硅片加工滚磨开方-课件

硅片加工滚磨开方1、0 简介n滚磨和开方的目的,及所用设备n硅片用途决定的加工工序l晶圆单晶硅的工艺l单晶光伏硅片的工艺l铸锭多晶的工艺n滚磨与开方:经过直拉法生长出的硅锭子,外形是不规则的圆柱体,外侧估计有晶棱出现,头和尾部均有锥形端,因此在进行硅片切割之前,需要对硅锭进行整形与分割,使其达到硅片切割(切片)的尺寸要求。n以上以光伏单晶锭为例介绍。滚磨和开方的目的开方的目的切片开方切片n滚磨:采纳砂轮,将硅锭的外侧打磨成规则圆柱体的过程。n滚磨设备:单晶切方滚磨机(金刚石砂轮)n开方:将大块的硅锭,切割成所需要的长方体或者棱柱体。n开方设备:单晶切方滚磨机、(金刚石)带锯、(金刚石)线锯等工艺与设备不同用途硅片的工艺要求n依照用途不同,加工的工艺也不相同:1)电路级硅单晶:滚圆、制作参考面,不需要开方(晶圆尽量大)2)太阳能级硅单晶:去头尾、滚圆、切方3)太阳能级铸锭多晶:开方分割n电路级硅单晶:用来制作大尺寸晶圆,尽量大,因此只需要滚圆,并制作参考面。太阳能级硅单晶:去头尾、滚圆、切方n切方目的:获得四个直边。不同用途的硅片IC级单晶硅片太阳能单晶硅片切方滚圆太阳能硅片单晶n铸锭多晶,成规则的立方体,只是外形较大,也比较粗糙,无法直截了当切片,需要进行开方,得到小体积的硅棒。n开方目的:获得小尺寸可加工的硅棒太阳能硅片多晶1、1 磨削加工的过程n滚磨和开方都属于机械磨削。n定义:通过模具(磨轮或者锯片),与工件(硅锭)产生相对运动,使模具上的金刚石颗粒对工件进行磨削的过程。磨削的分类n机械磨削分为两类:第一:固定磨粒式磨削 设备:砂轮、带锯、线锯 比如硅单晶滚磨、倒角等过程 第二:游离磨粒式磨削 设备:多线切割机 比如研磨、喷砂、多线切割、抛光等两类典型磨削的部件固定磨粒式砂轮游离磨粒式本章主要采纳固定磨粒式磨削砂轮的构成n砂轮:由磨料颗粒和粘结剂采纳一定成型的工艺,而制成的有一定外形的砂轮。n磨粒:切削研磨n粘结剂:粘合磨粒(金属、陶瓷、有机树脂)n成型方式:电镀、树脂、陶瓷砂轮的性能参数n研磨的效果和磨粒关系紧密n磨粒的参数:材料种类,尺寸,硬度,形状,烧结密度等n常用的磨粒材料:刚玉(Al2O3)、碳化钨、金刚石、立方氮化硼类 别名 称颜 色性 能适 用 范 围氧化物刚玉白色硬度高,韧性较好各种金属碳化物碳化硅碳化硼黑色绿色硬度较高,导热性好,韧性差铸铁,耐火材料及其它非金属研磨硬质合金超硬磨料人造金刚石立方氮化硅白棕黑色硬度最高,耐热性较硬度特别高硬质合金,宝石,陶瓷等高硬材料,及其它难加工材料磨粒的种类磨削过程的三个时期n1)弹性变形时期 磨粒和工件开始接触,发生摩擦并伴随发热。n2)刻划时期 磨粒切入工件材料内部,材料发生形变,但 未脱离材料母体。n3)切削时期 材料(粉末)从工件上脱离的过程。磨削加工的特点1、靠界面上大量磨粒进行磨削。2、磨粒硬度大,能够加工各种材料。3、磨粒尺寸小,能够切削的厚度特别薄,因此,能够进行高周密加工,得到较小表面粗糙度。4、和传统刃口刀具比,磨削效率高,加工的速度快。5、磨粒具有自锐作用,保证较长的使用寿命。