CN101765487A - 用半导体制备薄片或薄膜的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用半导体(1)制备薄片或薄膜的方法和装置。为此，有利于用激光器作为切割工具(2)，其激光束用合适的光学元件例如圆柱透镜这样聚焦，使其不产生点状强度分布而是产生线状强度分布来切割半导体薄膜(3)。此外，多个线状强度分布适合这样排列，即在半导体(1)的整个宽度上产生一条切割线。这样，整个切割线可准连续地(以激光器的重复率)进行切割。其中，面向半导体(1)的聚焦激光束的边缘激光束最好平行于半导体(1)边缘延伸。在面向半导体薄膜(3)的一侧上，边缘激光束在切割工具(2)的尖刃附近跟踪半导体薄膜(3)的曲率半径，并随着离焦点(切割工具2的尖刃)的距离的不断增加而产生扩大的缝隙。

Description

用半导体制备薄片或薄膜的方法和装置

技术领域

本发明涉及用半导体例如多晶坯或单晶棒制备薄片或薄膜的方法和装置。

背景技术

通常用线锯切割脆硬的工件(例如硅)。原则上用两种方法(见DE 19959414说明)：在磨切时要用锯悬浮液，而在切割时，切刃与锯线固定连接。其中切割过程通过锯线与工件的相对运动来完成，这点对两种方法都适用。DE 19959474是通过工件围绕其纵轴旋转来实现这种相对运动的。通常是锯线运动，并例如借助导向辊多次通过工件，这样可同时切割许多硅片。在用脆性的金刚石锯线切割时，特别适用多排线锯(DE 19959414)，因为锯线不通过导向产生机械应力。

现在多用线锯来制备光生伏打用的厚约200微米的硅片。在这种情况下，最小锯缝受到锯线直径和锯悬浮液的限制。

正如US 2004055634所述，单晶硅棒的切割可能是用于制备硅片的一种重要的选择方案。这时用离子束、电子束或激光束照射硅棒表面，以便有目的地产生晶格缺陷。这最好沿着一条由晶轴给定的直线进行，这样稍后的切割平面就相当于一个晶格平面。切割过程例如沿着已产生的晶格缺陷通过机械的切力来完成。这种切割不产生锯切损失。其他的优点还有纯粹的晶体裂开面、较快的切割过程和很平的表面。US2004055634给出每米硅棒长度可制备10000个硅片。

如果用激光束局部加热硅棒表面，则可不用真空环境。DE 3403826描述一种用激光有目的地局部加热环绕硅棒表面的刻痕的方法，硅片随着温度剧变处理即可从硅棒裂解。但由于刻痕的机械加工，硅片的厚度预期为下限。

JP 2002184724用聚焦切割激光束局部加热表面。上述后两种方法像US 2004055634一样，都需要单晶作原材料。所以裂解切割方法将来是否可实现经济地用于制备半导体薄片仍然是一个悬而未决的问题。

US 2005199592也描述了一种用激光束切割硅的切割方法，但涉及的是把硅片切割成单个芯片。为此，例如Nd:YAG(钕石榴石)激光器(1064纳米)这样聚焦，使焦点位于硅片之内。这样就会产生微裂纹，这些微裂纹通过适当的分布而变成硅片的规定分裂线。如果附加地在表面用金刚石切具机械地，或用激光器产生刻痕，则分裂线可更精确地确定。这样硅片通过机械力作用就可沿着事先确定的分裂线裂开。US2005199592以625微米厚的硅片为例描述了裂开过程。对这种硅片厚度来说，可有目的地确定分裂边，但这种方法不可任意地用于较厚的材料厚度，因为聚焦镜的工作距离和激光束的吸收限制了穿透深度。

