CN101906346A - 水性切削液和浆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水性切削液和浆，水性切削液包含0.01～20wt％的炔二醇或其亚烷基氧化物加成物，然后结合磨料形成一种水性切削浆，该水性切削浆具有磨料的分散稳定性、粘度稳定性和更高的加工精度的优点。

Description

水性切削液和浆

技术领域

本发明涉及一种水性切削液和浆，其有助于工件的切削，包括用于半导体，太阳能电池和其他工业领域的硅、石英、水晶、化合物半导体、磁体等的锭材。更具体地讲，本发明涉及一种包含水性切削液和磨料的水性切削浆，其具有磨料的分散稳定性、粘度稳定性和比现有技术更高的加工精度的优点。

背景技术

一种已知的切削坚硬且碎性材料的锭材的方法是使用线锯或切断轮。在使用线锯的切削方法中，切削液通常在切削操作过程中加入，起到润滑切削工具和工件，去除摩擦热并清洁碎屑的目的。切削液包括包含矿物油和添加剂的油基切削液，包含聚乙二醇或聚丙二醇作为主要成分的二醇基切削液，和表面活性剂水溶液形式的水性切削液。然而，这些切削液都有缺点。油基切削液在切削点冷却效果差。如果工件或工具被油基切削液污染，有机溶剂清洁液就是必需的，这从环境角度来说是不希望的。二醇基切削液和水性切削液在切削操作过程中的粘度稳定性和磨料的分散稳定性方面差。

为了克服这些问题，JP2000-327838A公开了一种基于多元醇或其衍生物的切削液，并添加斑脱土、纤维素和云母以利于磨料的分散性。JP2006-278773A公开了一种水性切削液，包含二醇和/或水溶性醚以及zeta电位至少是0mV的颗粒，典型的是氧化铝。JP2007-031502A公开了一种水性切削液，包含二醇，二醇醚和水。

在工业上，半导体硅片是从硅锭切削得到的，其直径已经从200mm增加到300mm，甚至是450mm。硅片在太阳能电池或类似领域使用时，变得越来越薄。这就需要水性切削液能够适应在直径和厚度上的这种变化。这就迫切需要一种具有比现有技术更高的加工精度的水性切削液。

引用列表

专利文献1：JP2000-327838A(US2003100455)

专利文献2：JP2006-278773A

专利文献3：JP2007-031502A(EP1752521，CN1903968)

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种水性切削液和浆，其具有磨料的分散稳定性，粘度稳定性和比现有技术更高的加工精度的优点。

发明人已获知，突出的问题通过添加0.01-20重量％的炔二醇和/或其亚烷基氧化物加成物到水性切削液中得到解决。

一方面，本发明提供一种水性切削液，包含(A)0.01～20重量％的炔二醇和/或基亚烷基氧化物加成物。

在一个优选的实施方案中，切削液可以还包含(B)1～20重量％的水，(C)60～98.98重量％的亲水性多元醇和/或其衍生物在内，和更优选(D)0.01～20重量％的聚合物分散剂。所述亲水性多元醇或其衍生物(C)优选在20℃具有至少5重量％的水中溶解度，和最高达到0.01mmHg的蒸汽压。聚合物分散剂(D)典型的是包括苯乙烯-马来酸酐共聚物的盐的聚合物。

组分(A)优选选自具有如下结构式(1)～(3)的炔二醇。

其中R¹和R²是彼此独立的1～5个碳原子的烷基。

其中R³和R⁴是彼此独立的1～5个碳原子的烷基，

A是-(C₂H₄O)_w1-(C₃H₆O)_x1-(C₂H₄O)_y1-(C₃H₆O)_z1-H，

B是-(C₂H₄O)_w2-(C₃H₆O)_x2-(C₂H₄O)_y2-(C₃H₆O)_z2-H，

w1，w2，x1，x2，y1，y2，z1和z2是彼此独立的0或0.5～25之间的正数，w1+w2+y1+y2为0.5～50，x1+x2+z1+z2为0.5～50，并且w1+w2+x1+x2+y1+y2+z1+z2为1～100。

