硅片检测

硅片检测（共8篇）

硅片检测 篇1

0引言

硅片 ( silicon wafer) 也称晶圆。目前国内外生产的硅片的尺寸主要有10. 16 cm、15. 24 cm、20. 32 cm和30. 48 cm。但是更大的尺寸意味着更低的成本和更高的效率, 所以30. 48 cm及更大尺寸是硅片制造和检测技术未来发展的方向［1］。面向未来的硅片检测运动平台要求具有大行程、高精度、快响应、免维护和长寿命等特性。

面对30. 48 cm硅片检测对精密直线运动平台提出的新要求, 研制了一种直线电机直接驱动取代传统滚珠丝杠+ 旋转电机驱动的新方案, 设计并制作了样机。

1机械系统设计

在硅片化学颗粒污染检测过程中, 运动平台需要完成的运动主要有: 沿直径方向的直线进给运动和围绕圆心的旋转运动。两个运动叠加构成的阿基米德螺线运动是硅片检测扫描的基本原理。精密直线运动平台作为复合运动的基础和旋转运动的载体, 其正确设计对整个运动平台具有重要的意义。

1. 1结构设计和技术参数

a) 结构设计

根据应用场合的实际情况, 考虑到整机性能的需要, 按照高度低、体积小、精度高、有防护、无污染和免维护等特性进行了结构设计。机械结构设计三维模型如图所示。

为了展示内部结构, 图1中隐藏了防护罩。本结构设计成功将运动平台高度控制在了10 cm以内, 满足了应用场合高度低的要求, 整体尺寸为464 mm × 365 mm × 95 mm。设计载物滑台尺寸为260 mm × 200 mm, 为旋转运动平台的安装预留了恰当的接口和空间。

b) 技术参数

针对硅片检测过程的需求, 对精密直线运动平台的技术参数进行分析如下:

1) 行程: 30. 48 cm硅片的直径为300 mm, 完成阿基米德螺线扫描需要的行程为R, 因此行程设计要求≥150 mm;

2) 工作速度: 硅片检测工作效率要求每小时至少检测20片硅片。本文将其工作过程规划为: 等待、换硅片、 加速、匀速运动并检测、减速和回原点6个步骤, 时间总计180 s。规划等待和换硅片时间合计60 s, 在加速度很大的情况下忽略加速和减速段的时间, 规划回原点段的运动速度为检测段的5倍。因此计算可得设计检测工作速度为1. 5 mm / s, 回原点速度为7. 5 mm / s;

3) 重复定位精度: 硅片化学颗粒污染检测采用的光斑直径有50 um, 100 um, 150 um等多种尺寸。由于系统定位精度必然在光斑半径内, 且有较小的误差才能完成对污染物准确定位, 设计重复定位精度 ± 1 um;

4) 其他技术参数如表1。

1. 2驱动方式选择

a) 电机类型选择

直线电机具有结构简单、无接触运行、速度和精确度高、控制容易、响应迅速、维护方便和可靠性高等优点［2］。 相对丝杠驱动本身就具有机械间隙、摩擦、磨损等一系列不利因素, 是先进加工的标志［3］。

直线电机分类方式多种多样, 但主要可分为直线感应电机、直线同步电机和直线直流电机。直线同步电机中的PMLSM在力能指标、速度、定位精度、效率等方面均有更多优势, 低速仍能平滑运行而对推力脉动不敏感, 最适合作为精密直线伺服电机［4］。

PMLSM主要分为无铁心和有铁心两类。由于无铁心PMLSM相对具有体积小质量轻, 易于实现高加速度运动, 没有齿槽效应, 易于实现平稳精密运动等优势, 选用无铁心PMLSM。

b) 电机型号选择:

在结构上无铁心PMLSM又可分为双边型和单边型两类。由于双边U型PMLSM的磁场分布［5］形式可消除初级和次级间的法向吸力、有更优的性能, 因此对比国内外多种双边U型无铁心永磁直线同步电机, 选用了Akri- bis的AUM4 - S3电机。该电机主要参数如表2。

1. 3导轨选择与校核

精密运动系统常用的直线导轨主要有直线气浮导轨和直线滚动导轨。但气浮导轨存在成本高、安装复杂、维护困难等问题, 更多的用于超精密运动系统。因此本装备采用HIWIN公司的直线滚珠导轨, 该导轨具有精度高、可承载量大、摩擦系数小、可承受上下左右方向的负荷和结构简单等优点。导轨精度等级达P级, 摩擦系数为0. 004。

1) 摩擦系数校核:

式中取m = 30 kg, 则摩擦力:

根据设计a = 0. 5 g, 计算得最大需求推力为F = 148. 47 N < 168 N, 满足要求。

2) 寿命校核:

平台做匀速直线运动时四个滑块的工作载荷有:

由于加减速过程十分短, 计算寿命时可忽略不计, 同时平台的工作环境较好, 工作负荷可取P = 73. 5 N, 温度系数、负荷系数等都可取1。因此长度寿命有:

正常工作情况下, 取每检测一片硅片走过行程300 mm, 寿命等效于6. 2 × 1011片。导轨寿命满足要求, 且有充足的余量。

2控制系统设计

2. 1控制系统组成

在机械系统设计正确的基础上, 选用恰当的精密检测元件构建正确的闭环反馈控制系统非常重要。本精密直线运动平台控制系统主要由5部分组成 ( 图2) 。

1) 位置反馈元件: 它就像是控制系统的眼睛, 其精度对平台运动精度有决定性的影响。此处选用了雷尼绍公司的无接触式光栅尺及读数头编码器, 分辨率为0. 2 um;

2) 电流反馈元件: 选用的电机的动子线圈自带电流霍尔传感器, 将传感器信号直接接入驱动控制器的电流环输入即可;

3) 电机: 作为控制系统的执行元件接收驱动器输出的三相电流;

4) 驱动控制器: 接收位置、电流反馈和上位机的运动指令, 经过控制算法处理后输出正确的电机三相驱动电流;

5) PC上位机: 通过串口和驱动器通讯, 具有修改控制参数、系统故障诊断和编程给定运动指令等功能。

2. 2控制系统参数

永磁直线同步电机控制技术的核心理论是矢量坐标变换理论［6］。其基本原理是: 通过一定的坐标变换可以找到与三相交流绕组等效的直流电机模型, 交流电机的物理模型与直流电机的物理模型完全等效后, 控制效率和效果就可以大大提高［7］。其过程需要使用Clark和Park变换［7］。本装置在控制策略上以矢量控制理论为核心, 构建了位置环、速度环、电流环三闭环PI控制系统, 并调试PI参数。基本控制原理如图3所示。

1) 电流环: 控制电机输出力的大小和方向。按照来自于速度环的电流指令调整电机电流的大小和方向。由于永磁电机的输出力与电流大小成比例关系, 因此改变电流就可以改变电机的输出力;

2) 速度环: 控制电机的速度。按照光栅反馈的位置信号经微分后得到电机的实际速度, 并把它反馈到控制器与电机的速度指令相比较, 其差值就是速度环的输入。速度环的输出是电流环的输入;

3) 位置环: 控制电机获得准确的位置;

4) 参数调试: 使用Copley驱动器调试本控制系统几项主要参数, 如表3所示。

2. 3运动控制和规划

一般硅片检测运动平台主要需要完成径向直线进给运动和匀速旋转运动相叠加构成阿基米德螺线式的扫描检测运动。但检测工作连续进行, 还需要一些辅助运动。 因此本文将其运动过程规划为: 等待、换硅片、加速、匀速运动并检测、减速、回原点六个步骤循环执行, 并使用上位机编程, 实现该运动过程如图4所示。

