硅晶體滾磨與開方

1、第一章 硅晶體的滾磨與開方 1.0 1.1磨削加工知識 1.2滾磨、開方設(shè)備及工作原理 1.3滾磨、開方的加工過程1.4滾磨、開方后的表面的處理1.0簡介滾磨和開方的目的,及所用設(shè)備 硅片用途決定的加工工序單晶硅的工藝單晶光伏硅片的工藝 鑄錠多晶的工藝滾磨和開方的目的滾磨與開方:經(jīng)過直拉法生長出的硅錠子,外形是不規(guī)則的圓柱體夕卜側(cè)可能有晶棱 出現(xiàn),頭和尾部均有錐形端,因此在進(jìn)行 硅片切割之前,需要對硅錠進(jìn)行整形與分 割,使其達(dá)到硅片切割（切片）的尺寸要 求。以上以光伏單晶錠為例介紹。開方的目的一切片工藝與設(shè)備滾磨：采用砂輪,將硅錠的外側(cè)打磨成規(guī)則 滾磨設(shè)備:單晶切方滾磨機(jī)（金剛石砂輪）柱體的過

2、程。開方:將大塊的硅錠,切割成所需要的長方 體或者棱柱體。開方設(shè)備:單晶切方滾磨機(jī)、（金剛石）帶鋸.（金剛石）線鋸等不同用途硅片的工藝要求根據(jù)用途不同,加工的工藝也不相同:1)電路級硅單晶：滾、制作參考面,不需要開方（晶圓盡量大）2 ）太陽能級硅單晶：去頭尾、滾 3）太陽能級鑄錠多晶：開方分割電路級硅單晶：用來制作大尺寸晶量大,因此只需要滾,并制作參考面。太陽能級硅單晶：去頭尾、切方切方目的：獲得四個直邊。不同用途的硅片IC級單晶硅片太陽能硅片一單晶A切方鑄錠多晶,成規(guī)則的立方體,不過外形較大,也 比較粗糙,無法直接切片,需要進(jìn)行開方,得到 小體積的硅棒。開方目的：獲得小尺寸可加工的硅棒太陽能

3、硅片多晶1-1磨削加工的過程滾磨和開方都屬于機(jī)械磨削。定義：通過模具（磨輪或者鋸片）,與工 件（硅錠）產(chǎn)生相對運(yùn)動,使模具上的金 剛石顆粒對工件進(jìn)行磨削的過程。磨削的分類機(jī)械磨削分為兩類:第定磨粒式磨削設(shè)備:砂輪.帶鋸、線鋸比如硅單晶滾磨、倒角等過程 第二:游離磨粒式磨削設(shè)備:多線切割機(jī)比如研磨、噴砂、多線切割、拋光等兩類典型磨削的部件定磨粒式一砂輪游離磨粒式本章主要采用固定磨粒式磨削砂輪的構(gòu)成砂輪：由磨料顆粒和粘結(jié)劑采用一定成型 命工藝,而希誡的有一定夕F形命砂輪。磨粒：切削研磨粘結(jié)劑:粘合磨粒（金屬、陶瓷.有機(jī)樹 脂）成型方式:電鍍、樹脂、陶瓷砂輪的性能參數(shù)研磨的效果和磨粒關(guān)系密切磨粒的參

4、數(shù):材料種類”尺寸”硬度 形狀燒結(jié)密度等常用的磨粒材料:剛玉（ai203 ）、碳 化鐲.金剛石、立方氮化硼磨粒的種類類別名稱顏色 性能 適用范BI氧化物剛玉白任硬度高/韌 曰巴性較好各種金屬碳化物碳化硅碳化硼義色綠色硬度較高，導(dǎo) 熱性好，韌性 差鑄鐵，耐火材料及 其它非金屬 研磨硬質(zhì)合金人造金超硬剛石立方氮化硅白硬度最高，耐 熱性較 硬度非常高硬質(zhì)合金f寶石"陶 瓷等高硬材料， 及其它難加工材料磨削過程的三個階段 1）彈性變形階段磨粒和工件開始接觸,發(fā)生摩擦并伴隨發(fā)熱。 2 ）刻劃階段磨粒切入工件材料內(nèi)部,材料發(fā)生形變但 未脫離材料母體。 3 ）切削階段材料（粉末）從工件上脫離的過程