其中R⁵和R⁶是彼此独立的1～5个碳原子的烷基，D是-(C₂H₄O/C₃H₆O)_mH，E是-(C₂H₄O/C₃H₆O)_nH，m和n是彼此独立的0或0.5-50的正数，并且m+n为1-100。

另一方面，本发明提供了一种水性切削浆，其包含100重量份的前面所述的水性切削液和50～200重量份的磨料。

发明的有益效果

包含0.01-20重量％的炔二醇和/或其亚烷基氧化物加成物的水性切削液具有磨料的分散稳定性，浆形态时的粘度稳定性，和比现有技术更高的加工精度的优点。

具体实施方式

本发明的水性切削液定义为包含0.01～20重量％的炔二醇和/或其亚烷基氧化物加成物。特别是，炔二醇具有结构式(1)。

其中R¹和R²是彼此独立的1～5个碳原子的烷基。

特别是，炔二醇的亚烷基氧化物加成物是具有结构式(2)的炔二醇的环氧乙烷/环氧丙烷嵌段加成物或具有结构式(3)的炔二醇与环氧乙烷/环氧丙烷无规加成物。

其中R³和R⁴是彼此独立的1～5个碳原子的烷基。

A是-(C₂H₄O)_w1-(C₃H₆O)_x1-(C₂H₄O)_y1-(C₃H₆O)_z1-H，

B是-(C₂H₄O)_w2-(C₃H₆O)_x2-(C₂H₄O)_y2-(C₃H₆O)_z2-H，

w1，w2，x1，x2，y1，y2，z1和z2是彼此独立的0或0.5～25之间的正数，w1+w2+y1+y2为0.5～50，x1+x2+z1+z2为0.5～50，并且w1+w2+x1+x2+y1+y2+z1+z2为1～100。

其中R⁵和R⁶是彼此独立的1～5个碳原子的烷基，D是-(C₂H₄O/C₃H₆O)_mH，E是-(C₂H₄O/C₃H₆O)_nH，m和n是彼此独立的0或0.5～50的正数，并且m+n为1～100。

具有结构式(1)的炔二醇的例子包括，但不局限于，

2，5，8，11-四甲基-6-十二炔-5，8-二醇，

5，8-二甲基-6-十二炔-5，8-二醇，

2，4，7，9-四甲基-5一十二炔-4，7-二醇，

8-十六炔-7，10-二醇，7-十四炔-6，9-二醇，

2，3，6，7-四甲基-4-辛炔-3，6-二醇，

3，6-二甲基-4-辛炔-3，6-二醇和

2，5-二甲基-3-己炔-2，5-二醇。具有结构式(2)和(3)的炔二醇的亚烷基氧化物加成物包括前面所列的炔二醇的亚烷基氧化物衍生物。

炔二醇或其亚烷基氧化物加成物基于水性切削液的含量是0.01～20重量％，优选0.1～10重量％，更优选0.1-5重量％。低于0.01重量％导致加工精度的降低，同样高于20重量％会导致不溶物生成。

在一个优选的实施方案中，切削液进一步包含(B)1～20重量％的水和(C)60～98.98重量％的亲水性多元醇和/或其衍生物。更优选的实施方案中，切削液进一步包括(B)10～20重量％的水和(C)80～95重量％的亲水性多元醇和/或其衍生物。水含量低于1wt％会导致诸如加工精度变低的问题，同样水的添加量多于20wt％会导致水性切削液产生诸如粘度稳定性降低的问题。亲水性多元醇和/或其衍生物低于60wt％会导致磨料分散性降低，同样多于98.98wt％会导致加工精度降低。