上位机编程可精确控制平台的运动速度、加速度、等待时间等参数。按照图4运动规划得到平台速度—时间曲线如图5所示。

图中硅片检测开始前等待和换片时间为t0= 60 s, 加速度段时间为t1- t0= 0. 3 ms ( 可忽略) , 检测时间为t2- t1= 100 s, 回原点时间约为t3- t2= 20 s, 完成单片硅片检测需要时间t3= 180 s。检测时速度v = 1. 5 mm / s, 回原点是速度为5 v = 7. 5 mm/s, 加速度皆为a = 0. 5 g。

3实验和分析

3. 1重复定位精度实验

用螺丝将运动平台样机固定在隔振工作台上, 使用激光位移传感器进行测量。所用KEYENCE公司的激光位移传感器精度为0. 25 um, 量程为80 mm。实验装置如图6所示。

重复定位精度是指数控装备在反复执行同一程序代码所得到的位置精度的一致程度［8］。实验以16个指定位置作为样本, 进行了5次重复测试, 每次重复执行先回原点再运动到指定位置同一程序。将激光位移传感器5次读数之间的最大偏差记录如表4。

数据表明, 在所有取样点中重复定位偏差最大值为1. 4 um, 取样和测量次数充分。实验结果可以表明系统重复定位精度满足设计要求 ± 1 um。

3. 2定位精度实验

实验装置如图6。在测量方法可靠的前提下, 可将系统位移和激光位移传感器读数的差值记为系统定位误差, 实验结果如图7所示。

数据表明, 误差补偿前本平台的定位误差在正负10 um之内波动。实验结果可以说明误差补偿前系统的定位精度为 ± 10 um。

3. 3定位精度补偿

分析重复定位精度和定位精度实验的结果。可将图7中的定位误差分解为可重复性系统误差和不可重复性随机误差两部分组成, 且前者大于后者。在该分析结果的基础上, 本文提出了一种简单可行的补偿算法来提高系统的定位精度。补偿算法可概括为: 定点记忆, 分段补偿。

记录图7中位移量为1, 3, 5, 7……75 mm处的误差分别为e ( 1) , e ( 3) , ……e ( 75) , 建立分段误差补偿函数:

将该误差补偿函数编写为软件算法写入控制器软件中, 然后再次进行系统定位误差实验, 实验结果如图8所示。

补偿前定位误差曲线与图7相似, 补偿后定位误差曲线波动范围明显减小。实验结果表明, 补偿后的系统运动定位误差的波动在正负2 um之内, 即系统定位精度达到设计要求 ± 2 um。

4结论

研究了精密硅片检测运动平台的基本运动形式, 提出了其中直线运动平台的主要技术参数要求。设计和制作的用于硅片检测的精密直线运动平台样机。样机的机械结构符合应用场合的要求, 控制系统可以控制样机实现硅片检测需要的直线运动。样机的重复定位精度和定位精度实验结果表明, 样机的精度达到了设计目标。

参考文献

[1]钟信.生产450mm (18英寸) 硅晶圆的经济可行性———来自硅晶圆材料供应厂商的呼声[J].中国集成电路, 2008 (2) :74-82.

[2]叶云岳, 杨天夫.直线电机在制造技术装备中的应用综述[J].世界制造技术与装备市场, 2002 (6) :30-34.

[3]杨少东.永磁直线同步电机控制技术的研究[D].杭州:浙江大学电机与电器, 2006.

[4]郭庆鼎, 王成元, 周美文.直线交流伺服系统的精密控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[5]Ferkova Z, Franko M, Kuchta J, et al.Electromagnetic design of Ironless Permanent Magnet Synchronous Linear Motor:Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2008.SPEEDAM 2008.International Symposium on, 2008[C].

[6]邹积浩.永磁直线同步电机控制策略的研究[D].杭州:浙江大学控制理论与控制工程, 2005.

[7]Vas, Peter.Sensorless Vector and Direct Torque Control[M].Oxford University, 1998.

[8]冷汹涛.数控机床定位精度和重复定位精度的检验[J].机床与液压, 2008 (8) :191-192.

硅片检测 篇2

2010-12-19 9:39:44

硅片切割液废砂浆回收技术简介

太阳能硅片切割液废砂浆是切割液（PEG）和砂浆的混合物，我公司依靠自主研发回收技术，对废砂浆进行处理，回收其中的切割液和碳化硅微粉，返回到太阳能线切割机重新使用。

因为太阳能行业的特殊性，硅片加工对于切割力和硅片表面都有很高的技术要求，因此对切割液和碳化硅微粉的要求相应也很高，质量要稳定可靠。目前，国内使用的切割液和碳化硅微粉在线切割过程中，砂浆中不可避免的会混入硅粉、铁、高聚物等杂质，部分碳化硅微粉也会因切割作用而出现破损，产生的废砂浆很难继续使用。

我公司自主开发的废砂浆回收技术，结合化工和电子技术特点，利用沉降离心、化学清洗、絮凝过滤、精馏、萃取、旋风分级等分离原理和方法，将废砂浆中杂质和水分去除，得到优质合格的切割液和碳化硅微粉。

液体回收过程主要利用物理作用将其中的固体微粒去除，不增加任何可溶性杂质。这样得到的液体能够保证原有的化学成分，具有与新切割液相同的表面活性、悬浮力和携带力，可多次重复使用。

在碳化硅微粉回收时，除了利用物理作用将其中的细颗粒去除外，还利用多种化学作用将其中的硅粉、铁、胶粒去除，这就保证了得到的碳化硅微粉具有原砂浆中碳化硅微粉同样的品质。且回收过程不增加任何微粉颗粒，而切割过程会使大的颗粒变细，因此回收到的微粉没有大颗粒，不会在以后使用过程中产生划伤硅片的现象。

我公司的废砂浆回收技术具有较高的回收率：碳化硅微粉和切割液的回收率分别是废砂浆的30%和35%以上。绿碳化硅介绍：

绿碳化硅产品有着高硬度、强切割力、高熔点以及不与酸、碱起任何化学反应等特性，被广泛应用在高科技产业以及精密工业，如晶体切削、抛光等行业。它对于高精密度水晶、晶圆棒、振荡器、铸锭的切挖，以及超硬的金属加工，软金属如黄铜等的处理，都有极高水平的表现；作为电子元器件的耗材，绿碳化硅也用于各种树脂和脱氧的处理；同时绿碳化硅还是石头及一些坚硬的磨削工作的理想材料。同时因为它具有半导体的特性，极好的传热、耐高温能力，使它成为有用的陶瓷材料。公司优势：

1、原材料管理：精挑细选的原材料，严格细致的进料管理，供应商定期考核。

2、先进的生产经验：本公司融合日本、台湾以及大陆几十年来的生产经验和研究成果，采用国内领先的生产设备，为客户提供质量稳定、精度更高的各类产品。

硅片清洗及最新发展 篇3

关键词：太阳能硅片,硅片清洗,硅片表面污染

0 引言

当前, 我国光伏产业发展迅速, 我国的太阳能电池年生产量在全球排名第一。太阳能硅片的清洁程度对太阳能电池的继续发展有着很大的影响, 所以人们对太阳能硅片清洗的方法提出了更苛刻的要求。太阳能硅片在经过切片、倒角、研磨、抛光等加工过程中, 表面会受到不同程度的污染, 比如颗粒、金属离子以及有机物。如果没有处理好这些污染的话, 器件性能会受到很大程度的影响。目前, 制造总损失的一半是因为硅片清洗不当引起的器件失效。因此, 人们对太阳能硅片清洗技术的研究在不断的深入。本文将对硅片表面污染类型进行简单的介绍, 在此基础上阐述几种常用的太阳能硅片清洗方法及其最新发展方向。

