科技成果——太阳能硅片电磨削多线切割技术及装备

硅片是半导体和光伏领域的主要生产材料。

硅片多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，它不同于传统的刀锯片、砂轮片等切割方式，也不同于先进的激光切割和内圆切割，它的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对硅棒进行摩擦，从而达到切割效果。

在整个过程中，钢线通过十几个导线轮的引导，在主线辊上形成一张线网，而待加工工件通过工作台的下降实现工件的进给。

硅片多线切割技术与其他技术相比有：效率高，产能高，精度高等优点。

是目前采用最广泛的硅片切割技术。

多线切割技术是硅加工行业、太阳能光伏行业内的标志性革新，它替代了原有的内圆切割设备，所切晶片与内圆切片工艺相比具有弯曲度（BOW）、翘曲度（WARP）小，平行度（TAPER）好，总厚度公差（TTA）离散性小，刃口切割损耗小，表面损伤层浅，晶片表面粗糙度小等等诸多优点。

太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。

在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。

一、切割液（PEG）的粘度由于在整个切割过程中，碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的，所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。

1、切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。

由于不同的机器开发设计的系统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。

例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于55，而NTC要求22-25，安永则低至18。

只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。

2、由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。

大尺寸硅片超精密磨削技术与装备
随着半导体行业的不断发展，对硅片的要求也越来越高。

大尺
寸硅片的超精密磨削技术与装备成为了半导体制造过程中的关键环节。

硅片是半导体制造的基础材料，其表面的平整度和精度直接影
响到芯片的性能和产能。

因此，超精密磨削技术与装备在半导体制
造中扮演着至关重要的角色。

超精密磨削技术是指在高速旋转的磨料轮和硅片之间通过高精
度的控制，实现对硅片表面进行微米甚至纳米级的磨削加工。

这种
技术要求磨削设备具备高速、高精度、高稳定性和高自动化等特点。

在大尺寸硅片的磨削加工中，传统的磨削设备已经无法满足对加工
精度和效率的要求，因此需要引入先进的超精密磨削技术与装备。

目前，国内外在大尺寸硅片超精密磨削技术与装备方面进行了
大量研究和开发。

例如，采用高速旋转的磨料轮和先进的控制系统，实现了对硅片表面的微米级甚至纳米级的磨削加工。

同时，还利用
先进的三维测量技术和自动化装备，实现了对硅片表面形貌和精度
的在线监测和控制，从而保证了加工质量和稳定性。

大尺寸硅片超精密磨削技术与装备的发展，不仅推动了半导体
制造技术的进步，也为半导体行业带来了更高的产能和更优质的产品。

随着半导体行业对硅片加工精度和效率要求的不断提高，大尺
寸硅片超精密磨削技术与装备必将在未来发挥着越来越重要的作用。

我们期待着这一领域的技术不断创新，为半导体行业的发展带来更
多的可能性和机遇。

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１８.０５.０３６ＮＴＣ４４２多线切割设备的设计改造∗谢燕琴(江西工业工程职业技术学院ꎬ江西萍乡㊀３３７００)摘㊀要:硅片是太阳能电池的核心材料ꎮ制造硅片主要设备是ＮＴＣ４４２多线切割设备ꎮＮＴＣ４４２多线切割设备采用了游离的切削模式ꎬ这种切削模式切削速度慢ꎬ切削质量差ꎮ针对这种情况ꎬ将对ＮＴＣ４４２多线切割设备的游离切削模式改造成金刚石线的切削模式ꎬ改造了切割室ꎬ设计了主轴㊁匹配了轴承ꎮ改造后的设备ꎬ保证了硅片的质量㊁精度ꎬ提高了生产效率ꎬ应用前景十分广阔ꎮ关键词:太阳能硅片ꎻ游离磨料ꎻ多线切割ꎻ切削模式中图分类号:Ｕ４６３㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１８)０５－０１１１－０２ＤｅｓｉｇｎａｎｄＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮＴＣ４４２Ｍｕｌｔｉ－ＬｉｎｅＣｕｔｔｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔＸＩＥＹａｎ－ｑｉｎ(ＪｉａｎｇｘｉＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＰｉｎｇｘｉａｎｇＪｉａｎｇｘｉ㊀３３７０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＳｉｌｉｃｏｎｗａｆｅｒｉｓｔｈｅｃｏｒｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓꎬａｎｄｔｈｅｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎｉｓｔｈｅＮＴＣ４４２ｍｕｌｔｉ－ｌｉｎｅｃｕｔｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ.ＹｅｔｔｈｅＮＴＣ４４２ｍｕｌｔｉ－ｌｉｎｅｃｕｔｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｄｏｐｔｓｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅꎬｗｈｉｃｈｈａｓｓｌｏｗｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｐｏｏｒｃｕｔｔｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ.ＦｏｒｔｈｉｓｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬｔｈｅｆｒｅｅｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅｏｆＮＴＣ４４２ｍｕｌｔｉ－ｌｉｎｅｃｕｔｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｃｈａｎｇｅｄｉｎ￣ｔｏｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅꎬｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｃｈａｍｂｅｒｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄꎬｔｈｅｍａｉｎｓｈａｆｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｉｓｍａｔｃｈｅｄ.Ｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｗａｆｅｒａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａ￣ｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｌｌｂｅｖｅｒｙｂｒｏａｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｏｌａｒｗａｆｅｒꎻｆｒｅｅａｂｒａｓｉｖｅꎻｍｕｌｔｉ－ｌｉｎｅｃｕｔｔｉｎｇꎻｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅ０㊀引㊀言绿色制造和绿色加工是现在世界各个国家重点突破的难题ꎮ为了平衡环境和能源问题ꎬ太阳能的开发是越来越被各个国家重视ꎮ硅片是制造晶硅太阳能电池的核心材料ꎬ其品质的好坏将直接影响到后续电池片的制造工艺㊁制造成本及光电转化效率[１]ꎮ未来太阳能电池ꎬ尤其时高效太阳能电池对硅片的表面完整性要求越来越高ꎬ更高的尺寸精度和更好的表面质量将是未来太阳能硅片的发展趋势[２]ꎮ近几十年来ꎬ国内外的专家学者一直对硅片的制造方法和工艺不断研究和改进ꎬ硅片的品质不断提升ꎬ但成本高ꎮ本文将对已有的设备ＮＴＣ４４２多线切割设备进行改造ꎬ改变切削了模式ꎬ改造了切割室ꎬ设计了主轴㊁匹配了轴承ꎮ１㊀游离砂浆切割模式与金刚线切割模式ＮＴＣ４４２多线切割设备是加工太阳能硅片的主流设备ꎬＮＴＣ４４２多线切割设备的工作模式是采用了游离砂浆切割技术ꎮ游离砂浆切割属于 三体(即磨粒㊁硅棒㊁工件) 加工ꎮ在切割过程中ꎬ切割线施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面做滚动ꎬ同时切割线压挤磨粒嵌入到切削表面ꎬ形成表面裂纹ꎬ从而达到切割的作用[３]ꎬ如图１ꎮ图１㊀游离砂浆切削㊀㊀游离砂浆切割的平均切削速度是０.３９ｍｍ/ｍｉｎꎬ损伤层达到１１~１５μｍꎬ切口损耗１２０~１５０μｍꎬ硅片最小厚度１６０μｍꎬ切出的表面粗糙ꎬ没有硅片的切割方向锯痕ꎬＳｉＣ摩擦硅片距离较短ꎬ易产生随机的凹凸坑ꎮ金刚线切割(如图２)是太阳能硅片加工的另一种模式ꎬ以金刚线上固结金刚石进行高速切削加工来实现硅棒材料的切除ꎬ平均切削速度可达到１.３ｍｍ/ｍｉｎꎬ约为游离砂浆切割速度的４倍ꎬ损伤层６~８μｍꎬ切口损耗８０~１２０μｍꎬ硅片最小厚度１２０μｍꎬ切出的表面光滑[４]ꎮ对于太阳能硅片加工单位要重新购买金刚线切割机大概需要２００－３００万/台ꎬ而将ＮＴＣ４４２多线切割设１１１机械研究与应用 ２０１８年第５期(第３１卷ꎬ总第１５７期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设计与开发∗收稿日期:２０１８－０７－３１作者简介:谢燕琴(１９８０－)ꎬ女ꎬ江西抚州人ꎬ副教授ꎬ硕士ꎬ研究方向:机械电子工程ꎮ备的游离砂浆切割模式改造成金刚线切割模式只需４万元/台ꎬ为了减少投资ꎬ降低成本ꎬ解决现有状况ꎬ各单位ＮＴＣ４４２多线切割设备的改造迫在眉睫ꎮ图２㊀金刚线切削２㊀ＮＴＣ４４２多线切割设备的改造ＮＴＣ４４２多线切割设备的游离砂浆切削模式改造成金刚实线切割模式ꎬ要从以下几个方面进行改造:①切割室的改造ꎬ两轴变三轴 增加中心主辊ꎻ②轴承的设计ꎻ③工作台的设计ꎻ④切削液的选择ꎻ⑤接地报警ꎻ⑥过线滑轮等等ꎬ前两方面的改造是关键ꎮ２.１㊀切割室的改造ＮＴＣ４４２多线切割设备的线网支撑面是通过两根主辊(也称为主槽轮ꎬ中心距离为６００ｍｍ)支撑钢线达到切割的目的ꎬ如图３ꎮ由于两主辊的中心距离较远ꎬ钢线线速较快ꎬ而钢线的直径只有１２０μｍꎬ稳定性差ꎬ在主辊之间易产生晃动ꎬ切削的硅片品质难以控制ꎮ因此ꎬ需要在两根主辊之间增加中心主辊ꎬ如图４ꎮ建立的三维模型如图４所示ꎮ图３㊀改造前的切割式㊀㊀㊀图４㊀改造后的切割式２.２㊀中心主辊的设计在加工过程中ꎬ中心主辊起到支撑线网和提供一定的切入角的作用ꎬ受力主要是金刚石线对它的压力(压力是均匀分布ꎬ且有一定的斜度ꎬ即有径向力和轴向力)ꎬ还受到金刚石线的摩擦力ꎬ以及轴承对其的支撑力ꎮ每根金刚石线的张紧力要达到１３Ｎꎬ槽轮上最多可以均匀绕１５００圈金刚石线(切片的数量最多１５００片)ꎬ所以选择的材料为３８ＣｒＭｏＡｌꎬ设计的尺寸如图５ꎮ图５㊀中心主辊的尺寸２.３㊀轴承的选择金刚线在切片的时候ꎬ要求切片精度高ꎬ速度快ꎮ另外ꎬ在水平面上ꎬ金刚线绕线成一定斜度ꎬ要承受轴向力ꎮ在铅垂面上ꎬ中心主辊略高于左右主辊(大约高２ｍｍ)ꎬ承受一定的径向压力ꎮ综上所述ꎬ在选择轴承时候ꎬ后端用来定位并保证一定的加工灵敏度ꎬ选择三个单列的角接触轴承ꎬ型号为ＳＫＦ７２０８Ｃꎬ前端用来承受较大的力ꎬ选择两个圆柱滚柱轴承ꎬ型号为ＳＫＦＮＵ２０８Ｅꎬ安装后的效果ꎬ如图６ꎮ图６㊀轴承安装图３㊀结㊀论ＮＴＣ４４２多线切割设备的游离切削模式改造成金刚石线的切削模式ꎮ改造后的设备ꎬ不仅提高了硅片的质量㊁精度以及企业生产效率ꎬ还节约了原材料和能源消耗ꎬ很大程度地提高经济效益ꎬ更好地满足了企业需求ꎬ为企业赢得了效益ꎮ参考文献:[１]㊀鲍官培ꎬ周㊀翟.太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割表面完整性研究[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１６ꎬ２６(４):８０－８３.[２]㊀邱明波ꎬ黄因慧ꎬ刘志东ꎬ等.太阳能硅片制造方法研究现状[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２００８ꎬ２７(８):１０１７－１０２０.[３]㊀靳永吉.线锯切割失效机理的研究[Ｊ].电子工业专用设备ꎬ２００６ꎬ１４２(３):２４－２７.[４]㊀徐㊀伟ꎬ王英民.金刚石多线切割设备在ＳｉＣ晶片加工中的应用[Ｊ].电子工艺技术ꎬ２０１２ꎬ１２(４):６０－６３.２１１ 设计与开发㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年第５期(第３１卷ꎬ总第１５７期) 机械研究与应用。

