CN102554377A - 一种单晶硅棒外圆切割加工方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种单晶硅棒外圆切割加工方法及装置，属于非接触式电火花加工范畴。切割加工的方法是：以钼丝或钼合金金属细丝作为工作电极，使走丝速度在1-30m/s之间，在切割加工过程中，脉冲发生器的电压脉冲宽度在1-100μs之间且可调；电压在0-200伏特之间，加工工作液的电导率为0.5-50ms/cm。针对重掺杂单晶(电阻率在0.0001-0.10Ω.cm范围)单晶硅棒(锭)，锭长100-400cm。采用较高电导率(0.5-50ms/cm)工作液，基于无切削力的电火花放电原理，实现单晶硅棒(锭)外圆切割加工一次成型且晶体表面几乎没有加工应力损伤残留。这种单晶硅棒(锭)外圆切割加工工艺方法可以保留单晶的外壳(重量占单晶的5-15％)，这部分材料可以回收。
Description
技术领域
本发明涉及一种单晶硅的切割加工工艺方法和装置，特别是一种大、长弧面的电极电火花加工工艺方法和装置，属电火花加工方法和装置领域。
背景技术
制做半导体的基板流程中，硅单晶棒在切割成300～900微米厚度的硅片前，需要通过滚磨将晶棒的外圆尺寸加工为标准直径。通常的标准是：4”标准直径100.0mm、5”标准直径125.0mm、6”标准直径150.0mm、8”标准直径200.0mm及12”标准直径300.0mm。在滚磨过程中，硅单晶棒超出标准直径的那部分材料都将被磨削成细粉。
硅片切割是单晶硅加工的重要工序，常用的切割方法有：外圆切割(ODsaw)、内圆切割(ID saw)和线切割(Wire saw)。采用外圆切割大直径硅片时刀片因太薄(刀片典型厚度：300～400微米)且受到硅片径压力，容易产生变形和侧向摆动，是材料损耗加大，表面不平整。内圆切割方法是在刀片内径电沉积金刚石磨料作为切割刃切割硅片，内圆切割的硅片表面质量优于外圆切割的质量，但切割效率不能满足实际生产的需求，多线切割技术已经成为目前主流技术。但是由于多线切割加工原理的局限性，需要对切割线振动控制、切割线寿命、磨料和切削液利用率等关键技术开展进一步研究，以减少切缝损失和提高表面质量。
外圆切割(OD saw)、内圆切割(ID saw)和线切割(Wire saw)的工作原理是相同的，在切割过程中硅片因机械作用造成的刀痕、损伤、破损产生包括机械应力和热经理在内的应力，在切割表面产生损伤形成损伤层，而这些包含微裂痕的硅晶格损伤层需要后序工序才能去除掉。为了消除这类机械切割方式产生的包含微裂痕的硅晶格损伤层，一种非接触式工艺——放电线切割工艺(WEDM)技术被引进到半导体单晶硅的加工领域中。
200710025572“太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置提供了一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置，属特种加工范畴，针对低电阻率(0.01～100Ω·cm)的单晶或多晶硅锭，采用较高电导率(0.1～10ms/cm)工作液，基于无切削力的电火花放电和高温脉冲电化学腐蚀复合加工原理，实现太阳能硅片高效低成本切割及绒面制作，满足晶硅太阳电池的生产工艺需求。
发明内容
本发明提供一种单晶硅棒外圆切割加工方法和装置，使用本方法和装置对重掺杂硅单晶外圆切割加工一次成型，晶体表面无加工应力损伤残留，保留单晶的外壳可以回收。
为达到上述发明的目的，本发明采用以下技术方案：
这种单晶硅棒外圆切割加工的方法，它包括以下步骤：以钼丝或钼合金金属细丝作为工作电极，使走丝速度在1-30m/s之间，在切割加工过程中，脉冲发生器的电压脉冲宽度在1-100μs之间且可调；电压在0-200伏特之间，加工工作液的电导率为0.5-50ms/cm。
所述的单晶硅棒为重掺杂晶体，电阻率在0.0005-0.10Ω.cm，直径4英寸-8英寸锭长100-400cm。
所述的工作液为：植物油含量5～10％(单位为重量百分比、下同)、甘油1～3％、硅油0.1～1％、松香4～8％、烷基硫酸钠1～2％、钼酸钠1～2％等与1.5～2％乳化剂(OP)、余量纯水组成，NaOH调节PH值在5～7范围。
控制系统，脉冲发生器，脉冲输出一端连接待加工的单晶硅棒作为工作电极，该工作电极固定在X、Y方向运动的平台上；脉冲输出的另一端连接工具电极，工作电极与单晶硅棒之间的间隙导入工作液；加工工作液、供液泵、工作液贮箱组成冷却、灭弧、排渣润滑系统，所述的工具电极通过储丝简、导轮。