5、。磨削加工的特點(diǎn)1 靠界面上大量磨粒逬行磨削。2. 磨粒硬度大,可以加工各種材料。3. 磨粒尺寸小,可以切削的厚度很薄,因此, 可以進(jìn)行高精密加工,得到較小表面粗糙 度。4. 和傳統(tǒng)刃口刀具比,磨削效率高,加工的 速度快。5. 磨粒具有自銳作用保證較長的使用壽命。影響磨削的參數(shù)砂輪的種類：磨粒材料,粒度等參數(shù)等 砂輪轉(zhuǎn)速 工件進(jìn)給速度 砂輪和工件的壓力工件的特性:3度任性,導(dǎo)熱性能等磨削對材料表面的損傷加工過程由于表面溫度、擠壓及其不均勻分 分布,會在表面形成損傷,主要包括：熱裂紋 晶格畸變（非單晶） 應(yīng)力殘存 雜質(zhì)原子混入一摻雜 表面粗糙度 損傷層的厚度：幾十um磨削過程的評估 1.對磨削的

6、樣品進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)測量2.對過程進(jìn)行模擬金屬切削的數(shù)值模擬(AdvantEdgetm FEM ) Third Wave Systems公司f主要業(yè)務(wù)是開 發(fā)和銷售基于有限元分析的,切削加工過 程仿真軟件,可以進(jìn)行切削過程中的切削 力.應(yīng)變.應(yīng)變率切屑等參數(shù)的分布分析。滾磨開方設(shè)備的磨削方式開方滾磨一金剛石砂輪, 面接觸開方： 開方滾磨機(jī)、金剛石帶一固定磨粒,線接觸金剛石線一固定磨粒,線接觸非磨削式切割電火花線切割：利用做電極的金屬導(dǎo)線, 和工件表面之間的電火花放電,進(jìn)行切割。原理：電火花放電,產(chǎn)生局部高溫,從而 將材料,融化優(yōu)點(diǎn)：非接觸,無污染,無損耗,內(nèi)部挖 洞式切割,應(yīng)用對象:較硬,而且較脆

7、材料, 要求:一定的導(dǎo)電能力1-2滾磨 1 ）切方滾磨機(jī)一 2）金剛石帶鋸3 ）金剛石線鋸L開方的設(shè)備（滾磨、切方）滾磨.開方設(shè)備種類滾磨設(shè)備：切方滾磨機(jī) 開方設(shè)備：切方滾磨機(jī)（缺口大,表面粗糙,效率低）金剛石帶鋸（主流） Band Saw金剛石線鋸（發(fā)展趨勢） Diamond WireSaw切割和研磨的區(qū)別：切割一線接觸;研磨一面接觸主流開方設(shè)備 1.美國應(yīng)用材料（瑞士HCT公司）:HCT- E800S型多線開方機(jī)（Applied Materials ） 2、瑞士梅耶博格Meyer BuegerBS801/805 型帶鋸切方機(jī) 3.曰本小松NTCMBS1000型/MBS1000C 多線開方機(jī)

8、 4、上海日進(jìn)NWSS-125G多線開方機(jī)（建議） 5.大連連城:QF1250型多線開方機(jī)（建議） 6.北京京儀世紀(jì)QFP1000型多線開方機(jī)人北京京聯(lián)發(fā)數(shù)控科技公司XQ50025線切方機(jī)1）滾磨機(jī)結(jié)構(gòu)基座與框架滾磨機(jī)主體J 滾磨區(qū)切方區(qū)滾磨機(jī)的動力結(jié)構(gòu)r電氣系統(tǒng)面板,數(shù)控,各種 電機(jī)滾磨機(jī)動力部分<液壓系統(tǒng)工件移動的動力k冷卻系統(tǒng)滾磨區(qū)水流降溫控制的流程面板輸入扌旨令 采集.分析面板指令，轉(zhuǎn)化為 電機(jī)所需信號，信號傳輸電機(jī)發(fā)生動作滾磨機(jī)工作原理一四大運(yùn)動單晶切方滾磨機(jī)包括四大運(yùn)動:1）縱向工作臺的縱向往復(fù)運(yùn)動。2）工件的縱向移動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。3）滾磨砂輪的前后往復(fù)運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。4）切方

