单晶、多晶硅片生产工艺流程详解

从单晶炉⾥里⽣生产的单晶棒开始,硅⽚片的⼯工艺流程就基本启动了。为了帮助
⼤大家认识和了解硅料到硅⽚片的详细⽣生产流程,提⾼高对这个⾏行业的认知,以便能
更好的从事光伏⾏行业,现在将⼀一些⽣生产流程资料整理如下,希望能对⼤大家有所
帮助。
硅⽚片的准备过程从硅单晶棒开始,到清洁的抛光⽚片结束,以能够在绝好的 环境中使⽤用。期间,从⼀一单晶硅棒到加⼯工成数⽚片能满⾜足特殊要求的硅⽚片要经过 很多流程和清洗步骤。除了有许多⼯工艺步骤之外,整个过程⼏几乎都要在⽆无尘的 环境中进⾏行。硅⽚片的加⼯工从⼀一相对较脏的环境开始,最终在10级净空房内完 成。
⼯工艺过程综述
所有的⼯工艺步骤概括为三个主要种类:能修正物理性能如尺⼨寸、形状、平
整度、或⼀一些体材料的性能;能减少不期望的表⾯面损伤的数量;或能消除表⾯面
沾污和颗粒。⼯工艺步骤的顺序是很重要的,因为这些步骤的决定能使硅⽚片受到
尽可能少的损伤并且可以减少硅⽚片的沾污。
硅⽚片加⼯工过程步骤
1.切⽚片
2.激光标识
3.倒⾓角
4.磨⽚片
5.腐蚀
6.背损伤
7.边缘镜⾯面抛光
8.预热清洗 9..抵抗稳定——退⽕火10.背封 11.粘⽚片
12.抛光
13.检查前清洗 14.外观检查 15.⾦金属清洗 16.擦⽚片 17.激光检查 18.包装/货运 切⽚片(class 500k)
硅⽚片加⼯工的介绍中,从单晶硅棒开始的第⼀一个步骤就是切⽚片。这⼀一步骤的
关键是如何在将单晶硅棒加⼯工成硅⽚片时尽可能地降低损耗,也就是要求将单晶
棒尽可能多地加⼯工成有⽤用的硅⽚片。为了尽量得到最好的硅⽚片,硅⽚片要求有最⼩小
量的翘曲和最少量的⼑刀缝损耗。
切⽚片过程中有两种主要⽅方式——内圆切割和线切割。这两种形式的切割⽅方 式被应⽤用的原因是它们能将材料损失减少到最⼩小,对硅⽚片的损伤也最⼩小,并且 允许硅⽚片的翘曲也是最⼩小。
切⽚片是⼀一个相对较脏的过程,可以描述为⼀一个研磨的过程,这⼀一过程会产
⽣生⼤大量的颗粒和⼤大量的很浅表⾯面损伤。
硅⽚片切割完成后,所粘的碳板和⽤用来粘碳板的粘结剂必须从硅⽚片上清除。
在这清除和清洗过程中,很重要的⼀一点就是保持硅⽚片的顺序,因为这时它们还
没有被标识区分。
激光标识(Class 500k)
在晶棒被切割成⼀一⽚片⽚片硅⽚片之后,硅⽚片会被⽤用激光刻上标识。⼀一台⾼高功率 的激光打印机⽤用来在硅⽚片表⾯面刻上标识。硅⽚片按从晶棒切割下的相同顺序进⾏行 编码,因⽽而能知道硅⽚片的正确位置。这⼀一编码应是统⼀一的,⽤用来识别硅⽚片并知 道它的来源。编码能表明该硅⽚片从哪⼀一单晶棒的什么位置切割下来的。保持这 样的追溯是很重要的,因为单晶的整体特性会随着晶棒的⼀一头到另⼀一头⽽而变化。 编号需刻的⾜足够深,从⽽而到最终硅⽚片抛光完毕后仍能保持。在硅⽚片上刻下编码 后,即使硅⽚片有遗漏,也能追溯到原来位置,⽽而且如果趋向明了,那么就可以 采取正确的措施。激光标识可以在硅⽚片的正⾯面也可在背⾯面,尽管正⾯面通常会被 ⽤用到。
倒⾓角
当切⽚片完成后,硅⽚片有⽐比较尖利的边缘,就需要进⾏行倒⾓角从⽽而形成⼦子弹式
的光滑的边缘。倒⾓角后的硅⽚片边缘有低的中⼼心应⼒力,因⽽而使之更牢固。这个硅
