， 超纯水冲洗数次，冷风烘干备用。
表１切割实验工艺参数 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｌｉｃｉｎｇ 割ｍ ／ ｍ 速ｓ署线 ／切割液（ ・ｓ ） （ ・ ） ……’
２ ６ ３０ 水
１．３分析及检测 采用ＳＥＭＩＬＡＢ公司生产的ＷＴ一２０００Ｐ型少子 寿命测试仪对刻划后的硅片进行少子寿命的面扫 描，采用９０４ ｎｍ的激光注人（对于晶体硅，注入深
度大约为３０ ｍ），观察分析刻痕处少子寿命的变 化。用ＦＥＩ—ＱＵＡＴＡ一２００Ｆ型扫描电子显微镜
（ＳＥＭ）观察分析金刚石线锯切割硅片，单颗金刚石
刻划硅片的刻痕和游离磨料多线锯切割硅片的表面 形貌。
２结果与讨论
图１为金刚石线锯的表面形貌，
可见表面镀层 南昌大学学报（工科版）
固结掩埋了金刚石颗粒的较大部分，有一小部分尖
端和棱面露出表面，用于磨削切割加工。切割过程 中，高速走丝的金刚石线锯在加载负荷的作用下，对
晶体硅进行切割，相当于多个单颗金刚石在材料表
面进行磨削刻划。因此为便于分析，我们进行了单 颗金刚石刻划经精细抛光的晶体硅片的实验。
图２（ａ），（ｂ），（Ｃ），（ｄ）为单颗金刚石在不同压 力下在单晶硅片上刻划痕的ＳＥＭ照片。由图２可
知：在３，６ Ｎ压力下表面的刻痕较细微，边缘未见明
显的破碎崩边，刻痕有一定宽度；而在９ Ｎ压力下中 心刻痕较宽，且边缘可见明显的连续崩边，致使刻痕
宽度基本大于３００ Ｉｘｍ；在１２ Ｎ压力下，刻痕更宽，
并出现叠层崩边，崩边破碎更为严重。分析原因，在
（ａ）３ Ｎ
（Ｃ）９ Ｎ （ｄ）１２ Ｎ 图２单颗金刚石刻划硅片刻痕的ＳＥＭ微观形貌 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ｓｃｒａｔｃｈｉｎｇ ｏｎ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉａｍｏｎｄ
较小压力下，晶体硅表面仅仅发生一定塑性变形，表 现为平直光滑的划痕；在较大的压力下，形成侧向微
裂纹扩展至表面，形成解理纹崩边。压痕断裂力学
金刚石线切割技术简析
金刚石线切割技术简析
技术简介
以生产工艺划分，金刚石线可以分为电镀金刚石线和树脂金刚石线。金刚石切割线是通过一定的方法，将金刚石镀覆在钢线上制成，通过金刚石切割机，金刚石切割线可以与物件间形成相对的磨削运动，从而实现切割的目的。
金刚石线是用复合电镀的方法将高硬，高耐磨性的金刚石微粉固结在钢丝基体上，而制成固结磨料金刚石锯线。在切割过程中90%的抗拉强度来自钢丝线，因此钢丝线对金刚石线至关重要。
在自由磨料线锯切割过程中，研磨液由喷嘴直接喷到钢丝线与硅晶体上，由线网的钢丝线带动游离磨料对硅晶体进行切割。与游离磨料不同，金刚石线将金刚石微分固结到钢丝线上，钢丝线往复移动对硅晶体进行切割。
图：金刚石线构成轴剖面图
技术优势 传统砂浆的利用钢丝的快速运动将含磨料的液体带入到工件切缝中，产生切削作用。在切割过程中，碳化硅被冲刷下来，唯有持续进行滚动磨削，而减少切割效率。碳化硅的硬度 9.5（莫氏），而金刚石硬度在 10（莫氏）。金钢线切割线速度基本在 15m/s，正常切割的砂浆线速度基本在 9-11.5m/s。而若金钢线再做突破的话，就应该是要更硬，同时兼有更好的自锐性（多晶金刚石），更稳定的固结方式，更快的线速度。
金刚石切割线相比传统工艺有三大优势：
1）金刚石线切割漏损少，寿命长，切割速度快，切割效率高，提升产能；
2）品质受控，单片成本低，金刚石线切割造成的损伤层小于砂浆线切割，有利于切割更薄的硅片；
3）环保，金刚石线使用水基磨削液（主要是水），有利于改善作业环境，同时简化洗净等后道加工程序。
添加剂原理
随着金刚石线切割技术的发展及单多晶竞争的日益激烈，多晶硅片将全部由砂浆线切割转变为金刚石线切割。不过由于金刚石线切割多晶硅片的损伤层浅、线痕明显等问题，常规砂浆线的酸制绒难以在其表面刻蚀出有效的减反射绒面。
