CN102212412A - 一种磨料经过表面活性剂处理的水基切削液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种磨料经过表面活性剂处理的切削液及其制备方法，配制分两步完成：1）将磨料经过表面活性剂处理，形成高分散、高稳定的磨料悬浮液，然后利用高压高剪切微流喷射机将磨料悬浮液进行处理，将少数由于絮凝作用产生的大粒径磨料粉碎，保证整个溶解液中磨料粒径的均匀；2）在制备好的磨料悬浮液中添加功能助剂，包括螯合剂、防锈剂、消泡剂和pH值调节剂，搅拌均匀即得到本切削液。采用这种配制方法从根本上防止了由于大粒径磨料的存在使硅片表面产生较深划痕的情况，减少了硅片后续抛光加工的量，提高了生产效率和产品良率，降低了生产成本。本切削液适合单晶、多晶硅、化合物晶体、宝石等切削加工方面的应用。

Description

一种磨料经过表面活性剂处理的水基切削液及其制备方法

技术领域

本发明涉及晶体硅片切割过程中所用切削液的制备，特别是一种磨料经过表面活性剂处理的水基切削液及其制备方法。

背景技术

随着能源问题的日益突出和人们环保意识的加强，世界各国都非常重视诸如风能、太阳能这些绿色能源的使用，并且不断的加大对相关产业的投入力度。对太阳能的利用主要体现在太阳能光伏发电行业中。随着半导体、光伏产业的迅猛发展，对晶体硅片这个源头产业的发展起到了很大的促进作用，同时对生产晶体硅片的质量提出了更高的要求。晶体硅片的大直径化已经成为了太阳能等硅材料当前的发展趋势，同时要求能够生产出更薄的晶体硅片。

在硅片整个生产的过程中，切割是一道非常重要的工艺。传统的切割晶硅棒的方法是内圆切割法，这种方法比较适合直径比较小的晶棒。这种加工方式造成切片截面刀痕粗糙，破碎层、损伤层深、残余应力大、碎片、崩边、断根等问题严重，损伤层深达30-60微米，这样就增加了后续研磨和抛光的加工量，既浪费又降低了加工的效率和成品率。目前，国内外通用的晶体切割技术为线切割技术，此方法切割的晶片弯曲度小、刀口切割磨损小、表面的损伤层也是较小。线切割技术中的多线切割是世界通用的、有效的方法。在整个硅片的生产过程中，切割过程中造成的硅材料的损耗成为导致低效能、高成本的主要原因。在硅片的切割过程中切削液的应用于作用不可小觑，它不仅可以提高润滑的效果还可以防止硅片表面腐蚀的发生，同时将切割时产生的热量带走，还可以降低切割后硅片表面的金属杂质的含量，提高硅片的整体性质和表面质量。

国内外第一代切削液产品主要是以矿物油为主要成份，将碳化硅等磨料分散在切削液中，在辅以其他添加剂而形成的。这种早期的切削液主要有以下两个方面的缺点：第一，油性切削液易燃，对环境污染大，所以要求必须要有相应的防爆的措施，同时在生产过程中还有注意环境的保护。第二，采用油性切削液切割晶片后，必须使用三氯乙烷、二氯甲烷等有机物作为溶剂和表面活性剂。这些有机溶剂有致癌的危险，同时又污染环境，还有切割完成后硅片表面残留的有机物的清洗去除又要求设备的投入和解决废水处理问题。第二代产品主要是水性产品，主要分为水基切削液和水溶性切削液两种。关于水溶性切削液产品已经有了较多的报道。

专利（CN101205498A）“一种硬脆材料的切削液及其应用”介绍了一种适合单晶、多晶硅、石英、宝石的切削液，其主要特点是以一种高分子聚烷氧基化合物为主要成分，添加一种高分子抗极压螯合防沉剂，有较好的螯合防沉功能，且是一种水溶性产品，无污染。

专利（CN101712907A）“一种水溶性硅料切削液的组成和应用组合”，此专利介绍了一种水溶性的切削液，该切削液具有无污染、金属含量低的特点。

专利（CN1127777A）“切削液其制造方法及结晶块的切断方法”，这种切削液主要是以无机膨润土的水分散液为主体，在添加了一些表面活性剂和硅系消泡剂等构成的，其主要特点是无污染，能够减小钢丝切割大直径晶硅时晶片的挠曲性。

