电镀金刚石线切割单晶硅表面损伤研究

第29卷第6期超硬材料工程Vol.292017年12月췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍SUPERHARDMATERIALENGINEERINGDec.2017电镀金刚石线切割单晶硅表面损伤研究陈超,彭少波,陈家荣,秦建新,肖乐银,谢德龙,潘晓毅,林峰(广西超硬材料重点实验室,中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林541004)摘要:首次采用超高速电镀金刚石线切割单晶硅。通过表面 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、拉曼光谱等技术手段研究了金刚石粒度、切割线速度、切割刀数对被切割工件表面粗糙度、表面损伤深度及损伤程度的影响。发现,采用较完整晶形的金刚石,切割刀数越多,被加工工件表面凹坑深度和线痕减少越明显,进而,表面粗糙度获得提高。当随着粒度的减小,表面断裂方式发生了变化,从脆性断裂转变成塑性断裂。切割表面光滑区域以无定形硅为主,线痕明显区域检测到无定形及亚稳态硅,在凹坑内部属于晶态硅。另外,无定形和多晶硅主要取决于线的速度,线的速度越高,无定形和多晶硅越少。关键词:电镀金刚石线;粗糙度;线痕;单晶硅中图分类号:TQ164文献标识码:A文章编号:1673-1433(2017)06-0016-06Subsurfacedamageofsingle-crystalinesiliconinelectroplateddiamondwireslicingCHENChao,PENGShao-bo,CHENJia-rong,QINJian-xin,XIAOLe-yin,XIEDe-long,PANXiao-yi,LINFeng(GuangxiKeyLaboratoryofSuperhardMaterial,ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,NationalSpecialMineralMaterialsEngineeringResearchCenter,Guilin,Guangxi541004,China)Abstract:Single-crystalsiliconwasslicedusingasuper-high-speedelectroplateddiamondwiresawforthefirsttime.Theeffectsofdiamondgritsize,wirespeed,andnumberofslicingonthesurfaceroughnessandsubsurfacedamageoftheworkpiecewereinvestigatedbysurfaceprofiling,Ramanspectroscopy.Itwasfoundthatthedentsdepthandsawmarkswasreducedsignificantlybyusingfinerdiamondgritsandincreasingthenumberofsawing,andthesurfaceroughnesswasimproved.Atransitionfrombrittlefracturetoductilefracturewasconfirmedfromchipmorphologyobservationwhenreducingthegritsize.Thesubsurfacedamagedlayerswerecomposedofamorphouslayers,dislocatedlay-erswithgrainboundaries,aswelasmicrocracks.Thesmoothsurfaceregionsweredominatedbyamorphoussilicon.Whilewithinthesawmarks,amixtureofamorphousandmetastablesiliconphaseswasdetected.single-crystalsiliconwaspredominantinsidethemicrodents.Furthermore,thesignificanceofsiliconamorphizationandpoly-crystali-zationwasstronglydependentonthewirespeed.Thehigherthewirespeed,thelessa-morphousandpolycrystalinesilicon.Keywords:electroplateddiamondwire,surfaceroughness,sawmarks,single-crystalinesilicon收稿日期:2017-09-30作者简介:陈超(1980-),男,硕士,高级工程师,研究领域:超硬材料制品,高压科学与技术。E-mail:52304264@qq.com通讯作者:林峰(1963-),男,博士,教授级高级工程师,研究领域:材料学、超硬材料。E-mail:linf6316@sina.com引文格式:陈超,彭少波,陈家荣,等.电镀金刚石线切割单晶硅表面损伤研究[J].