太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割表面完整性研究

第 52 卷第 11 期20 1 6 年 6 月机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.11 Jun. 20 1 6DOI ： 10.3901/JME.2016.11.201 太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割 表面完整性研究 *鲍官培 1 周翟和 2 章 恺 1 张 霞 1 赵明才 1 汪 炜 1(1. 南京航空航天大学机电学院 南京 210016 ；2. 南京航空航天大学自动化学院 南京 210016) 摘要： 游离磨料多线切割是目前加工太阳能硅片的主要方法。然而，该方法切痕较深，损伤层较厚，进一步增大硅片尺寸、减小硅片厚度难度很大。游离磨料电解磨削多线切割，复合了机械磨削和电化学加工方法，通过在加工过程中给硅锭和切割线施加电场产生阳极钝化或腐蚀，可以有效降低切割负载，提高切割效率，改善硅片的表面质量。以 156 mm× 56 mm(8 寸 )、电阻率 (1～ 3 ? · cm)P型多晶硅片切割为例，初步试验结果表明，采用相同的切割参数和原材料，相对于游离磨料多线切割，电解磨削多线切割硅片的弯曲度降低了 3 μ m，分布区间集中在 0～ 9 μ m 之间；采用 20%的 NaOH 溶液腐蚀硅片，表面的隐裂和深沟槽较少出现，说明硅片的表面损伤程度减轻，有利于减少后续制绒减薄量。该方法和现有游离或固结磨料多线切割技术兼容性好，设备改造成本低，工程应用前景十分广阔。关键词： 太阳能硅片；游离磨料；多线切割；电解磨削；表面完整性中图分类号： TN305； TH662 Study on Surface Integrity of Solar Cell Wafers by Using Free Abrasive Electrochemical Multi-wire Sawing MethodBAO Guanpei1 ZHOU Zhaihe2 ZHANG Kai1 ZHANG Xia1 ZHAO Mingcai1 WANG Wei1(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 ；2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016) Abstract ： Currently, free abrasive multi-wire sawing (FAMS) is adopted as the primary wafering technique in China. However, its main drawbacks are generating deep saw marks and thick damage layer as well, which cannot meet the further demand of large scale and ultra thin wafers. Free abrasive electrochemical multi-wire sawing (FAEMS) is a new grinding method of which combines with electrochemical machining, i.e., the silicon ingot and the cutting wire are served as anode and cathode, respectively, and the anodic passivation (or erosion) on silicon can be controlled by applying an anodic potential during the mechanical sawing process. Hereby, cutting load can be effectively reduced. And cutting efficiency as well as surface quality of wafers will be significantly improved. In this work, 156 mm × 156 mm (8″ ) p-type (boron-doped) polycrystalline silicon ingots with a resistivity of 1-3 ? · cm are selected as raw materials, and in order to explore the