切削液对金刚石线锯切割单晶硅片质量的影响
第30卷 第8期
2008年8月武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.30 No.8 Aug.2008
切削液对金刚石线锯切割单晶硅片质量的影响
高玉飞,葛培琪,李绍杰,侯志坚
(山东大学机械工程学院,济南250061)
摘 要: 选择4种切削液进行了电镀金刚石线锯切割单晶硅片的试验,研究了不同种类切削液对硅片的表面形貌、表
面粗糙度、翘曲度和总厚度偏差的影响,分析了切削液对线锯切片过程的作用机理。研究结果表明,合成液对提高硅片
的表面形貌质量,降低硅片的表面粗糙度、翘曲度和总厚度偏差的综合效果最好。
关键词: 金刚石线锯; 单晶硅片; 切片; 切削液
中图分类号: TH117文献标识码: A文章编号:167124431(2008)0820086203
ResearchonInfluenceofCuttingFluidonSlicingSingle2crystalSilicon
WafersQualityUsingElectroplatedDiamondWireSaw
GAOYu2fei,GEPei2qi,LIShao2jie,HOUZhi2jian
(SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)
Abstract: DifferentcuttingfluidswereselectedtosliceSingle2crystalsiliconwafersbyusingelectroplateddiamondwiresaw.
Theinfluencesofcuttingfluidsonthesiliconwaferssurfaceappearance,surfaceroughness,warpandtotalthicknessvariation
(TTV)wereresearched,andthecuttingfluidsactionmechanisminwiresawslicingwasanalyzed.Theexperimentalresults
金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析
2011年2月第1期第31卷总第181期金刚石与磨料磨具工程Diamond&AbrasivesEngineeringFeb.2011No.1Vo.l31Seria.l181
文章编号:1006-852X(2011)01-0053-05
金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析*
黄波1,2高玉飞1,2葛培琪1,2(1.山东大学机械工程学院,济南250061)(2.高效洁净机械制造教育部重点实验室,济南250061)摘要采用电镀金刚石线锯对单晶硅进行了锯切实验,使用扫描电子显微镜对单晶硅锯切的表面缺陷与锯丝失效机理进行了研究,分析了走丝速度和工件进给速度对锯切单晶硅表面缺陷特征的影响。分析发
现:线锯锯切的硅片表面缺陷主要有较长较深的沟槽、较浅的断续划痕、材料脆性去除留下的表面破碎及
个别较大较深的凹坑。走丝速度增大,工件进给速度降低,锯切材料的表面缺陷逐渐由以脆性破碎凹坑
为主转,变为以材料微切削去除留下的塑性域剪切沟槽为主。锯丝的主要失效形式为金刚石磨粒的脱
落,脱落的磨粒在锯切过程中被挤压嵌入加工表面造成较大尺寸较深的凹坑,对材料表面和亚表面质量
的损害更为严重。
关键词金刚石线锯;单晶硅;表面缺陷;磨损中图分类号TQ164;TG74文献标识码ADOI编码10.3969/.jissn.1006-852X.2011.01.013
