2010.03 30 摘要：本文着重介绍了金刚石单线切割机的发展技术背景，并就中国电子科技集团公司第四十五研究所基于金刚石线切割自主研发的JXQ-401单线切割机详细的介绍，性能特点，关键技术以及切割工艺实验分析，就金刚石线切割机理分析以及应用进行了初步的探讨。 关键字：恒张力控制 切断 切方 曲线切割 王仲康， 杨生荣 （中国电子科技集团第四十五研究所） 1.整机概括介绍 JXQ-401单线切割机主要用于碳化硅、蓝宝石等脆硬材料的分切。该产品由中国电子科技集团公司第45研究所自主研发设备，具有4项发明、3项实用新型专利，切割晶片最薄厚度可达180μm 。与传统游离态多线比较，具有节能环保，切割厚度可任意设定，同时具有切方、切断，异形曲面切割等功能。 设备性能参数 2.技术背景 传统上一般晶锭切成片状的方式是内圆切割，这种切片机的刀片刃口厚度在0.28～0.35mm 之间，加工效率较低，材料损耗大，出片率低、加工晶片表面质量较低,难以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且随着晶圆直径的增大和第三代半导体材料的出现，内圆锯片加工受到其本身结构的限制使得切片切割过程逐渐困难，所以内圆锯片的加工方式在第三代半导体材料和大直径大批量晶片生产中逐渐被边缘化。 上个世纪九十年代发展起来的线切割技术的成熟应用,成功地满足了大片径、低损耗和相对较高表面质量的晶片切割需要。线切割晶圆技术刚开始是运用游离磨粒的方式，也就是 利用线带动游离磨粒， 使在工件和线中间的磨粒对工件进行磨 图1 整机 万方数据
31 2010.03 削切割。但是游离磨粒的缺点在于，因为磨粒和工件实际接触到的面积较小，造成材料移除率较小，所以需要较长的加工时间；而另外一个缺点在于，如须加工更硬、更难以切割的工件，则游离磨粒的方式将难以对工件的表面达到预期的切割。 为了改善上面的缺点，切割碳化硅等硬度大的材料，固定金刚石磨料线切割技术应运而生，这种加工技术通常是使用电镀的方法将金刚石磨料固着在钢丝表面,加工过程中锯丝上的金刚石直接获得运动速度和一定的压力对硅材料进行磨削加工,相比游离磨料多线锯的“三体加工”,它属于“二体加工”，其加工效率是游离磨料多线锯的数倍以上。金刚石单线切割机以其独特的优势成为第三代半导体硬脆材料和大直径材料切割中不可或缺的一部分。 3.关键技术描述及实施方法简述 JXQ-401单线切割机是以金刚石线作为切割线的一种硬 脆材料切割设备，具有切割线张力稳定切片表面粗糙度Ra 可达0.3μm 界同类设备领先地位。工艺实验表明，M&B 效率，还是断线率， 优于国外同类产品。图2 切割前后金刚石线变化图 图3 游离磨料和固定磨料切割效率对比图 图4 美国DWT 单线切割机 图5 DWT 单线控制原理示意图 万方数据
单晶硅切片制作. 生产工艺流程具体介绍如下： 固定：将单晶硅棒固定在加工台上。 切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。 倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。 分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。此处会产生废品。研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。此过程产生废磨片剂。 清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。此工序产生有机废气和废有机溶剂。 RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。 SPM清洗：用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液，SPM溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有机污物和部分金属。此工序会产生硫酸雾和废硫酸。 DHF清洗：用一定浓度的氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜，而附着在自然氧化膜上的金属也被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。此过程产生氟化氢和废氢氟酸。 APM清洗： APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液组成，硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒和金属也随腐蚀层而落入清洗液内。此处产生氨气和废氨水。 HPM清洗：由HCl溶液和H2O2溶液按一定比例组成的HPM，用于去除硅表面的钠、铁、镁和锌等金属污染物。此工序产生氯化氢和废盐酸。 DHF清洗：去除上一道工序在硅表面产生的氧化膜。 磨片检测：检测经过研磨、RCA清洗后的硅片的质量，不符合要求的则从新进行研磨和RCA清洗。 腐蚀A/B：经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。腐蚀A是酸性腐蚀，用混酸溶液去除损伤层，产生氟化氢、NOX和废混酸；腐蚀B是碱性腐蚀，用氢氧化钠溶液去除损伤层，产生废碱液。本项目一部分硅片采用腐蚀A，一部分采用腐蚀B。 分档监测：对硅片进行损伤检测，存在损伤的硅片重新进行腐蚀。 粗抛光：使用一次研磨剂去除损伤层，一般去除量在10~20um。此处产生粗抛废液。 精抛光：使用精磨剂改善硅片表面的微粗糙程度，一般去除量1 um以下，从而的到高平坦度硅片。产生
