太阳电池用Si片切割过程中浆料作用研究

基 金 项 目 : 北 京 市 教 育 委 员 会 科 技 发 展 计 划 项 目( KM200811232003)太阳电池用 Si 片切割过程中浆料作用研究贺敬良 1 , 王学军 1, 2 , 童亮 1 , 董和媛 1( 1. 北京信息科技大学 机电工程学院 , 北京 100192;2. 中国电子科技集团公司 第四十五研究所 , 北京 101601)摘要 : Si 片生产技术及工艺的进步使得太阳电池用 Si 片的切片厚度不断降低 , 而超薄的太阳电池用 Si 片必须通过多线切割机进行切割 。 基于 Si 片切割过程中砂浆性能对 Si 片表面质量 、Si 片成片率和切割线寿命的影响 , 分析了多线切割机中切削液的性能 , 并采用不同工艺参数多次进行试验 , 总结出了砂浆对太阳电池用 Si 片切割状态的影响因素 。 通过分析 , 得出了改善砂浆性能来提高多线切割机切片性能并获得更高的 Si 晶片表面质量的方法 。关键词 : 多线锯 ; 切削液 ; 砂浆 ; 硅片 ; 太阳电池中图分类号 : TN305. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1003-353X ( 2010) 10- 0976- 04Research on Slurry in the Cutting Process of Si Wafer for Solar CellHe Jingliang1 , Wang Xuejun1, 2 , Tong Liang1 , DongHeyuan1( 1. School of MechanicalandElectricalEngineering, Beijing InformationScience 2. The45th ResearchInstitute, CETC, Beijing 101601, China)Abstract : The wafer production technologyand processmake the solar energywafer thickness becomethinner and thinner. The ultrathin Si wafer cutting must be done by multi-wire saw . Basedon the effectsofslurry performanceon the wafer surfacequality, yields and cutting wire life in the cutting processof Si ingot,the multi-wire saw slurry performance was analyzed, and experimentswere carried out with differentparametersto testthe infection of cutting slurry forwafer cutting states. By analyzingthe infection factors, themethodsfor improving slurry performanceto guaranteeSi wafer surfacequality were given.Key words : multi- wire saw; cutting fluid ; slurry ; Si wafer; solar cellEEACC : 2550E0 引言近年来 , 太阳能光伏产业的迅猛发展极大地促进了太阳电池用多晶 Si 、 单晶 Si 材料及其 制备的快速发展 。 我国已经逐步掌握了太阳电池用 Si 片生产工艺中主要的制备技术 。 在太阳电池用 Si 片的生产过程中 , 多线切割机是 非常重要的工 艺设备 , 是切割 大直 径 Si 单 晶 锭非 常有 效 的方 法 之一 [ 1] 。 它可将 Si 晶锭切割成多个超薄晶片 , 其切割效率 、 晶片表面质量均大大提高 。 Si 片切割过程是将 0. 08～ 0. 18 mm的金属钢线绕在导线轮上 , 在高速运行过程中通过喷射在钢线上的具有一定黏性的砂浆与 Si 材料产生磨削作用 , 从而将 Si 晶锭切割成多个超薄 Si 晶片 , 片厚的控制取决于槽间宽度 , 槽间宽度误差应小于 3 μ m , 所以对材质和加工精度的要求都非常高 [ 2] 。 