特种机械加工技术太阳能级硅片切割技术.docx

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特种机械加工技术太阳能级硅片切割技术

特种机械加工技术

——太阳能级硅片切割技术

郑轩

（光为绿色新能源股份有限公司，河北高碑店，074000）

摘要：

太阳能级多线切割技术是一种特殊的机械加工技术，它是在传统的机械加工的基础上建立起来的。

随着太阳能市场的启动和发展，作为晶体硅太阳能电池制造过程的主要环节，越来越受到人们的重视。

本文介绍了硅片切割的发展史，并从硅片切割的设备、工艺、生产流程和新技术等方面进行了较详细的阐述。

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关键词：

多线切割技术；硅片切割设备；硅片切割工艺；硅片生产流程；硅片切割新技术

Specialmachinerymanufacturetechnology

——Solarwafercuttingtechnology

ZhengXuan

（LightwayGreenNewEnergyCo.,Ltd,HebeiGaobeidian,074000）资料个人收集整理，勿做商业用途

Abstract：

Solarmulti-sawtechnologyisaspecialmachinerymanufacturetechnology，thatisbasedontraditionalmachinerymanufacture.Withbeginninganddevelopingofsolarmarkets,moreandmorepersonpayattentiontothelink,whichisthemainnodeinpoly-siliconmanufacture.Thispapereitherintroducethedevelopmentofwafercutting，ordetailedrepresentequipments，technics，productionprocessandnewtechnology,etc.资料个人收集整理，勿做商业用途

Keywords:

multi-sawcuttingtechnology;wafercuttingequipments;wafercuttingtechnics;waferproductionprocess;wafercuttingnewtechnology资料个人收集整理，勿做商业用途

1太阳能级硅片切割的历史

在上世纪80年代以前，人们在切割超硬材料的时候一般采用涂有金刚石粉的内圆切割机进行切割。

然而随着半导体行业的飞速发展，人们对已有的生产效率难以满足，同时由于内圆切割的才来损失非常大，在半导体行业成本的摩尔定律的作用下，人们对于降低切割陈本，提高效率的要求欧越来越高。

多线切割技术因此而逐步发展起来。

多线切割机由于其更高效、更小的切割损失以及更高精度的优势，对于切割贵重、超硬材料有着巨大的优势，近十年来已取代传统的内圆切割成为硅片切割加工的主要方式。

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在2003年以前，多线切割主要满足于半导体行业的需求，切割技术主要掌握在欧、美、日、台等国家和地区，国内半导体业务以封装业务为主，上游的晶圆切割技术远远落后于发达国家和地区，相关的设备制造研发也难有进展。

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2003年随着太阳能光伏行业的爆发式增长，国内民营企业的硅片切割业务迅速发展起来。

大量引进了瑞士和日本的先进的数控多线切割设备。

这才使切割太阳能级硅片的多线切割机的数量开始在国内爆发式增长，相关的技术交流也开始在国内广泛兴起。

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2当前国内使用的硅片切割机的种类及特点

目前国内各个硅片切割厂家基本使用国际3大多线切割机的设备。

也就是，瑞士的HCT、M+B、日本的NTC，另外近两年日本的TMC（东京制纲）线锯也开始打入国内市场，并取得了不错的销量。

对于硅片切割的核心设备厂家，下面分别简单的作以说明。

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2.1HCT线锯

HCT在1983年推出第一线切割机后14年里才累计卖出了100台设备，在随后的6年里又累计卖出了150台。

太阳能光伏市场在2003年启动以后，HCT针对市场需要在2005年推出了世界上最大的太阳能硅片线切割机B5。

双工作台4个导轮满载最多可以一次切割硅棒长达到2米，非常适合大规模生产。

此机型在2006年里一年的销售量就突破了100台。

HCT在2007年被美国的应用材料公司收购。

其后在2009年推出了新机型MaxEdgeB6，主要特点是将原有的一个线网拆分为2个独立控制的线网。

这样有助于使用更细的饿切割线从而提高出片率降低生产成本。

但由于该设备还处于推广阶段，工艺还有待进一步成熟。

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2.2M+B（梅耶博格）线锯

M+B公司成立于1953年，早期主要生产研发外圆和内圆切割机。

在1980年启动线切割技术的研究，1991年正式推出了第一台线切割机DS260。

2000年推出了针对太阳能光伏市场需求的双工作台4导轮的DS262机型，该机型理论上切割负载可以达到2米，但实际上根据国内客户的使用情况反馈，DS262并不是一个非常成功的机型，一般的切割负载在1.2米左右比较合适，切割硅片的合格率相比较低。

