硅片切割中碳化硅的作用

碳化硅微粉是最主要的用于多线切割机上的磨料之一， 适合于切割比较硬而且脆的材料。 线切割是由导轮带动细钢线高速运转， 由钢线带动砂浆形成研磨的切割方式。 在线切割机的切割过程中， 悬浮液夹裹着碳化硅磨料喷落在细钢线组成的线网上， 依赖于细钢线的高速运动，把研磨液运送到切割区， 对紧压在线网上的工件进行研磨式切割， 随着碳化硅磨料对工件的一次次刻划， 逐渐把多余的材料带走， 是一种类似于研磨的滚动刻划的方法， 这种机制也被称为：自由研磨切割加工。切削的主要因素由悬浮液以及碳化硅组成的砂浆中碳化硅的切割能力、细钢线的张力、细钢线运行速度和工件进给速度 （工件紧压在细钢线上的下降速度） 是影响刻划的主要因素。 细钢线的高速运动促使悬浮液携带着带有棱角的碳化硅颗粒以不断滚动的方式进入切割区， 从而产生很强切削能力， 而且由于细钢线上加有一定的张力， 使碳化硅磨料一般只沿钢线运动的方向逐渐对工件进行一次次刻划， 使工件沿细钢线的缝隙被切成一个个薄片， 碳化硅磨料对细钢线侧向影响很小，所以薄片表面并看不到切割痕迹机械参数对晶片切割的影响控制晶片质量的四个重要参数：钢线的张力、钢线的运动速度、工件的进给速度、砂浆切割能力。（ 1.）钢线的张力钢线张力的产生机构是由两条带有力矩马达或配重的两条张力臂组成的，是一个由 PLC 控制反馈系统， 以便适当地控制钢线的张力。 一般钢线的张力对切割的影响主要有一下 3 种形式：①如果钢线的张力过小，将会导致钢线弯曲度增大， 钢线的碳化硅携带能力降低， 切割效率下降。钢线摆动幅度增大，工件的厚度变化加剧，线痕片增多，晶片变的参差不齐。②如果钢线张力过大， 钢线的断线几率会大大增加。 而且钢线携带的碳化硅颗粒会难以进入锯缝， 造成硅片质量下降或切割效率降低。 ③张力系统使用一段时间以后， 很容易造成零点偏移，使钢线张力变化过大，这样一是容易造成断线，二是晶片质量难以保证，要及时校正。（ 2.）钢线的运动速度；和钢线张力不同， 一般机床的钢线运动可以根据需要分为往复运动和单向运动两种形式， 在单向运动的情况下， 钢线始终保持一个速度和方向运动； 在钢线往复运动的情况下， 钢线速度是一个先由零点沿一个方向很快（一般 2 到 3 秒）加速到规定速度， 运行一段时间后，再沿原方向慢慢降低到零点，停顿短暂时间（一般为 0.2 秒） ，然后再慢慢地反方向加速到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点停顿短暂时间（一般为 0.2 秒）的周期循环过程。线切割机的切割效率在碳化硅切割能力内是随着钢线速度的提高而提高的， 超出碳化硅的切割能力范围过快容易造成钢线摆动幅度过大， 碳化硅颗粒难以黏附， 薄片表面质量下降。 超出碳化硅的切割能力范围过慢， 切割能力跟不上工件的进给， 不仅断线几率增加， 而且会造成薄片表面质量严重下降。 因此， 钢线速度必须和碳化硅的切割能力保持一致， 这需要根据经验来判断。（ 3.）工件的进给速度。工件的进给速度是整个切割时间的主要决定因素。 但是工件进给速度的大小不是一个独立的参数， 而是与钢线的运动速度以及所用砂浆的切割能力息息相关的， 而且有时候还要根据工件形状在进给的不同位置采用不同的进给速度（例如：为保证圆形工件的表面 TTV ，可以在开始和结束其横截面变小时提高工件进给，在中间位置其截界面变大时降低工件进给速度。 ） 。 所以考虑工件的进给速度时一定要兼顾考虑钢线的运动速度、 砂浆的切割能力、 工件的形状以及工件的截面大小等因素。其过快和过慢产生的后果正好与钢线运动速度相反四、砂浆切割能力因为线切割是研磨式切割，因此砂浆的切割能力是决定切割质量的主要因素。砂浆是由悬浮液和碳化硅按一定比例配制而成的混合物， 衡量砂浆切割能力的条件主要包括砂浆的配比、 砂浆的粘度、 碳化硅的粒度分布、 碳化硅的粒型等因素，而且这些因素都不是容易量化的，大部分只能靠经验来判断。悬浮液的粘度粘度是悬浮液的流变特性的衡量指标， 它显示了悬浮液的流动特性， 在线切割过程中碳化硅磨料是以与悬浮液组成的砂浆混合物的形态传输， 悬浮液是碳化硅跟随钢线进入切割区的主要载体。所以， 悬浮液的流变性在切割中的作用十分重要。根据以上分析， 对悬浮液的粘度性质主要有以下 4 个方面要求： ①保证碳化硅磨料分散均匀、 不结团。 ②保证储料箱中的砂浆中的碳化硅磨料不沉淀。 ③要确保砂浆能在机床砂浆管路中的稳定流动。 ④确保砂浆能粘附在钢线上顺利进入切割区。碳化硅微粉的存放由于线切割产品的特殊性，对切割环境， 切割参数， 及对辅料物理、 化学各项指标都要求非常严；结合我公司的生产经验，提供以下几点参考信息：1、刃料在存放、使用、检验中应注意的：（ 1）做到有序存放，同一批号最好能够成排摆放，避免在取料过程中出错。（ 2）碳化硅微粉具有较强的吸湿性，尽量避免拆去防潮膜存放；这样可以避免受潮团结，缩短烘干时间。（ 3）尽可能采用先进先出的原则用料，避免原料因存放时间过长而结团。（ 4）如果在运输途中有破损包装，最好单独存放，避免粉尘污染（对于烂包装的我们可以调换） 。（ 5）建议仓库最好封闭，单独存放。2、在使用过程中要防止二次污染：（ 1）投料环境尽可能为密封的，这样不易随空气流动落入大的颗粒物。（ 2）烂包装的刃料尽量不使用，烂包装后可能已经混入杂质，影响切割效果。（ 3）料浆使用中应控制好使用工具，防止交叉使用污染。（ 4）备投料浆避免存放时间过长，如果过长会产生团结物，也会形成假性颗粒，可能会给线切割带来影响。线切割常见线痕随着光伏产业的迅猛发展， 对硅片的需求量越来越大， 处于光伏产业上游硅片制备环节显得越来越重要。在切割以前的整个流程中，拉晶、截段、切方（抛錠） 3 个环节对硅料消耗都很低， 唯独在切割中造成的消耗最大。 为降低切割消耗， 各公司都在辅料上采取了许多降耗措施，取得了一些技术进步。一、 针对各公司普遍认为的切割质量和料浆的关系问题， 结合碳化硅微粉的固有特性， 谈一下料浆的配制：1.微粉在包装、运输、存放过程中容易挤压结团；这要求工人在配制沙浆倒料过程中要特别注意：倒料时应慢倒，控制在 2.5-3 分钟一袋，避免猛倒造成微粉沉底结块搅拌不起来 ,造成与实际配比不一致，而影响切割。2.碳化硅微粉具有较强吸湿性， 在空气中极容易受潮结团， 分散性降低， 使料浆的粘度降低，同时在料浆中形成假性颗粒物和团积物， 造成切割效率和切割质量下降。 因此应避免微粉裸漏在空气中时间过长。3.倒料时要求操作工：①检查料袋有无破损，如有破损一定要单独存放不要再使用；②投料前先把袋口、袋子表面的浮沙打掉，避免倒料带入杂物。4. 在使用碳化硅以前，最好是放在 80— 90 度烘箱里，烘烤 8 小时以上，来优化碳化硅微粉的各项指标。