單晶 多晶硅片生產(chǎn)工藝流程詳解（上）

從單晶爐里生產(chǎn)的單晶棒開始，硅片的工藝流程就基本啟動(dòng)了。為了幫助大家認(rèn)識和了解硅料到硅片的詳細(xì)生產(chǎn)流程，提高對這個(gè)行業(yè)的認(rèn)知，以便能更好的從事光伏行業(yè)，現(xiàn)在將一些生產(chǎn)流程資料整理如下，希望能對大家有所幫助。 　　簡介 　　硅片的準(zhǔn)備過程從硅單晶棒開始，到清潔的拋光片結(jié)束，以能夠在絕好的環(huán)境中使用。期間，從一單晶硅棒到加工成數(shù)片能滿足特殊要求的硅片要經(jīng)過很多流程和清洗步驟。除了有許多工藝步驟之外，整個(gè)過程幾乎都要在無塵的環(huán)境中進(jìn)行。硅片的加工從一相對較臟的環(huán)境開始，最終在10級凈空房內(nèi)完成。 　　工藝過程綜述 　　所有的工藝步驟概括為三個(gè)主要種類：能修正物理性能如尺寸、形狀、平整度、或一些體材料的性能；能減少不期望的表面損傷的數(shù)量；或能消除表面沾污和顆粒。工藝步驟的順序是很重要的，因?yàn)檫@些步驟的決定能使硅片受到盡可能少的損傷并且可以減少硅片的沾污。 　　硅片加工過程步驟 　　1.切片 　　2.激光標(biāo)識 　　3.倒角 　　4.磨片 　　5.腐蝕 　　6.背損傷 　　7.邊緣鏡面拋光 　　8.預(yù)熱清洗 　　9..抵抗穩(wěn)定——退火 10.背封 　　11.粘片 　　12.拋光 　　13.檢查前清洗 　　14.外觀檢查 　　15.金屬清洗 　　16.擦片 　　17.激光檢查 　　18.包裝/貨運(yùn) 　　切片（class 500k） 　　硅片加工的介紹中，從單晶硅棒開始的第一個(gè)步驟就是切片。這一步驟的關(guān)鍵是如何在將單晶硅棒加工成硅片時(shí)盡可能地降低損耗，也就是要求將單晶棒盡可能多地加工成有用的硅片。為了盡量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翹曲和最少量的刀縫損耗。 　　切片過程中有兩種主要方式——內(nèi)圓切割和線切割。這兩種形式的切割方式被應(yīng)用的原因是它們能將材料損失減少到最小，對硅片的損傷也最小，并且允許硅片的翹曲也是最小。 　　切片是一個(gè)相對較臟的過程，可以描述為一個(gè)研磨的過程，這一過程會產(chǎn)生大量的顆粒和大量的很淺表面損傷。 　　硅片切割完成后，所粘的碳板和用來粘碳板的粘結(jié)劑必須從硅片上清除。在這清除和清洗過程中，很重要的一點(diǎn)就是保持硅片的順序，因?yàn)檫@時(shí)它們還沒有被標(biāo)識區(qū)分。 　　激光標(biāo)識(Class 500k) 　　在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片會被用激光刻上標(biāo)識。一臺高功率的激光打印機(jī)用來在硅片表面刻上標(biāo)識。硅片按從晶棒切割下的相同順序進(jìn)行編碼，因而能知道硅片的正確位置。這一編碼應(yīng)是統(tǒng)一的，用來識別硅片并知道它的來源。編碼能表明該硅片從哪一單晶棒的什么位置切割下來的。保持這樣的追溯是很重要的，因?yàn)閱尉У恼w特性會隨著晶棒的一頭到另一頭而變化。編號需刻的足夠深，從而到最終硅片拋光完畢后仍能保持。在硅片上刻下編碼后，即使硅片有遺漏，也能追溯到原來位置，而且如果趨向明了，那么就可以采取正確的措施。