一种基于单晶硅片生产的单晶硅棒切割装置及方法与流程

本发明涉及应用于光伏的单晶硅棒切片的技术领域，特别是一种基于单晶硅片生产的单晶硅棒切割装置及方法。

背景技术：

单晶硅作为一种重要的半导体材料，具有良好的电学性能和热稳定性，自被人们发现和利用后很快替代其它半导体材料。硅材料因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适用于制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，集成电路半导体器件大多数硅材料制成的。在制造性能良好的硅单晶方法中，直拉法生长硅单晶具有设备和工艺相对简单、容易实现自动控制。直拉单晶硅棒从单晶炉中拉制出来以后需要进行一系列的工序，前期需要将单晶硅棒进行滚磨、切片和清洗；后期将硅片进行制绒、扩散、结晶和烧结等工序后才能制造成半导体器件或用于光伏发电的太阳能电池片。

其中滚磨的目的是利用砂轮将截面为不规整的单晶硅棒打磨成截面为圆形的单晶硅棒，现有的滚磨方式是在机床上进行的，即先利用三爪卡盘夹住单晶硅棒的一端，再在单晶硅棒的另一端面上打一锥形孔，然后将机床尾部的锥头插入于锥形孔中，从而实现了单晶硅棒的工装，转动三爪卡盘，三爪卡盘带动单晶硅棒旋转，同时工人利用砂轮靠在单晶硅棒外表面，从而磨成圆柱状单晶硅棒。然而，在滚磨过程中还需要工人利用砂轮沿着单晶硅棒的轴线移动，才能对整个单晶硅棒滚磨，增大了工人的劳动强度，进一步降低了滚磨效率。

当滚磨结束后，工人将合格的单晶硅棒转运到切割装置，利用切片装置将单晶硅棒切割成片状，这种切片装置是通过切割片沿着单晶硅棒的轴线一片一片的进行切割的，这种切片效率非常慢，降低了单晶硅片的生产效率，进而降低了单晶硅片的产量。

当切片结束后，工人将合格的单晶硅片输送到清洗水槽内，利用清洗槽内的水将附着在单晶硅片表面上的杂质和废屑清洗掉。具体清洗工艺为：工人先将待清洗的单晶硅片放置于清洗篮中，然后将清洗篮放置于带有超声波发生器的清洗槽中，以除去附着于单晶硅片上的杂质和废屑。然而，清清洗篮和水始终是静止的，因此需要将单晶硅片浸泡很长时间才能清洗掉附着于单晶硅片上的杂质和废屑彻底去除，这无疑是降低了单晶硅片的生产效率。此外，单晶硅片清洗后还需要人工打捞起来，无疑是增加了工人的劳动强度。因此现有的单晶硅片的生产工艺无法继续推广使用。因此亟需一种极大提高单晶硅片生产效率、提高单晶硅片清洗效率、减轻工人劳动强度的单晶硅片切割装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、极大提高单晶硅片生产效率、提高单晶硅片清洗效率、减轻工人劳动强度、操作简单的基于单晶硅片生产的单晶硅棒切割装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于单晶硅片生产的单晶硅棒切割装置，它包括工作台、开设于工作台顶部的通槽，所述工作台的顶表面上且位于通槽的前后侧分别设置有单晶硅棒滚磨装置和切片装置，所述工作台的顶表面上且位于通槽的左右侧分别设置有左夹持装置和右夹持装置，所述通槽的正下方设置有单晶硅片清洗装置；

所述左夹持装置包括减速器、主动皮带轮、皮带、从动皮带轮、三爪卡盘i和电机i，所述减速器固设于工作台的顶表面上，所述电机i水平设置且设置于减速器的顶表面上，所述主动皮带轮安装于电机i的输出轴上，从动皮带轮安装于减速器的输入轴上，所述从动皮带轮安装于减速器的输入轴上，减速器的输出轴上安装有三爪卡盘i，所述皮带安装于主动皮带轮和从动皮带轮之间；

