硅片加工定向切割课件.ppt

内容回顾,上一章内容安排的主要思路：要加工什么工件采用什么设备如何进行加工加工出什么产品加工之后有何缺陷如何处理加工缺陷加工过程的评估,铸锭多晶,单晶圆锭(晶圆),光伏圆锭(单晶),参考面,滚磨,滚磨,开方,开方,滚磨开方机,金刚石带锯,金刚石线锯,金刚石带锯,表面处理与过程评估,形成的表面损伤层：粗糙度，晶格畸变、污染等处理方案：去除损伤层过程评估：加工效率，切口大小，加工面的质量参数大小（如粗糙度）,下一步工艺切片,第二章 硅晶体的定向切割,2.1 硅片切割的概况2.2 晶体的定向工艺2.3 內圆切割设备与工艺2.4 多线切割设备与工艺2.5 切割片的清洗2.6 硅片的主要参数,1. 硅片切割概述,切片切割：是指利用外圆、内圆或者多线切割机，按照确定的晶向，将经过滚磨开方，外形规则的硅棒，切成薄片的过程。地位：是主要的光伏硅片的成本，约70% 。发展趋势：高效率、低成本、优良的表面参数。,目前切片的主要工艺,切片手段,外圆切割,内圆切割,多线切割,光滑钢线切割（主流）,金刚石线切割,內（外）圆切割,定义：利用内（外）圆切割刀片，将硅棒进行切片的过程。内（外）圆切割：刀片呈圆环状，刀口位于内（外）环的边缘，刀口上有电镀的金刚石颗粒，工作时刀片做高速旋转，从而利用锋利的金刚石颗粒，对材料进行切割。切割方式：固定磨粒式切割,内圆切割示意图,金刚石刀口,固定螺孔,多线切割切片原理,定义：在机器导线轮带动下，光滑的钢线做高速运动，并对线网喷涂研磨砂浆，高速运动的钢线将砂浆带到钢线和硅棒的接触面上，从而实现线网和工件发生相对摩擦，而完成对材料的切割过程。切割方式：游离磨粒式研磨。,多线切割示意图,研磨浆,放线,收线,各种工艺的应用范围,外圆切割：基本被淘汰。內圆切割：小批量硅片生产中经常采用。多线切割（钢线）：光伏行业主流切片工艺。原因：多线切割的优点：高效率。小切口，低损耗。可切硅片很薄。表面质量优良（翘曲小，损伤层薄等）,切片手段的主要性能参数,切片的主要流程,主要环节：晶体定向粘结定向上机切割清洗,2. 晶体的X射线定向,1）X射线简介2）X射线衍射原理3）X射线定向,X射线简介,X射线：又称伦琴射线，是一种波长极短的电磁波（0.01nm10nm），满足量子化的能量关系，（可见光350770nm）。主要特点： a）波动性，典型的干涉衍射图样； b）粒子性，具有较强的穿透能力。晶体结构测量原理：波长和固体晶格常数接近，因此，晶体相当于一个三维的衍射光栅，根据衍射图样分析晶体的结构。,X射线的产生,产生方式： 1）高速运动的电子撞击靶机小型XRD机。 2）同步辐射光源大型项目。谱线结构： 1）特征谱+连续谱。 2）宽范围，连续谱。常规实验测量全部使用小型XRD机。,问，如何获得单色X射线光源呢？,连续谱：电子加速过程辐射产生。特征谱：靶材料内层电子跃迁产生，是材料的特征谱。实验XRD仪：Cu靶，,X射线衍射原理,X射线在晶体内发生弹性散射。晶体相当于三维的衍射光栅。晶体结构，具有其特征化的衍射图样。衍射图样：三维空间，沿不同方向加强的衍射光束。,衍射原理布拉格方程,衍射加强条件：,三维情况下的衍射,衍射加强条件：波矢 位于布里渊区边界,只要K落在布里渊区边界上，对特定晶面，K大小和方向受到限制,Si的几何结构因子,1). h k l: 有奇数、偶数混和，消光2). (h+k+l)/2为奇数，消光,基元、晶格结构因子,金刚石结构：可以看做面心立方的复式晶格，这样基元中含有两个Si原子，可以分别考虑面向立方和基元的消光系数。