粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究 (3)

第36卷第２期2015年２月太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol.36,No.2
Feb.,2015
文章编号：0254-0096（2015）02-0387-05
粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究
王文昌，陆春，顾浩
（常州大学石油化工学院，常州213164）
摘要：通过在以聚乙二醇为基础液的切割液中添加不同含量及类型的4种非离子黏度调节剂和6种非离子表面活性剂考察其对SiC砂在切割液体系中的分散稳定性。

结果表明：所选取的非离子黏度调节剂及表面活性剂在一定加入量范围内，均可提高SiC砂在切割液中的分散稳定性，且此两种方法均可用于提高成本相对较低的二甘醇新液体系悬浮稳定性。

关键词：碳化硅；切割液；黏度调节剂；表面活性剂；悬浮稳定性；硅片
中图分类号：N34文献标识码：A
0引言
切片是硅单晶由晶棒加工成硅片的一个重要步骤，目前硅单晶的切片工艺多采用网线切割。

网线切割的切割液必须兼具分散、粘滞悬浮、切削、润滑、冷却、去损、易清洗等作用［1~6］。

需在切割液中加入研磨砂（主要成分为SiC）后称砂浆。

随着太阳能利用的开发，该行业的竞争日趋激烈。

从切片工序看，目前硅片切割企业降低生产成本的工作集中于以下三方面［7~12］：1）回收、再生、再利用切割液是当前各企业采取的主要措施，已有不少文献和专利；2）开发新的、低成本的切割液。

已有企业在研发，因涉及商业秘密而报道极少；3）切割液中的磨料SiC回收利用率低，且回收的SiC砂棱角磨损较严重，导致磨削效率下降。

因此砂的形态恢复和废砂的综合利用（特别是前者），是研发大幅度降低生产成本、降低能耗和改善三废排放的重大研究课题。

目前硅片网线切割液大多以PEG为基础液，成本较高且切割液的价格受PEG价格波动影响较大。

目前已有企业着手研发以二甘醇代替部分
PEG的配方，因为二甘醇的价格远低于PEG，具有一定的市场潜力。

本课题组已就剖析和分析切割液中的二甘醇的方法发表论文［13］，在此基础上，本文就文献［13］所提方案进行基础性研究。

当向线切割液中添加二甘醇后会使体系黏度
和密度下降。

根据Stokes定律，砂浆的稳定性和切割液的黏度、密度之间正相关。

根据切割液的相关企业标准，对切割液的密度要求相对严格且增加密度和增加成本正相关。

因此，维持产品密度在一定范围内，适当添加黏度调节剂，可提高切割液的承载SiC砂的能力从而提高砂浆的分散稳定性。

切割液的表面张力与切割液在钢丝表面和SiC表面的铺展系数负相关，适当添加表面活性剂也可提高切割液在和钢丝表面和SiC表面上的铺展系数，提高挂线性能和对SiC表面的湿润性能，因此也是提高切割液性能的潜力所在。

依据上述分析，本文考虑到黏度调节剂与体系的相溶性、可操作性和稳定性等问题研究4种与以
PEG为基础的切割液体系匹配性较好的黏度调节剂。

基于光伏行业对硅片表面质量的要求与非离子表面活性剂的优点，本文研究6种非离子表面活性剂对切割液体系性能的影响，旨在通过添加适量黏度调节剂和表面活性剂来提高体系黏度、降低表面张力，从而提高切割液的分散稳定性能。

1实验
1.1试剂与仪器
PEG200、A-1、A-2、A-3、A-4（均为分析纯，国药集团）；非离子表面活性剂B-1、B-2、B-4、B-3、B-5、B-6（均为分析纯，海安石化）；实验所用SiC砂由镇江九
收稿日期：2012-12-20
通信作者：顾浩（1932—）男，学士、副研究员，主要从事应用化学方面的研究。

gh118@
388太阳能学报36卷
天太阳能新材料有限公司提供；实验用水均为去离子水。

数显电导率仪（DDS -11A 型）；精密数显酸度计（PHS -2C 型）均来自上海康宁电光技术有限公司；奥氏黏度计内径为1.5mm ，黏度计常数0.3291mm 2/s
（上海申谊玻璃制品有限公司）；滴容法表面张力测定仪（本实验室自制、经纯水校正）；振荡器（SHA -
CA 型，金坛杰瑞尔电器有限公司）。

1.2实验
样品黏度测定在30±1℃恒温水浴中进行；在
25±1℃恒温条件下，用最大容滴法测定样品表面张力，实验所测得数据均为5次以上平均值。

2结果与讨论
2.1
黏度调节剂用量对体系黏度的影响
黏度是流体粘滞性的一种量度，液体的粘性是流体分子间摩擦力的宏观度量，是流体动力学对其内部摩擦现象的一种表示［14］。