专利（CN101294112A）“金属线切断加工机用水溶性切削液”，介绍了一种硅晶棒及玻璃用的切削液，这种切削液中使用特定的聚醚和特定的含氮成分，可以使磨料粒子的分散性良好时磨料粒子沉淀的速度减慢。

专利（CN1858169A）“半导体硅材料水基切削液”，介绍了一种适合硅晶片和化合物半导体晶块材料切割用的水基切削液，此切削液最主要的特点是，切削液呈碱性，可以避免切削时对设备的腐蚀，同时将原有切割时单一的机械作用转化为均匀稳定的化学机械作用，有效的解决了切割时的应力问题，减少了硅片表面的损伤。

专利（US6673752B2）涉及一种切削液，其特点在于其中含有硅氧烷、硅醇和硅烷等有机物。此切削液在切削硅片的过程中能够在硅片表面形成一层保护膜，从而改善切割性能，减少表面缺陷的产生。

专利（US6605575B1）涉及一种水溶性的切削液，此切削液的主要特点是使用了一种长链烷酰基氨基酸、酰基烷氧基化合物，使切削液具有良好的润滑、防锈、安全、易清洗、低泡等有点。

上述切削液虽然大大提高了切削液的工作效率，能够有效的降低加工过程中的切割温度，能够有效的减少产生的金属离子对硅片的污染。但是都存在着磨料粒子的分散性不足且配制的切削液会发生絮凝现象导致大粒径磨料粒子的出现的问题，无法满足高精密加工硅片的要求。而且切削液涉及到的原料类别较多，对原料性能的要求也较高从而增加了切削液的成本。特别是切削液使用过程中由于大粒径的磨料粒子的存在使得切削的硅片表面有较深的划痕，加大了后续抛光加工的量，增加了成本。同时在硅片的切割过程中的效率和成品率仍然不理想。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，特别是以上切削液中磨料粒子分散性不足和由于絮凝现象导致大直径磨料粒子出现的问题，提供了一种磨料粒子分散性高且解决絮凝现象的切削液配置方法，这种方法简单易行、且不会增加生产成本。

本发明技技术方案：

一种磨料经过活性剂表面处理的水基切削液，由磨料、表面活性剂、.螯合剂、防锈剂、消泡剂、PH值调节剂和溶剂组成，各组分的质量百分含量是：磨料为20~40%、表面活性剂为20%~45%、螯合剂为0.01~5%、防锈剂为0.01~2%、消泡剂为0.1~1%、PH值调节剂为0.01~5%并使磨料悬浮液的PH值为7~11.5、余量为溶剂。

所述磨料为碳化硅粉、金刚石粉、氧化铈粉、胶体二氧化硅中的一种或任意两种任意比例的混合物，磨料粒径大小为0.1~30μm且粒径均一。

所述表面活性剂为碱金属皂、碱土金属皂、有机胺皂、硫酸化蓖麻油、十二烷基硫酸钠、亚甲基二萘磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种任意比例的混合物。

所述螯合剂为乙二胺四醋酸钠盐、乙二胺四乙酸、乙醇酸、聚乙二醇、羟基乙酸、羟基乙酸、柠檬酸铵、羟乙基乙二胺三乙酸、秘二羟乙基甘氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、水解聚马来酸酐和富马酸—丙烯磺酸共聚体中的一种或两种任意比例的混合物。

所述防锈剂为聚合脂肪酸甘油三酯咪唑、硼酸咪唑、甲苯并三唑、磷酸二氢钠、苯甲酸钠和三乙醇胺中的一种或两种任意比例的混合物。

所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂、聚醚改性硅、聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯、苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯和聚氧乙烯氧丙烯甘油中的一种或两种任意比例的混合物。

所述PH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、二羟基乙基乙二胺、二乙烯三胺、乙二胺、二乙醇胺、乙二胺四乙酸、四甲基氢氧化铵和羟基胺中的一种或两种任意比例的混合物。

