包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线及其切割系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及硬脆性材料的切割，具体涉及硬脆性材料切割用工具及其切割系统。一种包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，包括一钢线，其特征在于，所述钢线的一侧固定有金刚石磨粒，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒，构成非切割面。在脆硬性材料切割的过程中，金刚线只有在靠近切削区域的一侧才有可能与被切割物接触并切割，因此，在金刚线与被切割物非接触的非切割面上可以不设置金刚石磨粒。由于金刚线的重要成本来自于价格昂贵的金刚石磨粒，此设计可以在保证切削正常进行的同时降低金刚线制作成本。
【专利说明】包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线及其切割系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及硬脆性材料的切割，具体涉及硬脆性材料切割用工具及其切割系统。【背景技术】
[0002]硅材料被广泛应用于半导体和太阳能领域，硅材料切片是半导体制造和晶硅太阳能电池生产中的重要步骤。传统的砂浆切割技术存在效率低，加工成品切割损伤严重等问题。相比而言，金刚线切割技术可以大大的提高生产效率，同时避免使用高能耗的碳化硅和聚乙二醇切割液，有利于建立环境友好型的硅片生产加工条件和降低成本，因而成为切片技术新的发展方向。
[0003]由于硅材料在常温下具有硬脆性的特点，而且硅片厚度通常较小(小于200微米)，所以硅片很容易破碎。尤其是在后续的电池加工工艺中硅片要被夹持和传送，夹持装置在硅片上产生的应力会导致硅片内裂纹的扩展从而引发整个硅片的破裂。因此，减少硅片内的损伤和裂纹可以有效提闻太阳能电池的广率。
[0004]硅片内的损伤和裂纹主要是在切片过程产生的。尽管切割后硅片要经过蚀刻以消除表面的损伤层，但残留的裂纹仍然是导致硅片破损的直接原因。有研究表明，硅片边缘的裂纹数量和密度都大于其他区域。鉴于线切割过程对硅片机械强度的重要影响，优化设计金刚线结构和切削条件就显得极为重要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，以优化金刚线的结构。
[0006]本发明的目的还在于，提供一种采用上述金刚线的切割系统，解决以上技术问题。
[0007]本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:
[0008]一种包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，包括一钢线，其特征在于，所述钢线的一侧固定有金刚石磨粒，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒，构成非切割面。
[0009]在脆硬性材料切割的过程中，金刚线只有在靠近切削区域的一侧才有可能与被切割物接触并切割，因此，在金刚线与被切割物非接触的非切割面上可以不设置金刚石磨粒。由于金刚线的重要成本来自于价格昂贵的金刚石磨粒，此设计可以在保证切削正常进行的同时降低金刚线制作成本。
[0010]所述钢线直径为100-150微米。这样，有利于控制钢线上的金刚石磨粒的大小和形状。在用于晶体硅切割时，由于切削腔的宽度决定了切削过程中硅料的损耗情况，所以为了减少硅料的损耗，所述钢线直径为100-120微米。
[0011]本发明可以用于晶体硅切片、硅棒开方、蓝宝石切片、碳化硅切割等。
[0012]所述钢线通过电镀、树脂粘接和/或镶嵌的方式使金刚石磨粒固定于所述钢线的一侧。[0013]自所述切割面中心向两侧方向，所述金刚石磨粒的尺寸逐渐变小，尖锐度逐渐减小。
[0014]金刚石的大小和尺寸影响其切削能力，同时也决定了造成硅基底损伤的能力。金刚石磨粒尺寸为10-35微米。位于中心的金刚石磨粒尺寸为25-35微米，具有锋利的切削刃。位于最外侧的金刚石磨粒尺寸为9-11微米，优选10微米，且无锋利的棱角。
[0015]所述钢线均分为两部分，固定有金刚石磨粒的切割面的表面积等于非切割面的表面积。
[0016]采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线的切割系统，包括一金刚线切割系统主体，所述金刚线切割系统主体包括一导线轮组，所述金刚线绕在所述导线轮组上，其特征在于，所述金刚线采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线；