硅晶片金刚石线切割的表面特征及其力学性能 发表时间：2016-11-30T16:41:09.943Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：邢玉军 [导读] 摘要：分析了金刚石线切割硅晶片的表面形貌和断裂性能，并在此基础上探讨金刚石线切割原理以及一些技术挑战。 内蒙古中环光伏材料有限公司 摘要：分析了金刚石线切割硅晶片的表面形貌和断裂性能，并在此基础上探讨金刚石线切割原理以及一些技术挑战。金刚石线切割具有表面粗糙度低，硅片厚度均匀等优点，但却存在断裂强度各项异性。与切割划痕垂直方向的力学性能很高，然而与划痕平行方向的力学性能较低，这种性能差异是由表面单方向裂纹引起的，其裂纹的产生又与切割机理密切有关。金刚石线切割属于二体磨料磨损，其切割方式通常为塑性划痕，加之有少量脆性剥落。由于切割线的柔性，以及金刚石磨粒大小、形态、及分布的差异，切割过程则会出现切割的不连续性和不稳定性，并由此引起一些较大的表面裂纹。此外，划痕沟槽局部还会出现非晶态结构。提高金刚石线切割性能应从切割线磨粒角度来考虑。 关键词：金刚石线切割；表面形貌；断裂强度；切割机 一、引言 金刚石线切割是一种新型替代型切割技术。金刚石线切割不仅切割速度快、切割线使用寿命长、环境污染小，同时还可回收硅废料，因而受到极大重视。许多研究公司都在开发相关配套设备和技术。比如，日本旭金刚石工业株式会、美国DMT公司、比利时贝卡尔特正在开发金刚石切割线，瑞士的梅耶博格、美国的应用材料公司和德国的RENA研发金刚石线切割设备，中国的昱辉和美国MEMC从事金刚石线切割应用方面的工作。金刚石线切割现已初步应用于单晶硅材料的切割，但尚未用于类单晶和多晶切割。由于硅晶材料和切割加工约占太阳能光伏电池总成本的35%左右，人们希望一方面进一步减小硅晶片厚度，另一方面提高切割效率和质量，以达到降低成本的目的。金刚石线切割技术是一种新技术，在开发应用方面还面临很多挑战。文中在分析金刚石线切割晶片的形貌和力学性能的基础上，提出并探讨了切割机理及相关的核心技术问题。 二、硅片厚度均匀度 由于硅片厚度变化很小，总体尺寸在185-195微米之间，只在硅片边缘相对较厚（约200微米）。金刚石线切割不存在游离磨料切割的厚度渐进变化现象，但会出现硅片厚度局部侧移或变细的情况。2种厚度变化的原因均与切割线振动有关，相邻切割线的对移和反相移动可分别导致硅片厚度的侧移和变细。一般而言，前者通常对硅片性能影响较小，后者则会降低硅片的断裂强度。向垂直时，硅片呈现出很高的断裂强度，约在200-300ＭＰａ之间。但当弯曲方向与沟槽平行时，硅片的断裂强度较低，约在80-180 ＭＰａ之间。 2种方向的断裂强度约相差1倍，呈明显各向异性。 图1 三、硅晶片的断裂性能研究 断裂强度是硅片的重要力学性能指标，它直接涉及到光伏电池产品的成功率和可靠性。图1中显示金刚石切割硅晶片的断裂强度韦伯分布曲线。由于晶体硅为脆性材料，硅片断裂强度分布较分散；同时由于切割的原因，硅片断裂强度随弯曲方向的变化也很大。当弯曲方向与切割沟槽。 观察表明，硅片断裂强度的各向异性与切割形貌，尤其是表面裂纹密切有关。金刚石线切割会导致硅片表面裂纹，这种通常呈单方向性、与划痕方向平行，且裂纹尺寸较大。在划痕沟槽和裂纹的共同影响下，硅片断裂强度在裂纹平行方向显著降低。这种现象表明，硅片的断裂强度受表面因素的影响很大。若要提高硅片性能，在减少体缺陷的同时，更需减少表面缺陷。 金刚石切割线的设计主要涉及磨粒的制备。尽管磨粒固定在金刚石线上，切割过程中磨粒与工件直接接触，但这种接触方式不同于传统的刚体接触。因切割线的弹性，它实际上是一种半柔性接触方式，因此，切割过程中的进给量和切削深度都会随弹性的改变而变化。此外，金刚石磨粒还存在形状、大小、及分布的差别，每个磨粒的切割深度也会不一样。图７显示金刚石切割线的电子显微镜形貌，微小的金刚石磨料以电镀方式涂覆在金属线表面，颗粒的不均匀性显而易见。 四、硅晶体表面形貌对其它工艺及电性能的影响 硅晶片表面形貌对后续工艺的影响在于制绒效果。为了提高硅片表面的光学吸附率，硅晶片需进一步制绒处理。对单晶硅晶片而言，这种处理常是碱性刻蚀，以形成微小金字塔结构；对多晶而言，则用各向同性的酸性刻蚀。然而，由于金刚石线切割会导致高压塑性变形，有时甚至还会形成非晶态结构。这种结构的差异则会带来腐蚀速度的变化，出现局部刻蚀滞后，形成硅片表面条纹状结构，如图８所示。显然，这种情况对硅片性能不利，还有待从刻蚀角度改善。 切割工艺对光伏电池电学性能的影响在于金属杂志的污染，特别是电镀镍的污染。微量金属镍及铁都属于有害元素，它们会降低电子载流体寿命，减少发电效率。金属元素的污染与切割线的磨损有关，因而应提高切割线的耐磨性。除金属污染外，光伏电池的电学性能还受表面裂纹的影响。这是因为金刚石线切割所引起的深裂纹难以用化学腐蚀的方法消除，裂缝对硅片掺杂和表面钝化处理均不利，尤其可引起高漏电流，故降低电池效率。 五、金刚石线切割新技术的研究表明 金刚石线切割是一种很有前途的新技术，但仍存在许多亟待解决的问题。与此同时，金刚石线还需考虑价格因素。由于金刚石线价格高，需重复多次使用才能弥补价格差别。重复或往返使用则会引起磨粒的磨损及脱落，由此带来的切割效应还不清楚，尚须进一步深入研
