CN110039672A - 一种六边形单晶硅棒的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种六边形单晶硅棒的加工工艺，步骤包括：S1：开方，切割线以单晶圆棒端面作为切入口，沿单晶圆棒轴线方向进行切割，去边皮料，加工出的面依次为第一组面、第二组面和第三组面，加工所述第一组面时切割线的线速度大于加工第二组面和第三组面时切割线的线速度，且放置切割线的导轮为V型槽结构，V型槽角度为50‑70°；S2：倒角，对相邻第一组面、第二组面和第三组面的连接棱角进行倒圆加工；S3：磨平面，依次对第一组面、第二组面和第三组面进行磨削加工，且加工第一组面时硅棒移动速度大于加工第二组面和第三组面时移动速度。本发明优化了加工工艺，提高了产品质量，缩短了加工时间，降低生产成本。

Description

一种六边形单晶硅棒的加工工艺
技术领域
本发明属于太阳能级单晶硅棒切割技术领域，尤其是涉及一种六边形单晶硅棒的加工工艺。
背景技术
在单晶硅棒的加工过程中，有时会出现晶体表面的破裂，这将会降低硅棒的整理质量和产量。研究表明，(111)晶面是单晶硅最易开裂的解理面，其与其它晶面相交成一定角度，即易沿该角度方向裂开，此方向为<110>方向，是最易开裂方向。所以在单晶硅棒中，应考虑解理面对各晶面影响程度的大小，以调整相应加工工艺，以提高单晶硅棒的表面质量，降低开裂，提高产品合格率。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种六边形单晶硅棒的加工工艺，尤其是适用于有一组面为(100)晶面的六边形单晶硅棒的加工要求，解决了现有技术中加工工艺设计不合理，导致加工出的六边形单晶硅棒出现大量开裂的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种六边形单晶硅棒的加工工艺，步骤包括：
S1：开方，切割线以单晶圆棒端面作为切入口，沿所述单晶圆棒轴线方向进行切割，去边皮料，加工出的面依次为第一组面、第二组面和第三组面，加工所述第一组面时所述切割线的线速度大于加工所述第二组面和所述第三组面时所述切割线的线速度，且放置所述切割线的导轮为V型槽结构，所述V型槽角度为50-70°；
S2：倒角，对相邻所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面的连接棱角进行倒圆加工；
S3：磨平面，依次对所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面进行磨削加工，且加工所述第一组面时所述硅棒移动速度大于加工所述第二组面和所述第三组面时移动速度。
进一步的，在所述S1中，所述切割线的线速度分三段，分别为入刀段、中间段和出刀段，所述入刀段的线速度大于所述出刀段的线速度；所述入刀段和所述出刀段的速度均小于所述中间段的速度。
进一步的，在加工过程中，对所述切割线进行喷洒冷却液，所述冷却液为纯水。
进一步的，冷却温度为20±5℃，所述冷却液流量为12-20L/min。
进一步的，所述入刀段和所述出刀段的加工长度相同，为50-100mm。
进一步的，所述S2包括依次对所述棱角分别用粗砂轮进行粗磨和精砂轮进行细磨，所述粗砂轮粒度为150-250目；所述精砂轮粒度为500-1200目
进一步的，所述S3具体包括：
S31：用粗砂轮依次对所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面进行粗磨磨削；
S32：用精砂轮依次对所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面进行精磨磨削。
进一步的，在所述S31和所述S32中，所述硅棒在所述入刀段的移动速度大于在所述出刀段的移动速度；所述硅棒在所述中间段的移动速度大于在所述入刀段和所述出刀段的移动速度。
进一步的，所述粗砂轮粒度为150-250目；所述精砂轮粒度为500-1200目。
进一步的，所述S32还包括对所述硅棒的平面进行粗糙度、垂直度和平面度进行检查。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明要解决的问题是提供一种六边形单晶硅棒的加工工艺，尤其是适用于有一组面为(100)晶面的六边形单晶硅棒的加工要求，解决了现有技术中加工工艺设计不合理，导致加工出的六边形单晶硅棒出现大量开裂的技术问题，提高了产品质量，缩短了加工时间，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明一实施例的一种六边形单晶硅棒的加工过程流程图；
