一種超薄單晶矽片的製備方法與流程
2023-05-25 19:17:51 2
本發明屬於超薄單晶矽片製造技術領域，具體而言，涉及一種超薄單晶矽片的製備方法。
背景技術：
晶體矽一般分為單晶矽和多晶矽，當熔融的單質矽凝固時，矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶矽。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶矽。在單晶矽中，晶體框架結構是均勻的，能夠由外部均勻的外貌來辨識。在單晶矽中，整個樣品的晶格連續不間斷，且沒有晶界。大的單晶在自然界中是極其罕見的，並且也難以在實驗室中製造。單晶矽片(monocrystallinesilicon)是一種良好的半導材料。純度要求達到99.9999％，甚至達到99.9999999％以上。用於製造半導體器件、太陽能電池等。一般用高純度的多晶矽在單晶爐內拉制而成。
矽片是現代微電子技術和太陽能光電轉換技術的基礎，是太陽能光伏電池技術中最昂貴的部分。近年來，儘管矽原料價格已有明顯下降，但降低矽片的製造成本對於提高太陽能對傳統能源的競爭力依然至關重要。
超薄單晶矽片具有多方面的用途。在雷射間接驅動的慣性約束核聚變實驗中，雷射輻照腔壁產生的x射線廣泛應用於輻射輸運實驗、輻射不透明度和輻射驅動衝擊波實驗中，作為驅動源的x射線輻射光譜的測量至關重要。此外，正在建設的歐洲自由電子雷射裝置，其光譜範圍達到25kev，對束線光譜的精確診斷也至關重要。目前對x光譜的診斷主要通過各類晶體譜儀進行測量。而作為高透過率晶體譜儀的主要元件，超薄晶體矽的需求量越來越大，精度越來越高。目前對10μm厚的超薄晶體矽還沒有高效成熟的製備工藝。
另外，當前能源危機與環境問題日趨嚴重，對太陽能利用的需求愈加迫切，但是相對於常規的石化、煤炭發電，太陽能光伏發電成本仍然偏高；高效、低成本是太陽電池技術追求的目標，在眾多的太陽能電池中，晶體矽太陽能電池佔據整個光伏市場的85％左右；目前，產業界所用單晶矽太陽電池的矽片厚度為180μm～200μm，而太陽能發電成本中很大一部分來源於矽片材料，降低成本的一個重要和直接的途徑是降低矽片厚度，在不久的將來，矽片太陽能電池厚度預期可降至40μm以下，這將給太陽能電池技術帶來一場革命。
目前本領域所用的單晶矽片都是通過線狀鋸或線狀網切割單晶矽錠獲得。現代線鋸的核心是在研磨漿配合下用於完成切割動作的超細高強度切割線，切割線直徑已經從原來的180μm降低到了目前普遍使用的100-120μm，矽片的厚度從原來的330μm降低到現在普遍的180μm。而厚度低於100微米的超薄矽片，美國silicongenesis公司在2008年已開始研發利用氫離子注入剝離的方式進行生產，歐洲微電子研究中心imec(interuniversitymicroelectronicscentre)提出了另一種製備超薄矽片的方法，這種方法不同於以往用線鋸切割矽碇的技術，而是利用矽與金屬間的熱膨脹差異來剝取矽片，因此，不會產生由切屑等造成的不必要的浪費，被稱作應力誘導剝離方法(stressinducedlift-offmethod，slim-cut)。然而這些方法在實際操作中受多種不同工藝的影響，製備流程及其複雜，在製備過程中還常常由於腐蝕氧化層和清洗過程中降低矽片表面的清潔度，從而造成最終製備的晶體質量受到限制。
有鑑於此，特提出本發明。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種超薄單晶矽片的製備方法，以解決上述問題。
為了實現本發明的上述目的，特採用以下技術方案：
一種超薄單晶矽片的製備方法，包括：
1)、刻蝕絕緣體上矽中的目標矽層，刻蝕深度為頂層單晶矽的厚度減去(0.8μm～1.2μm)；
2)、腐蝕矽襯底層；
3)、將步驟2)所製備的樣品放入bhf腐蝕液中，並保持樣品在腐蝕液表面漂浮，待氧化掩埋層腐蝕乾淨後撈出目標矽片並清洗。
本發明公開了一種超薄晶體矽的製備方法，該超薄晶體矽的製備方法採用解鍵合工藝，所製備的超薄晶體矽表面光潔、厚度均勻、粗糙度小。所述的製備方法工藝簡單、成品率高。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
