整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝，用氧化工藝、電解工藝、超砂粗化工藝去取替了傳統(tǒng)的噴砂工藝，具有節(jié)能降耗、無噪聲、無粉塵、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點，是整流單晶硅片擴散鍍鎳企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造的首選工藝。
【專利說明】整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝技術(shù)，屬于《國家重點支持的高新【技術(shù)領(lǐng)域】目錄》中，電子行業(yè)綠色制造、污染減排關(guān)鍵【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]整流二極管和橋式整流器，是電子行業(yè)的基礎(chǔ)元器件，我國市場年需求量數(shù)百億只。制造此類產(chǎn)品的原材料是單晶硅片，采用擴散工藝在單晶硅片內(nèi)形成一個剛結(jié)，單晶硅片即具有了單向?qū)щ娦阅?，形成了整流單晶硅片，將整流單晶硅片切割成所需的面積和形狀，再經(jīng)后道加工處理。就可以制造出各種規(guī)格的整流元器件產(chǎn)品。
[0003]目前，國內(nèi)普遍制造整流單晶硅片工藝的主要工序流程如下:(直徑3英寸或4英寸)單晶硅片(已雙面研磨)——清洗、單面磷沉積——噴砂去反型——清洗、單面硼擴散——噴砂粗化——鍍鎳——整流單晶硅片。從工藝流程可知，噴砂工序在生產(chǎn)整流單晶娃片的工藝中占有很大的比重。
[0004]經(jīng)過多年發(fā)展，噴砂技術(shù)也已革新，從最初的人工手持噴砂槍噴砂，發(fā)展到現(xiàn)在用噴砂機噴砂。目前國內(nèi)常用單臺噴砂機主要能耗如下:壓縮空氣壓力0.7腿^，壓縮空氣流量10-/分鐘；空氣壓縮機功率40千瓦，負(fù)壓風(fēng)機功率20千瓦，除塵電機功率5.5千瓦，輸送電機功率0.75千瓦，螺旋電機功率0.4千瓦,擺動電機功率0.4千瓦，計約能耗70千瓦。
[0005]除了巨大的能耗和單晶硅片受機械力沖擊后引起的碎片和應(yīng)力外，空氣壓縮機啟動后的振動和噪音巨大，1公里距離內(nèi)都受其影響；噴砂機噴出的砂塵雖經(jīng)回收，但在周邊空氣中的粉塵仍然嚴(yán)重超標(biāo)，尤其是尺寸在？110以下的塵粒根本無法用現(xiàn)有物理除塵設(shè)備濾去，嚴(yán)重污染著環(huán)境和威脅著操作工人的身體健康。
[0006]創(chuàng)新一種免噴砂工藝，使整流單晶硅片的擴散鍍鎳生產(chǎn)達(dá)到:節(jié)能、無噪聲、無粉塵、產(chǎn)品質(zhì)量和整片率更高，是本發(fā)明的初衷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]從【背景技術(shù)】的描述中可知，免去噴砂工藝有二個工序要進(jìn)行改造，其中包括(1)磷沉積工序后的噴砂工序和(2)鍍鎳工序前的噴砂工序。茲將這二個工序采用噴砂工藝的原因和改造的技術(shù)方案分析如下:
[0008](1)磷沉積工序目的是在~型單晶硅片的一個表面上沉積上厚度12?15微米，濃度達(dá)1^1027厘米3的磷層，為后工序在未沉積磷的另面擴散硼作好工藝鋪墊。但是，實踐證明磷沉積工序難以做得完善，未涂料覆磷源的另一個表面上經(jīng)過磷沉積工序后，也沉積上了一層磷。產(chǎn)生該問題的原因是在約1200度高溫沉積條件下，磷原子氣體會滲擴到另一個表面形成的，而且是越靠近單晶硅片的邊緣，這種“反型”現(xiàn)象就越嚴(yán)重，雖經(jīng)采用多種改進(jìn)措施仍不能解決此問題。
