高效硅片切割液TF-033的研究

陳同軍，牛樹懷，趙琦琦

（浙江傳化股份有限公司，浙江杭州311215）

高效硅片切割液TF-033的研究

陳同軍，牛樹懷，趙琦琦

（浙江傳化股份有限公司，浙江杭州311215）

通過(guò)分子構(gòu)效關(guān)系的研究及合理的配方設(shè)計(jì)，以低泡嵌段聚醚和梳型結(jié)構(gòu)分散劑為主要原料，添加潤(rùn)濕劑、抗氧化劑、防腐劑、消泡劑等表面活性劑，研制了一種硅片切割液TF-033。它具有低粘度、高分散性、高潤(rùn)滑性等特點(diǎn)。一方面能有效解決因砂漿沉積引起的臟污片問(wèn)題，提高切片穩(wěn)定性和成品率，另一方面大幅降低了設(shè)備能耗，進(jìn)而達(dá)到降本增效的目的。

硅片切割液；結(jié)構(gòu)鋼線；金剛線；低泡嵌段聚醚；梳型結(jié)構(gòu)分散劑

0 前言

隨著十三五規(guī)劃的出臺(tái)，2016年下半年開始光伏發(fā)電補(bǔ)貼要逐年降低直至取消，光伏企業(yè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)，需要其自身或轉(zhuǎn)型升級(jí)提高效率，或精益生產(chǎn)降低成本，才能在激烈的市場(chǎng)環(huán)境中生存。

當(dāng)前，在硅片切割行業(yè)中單晶硅片的生產(chǎn)基本采用金剛線切割方式[1]，成本已大大降低，而多晶硅由于材料本身和下游制絨工藝的制約，仍然需要采用砂漿切割方式[2]，如何降低生產(chǎn)成本成為多晶硅片生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

多晶硅線切割企業(yè)為了提高切割效率已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)鋼線的使用。結(jié)構(gòu)鋼線能夠增強(qiáng)鋼線的攜砂能力，提高切割效率。但在切割過(guò)程中相應(yīng)地會(huì)遇到一些問(wèn)題：比如切割力的增大對(duì)硅片表面的損傷也會(huì)增大，切割力的增大使切割瞬間產(chǎn)生的熱量偏大會(huì)破壞切割液的分子結(jié)構(gòu)[3]，減少了切割液的使用次數(shù)。另外切割速率的提高使硅粉生成的速度加快，容易引起砂漿的殘留造成臟污片甚至是漲片現(xiàn)象[4]。本文研制的硅片切割液具有優(yōu)秀的潤(rùn)滑性、分散性以及抗氧化性，能夠有效解決結(jié)構(gòu)鋼線的使用帶來(lái)的系列問(wèn)題。

另外，鑒于結(jié)構(gòu)鋼線本身的攜砂能力很強(qiáng)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上降低了切割液的粘度，進(jìn)而降低了砂漿的粘度，這樣會(huì)大大降低切割設(shè)備的工作負(fù)載，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 原料和儀器設(shè)備

原料：低泡嵌段聚醚（巴斯夫）、梳型結(jié)構(gòu)分散劑（自制）、脂肪醇聚氧乙烯醚JFC-6、維生素C（工業(yè)級(jí)）、三乙醇胺（工業(yè)級(jí)）、異噻唑啉酮（分析純）、去離子水、碳化硅1500#（河南新大新材料股份有限公司）、硅粉（廠家回收）。

儀器設(shè)備：恒溫水浴、電動(dòng)攪拌器、四口燒瓶、具塞量筒、圓錐截模、玻璃板、四球摩擦試驗(yàn)機(jī)、烘箱。

1.2 梳型結(jié)構(gòu)分散劑的合成方法

本實(shí)驗(yàn)以APEG、TPEG、丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺等為主要原料，采用氧化還原體系，滴加引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑，在水溶液中引發(fā)共聚而成。分子量控制在10萬(wàn)左右。

1.3 切割液樣品制備工藝

在室溫下，在連續(xù)攪拌的條件下，依次向四孔燒瓶?jī)?nèi)加入切削液各組分，混合均勻后調(diào)節(jié)pH為5～7。然后測(cè)定各項(xiàng)性能。

1.4試驗(yàn)方法

旋轉(zhuǎn)粘度：25℃，采用NDJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試。

流動(dòng)性：將切割液與碳化硅按重量比1∶1配置成砂漿，倒入置于玻璃板上的圓錐截模內(nèi)，倒?jié)M后迅速提起圓錐截模，1 min后記錄砂漿在玻璃板上分散的直徑。

懸浮性：將切割液與碳化硅按重量比1∶1配置成砂漿，置于100 mL具塞量筒內(nèi)，8 h后，記錄上層清液高度。

再分散性：將切割液與碳化硅按重量比1∶1配置成砂漿，稱取一定質(zhì)量砂漿置于100 mL具塞量筒內(nèi)，待碳化硅完全沉淀后，將量筒倒置，稱重自然流出的砂漿的質(zhì)量。通過(guò)流出砂漿質(zhì)量的大小來(lái)判斷再分散性的好壞。

