PWS精密固結(jié)金剛石線鋸的研發(fā)①

全球變暖和能源枯竭問題正變得越來越嚴(yán)峻，太陽能電池和發(fā)光二極管作為生態(tài)友好型產(chǎn)品引起了人們的關(guān)注。這種器件用的硅襯底或藍(lán)寶石襯底都是用多線鋸鋸床把晶棒切成薄片的。這種器件產(chǎn)量的迅速增長，加快了鋸切工具從傳統(tǒng)的游離磨料型線鋸向固結(jié)磨料型線鋸的過渡。這種轉(zhuǎn)變具有高效率、高精度和較少工業(yè)廢棄物的優(yōu)勢(shì)。

A.L.M.T.公司為了跟上市場動(dòng)態(tài)變化的步伐，對(duì)固結(jié)金剛石線鋸的研究與開發(fā)工作一直進(jìn)行著不懈的努力。目前已有兩種新型的線鋸即樹脂粘結(jié)的PWS－R型和電鍍的PWS－E型投放市場。這種新產(chǎn)品現(xiàn)已被許多晶片生產(chǎn)廠家所采用。在鋸切薄片的性能方面可滿足他們的要求。

在本研究報(bào)告中，對(duì)PWS－R型和PWS－E型線鋸的特點(diǎn)以及為太陽能電池鋸切硅晶錠和為發(fā)光二極管鋸切藍(lán)寶石晶棒的實(shí)例均作了介紹。

1 PWS－R型和PWS－E型線鋸的特點(diǎn)

一般來說，固結(jié)金剛石線鋸是把金剛石磨料固結(jié)到鋼琴琴線上制成。不同的琴線生產(chǎn)廠家和研究工作者提出了許多有關(guān)金剛石的固結(jié)方法，不過這些方法的適用應(yīng)考慮金剛石濃度的控制、穩(wěn)定的生產(chǎn)過程和足夠大的金剛石保持力。根據(jù)以上技術(shù)要求。PWS－R型線鋸選用了熱固性樹脂，而PWS－E型線鋸則選用了電鍍材料。兩者在金剛石砂輪制造中一直是作為經(jīng)過考驗(yàn)的粘結(jié)材料而被采用的。這兩種類型的固結(jié)金剛石線鋸主要是采用A.L.M.T.公司現(xiàn)有的技術(shù)研發(fā)的，其特點(diǎn)闡述于下。

1.1 PWS－R型線鋸

PWS－R型線鋸的外觀與結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由兩個(gè)步驟加工而成。第一步是在鋼琴琴線上涂敷一種包含金剛石磨料、熱固性樹脂和溶劑的涂料溶液，第二步是熱處理。目的是在去除溶劑的同時(shí)固化樹脂。至關(guān)重要的是要把金剛石磨料以單層形式并且均勻分布在琴線周圍。因?yàn)檫@對(duì)線鋸的性能有很大影響。

圖1 PWS－R型線鋸?fù)庥^與結(jié)構(gòu)

與PWS－E型線鋸相比較，PWS－R型線鋸中的金剛石磨料是靠一種彈性樹脂來固著的。因此當(dāng)承受切割力時(shí)運(yùn)動(dòng)更加有撓性。就是因?yàn)檫@個(gè)原因，PWS－R型線鋸具有使鋸切面較少損傷的優(yōu)點(diǎn)，從而使晶片有更好的表面光潔度。目前，PWS－R型線鋸已應(yīng)用于稀土永磁材料的鋸切。這種材料鋸切后要求表面粗糙度小。同樣的理由，這種線鋸也有可能應(yīng)用于太陽能電池材料的鋸切。

1.2 PWS－E型線鋸

PWS－E型線鋸的外觀與結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是在分散著金剛石磨料的電鍍槽中將金屬鎳電鍍到鋼琴琴線上制成的。在電鍍過程中，極為重要的是，不但要保持金剛石磨料在鋼琴琴線上均勻分布，而且也要控制鍍層的應(yīng)力以防止線鋸在使用過程中鍍層發(fā)生剝落現(xiàn)象。從圖3可看出，PWS－E型線鋸必須有足夠的抗彎強(qiáng)度。這種彎曲負(fù)荷是在正常鋸切當(dāng)中施加到線鋸上的。

