摘要：太阳能硅片在生产过程中最大的成本是原材料成本，在硅片加工成本中占有很大比重，而钢线和砂浆作为最主要的原材料，对切割质量和生产成本起着决定性作用，通过改进钢线直径，调整工艺，能够有效提高加工的出片数和硅片的合格率。
1 引言
随着太阳能切片行业的技术进步，硅片的厚度逐渐降低，目前主要为180-200μm，与此相适应的是钢线直径和导轮槽距的减小，当前主流为0.13mm钢线进行切割。钢线是切割的主要耗材之一，其主要作用是携带碳化硅颗粒对硅块进行磨削切片。为了进一步提高硅料利用率，增加单位公斤硅料的出片数，降低生产成本，本文对0.12mm钢线满载切割工艺进行了分析和研究。
2 导轮槽距
根据硅片厚度计算公式：硅片厚度=导轮槽距-钢线直径-4倍的碳化硅D50，以180μm厚的硅片为例，使用1200#碳化硅切割，其D50值为9.5±0.8μm，因此，一般地，使用0.12mm钢线切割时导轮入线口槽距为335-340μm。由于钢线在切割过程中会发生磨损，钢线端口由圆形变为椭圆形，钢线的直径发生变化，因此从导轮入线口到出线口，槽距值需要进行补偿，根据试验结果，满载切割时钢线的磨损量约为10μm，因此导轮出线口槽距比入线口槽距小10μm。
3 切割工艺研究
3.1 钢线张力
钢线张力的大小会影响钢线的抖动，钢线张力较小时，线网较松弛，钢线在导轮槽内来回轻微晃动，造成钢线间距的变化，从而造成硅片厚度的变化，主要体现为相邻的两片硅片薄厚不均，严重的则TTV超差，成为不合格产品。而张力值过大，则悬浮在钢线上的碳化硅颗粒难以进入锯缝，使得切割能力下降，容易出现切斜或锯痕片，且张力值过大会导致断线率升高。以直径0.12mm的钢线切割180um硅片为例，放线轴张力设定值应在22-25N，收线轴张力设定值应在21-24N。
3.2 线速度和工作台速度
线速度与工作台速度曲线的变化节点是整体一致的。在切割过程中，导轮存在一定的跳动值（一般地，导轮径向跳动＜30μm，轴向跳动＜20μm），当钢线在导轮槽内高速运转的过程中，受导轮跳动的影响，线网会抖动，且线速度越快，线网抖动越剧烈。由于切割初始，钢线入刀瞬间处于不稳定状态，因此入刀时线速度较慢，使得钢线平稳入刀，防止产生入刀薄厚片。当钢线在硅块中定位完成后，逐步提高线速度，以提高砂浆的切割能力。但是由于切割过程中存在线弓，一般为5-7mm，由于切割过程中碳化硅和硅块之间摩擦产生大量热量，使得粘接硅块和玻璃的胶层变软，而出刀时，钢线首先经过胶层，再经过硅块，最后经过玻璃，若出刀前此线弓不能减小，则钢线会由于进入不同材质时受力的作用崩开造成硅片胶面崩边。为防止胶面崩边的产生，要减小线弓，因此要提前降低工作台切割速度和与之相适应的线速度。
3.3 砂浆流量
砂浆是由碳化硅和悬浮液按照一定的比例配制成的具有一定密度和粘度的混合物，由于悬浮液的悬浮作用，碳化硅悬浮在钢线上，随着钢线的运转对硅块进行磨削起到切割作用。开始切割时，砂浆具有很强的切割能力，但是随着切割的进行，碳化硅会破碎，切割能力逐渐减弱。因此在开始入刀时，砂浆流量应较小，一方面防止流量大切割能力强导致的硅片入刀点薄，另一方面是防止砂浆的冲击作用导致钢线抖动造成入刀不稳产生入刀薄厚片。待钢线平稳入刀后，逐渐增大砂浆流量值，使其与线速度和工作台速度相匹配。同理，由于出刀时钢线速度较慢，为避免砂浆的冲击作用导致产生胶面崩边，要在出刀前提前降低砂浆流量。
4 0.12mm钢线切割的主要问题及解决方案
4.1 硅片出线侧密集锯痕
与0.13mm钢线相比，0.12mm钢线由于直径变小，且随着切割的进行钢线磨损原因携砂能力降低，在切割至后期时切割能力不足，特别是晶棒尾部的硅片在切割至60%以后容易出现上图所示的出线侧密集锯痕。
