应用材料公司硅片切割技术

硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。该工艺用于处理单晶硅或者多晶硅的固体硅锭。线锯首先把硅锭切成方块，然后切成很薄的硅片。（图1）这些硅片就是制造光伏电池的基板。

图 1.硅片切割的3个步骤： 切料, 切方和切片

硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分，所以降低这部分的制造成本对于提高太阳能对传统能源的竞争力至关重要。本文将对硅片切片工艺、制造业的挑战和新一代线锯技术如何降低切片成本做一个概述。

线锯的发展史

第一台实用的光伏切片机台诞生于1980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切片系统的创办人，也就是现在的应用材料公司PWS精确硅片处理系统事业部的前身。这些机台使用切割线配以研磨浆来完成切割动作。今天，主流的用于硅锭和硅片切割的机台的基本结构仍然源于Charles Hauser 博士最初的机台，不过在处理载荷和切割速度上已经有了显著的提高。

切割工艺

现代线锯的核心是在研磨浆配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线。最多可达1000条切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成一个水平的切割线“网“。马达驱动导线轮使整个切割线网以每秒5到25米的速度移动。切割线的速度、直线运动或来回运动都会在整个切割过程中根据硅锭的形状进行调整。在切割线运动过程中，喷嘴会持续向切割线喷射含有悬浮碳化硅颗粒的研磨浆。

图 2.  硅块通过切割线组成的切割网.

硅块被固定于切割台上，通常一次4块。切割台垂通过运动的切割线切割网，使硅块被切割成硅片（图2）。 切割原理看似非常简单，但是实际操作过程中有很多挑战。线锯必须精确平衡和控制切割线直径、切割速度和总的切割面积，从而在硅片不破碎的情况下，取得一致的硅片厚度，并缩短切割时间。

减少硅料消耗

对于以硅片为基底的光伏电池来说，晶体硅(c-Si)原料和切割成本在电池总成本中占据了最大的部分。光伏电池生产商可以通过在切片过程中节约硅原料来降低成本。降低截口损失可以达到这个效果，截口损失主要和切割线直径有关，是切割过程本身所产生的原料损失。切割线直径已经从原来的180-160µm 降低到了目前普遍使用的140-100µm 。降低切割线直径还可以在同样的硅块长度下切割出更多的硅片，提升机台产量。

让硅片变得更薄同样可以减少硅原料消耗。在过去的十多年中，光伏硅片的厚度从原来的330µm 降低到现在普遍的180-220µm 范围内。这个趋势还将继续，硅片厚度将变成 100μm. 减少硅片厚度带来的效益是惊人的，从330μm 到 130μm， 光伏电池制造商最多可以降低总体硅原料消耗量 多达60%。

制造业的挑战

在硅片切割工艺中我们需要面对多项挑战，主要聚焦于线锯的生产力，也就是单位时间内生
产的硅片数量。生产力取决于以下几个因素：

1) 切割线直径 ? 更细的切割线意味着更低的截口损失，也就是说同一个硅块可以生产更多的硅片。然而，切割线更细更容易断裂。

2) 荷载 ? 每次切割的总面积，等于硅片面积X每次切割的硅块数量X每个硅块所切割成的硅片数量 。

3) 切割速度 ? 切割台通过切割线切割网的速度，这在很大程度上取决于切割线运动速度，马达功率和切割线拉力。

4) 易于维护性 ? 线锯在切割之间需要更换切割线和研磨浆，维护的速度越快，总体的生产力就越高。

生产商必须平衡这些相关的因素使生产力达到最大化。更高的切割速度和更大的荷载将会加大切割切割线的拉力，增加切割线断裂的风险。由于同一硅块上所有硅片是同时被切割的，只要有一条切割线断裂，所有部分切割的硅片都不得不丢弃。  然而，使用更粗更牢固的切割线也并不可取，这会减少每次切割所生产的硅片数量，并增加硅原料的消耗量。

硅片厚度也是影响生产力的一个因素，因为它关系到每个硅块所生产出的硅片数量。超薄的硅片给线锯技术提出了额外的挑战，因为其生产过程要困难得多。除了硅片的机械脆性以外，如果线锯工艺没有精密控制，细微的裂纹和弯曲都会对产品良率产生负面影响。超薄硅片线锯系统必须可以对工艺线性、切割线速度和压力、以及切割冷却液进行精密控制。

无论硅片的厚薄，晶体硅光伏电池制造商都对硅片的质量提出了极高的要求。硅片不能有表面损伤（细微裂纹、线锯印记），形貌缺陷（弯曲、凹凸、厚薄不均）要最小化，对额外后端处理如抛光等的要求也要降到最低。

新一代线锯产品

为了满足市场对于更低成本和更高生产力的要求，新一代线锯必须提升切割速度，使用更长的硅块从而提高切割荷载。更细的切割线