特種機(jī)械加工技術(shù)-太陽能級硅片切割技術(shù)

1、特種機(jī)械加工技術(shù)太陽能級硅片切割技術(shù)鄭 軒(光為綠色新能源股份有限公司，河北高碑店，074000)摘要：太陽能級多線切割技術(shù)是一種特殊的機(jī)械加工技術(shù)，它是在傳統(tǒng)的機(jī)械加工的基礎(chǔ)上建立起來的。隨著太陽能市場的啟動和發(fā)展，作為晶體硅太陽能電池制造過程的主要環(huán)節(jié)，越來越受到人們的重視。本文介紹了硅片切割的發(fā)展史，并從硅片切割的設(shè)備、工藝、生產(chǎn)流程和新技術(shù)等方面進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。關(guān)鍵詞：多線切割技術(shù)；硅片切割設(shè)備；硅片切割工藝；硅片生產(chǎn)流程；硅片切割新技術(shù)Special machinery manufacture technology Solar wafer cutting technologyZh

2、eng Xuan(Lightway Green New Energy Co.,Ltd, Hebei Gaobeidian,074000 )Abstract：Solar multi-saw technology is a special machinery manufacture technology，that is based on traditional machinery manufacture. With beginning and developing of solar markets,more and more person pay attention to the link,whi

3、ch is the main node in poly-silicon manufacture.This paper either introduce the development of wafer cutting，or detailed represent equipments，technics，production process and new technology,etc.Keywords: multi-saw cutting technology;wafer cutting equipments;wafer cutting technics;wafer production pro

4、cess;wafer cutting new technology1 太陽能級硅片切割的歷史在上世紀(jì)80年代以前，人們在切割超硬材料的時候一般采用涂有金剛石粉的內(nèi)圓切割機(jī)進(jìn)行切割。然而隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對已有的生產(chǎn)效率難以滿足，同時由于內(nèi)圓切割的才來損失非常大，在半導(dǎo)體行業(yè)成本的摩爾定律的作用下，人們對于降低切割陳本，提高效率的要求歐越來越高。多線切割技術(shù)因此而逐步發(fā)展起來。多線切割機(jī)由于其更高效、更小的切割損失以及更高精度的優(yōu)勢，對于切割貴重、超硬材料有著巨大的優(yōu)勢，近十年來已取代傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割成為硅片切割加工的主要方式。在2003年以前，多線切割主要滿足于半導(dǎo)體行業(yè)的需求，切割

5、技術(shù)主要掌握在歐、美、日、臺等國家和地區(qū)，國內(nèi)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)以封裝業(yè)務(wù)為主，上游的晶圓切割技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，相關(guān)的設(shè)備制造研發(fā)也難有進(jìn)展。2003年隨著太陽能光伏行業(yè)的爆發(fā)式增長，國內(nèi)民營企業(yè)的硅片切割業(yè)務(wù)迅速發(fā)展起來。大量引進(jìn)了瑞士和日本的先進(jìn)的數(shù)控多線切割設(shè)備。這才使切割太陽能級硅片的多線切割機(jī)的數(shù)量開始在國內(nèi)爆發(fā)式增長，相關(guān)的技術(shù)交流也開始在國內(nèi)廣泛興起。2 當(dāng)前國內(nèi)使用的硅片切割機(jī)的種類及特點(diǎn)目前國內(nèi)各個硅片切割廠家基本使用國際3大多線切割機(jī)的設(shè)備。也就是，瑞士的HCT、M+B、日本的NTC，另外近兩年日本的TMC(東京制綱)線鋸也開始打入國內(nèi)市場，并取得了不錯的銷量。對于硅片

