Технология резки алмазной проволокой также известна как технология абразивной резки с консолидацией. Она заключается в использовании метода гальванического покрытия или смоляного скрепления алмазного абразива, консолидированного на поверхности стальной проволоки, или непосредственного воздействия алмазной проволоки на поверхность кремниевого стержня или кремниевого слитка для шлифовки и достижения эффекта резки. Резка алмазной проволокой характеризуется высокой скоростью резки, высокой точностью резки и низкими потерями материала.
В настоящее время рынок монокристаллических кремниевых пластин, обрабатываемых алмазной проволокой, полностью освоен, однако в процессе продвижения он также сталкивается с проблемой образования бархатистой белизны. В связи с этим в данной статье рассматриваются способы предотвращения проблемы образования бархатистой белизны при обработке монокристаллических кремниевых пластин алмазной проволокой.
Процесс очистки монокристаллической кремниевой пластины, полученной алмазной проволокой, заключается в удалении пластины, вырезанной проволочной пилой, с полимерной пластины, удалении резиновой ленты и очистке пластины. Оборудование для очистки включает в себя, главным образом, предварительную очистку (обезжиривание) и очистку. Основной процесс очистки на предварительной очистке: подача-распыление-распыление-ультразвуковая очистка-обезжиривание-промывка чистой водой-подачивание. Основной процесс очистки на очистке: подача-промывка чистой водой-промывка чистой водой-щелочная промывка-щелочная промывка-промывка чистой водой-промывка чистой водой-предварительное обезвоживание (медленное поднятие) - сушка-подача.
Принцип изготовления монокристаллического бархата
Монокристаллическая кремниевая пластина характеризуется анизотропной коррозией. Принцип реакции описывается следующим уравнением химической реакции:
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑
По сути, процесс образования замши заключается в следующем: раствор NaOH обеспечивает различную скорость коррозии различных кристаллических поверхностей, скорость коррозии поверхности (100) выше, чем у (111), поэтому после анизотропной коррозии (100) монокристаллической кремниевой пластины на поверхности в конечном итоге образуется четырехгранный конус (111), а именно «пирамидальная» структура (как показано на рисунке 1). После образования структуры, когда свет падает на склон пирамиды под определенным углом, он отражается от склона под другим углом, образуя вторичное или более интенсивное поглощение, тем самым уменьшая отражательную способность на поверхности кремниевой пластины, то есть эффект захвата света (см. рисунок 2). Чем лучше размер и однородность «пирамидальной» структуры, тем более выражен эффект захвата и тем ниже поверхностная излучательная способность кремниевой пластины.
Рисунок 1: Микроморфология монокристаллической кремниевой пластины после щелочной обработки.
Рисунок 2: Принцип работы световой ловушки в структуре «пирамиды».
Анализ отбеливания монокристаллов
С помощью сканирующего электронного микроскопа было обнаружено, что пирамидальная микроструктура белой пластины в этой области практически не сформирована, а поверхность, по-видимому, покрыта слоем «воскового» налета, в то время как пирамидальная структура, напоминающая замшу, в белой области той же кремниевой пластины сформирована лучше (см. рис. 3). Если на поверхности монокристаллической кремниевой пластины присутствуют налеты, то на поверхности будет наблюдаться остаточная «пирамидальная» структура, размер и однородность которой будут недостаточными, в результате чего остаточная бархатистая поверхность будет иметь более высокую отражательную способность, чем обычная область, а область с высокой отражательной способностью визуально будет выглядеть белой. Как видно из формы распределения белой области, она не имеет правильной или правильной формы на больших площадях, а только в локальных областях. Вероятно, локальные загрязнения на поверхности кремниевой пластины не были удалены, или же состояние поверхности кремниевой пластины вызвано вторичным загрязнением.
Рисунок 3: Сравнение региональных различий в микроструктуре кремниевых пластин бархатисто-белого цвета.
Поверхность кремниевой пластины, обработанной алмазной проволокой, более гладкая, а повреждения меньше (как показано на рисунке 4). По сравнению с кремниевой пластиной, обработанной цементным раствором, скорость реакции щелочи с поверхностью кремниевой пластины, обработанной алмазной проволокой, ниже, чем у монокристаллической кремниевой пластины, обработанной цементным раствором, поэтому влияние остатков на поверхности на эффект бархатистой поверхности более выражено.
Рисунок 4: (A) Микрофотография поверхности кремниевой пластины, вырезанной из раствора; (B) микрофотография поверхности кремниевой пластины, вырезанной алмазной проволокой.