一、硅片生产主要制造流程如下： 切片→倒角→磨片→磨检→CP→CVD→ML→最终洗净→终检→仓入 二、硅片生产制造流程作业实习 1.硅棒粘接：用粘接剂对硅棒和碳板进行粘接，以利于牢固的 固定在切割机上和方位角的确定。 2.切片(Slice)：主要利用内圆切割机或线切割机进行切割，以 获得达到其加工要求的厚度，X、Y方向角，曲翘度的薄硅片。 3.面方位测定：利用X射线光机对所加工出的硅片或线切割前 要加工的硅棒测定其X、Y方位角，以保证所加工的硅片的X、 Y方位角符合产品加工要求。 4.倒角前清洗：主要利用热碱溶液和超声波对已切成的硅片进 行表面清洗，以去除硅片表面的粘接剂、有机物和硅粉等。 5.倒角(BV)：利用不同的砥石形状和粒度来加工出符合加工要 求的倒角幅值、倒角角度等，以减少后续加工过程中可能产 生的崩边、晶格缺陷、处延生长和涂胶工艺中所造成的表面 层的厚度不均匀分布。 6.厚度分类：为后续的磨片加工工艺提供厚度相对均匀的硅片 分类，防止磨片中的厚度不均匀所造成的碎片等。 7.磨片(Lapping):去除切片过程中所产生的切痕和表面损伤
层，同时获得厚度均匀一致的硅片。 8.磨片清洗：去除磨片过程中硅片表面的研磨剂等。 9.磨片检查：钠光灯下检查由于前段工艺所造成的各类失效模 式，如裂纹、划伤、倒角不良等。 10.ADE测量：测量硅片的厚度、曲翘度、TTV、TIR、FPD等。 11.激光刻字：按照客户要求对硅片进行刻字。 12.研磨最终清洗：去除硅片表面的有机物和颗粒。 13.扩大镜检查：查看倒角有无不良和其它不良模式。 14.CP前洗：去除硅片表面的有机物和颗粒。 15.CP(Chemical Polishing):采用HNO3+HF+CH3COOH溶液腐蚀去 除31um厚度，可有效去除表面损伤层和提高表面光泽度。 16.CP后洗：用碱和酸分别去除有机物和金属离子。 17.CP检查：在荧光灯和聚光灯下检查表面有无缺陷和洗污，以 及电阻率、PN判定和厚度的测量分类。 18.DK(Donar Killer)：利用退火处理使氧原子聚为基团，以稳 定电阻率。 19.IG(Intrinsic Gettering):利用退火处理使氧原子形成二次 缺陷以吸附表面金属杂质。 20.BSD(Back Side Damage):利用背部损伤层来吸附金属杂质。 21.CVD前洗：去除有机物和颗粒。 22.LP-CVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition):高温分 解SiH4外延出多晶硅达到增强型的外吸杂。
金刚石线锯制造的一些关键技术问题 图1表明了分别采用未镀覆金刚石与镀覆金刚石上砂电镀镍的区别。众所周知，采用未镀覆的原始金刚石制作电镀金刚石工具，镀镍层从工具的基体开始逐渐生长增厚，由于金刚石不能导电，镍镀层不在金刚石上沉积，而是“绕过”金刚石生长，通过显微镜发现发现，在镍镀层与金刚石颗粒界线处，镍镀层会凹陷。因此，金刚石在电镀过程中作为“杂质”被镍镀层埋在镀层内，形成电镀金刚石工具。这样，金刚石与镍镀层之间结合力不好，只是靠镍镀层对金刚石的机械镶嵌来把持金刚石，因此对于镀层的厚度有着严格要求，一般认为最佳镀层厚度应该使得金刚石直径的70%埋入镍镀层中，埋入厚度不足，金刚石容易脱落；反之埋入过多，金刚石难于出露，工具的出刃不好，加工效率低。这样的要求给电镀过程控制带来了镀层厚度要求高，难调控的问题。 另外，由于金刚石不导电，镍镀层不能直接在金刚石表面形核生长，而是“绕过”金刚石生长，非常不利于金刚石上砂，也就是说，金刚石颗粒不容易沉积到钢丝基体上。金刚石微粉上砂慢，浓度不易调整，浓度难于控制。这个问题对于长度巨大的金刚石线锯连续大批量生产提出挑战。 如果采用镀覆的金刚石制作电镀金刚石工具，如镀钛金刚石、镀镍金刚石、镀铜金刚石、镀铬金刚石、镀覆合金的金刚石以及复合镀层金刚石等等，情况与上述未镀覆的金刚石发生了很大的变化。由于镀覆的金刚石变得导电了，镍镀层从工具的基体和与基体接触的镀覆金刚石上同时生长，而不是“绕过”金刚石生长，上砂容易，镀层生长迅速 因此镀覆的导电金刚石在电镀过程中不是作为“杂质”，“被动”地埋在镍镀层内，而是“主动”与镍镀层形成电镀金刚石工具。 由于镍镀层迅速漫过整个金刚石颗粒，对金刚石颗粒全覆盖，镍镀层厚度可以比薄，金刚石出刃高，制造方法 电镀，金刚石微粉复合镀镍，使得金刚石微粉颗粒与金属镍共沉积在钢丝上 钎焊法，采用钎焊的方法，用钎料把金刚石钎焊在钢丝上 挤压镶嵌法，采用机械挤压方法，把金刚石颗粒嵌入钢丝。 不管什么方法，两个要点，将金刚石微粉颗粒分布在钢丝表面，牢固结合在高强度钢丝上。 另外，制造过程不能损害高强度钢丝的性能。这里特别需要注意，不能使高强度钢丝经受高温退火，由于的工作条件，线锯对高强钢丝的强度有极高的要求，以保持切割过程中丝线的刚性和防止断丝。因此，对于细达0.1mm的钢丝，都是经
目录 1、设计任务及要求 (1) 1.1线锯机介绍 (1) 1.2设计数据 (1) 1.3设计任务 (1) 2、设计背景知识 (1) 2.1电动线锯机的简介 (2) 2.2电动线锯机的研究意向 (2) 2.3电动线锯机的前景 (2) 3、概述 (3) 3.1电动线锯机的原理 (3) 3.2电动线锯机的结构 (3) 3.3电动线锯机的基本特点 (3) 4、设计总结 (4) 4.1电动机的选择及计算 (5) 4.2传动系统的设计 (5) 5、三维建模 (6) 5.1传动系统及装配图 (6) 5.2工程图 (9) 6、设计复核及设计亮点 (16) 6.1设计复核 (16) 6.2设计亮点 (16) 7、设计小结 (17) 8、参考文献 (18)
