超薄太阳能硅片线切割工艺中悬浮液特性研究.doc

超薄太阳能硅片线切割工艺中悬浮液特性研究摘要: 多线切割机(MuItiWire Saw，简称线锯)以极高的生产效率和出片率广泛应用在超薄大直径太阳能硅片加工领域。硅片在太阳电池的成本中几乎占了60，所以利用线切割设备的先进工艺和技术特性来降低硅片成本、节约 .多线切割机(MuItiWire Saw，简称线锯)以极高的生产效率和出片率广泛应用在超薄大直径太阳能硅片加工领域。硅片在太阳电池的成本中几乎占了60，所以利用线切割设备的先进工艺和技术特性来降低硅片成本、节约原材料、提高生产效率已成为该领域目前关注的焦点。切割过程是造成硅片表观缺陷、应力、破损和机械损伤的最主要工序，对太阳电池性能有很大影响。因此研究线切割的工艺机理，研制新型悬浮液，对光伏行业的发展有重要的指导意义。一、悬浮液特性1、悬浮液性能优良的悬浮液兼有切削、粘滞、冷却三大功能，在悬浮液中加入研磨砂(主要成份为SiC)后的悬浮液又称砂浆。常用悬浮液为无色透明液体，具有粘滞性，能携带SiC颗粒随线网一起运动。悬浮液能有效降低硅片表面损伤应力、减小硅片的切割损伤层、提高切削速度。悬浮液的主要性能分析如下：1)悬浮液能吸附在SiC颗粒表面上产生位垒，使颗粒分散开来，达到分散、悬浮的特性；提高SiC的分散稳定能力，防止颗粒团聚粘结，避免在硅片表面形成短粗的浅划伤。2)悬浮液的润滑作用能减小SiC颗粒对硅片的强机械摩擦，使硅片表面与SiC间的摩擦转化为润滑膜分子问的内摩擦，使摩擦副运动平稳，提高切削速度；摩擦生热小，减小了切割损伤、应力和微裂。所谓润滑作用，是指悬浮液渗入线网一硅片及线网碎屑之间形成润滑膜。由于这层润滑膜，使得这些界面的摩擦减轻，切削热、SiC颗粒磨损、硅片表面损伤均减小。3)悬浮液的渗透性为其重要性质，渗透性表现为液体的粘度和浸润性。切割前沿温度很高，高温可使悬浮液呈汽化分解状态渗入切割前沿，气体比液体粘性力小，即使微小的间隙也能渗入。悬浮液渗入高温切割前沿区域内，通过对流和汽化把切削过程产生的热量带走，降低切割前沿温度，减少碱性悬浮液对硅片表面的氧化作用以及精细工件的热变形，使硅片的表面化学作用一致性好，并且它本身还应具备良好的散热能力。4)切割过程产生的大量碎屑和硅粉，容易互相粘结且粘附在硅片和线网上，影响硅片表面粗糙度、降低切割精度，因此要求悬浮液具有清洗功能，其与液体的渗透性、流动性、粘度等因素有关。悬浮液中含有表面活性剂，可以包附在碎屑周围，使其容易脱落清洗，并附着在硅片表面抑止周围颗粒的污染。2、悬浮液粘温特性由于超薄线切对硅片总厚度误差(TTV)的严格要求，对工件室的机械系统精度要求甚严，故线切割过程中的温度控制至关重要。线锯切割时间一般为_几个小时，长时间的温升积累会使机床变形，直接影响切片的质量，尤其是硅片的弯曲度、翘曲度等关键质量指标。多线切割机都配有温控冷却系统。硅锭进行线切割时，砂浆嘴将砂浆喷在线网上，导轮转动线网将砂浆带进晶棒里j悬浮液温度越高时，其分子热运动加快，分子间引力减小，粘度随之变小，SiC颗粒在钢线上的附着能力就越差，在切割前沿造成SiC堆积，切割时线锯的切削能力下降，影响硅片的质量。这种情况经常出现，冬季的切割硅片质量比夏季好，主要原因就是悬浮液的粘度受到了环境温度的影响。图l为切割过程图。二、粘度测量实验当流体运动时，其内部出现相对运动，各质点间或流体层间会产生切向的内摩擦力以抵抗其相对运动，流体的这种性质被称为粘性。液体粘度与温度的关系非常密切。粘度与温度并不成线性关系，它与温度范围有关，温度越低粘温关系越密切。液体的粘性来自分子引力，温度升高，分子间的距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，粘度就降低。1、实验本实验用NDJ-1型旋转粘度计测量悬浮液的粘度，转子转速为60r/min。