CN103781587A - 用于生产硅细棒的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备多晶硅细棒的方法和系统，该方法和系统包括：将多晶硅片放置在夹具上；向该多晶硅片施加预定的激光束或磨蚀射流；以及将多晶硅细棒与多晶硅片分离。激光束可用于根据选定的操作参数进行切割或裂解。也可以存在所使用的切割和裂解的各种组合，以便将细棒与多晶硅片分离。例如，激光切割可以被划线和/或局部切割，并且分离可以通过裂解剩余的硅实现。在该情况下，裂解可例如通过机械弯曲或激光裂解实现。一般而言，用于裂解的激光束可不同于用于切割的激光束且具有不同于用于切割的激光束的操作参数。

Description

用于生产硅细棒的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月29日递交的美国临时专利申请61/513,237的优先权权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本申请大体上涉及用于切割硅的系统和方法。更具体而言，本申请涉及用于产生和处理硅细棒的系统和方法。

背景技术

生产各个工业所使用的多晶硅材料的一个过程涉及使多晶硅“生长”到高纯度多晶硅的基底上。例如，西门子法或类似的化学蒸汽沉积（CVD）法用于生产约80%的目前生产的高纯度多晶硅。在西门子法中，多晶硅圆柱（有时称为晶锭）通过将气态硅化合物热解到硅基片（有时称为细棒）上而产生。在这些过程中，多晶硅材料通过在上升的温度下向多晶硅芯材的化学沉积而在化学反应器中生长。典型地，芯材起初形成到U形丝（有时称为发卡）中，其由压力器皿包围并至少部分地通过流经其的电流而被加热。气体馈送到压力器皿中，并且附加材料通过化学蒸汽沉积（CVD）沉积到丝上，直到其充分地生长到横截面和表面积最终形成所期望直径的近似圆柱形横截面并被移除。所产生的组合丝被切割成圆柱形段（称为晶锭）。所产生的材料预期成为超纯硅，其用作包括生产半导体和光伏晶片的后期过程的原料。发卡典型地通过将多晶硅的长薄带（已知为细棒）与交联部相连结而产生。细棒可以多种替换方式产生。

存在修改的不需要发卡电极的用于产生多晶硅的方法，其代替“钟罩”状腔使用管形腔以及直线形丝。这些方法仍然需要产生细棒。而且所有方法都选择性地避免对细棒的需要，但至今为止没有一个过程被证明如西门子法或类似方法那样有效。

细棒可以多种替换方式产生。在一些情况中，细棒通过使一些反应器输出物再循环而产生。晶锭被切割成坯料且随后切割成薄带（细棒），这些薄带连结在一起以形成新的丝。传统上，锯切用于制造硅细棒。然而，该方法典型地产生大量切缝，从而导致减小的材料利用率。锯切也往往具有低的馈送率从而导致低的生产量并需要相当大量的设备来支持大批量工厂。锯切也是一种因磨料和其他材料而具有固有污染可能性的接触方法，这对于生产高纯度材料而言是潜在的不利因素。锯切也易于导致破损，该破损导致降低的制程良率。细棒典型地在一侧为6至12毫米，而切缝典型地为1.2至1.5mm。切缝材料可被再循环，但这仍然代表可用材料的大量损失。在一些情况中，锯切切缝损失为约18%（1.2mm切缝相对于6.5mm宽的细棒）。典型地，也需要化学刻蚀或其他方法用来在锯切之后清洁细棒。所产生的48个晶锭中的约1个晶锭被切割成细棒以重新使用于生成系统中。

有点矛盾的两个参数是使发卡尽可能长以及尽可能薄的需求，以便最大化材料利用率以及反应器腔利用率。由于棒变得更长更薄，因此变得更难以在不破损的情况下将其切割，并且当然，切缝损失加重（也就是，所消耗的多晶硅的份额变得更大）。

在可替代方案中可使用金刚石线锯。金刚石线锯可将切缝损失减小到0.2mm以下，但具有其他限制。例如，金刚石线锯典型地为一个缓慢过程：由于线的切割力和热管理也是关键的，因此线速度和材料移除率受限。典型的切割速度在mm/分钟的量级，因此将坯料的长度典型地切割成最大2.3m的长度，这可以是非常耗时的。另外，线切割在没有冷却剂的情况下典型地更为缓慢地进行，从而在冷却剂的使用与降低的馈送率之间形成一种折中，这些都是不期望的。

在可替换的过程中，细棒可以可替代地通过从坩埚中拉制硅而产生；然而，这是一个缓慢且能量消耗量大的过程。此外，所产生的棒轮廓（其通常为圆柱形）使得例如通过对焊接将细棒组装到发卡丝中变得更为困难。

还应理解，切割工具（盘、线、颗粒等）具有工具磨损的问题，因为切割工具典型地包括需要经常更换的零件。

一般而言，生产细棒的成本在生产高纯度多晶硅中是显著的成本因素。需要提供改进的用于生产细棒的系统和方法，其可提供如下至少一个优点：增加设备容量、减小占地面积、减小能量使用、减小废料以及消耗品，尤其是用于减小制造成本。

在检查改进时，材料利用率是一个有用的参数：可由单个晶锭产生的细棒数量越多，需要维持过程的晶锭的数量越少，因此对于给定的反应器容量而言输出越大量的多晶硅。如上所述，影响材料利用率的因素是切缝损失以及破损和细棒尺寸。

发明内容

因此，希望减少以前的用于生产和制造硅细棒的系统和方法的至少一个缺点。

在此根据一个方面，提供一种用于生产多晶硅细棒的方法，该方法包括：将多晶硅片放置在夹具上；向所述多晶硅片施加预定的激光束；以及将多晶硅细棒与所述多晶硅片分离。

在特殊情况下，所述预定的激光束可包括多个激光束。作为示例，利用多个激光束，多个细棒可同时制备。

将理解的是，如下所述，激光束可根据选定的操作参数用于切割或用于裂解。

在进一步的特殊情况下，所述预定的激光束可配置为用于切割所述多晶硅片。

在又一进一步的特殊情况下，所述预定的激光束配置为用于裂解所述多晶硅片。

将理解的是，可以存在所使用的切割和裂解的各种组合以便将细棒与所述多晶硅片分离。例如，激光切割可为局部切割，并且分离通过裂解剩余的硅实现。在该情况下，裂解可例如通过机械弯曲或激光裂解实现。在该情况下，用于裂解的激光束可不同于用于切割的激光束并具有与用于切割的激光束不同的操作参数。

在切割或裂解的情况下，将理解的是，所述预定的激光束将基于各种因素而选择，这些因素例如包括硅片的特别是沿切割线的厚度、切割深度或用于裂解硅所需的穿入深度、所期望的过程馈送率、激光功率或如本文所述的其他因素等。

在一些情况下，过程馈送率和/或激光功率可相对于激光光点测量裂缝尖端位置或通过光学传感测量硅中的应力而被控制。

在另一特殊情况下，该方法可包括在施加所述预定的激光束期间施加保护气体和/或在施加所述预定的激光束期间施加辅助气体。

在又一特殊情况下，该方法可包括向所述多晶硅片施加压缩。特别是，压缩量需要被精确控制且可变以允许在过程中进行调节。在一些情况下，可沿切割线或裂解线的长度近似均匀地施加压力。在一个特殊情况下，裂解可通过在激光切割之后马上去除压缩而实现。

在又一特殊情况下，该方法可包括在施加所述预定的激光束之前，对所述多晶硅片的至少一部分表面进行纹理化。纹理化可以各种方式施加，例如通过使用激光或通过从先前处理中在硅上留下切割标记进行。在一些情况下，纹理化可在硅的整个表面上进行，而在其他情况下，纹理化可在切割线附近选择性地施加。

在另一特殊情况下，该方法可包括在施加所述预定的激光束之后或期间，冷却所述多晶硅片。

在再一情况下，该方法可包括在施加所述预定的激光束之前，对所述多晶硅片进行划线。在该情况下，划线可在施加所述预定的激光束之前被抛光或磨光。而且，多晶硅片可在第一和第二表面上都被划线以帮助切割或裂解。而且，划线可用于仅一部分切割线或裂解线。在一些情况下，划线可通过激光束执行，提供激光束的激光可与用于切割或裂解的激光相同或不同。当激光相同时，激光可配置为对于每一操作具有不同的束轮廓和过程参数。在特殊情况下，预定的激光束可用于形成划线，第二激光用于以快速连续的方式在单个切割操作内执行裂解。在该情况下，划线激光可为脉冲激光，并且划线过程的馈送率通过调节脉冲激光的发放率而匹配于裂解过程的馈送率。将理解的是，多晶硅片可以快速连续的方式被划线和切割或裂解，例如使用内嵌布置的两个激光。

根据本文的另一方面，提供一种用于制备多晶硅细棒的系统，该系统包括：用于保持多晶硅片的夹具；以及适于在所述多晶硅片上引导至少一个激光束以将至少一个多晶硅细棒与所述多晶硅片分离的至少一个激光。

