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編者按：金剛線切割技術(shù)是利用電鍍或樹(shù)脂粘結(jié)的方法將金剛石磨料固結(jié)在鋼線表面，將金剛線直接作用于硅棒或硅錠表面產(chǎn)生磨削，達(dá)到切割的效果，目前市場(chǎng)上常遇見(jiàn)制絨發(fā)白問(wèn)題，本篇分析其問(wèn)題原因以及改善建議。

金剛線切割技術(shù)也被稱為固結(jié)磨料切割技術(shù)。它是利用電鍍或樹(shù)脂粘結(jié)的方法將金剛石磨料固結(jié)在鋼線表面，將金剛線直接作用于硅棒或硅錠表面產(chǎn)生磨削，達(dá)到切割的效果。金剛線切割具有切割速度快，切割精度高，材料損耗低等特點(diǎn)。

目前單晶市場(chǎng)上對(duì)金剛線切割硅片已經(jīng)完全接受，但在推進(jìn)過(guò)程中也遇到過(guò)，其中制絨發(fā)白是最常見(jiàn)的問(wèn)題。針對(duì)此，本文重點(diǎn)分析了如何預(yù)防金剛線切割單晶硅片制絨發(fā)白的問(wèn)題。

金剛線切割單晶硅片清洗工序是將線鋸機(jī)床切割完畢的硅片從樹(shù)脂板上脫離下來(lái)，將膠條去除后，將硅片清洗干凈。清洗設(shè)備主要是預(yù)清洗機(jī)(脫膠機(jī))和清洗機(jī)。預(yù)清洗機(jī)的主要清洗流程為：上料-噴淋-噴淋-超聲清洗-脫膠-清水漂洗-下料。清洗機(jī)的主要清洗流程為：上料-純水漂洗-純水漂洗-堿洗-堿洗-純水漂洗-純水漂洗-預(yù)脫水(慢提拉)-烘干-下料[1]。

2單晶制絨的原理

單晶硅片制絨是利用堿液對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕的特點(diǎn)來(lái)制備絨面。反應(yīng)原理如下化學(xué)反應(yīng)方程式

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

從本質(zhì)上講,絨面形成過(guò)程是:NaOH溶液對(duì)不同晶面的腐蝕速率不同，(100)面的腐蝕速度比(111)面大十倍以上,所以(100)晶向的單晶硅片經(jīng)各向異性腐蝕后，最終在表面形成許許多多表面為(111)的四面方錐體,即"金字塔"結(jié)構(gòu)(如圖1)。此結(jié)構(gòu)形成后，當(dāng)光入射到一定角度的金字塔斜面，光會(huì)反射到另一角度的斜面，形成二次或更多次吸收，從而減少硅片表面的反射率，即陷光效應(yīng)(如圖2)。"金字塔"結(jié)構(gòu)的大小與均勻性越好，陷光效應(yīng)越明顯，硅片表面發(fā)射率越低。



3單晶制絨發(fā)白的原因分析

對(duì)制絨發(fā)白的硅片進(jìn)行了掃描電鏡的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)制絨發(fā)白的區(qū)域其制絨后的金字塔微結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有形成，表面似乎有一層"蠟狀"的殘留物，而同一張硅片未出現(xiàn)發(fā)白區(qū)域的絨面的金字塔結(jié)構(gòu)形成較好(如圖3)。如果單晶硅片表面局部區(qū)域有殘留物，會(huì)造硅片表面有殘留區(qū)域"金字塔"結(jié)構(gòu)大小和均勻性生成與效果較正常區(qū)域有不足，從而造成有殘留區(qū)域制絨表面反射率較正常區(qū)域高，反射率高的區(qū)域?qū)Ρ日^(qū)域在視覺(jué)上體現(xiàn)為發(fā)白。從發(fā)白的區(qū)域分布形狀可以看出，其并不是有規(guī)律或者規(guī)則的形狀大面積出現(xiàn)的，而只是局部區(qū)域出現(xiàn)的，應(yīng)該是硅片表面局部的污染物沒(méi)有被清洗干凈，或者硅片表面局面被二次污染導(dǎo)致的。


金剛線切割硅片表面更光潔、損傷更小(如圖4)，相對(duì)與砂漿硅片來(lái)說(shuō)，相對(duì)于來(lái)說(shuō)堿液跟金剛線切割硅片表面的反應(yīng)速度較砂漿切割單晶硅片要慢，所以表面殘留物對(duì)制絨效果的影響更加明顯。