图2是本发明一实施例的一种六边形单晶硅棒的结构示意图；
图3是本发明一实施例的单晶圆棒与切割线配合示意图；
图4是本发明一实施例的毛坯硅棒与砂轮配合示意图。
图中：
1、圆棒 101、体柱面 102、端面
2、硅棒 201、第一组面 202、第一组面
203、第一组面 204、六边形面 205、毛坯硅棒
3、切割线 4、导轮 401、V型槽
5、砂轮
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种六边形单晶硅棒2的加工工艺，如图1所示，步骤包括：
S1：开方，切割线3以单晶圆棒1端面102作为切入口，沿单晶圆棒1的轴线方向进行切割，去边皮料，加工出的面依次为第一组面201、第二组面202和第三组面203，加工第一组面201时切割线3的线速度大于加工第二组面202和第三组面203时线速度。
在本实施例中，六边形单晶硅棒2的结构如图2所示，由圆棒1加工而成，包括六边形面204和三组侧平面，分别是第一组面201、第二组面202和第三组面203，其中，第一组面201为面A1A2A2'A1'和面A5A4A4'A5'；第二组面202为面A2A3A3'A2'和面A6A5A5'A6'；第三组面203为面A3A4A4'A3'和面A1A6A6'A1'。具体地，第一组面201的两端边平行于圆棒1相邻生长棱线的连接线，也即是第一组面201平行于相邻生长棱线围成的平面，即为(100)晶面。六边形单晶硅棒2为立方晶体结构，由其对称性可知，第二组面202和第三组面203的晶面指数相同，与第一组面201的夹角均为60°，由晶面夹角公式可推算出第二组面202和第三组面203的晶面指数为晶面夹角公式为本领域人员公知的技术内容，在此不再详述。
在单晶硅中(111)晶面是最易开裂面，由晶面夹角公式可求出(100)晶面与(111)晶面的夹角为54.7°，晶面与(111)晶面的夹角为37.9°。进而可知，晶面所在面离最易开裂面(111)晶面距离较近，(100)晶面所在面离最易开裂面(111)晶面距离较远，则，在加工过程中，晶面较(100)晶面更易开裂，故需在加工六边形硅棒2的过程中，晶面的第二组面202和第三组面203与(100)晶面的第一组面201的加工工艺是不同的，以减少晶面开裂的出现。其中，关于最易开裂面(111)晶面和位置是本领域内的公知内容，在此省略。
具体地，先在圆棒1的端面102上刻绘出六边形面204，并使第一组面201中的边A1A2和A5A4平行于圆棒1体柱面101上一组对位设置的生长棱线的连接线，连接两个端面102上的六边形面204的相应顶点。
如图3所示，圆棒1水平放置，金刚石切割线3位于圆棒1端面102的外侧且垂直于圆棒1的轴线设置，切割线3饶设在导轮4的V型凹槽401内，每根切割线3固定设置在左右两个导轮4上，V型凹槽401的角度θ为50-70°，在这一夹角中，可使切割线3更稳定地的摆动，使切割线3的抖动范围减小。本实施例中，设有一组对位设置的切割线，同步并行往复式切割，大大降低了切割线的使用量，降低辅料使用成本。切割线3的切入口为垂直于端面102一侧的第一组面201的两条边，分别为A1A2和A5A4，并沿圆棒1的轴线从A1向A1'的方向切割。相交于现有平行于毛坯硅棒3轴径方向的切割，这一设置使得切割线3所走路径变短，进而使得切割的受力面积变小，切割线3的波动也会降低，进而也降低了出刀的崩损率，提高了切割效效率，并且可提升毛坯硅棒205中各平面的平整度，使得在后道磨削过程中，降低毛坯硅棒205的磨削量，从而降低硅料的损耗成本。
在开方切割过程中，切割线3的线速度分三段，分别为入刀段、中间段和出刀段，而且入刀段的线速度大于出刀段的线速度；入刀段和出刀段的速度均小于中间段的速度。同时，在加工每一组面中的相应段面时，第一组面201时切割线3的线速度大于加工第二组面202和第三组面203时线速度。
具体地，先加工第一组面201时，切割线3的入刀线速度为19-21m/s，中间线速度为22-24m/s，出刀线速度为16-18m/s；随后分别加工第二组面202和第三组面203，相应地切割线的线速度均相同，切割线3的入刀线速度为16-18m/s，中间线速度为19-21m/s，出刀线速度为13-15m/s。这是因为在入刀时和出刀时，因机器和切割线3的震动，使得这两个阶段的速度不易过快，在中间阶段中需提速进行切割，便于保持整体切割的稳定性。同时，在初始入刀时，切割线3需张紧与圆棒1对刀，此时，线速度也不易过慢。而随着切入的深入，当快出刀时，由于被切边角料与圆棒1主体仅有部分连接，此时，线速度应降低下来，避免边角料从圆棒1上撕裂开。在这一加工过程中，切割线3的张力设置在70-95N，切割线3的进给速度设置在12-35mm/min。