1、设计要求及任务 1.线锯机介绍 线锯机又叫直锯机，是木工常用的电动工具，主要用语在木板上的开槽。电动机通过传动系统带动之下锯条上下往复运动，是西安锯切的目的。现要求设计电动线锯机的机械结构。 2.设计数据与要求 锯条上下往复运动的形成为30mm，最大锯切厚度为50mm；假设锯条切削木板时的平均削力为700N，废切削时锯条与木板见的平均摩擦力为100N；锯条规格长*宽=100*8mm。要求锯条上下往复运动的速度在500~1500次/分间可调（有级可调或无级可调皆可，若为有级可调，则分三级即可，即：500、1000、1500）；采用220V单相交流电动机，并要求该及其振动小、噪声小和重量轻。该线锯机的设计寿命为8年，每年300工作日，每日8小时。 3.设计任务 1）结构方面至少提出两种运动方案，然后进行方案分析屏蔽，选出一种运动方案进行机构设计； 2）进行线锯机结构设计，绘制其装配图及爆炸图； 3）编写课程设计说明书。
单晶硅太阳能电池/DSSC/PERC技术 2015-10-20 单晶硅太阳能电池 2.太阳能电池片的化学清洗工艺切片要求：①切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀(钢丝)切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。 具体来说太阳能硅片表面沾污大致可分为三类： 1、有机杂质沾污：可通过有机试剂的溶解作用，结合兆声波清洗技术来去除。 2、颗粒沾污：运用物理的方法可采机械擦洗或兆声波清洗技术来去除粒径≥ 0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除≥ 0.2 μm颗粒. 3、金属离子沾污：该污染必须采用化学的方法才能将其清洗掉。硅片表面金属杂质沾污又可分为两大类：（1）、沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。（2）、带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。 1、用 H2O2作强氧化剂，使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面 2、用无害的小直径强正离子（如H+），一般用HCL作为H+的来源，替代吸附在硅片表面的金属离子，使其溶解于清洗液中，从而清除金属离子。 3、用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。由于SC-1是H2O2和NH4OH 的碱性溶液，通过H2O2的强氧化和NH4OH的溶解作用，使有机物沾污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除；同时溶液具有强氧化性和络合性，能氧化Cr、Cu、Zn、Ag、Ni、Co、Ca、Fe、Mg等，使其变成高价离子，然后进一步与碱作用，生成可溶性络合物而随去离子水的冲洗而被去除。因此用SC-1液清洗抛光片既能去除有机沾污，亦能去除某些金属沾污。在使用SC-1液时结合使用兆声波来清洗可获得更好的清洗效果。另外SC-2是H2O2和HCL的酸性溶液，具有极强的氧化性和络合性，能与氧化以前的金属作用生成盐随去离子水冲洗而被去除。被氧化的金属离子与CL-作用生成的可溶性络合物亦随去离子水冲洗而被去除。 具体的制作工艺说明（1）切片：采用多线切割，将硅棒切割成正方形的硅片。（2）清洗：用常规的硅片清洗方法清洗，然后用酸（或碱）溶液将硅片表面切割损伤层除去30－50um。（3）制备绒面：用碱溶液对硅片进行各向异性腐蚀在硅片表面制备绒面。（4）磷扩散：采用涂布源（或液态源，或固态氮化磷片状源）进行扩散，制成PN＋结，结深一般为0.3－0.5um。（5）周边刻蚀：扩散时在硅片周边表面形成的扩散层，会使电池上下电极短路，用掩蔽湿法腐蚀或等离子干法腐蚀去除周边扩散层。（6）去除背面PN＋结。常用湿法腐蚀或磨片法除去背面PN＋结。（7）制作上下电极：用真空蒸镀、化学镀镍或铝浆印刷烧结等工艺。先制作下电极，然后制作上电极。铝浆印刷是大量采用的工艺方法。（8）制作减反射膜：为了减少入反射损失，要在硅片表面上覆盖一层减反射膜。制作减反射膜的材料有MgF2 ，SiO2 ，Al2O3 ，SiO ，Si3N4 ，TiO2 ，Ta2O5等。工艺方法可用真空镀膜法、离子镀膜法，溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等。（9）烧结：将电池芯片烧结于镍或铜的底板上。（10）测试分档：按规定参数规范，测试分类。 生产电池片的工艺比较复杂，一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。本文介绍的是晶硅太阳能电池片生产的一般工艺与设备。 一、硅片检测硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术