1 硅片加工表面污染类型

硅片污染发生的概率比较大, 因为在硅片加工过程中, 不可能做到无污染的程度。污染途径可能来源于大气、水、使用的化学试剂、人以及加工过程中。污染物可以分为以下几种类型:颗粒、有机物和金属。

1) 颗粒:颗粒的类型主要是一些聚合物、光致抗蚀剂等;

2) 有机物:它可以有很多种存在方式, 如润滑油、松香、蜡等。如果这些物质没有得到有效清洗的话, 后面的加工过程会受到很大影响;

3) 金属:它在硅片上主要以共价键、范德华引力和电子转移等三种形式存在。金属的存在会破坏掉氧化层, 导致雾状缺陷或微结构缺陷。

2 太阳能硅片清洗常用的几种方法

2.1 RCA清洗法

RCA清洗法是一种典型湿式化学清洗, 虽然发明的时间比较早, 当时的科技没有现在发达, 但它在各种清洗方法中仍占重要地位。RCA清洗在清除有机表面膜、粒子和金属等污染物时十分有效, 这也是为什么它能够得到广泛的应用。但该清洗方法也存在很多缺点:比如清洗过程中要用到大量的不同的化学试剂, 对环境污染比较严重;又因为清洗过程主要是在高温环境下, 这就需要用到很多的液体化学品和水;同时为了抑制化学试剂的蒸发, 需要用到大量的空气;化学试剂的使用会加大硅片的粗糙度。所以, 耗用化学品大、排放量大和污染环境已经制约了RCA清洗法的继续应用, 需要改进或者采用其它清洗方法。

2.2 超声波清洗法

超声波空化效应、辐射压和声流是超声波清洗的主要原理。清洗过程中, 先把硅片放在槽内的液体中, 然后利用槽底的超声振子工作, 把能量传递给液体, 并以声波波前的形式通过液体。当振动比较强的时候, 液体会被撕开, 从而产生很多气泡, 叫做空穴泡。这些泡就是超声波清洗的关键所在, 它们储存着清洗的能量, 一旦这些泡碰到硅片表面, 便会发生爆破, 释放出来的巨大能量就可以清洗硅片的表面。在清洗液中加入合适的表面活性剂, 可以增加超声波清洗效果。超声波清洗有很多优点:清洗的速度快;清洗的效果比较好;能够清洗各种复杂形状的硅片表面;易于实现遥控和自动化。它的缺陷有以下几个方面:清洗过程中要使用易挥发的有机溶剂, 需要增加回收设备, 增加了清洗的成本;超声波对颗粒大小不同的污染物的清洗效果不一样, 颗粒尺寸越大, 清洗效果越好, 但是颗粒尺寸变小时, 清洗效果不佳;清洗过程中用到的表面活性剂属于有机物, 当无机物被除去后, 化学试剂本身的粒子被留下而产生污染;在空穴泡爆破的时候, 巨大的能量会对硅片会造成在所难免的损伤。

2.3 气相干洗法

气相干洗时, 先让片子低速旋转, 再加大速度使片子干燥, 这时, HF蒸汽可以很好的去除氧化膜玷污及金属污染物。该方法对那些结构较深的部分, 比如沟槽, 能够进行有效的清洗。对硅片表面的粒子的清洗效果也比较好, 并且不会产生二次污染。虽然HF蒸汽可除去自然氧化物, 但不能有效除去金属沽污。

2.4 碱性清洗剂和双氧水

该方法中, 第一步, 用酒精清洗太阳能硅片;第二步, 依次用碱性清洗剂溶液和水对硅片进行清洗;第三步, 依次用双氧水和水对硅片进行清洗, 最后可以获得较干净的太阳能硅片。在该方法中, 碱性清洗剂溶液的作用是反应并溶解掉硅片表面的金属粉末, 然后用水清洗可以去除金属粉末。双氧水溶液的作用是氧化并溶解太阳能硅片表面的有机溶剂, 然后用水清洗可以去除有机溶剂, 从而得到比较干净的太阳能硅片。该方法可以有效减少太阳能硅片表面残留的金属粉末和有机溶剂, 将硅片清洗干净。

3 太阳能硅片清洗最新发展

随着科技的发展, 太阳能硅片清洗的最新发展方向便是激光清洗法, 该方法得到了行业人士的青睐。它的原理主要是瞬时热膨胀机理。该清洗技的优点主要表现在以下几个方面: (1) 激光清洗不是近距离直接进行的, 它对那些以前难以清洗到的地方也能进行有效清洗; (2) 不用化学溶液, 所以对环境的污染比较小; (3) 激光清洗不但可以选择清洗材料表面不同的污染物, 而且清洗过程中材料不会受到伤害; (4) 激光清洗的范围比较广, 对不同类型的污染物都有用, 而且清洁程度也挺高; (5) 激光清洗不仅能够清洗大颗粒污染物, 而且对微米级尺寸的污染微粒也能进行有效清洗; (6) 激光清洗所用的设备运行效率高, 运行成本相对低, 可以实现自动化操作。

4 结论

当今太阳能硅片清洗的方法多种多样, 但每种方法都有各自的优缺点, 企业可以结合实际需要进行选择。太阳能硅片清洗的发展应向资源节约、清洗效率高和绿色环保等方向前进, 比如现在流行的激光清洗法。这对环境保护和国民经济可持续发展有着极其重要的作用和意义。

参考文献

[1]宋峰, 等, 激光清洗原理与应用研究.清洗世界, 2005 (1) :1-6.

[2]刘传军, 等, 硅片清洗原理与方法综述.电子工业专用设备, 2004 (9) :23-26.

硅片的几何参数及测试 篇4

随着IC工艺、技术的不断发展,硅片的产量越来越大(见表1),直径尺寸越做越大(见图1),厚度越做越薄。

随着大规模集成电路、超大规模集成电路和特超大规模集成电路的发展,对硅片的质量特征参数的要求越来越高。硅片的几何参数主要有以下几个方面:

直径(Diameter);厚度(Thickness);平整度(Flatness);粗糙度(Roughness);弯曲度(Bow);翘曲度(Warp);总厚度变化(Total Thickness Variation)。

1 硅片的几何参数及测试

1.1 直径

(1)定义。直径是硅片的重要参数,是指横越硅片表面,通过硅片中心点且不包含任何参考面或圆周基准区的直线距离。直径是依照ASTM Std F-613来测量的。

(2)测试仪器。硅片的直径可以使用光学比较仪和标准测量块组进行测量。光学比较仪要求放大倍数20~40倍,载物台水平移动的分辨率≤2.5um,样品夹具旋转角度为360°,分辨率为±5°。标准测量块组是以SEMI规范提供相应的硅片尺寸标称100mm、125mm、150mm和156mm的基准长度,精度≥2.5um。

(3)测试方法。把硅片置于样品夹具中,使样品的投影图像对准水平轴,旋转测微计转轴,使硅片边缘与垂直轴接触(见图2a),得到测微计数据F。选用一个长度为L的标称直径测量块,旋转测微计转轴,使硅片边缘与垂直轴接触(见图2b),得到测微计数据S,可以得到硅片的直径:D=L+(S-F)。每个硅片都要测三组直径数据,可计算出硅片的平均直径。

1.2 厚度

(1)定义。厚度是指硅片给定点处穿过硅片的垂直距离。硅片中心点的厚度称作硅片的标称厚度,单位是um。厚度是在硅片中心依据ASTM Std F-533用厚度测量仪测量的。