difference of surface integrity between FAMS and FAEMS methods, all machining parameters are fixed with no change. The experimental results show that the profile bending rate (BOW) of FAEMS is 3 μ m lower than that of FAMS, and is quite centered on narrow size distribution ranging from 0 to 9 μ m. Further, hidden cracks and deep grooves on the sub-surface of FAEMS wafer are relatively rare to be observed after being etched by 20% NaOH solution, which indicates that surface damage is less than that of FAMS, and the thickness reduction of wafer for subsequent texturing process will be thinner too. For free abrasive and fixed abrasive multi-wire sawing techniques, this new method is totally compatible to be adopted with low cost of equipment improvement, which has a bright future for industry applications. Key words ： solar wafer； free abrasive multi-wire sawing ； hybrid electrochemical machining ； surface integrity 0 前言 *随着能源危机和环境问题的日益严峻，太阳能* 国家自然科学基金资助项目 (51175259)。 20150602 收到初稿， 20160108收到修改稿电池的开发和利用越来越受到世界各国的重视。硅片是制造晶硅太阳能电池的核心材料，其品质的高低直接影响到后续电池片的制造成本以及光电转换效率 [1]。硅片的表面完整性是衡量硅片品质的一个重要参数，表 1 所示为当前主流的多晶硅片关于表面完整性的技术指标，其中包括厚度、总厚度偏差(Total thickness variation, TTV) 、弯曲度 Bow 等。机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 11 期 期202 表 1 多晶硅片表面完整性技术指标多晶硅片厚度 /μ m 180± 20 总厚度偏差 TTV/ μ m ≤ 30 翘曲度 Warp/μ m ≤ 40 切痕 /μ m ≤ 15 表面金属杂质含量 / × 10- 9 ≤ 70 未来太阳能电池，尤其是高效太阳能电池对硅片的表面完整性要求越来越高，更高的尺寸精度和更好的表面质量将是未来太阳能硅片的发展趋势。近几十年来，国内外的专家学者一直对硅片的制造方法和工艺不断研究和改进，硅片品质不断提高。硅片加工方法主要有：内圆切割、外圆切割、电火花线切割、多线切割 [2] 。内圆切割和外圆切割是早期加工硅片的方法，由于切缝损耗大、表面损伤层厚以及难以进行大直径硅片加工等原因，该方法在硅片规模化生产中已经很少使用，逐渐被多线切割所取代 [3-4] 。 电火花线切割加工由于热影响区较大，且电极丝承受电流能力有限，无法一次切割多片硅片，该方法也未广泛推广应用 [5]。游离磨料多线切割 (Free abrasive multi-wire sawing ， FAMS) 因为切缝损失小、切割尺寸大、切割效率高、表面完整性好等特点 [6-7] ， 在国内外太阳能电池的硅片制造行业中得到广泛应用。表 2 是各种加工方法对硅片表面完整性的影响对比。表 2 各种加工方法的硅片表面完整性比较外圆切割 内圆切割 电火花 多线切割切割原理 金刚石磨削 金刚石磨削 火花放电 磨料研磨表面织构 剥落、 破碎 剥落、破碎 放电凹坑 切痕损伤层厚度 35 ～ 50 μ m 35 ～ 40 μ m 15 ～ 25 μ m 5 ～ 15 μ m硅片翘曲 严重 严重 轻微 轻微热影响区 小 小 大 小从表 2 中可以看出，外圆切割和内圆切割的硅片翘曲严重，损伤层较厚；电火花线切割硅片的热影响区大，表面有较多放电凹坑；多线切割的硅片表面质量相比于其他几种加工方法表面损伤层小，完整性好，但仍有一定的损伤层需要后续抛光处理。