Studyonsurfacedefectandwirewearmechanismduringsinglecrystal
siliconslicingwithelectroplateddiamondwiresaw
HuangBo1,2GaoYufei1,2GePeiqi1,2
(1.SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)
(2.KeyLaboratoryofHighEfficiencyandCleanMechanicalManufacture(ShangdongUniversitg),
金刚石线切割技术简析 2
金刚石线切割技术简析
技术简介
以生产工艺划分，金刚石线可以分为电镀金刚石线和树脂金刚石线。金刚石切割线是通过一定的方法，将金刚石镀覆在钢线上制成，通过金刚石切割机，金刚石切割线可以与物件间形成相对的磨削运动，从而实现切割的目的。
金刚石线是用复合电镀的方法将高硬，高耐磨性的金刚石微粉固结在钢丝基体上，而制成固结磨料金刚石锯线。在切割过程中90%的抗拉强度来自钢丝线，因此钢丝线对金刚石线至关重要。
在自由磨料线锯切割过程中，研磨液由喷嘴直接喷到钢丝线与硅晶体上，由线网的钢丝线带动游离磨料对硅晶体进行切割。与游离磨料不同，金刚石线将金刚石微分固结到钢丝线上，钢丝线往复移动对硅晶体进行切割。
图：金刚石线构成轴剖面图
技术优势 传统砂浆的利用钢丝的快速运动将含磨料的液体带入到工件切缝中，产生切削作用。在切割过程中，碳化硅被冲刷下来，唯有持续进行滚动磨削，而减少切割效率。碳化硅的硬度 9.5（莫氏），而金刚石硬度在 10（莫氏）。金钢线切割线速度基本在 15m/s，正常切割的砂浆线速度基本在 9-11.5m/s。而若金钢线再做突破的话，就应该是要更硬，同时兼有更好的自锐性（多晶金刚石），更稳定的固结方式，更快的线速度。
金刚石切割线相比传统工艺有三大优势：
1）金刚石线切割漏损少，寿命长，切割速度快，切割效率高，提升产能；
2）品质受控，单片成本低，金刚石线切割造成的损伤层小于砂浆线切割，有利于切割更薄的硅片；
3）环保，金刚石线使用水基磨削液（主要是水），有利于改善作业环境，同时简化洗净等后道加工程序。
添加剂原理
随着金刚石线切割技术的发展及单多晶竞争的日益激烈，多晶硅片将全部由砂浆线切割转变为金刚石线切割。不过由于金刚石线切割多晶硅片的损伤层浅、线痕明显等问题，常规砂浆线的酸制绒难以在其表面刻蚀出有效的减反射绒面。
金刚石线在多晶产业的应用
金刚石线在多晶产业的应用
目前金刚石线在多晶切割中的技术瓶颈已基本解决，生产正快速转换为金刚石线切割。
（一）金刚石线在多晶产业应用中的现状及未来趋势：
1、历史：金刚石线切割多晶硅片面临断线风险和制绒困难两大问题：
（1）断线：铸锭晶体中存在的硬点可能会在切割过程中造成断线;
（2）制绒：金刚石线固结切割方式导致切割后的硅片表面损伤程度较浅、表面划痕密，从而导致了更高的反射率损伤层浅，沿用现行酸性湿法制绒后依然存在较高的反射率，制成电池后效率比砂浆切割硅片低了将近0.4 个百分点。
2、现状：金刚石线+黑硅的组合技术能基本解决这一问题；
3、未来：主要多晶硅企业开始大规模推广金刚石线+黑硅技术推广，预计2018年将基本完成对砂浆切割的替换。但无论如何，在多晶硅行业技术升级和成本下降的巨大压力推动下，金刚石线切割技术通过叠加黑硅技术在多晶领域已经开始获得规模化应用。考虑到原有砂浆切割资产投入较大，而金刚石线改造成本较低，大部分多晶硅企业可能采用对原有设备进行改进的方式
（二）黑硅制绒技术
近几年，主要多晶硅企业开始探索解决的办法，一种比较受认可的途径是，在多晶硅电池片环节采用黑硅技术。黑硅电池，核心是通过刻蚀技术，一方面在常规硅片表面制绒的基础上形成纳米级的小绒面，从而加大陷光的效果降低反射率，增加对光的吸收；另一方面，通过二次刻蚀来降低表面复合，从而将常规电池的转换效率绝对值提高。