在特殊情况下，所述多晶硅片是厚度近似等于所述多晶硅细棒厚度的平坦坯料。

在另一特殊情况下，所述预定的激光束配置为用于切割所述多晶硅片。

在又一特殊情况下，所述预定的激光束配置为用于裂解所述多晶硅片。

在另一特殊情况下，该系统可包括适于冷却所述多晶硅片的至少一个表面的冷却系统。

在又一特殊情况下，所述夹具是竖直保持夹具。

在进一步的特殊情况下，该系统可包括设计用于收集所述多晶硅细棒和保护所述多晶硅细棒免受残渣影响的支座。

根据本文的另一方面，提供一种用于制备多晶硅细棒的方法，该方法包括：将多晶硅片放置在夹具上；向所述多晶硅片施加预定的磨蚀射流；以及将多晶硅细棒与所述多晶硅片分离。

在特殊情况下，所述磨蚀射流可以是水射流。在另一情况下，所述磨蚀射流可以是从切割操作中回收的硅。

本申请的各个方面在下面说明，在浏览以下结合附图对具体实施例的说明之后，其他方面和特征对于本领域普通技术人员而言将变得明显。

附图说明

现在将参照附图、仅利用示例说明本申请的实施例。

图1为在生产硅时使用的反应器和细棒的横截面；

图2为常规发卡的俯视图；

图3示出细棒生产步骤；

图4为示出用于从激光裂解生产细棒的方法的流程图；

图5示出细棒激光裂解；

图6为示出用于从激光切割生产细棒的方法的流程图；

图7示出竖直坯料保持夹具；

图8示出坯料处理夹具；

图9为示出硅光谱吸收的示意图；

图10为生产细棒的方法的流程图；以及

图11为制造细棒的可替换方法的流程图。

具体实施方式

大体上，本申请提供用于生产或制备硅细棒的方法和系统。本系统和方法涉及将多晶硅处理成带（细棒），丝由该带构成。在一个实施例中，硅的晶锭被处理成适当厚度的坯料，然后使用如下所述的一个或多个方法进一步处理成大致正方形的带（细棒）。这些系统和方法可大体上分为切割和裂解，这二者都致力于零或低切缝方法。所描述的切割方法致力于产生减少的切缝以及较少的破损，从而导致较高的材料利用率。所描述的裂解方法可产生零宽度切缝，从而导致甚至更高的材料利用率。裂解方法包括使用激光在材料中形成内应力，以便以受控方式传播裂缝。裂解可通过划线操作进行以便形成裂解初始点。

通过减少或基本消除切缝损失，可以使来自晶锭的约18-20%更多的细棒以与晶锭数量同等的减缩再循环到细棒中。例如，如果一般需要48个晶锭中的1个晶锭，那么仅需要56个晶锭中的1个晶锭，从而使生产能力增加约0.3%，同时细棒制造成本下降约15%。

如上所述，所描述的系统和方法致力于最小化与材料的接触、减小切缝损失和工具磨损，和/或提高更大的过程速度。将硅坯料分离成细棒的各种考虑的方法包括：（a）具有磨蚀颗粒的流体射流切割，其中流体为空气，颗粒为硅、二氧化硅、金刚石、碳化物或其他非污染颗粒；（b）具有磨蚀颗粒（如在“a”中）的流体射流切割，其中流体为水；（c）使用水导向激光束的激光切割；（d）具有或不具有保护气体以及具有或不具有辅助气体的激光切割；（e）随后接有机械应力（划线及折断）的激光划线或切槽；（f）随后接有激光诱导应力裂解的、在材料的一面或两面上具有划线或切槽的激光划线或切槽；以及（g）没有划线或具有种晶划痕的激光诱导应力裂解。

这些方法中的一些方法包括附加方面，例如：（a）使用可能从废料中产生的超纯度硅颗粒的颗粒切割；（b）单独使用激光诱导应力以导致裂解；（c）在两个表面上划线或切槽；（d）使用辅助气体（例如氢气）产生激光切割的挥发产物；或（e）可能倾斜地对准激光以利于裂解。

本文所描述的过程特别致力于用于分离毫米尺度的硅；例如，将厚度为6至12mm量级、长度为1000至2500mm量级的硅坯料切割成宽度为6至12mm量级的细棒。

所描述方法的一些预期特征包括：（a）可能使用夹持以稳定侧向力和/或在切割线上施加压缩，其已被证明减少破损并允许馈送率增大；（b）在激光诱导裂解的情况下，表面纹理化以利于效率和能量耦合均匀，从而比常规方法提高更好的质量和更快的过程。纹理化可通过各种手段实现，包括化学刻蚀、激光点刻、喷丸等；（c）对于激光诱导裂解，使用非圆形的激光点，其具有基于过程要求被优化的功率分布；（d）不使用划线、切槽、芯片或其他用于启动或导向过程的特征的激光诱导裂解；（e）在裂解之前激光划线或切槽的情况下，对各对置表面进行划线或切槽以利于分离速度和边缘质量；（f）在激光切槽或切割的情况下，使用保护气体来减少等离子屏蔽和/或氧化物的形成；（g）在激光切槽或切割的情况下，使用辅助气体来产生挥发性的和/或低光学吸收的硅化合物以减少等离子屏蔽和/或促进材料移除；（h）在热裂解之前划线或切槽的情况下为每个目的（例如，1、划线或切槽，2、热裂解）单独操作地或协力地使用两个不相似的激光；以及（i）在激光切割的情况下，使用应力裂解以完成切割，从而防止在相反表面上的熔渣形成，其中应力可接近切割过程的最后通过机械装置或通过调节机械约束（例如保持夹）施加。辅助气体也可帮助增加材料移除率和/或减少本文所描述的激光能量的等离子吸收。可用于流线化磨损的材料包括碎硅、硬化硅片和/或来自锯切操作的切缝废物。

利于激光切割的可变地施加力的夹持机构也被考虑，其为非球面光学器件，其致力于为各种操作（包括划线、切割和热裂解）优化激光点形状。进一步的替代方案包括共同的束输送系统，用于输送多个激光束以在硅坯料的一次穿过中执行一系列过程。

本文的系统和方法的优点可允许：提高的材料利用率；减小或消除耗材；减少或消除工具磨损；减少或消除对液体冷却剂的需求；减少棒的破损；或增加馈送率。

图1示出常规反应器101的横截面，其示出两个U形丝（有时称为发卡100），这两个U形丝安装到腔基底102上并由压力器皿104（有时称为钟罩）包围。发卡100安装到馈电导体上（电流被施加到该馈电导体），使得发卡100可用作白炽灯丝。典型地，其他设备、例如气体供应部和返回线路也通过基底102引入。石英丝或其他加热元件也可被提供，其用于预加热发卡100。在操作中，气体被提供给压力器皿104，使得材料通过CVD沉积到丝上，直到其生长到希望的横截面并被移除。该过程产生多晶硅的圆柱形晶锭以进一步处理。

图2为发卡100及其包括细棒106和交联棒108的组合物的俯视图。细棒106为纯硅的长薄条，其形成用于使CVD沉积的纯硅生长的种晶。交联棒108为短棒，其联接一对细棒106以形成发卡100。交联棒108附接到一对细棒106上以实现U形/发卡结构并实现电流经过丝的路径。

为了产生细棒106，由以上方法产生的晶锭典型地被切割以产生新的细棒。本文所描述的方法和系统的目的在于改进用于生产细棒的制造方法。

图3示出用于将晶锭110转变为细棒106的细棒106生产步骤。该图示显示用于将晶锭110转变为细棒106的典型步骤，其可通过本文描述的一个或多个方法以及对应的系统生产。纯多晶硅的晶锭110是细棒106生产过程的起始点。其可从圆柱形状（如在例如图1的反应器中形成的那样）开始或其可在处理之前已被处理成砖块（典型地为正方形或倒圆的正方形横截面）。然后，由多晶硅的晶锭110或砖块处理成坯料112。随后，由坯料112处理成细棒106。将理解的是，用于制备细棒的原材料也可通过其他方法或技术但针对本申请的目的提供，馈送材料来自如上所述的晶锭。

激光诱导热裂解方法对于将坯料112转变为细棒106是有效的且具有低切缝损失或不具有切缝损失。在该过程中，近似校准的激光束穿过相对扩散的点中的硅坯料，目的在于在硅坯料中形成显著的内部压力，该内部压力然后通过在硅坯料中形成裂缝而卸除。通过充分控制该过程，裂缝沿着坯料长度形成，从而导致分离成两个部分。可使用各种激光，波长由硅适度吸收的激光是优选的。

在激光裂解过程中的示例元件被显示在图4的流程图上并包括：通过波长和操作模式选择适当的激光200；表面准备202；施加激光204；施加冷却206和施加压缩208。

在一个示例中，可选择二氧化碳（CO2）激光。硅在近10微米的波长下相当透明但仍是大量吸收的，例如约1/3的激光能量在3.5mm的多晶硅中被吸收（由该过程产生的典型细棒的约1/2厚度）。这使热应力能够在材料核心内有效增加。使用激光诱导热裂解已被证明具有超过50mm/秒的馈送率。CO2激光在该应用中是有效的，因为束质量大体上不相关并且激光功率非常能够负担得起。

在另一示例中，可选择纤维激光。优选地，使用在较长波长（例如接近1070nm）下操作的激光，从而在传播与吸收之间存在平衡，以便将热应力集中到材料核心。随着波长增加到1050nm左右且更高，硅从高吸收过渡到高透明。因此，可具有略长波长的纤维激光是优选的。