太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割 (Free abrasive electrochemical multi-wire sawing ， FAEMS)是在机械磨削的基础上复合了电化学作用，能够显著降低宏观切削力，减少硅片表面损伤层，有利于实现大尺寸超薄硅片加工 [8-9] 。 本文将从材料去除机理和试验验证上，介绍游离磨料电解磨削多线切割方法在加工尺寸精度和表面质量等方面的优势和取得的一些研究进展。1 试验方法及系统游离磨料多线切割 (FAMS) 属于“三体”加工，在切割过程中 SiC 磨粒的微观切削运动是一个滚动、嵌入过程 [10]。切割线施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，形 成 剥 落 片 屑 和 表 面 裂 纹 ， 实 现 宏 观 的 切 割作用。游离磨料电解磨削多线切割 (FAEMS) 是在现有游离磨料多线切割的基础上，在硅锭与切割线间加上连续或脉冲电源，利用切削液的弱导电性产生微区钝化或腐蚀， 在机械磨削的同时复合电化学腐蚀，图 1a为其加工原理图，图 1b 为试验系统原理图。图 1 FAEMS 原理图游离磨料电解磨削多线切割属于复合加工方法，该方法以机械磨削为主，电化学作用为辅。其中，电化学作用有利于机械切削力的减小，切割产物兼具磨料作用，可以降低断丝几率，提高硅片切割效率；机械磨削作用有利于电化学钝化 (或腐蚀 )的持续进行， 硅片机械损伤层更薄， 表面完整性好，减少了后续减薄量，提高了材料利用率。切割过程中，硅锭和切割线分别连接到电源的正极和负极，构成电化学反应的阳极和阴极，产生微弱的电化学反应，在硅锭的表面形成钝化膜。钝化膜不断被快速移动的切割线夹带的磨料刮除；露出新鲜表面后，继续发生电化学作用，材料去除过程不断重复。钝化膜是在阳极电场的作用下，硅基体材料和切削液中存在的氧元素发生阳极氧化反应月 2016 年 6 月 鲍官培等：太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割表面完整性研究 203 形成的， 主要成分是硅的氧化物。 其结构疏松多孔，相比于新裸露的硅基体硬度较低，易于切割，降低了宏观切削力， 磨削加工更易进行， 残余应力更小。为开展表面完整性研究，选择日本 NTC 公司的 MWM442DM 切割设备切割多晶硅锭， 进行相关试验。试验时电源正极采用专用进电方法连接到硅锭，负极通过碳刷或专用进电工具连接到切割线。在开展对比试验时，游离磨料电解磨削多线切割的各项工艺参数与游离磨料多线切割保持一致，表 3为具体工艺试验参数。表 3 试验工艺参数类别 试验参数机型 NTC 442 晶体类型 多晶电阻率 /(? · cm) 1 ～ 3 硅片尺寸 156 mm× 156 mm 切削液 PEG 磨料 SiC 磨料型号 2000# 线径 /μ m 115 台速 /(μ m/min) 300 线速 /( m/min) 520 槽距 /μ m 315 外加电压 / V 40 2 结果与分析表面完整性是从加工表面的几何纹理状态和表面受扰材料区的物理、化学、力学性能变化等方面来评价和控制加工质量。太阳能硅片的表面完整性评价指标主要包括加工精度、硅片表面质量以及亚表面质量等方面，其表面完整性的高低与后续的电池制造成本和电池片光电转换效率直接相关 [11-12] 。2.1 加工精度统计与分析游离磨料电解磨削多线切割和游离磨料多线切割对比试验于 NTC 442 机型上开展， 试验所用的砂浆和切割线均为同一型号同一批次，硅锭选自同一大硅锭对应位置的多晶硅锭，材质基本相同。统计数据来自 HENNECKE 分选仪，同时为了排除系统误差，所有数据均收集于同一台分选仪。2.1.1 硅片厚度与 TTV 统计的游离磨料多线切割 (FAMS) 的有效片数(厚度 160～ 200 μ m， TTV ≤ 30 μ m， Bow ≤ 40 μ m)是704 片， 平均厚度为 187.52 μ m， 平均 TTV 为 12.06 μ m；统计的游离磨料电解磨削多线切割 (FAEMS)的有效片数 (厚度 160～ 200 μ m， TTV ≤ 30 μ m，Bow ≤ 40 μ m) 是 683 片，平均厚度为 187.13 μ m，平均 TTV 为 11.37 μ m。 游离磨料电解磨削多线切割的TTV 相比于游离磨料多线切割略有减小，且 TTV分布区间也有差异，其具体分布如图 2 所示。从图2 中可以看出， 游离磨料多线切割的 TTV 值集中区间在 12～ 14 μ m，而游离磨料电解磨削多线切割的TTV 值集中于 9～ 11 μ m 之间，比游离磨料多线切割的厚度误差范围小。