CN104813447B - 分离基材和加工元器件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一项基底材料分离技术在电子元器件、光电元器件和微机电元器件，尤其是两面元器件加工中的应用。本发明提出的方法适用于多种晶硅太阳能电池制造流程。本发明还涉及通过激光照射在一薄基板侧壁将其分离的装置。此装置可以包含两个面对面放置的基板吸盘，基板从两个基板吸盘之间的空隙通过。本发明进一步指向通过激光照射从一根转动的晶棒的侧壁上分离出一个连续的薄层材料的方法和装置。在晶棒上分离出材料薄层之前可以将一层薄膜沉积在或粘黏在晶棒侧壁。

Description

分离基材和加工元器件的方法和装置
背景技术
本发明适用于电子元器件，光电元器件和微机电元器件的加工。方法特别适用于加工两面元器件，也就是需要包括基底材料正反面设计和制程的元器件。一类典型的两面元器件是晶硅太阳能电池。在晶硅太阳能电池里，不同的材料和结构被加工在硅基正反面。在日光照射下，正负电荷在硅基中产生，电流从加工在表面上的金属电极流出。两面元器件还包括几类半导体电力元器件，包括电力金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。电力MOSFET是最常用的低压(小于200伏)开关。它的应用包括电源、直流到直流转换器和低压马达控制器。IGBT在一个元器件里结合了金属氧化物半导体场效应晶体管简洁的门电路驱动特性和双极晶体管的大电流/低饱和电压的功能。它适用于中大功率的应用，从再生能源产业中的逆变器到电动汽车/火车和节能电器。电力MOSFET和IGBT均为三电极半导体元器件。一个独立的半导体场效应晶体管结构和两个电极被加工在硅片的正面，第三个电极在基底材料的背面。很多微机电系统(MEMS)元器件也是两面的。感应器/驱动器和其他结构经常通过在硅片两面的刻图和加工制程来构成。
两面元器件的制造流程可以比单面元器件更复杂，单面元器件特指只设计在基板一面的元器件。两面元器件加工中的一些挑战与双面制造工艺中基板两面之间的相互污染有关。很多制造工艺实际上都是双面的，也就是在基板的两面同时进行的工艺。这些双面工艺包括但不局限于清洗、薄膜沉积和离子扩散。但是，两面电子元器件的加工通常需要在基板正反面有不同的设计和工艺步骤。因此，一些双面制造工艺可能适用于或者必须用于两面元器件中基板的一面，但是可能不适用于或者必须避免用于基板的另一面。图1显示了两面元器件的一个基本制造流程。元器件的加工先在基板的一个表面进行。其中一些制造工艺是双面的，会污染基板的另一 面。因此，基板的另一面需要在后续制造工艺前进行清洁或研磨。
这些清洁/研磨工艺可能比较繁琐并且昂贵。在某些情况下(例如晶硅太阳能电池的加工)，一些替代的制造流程避免了这样的清洗/研磨工艺，但也有元器件性能上的代价。图2显示了晶硅太阳能电池的一个基本制造流程。晶硅片1首先通过湿法清洗步骤去除表面的污染和损伤的硅再进行表面制绒2。下一道制造工艺是发射结的构成。在常规硼参杂(p-型)的硅基上，一个n-型发射结通常通过在炉管中的高温(800-900C)三氯氧磷(POCl3)扩散工艺3形成。在POCl3扩散工艺中同时形成了一层磷硅玻璃PSG。它在随后的以氢氟酸为基础的湿法清洗4中去除。工艺流程中的下一步是一道周边刻蚀绝缘步骤5以去除基板周边的磷掺杂物。硅片前表面然后被镀上一层减发射(AR)膜，例如氢化的氮化硅(SiNx：H)层6。最终，在步骤7和9中，正面金属(银)电极和背面金属(铝/银)通过丝网印刷加工并随后在一道烧结工艺中固化。
图2所示的几步制造步骤是双面工艺，包括表面清洗和制绒步骤2，磷扩散步骤3和相关的PSG清洗步骤4。晶硅太阳能电池制造流程的设计顾及到了这些双面工艺步骤。硅片背面的磷(n-型)参杂污染在背面金属化铝(p-型)层沉积9时得到补偿。周边刻蚀绝缘步骤5防止了在最终机构中基板正面n-型发射极和背面p-型接收极之间的短路，对正常运作的太阳能电池至关重要。
本发明也涉及薄型基底材料的准备。在单晶硅基板的现有生产中，硅棒先从液态硅通过提拉法(Cz)或浮区法(Fz)获取。这些圆柱形的晶棒然后由线锯沿着晶棒轴垂直方向切割成片，生产出在普通电子和微机电元器件加工中使用的圆硅片。
直径150毫米硅片的标准厚度是～675微米，直径200毫米硅片的标准厚度是～725微米，直径300毫米硅片的标准厚度是～775微米。微处理器和内存等半导体元器件其实可以在一微米以下厚度的硅基上正常运作。一项绝缘体上硅薄膜(SOI)工艺已经被开发出来，可以将薄于一微米的高纯硅材料粘贴在绝缘基板(例如有一氧化硅顶层的硅片)上。已有报道加工在SOI基板上的集成电路可以有晶体管切换速度的进步和能耗的降 低。
