硅晶体滚磨与开方

第一章 硅晶体的滚磨与开方 1.0 1.1磨削加工知识 1.2滚磨、开方设备及工作原理 1.3滚磨、开方的加工过程1.4滚磨、开方后的表面的处理1.0简介滚磨和开方的目的,及所用设备 硅片用途决定的加工工序单晶硅的工艺单晶光伏硅片的工艺 铸锭多晶的工艺滚磨和开方的目的滚磨与开方:经过直拉法生长出的硅锭子,外形是不规则的圆柱体夕卜侧可能有晶棱 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。以上以光伏单晶锭为例介绍。开方的目的一切片工艺与设备滚磨：采用砂轮,将硅锭的外侧打磨成规则 滚磨设备:单晶切方滚磨机（金刚石砂轮）柱体的过程。开方:将大块的硅锭,切割成所需要的长方 体或者棱柱体。开方设备:单晶切方滚磨机、（金刚石）带锯.（金刚石）线锯等不同用途硅片的工艺要求根据用途不同,加工的工艺也不相同:1)电路级硅单晶：滚、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 3）太阳能级铸锭多晶：开方分割电路级硅单晶：用来制作大尺寸晶量大,因此只需要滚,并制作参考面。太阳能级硅单晶：去头尾、切方切方目的：获得四个直边。不同用途的硅片IC级单晶硅片太阳能硅片一单晶A切方铸锭多晶,成规则的立方体,不过外形较大,也 比较粗糙,无法直接切片,需要进行开方,得到 小体积的硅棒。开方目的：获得小尺寸可加工的硅棒太阳能硅片多晶1-1磨削加工的过程滚磨和开方都属于机械磨削。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。磨削的分类机械磨削分为两类:第定磨粒式磨削设备: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定磨粒式一砂轮游离磨粒式本章主要采用固定磨粒式磨削砂轮的构成砂轮：由磨料颗粒和粘结剂采用一定成型 命工艺,而希诫的有一定夕F形命砂轮。磨粒：切削研磨粘结剂:粘合磨粒（金属、陶瓷.有机树 脂）成型方式:电镀、树脂、陶瓷砂轮的性能参数研磨的效果和磨粒关系密切磨粒的参数:材料种类”尺寸”硬度 形状烧结密度等常用的磨粒材料:刚玉（ai203 ）、碳 化镯.金刚石、立方氮化硼磨粒的种类类别名称颜色 性能 适用范BI氧化物刚玉白任硬度高/韧 曰巴性较好各种金属碳化物碳化硅碳化硼義色绿色硬度较高，导 热性好，韧性 差铸铁，耐火材料及 其它非金属 研磨硬质合金人造金超硬刚石立方氮化硅白硬度最高，耐 热性较 硬度非常高硬质合金f宝石"陶 瓷等高硬材料， 及其它难加工材料磨削过程的三个阶段 1）弹性变形阶段磨粒和工件开始接触,发生摩擦并伴随发热。 2 ）刻划阶段磨粒切入工件材料内部,材料发生形变但 未脱离材料母体。 3 ）切削阶段材料（粉末）从工件上脱离的过程。磨削加工的特点1 靠界面上大量磨粒逬行磨削。2. 磨粒硬度大,可以加工各种材料。3. 磨粒尺寸小,可以切削的厚度很薄,因此, 可以进行高精密加工,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。影响磨削的参数砂轮的种类：磨粒材料,粒度等参数等 砂轮转速 工件进给速度 砂轮和工件的压力工件的特性:3度任性,导热性能等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：热裂纹 晶格畸变（非单晶） 应力残存 杂质原子混入一掺杂 表面粗糙度 损伤层的厚度：几十um磨削过程的评估 1.对磨削的样品进行直接实验测量2.对过程进行模拟金属切削的数值模拟(AdvantEdgetm FEM ) Third Wave Systems公司f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,可以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开方滚磨一金刚石砂轮, 面接触开方： 开方滚磨机、金刚石带一固定磨粒,线接触金刚石线一固定磨粒,线接触非磨削式切割电火花线切割：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。