圖2 PWS－R型線鋸?fù)庥^與結(jié)構(gòu)

圖3 PWS－E型線鋸彎曲狀的掃描電子顯微鏡圖像

PWS－E型線鋸最值得注意的特點(diǎn)是金剛石磨料的保持力比PWS－R型線鋸高得多。因此PWS－E型線鋸能夠在較高鋸切速度條件下使用。因?yàn)樗泻芎玫匿徢心芰Α６壹词菇饎偸瘽舛容^低也極少發(fā)生金剛石脫落現(xiàn)象。目前，PWS－E型線鋸已應(yīng)用于藍(lán)寶石的鋸切，并且正在進(jìn)行一些新的嘗試，力爭在太陽能電池行業(yè)鋸切單晶硅方面提高其效率。

2 評(píng)估試驗(yàn)

用PWS－R型線鋸和PWS－E型線鋸進(jìn)行了單晶硅和藍(lán)寶石晶棒的評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果論述如下。

2.1 單晶硅的鋸切

在注重節(jié)省成本的太陽能電池生產(chǎn)行業(yè)中，關(guān)鍵是要以低成本方式爭取每一個(gè)晶錠保持晶片的高產(chǎn)量。許多太陽能電池生產(chǎn)廠家一直在致力于提高生產(chǎn)效率、降低工具成本以及使用較細(xì)的線鋸降低切縫損失。此外，鋸切后晶片表面損傷層的深度對(duì)蝕刻過程中的去除量和晶片的易碎性都有影響。

在評(píng)估試驗(yàn)中，單晶硅晶棒是用PWS－R型和PWS－E型線鋸進(jìn)行鋸切的。線鋸的技術(shù)規(guī)格與鋸切參數(shù)列于表1。這些技術(shù)規(guī)格與鋸切參數(shù)是由市場調(diào)研所確定的。鋸切時(shí)，PWS－E型線鋸的進(jìn)給速度比常用的游離磨料線鋸進(jìn)給速度高三倍。對(duì)晶片的評(píng)估不只是通常的靜態(tài)精確度，還采用了光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其細(xì)微的缺陷，并且用透射電子顯微鏡（TEM）觀察損傷層的深度。

表1 單晶硅鋸切條件

2.2 藍(lán)寶石的鋸切

在半導(dǎo)體照明行業(yè)中，也需要使用較細(xì)的線鋸，但需求不如太陽能電池行業(yè)那么迫切。這是由于藍(lán)寶石的硬度大于硅，為了有效地鋸切藍(lán)寶石，線鋸應(yīng)具有較低的金剛石濃度和較高的金剛石保持力，而且應(yīng)在較高的張力下進(jìn)行工作。此外，就藍(lán)寶石而言，鋸切之后要研磨加工，所以鋸切后只要求晶片有好的靜態(tài)精確度。因此大多數(shù)藍(lán)寶石晶片生產(chǎn)廠家選用了PWS－E型線鋸。PWS－E型線鋸與PWS－R型線鋸相比有明顯的高效率優(yōu)勢(shì)。

在這次評(píng)估試驗(yàn)中，藍(lán)寶石晶棒是用PWS－E型線鋸鋸切的。線鋸的技術(shù)規(guī)格與鋸切參數(shù)如表2所列，而且都是通過市場調(diào)研來確定的。進(jìn)給速度比常用的游離磨料線鋸高得多。對(duì)晶片的平面平整度和厚度差包括總厚度差（TTV）進(jìn)行了評(píng)估，這些均屬于靜態(tài)精確度。

表2 藍(lán)寶石鋸切條件

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 鋸切單晶硅的試驗(yàn)結(jié)果

用PWS－R型線鋸鋸切的硅晶片的平面平整度和厚度差分別示于圖4與圖5。而用PWS－E型線鋸鋸切的硅晶片的平面平整度和厚度差示于圖6與圖7。所鋸切的晶片的靜態(tài)精確度符合市場要求。兩種線鋸鋸切的結(jié)果無明顯差別。