Основной остаточный источник поверхности кремниевых пластин, обработанных алмазной проволокой.
(1) Охлаждающая жидкость: основными компонентами охлаждающей жидкости для алмазной проволочной резки являются поверхностно-активные вещества, диспергаторы, пеногасители, вода и другие компоненты. Охлаждающая жидкость обладает отличными характеристиками: хорошей суспензией, дисперсией и легкостью очистки. Поверхностно-активные вещества обычно обладают лучшими гидрофильными свойствами, что облегчает их удаление в процессе очистки кремниевых пластин. Непрерывное перемешивание и циркуляция этих добавок в воде приводят к образованию большого количества пены, что снижает поток охлаждающей жидкости, влияет на эффективность охлаждения и вызывает серьезные проблемы с пенообразованием и даже переливом пены, что серьезно сказывается на использовании. Поэтому в качестве охлаждающей жидкости обычно используется пеногаситель. Для обеспечения пеногасящих свойств традиционные силиконы и полиэфиры обычно обладают низкой гидрофильностью. Растворитель в воде очень легко адсорбируется и остается на поверхности кремниевой пластины при последующей очистке, что приводит к проблеме белых пятен. Он плохо совместим с основными компонентами охлаждающей жидкости, поэтому его необходимо изготавливать из двух компонентов: основных компонентов и пеногасителей, добавляемых в воду. В процессе использования, в зависимости от пенообразования, невозможно количественно контролировать использование и дозировку пеногасителей, что может легко привести к передозировке, увеличению остатков на поверхности кремниевой пластины и неудобству в эксплуатации. Однако из-за низкой стоимости сырья и пеногасителей, большинство отечественных охлаждающих жидкостей используют именно эту формулу. Другая охлаждающая жидкость использует новый пеногаситель, который хорошо совместим с основными компонентами, не содержит добавок, позволяет эффективно и количественно контролировать его количество, эффективно предотвращая чрезмерное использование, а также очень удобна в использовании. При правильной очистке количество остатков можно свести к минимуму. В Японии и некоторых отечественных производителях используется эта формула, однако из-за высокой стоимости сырья ее ценовое преимущество не столь очевидно.
(2) Вариант с клеем и смолой: на более позднем этапе процесса алмазной резки кремниевая пластина у входящего конца уже прорезана, а кремниевая пластина на выходном конце еще не прорезана. Алмазная проволока, прорезанная на ранней стадии, начинает резать резиновый слой и смоляную пластину. Поскольку кремниевый стержень и смоляная пластина являются эпоксидными смолами, их температура размягчения обычно составляет от 55 до 95℃. Если температура размягчения резинового слоя или смоляной пластины низкая, они могут легко нагреваться во время резки, размягчаться и плавиться, прилипая к стальной проволоке и поверхности кремниевой пластины, что снижает режущую способность алмазной линии, или кремниевые пластины попадают на смолу и загрязняются ею, и после попадания смолы ее очень трудно смыть. Такое загрязнение чаще всего происходит у края кремниевой пластины.
(3) Кремниевый порошок: в процессе алмазной резки образуется большое количество кремниевого порошка, и с увеличением размера частиц порошка в охлаждающей жидкости его содержание возрастает. Когда порошок становится достаточно крупным, он прилипает к поверхности кремния, а размер частиц кремниевого порошка, образующегося при алмазной резке, способствует его адсорбции на поверхности кремния, что затрудняет очистку. Поэтому необходимо обеспечить обновление и качество охлаждающей жидкости, а также снизить содержание порошка в ней.
(4) Чистящее средство: в настоящее время производители алмазной проволоки в основном используют одновременно и резку раствором, и очистку раствором, и чистящее средство, и т. д. Технология алмазной резки одним инструментом, начиная с механизма резки, образует полный комплект линий. Охлаждающая жидкость и резка раствором имеют большие различия, поэтому соответствующий процесс очистки, дозировка чистящего средства, состав и т. д. должны быть соответствующим образом скорректированы для алмазной резки. Чистящее средство является важным аспектом. Исходная формула чистящего средства, содержащая поверхностно-активные вещества и щелочи, не подходит для очистки кремниевых пластин, полученных алмазной резкой. Необходимо использовать чистящее средство, соответствующее поверхности кремниевой пластины, составу и остаткам на поверхности, и применять его в процессе очистки. Как упоминалось выше, пеногаситель не требуется при резке раствором.