(2)测试仪器。厚度测量分为接触式或非接触式。接触式测量采用电感测微仪或千分尺进行,非接触测量一般采用静电电容法实现。

(3)测试方法。以静电电容测量硅片厚度为例。上、下探头之间输入高频信号,硅片放置于两个探头之间,传感器的电容板和硅片的表面形成一电容,可以与标准电容做比较,可以求出电流的变化量,可得到硅片的电容量。图3所示为静电电容法测量硅片厚度的示意图。

1.3 平整度

(1)定义。平整度是指硅片表面与基准平面之间最高点和最低点的差值。对一个硅片来说,如果它被完全平坦地放置,参考面在理论上就是绝对平坦的背面,比如利用真空压力把它拉到一个清洁的面上,见图4。硅片的平整度是硅片的最重要参数,平整度目前分为直接投影和间接投影,直接投影的系统需要考虑的是整个硅片的平整度,而分步进行投影的系统需要考虑的是投影区域的局部的平整度。硅片的平整度一般用TIR和FPD这两个参数来表示。平整度是一个表面(surface)特性,用um表示且能依据ASTM Std F-775-83来测量。

(2)测试仪器。测量硅片平整度有声学法、干涉测量法、电容法和激光束反射法四种常用的方法,都是非接触式,是为了减少对硅片表面的损伤和沾污。

(3)测试方法。TIR(Total Indication Reading)表示法对于在真空吸盘上的硅片的上表面,最常用的参数是用TIR来表示。如图5所示,假定一个通过对于硅片的上表面进行最小二次方拟合得到的参考平面,TIR定义则为相对于这一参考平面的最大正偏差与最大负偏差之和:TIR=a+b

FPD(Focal Plane Deviation)表示法,如果选择的参考面与掩膜的焦平面一致,FPD定义则是相对于该参考面的正或负的最大偏差中数值较大的一个,如图4所示。

1.4 粗糙度

(1)定义。粗糙度泛指晶片表面轮廓高低起伏的度量值。一般在102~105nm度量值范围内。包括平均粗糙度(Average roughness)、微粗糙度(Micro roughness)、均方根微粗糙度(Rms micro roughness)和均方根区域微粗糙度(Rms area micro roughness)。

(2)平均粗糙度Ra。平均粗糙度是指求值长度L内对于中间线(平均线)来说,表面轮廓高度偏差Z(x)的平均值。

(3)微粗糙度。微粗糙度是指硅片表面粗糙度分量(凹凸不平)的不均匀度之间的间隔小于100um。它是硅片表面纹理的标志。微粗糙度测量了硅片表面最高点和最低点的高度差别,它的单位是纳米。

(4)均方根微粗糙度Rq。均方根微粗糙度是表面轮廓高度与求值长度L内得出的相对于中心线的表面剖面(轮廓)高度偏差Z(x)的均方根值。

(5)均方根区域微粗糙度RaA。均方根区域微粗糙度指表面轮廓高度与求值区域L内(=LxLy),得出的相对于中心面的表面相形貌偏差Z(x)的均方根值。

1.5 弯曲度

(1)定义。弯曲度是指硅片处于没有受到夹持或置于真空吸盘上的状态下,整个硅片凹或凸的程度,该方法与硅片厚度变化无关。弯曲是硅片而不是硅片表面的松密度(bulk)特性,弯曲度的单位是um。弯曲度是依据ASTM Std F-534-84来测量的。

(2)测试仪器。测量仪器由测量夹具和位移测量装置组成。测量夹具的三个支承柱等距离地配置在比硅片标称直径小6.35±0.13mm的圆周上。位移测量装置的分辨率为lum,测量压力应小于278m N。

(3)测试方法。使硅片正面朝上,测量硅片正面中心点和由三个支承柱所形成的基准面之间的距离,得到测量值f,使硅片反面朝上,测量硅片反面中心点和由三个支承柱所形成的基准面之间的距离,得到测量值b。通过两组数据即可计算出硅片的弯曲度(见图6):

1.6 翘曲度

(1)定义。翘曲度是指硅片处于没有受到夹持状态下的中心面与参考面之间的最大距离与最小距离之差。翘曲也是一种松密度(bulk)特性(用um表示)且不应与平整度混淆起来。这能依据ASTM Std F-657-80来测量的。

(2)测试仪器。测量仪器由测量仪和探头组成。探头是非接触式,分辨率不低于0.25um。

(3)测试方法。把硅片放在支承柱上,使探头沿扫描图形路线进行曲线和直线段扫描(见图7),分别成对记录被测点上、下表面的位移量。在每组数据中,a为硅片上表面与上探头之间的距离,b为下表面与下探头之间的距离,被测硅片的翘曲度可以表示为:

1.7 总厚度变化(TTV)

(1)定义。总厚度变化是指在厚度扫描或一系列点的厚度测量中,最大厚度与最小厚度的绝对差值。它是依据ASTM Std F-533来测量的。

(2)测试仪器。与翘曲度类似。

(3)测试方法。在进行厚度测量时,由最大值减去最小值就得到总厚度变化(见图8)。

2 结束语

硅片几何参数完全取决于硅片加工过程,因此与硅片生产直接相关。随着生产工艺技术的发展和产品标准的提高,对硅片的几何参数的要求越来越高,其检测水平也会进入新的阶段。

摘要：本文介绍了硅片的几何参数:直径、厚度、平整度、粗糙度、弯曲度、翘曲度等的含义和测试原理及方法。

关键词：硅片,几何参数,测试

参考文献

[1]江瑞生.《硅片的几何参数及其测试》,上海有色金属,1994.6.

[2]张志刚.《硅片平整度及其测试》,半导体杂志,1984.6.

[3]Annual Book of ASTM Standards.

[4]SEMl Specification for Polished Monoctystallinv Silicon Wafers.

[5]《半导体制造技术》,Michael Quirk,Julian Serda,电子工业出版社,2004.1.

全自动硅片多线切片机 篇5

全自动硅片多线切片机采用精密主轴制造技术, 精密滚动导轨技术, 线丝恒张紧力自动控制技术, 排线导轮的制造、翻新及耐用度技术, 并通过对砂浆供给系统的研究和应用, 具备了先进的双向正反切割两根300毫米多晶硅、单晶硅的性能, 与过去采用内圆切割技术相比, 具有翘曲度小、平行度好、总厚度公差 (TTV) 离散性小、刃口切割损耗小、表面损伤层浅、硅片表面粗糙度低等优点, 且一台全自动硅片多线切割机的生产能力相当于几十台内圆切片机的生产能力, 从而使硅片切割表面精度、质量、切割效率、机床稳定性等性能指标接近国际先进水平, 处于国内领先地位, 为太阳能电池和半导体生产企业能够高精度、高质量、高效率的工业化生产提供技术和装备的支持。

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高性能天然纤维复合材料

北京玻钢院复合材料有限公司研制成功应用于汽车内饰件的高性能天然纤维复合材料, 产品符合国家产业政策、技术政策, 有较高的技术含量和附加值, 满足了汽车行业对绿色环保材料的需求。

