硅片切割液的配制工艺研究

武汉理工大学本科生毕业设计（论文）硅片切割液的配制工艺研究学院（系） ： 化工学院专业班级： 化工 0903 班学生姓名： 周五萍指导教师： 朱焱学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“ √ ” ）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日目录摘 要 .1Abstract .21 绪论 .31.1 国内外光伏产业研究状况 .31.1.1 能源危机 .31.1.2 中国的常规能源和可再生能源 .31.1.3 世界光伏工业的发展 .31.1.4 中国光伏产业发展状况 .41.2 国内外硅晶片切割液研究现状 .41.3 硅片加工发展状况 .51.4 硅片切割工艺 .51.4.1 硅片制造工序 .51.4.2 内圆切割和线切割的加工能力比较 .51.5 硅片切割液主要性能 .61.5.1 切割液的性能 .61.5.2 切割液的作用 .61.6 切割液的组成 .81.6.1 渗透剂 .81.6.2 螯合剂 .81.6.3 润滑剂 .91.6.4 防锈剂 .91.7 聚乙二醇（ PEG）与碳化硅（ SiC）之间的相互作用 .91.7.1 空间位阻作用 .91.7.2 静电作用 .91.8 本文主要研究内容 .102. 实验 .112.1 药品仪器 .112.2 配方及其选择原则 .122.2.1 配方 .122.2.2 选择原则 .122.3 粘温特性测试 .132.3.1 粘温特性 .132.3.2 粘温特性的测试 .142.4 挂线性能测试 .142.4.1 设计挂线性能实验 .142.4.2 挂线性能测试步骤 .152.5 悬浮性能测试 .152.6 与硅粉的反应性 .153 结果与讨论 .163.1 聚乙二醇的选择 .163.1.1 聚乙二醇分子量的选择 .163.1.2 聚乙二醇投入量的选择 .163.2 切割液粘温特性 .163.2.1 粘温特性数据 .163.2.2 粘温特性曲线 .183.2.3 粘度变化率 .233.2 表面活性剂对碳化硅挂线性能影响 .243.2.1 挂线性能测试 .243.2.2 挂线性能结果分析 .263.3 切割液总的挂线性能测试结果 .263.3.1 悬浮性能测试 .263.3.2 悬浮率结果分析 .273.3.3 总的挂线性能测试结果 .274 结论 .28参考文献 .29致谢 .31武汉理工大学学位论文1摘 要本文主要研究了硅片切割过程中所用的切割液的配制工艺研究，旨在探索最优的配方。具体涉及有，硅片切割液的配方研究，配制工艺条件的研究，以及性能测试。论文选取了不同分子量的聚乙二醇，测定在聚乙二醇不同投入量下的切割液的粘度及其粘温特性，选取符合粘度度要求 40mpa.s-80mpa.s 的不同分子量的聚乙二醇的投入量范围。论文研究了三种表面活性剂（非离子表面活性剂 OP-7，阴离子表面活性剂 TXP-10，阳离子表面活性剂吗啡啉）单独使用及复配使用时对切割液挂线性能的影响，其中非离子表面活性剂 OP-7及其与阳离子表面活性剂的复配型符合切割液的挂线性能的要求。论文探究了符合切割液挂线性能的最优配方。本文的特色在于研究了符合粘度范围内的四个点的粘温特性及不同表面活性剂的挂线性能。关键词 ：硅片切割液; 聚乙二醇; 粘温特性; 表面活性剂; 挂线性武汉理工大学学位论文2AbstractThis paper mainly studies the cutting fluid used in silicon wafer cutting process,mainlyinvolved silicon cutting fluid formulation researching, researchthe production conditions, andthe performancetests.The papersselectedthe different molecular weight of polyethylene glycol (peg), measuredthe cutting fluid ’s viscosity and viscosity-temperature properties under different mass ofpolyethylene glycol (peg) , selecting conform to the requirementsof the degreeof viscosity of 40mpa.s - 80 mpa.s of different molecular weight of polyethylene glycol (peg) ’s range of inputs.The paper studied on three kinds of surfactants,non-ionic surfactant OP - 7, anionic surfactantTXP - 10, cationic surfactant morphine Lin) used alone and combined use of cutting fluid ’shangedline, affecting the performanceof the nonionic surfactant OP - 7 and its complex matcheswith cationic surfactants in line with the requirements of cutting fluid hang line performance.Paperexplores accordwith cutting fluid hangline performanceoptimal formula.Characteristicof this paper is to study the conform to the viscosity rangeof the four pointsof viscosity-temperaturecharacteristicsand different surfactantshang line performance.Keywords : the silicon wafer cutting liquid ; polyethylene glycol ; viscosity-temperaturecharacteristics; surfactant; hanglinear.武汉理工大学学位论文31 绪论1.1 国内外光伏产业研究状况1.1.1 能源危机能源问题是 21世纪人类社会可持续发展所面临的重大挑战之一。目前，全球总能耗的74%来自煤、石油、天然气等化石能源。据估计，石油和天然气将在未来 40-60年间枯竭，中国的时间表还要早得多。寻求新的能源成为越来越紧迫的问题。另一方面，使用化石能源所产生的温室气体和其它有害物质排放也日益威胁人类的正常发展。 1997年 150多个国家签署的《京都议定书》要求世界各国改变能源利用方式，从煤和石油逐渐转化为可再生能源，减少温室气体排放，彻底改变人类社会发展与能源短缺、环境污染之间的矛盾。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用是最终解决常规能源特别是化石能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径，是人类理想的替代能源。1.1.2 中国的常规能源和可再生能源无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的 10％。从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源，因此世界上多数发达国家和部分发展中国家都十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用。为了促进可再生能源的发展，这些国家不仅加大了对可再生能源技术研发的投入，同时从立法和政策方面采取措施支持可再生能源的开发和利用。在新的可再生能源中，光伏发电是发展最快的，也是各国竞相发展的重点。中国是一个能源生产大国，也是一个能源消费大国。我国政府重视可再生能源（主要有水能、风能、生物质能、太阳能、地热能和海洋能等）技术的发展。可再生能源是可循环利用的清洁能源，是满足人类社会可持续发展需要的最终能源选择。目前，小水电、风电、太阳热水器和沼气等可再生能源技术已经成熟，生物质供气和发电技术也接近成熟，具有广阔的发展前景。预计今后 20-30 年内，可再生能源将逐步从弱小地位走向能源主角，将对经济和社会发展做出重大贡献。