CN103525532A

CN103525532A - 一种金刚砂线切割液及其制备方法

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Publication number: CN103525532A
Application number: CN201310487352.XA
Authority: CN
Inventors: 赵�权; 李磊; 李方
Original assignee: SHANDONG HAODA CHEMICAL CO Ltd
Current assignee: LEVIMA (JIANGSU) NEW MATERIAL RESEARCH INSTITUTE CO., LTD.
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: CN103525532B

Abstract

本发明公开了一种金刚砂线切割液及其制备方法。该金刚砂线切割液包括如下重量百分比的配方组份：分散剂：1％～50％；润滑剂：2％～40％；极压剂：0～20％；润湿剂：1～20％；消泡剂：0～10％；增稠剂：0～5％；pH稳定剂：0～5％；去离子水：10～90％。该金刚砂线切割液制备方法只需按配方将各组份混合并搅拌至各组分完全溶解即可得到产品。在搅拌过程中，金刚砂线切割液通过各组份的相互协同作用，赋予了该金刚砂线切割液优异的冷却性能、润滑性能、润湿性能，同时保证了泡沫性低、COD低及易于回收的特性。采用本发明的金刚砂线切割液切割后的硅片具有润湿性能好，易于清洗，润滑性能优异等特点。

Description

一种金刚砂线切割液及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅晶体切割技术领域，尤其涉及一种用于金刚砂线切割硅晶体的切割液及其制备方法。

背景技术

随着全球太阳能和微电子行业的飞速发展，对硅片的需求快速增长。切片是硅片加工的第一道工序，同时也是造成硅片应力、表层及亚表层损伤及崩边的主要工序之一。应力会造成硅片击穿电压及降及漏电流增加，同时应用的存在会造成位错，使得载流子寿命降低，器件的放大系统缩小；表层及亚表层的操作会增大后续加工难度，降低加工效率，提高加工成本。随着现代工业的发展，对硅片的加工精度与效率提出了更高的要求，加强对硅晶体切片技术的研究对于我国半导体和太阳能行业的发展具有重大的意义。

众多研究表明，在线切割工艺稳定的情况下，切割液的性能是影响硅片切割效率及质量的关键因素之一。切割过程中，切割液对硅晶体加工有机械和化学的双重作用，能够起到润滑作用，将钢线、磨粒及硅料间的强机械摩擦转化为润滑膜分子间的内摩擦，使摩擦副运动平稳，减小了损伤和应力，同时及时带走切割过程产生的热量；而且还可以起到清洗作用，并在环保的前提下提高机床的防锈防腐蚀性能。性能良好的切割液要求其成分无毒无害、易溶于水、易清洗、挥发性小、能生物降解并要在润滑渗透、分散悬浮等方面性能良好。具有良好润滑参透性、磨粒分散均匀、PH值适当等特性的切割液能够极大地降低硅料在切割时的损耗，有效降低硅片表面损伤应力，减小切割损伤层，提高硅片加工精度和质量。

目前传统的硅片切割中大都采用游离砂浆切割悬浮液，该种切割悬浮液分子量一般为200～1000，与分散的碳化硅刃料混合使用，在钢线的高速运动下，促使悬浮液携带着带有棱角的碳化硅颗粒以不断滚动的方式进入切割区，由于钢线上加有一定的张力，使碳化硅磨料一般只沿钢线运动的方向逐渐对工件进行一次次切削，使工件沿钢线的缝隙切成一个个薄片，不仅切割效率较低，而且由于切割液中含有大量的碳化硅，难以回收利用。

而金刚石砂线切割工艺是一种新型的切割工艺，利用砂线外层镀有的金刚石与硅片摩擦来进行切割，切割液就不再需要悬浮碳化硅颗粒，也不再需要具备较高的粘度，不需要在溶液中混入碳化硅刃料，其切割速度是钢线的2～3倍，出片率也比传统的切割方式高，且其消耗的水电比传统的砂浆切割技术减少了三分之二，切割后产生的硅粉可以全部回收使用，因此在单位产量的折旧、人工和能源成本将大大降低，可谓既节能又环保。