用聚焦激光束加工材料时，工作区一般限制在聚点附近的范围。DE19518263描述了一种材料加工装置，激光束以液体喷射流引到材料表面。为此，聚焦激光束借助一个特别喷嘴接入尽可层状的液体喷射流中。这种方法也用于切割硅片。其切割宽度典型地达到50微米，这基本上是由流体喷射流决定的。但人们已观察到这种方法虽然用纳秒脉冲产生熔化区，但其重新固化后则会损害工件的机械稳定性。

当用短激光脉冲工作时，熔化区明显减少。DE 10020559称，用超短激光脉冲(飞(10^-15)秒激光脉冲)进行材料加工则具有如下优点：“用超短激光脉冲进行材料加工的独特优点特别是在材料的极精确的和热致以及机械损伤最小的切割和/或去除时尤为明显。用小于500纳米的切削宽度可达到亚微米范围的去除率。”与用纳秒脉冲加工相比，热致和机械的最小损害的加工是决定性的优点。

但只有在有限的聚焦深度以内的加工才可达到很小的切削宽度，所以在大的切割深度时切缝宽度由于激光聚焦而相应地增加。

众所周知，在充分利用上述优点的情况下，也可用飞秒激光脉冲加工硅。及其合作者在切割50微米厚的硅片时达到了10～15微米的切缝宽度。他们还证明了沿着切割线取向的线状激光分布比点状激光分布可提高切割速率。在窄的切割缝时，工作区也局限于焦点周围的空间有限的区域。所以在制备刚硬的硅片时，不可能实现窄的切缝宽度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过切割半导体制备半导体薄膜尤其是硅薄膜的方法以及一种实施该方法的装置。

这个目的是通过权利要求1的方法和权利要求15的装置来实现的。

像半导体材料这种脆硬的材料本身是相当刚硬和易脆的，而本发明方法则以有利的方式有目的地利用了半导体薄片越薄就变得越易弯曲的特性。

用切割工具切割半导体制备半导体薄膜尤其是硅薄膜的方法按下列工序是特别有利的，即：

a.准备好所用的半导体；

b.切割工具接触半导体；

c.在半导体和切割工具之间进行相对运动，以便从半导体连续切割半导体薄膜；

d.把已经自由切割的半导体薄膜部分从半导体叉开；

e.必要时支撑切割的半导体薄膜的已经自由切割的部分；

f.取下半导体薄膜的完全切割的部分并将其送到后续处理站或仓库。

如果通过切割半导体坯的一面来制备半导体薄膜或通过切线切割半导体棒的一个圆周面来制备半导体薄膜，则上述方法是特别有利的。通过在半导体棒的圆周上多处交错的切线切割半导体棒的圆周面，可有利地同时切割较多的薄膜。

如果通过半导体薄膜的已切割的部分从半导体叉开而为切割工具提供一个空间，则可特别有利地使用本发明方法，这个空间由半导体上的各面、切割工具刃的面和一个面向半导体的已叉开的半导体薄膜的面构成。

在切割时，可用强聚焦的脉冲激光束和/或带有液体或气体腐蚀介质的探头。如果切割在真空中或在保护气氛中进行，也是有利的。

此外，如果在切割时聚焦的激光束改进了半导体材料和改进的半导体材料用一种液体的或气体的腐蚀介质去除，也是有利的。

通过上述的切线切割半导体棒的圆周面特别有利于制备几乎任意长的半导体薄膜，通过在半导体棒的圆周上多处交错的切线切割，则可同时制备几乎任意长的多个半导体薄膜。

如果切割在工件温度高于200℃的情况下进行，也是很有利的。

本发明的方法有利于用这样一种装置，该装置具有叉开半导体薄膜的自由切割部分的叉开和支撑半导体薄膜的自由切割部分的元件。半导体薄膜自由切割部分的叉开元件可设计成拉力和/或压力元件并可作用在半导体薄膜的自由切割部分上。这种元件例如可设计成静电工作的元件并可作用在半导体薄膜的自由切割部分上。但这种元件也可设计成用负压或过压工作的元件，特别是用真空工作的元件有利于啮合在半导体薄膜的自由切割部分上。

