多晶硅錠的剖方質量改善研究

周小榮 ，邱 昊 ，明 亮，劉文峰，段金剛，陳國紅

(1.湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南長沙410205；2.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410205)

目前光伏行業硅錠剖方的方法有砂漿切割和金剛線切割。砂漿切割其原理是依靠鋼線壓迫碳化硅顆粒在硅棒和鋼線之間進行“滾動—壓痕—刮擦”作用[1]，實現材料的去除。因此，砂漿的物理性質及使用條件直接決定了砂漿的切割力，而砂漿的切割力又直接影響著剖方后小方棒的尺寸。若其偏差值相差大，則后續磨面環節會出線痕，造成較多硅料損耗。

行業內關于改善硅錠剖方效果有些報道，主要是從對設備改進，原輔材料的選取等方面來改善硅錠切割效果。李保軍，馮濤等人[2]指出，調整砂漿噴嘴與鋼線鋸的夾角，使鋼線鋸的帶砂能力提升，并形成水平砂漿薄膜。砂漿形成水平薄膜切割效果會更好。并可延長砂漿使用壽命。在高切割速度下，砂漿具有更好的切割力。楊興林，陶大慶等人[3]通過實驗驗證SiC粒徑變化對多晶硅表面質量的影響：在一定的切割工藝條件下，需要選擇合適的SiC粒徑，來保證鋼線的切割力。趙雷，靳永吉等人[4]對砂漿混合攪拌做了深入研究，對混合的方式和效果做了詳細的分析。趙文華，馬玉通等人[5]分析了多線切割工藝中切割速度對晶片翹曲度的影響。

本文從工藝方面出發，著重研究了切割工藝改進前后砂漿物理性質、剖方后小方棒尺寸及線痕比例與切割刀數的變化趨勢。并分析相關原因。

1 實驗過程

1.1 主要設備與儀器

實驗使用多線開方機，高速鋸條截斷機和雙面磨面倒角機。實驗主要設備和主要輔料廠家與型號見表1。

表1 實驗主要設備和主要輔料廠家

1.2 實驗過程

實驗工藝采用改善工藝，與原切割工藝不同的是砂漿初始狀態，砂漿更換方式和切割速度和砂漿流量。其它切割參數與常規相同，見表2。

表2 改善前后切割工藝參數對比

1.3 測試方法

本文取樣檢測了新砂至換砂期間，砂漿的粒徑和顯微形貌的變化，檢測工具是歐美克PIP9.1圖像粒度測試儀。用數顯游標卡尺測量2#剖方機A1，B3，C8，B13，B18，C15，C22，C29，B33，A36 10根小方棒相鄰兩端面的寬度尺寸。每根小方棒測量點選取方法是：在每根小方棒距離頭部40 mm、160 mm、距離尾部40 mm的東西方向和南北方向各取1個點（共6個點），見圖1所示。每面從上至下的點處寬度尺寸分別稱為頭部尺寸、中部尺寸和尾部尺寸。分析改善前后小方棒尺寸和磨后線痕長度比例與切割刀數的變化關系。

2 實驗結果及分析

2.1 硅錠尺寸分析

圖1 每根小方棒測量點的選取方法示意圖

為了分析工藝改善前后切割次數與硅錠的尺寸變化，測量小方棒第1刀至第10刀硅錠在不同高度下端面尺寸最大值與最小值，并計算尺寸偏差值，如圖2所示。小方棒尺寸偏差值能反映砂漿的切割能力。

圖2 切割工藝改善前后不同位置小方棒尺寸偏差值與刀數變化圖

從圖2可以看出，工藝改善后小方棒尺寸偏差值控制在0.8 mm以內，隨切割刀數變化趨勢平緩；而原切割工藝條件下，小方棒尺寸偏差值劇烈波動，變化無規律。這是因為原砂漿體系中碎顆粒較多，切割力不穩定，導致小方棒尺寸偏差值波動大。工藝改善后，砂漿體系中砂漿顆粒分布均勻，碎顆粒少，切割過程中始終能保持較好的切割能力，小方棒尺寸偏差值波動較小。

從圖2中還可看出，工藝改善后小方棒頭部尺寸差值明顯要小于中部和尾部。這是因為在切割工藝中，頭部切割速度比較小，砂漿流量充足，頭部切割能力強。剖方后小方棒頭部尺寸很均勻，差值較小。而中部切割速度達到最大值，而大錠中部處的砂漿流量變小，切割能力變差，故中部尺寸偏差值變大。切至尾部后，切割速度雖然降低，但大錠尾部處的砂漿流量已經很小，砂漿切割能力更差，尾部尺寸偏差值也會變大。