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根据市场的变化，M+B在2004年推出了小型机DS265。

该机型只有一个工作台可以同时切割2个300毫米长得硅棒。

和NTCMWM442D机型非常的类似。

该设备在国内使用的客户较少，其设备稳定性不够，维护费用过高。

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M+B在2005年推出了最为成功的单工作台的新机型DS264，该机型可以切割一根长达820mmde硅棒，针对多晶硅片市场比例迅速提高的情况下，非常好的满足了市场的新需求。

在2009年，又针对市场变化推出了DS264的升级型DS271，切割单根负载可以增加到1020mm。

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2.3NTC线锯

1984年富山机械和日平工业合并成立NTC。

上世纪90年代推出了针对半导体行业的MWM系列线切割机。

2008年被小松收购，改名为KomatsuNTC。

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NTC最为畅销的机型是MWM442D，由于其投资小、维护费用低、适合使用细直径切割钢丝，深受国内很多新进入切片领域的小公司的欢迎。

在2003年后受光伏行业的飞速发展刺激，NTC在中国的销售量快速增长，尤其在2008年取得了400多台的销量，即使在受经济危机影响的2009年也卖出了300多台各类型的线切割机。

受多晶硅片市场发展的影响，于2008年推出了新的设备类型单工作台面的PV600、PV800和PV1000，这些设备借鉴了M+B264的设计理念，切割最大负载棒长分别达到630mm、840mm和1020m。

这些设备非常好的适应了多晶硅片的生产技术发展趋势。

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2.4TMC（东京制纲）线锯

日本东京制纲株式会社（以下简称为东京制纲）始建于1887年，拥有120多年的历史，是日本上市公司，其最大的股东是世界钢铁巨头：

日本新日铁公司。

东京制纲的主要产品有桥梁绳索、轮胎子午线、用于硅片切割的切割钢线和线切割机台等等。

东京制纲拥有40多年切割钢线的生产经验，同时拥有25年的线切割机的生产经验，是世界唯一拥有切割钢线和线切割机两项生产技术的企业。

因此，对钢线的品质如何满足切割要求，以及如何设计线切割机以保证钢线的运行稳定等，东京制纲有着深入的研究和理解。

虽然东京制纲进入中国市场较晚，但是其主要的两款产品VWS-330小型机和VWS-350中型机在国内市场比较畅销，也被许多客户高度评价。

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2.5国产线锯

国内最早从事太阳能多线切割机开发的要数上海日进了。

上海日进引进日本技术，早在2006年就推出了第一台多线切割样机。

样机类似NTCMWM442D。

样机在日进内部切割实验结果良好，切出的硅片质量完全合格。

但是在客户实际试用的时候，还是遇到了很多的问题，比如成品率低。

断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差。

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国内其他开发多线切割样机的厂家还有上海汉虹、电子科技集团45所、兰州瑞德、无锡开源、大连连城、北京京联发、湖南宇晶等。

但目前还是主要设计生产小型机，中型和大型机器暂时没有什么长足的进步。

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3太阳能级硅片制造的工艺流程

太阳能级硅片制造目前分为两种：

一是多晶硅片的制造流程，一是单晶硅片的制造流程。

由于硅片的外观有区别，所以两种硅片的制造过程会有不同，下面以图表的形式作以说明。

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3.1多晶硅片的制造加工流程

3.2单晶硅片的制造加工流程

由以上的流程图可以看出，两种硅片的制造加工环节的区别主要在晶棒粘接前，这是由单晶棒和多晶硅锭的制造方式决定的。

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4多线切割机（线锯）的切割原理、工艺及产品分析

4.1多线切割机切割原理

多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术，它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片。