在普通集成电路电子元件IC的生产中，多个元器件被加工在同一晶片上，称为芯片。在制作流程结束后，晶片由X-和Y-轴方向进行切割分离出每个芯片，随后将每个功能正常的芯片以合适的密封和输入/输出(I/O)连接口进行封装。通常在晶片切割步骤前会将晶片从背面进行减薄。减低的基板厚度可以达到更低的最终封装轮廓。薄的芯片并可以进行叠加以增加功能或者进一步压缩最终封装尺寸。此外，薄于100微米的硅基元器件可以是柔软的，适合于一些新兴应用如弯曲的新型消费者电子产品等。
在晶硅太阳能电池生产中，硅块先从圆柱形的晶棒制备，然后被切割成正方形或类似正方形(156mm×156mm或者125mm×125mm)的晶片。低于200微米厚的太阳能硅基板现在很普通，同时使用先进的线锯系统现在可以得到150微米的基板厚度。采用合适的基板表面制绒、前表面减反射膜(ARC)沉积和背表面上反射层沉积，现在可以在大于150微米厚度的单晶硅基上生产出18-24％转换率的太阳能电池。
硅基板成本经常在单晶硅太阳能电池制造总成本中逾50-60％。因此降低硅基厚度有着显著的经济效益。采用一些先进的吸光技术，可以想像在100微米或更薄的硅基上保持高的太阳能电池转换率。但是，现有硅基生产技术存在着它们的局限性。线锯切割硬的材料(如硅)伴随着可观的损耗品成本(切割线和浆等)和显著的截口损失，也就是切割线去除的材料量。虽然线锯技术不断进步，生产出低于100微米厚度硅片并且截口损失少于100微米依然十分困难。
其他一些技术被提出用于准备晶硅太阳能电池生产的薄硅基板。在一个方法中，低于20微米厚度的超薄硅片通过将高能氢离子注入硅基板附加高温或机械剥离进行生产。这个想法和已在先进集成电路IC生产中商业化的绝缘体上硅薄膜(SOI)基底材料技术相似。在另一个方法中，在硅基表面沉积一层薄金属(如镍)层再加低温烧结形成一个薄金属硅化物界面层。一个薄的硅片然后可以从基板上用一个机械锲子剥离出来。这两种硅剥离方法都可以在一个起始基板上进行重复，生产出多量超薄(10-20 微米)晶硅片，并几乎没有截口损失。
虽然这些提出的硅剥离技术可以降低硅材料损耗，它们在太阳能电池大规模生产上的应用存在着明显的障碍。与线锯切割一根晶棒上可以同时生产出大量硅片不同，硅片只能从基板上一次一层地剥离出来。并且，必须对基板表面做周期性的再处理。制造周期和在制品(WIP)库存量的增加提高了制造成本。超薄硅基板还需要对太阳能电池生产工艺做重大修改。超薄硅基片需要更高效的吸光以保持高的太阳能电池转换率，但是在硅(111)表面上很难进行合适的表面制绒，虽然硅(111)是硅剥离技术的优先表面取向。此外，需要开发替代的金属化技术与易碎的超薄硅基板相匹配。最后，可靠地操作低于50微米厚度的超薄基板在生产中非常困难。
本发明描述的基材加工的方法和装置包含在基材上的激光照射。激光技术在电子元器件加工中有多种现有应用。例如，通过一道直接材料烧蚀工艺，激光刻图已经被应用于集成电路IC封装及太阳能电池生产中。类似的材料烧蚀工艺还可用于将晶片激光切割成独立的芯片。一种替代的激光切割方法涉及将一束高强度的激光聚焦在基材内部。在所谓的隐性切割工艺中，基底材料在基本波长的激光照射下是透明的，但是可以通过一个多光子吸收过程在材料内部的激光聚焦处发生变化。在激光沿切割线的扫描完成后，晶片被粘在一个支持胶带上。当支持胶带被拉伸时，芯片可以被分开并没有截口损失。
其他一些基于激光的工艺涉及基底材料的融化或亚融化。应用包括先进集成电路IC晶体管加工中硅基上的离子激活，和玻璃基板上非晶硅膜的结晶化以作为高分辨率平板显示的底板。通过仔细设计薄膜叠层和合适的激光波长/功率，激光照射还可以选择性地融化一个粘结层并将薄膜/材料从基材上剥离。应用包括从基板(蓝宝石、硅等)上激光剥离LED芯片，和将柔性显示从临时载体上分开。
本发明还涉及电子元器件生产中的基板操作。可以利用静电吸附力或基板两面的压力差将例如半导体晶片或大尺寸玻璃板等基板贴附在基板吸盘上。有些基板吸盘和基板有直接物理接触。在另外有些情况下，基 板吸盘与基板距离很近但是没有直接的接触。这些非接触型基板吸盘通常采用一个流体力学设计并像弹簧一样运作，基板吸盘和基板之间的工作距离和吸盘“弹簧”系数可以被优化。可以将基板在固定的非接触型基板吸盘表面上进行传输。在平板显示生产中，非接触型基板吸盘已经被用于上胶、光刻、和光学检测设备中玻璃基板的自动化。在薄膜太阳能电池生产中，非接触型基板吸盘已经被用于激光刻线中的基板自动化。
