单晶制备及加工
半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状
第52卷第10期2023年10月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.10October,2023半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状刘俊杰1,2,关春龙1,易㊀剑2,宋㊀惠2,江㊀南2,西村一仁2(1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州㊀450001;2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所,海洋材料及相关技术重点实验室,浙江省海洋材料与防护技术重点实验室,宁波㊀315201)摘要:单晶金刚石具有超宽的禁带宽度㊁低的介电常数㊁高的击穿电压㊁高的热导率㊁高的本征电子和空穴迁移率,以及优越的抗辐射性能,是目前已知的最有前景的宽禁带高温半导体材料,被誉为 终极半导体 ㊂但单晶金刚石在半导体上的大规模应用还有很多技术难题急需解决㊂本文聚焦大尺寸(英寸级)单晶金刚石衬底的化学气相沉积合成㊁剥离切片及研磨抛光技术,通过对近年来的相关文献进行整理,综述了相关方面的国内外研究现状㊂在此基础上,对未来单晶金刚石半导体材料的制备㊁剥离和研磨抛光进行了展望㊂关键词:单晶金刚石;大尺寸;沉积;剥离;研磨抛光;半导体中图分类号:O78;TQ163㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)10-1733-12Research Status of Preparation and Processing of Large-Size Single Crystal Diamond Substrates for SemiconductorsLIU Junjie 1,2,GUAN Chunlong 1,YI Jian 2,SONG Hui 2,JIANG Nan 2,KAZUHITO Nishimura 2(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protective Technologies,Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies,Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Ningbo 315201,China)Abstract :Single crystal diamond has ultra-wide band gap,low dielectric constant,high breakdown voltage,high thermal conductivity,high intrinsic electron and hole mobility,and excellent radiation resistance,making it the most promising wide band gap high temperature semiconductor material known so far,known as the ultimate semiconductor .However,there are still many technical problems to be solved in the large-scale application of single crystal diamond on semiconductors.This paper focuses on the chemical vapor deposition synthesis,stripping section and grinding and polishing technology of large size (inch)single crystal diamond substrates.By sorting out the relevant literature in recent years,the related research status at home and abroad are reviewed.On this basis,the preparation,stripping,grinding and polishing of single crystal diamond semiconductor materials in the future are prospected.Key words :single crystal diamond;large size;deposition;lift-off;grinding and polishing;semiconductor㊀㊀收稿日期:2023-05-09㊀㊀基金项目:宁波市重大科技攻关项目(2021ZDYF020196,2021ZDYF020198);中国科学院青年基金(JCPYJJ-22030)㊀㊀作者简介:刘俊杰(1999 ),男,河南省人,硕士研究生㊂E-mail:liujunjie@ ㊀㊀通信作者:关春龙,博士,副教授㊂E-mail:chunlong_guan@ 易㊀剑,博士,高级工程师㊂E-mail:yijian@ 0㊀引㊀㊀言金刚石是由单一碳原子组成的具有四面体结构的原子晶体,属于典型的面心立方(FCC)晶体,空间点群为Fd 3m ㊂每个碳原子以sp 3杂化的方式与其周围的4个碳原子相连接,碳原子密度为1.77ˑ1023cm -3,碳 碳键长为0.154nm,键角为109ʎ28ᶄ,这种紧密堆积的结构使得金刚石拥有348kJ /mol 的高键能[1-2],也由此赋予其诸多优异的性质,使其在各种极端环境下的应用独占鳌头[3]㊂表1[1,4]汇总了室温下金刚石的部1734㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷分物理和化学性能指标㊂表1㊀室温下单晶金刚石的物理㊁化学性能[1,4]Table 1㊀Physical and chemical properties of diamond at room temperature [1,4]Performance indexNumerical value Unit Intensity >1.2GPa Hardness 1.0ˑ104kg /mm 2Compressive strength>110GPa Tensile modulus 1.14ˑ103GPa Light transmission rangeUltraviolet to far infrared Thermal conductivity 2320W㊃m -1㊃K -1Saturated electron velocity 2.7ˑ107cm /s Saturated hole velocity1.0ˑ107cm /s Resistivity 1013~1016Ω/m Permittivity5.7 Band gap 5.45eV Breakdown field strength 1.0ˑ107V /cm图1㊀半导体单晶金刚石衬底制备工艺流程Fig.1㊀Preparation process of single crystal diamond substrate for semiconductor 