金刚石线锯切割晶体硅模式研究

第 ２期
蔡 二辉 ， ： 等 金刚石线 锯切 割晶体硅模式研究
制 和模 型及 实验 的研 究进 一 步确定 。 金 刚石 对脆 性材 料 的压 痕 、 痕实 验和 机制 ， 刻 已 有 学者 进行 了较 多 的研 究 Ｊ 。宗 文俊 等 在金 刚
的刻划 实 验 。切 割 设 备 为 沈 阳科 晶 ＳＸ 一６ １ Ｌ ０ Ａ型 往 复式 单线 切割 机 ， 大 的线 速 度 为 ２ｍ ｓ依靠 砝 最 ／， 码 的重 量和液 压 系统 控 制 工 件 的进 给速 度 ， 割 过 切
Ａｂｓｒ ｃ ： ｉｍｏ ｄ ｗｉｅ ｓ ｗ ｓ ａ ｐ ｏ ｓｎ ｕ ｔｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｆ ｒｓｌｃ ｎ ｓ ｌ ｒｗａｅ ｒ ｄ ｃｉ ｎ． ｐ ｒ— ｔ ａ ｔ Ｔｈｅ ｄ ａ ｎ ｒ ａ ｗａ ｒ ｍｉｉ ｇ ｃ ｔｉ ｇ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｉ ｏ ｏａ ｆ ｒｐ ｏ ｕ ｔ ｉ ｏ Ｅｘ ｅ ｉ ｍｅ ｔ ｆｓｎ ｌ ａ ｎ ｃ ｒｎ ｆｃ ｙ ｔｌｉ ｅ ｓｌｃ ｎ ａ ｄ ｄ ａ ｎ ｒ ａ ｓｉｉ ｇ ｏ ｒ ｓａｌｎ ｉｉｏ ａ ｅ ｂ ｅ ｎ ｓ ｏ ｉ ｇｅ ｄｉｍｏ ｄ ｓ ｏ ｉ ｇ ｏ ｒ ｓａｌｎ ｉｉｏ ｎ ｉ ｍｏ ｄ ｗｉｅ ｓ ｗ ｌ ｎ ｆｃ ｔｌｉ ｅ ｓｌｃ ｎ ｈ ｖ ｅ ｎ ｃ ｙ
ｓ ｒ ｃ ｓａｌｎ ｉｉｏ ｓｃ ｔｂ ｉ ｍｏ ｄ ｗｉｅ ｓ ｗ ｎ ｂ ｔｌ ｄｅ ， ｔ ｒ ｋ ｎ ｐ ｔ ｎ ｃ ｔｓ ｒａ ｅ ａ ｒｔｌ ｕ ｅ， ｒ ｔｌｉ ｅ ｓｌｃ ｎ ｗａ ｕ ｙ ｄ ａ ｎ ｒ ａ ｉ ｒ ｔｅ ｍｏ ｌ ｗｉｈ ｂ ｏ ｅ ｉｓ ｏ ｕ ｕ ｆ ｃ ｓ， ｎｄ ｂ ｔｅ ｙ ｉ ｉ
ＣＡＩＥｒｈ ｉ Ｔ — ｕ ， ＡＮＧ ｎ ｂ ｎ ＺＨＯＵ ａ ｇ Ｂｉ — ｉ ｇ， Ｌｎ
（ ｃｏｌ ｆ ｈ ｔ ｏ ａ ｎ ｉ ｅｉｇＮ ｎｈｎ ｎ ｅｓｙ Ｎ ｎｈ ｎ ３ ０ １ Ｃ ｉａ Ｓｈ ｏ ｏ ｏ ｖｈ ｉ Ｅ ｇ ｅｒ ， ａｅ ａｇＵ ｉ ｒｉ ，ａ ｃａｇ３０ ３ ，ｈｎ ） Ｐ ｏ ｃ ｎ ｎ ｖ ｔ
ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ Ｔ ｅ ｍｉｒ — ｒ ｈ ｌｇ ｅ ｆｔ ｅ ｃ ｔｓ ｒ ｃ ｓｗ ｒ ｘ ｍｉ ｅ ． ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｅ ｈ ｔ ｕ ｃ ｒ ｈ ｇ ｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｕ ． ｈ ｃ ｏ ｍｏ ｐ ｏ ｏ ｉｓ ｏ ｕ ｕ ｆ ｅ ｅ ｅ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｄ ｔ ａ ， ｎ￣ ｉｈ ｒｐ ｅ — ｅ ｈ ａ ｓ ｅ
