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失之毫厘谬之千里--硅片厚薄片问题

一、概况

切片工序是制备太阳能硅片的一道重要工序,太阳能硅片的切割原理是转动的钢线上携带着大量碳化硅颗粒,同时工作台位置缓慢下降,由于碳化硅的硬度大于多晶硅(晶体硅的莫氏硬度为6.5,碳化硅的莫氏硬度为9.5),依靠碳化硅的棱角不断地对硅块进行磨削,起到切割作用。薄厚片是衡量硅片品质的一个很重要的指标。薄厚片的存在会影响硅片合格率及电池片的生产工艺,因此这对硅片品质提出了更加严格的要求。

二、硅片厚度产生偏差的原理

硅片的切割过程是在导轮上完成的,钢线在导轮上缠绕形成相互平行的均匀线网,并以10-15m/s的速度运动,砂浆经浆料嘴均匀地流到线网,砂浆中的碳化硅由于悬浮液的悬浮作用裹覆在钢线上,对硅块进行切割。但是随着切割的进行,钢线和碳化硅都会出现不同程度地磨损,钢线的椭圆度增大,携砂能力下降,同时碳化硅的圆度变大,平均粒径减小,切割能力也有所降低,因此,通常在平行工作台运动的方向,硅片入刀点厚度小于出刀点厚度;而和硅块运动方向垂直的方向上,硅片入线侧厚度小于出线侧厚度。硅片厚度有一定的偏差范围,对于180μm厚度的硅片,其偏差范围为±20μm,超过此范围则成为不良品--薄厚片。从根本上讲,薄厚片的产生都是由于各种问题导致线网抖动而造成的。

三、薄厚片原因分析

薄厚片可分为两大类:

(1)TV(ThicknessVariation厚度偏差),主要指硅片与硅片之间相同位置之间的厚度偏差,通常存在于同一锯硅片中。

(2)TTV(TotalThicknessVariation整体厚度偏差),指同一片硅片上最厚位置与最薄位置之间的偏差。薄厚片根据其在硅片内的分布位置可以分为四类:整片薄厚(TV);入刀点薄厚(TTV);硅片中部至出刀点薄厚(TTV);单片薄厚不均(TTV)。其产生原因分析如下:

(1)整片薄厚:

a.导轮槽距不均匀。硅片厚度=槽距-钢线直径-4倍的(碳化硅)D50,根据所需的硅片厚度要求,可以计算出最佳槽距。此外由于在切割过程中,钢线会磨损,钢线直径变小,且端口由圆形变为椭圆形,因此导轮槽距需要根据线损情况进行补偿,以保证硅片厚度均匀。

b.切割前未设好零点。正确设置零点的方法是(以HCT机床为例):将晶棒装载入机床后,手动降工作台使四条晶棒的导向条刚刚接触线网并点击触摸屏主界面设零点按钮,然后慢速将工作台升至-1.5mm位置真正设零点并命名切割编号。如果零点位置设置不当,导向条接触到线网,则在切割开始后钢线由于受摩擦力作用张力不稳,导致从入刀开始即产生整片薄厚。

c.导向条与硅块之间留有缝隙,切割开始后,随着钢线的运行,部分碎导向条被带入线网,钢线错位,由于钢线在切割过程中会瞬间定位,这样就造成硅片整片薄厚的现象。

d.导轮槽磨损严重。导轮涂层为聚氨酯材料,切割一定刀数后导轮槽根部磨损严重,导轮槽切偏,切割过程中钢线在导轮槽内由于左右晃动导致产生整片薄厚。

解决措施:

a.导轮开槽后检查槽距是否均匀,且要根据线损情况对导轮槽距进行补偿。

b.设置零点时,控制好导向条距离线网的位置。

c.规范粘胶操作。硅块表面粘接导向条时,注意检查导向条是否弯曲,胶水是否涂抹均匀,保证粘接导向条后导向条与硅块之间不能有缝隙。

d.导轮使用过程中,定期使用光学投影轮廓仪对导轮槽进行检测,观察导轮槽深、角度,发现导轮槽磨损严重时则及时更换导轮。

(2)入刀点薄厚:

(在硅片上出现薄厚的位置通常为入刀点至向上延伸6mm的区域)

a.工作台垫板更换错误。更换新导轮时,要根据导轮的直径更换工作台垫板(垫板厚度为305mm减去导轮直径长度),垫板厚度错误会导致在设零点时,上工作台的两条晶棒与下工作台的两条晶棒距离线网高度不一致,导致入刀时线网不平稳。

b.入刀阶段砂浆流量大。由于入刀时钢线处于不稳定状态,砂浆流量大会对线网造成冲击,钢线抖动,产生入刀薄厚片。

解决措施:

a.根据导轮直径,更换厚度值相当的垫板。

b.调整入刀阶段砂浆流量工艺,控制好砂浆温度和砂浆流量,减少对线网的冲击力。

(3)硅片中部至出刀点薄厚:

a.切割过程中,有碎片、碎导向条等杂质混入砂浆中,随着砂浆的流动和钢线的转动卷入导轮上的线网中,引起跳线和切斜,造成该区域的硅片中部至出刀点薄厚。

b.砂浆流量不合适。砂浆流量是否均匀、流量能否达到切割要求,对硅片切割起着关键性作用。若果切割过程中,砂浆流量时流时断,则会造成切割力不均匀,导致产生薄厚片。

解决措施:

a.开始切割前,将机床切割室内的碎片清理干净,更换切割室过滤网以及浆料缸内的过滤桶、过滤袋等,保证机床洁净度。

b.将切割室内的浆料嘴清理干净,打开砂浆,看浆料嘴喷出的砂帘是否完整无断流。

(4)单片薄厚不均:

a.钢线张力异常,波动较大。钢线张力是硅片切割工艺的核心要素,切割过程中,收放线轴的钢线都要保持一定的张力(通常0.12mm钢线放线轴张力设定范围为22N-24N,0.13mm钢线放线轴张力设定范围为21N-23N),张力过大或过小都不利于悬浮在钢线上的碳化硅颗粒进入锯缝进行切割。钢线张力正常波动范围为±1N。导致钢线张力异常的因素有:气缸漏气,张力臂滑轮或切割室入线口滑轮晃动或滑轮外套切偏。

b.导轮跳动较大。一般地,导轮径向跳动<30μm,轴向跳动<20μm,导轮跳动过大则会引起线网抖动,导致硅片薄厚不均。

c.机床水平问题。机床不水平,则会在切割过程中产生较大的震动,从而导致线网抖动。

d.导轮问题。主要出现在新导轮或导轮槽严重磨损的情况下,钢线直径和导轮槽根部直径不能完全吻合。

解决措施:

a.使用张力计对钢线张力进行校验,检查气缸漏气情况、滑轮晃动情况及滑轮外套磨损情况,出现异常及时更换。

b.每次更换导轮后,都要检测导轮跳动是否在正常范围内,如果不符合要求则要重新安装导轮。

c.定期检测机床水平,及时调整。

d.更换新导轮,切割第一锯硅片之前,首先进行空切操作,将钢线张力设高以达到勒导轮的目的,使得钢线可以和导轮槽根部完全吻合。对于磨损严重的导轮则及时进行更换。

四、总结

通过对薄厚片的类型及产生原因进行分析,可以更好地减少薄厚片的产生,提高产品的成品合格率。