特種機械加工技術(shù)-太陽能級硅片切割技術(shù)

1、特種機械加工技術(shù)太陽能級硅片切割技術(shù)鄭軒光為綠色新能源股份，河北高碑店，074000摘要：太陽能級多線切割技術(shù)是一種特殊的機械加工技術(shù)，它是在 傳統(tǒng)的機械加工的根底上建立起來的。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開展史，并從硅片切割的設(shè)備、工 藝、生產(chǎn)流程和新技術(shù)等方面進行了較詳細的闡述 。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途關(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 machi nery manu facture tech no logySolar wafer cutt

2、 ing tech no logy Zheng XuanLightway Green New Energy Co.,Ltd, Hebei Gaobeidian,07400資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途Abstract： Solar multi-saw tech no logy is a special mach inerymanu facture tech no logy，that is based on traditi onal machi nerymanu facture. With beg inning and develop ing of solar markets,moreand m

3、ore person pay attention to the link,which is the main node in poly-silic on manu facture.This paper either in troduce the developme nt of wafer cutting，or detailedrepresent equipments，technics，producti on process and new tech no logy,etc資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途Keywords:multi-saw cutt ing tech no logy;wafer

4、cutt ingequipme nts;wafer cutt ing tech ni cs;wafer producti on process;wafer cutt ing new tech no logy資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途1太陽能級硅片切割的歷史在上世紀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)圓切割機進行切割。然而隨著半導體行業(yè)的飛 速開展，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，在半導體行業(yè)本錢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) 因此而逐步開展起來。多線切割機由于其更高效、更小的切

5、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。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途在2003年以前，多線切割主要滿足于半導體行業(yè)的需求，切割技術(shù)主要掌握在歐、美、日、臺等國家和地區(qū)，國內(nèi)半導體業(yè) 務(wù)以封裝業(yè)務(wù)為主，上游的晶圓切割技術(shù)遠遠落后于興旺國家和 地區(qū)，相關(guān)的設(shè)備制造研發(fā)也難有進展。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途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)迅速開展起來。大量引進了瑞士和日本的先進的數(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的數(shù)量 開始在國內(nèi)爆發(fā)式增長，相關(guān)的技術(shù)

6、交流也開始在國內(nèi)廣泛興起。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2當前國內(nèi)使用的硅片切割機的種類及特點目前國內(nèi)各個硅片切割廠家根本使用國際 3大多線切割機的 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。對于硅片切割的核心設(shè)備廠家，下面分別簡單的作以說明。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2.1HCT線鋸HCT在 1983年推出第一線切割機后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B5。

7、雙工作臺4個導輪滿載最多可以一次切割硅棒 長到達2米，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。此機型在 2006年里一年的銷售 量就突破了 100臺。HCT在2007年被美國的應用材料公司收購。其 后在2022年推出了新機型MaxEdge B6主要特點是將原有的一個線 網(wǎng)拆分為2個獨立控制的線網(wǎng)。這樣有助于使用更細的餓切割線從而 提高出片率降低生產(chǎn)本錢。但由于該設(shè)備還處于推廣階段，工藝還有 待進一步成熟 。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2.2M+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。 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DS260 200

8、0年推出了針對太陽能光伏市場需求的雙工作臺4導輪的DS262機型，該機型理論上切割負載可以到達 2米，但實際上根據(jù)國內(nèi)客戶的使用情況反應，DS262并不是一個非常成功的機型，一般 的切割負載在1.2米左右比擬適宜，切割硅片的合格率相比擬低。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途根據(jù)市場的變化，M+B在2004年推出了小型機DS265該機型只有 一個工作臺可以同時切割2個300毫米長得硅棒。和NTC MWM442D 機型非常的類似。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， 維護費用過高 。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途M+B在2005年推出了最為成功的單工作臺的新機型DS264該機型可以切割一根

9、長達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2022年，又針對市場變化推出了 DS264的升級型DS271,切割單根負載可以增加到 1020mm。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2.3NTC線鋸1984年富山機械和日平工業(yè)合并成立 NTC上世紀90年代推出 了針對半導體行業(yè)的MWM系列線切割機。2022年被小松收購，改 名為 Komatsu NTC資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途NTC最為暢銷的機型是MWM442D，由于其投資小、維護費用低、 適合使用細直徑切割鋼絲，深受國內(nèi)很多新進入切片領(lǐng)域的小公司的 歡送。在2003年后受光伏行業(yè)的飛速開展刺激

