PWS精密固结金刚石线锯的研发①

全球变暖和能源枯竭问题正变得越来越严峻，太阳能电池和发光二极管作为生态友好型产品引起了人们的关注。这种器件用的硅衬底或蓝宝石衬底都是用多线锯锯床把晶棒切成薄片的。这种器件产量的迅速增长，加快了锯切工具从传统的游离磨料型线锯向固结磨料型线锯的过渡。这种转变具有高效率、高精度和较少工业废弃物的优势。

A.L.M.T.公司为了跟上市场动态变化的步伐，对固结金刚石线锯的研究与开发工作一直进行着不懈的努力。目前已有两种新型的线锯即树脂粘结的PWS－R型和电镀的PWS－E型投放市场。这种新产品现已被许多晶片生产厂家所采用。在锯切薄片的性能方面可满足他们的要求。

在本研究报告中，对PWS－R型和PWS－E型线锯的特点以及为太阳能电池锯切硅晶锭和为发光二极管锯切蓝宝石晶棒的实例均作了介绍。

1 PWS－R型和PWS－E型线锯的特点

一般来说，固结金刚石线锯是把金刚石磨料固结到钢琴琴线上制成。不同的琴线生产厂家和研究工作者提出了许多有关金刚石的固结方法，不过这些方法的适用应考虑金刚石浓度的控制、稳定的生产过程和足够大的金刚石保持力。根据以上技术要求。PWS－R型线锯选用了热固性树脂，而PWS－E型线锯则选用了电镀材料。两者在金刚石砂轮制造中一直是作为经过考验的粘结材料而被采用的。这两种类型的固结金刚石线锯主要是采用A.L.M.T.公司现有的技术研发的，其特点阐述于下。

1.1 PWS－R型线锯

PWS－R型线锯的外观与结构如图1所示。它由两个步骤加工而成。第一步是在钢琴琴线上涂敷一种包含金刚石磨料、热固性树脂和溶剂的涂料溶液，第二步是热处理。目的是在去除溶剂的同时固化树脂。至关重要的是要把金刚石磨料以单层形式并且均匀分布在琴线周围。因为这对线锯的性能有很大影响。

图1 PWS－R型线锯外观与结构

与PWS－E型线锯相比较，PWS－R型线锯中的金刚石磨料是靠一种弹性树脂来固着的。因此当承受切割力时运动更加有挠性。就是因为这个原因，PWS－R型线锯具有使锯切面较少损伤的优点，从而使晶片有更好的表面光洁度。目前，PWS－R型线锯已应用于稀土永磁材料的锯切。这种材料锯切后要求表面粗糙度小。同样的理由，这种线锯也有可能应用于太阳能电池材料的锯切。

1.2 PWS－E型线锯

PWS－E型线锯的外观与结构如图2所示，它是在分散着金刚石磨料的电镀槽中将金属镍电镀到钢琴琴线上制成的。在电镀过程中，极为重要的是，不但要保持金刚石磨料在钢琴琴线上均匀分布，而且也要控制镀层的应力以防止线锯在使用过程中镀层发生剥落现象。从图3可看出，PWS－E型线锯必须有足够的抗弯强度。这种弯曲负荷是在正常锯切当中施加到线锯上的。

图2 PWS－R型线锯外观与结构

图3 PWS－E型线锯弯曲状的扫描电子显微镜图像

PWS－E型线锯最值得注意的特点是金刚石磨料的保持力比PWS－R型线锯高得多。因此PWS－E型线锯能够在较高锯切速度条件下使用。因为它有很好的锯切能力。而且即使金刚石浓度较低也极少发生金刚石脱落现象。目前，PWS－E型线锯已应用于蓝宝石的锯切，并且正在进行一些新的尝试，力争在太阳能电池行业锯切单晶硅方面提高其效率。

2 评估试验

用PWS－R型线锯和PWS－E型线锯进行了单晶硅和蓝宝石晶棒的评估试验，试验结果论述如下。

2.1 单晶硅的锯切

在注重节省成本的太阳能电池生产行业中，关键是要以低成本方式争取每一个晶锭保持晶片的高产量。许多太阳能电池生产厂家一直在致力于提高生产效率、降低工具成本以及使用较细的线锯降低切缝损失。此外，锯切后晶片表面损伤层的深度对蚀刻过程中的去除量和晶片的易碎性都有影响。

在评估试验中，单晶硅晶棒是用PWS－R型和PWS－E型线锯进行锯切的。线锯的技术规格与锯切参数列于表1。这些技术规格与锯切参数是由市场调研所确定的。锯切时，PWS－E型线锯的进给速度比常用的游离磨料线锯进给速度高三倍。对晶片的评估不只是通常的静态精确度，还采用了光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察其细微的缺陷，并且用透射电子显微镜（TEM）观察损伤层的深度。

