摘要：介紹了硅棒在線切割后的脫膠工藝技術(shù)，分析了硅片脫膠的技術(shù)發(fā)展和難點(diǎn)，通過介紹主要工藝設(shè)備的工作原理來剖析脫膠技術(shù)的現(xiàn)狀以及未來發(fā)展的趨勢(shì)。
硅片表面的潔凈度是影響硅片合格率和電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。為獲得潔凈度高的硅片，往往硅片在經(jīng)過線切割后需經(jīng)過脫膠清洗和精細(xì)清洗兩個(gè)部分，而作為第一道清洗工序的脫膠清洗雖然沒有切割工藝要求那么高，但也是獲得潔凈片的重要工序，其清洗過程涉及到物理、化學(xué)、超聲等多種學(xué)科。
1 硅片脫膠的工藝過程
硅片脫膠（預(yù)清洗）主要分為兩個(gè)部分，首先是通過物理方法，諸如噴淋清洗、超聲清洗、溢流清洗等，先將硅片表面附著的金屬粉末、硅粉、碳化硅、切割懸浮液等雜質(zhì)去除，然后對(duì)硅片進(jìn)行脫膠處理，脫膠時(shí)所需的液體溫度根據(jù)所使用的膠水來定，其原理是膠水在一定的溫度范圍內(nèi)會(huì)軟化，硅片自動(dòng)從晶拖上脫落，同時(shí)在熱水中加入乳酸或者檸檬酸可將膠水軟化的時(shí)間縮短，同時(shí)可以對(duì)硅片表面的損傷層進(jìn)行粗拋，也防止了硅片在高溫情況下發(fā)生氧化。
2 脫膠過程中涉及到的雜質(zhì)
2.1切割懸浮液
主要成分為聚乙二醇（PEG），是一種無色透明的黏性液體，在進(jìn)行線切割時(shí)，主要是由打漿機(jī)將聚乙二醇和碳化硅粉（SiC）充分混合成為“砂漿”，砂漿比例依據(jù)不同的機(jī)型和不同廠家的PEG和SiC而定，目前國(guó)內(nèi)的砂漿密度在1.62～1.65之間。整個(gè)切割過程都是由鋼絲通過表面張力附著著砂漿，通過碳化硅粉對(duì)硅棒不斷的研磨，最終切成硅片。
2.2硅粉和金屬離子
在切割過程中會(huì)產(chǎn)生硅粉和碎末，其實(shí)就是切割過程中鋼絲在研磨硅棒時(shí)磨掉的硅顆粒，以及在此過程中分解的金屬離子。
2.3乳酸等輔助酸液
通常在脫膠的過程中會(huì)加入一些弱酸，縮短脫膠的時(shí)間，混合比例通常為1∶2。
2.4硅片上的膠體
硅棒與晶拖的固定通常是用膠水來實(shí)現(xiàn)的，目的是使硅棒在切割過程中不移動(dòng)。一般國(guó)內(nèi)工廠使用的都是俗稱“美國(guó)膠”的環(huán)氧樹脂VALTON，即AB膠。
3 影響硅片脫膠的因素
脫膠清洗與噴淋壓力、環(huán)境溫度、酸的濃度和溫度、以及時(shí)間有一定的關(guān)系，噴淋的壓力要控制在2～3MPa之間，壓力不足會(huì)使得砂漿難以沖洗干凈，所以噴淋泵的選擇尤為重要；環(huán)境溫度要控制在20℃～25℃之間，環(huán)境溫度太低也會(huì)影響砂漿的脫離，所以好的設(shè)備會(huì)在噴淋前加一道在線加熱工序，保證在環(huán)境溫度較低的情況下對(duì)砂漿的清洗效果；酸的濃度和溫度是脫膠的關(guān)鍵，一般工廠使用的都是乳酸，比例在1∶2合適，溫度控制在70℃左右，在遇到不好脫的膠時(shí)適當(dāng)?shù)脑黾铀岬臐舛群吞岣咚嵋簻囟瓤善鸬捷^好的效果，脫膠的時(shí)間不宜太長(zhǎng)，一般控制在800～900s，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)腐蝕到硅片的表面，反而影響下一步植絨的質(zhì)量。
4 脫膠技術(shù)的發(fā)展過程
4.1手工脫膠
手工沖洗硅棒是成本最低的一種方式，通過水槍在硅棒表面的來回沖洗達(dá)到洗凈硅片的目的，待砂漿沖洗完畢后（通過肉眼觀測(cè)），再將硅棒放入酸槽內(nèi)進(jìn)行脫膠處理。其缺點(diǎn)是效率低，沒有標(biāo)準(zhǔn)控制整個(gè)脫膠過程，線鋸的成本很高，但人工操作會(huì)影響其碎片率，也就起不到整個(gè)生產(chǎn)鏈節(jié)約成本的目的，整個(gè)過程對(duì)人和環(huán)境也有一定的傷害，所以大廠已經(jīng)淘汰了手工沖洗的方式，在個(gè)別小廠還可以見到手工沖洗的方式。
4.2全自動(dòng)脫膠