本方法优点是：利用高掺杂的硅单晶电阻率低的特点，使用电火花加工技术，高掺杂的硅单晶外圆切割加工一次成型且晶体表面几乎无加工应力损伤。这种单晶硅棒(锭)外圆切割加工工艺方法可以保留单晶的外壳(重量占单晶的5-15％)，这部分材料可以回收；而使用常规单晶硅棒(锭)的外圆滚磨加工方法，这部分材料都被磨削成细粉而无法回收。
附图说明
图1：单晶硅棒(锭)的外圆切割成型示意图
图2：切割的加工原理
图3：脉冲电压波形
1-控制系统，2-储丝简，3-导轮，4-工具电极(金属丝)，5-工作电极(晶棒)，6-工作液，7--绝缘板，8-脉冲发生器，9-供液泵10--工作液贮箱，11-X、Y控制步进电动机。
具体实施方式
实施例1
一段6”毛坯单晶棒，外径在158.0～160.0之间长度为240mm，导电型号为N型电阻率范围在0.0040～0.0050Ω.cm。切割加工时，与脉冲发生器(8)的一极连接工具电极(4)采用直径为0.10～0.30mm的细钼丝，优选的钼丝直径为0.12～0.15mm，钼丝长度为另1～3km缠绕储丝简(2)内；脉冲发生器(8)的另一极与工作电极(5)相连接形成放电回路。
工具电极(4)走丝速度为10m/s，工具电极(4)自动进给装置控制以保证常加工时与工作电极(5)维持一个很小的放电间隙(0.01～0.05mm)，间隙，此间隙充满了工作液(6)。当脉冲电压V(图3)加到两极间时，极间的工作液介质被击穿而形成放电通道，脉冲放电时间间隔在10～60μs，切割速度60～100mm2/min，外壳重量占毛坯重量的11％。。
实施例2
单晶棒(锭)的电导率对切割速度影响。如果单晶棒(锭)电阻率较高，降低了金属线(4)和晶棒(5)之间的电流，从而减小了脉冲能量并最终降低了切割效率。对于电子为多数载流子的N型单晶硅棒，电阻率与掺杂浓度的关系：
表一、电阻率与掺杂浓度的关系
| 导电类型 | 掺杂浓度 | 电阻率 |
| / | (l/cm3) | (Ω.cm) |
| N型 | 7.8x1016 | 0.1000 |
| N型 | 4.5x1018 | 0.0100 |
| N型 | 7.4x1019 | 0.0010 |
| N型 | 1.7x1019 | 0.0005 |
对于电阻率为0.100Ω.cm(对应掺杂浓度为7.8x1016l/cm3)单晶棒(锭)只能获得较低的切割效率，典型的切割速度30～50mm2/min；电阻率为0.001Ω.cm(对应掺杂浓度为7.4x1019l/cm3)单晶棒(锭)可以获得50～120mm2/min的切割速度。
实施例3
一段8”毛坯单晶棒，外径在205.0～208.5之间长度为385mm，导电型号为N型电阻率范围在0.0030～0.0040Ω.cm，目标直径201.0±0.3mm。对于厚度100mm以上的大厚切割，为了提高加工效果，由植物油(5～10％单位为重量百分比、下同)、甘油(1～3％)、硅油(0.1～1％)、松香(4～8％)、烷基硫酸钠(1～2％)、钼酸钠(1～2％)等与适量的乳化剂(OP)、余量纯水组成的工作液(6)提供良好的冷却效果；为了获得良好的清洗排屑性能，工作液(6)的控制在弱碱性，用NaOH调节PH值在5～7范围。
在使用上述配比的工作液，脉冲放电时间间隔在40μs电压160V，即使大厚切割、排渣不利的条件下可以达到40～60mm2/min的切割速度，外壳重量占毛坯重量的7％。
Claims (4)
1.一种单晶硅棒外圆切割加工方法，其特征是：它包括以下步骤：以钼丝或钼合金金属细丝作为工作电极，使走丝速度在1-30m/s之间，在切割加工过程中，脉冲发生器的电压脉冲宽度在1-100μs之间且可调；电压在0-200伏特之间，加工工作液的电导率为0.5-50ms/cm。
2.根据权利要求1所述一种单晶硅棒外圆切割加工方法，其特征是：所述的单晶硅棒为重掺杂晶体，电阻率在0.0005-0.10Ω.cm，直径4英寸-8英寸锭长100-400cm。
3.根据权利要求1所述一种单晶硅棒外圆切割加工方法，其特征是所述的工作液为：植物油含量5～10％、甘油1～3％、硅油0.1～1％、松香4～8％、烷基硫酸钠1～2％、钼酸钠1～2％等与1.5～2％乳化剂(OP)、余量纯水组成，NaOH调节PH值在5～7范围。
4.一种用于权利要求1所述方法的装置，其特征在于：它包括：控制系统，脉冲发生器，脉冲输出一端连接待加工的单晶硅棒作为工作电极，该工作电极固定在X、Y方向运动的平台上；脉冲输出的另一端连接工具电极，工作电极与单晶硅棒之间的间隙导入工作液；加工工作液、供液泵、工作液贮箱组成冷却、灭弧、排渣润滑系统，所述的工具电极通过储丝简、导轮。
