摘要：
       晶片制備工藝中金剛石線(xiàn)是耗費(fèi)較高的一個(gè)因素，研究并分析影響線(xiàn)鋸壽命的機(jī)能就至關(guān)重要。本論文討論了線(xiàn)鋸表征方法并研究了金剛石線(xiàn)的磨損情況。研究結(jié)果表明：金剛石線(xiàn)和加工材料間的相互作用引起的切割線(xiàn)磨損（CWW）以及金剛石線(xiàn)本身的作用而引起的非切割線(xiàn)磨損（NCWW）是金剛石線(xiàn)磨損的兩種主要形式。在新型實(shí)驗(yàn)裝置上，NCWW被降低至最小，顯著改善了金剛石線(xiàn)的切割性能。
關(guān)鍵詞：金剛石線(xiàn),磨損,切割,機(jī)械優(yōu)化
引言：
       光伏設(shè)備用碳化硅晶片的制備工藝近年來(lái)正經(jīng)歷著一場(chǎng)技術(shù)革新，以金剛石線(xiàn)加工為代表，也即固結(jié)磨粒鋸切（FAS）技術(shù)正替代漿加工和自由磨粒鋸切（LAS）技術(shù)。這種技術(shù)革新不僅影響著碳化硅晶片的多線(xiàn)鋸加工工藝，還改變著光伏產(chǎn)業(yè)鏈中其他碳化硅切割工藝，如晶錠修整等。FAS技術(shù)中耗費(fèi)較高的就是金剛石線(xiàn)鋸損耗。金剛石線(xiàn)的最大使用時(shí)間也即線(xiàn)壽命主要受線(xiàn)磨損影響。本論文主要研究金剛石線(xiàn)的磨損對(duì)制造設(shè)備的影響。
       論文分為以下部分：首先介紹金剛石線(xiàn)在整個(gè)耗費(fèi)中的占比；然后分析金剛石線(xiàn)磨損的實(shí)驗(yàn)方法，主要是制造設(shè)備方面線(xiàn)損的特征和原因，最后介紹了經(jīng)設(shè)備優(yōu)化的高性能金剛石線(xiàn)。
金剛石線(xiàn)在整個(gè)耗費(fèi)中的占比
       圖一為金剛石線(xiàn)設(shè)備耗費(fèi)計(jì)算。（a）為晶片制造總費(fèi)用（從結(jié)晶到質(zhì)檢）；（b）為生產(chǎn)線(xiàn)加工耗費(fèi)（非碳化硅）；（c）晶片耗費(fèi)分布比例。

圖一：成本計(jì)算

       首先，材料費(fèi)用從加工費(fèi)用中區(qū)別開(kāi)來(lái)（圖一a）。材料費(fèi)由現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)和材料產(chǎn)量（每千克碳化硅生產(chǎn)出的晶片）決定。加工費(fèi)用主要是業(yè)務(wù)支出（OPEX）和資本性支出（CAPEX）。圖表中可以看出加工費(fèi)用占整個(gè)晶片制造費(fèi)用的三分之二左右。
       然后，根據(jù)一條完整的晶片生產(chǎn)線(xiàn)加工步驟將加工費(fèi)用細(xì)分為幾個(gè)部分（圖一b）。為避免繁瑣，修整、磨削和上膠等程序都?xì)w為預(yù)晶片處理；清理、測(cè)量和打包歸為后晶片處理；圖表中可以看出除了結(jié)晶化工藝處理是高能耗外，晶塊切割成片是最大的耗費(fèi)之一，占整個(gè)加工耗費(fèi)的四分之一。
       晶片處理費(fèi)用中，金剛石線(xiàn)占據(jù)將近一半的費(fèi)用比例（圖一c）。本實(shí)驗(yàn)中金剛石線(xiàn)占整個(gè)費(fèi)用的比例為9%。根據(jù)pvinsights.com的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年8英尺單晶碳化硅晶片的平均價(jià)格為1.2美元。根據(jù)晶片制造商的利潤(rùn)，金剛石線(xiàn)耗費(fèi)占每片晶片的8%-9%。由此可以看出降低金剛石線(xiàn)耗費(fèi)對(duì)于晶片費(fèi)用的影響。如果一條線(xiàn)鋸的線(xiàn)耗費(fèi)縮減10%，那么一臺(tái)年產(chǎn)量350000片的機(jī)器就可以節(jié)省開(kāi)支35000美元。
金剛石線(xiàn)性能
       晶片加工中，金剛石線(xiàn)消耗可以通過(guò)切割一塊晶片所用的線(xiàn)長(zhǎng)（m/片）或單位長(zhǎng)度的線(xiàn)長(zhǎng)切割出的晶片面積（cm2/m）來(lái)量化。第二個(gè)定義有兩點(diǎn)好處：不依賴(lài)晶片面積且易轉(zhuǎn)化為其他切割工藝參數(shù)，如晶錠修整等。因此，本論文中主要討論金剛石線(xiàn)性能，而不討論線(xiàn)消耗。
       為最大化金剛石線(xiàn)性能，延長(zhǎng)線(xiàn)的操作時(shí)間（線(xiàn)壽命）就十分必要；在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，就是要重復(fù)多次使用同一根線(xiàn)來(lái)完成切割。向前進(jìn)級(jí)幾百米后，調(diào)換線(xiàn)的進(jìn)給方向；在向后進(jìn)給幾百米后，再次調(diào)換進(jìn)給方向。
       線(xiàn)性能設(shè)置的過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)切割精度下降和線(xiàn)斷裂現(xiàn)象。最適宜的線(xiàn)性能基本保持在切割表面的規(guī)格和線(xiàn)成本之間。
       線(xiàn)性能增大引起的切割精度下降的機(jī)能尚未研究清楚，但作者認(rèn)為金剛石線(xiàn)的磨損是最主要的限制因素。因此，為了定義最適宜線(xiàn)性能的工藝，有必要建立對(duì)線(xiàn)磨損進(jìn)行表征的分析方法。
金剛石線(xiàn)分析方法
       一種最直接的金剛石線(xiàn)分析方法是利用測(cè)微規(guī)測(cè)量線(xiàn)直徑，這是一種無(wú)損測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)束后線(xiàn)還可以繼續(xù)用來(lái)切割。圖四和圖六為該方法測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果。
       對(duì)于晶片加工，線(xiàn)直徑可以由晶片厚度獲得；為此，需要知道線(xiàn)的外徑和晶片表面的距離。假設(shè)該距離保持常量，那么根據(jù)晶片厚度的變化就可以求得線(xiàn)的外徑，如圖三和五所示。
       利用光學(xué)顯微鏡對(duì)金剛石線(xiàn)進(jìn)行觀察。在實(shí)際操作中，為獲取線(xiàn)狀態(tài)的高分辨率圖，通常采用SEM進(jìn)行觀察法。研究線(xiàn)磨損的測(cè)量技術(shù)如圖二、四、六所示。

