專利名稱：硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用磨削/電解復(fù)合加工技術(shù)對(duì)硅片進(jìn)行切割的方法，具體地說 是一種磨削電解復(fù)合多線切割硅片的方法。此方法同樣適合于對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行磨削電解 復(fù)合多線切割加工。
背景技術(shù)：
硅片是半導(dǎo)體和光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的主要生產(chǎn)原料。多線切割(MWS Multi-Wire-Slicing)是進(jìn)行脆硬材料(如硅錠等)切割的一種工藝方法，它不同于傳統(tǒng)的 內(nèi)圓和外圓等切割方式，其原理是通過一根高速運(yùn)動(dòng)的金屬切割線(通常為鋼絲)帶動(dòng)附 著在其上的游離磨料(或固結(jié)磨料，生產(chǎn)效率更高，但成本也高)對(duì)硅錠進(jìn)行磨削，從而達(dá) 到切割目的。在整個(gè)切割過程中，鋼絲通過導(dǎo)線輪的引導(dǎo)，在主線輥上形成一張線網(wǎng)，通過 工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)待加工工件的進(jìn)給，可以同時(shí)切割出幾百個(gè)切片。與現(xiàn)有其他切割方法 相比，具有高效、高精度等顯著優(yōu)點(diǎn)。盡管目前已能采用多線切割方法生產(chǎn)出面積較大(30CmX30Cm)而又較薄的硅 片，但由于仍屬于非剛性切割，在切割過程中金屬切割線必然產(chǎn)生變形從而不斷對(duì)切割硅 片產(chǎn)生瞬間的沖擊作用，同時(shí)，還要兼顧切縫內(nèi)鋼絲的冷卻問題，要使目前的大尺寸硅片厚 度進(jìn)一步降低，并提高硅片切割厚度和控制切割損耗，實(shí)現(xiàn)低成本高效切割，技術(shù)難度相當(dāng) 大。近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)硅片切割技術(shù)的應(yīng)用需求，除了進(jìn)行多線切割研究之外，也在 尋找新的加工途徑，如電火花線切割方法，電極絲通常為銅絲或鉬絲。比利時(shí)魯文大學(xué)采 用低速走絲電火花線切割技術(shù)進(jìn)行了硅片切割研究，日本岡山大學(xué)采用電火花線切割技術(shù) (WEDM)，以去離子水作為工作液，進(jìn)行了單晶硅棒切割加工研究，并研制了多線放電切割原 理樣機(jī)(由多個(gè)獨(dú)立的運(yùn)絲系統(tǒng)組成)。該方法的依據(jù)是取向生長(zhǎng)法形成的單晶硅錠具有 很低的電阻率(0.01Q cm)，使得用線切割放電加工技術(shù)切割硅錠成為可能。用線切割放 電加工法所獲得的硅片總厚度變化(TTV)和彎曲程度(Warp)與多線切割結(jié)果幾乎一樣。切 縫造成的硅材料損失大約為250 u m,與多線切割法得到的數(shù)值相當(dāng)。但是，在上述相關(guān)研究 中，由于采用去離子水作為工作介質(zhì)，放電能量較大，硅片表面有明顯的熱影響區(qū)，加工效 率不高(目前最高切割效率< 100mm7min)，并且沒有考慮硅片表面金屬元素殘留問題，所 以，目前尚不能與太陽(yáng)能硅片電池制造工藝兼容。南京航空航天大學(xué)采用電火花/電解復(fù)合加工的方法，對(duì)太陽(yáng)能硅片進(jìn)行了切割 制絨一體化研究(發(fā)明專利授權(quán)號(hào)ZL200710025572. 5)，熱影響區(qū)和金屬元素殘留均得到 了有效控制，單片切割效率大為提高。但是，當(dāng)進(jìn)行硅片的多線切割時(shí)，放電電流過大容易 斷絲，使該方法在多線切割技術(shù)中無法得到應(yīng)用。美國(guó)應(yīng)用材料有限公司研究了以電化學(xué)機(jī)械研磨法進(jìn)行襯底平坦化(發(fā)明專利 授權(quán)號(hào)ZL02803505. 4)，實(shí)現(xiàn)了用較低的襯底與研磨設(shè)備之間的接觸壓力來平坦化襯底表 面的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有硅片多線切割方法，由于主要以磨削作用為主，較大的機(jī) 械切削力限制了鋼絲線徑的進(jìn)一步減小，導(dǎo)致硅片厚度和切縫寬度很難進(jìn)一步降低，切割 效率也很難提高，無法滿足硅片(特別是太陽(yáng)能硅片)目益增長(zhǎng)需求等存在的瓶頸問題，發(fā) 明一種通過外加低壓連續(xù)(或脈沖)直流電源，在金屬切割線對(duì)硅錠進(jìn)行機(jī)械磨削的同時(shí)， 復(fù)合陽(yáng)極(硅棒或硅錠)鈍化(或腐蝕)，進(jìn)而降低宏觀切削力，實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄硅片磨削 /電解復(fù)合的多線切割加工方法。