CN102744796A - 硅锭切片质量监控***及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅锭切片质量监控***及监测方法，包括切片装置、用于检测晶棒切割处温度的检测装置以及带有中央处理器的控制装置，切片装置包括切片机的内壁板，内壁板一侧具有待切割的晶棒、粘结晶棒的晶托、位于晶棒下方的一对导轮以及绕在导轮之间的用于磨削晶棒的钢线线网，检测装置包括设在内壁板上的红外线传感器，红外线传感器通过传输线连接有温度感应电路，红外线传感器探头中心线的延伸方向对准钢线线网磨削晶棒端面时的中间位置处，温度感应电路将收集的数据处理后传送至中央处理器。本发明可有效控制切片工艺过程，减少切片过程中随机产生的裂纹片、半截片、胶面崩边缺角片等缺陷，实现更加稳定的切片质量和更高的切片效益。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造技术领域，尤其是一种硅锭切片质量监控***以及使用该***对硅锭切片质量进行监测的方法。
背景技术
目前对单多晶晶块切片的主要方法有两种:一是结构利用结构钢线高速运行带动悬浮在PEG中的金刚砂磨削单多晶晶块实现切片;二是直接利用表面镶嵌或涂覆有类金刚砂的高硬度物质的金刚线高速运动磨削单多晶晶块实现切片。目前第一种方法由于其工艺相对稳定，综合成本具有较明显优势，国内批量生产均采用该切片方法。
第一种切片工艺通常所需要用到的最重要辅材为金刚砂和悬浮液（聚己二醇-PEG200）以及钢线。辅材质量的好坏直接决定切片质量，通常我们对辅材均有监控，金刚砂的监控指标主要有：颗粒尺寸分布，颗粒表面干净度以及颗粒形状及硬度等；悬浮液的监控指标主要有：PH值、平均分子量、黏度、金属离子含量、电导率等；钢线的监控指标主要有：直径、椭圆度和抗拉强度等。在对切片的主要辅材质量进行监控和控制的基础上，切片设备的稳定性和精密度也将直接决定切片的质量，但随着对单多晶晶棒切片的进一步研究归纳及总结发现，目前所监控的辅材及设备运行各参数的正常及稳定仅为切片质量有保证的必要条件，并非充要条件，在以上监控的所有辅材参数均稳定并在控制范围内，且切片设备本身所监控的各运行参数均在目标范围内时，即使在相对稳定工艺窗口较大的工艺条件下除去人为因素及其它外在因素后切片质量仍然有很大的波动性。比如说切片过程中随机产生的裂纹半截片及胶面崩边缺角片通常很难明确解释起因，更加无法进行有效的控制，这就说明还有些影响切片质量的重要参数在目前的切片***内还未能被有效的监控控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种硅锭切片质量监控***及监测方法，有效控制切片工艺过程，减少切片过程中随机产生的裂纹片、半截片、胶面崩边缺角片等缺陷，实现更加稳定的切片质量和更高的切片效益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅锭切片质量监控***，包括切片装置、用于检测晶棒切割处温度的检测装置以及带有中央处理器的控制装置，切片装置包括切片机的内壁板，内壁板一侧具有待切割的晶棒、粘结晶棒的晶托、位于晶棒下方的一对导轮以及绕在导轮之间的用于磨削晶棒的钢线线网，所述的检测装置包括设在内壁板上的红外线传感器，红外线传感器通过传输线连接有温度感应电路，红外线传感器探头中心线的延伸方向对准钢线线网磨削晶棒端面时的中间位置处，温度感应电路将收集的数据处理后传送至中央处理器。
进一步地，为将红外线传感器接受到的晶棒反射信号加以处理，所述的温度感应电路包括信号放大器和功率放大器。
所述的红外线传感器外套装有保护外壳，以防止线锯磨削时砂浆飞溅而对红外线传感器产生的污染。
一种使用上述监控***对硅锭切片质量进行监测控制的方法：红外线传感器接受切割晶棒端面最高温度处反射的红外线,利用红外线对不同温度的物体其反射率不一样的特征,将红外线传感器接受到的晶棒反射信号，通过传输线传输到温度感应电路，经温度感应电路内的信号放大器和功率放大器处理后，传送到中央处理器进行数据处理,最后由PID中央控制程序发出指令对晶棒的切割进给速度进行调整，以保证切片质量。
