CN107116712B - 一种电镀金刚线切割硅片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电镀金刚线切割硅片的方法，包括如下步骤：（1）粘棒，（2）上料，（3）配制冷却液，（4）切割，（5）下料，（6）脱胶、清洗，（7）检测、包装；所述步骤（4）切割：所述切割由切割机架带动硅棒向电镀金刚线网移动，同时主辊带动电镀金刚线网作往复运动实现切割，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度200‑350颗/mm，切割过程中，电镀金刚线的切割张力为6‑16N，电镀金刚线的线速度为1200‑1800m/min，工件切割速度为0.8‑3.5 mm/min，切割液温度为18‑23℃，切割过程中，电镀金刚线采用逐渐递进法或先反向供给后正向供给的方式。采用本发明切割方法能够在2h以内完成对8.4inch、650‑700mm晶体硅棒的顺利切割。

Description

一种电镀金刚线切割硅片的方法

技术领域

本发明涉及多线切割太阳能级硅片的方法，特别是一种电镀金刚线切割硅片的方法。

背景技术

太阳能是一种可再生的清洁能源，其应用领域越来越广泛，光伏发电就是最重要的领域之一，根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能。硅片是太阳能电池的重要组成部分，目前硅片的制备工艺几乎都是采用一种多线切割的方法将晶体硅棒切割成所需厚度的硅片。多线切割主要由两大切割组成：(1)游离磨粒切割，即用细丝钢线带动直径为8-20um的SiC浆液，实现对晶体硅的磨削切割，又称砂线切割；(2)固结磨粒切割，即先给细丝钢线上电镀一层直径8-16um或6-12um的金刚石微粒，然后用电镀好的细线切割晶体棒，又称金刚线切割。随着技术的改进，市场需求越来越大，砂线切割效率低，且切割工艺过程中使用的油雾对环境造成严重的污染，因此砂线切割已经逐渐被淘汰。金刚线切割由于切割效率高，成本低，环保压力小而迅速受到市场青睐。然而，采用现有的金刚线及切割工艺，每切割一个工件，所需要的时间为3-4小时，这无论是从企业自身盈利方向，还是从市场需求来看，效率还是不能满足要求。

中国专利文献CN 104476686 B公开了一种使用超高密度金刚石线切割太阳能级硅片的方法，其包括如下步骤：(1)粘棒固定；(2)安装超高密度金刚石线；(3)线切；(4)清洗检测。该专利采用超高密度金刚石线切割太阳能级硅片，提高硅片质量和设备产能，然而该专利切割一个工件需要3小时左右，生产效率低，不能满足市场需求。

中国专利文献CN 106217665 A公开了一种超细钢线切割超薄硅片方法，其包括如下步骤：(1)主轴开槽；(2)粘棒；(3)配置冷却液；(4)切割；(5)下料；(6)脱胶、清洗；(7)检测。该专利采用60um母线金刚线在日本安永TV600最新切片机型上切割，线速1600m/min，主切割速度1.1-1.3mm/min，推算切割时间为2.5小时左右。尽管切割时间有所缩短，但依照本发明观点来看，还是很慢；同时需要指出的是，该机型的各项参数比目前行业主流机型高很多(例如线速度1200m/min低于该机型的1600m/min)，如果按该专利方法在普通机型上应用则切割时间可能会达到3.5小时左右。

目前市场上的电镀金刚线在保证产品品质不受影响的情况下，不能在2小时以内完成对8.4inch、650-700mm长晶体硅棒的顺利切割。主要原因是金刚线切割要缩短时间，就必须要提高切割速度，从而带来很大的线弓，到设备最大行程时(切割结束时)线弓依然较大，进而导致切不透，最终需要通过增加更多新线量供给、更多切割时间才能完成剩余切割，为避免线弓大带来的这种不利，通常的做法就是采用低切割速度或者增加更多的新线供给量。带来结果：延长切割时间，增加了金刚线整体行程，从而增加了断线风险，带来硅片表观质量下降，成本增加，成品率下降。本发明依据对切割机理、线弓形成的新颖观点设计切割方法，所述切割方法是将开始切割、结束切割的切割速度提高为现在的2-3倍，目的是快速形成线弓，以便能够发挥金刚线切割力，这样能够在1.5-2h内完成对8.4inch、650-700mm长硅棒的加工；同时，所述切割方法将冷却液在开始切割时调节到最小或者关掉，待切割到硅棒一定深度后，再调节流量到合适大小开始切割，此方法能够防止刚开始切割时冷却液对金刚线的扰动，导致切割硅片品质差。依照本发明方法能够大幅提高产能，改善品质，降低成本。