具體地說，就是在金屬切割線與硅錠之間保持一定的磨削壓力，磨料(游離磨料 通常為碳化硅，固結(jié)磨料通常為金剛石微粉)使金屬切割線(通常為鋼絲)表面與硅錠之 間形成一定的電解間隙(< o. 02mm)，同時(shí)向間隙中供給切削液，在直流電場(chǎng)的作用下，硅 錠表面由于電解作用生成鈍化膜；這些電解產(chǎn)物和硅材料不斷地被快速移動(dòng)的金屬切割線 所夾帶的磨料刮除；新鮮硅表面露出后，將繼續(xù)產(chǎn)生電解作用，材料去除過程得以不斷重復(fù) 下去，從而達(dá)到切割目的。上述復(fù)合切割方法將促進(jìn)切割效率和表面完整性的提高，降低斷絲幾率。由于硅 片的半導(dǎo)體特性，且切削液電導(dǎo)率很低，實(shí)際電解電流小于金屬切割線所能承受的極限，可 以滿足同時(shí)切割數(shù)百片以上的生產(chǎn)需求。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是首先，以多線切割機(jī)床上的金屬切割線作為工具電極(陰極)，走絲速度在100 lOOOm/min之間可調(diào)，張力控制在10 40N之間，對(duì)硅棒或硅錠(陽(yáng)極)進(jìn)行磨削/電解復(fù) 合切割加工；其次，在加工過程中，通過專用進(jìn)電方法，將金屬切割線和硅棒(或硅錠)外接低 壓連續(xù)(或脈沖)直流電源，電壓幅值在0 30V之間可調(diào)，占空比在0 10之間可調(diào)，以 滿足陽(yáng)極鈍化(或腐蝕)要求為準(zhǔn)；第三，在切割區(qū)域噴射電導(dǎo)率< 500ii S/cm的切削液，以滿足冷卻和陽(yáng)極鈍化(或 腐蝕)的需要。所述的金屬切割線為多線切割機(jī)用鍍銅合金鋼絲或金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲，絲 徑< 0. 2mm。所述的硅棒為摻雜或本征的單晶硅材料，所述的硅錠為摻雜或本征的多晶硅材 料。所述的切削液為目前市場(chǎng)上可以購(gòu)買的多線切割機(jī)專用水溶性切削液，視需要可 以添加其它有利于磨削/電解作用的添加劑，以不影響多線切割機(jī)正常使用壽命和工作狀 態(tài)為準(zhǔn)。本發(fā)明的有益效果1、電解作用有利于機(jī)械切削力的減小，切割產(chǎn)物兼具磨料作用，可以降低斷絲幾 率，提高硅片切割效率；2、機(jī)械磨削作用有利于電化學(xué)鈍化(或腐蝕)的持續(xù)進(jìn)行，硅片機(jī)械損傷層更薄， 表面完整性好，減少了后續(xù)減薄量，提高了材料利用率。
3.可以采用更細(xì)的切割線和更少(或細(xì))的磨料，從而減小硅片厚度和切縫寬 度，進(jìn)一步提高材料利用率，特別是針對(duì)大于200mm的硅片，切縫寬度與硅片厚度均可小于 150 u m，從而突破傳統(tǒng)多線切割加工的極限。4、為多線切割裝備的發(fā)展提供新的技術(shù)途徑，可以方便移植到已有或正在研發(fā)的 多線切割設(shè)備上。


圖1是本發(fā)明方法的示意圖。圖1中標(biāo)號(hào)名稱1_硅棒或硅錠，2-玻璃，3-金屬電極，4-粘結(jié)劑，5-金屬基板， 6-工作臺(tái)，7-機(jī)床本體，8-正極電纜，9直流電源，10-金屬切割線，11-主線輥，12-負(fù)極電 纜，13-進(jìn)電塊，14噴嘴。圖2是本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。圖3實(shí)現(xiàn)磨削/電解復(fù)合加工的低壓直流電源電壓空載波形示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割方法如圖1所示。硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割的專用進(jìn)電方法，在硅棒或硅錠1與玻璃2之間 增加一金屬電極3 (如多孔覆銅板、銅網(wǎng)等)，利用粘結(jié)劑4將硅棒或硅錠1與玻璃2粘結(jié)在 一起，并保證硅棒或硅錠1與金屬電極3良好的導(dǎo)電性，玻璃安裝在金屬基板5上，并通過 其定位與固定安裝在工作臺(tái)6上，保持與機(jī)床本體7的電氣絕緣，然后通過正極電纜8將金 屬電極3的引出部分與低壓連續(xù)(或脈沖)直流電源9的正極相連，從而實(shí)現(xiàn)硅棒或硅錠 1與低壓連續(xù)(或脈沖)直流電源9的正極相連，金屬切割線10經(jīng)過主線輥11，通過負(fù)極 電纜12由進(jìn)電塊13與低壓直流電源9負(fù)極相連，加工過程中，切削液有噴嘴14噴出。