所述右夹持装置包括液压缸、三爪卡盘ii和轴承座，所述液压缸水平设置且固定安装于工作台的顶表面上，液压缸活塞杆的作用端上焊接有安装板，所述轴承座固设于安装板的端面上，轴承座内旋转安装有转轴，转轴延伸于轴承座外部，且延伸端上固设有三爪卡盘ii，三爪卡盘ii与三爪卡盘i左右相对立设置；

所述单晶硅棒滚磨装置包括横向移动装置、纵向移动装置、电机ii和砂轮，所述横向移动装置包括水平导轨、水平滑台、滑块a和水平油缸，所述水平导轨和水平油缸均固定安装于工作台的顶表面上，所述水平滑台的底部设置有滑块a，水平滑台经滑块a与水平导轨滑动配合安装于水平导轨上，所述水平油缸的活塞杆固设于水平滑台上；所述纵向移动装置包括纵向油缸、滑块b、纵向滑台和纵向导轨，所述纵向油缸和纵向导轨均固设于水平滑台的顶表面上，纵向油缸位于纵向导轨的前侧，纵向滑台的底部固设有滑块b，纵向滑台经滑块b与纵向导轨滑动配合安装于纵向导轨上，纵向油缸的活塞杆固设于纵向滑台上；所述电机ii水平设置且固定安装于纵向滑台的顶表面上，所述砂轮安装于电机ii的输出轴上；

所述切片装置包括进给油缸和主轴，所述进给油缸纵向设置且固定安装于工作台的顶表面上，进给油缸活塞杆的作用端上焊接有固定板，固定板前端面上位于左右侧均焊接有立板，所述主轴水平设置且固设于两个立板之间，主轴上且沿其长度方向间隔固设有多个切刀，切刀位于三爪卡盘i和三爪卡盘ii之间；

所述单晶硅片清洗装置包括清洗槽、空压机和出气盘，所述清洗槽顶部开口，清洗槽的底部封闭，清洗槽位于通槽的正下方，所述出气盘设置于清洗槽的正下方，出气盘的顶表面上固设有多根连通出气盘的支管，支管延伸于清洗槽内，且延伸端上连接有单向阀，所述空压机的出气口处连接有管道，管道与出气盘的底部连通。

所述清洗槽的左右侧壁上均固定安装有垂向油缸。

所述清洗槽内设置有顶部具有开口、底部封闭的网筒，网筒的左右侧壁上均焊接有支板，两个支板分别焊接于两个垂向油缸活塞杆的作用端上。

所述主轴包括由左往右顺次设置有左方轴、限位环、圆轴和右方轴，所述圆轴右端部的柱面上开设有外螺纹，外螺纹上螺纹连接有锁紧螺母，圆轴上位于限位环和锁紧螺母之间依次套有多个切刀，切刀刀刃朝前设置，相邻切刀之间设置有套设于圆轴上的隔套，在锁紧螺母与外螺纹螺纹连接力下，切刀抵压于限位环和锁紧螺母之间。

相邻两个切刀之间的间距相等。

所述切刀上开设有通孔，所述通孔套设于圆轴上。

所述左方轴和右方轴的顶表面上均开设有垂向孔。

所述两个立板的顶表面上均开设有与垂向孔相对应的螺纹孔，所述左方轴和右方轴分别经螺钉贯穿垂向孔且与螺纹孔螺纹连接固定于立板上。

该切割装置还包括控制器，所述控制器与电机i、电机ii、液压缸、进给油缸、垂向油缸、水平油缸、纵向油缸电连接。

所述基于单晶硅片生的单晶硅棒切割装置生产单晶硅片的方法，它包括以下步骤：

s1、单晶硅棒的上料：工人将待滚磨的单晶硅棒的左端部卡在三爪卡盘i内，利用三爪卡盘i将单晶硅棒的左端部夹持住，在操作液压缸使其活塞杆向左伸出，确保三爪卡盘ii伸入到单晶硅棒的右端部内，利用三爪卡盘ii将单晶硅棒的右端部夹持住，从而实现了单晶硅棒的上料操作；