6、切割的核心設(shè)備廠家，下面分別簡單的作以說明。2.1 HCT線鋸HCT在1983年推出第一線切割機(jī)后14年里才累計賣出了100臺設(shè)備，在隨后的6年里又累計賣出了150臺。太陽能光伏市場在2003年啟動以后，HCT針對市場需要在2005年推出了世界上最大的太陽能硅片線切割機(jī)B5。雙工作臺4個導(dǎo)輪滿載最多可以一次切割硅棒長達(dá)到2米，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。此機(jī)型在2006年里一年的銷售量就突破了100臺。HCT在2007年被美國的應(yīng)用材料公司收購。其后在2009年推出了新機(jī)型MaxEdge B6，主要特點(diǎn)是將原有的一個線網(wǎng)拆分為2個獨(dú)立控制的線網(wǎng)。這樣有助于使用更細(xì)的餓切割線從而提高出片率降低生產(chǎn)成本。

7、但由于該設(shè)備還處于推廣階段，工藝還有待進(jìn)一步成熟。2.2 M+B(梅耶博格)線鋸M+B公司成立于1953年，早期主要生產(chǎn)研發(fā)外圓和內(nèi)圓切割機(jī)。在1980年啟動線切割技術(shù)的研究，1991年正式推出了第一臺線切割機(jī)DS260。2000年推出了針對太陽能光伏市場需求的雙工作臺4導(dǎo)輪的DS262機(jī)型，該機(jī)型理論上切割負(fù)載可以達(dá)到2米，但實際上根據(jù)國內(nèi)客戶的使用情況反饋，DS262并不是一個非常成功的機(jī)型，一般的切割負(fù)載在1.2米左右比較合適，切割硅片的合格率相比較低。根據(jù)市場的變化，M+B在2004年推出了小型機(jī)DS265。該機(jī)型只有一個工作臺可以同時切割2個300毫米長得硅棒。和NTC MWM442

8、D機(jī)型非常的類似。該設(shè)備在國內(nèi)使用的客戶較少，其設(shè)備穩(wěn)定性不夠，維護(hù)費(fèi)用過高。M+B在2005年推出了最為成功的單工作臺的新機(jī)型DS264，該機(jī)型可以切割一根長達(dá)820mmde 硅棒，針對多晶硅片市場比例迅速提高的情況下，非常好的滿足了市場的新需求。在2009年，又針對市場變化推出了DS264的升級型DS271，切割單根負(fù)載可以增加到1020mm。2.3 NTC線鋸1984年富山機(jī)械和日平工業(yè)合并成立NTC。上世紀(jì)90年代推出了針對半導(dǎo)體行業(yè)的MWM系列線切割機(jī)。2008年被小松收購，改名為Komatsu NTC。NTC最為暢銷的機(jī)型是MWM442D，由于其投資小、維護(hù)費(fèi)用低、適合使用細(xì)直徑切

9、割鋼絲，深受國內(nèi)很多新進(jìn)入切片領(lǐng)域的小公司的歡迎。在2003年后受光伏行業(yè)的飛速發(fā)展刺激，NTC在中國的銷售量快速增長，尤其在2008年取得了400多臺的銷量，即使在受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響的2009年也賣出了300多臺各類型的線切割機(jī)。受多晶硅片市場發(fā)展的影響，于2008年推出了新的設(shè)備類型單工作臺面的PV600、PV800和PV1000 ，這些設(shè)備借鑒了M+B264 的設(shè)計理念，切割最大負(fù)載棒長分別達(dá)到630mm、840mm和1020m。這些設(shè)備非常好的適應(yīng)了多晶硅片的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢。.2.4 TMC（東京制綱）線鋸日本東京制綱株式會社（以下簡稱為東京制綱）始建于1887年，擁有120多年的歷史，

10、是日本上市公司，其最大的股東是世界鋼鐵巨頭：日本新日鐵公司。東京制綱的主要產(chǎn)品有橋梁繩索、輪胎子午線、用于硅片切割的切割鋼線和線切割機(jī)臺等等。東京制綱擁有40多年切割鋼線的生產(chǎn)經(jīng)驗，同時擁有25年的線切割機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗，是世界唯一擁有切割鋼線和線切割機(jī)兩項生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)。因此，對鋼線的品質(zhì)如何滿足切割要求，以及如何設(shè)計線切割機(jī)以保證鋼線的運(yùn)行穩(wěn)定等，東京制綱有著深入的研究和理解。雖然東京制綱進(jìn)入中國市場較晚，但是其主要的兩款產(chǎn)品VWS-330小型機(jī)和VWS-350中型機(jī)在國內(nèi)市場比較暢銷，也被許多客戶高度評價。2.5國產(chǎn)線鋸國內(nèi)最早從事太陽能多線切割機(jī)開發(fā)的要數(shù)上海日進(jìn)了。上海日進(jìn)引進(jìn)日本技術(shù)，