自動(dòng)脫膠是目前脫膠工藝環(huán)節(jié)的主要生產(chǎn)方式，其自動(dòng)化程度高，可控性好，生產(chǎn)效率高，極大地降低了硅片的碎片率，為廠家節(jié)約了生產(chǎn)成本。目前市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)的全自動(dòng)硅片脫膠機(jī)主要的生產(chǎn)流程是沖洗、超聲和加熱脫膠，其性價(jià)比要比進(jìn)口的脫膠機(jī)要高很多，所以在脫膠清洗這一環(huán)節(jié)上基本都被國(guó)產(chǎn)設(shè)備所代替，但在一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的能耗上，國(guó)產(chǎn)設(shè)備和進(jìn)口設(shè)備還有一定的差距。全自動(dòng)脫膠機(jī)在進(jìn)行脫膠清洗前都需將切割完的硅棒放置在特制的籃具上面，然后在通過機(jī)械手實(shí)現(xiàn)硅棒在每個(gè)工藝槽的生產(chǎn)。不同的廠家針對(duì)不同的機(jī)械手結(jié)構(gòu)和工藝槽結(jié)構(gòu)會(huì)有不同構(gòu)造的籃具，但基本功能均相同，圖1為由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所生產(chǎn)的籃具。脫膠機(jī)的第一步是噴淋沖洗，去除的主要是砂漿，砂漿具有一定的黏性，而且硅片與硅片之間的距離很小，所以對(duì)噴淋管有特殊的要求，傳統(tǒng)的圖1硅棒籃示意圖噴嘴噴出的水往往帶有霧化的效果，所以噴淋的效果不是很好，現(xiàn)在多數(shù)廠家采用的是多槽噴淋來克服這一缺陷，我公司生產(chǎn)的噴淋管為特殊加工的噴淋管，噴淋管上密集地排列著直徑為1mm的小眼，噴出密集的水簾，這個(gè)過程需要配備儲(chǔ)液桶和噴淋泵，并且噴淋槽的噴淋管可以通過氣缸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得噴出的水簾可以覆蓋硅棒的全部，槽體如圖2所示。
進(jìn)口設(shè)備的噴淋管做的要更精致一些，出水簾要更好更均勻一些，有的還配備了籃具旋轉(zhuǎn)功能，使得噴淋的時(shí)間和效果更好，減少耗水量，也有的公司生產(chǎn)的脫膠設(shè)備為在線式噴淋，可以增加設(shè)備的產(chǎn)能。同時(shí)設(shè)備還選配了在線式加熱器對(duì)噴淋前的水進(jìn)行預(yù)熱，功率為50kW左右，這樣做的目的是解決冬天溫度較低時(shí)砂漿不容易脫落的情況。第二步往往配備的是超聲清洗，通過超聲震板振動(dòng)在液體中形成極微小的氣泡而這些氣泡快速地崩潰而產(chǎn)生極微小的擦洗動(dòng)作而除去顆粒。超聲波清洗技術(shù)是使用物理技術(shù)來去除粒徑≥0.4μm顆粒的一種很好的方法。超聲清洗的原理：在強(qiáng)烈的超聲波作用下（常用的超聲波頻率為20kHz到40kHz），液體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疏部和密部，疏部產(chǎn)生近乎真空的空腔泡，當(dāng)空腔泡消失的瞬間，其附近便產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓力，使分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂，因此使硅片表面的雜質(zhì)解吸。當(dāng)超聲波的頻率和空腔泡的振動(dòng)頻率共振時(shí)，機(jī)械作用力達(dá)到最大，泡內(nèi)聚集的大量熱能，使溫度升高，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。