s2、单晶硅棒的滚磨，具体包括以下步骤：

s21、工人操作纵向油缸使其活塞杆向后伸出，活塞杆带动纵向滑台的滑块b沿着纵向导轨向后运动，纵向滑台带动其上的电机ii也向后运动，当观察到砂轮接触到单晶硅棒时，立即停止操作纵向油缸；

s22、工人打开电机i，电机i带动主动皮带轮转动，主动皮带轮经皮带带动从动皮带轮转动，从动皮带轮带动减速器的输入轴转动，进而带动减速器的输出轴转动，输出轴带动三爪卡盘i转动，三爪卡盘i带动单晶硅棒绕自身轴线转动；

s23、工人打开电机ii，电机ii带动砂轮转动，砂轮开始滚磨单晶硅棒，同时操作水平油缸使其活塞杆往复的左右运动，水平油缸带动水平滑台往复的左右运动，进而带动砂轮沿着单晶硅棒的轴线做往复的左右运动，在运动过程中，完成单晶硅棒外柱面的滚磨；

s3、单晶硅棒的切割，具体包括以下步骤：

s31、滚磨一段时间后，关闭电机ii，并操作纵向油缸的活塞杆缩回，活塞杆带动纵向滑台朝前运动并复位，此时砂轮与单晶硅棒分离；

s32、工人操作进给油缸的活塞杆向前伸出，活塞杆带动固定板向前运动，固定板带动主轴及其上的切刀向前运动，由于切刀做直线运动，且单晶硅棒绕自身轴线转动，切刀即可沿着单晶硅棒的径向切割单晶硅棒，当切刀穿过单晶硅棒后即可得到单晶硅片；

s33、操作进给油缸的活塞杆缩回，活塞杆带动固定板及主轴复位；

s4、单晶硅片的清洗：切割后的单晶硅片在重力下穿过通槽掉落于网筒内，此时打开空压机，空压机产出高压气体，高压气体顺次穿过管道、出气盘的内腔、支管、单向阀进入到清洗槽内的水中，在水内产生气泡，气泡穿过网筒底部进入到网筒内，气泡作用单晶硅片后将附着于其上的杂质和颗粒清除掉，从而实现了单晶硅片的清洗。

本发明具有以下优点：

1、本发明的单晶硅棒滚磨装置包括横向移动装置、纵向移动装置、电机ii和砂轮，横向移动装置包括水平导轨、水平滑台、滑块a和水平油缸，纵向移动装置包括纵向油缸、滑块b、纵向滑台和纵向导轨，纵向油缸和纵向导轨均固设于水平滑台的顶表面上，纵向油缸位于纵向导轨的前侧，纵向滑台的底部固设有滑块b，纵向油缸的活塞杆固设于纵向滑台上；电机ii水平设置且固定安装于纵向滑台的顶表面上，砂轮安装于电机ii的输出轴上；工作时，水平油缸带动水平滑台往复的左右运动，进而带动砂轮沿着单晶硅棒的轴线做往复的左右运动，在运动过程中，完成单晶硅棒外柱面的滚磨；因此无需人工打磨，而是通过砂轮沿着单晶硅棒轴线快速的一次性滚磨，不仅减轻了工人的劳动强度，而且还提高了滚磨效率，提高了单晶硅片的生产效率。

2、本发明的切片装置包括进给油缸和主轴，进给油缸纵向设置且固定安装于工作台的顶表面上，进给油缸活塞杆的作用端上焊接有固定板，固定板前端面上位于左右侧均焊接有立板，主轴水平设置且固设于两个立板之间，主轴上且沿其长度方向间隔固设有多个切刀，切刀位于三爪卡盘i和三爪卡盘ii之间，由于切刀做直线运动，且单晶硅棒绕自身轴线转动，切刀即可沿着单晶硅棒的径向切割单晶硅棒，当切刀穿过单晶硅棒后即可得到单晶硅片；由于主轴上设置有多片切刀，且相邻两个切刀之间的距离相等，因此通过一次操作，能够一次性得到多片单晶硅片，相比传统的切割装置，极大缩短了切片时间，进一步的提高了单晶硅片的生产效率。

