電鍍金剛石線切割單晶硅表面損傷研究

陳 超，彭少波，陳家榮，秦建新，肖樂銀，謝德龍，潘曉毅，林 峰

（廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004）

1 引言

近年來，太陽能發(fā)電越來越受到人們的關(guān)注并且有普及之勢。因?yàn)楦叩墓怆娹D(zhuǎn)化效率，單晶硅一直被人們用作太陽能電池板的襯底材料。使用多線切割技術(shù)，單次可以將單晶硅棒直接切成3000余片薄片。過去使用游離磨料線切割技術(shù)切割單晶硅，切割原理是細(xì)鋼絲（約0．12mm）帶動含有SiC磨粒（5～10μm）的漿料進(jìn)行切割的。隨著社會的發(fā)展，切割單晶硅采用固結(jié)型的金剛石線，并且基本全部替代游離磨料切割方式［1，2］。固結(jié)型金剛石線多采用電鍍的方法制作，切割效率是游離磨料線切割方式的3～5倍，并且，由于金剛石顆粒是被固定的，使切割縫損失更小，另外切割的硅片厚度也更薄［3－7］。

為了獲得更薄的硅片，減輕太陽能電池板的重量，高精度的加工并減少硅片的破碎率是很關(guān)鍵的；因此，有必要了解固結(jié)金剛石線切割硅片時(shí)表面的形成的機(jī)理和加工過程對單晶硅表面結(jié)構(gòu)的影響，例如，表面的損傷對切割后續(xù)工序的影響。圖1展示了金剛石線切割單晶硅片與游離磨料線切割硅片表面的宏觀照片。圖中a和b左側(cè)均為金剛石線切割單晶硅表面，右側(cè)均為游離磨料線切割單晶硅表面。有很多文獻(xiàn)報(bào)道了硅片表面的粗糙度、硅片厚度，較少關(guān)注其表面的損傷。金剛石線與游離磨料線切割硅片表面存在著較大差異，并且在宏觀上可見。

為了獲得更高表面質(zhì)量的硅表面，本文采用固結(jié)型的金剛石線切割單晶硅。主要研究了金剛石粒度及切割線速度的變化對單晶硅表面層形成的影響。論文采用超高線速度—50m／s的速度對單晶硅片進(jìn)行切割，這種切割方式目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用圖2所示的設(shè)備進(jìn)行，圖2（a）是切割裝置示意圖，圖2（b）是實(shí)際切割時(shí)的照片。

圖1 金剛石線切割單晶硅片（左）與游離磨料線切割硅片（右）表面的宏觀照片對照Fig．1 Macroscopic photograph contrast between diamond wire cutting silicon wafer（left）and free abrasive wire cutting silicon wafer（right）

圖2 金剛石線切割Fig．2 Diamond wire cutting a：Sketch map of the wire cutting machine b：Photo of the cutting

試驗(yàn)所采用的金剛石線為環(huán)形金剛石線，切割時(shí)單方向運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)高速切割；金剛石線表面金剛石采用裸金剛石，如圖（3）所示，其具有良好的鋒利度和自銳性能，可實(shí)現(xiàn)高效切割，采用電鍍的方式固定金剛石。金剛石粒度采用20～30μm，40～50μm，60～70μm，在固定線速度時(shí)，每種粒度制作的金剛石線切割15刀進(jìn)行對比，對切割入口，中間位置，及切割出口處進(jìn)行測量，分別記錄數(shù)據(jù)；在不同切割速度情況下采用40～50μm的金剛石制作的金剛石線進(jìn)行切割，采集數(shù)據(jù)。論文根據(jù)環(huán)形金剛石線的優(yōu)越性能，設(shè)計(jì)較大速度參數(shù)范圍進(jìn)行切割單晶硅試驗(yàn)，最大線速度為45m／s，切割進(jìn)給速度保持為10㎜／min，并采集數(shù)據(jù)信息，切割過程采用自來水進(jìn)行冷卻。?

圖3 金剛石線照片F(xiàn)ig．3 Photograph of the diamond wire

表1 切割參數(shù)Table 1 Cutting parameters

采用激光顯微鏡對工件表面凹坑及金剛石對工件表面的損傷進(jìn)行測量。圖4為切割局部示意圖及測試粗糙度的幾個點(diǎn)的位置。在切割進(jìn)給起始邊入口設(shè)置A、B、C三個點(diǎn)，分別位于工件表面，線運(yùn)動方向，入口處，中間出及出口處，測量值為10個點(diǎn)的平均值。圖5為凹坑測量與線痕測量實(shí)例。采用激光拉曼光譜分析了切割后工件表面的晶體結(jié)構(gòu)。

圖4 被切割工件情況Fig．4 Processed workpiece

圖5 表面凹坑深度和線痕深度檢測方法Fig．5 Detection methods for surface micro dent and saw marks

圖6 切割表面A、B、C三點(diǎn)的粗糙度Fig．6 Roughness of A，B，C points on cutting surface

3 結(jié)果與討論

3．1 表面形貌

圖6是表面A、B、C三點(diǎn)粗糙度隨金剛石線表面金剛石粒度變化及切割刀數(shù)變化的情況，切割線速度為45m／s。A、B、C三點(diǎn)的表面粗糙度結(jié)果基本一致，隨著切割刀數(shù)的增加，金剛石磨平，獲得較好的表面粗糙度，對比第一刀與第十五刀，粗糙度降低了約三分之二。金剛石線單方向運(yùn)動，隨著切割刀數(shù)的增加，金剛石顆粒尖端部分被磨掉，直到磨平，而在金剛石處于尖銳狀態(tài)時(shí)，比較容易在切割表面留下凸凹不平，粗造度較高；另外，金剛石線表面突出部分被磨掉，使金剛石在線上露出部分高度變化減少，也使切割表面粗糙度降低。結(jié)果也表明使用較好晶型的金剛石將會獲得較好的表面，因?yàn)椋^好晶型的金剛石具有較小的粒度變化，單顆粒產(chǎn)生較淺的切割損傷，從而獲得較好的表面粗糙度。