11、早在2006年就推出了第一臺多線切割樣機(jī)。樣機(jī)類似NTC MWM442D。樣機(jī)在日進(jìn)內(nèi)部切割實驗結(jié)果良好，切出的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶實際試用的時候，還是遇到了很多的問題，比如成品率低。斷線率高、設(shè)備的控制精度比國外進(jìn)口設(shè)備要差。國內(nèi)其他開發(fā)多線切割樣機(jī)的廠家還有上海漢虹、電子科技集團(tuán)45所、蘭州瑞德、無錫開源、大連連城、北京京聯(lián)發(fā)、湖南宇晶等。但目前還是主要設(shè)計生產(chǎn)小型機(jī)，中型和大型機(jī)器暫時沒有什么長足的進(jìn)步。3 太陽能級硅片制造的工藝流程太陽能級硅片制造目前分為兩種：一是多晶硅片的制造流程，一是單晶硅片的制造流程。由于硅片的外觀有區(qū)別，所以兩種硅片的制造過程會有不同，下面以圖表的形式

12、作以說明。3.1 多晶硅片的制造加工流程漿料制備漿料制備線鋸切片硅塊粘接研磨倒角帶鋸去頭尾破錠開方硅片清洗晶棒預(yù)清洗硅片分選包裝3.2 單晶硅片的制造加工流程漿料制備漿料制備晶棒研磨晶棒滾圓晶棒開方單晶棒粘接單晶棒截斷硅片清洗晶棒預(yù)清洗線鋸切片晶棒粘接硅片分選包裝由以上的流程圖可以看出，兩種硅片的制造加工環(huán)節(jié)的區(qū)別主要在晶棒粘接前，這是由單晶棒和多晶硅錠的制造方式?jīng)Q定的。4 多線切割機(jī)（線鋸）的切割原理、工藝及產(chǎn)品分析4.1 多線切割機(jī)切割原理多絲切割技術(shù)是近年來崛起的一項新型硅片切割技術(shù)，它通過金屬絲帶動碳化硅研磨料進(jìn)行研磨加工來切割硅片。下圖可以說簡單說明其切割原理。 導(dǎo)線輪硅塊噴出的砂漿

13、硅塊切割方向鋼線轉(zhuǎn)動方向鋼線4.2 切割工藝簡介切割工藝主要涉及到以下幾個參數(shù)：切割鋼線的線速度，切割臺速，砂漿流量和溫度，鋼線張力，下面分別作以說明。4.2.1鋼線的線速度鋼線的高速運(yùn)動是砂漿的載體，碳化硅就是通過粘連在鋼線周圍的懸浮液對硅塊進(jìn)行切割的。下圖可以很清楚的看出鋼線在切割過程中所起的作用。 切割過程中線速過低，線網(wǎng)承受的壓力會很大，導(dǎo)致線弓變大，很容易出現(xiàn)斷線；線速過快，雖然線網(wǎng)壓力減小，但是帶砂漿能力會減弱，砂漿來不及被帶入硅塊內(nèi)，同樣會導(dǎo)致切割產(chǎn)生鋸痕等不良品。所以線速度要適中，既要保證一定的線弓，又要能夠最大限度的將砂漿帶入被切割的硅塊中。4.2.2切割臺速切割的工作臺速度