[0009]如不去除單晶硅片另一個表面的殘留磷層，這個表面在后道硼擴散工藝中，硼與磷這二種產(chǎn)生導(dǎo)電性質(zhì)相反的物質(zhì)源在同一個表示向單晶硅片內(nèi)部擴散，無法形成完整的？~結(jié)，產(chǎn)品即會報廢。所以，在磷沉積工序后必須增加一道工序，以去除非磷沉積面上的磷殘留反型層。去除磷殘留反型層常見有三種方法:研磨法，腐蝕法，噴砂法。
[0010]研磨法是指用單晶硅片研磨機，將非磷沉積面研磨去15?20微米，磷殘留反型層被研磨去除。這種方法因為涉及將磷沉積面粘貼在研磨機上厚度不易控制的難題，有的單晶硅片研磨量很大，有的因研磨量小，仍留有磷殘留反型層還涉及單晶硅片破碎和生產(chǎn)速度過慢等問題。該方法在國內(nèi)已幾乎停用。
[0011]腐蝕法是指將二片單晶硅片的磷沉積面粘合在一起，對裸露的二個非磷沉積面用化學(xué)腐蝕的方法腐蝕15?20微米，以去除磷殘留反型層。此方法工效高、碎片率少，缺點是經(jīng)化學(xué)腐蝕后非磷沉積面原先的研磨表面變得光亮平滑，引起后道的硼擴散難以攜源，擴散參數(shù)分散，并不利于該表面的鍍鎳結(jié)合力。該方法目前國內(nèi)還有少量企業(yè)在使用。
[0012]噴砂法是指將單晶硅片排入噴砂機的傳送帶上，非磷沉積面朝上對著噴砂嘴方向，高速噴出的金剛砂流將非磷沉積面噴去15?20微米，以去除磷殘留反型層。因為噴去單晶硅片的質(zhì)量較多，有時單晶硅片需要多次重復(fù)經(jīng)過噴砂機，工效也較慢，嚴(yán)重的問題是:耗能多、噪聲振動大、碎片率高、單晶硅片受外力作用產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力、嚴(yán)重污染環(huán)境和威脅工人身體健康。該方法目前在國內(nèi)仍被絕大多數(shù)企業(yè)采用。
[0013]本發(fā)明提出一種氧化工藝方法替代革除磷沉積后的噴砂工序，工藝原理是:將雙面研磨的~型單晶硅片進(jìn)行雙面氧化，得到約2微米的氧化層，然后去除任一面的氧化層，在無氧化層面上沉積磷，雖在1200度高溫沉積條件下，磷原子氣體會滲擴到另一個表面，但因這個表面上有氧化層的遮蔽，磷不可能在這個表面形成沉積，磷沉積工序結(jié)束后，用氫氟酸泡去氧化層，就得到一面有磷沉積、一面為原始~型單晶、雙面仍保持研磨時物理狀態(tài)的單晶硅片，符合工藝節(jié)點的質(zhì)量要求。
[0014]為避免氧化層的遮蔽失敗，應(yīng)對氧化工序后的氧化層厚度進(jìn)行檢驗，可使用光線干涉法，其原理是:在氧化層上，滴上一小滴氫氟酸，酸液不斷向四周滲開并對氧化層產(chǎn)生腐蝕作用，中間點最先蝕通，周邊蝕得最淺，用水沖去氟酸后晾干，在正常光線下，可以觀察到同心的不規(guī)則黑白干涉條紋，每一對黑白為一個光干涉厚度，觀察到10?11對干涉條紋時，氧化層厚度為1.9?2.0微米，可判定氧化層厚度合格。干涉條紋圖像可參見說明書附圖1。
[0015]用氧化工藝替代磷沉積后的噴砂工序，每片單晶硅片將節(jié)省厚度約20微米，整片單晶硅片的厚度根據(jù)產(chǎn)品不同選用在200?260微米之間，這就意味著工藝改革后可節(jié)約單晶硅片用料7.7?10%，不但降低了企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本，而且為社會節(jié)約了大量的材料資源，符合國家節(jié)能降耗的要求。
[0016](2)經(jīng)過硼擴散工序后，單晶硅片體內(nèi)已形成了一個剛結(jié)，具有了整流特性，但要將單晶硅片對外連接，還必須在單晶硅片二個表面上鍍上一層金屬鎳，對內(nèi)與單晶硅片形成歐姆接觸，對外焊接電極弓I線。
[0017]未進(jìn)行鍍鎳工序前，必須對已擴散的單晶硅片進(jìn)行表面處理，去除硼擴散后遺留在表面的硼硅玻璃，并對單晶硅片的二個表面進(jìn)行“粗化”處理，使其表面呈現(xiàn)新鮮活性，與鎳結(jié)合得更好。