在硅片切割过程中，起实际切割作用的为碳化硅颗粒，因此必须保证碳化硅颗粒能包裹在钢线表面，其悬浮性是为保证碳化硅在与切割液混合时能均匀分散，不会沉淀，减少团聚。由于硅片切割过程中，碳化硅颗粒和硅块摩擦产生大量热量，切割液能将此部分热量带走，起到冷却作用，防止高温灼伤硅片。因此，砂浆的粘度须保证在一定的范围内，粘度低，切割液的悬浮性差；粘度高，流动性差，冷却能力差。一般新切割液的粘度范围45-60mpas。碳化硅的粒径、圆度和微粉含量会影响其切割能力。粒径均匀的颗粒所切硅片表面光洁度较高，但粒径过大，会造成硅片划伤；粒径小则切割能力不足。圆度体现了碳化硅颗粒棱角的尖锐程度，即切割能力，在切割过程中，棱角会被磨平钝化，切割能力不足，会导致均匀锯痕的出现。当碳化硅中微粉含量过高时，不具有切割能力的微粉会团聚在大颗粒周围，影响切割能力，导致出现均匀锯痕。此外，配制砂浆是一个很重要的过程。由于碳化硅颗粒较细，在包装、运输和贮存过程中会由于挤压作用团聚连结在一起，因此在配制砂浆时应缓慢倒入碳化硅，避免由于用力过猛造成碳化硅颗粒结块沉淀，不易搅拌均匀，且会影响砂浆的密度，影响切割能力。另外，碳化硅暴露在空气中易受潮团聚，因此碳化硅在使用前要在烘箱内烘至少2小时，去除碳化硅中的水分，增强碳化硅颗粒的分散性。碳化硅与切割液混合成砂浆后要保证砂浆搅拌时间，使碳化硅和切割液能充分混合均匀，否则碳化硅颗粒团聚连结在一起会降低砂浆的切割能力。由于碳化硅和切割液都具有较强的吸水性，砂浆中的水分也是造成碳化硅颗粒团聚的原因，因此要保证周围的环境湿度在一定范围内。
针对此问题，解决措施为：（1）降低工作台速度。通过调整工作台速度，增加进入锯缝参与切割作用的碳化硅颗粒数量，提高切割能力：
根据试验结果发现，工作台速度对降低出线侧锯痕片数量有较明显的影响。
（2）调整砂浆温度。当切割至60%时，将砂浆温度降低至19℃，增加砂浆的粘度，使更多的碳化硅颗粒悬浮在钢线上进行切割作用。
4.2 胶面B4
由于0.12mm钢线磨损量增大，携砂能力降低，且由于切割面积的增加，碳化硅的破碎率也随着几何切割面积的增加而增多，出刀期间线弓无法有效消除，从而导致出刀边缘锯痕严重，而由此导致的1、4棒胶面B4片数量较多。
针对此问题，解决措施为：（1）提前降速。降速点由92%提前到85%-88%之间，提前降速有利于增加砂浆的循环量，弥补砂浆切割能力下降的问题。（2）降低胶层厚度。由于切割过程中产生的热量会使胶层软化，特别是满载切割负载较大，瞬间高温可达到80℃，当钢线经过软化的胶层时，悬浮在钢线上的碳化硅颗粒会被胶层带下，降低切割能力，增大出刀线弓和出刀边缘锯痕。因此，在保证粘接强度的前提下，胶层越薄越有利于减少胶面B4片的产生。实践证明，胶层厚度为0.2mm时效果最佳。
4.3 整片薄厚
a.导轮槽距不均匀导致。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0.12mm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。
5效益分析
按照切割负载1740mm计算，使用0.13mm钢线350μm槽距切割，单锯理论出片数约为4971片，使用0.12mm钢线340μm槽距切割，则单锯理论出片数为5117片，单位公斤硅料可多产出硅片1.5片。
6 小结
对于同样的切割负载长度和硅片厚度，0.12mm钢线切割能够有效增加单位公斤硅料的产出硅片数量，对于提高产能降低生产成本具有重要意义，而0.12mm钢线的使用也会成为太阳能硅片切割行业的趋势。
【参考文献】
[1]刘玉玲,刑进.单晶硅衬底材料线切割生产工艺技术的分析研究.深圳：第十三届全国半导体集成电路、硅材料学术会议,2003,105
[2]梁永,裴仁清,赵懿峰,等.多丝切割机走丝系统的张力控制[J].机械科学与技术,2006,25(8):980-983.