4金剛線切割硅片表面主要?dú)埩魜?lái)源

(1)冷卻液：金剛線切割冷卻液的主要成分是表面活性劑、分散劑、消泡劑和水等成分。性能優(yōu)良的切割液具有良好的懸浮性、分散性和易清洗性。表面活性劑通常都能夠有較好的親水性，在硅片清洗過(guò)程中比較容易清洗掉。這些助劑在水中不斷攪拌和循環(huán)會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，導(dǎo)致冷卻液流量下降，冷卻性能受到影響，泡沫嚴(yán)重甚至?xí)霈F(xiàn)泡沫溢出等問(wèn)題，嚴(yán)重影響使用。故通常冷卻液都會(huì)配合消泡劑使用。傳統(tǒng)的有機(jī)硅、聚醚類的消泡劑為保證消泡性能，消泡劑通常親水性差，在水中溶劑破乳析出，容易在在后續(xù)清洗中非常容易吸附并殘留在硅片表面，從而產(chǎn)生制絨白斑問(wèn)題。且不能與冷卻液的主體成分很好的配伍，故必須制成雙組份，使用稀釋時(shí)主體成分和消泡劑分別加入水中稀釋，使用過(guò)程中要根據(jù)泡沫情況需要進(jìn)行補(bǔ)加，無(wú)法定量控制消泡劑的使用和補(bǔ)加量，很容易使得消泡劑過(guò)量使用，導(dǎo)致硅片表面殘留物增加，操作起來(lái)也較不方便，但由于其主體成分原料和消泡劑原料價(jià)格比較低廉，故國(guó)內(nèi)大多數(shù)冷卻液均采用此種配方體系;另一種冷卻液采用新型的消泡劑，可以與主體成分很好的配伍，不需要補(bǔ)加，能夠有效的定量控制其用量，可有效防止過(guò)量使用，操做起來(lái)也非常方便，配合適當(dāng)?shù)那逑垂に?，其殘留物可以控制到很低水平，日本和?guó)內(nèi)少數(shù)廠家采用此種配方體系，但由于其原料成本較高，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)并不明顯。

(2)膠水及樹(shù)脂版：

金剛線切割過(guò)程的后期，靠近進(jìn)線端硅片已經(jīng)提前切透，出線端硅片還未切透，提前切透的金剛線已經(jīng)開(kāi)始切割到膠層和樹(shù)脂版，由于硅棒膠水和樹(shù)脂板都是環(huán)氧樹(shù)脂類的產(chǎn)品，其軟化點(diǎn)基本在55-95℃之間，如果膠層或者樹(shù)脂板的軟化點(diǎn)偏低很容易在切割過(guò)程中發(fā)熱導(dǎo)致其變軟熔化，附著在鋼線和硅片表面，造成金剛線的切割能力下降，或者硅片收到樹(shù)脂沾污，一旦附著后就很難清洗掉，此類污染多發(fā)生在硅片的出刀面邊緣附近。

(3)硅粉：在金剛線切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量硅粉，隨著切割的進(jìn)行，砂漿冷卻液中的微粉含量會(huì)越來(lái)越高，當(dāng)微粉量足夠大時(shí)，便會(huì)粘附在硅片表面，而且金剛線切割產(chǎn)生的硅粉的粒型和粒徑導(dǎo)致其更容易吸附在硅片表面，使其難以清洗干凈。因此，在進(jìn)行硅塊切割時(shí)要保證冷卻液的更新量和質(zhì)量，降低冷卻液中的微粉含量。

(4)清洗劑：目前使用金剛線切割的廠家大多同時(shí)在使用砂漿切割，大多還是沿用砂漿切割的預(yù)沖洗、清洗的工藝和清洗劑等，單金剛線切割技術(shù)從切割機(jī)理、配套的線、冷卻液等都與砂漿切割存在較大的差異，故其相應(yīng)的清洗工藝，清洗劑用量、配方等都應(yīng)針對(duì)金剛線切割做成相應(yīng)的調(diào)整。清洗劑就是一個(gè)重要的方面，原有的清洗劑配方中的表面活性劑、堿度等不一定適合清洗金剛線切割的硅片，應(yīng)針對(duì)金剛線硅片的表面情況、冷卻液中的成分及表面殘留物的情況開(kāi)發(fā)有針對(duì)性的清洗劑，并采取與之配合的清洗工藝。如前所述的消泡劑成分，就是砂漿切割中不需要的成分。

