高效硅片切割液TF-033的研究

陈同军，牛树怀，赵琦琦

（浙江传化股份有限公司，浙江杭州311215）

高效硅片切割液TF-033的研究

陈同军，牛树怀，赵琦琦

（浙江传化股份有限公司，浙江杭州311215）

通过分子构效关系的研究及合理的配方设计，以低泡嵌段聚醚和梳型结构分散剂为主要原料，添加润湿剂、抗氧化剂、防腐剂、消泡剂等表面活性剂，研制了一种硅片切割液TF-033。它具有低粘度、高分散性、高润滑性等特点。一方面能有效解决因砂浆沉积引起的脏污片问题，提高切片稳定性和成品率，另一方面大幅降低了设备能耗，进而达到降本增效的目的。

硅片切割液；结构钢线；金刚线；低泡嵌段聚醚；梳型结构分散剂

0 前言

随着十三五规划的出台，2016年下半年开始光伏发电补贴要逐年降低直至取消，光伏企业将面临巨大的挑战，需要其自身或转型升级提高效率，或精益生产降低成本，才能在激烈的市场环境中生存。

当前，在硅片切割行业中单晶硅片的生产基本采用金刚线切割方式[1]，成本已大大降低，而多晶硅由于材料本身和下游制绒工艺的制约，仍然需要采用砂浆切割方式[2]，如何降低生产成本成为多晶硅片生产企业亟待解决的问题。

多晶硅线切割企业为了提高切割效率已经开始转向结构钢线的使用。结构钢线能够增强钢线的携砂能力，提高切割效率。但在切割过程中相应地会遇到一些问题：比如切割力的增大对硅片表面的损伤也会增大，切割力的增大使切割瞬间产生的热量偏大会破坏切割液的分子结构[3]，减少了切割液的使用次数。另外切割速率的提高使硅粉生成的速度加快，容易引起砂浆的残留造成脏污片甚至是涨片现象[4]。本文研制的硅片切割液具有优秀的润滑性、分散性以及抗氧化性，能够有效解决结构钢线的使用带来的系列问题。

另外，鉴于结构钢线本身的携砂能力很强，在产品的设计上降低了切割液的粘度，进而降低了砂浆的粘度，这样会大大降低切割设备的工作负载，达到节能降耗的目的。

1 试验

1.1 原料和仪器设备

原料：低泡嵌段聚醚（巴斯夫）、梳型结构分散剂（自制）、脂肪醇聚氧乙烯醚JFC-6、维生素C（工业级）、三乙醇胺（工业级）、异噻唑啉酮（分析纯）、去离子水、碳化硅1500#（河南新大新材料股份有限公司）、硅粉（厂家回收）。

仪器设备：恒温水浴、电动搅拌器、四口烧瓶、具塞量筒、圆锥截模、玻璃板、四球摩擦试验机、烘箱。

1.2 梳型结构分散剂的合成方法

本实验以APEG、TPEG、丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺等为主要原料，采用氧化还原体系，滴加引发剂、链转移剂，在水溶液中引发共聚而成。分子量控制在10万左右。

1.3 切割液样品制备工艺

在室温下，在连续搅拌的条件下，依次向四孔烧瓶内加入切削液各组分，混合均匀后调节pH为5～7。然后测定各项性能。

1.4试验方法

旋转粘度：25℃，采用NDJ-5S旋转黏度计测试。

流动性：将切割液与碳化硅按重量比1∶1配置成砂浆，倒入置于玻璃板上的圆锥截模内，倒满后迅速提起圆锥截模，1 min后记录砂浆在玻璃板上分散的直径。

悬浮性：将切割液与碳化硅按重量比1∶1配置成砂浆，置于100 mL具塞量筒内，8 h后，记录上层清液高度。

再分散性：将切割液与碳化硅按重量比1∶1配置成砂浆，称取一定质量砂浆置于100 mL具塞量筒内，待碳化硅完全沉淀后，将量筒倒置，称重自然流出的砂浆的质量。通过流出砂浆质量的大小来判断再分散性的好坏。

润滑性：采用四球摩擦机检测。

抗氧化性：烘箱温度为120℃，记录随着时间的延长，样品质量的变化情况。

2 结果与讨论

2.1 切割液的分散作用

硅片切割过程中，切割液的分散作用尤为重要。首先，在砂浆配制阶段，要保证将碳化硅刃料分散均匀，不能有颗粒聚集。其次，在长达6～8 h的切割过程中，不断有硅粉进入砂浆体系，依然要保持砂浆具有良好的流动性和悬浮性，砂浆粘度不能增长过大，不能出现砂浆沉积，避免涨片现象的产生。

本文用到的分散剂为羧酸-聚醚共聚物，分散机理为：羧酸根离子吸附于碳化硅表面，使碳化硅颗粒间由于表面带有同种电荷相互排斥而稳定，另一方面长链聚醚在粒子表面向外伸展起到空间位阻效应[5]，进而达到较好的分散效果。此外，分散剂分子中的酯基、酰胺基通过水解会源源不断地提供羧酸根离子，保证了整个分散体系的长效稳定。

