新型太阳能级硅片切割技术

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第 28卷 第 4期Vol 1 2 8 No1 4材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of Materials Science 电火花 ;线切割 ;复合工作液中图分类号 : T G662 文献标识码 :ANew Cutting Technology of Solar2cell Silicon WafersBI Yong , L IU Zhi2dong , QIU Ming 2bo , WANG Wei , TIAN Zong2jun , HUANG Yin 2hui( Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing 210016 , China)【 Abstract 】 A new technology was researched , which is based on complex dielect ric fluid and used forcutting silico n thro ugh electrical discharge maching ( EDM ) . At the same time , a special fixt ure used forcutting standard solar2cell silicon wafers was designed. It is evidenced that the silicon cut by wire cut electricdischarge machining wit h high traveling speed ( HS2WEDM ) process has the advantages of high efficiency 、 lowloss 、 high quality surface flat ness. And the cutting efficiency is higher than 100mm 2 / min. Therefore , t histechnique can be used for cutting large2scale slices. At present , the largest machining diameter can reach200mm , and the thickness of the slices is less than 120μ m. Besides , this technique can provide a theoretical andpractical basis for imp roving the machining efficiency of discharged cutting on semiconductor silicon , imp rovingt he utilization efficiency of silicon to decrease t he cost of silico n , expanding the EDM method tosemiconductors , forming a technique wit h China’s own intellect ual property right s and high efficient dischargecutting of solar silicon.【 Key words】 solar silicon ; elect rical discharge machine ; wire2cut ; complex dielectric fluid收稿日期 :2009210215 ;修订日期 :2010201204基金项目 :江苏省高技术研究计划资助项目 (B G2007004)作者简介 :毕 勇 (1985 - ) ,硕士研究生 ,研究方向为太阳能硅片电火花线切割 ,太阳能硅片表面绒面制备。 E2mail :xiaobei378378 @126. com 。1 引 言半导体材料因其独特的物理 、 机械性能 ,已成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材料 ,在通信 、 航空航天 、 光学及电子领域中有着广泛的应用前景 ,其中最具代表性的半导体材料有硅 、 锗 、 砷化镓等 。当今 ,90 %以上的半导体元器件和电路是用硅制造的 ,利用晶体硅太阳能电池的光伏效应发电的应用 ,更是呈现出井喷趋势 [ 125 ] 。 太阳光伏发电独具许多优点 :安全可? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net靠 ,无噪声 ,无污染 ,能量随处可得 ,不受地域限制 ,无需消耗燃料 ,无机械转动部件 ,故障率低 ,维护简便 ,可以无人值守 ,建设周期短 ,规模大小随意 ,无需架设输电线路 ,可以方便地与建筑物相结合等 。从能源供应的诸多因素考虑 ,太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色能源 [ 6 ] 。硅片是晶体硅光伏电池加工成本中最昂贵的部分 ,而硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分 ,所以降低这部分的制造成本对于提高太阳能对传统能源的竞争力至关重要 。 