亲水性多元醇和其衍生物(C)的例子包括乙二醇，二甘醇，三甘醇，二丙二醇，三丙二醇和聚乙二醇。所述聚乙二醇优选平均分子量200～1000。例如，使用聚乙二醇200和400。优选的是，亲水性多元醇或其衍生物(C)在20℃具有至少5重量％的水中溶解度，和最高达到0.01mmHg的蒸汽压。如果在20℃的水中溶解度低于5重量％，会出现必须使用有机溶剂清洁晶片的问题。蒸汽压高于0.01mmHg会增加切削操作过程中起火的风险。

更优选的实施方案中，切削液进一步包含(D)0.01～20重量％，更优选0.1～10重量％的聚合物分散剂。聚合物分散剂的含量低于0.01wt％会导致加工精度的降低，同样多于20wt％会导致切削液的粘度升高。聚合物分散剂(D)优选包括苯乙烯-马来酸酐共聚物的盐的聚合物。具体例子包括苯乙烯-马来酸酐共聚物烷基酯的铵，钾和钠盐，优选苯乙烯-马来酸酐共聚物烷基酯的铵盐。

本发明的另一实施方案是一种水性切削浆，包含100重量份的包含组分(A)～(D)的水性切削液和50～200重量份的磨料。适合的磨料包括碳化硅，氧化铝和金刚石。碳化硅和金刚石更适合。包含少于50pbw的磨料的浆在更长时间切削硅锭的时候可能会效率低。磨料多于200pbw会妨碍分散。

另外，诸如水溶的聚合物，云母，憎水的硅土和羧酸的添加剂可以加入到水性切削液和浆中，只要它们的性能不被削弱。

这种水性切削浆使用时具有突出的优点，用于线锯将坚硬且碎性材料的诸如硅，石英，水晶和化合物半导体的锭材切削成可用于微电子和光电装置制造的形态。在现有技术中，这种浆可以与现有技术相同的方式使用。

一般而言，多线锯有2个导向轮，轮上有以一定间隔刻的凹槽。金属线缠绕在导向轮的凹槽上，并且以一定张力保持平行。

当切削样品工作开始时，浆被加到金属线，并且金属线以双向或单向高速运行。携带样品的工作台从高处的位置降落到金属线上，随后样品被同时切削成许多具有相同形状的产品。

可选择的是，随着向上的方式代替向下的方式，携带样品的工作台可以向上运动。

在所述多线锯切削的过程中，将包含磨料的浆提供到金属线上的一系列步骤和使用粘有浆的金属线切削样品是很重要的操作。

实施例

如下给出了实施例和比较实施例，但不限于此。所有的份和％都是以重量计。

实施例1

一种流体，标记为M-1，通过混合13％的去离子水，18％的PEG200和68％的二甘醇，并添加1％的炔二醇A(2，5，8，11-四甲基-6-十二炔-5，8-二醇的环氧乙烷加成物，其中环氧乙烷添加4摩尔)而制得。该液和碳化硅(SiC)磨料(Shinano电子精炼有限公司，GC#1000，平均粒径11微米)混合，并搅拌至得到一种用于切削硅锭的水性浆为止。

水性切削浆的磨料分散稳定性的测定是通过测量刚制备完成的和保持静置24小时后的平均粒径进行的。结果如表3所示。浆的粘度稳定性和加工精度的测定通过按照如下条件切削硅锭而得到。结果同样列于表3。

切削条件

切削工具：多线锯

金属线直径：0.14mm

磨料：碳化硅(Shinano电子精炼有限公司，GP#1000，平均粒径11μm)

硅锭：多晶硅，尺寸125mm²，长度90mm

切削间隔：0.40mm

切削速度：0.3mm/min

金属线往复速度：660m/min

评价

磨料的分散稳定性

使用Cilas公司的激光散射衍射粒度分布分析仪Cilas 1064，水性切削浆的平均粒径是在浆刚制备完成后和经过24小时静置后进行测定。计算粒径的增量。

粒径增量＝(24小时后的平均粒径)/(刚制备时的平均粒径)

