DE112012003162T5

DE112012003162T5 - Systeme und Verfahren zum Herstellen dünner Siliziumstäbe

Info

Publication number: DE112012003162T5
Application number: DE112012003162.8T
Authority: DE
Inventors: Gerald WOOTTON; Steven VAN LOON
Original assignee: Automation Tooling Systems Inc; ATS Automation Tooling Systems Inc
Current assignee: Automation Tooling Systems Inc; ATS Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-04-17
Also published as: CN103781587A; CN103781587B; US20130174607A1; US9527158B2; WO2013016823A1

Abstract

Verfahren und System zum Anfertigen dünner Polysiliziumstäbe, wobei das Verfahren und das System umfassen: Platzieren eines Stücks aus Polysilizium auf einer Aufnahmevorrichtung; Aufbringen eines vorgegebenen Laserstrahls oder Abrasivstrahls auf das Stück aus Polysilizium; und Abtrennen eines dünnen Polysiliziumstabs von dem Stück aus Polysilizium. Der Laserstrahl kann entweder zum Schneiden oder zum Cracken verwendet werden, je nach den gewählten Betriebsparametern. Es können auch verschiedene Kombinationen von Schneiden und Cracken verwendet werden, um den dünnen Stab von dem Stück aus Polysilizium abzutrennen. Beispielsweise kann der Laserschnitt ein Anreißen und/oder ein Teilschnitt sein, und das Trennen kann durch Cracken des verbleibenden Siliziums fertiggestellt werden. In diesem Fall kann das Cracken zum Beispiel durch mechanisches Biegen oder Lasercracken durchgeführt werden. Allgemein ausgedrückt kann sich ein Laserstrahl, der zum Cracken verwendet wird, von einem Laserstrahl, der zum Schneiden verwendet wird, unterscheiden und andere Betriebsparameter haben.

Description

QUERBEZUG ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen der Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/513,237, eingereicht am 29. Juli 2011, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren zum Schneiden von Silizium. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Systeme und Verfahren zum Herstellen und Bearbeiten dünner Siliziumstäbe.
HINTERGRUND
Ein Verfahren zum Herstellen von Polysiliziummaterial zur Verwendung in verschiedenen Industriezweigen umfasst das „Wachsenlassen” von Polysilizium auf einer Basis aus hochreinem Polysilizium. Beispielsweise werden das Siemens Verfahren oder ähnliche chemische Gasphasen-Abscheidungsverfahren (Chemical Vapor Deposition (CVD)) verwendet, um ungefähr 80% des heutzutage hergestellten hochreinen Polysiliziums zu erzeugen. Beim Siemens Verfahren werden Polysilizium-Zylinder (bisweilen Stäbe genannt) durch den pyrolytischen Zerfall von gasförmigen Siliziumverbindungen auf einem Siliziumsubstrat (bisweilen als dünner Stab bezeichnet) hergestellt. Bei diesen Verfahren wird Polysiliziummaterial in einem chemischen Reaktor mittels chemischer Abscheidung auf einem Kernmaterial aus Polysilizium bei erhöhter Temperatur wachsen gelassen. Typischerweise wird das Kernmaterial anfangs zu einem U-förmigen Faden, bisweilen als Haarnadel bezeichnet, geformt, der von einem Druckkessel umschlossen und wenigstens teilweise erhitzt wird, indem Strom hindurchgeleitet wird. Gas wird in den Druckkessel zugeführt und zusätzliches Material wird durch chemische Dampfphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition (CVD)) auf dem Faden abgeschieden, bis sein Querschnitt beträchtlich größer wird und der Oberflächenbereich schließlich einen ungefähr zylindrischen Querschnitt mit dem gewünschten Durchmesser hat und entfernt wird. Der resultierende hergestellte Faden wird in zylindrische Abschnitte (die Stäbe genannt werden) geschnitten. Es ist vorgesehen, dass das resultierende Material ultrareines Silizium ist, das als Rohmaterial für nachfolgende Verfahren verwendet wird, einschließlich der Herstellung von Halbleitern und photovoltaischen Wafern. Haarnadeln werden typischerweise durch Zusammenfügen langer dünner Streifen aus Polysilizium, als dünne Stäbe bekannt, und einer Querverbindung gebildet. Dünne Stäbe können auf mehrere alternative Arten hergestellt werden.
Es gibt modifizierte Verfahren zum Herstellen von Polysilizium, bei denen keine Haarnadelelektrode erforderlich ist, und die anstelle einer „Glasglocken”-ähnlichen Kammer eine rohrförmige Kammer und lineare Fäden verwenden. Diese Herangehensweisen erfordern trotzdem noch die Herstellung dünner Stäbe. Weitere Alternativen vermeiden insgesamt den Bedarf an dünnen Stäben, aber keine hat sich bisher als so effektiv herausgestellt wie das Siemens Verfahren oder ähnliche Verfahren.
Dünne Stäbe können auf mehrere alternative Arten hergestellt werden. In einigen Fällen werden dünne Stäbe durch Recyceln eines Teils des Reaktorausgangs hergestellt. Stäbe werden in Platten und anschließend in dünne Streifen (die dünnen Stäbe) geschnitten, welche zusammengefügt werden, um neue Fäden zu bilden. Herkömmlicherweise wird Schneiden mit der Säge verwendet, um dünne Siliziumstäbe herzustellen. Bei diesem Verfahren wird jedoch typischerweise eine große Kerbe erzeugt, was zu reduzierter Materialausnutzung führt. Schneiden mit der Säge neigt auch zu einer niedrigen Vorschubgeschwindigkeit, was zu niedrigem Durchsatz und dem Bedarf an einer beträchtlichen Menge von Ausrüstung führt, um eine Großanlage zu unterstützen. Schneiden mit der Säge ist auch ein Kontaktverfahren, dem die Möglichkeit der Verunreinigung durch Abrasivstoffe und andere Materialien innewohnt, was bei der Herstellung von hochreinem Material eine potenzielle Belastung darstellt. Schneiden mit der Säge ist auch anfällig dafür, Verlust durch Bruch zu verursachen, was zu reduziertem Verfahrensertrag führt. Dünne Stäbe betragen typischerweise 6 bis 12 mm auf einer Seite, während Sägeschnitte typischerweise 1,2 bis 1,5 mm betragen. Obwohl das Kerbmaterial recycelt werden kann, stellt dies dennoch einen wesentlichen Verlust wertvollen Materials dar. In einigen Fällen beträgt der Kerbverlust durch Kerbschnitte ca. 18% (1,2 mm Kerbschnitt gegenüber einem dünnen Stab von 6,5 mm Breite). Typischerweise müssen auch chemische Ätzverfahren oder andere Verfahren verwendet werden, um die dünnen Stäbe nach dem Schneiden mit der Säge zu reinigen. Ungefähr 1 von 48 hergestellten Stäben wird zur Wiederverwendung im System des Wachsenlassens in dünne Stäbe geschnitten.
Zwei Parameter, die etwas gegensätzlich sind, sind das Erfordernis, Haarnadeln möglichst lang und möglichst dünn zu machen, um sowohl die Materialausnutzung als auch die Ausnutzung der Reaktorkammer zu maximieren. Wenn die Stäbe länger und dünner werden, wird es schwieriger, sie ohne Verlust durch Bruch zu schneiden, und selbstverständlich wird der Kerbverlust größer (das heißt, wird ein größerer Anteil des verbrauchten Polysiliziums).
Bei einer Alternative können Diamantdrahtsägen verwendet werden. Diamantdrahtsägen können den Kerbverlust auf unter 0,2 mm verringern, haben jedoch andere Einschränkungen. Sägen mit Diamantdraht ist zum Beispiel typischerweise ein langsames Verfahren: die Drahtgeschwindigkeit und die Materialentfernungsgeschwindigkeit sind ebenso begrenzt wie die Schnittkraft, und die Wärmebehandlung des Drahts ist ebenfalls kritisch. Eine typische Schnittgeschwindigkeit liegt in der Größenordnung von mm/min, und deshalb kann das Schneiden der Länge einer Platte, die typischerweise bis zu 2,3 m lang ist, ziemlich zeitaufwändig sein. Außerdem geht Drahtschneiden ohne Kühlmittel typischerweise langsamer vor sich, wodurch sich ein Kompromiss zwischen der Verwendung eines Kühlmittels und einer verringerten Vorschubgeschwindigkeit ergibt, von denen keines erwünscht ist.
Bei einem alternativen Verfahren können dünne Stäbe alternativ durch Ziehen von Silizium aus einem Schmelztiegel hergestellt werden. Dies ist jedoch ein langsamer und energieintensiver Vorgang. Auch erschwert das resultierende Profil des Stabs, das normalerweise zylindrisch ist, das Zusammenfügen dünner Stäbe zu einem Haarnadelfaden, zum Beispiel durch Stoßschweißen.
Es sollte auch bedacht werden, dass Werkzeugverschleiß bei Schneidwerkzeugen (Scheibe, Draht, Abrieb, etc.) ein Problem darstellt, weil Schneidwerkzeuge typischerweise Elemente enthalten, die häufig ausgetauscht werden müssen.
Im Allgemeinen stellen die Kosten für die Herstellung dünner Stäbe bei der Herstellung von hochreinem Polysilizium einen signifikanten Kostenfaktor dar. Es besteht ein Bedarf, ein verbessertes System und Verfahren zur Herstellung dünner Stäbe bereitzustellen, mit denen wenigstens eines der folgenden vorgesehen werden kann: gesteigerte Ausrüstungskapazität, reduzierte Grundfläche, reduzierter Energieverbrauch, reduzierter Abfall und reduzierte Betriebsstoffe, unter anderem, um die Herstellungskosten zu reduzieren.
Beim Überprüfen einer Verbesserung ist die Materialausnutzung ein nützlicher Parameter: je größer die Anzahl dünner Stäbe, die aus einem einzigen Stab hergestellt werden können, desto geringer die Anzahl von Stäben, die benötigt werden, um das Verfahren zu tragen, und folglich wird eine größere Menge Polysilizium bei gegebener Reaktorkapazität ausgegeben. Wie oben angemerkt, sind Faktoren, die die Materialausnutzung beeinträchtigen, Kerbverlust und Verlust durch Bruch und die Abmessungen dünner Stäbe.
KURZFASSUNG
Es ist daher erwünscht, wenigstens einen Nachteil früherer Systeme und Verfahren zum Produzieren und Herstellen dünner Siliziumstäbe abzuschwächen.