激光標(biāo)識可以在硅片的正面也可在背面，盡管正面通常會被用到。 　　倒角 　　當(dāng)切片完成后，硅片有比較尖利的邊緣，就需要進(jìn)行倒角從而形成子彈式的光滑的邊緣。倒角后的硅片邊緣有低的中心應(yīng)力，因而使之更牢固。這個(gè)硅片邊緣的強(qiáng)化，能使之在以后的硅片加工過程中，降低硅片的碎裂程度。 　　磨片（Class 500k） 　　接下來的步驟是為了清除切片過程及激光標(biāo)識時(shí)產(chǎn)生的不同損傷，這是磨片過程中要完成的。在磨片時(shí)，硅片被放置在載體上，并圍繞放置在一些磨盤上。硅片的兩側(cè)都能與磨盤接觸，從而使硅片的兩側(cè)能同時(shí)研磨到。磨盤是鑄鐵制的，邊緣鋸齒狀。上磨盤上有一系列的洞，可讓研磨砂分布在硅片上，并隨磨片機(jī)運(yùn)動(dòng)。磨片可將切片造成的嚴(yán)重?fù)p傷清除，只留下一些均衡的淺顯的傷痕；磨片的第二個(gè)好處是經(jīng)磨片之后，硅片非常平整，因?yàn)槟ケP是極其平整的。 　　磨片過程主要是一個(gè)機(jī)械過程，磨盤壓迫硅片表面的研磨砂。研磨砂是由將氧化鋁溶液延緩煅燒后形成的細(xì)小顆粒組成的，它能將硅的外層研磨去。被研磨去的外層深度要比切片造成的損傷深度更深。 　　腐蝕（Class 100k） 　　磨片之后，硅片表面還有一定量的均衡損傷，要將這些損傷去除，但盡可能低的引起附加的損傷。比較有特色的就是用化學(xué)方法。有兩種基本腐蝕方法：堿腐蝕和酸腐蝕。 　　背損傷（Class 100k） 　　在硅片的背面進(jìn)行機(jī)械損傷是為了形成金屬吸雜中心。當(dāng)硅片達(dá)到一定溫度時(shí)，如Fe， Ni， Cr， Zn等會降低載流子壽命的金屬原子就會在硅體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這些原子在硅片背面遇到損傷點(diǎn)，它們就會被誘陷并本能地從內(nèi)部移動(dòng)到損傷點(diǎn)。背損傷的引入典型的是通過沖擊或磨損。舉例來說，沖擊方法用噴砂法，磨損則用刷子在硅片表面磨擦。 　　邊緣拋光 　　硅片邊緣拋光的目的是為了去除在硅片邊緣殘留的腐蝕坑。當(dāng)硅片邊緣變得光滑，硅片邊緣的應(yīng)力也會變得均勻。應(yīng)力的均勻分布，使硅片更堅(jiān)固。拋光后的邊緣能將顆?；覊m的吸附降到最低。硅片邊緣的拋光方法類似于硅片表面的拋光。 　　預(yù)熱清洗（Class 1k） 　　在硅片進(jìn)入抵抗穩(wěn)定前，需要清潔，將有機(jī)物及金屬沾污清除，如果有金屬殘留在硅片表面，當(dāng)進(jìn)入抵抗穩(wěn)定過程，溫度升高時(shí)，會進(jìn)入硅體內(nèi)。這里的清洗過程是將硅片浸沒在能清除有機(jī)物和氧化物的清洗液（H2SO4+H2O2）中，許多金屬會以氧化物形式溶解入化學(xué)清洗液中；然后，用氫氟酸（HF）將硅片表面的氧化層溶解以清除污物。 　　抵抗穩(wěn)定——退火（Class 1k） 　　硅片在CZ爐內(nèi)高濃度的氧氛圍里生長。因?yàn)榻^大部分的氧是惰性的，然而仍有少數(shù)的氧會形成小基團(tuán)。這些基團(tuán)會扮演n-施主的角色，就會使硅片的電阻率測試不正確。要防止這一問題的發(fā)生，硅片必須首先加熱到650℃左右。這一高的溫度會使氧形成大的基團(tuán)而不會影響電阻率。然后對硅片進(jìn)行急冷，以阻礙小的氧基團(tuán)的形成。