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1、第一章 硅晶体的滚磨与开方,1.0 简介 1.1 磨削加工知识 1.2 滚磨、开方设备及工作原理 1.3 滚磨、开方的加工过程 1.4 滚磨、开方后的表面的处理,1.0 简介,滚磨和开方的目的，及所用设备 硅片用途决定的加工工序 晶圆单晶硅的工艺 单晶光伏硅片的工艺 铸锭多晶的工艺,滚磨与开方：经过直拉法生长出的硅锭子，外形是不规则的圆柱体，外侧可能有晶棱出现，头和尾部均有锥形端，因此在进行硅片切割之前，需要对硅锭进行整形与分割，使其达到硅片切割（切片）的尺寸要求。 以上以光伏单晶锭为例介绍。,滚磨和开方的目的,开方的目的切片,开方,切片,滚磨：采用砂轮，将硅锭的外侧打磨成规则圆柱体的过程。
2、滚磨设备：单晶切方滚磨机（金刚石砂轮） 开方：将大块的硅锭，切割成所需要的长方体或者棱柱体。 开方设备： 单晶切方滚磨机、(金刚石)带锯、(金刚石)线锯等,工艺与设备,不同用途硅片的工艺要求,根据用途不同，加工的工艺也不相同： 1）电路级硅单晶：滚圆、制作参考面， 不需要开方（晶圆尽量大） 2）太阳能级硅单晶：去头尾、滚圆、切方 3）太阳能级铸锭多晶：开方分割,电路级硅单晶：用来制作大尺寸晶圆，尽量大，因此只需要滚圆，并制作参考面。,太阳能级硅单晶：去头尾、滚圆、切方 切方目的：获得四个直边。,不同用途的硅片,IC级单晶硅片,太阳能单晶硅片,切方,滚圆,太阳能硅片单晶,铸锭多晶，成规则的立方体
3、，不过外形较大，也比较粗糙，无法直接切片，需要进行开方，得到小体积的硅棒。 开方目的：获得小尺寸可加工的硅棒,太阳能硅片多晶,1.1 磨削加工的过程,滚磨和开方都属于机械磨削。 定义：通过模具（磨轮或者锯片），与工件（硅锭）产生相对运动，使模具上的金刚石颗粒对工件进行磨削的过程。,磨削的分类,机械磨削分为两类： 第一：固定磨粒式磨削 设备：砂轮、带锯、线锯 比如硅单晶滚磨、倒角等过程 第二：游离磨粒式磨削 设备：多线切割机 比如研磨、喷砂、多线切割、抛光等,两类典型磨削的部件,固定磨粒式砂轮,游离磨粒式,本章主要采用固定磨粒式磨削,砂轮的构成,砂轮：由磨料颗粒和粘结剂采用一定成型的工艺，而制成
4、的有一定外形的砂轮。 磨粒：切削研磨 粘结剂：粘合磨粒（金属、陶瓷、有机树脂） 成型方式：电镀、树脂、陶瓷,砂轮的性能参数,研磨的效果和磨粒关系密切 磨粒的参数：材料种类，尺寸，硬度，形状，烧结密度等 常用的磨粒材料：刚玉（Al2O3）、碳化钨、金刚石、立方氮化硼,磨粒的种类,磨削过程的三个阶段,1）弹性变形阶段 磨粒和工件开始接触，发生摩擦并伴随发热。 2）刻划阶段 磨粒切入工件材料内部，材料发生形变，但 未脱离材料母体。 3）切削阶段 材料（粉末）从工件上脱离的过程。,磨削加工的特点,1. 靠界面上大量磨粒进行磨削。 2. 磨粒硬度大，可以加工各种材料。 3. 磨粒尺寸小，可以切削的厚度很
5、薄，因此，可以进行高精密加工，得到较小表面粗糙度。 4. 和传统刃口刀具比，磨削效率高，加工的速度快。 5. 磨粒具有自锐作用，保证较长的使用寿命。,影响磨削的参数,砂轮的种类：磨粒材料，粒度等参数等 工件的特性：硬度，任性，导热性能等 砂轮转速 工件进给速度 砂轮和工件的压力,磨削对材料表面的损伤,加工过程由于表面温度、挤压及其不均匀分 分布，会在表面形成损伤，主要包括： 热裂纹 晶格畸变（非单晶） 应力残存 杂质原子混入掺杂 表面粗糙度 损伤层的厚度：几十 um,磨削过程的评估,1. 对磨削的样品进行直接实验测量 2. 对过程进行模拟,金属切削的数值模拟 (AdvantEdgetm FEM