Gemäß einem vorliegenden Aspekt wird ein Verfahren zum Anfertigen dünner Polysiliziumstäbe bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Platzieren eines Stücks aus Polysilizium auf einer Aufnahmevorrichtung; Aufbringen eines vorgegebenen Laserstrahls auf das Stück aus Polysilizium; und Abtrennen eines dünnen Siliziumstabs von dem Stück aus Polysilizium.
In einem besonderen Fall kann der vorgegebene Laserstrahl eine Vielzahl von Laserstrahlen aufweisen. Als Beispiel können mit einer Vielzahl von Laserstrahlen eine Vielzahl dünner Stäbe gleichzeitig angefertigt werden.
Es ist selbstverständlich, dass, wie unten beschrieben, der Laserstrahl zum Schneiden oder zum Cracken verwendet werden kann, je nach den gewählten Betriebsparametern.
In einem weiteren besonderen Fall kann der vorgegebene Laserstrahl so konfiguriert sein, dass er das Stück aus Polysilizium crackt.
In einem noch weiteren besonderen Fall ist der vorgegebene Laserstrahl so konfiguriert, dass er das Stück aus Polysilizium bricht.
Es ist selbstverständlich, dass verschiedene Kombinationen von Schneiden und Cracken verwendet werden können, um den dünnen Stab von dem Stück aus Polysilizium abzutrennen. Der Laserschnitt kann zum Beispiel ein Teilschnitt sein, und die Abtrennung wird durch Cracken des verbleibenden Siliziums abgeschlossen. In diesem Fall kann das Cracken zum Beispiel durch mechanisches Biegen oder Lasercracken durchgeführt werden. In diesem Fall kann sich der zum Cracken verwendete Laserstrahl von dem zum Schneiden verwendeten Laserstrahl unterscheiden und kann andere Betriebsparameter haben.
Bei den Fällen des Schneidens oder Crackens ist es selbstverständlich, dass der vorgegebene Laserstrahl auf der Grundlage verschiedener Faktoren ausgewählt wird, die zum Beispiel die Dicke des Stücks aus Silizium, insbesondere entlang der Schnittlinie, die Tiefe des Schnitts oder die zum Cracken des Siliziums benötigte Eindringtiefe, die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit des Verfahrens, die Laserleistung oder dergleichen, wie vorliegend beschrieben, aufweisen.
In einigen Fällen kann die Vorschubgeschwindigkeit des Verfahrens und/oder die Laserleistung durch Messen der Crackspitzenposition relativ zum Laserbrennfleck oder durch Messen der Belastung im Silizium durch optisches Abtasten gesteuert werden.
In einem anderen besonderen Fall kann das Verfahren das Aufbringen eines Schutzgases während des Aufbringens des vorgegebenen Laserstrahls und/oder das Aufbringen eines Hilfsgases während des Aufbringens des vorgegebenen Laserstrahls umfassen.
In einem noch anderen besonderen Fall kann das Verfahren das Aufbringen von Kompression auf das Stück aus Polysilizium umfassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kompressionsmenge präzise gesteuert wird und variabel ist, um eine Anpassung bei dem Verfahren zu ermöglichen. In einigen Fällen kann der Druck annähernd gleichmäßig entlang der Länge der Schnitt- oder Cracklinie aufgebracht werden. In einem besonderen Fall kann das Cracken durch Entfernen der Kompression unmittelbar nach dem Laserscheiden erfolgen.
In einem noch anderen besonderen Fall kann das Verfahren das Strukturieren wenigstens eines Teils einer Oberfläche des Stücks aus Polysilizium vor dem Aufbringen des vorgegebenen Laserstrahls umfassen. Das Strukturieren kann auf verschiedene Arten erfolgen, zum Beispiel durch Verwenden eines Lasers oder durch Hinterlassen von Schnittmarkierungen von vorhergehenden Bearbeitungen auf dem Silizium. In einigen Fällen kann die Strukturierung auf der Gesamtfläche des Siliziums erfolgen, während in anderen die Strukturierung selektiv in der Nähe der Schnittlinie aufgebracht werden kann.
In einem anderen besonderen Fall kann das Verfahren das Kühlen des Stücks aus Polysilizium nach dem oder während des Aufbringens des vorgegebenen Laserstrahls umfassen.
In einem noch anderen Fall kann das Verfahren das Anreißen des Stücks aus Polysilizium vor dem Aufbringen des vorgegebenen Laserstrahls umfassen. In diesem Fall kann eine Anreißlinie vor dem Aufbringen des vorgegebenen Laserstrahls poliert oder geglättet werden. Des Weiteren kann das Stück aus Polysilizium sowohl auf einer ersten als auch einer zweiten Oberfläche angerissen werden, um das Schneiden oder Cracken zu unterstützen. Weiterhin kann das Anreißen nur für einen Teil der Schnitt- oder Cracklinie vorgenommen werden. In einigen Fällen kann das Anreißen durch einen Laserstrahl erfolgen, und der Laser, der den Laserstrahl liefert, kann derselbe sein, oder sich von dem unterscheiden, der zum Schneiden oder Cracken verwendet wird. Wenn der Laser derselbe ist, kann der Laser dazu konfiguriert sein, für jede Operation ein anderes Strahlenprofil und andere Prozessparameter zu haben. In einem besonderen Fall kann ein vorgegebener Laserstrahl verwendet werden, um eine Anreißlinie zu erzeugen, und ein zweiter Laser wird verwendet, um Cracken in rascher Abfolge in einer einzigen Schneideoperation durchzuführen. In diesem Fall kann der Anreißlaser ein gepulster Laser sein und die Vorschubgeschwindigkeit des Anreißverfahrens wird an die Vorschubgeschwindigkeit des Crackverfahrens angepasst, indem die Frequenzrate des gepulsten Lasers angepasst wird. Es ist selbstverständlich, dass ein Stück aus Polysilizium in schneller Abfolge, zum Beispiel unter Verwendung von zwei in Reihe angeordneten Laser, angerissen und geschnitten oder gecrackt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System zum Anfertigen von dünnen Polysiliziumstäben bereitgestellt, wobei das System aufweist: eine Aufnahmevorrichtung zum Halten eines Stücks aus Polysilizium; und wenigstens einen Laser, der dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Laserstrahl auf das Stück aus Polysilizium zu richten, um wenigstens einen dünnen Polysiliziumstab von dem Stück aus Polysilizium abzutrennen.
In einem besonderen Fall ist das Stück aus Polysilizium eine flache Platte mit einer Dicke, die annähernd Gleich der Dicke des dünnen Polysiliziumstabs ist.
In einem anderen besonderen Fall ist der vorgegebene Laserstrahl so konfiguriert, dass er das Stück aus Polysilizium schneidet.
In einem noch anderen besonderen Fall ist der vorgegebene Laserstrahl so konfiguriert, dass er das Stück aus Polysilizium crackt.
In einem anderen besonderen Fall kann das System ein Kühlsystem aufweisen, das dazu ausgelegt ist, wenigstens eine Oberfläche des Stücks aus Polysilizium zu kühlen.
In einem noch anderen besonderen Fall ist die Aufnahmevorrichtung eine vertikale Haltevorrichtung.
In einem weiteren besonderen Fall kann das System des Weiteren ein Gestell aufweisen, das dazu ausgelegt ist, den dünnen Polysiliziumstab zu erfassen und den Polysiliziumstab vor Verunreinigung zu schützen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Anfertigen dünner Polysiliziumstäbe bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Platzieren eines Stücks aus Polysilizium auf einer Aufnahmevorrichtung; Aufbringen eines vorgegebenen Abrasivstrahls auf das Stück aus Polysilizium; und Abtrennen eines dünnen Polysiliziumstabs von dem Stück aus Polysilizium.
In einem besonderen Fall kann der Abrasivstrahl ein Wasserstrahl sein. In einem anderen Fall kann der Abrasivstrahl Silizium sein, das von einer Schnittoperation zurückgewonnen wurde.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend beschrieben, und weitere Aspekte und Merkmale werden für den Durchschnittsfachmann nach Durchsicht der folgenden Beschreibung bestimmter Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun nur beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
1 ist ein Querschnitt eines Reaktors und von dünnen Stäben, die bei der Herstellung von Silizium verwendet werden;
2 ist eine Draufsicht auf eine herkömmliche Haarnadel;
3 zeigt eine Herstellungsabfolge für einen dünnen Stab;
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen dünner Stäbe durch Lasercracken zeigt;
5 zeigt das Lasercracken für einen dünnen Stab;
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen dünner Stäbe durch Laserschneiden zeigt;
7 zeigt eine vertikale Plattenhaltevorrichtung;
8 zeigt eine Plattenbearbeitungsvorrichtung;
9 ist ein Diagramm, das Siliziumspektralabsorption zeigt;
10 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen dünner Stäbe; und
11 ist ein Ablaufdiagramm eines alternativen Verfahrens zum Herstellen dünner Stäbe.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren und Systeme zum Herstellen oder Anfertigen dünner Siliziumstäbe bereit. Die vorliegenden Systeme und Verfahren handeln von der Verarbeitung von Polysilizium zu Streifen (dünne Stäbe), aus denen Fäden konstruiert werden. Bei einer Ausführungsform werden Stäbe aus Silizium zu Platten geeigneter Dicke verarbeitet und dann unter Verwendung eines oder mehrerer der unten beschriebenen Verfahren zu grob rechteckigen Streifen (dünne Stäbe) weiterverarbeitet. Diese Systeme und Verfahren können im Allgemeinen in Schneiden und Cracken unterteilt werden, die beide dazu vorgesehen sind, Verfahren ohne oder mit geringen Kerben zu sein. Die beschriebenen Schnittverfahren sind dazu vorgesehen, zu reduzierten Kerben und geringerem Verlust durch Bruch zu führen, woraus größere Materialausnutzung resultiert. Die beschriebenen Crackverfahren können zu einer Kerbe mit der Breite Null führen, was in einer noch größeren Materialausnutzung resultiert. Crackverfahren bestehen darin, einen Laser zu verwenden, um in dem Material interne Belastung zu erzeugen, um auf gesteuerte Art und Weise einen Riss zu verbreiten. Dem Cracken kann ein Anreißvorgang vorangehen, um einen Anfangspunkt des Risses zu erzeugen.
Durch Reduzieren oder tatsächliches Beseitigen von Kerbverlusten ist es möglich, ca. 18–20% mehr dünne Stäbe aus einem Stab herzustellen, wodurch sich eine entsprechend große Reduzierung der Anzahl von Stäben, die zu dünnen Stäben recycelt werden, ergibt. Wenn zum Beispiel normalerweise 1 von 48 Stäben benötigt wird, würde für eine ca. 0,3%-ige Produktionskapazitätssteigerung mit ca. 15% Reduzierung der Kosten für die Herstellung dünner Stäbe nur 1 von 56 benötigt werden.
