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硅片生产工艺技术流程1

顺大半导体发展有限公司太阳能用

硅单晶片生产技术

一、硅片生产工艺中使用的主要原辅材料

1、拉制单晶用的原辅材料，设备和部件：

2、供硅片生产用的原辅材料，设备和部件：

二、硅片生产工艺技术

1、硅单晶生产部

（1）、腐蚀清洗工序生产工艺技术

对处理后原材料质量要求

（2）、腐蚀清洗生产工艺流程

①多晶硅块料，复拉料和头，尾料处理工艺流程

②边皮料酸碱清洗处理工艺流程

③埚底料酸清洗处理工艺流程

④废片的清洗处理工艺流程

（3）、硅单晶生长工艺技术

（4）、单晶生长中的必备条件和要求

①单晶炉

②配料与掺杂

（5），单晶生长工艺参数选择

（6）、质量目标：

（7）、硅单晶生长工艺流程

2、硅片生产部

（1）、硅片加工生产工艺技术

（2）、硅片加工工艺中的必备条件和要求

①切割机

②切割浆液

（3）、质量目标

（4）、硅片加工工艺技术流程

①开方锭生产工艺流程

②切片生产工艺流程

（5）、硅片尺寸和性能参数检测

前言

江苏顺大半导体发展有限公司座落于美丽的高邮湖畔。

公司始创生产太阳能电池用各种尺寸的单晶和多晶硅片。

拥有国内先进的拉制单晶设备104台，全自动单晶炉112台。

年产量可达到××××吨。

拥有大型先进的线切割设备×××台。

并且和无锡尚德形成了合作联盟（伙伴），每×可以向尚德提供×××硅单晶片。

同时河北晶于2004年，占地面积××××。

公司现在有×××名员工，从事澳、南京等光伏组件公司都和顺大形成了长年的合作关系。

为了公司的进一步发展，扩大产业链，解决硅单晶的上下游产品的供需关系，2006年在扬州投资多晶硅项目，投资规模达到××亿。

工程分两期建设，总规模年产多晶硅6000吨。

2008年底首期工程已经正式投入批量生产，年产多晶硅×××吨。

太阳能用硅片生产工艺十分复杂，要通过几十道工序才能完成，只有发挥团队精神才能保证硅片的最终质量。

编写该篇壮大资料的目的：

首先让大家了解整个硅片生产过程，更重要的是让各生产工序中的每一位操作人员明确自己的职责，更自觉地按操作规程和规范做好本职工作，为顺大半导体发展有限公司的发展，尽自己的一份力量。

