硅片(多晶硅)切割工艺及流程毕业设计论文

Xinyu College 毕业设计（论文）题 目 硅片（多晶硅）切割工艺及流程所 属 系 太阳能科学与工程系专 业 光伏材料加工与应用技术硅片（多晶硅）切割工艺及流程I 硅片（多晶硅）切割工艺及流程摘要随着能源短缺和环境污染等问题的日益加剧， 利用可再生、 无污染的能源已成为现代社会的一个趋势， 太阳能的开发与利用越来越被人们所重视。 未来太阳的大规模应用主要是用来发电，目前实用太阳能发电方式主要为“ 光 — 电转换” 。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。太阳能电池是由太阳能电池硅片组件组成 的一个系统。硅片的质量直接影响了太阳电池的光电转换效率。本文介绍了光伏产业的发展现状及趋势，对多线切割、 硅片切割机的工作原理及结构进行了大概的介绍，详细阐述了硅片切割工艺及流程，并对切片切割操作中遇到的问题及解决方案作了详尽的论述。关键词：多线切割；硅片（多晶硅）切割工艺及流程II wafer(polycrystalline) cutting technology and flow Abstract As the shortage of energy and the pollution of environment, it is a trend use renewable and non-pollution energy nowadays, the development and use of solar energy is becoming more valued by people .A scale use of the sunshine is main use to generate electricity 。 Nowadays the main way to use solar to generate electricity is translate light to electricity . Its basic principle is use photovoltaic effect to solar radiation energy to electric immediate. Its foundation appliance is solar cell. Solar cell is a system make of silicon wafers. The quality of silicon wafer influences the photoelectric conversion efficiency of solar immediate. This passage introduced the current situation and trend of Photovoltaic Industry. We have a general introduce of multiwire cutting , the operating principle and the structure of silicon wafer slitter. Also it included the expound silicon wafer cutting and technological process in detail. At last, we have a detail expound of the problems and solve project while cutting silicon wafers and solve project. . Keywords: multiwire cutting ;硅片（多晶硅）切割工艺及流程目 录摘要 . IABSTRACT . II第 1 章 光伏产业的发展现状及趋势 . 21 .1 国际光伏产业的现状 . 11 .2 国内光伏产业的现状 . 错 误！未定义书签。