[0018]目前，國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)，對鍍鎳工序前去除單晶硅片表面硼硅玻璃和粗化工作，均采用噴砂工藝，對硼硅玻璃面約噴去4微米，對磷面約噴去2微米，噴砂后的單晶硅片經(jīng)清洗，進(jìn)入鍍鎳工序。這道工序用噴砂工藝，其缺點已如前所述。另外，擴散工藝所形成的層濃度分布特征是從單晶硅片的表面向內(nèi)部逐步降低的，噴砂所去除的表面層均是磷、硼擴散后的最高濃度層，去除后會增加與鎳結(jié)合的歐姆電阻值，降低產(chǎn)品承受浪涌電流的能力。
[0019]本發(fā)明提出一種電解工藝和超聲粗化工藝方法替代革除鍍鎳工序前的噴砂工序，工藝原理是:將經(jīng)硼擴散后的單晶硅片用氫氟酸泡成單片，置入電解槽中，接入直流電源，單晶硅片接正極，電解液接負(fù)極，單晶硅片上的硼硅玻璃電解后進(jìn)入電解槽沉淀，得到一個無硼硅玻璃的硼擴散表面，電解液用的是硫酸鋅水溶液，呈中性、無毒無害，電解時無氣味，能耗約數(shù)十瓦。
[0020]鍍鎳工序前的表面粗化工藝，可以用超聲波超動帶金剛砂的水沖擊單晶硅片的方法來完成，工作簡單，幾乎不損失表面厚度，對單晶硅片不產(chǎn)生應(yīng)力，能滿足批量化生產(chǎn)。
[0021]綜上所述，本發(fā)明提供的整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝，用氧化工藝、電解工藝、超砂粗化工藝去取替了傳統(tǒng)的噴砂工藝，具有節(jié)能降耗、無噪聲、無粉塵、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點，是整流單晶硅片擴散鍍鎳企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造的首選工藝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1，氧化后單晶硅片，滴上氫氟酸所產(chǎn)生的干涉條紋圖。
[0023]圖2，整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝的主要工藝流程是:雙面研磨~型單晶硅片(原材料)——雙面氧化——去單面氧化層——開管磷沉積——另面硼擴散——電解硼硅玻璃——超聲粗化——雙面鍍鎳——整流單晶硅片(產(chǎn)品其工藝流程方框圖見說明書附圖2。本說明書只著重論述增加或改造了新工藝的實施，傳統(tǒng)工藝中仍需保留的工序不作介紹。
[0025]“雙面氧化工藝”的實施方式:雙面研磨的單晶硅片，經(jīng)清洗后進(jìn)行雙面氧化工序，
氧化溫度取1160攝氏度，通氧量0.8升/分鐘。通氧方式:通干氧1小時-通濕氧4小時——通干氧1小時——通濕氧4小時——通干氧2小時。氧化時間結(jié)束后，單晶硅片隨爐降溫到500攝氏度，快拉出爐，經(jīng)干涉條紋造型為10?11條，證明氧化層厚度為1.9?2.0微米，屬合格。
[0026]“去單面氧化層工藝”的實施方式:將單晶硅片一面涂覆保護(hù)膠，置于氫氟酸:氟化氫銨:水為重量比30: 80: 100的溶液中，5分鐘左右去除未保護(hù)面上氧化層。保護(hù)膠可取用多種材料，例如真空封臘、耐酸膠水甚至普通膠水。
[0027]“開管磷沉積工藝”的實施方式:在單晶硅片己去氧化層的面上旋轉(zhuǎn)涂覆磷源液，磷源液配方磷酸二氫銨:純水為重量比20: 100，折合涂量為每3英寸單晶硅片每面涂覆磷源液0.3毫升，旋轉(zhuǎn)涂覆速度為30轉(zhuǎn)/分鐘。已涂覆磷源的單晶硅片可用熱板或紅外燈烘干。磷沉積用沉積管為二端開口石英圓管或碳化硅圓管，單晶硅片的有磷源面相重合、無源面相重合，用棒式石英舟將單晶硅片架空置于擴散管圓心位置，沉積爐從室溫快速升溫，輪流從沉積管二端通入純凈空氣，通氣量為600升丨分鐘，二端輪流通氣間隔時間為10分鐘，當(dāng)沉積溫度上升到1100攝氏度后，通氣量調(diào)整為300升/分鐘，當(dāng)沉積溫度上升到1200攝氏度時，開始磷沉積保持1200攝氏度2小時，磷沉積期間通氣量逐步減小，從開始300升/分鐘線性降到磷沉積結(jié)束的0升/分鐘，二端輪流通氣間隔時間不變。磷沉積結(jié)束，單晶硅片隨爐降溫到500攝氏度，快拉出爐，用氫氟酸泡去磷硅玻璃和未沉積面上的氧化層。