14、是很重要的參數(shù)，它不但影響著整個的加工時間，也在很大程度上決定了硅片的薄厚程度。臺速設(shè)置過慢加工時間變長，這樣浪費(fèi)生產(chǎn)時間，這樣也會使生產(chǎn)成本增加；臺速設(shè)置過快，與砂漿的切割能力不匹配，會導(dǎo)致硅片在入刀、中間和出刀產(chǎn)生薄厚差距過大的情況，嚴(yán)重的會產(chǎn)生不合格硅片。4.2.3砂漿的流量和溫度砂漿的流量一般在入刀、中間和出刀過程中有所區(qū)別。入刀時流量偏低，因為此時臺速一般較慢，不需要很強(qiáng)的切割能力；中間階段流量最大，需要保證砂漿的切割能力；出刀時可以降低流量也可以不降，由于切割后期碳化硅顆粒已經(jīng)在很大程度上磨損，導(dǎo)致切割能力下降，所以可以不降流量的完成切割。砂漿的溫度最好在整個切割過程中保持不變，而

15、且設(shè)置砂漿溫度要根據(jù)懸浮液的粘度來定。由于懸浮液是一種醇類液體，有一定的粘度，符合粘溫曲線的規(guī)律，所以粘度低一些的砂漿需要將切割時的溫度設(shè)置低一些，保證其粘連性和冷卻效果，反之，將溫度設(shè)高即可。4.2.4鋼線張力鋼線張力在切割過程中也是一個比較重要的參數(shù)。張力過小在切割初期會造成入刀時線網(wǎng)松動，出現(xiàn)入刀薄厚的現(xiàn)象。而且張力設(shè)置太小硅塊對線網(wǎng)造成的壓力過大，線弓變大會造成帶砂漿能力下降，從而導(dǎo)致切割出現(xiàn)鋸痕甚至斷線。張力設(shè)置過大，砂漿同樣不能被帶入硅塊，也會造成出現(xiàn)鋸痕片。一般來說，放線鋼線張力設(shè)置在2324牛頓最佳，收線鋼線張力設(shè)置在2122牛頓最佳，通常收放線張力的差值是1牛頓。以上只是切割

16、過程中需要工藝人員合理設(shè)定的主要參數(shù)，真正能不能切割出良率較高的硅片，還跟原材料的品質(zhì)，操作人員的操作水平等有較大關(guān)系，所以多線切割是一個多種因素交織在一起的生產(chǎn)模式，在實際的生產(chǎn)控制中需要把基礎(chǔ)工作做牢，才能發(fā)揮工藝參數(shù)設(shè)置的合理作用。4.3 硅片技術(shù)要求目前主流的硅片厚度是180m，是否合格也有一定的檢驗標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范。下表以多晶硅片為例，列出了一些合格硅片的檢驗標(biāo)準(zhǔn)：檢驗標(biāo)準(zhǔn)檢驗項目A級品B級品電性能指標(biāo)Resistivity電阻率（cm）0.7226或0.40.7Carrier Lifetime少子壽命(s)212Oxygen concentration氧含量（atoms/cm3）1.0*

17、1018Carbon concentration碳含量（atoms/cm3）8*1017外形尺寸及外觀Geometry幾何形狀正方形Thickness厚度（m）18020TTV（m）TTV3030TTV45Size尺寸（mm）1560.5155.2Size156.5Diagonal對角線（mm）219.20.5218.4-218.7Rectangular angle角度（）900.3Chamfer angel倒角（）4510Chamfer wide倒角寬度（mm）1.50.50.5wide1或2wide2.5Chip崩邊（寬度*延伸深度）（mm）不允許1*0.5，雙面崩邊不允許Break ag

18、e缺口（mm）不允許0.2*0.2Saw mark鋸痕（m）Saw mark1515Saw mark40Warp翹曲度（m）Warp3030Warp75Bow彎曲度（m）Bow5050Bow75Surface表面無裂紋、孔洞、油污、雜質(zhì)；清洗干燥后，表面潔凈、無沾污、手印；無裂紋、孔洞、油污、雜質(zhì)、手??；清洗干燥后，表面：黑線向內(nèi)延伸小于5mm；砂漿斑點(diǎn)小于22mm,個數(shù)小于5個。各個廠家的硅片標(biāo)準(zhǔn)都不盡相同，目前完整太陽能產(chǎn)業(yè)鏈的廠家和單一生產(chǎn)硅片的廠家的標(biāo)準(zhǔn)一般是不同的，單一生產(chǎn)硅片的廠家其檢驗標(biāo)準(zhǔn)相對要嚴(yán)格一些。4.4 硅片缺陷分析硅片在生產(chǎn)完成后會產(chǎn)生多種缺陷導(dǎo)致不合格或者成為B等片。

