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金剛石線切割技術簡析

關鍵詞 金剛石線 , 磨料 , 多晶硅|2019-05-20 14:45:36|技術信息|來源 中國超硬材料網
摘要 技術簡介以生產工藝劃分,金剛石線可以分為電鍍金剛石線和樹脂金剛石線。金剛石切割線是通過一定的方法,將金剛石鍍覆在鋼線上制成,通過金剛石切割機,金剛石切割線可以與物件間形成相對的磨削...

技術簡介

       以生產工藝劃分,金剛石線可以分為電鍍金剛石線和樹脂金剛石線。金剛石切割線是通過一定的方法,將金剛石鍍覆在鋼線上制成,通過金剛石切割機,金剛石切割線可以與物件間形成相對的磨削運動,從而實現切割的目的。

       金剛石線是用復合電鍍的方法將高硬,高耐磨性的金剛石微粉固結在鋼絲基體上,而制成固結磨料金剛石鋸線。在切割過程中90%的抗拉強度來自鋼絲線,因此鋼絲線對金剛石線至關重要。

       在自由磨料線鋸切割過程中,研磨液由噴嘴直接噴到鋼絲線與硅晶體上,由線網的鋼絲線帶動游離磨料對硅晶體進行切割。與游離磨料不同,金剛石線將金剛石微分固結到鋼絲線上,鋼絲線往復移動對硅晶體進行切割。

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圖:金剛石線構成軸剖面圖

技術優勢

       傳統砂漿的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,碳化硅被沖刷下來,唯有持續進行滾動磨削,而減少切割效率。碳化硅的硬度 9.5(莫氏),而金剛石硬度在 10(莫氏)。金鋼線切割線速度基本在 15m/s,正常切割的砂漿線速度基本在 9-11.5m/s。而若金鋼線再做突破的話,就應該是要更硬,同時兼有更好的自銳性(多晶金剛石),更穩定的固結方式,更快的線速度。

       金剛石切割線相比傳統工藝有三大優勢:

       1)金剛石線切割漏損少,壽命長,切割速度快,切割效率高,提升產能;

       2)品質受控,單片成本低,金剛石線切割造成的損傷層小于砂漿線切割,有利于切割更薄的硅片;

       3)環保,金剛石線使用水基磨削液(主要是水),有利于改善作業環境,同時簡化洗凈等后道加工程序。

添加劑原理

       隨著金剛石線切割技術的發展及單多晶競爭的日益激烈,多晶硅片將全部由砂漿線切割轉變為金剛石線切割。不過由于金剛石線切割多晶硅片的損傷層淺、線痕明顯等問題,常規砂漿線的酸制絨難以在其表面刻蝕出有效的減反射絨面。

       目前,針對金剛石線多晶硅片制絨的難題,主要解決辦法包括:金剛石線直接添加劑法、干法黑硅(RIE)及濕法黑硅(MCCE)等,由于RIE和MCCE成本及工藝等原因,目前大多數企業以金剛石線直接添加劑法制備金剛石線切割多晶硅片的減反射絨面,當然由于添加劑法制備的電池轉換效率低等因素,決定其只是金剛石線切割多晶硅片全面推廣的一個過渡階段。

       — 金剛石線添加劑制絨原理 —

       金剛石線切割多晶硅片利用二維切割方法,通過電鍍或樹脂固定的方法將金剛石顆粒鑲嵌在不銹鋼絲上,直接利用其高速運轉對硅片進行磨削切割,具有切割效率高、環保、適合于薄片切割及硅料利用率高等優點,但表面損傷層淺且有較多粗線痕;砂漿線切割多晶硅片利用三維切割方法,采用不銹鋼絲將SiC微粉及聚乙二醇等帶入切割區進行磨削切割的方法,具有表面損傷層較深且基本無線痕優勢,但產量低、硅料損耗大、環境污染大等。由于金剛石線多晶硅片與砂漿線硅片損傷層等差異較大,因此利用砂漿線酸制絨的方法對金剛線多晶硅片進行制絨時反射率達到28%左右,平均Eta比常規砂漿線低0.2%左右,主要是由于其制絨后反射率過高,從而導致Isc下降。

