新型結(jié)構(gòu)線鋸切割晶體硅片特性研究

摘要：通過雙向結(jié)構(gòu)線鋸切割晶體硅片試驗(yàn)，分析了切片表面的微觀形貌特點(diǎn)，研究了砂漿用量與進(jìn)給速度對(duì)硅片表面粗糙度(Ra)、總厚度偏差(TTV)、翹曲度的影響大小。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)線鋸切割晶體硅片表面參數(shù)正常，符合檢測標(biāo)準(zhǔn)，為切割效率提高，成本降低開辟了一條新的道路。 　　1引言 　　目前，太陽能硅片制造工藝主要流程為：單晶拉直或多晶澆鑄—開方—磨面和倒角—硅晶棒切片——清洗—分揀包裝。切片是把硅晶棒變?yōu)楣杈囊坏乐匾ば颍淝衅|(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)加工工序及最終加工質(zhì)量。目前，切片的主要方法有兩種：一是利用鋼線鋸高速運(yùn)行帶動(dòng)懸浮在PEG中的碳化硅磨削晶棒實(shí)現(xiàn)切片；二是直接利用鋼線表面鑲嵌或電鍍有金剛石的金剛線鋸磨削晶棒塊實(shí)現(xiàn)切片。由于第二種切片方式需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，費(fèi)用昂貴，且還需要改進(jìn)電池片工藝，因此沒有廣泛推廣利用。而第一種工藝也存在切片質(zhì)量不穩(wěn)地，成本偏高的缺點(diǎn)，因此，如何提高硅片切割質(zhì)量，降低成本是各個(gè)硅片生產(chǎn)廠家迫切需要解決的問題。 　　本文進(jìn)行了結(jié)構(gòu)線鋸雙向切割硅片的實(shí)驗(yàn)，分析了切片表面微觀形貌特點(diǎn)及形成原因，研究了工藝參數(shù)對(duì)硅片的表面粗糙度、總厚度偏差(TTV)、翹曲度與亞表面損傷層厚度(SSD)的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 　　2試驗(yàn) 　　2.1試驗(yàn)方法 圖1瑞士梅耶博格DS264型切片機(jī)示意圖 　　本實(shí)驗(yàn)選用瑞士梅耶博格DS264型切片機(jī)進(jìn)行雙向結(jié)構(gòu)線鋸試驗(yàn)。圖1為此切割裝置的示意圖。 　　2.2實(shí)驗(yàn)方案與硅片質(zhì)量評(píng)價(jià) 　　因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)線鋸具有降低砂漿用量，提高切割效率的優(yōu)點(diǎn)，所以本文實(shí)驗(yàn)方案將以砂漿用量和切割進(jìn)給進(jìn)行兩因子兩水平進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后檢測硅片厚度和表面粗糙，以及切割后鋼線鋸和碳化硅磨損值，并與直鋼線鋸切割進(jìn)行對(duì)比分析。 　　加工參數(shù)與切割條件如表1所示。使用基恩士3D掃描顯微鏡觀察切割的硅片表面形貌；利用蔡司電子顯微鏡觀查碳化硅形貌；采用TR200型表面粗糙度測量儀沿工件進(jìn)給方向測量硅片的表面線痕深度(Rt值)；采用WA-200硅片厚度電阻率測試儀測量硅片厚度差值(TTV值)；采用EXPLOIT塞尺測量硅片翹曲度。 　　表1結(jié)構(gòu)線鋸切割條件與加工參數(shù) 　　3結(jié)果與討論 　　3.1切割硅片表面形貌分析 　　圖2是分別采用不同切割條件切割的硅片表面形貌圖。由圖可知，硅片表面存在凹槽和損傷層。原因是鋼線鋸和硅錠同時(shí)擠壓碳化硅，產(chǎn)生較大的摩擦力，形成碳化硅磨削切割硅錠造成。結(jié)構(gòu)線鋸切割產(chǎn)生的凹槽和損傷層與直鋼線鋸切割硅片相比沒有太大差別，不需要對(duì)后續(xù)太陽電池片的生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，更不會(huì)對(duì)硅片效率產(chǎn)生影響。 圖2結(jié)構(gòu)線鋸切割硅片表面的3D形貌 　　3.2砂漿用量對(duì)硅片Rt和TTV的影響 　　眾所周知，砂漿用量的減少，將導(dǎo)致切割硅片質(zhì)量波動(dòng)，甚至?xí)龃髷嗑€風(fēng)險(xiǎn)。而斷線的主要原因是硅粉導(dǎo)致砂漿粘度上升，碳化硅無法進(jìn)入切割區(qū)域，鋼線磨損增大產(chǎn)生斷線。 圖3為不同砂漿用量切割硅片（左為：330kg，右為270kg）。 　　上圖為結(jié)構(gòu)線鋸在不同砂漿用量下切割的硅片照片，由圖可知，硅片表面沒有異常線痕。檢測硅片表面Rt和TTV值，當(dāng)砂漿用量為330kg時(shí)，Rt值在8.52-10.62微米之間，TTV值在4.31-5.42微米之間；當(dāng)砂漿用量為270kg是，Rt值在9.16-10.25微米之間，TTV值在4.25-6.23微米之間。Rt值和TTV值隨著砂漿用量降低而略有增加，但是最高不超過11，符合A類片標(biāo)準(zhǔn)。 　　