多晶硅錠的剖方質(zhì)量改善研究

周小榮 ，邱 昊 ，明 亮，劉文峰，段金剛，陳國紅

(1.湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南長沙410205；2.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410205)

目前光伏行業(yè)硅錠剖方的方法有砂漿切割和金剛線切割。砂漿切割其原理是依靠鋼線壓迫碳化硅顆粒在硅棒和鋼線之間進行“滾動—壓痕—刮擦”作用[1]，實現(xiàn)材料的去除。因此，砂漿的物理性質(zhì)及使用條件直接決定了砂漿的切割力，而砂漿的切割力又直接影響著剖方后小方棒的尺寸。若其偏差值相差大，則后續(xù)磨面環(huán)節(jié)會出線痕，造成較多硅料損耗。

行業(yè)內(nèi)關(guān)于改善硅錠剖方效果有些報道，主要是從對設(shè)備改進，原輔材料的選取等方面來改善硅錠切割效果。李保軍，馮濤等人[2]指出，調(diào)整砂漿噴嘴與鋼線鋸的夾角，使鋼線鋸的帶砂能力提升，并形成水平砂漿薄膜。砂漿形成水平薄膜切割效果會更好。并可延長砂漿使用壽命。在高切割速度下，砂漿具有更好的切割力。楊興林，陶大慶等人[3]通過實驗驗證SiC粒徑變化對多晶硅表面質(zhì)量的影響：在一定的切割工藝條件下，需要選擇合適的SiC粒徑，來保證鋼線的切割力。趙雷，靳永吉等人[4]對砂漿混合攪拌做了深入研究，對混合的方式和效果做了詳細的分析。趙文華，馬玉通等人[5]分析了多線切割工藝中切割速度對晶片翹曲度的影響。

本文從工藝方面出發(fā)，著重研究了切割工藝改進前后砂漿物理性質(zhì)、剖方后小方棒尺寸及線痕比例與切割刀數(shù)的變化趨勢。并分析相關(guān)原因。

1 實驗過程

1.1 主要設(shè)備與儀器

實驗使用多線開方機，高速鋸條截斷機和雙面磨面倒角機。實驗主要設(shè)備和主要輔料廠家與型號見表1。

表1 實驗主要設(shè)備和主要輔料廠家

1.2 實驗過程

實驗工藝采用改善工藝，與原切割工藝不同的是砂漿初始狀態(tài)，砂漿更換方式和切割速度和砂漿流量。其它切割參數(shù)與常規(guī)相同，見表2。

表2 改善前后切割工藝參數(shù)對比

1.3 測試方法

本文取樣檢測了新砂至換砂期間，砂漿的粒徑和顯微形貌的變化，檢測工具是歐美克PIP9.1圖像粒度測試儀。用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量2#剖方機A1，B3，C8，B13，B18，C15，C22，C29，B33，A36 10根小方棒相鄰兩端面的寬度尺寸。每根小方棒測量點選取方法是：在每根小方棒距離頭部40 mm、160 mm、距離尾部40 mm的東西方向和南北方向各取1個點（共6個點），見圖1所示。每面從上至下的點處寬度尺寸分別稱為頭部尺寸、中部尺寸和尾部尺寸。分析改善前后小方棒尺寸和磨后線痕長度比例與切割刀數(shù)的變化關(guān)系。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 硅錠尺寸分析

圖1 每根小方棒測量點的選取方法示意圖

為了分析工藝改善前后切割次數(shù)與硅錠的尺寸變化，測量小方棒第1刀至第10刀硅錠在不同高度下端面尺寸最大值與最小值，并計算尺寸偏差值，如圖2所示。小方棒尺寸偏差值能反映砂漿的切割能力。

圖2 切割工藝改善前后不同位置小方棒尺寸偏差值與刀數(shù)變化圖

從圖2可以看出，工藝改善后小方棒尺寸偏差值控制在0.8 mm以內(nèi)，隨切割刀數(shù)變化趨勢平緩；而原切割工藝條件下，小方棒尺寸偏差值劇烈波動，變化無規(guī)律。這是因為原砂漿體系中碎顆粒較多，切割力不穩(wěn)定，導(dǎo)致小方棒尺寸偏差值波動大。工藝改善后，砂漿體系中砂漿顆粒分布均勻，碎顆粒少，切割過程中始終能保持較好的切割能力，小方棒尺寸偏差值波動較小。

從圖2中還可看出，工藝改善后小方棒頭部尺寸差值明顯要小于中部和尾部。這是因為在切割工藝中，頭部切割速度比較小，砂漿流量充足，頭部切割能力強。剖方后小方棒頭部尺寸很均勻，差值較小。而中部切割速度達到最大值，而大錠中部處的砂漿流量變小，切割能力變差，故中部尺寸偏差值變大。切至尾部后，切割速度雖然降低，但大錠尾部處的砂漿流量已經(jīng)很小，砂漿切割能力更差，尾部尺寸偏差值也會變大。