这样的好处：①增强了碳化硅微粉分子活性；②与切削液有了更强的适配性；③粉体颗粒吸附性更强， 使钢线带砂浆量增大， 增强切削能力； ④微粉有了更好的流动性和分散性，减少结团。5.沙浆在配制过程还不可避免地受到许多不确定的人为因素的影响， 很多参数因人为因素而改变。如果改为自动投料，减少人为因素效果会更好。二、 在切割过程中， 大家经常会遇到各种问题， 谨就大家经常认为是碳化硅微粉造成的影响以及硅片表面线痕问题探讨如下：1.硅片表面偶尔出现单一的一条阴刻线（凹槽）或一条阳刻线（凸出） ，并不是由于碳化硅微粉的大颗粒造成的， 而是单晶硅、 多晶硅在拉制或浇筑过程中出现的硬质点造成线网波动形成的。2.硅片表面在同一位置带有线痕，很乱且不规则：①导轮或机床震动过大③多晶硅铸锭的大块硬质晶体；3.重新机床后第一刀出现线痕：机床残留水分或液体，造成砂浆粘度低，钢线粘附碳化硅微粉量下降，切削能力降低。4.调整新工艺、更换新型耗材后出现线痕：①砂、液比例不合适，或液体粘度太大，造成砂浆粘度太大或太小， 砂浆难以进入线缝或碳化硅含量较低。 ②碳化硅切割能力差， 无法与切割速度相适应。 ③钢线圆度不够，进入锯缝砂浆量不稳定。④钢线的张力太大或太小， 造成钢线携带砂浆能力差或线弓太小砂浆无法正常进入锯缝。 ⑤钢线速度过快或过慢， 造成砂浆无法粘附或切割效率下降，影响切割效果。⑥热应力线膨胀系数太大。⑦各参数适配性差。5. 硅片切割到某一段出现偏薄或偏厚的废片，分界非常明显，一般是由于跳线引起的，跳线的原因： ①导轮使用时间太长， 严重磨损引起的跳线。 ②沙浆的杂质进入线槽引起的跳线。③导轮表面脏污。 ④晶棒端面从切割开始到切割结束依次变长， 造成钢线受侧向力而跳出槽外。⑤晶棒存在硬质点，造成钢线偏移距离过大跳出槽外。6. 硅片某一部位存在小洞，在小洞旁边带有阴刻线痕，这是由于晶棒本身有气孔，并不是线痕。7. 常见线痕：①进刀口：由于刚开始切割，钢线处在不稳定状态，钢线的波动产生的线痕。②倒角处的线痕：由于在粘结硅棒时底部残留有胶，到倒角处钢线带胶切割引起的线痕。8.出线位置硅棒的线痕：钢线磨损量大，造成钢线光洁度、圆度都不够，携带砂浆数量低，切削能力下降，线膨胀系数增大引起的。9. 掉棒原因：①胶水配比有问题，②硅棒与玻璃粘接面有油污，③胶水涂抹后固化的时间掌握的不太合适，④胶水的质量有问题。10．硅片的划伤 （划伤与线痕的区分是： 虽两者都是硅片表面带有一条痕迹，但划伤与硅片表面颜色不同，明显发亮；线痕则和硅片颜色一致）分为两种：⑴进刀处较明显，随着钢线的运动会越来越浅最后变无： ①碳化硅中存在较大的长条形颗粒。 ②砂浆混合不好或切割工艺条件有缺陷，造成进刀口位置砂浆堆积碳化硅结团形成。⑵硅片任一位置中间存在划伤：碳化硅里边存在大颗粒。11. 断线的原因：⑴发生在切割室的断线：①钢线磨损严重（ 0.14 钢线磨损不超 8um， 0.12钢线磨损不超 6um） 。②同一刀晶棒断面不齐，造成钢线受到侧向力较大变形严重。③严重跳线，造成两根钢线缠绕。⑵发生在绕线室的断线：①可能为张力太大或张力的变化太大；②排线不好，线轮绕线与机床排线差别较大。③导向轮过度磨损，造成钢线受力不均。12. 过滤袋经常堵塞的原因：①沙浆的水份偏高造成的团结物。②刚使用时过滤袋堵塞可能是沙浆有异物造成的， 如果是切割到 3 刀以后的堵塞可能是硅片碎杂质多引起的。 ③碳化硅微粉和切削液的 PH 值区别太大，起化学反应引起的黏稠物，造成的过滤袋堵塞。