由表1可见,单晶金刚石具有超宽的禁带宽度㊁低的介电常数㊁高的击穿电压㊁高的本征电子和空穴迁移率,以及优越的抗辐射性能,是已知的最优秀的宽禁带高温半导体材料[5]㊂相比常规的半导体材料硅,金刚石优异的热导率能够及时散发电路运转过程中的热量,从而极大地提高精密仪器的运行功率,避免热量聚集引起的各类电子器件损坏[6]㊂另外,金刚石的饱和载流子速度优于其他的半导体材料[7],高的电子迁移率及极高的击穿电场使其成为高频半导体器件的理想衬底材料㊂应用于半导体领域或是集成电路的金刚石需要具备一定的形状和面型精度,图1示出半导体用大尺寸单晶金刚石衬底的常规制备工艺流程,从图中可见,晶体的微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)制备㊁晶圆切割和研磨抛光是单晶金刚石衬底制备过程的关键工序㊂实现这些工序,获得高质量的单晶金刚石衬底正面临诸多技术难题,例如:1)化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)金刚石材料需达到英寸级大晶圆面积㊂大尺寸的天然金刚石材料储备有限㊁价格昂贵且质量参差不齐[8],难以满足工业化应用的需求,而MPCVD 法沉积英寸级单晶金刚石的制备技术是目前需要突破的首要难题㊂2)单晶金刚石在籽晶上生长后要能自由切割并剥离成片㊂目前CVD 单晶金刚石的剥离主要使用激光切割的方法,该方法易破碎,效率低㊂3)单晶金刚石研磨抛光后的表面粗糙度和面型精度要能满足半导体衬底的要求㊂半导体衬底对表面粗糙度和面型精度的要求很高,英寸级单晶金刚石的研磨抛光是一大挑战㊂因此,如何制备出英寸级的大尺寸单晶金刚石,并高效地剥离切片和研磨抛光,是单晶金刚石作为 终极半导体 能够获得广泛应用的关键㊂本文聚焦于单晶金刚石衬底材料制备的技术路线,介绍了大尺寸单晶金刚石合成㊁剥离及研磨抛光工艺的技术进展,讨论了当前有关工艺技术的优点及存在的问题,并对未来单晶金刚石半导体衬底制备技术的发展进行了展望㊂1㊀大尺寸单晶金刚石沉积工艺理论上讲,只要能够获得足够尺寸的衬底,就可以制备出相应尺寸的单晶金刚石㊂根据衬底种类不同,CVD 法沉积金刚石可分为异质外延和同质外延㊂由于高质量的单晶金刚石衬底很难获得,因此,选择一种㊀第10期刘俊杰等:半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状1735㊀合适的异质衬底进行外延生长单晶金刚石,无疑是制备英寸级单晶金刚石的最优选择[9]㊂1976年,Derjaguin 等[10]实现了在非金刚石衬底上制备金刚石;1990年,Koizumi 等[11]在c-BN (111)衬底实现了异质外延金刚石生长㊂异质外延沉积大尺寸单晶金刚石过程如图2所示[12],沉积过程可分为形核和长大,初级核通过重整周围碳原子排列结构,不断扩大形核区,使之形成规则的金刚石晶体㊂提高形核密度㊁选择合适的异质衬底是成功实现金刚石异质外延生长的关键因素,提高形核密度的主流工艺主要有以下两种:1)Yugo 等[13]在1991年最先提出的偏压增强形核技术,该团队在偏压大小为-70V 时获得了1010cm -2的形核密度,随后将该技术应用于热丝化学气相沉积工艺中,同样也提高了形核密度;北京科技大学李义锋等[14]利用偏压加强MPCVD 工艺开展了Ir 衬底的异质外延形核研究,使得外延层形核密度达108~109cm -2㊂2)离子辐照技术,日本Othsuka 等[15]采用热阴极直流等离子体化学气相沉积结合离子辐照技术,在Ir /MgO (001)衬底上首次获得密度为108cm -2的异质外延金刚石颗粒㊂图2㊀异质外延沉积大尺寸单晶金刚石示意图[12]Fig.2㊀Schematic diagram of heteroepitaxial deposition of large size single crystal diamond [12]在衬底选择方面,2015年Chen 等[16]利用高温高压法在c-BN (111)制备了异质外延金刚石,并且通过形成连续堆垛的缺陷网格缓解了界面晶格失配㊂但是由于c-BN 尺寸也非常小,难以获得大面积高质量的单晶金刚石㊂相比于此,较容易获得的单晶Si 片引起了学者的广泛研究,德国Davis 等[17]在偏压增强形核技术提出之后,首次利用MPCVD 在Si (001)制备了高定向金刚石外延层,提出Si 和金刚石之间的化学键影响了取向关系的论点㊂Lee 等[18]采用HRSEM㊁HRTEM 等手段直接观察了采用偏压增强形核技术的Si 上形核过程,发现金刚石可以直接在Si 衬底形核,不存在SiC 过渡层,同时可以以任意取向在Si 衬底上形核㊂Si 与金刚石之间晶格失配度较大,表面能差异大及偏压作用对衬底的破坏被认为是导致沉积的金刚石质量较差的主要原因,在Si 上直接制备单晶金刚石并不适合㊂经过研究人员长期的探索,Ir 被认为是一种最优的选择,是目前唯一可实现高质量㊁大尺寸异质外延制备金刚石的衬底材料㊂Brescia 等[19]通过第一性原理计算发现,C 原子在Ir 中的溶出能对其浓度变化十分敏感,有利于金刚石颗粒的平移和旋转,从而快速达到取向一致㊂不同Ir 复合衬底异质外延沉积单晶金刚石膜质量比较如表2[20-21]所示㊂Kasu 等[22]的研究表明,原子级光滑的Ir 衬底表面经过偏压增强形核技术形成了几十纳米高的脊状形状,他们认为,经过偏压增强形核技术处理时,含碳基团溶解于Ir 气氛,作为催化剂的Ir 促进金刚石的形核与生长,该研究也从侧面证实了以Ir 为衬底可以获得高质量㊁大尺寸的异质外延金刚石㊂1736㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷表2㊀基于Ir 不同复合衬底外延金刚石膜质量比较[20-21]Table 2㊀Comparison of epitaxial diamond film quality based on different Ir composite substrates [20-21]Composite substrate Sediment thickness Quality (tilt /twist)Ir /YSZ /Si(001)(1.6ʃ0.25)mm 0.064ʎʃ0.011ʎ/0.12ʎʃ0.04ʎIr /YSZ /Si(001)45μm 0.27ʎ/0.59ʎIr /SrTiO 3(001)34μm 0.17ʎ/0.41ʎIr /MgO(001)60μm 0.077ʎ/0.082ʎIr /SrTiO 3(100)34μm 0.17ʎ/0.38ʎIr /Al 2O 3(100)38μm 0.30ʎ/ Ir /Si /MgO(100)8μm 0.88ʎ/4.13ʎ金刚石半导体的快速发展离不开大尺寸晶圆(>2英寸)金刚石的发展㊂单颗衬底三维生长制备大尺寸单晶金刚石技术路线如图3所示㊂金刚石材料中属于同一族的晶面具有相同的生长特性,因此可以在籽晶的(100)晶面生长至一定厚度时,将其打磨后在侧面继续生长,随后继续打磨并在侧面生长,利用三维生长法可以使金刚石籽晶面积进一步扩大㊂图3㊀单颗金刚石多晶面三维生长Fig.3㊀3D growth of single diamond polycrystalline plane Yamada 等[23]最早通过在生长过程中加入N 2并利用半封闭衬底托的方式,经过150h 的漫长实验,在一个衬底上经过无加工的24次重复生长,成功获得了一颗10mm 厚,重达4.65ct(1ct =200mg)的金刚石,如图4所示㊂Liang 等[24]通过在沉积过程中添加N 2,在高压下实现了165μm /h 的生长速度,并且成功制备出一颗18mm 厚的单晶金刚石㊂图4㊀经过24次重复生长的金刚石[23]Fig.4㊀Diamond growth after 24repetitions [23]通过研磨去除生长过程中单晶金刚石边缘产生的多晶金刚石后再重复生长,是目前市面上获取大尺寸单晶金刚石的主流方法㊂但是随着生长的进行,籽晶的尺寸会有一定程度的改变,影响了金刚石表面等离子体的状态,同时由于生长界面不断变化,内部的缺陷和位错逐渐增加,即使对表面打磨后再生长,最终切割后仍有很大概率出现破损的现象,受制于各种加工因素,三维生长法并不是一个最优选择㊂Geis 等[25]率先提出马赛克拼接法,首次在硅衬底上沉积出晶体结构近似单晶的面积约为1cm 2㊁厚度为250μm 的金刚石立方㊀第10期刘俊杰等:半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状1737㊀体,但是其表面存在可见的拼接缝㊂马赛克拼接法技术路线如图5所示㊂Yan 