单晶 多晶硅片生产工艺流程详解（上）

从单晶炉里生产的单晶棒开始，硅片的工艺流程就基本启动了。为了帮助大家认识和了解硅料到硅片的详细生产流程，提高对这个行业的认知，以便能更好的从事光伏行业，现在将一些生产流程资料整理如下，希望能对大家有所帮助。 　　简介 　　硅片的准备过程从硅单晶棒开始，到清洁的抛光片结束，以能够在绝好的环境中使用。期间，从一单晶硅棒到加工成数片能满足特殊要求的硅片要经过很多流程和清洗步骤。除了有许多工艺步骤之外，整个过程几乎都要在无尘的环境中进行。硅片的加工从一相对较脏的环境开始，最终在10级净空房内完成。 　　工艺过程综述 　　所有的工艺步骤概括为三个主要种类：能修正物理性能如尺寸、形状、平整度、或一些体材料的性能；能减少不期望的表面损伤的数量；或能消除表面沾污和颗粒。工艺步骤的顺序是很重要的，因为这些步骤的决定能使硅片受到尽可能少的损伤并且可以减少硅片的沾污。 　　硅片加工过程步骤 　　1.切片 　　2.激光标识 　　3.倒角 　　4.磨片 　　5.腐蚀 　　6.背损伤 　　7.边缘镜面抛光 　　8.预热清洗 　　9..抵抗稳定——退火 10.背封 　　11.粘片 　　12.抛光 　　13.检查前清洗 　　14.外观检查 　　15.金属清洗 　　16.擦片 　　17.激光检查 　　18.包装/货运 　　切片（class 500k） 　　硅片加工的介绍中，从单晶硅棒开始的第一个步骤就是切片。这一步骤的关键是如何在将单晶硅棒加工成硅片时尽可能地降低损耗，也就是要求将单晶棒尽可能多地加工成有用的硅片。为了尽量得到最好的硅片，硅片要求有最小量的翘曲和最少量的刀缝损耗。 　　切片过程中有两种主要方式——内圆切割和线切割。这两种形式的切割方式被应用的原因是它们能将材料损失减少到最小，对硅片的损伤也最小，并且允许硅片的翘曲也是最小。 　　切片是一个相对较脏的过程，可以描述为一个研磨的过程，这一过程会产生大量的颗粒和大量的很浅表面损伤。 　　硅片切割完成后，所粘的碳板和用来粘碳板的粘结剂必须从硅片上清除。在这清除和清洗过程中，很重要的一点就是保持硅片的顺序，因为这时它们还没有被标识区分。 　　激光标识(Class 500k) 　　在晶棒被切割成一片片硅片之后，硅片会被用激光刻上标识。一台高功率的激光打印机用来在硅片表面刻上标识。硅片按从晶棒切割下的相同顺序进行编码，因而能知道硅片的正确位置。这一编码应是统一的，用来识别硅片并知道它的来源。编码能表明该硅片从哪一单晶棒的什么位置切割下来的。保持这样的追溯是很重要的，因为单晶的整体特性会随着晶棒的一头到另一头而变化。编号需刻的足够深，从而到最终硅片抛光完毕后仍能保持。在硅片上刻下编码后，即使硅片有遗漏，也能追溯到原来位置，而且如果趋向明了，那么就可以采取正确的措施。激光标识可以在硅片的正面也可在背面，尽管正面通常会被用到。 　　倒角 　　当切片完成后，硅片有比较尖利的边缘，就需要进行倒角从而形成子弹式的光滑的边缘。倒角后的硅片边缘有低的中心应力，因而使之更牢固。这个硅片边缘的强化，能使之在以后的硅片加工过程中，降低硅片的碎裂程度。 　　磨片（Class 500k） 　　接下来的步骤是为了清除切片过程及激光标识时产生的不同损伤，这是磨片过程中要完成的。在磨片时，硅片被放置在载体上，并围绕放置在一些磨盘上。