這一過程可以有效的消除氧作為n-施主的特性，并使真正的電阻率穩(wěn)定下來。 　　背封（Class 10k） 　　對于重?fù)降墓杵瑏碚f，會經(jīng)過一個(gè)高溫階段，在硅片背面淀積一層薄膜，能阻止摻雜劑的向外擴(kuò)散。這一層就如同密封劑一樣防止摻雜劑的逃逸。通常有三種薄膜被用來作為背封材料：二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅。 　　圖 舉例說明了預(yù)熱清洗、抵抗穩(wěn)定和背封的步驟。 　　粘片（Class 10k） 　　拋光之前，先要進(jìn)行粘片。粘片必須保證硅片能拋光平整。有兩種主要的粘片方式，即蠟粘片或模板粘片。 　　蠟粘片用一固體松香蠟與硅片粘合，并提供一個(gè)極其平的參考表面。這一表面為拋光提供了一個(gè)固體參考平面。粘的蠟?zāi)芊乐巩?dāng)硅片在一側(cè)面的載體下拋光時(shí)硅片的移動(dòng)。蠟粘片只對單面拋光的硅片有用。 　　另一方法就是模板粘片，有兩種不同變異。一種只適用于單面拋光，用這種方法，硅片被固定在一圓的模板上，再放置在軟的襯墊上。這一襯墊能提供足夠的摩擦力因而在拋光時(shí)，硅片的邊緣不會完全支撐到側(cè)面載體，硅片就不是硬接觸，而是“漂浮”在物體上。當(dāng)正面進(jìn)行拋光時(shí)，單面的粘片保護(hù)了硅片的背面。另一種方法適用于雙面的拋光。這種方法可以允許在一臺機(jī)器上進(jìn)行拋光時(shí)，兩面能同時(shí)進(jìn)行，操作類似于磨片機(jī)。硅片的兩個(gè)拋光襯墊放置在相反的方向，這樣硅片被推向一個(gè)方向的頂部時(shí)和相反方向的底部，產(chǎn)生的應(yīng)力會相互抵消。這就有利于防止硅片被推向堅(jiān)硬的載體而導(dǎo)致硅片邊緣遭到損壞。 　　拋光（Class ≤1k） 　　硅片拋光的目的是得到一非常光滑、平整、無任何損傷的硅表面。磨片時(shí)，硅片進(jìn)行的是機(jī)械的研磨；而在拋光時(shí)，是一個(gè)化學(xué)/機(jī)械的過程。這個(gè)在操作原理上的不同是造成拋光能比磨片得到更光滑表面的原因。 　　拋光時(shí)，用特制的拋光襯墊和特殊的拋光砂對硅片進(jìn)行化學(xué)/機(jī)械拋光。拋光砂由硅膠和一特殊的高pH值的化學(xué)試劑組成。這種高pH的化學(xué)試劑能氧化硅片表面，又以機(jī)械方式用含有硅膠的拋光砂將氧化層從表面磨去。 　　硅片通常要經(jīng)多步拋光。第一步是粗拋，用較硬襯墊，拋光砂更易與之反應(yīng)，而且比后面的拋光中用到的砂中有更多粗糙的硅膠顆粒。第一步是為了清除腐蝕斑和一些機(jī)械損傷。在接下來的拋光中，用軟襯、含較少化學(xué)試劑和細(xì)的硅膠顆粒的拋光砂。清除剩余損傷和薄霧的最終的拋光稱為精拋。 　　粘片和拋光過程如圖所示： 　　檢查前清洗（class 10） 　　硅片拋光后，表面有大量的沾污物。為了能對硅片進(jìn)行檢查，需進(jìn)行清洗以除去大部分的顆粒。通過這次清洗，硅片的清潔度仍不能滿足客戶的要求，但能對其進(jìn)行檢查了。 　　通常的清洗方法是在拋光后用RCA SC-1清洗液。有時(shí)用SC-1清洗時(shí)，同時(shí)還用磁超聲清洗能更為有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2，再用HF清洗。