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A tecnologia de corte com fio diamantado, também conhecida como tecnologia de corte abrasivo por consolidação, utiliza um método de eletrodeposição ou colagem com resina para consolidar abrasivos de diamante na superfície de um fio de aço. O fio diamantado atua diretamente sobre a superfície de uma barra ou lingote de silício para produzir o efeito de corte. O corte com fio diamantado apresenta como características a alta velocidade de corte, a alta precisão e a baixa perda de material.

Atualmente, o mercado de corte de wafers de silício monocristalinos com fio diamantado está totalmente consolidado, mas ainda enfrenta desafios durante seu processo de expansão, sendo o aparecimento de manchas brancas aveludadas o problema mais comum. Diante disso, este artigo se concentra em como prevenir o problema de manchas brancas aveludadas no corte de wafers de silício monocristalinos com fio diamantado.

O processo de limpeza de wafers de silício monocristalino cortados com fio diamantado consiste em remover o wafer de silício cortado pela máquina de corte a fio da placa de resina, remover a tira de borracha e limpar o wafer de silício. O equipamento de limpeza é composto principalmente por uma máquina de pré-limpeza (máquina de desgoma) e uma máquina de limpeza. O principal processo de limpeza da máquina de pré-limpeza é: alimentação - pulverização - limpeza ultrassônica - desgoma - enxágue com água limpa - alimentação. O principal processo de limpeza da máquina de limpeza é: alimentação - enxágue com água pura - lavagem alcalina - pré-desidratação (elevação lenta) - secagem - alimentação.

O princípio da fabricação de veludo monocristalino

A característica principal de uma pastilha de silício monocristalino é a corrosão anisotrópica. O princípio da reação é descrito pela seguinte equação química:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

Em essência, o processo de formação da camurça é o seguinte: a solução de NaOH, ao corroer diferentes superfícies cristalinas, apresenta taxas de corrosão distintas. A velocidade de corrosão na superfície (100) é maior do que na superfície (111). Assim, após a corrosão anisotrópica da lâmina de silício monocristalino (100), forma-se, eventualmente, na superfície (111), um cone de quatro lados, denominado estrutura “pirâmide” (como mostrado na Figura 1). Após a formação da estrutura, quando a luz incide sobre a face piramidal em um determinado ângulo, ela é refletida para a face em outro ângulo, formando uma absorção secundária ou adicional, reduzindo, assim, a refletividade na superfície da lâmina de silício. Esse fenômeno é conhecido como efeito de aprisionamento de luz (ver Figura 2). Quanto maior o tamanho e a uniformidade da estrutura “pirâmide”, mais evidente será o efeito de aprisionamento e menor a refletividade da superfície da lâmina de silício.

Figura 1: Micromorfologia de uma lâmina de silício monocristalino após a produção de álcalis.

Figura 2: O princípio de captura de luz da estrutura em “pirâmide”.

Análise do branqueamento de monocristais

Ao analisar um microscópio eletrônico de varredura em uma lâmina de silício branca, constatou-se que a microestrutura piramidal da lâmina branca na área afetada estava praticamente ausente, e a superfície apresentava uma camada de resíduo "ceroso". Em contrapartida, a estrutura piramidal da área branca da mesma lâmina de silício estava mais bem formada (ver Figura 3). A presença de resíduos na superfície da lâmina de silício monocristalino resulta em uma formação de estrutura piramidal residual com tamanho e uniformidade comprometidos, afetando negativamente a área normal. Consequentemente, a refletividade da superfície residual é maior do que a da área normal, sendo que a área com alta refletividade é visualmente percebida como branca. A distribuição da área branca, como pode ser observado, não apresenta um formato regular em grandes áreas, concentrando-se apenas em regiões específicas. Isso indica que os contaminantes locais na superfície da lâmina de silício não foram removidos ou que a condição da superfície foi causada por contaminação secundária.

Figura 3: Comparação das diferenças regionais na microestrutura de wafers de silício branco aveludado

A superfície da lâmina de silício cortada com fio diamantado é mais lisa e os danos são menores (como mostrado na Figura 4). Comparada com a lâmina de silício tratada com argamassa, a velocidade de reação do álcali com a superfície da lâmina de silício cortada com fio diamantado é mais lenta do que a da lâmina de silício monocristalino tratada com argamassa, portanto, a influência dos resíduos superficiais no efeito aveludado é mais evidente.

Figura 4: (A) Micrografia da superfície de uma lâmina de silício cortada com argamassa; (B) Micrografia da superfície de uma lâmina de silício cortada com fio diamantado.