硅片的两侧都能与磨盘接触，从而使硅片的两侧能同时研磨到。磨盘是铸铁制的，边缘锯齿状。上磨盘上有一系列的洞，可让研磨砂分布在硅片上，并随磨片机运动。磨片可将切片造成的严重损伤清除，只留下一些均衡的浅显的伤痕；磨片的第二个好处是经磨片之后，硅片非常平整，因为磨盘是极其平整的。 　　磨片过程主要是一个机械过程，磨盘压迫硅片表面的研磨砂。研磨砂是由将氧化铝溶液延缓煅烧后形成的细小颗粒组成的，它能将硅的外层研磨去。被研磨去的外层深度要比切片造成的损伤深度更深。 　　腐蚀（Class 100k） 　　磨片之后，硅片表面还有一定量的均衡损伤，要将这些损伤去除，但尽可能低的引起附加的损伤。比较有特色的就是用化学方法。有两种基本腐蚀方法：碱腐蚀和酸腐蚀。 　　背损伤（Class 100k） 　　在硅片的背面进行机械损伤是为了形成金属吸杂中心。当硅片达到一定温度时，如Fe， Ni， Cr， Zn等会降低载流子寿命的金属原子就会在硅体内运动。当这些原子在硅片背面遇到损伤点，它们就会被诱陷并本能地从内部移动到损伤点。背损伤的引入典型的是通过冲击或磨损。举例来说，冲击方法用喷砂法，磨损则用刷子在硅片表面磨擦。 　　边缘抛光 　　硅片边缘抛光的目的是为了去除在硅片边缘残留的腐蚀坑。当硅片边缘变得光滑，硅片边缘的应力也会变得均匀。应力的均匀分布，使硅片更坚固。抛光后的边缘能将颗粒灰尘的吸附降到最低。硅片边缘的抛光方法类似于硅片表面的抛光。 　　预热清洗（Class 1k） 　　在硅片进入抵抗稳定前，需要清洁，将有机物及金属沾污清除，如果有金属残留在硅片表面，当进入抵抗稳定过程，温度升高时，会进入硅体内。这里的清洗过程是将硅片浸没在能清除有机物和氧化物的清洗液（H2SO4+H2O2）中，许多金属会以氧化物形式溶解入化学清洗液中；然后，用氢氟酸（HF）将硅片表面的氧化层溶解以清除污物。 　　抵抗稳定——退火（Class 1k） 　　硅片在CZ炉内高浓度的氧氛围里生长。因为绝大部分的氧是惰性的，然而仍有少数的氧会形成小基团。这些基团会扮演n-施主的角色，就会使硅片的电阻率测试不正确。要防止这一问题的发生，硅片必须首先加热到650℃左右。这一高的温度会使氧形成大的基团而不会影响电阻率。然后对硅片进行急冷，以阻碍小的氧基团的形成。这一过程可以有效的消除氧作为n-施主的特性，并使真正的电阻率稳定下来。 　　背封（Class 10k） 　　对于重掺的硅片来说，会经过一个高温阶段，在硅片背面淀积一层薄膜，能阻止掺杂剂的向外扩散。这一层就如同密封剂一样防止掺杂剂的逃逸。通常有三种薄膜被用来作为背封材料：二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅。 　　图 举例说明了预热清洗、抵抗稳定和背封的步骤。 　　粘片（Class 10k） 　　抛光之前，先要进行粘片。粘片必须保证硅片能抛光平整。有两种主要的粘片方式，即蜡粘片或模板粘片。 　　蜡粘片用一固体松香蜡与硅片粘合，并提供一个极其平的参考表面。这一表面为抛光提供了一个固体参考平面。粘的蜡能防止当硅片在一侧面的载体下抛光时硅片的移动。蜡粘片只对单面抛光的硅片有用。 　　另一方法就是模板粘片，有两种不同变异。一种只适用于单面抛光，用这种方法，硅片被固定在一圆的模板上，再放置在软的衬垫上。这一衬垫能提供足够的摩擦力因而在抛光时，硅片的边缘不会完全支撑到侧面载体，硅片就不是硬接触，而是“漂浮”在物体上。