CN104392899A - 整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺，用氧化工艺、电解工艺、超砂粗化工艺去取替了传统的喷砂工艺，具有节能降耗、无噪声、无粉尘、生产成本低、产品质量高等优点，是整流单晶硅片扩散镀镍企业进行技术改造的首选工艺。

Description

整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺

技术领域

整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺技术，属于《国家重点支持的高新技术领域目录》中，电子行业绿色制造、污染减排关键技术领域。

背景技术

整流二极管和桥式整流器，是电子行业的基础元器件，我国市场年需求量数百亿只。制造此类产品的原材料是单晶硅片，采用扩散工艺在单晶硅片内形成一个PN结，单晶硅片即具有了单向导电性能，形成了整流单晶硅片，将整流单晶硅片切割成所需的面积和形状，再经后道加工处理。就可以制造出各种规格的整流元器件产品。

目前，国内普遍制造整流单晶硅片工艺的主要工序流程如下：(直径3英寸或4英寸)单晶硅片(已双面研磨)——清洗、单面磷沉积——喷砂去反型——清洗、单面硼扩散——喷砂粗化——镀镍——整流单晶硅片。从工艺流程可知，喷砂工序在生产整流单晶硅片的工艺中占有很大的比重。

经过多年发展，喷砂技术也已革新，从最初的人工手持喷砂枪喷砂，发展到现在用喷砂机喷砂。目前国内常用单台喷砂机主要能耗如下：压缩空气压力0.7MPa，压缩空气流量10m³/分钟；空气压缩机功率40千瓦，负压风机功率20千瓦，除尘电机功率5.5千瓦，输送电机功率0.75千瓦，螺旋电机功率0.4千瓦，摆动电机功率0.4千瓦，计约能耗70千瓦。

除了巨大的能耗和单晶硅片受机械力冲击后引起的碎片和应力外，空气压缩机启动后的振动和噪音巨大，1公里距离内都受其影响；喷砂机喷出的砂尘虽经回收，但在周边空气中的粉尘仍然严重超标，尤其是尺寸在PM10以下的尘粒根本无法用现有物理除尘设备滤去，严重污染着环境和威胁着操作工人的身体健康。

创新一种免喷砂工艺，使整流单晶硅片的扩散镀镍生产达到：节能、无噪声、无粉尘、产品质量和整片率更高，是本发明的初衷。

发明内容

从背景技术的描述中可知，免去喷砂工艺有二个工序要进行改造，其中包括(1)磷沉积工序后的喷砂工序和(2)镀镍工序前的喷砂工序。兹将这二个工序采用喷砂工艺的原因和改造的技术方案分析如下：

(1)磷沉积工序目的是在N型单晶硅片的一个表面上沉积上厚度12～15微米，浓度达1×10²⁰/厘米³的磷层，为后工序在未沉积磷的另面扩散硼作好工艺铺垫。但是，实践证明磷沉积工序难以做得完善，未涂料覆磷源的另一个表面上经过磷沉积工序后，也沉积上了一层磷。产生该问题的原因是在约1200度高温沉积条件下，磷原子气体会渗扩到另一个表面形成的，而且是越靠近单晶硅片的边缘，这种“反型”现象就越严重，虽经采用多种改进措施仍不能解决此问题。

如不去除单晶硅片另一个表面的残留磷层，这个表面在后道硼扩散工艺中，硼与磷这二种产生导电性质相反的物质源在同一个表示向单晶硅片内部扩散，无法形成完整的PN结，产品即会报废。所以，在磷沉积工序后必须增加一道工序，以去除非磷沉积面上的磷残留反型层。去除磷残留反型层常见有三种方法：研磨法，腐蚀法，喷砂法。

