專利名稱：一種磨料經過表面活性劑處理的水基切削液及其制備方法
技術領域：
本發明涉及晶體硅片切割過程中所用切削液的制備，特別是一種磨料經過表面活性劑處理的水基切削液及其制備方法。
背景技術：
隨著能源問題的日益突出和人們環保意識的加強，世界各國都非常重視諸如風能、太陽能這些綠色能源的使用，并且不斷的加大對相關產業的投入力度。對太陽能的利用主要體現在太陽能光伏發電行業中。隨著半導體、光伏產業的迅猛發展，對晶體硅片這個源頭產業的發展起到了很大的促進作用，同時對生產晶體硅片的質量提出了更高的要求。晶體硅片的大直徑化已經成為了太陽能等硅材料當前的發展趨勢，同時要求能夠生產出更薄的晶體硅片。在硅片整個生產的過程中，切割是一道非常重要的工藝。傳統的切割晶硅棒的方法是內圓切割法，這種方法比較適合直徑比較小的晶棒。這種加工方式造成切片截面刀痕粗糙，破碎層、損傷層深、殘余應力大、碎片、崩邊、斷根等問題嚴重，損傷層深達30-60微米，這樣就增加了后續研磨和拋光的加工量，既浪費又降低了加工的效率和成品率。目前， 國內外通用的晶體切割技術為線切割技術，此方法切割的晶片彎曲度小、刀口切割磨損小、 表面的損傷層也是較小。線切割技術中的多線切割是世界通用的、有效的方法。在整個硅片的生產過程中，切割過程中造成的硅材料的損耗成為導致低效能、高成本的主要原因。在硅片的切割過程中切削液的應用于作用不可小覷，它不僅可以提高潤滑的效果還可以防止硅片表面腐蝕的發生，同時將切割時產生的熱量帶走，還可以降低切割后硅片表面的金屬雜質的含量，提高硅片的整體性質和表面質量。國內外第一代切削液產品主要是以礦物油為主要成份，將碳化硅等磨料分散在切削液中，在輔以其他添加劑而形成的。這種早期的切削液主要有以下兩個方面的缺點第一，油性切削液易燃，對環境污染大，所以要求必須要有相應的防爆的措施，同時在生產過程中還有注意環境的保護。第二，采用油性切削液切割晶片后，必須使用三氯乙烷、二氯甲烷等有機物作為溶劑和表面活性劑。這些有機溶劑有致癌的危險，同時又污染環境，還有切割完成后硅片表面殘留的有機物的清洗去除又要求設備的投入和解決廢水處理問題。第二代產品主要是水性產品，主要分為水基切削液和水溶性切削液兩種。關于水溶性切削液產品已經有了較多的報道。專利(CN101205498A)“一種硬脆材料的切削液及其應用”介紹了一種適合單晶、多晶硅、石英、寶石的切削液，其主要特點是以一種高分子聚烷氧基化合物為主要成分，添加一種高分子抗極壓螯合防沉劑，有較好的螯合防沉功能，且是一種水溶性產品，無污染。專利(CN101712907A)“一種水溶性硅料切削液的組成和應用組合”，此專利介紹了一種水溶性的切削液，該切削液具有無污染、金屬含量低的特點。專利(CN1127777A) “切削液其制造方法及結晶塊的切斷方法”，這種切削液主要是以無機膨潤土的水分散液為主體，在添加了一些表面活性劑和硅系消泡劑等構成的，其主
3要特點是無污染，能夠減小鋼絲切割大直徑晶硅時晶片的撓曲性。專利(CN101294112A)“金屬線切斷加工機用水溶性切削液”，介紹了一種硅晶棒及玻璃用的切削液，這種切削液中使用特定的聚醚和特定的含氮成分，可以使磨料粒子的分散性良好時磨料粒子沉淀的速度減慢。專利(CN1858169A) “半導體硅材料水基切削液”，介紹了一種適合硅晶片和化合物半導體晶塊材料切割用的水基切削液，此切削液最主要的特點是，切削液呈堿性，可以避免切削時對設備的腐蝕，同時將原有切割時單一的機械作用轉化為均勻穩定的化學機械作用，有效的解決了切割時的應力問題，減少了硅片表面的損傷。專利(US6673752B2)涉及一種切削液，其特點在于其中含有硅氧烷、硅醇和硅烷等有機物。此切削液在切削硅片的過程中能夠在硅片表面形成一層保護膜，從而改善切割性能，減少表面缺陷的產生。專利(US6605575B1)涉及一種水溶性的切削液，此切削液的主要特點是使用了一
