提升多晶矽鑽石線切片良率,超能:關鍵在於氮化矽粉

發佈日期: 2017 年 09 月 05 日 10:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

自直拉單晶導入鑽石線切割製程後,生產成本降低,逐漸侵蝕多晶矽市占率,使得多晶矽鑄錠生產廠家備感壓力,為了維持競爭優勢,紛紛引入鑽石線切片。

鑽石線切片在多晶矽與單晶矽上狀況有所不同,多晶矽長晶程序因其特性,存在許多硬質點(inclusions),在切片時容易造成斷線,進而降低良率,增加生產成本;為提升鑽石線切片良率,其根本之道即是減少硬質點的發生。

多晶鑄錠硬質點的來源眾多,氮化矽之類型為其中一關鍵因素

造成多晶矽鑽石線切片斷線的原因之一為「硬質點複合析出物」,尺寸多為數十微米甚至是毫米級[1],是由氮化矽(Si3N4)於矽熔湯中裂解析出(precipitation)成針狀β相氮化矽[2][3]與碳化矽(SiC)共伴作用形成夾雜物粒子(particles)以及團簇(clusters)等複合物,如下圖1與圖2所示[4]:

硬質點複合析出物之組成主要由碳化矽與β相針狀氮化矽所構成,其中碳化矽夾雜物為石英坩堝之SiO2與石墨構件之C在高溫下進一步作用生成β相碳化矽,其反應式如下列式(1)與式(2)所表示[5][6]:

許多國外研究中證實[4][7][8],針狀β相氮化矽為氮化矽塗層在高溫下,裂解成為Si與N,當N在矽熔湯中含量超過其最大固溶度(solid solubility)時,析出針狀β相氮化矽,形成硬質點成核中心(nucleation site),如下列式(3)所表示:

α相及β相氮化矽粉皆可作為坩堝內側隔絕保護層,減少坩堝雜質擴散至晶錠。在長晶程序中,氮化矽坩堝噴塗層剝落於矽熔湯裡,形成為數微米的雜質。於高溫時,α相氮化矽除了發生裂解析出針狀β相氮化矽外,也可進行相變化反應(phase transformation),部分轉化成為β相氮化矽[2],如下列式(4)所表示:

由上述可知,長晶製程中之副反應所生成之硬質點複合析出物,將會增加鑽石線切片斷線率;市售α相氮化矽粉之生產是在低溫環境下合成,高溫環境下熱穩定性較差,在多晶矽長晶程序中將更易裂解,增加硬質點複合析出物的發生率,因此在氮化矽粉之選用上不得不謹慎,應選用含有高β相之氮化矽粉,以抑制裂解反應,降低硬質點複合析出物之產生。

降低多晶鑄錠硬質點之關鍵,在於高效能氮化矽粉之選用

超能所生產之氮化矽粉,含有業界最高β相含量,如圖3所示,顆粒狀粉體外型,同時具有絕佳粒徑配比,如圖4所示,而新型產品更加強微燒結作用,強化塗層中氮化矽顆粒間的結合力,形成緻密高溫穩定性的結構,有效地避免塗層出現剝落或掉粉情況,減少鑄錠雜質,又因含有高β相比例,降低高溫裂解發生,進而減少硬質點複合析出物之產生,將有助多晶矽鑽石線切片良率提高。

根據實測,採用超能SN-02氮化矽粉作為坩堝脫模阻隔劑,不但有效降低多晶鑄錠雜質與含氧量,同時降低鑄錠硬質點複合析出物的生成,促使鑄錠的矽晶圓得片數增加,不良片率減少50%,大幅創造額外的收益!

參考文獻

[1] G.Du, K. L. Zhou, P. Rossetto, Y. Wan, Hard inclusions and their detrimental effects on the wire sawing process of multicrystalline silicon, Solar Energy Materials and Solar Cells 91 (2007) 1743.

[2] K. E. Ekstrøm, E. Undheim, G. Stokkan, L. Arnberg, M. di Sabatino, Beta-Si3N4 particles as nucleation sites in multicrystalline silicon, Acta Mater. 109 (2016) 267.

[3] T. P. DENG, W. H. MAO, C. Q. YIN, Phase and Distribution of Inclusions in Multi-crystalline Silicon Ingot for Solar Wafers, Materials Science & Engineering 26 (2008) 499

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[7] Y. Tan, S. Q. Qin, S. Shi, D. C. Jiang, P. T. Li, J. Y. Li, Research Progress on Light Elements (C, N, O) in Solar-grade Silicon, Materials Engineering 45 (2017) 11.

[8] J. P. Murray, G. Flamant, C. J. Roos, Silicon and solar-grade silicon production by solar dissociation of Si3N4, Solar Energy 80 (2006) 1349.

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