影响硅片倒角加工效率的工艺研究 篇6

在半导体晶圆的加工工艺中, 对晶圆边缘磨削是非常重要的一环。晶锭材料被切割成晶圆后会形成锐利边缘, 有棱角、毛刺、崩边, 甚至有小的裂缝或其它缺陷, 边缘的表面也比较粗糙。而晶圆的构成材料如Si、Ge、In P、Ga As、Si C等均有脆性。通过对晶圆边缘进行倒角处理可将切割成的晶圆锐利边修整成圆弧形, 防止晶圆边缘破裂及晶格缺陷产生, 增加晶圆边缘表面的机械强度, 减少颗粒污染。同时也可以避免和减少后面的工序在加工、运输、检验等等工序时产生的崩边。倒角后的晶圆由于有了一个比较圆滑的边缘, 不易再产生崩边, 使后面工序加工的合格率大幅提高。在抛光工艺中, 如果晶圆不被倒角, 晶圆锋利的边缘将会给抛光布带来划伤, 影响抛光布的使用寿命, 同时也影响到产品的加工质量 (如晶圆的划道) 。如硅晶圆除用于太阳能电池制造还常用于制造集成电路。晶圆在制造集成电路的多个工序中, 需要多次在1000多度的高温中进行氧化、扩散和光刻。如果晶圆边缘不好, 如有崩边、或边缘没有被倒角, 升温和降温的过程中, 晶圆的内应力得不到均匀的释放。在高温中晶圆非常容易碎裂或变形, 最终使产品报废, 造成较大的损失。由于晶圆边缘不好, 掉下来的晶渣, 如果粘在硅晶圆的表面, 将会给光刻工艺的光刻版造成损坏, 同时造成器件的表面有针孔和曝光不好, 影响产品的成品率。同时, 通过边缘倒角可以规范晶圆直径。通常晶圆的直径是由滚圆工序来控制的, 由于滚圆设备的精度所限, 表面的粗糙度和直径均无法达到客户的要求, 倒角工序能很好的控制晶圆直径和边缘粗糙度。晶棒滚磨后, 其表面十分粗糙, 在后续的传递和切割过程中, 边缘损伤会因为机械撞击向内延伸, 晶圆切割成型后, 边缘存在一圈微观的损伤区域。

在今年的目标责任书中, 今年产量比去年增加30%, 此外, 在今年的生产加工中, 多次由于倒角设备故障及检修影响整个生产线的进度, 在不增加设备的情况下, 如何挖掘现有设备及人员的潜力, 提高倒角加工效率, 是个重要的研究课题。

二、实验原理

目前国内半导体材料加工厂家, 大多使用的设备是日本东精精密产的W-GM系列倒角机和大途株式会社的WBM系列倒角机, 普遍采用八英寸倒角砂轮。当前国内倒角机设备使用的磨轮从制造方法上分主要有两种类型:一种是电镀法的磨轮;一种是烧结法的磨轮。电镀法的磨轮主要是美国生产的Diamotec和Nifec等, 烧结法的磨轮主要有日本的Asahi (SUN) 、KGW等。

倒角工艺主要是根据倒角设备的情况和所使用的磨轮磨削材料的粒度选定合适的磨轮转速、硅片转速、硅片去除量、倒角圈数、磨轮型号、切削液类型、切削液流量等来生产出满足客户需求的产品。倒角机用于对晶圆边缘进行磨削, 晶圆通常被真空吸附在承片台上旋转, 通过控制晶圆运动, 由带V型槽的砂轮高速旋转对晶圆边缘进行磨削。

我们单位自动倒角机最多的是大途株式会社的WBM-2200倒角机, 其加工步骤是:取片→测厚→对中→移载到倒角吸盘→倒角→移载到甩干吸盘→甩干→测直径对位→放回花栏。其中取片、测厚、对中、移载、等加工步骤时间是比较固定的, 只有倒角和甩干时间是可以进一步挖掘潜力的。所以我们从这两方面进行分析。为了实验方便, 我们只选用带一个参考面的晶圆进行分析。

三、实验部分

1设备和仪器

WBM-2200倒角机, 秒表。

2原材料

2、3、4、5英寸硅切割片, 2寸晶圆主参16mm, 3寸晶圆主参22mm, 4寸晶圆主参32.5mm, 5寸晶圆主参42mm, 厚度260um~620um, 晶片TTV值不大于10um, Warp值不大于30um。

槽半径127um~228.6um (22°、11°) 的金刚石倒角砂轮。

3实验过程

利用不同尺寸的晶圆, 不同的倒角吸盘转速, 不同甩干程序对晶片进行倒角, 并记录加工100片的总时间。

四、结果与讨论

1在相同的倒角清洗甩干程序 (即图2所设程序) 时, 加工100片晶圆的实验数据为:

分析表1数据可知, 在相同的清洗甩干程序下, 2寸、3寸、4寸、5寸吸盘转速在15mm/s和18mm/s时, 每百片加工时间基本一样。在5寸吸盘转速12mm/s时时和加工5寸 (11°) 时才需较长时间。我我们做了一下统计:

步骤1:机械手从甩干台取片→测直直径→放回花栏→取下一片→测厚、对中中时间为21.6s;

步骤2:机械手从对中取片到放到倒倒角吸盘时间32.3s;

步骤3:机械手从倒角吸盘取片放到到清洗甩干台上时间28.6s。

因此只有在5寸吸盘转速12mm/s时和和加工5寸 (11°) 时平均每片倒角加工时时间为42.3s、92.75s、78.2s、68.6s, 此时时均大于步骤1、2、3所需时间。此时提高高吸盘转速, 可提高加工效率。其他加工工情况均不能提高加工效率。

此外选用合适的磨轮转速, 还需要要全方面的考虑。在相同磨削量的情况下下, 提高磨轮转速, 可以降低硅片在磨削削时的受力, 所以不仅提高了磨轮的使用用寿命, 也降低了磨削后在硅片上残余的的机械应力和硅片磨削表面的粗糙度, 但但磨轮转速的提高, 同样也增加了磨削时时产生的热量, 使磨削区的温度升高, 而而温度的升高, 使硅材料的抗拉强度显著著下降, 也影响了单晶硅的组织结构, 增增加了磨削区域残余的热应力, 且温度的的升高, 降低了磨轮金刚砂粒的硬度, 也也使磨粒与磨削材料之间产生扩散磨损和和粘接磨损, 使磨粒迅速钝化, 降低了磨磨轮的使用寿命, 也使磨削时磨削表面出出现浅坑或沟痕, 增加了表面粗糙度。同同时磨轮转速的提高也降低了磨轮轴的使使用寿命, 且提高磨轮转速时若磨轮安装装动平衡不好时磨轮轴在磨削时的轴向和和径向跳动量也会增加, 不利于加工出光光滑的表面。所以, 磨轮转速的选择原则则是在保证磨削区域温度不影响硅片和磨磨粒性能和磨轮轴寿命的情况下尽可能选选择高的转速。磨轮在一定转速下磨削区区域的温度又与磨粒粒径、磨削量、磨削削液流量有关系。

2在相同的倒角吸盘转速时

从图2所示的倒角清洗程序中, 清洗洗部吸盘干燥时间和加载晶圆后甩干 ( (下面干燥干燥时间) 分别为9s和10s, 再结合上面分析, 若适当调整我们得到下面数据 (以2寸晶圆加工) , 见表2。

从表2可知, 在清洗部吸盘干燥时间和加载晶圆后甩干 (下面干燥干燥时间) 分别为7s和8s时 (24h为2805片) , 6s和7s, 5s和6s, 4s和5s百片加工时间为3080s左右 (此时步骤1、2、3为限制加工效率的因素, 均不可调, 影响机器和轴承寿命) , 比清洗部吸盘干燥时间和加载晶圆后甩干时间分别为9s和10s (24h为2498片) 时, 缩短400s, 在一天 (24小时) 的加工中可提高300片, 每月 (30天) 产量可提高7200片。此外在清洗部吸盘干燥时间和加载晶圆后甩干时间分别为4s和5s时, 晶圆开始有机械手把晶圆放入花栏中失败和甩不干现象, 不利于加工和检查。故应根据晶圆尺寸的大小和冷却水的情况适当调节清洗部吸盘干燥时间和加载晶圆后甩干时间, 比如在加工4寸晶圆时可以把清洗部吸盘干燥时间和加载晶圆后甩干时间设为7s和8s。

结语

由以上分期可知, 我们在实际加工中应根据晶圆的实际情况作合理的程序设定。此外, 在我们实际工作中最重要的根本因素是人。我们研究设备最优的加工效率, 归根结底是要解放人的双手, 充分调动人的积极性, 改变人的精神状态, 只有同事们的热情得到了充分的发挥, 我们的事业才会生机勃勃, 大有可为。

倒角工艺的制定需要考虑各个方面的因素, 需要根据设备能达到的状态和客户需求来选择出最佳的工艺参数, 也要根据设备状态选用合适的磨轮, 以达到最佳的倒角效果。

摘要：本文通过分析倒角边缘磨削原理, 利用不同尺寸的晶圆, 不同的倒角吸盘转速, 不同甩干程序对晶片进行倒角程序加工并统计其加工时间, 进而分析不同加工条件对倒角边缘磨削加工效率的影响, 从而进行最大的改善、优化和提升。

关键词：倒角边缘磨削,晶圆尺寸,吸盘转速,甩干,磨削效率

参考文献

[1]康自卫, 王丽.硅片加工技术[M].北京:化学工业出版社, 2010.

