硅片切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)①

王小軍，孫振亞

（1.武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)材料研究與測(cè)試中心，湖北 武漢 430070）

1 前沿

隨著世界各國對(duì)能源需求的不斷增長和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益加強(qiáng)，清潔能源的推廣應(yīng)用已成必然趨勢(shì)，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的清潔能源。目前，我國正在加大太陽能方面的建設(shè)和利用，2011年太陽能發(fā)電的裝機(jī)容量大約100萬千瓦，預(yù)計(jì)到2015年及2020年，我國太陽能發(fā)電裝機(jī)容量分別將達(dá)到1000萬千瓦和5000萬千瓦。這是一個(gè)快速增長的時(shí)期，商業(yè)化太陽能利用也已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。硅系太陽能電池包括單晶硅電池、多晶硅薄膜電池等，其中單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，光電轉(zhuǎn)換率最大可以達(dá)到23%，在現(xiàn)階段的大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。太陽能電池的重要部件是硅片，隨著太陽能工業(yè)的快速發(fā)展，硅材料的需求不斷增長，單晶硅和多晶硅的價(jià)格不斷上漲，其成本已占太陽能電池板總成本的55%左右，由于硅片的厚度不會(huì)影響太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率，所以對(duì)于如何降低太陽能電池組件的成本，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和太陽能電池板的生產(chǎn)廠家都圍繞如何切出更多的硅片，如何降低硅片加工期間發(fā)生崩邊的可能性，如何提高材料的利用率進(jìn)行探索。本文將介紹太陽能用硅片的傳統(tǒng)切割方法和太陽能硅片切割方法的發(fā)展方向。

2 硅片的切割技術(shù)

太陽能硅片加工工藝流程一般經(jīng)過晶體生長、切斷、外徑滾磨、平邊、切片、倒角、研磨、腐蝕、拋光、清洗、包裝等階段。近年來光伏太陽能和半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)硅片的切割和加工提出了更加苛刻的要求：一方面為了降低生產(chǎn)和加工成本，硅片向大直徑的方向發(fā)展，而硅片的厚度則逐年降低（表1可以看出硅片的厚度在逐年降低，但是2009年硅片厚度降低20μm，2010年只降低10μm）。另一方面要求生產(chǎn)出的硅片具有較高的平面精度和較低的的表面粗糙度。這些要求都加大了硅片的加工難度，由于硅材料具有脆、硬等特點(diǎn)，直徑增大造成加工中的翹曲變形，加工精度不易保證。厚度降低、芯片厚度減薄造成了材料磨削量大、效率下降等［2］。

表1 硅片厚度歷年數(shù)據(jù)［1］Table 1 Wafer thickness data［1］

切片作為硅片加工工藝流程的關(guān)鍵工序，其所采用的加工方式和所采用的加工技術(shù)將直接影響加工效率和加工質(zhì)量。對(duì)于切片工藝技術(shù)的原則要求是：

（1）切割精度高、表面平行度高、翹曲度和厚度公差小。

（2）斷面完整性好，無拉絲、刀痕和微裂紋。

（3）提高成品率，縮小刀（鋼絲）切縫，降低原材料損耗。

（4）提高切割速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割。

2.1 內(nèi)圓切割

內(nèi)圓切割正如它的名稱一樣，切割的位置在刀片的表面。刀片是由不銹鋼制成的大而薄的圓環(huán)。刀片的內(nèi)側(cè)邊緣鍍有帶金剛石顆粒的鎳層。這一金剛石－鎳的鍍層提供了用來切割晶棒的表面。內(nèi)圓切割時(shí)，刀片的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)，刀片與硅片的摩擦力增大，切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的殘留切痕和微裂紋，切割結(jié)束時(shí)易出現(xiàn)硅片崩片甚至飛邊的現(xiàn)象。隨著硅圓片直徑的增大，高速旋轉(zhuǎn)帶來的硅片表面損傷也會(huì)增大，約為30～40μm。對(duì)于Φ200mm硅片，為能夠使粘有碳板的晶棒都能通過，刀片的外圓直徑可達(dá)到32英寸左右。由于內(nèi)圓切割一次只能加工一片，切片厚度達(dá)到350μm，切縫損失較大，約為300～500μm，這些缺點(diǎn)限制了內(nèi)圓切割的適用范圍，只能小批量的加工直徑不大于200mm，精度要求不高的硅片［3］。