10、，NTC在中國的銷售 量快速增長，尤其在2022年取得了 400多臺的銷量，即使在受經(jīng)濟 危機影響的2022年也賣出了 300多臺各類型的線切割機。受多晶硅 片市場開展的影響，于2022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，切割最大負載棒長分別到達630mm、840mm和1020m。這些設(shè)備非常 好的適應了多晶硅片的生產(chǎn)技術(shù)開展趨勢。.資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2.4TMC 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，是日本上市公司，其最大的股東是世界鋼鐵 巨頭：日本新

11、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年的線切割機的生產(chǎn)經(jīng)驗， 是世界唯一擁有切割鋼線和線切割機兩項生產(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)計線切割機以保證鋼線的 運行穩(wěn)定等，東京制綱有著深入的研究和理解。 雖然東京制綱進入中 國市場較晚，但是其主要的兩款產(chǎn)品VWS-330小型機和VWS-350 中型機在國內(nèi)市場比擬暢銷，也被許多客戶高度評價 。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2.5國產(chǎn)線鋸國內(nèi)最早從事太陽能多線切割機開發(fā)的要數(shù)上海日進了。上海日進引進日本技術(shù)，早在

12、2006年就推出了第一臺多線切割樣機。 樣機 類似NTC MWM442D。樣機在日進內(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，比方成品率低。斷線率高、設(shè)備的控制精度比國外進口設(shè)備 要差 。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途國內(nèi)其他開發(fā)多線切割樣機的廠家還有上海漢虹、電子科技集團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，中型和大型機器暫時沒有什么長足的進步 。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途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，- 是單晶硅片的制造

13、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，下面以圖表的形式作以說明 。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途3.1多晶硅片的制造加工流程漿料制備破錠開方漿料制備線鋸切片IkJ硅塊粘接帶鋸去頭尾研磨倒角漿料制備3.2單晶硅片的制造加工流程8片清洗單棒粘接奉預清洗線鋸切片晶棒粘接晶棒研磨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。漿料制備資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4多線切割機線鋸的切割原理、工藝及產(chǎn)品分析 4.1多線切割機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行研磨加

14、工來切割硅片。下列圖可以說簡單說 明其切割原理 。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途噴出的砂漿鋼線轉(zhuǎn)動方向硅塊切割方向硅塊鋼線導線輪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。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途鋼線的咼速運動是砂漿的載體， 碳化硅就是通過粘連在鋼線 周圍的懸浮液對硅塊進行切割的。 下列圖可以很清楚的看出鋼線在 切割過程中所起的作用。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途切割過程中線速過低，線網(wǎng)承受的壓力會很大，導致線弓變 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

15、硅塊內(nèi)，同樣會導致切割產(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。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途切割的工作臺速度是很重要的參數(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，這樣浪費生產(chǎn)時間，這樣也會使生產(chǎn)本錢增加； 臺速設(shè)置過快，與砂漿的切割能力不匹配，會導致硅片在入刀、中間和出刀產(chǎn)生薄厚差距過大的情況，嚴重的會產(chǎn)生不合格硅片。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途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，不需要很強的切割能力； 中間階段流量最大，需

16、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，導致切割能力下降，所以可以不降流量的完成切割。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途砂漿的溫度最好在整個切割過程中保持不變，而且設(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。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途鋼線張力在切割過程中也是一個比擬重要的參數(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

17、，線弓變大會造成帶砂漿能力下降，從而導致切割出現(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牛頓最正確，收線鋼線張力設(shè)置在 2122牛頓 最正確，通常收放線張力的差值是 1牛頓。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途以上只是切割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)控制中需要把根底工作做牢，才能發(fā)揮工藝參數(shù)設(shè)置的合理作用。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4.3硅片技術(shù)要求目前主流的硅片厚

18、度是 180卩m，是否合格也有一定的檢驗標準來標準。下表以多晶硅片為例，列出了一些合格硅片的檢驗標準： 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途檢驗標準檢驗工程A級品B級品電性能指標Resistivity 電阻率Q cm0.7 < p < 22< p < 6 或 0.4 < p <0.7Carrier Lifetime少子壽命卩s> 212Oxyge n concen trati on 氧含量atoms/cm3< 1.0*1018Carbon concen trati on碳含量atoms/cm317< 8*10外形尺寸及外觀Geometry幾何形狀

19、正方形Thickness 厚度卩 m180± 20TTV卩 mTTVC 3030 v TTVC 45Size 尺寸mm156土 0.5155.2 < Size<156.5Diagonal 對角線mrj219.2 ± 0.5Rectangular angle 角度o 90± 0.3Chamfer an gel 倒角o 45 ± 10Chamfer wide 倒角寬度mm1.5 ± 0.50.5 < wide<1 或 2<wide< 2.5Chip崩邊寬度*延伸深度mm不允許<1*0.5，雙面崩邊不允許Br