本發明採用漂浮法去氧化層，保證腐蝕氧化層和清洗過程中目標矽片表面不接觸任何溶液，從而保證矽片表面的清潔度，減少了超薄矽片清洗流程，降低了矽片損壞。此外，在刻蝕目標矽層的過程中預留了0.8μm～1.2μm的矽層，保證腐蝕矽襯底層後目標矽片不碎裂，提高了製備成品率。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例3中樣品表面光刻的掩膜圖形結構；
圖2為本發明實施例3所述的超薄單晶矽片的製備方法流程示意圖；
圖3為本發明實施例3漂浮法去氧化層工藝示意圖。
具體實施方式
一種超薄單晶矽片的製備方法，包括：
1)、刻蝕絕緣體上矽中的目標矽層，刻蝕深度為頂層單晶矽的厚度減去(0.8μm～1.2μm)；
2)、腐蝕矽襯底層；
3)、將步驟2)所製備的樣品放入bhf腐蝕液中，並保持樣品在腐蝕液表面漂浮，待氧化掩埋層腐蝕乾淨後撈出目標矽片並清洗。
優選的，刻蝕深度為頂層單晶矽的厚度減去(0.9μm～1.1μm)或者，1μm；預留一部分矽層可以保證腐蝕矽襯底層後目標矽片不碎裂，提高了製備成品率。
本發明採用絕緣體上矽(silicon-on-insulator，soi)作為矽源進行刻蝕，soi依次包括矽襯底層、氧化掩埋層和頂層單晶矽。
本發明公開了一種超薄晶體矽的製備方法，該超薄晶體矽的製備方法採用解鍵合工藝，在氧化層腐蝕的過程中，樣品漂浮於表面，目標矽片表面不與液體接觸，保證了目標矽片的表面清潔度，減少了超薄矽片清洗流程，從而降低了超薄矽片在清洗過程中的損害。所製備的超薄晶體矽表面光潔、厚度均勻、粗糙度小。所述的製備方法工藝簡單、成品率高。
優選的，在步驟1)中，進行刻蝕時，先將soi片切割成30mm×300mm樣品；
優選的，使用等離子體刻蝕技術進行刻蝕，優選在六氟化硫氣氛下刻蝕目標矽片。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟1)中，所述目標矽層的厚度為5μm～30μm；
優選的，所述目標矽層的厚度為5μm～20μm；
更優選的，所述目標矽層的厚度為5μm～12μm，還可以為7μm、8μm、9μm、10μm或11μm等。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟1)中，所述絕緣體上矽的矽襯底層厚度為350μm～450μm，氧化掩埋層為450nm～550nm；
更優選的，所述絕緣體上矽的矽襯底層厚度為370μm～430μm，氧化掩埋層為470nm～530nm；
更優選的，所述絕緣體上矽的矽襯底層厚度為400μm，氧化掩埋層為500nm。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，刻蝕絕緣體上矽中的目標矽層時，刻蝕線寬為8μm～12μm；
更優選的，刻蝕線寬為9μm～11μm，或者10μm。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟1)中，刻蝕結束後使用丙酮、酒精以及去離子水中的一種或多種超聲清洗樣品。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟2)中，腐蝕矽襯底層所用的腐蝕液為27wt％～33wt％的氫氧化鉀溶液；
更優選的，腐蝕液為28wt％～32wt％的氫氧化鉀溶液，或29wt％～31wt％的氫氧化鉀溶液，或30wt％的氫氧化鉀溶液。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟2)中，腐蝕矽襯底層時的腐蝕溫度為93℃～97℃，腐蝕過程中保持攪拌，控制腐蝕速率為1.5μm/min～2.5μm/min；
更優選的，腐蝕溫度為95℃，腐蝕速率為2μm/min。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟3)中，所述bhf腐蝕液中氫氟酸的濃度為7wt％～9wt％，氟化氨的濃度為14wt％～18wt％；
更優選的，所述bhf腐蝕液中氫氟酸的濃度為8wt％，氟化氨的濃度為16wt％。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟3)中，樣品在bhf腐蝕液中腐蝕時的溫度為21℃～25℃；更優選為23℃～24℃。
優選的，如上所述的超薄單晶矽片的製備方法，在步驟3)中，所清洗的操作具體包括：
將bhf腐蝕後的矽片撈出後直接放入去離子水中，矽片背面接觸水漂浮於所述去離子水上，浮動水面清洗乾淨背面後撈出吹乾。