,X射线衍射仪,入射,探测盖革计数器,价格高低：光强，和可获得的最短波长，,晶体单色X射线衍射图样,X射线晶体定向的方法,1. 选用单色X射线进行照射。2. 固定X射线入射方向。3. 依据待切割的晶向，固定出射束测量方向，即固定待确定的晶面的入射角 。4. 沿衍射方向，缓慢旋转晶体，并记录出射线强度变化，出射强度最强时，即需要确定的方向。光线入射是 方向，探测是 ，二者夹角是2也可以固定入射方向和晶体，调整测量方向，寻找衍射极大方向。,X射线结构分析,专业软件包含材料的结构数据库,3. 內圆切割设备与工艺,1）內圆切割设备与地位2）内圆切割工艺流程,内圆切割,内圆切割的地位：内圆切割是传统的切割工艺，2000年之前，内圆切割是主流硅片切割技术，而目前逐渐被多线切割取代，不过由于操作方便、设备成本等因素，在小批量硅片生产中依然经常使用。设备分类：立式、卧式内圆切割机。,立式内圆切割原理,内圆切割刀片：绕自身轴（主轴）高速旋转运动。工件（硅锭）： 进刀：硅锭从刀片圆心向外径方向逐渐水平移动，实现切割。 退刀：切割完一片，硅锭水平退回到圆心。 分度进给：硅锭在垂直方向移动，距离为： 硅片厚度+切口厚度/2。,V1,d,转动速度：高达2000 r/mim(圈/分),内圆切割的特点,优点：成本低可切的硅棒尺寸中等可以切割不同厚度的硅片不足：效率低每次只切一片无法切割大尺寸硅棒有一定厚度的切口碎片、划痕较严重,内圆切割典型参数,多线切割和内圆切割的比较,内圆切割机组成,内圆切割机,机座,工作台,主轴,电器控制,冷却系统,液压控制,工件移动的平台,工件移动的动力,刀片高速旋转轴,切割过程的控制,冷却切割部分,内圆切割工艺流程,准备工作,粘接,定向,上机切割,先粘结再定向，机器上可以再次调节切割方向,准备工作：熟悉操作指令、核对工件、检查设备等。 加工指令：客户的参数要求，包括晶片取向、厚度、 TTV BOW，Warp等。 核对工件：外观尺寸与编号等。 检查设备。粘接： 选取方位。 按照粘接工艺进行粘结。 使用AB胶，将硅棒粘结在托板上，托板上有固定螺丝，可以固定在切割机上。（下一节具体介绍）。,粘接,粘接方位的选取： （100）硅锭，与主参考面成45角。 （111）硅锭，与主参考面成90角。选取的原因： 1）出刀口避开解理面。 2）便于定向切割。,切割,锯片沿着垂直切割面（晶面）方向振动，会使薄片倾向沿着和切割面垂直方向破裂。,切割面(001),解离面易破裂,截面图,主参考面,定向与校对： 采用光图定向或者X射线衍射定向，确定切割方向的过程。上机切割： 切割时，先切出第一片，然后测量，如满足要求，再继续切片。,4. 多线切割设备与工艺,1）多线切割设备与地位2）多线切割工艺流程,多线切割原理,定义：在机器导线轮带动下，光滑的钢线做高速运动，并对线网喷涂研磨砂浆，高速运动的钢线将砂浆带到钢线和硅棒的接触面上，从而实现线网和工件发生相对摩擦，而完成对材料的切割过程。切割方式：游离磨粒式研磨。,多线切割示意图,研磨浆,放线,收线,HCT B5,钢线直径：120150um头发丝直径：70100um,多线切割机的发展,问世： 1983年，第一台线切割机问世HCT。