另一替代方案使用典型地被纤维耦合的激光器二极管，其可在约1070nm至1100nm的范围内。激光二极管在该范围内可大体上提供希望的传播与吸收比。

表面反射可将扰动引入到过程中，特别是在硅片的第一表面处反射入射激光。这可在激光过程（202）之前通过调节表面条件来控制或更为可重复地制成。在一些情况下，表面纹理可为来自坯料切割的锯损伤的有用副产物。否则，纹理可使用大致类似于用于纹理化多晶硅晶片以及用于在切割之后清洁细棒的化学过程来施加。可替代地，纹理化可通过用较短波长的激光点刻表面产生；例如，脉冲绿色纤维激光已被证实是直接纹理化多晶硅的良好方法或诱导促进表面纹理化的表面损伤的良好方法。

当使用激光诱导裂解方法时，该表面准备通过稳定表面反射实现良好受控的材料分裂。这也最小化朝向激光光学器件的背射。坯料112（例如图5中的坯料）的表面338可已被准备好以使激光能够沿切割线均匀地耦合到材料中。为了产生均匀且可重复的结果，坯料112的表面338可被准备好以利于将激光耦合到材料主体中。该准备可使用一个或多个纹理化方法（例如各向异性的化学刻蚀、激光点刻等）在一个或多个表面上实现。如果坯料112被锯切，则剩余的锯损伤可被利用以形成纹理化的表面。

表面准备202的另一方面是减少或消除大于临界尺寸的任何表面缺陷，所述临界尺寸可导致裂缝传播被中断或偏离航线。这种缺陷可以是锯损伤或其他损伤的结果。用于实现均匀反射率的时刻也可用于减少或去除较大的表面缺陷。可替代的过程可为利用轻度磨蚀的抛光工具来抛光在切割线附近的表面。

在激光诱导热裂解的方法中，粗略校准的束用于将大部分能量导入小的区域内，但不是小到使得硅坯料开始被融化，这特别是因为等离子屏蔽可不利地影响该过程。沿切割方向延伸的非圆形的激光点可以是有利的。束的略微纵向的渐缩可用于控制裂缝初始点深度。

内部增加的应力导致材料通过裂缝传播而分离，因为激光点在材料204上扫描（或者材料通到激光下方）。该裂缝被竖直撞击，但不一定在晶锭110的各端部附近。特别是，高达25mm的材料可被破碎或在切割起点处较差地分裂，并且在对置端部出现较少量的切屑。这导致一些废料；然而，该废料典型地仅为细棒的约1%左右，其远小于常规锯切过程的废料。该废料可通过在每一端部附近至少局部地对坯料划线来准备细棒106的表面202而减少，同时在过程复杂度与废料率之间存在一种折中。可能需要用于修正在该过程中产生的棒的不规则端部的次级操作，其可为激光切割或如下所述的划线及折断过程。应该注意到，切屑形式的废料仍然是有价值的，因为该废料不像锯灰而是可用作后续过程的进料：在铸锭过程中，各种尺寸的纯多晶硅片被馈送到坩埚中，从而这些适度大小的片是可用的。

该方法取决于在传播与吸收之间实现平衡。对于一些激光波长，大部分激光束可被吸收。可能利用一些附加的校准，该部分可被收集和反射回材料中。

应力梯度可通过冷却坯料的表面206被进一步内部化。冷却的简单方法包括施加到第一表面上的空气冷却射流以及接触第二表面的冷却卡盘或也施加到第二表面的冷却射流。该方法的关键点在于能够抑制裂缝传播以跟随激光工具的路径并避免沿不希望的方向作用的诱导应力，其可导致低劣质量的切割或缺少切割直度以及裂口，从而导致破损的棒。这大部分通过典型地利用在切割线上维持受控力的夹持机构来横向于切割方向施加压缩208而防止。

冷却可在激光束336附近通过冷却系统340（例如图5）施加到一个或两个表面上，以帮助增加希望的应力梯度。冷却系统340可为空气或气体射流，其可被冷冻和/或受潮。冷却过程可用于帮助形成希望的应力轮廓。更为典型地，其用于防止主体材料在多次穿过期间以快速连续的方式被加热。冷却可由激光侧提供并可以可能地集成到激光喷嘴中。冷却也可由夹具330提供。

冷却可被提供以利于增加源于材料核心的大部分热压缩的目的。冷却可通过非接触方法提供，例如可被有源冷却或膨胀的空气或气体流。在一个示例中，气体流可受潮以增加其热容量。冷却可根据激光能量吸收的轮廓被施加到一个或两个表面上。

该方法与激光切割相比可以是希望的，因为等离子屏蔽既不是问题，也不会移除切除的块，激光束质量可以是较不重要的并且生产量预期较高。其可以在不需要保护气体、辅助气体或残渣移除系统的情况下实现。

图5示出使用激光诱导裂解的细棒激光裂解。这是用于使用激光诱导热裂解将坯料112转变为细棒106的基本设备300的示意性端视图。坯料112防止在卡盘上并被激光照射以诱导热应力，其通过形成竖直裂缝而卸除。在激光喷嘴334与保持夹具330之间的相对线性运动导致材料棒与坯料112分离，从而产生不具有切缝的切割。尽管仅一个坯料112被示出，但多个坯料可放置到单个夹具330上以进行处理。而且，多个激光喷嘴334可被配置以同时处理多个坯料。

保持夹具330被示出并用于保持和支撑坯料112以及形成的细棒。保持夹具330可为一个简单的平坦表面，其可使用真空来将材料保持在适当位置。保持夹具330可安装在运动的台架上以根据需要定位材料；可替代地，台架可与安装在运动的台架上的激光喷嘴334固定，或者这二者可安装在多个台架上。保持夹具卸压部332被包括在保持夹具330上。保持夹具卸压部332可沿着切割线。在保持夹具330中的卸压部332提供用于积聚过多辐射的地点：由于局部加热将发生，因此可能希望避免与材料接触，因为其可具有对材料中的热梯度造成的不利影响。卸压部332也可有利于接近该部分的后表面，典型地用于施加冷却。在一个示例中，这也可为将过多能量再循环回到坯料112中并也可重新聚焦激光束336的反射器。

激光喷嘴334或束输送光学器件的终端在图5中示出。激光喷嘴334将激光束336格式化并输送到目标材料。典型地，激光喷嘴334提供近似校准的激光束336，其布置为使得在材料核心中产生高能流，这可能通过由保持夹具330的反射辅助实现。该布置不同于通常用于激光加工的布置，因为光学元件可为变形的且甚至非线性的以提供希望的束轮廓。激光束336设计为穿过坯料112并引入足以产生裂解的内部应力。激光束336汇集到坯料112的核心区域中。激光束336具有使用波长的适当几何结构，其中光大部分被传播但也部分被吸收。在该方法中，材料可通过热应力本身裂解，即，不需要任何先前的准备，例如坯料的划线或擦痕336，其通过适当地成形激光束336来实现。

裂缝342大致沿激光束336的线居中地形成。在切割起点与终端附近，控制可能不佳，然而在切割的大部分上，裂缝342本质上由激光束336导向。在该示例中，裂缝342通过简单地使用激光束336被初始化以形成临界缺陷，然后使用仅用于导向切割的激光束336轮廓来沿着坯料的长度传播该缺陷。细棒106然后可与坯料112分离。

为了使用激光诱导热裂解将坯料转变为细棒，相对简单的设备就足以了。坯料被保持在夹具中并由激光作用，其中切割由激光喷嘴和坯料沿着大致直线形的路径的相对运动形成。坯料通过使夹具在激光喷嘴下方运动或使激光喷嘴在坯料上方沿大致直线形的方向运动而被处理。大体上，为了将坯料减小成细棒，进行多个并行的切割。

相对运动意味着坯料和/或保持夹具和/或工具运动，使得一个工具或多个工具沿着一个切割线或多个切割线在坯料中穿过。例如，工具可安装在多轴运动台架上，其中坯料保持在固定的保持夹具中。可替代地，工具可安装在运动台架上，其中保持夹具也安装在运动台架上。可替代地，工具可安装在固定的支架上，其中保持夹具安装在多轴运动台架上。另外，坯料可保持在保持夹具上的固定位置或相对于保持夹具运动。

所需的运动包括使一个或多个工具相对于坯料运动（或反之亦然）以形成切割线。附加所需的运动包括使一个或多个工具相对于坯料运动（或反之亦然）以从一个切割线指引到下一个切割线。其他运动也可被提供以利于将坯料装载到保持夹具中和卸载与包括废料和细棒的坯料分离的片。此外，切割过程本身可需要附加的运动，例如相对于坯料定位工具，例如定向和定距。

该过程可使用多余一个的激光喷嘴加速；例如至少两个激光喷嘴作用在坯料的相同或对置边缘上。切割顺序通过在各次穿过之间相对于激光喷嘴指引坯料或反之亦然而执行，直到坯料已被减小成细棒。初始切割可能被需要以随着丢弃废料的方式移除外皮（曲形边缘部分）。附加的修饰可包括用于冷却表面的设施、用于使坯料存入设备并与设备对准的设施、机器视觉系统，例如用于特别是在切割端部处移除切屑和废料的设施，等。附加的装置可包括用于自动装载和卸载材料的、检查已完成的细棒的元件，等。此外，机器可包括用于一次装载和/或处理多个坯料的设施。