1 .3 未来的发展趋势及展望 .1第 2 章 多线切割 . 错 误！未定义书签。2 .1 多线切割技术的发展历史 . 错 误！未定义书签。2 .2 多线切割机的基本介绍 . 错 误！未定义书签。2.3 中国太阳能硅片线切割设备国产化的现状和趋势 3第 3 章 硅片切割机的工作原理及结构 . 错 误！未定义书签。3 .1 基本结构 . 错 误！未定义书签。3 .2 工作原理 . 错 误！未定义书签。第 4 章 硅片切割工艺及流程 . 错 误！未定义书签。4 .1 切割工艺 . 错 误！未定义书签。4.1.1 主要参数 11 4.1.2 切割液的 (PEG)粘度 11 4.1.3 碳化硅微粉的粒型及粒度 12 4.1.4 砂浆的粘度 124.1.5 砂浆的流量 12 4.1.6 钢线的速度 12 4.1.7 钢线的张力 12 4.1.8 工件的进给速度 12 4 .2 主要操作流程 . 错 误！未定义书签。4.2.1HCTB6 切片机开机准备 10 4.2.2 切割准备 10 4.2.3 取片 10 4.2.4 安装放线轮 104.2.5 布线网 10 硅片（多晶硅）切割工艺及流程4.2.6选取硅块4.2.5 装硅块、切片 10 第 5 章 切片切割操作中遇到的问题及解决方案 . 错 误！未定义书签。5 .1 跳线的产生 错 误！未定义书签。5 .2 断线的原因分析及解决 错 误！未定义书签。5 .3 线痕的产生 错 误！未定义书签。5 .4 切片操作过程中的注意事项 错 误！未定义书签。结 论 . 错 误！未定义书签。参考文献 . 28致 谢 . 29附 录 . 错 误！未定义书签。第 1 章 光伏产业的发展现状及趋势1． 1 国际光伏产业现状全球太阳能光伏产业发展现状CSIA最新研究报告称，目前太阳能电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和薄膜电池三种。单晶硅电池技术成熟，光电转换效率高，但其生产成本较高， 技术要求高； 多晶硅电池成本相对较低， 技术成熟，但光电转换效率相对较低；而薄膜电池成本低，发光效率高，但目前其在技术稳定性和规模生产上均存在一定的困难。随着技术的进步，未来薄膜电池会有更好的发展前景。图 1 2009 年全球太阳能电池市场产品结构（按销售量）在各国政府的大力支持下，太阳能光伏产业得到了快速的发展。 2006 年至 2009 年， 太阳能光伏电池产量的年均增长率为 60%。 由于受到2008 年金融危机的影响， 2009 年前两个季度光伏电池产量的增长速度有所放缓，但随着 2009 年下半年市场需求的复苏， 2009 年全年的太阳能电池产量达到了 10431MW，比 2008 年增长 42.5%。图 222006— 2009 年全球太阳能电池产量目前太阳能光伏发电的成本大约是燃煤成本的 11— 18 倍，因此目前各国光伏产业的发展大多依赖政府的补贴， 政府的补贴规模决定着本国的光伏产业的发展规模。目前在政府的补贴力度上，以德国、西班牙、法国、美国、日本等发达国家的支持力度最大。 2008 年，西班牙推出了优厚的光伏产业补贴政策， 使其国内光伏产业出现了爆发式发展的态势，一度占据了世界光伏电池产量的三分之一强。 2009 年德国光伏组件安装量高达 3200MW，占全球总安装量的 50.4%。2.2 国内光伏产业现状一、我国太阳能光伏产业基本情况1、太阳能制造大国中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于 20 世纪70 年代起步， 90 年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过 30 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。到 2008 年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到 140MW，从事光伏组件生产的企业近 400家。