目前用于金刚砂切割液主要由聚乙二醇和纯水构成，切割中砂线外层镀有的金刚石与硅片摩擦，而且金刚石砂线产生的摩擦力远比传统砂浆悬浮液要高，切割时产生瞬间高温也高，切屑硅粉由于粒度太细，比表面积大大增加，使得其反应所需的活化能大大降低，切割后的产品表面不光滑，表面存在不易清洗的固体硅粉末，导致产品良率低、易翘曲。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种冷却性能、润滑性能、润湿性能均比较好，同时具有泡沫性低的金刚砂线切割液。经该金刚砂线切割液切割后的硅片具有：良率高、翘曲度低，环保清洁等特点。

本发明的另一目的是提供一种工艺简单、条件易控、生产成本低的金刚砂线切割线的制备方法，

根据本发明的一方面，提供一种金刚砂线切割液，包括如下重量百分比的配方组份：

根据本发明的另一方面，提供一种金刚砂线切割液的制备方法，包括以下步骤：

1)按上述金刚砂线切割液的配方分别称取各组份；

2)将所述称取各组份依次加入搅拌装置，边加入加搅拌；

3)搅拌至溶液均一透明后，得到金刚砂线切割浓缩液。

本发明提供的金刚砂线切割液，其中每个组分在配方中都有独特的作用，且每种组份复配于配方中，能够使得润滑、泡沫、润湿等各性能都能发挥最大化，从而实现提供一种冷却性能、润滑性能、润湿性能均比较好，同时具有泡沫性低的金刚砂线切割液。另外，结合现场工艺特点，上述配方组分含量及种类、生产工艺等微调，可满足为客户量身定做产品需要。

本发明提供的金刚砂线切割液制备方法，只需按配方将各组份混合并搅拌即可得到产品，在搅拌过程中，金刚砂线切割液通过各组份的相互协同作用，赋予了该金刚砂线切割液优异的冷却性能、润滑性能、润湿性能均比较好，同时保证了泡沫性低的特性。具有制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例金刚砂线切割液制备方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种金刚砂线切割液，包括如下重量百分比的配方组份：

上述实施例的金刚砂线切割液，其中，配方中分散剂的存在，使得切割过程中硅粉均匀分散与溶液中，实现该配方浓缩液组份均一透明；配方中的润滑剂可采用特殊双亲结构，因此具有极佳的润滑性能，且耐高温区间宽、粘度随温度变化小，冷却性能较其它产品要好等特点；配方中选择添加的极压剂，可在其摩擦表面可形成物理(或化学)吸附膜，即由于硼酸酯水解作用或与添加剂发生摩擦化学反应产生诸如H₃BO₃、B₂O₃等构成的非牺牲性沉积膜，几种膜的共同作用有效提高了切割液的摩擦学性能；而配方中添加的润湿剂，可采用特殊脂肪醇经烷氧基化精制而制，对硅片有极佳的润湿能力，使得在切割过程中切割液能够发挥最大铺展作用；配方中选择添加的消泡剂，可抑制在喷洗过程中产生大量气泡，防止溢槽现象发生；配方中选择添加的增稠剂，可使产品粘度有一定提高，提高粘度后的产品，因膜厚度增加，其润滑性能会得到提高，分散能力也会增强；另外，配方中选择添加的pH稳定剂，能够使得产品在使用过程中维持在一定的pH范围，而该pH范围对该配方的稳定最优。可见，上述每个组分在配方中都有独特的作用，且每种组份复配于配方中，能够使得润滑、泡沫、润湿等各性能都能发挥最大化。

具体地，上述实施例中，所述的分散剂可以为(聚)丙烯酸类聚合物、聚丙烯羧酸醚聚合物、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上的组合。