具体实施方式
如下叙述和附图1起被提供用来帮助理解本发明所受内容。叙述着重于特定实施，实施方式及本发明的优势。不应被理解为对所受保护内容的保护范围和适用范围的约束。
本发明中的一些实施方式提出在电子元器件、光电元器件和微机电元器件加工中加入一道基底材料分离步骤的方法，其中一片薄的基板(半导体晶片)被分成两片基板，并且分离后的两片基板具有和起始基板大致一样的正反两面面积。含一道基底材料分离步骤的制造流程可以从一片起始晶片中生产出两片最终产品晶片，从而将每个最终元器件的材料损耗减半。
在本发明中的一种实施方式中，在两面电子元器件、光电元器件和微机电(MEMS)元器件生产流程中一道基底材料分离步骤被加到至少一道双面制造工艺后面。图3显示了所提出的含一道基底材料分离步骤的两面元器件的加工方法，与图1显示的基本制造流程相对比。本发明所提出的制造流程可以将产出元器件量的翻倍，并保持基板分离步骤前双面制造工艺生产规模和制造成本不变。因此，每个最终元器件中基板分离步骤前双面制造工艺的成本可以减半。
如图3所示，电子元器件的制造工艺可以在分离步骤后产生的两片晶片上继续进行和完成。两片产生的基板中的每一片都有一面来自分离步骤前的起始基板，另一面新生于分离步骤。为了方便下述讨论，来自分离步骤前起始基板的表面被指定为新产生基板的前表面，产生于分离工艺的新表面被指定为新产生基板的后表面。在本发明的一种实施方式中，至少一 道制造工艺在分离后的两片新产生基板的新(后)表面进行。这道工艺步骤可以包括但不局限于清洗、腐蚀、扩散、离子注入、薄膜沉积、刻图等。
与图1显示的两面元器件基本制造流程相比，本发明提出的含一道基板分离步骤的方法可以降低两面元器件生产的复杂度。如在背景技术部分所述，两面元器件通常需要基板的正反面有不同的设计和工艺步骤。某些双面制造工艺可能只适用于或者只必须用于基板的一面，但可能不适用于或者必须避免用于基板的另一面。如图3所示在两面元器件制造流程中加入一道基板分离步骤，分离后产生的两片硅片有一新(背)表面，为进行后续制造工艺做好准备。并且，在分离前的双面工艺可以完全根据前表面的设计考虑进行优化。最终结果是一个更简单的制造工艺流程，一个显著降低制造成本的机遇，和一些元器件性能上可能的改进。所提出的方法适用于晶硅太阳能电池的制造。图4显示了一个在常规掺硼(p-型)基板上包含一道基板分离步骤的晶硅太阳能电池制造流程。所提出的方案被提供用于帮助描述本发明，不应被理解为对本发明的限制。
与图2所示有着同样起始基板厚度的常规工艺相比，图4所示方法包括了一道基板分离步骤，可以将每只最终太阳能电池的基板厚度减半。这在太阳能电池基板厚度已接近硅晶棒线锯的极限但硅基板成本仍然占太阳能电池总成本的一半或更高的情况下是有益的。采用常规150-200微米起始晶片厚度，含一道基板分离步骤的生产流程可以生产出50-100微米最终厚度的太阳能电池。
图4所示方法中的开始几道制造步骤与图2所示太阳能电池制造的基本流程相仿，包括去除表面损伤/污染的湿法清洗，表面制绒的湿法腐蚀12，炉管磷扩散13及磷硅玻璃的湿法腐蚀14。这些湿法清洗/腐蚀和炉管扩散步骤都是双面工艺，也就是可以同时在基板两面进行。若将基板以均匀间距放置在清洗/腐蚀池和炉管中，晶片前后表面可以实施相同的工艺。在这些双面工艺后插入基板分离步骤，通过在同等双面工艺生产规模和成本的情况下将最终太阳能电池数量翻番，每只最终太阳能电池的制造成本可以进一步减低。
图2所示的太阳能电池基本制造流程其中一道工艺步骤是周边刻蚀绝 缘5。周边刻蚀绝缘步骤降低了有效太阳能电池晶片面积，因而减低了太阳能电池效率。单位面积太阳能电池效率的损失可以多达0.2％，与18％的基准电池效率相比相当可观。此周边刻蚀绝缘步骤可以在如图4所提出的包含一道基板分离步骤的制造流程中省略。通过在双面炉管磷扩散和磷硅玻璃清洗工艺后的基板分离，基板分离后产生的两片晶片只在前表面有磷掺杂，和最终太阳能电池结构中背面接收极/金属没有短路。周边刻蚀绝缘步骤的省略可以进一步降低太阳能电池制造成本，并且有机会同时提高太阳能电池转换率。
在如图4所示的基板制造流程中省略周边刻蚀绝缘步骤，磷硅玻璃清洗步骤14后直接进行SiNx:H氮化硅反溅射(AR)膜沉积步骤16。SiNx:H薄膜沉积可以在连线设备或在炉管中进行。一套双面SiNx沉积装置(如炉管中的高温沉积)与现在的单面薄膜沉积设备相比可以在成本上具有优势。在本发明中，一道双面SiNx:H薄膜沉积步骤可以在基板分离步骤前实施。这个工艺顺序可以进一步降低每一只最终太阳能电池的SiNx:H沉积成本。
