La technologie de découpe au fil diamanté, également appelée découpe abrasive consolidée, consiste à fixer un abrasif diamanté par électrodéposition ou liant résine sur la surface d'un fil d'acier. Ce fil diamanté agit directement sur la surface d'une barre ou d'un lingot de silicium pour réaliser la découpe. La découpe au fil diamanté se caractérise par une vitesse de coupe élevée, une grande précision et une faible perte de matière.
Actuellement, le marché des plaquettes de silicium monocristallin découpées au fil diamanté est bien établi, mais son développement est confronté à un problème majeur : l’apparition d’un voile blanc. Cet article s’intéresse donc aux méthodes de prévention de ce voile blanc lors de la découpe de plaquettes de silicium monocristallin au fil diamanté.
Le processus de nettoyage des plaquettes de silicium monocristallin découpées au fil diamanté consiste à séparer la plaquette de silicium de la résine après sa découpe par la machine à fil, à retirer la bande de caoutchouc, puis à nettoyer la plaquette. L'équipement de nettoyage comprend principalement une machine de pré-nettoyage (dégommage) et une machine de nettoyage. Le processus de pré-nettoyage comprend les étapes suivantes : alimentation, pulvérisation, nettoyage par ultrasons, dégommage, rinçage à l'eau claire et sous-alimentation. Le processus de nettoyage comprend les étapes suivantes : alimentation, rinçage à l'eau claire, lavage alcalin, rinçage à l'eau claire, pré-déshydratation (remontage lent), séchage et alimentation.
Le principe de la fabrication du velours monocristallin
La corrosion anisotrope des plaquettes de silicium monocristallin est caractéristique. Le principe de cette réaction est décrit par l'équation chimique suivante :
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑
En résumé, le processus de formation de la structure en daim est le suivant : une solution de NaOH, dont la vitesse de corrosion varie selon la surface cristalline (la surface (100) se corrode plus rapidement que la surface (111)), induit une corrosion anisotrope de la surface (100) du silicium monocristallin, formant ainsi une structure conique à quatre faces (111) appelée « pyramide » (voir figure 1). Une fois cette structure formée, lorsqu’un faisceau lumineux frappe une face de la pyramide sous un certain angle, il est réfléchi vers une autre face, créant une absorption secondaire ou supplémentaire et réduisant ainsi la réflectivité de la surface du silicium : c’est l’effet de piégeage de la lumière (voir figure 2). Plus la structure pyramidale est grande et uniforme, plus l’effet de piégeage est marqué et plus l’émissivité de surface du silicium est faible.
Figure 1 : Micromorphologie d'une plaquette de silicium monocristallin après production alcaline
Figure 2 : Le principe du piège à lumière de la structure « pyramidale »
Analyse du blanchiment monocristallin
L'observation au microscope électronique à balayage d'une plaquette de silicium blanc a révélé que la microstructure pyramidale était quasiment absente dans la zone étudiée, et que la surface présentait une couche de résidus cireux. En revanche, la structure pyramidale, semblable à du daim, était mieux formée dans la zone blanche de la même plaquette (voir figure 3). La présence de résidus à la surface d'une plaquette de silicium monocristallin entraîne une irrégularité de taille et d'uniformité de la structure pyramidale résiduelle, et un effet insuffisant par rapport à la zone normale. Il en résulte une réflectivité de surface plus élevée, apparaissant comme blanche. La distribution de cette zone blanche est irrégulière sur de grandes surfaces, mais uniquement localisée. Ceci suggère que les polluants présents localement à la surface de la plaquette de silicium n'ont pas été éliminés ou que l'état de surface est dû à une pollution secondaire.
Figure 3 : Comparaison des différences de microstructure régionale dans les plaquettes de silicium blanc velours
La surface de la plaquette de silicium découpée au fil diamanté est plus lisse et les dommages sont moindres (comme illustré sur la figure 4). Comparée à celle de la plaquette de silicium usinée au mortier, la vitesse de réaction entre l'alcali et la surface de la plaquette découpée au fil diamanté est plus lente ; par conséquent, l'influence des résidus de surface sur l'effet velours est plus marquée.