一、硅片生产工艺中使用的主要原辅材料和设备

1、拉制单晶硅生产部

（1）、供单晶生产用的原辅材料质量要求和验收：

1）原料：

多晶硅，边皮料，锅底料，复拉料（包括头尾料）以及废硅片料等组成。

拉直太阳能电池硅单晶用的原材料纯度，质量以及决定太阳能电池的性能和转换效率。

为此，对多晶硅等原材料来源，纯度，外观形貌和后处理工序中物料洁净处理质量等因应具有严格的要求并制定出相应的厂内标准。

原料，特别是多晶硅进厂时应按下列程序进行验收：

产品厂家，产品分析单，包装袋有无破损。

自家公司采用西门子法生产的多晶硅，经实际应用证明，具有比较高的纯度，质量可靠。

边皮料，锅底料，复拉料，头尾料以及废片料等均来自本单晶和硅片各生产工序。

进洗料库时，应按如下所列要求进行检查和验收。

表1对原材料质量要求

检查

原料

质量要求

来源

内在质量

外观

多晶硅

电阻率：

N型≧50Ω.cm

P型：

≧50Ω.cm

银灰色，表面无氮化硅膜，硅芯与晶体生长成一体

顺大公司

边皮料

质量与单晶相似

是否会有粘胶存在

开方整形的下脚料

锅底料

按电阻率分档

有无石英渣及夹杂物

单晶生产工艺

复拉料头尾料

质量与单晶相似

表面有无污物

单晶生产工艺

废片料

质量与单晶相似

有无砂浆表面夹杂物

切片工艺

·辅助材料：

用于腐蚀清洗硅原料和单晶棒料的化学试剂以及掺杂剂（杂质元素）等质量要求如表2所示：

表2化学试剂的质量要求

要求

名称

质量要求

状态

备注

HF（氢氟酸）

分析纯

液态

安全存放

HNO3（硝酸）

分析纯浓度＞55%

液态

安全存放

KOH（氢氧化钾）

分析纯

液态或固态

安全存放

NAOH（氢氧化钠）

分析纯

液态或固态

安全存放

无水乙醇

分析纯

液态

安全存放

（2）、供单晶生产需要的主要部件：

·籽晶与籽晶夹头：

由两种材料制成。

表3籽晶与籽晶夹头的材质和尺寸

部件名称

材料

尺寸（mm。

）

来源

籽晶

无位错硅单晶

100χ100χ130

外协加工

自加工

φ170.5χ150

籽晶夹头

金属钼

根据籽晶尺寸定

外协加工

高纯高强度石墨

根据籽晶尺寸定

外协加工

籽晶在使用前需要经过5；1HF和HNO3混合液轻腐蚀，清洗，烘干后用塑料袋装好备用。

籽晶需要延续用多次时，表面有污物，需要腐蚀时，只能腐蚀籽晶下部，以免改变固定夹头部的尺寸。

·对石墨，碳毡等材料的主要部件：

对石墨，碳毡等材料的质量要求：

石墨和碳毡主要是用作加热，隔热，保温等部件材料。

根据部件的用途，对其质量要求也有所不同。

用于制备加热器，反射板，导流筒，坩埚，坩埚轴等部件的石墨材质应具备致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少等特点的等静压石墨材料，在工作期间性能稳定。

如果材料经高温氯化煅烧,质量就更好了。

用于制备保温筒，保温盖，炉盘等部件应具有纯度比较高和灰分比较少的中粗石墨材料。

·主要部件用石墨材料质量参数：

表4对石墨材质的要求

参数要求

名称

质量要求

来源

加热器

致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少，性能稳定

外协

导流筒

致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少，性能稳定

外协

坩埚托

致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少，性能稳定

外协

坩埚轴

致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少

外协

反射板

致密度好，机械强度高，纯度高，灰分少，性能稳定，

外协

保温筒

中粗结构，机械强度比较高，纯度高，灰分比较少，性能稳定

外协

加热器：

根据单晶炉的炉型，设计了并且目前正在采用和运行的有三种尺寸的全部由高机械强度，纯度比较高的石墨材质加工的：

17英寸加热器，拉制6英寸单晶，

18英寸加热器，拉制6英寸单晶，

20英寸加热器，拉制6或8英寸单晶，

主要部件结构如下：

反射板：

双层石墨夹碳毡层结构，

导流筒：

双层石墨夹碳毡层结构，

坩埚：

三瓣结构，

坩埚轴，与金属坩埚轴直径尺寸相同，长度根据要求而定。

上述部件全部由高机械强度，纯度比较高，灰分少的石墨材质加工而成的。

·石英坩埚：

石英坩埚直接与多晶硅料接触，并伴随单晶生长过程在高温下经受长时间的烘烤并与硅熔体发生反应和溶解，因此，应具有耐高温，坯料（二氧化硅）纯度高,和外形尺寸标准，无气泡，无黑点等质量特点。