影响磨削的参数n砂轮的种类:磨粒材料,粒度等参数等n工件的特性:硬度,任性,导热性能等n砂轮转速n工件进给速度n砂轮和工件的压力磨削对材料表面的损伤加工过程由于表面温度、挤压及其不均匀分分布,会在表面形成损伤,主要包括:n热裂纹n晶格畸变(非单晶)n应力残存n杂质原子混入掺杂n表面粗糙度n损伤层的厚度:几十 um磨削过程的评估n1、对磨削的样品进行直截了当实验测量n2、对过程进行模拟金属切削的数值模拟(AdvantEdgetm FEM)nThird Wave Systems公司,主要业务是开发和销售基于有限元分析的,切削加工过程仿真软件,能够进行切削过程中的切削力、应变、应变率、切屑 等参数的分布分析。滚磨开方设备的磨削方式n滚磨:开方滚磨机金刚石砂轮,固定磨粒,面接触n开方:开方滚磨机、金刚石带锯固定磨粒,线接触 金刚石线锯固定磨粒,线接触非磨削式切割n电火花线切割:利用做电极的金属导线,和工件表面之间的电火花放电,进行切割。n原理:电火花放电,产生局部高温,从而将材料,融化n优点:非接触,无污染,无损耗,内部挖洞式切割,n应用对象:较硬,而且较脆材料,n要求:一定的导电能力n1)切方滚磨机(滚磨、切方)n2)金刚石带锯n3)金刚石线锯1、2 滚磨、开方的设备滚磨、开方设备种类n滚磨设备:切方滚磨机n开方设备:l切方滚磨机(缺口大,表面粗糙,效率低)l金刚石带锯(主流)Band Sawl金刚石线锯(发展趋势)Diamond Wire Sawn切割和研磨的区别:切割线接触;研磨面接触n1、美国应用材料(瑞士HCT公司):HCT-E800S型多线开方机(Applied Materials)n2、瑞士梅耶博格Meyer Bueger-BS801/805型带锯切方机n3、日本小松NTC-MBS1000型/MBS1000C多线开方机n4、上海日进NWSS-125G多线开方机(建议)n5、大连连城:QF1250型多线开方机(建议)n6、北京京仪世纪QFP1000型多线开方机n7、北京京联发数控科技公司XQ500-25线切方机主流开方设备1)滚磨机结构滚磨机主体基座与框架滚磨区切方区滚磨机的动力结构滚磨机动力部分液压系统电气系统冷却系统工件移动的动力面板,数控,各种电机滚磨区水流降温控制的流程面板输入指令采集、分析面板指令,转化为电机所需信号,信号传输电机发生动作滚磨机工作原理四大运动n单晶切方滚磨机包括四大运动:1)纵向工作台的纵向往复运动。2)工件的纵向移动和旋转运动。3)滚磨砂轮的前后往复运动和旋转运动。4)切方锯片的上下垂直运动和旋转运动。工作台的运动n工件(硅锭)固定在工作台上,工作台能够带动工件,在导轨上纵向前后移动。n工作台运动的速度和距离能够通过电机来精确控制。工作台导轨工件(硅锭)的运动n工件有两种运动:1)由工作台带动,一起进行的纵向运动。2)绕自身轴所作的旋转运动,同时速度可调。滚磨砂轮的运动n滚磨砂轮包括沿纵向的前后移动和绕自身轴的旋转。n沿道轨纵向运动,能够实现打磨工件的不同位置,绕自身旋转,能够实现均匀打磨。切方锯片的运动n锯片的旋转能够切割工件,而上下移动,能够保证切割到工件。2)金刚石带锯n切割原理:带状锯条边缘上镶嵌金刚石颗粒,利用金刚石磨粒和工件相对运动,来进行切割。