新型太阳能级硅片切割技术

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材料科学与工程学报
2010 年 8 月
式能够获得良好的进电效果 , 使得放电加工持续正常 进行 , 有待于在其他半导体材料的放电加工中得到进 一步推广应用 。
图 3 夹具进电示意图 Fig .3 Sk et ch of f ixt ure in-elect ri cit y
③为了避免进电点在放电切割过程中产生电解和 发热 , 从而影响进电接触或因为接触点具有较大的接 触电阻而出现过热并导致接触点产生 氧化情况的出 现 , 在撑板上的接触进电点的上方开了一个孔 , 接入压 缩空气作为冷却介质 , 使硅材料在进电过程中得到实 时冷却并避免复合工作液进入进电点而导致极间产生 电化学反应 。
2 .2 专用夹具设计 根据半导体材料的特殊电性能设计半导体的夹具
如图 2 所示 , 夹具由夹具体 、左右撑板 、下定位块组成 。 定位块用于半导体下定位面的定位 , 左右撑板用于对 半导体的侧面定位并起到对半导体夹紧的作用 , 夹具 在机床上的固定通过通用的压块在下压区域压住 。
图 2 硅片切割专用夹具示意图 Fi g .2 Sket ch of special f ixt u re f or cut t ing silicon w afers
作为光伏电池的基片的太阳能级硅片 , 掺杂浓度 比较高 , 电阻率通常在 1 ～ 10Ψ· cm 范围内 , 利用电火 花线切割(WEDM)技术加工是比较适合 的[ 9] 。 高速 走丝电火花线切割的基本原理是利用快速移动的细金 属导线(铜丝或钼丝)作电极 , 通过计算机进给控制系 统实现加工进给 , 并配合一定浓度的水基乳化液等工 作液对工件进行冷却排屑 , 从而实现对工件的脉冲火 花放电 、切割成形[ 10] 。其电极丝作高速 往复运动 , 一 般走丝速度为 8 ～ 10m/ s , 电极丝可重复使用 , 加工速 度较高 , 但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停 顿 , 使加工质量下降 。 高速走丝电火花线切割机床是 我国生产和用于该类加工的主要机种 , 也是我国独创 的电火花线切割加工模式 。近年来由于太阳能电池产 业的迅速发展及其日益增长的需求量 , 使得该项技术 已成为一项国际性的前沿课题[ 11-16] 。
【关键词】 太阳能级硅 ;电火花 ;线切割 ;复合工作液 中图分类号 :TG662 文献标识码 :A
New Cutting Technology of Solar-cell Silicon Wafers
BI Yong , LIU Zhi-dong , QIU Ming-bo , WANG Wei , TIAN Zong-jun , HUANG Yin-hui
硅片是晶体硅光伏电 池加工成本中最 昂贵的部 分 , 而硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键 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 。 目前常用的硅片切割方 法有 :外圆切割(OD saw )、内圆切割(ID saw )和线锯 (Wire saw)等[ 7] , 但由于受到诸如内圆切割刀盘尺寸 、 砂线锯大厚度切割因冷却不佳易断线等限制 , 这些常 规加工方法很难实现对大尺寸硅材料的薄片加工 , 早 期的硅片通常是用内圆切割 , 厚度约 350 ～ 400μm , 切 片损耗约 50 %左右 , 目前多线切割的一般厚度为 280 ～ 320μm[ 8] , 并且上述几种切割方法效率不是很高 , 近 年来光伏发电和半导体行业的迅速发展对硅片的加工 提出了更高的要求 , 因此 , 迫切需要一种新型硅片切割 工艺方法 , 来实现其大尺寸薄片高效加工 。
合工作液[ 17] , 保证切割时放电间隙内均匀充满工作介 质 , 维持极间冷却的均匀性 , 同时进一步提高切割效率 和切割厚度并使得在正常使用寿命范围内不断丝 。
图 1 硅片切割试验系统示意图 Fig .1 S ketch of silicon w af er cut ti ng sy st em
2 试验方法
2 .1 试验条件 采用经改进的 DK7732 高速走丝电火花线切割机
床(HS-WEDM)进行切割 , 系统如图 1 所示 , 首先在运 丝系统上增加电极丝导向器及电极丝恒张力装置 , 目 的在于避免传统 HS-WEDM 电极丝来回换向而产生 的电极丝空间位置变化导致的切割表面机械换向条纹 的出现 ;其次采用专门研发的具有良好洗涤能力的复
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)
【Abstract】 A new t echno logy w as researched , w hich is based on complex dielect ric fluid and used fo r cut ting silico n through elect rical discharge m achi ng (EDM ).At t he sam e time , a special fix t ure used fo r cut ting st andard solar-cell silico n w af ers w as desig ned .It is evidenced t hat t he silicon cut by w ire cut elect ric discharg e machining w it h hig h t raveli ng speed (HS-WEDM)process has the adv ant ag es of hig h eff iciency 、low loss 、high quality surf ace flat ness .And the cut ting ef ficiency is hig her than 100mm2/ min .T herefo re , t his technique can be used fo r cut ti ng large-scale sli ces .At present , t he largest machining diamet er can reach 200m m , and the thickness of t he slices is less t han 120μm .Besides , this technique can provide a theoreti cal and practical basis fo r i mproving t he m achi ning eff iciency of di scharged cut ting o n semiconducto r silico n , im pro ving the uti lization effi ciency of silico n t o decrease the cost o f si licon , expanding the EDM m ethod to semico nduct ors , f orming a t echnique w it h China's o w n intellect ual prope rty rig ht s and high effi cient discharge cut ting of so lar si licon .