[0017]包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，包括一钢线，所述钢线的一侧固定有金刚石磨粒，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒，构成非切割面；
[0018]所述金刚线的切割面朝向导线轮组外，所述非切割面与所述导线轮组接触。
[0019]所述金刚线切割系统主体是一晶体硅切片用金刚线切割系统主体，所述晶体硅切片用金刚线切割系统主体还包括一用于控制硅棒的进给方向的硅棒进给系统，所述硅棒进给系统的硅棒进给方向由两个，一个是自上而下，另一个是自下而上，两个进给方向可同时进给。
[0020]所述导线轮组包括四个导线轮，所述金刚线环绕在四个导线轮外侧。
[0021]在使用过程中，为减小脆性断裂即微裂纹的产生和扩展，使硅材料尽可能通过塑性变形被移除，有效提高硅片成品机械强度，在对位于硅棒两端的5-10毫米进行切割时，切割进给速度低于正常速度，切削液粘度高于正常粘度，并在切削液中冲加有弱氢键的润滑液。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为切割过程中切削腔部分的横截面示意图；
[0023]图2为本发明的切割系统的主要结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
[0025]参见图1和图2，包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线I，包括一钢线11，钢线11的一侧固定有金刚石磨粒12，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒12，构成非切割面。
[0026]钢线11通过电镀、树脂粘接和/或镶嵌的方式使金刚石磨粒12固定于钢线11的一侧。
[0027]在脆硬性材料切割的过程中，金刚线只有在靠近切削区域的一侧才有可能与被切割物接触并切割，图中，金刚线只有在靠近切削区域的一侧才有可能与晶硅基底接触并切害I]，因此，在金刚线与被切割物非接触的非切割面上可以不设置金刚石磨粒12。由于金刚线的重要成本来自于价格昂贵的金刚石磨粒12，此设计可以在保证切削正常进行的同时降低金刚线制作成本。
[0028]本发明可以用于晶体硅切片、硅棒开方、蓝宝石切片、碳化硅切割等。
[0029]在用于晶体硅切割时，由于切削腔的宽度决定了切削过程中硅料的损耗情况，所以为了减少硅料的损耗，钢线11直径为100-120微米。若切削其他材料或在其他切削过程，例如硅棒开方和蓝宝石切片，钢线11直径可相应增加，从而使对金刚石磨粒12的大小和形状在钢线11上的分布可以更容易的控制。
[0030]金刚石磨粒12的形状也对切削能力有直接影响。锐利的磨粒，即具有尖角(小的轮廓半径)和/或小的轮廓夹角的磨粒，会更容易造成硅材料脆性断裂并产生微裂纹。自切割面中心向两侧方向，金刚石磨粒12的尺寸逐渐变小，尖锐度逐渐减小。
[0031]图1，钢线11均分为两部分，固定有金刚石磨粒12的切割面的表面积等于非切割面的表面积。在金刚线与晶硅基底接触的切割面，金刚石磨粒12的布局采用以下策略。假设α是以金刚线圆心为角顶点，金刚线表面区域与金刚线进给方向的夹角，在α由0°到90°向两侧增加的过程中，金刚线表面金刚石磨粒12的尺寸大小逐渐变小，形状由尖锐逐渐变得圆滑。
[0032]在切削行为集中的α接近0°的区域，采用锐利的磨粒以加速切削硅基底材料。有研究表明，圆润的磨粒可以减少脆性断裂的产生，从而使硅材料通过塑性变形(类似于金属材料的朔性变形)被移除，因而减少了损伤和裂纹的产生。在α接近90°的区域使用圆润的磨粒，可以有效减少硅片成品表面裂纹。
[0033]金刚石磨粒12的大小和尺寸影响其切削能力，同时也决定了造成硅基底损伤的能力。金刚石磨粒12尺寸为10-35微米。位于中心的金刚石磨粒12尺寸为25-35微米，具有锋利的切削刃。位于最外侧的金刚石磨粒12尺寸为9-11微米，优选10微米，且无锋利的棱角。
[0034]图1中，在α =90°的区域，被切削的硅基底将成为成品硅片的表面。因此，在α接近90°的区域使用尺寸小的磨粒，可以有效减小成品硅片的损伤。同时，在α=90°附近区域的金刚石磨粒12大小也决定了整个切削腔的宽度，亦是切片过程中硅料的损耗。小尺寸磨粒的使用可以有效减少娃料的损耗。
[0035]金刚石磨粒12的大小和形状需要进行严格的区分。在硅切片过程中，在α接近90°的区域，磨粒大小可以在25-35微米之间，需要具有锋利的切削刃；而在α接近90°的区域，磨粒大小应在10微米左右，且无锋利的棱角。将整个需要镶嵌金刚石磨粒12的钢线11表面分成若干个区域(3个或者5个)，按着前述的要求分区准备金刚石磨粒12并镶嵌。