[2]张厥宗.硅单晶抛光片的加工技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

硅片切割技术的现状和发展趋势 篇7

随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护意识的日益加强,清洁能源的推广应用已成必然趋势,太阳能可以说是取之不尽,用之不竭的清洁能源。目前,我国正在加大太阳能方面的建设和利用,2011年太阳能发电的装机容量大约100万千瓦,预计到2015年及2020年,我国太阳能发电装机容量分别将达到1000万千瓦和5000万千瓦。这是一个快速增长的时期,商业化太阳能利用也已成为发展的必然趋势。硅系太阳能电池包括单晶硅电池、多晶硅薄膜电池等,其中单晶硅大阳能电池转换效率最高, 光电转换率最大可以达到23%,在现阶段的大规模应用和工业生产中占据主导地位。太阳能电池的重要部件是硅片,随着太阳能工业的快速发展,硅材料的需求不断增长,单晶硅和多晶硅的价格不断上涨,其成本已占太阳能电池板总成本的55%左右,由于硅片的厚度不会影响太阳能电池的光电转换率,所以对于如何降低太阳能电池组件的成本,国内外的研究机构和太阳能电池板的生产厂家都围绕如何切出更多的硅片,如何降低硅片加工期间发生崩边的可能性,如何提高材料的利用率进行探索。本文将介绍太阳能用硅片的传统切割方法和太阳能硅片切割方法的发展方向。

2 硅片的切割技术

太阳能硅片加工工艺流程一般经过晶体生长、切断、外径滚磨、平边、切片、倒角、研磨、腐蚀、抛光、清洗、包装等阶段。近年来光伏太阳能和半导体行业的迅速发展对硅片的切割和加工提出了更加苛刻的要求:一方面为了降低生产和加工成本,硅片向大直径的方向发展,而硅片的厚度则逐年降低(表1可以看出硅片的厚度在逐年降低,但是2009年硅片厚度降低20μm,2010年只降低10μm)。另一方面要求生产出的硅片具有较高的平面精度和较低的的表面粗糙度。这些要求都加大了硅片的加工难度,由于硅材料具有脆、硬等特点,直径增大造成加工中的翘曲变形,加工精度不易保证。厚度降低、芯片厚度减薄造成了材料磨削量大、效率下降等[2]。

切片作为硅片加工工艺流程的关键工序,其所采用的加工方式和所采用的加工技术将直接影响加工效率和加工质量。对于切片工艺技术的原则要求是:

(1)切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。

(2)断面完整性好,无拉丝、刀痕和微裂纹。

(3)提高成品率,缩小刀(钢丝)切缝,降低原材料损耗。

(4)提高切割速度,实现自动化切割。

2.1 内圆切割

内圆切割正如它的名称一样,切割的位置在刀片的表面。刀片是由不锈钢制成的大而薄的圆环。刀片的内侧边缘镀有带金刚石颗粒的镍层。这一金刚石-镍的镀层提供了用来切割晶棒的表面。内圆切割时,刀片的高速旋转会产生轴向振动,刀片与硅片的摩擦力增大,切割时会产生较大的残留切痕和微裂纹,切割结束时易出现硅片崩片甚至飞边的现象。随着硅圆片直径的增大,高速旋转带来的硅片表面损伤也会增大,约为30～40 μm。对于Φ200mm硅片,为能够使粘有碳板的晶棒都能通过,刀片的外圆直径可达到32英寸左右。由于内圆切割一次只能加工一片,切片厚度达到350 μm,切缝损失较大,约为300～500μm,这些缺点限制了内圆切割的适用范围,只能小批量的加工直径不大于200mm,精度要求不高的硅片[3]。

2.2 多线切割

尽管线切割已使用了几个世纪,但被应用到半导体厂家仅仅是在最近20年内。第一台实用的光伏切片机台诞生于 上世纪80年代,它源于 Charles Hauser 博士前沿性的研究和工作。Charles Hauser 博士是瑞士HCT切片系统的创办人,该系统也就是现在的应用材料公司 PWS精确硅片处理系。

线切割最初需要昂贵的投资,但因在切片损失上的减少能使其很快收回成本。目前,在直径大于100mm的硅片加工中,尤其是在大于200mm以上的硅单晶棒切片加工中,已广泛采用多线切割系统切割硅片。线切割使用研磨砂浆来切割晶棒,砂浆黏附在接触并进入晶棒的钢线上,钢线会产生压力压迫研磨剂与晶棒接触,通过在砂浆和晶棒间的压力接触使材料被磨去。

传统的线切割利用镀铜钢线带动砂浆进行切割,切割后的废弃砂浆需要进行回收利用,为了降低硅片切割成本,减少生产工艺环节,国内一些企业开始引用国外先进硅片切割技术,采用金刚石线进行硅片切割,以提高生产效率,减少不必要的环节,节约成本。金刚石线是一种在钢线表面均匀镀上一层微细的金刚石颗粒的特制钢线,在硅片切割中彻底摆脱了对液(PEG)、砂( SiC)的依赖。目前,国内对金刚石线的研究比较少,生产还处于起步阶段,硅片切割用金刚石线主要依赖进口。用于切割硅片的金刚石线主要有三种,电镀金刚石线,树脂金刚石线和电积固定金刚石线。树脂结合剂金刚石线具有制作工艺简单,生产成本低,锯切效率高,环境污染少的优点,但是树脂的耐磨性、耐热性较低,树脂结合剂线锯的使用寿命较短。Asahi Diamond Industrial采用了电积固定磨粒的方法。根据被切削材料,可将磨粒大小调整到最佳。并且,由于每单位长度的金刚石磨粒量根据不同被切削材料而设定,实现了比树脂类固定磨粒金刚石金属丝切割更高的性能。多线切割中研制更小直径的,结合强度更加牢固的金刚石线将成为一种趋势

线切割的基本结构很简单,一根小直径的钢线绕在几个导轮上使钢线形成梯形的形状。导轮上有凹槽能确保钢线以一定距离分隔开。一根连续的钢线分别绕在导轮的一个个凹槽上,形成许多相同间隔的切割表面。线之间的空间决定了想要的硅片厚度。钢线的移动由线轴控制,因为整个系统只有一根钢线。线的两端分别绕在线轴上,晶棒慢慢向上(或向下)移动,穿过钢线,钢线能从晶棒上同时切割下许多硅片[2]。