9、鋸片的上下垂直運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。工作臺的運(yùn)動工件（硅錠）定在工作臺上,工作臺可以帶動工件,在導(dǎo)軌上縱向前后移動。工作臺運(yùn)動的速度和距離可以通過電機(jī)來 精甬控制。導(dǎo)軌工作臺工件（硅錠）的運(yùn)動工件有兩種運(yùn)動：1）由工作臺帶動,一起進(jìn)行的縱向運(yùn)動。2）繞自身軸所作的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并且速度可調(diào)。矽晶棒Hia匝氐sJtHmff層俅 Mlff、詁i國3i。故 Hlgpis目墜 Mlff后 臉K-H膽 H_OTRBEig 2）金剛石帶鋸切割原理:帶狀鋸條邊緣上鑲嵌金剛石顆粒, 利用金剛石磨粒和工件相對運(yùn)動,來進(jìn)行切 割。優(yōu)點(diǎn)：速度快,刀口損耗小,可進(jìn)行大工件 切割（用于大硅錠開方）缺點(diǎn)：鋸口仍有待減小,切割精密度

10、還不夠 高,有一定表面粗糙度,只能沿鋸條平面內(nèi) 切割,無法同時多方向、多片切割,無法進(jìn) 行切片,效率不夠高。金剛石帶鋸曲書歸w3）金剛石線鋸（發(fā)展方向）線鋸是以鑲嵌有金剛石顆粒的細(xì)線作為切割線,利用其與工件相對運(yùn)動,進(jìn)行切割。結(jié)構(gòu)：內(nèi)層是鋼線夕卜層是電沉積生長的金剛石顆粒和金屬混合層,比如金屬Ni。切割方式:定磨粒式切割,典型尺寸:金剛石顆粒：20 40um金鋼線直徑:150-200umo金剛石線鋸示意優(yōu)點(diǎn)：切口小v300 um ,表面平整度高,可 以兩個方向同時切割,切割過程中可改變 切害詁向,切割速度最渙,效率最高,從 而可以進(jìn)行精密、高效率加工。切割出的硅粉可以方便回收。缺點(diǎn)：鋼線粗糙,

11、不易穩(wěn)定工作,劃痕較 嚴(yán)重f肴金屬汚築。金剛石線鋸和（切片）多線切割關(guān)系作為切片首先發(fā)展的是多線切割,使用普通光滑鋼線,配備研磨漿進(jìn)行切割,屬于游離磨粒式切割,此切割優(yōu)點(diǎn)很多：切口 小,切割面平整性高,片子崩裂概率低, 一次同時切割若干片,等等（切片部分介 紹）為降低成本,開方的金剛石線鋸,是在多線切割機(jī)基礎(chǔ)上,將普通鋼線換為金剛石歸豔線勰讎燼主流多HCT多線切割上工作臺«$«下工作臺切m前切矗后的晝由焼肺君駁焼法哩的晝111焼箭 (畫冊瞬酋)切方設(shè)備比較鋸縫效率工件 尺寸表面原料 浪費(fèi)應(yīng)用滾磨機(jī)較大一次加工單 個錠效率低中等（單晶錠）粗糙最大淘汰帶鋸小比較高（翕大、平整較

12、小主流金剛線 線鋸最小兩個方向同 時切割效率最高最小 （單晶錠）略粗糙最小發(fā)展切方手段的發(fā)展趨勢半導(dǎo)體.光伏以及電子行業(yè)對材料切割提 出了更高要求,目前切割方面的發(fā)展趨勢 是：高效率、低成本,高加工精度,（如窄切 縫低表面損傷低翹曲度等）。設(shè)備：切方滾磨機(jī) i 金剛石帶鋸 i 金剛石線鋸金剛石切割線相關(guān)企業(yè)河南恒星科技股份有限公司一鞏義2011年5月與江西塞維合作生產(chǎn)5200噸超精細(xì)鋼線 直徑130um。河南黃河旋風(fēng)一世界產(chǎn)量最大的人造金剛石基 長葛鄭州華晶金剛石一鄭州中南鉆石一南陽方城（世界最大工業(yè)級金剛石）三門峽金渠鄭州磨粒模具研磨所一三磨所1.3滾磨切方的工藝過程不同用途硅片的工藝過程:

13、 1 ） IC單晶硅錠:外徑滾磨,制作參考面 2 ）光伏單晶硅：外徑滾磨,開方3 ）多晶鑄錠：開方1 ) IC單晶硅錠的加工 a:側(cè)面滾磨滾磨機(jī)打磨 b:制作參考面滾磨機(jī)打磨硅錠晶體定向磨輪和硅錠安裝制作參考面 過程硅錠繞自身軸旋轉(zhuǎn),并向前運(yùn)動,磨輪自轉(zhuǎn),設(shè)置一定推進(jìn)量d走工件位置和磨輪逐漸磨削。硅錠參考面制作加工流程:采用研磨設(shè)備（磨頭）.在柱 形硅錠某個晶面即（1-10）,研磨出一個 平面。物理過程:定磨粒研磨參考面要求：正確取向,嚴(yán)格磨削深度 參數(shù)設(shè)置:磨削深度,硅錠轉(zhuǎn)速.軸向移動速度,磨輪轉(zhuǎn)速等參考面滾磨制作打磨深度(h )的計算20。L - 2 R -sin(0o) h二R -叮丄不