超硬材料工程,2017,29(6):16-21.1引言近年来,太阳能发电越来越受到人们的关注并且有普及之势。因为高的光电转化效率,单晶硅一直被人们用作太阳能电池板的衬底材料。使用多线切割技术,单次可以将单晶硅棒直接切成3000余片薄片。过去使用游离磨料线切割技术切割单晶硅,切割原理是细钢丝(约0.12mm)带动含有SiC磨粒(5~10μm)的浆料进行切割的。随着社会的发展,切割单晶硅采用固结型的金刚石线,并且基本全部替代游离磨料切割方式[1,2]。固结型金刚石线多采用电镀的方法制作,切割效率是游离磨料线切割方式的3~5倍,并且,由于金刚石颗粒是被固定的,使切割缝损失更小,另外切割的硅片厚度也更薄[3-7]。为了获得更薄的硅片,减轻太阳能电池板的重量,高精度的加工并减少硅片的破碎率是很关键的;因此,有必要了解固结金刚石线切割硅片时表面的形成的机理和加工过程对单晶硅表面结构的影响,例如,表面的损伤对切割后续工序的影响。图1展示了金刚石线切割单晶硅片与游离磨料线切割硅片表面的宏观照片。图中a和b左侧均为金刚石线切割单晶硅表面,右侧均为游离磨料线切割单晶硅表面。有很多文献报道了硅片表面的粗糙度、硅片厚度,较少关注其表面的损伤。金刚石线与游离磨料线切割硅片表面存在着较大差异,并且在宏观上可见。为了获得更高表面质量的硅表面,本文采用固结型的金刚石线切割单晶硅。主要研究了金刚石粒度及切割线速度的变化对单晶硅表面层形成的影响。论文采用超高线速度—50m/s的速度对单晶硅片进行切割,这种切割方式目前尚未有文献报道。2试验试验采用图2所示的设备进行,图2(a)是切割装置示意图,图2(b)是实际切割时的照片。图1金刚石线切割单晶硅片(左)与游离磨料线切割硅片(右)表面的宏观照片对照Fig.1Macroscopicphotographcontrastbetweendiamondwirecuttingsiliconwafer(left)andfreeabrasivewirecuttingsiliconwafer(right)图2金刚石线切割Fig.2Diamondwirecuttinga:Sketchmapofthewirecuttingmachineb:Photoofthecutting试验所采用的金刚石线为环形金刚石线,切割时单方向运动,可实现高速切割;金刚石线表面金刚石采用裸金刚石,如图(3)所示,其具有良好的锋利度和自锐性能,可实现高效切割,采用电镀的方式固定金71第29卷第6期陈超等:电镀金刚石线切割单晶硅表面损伤研究刚石。金刚石粒度采用20~30μm,40~50μm,60~70μm,在固定线速度时,每种粒度制作的金刚石线切割15刀进行对比,对切割入口,中间位置,及切割出口处进行测量,分别记录数据;在不同切割速度情况下采用40~50μm的金刚石制作的金刚石线进行切割,采集数据。论文根据环形金刚石线的优越性能,设计较大速度参数范围进行切割单晶硅试验,最大线速度为45m/s,切割进给速度保持为10㎜/min,并采集数据信息,切割过程采用自来水进行冷却。图3金刚石线照片Fig.3Photographofthediamondwire表1切割参数Table1Cuttingparameters切割因素参数线速度(m/s)25,30,35,40,45张紧力(N)100进给速度(mm/min)10冷却自来水采用激光显微镜对工件表面凹坑及金刚石对工件表面的损伤进行测量。图4为切割局部示意图及测试粗糙度的几个点的位置。在切割进给起始边入口设置A、B、C三个点,分别位于工件表面,线运动方向,入口处,中间出及出口处,测量值为10个点的平均值。图5为凹坑测量与线痕测量实例。采用激光拉曼光谱分析了切割后工件表面的晶体结构。图4被切割工件情况Fig.4Processedworkpiece图5表面凹坑深度和线痕深度检测方法Fig.5Detectionmethodsforsurfacemicrodentandsawmarks3结果与讨论3.1表面形貌图6是表面A、B、C三点粗糙度随金刚石线表面金刚石粒度变化及切割刀数变化的情况,切割线速度为45m/s。A、B、C三点的表面粗糙度结果基本一致,随着切割刀数的增加,金刚石磨平,获得较好的表图6切割表面A、B、C三点的粗糙度Fig.6RoughnessofA,B,Cpointsoncuttingsurface81超硬材料工程2017年12月面粗糙度,对比第一刀与第十五刀,粗糙度降低了约三分之二。金刚石线单方向运动,随着切割刀数的增加,金刚石颗粒尖端部分被磨掉,直到磨平,而在金刚石处于尖锐状态时,比较容易在切割表面留下凸凹不平,粗造度较高;另外,金刚石线表面突出部分被磨掉,使金刚石在线上露出部分高度变化减少,也使切割表面粗糙度降低。结果也表明使用较好晶型的金刚石将会获得较好的表面,因为,较好晶型的金刚石具有较小的粒度变化,单颗粒产生较浅的切割损伤,从而获得较好的表面粗糙度。图7是线速度在45m/s时,使用不同金刚石粒度的金刚石线在切割第一刀与切割第十五刀时表面激光显微镜照片。结果显示,线痕沿着进给的方向排列,深蓝色点即是切割表面凹坑的位置,凹坑零散分布[8]。随着金刚石粒度减小、切割刀数增加,凹坑的数量也明显减少。图7切割表面激光显微镜照片Fig.7Lasermicrographofcuttingsurface图8、图9为切割表面凹坑深度及线痕深度的变化与金刚石粒度及切割刀数的关系。