Research Progress of Photovoltaic Silicon Wafer Cutting Technology

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0076

Abstract

Abstract: Taking the photovoltaic silicon wafer cutting technology as the research object， through literature review and comparative analysis， the main types of cutting technologies such as outer circle cutting， inner circle cutting， multi-wire cutting， electrical discharge cutting and compound cutting are introduced in detail， and their advantages and disadvantages are compared from multiple dimensions such as cutting accuracy， cutting loss and cutting efficiency. The research conclusion indicates that the multi-wire cutting technology has become the mainstream method for silicon wafer cutting and processing due to its high economic benefits， ability to cut large-sized silicon ingots， and shallow crystal defect depth. The composite cutting technology is expected to be the future development trend with its advantages of high cutting efficiency， high customizability， and low loss.

Key words: multi-wire cutting; compound cutting; photovoltaic silicon wafer; electrical discharge cutting; internal circle cutting; external circle cutting

CLC Number:

TM914.4

GAO Bangzhi, HUANG Tianqi, WU Jiqing, YANG Jun, XU Hui, ZHANG Ming. Research Progress of Photovoltaic Silicon Wafer Cutting Technology[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(1): 13-28.

Figures/Tables 21

Fig.1 Global photovoltaic installed capacity ratio chart

Fig.2 National silicon wafer production situation from 2010 to 2024 （unit： GW）

Fig.3 Manufacturing flowchart of photovoltaic silicon wafers

Fig.4 Physical picture of silicon wafer

Fig.5 Trend of silicon wafer thickness variation from 2024 to 2030 （unit： μm）

Fig.6 Schematic diagram of rotary outer diameter cutting

Fig.7 Schematic diagrams of rotary inner diameter cutting

Fig.8 Mechanism diagram of coupling of heat， force and vibration

Fig.9 Schematic illustration of principle of loose abrasive sawing

Table 1 Silicon wafer quality reference index

质量参数	数值
厚度 $/ μ m$	180±20
总厚度偏差 $/ μ m$	≤30
翘曲程度 $/ μ m$	≤40
切痕 $/ μ m$	≤15
表面金属杂质含量 $/ 10 - 9$	≤70

Table 1 Silicon wafer quality reference index

质量参数	数值
厚度 $/ μ m$	180±20
总厚度偏差 $/ μ m$	≤30
翘曲程度 $/ μ m$	≤40
切痕 $/ μ m$	≤15
表面金属杂质含量 $/ 10 - 9$	≤70

Fig.10 Schematic diagram of principle of diamond wire sawing

Fig.11 Schematic diagrams （a） and microscopic morphologies （b） of electroplated diamond wire and resin diamond wire

Fig.12 SEM images comparison of conventional acid fleece production on polycrystalline silicon surface cut by diamond wire sawing［39］

Fig.13 Schematic diagram of working principle of multi-wire cutting machine

Fig.14 Four-axis multi-wire cutting machine

Fig.15 Schematic diagram of principle of wire electrical discharge cutting［44］

Table 2 Comparison table of cutting methods［46］

项目	多线切割	内圆切割	电火花切割
切割方法	研磨	磨削	火花放电
硅片表面特征	丝痕	断裂&碎片	放电凹坑
破坏深度/ $μ m$	5~15	20~30	15~25
生产效率/（ $c m 2 · h$ ^-1）	110~200	10~30	75~100
每次加工硅片次数	200~400	1	多片
切缝损失/ $μ m$	150~210	300~500	280~290
硅片最小厚度/ $μ m$	About 200	About 350	200
可加工硅锭直径/ $m m$	>300	Max 200	200
硅片厚度偏差（TTV）/ $μ m$	<150	<25	—
硅片翘曲度（ $W a r p)$	非常轻微/5~10	严重/>50	轻微

Table 2 Comparison table of cutting methods［46］

项目	多线切割	内圆切割	电火花切割
切割方法	研磨	磨削	火花放电
硅片表面特征	丝痕	断裂&碎片	放电凹坑
破坏深度/ $μ m$	5~15	20~30	15~25
生产效率/（ $c m 2 · h$ ^-1）	110~200	10~30	75~100
每次加工硅片次数	200~400	1	多片
切缝损失/ $μ m$	150~210	300~500	280~290
硅片最小厚度/ $μ m$	About 200	About 350	200
可加工硅锭直径/ $m m$	>300	Max 200	200
硅片厚度偏差（TTV）/ $μ m$	<150	<25	—
硅片翘曲度（ $W a r p)$	非常轻微/5~10	严重/>50	轻微