通过使用上述组分的分散剂，切割后的硅粉能够均匀分散于切割液体系中，此外，该分散剂还有良好的增溶效果、缓蚀效果，使得浓缩液外观更加透明，且不会造成金属设备生锈。

所述的润滑剂可以为聚醚(a)结构，聚醚(b)结构中的一种或一种以上的组合；

其中，聚醚(a)结构为：

RO(C₃H₆O)a(CH₂CH₂O)b(C₃H₆O)cH

R=H、C₃H₅(烯丙基)、C₄H₉(正(异)丁基

a=10～30；b=10～30；c＝10～30；

聚醚(b)的结构为：

RO(CH₂CH₂O)_d(C₃H₆O)_e(CH₂CH₂O)_fH

R=H、C₃H₅(烯丙基)、C₄H₉(正(异)丁基

d=1～20；e=20～50；f=1～20。

上述聚醚(a)与聚醚(b)的结构式中环氧烷烃(环氧乙烷、环氧丙烷)嵌入方式可以为嵌段、也可以是混嵌、或二者均有。

通过使用上述配方的润滑剂，因采用特殊双亲结构，使得润滑剂复配后协同效应最大化，使其具有极佳的润滑性能，且耐高温区间宽、粘度随温度变化小，冷却性能较其它产品要好等特点，实现切割后的硅片表面线痕较轻或几乎没有，且金刚砂线的耗线量也明显降低。

所述的极压剂可以为硼酸酯类，所述的极压剂结构(c)如下：

R1＝H、C_xH_2x+1、C_xH_2x-1 x＝1～20

R2=H、C_yH_2y+1、C_yH_2y-1 y＝1～20

R3=H、C_zH_2z+1、C_zH_2z-1 z＝1～20。

由于硼酸酯类极压剂作为一种新型的水溶性极压添加剂，其抗极压能力远大于硫磷型和氯铅型添加剂，并且无味、无毒，具有良好的极压抗磨性和热稳定性，对金属无腐蚀，有缓蚀高效特点。另外，由于硼酸酯油膜的强度高，摩擦系数低，具有良好的减摩抗磨性能，和密封材料有良好的相容性，对人体无毒害作用，是一种理想的绿色环保型添加剂。上述极压剂R端采用饱和与不饱和烃结构，由于硼酸酯水解作用或与添加剂发生摩擦化学反应产生诸如H3BO3、B203等构成的非牺牲性沉积膜，几种膜的共同作用有效提高了切割液的摩擦学性能，在配方中体现了较好耐极压性。

所述的润湿剂可以为低泡类非离子表面活性剂，在常温下(25℃)具有极低的泡沫性能，对硅片润湿性能好。所述的润湿剂结构(d)为：

R(EO)_m(PO)_n-OH

R＝C12-14脂肪醇

m＝1～5；n＝1～5。

所述的润湿剂的用量重量百分比为1～20％，优选的重量百分比在5％～15％的用量会获得更好的使用效果。该配方中添加的润湿剂，采用特殊脂肪醇经烷氧基化精制而制，对硅片有极佳的润湿能力，使得在切割过程中切割液能够发挥最大作用。

所述的消泡剂的用量重量百分比为0～10％，优选的重量百分比为1％～8％。该配方中添加的消泡剂，主要作用为抑制在喷洗过程中产生大量气泡，防止溢槽现象发生。该消泡剂具有消泡速度快，发泡能力低特点。

配方中可以选择添加增稠剂，添加增稠剂后，产品粘度有一定提高。提高粘度后的产品，因膜厚度增加，其润滑性能会得到提高，分散能力也会得到提高。

另外，配方中可以选择添加pH稳定剂，添加pH稳定剂后，能够使得产品在使用过程中维持在一定的pH范围，该pH范围对配方的稳定最优。

而金刚砂线切割液配方中的水，对其电导率是有一定要求的。电导率过高，容易导致切割过程中因短路而断线；电导率太低，对水质要求高，增加处理水的成本。另外，电导率高证明金属离子含量高，对单晶硅片的制绒有不良影响。因此，用去离子水的目的就是控制浓缩液的电导率，一般工作液电导率要求小于<100μS／cm。