⽚片边缘的强化,能使之在以后的硅⽚片加⼯工过程中,降低硅⽚片的碎裂程度。
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磨⽚片(Class 500k)
接下来的步骤是为了清除切⽚片过程及激光标识时产⽣生的不同损伤,这是磨
⽚片过程中要完成的。在磨⽚片时,硅⽚片被放置在载体上,并围绕放置在⼀一些磨盘
上。硅⽚片的两侧都能与磨盘接触,从⽽而使硅⽚片的两侧能同时研磨到。磨盘是铸
铁制的,边缘锯齿状。上磨盘上有⼀一系列的洞,可让研磨砂分布在硅⽚片上,并
随磨⽚片机运动。磨⽚片可将切⽚片造成的严重损伤清除,只留下⼀一些均衡的浅显的
伤痕;磨⽚片的第⼆二个好处是经磨⽚片之后,硅⽚片⾮非常平整,因为磨盘是极其平整
的。
磨⽚片过程主要是⼀一个机械过程,磨盘压迫硅⽚片表⾯面的研磨砂。研磨砂是由
将氧化铝溶液延缓煅烧后形成的细⼩小颗粒组成的,它能将硅的外层研磨去。被
研磨去的外层深度要⽐比切⽚片造成的损伤深度更深。
腐蚀(Class 100k)
磨⽚片之后,硅⽚片表⾯面还有⼀一定量的均衡损伤,要将这些损伤去除,但尽可
能低的引起附加的损伤。⽐比较有特⾊色的就是⽤用化学⽅方法。有两种基本腐蚀⽅方法
:碱腐蚀和酸腐蚀。
背损伤(Class 100k)
在硅⽚片的背⾯面进⾏行机械损伤是为了形成⾦金属吸杂中⼼心。当硅⽚片达到⼀一定温 度时,如Fe,Ni,Cr,Zn等会降低载流⼦子寿命的⾦金属原⼦子就会在硅体内运动。 当这些原⼦子在硅⽚片背⾯面遇到损伤点,它们就会被诱陷并本能地从内部移动到损 伤点。背损伤的引⼊入典型的是通过冲击或磨损。举例来说,冲击⽅方法⽤用喷砂法, 磨损则⽤用刷⼦子在硅⽚片表⾯面磨擦。
边缘抛光
硅⽚片边缘抛光的⽬目的是为了去除在硅⽚片边缘残留的腐蚀坑。当硅⽚片边缘变
得光滑,硅⽚片边缘的应⼒力也会变得均匀。应⼒力的均匀分布,使硅⽚片更坚固。抛
光后的边缘能将颗粒灰尘的吸附降到最低。硅⽚片边缘的抛光⽅方法类似于硅⽚片表
⾯面的抛光。
预热清洗(Class 1k)
在硅⽚片进⼊入抵抗稳定前,需要清洁,将有机物及⾦金属沾污清除,如果有⾦金 属残留在硅⽚片表⾯面,当进⼊入抵抗稳定过程,温度升⾼高时,会进⼊入硅体内。这⾥里 的清洗过程是将硅⽚片浸没在能清除有机物和氧化物的清洗液(H2SO4+H2O2) 中,许多⾦金属会以氧化物形式溶解⼊入化学清洗液中;然后,⽤用氢氟酸(HF)将 硅⽚片表⾯面的氧化层溶解以清除污物。
抵抗稳定——退⽕火(Class 1k)
硅⽚片在CZ炉内⾼高浓度的氧氛围⾥里⽣生长。因为绝⼤大部分的氧是惰性的,然⽽而 仍有少数的氧会形成⼩小基团。这些基团会扮演n-施主的⾓角⾊色,就会使硅⽚片的电 阻率测试不正确。要防⽌止这⼀一问题的发⽣生,硅⽚片必须⾸首先加热到650°C左右。 这⼀一⾼高的温度会使氧形成⼤大的基团⽽而不会影响电阻率。然后对硅⽚片进⾏行急冷, 以阻碍⼩小的氧基团的形成。这⼀一过程可以有效的消除氧作为n-施主的特性,并 使真正的电阻率稳定下来。
背封(Class10k)
对于重掺的硅⽚片来说,会经过⼀一个⾼高温阶段,在硅⽚片背⾯面淀积⼀一层薄膜, 能阻⽌止掺杂剂的向外扩散。这⼀一层就如同密封剂⼀一样防⽌止掺杂剂的逃逸。通常 有三种薄膜被⽤用来作为背封材料:⼆二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、多 晶硅。
