一文了解硅片是如何生产的【SMM科普】

来源: SMM
发布时间:2022-11-23 22:11

【SMM科普:一文了解硅片是如何生产的】神奇的硅片诞生之旅:经历了各种考验和摸爬滚打,为人类造福。

硅片分为光伏硅片即太阳能电池的核心材料、半导体硅片即芯片的制造的核心材料,不同的硅片对原料、生产设备和生产环境的要求不同。

  • 一、原料

生产硅片的原料要求很高,是用高纯度的晶硅。

光伏级单晶硅纯度是99.9999%,半导体级单晶硅的纯度普遍要求很高,完美让人眼花缭乱,就是数9数不过来,一般有10-11个9,即99.99999999%。

  • 二、光伏压片生产流程

单晶和多晶硅片有小小的差异。

单晶硅片:切断→外径滚圆→切片→倒角→研磨→腐蚀→清洗等。

多晶硅片:开方→磨面→倒角→切片→腐蚀→清洗等。

  • 第一步:硅棒截段

硅棒截段即拉晶后的硅棒截去硅头硅尾,然后用四探针法测量棒身的电阻率,用来检查轴向的杂志浓度是否异常,检测合格后,将其截成30厘米左右长度的硅段。

  • 第二步:硅段滚磨

硅段滚磨即截成硅段后,将硅段固定在机器上,让其缓慢滚动,用侧面的金刚石砂轮,简称金轮,对棒身进行打磨,由于直拉法无法精确的控制晶体生长,获得一个完美的圆柱体,所以得拉出一个粗一点的硅棒,再通过滚磨得到想要得目标尺寸。

  • 第三步:研磨定位边(槽)

硅段与金轮得剧烈摩擦会大量加热,需要持续加水降温,滚磨完成后会在硅段的侧面再摸出一个平面,或者一道沟槽,这就是以后硅片上的定位边(flat)或定位槽(notch)。光刻机需要通过它们来对硅片进行最开始的定位和校准。在业界,定位边还有一个小作用,就是标明硅片的类型和晶向。

  • 第四步:切片

切片是指用金刚线的多线切割机对硅段进行多段切割,钢丝线上面固定有金刚石颗粒。

  • 第五步:硅片磨片

切下来的硅片会先经过一遍机械打磨,让表面更加平整,同时让整体变薄。例如12英寸的硅片通过磨片会将厚度减到775微米左右。部分硅片还要制造背损伤,即人为的制造一个粗糙的背部,比如在背面喷砂或者沉积一层多晶硅,这样故意在底部制造大量晶体缺陷作为陷阱,将后续工艺中不想要的金属杂质困在底层,从而保护上层的器件。

  • 第六步:硅片倒角

通过倒角机把硅片边缘的直角边磨成圆弧形,这是因为高纯度硅是一种脆性很高的材料,这样处理可以降低边缘处发生崩裂的风险。除此以外,有弧度的边角在后续的芯片制造工艺中还有两个作用:一是在光刻时,光刻胶是通过旋转的方式涂抹在硅片表面上的,如果边缘是直角边,光刻胶容易因为离心力在边缘处累积,造成厚度不均,从而影响光刻。二是在做外延生长时,沉积物也会优先堆积在直角边影响沉积效果,而圆弧状的角可以消除边缘沉积的现象(Edge Crown)。

  • 第七步:硅片刻蚀

磨片和倒角完成后,厂商一般会对硅片打上激光标识码,再进行一遍精磨去除10微米左右的厚度,然后会放入溶剂中进行化学刻蚀。通常使用氢硝酸和氢氟酸腐蚀掉表面约20-50微米左右的厚度来去除之前打磨的过程中硅片积累的机械损伤以及混入硅片表层的磨料。经过一系列打磨和刻蚀之后,硅片表面已经十分光滑,但用来制造芯片还不够,因为在后续的工序中需要光刻机将图形投影到硅片上,就类似于用投影仪观看小电影,如果幕布不够平整,有起伏的倾角或者局部的凹凸,投放的影像就会变形失真,影响观看体验。而在光刻中,硅片就相当于幕布,而光刻的图像尺寸和精度都是纳米级的,所以要求硅片表面是一个完美的平面,一点点起伏参差或者局部凹凸都会影响光刻效果。根据04年的国际半导体技术发展蓝图,12寸硅片的整体平整度要小于51纳米,相当于在电影院挂一块IMAX幕布,起伏比一根头发丝还要细。

  • 第八步:硅片化学机械抛光(CMP)

为了达到这种极致的平坦,需要对硅片进行化学机械抛光(CMP),这一步结合了物理和化学的理综行抛光手段。具体做法是将硅片装在旋转的抛光仪器上下降到下方,表面薄层会先被研磨液化学氧化,再被抛光垫物理打磨,这一步硅片会再被打薄5微米左右,直到被抛光成完美的镜面,通常对8英寸芯片进行单面抛光,12英寸硅片进行双面抛光,这样就得到一枚抛光片。

  • 第九步:硅片清洗-湿法

最后还要用去离子水和各种化学溶剂进行清洗,去掉制程中粘附在硅片表面的各种尘埃和杂质,这些颗粒物会影响芯片的制造流程,造成芯片的短路或开路。除了要控制污染物密度之外,其颗粒物大小往往不能超过特征尺寸的一半,所以在先进制程中,能允许的单个颗粒物直径最多只有几纳米,远远大于细菌的尺寸。

  • 第十步:硅片检测打包出厂

在平整度和清洁度之外,硅片还要保证翘曲度、氧含量、金属残余量等指标,要经过电镜检查、光学散射等各种检测达标后,一张硅片才得以诞生。它将被放在充满氮气的密封盒里送往晶圆厂进行后续处理。

  • 三、硅片生产用设备

半导体硅片制造设备主要有单晶炉、抛光机、切片机、研磨机、清洗机。

光伏硅片制造设备主要有单晶炉、截断机、开方机、倒角机、切片机、切割耗材、热场材料等。

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