硅材料加工

用于制作集成电路（IC）等的硅片，需要磨定位面或 定位槽（V形槽）。用于制作二极管、可控硅及太阳 能电池等的硅片，无需有定位面。 磨定位面或定位槽是在装有X射线定向仪的外径滚磨 机上进行的。 一般磨两个面， 一个较宽的面（110）面，称为主平 面， 作为对硅片定位用；另一个平面较窄，称为次 平面，标识晶锭的晶向和型号。

切割出的晶片技术参数较差，表面的损伤层较厚，达 不到用以制作抛光片和一些元件制作的要求，必须通 过研磨来改善晶片的技术参数和消除切片的刀痕及损 伤层。较常用双面研磨机。


1.上下研磨盘 用球状石墨铸铁制成，之所以选用球状石墨铸铁 是因为它具有合适的硬度和耐磨性。太软，浆料 会嵌入磨盘内，造成晶片划伤；太硬，浆料颗粒 挤向晶片，造成晶片损伤。 研磨盘上具有一些垂直交错的沟槽。可使研磨浆 料分布均匀，也能及时排出磨屑和磨浆。上磨盘 的沟槽细而密是为了减少晶片与研磨盘之间的吸 附作用，利于研磨结束晶片的取出。


清洗的目的是清除晶圆表面的污染物（微粒、 金属杂质、有机物），采用湿式化学清洗 清洗环境的洁净度要求特别高，清洗台局部区 域要求洁净度为1级（空气中0.1 μm 的微粒数 不得多于10个/ m3）。空气中挥发物也需严格 控制。化学品的纯度必须是超级纯，金属不纯 物小于0.1ppb,所含0.2 μm 的微粒必须小于 200个/ cm3 。



6.多线切割机可以加工直径200mm以上的晶体， 而内圆切割只能加工直径200mm一下的晶体。 7.多线切割的钢线的不良状态难以发现，也无法修 整，当钢线内部存在0.25μm的缺陷时，在加工过程 中就极易断裂，一旦断裂加工中的晶体全报废，损 伤较大。而内圆切割则可预先测出刀片的不良状态 并予以修整。对小直径晶体而言，内圆切割应用更 广泛。 8.多线切割消耗品的费用比内圆切割高，大约在两 倍以上。 总的来说加工大直径的晶体多线切割较好，单位成本 比内切割低20%以上，加工小直径的晶体采用内圆切 割更有利。
单晶生长
切头去尾
外径滚磨
倒角
切片
磨定位标志
研磨
腐蚀
热处理
清洗
抛光
背面损伤
检验
包装
硅材料加工的基本流程示意



目的：利用外圆切割（OD）机、带锯或内圆切割 （ID）机切去单晶锭的头尾非等径部分，以及不符 合产品要求的部分；同时切取供检验单晶锭参数的 检验片，并按规定长度将晶锭分段。 外圆切割机的刀具是在金属片的外圆边镀上一层金 刚石颗粒，在刀片旋转的过程中将晶锭切断。缺陷 是：晶体直径越大,外圆刀片的直径也越大，刀片厚 度也越大，晶体损失也越大。 带锯和内圆切片的刀具是在其刀刃上镀上一层金刚 石颗粒，用刀具的运动进行切割。优势：节省原料。
修整:





若需抛光加工就需要对研磨片进行腐蚀处理。通常 采用化学腐蚀。分为酸腐蚀和碱腐蚀两种。 酸腐蚀：等方向性腐蚀，腐蚀液由不同比例的硝酸、 氢氟酸及缓冲液配制而成。硝酸是氧化作用，氢氟 酸是溶解二氧化硅，体积比为5:1。 缓冲液具有缓冲腐蚀速率的作用，还有改善晶片表 面的湿化程度，避免产生不规则的腐蚀结构。缓冲 液一般采用磷酸或醋酸，醋酸极易挥发，在腐蚀液 中的浓度不易稳定，磷酸会降低腐蚀速率。