而 2008 年我国的光伏产能首次超过德国， 位居世界第一。 2008 年全世界太阳能电池总产量达 6850MW，我国太阳能电池总产量达 1780MW，占全球总量的 26%。其中，国内太阳能电池龙头厂无锡尚德 2008 年产量约为 500MW，排名全球第三，而天威英利产出 281.5MW，天合光能产出约 200MW。而从市场占有率来看，中国太阳能电池厂商（包括台湾省）的市场占有率逐年提升，2007 年中国太阳能电池厂商市场占有率由 2006 年的 20%提升至 35%，2008 年则更进一步，大幅提升至 44%，连续两年成为世界第一。 2008年台湾茂迪光伏电池产量在 270~280MWp之间。从企业发展看， 目前全国涉及太阳能的生产企业已达 3000 多家，有 500 多家光伏企业和研发单位，其中多晶硅材料企业近 20 家，从业人员超过 10 万人。我国已有 11 家境外上市和 12 家国内上市光伏企业。而在光伏设备领域， 2008 年我国太阳能电池设备总销售额达17.66 亿元，增长迅速。其中，太阳能级硅单晶生长和加工设备销售额达 12.26 亿元，占太阳能电池设备销售收入的 69.4%；太阳能电池芯片制造设备销售额为 5.4 亿元。2、产业呈区域式竞争格局目前，我国光伏产业经过爆炸式发展，产业规模不断扩大，已初步形成环渤海、长三角、珠三角、中部地区和西部地区五大板块。长三角以江苏为产业增长极， 主打中下游的光伏电池及组件生产， 产业规模占全国一半；环渤海以河北为核心，主打上游材料生产加工，产业规模居第二，主要聚集区为邢台宁晋、保定和廊坊；珠三角以深圳为核心， 主打下游应用产品生产； 中部地区主要是江西、 湖北、 湖南；西部地区主要是四川、内蒙古、青海、陕西等省，重点利用、矿产等优势，主打上游多晶硅原料生产，可提供全国 10%的原料。总体上看， 我国光伏产业正处在产业重组和战略布局阶段， 目前国内有 28 个省市都把光伏产业作为新的主导产业和产业结构调整的重点，面临着巨大的产业整合压力。从我国光伏产业聚集格局变化趋势看，环渤海、长三角、珠三角和中西部地区已形成了多个覆盖光伏产业链的制造企业集群， 未来将有可能逐步形成五大光伏产业集聚地。而在各省市当中， 2008 年江苏省太阳能电池产量占全国总产量的份额高达 70%，成为名副其实的太阳能第一大省。截止 2008 年，江苏省已经有无锡尚德、 常州天合、 南京中电等 6 家海外上市光伏企业，其中， 5 家进入世界前 20 强，另外还有 280 多家为光伏上市企业、 骨干企业进行配套的特色企业， 已经形成了完整的光伏产业链条。二、我国太阳能光伏产业存在的问题1、产业结构畸形：两头在外尽管过去几年， 我国太阳能光伏产业发展迅速， 但是仍然没有改变 “两头在外” 的畸形产业机构。 2008 年我国光伏系统安装量为 40MW，占全球总安装量的比例仅为 0.73%。而在 2007 年我国光伏系统安装量为 20MW， 占全球总安装量的比例为 0.8%。 而传统光伏大国德国 2008年的光伏系统安装量 1500MW，占全球总安装量的比例达到 27.27%；欧洲另一光伏大国西班牙的安装量则达到 2511MW，占全球总安装量的比例则高达 45.65%。与我国光伏系统安装量极少相对应的是， 近年来我国光伏产品的产量已经稳居世界头把交椅。据中投顾问最新发布的《 2009-2012 年中国太阳能电池行业投资分析及前景预测报告》显示， 2008 年我国光伏电池产量达 1.78GW，占全球总量的 26%。而从市场占有率来看，中国太阳能电池厂商 ( 包括台湾省 ) 的市场占有率逐年提升， 2007 年中国太阳能电池厂商市场占有率由 2006 年的 20%提升至 35%， 2008年则更进一步，大幅提升至 44%，连续两年成为世界第一。终端市场在外且主要其中在欧洲， 已经使得我国光伏制造厂商在金融危机中遭遇到了极大地打击。