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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现在光伏行业兴兴向荣,发展迅速。据不完全统计,现在全国已有两百多家硅片生产企业。2014年中国多晶硅生产规模明显增长,预计全年产量将超过13万吨,和2013年的8万吨相比,同比增加62.5%,其中前三季度多晶硅产量已经达到9.8万吨。硅片产能迅速增长势必带来硅片切割液的需求量增加。但现在硅片切割液呈现的问题依旧比较突出,主要表现在以下五个方面:1、切割后的表面TTV大,有线痕:由于硅片在切割过程中会发生脆性崩裂或划痕,影响了硅片表面的粗糙度和翘曲度,使得所加工的硅片总厚度存在误差。
2、不耐酸耐腐:由于硅片切割设备在酸性环境下会生锈腐蚀,质量差的切割液会加重腐蚀程度,所以如何防腐防锈是判断硅片切割液优劣的关键所在。
3、使用寿命短:现在很多硅片切割液使用的添加剂质量差,不利于切割后清洗,从而缩短了金刚砂线的使用寿命。
4、产生氢气:切割过程中切屑硅粉由于粒度太细与水反应会释放出氢气,长时间的生产积累会产生安全隐患。
5、生产成本高:目前很多切割液由于技术和使用方法的局限,不能回收利用,无形中又增加了企业的运营成本。
由于这五大难题的客观存在,使得很多硅片生产厂家陷入了困境。不及时解决这个问题,不仅严重影响了生产,更会制约企业的长远发展。
基于以上几大难题,常州君合科技研制出了一种新型的硅片切割液——金刚砂线切割液。它是一种新型产品,主要用于单晶硅、多晶硅等非金属脆硬材料的金刚砂线切割,具有优异的润滑、冷却、防腐、防锈、氢气抑制功能,切割后的硅片表面TTV小,无线痕,并且能够延长金刚砂线的使用寿命。而且无需稀释,可以直接使用在硅片切割的线切割机床上。由于其优越的润滑防锈性能,完美的解决了硅片在切割过程中产生的各种问题,减少了生产成本,从而减轻了企业的负担。
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