CH-硅片加工滾磨開方

第一章硅晶體的滾磨與開方1.0簡介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當(dāng)前1頁，總共80頁。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晶圓單晶硅的工藝單晶光伏硅片的工藝鑄錠多晶的工藝當(dāng)前2頁，總共80頁。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，外側(cè)可能有晶棱出現(xiàn)，頭和尾部均有錐形端，因此在進行硅片切割之前，需要對硅錠進行整形與分割，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。滾磨和開方的目的當(dāng)前3頁，總共80頁。開方的目的——切片開方切片當(dāng)前4頁，總共80頁。滾磨：采用砂輪，將硅錠的外側(cè)打磨成規(guī)則圓柱體的過程。滾磨設(shè)備：單晶切方滾磨機（金剛石砂輪）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、(金剛石)帶鋸、(金剛石)線鋸等工藝與設(shè)備當(dāng)前5頁，總共80頁。當(dāng)前6頁，總共80頁。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：滾圓、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、滾圓、切方3）太陽能級鑄錠多晶：開方分割當(dāng)前7頁，總共80頁。電路級硅單晶：用來制作大尺寸晶圓，盡量大，因此只需要滾圓，并制作參考面。當(dāng)前8頁，總共80頁。太陽能級硅單晶：去頭尾、滾圓、切方切方目的：獲得四個直邊。當(dāng)前9頁，總共80頁。不同用途的硅片IC級單晶硅片太陽能單晶硅片當(dāng)前10頁，總共80頁。切方滾圓太陽能硅片——單晶當(dāng)前11頁，總共80頁。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當(dāng)前12頁，總共80頁。太陽能硅片——多晶當(dāng)前13頁，總共80頁。1.1磨削加工的過程滾磨和開方都屬于機械磨削。定義：通過模具（磨輪或者鋸片），與工件（硅錠）產(chǎn)生相對運動，使模具上的金剛石顆粒對工件進行磨削的過程。當(dāng)前14頁，總共80頁。磨削的分類機械磨削分為兩類：

第一：固定磨粒式磨削設(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：多線切割機比如研磨、噴砂、多線切割、拋光等當(dāng)前15頁，總共80頁。兩類典型磨削的部件固定磨粒式—砂輪游離磨粒式本章主要采用固定磨粒式磨削當(dāng)前16頁，總共80頁。砂輪的構(gòu)成砂輪：由磨料顆粒和粘結(jié)劑采用一定成型的工藝，而制成的有一定外形的砂輪。磨粒：切削研磨粘結(jié)劑：粘合磨粒（金屬、陶瓷、有機樹脂）成型方式：電鍍、樹脂、陶瓷當(dāng)前17頁，總共80頁。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（Al2O3）、碳化鎢、金剛石、立方氮化硼當(dāng)前18頁，總共80頁。類別名稱顏

色性

能適

用

范

圍氧化物剛玉白色硬度高，韌性較好各種金屬碳化物碳化硅碳化硼黑色綠色硬度較高,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)合金超硬磨料人造金剛石立方氮化硅白棕黑色硬度最高,耐熱性較硬度非常高硬質(zhì)合金,寶石,陶瓷等高硬材料，及其它難加工材料磨粒的種類當(dāng)前19頁，總共80頁。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。當(dāng)前20頁，總共80頁。磨削加工的特點1.靠界面上大量磨粒進行磨削。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。當(dāng)前21頁，總共80頁。影響磨削的參數(shù)砂輪的種類：磨粒材料，粒度等參數(shù)等工件的特性：硬度，任性，導(dǎo)熱性能等砂輪轉(zhuǎn)速工件進給速度砂輪和工件的壓力當(dāng)前22頁，總共80頁。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—摻雜表面粗糙度損傷層的厚度：~幾十um當(dāng)前23頁，總共80頁。磨削過程的評估1.對磨削的樣品進行直接實驗測量2.對過程進行模擬當(dāng)前24頁，總共80頁。金屬切削的數(shù)值模擬

