أخبار

تُعرف تقنية القطع بسلك الماس أيضاً بتقنية القطع الكاشط بالدمج. وتعتمد هذه التقنية على استخدام الطلاء الكهربائي أو طريقة الربط بالراتنج لدمج حبيبات الماس الكاشطة على سطح سلك فولاذي، حيث يعمل سلك الماس مباشرةً على سطح قضيب أو سبيكة سيليكون لإنتاج عملية الطحن، وبالتالي تحقيق القطع. وتتميز تقنية القطع بسلك الماس بسرعة القطع العالية، ودقة القطع الفائقة، وانخفاض فقد المواد.

في الوقت الراهن، يشهد سوق رقائق السيليكون أحادية البلورة المستخدمة في قطعها بأسلاك الماس قبولاً واسعاً، إلا أنه يواجه بعض التحديات خلال عملية الترويج، أبرزها مشكلة "اللون الأبيض المخملي". لذا، تركز هذه الورقة البحثية على كيفية تجنب هذه المشكلة في رقائق السيليكون أحادية البلورة المقطوعة بأسلاك الماس.

تتضمن عملية تنظيف رقاقة السيليكون أحادية البلورة المقطوعة بسلك الماس إزالة رقاقة السيليكون المقطوعة بواسطة آلة القطع السلكي من لوحة الراتنج، وإزالة الشريط المطاطي، وتنظيف رقاقة السيليكون. تتكون معدات التنظيف بشكل أساسي من آلة تنظيف أولية (آلة إزالة الصمغ) وآلة تنظيف نهائية. تتضمن عملية التنظيف الأولية الرئيسية الخطوات التالية: التغذية - الرش - الرش - التنظيف بالموجات فوق الصوتية - إزالة الصمغ - الشطف بالماء النظيف - التغذية السفلية. أما عملية التنظيف النهائية الرئيسية فتتضمن الخطوات التالية: التغذية - الشطف بالماء النقي - الشطف بالماء النقي - الغسيل القلوي - الغسيل القلوي - الشطف بالماء النقي - الشطف بالماء النقي - التجفيف الأولي (رفع بطيء) - التجفيف - التغذية.

مبدأ صناعة المخمل أحادي البلورة

تتميز رقاقة السيليكون أحادية البلورة بخاصية التآكل غير المتجانس. مبدأ التفاعل هو معادلة التفاعل الكيميائي التالية:

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑

باختصار، تتمثل عملية تكوين الطبقة الشبيهة بالجلد المدبوغ في: استخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بمعدلات تآكل مختلفة لأسطح البلورات المختلفة. فسطح (100) يتآكل بسرعة أكبر من سطح (111)، لذا فإن سطح (100) على رقاقة السيليكون أحادية البلورة يتآكل بشكل غير متجانس، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين مخروط رباعي الأضلاع على سطح (111)، أي بنية "هرمية" (كما هو موضح في الشكل 1). بعد تكوين هذه البنية، عندما يسقط الضوء على سطح الهرم بزاوية معينة، ينعكس الضوء إلى السطح بزاوية أخرى، مما يُشكل امتصاصًا ثانويًا أو إضافيًا، وبالتالي يقلل من انعكاسية سطح رقاقة السيليكون، أي تأثير حصر الضوء (انظر الشكل 2). كلما كان حجم بنية "الهرم" وتجانسها أفضل، كان تأثير الحصر أكثر وضوحًا، وانخفضت انبعاثات سطح رقاقة السيليكون.

الشكل 1: المورفولوجيا المجهرية لرقاقة السيليكون أحادية البلورة بعد إنتاج القلويات

الشكل 2: مبدأ مصيدة الضوء في بنية "الهرم"