在太阳能电池加工中SiNx:H薄膜沉积后的下一步是前表面金属化17。现有的丝网印刷设备通常印刷在晶片的单面。如将同样的前表面金属化工艺在起始晶片的另一面进行重复(步骤17)再进行基板分离步骤18,分离后两片晶片都已完成了所有的前表面工艺。
在本发明提出的方法中，在基板分离步骤18前在起始硅片的两个表面完成前表面金属电极的丝网印刷(步骤17)可以是有益的。在丝网印刷工艺中，金属浆在一特定压力下被挤在晶片表面。破片一直是太阳能电池前表面细金属线丝网印刷中的问题。晶片破损率随着晶片厚度的减低而增加，很难在现有前表面金属线设备上加工薄于100微米厚度的晶片。在基板分离步骤18前进行前表面金属电极的丝网印刷可以避免前表面金属化丝网印刷设备中晶片破损率的增加。
在图4中，基板分离步骤18后产生的两片晶片都完成了所有前表面工艺，同时基板背表面是崭新的，为进行背表面工艺做好了准备。采取所提出的加工流程，可以对背表面工艺进行优化，与前表面工艺的调整和 变化无关。
总之，如图4所示在晶硅太阳能电池生产流程中加入一道基板分离步骤是可取的。与图2所示传统方法相比，太阳能电池生产成本可以显著降低，包括降低基板厚度50％，将每个最终元器件中基板分离前所有双面工艺的成本减半，并省去周边刻蚀绝缘步骤5。周边刻蚀绝缘步骤的省略还可能提高电池转化率。最后，晶片破损率可以降到最低，即使太阳能电池最终厚度减半。
从上讨论描述了在硼掺杂(p-型)晶片上基本太阳能电池制造工艺中插入一道基板分离步骤的益处。本发明同样适用于各种先进的太阳能电池技术。
在太阳能电池生产中，磁性提拉法(M-Cz)材料被认为比普通提拉法(Cz)材料质量更高。与Cz材料相比，M-Cz硅材料的氧杂质浓度更低，从而有更长的少数载流子寿命，尤其是在光照下。为同样提高在光照下少数载流子寿命的稳定性，p-型(硼掺杂)硅基还可以被n-型(磷或镓掺杂)基板取代。采用更高质量的基底材料可以获得更高的太阳能电池转换率。在另一方面，M-Cz材料和n-型基板材料比常规p-型Cz材料更贵。本发明所提出的方法可以降低基板材料消耗/成本，从而在这些高成本/高性能基底材料在太阳能电池生产中应用时有益。
高端太阳能电池的加工流程可以包括一些新的制造工艺。例如，在n-型硅基上的太阳能电池加工还需要一道硼扩散步骤以在电池前表面形成发射极，与上述在p-型基板上太阳能电池加工中的磷扩散步骤相似。另外，炉管扩散(图2中步骤3)可以被一道离子扩散工艺取代。一道图案化离子注入步骤可以形成一个选择性发射极结构，金属电极和前表面光吸收随之改善。在一个替代的途径里，一个选择性发射极结构可以通过激光刻蚀工艺和化学镀镍/铜电镀金属化进行加工。在本发明几种实施方式中，太阳能电池制造流程可以包括在一道基板分离步骤前进行离子扩散、或激光刻蚀、或电镀工艺。
在基板分离前进行刻蚀和电镀工艺的实施方式还适用于所谓插指背结背接触(IBC)太阳能电池的加工，它至今在大规模生产中实现的太阳能 电池转化率最高。达到IBC电池的最高转化率需要少数载流子寿命在几十微秒范围的n-型(磷Cz)硅基材料。在一个典型的IBC电池结构中，先通过浅的磷参杂(例如通过POCl3扩散)建立一个上表面场，紧接着是表面钝化/反溅射(AR)镀膜。在IBC电池中所有金属电极都位于基板背面，离开阳光照射。在电池背面紧密排列的金属电极可以通过几步工艺步骤来形成，包括一个钝化层(例如SiO2)的沉积、激光刻蚀、电镀n+和丝网印刷p+电极。在本发明中，可以考虑采取一个包含一道基板分离步骤的IBC电池制程，在基板分离前先在起始晶片的两面加工电池背面图案，然后在基板分离后产生的晶片新表面进行电池前表面工艺。
异质结结构(HIT)太阳能电池是另一具有潜力的高端太阳能电池技术，已实现超过20％的电池转化率。太阳能电池转化率还在高温下稳定。并且，HIT电池可以作为一个双面元器件运行，也就是太阳能照射在任何一面都可以产生电能。一个典型的HIT电池结构包括在基板两面含参杂的和无参杂非晶硅(a-Si:H)层沉积的多层结构,用于表面钝化和发射极的形成。p-型和本型(无参杂)a-Si层被沉积在基板一面，n-型和本型a-Si薄膜的多层结构被沉积在基板另一面。在加工金属汇流线前，HIT电池的两面都被盖上一层透明导电氧化物(TCO)层(例如氧化铟锑，也就是ITO)。