20、eak age 缺口 mm不允許<0.2*0.2Saw mark鋸痕卩 mSaw markw 1515v Saw mark< 40Warp翹曲度卩mWarp< 3030v Warp< 75Bow彎曲度(卩mBowe 5050<BowC 75Surface 外表無裂紋、孔洞、油污、 雜質(zhì)；清洗枯燥后， 外表潔凈、無沾污、 手印；無裂紋、孔洞、油污、雜質(zhì)、手 ??；清洗枯燥后，外表： 黑線向內(nèi)延伸小于5mm 砂漿斑點小于2X2mm,個數(shù)小 于5個。各個廠家的硅片標準都不盡相同， 目前完整太陽能產(chǎn)業(yè)鏈的 廠家和單一生產(chǎn)硅片的廠家的標準一般是不同的，單一生產(chǎn)硅片的廠家其檢驗

21、標準相對要嚴格一些。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4.4硅片缺陷分析硅片在生產(chǎn)完成后會產(chǎn)生多種缺陷導致不合格或者成為B等片。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 點的厚度值。比方180卩m的硅片也就是指這個硅片中心點的厚 度在180卩m左右。TV的計算方法如下 :資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途 定義導輪槽距是P，線縫損失是K，硅片厚度是 w，那么就有W=P-&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

22、的厚度值主要和導輪槽距、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。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4.4.2 TTV (Total Thickness Variation)TTV值，也就是硅片的總厚度偏差值。它一般是指硅片上五個點的厚度值中最大與最小厚度的差值。如下列圖:789456123取1、3、5、7、9這五個點來測量厚度，五點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之一。從下列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。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途ThickTTV變化趨勢垂直方

23、向上的TTV變化趨勢L 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，切割能力缺乏碳化硅微粉的顆粒不標準切割條件的突然變化鋼線圓度值不好導致砂漿在鋼線上的分布不均勻臺速過快線速度過慢控制好這些因素，可以有效的防止TTV的產(chǎn)生。當然在實際 生產(chǎn)中還有許多需要控制的因素， 要極大程度的防止TTV的產(chǎn)生。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途443 鋸痕(Saw Marks)鋸痕是考察硅片外表質(zhì)量的一個參數(shù)。 A等的硅片應該是厚 度均勻，外表用肉眼看起來比擬光潔。 鋸痕的方向都是平行于鋼 線走線方

24、向，其產(chǎn)生的原因可以列舉如下：資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途切割過程中停機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致硅片外表出現(xiàn)鋸痕以及其他外表不良現(xiàn)象，比方外表臺階、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，降低對后續(xù)電池制造的影響。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途444 崩邊(Chips and Breakages)硅片是脆性材料，崩邊和掉角的發(fā)生是正?，F(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 本上都需要細致的人員操作才能最大限度的杜絕，因為很多

25、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)制造本錢。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4.4.5 臟污(Stain)臟污是在硅片外表產(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適宜， 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)制造中做到比擬細致的管控才能杜 絕臟污片的比例增大。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途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

26、幅度的提升，其制造本錢也會隨著良率的提升逐步下降。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途5硅片切割的最新技術(shù)及開展方向多線切割設(shè)備和技術(shù)到目前為止也有30多年的開展時間了,這項技術(shù)也較產(chǎn)生初期有了相當大的開展。就當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)應用到實際生產(chǎn)中，有的屬于研發(fā)和小規(guī)模應用階段。下面可以舉幾個例子： 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途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，根本采用人工配料， 操作環(huán)境比擬惡劣，工人勞動強度很大，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

27、況，近幾年一些廠家開始設(shè)計 并應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)全自動化控制和運行。此種系統(tǒng)雖然投資較大，工程施工較復雜，但系統(tǒng)運行后節(jié)省了大量人力， 并極大程度的保證了砂漿的供給質(zhì)量。目前比擬專業(yè)的廠家有德國賽錫公司、日本IHI公司和美國CRS系統(tǒng)。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途 5.2粘接玻璃水煮膠的應用在晶棒粘接過程中，硅塊是粘在一塊玻璃板上的，而玻璃板又是粘在金屬板上。當切割完畢后，由于金屬板和托盤可以再使 用，所以必須將粘在

28、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200° C的烘箱中進行烘烤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)的各大膠水供給商開發(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90° C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)實際情況進行新材料開發(fā)并應用的典型例子。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途金屬板5.3金剛線切割技術(shù)玻璃板傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)是靠高速運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， 對硅塊起