線(xiàn)磨損特征
       為研究金剛石線(xiàn)的磨損特征，實(shí)驗(yàn)對(duì)X型商用金剛石線(xiàn)進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖二所示。圖二（a）中，利用一個(gè)嶄新的金剛石線(xiàn)采用上述進(jìn)給方向?qū)λ膫€(gè)碳化硅晶片進(jìn)行切割加工，線(xiàn)性能為250cm2/m。圖中最后一排為持續(xù)切割階段的金剛石線(xiàn)特寫(xiě)。
       隨著線(xiàn)性能的增加，線(xiàn)外徑變小。這種變小和使用過(guò)的金剛石線(xiàn)特征相關(guān)聯(lián)（圖二b,d,e,f），如變形、金剛石突起的脫落和金剛石破碎；同時(shí)切削力也增大。這些現(xiàn)象都和金剛石線(xiàn)的磨損有關(guān)。
金剛石線(xiàn)磨損的原因
       以上金剛石線(xiàn)磨損描述留下了一個(gè)最基本也是最重要的問(wèn)題：什么機(jī)能引起了線(xiàn)磨。文獻(xiàn)中除了提及線(xiàn)磨對(duì)晶片制造成本的重要性外，并無(wú)涉及引起線(xiàn)磨的機(jī)能。此外，還有一個(gè)問(wèn)題就是跟金剛石線(xiàn)的機(jī)械接觸在何處發(fā)生。切割過(guò)程本身會(huì)使金剛石線(xiàn)和被切割材料發(fā)生接觸；其他接觸還有：線(xiàn)和導(dǎo)絲輥上面的涂附材料接觸；線(xiàn)和滑輪、纏線(xiàn)軸發(fā)生的接觸；以及纏線(xiàn)時(shí)線(xiàn)本身相互間的接觸。切割過(guò)程中線(xiàn)和被切割材料發(fā)生的磨損稱(chēng)之為切割線(xiàn)磨損（CWW），其他情況引起的磨損稱(chēng)之為非切割線(xiàn)磨損（NCWW）。很顯然，為降低線(xiàn)的耗費(fèi)，在切割性能確定的參數(shù)條件下，CWW應(yīng)該保持最小，NCWW盡可能要避免。
       下一步就是研究造成NCWW的機(jī)械接觸類(lèi)型都有哪些，以及如何量化這些類(lèi)型。由于同一根金剛石線(xiàn)上可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)CWW和NCWW，所以這一問(wèn)題解決起來(lái)比較困難。

