CN106398807A - 一种用于切割硅晶片的金刚线切割液 - Google Patents

一种用于切割硅晶片的金刚线切割液 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于切割硅晶片的金刚线切割液，所述金刚线切割液中各组分所占的重量百分比为：极压剂1‑13％，缓蚀剂1‑5％，润滑剂0.3‑2％，有机碱0.2‑6％，乳化剂0.2‑0.6％，消泡剂0.1‑0.5％，耦合剂0.1‑1.5％，余量为去离子水。本发明的优点在于：本发明提供的金刚线切割液，其中每个组分在配方中都有独特的作用，能够使得金刚线切割液具有突出的润滑渗透性和防锈性，磨粒分散均匀；且金刚线切割液的物理和化学性质稳定，高温不易分解；切割液抗腐蚀性能强，不易变质，使用及贮存时间长，价格低廉，有效降低了生产成本，有利于工业化大生产。

Description

一种用于切割硅晶片的金刚线切割液
技术领域
本发明属于硅晶体金刚线切割液技术领域，特别涉及一种用于切割硅晶片的金刚线切割液。
背景技术
随着大规模集成电路的科技日新月异，全球电子芯片产业迅猛发展，单晶硅和多晶硅的使用量也不断增加。另外，随着加大对可再生能源的利用，太阳能光伏行业作为新能源产业发展迅速，太阳能行业需要大量的硅材料，尤其是多晶硅。硅晶片直径的增大，厚度和线宽的降低，以及对硅晶片几何尺寸和其表面机械孙少小、晶格完整性的更高的要求等，从而对硅晶片切割加工质量提出了更高的要求。硅晶片的切割质量将影响到后续的研磨、抛光和刻蚀等工序的加工效率甚至影响到半导体器件的最终质量。
金刚线切割技术可替代了传统的游离多线切割方法，它是利用电镀或树脂粘结的方法将金刚石磨料附着在钢线的表面，将金刚线直接作用于硅棒或硅锭表面产生磨削，金刚线切割具有切割速度快，切割精度高，材料损耗低等特点，降低了硅片的加工成本，应用前景大大增强。
金刚线切割液是金刚线切割技术重要组成部分，金刚线切割液应具有以下作用：(1)润滑作用，切割液可渗入线网与硅片、线网与碎屑之间，形成一层润滑膜，减小了切割损伤、应力和微裂；(2)渗透作用，渗透性好可提高切割的冷却效果，并在线网与硅片界面上形成润滑膜，降低摩擦阻力，减小切割阻力；(3)分散作用，切割液可使颗粒分散来，防止颗粒聚粘，避免了划伤；(4)冷却作用，切割产生高热量，一部分被切割液带走，余下的热量大部分被晶体硅吸收，温度过高必然使硅晶片变形，因此要求切割液具备良好的冷却性能；(5)清洗作用，切割过程产生大量碎屑和硅粉，容易形成粘附，降低切割精度，造成切割线磨损，因此要求切割液可以包裹碎屑，使其溶液脱落清洗；(6)防锈作用，切削机床是钢铁材料，切割过程中切割液不断冲刷机床，易产生腐蚀，减小机床精度、缩短机床的寿命，因而，切削液应具备防锈性能。
目前，国产的金刚线切割液达不到工业生产要求且成本高；切割后的硅晶片表面总厚度偏差(TTV)达不到要求且硅晶片表面有变形的现象，切割时有脆性崩裂和划痕；切割液在使用一段时间后，润滑性和冷却性能大大下降，溶液腐败变质，严重限制了后期使用，切割液使用寿命短。我国大量中高端金刚线切割液依赖国外进口。
因此，研发一种能满足目前切割工艺，具有突出的润滑和冷却性能，安全环保、化学性质稳定且价格低廉的金刚线切割液，有利于加快推进金刚线切割技术的产业化步伐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于切割硅晶片的金刚线切割液，其通过改变配方中的组分及配比，使金刚线切割液具有突出的润滑和冷却性能，安全环保、化学性质稳定且价格低廉。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述金刚线切割液中各组分所占的重量百分比为：极压剂1-13％，缓蚀剂1-5％，润滑剂0.3-2％，有机碱0.2-6％，乳化剂0.2-0.6％，消泡剂0.1-0.5％，耦合剂0.1-1.5％，余量为去离子水。