A principal fonte residual da superfície da lâmina de silício cortada com fio diamantado

(1) Fluido de corte: os principais componentes do fluido de corte para fio diamantado são surfactantes, dispersantes, antiespumantes, água e outros componentes. O fluido de corte com excelente desempenho apresenta boa suspensão, dispersão e facilidade de limpeza. Os surfactantes geralmente possuem boas propriedades hidrofílicas, o que facilita sua remoção durante o processo de limpeza da pastilha de silício. A agitação e circulação contínuas desses aditivos na água produzem grande quantidade de espuma, resultando na diminuição do fluxo do fluido de corte, afetando o desempenho de resfriamento e causando problemas graves de espuma, inclusive transbordamento, o que compromete seriamente o uso. Portanto, o fluido de corte geralmente é utilizado com um antiespumante. Para garantir a eficácia do antiespumante, os silicones e poliéteres tradicionais geralmente apresentam baixa hidrofilicidade. O solvente presente na água é facilmente adsorvido e permanece na superfície da pastilha de silício durante a limpeza subsequente, resultando no problema de manchas brancas. E não é bem compatível com os principais componentes do fluido refrigerante. Portanto, precisa ser formulado em dois componentes: os componentes principais e o antiespumante são adicionados à água. Durante o uso, de acordo com a situação da espuma, não é possível controlar quantitativamente o uso e a dosagem do antiespumante, o que pode facilmente levar a uma sobredosagem e, consequentemente, a um aumento dos resíduos na superfície do wafer de silício. Além disso, a operação é mais inconveniente. No entanto, devido ao baixo custo das matérias-primas e do antiespumante, a maioria dos fluidos refrigerantes nacionais utiliza esse sistema de formulação. Outro fluido refrigerante utiliza um novo antiespumante, que é bem compatível com os componentes principais, não requer adições, permite um controle eficaz e quantitativo da quantidade e previne o uso excessivo. A operação também é muito conveniente e, com um processo de limpeza adequado, os resíduos podem ser controlados a níveis muito baixos. No Japão e em alguns fabricantes nacionais, esse sistema de formulação é adotado. Contudo, devido ao alto custo das matérias-primas, sua vantagem de preço não é tão evidente.

(2) Versão com cola e resina: no estágio final do processo de corte com fio diamantado, a pastilha de silício próxima à extremidade de entrada já foi cortada previamente, enquanto a pastilha de silício na extremidade de saída ainda não foi cortada. O fio diamantado, em seu estágio inicial de corte, já começou a cortar a camada de borracha e a placa de resina. Como a cola da haste de silício e a placa de resina são ambas produtos de resina epóxi, seu ponto de amolecimento situa-se basicamente entre 55 e 95 °C. Se o ponto de amolecimento da camada de borracha ou da placa de resina for baixo, elas podem aquecer facilmente durante o processo de corte, amolecendo e derretendo. A resina adere ao fio de aço e à superfície da pastilha de silício, diminuindo a capacidade de corte do fio diamantado. Alternativamente, as pastilhas de silício podem ser recebidas e manchadas com resina, uma vez aderida, sendo muito difícil de remover. Essa contaminação ocorre principalmente perto da borda da pastilha de silício.

(3) Pó de silício: durante o processo de corte com fio diamantado, é produzido um grande volume de pó de silício. Com o corte, o teor de pó no fluido de corte aumenta progressivamente. Quando o pó atinge um tamanho considerável, ele adere à superfície do silício. O corte com fio diamantado, devido ao tamanho e à forma como o pó de silício é processado, facilita sua adsorção na superfície do silício, tornando a limpeza difícil. Portanto, é essencial garantir a atualização e a qualidade do fluido de corte e reduzir o teor de pó no fluido.

(4) Agente de limpeza: atualmente, os fabricantes de corte com fio diamantado utilizam principalmente o corte com argamassa, aplicando pré-lavagem, processos de limpeza e agentes de limpeza específicos para esse fim. A tecnologia de corte com fio diamantado, por sua vez, forma um conjunto completo de etapas, com diferenças significativas entre o fluido de corte e o corte com argamassa. Portanto, o processo de limpeza, a dosagem e a fórmula do agente de limpeza devem ser ajustados para o corte com fio diamantado. O agente de limpeza é um aspecto crucial. A fórmula original do agente de limpeza, com surfactantes e alcalinidade, não é adequada para a limpeza de wafers de silício cortados com fio diamantado. É necessário utilizar um agente de limpeza específico para a superfície do wafer de silício, com composição e resíduos superficiais específicos, durante o processo de limpeza. Como mencionado anteriormente, o uso de antiespumante não é necessário no corte com argamassa.