n优点:速度快,刀口损耗小,可进行大工件切割(用于大硅锭开方)n缺点:锯口仍有待减小,切割周密度还不够高,有一定表面粗糙度,只能沿锯条平面内切割,无法同时多方向、多片切割,无法进行切片,效率不够高。金刚石带锯带锯切割示意图带锯移动切割方向锯条运动切割3)金刚石线锯(发展方向)n线锯是以镶嵌有金刚石颗粒的细线作为切割线,利用其与工件相对运动,进行切割。n结构:内层是钢线,外层是电沉积生长的金刚石颗粒和金属混合层,比如金属Ni。n切割方式:固定磨粒式切割,n典型尺寸:金刚石颗粒:2040um,金钢线直径:150200um。金刚石线锯特点n优点:切口小300 um,表面平整度高,能够两个方向同时切割,切割过程中可改变切割方向,切割速度最快,效率最高,从而能够进行周密、高效率加工。n(和多线切割相比)优点二:切割速度更快,不使用切割液,使用水降温,成本低,切割出的硅粉能够方便回收。n缺点:钢线粗糙,不易稳定工作,划痕较严重,有金属污染。金刚石线锯示意图金刚石线锯和(切片)多线切割关系n作为切片首先发展的是多线切割,使用普通光滑钢线,配备研磨浆进行切割,属于游离磨粒式切割,此切割优点特别多:切口小,切割面平整性高,片子崩裂概率低,一次同时切割若干片,等等(切片部分介绍)n为降低成本,开方的金刚石线锯,是在多线切割机基础上,将普通钢线换为金刚石线,并对绕线部件进行改进,目前主流多线切割设备,都能够进行此类改进。HCT多线切割金刚石线锯和多线切割金刚石线锯(固定磨粒)多线切割(游离磨粒)切割液切方设备比较锯缝效率工件尺寸表面原料浪费应用范围滚磨机 较大一次加工单个锭效率低中等(单晶锭)粗糙最大淘汰带锯小比较高最大(铸锭)平整较小主流金刚线线锯最小两个方向同时切割效率最高最小(单晶锭)略粗糙最小发展切方手段的发展趋势n半导体、光伏以及电子行业对材料切割提出了更高要求,目前切割方面的发展趋势是:高效率、低成本,高加工精度,(如窄切缝,低表面损伤,低翘曲度等)。n设备:切方滚磨机金刚石带锯金刚石线锯金刚石切割线相关企业n河南恒星科技股份有限公司巩义 2011年5月与江西塞维合作生产5200吨超精细钢线直径130um。n河南黄河旋风世界产量最大的人造金刚石基地长葛n郑州华晶金刚石郑州n中南钻石南阳方城(世界最大工业级金刚石)n三门峡金渠n郑州磨粒模具研磨所三磨所1、3 滚磨切方的工艺过程不同用途硅片的工艺过程:n1)IC单晶硅锭:外径滚磨,制作参考面n2)光伏单晶硅:外径滚磨,开方n3)多晶铸锭:开方1)IC单晶硅锭的加工na:侧面滚磨滚磨机打磨nb:制作参考面滚磨机打磨硅锭晶体定向磨轮和硅锭安装外侧滚圆制作参考面滚圆过程n硅锭绕自身轴旋转,并向前运动,磨轮自转,设置一定推进量d d,固定工件位置和磨轮,逐渐磨削。d硅锭参考面制作n加工流程:采纳研磨设备(磨头),在柱形硅锭某个晶面即(1-1 0),研磨出一个平面。n物理过程:固定磨粒研磨n参考面要求:正确取向,严格磨削深度n参数设置:磨削深度,硅锭转速、轴向移动速度,磨轮转速等参考面滚磨制作LhR打磨深度(h)的计算不同尺寸硅片的参考面,张角20一致2)单晶太阳能硅锭na:滚磨滚磨机nb:切方带锯、线锯截面上只切出一片方块太阳能硅单晶切方2RL硅锭计算切割深度d,然后在四个垂直的方向进行切割d3 3)铸锭多晶硅开方n将大块多晶硅锭,开方成小块的立方体。