当正面进行抛光时，单面的粘片保护了硅片的背面。另一种方法适用于双面的抛光。这种方法可以允许在一台机器上进行抛光时，两面能同时进行，操作类似于磨片机。硅片的两个抛光衬垫放置在相反的方向，这样硅片被推向一个方向的顶部时和相反方向的底部，产生的应力会相互抵消。这就有利于防止硅片被推向坚硬的载体而导致硅片边缘遭到损坏。 　　抛光（Class ≤1k） 　　硅片抛光的目的是得到一非常光滑、平整、无任何损伤的硅表面。磨片时，硅片进行的是机械的研磨；而在抛光时，是一个化学/机械的过程。这个在操作原理上的不同是造成抛光能比磨片得到更光滑表面的原因。 　　抛光时，用特制的抛光衬垫和特殊的抛光砂对硅片进行化学/机械抛光。抛光砂由硅胶和一特殊的高pH值的化学试剂组成。这种高pH的化学试剂能氧化硅片表面，又以机械方式用含有硅胶的抛光砂将氧化层从表面磨去。 　　硅片通常要经多步抛光。第一步是粗抛，用较硬衬垫，抛光砂更易与之反应，而且比后面的抛光中用到的砂中有更多粗糙的硅胶颗粒。第一步是为了清除腐蚀斑和一些机械损伤。在接下来的抛光中，用软衬、含较少化学试剂和细的硅胶颗粒的抛光砂。清除剩余损伤和薄雾的最终的抛光称为精抛。 　　粘片和抛光过程如图所示： 　　检查前清洗（class 10） 　　硅片抛光后，表面有大量的沾污物。为了能对硅片进行检查，需进行清洗以除去大部分的颗粒。通过这次清洗，硅片的清洁度仍不能满足客户的要求，但能对其进行检查了。 　　通常的清洗方法是在抛光后用RCA SC-1清洗液。有时用SC-1清洗时，同时还用磁超声清洗能更为有效。另一方法是先用H2SO4/H2O2，再用HF清洗。相比之下，这种方法更能有效清除金属沾污。 　　检查 　　经过抛光、清洗之后，就可以进行检查了。在检查过程中，电阻率、翘曲度、总厚度超差和平整度等都要测试。所有这些测量参数都要用无接触方法测试，因而抛光面才不会受到损伤。在这点上，硅片必须最终满足客户的尺寸性能要求，否则就会被淘汰。 　　金属物去除清洗 　　硅片检查完后，就要进行最终的清洗以清除剩余在硅片表面的所有颗粒。主要的沾污物是检查前清洗后仍留在硅片表面的金属离子。这些金属离子来自于各不同的用到金属与硅片接触的加工过程，如切片、磨片。一些金属离子甚至来自于前面几个清洗过程中用到的化学试剂。因此，最终的清洗主要是为了清除残留在硅片表面的金属离子。这样做的原因是金属离子能导致少数载流子寿命，从而会使器件性能降低。SC-1标准清洗液对清除金属离子不是很有效。因此，要用不同的清洗液，如HCl，必须用到。 　　擦片 　　在用HCl清洗完硅片后，可能还会在表面吸附一些颗粒。一些制造商选择PVA制的刷子来清除这些残留颗粒。在擦洗过程中，纯水或氨水（NH4OH）应流经硅片表面以带走沾附的颗粒。用PVA擦片是清除颗粒的有效手段。 　　激光检查 　　硅片的最终清洗完成后，就需要检查表面颗粒和表面缺陷。激光检查仪能探测到表面的颗粒和缺陷。因为激光是短波中高强度的波源。激光在硅片表面反射。如果表面没有任何问题，光打到硅片表面就会以相同角度反射。然而，如果光打到颗粒上或打到粗糙的平面上，光就不会以相同角度反射。反射的光会向各个方向传播并能在不同角度被探测到。 　　包装/货运 　　包装的目的是为硅片提供一个无尘的环境，并使硅片在运输时不受到任何损伤；包装还可以防止硅片受潮。