Wie oben angemerkt, sind die beschriebenen Systeme und Verfahren dazu vorgesehen, Kontakt mit dem Material zu minimieren, Kerbverlust und Werkzeugverschleiß zu reduzieren und/oder größere Verfahrensgeschwindigkeit bereitzustellen. Verschiedene in Erwägung gezogene Verfahren zum Trennen von Siliziumplatten in dünne Stäbe umfassen: (a) Fluidstrahlschneiden mit Schleifkörnung, wobei das Fluid Luft ist und die Körnung Silizium, Siliziumoxid, Diamant, Karbid oder andere nicht verunreinigende Körnung ist; (b) Fluidstrahlschneiden mit Schleifkörnung (wie in (a)), wobei das Fluid Wasser ist; (c) Laserschneiden mittels eines wassergeführten Laserstrahls; (d) Laserschneiden mit oder ohne Schutzgas und mit oder ohne Hilfsgas; (e) Laseranreißen oder -nuten gefolgt von mechanischer Belastung (anreißen und cracken); (f) Laseranreißen oder -nuten gefolgt von laserinduziertem Belastungscracken mit Anrissen oder Nuten auf einer oder beiden Flächen des Materials; und (g) laserinduziertes Cracken ohne Anreißen oder mit einem Keimritz.
Einige dieser Verfahren umfassen zusätzliche Aspekte, zum Beispiel: (a) Körnungsschneiden mittels ultrareiner Siliziumkörnung, die gegebenenfalls aus Abfallmaterial hergestellt ist; (b) Verwendung von laserinduzierte Belastung, nur um Cracken zu verursachen; (c) Anreißen oder Nuten auf beiden Oberflächen; (d) Verwenden eines Hilfsgases wie zum Beispiel Wasserstoff, das ein flüchtiges Produkt des Laserschneidens erzeugt; oder (e) mögliche schräge Ausrichtung des Lasers, um Cracken zu erleichtern.
Die hier beschriebenen Verfahren sind insbesondere dafür vorgesehen, zum Abtrennen von Silizium im Millimeterbereich verwendet zu werden; zum Beispiel zum Schneiden von Siliziumplatten in der Größenordnung von 6 bis 12 mm Dicke mit einer Länge in der Größenordnung von 1000 bis 2500 mm in dünne Stäbe in der Größenordnung von 6 bis 12 mm Breite.
Einige vorgesehene Merkmale der beschriebenen Verfahren umfassen: (a) mögliche Verwendung von Klemmen, um seitliche Kräfte zu stabilisieren und/oder Kompression über die Schnittlinie aufzubringen, wodurch nachweislich Verlust durch Bruch reduziert wird und Vorschubgeschwindigkeiten gesteigert werden können; (b) im Fall von laserinduziertem Cracken, Oberflächenstrukturierung, um die Effizienz und Gleichmäßigkeit von Energiekopplung zu erleichtern, um bessere Qualität und schnellere Prozesse bereitzustellen, als herkömmliche Verfahren. Strukturierung kann durch verschiedene Mittel erfolgen, einschließlich chemischem Ätzen, Laserpunktieren, Sandstrahlen, etc.; (c) für laserinduziertes Cracken, Verwendung eines nicht kreisförmigen Laserbrennflecks mit Kraftverteilung, die für das Prozesserfordernis optimiert ist; (d) laserinduziertes Cracken ohne Verwendung eines Anreiß-, Nut-, Span- oder anderen Merkmals, um den Prozess zu beginnen oder zu führen; (e) im Fall von Laseranreißen oder -nuten vor dem Cracken, Anreißen oder Nuten gegenüberliegender Oberflächen, um die Trennungsgeschwindigkeit und Kantenqualität zu erleichtern; (f) im Fall von Lasernuten oder -schneiden, Verwendung eines Schutzgases, um Plasmascreening und/oder die Bildung von Oxiden zu reduzieren; (g) im Fall von Lasernuten oder -schneiden, Verwendung eines Hilfsgases, um flüchtige Siliziumverbindungen und/oder Siliziumverbindungen mit geringer optischer Absorption zu erzeugen, um Plasmascreening zu reduzieren und/oder Materialentfernung zu fördern; (h) im Fall von Anreißen oder Nuten vor dem thermischen Cracken, Verwenden von zwei ungleichen Laser für jeden Zweck (zum Beispiel 1. Anreißen oder Nuten, 2. thermisches Cracken), die jeweils getrennt oder zusammen arbeiten; und (i) im Fall von Laserschneiden, Verwendung von Belastungscracken, um den Schnitt fertigzustellen, um die Bildung von Absonderungen auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu verhindern, wo Belastung durch mechanische Mittel oder durch Anpassen mechanischer Zwänge wie zum Beispiel Halteklemmen zum Ende des Schneidevorgangs hin aufgebracht werden.
Es sind verschiedene Materialien für Hilfsgase zum Erleichtern von Laserschneiden vorgesehen, einschließlich verschiedener Gase, die flüchtige Siliziumverbindungen durch Oberflächenreaktionen erzeugen. Hilfsgase können auch dazu beitragen, die Materialentfernungsgeschwindigkeit zu steigern und/oder die Plasmaabsorption hier beschriebener Laserenergien zu reduzieren. Materialien, die zur fluidisierten Abrasion verwendet werden können, schließen gemahlenes Silizium, gehärtete Siliziumflocken und/oder Kerbabfall von Schnittoperationen mit der Säge ein.
Ein Klemmmechanismus zur Erleichterung von Laserschneiden mit variabler Kraftaufbringung ist ebenso vorgesehen wie nicht sphärische Optik, die dazu vorgesehen ist, die Form des Laserbrennflecks für verschiedene Operationen einschließlich Anreißen, Schneiden und thermisches Cracken zu optimieren. Eine weitere Alternative weist ein Tandem-Strahlenlieferungssystem zur Lieferung einer Vielzahl von Laserstrahlen auf, um aufeinander folgende Vorgänge innerhalb eines Durchgangs der Siliziumplatte durchzuführen.
Vorteile der vorliegenden Systeme und Verfahren können folgendes ermöglichen: verbesserte Materialausnutzung; Reduzieren oder Beseitigen von Betriebsstoffen; Reduzieren oder Beseitigen von Werkzeugverschleiß; Reduzieren oder Beseitigen des Bedarfs an flüssigen Kühlmitteln; Reduzieren des Verlusts durch Bruch von Stäben; oder Steigern der Vorschubgeschwindigkeit.
1 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen Reaktors 101, der zwei U-förmige Fäden 100, die bisweilen Haarnadel genannt werden, an einer Kammerbasis 102 angebracht und von einem Druckkessel 104, der bisweilen Glasglocke genannt wird, umgeben zeigt. Die Haarnadeln 100 sind an Durchführungen angebracht, durch welche elektrischer Strom zugeführt wird, so dass die Haarnadel 100 als Glühfaden fungieren kann. Typischerweise sind andere Elemente wie Gaszufuhr- und Rückführleitungen ebenfalls durch die Basis 102 eingeführt. Ein Quarzfaden oder ein anderes Heizelement kann ebenfalls vorgesehen sein, welches dazu verwendet wird, die Haarnadeln 100 vorzuheizen. Im Betrieb wird ein Gas an den Druckkessel 104 geliefert, so dass Material durch CVD auf dem Faden abgeschieden wird, bis er auf einen gewünschten Querschnitt anwächst und entfernt wird. Das Verfahren stellt zylindrische Stäbe aus Polysilizium zur Weiterverarbeitung her.
2 ist eine Draufsicht auf die Haarnadel 100 und ihren Aufbau, der aus dünnen Stäben 106 und einem Querverbindungsstab 108 besteht. Die dünnen Stäbe 106 sind lange dünne Stangen aus reinem Silizium, die den Keim für das Wachsen des durch CVD abgeschiedenen reinen Siliziums bilden. Der Querverbindungsstab 108 ist ein kurzer Stab, der ein Paar dünner Stäbe 106 verbindet, wodurch eine Haarnadel 100 gebildet wird. Die Verbindungsstäbe 108 sind an einem Paar dünner Stäbe 106 befestigt, um eine U-förmige/Haarnadel-Struktur zu ergeben und einen Pfad für elektrischen Strom durch den Faden zu vervollständigen.
Um dünne Stäbe 106 herzustellen, wird ein in dem oben genannten Verfahren hergestellter Stab typischerweise aufgeschnitten, um neu dünne Stäbe herzustellen. Eine Aufgabe der hier offenbarten Verfahren und Systeme ist es, das Herstellungsverfahren zum Herstellen dünner Stäbe zu verbessern.
3 zeigt eine Abfolge zum Herstellen eines dünnen Stabs 106 zum Umwandeln eines Stabs 110 in dünne Stäbe 106. Diese Figur zeigt die typische Abfolge zum Umwandeln von Stäben 110 in dünne Stäbe 106, die durch eines oder mehrere der hier beschriebenen Verfahren und der korrespondierenden Systeme hergestellt werden können. Ein Stab 110 aus reinem Polysilizium ist der Ausgangspunkt für ein Verfahren zur Herstellung dünner Stäbe 106. Er kann anfangs in zylindrischer Form vorliegen (wie in einem Reaktor wie dem in 1 hergestellt) oder könnte vor der Verarbeitung zu einer Ziegelform verarbeitet worden sein (typischerweise mit rechteckigem oder abgerundetem rechteckigem Querschnitt). Dann wird aus dem Stab 110 oder dem Ziegel aus Polysilizium eine Platte 112 hergestellt. Nachfolgend werden dünne Stäbe 106 aus der Platte 112 hergestellt. Es ist selbstverständlich, dass das zum Anfertigen der dünnen Stäbe verwendete Rohmaterial auch mit anderen Verfahren oder Techniken bereitgestellt werden kann, aber zum Zweck der vorliegenden Offenbarung besteht das Zuführmaterial aus einem Stab, wie er oben beschrieben ist.
Ein laserinduziertes thermisches Crackverfahren kann zum Umwandeln der Platten 112 in dünne Stäbe mit geringem oder keinem Kerbverlust effektiv sein. Bei diesem Verfahren wird ein annähernd gebündelter Laserstrahl in einem relativ diffusen Brennfleck durch die Siliziumplatte geführt, mit dem Ziel, in der Siliziumplatte wesentlichen Innendruck zu erzeugen, der dann durch die Bildung eines Risses in der Siliziumplatte abgebaut wird. Unter ausreichender Steuerung des Vorgangs wird entlang der Lange einer Platte ein Riss gebildet, was zur Trennung in zwei Teile führt. Es können verschiedene Laser verwendet werden, wobei solche mit Wellenlängen, die von Silizium moderat absorbiert werden, bevorzugt sind.
