第３３卷第２期　２０１１年６月　南昌大学学报（工科版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　ＶｏＪ．３３　ＮＯ．２　Ｊｕｎ．２０１１　

文章编号：１００６—０４５６（２０１１）０２—０１９４—０６　

金刚石线锯切割晶体硅模式研究　

蔡二辉，汤斌兵，周浪　

（南昌大学太阳能光伏学院，江西南昌３３００３１）　

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，金刚石主要以脆性模式切割晶体硅，划痕呈破碎崩坑状，在　单颗金刚石刻划实验条件下可看到脆性解理条纹；而在较小的压力下，金刚石主要以塑性模式切割晶体硅，划痕相　对平直光滑；金刚石线锯切割晶体硅片时，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。　关键词：硅；切割；金刚石线锯　中图分类号：ＴＮ３０５．１　文献标志码：Ａ　

Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｏｄｅ　ｏｆ　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｗｉｒｅ　Ｓａｗ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　

ＣＡＩ　Ｅｒ—ｈｕｉ，ＴＡＮＧ　Ｂｉｎ—ｂｉｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｌａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｅｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ　ｗａｓ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｗａｆｅｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉ—　

ｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｓｃｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ　ｓｌｉｃｉｎｇ　ｏｆ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　

ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｔ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘａｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ，ｕｎｃ￣ｅｒ　ｈｉｇｈｅｒ　ｐｒｅｓ—　ｓｕｒｅ，ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗａｓ　ｃｕｔ　ｂｙ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ　ｉｎ　ｂｒｉｔｔｌｅ　ｍｏｄｅｌ，ｗｉｔｈ　ｂｒｏｋｅｎ　ｐｉｔｓ　ｏｎ　ｃｕｔ　ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ　ｂｒｉｔｔｌｅ　

ｃｌｅａｖａｇｅ　ｓｔｒｉｐｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｓｃｏｒｉｎｇ　ｔｅｓｔ；ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗａｓ　ｃｕｔ　ｂｙ　ｄｉａ—　ｍｏｎｄ　ｉｎ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ，ｗｉｔｈ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｆｉａｔ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ｓｃｒａｔｃｈｅｓ．Ｏｎ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗａｆｅｒｓ　ｓｌｉｃｅｄ　ｂｙ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ。ｔｈｅｒｅ　

ｗｅｒｅ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｐｉｔｓ，ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ｓｃｒａｔｃｈｅｓ　ｏｎ　ｔｏｐ　ｏｆ　ｔｈｅｍ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｔｔｌｅ　

ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｍａｙ　ｂｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ　ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｗａｓ　ｈｉｇｈ，ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗａｓ　ｃｕｔ　ｉｎ　ｂｒｉｔｔｌｅ　ｍｏｄｅ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｏｕｌｄ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ　ｂｅ　ｓｃｒａｔｃｈｅｄ　

ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉａｍｏｎｄｓ　ｏｎ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｉｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ，ｕｎｄｅｒ　ａ　ｍｕｃｈ　ｌｏｗｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｗｏｕｌｄ　ｃｕｔ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｎ　ｐｌａｓ—　

ｔｉｃ　ｍｏｄｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａ　ｃｕｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　ａ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｒｉｔｔｌｅ　ａｎｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｗａｓ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｄｉ－　ａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ　ｓｌｉｃｉｎｇ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｉｃｏｎ；ｃｕｔｔｉｎｇ；ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ　

金刚石线锯是指在不锈钢丝基体上电　

基合金，固结镶嵌高硬度、高耐磨性的金冈　镀一层镍　

０石颗粒，　

制成的一种切割工具。它最早出现在２０世纪８０年　

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　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　

收稿日期：２０１０—１１—２０　作者简介：蔡二辉（１９８３一），男，硕士生；通信作者：周浪（１９６２一），男，教授，博士生导师，ｌｚｈｏｕ＠ｎｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。　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［Ｊ］．南昌大学学报：工科版，２０１１，３３（２）：１９４—１

９９　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、刻痕实验和机制，已　有学者进行了较多的研究　Ｊ。宗文俊等　在金刚　

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　

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，模拟了晶体硅磨削去除的过程机制。　

磨削过程中，磨粒附近的单晶硅表面及内部有变形　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　

拉曼光谱检测，证实了在高压力下，硅片的表面薄层　转变为非晶硅（仅一Ｓｉ），非晶硅层下仍然是晶体硅，　

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，说明压头下的单晶硅可能已转变为金属相。大　家一致认为，相转变和位错滑移是晶体硅畸变的２　

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，可以实现塑性域切削，类似于两体“磨粒一　磨损”的耕犁效应　Ｊ。与游离磨料砂浆线锯切割相　