如果一片好的硅片被放置在容器内，并让它受到污染，它的污染程度会与在硅片加工过程中的任何阶段一样严重，甚至认为这是更严重的问题，因为在硅片生产过程中，随着每一步骤的完成，硅片的价值也在不断上升。理想的包装是既能提供清洁的环境，又能控制保存和运输时的小环境的整洁。典型的运输用的容器是用聚丙烯、聚乙烯或一些其他塑料材料制成。这些塑料应不会释放任何气体并且是无尘的，如此硅片表面才不会被污染。 　　硅片制备阶段的问题 　　在硅片的制造过程中，涉及到许多参数。而且这些参数中有许多会因最终硅片目标不同而发生变化。对硅片来说，有一些参数始终是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。 　　当硅片被不正确运行的刀片所切割时，就会造成弯曲的刀口。这些刀口都不会相同，这就使硅片有不同种类的平面缺陷。因此应以尽可能平的面去切割硅片。 　　有不同的测量方法来测试硅片的平整度。整个的平整度对于设计样品时是很重要的，从另一方面说，局部的平整度对于设计是很重要的，一些整体平整度测试的术语是弯曲度（bow）、翘曲度（warp）、总厚度超差（TTV）、总指示读数（TIR）和焦平面背离（FPD）。 　　硅片制备阶段的问题 　　在硅片的制造过程中，涉及到许多参数。而且这些参数中有许多会因最终硅片目标不同而发生变化。对硅片来说，有一些参数始终是很重要的，如平整度、缺陷、沾污等。 　　当硅片被不正确运行的刀片所切割时，就会造成弯曲的刀口。这些刀口都不会相同，这就使硅片有不同种类的平面缺陷。因此应以尽可能平的面去切割硅片。 　　有不同的测量方法来测试硅片的平整度。整个的平整度对于设计样品时是很重要的，从另一方面说，局部的平整度对于设计是很重要的，一些整体平整度测试的术语是弯曲度（bow）、翘曲度（warp）、总厚度超差（TTV）、总指示读数（TIR）和焦平面背离（FPD）。 　　Bow： 　　硅片弯曲度是测量硅片弯曲程度，它是与硅片中心从一通过靠近硅片边缘的三个基点建立的平面的背离程度。 　　Warp： 　　硅片形状变形的另一测试方法是翘曲度的测试。翘曲度是测量硅片确定的几个参考面的中心线位置的最高点与最低点之最大差值。硅片的翘曲度起决于使用的一对无接触扫描探针。硅片被放置在三个形成参考平面的支点上，这对探针中一支可以在硅片一侧的任意位置，而另一支则在另一侧的相应位置。探针按设定的程序，沿硅片表面移动，测量到硅片表面指定点的距离。一旦所有的距离都已测得，翘曲的程度也就知道了。测定翘曲度，第一步就是找到顶部探针与顶部硅片表面的距离（a）和相应底部探针与底部硅片表面的距离（b）。换句话说，就得到了b-a的所有测量点。有了这些数据，将b-a的最大值减去b-a的最小值，再除以2就是Warp值（如图1.6所示）。 图1.6  翘曲度（Warp）和总厚度偏差（TTV）测量示意图 　　TTV 　　一种检测硅片厚度一致性的方法，叫总厚度超差（TTV），就是指硅片厚度的最大值与最小值之差。测量TTV可在测量Warp时同时进行。Warp中类似的探针和数据处理方法可以为TTV所采用。在计算TTV时，第一步是将顶部探针与顶部硅片表面的距离（a）和相应底部探针与底部硅片表面的距离（b）相加，这里，我们要的是相加（a+b），TTV就是将a+b的最大值减去a+b的最小值。 　　