14、同尺寸硅片的參考面,張角。一致2）單晶太陽能硅錠 a :滾磨滾磨機(jī) b:切方帶鋸.線鋸截面上只切出_片方塊太陽能硅單晶切方硅錠計算切割深度,然!1!后在四個垂直的方向進(jìn)行切割3）鑄錠多晶硅開方將大塊多晶硅錠,開方成小塊的立方體。特點(diǎn)：鑄錠體積比較大,需要更大工作臺使用設(shè)備:帶鋸.線鋸加工大尺寸硅錠,要求工作臺較大,切割效率高,有時甚至可以適當(dāng)犧牲加工精密度。（帶鋸可加工的工件尺寸最大）鑄錠多晶硅典型尺寸：840mm X 840mm X 273.7mm 帶鋸可加工尺寸：800mm X 800mm X 740mm1-4表面處理在滾磨開方的工序過程中,被加工的平面 上,表層有不同深度的損傷,為了將損

15、傷 減小,需要對表面進(jìn)行處理。目的：減少損傷層的厚度（不考慮金屬污染）。-齡聽嚴(yán)' 恚面粗糙化'II去除厚度:30 50um （大于損傷層） 適用條件:適合機(jī)械研磨以后的初次拋光去除損傷層方法 1）化學(xué)腐蝕 2 ）機(jī)械拋光a 酸性腐蝕；b 堿性腐蝕1'處理之后的表面粗糙度:J0UIT11）化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕的特點(diǎn):設(shè)備簡單,易于進(jìn)行不規(guī)則表面的拋光核心問題：控制反應(yīng)速度,腐蝕深度,減 小腐蝕后的粗糙度可調(diào)參數(shù):腐蝕液的配比（酸性.氧化性相對大?。?、反應(yīng)的溫度a)酸性腐蝕腐蝕液：HF:HNO3：HAc=(12):(57):(1 2)反應(yīng)的tic點(diǎn)反應(yīng)速度快,過程中放熱 &g

16、t; 不需要加熱 缺點(diǎn)：反應(yīng)生成的氮化物 > 需要額外處理酸腐蝕的機(jī)理表層硅的酸腐蝕.清洗機(jī)理:1硅被HNO3氧化，反應(yīng)為:2用HF去除SiO2®,反應(yīng)為:3.總化學(xué)反應(yīng)為: b）堿腐蝕 腐蝕液：NaOH/KOH+H2O 濃度 15% 40% 反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)需加溫度,一般8095°C ,速度比較 慢,易控制,廢液也易處理。（無定形的硅,反應(yīng)很快）反應(yīng)是縱向反應(yīng),易向深層腐蝕,容易形成表面粗糙度增加,殘余堿不易去除。堿溶液腐蝕的機(jī)理:工業(yè)上大量采用的仍是酸性腐蝕。酸腐蝕和堿腐蝕的比較參數(shù)酸腐蝕堿腐蝕反應(yīng)中的熱量放熱吸熱、80100°C粗糙度較小較大金屬污染腐

17、蝕液金屬污染小、 反應(yīng)溫度低對硅污 染小腐蝕液含金屬污染 大，對硅污染大腐蝕斑點(diǎn)控制0.6S內(nèi)轉(zhuǎn)移到水中2S內(nèi)轉(zhuǎn)移到水中成本較高較低殘液處理污染環(huán)境，不好處理容易處理腐蝕的效果腐蝕去除的元素:Si、金屬.有機(jī)物、隨著腐蝕進(jìn)行,材料從硅棒進(jìn)入溶液？ 7被腐蝕的雜質(zhì)是否全部隨溶液沖走？ X原因：部分金屬離子的二次吸附污染 （和沉積電位有關(guān)）假如從金屬清洗角度考慮堿性腐蝕的不足二次污染堿性腐蝕,帶來金屬污染,如Na堿性環(huán)境中,Si帶負(fù)電,吸引帶正電的金 屬離子,因此易形成金屬二次沾污。酸性腐蝕一-a面清潔作用金屬污染在表層,而表層Si被HNO3氧化, 隨后被HF清洗,因此表層可以得到較好 清洗。單晶腐蝕的效果腐蝕速率和晶向有關(guān)：各向異性單晶腐蝕后的表面：有一定