[0028]“另面硼擴散工藝”的實施方式:同傳統(tǒng)常規(guī)工藝，說明略。
[0029]“電解硼硅玻璃工藝”的實施方式:經(jīng)過硼擴散后沾粘在一起的單晶硅片，在氫氟酸中泡開成單片，自來水洗去酸液，置于電解槽中的鎢棒上，鎢棒接直流電源的正極，槽中電解液接直流電源的負(fù)極，直流電壓取6?12伏特，電流按直徑3英寸單晶硅片每片10毫安配備控制，電解時間為0.2?2小時，電解干凈的硼擴散面呈均勻的灰白色，電解液的配方系硫酸鋅:水，重量比為20: 100。電解工藝結(jié)束后，只需沖凈電解渡，即可進(jìn)入下工序。
[0030]“超聲粗化工藝”的實施方式:待鍍鎳的單晶硅片有間隔地裝放在夾具架上，置于超聲波振動槽內(nèi)，槽內(nèi)粗化液體應(yīng)淹沒單晶硅片，粗化液體的配方系114碳化硅金剛砂:水，重量比為5: 100，超聲粗化10分鐘，粗化結(jié)束的單晶硅片用純水超聲清洗干凈。
[0031]“雙面鍍鎳工藝”的實施方式:同傳統(tǒng)常規(guī)工藝，說明略。
[0032]說明書畢。
【權(quán)利要求】
1.一種整流單晶硅片免噴砂擴散鍍鎳工藝，其特征在于增加或改造了以下幾個工藝步驟: 雙面氧化工藝:雙面研磨的單晶硅片，經(jīng)清洗后進(jìn)行雙面氧化工序，氧化溫度取1160攝氏度，通氧量0.8升/分鐘，通氧方式:通干氧I小時一通濕氧4小時一通干氧I小時一通濕氧4小時一通干氧2小時，氧化時間結(jié)束后，單晶硅片隨爐降溫到500攝氏度，快拉出爐，經(jīng)干涉條紋造型為10?11條，證明氧化層厚度為1.9?2.0微米，屬合格；去單面氧化層工藝:將單晶硅片一面涂覆保護(hù)膠，置于氫氟酸:氟化氫銨:水為重量比30: 80: 100的溶液中，5分鐘左右去除未保護(hù)面上氧化層； 開管磷沉積工藝:在單晶硅片己去氧化層的面上旋轉(zhuǎn)涂覆磷源液，磷源液配方磷酸二氫銨:純水為重量比20: 100，折合涂量為每3英寸單晶硅片每面涂覆磷源液0.3毫升，旋轉(zhuǎn)涂覆速度為30轉(zhuǎn)/分鐘，已涂覆磷源的單晶硅片可用熱板或紅外燈烘干，磷沉積用沉積管為二端開口石英圓管或碳化硅圓管，單晶硅片的有磷源面相重合、無源面相重合，用棒式石英舟將單晶硅片架空置于擴散管圓心位置，沉積爐從室溫快速升溫，輪流從沉積管二端通入純凈空氣，通氣量為600升/分鐘，二端輪流通氣間隔時間為10分鐘，當(dāng)沉積溫度上升到1100攝氏度后，通氣量調(diào)整為300升/分鐘，當(dāng)沉積溫度上升到1200攝氏度時，開始磷沉積保持1200攝氏度2小時，磷沉積期間通氣量逐步減小，從開始300升/分鐘線性降到磷沉積結(jié)束的O升/分鐘，二端輪流通氣間隔時間不變，磷沉積結(jié)束，單晶硅片隨爐降溫到500攝氏度，快拉出爐，用氫氟酸泡去磷硅玻璃和未沉積面上的氧化層； 電解硼硅玻璃工藝:經(jīng)過硼擴散后沾粘在一起的單晶硅片，在氫氟酸中泡開成單片，自來水洗去酸液，置于電解槽中的鎢棒上，鎢棒接直流電源的正極，槽中電解液接直流電源的負(fù)極，直流電壓取6?12伏特，電流按直徑3英寸單晶硅片每片10毫安配備控制，電解時間為0.2?2小時，電解干凈的硼擴散面呈均勻的灰白色，電解液的配方系硫酸鋅:水，重量比為 20: 100 ； 超聲粗化工藝:待鍍鎳的單晶硅片有間隔地裝放在夾具架上，置于超聲波振動槽內(nèi)，槽內(nèi)粗化液體應(yīng)淹沒單晶硅片，粗化液體的配方系M14碳化硅金剛砂:水，重量比為5: 100，超聲粗化10分鐘，粗化結(jié)束的單晶硅片用純水超聲清洗干凈。
【文檔編號】H01L21/02GK104392899SQ201410553398
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】程德明, 程學(xué)飛, 王玲珍, 程云飛 申請人:程德明