在薄如纸的硅片从硅锭生成前,将经历很多道工序。这些步骤根据不同的加工技术而变化,并且取决于选取的初始原材料。单晶硅硅片(切克劳斯基法(1))具有最高的转换效率。
多晶硅则在通用大小(长 x 宽 x 高, 单位: 毫米)的方形石英坩埚,例如878 x 878 x 480 (G5) 熔化而成的。初始硅锭在 “结晶“后被放到锯床(现今通常是线锯床)上切割成硅片规格的立方体。在表面和倒角研磨后进行截断工序, 通常被称作切头尾。由于杂质,硅碳水化合物杂质和降低的导电性,头尾段不适合用于进一步加工成硅片。因此, 制造商依赖于创新的解决方案,在上游生产工序中“去芜存菁”。也就是,在硅锭加工过程中去除硅锭中受损部分, 以便只有完美的硅块被进一步加工。在这个时候,将来生产中的次品就已经被避免。通过先期测试和选取材料,大大提高了机器的利用率。最终, 生产成本被大大降低。 同样质量的硅片,价格明显便宜。
最高价格为500美元每公斤的高价硅时代早已经过去。目前在现货市场上的原材料购买价格浮动在每公斤20美元左右。多年来,不寻常的原材料价格影响着硅锭加工的技术。
虽然长时间以来人们遵循着降低昂贵的原材料损失为原则,但今天人们又开始重新使用久经考验的方法。长时间被忽略,现在重新被发现,运用创新的薄刀片技术的外径切割机成为了新的潮流。其他的方法如带锯,内径切割和线锯也被外径切割机床所取代。
在决策将来的硅锭生产中运用哪项技术时,建议将通用的切割技术和新的薄刀片技术进行比较及研讨,将其集成到自动化生产流程的可能性。因为如果没有流程自动化和机器人,拥有优化的生产流程和质量稳定的生产是不太可能的。
外径切割技术,新的薄刀片技术的前身, 是最老的切割技术之一。几十年来,配备了一个3.5毫米厚的金刚石刀片的锯床被用于切割脆性材料,如玻璃, 陶瓷和金属。这项技术不仅提供最大工艺稳定性,而且其简单而且结实的运用使人信服。特别在光伏方面,无需任何复杂的夹持技术,工件可以放在一个V型支架上,这可以确保无应力和没有崩边的切割。德国阿诺德集团是世界范围内这项技术的先驱之一。在20世纪80年代初期,已经根据硅生产商的要求设计并生产了不同的切割设备。1995年第一个自动的, 机器人辅助装卸载的切割中心就已经出厂了。
但是, 在硅料价格高的时期,由于切割片造成的略微高的材料损失,这项几乎免维护, 非常坚固耐用的外径切割技术在几年间失去了它的重要性。其他的一些更加复杂的技术, 因为更少的材料损失,取代了外径切割技术。
带锯的传统技术来自于木材加工。除了德国著名公司Jaespa外,亚洲的制造商也提供带锯。相对于其他类型的切割技术,购买带锯床虽然便宜, 但是后续成本更高。
虽然可以进行简单的和快捷的维修,但是生产流程的可靠性和工艺的稳定性将会受到严重的影响。带有金刚石涂层的切割带,必须平均每8小时更换。在不间断的每天生产(24/7)和切割带锯价格在很低的(100欧元每条)的情况下,每年的工具费用仍需要11万欧元,并且停产,人工和物流等产生的费用还没有被计算进去。
虽然更换带锯和重新调试相对而言所需时间较少, 但是切割带锯使运行成本显著增高,产品质量上的弱势也不可小视。在高的进刀速度下(大于40毫米/分钟),切割质量将受到影响。相对不精确的切割导致需要外加一步额外的加工工序。
通常情况下,硅锭的端面需要重新研磨。这不仅意味着要在额外的磨床上投资,而且还会产生其他费用,如能耗,材料损耗, 维护和人工费用。带锯可以被集成到自动化生产线中去。然而频繁的停机就要求更多的人力投入来保证中断时间最小化。