HIT电池中的非晶硅(a-Si)沉积需要对薄膜厚度，参杂浓度和深度剖面的精确控制。与SiNx:H和SiO2沉积类似，a-Si沉积可以在连线性设备(单面沉积)或在炉管(可以双面沉积)里进行。可以想像在基板分离前在起始晶片上进行双面a-Si薄膜叠层沉积，再加工基板分离后的新鲜表面以完成HIT电池的加工。从一个～200微米的起始晶片厚度，<100微米厚度的HIT电池可以在分离后加工出来，对电池转化率的影响很小。
从上讨论描述了将基板分离步骤应用在不同电池结构和不同生产流程的太阳能电池制造中。但是，本发明的实施方式不止局限于上面提到的太阳能生产流程。另外，所提出的包括一道基板分离步骤的元器件加工方法不止局限于太阳能电池的制造，也适用于其他双面元器件的加工(电力半导体元器件，微机电元器件，CMOS传感器等)。
预期的应用需要将100-200微米薄的起始晶片进行分离，并且几乎没 有截口损失。本发明提出了几个方法。在一种实施方式中，基板分离通过在基板侧壁的激光照射完成。如图5所示，一束聚焦的激光100可以在基板101侧壁上切出一条很窄的槽。在与基板101前后表面平行方向进行连续切割可以实现基板分离。使用很窄的，如几微米宽的激光束100可以是有益的。激光束100的长度可以超过从点102到点103的基板宽度。激光束还可以被塑造成其他一些形状，例如一根短线，一个椭圆形的光斑或者一个圆形的光点。此外，激光束还可以聚焦在一个点，或者如虚线状排列的几个点。在这些情况下，贯穿基板整个宽度的激光照射可以通过在一个大致平行于基板前后表面的方向扫描激光束或移动基板来实现。
所提出的通过激光照射进行基板分离的方法可能需要基板在分离工艺中瞬时分开，以便聚焦的激光束照射到分离位置。在本发明的一种实施方式中，基板被附上静电荷，分离后产生的两片基板可以被电荷排斥力分开。
在本发明的实施方式中，所提出的基板分离还可以通过一个从基板侧壁的基板机械切割来完成。并且，所提出的基板分离步骤可以通过两步完成，在激光照射后再进行基板分离步骤。在如图6所示的激光照射工艺中，一激光束110聚焦在基板内部、在基板表面111下特定深度。在适当条件下，在基板内部激光聚焦点112可以形成一个变化的区域。激光需要被仔细地挑选，不仅在基本频率上在基板材料中有高的穿透率，并且在倍频(半波长)时与材料电子结构要有好的共振。将激光聚焦点在基板表面111下大致固定深度进行扫描，可以在基板内部形成一个和基板表面111大致平行的变化区域平面。此变化区域的平面可以有明显低于单晶材料的机械强度。在接下来的一道基板分离步骤中，基板可以沿着这个变化区域的平面被分离为二片。
激光照射和基板分离步骤如果脱钩，可以在总的制造流程中将几道工艺步骤夹在两者中间。例如，激光照射步骤可以先在有最佳表面光滑度/结构、有助于激光束收敛的裸晶片上完成，然而基板分离步骤可以被沿迟到几步双面工艺完成之后。图7显示了一个包括如此将激光照射和基板分离步骤脱钩的太阳能电池生产流程。一个变化区域的平面先在裸硅晶片内 部形成(21)。基板然后进行与图4所示相似的工艺步骤，包括表面制绒22、磷扩散23、磷硅玻璃PSG清洗24、SiHx：H沉积26和两步/两面的前表面金属化27，再进行基板分离28和背表面金属化29。
本发明的一种实施方式涉及在所提出的两面元器件加工方案中进行基板机械分离。可以将一个单晶基板如硅沿它的晶格取向劈开，同时没有截口损失。所提出的基板机械分离工艺可以在一道激光照射步骤后实施。在一个方法中，激光照射可以在基板侧壁刻出一个槽以帮助随后进行的机械分离工艺。在另一个方法中，激光照射在基板表面可以在基板内部形成一个和基板前后表面基本平行的变化区域平面，基板再沿这个基板内部的变化区域平面进行机械分离。
本发明所提及的新颖的基板分离工艺值得详细考虑装置的设计。预期的应用必须将100-200微米薄的起始晶片进行分离，并且几乎没有截口损失。半导体基板，如硅，既可以弯曲但又易碎。另外，晶片内部和晶片与晶片之间可以有显著的厚度差异。在基板分离装置设计中需要考虑到这种晶片内部的厚度变化和晶片间的厚度差异，因为保持基板分离后两片晶片的厚度基本一致可以是有益的。
如图8所示，本发明的一种实施方式描述了含两个面对面放置、之间有一间隙的基板吸盘200和201。基板吸盘可以采取非接触型设计。如图8所示，一个基板202可以通过两个非接触型基板吸盘之间的空隙，基板表面与基板吸盘表面大致平行。两个基板吸盘采取镜面对称的设计和相同的使用条件可以是有益的。当薄基板通过两个基板吸盘之间的空隙时，两个非接触型基板吸盘像两个相连的弹簧一样工作，可以将基板的侧壁在两者之间居中，和基板与基板及基板内部的厚度变化无关。