實(shí)施例一。一種太陽(yáng)能硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，它包括以下步驟①將太陽(yáng)能硅棒(錠)安裝在多線切割機(jī)床的工作臺(tái)上，該工作臺(tái)具有升降運(yùn)動(dòng) 的控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)給速度0. 1 2mm/min ；②鍍銅合金鋼絲和硅棒(或硅錠)外接低壓連續(xù)(或脈沖)直流電源，電壓幅值 在0 30V之間可調(diào)，占空比在0 10之間可調(diào)，以滿足陽(yáng)極鈍化(或腐蝕)要求為準(zhǔn)，連 續(xù)(或脈沖)工作方式的選擇可以控制電化學(xué)作用效果；通過在鍍銅合金鋼絲進(jìn)入和離開切割區(qū)域增加進(jìn)電裝置，使鍍銅合金鋼絲與電源 負(fù)極相連；硅棒或硅錠與電源正極相連，并通過粘結(jié)劑與置于工作臺(tái)上的玻璃粘結(jié)在一起， 且與機(jī)床本體電氣絕緣。③鍍銅合金鋼絲按照單向或往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)入切割區(qū)，運(yùn)絲速度在100 1000m/ min之間可調(diào)。④根據(jù)太陽(yáng)能硅棒(錠)的電阻率(通常在0.5 3Q _)，在切割區(qū)連續(xù)噴射 電導(dǎo)率小于500 u S/cm的切削，以滿足冷卻和電解的需要；
其中切削液為水性切削液，主要成分為聚乙二醇等基礎(chǔ)物質(zhì)，可以為含水量較大 的水基切削液，也可以為含微量水或基本不含水的水溶性切削液，后者對(duì)設(shè)備腐蝕性小。切削液中混入粒度小于20 ii m的碳化硅磨料，配置比例為1 0. 1 1，分散均勻。由上可知，低壓直流電源參數(shù)、進(jìn)電方式及切削液等是保證本發(fā)明實(shí)施的重要因
o電壓幅值、脈沖寬度及占空比等可通過常規(guī)的電路加以實(shí)現(xiàn)；進(jìn)電方式以不與機(jī)床本體產(chǎn)生電氣回路為基本選擇原則，進(jìn)電區(qū)域則以靠近加工 區(qū)為選擇原則；切削液的選擇為目前市場(chǎng)上可以購(gòu)買的多線切割機(jī)專用水性切削液，視需要可以 添加其它有利于磨削/電解作用的添加劑，以不影響多線切割機(jī)正常使用壽命和工作狀態(tài) 為準(zhǔn)。該實(shí)施方式采用的是鍍銅合金鋼絲和碳化硅游離磨料切割硅片，由于復(fù)合了電解 作用，對(duì)碳化硅微粉的粒型及粒度、切削液和砂漿的粘度及流量、鋼線的速度及張力、工件 進(jìn)給速度等工藝因素將產(chǎn)生積極的影響，具體指標(biāo)由實(shí)際加工情況確定。詳述如下—種太陽(yáng)能硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其步驟為①準(zhǔn)備太陽(yáng)能硅棒(或硅錠)，安裝在可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)上，工作臺(tái)升降 行程大于硅錠直徑(或邊長(zhǎng))；②基于磨削/電解復(fù)合加工原理，選用鍍銅合金鋼絲(絲徑小于0. 2mm)，絲速可調(diào) (調(diào)節(jié)范圍為100 1000m/min)，保持恒張力(調(diào)節(jié)范圍10 40N)；③根據(jù)太陽(yáng)能硅棒(錠)的電阻率(通常在0.5 3Q _)，選擇合適電導(dǎo)率(小 于500 u S/cm)的切削液；④為減少氣泡對(duì)切割過程的影響，采用低壓脈沖直流電源(電壓幅值0 30V之 間可調(diào)，占空比在1 10之間可調(diào))，以滿足在硅材料表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的要求，如圖3 所示；⑤采用對(duì)應(yīng)的伺服控制策略，根據(jù)硅片切割速度的不同，采用不同的伺服跟蹤策 略；⑥當(dāng)切割到硅棒或硅錠根部時(shí)，關(guān)閉外接低壓脈沖直流電源，取消電解作用，恢復(fù) 傳統(tǒng)多線切割方式；⑦切割完畢后，分離、清洗硅片，此時(shí)可以得到表面完整性好(即滿足平整度、總 厚度誤差及表面質(zhì)量要求)的太陽(yáng)能硅片。