3.3進(jìn)給速度對(duì)硅片Rt和TTV的影響 　　眾所周知，切割進(jìn)給速度將加大對(duì)鋼線的壓力，提高切割效率的同時(shí)，也增加了斷線的風(fēng)險(xiǎn)。而斷線的主要原硅錠對(duì)鋼線的壓力加大，摩擦力增加，鋼線磨損加大，超出了鋼線承受范圍導(dǎo)致斷線。 圖4不同進(jìn)給速度切割的放大硅片(左為經(jīng)給0.31mm/min，右為進(jìn)給：0.34mm/min) 　　由圖可知，進(jìn)給速度由0.31mm/min提高到0.34mm/min時(shí)，硅片線間距由0.18mm增加到0.24mm，但硅片沒有異常線痕。檢測硅片表面Rt和TTV值得出，當(dāng)切割進(jìn)給0.31mm/min時(shí)，Rt值在7.25-8.12微米之間，TTV值在3.47-6.68微米之間；當(dāng)切割進(jìn)給速度為0.34mm/min時(shí)，Rt值在8.57-10.60微米之間，TTV值在4.32-6.85微米之間；Rt值和TTV值隨著切割進(jìn)給速度略有增加。即進(jìn)給速度增加，結(jié)構(gòu)線鋸也能切割出滿足質(zhì)量要求的硅片。 　　3.4鋸切工藝參數(shù)對(duì)硅片翹曲度的影響 　　硅片的翹曲會(huì)導(dǎo)致在后續(xù)電池片上產(chǎn)過程中產(chǎn)生碎片，造成二次損失。同時(shí)，結(jié)構(gòu)線鋸與直鋼線鋸的外觀形貌由很大區(qū)別，因此對(duì)其切割硅片的翹曲度進(jìn)行測量。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)線鋸切割晶片的翹曲度值在20-30微米之間，當(dāng)切割進(jìn)給速度由0.31mm/min增加到0.34mm/min時(shí)，硅片翹曲度增大了2.24微米，增加幅度不大。 　　晶片產(chǎn)生翹曲的主要原因是鋸切時(shí)，鋸絲與工件接觸區(qū)域長度的變化帶來切割區(qū)溫度的變化，導(dǎo)致硅棒的熱膨脹變化，因此鋸切區(qū)域的溫度對(duì)晶片的翹曲度有很大的影響。結(jié)構(gòu)線鋸切割進(jìn)給增加時(shí)，硅片翹曲度并沒有明顯增大的原因有兩方面，一方面是試驗(yàn)中切割鋼線速度沒有變化；另一方面，結(jié)構(gòu)線鋸特殊的形貌使其帶砂能力相比直鋼線來說更強(qiáng)，進(jìn)入切割區(qū)域的砂漿量增加，對(duì)切割區(qū)域的冷卻性能的到加強(qiáng)，可以緩解進(jìn)給速度提高導(dǎo)致摩擦熱上升的問題。 　　3.5結(jié)構(gòu)線鋸及磨損情況 　　線鋸切割機(jī)在切割硅棒時(shí)，鋸絲由于高壓和強(qiáng)烈的摩擦，以及可能的高溫作用，碳化硅微粒的運(yùn)動(dòng)切割以及大的拉力和循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)使鋸絲產(chǎn)生拉斷和疲勞斷裂，降低鋸絲的使用壽命。因此，必須關(guān)注不同切割條件下，線鋸和碳化硅的磨損情況，規(guī)避斷線風(fēng)險(xiǎn)。 圖5為切割使用后的結(jié)構(gòu)線鋸照片(左為砂漿用量：270kg，右為進(jìn)給：0.34mm/min) 　　由圖5右可知，270kg切割時(shí)結(jié)構(gòu)線鋸表面的銅鋅鍍層還留存一部分，而在0.34mm/min進(jìn)給下，銅鋅鍍層已經(jīng)完全磨損掉。 　　表2結(jié)構(gòu)線鋸磨損和橢圓度檢測數(shù)據(jù) 　　序號(hào)切割條件切割后直徑（微米）磨損值（μm）橢圓度結(jié)構(gòu)線鋸直徑（μm） 　　1砂漿:270kg108.812.22.34120 　　2進(jìn)給:0.34mm.min-1107.513.53.24120 　　表2為結(jié)構(gòu)線鋸切割前后線徑檢測數(shù)據(jù)。由表可知，砂漿用量為270kg時(shí)，磨損值為11.2微米，橢圓度為2.34；切割進(jìn)給速度為0.34mm/min時(shí)，磨損值為12.5微米，橢圓度為3.24。切割進(jìn)給速度增加比砂漿用量降低對(duì)鋼線磨損和橢圓度的影響略大，與相同切割條件下直鋼線的磨損和橢圓度相比較更低。 圖6結(jié)構(gòu)線鋸切割碳化硅掃描電鏡圖 　　由圖6可知，結(jié)構(gòu)線鋸切割后的碳化硅（1500#）的形貌保持較好，其中粒徑（D50）由8.3微米降低為8.05微米，磨損了0.25微米，與直鋼線相比略有減少。 　　主要原因是結(jié)構(gòu)線鋸帶砂能力較直鋼線更好，切割時(shí)其表面附帶有更多砂漿，硅棒直接接觸和磨損表面的機(jī)會(huì)下降導(dǎo)致其磨損和橢圓度更低，同時(shí)，碳化硅的磨損值也略有下降，切割硅片外觀質(zhì)量更好。 　　4結(jié)論 　　結(jié)構(gòu)線鋸切割時(shí)，砂漿用量降低和進(jìn)給速度提高后，硅片的Rt值、TTV值和翹曲度略有增加，符合A類片標(biāo)準(zhǔn)，而且，切割后結(jié)構(gòu)線鋸磨損和橢圓度，以及碳化硅磨損值可以控制在正常范圍內(nèi)，可以降低砂漿用量，提高切割效率。