目前常用的硅片切割方法有 :外圆切割 (OD saw) 、 内圆切割 ( ID saw) 和线锯( Wire saw) 等 [7 ] ,但由于受到诸如内圆切割刀盘尺寸 、砂线锯大厚度切割因冷却不佳易断线等限制 ,这些常规加工方法很难实现对大尺寸硅材料的薄片加工 ,早期的硅片通常是用内圆切割 ,厚度约 350～ 400μ m ,切片损耗约 50 %左右 ,目前多线切割的一般厚度为 280～ 320μ m[ 8 ] ,并且上述几种切割方法效率不是很高 ,近年来光伏发电和半导体行业的迅速发展对硅片的加工提出了更高的要求 ,因此 ,迫切需要一种新型硅片切割工艺方法 ,来实现其大尺寸薄片高效加工 。作为光伏电池的基片的太阳能级硅片 ,掺杂浓度比较高 ,电阻率通常在 1～ 10Ω ? cm 范围内 ,利用电火花线切割 ( WEDM ) 技术加工是比较适合的 [ 9 ] 。高速走丝电火花线切割的基本原理是利用快速移动的细金属导线 (铜丝或钼丝 ) 作电极 ,通过计算机进给控制系统实现加工进给 ,并配合一定浓度的水基乳化液等工作液对工件进行冷却排屑 ,从而实现对工件的脉冲火花放电 、 切割成形 [ 10 ] 。其电极丝作高速往复运动 ,一般走丝速度为 8～ 10m/ s ,电极丝可重复使用 ,加工速度较高 ,但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿 ,使加工质量下降 。高速走丝电火花线切割机床是我国生产和用于该类加工的主要机种 ,也是我国独创的电火花线切割加工模式 。 近年来由于太阳能电池产业的迅速发展及其日益增长的需求量 ,使得该项技术已成为一项国际性的前沿课题 [ 11216 ] 。2 试验方法2. 1 试验条件采用经改进的 D K7732 高速走丝电火花线切割机床 ( HS2WEDM ) 进行切割 ,系统如图 1 所示 ,首先在运丝系统上增加电极丝导向器及电极丝恒张力装置 ,目的在于避免传统 HS2WEDM 电极丝来回换向而产生的电极丝空间位置变化导致的切割表面机械换向条纹的出现 ;其次采用专门研发的具有良好洗涤能力的复合工作液 [ 17] ,保证切割时放电间隙内均匀充满工作介质 ,维持极间冷却的均匀性 ,同时进一步提高切割效率和切割厚度并使得在正常使用寿命范围内不断丝 。图 1 硅片切割试验系统示意图Fig. 1 Sketch of silicon wafer cutting system2. 2 专用夹具设计根据半导体材料的特殊电性能设计半导体的夹具如图 2 所示 ,夹具由夹具体 、 左右撑板 、 下定位块组成 。定位块用于半导体下定位面的定位 ,左右撑板用于对半导体的侧面定位并起到对半导体夹紧的作用 ,夹具在机床上的固定通过通用的压块在下压区域压住 。图 2 硅片切割专用夹具示意图Fig. 2 Sketch of special fixt ure for cutting silicon wafers在夹具的设计过程中主要考虑了以下几个问题 :① 对于半导体的夹紧问题 ,由于硅属于脆性材料 ,加工过程中的夹紧力必须进行适当的控制 ,因此采用撑板与其接触 ,以实现定位和夹紧作用 。② 对于进电问题 ,为保证半导体硅与进电电极保持可靠接触 ,首先在硅接触进电处表面涂覆碳浆 ,然后采用图 3 所示的碳刷弹性接触方式进电 ,进电导线与嵌入弹簧内的石墨进电刷直接相连 ,石墨碳刷在弹簧的推力下与硅材料形成面接触进电 ,考虑到切割过程中应使得硅极间体电阻尽可能不因切割的位置不同发生明显变化 ,因此在夹具上安排了多点同时进电方式 。多点对称进电方式是一种创新的进电方式 ,该进电方?385?第 28 卷第 4 期 毕 勇 ,等 . 新型太阳能级硅片切割技术 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net式能够获得良好的进电效果 ,使得放电加工持续正常进行 ,有待于在其他半导体材料的放电加工中得到进一步推广应用 。图 3 夹具进电示意图Fig. 3 Sketch of fixture in2electricity③ 为了避免进电点在放电切割过程中产生电解和发热 ,从而影响进电接触或因为接触点具有较大的接触电阻而出现过热并导致接触点产生氧化情况的出现 ,在撑板上的接触进电点的上方开了一个孔 ,接入压缩空气作为冷却介质 ,使硅材料在进电过程中得到实时冷却并避免复合工作液进入进电点而导致极间产生电化学反应 。3 放电切割在本实验条件下 ,对电阻率 2. 1Ω ? cm 直径 6 英寸并经开方切割后的高度 125mm 标准的 P 型太阳能级硅锭进行了放电切割 (图 4) 。 由于 P型硅晶体内部载体是空穴 ,从物理角度分析 ,P 型硅适合于正极性加工 (工件接电源正极 ,电极丝接电源负极 ) [ 18 ] ,切割工艺参数如表 1 所示 。 由于受夹具及机床上下线臂开度尺寸限制 ,目前该机床最大加工尺寸为 210mm 。图 4 硅片切割实际过程图Fig. 4 Process of silicon wafer cutting4 结果分析与讨论4. 1 放电切割波形用记忆示波器抓取了硅在放电切割过程中的单脉冲放电电压 、 电流波形如图 5 所示 。表 1 放电切割工艺参数Table 1 Parameters of discharging cuttingProject ContentDischarged polarity Positive polarity machiningVoltage of discharge 150VPulse duration 64μ sDuty ratio 1 ∶ 10Feed rate 15μ m ? s - 1Wire traveling speed 10m ? s - 1Average current of machining 3. 