目前超过98%的电子元件材料全部使用单晶硅。其中用CZ法占了约85%,其他部份则是由浮融法FZ生长法。CZ法生长出的单晶硅,用在生产低功率的集成电路元件。而FZ法生长出的单晶硅则主要用在高功率的电子元件。CZ法所以比FZ法更普遍被半导体工业采用,主要在于它的高氧含量提供了晶片强化的优点。另外一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶硅棒。
目前国内主要采用CZ法
CZ法主要设备:CZ生长炉
CZ法生长炉的组成元件可分成四部分
(1)炉体:包括石英坩埚,石墨坩埚,加热及绝热元件,炉壁
(2)晶棒及坩埚拉升旋转机构:包括籽晶夹头,吊线及拉升旋转元件
(3)气氛压力控制:包括气体流量控制,真空系统及压力控制阀
(4)控制系统:包括侦测感应器及电脑控制系统
加工工艺:
加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长
(1)加料:将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内,杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼,磷,锑,砷。
(2)熔化:加完多晶硅原料于石英埚内后,长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内,然后打开石墨加热器电源,加热至熔化温度(1420℃)以上,将多晶硅原料熔化。
(3)缩颈生长:当硅熔体的温度稳定之后,将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力,会使籽晶产生位错,这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升,使长出的籽晶的直径缩小到一定大小(4-6mm)由于位错线与生长轴成一个交角,只要缩颈够长,位错便能长出晶体表面,产生零位错的晶体。
(4)放肩生长:长完细颈之后,须降低温度与拉速,使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。
(5)等径生长:长完细颈和肩部之后,借着拉速与温度的不断调整,可使晶棒直径维持在正负2mm之间,这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。
(6)尾部生长:在长完等径部分之后,如果立刻将晶棒与液面分开,那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生,必须将晶棒的直径慢慢缩小,直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出,即完成一次生长周期。
单晶硅棒加工成单晶硅抛光硅片
加工流程:
单晶生长→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片
倒角→研磨 腐蚀--抛光→清洗→包装
切断:目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分,将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度,切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。
切断的设备:内园切割机或外园切割机
切断用主要进口材料:刀片
外径磨削:由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大,通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。
外径滚磨的设备:磨床
平边或V型槽处理:指方位及指定加工,用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或V型。
处理的设备:磨床及X-RAY绕射仪。
切片:指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。
切片的设备:内园切割机或线切割机
倒角:指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形,防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生,增加磊晶层及光阻层的平坦度。
倒角的主要设备:倒角机
研磨:指通过研磨能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层,有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度,达到一个抛光过程可以处理的规格。
研磨的设备:研磨机(双面研磨)
主要原料:研磨浆料(主要成份为氧化铝,铬砂,水),滑浮液。
腐蚀:指经切片及研磨等机械加工后,晶片表面受加工应力而形成的损伤层,通常采用化学腐蚀去除。
腐蚀的方式:(A)酸性腐蚀,是最普遍被采用的。酸性腐蚀液由硝酸(HNO3),氢氟酸(HF),及一些缓冲酸(CH3COCH,H3PO4)组成。
(B)碱性腐蚀,碱性腐蚀液由KOH或NaOH加纯水组成。
抛光:指单晶硅片表面需要改善微缺陷,从而获得高平坦度晶片的抛光。
抛光的设备:多片式抛光机,单片式抛光机。
抛光的方式:粗抛:主要作用去除损伤层,一般去除量约在10-20um;
精抛:主要作用改善晶片表面的微粗糙程度,一般去除量1um以下