坯料被保持在保持夹具中，其可为其余地点、真空卡盘或夹持机构。夹具可沿切割线开槽以提供用于切屑的出口和/或用于多余激光能量的接纳部和/或用于冷却与夹具接触的表面的入口。可替代地，大致竖直的保持夹具可被使用，其中坯料残留在槽中，该夹具可允许在处理期间自由接近坯料两侧；在该情况下，该夹具的底部可以是可移动的以将坯料从一个切割线指引到下一个切割线。

多个不同的激光类型已被证明在该应用中是有效的。关键属性在于：激光应该提供被坯料主体吸收的相对大量的能量，并且该激光能量大多不应该超过坯料的损伤阈值。连续波（CW）或准连续波（QCW）激光是优选的，但峰值功率与平均功率之比足够小的长脉冲激光也可以是有效的。波长使吸收与传播折中的激光、例如穿过材料但仍然在材料核心中被有效吸收的激光是优选的，例如接近10微米波长的CO2激光，其可在硅吸收中具有较小的峰值。可替代地，接近1070nm的纤维激光可在硅朝向红外透明过渡的区域中操作。又一替代方案使用激光二极管或其他激光、特别是红外激光；然而，较低的吸收必须通过较高的激光功率来补偿。不同于许多其他激光加工应用，束质量并不是特别重要的参数，因为使用了相对大/扩散的激光点。

光学束输送系统必须产生相对大的点，其贯穿材料主体具有相对一致的强度或在材料中心附近具有略高的能流。优选的束可以是近似校准或略微汇聚的，但最佳轮廓可取决于吸收与传播比。根据应用于第一或第二表面的冷却量可能存在一些变化。

除了能流沿着束的优选分布，点可被有利地成形，典型地沿切割方向伸长。束输送系统可并入变形的常规光学器件或其他已知的普遍用于格式化激光束的光学系统，以获得激光能流在材料内的有效3维分布。在一个示例中，两个或更多个纤维输送激光可组合成线性阵列以利于具有可调谐的纵向轮廓的伸长点的形成。束输送系统可通过提供背侧束止挡而进一步精加工，其也可为将多余激光能量导回坯料中的反射光学器件。

尽管夹持对于该过程并不重要，但夹持可用于稳定或辅助裂解过程。例如，略微弯曲的运动可被施加，其在材料的厚度上进行偏压，典型地朝向材料的远侧，和/或辅助裂缝传播和材料分离。夹持也可用于提供在切割上的压缩，特别是在切割的端部附近，其致力于减少可在切割期间、特别是在端部处出现的裂口。

一个光学辅助装置是机械划线器或冲压机，其在切割端部附近产生一些小的表面损伤。通常，其在接近正常的冲击下占据25mm的初始切割以建立稳定的切割过程，这导致一些废料，该废料必须从细棒中移除且偶尔裂口。在一个或两个表面上形成小的标记以稳定边缘附近的切割可以是有利的。成本低廉的方案包括使用硬点例如金刚石点以在表面上形成凹痕或刮痕。在一个示例中，坯料在每个端部附近通过具有用于钳口的硬点的卡钳工具被夹持，其被拉离从而在两个表面上留下划线标记。

纹理化用作控制过程一致性的主要装置。附加的反馈装置可用于通过提供使激光能量能够在过程期间被调节的控制而稳定裂解。光学传感器可被包括在激光工具中，以采用一种或两种方式监控过程：测量裂缝尖端相对于激光束位置的偏移，从而裂缝传播用作过程效能的材料；和/或通过使用在近红外（NIR）光谱中的偏振测定法观察双折射来测量材料中的内部应力。

这些方法都可使用光学传感器以随着适当的照明和光学器件跟踪工具。

在一个示例中，在500Hz下的10.6μm、5kW（CO2）的激光操作用于使用在约500与1000mm/秒之间的馈送率沿切割线的长度分离由夹子保持的各部分，其中馈送率接近1000mm/秒且激光功率约2500W是优选的。氮气保护气体同轴地注入到激光束（集成到激光光学器件中）。激光聚焦于材料，并且光学传感器用于调节激光的飞高以补偿在坯料中的厚度变化。在另一示例中，1070nm的2.5kW的CW纤维激光用于在至少700mm/秒的馈送率下分离各部分。

图10为用于激光诱导热裂解过程的示例过程流的流程图并示出用于使用激光裂解将坯料分段成细棒的细棒生产过程的大致过程流。将材料切割成坯料800是一个先行过程，其将晶锭分段成坯料加上废料/切屑。该过程是本文所描述的方法的前序过程。常规方法使用锯将晶锭切割成坯料。可替代过程可被考虑。锯切产生一定量的表面损伤，其可对激光裂解过程是有利的和/或由纹理化过程802利用。

坯料可被纹理化802，以对坯料的表面增加一致的纹理。将一致的纹理设置在表面上可有助于良好受控的激光过程。适当的纹理产生反射率并减少第一表面反射率损失沿切割线的变化。纹理化可通过化学刻蚀过程产生。各向异性的纹理化典型地利用由锯切引起的剩余的表面损坏。该纹理化过程802也可通过使用激光来帮助，以首次引入大致均匀的表面损伤。在激光裂解过程之前的纹理化在过程质量和产量上具有明显有利的效果。在纹理化802之后，坯料装载804到保持夹具中以进行处理。

在装载804之后，坯料与保持夹具和工具对准806。对准可以是机械和/或视觉装置。粗略坯料的轮廓线可以是稍微不规则的。在坯料对准806之后，该方法沿切割线执行激光诱导热裂解过程808。该方法致力于不涉及耗材并具有零切缝损失。

激光裂解过程通常导致一些碎片在细棒端部处产生，其必须被移除和丢弃810。该过程通常通过使用刷子和/或气刀的刷作用执行。可替代地，保持夹具的端部可包括收集器，其敞口以允许碎片掉出。在该方法中产生的废料量预期很少。如果希望的话，废料量可通过切割808之前在坯料的端部形成擦痕或凹痕而减少，其减少废料但增加过程复杂度。

接着，检查812细棒。出于质量原因检查细棒，例如宽度、边缘轮廓、裂缝等。然后，细棒的端部被移除814。细棒的端部被切除814以产生希望长度和希望端部质量的细棒。这可为激光切割过程或划线及折断过程。可替代地，该过程可在卸载816之后在单独的站中实现。该步骤完成激光裂解过程，其极其快速且致力于补偿在切割起始和终点处的边缘质量上的任何控制损失。如果使用划线及折断，用于分离细棒808的相同激光可用于分离端部814。可替代地，第二激光可用于划线或切割端部814以及适当控制和残渣移除措施；然而，切割的长度很小且限制到小的区域并可快速且有效地完成。为了最小的循环时间，这可在卸载站816中而不是在保持夹具中完成。

已完成的细棒被卸载816。在第一次穿过时，粗糙边缘可从坯料808上移除。如果坯料已从铸锭上切割或先前已被修整，那么该步骤可被省略。细棒可被卸载到仓库或其他部件载体上。如果有的话，缺陷细棒和边缘配料可被安置到废料仓中。

添加818索引以将坯料相对于用于激光裂解穿过的工具定位，从而将每个附加细棒与坯料分离。材料片从坯料边缘分段。在已产生希望数量的棒之后，任何其余未使用的坯料材料被清除或丢弃820。这可取决于关于输入的坯料条件：如果坯料在之前已被修整，这可为微乎其微的材料量。

在进一步的实施例中，对于激光诱导热裂解方法，通过对一小部分材料在切割的每个端部附近划线可减少或消除裂口。该辅助的激光裂解方法可通过激光划线实现或通过用金刚石头划线而较不昂贵地实现。可替代地，如果给定多晶硅的性质（例如，小的临界裂缝尺寸），利用硬点（例如硬质合金、金刚石或蓝宝石头）的影响简单地产生尺寸超过约75微米的一个或一些断片可能就足够了。

激光诱导热裂解方法可通过首先在坯料表面中形成刮痕（划线）或较大的凹槽（切槽）而修改。该划线和破裂方法可通过使用第二激光而受益，该第二激光优化用于切除材料而不是热化材料以诱导应力。

在该过程中的各元件包括以最小的损伤划线或切槽、在完成如图4所示的方法（例如通过波长选择激光和选择操作模式、适当地组合束汇聚和工作距离）之前沿划线去除临界表面损伤。该过程需要在追踪诱导应力的激光束与可使该过程相对于益处变复杂的之前形成的特征之间的一些协调。一个可能的方案是将两个功能集成到单个工具中，从而两个工具的简单的机械对准可用于提供所需的追踪，或者换言之并入自动追踪特征。

表面可在任一侧被划线或切槽；然而，对置侧可优选用于产生更多一致的撞击，例如在两个工具之间具有较少影响。另外，两个表面可被划线或切槽而不是仅一侧。

一个临界参数是划线的边缘质量：差的边缘质量可来源于未受控的裂解，其可导致差的切割质量和破裂的棒。较好的结果可通过在裂解之前从划线上去除切屑和毛边而获得。去除这些瑕疵可通过各种手段（包括机械抛光、化学刻蚀、激光抛光等）来实现。