这是因为游离磨料电解磨削多线切割复合了电化学作用，生成易于切割的钝化层，降低了宏观切削力和切割负载，减小了因切割阻力大引起的切割线的震颤，进而降低了 TTV 。图 2 FAMS 和 FAEMS TTV 区间分布图2.1.2 弯曲度统计与分析弯曲度 (Bow) 是反映硅片变形和残余应力的一个重要指标，尤其是随着硅片尺寸的不断变大，硅片弯曲和翘曲更加严重，所以对弯曲度的要求也越来越高。对游离磨料电解磨削多线切割和游离磨料多线切割硅片的弯曲度统计发现，游离磨料多线切割硅片的平均弯曲度为 10.12 μ m，弯曲度主要分布在 5～ 14 μ m 之间，而游离磨料电解磨削多线切割硅片的平均弯曲度为 7.38 μ m， 主要分布在 0～ 9 μ m之间，如图 3 所示，其均值和分布区间均优于游离磨料多线切割。游离磨料电解磨削多线切割对硅片弯曲度的改善与其加工机理密切相关。硅片的残余应力影响弯曲度， 游离磨料多线切割完全依靠机械磨削，在加工过程中极易发生加工硬化产生残余应力；而游离磨料电解磨削多线切割的加工机理不同，在机械磨削的同时复合电化学加工，能有效的降低切割负载，减少加工硬化的出现，减少残余应力，所以游离磨料电解磨削多线切割的硅片弯曲度有明显改善。图 3 FAMS 和 FAEMS Bow 区间分布图机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 11 期 期204 2.1.3 A 片率统计与分析硅片检验分选之后根据外观和线痕的深浅 ,有些企业将硅片划分为 A 片和 B 片，线痕是影响 A片率的主要原因，一般线痕深度在 15μ m 以下划分为 A 片，线痕深度在 15～ 30 μ m 之间划分为 B 片。对游离磨料电解磨削多线切割和游离磨料多线切割硅片的 A 片率进行整理与统计， 表 4 所示的是两种切割方法的 A 片率统计表， 从表 4 可以看出游离磨料电解磨削多线切割的 A 片率有明显提高， 因为电解磨削多线切割的电化学作用有效的降低了切割负载，降低了切削力，有利于改善硅片的表面线痕。表 4 A 片率对比 % 刀次 1 2 3 4 5 平均FAEMS 80.6 79.7 52.0 91.6 54.5 71.7 FAMS 46.5 0.0 0.0 60.3 53.9 32.1 2.2 表面质量检测与分析2.2.1 表面缺陷硅片的表面缺陷主要包括： 线痕、 孔洞、 裂纹、隐裂、颗粒剥落、崩边等等。多晶硅是由一个个大小不一、形状各异的晶粒组成的，在其铸锭过程中不可避免的会有硬质点的产生，硬质点极易引起颗粒剥落和密线，甚至出现断线。所以，由硬质点引起的颗粒剥落是多晶硅片经常出现的一种表面缺陷。游离磨料电解磨削多线切割复合了电化学和机械磨削双重作用，在切割过程中电化学反应能产生易于切割的钝化膜，对于硅锭中的硬质点同样也能产生电化学反应，大大降低切割难度，能有效改善硬质点的整体脱落，避免硅片表面出现较大凹坑而形成缺陷。图 4 所示的即为两种不同切割方式得到的硅片表面的 SEM 图，从图 4 中可以看出，游离磨料电解磨削多线切割的硅片表面质地均匀，没有出现较大的凹坑或孔洞。2.2.2 表面残余杂质分析太阳能硅材料在制造过程中需严格控制杂质含量，否则杂质原子会与结晶学缺陷相互作用，形成少数载流子的复合中心，大大减小扩散长度，进而影响太阳能电池的光电转换效率。同样，在硅片加工过程中也不能引入杂质以及金属离子污染等，硅片切割完成后硅片表面有无金属残余也是评价硅片品质的一个重要指标。取清洗洁净后的游离磨料电解磨削多线切割硅片，对其表面进行 EDS 检测，检测结果如图 5 所示，从图 5 的能谱图中可以看出电磨削多线切割硅片表面只含有 Si 一种元素， 并未引入其他元素。图 4 多晶硅片表面 SEM 图图 5 硅片 EDS 能谱图2.3 亚表面损伤检测与分析多线切割时切割线带动磨粒切削，引起硅片亚表层产生横向裂纹和中位裂纹，形成损伤层。由于损伤层的存在， 在硅片的亚表面会出现隐裂、 凹坑、孔洞、划痕等缺陷，而这些缺陷会对电池片的使用寿命和光电转换效率产生不利影响。多晶硅片在碱溶液中各向同性腐蚀，但是由于硅片表面存在的损伤区域反应活性高，缺陷周围存在的局部应力场使腐蚀速度加快 , 出现速率差，缺陷处与完美处形成明暗对比，硅片表面部分损伤层被去除后， 隐裂、 微裂纹、 微沟槽等缺陷显现出来。将游离磨料多线切割的多晶硅片和游离磨料电解磨削多线切割的硅片置于 80 ℃恒温质量分数为 20%的 NaOH 溶液中腐蚀 20 min， 去除部分损伤层后在月 2016 年 6 月 鲍官培等：太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割表面完整性研究 205 显微镜下观察两种样片的微观结构。 