等[26]采用16颗4mm ˑ4mm 作为籽晶,实现了2.56cm 2的单晶金刚石同质外延生长,大幅提高了单晶金刚石同质外延生长的尺寸,但同时也对籽晶和沉积环境提出了严格的要求㊂Muchnikov 等[27]的研究表明,籽晶的晶向会 遗传 给外延层,并且籽晶晶向偏差越大,拼接区域产生的应力也就越大㊂为了解决这一问题,需要对籽晶的结晶取向进行调节,保证籽晶拼接位置晶向一致㊁厚度一致,才能利用马赛克拼接法得到大面积的单晶金刚石㊂法国巴黎大学的Findeling-Dufour 等[28]研究了籽晶晶向对表面生长状态的影响和连接处晶体属性的问题,不仅得到了形态质量良好的大尺寸单晶金刚石,而且得出了采用结晶特征基本完全相同的籽晶进行马赛克拼接生长更容易获得单晶金刚石外延层的结论,在世界范围内掀起了利用马赛克拼接法制备大尺寸单晶金刚石的热潮㊂图5㊀马赛克拼接法制备大尺寸单晶金刚石Fig.5㊀Preparation of large size single crystal diamond by Mosaic splicing method 我国在MPCVD 法制备单晶金刚石领域取得了一定的成就,但是,国内高校及科研院所对马赛克拼接法制备大尺寸单晶金刚石的研究起步较晚,与国外还存在较大技术差距㊂哈尔滨工业大学的Shu 等[29]采用两片3mm ˑ3mm 单晶金刚石片进行马赛克拼接生长的研究,但由于两片籽晶有着非常明显的晶向,生长后的晶体出现了明显的接缝,借助不同厚度位置的Raman 分析,发现在生长过程中出现了应力区的移动㊂山东大学Wang 等[30]通过马赛克拼接法成功制备了11.75mm ˑ11.75mm 的单晶金刚石外延层,研究表明籽晶高度差异是引起外延层阶梯流运动和结合部位晶体取向的主要驱动力㊂中国科学院宁波材料技术与工程研究所的胡付生等[31]利用激光切割技术,在单晶金刚石籽晶上表面制备沟槽,在保证拼接的籽晶晶体结构一致的前提下,研究了不同生长时间㊁不同沟槽宽度和深度对沉积效果的影响,随着时间的累积,晶体结构一致的两片籽晶被有效地连接,其拼接形貌如图6所示㊂研究结果表明当籽晶晶体结构一致时,沉积后的拼接痕迹与沟槽宽度成正相关,而与沟槽深度无关,沟槽越宽,沉积后的拼接痕迹越明显㊂图6㊀沉积3h(a),(b)和6h(c),(d)的沟槽表面形貌[31]Fig.6㊀Groove surface morphologies at 3h (a),(b)and 6h (c),(d)of deposition [31]1738㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷2㊀半导体单晶金刚石衬底切割与剥离工艺2.1㊀大尺寸单晶金刚石切割大尺寸单晶金刚石能够满足于不同应用需求的前提是将其切割为一定的形状和厚度,目前,大尺寸单晶金刚石的分割方法主要有锯切㊁劈切及激光切割[32],在实际加工过程中,劈切对金刚石材料的加工效率高,但技术要求高,主要适用于金刚石材料有较大缺口或者较为明显的解理面㊂由于金刚石材料极高的硬度㊁强烈的各向异性,导致其分割不稳定㊂因此,常规的线切割和机械加工产生的损耗过大,限制了大尺寸单晶金刚石的利用率,不适用于大尺寸单晶金刚石的切割㊂激光切割的原理是在激光的照射下,金刚石材料瞬间气化,由于激光作用时间短,光斑小,具有速度快㊁切割缝窄等一系列优点[33],常被应用于大尺寸单晶金刚石的切割㊂Lin等[34]建立了激光切割金刚石过程中三维温度场模型,研究了不同的激光进给速度㊁加工功率对切割的影响,分析工艺参数对金刚石损伤层深度的影响,对后续研究激光切割单晶金刚石具有指导意义㊂Amampto等[35]利用阵列镜片聚焦激光束,使其垂直作用在机床中心,通过数控机床多轴控制,快速制备了纳米聚晶金刚石刀具㊂Sudheer等[36]分别使用四种激光器加工单晶金刚石,通过观测切割后微裂纹数目及破损的大小,探索了激光波长㊁功率密度等对切割质量的影响,认为低破损㊁高精度切割大尺寸单晶金刚石的首选是调Q的YAG激光器㊂德国汉诺威实验室对不同脉宽激光器进行了加工质量对比,不同运动参数和聚焦策略对激光加工质量的影响如图7所示,研究表明,采用切削方向上的线性聚焦形状,在保证切削质量的前提下,显著提高了切削速度,证实了飞秒激光高质量切割的潜力[37]㊂图7㊀用800μJ脉冲聚焦于点(a)和线(b),以320mm/min的速度进行8次激光扫描后的图像[37] Fig.7㊀Eight laser scans were performed at320mm/min with800μJ pulses focused on the points(a)and lines(b)[37]我国在激光器方面的研究与国外基本同步,但是由于相关理论的制约,激光切割应用领域与国外仍存在一定差距㊂武汉化工学院的王亚等[38]进行了激光切割CVD金刚石膜工艺实验,重点研究了输出功率㊁焦点位置和不同切割气氛环境对激光切割的影响㊂研究表明:采用NdʒYAG激光器切割金刚石,激光焦点靠近样品中部时,切割后的切缝比焦点靠近中部和下部时窄;对于厚度一定的金刚石样品,应尽可能选择能够一次切透的最小电流,以避免电流过大在切割时产生的孔径过大,同时避免重复切割扩大切割缝;切割过程中产生的等离子云导致激光聚焦效果变差,扩大了切割缝,此时应当通入适当流量的O2,既能去除切割面的非晶碳,也能降低等离子云的影响㊂为了进一步提高高频激光对CVD单晶金刚石的切割深度,中国科学院宁波材料技术与工程研究所的王吉等[39]利用新型声光调制高频激光器,重点研究了激光的焦点位置㊁功率㊁线速度,以及频率对CVD金刚石切缝深度㊁宽度和切面粗糙度的影响㊂结果表明,激光上表面宽度和深度随着功率的增大而增大,与此同时,随着焦点位置下移,最大切深不断增加,切割频率增加导致上表面切缝明显加宽㊂最终该团队在保证切割效率的前提下,获得了单向最大切割深度7.2mm㊁切割面粗糙度0.804μm,上表面切割缝宽150μm的最优切割效果㊂武汉工程大学的严垒等[40]进行了激光切割CVD金刚石的工艺探索,重点分析了切割速率及重复频率对切割质量的影响㊂研究表明:降低切割速率的同时提高激光频率可以有效减小孔间距,得到的切割面更为光滑,但是切割速率过低会影响切割效率;激光频率由50Hz增加至80Hz时,切割缝宽明显增加,不适用于厚CVD金刚石片的切割㊂㊀第10期刘俊杰等:半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状1739㊀2.2㊀大尺寸单晶金刚石剥离研究表明,将CVD 金刚石层从籽晶上剥离出来,需要利用离子注入技术㊂使用激光切割方法分离外延层时,会损耗掉一部分的金刚石,且损耗的比例随着金刚石片的尺寸增加而变大㊂离子注入技术预先使用高能粒子对衬底进行轰击,在预先抛光过的金刚石籽晶表面之下约几百纳米处形成非金刚石相,损伤层深度由注入的离子能量决定[41]㊂经过离子注入的金刚石籽晶继续利用同质外延技术生长单晶金刚石,随后利用电化学腐蚀技术将非金刚石相去除,达到分离衬底的目的㊂技术路线如图8所示㊂图8㊀大尺寸单晶金刚石的剥离技术路线图Fig.8㊀Lift-off technology roadmap of large size single crystal diamond 早在1992年,Parikh 等[42]率先提出了离子注入技术,通过注入高能O 或C 离子,使之在表层金刚石下形成损伤层,突破性地将平方毫米大小的金刚石从天然金刚石上完整剥离㊂1993年,美国奥本大学的Tzeng 等[43]重复了这项研究,利用离子注入技术成功地将15μm 厚的单晶金刚石从籽晶上剥离㊂Mokuno 等[44-45]利用MPCVD 工艺结合离子注入技术,在不同侧面反复生长,利用10mm ˑ10mm 籽晶片成功制备出尺寸为12mm ˑ13mm ˑ3.7mm 的单晶金刚石㊂Yamada 等[46]利用离子注入技术成功合成出多片与籽晶具有相同晶体特征的单晶金刚石,并选择其中质量较好的拼接为马赛克基底,再次结合离子注入技术成功合成大尺寸单晶金刚石㊂离子注入技术中,离子注入深度从几百纳米到几微米,在分离衬底和样品时的损伤层只有几微米厚,利用该技术,一块金刚石籽晶可多次重复利用,且制备的样品具有相同的晶体结构,为制备大尺寸单晶金刚石提供了一种新的研究思路㊂3㊀大尺寸单晶金刚石抛光CVD 