19、以下是幾種主要的常見缺陷，各自的作以分析。4.4.1 TV（Thickness Variation）TV值，也就是硅片側(cè)厚度偏差值。它主要看的是硅片中心點(diǎn)的厚度值。比如180m的硅片也就是指這個硅片中心點(diǎn)的厚度在180m左右。TV的計算方法如下:定義導(dǎo)輪槽距是P，線縫損失是K，硅片厚度是W，那么就有W=P-K。其中，K=D+kd;D是指鋼線直徑，d是指碳化硅平均顆粒直徑，k是個經(jīng)驗系數(shù)，一般取4即可?？梢钥闯?，硅片的厚度值主要和導(dǎo)輪槽距、鋼線直徑以及碳化硅的粒徑有關(guān)。所以控制以上幾個因素就可以得到理想厚度的硅片。4.4.2 TTV（Total Thickness Variation）TTV值，

20、也就是硅片的總厚度偏差值。它一般是指硅片上五個點(diǎn)的厚度值中最大與最小厚度的差值。如下圖： 取1、3、5、7、9這五個點(diǎn)來測量厚度，五點(diǎn)中最大與最小厚度的差值即為這張硅片的TTV值。TTV是硅片切割中最重要的一個指標(biāo)之一。從下圖可以看出硅片切割完成后其厚度趨勢。并且在水平和垂直方向上均有TTV變化的趨勢。 TTV變化趨勢 垂直方向上的TTV變化趨勢 水平方向上的TTV變化趨勢由以上圖片可知，TTV是在硅片加工過程中慢慢產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的原因有多種，一般包括以下幾個方面： 砂漿在鋼線上粘連不均勻 舊砂漿過多，切割能力不足 碳化硅微粉的顆粒不規(guī)范 切割條件的突然變化 鋼線圓度值不好導(dǎo)致砂漿在鋼線上的分

21、布不均勻 臺速過快 線速度過慢控制好這些因素，可以有效的避免TTV的產(chǎn)生。當(dāng)然在實際生產(chǎn)中還有許多需要控制的因素，要極大程度的避免TTV的產(chǎn)生。4.4.3 鋸痕(Saw Marks)鋸痕是考察硅片表面質(zhì)量的一個參數(shù)。A等的硅片應(yīng)該是厚度均勻，表面用肉眼看起來比較光潔。鋸痕的方向都是平行于鋼線走線方向，其產(chǎn)生的原因可以列舉如下： 切割過程中停機(jī)又重啟 碳化硅含有大顆粒較多 碳化硅顆粒圓度值大，不鋒利 鋼線張力設(shè)置過大或過小 硅塊粘接面膠層厚度不均以上因素均可導(dǎo)致硅片表面出現(xiàn)鋸痕以及其他表面不良現(xiàn)象，比如表面臺階、波浪等，在實際生產(chǎn)中要充分考慮以上因素出現(xiàn)鋸痕片要及時調(diào)整各個因素，降低鋸痕片的比例

22、，降低對后續(xù)電池制造的影響。4.4.4 崩邊(Chips and Breakages)硅片是脆性材料，崩邊和掉角的發(fā)生是正常現(xiàn)象。在取片、插片、清洗、分選、包裝的過程中都會產(chǎn)生硅片的崩邊。這些基本上都需要細(xì)致的人員操作才能最大限度的杜絕，因為很多硅片本來是A等級的，就是因為人為操作失誤產(chǎn)生了崩邊而造成了不合格片。在生產(chǎn)中完全杜絕崩邊是不可能的，但是可以降低其比例，從而提高整體的硅片切割良率，同時也降低了生產(chǎn)制造成本。4.4.5 臟污(Stain)臟污是在硅片表面產(chǎn)生的，這主要是在硅片清洗環(huán)節(jié)中，清洗液 的配比和用量不合適，清洗完后烘干效果較差，所以會產(chǎn)生各種臟污片。另外，在包裝時人員操作也會在

