Алмазная проволочная пила
Изобретение относится к устройству для обработки твердых и хрупких неметаллических материалов, в частности к устройству для разрезания слитков кремния. Алмазная проволочная пила, содержащая ячейки из алмазных проволочных полотен, намотанных на параллельные катушки с возможностью резания заготовки на столике для резки, причем диаметр, по меньшей мере, одного последующего вдоль направления резания полотна превышает диаметр, по меньшей мере, одного предыдущего полотна, расположенного впереди по направлению резания, что способствует достижению более экономного использования кремния для удовлетворения потребностей производства, так как получаемые пропилы более узкие, а толщина кремниевых пластин меньше. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству для обработки твердых и хрупких неметаллических материалов, в частности к устройству для разрезания слитков кремния.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Процесс резки твердых слитков монокристаллического кремния или поликристаллического кремния является важным для производства солнечных фотоэлектрических элементов. Слитки кремния разрезают на квадратные блоки, которые затем нарезают на тонкие кремниевые подложки. Многополотная проволочная пила является наиболее распространенным и применяемым для резки оборудованием в настоящее время. Группа параллельных катушек расположена в рабочей области многополотной проволочной пилы, полотна которой параллельно друг другу намотаны на катушки, образуя прямоугольную ячейку для резки (как показано на фиг. 1), движущиеся с определенной линейной скоростью. Верхняя горизонтальная поверхность (виртуальная плоскость), образуемая проволочным полотном ячейки, и нижняя горизонтальной поверхность проволочной ячейки являются режущими поверхностями для резки слитка кремния. Слитки кремния закреплены на столе для резки. Стол для резки вертикально проникает в верхнюю горизонтальную поверхность проволочной ячейки и нижнюю горизонтальную поверхность проволочной ячейки, а устройство многополотной проволочной пилы обеспечивает подачу абразивов в виде суспензии для режущего проволочного полотна в процессе резки, во время которого слитки кремния нарезаются на кремниевые подложки.
[0003] Способ резки с применением ленточно-пильного станка технически значительно совершеннее по сравнению с применением традиционных ленточных пил и ID режущих дисков, но при этом остаются проблемы, такие как трещины в поверхности от абразивной суспензии, неконтролируемая глубина затрагиваемого слоя, сложность сепарации между абразивными частицами и отходами кремниевого порошка, вредные условия работы и низкая эффективность (DE 19739966).
[0004] Для решения вышеупомянутых проблем предложен способ разрезания с применением алмазной проволочной пилы с микроабразивным покрытием. С использованием современных научных достижений алмазная проволочная пила с абразивным конкрементом имеет следующие преимущества: легкость сбора кремниевой крошки, хорошие условия труда и небольшие повреждения разрезаемой поверхности, высокая эффективность, тонкая нарезка, толщина выравнивания и тому подобное (ЕР 1745875, прототип).
[0005] Способ нанесения абразивного конкремента на алмазную проволочную пилу включает в себя: (1) фиксацию при помощи смолы (мастики) (включая провода с металлическим и неметаллическим сердечником), (2) фиксацию способом механической экструзии (провод с металлическим сердечником), (3) крепление посредством пайки (провод с металлическим сердечником), (4) фиксацию электролитическим способом (провод с металлическим сердечником). Каждая алмазная проволочная пила с абразивным конкрементом имеет различные характеристики, но при этом общие очевидные дефекты.
[0006] (1) Алмазная проволочная пила с абразивным конкрементом, приклеенным смолой (мастикой), демонстрирует хорошее качество поверхности, но низкую эффективность; термостойкость смолы низкая, прочность соединения низкая, диаметр полотна из проволоки пилы быстро утончается, при этом изменяется толщина пропила и последующие затраты на обработку могут быть увеличены в связи с допуском по толщине кремниевой пластины.
[0007] (2) Алмазная проволочная пила с абразивным конкрементом, фиксированным способом механической экструзии, демонстрирует высокую эффективность, но провод с сердечником повреждается при экструзии, срок его службы будет зависеть от характера повреждения, а качество поверхности трудно гарантировать.
[0008] (3) Алмазная проволочная пила с абразивным конкрементом, фиксированным способом пайки (провод с металлическим сердечником), демонстрирует высокую эффективность, но прочность и ударная вязкость провода с сердечником нарушены из-за высокой температуры в процессе пайки, при этом производственный процесс является сложным и могут возникнуть трудности в связи с низким объемом производства.