根据大装料量单晶生长工艺要求，在石英坩埚内壁还要求涂有均匀的耐高温氧化钡膜。

根据本炉型配置了17，18和20英寸三种标准尺寸的石英坩埚。

验收时特别注意检察：

外形尺寸是否标准，是否存在气泡，黑点，破损，边缘损伤等缺陷。

·掺杂剂（杂质元素）和液氩：

用于单晶生长工艺中的化学试剂，掺杂剂（杂质元素）和液氩（Ar）等质量要求如表5所示；

表5掺杂剂（杂质元素）和液氩等质量要求

要求

名称

质量要求

状态

备注

硼（B）

≥99.999%

晶体状或粉末状

注意保存

镓（Ga）

≥99.999%

常温下为液态

冰厢内保存

母合金（P型）

电阻率≥10-3Ω.cm

固态

注意保存

无水乙醇

分析纯

液态

安全存放

液氩（Ar）

≥99.99%

液态

液氩罐存放

（3）、供单晶生产需要的设备：

·供腐蚀清洗工序需要的设备

表6腐蚀清洗硅原料和单晶棒料的设备

超声清洗槽

SGT28--3600

清洗硅原料

3台

备注

超声清洗槽

HTA

清洗硅原料

2台

烘箱

DY—08--16

烘干硅原料

1台

自制8台

离心热风脱水机

功率3000W

烘干硅原料

4台

通风橱

二工位

酸腐蚀料

2台

硷腐蚀槽

可加热≥1200C

腐蚀边皮料

2台

酸腐蚀罐

非标准

酸腐埚底料

若干

（4）、供硅单晶生产需要的主要设备：

表7生产单晶用设备

参数

名称

型号和参数

功能

数量

（台）

备注

单晶炉

可配置18和20英寸热场

拉制单晶

112

汉宏公司生产

单晶炉

可配置18和20英寸热场

拉制单晶

晶运通公司生产

单晶炉

配置17英寸热场

拉制单晶

晶运通公司生产

单晶炉

可配置18和20英寸热场

拉制单晶

天龙公司

带锯

锯片厚度0.7㎜,刀速3㎜/分

截断单晶棒

外购

红外测试仪

470FT-IR

测氧碳含量

进口

电阻率测试仪

4探针

测单晶电阻率

广洲生产

型号测试仪

测晶体导电型号

广洲生产

2、硅片生产部

（1）、供硅片生产需要的辅助材料；

表8供硅片生产需要的原辅材料

要求

名称

质量要求

功能

备注

无水已醇

分析纯

清洁处理

KOH（氢氧化钾）

分析纯

腐蚀晶锭

安全存放

NAOH（氢氧化钠）

分析纯

腐蚀晶锭

安全存放

切削液（聚本醇）

含水量<5%，导电率<0.5Ω-1.㎝-1.

配磨砂浆液

清洗液

硅片清洗专用

清洗切割片

热溶胶

软化温度>4000C

沾开方锭

A，B胶

WALTECH公司生产

沾线切割锭

磨砂

1500井（8μm）

配磨砂浆料

切割金属线

线径120μm

切割

砂轮片

厚度0.22㎜

8英寸锭开方

滚磨砂轮

配有三种粒径：

150井，270井，300井

滚磨开方锭

切削液配制

切削液∶磨砂=1.17∶1

线切割用

加工部配制

（2）、供硅片生产用的主要设备:

表9生产硅片需要的设备

参数

设备名称

型号和参数

功能

数量（台）

备注

粘棒机

带加热>4000C装置

粘接开方锭

线切割机

HCT-Shaping

切割开方锭

6台瑞士产

滚磨机

SINUMERK-802C

滚磨开方锭

开方机

外圆切割

8英寸锭开方

线切割机

NTC-nippeiToyama

切割硅片

日产

超声清洗机

TCH-7,8共位

清洗切割硅片

网式电阻炉

WL-1型

烘干硅片

马弗炉

热,处理

消除热施主

硅片厚度测试仪

MS203

测硅片厚度

电阻率测试仪

MS203

测硅片电阻率

弯曲度测试仪

测硅片弯曲度

硅单晶生产部

二、硅片生产工艺技术

（1）、腐蚀清洗工序生产工艺技术

•对腐蚀清洗工序要求

物料来源不同，摆放有序，以免出现混料事故，

洗料间严禁采用金属制品用具，

洗料间经常清扫，随时保持清洁。

·安全防护：

在处理工艺中会使用大量强酸（HF，HNO3）和强硷（KOH，NaOH）等物质。

这些物质对人身具有很大伤害作用，一定要有安全防护意识，严防与强酸和强硷与人体皮肤和指甲接触。

进行硅料酸腐蚀时，操作人员一定在通风橱内操作。

操作人员在进入操作间前必须穿好工作服和工作鞋（胶胶），带好工作冒，胶皮手套和眼镜等防护等。

一旦出现事故，应及时用水冲洗等进行初步处理，同时通报相关领导。

提供给拉制硅单晶用的原材料来源不同，计有本公司采用西门子法生产的多晶硅，硅片生产过程中切下的边皮料，复拉料，单晶棒的头尾料以及埚底料等。

由于在运输，加工等过程中，其表面沾污或沾接一些其它物质，对硅单晶正常生长会造成极为不利的影响。

为此作为制备硅单晶用的原材料，在进入单晶生长工序后，对其表面需要进行严格的去污处理（用去离子水冲洗或丙酮和无水乙醇擦）。

根据原材料来源不同，表面状态和污染情况皆不相同，故对来源不同的原料应采用分别单独处理工艺。

•对处理后原材料质量要求：

表面光亮，无斑点（包括酸斑），无印迹（包括手印），

无黄色酸斑，无夹杂物等。

（2）、腐蚀清洗生产工艺流程

1、多晶硅块料，复拉料和头，尾料处理工艺流程多晶硅块料

多晶硅块料

复拉，头尾料

复拉料，头尾料多晶硅块料

打磨

腐蚀过程物料表面酸腐蚀HF+HNO3（1﹕5）

不能与空气接触

水冲洗两遍

电阻≥15兆Ω

酸液环保处理去离子水

频率为3600Hz低频超声电阻≥15兆Ω

两遍清洗去离子水

水温600C高频超声电阻≥15兆Ω

三遍清洗去离子水，600C

在相对洁净烘干烘箱温度700C，≥5小时

间内进行

包装

在相对洁净间采用双层塑料密封包装

内进行

②、边皮料酸碱清洗处理工艺流程

边皮料

去胶600C温水泡

硷洗KOH（NaOH），1200C

水冲洗自来水

腐蚀过程物料表面酸腐蚀HF+HNO3（1﹕5）

不能与空气接触

水冲洗两遍

电阻≥10MΩ

酸液环保处理去离子水

频率为3600Hz低频超声电阻≥10MΩ

两遍清洗去离子水

水温600C高频超声电阻≥10MΩ

三遍清洗去离子水，600C

在相对洁净离心热风烘干烘干温度700C，≥1小时

间内进行

包装采用双层塑料密封包装

③、埚底料酸清洗处理工艺流程

埚底料

电阻率分挡选出PN结料

打磨去除料表面石英渣

时间达50-60小时酸泡HF，浓度50%

进一步去除石英渣

水冲洗中水（经过处理的废水）

腐蚀过程物料表面酸腐蚀HF+HNO3（1﹕5）

不能与空气接触

水冲洗两遍

电阻≥10兆Ω

酸液环保处理去离子水

频率为3600Hz低频超声两遍清洗电阻≥10兆Ω

去离子水

水温600C高频超声电阻≥10兆Ω

三遍清洗去离子水，600C

在相对洁净离心热风甩干烘干温度700C，≥1小时

间内进行

包装采用双层塑料密封包装

建议：

●埚底料经过HF酸锓泡后不应采用气味很浓的中水冲洗，而应改为自来水，最好为去离子水。

④、废片的清洗处理工艺流程

废片

去污泥水冲洗搅拌

去氧化膜酸泡加HF，搅拌

水冲洗搅拌，自来水

在通风橱内操作酸腐蚀HF+HNO3（1﹕5），搅拌

冲洗电阻≥10兆Ω去离子水

酸液环保处理搅拌

硷腐蚀KOH，搅拌

水冲洗电阻≥10兆Ω去离子水

搅拌

离心热风甩干烘干温度700C，≥1小时

包装双层塑料袋封装

建议：

1废片清洗相互沾接，难于清洗干净。

建议清洗处理后的废片最好用作铸锭料或复拉后作为直拉单晶原料。

2该种废片应在原地经过初步清洗处理。

（3）、硅单晶生长工艺技术

太阳能用硅单晶一般都采用的直拉法制备的。

该方法也称有坩埚法，为波兰科学家JCzochralski于1918年发明的，故又称切克拉斯基法，简称为CZ法。

于1950年美国科学家G.K.Teal和J.B.Little将该方法成功地移植到拉制锗单晶上。

之后又被G.K.Teal移植到拉制硅单晶上。

1960年Dash采用缩径方法拉制出无位错硅单晶。

该方法的主要特点：

a、设备相对简单，便于操作和掺杂方便。

b、可拉制大直径单晶，Φ200mm和Φ300mm单晶已经商品化生产，更大直径的单晶，如Φ400mm单晶的制备正在研究中。

c、由于单晶氧含量高，机械强度优异,适于制造半导体器件。

不足之处：

由于物料与石英坩埚发生化学反应，使硅熔体受到污染，单晶的纯度受到影响。

（4）、供单晶生产中需要的条件和要求

①、单晶炉：