(5) Вода: вода, используемая при резке алмазной проволокой, предварительной промывке и очистке, содержит примеси, которые могут адсорбироваться на поверхности кремниевой пластины.
Рекомендации по решению проблемы появления седых волос на бархатных волосах
(1) Использовать охлаждающую жидкость с хорошей дисперсией, при этом охлаждающая жидкость должна быть обработана пеногасителем с низким содержанием остатков для уменьшения остатков компонентов охлаждающей жидкости на поверхности кремниевой пластины;
(2) Используйте подходящий клей и смолу для уменьшения загрязнения кремниевой пластины;
(3) Охлаждающая жидкость разбавляется чистой водой, чтобы гарантировать отсутствие легкодоступных остаточных примесей в используемой воде;
(4) Для поверхности кремниевой пластины, вырезанной алмазной проволокой, более подходящим чистящим средством является средство, обладающее большей активностью и очищающим эффектом;
(5) Использование системы онлайн-рекуперации охлаждающей жидкости алмазной линии позволяет снизить содержание кремниевого порошка в процессе резки, что эффективно контролирует остатки кремниевого порошка на поверхности кремниевой пластины. В то же время, это также позволяет улучшить температуру, расход и время предварительной промывки воды, чтобы обеспечить своевременную промывку кремниевого порошка.
(6) После того, как кремниевая пластина помещена на стол для очистки, ее необходимо немедленно обработать и поддерживать влажность кремниевой пластины на протяжении всего процесса очистки.
(7) В процессе обезжиривания кремниевая пластина сохраняет свою поверхность влажной и не может высохнуть естественным образом. (8) В процессе очистки кремниевой пластины время воздействия воздуха можно максимально сократить, чтобы предотвратить образование «цветков» на поверхности кремниевой пластины.
(9) Персонал, занимающийся уборкой, не должен напрямую контактировать с поверхностью кремниевой пластины в течение всего процесса очистки и должен носить резиновые перчатки, чтобы не оставлять отпечатков пальцев.
(10) В ссылке [2] для очистки батарей используется процесс очистки с помощью перекиси водорода H2O2 + щелочи NaOH в объемном соотношении 1:26 (3% раствор NaOH), что позволяет эффективно снизить вероятность возникновения проблемы. Принцип действия аналогичен процессу очистки полупроводниковой кремниевой пластины с использованием раствора SC1 (обычно известного как жидкость 1). Основной механизм: на поверхности кремниевой пластины образуется оксидная пленка в результате окисления H2O2, которая подвергается коррозии под действием NaOH, и окисление и коррозия повторяются многократно. Поэтому частицы, прикрепленные к кремниевому порошку, смоле, металлу и т. д., также попадают в чистящую жидкость вместе с коррозионным слоем; благодаря окислению H2O2 органические вещества на поверхности пластины разлагаются на CO2, H2O и удаляются. Этот процесс очистки используется производителями кремниевых пластин для очистки монокристаллических кремниевых пластин, полученных алмазной проволокой, а также производителями батарей в Китае и Тайване, которые часто используют этот процесс для устранения проблемы «белого бархата». Некоторые производители батарей также используют аналогичный процесс предварительной очистки от белого налета, что эффективно предотвращает появление белого налета. Видно, что этот процесс очистки добавляется к процессу очистки кремниевых пластин для удаления остатков кремния, что эффективно решает проблему белого налета на концах батарей.
заключение
В настоящее время алмазная проволочная резка стала основной технологией обработки в области резки монокристаллов, однако в процессе ее внедрения проблема образования бархатистой белизны стала проблемой для производителей кремниевых пластин и батарей, что привело к некоторому сопротивлению со стороны производителей батарей при алмазной проволочной резке кремниевых пластин. Сравнительный анализ белых участков показал, что они в основном вызваны остатками на поверхности кремниевой пластины. Для более эффективного предотвращения этой проблемы в ячейках, в данной работе анализируются возможные источники загрязнения поверхности кремниевых пластин, а также предлагаются рекомендации и меры по улучшению производства. На основе количества, области и формы белых пятен можно проанализировать причины и принять меры по их устранению. Особенно рекомендуется использовать процесс очистки с помощью перекиси водорода и щелочи. Успешный опыт показал, что это эффективно предотвращает проблему образования бархатистой белизны на кремниевых пластинах, образующихся при алмазной проволочной резке, и эта информация будет полезна специалистам отрасли и производителям.
Дата публикации: 30 мая 2024 г.