Figure 4 : (A) Micrographie de surface d'une plaquette de silicium découpée au mortier ; (B) Micrographie de surface d'une plaquette de silicium découpée au fil diamanté
La principale source de résidus de surface des plaquettes de silicium découpées au fil diamanté
(1) Liquide de refroidissement : les principaux composants du liquide de refroidissement pour la découpe au fil diamanté sont un tensioactif, un dispersant, un antimousse, de l’eau et d’autres composants. Un liquide de coupe performant présente une bonne suspension, une bonne dispersion et une facilité de nettoyage. Les tensioactifs, grâce à leurs propriétés hydrophiles, sont faciles à éliminer lors du nettoyage des plaquettes de silicium. Cependant, l’agitation et la circulation continues de ces additifs dans l’eau génèrent une mousse importante, réduisant le débit du liquide de refroidissement et affectant ainsi ses performances. Des problèmes de mousse, voire de débordement, peuvent également survenir et compromettre sérieusement l’utilisation du liquide. C’est pourquoi un agent antimousse est généralement utilisé. Or, les silicones et les polyéthers traditionnels, peu hydrophiles, sont souvent utilisés pour garantir l’efficacité de l’antimousse. Le solvant présent dans l’eau s’adsorbe facilement et reste à la surface de la plaquette de silicium lors des nettoyages ultérieurs, provoquant l’apparition de taches blanches. Ce système n'est pas compatible avec les composants principaux du liquide de refroidissement. Il doit donc être composé de deux éléments : les composants principaux et un agent antimousse, ajoutés à l'eau. Lors de son utilisation, le dosage de l'agent antimousse dépend de la formation de mousse. Il est impossible de contrôler précisément ce dosage, ce qui peut entraîner un surdosage et une augmentation des résidus sur la surface des plaquettes de silicium. De plus, son utilisation est plus complexe. Cependant, le faible coût des matières premières, notamment de l'agent antimousse, explique que la plupart des liquides de refroidissement utilisés en Chine le soient également. D'autres liquides de refroidissement utilisent un nouvel agent antimousse, parfaitement compatible avec les composants principaux. Sans ajout d'autres composants, son dosage est contrôlé efficacement et précisément, ce qui permet d'éviter le surdosage. Son utilisation est également très simple et, avec un nettoyage approprié, les résidus sont minimisés. Au Japon et chez quelques fabricants chinois, ce système est adopté. Toutefois, son coût élevé en matières premières limite son avantage concurrentiel.
(2) Version avec colle et résine : lors de la phase finale du processus de découpe au fil diamanté, la plaquette de silicium près de l’extrémité d’entrée est déjà découpée, tandis que celle près de l’extrémité de sortie ne l’est pas encore. Le fil diamanté, en début de découpe, a commencé à entailler la couche de caoutchouc et la plaque de résine. Comme la colle pour tige de silicone et la plaque de résine sont toutes deux des produits à base de résine époxy, leur point de ramollissement se situe généralement entre 55 et 95 °C. Si ce point de ramollissement est bas, la couche de caoutchouc ou la plaque de résine peut facilement chauffer pendant la découpe, ce qui la ramollit et la fait fondre. Elle se fixe alors au fil d’acier et à la surface de la plaquette de silicium, ce qui diminue la capacité de découpe du fil diamanté. Il est également possible que les plaquettes de silicium soient reçues et tachées de résine, une fois fixée, très difficile à éliminer. Ce type de contamination se produit principalement près du bord de la plaquette de silicium.
(3) Poudre de silicium : le découpage au fil diamanté produit une grande quantité de poudre de silicium. Au fur et à mesure du découpage, la teneur en poudre du mortier de refroidissement augmente. Lorsque les particules sont suffisamment grosses, elles adhèrent à la surface du silicium. Le découpage au fil diamanté avec des particules de taille variable facilite leur adsorption et rend le nettoyage difficile. Il est donc essentiel de veiller à la qualité et à la fraîcheur du mortier de refroidissement et de réduire sa teneur en poudre.
(4) Agent de nettoyage : Actuellement, les fabricants de découpe au fil diamanté utilisent majoritairement la découpe au mortier. Ils emploient généralement un prélavage, un processus de nettoyage et un agent de nettoyage spécifiques à la découpe au mortier. La technologie de découpe au fil diamanté, depuis le mécanisme de coupe jusqu'à la ligne de production complète, présente des différences importantes entre la découpe au fil diamanté et la découpe au mortier. Par conséquent, le processus de nettoyage, le dosage et la formulation de l'agent de nettoyage doivent être adaptés à la découpe au fil diamanté. L'agent de nettoyage est un élément crucial. Les formules classiques contenant des tensioactifs ou de l'alcalinité ne conviennent pas au nettoyage des plaquettes de silicium découpées au fil diamanté. Il est nécessaire de choisir un agent de nettoyage ciblé, adapté à la surface de la plaquette et aux résidus présents, et de l'éliminer lors du processus de nettoyage. Comme mentionné précédemment, l'utilisation d'un agent antimousse est inutile pour la découpe au mortier.
(5) Eau : l'eau de débordement de la découpe au fil diamanté, du prélavage et du nettoyage contient des impuretés qui peuvent être adsorbées à la surface de la plaquette de silicium.