优化改进： 1893年到2000，HCT大约卖出150台。技术成熟： 2006年，HCT当年卖出大约100台线切割机。,多线切割机的主要品牌,瑞士HCT （美国应用材料公司）最早的多线切割机。瑞士Meyer-Burger梅耶博格（MB）。NTC日本。安永日本。国产：汉虹、日进等,多线切割关键技术,高密集排线自动放线、排线、收线设备线网高速运动电机同步启动、加减速、停止线网稳定运动控制张力和速度，实时调节和钢线运动相匹配的砂浆浓度，粘度，喷速自动实时调节张力、速度、粘度等参数需要匹配工作，目的是保证切割区摩擦力的稳定性。应急方案：如中途出现翘曲、断线、应及时发现，并处理。,多线切割机部件：钢线、砂浆、切割液，影响多线切割的因素多线切割机工艺流程粘结、去胶、故障处理（断线）,钢线,超精细钢线，直径120150um，（人头发丝70100um）运动速度：1013 m/S (HTC)作用：高速运动，负载砂浆到切割区主要参数：速度，张力张力：过大，摩擦力变大，易形成崩边破裂； 过小，切割面弯曲，硅片翘曲，切割速度慢速度：过大，携带砂浆减少，切割慢，易断线 过小，切割区砂浆增多，摩擦力过大，容易断线。钢线运动，应该和设备功率，砂浆参数相匹配,砂浆,主要组成：切割液：4分子聚乙二醇(PEG)粘稠油状液体 作用：负载磨粒，形成悬浮液磨粒：SiC颗粒810um； 作用：研磨乙二醇：HOCH2-CH2OH聚乙二醇： HO-CH2 (CH2-O-CH2)3CH2-OH,砂浆的目的,主要目的：研磨颗粒悬浮在切割液中，形成悬浊液，这样携带研磨颗粒的能力。由于研磨颗粒SiC有一定密度，因此，切割液密度不是任意值。切割液需要一定润滑作用，因此，需要一定粘度。另外，研磨区温度升高，有大量硅粉脱离，应保证研磨浆顺利排离研磨区，防止磨粒和硅粉团聚，切割液独自排出。,典型配比：聚乙二醇和SiC，1:(0.920.95),PEG携带磨粒原理,HO-CH2-(CH2-OCH2)3CH2-OH,HO-CH2-(CH2-OCH2)3CH2-OH,HO-CH2-(CH2-OCH2)3CH2-OH,SiC,氢键,砂浆参数,切割液分子量的均匀性密度悬浮能力粘度摩擦力、润滑性温度稳定性密度、粘度稳定携带砂浆能力水溶性清理SiC研磨颗粒：尺寸大小硬度外形,砂浆主要作用,切割液：负载磨粒切割区降温润滑切割区排渣（硅粉等）防锈磨粒：磨削切割,影响多线切割的因素,切割液的黏度聚乙二醇的分子量。切割磨粒的外形、尺寸分布等。砂浆的黏度配比有关，和设备功率匹配。砂浆的流速钢线运动速度相匹配。钢线的运动速度设备功率。钢线的张力大小设备稳定性。工件进给速度切割的稳定。,影响多线切割的因素,发展趋势,切割出更薄的硅片密集线网金刚线取代光滑钢线切割速度快发展水性切割液（日本）电火花线切取（日本）,多线切割机组成,多线切割机,框架,切割区,绕线室,砂浆系统,温控系统,动力系统,切割硅棒,钢线动力,收、放钢线,向线网喷涂砂浆,切割区、砂浆温控,切割,收、放线,张力调节,布线结构,放线轮,排线装置,张力调节,切割区,收线轮,排线装置,张力调节,绕线室,张力调节,槽距的选择硅片厚度,钢线直径W,最终硅片H,去除层K,D=H+K+W,D,切割区,切割区包括：工作台、导轮、线网等。 