粗抛的主要作用是为去除磨片的损伤层，去除量为 10~20 μm. 精抛的主要作用是改善晶片的粗糙程度，去除量不足 1μm。

表面杂质的来源：
在切割、磨片等加工的步骤里，机械上各种油脂中、润滑 油、防锈油等 固定硅片需要的各种黏合剂、松香、石蜡等 切和磨所用的不同磨料，SiC、Al2O3、人造金刚石等 抛光硅片：MgO、SiO2等 冲刷用水：Ag、Cu、Fe、Ni、K、Na、Ca、Mg；F、Cl、 O、H等 即使清洁的硅片暴露在空气中长时间也会引入杂质






1、晶片的晶向 按照客户的要求调整好晶向的偏离度数。 2、晶片的总厚度偏差（TTV） TTV是指晶圆最大与最小厚度之差。使用多线切割 机切直径200mm的晶片，TTV可控制在20 μm以下。 3、翘曲度（Warp） 翘曲度定义为参考平面至晶片中心平面最大距离与 最小距离之差。使用多线切割机切直径 200mm的 晶片，Warp可控制在40 μm以内。


①SC-1中的双氧水H2O2将硅晶片表面微粒氧化溶于 清洗液中去除，也可以利用超声波等方式去除微粒， 当超声波平行于晶圆表面时，会逐渐湿化微粒使其脱 落。当超声波施加到SC-1清洗液槽中，可于40℃去 除微粒。 ②SC-1清洗液对硅片有轻微腐蚀作用，通过对硅片 腐蚀也可使微粒脱落，但是时间不宜过长，易造成晶 圆表面微粗糙度增加。

对太阳能电池用单晶硅切头去尾时要注意切断面与晶 锭轴线尽量垂直，以利于多线切方。 切割时必须要用水冷却，即可带走热量又可带走切屑。


生长的单晶直径一般来说都比需要加工的晶片大 2~4mm，而且有的单晶特别是<111>晶向生长的 单晶，晶棱可能成为一个小面，因此需要对晶体进 行外径滚磨，使之成为标准的圆柱体。 注意事项：晶锭一定要固定牢靠，且要对中精确； 每次磨去的厚度不要太大。 为了减小损伤层厚度，先用粗颗粒磨轮磨，（粒度 小于100#），后用细颗粒磨轮磨（粒度介于 200#~400#）。用水冷却，带走热量磨屑。
分子型杂质：天然或合成油脂、树脂 离子型杂质：K+、Ca2+、F-、(CO3)2-等 原子型杂质： Ag、Cu、Fe、Ni等、 去除一般程序： 去油→去离子→去原子→去离子水冲洗 去油：四氯化碳、丙酮、甲苯等有机溶剂 去离子：酸、碱溶液或碱性双氧水 去原子：王水、酸性双氧水（兼具去离子作用）


对用于太阳能电池的硅单晶不需磨定位面，但需要切 方锭。浇铸的多晶硅锭也需要开方，并去掉不符合使 用要求的顶层和底层部分。 切方可用带锯也可用多线切方机。



切片就是将晶锭切成规定厚度的硅片。 两种方式：内圆切割和线切割。 内圆切割：刀片是用不锈钢制作的，在内径边沿镀 有金刚石颗粒做成刀刃，将刀刃装在切片机的刀座 上，施以各向均匀的张力，使刀片平直。将晶锭先 用黏结剂粘在载体上，载体板面具有与晶锭外圆同 样的弧形，然后将载体与晶体一起固定在切片机上， 设定好片厚度及进刀速度后使内圆刀片高速旋转， 从硅锭一端切出一片硅片，重复操作，将整支晶锭 切出等厚度的硅片。切完后将其取下浸入热水中， 除去黏结剂。