第三步是直接脫膠或者在脫膠前增加一步溢流反沖洗槽，目的是將超聲后附著在硅片表面砂漿的顆粒物再?zèng)_洗一次，使脫膠前硅片的潔凈度更好。脫膠槽配備有加熱管，自動(dòng)槽蓋以及獨(dú)立抽風(fēng)裝置，加熱管加熱到指定的溫度，通過熱電阻實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫，槽蓋是為了防止酸氣的溢出和保持溫度的恒定，而獨(dú)立抽風(fēng)裝置也是為了放置酸氣的溢出，而減少對(duì)人體和環(huán)境的危害。脫膠機(jī)的整體構(gòu)造大致分為：主體鋼架，機(jī)械傳動(dòng)裝置，工藝槽部分和電氣控制部分，通過不銹鋼配合PP板材的使用來達(dá)到整機(jī)的防腐功能，設(shè)備頂部還配有抽風(fēng)裝置，有效地控制了酸氣的外溢。整個(gè)操作過程除上下料為手動(dòng)操作外，其余過程全部為自動(dòng)，并且人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，方便操作。
5 未來脫膠技術(shù)的發(fā)展
未來脫膠機(jī)的發(fā)展首先是基于全自動(dòng)硅片脫膠機(jī)，是在其實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線式的生產(chǎn)前提下，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行不斷的完善和功能上的補(bǔ)充，尤其是一些工藝細(xì)節(jié)上的完善。其發(fā)展方向主要分為：
?。?）減少設(shè)備能耗。噴淋沖洗是一個(gè)耗水量較大的工藝過程，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的耗水量大致在8m3/h左右，要視噴淋時(shí)間和砂漿的黏稠度而定（考慮會(huì)使用回收漿料），有的廠家還選配了廢水回收裝置，可以將部分噴淋后的廢水進(jìn)行沉淀過濾再使用。進(jìn)口設(shè)備的耗水量大致在5m3/h左右，其節(jié)水的關(guān)鍵就是在噴淋管的設(shè)計(jì)和噴淋槽內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過增加輔助裝置來實(shí)現(xiàn)短時(shí)間噴淋的目的，這樣也就達(dá)到了節(jié)水的目的，所以未來脫膠機(jī)的首要目的就是在節(jié)水上做文章，通過整合后的噴淋工藝槽，加之噴淋所使用的清洗劑來實(shí)現(xiàn)該目的。
?。?）減少設(shè)備的占地面積。脫膠機(jī)所選配的工藝部分較多，如何更好利用空間來整合工藝成了一個(gè)重要的發(fā)展方向，通過多臺(tái)機(jī)器對(duì)某個(gè)工藝裝置的共用也是一個(gè)很好的解決辦法。
（3）減少設(shè)備的人為操作。對(duì)脫膠機(jī)進(jìn)行前后工藝的接口設(shè)置來實(shí)現(xiàn)整條線的自動(dòng)化操作。對(duì)前道的線鋸和后道的濕片分離以及硅片清洗進(jìn)行全面的整合是減少人為干預(yù)的一個(gè)有效舉措，并可以實(shí)現(xiàn)全面的過程監(jiān)控，對(duì)所有的清洗件進(jìn)行編碼，做到可追溯的問題查詢，將硅片生產(chǎn)的一個(gè)重要參數(shù)“碎片率”控制在最低的范圍內(nèi)，會(huì)大大減少硅片的生產(chǎn)成本。
?。?）增加設(shè)備的自清潔功能。脫膠機(jī)是硅片生產(chǎn)過程中很臟的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過對(duì)廠家生產(chǎn)過程的觀察，設(shè)備的維護(hù)是保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，而設(shè)備的自清潔功能也是減少維護(hù)時(shí)間的一個(gè)辦法，其重要的作用就是減少維護(hù)時(shí)間，延長(zhǎng)元器件的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
6 結(jié)束語
硅片脫膠環(huán)節(jié)是一個(gè)看似簡(jiǎn)單而又牽扯到很多物理和化學(xué)問題的一個(gè)工藝過程，隨著未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工藝技術(shù)的革新，自動(dòng)化的脫膠設(shè)備也將隨之改變，改變的目的必將是智能化和精準(zhǔn)化，更高的清潔度，更低的能耗和碎片率是衡量一臺(tái)好設(shè)備的根本指標(biāo)。