进一步地，所述的极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
其中R1、R6为甲基、乙基和苄基中的一种，R2、R3为羟基、磷酸基、氨基、氯原子和氢原子中的一种，n的取值为2-15；R4、R5为甲基、乙基、丙基、异丙基、对甲基苯基、氯原子和氢原子中的一种，m的取值为5-20。
进一步地，所述的缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
其中R7、R10为羟甲基、羧甲基、羧乙基、甲基和乙基中的一种，R8为羧基、羧甲基和羧乙基中的一种，R9为羟基、甲基和氢原子中的一种，n1的取值为1-5。
进一步地，所述的润滑剂包括磺化蓖麻油、聚氧乙烯烷基酚醚、聚烷氧基丙二醇、磷酸二甲酯和聚烷基乙二醇醚中的至少一种。
进一步地，所述的有机碱包括三乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺、异丙醇胺、1,3-丙二胺和四甲基乙二胺中的至少一种。
进一步地，所述的乳化剂包括辛基苯酚聚氧乙烯醚、山梨糖醇单油酸酯、十二烷基磺酸钠、石油磺酸钠和硬脂酸钠中的至少一种。
进一步地，所述的消泡剂包括甘油三羟基聚醚、聚氧丙烯季戊四醇醚、二甲基硅油和聚醚改性硅油中的至少一种。
进一步地，所述的耦合剂为丁基卡必醇。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供的金刚线切割液，配方中，缓蚀剂主要是起缓蚀防锈作用，由于金刚线切割设备是由金属部件构成，这样切割液不会造成对设备的腐蚀，保护了切割设备；有机碱主要用于调节酸碱度，切割液实际为碱性；乳化剂则是由于切割液是将物质溶解在水中，其中有部分有机物，加入乳化剂可使得溶解更加充分，溶液更加稳定；耦合剂可以使溶液性质稳定；且其中每个组分的综合作用，能够使得金刚线切割液具有突出的润滑渗透性和防锈性，尤其是极压剂、润滑剂和乳化剂协同作用，进而使磨粒子细小、分散均匀，金刚线切割液的物理和化学性质稳定，高温不易分解；切割液抗腐蚀性能强，不易变质，使用及贮存时间长，价格低廉，有效降低了生产成本，有利于工业化大生产。
(2)通过该配方制备的金刚线切割液，切割液使用时散热性能好、冷却性能佳；且切割后的硅晶片精度和质量高，表面平整、光洁；此外，本极压剂为有机聚合物，含有多种官能团，极压性能优越于传统极压剂，可有效提升产品性能，减少切削阻力，提高切削效率，同时还可提高产品的储存稳定性，缓蚀剂则是优选的性能优异的物质，抗腐蚀能力强，物质自身性能稳定，高温不易分解，适用于金刚线切割液的缓蚀作用。
具体实施方式
本发明用于切割硅晶片的金刚线切割液，该金刚线切割液中各组分所占的重量百分比为：极压剂1-13％，缓蚀剂1-5％，润滑剂0.3-2％，有机碱0.2-6％，乳化剂0.2-0.6％，消泡剂0.1-0.5％，耦合剂0.1-1.5％，余量为去离子水。
具体地，极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
其中R1、R6为甲基、乙基和苄基中的一种，R2、R3为羟基、磷酸基、氨基、氯原子和氢原子中的一种，n的取值为2-15；R4、R5为甲基、乙基、丙基、异丙基、对甲基苯基、氯原子和氢原子中的一种，m的取值为5-20。
缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
其中R7、R10为羟甲基、羧甲基、羧乙基、甲基和乙基中的一种，R8为羧基、羧甲基和羧乙基中的一种，R9为羟基、甲基和氢原子中的一种，n1的取值为1-5。
润滑剂包括磺化蓖麻油、聚氧乙烯烷基酚醚、聚烷氧基丙二醇、磷酸二甲酯和聚烷基乙二醇醚中的至少一种。
有机碱包括三乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺、异丙醇胺、1,3-丙二胺和四甲基乙二胺中的至少一种。
乳化剂包括辛基苯酚聚氧乙烯醚、山梨糖醇单油酸酯、十二烷基磺酸钠、石油磺酸钠和硬脂酸钠中的至少一种。