23、硅片上留下手印、汗?jié)n等印記，這些需要在生產(chǎn)制造中做到比較細(xì)致的管控才能杜絕臟污片的比例增大。在硅片切割以及后續(xù)的清洗中，如果能杜絕以上的主要問題，那么，硅片制造的良率將會得到大幅度的提升，其制造成本也會隨著良率的提升逐步下降。5 硅片切割的最新技術(shù)及發(fā)展方向多線切割設(shè)備和技術(shù)到目前為止也有30多年的發(fā)展時間了，這項技術(shù)也較產(chǎn)生初期有了相當(dāng)大的發(fā)展。就當(dāng)前太陽能硅片切割領(lǐng)域來看，出現(xiàn)了不少新設(shè)備、新技術(shù)、新材料，這些有的已經(jīng)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，有的屬于研發(fā)和小規(guī)模應(yīng)用階段。下面可以舉幾個例子：5.1 砂漿在線回收系統(tǒng)國內(nèi)太陽能級切片廠家剛起步的時候，基本采用人工配料，操作環(huán)境比較惡劣，工人勞動強(qiáng)度

24、很大，砂漿制備過程中經(jīng)常由于人為原因?qū)е绿蓟杼砑硬痪鶆?，漿料攪拌不充分，從而對線鋸切割產(chǎn)生較大影響。針對此種情況，近幾年一些廠家開始設(shè)計并應(yīng)用了砂漿回收和在線供給系統(tǒng)。砂漿的回收和供給通過管道來實現(xiàn)，加料攪拌通過機(jī)器設(shè)備來替代人工，并且系統(tǒng)中配有熱交換子系統(tǒng)，可以保證客戶需要的砂漿溫度，從而更好的控制砂漿的粘度值。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)全自動化控制和運(yùn)行。此種系統(tǒng)雖然投資較大，工程施工較復(fù)雜，但系統(tǒng)運(yùn)行后節(jié)省了大量人力，并極大程度的保證了砂漿的供應(yīng)質(zhì)量。目前比較專業(yè)的廠家有德國賽錫公司、日本IHI公司和美國CRS系統(tǒng)。5.2 粘接玻璃水煮膠的應(yīng)用在晶棒粘接過程中，硅塊是粘在一塊玻璃板上的，而玻璃板

25、又是粘在金屬板上。當(dāng)切割完畢后，由于金屬板和托盤可以再使用，所以必須將粘在上面的玻璃去除。粘接用的膠水是雙組份的環(huán)氧樹脂膠。原來的去除方法是將整條晶棒放入200C的烘箱中進(jìn)行烘烤20分鐘左右，工人作業(yè)時必須帶隔熱手套以免燙傷。所以，針對此種情況，國內(nèi)的各大膠水供應(yīng)商開發(fā)了一種可以通過熱水蒸煮就將玻璃去除的膠水，俗稱水煮膠。使用此膠水，可以將晶棒浸泡在90C左右的熱水中，經(jīng)過15分鐘左右取出即可將玻璃去除。這樣就消除了原來烘烤時的異味，操作方便，而且節(jié)省了能源。水煮膠可以說是根據(jù)生產(chǎn)實際情況進(jìn)行新材料開發(fā)并應(yīng)用的典型例子。硅塊膠水層玻璃板金屬板5.3 金剛線切割技術(shù)傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)是靠高速運(yùn)動的鋼線帶動由懸浮液和碳化硅微粉混合配置的砂漿來進(jìn)行切割的。參與切割的碳化硅在鋼線上處于游離狀態(tài)，砂漿在鋼線圓周方向上包裹著，