潤(rùn)滑性：采用四球摩擦機(jī)檢測(cè)。

抗氧化性：烘箱溫度為120℃，記錄隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品質(zhì)量的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 切割液的分散作用

硅片切割過(guò)程中，切割液的分散作用尤為重要。首先，在砂漿配制階段，要保證將碳化硅刃料分散均勻，不能有顆粒聚集。其次，在長(zhǎng)達(dá)6～8 h的切割過(guò)程中，不斷有硅粉進(jìn)入砂漿體系，依然要保持砂漿具有良好的流動(dòng)性和懸浮性，砂漿粘度不能增長(zhǎng)過(guò)大，不能出現(xiàn)砂漿沉積，避免漲片現(xiàn)象的產(chǎn)生。

本文用到的分散劑為羧酸-聚醚共聚物，分散機(jī)理為：羧酸根離子吸附于碳化硅表面，使碳化硅顆粒間由于表面帶有同種電荷相互排斥而穩(wěn)定，另一方面長(zhǎng)鏈聚醚在粒子表面向外伸展起到空間位阻效應(yīng)[5]，進(jìn)而達(dá)到較好的分散效果。此外，分散劑分子中的酯基、酰胺基通過(guò)水解會(huì)源源不斷地提供羧酸根離子，保證了整個(gè)分散體系的長(zhǎng)效穩(wěn)定。

下面通過(guò)對(duì)砂漿的粘度、流動(dòng)度、懸浮性以及再分散性等維度的考察來(lái)說(shuō)明分散劑在切割液中起到的重要作用。

2.1.1 砂漿的粘度

砂漿的粘度是硅片生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)重要的指標(biāo)，其初始粘度主要由切割液的粘度、碳化硅的顆粒度及切割液與碳化硅配比決定[6]。隨著切割的進(jìn)行，硅粉不斷進(jìn)入到砂漿中，砂漿粘度會(huì)逐漸增大，流動(dòng)性變差。分散性能好的切割液會(huì)減緩砂漿粘度的增長(zhǎng)幅度，避免硅粉與碳化硅發(fā)生團(tuán)聚殘留在硅片中間。試驗(yàn)通過(guò)增加硅粉含量來(lái)考察砂漿粘度的變化，并與市售切割液進(jìn)行對(duì)比。

圖1 砂漿的旋轉(zhuǎn)粘度Fig.1 The rotation viscosity of the slurry

從圖1中可以看出，隨著硅粉含量的增加，兩種砂漿粘度都逐漸增大。其中TF-033的砂漿粘度增長(zhǎng)幅度明顯小于市售切割液。

2.1.2 砂漿的流動(dòng)度

試驗(yàn)中砂漿的流動(dòng)度用流動(dòng)直徑來(lái)表征，測(cè)試方法如圖2所示。分散性越好的砂漿體系，流動(dòng)直徑越大。從圖3中可以看到TF-033的砂漿流動(dòng)性較好。有利于及時(shí)帶出硅片之間的切屑及切割過(guò)程的熱量。

圖2 砂漿流動(dòng)直徑測(cè)試圖例Fig.2Slurry flow diameter test by illustrations

圖3 砂漿的流動(dòng)度Fig.3The flow diameter of slurry

2.1.3 砂漿的懸浮性

切割液在分散碳化硅和硅粉后，需要保持體系在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)均勻穩(wěn)定。不能發(fā)生沉積現(xiàn)象，避免漲片和臟污片的產(chǎn)生。這需要切割液具有優(yōu)秀的懸浮性能。試驗(yàn)對(duì)切割液分散碳化硅的懸浮體系進(jìn)行了沉降對(duì)比，懸浮率=（100-h）× 100%/100。

圖4 砂漿的懸浮性Fig.4Suspension of slurry

從圖4中可以看到，TF-033的懸浮體系在沉降12 h后，懸浮率仍可達(dá)到86%，明顯好于市售切割液。

2.1.4 砂漿的再分散性

表1 砂漿的再分散性能Table 1 The again dispersion permormance of slurry

硅片的加工屬于間歇式生產(chǎn)，每切割完一刀，需要更換新的砂漿，時(shí)間久了砂漿缸底部和內(nèi)壁勢(shì)必會(huì)有砂漿殘留沉積。如果砂漿具有優(yōu)秀的再分散性，就很容易重新被分散開來(lái)，不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚甚至結(jié)塊現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)減少切割室內(nèi)壁上的殘留砂漿。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，TF-033具有優(yōu)秀的再分散性。