4A图 5 放电切割波形 (a) 电压 ; (b) 电流Fig. 5 Discharge cutting wave (a) voltage ; ( b) current可以看出 ,由于高频电源的特性 ,放电过程中 ,放电的维持电压基本保持不变 ,但放电电流则随着放电的延续而产生变化 ,表示在一个脉冲期间 ,半导体硅材料在放电通道产生的高温及热传导的综合影响下 ,其通过的电流大小会因为半导体硅材料特殊电性能和极间电阻的改变而产生变化 。 分析认为 ,放电刚开始 ,放电通道形成初放电点附近的热量积累较少 ,硅的体电阻逐渐减小 ,电流逐渐增大 ;一段时间过后 ,热量开始在半导体中向体内扩散 ,体电阻持续减小 ,放电电流爬坡增大 ,直到放电加工结束 。爬坡电流是半导体放电加工的一个典型的放电电流特征 ,这与金属正常加工的电流特性是有明显区别的 。4. 2 切片表面特征放电切割后的硅片实物如图 6 所示 ,可以看到硅片表面质量良好 ,无任何损伤及条纹 ,利用粗糙度仪检测其表面粗糙度 Ra 约为 3. 2μ m。 该方法得到的硅片经抛光后表面全局平整度 ( TIR ) 小于 2μ m ,硅片表面翘曲度 ( WARP ) 小于 30μ m ,适合于制作太阳能电池 。4. 3 切割效率一般来说 , 放电加工效率与平均加工电流成正比 [ 19 ] 。 由于试验采用自主研发的复合工作液作为工作介质 ,使得极间维持了较好的放电状态 ,放电过程稳定 ,切割过程中 ,利用秒表读取了单片完整硅片切割所?485? 材料科学与工程学报 2010 年 8 月? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net用时间约为 145min ,硅片的尺寸约为 125 × 125mm 2 ,经计算加工效率为 108 mm 2/ min 。图 6 太阳能级硅片实物Fig. 6 Solar silicon wafer4. 4 切片厚度由于电火花加工属于无宏观机械切削力的加工方式 ,理论上切割硅片的厚度可以做到很薄 ,目前试验条件下切割硅片的厚度可以控制在 120μ m 以内 (图 7) ,这是传统加工方法根本无法达到的切割厚度 。因此 ,该工艺方法实现了太阳能级硅片的薄片切割 ,大大节省了原材料 ,降低了太阳能电池的制造成本 。图 7 硅片厚度截面图Fig. 7 Cross section of a silicon wafer4. 5 切缝宽度采用传统的线锯切割方法 ,切缝宽度 = 线锯直径+ 2δ 1 (δ 1 为磨削间隙 ) , 根据使用磨料的差异 δ 1 =0. 02～ 0. 03mm ;采用电火花线切割的方法 ,切缝宽度= 电极丝直径 + 2δ 2 (δ 2 为放电间隙 ) ,经测试 ,根据放电能量的不同 ,δ 2 = 0. 005～ 0. 01mm 。试验用电极丝(钼丝 ) 直 径 为 180μ m , 根 据 公 式 理 论 切 缝 宽 度 为190μ m～ 200μ m , 实际硅片切缝宽度约为 200μ m (图8 ) ,比相同线锯直径下得到的硅片切缝小 。 如果进一图 8 硅片切缝图Fig. 8 Kerf of cutting silicon wafer步提高电极丝空间位置的平稳性以及选择更为合理的放电切割参数 ,硅片切缝宽度还可以更小 ,从而降低了硅片切割过程中的材料损耗 ,提高了材料利用率 。5 小 结根据半导体 P 型硅材料的特殊电性能及材料特性 ,设计了硅片切割专用夹具及进电方式 ,对电阻率为2. 1Ω ? cm 、 高度 125mm 的 P 型太阳能级硅锭进行了放电 切 割 , 切 割 效 率 108mm 2/ min , 硅 片 厚 度 约 为120μ m ,实现了太阳能级硅的大尺寸薄片高效放电切割 ,大大降低了太阳能电池的制造成本 ,并通过采集波形分析了半导体材料独特的切割特性 ,发现半导体放电加工电流波形呈爬坡型 ,为半导体放电加工机理的研究奠定了基础 。参 考 文 献[ 1 ] 魏奎先 , 戴永年 , 马文会 ,等 . 太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势 [J ]. 轻金属 , 2006 , (2) : 52～ 56.[ 2 ] 李文婷 , 刘宏 , 陈慧玲 . 国内外太阳能光伏发电发展综述 [J ].青海电力 , 2004 , 23 (4) : 3～ 6.[ 3 ] 赵春江 , 杨金焕 , 陈中华 , 邹乾林 . 太阳能光伏发电应用的现状及发展 [J ]. 节能技术 , 2007 , 25 (5) : 462～ 465.[ 4 ] 郭浩 , 丁丽 , 刘向阳 . 太阳能电池的研究现状及发展趋势 [J ].许昌学院学报 , 2006 , 25 (2) : 38～ 41.[ 5 ] 黄亚平 . 太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨 [J ]. 广东白云学院学报 , 2007 , 14 (2) : 113～ 117.[ 6 ] 付文莉 . 可再生能源 , 未来能源之星 [J ]. 电源技术 , 2008 , 32( 9) : 636～ 639.[ 7 ] Hahn P O. 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