تحليل تبييض البلورات الأحادية

باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح على رقاقة السيليكون البيضاء، تبيّن أن البنية الهرمية الدقيقة للرقاقة في المنطقة المحددة لم تتشكل بشكل أساسي، وأن السطح يبدو مغطى بطبقة من بقايا شمعية. في المقابل، كانت البنية الهرمية الشبيهة بالجلد المدبوغ في المنطقة البيضاء من نفس رقاقة السيليكون أكثر وضوحًا (انظر الشكل 3). في حال وجود بقايا على سطح رقاقة السيليكون أحادية البلورة، سيظهر على السطح بنية هرمية متبقية غير منتظمة الحجم والتجانس، كما أن تأثير المنطقة العادية غير كافٍ، مما ينتج عنه انعكاسية سطحية مخملية متبقية أعلى من المنطقة العادية، حيث تنعكس المنطقة ذات الانعكاسية العالية على شكل اللون الأبيض. وكما يتضح من شكل توزيع المنطقة البيضاء، فإنها غير منتظمة أو غير منتظمة في مساحة واسعة، بل تقتصر على مناطق محددة. يُرجّح أن هذا يعود إلى عدم تنظيف الملوثات الموضعية على سطح رقاقة السيليكون، أو أن حالة سطح رقاقة السيليكون ناتجة عن تلوث ثانوي.

الشكل 3: مقارنة الاختلافات في البنية المجهرية الإقليمية في رقائق السيليكون ذات اللون الأبيض المخملي

سطح رقاقة السيليكون المقطوعة بسلك الماس أكثر نعومةً وأقل تضررًا (كما هو موضح في الشكل 4). وبالمقارنة مع رقاقة السيليكون المقطوعة بالملاط، فإن سرعة تفاعل القلوي مع سطح رقاقة السيليكون المقطوعة بسلك الماس أبطأ من سرعة تفاعله مع رقاقة السيليكون أحادية البلورة المقطوعة بالملاط، لذا فإن تأثير بقايا السطح على المظهر المخملي يكون أكثر وضوحًا.

الشكل 4: (أ) صورة مجهرية لسطح رقاقة سيليكون مقطوعة بالملاط (ب) صورة مجهرية لسطح رقاقة سيليكون مقطوعة بسلك ماسي

المصدر الرئيسي المتبقي لسطح رقاقة السيليكون المقطوعة بسلك الماس

(1) سائل التبريد: تتكون سوائل التبريد المستخدمة في قطع أسلاك الماس بشكل أساسي من مواد فعالة سطحية، ومشتتات، ومواد مانعة للرغوة، وماء، ومكونات أخرى. يتميز سائل التبريد ذو الأداء الممتاز بقدرة عالية على التعليق والتشتت والتنظيف. تتمتع المواد الفعالة سطحية عادةً بخصائص محبة للماء، مما يسهل إزالتها أثناء عملية تنظيف رقائق السيليكون. يؤدي التحريك المستمر لهذه المواد المضافة في الماء إلى تكوين رغوة كثيفة، مما يقلل من تدفق سائل التبريد ويؤثر على كفاءة التبريد، وقد يتسبب في مشاكل رغوة شديدة، بل وحتى فيضان الرغوة، مما يؤثر سلبًا على الاستخدام. لذلك، يُستخدم سائل التبريد عادةً مع عامل مانع للرغوة. ولضمان فعالية منع الرغوة، فإن السيليكون والبولي إيثر التقليديين عادةً ما يكونان ضعيفي المحبة للماء. يسهل امتصاص المذيب الموجود في الماء وبقاؤه على سطح رقاقة السيليكون أثناء التنظيف اللاحق، مما يؤدي إلى ظهور بقع بيضاء. ولا يتوافق هذا النظام جيدًا مع المكونات الرئيسية لسائل التبريد، لذا يجب تصنيعه من مكونين: المكونات الرئيسية وعوامل إزالة الرغوة، تُضاف إلى الماء. أثناء الاستخدام، وبحسب كمية الرغوة، يصعب التحكم بدقة في استخدام عوامل إزالة الرغوة وجرعتها، مما قد يؤدي إلى زيادة الجرعة، وبالتالي زيادة الرواسب على سطح رقاقة السيليكون، كما أنه أكثر صعوبة في التشغيل. مع ذلك، ونظرًا لانخفاض سعر المواد الخام وعوامل إزالة الرغوة، فإن معظم سوائل التبريد المحلية تستخدم هذا النظام. في المقابل، يستخدم سائل تبريد آخر عامل إزالة رغوة جديدًا، يتوافق جيدًا مع المكونات الرئيسية، ولا يحتاج إلى إضافات، ويمكن التحكم بكميته بفعالية، مما يمنع الاستخدام المفرط، كما أنه سهل الاستخدام، ومع عملية التنظيف المناسبة، يمكن التحكم في رواسبه إلى مستويات منخفضة جدًا. في اليابان وبعض الشركات المصنعة المحلية الأخرى، يتبنى هذا النظام، ولكن نظرًا لارتفاع تكلفة المواد الخام، فإن ميزته السعرية ليست واضحة.

