太陽能作為一種取之不盡的清潔能源,它的開發(fā)利用正引起人類的極大關注,商業(yè)化利用太陽能已成為世界趨勢。太陽能電池就是由此而誕生的太陽能利用工具。硅系的太陽能電池包括:單晶硅電池、多晶硅薄膜電池等,其中單晶硅大陽能電池轉換效率最高,光電轉換率可以達到23%,在現(xiàn)階段的大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導地位。近年來,隨著半導體制造技術的不斷成熟完善,硅片制造成本不斷降低,但是太陽能電池所用硅片的切割成本卻一直居高不下,要占太陽能電池總制造成本的30%以上。為了降低硅片加工期間發(fā)生崩邊的可能性,提高材料利用率,硅片的切割傾向于使用薄刀片。目前使用的普通刀片可大致分為厚度15~100μm的電鍍刀片和100~500μm的樹脂刀片兩種。在我國,目前生產(chǎn)電鍍金剛石超薄切割片技術還不成熟,主要還處于試驗研究階段，生產(chǎn)所需的超薄切割片主要依賴從美國、德國和日本進口,因此,高精度金鋼石切割工具的研制技術是我國工具及微電子行業(yè)迫切需要解決的問題。

　　2 金剛石超薄切割片研究現(xiàn)狀

　　2.1 固化樹脂法

　　樹脂法制造金剛石超薄切割片是一種可以得到很好保型性的方法,一般采用熱固性酚醛樹脂作為結合劑,它的做法是將金剛石磨粒與樹脂混合,然后用熱壓法燒結和熱固化后進行研磨加工,這種工序需要數(shù)小時,因此生產(chǎn)成本較高。隨著技術的進步,熱固化樹脂逐漸被光固化樹脂所替代,光固化樹脂主要由基礎聚合物(光交聯(lián)性聚合物)、活性稀釋劑(光聚合性單體)、光引發(fā)劑以及添加劑組成。它和熱固化樹脂最本質的區(qū)別在于其固化過程是吸收適當波長的光而引起的化學反應過程,它從液體轉變?yōu)楣腆w是分子量增加的結果,而不是溶劑揮發(fā)所造成的,故具有快速固化、無污染、節(jié)省能源的優(yōu)點,但制約因素是其原材料價格較高。

　　運用光固化樹脂法制造超薄金剛石切割片方面,彭偉,谷泰弘等利用光固化樹脂作為結合劑研制成功厚度為0.15mm的超薄型金剛石切割砂輪,并完成了對單晶硅片的切割試驗。切割使用后的砂輪形態(tài)為:53mm×40mm×0.15mm。對于實驗制得的試樣進行了切割試驗。通過實驗數(shù)據(jù)分析,最終結果顯示,添加適量的SiO2能夠提高切割片的綜合性能,且當所添加的微粒含量為48%時,切割片的切割效果最好,切割斷口較光滑。

　　經(jīng)分析得出,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因與砂輪表面高密度分布的SiO2粒子對溝槽表面的研磨作用

    2004年,姚春燕,彭偉等以快速原型制造技術為基礎,研究以光敏樹脂作為結合劑的超薄金剛石切割砂輪片的快速制造技術,并通過添加日本REV晶須(13μm×70μm)的方法,來提高金剛石切割片結合劑的機械性能。單晶硅片的努普硬度約為K1000,而金剛石的努普硬度高達K7000。將金剛石微粉和晶須定量混入配制的光敏樹脂中,攪拌均勻,并抽真空脫泡,于室溫下注入薄片切割砂輪模具,經(jīng)紫外線照射固化成型,成型后的超薄金剛石切割砂輪片尺寸為:52mm×40mm×0.15mm。經(jīng)過不同配方的切割片切割試驗證明:在光敏樹脂切割片中添加REV晶須可以增強切割片的磨削性能,提高被切割材料切割后的質量。

    在切割片中單獨添加SiO2或晶須,對于切割片性能的提高是有限的,且不能滿足實際的需要,2004年,李承福等采用昭和高分子公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂LC-2800作為結合劑,通過紫外光的照射來固化樹脂,從而制造出超薄切割片,并通過添加SiO2顆粒和纖維作為填充劑來改善其硬度、強度和耐磨性。切割片的制造方法為高速旋涂法,即首先將液態(tài)樹脂滴在襯底中央,然后讓襯底高速旋轉,使液態(tài)樹脂在襯底上擴散形成薄膜,并在上方10mm處用紫外光進行照射來使固化樹脂固化,從而制造出超薄切割片,試制刀片的尺寸為54mm×40mm×0.05mm。通過不同試樣的切割對比實驗證明,旋涂法可以用來制造超薄金剛石切割片,而且添加粒狀填充劑具有提高硬度的效果,纖維狀填充劑則有提高強度的強化效果,且纖維中以碳纖維的性能較為優(yōu)異。