图 6a 所示的是游离磨料多线切割的硅片经腐蚀处理后亚表面形貌， 从图 6a 中可以看到其表面存在微裂纹和较深的沟槽，这些缺陷既影响电池片的光电转换效率，又容易引起碎片， 影响使用寿命。 图 6b 所示的是游离磨料电解磨削多线切割的硅片经腐蚀处理后亚表面形貌， 其表面基本平坦均匀， 无明显的沟槽和裂纹，利于形成统一均匀的绒面结构，在后续电池片制作过程中也不易引起碎片。图 6 NaOH 腐蚀后硅片形貌游离磨料多线切割硅片和游离磨料电解磨削多线切割硅片去除相同的损伤层后，其表面形貌出现差异是因为两种加工方法的机理不同所导致。游离磨料多线切割依靠机械磨削“冷”加工来制造硅片，属于非刚性切割，在切割过程中切割线必然产生变形从而不断产生瞬间的冲击作用，对硅片表面形成创伤，而游离磨料电解磨削多线切割是复合加工，电化学作用能有效降低切割负载，减小材料硬度大引起的瞬间冲击，硅片表面的损伤比较均匀。2.4 光电转换效率分析硅片的加工方法和工艺与电池片的光电转换效率也有不可分割的联系。硅片的表面完整性，尤其是硅片的表面损伤层对其光电转换效率的影响更为明显。将相同原材料的硅锭用游离磨料电解磨削多线切割和游离磨料多线切割两种方法加工成硅片，然后采用完全相同的制作工艺和生产线分别制成电池，发现游离磨料电解磨削多线切割的转换效率要优于游离磨料多线切割的电池，电池的具体参数如表 5 所示。表 5 两种电池具体参数Eta(%) Voc/V Isc/A Rse/R Rsh/R FF FAEMS 17.585 0.6275 8.695 0.00289 156.1 78.44FAMS 17.422 0.6245 8.720 0.00326 164.4 77.84注： Eta-光电转换效率， Voc-开路电压， Isc-短路电流， Rse-串联电阻，Rsh-并联电阻， FF-填充因子。游离磨料电解磨削多线切割的电池光电转换效率较高， 因为该方法切割的硅片表面损伤层较薄，在相同的制绒工艺下电磨削硅片表面损伤层去除更彻底，更易形成理想的陷光结构，减反射率低，光能利用率高，进而光电转换效率高。图 7 所示即为游离磨料电解磨削多线切割硅片制绒后的减反射率曲线。图 7 FAEMS 硅片制绒后的减反射率曲线3 结论(1) 游离磨料电解磨削多线切割方法加工的硅片的 TTV 和 BOW 均优于游离磨料多线切割的硅片。因为传统的多线切割是依靠机械磨削“冷”加工来制造硅片，属于非刚性切割，在切割过程中切割线必然产生变形从而不断产生瞬间的冲击作用；而游离磨料电解磨削多线切割属于复合加工，能有效降低宏观切削力，减少切割负载。(2) 游离磨料电解磨削多线切割方法由于在机械磨削的同时复合了电化学作用生成了易于切割的钝化层，对硅片表面的线痕、剥落以及损伤层都有一定的改善作用。(3) 游离磨料电解磨削多线切割硅片的表面损伤层更薄，相比于游离磨料多线切割制绒后能形成更好的陷光结构，提高光能利用率，提高光电转换效率。在后续的工作中将结合游离磨料和固结磨料两种切割方法，进一步研究电解磨削多线切割对位机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 11 期 期206 错、 残余应力的影响； 同时， 通过改进切削液成分，提高切割过程中的电化学作用和切割过程中的预制绒，实现切割制绒一体化，降低太阳能电池的制造成本。参 考 文 献[1] PARK H， KWON S ， LEE J S ， et al. Improvement on surface texturing of single crystalline silicon for solar cells by saw-damage etching using an acidic solution[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells ， 2009， 93(10) ：1773-1778. [2] 邱明波， 黄因慧， 刘志东，等 . 太阳能硅片制造方法研究现状 [J]. 机械科学与技术， 2008， 27(8)： 1017-1020. QIU Mingbo ， HUANG Yinhui ， LIU Zhidong ， et al. A review of the fabrication methods for solar silicon wafer[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2008， 27(8)： 1017-1020. [3] 李彦林 . 超薄大直径太阳能级硅片线切割工艺及其悬浮液特性研究 [D]. 