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硅片切割技术的现状和发展趋势超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡，切割加工能力的落后和产能的严重不足已构成了产业链的瓶颈。作为硅片晶圆上游生产的关键技术，近年来崛起的新型硅片多丝切割技术具有切割表面质量高、切割效率高和可切割大尺寸材料、方便后续加工等特点。由于驱动研磨液的切割丝在加工中起重要作用，与刀损和硅片产出率密切关联，故对细丝多丝切割的研究具有迫切与深远的意义。关键词晶圆，多丝切割，细丝，产出率，切削量引言硅片切割是电子工业主要原材料一硅片晶圆生产的上游关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。在电子工业中，对硅片的需求主要表现在太阳能光伏发电和集成电路等半导体产业上。光伏发电是利用半导体材料光生伏打效应原理直接将太阳辐射能转换为电能的技术。资料显示，太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，假如把地球表面 0.1的太阳能转为电能，转变率 5，每年发电量可达 5.6 1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40 倍。随着全球矿物资源的迅速消耗，人们环保意识的不断增强，充分利用太阳的绿色能源被高度重视（图 1.1 为近年来全球太阳能电池产量），发展势头及其迅猛。晶体硅片是制作光伏太阳能电池的主要材料，每生产 1MW 的太阳能电池组件需要 17 吨左右的原料。 Clean Edge 预计，全球太阳能发电市场的规模将从 2005年的 110 亿美元猛进增到 2015 年的 510 亿美元，以芯片著名的 “ 硅谷 ” 将被 “ 太阳谷 ” 所取代。显然太阳能产业的迅猛发展需要更多的硅原料及切割设备来支撑。硅原料的供不应求，切割加工能力的落后和严重不足构成了产业链的瓶颈，严重阻碍了我国太阳能和半导体产业的发展。因此，未来的 3 至 5 年间，将是中国晶硅产业快速发展的黄金时期。多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术，它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片（图 1.3b）。和传统的内圆切割相比，多丝切割具有切割效率高、材料损耗小、成本降低日进 NWS6X2型 6” 多丝切割加工07 年较内圆切割每片省 15 元、硅片表面质量高、可切割大尺寸材料、方便后续加工等特点见表 1.1。特点多丝切割内圆切割切割方法研磨磨削硅片表面特征丝痕断裂碎片破坏深度 um 5--15 20--30 生产效率（ cm2/hr ）110--200 10--30 每次加工硅片数200--400 1 刀损 um 180--210 300--500 硅片最小厚度um 200 350 可加工硅碇直径mm 300 Max 200 切割技术的发展趋势作为一种先进的切割技术，多丝切割已经逐渐取代传统的内圆切割成为目前硅片切片加工的主要切割方式，目前，瑞士 HCT公司， Meyert Burger 公司，日本 Takatori（高鸟）等少数著名制造厂商先后掌握了该项关键技术，并推出了相应的多丝切割机床产品，尤其是大尺寸的切割设备。图 1.4线锯切割断面的几何参数在上游原材料加工产能受限的今天，一方面由于多丝切割的刀损（图 1.4）在材料加工损耗中占有较大的比例（有时可达到 50以上），且材料的切屑粒微小、共存于研磨液中，造成切割效率下降。另一方面由于将研磨粒与其分离成本较高，实施较难。故减小晶片的厚度（提高单位材料的产出率），减小切割的刀损（提高原材料的利用率），提高磨粒的利用率（降低加工成本），已成为迫切的要求。 EPIA国际委员会统计分析后给出的预言指出，未来的 15 年内，晶片的厚度和切割丝直径将减少一半（表 1.2）。表 1.2 EPIA国际委员会统计分析后给出的预言结论硅片切割是电子工业主要原材料一硅片晶圆生产的上游关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。在电子工业中，对硅片的需求主要表现在太阳能光伏发电和集成电路等半导体产业上。随着全球各国能源结构的调整，绿色能源的推广和近年来半导体产业的超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡。多丝切割作为一种先进的切割技术，目前已逐渐取代传统的内圆切割成为硅片切片加工的主要切割方式。由于驱动研磨液的切割丝在加工中起重要作用，与刀损和硅片产出率密切关联，减小切割丝的直径将使硅材料的损耗大幅下降，使单位材料晶圆的产出率大幅提高。故对细丝多丝切割的研究具有迫切与深远的意义。目前，硅片多线切割设备是还未实现国产化的光伏设备之一。国内光伏企业大多从国外进口相关设备，也一定程度上增加了光伏成本。同时，多线切割设备也被看作是国内光伏设备厂商的下一个金矿。硅片切割制约国内光伏业发展据业内人士介绍，硅片切片作为硅片加工工艺流程的关键工序，其加工效率和加工质量直接关系到整个硅片生产的全局。切片工艺具有很高的技术要求切割精度高、表面平行度高和厚度误差小；断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹；提高成品率，缩小钢丝切缝，降低原材料损耗；提高切割速度，实现自动化切割。“硅片是晶体硅光伏电池技术中成本最昂贵的部分之一。