提高硅片切割质量的研究

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【摘 要】硅片切片的质量和效率直接影响到整个硅片生产的全局，关系到成本的高低。本文分析了太阳能硅片的切割影响因素，并针对不同问题，对其进行了各个工艺改进的研究探讨。

【关键词】硅片；切割；质量；研究

引言

太阳能光伏行业是一个新兴的绿色能源行业，随着世界各国对绿色能源的重视，光伏行业迅速发展，高质量、低成本是企业发展的关键。随着国家对可再生能源的扶持力度不断加大，我国光伏产业驶入政策“快车道”，产能迅速膨胀。对于以硅片为基底的光伏电池来说，硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分，晶体硅原料和切割成本在电池总成本中占据了最大的部分，所以降低这部分的制造成本对于提高太阳能对传统能源的竞争力至关重要。硅片切片作为硅片加工工艺流程的关键工序，其加工效率和加工质量直接关系到整个硅片生产的全局。

1.硅片切割技术

太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。

在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。

由于线切割机可以根据用户的要求进行单向走线和双向走线，因而两种情况下对线速的要求也不同。单向走线时，钢线始终保持一个速度运行，这样相对来说比较容易控制。双向走线时，钢线速度开始由零点沿一个方向用2-3秒的时间加速到规定速度，运行一段时间后，再沿原方向慢慢降低到零点，在零点停顿0.2秒后再慢慢地反向加速到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中，线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高，但不能低于或超过砂浆的切割能力。如果低于砂浆的切割能力，就会出现线痕片甚至断线；反之，如果超出砂浆的切割能力，就可能导致砂浆流量跟不上，从而出现厚薄片甚至线痕片等。

钢线的张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一，张力控制不好是产生线痕片、崩边、甚至断线的重要原因。钢线的张力过小，将会导致钢线弯曲度增大，带砂能力下降，切割能力降低，从而出现线痕片等；钢线张力过大，悬浮在钢线上的碳化硅微粉就会难以进入锯缝，切割效率降低，出现线痕片等，并且断线的几率很大。

钢线直径、切割速度、采用双向切割均会提高硅片的切割质量，降低成本。而细的切割线意味着更低的截口损失，也就是说同一个硅块可以生产更多的硅片，降低切割线直径还可以在同样的硅块长度下切割出更多的硅片，提升机台产量，然而，切割线更细更容易断裂。更高的切割速度将会提高生产效率，但是速度的增快会加大切割线的拉力，增加切割线断裂的风险。由于同一硅块上所有硅片是同时被切割的，只要有一条切割线断裂，所有部分切割的硅片都不得不丢弃。双向切割用线量为单向切割的一半，但是，钢线经过一次切割后会磨损变形，多次切割就会对硅片表面造成影响，此时对钢线的强度及韧性要求增加。

2.工艺优化方法

2.1 减少破方断线、切斜工艺

目前破方采用金刚线的切割方式，利用水来对钢线进行冷却，由于在太阳能级高纯硅的制备及破方切割过程中，除了得到硅块外，中间环节也有大量晶体硅以小颗粒或是微尘的形式存在，所以对滑轮的转动灵活性及其保护以及添加适量的防垢剂，防止硅粉沉积影响切割质量，是相当有必要的。具体方案如下：

1）对机床所有转动不灵活的滑轮进行维修或更换；2）对已维修好或已更换的滑轮，进行保护气管检查，如有已丧失保护功能的进行修复；3）添加适量的防垢剂，防止硅粉沉积在机床表面，影响切割质量。

2.2 优化开槽工艺

切割质量的好坏，导轮槽型起着关键性的作用，稳定而又先进的工艺是开出好槽型导轮的有力保证，只有使钢线与导轮槽型相吻合，才会切出高质量的硅片，并且耐磨损，延长导轮更换周期。

通过对开槽工艺的调整，使导轮槽型与钢线形状更加接近，在切割高速运转时，使线网更加稳定，实现机床切割状态平稳，使用周期长，提高开机率，并使其符合硅片的各项检验标准。总体方案如下：

1）试切不合格晶棒，验证各项质量标准是否合格；2）第一部分成功后，使用正常晶棒切割；3）调整工艺，使生产效率最大化，质量偏差最小化；4）确定最终工艺，可批量生产。

2.3 优化工艺解决出刀锯痕

多线切割技术是以钢线为载体，使用高硬度的碳化硅作为磨料，对硬脆材料切割的技术，主要应用于半导体和光伏硅片切割中。其优点是：加工表面损伤小、曲线变形小、切片薄、片厚一致性好。

车间使用工艺所切割出硅片，80%以上会有一道出刀锯痕，严重影响着硅片的A级品率，同时也会使下一道工序电池车间的碎片率有所提高。优化工艺解决锯痕，控制粘接用胶量，规范操作，调整出刀工艺，提高A级品率，减少电池车间造成碎片的隐患，并使其符合硅片的各项检验标准。

经过分析，钢丝的明显质量缺陷会引起线痕的发生，但在钢丝无明显缺陷时，切割工艺的适当优化可以降低线痕的出现机率，砂浆的过滤、线网的清理和胶量的控制能很大程度的减少线痕的产生。SiC的质量对硅片的切割有着重大的影响，一旦SiC的质量产生问题则会产生大量的均匀线痕片而造成具巨额损失。因此对辅料的监控和检验有着犹为重要的意义。同样对于多晶的硬点线痕，控制硅原料质量和坩埚氮化硅涂层工艺比较重要。

2.4 钢线优化

在以前由于受制作工艺的限制，钢线越细价格越高，然而现在制作钢线已不再受工艺的限制，钢线粗细价格已基本相同，但对于我们来讲，在使用其他原材料不变的情况下，钢线越细，出片就越多，相应的成本越低。

结束语

通过对硅片切割过程中用到的材料及工具、设备的分析，优化其制造工艺，选择新的材料来降低硅片的切割成本，达到提高硅片的切割效率和质量的目的。