圖4 PWS－R型線鋸鋸切的硅晶片的平面平整度

圖5 PWS－R型線鋸鋸切的硅晶片的厚度

圖6 PWS－E型線鋸鋸切的硅晶片的平面平整度

圖7 PWS－E型線鋸鋸切的硅晶片的厚度

鋸切之后兩種線鋸均無任何金剛石脫落和破裂現(xiàn)象，在線鋸表面上也無鋸屑漿淤塞現(xiàn)象。這說明PWS－R型和PWS－E型線鋸都有提高使用壽命的可能性。從鋸切參數(shù)可看到，PWS－E型線鋸的進(jìn)給速度可提高到PWS－R型線鋸進(jìn)給速度的兩倍。因此，許多注重效率的晶片生產(chǎn)廠家都選用PWS－E型線鋸。

PWS－R型和PWS－E型線鋸鋸切的晶片表面用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察到的顯微照片如圖8所示。在這兩種線鋸所鋸切的晶片的表面上都可觀察到韌性斷裂和脆性破裂的現(xiàn)象。但是，用PWS－R型線鋸鋸切的晶片表面上的脆性破裂數(shù)量比之用PWS－E型線鋸鋸切的晶片表面上的要少得多。這個(gè)結(jié)果意味著用PWS－R型線鋸鋸切的晶片比用PWS－E型線鋸鋸切的晶片更不容易破碎。因此，PWS－R型線鋸更適合于鋸切較薄的晶片。較薄的晶片可能更容易破碎而且難于搬運(yùn)。

透射電子顯微鏡觀察到的晶片橫截面的顯微照片如圖9所示。在兩張照片中都可觀察到非晶質(zhì)硅層和帶有殘余應(yīng)力的結(jié)晶質(zhì)硅層。用PWS－R型線鋸鋸切的晶片表面損傷層的深度比之用PWS－E型線鋸鋸切的晶片表面的要小。這也說明晶片用PWS－R型線鋸鋸切后進(jìn)行蝕刻時(shí)的加工量較少。

鑒于上述原因，PWS－E型線鋸適合于鋸切目前太陽能電池所用的晶片，可提供較高效率，而PWS－R型線鋸則適合于鋸切較薄的晶片，使晶片具有更好的表面質(zhì)量而且不易破碎。

圖8 PWS－R型和PWS－E型線鋸鋸切的晶片的掃描電子顯微鏡圖像

圖9 PWS－R型和PWS－E型線鋸鋸切的晶片的透射電子顯微鏡圖像

3.2 鋸切藍(lán)寶石的試驗(yàn)結(jié)果

用PWS－E型線鋸鋸切的藍(lán)寶石晶片的厚度差與平面平整度分別示于圖10與圖11。所鋸切的晶片的靜態(tài)精確度滿足市場需求。

鋸切之后在PWS－E型線鋸表面上沒有觀察到金剛石脫落、破裂或者被鋸屑漿淤塞的現(xiàn)象。說明還有提高線鋸使用壽命的可能性。

從另一方面來說，在鋸床進(jìn)給新線鋸的一側(cè)，晶片的平面平整度比另一側(cè)有所下降。使用PWS－E型線鋸鋸切藍(lán)寶石的下一個(gè)研究目標(biāo)就是在這方面進(jìn)行改進(jìn)提高。同時(shí)在鋸切較大直徑藍(lán)寶石晶棒的工作中提高線鋸使用壽命。

圖10 PWS－E型線鋸鋸切的藍(lán)寶石晶片的平面平整度

圖11 PWS－E型線鋸鋸切的藍(lán)寶石晶片的厚度

4 結(jié)論

關(guān)于PWS－R型和PWS－E型線鋸在單晶硅晶棒和藍(lán)寶石晶棒的薄片鋸切試驗(yàn)中作出如下觀察結(jié)果：

PWS－E型線鋸在單晶硅和藍(lán)寶石的薄片鋸切中達(dá)到了較高的效率和較高的精度。

PWS－R型線鋸在單晶硅的薄片鋸切中獲得了很好的表面鋸切質(zhì)量。

PWS－E型PWS－R型線鋸都很適合于鋸切其它襯底材料，而且滿足線鋸鋸切行業(yè)的技術(shù)要求。