圖7是線速度在45m／s時(shí)，使用不同金剛石粒度的金剛石線在切割第一刀與切割第十五刀時(shí)表面激光顯微鏡照片。結(jié)果顯示，線痕沿著進(jìn)給的方向排列，深藍(lán)色點(diǎn)即是切割表面凹坑的位置，凹坑零散分布［8］。隨著金剛石粒度減小、切割刀數(shù)增加，凹坑的數(shù)量也明顯減少。

圖7 切割表面激光顯微鏡照片F(xiàn)ig．7 Laser micrograph of cutting surface

圖8 凹坑深度變化與金剛石粒及刀數(shù)的關(guān)系Fig．8 Relation between micro dent depth change and diamond grain，line number

圖9 線痕深度變化與金剛石粒及刀數(shù)的關(guān)系Fig．9 Saw mark depth changes with the diamond grain and the line number

圖8、圖9為切割表面凹坑深度及線痕深度的變化與金剛石粒度及切割刀數(shù)的關(guān)系。金剛石粒度為20～30μm時(shí)，凹坑深度接近2μm，金剛石粒度為60～70μm時(shí)，表面凹坑深度最淺為約3μm。每種粒度的金剛石線切割時(shí)，隨著切割刀數(shù)的增加，凹坑深度明顯變淺，15刀后，凹坑深度均減小為第一刀凹坑深度的一半。對比顯示，線痕的深度均小于凹坑深度，切割15刀以后，線痕深度甚至小于1μm，而較粗金剛石線切割的表面線痕深度也在2μm以下。切割表面的凹坑屬于切割過程中微破碎產(chǎn)生并留下表面的，也就是說，單顆金剛石壓入硅表面越深，脆性斷裂越容易發(fā)生，也就留下較深較多的凹坑［9－11］。

我們對40～50μm的金剛石線切割的單晶硅表面進(jìn)行了拉曼譜檢測分析，圖10中，我們發(fā)現(xiàn)主峰在520cm－1為單晶硅（標(biāo)記c－Si）。但是在平滑表面拉曼譜單晶硅峰明顯減弱，出現(xiàn)無定型峰包峰位約在470cm－1，特別是及線痕處晶體硅峰強(qiáng)度明顯減弱，而a－Si峰強(qiáng)度增強(qiáng)，另外，還檢測到了硅的亞穩(wěn)相Si－XII在－352cm－1［12－14］。金剛石尖端應(yīng)力的集中可能是導(dǎo)致亞穩(wěn)相Si－XII產(chǎn)生的主要原因。這也表明，由于凹坑深度是線痕深度的兩倍并形成脆性斷裂，使硅表面呈現(xiàn)為晶態(tài)。

圖10 不同位置處硅表面拉曼分析Fig．10 Raman analysis of silicon surface at different positions

圖11是選用40～50μm的金剛石線，在不同切割線速度切割硅表面B點(diǎn)位置的拉曼譜線。每條譜線均顯示在300和470cm－1有a－Si峰，在352和433cm－1有硅的亞穩(wěn)相Si－XII的峰。另外，呈現(xiàn)切割線速度越低，a－Si峰越高的的趨勢。這可能是在恒定的進(jìn)給速度下，較低的切割線速度使單顆粒金剛石壓入硅晶體的深度增加的緣故，并產(chǎn)生了塑性變形，從而產(chǎn)生了無定型層。然而，在較低切割速度時(shí)，c－Si的峰520cm－1有左移，說明了其結(jié)晶程度降低并且表面有殘余應(yīng)力［15，16］。在最低速時(shí)，在500cm－1出現(xiàn)多晶硅的峰，表明了單晶硅形態(tài)的轉(zhuǎn)變。圖12顯示在最高線速度切割時(shí)，金剛石粒度變化，表面B處的拉曼譜。a－Si，亞穩(wěn)相Si－XII，c－Si均被檢測，但是很難將不同粒度的金剛石線切割的效果區(qū)分開來。

圖11 40～50μm金剛石線在不同切割速度切割后B點(diǎn)位拉曼譜分析Fig．11 Raman spectrum analysis of B spot after 40－50μm diamond wire cutting at different speeds

圖12 45m／s切割速度不同粒度金剛石線切割后B點(diǎn)位拉曼譜分析Fig．12 Raman spectrum analysis of B spot after diamond wire with different grain cutting at 45m／s

通過以上拉曼光譜分析，在平整光滑的表面，是a－Si、亞穩(wěn)相Si－XII、c－Si三相共存的；然而，在較低線速度切割時(shí)，對a－Si層的形成影響較大。同時(shí)也說明脆性加工模式導(dǎo)致了凹坑的形成。

4 結(jié)論

在不同條件下，進(jìn)行高速切割單晶硅試驗(yàn)。

（1）使用較好金剛石有助于提高表面加工質(zhì)量；

（2）加工刀數(shù)的增加使金剛石表面變圓，并使表面損傷層及線痕深度降低；

（3）拉曼譜顯示，加工表面共存有硅的幾種形態(tài)（c－Si，a－Si，Si－Ⅻ），凹坑處顯示晶態(tài)，而線痕處產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)Si－Ⅻ及a－Si，而在較平滑處則存在三種形態(tài)；

（4）非晶態(tài)主要取決于切割線速度，也與金剛石粒度有關(guān)。低速切割時(shí)主要表現(xiàn)為非晶態(tài)和多晶態(tài)。

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