相比之下，這種方法更能有效清除金屬沾污。 　　檢查 　　經(jīng)過拋光、清洗之后，就可以進(jìn)行檢查了。在檢查過程中，電阻率、翹曲度、總厚度超差和平整度等都要測試。所有這些測量參數(shù)都要用無接觸方法測試，因而拋光面才不會受到損傷。在這點(diǎn)上，硅片必須最終滿足客戶的尺寸性能要求，否則就會被淘汰。 　　金屬物去除清洗 　　硅片檢查完后，就要進(jìn)行最終的清洗以清除剩余在硅片表面的所有顆粒。主要的沾污物是檢查前清洗后仍留在硅片表面的金屬離子。這些金屬離子來自于各不同的用到金屬與硅片接觸的加工過程，如切片、磨片。一些金屬離子甚至來自于前面幾個(gè)清洗過程中用到的化學(xué)試劑。因此，最終的清洗主要是為了清除殘留在硅片表面的金屬離子。這樣做的原因是金屬離子能導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命，從而會使器件性能降低。SC-1標(biāo)準(zhǔn)清洗液對清除金屬離子不是很有效。因此，要用不同的清洗液，如HCl，必須用到。 　　擦片 　　在用HCl清洗完硅片后，可能還會在表面吸附一些顆粒。一些制造商選擇PVA制的刷子來清除這些殘留顆粒。在擦洗過程中，純水或氨水（NH4OH）應(yīng)流經(jīng)硅片表面以帶走沾附的顆粒。用PVA擦片是清除顆粒的有效手段。 　　激光檢查 　　硅片的最終清洗完成后，就需要檢查表面顆粒和表面缺陷。激光檢查儀能探測到表面的顆粒和缺陷。因?yàn)榧す馐嵌滩ㄖ懈邚?qiáng)度的波源。激光在硅片表面反射。如果表面沒有任何問題，光打到硅片表面就會以相同角度反射。然而，如果光打到顆粒上或打到粗糙的平面上，光就不會以相同角度反射。反射的光會向各個(gè)方向傳播并能在不同角度被探測到。 　　包裝/貨運(yùn) 　　包裝的目的是為硅片提供一個(gè)無塵的環(huán)境，并使硅片在運(yùn)輸時(shí)不受到任何損傷；包裝還可以防止硅片受潮。如果一片好的硅片被放置在容器內(nèi)，并讓它受到污染，它的污染程度會與在硅片加工過程中的任何階段一樣嚴(yán)重，甚至認(rèn)為這是更嚴(yán)重的問題，因?yàn)樵诠杵a(chǎn)過程中，隨著每一步驟的完成，硅片的價(jià)值也在不斷上升。理想的包裝是既能提供清潔的環(huán)境，又能控制保存和運(yùn)輸時(shí)的小環(huán)境的整潔。典型的運(yùn)輸用的容器是用聚丙烯、聚乙烯或一些其他塑料材料制成。這些塑料應(yīng)不會釋放任何氣體并且是無塵的，如此硅片表面才不會被污染。 　　硅片制備階段的問題 　　在硅片的制造過程中，涉及到許多參數(shù)。而且這些參數(shù)中有許多會因最終硅片目標(biāo)不同而發(fā)生變化。對硅片來說，有一些參數(shù)始終是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。 　　當(dāng)硅片被不正確運(yùn)行的刀片所切割時(shí)，就會造成彎曲的刀口。這些刀口都不會相同，這就使硅片有不同種類的平面缺陷。因此應(yīng)以盡可能平的面去切割硅片。 　　有不同的測量方法來測試硅片的平整度。整個(gè)的平整度對于設(shè)計(jì)樣品時(shí)是很重要的，從另一方面說，局部的平整度對于設(shè)計(jì)是很重要的，一些整體平整度測試的術(shù)語是彎曲度（bow）、翹曲度（warp）、總厚度超差（TTV）、總指示讀數(shù)（TIR）和焦平面背離（FPD）。 　　