用TEFD型恒温水浴加热，外筒放置于水浴内，以2/min的速率升温。先由室温上升到100，测定温度上升过程中悬浮液的粘度变化；再逐渐使悬浮液自然冷却回复到室温，测定温度下降过程中悬浮液的粘度变化；然后水浴中加入冰块，使悬浮液温度由室温逐渐降至0，再测定温度下降过程中的粘度变化。2、结果与讨论升温和降温过程悬浮液的粘度变化如图2，可以看出：随着温度的上升，悬浮液粘度下降；反之则上升。温度较低时，升温和降温过程的粘度曲线并不重合，所以粘度并不完全成弹性恢复。这是由粘度变化的滞后现象和热力破坏作用共同引起的。 在降温过程中，100-25之间悬浮液粘度变化较小，但降温到20以下时，粘度有较大变化。这说明在低于20时，悬浮液的分子间引力明显加强。理论与实践证明，050为悬浮液的最佳工作温度。粘度太大，容易造成SiC颗粒与切屑的相互粘结，增大切割阻力与表面损伤。粘度太小，携带SiC颗粒能力差、切割力小、切割效率低。在热场作用下，悬浮液从一种平衡状态通过分子运动过渡到另一种平衡状态需要一定时间，这种过程称为松弛过程。由于悬浮液中含有大分子有机物，分子问次价键作用力很强，本体粘度很大，大分子含有各种大小不同的运动单元，因此在热场作用下时，从一种平衡状态过渡到另一种平衡状态不能瞬时完成，需要一定的时间。大分子的松弛时间一般都较长，由于大分子运动单元的多样性，各运动单元的松弛时间亦不相同。这就使得大分子高聚物的松弛时间不是一个单一值而是一个很宽的分布。所以粘度曲线并不完全成弹性恢复。在同j温度下受热，悬浮液粘度在开始阶段明显下降，这说明热力对分子力具有破坏作用，但随着加热时间的延长，粘度趋于稳定。所以短时间的热力对分子力有影响，但长时间的稳定热力对分子力影响不大。切割前沿的高温，使悬浮液中含有的有机物可能向碳化方向过渡，对悬浮液的粘度等特性有很大影响。本文对同种悬浮液的废砂浆粘度也进行了测量(图3)，粘度相比悬浮液有所上升。因为混有了切削粉末和失水等原因，悬浮液浓度增大，粘度增大。废砂浆回收的意义重大。三、悬浮液pH值测量研究温度变化影响溶液的pH值。pH值是指溶液的H+活度，离子淌度和活度系数都是温度的函数。目前，pH的定义是氢离子活度的负对数，即pH=logaH. 1、实验本实验使用PHS-3B型精密pH计，TEFD型恒温水浴控制温度。通电以2/min的速率加热，先由室温上升到100，测定温度上升过程悬浮液的pH值。再逐渐使悬浮液冷却回复到室温，测定温度下降过程悬浮液的pH值。然后往水浴中加入冰块，使悬浮液由室温降至0，测定温度下降过程pH值。悬浮液pH值与温度的关系如图4所示。2、结果与讨论悬浮液受热后，离子的扩散速度加快，H+活度增大，pH值随温度升高而降低。溶液经高温挥发后，降温过程pH值又缓慢增大。升温和降温曲线并不具有可逆性。切割前沿温度高达上百度，经过热化的砂浆因为挥发和热力破坏等原因，溶液性质发生变化。使用过的砂浆中混有切削粉末、粉碎的SiC颗粒和一些金属杂质，经清洗回收后其pH值下降。添加新研磨砂和悬浮液后的砂浆应保持原溶液的酸碱度，实际上pH值要比原溶液低，但仍在使用范围内。悬浮液为弱碱性，含有钠等金属离子，切割前沿高温处，钠易向硅片深处渗透，由于粘度大易吸附在硅片表面，难于清洗，导致硅片在清洗后出现花斑，即氧化片。悬浮液中的螯合剂可去除金属离子，这种表面活性剂的主要成分是螯合环，其两端有N-O共用电子对和金属离子作用，将其拉向螯合环，并包裹进去，即螯合作用。由于螯合剂溶于水，不对硅单晶加工带来其它负面影响。悬浮液与机床表面的一层金属碱性氧化物不会发生反应，不会腐蚀设备，又可在钢线周围形成一层保护模，防止钢线被氧化。四、结论通过改善悬浮液可获得良好的线切割表面状态。1)悬浮液的粘度受热力破坏和变化滞后等原因，升温和降温曲线并不完全可逆。悬浮