In dem Ablaufdiagramm von 4 sind beispielhafte Elemente eines Lasercrackverfahrens gezeigt, welche das Auswählen eines geeigneten Lasers nach Wellenlänge und Betriebsmodus 200, die Oberflächenvorbereitung 202, das Aufbringen eines Lasers 204, das Aufbringen eines Kühlmittels 206 und das Aufbringen von Kompression 208 umfassen.
Bei einem Beispiel kann ein Kohlendioxid(CO2)-Laser ausgewählt werden. Silizium ist bei Wellenlängen nahe 10 Mikrometer ziemlich transparent, jedoch trotzdem noch im Wesentlichen absorbierend; zum Beispiel wird ca. 1/3 der Laserenergie in 3,5 mm Polysilizium absorbiert (ca. die Hälfte der Dicke eines in diesem Verfahren hergestellten typischen dünnen Stabs). Dies ermöglicht, dass Wärmebelastung im Kern des Materials effektiv entwickelt wird. Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 50 mm/sec wurden unter Verwendung von laserinduziertem thermischem Cracken demonstriert. CO2-Laser sind bei dieser Anwendung effektiv, weil die Strahlenqualität im Allgemeinen irrelevant und Laserenergie sehr kostengünstig ist.
Bei einem anderen Beispiel kann ein Faserlaser ausgewählt werden. Vorzugsweise wird ein Laser, der bei einer längeren Wellenlänge, zum Beispiel näher an 1070 nm, arbeitet, verwendet, so dass es einen Ausgleich zwischen Übertragung und Absorption gibt, wodurch die Wärmebelastung im Kern des Materials konzentriert wird. Silizium geht bei steigender Wellenlänge in der Nachbarschaft von 1050 nm und darüber von hoher Absorption zu hoher Transparenz über. Faserlaser, die zu etwas längeren Wellenlängen fähig sind, sind daher bevorzugt.
Eine noch weitere Alternative ist es, eine Laserdiode, typischerweise fasergekoppelt, zu verwenden, welche im Bereich von ca. 1070 nm bis 1100 nm liegen kann. Eine Laserdiode in diesem Bereich kann im Allgemeinen ein erwünschtes Übertragungs-zu-Absorptionsverhältnis liefern.
Oberflächenreflektion kann Störungen in das Verfahren einbringen, insbesondere Reflektion einfallender Laserenergie an der ersten Oberfläche des Stücks aus Silizium.
Dies kann durch Konditionieren der Oberfläche vor dem Laservorgang (202) gesteuert oder reproduzierbar gemacht werden. Oberflächenstruktur kann in einigen Fällen ein nützliches Nebenprodukt von Sägeschäden beim Schneiden von Platten sein. Ansonsten kann Strukturierung unter Verwendung chemischer Prozesse aufgebracht werden, die im Allgemeinen denen ähnlich sind, die zum Strukturieren von Polysiliziumwafern verwendet werden, und denen, die zum Reinigen dünner Stäbe nach dem Schneiden verwendet werden. Alternativ kann Strukturierung durch Punktieren der Oberfläche mit einem Laser kürzerer Wellenlänge erzeugt werden; zum Beispiel hat sich ein grüner gepulster Faserlaser als gutes Verfahren zum Strukturieren von Polysilizium direkt oder zum Induzieren von Oberflächenschäden, die chemische Strukturierung fördern, erwiesen.
Beim Verwenden des laserinduzierten Crackverfahrens trägt diese Oberflächenvorbereitung dazu bei, einen gut gesteuerten Spalt des Materials durch Stabilisieren der Oberflächenreflektion zu erzielen. Dies minimiert auch ein Zurückreflektieren zur Laseroptik. Oberfläche(n) 338 der Platte 112 (z. B. wie in 5) können vorbereitet sein, um ein gleichmäßiges Einkoppeln von Laserlicht in das Material entlang der Schnittlinie zu ermöglichen. Um ein gleichmäßiges und reproduzierbares Ergebnis zu erzielen, kann die Oberfläche 338 der Platten 112 so vorbereitet werden, dass sie das Einkoppeln von Laserlicht in die Masse des Materials erleichtert. Diese Vorbereitung kann für eine oder mehrere Oberflächen unter Verwendung eines oder mehrerer Strukturierungsverfahren erfolgen, wie zum Beispiel anisotropes chemisches Ätzen, Laserpunktieren und dergleichen. Wenn die Platten 112 mit einer Säge geschnitten werden, kann ein verbleibender Sägeschaden dazu benutzt werden, eine strukturierte Oberfläche zu erzeugen.
Ein weiterer Aspekt der Oberflächenvorbereitung 202 ist es, alle Oberflächendefekte zu reduzieren oder zu beseitigen, die größer als eine kritische Größe sind, und die dazu führen könnten, dass die Rissausbreitung unterbrochen wird oder vom Kurs abweicht. Solche Defekte können das Resultat von Sägeschäden oder anderen Schäden sein. Ätzen zu Zwecken des Erzielens gleichmäßigen Reflexionsvermögens kann ebenfalls verwendet werden, um größere Oberflächendefekte zu reduzieren oder zu beseitigen. Ein alternatives Verfahren kann sein, die Oberfläche in der Nähe der Schnittlinie mit einem mild abrasiven Polierwerkzeug zu polieren.
Bei dem Verfahren des laserinduzierten thermischen Crackens wird ein annähernd gebündelter Strahl verwendet, um eine große Menge Energie auf einen kleinen Bereich zu richten, der aber nicht so klein ist, dass Siliziumplatten anfangen, abgetragen zu werden, insbesondere weil Plasmascreening den Prozess negativ beeinflussen kann. Ein nicht kreisförmiger Laserbrennfleck, der sich in Schnittrichtung ausdehnt, kann von Vorteil sein. Eine leichte Längsverjüngung des Strahls kann verwendet werden, um die Tiefe der Rissentstehung zu steuern.
Anfänglich entwickelte Belastung führt dazu, dass das Material durch Rissverbreitung abgetrennt wird, während der Laserbrennfleck über das Material 204 geführt wird (oder das Material unter dem Laser durchgeführt wird). Dieser Riss nimmt einen vertikalen Verlauf, jedoch nicht zwingend nahe den Enden des Stabs 110. In der Praxis können bis zu 25 mm des Materials zu Beginn des Schnitts herausgebrochen oder unzureichend abgespalten werden, und eine geringere Menge von Abspanung tritt typischerweise am gegenüberliegenden Ende auf. Dies führt zu einigem Abfall. Der Abfall beträgt jedoch typischerweise nur ca. 1% eines dünnen Stabs, was wesentlich weniger Abfall ist, als bei den herkömmlichen Sägeverfahren. Dieser Abfall kann reduziert werden, indem die Oberfläche 202 des dünnen Stabs 106 vorbereitet wird, indem die Platte nahe jedem Ende wenigstens teilweise angerissen wird, wobei zwischen Prozesskomplexität und Abfallrate ein Kompromiss gemacht wird. Eine zweite Operation zum Zurechtschneiden der unregelmäßigen Enden der bei diesem Verfahren hergestellten Stäbe kann erforderlich sein, welches ein Laserschneide- oder -anreiß- und -brechverfahren sein könnte, wie es nachstehend beschrieben ist. Es wird angemerkt, dass Abfall in Form von Verschnitten trotzdem wertvoll ist, weil der Abfall, anders als Sägemehl, als Rohmaterial für nachgelagerte Prozesse verwendet werden kann: beim Blockgießen werden verschieden große Stücke aus reinem Polysilizium dem Schmelztiegel zugeführt, so dass diese mäßig großen Stücke verwendet werden können.
Das Verfahren beruht darauf, einen Ausgleich zwischen Übertragung und Absorption zu erreichen. Bei einigen Laserwellenlängen kann ein großer Teil des Laserstrahls nicht absorbiert werden. Dieser Teil kann gesammelt und in das Material zurückreflektiert werden, gegebenenfalls mit zusätzlicher Bündelung.
Belastungsgradienten können des Weiteren durch Kühlen der Oberflächen der Platte 206 internalisiert werden. Ein einfaches Kühlungsverfahren besteht aus Luftkühlungsstrahlen, die auf die erste Oberfläche aufgebracht werden, und einer gekühlten Aufspannvorrichtung, die mit der zweiten Oberfläche in Kontakt steht, oder Kühlungsstrahlen, die auch auf die zweite Oberfläche aufgebracht werden. Ein Schlüsselaspekt dieses Verfahrens ist die Fähigkeit, Rissverbreitung zu begrenzen, um dem Pfad des Laserwerkzeugs zu folgen und induzierte Belastungen zu verhindern, die in unerwünschte Richtungen wirken, was zu schlechter Qualität oder einem Mangel an Geradlinigkeit des Schnitts sowie zu Ausbrechen führen kann, das in gebrochenen Stäben resultiert. Dies wird durch das Aufbringen von Kompression 208 quer zur Schnittrichtung, typischerweise mittels eines Klemmmechanismus, der über die Schnittlinie hinweg eine gesteuerte Kraft beibehält, größtenteils verhindert.
Kühlung kann mittels eines Kühlungssystems 340 (z. B. wie in 5) auf eine oder beide Oberflächen in der Nähe des Laserstrahls 336 aufgebracht werden, um zur Entwicklung des gewünschten Belastungsgradienten beizutragen. Das Kühlungssystem 340 kann aus Luft- oder Gasstrahlen bestehen, die gekühlt und/oder befeuchtet sein können. Der Kühlprozess kann verwendet werden, um bei der Erzeugung des gewünschten Belastungsprofils zu unterstützen. Typischerweise wird er verwendet, um zu verhindern, dass Massematerial während mehrerer Durchgänge in schneller Abfolge erhitzt wird. Kühlung kann von der Laserseite zugeführt werden und kann gegebenenfalls in die Laserdüse integriert werden. Kühlung kann auch von der Aufnahmevorrichtung 330 her zugeführt werden.
Kühlung kann bereitgestellt werden, um das Ziel des Entwickelns wesentlicher thermischer Kompression, die im Kern des Materials ihren Ausgang nimmt, zu erleichtern. Die Kühlung kann durch ein kontaktloses Verfahren, zum Beispiel einen Luft- oder Gasstrom, der aktiv oder durch Ausdehnung gekühlt werden kann, bereitgestellt werden. Bei einem Beispiel kann der Gasstrom befeuchtet werden, um seine Wärmekapazität zu erhöhen. Kühlung kann auf eine oder beide Oberflächen aufgebracht werden, je nach Profil der Laserenergieabsorption.