       目前,許多添加劑廠家都開發出金剛石線切割多晶硅片用添加劑,可以直接用砂漿線多晶硅片的酸制絨機臺,制絨后反射率比砂漿線高2%左右,轉換效率約比砂漿線低0.05%,成本低且與產線100%兼容。一般來說,按照金剛石線添加劑廠家建議的HF/HNO3/DI初配,沒有加入添加劑時減重較高,反應較劇烈,氣泡較大較少,反射率高,絨面會較大較淺;加入添加劑后減重會明顯降低,反應變慢,但氣泡較小較多,反射率變低,表面整體變暗,絨面普遍較小較深,這是因為:金剛石線添加劑會降低制絨藥液的表面張力,有利于氣泡、反應的含硅絡合物等形成的"掩膜"脫離硅片表面,尤其是對硅片底部的作用效果較為顯著,因此在金剛石線添加劑作用下促進絨面縱向發展,這樣制絨時縱向反應速度與橫向反應速度差異比無金剛石線添加劑時小很多,從而有利于硅片的絨面變小變深,達到降低反射率的目的。由此表明:金剛石線添加劑首先是抑制制絨反應的進行,使得整體反應速度變慢,同時通過控制絨面寬度和深度降低反射率,達到陷光效果。下圖即為有無金剛石線添加劑條件下3D絨面照片,對比可發現:有金剛石線添加劑時絨面明顯更小,出絨率更多,這是由于添加劑相對促進硅片縱向反應的結果。

       — 金剛石線直接添加劑法所需HF/HNO3理想配比的實現方法 —

       目前各廠家金剛石線添加劑直接制絨法的初配比例差異較大,一方面是由于市場上金剛石添加劑的種類繁多,添加劑配方差異較大;另一方面是因為多數添加劑及電池廠家都僅在常規砂漿線多晶硅片初配的基礎上進行適當調整,并沒有調試出一個很好的初配比例,這樣會造成制絨后的反射率難以達到添加劑所能達到的最低值,不利于提高電池的轉換效率,同時會造成大量HF和HNO3的浪費。

       根據金剛石線添加劑特性及原理,我認為任何一款金剛石線添加劑都只是相對的降低制絨反射率,因此都有其所能達到的最低反射率。如果金剛石線添加劑的用量偏少而HF/HNO3用量過多,不僅會造成化學品的浪費,而且很難達到降低金剛石線多晶硅片制絨反射率的目的。尤其是HNO3對反射率較為敏感,HNO3稍多就會造成表面發白,反射率迅速增加,HF過多會造成黑絨及整體反應加速等現象。如果添加劑用量偏多,不僅造成其浪費,還不利于提高電池轉換效率(金剛石線添加劑含有有機物等),同時也難以界定HF/HNO3用量是否達到合適配比,不利于獲得更低的制絨反射率。因此,我認為金剛石線添加劑制絨初配時首先需要考慮合適的金剛石線添加劑的用量,然后通過工藝調整得到最佳的HF/HNO3/DI配比,這樣才能得到最低的反射率,提高金剛石線多晶電池的Isc和Eta。

       那么,怎么通過調試獲得最佳的工藝配比呢?通過金剛石線添加劑實驗發現:在適當的初配比例下,可通過逐步的工藝調整得到理想藥液配比(包括添加劑量,HF、HNO3及DI用量,甚至帶速、溫度等、循環流量等)。工藝調試過程中遵循單一變量的原則,并重點監控絨面、反射率(表面敏感程度)、減重及外觀黑絲狀況等參數,通過每次工藝調整后各監控參數的變化分析藥液中各化學品量狀態(過量還是少量),尤其注意一些突變性的變化,這有助于快速幫助我們把握某些化學品的量是否適宜。配合對金剛石線添加劑原理的理解及各種化學品的作用,可建立一個金剛石線多晶硅片制絨反應的模型,通過對工藝調試過程中各監控參數變化進行邏輯推理,可得到理想的金剛石線添加劑藥液配比。針對不同用量的金剛石線添加劑,可調試出不同的相適宜的HF/HNO3/DI配比,同時此方法亦可調試出最佳的HF/HNO3自動補加比例。