单晶硅电磁片生产工艺流程 ?1、硅片切割，材料准备： ?工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。 ?2、去除损伤层： ?硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。 ? ? 3、制绒： ?制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。 ? 4、扩散制结：
?扩散的目的在于形成PN结。普遍采用磷做n型掺杂。由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。 ? 5、边缘刻蚀、清洗： ?扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。 目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。 扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。 ? 6、沉积减反射层： ?沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN 作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产。 ? 7、丝网印刷上下电极： ?电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电
金刚石线锯切割设备现状与设计初探 周世威郑超 国家特种矿物材料工程技术研究中心桂林541004 摘要：随着光伏产业、半导体等高精端产业的发展，硬脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等材料的切割加工显得犹为重要。近年来，世界各国研究开发其切割设备，新工艺，新设备不断涌现。而金刚石线锯切割设备成为研究和发展的主流趋势，本文介绍国外硅片切割设备研究的最新进展以及国内发展状况，并介绍笔者参与研制的金刚石环形线锯机的功能、特点和设计心得体会及金刚石单线和环线切割机应用前景展望。 关键词：线切割设备金刚石线多线切割金刚石线开方机金刚石单线机环线机 一、前言 目前，硬脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能(如耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等)，在电子、光学及其它领域得到广泛应用，特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展，需求量不断增加，切割加工量大幅增长，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序，锯切加工成本约占加工总成本的 5 0 ％以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展。（1）从目前国内外加工的现状来看，硬脆性材料切割方法多种多样，主要有：金刚石圆盘锯切割（如外圆锯片切割和内圆锯片切割）、金刚石带锯切割、电火花线切割（只能用于带金属晶体）、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等等。在国际上，游离磨料线锯切割在单晶硅、多晶硅的切割中占主流地位，但是这种技术存在明显的不足：线锯走丝速度低，通常≤10m/S，切割效率低, 锯丝使用寿命短。切割大尺寸坯料时磨料难以进入到长而深的切缝，磨浆的处理和回收成本较高。因此，近来出现金刚石线锯代替游离磨料线锯的发展趋势。目前，国内硅片多线切割设备仍然是国外品牌厂家统治的天下，其核心技术长期为他们所垄断，严重制约我国光伏产业和半导体IC产业的发展。国家将对新能源及其装备制造业给予有力的政策支持，并提出要强化科技创新，提升产业核心竞争力，加强产业关键核心技术和前沿技术研究，强化企业技术创新能力建
硅片多线切割技术详解 太阳能光伏网 2012-4-9 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。硅片多线切割技术与其他技术相比有：效率高，产能高，精度高等优点。是目前采用最广泛的硅片切割技术。 多线切割技术是硅加工行业、太阳能光伏行业内的标志性革新，它替代了原有的内圆切割设备，所切晶片与内圆切片工艺相比具有弯曲度（BOW）、翘曲度（WARP）小，平行度（TAPER）好，总厚度公差（TTA）离散性小，刃口切割损耗小，表面损伤层浅，晶片表面粗糙度小等等诸多优点。 太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。 在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。 一、切割液（PEG）的粘度 由于在整个切割过程中，碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的，所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。 1、切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于55，而NTC要求22-25，安永则低至18。只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。 2、由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标，就会导致液的流动性差，不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度控制。 二、碳化硅微粉的粒型及粒度
