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[分享] 硅材料中金属杂质的控制

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[LV.4]偶尔看看III

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中级锻造工

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辛勤劳模

发表于 2023-11-24 14:13:07 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一、金属污染的方式
     除了在原生多晶硅原料中存在金属杂质,金属杂质在硅片制备工艺和硅部件制备工艺中可能会污染硅材料表面,一般是物理吸附或化学吸附,可以利用化学清洗予以去除。但是,如果硅晶体经历热处理,金属杂质就会扩散进体内,以各种形式存在,影响硅材料和器件的性能。
    1、物理吸附
     金属杂质能通过金属工具与晶体硅的直接接触污染晶体硅。一般来说,如果夹持物是金属,金属杂质将会直接污染硅材料表面,当夹持物的硬度超过硅材料时,还能在硅片表面引起划痕,这在半导体发展的早期以及光伏硅片的制备过程中是时有发生的。在滚圆、切片等硅片制造过程中,由于刀具、磨料等设备含有金属杂质,在硅片加工过程中金属杂质也能够污染硅片表面。
     2、化学吸附
     金属污染主要发生在硅片表面,可以通过化学清洗除去。但是,在器件制作工艺过程中也可能引起新的金属污染,主要由于清洗剂中含有金属杂质。在溶液被金属污染的情况下,金属杂质的电负性大小起决定性作用,硅材料本身的电负性为1.8。当金属杂质的电负性大于1.8时,便容易吸附在硅片表面,如铁、铜和镍杂质;反之则不易污染硅片表面。电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度。

二、金属污染的去除
1、化学清洗
     硅材料一旦被金属污染,就很难完全除去。如果金属污染仅仅在表面,最可靠的去除方法是利用具有腐蚀性的化学清洗剂,除去表面近1um的硅材料,基本上能消除金属污染的影响。但是,化学腐蚀会造成硅片表面的微观不平整或腐蚀坑。如果化学清洗剂不够纯,还可能引入新的金属污染。当金属杂质存在于体内时,依靠化学清洗就不行了。
2、吸杂技术
     在半导体工艺中,吸杂技术包括在硅片背面引入机械损伤、沉积多晶硅薄膜和重掺磷扩散,主要在硅片的背面引入大量的位错等缺陷,使得金属杂质在此区域沉淀,从而保证硅器件的工作区无缺陷的无金属杂质。在光伏工艺中,一般是结合太阳电池的p-n结制备的磷扩散,在背面形成磷重掺层,吸除金属杂质,然后再去除掉磷重掺层,达到去除金属杂质的目的。

三、金属污染的预防
      原生多晶硅原料基体金属的管控。基体金属杂质主要来源于金属硅原料,生产用SiHCl3、H2、Cl2、HCl,辅助介质 N2、Ar 以及生产设备涉及的器、泵、管道、阀门,基体金属污染是多晶硅生产过程中不能消除的一部分。因此,所有的介质、设备、容器、管道需要高度的密封管理并且控制接触污染,使潜在污染在许可的条件下最大限度的降低。
     原生多晶硅原料表金属的管控。多晶硅表面污染是指多晶硅表面的沾污,这种污染发生在 CVD(气相沉积)过程之后,即当炉罩被打开时,多晶硅棒的表面暴露在环境容器中时空气中的金属颗粒和有机粒子与多晶硅表面接触粘附在其表面上,同时金属原子在接触多晶硅晶格时会以一定的速度将扩散到多晶硅晶体内部,所以硅棒表面结构的致密度和粗糙度直接关联着表面积的大小,对暴露空气后的污染有着至关重要的作用。

      要防止任何金属工具与单晶硅的直接接触。如果使用的是特种的塑料夹具,应避免长时间使用,实行定期、有规则的清洗制度,以保证夹具的清洁。
      在清洗硅材料时,应尽量使用高纯的清洗剂,其中金属杂质的浓度越低越好。如果金属杂质的浓度略高,在清洗剂反复使用数次后,应尽早更换新的清洗剂。另外,根据部分重要金属杂质易于吸附在硅材料上的特性,可以在清洗剂中置放大量的无用破损硅片,以除去或减少清洗剂中的金属杂质。
     如果炉内进行高温热处理时,最好能够利用双层石英管,以隔绝来自金属加热件的污染。
       在使用单层石英管时,可以利用氧气和1%HCI的混合气体。在高温处理前,以比随后需要的温度高约50°C的温度进行适当时间的热处理,使大部分可能金属污染杂质与氧气反应,形成可移动或可挥发的氧化物,并由气体带出炉体,从而减少可能的污染。
       在化学气相沉积等工艺中,直接面对硅片的金属部件或金属内腔会溅射金属杂质到硅片表面。为避免这种污染,人们大多采用石英坩埚或铝金属覆盖这些金属表面,使得这些金属杂质不能溅射出来,因为铝金属的溅射率特别低,而且它在硅片中的扩散也很慢,所以他对硅材料和器件的性能影响不大。
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