发明内容

针对现有技术中电镀金刚线切割硅片效率低的问题，本发明提供一种电镀金刚线切割硅片的方法。采用本发明切割方法能够在2h以内完成对8.4inch、650-700mm晶体硅棒的顺利切割。

术语解释：

TTV：Total Thickness Variation缩写，单张硅片上各个测试点厚度的最大厚度值与最小厚度值的差值。

破断张力：金刚线在静态拉力试验机上，被拉断时的力。

切割张力：金刚线以螺旋方式缠绕在切割主辊上，切割时给张力控制器设定一定的力，且切割张力＜破断张力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电镀金刚线切割硅片的方法，包括如下步骤：(1)粘棒，(2)上料，(3)配制冷却液，(4)切割，(5)下料，(6)脱胶、清洗，(7)检测、包装；

所述步骤(1)粘棒：将燕尾结构与树脂板、树脂板与硅棒用粘胶粘接；

所述步骤(2)上料：将步骤(1)中粘接成的整体通过燕尾结构装到上下料工装上，送入切片机；

所述步骤(3)配制冷却液：将切割液、消泡剂、水按照质量比为1∶1∶200～1∶0.5∶350混合均匀后，倒入冷却液缸中；

所述步骤(4)切割：所述切割由切割机架带动硅棒向电镀金刚线网移动，同时主辊带动电镀金刚线网作往复运动实现切割，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度200-350颗/mm，切割过程中，电镀金刚线的切割张力为6-16N，电镀金刚线的线速度为1200-1800m/min，工件切割速度为0.8-3.5mm/min，切割液温度为18-23℃，切割过程中，电镀金刚线采用逐渐递进法或先反向供给后正向供给的方式。

进一步，所述切割速度分为三部分：进刀切割速度为1.5-3.5mm/min，主切割速度为2-3.5mm/min，出刀切割速度为0.8-1.0mm/min。

本发明认为多线切割硬脆材料，对于切割工具—金刚线来说，如果要形成切入深度，那么线弓的存在正是金刚线发挥切割能力的必需条件。换句话说，对于金刚线切割过程中，当没有线弓存在时，也就没有切割能力，也就不存在去除材料的过程。所以本发明认为要想切割的快，需要让金刚线从切割一开始(进刀)形成较大的线弓，以及切割即将结束具有较大线弓(出刀)，即进刀速度与出刀速度至少是现在技术中切割速度的2倍。

刚开始切割的进刀切割速度设定为1.5-3.5mm/min，能够在短时间内快速形成线弓，硅棒受到金刚线向上的力就会增强；出刀切割速度设定为0.8-1.0mm/min，在出刀时，硅棒受到钢线足够向上的力，能够弥补一部分旧线出刀切割力，保证顺利切透。尤其当金刚线越来越细时，硅棒就更加需要更多的力，才能发挥出金刚线更多的切割力。

进一步，开始切割前，调节冷却液流量到10-30L/min，优选为0-1L/min，上述流量对应切割深度设定为1-10mm；当切割达到设定位置时，将冷却液流量调节到130-170L/min。

现有的多线切割均是在循环流动冷却液环境中实施切割的，切割线网是指在主辊上两两相隔0.2-0.3mm螺旋缠绕而形成的，通常是冷却液连续流到线网上，再开启机器来切割的，由于金刚线直径一般在60um-90um，非常容易受到液体表面张力的扰动，导致未切入硅棒中的金刚线间距不一致，从而引起切割的硅片厚度差异很大，影响硅片成品率。

先切割，再冷却：开始切割前，先调节冷却液到最小值或者关掉，切割深度设定为1-10mm，进行无循环冷却液切割，当切割到设定位置时，将冷却液流量调节到通常流量大小，即130-170L/min，开始进行循环冷却切割，上述设计能够有效解决进刀时硅片表观质量问题，表观质量问题主要是硅片厚度不均问题，采用本发明方法，在切割190um厚硅片时，能够将厚度波动范围从170-230um，有效改善为190±2um，进而有效提高硅片成品率。

进一步，所述逐渐递进的切割方法为金刚线以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，所述每个往复循环中，头端向着末端行走的电镀金刚线的数量大于末端向着头端行走的电镀金刚线的数量。

进一步，所述先反向进给后正向进给的进给方式为电镀金刚线以往复切割方式从主辊的末端向着头端先行走，当电镀金刚线切入工件位置一定距离后，金刚线又以往复切割方式从主辊的头端向着末端行走，所述每个往复过程金刚线在主辊的槽里都是螺旋行进。所述反向进给所需电镀金刚线总量小于等于正向进给所需电镀金刚线总量。