Suggestions pour atténuer le problème de l'apparence blanche veloutée des cheveux :
(1) Pour utiliser le liquide de refroidissement avec une bonne dispersion, et le liquide de refroidissement doit utiliser l'agent antimousse à faible résidu pour réduire le résidu des composants du liquide de refroidissement sur la surface de la plaquette de silicium ;
(2) Utiliser une colle et une plaque de résine appropriées pour réduire la pollution de la plaquette de silicium ;
(3) Le liquide de refroidissement est dilué avec de l'eau pure pour s'assurer qu'il n'y a pas d'impuretés résiduelles facilement dans l'eau utilisée ;
(4) Pour la surface de la plaquette de silicium coupée au fil diamanté, utiliser un agent de nettoyage plus adapté en termes d'activité et d'effet de nettoyage ;
(5) Utiliser le système de récupération en ligne du liquide de refroidissement de la ligne diamantée pour réduire la teneur en poudre de silicium lors de la découpe, afin de contrôler efficacement les résidus de poudre de silicium sur la surface de la plaquette. Parallèlement, il est également possible d'améliorer la température, le débit et la durée de l'eau lors du prélavage, afin de garantir l'élimination de la poudre de silicium en temps voulu.
(6) Une fois la plaquette de silicium placée sur la table de nettoyage, elle doit être traitée immédiatement et la plaquette de silicium doit rester humide pendant tout le processus de nettoyage.
(7) La plaquette de silicium reste humide en surface lors du dégommage et ne peut sécher naturellement. (8) Lors du nettoyage de la plaquette de silicium, le temps d'exposition à l'air doit être réduit au minimum afin d'éviter la formation de bourgeons à sa surface.
(9) Le personnel de nettoyage ne doit pas entrer en contact direct avec la surface de la plaquette de silicium pendant tout le processus de nettoyage et doit porter des gants en caoutchouc afin de ne pas produire d'empreintes digitales.
(10) Dans la référence [2], le nettoyage de l'extrémité de la batterie utilise un procédé alcalin à base de peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) et de soude (NaOH) dans un rapport volumique de 1:26 (solution de NaOH à 3 %), ce qui permet de réduire efficacement l'apparition du problème. Son principe est similaire à celui de la solution de nettoyage SC1 (communément appelée liquide 1) utilisée pour les plaquettes de silicium semi-conductrices. Son mécanisme principal est le suivant : la couche d'oxydation formée à la surface de la plaquette de silicium par l'oxydation du H₂O₂ est ensuite corrodée par la soude (NaOH), et ce processus d'oxydation et de corrosion se répète. Par conséquent, les particules adhérant à la poudre de silicium, à la résine, au métal, etc., tombent également dans le liquide de nettoyage avec la couche de corrosion ; grâce à l'oxydation par le H₂O₂, la matière organique présente à la surface de la plaquette est décomposée en CO₂ et H₂O et éliminée. Ce procédé de nettoyage est utilisé par les fabricants de plaquettes de silicium monocristallines découpées au fil diamanté, notamment en Chine et à Taïwan, où des fabricants de batteries ont constaté des problèmes d'aspect blanc velouté. Certains fabricants de batteries utilisent également un procédé de pré-nettoyage similaire, permettant de contrôler efficacement l'apparition de dépôts blancs. Ce procédé est intégré au nettoyage des plaquettes de silicium afin d'éliminer les résidus et de résoudre ainsi le problème des dépôts blancs en fin de batterie.
conclusion
Actuellement, la découpe au fil diamanté est devenue la principale technologie de traitement dans le domaine de la découpe de monocristaux. Cependant, ce procédé engendre un problème de blanchiment velouté, source de difficultés pour les fabricants de plaquettes de silicium et de batteries. Ces derniers éprouvent une certaine réticence à l'égard de la découpe au fil diamanté des plaquettes de silicium. L'analyse comparative des zones blanches révèle qu'elles sont principalement dues à des résidus présents à la surface des plaquettes. Afin de mieux prévenir ce problème dans les cellules, cet article analyse les sources potentielles de pollution de surface des plaquettes de silicium et propose des pistes d'amélioration et des mesures correctives. L'analyse et l'optimisation des causes peuvent être réalisées en fonction du nombre, de la localisation et de la forme des points blancs. Le nettoyage à l'eau oxygénée et à l'alcali est particulièrement recommandé. L'expérience a démontré l'efficacité de ce procédé pour prévenir le blanchiment velouté des plaquettes de silicium découpées au fil diamanté. Ces informations sont utiles aux professionnels et aux fabricants du secteur.
Date de publication : 30 mai 2024