[0009] (4) Алмазная проволочная пила с абразивным конкрементом, фиксированным электролитическим способом (провод с металлическим сердечником), демонстрирует хорошие показатели по сохранению диаметра проволоки, но не удовлетворяет качество поверхности, кроме того, проволочная пила легко ломается, что приводит к увеличению расходов.
[0010] В Китае вышеуказанные четыре способа применяются для резки кремниевых заготовок, но все еще широко не используются. Основная причина кроется в том, что алмазная многополотная проволочная пила выполняет однократную резку слитка кремния одним и тем же проволочным полотном, что ведет к неудовлетворению требованиям к качеству поверхности, эффективности, сроку службы и затратам на кремниевые подложки, и, кроме того, производительность соответствующего оборудования также является неудовлетворительной.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Целью настоящего изобретения является создание алмазной проволочной пилы для удовлетворения требованиям к качеству поверхности, эффективности, сроку службы и эффективности затрат на кремниевые подложки (пластины) через мультислойную резку алмазной проволочной пилой с различными характеристиками.
[0012] Алмазная проволочная пила, способная реализовать указанное назначение, включает в себя полотно из алмазной проволоки (нити) для распиловки, но разница в том, что, по крайней мере, два алмазных полотна для распиловки расположены в передней и задней части режущей рабочей поверхности вдоль направления рабочей подачи или, по крайней мере, две группы алмазных полотен для распиловки расположены в передней и задней части более чем одной из параллельных режущих рабочих поверхностей и алмазные полотна в той же группе расположены параллельно друг другу, чтобы сформировать режущий ячеистый слой (сетку), диаметр последующего проволочного алмазного полотна или последующей группы проволочных алмазных полотен равен или больше, чем у предшествующего проволочного алмазного полотна или последующей группы проволочных алмазных полотен.
[0013] Режущая ячеистая поверхность (сетка) образована намоткой одного или более чем одного алмазного распиловочного полотна на одну группу катушек.
[0014] В одной группе катушек прямоугольная ячейка (сетка) образована, по меньшей мере, двумя катушками, треугольная ячейка состоит из трех катушек, а многоугольная ячейка сформирована из большего числа катушек.
[0015] Обычно четыре катушки расположены по углам, чтобы сформировать прямоугольную ячейку. Количество ячеек состоит из двух или более групп, и в каждой группе прямоугольные ячейки из проволоки объединены с образованием двухслойной или многослойной режущей поверхности.
[0016] Двухслойная или трехслойная режущая поверхность ячейки берется в качестве примера.
[0017] Две группы прямоугольных проволочных ячеек, вложенных друг в друга в форме концентрических прямоугольников, или две группы прямоугольных ячеек располагаются спереди и сзади вдоль направления рабочей подачи.
[0018] Три группы прямоугольных проволочных ячеек вложены друг в друга, или группа прямоугольных ячеек распределена спереди или сзади двух групп прямоугольных ячеек, вложенных друг в друга в форме концентрических прямоугольников вдоль направления рабочей подачи.
[0019] Диаметр проволоки последующего алмазного проволочного полотна пилы или последующей группы алмазных проволочных полотен равна, а предпочтительно больше, чем у предыдущего алмазного проволочного полотна или предыдущей группы алмазных проволочных полотен; размер алмазных зерен, закрепленных на последующем алмазном проволочном полотне или последующей группе алмазных проволочных полотен равен, но предпочтительно меньше, чем алмазных зерен, закрепленных на предыдущем алмазном проволочном полотне или на предыдущей группе алмазных проволочных полотен.
[0020] Расположение соседних алмазных проволочных полотен или соседних (смежных) режущих плоскостей (ячеек) параллельно, а чтобы уменьшить или даже устранить надрезы, оставшиеся на поверхности кремниевой пластины при прохождении предыдущего алмазного проволочного полотна, прилежащий угол может быть образован между соседними алмазными проволочными полотнами или смежными режущими плоскостями (ячейками).
[0021] Когда прочность кремниевой пластины достаточна, направление движения соседних алмазных проволочных полотен или смежных режущих плоскостей может быть одинаковым, однако для улучшения режущих свойств предпочтительны противоположные направления.
