晶体硅的金刚石线锯切割性能研究

论文摘要

金刚石线锯系为通过电镀的方式将金刚石颗粒固结镶嵌在钢丝表面的镀层上制成的一种线锯,以它切割硅片相比于传统的砂浆线锯切割有切割效率高,切割硅屑更容易回收,综合成本低等优势,有大规模应用的广阔前景,但业界对其切割硅片的表面质量与表层机械损伤情况尚存疑问。我们针对这一问题对晶体硅的金刚石线锯切割性能开展了研究。对金刚石刻划单晶硅片的机理及模式进行了实验研究。金刚石在较大压力下刻划时,主要以脆性模式加工晶体硅,划痕呈破碎崩坑状；而在较小的压力下,主要以塑性模式加工晶体硅,划痕相对平直光滑。金刚石线锯切割硅片表明,硅片表面呈现大量由脆性破碎崩落留下的不规则凹坑,但同时亦出现较长的光滑划痕。其原因可能是线锯正下方的压力较大,以脆性模式进行反复刻划；而与此同时,线锯侧面金刚石颗粒以小得多的侧向压力对切割暴露出的硅表面进行蹭磨刻划,形成呈塑性特征的切割纹；最终在硅片表面呈现脆性与塑性混合切割模式。在一台单线切割机上进行了单晶硅片切割实验。设计并自制了线张力测试装置,研究了进给速度的变化对金刚石线锯线张力,硅片表面形貌及损伤层的影响。发现随着进给速度的增大,硅片表面宏观的线痕间距及起伏周期增大,而表面形貌和粗糙度值差异不大。通过逐层腐蚀去除硅片的损伤层,碘酒钝化,测试其少子寿命的方法,测试硅片的损伤层厚度。测试结果表明：在本实验工艺下,金刚石线锯切割硅片的损伤层厚度基本位于12μm左右；随着进给速度的增大,硅片损伤层厚度有增加的趋势,但增加幅度不大。对企业试生产的金刚石线锯和普通商业化生产的砂浆线锯切割硅片的表面形貌进行了观察,金刚石线锯切割硅片的表面有规则平直的深浅划痕和破碎凹坑；而砂浆线锯切割的硅片表面无明显划痕,但有较多的破碎凹坑和孔洞。两种硅片表面整体上都比较平整,而金刚石线锯切割硅片的表面粗糙度值更大。实验测得砂浆线锯和金刚石线锯切割硅片的损伤层厚度分别为10μm和6μm。可见,相比于砂浆线锯,常规工艺下金刚石线锯切割硅片的近表面损伤更浅。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光伏产业发展背景与晶体硅太阳能电池技术的主导地位
• 1.2 硅片切割技术
• 1.3 金刚石线锯切割硅片技术研究进展与存在的问题
• 1.3.1 金刚石加工晶体硅机理模式的实验研究及国内外研究现状
• 1.3.2 金刚石线锯切割硅片的的实验研究及国内外研究现状
• 1.3.3 金刚石线锯切割硅片存在的问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 金刚石切割硅片微观机制研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 金刚石在晶体硅上的压痕实验
• 2.3.2 金刚石刻刀刻划硅片的实验研究
• 2.3.3 金刚石线锯切割硅片的实验研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 金刚石线锯切割晶体硅的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验工艺过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 切割线张力的测定
• 3.3.2 不同进给速度切割硅片的表面性能
• 3.3.3 晶体硅片切割损伤层的测定
• 3.4 本章小结
• 第4章 金刚石线锯切割试产硅片性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 金刚石线锯和砂浆多线锯的对比分析
• 4.3.2 金刚石线锯和砂浆多线锯切割硅片的对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果