拉 曼光 谱检 测 ， 证实 了在 高压 力下 ， 片 的表 面 薄层 硅
转变为非晶硅（ Ｓ） 非晶硅层下仍然是 晶体硅 ， 仅一 ｉ ， 接近非晶硅层的位错密度 比更深的区域要高 。电导 率的测量表明 ： 硅片上 的凹槽从缺 口边缘逐渐接 近压头时， 电导率有了很大的增加 ， 由半导体变为导 体 ， 明压头 下 的单 晶硅 可 能 已转 变 为金 属相 。大 说 家一 致 认 为 ， 转 变 和位 错 滑 移 是 晶体 硅 畸 变 的 ２ 相 个主要机制 ， 而多数学者更多地支持相转变的观点 。 金 刚石加工晶体硅的机制模式对其加工硅片效率和 硅片表面损伤的控制有很大 的影响 ， 因此很有必要 对 金 刚石加 工 晶体 硅 的机制 模式 进行 深入 研究 。 学者们对金刚石线锯切割硅片的实验和机制研 究 较少 。金 刚 石线锯 切 割脆 性材 料 的去除 机制 与磨 削相似 ， 锯丝相 当于金属结合剂的砂轮， 固结的金刚 石磨粒对晶体硅耕犁 ， 在单颗粒切削深度足够小 的 前 提下 ， 以实 现 塑性 域 切 削 ， 似 于两 体 “ 粒 一 可 类 磨 磨损” 的耕犁效应 。与游离磨料砂浆线锯切割相 Ｊ
关键词 ： ； 硅 切割 ； 刚石线锯 金 中图分 类号 ：Ｎ ０ ． Ｔ ３５１ 文献标 志码 ： Ａ
Ｏｎ ｔ ｅ Ｍ ｏ ｅ ｏ ａ ｏ ｄ Ｗ ｉｅ Ｓ ｗ ｔｉ ｇ ｏ ｙ ｔ ｌ ｎ ｉ ｃ ｎ ｈ ｄ ｆＤｉｍ ｎ ｒ ａ Ｃｕ ｔｎ ｆ Ｃｒ ｓａｌ ｅ Ｓ ｌ ｏ ｉ ｉ
ｗｅ ｅ ｌｔ ｆｉｒ ｇ ａ ｉｓ ａ ｏ ｇ ｗｉ ｘｅ ｄ ｄ ｓ ｏｈ ｓ ｒ ｔｈ ｓｏ ｏ ｆｔ ｍ ，ｎ ｉ ａｉ ｇ ｔ ｅ ｍｉｔ ｅ ｏ ｈ ｉｔ ｅ ｒ ｏｓ ｏ ｒ ｅ ｕｌｒｐ ｔ ， ｌｎ ｔ ｅ ｔ ｎ ｅ ｍｏ ｔ ｃ ａ ｃ ｅ ｎ ｔ ｐ ｏ ｈ ｈｅ ｉ ｄ ｃ ｔｎ ｈ ｘｕｒ ｆｔ ｅ ｂｒ ｔ ｌ
力学方法建立 了单 晶硅超精密磨削过程的分子动力 学仿真模型 ， 拟 了晶体硅磨 削去除 的过 程机制。 模
磨 削过 程 中 ， 粒 附 近 的单 晶硅 表 面 及 内部有 变 形 磨
存在 ， 但无明显的裂纹产生 ， 材料的去除方式应为塑 性模式 。金 刚石 刀具精密加工 的硅片 经过典型
ａ ｎ ｒ ａ ｓｉｉ ｇ ｍｏ ｄ ｗｉｅ ｓ ｗ ｌｃｎ ． Ｋｅ ｏ ｄ ｓｌｃ ｎ； ｕ ｔｎ ｄ ａ ｎ ｒ ａ ｙ Ｗ ｒ ｓ： ｉ ｏ ｃ ｔｉ ｇ； ｉ ｍｏ ｄ ｗｉｅ ｓ ｗ ｉ
金 刚石 线锯 是指在 不锈 钢丝 基体 上 电 一层 镍 镀 ０ 基合金 ， 固结镶嵌高硬度 、 高耐磨性的金冈石 颗 粒 ， 制成的一种切割工具。它最早出现在 ２ 世纪 ８ 年 ０ ０