實(shí)施例二一種太陽(yáng)能硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，它包括以下步驟①將太陽(yáng)能硅棒(或硅錠)安裝在多線切割機(jī)床的工作臺(tái)上，該工作臺(tái)具有升降 運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)給速度0. 1 2mm/min ；②金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲和硅錠(或硅棒)外接連續(xù)(或脈沖)低壓直流電源， 電壓幅值在0 30V之間可調(diào)，占空比在0 10之間可調(diào)，以滿足陽(yáng)極鈍化(或腐蝕)要 求為準(zhǔn)，連續(xù)(或脈沖)工作方式的選擇可以控制電化學(xué)作用效果；通過在金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲進(jìn)入和離開切割區(qū)域增加進(jìn)電裝置，使金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲與電源負(fù)極相連；硅棒或硅錠與電源正極相連，并通過粘結(jié)劑與置于工作臺(tái)上的玻璃粘結(jié)在一起， 且與機(jī)床本體電氣絕緣。③金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲按照單向或往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)入切割區(qū)，運(yùn)絲速度在 100 1000m/min之間可調(diào)。④根據(jù)太陽(yáng)能硅棒(或硅錠)的電阻率(通常在0.5 3Q _)，在切割區(qū)連續(xù) 噴射電導(dǎo)率小于500y S/cm的切削液，以滿足冷卻和電解的需要；其中切削液為水性切削液，主要成分為聚乙二醇等基礎(chǔ)物質(zhì)，可以為含水量較大 的水基切削液，也可以為含微量水或基本不含水的水溶性切削液，后者對(duì)設(shè)備腐蝕性小。由上可知，低壓直流電源參數(shù)、進(jìn)電方式及切削液等是保證本發(fā)明實(shí)施的重要因
o電壓幅值、脈沖寬度及占空比等可通過常規(guī)的電路加以實(shí)現(xiàn)；進(jìn)電方式以不與機(jī)床本體產(chǎn)生電氣回路為基本選擇原則，進(jìn)電區(qū)域則以靠近加工 區(qū)為選擇原則；切削液的選擇為目前市場(chǎng)上可以購(gòu)買的多線切割機(jī)專用水性切削液，視需要可以 添加其它有利于磨削/電解作用的添加劑，以不影響多線切割機(jī)正常使用壽命和工作狀態(tài) 為準(zhǔn)。該實(shí)施方式采用的是金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲切割硅片，由于復(fù)合了電解作用， 對(duì)金剛石固結(jié)磨料的粒型及粒度、切削液的粘度及流量、鋼線的速度及張力、工件進(jìn)給速度 等工藝因素將產(chǎn)生積極的影響，具體指標(biāo)由實(shí)際加工情況確定。詳述如下一種太陽(yáng)能硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其步驟為①準(zhǔn)備待加工硅棒(或硅錠)，安裝在可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)上，工作臺(tái)升降 行程大于硅錠直徑(或邊長(zhǎng))；②基于磨削/電解復(fù)合加工原理，選用金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲(絲徑小于 0. 2mm)，絲速可調(diào)(調(diào)節(jié)范圍為100 1000m/min)，保持恒張力(調(diào)節(jié)范圍10 40N)；③根據(jù)太陽(yáng)能硅棒(錠)的電阻率(通常在0.5 3Q _)，選擇合適電導(dǎo)率(小 于500 u S/cm)的切削液；④由于采用金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲切割，采用低壓連續(xù)直流電源(電壓幅值 0 30V之間可調(diào))，以維持在硅材料表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，如圖3所示；⑤采用對(duì)應(yīng)的伺服控制策略，根據(jù)硅片切割速度的不同，采用不同的伺服跟蹤策 略；⑥當(dāng)切割到硅棒或硅錠根部時(shí)，關(guān)閉外接低壓直流電源，取消電解作用，恢復(fù)傳統(tǒng) 多線切割方式；⑦切割完畢后，分離、清洗硅片，此時(shí)可以得到表面完整性好(即滿足平整度、總 厚度誤差及表面質(zhì)量要求)的太陽(yáng)能硅片。