[0022] В соответствии с основными принципами обработки алмазов размер зерна алмаза играет решающую роль в эффективности резки и обеспечении определенного уровня шероховатости поверхности; и эффективность резки может быть улучшена путем применения более грубых алмазов, однако уровень шероховатости поверхности будет неудовлетворительным; лучший уровень шероховатости поверхности может быть получен путем применения алмазов с более мелким зерном, однако режущая эффективность при этом значительно падает. Таким образом, различные алмазные проволочные полотна могут работать независимо для целей резки, тонкой шлифовки и полировки кремниевой пластины (заготовки). В соответствии с поставленной технической задачей при применении алмазной проволочной пилы и в соответствии с техническим процессом различные алмазные проволочные полотна могут быть избирательно использованы в различных режущих плоскостях (ячейках) в соответствии с различными требованиями резки, грубой шлифовки и тонкой шлифовки, так что диаметр проволочного полотна и размер зерна алмаза будет зависеть от технологического процесса, чтобы улучшалась не только эффективность резки, но также были выполнены и требования к качеству поверхности по шероховатости, и количество кремниевых пластин, получаемых из заготовки, было бы больше, а их толщина меньше.
[0023] Преимущества изобретения приведены ниже.
[0024] При использовании способа разрезания кремниевых пластин последовательно режущими плоскостями из множества групп алмазных проволочных полотен резка, тонкая шлифовка, полировка кремниевой пластины выполняется алмазными проволочными полотнами с различными характеристиками в зависимости от необходимых рабочих параметров; допуски при механической обработке резанием, тонкой шлифовке и полировке значительно снижены, срезающее усилие на кремниевую пластину при обработке значительно уменьшается, так, чтобы были созданы благоприятные условия для образования тонких листов, при этом получается более высокий коэффициент использования кремниевых материалов, выполняются требования к получению более узких швов при разрезке и меньших по толщине кремниевых пластин, проблема соответствия размера зерна алмаза режущей эффективности и достижения нужного качества поверхности (шероховатости), которые раньше не могли быть удовлетворены одновременно, решается, и при этом выбор размера зерен алмаза шире.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0025] Фиг.1 представляет собой трехмерную структурную схему группы прямоугольных (квадратных) ячеек, сформированных путем намотки алмазного проволочного полотна на группу (из четырех) катушек (роликов) в традиционной алмазной проволочной пиле;
[0026] Фиг.2 представляет вид спереди по фиг.1;
[0027] Фиг.3 представляет структурную схему первого примера алмазной проволочной пилы;
[0028] Фиг.4 представляет собой структурную схему второго примера алмазной проволочной пилы;
[0029] Фиг.5 представляет собой структурную схему третьего примера алмазной проволочной пилы;
[0030] Фиг.6 представляет собой структурную схему четвертого примера алмазной проволочной пилы;
[0031] Фиг.7 представляет собой структурную схему пятого примера алмазной проволочной пилы;
и
[0032] фиг.8 является схемой, иллюстрирующей процесс резки, тонкого шлифования и полировки тремя различными алмазными проволочными полотнами в том же распиле кремния, что и на фиг.3, фиг.4 и фиг.5.
[0033] Пояснения:
1. Столик для резки 1, применяемый для фиксации кремниевой заготовки.
2. Алмазное проволочное полотно.
3. Катушка.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0034] Техническая схема устройства алмазной проволочной пилы описана на примере трехслойной режущей плоскости (ячейки) и двухслойной режущей плоскости (ячейки) в качестве примеров.
[0035] 1. В процессе резки кремниевой пластины трехслойной режущей плоскостью три вертикально ориентированных алмазных распиловочных полотна 2 используются для резки, мелкой шлифовки и полировки поверхности пропила кремния. Каждый слой режущей (ячейки) плоскости содержит ячейки группы проволочных ячеек, сформированных путем намотки протяженных алмазных проволочных полотен 2 на группу катушек 3, и каждая катушка 3 из группы расположена в одном из четырех углов, чтобы сформировать прямоугольник (квадрат) ячейки. Как показано на Фиг.1 и Фиг.2, верхняя поверхность ячейки и нижняя поверхность ячейки прямоугольной ячейки являются режущими поверхностями по направлению к столику для резки 1 для крепления кремниевых заготовок.