(AdvantEdgetmFEM)ThirdWaveSystems公司，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。當(dāng)前25頁，總共80頁。當(dāng)前26頁，總共80頁。滾磨開方設(shè)備的磨削方式滾磨：開方滾磨機——金剛石砂輪，固定磨粒，面接觸開方：開方滾磨機、金剛石帶鋸——固定磨粒，線接觸金剛石線鋸——固定磨粒，線接觸當(dāng)前27頁，總共80頁。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：非接觸，無污染，無損耗，內(nèi)部挖洞式切割，應(yīng)用對象：較硬，而且較脆材料，要求：一定的導(dǎo)電能力當(dāng)前28頁，總共80頁。當(dāng)前29頁，總共80頁。1）切方滾磨機——（滾磨、切方）2）金剛石帶鋸3）金剛石線鋸1.2滾磨、開方的設(shè)備當(dāng)前30頁，總共80頁。滾磨、開方設(shè)備種類滾磨設(shè)備：切方滾磨機開方設(shè)備：切方滾磨機（缺口大，表面粗糙，效率低）金剛石帶鋸（主流）—BandSaw金剛石線鋸（發(fā)展趨勢）—DiamondWireSaw切割和研磨的區(qū)別：切割—線接觸；研磨—面接觸當(dāng)前31頁，總共80頁。1、美國應(yīng)用材料（瑞士HCT公司）：HCT-E800S型多線開方機（AppliedMaterials）2、瑞士梅耶博格MeyerBueger--BS801/805型帶鋸切方機3、日本小松NTC-MBS1000型/MBS1000C多線開方機4、上海日進NWSS-125G多線開方機（建議）5、大連連城：QF1250型多線開方機（建議）6、北京京儀世紀(jì)QFP1000型多線開方機7、北京京聯(lián)發(fā)數(shù)控科技公司XQ500-25線切方機主流開方設(shè)備當(dāng)前32頁，總共80頁。1）滾磨機結(jié)構(gòu)滾磨機主體基座與框架滾磨區(qū)切方區(qū)當(dāng)前33頁，總共80頁。滾磨機的動力結(jié)構(gòu)滾磨機動力部分液壓系統(tǒng)電氣系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)工件移動的動力面板，數(shù)控，各種電機滾磨區(qū)水流降溫當(dāng)前34頁，總共80頁?？刂频牧鞒堂姘遢斎胫噶畈杉?、分析面板指令，轉(zhuǎn)化為電機所需信號，信號傳輸電機發(fā)生動作當(dāng)前35頁，總共80頁。當(dāng)前36頁，總共80頁。滾磨機工作原理—四大運動單晶切方滾磨機包括四大運動：1）縱向工作臺的縱向往復(fù)運動。2）工件的縱向移動和旋轉(zhuǎn)運動。3）滾磨砂輪的前后往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動。4）切方鋸片的上下垂直運動和旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)前37頁，總共80頁。工作臺的運動工件（硅錠）固定在工作臺上，工作臺可以帶動工件，在導(dǎo)軌上縱向前后移動。工作臺運動的速度和距離可以通過電機來精確控制。工作臺導(dǎo)軌當(dāng)前38頁，總共80頁。工件（硅錠）的運動工件有兩種運動：