6、 ),Third Wave Systems公司，主要业务是开发和销售基于有限元分析的，切削加工过程仿真软件，可以进行切削过程中的切削力、应变、应变率、切屑 等参数的分布分析。,滚磨开方设备的磨削方式,滚磨： 开方滚磨机金刚石砂轮，固定磨粒，面接触 开方： 开方滚磨机、 金刚石带锯固定磨粒，线接触 金刚石线锯固定磨粒，线接触,非磨削式切割,电火花线切割：利用做电极的金属导线，和工件表面之间的电火花放电，进行切割。 原理：电火花放电，产生局部高温，从而将材料，融化 优点：非接触，无污染，无损耗，内部挖洞式切割， 应用对象：较硬，而且较脆材料， 要求：一定的导电能力,1）切方滚磨机（滚磨、切方） 2
7、）金刚石带锯 3）金刚石线锯,1.2 滚磨、开方的设备,滚磨、开方设备种类,滚磨设备：切方滚磨机 开方设备： 切方滚磨机（缺口大，表面粗糙，效率低） 金刚石带锯（主流）Band Saw 金刚石线锯（发展趋势）Diamond Wire Saw 切割和研磨的区别： 切割线接触；研磨面接触,1、美国应用材料（瑞士HCT公司）：HCT-E800S型多线开方机（Applied Materials） 2、瑞士梅耶博格Meyer Bueger-BS801/805型带锯切方机 3、日本小松NTC-MBS1000型/MBS1000C多线开方机 4、上海日进NWSS-125G多线开方机（建议） 5、大连连城：QF
8、1250型多线开方机（建议） 6、北京京仪世纪QFP1000型多线开方机 7、北京京联发数控科技公司XQ500-25线切方机,主流开方设备,1）滚磨机结构,滚磨机主体,基座与框架,滚磨区,切方区,滚磨机的动力结构,滚磨机动力部分,液压系统,电气系统,冷却系统,工件移动的动力,面板，数控，各种电机,滚磨区水流降温,控制的流程,面板输入指令,采集、分析面板指令，转化为电机所需信号，信号传输,电机发生动作,滚磨机工作原理四大运动,单晶切方滚磨机包括四大运动： 1）纵向工作台的纵向往复运动。 2）工件的纵向移动和旋转运动。 3）滚磨砂轮的前后往复运动和旋转运动。 4）切方锯片的上下垂直运动和旋转运动。
9、,工作台的运动,工件（硅锭）固定在工作台上，工作台可以带动工件，在导轨上纵向前后移动。 工作台运动的速度和距离可以通过电机来精确控制。,工作台,导轨,工件（硅锭）的运动,工件有两种运动： 1）由工作台带动，一起进行的纵向运动 。 2）绕自身轴所作的旋转运动，并且速度可调。,滚磨砂轮的运动,滚磨砂轮包括沿纵向的前后移动和绕自身轴的旋转。 沿道轨纵向运动，可以实现打磨工件的不同位置，绕自身旋转，可以实现均匀打磨。,切方锯片的运动,锯片的旋转可以切割工件，而上下移动，可以保证切割到工件。,2）金刚石带锯,切割原理：带状锯条边缘上镶嵌金刚石颗粒，利用金刚石磨粒和工件相对运动，来进行切割。 优点：速度快
10、，刀口损耗小，可进行大工件切割（用于大硅锭开方） 缺点：锯口仍有待减小，切割精密度还不够高，有一定表面粗糙度，只能沿锯条平面内切割，无法同时多方向、多片切割，无法进行切片，效率不够高。,金刚石带锯,带锯切割示意图,带锯移动切割方向,锯条运动切割,3）金刚石线锯（发展方向）,线锯是以镶嵌有金刚石颗粒的细线作为切割线，利用其与工件相对运动，进行切割。 结构：内层是钢线，外层是电沉积生长的金刚石颗粒和金属混合层，比如金属Ni。 切割方式：固定磨粒式切割， 典型尺寸：金刚石颗粒：2040um， 金钢线直径：150200um。,金刚石线锯特点,优点：切口小300 um，表面平整度高，可以两个方向同时切割
11、，切割过程中可改变切割方向，切割速度最快，效率最高，从而可以进行精密、高效率加工。 （和多线切割相比）优点二：切割速度更快，不使用切割液，使用水降温，成本低，切割出的硅粉可以方便回收。 缺点：钢线粗糙，不易稳定工作，划痕较严重，有金属污染。,金刚石线锯示意图,金刚石线锯和（切片）多线切割关系,作为切片首先发展的是多线切割，使用普通光滑钢线，配备研磨浆进行切割，属于游离磨粒式切割，此切割优点很多：切口小，切割面平整性高，片子崩裂概率低，一次同时切割若干片，等等（切片部分介绍） 为降低成本，开方的金刚石线锯，是在多线切割机基础上，将普通钢线换为金刚石线，并对绕线部件进行改进，目前主流多线切割设备，