技术的发展使得晶片的大直径化和超薄化已成为当前太阳电池用晶片材料发展的显著特征和必然趋势 [ 3] , 而晶片尺寸变大和厚度变薄又对生产工艺设备多线切割机及耗材提出了更高要求 , 而砂浆悬浮液是多线切割机使用的重要耗材 。 因此 , 研究砂浆的磨削作用是非常重要的 ,通过研究砂浆特性 , 提高切割工艺 , 以便进一步降低 Si 片厚度并获得更高的 Si 晶片表面质量 。1 影响砂浆性能的因素分析多线切割机切割太阳电池用 Si 片所用的砂浆工艺技术与材料ProcessTechniqueandMaterialsdoi :10. 3969/ j. issn. 1003-353x. 2010. 10. 007976 半导体技术第 35 卷第 10 期 2010年 10 月是 SiC 磨粒和切削液构成的混合悬浮液 , 在晶片的切割过程中 , 通过砂浆泵将砂浆悬浮液喷射到切割钢线上 , 由于砂浆具有一定黏附力 , 会黏附在切割钢线上 , 通过切割钢线的高速运动 , 将砂浆带入切割区 , 使砂浆中的磨粒在一定速度和压力下与被切割的 Si 材料产生磨擦作用 , 磨粒的锋利尖 刃会不断磨削切割工件 , 从而将 Si 材料切割成薄 Si 晶片 。在 Si 片的切割过程中 , 砂浆是影响切割的 重要因素 , 砂浆性能直接影响着多线切割机对 Si 片的切削性能以及切割后 Si 片的表面质量 , 而 SiC 磨粒的性能和切削液性能又直接决定了砂浆性能 。1. 1 切削液因素分析对于切削液来说 , 目前国内外已有多种型号的成型产品 , 但其组成成分均未公开 。 从使用效果分析发现各种切削液适用不同 , 但性能差异较大 , 主要包括油性切削液和水性切削液 [ 4] 两种类型 。 油性切削液由于易燃 , 对环境污染较大 , 同时清洗晶片时需要使用对人体有害的含氯溶剂 , 现在使用的已经越来越少 。 而水性切削液易溶于水 , 切割后的晶片可直接用水清洗 , 不必使用有机溶剂 , 对人体和环境均无损害 , 水溶性切削液 对设备的腐蚀 性较小 , 切削效率及 成品率均较高 , 目前国内普 遍使用 [ 5] 。 切削液的影响因素主要有黏性 、 切削液表面张力及挂线性能等 。由于 Si 片在切割过程中由砂浆泵带动 砂浆在设备中循环使用 , 因此切削液的流动性能会直接影响 Si 片的切割效果 , 而流动性能受切削液 黏度的影响 , 如果切削液的黏度过高 , 其流动性就会相应下降 ; 而如果切削液的黏度过低 , 则会影响切削液在切割线上的黏附力 , 切削液不能很好地黏附在切割线上 , 将会 直接 影响 Si 片 的切 割效果 , 因此 ,切削液 的黏性一定要 适中 [ 4] 。 而在实际使用 过程中 , 由于切割 Si 片时会产生大量的热 , 热 量的产生又会使切削液的温度上升 , 而切削液的黏性会随着温度的上升而下降 , 从而使切削液的挂线能力大大降低 , 这将会降低 Si 片的切割效率 , 因此 , 切割过程中还必须将切削液的温度控制在合适的范围内 。对于切削液来说 , 由于液体表面张力的作用 ,液体表面总是趋向于尽可能缩小 [ 6] 。 由于表面张力越大 , 切削液的内聚作用就越大 , 液体分子就不易铺展吸附在切割钢线表面 , 而降低切削液表面张力时 , 切削液对切割钢线的挂线能力 、 渗透力均会提高 , 对 Si 片的 切割效果 也会提高 , 如图 1 所示 。表面张力的大小与其性质和液面外所接触的物质有关 , 而切削液温度及其中所含杂质也会影响切削液表面张力 。图 1 砂浆的挂线状态Fig. 1 Slurry in the cutting wire state另外 , 性能良好的切削液具有无毒害 、 挥发性小和易溶于水的特性 , 其渗透性 、 悬浮性均较好 ,在 Si 片的切割过程中可提高切削速率并能降低切割应力和 Si 片表面损伤 。 在切削液中加入表面活性剂则可降低切削液表面张力 , 增加切削液的渗透作用 , 使切削液的附着力增强 , 这不仅能对切割线起到润滑作用 , 而且还能提高切削的冷却效果 , 并且在切割钢线和 Si 材料接触面形成润滑膜 , 从而降低了摩擦系数 , 减小了切割阻力 , 从而进一步提高切削速率和切割线寿命并降低成本 。1. 2 磨粒因素分析由于多线切割采用游离磨粒的切割方式 , 这种切割方式中各种微粒 、 微粉或超微粉 呈游离状态( 自由状态 ) , 切削过程是由游离分散的磨粒作自由滑动 、 滚动和冲击来进行微量切削 , 如图 2 所示 。图 2 磨粒在晶体切削中的状态Fig. 