1、腐蚀界面层的厚度影响着分子的扩散，从而影 响腐蚀速率，一般采用晶片旋转及打入气泡等方式 进行搅拌，减小反应层厚度。 2、腐蚀温度一般控制在18~24℃,过高的温度有可 能使金属杂质扩散进入晶片表面。 3、腐蚀器件为聚二氟乙烯制成。 4、腐蚀完成后，要快速进行冲洗，转移时间控制 在2s以内




湿式化学清洗（RCA）的清洗液有两种SC-1和 SC-2 SC-1由 NH 4OH H 2O2 H 2O 组成，称为APM。 浓度为1:1:5~1:2:7 ,适合清洗的温度是 70~80℃。SC-1具有较高的PH值，可有效的去 除晶圆表面的微粒及有机物。 SC-2由 HCl H 2O2 H 2O组成，简称HPM。浓 度比为1:1:6~1:2:8,适合清洗的温度为70~80 ℃。SC-2具有较低PH值，可与残留金属形成可 溶物。


4、弯曲度（Bow） 表征晶片的凹状或凸状变形程度的指标。 Bow=(a-b)/2 多线切割的弯曲度几乎为0.

切片的硅片具有锐利的边缘。但是在器件制作过程 中，转移和热过程极易造成晶片崩边和产生位错及 滑移线等缺陷，崩边产生的碎晶粒还会划伤晶片， 造成器件制作的高不良率。若用以生长外延片，因 锐角区域的生长速率比平面处高，造成边缘区域突 出。为了改善将锐边磨成弧形，即对晶圆边进行倒 角处理。

3、保证冷却水畅通



切割处一直要用冷却水冲淋，冷却水既可以带 走切屑（硅粉）又能带走切割时产生热量。一 般选用自来水。 多线切割：自由研磨剂切削方式，机子使用钢 线由送线轮开始缠绕，再绕过安装柄杆（安装 柄杆上有很多等距离的沟槽），从柄杆出来的 线，最终回到回线导轮上。 切割时钢线上喷洒由油剂和碳化硅混合而成的 浆料，浆料既是研磨剂又是冷却剂。张力要适 当



是一种非等方向性的腐蚀，腐蚀速率与晶片的结晶 方向有关。（111）晶面具有较小的自由基不易被 -OH腐蚀。腐蚀剂为KOH或者NaOH。 KOH的浓度控制在30%~50%，反应温度为 60~120℃。腐蚀速度随浓度的增加而增加，达到 最大值后，会随KOH浓度的增加而减小。浓度较高 时，不仅有利于控制腐蚀速率，因黏度较高，也使 晶片上比较不易留下斑点。 碱腐蚀与晶片表面的机械损伤程度有关，一旦损伤 层完全去除，腐蚀速率就会变缓慢。


2. 载具 用以承载硅片的载体。人工放置。 弹簧钢制成，晶片安置在载具的圆洞中，直径略 大于晶片直径。由内外环的齿轮带动。 3. 研磨浆料 主要成分：氧化铝、锆砂或金刚砂、水及界面湿 性悬浮剂。氧化铝的粒度在6~10 μm，韧性、硬 度较碳化硅好，普遍采用。由上磨盘注入。

主要控制磨盘速度与施加于磨盘上的压力。初始阶 段，由小慢慢增加，使浆料均匀散开，有利于去除 镜片上的突出点。若压力太大力量集中在突出点晶 片易破裂。稳定状态。结束阶段压力慢慢降低。 一、用铸铁修整盘对上下磨盘同时进行修整，形状 与载具相同。 二、上下磨盘直接相互研磨


倒角可用化学腐蚀及轮磨等方式来实现，因化 学腐蚀控制较难，且易造成环境污染，一般采 用轮磨方式。轮磨的边缘用圆形和梯形两种。 倒角机一般是自动化的。倒角机的磨轮具有与 晶片边缘形状相同的沟槽，沟槽内镶有金刚石 颗粒。晶片被固定在真空吸盘上，磨轮高速旋 转，晶片慢速旋转。磨轮对晶片的研磨力是可 控的，可使倒角达到最佳效果。