種長鏈烷酰基氨基酸、酰基烷氧基化合物，使切削液具有良好的潤滑、防銹、安全、易清洗、 低泡等有點。上述切削液雖然大大提高了切削液的工作效率，能夠有效的降低加工過程中的切割溫度，能夠有效的減少產生的金屬離子對硅片的污染。但是都存在著磨料粒子的分散性不足且配制的切削液會發生絮凝現象導致大粒徑磨料粒子的出現的問題，無法滿足高精密加工硅片的要求。而且切削液涉及到的原料類別較多，對原料性能的要求也較高從而增加了切削液的成本。特別是切削液使用過程中由于大粒徑的磨料粒子的存在使得切削的硅片表面有較深的劃痕，加大了后續拋光加工的量，增加了成本。同時在硅片的切割過程中的效率和成品率仍然不理想。
發明內容
本發明的目的是針對上述技術分析，特別是以上切削液中磨料粒子分散性不足和由于絮凝現象導致大直徑磨料粒子出現的問題，提供了一種磨料粒子分散性高且解決絮凝現象的切削液配置方法，這種方法簡單易行、且不會增加生產成本。本發明技技術方案
一種磨料經過活性劑表面處理的水基切削液，由磨料、表面活性劑、.螯合劑、防銹劑、 消泡劑、PH值調節劑和溶劑組成，各組分的質量百分含量是磨料為2(Γ40%、表面活性劑為 20% 45%、螯合劑為0. 0廣5%、防銹劑為0. 0廣2%、消泡劑為0.廣1%、PH值調節劑為0. 01 5% 并使磨料懸浮液的PH值為7 11. 5、余量為溶劑。所述磨料為碳化硅粉、金剛石粉、氧化鈰粉、膠體二氧化硅中的一種或任意兩種任意比例的混合物，磨料粒徑大小為0.廣30Mffl且粒徑均一。所述表面活性劑為堿金屬皂、堿土金屬皂、有機胺皂、硫酸化蓖麻油、十二烷基硫酸鈉、亞甲基二萘磺酸鈉、二辛基琥珀酸磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉中的一種或兩種任意比例的混合物。所述螯合劑為乙二胺四醋酸鈉鹽、乙二胺四乙酸、乙醇酸、聚乙二醇、羥基乙酸、羥基乙酸、檸檬酸銨、羥乙基乙二胺三乙酸、秘二羥乙基甘氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、水解聚馬來酸酐和富馬酸一丙烯磺酸共聚體中的一種或兩種任意比例的混合物。
所述防銹劑為聚合脂肪酸甘油三酯咪唑、硼酸咪唑、甲苯并三唑、磷酸二氫鈉、苯甲酸鈉和三乙醇胺中的一種或兩種任意比例的混合物。所述消泡劑為聚硅氧烷消泡劑、聚醚改性硅、聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯、苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯和聚氧乙烯氧丙烯甘油中的一種或兩種任意比例的混合物。所述PH值調節劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、二羥基乙基乙二胺、二乙烯三胺、 乙二胺、二乙醇胺、乙二胺四乙酸、四甲基氫氧化銨和羥基胺中的一種或兩種任意比例的混合物。所述溶劑為去離子水。一種所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液的制備方法，步驟如下
1)將磨料和表面活性劑溶解在去離子水中并充分攪拌均勻，然后用高壓高剪切微流噴射機對磨料懸浮液進行加工，形成磨料懸浮液；
2)在上述磨料懸浮液中加入螯合劑、防銹劑、消泡劑和PH值調節劑，攪拌均勻即可。本發明的技術分析
本發明最主要的特點是將切削液的配置過程分為了兩個過程，第一步是磨料粒子溶解液的配置，將磨料粒子溶解在去離子水中，在加入表面活性劑在扇葉攪拌機下充分攪拌 0. 5^2個小時，在攪拌的過程中，表面活性劑會吸附到表面磨料粒子表面，形成對磨料粒子的完全包覆，由于表面活性劑具有“雙親結構”吸附在粒子表面后致使磨料粒子表面形成同種電荷，增加了磨料粒子之間的排斥力。故當這些磨料粒子靠近時，由于彼此排斥防止了絮凝沉淀現象的產生，從而使磨料粒子均勻的分散在在溶液中，而且分穩定。從根本上減少了由于絮凝現象導致的大顆粒磨料粒子數量，提高了切削液的質量，保證了切割的硅片表面的高質量。這種方法使磨料粒子在溶液中的分散性和磨料粒子的穩定性大為提高，同時也減小了溶液的粘性。