本发明的有益效果是：本发明通过在单多晶晶块的切片装置中增加一套红外线温度检测装置，将所测晶块切割处的温度信号传输到中央控制***，实现即时测量和控制切片工艺，从而实现控制切割过程中的晶棒温度，最终达到较高的切片质量,减少切片过程中随机产生的裂纹片、半截片、胶面崩边缺角片比例，同时所切硅片的TTV、线痕也有明显降低，硅片质量和效益得到明显的改善。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3为监控的晶棒最高温度的变化曲线图。
图中1.内壁板2.晶棒3.晶托4.导轮5.钢线线网6.红外线传感器7.传输线8.温度感应电路9.保护外壳
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2所示的一种硅锭切片质量监控***，包括切片装置、用于检测晶棒切割处温度的检测装置以及带有中央处理器的控制装置。
切片装置，包括切片机的内壁板1，内壁板1一侧具有待切割的晶棒2、粘结晶棒2的晶托3、位于晶棒2下方的一对导轮4以及绕在导轮4之间的用于磨削晶棒2的钢线线网5；检测装置，包括设在内壁板1上的红外线传感器6，红外线传感器6外套装有保护外壳9，以防止钢线线网5磨削时砂浆飞溅而对红外线传感器6产生的污染，红外线传感器6通过传输线7连接有温度感应电路8，红外线传感器6探头中心线的延伸方向对准钢线线网5磨削晶棒2端面时的中间位置处，温度感应电路8将收集的数据处理后传送至中央处理器。
温度感应电路8与切片机的控制装置合为一体，温度感应电路8包括有信号放大器和功率放大器，信号放大器和功率放大器将红外线传感器6接受到的晶棒反射信号加以放大处理后，传送到中央处理器，控制装置根据处理结果来调整晶棒2的切割工艺参数。
一种使用上述监控***对硅锭切片质量进行监测控制的方法：红外线传感器6接受切割晶棒2端面最高温度处反射的红外线,利用红外线对不同温度的物体其反射率不一样的特征,将红外线传感器6接受到的晶棒2反射信号，通过传输线7传输到温度感应电路8，经温度感应电路8内的信号放大器和功率放大器处理后，传送到中央处理器进行数据处理,最后由PID中央控制程序发出指令对晶棒2的切割进给速度进行调整，以保证切片质量。
该发明通过在常用的切片设备上增加一套红外线温度检测装置，适用于现在切片企业采用的所有切片设备，如：MB264、MB271、HCT-B5、DJZG、NTC-442、PV-800、PV-1000，该监控***能即时测量切片过程中晶棒的温度最高区域温度，进行记录并处理保存，同时将该温度反馈给PID控制***,及时调节控制切片过程中的工艺参数(工艺参数的调节主要是线速及台数)实现更佳的切片质量.切割结束后结合其它参数工艺日志及该温度曲线，便能更加完善的分析切片过程中的运行情况，从而更加有效的通过优化悬浮液特性（黏度密度及散热性）及金刚砂的切割能力(新旧砂比例及颗粒尺寸分布)达到更好的切片质量和效益。从而减少了切片过程中随机产生的裂纹片、半截片、胶面崩边缺角片比例，同时所切硅片的TTV、线痕也有明显降低，硅片质量明显改善，这为硅片在电池端的良率进一步提供了保证。
切片过程中晶棒2温度最高区域的温度和切割工艺息息相关，根据大量的测试统计及总结经验，切割晶棒2最高温度与切割工艺相关参数之间的关联性可以通过以下公式表示:
Th=C1*Vt2+C2*Vt+C3*Vl2+C4*Vl+C5*Vt*Vl+C6/D。
其中，Th为整个切片过程中晶棒2的最高温度，Vt为整个切片过程中最大工作台速度(mm/min)，Vl为整个切片过程中最大钢线速度(m/s)，D为钢线直径(mm),C1、C2、C3、C4、C5、C6为常数，与切割机台类型及所用钢线直径，砂浆悬浮液型号及环境温湿度等因素相关。
该发明的核心是其自动控制***，当红外线传感器6检测到的晶棒2温度大于温度设定值后，PID中央控制***根据以上温度模型自动调整工艺参数（切割晶棒2的进给速度），使晶棒2最高温度恢复正常，从而保证了切片质量。
例如：当测试到的晶棒2温度Th1>***设定的晶棒2最高温度Th时,该***自动调整控制工作台速度Vt至Vt1，使Vt1满足:
Th1-2=C1*Vt12+C2*Vt 1+C3*Vl2+C4*Vl+C5*Vt1*Vl+C6/D
下表为切片机台不同工艺条件下切片过程中各参数值及晶棒2最高温度的设定值,机台装载量为(780±20mm)156×156多晶、砂浆配置使用1200号金刚砂及PEG200配置而成、切片机台循环砂浆流量大于6500kg/h、平均每刀消耗砂浆为(300±100)kg、切片砂浆密度为1.6-1.7g/cm3、0.3mm/min<Vt<0.5mm/min、12m/s<Vl<14m/s、0.1mm<钢线直径D<0.15mm。