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图举例说明了预热清洗、抵抗稳定和背封的步骤。

粘⽚片⽅方式,即蜡粘⽚片或模板粘⽚片。
蜡粘⽚片⽤用⼀一固体松⾹香蜡与硅⽚片粘合,并提供⼀一个极其平的参考表⾯面。这⼀一
表⾯面为抛光提供了⼀一个固体参考平⾯面。粘的蜡能防⽌止当硅⽚片在⼀一侧⾯面的载体下
抛光时硅⽚片的移动。蜡粘⽚片只对单⾯面抛光的硅⽚片有⽤用。
另⼀一⽅方法就是模板粘⽚片,有两种不同变异。⼀一种只适⽤用于单⾯面抛光,⽤用这 种⽅方法,硅⽚片被固定在⼀一圆的模板上,再放置在软的衬垫上。这⼀一衬垫能提供 ⾜足够的摩擦⼒力因⽽而在抛光时,硅⽚片的边缘不会完全⽀支撑到侧⾯面载体,硅⽚片就不 是硬接触,⽽而是“漂浮”在物体上。当正⾯面进⾏行抛光时,单⾯面的粘⽚片保护了硅⽚片 的背⾯面。另⼀一种⽅方法适⽤用于双⾯面的抛光。这种⽅方法可以允许在⼀一台机器上进⾏行 抛光时,两⾯面能同时进⾏行,操作类似于磨⽚片机。硅⽚片的两个抛光衬垫放置在相 反的⽅方向,这样硅⽚片被推向⼀一个⽅方向的顶部时和相反⽅方向的底部,产⽣生的应⼒力
粘⽚片(Class10k) 抛光之前,先要进⾏行粘⽚片。粘⽚片必须保证硅⽚片能抛光平整。有两种主要的
会相互抵消。这就有利于防⽌止硅⽚片被推向坚硬的载体⽽而导致硅⽚片边缘遭到损坏。
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硅⽚片抛光的⽬目的是得到⼀一⾮非常光滑、平整、⽆无任何损伤的硅表⾯面。磨⽚片时, 硅⽚片进⾏行的是机械的研磨;⽽而在抛光时,是⼀一个化学/机械的过程。这个在操作 原理上的不同是造成抛光能⽐比磨⽚片得到更光滑表⾯面的原因。
抛光时,⽤用特制的抛光衬垫和特殊的抛光砂对硅⽚片进⾏行化学/机械抛光。抛 光砂由硅胶和⼀一特殊的⾼高pH值的化学试剂组成。这种⾼高pH的化学试剂能氧化 硅⽚片表⾯面,又以机械⽅方式⽤用含有硅胶的抛光砂将氧化层从表⾯面磨去。
硅⽚片通常要经多步抛光。第⼀一步是粗抛,⽤用较硬衬垫,抛光砂更易与之反
应,⽽而且⽐比后⾯面的抛光中⽤用到的砂中有更多粗糙的硅胶颗粒。第⼀一步是为了清
除腐蚀斑和⼀一些机械损伤。在接下来的抛光中,⽤用软衬、含较少化学试剂和细
的硅胶颗粒的抛光砂。清除剩余损伤和薄雾的最终的抛光称为精抛。
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粘⽚片和抛光过程如图所⽰示:
抛光(Class≤1k)

硅⽚片抛光后,表⾯面有⼤大量的沾污物。为了能对硅⽚片进⾏行检查,需进⾏行清洗
以除去⼤大部分的颗粒。通过这次清洗,硅⽚片的清洁度仍不能满⾜足客户的要求,
但能对其进⾏行检查了。
通常的清洗⽅方法是在抛光后⽤用RCASC-1清洗液。有时⽤用SC-1清洗时,同时 还⽤用磁超声清洗能更为有效。另⼀一⽅方法是先⽤用H2SO4/H2O2,再⽤用HF清洗。相 ⽐比之下,这种⽅方法更能有效清除⾦金属沾污。
检查
经过抛光、清洗之后,就可以进⾏行检查了。在检查过程中,电阻率、翘曲