与终端市场相对应的是， 上游的多晶硅产业的提纯核心技术主要掌握在国外七大厂商手中，包括美国的 Hemlock，挪威的 REC、美国的 MEMC、日本的 Tokuyama、 Mitsubishi Material 和 Sumitomo Titanium 。 他们垄断了全球的多晶硅料供应， 获得了太阳能产业最丰厚的利润。2、暴利不再难阻多晶硅投资狂潮2006 年以来我国多晶硅项目累计投资已达 440 亿元，而且这种趋势还有愈演愈烈的倾向。 国内两大光伏龙头企业天威保变、 江西赛维累计 8000 吨的多晶硅项目正在建设。从 2006 年下半年开始，多晶硅概念在国内逐渐升温，许多上市企业纷纷涉足其中。 A股中投资多晶硅的企业包括南玻 A、 川投能源、天威保变、特变电工、江苏阳光、乐山电力、岷江水电、通威股份、航天机电、桂东电力、银星能源等十余家。 2008 年虽然遭遇经济危机，但很多企业仍然逆市扩产。 2008 年 11 月底，江苏顺大一期 1500吨多晶硅项目正式投产； 12 月底江苏阳光一期 1500 吨项目、南玻A1500吨生产线分别投产； 2009 年 1 月亚洲硅业 1500 吨生产线举行投产仪式； 2009 年 4 月江苏中能 13500 吨产能将全部投产。另外，目前我国在建项目多晶硅项目总数逾 20 个，总投资额逾700 亿。 其中， 在建最大的项目为南京大陆投资集团、 美国 PPP、 SCC、西图等公司共同投资建设托克托县多晶硅项目， 总投资 180 亿元， 建设规模为年产多晶硅 18000 吨。而云南爱硅信科技有限公司总规划10000 吨 / 年多晶硅项目，总投资也逾 100 亿元。最新开工的项目则由山东晟朗能源科技有限公司 2009 年 4 月 18 日投资兴建， 首期投资11 亿，总投资达 90 亿。在国内企业不断掀起的多晶硅投资热潮中， 2009 年国际多晶硅远期合同加权平均价格比 2008 年下跌 30%至 107 美元 / 公斤，现货价格则在 2009 年 5 月已跌至 60-70 美元 / 公斤。 国内的多晶硅成本普遍在每公斤 50 美元至 70 美元， 个别没有闭环式生产的公司， 成本高达每公斤 100 美元。 这也就意味着， 国内多晶硅企业的利润已经相当微薄，甚至出现亏损经营的状况。3、原料产地对多晶硅价格没有发言权长期以来，多晶硅产业的“弱势”始终困扰着我国光伏产业，最大的原因就是无法突破国际大厂的技术壁垒而导致成本高企。 但是国内多晶硅产业并非没有优势， 这种优势就在于多晶硅上游原料冶金硅80%的主要产地来自于我国。中投顾问最新发布的《 2009-2012 年中国金属硅市场投资分析及前景预测报告》显示，我国是全球主要的金属硅产地， 2007 年中国金属硅总产量为 95-100 万吨，而 2006 年中国金属硅总产量为 75-80万吨。进入 21 世纪以来，中国的工业硅生产和出口一直保持着较快的增长速度。 2001 年中国出口工业硅 32.24 万吨， 2002 年为 38.74万吨， 2003 年达到 47.90 万吨， 2004 年突破 50 万吨，达到 54.51 万吨， 2005 年与 2004 年基本持平， 为 53.61 万吨。 但 2006 年达到 61.4万吨， 比 2005 年增长了 14.6%； 2007 年上半年又比 2006 年同期增长了 16.3%， 2007 年全年出口工业硅达到 69.8 万吨， 比 2006 年增长了13.8%。 2008 年 1-3 月份中国金属硅生产量在 200000-250000 吨左右，国内消费量在 35000-85000 吨左右，其余全部出口。我国多晶硅产业同样拥有巨大的资源优势， 但不但没有把优势转化为胜势， 反而完全受制于国际大厂。 根本原因在于没有形成类似于铁矿石领域的“三巨头”那样的规模化优势，而是一些中小企业各自为战，且存在恶性竞争。4、政策拉动效应有限到目前为止，国内甚至全球光伏产业都还是明显的“政策市”阶段，，从国外光伏产业的发展经验来看，在政府出台相关财政补贴或电价上网政策后，行业基本都出现了爆发性的增长，比如德国、西班牙等。