CH2硅片加工定向切割.

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外圆切割内圆切割多线切割表面结构剥落、破碎剥落、破碎切痕损伤层厚度(μm)-35-4025-35切割效率(cm2/h)-20-40110-220硅片最小厚度(μm)-300200适合硅片尺寸(mm)100以下150-200300硅片翘曲严重严重轻微切口损耗(μm)1000300-500150-210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（0.01nm~10nm），满足量子化的能量关系，（可见光350～770nm）。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。hcEh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，1.5425.43KSiAaA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2sin()1,2,3,...dmm衍射加强条件：三维情况下的衍射222sin()1,2,3,...(')2'2022dmmKKRmKKGGKGGGKGK衍射加强条件：波矢位于布里渊区边界KGK'K'K123Ghbkblb()hkl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1123112233()()()1,111111(000),(0),(0),(0),222222111331313133(),(),(),(),444444444444[(1)]jjSiGrijjSiGrihkihlilkiSijF=feGhbkblbrnananaFfefeee()212[1]ihkleFF1).hkl: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121()()()12()22111111:(000),(0),(0),(0),222222[(1)]111:(000),()444[1]ihkihlilkSiihklF=FFFFfeeeFFe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min1.24()()hcnmeVVkV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θ。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2θ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。K'KX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。ωV1d转动速度：高达2000r/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指标参数最大切割直径152mm最大切割长度400mm切片范围0.3～60mm(300um)水平竖直调整±7º、±7º转速0～2100r/min切割速度3～200mm/min多线切割和内圆切割的比较内圆切割多线切割切割方式固定磨粒游离磨粒损伤厚度（um）20～305～15生产效率（cm2/h）10～30110～200每次切片数量1200～400切缝（um）300～500150～210切片厚度（um）～350～180可切硅锭最大直径（mm）200300硅片TTV（um）2515硅片warp（um）505~10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、TTVBOW，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45º角。（111）硅锭，与主参考面成90º角。选取的原因：1）出刀口避开解理面。2）便于定向切割。222(110),(111)()00(112)(110),(001)()2(cos())40(100)abcabcababcababcc(001)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HCTB5钢线直径：120～150um头发丝直径：70～100um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、日进等品牌功率（KW）线速度（m/s）切割液黏度切割液（油/水性）价格市场HCT20812～1355聚乙二醇MB1351355聚乙二醇NTC（日）50~8510.5~1122～25聚乙二醇/水性市场最大安永（日）758.418（水性）配方复杂最低多线切割关键技术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120～150um，（人头发丝70～100um）运动速度：10～13m/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——8～10um；作用：研磨乙二醇：HO—CH2-CH2—OH聚乙二醇：HO-CH2—(CH2-O-CH2)3—CH2-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:(0.92～0.95)PEG携带磨粒原理HO-CH2-(CH2-OCH2)3CH2-OHSiC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