度、总厚度超差和平整度等都要测试。所有这些测量参数都要⽤用⽆无接触⽅方法测
试,因⽽而抛光⾯面才不会受到损伤。在这点上,硅⽚片必须最终满⾜足客户的尺⼨寸性
能要求,否则就会被淘汰。
⾦金属物去除清洗
检查前清洗(class10)
硅⽚片检查完后,就要进⾏行最终的清洗以清除剩余在硅⽚片表⾯面的所有颗粒。 主要的沾污物是检查前清洗后仍留在硅⽚片表⾯面的⾦金属离⼦子。这些⾦金属离⼦子来⾃自 于各不同的⽤用到⾦金属与硅⽚片接触的加⼯工过程,如切⽚片、磨⽚片。⼀一些⾦金属离⼦子甚 ⾄至来⾃自于前⾯面⼏几个清洗过程中⽤用到的化学试剂。因此,最终的清洗主要是为了 清除残留在硅⽚片表⾯面的⾦金属离⼦子。这样做的原因是⾦金属离⼦子能导致少数载流⼦子 寿命,从⽽而会使器件性能降低。SC-1标准清洗液对清除⾦金属离⼦子不是很有效。 因此,要⽤用不同的清洗液,如HCl,必须⽤用到。
擦⽚片
在⽤用HCl清洗完硅⽚片后,可能还会在表⾯面吸附⼀一些颗粒。⼀一些制造商选择 PVA制的刷⼦子来清除这些残留颗粒。在擦洗过程中,纯⽔水或氨⽔水(NH4OH)应 流经硅⽚片表⾯面以带⾛走沾附的颗粒。⽤用PVA擦⽚片是清除颗粒的有效⼿手段。
激光检查
硅⽚片的最终清洗完成后,就需要检查表⾯面颗粒和表⾯面缺陷。激光检查仪能
探测到表⾯面的颗粒和缺陷。因为激光是短波中⾼高强度的波源。激光在硅⽚片表⾯面
反射。如果表⾯面没有任何问题,光打到硅⽚片表⾯面就会以相同⾓角度反射。然⽽而,
如果光打到颗粒上或打到粗糙的平⾯面上,光就不会以相同⾓角度反射。反射的光
会向各个⽅方向传播并能在不同⾓角度被探测到。
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包装/货运
包装的⽬目的是为硅⽚片提供⼀一个⽆无尘的环境,并使硅⽚片在运输时不受到任何
损伤;包装还可以防⽌止硅⽚片受潮。如果⼀一⽚片好的硅⽚片被放置在容器内,并让它
受到污染,它的污染程度会与在硅⽚片加⼯工过程中的任何阶段⼀一样严重,甚⾄至认
为这是更严重的问题,因为在硅⽚片⽣生产过程中,随着每⼀一步骤的完成,硅⽚片的
价值也在不断上升。理想的包装是既能提供清洁的环境,又能控制保存和运输
时的⼩小环境的整洁。典型的运输⽤用的容器是⽤用聚丙烯、聚⼄乙烯或⼀一些其他塑料
材料制成。这些塑料应不会释放任何⽓气体并且是⽆无尘的,如此硅⽚片表⾯面才不会
被污染。
硅⽚片制备阶段的问题
在硅⽚片的制造过程中,涉及到许多参数。⽽而且这些参数中有许多会因最终
硅⽚片⽬目标不同⽽而发⽣生变化。对硅⽚片来说,有⼀一些参数始终是很重要的,如平整
度、缺陷、沾污等。
 当硅⽚片被不正确运⾏行的⼑刀⽚片所切割时,就会造成弯曲的⼑刀⼜⼝口。这些⼑刀⼜⼝口都
不会相同,这就使硅⽚片有不同种类的平⾯面缺陷。因此应以尽可能平的⾯面去切割
硅⽚片。
有不同的测量⽅方法来测试硅⽚片的平整度。整个的平整度对于设计样品时是 很重要的,从另⼀一⽅方⾯面说,局部的平整度对于设计是很重要的,⼀一些整体平整 度测试的术语是弯曲度(bow)、翘曲度(warp)、总厚度超差(TTV)、总 指⽰示读数(TIR)和焦平⾯面背离(FPD)。
硅⽚片制备阶段的问题
在硅⽚片的制造过程中,涉及到许多参数。⽽而且这些参数中有许多会因最终