原理：电火花放电,产生局部高温,从而 将材料,融化优点：非接触,无污染,无损耗,内部挖 洞式切割,应用对象:较硬,而且较脆材料, 要求:一定的导电能力1-2滚磨 1 ）切方滚磨机一 2）金刚石带锯3 ）金刚石线锯L开方的设备（滚磨、切方）滚磨.开方设备种类滚磨设备：切方滚磨机 开方设备：切方滚磨机（缺口大,表面粗糙,效率低）金刚石带锯（主流） Band Saw金刚石线锯（发展趋势） Diamond WireSaw切割和研磨的区别：切割一线接触;研磨一面接触主流开方设备 1.美国应用材料（瑞士HCT公司）:HCT- E800S型多线开方机（Applied Materials ） 2、瑞士梅耶博格Meyer BuegerBS801/805 型带锯切方机 3.曰本小松NTCMBS1000型/MBS1000C 多线开方机 4、上海日进NWSS-125G多线开方机（建议） 5.大连连城:QF1250型多线开方机（建议） 6.北京京仪世纪QFP1000型多线开方机人北京京联发数控科技公司XQ50025线切方机1）滚磨机结构基座与框架滚磨机主体J 滚磨区切方区滚磨机的动力结构r电气系统面板,数控,各种 电机滚磨机动力部分<液压系统工件移动的动力k冷却系统滚磨区水流降温控制的流程面板输入扌旨令 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一四大运动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。工作台的运动工件（硅锭）定在工作台上,工作台可以带动工件,在导轨上纵向前后移动。工作台运动的速度和距离可以通过电机来 精甬控制。导轨工作台工件（硅锭）的运动工件有两种运动：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,并且速度可调。矽晶棒Hia匝氐sJtHmff层俅 Mlff、诂i國3i。故 Hlgpis目墜 Mlff后 脸K-H胆 H_OTRBEig 2）金刚石带锯切割原理: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。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）缺点：锯口仍有待减小,切割精密度还不够 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。金刚石带锯曲書歸w3）金刚石线锯（发展方向）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。结构：内层是钢线夕卜层是电沉积生长的金刚石颗粒和金属混合层,比如金属Ni。切割方式:定磨粒式切割,典型尺寸:金刚石颗粒：20 40um金钢线直径:150-200umo金刚石线锯示意优点：切口小v300 um ,表面平整度高,可 以两个方向同时切割,切割过程中可改变 切害诂向,切割速度最涣,效率最高,从 而可以进行精密、高效率加工。切割出的硅粉可以方便回收。缺点：钢线粗糙,不易稳定工作,划痕较 严重f肴金属汚築。金刚石线锯和（切片）多线切割关系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,此切割优点很多：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）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歸豔线勰讎燼主流多HCT多线切割上工作台«$«下工作台切m前切矗后的昼由焼肺君駁焼法哩的昼111焼箭 (画册瞬酋)切方设备比较锯缝效率工件 尺寸表面原料 浪费应用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（翕大、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）。设备：切方滚磨机 i 金刚石带锯 i 金刚石线锯金刚石切割线相关企业河南恒星科技股份有限公司一巩义2011年5月与江西塞维合作生产5200吨超精细钢线 直径130um。