金剛石線鋸電解磨削切割多晶硅片的試驗研究

鮑官培，汪 煒，曹祥威

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

金剛石線鋸電解磨削切割多晶硅片的試驗研究

鮑官培，汪 煒，曹祥威

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

基于金剛石線鋸切割系統(tǒng)，開展了金剛線電解磨削切割多晶硅片試驗。結(jié)果表明：電解磨削復合加工方法在機械磨削的同時復合了陽極氧化和腐蝕，在硅片表面產(chǎn)生了機械損傷缺陷和電化學腐蝕缺陷。酸制絨時腐蝕反應在兩種類型缺陷處順利進行，形成均勻致密的絨面結(jié)構，有效降低硅片表面反射率，有利于后續(xù)電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

金剛石線鋸；電解；磨削；多晶硅片；制絨

固結(jié)磨料線切割又稱金剛石線鋸切割，它利用電鍍或樹脂結(jié)合等方法，將金剛石顆粒附著在鋼線基體表面制成金剛石線。加工過程中，固結(jié)在鋼線上的金剛石顆粒作為切割刃具，隨著切割線高速運動，持續(xù)進給的工件與切割線之間產(chǎn)生壓力進而實現(xiàn)切割[1-2]。相比于游離磨料線切割，金剛石線鋸切割不僅效率高、精度好，而且環(huán)境負荷低、切割硅粉易回收，正逐漸取代游離磨料線切割用于太陽能硅片的制造[3-4]。目前，金剛石線鋸切割技術已廣泛用于單晶硅片的切割，但對于多晶硅片，其應用尚存在二個障礙：一是多晶硅相對難切，較易斷線；二是現(xiàn)行的各向同性酸制絨方法對金剛石切割多晶硅片失效，表現(xiàn)在制絨所得的硅片反射率偏高及硅片表面切割紋難以去除[5-6]。

由汪煒等發(fā)明的硅片電解/磨削復合加工方法在機械磨削的同時復合了電化學作用，能顯著降低宏觀切削力，減小切割負載，減少硅片表面線痕等缺陷[7-9]。本文將該方法與金剛石線鋸切割相結(jié)合，開展了金剛石線鋸電解磨削切割多晶硅片的試驗研究，考察復合加工對改善金剛石線鋸切割后多晶硅片制絨的影響。

1 復合加工原理

金剛石線鋸電解磨削復合加工方法基于現(xiàn)有的金剛石線鋸切割系統(tǒng)，在硅錠與切割線間加上連續(xù)或脈沖電源，利用切削液的導電性產(chǎn)生電化學反應，在機械磨削的同時復合電化學鈍化或腐蝕。試驗系統(tǒng)原理見圖1。切割過程中，硅錠和切割線分別連接電源的正極和負極，硅錠、切割線和切削液分別成為電化學反應的陽極、陰極和工作液。在陽極電場的作用下，硅錠發(fā)生陽極氧化和腐蝕形成鈍化腐蝕層，鈍化層不斷被切割線上的金剛石磨粒刮除，在露出新鮮表面后，繼續(xù)發(fā)生電化學作用，材料去除過程不斷重復。材料去除機理見圖2。

圖1 金剛石線鋸電解磨削加工系統(tǒng)原理圖

圖2 金剛石線鋸電解磨削材料去除機理

鈍化層是在陽極電場的作用下，由于硅基體材料和切削液中存在的氧元素發(fā)生陽極氧化反應而形成的，其中伴隨有微弱的陽極腐蝕。因為電解液中含有大量雜質(zhì)，所以鈍化層表面含有疏松多孔狀的微觀缺陷。機械磨削后，鈍化層的部分微觀缺陷會殘留在切割后的硅片表面，有利于后續(xù)制絨。

2 試驗系統(tǒng)及工藝方法

金剛石線鋸電解磨削切割試驗系統(tǒng)見圖3。原材料選用P型多晶，電阻率為1～3 Ω·cm，切割設備為國產(chǎn)WXD170型往復金剛石線鋸切割機，電解電源型號為IT6720，金剛線線徑為0.35 mm。

圖3 金剛石線鋸電解磨削切割試驗系統(tǒng)

為了研究電解磨削對金剛石線鋸切割多晶硅片制絨的影響，開展了金剛石線鋸電解磨削切割的對比試驗。兩組試驗在同一臺線鋸設備上進行，所用的多晶硅錠和工藝參數(shù)完全一致，區(qū)別僅在于硅錠和切割線上有無外加電場。此外，為提高電解磨削時切削液的電導率，在純水中添加了適量的電解磨削專用切削液。表1是兩組試驗的工藝參數(shù)。

表1 對比試驗工藝參數(shù)

3 結(jié)果與分析

采用上述工藝方法切割出2片硅片，在自然光下觀察發(fā)現(xiàn)，電解磨削切割的硅片表面偏暗，對比試驗切割的硅片表面較光亮；在光學顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，電解磨削硅片表面不僅顏色偏暗，部分區(qū)域還有腐蝕的跡象（圖4）。