[0036]参照图2，采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线的切割系统，包括一金刚线切割系统主体，金刚线切割系统主体包括一导线轮组、供线轴22、卷线轴21、切削液供给装置，切削液供给装置设有切削液供口 25，金刚线绕在导线轮组上，金刚线采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线I ;
[0037]包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，包括一钢线11，钢线11的一侧固定有金刚石磨粒12，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒12，构成非切割面；[0038]金刚线的切割面朝向导线轮组外，非切割面与导线轮组接触。
[0039]金刚线切割系统主体是一晶体硅切片用金刚线切割系统主体，晶体硅切片用金刚线切割系统主体还包括一用于控制娃棒的进给方向的娃棒进给系统，娃棒进给系统的娃棒24进给方向由两个，一个是自上而下，另一个是自下而上，两个进给方向可同时进给。
[0040]导线轮组包括四个导线轮23，金刚线环绕在四个导线轮23外侧。
[0041]在使用过程中，为减少硅材料脆性断裂，增加其被塑性加工的能力，在对位于硅棒两端的5-10毫米进行切割时，切割进给速度低于正常速度，切削液粘度高于正常粘度，并在切削液中冲加有弱氢键的润滑液。
[0042]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，包括一钢线，其特征在于，所述钢线的一侧固定有金刚石磨粒，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒，构成非切割面。
2.根据权利要求1所述的包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，其特征在于:所述钢线直径为100-150微米。
3.根据权利要求1所述的包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，其特征在于:所述钢线通过电镀、树脂粘接和/或镶嵌的方式使金刚石磨粒固定于所述钢线的一侧。
4.根据权利要求1所述的包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，其特征在于:自所述切割面中心向两侧方向，所述金刚石磨粒的尺寸逐渐变小，尖锐度逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，其特征在于:位于中心的金刚石磨粒尺寸为25-35微米，位于最外侧的金刚石磨粒尺寸为9-11微米。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，其特征在于:所述钢线均分为两部分，固定有金刚石磨粒的切割面的表面积等于非切割面的表面积。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，其特征在于:包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，可用于晶体硅切片、硅棒开方、蓝宝石切片或碳化硅切割。
8.采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线的切割系统，包括一金刚线切割系统主体，所述金刚线切割系统主体包括一导线轮组，所述金刚线绕在所述导线轮组上，其特征在于，所述金刚线采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线； 包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线，包括一钢线，所述钢线的一侧固定有金刚石磨粒，构成一与被切割物接触并切割的切割面；另一侧不固定金刚石磨粒，构成非切割面； 所述金刚线的切割面朝向导线轮组外，所述非切割面与所述导线轮组接触。
9.根据权利要求8所述的采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线的切割系统，其特征在于:所述金刚线切割系统主体是一晶体硅切片用金刚线切割系统主体，所述晶体硅切片用金刚线切割系统主体还包括一用于控制硅棒的进给方向的硅棒进给系统，所述硅棒进给系统的硅棒进给方向由两个，一个是自上而下，另一个是自下而上，两个进给方向可同时进给。
10.根据权利要求9所述的采用包括晶体硅在内的脆硬性材料切割用金刚线的切割系统，其特征在于:在对位于硅棒两端的5-10毫米进行切割时，切割进给速度低于正常速度，切削液粘度高于正常粘度，并在切削液中冲加有弱氢键的润滑液。
【文档编号】B23D61/18GK103660051SQ201210326414
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2012年9月6日
【发明者】吴豪 申请人:吴豪