原工藝條件下，因砂漿顆粒粒徑大，切割速度快，且砂漿流量值240～300 kg/min，其值較小，砂顆粒容易卡在大錠頭部，大錠尾部砂漿流量嚴重不足，切割能力變差。鋼線在此干切產(chǎn)生大量熱量，使大錠尾部硅晶脫落；工藝改善后，前3刀切割速度整體降低至原切割速度的80%，流量增加到280～340 kg/min，可以保證小方棒各處砂漿流量充足，能保證切割效果。切至4刀后，砂漿粒徑變小至20～25 μm，更適合切割，提升切割速度不會影響切割效果，尺寸偏差值較小。最后3刀砂漿切割能力已變差，再次通過降速來保證砂漿切割效果。

2.2 工藝改善前后砂漿粒徑和顯微形貌分析

原切割工藝因砂漿初始體系里有一半舊砂漿，切至第5刀往其中加新砂，砂漿粒徑均勻性非常差，從圖3可以看出，原切割工藝下，砂漿粒徑變化無規(guī)律。工藝改善后，前3刀采用低速切割，參與切割的鋼線變多，且切割區(qū)的砂漿流量增加，大錠中下部砂漿切割能力變強。采用低速切割，大顆粒的SiC砂破碎較少，粒徑變化趨勢很平緩，隨著切割刀數(shù)增加，砂漿粒徑緩慢降低。

從圖4可以看出，原切割工藝因砂漿體系里含有大量舊砂漿、切割下的硅粉和水分，砂漿顆粒分布不均勻，且砂漿顆粒團聚嚴重，切割能力差；工藝改善后砂漿顆粒分布較均勻，整個砂漿體系很好，方便著手下一步工藝優(yōu)化。

圖3 切割工藝改善前后GC360#砂漿粒徑與切割刀數(shù)對比圖

2.3 改善前后線痕長度比例分析

為了驗證工藝改善后效果，選取了2#剖方機改善前后各10錠，統(tǒng)計質(zhì)量檢驗?zāi)ズ缶€痕數(shù)據(jù)，如圖5所示。

從圖5可以看出，原工藝線痕平均長度比例是1.35%，曲線波動大；而工藝改善后線痕平均長度比例為0.45%，線痕長度比例也只有改造前的1/3，線痕長度比例下降明顯，砂漿切割能力提升。通過變速切割，增加流量等手段可使剖方后的小方棒尺寸偏差值變小，雙面磨面后線痕長度減少，其長度比例控制在0.75%以下，曲線前后波動較小。

圖4 切割工藝改善前后第1刀和第4刀砂漿顯微形貌圖

圖5 切割工藝改善前后線痕長度比例與切割刀數(shù)趨勢圖

3 結(jié) 論

綜上所述，切割工藝改善前后對比明顯。原切割工藝存在以下弊端：

（1）切割前期，GC360#砂容易卡在鋼線鋸縫中，導(dǎo)致大錠尾部處砂漿流量不足，鋼線在此干切發(fā)熱而使大錠尾部硅晶脫落，造成硅料損耗；

（2）采用1/2新砂漿+1/2舊砂漿雖然可以解決大錠尾部硅晶脫落問題，但會帶來另一個問題：舊砂漿中水分含量過高，砂漿團聚，且碎顆粒、硅粉等含量過多，砂漿的切割能力不穩(wěn)定。硅棒尺寸偏差值和線痕比例等都出現(xiàn)較大的波動，不利于工藝進一步優(yōu)化；

改善工藝：砂漿初始狀態(tài)不加舊砂漿，前3刀切割速度降低，參與切割的鋼線變長，砂漿流量增加，可以保證尾部有足夠的砂漿和鋼線來參與切割。既可以避免尾部硅晶脫落的問題，又可以保證砂漿的切割能力。硅棒尺寸偏差值和線痕比例均改善明顯。此外原工藝平均每缸砂漿切割10錠，改善工藝也為10錠，采用改善工藝未額外增加砂漿用量。改善工藝線痕長度比例變小，因線痕而造成的硅料損耗率大幅度降低。在當(dāng)今光伏行業(yè)微利時代，改善工藝具有很高的產(chǎn)線推廣價值，意義重大。

[1] 袁艷蕊，魏昕，丁寅.游離磨料線切割的切割液行為綜述[J].金剛石與磨粒磨具工程，2009，174(6)：43-48.

[2] 李保軍，馮濤.多線切割工藝中切割線直徑對翹曲度影響的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，38(8)：16-19.

[3] 楊興林，陶大慶.碳化硅粒徑變化對多晶硅片總厚度偏差的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2013，33(3)：44-49.

[4] 趙雷，靳永吉，吳旭.多線切割機砂漿混合攪拌理論研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(12)：47-50.

[5] 趙文華，馬玉通，楊士超.多線切割工藝中切割速度對晶片翹曲度的影響[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，40(9)：28-30.