原工藝條件下，因砂漿顆粒粒徑大，切割速度快，且砂漿流量值240～300 kg/min，其值較小，砂顆粒容易卡在大錠頭部，大錠尾部砂漿流量嚴重不足，切割能力變差。鋼線在此干切產生大量熱量，使大錠尾部硅晶脫落；工藝改善后，前3刀切割速度整體降低至原切割速度的80%，流量增加到280～340 kg/min，可以保證小方棒各處砂漿流量充足，能保證切割效果。切至4刀后，砂漿粒徑變小至20～25 μm，更適合切割，提升切割速度不會影響切割效果，尺寸偏差值較小。最后3刀砂漿切割能力已變差，再次通過降速來保證砂漿切割效果。

2.2 工藝改善前后砂漿粒徑和顯微形貌分析

原切割工藝因砂漿初始體系里有一半舊砂漿，切至第5刀往其中加新砂，砂漿粒徑均勻性非常差，從圖3可以看出，原切割工藝下，砂漿粒徑變化無規律。工藝改善后，前3刀采用低速切割，參與切割的鋼線變多，且切割區的砂漿流量增加，大錠中下部砂漿切割能力變強。采用低速切割，大顆粒的SiC砂破碎較少，粒徑變化趨勢很平緩，隨著切割刀數增加，砂漿粒徑緩慢降低。

從圖4可以看出，原切割工藝因砂漿體系里含有大量舊砂漿、切割下的硅粉和水分，砂漿顆粒分布不均勻，且砂漿顆粒團聚嚴重，切割能力差；工藝改善后砂漿顆粒分布較均勻，整個砂漿體系很好，方便著手下一步工藝優化。

圖3 切割工藝改善前后GC360#砂漿粒徑與切割刀數對比圖

2.3 改善前后線痕長度比例分析

為了驗證工藝改善后效果，選取了2#剖方機改善前后各10錠，統計質量檢驗磨后線痕數據，如圖5所示。

從圖5可以看出，原工藝線痕平均長度比例是1.35%，曲線波動大；而工藝改善后線痕平均長度比例為0.45%，線痕長度比例也只有改造前的1/3，線痕長度比例下降明顯，砂漿切割能力提升。通過變速切割，增加流量等手段可使剖方后的小方棒尺寸偏差值變小，雙面磨面后線痕長度減少，其長度比例控制在0.75%以下，曲線前后波動較小。

圖4 切割工藝改善前后第1刀和第4刀砂漿顯微形貌圖

圖5 切割工藝改善前后線痕長度比例與切割刀數趨勢圖

3 結 論

綜上所述，切割工藝改善前后對比明顯。原切割工藝存在以下弊端：

（1）切割前期，GC360#砂容易卡在鋼線鋸縫中，導致大錠尾部處砂漿流量不足，鋼線在此干切發熱而使大錠尾部硅晶脫落，造成硅料損耗；

（2）采用1/2新砂漿+1/2舊砂漿雖然可以解決大錠尾部硅晶脫落問題，但會帶來另一個問題：舊砂漿中水分含量過高，砂漿團聚，且碎顆粒、硅粉等含量過多，砂漿的切割能力不穩定。硅棒尺寸偏差值和線痕比例等都出現較大的波動，不利于工藝進一步優化；

改善工藝：砂漿初始狀態不加舊砂漿，前3刀切割速度降低，參與切割的鋼線變長，砂漿流量增加，可以保證尾部有足夠的砂漿和鋼線來參與切割。既可以避免尾部硅晶脫落的問題，又可以保證砂漿的切割能力。硅棒尺寸偏差值和線痕比例均改善明顯。此外原工藝平均每缸砂漿切割10錠，改善工藝也為10錠，采用改善工藝未額外增加砂漿用量。改善工藝線痕長度比例變小，因線痕而造成的硅料損耗率大幅度降低。在當今光伏行業微利時代，改善工藝具有很高的產線推廣價值，意義重大。

[1] 袁艷蕊，魏昕，丁寅.游離磨料線切割的切割液行為綜述[J].金剛石與磨粒磨具工程，2009，174(6)：43-48.

[2] 李保軍，馮濤.多線切割工藝中切割線直徑對翹曲度影響的研究[J].電子工業專用設備，2009，38(8)：16-19.

[3] 楊興林，陶大慶.碳化硅粒徑變化對多晶硅片總厚度偏差的影響[J].金剛石與磨料磨具工程，2013，33(3)：44-49.

[4] 趙雷，靳永吉，吳旭.多線切割機砂漿混合攪拌理論研究[J].電子工業專用設備，2010，39(12)：47-50.

[5] 趙文華，馬玉通，楊士超.多線切割工藝中切割速度對晶片翹曲度的影響[J].電子工業專用設備，2011，40(9)：28-30.