Fig.16 Comparison chart of surface quality between electrical grinding cutting and electrical grinding multi-line compound cutting

Fig.17 Material removal mechanism of electrochemical-consolidation-free abrasive compound processing［52］

Fig.18 Wire wear in diamond wire sawing under same sawing amount［54］

Fig.19 Wire wear in compound cutting under same sawing amount［54］

References 54

[1]	杨素心. 硅材料标准助力光伏产业发展：光伏用硅材料标准现状研究［J］. 中国金属通报， 2020（6）： 136-139.
	YANG S X. Silicon material standard helps the development of photovoltaic industry： research on the current situation of silicon material standard for photovoltaic industry［J］. China Metal Bulletin， 2020（6）： 136-139 （in Chinese）.
[2]	刘学文，詹　松，巴　鑫，等. 太阳能电池与储能系统集成技术研究进展［J］. 节能， 2023， 42（6）： 90-93.
	LIU X W， ZHAN S， BA X， et al. Research progress on integration technology of solar cell and energy storage system［J］. Energy Conservation， 2023， 42（6）： 90-93 （in Chinese）.
[3]	王敬蕊，蔡晓晨，陈　锐，等. 太阳能用硅片技术及其进展［J］. 通信电源技术， 2013， 30（2）： 38-40.
	WANG J R， CAI X C， CHEN R， et al. Solar with silicon technology and its progress［J］. Telecom Power Technology， 2013， 30（2）： 38-40 （in Chinese）.
[4]	邱明波，黄因慧，刘志东，等. 太阳能硅片制造方法研究现状［J］. 机械科学与技术， 2008， 27（8）： 1017-1020.
	QIU M B， HUANG Y H， LIU Z D， et al. A review of the fabrication methods for solar silicon wafer［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2008， 27（8）： 1017-1020 （in Chinese）.
[5]	刘　坤. 超薄太阳能级硅片切割技术研究［D］. 苏州：苏州大学， 2015.
	LIU K. Research on cutting technology of ultra-thin solar-grade silicon wafer［D］. Suzhou： Soochow University， 2015 （in Chinese）.
[6]	蔡先武，明　亮，黄美玲，等. 太阳能用晶体硅片切割技术［J］. 太阳能， 2018（10）： 33-39+28.
	CAI X W， MING L， HUANG M L， et al. Crystalline silicon wafer cutting technology for solar energy［J］. Solar Energy， 2018（10）： 33-39+28 （in Chinese）.
[7]	王小军，孙振亚. 硅片切割技术的现状和发展趋势［J］. 超硬材料工程， 2011， 23（6）： 19-23.
	WANG X J， SUN Z Y. Research situation and development trends of silicon wafer cutting technology［J］. Superhard Material Engineering， 2011， 23（6）： 19-23 （in Chinese）.
[8]	陶利权. WQ-502A型自动外圆切割机［J］. 电子工业专用设备， 2001， 30（2）： 49-52+59.
	TAO L Q. WQ-502A automatic cylindrical cutting machine［J］. Equipment for Electronic Products Manufacturing， 2001， 30（2）： 49-52+59 （in Chinese）.
[9]	黄乐湘. 电沉积超薄型金刚石外圆切割片的研制［J］. 磨料磨具与磨削， 1983， 3（5）： 34-36+2.
	HUANG L X. Development of electrodeposited ultra-thin diamond excircle cutting sheet［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 1983， 3（5）： 34-36+2 （in Chinese）.
[10]	翟焕春，赵东杰，占志斌. 单晶硅棒切方专用金刚石外圆切割片技术要求及制造工艺探讨［J］. 超硬材料工程， 2008， 20（6）： 12-16.
	ZHAI H C， ZHAO D J， ZHAN Z B. Discussion on technical specifications and manufacturing technologies of diamond external cutting blade specially applied to the monocrystalline silicon slicing［J］. Superhard Material Engineering， 2008， 20（6）： 12-16 （in Chinese）.
[11]	NASIR V， KOOSHKBAGHI M， COOL J， et al. Cutting tool temperature monitoring in circular sawing： measurement and multi-sensor feature fusion-based prediction［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 112（9）： 2413-2424.
[12]	YU M Y， WANG B， JI P L， et al. Study on the dynamic stability of circular saw blade during medium density fiberboard sawing process with thermo-mechanical coupling［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2023， 211： 108042.
