什么是硅片工艺

硅片工艺

硅粉提纯之后就是多晶硅料，也称为多晶硅。

多晶硅（料）分为单晶（硅片）用料和多晶（硅片）用料，区别是原子排列不一样。

当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。

（来源：公开资料）

多晶硅料经过融化铸锭或者拉晶切片后，可分别做成多晶硅片和单晶硅片，进而用于制造晶硅电池。

由于2020 年单晶硅片市场占比达到了约 90.2%，是未来的大趋势，这里不再对多晶硅做介绍。

硅片的生产是指将硅料加工为硅片的过程，主要分为铸锭、开方、切片三大工序。

具体步骤包括坩埚准备、装料、装炉、长晶、拆锭、线开方、截断、磨面倒角、切片、清洗分选等；

（来源：天合光能招股说明书）

硅片工艺主要在长晶和切片环节。

1、铸锭

铸锭就是将多晶硅（料）制成硅棒的过程。

多晶硅（料）制作单晶棒目前主要包括拉直法、基座法、区熔法、气相生长法、片状生长发等。CZ和FZ生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。CZ法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池等；FZ法生长的单晶硅主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化等；外延片主要用于集成电路领域。

直拉法（Czochralski，CZ）投料多，生产的单晶直径大，设备自动化程度高，工艺比较简单，生产效率高。

其他方法制备工艺复杂、产品性能不良、成本等因素未能被普遍推广。

这里主要简单介绍下直拉法生产多晶硅棒的过程。

直拉单晶制造法是将原料放在铂、铱或石英坩埚中，在单晶炉中加热熔化，在适当的温度下，将籽晶浸入液面，让熔体先在籽晶的末端生长，然后边旋转边慢慢向上提拉籽晶，晶体即从籽晶末端开始逐渐长大。

直拉法生长单晶示意图如下。

（来源：公开资料）

最后生长出来的单晶硅棒如下图：

（来源：公开资料）

这个也解释了为什么是“单晶硅棒”，而不是其他形状。

硅棒示意图如下：

（细颈10，肩部20，等径部30，尾部40）

（来源：公开资料）

长晶工艺

加料→熔化→引晶→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长→退火处理

（1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。

（2）熔化：关闭长晶炉并抽成真空，充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃)以上，将多晶硅原料熔化。

（3）引晶：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，又称“下种”

（4）缩颈生长：是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20 mm。如硅棒示意图中“细颈10”部分。

（5）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。如硅棒示意图中“肩部20”部分。

（6）等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。如硅棒示意图中“等径部30”部分。硅片主要取自这部分

（7）尾部生长：随着晶体生长结束，采用稍升温，降拉速，使晶体直径逐渐变小，此过程称为收尾。

（8）退火处理：消除晶体内部的热应力。

2、开方

开方主要是将硅棒切割成小方棒。

单晶硅棒经过切头、去尾，留下“等径部”，再经过截断切成大小适中的圆柱形硅棒。

（来源：公开资料）

然后切割成方棒。

（来源：公开资料）

最后对截断后的方棒做磨面和倒角处理，为切片做准备。

这里说下开方，一个圆柱形硅棒切割成方棒，切割示意图如下。

（来源：国家标准，太阳能电池用硅单晶 GB/T 25076-201）

单晶硅棒的尺寸和开方方法，决定了硅片的尺寸，其断面尺寸如下表：

（来源：国家标准，太阳能电池用硅单晶 GB/T 25076-201）

3、切片

在硅片切割技术方面，金刚石线切割已经成为主流。

在 2014 年之前市面上通常采用砂浆切割的方式，其切割方式是游离式的切割模式，靠悬浮液的悬浮碳化硅，通过线网的带动以进行磨削切割。

金刚石线起源于日本， 由于日本厂商的金刚石线产品价格较高，且产能相对有限，金刚石线早期主要用于切割蓝宝石等硬脆材料，在国内光伏行业未取得大规模应用。

2014-2015 年国内厂商相继实现 80μm 以下用于精密切割的电镀金刚石线领域的技术突破，打破了日本厂商的技术垄断。

2015 年，金刚石线实现国产化并规模生产后，产品价格迅速降低， 由 2012 年 1 元/米一路下降至 2019 年 12 月的 0.06 元/米， 以隆基股份为代表的单晶企业 2015 年开始大规模使用金刚石线工艺，在单晶硅片领域，金刚线切割技术已在 2017 年全面取代砂浆切割技术。