而半导体薄膜的自由切割部分的支撑元件则有利于设计成支撑辊并这样支撑半导体薄膜的已切割部分，即不得低于叉开的半导体薄膜的最小曲率半径。

此外，如果支撑辊设计成使叉开的半导体薄膜只产生弹性变形，则是有利的。

实施本发明方法的装置例如以有利的方式这样实现：切削工具用脉冲激光器，其脉冲长度小于10e-9s，且脉冲激光器应具有高的激光束质量和强聚焦。

为了大面积切割，可用具有线状强度分布的激光器。

如果用一种其激光束可在某种介质中被引到加工部位的激光器，也是也利的。这种介质可以是玻璃纤维。

此外，用纤维激光器也是有利的，用倍频激光器同样也是有利的。

附图说明

下面结合附图所示的实施例来更详细地说明本发明。

附图表示：

图1切割过程的原理图；

图2切线切割的原理图；

图3带自由空间的图2切线切割的原理图；

图4带自由空间的多处切线切割的原理图；

图5带自由空间的图1切割过程的原理图。

具体实施方式

图1示意地示出了半导体1，该半导体用未示出的夹具固定在未示出的机床上。切割工具2位于与半导体1接触的状态并用于从半导体1切割半导体薄膜3。该半导体例如是硅棒并由一种很难加工的材料组成，因为这种材料具有一定的脆性硬度。各种有利的加工方法已在本说明书引言中详细述及。根据本发明，切割工具可以是聚焦激光束，其所用的介质为尖头玻璃纤维、可以是带腐蚀介质的探头、机械刀具或别的合适的切割工具。下面以强聚焦的激光束作为切割工具2来进行说明，这种激光束可产生只有很小切缝宽度5的切割缝4。通过本发明叉开切割时产生的半导体膜3，在半导体1和切割的半导体膜3之间形成一个自由空间6，切割工具2可在该空间的分界面之间工作。自由空间6通过半导体1的切割面7、切割刀具2的尖刃和一个面向半导体1的已叉开的半导体薄膜3的面界定，这在稍后结合图5还要详细进行说明。

叉开是通过动作元件来实现的，这种元件把拉力或压力作用到半导体薄膜3的已切割的区域。为清楚起见，这些拉力或压力用两个箭头P1和P2表示，其中箭头P1表示压力，而箭头P2则表示拉力。半导体薄膜3的叉开元件可通过机械的动作元件或通过无接触的动作元件来实现。也可用静电方式叉开，还可用真空实现半导体薄膜的叉开。同样可通过有目的的过剩空气量这样叉开半导体薄膜3的已切割的区域，使其为切割工具2提供所需的自由空间6。

切缝4的总切缝宽度5不再由切割工具2的宽度来决定，而是只由切割工具2的尖刃9的宽度来决定，后者明显比现有技术用于制备硅片的锯线窄，因此，明显地减少了半导体材料的切割损耗，这是因为决定损耗的切割缝宽度5比现有技术明显减少的缘故。在用强聚焦激光束作为切割工具2时，明显减少了单位面积的硅耗量，因为工作区即切割宽度5只限制在切割工具2的焦点周围的区域。通过按本发明叉开已自由切割的半导体薄膜3，使提供切割所需的自由空间成为可能。切割的半导体薄膜3越薄，它就变得越易弯曲和越方便叉开，其极限是由半导体薄膜3的弹性变形给定的。为了防止叉开的半导体薄膜3的折断，设置有半导体薄膜3的已自由切割的部分的支撑元件，该元件设计成支撑辊10并这样支撑半导体薄膜3的已切割部分，即不低于分开的半导体薄膜3的最小曲率半径。支撑辊10的布置和几何形状选择成使叉开的半导体薄膜3只产生弹性变形。支撑辊10的布置可在未示出的刀架滑板上这样进行运动，即它可随切割运动。这就确保了半导体薄膜3的已切割区域总是被最佳地支撑着。