3、本发明的单晶硅片清洗装置包括清洗槽、空压机和出气盘，清洗槽顶部开口，清洗槽的底部封闭，清洗槽位于通槽的正下方，出气盘设置于清洗槽的正下方，出气盘的顶表面上固设有多根连通出气盘的支管，支管延伸于清洗槽内，且延伸端上连接有单向阀，空压机的出气口处连接有管道，管道与出气盘的底部连通，工作时，空压机产出高压气体，高压气体顺次穿过管道、出气盘的内腔、支管、单向阀进入到清洗槽内的水中，在水内产生气泡，气泡穿过网筒底部进入到网筒内，气泡作用单晶硅片后将附着于其上的杂质和颗粒清除掉，相比传统的浸泡式清洗单晶硅片，极大缩短了清洗时间，极大提高了单晶硅片的生产效率；清洗后，操作垂向油缸的活塞杆向上伸出，活塞杆带动支板向上运动，支板带动网筒向上运动，当网筒伸出到清洗槽外部后，即可方便工人拿取成品单晶硅片，减轻了工人收集单晶硅片的劳动强度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的a-a剖视图；

图3为图2的b-b剖视图；

图4为图1中去掉砂轮后的c-c剖视图；

图5为图2的i部局部放大视图；

图6为主轴与切刀的安装示意图；

图7为图6的右视图；

图8为切刀的结构示意图；

图9为滚磨单晶硅棒的工作示意图；

图10为切割单晶硅棒的工作示意图；

图11为本实施例二的结构示意图；

图中，1-工作台，2-通槽，3-单晶硅棒滚磨装置，4-切片装置，5-左夹持装置，6-右夹持装置，7-减速器，8-主动皮带轮，9-皮带，10-从动皮带轮，11-三爪卡盘i，12-电机i，13-液压缸，14-三爪卡盘ii，15-轴承座，16-安装板，17-转轴，18-电机ii，19-砂轮，20-水平导轨，21-水平滑台，22-滑块a，23-水平油缸，24-纵向油缸，25-滑块b，26-纵向滑台，27-纵向导轨，28-进给油缸，29-固定板，30-立板，31-切刀，32-清洗槽，33-空压机，34-出气盘，35-支管，36-单向阀，37-垂向油缸，38-网筒，39-支板，40-左方轴，41-限位环，42-圆轴，43-右方轴，44-外螺纹，45-锁紧螺母，47-隔套，48-通孔，49-垂向孔，50-螺钉，51-控制器，52-单晶硅棒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例一：如图1～2所示，一种基于单晶硅片生产的单晶硅棒切割装置，它包括工作台1、开设于工作台1顶部的通槽2，所述工作台1的顶表面上且位于通槽2的前后侧分别设置有单晶硅棒滚磨装置3和切片装置4，所述工作台1的顶表面上且位于通槽2的左右侧分别设置有左夹持装置5和右夹持装置6，所述通槽2的正下方设置有单晶硅片清洗装置。

如图1～2所示，所述左夹持装置5包括减速器7、主动皮带轮8、皮带9、从动皮带轮10、三爪卡盘i11和电机i12，所述减速器7固设于工作台1的顶表面上，所述电机i12水平设置且设置于减速器7的顶表面上，所述主动皮带轮8安装于电机i12的输出轴上，从动皮带轮10安装于减速器7的输入轴上，所述从动皮带轮10安装于减速器7的输入轴上，减速器7的输出轴上安装有三爪卡盘i11，所述皮带9安装于主动皮带轮8和从动皮带轮10之间；

如图1～2所示，所述右夹持装置6包括液压缸13、三爪卡盘ii14和轴承座15，所述液压缸13水平设置且固定安装于工作台1的顶表面上，液压缸13活塞杆的作用端上焊接有安装板16，所述轴承座15固设于安装板16的端面上，轴承座15内旋转安装有转轴17，转轴17延伸于轴承座15外部，且延伸端上固设有三爪卡盘ii14，三爪卡盘ii14与三爪卡盘i11左右相对立设置；