随着金刚线切割技术的大规模应用，单多晶硅片的成本差距逐渐缩小。金刚石线在光伏晶硅切割中的渗透率快速提升，市场规模迅速扩大

砂浆切割和金刚线切割原理示意图如下：

（来源：公开资料）

砂浆切割原理简介：碳化硅颗粒在硅棒和钢线之间进行“滚动-压痕”作用下，实现硅料的祛除。

金刚线切割原理：以金刚线上固定金刚石，进行高速切割加工，来实现硅料的祛除。

具体介绍如下。

砂浆切割原理：

钢线本身是没有切割能力的，它的作用只是一个载体，因此钢线又称为"载线器"，它的作用在于带动有切割能力的浆料，使其对单晶硅棒进行切割，高速的钢线带动砂浆到切割区，在钢线和单晶表面充满了sic(碳化硅）颗粒和砂浆悬浮液的混合物，砂浆中研磨颗粒有非常锐利的棱角，sic硬度远大于硅片厚度，所以硅棒与钢线接触的区域逐渐被砂浆研磨掉。

由于sic和硅片切割有大量摩擦，存在大量热量和细碎的sic颗粒，热量可能导致硅片变形导致ttv(总厚度偏差）加大，后者会导致硅片表面粗糙度增大产生线痕片。因此必须保证切割液的流动性及时带走热量和细碎的sic颗粒。

金刚线切割原理：

金刚石切割线是通过一定的方法，将金刚石镀覆在钢线上制成，通过金刚石切割机，金刚石切割线可以与物件间形成相对的磨削运动，从而实现切割的目的。

（来源：公开资料）

金刚线的种类区分：

（来源：公开资料）

国内较为常用的金刚线种类为前两种。后两种处于研发阶段。

不同的切割模式的比较：

（来源：公开资料）

金刚线切割的优势：

传统砂浆的利用钢丝的快速运动将含磨料的液体带入到工件切缝中，产生切削作用。在切割过程中，碳化硅被冲刷下来，唯有持续进行滚动磨削，而减少切割效率。碳化硅的硬度 9.5（莫氏），而金刚石硬度在 10（莫氏）。

金钢线切割线速度基本在 15m/s，正常切割的砂浆线速度基本在 9-11.5m/s。而若金钢线再做突破的话，就应该是要更硬，同时兼有更好的自锐性（多晶金刚石），更稳定的固结方式，更快的线速度。

金刚石切割线相比传统工艺有三大优势：

1）金刚石线切割漏损少，寿命长，切割速度快，切割效率高，提升产能；

2）品质受控，单片成本低，金刚石线切割造成的损伤层小于砂浆线切割，有利于切割更薄的硅片；

3）环保，金刚石线使用水基磨削液（主要是水），有利于改善作业环境，同时简化洗净等后道加工程序。

金刚线切割线母线直径及研磨介质粒度同硅片切割质量及切削损耗量相关，较小的线径和介质粒度有利于降低切削损耗和生产成本。

根据中国光伏产业发展路线图（2020年版），金刚线母线直径呈下降趋势。

2020 年，金刚线母线直径为 48-57μm，用于单晶硅片的金刚线母线直径降幅较大，且呈不断下降趋势。由于多晶硅片中缺陷及杂质较多，细线容易发生断线，因此用于多晶硅片的金刚线母线直径大于单晶硅片，且随着多晶硅片需求减缓，用于多晶硅片的金刚线母线直径降幅趋缓。

（资料来源：CPIA）

4、成本产生原因

多晶硅加工成单晶硅棒过程中：

如产生损耗是重掺埚底料、头尾料则无法再利用，只能当成冶金行业如炼铁、炼铝等用作添加剂；

如产生损耗是非重掺埚底料、头尾料可利用制成低档次的硅产品，此部分应按边角料征税。

重掺料是指将多晶硅原料及接近饱和量的杂质（种类有硼，磷，锑，砷。杂质的种类依电阻的N或P型）放入石英坩埚内溶化而成的料。

重掺料主要用于生产低电阻率的硅片。

损耗：单晶拉制完毕后的埚底料约15%。

单晶硅棒整形过程中的头尾料约20%。

单晶整形过程中（外径磨削工序）由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径磨削可以获得较为精确的直径。损耗约10%-13%。