金刚石粒度为20~30μm时,凹坑深度接近2μm,金刚石粒度为60~70μm时,表面凹坑深度最浅为约3μm。每种粒度的金刚石线切割时,随着切割刀数的增加,凹坑深度明显变浅,15刀后,凹坑深度均减小为第一刀凹坑深度的一半。对比显示,线痕的深度均小于凹坑深度,切割15刀以后,线痕深度甚至小于1μm,而较粗金刚石线切割的表面线痕深度也在2μm以下。切割表面的凹坑属于切割过程中微破碎产生并留下表面的,也就是说,单颗金刚石压入硅表面越深,脆性断裂越容易发生,也就留下较深较多的凹坑[9-11]。图8凹坑深度变化与金刚石粒及刀数的关系Fig.8Relationbetweenmicrodentdepthchangeanddiamondgrain,linenumber图9线痕深度变化与金刚石粒及刀数的关系Fig.9Sawmarkdepthchangeswiththediamondgrainandthelinenumber91第29卷第6期陈超等:电镀金刚石线切割单晶硅表面损伤研究我们对40~50μm的金刚石线切割的单晶硅表面进行了拉曼谱检测分析,图10中,我们发现主峰在520cm-1为单晶硅(标记c-Si)。但是在平滑表面拉曼谱单晶硅峰明显减弱,出现无定型峰包峰位约在470cm-1,特别是及线痕处晶体硅峰强度明显减弱,而a-Si峰强度增强,另外,还检测到了硅的亚稳相Si-XII在-352cm-1[12-14]。金刚石尖端应力的集中可能是导致亚稳相Si-XII产生的主要原因。这也表明,由于凹坑深度是线痕深度的两倍并形成脆性断裂,使硅表面呈现为晶态。图10不同位置处硅表面拉曼分析Fig.10Ramananalysisofsiliconsurfaceatdifferentpositions图11是选用40~50μm的金刚石线,在不同切割线速度切割硅表面B点位置的拉曼谱线。每条谱线均显示在300和470cm-1有a-Si峰,在352和433cm-1有硅的亚稳相Si-XII的峰。另外,呈现切割线速度越低,a-Si峰越高的的趋势。这可能是在恒定的进给速度下,较低的切割线速度使单颗粒金刚石压入硅晶体的深度增加的缘故,并产生了塑性变形,从而产生了无定型层。然而,在较低切割速度时,c-Si的峰520cm-1有左移,说明了其结晶程度降低并且表面有残余应力[15,16]。在最低速时,在500cm-1图1140~50μm金刚石线在不同切割速度切割后B点位拉曼谱分析Fig.11RamanspectrumanalysisofBspotafter40-50μmdiamondwirecuttingatdifferentspeeds出现多晶硅的峰,表明了单晶硅形态的转变。图12显示在最高线速度切割时,金刚石粒度变化,表面B处的拉曼谱。a-Si,亚稳相Si-XII,c-Si均被检测,但是很难将不同粒度的金刚石线切割的效果区分开来。图1245m/s切割速度不同粒度金刚石线切割后B点位拉曼谱分析Fig.12RamanspectrumanalysisofBspotafterdiamondwirewithdifferentgraincuttingat45m/s通过以上拉曼光谱分析,在平整光滑的表面,是a-Si、亚稳相Si-XII、c-Si三相共存的;然而,在较低线速度切割时,对a-Si层的形成影响较大。同时也说明脆性加工模式导致了凹坑的形成。02超硬材料工程2017年12月4结论在不同条件下,进行高速切割单晶硅试验。(1)使用较好金刚石有助于提高表面加工质量;(2)加工刀数的增加使金刚石表面变圆,并使表面损伤层及线痕深度降低;(3)拉曼谱显示,加工表面共存有硅的几种形态(c-Si,a-Si,Si-Ⅻ),凹坑处显示晶态,而线痕处产生亚稳态Si-Ⅻ及a-Si,而在较平滑处则存在三种形态;(4)非晶态主要取决于切割线速度,也与金刚石粒度有关。低速切割时主要表现为非晶态和多晶态。参考文献:[1]OishiH,AsakawaK,TsukamotoK,UnoY.Studyonabra-sivegritsizechangeandcuttingmechanisminmultiwiresawsli-cing-studyon400mm-diametersiliconingotslicing[J].JapSocPrecEng,2001,67(6):891-6.[2]SuwabeH,AbeY,NirasawaK,IshikawaK.Slurrybehaviorinslicinggrooveswithamulti-wiresawusedforsolarcels[J].JapSocAbrasiveTechnol,2009,53(8):488-93.[3]TanizakiA,KawatsuT,TakataS,SakataN.Waferslicingwiththewireofthesiliconwaferforphotovoltaics[J].JapSocMechEng,2013,88:6-15.[4]WangW,LiuZX,ZhangW,HuangYH,AlenDM.Abrasiveelectrochemicalmulti-wireslicingofsolarsiliconingotsintowa-fers[J].ManufTechnol,2011,60:255-8.