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編者按：金剛線切割技術(shù)是利用電鍍或樹脂粘結(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，達到切割的效果，目前市場上常遇見制絨發(fā)白問題，本篇分析其問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。

目前單晶市場上對金剛線切割硅片已經(jīng)完全接受，但在推進過程中也遇到過，其中制絨發(fā)白是最常見的問題。針對此，本文重點分析了如何預(yù)防金剛線切割單晶硅片制絨發(fā)白的問題。

金剛線切割單晶硅片清洗工序是將線鋸機床切割完畢的硅片從樹脂板上脫離下來，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(脫膠機)和清洗機。預(yù)清洗機的主要清洗流程為：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單晶硅片進行各向異性腐蝕的特點來制備絨面。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,絨面形成過程是:NaOH溶液對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

對制絨發(fā)白的硅片進行了掃描電鏡的檢測，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)，相對與砂漿硅片來說，相對于來說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，所以表面殘留物對制絨效果的影響更加明顯。


4金剛線切割硅片表面主要殘留來源

(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，泡沫嚴重甚至?xí)霈F(xiàn)泡沫溢出等問題，嚴重影響使用。故通常冷卻液都會配合消泡劑使用。傳統(tǒng)的有機硅、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，使用稀釋時主體成分和消泡劑分別加入水中稀釋，使用過程中要根據(jù)泡沫情況需要進行補加，無法定量控制消泡劑的使用和補加量，很容易使得消泡劑過量使用，導(dǎo)致硅片表面殘留物增加，操作起來也較不方便，但由于其主體成分原料和消泡劑原料價格比較低廉，故國內(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，不需要補加，能夠有效的定量控制其用量，可有效防止過量使用，操做起來也非常方便，配合適當(dāng)?shù)那逑垂に?，其殘留物可以控制到很低水平，日本和國?nèi)少數(shù)廠家采用此種配方體系，但由于其原料成本較高，其價格優(yōu)勢并不明顯。

(2)膠水及樹脂版：

金剛線切割過程的后期，靠近進線端硅片已經(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)開始切割到膠層和樹脂版，由于硅棒膠水和樹脂板都是環(huán)氧樹脂類的產(chǎn)品，其軟化點基本在55-95℃之間，如果膠層或者樹脂板的軟化點偏低很容易在切割過程中發(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：在金剛線切割過程中會產(chǎn)生大量硅粉，隨著切割的進行，砂漿冷卻液中的微粉含量會越來越高，當(dāng)微粉量足夠大時，便會粘附在硅片表面，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，在進行硅塊切割時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)針對金剛線切割做成相應(yīng)的調(diào)整。清洗劑就是一個重要的方面，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發(fā)有針對性的清洗劑，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)，可能會吸附到硅片表面。

5減少制絨發(fā)白問題出現(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脂板，減少對硅片的污染;

(3)冷卻液使用純水稀釋，確保使用的水中沒有易殘留的雜質(zhì);

(4)針對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)，降低切割過程中硅粉的含量，從而有效控制硅粉在硅片表面殘留，同時也可以增加對預(yù)沖洗中水溫、流量、時間的改善，確保硅粉及時沖洗干凈

(6)硅片一經(jīng)放到清洗臺上，必須馬上進行處理，在整個清洗過程中讓硅片保持濕潤。

(7)硅片在脫膠過程中保持表面濕潤，不能自然干燥。

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

(9)清洗工作人員在整個清洗過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[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(俗稱一號液)。其主要作用機理：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)進行，因此附著在硅片表面的顆粒(如硅粉、樹脂、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，硅片在國內(nèi)和臺灣等電池廠家批量使用未有制絨發(fā)白問題的投訴。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。可見在硅片清洗環(huán)節(jié)增加此清洗工藝來去除硅片殘留從而有效解決電池片端制絨發(fā)白問題。

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)，但在推進過程中制絨發(fā)白的問題一直困擾著硅片和電池廠家，導(dǎo)致電池廠家對金剛線切割的硅片出現(xiàn)了一些抵觸。通過對發(fā)白區(qū)域的比對分析，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)白問題，本文分析可能造成硅片表面污染的可能的來源，以及生產(chǎn)中的改善建議及措施?？梢愿鶕?jù)白斑發(fā)生的數(shù)量、區(qū)域、形狀等有針對性的進行成因分析和改善。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