12、都可以进行此类改进。,HCT多线切割,金刚石线锯和多线切割,金刚石线锯 （固定磨粒）,多线切割 （游离磨粒）,切割液,切方设备比较,切方手段的发展趋势,半导体、光伏以及电子行业对材料切割提出了更高要求，目前切割方面的发展趋势是： 高效率、低成本，高加工精度，（如窄切缝，低表面损伤，低翘曲度等）。 设备：,切方滚磨机,金刚石带锯,金刚石线锯,金刚石切割线相关企业,河南恒星科技股份有限公司巩义 2011年5月与江西塞维合作生产5200吨超精细钢线直径130um。 河南黄河旋风世界产量最大的人造金刚石基地长葛 郑州华晶金刚石郑州 中南钻石南阳方城（世界最大工业级金刚石） 三门峡金渠 郑州磨粒模具研磨
13、所三磨所,1.3 滚磨切方的工艺过程,不同用途硅片的工艺过程： 1）IC单晶硅锭：外径滚磨，制作参考面 2）光伏单晶硅：外径滚磨，开方 3）多晶铸锭：开方,1） IC单晶硅锭的加工,a: 侧面滚磨滚磨机打磨 b: 制作参考面滚磨机打磨,硅锭晶体定向,磨轮和硅锭安装,外侧滚圆,制作参考面,滚圆过程,硅锭绕自身轴旋转，并向前运动，磨轮自转，设置一定推进量d，固定工件位置和磨轮，逐渐磨削。,d,硅锭,参考面制作,加工流程：采用研磨设备（磨头），在柱形硅锭某个晶面即（1 -1 0），研磨出一个平面。 物理过程：固定磨粒研磨 参考面要求：正确取向，严格磨削深度 参数设置：磨削深度，硅锭转速、轴向移动速度
14、，磨轮转速等,参考面滚磨制作,L,h,R,打磨深度（h）的计算,不同尺寸硅片的参考面，张角20一致,2）单晶太阳能硅锭,a：滚磨滚磨机 b: 切方带锯、线锯,截面上只切出一片方块,太阳能硅单晶切方,2R,L,硅锭,计算切割深度d，然后在四个垂直的方向进行切割,d,3）铸锭多晶硅开方,将大块多晶硅锭，开方成小块的立方体。 特点：铸锭体积比较大，需要更大工作台 使用设备：带锯、线锯 加工大尺寸硅锭，要求工作台较大，切割效率高，有时甚至可以适当牺牲加工精密度。（带锯可加工的工件尺寸最大）,铸锭多晶硅,典型尺寸：840mm840mm273.7mm 带锯可加工尺寸： 800mm800mm740mm,1.
15、4 表面处理,在滚磨开方的工序过程中，被加工的平面上，表层有不同深度的损伤，为了将损伤减小，需要对表面进行处理。 目的：减少损伤层的厚度（不考虑金属污染）。 损伤：应力分布、晶格畸变、表面粗糙化、非晶化、表面污染等 去除厚度：3050um（大于损伤层） 适用条件：适合机械研磨以后的初次抛光,去除损伤层方法,1）化学腐蚀 a. 酸性腐蚀; b. 碱性腐蚀 2）机械抛光 处理之后的表面粗糙度：10um,1） 化学腐蚀,化学腐蚀的特点： 设备简单，易于进行不规则表面的抛光 核心问题：控制反应速度，腐蚀深度，减小腐蚀后的粗糙度 可调参数：腐蚀液的配比（酸性、氧化性相对大小）、反应的温度,a）酸性腐蚀,
16、腐蚀液： HF:HNO3:HAc=(12):(57):(12) 反应的优点： 反应速度快，过程中放热，不需要加热 缺点： 反应生成的氮化物，需要额外处理,酸腐蚀的机理,表层硅的酸腐蚀、清洗机理：,1. 硅被HNO3氧化，反应为： 2. 用HF去除SiO2层，反应为： 3. 总化学反应为：,b）碱腐蚀 腐蚀液： NaOH/KOH+H2O 浓度15%40% 反应的优点： 反应需加温度，一般8095，速度比较慢，易控制，废液也易处理。 （无定形的硅，反应很快） 缺点： 反应是纵向反应，易向深层腐蚀，容易形成表面粗糙度增加，残余碱不易去除。,碱溶液腐蚀的机理,硅的碱性腐蚀抛光机理：,工业上大量采用的仍是酸性腐蚀。,加热,酸腐蚀和碱腐蚀的比较,腐蚀的效果,腐蚀去除的元