[0036] A. Трехслойная режущая ячейка содержит ячейки трех групп проволочных ячеек, сформированных путем намотки трех алмазных проволочных полотен 2 на три группы катушек 3. Как показано на Фиг.3 и Фиг.8, трехслойная ячейка режущей поверхности образована тремя нижними алмазными проволочными полотнами 2. Столик для резки 1 для крепления заготовок кремния расположен под трехслойной ячейкой поверхности резки. Операция резки, тонкой шлифовки и полировки осуществляется в последовательности снаружи внутрь.
[0037] B. Трехслойная режущая ячейка содержит ячейки трех групп проволочных ячеек, сформированных путем намотки трех алмазных проволочных полотен 2 на три группы катушек 3. Две группы проволочных ячеек состоят из вложенных друг в друга ячеек в форме концентрических прямоугольников, а третья прямоугольная ячейка расположена над ними. Как показано на Фиг.4 и Фиг.8, трехслойная ячейка режущей поверхности образована нижним алмазным режущим полотном 2 прямоугольной ячейки и двумя верхними алмазными проволочными полотнами 2 проволочных ячеек концентрического полого квадрата. Столик для резки 1 для крепления заготовок кремния расположен под трехслойной ячейкой (сеткой) поверхности резки. Операция резки, тонкая шлифовка и полировка проводится в последовательности от изнутри - к снаружи по отношению к ячейкам концентрического полого прямоугольника, а затем проходит через нижнее полотно алмазной пилы 2 прямоугольной ячейки (показанной на фиг.4 сверху).
[0038] C. Трехслойная режущая ячейка содержит ячейки трех групп проволочных ячеек, сформированных путем намотки трех алмазных проволочных полотен 2 на три группы катушек 3. Две группы проволочных ячеек взаимно вложены в форме концентрического полого прямоугольника, и прямоугольная ячейка расположена ниже ячеек с концентрическим полый прямоугольником. Как показано на Фиг.5 и на Фиг.8, трехслойная ячейка образована двумя нижними алмазными проволочными полотнами 2 проволочных ячеек с концентрическим полым прямоугольником и верхним алмазным проволочным полотном 2 прямоугольной ячейки. Столик для резки 1 для крепления заготовок кремния расположен под трехслойной ячейкой поверхности резки. Операция резки, тонкая шлифовка и полировка проводится в последовательности от снаружи - внутрь по отношению к проволочным ячейкам с полым концентрическим прямоугольником после прохождения через верхнюю часть полотна алмазной проволочной пилы 2 прямоугольной ячейки.
[0039] B A, B и C диаметр алмазного проволочного полотна 2 каждого слоя плоскости режущей ячейки постепенно увеличивается в соответствии с последовательностью резки, диаметр полотна алмазной проволочной пилы 2 постепенно увеличивается, а размер алмазных зерен, закрепленных на полотне алмазной проволочной пилы 2, постепенно уменьшается.
[0040] 2. В процессе резки кремниевой пластины при двухслойной поверхности режущей ячейки два вертикально ориентированных алмазных проволочных полотна используются для резки и шлифовки кремниевого распила; каждый слой поверхности режущей ячейки содержит ячейки группы проволочных ячеек, сформированных путем намотки полотна алмазной проволочной пилы 2 на группу катушек 3, и каждая группа катушек 3 расположена в четырех углах, чтобы сформировать прямоугольник ячейки. Как показано на Фиг.1 и Фиг.2, верхняя поверхность ячейки и нижняя поверхность ячейки прямоугольной ячейки являются режущими поверхностями по направлению к столику для резки 1 для крепления кремниевых заготовок.
[0041] D. Двухслойная режущая поверхность ячейки включает ячейки двух групп проволочных ячеек, сформированных путем намотки двух алмазных проволочных полотен 2 на две группы катушек 3, две группы проволочных ячеек взаимно вложены в форме концентрического полого прямоугольника. Как показано на Фиг.6, двухслойная ячейка режущей поверхности образована двумя нижними полотнами 2 алмазной проволочной пилы. Столик для резки 1 для крепления заготовок кремния расположен под поверхностью двухслойной ячейки. Операция резки и шлифовки осуществляется в последовательности снаружи - внутрь заготовки.