研磨法是指用单晶硅片研磨机，将非磷沉积面研磨去15～20微米，磷残留反型层被研磨去除。这种方法因为涉及将磷沉积面粘贴在研磨机上厚度不易控制的难题，有的单晶硅片研磨量很大，有的因研磨量小，仍留有磷残留反型层还涉及单晶硅片破碎和生产速度过慢等问题。该方法在国内已几乎停用。

腐蚀法是指将二片单晶硅片的磷沉积面粘合在一起，对裸露的二个非磷沉积面用化学腐蚀的方法腐蚀15～20微米，以去除磷残留反型层。此方法工效高、碎片率少，缺点是经化学腐蚀后非磷沉积面原先的研磨表面变得光亮平滑，引起后道的硼扩散难以携源，扩散参数分散，并不利于该表面的镀镍结合力。该方法目前国内还有少量企业在使用。

喷砂法是指将单晶硅片排入喷砂机的传送带上，非磷沉积面朝上对着喷砂嘴方向，高速喷出的金刚砂流将非磷沉积面喷去15～20微米，以去除磷残留反型层。因为喷去单晶硅片的质量较多，有时单晶硅片需要多次重复经过喷砂机，工效也较慢，严重的问题是：耗能多、噪声振动大、碎片率高、单晶硅片受外力作用产生了内应力、严重污染环境和威胁工人身体健康。该方法目前在国内仍被绝大多数企业采用。

本发明提出一种氧化工艺方法替代革除磷沉积后的喷砂工序，工艺原理是：将双面研磨的N型单晶硅片进行双面氧化，得到约2微米的氧化层，然后去除任一面的氧化层，在无氧化层面上沉积磷，虽在1200度高温沉积条件下，磷原子气体会渗扩到另一个表面，但因这个表面上有氧化层的遮蔽，磷不可能在这个表面形成沉积，磷沉积工序结束后，用氢氟酸泡去氧化层，就得到一面有磷沉积、一面为原始N型单晶、双面仍保持研磨时物理状态的单晶硅片，符合工艺节点的质量要求。

为避免氧化层的遮蔽失败，应对氧化工序后的氧化层厚度进行检验，可使用光线干涉法，其原理是：在氧化层上，滴上一小滴氢氟酸，酸液不断向四周渗开并对氧化层产生腐蚀作用，中间点最先蚀通，周边蚀得最浅，用水冲去氟酸后晾干，在正常光线下，可以观察到同心的不规则黑白干涉条纹，每一对黑白为一个光干涉厚度，观察到10～11对干涉条纹时，氧化层厚度为1.9～2.0微米，可判定氧化层厚度合格。干涉条纹图像可参见说明书附图1。

用氧化工艺替代磷沉积后的喷砂工序，每片单晶硅片将节省厚度约20微米，整片单晶硅片的厚度根据产品不同选用在200～260微米之间，这就意味着工艺改革后可节约单晶硅片用料7.7～10％，不但降低了企业产品生产成本，而且为社会节约了大量的材料资源，符合国家节能降耗的要求。

(2)经过硼扩散工序后，单晶硅片体内已形成了一个PN结，具有了整流特性，但要将单晶硅片对外连接，还必须在单晶硅片二个表面上镀上一层金属镍，对内与单晶硅片形成欧姆接触，对外焊接电极引线。

未进行镀镍工序前，必须对已扩散的单晶硅片进行表面处理，去除硼扩散后遗留在表面的硼硅玻璃，并对单晶硅片的二个表面进行“粗化”处理，使其表面呈现新鲜活性，与镍结合得更好。

目前，国内绝大多数企业，对镀镍工序前去除单晶硅片表面硼硅玻璃和粗化工作，均采用喷砂工艺，对硼硅玻璃面约喷去4微米，对磷面约喷去2微米，喷砂后的单晶硅片经清洗，进入镀镍工序。这道工序用喷砂工艺，其缺点已如前所述。另外，扩散工艺所形成的PN层浓度分布特征是从单晶硅片的表面向内部逐步降低的，喷砂所去除的表面层均是磷、硼扩散后的最高浓度层，去除后会增加与镍结合的欧姆电阻值，降低产品承受浪涌电流的能力。