硅⽚片⽬目标不同⽽而发⽣生变化。对硅⽚片来说,有⼀一些参数始终是很重要的,如平整
度、缺陷、沾污等。
当硅⽚片被不正确运⾏行的⼑刀⽚片所切割时,就会造成弯曲的⼑刀⼜⼝口。这些⼑刀⼜⼝口都
不会相同,这就使硅⽚片有不同种类的平⾯面缺陷。因此应以尽可能平的⾯面去切割
硅⽚片。
有不同的测量⽅方法来测试硅⽚片的平整度。整个的平整度对于设计样品时是 很重要的,从另⼀一⽅方⾯面说,局部的平整度对于设计是很重要的,⼀一些整体平整 度测试的术语是弯曲度(bow)、翘曲度(warp)、总厚度超差(TTV)、总 指⽰示读数(TIR)和焦平⾯面背离(FPD)。
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Bow: 硅⽚片弯曲度是测量硅⽚片弯曲程度,它是与硅⽚片中⼼心从⼀一通过靠近硅⽚片边缘
的三个基点建⽴立的平⾯面的背离程度。 Warp:
硅⽚片形状变形的另⼀一测试⽅方法是翘曲度的测试。翘曲度是测量硅⽚片确定的 ⼏几个参考⾯面的中⼼心线位置的最⾼高点与最低点之最⼤大差值。硅⽚片的翘曲度起决于 使⽤用的⼀一对⽆无接触扫描探针。硅⽚片被放置在三个形成参考平⾯面的⽀支点上,这对 探针中⼀一⽀支可以在硅⽚片⼀一侧的任意位置,⽽而另⼀一⽀支则在另⼀一侧的相应位置。探 针按设定的程序,沿硅⽚片表⾯面移动,测量到硅⽚片表⾯面指定点的距离。⼀一旦所有 的距离都已测得,翘曲的程度也就知道了。测定翘曲度,第⼀一步就是找到顶部 探针与顶部硅⽚片表⾯面的距离(a)和相应底部探针与底部硅⽚片表⾯面的距离
(b)。换句话说,就得到了b-a的所有测量点。有了这些数据,将b-a的最⼤大值 减去b-a的最⼩小值,再除以2就是Warp值(如图1.6所⽰示)。

TTV
图1.6翘曲度(Warp)和总厚度偏差(TTV)测量⽰示意图
⼀一种检测硅⽚片厚度⼀一致性的⽅方法,叫总厚度超差(TTV),就是指硅⽚片厚 度的最⼤大值与最⼩小值之差。测量TTV可在测量Warp时同时进⾏行。Warp中类似的 探针和数据处理⽅方法可以为TTV所采⽤用。在计算TTV时,第⼀一步是将顶部探针 与顶部硅⽚片表⾯面的距离(a)和相应底部探针与底部硅⽚片表⾯面的距离(b)相 加,这⾥里,我们要的是相加(a+b),TTV就是将a+b的最⼤大值减去a+b的最⼩小 值。
TIR
总指⽰示读数是⼀一种只与硅⽚片的正⾯面有关的参数。测量⽅方法是将与真空吸盘 平⾏行吸住的⼀一⾯面作为参考平⾯面,TIR就是正⾯面最⾼高处与最凹处的差值。(见图 1.7)

中远的⼀一个。所有的测试⽅方法都是体现硅⽚片整体的表⾯面情况。
污染
硅⽚片表⾯面的污染是⼀一个主要关注的问题。硅⽚片⽣生产过程从相对较脏的切⽚片
开始到最终进⼊入⼀一净空房结束,硅⽚片要暴露在⼤大量的不同化学品和溶液中,⽽而
且硅⽚片还要被放⼊入许多不同的机器进⾏行机械加⼯工,所有这些接触都会导致颗粒
沾污。另两个主要的污染是⾦金属和有机物。⾦金属因硅⽚片经过许多机器加⼯工,⾦金
属与硅⽚片表⾯面直接接触⽽而被留在硅⽚片表⾯面;有机物则可能来⾃自于任何物体上的
油脂或油。在硅⽚片最终被发往客户前,所有的污染都必须被清除。
安全
图1.7总指⽰示读数(TIR)和焦平⾯面偏离(FPD)测量⽰示意图 !