本发明实施例还提供了上述金刚砂线切割液的制备方法，其工艺流程如图1所示，该方法包括以下步骤：

S01.按上述金刚砂线切割液的配方分别称取各组份；

S02.将所述称取各组份依次加入搅拌装置，边加入加搅拌；

S03.搅拌至溶液均一透明后，得到金刚砂线切割浓缩液。

具体地，上述步骤S01中，金刚砂线切割液的配方以及配方中的各组份优选含量和种类如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。

上述步骤S02中，各组分依将加入搅拌装置时，所述消泡剂添加顺序为配方中其它组份添加完后，最后加入消泡剂。

上述步骤S03之后，将得到的是金刚砂线切割浓缩液进行稀释，获得工作液(稀释液)。稀释倍数一般为1：10～1：100，常用的稀释液倍数为1：10～1：50。

上述实施例的金刚砂线切割液制备方法只需按配方将各组份混合并搅拌即可得到产品，在搅拌过程中，金刚砂线切割液通过各组份的相互协同作用，赋予了该金刚砂线切割液优异的冷却性能、润滑性能、润湿性能均比较好，同时保证了泡沫性低的特性。具有制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。

以下结合具体实施例对上述金刚砂线切割液及其制备方法进行详细阐述。

实施例1

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水470g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(a)(R=H，a＝15，b=10，c=10)200g，极压剂硼酸酯(c)(R1=C10H21)50g，润湿剂(d)(m=5，n=5)50g，pH稳定剂20g，消泡剂10g。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1∶10。

实施例2

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水470g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(b)(R=C3H5，d=15，e=20，f＝15)200g，极压剂(R1=C10H21)50g，润湿剂(m=5，n=5)50g，pH稳定剂20g，消泡剂10g。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1：10。

实施例3

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水470g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(a)(R=H，a=15，b=10，c＝10)100g，润滑剂聚醚(b)(R=C3H5，d=15，e=20，f＝15)100g，极压剂(R1=C10H21)50g，润湿剂(m=5，n=5)50g，pH稳定剂20g，消泡剂10g。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1：10。

实施例4

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水470g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(a)(R=H，a＝15，b=10，c＝10)100g，润滑剂聚醚(b)(R=C3H5，d=15，e=20，f＝15)100g，极压剂(R1=C10H21)50g，润湿剂(m=5，n=5)50g，pH稳定剂20g，消泡剂10g。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1：20。

实施例5

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水475g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(a)(R=H，a=15，b=10，c=10)200g，极压剂硼酸酯(c)(R1=C10H21)50g，润湿剂(d)(m=1，n=5)50g，pH稳定剂20g，消泡剂5g。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1：10。

实施例6

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水470g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(a)(R=H，a=15，b=10，c=10)200g，极压剂硼酸酯(c)(R1=C10H19)50g，润湿剂(d)(m=5，n=5)50g，pH稳定剂20g，消泡剂10g。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1：10。

实施例7

配置1000g金刚砂线切割液配方浓缩液。

向带有搅拌装置的2L容器中加入水465g，然后依次加入分散剂200g，润滑剂聚醚(a)(R=H，a=15，b=10，c=10)200g，极压剂硼酸酯(c)(R1=C10H21)50g，润湿剂(d)(m=5，n=5)50g，pH稳定剂20g，增稠剂5g，消泡剂10g，。边加入，边搅拌。搅拌至溶液均一透明后即可。