本发明提出一种电解工艺和超声粗化工艺方法替代革除镀镍工序前的喷砂工序，工艺原理是：将经硼扩散后的单晶硅片用氢氟酸泡成单片，置入电解槽中，接入直流电源，单晶硅片接正极，电解液接负极，单晶硅片上的硼硅玻璃电解后进入电解槽沉淀，得到一个无硼硅玻璃的硼扩散表面，电解液用的是硫酸锌水溶液，呈中性、无毒无害，电解时无气味，能耗约数十瓦。

镀镍工序前的表面粗化工艺，可以用超声波超动带金刚砂的水冲击单晶硅片的方法来完成，工作简单，几乎不损失表面厚度，对单晶硅片不产生应力，能满足批量化生产。

综上所述，本发明提供的整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺，用氧化工艺、电解工艺、超砂粗化工艺去取替了传统的喷砂工艺，具有节能降耗、无噪声、无粉尘、生产成本低、产品质量高等优点，是整流单晶硅片扩散镀镍企业进行技术改造的首选工艺。

附图说明

图1，氧化后单晶硅片，滴上氢氟酸所产生的干涉条纹图。

图2，整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺流程图。

具体实施方式

本发明整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺的主要工艺流程是：双面研磨N型单晶硅片(原材料)——双面氧化——去单面氧化层——开管磷沉积——另面硼扩散——电解硼硅玻璃——超声粗化——双面镀镍——整流单晶硅片(产品)。其工艺流程方框图见说明书附图2。本说明书只着重论述增加或改造了新工艺的实施，传统工艺中仍需保留的工序不作介绍。

“双面氧化工艺”的实施方式：双面研磨的单晶硅片，经清洗后进行双面氧化工序，氧化温度取1160摄氏度，通氧量0.8升/分钟。通氧方式：通干氧1小时——通湿氧4小时——通干氧1小时——通湿氧4小时——通干氧2小时。氧化时间结束后，单晶硅片随炉降温到500摄氏度，快拉出炉，经干涉条纹造型为10～11条，证明氧化层厚度为1.9～2.0微米，属合格。

“去单面氧化层工艺”的实施方式：将单晶硅片一面涂覆保护胶，置于氢氟酸∶氟化氢铵∶水为重量比30∶80∶100的溶液中，5分钟左右去除未保护面上氧化层。保护胶可取用多种材料，例如真空封腊、耐酸胶水甚至普通胶水。

“开管磷沉积工艺”的实施方式：在单晶硅片己去氧化层的面上旋转涂覆磷源液，磷源液配方磷酸二氢铵∶纯水为重量比20∶100，折合涂量为每3英寸单晶硅片每面涂覆磷源液0.3毫升，旋转涂覆速度为30转/分钟。已涂覆磷源的单晶硅片可用热板或红外灯烘干。磷沉积用沉积管为二端开口石英圆管或碳化硅圆管，单晶硅片的有磷源面相重合、无源面相重合，用棒式石英舟将单晶硅片架空置于扩散管圆心位置，沉积炉从室温快速升温，轮流从沉积管二端通入纯净空气，通气量为600升/分钟，二端轮流通气间隔时间为10分钟，当沉积温度上升到1100摄氏度后，通气量调整为300升/分钟，当沉积温度上升到1200摄氏度时，开始磷沉积保持1200摄氏度2小时，磷沉积期间通气量逐步减小，从开始300升/分钟线性降到磷沉积结束的0升/分钟，二端轮流通气间隔时间不变。磷沉积结束，单晶硅片随炉降温到500摄氏度，快拉出炉，用氢氟酸泡去磷硅玻璃和未沉积面上的氧化层。