上表中常数C1、C2、C3、C4、C5、C6为在不同工艺条件下如最大工作台速度、最大线速、钢线直径下，在正常切片的状态下将所进行的大量监控得到的晶棒监控点最高温度代入温度设定程序公式：Th=C1*Vt2+C2*Vt+C3*Vl2+C4*Vl+C5*Vt*Vl+C6/D进行二次拟合所得，最大工作台速度Vt及钢线运行最大线速Vl的增加均会导致切片晶棒最高温度的升高，钢线直径的增加会使得切片晶棒最高温度的降低。例如:在Vt=0.35mm/min、Vl=13m/s、钢线直径0.13mm下,晶棒最高测试温度为62.9摄氏度,当仅增加Vt到0.4mm/min时晶棒最高测试温度升至69.2摄氏度;当仅增加钢线运行最大线速Vl到13.5m/s时晶棒最高测试温度升至64.7摄氏度;当钢线直径D从0.13mm增加至0.135mm时会降低切片晶棒最高温度至62.6摄氏度。同时以上数据表明切片工作台运行速度对切片晶棒最高温度影响最大。
图3为采用MB264切片机所监控的晶棒2最高温度的变化曲线图,图中上面一条直线型的曲线2表示的为测试切片晶棒的最高温度上限，下面一条曲折的曲线1表示的为实际测试切片晶棒的最高温度，其工艺条件为:装载量为790mm的尺寸156*156多晶、砂浆由1200号金刚砂及PEG200配置而成、切片机台循环砂浆流量为7000kg/h、单刀消耗砂浆为290kg、切片砂浆密度为1.65g/cm3、切片工作台最大速度Vt=0.4mm/min、最大钢线速度为12.5m/s、钢线直径为0.12mm.该工艺条件下由经验公式:Th=C1*Vt2+C2*Vt+C3*Vl2+C4Vl+C5*Vt*Vl+C6/D算得，设定的晶棒2最高温度为68.2摄氏度,其中当图中标注“3”所圈处检测到的晶棒2最高温度高于设定值,则***通过PID及设定程序(目标为下调晶棒2最高温度1摄氏度)，算得在线速保持不变下需调整原先设定的瞬间工作台速度由0.4mm/min至0.392mm/min,维持时间可以通过***设定,通常为2min-10min,后恢复原先***设定工艺.该控制***在MB-264实施的结果表明，可以大大减少切片过程中产生的裂纹片、半截片、胶面崩边缺角片比例，同时所切硅片的TTV、线痕也有明显降低，硅片质量明显改善。
本发明通过在单多晶晶块切片设备中增加一套红外温度监测与控制***，实现即时测量和控制切片工艺，从而实现控制切割过程中的晶棒2温度，最终达到较高的切片质量,减少了切片过程中随机产生的裂纹片、半截片、胶面崩边缺角片比例，同时所切硅片的TTV、线痕也有明显降低，硅片质量和效益得到明显的改善。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种硅锭切片质量监控***，包括切片装置、用于检测晶棒切割处温度的检测装置以及带有中央处理器（10）的控制装置，切片装置包括切片机的内壁板（1），内壁板（1）一侧具有待切割的晶棒（2）、粘结晶棒（2）的晶托（3）、位于晶棒（2）下方的一对导轮（4）以及绕在导轮（4）之间的用于磨削晶棒（2）的钢线线网（5），其特征是：所述的检测装置包括设在内壁板（1）上的红外线传感器（6），红外线传感器（6）通过传输线（7）连接有温度感应电路（8），红外线传感器（6）探头中心线的延伸方向对准钢线线网（5）磨削晶棒（2）端面时的中间位置处，温度感应电路（8）将收集的数据处理后传送至中央处理器。
2.根据权利要求1所述的硅锭切片质量监控***，所述的温度感应电路（8）内具有信号放大器（81）和功率放大器（82）。
3.根据权利要求1所述的硅锭切片质量监控***，所述的红外线传感器（6）外套装有保护外壳（9）。
4.一种硅锭切片质量监测控制方法，其特征是：红外线传感器（6）接受切割晶棒（2）端面最高温度处反射的红外线,利用红外线对不同温度的物体其反射率不一样的特征,将红外线传感器（6）接受到的晶棒（2）反射信号，通过传输线（7）传输到温度感应电路（8），经温度感应电路（8）内的信号放大器（81）和功率放大器（82）处理后，传送到中央处理器（10）进行数据处理,最后由PID中央控制程序发出指令对晶棒（2）的切割进给速度进行调整，以保证切片质量。
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