1.1.3 世界光伏工业的发展在过去的 10 年中，世界光伏发电的市场增长迅速，连续 8 年年发货量的增长超过30％，光伏发电市场的增长主要得益于欧洲（尤其是德国）、日本和美国的鼓励政策，目前 70％以上的太阳电池用于并网发电系统 [1]。武汉理工大学学位论文41.1.4 中国光伏产业发展状况光伏产业包括晶体硅原材料制造、硅锭 /硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等整个产业链及相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。我国太阳能电池的生产有以下几个特点：（ 1）发展迅速，呈爆发式增长。 2005年新建生产能力超过以往历年的总和；（ 2）市场需求旺盛，一些大厂的订货已经排到 2006甚至 2007年；（ 3）原材料紧缺影响了电池生产能力的发挥；同时一部分劣质原料因缺乏统一控制进入市场；（ 4）在引进、消化和吸收基础上，太阳电池生产技术已接近或达到国际先进水平；（ 5）企业技术力量依然不足，人才缺乏，缺少技术更新和创新能力。技术进步是降低光伏发电成本、促进光伏产业和市场发展的重要因素。 30年来光伏产业专用设备制造业的技术提升是光伏工业发展的重要标志之一，它对光伏工业发展和降低光伏发电成本起到了举足轻重的作用。多线切割机为降低太阳电池成本起到了重要的作用。多线切割机 (Multi-Wire-Saw) ，以极高的生产效率和出片率，广泛应用在超薄大直径太阳能级硅片加工领域。在太阳电池的成本中硅片几乎占了 60%的成本。所以利用线切割设备的先进工艺和技术特性来降低硅片成本，节约原材料，提高生产效率，正成为该领域目前关注的热点难点课题 [1]。1.2 国内外 硅 晶片切割液研究现状近年来，随着人们环保意识的加强，世界各国高度重视太阳能这一绿色资源，太阳能电池被广泛应用，随之而来的硬脆性材料硅等晶体的应用迅猛发展，单晶硅、多晶硅硅片等硬脆性材料在近 5年出现供不应求的局面。而对于晶片切割的主要附材之一的切割液的研究、 生产、 应用也相当活跃从世界各国线切割液的发展来看， 大体都是从油基切割液 （以矿物油为主要成份的油性切割液，其中含有矿物油、防腐蚀剂、抗极压剂等物质，油性切削液易燃、对环境污染较大，同时清洗晶片时需要含氯的烷烃溶剂，对人体有致癌作用，故使用越来越少）逐渐发展到水基切割液，水基切割液配方组成及如何提高切割效率、降低切割损失、减小切割损伤等成为近 10年来业内人士的关注焦点 [2]。我国对硬脆性材料的线切割液的研究起步较晚，大约在 1990 年以后才开始对线切割设备、切割工艺等的理论进行初步探讨研究，关于切割液的研究比较少。河北工业大学是国内较早研究硬脆性材料线切削液的单位， 2001 年河北工业大学刘玉岭、 檀柏梅等人重点研究了硅切割液的作用机理及相应切割液成分选择的理论依据，着重指出切割液的渗透性能在硅片线切割方面的作用。在之后的几年里又对切割液与金刚砂的混合悬浮液进行了研武汉理工大学学位论文5究，并指出切割时使用具备高悬浮、高润滑、高粘滞、高冷却性能的砂浆悬浮液可以有效降低切割应力，减小切割损伤层。日、美、德、意、英等国是硬脆性材料线切割发展较早、技术较为先进的国家。对于切割液组成、应用的研究，国外申请了诸多专利，尤其是日本 [3]，对线切割机及切割液的研究、应用均处于世界领先水平 [4]。1.3 硅片加工发展状况国际绿色能源工程飞速发展和世界范围内的能源危机使国际市场上的硅光电源呈现出历史上从未有过的火爆局面。随着国际硅光电源市场的飞速发展和科学技术的不断进步，国际上对太阳能级硅单晶及硅片提出了越来越高的要求。目前，成本问题是制约太阳光伏电池大规模应用的瓶颈。要真正使太阳能成为替代能源，太阳电池的发电成本必须接近常规发电方式的成本。目前在太阳电池成本中硅片几乎占了 50%的成本，为提高光电转换效率，降低生产成本 ,提高原材料利用率，太阳能级硅片必然向超薄方向，大直径方向发展，而且急需准方形硅片 [5]。1.4 硅片切割工艺1.4.1 硅片制造工序硅片制造工艺通常为：生长单晶 → 滚外圆 → 切割 → 倒角 → 研磨 → 抛光 → 激光检测 → 外延生长。硅片切割是晶片制造的关键工序之一，切割质量不仅影响到后续的研磨、抛光、刻蚀等工序， 而且还会影响到半导体器件制成品的最终质量和太阳电池的转换效率。 