1）由工作臺帶動，一起進行的縱向運動。2）繞自身軸所作的旋轉(zhuǎn)運動，并且速度可調(diào)。當(dāng)前39頁，總共80頁。滾磨砂輪的運動滾磨砂輪包括沿縱向的前后移動和繞自身軸的旋轉(zhuǎn)。沿道軌縱向運動，可以實現(xiàn)打磨工件的不同位置，繞自身旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)均勻打磨。當(dāng)前40頁，總共80頁。切方鋸片的運動鋸片的旋轉(zhuǎn)可以切割工件，而上下移動，可以保證切割到工件。當(dāng)前41頁，總共80頁。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動，來進行切割。優(yōu)點：速度快，刀口損耗小，可進行大工件切割（用于大硅錠開方）缺點：鋸口仍有待減小，切割精密度還不夠高，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，無法進行切片，效率不夠高。當(dāng)前42頁，總共80頁。金剛石帶鋸當(dāng)前43頁，總共80頁。帶鋸切割示意圖帶鋸移動—切割方向鋸條運動—切割當(dāng)前44頁，總共80頁。3）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動，進行切割。結(jié)構(gòu)：內(nèi)層是鋼線，外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：固定磨粒式切割，典型尺寸：金剛石顆粒：20～40um，金鋼線直徑：150～200um。當(dāng)前45頁，總共80頁。金剛石線鋸特點優(yōu)點：切口小<300um，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割方向，切割速度最快，效率最高，從而可以進行精密、高效率加工。（和多線切割相比）優(yōu)點二：切割速度更快，不使用切割液，使用水降溫，成本低，切割出的硅粉可以方便回收。缺點：鋼線粗糙，不易穩(wěn)定工作，劃痕較嚴(yán)重，有金屬污染。當(dāng)前46頁，總共80頁。金剛石線鋸示意圖當(dāng)前47頁，總共80頁。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，配備研磨漿進行切割，屬于游離磨粒式切割，此切割優(yōu)點很多：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，是在多線切割機基礎(chǔ)上，將普通鋼線換為金剛石線，并對繞線部件進行改進，目前主流多線切割設(shè)備，都可以進行此類改進。當(dāng)前48頁，總共80頁。HCT多線切割當(dāng)前49頁，總共80頁。當(dāng)前50頁，總共80頁。金剛石線鋸和多線切割金剛石線鋸（固定磨粒）多線切割（游離磨粒）切割液當(dāng)前51頁，總共80頁。切方設(shè)備比較鋸縫效率工件尺寸表面原料浪費應(yīng)用范圍滾磨機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最大(鑄錠)平整較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)展當(dāng)前52頁，總共80頁。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：切方滾磨機金剛石帶鋸金剛石線鋸當(dāng)前53頁，總共80頁。金剛石切割線相關(guān)企業(yè)河南恒星科技股份有限公司——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)——世界產(chǎn)量最大的人造金剛石基地——長葛鄭州華晶金剛石——鄭州中南鉆石——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——三磨所當(dāng)前54頁，總共80頁。1.3滾磨切方的工藝過程不同用途硅片的工藝過程：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：開方當(dāng)前55頁，總共80頁。1）IC單晶硅錠的加工a:側(cè)面滾磨——滾磨機打磨b:制作參考面——滾磨機打磨硅錠晶體定向磨輪和硅錠安裝外側(cè)滾圓制作參考面當(dāng)前56頁，總共80頁。滾圓過程硅錠繞自身軸旋轉(zhuǎn)，并向前運動，磨輪自轉(zhuǎn)，設(shè)置一定推進量d，固定工件位置和磨輪，逐漸磨削。d硅錠當(dāng)前57頁，總共80頁。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：固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)速等當(dāng)前58頁，總共80頁。參考面滾磨制作當(dāng)前59頁，總共80頁。LhR打磨深度（h）的計算不同尺寸硅片的參考面，張角2θ0一致當(dāng)前60頁，總共80頁。2）單晶太陽能硅錠a：滾磨——滾磨機b:切方——帶鋸、線鋸截面上只切出一片方塊當(dāng)前61頁，總共80頁。太陽能硅單晶切方2RL硅錠計算切割深度d，然后在四個垂直的方向進行切割d當(dāng)前62頁，總共80頁。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：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）當(dāng)前63頁，總共80頁。鑄錠多晶硅典型尺寸：840mm×840mm×273.7mm帶鋸可加工尺寸：800mm×800mm×740mm當(dāng)前64頁，總共80頁。1.4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，為了將損傷減小，需要對表面進行處理。目的：減少損傷層的厚度（不考慮金屬污染）。損傷：應(yīng)力分布、晶格畸變、表面粗糙化、非晶化、表面污染等去除厚度：30～50um（大于損傷層）適用條件：適合機械研磨以后的初次拋光當(dāng)前65頁，總共80頁。去除損傷層方法1）化學(xué)腐蝕a.酸性腐蝕;b.堿性腐蝕2）機械拋光處理之后的表面粗糙度：~10um當(dāng)前66頁，總共80頁。1）化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕的特點：

設(shè)備簡單，易于進行不規(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?。⒎磻?yīng)的溫度當(dāng)前67頁，總共80頁。a）酸性腐蝕腐蝕液：[HF]:[HNO3]:[HAc]=(1~2):(5~7):(1~2)

反應(yīng)的優(yōu)點：

反應(yīng)速度快，過程中放熱，不需要加熱缺點：

反應(yīng)生成的氮化物，需要額外處理當(dāng)前68頁，總共80頁。酸腐蝕的機理表層硅的酸腐蝕、清洗機理：1.硅被HNO3氧化，反應(yīng)為：2.用HF去除SiO2層，反應(yīng)為：3.總化學(xué)反應(yīng)為：當(dāng)前69頁，總共80頁。b）堿腐蝕

腐蝕液：

NaOH/KOH+H2O濃度15%～40%反應(yīng)的優(yōu)點：反應(yīng)需加溫度，一般80～95℃，速度比較慢，易控制，廢液也易處理。（無定形的硅，反應(yīng)很快）缺點：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。當(dāng)前70頁，總共80頁。堿溶液腐蝕的機理硅的堿性腐蝕拋光機理：工業(yè)上大量采用的仍是酸性腐蝕。加熱當(dāng)前71頁，總共80頁。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、80～100℃粗糙度較小較大金屬污染腐蝕液金屬污染小、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，不好處理容易處理當(dāng)前72頁，總共80頁。腐