如图1、2、4所示，所述单晶硅棒滚磨装置3包括横向移动装置、纵向移动装置、电机ii18和砂轮19，所述横向移动装置包括水平导轨20、水平滑台21、滑块a22和水平油缸23，所述水平导轨20和水平油缸23均固定安装于工作台1的顶表面上，所述水平滑台21的底部设置有滑块a22，水平滑台21经滑块a22与水平导轨20滑动配合安装于水平导轨20上，所述水平油缸23的活塞杆固设于水平滑台21上；所述纵向移动装置包括纵向油缸24、滑块b25、纵向滑台26和纵向导轨27，所述纵向油缸24和纵向导轨27均固设于水平滑台21的顶表面上，纵向油缸24位于纵向导轨27的前侧，纵向滑台26的底部固设有滑块b25，纵向滑台26经滑块b25与纵向导轨27滑动配合安装于纵向导轨27上，纵向油缸24的活塞杆固设于纵向滑台26上；所述电机ii18水平设置且固定安装于纵向滑台26的顶表面上，所述砂轮19安装于电机ii18的输出轴上；

如图1、2、3、5、6、7、8所示，所述切片装置4包括进给油缸28和主轴，所述进给油缸28纵向设置且固定安装于工作台1的顶表面上，进给油缸28活塞杆的作用端上焊接有固定板29，固定板29前端面上位于左右侧均焊接有立板30，所述主轴水平设置且固设于两个立板30之间，主轴上且沿其长度方向间隔固设有多个切刀31，切刀31位于三爪卡盘i11和三爪卡盘ii14之间；

如图1、2、3所示，所述单晶硅片清洗装置包括清洗槽32、空压机33和出气盘34，所述清洗槽32顶部开口，清洗槽32的底部封闭，清洗槽32位于通槽2的正下方，所述出气盘34设置于清洗槽32的正下方，出气盘34的顶表面上固设有多根连通出气盘34的支管35，支管35延伸于清洗槽32内，且延伸端上连接有单向阀36，所述空压机33的出气口处连接有管道，管道与出气盘34的底部连通，所述清洗槽32的左右侧壁上均固定安装有垂向油缸37。所述清洗槽32内设置有顶部具有开口、底部封闭的网筒38，网筒38的左右侧壁上均焊接有支板39，两个支板39分别焊接于两个垂向油缸37活塞杆的作用端上。

如图6～8所示，所述主轴包括由左往右顺次设置有左方轴40、限位环41、圆轴42和右方轴43，所述圆轴42右端部的柱面上开设有外螺纹44，外螺纹44上螺纹连接有锁紧螺母45，圆轴42上位于限位环41和锁紧螺母45之间依次套有多个切刀31，相邻两个切刀31之间的间距相等，切刀31刀刃朝前设置，相邻切刀31之间设置有套设于圆轴42上的隔套47，在锁紧螺母45与外螺纹44螺纹连接力下，切刀31抵压于限位环41和锁紧螺母45之间。所述切刀31上开设有通孔48，所述通孔48套设于圆轴42上。通过改变隔套47的厚度能够调整相邻两个切刀之间的间距，进而改变单晶硅片的厚度。

如图5所示，所述左方轴40和右方轴43的顶表面上均开设有垂向孔49，所述两个立板30的顶表面上均开设有与垂向孔49相对应的螺纹孔，所述左方轴40和右方轴43分别经螺钉50贯穿垂向孔49且与螺纹孔螺纹连接固定于立板30上。