因此，研究硅片切割工艺，对提高硅片的成品率、质量、提高加工效率、降低加工成本有着重要的指导意义；对于加工大直径硅片，促进我国半导体事业发展有深远的意义 [6]。1.4.2 内圆切割和线切割的加工能力比较随着超大规模集成电路和太阳电池的迅速发展，对晶片的表面质量要求越来越高。而线切是制备高质量晶片的关键工序。内圆切割过程是刀片内圆上的金刚石微粒磨削晶体的过程。线切割是研磨式切割过程，切削液是研磨剂，在金属线的压力下切割晶体。用 X射线双晶衍射测量，对内圆切割硅片和线切割硅片表面质量进行了对比，发现线切割硅片表面的微裂纹和严重畸变、损伤层厚度明显小于内圆切割，主要是因为线切割的金属线柔性大，减小了切割时的残余应力。线切割技术优点是效率高，硅棒切损小，切割的硅片表面损伤层较浅，片子质量人为因素少。但线切割技术也有其弱点：（ 1）是片厚平均误差较大；（ 2）切割过程的成功率要求较高，风险大，一但断丝而不可挽救时，直接浪费一根单晶棒；（ 3）是不能实现单片质量控制，一次切割完成后，才能检测一批圆片的切割质武汉理工大学学位论文6量，并且圆片之间切割质量也不相同。随着硅片大直径化的发展，线切割技术是硅片切割的主流技术，在规模化晶片切割中取代内圆切割技术。因此人们加大了对 200mm以上线切割机工艺的研究，以解决其技术上的不足 [1]。本设计做的就是用于线切割的硅片切割液。1.5 硅片切割液主要性能1.5.1 切割液的性能性能优良的且切割液兼有切削、粘滞、冷却三大功能，在切割液中加入的研磨砂主要成份为 SiC，加入研磨砂后的切割液又称砂浆。常用切割液为无色透明液体，具有粘滞性，能携带 SiC颗粒随线网一起运动。具有高悬浮、高粘滞、高润滑等特性的切割液能够有效降低硅片表面损伤应力，减小硅片的切割损伤层，提高切割速度 [1]。切割液的主要性能分析如下：（ 1）切割液能吸附在 SiC颗粒表面上产生的位垒，使颗粒分散开来，达到分散、悬浮的特性；提高 SiC的分散稳定能力，防止颗粒团聚粘结，避免在硅片表面形成短粗的浅划伤，所以切割液的分散剂是切割液的主要成分，具有非常重要的作用。（ 2）切割液的润滑作用能减小 SiC颗粒对硅片的强机械摩擦，使硅片表面与 SiC间的摩擦转化为润滑膜分子间的内摩擦，使摩擦副运动平稳，提高切削速度；摩擦生热小，减小了切割损伤，应力和微裂所谓润滑作用，是指切割液渗入线网 ―― 硅片及线网 ―― 碎屑之间形成润滑膜。由于有这层润滑膜，使得这些界面的摩擦减轻，切削热、 SiC颗粒磨损、硅片表面损伤均减小。（ 3）切割液的渗透性为其重要性质，渗透性表现为液体的粘度和浸润性。切割前沿温度很高，高温可使悬浮液呈汽化分解状态渗入切割前沿，气体比液体粘性力小，即使微小的间隙也能渗入。切割液渗入高温切割前沿区域内，通过对流和汽化把切削过程产生的热量带走，降低切割前沿温度，减少碱性切割液对硅片表面的氧化作用以及精细工件的热变形，使硅片的表面化学作用一致性好，并且它本身还应具备良好的散热能力。（ 4）切割过程产生的大量碎屑和硅粉，容易互相粘结并且粘附在硅片和线网上，影响硅片表面粗糙度，降低切割精度，因此要求切割液具有清洗功能，其与液体的渗透性，流动性，粘度等因素有关。切割液中含有表面活性剂，可以包附在碎屑周围，使其容易脱落清洗，并附着在硅片表面抑止周围颗粒的污染 [7]。1.5.2 切割液的作用切割液最关键的参数为降低摩擦力，降低磨损层，减小应力和微裂，提高效率与刀具寿命，降低换线率，防止设备生锈，使切片清洁易清洗。这些主要与切割液的成分选择有关，为此分析研究如下 :武汉理工大学学位论文71.5.2.1 减小摩擦在线与被切入的硅片之间加入切割液后形成润滑膜，将摩擦表面隔开，使硅片表面与线间的摩擦转化为具有较低抗剪切强度的润滑膜分子间的内摩擦，从而降低摩擦阻力和能源消耗，减小了损伤。应力与微裂，使摩擦副运动平稳，提高切割速率，延长线锯寿命。1.5.2.2 减少磨损在硅的切割中，主要是由于应力和原子间力而产生磨损，应力产生磨料磨损与扩散磨损，原子间力产生粘结磨损线与硅表面接触时或相对运动时。实际上只在若干个微凸端解理面产生接触， 这些接触点应力很大， 产生塑性变形， 接触点由于粘着和焊合而形成结点，剪切发生在强度较低的材料一方，则强度较高材料表面上将粘附较软的材料而产生磨损，就会造成硅表面出现刀痕，微裂，损伤层加大，线寿命减少，又由于应力主要集中在一些孤立的点上，会产生位错和扩散磨损，即金属杂质随应力的加大和温度的升高而逐渐扩散到硅片中去。