图2以图1所述的类似方式示出了从半导体棒11的圆周面切割薄膜3的过程。相同的或作用相同的部分仍用相同的附图标记，以免重复，所以，对这些相同部分不再赘述。强聚焦的激光的尖刃9作为切割工具2从不断旋转着的半导体棒11进行半导体薄膜3的切割。通过用半导体棒11作为原材料，可使切割的薄膜长度变得很长，从理论上讲可达几千米。半导体棒11的圆形形状还可同时从一根半导体棒切割多个半导体薄膜3、31、32，如图4示意示出。示意示出的三个半导体薄膜3、31、32原则上按已述的方式方法分别由三个支撑辊10、101、102支撑。这里相同的或作用相同的部分也用相同的附图标记，以免重复。

图3表示通过切割面7和面向半导体棒11的半导体薄膜3的一面为不断旋转的半导体棒11旁边的切割工具2提供的自由空间6，这里未示出工具的尖刃。

相关的叙述适用于图4所示的自由空间。

图5表示在图1未示出切割工具时该图的自由空间6。这里相同或相同作用的部分仍用相同的附图标记。

在本发明的范围内用激光器作切割工具2是有优点的，其激光束用适当的光学元件例如圆柱透镜或绕射光学元件这样聚焦，使其不产生点状强度分布而是产生线状强度分布来切割半导体薄膜3。此外，多个线状强度分布适合这样相互排列，即在半导体1、11的整个宽度上产生一条切割线，这样，整个切割线可以准连续地(以激光器的重复率)进行切割。

此外，面向半导体1、11的聚焦激光束的边缘激光束最好平行于半导体1、11和边缘延伸。在面向半导体薄膜3、31、32的一侧上，边缘激光束在切割工具2的尖刃9的附近跟踪半导体薄膜3、31、32的曲率半径，并随着离焦点(切割工具2的尖刃)的距离的不断增加而产生一个扩大的缝隙。

用飞秒激光器进行硅切割的优点是：不是在保护气氛中或是在与蒸发的硅起反应的气氛中便是在真空中进行加工。所以可避免不希望有的反应产物，并可改善表面质量。

在直接的激光切割附近，半导体材料即通常为硅的切割缝暂时也只是有所变态，随后用气体的腐蚀介质或腐蚀液体有选择地去除(主要是变态的材料)。

例如飞秒纤维激光器适合作激光源。特别是倍频对高效率是有优点的，因为在较短的波长时可减少烧蚀阈的能量密度。

在用飞秒激光器切割时，提高硅的温度可增加切割速率。

附图标记

1    半导体

2    切割工具

3    半导体薄膜

4    切割缝

5    切割缝宽度

6    自由空间

7    切割面

8    半导体薄膜面

9    切割工具2的尖刃

10   支撑辊

11   半导体棒

31   半导体薄膜

32   半导体薄膜

101  支撑辊

102  支撑辊

Claims (34)

1.用切割工具切割半导体制备半导体薄膜尤其是硅薄膜的方法以下列工序为其特征：

a.准备好半导体(1、11)；

b.切割工具(2)接触半导体(1、11)；

c.在半导体(1、11)和切割工具(2)之间进行相对运动，以便从半导体(1、11)连续切割半导体薄膜(3、31、32)；

d.把已自由切割的半导体薄膜(3、31、32)的部分(8)从半导体(1、11)叉开，

e.必要时支撑切割的半导体薄膜(3、31、32)的已自由切割的部分(8)；

f.取下半导体薄膜的完全切割的部分并将其送到后续处理站或仓库。

2.按权利要求1的方法，其特征为，通过切割半导体棒(1)的一面(7)制备半导体薄膜(3、31、32)。

3.按权利要求1的方法，其特征为，通过切线切割半导体棒(11)的圆周面(7)制备半导体薄膜(3、31、32)。

4.按权利要求3的方法，其特征为，通过在半导体棒的圆周上多处交错的切线切割半导体棒(11)的圆周面制备半导体薄膜(3、31、32)。

5.按权利要求1的方法，其特征为，通过已切割的半导体薄膜(3、31、32)的部分从半导体(1、11)的叉开为切割工具(2)提供一个自由空间(6)。

6.按权利要求5的方法，其特征为，自由空间(6)由半导体(1、11)上的各面(7)、切割工具(2)的尖刃(9)的面(7)和已叉开的半导体薄膜(3、32)的面向半导体(1、11)的一面(8)构成。