沉积后的大尺寸单晶金刚石经过激光切割㊁离子注入剥离等后处理工艺后,常因表面质量达不到要求而限制了其性能的发挥㊂利用切割后的金刚石制备半导体器件时,要求两个表面必须平坦光滑,具有极高的面型精度和极低的粗糙值,保证接触面积足够大从而提高导热效果[47]㊂由于制备机理的限制,处理后的单晶金刚石表面粗糙度会增大到几微米甚至几十微米,往往还会产生较为明显的翘曲现象,因此必须采用精密加工的方式将粗糙度降到纳米量级,达到一定的面型精度,才能投入使用[48]㊂14世纪珠宝钻石的抛光加工可以被认为是最早的金刚石抛光研究,随着科学技术不断发展,金刚石在半导体领域的应用要求已远高于其他领域㊂机械抛光是最传统的金刚石研磨加工方法,利用游离的金刚石微粉与金刚石样品表面接触,产生较大的摩擦力,使金刚石表层发生变形甚至碳键断裂,实现抛光的目的㊂1983年英国的Jeynes 就对机械研磨的机理进行研究,1992年荷兰的Couto 研究了金刚石机械研磨中在 软方向 上的磨损去除机理[49];刘浩等[50]采用金属粉末增强机械抛光单晶金刚石,探究了不同磨料对机械抛光效果的影响,如图9所示㊂结果表明镍㊁钴金属粉末与金刚石微粉混合作为抛光粉料,可以实现单晶金刚石的高效率㊁高质量抛光㊂1740㊀综合评述人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图9㊀W0.5抛光膏㊁0.5μm金刚石微粉㊁325目镍粉与0.5μm金刚石微粉复合粉末,以及325目钴粉与0.5μm金刚石微粉复合粉末抛光后样品表面形貌[50]Fig.9㊀Surface morphology of sample after W0.5polishing paste,0.5μm diamond powder,325mesh nickel powder and0.5μm diamond powder composite powder,and325mesh cobalt powder and0.5μm diamond powder composite powder polishing[50] Yoshikawa等[51]的研究表明,采用机械抛光后的金刚石膜次表面由于具有过大的内部残余应力,存在沿着抛光方向分布的裂痕㊂为了降低机械抛光对次表面损伤,Thornton等[52]提出了在机械抛光过程中引入化学反应的材料去除机制,机械作用力使得金刚石表面产生微裂痕,同时金刚石和抛光垫之间的硝酸钾氧化C 原子,促使裂痕进一步生长,最终达到材料去除的目的㊂2009年,Furushiroa等[53]利用铜在空气中氧化产生的氧化铜抛光单晶金刚石,6h去除高度仅为7nm㊂由于金刚石材料极高的化学惰性,此方法对抛光单晶金刚石的难度极大㊂Ollison等[54]将机械抛光和化学机械抛光结合起来,利用金刚石磨料对样品进行机械研磨,然后使用加热的化学试剂进行化学机械抛光,通过分析抛光速率和抛光后样品表面质量,优化了金刚石抛光工艺㊂由于高温环境促进了化学试剂的挥发,会对人体产生不可逆转的损伤,在高温环境下使用强氧化剂的高温化学机械抛光尚未得到推广㊂等离子体刻蚀抛光是激发氩气㊁氧气使之产生高能离子束,通过溅射㊁刻蚀作用实现金刚石材料的研磨抛光㊂武汉工程大学的潘鑫[55]研究了等离子体刻蚀对金刚石机械抛光的影响,经过刻蚀处理的金刚石材料利用机械抛光可以较快地实现较高的表面质量,通过等离子体刻蚀作用去除非晶相的同时产生缺陷层,明显提高抛光质量㊂昆明理工大学的李思佳[56]研究了不同刻蚀时间氢等离子体的刻蚀作用,随着刻蚀时间增加,金刚石表面质量发生了较明显的变化,表面粗糙度先减小后增大,如图10所示,晶粒表面出现刻蚀坑和台阶,发生了氧终端向氢终端转变的现象㊂激光抛光和激光切割原理类似,使用高能激光束扫描单晶金刚石表面,高能激光使金刚石瞬间石墨化,材料去除效率高,适用于加工复杂表面㊂Kubota等[57]研究了不同波长激光束对抛光质量的影响,该团队先采用532nm波长的激光进行粗加工表面处理,随之采用波长193nm的激光进行精密加工,利用这种加工工艺获得了表面粗糙度1μm的样品表面,但这种方法操作复杂且加工效率低㊂马玉平等[58]进行了飞秒激光降低金刚石涂层粗糙度的研究,进行了不同激光功率㊁扫描速度及重复频率对抛光后表面粗糙度的实验,研究发现,一定程度内激光功率越低,抛光后得到的金刚石表面质量越好,但低于一定范围(约为100mW)以后,表面粗糙度随着激光功率降低略有提高㊂激光扫描速度增加,表面粗糙度减小,但扫描速度增大至。
单晶生产详细流程
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。
单晶硅生产工艺流程
单晶硅生产工艺流程单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。
由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
单晶硅生产工艺流程：1、石头加工开始是石头，(石头都含硅)，把石头加热，变成液态，在加热变成气态，把气体通过一个密封的大箱子，箱子里有N多的子晶加热，两头用石墨夹住的，气体通过这个箱子，子晶会把气体中的一种吸符到子晶上，子晶慢慢就变粗了，因为是气体变固体，所以很慢，一个月左右，箱子里有就很多长长的原生多晶硅。
2、酸洗当然，还有很多的废气啊什么的，(四氯化硅)就是生产过程中产生的吧，好像现在还不能很好处理这东西，废话不多说，原生多晶有了，就开始酸洗，氢氟酸啊硝酸啊，乙酸啊什么的把原生多晶外面的东西洗干净了，就过烘房烘干，无尘检查打包。
3、拉晶送到拉晶，拉晶就是用拉晶炉把多晶硅加热融化，在用子晶向上拉引，工人先把多晶硅放进石英锅里，(厂里为了减少成本，也会用一些洗好的电池片，碎硅片一起融)关上炉子加热，石英锅的融点是1700度，硅的融点才1410度左右，融化了硅以后石英锅慢慢转起来，子晶从上面下降，点到锅的中心液面点，也慢慢反方向转，锅下面同时在电加热，液面上加冷，子晶点到液面上就会出现一个光点，慢慢旋转，向上拉引，放肩，转肩，正常拉棒，收尾，一天半左右，一个单晶棒就出来了。
4、切方单晶棒有了就切方，单晶棒一般是做6英寸的，P型，电阻率0。
5-6欧姆(一英寸等于2。
4厘米左右)切掉棒子四边，做成有倒角的正方形，在切片，0。
22毫米一片吧。
单晶叶片工艺流程
单晶叶片工艺流程单晶叶片是一种在航空发动机等高温工况下工作的关键部件。
在过去的几十年中，通过不断改进和优化，单晶叶片的工艺流程得到了极大的提升。
本文将深入探讨单晶叶片工艺流程的各个方面，并分享我对这一主题的观点和理解。
为了更好地理解单晶叶片的工艺流程，让我们从基础开始逐步深入。
在了解工艺流程之前，我们首先需要知道单晶叶片的定义和特点。
单晶叶片是由一整块金属材料制成，没有晶界和晶粒边界，并具有高温下的优异性能。
能够抵御高温、高应力等极端工况是单晶叶片的重要特点。
1. 成型单晶叶片的制作过程通常以金属合金的熔化为起点。
选择合适的金属合金材料，如镍基合金或钴基合金，这些合金具有较高的耐高温性能。
在高温下将金属合金加热至液态，形成熔化的金属池。
接下来，通过特殊的成型工艺，将熔化的金属池迅速冷却并凝固。
这一工艺被称为定向凝固，其核心是通过控制温度梯度和凝固速率，使金属从液态逐渐凝固为单一的晶体结构。
这样就得到了没有晶界的单晶叶片。
2. 热处理在成型之后，单晶叶片需要进行热处理，以提高其力学性能和耐高温性能。
热处理过程包括固溶处理和时效处理两个步骤。
固溶处理是将单晶叶片加热至合金固溶温度，使合金中的元素均匀溶解，然后迅速冷却，以保持原子结构的均匀性。
这一过程可以消除材料中的晶界和位错，提高材料的塑性和韧性。
时效处理是在固溶处理之后，将单晶叶片再次加热至较低的温度，让合金中的元素重新分布，形成一定的强化相。
这能够提高单晶叶片的强度和耐高温性能。
3. 加工完成热处理后，单晶叶片需要进行一系列的机械加工和精密加工。