2004 年德国政府启动上网电价法，即著名的 EEG法案，导致德国光伏安装量激增， 最初的上网电价为 3 倍的零售电价或者 8 倍的工业电价。光伏系统在安装后的 20 年内固定价格，但推迟一年，固定价格下调一定的比率。德国现行的太阳能补助案是在 2008 年由该国下议院正式宣读后定案。目前的太阳能年度收购电价税率 (Feed-in Tariffs) 由 2008 年以前年降幅 5%，改成 2009、 2010 年降 8%、 2011年降 9%； 地面装配系统 (Ground- mounted system) 从 2008 年降 6.5%，改成 2009~2010年降 10%。新法规已在 2009 年 1 月 1 日生效。2004 年西班牙开始实施“皇家太阳能计划”。 2006 年进行了修改，该计划提出了购电补偿法，对发电量小于 100kWp（千瓦能）的光伏系统，实行按 0.44EUD/kWh的价格（为平均电价的 5.75 倍），有效期为 25 年， 25 年后购电价格变为平均电价的 4.6 倍。对大于100kWp的光伏发电系统，则采用 0.23EU/kWh的价格（平均电价的 3倍）。以上政策对于德国、 西班牙的光伏产业发展起到了至关重要的作用。而我国在 2007 年以前光伏产业的政策基本上是空白一片。 2007年《可再生能源中长期发展规划》的出台作用也是相当有限。进入 2009 年之后， 我国政府相继出台了 “太阳能屋顶计划” 、 “金太阳工程”等政策，但中投顾问能源行业首席研究员姜谦认为，姜谦指出，光伏产业要正常发展，最重要的还是解决上网电价的问题。也就是说， 发出来的电电网公司有积极性去购买， 终端用户乐意去用才是最关键的因素。德国、西班牙等国的财政补贴正是从此处下手，才使得光伏行业出现了爆发性的增长。而我国三部门此次联合颁发的“金太阳工程”，补贴的重点则是集中在安装侧，并未解决上网电价这一实质性问题。仅从这一层面上看， “金太阳工程”开启光伏产业井喷时代就难言乐观。3.3 未来的发展趋势及展望1、 我国光伏产业吸引世界目光伴随着太阳能投资热潮在中国的兴起， 中国的太阳能产业已经成为全球瞩目的焦点。著名投资银行拉扎德资本预计， 2011 年前中国太阳能产业规模能达到 1-1.5GW。 2012 年前该行业规模将达到 2GW，2020 年前则会达到 20GW。另外，预计我国太阳能光伏行业有望吸引逾 100 亿美元的私人投资， 并有助中国未来三年成为全球主要的太阳能设备市场。姜谦认为， 虽然到目前为止全球太阳能产业的终端市场仍然集中在欧洲， 但随着金融危机后各国太阳能政策的转变， 中国等新兴市场有望取代西班牙、德国成为全球太阳能产业的主要增长点。2009 年 6 月 24 日浙江温州大展国际贸易有限公司“牵手”沙特阿拉伯巴格山集团， 巴格山将以资金入股在温州投资太阳能项目， 该项目总投资 5.3 亿元。 6 月 22 日江苏响水县与美国新能源技术公司签订太阳能光伏产业基地项目协议书。该项目一年内建成一条生产线，年产 1000 吨多晶硅，三年内建成 7 条生产线，年产 7000 吨多晶硅， 总投资约 50 亿元， 六年内投资完成光伏产业基地， 将发展成 “多晶硅—硅锭—硅片—光伏电池—组件”完整的太阳能光伏产业链。 6月 16 日四川甘孜州政府与西班牙维拉米尔集团在西班牙正式签订协议，总投资 8.2 亿欧元的硅产业合作项目落户康定。姜谦指出， 短短几天之内， 多家国际企业纷纷选择投资光伏产业，这并非偶然。 说明在我国政府强有力的政策引导下， 我国的光伏产业不仅让国内企业看到了机遇， 而且可以毫不夸张地说， 中国的太阳能光伏产业已经吸引了世界的目光。 姜谦同时认为， 以上国际企业的入主应该只是一个开端， 未来应该会有更多的海外资本选择涉足中国太阳能光伏产业。 这不管是对国内光伏产业来说， 还是对我国的整个能源产业来说，都是一个巨大的机遇。虽然说我国光伏产业的前景一片广阔， 但是发展历程并不会一帆风顺。 一个新兴产业的快速发展， 前提必须是涉及产业链上中下游的相关行业同步发展。 