在一个示例中，坯料112可承载在经过一组激光的移动台架上，或者在可替代的示例中，坯料可保持在夹具中，而激光传输到该夹具上。适当的夹具可允许激光在并行过程中接近坯料的两侧。以1mm/秒和最大约700mm/秒的馈送率的划线已被证实是有效的。在可替代过程中，划线或切槽可在单独的站中完成。在该情况下，机器可视化或其他方法可用于在激光轨迹之间产生对准。在一个示例中，红外（IR）提高的摄像机可用于查看硅以形成各特征（例如在材料对置侧上的划线）的图像。

在另一示例中，坯料被制备用于通过沿切割线的长度对至少一个表面划线或切槽而裂解。在该示例中，坯料保持在夹具中并被激光作用，其中切割通过激光喷嘴和坯料沿大致线性的路径的相对运动而形成。坯料通过沿大致线性的方向使夹具移动到激光喷嘴下方或使激光喷嘴移动到坯料上方而处理。该过程可通过使用多于一个的激光喷嘴来加快；例如至少两个激光喷嘴相同地作用在坯料的相对置的边缘上。在该情况下，激光用于切除或切断一小部分表面，以便随后通过在材料中传播表面缺陷而将材料裂解。在该情况下，第二激光可用于通过诱导热应力而传播裂缝。该第二过程可在第二次穿过时或在快速演替以划线或切槽时执行。在一个示例中，第一激光过程被执行以对坯料划线或切槽，随后在附加的穿过上裂解。在又一示例中，第二激光可以细棒的标称宽度向一侧倾斜，从而裂解与下一次切割的划线同时执行。在另一示例中，第二激光安置在第一激光后面，从而裂解在划线之后立即执行。同时划线和裂解是希望的，但取决于对两个过程的馈送率的匹配。优选地，划线或切槽将典型地具有可能较高的馈送率，但可通过控制脉冲频率而减速。在同一站中执行划线和裂解的优点在于：激光轨迹的协调相对简单。

划线或切槽激光可从大范围的选择方案中选择。主要考虑的是在材料中的高吸收和高峰值功率。这通常通过使用小光点尺寸和短脉冲来获得。应注意，由于这些性质与激光诱导热裂解所需的性质对立，因此典型地需要不同的激光和束输送。一些普遍可用的示例包括800到1000nm范围的二极管激光、绿色纤维激光、频率加倍的YAG激光和束质量能够在约200至1020nm范围内脉冲操作的任意激光。其他激光也可被施加，特别是一些约1050nm的高功率激光以及甚至1064nm的激光已显示能够承担充分的峰值脉冲功率和波动；然而，在优选范围（200至1020nm）内的激光较不可能产生不必要的热化效应且需要较少的功率来实现希望的结果。在该情况下，具有良好束质量且特别是能够聚焦成小光点的激光是优选的。用于划线或切槽的束输送应典型地在材料表面上产生良好聚焦的光点，以产生良好限定的结构。优选地，长形光点可用于产生具有较少像素化和更光滑的边缘轮廓的划线，而这种划线可能是希望的。

由于划线或切槽导致材料的去除，因此残渣移除系统可能是希望的。该残渣移除系统可包括推/拉系统，其中气体流用于将残渣推向真空排放端口或至少真空头以将残渣排出。由于去除的材料量很小，并且等离子屏蔽可以是微乎其微的，因此基本的残渣移除系统可以是充分的。在一个示例中，可使用具有气体射流和环形真空端口的同轴激光喷嘴。可替代地，跟随切割线的简单真空喷嘴可能是充分的。在典型的残渣移除系统中，排放的残渣被收集在内嵌的过滤器中。

如果激光诱导热裂解用于实现切割，则其余系统细节将类似于（以上）简单激光裂解的系统，或者各部分可从划线/切槽站移动到裂解站。可能优选的是，对与用于热裂解的激光对置的表面进行划线或切槽。在执行两个过程的站中，激光喷嘴可利用适当的保持夹具在坯料的相对置侧上操作。

在一个示例中，在10kHz下操作的1064nm、90W的激光用于在1至100mm/秒的馈送率下利用1至3次穿过而产生划线。机械磨光轮用于随后清洁划线。机械夹子用于保持材料同时施加弯曲扭矩以分离各个片。在另一示例中，在10kHz下操作的1050nm、10W的激光用于在1至100mm/秒的馈送率下利用1次穿过而产生划线。机械磨光轮用于随后清洁划线。1070nm、2500W的CW纤维激光用于在16mm/秒至700mm/秒的馈送率下分离各个片。在又一示例中，锐聚焦的980nm的纤维耦合二极管激光用于划线，而CO2激光用于裂解。在又一示例中，1064nm的激光锐聚焦在表面上以在最大至少2000mm/秒的馈送率下产生划线然后切换到较宽的近似校准的束上以执行裂解。其他适当的激光组合也可考虑。

图11示出用于划线和破裂过程的示例的过程流程图。该流程图提供对于在划线之后利用激光裂解将坯料分割成细棒的细棒生产过程的一般过程流程的图示。尽管该方法可能比本文所述的激光裂解更为复杂；然而，产量可得以提高，并且在棒的端部处的损伤相对较少（与简单激光理解的实际破损相比）。机械裂解是有效的可替代方案；然而，激光裂解易于控制，特别是具有均匀的坯料厚度并需要较少的机械器械。

与图10一样，坯料首先从晶锭中切割900。坯料装载902到保持夹具中以进行处理，然后与保持夹具和工具对准904。对准904可以是机械的和/或通过食品装置。粗糙坯料的轮廓线可以有点不规则。激光用于划出906切割线。根据细节，划线可在坯料的一个或两个表面上进行。激光光点相对于坯料沿着切割线移动以去除或剥离少量表面材料。该方法致力于不产生工具磨损问题或产生有限的工具磨损问题的非接触方法。

可选地，将边缘切屑和毛边从划线上去除，并且对划线进行抛光908，其已显示提高过程产量。可使用具有良好磨蚀作用的机械磨光轮，其可提供使划线附近的表面波动更为一致的附加优点。可替代地，划线激光可以不同的方式被施加以通过激光抛光908、例如软溶表面和/或汽化毛边来提高划线质量。该方法是有利的，因为其是非接触的且不同于磨光而是具有减少的或不具有污染产品的可能性。

通过利用诱导应力传播划线来分离910坯料。应力可通过在切割线上将弯曲扭矩引入坯料中而施加。可替代地，可施加激光诱导热裂解，其中划线用作提高过程质量和产量的手段。该方法致力于不涉及耗费材料且具有零或非常少的切缝损失。

激光裂解过程通常导致在细棒端部处产生一些碎片，其必须被移除和丢弃912。该过程通常通过利用刷子和/或空气刀的刷洗作用而执行。可替代地，保持夹具的端部可并入收集器，其敞开以允许碎片掉出。利用该过程所产生的废料量很小且主要包括一些较少的角部切屑。检查914细棒的质量，然后卸载916细棒。细棒可被卸载到仓库或其他部件载体上。细棒可在检查914之前被卸载916。坯料相对于使激光裂解穿过以将细棒与坯料分离的工具的位置被索引918。从坯料边缘分割材料片。在已进行希望数量的切割之后，任何其余未使用的坯料材料被丢弃或清除920。该清除可取决于关于输入的坯料条件：如果坯料之前已被修整，则该量可能是微乎其微的。

激光切割是用于制造细棒的另一可替代方法。这已显示比锯切方法快，但与先前描述的激光方法相比可能需要一些附加的措施来产生希望的结果。这种方式的激光切割也具有一些相关的切缝损失，但切缝损失往往少于锯切切割。表面准备在该方法中可能较不有利且可被省略。该方法的各个方面在图6的流程图中示出且包括通过波长适当地选择激光以及选择操作模式400、使用保护气体402、可选地使用辅助气体404以最小化等离子屏蔽、在施加激光以及连续通过残渣移除之前机械夹持工件408、可选地选择施加压缩410、可选地通过裂缝传播完成切割412、以及有效的残渣移除414。

保护气体402可用于将切割过程与周围环境隔离；当主要用于此目的时，其称为保护气体。保护气体402可用于形成压力区和/或空气流和/或中和潜在的化学反应。保护气体402典型地集成有残渣移除系统，除了钝化切割过程以外，该气体用于冷却和/或将抛出物传输离开切割。

在一个示例中，保护气体402用于抑制等离子的点燃，该点燃可具有不希望的效果。保护气体402可被施加以驱逐氧气或其他可能的反应物和/或吸收热能从而防止点燃。惰性气体可被施加以驱逐氧气。保护气体402可经由一个或多个喷嘴引入到切割区域中，喷嘴可集成到残渣移除系统和/或激光喷嘴中。与激光束输送系统光学器件同轴地射入的保护气体402可附加地用于保护激光光学器件免受抛出物的影响。