下图可以说简单说明其切割原理。

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导线轮

硅块

喷出的砂浆

硅块切割方向

钢线转动方向

钢线

4.2切割工艺简介

切割工艺主要涉及到以下几个参数：

切割钢线的线速度，切割台速，砂浆流量和温度，钢线张力，下面分别作以说明。

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钢线的高速运动是砂浆的载体，碳化硅就是通过粘连在钢线周围的悬浮液对硅块进行切割的。

下图可以很清楚的看出钢线在切割过程中所起的作用。

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切割过程中线速过低，线网承受的压力会很大，导致线弓变大，很容易出现断线；线速过快，虽然线网压力减小，但是带砂浆能力会减弱，砂浆来不及被带入硅块内，同样会导致切割产生锯痕等不良品。

所以线速度要适中，既要保证一定的线弓，又要能够最大限度的将砂浆带入被切割的硅块中。

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切割的工作台速度是很重要的参数，它不但影响着整个的加工时间，也在很大程度上决定了硅片的薄厚程度。

台速设置过慢加工时间变长，这样浪费生产时间，这样也会使生产成本增加；台速设置过快，与砂浆的切割能力不匹配，会导致硅片在入刀、中间和出刀产生薄厚差距过大的情况，严重的会产生不合格硅片。

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砂浆的流量一般在入刀、中间和出刀过程中有所区别。

入刀时流量偏低，因为此时台速一般较慢，不需要很强的切割能力；中间阶段流量最大，需要保证砂浆的切割能力；出刀时可以降低流量也可以不降，由于切割后期碳化硅颗粒已经在很大程度上磨损，导致切割能力下降，所以可以不降流量的完成切割。

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砂浆的温度最好在整个切割过程中保持不变，而且设置砂浆温度要根据悬浮液的粘度来定。

由于悬浮液是一种醇类液体，有一定的粘度，符合粘温曲线的规律，所以粘度低一些的砂浆需要将切割时的温度设置低一些，保证其粘连性和冷却效果，反之，将温度设高即可。

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钢线张力在切割过程中也是一个比较重要的参数。

张力过小在切割初期会造成入刀时线网松动，出现入刀薄厚的现象。

而且张力设置太小硅块对线网造成的压力过大，线弓变大会造成带砂浆能力下降，从而导致切割出现锯痕甚至断线。

张力设置过大，砂浆同样不能被带入硅块，也会造成出现锯痕片。

一般来说，放线钢线张力设置在23~24牛顿最佳，收线钢线张力设置在21~22牛顿最佳，通常收放线张力的差值是1牛顿。

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以上只是切割过程中需要工艺人员合理设定的主要参数，真正能不能切割出良率较高的硅片，还跟原材料的品质，操作人员的操作水平等有较大关系，所以多线切割是一个多种因素交织在一起的生产模式，在实际的生产控制中需要把基础工作做牢，才能发挥工艺参数设置的合理作用。