7.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，用强聚焦的脉冲激光束进行切割。

8.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，用带有液体或气体腐蚀介质的探头进行切割。

9.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，切割在真空中或特殊保护气氛中进行。

10.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，聚焦激光束用于切割时，半导体材料产生变态，且变态了的半导体材料用液体或气体腐蚀介质去除。

11.按权利要求3的方法，其特征为，通过切线切割半导体棒(11)的圆周面(7)，可制备几乎任意长的半导体薄膜(3、31、32)。

12.按权利要求3或11的方法，其特征为，通过在半导体棒(11)的圆周上多处交错的切线切割，可同时制备几乎任意长的多个半导体薄膜。

13.按前述权利要求任一项的方法，其特征为，在工件温度高于200℃的情况下进行切割。

14.半导体薄膜尤其是硅薄膜的制备方法，其特征为，通过从半导体棒(11)的圆周面(7)的切线切割，实现半导体薄膜(3、31、32)的制备。

15.特别是用于实施权利要求1所述方法的装置，其特征为，该装置具有用于半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的叉开元件并优先具有用于半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的支撑元件。

16.按权利要求15的装置，其特征为，半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的叉开元件设计成拉力和/或压力元件并作用在半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分上。

17.按权利要求16的装置，其特征为，半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的叉开元件设计成静电工作的元件并作用在半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分上。

18.按权利要求16的装置，其特征为，半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的叉开元件设计成用负压或过压工作的元件并作用在半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分上。

19.按权利要求16的装置，其特征为，半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的叉开元件设计成用真空工作的元件并作用在半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分上。

20.按权利要求16的装置，其特征为，半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的叉开元件设计成用压缩气体工作的元件并作用在半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分上。

21.按权利要求15的装置，其特征为，半导体薄膜(3、31、32)的自由切割部分的支撑元件设计成支撑辊(10)并这样支撑半导体薄膜(3、31、32)的已切割部分，即不得低于叉开的半导体薄膜(3、31、32)的最小曲率半径。

22.按权利要求21的装置，其特征为，支撑辊(10)设计成使叉开的半导体薄膜(3、31、32)只产生弹性变形。

23.按权利要求1的装置，其特征为，切割工具(2)用脉冲激光器，其脉冲长度小于10e-9s。

24.按权利要求23的装置，其特征为，脉冲激光器具有高的激光束质量，而且是强聚焦的。

25.按前述权利要求任一项的装置，其特征为，使用具有线状强度分布的激光器。

26.按前述权利要求任一项的装置，其特征为，使用这样的激光器，其激光束在一种介质中被引到加工部位附近。

27.按权利要求26的装置，其特征为，作为介质使用玻璃纤维。

28.按前述权利要求任一项的装置，其特征为，使用纤维激光器。

29.按前述权利要求任一项的装置，其特征为，使用倍频激光器。

30.按权利要求1至14所述的方法制备半导体薄膜。

31.按权利要求30的半导体薄膜，其特征为，这种薄膜比其从切割的硅坯或硅棒的圆周长得多。

32.按前述权利要求任一项的半导体薄膜，其特征为，在薄膜上的任意的三点之间的三条连线的至少两条连线不位于一条直线上且其平面垂线是平行的，其特点是，晶体取向沿着连线连续变化。

33.具有权利要求15～29所述装置的设备用于按权利要求1～14所述方法制备薄膜。

34.生产线具有权利要求33所述的设备。

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