在另一也使用辅助系统的示例中，保护气体402可用于包含辅助气体流或缓和辅助气体的效果。保护气体出口布置为大致环绕切割区域和辅助气体流。

美国专利公开文献20100252541A1公开了一种同轴的激光喷嘴系统，其能够喷射辅助气体和保护气体，其中通过保护气体以层流或螺旋流的方式提供覆盖和包含并且还提供用于残渣移除的排放流。

辅助气体404可用于促进材料移除；当主要用于此目的时，其称为辅助气体。当通过激光切割过程形成很深的切口时，辅助气体可用于促进和加快切割。主要作用是液化和汽化硅，从而导致炽热的等离子从切缝中射出。辅助气体可在该过程中用于多个目的：a）产生加快大块材料切除的表面反应；b）与等离子反应以产生挥发性化合物，从而促进残渣移除和减少表面重铸；以及c）将等离子转变为更多的透明化合物，从而减少等离子屏蔽。潜在的辅助气体包括氧气和各种卤化物化合物。希望的反应例如取决于所使用的激光的波长以及反应产物的光谱吸收。

辅助气体可用于促进切割过程。该辅助气体将典型地与激光束内嵌地注射；例如，利用同轴的喷嘴。在一个示例中，气体也可利用在指向切缝的激光束侧向安置的喷嘴注射到切缝中。与激光束输送系统光学器件同轴注射的辅助气体可附加地用于保护激光光学器件免受抛出物的影响。辅助气体、特别是用于移除硅的辅助气体可为腐蚀性和/或有毒的。抗化学的硬件可被提供以注射和恢复辅助气体。

超过损伤阈值的激光功率可在材料中形成热应力，其可导致不受控的裂解。一个方案是简单地减小材料移除率或切割深度，在多次穿过中完成切割；然而，该方法对馈送率的影响较小。以均匀的压力对切割的两侧提供均衡的夹持408已显示克服了大块材料的热诱导压缩以及等离子的蒸汽压力，这防止不希望的裂解。该夹持也保持切缝宽度，从而自引导的激光切割被良好控制，以通过侧壁允许激光束可靠地指向切割基部，并且通过包含由侧壁引起的压力控制的等离子的射出是有效的。即使利用夹持，可导致稍微渐缩的切割，此时切割在进入侧较宽：利用钇铝石榴子石（YAG）激光形成的约7mm深的切割已被证明具有小于200微米的基部、800微米的进口，从而导致约500微米的平均切缝损失。该损失往往明显小于锯切切割且略多于线切割。切缝损失可通过使用具有较高束质量的激光（例如纤维激光）而减少。

特别是具有深切割的一个问题是形成等离子，其干涉切割过程，特别是如果等离子也点燃更是如此。可施加402保护气体来防止点燃和/或将等离子推出束路径，从而减少等离子屏蔽406并增大切割速度。这可进一步形成充分的深度控制，从而该过程可通过裂解完成以防止熔渣。氮气对于保护气体而言是有效的，但较重的惰性气体可更为有效且可在成本与性能之间形成折中。

材料大部分通过在切割基底处形成的蒸汽压力而射出，而材料移除可通过施加辅助气体404而加速，该辅助气体在切割表面处作出反应或与等离子反应，其增加材料的分解和/或增加所产生的等离子的透明度。如果可能的辅助气体及其反应产物具有有害和挥发性质，则该过程优选在封闭或封装的环境、典型的是充有惰性气氛的过程腔中执行。此外，残渣移除系统致力于是抗腐蚀的且可并入有效的提取系统。

加快材料移除的另一方式在于使用二级模塑。在该方法中，第一激光脉冲用于汽化材料，第二脉冲（或多个脉冲）用于进一步向蒸汽提供能量，从而导致更快速的等离子射出。这可通过具有适当的脉冲控制的单个激光执行，或以快速连续的方式通过两个连续的激光执行。

利用激光切割，典型地在背面存在一些渣滓或毛边，因为切割突然发生时等离子压力被卸除。该渣滓或毛边可机械地或通过刻蚀移除。优选地，切缝可通过裂解412完成，从而减少或最小化从后表面射出的材料。裂解可通过施加机械应力（例如弯曲）执行；或者可包括通过对于最后穿过的切割释放或减小加持力而使用激光诱导热应力，在该情况下，先前受控的热应力被释放，从而导致裂缝，这完成切割412。

不同于裂解过程，激光切割通常导致细小颗粒的产生。由于硅和硅切除副产物灰尘可以是有害材料，因此可能需要有效的残渣移除系统（典型地包括强迫空气流或具有真空排气的气体流）来移除残渣414。这种移除系统普遍称为推拉残渣移除系统。典型地，也可部分地用作保护气体的注射气体用于从切割中去除等离子的能量并朝向收集结构承载等离子。排放的材料收集在过滤器中，该过滤器可为多级过滤器，并典型地并入用于安全移除以及处置收集的材料的特征。

尽管该方法对于将坯料112转变为细棒106可能是较不希望的，这主要是由于附加的复杂性以及较少的切缝损失，但气与锯切切割相比是有利的且比线切割快。

为了快速切割，使用优化用于切割硅的激光。另外，保持夹具应借助夹子提供受控的压缩力，损失夹子沿切割线的整个长度提供相对均匀的力。如果使用保护气体和/或辅助气体，可提供气体处理设备。

坯料保持在保持夹具中，其例如可为靠放地点、真空夹盘或夹持机构。夹具可沿切割线开槽以提供用于切屑的出口和/或用于多于激光能量的容纳部。可替代地，可使用如图7所示的保持夹具，此时坯料靠放在槽中，其允许在处理期间自由接近坯料的两侧；在该情况下，该夹具的底部可以是可移动的以便将坯料从一个切割线索引到下一个切割线。

保持夹具包括在切割线上施加大致均匀的压缩的系统。这可为一个或多个可压缩垫或可充气垫的形式，其可利用一些基本控制提供名义上均匀的受控的压缩力。另外，可编程的力控制可能是有利的，特别是能够朝向切割端部或在最后一次穿过时卸除压缩，从而切割通过裂解完成，其消除在切割背面的渣滓的吹落。抵抗热膨胀以及由切缝内的蒸汽压力形成的侧向压力的能量防止切割成为不受控的裂解，该不受控的裂解可导致细棒在细棒成形时泄漏。可替代地，可使用至少一个可移动的夹子利用伺服控制的夹持力来夹持材料。特别是，如果在材料的整个厚度上进行切割，则利用对于残渣移除的一些装置在夹具中卸压可以是优选的。

激光可从大范围的选择方案中选择。主要考虑在于在材料中的高吸收和高峰值功率。这通常通过使用小光点尺寸和短脉冲获得，并且200至1020nm范围内的激光是有利的。应注意，由于这些性质与激光诱导热裂解所需的性质对立，因此典型地需要不同的激光和束输送。一些普遍可用的示例包括800到1000nm范围的二极管激光、绿色纤维激光、频率加倍的YAG激光和束质量能够在约200至1020nm范围内脉冲操作的任意激光。其他激光也可被施加，特别是一些约1050nm的高功率激光以及甚至1064nm的激光已显示能够承担充分的峰值脉冲功率和波动；然而，在优选范围（200至1020nm）内的激光较不可能产生不必要的热化效应且需要较少的功率来作用。

提高材料移除率和一致性的常规方法是使用爆破钻孔型式（firingpattern），目的在于汽化材料、然后进一步为蒸汽提高能量以促进从切缝的快速射出。该方法可以利用提供可编程脉冲形状和/或发射序列的激光。

由于该过程产生大量残渣、从切缝移除的材料，因此残渣移除系统是希望的以收集和安全地处置材料。残渣移除系统的第二功能可以是从激光路径中扫除抛出物以便最小化等离子屏蔽。

残渣移除开始于收集射出的材料的真空排气。典型地，该排气经过过滤系统，该过滤系统从排放空气流中移除材料。该过滤系统可包括滤罐系统或多级过滤器系统。袋进/袋出型过滤器系统可以是优选的，以便安全处理和处置。可替代地，残渣可被收集在湿的收集器中，从而由废料形成浆料。该方法是有利的，因为切缝材料普遍再循环到硅生产过程中。

残渣移除典型地通过正压空气流来促进。该空气流可为空气或其他气体流。优选地，高速的名义上的层流用于驱使抛出物朝向真空排气端口，以便最小化等离子屏蔽和在材料表面上重铸。较重的气体可以是优选的，以有效地将抛出物从切割线传输离开。这种系统普遍称为推拉系统。

残渣移除可包括容纳部，例如封闭切割区域的护罩。该容纳部可靠近材料表面，靠置在可能由柔性挡板封闭的表面上，或由空气轴承支撑，该空气轴承由于高的正压力而也用作障碍物。附加的容纳部可通过将高压气流注射到容纳部周边附近的切缝中来提供。

因此，残渣移除系统可进一步并入多个气动装置，其可能包括喷嘴和喷射口、歧管、充压室、流动和压力控制装置等。

已证实有利的另一可能的方法是利用流化磨蚀的或磨蚀的喷射切割进行切割。该方法可能较不精确且可能产生比激光方法略宽的切缝，但可用于制成深切割并使用相对低的技术，其较便宜且是非接触的。在该方法中，切缝往往朝向切割背面略微加宽。切缝的减少与锯切切割相比是较不有利的；然而，与常规切割方法相比已显示工具磨损和馈送率的提高。