2.2 切割液的潤(rùn)滑作用

圖5 碳化硅切割硅棒示意圖Fig.5 silicon carbide cutting silicon by illustrations

硅片切割過(guò)程是鋼線帶動(dòng)碳化硅粒子滾動(dòng)摩擦硅棒的過(guò)程，切割液能在硅片，砂粒和切割線表面之間形成一種保護(hù)膜，起到緩沖摩擦、減少磨損的作用[7]。潤(rùn)滑劑性能好壞與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。本文采用的潤(rùn)滑劑含有PO-EO-PO嵌段結(jié)構(gòu)，具有較低的表面張力，易于在碳化硅、鋼線表面潤(rùn)濕鋪展成膜，并且具有優(yōu)異的膜強(qiáng)度和荷載能力。能夠極大地降低切割損傷及斷線風(fēng)險(xiǎn)，有效提高硅片的良品率。

表2 切割液的潤(rùn)滑性能Table 2 The lubrication performance of cutting fluid

經(jīng)四球摩擦機(jī)檢測(cè)，TF-033的摩擦系數(shù)較小，具有良好的潤(rùn)滑性能。

2.3 切割液的抗氧化性

目前切片廠家為降低生產(chǎn)成本，切割液通過(guò)簡(jiǎn)單的固液分離可以繼續(xù)使用，但由于切割瞬間溫度很高，不可避免地會(huì)氧化破壞切割液的分子鏈結(jié)構(gòu)，使一些長(zhǎng)鏈分子發(fā)生斷裂，隨著切割液的回收次數(shù)不斷增加，體系內(nèi)遭到破壞的分子鏈逐漸累積增多，進(jìn)而會(huì)影響到切割液的分散、潤(rùn)滑等性能。因此，切割液的抗氧化性同樣不能忽視。試驗(yàn)通過(guò)記錄120℃烘箱內(nèi)樣品質(zhì)量的變化情況表征切割液的抗氧化性能。

圖6 切割液的抗氧化性能Fig.6The antioxidant performance of cutting fluid

從圖6中數(shù)據(jù)可以看到，TF-033具有良好的抗氧化性，經(jīng)過(guò)多次回收后雖然不可避免地發(fā)生分子鏈發(fā)生斷裂，但相比于市售切割液其斷鏈的分子數(shù)明顯減少，能夠延長(zhǎng)切割液的使用壽命。

3 結(jié)論

硅片切割液TF-033具有優(yōu)秀的分散性、潤(rùn)滑性和抗氧化性，使用過(guò)程中能夠避免砂漿沉積現(xiàn)象，提高硅片表面光潔度，增加回收使用周期，另外其配制的砂漿粘度較低，可以明顯降低設(shè)備能耗。是當(dāng)前多晶硅切割企業(yè)較為青睞的理想切割液。

[1]周銳，李劍鋒，李方義，等．金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]．現(xiàn)代制造工程，2004，（6）：112-115．

[2]熊次遠(yuǎn)，李慶忠，錢善華，等．硅晶體線切割液的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]．金剛石與磨料磨具工程，2012，32（5）：46-50．

[3]徐慧．硅片切割液產(chǎn)品的開發(fā)研究[D]．青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011．

[4]任麗，李彥林，羊建坤，等.超薄太陽(yáng)能硅片線切割工藝中懸浮液特性研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29（3）：324-327．

[5]李彥林，羊建坤，任丙彥，等．太陽(yáng)能級(jí)硅片生產(chǎn)工藝中懸浮液粘度研究[C]．第九屆中國(guó)太陽(yáng)能光伏會(huì)議，2006：50—52，中國(guó),成都．

[6]富揚(yáng)，劉兆濱，宋恩軍，等．硬脆性材料線切割切削液的組成和發(fā)展[J]．半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（4）：292—295．

[7]溫詩(shī)鑄．摩擦學(xué)原理[M]．第2版．北京：清華大學(xué)出版社，2002．

Study on Efficient Silicon Wafer Cutting Fluid TF-033

CHEN Tong-jun，NIU Shu-huai，ZHAO Qi-qi
（Zhejiang Transfar Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 311215，China）

Through molecolar structure-activity relationship and rational formula design，with low foam block polyether and comb type structure dispersants as the main raw material，adding wetting agents，antioxidants，preservatives，defoaming agent，such as surfactant.the silicon wafer cutting fluid TF-033 was developed.It had low viscosity，high dispersion，high lubrication，etc.On the one hand，can effectively solve the problem of smudgy piece caused by mortar deposition，improve the slice stability and yield.On the other hand，can greatly reduce the energy consumption of equipment，thus achieve the goal of authors.

silicon wafer cutting fluid；structural steel wire；diamond wire；low foam block polyether；comb type structure dispersants

1006-4184（2017）3-0017-04

2016-12-06

陳同軍（1983-），男，工程師，碩士，主要從事光伏化學(xué)品研究。E-mail:ctj831130@163.com。