主要原料:抛光液由具有SiO2的微细悬硅酸胶及NaOH(或KOH或NH4OH)组成,分为粗抛浆和精抛浆。
清洗:在单晶硅片加工过程中很多步骤需要用到清洗,这里的清洗主要是抛光后的最终清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。
清洗的方式:主要是传统的RCA湿式化学洗净技术。
主要原料:H2SO4,H2O2,HF,NH4HOH,HCL
(3)损耗产生的原因
A.多晶硅--单晶硅棒
多晶硅加工成单晶硅棒过程中:如产生损耗是重掺埚底料、头尾料则无法再利用,只能当成冶金行业如炼铁、炼铝等用作添加剂;如产生损耗是非重掺埚底料、头尾料可利用制成低档次的硅产品,此部分应按边角料征税。
重掺料是指将多晶硅原料及接近饱和量的杂质(种类有硼,磷,锑,砷。杂质的种类依电阻的N或P型)放入石英坩埚内溶化而成的料。
重掺料主要用于生产低电阻率(电阻率<0.011欧姆/厘米)的硅片。
损耗:单晶拉制完毕后的埚底料约15%。
单晶硅棒整形过程中的头尾料约20%。
单晶整形过程中(外径磨削工序)由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大,通过外径磨削可以获得较为精确的直径。损耗约10%-13%。
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从事的工作主要包括:(1) *** 作单晶炉,采用直拉单晶或区熔单晶的方法,将高纯多晶材料生长成单晶锭;
(2) *** 作滚磨机等设备对单晶锭进行整形加工;
(3) *** 作热处理设备,将整形后的单晶锭进行热处理;
(4)使用测试设备对单晶锭进行性能测试;
(5)使用切片机将单晶锭切割成晶片;
(6)使用套圆设备在晶片上套圆;
(7)使用倒角、磨片等设备,对晶片进行倒角、磨片、腐蚀和抛光;
(8)使用检测设备,对单晶片进行分选和检测。
下列工种归入本职业:
单晶制备工,单晶片加工工,半导体温差电致冷材料制备工,晶体切割工,硅片研磨工,硅(晶)片抛光工,腐蚀清洗工
硅晶片是重要的半导体芯片材料。由于具有抗辐射,耐高温和高可靠性的特性,硅基材料在1960年代后期逐渐取代锗基材料成为主流半导体芯片材料。目前,超过95%的半导体芯片和器件是由硅基材料制成的。
半导体硅晶片市场高度集中并且具有规模优势。 Shin-Etsu Chemical(日本),SUMCO(日本),SK Siltron(韩国),Siltronic(德国)和Global Wafer(台湾)占全球市场份额的93%。 。中国大陆的半导体晶圆自主性较低,特别是对于12英寸大晶圆。随着半导体芯片设计和制造能力向我国的逐步转移,下游制造商正在推动供应链的国产化。以中环和沪硅为代表的国内硅晶圆制造商开始加快步伐,它们正在逐渐突破海外垄断并加速推进我国进行半导体晶圆国产化进程。
晶体生长设备是公司的传统优势业务。在光伏领域,除隆基股份和京运通外,该公司的单晶炉市场份额高达90%,牢牢占据龙头地位;在半导体芯片领域,公司一直保持与半导体芯片材料制造商的关系。良好的业务和研发合作关系,再加上自身强大的技术实力,率先实现了匹配超导磁场的8〜12英寸直拉式,区域熔化单晶炉和12英寸单晶硅生长炉的本地化,以及进入中环,有研、郑州合晶、金瑞泓等客户的供应链系统。此外,公司成功开发了6英寸碳化硅晶体生长炉,以进一步扩大第三代半导体设备的市场布局。
在光伏设备方面,2013年,公司成功研发出中国第一台单晶硅棒切割和磨削联合加工机。 2015年,成功开发了各种智能设备,例如单晶硅棒切割机和多晶硅块磨机,并开始涉足光伏电池,组件设备。 2017年,公司成功开发出高效太阳能电池组件自动堆垛机,实现了无母线叠层电池组件的生产,并当年顺利推广销售,成为国内首家实现GW级出货量设备的供应商。在半导体芯片设备方面,通过加强技术交流与合作以及自主研发,公司成功开发出一系列6-12英寸半导体单晶滚圆机,单晶硅切割机,双面研磨机,6- 8寸自动硅片切片机等新产品。其中,与齐滕精机合作成功开发了12英寸的倒圆机和裁断机,达到了行业领先水平;通过与Revasum合作成功将抛光机推向市场,并积极开发12英寸抛光机。
公司已经建立了大规模的高真空精密零件制造基地,用以投资高端半导体芯片制造的核心环节,并搭建了优越的产业平台,并逐步布局与半导体芯片相关的辅助材料,消耗品和关键产品。添加了半导体芯片抛光液,阀门等新产品,例如磁流体零件和16-32英寸坩埚。其中,抛光液是通过与韩国ACE Nanochemical Co.,Ltd.和Intel International Co.,Ltd.成立合资子公司Jingyan Semiconductor研发的。ACE抛光材料质量高,成本效益高,并且具有被许多海外客户认可的资质。公司充分结合了三方行业基础,技术品牌和市场资源的优势,在抛光液方面已经具有国产化的能力。
2020年前三季度,公司实现收入24.85亿元,同比增长23.81%,归属于母公司所有者的净利润5.24亿元,增长11.00%;其中,2020年第三季度,公司实现收入10.15亿元,同比增长22.40。%,归属于母公司所有者的净利润2.47亿元,同比增长12.07%。
A股上市公司光伏单晶炉龙头、第三代半导体芯片设备黑马股晶盛机电整体保持震荡上行格局,机构阶段性控盘结构,据大数据统计,主力筹码约为55%,主力控盘比率约为50%; 趋势研判与多空研判方面,可以参考DKX(5)参数为5,双线的多空排列作为方向参考,K线与DKX所处位置做多空参考。
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