文献［15］分析了切割液的黏度过高和过低对切割液切割性能的影响，提出切割液的黏度应适中。

本文在PEG200基础液中分别选取10组不同添加量的A -1、A -2、A -3和A -4来考察它们对体系黏度的影响，如图1所示，因硅片线切割液的黏度标准要求高于PEG 200，因此本文中未涉及降低黏度的调节剂筛选。

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图1
体系黏度随黏度添加剂加入量的变化关系
Fig.1
The relationship between system viscosity and adding
amount of viscosity regulator
由上述黏度曲线可见，随着A -1、A -2、A -3质量分数的增加体系的黏度也随之增加，这是因为体系黏度表现为分子内摩擦力大小，分子质量（M ）越大，
碳氢结合越多黏度越大。

其中M PEG 200<M A -1<M A -2<M A -3。

因此随着其黏度添加剂加入量的增加
体系的黏度呈线性上升。

而A -4的多羟基的烷烃结构可有效提高体系的黏度和可更有效吸附于碳
化硅表面。

2.2黏度调节对砂沉降效果的影响
本文通过前期实验在PEG 200基础液中，分别
用上述4种黏度调节剂将体系的黏度依次调节至36.0、37.0、38.0、39.0mm 2/s ，观测240h 的SiC 砂沉降效果并与基础液对比的典型数据。

由图2可看出，沉降240h ，随着4种黏度调节剂质量分数的增加，SiC 砂在体系中的体积逐渐增大，即随着体系黏度的增加体系承载SiC 砂的能力增强。

几种黏度调节剂（除A -4外）的分子质量相对于基础液均有较大提高，且分子具有较长链长，能在颗粒表面形成足够空间位阻，提高颗粒分散度，可有效抑制颗粒沉降；另外黏度调节剂A -3也是一种非离子表面活性剂，它可吸附在SiC 表面有效抑制颗粒的团聚与絮凝，有效抑制粒子因静电引力而引起的团聚加速沉降。

实验证明：具有短链结构的PEG 200与A -3长短链互补，在SiC 颗粒表面能形成更完全和致密的吸附层，抑制了颗粒之间的团聚［16］。

a.黏度调节剂A -1
b.黏度调节剂A -2
c .黏度调节剂A -3
d.黏度调节剂A -4
图2基础液中加入不同种类及量的黏度添加剂后
SiC 砂沉降效果图
Fig.2
Effects of viscosity regulators with different types and
contents in the basic solution on the setting SiC slurry
由于黏度对SiC 粒子有支撑作用，能克服粒子的重力场作用、增强体系的稳定性，同时可保证网线在切割硅片时有足够且均匀的切割力，防止划伤硅片或破片以提高切割片的成品率。

所以悬浮液
2期王文昌等：粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究389
的黏度应维持在一个适中数值。

据国内外文献及生产实践的经验并与厂方提供的010#切割液进行比较，实验所选用黏度约为38.3mm2/s。

从上述实验结果可知，黏度对SiC粒子有较强的支撑作用，此种通过添加黏度调节剂来调节体系的黏度的方法提高SiC砂在切割液的稳定性同样可用于二甘醇体系，本课题组已开展此方面的研究。

2.3表面活性对体系黏度的影响
表面活性剂能降低溶液的液-液、液-固界面表面张力，体系表面张力的改变将产生润湿和反润湿的作用。

由于表面张力的作用，液体表面是趋于尽可能缩小［17］，所以液体的表面张力大就不易铺展吸附在网线表面［15］。

在切割液中加入表面活性剂降低了表面张力，加强了切削液的渗透作用，降低了SiC砂与钢线的表面自由能，提高了切割液的铺展系数使切割液附着在钢线上起到润滑、冷却、润湿等作用且能携带一定量SiC砂。

表面活性中的非离子表面活性剂具有不受酸碱和电解质的影响、与PEG200体系相溶性好、CMC 值较低、提高润滑性能、易于清洗等优点［18~20］，并具有较强渗透力，活性剂分子可渗入硅片表面与吸附物之间，向深处扩展，如同向界面打入了一个“楔子”起着劈开的作用，将颗粒托起，活性剂分子取而代之吸附在硅片表面上，同时颗粒的周围也吸附了一层活性剂分子，二次团聚。

其次，由于新生表面能量很高，会自发吸附周围浆料中的物质，非离子表面活性剂可优先吸附于一般的带电固体表面上，提高切割液体系的分散稳定性。

有关报道［15］较多关注于悬浮的挂线性能来表征悬浮液的表面张力，这种表征方法虽然直观、快速，但易受周围环境和操作者熟练程度影响，主观性较大，不利于得到稳定可靠的结论。