“另面硼扩散工艺”的实施方式：同传统常规工艺，说明略。

“电解硼硅玻璃工艺”的实施方式：经过硼扩散后沾粘在一起的单晶硅片，在氢氟酸中泡开成单片，自来水洗去酸液，置于电解槽中的钨棒上，钨棒接直流电源的正极，槽中电解液接直流电源的负极，直流电压取6～12伏特，电流按直径3英寸单晶硅片每片10毫安配备控制，电解时间为0.2～2小时，电解干净的硼扩散面呈均匀的灰白色，电解液的配方系硫酸锌∶水，重量比为20∶100。电解工艺结束后，只需冲净电解渡，即可进入下工序。

“超声粗化工艺”的实施方式：待镀镍的单晶硅片有间隔地装放在夹具架上，置于超声波振动槽内，槽内粗化液体应淹没单晶硅片，粗化液体的配方系M14碳化硅金刚砂∶水，重量比为5∶100，超声粗化10分钟，粗化结束的单晶硅片用纯水超声清洗干净。

“双面镀镍工艺”的实施方式：同传统常规工艺，说明略。

说明书毕。

Claims (1)

1.一种整流单晶硅片免喷砂扩散镀镍工艺，其特征在于增加或改造了以下几个工艺步骤：

双面氧化工艺：双面研磨的单晶硅片，经清洗后进行双面氧化工序，氧化温度取1160摄氏度，通氧量0.8升/分钟，通氧方式：通干氧1小时——通湿氧4小时——通干氧1小时——通湿氧4小时——通干氧2小时，氧化时间结束后，单晶硅片随炉降温到500摄氏度，快拉出炉，经干涉条纹造型为10～11条，证明氧化层厚度为1.9～2.0微米，属合格；

去单面氧化层工艺：将单晶硅片一面涂覆保护胶，置于氢氟酸：氟化氢铵：水为重量比30∶80∶100的溶液中，5分钟左右去除未保护面上氧化层；

开管磷沉积工艺：在单晶硅片己去氧化层的面上旋转涂覆磷源液，磷源液配方磷酸二氢铵：纯水为重量比20∶100，折合涂量为每3英寸单晶硅片每面涂覆磷源液0.3毫升，旋转涂覆速度为30转/分钟，已涂覆磷源的单晶硅片可用热板或红外灯烘干，磷沉积用沉积管为二端开口石英圆管或碳化硅圆管，单晶硅片的有磷源面相重合、无源面相重合，用棒式石英舟将单晶硅片架空置于扩散管圆心位置，沉积炉从室温快速升温，轮流从沉积管二端通入纯净空气，通气量为600升/分钟，二端轮流通气间隔时间为10分钟，当沉积温度上升到1100摄氏度后，通气量调整为300升/分钟，当沉积温度上升到1200摄氏度时，开始磷沉积保持1200摄氏度2小时，磷沉积期间通气量逐步减小，从开始300升/分钟线性降到磷沉积结束的0升/分钟，二端轮流通气间隔时间不变，磷沉积结束，单晶硅片随炉降温到500摄氏度，快拉出炉，用氢氟酸泡去磷硅玻璃和未沉积面上的氧化层；

电解硼硅玻璃工艺：经过硼扩散后沾粘在一起的单晶硅片，在氢氟酸中泡开成单片，自来水洗去酸液，置于电解槽中的钨棒上，钨棒接直流电源的正极，槽中电解液接直流电源的负极，直流电压取6～12伏特，电流按直径3英寸单晶硅片每片10毫安配备控制，电解时间为0.2～2小时，电解干净的硼扩散面呈均匀的灰白色，电解液的配方系硫酸锌：水，重量比为20∶100；

超声粗化工艺：待镀镍的单晶硅片有间隔地装放在夹具架上，置于超声波振动槽内，槽内粗化液体应淹没单晶硅片，粗化液体的配方系M14碳化硅金刚砂：水，重量比为5∶100，超声粗化10分钟，粗化结束的单晶硅片用纯水超声清洗干净。