所述溶剂为去离子水。

一种所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液的制备方法，步骤如下：

1）将磨料和表面活性剂溶解在去离子水中并充分搅拌均匀，然后用高压高剪切微流喷射机对磨料悬浮液进行加工，形成磨料悬浮液；

2）在上述磨料悬浮液中加入螯合剂、防锈剂、消泡剂和PH值调节剂，搅拌均匀即可。

本发明的技术分析：

本发明最主要的特点是将切削液的配置过程分为了两个过程，第一步是磨料粒子溶解液的配置，将磨料粒子溶解在去离子水中，在加入表面活性剂在扇叶搅拌机下充分搅拌0.5~2个小时，在搅拌的过程中，表面活性剂会吸附到表面磨料粒子表面，形成对磨料粒子的完全包覆，由于表面活性剂具有“双亲结构”吸附在粒子表面后致使磨料粒子表面形成同种电荷，增加了磨料粒子之间的排斥力。故当这些磨料粒子靠近时，由于彼此排斥防止了絮凝沉淀现象的产生，从而使磨料粒子均匀的分散在在溶液中，而且分稳定。从根本上减少了由于絮凝现象导致的大颗粒磨料粒子数量，提高了切削液的质量，保证了切割的硅片表面的高质量。这种方法使磨料粒子在溶液中的分散性和磨料粒子的稳定性大为提高，同时也减小了溶液的粘性。

在搅拌过程中极少一些磨料粒子在被表面活性剂包裹之前就已经凝结产生了絮凝现象，这些絮凝之后的大粒径磨料粒子被表面活性剂包裹后将稳定的存在于溶液中，必须对上述溶液在进行处理，否则在切割硅片时这些大粒径的磨料粒子将在硅片表面产生很深的划痕，致使后续抛光量增加，同时降低了产品的生产效率和成品率。用高压高剪切微流喷射粉碎机对上述溶液作用数次之后，可以将絮凝的大粒子粉碎，使磨料粒子的粒径趋于一致、均匀。

本发明的优点是：经过表面活性剂处理的磨料粒子能够稳定的存在于切削液中，且磨料粒子粒径和磨料粒子分布很均匀。由于在切削液的配制搅拌过程中解决了絮凝现象的产生，所以用这种方法配置的切削液能够提高切割硅片的表面质量，避免深划痕的产生，减小了后续抛光加工工序的量，不仅提高了产品的成品率，而且也降低了成本。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。必须指出，本发明并不局限于以下的实施例，凡是基于本发明所述的基本方法所做的任何修正都属于本发明所要求的权利范畴。

实施例1

取质量为400g且平均粒径为25μm的磨料碳化硅粉、100g亚甲基二萘磺酸钠，将其溶解在500g的去离子水中，连续搅拌1h，使表面活性剂能够充分的将磨料粒子包覆，然后将其用高压高剪切微流喷射粉碎机粉碎25次，将絮凝现象产生的大粒径磨料粉碎。从而形成浓了粒径均一，分散性和稳定性高的磨料悬浮液。

在制备好的磨料悬浮液中依次加入10g乙二胺四乙酸、5g苯并三唑、3g聚二甲基硅氧烷、4g乙二胺然后将溶液搅拌均匀，溶液的PH值为7.2。使用上述切削液，在MEYER BUGER265机上进行单晶硅6寸片子的切割，单批次供切割出硅片2000片，最后成品为1935片，成品率为96.75%。

实施例2

取质量为350g且平均粒径为15μm的碳化硅粉和金刚石粉为磨料、50g十二烷基苯磺酸钠，将其溶解在500g的去离子水中，连续搅拌1h，使表面活性剂能够充分的将磨料粒子包覆，然后将其用高压高剪切微流喷射粉碎机粉碎20次，将絮凝现象产生的大粒径磨料粉碎。从而形成浓了粒径均一，分散性和稳定性高的磨料悬浮液。

在制备好的磨料悬浮液中依次加入8g聚乙二醇、7g硼酸咪唑、2g聚醚改性硅、3g二乙醇胺然后将溶液搅拌均匀，溶液的PH值为7.5。使用上述切削液，在NTC机上进行单晶硅6寸片子的切割，单批次供切割出硅片1500片，最后成品为1440片，成品率为96%。

实施例3

取质量为350g且平均粒径为5μm的碳化硅粉和0.8μm胶体二氧化硅为磨料、50g十二烷基苯磺酸钠，将其溶解在500g的去离子水中，连续搅拌1h，使表面活性剂能够充分的将磨料粒子包覆，然后将其用高压高剪切微流喷射粉碎机粉碎15次，将絮凝现象产生的大粒径磨料粉碎。从而形成浓了粒径均一，分散性和稳定性高的磨料悬浮液。

在制备好的磨料悬浮液中依次加入8g聚乙二醇、7g硼酸咪唑、2g聚醚改性硅、5g二乙烯三胺然后将溶液搅拌均匀，溶液的PH值为7.7。使用上述切削液，在NTC机上进行单晶硅6寸片子的切割，单批次供切割出硅片1500片，最后成品为1476片，成品率为98.4%。

实施例4

取质量为350g且平均粒径为5μm的碳化硅粉和0.8μm胶体二氧化硅为磨料、30g十二烷基苯磺酸钠、20g十二烷基硫酸钠，将其溶解在500g的去离子水中，连续搅拌1h，使表面活性剂能够充分的将磨料粒子包覆，然后将其用高压高剪切微流喷射粉碎机粉碎10次，将絮凝现象产生的大粒径磨料粉碎。从而形成浓了粒径均一，分散性和稳定性高的磨料悬浮液。

在制备好的磨料悬浮液中依次加入4g乙醇酸、2g聚乙二醇、2g羟基乙酸、5g硼酸咪唑、5g苯并三唑、5g聚二甲基硅氧烷、2g聚醚改性硅、3g二羟基乙基乙二胺然后将溶液搅拌均匀，溶液的PH值为7.8。使用上述切削液，在NTC机上进行单晶硅6寸片子的切割，单批次供切割出硅片1800片，最后成品为1764片，成品率为98%。

Claims (9)

1. .一种磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：由磨料、表面活性剂、.螯合剂、防锈剂、消泡剂、PH值调节剂和溶剂组成，各组分的质量百分含量是：磨料为20~40%、表面活性剂为20%~45%、螯合剂为0.01~5%、防锈剂为0.01~2%、消泡剂为0.1~1%、PH值调节剂为0.01~5%并使磨料悬浮液的PH值为7~11.5、余量为溶剂。

2.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述磨料为碳化硅粉、金刚石粉、氧化铈粉、胶体二氧化硅中的一种或任意两种任意比例的混合物，磨料粒径大小为0.1~30μm且粒径均一。

3.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述表面活性剂为碱金属皂、碱土金属皂、有机胺皂、硫酸化蓖麻油、十二烷基硫酸钠、亚甲基二萘磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种任意比例的混合物。

4.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述螯合剂为乙二胺四醋酸钠盐、乙二胺四乙酸、乙醇酸、聚乙二醇、羟基乙酸、羟基乙酸、柠檬酸铵、羟乙基乙二胺三乙酸、秘二羟乙基甘氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、水解聚马来酸酐和富马酸—丙烯磺酸共聚体中的一种或两种任意比例的混合物。

5.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述防锈剂为聚合脂肪酸甘油三酯咪唑、硼酸咪唑、甲苯并三唑、磷酸二氢钠、苯甲酸钠和三乙醇胺中的一种或两种任意比例的混合物。

6.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述消泡剂为聚硅氧烷消泡剂、聚醚改性硅、聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯、苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯和聚氧乙烯氧丙烯甘油中的一种或两种任意比例的混合物。

7.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述PH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、二羟基乙基乙二胺、二乙烯三胺、乙二胺、二乙醇胺、乙二胺四乙酸、四甲基氢氧化铵和羟基胺中的一种或两种任意比例的混合物。

8.根据权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液，其特征在于：所述溶剂为去离子水。

9.一种如权利要求1所述磨料经过表面活性剂处理的水基切削液的制备方法，其特征在于步骤如下：

1）将磨料和表面活性剂溶解在去离子水中并充分搅拌均匀，然后用高压高剪切微流喷射机对磨料悬浮液进行加工，形成磨料悬浮液；

2）在上述磨料悬浮液中加入螯合剂、防锈剂、消泡剂和PH值调节剂，搅拌均匀即可。