北京航空航天大学科技成果——皮秒激光减薄切割多晶硅片的一体化加工技术成果简介硅片在半导体器件领域中应用广泛，随着电子产品对高性能、多功能和小型化的需求推动了集成电路（IC）封装技术的发展，需要对硅片进行背面减薄加工。

硅片背面减薄技术有很多种，如磨削、抛光、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀和常压等离子腐蚀等。

目前，金刚石砂轮的超精密磨削技术在硅片工业减薄加工中广泛应用，该技术通过砂轮在硅片表面旋转施压、损伤、破裂、移除而实现硅片减薄。

但是，工艺中不可避免引入损伤，降低器件可靠性和稳定性，同时超精密磨削减薄技术面临着高加工质量和高加工效率的突出矛盾。

随着激光加工技术的不断发展，它已经开始应用于硅片的工业生产中。

利用光纤激光精密切割单晶硅；利用激光在柔性和刚性衬底上沉积非晶硅薄膜；利用激光进行硅片表面退火；利用激光清洗硅片表面杂物；飞秒激光扫描硅表面诱导形成微结构；晶体硅片上的激光打孔等都已进行过研究或应用。

该项目针对硅片减薄这一工程问题，尝试使用皮秒激光进行多晶硅片的减薄切割一体化加工，避免了机械磨削的表面损伤，降低硅片生产的碎片率，提高加工效率和质量，而且还会减少化学试剂的使用，有利于提高硅片生产的环保性。

技术优势1、使用皮秒激光减薄切割硅片一体化加工工艺，大大提高了硅片的加工速度和精度，有望在实际生产中提高生产效率，节约生产成本，提高经济效益。

2、利用皮秒激光减薄原始厚度200μm左右多晶硅片，可以使其最大减薄量达到100μm，减薄效果明显。

3、利用激光直写系统，可以通过改变皮秒激光参数如功率、频率、加工次数、扫描速度等进行精确控制，能得到不同减薄量和不同形状的硅片，相对传统的机械减薄方法加工更加方便安全，适用范围也更广。