圖1 內(nèi)圓刀刃式Fig.1 Inner circle cutting

2.2 多線切割

盡管線切割已使用了幾個(gè)世紀(jì)，但被應(yīng)用到半導(dǎo)體廠家僅僅是在最近20年內(nèi)。第一臺(tái)實(shí)用的光伏切片機(jī)臺(tái)誕生于 上世紀(jì)80年代，它源于Charles Hauser博士前沿性的研究和工作。Charles Hauser博士是瑞士HCT切片系統(tǒng)的創(chuàng)辦人，該系統(tǒng)也就是現(xiàn)在的應(yīng)用材料公司PWS精確硅片處理系。

線切割最初需要昂貴的投資，但因在切片損失上的減少能使其很快收回成本。目前，在直徑大于100mm的硅片加工中，尤其是在大于200mm以上的硅單晶棒切片加工中，已廣泛采用多線切割系統(tǒng)切割硅片。線切割使用研磨砂漿來切割晶棒，砂漿黏附在接觸并進(jìn)入晶棒的鋼線上，鋼線會(huì)產(chǎn)生壓力壓迫研磨劑與晶棒接觸，通過在砂漿和晶棒間的壓力接觸使材料被磨去。

圖2 線切割Fig.2 Multi－wire cutting

傳統(tǒng)的線切割利用鍍銅鋼線帶動(dòng)砂漿進(jìn)行切割，切割后的廢棄砂漿需要進(jìn)行回收利用，為了降低硅片切割成本，減少生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，國內(nèi)一些企業(yè)開始引用國外先進(jìn)硅片切割技術(shù)，采用金剛石線進(jìn)行硅片切割，以提高生產(chǎn)效率，減少不必要的環(huán)節(jié)，節(jié)約成本。金剛石線是一種在鋼線表面均勻鍍上一層微細(xì)的金剛石顆粒的特制鋼線，在硅片切割中徹底擺脫了對(duì)液（PEG）、砂（SiC）的依賴。目前，國內(nèi)對(duì)金剛石線的研究比較少，生產(chǎn)還處于起步階段，硅片切割用金剛石線主要依賴進(jìn)口。用于切割硅片的金剛石線主要有三種，電鍍金剛石線，樹脂金剛石線和電積固定金剛石線。樹脂結(jié)合劑金剛石線具有制作工藝簡單，生產(chǎn)成本低，鋸切效率高，環(huán)境污染少的優(yōu)點(diǎn)，但是樹脂的耐磨性、耐熱性較低，樹脂結(jié)合劑線鋸的使用壽命較短。Asahi Diamond Industrial采用了電積固定磨粒的方法。根據(jù)被切削材料，可將磨粒大小調(diào)整到最佳。并且，由于每單位長度的金剛石磨粒量根據(jù)不同被切削材料而設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了比樹脂類固定磨粒金剛石金屬絲切割更高的性能。多線切割中研制更小直徑的，結(jié)合強(qiáng)度更加牢固的金剛石線將成為一種趨勢(shì)線切割的基本結(jié)構(gòu)很簡單，一根小直徑的鋼線繞在幾個(gè)導(dǎo)輪上使鋼線形成梯形的形狀。導(dǎo)輪上有凹槽能確保鋼線以一定距離分隔開。一根連續(xù)的鋼線分別繞在導(dǎo)輪的一個(gè)個(gè)凹槽上，形成許多相同間隔的切割表面。線之間的空間決定了想要的硅片厚度。鋼線的移動(dòng)由線軸控制，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)只有一根鋼線。線的兩端分別繞在線軸上，晶棒慢慢向上（或向下）移動(dòng)，穿過鋼線，鋼線能從晶棒上同時(shí)切割下許多硅片［2］。