而加入切割液后在刀具与硅片之间可形成一层润滑膜，使结合点的强度低于摩擦中任一材料的剪切强度，即可在二者原来的接触面处剪断，则可降低磨损，又由于形成一层润滑膜，使线与硅片的接触面积增大，从而降低了各个孤立点的温度与应力，也就减少了位错与扩散磨损，同时又增加了线锯的寿命，减少微裂与损伤，降低了换线率。1.5.2.3 冷却作用依靠切割液对流导热和气化，把切割热从固体与线，切屑和硅片之间带走，降低切割时的温度，减少工件变形，保持线的硬度和尺寸。切割液的冷却作用取决于它的热参数值，特别是比热容和热导率，单晶硅的切割过程中机械带动的线锯切割硅，具有较高的温度，切割液的主要目的应用于冷却，水具有较高的比热容和大的热导率，又考虑到水可大量节约能源 .并减少对环境的污染，因此选用水基合成切割液。1.5.2.4 清洗作用在硅的切割过程中，切屑，油污等物易粘附在硅片表面和线上，影响切削效果，使机床和工件变脏，切割液中的表面活性剂一方面能吸附各种粒子，油泥，并在硅表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油污粘附在线和硅表面上。另一方面可渗入到粒子和油污粘附的界面上， 把粒子和油污从界面分离， 随切割液带走。 而起到清洗作用， 使硅片表面洁净。1.5.2.5 防锈作用切割液略显弱碱性， pH值在 8左右，在与机床，线接触时，切割液与机床，线表面的一层金属碱性氧化物不会发生反应，即不会发生腐蚀，又可在线表面形成一层保护膜，防止线被氧化 [8]。武汉理工大学学位论文81.6 切割液的组成1.6.1 渗透剂切割液的渗透性是切割液的一个重要性能。切割液的冷却效果，润湿效果及润滑作用都会受到渗透性的影响。渗透性好的切割液能迅速渗透到切屑，线界面和线，硅片界面，提高切割的冷却效果并且可在线与硅片界面上形成润滑膜，从而降低摩擦系数。减小切割阻力，起到良好的润滑作用。此外，良好的渗透性能使切割液渗入线锯前端。渗透压以及表面活性物质的分子链的长短有关。下面我们分别从这三个方面加以论述表面张力。切割液本身的表面张力是关键因素， 表面张力大， 液体的内聚作用大， 液体分子的渗透性就弱，因此，降低液体的表面张力可提高液体的渗透性，这就涉及到表面活性物质的使用表面活性物质溶于水， 可起到降低液体表面张力的作用 ,表面活性物质降低液体表面张力的根本原因是通过吸附作用使水表面形成定向吸附层，以分子间吸引力较弱的疏水基代替分子间作用力较强的水分子使空气和水的接触面积减少，从而使水的表面张力急剧下降。非离子表面活性剂有如下优点 :1）它在水溶液中以分子状态存在，稳定性好，不受强电解质存在的影响，也不受酸碱的影响； 2）在固体表面难以发生强烈吸附便于以后清洗； 3）又有较好的相容性，可以和其他类型的表面活性剂很好的混合使用，且在降低水的表面张力 cmc，这两个基本性质上非离子表面活性剂优于离子型表面活性剂，因为它的分子不带电，容易靠拢，易形成胶团及致密的表面吸附层，所以 cmc值较小，而降低表面张力较大即有较高的表面活性； 4）随着石油工业的发展，原料成本降低，非离子表面活性剂可得到较广泛的应用，所以，在切割液中应用非离子表面活性剂 [7]。1.6.2 螯合剂重金属 ( 主要来自线锯 )，其能级处于硅晶体的禁带中央，即称之为；深能级杂质，起着电子和空穴的复合中心作用，使晶体中少子寿命大大下降，漏电流增大，这些重金属杂质在硅中尤其是在高温下有很大的扩散系数，当硅单片在高温下反复加工时，杂质就扩入衬底内层，在 IC制备种，使其漏电流增大 PN结击穿软，材料电阻率也会发生变化，且这些快速杂质极易在晶体中的缺陷处沉淀。 在沉淀周围产生应力或使 PN结扭曲， 这是经常造成PN结漏电流增大，击穿软的主要原因。因此螯合剂的使用已成为必不可少，螯合剂含有两个或多个能给予电子对的原子，且这些原子之间要相间两个或多个其它原子。这些能给予电子对的原子与金属离子络合成环状的螯合物，从而使金属离子不再向硅片内扩散，一般来说能给予电子对的原子越多形成的环越多，螯合物越稳定，金属离子越不易逃逸。武汉理工大学学位论文91.6.3 润滑剂作为一种切割液应考虑其综合性能的提高润油性也是一个不可忽略的性能。表面活性剂起润滑作用的为憎水剂烃链且在烃链中含有苯环时润滑效果较好但同时还应考虑到它的其他性能即是否溶于水对其他表面活性剂的影响如何，一般润滑剂选择的依据为了有良好的润油性选择憎水基烃链中含有苯环较佳能溶于水不会很大的影响到溶液的渗透性从而使其综合性能提高 【 9】 。