黑硅制绒特点：
硅片选择性不强；更低的表面反射率；电池组件产品外观优秀；电池表面钝化技术难度增加；需考虑组件CTM损失匹配。
黑硅制绒实现方式：
反应离子刻蚀法（RIE）；金融辅助化学腐蚀法（MACE）；图形掩膜化学腐蚀法；激光法。
金刚线在单晶、多晶切片的应用现状及需求趋势
金刚线在单晶、多晶切片的应用现状及需求趋势
1
金刚线应用现状
金刚线切割技术优势巨大，替代传统砂浆线。金刚线主要应用于晶体硅和蓝宝石等硬脆材料的切割，相较传统的砂浆钢线切割具有效率高（4-5倍切割速度）、损耗少出片率高（多出15-20%硅片）、环境污染小（无有机液）、产品质量高的优势。金刚线中电镀金刚线又以单片耗线量低、线径规格小、切割效率高的突出优点受到市场广泛青睐，优于树脂金刚石线。
单晶硅2016年普及，降低成本提升竞争力。单晶硅因质地均匀率先实现金刚线工艺配套，从而较早实现金刚线替代传统砂线切割工艺。国内2016年金刚线在单晶硅切片实现完全渗透替代。使用金刚石线后，单晶硅片成本下降10%-15%，组件成本下降5%-8%。借助于金刚石线切割带来的成本差距的缩小，及一期“领跑者”计划过于强调高效率，单晶硅组件市场份额从2015年的18%跃升至2017年的30%，市场份额得到提升。
多晶硅2017年全面替代，“金刚线 黑硅 PERC”实现低成本高效组件放量。2016年至今黑硅及PERC等技术的成熟解决了金刚线切割多晶导致后端植绒工艺问题，且大幅降低成本同时提升电池效率，达到1 1 1>3的效果，带来了金刚线在多晶片切割应用成井喷式发展。此技术使得多晶电池转化率达到20.5%，性能媲美单晶，同时成本极大下降，预计市场占比将大幅回升，金刚线作为耗材直接受益。由于传统砂浆切片机改为金刚线机仅需要20万元，大多数多晶硅企业已大举改造，预计2017年底切片机改造将达到90%以上，金刚线需求井喷式爆发。
金刚线中短期供不应求，长期靠品质提升提高集中度。我们预计2017年全球80GW光伏组件出货量，单/多晶硅占比分别为25%和65%，完成替代后光伏行业对金刚线需求达到约2440万KM，而蓝宝石衬底行业金刚线需求量为400万-500万KM，则总需求量2840万-2940万千米，而现有总产能仅1900万千米，缺口巨大，行业盈利能力强。供不应求状态预计在2018年方能缓解。以光伏组件产量年增长10GW、蓝宝石行业增长率30%测算，2018、2019年金刚线需求分别为3078万KM、3110万KM， 预计2018年扩产项目全部达产后总产能约3058万KM，供需基本平衡，行业转向质量竞争，同时集中度得到提升。
金刚线切割单晶硅片工艺技术理论研究
金刚线切割单晶硅片工艺技术理论研究
摘要：随着国内金刚线制造和应用技术的不断成熟，加之市场需求的快速增长不断的刺激金刚线制造技术发展迅速，金刚线切割工艺已成为行业内硅片制造技术发展趋势[1]。如何通过有效的切割技术及现场控制，降低金刚线切割生产成本，就是硅片制造技术需要研究的重要方向。本文主要针对金刚线切割技术及过程中切割异常分析进行分析。
关键词 ：金刚线细线切割；排线拉斜；排线间距
1.引言
目前光伏企业发展以“降本增效”为主旋律。如何提高太阳能硅片切割效率、降低单片耗线成为近几年关注的问题。影响硅片切割质量的因素主要有：金刚线品质、所用主辊（切割辅材）刻槽工艺、切割设备性能的稳定性、减少硅片切割单端钢线磨损度、控制硅片切割质量、降低切割异常。
2.金刚线切割技术的发展
对于硅片切割来说，切片的加工技术和加工方式将对加工的质量和速度产生关键的影响。因此，对于硅片加工工艺的基本原则是：成型精度高，平面度高，制件翘曲值低和厚度精度高[2]；切割断面保证完整；提高加工效率，避免材料损耗。在硅片切割技术中，多线切割技术以其生产量高，硅片直径适用范围广，翘曲值低，表面损伤浅，表面光洁度低等多项优势被广泛应用。硅片多线切割技术包括砂浆切割工艺和金刚石线切割工艺。