下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用於說明本發明，而不應視為限制本發明的範圍。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
實施例1
本實施例提供了一種8μm超薄晶體矽的製備方法，採用解鍵合的工藝方法製備，其工藝過程為：
s11、刻蝕表面薄矽層：
將soi片切割成30mm×300mm樣品，soi片的參數為：矽襯底層厚度為450μm，氧化掩埋層厚度為550nm，頂層單晶矽厚度為8μm，單晶定向矽片。在樣品表面進行光刻，製備出刻蝕掩膜圖形，採用等離子體刻蝕技術在六氟化硫氣氛下刻蝕目標矽片，刻蝕深度為7.2μm，線寬為12μm。刻蝕結束後通過丙酮、酒精和去離子水超聲清洗樣品；
s12、腐蝕矽襯底層：
將s11所製備的樣品放入密封的聚四氟乙烯模具中，在濃度為27wt％的氫氧化鉀溶液中腐蝕，腐蝕溫度為93℃，腐蝕過程中保持攪拌，腐蝕速率約1.5μm/min，腐蝕自動終止於氧化矽層。
s13、漂浮法去氧化掩埋層：
將s12所製備的樣品放入bhf腐蝕液(氫氟酸的濃度為7wt％，氟化氨的濃度為18wt％)中腐蝕氧化層，腐蝕時的溫度為21℃,並使樣品漂浮於腐蝕液表面，氧化層腐蝕結束後，目標矽片在應力作用下解離，漂浮於溶液表面。
將bhf腐蝕後的矽片撈出後直接放入去離子水中，矽片背面接觸水漂浮於所述去離子水上，浮動水面清洗乾淨背面後撈出吹乾，從而使目標矽片在解離和清洗的過程中表面都不受影響，最終得到2個20mm×10mm的8μm厚超薄矽片。
實施例2
本實施例提供了一種12μm超薄晶體矽的製備方法，採用解鍵合的工藝方法製備，其工藝過程為：
s21、刻蝕表面薄矽層：
將soi片切割成30mm×300mm樣品，soi片的參數為：矽襯底層厚度為350μm，氧化掩埋層厚度為450nm，頂層單晶矽厚度為12μm，單晶定向矽片。在樣品表面進行光刻，製備出刻蝕掩膜圖形，採用等離子體刻蝕技術在六氟化硫氣氛下刻蝕目標矽片，刻蝕深度為10.8μm，線寬為12μm。刻蝕結束後通過丙酮、酒精和去離子水超聲清洗樣品；
s22、腐蝕矽襯底層：
將s21所製備的樣品放入密封的聚四氟乙烯模具中，在濃度為33wt％的氫氧化鉀溶液中腐蝕，腐蝕溫度為97℃，腐蝕過程中保持攪拌，腐蝕速率約2.5μm/min，腐蝕自動終止於氧化矽層。
s23、漂浮法去氧化掩埋層：
將s22所製備的樣品放入bhf腐蝕液(氫氟酸的濃度為9wt％，氟化氨的濃度為14wt％)中腐蝕氧化層，腐蝕時的溫度為25℃,並使樣品漂浮於腐蝕液表面，氧化層腐蝕結束後，目標矽片在應力作用下解離，漂浮於溶液表面。
將bhf腐蝕後的矽片撈出後直接放入去離子水中，矽片背面接觸水漂浮於所述去離子水上，浮動水面清洗乾淨背面後撈出吹乾，從而使目標矽片在解離和清洗的過程中表面都不受影響，最終得到2個20mm×10mm的12μm厚超薄矽片。
實施例3
本實施例提供了一種10μm超薄晶體矽的製備方法，採用解鍵合的工藝方法製備，其工藝過程如圖2所示，具體包括：
s31、刻蝕表面薄矽層：
將soi片切割成30mm×300mm樣品，soi片的參數為：矽襯底層厚度為400μm，氧化掩埋層厚度為500nm，頂層單晶矽厚度為10μm，單晶定向矽片。在樣品表面進行光刻，製備出刻蝕掩膜圖形，採用等離子體刻蝕技術在六氟化硫氣氛下刻蝕目標矽片，刻蝕深度為9μm，線寬為10μm(如圖1所示)。刻蝕結束後通過丙酮、酒精和去離子水超聲清洗樣品；
s32、腐蝕矽襯底層：
將s31所製備的樣品放入密封的聚四氟乙烯模具中，在濃度為30wt％的氫氧化鉀溶液中腐蝕，腐蝕溫度為95℃，腐蝕過程中保持攪拌，腐蝕速率約2μm/min，腐蝕自動終止於氧化矽層。
s33、漂浮法去氧化掩埋層：
將s32所製備的樣品放入bhf腐蝕液(氫氟酸的濃度為8wt％，氟化氨的濃度為16wt％)中腐蝕氧化層，腐蝕時的溫度為23℃,並使樣品漂浮於腐蝕液表面，氧化層腐蝕結束後，目標矽片在應力作用下解離，漂浮於溶液表面(圖3)。
將bhf腐蝕後的矽片撈出後直接放入去離子水中，矽片背面接觸水漂浮於所述去離子水上，浮動水面清洗乾淨背面後撈出吹乾，從而使目標矽片在解離和清洗的過程中表面都不受影響，最終得到2個20mm×10mm的10μm厚超薄矽片。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，但本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。