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4.3硅片技术要求

目前主流的硅片厚度是180μm，是否合格也有一定的检验标准来规范。

下表以多晶硅片为例，列出了一些合格硅片的检验标准：

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检验标准

检验项目

A级品

B级品

电性能指标

Resistivity电阻率（Ω·cm）

0.7≤ρ≤2

2<ρ≤6或0.4≤ρ<0.7

CarrierLifetime

少子寿命（μs）

≥2

1～2

Oxygenconcentration

氧含量（atoms/cm3）

≤1.0*1018

Carbonconcentration

碳含量（atoms/cm3）

≤8*1017

外形尺寸及外观

Geometry几何形状

正方形

Thickness厚度（μm）

180±20

TTV（μm）

TTV≤30

30＜TTV≤45

Size尺寸（mm）

156±0.5

155.2≤Size<156.5

Diagonal对角线（mm）

219.2±0.5

218.4-218.7

Rectangularangle角度（º）

90±0.3

Chamferangel倒角（º）

45±10

Chamferwide倒角宽度（mm）

1.5±0.5

0.5≤wide<1或2

Chip崩边（宽度*延伸深度）（mm）

不允许

<1*0.5，

双面崩边不允许

Breakage缺口（mm²）

不允许

<0.2*0.2

Sawmark锯痕（μm）

Sawmark≤15

15＜Sawmark≤40

Warp翘曲度（μm）

Warp≤30

30＜Warp≤75

Bow弯曲度（μm）

Bow≤50

50

Surface表面

无裂纹、孔洞、油污、杂质；清洗干燥后，表面洁净、无沾污、手印；

无裂纹、孔洞、油污、杂质、手印；清洗干燥后，表面：

黑线向内延伸小于5mm；

砂浆斑点小于2×2mm²,个数小于5个。

各个厂家的硅片标准都不尽相同，目前完整太阳能产业链的厂家和单一生产硅片的厂家的标准一般是不同的，单一生产硅片的厂家其检验标准相对要严格一些。

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4.4硅片缺陷分析

硅片在生产完成后会产生多种缺陷导致不合格或者成为B等片。

以下是几种主要的常见缺陷，各自的作以分析。

4.4.1TV（ThicknessVariation）

TV值，也就是硅片侧厚度偏差值。

它主要看的是硅片中心点的厚度值。

比如180μm的硅片也就是指这个硅片中心点的厚度在180μm左右。

TV的计算方法如下:

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定义导轮槽距是P，线缝损失是K，硅片厚度是W，那么就有W=P-K。

其中，K=D+k·d;D是指钢线直径，d是指碳化硅平均颗粒直径，k是个经验系数，一般取4即可。

可以看出，硅片的厚度值主要和导轮槽距、钢线直径以及碳化硅的粒径有关。

所以控制以上几个因素就可以得到理想厚度的硅片。

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4.4.2TTV（TotalThicknessVariation）

TTV值，也就是硅片的总厚度偏差值。

它一般是指硅片上五个点的厚度值中最大与最小厚度的差值。

如下图：

取1、3、5、7、9这五个点来测量厚度，五点中最大与最小厚度的差值即为这张硅片的TTV值。

TTV是硅片切割中最重要的一个指标之一。

从下图可以看出硅片切割完成后其厚度趋势。

并且在水平和垂直方向上均有TTV变化的趋势。

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TTV变化趋势

垂直方向上的TTV变化趋势

水平方向上的TTV变化趋势

由以上图片可知，TTV是在硅片加工过程中慢慢产生的，其产生的原因有多种，一般包括以下几个方面：

Ø砂浆在钢线上粘连不均匀

Ø旧砂浆过多，切割能力不足

Ø碳化硅微粉的颗粒不规范

Ø切割条件的突然变化

Ø钢线圆度值不好导致砂浆在钢线上的分布不均匀

Ø台速过快

Ø线速度过慢

控制好这些因素，可以有效的避免TTV的产生。

当然在实际生产中还有许多需要控制的因素，要极大程度的避免TTV的产生。

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4.4.3锯痕（SawMarks）

锯痕是考察硅片表面质量的一个参数。

A等的硅片应该是厚度均匀，表面用肉眼看起来比较光洁。

锯痕的方向都是平行于钢线走线方向，其产生的原因可以列举如下：

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Ø切割过程中停机又重启

Ø碳化硅含有大颗粒较多

Ø碳化硅颗粒圆度值大，不锋利

Ø钢线张力设置过大或过小

Ø硅块粘接面胶层厚度不均

以上因素均可导致硅片表面出现锯痕以及其他表面不良现象，比如表面台阶、波浪等，在实际生产中要充分考虑以上因素出现锯痕片要及时调整各个因素，降低锯痕片的比例，降低对后续电池制造的影响。

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4.4.4崩边（ChipsandBreakages）

硅片是脆性材料，崩边和掉角的发生是正常现象。

在取片、插片、清洗、分选、包装的过程中都会产生硅片的崩边。

这些基本上都需要细致的人员操作才能最大限度的杜绝，因为很多硅片本来是A等级的，就是因为人为操作失误产生了崩边而造成了不合格片。

在生产中完全杜绝崩边是不可能的，但是可以降低其比例，从而提高整体的硅片切割良率，同时也降低了生产制造成本。

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4.4.5脏污（Stain）

脏污是在硅片表面产生的，这主要是在硅片清洗环节中，清洗液的配比和用量不合适，清洗完后烘干效果较差，所以会产生各种脏污片。

另外，在包装时人员操作也会在硅片上留下手印、汗渍等印记，这些需要在生产制造中做到比较细致的管控才能杜绝脏污片的比例增大。

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在硅片切割以及后续的清洗中，如果能杜绝以上的主要问题，那么，硅片制造的良率将会得到大幅度的提升，其制造成本也会随着良率的提升逐步下降。