在攪拌過程中極少一些磨料粒子在被表面活性劑包裹之前就已經凝結產生了絮凝現象，這些絮凝之后的大粒徑磨料粒子被表面活性劑包裹后將穩定的存在于溶液中，必須對上述溶液在進行處理，否則在切割硅片時這些大粒徑的磨料粒子將在硅片表面產生很深的劃痕，致使后續拋光量增加，同時降低了產品的生產效率和成品率。用高壓高剪切微流噴射粉碎機對上述溶液作用數次之后，可以將絮凝的大粒子粉碎，使磨料粒子的粒徑趨于一致、均勻。本發明的優點是經過表面活性劑處理的磨料粒子能夠穩定的存在于切削液中， 且磨料粒子粒徑和磨料粒子分布很均勻。由于在切削液的配制攪拌過程中解決了絮凝現象的產生，所以用這種方法配置的切削液能夠提高切割硅片的表面質量，避免深劃痕的產生， 減小了后續拋光加工工序的量，不僅提高了產品的成品率，而且也降低了成本。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發明作進一步的說明。必須指出，本發明并不局限于以下的實施例，凡是基于本發明所述的基本方法所做的任何修正都屬于本發明所要求的權利范疇。實施例1
取質量為400g且平均粒徑為25ΜΠ1的磨料碳化硅粉、IOOg亞甲基二萘磺酸鈉，將其溶解在500g的去離子水中，連續攪拌lh，使表面活性劑能夠充分的將磨料粒子包覆，然后將其用高壓高剪切微流噴射粉碎機粉碎25次，將絮凝現象產生的大粒徑磨料粉碎。從而形成濃了粒徑均一，分散性和穩定性高的磨料懸浮液。在制備好的磨料懸浮液中依次加入IOg乙二胺四乙酸、5g苯并三唑、3g聚二甲基硅氧烷、4g乙二胺然后將溶液攪拌均勻，溶液的PH值為7.2。使用上述切削液，在MEYER BUGER265機上進行單晶硅6寸片子的切割，單批次供切割出硅片2000片，最后成品為1935 片，成品率為96. 75%。實施例2
取質量為350g且平均粒徑為15ΜΠ1的碳化硅粉和金剛石粉為磨料、50g十二烷基苯磺酸鈉，將其溶解在500g的去離子水中，連續攪拌lh，使表面活性劑能夠充分的將磨料粒子包覆，然后將其用高壓高剪切微流噴射粉碎機粉碎20次，將絮凝現象產生的大粒徑磨料粉碎。從而形成濃了粒徑均一，分散性和穩定性高的磨料懸浮液。在制備好的磨料懸浮液中依次加入8g聚乙二醇、7g硼酸咪唑、2g聚醚改性硅、3g 二乙醇胺然后將溶液攪拌均勻，溶液的PH值為7. 5。使用上述切削液，在NTC機上進行單晶硅6寸片子的切割，單批次供切割出硅片1500片，最后成品為1440片，成品率為96%。實施例3
取質量為350g且平均粒徑為5Mm的碳化硅粉和0. SMfli膠體二氧化硅為磨料、50g十二烷基苯磺酸鈉，將其溶解在500g的去離子水中，連續攪拌lh，使表面活性劑能夠充分的將磨料粒子包覆，然后將其用高壓高剪切微流噴射粉碎機粉碎15次，將絮凝現象產生的大粒徑磨料粉碎。從而形成濃了粒徑均一，分散性和穩定性高的磨料懸浮液。在制備好的磨料懸浮液中依次加入8g聚乙二醇、7g硼酸咪唑、2g聚醚改性硅、5g 二乙烯三胺然后將溶液攪拌均勻，溶液的PH值為7. 7。使用上述切削液，在NTC機上進行單晶硅6寸片子的切割，單批次供切割出硅片1500片，最后成品為1476片，成品率為98. 4%。實施例4
取質量為350g且平均粒徑為5Mm的碳化硅粉和0. SMfli膠體二氧化硅為磨料、30g十二烷基苯磺酸鈉、20g十二烷基硫酸鈉，將其溶解在500g的去離子水中，連續攪拌lh，使表面活性劑能夠充分的將磨料粒子包覆，然后將其用高壓高剪切微流噴射粉碎機粉碎10次，將絮凝現象產生的大粒徑磨料粉碎。從而形成濃了粒徑均一，分散性和穩定性高的磨料懸浮液。在制備好的磨料懸浮液中依次加入4g乙醇酸、2g聚乙二醇、2g羥基乙酸、5g硼酸咪唑、5g苯并三唑、5g聚二甲基硅氧烷、2g聚醚改性硅、3g 二羥基乙基乙二胺然后將溶液攪拌均勻，溶液的PH值為7. 8。使用上述切削液，在NTC機上進行單晶硅6寸片子的切割，單批次供切割出硅片1800片，最后成品為1764片，成品率為98%。
權利要求