3.金刚线切割种类及不同切割工艺简介
3.1 硅片切割种类、切割耗材的不同，可分为两类:
a.砂浆切割技术。 砂浆切割方式是以游离式的切割模式，靠悬浮液的炫富碳化硅，再通过线网的带动，进行磨削切割。其切割方式见图1。
图1 砂浆切割方式
砂浆切割工艺是一种游离式切割方式。该工艺以结构线为基体，莫氏硬度为
9.5 的碳化硅（ SiC）作为切割刃料，结构线在高速运动过程中带动切割液和碳化硅混合的砂浆进行摩擦，利用碳化硅的研磨作用达到切割效果。随着国内光伏产业规模的扩张以及带来的利润降低，通过降低生产成本、提高生产效率来维持企业竞争力势在必行。在过去的三到五年内，主要通过对切割砂浆的技术改进来实现成本的控制，但目前已无法实现进一步降本。所以金刚线切割技术突破则是硅片加工成本下降的重要途径，也是未来硅片切割的趋势。
金刚石线锯超声切割SiC的研究
金刚石线锯超声切割SiC的研究
摘 要：本文分析了一些传统的SiC切割方法的一些优缺点，介绍了一种新的SiC切割方法——金刚石线锯超声横向振动切割及其特点，研究了磨粒度、线往复运动频率、侧向压力等工艺参数对SiC材料去除率的影响。相同的条件下,施加超声振动的切割比未施加超声振动的直线往复切割的材料去除率要高。
关键词：超声波加工 硬脆材料 金刚石线锯 材料去除率
Abstract：This article analyzes some advantages and disadvantages about the traditional method
of cutting SiC。Introduced a new method of cutting SiC——diamond wire saw cutting with
ultrasonic vibration characteristics，grinding grain, line frequency of reciprocating motion, the
lateral pressure parameters study on the impact of SiC material removal rate and surface
roughness。Under the same conditions，Ultrasonic vibration cutting Material removal rate is
higher than Not a straight line reciprocating ultrasonic vibration cutting。
Key words：Ultrasonic machining Hard and brittle materials Diamond
1 前言
作为一种半导体材料，SiC以其特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，成为制造高温、高频、大功率、抗辐照及光电集成器件的理想材料，在微电子、光电子领域起到独特作用。同时，由于它具有高杨氏模量(270~310 GPa)、较高导热率(172W/(m•℃))、耐热冲击性、高的比刚度、机械能各向同性等一系列优良物理性质而受到越来越多的重视，成为空间光学和高能激光领域的理想反射镜材料。
晶体硅的金刚石线锯切割性能研究
晶体硅的金刚石线锯切割性能研究
金刚石线锯系为通过电镀的方式将金刚石颗粒固结镶嵌在钢丝表面的镀层上制成的一种线锯,以它切割硅片相比于传统的砂浆线锯切割有切割效率高,切割硅屑更容易回收,综合成本低等优势,有大规模应用的广阔前景,但业界对其切割硅片的表面质量与表层机械损伤情况尚存疑问。我们针对这一问题对晶体硅的金刚石线锯切割性能开展了研究。