[5]MeinelB,KoschwitzT,BlocksC,AckerJ.Comparisonofdia-mondwirecutandsiliconcarbideslurryprocessedsiliconwafersurfacesafteracidictexturisation[J].MaterSciSemicondProcess,2014,26:93-100.[6]YuXuegong,WangPeng,LiXiaoqiang,YangDeren.ThinCzocharalskisiliconsolarcelsbasedondiamondwiresawingtechnology[J].SolEnergyMaterSolCels,2012,98:337-42.[7]MeinelB,KoschwitzT,AckerJ.TextualdevelopmentofSiCanddiamondwiresawedsc-siliconwafer[J].EnergyProcedia,2012,27:330-6.[8]WuH.Wiresawingtechnology:astate-of-the-artreview[J].PrecEng,2016,43(1):1-9.[9]WuH,YangC,NelkoteSN.Effectofreciprocatingwireslurrysawingonsurfacequalityandmechanicalstrengthofas-cutsolarsiliconwafers[J].PrecEng,2014,38(1):121-6.[10]YanJ,SyojiK,KuriyagawaT.Effectoftoolwearondiamondcuttingofsinglecrystalsilicon[J].JapSocMechEng2001;67(12):323-8.[11]IchidaY,KishiK,HasudaY.Optimumgrindingconditionforfinegritdiamondwheelsinprecisiongrindingofceramics[J].JapSocPrecEng,1992,58(6):145-51.[12]GogotsiYG,DomnichV,DubSN,KailerA,NickelKG.Cy-clicnanoindentationandRamanmicrospectroscopystudyofphasetransformationsinsemiconductors[J].MaterRes,2000,15(4):871-9.[13]HuJZ,MerkleLD,MenoniCS,SpainIL.Crystaldataforhigh-pressurephasesofsilicon[J].AmPhysSoc1986;34(7):4679-84.[14]GassiloudR,BalifC,GasserP,BuerkiG,MichlerJ.De-formationmechanismsofsiliconduringnanoscratching[J].PhysStatSol(a),2005,202(15):2858-69.[15]GogotsiY,BaekC,KirschtF.Ramanmicro-spectroscopystudyofprocessing-inducedphasetransformationsandresidu-alstressinsilicon[J].SemicondSciTechnol,1999,14:936-44.[16]KailerA,GogotsiYG,NickelKG.Phasetransformationsofsiliconcausedbycontactloading[J].JApplPhys1997;81(7):췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍3057-63.世界四大钻石切磨中心金刚石原石,毫不起眼。但如果它被切割成完美琢型,便是价值连城。然而切磨有好有坏,哪里的切工可称世界第一?又有哪些特点呢?比利时安特卫普加工着占世界三分之一份额的钻石,从15世纪中叶开始就成为世界“钻石之都”。目前这里仍然集中了8000多名技术熟练的切磨技师,300多家有实力的钻石加工厂。由于欧洲劳动成本的提高,安特卫普现在多加工较大的钻石毛坯。这里加工的钻石包括圆钻和各种花式切工的钻石,大小从1分到10克拉都有。特拉维夫以花式切工闻名于世,全球钻石首饰市场上有40%的圆钻和70%的花式钻石出自于此,以10分到50分为主。加工水平不平均,抛光常常使用传统工具。以色列切割工艺已经今非昔比,抛光非常好,钻石看起来很亮,同时他们保留原始晶面,所以钻石有时候并不只是57面(因此做法较灵活,可以提高钻石的性价比)。美国纽约是全球著名的大钻石切割中心,聚集有400多名熟练的切磨师,大约有2000名钻石商。由于劳动力昂贵,主要加工大钻,以5克拉以上的大钻为主。美国加工钻石的自动打圆机主要引进以色列,美国切工式的圆形钻石有58个面,尖底磨平抛光成透明的八角形,腰缘磨成透明刻面,其钻石对称性不如比利时切工。印度孟买是新兴的钻石切割中心,他们的切工有自己一套系统,能迎合各种买家的需要。由于劳动力成本低廉,印度切磨的钻石多为0.20克拉左右的小钻,品质较差,切磨工艺较一般。最显著的特点是腰线比较厚,冠面比较窄。(新浪新闻)12第29卷第6期陈超等:电镀金刚石线切割单晶硅表面损伤研究