n特点:铸锭体积比较大,需要更大工作台n使用设备:带锯、线锯n加工大尺寸硅锭,要求工作台较大,切割效率高,有时甚至能够适当牺牲加工周密度。(带锯可加工的工件尺寸最大)铸锭多晶硅典型尺寸:840mm840mm273、7mm带锯可加工尺寸:800mm800mm740mm1、4 表面处理n在滚磨开方的工序过程中,被加工的平面上,表层有不同深度的损伤,为了将损伤减小,需要对表面进行处理。n目的:减少损伤层的厚度(不考虑金属污染)。n损伤:应力分布、晶格畸变、表面粗糙化、非晶化、表面污染等n去除厚度:3050um(大于损伤层)n适用条件:适合机械研磨以后的初次抛光去除损伤层方法n1)化学腐蚀 a、酸性腐蚀;b、碱性腐蚀n2)机械抛光 处理之后的表面粗糙度:10um1)化学腐蚀n化学腐蚀的特点:设备简单,易于进行不规则表面的抛光n核心问题:控制反应速度,腐蚀深度,减小腐蚀后的粗糙度n可调参数:腐蚀液的配比(酸性、氧化性相对大小)、反应的温度a)酸性腐蚀n腐蚀液:HF:HNO3:HAc=(12):(57):(12)l 反应的优点:反应速度快,过程中放热,不需要加热l缺点:反应生成的氮化物,需要额外处理酸腐蚀的机理n表层硅的酸腐蚀、清洗机理:1、硅被HNO3氧化,反应为:2、用HF去除SiO2层,反应为:3、总化学反应为:nb)碱腐蚀 腐蚀液:NaOH/KOH+H2O 浓度15%40%l反应的优点:反应需加温度,一般8095,速度比较慢,易控制,废液也易处理。(无定形的硅,反应特别快)l缺点:反应是纵向反应,易向深层腐蚀,容易形成表面粗糙度增加,残余碱不易去除。碱溶液腐蚀的机理n硅的碱性腐蚀抛光机理:v工业上大量采纳的仍是酸性腐蚀。加热酸腐蚀和碱腐蚀的比较参数酸腐蚀碱腐蚀反应中的热量放热吸热、80100粗糙度较小较大金属污染腐蚀液金属污染小、反应温度低,对硅污染小腐蚀液含金属污染大,对硅污染大腐蚀斑点控制0、6S内转移到水中2S内转移到水中成本较高较低残液处理污染环境,不行处理容易处理腐蚀的效果n腐蚀去除的元素:Si、金属、有机物、等等n随着腐蚀进行,材料从硅棒进入溶液？n被腐蚀的杂质是否全部随溶液冲走？n原因:部分金属离子的二次吸附污染(和沉积电位有关)假如从金属清洗角度考虑n碱性腐蚀的不足二次污染l碱性腐蚀,带来金属污染,如Nal碱性环境中,Si带负电,吸引带正电的金属离子,因此易形成金属二次沾污。n酸性腐蚀表面清洁作用l金属污染在表层,而表层Si被HNO3氧化,随后被HF清洗,因此表层能够得到较好清洗。单晶腐蚀的效果n腐蚀速率和晶向有关:各向异性n单晶腐蚀后的表面:有一定形貌l 碱性腐蚀得到金字塔形表面l 酸性腐蚀得到孔洞型的表面金字塔表面2 2)机械抛光n采纳机械磨削的方法,对滚磨开方的晶体表面进行精细抛光,从而减少损伤层的厚度。n方法:组合(金刚石)毛刷式和精细磨石两种。n加工对象:滚磨后的平面、圆面n周密度:粗抛光1020um 精细抛光1umn原则:采纳不同大小的磨粒,进行逐步精细抛光。金刚石毛刷感谢您的聆听！