[13]	余世超. 多片内圆切片机的研究［D］. 上海：华东理工大学， 2011.
	YU S C. Study on multi-slice internal circular slicer［D］. Shanghai： East China University of Science and Technology， 2011 （in Chinese）.
[14]	王军恒. 内圆切片机刀片张紧特性研究［D］. 长春：吉林大学， 2018.
	WANG J H. Research on the tensioning characteristics of the inner circle slicer blade［D］. Changchun： Jilin University， 2018 （in Chinese）.
[15]	PEI Y C， ZHANG H， WANG J H. Analytical study on the stiffness and natural frequency improvements of tensioned inner-diameter saw blade［J］. European Journal of Mechanics-A/Solids， 2019， 75： 197-204.
[16]	PEI Y C， ZHANG H. Slicing process dynamic modelling of inner-diameter saw blade［J］. Applied Mathematical Modelling， 2021， 94： 152-168.
[17]	邵国亮，杜振杰，齐海洋. 试析太阳能光伏硅片切割技术和切割钢丝生产［J］. 电子制作， 2013， 21（18）： 172.
	SHAO G L， DU Z J， QI H Y. Analysis on cutting technology of solar photovoltaic silicon wafer and production of cutting steel wire［J］. Practical Electronics， 2013， 21（18）： 172 （in Chinese）.
[18]	高　伟，刘镇昌，王　霖，等. 硬脆材料的线锯切割加工技术［J］. 工具技术， 2001， 35（11）： 6-9.
	GAO W， LIU Z C， WANG L， et al. Wire sawing technology of hard and brittle materials［J］. Tool Engineering， 2001， 35（11）： 6-9 （in Chinese）.
[19]	杨　明，邹平博，权　祥. 硅片切割废砂浆回收过程中除铁研究现状［J］. 广东化工， 2018， 45（3）： 126.
	YANG M， ZOU P B， QUAN X. Analysis and separation of composition of waste mortar of silicon wafer［J］. Guangdong Chemical Industry， 2018， 45（3）： 126 （in Chinese）.
[20]	KUMAR A， MELKOTE S N. Diamond wire sawing of solar silicon wafers： a sustainable manufacturing alternative to loose abrasive slurry sawing［J］. Procedia Manufacturing， 2018， 21： 549-566.
[21]	李　言，王肖烨，李淑娟. 大尺寸SiC单晶片的超硬磨料切割技术研究进展［J］. 工具技术， 2010， 44（7）： 7-11.
	LI Y， WANG X Y， LI S J. Research progress on super-hard abrasive cutting technology of large size SiC wafer［J］. Tool Engineering， 2010， 44（7）： 7-11 （in Chinese）.
[22]	任　丽，李彦林，羊建坤，等. 超薄太阳能硅片线切割工艺中悬浮液特性研究［J］. 太阳能学报， 2008， 29（3）： 324-327.
	REN L， LI Y L， YANG J K， et al. The characteristic research of suspending liquid in multi-wire-saw of super thin solar wafers［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2008， 29（3）： 324-327 （in Chinese）.
[23]	LI Z， CAI Y J， WANG Y F， et al. Slurry pressure at the cutting zone in multi-wire sawing： an experimental study［J］. Journal of Manufacturing Processes， 2023， 106： 130-138.
[24]	LI Z， LIU X K， JIA H L， et al. Study on the temperature field in the cutting zone for machining monocrystalline silicon wafer using free abrasive multi-wire saw［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2023， 161： 107481.
[25]	侯思懿，铁生年. 硅片切割废砂浆的资源化利用现状［J］. 硅酸盐通报， 2016， 35（5）： 1527-1531.
	HOU S Y， TIE S N. Present situation of resource utilization of waste mortar from silicon wafer cutting［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2016， 35（5）： 1527-1531 （in Chinese）.
[26]	张兰月，朱明露，陆建伟，等. 硅切割废砂浆沉积抑制方法的研究［J］. 无机盐工业， 2018， 50（4）： 60-62.
	ZHANG L Y， ZHU M L， LU J W， et al. Study on deposition inhibition method of waste mortar from silicon cutting［J］. Inorganic Chemicals Industry， 2018， 50（4）： 60-62 （in Chinese）.
[27]	叶安珊，徐照胜. 硅切割生产工艺与废砂浆分类处理方法研究［J］. 现代工业经济和信息化， 2019， 9（6）： 49-50+60.