多线切割技术是硅片加工行业、太阳能光伏行业标志性的革新,它替代了原有的内圆切割设备,是目前采用最广泛的硅片切割技术。硅片多线切割技术与其他技术相比有效率高,产能高,所切晶片与内圆切片工艺相比具有弯曲度(BOW)、翘曲度(WARP)小,平行度(TAPER)好,总厚度公差(TTA)离散性小,刃口切割损耗小,表面损伤层浅,晶片表面粗糙度小等优点。但是也存在切割片平均厚度误差较大(相比于内圆切割),切割过程智能检测不易实现,切割过程成功率要求较高,风险较大,一旦断丝而不采取相应措施时会造成整体的单晶硅棒浪费,不能够实现单片的质量监控,一次切割完成后才能够检测一批圆片的质量并且圆片的质量也不相同等缺点。

2.3 电火花线切割

WEDM加工是利用工件和电极丝之间的脉冲火花放电,产生瞬间高温使工件材料局部熔化或气化从而达到加工目的的技术; 它是一种非接触、宏观加工力很小的加工方式。根据走丝速度的快慢, 电火花线切割加工分为低速走丝线切割加工(WEDM-LS)和快速走丝线切割加工(WEDM-HS )。

电火花切割硅片技术是目前国外研究硅片切割的一种新方法,近年来国外相关的大学和机构对于电火花切割在硅片切割方面的应用也做了相关的研究。比利时的鲁汶大学和美国的内布拉斯加大学均采用低速走丝线切割技术切割硅片,这对于单晶硅和多晶硅在低电阻率的条件下具有可加工性[4]。东京农工大学研究在电火花切割工艺条件之下,电阻率为0.02Ω·cm的单晶硅,在不同的工作液中对单晶硅切割表面质量的影响,结果显示:以煤油为工作液的加工表面优于以去离子水为工作液的加工表面[5]。

南京航空航天大学在国内也开展了电火花电解复合切割硅片技术的研究,通过研究工作方式、工作液类型、电源及控制策略等因素对硅片表面质量和加工效率的影响,以掌握减少切割表面显微裂纹及热影响区等关键技术为研究目标 ,进行了低电阻率硅片切割的基础研究工作。最高切削效率已达到600mm /min,切割厚度小于120 μm[6]。

1-储丝筒2-电极丝3-张力控制系统4-电极丝导轮5-电极丝导丝器

由于电火花线切割属于无宏观力切削加工,理论上切削硅片的厚度可以很薄,目前的实验条件下可以达到120μm以下。这一指标内圆切割和线切割目前是无法达到的。相关数据显示用线切割放电加工法所获得的硅片总厚度变化(TTV) 和弯曲程度(Warp) 与多线切割结果几乎一样, 切缝造成的硅材料损失与多线切割法得到的数值相当。

2.4 超声振动切割

超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中产生磨料的撞击、抛磨、液压冲击及由此产生的空化(气蚀)作用来去除材料,或给工具、工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工,或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。几十年来,超声加工技术的发展迅速,在超声振动系统、深小孔加工、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用,尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题,取得了良好的效果[7]。苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床,上世纪90年代,日本东京大学在超声加工机床上,利用电火花线切割加工工艺在线加工出微细工具,并成功地利用超声加工技术在石英玻璃上加工出直径为Φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直径为Φ5μm的微孔[8]。

超声加工的基本原理是在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液,并在工具头振动方向加上一个不大的压力,超声波发生器产生的超声频电振荡(一般为20～30kHZ的超声波)通过换能器转变为超声频的机械振动,变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm,再传给工具,并驱动工具端面作超声振动,迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面,把加工区域的材料粉碎成很细的微粒,从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多,但由于每秒钟打击16000次以上,所以仍具有一定的加工速度。

超声加工的特点:

(1)根据其加工原理,主要为磨料和液体分子对加工对象的不断冲击和空化实现加工的目的,其切割对象主要为脆而硬的非金属材料及一些难加工的超硬材料。

(2)工具可用较软的材料做较复杂的形状。

(3)工具与工件相对运动简单,易于利用现有的机床进行改装和维护。

(4)由于去除材料是靠粒度极微小的磨料瞬时、局部的撞击作用以及超声空化作用,所以工件表面的宏观切削力很小,切削应力、切削热很小(即使产生很小的切削热也会被磨料悬浮液及时带走),不会引起变形及烧伤。

(5)加工精度与表面质量也较好,加工尺寸精度可以达到0.01～0.02 mm表面粗糙度可以达到0.08～0.63μm,明显优于电火花、电解加工。

(6)其切削效率介于内圆切割和多线切割之间,相当于普通无振动切割的三倍[9]。

3 总结

由表2数据可以看出,对于直径小于200mm的硅片,厚度和精度要求不高的,一般采用内圆切割,适宜小批量的加工。直径大于200mm的硅片,厚度和精度要求较高的,一般采用线切割,适宜大批量生产。线切割,电火花线切割和内圆切割相比较,线切割生产出的硅片质量优于电火花线切割,电火花线切割优于内圆切割。电火花线切割硅片技术还不太成熟,切割效率、硅片表面破坏深度和切缝损失相比线切割而言相对较差,但是表2中数据,电火花线切割所用切割线为Φ250mm,线缝损失为280～290mm,线缝损失有减少的潜力,有实验表明,电火花线切割最薄可达120μm,有可能达到线切割水平并且超过线切割水平。电火花线切割硅片技术发展潜力巨大,很有可能在将来替代现有的传统的硅片切割技术。

超声振动切割技术作为一种新的硅片切割技术,其性能明显优于其它四种加工技术所生产出的硅片,其加工精度更高,精度可以达到0.01～0.02 mm,表面粗糙度可以达到0.08～0.63 μm,切削应力较小,不存在电火花线切割可能产生的表面烧伤。可以看出超声振动切割是一种理想的硅片切割技术。

由表1可以看出,硅片的厚度在不断减少,在短暂的7年时间里,硅片厚度从320μm到150μm,厚度减少一倍,未来的太阳能技术的发展和半导体技术的发展要求直径更大,更薄,精度更高的硅片。我们相信,电火花线切割和超声振动切割将有更大的发展空间。

参考文献

[1]王仲颖,任东明,高虎.中国可再生能源产业发展报告[R].北京:化学工业出版社,2009.

[2]张阙宗.硅单晶抛光片的加工技术[M].北京:化学工业出版社,2005:99-101.

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[5]Hideo Takino,Toshimitsu Ichinohe.Cutting of polished single-crystal silicon by wire electrical discharge machining[J].Pre-cision Engineering,2004(28):314-319.

[6]汪炜.低电阻率单晶硅电火花/电解复合切割加工表面完整性研究[J].电加工与模具,2007(6):7-8.

[7]曹凤国,张勤俭.超声加工技术[M].北京:北京化工出版社,2004.

[8]曹凤国,张勤俭.超声加工技术的研究现状及其发展趋势[J].电加工与模具,2005:25-30.