这些加工包括铸造铲型、冷冲和精密磨削等工序。
通过铸造铲型过程，将单晶叶片的外形和内部通道等特征形成。
这可以通过将熔融金属注入预先设计好的铸型中来实现。
这一过程需要高度的技术和精密的工艺控制，以确保最终形成的叶片符合设计要求。
冷冲和精密磨削是为了进一步修整和精细加工单晶叶片的外形。
通过压力和磨削等加工方式，将叶片表面的毛刺、氧化层等去除，使叶片表面光滑和清洁。
单晶制备方法综述
单晶材料的制备方法综述前言：单晶(single crystal)，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。
单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用。
因此对于单晶材料的的制备方法的研究已成为材料研究的主要方向之一。
本文主要对单晶材料制备的几种常见的方法进行介绍和总结。
单晶材料的制备也称为晶体的生长，是将物质的非晶态、多晶态或能够形成该物质的反应物通过一定的化学的手段转变为单晶的过程。
单晶的制备方法通常可以分为熔体生长、溶液生长和相生长等［1］。
一、从熔体中生长单晶体从熔体中生长晶体的方法是最早的研究方法，也是广泛应用的合成方法。
从熔体中生长单晶体的最大优点是生长速率大多快于在溶液中的生长速率。
二者速率的差异在10-1000倍。
从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、冷坩埚法和区域熔炼法。
1、焰熔法［2］最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。
后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。
因此，这种方法又被称为维尔纳也法。
1.1 基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。
其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。
1.2 合成装置和过程：维尔纳叶法合成装置振动器使粉料以一定的速率自上而下通过氢氧焰产生的高温区，粉体熔化后落在籽晶上形成液层，籽晶向下移动而使液层结晶。
此方法主要用于制备宝石等晶体。
2、提拉法［2］提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。
2O世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法。
单晶硅和多晶硅的制作工艺
单晶硅和多晶硅的制作工艺
单晶硅和多晶硅的制作工艺主要包括以下步骤：
单晶硅的制作工艺：
提纯：从石英砂中提炼出冶金级硅，并将其提纯和精炼，以去除杂质。
拉晶：使用单晶硅生长炉，通过直拉法生产单晶棒。
滚磨：采用外圆磨床滚磨外径，以获得精确的硅片直径。
切片：使用切割机将晶棒切割成一定厚度的薄晶片。
倒角：采用倒角机增加硅片边缘机械强度，减少颗粒沾污。
研磨：使用双面研磨机，去除硅片表面损伤层并达到微米级别的平整度。
抛光：使用抛光机将硅片表面达到纳米级别的平整度。
最终检测：使用检测设备来检测成品的尺寸和电学性能等是否达到预期。
多晶硅的制作工艺：
铸锭：由石英砂加工的冶金级硅精炼而来，先被铸成硅锭。
切片：将硅锭切割成片，从而加工成多晶硅硅片。
请注意，多晶硅也可作为生产单晶硅的原料。
单晶材料的制备
控制提拉速率
V越大，直径越小； V越小，直径越大； 但是由于难于控制，一般不调节提拉速率
5）晶体的极限生长速率
生长速度：
说明
V ( K S GS K LGL ) / L
GS :晶体内的温度梯度 GL：熔体内的温度梯度
A：Gs恒定，GL越小，V越大； B：GL＝0，Vmax=KSGS/ρL； C：如果GL<0，熔体过冷，生长速率更大，担难于控制； D：提高GS，提高生长速率，但是温度提高，导致位错和热 应力提高；
3）晶体生长过程能量平衡 A. 能量守恒
Q1+Q2=Q3 Q1：产生的焦耳热和释放的相变热； Q2：输入的热量； Q3：温度升高所需要的热量； 稳定态温度场，温度不随时间变化，则Q3=0, Q1=-Q2
Q1=Lm L:凝固潜热； M:单位时间生长的晶体质量
-Q2=QS-QL=AKSGS-AKLGL Lm＝QS-QL=AKSGS-AKLGL
g KT0 ln(c / c0 )
令 c / c0； 1； g KT0 ln(c / c0 ) KT0 f g / s KT0 / s
σ越大，推动 力越大
熔体生长系统中相变驱动力
h TS
h(T ) TS(T )
F:指向晶体，熔化、溶解、升华 指向溶液。结晶
气相生长系统中相变驱动力
( p0 ,T0 ) 0 (T0 ) RT ln p0 ( p ,T0 ) 0 (T0 ) RT ln p0
RT ln p / p0 N0g, R N0K
g KT0 ln( p / p0 )
增加，自由能减小，晶粒自发长大；
C.半径越小，胚团越稳定
3.衬底上凹角形核：
单晶硅生产工艺
单晶硅生产工艺单晶硅生产工艺一、单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
单晶硅圆片按其直径分为 6 英寸、8 英寸、12 英寸（300 毫米）及 18 英寸（450 毫米）等。
直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。
但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。
单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。
直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。
直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。
目前晶体直径可控制在Φ3~8 英寸。
区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。
目前晶体直径可控制在Φ3~6 英寸。
外延片主要用于集成电路领域。
由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。
在 IC 工业中所用的材料主要是 CZ 抛光片和外延片。
存储器电路通常使用 CZ 抛光片，因成本较低。
逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在 IC 制造中有更好的适用性并具有消除 Latch－up 的能力。
单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。
单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过 2000 亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及 99%以上的集成电路用硅。
二、硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。
日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。
中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为 2.5、3、4、5 英寸硅锭和小直径硅片。
单晶硅的制造工艺流程
单晶硅的制造工艺流程一、原料准备。
1.1 硅石的选取。
咱单晶硅制造啊，首先就得选好原料。
这硅石可不是随便抓一把就行的。
得找那种纯度比较高的硅石，就像找对象似的，得精挑细选。
那些杂质太多的硅石啊，就像“歪瓜裂枣”，是不能要的。
这硅石可是整个单晶硅制造的基础，基础打不好，后面就都是白搭。
1.2 硅石的提纯。
选好硅石后，就得进行提纯。
