單晶硅金剛線切片制絨工藝要領(lǐng)

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摘要：目前業(yè)界單晶硅片存在兩種切割方式砂漿切割硅片和金剛石線切割硅片，砂漿切割為傳統(tǒng)的切割方式故在電池端有很成熟的清洗制絨方式，但金剛石線切片表面形貌與其大不同。本文通過對(duì)金剛石線切片的表面形貌觀察研究，嘗試在目前的砂漿單晶硅片制絨方式的基礎(chǔ)上采取配方調(diào)整、增加工藝等措施研究金剛石線切片良好金字塔絨面的形成。
　　
　　1、引言
　　
　　近幾年隨著光伏太陽能市場(chǎng)的發(fā)展變化，太陽能電池不斷地向高效率低成本發(fā)展?？紤]到硅片方面產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)張以及成本增長(zhǎng)的壓力，業(yè)內(nèi)不斷尋求高效率低成本的硅片切割方式。
　　
　　現(xiàn)國際光伏行業(yè)晶體硅片的切割方式主要有兩種。一種是砂漿切割，即利用涂有碳化硅和油漿的多根不銹鋼細(xì)鋼絲（SW）絲環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)輪和緊張輪上高速轉(zhuǎn)動(dòng)，以聚乙二醇和碳化硅微粉為主體的磨削漿料高速帶入切割區(qū)域并對(duì)磨料施加載荷，磨料對(duì)硅料進(jìn)行磨削切割。另一種是金剛石線（DW）切片，即采用電鍍或樹脂固定的方法將金剛石顆粒鑲嵌在不銹鋼絲上，這種不銹鋼絲高速運(yùn)轉(zhuǎn)以一定的壓力對(duì)硅料進(jìn)行磨削切割。從電池制作工藝角度比較，砂漿切割對(duì)硅片表面摩擦斷裂損傷劇烈，會(huì)使硅片表面出現(xiàn)較多小而不規(guī)則凹坑（如圖 1），容易導(dǎo)致后續(xù)清洗制絨工藝復(fù)雜且控制不穩(wěn)定，金字塔絨面變化范圍大，單片金字塔絨面均勻度差，成核率低。

　　
　　金剛石線切割后硅片表面除存在較輕的表面摩擦斷裂損傷外還有由塑性磨削切割形成的光滑切割紋，硅片表面呈現(xiàn)塑性光滑紋和脆性破碎斷裂輕微凹坑的混合形貌（如圖 2），這種硅片表面不易腐蝕出金字塔。但從切片工藝上比較，相比于砂漿切割加工成本高，切割效率低下，切割后廢砂漿的排放污染大等缺點(diǎn)，金剛石線切割不使用昂貴且難以處理的砂漿，操作簡(jiǎn)單，切割速度可以快 2~ 3 倍，提升了機(jī)器生產(chǎn)速率超過 1.5 倍，同時(shí)硅片表面損傷較輕，單片耗材遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于砂漿切割。

　　
　　基于以上金剛石線切割硅片的種種優(yōu)勢(shì)，金剛石線切片制絨工藝的研究很有必要。本文通過在目前單晶硅片清洗制絨工藝的基礎(chǔ)上從工藝流程和藥液成分上嘗試調(diào)整，研究適合單晶金剛石線切片的制絨工藝。
　　
　　2 、實(shí)驗(yàn)
　　
　　2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器
　　
　　實(shí)驗(yàn)的硅片為金剛石線切割的太陽能級(jí) P 型單晶硅片156mm*156mm，電阻率為 1- 3Ω·cm 。實(shí)驗(yàn)用化學(xué)品NaOH、異丙醇、表面活性劑、HF 等化學(xué)試劑都為電子級(jí)，實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備捷佳創(chuàng)單晶堿制絨機(jī)、RENA 酸制絨機(jī)、反射率測(cè)試為 HITACH 公司的D- 4100 球型積分測(cè)試儀。金字塔結(jié)構(gòu)由掃描電鏡進(jìn)行觀察，型號(hào)為S- 4800、光學(xué)顯微鏡 Scope A1。
　　
　　2.2 實(shí)驗(yàn)過程
　　
　　單晶金剛石線切片以采用金剛石顆粒鑲嵌在不銹鋼絲上不斷循環(huán)磨削切割形成，切割工藝的不同導(dǎo)致硅片表面形貌如斷裂損傷等有較大的區(qū)別，故硅片外觀不同于常規(guī)砂漿切片（圖1、2）。
　　
　　如圖砂漿切片表面呈現(xiàn)較多不規(guī)則損傷凹坑，金剛石線切片表面存在較多塑性磨削切割形成的光滑切割紋俗稱線痕，單片硅片上這種光滑割紋占據(jù)約 65%的面積，在腐蝕液中腐蝕速率較慢，所以一般砂漿單晶硅制絨工藝不適用于該金剛石線切片。
　　
　　2.2.1 方案一提高堿腐制絨液濃度
　　
　　目前最廣泛用于生產(chǎn)的單晶硅制絨工藝體系為堿液腐蝕晶硅<100> 面，具體為質(zhì)量濃度約1.3% NaOH溶液，有效降低溶液表面張力增加硅片浸潤(rùn)性并幫助反應(yīng)產(chǎn)物氫氣泡脫附的 IPA，用于優(yōu)化金字塔大小和成核密度的表面活性劑，水浴溫度 75℃~ 82℃，反應(yīng)時(shí)間1000s~ 1500s 簡(jiǎn)稱單晶常規(guī)堿制絨體系。對(duì)于金剛石線單晶切片制絨嘗試在此工藝基礎(chǔ)上提高腐蝕液NaOH的濃度至 1.7%~ 2.3%，同步降低添加劑用量約 15%。
　　
　　目的在不影響生產(chǎn)產(chǎn)量的情況下提高金剛石線切片的腐蝕速率以有效去掉硅片表面損傷層，并能形成大小良好、成核密度良好的金字塔（如圖 3）。其表面線痕仍較明顯。