使用液的浓度为稀释液稀释后获得，稀释比例为1：10。

性能评价标准及性能指标

将上述方法制备的金刚砂线切割液采用动态泡沫测试仪和OCA20视频接触角测量仪进行泡沫性能和润湿性能的测试。

实施例1-7测试的结果如表一所示：

表一

备注：以上测试均测试稀释液浓度；OCA20视频接触角测量仪测试对硅片接触角。

结合表一，由实施例1-7可以看出，实施例1与实施例2的对比可知：两个类型的润滑剂在配方中所体现润滑性能有差异，且在泡沫与润滑方面各有特点。由实施例3可知：2个类型的润滑剂复配后，配方在润滑、润湿及泡沫方面均表现出较优的结果。由实施例4可知：浓缩液稀释倍数由之前的1：10增大至1：20，润滑、润湿、泡沫等性能变化均不明显，说明稀释后对性能有影响，但变化不大。由实施例5可知，润湿剂产品结构微调，其润湿性能及泡沫性能也可以微调。根据配方其它组分特点及复配规律，可通过调整此结构，达到配方性能最优。采用实施例6中的极压剂(不饱和碳链封端)在配方中，其润滑性能显著提高。从实施例7可以看出，使用增稠剂后，产品泡沫偏低、润滑性能也有提高的趋势。

由此可见，按照上述所述的原料，其中每个组分在配方中都有独特的作用，通过配方的复配，能够使得润滑、泡沫、润湿等各性能都能发挥最大化，从而实现提供一种冷却性能、润滑性能、润湿性能均比较好，同时具有泡沫性低的金刚砂线切割液，满足客户现场需求目的。另外，结合现场工艺特点，上述配方组分含量及种类、生产工艺等微调，可满足为客户量身定做产品需要。

另外，由实施例1-7可以看出，所述金刚砂线切割液制备方法只需按配方将各组份混合并搅拌即可得到产品，在搅拌过程中，金刚砂线切割液通过各组份的相互协同作用，赋予了该金刚砂线切割液优异的冷却性能、润滑性能、润湿性能均比较好，同时保证了泡沫性低的特性。具有制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金刚砂线切割液，包括如下重量百分比的配方组份：

2.根据权利要求1所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述的分散剂为(聚)丙烯酸类聚合物、聚丙烯羧酸醚聚合物、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上的组合。

3.根据权利要求2所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述的润滑剂为聚醚(a)结构，聚醚(b)结构中的一种或一种以上的组合；

其中，聚醚(a)结构为：

RO(C₃H₆O)a(CH₂CH₂O)b(C₃H₆O)cH

R=H、C₃H₅(烯丙基)、C₄H₉(正(异)丁基

a=10～30；b=10～30；c=10～30；

聚醚(b)的结构为：

RO(CH₂CH₂O)_d(C₃H₆O)_e(CH₂CH₂O)_fH

R=H、C₃H₅(烯丙基)、C₄H₉(正(异)丁基

d=1～20；e=20～50；f=1～20。

4.根据权利要求3所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述聚醚(a)与聚醚(b)的结构式中环氧烷烃嵌入方式为嵌段、混嵌、或二者均有。

5.根据权利要求1所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述的极压剂为硼酸酯类，所述的极压剂结构(c)如下：

R1＝H、C_xH_2x+1、C_xH_2x-1 x＝1～20

R2=H、C_yH_2y+1、C_yH_2y-1 y=1～20

R3=H、C_zH_2z+1、C_zH_2z-1 z＝1～20。

6.根据权利要求1所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述的润湿剂为低泡类非离子表面活性剂，所述的润湿剂结构(d)为：

R(EO)_m(PO)_n-OH

R=C12-14脂肪醇

m=1～5；n＝1～5。

7.根据权利要求1所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述的润湿剂的重量百分比为5％～15％。

8.根据权利要求1所述的金刚砂线切割液，其特征在于：所述的消泡剂的重量百分比为1％～8％。

9.一种金刚砂线切割液的制备方法，包括以下步骤：

1)按照权利要求1-8所述金刚砂线切割液的配方分别称取各组份；

2)将所述称取各组份依次加入搅拌装置，边加入边搅拌；

3)搅拌至溶液均一透明后，得到金刚砂线切割浓缩液。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3之后，将得到的是金刚砂线切割浓缩液进行稀释，稀释倍数为1：10～1：100。