提升多晶硅钻石线切片良率,超能: 关键在于氮化硅粉

自直拉单晶导入钻石线切割工艺后，生产成本降低，逐渐侵蚀多晶硅市占率，使得多晶硅铸锭生产厂家备感压力，为了维持竞争优势，纷纷引入钻石线切片。

钻石线切片在多晶硅与单晶硅上状况有所不同，多晶硅长晶程序因其特性，存在许多硬质点(inclusions)，在切片时容易造成断线，进而降低良率，增加生产成本；为提升钻石线切片良率，其根本之道即是减少硬质点的发生。

多晶铸锭硬质点的来源众多，氮化硅之类型为其中一关键因素

造成多晶硅钻石线切片断线的原因之一为“硬质点复合析出物”，尺寸多为数十微米甚至是毫米级[1]，是由氮化硅(Si3N4)于硅熔汤中裂解析出(precipitation)成针状β相氮化硅[2][3]与碳化硅(SiC)共伴作用形成夹杂物粒子(particles)以及团簇(clusters)等复合物，如下图1与图2所示[4]：

硬质点复合析出物之组成主要由碳化硅与β相针状氮化硅所构成，其中碳化硅夹杂物为石英坩埚之SiO2与石墨构件之C在高温下进一步作用生成β相碳化硅，其反应式如下列式(1)与式(2)所表示[5][6]：

许多国外研究中证实[4][7][8]，针状β相氮化硅为氮化硅涂层在高温下，裂解成为Si与N，当N在硅熔汤中含量超过其最大固溶度(solid solubility)时，析出针状β相氮化硅，形成硬质点成核中心(nucleation site)，如下列式(3)所表示：

α相及β相氮化硅粉皆可作为坩埚内侧隔绝保护层，减少坩埚杂质扩散至晶锭。在长晶程序中，氮化硅坩埚喷涂层剥落于硅熔汤里，形成为数微米的杂质。于高温时，α相氮化硅除了发生裂解析出针状β相氮化硅外，也可进行相变化反应(phase transformation)，部分转化成为β相氮化硅[2]，如下列式(4)所表示：

由上述可知，长晶工艺中之副反应所生成之硬质点复合析出物，将会增加钻石线切片断线率；市售α相氮化硅粉之生产是在低温环境下合成，高温环境下热稳定性较差，在多晶硅长晶程序中将更易裂解，增加硬质点复合析出物的发生率，因此在氮化硅粉之选用上不得不谨慎，应选用含有高β相之氮化硅粉，以抑制裂解反应，降低硬质点复合析出物之产生。

降低多晶铸锭硬质点之关键，在于高效能氮化硅粉之选用

超能所生产之氮化硅粉，含有业界最高β相含量，如图3所示，颗粒状粉体外型，同时具有绝佳粒径配比，如图4所示，而新型产品更加强微烧结作用，强化涂层中氮化硅颗粒间的结合力，形成致密高温稳定性的结构，有效地避免涂层出现剥落或掉粉情况，减少铸锭杂质，又因含有高β相比例，降低高温裂解发生，进而减少硬质点复合析出物之产生，将有助多晶硅钻石线切片良率提高。

根据实测，采用超能SN-02氮化硅粉作为坩埚脱模阻隔剂，不但有效降低多晶铸锭杂质与含氧量，同时降低铸锭硬质点复合析出物的生成，促使铸锭的硅片得片数增加，不良片率减少50%，大幅创造额外的收益！

参考文献

[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-Si₃N₄particles 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

[4] A. K. Søiland, E. J. Øvrelid, T. A. Engh, O. Lohne, J. K. Tuset, Ø. Gjerstad, SiC and Si₃N₄inclusions in multicrystalline silicon ingots, Mater. Sci. Semicond. Process. 7 (2004) 39.

[5] A. W. Weimer, K. J. Nilsen, G. A. Cochran, R. P. Roach, Kinetics of carbothermal reduction synthesis of beta silicon carbide, AIChE Journal 39 (1993) 493

[6] A.Favre, H.Fuzellier, J Suptil, An original way to investigate the siliconizing of carbon materials, Ceramics International 29 (2003) 235

[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.