硅块的制备

1．剖锭

由定向凝固法制备的多晶硅锭都是正方体形状，要将其制备为多晶硅片，首先就要将硅锭按硅片的尺寸切分为多块硅块，即剖锭。

1）硅锭的尺寸

为了在剖锭过程中使硅料的利用率达到最大，铸锭得到的硅锭尺寸都是有一定标准的。由于剖锭后得到的硅块横截面是由硅片的最终尺寸确定的，因此要先了解市场上常用的硅片尺寸。目前市场上最常见的多晶硅片尺寸有156mm×156mm和125mm×125mm，所以硅锭尺寸应该能满足在生产不同尺寸的硅片都能有较高的硅料使用率。

现代工业上通过定向凝固法制备的硅锭一般为270kg或450kg，尺寸分别为660mm×660mm×260mm和820mm×820mm×280mm。270kg的硅锭若要制备125mm×125mm的硅片，可开方为25块硅块，若要制备156mm×156mm的硅片，可开方为16块硅块。同理，450kg的硅锭可开方为36块125mm×125mm的硅块或25块156mm×156mm的硅块。另外，由于硅锭边缘杂质较多，且晶界位错较多，因此硅锭边缘20mm左右一般不用于制备硅块，会在剖锭时去除，作为边角料重新用于铸锭。剖锭的示意图如图6－6所示。

图6－6　剖锭示意图

2）剖锭设备

目前常用的剖锭设备有线锯开方机和带锯开方机。而线锯开方机由于加工效率高、精度高、硅料损耗少等优点，已经基本代替带锯开方成为市场主流剖锭方法。线锯开方又分为普通钢线带动砂浆开方和金刚石线直接开方。近年来，金刚石线开方技术发展较快，已经被越来越多的企业所采用，但具体工艺效果和成本还需进一步改进。

（1）普通钢线开方

普通钢线开方是利用开方专用钢线编织成一定形状的线网，然后在线网上喷射开方专用砂浆，由钢线往复运动带动砂浆对硅锭进行研磨切割，将整个硅锭开方制备为一定数量的硅块。

普通钢线开方原理类似于多线切割硅片技术，较多线切割硅片技术更为简单，因为线网上钢线数目较少。开方速度要远远大于切片速度，钢线直径一般为切片钢线的2～3倍。砂浆要求也没有切片砂浆要求高，一般研磨粉粒径也为切片研磨粉的1．5～2倍，有些企业为了降低成本，可直接使用切片后的砂浆进行硅锭开方。

（2）金刚石线开方

金刚石线开方技术是近几年来发展起来的新技术，其采用金刚石线替代传统的普通钢线，无须使用切割砂浆，利用钢线上镶嵌的金刚石粉末对硅锭进行不断研磨切割。金刚石线开方技术的优点是开方速度快，单位产量较高；无须使用砂浆，开方时只需使用冷却液。但同时金刚石线价格较为昂贵，一般为普通钢线的100倍左右，且由于开方速度较快，因此稍有操作不当就容易导致断线。目前该技术还在不断改进阶段，虽已有一些企业采用，但推广程度还不及普通钢线开方技术广泛。

（3）带锯开方

带锯开方在单晶棒开方领域使用较为广泛，其采用镶嵌了金刚石粉末的锯片对单晶硅棒或多晶硅锭进行往复切割。其优点是操作简单，开方速度快；缺点是开方精度不高，产量较低，刀损较大，目前已经基本不在多晶硅锭开方时使用该方法。

2．硅块的去头尾

1）去头尾原则

开方得到的硅块必须去除一部分头部和尾部，这是由于硅锭的上部和下部聚集了大部分的杂质、位错和微晶等缺陷，这些缺陷会严重影响到太阳能电池的转换效率，因此在制备硅块时就要把这些不合格的部分去除。

判断硅块去头尾尺寸的依据主要有杂质阴影、电阻率、少子寿命等。杂质阴影主要由红外探伤测试仪测试，标准是将含有杂质阴影的部分全部去除。电阻率通过电阻率测试仪进行测试，硅锭的电阻率在铸锭前配料时会经过理论计算，但实际中有时会有些偏差，因此要将偏差部分全部去除。少子寿命通过少子寿命仪测试，将小于少子寿命标准的部分全部去除。最后，根据各个指标的检测结果，选择需要去除的最大尺寸来确定硅块的去头尾尺寸。

2）去头尾设备

硅块去头尾常用设备为带锯切割机。带锯切割机最重要的部分就是锯条。过去的带锯条一概以高碳钢为材料，其切割速度和使用寿命都较低。双金属和硬质合金带锯条使锯切过程发生了永久性的惊人变革，从此以后，除了改进的硬齿焊接方法以外，锯齿结构、齿形、刃材和钢背的发展使带锯条以比较稳定的步伐向着提高生产力和锯条寿命的方向不断前进。涂层技术的发明大大增强了锯刃的坚韧性而使之可以使用较高的锯切和进给速度，并防止锯刃过度摩擦和发热。带锯条上涂镀保护膜可明显提高生产效率而不降低锯条的使用寿命。制造商现在生产多种先进且用途特殊的［如氮化钛（TiN）和氮化钛铝（AlTiN）］涂层锯条，这些涂层大大增加了生产力并延长寿命。由于硅的硬度较大，太阳能电池硅块去头尾采用的带锯多为镶嵌了金刚石的锯条，这使得带锯的效率大大提高，但使用成本也较为昂贵。

3．硅块的磨面倒角

1）磨面

开方后的多晶硅块尺寸并不十分精确，且表面粗糙，存在一定的损伤，若直接加工为硅片，会在生产加工过程中产生大量崩边、边缘、隐裂等不良缺陷。因此切片前需要对硅块四个面进行磨面，一是修正硅块尺寸，二是去除由线开方造成的表面线痕，降低损伤层深度，得到光滑表面。目前常用的磨面方法有金刚砂研磨轮磨面和软刷研磨轮磨面两种方法，如图6－7所示。

图6－7　硅块磨面示意图

金刚砂研磨轮磨面是目前应用最广的磨面方法，其优点是修正硅块尺寸效果好，磨面效率高；但缺点是处理后硅块表面粗糙度大，对硅块有机械应力损伤，容易产生新的损伤层。软刷研磨轮磨面最近行业中研究较多，也逐渐开始应用于工业生产中，其优点是处理后硅块表面粗糙度小，对硅块机械应力损伤小，可去除大部分硅块原先的损伤层；但缺点是修正硅块尺寸能力不足，研磨轮磨损较快等。两种方法各有好处，且可以很好地互补，因此目前已有将两种方法同时使用的设备开始应用于工业生产中。

2）倒角

磨面完的硅块要进行倒角处理，也有工艺是对硅块先倒角后磨面处理。倒角的目的是去除硅块四边锋利的棱角，避免硅块在运输和切片过程中产生不必要的崩边缺角。

倒角用到的设备一般也是金刚砂研磨轮，倒角角度为标准的45°斜角，宽度一般为1～2mm。