先进线锯切割技术 在太阳能光伏电池制造中的应用 应用材料公司外部使用
先进线锯切割技术 在太阳能光伏电池制造中的应用 简介 为了使太阳能电池能够最终在取决于每瓦成本的能源供应市场上具有竞争力，光伏价值链中每个生产步骤的总体拥有成本（图1）都至关重要。晶体硅片的生产也不例外：处理一片硅片的总体拥有成本是降低其总体成本的主要动力。 图1: 晶体硅太阳能光伏硅片切割价值链 图2: Applied HCT 切方机 硅片切割工艺始于由单晶硅或多晶硅材料制成的实心硅锭。线锯将硅锭裁成方块（图2），然后再切割成很薄的硅片。这些晶体硅片就被用作制造光伏电池的衬底。如今的线锯切割大多数是通过多线切割技术（MWS ）实现的。 本文简要介绍线锯切割工艺及生产过程中面临的各种挑战，并且展示了能同时降低硅锭切方与硅片切割成本的下一代线锯切割技术。 线锯的历史 第一台可实际使用的光伏硅片切割机是以瑞士HCT 成型系统公司（HCT Shaping Systems ）的创始人Charles Hauser 博士的开创性研究为基础研制而成，于上个世纪八十年代投入使用。(如今是应用材料公司的精密硅片切割系统部门。) 这类设备使用携带研磨浆料的切割线，通过切割线运动来切割硅片。即使到现在为止，大多数用来将硅锭开方和切片的线锯仍然保留了与Hauser 博士的原型机器相同的基本结构，但是载荷与切割速度都得到了大幅提升。 线锯切割工艺 现代线锯的核心部分是缠绕在导轮上、直径为110μm-140μm 的单根切割钢线。这种导轮开槽精细且槽距均匀，形成平行切割线的水平网状结构或网（图3）。强大的驱动力使整张网在相对高速（每秒10米到20米）下运行。浆料，一种由耐磨粒子加冷却液制成的悬浮液，通过喷嘴输送到运动中的切割线上。切割线将浆料传送到切割区。将要切割的硅锭被固定在切割台上并且与切割头逆向垂直运动。这一动作将硅锭推 多晶硅 - 单晶硅 硅锭生长 硅砖裁切 硅锭生长 /晶体化 硅砖加工 (研磨 + 倒角) 硅砖切割 晶体硅片 晶体硅片 清洁 度量
单晶硅棒切片工艺详细流程-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
单晶硅切片制作. 生产工艺流程具体介绍如下： 固定：将单晶硅棒固定在加工台上。 切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。 退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。 倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。 分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。此处会产生废品。研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。此过程产生废磨片剂。 清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。此工序产生有机废气和废有机溶剂。 RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。 SPM清洗：用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液，SPM溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有机污物和部分金属。此工序会产生硫酸雾和废硫酸。 DHF清洗：用一定浓度的氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜，而附着在自然氧化膜上的金属也被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。此过程产生氟化氢和废氢氟酸。APM清洗： APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液组成，硅片表面由于H2O2氧 化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒和金属也随腐蚀层而落入清洗液内。此处产生氨气和废氨水。 HPM清洗：由HCl溶液和H2O2溶液按一定比例组成的HPM，用于去除硅表面的钠、铁、镁和锌等金属污染物。此工序产生氯化氢和废盐酸。 DHF清洗：去除上一道工序在硅表面产生的氧化膜。 磨片检测：检测经过研磨、RCA清洗后的硅片的质量，不符合要求的则从新进行研磨和RCA清洗。 腐蚀A/B：经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。腐蚀A是酸性腐蚀，用混酸溶液去除损伤层，产生氟化氢、NOX和废混酸；腐蚀B是碱性腐蚀，用氢氧化钠溶液去除损伤层，产生废碱液。本项目一部分硅片采用腐蚀A，一部分采用腐蚀B。 分档监测：对硅片进行损伤检测，存在损伤的硅片重新进行腐蚀。