圖3 電鍍金剛石線顯微形貌圖Fig.3 Micro－appearance of electroplated diamond wire saw

多線切割技術(shù)是硅片加工行業(yè)、太陽能光伏行業(yè)標(biāo)志性的革新，它替代了原有的內(nèi)圓切割設(shè)備，是目前采用最廣泛的硅片切割技術(shù)。硅片多線切割技術(shù)與其他技術(shù)相比有效率高，產(chǎn)能高，所切晶片與內(nèi)圓切片工藝相比具有彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP）小，平行度（TAPER）好，總厚度公差（TTA）離散性小，刃口切割損耗小，表面損傷層淺，晶片表面粗糙度小等優(yōu)點(diǎn)。但是也存在切割片平均厚度誤差較大（相比于內(nèi)圓切割），切割過程智能檢測(cè)不易實(shí)現(xiàn)，切割過程成功率要求較高，風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦斷絲而不采取相應(yīng)措施時(shí)會(huì)造成整體的單晶硅棒浪費(fèi)，不能夠?qū)崿F(xiàn)單片的質(zhì)量監(jiān)控，一次切割完成后才能夠檢測(cè)一批圓片的質(zhì)量并且圓片的質(zhì)量也不相同等缺點(diǎn)。

2.3 電火花線切割

WEDM加工是利用工件和電極絲之間的脈沖火花放電，產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化或氣化從而達(dá)到加工目的的技術(shù)；它是一種非接觸、宏觀加工力很小的加工方式。根據(jù)走絲速度的快慢，電火花線切割加工分為低速走絲線切割加工（WEDM－LS）和快速走絲線切割加工（WEDM－HS）。

電火花切割硅片技術(shù)是目前國外研究硅片切割的一種新方法，近年來國外相關(guān)的大學(xué)和機(jī)構(gòu)對(duì)于電火花切割在硅片切割方面的應(yīng)用也做了相關(guān)的研究。比利時(shí)的魯汶大學(xué)和美國的內(nèi)布拉斯加大學(xué)均采用低速走絲線切割技術(shù)切割硅片，這對(duì)于單晶硅和多晶硅在低電阻率的條件下具有可加工性［4］。東京農(nóng)工大學(xué)研究在電火花切割工藝條件之下，電阻率為0.02Ω·cm的單晶硅，在不同的工作液中對(duì)單晶硅切割表面質(zhì)量的影響，結(jié)果顯示：以煤油為工作液的加工表面優(yōu)于以去離子水為工作液的加工表面［5］。

南京航空航天大學(xué)在國內(nèi)也開展了電火花電解復(fù)合切割硅片技術(shù)的研究，通過研究工作方式、工作液類型、電源及控制策略等因素對(duì)硅片表面質(zhì)量和加工效率的影響，以掌握減少切割表面顯微裂紋及熱影響區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)為研究目標(biāo) ，進(jìn)行了低電阻率硅片切割的基礎(chǔ)研究工作。最高切削效率已達(dá)到600mm／min，切割厚度小于120μm［6］。

圖4 電火花線切割運(yùn)絲系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of WEDM motion

由于電火花線切割屬于無宏觀力切削加工，理論上切削硅片的厚度可以很薄，目前的實(shí)驗(yàn)條件下可以達(dá)到120μm以下。這一指標(biāo)內(nèi)圓切割和線切割目前是無法達(dá)到的。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示用線切割放電加工法所獲得的硅片總厚度變化（TTV）和彎曲程度（Warp）與多線切割結(jié)果幾乎一樣，切縫造成的硅材料損失與多線切割法得到的數(shù)值相當(dāng)。

表2 線形切割、內(nèi)圓切割及電火花切割特性比較［2］Table 2 Performance of multi－wire cutting，inner circle cutting and WEDM［2］