圖4 光學顯微鏡下的二種硅片表面圖像

電解磨削硅片表面偏暗是因為加工過程中有電化學作用，在硅片表面產(chǎn)生了一層氧化層。一方面，由于硅片表面氧化層的存在，使光線由空氣進入硅片時的折射率有了一個漸變過程，所以硅片表面呈現(xiàn)出更暗的顏色；另一方面，由于電化學的氧化和腐蝕作用，在電解磨削硅片表面產(chǎn)生了一些微觀結(jié)構，對入射光有陷光作用，同樣會導致硅片表面顏色偏暗。分別對二種硅片表面進行EDS檢測，發(fā)現(xiàn)電解磨削硅片表面含有O和Si，而對比試驗硅片表面只有Si（圖5），其O、Si的含量見表2。

表2 二種硅片表面的O、Si元素含量%

圖5 2種硅片表面的EDS能譜圖

為了進一步對比硅片對入射光的陷光效果，對二種硅片的光照反射率進行了檢測，結(jié)果見圖6。從反射率曲線可看出，電解磨削硅片的反射率明顯更低，證明了電解磨削硅片對其表面入射光有一定的陷光作用。

圖6 二種硅片的反射率曲線

采用傳統(tǒng)的酸制絨工藝對二種硅片進行制絨，對比制絨后的絨面差異。制絨液體配比為HF∶HNO3∶ H2O=1∶3∶2，其中HF質(zhì)量分數(shù)為40%，HNO3質(zhì)量分數(shù)為70%，在常溫下反應2 min。制絨后的二種硅片SEM照片見圖7?？煽闯?，電解磨削硅片表面存在的細溝槽狀陷光結(jié)構更致密均勻，陷光效果更好。這是因為電解磨削硅片在切割過程中除了機械磨削外，還伴隨電化學作用在硅片表面產(chǎn)生了一定的鈍化腐蝕層。在酸制絨時，腐蝕反應在硅片表面的機械損傷缺陷和電化學腐蝕缺陷處均能順利形成絨面結(jié)構。而對比試驗硅片表面僅存在機械損傷缺陷，不存在電化學腐蝕缺陷，制絨時腐蝕反應只能在機械損傷缺陷處發(fā)生，所以制絨后的硅片表面絨面結(jié)構的均勻性和緊密性都比電解磨削硅片差。

圖7 二種硅片制絨后的SEM圖片

對二種硅片制絨后的光照反射率進行檢測，由圖8可看出，電解磨削硅片制絨后的反射率更低，說明其表面存在的均勻致密、溝槽狀的陷光結(jié)構能有效降低入射光的反射率，提高對光線的吸收效果，有利于后續(xù)電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

圖8 二種硅片制絨后的反射率曲線

4 結(jié)論

本文基于金剛石線鋸切割系統(tǒng)開展金剛線電解磨削切割多晶硅片的對比試驗，分別對切割后的硅片表面形貌、反射率及制絨后的絨面結(jié)構進行檢測和觀察，得出如下結(jié)論：

（1）通過對切割后的硅片表面形貌及表面元素成分的檢測，證明了金剛石線鋸電解磨削復合加工的多晶硅片表面有鈍化層生成，且有腐蝕跡象，電解磨削硅片表面偏暗，表面反射率低。

（2）采用傳統(tǒng)的酸制絨體系對二種硅片進行制絨，檢測制絨后的絨面結(jié)構和反射率，證明了電解磨削切割后的多晶硅片表面能獲得更均勻致密的細溝槽狀絨面結(jié)構，有效降低了硅片表面反射率，有利于后續(xù)電池片光電轉(zhuǎn)換效率的提高。

[1] ENOMOTO T，SHIMAXAKI Y，TANI Y，et al. Development of a resinoid wire containing metal powder for slicing a silicon ingot [J].CIRP Annals -Manufacturing Technology，1999，48（1）：273-276.

[2] 岳偉棟，劉志東.固結(jié)磨料金剛石線切割技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].金剛石與磨料磨具工程，2014，34（6）：69-75.

[3] 趙禮剛.金剛石線鋸切割半導體陶瓷的機理與工藝研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[4] 曾明，周玉梅，郭長文．固著磨料多線鋸研究進展[J].超硬材料工程，2007，19（5）：1-5.

[5] 李妙.金剛石線鋸切割多晶硅片表面特性與制絨方法研究[D].南昌：南昌大學，2014.

[6] 陳文浩，李妙，劉小梅，等.金剛石切割多晶硅片切割痕性質(zhì)與消除方法研究 [J].人工晶體學報，2014，43（2）：314-320.

[7] 汪煒，劉正塤.硅片的磨削/電解復合多線切割加工方法：CN201010141727.3[P].2010-04-08.

[8] WANG Wei，LIU Zhengxun，ZHANG Wei，et al.Abrasive electrochemical multi-wire slicing of solar silicon ingots into wafers[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2011，60（1）：255-258.

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Experimental Study on Electrochemical Grinding Machining of Polycrystalline Silicon Wafer with Diamond Wire Saw

Bao Guanpei，Wang Wei，Cao Xiangwei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The polycrystalline silicon wafers were sliced by electrochemical grinding method based on the diamond wire saw system.The electrochemical grinding experimental results show that the etching happens at the defects that caused by grinding and electrochemical reaction during the process of texturing.And the uniform and dense microstructure was formed on the surface of polycrystalline silicon wafer by acid wet texturing.The microstructure can reduce the surface reflectivity effectively and is better for the improvement of photoelectric conversion efficiency for cells.

diamond wire saw；electrochemical；grinding；polycrystalline silicon wafer；texturization

TG662

A

1009－279X（2016）06－0041-03

2016-05-04

國家自然科學基金資助項目（51175259）

鮑官培，男，1988年生，博士研究生。