ｃ ｅ ｖ ｇ ｔ ｐ ｓｉ ｅ ｃ ｓ ｆｓ ｇｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｒ ｇｔ ｓ ；ｕ ｄ ｒｌｗｅ ｒ ｓｕ ｅ ｃ ｓａｌ ｅ ｓｌ ｏ ｓ ｃ ｔ ｙ ｄ ａ ｌａ ａ ｅ ｓｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｅ ｏ ｉ ｌ ｉｍｏ ｄ ｓ ｏ ｉ ｔ ｎ ｅ ｉ ｈ ｎ ｎ ｅ ｏ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ， ｒ ｔｌ ｎ ｉ ｃ ｎ ｗａ ｕ ｉ — ｙ ｉ ｉ ｂ ｍｏ ｄ ｉ ｌｓｉ ｄ ｌ ｗｉ ｅ ａｉｅ ｙ ｆ ｔ ｎ ｍｏ ｔ ｃ ａｃ ｅ ． ｎ ｓｌ ｏ ａ ｅｓ ｓ ｃ ｄ ｂ ｉｍｏ ｄ ｗ ｒ ａ 。ｈ ｒ ｎ ｎ ｐ ａ ｔ ｍｏ ｅ ， ｔ ｒ ｌｔ ｌ ａ ｄ ｓ ｏｈ ｓ ｒ ｔ ｈ ｓ Ｏ ｉ ｃ ｎ ｗ ｒ ｌ ｅ ｙ ｄ ａ ｎ ｉ ｓ ｗ ｔｅ ｅ ｃ ｈ ｖ ｉ ａ ｉ ｆ ｉ ｅ
石超精密切削晶体硅的研究 中指 出， 对于 晶体硅材 料有一个脆性转变的最小 临界值 ， 当最大切削厚度 小于此临界值时 ， 硅表层以塑性方式去除为主 ， 可以
获取超 光 滑 的加工 表 面 。一 些学 者 应 用 分 子动
程中使用循环水作为切屑液并进行冷却。采用的金 刚石线锯直径为 ２ ０ｐ 其表层均布尺寸为 ＿ ７ ｂ ｍ， ） ２ ０～ ３ ｍ 的金 刚石 颗粒 ， 图 １ ０ 如 所示 。
代， 具有更高的切割效率 ， 无需浆料等优点 ， 因此受 到越来越广泛的关注 ， 并有望成为 晶体硅等硬脆材
收 稿 日期 ：０ ０—１ ２ ２１ １— ０
作者简介 ： 蔡二辉 （９ ３ ） 男 ， １８ 一 ， 硕士生 ； 通信作者 ： 周浪 （９ ２ ） 男 ， １６ 一 ， 教授 ， 士生导师 ， ｈｕ ｃ ．ｄ ．ｎ 博 ｌ ｏ ＠ｎ ｕ ｅｕ ｃ 。 ｚ 引文格式 ： 蔡二辉 ， 汤斌兵 ， ． 周浪 金刚石线锯切割晶体硅模式研究 ［］南 昌大学学报 ： Ｊ． 工科版 ， １ ， （） １ １９ ２ １３ ２ ： ４— ９ ０ ３ ９
文章编号 ：０ ６— ４ ６ ２ １ ）２— １４— ６ １０ ０ ５ （０ １ ０ ０９ ０
金 刚石 线 锯 切 割 晶体 硅 模 式 研 究
蔡 二辉 ， 汤斌兵 ， 浪 周
（ 南昌大学 太阳能光伏 学院， 江西 南 昌 ３ ０ ３ ） ３０ １
摘要 ： 通过单颗金 刚石刻划 晶体硅 实验 和金 刚石 线锯切割 晶体硅 片表 面形 貌观察 ， 分析研 究 了金 刚石线 锯切 割 晶体硅 的模式 。结果表 明： 在较 大正压力下刻划 时 ， 刚石主要 以脆性 模式切 割晶体硅 ， 痕呈破碎崩 坑状 ， 金 划 在 单颗金刚石刻划实验条件下可看到脆性解理条纹 ； 在较小 的压力下 ， 而 金刚石主要 以塑性模式切割 晶体硅 ， 划痕相 对平直光滑 ； 刚石线锯 切割晶体 硅片时 ， 金 硅片表面呈现大量 由脆性断裂 留下 的不 规则 凹坑 和较 长的光滑划痕 ， 显 示 出以脆性模式与 塑性模式混合切割模式 。分析其原 因可能是 由于切割过程 中线锯 正下方对 晶体 硅的压力较 大 ， 以脆性模式进行多颗粒反复刻划 ； 而与此同时 ， 线锯侧 面金刚石 颗粒 以小 得多侧 向压力对 切割暴露 出的硅 表面进 行蹭磨刻划 ， 因此产生塑性模式刻划 。