(2) نسخة الغراء والراتنج: في المرحلة الأخيرة من عملية قطع سلك الماس، تكون رقاقة السيليكون القريبة من الطرف الداخل قد قُطعت مسبقًا، بينما لم تُقطع رقاقة السيليكون عند الطرف الخارج بعد. يبدأ سلك الماس المقطوع مبكرًا بالقطع وصولًا إلى طبقة المطاط ولوحة الراتنج. نظرًا لأن غراء قضيب السيليكون ولوحة الراتنج كلاهما من منتجات راتنج الإيبوكسي، فإن درجة تليينهما تتراوح أساسًا بين 55 و95 درجة مئوية. إذا كانت درجة تليين طبقة المطاط أو لوحة الراتنج منخفضة، فقد ترتفع درجة حرارتهما بسهولة أثناء عملية القطع، مما يؤدي إلى تليينهما وانصهارهما، والتصاقهما بسلك الفولاذ وسطح رقاقة السيليكون، مما يُقلل من قدرة خط الماس على القطع. أو قد تتلطخ رقائق السيليكون بالراتنج، وبمجرد التصاقها، يصعب جدًا إزالتها. يحدث هذا التلوث غالبًا بالقرب من حافة رقاقة السيليكون.

(3) مسحوق السيليكون: ينتج عن عملية قطع الأسلاك الماسية كمية كبيرة من مسحوق السيليكون، ومع استمرار القطع، يزداد محتوى مسحوق سائل التبريد. وعندما يصبح المسحوق كبيرًا بما يكفي، يلتصق بسطح السيليكون. ويؤدي حجم مسحوق السيليكون الناتج عن قطع الأسلاك الماسية إلى سهولة امتصاصه على سطح السيليكون، مما يصعب تنظيفه. لذلك، يجب ضمان تحديث سائل التبريد وتحسين جودته، وتقليل محتوى المسحوق فيه.

(4) عامل التنظيف: يستخدم معظم مصنعي آلات قطع الأسلاك الماسية حاليًا تقنية القطع بالملاط، ويعتمدون في الغالب على الغسل المسبق وعملية التنظيف وعامل التنظيف المستخدم في القطع بالملاط. تختلف تقنية قطع الأسلاك الماسية، بدءًا من آلية القطع، اختلافًا كبيرًا عن تقنية القطع بالملاط، لذا يجب تعديل عملية التنظيف وجرعة عامل التنظيف وتركيبته بما يتناسب مع عملية القطع بالأسلاك الماسية. يُعد عامل التنظيف جانبًا مهمًا، فتركيبة عامل التنظيف الأصلية التي تحتوي على مواد خافضة للتوتر السطحي وقلوية غير مناسبة لتنظيف رقائق السيليكون المقطوعة بالأسلاك الماسية. يجب اختيار عامل تنظيف مُخصص لسطح رقائق السيليكون، مع مراعاة تركيبته وبقايا السطح، واستخدامه في عملية التنظيف. كما ذُكر سابقًا، لا حاجة إلى عامل إزالة الرغوة في القطع بالملاط.

(5) الماء: يحتوي الماء الزائد الناتج عن قطع الأسلاك الماسية والغسيل المسبق والتنظيف على شوائب، وقد يتم امتصاصه على سطح رقاقة السيليكون.

اقتراحات للحد من مشكلة ظهور الشعر المخملي باللون الأبيض

(1) استخدام سائل التبريد ذي التشتت الجيد، ويجب استخدام عامل إزالة الرغوة منخفض البقايا لتقليل بقايا مكونات سائل التبريد على سطح رقاقة السيليكون؛

(2) استخدم مادة لاصقة مناسبة ولوحة راتنجية لتقليل تلوث رقاقة السيليكون؛

(3) يتم تخفيف سائل التبريد بالماء النقي لضمان عدم وجود شوائب متبقية سهلة في الماء المستخدم؛

(4) بالنسبة لسطح رقاقة السيليكون المقطوعة بسلك الماس، فإن استخدام عامل تنظيف أكثر ملاءمة من حيث النشاط وتأثير التنظيف؛

(5) استخدم نظام استعادة سائل التبريد عبر الإنترنت لخط الماس لتقليل محتوى مسحوق السيليكون في عملية القطع، وذلك للتحكم الفعال في بقايا مسحوق السيليكون على سطح رقاقة السيليكون. في الوقت نفسه، يمكن أيضًا تحسين درجة حرارة الماء وتدفقه ومدة الغسل المسبق، لضمان إزالة مسحوق السيليكون في الوقت المناسب.