工作台：工件（硅锭）固定在工件架上，再把工件架固定在工作台上，工作台可以固定多个工件架。 导线轮：支撑导线的滑轮，上面有钢线的线槽。,绕线室：切割钢线的缠绕区，包括：放线轮，收线轮，排线装置，张力调节装置等。工作原理：电机驱动线轴转动，钢线由放线轮放出经过排线装置和张力调节，进入切割区缠绕导轮，再经过收线端张力调节和排线装置，回到收线轮。,4个导线轮,砂浆系统：砂缸、喷嘴、砂浆温度和流量制。 砂浆放于砂缸中，砂浆通过压力注入喷管最终由喷嘴喷出，喷出的砂浆，要控制温度、密度、黏度和速度，一般温度20。,切割机的绕线,收、放线轮：钢线长度有限，可以手动绕线。切割部分：手动将钢线缠绕在导轮上（25圈），用胶带将钢线粘结在导轮上，开电机使设备自己转动，逐渐缠绕在线网上。,多线切割工艺流程,准备工作,晶体定向,粘结,系统调整,上机切割,去胶,清洗,粘接,粘胶：采用胶水等物质，将工件（硅锭）粘接在工件平板上的过程。注意事项： 粘结前，注意检查工件长度、表面、崩边等。 过程控制：环境温度、湿度、粘结面干净。切割硅棒时，通过螺丝把硅棒固定在工件架上。,粘接流程,确定粘接方位,清理晶棒和工具,调配胶水,涂胶加压固化,硅棒粘胶的过程,粘胶的最终结构：,固定铁板,螺丝孔,玻璃板,硅棒,界面,界面,粘胶流程,表面清理,界面粘胶,玻璃表面清理四边粘美纹纸,待胶固化,界面粘胶,胶未完全固化,压块,去除美纹纸擦拭边缘胶,压块静置,美纹纸,粘接胶,表面清理,固定铁板：采用细砂纸打磨。 含有上次涂胶。玻璃板、硅棒：丙酮和无水乙醇擦拭。 丙酮可溶解有机物； 乙醇安全低廉的擦洗溶剂。 二者极易挥发，无残留 。,粘接过程的典型时间,涂胶有效时间：10分钟。粘胶固化：20分钟。压块静置：6小时。,粘接胶的状况,主要供应商： 美国红胶，日本黑胶，中国上海都为。 AB胶指一种两夜混合而硬化的胶，即本胶和硬化剂。性能要求： 粘结性和强度好。 固化稳定，速度快。 抗冲击能力强多线切割。 流动性不能太大压棒无外溢，切割时无挂线。 热水下容易脱胶，且速度快，无残留。 颜色易辨别。,粘胶过程事项,粘胶房的温度：大约在25，湿度大约60以下。胶水：日本的W型胶水或者美国胶水。调胶：按比例为1（粘接剂）：1（硬化剂），充分搅拌后（1分钟左右），均匀的抹涂于工件板上，然后将玻璃板用均力粘接到工件板上。时间：整个过程控制在10分钟以内。清洁：粘接面上用丙酮擦拭干净，不允许有杂质、油污。,多线切割中的主要故障,跳线钢线滚出刻槽。断线钢线断裂。硅片表面划痕。崩边。,断线故障的处理,发生断线，首先停机，硅锭上升并脱离线网，然后进行连线处理： 1）进线端断线。2）出现端断线。一旦断线，导轮上线会脱落，首先手动安装导轮上的线，然后连接导轮上的线和断线。接线方法：焊接，并将焊接处打磨干净。,例：出线端断线,顺时针导轮绕线,顺时针转动,收线轮连线,按运动方向将线绕过导线轮，再连接至切割区。,冲洗与去胶,1）冲洗：切割结束以后，硅片表面很脏，（包括研磨浆和硅的研磨下的粉末等），先用水冲洗这些脏物。2）去胶：即去除表面的粘结剂和托板的过程。 方法： 1. 冷粘胶：将硅片浸入沸水，使粘结胶软化，手撕去除最理想。 2. 热粘胶：洗涤剂:水=1:9配置洗涤液，进行煮沸，进行去胶。,典型脱胶操作流程,喷淋冲洗,超声清洗,热水脱胶,脱胶过程中要固定硅片，不能散乱。