进一步，所述电镀金刚线直径为50-80um，电镀金刚线破断张力为10-23.5N，电镀金刚线上金刚石颗粒直径为5-16um，金刚石颗粒出刃高度4-7um。

进一步，所述电镀金刚线上金刚石颗粒直径为8-16um，优选为7-14um，进一步优选为6-12um，更进一步优选为6-8um。

进一步，所述电镀金刚线的线速度优选为1200-1500m/min，更优选为1400-1500m/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明阐述了与常规认识完全不同的线弓形成观点，按照本发明观点设定的切割工艺，增加进刀切割速度、出刀切割速度，根据切割中线弓大小变化，设定过渡切割位置与切割速度，保证线弓在结束切割时能够较快的恢复到接近水平位置，即保证切透。采用如此设定的切割工艺能够在1.5-2h内完成对8.4inch、长650-700mm晶体硅棒的顺利切割，切割时间降低为现在的一半，实现大幅度提高切割设备单位时间的产能，有效降低生产成本。

(2)本发明在开始切割前，先调节冷却液到最小值或者关掉，当切割到设定位置时，将冷却液流量调节到通常流量大小，再开始切割，上述设计能够有效解决硅片在进刀时出现的厚度不均问题，有效改善品质，提高硅片成品率。

(3)本发明采用直径为50-80um的电镀金刚线作为切割线，电镀金刚线破断张力为10-23.5N，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度200-350颗/mm，金刚石颗粒直径为5-14um，金刚石颗粒出刃高度4-6um。选用这样的金刚线在母线线径相同时，具有更小的外轮廓直径，更小的金刚石出刃高度，更高的金刚石出刃率，能够满足1.5-2h切割情况下，对硅片表观品质不造成不良影响。

附图说明

图1a为本发明硅棒切割前示意图；

图1b为本发明硅棒切割时示意图；

图2为本发明实例1中所用电镀金刚线的电子显微照片；

图3为本发明实例2中所用电镀金刚线的电子显微照片；

图4为本发明实例1切割出来的硅片照片；

图5为本发明实例2切割出来的硅片照片；

图中：1-燕尾结构，2-树脂板，3-硅棒，4-电镀金刚线网，5-主辊。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例中所用切割液为常州高特新材料有限公司生产的硅片切割液，所用消泡剂为东莞市德丰消泡剂有限公司生产的消泡剂，也可以选用巴索国际贸易(上海)有限公司生产的切割液，所用环氧树脂AB胶为市购产品。

一种电镀金刚线切割硅片的方法，包括如下步骤：(1)粘棒，(2)上料，(3)配制冷却液，(4)切割，(5)下料，(6)脱胶、清洗，(7)检测、包装；

将燕尾结构1与树脂板2、树脂板2与硅棒3用环氧树脂AB胶粘接；所述步骤(2)将购买的高特切割液、德丰消泡剂、水按照质量比例1∶0.5∶350混合均匀后，倒入冷却液缸中，备用；

如图2所示，为本实施例中所用电镀金刚线的电子显微照片，本实施例中采用直径为80um的电镀金刚线作为切割线，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度为200±50颗/mm，金刚石颗粒直径为10±3um，金刚石颗粒出刃高度6um。

开始切割前，设定切割深度为5mm，冷却液流量关闭，当切割深度达到5mm时，冷却液流量为140L/min。

切割过程中，电镀金刚线的切割张力为14N，电镀金刚线的线速度为1300m/min，进刀切割速度为1.5mm/min，主切割速度为2mm/min，出刀切割速度为0.8mm/min，切割液温度为20±1℃，如图1a和1b所示，切割过程中，燕尾结构1与硅棒3形成的整体在切割机架的带动下向电镀金刚线网4移动，同时主辊5带动电镀金刚线网4作往复运动实现切割，切割过程中电镀金刚线网4以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，所述每个往复循环中，头端向着末端行走的电镀金刚线的数量大于末端向着头端行走的电镀金刚线的数量。

在本实施例中，所述脱胶、清洗：将切割后的硅片浸泡在热水或草酸溶液中进行脱胶；将硅片经过不同的酸碱工艺槽进行清洗，清除附着的杂质、金属离子、硅粉等，保持硅片表面的洁净。

在本实施例中，所述切割设备中的主辊圆周表面涂覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，弹性材料上设置有细微的槽子，金刚线就绕在这些槽内。

利用本实施例的切割方法加工尺寸为8.4inch、长650mm的硅棒，加工时间为110min，比现有技术的切割效率有很大的提高。如图4所示，为本实施例切割成品的硅片照片，表面平整。本实施例的切割实验数据如表1所示：