1.6.4 防锈剂选择有机醇胺碱理由如下 :使溶液呈现弱碱性一般所用的氨水有机胺等有较大的挥发性有刺激性气味。对人体有害不宜使用 有机醇胺可使溶液呈现碱性同时可提高表面活性剂溶液的表面活性降低表面张力能提高溶液的综合性能 【 10】 。1.7 聚乙二醇（ PEG）与碳化硅（ SiC）之间的相互作用1.7.1 空间位阻作用SiC与非电解质 PEG之间的吸附作用力有 ,氢键 ,Vander Waals力 ,偶极子的弱静电引力 ,其中以氢键吸附为主 ,见下图 1.1所示：图 1.1 SiC与 PEG之间的氢键作用PEG吸附在 SiC表面后 ,链的一端吸附在 SiC表面 ,另一端伸向远处 ,并吸附另外的一颗SiC颗粒，形成空间位阻作用 .从而达到分散 SiC的目的。如果砂浆里面混入了水分 , 水分子为强极性分子， H2O更容易和 PEG之间形成氢键 .在 PEG量一定的情况下 ,如果键部分被 H2O占据 ,那么 SiC吸附的量就减小了 ,引起砂子悬浮能力不足而大量沉降，从而影响切割过程中的稳定性和硅片的质量。因而如何防止水进入砂浆成为总多切片企业的关键控制点。1.7.2 静电作用SiC在有机单体溶液中 ,其 Zeta电位取决于 PH值 ,颗粒表面的不饱和键位既可以被正离武汉理工大学学位论文10子填充 ,也可以被负离子填充 .一般在有机单体溶液中 SiC的等电点在 PH=3.9附近 .当 PH3.9时 ,颗粒表面的负电荷密度大于正电荷 ,Zeta电位为负。切片所用的砂浆， PH值一般控制在 5-8，在此范围内， Zeta电位为负， SiC颗粒表面被负电荷填充，整个颗粒表现出负电荷，在负电荷的静电作用下， SiC颗粒之间形成静电排斥力。这种静电排斥力会阻止颗粒之间的相互团聚，从而使颗粒之间相互分散开来 【 11】 。1.8 本文主要研究内容目前，全球的光伏行业进入了一个前所未有的跳跃式发展阶段。随着市场对于太阳能级晶体硅片降低成本的迫切需求， 线切割技术正越来越广泛的应用于硅片的切割工艺中 【 2】 。线切割液的需求日益增大。 本课题选择制备水基硅片切割液。 选择的主要成分是聚乙二醇，加入其它的试剂，制成切割液，加入磨料微粒为 SiC，通过检测各性能指标来检验切割液的质量。以此再来改变配比重复试验，直到选出最优配比。具体主要研究内容如下：（ 1）研究硅片切割液的配方组成；（ 2）探究在符合粘度范围内三种分子量的聚乙二醇的投入量的范围；（ 3）研究在投入范围内分别取四个点的粘温特性曲线；（ 4）研究不同表面活性剂组合对挂线性能及悬浮性能的影响。武汉理工大学学位论文112. 实验2.1 药品仪器表 2.1 实验药品名称 规格 厂家聚乙二醇200分析纯 国药集团化学试剂有限公司聚乙二醇600分析纯 国药集团化学试剂有限公司聚乙二醇6000分析纯 国药集团化学试剂有限公司JFC 分析纯 邢台市梃亿发助剂厂OP-7 分析纯 国药集团化学试剂有限公司三乙醇胺 分析纯 国药集团化学试剂有限公司EDTA 分析纯 国药集团化学试剂有限公司碳化硅微粉 600 目 江阴巨能微粉科技有限公司硅微粉 1250目新沂市宏润石英硅微粉有限公司TXP-10 分析纯 国药集团化学试剂有限公司吗啡啉 分析纯 国药集团化学试剂有限公司表 2.2 实验仪器名称 型号 产地多功能磁力搅拌器 HJ-5 常州普天仪器制造有限公司旋转粘度计 NDJ-5S上海平轩科学仪器有限公司武汉理工大学学位论文122.2 配方及其选择原则2.2.1 配方经过查找资料阅读文献，综合一下文献的内容，设计出了参考配方：金属线切断加工机用水溶性切削液 [3] ，半导体材料的线切割液 [12] ，一种水溶性硅料切削液的组成和应用组合 [13]，一种脆硬性材料水剂切割液及其制备方法和应用 [14]。具体实验步骤：本实验用 NDJ－ 5s型旋转粘度计测量切割液的粘度，用 HJ-5 多功能搅拌器恒温水浴加热。 1000ml 的烧杯中加入约 200ml 的水做为水浴。药品依次按量加入 500ml 的小烧杯中，将小烧杯放入大烧杯中用水浴加热。将磁力搅拌器的感温探头插入小烧杯外壁与大烧杯内壁之间的水浴中。温度控制在 60℃，打开磁力搅拌，保温一小时。