線切割單、多晶硅機床砂漿液調配的研究

侯 賀 李金杰

(①大連連城數控機器有限公司，遼寧大連116036;②大連機床集團有限責任公司，遼寧大連116020)

太陽能硅片的線切割機理就是機器導輪在高速運轉中帶動鋼線，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，在鋼線的高速運轉中與壓在線網上的工件連續發生摩擦，完成切割的過程。在整個切割過程中，對硅片的質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給速度等。本文對砂漿液調配做以下研究。

1 砂漿的配制

砂漿的配制對硅片的切割質量至關重要，是一個很重要的工藝參數，通過對QP1663多線切片機的實驗研究取得了一定的成果。

1.1 砂漿的調配比

線切割機切割硅材料的砂漿是由碳化硅磨料(SiC)和聚乙二醇調配而成。調配比例為，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。

以上是大連連城數控機器有限公司的調配比例。

1.2 砂漿調配和使用中的注意事項

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

(2)漿液的備制，至少在使用前24 h把漿準備好。

(3)砂漿不能有沉積，要經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情況，配制好的漿液要不停地攪拌。

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

(5)在切割過程中，漿液吸收大量熱量，本機采用專門的冷卻水系統，通過熱交換器對漿溫進行自動控制，力求把切割區的漿溫控制在25℃左右。

2 砂漿的一些性質的研究

研究切割液的應用性能，也就是要研究砂漿的性質，包括砂漿粘度的變化、經時穩定性和懸浮穩定性。

2.1 砂漿瞬時粘度考察

我們選擇4個國內常用的牌號A、B、C、D碳化硅砂，切割液均采用遼寧奧克切割液OXSi-205，進行砂漿粘度考察。考察結果如圖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，不同企業生產的同樣牌號的碳化硅砂，砂漿的粘度差別很大。如液砂質量比為1∶0.92時，不同碳化硅企業砂漿粘度有100～300 Pa·s的差值;而液砂質量比為1∶1時，不同碳化硅企業砂漿粘度有200～500 Pa·s的差值;而對于增大砂漿攪拌強度(不同線切割機砂漿循環泵功率)，砂漿粘度下降的規律也是不一致的。不同的原材料供應商、不同的切割機，切割的工藝條件也應該是有區別的。所以穩定的原材料供應對硅片生產企業是至關重要的。

2.2 砂漿經時粘度差異

我們采用同一牌號碳化硅、不同牌號水溶性切割液進行調配，液砂質量比1∶0.92條件下考察了砂漿的經時粘度變化。考察結果如圖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，不同企業生產的同類切割液，砂漿72 h的經時粘度差別很大。硅片生產企業地區分布較廣，環境條件差別很大，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，空氣濕度平均可以達到80% ～90%，這就要求砂漿具有良好的經時穩定性。也就是說對于硅片生產企業選擇性能穩定的原材料及嚴格控制生產車間的溫度、濕度是有穩定硅片質量作用的。

2.3 砂漿懸浮能力

我們采用同一牌號1200#碳化硅砂、不同牌號水溶性切割液進行調配，考察了砂漿48 h懸浮能力。考察結果如圖3所示。懸浮率測試為25℃下配砂∶液=80 g∶80 mL的砂漿，充分攪拌2～3 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內外不同牌號的切割液調配的砂漿48 h懸浮率區別較大，較好的切割液調配的砂漿48 h懸浮率可以達到70%以上。

3 結語

MB、HCT、NTC等機器，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就可以切得相當理想。即便出現配比比例更大，甚至砂漿密度達到1.67 kg/L左右都照樣不會有什么問題，只要砂漿粘度控制在200～250 Pa·s就可以。但是安永的機器要求砂漿密度不能高于1.57 kg/L，就是說只能控制在1.55～1.57 kg/L，砂漿粘度在150 Pa·s左右。這樣國內的硅片切割液就會出現砂漿密度配在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到150 Pa·s，密度就超過了1.57 kg/L，甚至超過了1.60 kg/L。砂漿粘度過大，直接的說法是會導致機器報警，其實更深層次的影響在于還有可能會導致硅片洗不干凈，出現灼傷硅片，或者電動機發熱，對機器本身的軸承造成很大的磨損。故不同機器開發設計的系統思維不同，因而對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.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2008.

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