Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

6.4.2 Microscopic Process of Wafering
Figure 6.16 shows schematically a cross section of the wire in the cutting zone. The
space between the wire and the crystal surface is filled with slurry and SiC particles.
The pressure of the wire on the particles varies along the contact area. The forces are
maximal directly below the wire and decrease towards the side faces. Because of the
transverse vibrations, the wire also exerts forces sideward, which determines the surface
quality of the sliced wafers. The interaction between the abrasive SiC particles and the
silicon crystal yields a distinct damage pattern on the surface that can be analysed by
microscopic techniques. A typical surface structure as seen under an optical microscope
is shown in Figure 6.17. Similar structures are obtained along the entire contact zone,
which shows that the abrasive process is the same in all directions.
The surface structure consists of local indentations with a mean diameter of a
few micrometers. Such a uniform structure can be explained by the interaction of loose,
rolling particles that are randomly indented into the crystal surface until small silicon
pieces are chipped away. Since SiC particles are facetted and contain sharp edges and
Slurry 
Wire
Crystal
Fracture zone
Figure 6.16
Cross section of wire, slurry with abrasive and crystal in the cutting zone
(a)
(b)
Figure 6.17
Optical micrograph of the surface of an as-cut silicon wafer (a) and several
micro-indentations on a polished silicon surface (b)

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WAFERING
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tips, they can exert very high local pressures on the surface. This “rolling grain” model
forms the physical basis of the wire sawing process. Similar surface structures also form
after lapping semiconductor surfaces with loose abrasive particles.
The individual process of the interaction of a single particle with sharp edges and
the surface of a brittle material can be studied by micro-indentation experiments. This is
shown in Figure 6.17(b) for a silicon surface. The damage structure of several overlapping
micro-indentations with a Vickers diamond indenter resembles the structure of an as-cut
wafer. Numerous micro-indentation experiments on monocrystalline silicon have been
carried out in the past to investigate the damage structure quantitatively (e.g. [33–37]).
The main results are summarised schematically in Figure 6.18 for a “sharp” Vickers
indenter with pyramid geometry. Loading by sharp indenters first leads to the genera-
tion of a remnant plastic impression in the surface known as the elastic–plastic zone.
Recent Raman investigations of this region have shown that under high pressures the
silicon lattice transforms into other crystal structures. Several phase changes have been
observed directly under the indenter, in particular a metallic high-pressure phase [38, 39].
Under loading at 11.8 GPa an endothermic transformation to metallic silicon (Si II) occurs
(
G
=
38 kJ/mol), which partly transforms back to another high-pressure phase (Si III
at 9 GPa,
G
= −
8
.
3 kJ/mol). In the metallic state the silicon can plastically deform and
Loading
Side view
Plastic zone
Load
Unloading
Lateral
crack 
Lateral crack
Surface view
Loading
Unloading
Median
crack
2 c
Median
crack
View on crack area
a
−
2 c