太阳能级多晶硅片表面制绒的研究 篇8

在光伏发电领域,由于多晶硅电池片成本较低,其市场占有率已跃居首位,但相对于单晶硅电池片而言仍存在着反射率较高、电池效率不足的缺陷。为缩小多晶硅太阳能电池片与单晶硅太阳能电池片之间的差距,采用织构化多晶硅表面的方法提高多晶硅片吸光能力是一条行之有效的途径。

目前,多晶硅表面织构化的方法主要有机械刻槽[1]、激光刻槽[2,3]、反应离子体蚀刻[4,5,6]、酸腐蚀制绒[7,8,9,10,11,12]等,其中各向同性酸腐制绒技术的工艺简单,可以较容易地整合到多晶硅太阳能电池的生产工序中,同时成本最低,因而在大规模的工业生产中得到了广泛的应用。

本实验首先研究实际工业生产条件下腐蚀时间对多晶硅绒面反射效果的影响,确定最佳腐蚀时间。然后主要研究了由HNO3、HF和H2SiF6组成,且不添加其他缓释剂的腐蚀液中H2SiF6的浓度对多晶硅表面制绒效果的影响,从H2SiF6的角度分析多晶硅腐蚀过程的反应机理,为优化腐蚀工艺条件和进一步回收利用腐蚀废液提供参考依据。

1 实验原理及方案

1.1 酸腐蚀法制备绒面的原理

各向同性酸腐制绒技术的制绒液是由HNO3、HF组成,其在多晶硅表面与硅单质发生电化学反应,从而织构化表面以达到降低反射率的效果。其反应原理为:首先,硅片表面的硅原子在氧化剂的作用下失去电子,在硅片表面形成硅的氧化物(式(1));然后,生成的硅的氧化物与溶液中的HF反应形成四氟化硅(式(2));四氟化硅又与溶液中的HF继续结合最终生成H2SiF6进入溶液,使得内部的硅原子重新暴露出来(式(3))。

Si-4e-→Si4+ (1)

SiO2+4HF→SiF4+2H2O (2)

SiF4+2HF→H2SiF6 (3)

总的化学反应方程式为:

3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO↑ (4)

SiO2+6HF=H2SiF6 +2H2O (5)

1.2 实验方案

实验过程中采用的硅片为市售产品,其面积为156 nm×156 mm,电阻率为1～3 Ω·cm,厚度约为220 μm;腐蚀液为由HNO3(质量分数70%,电子级,上海阿拉丁试剂有限公司)、HF(质量分数49%,电子级,上海阿拉丁试剂有限公司)以及H2SiF6(质量分数31%,分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司)组成的混合溶液。腐蚀完成后,采用分析天平测定酸腐蚀反应前后硅片质量变化,采用JSM-7401F型场发射扫描电子显微镜(SEM,日本JEOL电子株式会社)观察硅片绒面腐蚀形貌,采用UV-2450型紫外可见分光光度计(岛津分析技术研发有限公司)测定腐蚀后硅片绒面的反射率。

在酸腐蚀制绒过程中,影响硅片表面制绒效果的因素有很多,如HNO3与HF的浓度比、H2SiF6浓度、腐蚀时间、腐蚀温度等,本实验主要考察H2SiF6浓度对多晶硅表面制绒效果的影响。

按照工业生产条件,以HNO3与HF的质量比为470∶80配制腐蚀液,在保持HNO3、HF添加量以及腐蚀温度(9 ℃)不变的前提下,首先通过对比不同腐蚀时间下得到的多晶硅腐蚀绒面的反射效果,确定最佳的腐蚀时间;之后再通过不断添加H2SiF6的方式改变H2SiF6的含量并进行实验,探索H2SiF6浓度对多晶硅表面制绒效果的影响。

2 结果与分析

2.1 最佳腐蚀时间的确定

多晶硅片在不同腐蚀时间下反射率变化的情况如图1 所示。从图1可以看出,随着腐蚀时间的不断延长,得到的腐蚀绒面的反射率呈现先增后减的变化趋势,其中当腐蚀时间为2 min时,腐蚀绒面的反射率最低。由此可知,多晶硅酸腐制绒的最佳腐蚀时间为2 min。

2.2 H2SiF6浓度对腐蚀速率的影响

多晶硅片腐蚀后的质量减少量如图2所示。从图2可以发现,初始反应条件(即 H2SiF6浓度为0%(质量分数,下同))下,多晶硅片腐蚀质量最大,在2 min内的腐蚀质量达到0.6053 g;而在加入少量H2SiF6后,多晶硅片腐蚀质量有明显的下降,并在H2SiF6浓度为2%时达到最低值0.3672 g;之后又随着H2SiF6含量的增加缓慢上升并趋于平稳。造成这种情况的原因主要在于加入少量H2SiF6后,其在酸腐蚀体系中主要起到了缓释剂的作用,降低了腐蚀反应速率;但是H2SiF6浓度的进一步升高在一定程度上抑制了反应(3)的进行,从而使得氢氟酸消耗速率下降,进而促进了反应(2)的发生,最终导致整体腐蚀反应速率继续上升。因此,H2SiF6浓度能够间接地影响腐蚀反应速率。

2.3 H2SiF6浓度对绒面形貌的影响

多晶硅在不同H2SiF6浓度下腐蚀后的绒面形貌如图3所示。

从图3(a)可以看出,当H2SiF6的浓度为0%时,反应后多晶硅绒面的腐蚀凹坑大且平,腐蚀宽度可达4～5 μm, 腐蚀深度比较浅,并且腐蚀质量损失很高,说明出现的这种腐蚀凹坑是腐蚀过度的产物;从图3(b)-(f)可以看出,随着H2SiF6浓度的不断增加,多晶硅绒面的腐蚀凹坑分布逐渐趋于均匀,腐蚀凹坑的宽度大多在2～3 μm之间,并且腐蚀深度与未加入H2SiF6之前相比明显增大,同时腐蚀后的质量损失也有所下降并稳定在一定范围之内。多晶硅在酸溶液中的腐蚀反应首先是从反应激活能比较低的位置开始的,起初发生的是点腐蚀,然后随着反应的进行呈辐射状向各个方向推进腐蚀[8]。在加入H2SiF6之前,多晶硅在酸溶液中各方向腐蚀速率均较大,导致腐蚀凹坑大且平;而加入H2SiF6之后,其对多晶硅表面发生反应的化学平衡造成破坏,加剧了反应气泡在多晶硅表面的破裂,进而阻碍腐蚀坑横向上与腐蚀溶液的接触,抑制其横向上的腐蚀反应发生,同时又能在纵向上将腐蚀溶液封闭在腐蚀凹坑的内部,使其在纵向上得到充分的反应。因此,加入H2SiF6后多晶硅绒面腐蚀凹坑的深度明显增大,有利于提高多晶硅表面的陷光性能,进而有利于提高太阳能电池片的发电效能。

2.4 H2SiF6浓度对绒面反射率的影响

不同H2SiF6浓度下腐蚀得到的多晶硅绒面在300～900 nm波长范围内的反射率如图4、图5所示。

通过图4、图5可以看出,当H2SiF6浓度为0%时经过酸腐蚀之后得到的多晶硅绒面的反射率与加入H2SiF6之后相比明显偏高,最低仅为25.768%。随着H2SiF6浓度的增加,多晶硅绒面反射率不断下降,并且当H2SiF6浓度超过2%之后,反射率趋于稳定,最低反射率可达到21.826%。 造成这种现象的原因在于未加入H2SiF6时,多晶硅表面各方向腐蚀速率均较大,腐蚀凹坑大且平,不利于光线的多次反射吸收;而随着H2SiF6的加入,多晶硅绒面腐蚀凹坑变窄并加深,有利于提高其陷光性能,因此绒面的反射率得以降低。

3 结论

通过对比不同腐蚀时间得到的多晶硅绒面反射效果,确定了工业酸腐制绒条件下的最佳腐蚀时间为2 min。由多晶硅片腐蚀速率、绒面形貌以及反射率随H2SiF6浓度的变化情况可以看出,未加入H2SiF6时,相同条件下多晶硅在酸溶液中腐蚀过快,绒面凹坑宽度过大且深度不够,不利于其陷光性能的提高;而在加入H2SiF6尤其是H2SiF6浓度超过2%之后,多晶硅的绒面腐蚀速率趋于平稳,绒面腐蚀凹坑大小均匀,并且凹坑深度加大,反射率降低也比较明显且波动不大,腐蚀反应进入比较平稳的阶段。由此可知,在酸腐蚀溶液中加入适量H2SiF6有利于多晶硅表面腐蚀反应的进行,并且在H2SiF6浓度超过2%之后,多晶硅的酸腐蚀反应进入平稳阶段。

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