河南黄河旋风一世界产量最大的人造金刚石基 长葛郑州华晶金刚石一郑州中南钻石一南阳方城（世界最大工业级金刚石）三门峡金渠郑州磨粒模具研磨所一三磨所1.3滚磨切方的工艺过程不同用途硅片的工艺过程: 1 ） IC单晶硅锭:外径滚磨,制作参考面 2 ）光伏单晶硅：外径滚磨,开方3 ）多晶铸锭：开方1 ) IC单晶硅锭的加工 a:侧面滚磨滚磨机打磨 b:制作参考面滚磨机打磨硅锭晶体定向磨轮和硅锭安装制作参考面 过程硅锭绕自身轴旋转,并向前运动,磨轮自转,设置一定推进量d走工件位置和磨轮逐渐磨削。硅锭参考面制作加工流程:采用研磨设备（磨头）.在柱 形硅锭某个晶面即（1-10）,研磨出一个 平面。物理过程:定磨粒研磨参考面要求：正确取向,严格磨削深度 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打磨深度(h )的计算20。L - 2 R -sin(0o) h二R -叮丄不同尺寸硅片的参考面,张角。一致2）单晶太阳能硅锭 a :滚磨滚磨机 b:切方带锯.线锯截面上只切出_片方块太阳能硅单晶切方硅锭计算切割深度,然!1!后在四个垂直的方向进行切割3）铸锭多晶硅开方将大块多晶硅锭,开方成小块的立方体。特点：铸锭体积比较大,需要更大工作台使用设备:带锯.线锯加工大尺寸硅锭,要求工作台较大,切割效率高,有时甚至可以适当牺牲加工精密度。（带锯可加工的工件尺寸最大）铸锭多晶硅典型尺寸：840mm X 840mm X 273.7mm 带锯可加工尺寸：800mm X 800mm X 740mm1-4表面处理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。目的：减少损伤层的厚度（不考虑金属污染）。-龄聽严' 恚面粗糙化'II去除厚度:30 50um （大于损伤层） 适用条件:适合机械研磨以后的初次抛光去除损伤层方法 1）化学腐蚀 2 ）机械抛光a 酸性腐蚀；b 碱性腐蚀1'处理之后的表面粗糙度:J0UIT11）化学腐蚀化学腐蚀的特点:设备简单,易于进行不规则表面的抛光核心问题：控制反应速度,腐蚀深度,减 小腐蚀后的粗糙度可调参数:腐蚀液的配比（酸性.氧化性相对大小）、反应的温度a)酸性腐蚀腐蚀液：HF:HNO3：HAc=(12):(57):(1 2)反应的tic点反应速度快,过程中放热 > 不需要加热 缺点：反应生成的氮化物 > 需要额外处理酸腐蚀的机理表层硅的酸腐蚀.清洗机理:1硅被HNO3氧化，反应为:2用HF去除SiO2®,反应为:3.总化学反应为: b）碱腐蚀 腐蚀液：NaOH/KOH+H2O 浓度 15% 40% 反应的优点：反应需加温度,一般8095°C ,速度比较 慢,易控制,废液也易处理。（无定形的硅,反应很快）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:工业上大量采用的仍是酸性腐蚀。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°C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，不好处理容易处理腐蚀的效果腐蚀去除的元素:Si、金属.有机物、随着腐蚀进行,材料从硅棒进入溶液？ 7被腐蚀的杂质是否全部随溶液冲走？ X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碱性腐蚀的不足二次污染碱性腐蚀,带来金属污染,如Na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。酸性腐蚀一-a面清洁作用金属污染在表层,而表层Si被HNO3氧化, 随后被HF清洗,因此表层可以得到较好 清洗。单晶腐蚀的效果腐蚀速率和晶向有关：各向异性单晶腐蚀后的表面：有一定形貌碱性腐蚀得到金字塔形表面酸性腐蚀得到孔洞型的表面金字塔表面2）机械抛光蠶黑鋼黑方春矗勰蘿黠曹方法：组合（金刚石）毛刷式和精细磨石两种。加工对象:滚磨后的平面、圆面 精密度:粗抛光10 20um精细抛光v1 um 原则：采用不同大小的磨粒,进行逐步精细 抛光。金刚石毛刷第1章内容要求一作业简述硅单晶进行滚磨的目的和所用设备。根据磨粒的固定方式,磨削加工分为哪两类。简述磨削加工的特点。简述滚磨机的四大运动方式。开方设备的发展方向是什么。线锯开方的主要特点。简述滚磨开方以后,晶体表面的处理方法。称泅S法哩谢用的昼tH辨S9人的昼m憶S9