消泡剂包括甘油三羟基聚醚、聚氧丙烯季戊四醇醚、二甲基硅油和聚醚改性硅油中的至少一种。
耦合剂为丁基卡必醇。
实施例1
本实施例用于切割硅晶片的金刚线切割液，该金刚线切割液按其重量份百分比为：极压剂1％、缓蚀剂5％、润滑剂2％、有机碱6％、乳化剂0.6％、消泡剂0.5％、耦合剂1.5％和去离子水83.4％。
本实施例中，极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
分子结构式中R1为甲基，R2为氯原子，R3为氢原子，R4为甲基，R5为氢原子，R6为苄基，n＝7，m＝12；缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
分子结构式中R7为甲基，R8为羧基，R9为羟基，R10为乙基，n1＝2；润滑剂为聚氧乙烯烷基酚醚；有机碱为三乙醇胺；乳化剂为山梨糖醇单油酸酯；消泡剂为二甲基硅油；耦合剂为丁基卡必醇。
实施例2
本实施例用于切割硅晶片的金刚线切割液与实施例1相比，改变各组分的重量百分比，各组分不变。
本实施例金刚线切割液按其重量份百分比为：极压剂13％、缓蚀剂1％、润滑剂0.3％、有机碱0.2％、乳化剂0.2％、消泡剂0.1％、耦合剂0.1％和去离子水85.1％。
本实施例中，极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
分子结构式中R1为甲基，R2为氯原子，R3为氢原子，R4为甲基，R5为氢原子，R6为苄基，n＝7，m＝12；缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
分子结构式中R7为甲基，R8为羧基，R9为羟基，R10为乙基，n1＝2；润滑剂为聚氧乙烯烷基酚醚；有机碱为三乙醇胺；乳化剂为山梨糖醇单油酸酯；消泡剂为二甲基硅油；耦合剂为丁基卡必醇。
实施例3
本实施例用于切割硅晶片的金刚线切割液与实施例1相比，改变各组分的重量百分比，各组分不变。
本实施例金刚线切割液按其重量份百分比为：极压剂7％、缓蚀剂3％、润滑剂1.5％、有机碱3.1％、乳化剂0.4％、消泡剂0.3％、耦合剂0.8％和去离子水83.9％。
本实施例中，极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
分子结构式中R1为甲基，R2为氯原子，R3为氢原子，R4为甲基，R5为氢原子，R6为苄基，n＝7，m＝12；缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
分子结构式中R7为甲基，R8为羧基，R9为羟基，R10为乙基，n1＝2；润滑剂为聚氧乙烯烷基酚醚；有机碱为三乙醇胺；乳化剂为山梨糖醇单油酸酯；消泡剂为二甲基硅油；耦合剂为丁基卡必醇。
实施例4
本实施例用于切割硅晶片的金刚线切割液与实施例3相比，改变极压剂、缓蚀剂和润滑剂，其他组分不变，且各组分的重量配比也不变。
本实施例金刚线切割液按其重量份百分比为：极压剂7％、缓蚀剂3％、润滑剂1.5％、有机碱3.1％、乳化剂0.4％、消泡剂0.3％、耦合剂0.8％和去离子水83.9％。
本实施例中，极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
分子结构式中R1为甲基，R2为氢原子，R3为磷酸基，R4为氯原子，R5为氢原子，R6为苄基，n＝9，m＝10；缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
分子结构式中R7为甲基，R8为羧基，R9为羟基，R10为乙基，n1＝3；润滑剂为磺化蓖麻油；有机碱为三乙醇胺；乳化剂为山梨糖醇单油酸酯；消泡剂为二甲基硅油；耦合剂为丁基卡必醇。
实施例5
本实施例用于切割硅晶片的金刚线切割液与实施例4相比，改变极压剂、润滑剂、有机碱和乳化剂，其他组分不变，且各组分的重量配比也不变。