權(quán)利要求
一種硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是首先，以多線切割機(jī)床上的金屬切割線作為工具電極(陰極)，通過專用進(jìn)電方法，對(duì)硅棒或硅錠(陽(yáng)極)進(jìn)行磨削/電解復(fù)合多線切割加工；其次，在加工過程中，將金屬切割線和硅棒或硅錠外接低壓連續(xù)或脈沖直流電源；第三，在切割區(qū)域噴射切削液，以滿足漿料供給或冷卻、產(chǎn)物排除以及陽(yáng)極鈍化或腐蝕的需要；所述的專用進(jìn)電方法如下在硅棒或硅錠(1)與玻璃(2)之間增加一金屬電極(3)，利用粘結(jié)劑(4)將硅棒或硅錠(1)與玻璃(2)粘結(jié)在一起，并實(shí)現(xiàn)硅棒或硅錠(1)與金屬電極(3)良好的導(dǎo)電性，玻璃安裝在金屬基板(5)上，并通過其定位與固定安裝在工作臺(tái)(6)上，保持與機(jī)床本體(7)的電氣絕緣，然后通過電纜(8)將金屬電極(3)的引出部分與低壓連續(xù)或脈沖直流電源(9)的正極相連，從而實(shí)現(xiàn)硅棒或硅錠(1)與低壓連續(xù)或脈沖直流電源(9)的正極相連，金屬切割線(10)經(jīng)過主線輥(11)，由進(jìn)電塊(12)與低壓連續(xù)或脈沖直流電源(9)負(fù)極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是所述的金 屬切割線為多線切割機(jī)用鍍銅合金鋼絲或金剛石固結(jié)磨料彈簧鋼絲，絲徑< 0. 2mm，單向或 往復(fù)運(yùn)動(dòng)，走絲速度在100 1000m/min之間可調(diào)，張力控制在10 40N之間可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是所述的硅 棒為摻雜或本征的單晶硅材料，所述的硅錠為摻雜或本征的多晶硅材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是所述的低 壓連續(xù)或脈沖直流電源，電壓幅值在0 30V之間可調(diào)，電壓脈沖占空比在0 10之間可 調(diào)，根據(jù)不同切割材料，以滿足陽(yáng)極鈍化或腐蝕要求為準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是所述的專 用進(jìn)電方法，為確保不影響多線切割機(jī)的正常使用，將其原斷絲保護(hù)信號(hào)通過電氣隔離方 式提供給機(jī)床控制系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅片磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，其特征是所述的切 削液為多線切割機(jī)專用水性切削液，電導(dǎo)率< 500 y S/cm，視加工需要添加其它有利于磨削 /電解作用的添加劑，以不影響多線切割機(jī)正常使用壽命和工作狀態(tài)為準(zhǔn)。
全文摘要
一種硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割加工方法，屬特種加工范疇，針對(duì)硅棒或硅錠(可以為摻雜或本征材料)，采用較低電導(dǎo)率(＜500μS/cm)的水性切削液，外加低壓連續(xù)(或脈沖)直流電源(0～30V可調(diào))，金屬切割線接電源負(fù)極，硅棒或硅錠接電源正極，基于機(jī)械磨削和電解復(fù)合加工原理，降低宏觀切削力，實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄硅片的磨削/電解復(fù)合多線切割，從而滿足半導(dǎo)體、光伏等產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)工藝需求。
文檔編號(hào)B24B27/06GK101797713SQ20101014172
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者劉正塤, 汪煒 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)