如图8所示，一个激光束203可以聚焦在基板侧壁中线进行基板分离。在本发明的一种实施方式中，图8中的设备可以包括激光照射感应器204。激光照射感应器204可以被放置于两个基板吸盘200和201中间空隙、基板通路的两端。感应器204可以检测激光束位置以及包括峰强度、宽度/聚焦等激光束属性。从感应器204获取的信号可以被用于将激光束203与基板吸盘组合对准。
当基板在设备中通过时，激光照射在基板侧壁，驱动基板分离工艺。对于圆形晶片，激光照射/基板分离可以从晶片的一点开始。对于方形晶片，激光照射/基板分离可以同时横跨基板侧壁(在图8中从点205到点206)开始。
可以想像通过将基板朝着激光聚焦点输送过装置以继续基板分离工艺。与一个线型的激光束/扫描相结合，分离工艺可以扩散到基板内部。在基板分离工艺中，基板有两个(在分离后的)输出面积和一个(在分离前的)起始面积。在一个如本发明所提出的通过激光照射的连续基板分离工艺中，激光必须通过两个输出面积之间的空隙照射到基板分离处。一个可行的基板分离工艺的截口需要窄至只有几微米宽。因为每个光学系统都有一个有限的景深，分离后两个输出面积之间必须有足够的空间让激光照射抵达基板分离处。如果两个输出面积都是直的，很多激光照射强度、即使在有尽可能好的准直下、可能无法通过空隙抵达基板分离处。
在本发明的一些实施方式中，两个输出面积被展开，以获取这个激光照射到基板分离处所需的空间。如图9所示，在装置中通过基板分离地点212后两个面对面放置的基板吸盘210和211之间的空隙可以增加。在侧面图上，两个输出面积和一个起始面积大致形成一个“Y”状，以激光照射/基板分离处212为“Y”型的中点。
在本发明所述的方法中，装置可以包括两部分。在第一部分里，两个面对面放置的基板吸盘210A和211A相互基本平行。如上所述，基板侧壁通过基板吸盘组合的这部分时可以与激光照射对准以进行基板分离。在基板吸盘组合的第二部分里，两个基板吸盘210B和211B之间的空隙逐渐增加以将分离后两个输出面积拉开。在本发明的一种实施方式中，基板吸盘的第一和第二部分形成了一个连续的表面，如图9所示。在本发明的另一种实施方式中，基板吸盘的第一和第二部分被设计成两个独立的单元，如图10所示。基板吸盘的第二部分222和223可以与基板吸盘的第一部分220和221分离。这两种设计共享将基板分离后两个输出面积分开的原理，然而它们在设计和使用的细节上可以有一些细微的差别。
所提出的途径利用了在基板分离工艺的目标应用中半导体基板可以 弯曲的性质。例如，在晶硅太阳能电池生产中典型的基板厚度已经降到～200微米或更低。基板分离步骤后产生的晶片可以有～100微米或更低的厚度。这个厚度的硅基板是可以弯曲的，可以像图9和图10所示一样展开。然而，这样薄的半导体基板也是易碎的，必须小心处理。如图9和图10所示在吸盘第二部分采取弯曲表面的设计可以是有益的。吸盘表面曲率的设计需要使得激光不受阻碍地照射到基板分离处。此外，设计必须考虑例如基板厚度、基板机械强度、基板质量和基板表面薄膜叠层的完整性等诸多因素。
以上段落讨论了直接激光照射/基板分离工艺(从下描述为“一步工艺”)的装置。如上讨论，另一种基板分离的途径包括脱钩的激光照射和基板分离步骤(从下描述为“两步工艺”)。本发明的一些实施方式涉及了两步激光照射/基板分离工艺的装置设计。激光照射和基板分离步骤都需要适应起始基板的厚度变化。如图11所示，两步工艺中激光照射的装置可以包含两个面对面的基板吸盘230和231以使基板侧壁232在两者间居中。一束激光233透过吸盘照射在基板前(或背)表面。这可以通过吸盘上的一个小孔234或者一扇窗户实现，或者可以简单采用由在激光波长上透明的材料制造的吸盘。
激光照射需要在到基板的通道中没有在激光波长上的吸收。此外，高强度激光束在半导体材料上的照射需要基板的氛围中没有氧化剂和污染源。很多非接触型吸盘包含一个流体力学的设计，吸盘和基板之间的工作距离很小，在吸盘操作中基板表面暴露在流体(如净化气体)下。可以想像选择在激光波长上没有吸收的净化气体。惰性净化气体还可以避免在高强度激光照射下的基板表面氧化和污染。
本发明的另一种实施方式涉及两步工艺中基板分离步骤的装置设计。这套装置也包含两个面对面放置的非接触型吸盘，如图12所示。通过装置的基板240先在非接触型吸盘241A和242A大致平行的一部分之间居中。在装置的第二部分里，两个面对面放置的吸盘241B和242B之间的空隙在基板输出方向增加。在适当情况下，基板可沿先前激光照射步骤中准备的变化区域平面进行分离。放置在基板分离处的一个机械锲子243可 以使基板的分离变得更容易。基板吸盘组合的第二部分241B和242B可以有弯曲的表面以便操作易碎的薄半导体基板材料。每个吸盘的第一和第二部分(241A和241B，242A和242B)可以是一个完整的单元，或者被设计/制造成两个相邻的单元。