水性切削浆的粘度稳定性

使用Brookfield粘度计，测定硅锭切削操作前后的水性切削浆的粘度。计算粘度增加的百分比。

切削后的加工精度

切削后，检查切削得到的晶片表面的锯痕。

○：没有锯痕

×：锯痕明显

还要测量晶片的总厚度变化(TTV)和翘曲度或三维波度。将硅锭切削成晶片后，从每个锭的两端和中间收集的三个晶片共9个晶片进行抽样。每个晶片的厚度测定4个角及其中间，共8个点。总共得到厚度测量的72个数据，从中计算标准偏差。

实施例2～11和比较实施例1～7

如实施例1所述，一种水性切削液(M-2到M-18)通过混合和搅拌如表1和2所述的组分量而制得。如实施例1所述，该液和碳化硅磨料(Shinano电子精炼有限公司，GC#1000，平均粒径11μm)混合，并搅拌至得到一种水性浆为止。

通过测定刚制备的和24小时存放后的平均粒径评价制得的水性切削浆的磨料的分散稳定性。结果如表3和4所示。所述浆同样通过如实施例1的相同条件切削硅锭来评价其粘度稳定性和加工精度。结果同样如表3和4所示。

表1

表2

炔二醇A：2，5，8，11-四甲基-6-十二炔-5，8-二醇的环氧乙烷加成物，其中环氧乙烷添加4摩尔

炔二醇B：2，4，7，9-四甲基-5-十二炔-4，7-二醇

Noigen TDS-30：购于Dai-Ichi Kogyo Seiyaku公司，RO(CH₂CH₂)_nOH，R＝C13，n＝3

Noigen TDS-80：购于Dai-Ichi Kogyo Seiyaku公司，RO(CH₂CH₂)_nOH，R＝C13，n＝8

SMA 1000：购于Kawahara Yuka公司，苯乙烯-马来酸酐共聚物烷基酯的铵盐，重均分子量5500

SMA 1440-20：购于Kawahara Yuka公司，苯乙烯-马来酸酐共聚物烷基酯的铵盐，重均分子量7000

PEG200：购于Sanyo化学工业公司，聚乙二醇，重均分子量200

PEG400：购于Sanyo化学工业公司，聚乙二醇，重均分子量400

表3

表4

Claims (7)

1.水性切削液，其包含(A)0.01～20重量％的炔二醇和/或其亚烷基氧化物加成物。

2.如权利要求1所述的切削液，还包含(B)1～20重量％的水和(C)60～98.98重量％的亲水性多元醇和/或其衍生物。

3.如权利要求2所述的切削液，还包含(D)0.01～20重量％的聚合物分散剂。

4.如权利要求3所述的切削液，所述聚合物分散剂(D)是包括苯乙烯-马来酸酐共聚物的盐的聚合物。

5.如权利要求2所述的切削液，所述亲水性多元醇或其衍生物(C)在20℃具有至少5重量％的水中溶解度，和最高达到0.01mmHg的蒸汽压。

6.如权利要求1所述的切削液，所述成分(A)选自具有如下结构式(1)～(3)的炔二醇：

其中R¹和R²是彼此独立的1～5个碳原子的烷基，

其中R³和R⁴是彼此独立的1～5个碳原子的烷基，

A是-(C₂H₄O)_w1-(C₃H₆O)_x1-(C₂H₄O)_y1-(C₃H₆O)_z1-H，

B是-(C₂H₄O)_w2-(C₃H₆O)_x2-(C₂H₄O)_y2-(C₃H₆O)_z2-H，

w1，w2，x1，x2，y1，y2，z1和z2是彼此独立的0或0.5～25之间的正数，w1+w2+y1+y2为0.5～50，x1+x2+z1+z2为0.5～50，并且w1+w2+x1+x2+y1+y2+z1+z2为1～100，

此处R⁵和R⁶是彼此独立的1～5个碳原子的烷基，D是-(C₂H₄O/C₃H₆O)_mH，E是-(C₂H₄O/C₃H₆O)_nH，m和n是彼此独立的0或0.5～50的正数，并且m+n为1～100。

7.水性切削浆，其包含100重量份的权利要求1所述的水性切削液和50～200重量份的磨料。