表1 单晶硅锯切条件

2.2 蓝宝石的锯切

在半导体照明行业中，也需要使用较细的线锯，但需求不如太阳能电池行业那么迫切。这是由于蓝宝石的硬度大于硅，为了有效地锯切蓝宝石，线锯应具有较低的金刚石浓度和较高的金刚石保持力，而且应在较高的张力下进行工作。此外，就蓝宝石而言，锯切之后要研磨加工，所以锯切后只要求晶片有好的静态精确度。因此大多数蓝宝石晶片生产厂家选用了PWS－E型线锯。PWS－E型线锯与PWS－R型线锯相比有明显的高效率优势。

在这次评估试验中，蓝宝石晶棒是用PWS－E型线锯锯切的。线锯的技术规格与锯切参数如表2所列，而且都是通过市场调研来确定的。进给速度比常用的游离磨料线锯高得多。对晶片的平面平整度和厚度差包括总厚度差（TTV）进行了评估，这些均属于静态精确度。

表2 蓝宝石锯切条件

3 试验结果

3.1 锯切单晶硅的试验结果

用PWS－R型线锯锯切的硅晶片的平面平整度和厚度差分别示于图4与图5。而用PWS－E型线锯锯切的硅晶片的平面平整度和厚度差示于图6与图7。所锯切的晶片的静态精确度符合市场要求。两种线锯锯切的结果无明显差别。

图4 PWS－R型线锯锯切的硅晶片的平面平整度

图5 PWS－R型线锯锯切的硅晶片的厚度

图6 PWS－E型线锯锯切的硅晶片的平面平整度

图7 PWS－E型线锯锯切的硅晶片的厚度

锯切之后两种线锯均无任何金刚石脱落和破裂现象，在线锯表面上也无锯屑浆淤塞现象。这说明PWS－R型和PWS－E型线锯都有提高使用寿命的可能性。从锯切参数可看到，PWS－E型线锯的进给速度可提高到PWS－R型线锯进给速度的两倍。因此，许多注重效率的晶片生产厂家都选用PWS－E型线锯。

PWS－R型和PWS－E型线锯锯切的晶片表面用光学显微镜和扫描电子显微镜观察到的显微照片如图8所示。在这两种线锯所锯切的晶片的表面上都可观察到韧性断裂和脆性破裂的现象。但是，用PWS－R型线锯锯切的晶片表面上的脆性破裂数量比之用PWS－E型线锯锯切的晶片表面上的要少得多。这个结果意味着用PWS－R型线锯锯切的晶片比用PWS－E型线锯锯切的晶片更不容易破碎。因此，PWS－R型线锯更适合于锯切较薄的晶片。较薄的晶片可能更容易破碎而且难于搬运。

透射电子显微镜观察到的晶片横截面的显微照片如图9所示。在两张照片中都可观察到非晶质硅层和带有残余应力的结晶质硅层。用PWS－R型线锯锯切的晶片表面损伤层的深度比之用PWS－E型线锯锯切的晶片表面的要小。这也说明晶片用PWS－R型线锯锯切后进行蚀刻时的加工量较少。

鉴于上述原因，PWS－E型线锯适合于锯切目前太阳能电池所用的晶片，可提供较高效率，而PWS－R型线锯则适合于锯切较薄的晶片，使晶片具有更好的表面质量而且不易破碎。

图8 PWS－R型和PWS－E型线锯锯切的晶片的扫描电子显微镜图像

图9 PWS－R型和PWS－E型线锯锯切的晶片的透射电子显微镜图像

3.2 锯切蓝宝石的试验结果

用PWS－E型线锯锯切的蓝宝石晶片的厚度差与平面平整度分别示于图10与图11。所锯切的晶片的静态精确度满足市场需求。

锯切之后在PWS－E型线锯表面上没有观察到金刚石脱落、破裂或者被锯屑浆淤塞的现象。说明还有提高线锯使用寿命的可能性。

从另一方面来说，在锯床进给新线锯的一侧，晶片的平面平整度比另一侧有所下降。使用PWS－E型线锯锯切蓝宝石的下一个研究目标就是在这方面进行改进提高。同时在锯切较大直径蓝宝石晶棒的工作中提高线锯使用寿命。

图10 PWS－E型线锯锯切的蓝宝石晶片的平面平整度

图11 PWS－E型线锯锯切的蓝宝石晶片的厚度

4 结论

关于PWS－R型和PWS－E型线锯在单晶硅晶棒和蓝宝石晶棒的薄片锯切试验中作出如下观察结果：

PWS－E型线锯在单晶硅和蓝宝石的薄片锯切中达到了较高的效率和较高的精度。

PWS－R型线锯在单晶硅的薄片锯切中获得了很好的表面锯切质量。

PWS－E型PWS－R型线锯都很适合于锯切其它衬底材料，而且满足线锯锯切行业的技术要求。