摘要：随着国内金刚线制造和应用技术的不断成熟，加之市场需求的快速增长不断的刺激金刚线制造技术向细线化方向发展，金刚线细线化切割工艺已成为行业内硅片制造技术发展趋势。越来越细的金刚线满足不同尺寸形状硅片的切割要求就是硅片制造技术需要研究的重要方向。本文主要针对因细线化切割出现规则性碎片进行分析。
关键词：金刚线细线切割；规则性碎片；
1.引言
在光伏发电系统中，要想保障光伏发电的稳定运行，就需要加强对产业链各环节质量的监控，单晶硅片作为产业链基础，只有保障了其质量，才能够制作出高效率电池组件。但是在单晶硅片制作过程中存在很多问题，本文主要分析单晶硅片规则性碎片产生原理，从单晶硅棒拉制到切割，寻找出相匹配工艺方案，以此来进行说明。
2.金刚线切割单晶硅片面临的问题及带来的优势
单晶硅片制成过程及电池片制成过程中出现规则性对角隐裂现象，其破碎形状多为对角斜裂纹。应用本文所阐述的技术控制措施后，能够带来单位耗硅量的减少，从而较大程度地减少了单晶硅片制成过程及电池片制成过程出现规则性对角隐裂现象，这也是金刚线切片最核心的驱动因素之一。
为了追求更高的效益，金刚线切割技术已成为行业趋势，但在提高公斤出片数以及单刀产能的同时，如何保证单晶硅片制成过程及电池片制成过程降低规则性碎片已成行业内共同攻克的技术难题，本文以生产工艺及原辅材料为基础，研究单晶硅片制成过程及电池制成过程中规则性碎片产生的原因，并通过实验验证提出了解决方法
3.金刚线切割单晶硅片碎片性状分类
单晶硅片隐裂及碎片就是晶体断裂，晶体的断裂是指晶体在应力作用下应变大于临界断裂应变时发生的结构上的解离。从微观角度讲，即是在应力的作用下，晶体内部的原子偏离了平衡位置且超出了原子间结合力的范围，晶格发生断裂。硅材料为典型的金刚石型结构各原子间通过共价键结合，是典型的脆性材料，易发生脆断。
硅片在生产过程中经过单晶硅生长，切断，滚圆、粘棒、切割等多个环节，可能在单晶硅生长中原材料的纯度不高，生长工艺条件不合理等因素造成较大的内部应力，甚至局部已突破断裂应变产生的微隐裂。也可能在切割过程中造成硅片内部存在较大应力或直接造成硅片表面缺陷。晶体内应力越大或表面出现缺陷，就越容易在较小的冲击力作用下发生解离断裂。
单晶硅片规则性碎片呈现类型主要有2种：
1）出刀面倒角引发的规则性碎片，这种碎片最为常见，大部分集中在出刀位置，内倒角、外倒角部，排除插片导向入篮位置接触受理外，也是比较难以避免和解决碎片类型。
2）出进刀面倒角引发的规则性碎片，这种碎片主要集中在进刀位置外倒角，是比较难以避免和解决碎片类型
单晶硅片规则性碎片影响硅片公斤出片数，降低硅片制程良品率及交验合格率，增加硅片的成本。
4.金刚线切割单晶硅片碎片产生原因分析
1）单晶硅片晶向分析及测试
晶向表示晶列的方向，从一个阵点沿某各晶列到另一个阵点的位移矢量。分为 <100>、<110>、<111>晶向，单晶硅属于脆性材料，它断裂时产生解理断裂，（111）面具有最大的原子密度和弹性模量，但面与面之间比较脆弱，最易形成断裂面。
图1 硅片晶向图
选取规则性破碎的硅片以及硅棒A100、A200、A300、A400、A500段的硅片进行晶向测试，测试结果如下：
对于晶向的标准要求为<图3 各截断硅棒切割硅片晶向图100>晶向，允许的偏差范围为±1°<100>晶向对应的角度为34°46′，从图中可知各个段的硅棒切成的硅片晶向均在合格范围内，规则性隐裂及破碎的硅片晶向测试也无异常。
图2 硅片晶向测试
2）单晶硅片切割断口分析
选取规则性破碎的硅片，选择其断面及硅片表面在扫描电镜下拍摄形貌。
图3 断面电镜扫描图 图4 表面电镜扫描图
通过硅片表面及断面微观形貌观察可知，硅片表面有细小裂纹存在，所以硅片破碎可能是由于在外界应力作用下，硅片表面裂纹扩展所导致。硅片表面为（100）晶面，裂纹从（100）晶面扩展然后滑移到（111）晶面产生断裂。单晶硅片内部结构排列规则整齐，破碎时也呈现一定的规则性形状。
3）单晶硅片切割硅片边缘厚度测试
利用硅片检测设备厚度测试对硅片边缘（进刀位和出刀位距离硅片边缘约7mm距离）厚度进行了数据分析，分析结果如下：
图5 硅片边缘平均厚度 图6 电池隐裂占比与硅片厚度占比对
从图5可看出硅片边缘平均厚度不满足技术标准占比：4.6%，其中厚度在145μm以下占比为0.2%，与电池隐裂数值基本一致；
5.控制金刚线切割碎片措施
针对以上单晶硅片切割后规则性碎片产生因素，需要进行针对性改善，以将单晶硅片规则性碎片降至最低。
1）规则性碎片需要从单晶硅棒制作过程杜绝，控制碳氧含量，碳在硅中溶解是代位形式，碳极不容易沉淀。但氧、碳如果同时存在，二者能较快沉淀下来，微缺陷就很容易出现。控制晶体生长过程中避免出现位错，位错型式主要有刃位错和螺旋位错，如果原子面朝位错方向扭曲和原子面发生畸变，也可能在后期加工过程中出现规则性碎片现象。
2）规则性碎片需要从单晶硅片切割工艺方面杜绝，一是从减小进出刀边缘厚度出发，分析金刚线进出刀线径变化与进出刀硅片边缘厚度关系，调整进线线量或减小出刀线量来保证金刚线磨损量始终保持一致。二是改变布线网方式，由平行线网调整至斜线网，减小金刚线摆动，使线网更稳定。三是采用长进线均匀磨损工艺切割，保持金刚线均匀磨损，防止线径变化幅度过大。通过以上工艺方案进行，可降低此规则性碎片发生。
6.结论
本文从单晶硅片晶体结构、碎片断口及单晶硅片边缘厚度等方向分析了规则性碎片产生的原因，并提出相应改善措施，能够有效降低单晶硅片制程过程造成的规则性碎片。
参考文献：
[1]潘金生，仝健民，田民波 材料科学基础
论文作者:程志峰,张晓俊,赵洪军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
标签：硅片论文; 规则性论文; 碎片论文; 厚度论文; 单晶硅论文; 晶体论文; 倒角论文; 《电力设备》2019年第12期论文;