金刚线切割产业化应用研讨会
硅片的金刚线切割及硅粉的回收利用
江西赛维LDK太阳能高科技有限公司 章金兵 2014/04/22
一、金刚线切割基本配置 一、
? 切割设备及参数
项目/Item
最大工件尺寸/Max workpiece size 工作台速度/Table speed 钢线最高线速/Wire speed 新线进给速度/Wire feed speed 钢线往返次数/Wire running reciprocation cycle 钢线张力设定范围/Wire tension control range
参数/Parameter □156mm×L300mm×2pcs 0.75mm/min Max 900m/min Max 30m/min Max 3 cycles/min 10~25N Max 50km Max 50km Capacity:300L
金刚线切割机
ＴＷ－３２０Ｃ型
新线储线量/New wire length 旧线储线量/Take up wire length 加工液缸/Slurry tank ‐1‐
? 金刚石线及其参数
电镀金刚石线(日本厂家）
树脂金刚石线（国内厂家）
（线径φ0.140mm‐胚线φ0.120mm‐金刚石粒度12～25um) （线径φ0.140mm‐胚线φ0.115mm‐金刚石粒度10～20um)
应用于单晶硅片切割
应用于多晶硅片切割
我司自2011年开始进行金刚石线相关技术研究，涉及单晶和多晶的 金刚石线切割及冷却液研制、切割硅粉回收等领域。
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1金刚石线切割 20世纪90年代，国际上为了解决大尺寸硅片的加工问题，采用了线锯加工技术将硅棒切割成片。早期的线锯加工技术是采用裸露的金属线和游离的磨料，在加工过程中，将磨料以第三者加入到金属线和加工件之间产生切削作用[1]。这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。为了进一步缩短加工时间，以及对其它坚硬物质和难以加工的陶瓷进行加工，人们将金刚石磨料以一定的方式固定到金属线上，从而产生了固定金刚石线锯。 3.1金刚石线切割的原理 图3.1金刚石线切割原理图 如图3.1高速往复运动的切割线带动砂浆到切割区，使砂浆中的研磨颗粒(SiC颗粒)与硅棒表面高速磨削，由于研磨颗粒有非常锐利的棱角，并且硬度远大于硅棒的硬度，所以硅棒与线锯接触的区域逐渐被砂浆磨削掉，进而达到切割的效果，同时砂浆也可以带走磨削中产生的大量热[2]。 在对金刚石线锯切割机理的认识过程中，许多研究者认为，金刚石磨粒的微观切削运动是一个滚动、嵌入过程，提出了“滚动 -嵌入”模型。Li 等人提出锯丝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，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用，发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下，据此对磨料的选择进行优化。Kao 等人指出在“滚动 - 嵌入”模型中，磨粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagavat等人则在这个模型中考虑了磨浆的作用并认为，在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内，锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境，用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型，得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数，还得出结论：磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生了切削[3]。 3.2 金刚石线切割的导线轮
太阳能硅片切割技术 太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。 在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。 一、切割液（PEG）的粘度 由于在整个切割过程中，碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的，所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。 1、切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于55，而NTC要求22-25，安永则低至18。只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。 2、由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标，就会导致液的流动性差，不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度控制。 