【Key words】 solar silicon ;elect rical di scharge machine ;wi re-cut ;complex dielect ric fluid
1 引 言
半导体材料因其独特的物理 、机械性能 , 已成为尖 端科学技术中应用最为活跃的先进材料 , 在通信 、航空
3 放电切割
在本实验条件下 , 对电阻率 2 .1Ψ· cm 直径 6 英 寸并经开方切割后的高度 125mm 标准的 P 型太阳能 级硅锭进行了放电切割(图 4)。 由于 P 型硅晶体内部 载体是空穴 , 从物理角度分析 , P 型硅适合于正极性加 工(工件接电源正极 , 电极丝接电源负极)[ 18] , 切割工 艺参数如表 1 所示 。 由于受夹具及机床上下线臂开度 尺寸限制 , 目前该机床最大加工尺寸为 210mm 。
图 4 硅片切割实际过程图 Fig .4 Process of silicon w afer cut ti ng
4 结果分析与讨论
4 .1 放电切割波形
用记忆示波器抓取了硅在放电切割过程中的单脉 冲放电电压 、电流波形如图 5 所示 。
在夹具的设计过程中主要考虑了以下几个问题 : ①对于半导体的夹紧问题 , 由于硅属于脆性材料 ,
加工过程中的夹紧力必须进行适当的控制 , 因此采用 撑板与其接触 , 以实现定位和夹紧作用 。
②对于进电问题 , 为保证半导体硅与进电电极保 持可靠接触 , 首先在硅接触进电处表面涂覆碳浆 , 然后 采用图 3 所示的碳刷弹性接触方式进电 , 进电导线与 嵌入弹簧内的石墨进电刷直接相连 , 石墨碳刷在弹簧 的推力下与硅材料形成面接触进电 , 考虑到切割过程 中应使得硅极间体电阻尽可能不因切割的位置不同发 生明显变化 , 因此在夹具上安排了多点同时进电方式 。 多点对称进电方式是一种创新的进电方式 , 该进电方
总第 126 期 Aug .2010
新型太阳能级硅片切割技术
毕 勇 , 刘志东 , 邱明波 , 汪 炜 , 田宗军 , 黄因慧
(南京航空航天大学 , 江苏 南京 210016)
ห้องสมุดไป่ตู้
【摘 要】 提出了一种基于复合工作液的以电火花放电加工技术对半导体硅材料进行切割的新方 法 , 研制了标准太阳能级硅切割专用夹具 。结果表明高速走丝电火花线切割(H S-WEDM)对半导体硅 切割具有效率高 、材料损耗小 、表面平整度好等特点 , 经检测切割效率大于 100mm2/ min , 并且该技术能 够实现大尺寸薄片切割 , 目前最大加工直径超过 200mm , 硅片厚度可控制在 120μm 以内 。该工艺方法 为探索进一步提高半导体硅材料放电切割效率 , 提高硅材料利用率以降低太阳能电池成本 , 拓展半导体 材料的电火花加工方法 , 并形成具有我国自主知识产权的太阳能级硅高效放电切割技术提供了理论及 实践依据 。
航天 、光学及电子领域中有着广泛的应用前景 , 其中最 具代表性 的半导 体材料 有硅 、锗 、砷化 镓等 。 当今 , 90 %以上的半导体元器件和电路是用硅制造的 , 利用 晶体硅太阳能电池的光伏效应发电的应用 , 更是呈现 出井喷趋势[ 1-5] 。 太阳光伏发电独具许多优点 :安全可
收稿日期 :2009-10-15 ;修订日期 :2010-01-04 基金项目 :江苏省高技术研究计划资助项目(BG 2007004) 作者简介 :毕 勇(1985 -), 硕士研究生 , 研究方向为太阳能硅片电火花线切割 , 太阳能硅片表面绒面制备 。 E-mail :xiaobei 378378 @126 .com 。
第 28 卷第 4 期
毕 勇 , 等 .新型太阳能级硅片切割技术
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靠 , 无噪声 , 无污染 , 能量随处可得 , 不受地域限制 , 无 需消耗燃料 , 无机械转动部件 , 故障率低 , 维护简便 , 可 以无人值守 , 建设周期短 , 规模大小随意 , 无需架设输 电线路 , 可以方便地与建筑物相结合等 。 从能源供应 的诸多因素考虑 , 太阳能无疑是符合可持续发展战略 的理想绿色能源[ 6] 。
DO I :第10.21841卷36/ j .c第nki4.期issn1673 -2812.2010.04.03材 5 料 科 学 与 工 程 学 报
Vo l.28 No.4
Journal of M aterials Science &Engineering
文章编号 :1673-2812(2010)04-0582-05