相应地，加工过程中，采用水冷却持续流动模式对切割线3进行降温并且带走无效微粉，其中冷却液为纯水，冷却温度为20±5℃，整体的冷却液流量为12-20L/min。优选地，在加工第一组面201时，冷却液流量为16-20L/min；在加工加工第二组面202和第三组面203时，冷却液流量为12-15L/min。
在本实施例中，入刀段和出刀段的加工长度相同均为50-100mm，中间长度可根据实际调整。在开方切割过程中，圆棒1固定不动，切割线3相对于圆棒1水平移动，每加工完一组面面，切割线3回撤到初始位置。加工圆棒1中，切割线共执行三次入刀切割模式，圆棒1顺时针共旋转两次，每次旋转60°，圆棒1每旋转一次，即可使下一组面的被切位置正好水平平行于切割线3的位置处，然后即可继续进行移动切割，直至完成所有切割后，加工出毛坯硅棒205。
针对不同晶面所用切割线3的加工工艺不同，这是因为在开方切割过程中,切割线3的切削力随着晶面的变化而发生波动。切削力的波动将使切割过程变的不稳定，从而影响加工表面质量。切割方向与最易开裂面(111)晶面的距离越大，垂直于最易开裂面的磨削分力就越小，材料越不容易形成断裂破坏，倾向于产生剪切滑移，使得加工表面粗糙度较小，即(100)晶面的表面质量较好。磨削方向与最易开裂面(111)晶面的距离越小，垂直于最易开裂面的磨削分力就越大，材料越容易形成断裂破坏，会使加工表面粗糙度增大。所以，这一工艺的调整，使得加工表面质量差异性较小，一致性好且稳定，且大大降低了表面开裂的风险，不仅提高了加工质量，而且还提高了加工效率，节约了生产时间，提高了产品成品率，降低了生产成本。
S2：倒角，对相邻第一组面201、第二组面202和第三组面203的连接棱角进行倒圆加工。
加工过程中，毛坯硅棒205以12-22rpm/min的速度进行旋转，依次对毛坯硅棒205的棱角分别用粗砂轮进行粗磨、再用精砂轮进行细磨。具体地，粗砂轮的粒度为150-250目，精砂轮的粒度为500-1200目，砂轮是转速均为2000-3500rpm/min，毛坯硅棒205进给移动速度800-1200mm/min，砂轮向前进给速度0.2-0.5mm/min。加工后对毛坯硅棒205的外圆的粗糙度和直径方向的尺寸偏差均需进行检查，满足标准要求。
S3：磨平面，依次对第一组面201、第二组面202和第三组面203进行磨削加工，且加工第一组面201时毛坯硅棒205移动的速度大于加工第二组面202和第三组面203时移动的速度。
毛坯硅棒205与砂轮5配合的结构如图4所示，具体地，砂轮5位于毛坯硅棒205的两侧且第一组面201与砂轮5的端面平行，在加工过程中，砂轮5固定在毛坯硅棒205的两侧外，在原位置处顺时针旋转，毛坯硅棒205相对应砂轮5水平从A1'到A1的方向水平移动，砂轮5可以为粗砂轮，也可以为精砂轮。无论是粗砂轮还是精砂轮，其与毛坯硅棒205的配合方式及加工顺序都是一样的。
首先，用粗砂轮依次对第一组面201、第二组面202和第三组面203进行粗磨磨削。在此过程中，圆棒1顺时针共旋转两次，每次旋转60°，圆棒1每旋转一次，即可使下一组面的被切位置正好与粗砂轮的位置相对应，然后即可开始进行粗磨，直至完成毛坯硅棒205所有组面的磨削。具体地，在加工第一组面201时，毛坯硅棒205在入刀段移动速度为900-1000mm/min，中间移动速度为1100-1200mm/min，出刀段移动速度为800-900mm/min。在加工第二组面202和第三组面203时，毛坯硅棒205在入刀段移动速度为700-800mm/min，中间移动速度为900-1000mm/min，出刀段移动速度为600-700mm/min。其中，相同工艺参数为：粗砂轮粒度为150-250目，粗砂轮的转速为2000-3500rpm/min，砂轮向前进给速度0.2-0.5mm/min。