表 2.3 配方药品 质量百分含量（ %） 作用聚乙二醇 200-10000 10-90 分散剂JFC 1-5 渗透剂三乙醇胺 8-30 使切割液呈碱性OP-7 0.5-5 表面活性剂EDTA 0.5-5 螯合剂去离子水 0-70 溶剂2.2.2 选择原则2.2.2.1 分散剂聚乙二醇切割液与砂砾混合配制成砂浆用于硅片的切割，虽然实际操作过程中有搅拌机进行搅拌使砂砾很好的悬浮在切割液中，但是切割液本身的分散性也是很重要的。所以要选择合适的分散剂。聚乙二醇作为粘度适当的分散剂，可以吸附在固体颗粒表面而产生足够高的位垒和电垒，不仅阻碍颗粒相互接近聚结，也能促使固体颗粒团开裂三开，可保证线切割液的悬浮性能。同时，该分散剂在固体颗粒团受机械力作用出现微裂缝时，能渗入到微细裂缝中去定向排列于固体颗粒表面而形成化学能的劈裂作用，分散剂继续沿裂缝向深处扩展而有利于切割效率的提高。而且聚乙二醇具有良好的水溶性，具有优良的润滑性 【 15】 。2.2.2.2 渗透剂 JFC渗透剂兼有润滑剂作用，有良好的气泡力和消泡力，能极大的降低线切割液的表面张武汉理工大学学位论文13力，使本线切割液具有良好的渗透性，使线切割液很容易渗透到线锯与硅棒之间，具有减小浆料，切割与切割表面之间的摩擦作用，有效的降低机械损伤，提高晶棒的利用率。良好的渗透性促使线切割液即使均匀的作用于线锯与硅棒之间，保证其化学作用的连关心及一致性，并充分发挥线切割液的冷却作用，防止硅片表面热应力的积累。同事也可以防止线锯的金属离子在温升的情况下向硅片表面扩散，降低金属离子对硅片的污染。渗透剂 JFC是聚氧乙烯仲烷基醇醚，具有良好的渗透性能。2.2.2.3 表面活性剂表面活性剂加入切割液中主要是降低表面张力，提高液体的吸附性，表面活性剂种类可以分为非离子表面活性剂，阳离子表面活性剂，阴离子表面活性剂，两性离子表面活性剂等。在这里前期探索不同分子量聚乙二醇投入范围的实验中加入的表面活性剂是非离子表面活性剂 OP-7，非离子表面活性剂的优点前面已述，这里不再赘述了 【 16】 。2.2.2.4 有机醇胺碱三乙醇胺胺碱是一种有机醇，使线切割液呈碱性，可与硅发生化学反应，胺碱产生的氢氧根离子与硅反应，均匀的作用于硅片的加工表面，可使硅片剩余损伤层小，减小了后面工序加工量，有利于降低生产成本。碱性切割液对金属有钝化作用，避免线切割液腐蚀设备和线锯，减少断线率。常用的有羟乙基乙二胺和三乙醇胺。这里选择三乙醇胺。2.2.2.6 螯合剂 EDTA目前 通常使用的螯合剂是乙二胺四乙酸及其二钠盐，但钠离子的引入对微电子的危害较大 因此不宜使用。这里选择的螯合剂为乙二胺四乙酸 EDTA 。2.3 粘温特性测试2.3.1 粘温特性前期探索实验可以得出以下结构，温度太低了固体无法溶解，温度太高了会变色，所以实验的温度确定为 60℃，搅拌时间短了混合不完全，所以搅拌时间定为 60 分钟较好。聚乙二醇的分子量有很多种，我选择其中的三个分子量进行实验。切割过程中由于线与硅片表面有摩擦会产生大量的热量，切割液作用时要带走大量的热量，则切割液必须有较大的比热系数，切割液是附着于线上面作用于切割表面的，所以切割液的吸附性要好，悬浮性要好，有一定的粘度。但是切割过程中的温度是变化的，不是恒温的，一般流体的粘度都是随着温度的升高粘度会降低的。所以对于切割液很很总要的一个指标就是粘度随温度的变化情况。本设计的方案是 :在聚乙二醇 200， 聚乙二醇 600， 聚乙二醇 6000 这三个分子量中选出武汉理工大学学位论文14在符合切割液粘度要求下各自的投入量范围。实验具体步骤（以一个实验为列子） ：取聚乙二醇 200 65g，依次加入 1.5gJFC,1.5gOP-7,1g EDTA,8g 三乙醇胺，还有 23g 去离子水于烧杯中，水浴条件下恒温 60℃保温一小时。并在各个投入量范围下均匀选取四个点，做 12 组实验，测定在 20-80℃下同样四个点的粘度，从 20℃ -40℃ -60℃ -80℃ -60℃ -40℃ -20℃，这里有两个过程，一个是升温过程一个是降温过程。从中选取粘温特性最好的一组分子量的投入量，此时加入的表面活性剂为OP-7。2.3.2 粘温特性的测试粘度与温度的关系（粘温特性） ：在硅片的切割过程中会产生大量的热量，虽然切割液有冷却的作用， 但是也不能立即将热量带走， 如果切割液的粘度随温度的变化很大， SiC微分就不能很好的悬浮在其中，粘度过大，切割液的流动性就差，粘度过小， SiC 微分沉积，切割效果不好，硅片表面损伤大。液体粘度与温度的关系非常密切。粘度与温度并不成线性关系，它与温度范围有关，温度越低粘温关系越密切。