这就好比给一块璞玉进行雕琢，得把那些杂质都去除掉。
提纯的方法有不少，像化学提纯之类的。
这个过程就像是给硅石来一场“大清洗”，把那些不该有的东西都赶走，让硅石变得纯净起来。
二、多晶硅的制备。
2.1 反应过程。
有了提纯后的硅石，接下来就是制备多晶硅。
这个过程就像是一场神奇的化学魔术。
把硅石和一些其他的物质放在一起反应，就像把各种食材放在一起烹饪一样。
在特定的温度、压力等条件下，让它们发生反应，产生多晶硅。
这时候的多晶硅啊，就像是一群刚刚集结起来的小士兵，虽然还不是我们最终想要的单晶硅，但也是很重要的一步。
2.2 多晶硅的精炼。
多晶硅生产出来后，还得进行精炼。
这精炼就像是给小士兵们进行严格的训练，把那些还不够好的地方再完善一下。
去除里面残留的杂质，让多晶硅的纯度更高。
这就好比打铁还需自身硬，多晶硅自身纯度高了，才能更好地进行下一步转化为单晶硅的过程。
三、单晶硅的生长。
3.1 直拉法。
说到单晶硅的生长方法，直拉法是很常用的一种。
想象一下，就像从一锅浓汤里把最美味的那块肉挑出来一样。
把多晶硅放在一个特殊的坩埚里，加热到熔化状态，然后用一个籽晶慢慢拉出来。
这个过程就像是从母体里孕育出一个新生命一样神奇。
籽晶就像是一个种子，在合适的条件下，单晶硅就围绕着这个种子慢慢生长起来。
3.2 区熔法。
还有区熔法来生长单晶硅呢。
这方法也有它的独特之处。
就像是给一块布料进行局部的精细加工一样。
通过局部加热多晶硅，让硅进行熔化和结晶，一点点地形成单晶硅。
这个过程需要精确的控制，就像走钢丝一样，容不得半点马虎，不然长出来的单晶硅质量就不行了。
第九章-单晶硅制备-直拉法
直拉生长工艺
⑤晶颈生长 晶颈直径的大小，要根据所生产的单晶的重量决定，
其经验公式为 d=1.608×10-3DL1／2
d为晶颈直径； D为晶体直径；L为晶体长度，cm。 目前，投料量60~90kg，晶颈直径为4~6mm。 晶颈较理想的形状是：表面平滑，从上至下直径微收
或等径，有利于位错的消除。
于引晶位置，稳定之后将晶种降至与熔硅接触并充分 熔接后，拉制细颈。 籽晶在加工过程中会产生损伤，这些损伤在拉晶中就 会产生位错，在晶种熔接时也会产生位错 拉制细颈就是要让籽晶中的位错从细颈的表面滑移出 来加以消除，而使单晶体为无位错。
➢ 引晶的主要作用是为了消除 位错。全自动单晶炉采用自动 引晶。如果特殊情况需要手动 引晶，则要求：细晶长度大于 150mm，直径4mm左右，拉 速2-5mm/min
直拉生长工艺
腐蚀清洗的目的是除去运输和硅块加工中，在硅料表面留下 的污染物。
HNO3比例偏大有利于氧化， HF的比例偏大有利于SiO2的剥 离， 若HF的比例偏小，就有可能在硅料表面残留SiO2，所 以控制好HNO3和HF的比例是很重要的。
腐蚀清洗前必须将附在硅原料上的石墨、石英渣及油污等清 除干净。
拉晶过程中的保护气流
2、利用热场形成温度梯度
热场是由高纯石墨部件和保温材料（碳毡）组成。
➢ 石墨加热器：产生热量，熔化多 晶硅原料， 并保持熔融硅状态；
单晶热场温度分布
➢ 石墨部件：形成氩气流道，并隔 离开保温材料；
➢ 保温材料：保持热量，为硅熔液提供合 适的温度梯度。
3 单晶炉提供减压气氛保护、机械运动和自动控制系统
安装热场
装料
化料
收尾
等径
转肩
放肩
引晶
单晶硅多晶硅生产流程
单晶硅多晶硅生产流程单晶硅和多晶硅是太阳能光伏产业中最常用的硅材料。
单晶硅和多晶硅的生产过程有些类似，但也存在一些区别。
下面我将详细介绍单晶硅和多晶硅的生产流程。
1.原材料准备：单晶硅和多晶硅的原材料都是硅石（二氧化硅），通常通过矽矿石提炼得到。
首先，矽矿石被送入破碎机破碎成粉末。
2.溶解：破碎后的硅石粉末与强酸（如氢氟酸）混合，形成硅酸溶液。
然后，这个硅酸溶液经过净化和过滤，去除杂质，获得高纯度的硅酸。
3.晶体生长：单晶硅的晶体生长通常采用“克拉法”。
在一个大型的克拉炉中，通过在一根单晶硅（种子）上面，逐渐降低温度、控制附着的硅酸溶液逐渐凝固并形成晶体。
这个过程中需要精确的温度控制和晶体生长时间。
最终，一个长而细的单晶硅棒形成，棒的直径取决于炉的尺寸和生长时间。
多晶硅的晶体生长采用“坩埚法”。
将高纯度的硅酸与硅粉混合，形成硅化物，并在高温下熔化。
之后，将坩埚中的熔融硅材料慢慢冷却，形成多个晶体。
这些晶体之间彼此相连，形成多晶硅棒。
4.切割：完成晶体生长后，单晶硅和多晶硅都需要被切割成较薄的硅片。
这个步骤通常采用电火花或钻孔方式执行。
5.清洗和加工：切割成硅片后，需要对它们进行清洗和加工处理。
首先，硅片会被浸泡在酸洗剂中，去除表面的杂质。
然后，通过多道工艺加工，将硅片打磨成规定的形状和厚度，最后形成太阳能电池片。
总的来说，单晶硅和多晶硅的生产流程包括原材料准备、溶解、晶体生长、切割、清洗和加工等环节。
两者之间的主要区别在于晶体生长的方法，单晶硅采用克拉法，多晶硅采用坩埚法。
这些工艺步骤对于确保硅片的纯度和性能至关重要，对光伏产业的发展至关重要。
单晶生产过程
单晶硅的生产过程一、单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。
直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。
但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。
单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。
直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。
直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。
目前晶体直径可控制在Φ3 ~8英寸。
区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。
目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。
外延片主要用于集成电路领域。
由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。
在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。
存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。
逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。
单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。
单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。
二、硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。
日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。
中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为2.5、3、4、5英寸硅锭和小直径硅片。
单晶硅的制造工艺流程
单晶硅的制造工艺流程一、原料准备。
1.1 硅石选取。
咱单晶硅制造啊，首先得选好原料。
硅石那可是基础中的基础，就像盖房子的砖头一样重要。
咱得找那些纯度比较高的硅石，不能随便拉来一块就用。
这硅石就像是参加选美比赛的选手，得经过咱严格的筛选才行。
那些杂质多的硅石，就像混在好人堆里的坏蛋，得把它们剔除掉。
1.2 提纯到多晶硅。
有了好的硅石之后呢，就得把它变成多晶硅。
这一步就像是把铁矿石炼成铁一样，是个很关键的过程。
要通过各种化学方法，把硅石中的硅元素提炼出来，让它变得更纯。
这个过程可不容易，就像爬山一样，得一步一个脚印，每个环节都不能出错。
要是出了岔子，那后面的单晶硅质量可就没保障了。
二、单晶硅生长。