[3]樊瑞新,卢焕明,张紧心.线切割硅片的表面损伤.98全国半导体硅材料学术会议,95
1 引言
随着太阳能切片行业的技术进步，硅片的厚度逐渐降低，目前主要为180-200μm，与此相适应的是钢线直径和导轮槽距的减小，当前主流为0.13mm钢线进行切割。钢线是切割的主要耗材之一，其主要作用是携带碳化硅颗粒对硅块进行磨削切片。为了进一步提高硅料利用率，增加单位公斤硅料的出片数，降低生产成本，本文对0.12mm钢线满载切割工艺进行了分析和研究。
2 导轮槽距
根据硅片厚度计算公式：硅片厚度=导轮槽距-钢线直径-4倍的碳化硅D50，以180μm厚的硅片为例，使用1200#碳化硅切割，其D50值为9.5±0.8μm，因此，一般地，使用0.12mm钢线切割时导轮入线口槽距为335-340μm。由于钢线在切割过程中会发生磨损，钢线端口由圆形变为椭圆形，钢线的直径发生变化，因此从导轮入线口到出线口，槽距值需要进行补偿，根据试验结果，满载切割时钢线的磨损量约为10μm，因此导轮出线口槽距比入线口槽距小10μm。
3 切割工艺研究
3.1 钢线张力
钢线张力的大小会影响钢线的抖动，钢线张力较小时，线网较松弛，钢线在导轮槽内来回轻微晃动，造成钢线间距的变化，从而造成硅片厚度的变化，主要体现为相邻的两片硅片薄厚不均，严重的则TTV超差，成为不合格产品。而张力值过大，则悬浮在钢线上的碳化硅颗粒难以进入锯缝，使得切割能力下降，容易出现切斜或锯痕片，且张力值过大会导致断线率升高。以直径0.12mm的钢线切割180um硅片为例，放线轴张力设定值应在22-25N，收线轴张力设定值应在21-24N。
3.2 线速度和工作台速度
线速度与工作台速度曲线的变化节点是整体一致的。在切割过程中，导轮存在一定的跳动值（一般地，导轮径向跳动＜30μm，轴向跳动＜20μm），当钢线在导轮槽内高速运转的过程中，受导轮跳动的影响，线网会抖动，且线速度越快，线网抖动越剧烈。由于切割初始，钢线入刀瞬间处于不稳定状态，因此入刀时线速度较慢，使得钢线平稳入刀，防止产生入刀薄厚片。当钢线在硅块中定位完成后，逐步提高线速度，以提高砂浆的切割能力。但是由于切割过程中存在线弓，一般为5-7mm，由于切割过程中碳化硅和硅块之间摩擦产生大量热量，使得粘接硅块和玻璃的胶层变软，而出刀时，钢线首先经过胶层，再经过硅块，最后经过玻璃，若出刀前此线弓不能减小，则钢线会由于进入不同材质时受力的作用崩开造成硅片胶面崩边。为防止胶面崩边的产生，要减小线弓，因此要提前降低工作台切割速度和与之相适应的线速度。
3.3 砂浆流量
砂浆是由碳化硅和悬浮液按照一定的比例配制成的具有一定密度和粘度的混合物，由于悬浮液的悬浮作用，碳化硅悬浮在钢线上，随着钢线的运转对硅块进行磨削起到切割作用。开始切割时，砂浆具有很强的切割能力，但是随着切割的进行，碳化硅会破碎，切割能力逐渐减弱。因此在开始入刀时，砂浆流量应较小，一方面防止流量大切割能力强导致的硅片入刀点薄，另一方面是防止砂浆的冲击作用导致钢线抖动造成入刀不稳产生入刀薄厚片。待钢线平稳入刀后，逐渐增大砂浆流量值，使其与线速度和工作台速度相匹配。同理，由于出刀时钢线速度较慢，为避免砂浆的冲击作用导致产生胶面崩边，要在出刀前提前降低砂浆流量。
4 0.12mm钢线切割的主要问题及解决方案
4.1 硅片出线侧密集锯痕
与0.13mm钢线相比，0.12mm钢线由于直径变小，且随着切割的进行钢线磨损原因携砂能力降低，在切割至后期时切割能力不足，特别是晶棒尾部的硅片在切割至60%以后容易出现上图所示的出线侧密集锯痕。