用于半导体行业的内径切割机在70年代被瑞士公司Meyer Burger 研发并在后来被用在光伏行业。内径切割技术也是用于切割脆性材料的特殊切割工艺。
即使是经验丰富的操作工也需要几个小时来更换和调试。切割刀片的材料费用大约500欧元,每年总计3万5千欧元。除此之外,停产的损失也必须被计算进去。
几年前, 当时非常高的硅料价格还主宰着市场, 尽管复杂和昂贵的技术,内径切割还是非常有优势的。维护密集型的切割工艺在生产量不断增大的情况下,不适合集成到自动化生产方案中。
在线截断机床领域,几年前被美国的Applied Materials接手的瑞士专家HCT是世界领先的。线锯最明显的优势就是在切割过程中硅料损失很小。
在这项切割技术中,你必须预期到非常高的后续处理费用。 首先把最多35块硅锭放在线锯的线场下面。一次能把所有硅锭的头和尾都切下来,也就是总共70刀。实际分离硅块的是由所谓的浆料完成。昂贵的聚乙二醇(PEG)和碳化硅混合物, 它附着在切割线上。如果切割线断裂,整个切割线场必须重新绕线。费时的停产和昂贵的生产损失将不可避免。
人工加载的操作时间非常高。每刀后对切割台的必要清洗也是非常费时的。用带有金刚石的切割线来代替价格昂贵的浆料仍处在研发阶段。不管是否使用银浆,这套工艺非常不灵活。金刚线的成本也是非常高的。将线切这一步骤整合到全自动工艺中去,理论上是非常昂贵的,需要很高的投入。从中期来看,因为线切技术的高成本问题,将不再被应用于截断工艺。
薄刀片锯设立标准
随着新一代产品“薄刀片技术” ,最老的切割工艺在硅锭加工行业中正在复苏。这项老的,但同时又是新的外径切割技术被阿诺德集团用于切割多晶硅锭。
除此之外, 阿诺德还提供用于截断和切方单晶硅的设备。包括手动,半自动和全自动流程。新的切割片技术虽然是在成熟的,已被人熟悉的圆型切割技术的基础上设计的, 但是它还带有其他的优势,这些优势使更经济的硅锭加工成为可能。这种锯床带有1.5毫米的薄刀片而不是通常的3.5毫米厚的刀片,这使得硅料损失减少了大约50%。这项技术的核心部分是经过特殊处理的1.2毫米钢板。刀片的边缘焊接了金刚石金属合金。厚度为6.5毫米,可以切割1万5千刀。
更换刀片最多大约需要半个小时。工业上所要求的平行度公差 ,即刀片和工件 之间平行度小于0.2毫米, 角度公差小于0.3毫米和崩边小于0.6 毫米,甚至可以长期不间断的加工尺寸为156*156的硅锭。
这项切割技术不仅包括低消耗,维护和维修成本,而且达到高流程稳定性和高设备利用率97%(SEMI E10)。降低的消耗成本,更低的能源成本和非常低的工具成本(少于8000欧元/年)及尚未提到的人力成本,这些提供了相比其他的切割技术可达百分之八十的节省潜能。
智能自动化
特别是在危机的时期,有必要去看一看其他成功的行业。时刻处在竞争和业绩压力下的汽车行业就是很好的典范。他们成功的要素是无可挑剔的质量,严格遵守研发周期,完美而无故障的流程和按“Just-in-Time”原则准时交货。供应商须提供“零缺陷策略”。这些只能通过非常高的自动化程度来达到。
回到光伏行业,如果没有类似的高程度自动化,是无法达到类似目标的。自动化不仅仅只是将机器人安装到子流程中去,而更多的是,每台机器必须不仅有高的流程稳定性, 而且要提供先进的传感技术, 高智能的控制技术和相应的接口如MES(生产执行系统)。
硅锭加工线
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