2.1 直拉法。
直拉法是制造单晶硅很常用的一种方法。
咱就想象一下，有一个熔炉，里面装着多晶硅原料，就像一口装满宝贝的大锅。
然后把籽晶放进去，这个籽晶就像是一颗种子，单晶硅就从这颗种子开始生长。
慢慢地把籽晶往上拉，就像钓鱼一样，多晶硅就会在籽晶的基础上不断生长，最后形成一根长长的单晶硅棒。
这过程中啊，温度、提拉速度等因素都得控制得恰到好处，就像厨师做菜时掌握火候一样，差一点都不行。
2.2 区熔法。
还有区熔法呢。
这个方法有点像接力比赛。
通过加热一小段多晶硅，让硅熔化后再结晶，然后一点一点地往前推进这个熔化结晶的过程，就像接力棒一棒一棒地传下去，最后形成单晶硅。
这个方法能制造出更高纯度的单晶硅，但是操作起来也更复杂，就像走钢丝一样，得小心翼翼的。
三、加工处理。
3.1 切割。
单晶硅棒有了之后，就得进行切割。
这就好比把一根大木头锯成小木板一样。
不过这切割可不像锯木头那么简单，要用专门的切割设备，像金刚线切割之类的。
切割的厚度、精度都有很高的要求，要是切得不好，那可就浪费了之前那么多的心血，就像把一块好玉给雕坏了一样，让人痛心疾首。
3.2 打磨抛光。
切割完了还不行，还得打磨抛光。
这就像是给单晶硅做美容一样，让它的表面变得光滑平整。
单晶正极材料制备工艺
单晶正极材料的制备工艺通常包括以下步骤：
1. 前驱体合成：将含有锂、镍、钴、锰等元素的原材料按一定比例混合，通过化学反应合成前驱体。
2. 烧结：将前驱体在高温下进行烧结，使其形成具有一定晶体结构的正极材料。
3. 粉碎：将烧结后的正极材料进行粉碎，以获得所需的粒度和形貌。
4. 表面处理：对粉碎后的正极材料进行表面处理，以提高其电化学性能。
5. 包装：将处理后的正极材料包装成电池所需的形状和规格。
以上是一般的单晶正极材料制备工艺，不同的材料体系和制备方法可能会有所不同。
7英寸锑化铟单晶的制备
7英寸锑化铟单晶的制备
锑化铟（InSb）是一种重要的半导体材料，具有优异的电子传输性能和热传导性能，因此在红外探测器和高速电子器件等领域具有广泛的应用前景。
而制备7英寸锑化铟单晶是一项具有挑战性的工作，因为大尺寸单晶的生长过程受到许多因素的影响，需要精密的控制和技术支持。
首先，制备7英寸锑化铟单晶需要高纯度的原料和精密的生长设备。
通常采用的生长方法包括气相外延法（MOCVD）和液相外延法（LPE）。
在生长过程中，需要严格控制温度、压力和气氛等参数，以确保单晶的质量和尺寸的稳定性。
其次，为了获得高质量的7英寸锑化铟单晶，需要对生长过程进行精密的监控和控制。
这包括对晶体结构和纯度的实时检测，以及对生长条件的调整和优化。
同时，还需要对晶体表面进行精细的处理和抛光，以减小晶体缺陷和提高表面质量。
最后，制备7英寸锑化铟单晶还需要进行严格的质量检测和性能测试。
这包括对晶体结构、电学性能和光学性能等方面进行全面的评估，以确保其符合应用要求。
总的来说，制备7英寸锑化铟单晶是一项复杂而具有挑战性的工作，需要精密的技术和设备支持。
随着半导体材料应用领域的不断拓展，对大尺寸锑化铟单晶的需求也将不断增加，因此相关研究和生产工作具有重要的意义和价值。
sic衬底工艺
sic衬底工艺
SiC衬底加工技术是器件制作的重要基础，其表面加工的质量和精度的优劣，直接影响外延薄膜的质量及其器件的性能。
SiC单晶片的生成和超精密加工工艺，按照技术顺序，主要经历以下数个过程：
1.原料合成：通过化学气相沉积或物理气相沉积等方法合成SiC 晶体。
2.晶体生长：通过特定的设备和技术，使SiC晶体在一定条件下生长成一定形状和尺寸的晶锭。
3.晶锭加工：将生长好的晶锭进行切割、研磨、抛光等加工，得到一定形状和尺寸的晶片。
4.定向切割：通过特定的切割技术，使晶片具有特定的晶体取向。
5.晶片研磨（精/粗）：通过研磨机对晶片进行研磨，去除表面杂质和损伤层。
6.晶片抛光（机械/超精密-化学机械）：通过抛光机对晶片进行抛光，进一步提高表面质量和精度。
7.晶片检测：对加工好的晶片进行检测，确保其满足设计要求。
8.晶片清洗：对检测合格的晶片进行清洗，去除表面残留物和污染物。
以上是SiC衬底工艺的主要步骤，希望对您有所帮助。
单晶生产工艺流程
单晶生产工艺流程
单晶的生产工艺流程包括以下几个步骤：
1.提纯原料：为了得到高纯度的多晶硅，需要将硅石与碳质还原剂进行高温还原，得到粗硅。
2.制备多晶硅：将粗硅进一步提纯，得到高纯度的多晶硅。
3.拉制单晶：将高纯度的多晶硅放入单晶炉中，加热至熔化，然后通过控制温度、压力等参数，使硅液逐渐
结晶成单晶硅棒。
4.加工处理：将单晶硅棒进行切割、研磨、抛光等加工处理，得到符合要求的单晶硅片。
5.品质检测：对单晶硅片进行各种品质检测，如尺寸、厚度、翘曲度、电阻率等，确保产品符合要求。
6.包装出货：将合格的单晶硅片进行包装，然后出货给客户。
以上是单晶生产工艺流程的大致步骤，具体操作可能会因生产设备、工艺参数等因素而有所不同。
单晶硅棒生产工艺
单晶硅棒生产工艺
单晶硅棒生产工艺是指通过特定的工艺流程，将硅石原料经过熔炼、凝固、拉拔等步骤，制成高纯度的单晶硅棒。
下面介绍一下单晶硅棒生产工艺的主要步骤。
首先，选取高纯度的硅石为原料，要求硅石的纯度在99.9999%以上。
硅石经过磨粉、洗涤等处理，以确保原料的高纯度。
接下来，将经过处理的硅石原料放入电阻炉中进行熔炼。
电阻炉内应设置相应的保护气氛，如氢气或惰性气体，以防止硅石氧化。
同时，通过加热炉体，使硅石原料熔化成液态硅。
熔融的硅液会在石英坩埚内进行凝固，形成硅石棒。
在凝固过程中，需要控制凝固速度和温度梯度，以获得高纯度的单晶硅棒。
一般来说，用铂坩埚进行凝固，以确保坩埚不会对硅液产生污染。
凝固完成后，可以将硅石棒进行切割得到较短的硅棒。
然后，将硅棒通过放电拉拔方法进行拉拔，将硅棒逐渐拉长并减小直径。
在拉拔过程中，通过加热炉体和拉拔机械设备，控制拉伸速度和温度梯度，以保持硅棒的均匀性和纯度。
拉拔完成后，可以对硅棒进行加工和清洗等步骤。
加工可以通过机械研磨、酸蚀等方法来调整硅棒的尺寸和表面平整度。
清洗可以通过酸洗、超声波清洗等方法，去除硅棒表面的杂质和污垢。
最后，经过质量检验合格的硅棒可以切割成所需的长度，并进行包装和封装，以便运输和应用。
以上就是单晶硅棒生产工艺的主要步骤。
通过科学的工艺流程和严格的质量控制，可以生产出高纯度、高质量的单晶硅棒，广泛应用于半导体、光电器件等领域。
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单晶(single crystal)
HNU
晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体，晶体中原子 或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。所谓单晶，即结晶体内部的微 粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上 由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。 一个零件由一个晶粒组成。 单晶体在力学强度上要比同物质的多晶体高出许多倍，单晶还应用于大规模 集成电路。 对单晶的研究，使人们发现了许多金属新的性质，如铁、钛、铬都是软金属。 研究晶体结构、各向异性、超导性、核磁共振等都需要完整的单晶体。
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AGENDA
1 2 3
常见单晶材料及应用场合
单晶铜的制备及加工方法
单晶镍基合金的制备及加工方法 单晶硅的制备及加工方法
单晶制备加工与材型专业
4 5
1.常见单晶材料及应用场合
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• 1.1 单晶铜（Single crystal copper）
• 1.2 单晶镍基合金（Single-crystal nickelbased alloys）