Dieses Verfahren kann gegenüber Laserschneiden insofern erwünscht sein, als weder Plasmascreening ein Problem darstellt, noch das Entfernen einer Ablationsfahne, die Laserstrahlqualität weniger wichtig ist, und der Durchsatz höher sein soll. Es kann ohne das Erfordernis eines Schutzgases, Hilfsgases oder Abfallentfernungssystems durchgeführt werden.
5 zeigt Lasercracken bei dünnen Stäben unter Verwendung von laserinduziertem Cracken. Es ist eine schematische Endansicht der Basisvorrichtung 300 zur Umwandlung von Platten 112 in dünne Stäbe 106 mittels laserinduzierten thermischen Crackens. Platten 112 werden auf einer Aufspannvorrichtung platziert und von einem Laser bestrahlt, um innere Spannung zu induzieren, welche durch die Bildung eines vertikalen Risses abgebaut wird. Die relative lineare Bewegung zwischen einer Laserdüse 334 und einer Haltevorrichtung 330 verursacht, dass ein Materialstab von der Platte 112 abgetrennt wird, wodurch ein kerbfreier Schnitt erzeugt wird. Obwohl nur eine einzige Platte 112 gezeigt ist, könnten mehrere Platten auf einer einzigen Aufnahmevorrichtung 330 zur Bearbeitung platziert werden. Des Weiteren könnten mehrere Laserdüsen 334 konfiguriert werden, um mehrere Platten gleichzeitig zu bearbeiten.
Die gezeigte Haltevorrichtung 330 wird verwendet, um Platten 112 und dünne Stäbe während der Herstellung zu halten. Die Haltevorrichtung 330 kann eine einfache ebene Oberfläche sein, welche Vakuum verwenden kann, um das Material an Ort und Stelle zu halten. Die Haltevorrichtung 330 kann auf einer sich bewegenden Plattform angebracht sein, um das Material nach Bedarf zu platzieren; alternativ kann die Plattform festgelegt sein, wobei die Laserdüse 334 auf einer sich bewegenden Plattform angebracht ist, oder beide können auf Plattformen angebracht sein. Haltevorrichtungs-Aussparungen 332 sind an der Haltevorrichtung 330 vorgesehen. Die Haltevorrichtungs-Aussparungen 332 können entlang der Schnittlinien angeordnet sein. Die Aussparungen 332 in der Haltevorrichtung 330 stellen einen Platz bereit, in dem sich übermäßige Strahlung ansammeln kann: da lokale Erwärmung stattfindet, kann es erwünscht sein, Kontakt mit dem Material zu vermeiden, da dies einen unterwünschten Einfluss auf den Wärmegradienten im Material haben könnte. Die Aussparungen 332 können auch nützlich sein, um Zugriff auf die hintere Fläche des Teils zu erleichtern, typischerweise um Kühlung aufzubringen. Bei einem Beispiel kann dies auch ein Reflektor sein, welcher überschüssige Energie in die Platte 112 zurückführt und welcher auch einen Laserstrahl 336 neu fokussieren könnte.
Die Laserdüse 334 oder das Ende der Strahlenlieferungsoptik ist in 5 gezeigt. Die Laserdüse 334 formatiert und liefert den Laserstrahl 336 an das Zielmaterial. Typischerweise liefert die Laserdüse 334 einen nahezu gebündelten Laserstrahl 336, der so ausgelegt ist, dass im Kern des Materials hohe Fluenz erzeugt wird, gegebenenfalls unterstützt durch Reflexionen von der Haltevorrichtung 330. Diese Anordnung unterscheidet sind von der im Allgemeinen für die Laserbearbeitung verwendeten, weil die optischen Elemente anamorphotisch und sogar nichtlinear sein können, um das gewünschte Strahlenprofil vorzusehen. Der Laserstrahl 336 ist dazu ausgelegt, in die Platte 112 einzudringen und innere Spannung zu induzieren, welche ausreichend ist, um Cracken zu erzeugen. Der Laserstrahl 336 wird auf einen Bereich des Kerns der Platte 112 konzentriert. Der Laserstrahl 336 hat eine geeignete Geometrie, die Wellenlängen verwendet, bei denen Licht im Wesentlichen übertragen, jedoch teilweise auch absorbiert wird. Bei diesem Verfahren kann das Material allein durch thermische Belastung gecrackt werden, d. h. ohne vorherige Vorbereitung, wie zum Beispiel Anreißen oder Ritzen 336 der Platte, was durch entsprechendes Formen des Laserstrahls 336 erreicht wird.
Ein Riss 342 wird gebildet, welcher mehr oder weniger entlang der Linie des Laserstrahls 336 zentriert ist. Nahe dem Beginn und dem Ende eines Schnitts kann die Steuerung gering sein, jedoch über den Großteil des Schnitts hinweg wird der Riss 342 im Wesentlichen durch den Laserstrahl 336 geführt. Bei diesem Beispiel wird der Riss 342 einfach durch Verwenden des Laserstrahls 336 initiiert, um einen kritischen Defekt zu erzeugen und dann diesen Defekt entlang der Länge der Platte zu verbreiten, wobei das Profil des Laserstrahls 336 nur zum Führen des Schnitts verwendet wird. Der dünne Stab 106 kann dann von einer Platte 112 abgetrennt werden.
Für die Umwandlung von Platten in dünne Stäbe mittels laserinduzierten thermischen Crackens ist eine relativ einfache Vorrichtung ausreichend. Eine Platte wird in einer Aufnahmevorrichtung gehalten, und ein Laser wirkt auf sie ein, wobei durch die relative Bewegung der Laserdüse und der Platte entlang eines im Allgemeinen linearen Pfads ein Schnitt gebildet wird. Platten werden entweder durch Bewegen der Aufnahmevorrichtung unter einer Laserdüse oder durch Bewegen einer Laserdüse über der Platte in im Allgemeinen linearer Richtung bearbeitet. Im Allgemeinen werden parallele Schnitte durchgeführt, um eine Platte in dünne Stäbe zu reduzieren.
Relative Bewegung bedeutet, dass entweder die Platte und/oder die Haltevorrichtung und/oder Werkzeuge bewegt werden, so dass ein Werkzeug oder Werkzeuge entlang einer Schnittlinie oder Schnittlinien in der Platte laufen. Werkzeuge können zum Beispiel auf einer mehrachsigen Bewegungsplattform angebracht sein, wobei die Platte in einer festgelegten Haltevorrichtung gehalten wird. Alternativ können die Werkzeuge auf einer Bewegungsplattform angebracht werden, wobei die Haltevorrichtung ebenfalls auf einer Bewegungsplattform angebracht wird. Alternativ können die Werkzeuge auf einem festgelegten Träger angebracht sein, wobei die Haltevorrichtung auf einer mehrachsigen Bewegungsplattform angebracht ist. Außerdem können die Platten an festgelegter Position auf der Haltevorrichtung gehalten oder relativ zu der Haltevorrichtung bewegt werden.
Die erforderliche Bewegung umfasst das Bewegen des Werkzeugs oder der Werkzeuge relativ zu der Platte (oder umgekehrt), um eine Schnittlinie zu erzeugen. Eine zusätzliche erforderliche Bewegung umfasst das Bewegen des Werkzeugs oder der Werkzeuge seitlich relativ zu den Platten, oder umgekehrt, um von einer Schnittlinie zur nächsten zu indizieren. Weitere Bewegungen können ebenso vorgesehen sein, um das Laden der Platten in eine Haltevorrichtung und das Entfernen von Teilen, die von der Platte abgetrennt wurden, einschließlich Abfall und dünner Stäbe, zu erleichtern. Ebenso kann der Schnittvorgang selbst zusätzliche Bewegungen erfordern, wie zum Beispiel das Positionieren von Werkzeugen relativ zu der Platte, beispielsweise Ausrichtung und Abstand.
Das Verfahren kann durch Verwenden von mehr als einer Laserdüse beschleunigt werden, zum Beispiel von wenigstens zwei Laserdüsen, die an gegenüberliegenden Kanten der Platte identisch arbeiten. Eine Abfolge von Schnitten wird durch Indizieren der Platte relativ zu den Laserdüsen oder umgekehrt zwischen Durchgängen durchgeführt, bis die Platte zu dünnen Stäben reduziert worden ist. Ein Anfangsschnitt kann erforderlich sein, um die Rinde (gebogener Kantenabschnitt) zu entfernen, zusammen mit einem Weg, diesen Abfall zu entfernen. Zusätzliche Verschönerungsarbeiten können das Vorsehen von Kühlflächen, das Vorsehen zum Registrieren und Anpassen der Platten an die Ausrüstung, zum Beispiel ein System zum maschinellen Sehen, Vorkehrungen zum Entfernen von Spänen und Abfall, insbesondere am Ende der Schnitte, etc. umfassen. Zusätzliche Elemente können Elemente zum automatischen Be- und Entladen von Material, zum Überprüfen fertiger dünner Stäbe, etc. aufweisen. Auch könnte eine Maschine Vorkehrungen zum Laden und/oder Bearbeiten mehrerer Stäbe gleichzeitig aufweisen.
Platten werden in einer Haltevorrichtung gehalten, welche ein Podest, eine Vakuum-Aufspannvorrichtung oder ein Klemmmechanismus sein kann. Die Aufnahmevorrichtung kann entlang der Schnittlinie mit Schlitzen versehen sein, um einen Auslass für Späne und/oder ein Behältnis für überschüssige Laserenergie und/oder einen Zugang zum Kühlen der Oberfläche in Kontakt mit der Aufnahmevorrichtung vorzusehen. Alternativ kann eine im Allgemeinen vertikale Haltevorrichtung, bei der eine Platte in einem Schlitz ruht, verwendet werden. Diese Aufnahmevorrichtung kann zu beiden Seiten der Platte während der Bearbeitung freien Zugang gewähren. In diesem Fall kann der Boden dieser Aufnahmevorrichtung beweglich sein, um die Platte von einer Schnittlinie zur nächsten zu indizieren.