線(xiàn)接觸
       論文的其他部分主要討論在纏線(xiàn)和卸線(xiàn)的過(guò)程中引線(xiàn)卷軸上發(fā)生的金剛石線(xiàn)本身的機(jī)械接觸。為研究這種接觸是否影響切削過(guò)程，實(shí)驗(yàn)對(duì)晶片厚度做了分析，如圖三所示。
       利用傳統(tǒng)的多線(xiàn)鋸和Hennecke晶片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用Y型金剛石線(xiàn)對(duì)125mm（6’’）的單晶碳化硅晶片進(jìn)行切割；沿著25mm寬的條帶平均分布測(cè)厚點(diǎn)。在1022塊測(cè)試晶片中，有3塊晶片厚度超過(guò)180μm，將其剔除在實(shí)驗(yàn)分析之外。
       第2、3、4個(gè)25mm條帶的平均值分別用向下的三角形、方形和向上的三角形表示，如圖3所示。
       對(duì)比圖三中曲線(xiàn)間的不同可以看出：切割過(guò)程中（從向下的三角標(biāo)識(shí)到向上的三角標(biāo)識(shí)）晶片平均厚度增大。這說(shuō)明金剛石線(xiàn)的外徑由于線(xiàn)磨損而變小。金剛石線(xiàn)的橫截面SEM圖可以看出，與金剛石線(xiàn)相互垂直的方向上有典型的刮痕，如圖2b所示。
       通過(guò)氣割還可以測(cè)量到線(xiàn)外徑的減少，氣割是線(xiàn)鋸上材料負(fù)載為零的晶片切割加工。實(shí)驗(yàn)證明：通過(guò)對(duì)金剛石線(xiàn)操作管理系統(tǒng)的精微調(diào)整，可以降低線(xiàn)外徑的磨損?？傊?，在每100周期的纏線(xiàn)和卸線(xiàn)循環(huán)中有最小為0.4μm的 外徑減小量可以觀測(cè)到。
鏡片加工過(guò)程中線(xiàn)磨損的降低
       從以上線(xiàn)磨損機(jī)制可以看出，對(duì)晶片加工設(shè)備的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)成本節(jié)省。事實(shí)上，傳統(tǒng)晶片加工設(shè)備的金剛石線(xiàn)操作系統(tǒng)都是為自由磨粒鋸切（LAS）技術(shù)而研發(fā)的；該技術(shù)中金剛石線(xiàn)自身的接觸是無(wú)害無(wú)損的，因?yàn)榫€(xiàn)本身并不包含任何切割磨粒（如金剛石），也就不會(huì)磨損相互接觸的其他金剛石線(xiàn)，進(jìn)而不會(huì)影響切割性能。而固結(jié)磨粒鋸（FAS）切技術(shù)中金剛石線(xiàn)自身的接觸可以引起額外的磨損。因此，從LAS到FAS技術(shù)的轉(zhuǎn)變就需要對(duì)金剛石線(xiàn)操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備上的優(yōu)化處理。
       Meyer Burger研發(fā)了一種金剛石線(xiàn)操作管理系統(tǒng)的多線(xiàn)鋸設(shè)備原型，能夠在金剛石線(xiàn)纏線(xiàn)和卸線(xiàn)中最大化的減小線(xiàn)接觸并多次重復(fù)使用，如圖4、5所示。

       采用X型金剛石線(xiàn)進(jìn)行氣割加工實(shí)驗(yàn)，在經(jīng)過(guò)500次纏線(xiàn)和卸線(xiàn)周期后，誤差在±0.3μm內(nèi)使用過(guò)的金剛石線(xiàn)外徑和初始外徑相比，沒(méi)有任何變化。這一結(jié)果和同樣加工條件下使用傳統(tǒng)設(shè)備的金剛石線(xiàn)最少有2μm的磨損相比，有了明顯改善。
       采用X型金剛石線(xiàn)對(duì)硅晶片進(jìn)行切割加工，線(xiàn)性能為420cm2/m；另選線(xiàn)性能為500cm2/m的Y型金剛石線(xiàn)進(jìn)行切割加工。觀察發(fā)現(xiàn)，兩種類(lèi)型的金剛石線(xiàn)在纏線(xiàn)和卸線(xiàn)過(guò)程中都沒(méi)有機(jī)械磨損帶來(lái)的垂直刮痕。還可以觀察到有效金剛石磨粒，如圖4b所示。對(duì)比兩種類(lèi)型的金剛石線(xiàn)外直徑發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)磨損是線(xiàn)性能的一個(gè)函數(shù)，如圖4a所示。
       以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明線(xiàn)接觸經(jīng)過(guò)最小化處理的晶片加工設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高性能的金剛石線(xiàn)切割加工。如圖四所說(shuō)明，成本節(jié)省取決于金剛石線(xiàn)的類(lèi)型。
結(jié)論：
       晶片制備工藝正經(jīng)歷有自由磨粒鋸切技術(shù)向固結(jié)磨粒鋸切技術(shù)的轉(zhuǎn)變，其中金剛石線(xiàn)是最主要的消耗因素。本論文對(duì)纏線(xiàn)和卸線(xiàn)過(guò)程中線(xiàn)接觸對(duì)金剛石線(xiàn)的磨損情況進(jìn)行了研究分析；通過(guò)對(duì)現(xiàn)有線(xiàn)操作管理系統(tǒng)的精微調(diào)整，NCWW可以得到一定程度的減小。而要想進(jìn)一步減少線(xiàn)磨損，就需要對(duì)金剛石線(xiàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新改造。（編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）