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| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100088, 2, Xinjie street, Beijing Applicant after: YOUYAN NEW MATERIAL CO., LTD. Applicant after: Guotai Semiconductor Materials Co., Ltd. Address before: 100088, 2, Xinjie street, Beijing Applicant before: GRINM Semiconductor Materials Co., Ltd. Applicant before: Guotai Semiconductor Materials Co., Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS CO., LTD. TO: GRINM ADVANCED MATERIALS CO., LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100088, 2, Xinjie street, Beijing Patentee after: YOUYAN NEW MATERIAL CO., LTD. Patentee after: You Yan Semi Materials Co., Ltd. Address before: 100088, 2, Xinjie street, Beijing Patentee before: YOUYAN NEW MATERIAL CO., LTD. Patentee before: Guotai Semiconductor Materials Co., Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: GRINM ADVANCED MATERIALS CO., LTD. Effective date: 20150710 Free format text: FORMER OWNER: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS CO., LTD. Effective date: 20150710 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150710 Address after: 101300 Beijing city Shunyi District Shuanghe Linhe Industrial Development Zone on the south side of the road Patentee after: You Yan Semi Materials Co., Ltd. Address before: 100088, 2, Xinjie street, Beijing Patentee before: YOUYAN NEW MATERIAL CO., LTD. Patentee before: You Yan Semi Materials Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 101300 south side of Shuanghe Road, Linhe Industrial Development Zone, Shunyi District, Beijing Patentee after: Youyan semiconductor silicon materials Co.,Ltd. Address before: 101300 south side of Shuanghe Road, Linhe Industrial Development Zone, Shunyi District, Beijing Patentee before: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS Co.,Ltd. |