所述基于单晶硅片生的单晶硅棒切割装置生产单晶硅片的方法，它包括以下步骤：

s1、单晶硅棒的上料：工人将待滚磨的单晶硅棒52的左端部卡在三爪卡盘i11内，利用三爪卡盘i11将单晶硅棒52的左端部夹持住，在操作液压缸13使其活塞杆向左伸出，确保三爪卡盘ii14伸入到单晶硅棒52的右端部内，利用三爪卡盘ii14将单晶硅棒52的右端部夹持住，从而实现了单晶硅棒的上料操作；

s2、如图9所示，单晶硅棒的滚磨，具体包括以下步骤：

s21、工人操作纵向油缸24使其活塞杆向后伸出，活塞杆带动纵向滑台26的滑块b25沿着纵向导轨27向后运动，纵向滑台26带动其上的电机ii18也向后运动，当观察到砂轮19接触到单晶硅棒52时，立即停止操作纵向油缸24；

s22、工人打开电机i12，电机i12带动主动皮带轮8转动，主动皮带轮8经皮带9带动从动皮带轮10转动，从动皮带轮10带动减速器7的输入轴转动，进而带动减速器7的输出轴转动，输出轴带动三爪卡盘i11转动，三爪卡盘i11带动单晶硅棒52绕自身轴线转动；

s23、工人打开电机ii18，电机ii18带动砂轮19转动，砂轮19开始滚磨单晶硅棒52，同时操作水平油缸23使其活塞杆往复的左右运动，水平油缸23带动水平滑台21往复的左右运动，进而带动砂轮19沿着单晶硅棒52的轴线做往复的左右运动，在运动过程中，完成单晶硅棒52外柱面的滚磨；因此无需人工打磨，而是通过砂轮19沿着单晶硅棒轴线快速的一次性滚磨，不仅减轻了工人的劳动强度，而且还提高了滚磨效率，提高了单晶硅片的生产效率；

s3、如图10所示，单晶硅棒的切割，具体包括以下步骤：

s31、滚磨一段时间后，关闭电机ii18，并操作纵向油缸24的活塞杆缩回，活塞杆带动纵向滑台26朝前运动并复位，此时砂轮19与单晶硅棒52分离；

s32、工人操作进给油缸28的活塞杆向前伸出，活塞杆带动固定板29向前运动，固定板29带动主轴及其上的切刀31向前运动，由于切刀31做直线运动，且单晶硅棒52绕自身轴线转动，切刀31即可沿着单晶硅棒52的径向切割单晶硅棒52，当切刀31穿过单晶硅棒52后即可得到单晶硅片；由于主轴上设置有多片切刀31，且相邻两个切刀31之间的距离相等，因此通过一次操作，能够一次性得到多片单晶硅片，相比传统的切割装置，极大缩短了切片时间，进一步的提高了单晶硅片的生产效率；

s33、操作进给油缸28的活塞杆缩回，活塞杆带动固定板29及主轴复位；

s4、单晶硅片的清洗：切割后的单晶硅片在重力下穿过通槽2掉落于网筒38内，此时打开空压机33，空压机33产出高压气体，高压气体顺次穿过管道、出气盘34的内腔、支管35、单向阀36进入到清洗槽32内的水中，在水内产生气泡，气泡穿过网筒38底部进入到网筒38内，气泡作用单晶硅片后将附着于其上的杂质和颗粒清除掉，从而实现了单晶硅片的清洗。相比传统的浸泡式清洗单晶硅片，极大缩短了清洗时间，极大提高了单晶硅片的生产效率；清洗后，操作垂向油缸37的活塞杆向上伸出，活塞杆带动支板39向上运动，支板39带动网筒38向上运动，当网筒38伸出到清洗槽32外部后，即可方便工人拿取成品单晶硅片，减轻了工人收集单晶硅片的劳动强度。

实施例二：如图11所示，一种基于单晶硅片生产的单晶硅棒切割装置，本实施例与实施例一的区别在于：还包括控制器51，所述控制器51与电机i12、电机ii18、液压缸13、进给油缸28、垂向油缸37、水平油缸23、纵向油缸24电连接，通过控制器51能够控制进给油缸28、垂向油缸37、水平油缸23、纵向油缸24活塞杆的伸出或缩回，同时还能控制电机i12和电机ii18的启动或关闭，方便了工人操作，具有自动化程度高的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。