(5)水：金剛線切割、預(yù)沖洗及清洗溢流的水中如果含有雜質(zhì)，可能會(huì)吸附到硅片表面。

5減少制絨發(fā)白問(wèn)題出現(xiàn)建議

(1)使用分散性好的冷卻液，要求冷卻液使用低殘留的消泡劑，減少冷卻液成分在硅片表面的殘留;

(2)使用適合的膠水和樹(shù)脂板，減少對(duì)硅片的污染;

(3)冷卻液使用純水稀釋，確保使用的水中沒(méi)有易殘留的雜質(zhì);

(4)針對(duì)金剛線切割的硅片表面情況，使用活性及清洗效果更適合的清洗劑;

(5)使用金剛線冷卻液在線回收系統(tǒng)，降低切割過(guò)程中硅粉的含量，從而有效控制硅粉在硅片表面殘留，同時(shí)也可以增加對(duì)預(yù)沖洗中水溫、流量、時(shí)間的改善，確保硅粉及時(shí)沖洗干凈

(6)硅片一經(jīng)放到清洗臺(tái)上，必須馬上進(jìn)行處理，在整個(gè)清洗過(guò)程中讓硅片保持濕潤(rùn)。

(7)硅片在脫膠過(guò)程中保持表面濕潤(rùn)，不能自然干燥。

(8)硅片在清洗過(guò)程中盡可能減少裸露在空氣中的時(shí)間，以防止硅片表面產(chǎn)生花片。

(9)清洗工作人員在整個(gè)清洗過(guò)程中不得直接接觸硅片表面，必須佩帶橡膠手套，以免產(chǎn)生指紋印。

(10)參考文獻(xiàn)[2]中電池片端使用雙氧水H2O2+堿NaOH按照體積比為1:26(3%NaOH溶液)清洗工藝，可有效減少制絨白斑問(wèn)題的發(fā)生。其原理類似于半導(dǎo)體硅晶圓片的SC1清洗液(俗稱一號(hào)液)。其主要作用機(jī)理：硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜，該氧化膜又被NaOH腐蝕，腐蝕后立即又發(fā)生氧化，氧化和腐蝕反復(fù)進(jìn)行，因此附著在硅片表面的顆粒(如硅粉、樹(shù)脂、金屬等)也隨腐蝕層而落入清洗液內(nèi);由于H2O2的氧化作用，晶片表面的有機(jī)物被分解成CO2、H2O而被去除。此清洗工藝目前已經(jīng)有硅片廠家采用此工藝處理清洗的金剛線切割單晶硅片，硅片在國(guó)內(nèi)和臺(tái)灣等電池廠家批量使用未有制絨發(fā)白問(wèn)題的投訴。也有電池廠家也有采用類似的制絨預(yù)清洗工藝，也有效的控制了制絨發(fā)白出現(xiàn)的。可見(jiàn)在硅片清洗環(huán)節(jié)增加此清洗工藝來(lái)去除硅片殘留從而有效解決電池片端制絨發(fā)白問(wèn)題。

6總結(jié)

目前，金剛線切割已經(jīng)成為單晶切割領(lǐng)域的主要加工技術(shù)，但在推進(jìn)過(guò)程中制絨發(fā)白的問(wèn)題一直困擾著硅片和電池廠家，導(dǎo)致電池廠家對(duì)金剛線切割的硅片出現(xiàn)了一些抵觸。通過(guò)對(duì)發(fā)白區(qū)域的比對(duì)分析，得出制絨發(fā)白主要是硅片表面有殘留物造成的制絨不良。為了更好的防止硅片在電池片端的制絨發(fā)白問(wèn)題，本文分析可能造成硅片表面污染的可能的來(lái)源，以及生產(chǎn)中的改善建議及措施。可以根據(jù)白斑發(fā)生的數(shù)量、區(qū)域、形狀等有針對(duì)性的進(jìn)行成因分析和改善。特別建議采用雙氧水+堿的清洗清洗工藝，成功的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明可以有效的預(yù)防金剛線切割硅片制絨發(fā)白的問(wèn)題，供廣大業(yè)內(nèi)人士和廠家參考。

原標(biāo)題：金剛線切割單晶硅片制絨白斑成因分析及改善建議