2 Grinding granulestateduring cuttingsilicon ingot磨粒切刃的形状可以用近似圆锥 、 球等几何体来表示 。 若其分布按等 高 、 正态分布 或均匀分布时 , 可近似推算出在某种工艺条件下的切削加工的单位体积为V = 2ApLπσ stanα ( mm3) ( 1)式中 : σ s 为工件材料的屈服点 ( MPa) ; A 为工件与磨粒的接触面积 ( mm2) ; p 为工件 与磨粒的接贺敬良 等 : 太阳电池用 Si 片切割过程中 浆料作用研究October 2010 Semiconductor TechnologyVol. 35 No. 10 977 触压力 (MPa) ; L 为工件与磨粒的相对移动 距离( mm) ; α 为磨粒圆锥半顶角 ( ° ) 。加工表面粗糙度与最大切削深度 α pmax成正比 ,最大切削深度为α pmax = η d3gpGσ stan2α13( 2)式中 : η 为磨粒体积率 , 等于直径为 dg 磨粒的实际体积与直径为 dg 的球体积之比 ; dg 为磨粒的平均直径 (mm) ; G 为磨粒率 , G = π mdg2η6 , 其中 m为磨粒数 。由式 ( 1) 和式 ( 2) 可见 , 磨粒与工件的接触面积 、 接触压力及相对移动距离和磨粒圆锥半顶角对 Si 片 切割效率 有影响 。 提高磨 粒的接 触面积 ,减小磨粒圆锥半顶角可提高切割效率 , 同时减小磨粒粒径 , 减小磨粒体积率 , 增大磨粒圆锥半顶角则可降低 Si 片切割后表面粗糙度 。 但是 , 随 着切割时间的增长 , 磨粒在移动过程中在一定的接触压力下不断在切割 Si 材料上滑动和滚动 , 其微 观上极锋利的刃尖会变得不再锋利 , 磨粒与工件之间的接触面积也会相应减小 , 这会大大减小磨粒的切削功能 , 减小切削加工中的体积 , 致使 砂浆对 Si 材料的切割效率大大降低 。2 多线切割中砂浆作用研究基于构成砂浆悬浮液中对 Si 片切割效 率影响因素的分析 , 为了提高太阳电池用 Si 片切割效率 ,减小切割损伤 , 需要选择合适的砂浆悬浮液 。 在晶片切割过程中 , 切割钢线和被切割材料之间填充着砂浆 , 图 3 所示为晶体在切割过程中的砂浆状态 。图 3 晶体切削中的砂浆状态Fig. 3 Slurry stateduring cutting silicon ingot由图 3 可知 , 切削液在此空间会形成一个液层 。液 膜厚度随着切割区长度 、 切割线速度 、 砂浆黏度和切割钢线直径的增加而增大 , 又随着切割钢线转角和切割张力的增加而减小 , 而砂浆流体动压力随着切割线速度 、 切割钢线转角及切割张力的增加而增大 , 随着切割区长度和切割钢线直径的增加而减小 [ 7] 。 研究表明 , Si 片在进行切割时使用具备高悬浮 、 高润滑 、 高黏滞 、 高冷却性能的砂浆悬浮液可以有效降低切割应力 , 减小切割损伤层 [ 8- 9] 。 而且 ,在切割过程中 , 由于砂浆在通过切割区时 , 需要在一定的接触压力下不断对接触工件进行切削与摩擦 ,切口位置磨粒 、 切割线与被切材料的温度均会增加 ,从而使砂浆温度升高 , 而砂浆温度升高会降低砂浆的黏度 , 从而降低砂浆的黏附力 , 砂浆的挂线能力也相应降低 , 从而降低了切割效率 。 因此 , 切割过程中还必须将砂浆温度控制在合适的范围内 。根据研究结果和太阳能 Si 片切割工艺 , 选择不同的砂浆悬浮液进行切割试验 , 采用多线切割机对 125 mm × 125 mm× 300 mm的单晶 Si 锭进行切割试验 , 主要切割工艺参数及砂浆情况设置如表 1 。表 1 工艺试验数据Tab. 1 Technicsexperimentationdata名称 第一组 第二组材料进给速度 / ( mm· min - 1) 0. 30 0. 25切割线线速度 / ( m· min - 1) 560 600片厚设置 / μ m 200 190SiC 磨粒 / # 1 500 2 000砂浆质量比 / ( kg· L- 1) 1. 604 1. 648砂浆流量 / ( L· min - 1) 100 100砂浆温度 / ℃ 24± 0. 5 24. 8± 0. 5切割线径选择 Υ 0. 12 mm 钢线 , 第一组切割方式设置为往复切割方式 , 采用片厚为 200 μ m的轴棍切割 。 第二组切割方式设置为单向切割方式 , 采用片厚为 180 μ m 的轴辊切割 , 切割 后的 Si 片厚度检测数据如表 2 所示 。