比，金刚石线锯切割相当于尖锐压头在脆性材料表　

面上刻划，而刻划比游离磨料形成的压痕表面裂纹　

浅　。因此，金刚石线锯有望能切割加工出更高表　面质量的切片。　

本文通过金刚石线锯刻划切割晶体硅片和单颗　金刚石在不同的压力下刻划硅片的实验，对比观察　

了刻划切割硅片的表面形貌，并测试了刻划后硅片　

的电学性能等，研究分析了金刚石刻划切割的模式　和机制，提出了金刚石线锯加工晶体硅片的去除机　制模式。　

１　实验方法　

１．１实验材料与设备　

取自正常生长的Ｐ型多晶硅锭进行切割实验，　

在精细机械抛光的单晶硅片上进行单颗金刚石颗粒　的刻划实验。切割设备为沈阳科晶ＳＬＸ一６０１Ａ型　

往复式单线切割机，最大的线速度为２　ｍ／ｓ，依靠砝　

码的重量和液压系统控制工件的进给速度，切割过　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２７０　ｐｂｍ，其表层均布尺寸为　＿）２０～　３０　ｍ的金刚石颗粒，如图１所示。　

图１金刚石线锯的ＳＥＭ微观形貌　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ＳＥＭ　ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ　ｏｆ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　

１．２实验过程　与太阳电池硅片切割生产中一致，切割垂直于　

晶体生长方向进行，主要切割工艺参数如表１所示。　刻划实验中，使用单颗金刚石在不同的压力下对抛　

光后的单晶硅片进行刻划，添加水作为切削液，旨在　模拟金刚石线锯上单颗金刚石在切割晶体硅过程中　

的具体去除机制模式。切割后的硅片在无水乙醇中　

超声波清洗１０　ｍｉｎ，超纯水清洗数次，１８％的ＨＣＩ溶　

液中清洗５　ｍｉｎ，然后在超纯水超声波清洗１０　ｒａｉｎ，　超纯水冲洗数次，冷风烘干备用。　

表１切割实验工艺参数　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｓｌｉｃｉｎｇ　割ｍ　／　ｍ　速ｓ署线　／切割液（　・ｓ　）　（　・　）　……’　

２　６　３０　水　

１．３分析及检测　采用ＳＥＭＩＬＡＢ公司生产的ＷＴ一２０００Ｐ型少子　寿命测试仪对刻划后的硅片进行少子寿命的面扫　描，采用９０４　ｎｍ的激光注人（对于晶体硅，注入深　

度大约为３０　ｍ），观察分析刻痕处少子寿命的变　化。用ＦＥＩ—ＱＵＡＴＡ一２００Ｆ型扫描电子显微镜　

（ＳＥＭ）观察分析金刚石线锯切割硅片，单颗金刚石　

刻划硅片的刻痕和游离磨料多线锯切割硅片的表面　形貌。　

２结果与讨论　

图１为金刚石线锯的表面形貌，

可见表面镀层　南昌大学学报（工科版）　

固结掩埋了金刚石颗粒的较大部分，有一小部分尖　

端和棱面露出表面，用于磨削切割加工。切割过程　中，高速走丝的金刚石线锯在加载负荷的作用下，对　

晶体硅进行切割，相当于多个单颗金刚石在材料表　

面进行磨削刻划。因此为便于分析，我们进行了单　颗金刚石刻划经精细抛光的晶体硅片的实验。　

图２（ａ），（ｂ），（Ｃ），（ｄ）为单颗金刚石在不同压　力下在单晶硅片上刻划痕的ＳＥＭ照片。由图２可　

知：在３，６　Ｎ压力下表面的刻痕较细微，边缘未见明　

显的破碎崩边，刻痕有一定宽度；而在９　Ｎ压力下中　心刻痕较宽，且边缘可见明显的连续崩边，致使刻痕　

宽度基本大于３００　Ｉｘｍ；在１２　Ｎ压力下，刻痕更宽，　

并出现叠层崩边，崩边破碎更为严重。分析原因，在　

（ａ）３　Ｎ　

（Ｃ）９　Ｎ　（ｄ）１２　Ｎ　图２单颗金刚石刻划硅片刻痕的ＳＥＭ微观形貌　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ＳＥＭ　ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ　ｏｆ　ｓｃｒａｔｃｈｉｎｇ　ｏｎ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　

较小压力下，晶体硅表面仅仅发生一定塑性变形，表　现为平直光滑的划痕；在较大的压力下，形成侧向微　

裂纹扩展至表面，形成解理纹崩边。压痕断裂力学　

理论认为，加工脆性材料时，磨粒下方的微裂纹扩展　程度与磨粒的压入深度和施加在磨粒上的载荷大小　

相关。施加在磨粒上的载荷越小，磨粒压人工件的　深度越小，加工时磨粒下方中央裂纹扩展的深度就　

会越小，从而得到浅的亚表面损伤。　

对刻划后的硅片进行少子寿命扫描测试（如图　３所示），可见刻痕处的少子寿命都有一定程度的降　

低。图３中Ａ，Ｂ，ｃ，Ｄ分别对应为单颗金刚石在３，　６，９，１２　Ｎ压力下在单晶硅片匕的刻划痕。对比分　

析知，随着刻划压力的增大，硅片的少子寿命降低逐　

渐显著，基本可以辨别出刻痕位置及宽度。在３，６　Ｎ较小压力下的刻痕处，少子寿命降低不明显；而　

９，１２　Ｎ刻痕处，少子寿命降低近１　ｓ，衰减幅度较　

大，可明显看出刻痕。由此得出，单颗金刚石较大的　压力在硅片表面进行刻划，形成一定深度宽度的刻　

图３　单颗金刚石刻划硅片后的少子寿命分布图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｍｉｎｏｒｉｔｙ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗａｆｅｒ　ｂｙ　ｓｃｒａｔ

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