[0042] E. Двухслойная режущая поверхность ячейки включает поверхности ячеек двух групп проволочных ячеек, сформированных путем намотки двух полотен 2 алмазной проволочной пилы на две группы катушек 3, две группы ячеек расположены вертикально, чтобы сформировать верхнюю прямоугольную ячейку и нижнюю прямоугольную ячейку. Как показано на Фиг.7, двухслойная поверхность режущей ячейки образована нижним полотном 2 верхнего прямоугольника ячейки и верхним полотном 2 нижнего прямоугольника проволочной ячейки. Столик для резки 1 расположен под поверхностью двухслойной ячейки. Операция резки и шлифовки осуществляется в последовательности от верхнего полотна 2 нижней прямоугольной ячейки к нижнему полотну 2 верхнего прямоугольника ячейки.
[0043] B D и E диаметр проволочного полотна 2 первого слоя режущей поверхности ячейки постепенно увеличивается, так что диаметр проволочного полотна 2 второго слоя режущей поверхности ячейки больше, чем первого слоя режущей поверхности ячейки, а размер алмазных зерен, закрепленных на полотне 2 второго слоя режущей поверхности ячейки меньше, чем размер алмазных зерен, закрепленных на полотне 2 первого слоя режущей поверхности ячейки.
[0044] В A, B, C, D и E определенный прилежащий угол поддерживается между соседними поверхностями режущей ячейки и направление движения соседних поверхностей режущей ячейки противоположно.
[0045] B то время как конкретные варианты осуществления изобретения были показаны и описаны, специалистам в данной области техники будет очевидно, что изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от сущности изобретения в его более широких аспектах, и, следовательно, целью прилагаемой формулы изобретения является охват всех таких изменений и модификаций, которые попадают в объем настоящего изобретения, не изменяя его сущности.
1. Алмазная проволочная пила, содержащая ячейки из алмазных проволочных полотен, намотанных на параллельные катушки с возможностью резания заготовки на столике для резки, причем диаметр, по меньшей мере, одного последующего вдоль направления резания полотна превышает диаметр, по меньшей мере, одного предыдущего полотна, расположенного впереди по направлению резания.
2. Алмазная проволочная пила по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, две ячейки из алмазных проволочных полотен, последовательно расположенных вдоль направления резания, причем диаметр каждого последующего вдоль направления резания полотна превышает диаметр предыдущего полотна, расположенного впереди по направлению резания.
3. Алмазная проволочная пила по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, две параллельные группы ячеек алмазных проволочных полотен с возможностью параллельного резания заготовки на столике для резки, причем алмазные проволочные полотна в каждой группе расположены параллельно алмазным проволочным полотнам остальных групп, а в каждой последующей ячейке в группе диаметр алмазных проволочных полотен больше, чем диаметр полотен предыдущей ячейки по направлению резания.
4. Алмазная проволочная пила по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждое полотно меньшего диаметра выполнено с размером алмазных зерен, меньшим, чем размер алмазных зерен полотна большего диаметра.
5. Алмазная проволочная пила по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она имеет полотна резки, тонкого шлифования и полировки, последовательно установленные вдоль направления резания.
6. Алмазная проволочная пила по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждое полотно оперто на четыре катушки, расположенные с образованием прямоугольной проволочной ячейки.
7. Алмазная проволочная пила по п. 6, отличающаяся тем, что все ячейки установлены концентрично друг другу с возможностью резания заготовки на столике для резки, размещенном с одной стороны всех ячеек.
8. Алмазная проволочная пила по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит две последовательно установленные ячейки, одна из которых имеет одно полотно, а другая - два полотна, установленных концентрично друг другу с возможностью резания заготовки на столике для резки, размещенном внутри одной из ячеек.
9. Алмазная проволочная пила по п. 8, отличающаяся тем, что ячейка, имеющая два полотна, установлена первой по направлению резания с возможностью резания заготовки на столике для резки, размещенном внутри этой ячейки.
10. Алмазная проволочная пила по п. 8, отличающаяся тем, что ячейка, имеющая одно полотно, установлена первой по направлению резания с возможностью резания заготовки на столике для резки, размещенном внутри этой ячейки.
11. Алмазная проволочная пила по п. 2, отличающаяся тем, что она содержит две последовательно установленные ячейки, каждая из которых имеет одно полотно с возможностью резания заготовки на столике для резки, размещенном внутри одной из этих ячеек.