2.4 超聲振動(dòng)切割

超聲加工是利用超聲振動(dòng)工具在有磨料的液體介質(zhì)中產(chǎn)生磨料的撞擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的空化（氣蝕）作用來去除材料，或給工具、工件沿一定方向施加超聲頻振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。幾十年來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題，取得了良好的效果［7］。蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機(jī)床，上世紀(jì)90年代，日本東京大學(xué)在超聲加工機(jī)床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細(xì)工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為Φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直徑為Φ5μm的微孔［8］。

超聲加工的基本原理是在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動(dòng)方向加上一個(gè)不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩（一般為20～30kHZ的超聲波）通過換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動(dòng)下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍具有一定的加工速度。

圖5 超聲波切割原理Fig.5 Ultrasonic cutting principle

超聲加工的特點(diǎn)：

（1）根據(jù)其加工原理，主要為磨料和液體分子對(duì)加工對(duì)象的不斷沖擊和空化實(shí)現(xiàn)加工的目的，其切割對(duì)象主要為脆而硬的非金屬材料及一些難加工的超硬材料。

（2）工具可用較軟的材料做較復(fù)雜的形狀。

（3）工具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)簡單，易于利用現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行改裝和維護(hù)。

（4）由于去除材料是靠粒度極微小的磨料瞬時(shí)、局部的撞擊作用以及超聲空化作用，所以工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱很?。词巩a(chǎn)生很小的切削熱也會(huì)被磨料懸浮液及時(shí)帶走），不會(huì)引起變形及燒傷。

（5）加工精度與表面質(zhì)量也較好，加工尺寸精度可以達(dá)到0.01～0.02mm表面粗糙度可以達(dá)到0.08～0.63μm，明顯優(yōu)于電火花、電解加工。

（6）其切削效率介于內(nèi)圓切割和多線切割之間，相當(dāng)于普通無振動(dòng)切割的三倍［9］。

3 總結(jié)

由表2數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于直徑小于200mm的硅片，厚度和精度要求不高的，一般采用內(nèi)圓切割，適宜小批量的加工。直徑大于200mm的硅片，厚度和精度要求較高的，一般采用線切割，適宜大批量生產(chǎn)。線切割，電火花線切割和內(nèi)圓切割相比較，線切割生產(chǎn)出的硅片質(zhì)量優(yōu)于電火花線切割，電火花線切割優(yōu)于內(nèi)圓切割。電火花線切割硅片技術(shù)還不太成熟，切割效率、硅片表面破壞深度和切縫損失相比線切割而言相對(duì)較差，但是表2中數(shù)據(jù)，電火花線切割所用切割線為Φ250mm，線縫損失為280～290mm，線縫損失有減少的潛力，有實(shí)驗(yàn)表明，電火花線切割最薄可達(dá)120μm，有可能達(dá)到線切割水平并且超過線切割水平。電火花線切割硅片技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，很有可能在將來替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)的硅片切割技術(shù)。

超聲振動(dòng)切割技術(shù)作為一種新的硅片切割技術(shù)，其性能明顯優(yōu)于其它四種加工技術(shù)所生產(chǎn)出的硅片，其加工精度更高，精度可以達(dá)到0.01～0.02mm，表面粗糙度可以達(dá)到0.08～0.63μm，切削應(yīng)力較小，不存在電火花線切割可能產(chǎn)生的表面燒傷?？梢钥闯龀曊駝?dòng)切割是一種理想的硅片切割技術(shù)。

由表1可以看出，硅片的厚度在不斷減少，在短暫的7年時(shí)間里，硅片厚度從320μm到150μm，厚度減少一倍，未來的太陽能技術(shù)的發(fā)展和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展要求直徑更大，更薄，精度更高的硅片。我們相信，電火花線切割和超聲振動(dòng)切割將有更大的發(fā)展空間。

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［9］吳冰潔.基于微器件的超聲微細(xì)加工基礎(chǔ)試驗(yàn)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2006.