二、碳化硅微粉的粒型及粒度 太阳能硅片的切割其实是钢线带着碳化硅微粉在切，所以微粉的粒型及粒度是硅片表片的光洁程度和切割能力的关键。粒型规则，切出来的硅片表明就会光洁度很好；粒度分布均匀，就会提高硅片的切割能力。 三、砂浆的粘度 线切割机对硅片切割能力的强弱，与砂浆的粘度有着不可分割的关系。而砂浆的粘度又取决于硅片切割液的粘度、硅片切割液与碳化硅微粉的适配性、硅片切割液与碳化硅微粉的配比比例、砂浆密度等。只有达到机器要求标准的砂浆粘度（如NTC机器要求250左右）才能在切割过程中，提高切割效率，提高成品率。 四、砂浆的流量 钢线在高速运动中，要完成对硅料的切割，必须由砂浆泵将砂浆从储料箱中打到喷砂咀，再由喷砂咀喷到钢线上。砂浆的流量是否均匀、流量能否达到切割的要求，都对切割能力和切割效率起着很关键的作用。如果流量跟不上，就
多晶硅长晶法即长成单晶硅棒法有二种： CZ（Czochralski）法 FZ（Float-Zone Technique）法 目前超过98％的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85％，其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅，用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用，主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。 目前国内主要采用CZ法 CZ法主要设备：CZ生长炉 CZ法生长炉的组成元件可分成四部分 （1）炉体：包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁 （2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件 （3）气氛压力控制：包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀 （4）控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统 加工工艺： 加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长 （1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。 （2）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。 （3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。 （4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。 （5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。 （6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。 单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片 加工流程：
优化太阳能硅片切割成本 当太阳能硅片切割行业的利润逐渐趣于稳定，行业内的竞争逐步升温的2009 年到来时,对太阳能硅片切割企业，尤其是中小型切割企业来说，在提高硅片质量的同时进行成本优化已成为一种必然。 由于行业的竞争，使得产品在销售过程中已不可能像经济危机之前那样坐等采购上门来买，并且对硅片的质量提出来极高的要求，因此,尽管太阳能硅片是按张数来卖,但只为增加张数的生产时光已一去不复返了。按常理来讲，要提高并且保持太阳能硅片的质量，就必须在生产环节层层把关，这样,带来的最直接的影响就是生产成本的上升.。对于硅片切割这样的加工型经营模式来讲，在保证质量的前提下,最直接的降低成本的方式莫过于实现规模化生产，但这种成本优化的方式只属于资金以及经营理念超前的赛维LDK、昱辉等大型硅片切割企业。因而，中小型硅片切割企业的成本优化方式，必须是结合生产工艺改进条件下的对切割液、碳化硅微粉、以及钢线等的优化使用。 沙浆的优化使用：在整个硅片切割过程中，最容易做到的首先是对沙浆的优 化使用 由于废沙浆的回收使用已经比较成熟，所以对大多数中小型硅片切割企业来说讲，在保证质量的前提下，降低沙浆的使用成本已经成为一种可能。我们以四台NTC442D线切割机为例，以液砂配比比例1 : 0.95计算，一台机一个月的用量液6吨，砂5.7吨，按市场价液16000元/吨，砂30000元/吨计算，那么四台机一个月的使用成本是1068000 元。如果用回收液和回收砂，为保证回收液和砂的质量，用塞矽做回收，回收比例可以达到液70%，砂50%。液按8000元/吨，砂15000元/吨计算，为保险起见，我们在使用过程中回收液，砂都参50%，那么四台机一个月的使用成本为802000，这样一个月可节省成本266000 元，即一年节省成本3192000 元。 如果技术改进，砂的回收加工费用可降到10000元/吨，并且回收液和砂的 使用比例还可以有大的提升。 可见，如果在工艺许可的范围内，对沙浆的使用进行优化，也可以为硅片切割企业节省大额的成本。 太阳能硅片切割液 太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。