(6) بمجرد وضع رقاقة السيليكون على طاولة التنظيف، يجب معالجتها على الفور، والحفاظ على رقاقة السيليكون رطبة طوال عملية التنظيف بأكملها.

(7) تبقى رقاقة السيليكون رطبة السطح أثناء عملية إزالة الصمغ، ولا تجف بشكل طبيعي. (8) في عملية تنظيف رقاقة السيليكون، يجب تقليل مدة تعرضها للهواء قدر الإمكان لمنع ظهور الطحالب على سطحها.

(9) يجب على عمال التنظيف عدم ملامسة سطح رقاقة السيليكون مباشرة أثناء عملية التنظيف بأكملها، ويجب عليهم ارتداء قفازات مطاطية، حتى لا ينتج عنها بصمات أصابع.

(10) في المرجع [2]، يستخدم طرف البطارية عملية تنظيف ببيروكسيد الهيدروجين (H2O2) مع محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بنسبة حجمية 1:26 (محلول NaOH بتركيز 3%)، مما يقلل بشكل فعال من حدوث المشكلة. مبدأ هذه العملية مشابه لمحلول التنظيف SC1 (المعروف باسم السائل 1) المستخدم في رقائق السيليكون شبه الموصلة. تتمثل آلية عملها الرئيسية في تكوّن طبقة أكسدة على سطح رقاقة السيليكون نتيجة أكسدة H2O2، والتي تتآكل بفعل NaOH، وتتكرر عمليتا الأكسدة والتآكل. ونتيجة لذلك، تسقط الجزيئات العالقة بمسحوق السيليكون والراتنج والمعادن (وغيرها) في سائل التنظيف مع طبقة التآكل؛ وبسبب أكسدة H2O2، تتحلل المواد العضوية على سطح الرقاقة إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O) وتُزال. وقد استخدم مصنّعو رقائق السيليكون هذه العملية لتنظيف رقائق السيليكون أحادية البلورة المقطوعة بأسلاك الماس، كما وردت شكاوى من مشكلة اللون الأبيض المخملي عند استخدام رقائق السيليكون بكميات كبيرة من قبل مصنّعي البطاريات في الصين وتايوان وغيرها. كما استخدم بعض مصنعي البطاريات عملية تنظيف مسبق مماثلة لإزالة الشوائب، مما ساهم في الحد من ظهورها. يُلاحظ أن هذه العملية تُضاف إلى عملية تنظيف رقائق السيليكون لإزالة بقايا السيليكون، وبالتالي حل مشكلة الشوائب البيضاء على أطراف البطارية.

خاتمة

أصبحت تقنية قطع السيليكون باستخدام أسلاك الماس حاليًا التقنية الرئيسية في مجال قطع البلورات الأحادية، إلا أن مشكلة التبييض السطحي لرقائق السيليكون والبطاريات تُشكل تحديًا كبيرًا، ما يدفع مصنعي البطاريات إلى التردد في استخدامها. وبتحليل المناطق البيضاء، تبين أنها ناتجة بشكل أساسي عن الرواسب على سطح رقاقة السيليكون. ولمعالجة هذه المشكلة في خلايا البطاريات، تُحلل هذه الورقة البحثية المصادر المحتملة لتلوث سطح رقائق السيليكون، وتقدم اقتراحات وتدابير لتحسين عملية الإنتاج. ويمكن تحليل أسباب هذه المشكلة بناءً على عدد البقع البيضاء وموقعها وشكلها، مع التركيز على استخدام عملية التنظيف ببيروكسيد الهيدروجين والقلويات. وقد أثبتت التجارب الناجحة فعالية هذه الطريقة في منع التبييض السطحي لرقائق السيليكون المقطوعة بأسلاك الماس، ما يُعد مرجعًا مفيدًا للعاملين في هذا المجال والمصنعين.