FPD 焦平⾯面偏离(FPD)是指硅⽚片上距焦平⾯面最⾼高处和最深处到焦平⾯面的距离
 在半导体制造的硅⽚片⽣生产阶段,许多安全问题⾮非常类似于在⼀一装备完好设
备商店,有⾼高速度的⼑刀⽚片和所有⼿手⼯工滚磨设备。硅⽚片⽣生产中的许多过程是机械
导向的,因此,这些有操作危险的过程必须有⼀一定的安全程序。
化学⽅方⾯面的危险:硅⽚片的⽣生产要⽤用到许多危险的化学药品,如在敞开式的 硅⽚片清洗中⽤用到的HF和KOH。这些化学品的使⽤用像⽔水⼀一样频繁,⽽而且容易被 灌输⼀一种错误的安全观念。因此,当在进⾏行与这些化学品相关的⼯工作时,必须 确定出所有正确的安全⽅方针。
其它还有涉及到各种不同辐射的安全问题。在切⽚片区域,有X-ray源;激光 扫描区域,有激光的辐射可能会引起潜在的⽕火灾,甚⾄至使⼈人失明。在这些区域, 都应穿着适当的防护服,并应谨慎操作以防发⽣生安全问题。
术语表
弯曲度(bow): 硅⽚片弯曲度是指硅⽚片中⼼心与⼀一通过靠近硅⽚片边缘的三个基点建⽴立的平⾯面的
背离程度。弯曲度是对整个硅⽚片⽽而⾔言。 10级(class10):
通常指环境的清洁度时,10级是指每⽴立⽅方英尺空⽓气中0.5μm⼤大⼩小的颗粒不 超过10个,⽽而且更⼤大的颗粒数更少。这是⼀一个⾮非常洁净的环境。
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硅胶:
⼀一种悬浮的硅⼟土颗粒,细⼩小到⽆无法分辨出各个颗粒,也⽆无法从悬浮液中分
离出来。
微切伤:
是由⼑刀⽚片的颤动⽽而引起的,它是⼑刀⽚片在⾏行进过程中细微的背离,⽽而在硅⽚片
上沿着切⼜⼝口留下的细⼩小的脊状损伤。
外吸杂: 是⼀一种适⽤用在硅⽚片背⾯面的吸杂⽅方法。 焦平⾯面背离(FPD):
焦平⾯面背离的测试能说明离硅⽚片正⾯面上任何点的焦平⾯面的最远距离。FPD 能衡量整个硅⽚片正表⾯面。
吸杂:
是⼀一种诱使⾦金属杂质远离硅⽚片正⾯面的⽅方法。
雾化: 是硅⽚片出现雾⽓气的⼀一个条件。可能由硅⽚片的任何的沾污或损伤⽽而引起。 平均载流⼦子寿命:是指在硅体内多数载流⼦子的平均复合时间。 Piranha:
是⼀一种清洗液,由硫酸(H2SO4)和双氧⽔水(H2O2)组成。之所以起这 个名字是因为当上述两种化学品混合时,溶液温度会达到120°C左右并剧烈沸 腾。
总指⽰示读数(TIR): 是硅⽚片的正⾯面上距设定参考⾯面最⾼高处与最凹处的距离。TIR能表明整个硅
⽚片正⾯面的情况。
总厚度超差(TTV): 是指硅⽚片最厚处与最薄处的差值。TTV也是对整个硅⽚片的测试。 翘曲度(warp): 是指离硅⽚片中⼼心线最⾼高和最低的差值,是整个硅⽚片的测试。