液体的粘性来自分子引力，温度升高，分子间的距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，液体粘度就降低。测试步骤：取部分样品加入 500ml的小烧杯中，将小烧杯放入大烧杯中用水浴加热。将磁力搅拌器的感温探头插入小烧杯外壁与大烧杯内壁之间的水浴中。先由室温 20℃上升到 80℃，测定温度上升过程中悬浮液的粘度变化。测定的四个点分别为 20℃ ,40℃ ,60℃，80℃。再逐渐使悬浮液自然冷却回复到室温，测定温度下降过程中悬浮液的粘度变化，温度依次为 80℃， 60℃， 40℃， 20℃。具体测量方式为： 使用的仪器为 NDJ-5s型旋转粘度计。准备一个容器，容器的容积应该小于制备的切割液样品的体积。将部分制备好的切割液倒入容器中，切割液不能溢出来，将转子放入容器中（粘度高的用号大的转子，反之则反），转子应与容器之间有间隔，二者之间为切割液，切割液的高度要漫过转子上面的凹槽。调节转速，当右边的方格为 8格满格且不变化时，读数即为切割液的粘度。2.4 挂线性能测试2.4.1 设计挂线性能实验表面活性剂有吸附，分散的作用，当切割液中的分散剂确定时，表面活性剂对切割液的吸附性能及分散性能有决定性的作用，在切割时，切割液应悬挂在线上面作用于切割部位进行切割过程，所以表面活性剂对挂线性能有很大影响。故表面活性剂的选择主要由挂线性能来判别。继续设计实验是为了选择较好的表面活性剂，本设计中有三种表面活性剂供选择，非离子表面活性剂 OP-7（烷基酚聚氧乙烯醚） ，阴离子表面活性剂 TXP-10（酚醚磷酸酯） ，阳离子表面活性剂吗啡啉（ 1,4-氧氮杂环己烷，分子式 C4H9NO） ，这三种表面活武汉理工大学学位论文15性剂中非离子表面活性剂在相容性及降低水的表面张力这两个性能上优于其余两种，所以选择第一种表面活性剂为非离子表面活性剂 OP-7， 现在探究加入其余的两种表面活性剂与非离子表面活性剂复配效果怎样，其余两种分别与 OP-7 组合，共有 4 组实验。设计的四个实验为：表 2.4 表面活性剂组合实验实验号OP-7质量百分比 %TXP-10质量百分比 %吗啡啉质量百分比 %1 1.5 0 02 1 0.5 03 1 0 0.54 0.5 0.5 0.5除表面活性剂外其余添加剂的投入量及具体实验步骤如前所述，不改变。2.4.2 挂线性能测试步骤用于硅片线切割的线一般有一下几种： 直径为 0.1-0.3mm的黄铜丝， 直径为 0.08-0.2mm的钼丝，直径为 0.03-0.1mm的钨丝及直径为 0.1-0.3mm的包芯丝。 1,2,3,4这四个实验进行挂线性能测试： 将长度大约为 1m直径为 0.1-0.3mm的黄铜丝浸润到切割液中， 经过 30s后拿出，拉直，观察液珠在铜丝上的排列情况。挂在线上面的液珠颗粒均匀且大，排列均匀，间隔小的挂线性能好，实验说明 3号实验挂线性能好。2.5 悬浮性能测试分别取 1,2,3号实验的切割液 50ml于烧杯中，加入 50g的绿 SiC（ w14/600#） ,搅拌 30min，倒入带塞子的量筒中，静置 48h后读取液面高度。澄清液高度小的则悬浮性能好。根据实验数据，证明 1号和 3号实验的悬浮性能好。2.6 与硅粉的反应性取三号实验的切割液 15ml于烧杯中，加入 1g硅微粉（ 1250目），搅拌 1小时，看有无明显现象。经观察无明显现象发生。则认为切割液与硅粉不反应。武汉理工大学学位论文163 结果与讨论3.1 聚乙二醇的选择3.1.1 聚乙二醇分子量的选择聚乙二醇是切割液的主要成分，投入量占很大的百分比。切割液的粘度，分散性，悬浮性，润滑性，吸附性等都与聚乙二醇有很大的关系，所以研究聚乙二醇的分子量和投入量很重要。聚乙二醇的分子量从 200-20000 有很多种。因为聚乙二醇 200 是液态的，聚乙二醇 600 是粘稠的液体，而聚乙二醇 6000 为片状的固体，这三个分子量比较有代表性。故选择这三种来研究。3.1.2 聚乙二醇投入量的选择通过上面表 2.3 中的实验配方及实验步骤进行实验，可以得到三种分子量的聚乙二醇在符合粘度要求 40mpa.s-80mpa.s条件下的各自投入量分别为：表 3.1 聚乙二醇投入量范围聚乙二醇分子量 投入量 %200 65-75600 45-606000 25-303.2 切割液粘温特性3.2.1 粘温特性数据聚乙二醇 200（ PEG200）在各投入量下所制备的切割液的