金剛砂均勻性對多晶切片質量的影響分析

白楊豐，崔國瑞，于麗君

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030032)

隨著光伏行業的技術競爭愈演愈烈，金剛線切片技術以其成本低、切割效率高、環境保護良好等優勢在一定程度上推動了多晶硅片切割工藝及生產的技術升級。盡管與傳統砂漿多晶硅片切割工藝相比，金剛線的切割優勢明顯，技術先進，而且在金剛線多晶切片生產質量控制過程，大多金剛線多晶切片廠家對金剛砂的出刃率提出嚴格的要求，但是在實際生產質量控制過程中，常常會由于其金剛線表面金剛砂的不同均勻性，對金剛線的切割質量有著不同程度的影響。本文將從金剛石不同的分布均勻性方面研究金剛線切割對多晶硅片質量的影響，為金剛線多晶切割生產過程質量控制提供依據。

1 金剛線切割機理

傳統的砂漿切割方式是游離式的切割模式如圖1（a）所示，靠懸浮液的懸浮能力將碳化硅顆粒分散懸浮，再通過線網的帶動，使碳化硅顆粒與硅棒進行磨削切割，通過利用鋼絲的快速運動將含磨料的液體帶入到工件切縫中，產生切削作用。在切割過程中，碳化硅顆粒容易被沖刷下來，唯有持續進行滾動磨削，才能提高切割效率。同時，切割過程中碳化硅顆粒對鋼線也進行磨損，導致鋼線磨損嚴重，很難實現細線化，導致切割硅縫損失較大，每公斤硅棒出片數較低。

金鋼線切割的基本機理則是將金剛石采用粘接和電鍍的方式固定在直拉鋼線上進行高速往返切削，如圖1（b）所示。切割效率能夠較游離碳化硅切割有所提高，主要有以下幾個方面優勢：

（1）固結方式。金剛線一般采用電鍍的方式與母線固結，與游離態的砂漿相比，金剛石參與磨削的切割顆粒更多，同時也減少了磨料之間的相互磨損現象，杜絕了磨料對鋼線本身的磨損，為高速切割提供了保證；

（2）金剛石硬度高。碳化硅的硬度9.5（莫氏），而金剛石硬度在10（莫氏），金剛石的耐磨損性強，將大大延長金剛線的使用壽命；

（3）切片速度快效率高，帶動硅片非硅成本下降，在多晶硅片切割過程中，砂漿切片機的線網速度為580～900 m/min，而金剛線切片機的線網速度可以達到1 000～1 500 m/min，是傳統的砂漿切片機的2～3倍。單刀次時間從9～11 h將至2～2.5 h，大大提升了切片的速度。切片速度提升帶來產量的提升，進而可以間接地將切片的設備折舊、電費和人工成本降低，進一步帶動硅片非硅成本下降。

（4）輔材成本降低。砂漿切片的輔材主要有鋼線、碳化硅和PEG懸浮液，價格較為穩定，從長遠技術發展看，價格下降空間有限。金剛線切割的輔材有金剛線和冷卻液，其中金剛線成本在多晶切割成本控制中占有主要比例。由于近年來金剛線技術不斷升級，引起的切割輔材成本也隨之不斷降低，隨著技術的不斷進步，在多晶硅切片過程，金剛線切割的輔材成本已遠遠低于砂漿切割的輔材成本。隨著金剛線國產化趨勢的增強，金剛線的切割成本還將進一步降低，因此從成本方面分析，金剛線切割優勢明顯。

（5）切割效率的大幅提升。金剛石線切割技術在切割效率方面的優勢主要體現在出片量增多和單位硅耗量的減少，具體反映在刀縫損失減少和硅片的薄片化。出片量的增加帶動了切割效率的提升，同時間接降低生產切割成本。

傳統砂漿切割帶來的硅材料的損失主要由鋼線的直徑和碳化硅砂漿構成，砂漿切割所使用的鋼線線徑目前一般在110 μm左右，加上碳化硅砂漿帶來的磨損在60 μm，整體的刀縫損失在170 μm左右。而金剛線目前的主流線徑在70 μm、65 μm，同時60 μm、50 μm的金剛線也在準備進入量產使用。整體的刀縫損失可以做到80～90 μm。相比砂漿切片，金剛線切片的刀縫損失降低約50%。

圖1 金剛線切割與砂漿線切割原理示意圖

2 實 驗

2.1 實驗方法

實驗方案將選用NTC442改造后的往復式金剛線切割機，圖2為金剛線切割方式的示意圖。實驗設備的切割原理為多晶硅棒垂直于金剛線進給，金剛線由可正反向旋轉的切割輥帶動進行往復快速運行，當切割導輪作順時針（逆時針）轉動使金剛線達到最大線速時，線軸在張力控制系統的作用下實現逆向（正向）運轉，從而使金剛線往復運轉實現切割功能。金剛線由一對導輪控制系統和張力控制系統進行穩定控制，整個切割過程通過采用電動裝置來調節金剛線的張緊力。采用水循環泵通過噴嘴澆注純水，向金剛線切割區供給冷卻液。