因此，减少硅料消耗、提高切割效率，提高切片质量和机床的可靠性，降低硅片切割生产成本是多线切割机追求的目标。 ”一位行业分析师说。正是对工艺的严格要求使得多线切割机制造技术含金量高。其核心技术长期被瑞士、日本等国家的极少数公司所垄断，因而国内使用的多线切割机大多依赖进口，严重制约了我国光伏产业的发展。有数据显示，我国每年进口多线切割机约 200 台。由于依赖进口，不仅价格昂贵，而且交货时间漫长。在 2008 年市场火热的时候，设备交货期最少半年以上，有的甚至一年以上。据预测，随着光伏产业的不断发展，多线切割机市场需求还会大幅提高。开发具有自主知识产权的多线切割机及装备，已成为突破国外技术封锁和国内产业瓶颈的关键点之一。国产设备差距不小从世界范围来看，全球硅片多线切割设备市场长期被瑞士的 HCT 公司、瑞士的梅耶博格公司和日本的 NTC 公司所瓜分。此外，还有很多相关的设备制造企业纷纷介入，比如日本的高鸟公司、安永公司、不二越机械工业株式会社、日平外山公司等专门推出了针对太阳能硅片切割的机型。工业领域专家告诉记者，多线切割技术是目前世界上比较先进的加工技术，它的原理是通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入加工区域对工件进行研磨，将棒料或锭件一次同时切割为数百片甚至数千片薄片的一种新型切割加工方法。目前，数控多线切割机已逐渐取代了传统的内圆切割，成为硅片切割加工的主要方式。一位光伏业内人士介绍说，在 2003 年以前，多线切割主要满足于半导体行业的需求，切割技术主要掌握在欧、美、日等国家和地区，国内半导体行业以封装业务为主，上游的晶圆切割技术远远落后于发达国家和地区，相关的设备制造研发也进展缓慢。 2003 年随着太阳能光伏行业的爆发式增长，国内设备制造企业也看到了这个巨大的商机，纷纷投入资金和人力物力进行技术研发，但大多数仍以仿制为主。记者还了解到一件往事几年前，国内某企业引进国外技术推出了多线切割样机。样机切割试验结果良好，切除的硅片质量完全合格。但是在客户实际使用的时候，还是遇到了很多的问题，比如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备差。由于以上问题，再加上硅料价格昂贵，客户尝试新机器的成本非常高，每次的损失几万元到几十万元不等，这也使得国内设备制造企业很难获得更多的生产性试验数据来改进设备。国内企业积极研发改进不过，据记者调查，目前，国内仍有多家企业在该领域进行着艰苦的研发。陕西汉江机床有限公司于 2008 年开始了数控多线硅片切割机的研制开发，经过探索攻关，于 2010 年研制生产出了 GK4620数控多线硅片切割机床。浙江台州双辉机械设备有限公司相关负责人也告诉记者，他们生产的多线切割机采用智能化装置，加工的硅晶片总厚度偏差在 5 微米以下。据称，由于性价比优于国外同类产品，目前双辉机械生产的这款多线切割机在市场上反响不错。此外，天龙光电公司、无锡开源太阳能设备科技公司、郑州锐驰机器设备公司等企业也积极进行了多线切割机的研发，并取得了相应成果。但老问题并没有彻底解决，与国外设备相比，国产设备可切割尺寸比较小、精度差，同国际先进技术尚有差距。这些问题需要国内企业在研发和设备改进过程中，逐步改善。光伏设备产业链充满机会硅片多线切割设备市场的火爆需求只是冰山一角。虽然受到欧洲主要光伏安装国 2011 年下调补贴的影响，全球光伏市场的装机量预计增速放缓。但长期来看，光伏发电在发电量中占比还很低，有极大的提升空间，发电成本下降将持续促进需求增长。因而，业内普遍认为，光伏设备产业未来充满机会。有专家对记者表示，在高利润和高成长预期下，国内的太阳能硅片、电池组件生产商大幅扩产。因此，光伏设备，如多晶硅铸锭炉、单晶生长炉、开方机、多线切割机等，未来几年将迎来新一轮爆发式需求增长。国海证券分析师张晓霞表示，光伏设备的细分市场在 2007 年以前均被国外企业垄断。近年来，国内企业通过自主研发，依附国内低生产成本和产业支持政策，正逐步进入光伏设备市场。目前，行业的共识是，国内光伏企业在制造环节的成本优势将获得空前的发展机遇。随着更多有实力的企业进入到这个行业，更多的人力、物力投入，更多的经验积累，以及大大降低的实验成本，国内光伏设备产业有望实现跨越式发展。不过，也有专家提醒说，完整的光伏产业链包括多晶硅原材料制造、硅锭和硅片、太阳能电池、太阳能电池组件、光伏系统（太阳能电站） 5 个环节。整个产业链呈金字塔形状分布。处于产业链顶端的属技术密集型，企业数量少，利润率高。国内光伏设备企业应充分利用自身优势，力争向产业链顶端靠近。2006 年以来，国内太阳能电池制造业飞速发展，同时带动上游晶硅片制造的发展，并逐渐成为全球光伏产业制造基地。 2006～ 2008 年，全球太阳能电池量分别为 2,561.2MW、 4,000.05MW 和 6,941MW。其中， 2006 年全球太阳能电池产量中，晶体硅太阳能电池产量为 2,370.2MW，占比 92.54，薄膜太阳能电池产量为 191MW，占比 7.46； 2007 年全球太阳能电池产量中，晶体硅太阳能电池产量为 3,650.05MW，占比 91.25，薄膜太阳能电池产量为 350MW，占比8.75； 2008 年全球太阳能电池产量中，晶体硅太阳能电池产量为 6,400MW，占比 92.21，薄膜太阳能电池产量为 541MW，占比 7.79。此外， 2008 年中国大陆的太阳能电池产量为 2,570MW，占全球总产量的 37.03，超越日本和德国，居全球第一。其中，晶体硅太阳能电池产量为 2,440MW，占全球晶体硅太阳能电池产量的 38.13。太阳能电池制造业的飞速发展带动了晶硅片制造企业的发展，为满足市场需求，晶硅片制造企业新建和扩产计划不断推出。