对金刚石刻划单晶硅片的机理及模式进行了实验研究。金刚石在较大压力下刻划时,主要以脆性模式加工晶体硅,划痕呈破碎崩坑状；而在较小的压力下,主要以塑性模式加工晶体硅,划痕相对平直光滑。
金刚石线锯切割硅片表明,硅片表面呈现大量由脆性破碎崩落留下的不规则凹坑,但同时亦出现较长的光滑划痕。其原因可能是线锯正下方的压力较大,以脆性模式进行反复刻划；而与此同时,线锯侧面金刚石颗粒以小得多的侧向压力对切割暴露出的硅表面进行蹭磨刻划,形成呈塑性特征的切割纹；最终在硅片表面呈现脆性与塑性混合切割模式。
在一台单线切割机上进行了单晶硅片切割实验。设计并自制了线张力测试装置,研究了进给速度的变化对金刚石线锯线张力,硅片表面形貌及损伤层的影响。
发现随着进给速度的增大,硅片表面宏观的线痕间距及起伏周期增大,而表面形貌和粗糙度值差异不大。通过逐层腐蚀去除硅片的损伤层,碘酒钝化,测试其少子寿命的方法,测试硅片的损伤层厚度。
测试结果表明：在本实验工艺下,金刚石线锯切割硅片的损伤层厚度基本位于12μm左右；随着进给速度的增大,硅片损伤层厚度有增加的趋势,但增加幅度不大。对企业试生产的金刚石线锯和普通商业化生产的砂浆线锯切割硅片的表面形貌进行了观察,金刚石线锯切割硅片的表面有规则平直的深浅划痕和破碎凹坑；而砂浆线锯切割的硅片表面无明显划痕,但有较多的破碎凹坑和孔洞。
两种硅片表面整体上都比较平整,而金刚石线锯切割硅片的表面粗糙度值更大。实验测得砂浆线锯和金刚石线锯切割硅片的损伤层厚度分别为10μm和6μm。
金刚线在硅晶体切割领域的应用研究
金刚线在硅晶体切割领域的应用研究
赵雷;李欢;胡孝伟
【摘 要】金刚石切割线近年来迅猛发展,通过与传统砂浆切割工艺对比分析优缺点,详细介绍了新材料金刚石切割线的分类、特性、结构原理、切割工作原理以及发展前景.
【期刊名称】《电子工业专用设备》
【年(卷),期】2019(048)003
【总页数】4页(P33-36)
【关键词】金刚线;超精细;损伤层;碎片率
【作 者】赵雷;李欢;胡孝伟
【作者单位】中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京100176;中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京100176
【正文语种】中 文
【中图分类】TN305.1
近几年来，随着超硬材料的推广应用，硬脆材料切割加工技术发展较快，新工艺、新设备、新方法不断涌现。
超硬材料主要指金刚石和立方氮化硼（CBN），它们以单晶、多晶及薄膜等形式出现，是当今世界高科技领域中最有活力、最有前景的材料之一。金刚石是世界上已知最硬的物质，而且具有高导热性[3]、高绝缘性、高化学稳定性等多种优良性能，可用于铝、铜等有色金属及其合金的高效精密加工，特别适用于加工硬脆非金属材料。
过去绿色碳化硅与轻质油按一定比例均匀混合形成的砂浆切割[4]不仅效率低，而且污染严重，已难以满足市场需要，金刚线应运而生，而且飞速发展，现在的芯线外径最小达到了50 μm。金刚石切割线是将金刚石微小颗粒采用粘结和电镀[5]的方式固定在直拉钢线上，并将其缠绕在轴辊上，通过主轴带动金刚线高速往返运动进行磨削切割，而传统砂浆切割方式是通过线网带动砂浆中悬浮的游离态碳化硅磨削加工的方式。而金刚线具有微型的金刚石锯齿，增加了钢线的切割能力，提高切割效率和切割质量。金刚线对于太阳能硅材料切割行业而言，是革命性的进步。
1 金刚线切削加工生产工艺
金刚线具有的优点：（1）可实现高速切割，切割速度可以提高到原来的2～3倍（传统砂浆切割线速度1 km/min，金刚线切割线速度可达到 2 km/min，甚至更高），耗时自然减少。（2）针对传统砂浆切割工艺的切割环境不够环保，而且大量的砂浆需要回收处理，需耗用大量的人力和财力，而金刚石线的切割工艺无须砂浆，只需要水或水基冷却清洁液即可，真正实现了既环保又节约的生产和制造工艺。