在硅片切割过程中，起实际切割作用的为碳化硅颗粒，因此必须保证碳化硅颗粒能包裹在钢线表面，其悬浮性是为保证碳化硅在与切割液混合时能均匀分散，不会沉淀，减少团聚。由于硅片切割过程中，碳化硅颗粒和硅块摩擦产生大量热量，切割液能将此部分热量带走，起到冷却作用，防止高温灼伤硅片。因此，砂浆的粘度须保证在一定的范围内，粘度低，切割液的悬浮性差；粘度高，流动性差，冷却能力差。一般新切割液的粘度范围45-60mpas。碳化硅的粒径、圆度和微粉含量会影响其切割能力。粒径均匀的颗粒所切硅片表面光洁度较高，但粒径过大，会造成硅片划伤；粒径小则切割能力不足。圆度体现了碳化硅颗粒棱角的尖锐程度，即切割能力，在切割过程中，棱角会被磨平钝化，切割能力不足，会导致均匀锯痕的出现。当碳化硅中微粉含量过高时，不具有切割能力的微粉会团聚在大颗粒周围，影响切割能力，导致出现均匀锯痕。此外，配制砂浆是一个很重要的过程。由于碳化硅颗粒较细，在包装、运输和贮存过程中会由于挤压作用团聚连结在一起，因此在配制砂浆时应缓慢倒入碳化硅，避免由于用力过猛造成碳化硅颗粒结块沉淀，不易搅拌均匀，且会影响砂浆的密度，影响切割能力。另外，碳化硅暴露在空气中易受潮团聚，因此碳化硅在使用前要在烘箱内烘至少2小时，去除碳化硅中的水分，增强碳化硅颗粒的分散性。碳化硅与切割液混合成砂浆后要保证砂浆搅拌时间，使碳化硅和切割液能充分混合均匀，否则碳化硅颗粒团聚连结在一起会降低砂浆的切割能力。由于碳化硅和切割液都具有较强的吸水性，砂浆中的水分也是造成碳化硅颗粒团聚的原因，因此要保证周围的环境湿度在一定范围内。
针对此问题，解决措施为：（1）降低工作台速度。通过调整工作台速度，增加进入锯缝参与切割作用的碳化硅颗粒数量，提高切割能力：
根据试验结果发现，工作台速度对降低出线侧锯痕片数量有较明显的影响。
（2）调整砂浆温度。当切割至60%时，将砂浆温度降低至19℃，增加砂浆的粘度，使更多的碳化硅颗粒悬浮在钢线上进行切割作用。
4.2 胶面B4
由于0.12mm钢线磨损量增大，携砂能力降低，且由于切割面积的增加，碳化硅的破碎率也随着几何切割面积的增加而增多，出刀期间线弓无法有效消除，从而导致出刀边缘锯痕严重，而由此导致的1、4棒胶面B4片数量较多。
针对此问题，解决措施为：（1）提前降速。降速点由92%提前到85%-88%之间，提前降速有利于增加砂浆的循环量，弥补砂浆切割能力下降的问题。（2）降低胶层厚度。由于切割过程中产生的热量会使胶层软化，特别是满载切割负载较大，瞬间高温可达到80℃，当钢线经过软化的胶层时，悬浮在钢线上的碳化硅颗粒会被胶层带下，降低切割能力，增大出刀线弓和出刀边缘锯痕。因此，在保证粘接强度的前提下，胶层越薄越有利于减少胶面B4片的产生。实践证明，胶层厚度为0.2mm时效果最佳。
4.3 整片薄厚
a.导轮槽距不均匀导致。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0.12mm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。
5效益分析
按照切割负载1740mm计算，使用0.13mm钢线350μm槽距切割，单锯理论出片数约为4971片，使用0.12mm钢线340μm槽距切割，则单锯理论出片数为5117片，单位公斤硅料可多产出硅片1.5片。
6 小结
对于同样的切割负载长度和硅片厚度，0.12mm钢线切割能够有效增加单位公斤硅料的产出硅片数量，对于提高产能降低生产成本具有重要意义，而0.12mm钢线的使用也会成为太阳能硅片切割行业的趋势。
【参考文献】
[1]刘玉玲,刑进.单晶硅衬底材料线切割生产工艺技术的分析研究.深圳：第十三届全国半导体集成电路、硅材料学术会议,2003,105
[2]梁永,裴仁清,赵懿峰,等.多丝切割机走丝系统的张力控制[J].机械科学与技术,2006,25(8):980-983.
[3]樊瑞新,卢焕明,张紧心.线切割硅片的表面损伤.98全国半导体硅材料学术会议,95
索比光伏网 https://news.solarbe.com/201507/01/188318.html