　　2.2 電鍍法

　　電鍍法,就是利用電解的原理,在金屬基體上沉積一薄層其它金屬或合金的過程,是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝。而微粒要通過電解過程進入復合鍍層,Guglielmi認為微粒進入復合鍍層主要是依靠兩步吸附機理:第一步是攜帶著離子與溶劑分子膜的微粒吸附在電極表面上,稱之為弱吸附,它與懸浮在鍍液中的微粒處于平衡。處于弱吸附狀態(tài)的微粒,脫去它所吸附的離子和溶劑化膜,與陰極表面直接接觸形成不可逆的電化學吸附,成為強吸附步驟。隨后則是在金屬電沉積過程中將強吸附的微粒嵌入鍍層。

　　2000年華南理工大學的劉定福介紹了一種利用復合鍍的方法,這是一種以鎳鈷合金鍍層作為粘接劑制造金剛石圓鋸片的工藝,工藝特點是在在鋸片毛坯的周邊(切割刃部)每隔6~7mm用薄鋸片沿直徑方向鋸出9mm長的縫隙,使以后的金剛石顆粒和作為結合劑的鍍層具有類似機械鑲嵌的作用,以進一步加強復合鍍層與基體的結臺力,延長鋸片的使用壽命。布砂方式采用撒砂法,即用滴管吸取已經(jīng)過親水化處理的金剛石微粒均勻地散布在朝上的那個沉積面上,然后輕微振動鋸片,使金剛石顆粒能穩(wěn)定地與基體接觸。經(jīng)過預鍍、上砂、加厚鍍、光亮鍍,最終得到良好的鍍層。最終證明在制造金剛石工具時,鎳鈷合金是可以作為結合劑來得到良好鍍層的。2002年,郭鐵峰,楊燕軍曾提出,首先利用磷酸鹽來制備化學轉化膜,其配方為(g/L):草酸5,磷酸15,草酸鈉4,磷酸二鈉10,氯酸鈉5;操作條件為:溫度20℃,時間5min。制備出來的化學轉化膜以奧氏體不銹鋼的效果最佳,它具有較好的導電性,能使電沉積過程順利進行,且防止電沉積材料與基片強力結合,以便于鍍層的剝離。

　　　 對于電化學沉積階段,采用Ni-Co電鍍液,鍍液配方為(g/L):硫酸鎳220~240,硫酸鈷15~30,硼酸25~35,氯化鈉10~20,專利添加劑適量,金剛石微粉5~10。實驗的操作條件為:電鍍溫度45℃~50℃,pH4.1~4.5,Dk=2A/dm2,氣泵攪拌,間歇時間10min。復合鍍層采用加熱方式從基體上剝離,并在冷沖成型機上沖壓成型。對于實驗制成的成品,經(jīng)過切割單晶硅對比實驗表明,產(chǎn)品可以滿足切割要求,且成本下降1/3。

　　上海核工業(yè)第八研究所的周麟華、徐建紅等在2003年申請的專利中,詳細敘述了制造超薄金剛石切割片的制造方法。采用鎳板作為陽極,不銹鋼作為陰極,電鍍液是水合鎳金屬鹽或水合鎳金屬鹽與其它水合金屬鹽的混合溶液中加入金剛石磨料、硼酸及添加劑而得到,配方為(g/L):硫酸鎳150~300,硫酸鈷3~20,硼酸25~40,氯化鎳30~60,初級光亮劑0.2~2,次級光亮劑0.2~2,潤滑劑0.05~1。電鍍工藝參數(shù)為:Dk=2A/dm2,pH值4.1~4.5,溫度45℃~50℃,金剛石密度為5~20g/l,時間可以控制復合電鍍層的厚度。將陰極和陽極放入電鍍?nèi)芤褐?接通電源后,在電子的作用下,金剛石磨料與金屬離子在陰極基板上均勻共析,得到復合電鍍層。將電鍍有復合層的陰極基板輕輕彎成弧形,復合電鍍層就很容易與陰極基板分離,最終得到分離后的金剛石與鎳鈷復合鍍層。經(jīng)過三個小時的電鍍,可以得到20μm的復合鍍層。