1.. 一種磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于由磨料、表面活性劑、.螯合劑、防銹劑、消泡劑、PH值調節劑和溶劑組成，各組分的質量百分含量是磨料為 20 40%、表面活性劑為20% 45%、螯合劑為0. 0廣5%、防銹劑為0. 0廣2%、消泡劑為0.廣1%、PH 值調節劑為0. 0Γ5%并使磨料懸浮液的PH值為7 11. 5、余量為溶劑。
2.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述磨料為碳化硅粉、金剛石粉、氧化鈰粉、膠體二氧化硅中的一種或任意兩種任意比例的混合物，磨料粒徑大小為0.廣30Mm且粒徑均一。
3.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述表面活性劑為堿金屬皂、堿土金屬皂、有機胺皂、硫酸化蓖麻油、十二烷基硫酸鈉、亞甲基二萘磺酸鈉、二辛基琥珀酸磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉中的一種或兩種任意比例的混合物。
4.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述螯合劑為乙二胺四醋酸鈉鹽、乙二胺四乙酸、乙醇酸、聚乙二醇、羥基乙酸、羥基乙酸、檸檬酸銨、羥乙基乙二胺三乙酸、秘二羥乙基甘氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、水解聚馬來酸酐和富馬酸一丙烯磺酸共聚體中的一種或兩種任意比例的混合物。
5.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述防銹劑為聚合脂肪酸甘油三酯咪唑、硼酸咪唑、甲苯并三唑、磷酸二氫鈉、苯甲酸鈉和三乙醇胺中的一種或兩種任意比例的混合物。
6.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述消泡劑為聚硅氧烷消泡劑、聚醚改性硅、聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯、苯乙醇油酸酯、苯乙酸月桂醇酯和聚氧乙烯氧丙烯甘油中的一種或兩種任意比例的混合物。
7.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述PH 值調節劑為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、二羥基乙基乙二胺、二乙烯三胺、乙二胺、二乙醇胺、 乙二胺四乙酸、四甲基氫氧化銨和羥基胺中的一種或兩種任意比例的混合物。
8.根據權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液，其特征在于所述溶劑為去離子水。
9.一種如權利要求1所述磨料經過表面活性劑處理的水基切削液的制備方法，其特征在于步驟如下1)將磨料和表面活性劑溶解在去離子水中并充分攪拌均勻，然后用高壓高剪切微流噴射機對磨料懸浮液進行加工，形成磨料懸浮液；2)在上述磨料懸浮液中加入螯合劑、防銹劑、消泡劑和PH值調節劑，攪拌均勻即可。
全文摘要
一種磨料經過表面活性劑處理的切削液及其制備方法，配制分兩步完成1)將磨料經過表面活性劑處理，形成高分散、高穩定的磨料懸浮液，然后利用高壓高剪切微流噴射機將磨料懸浮液進行處理，將少數由于絮凝作用產生的大粒徑磨料粉碎，保證整個溶解液中磨料粒徑的均勻；2)在制備好的磨料懸浮液中添加功能助劑，包括螯合劑、防銹劑、消泡劑和pH值調節劑，攪拌均勻即得到本切削液。采用這種配制方法從根本上防止了由于大粒徑磨料的存在使硅片表面產生較深劃痕的情況，減少了硅片后續拋光加工的量，提高了生產效率和產品良率，降低了生產成本。本切削液適合單晶、多晶硅、化合物晶體、寶石等切削加工方面的應用。
文檔編號C10M173/02GK102212412SQ20111011909
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者張楷亮, 張濤峰, 王芳, 額日特 申請人:天津理工大學