按上述实验数据选取1-C将基础液黏度调节至38.3mm2/s后，分别加入不同类型和不同量的表面活性剂，来考察其加入量对体系表面张力的影响。

由图3可看出，切割液体系的表面张力均随表面活性剂的量增加而减小，一般而言切割液的表面张力越小，其分散效果越好，越能达到抑制沉降的效果。

从图3可得出表面活性剂性能排序为：B-4> B-6>B-5>B-3>B-2>B-1。

表面张力和黏度是影响悬浮液挂线性的两个主要因素，在黏度基本一致的情况下，表面张力过低会明显减少切割液的携带量从而影响切割效率，所以悬浮液的表面张力应适中。

根据生产实践的经验和前期的探索，本实验所调节的表面张力约为35.0mN/m。

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图3体系表面张力随表面活性剂加入量的变化关系Fig.3The relationship between surface tension of the
system and adding amount of surfactant
2.4表面张力对砂沉降性能的影响
加入渗透性很好的表面活性剂，一方面通过表面活性剂的渗透作用使团聚的碳化硅在悬浮液中得到有效分散，提高悬浮液的均匀性可减少花片的发生，防止硅片表面产生短粗的划痕；另一方面渗透性良好的表面活性剂可提高切割液的分散稳定性，并可减弱碳化硅和网线的机械磨损与损伤作用，同时由于其良好的渗透性可有效防止切割区硅片的局部过热而发生变形或应力集中。

用上述6种表面活性剂将各体系的表面张力调节至约35.0mN/m时，各体系的黏度无明显变化，B-1~B-6黏度依次为38.1、38.0、38.0、39.0、38.8、38.4mm2/s。

在此黏度为38.1~39.0mm2/s的条件下考察不同表面活性剂在同一表面张力下对砂沉降的影响，如图4所示。

从图4可看出，加入不同表面活性剂的体系均显著提高了沉降高度，效果最为突出的是B-3，而B-1的效果相对较差，其他几种表面活性剂的砂沉降交果表现大致相当，所以本文选取非离子表面活性剂B-3，来考察不同表面张力下的砂沉降效果。

从图5可看出：随着B-3在所添加范围内增加时，体系的表面张力下降，砂的沉降体积逐渐增大，即降低体系的表面张力有利于悬浮液体系的稳定性。

390太阳能学报36卷
非离子表面活性剂是以分子状态存在，稳定性高、与PEG200为基础液的切割液体系有较好相容性，还可能是因为非离子表面活性剂不受电解质、pH 值的影响，易在碳化硅表面形成致密的吸附层，有效阻止颗粒的二次团聚，提高了切割液体系的分散稳定性有关。

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1.基础液
2.表面活性剂B-1
3.表面活性剂B-2
4.表面活性剂B-3
5.表面活性剂B-4
6.表面活性剂B-5
7.表面活性剂B-6
图4基础液中加入不同表面活性剂在同一表面张力下
SiC砂沉降效果图
Fig.4Effect of different surfactants with the same surface tension in the basic solution on the setting of SiC slurry
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1.表面张力为4
2.3mN/m2.表面张力为39.5mN/m
3.表面张力为35.1mN/m
4.表面张力为32.3mN/m
图5基础液中加入不同量的表面活性剂B-3后
SiC砂沉降效果图
Fig.5Effect of content of Surfactant B-3in the
basic solution on the setting of SiC slurry
从上述研究结果可看出，在切割液体系中添加非离子表面活性剂对切割液体稳定性的提高有显著作用，此项研究结果本课题组已应用于二甘醇低成本新液体系的开发。

3结论
对于以PEG200为基础液的切割液的硅片线切割液可通过加入非离子黏度调节剂和非离子表
面活性剂来提高切割液的性能。

研究结果表明，通过添加4种非离子黏度调节剂均可显著提高体系黏度，增加线切割液的悬浮稳定性，其中以A-3的效果最为显著；通过添加6种非离子表面活性剂可显著降低体系的表面张力，提高线切割液的悬浮稳定性，其中以B-3效果最为显著。

本研究工作结果也为研究低成本的切割提供了基础数据和研究方向，如以二甘醇为基础的切割液。

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STUDY ON EFFECT OF VISCOSITY AND SURFACE TENSION ON STABILITY OF CUTTING FLUID FOR WIRE SAW
Wang Wenchang，Lu Chun，Gu Hao
（College of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China）
Abstract：Different content and type of additives including four non-ionic viscosity regulators and six non-ionic surfactants were added into the cutting fluids with polyethylene glycol to investigate their influences on the dispersion stability of SiC slurry in cutting fluids.The results indicate that all the chosen non-ionic viscosity regulators and surfactants in a certain range of quantity can improve the dispersion stability of SiC slurry in cutting fluids.Moreover，the two methods can be used to improve the suspension stability of the diethylene glycol system with relatively low cost. Keywords：SiC；cutting fluid；viscosity regulator；surfactant；dispersion stability；silicon wafer
2期王文昌等：粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究391。