天津：河北工业大学， 2007. LI Yanlin. The research of multi-wire-saw technology and characteristic of suspending liquid in slicing Super thin solar wafers[D]. Tianjin ： Hebei University of Technology， 2007 [4] 舒继千， 魏昕， 袁艳蕊 . 单晶硅游离磨粒线切割技术研究 [J]. 工具技术， 2009， 43(1) ： 31-35. SHU Jiqian ， WEI Xin ， RUAN Yanrui. Free abrasive slicing technology using wire saw[J]. Tool Engineering ，2009， 43(1)： 31-35. [5] WANG Wei.， LIU Zhidong. ， TIAN Zongjun ， et al. High efficiency slicing of low resistance silicon ingot by wire electrolytic-spark hybrid machining[J]. Journal of Materials Processing Technology ， 2009 ， 209(7) ：3149-3155. [6] 蒋近，戴瑜兴，郜克存，等 . 多线切割机走线系统的张力控制 [J]. 机械工程学报， 2011， 47(5)： 183-187. JIANG Jin， DAI Yuxing ， HAO Kecun ， et al. Tension control of wire-traveling system for multi-wire saw[J] Journal of Mechanical Engineering ， 2011， 47(5)： 183-187. [7] HSU C Y， CHEN C S ， TSAO C C. Free abrasive wire saw machining of ceramics[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2009， 40(5-6) ：503-511. [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. [9] 汪炜，刘正埙 . 硅片的磨削 /电解复合多线切割加工方法：中国， ZL201010141727.3 [P]. 2011-11-16. WANG Wei ， LIU Zhengxun. Grinding/electrolysis combined multi-wire-slicing processing method for silicon wafers ： China ， ZL201010141727.3 [P]. 2011-11-16. [10] MOLLER H J. Basic mechanisms and models of multi ‐wire sawing[J]. Advanced Engineering Materials ， 2004，6(7)： 501-513 [11] 洪泉， 王贵成 . 精密加工表面完整性的研究及其进展 [J]. 现代制造工程， 2004(8)： 12-15. HONG Quan ， WANG Guicheng. The status and development of machined surface integrity in precision machining[J]. Modern Manufacturing Engineering ， 2004 (8)： 12-15 [12] 高尚，康仁科，董志刚，等 . 工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤分布 [J]. 机械工程学报， 2013， 49(3)： 88-94. GAO Shang， KAN Renke ， DONG Zhigang ， et al. Subsurface damage distribution in silicon wafers ground with wafer rotation grinding method[J]. Journal of Mechanical Engineering ， 2013， 49(3)： 88-94. 作者简介： 鲍官培，男， 1988 年出生，博士研究生。主要研究方向为光伏技术。E-mail ： 069054001@163.com 汪炜 (通信作者 )，男， 1973 年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为精密微细特种加工、光伏技术。E-mail ： wangwei@nuaa.edu.cn