Es wurde gezeigt, dass eine Anzahl verschiedener Laserarten bei dieser Anwendung effektiv ist. Schlüsselattribute sind, dass der Laser eine beträchtliche Energiemenge liefern sollte, welche in der Masse der Platte absorbiert wird, und dass die Laserenergie größtenteils die Beschädigungsschwelle des Plattenmaterials nicht überschreiten sollte. Dauerstrichlaser (Continuous Wave (CW)) oder quasikontinuierliche Laser (Quasi Continuous Wave (QCW)) sind bevorzugt, obwohl Laser mit langen Impulsen, bei denen das Verhältnis von Spitzenenergie zu Durchschnittsenergie ausreichend klein ist, ebenfalls effektiv sein können. Laser mit Wellenlängen, die einen Kompromiss zwischen Absorption und Übertragung machen, zum Beispiel Laser, die in das Material eindringen, aber dennoch im Kern des Materials effizient absorbiert werden, sind bevorzugt, zum Beispiel CO2-Laser nahe 10 Mikrometer Wellenlänge, die eine kleinere Spitze bei Siliziumabsorption ausnutzen können. Alternativ können Faserlaser nahe 1070 nm in dem Bereich arbeiten, in dem Silizium zu infraroter Transparenz übergeht. Eine noch weitere Alternative ist es, eine Laserdiode oder andere Laser zu verwenden, insbesondere Infrarotlaser. Niedrigere Absorption muss jedoch durch höhere Laserleistung ausgeglichen werden. Anders als bei vielen anderen Laserbearbeitungsanwendungen ist die Strahlenqualität kein besonders wichtiger Parameter, weil ein relativ großer/diffuser Laserbrennfleck verwendet wird.
Das optische Strahlenlieferungssystem muss einen relativ großen Brennfleck liefern, der durch die gesamte Masse des Materials eine relativ konstante Intensität hat oder nahe der Mitte des Materials eine etwas höhere Fluenz hat. Ein bevorzugter Strahl kann nahezu gebündelt oder leicht konvergiert sein, obwohl das optimale Profil vom Verhältnis von Absorption zu Übertragung abhängt. Es kann in Abhängigkeit von der Menge von Kühlung, die auf die erste oder zweite Oberfläche aufgebracht wird, gewisse Abweichungen geben.
Zusätzlich zu einer bevorzugten Verteilung von Fluenz entlang des Strahls kann der Brennfleck vorteilhaft geformt sein, typischerweise in Schnittrichtung länger werdend. Das Strahlenlieferungssystem kann anamorphotische herkömmliche Optik oder andere bekannte optische Systeme aufweisen, die normalerweise zum Formatieren von Laserstrahlen verwendet werden, um eine effektive dreidimensionale Verbreitung von Laserenergie im Material zu erhalten. Bei einem Beispiel können zwei oder mehr Faserlaser zu einer linearen Anordnung kombiniert werden, um die Bildung eines länger werdenden Brennflecks mit einstellbarem Längsprofil zu erleichtern. Das Strahlenlieferungssystem kann durch das Vorsehen eines Strahlenanschlags an der Rückseite weiter ausgefeilt werden, welcher auch eine reflektierende Optik sein kann, die überschüssige Laserenergie in die Platte zurückleitet.
Obwohl Klemmen für das Verfahren nicht wesentlich ist, kann Klemmen verwendet werden, um den Crackvorgang zu stabilisieren oder zu unterstützen. Ein leichtes Biegemoment kann zum Beispiel aufgebracht werden, welches Kompression durch die Dicke des Materials, typischerweise in Richtung der fernen Seite des Materials, beeinflusst, und/oder Rissverbreitung und Materialtrennung unterstützt. Klemmen kann auch verwendet werden, um Kompression über den Schnitt hinweg vorzusehen, insbesondere nahe den Enden eines Schnitts, was Ausbrechen reduzieren soll, welches während des Schnitts besonders an den Enden stattfinden kann.
Eine optionale Hilfsvorrichtung ist ein mechanisches Anreißwerkzeug oder Stanzwerkzeug, das einen geringen Oberflächenschaden nahe den Enden eines Schnitts erzeugt. Normalerweise werden bis zu 25 mm Anfangsschnitt benötigt, um einen stabilen Schnittvorgang mit nahezu normalem Strich herzustellen, was zu etwas Abfallmaterial führt, welches von dem dünnen Stab entfernt werden muss, sowie zu gelegentlichem Ausbrechen. Das Erzeugen einer kleinen Markierung an einer oder beiden Oberflächen zum Stabilisieren des Schnitts in der Nähe der Kanten kann von Nutzen sein. Eine kostengünstige Lösung besteht darin, eine harte Spitze, zum Beispiel eine Diamantspitze, zu verwenden, um die Oberfläche einzukerben oder einzuritzen. Bei einem Beispiel wird eine Platte nahe jedem Ende mittels eines Zangenwerkzeugs geklemmt, wobei harte Spitzen für Backen, welche weggezogen werden, auf beiden Oberflächen Anreißmarkierungen hinterlassen.
Strukturierung wird als primäres Mittel zum Steuern der Konstanz des Verfahrens verwendet. Zusätzliche Feedbackvorrichtungen können verwendet werden, um das Crackverfahren durch Bereitstellen einer Steuerung zu stabilisieren, welche ermöglicht, dass Laserenergie während des Verfahrens angepasst wird. Optische Sensoren können in dem Laserwerkzeug enthalten sein, um das Verfahren auf eine oder beide von zwei Arten zu steuern: Messen des Versatzes der Spitze des Risses relativ zum Ort des Laserstrahls, so dass Rissausbreitung als Maß der Verfahrenswirksamkeit verwendet wird; und/oder Messen der Innenspannung in dem Material durch Beobachten der Doppelbrechung unter Verwendung von Polarimetrie im nahen Infrarot(NIR)-Spektrum.
Jedes dieser Verfahren kann optische Sensoren verwenden, um dem Werkzeug zusammen mit geeigneter Beleuchtung und Optik zu folgen.
Bei einem Beispiel wird ein 10,6 μm 5 kW (CO2) Laser, der bei 500 Hz arbeitet, verwendet, um Teile, die von Klemmen gehalten werden, entlang der Länge der Schnittlinie unter Verwendung von Vorschubgeschwindigkeiten zwischen ca. 500 und 1000 mm/sec abzutrennen, wobei Vorschubgeschwindigkeiten nahe 1000 mm/sec und Laserleistung von ca. 2500 W bevorzugt sind. Ein Stickstoff-Schutzgas wird koaxial zum Laserstrahl (in der Laseroptik integriert) injiziert. Der Laser wird in das Material fokussiert, und ein optischer Sensor wird verwendet, um die Flughöhe des Lasers einzustellen, um Änderungen der Dicke in der Platte auszugleichen. Bei einem anderen Beispiel wird ein 1070 nm 2,5 kW CW Faserlaser verwendet, um Teile mit Vorschubgeschwindigkeiten von wenigstens 700 mm/sec. zu trennen.
10 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrensablaufs für ein laserinduziertes thermisches Crackverfahren und zeigt einen allgemeinen Verfahrensablauf für ein Herstellungsverfahren für dünne Stäbe unter Verwendung von Lasercracken, um Platten in dünne Stäbe zu trennen. Das Schneiden von Material in Platten 800 ist ein Vorverfahren, welches Stäbe in Platten plus Abfall/Abschnitte trennt. Dieses Verfahren ist ein Vorläufer der hier beschriebenen Verfahren. Das herkömmliche Verfahren ist die Verwendung von Sägen, um Stäbe in Platten zu schneiden. Alternative Verfahren könnten vorgesehen werden. Das Sägen erzeugt einen gewissen Oberflächenschaden, der für den Lasercrackvorgang von Nutzen sein kann und/oder von einem Strukturiervorgang 802 ausgenutzt werden kann.
Die Platten können strukturiert 802 werden, um die Oberfläche der Platte mit konstanter Strukturierung auszustatten. Das Aufbringen konstanter Strukturierung auf die Oberfläche kann zu einem gut gesteuerten Laservorgang beitragen. Eine geeignete Struktur reduziert das Reflexionsvermögen und reduziert die Änderung von Reflexionsvermögensverlusten entlang der Schnittlinie in der ersten Oberfläche. Strukturierung kann durch ein chemisches Ätzverfahren hergestellt werden. Anisotrope Strukturierung nutzt typischerweise einen Rest-Oberflächenschaden aus, der durch Sägen verursacht wird. Dieses Strukturierungsverfahren 802 kann auch durch Verwenden eines Lasers unterstützt werden, um zunächst einen mehr oder weniger gleichmäßigen Oberflächenschaden zu induzieren. Strukturierung vor dem Lasercrackvorgang hat eine im Wesentlichen vorteilhafte Wirkung auf Prozessqualität und -ertrag. Nach der Strukturierung 802 wird die Platte zur Bearbeitung auf die Haltevorrichtung geladen 804.
Nach dem Laden 804 wird die Platte auf die Haltevorrichtung und das Werkzeug ausgerichtet 806. Die Ausrichtung kann mechanisch und/oder durch visuelle Mittel erfolgen. Die Kontur einer rohen Platte kann etwas unregelmäßig sein. Nachdem die Platte ausgerichtet ist 806, führt das Verfahren entlang einer Schnittlinie den laserinduzierten thermischen Crackvorgang 808 durch. Es ist vorgesehen, dass das Verfahren keine Verbrauchsmaterialien einbindet und null Kerbverlust hat.
Der Lasercrackvorgang führt im Allgemeinen zu einigen Fragmenten, die an den Enden des dünnen Stabs erzeugt werden, und die entfernt und ausgeworfen werden müssen 816. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen durch eine Bürstenaktion unter Verwendung einer Bürste und/oder eines Luftschabers durchgeführt. Alternativ können die Enden der Haltevorrichtung Fallen aufweisen, die sich öffnen, um zu ermöglichen, dass die Fragmente hinausfallen. Es ist vorgesehen, dass die Menge des bei dem Verfahren erzeugten Abfalls gering ist. Wenn gewünscht, kann die Menge des Abfalls reduziert werden, indem die Enden der Platte vor dem Schneiden 808 geritzt oder eingekerbt werden, wodurch Abfall reduziert, jedoch die Verfahrenskomplexität erhöht wird.