可使用的一个流体是空气或其他气体。气流的膨胀可产生一些向外的压力，其导致切缝朝向出口侧延展，这可限制在给定切缝损失目标内可能的切割深度。进入侧宽度为100微米且模锻斜度低于5度的切割是可以的。

另一流体是不可压缩的水，其可产生更为一致的切缝。该方法的一个限制可在于提供非常清洁的水以避免在切割过程中污染材料。又一激光切割方法、即激光水射流切割，包括利用细的水流将激光导入材料中。这产生对切缝宽度略好的控制并提供关于残渣移除和减小等离子屏蔽附加的优点。可获得低于100微米的切缝宽度；然而，馈送率相对较低，例如低于约1mm/秒。尽管比其他激光方法慢，但激光水射流切割仍然比常规方法快。该方法可能需要大量供应高纯度的水和水过滤系统。由于水提供即时冷却，由于热应力造成的泄漏可被避免，并且简单的保持夹具可能就足够了。

在平衡方面，该方法能够由于切缝损失的减少而提高目前的实践水平，但可比本文公开的其他方法需要更多的成本。如果主要关注于切割的高直度/平坦度，则该方法可以是优选的，但在该情况下对于细棒而言不一定是必需的。

尽管可使用各种磨蚀颗粒，但可使用由高纯度硅本身组成的颗粒。该颗粒可进一步通过表面处理（例如氧化、渗氮、碳氮共渗等）来粗糙化。该方法可使用废料多晶硅，而不是采购的材料。

当流化磨蚀用于切割时，磨蚀可包括来自已处理成颗粒的产品流的废料。这可通过碾压或磨碎废料或其他用于使材料变为磨蚀硬片的过程而产生。该磨蚀材料可进一步通过形成氧化物、氮化物或其他介质膜而粗糙化，尽管粗糙化可掺入颗粒，但其不会引入污染物，而该污染物可对于多晶硅的终端使用是有问题的。这是对生产光伏多晶硅的实际考虑，该光伏多晶硅熔融一些污染物（特别是具有有利的竖直直度的多结晶质的铸锭）。

该方法的优点在于：非接触且与常规锯切切割相比较少的工具磨损。该方法比常规锯切切割的附加优点在于：馈送率可随切割深度而变化，而锯切切割由表面速度限制，从而提供较少可能性来改变或优化馈送率。

可需要一个或多个工具来执行分离过程。另外，各工具可被加倍以通过并行地执行相同的过程步骤而增加生产率。多个工具可被安装，从而它们在相同的切割线上连续穿过和/或从而它们沿着相邻的切割线同时或连续穿过。优选地，工具在操作时是非接触的，意味着它们不接触分离成片的材料。这些非接触的工具有利于本文描述的方法并致力于最小化工具磨损和污染产品的问题。除了支撑、运动和引导，各工具典型地需要一些服务，其可包括激光能量（如果为在工具内产生的话）、流体和/或气体和真空排气。

工具可包括切割工具、切割辅助工具、清洁工具、过程监控工具和对准和设置工具以及部件处理工具。

辅助工具可包括定点设备、例如激光笔。辅助工具可包括摄像机和用于对准和/或检查的照明设备。在一些情况下，可能希望获得进入或通过材料的图像，在该情况下，可使用近红外（NIR）敏感的成像系统，在例如1100至1650nm范围内的波长下（此时多晶硅基本上是透明的）成像。

夹具可用于在处理过程中保持坯料。可使用各种止动方法，包括重力、真空和夹持。对于一些过程，可能需要近侧卸压和/或接近。通常，坯料必需牢固地被保持，以便获得良好的过程控制和笔直的切割。在一些情况下，可能需要在一定程度上止动和/或施加力以便稳定切割，特别是对于在该过程中在切割线内产生向外的力的情况。在一些情况下，受控的和/或变化的力是需要的。可能需要近侧卸压以便收集多余的能量或流体和/或残渣。也可能需要接近一侧或两侧来实现工具接近。夹具也可用于热管理，典型地通过提供散热片或材料的温度受控表面来实现。夹具也可并入用于调节材料位置的特征，例如移动的基准面或夹子。夹具也可并入用于帮助定位材料的特征，例如带、辊子、空气轴承表面等。

图7示出竖直的坯料保持夹具500，其可用于基于激光将坯料112分离成细棒106。竖直夹具500的优点在于使坯料112在大致恒定的位置切割和/或相等地接近两个表面和/或最小化进入夹具的热损失。这对于将坯料112切割成细棒106的任意过程都是有利的。另一优点在于夹具提供运动轴线，以相对于工具定位坯料。激光切割系统作为示例示出；然而，其他系统（例如激光裂解、激光化学和破裂等）也可以相似的布置构造。该夹具500设计为为本文描述的从坯料上分离细棒的方法保持平坦部件并提供在恒定高度上保持工作的能力。重力本身可保持坯料和为坯料提供基准面和/或将分离的条保持在适当位置，但也可使用附加的夹持。切割线可从两侧接近，从而允许各种工具（例如第二激光、冷却等）接近。切割线保持在恒定高度，这可简化其他加工、特别是激光束输送系统。

从多晶硅的晶锭或砖块上切割的坯料112关于保持夹具被示出，细棒106从该坯料上切割。保持夹具500包括竖直压盘502、504，其将坯料限制到大致竖直的方位。坯料可被限制在两个压盘502、504之间，但例如通过选择施加夹持力而至少有时自由移动。压盘502、504形成保持夹具的夹爪，此时坯料也靠置在可移动的竖直支架506上。可选地，压盘502可为真空卡盘，其可用于在处理期间刚性地保持部件，从而在真空被释放时提供止动力。可替代地，压盘504可为柏努利真空卡盘，其从一侧保持部件，从而使第二压盘多余或仅预防空气供应的损失；而且，这允许坯料在压盘502的平面中自由移动，而沿横向刚性保持而通过支架506沿竖直和纵向方向被抑制对于在处理期间为部件提供基准面和索引部件而言是有利的。

保持夹具包括水平压盘506，其从下方支撑坯料并用于竖直移动坯料以便建立用于第一次切割和在各次切割之间进行索引的位置。夹具底部或水平压盘506竖直支撑坯料并用于对其竖直定位。支架506通过一个或多个运动台架移动。该支架也可并入滚动表面、带、移动压盘等，以帮助将坯料112供应到夹具中和从夹具中取出坯料。可选地，保持夹具500可延伸较大的长度，从而该机构可用于使坯料水平移动经过激光。该部件被保持到卡盘上，然后整个夹具移动以定位部件，或可替代地，激光喷嘴重新定位。当坯料112未被第一压盘502牢固地保持时，第二压盘504可为简单的约束以保持坯料112；另一方面，第二压盘504可提供在需要时用于将坯料压到第一压盘502上的装置并在前进时提供机械夹持作用。

激光喷嘴508也示于图7中。优选地，激光喷嘴508提供近似校准的束，其布置为使得在材料核心中产生高影响，这可能通过来自保持夹具的反射而辅助产生。相同的激光喷嘴（未示出）可安置在部件的对置侧上以帮助建立对称的热压缩轮廓，多个不同的激光喷嘴（未示出）可对于更为复杂的过程（例如“划线和破裂”）设置到任一侧。光学元件可为变形的、甚至非线性的，以提供希望的束轮廓。止挡510可安置在激光的对置侧以阻挡束和/或反射束。止挡510为多余辐射提供累积的地点。在一个示例中，这也可为反射器，其将多余能量再循环回到也可重新聚焦束的部件中。

残渣移除系统512可被包含并可对于激光切割而是特别希望的。残渣移除系统512随着切割的进展而将残渣移除，并也可为可能包括引入保护气体和辅助气体的过程提供受控的环境。残渣移除系统512可包括同轴/螺旋激光喷嘴。

可压缩的止挡514可安置到坯料112和细棒106上方以在切割操作期间提供压缩。可压缩的止挡514在切割线上提供一些压缩并可为可压缩的垫或可充气的皮囊或其他用于施加准等压压力的机构。可施加变化的或可编程的压缩。特别是在第一次或最后一次切割中移除薄条时，该压缩可用于促进压缩裂解并防止泄漏。其可以进一步是可移动的以在切割之后促进棒的卸载；另外，其可并入注入真空端口的元件以执行材料传递。在一个示例中，这包括可压缩表面，其提供沿坯料112的长度作用的大致均匀的力，并且细棒106被分离。对于切割过程，柔量范围应是很小的以避免在敞口的切缝上的不必要的应力。对于裂解过程，较大范围的柔量是可接受的。可压缩止挡514典型地是可移动的，以促进坯料112的装载和/或细棒106的移除。激光将材料移除从而随后产生凹槽，其典型地略微渐缩并导致切缝516。

可以理解的是，激光切割工具508可由激光裂解工具或划线和破裂工具替代。可进一步理解的是，该夹具方案不必整个是竖直的；例如，如果朝向压盘502倾斜，则压盘504可制成为冗余的，而不会牺牲由重力引起的止动优点，特别是如果止动514并入保持真空，亦是如此。可进一步理解的是，各工具和其他工具可沿垂直于所示视图的方向重复。

