金刚线细线化质量控制研究

金刚线细线化质量控制研究

高鹏1许江涛2赵洪军3张晓俊4王毅5秦忠

（国家电投西安太阳能电力有限公司西宁分公司青海西宁810000）

摘要：硅片细线化切割质量控制是金刚线切片行业中常见的质量控制点。本文总结了细线化切割过程中，硅片表面质量的几种类型，分析其产生机理，并提出解决办法。

关键词：金刚线；硅片；崩边；线痕；TTV；解决办法

引言

太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一，它可以将太阳光直接转换成电能，且对环境无害[1]。

2015年6月，国家能源局、工业和信息化部、国家认监委联合印发《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》，要求发挥市场对技术进步的引导作用、严格执行市场准入标准、实施“领跑者”计划等八项举措。该政策进一步促使光伏产业的健康发展，同时对产品提出了更高要求，传统技术将面临新一轮的技术革新。

太阳能光伏发电具有无污染、可持续、总量大、分布广、应用形式多样等优点，单晶发电效率受到世界各国的高度重视，故此在未来光伏切片行业，单晶硅片切割技术将会拥有率占据最广。

在单晶硅片切割领域，对硅棒原料纯度要求越来越高，材料的物理特性，更有利于金刚线细线化、硅片薄片化技术研发。金刚线细线化、硅片薄片化切割技术已成为单晶切片行业内的主流发展趋势。

本文以生产工艺及原辅材料为基础，研究单晶硅片在生产过程中硅片表面质量产生的原因，并通过实验验证提出了解决方案。

1.金刚线细线化切割技术最主要的优势

金刚线细线化切割技术是应用母线线径更细的电镀金刚线、电镀镍层厚度更薄、金刚石颗粒更密集等特性相兼容，其结构更有利于切割。该技术是通过专业切片设备，系统调节进刀速度、切割线速度、张力大小等核心参数，使之达到匹配性能最佳状态，实现稳定量产切割的目的；其切割原理：①高速旋转并往复回转的主辊带动金刚石线做往复运动；②通过自动控制工作台向金刚线垂直进给，从而使金刚线与被切割物件间产生磨削而形成切割。金刚线细线化切割技术应用后可获得收益如下：

1）减少硅片在切割过程中的硅耗量，提高出片效率，从而较大程度地减少了硅片的成本。

2）电镀金刚线趋于更细化，可带来单刀产能的提升；依据目前行业内单晶硅片厚度及单刀切割时间，单刀有效切割时间可降低至100分钟及以内，极大的提升了切片效率及单台产能）。

2.单晶硅棒细线化切割过程中质量异常类型

单晶硅棒细线化切割后硅片粘胶面呈现的单面局部破损缺陷（崩边）、表面形貌呈线性凹凸状硅片（统称线痕）、硅片厚度均值＞30μm硅片（统称TTV）。细线化切割技术造成硅片表面质量类型如下：

（1）粘胶面崩边

a长条状线状崩边，大部分集中在粘胶面中间位置，属于细线化切割技术应用解决的难点类型。

b粘胶面局部出现掉渣现状，由于胶层脱落时胶层与硅料不完全脱离，局部形成亮点，且亮点处极易掉渣，受到轻微摩擦力即有硅落产生，成为崩边。

c硅棒表面划伤、圆弧倒角划伤，由于在硅料开方截断过程中，砂轮磨头有杂质颗粒，出现硅棒外观划伤，切割结束后，形成硅片棱边崩边。

（2）表面线痕

a硅片边缘3-5cm长度（即与切割纹路垂直的棱边）凹凸不平，手感较强，切割痕迹明显且此种痕迹贯穿整个硅片边缘。

b切割结束后，硅片表面呈现单一轨迹贯穿硅片表面且单一切割轨迹较宽较深。

c切割结束后，硅片表面呈现明显弓形状线痕。

（3）硅片厚度（TTV）

a硅片进刀边缘3-5cm厚度较厚，出刀位置边缘1-2cm厚度较薄，总体厚度差值超过30μm。

b切割结束后，整个硅片中间位置近0.5-1cm宽度偏薄。

崩边、线痕、TTV等不良品的产生，导致A极品率降低，从而增加硅片的成本。

3.异常原因分析

细线化切割技术的应用，造成硅片外观质量异常的原因诸多，主要有：设备稳定性、人员操作、原辅材料、切割工艺参数的匹配性均有直接或间接的关系，细线化切割技术应用后对硅片外观质量影响产生的主要原因进行简要分析：

1）崩边

a切割造成崩边：粘胶面中间位置长条状崩边，此种产生的主要跟操作人员涂胶手法、对胶层的厚度控制、人工调胶不均匀（A，B胶水比例混合搅拌）等，受空气影响，胶水无法全部填满空隙而导致硅棒与树脂板之间存在空隙（简称气泡）。金刚线切割至胶层位置时，胶层气泡给与钢线提供加速作用，导致出刀速度快，当钢线切割至胶层位置，因张力使用时间过长引起偏离零点变化，钢线波动较大（纵向），硅棒因内应力释放不均匀引起局部表面亮边、局部产生硅落现象。如图1、图2、图3所示。

图1切割结束后收刀面硅落图

图2切割结束后收刀面亮边图

图3树脂板面有空隙图

b原材料崩边：硅棒到切片方棒中间需通过截断、开方、磨抛等工种，磨抛工序是对硅片表面做精加工处理；处理过程会出现磨轮损坏，造成棒面划伤、圆弧倒角划伤，最终体现在硅片外观质量不合格（崩边）。如图4、图5所示.