在切片环节，硅料的耗损达到了40%左右。

（以上耗损百分比不能简单的相加，维度不一样。）

在降本环节中，硅片成本分为硅料成本和非硅成本，非硅成本指的是硅片生产中所消耗的能源、人力、辅料等与硅料无关的成本。

因为硅料成本基本不受硅片企业自身的控制，而取决于市场供需情况，非硅成本才是硅片企业最能控制的成本。因此，对降本有促进作用的大尺寸和薄片化是未来硅片的发展趋势。

5、大尺寸

光伏硅片大尺寸有助于提升硅片产能、降低单位投资和拉晶能耗，从而降低电池的非硅成本：太阳能级硅片从1981年的100㎜增大到2019年的210㎜。

大尺寸硅片的转换效率更高，同时可有效降低成本和提高光伏发电效率。

2020 年市场上硅片尺寸种类多样，包括 156.75mm、157mm、158.75mm、166mm、182mm、 210mm 等，且各占有一定的市场份额。

其中，158.75mm 和 166mm 尺寸占比合计达到 77.8%， 158.75mm 是现有电池生产线最易升级的方案，166mm 是现有电池产线可升级的最大尺寸方案，因此将是近 2-3 年的过渡尺寸；

156.75mm 尺寸（包括 157mm）由 2019 年的主流尺寸下降为17.7%，预计在 2022 年左右被淘汰；

2020 年 182mm 和 210mm 尺寸合计占比约 4.5%，但在2021 年其占比将快速扩大，或将占据半壁江山，且呈持续扩大趋势

（资料来源：CPIA）

6、薄片化

薄片化有利于降低硅耗和硅片成本，硅片厚度对电池片的自动化率、转换效率等均有影响。

2020年多晶硅片平均厚度为180μm， P型单晶硅片平均厚度在175 μm左右， N型硅片平均厚度为168μm。

目前，用于 TOPCon 电池的 N 型硅片平均厚度为 175μm，用于异质结电池的硅片厚度约 150μm，用于 IBC 电池的硅片厚度约 130μ m。随着硅片尺寸的增大，硅片厚度下降速度将减缓。

（资料来源：CPIA）

7、非硅降本

非硅方面的降低成本除了硅片的大尺寸化和薄片化之外，在其他方面还能够进行改进。

1）工艺：比如拉棒铸锭环节的电耗，硅的用料量、金刚线母线的直径等。

2）提升工厂自动化，打造智慧工厂，提高人均出片量。

8、不同类型硅片市场占比

2020 年，单晶硅片（P 型+N 型）市场占比约 90.2%，其中 P 型单晶硅片市场占比由 2019年的 60%增长到 86.9%，N 型单晶硅片约 3.3%。

随着下游对单晶产品的需求增大，单晶硅片市场占比也将进一步增大，且 N 型单晶硅片占比将持续提升。

多晶硅片的市场份额由 2019 年的32.5%下降至 2020 年的 9.3%，未来呈逐步下降趋势，但仍会在细分市场保持一定需求量。

铸锭单晶市场占比达到 0.5%，未来市场份额保持平稳。

（资料来源：CPIA）

总结：

未来硅片的趋势是向大尺寸、薄片化发展。多晶硅片向单晶硅片转移。P型向N型转移。

硅片制造相关企业：

隆基股份、保利协鑫、中环股份、晶科能源、晶澳科技、德荣新能源、阿斯特、环太集团、京运通、无锡荣能、天合光能、上机数控

设备相关企业：

单晶炉：晶盛机电、连城数控、北方华创

截断机&切片机：小松NTC、梅耶博格、晶盛机电、大连数控、上机数控、高测股份

分选机：梅耶博格、应用材料、奥特维、天准科技

金刚石线：美畅股份（绑定隆基）、三超新材、岱勒新材

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参考资料

1 公开资料

2 国家标准

3 天合光能招股说明书、和相关公司年报

4 新材料行研笔记

5 中国光伏产业发展路线图（2020年版）

6 《深度分析光伏电池片金属化及银浆技术》

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错别字来不及修改，先发。

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文末画重点。

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