图8示出坯料处理夹具600，其可用于任何所提出的方法。该夹具为了保持和索引坯料而提供间隙，其基于重力清理废料和完成的部件。切割线可从两侧接近，从而允许接近各个工具，例如第二激光、冷却等。切割线保持在恒定的位置，这可简化工具602的安装和启动。

所示出的部分处理的坯料112从多晶硅的晶锭或砖块中切割，细棒106由该坯料切割。保持夹具压盘604为坯料提供支撑和定位。坯料112可通过重力或真空或其他夹持系统被保持到压盘604上。伯努利（推/拉）真空卡盘可为优选的示例，因为伯努利真空通过真空牢固地保持坯料，同时允许坯料112在压盘604的平面中自由移动；可选地，流动可被逆转以在一些操作期间将压盘604转到真空卡盘中。

保持夹具600并入馈送机构606，其可包括用于将坯料移动到夹具上的驱动辊。可替代地，该夹具可采用带代替或附加于辊。在切割过程期间，该馈送机构606可用于通过摩擦将坯料保持在适当位置。另外，馈送机构606可用于提供受控量的力以在需要时在切割线上形成压缩。与由压盘604和/或重力提供的真空相结合，该元件606为坯料112提供夹持度。其也可通过朝向端部止挡608驱动坯料112而在切割线上提供压缩或伸展。除了在各次切割之间索引坯料，馈送机构606可用于移动从切割清除的其余坯料，以便卸除已被分割的细棒106。

保持夹具并入滑动夹具610，其为从坯料112分离的细棒106提供支撑。滑动夹具610也可用作门，以在切割完成时释放切掉的材料。这可为简单的滑动表面，但优选为小型的真空卡盘，其抓持从坯料分离的材料：优选地，这是伯努利卡盘的形式。滑动夹具610可用作门，其允许切掉的材料通过重力馈送而卸除。在索引和/或卸除运动期间，该卡盘可提供空气轴承效应，从而促进材料移动。

端部止挡608被提供用于支撑切掉的片。端部止挡608也可用于帮助提供沿切割线的长度的均匀的压缩。端部止挡608在切割线上提供一些压缩。其可包括可压缩的垫或可充气的皮囊或其他用于施加准等压压力的机构。可施加变化的或可编程的压缩。特别是在第一次或最后一次切割中移除薄条时，该压缩可用于促进压缩裂解和防止泄漏。端部止挡608可以进一步是可移动的，以促进在切割后的棒的卸载；例如，端部止挡608可快速加压，然后抽真空以使切屑被释放。

图8示出切割工具602的位置，该切割工具可为任意建议的装置，包括用于激光裂解的激光喷嘴、用于划线和裂解的双波长激光喷嘴、用于切割的激光喷嘴、水引导的激光喷嘴或流化的磨蚀喷嘴。该保持夹具装置是多用途的，特别是因为其提供底侧间隙以使用重力卸除和可能收集材料。

可移动的支座612被提供以通过重力馈送来收集完成的工作。当缩回时，支座612提供门以保护完成的工作受另外的残渣影响并可用于卸载完成的部件。支座612提供用于完成的部件的保持夹具。在切割期间，支座612缩回并可提供门以引导任何残渣切割成废料。当采用支座612时，完成的部件可重力馈送到支座612中；随后，支座612缩回以取出完成的部件并将其传递给转接部。如果端部被修整，则支座612也可用作用于该操作的保持夹具，从而该修整可并行于从坯料分离条而进行。

图9为示出所标明的各种激光波长的硅光谱吸收的示意图。根据被执行的功能，一些激光波长比其他波长是更为希望的。竖直轴线700表示在给定硅厚度内吸收的能量百分比。水平轴线702表示单位为微米的波长。实线704表示3/4厚度的典型细棒的光谱吸收。该厚度出于参考而示出。优选的激光从在整个坯料厚度中的大致光谱吸收中选出，但不过于接近表面。

细实线706表示1/4厚度的光谱细棒的光谱吸收。所示出的厚度称为约1/4厚度的坯料。远小于3/4厚度的吸收704的波长代表更易于产生内部热压力的波长。虚线708表示100微米深度的波长吸收并出于参考而示出。在表面吸收很高时的激光波长由线708表示并优选用于划线、切槽或切割。

范围710表示优选用于激光裂解的波长范围，此时该吸收适于允许高内部热应力由吸收产生。CO2激光是有效的，因为它们在典型地约9.4和10.6微米波长的范围内操作。该范围致力于希望的状况，因为光谱吸收在很大程度上是一致的，并且由于材料的加热为过程的一部分，因而吸收时的热漂移不会对过程产生明显影响。

备选区域712表示优选用于激光裂解的波长范围，此时吸收适于允许高内部热应力由吸收产生。特定的纤维激光、例如钕：钇铝石榴子石（Nd：YAG）和Nd：SGG激光可在约1700nm下操作，并且可在约1080nm下操作的特定纤维激光和二极管激光为适当激光的示例。该区域比主范围710可为较不希望的；然而，希望激光和二极管激光的稳定性有助于使其成为有用的状况。纤维激光和二极管激光也提供一个经济的方案，其具有良好脉冲控制的附加优点。

该示意图进一步示出波长范围714，其优选用于激光加工，此时吸收很高。划线、切槽或切割通常需要表面材料被有效加热的状况，从而表面层被有效移除或汽化。在小于950nm的波长下操作的激光是优选的，但在接近1064nm的波长下操作的激光可具有充分的功率并已显示对于划线是有效的，因为能够将具有高峰值脉冲功率的低吸收偏移。在一个波长下的激光划线或切槽与在第二波长下激光裂解的结合可以是优选的，并且在此所描述的系统可通过针对每个过程选择适当的激光而被优化。约1064nm和约1050nm的激光是普遍可用的，其具有高功率和良好的束质量，但这些波长可能是较不理想的，这些激光可因成本以及可用性问题而被使用。其他可替代方案包括纤维耦合二极管激光和本质上绿色纤维激光，其正越来越变得可用。

在先前的描述中，出于解释的目的，很多细节被提出以提供对各实施例的全面理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，这些特定细节不是必需的。在其他情况下，已知结构以框图形式示出以不会妨碍理解。例如，没有提供关于是否本文描述的各实施例的一些细节实施为软件例程、硬件电路、程序包或其组合的特定细节。

上述实施例仅出于示例的目的。在不背离仅由所附权利要求限定的范围的情况下，本领域技术人员可对特定实施例实现各种替代方案、修改方案和变型方案。

Claims (20)

1.一种用于制备多晶硅细棒的方法，该方法包括：

将多晶硅片放置在夹具上；

向所述多晶硅片施加预定的激光束；以及

将多晶硅细棒与所述多晶硅片分离。

2.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，其中，所述预定的激光束可包括多个激光束。

3.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，其中，所述预定的激光束配置为用于切割所述多晶硅片。

4.根据权利要求3所述的用于制备多晶硅的方法，其中，所述预定的激光束基于所述硅片沿着切割线的厚度以及切割深度进行配置。

5.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，其中，所述预定的激光束配置为用于裂解所述多晶硅片。

6.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，其中，所述预定的激光束配置为使得过程馈送率和激光功率通过相对于激光束测量裂缝尖端位置被控制。

7.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，进一步包括：

在施加所述预定的激光束期间施加辅助气体。

8.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，进一步包括：

向所述多晶硅片施加压缩。

9.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，进一步包括：

在施加所述预定的激光束之前，对所述多晶硅片的至少一部分表面进行纹理化。

10.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，进一步包括：

在施加所述预定的激光束之后或期间，冷却所述多晶硅片。

11.根据权利要求1所述的用于制备多晶硅的方法，进一步包括：

在施加所述预定的激光束之前，对所述多晶硅片进行划线。

12.一种用于制备多晶硅细棒的系统，该系统包括：

用于保持多晶硅片的夹具；以及

适于在所述多晶硅片上引导至少一个激光束以将至少一个多晶硅细棒与所述多晶硅片分离的至少一个激光。

13.根据权利要求11所述的用于制备多晶硅的系统，其中，所述多晶硅片是厚度近似等于所述多晶硅细棒厚度的平坦坯料。

14.根据权利要求11所述的用于制备多晶硅的系统，其中，所述预定的激光束配置为用于切割所述多晶硅片。

15.根据权利要求11所述的用于制备多晶硅的系统，其中，所述预定的激光束配置为用于裂解所述多晶硅片。

16.根据权利要求11所述的用于制备多晶硅的系统，进一步包括：

适于冷却所述多晶硅片的至少一个表面的冷却系统。

17.根据权利要求11所述的用于制备多晶硅的系统，其中，所述夹具是竖直保持夹具。

18.根据权利要求11所述的用于制备多晶硅的系统，进一步包括：设计用于收集所述多晶硅细棒和保护所述多晶硅细棒免受残渣影响的支座。

19.一种用于制备多晶硅细棒的方法，该方法包括：

将多晶硅片放置在夹具上；

向所述多晶硅片施加预定的磨蚀射流；以及

将多晶硅细棒与所述多晶硅片分离。

20.根据权利要求18所述的用于制备多晶硅的方法，其中，所述磨蚀射流是水射流。

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