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5硅片切割的最新技术及发展方向

多线切割设备和技术到目前为止也有30多年的发展时间了，这项技术也较产生初期有了相当大的发展。

就当前太阳能硅片切割领域来看，出现了不少新设备、新技术、新材料，这些有的已经应用到实际生产中，有的属于研发和小规模应用阶段。

下面可以举几个例子：

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5.1砂浆在线回收系统

国内太阳能级切片厂家刚起步的时候，基本采用人工配料，操作环境比较恶劣，工人劳动强度很大，砂浆制备过程中经常由于人为原因导致碳化硅添加不均匀，浆料搅拌不充分，从而对线锯切割产生较大影响。

针对此种情况，近几年一些厂家开始设计并应用了砂浆回收和在线供给系统。

砂浆的回收和供给通过管道来实现，加料搅拌通过机器设备来替代人工，并且系统中配有热交换子系统，可以保证客户需要的砂浆温度，从而更好的控制砂浆的粘度值。

整个系统可以实现全自动化控制和运行。

此种系统虽然投资较大，工程施工较复杂，但系统运行后节省了大量人力，并极大程度的保证了砂浆的供应质量。

目前比较专业的厂家有德国赛锡公司、日本IHI公司和美国CRS系统。

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5.2粘接玻璃水煮胶的应用

在晶棒粘接过程中，硅块是粘在一块玻璃板上的，而玻璃板又是粘在金属板上。

当切割完毕后，由于金属板和托盘可以再使用，所以必须将粘在上面的玻璃去除。

粘接用的胶水是双组份的环氧树脂胶。

原来的去除方法是将整条晶棒放入200°C的烘箱中进行烘烤20分钟左右，工人作业时必须带隔热手套以免烫伤。

所以，针对此种情况，国内的各大胶水供应商开发了一种可以通过热水蒸煮就将玻璃去除的胶水，俗称水煮胶。

使用此胶水，可以将晶棒浸泡在90°C左右的热水中，经过15分钟左右取出即可将玻璃去除。

这样就消除了原来烘烤时的异味，操作方便，而且节省了能源。

水煮胶可以说是根据生产实际情况进行新材料开发并应用的典型例子。

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硅块

胶水层

玻璃板

金属板

5.3金刚线切割技术

传统的多线切割技术是靠高速运动的钢线带动由悬浮液和碳化硅微粉混合配置的砂浆来进行切割的。

参与切割的碳化硅在钢线上处于游离状态，砂浆在钢线圆周方向上包裹着，对硅块起到研磨的作用。

这种传统的方式，砂浆需要较长时间的制备并且必须始终处于搅拌状态，其用量会随着切割硅块面积的增大而增大，切割的台速也不会太快。

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目前有一种新的金刚现切割技术，其特点是将参与切割的砂粒镀到钢线上，切割时靠喷嘴中喷出的水进行冷却，完全不用再配置砂浆。

这种方式可以完全抛弃砂浆，切割速度可以加快。

但是钢线价格很高，钢线镀砂的均匀性技术也有待提高。

虽然目前HCT和M+B等线锯厂家已经推出相应的金刚线设备进行开方甚至切片，但是在实际应用中还不甚理想，要想完全替代砂浆方式的线切割机还需要进一步研发和应用，并进行切割成本的降低工作。

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6结论

太阳能级硅片切割技术是特定领域的一种特殊的机械加工方式，它不同于传统的机械加工，但又是在其基础之上发展衍生而来的。

这种技术有其本身的独特性，但同时也遵循着传统机械加工的规律。

对于切片工艺的一些说明很多都是在生产实践中总结出来的，只要符合多线切割的基本规律，就可以利用这些经验发现并解决实际生产中遇到的问题。

当然，理论在不断地发展，经验也是需要不断地获取，只有针对各自工厂的实际情况并结合以往的理论和经验才能真正解决实际问题。

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