	YE A S， XU Z S. Study on the method of the silicon cutting and the classification of the waste morta［J］. Modern Industrial Economy and Informationization， 2019， 9（6）： 49-50+60 （in Chinese）.
[28]	孟　雪，李和胜. 太阳能硅片切割用金刚线发展评述［J］. 超硬材料工程， 2019， 31（1）： 46-51.
	MENG X， LI H S. Review on diamond wires for slicing solar silicon wafers［J］. Superhard Material Engineering， 2019， 31（1）： 46-51 （in Chinese）.
[29]	奚翠皊. 多晶硅片加工设备切割模块改造及其切割质量研究［D］. 徐州：中国矿业大学， 2020.
	XI C L. Research on the modification of cutting module of polysilicon wafer processing equipment and its cutting quality［D］. Xuzhou： China University of Mining and Technology， 2020 （in Chinese）.
[30]	张　强. 固结磨料多线切割设备的设计与研究［D］. 苏州：苏州大学， 2019.
	ZHANG Q. Design and Research of multi-wire cutting equipment for consolidated abrasives［D］. Suzhou： Soochow University， 2019 （ in Chinese）.
[31]	兰加磊. 树脂金刚石线锯的制造装置研发及制备实验［D］. 济南：山东大学， 2023.
	LAN J L. Research and development and preparation experiment of manufacturing device for resin diamond wire saw［D］. Jinan： Shandong University， 2023 （in Chinese）.
[32]	LI H F， YU X G， ZHU X D， et al. A microscopic TEM study of the defect layers in cast-mono crystalline silicon wafers induced by diamond-wire sawing［J］. AIP Advances， 2021， 11（4）： 045103.
[33]	SUZUKI T， NISHINO Y， YAN J W. Mechanisms of material removal and subsurface damage in fixed-abrasive diamond wire slicing of single-crystalline silicon［J］. Precision Engineering， 2017， 50： 32-43.
[34]	PALA U， KUSTER F， WEGENER K. Characterization of electroplated diamond wires and the resulting workpiece quality in silicon sawing［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2020， 276： 116390.
[35]	WALLBURG F， KUNA M， BUDNITZKI M， et al. A material removal coefficient for diamond wire sawing of silicon［J］. Wear， 2022， 504： 204400.
[36]	彭　平，夏中高，景彦姣，等. 单晶硅太阳电池两步制绒工艺的研究［J］. 太阳能学报， 2023， 44（8）： 208-214.
	PENG P， XIA Z G， JING Y J， et al. Study on two-step texturing process of monocrystalline silicon solar cells［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2023， 44（8）： 208-214 （in Chinese）.
[37]	王靖雯. 硅太阳能电池制绒工艺的研究［D］. 上海：上海应用技术学院， 2015.
	WANG J W. Study on texturing technology of silicon solar cell［D］. Shanghai： Shanghai Institute of Technology， 2015 （in Chinese）.
[38]	HEROLD S， ACKER J. Lattice strain enhanced acidic etching on as cut sawn silicon wafer［J］. Materials Science in Semiconductor Processing， 2021， 123： 105575.
[39]	李绍元，洪世豪，杨　玺，等. 金刚线切割多晶硅制绒研究进展［J］. 昆明理工大学学报（自然科学版）， 2018， 43（6）： 1-11.
	LI S Y， HONG S H， YANG X， et al. Research progress on diamond wire sawn polycrystalline silicon texturing technology［J］. Journal of Kunming University of Science and Technology （Natural Science）， 2018， 43（6）： 1-11 （in Chinese）.
[40]	刘润涛. 面向酸制绒的金刚石线锯切割多晶硅片表面改性研究［D］. 济南：山东大学， 2022.
	LIU R T. Study on surface modification of polycrystalline silicon wafer cut by diamond wire saw for acid texturing［D］. Jinan： Shandong University， 2022 （in Chinese）.
[41]	WU X W， LI J Y. Texturing technology on multicrystalline silicon wafer by metal-catalyzed chemical etching： a review［J］. Journal of Inorganic Materials， 2021， 36（6）： 570.
[42]	任丙彦，王　平，李艳玲，等. Si片多线切割技术与设备的发展现状与趋势［J］. 半导体技术， 2010， 35（4）： 301-304+387.
	REN B Y， WANG P， LI Y L， et al. Development status and trends of Si wafer multi-wire saw technology and equipment［J］. Semiconductor Technology， 2010， 35（4）： 301-304+387 （in Chinese）.