硅片制備階段的問題 　　在硅片的制造過程中，涉及到許多參數(shù)。而且這些參數(shù)中有許多會因最終硅片目標(biāo)不同而發(fā)生變化。對硅片來說，有一些參數(shù)始終是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。 　　當(dāng)硅片被不正確運(yùn)行的刀片所切割時(shí)，就會造成彎曲的刀口。這些刀口都不會相同，這就使硅片有不同種類的平面缺陷。因此應(yīng)以盡可能平的面去切割硅片。 　　有不同的測量方法來測試硅片的平整度。整個(gè)的平整度對于設(shè)計(jì)樣品時(shí)是很重要的，從另一方面說，局部的平整度對于設(shè)計(jì)是很重要的，一些整體平整度測試的術(shù)語是彎曲度（bow）、翹曲度（warp）、總厚度超差（TTV）、總指示讀數(shù)（TIR）和焦平面背離（FPD）。 　　Bow： 　　硅片彎曲度是測量硅片彎曲程度，它是與硅片中心從一通過靠近硅片邊緣的三個(gè)基點(diǎn)建立的平面的背離程度。 　　Warp： 　　硅片形狀變形的另一測試方法是翹曲度的測試。翹曲度是測量硅片確定的幾個(gè)參考面的中心線位置的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之最大差值。硅片的翹曲度起決于使用的一對無接觸掃描探針。硅片被放置在三個(gè)形成參考平面的支點(diǎn)上，這對探針中一支可以在硅片一側(cè)的任意位置，而另一支則在另一側(cè)的相應(yīng)位置。探針按設(shè)定的程序，沿硅片表面移動(dòng)，測量到硅片表面指定點(diǎn)的距離。一旦所有的距離都已測得，翹曲的程度也就知道了。測定翹曲度，第一步就是找到頂部探針與頂部硅片表面的距離（a）和相應(yīng)底部探針與底部硅片表面的距離（b）。換句話說，就得到了b-a的所有測量點(diǎn)。有了這些數(shù)據(jù)，將b-a的最大值減去b-a的最小值，再除以2就是Warp值（如圖1.6所示）。 圖1.6  翹曲度（Warp）和總厚度偏差（TTV）測量示意圖 　　TTV 　　一種檢測硅片厚度一致性的方法，叫總厚度超差（TTV），就是指硅片厚度的最大值與最小值之差。測量TTV可在測量Warp時(shí)同時(shí)進(jìn)行。Warp中類似的探針和數(shù)據(jù)處理方法可以為TTV所采用。在計(jì)算TTV時(shí)，第一步是將頂部探針與頂部硅片表面的距離（a）和相應(yīng)底部探針與底部硅片表面的距離（b）相加，這里，我們要的是相加（a+b），TTV就是將a+b的最大值減去a+b的最小值。 　　TIR 　　總指示讀數(shù)是一種只與硅片的正面有關(guān)的參數(shù)。測量方法是將與真空吸盤平行吸住的一面作為參考平面，TIR就是正面最高處與最凹處的差值。（見圖1.7） 圖1.7  總指示讀數(shù)（TIR）和焦平面偏離（FPD）測量示意圖 　　FPD 　　焦平面偏離（FPD）是指硅片上距焦平面最高處和最深處到焦平面的距離中遠(yuǎn)的一個(gè)。所有的測試方法都是體現(xiàn)硅片整體的表面情況。 　　污染 　　硅片表面的污染是一個(gè)主要關(guān)注的問題。硅片生產(chǎn)過程從相對較臟的切片開始到最終進(jìn)入一凈空房結(jié)束，硅片要暴露在大量的不同化學(xué)品和溶液中，而且硅片還要被放入許多不同的機(jī)器進(jìn)行機(jī)械加工，所有這些接觸都會導(dǎo)致顆粒沾污。