TIR 　　总指示读数是一种只与硅片的正面有关的参数。测量方法是将与真空吸盘平行吸住的一面作为参考平面，TIR就是正面最高处与最凹处的差值。（见图1.7） 图1.7  总指示读数（TIR）和焦平面偏离（FPD）测量示意图 　　FPD 　　焦平面偏离（FPD）是指硅片上距焦平面最高处和最深处到焦平面的距离中远的一个。所有的测试方法都是体现硅片整体的表面情况。 　　污染 　　硅片表面的污染是一个主要关注的问题。硅片生产过程从相对较脏的切片开始到最终进入一净空房结束，硅片要暴露在大量的不同化学品和溶液中，而且硅片还要被放入许多不同的机器进行机械加工，所有这些接触都会导致颗粒沾污。另两个主要的污染是金属和有机物。金属因硅片经过许多机器加工，金属与硅片表面直接接触而被留在硅片表面；有机物则可能来自于任何物体上的油脂或油。在硅片最终被发往客户前，所有的污染都必须被清除。 　　安全 　　在半导体制造的硅片生产阶段，许多安全问题非常类似于在一装备完好设备商店，有高速度的刀片和所有手工滚磨设备。硅片生产中的许多过程是机械导向的，因此，这些有操作危险的过程必须有一定的安全程序。 　　化学方面的危险：硅片的生产要用到许多危险的化学药品，如在敞开式的硅片清洗中用到的HF和KOH。这些化学品的使用像水一样频繁，而且容易被灌输一种错误的安全观念。因此，当在进行与这些化学品相关的工作时，必须确定出所有正确的安全方针。 　　其它还有涉及到各种不同辐射的安全问题。在切片区域，有X-ray源；激光扫描区域，有激光的辐射可能会引起潜在的火灾，甚至使人失明。在这些区域，都应穿着适当的防护服，并应谨慎操作以防发生安全问题。 　　术语表 　　弯曲度（bow）： 　　硅片弯曲度是指硅片中心与一通过靠近硅片边缘的三个基点建立的平面的背离程度。弯曲度是对整个硅片而言。 　　10级（class10）： 　　通常指环境的清洁度时，10级是指每立方英尺空气中0.5μm大小的颗粒不超过10个，而且更大的颗粒数更少。这是一个非常洁净的环境。 　　硅胶： 　　一种悬浮的硅土颗粒，细小到无法分辨出各个颗粒，也无法从悬浮液中分离出来。 　　微切伤： 　　是由刀片的颤动而引起的，它是刀片在行进过程中细微的背离，而在硅片上沿着切口留下的细小的脊状损伤。 　　外吸杂： 　　是一种适用在硅片背面的吸杂方法。 　　焦平面背离（FPD）： 　　焦平面背离的测试能说明离硅片正面上任何点的焦平面的最远距离。FPD能衡量整个硅片正表面。 　　吸杂： 　　是一种诱使金属杂质远离硅片正面的方法。 　　雾化： 　　是硅片出现雾气的一个条件。可能由硅片的任何的沾污或损伤而引起。 　　平均载流子寿命：是指在硅体内多数载流子的平均复合时间。 　　Piranha： 　　是一种清洗液，由硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）组成。之所以起这个名字是因为当上述两种化学品混合时，溶液温度会达到120℃左右并剧烈沸腾。 　　总指示读数（TIR）： 　　是硅片的正面上距设定参考面最高处与最凹处的距离。TIR能表明整个硅片正面的情况。 　　总厚度超差（TTV）： 　　是指硅片最厚处与最薄处的差值。TTV也是对整个硅片的测试。 　　翘曲度（warp）： 　　是指离硅片中心线最高和最低的差值，是整个硅片的测试。