而这种发展已不仅仅是简单的产能获得提升， 更重要的是在掌握核心技术前提下的国际竞争力的提升。 如果说先前的终端市场集中在海外是国内光伏制造企业发展的最大瓶颈的话， 那么后金融危机时代， 内需市场逐步开启的情况下， 国内企业却将面临因成本高企而导致产品缺乏竞争力的尴尬。 若国内厂商不尽快在技术领域寻求突破，那么，未来受影响的将不止单个企业的利益，整个国内光伏产业的发展或许都会受到国际巨头的牵制。第二章 硅片（多线）切割机2.1 多线切割技术的发展历史人类历史上的线切割历史：公元前 2000 年：古埃及人用混合了水和沙的绳子切割石头公元 19 世纪：意大利人用缆绳切割大理石公元 20 世纪 20 年代：第一次有人申请了用绳切割约一英寸厚的大尺寸大理石片的专利公元 20 世纪 60 年代：第一次出现用线的往复运动来切割水晶片公元 20 世纪 70 年代：利用线的往复运动来切割 1-2 英寸的硅片在上世纪 80 年代以前， 人们在切割超硬材料的时候一般采用涂有金刚石粉的内圆切割机进行切割。 然而随着半导体行业的飞速发展， 人们对已有的生产效率难以满足， 同时由于内圆切割的材料损失非常大， 在半导体行业成本的摩尔定律作用下， 人们对于降低切割成本、提高效率的要求越来越高。多线切割技术因此而逐步发展起来。2.2 硅片（多线）切割机的基本介绍多线切割机多线切割是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入半导体加工区域进行研磨，将半导体等硬脆材料一次同时切割为数百片薄片的一种新型切割加工方法。数控多线切割机已逐渐取代了传统的内圆切割，成为硅片切割加工的主要方式。基于高精度高速低耗切割控制关键技术研发的高精度数控多线高速切割机床，可全面实现对半导体材料及各种硬脆材料的高精度、高速度、低损耗切割，填补了国内空白；成果具有多项自主知识产权，整体技术达到国际先进水平，其中切割线的张力控制技术、收放线电机和主电机的同步技术居于国际领先水平。硅片是半导体和光伏领域的主要生产材料。硅片多线切割技术是目前世界上比较先进的硅片加工技术，它不同于传统的刀锯片、砂轮片等切割方式，也不同于先进的激光切割和内圆切割，它的原理是通过一根高速运动的钢线带动附着在钢丝上的切割刃料对硅棒进行摩擦，从而达到切割效果。在整个过程中，钢线通过十几个导线轮的引导，在主线辊上形成一张线网，而待加工工件通过工作台的下降实现工件的进给。2.3 中国太阳能硅片线切割设备国产化的现状和趋势1.0 多线切割设备的国产化道路充满了坎坷多线切割设备为国际 3 大厂统治目前全球的多线切割设备主要为瑞士的 HCT、 Meyer Burger( 梅耶博格 ) 和日本的 NTC所统治。瑞士的 HCT、梅耶博格最早在上世纪80 年代就推出了线切割机，主要为半导体行业所用。在国内光伏行业切片领域， 到 2009 年底国际上影响力最大的三家设备供应商在中国市场产能中差不多是三分天下， NTC的份额稍微高一点。 下图是国内线切割设备数量的一个变化趋势图。 其他包括国内品牌和国外进口的其他小品牌。HCT简介：HCT 在 1983 年推出第一台线切割机后 14 年里才累计卖出了100 台设备，在随后的 6 年里又累计卖出了 150 台。太阳能光伏市场在 2003 年启动以后， HCT针对市场需要在 2005 年推出了世界上最大的太阳能硅片线切割机 B5。而 HCT在 2006 年里一年的销售量就突破了 100 台。 HCT在 2007 年被美国的应用材料收购。HCT在 2000 年进入中国市场，主要的客户来自半导体行业的包括北京有研、济宁港湾、宁波晶元等。 HCT在太阳能行业应用的主流机型是 B5，双工作台 4 个导轮满载可以一次切割硅棒长达到 2 米，非常适合大规模生产。国内主要用户包括 LDK、保定英利、成都天威新能源、浙江昱辉、江阴海润等公司。针对市场新的需求和变化，在 2009 年推出了新机型 MaxEdge B6，主要特点是将原有的一个线网拆分为 2 个独立控制的线网， 这样有助于