另兩個(gè)主要的污染是金屬和有機(jī)物。金屬因硅片經(jīng)過許多機(jī)器加工，金屬與硅片表面直接接觸而被留在硅片表面；有機(jī)物則可能來自于任何物體上的油脂或油。在硅片最終被發(fā)往客戶前，所有的污染都必須被清除。 　　安全 　　在半導(dǎo)體制造的硅片生產(chǎn)階段，許多安全問題非常類似于在一裝備完好設(shè)備商店，有高速度的刀片和所有手工滾磨設(shè)備。硅片生產(chǎn)中的許多過程是機(jī)械導(dǎo)向的，因此，這些有操作危險(xiǎn)的過程必須有一定的安全程序。 　　化學(xué)方面的危險(xiǎn)：硅片的生產(chǎn)要用到許多危險(xiǎn)的化學(xué)藥品，如在敞開式的硅片清洗中用到的HF和KOH。這些化學(xué)品的使用像水一樣頻繁，而且容易被灌輸一種錯(cuò)誤的安全觀念。因此，當(dāng)在進(jìn)行與這些化學(xué)品相關(guān)的工作時(shí)，必須確定出所有正確的安全方針。 　　其它還有涉及到各種不同輻射的安全問題。在切片區(qū)域，有X-ray源；激光掃描區(qū)域，有激光的輻射可能會引起潛在的火災(zāi)，甚至使人失明。在這些區(qū)域，都應(yīng)穿著適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)服，并應(yīng)謹(jǐn)慎操作以防發(fā)生安全問題。 　　術(shù)語表 　　彎曲度（bow）： 　　硅片彎曲度是指硅片中心與一通過靠近硅片邊緣的三個(gè)基點(diǎn)建立的平面的背離程度。彎曲度是對整個(gè)硅片而言。 　　10級（class10）： 　　通常指環(huán)境的清潔度時(shí)，10級是指每立方英尺空氣中0.5μm大小的顆粒不超過10個(gè)，而且更大的顆粒數(shù)更少。這是一個(gè)非常潔凈的環(huán)境。 　　硅膠： 　　一種懸浮的硅土顆粒，細(xì)小到無法分辨出各個(gè)顆粒，也無法從懸浮液中分離出來。 　　微切傷： 　　是由刀片的顫動(dòng)而引起的，它是刀片在行進(jìn)過程中細(xì)微的背離，而在硅片上沿著切口留下的細(xì)小的脊?fàn)顡p傷。 　　外吸雜： 　　是一種適用在硅片背面的吸雜方法。 　　焦平面背離（FPD）： 　　焦平面背離的測試能說明離硅片正面上任何點(diǎn)的焦平面的最遠(yuǎn)距離。FPD能衡量整個(gè)硅片正表面。 　　吸雜： 　　是一種誘使金屬雜質(zhì)遠(yuǎn)離硅片正面的方法。 　　霧化： 　　是硅片出現(xiàn)霧氣的一個(gè)條件?？赡苡晒杵娜魏蔚恼次刍驌p傷而引起。 　　平均載流子壽命：是指在硅體內(nèi)多數(shù)載流子的平均復(fù)合時(shí)間。 　　Piranha： 　　是一種清洗液，由硫酸（H2SO4）和雙氧水（H2O2）組成。之所以起這個(gè)名字是因?yàn)楫?dāng)上述兩種化學(xué)品混合時(shí)，溶液溫度會達(dá)到120℃左右并劇烈沸騰。 　　總指示讀數(shù)（TIR）： 　　是硅片的正面上距設(shè)定參考面最高處與最凹處的距離。TIR能表明整個(gè)硅片正面的情況。 　　總厚度超差（TTV）： 　　是指硅片最厚處與最薄處的差值。TTV也是對整個(gè)硅片的測試。 　　翹曲度（warp）： 　　是指離硅片中心線最高和最低的差值，是整個(gè)硅片的測試。