下面通过对砂浆的粘度、流动度、悬浮性以及再分散性等维度的考察来说明分散剂在切割液中起到的重要作用。

2.1.1 砂浆的粘度

砂浆的粘度是硅片生产过程中一个重要的指标，其初始粘度主要由切割液的粘度、碳化硅的颗粒度及切割液与碳化硅配比决定[6]。随着切割的进行，硅粉不断进入到砂浆中，砂浆粘度会逐渐增大，流动性变差。分散性能好的切割液会减缓砂浆粘度的增长幅度，避免硅粉与碳化硅发生团聚残留在硅片中间。试验通过增加硅粉含量来考察砂浆粘度的变化，并与市售切割液进行对比。

图1 砂浆的旋转粘度Fig.1 The rotation viscosity of the slurry

从图1中可以看出，随着硅粉含量的增加，两种砂浆粘度都逐渐增大。其中TF-033的砂浆粘度增长幅度明显小于市售切割液。

2.1.2 砂浆的流动度

试验中砂浆的流动度用流动直径来表征，测试方法如图2所示。分散性越好的砂浆体系，流动直径越大。从图3中可以看到TF-033的砂浆流动性较好。有利于及时带出硅片之间的切屑及切割过程的热量。

图2 砂浆流动直径测试图例Fig.2Slurry flow diameter test by illustrations

图3 砂浆的流动度Fig.3The flow diameter of slurry

2.1.3 砂浆的悬浮性

切割液在分散碳化硅和硅粉后，需要保持体系在相当一段时间内均匀稳定。不能发生沉积现象，避免涨片和脏污片的产生。这需要切割液具有优秀的悬浮性能。试验对切割液分散碳化硅的悬浮体系进行了沉降对比，悬浮率=（100-h）× 100%/100。

图4 砂浆的悬浮性Fig.4Suspension of slurry

从图4中可以看到，TF-033的悬浮体系在沉降12 h后，悬浮率仍可达到86%，明显好于市售切割液。

2.1.4 砂浆的再分散性

表1 砂浆的再分散性能Table 1 The again dispersion permormance of slurry

硅片的加工属于间歇式生产，每切割完一刀，需要更换新的砂浆，时间久了砂浆缸底部和内壁势必会有砂浆残留沉积。如果砂浆具有优秀的再分散性，就很容易重新被分散开来，不会发生团聚甚至结块现象，同时也会减少切割室内壁上的残留砂浆。从表1中的数据可以看出，TF-033具有优秀的再分散性。

2.2 切割液的润滑作用

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

硅片切割过程是钢线带动碳化硅粒子滚动摩擦硅棒的过程，切割液能在硅片，砂粒和切割线表面之间形成一种保护膜，起到缓冲摩擦、减少磨损的作用[7]。润滑剂性能好坏与其分子结构有关。本文采用的润滑剂含有PO-EO-PO嵌段结构，具有较低的表面张力，易于在碳化硅、钢线表面润湿铺展成膜，并且具有优异的膜强度和荷载能力。能够极大地降低切割损伤及断线风险，有效提高硅片的良品率。

表2 切割液的润滑性能Table 2 The lubrication performance of cutting fluid

经四球摩擦机检测，TF-033的摩擦系数较小，具有良好的润滑性能。

2.3 切割液的抗氧化性

目前切片厂家为降低生产成本，切割液通过简单的固液分离可以继续使用，但由于切割瞬间温度很高，不可避免地会氧化破坏切割液的分子链结构，使一些长链分子发生断裂，随着切割液的回收次数不断增加，体系内遭到破坏的分子链逐渐累积增多，进而会影响到切割液的分散、润滑等性能。因此，切割液的抗氧化性同样不能忽视。试验通过记录120℃烘箱内样品质量的变化情况表征切割液的抗氧化性能。

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

从图6中数据可以看到，TF-033具有良好的抗氧化性，经过多次回收后虽然不可避免地发生分子链发生断裂，但相比于市售切割液其断链的分子数明显减少，能够延长切割液的使用寿命。

3 结论

硅片切割液TF-033具有优秀的分散性、润滑性和抗氧化性，使用过程中能够避免砂浆沉积现象，提高硅片表面光洁度，增加回收使用周期，另外其配制的砂浆粘度较低，可以明显降低设备能耗。是当前多晶硅切割企业较为青睐的理想切割液。

[1]周锐，李剑锋，李方义，等．金刚石线锯的研究现状及进展[J]．现代制造工程，2004，（6）：112-115．

[2]熊次远，李庆忠，钱善华，等．硅晶体线切割液的研究进展与发展趋势[J]．金刚石与磨料磨具工程，2012，32（5）：46-50．

[3]徐慧．硅片切割液产品的开发研究[D]．青岛：中国海洋大学，2011．

[4]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．

[5]李彦林，羊建坤，任丙彦，等．太阳能级硅片生产工艺中悬浮液粘度研究[C]．第九届中国太阳能光伏会议，2006：50—52，中国,成都．

[6]富扬，刘兆滨，宋恩军，等．硬脆性材料线切割切削液的组成和发展[J]．半导体技术，2008，33（4）：292—295．

[7]温诗铸．摩擦学原理[M]．第2版．北京：清华大学出版社，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

陈同军（1983-），男，工程师，硕士，主要从事光伏化学品研究。E-mail:ctj831130@163.com。