,2.4.7 硅片的性能参数,硅片参数,硅片厚度,总厚度变化TTV,弯曲度BOW,翘曲度WARP,表面取向,表面质量如缺口,线痕,硅片的厚度参数,厚度包括：硅片的厚度(T)和总厚度变化(TTV)。 厚度：在硅片上某一点处，垂直穿过硅片的距离。 硅片中心点的厚度为标称厚度，即通常指的 硅片厚度。 总厚度变化TTV：硅片上各点最大厚度与最小厚度之差。 即：TTV=Tmax-Tmin硅片厚度单位：微米 um,d1,d2,标称厚度,d3,总厚度变化：TTV=Tmax-Tmin =abs(max(d1,d2,d3)-min(d1,d2,d3),弯曲度（BOW）和翘曲度（WARP）,硅片的中线面：也称中心面，即硅片正、反面间等距离点组成的面。弯曲度：是硅片中线面凹凸形变的量度，指最大变形量。翘曲度：是硅片中线面与一基准平面偏离的量度，即硅片中线面与一基准平面之间的最大距离与最小距离的差值。,Warp翘曲度的表示,下界面,上界面,A,在A点，硅片中线面和基准平面的距离：(x1+x2)/2,x2,x1,d,最小距离：d/2，反向翘曲时，此致为负值。,翘曲度：d/2-(x1+x2)/2,多线切割的其它应用,除了硅片切割之外，多线切割的应用还有： a. 多线开方。 b. 多线硅芯切割机。,多线开方机结构,硅(铸)碇推车,机柜,绕线室,开方室,操纵台,研磨浆,开方区域线网,线网结构,多线开方的结构与特点,线锯的主要特点： 1. 可以同时进行两个方向的切割，效率更高。 2. 表面粗糙度更小，损伤层更薄，（和带锯等手段相比）。 3. 可以同时进行多根硅锭的切割。 因此线锯的开方，尤其是金钢线线锯的开方，是目前的发展趋势。,硅芯切割,硅芯：高纯多晶硅的生产中，即改良西门子法，在高温条件下（1100），采用H2从气态的SiHCl3中，还原出Si。为了控制Si生长，一般在腔体内放入一根细长的硅芯，还原出来的硅，在硅芯表面进行生在。硅芯的形状：细长的棒，圆形或者方形截面，参数：直径710mm， 长度：20003000mm。特点：细长。,硅芯的获得： 1）传统方法：区熔法。 将直径50mm的略粗硅锭，进行拉细拉长而获得。 缺点：生长速度慢（3h一根），耗电严重。 2）主流发展方法：切割法。 采用金刚石钢线等，将大块硅晶体进行切割，获得长柱状硅芯。 优点：生产效率高（每天切割近200根），节能。,硅芯切割机,材料利用率较高,7mm,2000mm,2.6 切割液的回收利用,切割液一般一次利用，而后形成废液，废液的排放对环境危害极大，而且切割液的单次使用，会形成切割成本的增加。切割液回收的驱动：经济利益+环保。回收难点： 如何分离出高纯度聚乙二醇液体和SiC颗粒。 回收的成本要低于购买新液，才有经济回报。,切割液成分：聚乙二醇、SiC颗粒、硅粉末、水、其它杂质。危害： 聚乙二醇是油性分子，分子较大，很难降解为小分子。 SiC颗粒尺寸很小，化学惰性，对环境污染很大。,离心,搅拌,多次过滤,清液,脱水,添加SiC,研磨浆,离心液,离子交换,例：切割液的回收,本章内容作业,简述晶体定向的方法与原理。简述内圆切割的原理和工艺流程。简述多线切割的原理和工艺流程。简述多线切割的切割液构成和主要作用。多线切割的优势有哪些。两种切割方式为何定向和粘接的次序不同。硅片厚度由导轮（槽轮）的哪些参数决定。影响多线切割的因素有哪些。简述硅片的主要特征参数。,