(5) Água: o corte do fio de diamante, a pré-lavagem e a água de transbordamento da limpeza contêm impurezas, que podem ser adsorvidas na superfície da pastilha de silício.

Sugestões para reduzir o problema de cabelos aveludados que deixam os fios brancos.

(1) Para usar o refrigerante com boa dispersão, e o refrigerante é necessário usar o agente antiespumante de baixo resíduo para reduzir o resíduo dos componentes do refrigerante na superfície do wafer de silício;

(2) Use cola e placa de resina adequadas para reduzir a contaminação do wafer de silício;

(3) O líquido refrigerante é diluído com água pura para garantir que não haja impurezas residuais fáceis na água usada;

(4) Para a superfície do wafer de silício cortado com fio de diamante, utilize um agente de limpeza mais adequado em termos de atividade e efeito de limpeza;

(5) Utilize o sistema de recuperação online de fluido refrigerante da linha de diamante para reduzir o teor de pó de silício no processo de corte, de forma a controlar eficazmente o resíduo de pó de silício na superfície do wafer de silício. Ao mesmo tempo, também pode aumentar a temperatura, o fluxo e o tempo da água na pré-lavagem, para garantir que o pó de silício seja removido em tempo oportuno.

(6) Assim que a pastilha de silício for colocada na mesa de limpeza, ela deve ser tratada imediatamente e mantida úmida durante todo o processo de limpeza.

(7) A pastilha de silício mantém a superfície úmida durante o processo de remoção da goma e não pode secar naturalmente. (8) No processo de limpeza da pastilha de silício, o tempo de exposição ao ar pode ser reduzido ao máximo para evitar a formação de bolhas na superfície da pastilha de silício.

(9) Os funcionários de limpeza não devem entrar em contato direto com a superfície da pastilha de silício durante todo o processo de limpeza e devem usar luvas de borracha, para não produzir impressões digitais.

(10) Na referência [2], a extremidade da bateria utiliza um processo de limpeza com peróxido de hidrogênio H2O2 + NaOH alcalino na proporção de 1:26 (solução de NaOH a 3%), o que pode reduzir efetivamente a ocorrência do problema. Seu princípio é semelhante ao da solução de limpeza SC1 (comumente conhecida como líquido 1) de uma pastilha de silício semicondutora. Seu principal mecanismo: a película de oxidação na superfície da pastilha de silício é formada pela oxidação do H2O2, que é corroída pelo NaOH, e a oxidação e a corrosão ocorrem repetidamente. Portanto, as partículas aderidas ao pó de silício, resina, metal, etc., também caem no líquido de limpeza com a camada de corrosão; devido à oxidação do H2O2, a matéria orgânica na superfície da pastilha é decomposta em CO2, H2O e removida. Este processo de limpeza tem sido utilizado por fabricantes de pastilhas de silício para a limpeza de pastilhas de silício monocristalino cortadas com fio diamantado, e é relatado em lotes de fabricantes de baterias na China e em Taiwan, entre outros, devido a reclamações sobre o problema do branco aveludado. Existem também fabricantes de baterias que utilizam um processo semelhante de pré-limpeza aveludada, controlando eficazmente o aparecimento de filamentos brancos. Percebe-se que este processo de limpeza é adicionado ao processo de limpeza do wafer de silício para remover os resíduos do wafer de silício, resolvendo assim o problema dos filamentos brancos na extremidade da bateria.

conclusão

Atualmente, o corte com fio diamantado tornou-se a principal tecnologia de processamento na área de corte de monocristais, mas, durante o processo de promoção, o problema do esbranquiçamento aveludado tem afetado fabricantes de wafers de silício e baterias, levando a resistência destes ao corte de wafers de silício com fio diamantado. Através da análise comparativa da área branca, constatou-se que ela é causada principalmente por resíduos na superfície do wafer de silício. Para melhor prevenir o problema em wafers de silício em células, este artigo analisa as possíveis fontes de contaminação da superfície do wafer de silício, bem como sugestões e medidas de melhoria na produção. De acordo com o número, a localização e a forma das manchas brancas, as causas podem ser analisadas e corrigidas. Recomenda-se especialmente o uso do processo de limpeza com peróxido de hidrogênio + álcali. A experiência bem-sucedida comprovou que este processo pode prevenir eficazmente o problema do esbranquiçamento aveludado em wafers de silício cortados com fio diamantado, servindo como referência para especialistas e fabricantes do setor em geral.