[43]	毕　勇，刘志东，邱明波，等. 新型太阳能级硅片切割技术［J］. 材料科学与工程学报， 2010， 28（4）： 582-585+567.
	BI Y， LIU Z D， QIU M B， et al. New cutting technology of solar-cell silicon wafers［J］. Journal of Materials Science and Engineering， 2010， 28（4）： 582-585+567 （in Chinese）.
[44]	陈志斌. 大尺寸N型硅的高效稳定放电切割技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2022.
	CHEN Z B. Research on high-efficiency and stable discharge cutting technology for large-sized N-type silicon［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2022 （in Chinese）.
[45]	刘志东，邓　聪，潘红伟. 具有半导体特性的往复走丝电火花线切割研究［J］. 航空制造技术， 2023， 66（13）： 32-37.
	LIU Z D， DENG C， PAN H W. Study on high-speed wire electrical discharge machining with semiconductor characteristics［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2023， 66（13）： 32-37 （in Chinese）.
[46]	王　敏. 切片生产技术概述［J］. 科技风， 2013（12）： 25.
	WANG M. Overview of slicing production technology［J］. Technology Wind， 2013（12）： 25 （in Chinese）.
[47]	张辽远，郭玉泉，赵延艳. 硬脆材料的电镀金刚石线锯超声切割锯切力研究［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2008， 28（6）： 49-54.
	ZHANG L Y， GUO Y Q， ZHAO Y Y. Research on sawing forces during ultrasonic vibration cutting of hard and brittle materials with electroplated diamond wire saw［J］. Diamond & Abrasives Engineering， 2008， 28（6）： 49-54 （in Chinese）.
[48]	李洪浩，高玉飞，张乃军. 超声辅助金刚石线锯复合切割技术的研究进展［J］. 制造技术与机床， 2024（5）： 107-113.
	LI H H， GAO Y F， ZHANG N J. Research progress of ultrasonic assisted diamond wire saw combined cutting technology［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2024（5）： 107-113 （in Chinese）.
[49]	陈文滨. 横向超声辅助金刚石线锯切割单晶硅研究［D］. 福州：福建理工大学， 2024.
	CHEN W B. Research on Transverse ultrasound-assisted diamond wire saw cutting of monocrystalline silicon［D］. Fuzhou： Fujian University of Technology， 2024 （in Chinese）.
[50]	张　航. 超声辅助内圆切片加工单晶硅机理与技术研究［D］. 长春：吉林大学， 2021.
	ZHANG H. Study on mechanism and technology of ultrasonic-assisted inner circular slice processing monocrystalline silicon［D］. Changchun： Jilin University， 2021 （in Chinese）.
[51]	章　恺. 太阳能多晶硅片电解磨削多线切割加工试验研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2016.
	ZHANG K. Experimental research on multi-wire cutting processing of solar polycrystalline silicon wafers by electrolytic grinding［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2016 （in Chinese）.
[52]	黄　宸，黄丹丹，王　剑，等. 单晶硅片的电化学-固结-游离磨料复合加工表面完整性［J］. 半导体技术， 2024， 49（6）： 549-554+560.
	HUANG C， HUANG D D， WANG J， et al. Surface integrity of electrochemical-fixed-free-abrasive composite processing of monocrystalline silicon wafers［J］. Semiconductor Technology， 2024， 49（6）： 549-554+560 （in Chinese）.
[53]	周威威. 金刚石线电火花复合形状切割工艺及弯丝控制研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2018.
	ZHOU W W. Research on the cutting process and bending control of diamond wire electrical discharge composite shapes［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018 （in Chinese）.
[54]	张乃军，高玉飞，郭志田. 金刚石线锯电火花复合切割硬脆半导体的研究进展［J］. 制造技术与机床， 2024（3）： 69-75.
	ZHANG N J， GAO Y F， GUO Z T. Research progress of diamond wire saw electrical discharge composite sawing of hard-brittle semiconductors［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool， 2024（3）： 69-75 （in Chinese）.