其次，再用精砂轮依次对第一组面201、第二组面202和第三组面203进行精磨磨削。在此过程中，圆棒1顺时针共旋转两次，每次旋转60°，圆棒1每旋转一次，即可使下一组面的被切位置正好与精砂轮的位置相对应，然后即可开始进行粗磨，直至完成毛坯硅棒205所有组面的磨削。具体地，在加工第一组面201时，毛坯硅棒205在入刀段移动速度为900-1000mm/min，中间移动速度为1100-1200mm/min，出刀段移动速度为800-900mm/min。在加工第二组面202和第三组面203时，毛坯硅棒205在入刀段移动速度为700-800mm/min，中间移动速度为900-1000mm/min，出刀段移动速度为600-700mm/min。其中，相同工艺参数为：精砂轮粒度为500-1200目，精砂轮的转速为2000-3500rpm/min，砂轮向前进给速度0.2-0.5mm/min。
精磨完成后，还需对硅棒2的平面进行粗糙度、垂直度和平面度进行检查，满足标准要求。
本发明要解决的问题是提供一种六边形单晶硅棒的加工工艺，尤其是适用于有一组面为(100)晶面的六边形单晶硅棒的加工要求，解决了现有技术中加工工艺设计不合理，导致加工出的六边形单晶硅棒出现大量开裂的技术问题，提高了产品质量，缩短了加工时间，降低生产成本。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，步骤包括：
S1：开方，切割线以单晶圆棒端面作为切入口，沿所述单晶圆棒轴线方向进行切割，去边皮料，加工出的面依次为第一组面、第二组面和第三组面，加工所述第一组面时所述切割线的线速度大于加工所述第二组面和所述第三组面时所述切割线的线速度，且放置所述切割线的导轮为V型槽结构，所述V型槽角度为50-70°；
S2：倒角，对相邻所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面的连接棱角进行倒圆加工；
S3：磨平面，依次对所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面进行磨削加工，且加工所述第一组面时所述硅棒移动速度大于加工所述第二组面和所述第三组面时移动速度。
2.根据权利要求1所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，在所述S1中，所述切割线的线速度分三段，分别为入刀段、中间段和出刀段，所述入刀段的线速度大于所述出刀段的线速度；所述入刀段和所述出刀段的速度均小于所述中间段的速度。
3.根据权利要求2所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，在加工过程中，对所述切割线进行喷洒冷却液，所述冷却液为纯水。
4.根据权利要求3所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，冷却温度为20±5℃，所述冷却液流量为12-20L/min。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，所述入刀段和所述出刀段的加工长度相同，为50-100mm。
6.根据权利要求5所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，所述S2包括依次对所述棱角分别用粗砂轮进行粗磨和精砂轮进行细磨，所述粗砂轮粒度为150-250目；所述精砂轮粒度为500-1200目。
7.根据权利要求6所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，所述S3具体包括：
S31：用粗砂轮依次对所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面进行粗磨磨削；
S32：用精砂轮依次对所述第一组面、所述第二组面和所述第三组面进行精磨磨削。
8.根据权利要求7所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，在所述S31和所述S32中，所述硅棒在所述入刀段的移动速度大于在所述出刀段的移动速度；所述硅棒在所述中间段的移动速度大于在所述入刀段和所述出刀段的移动速度。
9.根据权利要求7或8所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺，其特征在于，所述粗砂轮粒度为150-250目；所述精砂轮粒度为500-1200目。
10.根据权利要求9所述的一种六边形单晶硅棒的加工工艺的加工方法，其特征在于，所述S32还包括对所述硅棒的平面进行粗糙度、垂直度和平面度进行检查。
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