Als nächstes wird der dünne Stab geprüft 812. Der dünne Stab wird hinsichtlich Qualität geprüft, zum Beispiel Breite, Kantenprofil, Risse, etc. Dann werden die Enden des dünnen Stabs entfernt 814. Die Enden des dünnen Stabs werden abgeschnitten 814, um einen dünnen Stab gewünschter Länge und gewünschter Endqualität zu erzeugen. Dies kann ein Laserschneidevorgang oder ein Anreiß- und Brechvorgang sein. Alternativ kann dieser Vorgang nach dem Entladen 816 an einer separaten Station stattfinden. Dieser Schritt vervollständigt den Lasercrackvorgang, welcher extrem schnell ist und einen möglichen Steuerungsverlust hinsichtlich der Kantenqualität am Anfang und am Ende eines Schnitts kompensieren soll. Wenn Anreißen und Brechen verwendet wird, kann derselbe Laser, der zum Abtrennen des dünnen Stabs 808 verwendet wird, zum Abtrennen der Enden 814 verwendet werden. Alternativ kann ein zweiter Laser zum Anreißen oder Schneiden der Enden 814 sowie entsprechende Steuerungs- und Abfallentfernungsmaßnahmen verwendet werden; die Länge des Schnitts ist jedoch gering und auf einen kleinen Bereich beschränkt und er kann schnell und effizient erfolgen. Zum Zweck einer minimalen Zykluszeit könnte dies in der Entladestation 816 und nicht in der Haltevorrichtung erfolgen.
Der fertige dünne Stab wird entladen 816. Im ersten Durchgang kann eine raue Kante von der Platte 808 entfernt werden. Wenn die Platte von einem Rohblock geschnitten wurde oder vorher zurechtgeschnitten wurde, kann dieser Schritt entfallen. Der dünne Stab wird gegebenenfalls in eine Ablage oder einen anderen Teileträger entladen. Eventuelle fehlerhafte dünne Stäbe und Kantenbeschnitte können in einen Ausschussbehälter gelegt werden.
Ein Index wird hinzugefügt 818, um die Platte bezüglich der Werkzeuge für einen Lasercrackdurchgang zu positionieren, um jeden zusätzlichen dünnen Stab von der Platte abzutrennen. Ein Materialstück wird von der Kante der Platte abgetrennt. Nachdem die gewünschte Anzahl von Stäben erzeugt worden ist, wird eventuell verbleibendes nicht verbrauchtes Plattenmaterial beseitigt oder abgeworfen 820. Dies kann von der Plattenbeschaffenheit am Anfang abhängen: Wenn die Platte vorher zurechtgeschnitten wurde, kann dies eine zu vernachlässigende Menge von Material sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann für ein laserinduziertes thermisches Crackverfahren ein Ausbrechen reduziert oder beseitigt werden, indem ein kleiner Teil des Materials nahe jedem Ende des Schnitts angerissen wird. Dieses unterstützte Lasercrackverfahren kann durch Laser-Anreißen oder weniger kostenaufwändig durch Anreißen mit einer Diamantspitze erreicht werden. Alternativ kann, unter Anbetracht der Natur von Polysilizium (z. B. geringe kritische Rissbildungsgröße), einfach das Herstellen eines oder mehrerer Löcher mit einer Größe von mehr als ca. 75 Mikrometer unter Verwendung des Stoßes einer harten Spitze, zum Beispiel einer Karbid-, Diamant- oder Saphirspitze, ausreichend sein.
Das laserinduzierte thermische Crackverfahren kann modifiziert werden, indem zunächst ein Kratzer (Anreißen) oder eine größere Nut (Nuten) in der Oberfläche der Platte erzeugt wird. Dieses Anreiß- und Brechverfahren kann von der Verwendung eines zweiten Lasers profitieren, welcher hinsichtlich Ablation des Materials optimiert ist, im Gegensatz zum Thermalisieren des Materials, um Spannung zu induzieren.
Elemente bei diesem Verfahren umfassen das Anreißen oder Nuten mit minimaler Beschädigung, das Entfernen kritischer Oberflächenschäden entlang der Anreißlinie vor dem Beenden des Verfahrens wie in 4 gezeigt, zum Beispiel Auswahl von Laser nach Wellenlänge und Betriebsmodus, eine geeignete Kombination von Strahlenbündelung und Arbeitsabstand. Dieses Verfahren erfordert Koordinierung zwischen der Bahn des Laserstrahls, der Spannung induziert, und dem vorher gebildeten Merkmal, was das Verfahren im Verhältnis zum Nutzen kompliziert machen kann. Eine mögliche Lösung ist, beide Funktionen in einem einzigen Werkzeug zu integrieren, so dass eine einfache mechanische Ausrichtung von zwei Werkzeugen verwendet werden kann, um das erforderliche Nachführen bereitzustellen oder in anderen Worten eine automatische Nachführfunktion einzubauen.
Die Oberfläche kann auf jeder Seite angerissen oder genutet werden. Die gegenüberliegende Seite kann jedoch bevorzugt sein, um zum Beispiel einen konstanteren Strich mit weniger Wechselwirkung zwischen den beiden Werkzeugen zu erzeugen.
Außerdem können beide Oberflächen angerissen oder genutet werden, und nicht nur eine Seite.
Ein kritischer Parameter ist die Kantenqualität der Anreißlinie: schlechte Kantenqualität kann eine Quelle unkontrollierter Rissbildung sein, was zu schlechter Schnittqualität und gebrochenen Stäben führen kann. Bessere Ergebnisse können erzielt werden, indem Späne und Grate vor dem Cracken von den Anrissen entfernt werden. Das Entfernen dieser Makel kann durch eine Vielzahl von Mitteln einschließlich mechanischem Polieren, chemischem Ätzen, Laserpolieren und dergleichen durchgeführt werden.
Bei einem Beispiel können die Platten 112 auf einer sich bewegenden Plattform an einer Lasergruppe vorbeigeführt werden, oder bei einem anderen Beispiel können die Platten in einer Aufnahmevorrichtung gehalten werden und Laser über die Aufnahmevorrichtung transportiert werden. Eine geeignete Aufnahmevorrichtung kann ermöglichen, dass Laser zu beiden Seiten der Platte gleichzeitig Zugang haben. Das Anreißen mit Vorschubgeschwindigkeiten von 1 mm/sec und mehr bis zu ca. 700 mm/sec hat sich als effektiv erwiesen. Bei einem alternativen Verfahren kann das Anreißen oder Nuten in einer separaten Station stattfinden. In diesem Fall kann maschinelles Sehen oder ein anderes Verfahren verwendet werden, um eine Anpassung zwischen Laserbahnen herzustellen. Bei einem Beispiel könnte eine verbesserte Infrarot(IR)-Kamera verwendet werden, um durch das Silizium zu schauen, um Merkmale wie Anreißlinien auf der gegenüberliegenden Seite des Materials abzubilden.
Bei einem anderen Beispiel wird eine Platte zum Cracken durch Anreißen oder Nuten wenigstens einer Oberfläche entlang der Länge der Schnittlinie vorbereitet. Bei diesem Beispiel wird eine Platte in einer Aufnahmevorrichtung gehalten und ein Laser wirkt auf sie ein, wobei durch die relative Bewegung der Laserdüse und der Platte entlang eines im Wesentlichen linearen Pfads ein Schnitt gebildet wird. Platten werden entweder durch Bewegen der Vorrichtung unter einer Laserdüse oder durch Bewegen einer Laserdüse über der Platte in im Allgemeinen linearer Richtung bearbeitet. Der Vorgang kann durch Verwenden von mehr als einer Laserdüse, zum Beispiel wenigstens zwei Laserdüsen, die identisch an gegenüberliegenden Kanten der Platte arbeiten, beschleunigt werden. In diesem Fall wird ein Laser verwendet, um einen kleinen Teil der Oberfläche abzutragen oder zu zerstören, mit der Absicht, dann das Material zu cracken, indem der Oberflächendefekt durch das Material verbreitet wird. In diesem Fall kann ein zweiter Laser verwendet werden, um den Riss zu verbreiten, indem Wärmebelastung induziert wird. Dieser zweite Vorgang kann in einem zweiten Durchgang oder in rascher Abfolge nach dem Anreißen oder Nuten durchgeführt werden. Bei einem Beispiel wird ein erster Laservorgang durchgeführt, um die Platte anzureißen oder zu nuten, welche dann bei einem zusätzlichen Durchgang gecrackt wird. Bei einem noch anderen Beispiel kann der zweite Laser um die nominale Breite eines dünnen Stabs auf eine Seite abgekippt werden, so dass das Cracken gleichzeitig mit dem Anreißen für den nächsten Schnitt durchgeführt wird. Bei einem weiteren Beispiel wird der zweite Laser hinter dem ersten Laser platziert, so dass das Cracken unmittelbar nach dem Anreißen stattfindet. Das gleichzeitige Anreißen und Cracken ist erwünscht, hängt jedoch vom Anpassen der Vorschubgeschwindigkeiten der beiden Vorgänge aneinander ab. Vorteilhafterweise hat das Anreißen oder Nuten typischerweise eine höhere potenzielle Vorschubrate, kann jedoch durch Steuern der Impulsfrequenz gedrosselt werden. Der Vorteil des Durchführen von Anreißen und Cracken in derselben Station ist, dass die Koordinierung der Laserbahnen relativ einfach ist.
Der Anreiß- oder Nutlaser kann aus einem breiten Auswahlbereich ausgewählt werden. Primäre Erwägungen sind hohe Absorption im Material und hohe Spitzenleistung. Dies wird im Allgemeinen durch Verwendung einer kleinen Brennfleckgröße und kurzer Impulse erreicht. Es wird angemerkt, dass, weil diese Eigenschaften im Gegensatz zu denen stehen, die für laserinduziertes thermisches Cracken erforderlich sind, ein anderer Laser und eine andere Strahlenlieferung typischerweise notwendig sind. Einige gewöhnlich verfügbare Beispiele schließen Diodenlaser im Bereich von 800 bis 1000 nm, grüne Faserlaser, frequenzverdoppelte YAG Laser und im Allgemeinen alle Laser mit einer Strahlenqualität, die gepulste Operationen im Bereich von ca. 200 bis 1020 nm durchführen können, ein. Andere Laser können verwendet werden, insbesondere hat sich gezeigt, dass einige Hochleistungslaser bei ca. 1050 nm und sogar Laser bei 1064 nm ausreichende Spitzenimpulsleistung und Fluenz annehmen können. Laser im bevorzugten Bereich (200 bis 1020 nm) erzeugen jedoch mit geringerer Wahrscheinlichkeit unnötige Thermalisierungseffekte und benötigen weniger Energie, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. In diesem Fall sind Laser mit guter Strahlenqualität, die insbesondere fähig sind, auf einen kleinen Brennfleck fokussiert zu werden, bevorzugt. Die Strahlenlieferung zum Anreißen oder Nuten sollte typischerweise einen gut fokussierten Brennfleck auf der Oberfläche des Materials erzeugen, um eine gut definierte Struktur zu erzeugen. Vorteilhaft kann ein länger werdender Brennfleck verwendet werden, um eine Anreißlinie mit weniger Pixelierung und glatterer Kantenkontur zu erzeugen, was erwünscht sein kann.