圖2 往復式線鋸切片裝置示意圖

2.2 實驗方案與硅片質量評價

為了分析鋼線上金剛石的均勻性對金剛線硅片切割質量的影響程度，試驗選用切割機NTC442改造金剛線切片機，統一采用70 μm金剛線進行切割，采用純水作冷卻液。硅棒選擇邊長尺寸為157 mm的同一批次鑄錠生產的多晶硅棒進行切割，加工參數采用如表1的技術參數進行工藝切割。

硅片加工結束后，統一使用硅片分選機對切割后的硅片質量進行檢測，關鍵技術指標檢測標準如表2所示。

表1 金剛線主要切割工藝參數

表2 多晶硅片關鍵指標檢驗標準

2.3 金剛線均勻性分析

金剛線大體上是把金剛石的微小顆粒通過電鍍生產工藝鑲嵌在切割鋼線上，即為金剛石切割線。金剛線具有金剛石微型的鋸齒，增加了鋼線的切割能力，可以大大加快切割速度及切割能力。多晶硅片金剛線切割過程中，不僅對切割線的硬度指標有要求，對于切割鋼線來說，其材料的選擇也極為重要，在使用過程中，過多的斷線及產品質量不良等都與金剛線的材質有著一定的關聯。

在金剛線選擇過程中，鋼線的線徑不僅對切割質量及切割效率有影響，線徑越小造成的硅損耗就越少，硅片的成品率就會越高。

同樣在選擇金剛線時，為了提高切割效率，多晶硅片切割廠家多會關注金剛線的出刃率、金剛砂粒度、形狀等指標，而對金剛砂的均勻性沒有嚴格要求，但是在實際金剛線切割過程中，即使出刃率相同的金剛線，切割產生的多晶硅片質量也可能差異明顯；或者較高的出刃率并沒有切割產出較高質量的多晶硅片。追溯其原因，金剛線切割過程不僅與金剛石的出刃率有著密切的關系，更與金剛石的均勻性有著密不可分的關系。

實驗將選用三組線徑均為70 μm，出刃率均為150粒/mm的金剛線分別進行實驗驗證同樣線徑與出刃率，而金剛砂分布均勻性不同的金剛線對多晶切片質量的影響程度不同。

實驗切割前使用SEM電鏡分別觀察三組金剛線金剛砂的均勻性（如圖3所示），其中圖3（a）為出刃率150粒/mm，分布均勻的金剛線，圖3（b）為出刃率150粒/mm，部分出現金剛石堆積的金剛線，圖3（c）為出刃率150粒/mm，金剛石嚴重堆積的金剛線。

圖3 不同金剛石均勻性的鋼線SEM圖

2.3 金剛石均勻性對切割質量的影響

通過對三組金剛線應用相同的切割工藝進行多晶硅片切割實驗，將試驗的多晶硅片使用硅片分選機對相關技術指標參數進行檢測，經實驗，并對檢測出的結果進行統計分析，得到數據對比見表3。

表3 不同金剛砂均勻性切割質量結果

由表3可以看出，金剛石均勻性的不同，切割質量有著明顯的差異，金剛石出現堆積的程度越大，金剛線切割的質量越差，硅片也越薄，TTV超標可能性也增大，一定程度上影響了多晶硅片的切割損耗率及成品率。

2.4 金剛石切割線的質量控制

經過實驗分析，在金剛石切割線質量選型控制過程，不僅要參照金剛線的出刃率、金剛線表層鍍層質量、金剛石的粒徑、密度等關鍵指標，還應對金剛石的分布均勻性提出一定的控制要求。進而通過控制金剛石分布均勻性指標，可以更好地發揮金剛線切割的成本優勢及效率優勢，進一步提高金剛線切割的技術水平，降低光伏多晶硅片的切割成本。

3 結束語

本文通過對三組同樣線徑同樣出刃率而不同的表面金剛石分布均勻性進行試驗，通過實驗，得出了不同的金剛石分布均勻性將對金剛線的切割質量有著不同程度的影響，表面出現金剛石堆積的程度越嚴重，則對金剛線多晶切片質量的影響越嚴重，所切的多晶硅片更薄，損耗更大，因此通過實驗提出了在金剛線多晶切割過程不僅要控制線徑，出刃率等指標，金剛石的均勻性也是切割生產質量控制的關鍵指標，從而進一步提高金剛線多晶切片的成本優勢與效率優勢，推動多晶切片的技術不斷發展。

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