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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。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，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、立方氮化硼类别名称颜色性能适用范围氧化物刚玉白色硬度高，韧性较好各种金属碳化物碳化硅碳化硼黑色绿色硬度较高,导热性好,韧性差铸铁,耐火材料及其它非金属研磨硬质合金超硬磨料人造金刚石立方氮化硅白棕黑色硬度最高,耐热性较硬度非常高硬质合金,宝石,陶瓷等高硬材料，及其它难加工材料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(AdvantEdgetmFEM)ThirdWaveSystems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）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）—BandSaw金刚石线锯（发展趋势）—DiamondWireSaw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（AppliedMaterials）2、瑞士梅耶博格MeyerBueger--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：QF1250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。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，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：20～40um，金钢线直径：150～200um。金刚石线锯特点优点：切口小300um，表面平整度高，可以两个方向同时切割，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，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锯缝效率工件尺寸表面原料浪费应用范围滚磨机较大一次加工单个锭效率低中等(单晶锭)粗糙最大淘汰带锯小比较高最大(铸锭)平整较小主流金刚线线锯最小两个方向同时切割效率最高最小(单晶锭)略粗糙最小发展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（1-10），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，磨轮转速等参考面滚磨制作LhR002222sin()--4LRLhRR打磨深度（h）的计算不同尺寸硅片的参考面，张角2θ0一致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2RL硅锭计算切割深度d，然后在四个垂直的方向进行切割2LdRd3）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：840mm×840mm×273.7mm带锯可加工尺寸：800mm×800mm×740mm1.4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：30～50um（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：~10um1）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）酸性腐蚀腐蚀液：[HF]:[HNO3]:[HAc]=(1~2):(5~7):(1~2)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：4NOO2H3SiO4HNO3Si223O2H][SiFH6HFSiO26224NOO8H][SiF3HHF814HNO3Si2623b）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80～95℃，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：23222