本实施例金刚线切割液按其重量份百分比为：极压剂7％、缓蚀剂3％、润滑剂1.5％、有机碱3.1％、乳化剂0.4％、消泡剂0.3％、耦合剂0.8％和去离子水83.9％。
本实施例中，极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
分子结构式中R1为甲基，R2为氯原子，R3为氢原子，R4为乙基，R5为氢原子，R6为苄基，n＝3，m＝17；缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
分子结构式中R7为甲基，R8为羧基，R9为羟基，R10为乙基，n1＝3；润滑剂为聚烷基乙二醇醚；有机碱为单乙醇胺和异丙醇胺，其中，单乙醇胺为2.1％，异丙醇胺为1％；乳化剂为辛基苯酚聚氧乙烯醚；消泡剂为二甲基硅油；耦合剂为丁基卡必醇。
以上实施例制得的金刚线切割液经检测的各项指标如下表1所示。
表1各实施例制得的金刚线切割液的各项指标
为了突出本发明所制备的金刚线切割液的优点，将各实施例与市售金刚线切割液进行测试对比，性能测试结果如下表2所示。
结论：本发明所制备的金刚线切割液主要用于单晶硅和多晶硅等非金属脆硬材料的金刚砂线切割；具有突出的润滑渗透性和防锈性，由上表可以看出，金刚线切割液放置沉淀，实施例1—5上清液体积比市售的上清液体积小，因而本发明比市售的分散性能好，切割时散热性能好、冷却性能佳；切割后的硅晶片精度和质量高，表面平整、光洁；切割液的物理和化学性质稳定，高温不易分解；抗腐蚀性能强，不易变质，使用及贮存时间长，价格低廉，有效降低了生产成本，有利于工业化大生产。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述金刚线切割液中各组分所占的重量百分比为：极压剂1-13％，缓蚀剂1-5％，润滑剂0.3-2％，有机碱0.2-6％，乳化剂0.2-0.6％，消泡剂0.1-0.5％，耦合剂0.1-1.5％，余量为去离子水。
2.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的极压剂为有机聚合物，分子结构式为：
其中R1、R6为甲基、乙基和苄基中的一种，R2、R3为羟基、磷酸基、氨基、氯原子和氢原子中的一种，n的取值为2-15；R4、R5为甲基、乙基、丙基、异丙基、对甲基苯基、氯原子和氢原子中的一种，m的取值为5-20。
3.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的缓蚀剂为有机羧酸，分子结构式为：
其中R7、R10为羟甲基、羧甲基、羧乙基、甲基和乙基中的一种，R8为羧基、羧甲基和羧乙基中的一种，R9为羟基、甲基和氢原子中的一种，n1的取值为1-5。
4.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的润滑剂包括磺化蓖麻油、聚氧乙烯烷基酚醚、聚烷氧基丙二醇、磷酸二甲酯和聚烷基乙二醇醚中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的有机碱包括三乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺、异丙醇胺、1,3-丙二胺和四甲基乙二胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的乳化剂包括辛基苯酚聚氧乙烯醚、山梨糖醇单油酸酯、十二烷基磺酸钠、石油磺酸钠和硬脂酸钠中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的消泡剂包括甘油三羟基聚醚、聚氧丙烯季戊四醇醚、二甲基硅油和聚醚改性硅油中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的用于切割硅晶片的金刚线切割液，其特征在于：所述的耦合剂为丁基卡必醇。
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