　　
　　2.2.2 方案二高濃度堿拋光后再堿液制絨
　　
　　以上制絨工藝后仍不能有效去除金剛石線切片的線痕，然而這種線痕很容易引發(fā)絲網(wǎng)印刷不良。故嘗試在腐蝕制絨前采用堿拋的方式優(yōu)先去除線痕，然后采用以上提到的單晶常規(guī)堿制絨體系進(jìn)一步進(jìn)行金字塔生長(zhǎng)。
　　
　　第一種用質(zhì)量濃度約 8% NaOH，溫度 65℃堿腐蝕液粗拋 3mins后用去離子水沖洗（如圖 4）；第二種用質(zhì)量濃度約12% NaOH，溫度65℃堿腐蝕液粗拋 8mins 用去離子水沖洗后再進(jìn)行常規(guī)堿制絨（如圖）

　　
　　2.2.3 方案三酸液腐蝕后再堿液制絨
　　
　　對(duì)金剛石線切片表面形貌觀察發(fā)現(xiàn)硅片上每條塑性光滑切割紋之間均會(huì)有少量摩擦斷裂損傷處，這種損傷處與切割紋底部形成粗糙度差，所以腐蝕速率有較大差異。
　　
　　嘗試在酸腐蝕體系 HF 17% - HNO3 50% （體積濃度），溫度7~ 9℃，反應(yīng)時(shí)間 2mins、4mins，目的優(yōu)先腐蝕該金剛石線單晶切片表面斷裂損傷處，水洗后在單晶常規(guī)堿制絨體系中進(jìn)行金字塔生長(zhǎng)（如圖 7，8，9）。

　　
　　3 、討論
　　
　　以上三種不同方案處理后，單晶硅金剛石線切片均可不同程度的制出金字塔。
　　
　　方案一利用單晶硅常規(guī)各向異性堿腐蝕處理后該硅片可以形成大小均勻、成核密度較高的金字塔群，但切割痕不能有效去除硅片表面仍然存在依線痕而起的高低金字塔，平整度較差不利于絲網(wǎng)印刷。
　　
　　方案二工藝處理復(fù)雜，需經(jīng)質(zhì)量濃度 8% NaOH 與濃度 12%NaOH兩種高濃度堿腐蝕液做拋光腐蝕后前者線痕消除仍不明顯后者減重較大線痕消除效果較好。但隨著堿液腐蝕拋光的加劇硅片表面呈現(xiàn)階梯狀六面體，再在單晶常規(guī)堿制絨體系中腐蝕，金字塔粗糙度極大。
　　
　　方案三利用HF- HNO3 酸制絨體系對(duì)切割造成的斷裂損傷進(jìn)行各向同性腐蝕（156mm*156mm 硅片腐蝕量約 0.18g~ 0.25g）縮小光滑切割紋底部與斷裂損傷面的粗糙差異，用去離子水沖洗后再對(duì)其進(jìn)行單晶常規(guī)堿制絨體系腐蝕制出大小均勻、粗糙度較好、成核密度高、光學(xué)顯微鏡觀察硅片表面無明顯線痕的單晶硅絨面。
　　
　　對(duì)各工藝制絨后硅片用HITACH公司的D- 4100 球型積分測(cè)試儀測(cè)試反射率（如圖 11），結(jié)果證明方案三反射率最低。

　　
　　4 、結(jié)論
　　
　　本文通過在常規(guī)堿制絨體系的基礎(chǔ)上調(diào)整堿濃度、反應(yīng)時(shí)間，甚至增加前處理工藝等不同角度嘗試對(duì)單晶金剛石線切片進(jìn)行制絨，發(fā)現(xiàn)當(dāng)僅僅是在原工藝的基礎(chǔ)上提高堿濃度、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間不能有效去除硅片表面切割線痕不利于印刷；當(dāng)對(duì)該硅片堿拋光后制絨，減重較大且制絨后金字塔粗糙度極差不利于印刷；當(dāng)對(duì)該硅片進(jìn)行酸腐后再制絨，可以有效去除硅片表面線痕，制絨后金字塔成核密度高、粗糙度較好，硅片表面絨面平整度好利于印刷。??

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