為什么能提升效率

       金剛石線的切割效率能夠較游離碳化硅切割提高分為以下幾個方面,

       固結方式,也就是帶來金剛石參與磨削的切割更多,同時也減少了磨料之間的相互磨損現象。

       金剛石硬度高,金鋼石的耐磨損強,都將大大延長金鋼線的使用壽命。

       切割線速度高,金剛石與硅片接觸面積增大,金剛石線又將能承受高線速度帶來的其他不良,從而發揮高切割速度的優勢。

       傳統砂漿的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,碳化硅被沖刷下來,唯有持續進行滾動磨削,而減少切割效率。碳化硅的硬度9.5(莫氏),而金剛石硬度在10(莫氏)。金剛線切割線速度基本在15m/s,我們正常切割的砂漿線速度基本在9-11.5m/s。而若金剛石線再做突破的話,就應該是要更硬,同時兼有更好的自銳性(多晶金剛石),更穩定的固結方式,更快的線速度。

增效的地方

       切割效率高:首先第一個切割效率高降低了設備廠房及一切折舊、單片人工加工成本。

       單片成本低:金剛石線替代了傳統砂漿的切割的碳化硅、懸浮液、鋼線,對比三項來說,、根據砂漿使用結構線加線回收砂漿系統的單片控制在0.65元算比較前沿的,但不是每一家都可以達到這個程度,金剛石線的電鍍線切割基本持平,樹脂金剛石線還可以下潛1毛錢。

       品質受控:

       1、從品質管控來說,砂線液是是必須分三家供應商,如果在加上二級三級供應商的話,三項輔材需要設置要達到6-12家,相對金鋼線將砂、線、綜合了,供應商的減少也減少輔料波動性,只需管控一家即可。

       2、切割過程中的斷線,是影響良品率的一大殺手。金剛石線的母線采購單價是高于普通直拉剛線幾倍的價格,對于直拉剛線的品質要求也要更高,需要經過多次上砂和清洗和修磨工藝。

       3、金剛石線的制造過程,需要經過多道金剛石線拉力機的測試,并設立三道品質檢驗,分別從母線檢測、一次成品檢測、二次成品檢測、需對每卷線都會有一份相應可追溯性檢測報告,對表面鍍層上砂顆粒數量、破斷拉力、突出量等一系列數據進行檢測。

       4、金剛石線品質的性能,另外還需要是大量建立實際切割數據基礎上,在提供給客戶應用之前,現具有規模的金剛石線廠家都會添加1臺或者多臺金剛石線多線切割。建議一個具有可示范性、可復制的前沿技術推廣應用的生產測試部門,對每批次剛線進行切割和前沿技術的摸索,經過了品質檢驗和實際生產的測試雙向檢測。

       5、金剛石線的生產是完全建立數據跟蹤系統,對于每卷線數據做到具有可追溯性,這也將品質把控更提高了一步。

       環保:

       環保處理費用在現中國的時代,工廠對于環保的認知還是太低了,砂漿的cod達到幾十萬,而金剛石線切割液經過純水稀釋加切割液cod在200-1000,對于污水的處理也將大大提升。

       硅耗降低:

       潛在利于硅粉的回收再利用,回爐再利用,現在還在探索階段。

待解決的問題


       由于國內主流太陽能硅晶片市場為多晶硅片(約占硅片的80%,多晶硅片主要使用砂漿切割.), 目前金剛石線切割多晶硅片的主要是制絨問題。

       金剛石線切割多晶硅片在制絨方面存在不足,傳統槽式制絨工藝的腐蝕放熱,導致表面反射率遠遠大于砂漿切割方式的硅片,如何控制發熱問題,是金剛石線切割硅片制絨的關鍵,目前主要有兩種解決方案:

       第一使用鏈式制絨,并調整溶液以控制反應速度。

       第二引入多晶添加劑來改善多晶硅腐蝕后硅片表面形貌,以降低腐蝕量并實現硅片表面腐蝕結構均勻致密。

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