ｃ ｔ ｎ ｄ ｎ ｈ ｌｓｉ ｕｔ ｇ ｍｏ ｅ Ｔ ｅ ｒ ａ ｏ ｙ ｂ ｈ ｔ ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｅ ｎ ａ ｈ ｔ ｅ ｃ ｔ ｎ ｒ ａ ｕ ｔ ｇ ｍｏ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ａ ｔ ｃ ｔ ｎ ｄ ． ｈ ｅ ｓ ｎ ｍａ ｅ ｔ ａ ｈ ｒ ｓ ｕ ｅ ｕ ｄ ｒ ｅ ｔ ｈ ｕ ｔ ｇ ｗｉ ｗ ｓ ｉ ｃ ｉ ｉ ｅ ｈ ｇ ｗ ｅ ｅ ｔ ｅ ｃ ｙ ｔｌ ｎ ｉ ｃ ｎ ｗａ ｕ ｎ ｂ ｉ ｌ ｄ ， ｉ ｈ ｘ ｏ ｅ ｕ ｆ ｃ ｏ ｌ ｎ ｖｔｂ ｙ ｂ ｃ ａｃ ｅ ｉ ｈ， ｈ ｒ ｈ ｒ ｓａｌ ｅ ｓｌ ｏ ｓ ｃ ｔ ｒ ｔ ｍｏ ｅ ｗｈ ｌ ｔ ｅ ｅ ｐ ｓ ｄ ｓ ｒ ｅ ｗ ｕ ｄ ｉ ｅ ｉ ｌ ｅ ｓ ｒ ｔｈ ｄ ｉ ｉ ｉ ｔｅ ｅ ａ ａ ｂ ｅ ｄ ａ ｎ ｓｏ ａ ｅａ ｉ ｅ ｆｔ ｅ ｗ ｒ ａ ｕ ｄ ｒａ ｍｕ ｈ ｌｗｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｗｈ ｃ ｏ ｌ ｕ ｈ ｕ ｆ ｃ ｌ — ｙ ｔ ｉｍｏ ｄ ｎ ｌ ｔｒｌｓｄ ｓｏ ｉｅｓ ｗ， ｎ ｅ ｃ ｏ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ， ｉｈ ｗ ｕ ｄ ｃ ｔ ｅ ｓ ｒ ｅｉ ｐ ａ ｈ ｈ ｔ ａ ｎ ｓ ｔ ｄ ． ｈ ｒ ｆｒ ， ｕ ｕ ｆ ｃ ｈ ｒ ｃ ｅ ｚ ｄ ｂ ｘ ｕ ｅ ｏ ｒ ｔ ｎ ｌ ｓ ｃ ｃ ｔ ｎ ｄ ａ ｅ ｅ ａｅ ｙ ｄ － ｉ ｍｏ ｅ Ｔ ｅ ｅ ｏ ｅ ａ ｃ ｔ ｒ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｅ ｙ ａ ｍｉ ｔ ｒ ｆ ｉ ｌ ａ ｄ ｐ ａ ｔ ｕｔ ｇ ｍｏ ｅ ｗ ｓｇ ｎ ｒ ｔｄ ｂ ｉ ｃ ｓ ａ ｉ ｂ ｔｅ ｉ ｉ
料 切 片技 术 的未 来 发 展 方 向… 。金 刚石 线 锯 应 用
到太阳电池硅片加工行业 ， 将大大降低晶体硅太 阳 电池的制作成本 ， 有利于晶体硅太 阳电池 的纵深发
展 。而金刚石线锯切割硅片的翘 曲度 、 弯曲度 、 总厚 度误差 、 中心厚度误差等表面质量， 需要通过切割机
第３ ３卷第 ２期
２ １ 年Байду номын сангаас６月 ０１
南昌大 学学报 （ 工科版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ａｃａｇＵ ｉ ｒｔ（ ｎｉ ｅｉｇ＆ Ｔ ｃｎ ｌ ｙ ｏ ｒａ ｏ ｎ ｈｎ ｎｖ ｓｙ Ｅ ｇ ｅｒ Ｎ ｅｉ ｎ ｎ ｅｈ ｏ ｇ 、 ｏ
Ｖｏ． ３ Ｎ ２ Ｊ３ Ｏ．
Ｊ ｎ ２ １ ｕ ．０ １