線切割單、多晶硅機(jī)床砂漿液調(diào)配的研究

侯 賀 李金杰

(①大連連城數(shù)控機(jī)器有限公司，遼寧大連116036;②大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大連116020)

太陽(yáng)能硅片的線切割機(jī)理就是機(jī)器導(dǎo)輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中帶動(dòng)鋼線，從而由鋼線將聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂漿送到切割區(qū)，在鋼線的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中與壓在線網(wǎng)上的工件連續(xù)發(fā)生摩擦，完成切割的過(guò)程。在整個(gè)切割過(guò)程中，對(duì)硅片的質(zhì)量以及成品率起主要作用的是砂漿液的粘度、碳化硅微粉的粒型和粒度、砂漿的流量、鋼線的速度、鋼線的張力以及工件的進(jìn)給速度等。本文對(duì)砂漿液調(diào)配做以下研究。

1 砂漿的配制

砂漿的配制對(duì)硅片的切割質(zhì)量至關(guān)重要，是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)，通過(guò)對(duì)QP1663多線切片機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究取得了一定的成果。

1.1 砂漿的調(diào)配比

線切割機(jī)切割硅材料的砂漿是由碳化硅磨料(SiC)和聚乙二醇調(diào)配而成。調(diào)配比例為，1 kg碳化硅磨料∶1 L聚乙二醇，在配制好的每kg砂漿中含0.762 kg碳化硅磨料和0.762 L聚乙二醇。其中:碳化硅磨料的密度為 3.2 kg/L;聚乙二醇的密度為1.125 kg/L;砂漿的密度為 (1+1.125)/(1+0.312 5)=1.619 kg/L。

以上是大連連城數(shù)控機(jī)器有限公司的調(diào)配比例。

1.2 砂漿調(diào)配和使用中的注意事項(xiàng)

(1)碳化硅磨料要保持干燥，使用前應(yīng)把碳化硅磨料存儲(chǔ)在60℃的爐子里至少24 h。

(2)漿液的備制，至少在使用前24 h把漿準(zhǔn)備好。

(3)砂漿不能有沉積，要經(jīng)常檢查漿箱是否有沉積，在每次切割前要檢查各管路漿液流動(dòng)情況，配制好的漿液要不停地?cái)嚢琛?/p>

(4)管路流量由人工操作噴漿管前的球閥進(jìn)行控制，使之能持久、均勻地噴到鋼絲上。

(5)在切割過(guò)程中，漿液吸收大量熱量，本機(jī)采用專門的冷卻水系統(tǒng)，通過(guò)熱交換器對(duì)漿溫進(jìn)行自動(dòng)控制，力求把切割區(qū)的漿溫控制在25℃左右。

2 砂漿的一些性質(zhì)的研究

研究切割液的應(yīng)用性能，也就是要研究砂漿的性質(zhì)，包括砂漿粘度的變化、經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性和懸浮穩(wěn)定性。

2.1 砂漿瞬時(shí)粘度考察

我們選擇4個(gè)國(guó)內(nèi)常用的牌號(hào)A、B、C、D碳化硅砂，切割液均采用遼寧奧克切割液OXSi-205，進(jìn)行砂漿粘度考察。考察結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，在同樣溫度及操作條件下，采用相同的切割液，不同企業(yè)生產(chǎn)的同樣牌號(hào)的碳化硅砂，砂漿的粘度差別很大。如液砂質(zhì)量比為1∶0.92時(shí)，不同碳化硅企業(yè)砂漿粘度有100～300 Pa·s的差值;而液砂質(zhì)量比為1∶1時(shí)，不同碳化硅企業(yè)砂漿粘度有200～500 Pa·s的差值;而對(duì)于增大砂漿攪拌強(qiáng)度(不同線切割機(jī)砂漿循環(huán)泵功率)，砂漿粘度下降的規(guī)律也是不一致的。不同的原材料供應(yīng)商、不同的切割機(jī)，切割的工藝條件也應(yīng)該是有區(qū)別的。所以穩(wěn)定的原材料供應(yīng)對(duì)硅片生產(chǎn)企業(yè)是至關(guān)重要的。

2.2 砂漿經(jīng)時(shí)粘度差異

我們采用同一牌號(hào)碳化硅、不同牌號(hào)水溶性切割液進(jìn)行調(diào)配，液砂質(zhì)量比1∶0.92條件下考察了砂漿的經(jīng)時(shí)粘度變化。考察結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，在同樣溫度及不同空氣濕度的條件下，采用相同的碳化硅，不同企業(yè)生產(chǎn)的同類切割液，砂漿72 h的經(jīng)時(shí)粘度差別很大。硅片生產(chǎn)企業(yè)地區(qū)分布較廣，環(huán)境條件差別很大，如北京7～9月份平均空氣濕度75%，2～12月份平均空氣濕度30%;江浙 一帶6～7月份的霉雨季節(jié)，空氣濕度平均可以達(dá)到80% ～90%，這就要求砂漿具有良好的經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性。也就是說(shuō)對(duì)于硅片生產(chǎn)企業(yè)選擇性能穩(wěn)定的原材料及嚴(yán)格控制生產(chǎn)車間的溫度、濕度是有穩(wěn)定硅片質(zhì)量作用的。

2.3 砂漿懸浮能力

我們采用同一牌號(hào)1200#碳化硅砂、不同牌號(hào)水溶性切割液進(jìn)行調(diào)配，考察了砂漿48 h懸浮能力。考察結(jié)果如圖3所示。懸浮率測(cè)試為25℃下配砂∶液=80 g∶80 mL的砂漿，充分?jǐn)嚢?～3 min后，在100 mL量杯中緩慢加入100 mL砂漿，記錄48 h后清液高度。懸浮率=［(80-清液高度)/80］×100%。

從圖3可以看出，在同樣操作條件下，采用相同的碳化硅與國(guó)內(nèi)外不同牌號(hào)的切割液調(diào)配的砂漿48 h懸浮率區(qū)別較大，較好的切割液調(diào)配的砂漿48 h懸浮率可以達(dá)到70%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

MB、HCT、NTC等機(jī)器，要求硅片切割液和碳化硅微粉的配比比例一般控制在1∶0.92～0.95，砂漿密度在1.630～1.635 kg/L就可以切得相當(dāng)理想。即便出現(xiàn)配比比例更大，甚至砂漿密度達(dá)到1.67 kg/L左右都照樣不會(huì)有什么問(wèn)題，只要砂漿粘度控制在200～250 Pa·s就可以。但是安永的機(jī)器要求砂漿密度不能高于1.57 kg/L，就是說(shuō)只能控制在1.55～1.57 kg/L，砂漿粘度在150 Pa·s左右。這樣國(guó)內(nèi)的硅片切割液就會(huì)出現(xiàn)砂漿密度配在1.57 kg/L，可能砂漿粘度還不到120 Pa·s，而如果把砂漿粘度調(diào)到150 Pa·s，密度就超過(guò)了1.57 kg/L，甚至超過(guò)了1.60 kg/L。砂漿粘度過(guò)大，直接的說(shuō)法是會(huì)導(dǎo)致機(jī)器報(bào)警，其實(shí)更深層次的影響在于還有可能會(huì)導(dǎo)致硅片洗不干凈，出現(xiàn)灼傷硅片，或者電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，對(duì)機(jī)器本身的軸承造成很大的磨損。故不同機(jī)器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)思維不同，因而對(duì)砂漿的粘度要求也不同，即要求切割液的粘度也有所不同。

［1］王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］李保軍.硅單晶錠多線切割中砂漿作用的研究［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32(6).