本发明的另一种实施方式将激光照射/基板分离工艺延伸到一个大致圆柱体形状的工件。如图13所示，可以想像从一根晶棒301的切线方向进行激光照射300，并从晶棒侧壁分离出一层连续的材料302。
与上述针对薄基板的一步和两步基板分离方法类似，也有两种以圆柱形晶棒为工件的激光照射和基材分离的方法。在如图13所示的第一种方法中，薄层材料在激光照射处303从晶棒侧壁分离。这类似于上述针对薄基板的一步基板分离方法。在如图14所示的第二种方法中，激光束310聚焦在晶棒311侧壁表面下方的聚焦点312。通过贯穿晶棒长度的激光扫描和晶棒的旋转，一个变化区域的平面313在基材内部形成，然后一层材料314沿着变化区域的平面在材料分离处315卷出。这类似于上述薄基板的两步基板分离方法。
图13和图14还演示了这些圆柱形晶棒分离工艺的装备设置。在如图13所示的一步激光扫描/基材分离工艺中，一薄层材料302通过激光照射300从旋转的晶棒301分离出来。产生的薄层材料的厚度等同于起始晶棒侧壁306和激光照射/基材分离处303之间的距离。激光束300可以采取一条窄线的形状，宽度几微米、长度超过晶棒301长度。此外，其他形状(如点)的激光束可以被采纳，加上一个贯穿晶棒长度的激光扫描。
如图13所示，旋转的晶棒可以与一吸盘304沿着晶棒侧壁的长度相靠，紧接着激光照射/基材分离处。此吸盘304可以将分离后产生的薄层302从激光照射300的通路中拉开。在激光线/扫描的另一边，分离后的圆柱形晶棒表面305从激光照射的通道转开。在侧面图上，此布局类似图9和图10中所示薄基板的一步激光照射/基板分离工艺的设置，其中分离后两输出基板面积被分开，为激光照射通道提供空间。
如图13所示，使用圆柱形的吸盘304将产生的可弯曲材料薄层302从激光照射/基材分离处303卷开可以是有益的。非接触型或者直接接触型 的吸盘设计都可以被考虑。若采取非接触型吸盘设计，在连续的材料分离工艺中吸盘可以固定不动，同时将产生的材料薄层卷出。
保持产生的材料薄层的均匀厚度可以是有益的。如图13所示，此薄层材料的厚度等同于起始晶棒侧壁306和激光照射处303之间的距离。同时，晶棒侧壁306和圆柱形吸盘304之间的工作距离是个常数。因此可以想像通过固定激光照射处和吸盘侧壁的相对位置来实现一个连续的基材分离工艺。在装置中安装激光照射感应器可以是有益的，并可在激光/吸盘的精确对准中使用它的信号。从晶棒上进行连续材料薄层的分离减小了晶棒的半径。为了维持晶棒侧壁和吸盘之间的工作距离，晶棒301的中(圆)心位置307必须慢慢地移向吸盘304。可以将所需的移动进行计算并且进行精确的控制。此外，可以简单地通过吸盘吸力将晶棒拉向吸盘。
图14显示了一套在圆柱体晶棒上进行两步基材分离工艺的装备。第一步是高功率短脉冲激光310从径向方向照射在一根晶棒的侧壁311。一个变化区域可以在晶棒侧壁表面下激光聚焦处312形成。通过贯穿晶棒侧壁长度的激光扫描、加上晶棒旋转，可以在晶棒侧壁表面下形成一个变化区域平面313。在晶棒311从激光照射处转出后，一材料薄层314可以在基材分离处315沿此变化区域平面313从晶棒311分离出来。与图13所示一步基材分离装置类似，转动的晶棒可以和一个圆柱形的吸盘316相靠，在基材分离后将输出材料薄层卷出。此外，可以使用一个机械锲子317以协助基材分离工艺。
在本发明的最后一些实施方式中，在提出的基材分离工艺前可以在晶棒上沉积或粘黏另一材料。图15和图16分别说明了所提出的一步和两步基材分离工艺的方法。在圆柱体晶棒上进行两步激光照射/基材分离工艺时，可以选择在激光照射前或激光照射后沉积/粘粘此支持材料320。有些材料不能承受高强度激光照射，或者可能不利于激光穿透和在基材内部的聚焦。在激光照射后沉积或粘黏这些材料可以是有益的，如图16所示。在另一方面，有些其他材料/薄膜可以作为反溅射膜并增强光的吸收，或者提高基材表面光滑度并降低光的折射。在激光照射前涂上这些支持材料/薄膜可以有益于激光的穿透和激光在基材内部的聚焦。
附图说明
实施方式在如下具体描述中显示，不局限于如下附图。
图1显示两面电子，光电子和微机电系统(MEMS)元器件的一个基本加工程序。
图2显示晶硅太阳能电池的一个基本制造流程。
图3显示依照本发明两面电子，光电子和微机电系统(MEMS)元器件的一个制造程序。