图4圆弧倒角划伤图

图5硅棒表面划伤

2）硅片线痕

a细线化切割硅片表面线痕主要受金钢线切割力强弱影响，切割力过弱，切割过程中钢线弯曲度增大，长时间切割，金刚石磨损较大，硅片表面形成划伤，统称线痕；

b金刚线在生产过程中，因上砂工艺问题，导致局部金刚石堆积（团簇），砂石团簇处金刚石占用面积较大，切割过程中硅片表面出现单一纹路过宽、深度过深切割曲线。如图6、图7、图8、图9所示。

图6切割能力下降，弓形线痕图

图7单一纹路过宽、过深度3D图

图8砂石颗粒分布稀疏图

图9砂石颗粒堆积（团簇）图

c边缘间断性线痕，主要是受设备和人员操作影响。正常切割过程中如流量稳定，硅片边缘平滑无线痕触感，但在切割过程中遇到流量不稳定（如图10、图11所示），或砂浆喷液角度过大或钢线切割力偏弱，冷却液与硅棒跟钢线接触点无法形成切点时，硅片表面就会出现边缘间断性线痕。

图11切割时正常喷液

3）硅片厚度不良（俗称TTV不良）

a切割过程中因直接接触或者间接接触辅助物件，导致线网抖动或偏移原有切割轨迹（工作台的震动、主辊槽型的不规则）而产生硅片厚度不良；

b切割张力过小，金刚线摆动间隙较大，切割不平稳，造成硅片TTV不良产生；

c导轮的偏磨、操作不到位、冷却液润滑不到位造成金刚线磨损较大，切割力降低，造成硅片TTV不良；

d金刚线本身因素影响导致，通常是电镀金刚线切割力不足或单段切割力差异较大、金刚石不耐磨、电镀工艺出现脱层等情况造成TTV不良。

4.控制线痕措施

针对以上细线化切割硅片质量异常产生因素，须进行针对性的改善，从而降低硅片质量异常发生概率。

1）崩边

a通过观察判断崩边的性状，针对因树脂板胶层出现气泡导致出刀速度过快，未能凸显缓冲作用，造成粘胶面亮边硅落等现状，此异常可通过控制单刀调胶比例、主剂和固化剂混合均匀度、单刀涂胶速度等来降低其发生率；

2）线痕

a表面弓形、单一纹路过宽及过深线痕，此种异常受金刚线本身因素导致，控制措施如下：一是通过应用自动化设备，实现自动识别金刚砂密度，根据偏差自动调节生产工艺参数，确保砂量均衡性，降低团簇现状的产生，提高钢线切割力。二是通过调整进刀台速与周期性新线使用量等参数，使二者的匹配性最佳。

b边缘间断线痕，此种异常因产线辅助工器具安装不到位导致，控制措施如下：一是制定喷液装置的规定位置（距离线网的高度、距离硅棒的宽度）。二是更改喷液装置，将直喷式改造成溢流式冷却方式，提高冷却润滑效果。

3）硅片厚度不良

a正确安装导轮减轻钢线在排线过程中的磨损、通过厂家改善金刚线品质来弥补切割力不足等缺陷。

b工艺参数设定不合理、设备综合性能不稳定造成；出现进刀位置厚度偏厚，出刀位置厚度偏薄等质量异常，此种异常是进刀线速度过快、金刚线切割力不足等情况造成；

c低线耗、高效率的切割工艺，建议切深不超过10mm，采用2段不同的线速度进刀，第一段线速度控制范围为：切割最高线速度*50%左右，第二段线速度控制范围为：切割最高线速度*70%左右，可降低入刀厚出刀薄等发生概率。

d钢线摆动较大造成TTV不良，通过大数据验证金刚线切割张力，最终确定适合机型最佳切割张力。

e定期校正设备（皮带张力、张力臂原点、地角水平）始终保证设备处于正常运行状态；

结论

本文从工艺、材料等方面分析了金刚线细线化切割过程中硅片表面质量异常产生的原因，并提出相应改善措施，能够有效的降低金刚线细线化切割硅片表面质量异常。

参考文献：

[1]施敏，李明奎，王明湘，赵鹤鸣半导体器件物理与工艺，2010，8：4