能好。（“晶界”会对通过的信号产生反射和折射，造成 信号失真和衰减），因而具有极高的信号传输性能。
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1.2单晶镍基合金（Single-crystal HNU nickel-based alloys）
• 镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进 航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能 航空发动机的设计需求,多年来,各国十分重视镍基单晶高 温合金的研制和开发。
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2.单晶铜的制备及加工方法
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3.单晶镍基合金的制备及加工方法
• 3.1 籽晶法（Seed law）
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• 首先将和所要铸造的单晶部件具有相同材料的的籽晶安 放在模壳的最底部 , 然后将过热的熔融金属液浇注在籽 晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液 体中的温度梯度和晶体的生长速度 , 金属熔液就会从未
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其晶体竞争生长机制是 : 螺旋结构总的 攀升走向正好与散热方向相反 , 致使螺 旋体内散热均匀 , 因此在整个螺旋形生 长过程中 , 位向最适合生长的那个晶粒 将其他众多的初生晶粒一一淘汰 , 不断 长出枝晶并最终进入试样本体成为单晶 铸件 . 至于镍基单晶合金，在镍的 Gamma 固溶态中，有大量分散结晶构 造稍为不同的 Gamma 基本态，只要将 这种结晶单晶化，在定向凝固合金中， 增加 Gamma 基本态，提高高温强度。 镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温 合金的限制。 F119 的涡轮叶片是用第 三代单晶作的，DD3可能是第一代。
• 1.3 单晶硅（Monocrystalline）
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1.1单晶铜（Single crystal copper）
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COPPER COLOUR紫铜电 源插头尾 MOTA家装及工 程用音箱线 IST-126紫铜高 级入墙式接线柱
• 用于音响线材、硬盘、超细线的制作，导电、信号传输性
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我们主要介绍当中常用到的 Cu、镍基及Si单晶。
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获得单晶的条件
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1、在金属熔体中只能形成一个晶核。可以引 入籽晶或自发形核，尽量地减少杂质的含量，避 免非均质形核。 2、固—液界面前沿的熔体应处于过热状态， 结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出，即 确保单向凝固方式。 3、固—液界面前沿不允许有温度过冷和成分 过冷，以避免固—液界面不稳定而长出胞状晶或 柱状晶。
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固液相界面演变机制
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在单晶起始生长过程中，凝固系统在材料的结晶内禀
特性驱动下，经特定的非稳态自组织过程达到稳态生长，
材料的凝固界面经历了由平界面——胞状界面——枝晶界 面的转化。胞晶和枝晶将根据凝固参数及初始形态自行调
整一次枝晶间距 , 调整模式主要有竞争淘汰、尖端开裂和
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1.3单晶硅（Monocrystalline） HNU
• 硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方 向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达 到99.9999%（6个9），甚至达到99.9999999%（9个9） 以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的 多晶硅在单晶炉内拉制而成。
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常见单晶材料及应用场合
单晶铜的制备及加工方法
单晶镍基合金的制备及加工方法 单晶硅的制备及加工方法
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5.单晶制备加工与材型专业
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2014/4/22
初始形态自行调整一次枝晶间距,直至达到稳态生长时凝固参数所对应的值。
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3.2 选晶法(Choice Crystal Method)
• 选晶法是单晶高温合金叶片制备中最 基本的工艺方法。 Higginbotham 把 常用的单晶选晶器结构归纳为四种类 型：螺旋型、倾斜型、转折型、尺度 限制型 ( 缩颈型 ) 随着单晶高温合金研 究的发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其 他三种选晶器，成为目前应用最广泛 也是最成功的选晶器类型。选晶法的 原理就是利用选晶器的这种狭窄界面, 只允许一个晶粒长出它的顶部,然后这 个晶粒长满整个型腔,从而得到单晶体。
高次分枝三种。籽晶的生长过程中 , 在生长起始端存在着 籽晶与合金熔液的融合区，融合区的成分取决于籽晶成分 和所生长单晶合金的成分。（研究单晶高温合金的各向异 性，对充分发挥单晶合金性能潜力非常重要）
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平界面——胞状界面——枝晶界面的转化 博学 睿思 勤勉 致知
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在平界面失稳后,形成 了大量的胞晶,随着凝 固的进行,这些胞晶相 互竞争淘汰;如图2a,当 胞晶向枝晶转变时,为 了调整枝晶间距,有的 胞晶尖端分裂;如图2b, 以枝晶凝固时,随着凝 固速率的增加,枝晶主 要采用高次分枝的方 法来调整枝晶间距。
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被熔化的籽晶部分开始往金属液中生长 , 并最终形成晶
体取向与籽晶相同的单晶。
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• 在籽晶法生长单晶过程中 , 籽晶和熔融高温合金液相之间 的相互作用即 固液相界面演变机制 对能否成功生长单
晶体有着决定性的作用。因此 , 研究籽晶法生长单晶凝固
界面的变化规律具有十分重要的意义。 • 这类方法的主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力 或寄生成核，因此在生产高完整性的单晶时要严格控制。