表1实施例1切割实验数据

实施例2

与实施例1不同的是：

步骤(2)将购买的高特切割液、德丰消泡剂、水按照质量比1∶1∶300混合均匀后，倒入冷却液缸中，备用。

如图3所示，为本实施例中所用电镀金刚线的电子显微照片，本实施例中采用直径为70um的电镀金刚线作为切割线，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度为300±20颗/mm，金刚石颗粒直径为8±2um，金刚石颗粒出刃高度4.5um。

开始切割前，设定切割深度为6mm，冷却液流量调节到0.5L/min，当切割深度达到6mm时，冷却液流量为160L/min。

切割过程中，电镀金刚线的切割张力为12N，电镀金刚线的线速度为1400m/min，进刀切割速度为2.2mm/min，主切割速度为3mm/min，出刀切割速度为1.0mm/min，切割液温度为18±1℃，如图1a和1b所示，切割过程中，燕尾结构1与硅棒3形成的整体在切割机架的带动下向电镀金刚线网4移动，同时主辊5带动电镀金刚线网4作往复运动实现切割，切割过程中电镀金刚线网4以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，所述每个往复循环中，头端向着末端行走的电镀金刚线的数量大于末端向着头端行走的电镀金刚线的数量。

利用本实施例的切割方法加工尺寸为8.4inch、650mm的硅棒，加工时间为100min，比现有技术的切割效率有很大的提高。如图5所示，为本实施例切割成品的硅片照片，表面平整。本实施例的切割实验数据如表2所示：

表2实施例2切割实验数据

以上表述了本发明采用逐渐递进法切割的主要参数特征与原理，其中实验数据为部分数据，目的在体现本发明特征所带来的优点，并非是对本发明技术方法的限制。上述是实施例中的逐渐递进切割方法可以由反切→正切的切割方法替换，切割数据可以根据实际需要进行调整，本领域技术人员应当了解，一切基于本发明技术内容所做的修改、变化或者替代技术特征，皆应包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种电镀金刚线切割硅片的方法，包括如下步骤：（1）粘棒，（2）上料，（3）配制冷却液，（4）切割，（5）下料，（6）脱胶、清洗，（7）检测、包装；

所述步骤（1）粘棒：将燕尾结构与树脂板、树脂板与硅棒用粘胶粘接；

所述步骤（2）上料：将步骤（1）中粘接成的整体通过燕尾结构装到上下料工装上，送入切片机；

所述步骤（3）配制冷却液：将切割液、消泡剂、水按照质量比为1∶1∶200～1∶0.5∶350混合均匀后，倒入冷却液缸中；

所述步骤（4）切割：所述切割由切割机架带动硅棒向电镀金刚线网移动，同时主辊带动电镀金刚线网作往复运动实现切割，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度200-350颗/mm，切割过程中，电镀金刚线的切割张力为6-16N，电镀金刚线的线速度为1200-1800m/min，工件切割速度为0.8-3.5 mm/min，切割液温度为18-23℃，切割过程中，电镀金刚线采用逐渐递进法或先反向供给后正向供给的方式；

所述切割速度分为三部分：进刀切割速度为1.5-3.5mm/min，主切割速度为2-3.5mm/min，出刀切割速度为0.8-1.0mm/min；

开始切割前，调节冷却液流量为0-1L/min，上述流量对应切割深度设定为1-10mm；当切割达到设定位置时，将冷却液流量调节到130-170L/min。

2.根据权利要求1所述的一种电镀金刚线切割硅片的方法，其特征在于，所述逐渐递进的切割方法为金刚线以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，所述每个往复循环中，头端向着末端行走的电镀金刚线的数量大于末端向着头端行走的电镀金刚线的数量。

3.根据权利要求1所述的一种电镀金刚线切割硅片的方法，其特征在于，所述先反向进给后正向进给的进给方式为电镀金刚线以往复切割方式从主辊的末端向着头端先行走，当电镀金刚线切入工件位置一定距离后，金刚线又以往复切割方式从主辊的头端向着末端行走，所述每个往复过程金刚线在主辊的槽里都是螺旋行进，所述反向进给所需电镀金刚线总量小于等于正向进给所需电镀金刚线总量。

4.根据权利要求1所述的一种电镀金刚线切割硅片的方法，其特征在于，所述电镀金刚线直径为50-80um，电镀金刚线破断张力为10-23.5N，电镀金刚线上金刚石颗粒直径为5-16um，金刚石颗粒出刃高度4-7um。

5.根据权利要求4所述的一种电镀金刚线切割硅片的方法，其特征在于，所述电镀金刚线上金刚石颗粒直径为6-8um。

6.根据权利要求1所述的一种电镀金刚线切割硅片的方法，其特征在于，所述电镀金刚线的线速度为1200-1500m/min。