单晶硅棒是在单晶炉内生长的，本公司现有不同型号和尺寸的，供拉制6英寸和供拉制8英寸单晶的单晶炉共计216台并全部配有带过滤网的70型真空机械泵。

：

·加热系统（热场）

热场系统组成的部件：

它是由石墨加热器，石墨坩埚，保温筒，保温盖板，石墨电极，梅花托以及导流筒（热屏）等部件配置而成。

根据现有炉型配置了17英寸，18英寸和20英寸三种不同尺寸的热系统，并全部配置了导流筒（热屏）。

导流筒（热屏）有多层（两层石墨中间夹一层碳毡），单层二种。

，在单层中结构上又分单节和两节的。

附有导流筒的热系统是近年来随着单晶直径不断增大，加料量不断增加而兴起的，并已被众多单晶厂家所接受的热场。

其最大的特点：

⑴、减少热辐射和热量损失，可降低热功率25%左右。

⑵、由于热屏对炉热的屏蔽使热场的轴向温度梯度增大，为提高单晶生长速度创造条件。

⑶、减少热对流，加快蒸发气体从熔体表面挥发，对降低单晶氧含量十分有利。

·配置的热场应附和如下要求：

配置成功的热场不但要保持熔体和晶体生长所需要的，适宜的轴向温度梯度和径向温度梯度，而且又能得到比较低的所需要的加热功率和具有比较高的成晶率。

同时还要考虑气流的合理走向，以便减少杂质沾污和保证有一个良好的单晶生长环境。

除此之外，还能够符合由生产实际经验得出的，对引晶和晶体生长十分重要的参考数据：

当加热达到化料功率时电压不能超过60伏。

加热器上开口与液面距离：

25～30㎜

导流筒下沿与熔体液面距离：

25～30㎜

导流筒内层与晶体外表面距离：

25～30㎜

·石英坩埚：

配置了与热系统三种尺寸相对应的，内表面涂有高纯度，耐高温氧化钡的石英坩埚，其装料量分别如下：

17英寸热系统，配置17英寸石英坩埚，装料量55公斤，

18英寸热系统，配置18英寸石英坩埚，装料量60公斤，

20英寸热系统，配置20英寸石英坩埚,装料量95公斤，

②、配料与掺杂

·配料：

供拉制硅单晶用的有多晶硅料，复拉料，埚底料头，尾

料等四种。

上述几种原料的配置根据公司要求和客户需要而定。

·掺杂：

掺杂剂（掺杂元素）的选择

根据客户需要，目前本公司生产的均为P型导电的硅单晶材料。

适宜的掺杂元素为硼（B和镓（Ga）。

硼（B）的分凝系数为0.8，制得的单晶轴向和径向电阻率分布均比较均匀，因此，硼是最为理想的掺杂元素。

但用掺硼硅片制备的太阳能电池转换效率有比较明显的衰减现象。

镓（Ga）的分凝系数为0.008，由于分凝系数非常小，其在晶体中分布的均匀性很差，单晶头尾电阻率差别比较大，作为掺杂剂而言是十分不理想的。

但用掺镓硅片制备的太阳能电池转换效率衰减现象很小，因此器件厂家（尚德公司）要求提供掺镓硅片。

故选择镓作为掺杂剂。

·掺杂方法和掺杂量计算

掺杂方法：

硼（B）的分凝系数为0.8，需要的掺入量比较少。

为保证称量的精确性，多采用硼和硅母合金的形式掺入。

镓（Ga）的分凝系数为0.008,，需要的掺入量多，故采用元素形式掺入。

掺杂量计算：

•硼（B）的掺入量计算：

按公式：

m=M.N/κ.n

式中:

m—掺入量（克）

M—装料量（克）

N—目标电阻率对应的杂质浓度（cm-3）

κ—硼的分凝系数

n—母合金的杂质浓度（cm-3）

•镓（Ga）的掺入量计算：

按公式：

W/d.CL0=M/A.N0

式中：

W--装料量（克）

CL0--硅熔体的初始杂质浓度（cm-3）

A--掺杂元素的原子量

D--硅的比重

M--掺杂元素的重量（克）

N0--阿佛伽得罗常数（6.023x1023cm-3）

•另有根据尚德公司提供的如下计算数据系统和曲线图进行计算，采用数据和图表计算，在实际应用中比较简便，在车间生产中目前均采用该计算方法。

显介绍如下：

需要掺入纯Ga质量

0.853486707

母合金的情况

杂质元素

摩尔质量

母合金的电阻率

P型

10.8110

3.0000

69.7230

0.5000

N型

30.9738

0.0020

原料表

掺杂元素

电阻率

重量

体积

原料1

1.0000

0.0000

原料2

1.0000

0.0000

原料3

1.0000

0.0000

原料4

1.0000

0.0000

原料5

1.0000

0.0000

汇总

0.00E+00

0.00

原料1

1.0000

0.0000

原料2

10.0000

0.0000

原料3

10.0000

0.0000

原料4

原料5

10.0000

0.0000

10.0000

0.0000

汇总

0.00E+00

原料1

100.0000

12.0000

5150.2146

原料2

100.0000

12.0000

5150.2146

原料3

100.0000

12.0000

5150.2146

原料4

100.0000

12.0000

5150.2146

原料5

100.0000

12.0000

5150.2146

汇总

0.00E+00

2.58E+04

总汇总

0.0000

25751.0730

（2.70）

2.00

（5）、单晶生长工艺参数选择

选择合适生长工艺参数既能保证生长单晶的质量又能获得比较高的生产效率，是件十分重要工作，应给以重视。

并公司在选择工艺参数时既考虑了需要，又根据

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