图4显示依照本发明晶硅太阳能电池的一个制造流程。
图5显示依照本发明为基板分离在基板侧壁进行激光照射的一个立体图。
图6显示依照本发明一个基板接受激光照射、激光聚焦点在基板内部、并且激光扫描在基板内部形成一个材料变化区域的平面，以利于之后的基板分离的立体图。
图7显示依照本发明中另一种实施方式生产晶硅太阳能电池的一个工艺流程。
图8显示依照本发明一个基板分离装置的立体图，其中一个基板通过两个非接触型基板吸盘之间的空隙，基板侧壁暴露于激光照射，装置包含激光照射感应器。
图9显示依照本发明一个基板分离装置的侧面示意图，其中一个基板通过两个非接触型基板吸盘之间的空隙，基板侧壁暴露于激光照射，两个非接触型基板吸盘的一部分大致相互平行，另一部分之间的空隙沿着晶片离开装置的方向增加。
图10显示依照本发明一个激光照射和基板分离装置的侧面示意图，其中包含两对基板吸盘，一对基板吸盘大致相互平行，另一对基板吸盘之间的空隙沿着晶片离开装置的方向增加。
图11显示依照本发明一个激光照射装置的侧面示意图，其中一个基板通过两个基板吸盘之间的空隙，激光通过一个基板吸盘上的小孔照射在基板上。
图12显示依照本发明一个基板分离装置的侧面示意图，其中一个基 板通过两个基板吸盘之间的空隙，在一个机械锲子的帮助下基板从侧壁中间被分开。
图13显示依照本发明一个基板分离装置的立体示意图，其中在激光照射下一层半导体材料从一根晶棒的侧壁上分离出来。
图14显示依照本发明一个基板分离装置的立体示意图，其中激光照射在一根旋转的晶棒的侧壁，一变化区域的平面在激光聚焦点形成，一层材料从晶棒侧壁沿着变化区域的平面分离出来。
图15显示依照本发明一个基板分离装置的立体示意图，其中粘黏一薄层支持材料到晶棒侧壁，再从晶棒侧壁通过激光照射分离出一层半导体材料。
图16显示依照本发明一个基板分离装置的立体示意图，其中激光照射在一根旋转的晶棒的侧壁下方形成一个变化区域的平面，在激光照射后粘黏一薄层支持材料在晶棒侧壁，从晶棒侧壁沿着变化区域的平面分离出一个材料薄层。

Claims (11)

1.一套用来处理半导体晶片的装置，其包含：
第一个基板吸盘；
与第一个基板吸盘分隔设置的第二个基板吸盘；
第一个基板吸盘和第二个基板吸盘之间设有供半导体晶片可以通过的空隙；
在半导体晶片通过所述空隙时将半导体晶片分离成两片的机构，所述两片均与分离前半导体晶片的面积基本一致；
其中所述第一个和第二个基板吸盘设计、放置和使用时，需保证当半导体晶片通过所述空隙时，半导体晶片不与基板吸盘接触。
2.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，其中所述第一个和第二个基板吸盘采取基本镜面对称的设计。
3.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，其中所述第一个基板吸盘的一部分和第二个基板吸盘的一部分在半导体晶片通过所述空隙、被分离前基本平行。
4.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，其中所述空隙在半导体晶片通过空隙、被分离后增加。
5.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，还包含一套激光照射系统，其在半导体晶片通过空隙时用于照射半导体晶片的侧壁。
6.如权利要求5所述的用来处理半导体晶片的装置，所述激光照射系统包含激光照射感应器。
7.如权利要求5所述的用来处理半导体晶片的装置，还包含一套使用所述激光照射感应器的信号将所述空隙和所述激光照射对准的闭路控制系统。
8.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，还包含一套激光照射系统，其在半导体晶片通过空隙时照射在半导体晶片的一面，并且激光照射聚焦点在半导体晶片的内部。
9.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，包含一套在所述半导体晶片上附加静电的设备。
10.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，还包含一套可以将净化气体传到所述半导体晶片的设备。
11.如权利要求1所述的用来处理半导体晶片的装置，分离半导体晶片的机构包含一个机械锲子。
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