表 2 切割 Si 片厚度数据Tab. 2 Cutting wafer thicknessdata片数 第一组厚度 / μ m1 210 208 217 211 213 208 204 2082 212 215 210 206 202 206 211 2133 215 211 208 209 214 209 212 209第二组厚度 / μ m1 190 183 176 189 190 185 180 1752 181 179 175 178 190 178 176 1803 182 180 178 175 189 190 190 188切割后的 Si 片在进 行表面 质量 检测时 发现 ,使用 1500# 磨粒的砂 浆 , Si 片表面粗 糙度比使用2000# 磨粒 的砂浆要低 。 对 Si 片表面 的切割线痕进行检测 , 使用 1500 # 磨粒的砂浆四 角位置线痕贺敬良 等 : 太阳电池用 Si 片切割过程中浆料作用研究978 半导体技术第 35 卷第 10 期 2010年 10 月明显 , 检测数据如表 3 。表 3 Si 片表面切割线痕检测数据Tab. 3 Wafersurfacecutting striainspect data参数 1 2 3距离 / mm 0. 305 0. 299 0. 299宽度 / mm 0. 05 0. 048 0. 048通过对 Si 片切割线痕进行分析发现 , 砂浆磨粒不同可能是产生 线痕的一个因 素 , 但由于 采用2000 # 磨粒的砂浆为单向切割方式 , 实际检测无线痕 , 所以往复切割是产生线痕的最主要原因 。 再次更改为单向切割方式并采用 1500# 砂浆和相同的工艺参数切割 Si 片进行检测 , 发现线痕已不明显 ,由此得出 , 切割方式会对 Si 片表面线痕产生影响 。在监测材料切割入口和出口温度时发现 , 使用新砂浆切割时 , 入口温度 平均约为 24 ℃, 而出口温度要高于入口温度 2 ℃ 左右 。 在后续切割中不更换砂浆 , 砂浆温度会上升 , 切割能力会有所下降 ,在补充部分新砂浆后 , 切口温度有所下降 。 同时发现 , 在切割两根 125 mm× 125 mm × 300 mm单晶时 ,第二根材料的砂浆流量供给不足时 , 材料温度会快速上 升 到 50 ℃ 以 上 , 砂 浆 出 口 温 度 会 上 升 到30. 6 ℃ 左右 , 并极 易断线 。 同时 , 砂 浆流量要 随Si 片外形的变化进行实时调整 , 避免在切至根部时Si 片被砂浆冲掉 。 研究表明 , 通过改变砂浆喷嘴与线锯之间的角度 , 可以形成两种不同的砂浆供给方式 , 即形成水平薄膜层与未形成水平薄膜层 。 Si 片的切割质量与切割过程中线锯 所携带的砂浆 量有关 , 携带的砂浆量越多 , 切割质量越好 。 在形成水平薄膜层情况下 , 线锯的砂浆携带量要远大于未形成水平薄膜层的携带量 , 所以有水平薄膜层情况下的切割质量要比未形成水平薄膜层的要好 [ 10] 。 在监测切割区切割线的变化时还发现 , 随着砂浆磨损和切割量的增加 , 切割线弯曲度增大 , 说明切割难度增加 。 通过砂浆密度的变化还发现 , 随着切割的进 行 , 砂浆密度也在变化 , 呈现上升趋势 , 而砂浆黏度 的变化同砂浆密度变化 趋势相同 。3 结语由上述 Si 片检测数据和切割试验分析可看出 ,砂浆的切削能力随着所切 Si 材料数目的增加而下降 , Si 片表面 质量则随着磨粒 粒径变小而有 所提高 。 随着切割材料数量的增加 , 砂浆状态的变化使得 Si 片切割效果变差 , 切割效率降低 , 改 变参数进行多次切割试验后 , 得出以下结论 : 选择高磨粒的砂浆并采用单向切割方式可获得高质量的表面质量 。 在 Si 片切割过程中砂浆的性能变化对于设备切割效果及 Si 片参数影响显著 , 必须每次对砂浆悬浮液进行更新 , 并去除部分砂浆磨粒 , 以保持砂浆磨粒整体的切削能力 , 避免砂浆温度上升对切割Si 片表面质量的影响 。 砂浆流量必须随 Si 片外形的变化进行调整 , 防止 Si 片在切割至根部时砂浆流量过大而冲击损坏 Si 片 。 切割过程中应实时监测温度和密度的变化 , 并根据变化对切割工艺参数进行调整 , 保持切削液的黏性 、 渗透作用达到最佳状态 , 避免对切割 Si 片表面质量产生影响 。参考文献 :[ 1] HAHN P O. 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