Da das Anreißen oder Nuten zu einer Entfernung von Material führt, kann ein Abfallentfernungssystem erwünscht sein. Dieses Abfallentfernungssystem kann aus einem Zweirichtungssystem bestehen, bei dem ein Gasstrom verwendet wird, um Abfall in Richtung von Vakuumauslassöffnungen zu schieben, oder wenigstens ein Vakuumkopf zum Abziehen von Abfall. Da die Menge des entfernten Materials gering ist und Plasmascreening vernachlässigt werden kann, kann ein rudimentäres Abfallentfernungssystem ausreichend sein. Bei einem Beispiel kann eine koaxiale Laserdüse mit Gasstrahlen und kreisförmigen Vakuumöffnungen verwendet werden. Alternativ kann eine einfache Vakuumdüse, die der Schnittlinie folgt, ausreichend sein. Bei einem typischen Abfallentfernungssystem wird abgeführter Abfall in einem Leitungsfilter aufgefangen.
Wenn laserinduziertes thermisches Cracken verwendet wird, um den Schnitt abzuschließen, ist der Rest der Systemdetails ähnlich denen für ein System, das einfaches Lasercracken (oben) durchführt, oder Teile können von einer Anreiß-/Mutstation an eine Crackstation bewegt werden. Es kann bevorzugt sein, die Oberfläche, die dem zum thermischen Cracken verwendeten Laser gegenüberliegt, anzureißen oder zu nuten. In einer Station, die beide Verfahren durchführt, können Laserdüsen an gegenüberliegenden Seiten der Platte mit einer geeigneten Haltevorrichtung arbeiten.
Bei einem Beispiel wird ein 1064 nm 90 W Laser, der bei 10 kHz arbeitet, verwendet, um eine Anreißlinie unter Verwendung von 1 bis 3 Durchgängen mit Vorschubgeschwindigkeiten von 1 bis 100 mm/sec zu erzeugen. Eine mechanische Schwabbelscheibe wurde verwendet, um den Anriss dann zu reinigen. Mechanische Klemmen wurden verwendet, um das Material zu halten, während ein Biegemoment aufgebracht wurde, um die Teile zu trennen. Bei einem anderen Beispiel wird ein 1050 nm 100 W Laser, der bei 10 kHz arbeitet, verwendet, um eine Anreißlinie unter Verwendung von 1 Durchgang mit Vorschubgeschwindigkeiten von 1 bis 100 mm/sec zu erzeugen. Eine mechanische Schwabbelscheibe wurde verwendet, um den Anriss dann zu reinigen. Ein 1070 nm 2500 W CW Faserlaser wird verwendet, um die Teile mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 16 mm/sec bis zu 700 mm/sec zu trennen. Bei einem noch anderen Beispiel wird ein scharf fokussierter 980 nm fasergekoppelter Diodenlaser zum Anreißen verwendet, während ein CO2 Laser zum Cracken verwendet wird. Bei einem noch anderen Beispiel wird ein 1064 nm Laser scharf auf die Oberfläche fokussiert, um eine Anreißlinie mit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu wenigstens 2000 mm/sec zu erzeugen, und dann auf einen breiteren nahezu gebündelten Strahl umgeschaltet, um Cracken durchzuführen. Andere geeignete Laserkombinationen können vorgesehen werden.
11 zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf für einen Anreiß- und Brechvorgang. Das Ablaufdiagramm ist eine Darstellung des allgemeinen Verfahrensablaufs für ein Herstellungsverfahren für dünne Stäbe unter Verwendung von Lasercracken, um Platten nach dem Anreißen in dünne Stäbe zu trennen. Obwohl dieses Verfahren komplexer sein kann, als das hier beschriebene Lasercracken, kann der Ertrag verbessert werden, und es gibt relativ wenige Beschädigungen an den Enden der Stäbe (im Vergleich zu tatsächlichem Verlust durch Bruch bei einfachem Lasercracken). Mechanisches Brechen ist eine wirksame Alternative, jedoch ist Lasercracken einfacher zu steuern, insbesondere bei ungleichmäßiger Plattendicke, und erfordert weniger mechanische Vorrichtungen.
Wie in 10 werden die Platten zunächst von Stäben abgeschnitten 900. Die Platten werden zur Bearbeitung in die Haltevorrichtung geladen 902, dann auf die Haltevorrichtung und die Werkzeuge ausgerichtet 904. Die Ausrichtung 904 kann mechanisch und/oder durch visuelle Mittel erfolgen. Die Kontur einer rohen Platte kann etwas unregelmäßig sein. Ein Laser wird verwendet, um die Schnittlinie anzureißen 906. Je nach den Einzelheiten können Anrisse auf einer oder auf beiden Oberflächen der Platte hergestellt werden. Laserwerkzeuge werden relativ zu der Platte entlang der Schnittlinie bewegt und entfernen oder splittern eine kleine Menge von Oberflächenmaterial ab. Es ist vorgesehen, dass dieses Verfahren ein kontaktloses Verfahren mit keinem oder begrenztem Werkzeugverschleiß ist.
Optional werden Kantenspäne und -grate von der Anreißlinie entfernt und die Anreißlinie wird poliert 908, was den Verfahrensertrag nachweislich verbessert hat. Eine mechanische Schwabbelscheibe mit feinem Schleifmittel kann verwendet werden, wodurch der zusätzliche Nutzen erzielt wird, die Oberflächenreflexionsfähigkeit nahe der Anreißlinie konstanter zu machen. Alternativ kann der Anreißlaser mit einer anderen Rezeptur verwendet werden, um die Qualität des Anrisses durch Laserpolieren 908 zu verbessern, zum Beispiel Reflow der Oberfläche und/oder Verdampfen von Graten. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, weil es kontaktlos ist und anders als Schwabbeln wenig oder kein Potenzial zum Verunreinigen des Produkts hat.
Die Platte wird durch Verbreiten der Anreißlinie(n) unter Verwendung induzierter Spannung getrennt 910. Spannung kann durch Induzieren eines Biegemoments in der Platte über die Schnittlinie hinweg aufgebracht werden. Alternativ kann laserinduziertes thermisches Cracken verwendet werden, wobei Anreißen als Mittel zum Verbessern der Qualität und des Ertrags des Verfahrens verwendet wird. Es ist vorgesehen, dass dieses Verfahren keine Verbrauchsmaterialien einbindet und null oder sehr geringen Kerbverlust hat.
Der Lasercrackvorgang führt im Allgemeinen zu einigen Fragmenten, die an den Enden des dünnen Stabs erzeugt werden, und die entfernt und ausgeworfen werden müssen 912. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen durch eine Bürstenaktion unter Verwendung einer Bürste und/oder eines Luftschabers durchgeführt. Alternativ können die Enden der Haltevorrichtung Fallen aufweisen, die sich öffnen, um zu ermöglichen, dass die Fragmente hinausfallen. Die Menge des erzeugten Abfalls ist unter Verwendung dieses Verfahrens recht gering und besteht hauptsächlich aus einigen kleineren Eckspänen. Der dünne Stab wird hinsichtlich Qualität geprüft 914 und dann entladen 916. Der dünne Stab wird gegebenenfalls in eine Ablage oder einen anderen Teileträger entladen. Der dünne Stab kann vor dem Prüfen 914 entladen werden 916. Die Position der Platte bezüglich der Werkzeuge für einen Lasercrackdurchgang zum Abtrennen eines dünnen Stabs von der Platte wird indiziert 918. Ein Materialstück wird von der Kante der Platte getrennt. Nachdem die gewünschte Anzahl von Schnitten erfolgt ist, wird eventuelles verbleibendes unbenutztes Plattenmaterial beseitigt oder abgeworfen 920. Dieses Beseitigen kann von der Plattenbeschaffenheit am Anfang abhängen: Wenn die Platte vorher zurechtgeschnitten wurde, kann diese Menge zu vernachlässigen sein.
Laserschneiden ist ein anderes alternatives Verfahren zum Herstellen dünner Stäbe. Es hat sich herausgestellt, dass es schneller als Sägeverfahren ist, jedoch im Vergleich zu den vorher beschriebenen Laserverfahren einige zusätzliche Maßnahmen erfordern kann, um ein gewünschtes Ergebnis zu liefern. Mit dem Laserschneiden geht auf diese Weise auch einiger Kerbverlust einher, aber es ist vorgesehen, dass der Kerbverlust geringer ist, als beim Schneiden mit der Säge. Die Oberflächenvorbereitung kann bei diesem Verfahren von geringerem Nutzen sein und kann weggelassen werden. Aspekte dieses Verfahrens sind im Ablaufdiagramm von 6 gezeigt und umfassen die geeignete Auswahl des Lasers nach Wellenlänge und Betriebsmodus 400, die Verwendung von Schutzgas 402, die optionale Verwendung von Hilfsgas 404, die Minimierung von Plasmascreening, das mechanische Klemmen des Werkstücks 408 vor dem Aufbringen des Lasers und Fortfahren bis zur Abfallentfernung, das optionale selektive Aufbringen von Kompression 410, das optionale Vervollständigen des Schnitts durch Rissverbreitung 412, und das effektive Entfernen von Abfall 414.
Schutzgas 402 kann verwendet werden, um den Schneidevorgang von der Umgebung zu isolieren. Wenn es hauptsächlich zu diesem Zweck verwendet wird, wird es als Schutzgas bezeichnet. Schutzgas 402 kann verwendet werden, um einen Druckbereich und/oder Luftströmung zu erzeugen und/oder potenzielle chemische Reaktionen zu neutralisieren. Schutzgas 402 ist typischerweise bei Abfallentfernungssystemen integriert, wo das Gas zusätzlich zum Passivieren des Schneidevorgangs dazu verwendet wird, zu kühlen und/oder Ausstoß vom Schnitt weg zu transportieren.
Bei einem Beispiel wird Schutzgas 402 verwendet, um ein Entzünden des Plasmas zu unterdrücken, welches unerwünschte Wirkungen haben kann. Schutzgas 402 kann verwendet werden, um Sauersoff oder andere mögliche Reaktanten auszuschließen und/oder Wärmeenergie zu absorbieren, und dadurch ein Entzünden zu verhindern. Ein Edelgas kann verwendet werden, um Luftsauerstoff auszuschließen. Schutzgas 402 kann über eine oder mehrere Düsen, die in das Abfallentfernungssystem und/oder die Laserdüse integriert werden könnten, in den Schnittbereich eingeführt werden. Schutzgas 402, das koaxial mit der Optik des Laserstrahllieferungssystems injiziert wird, kann den zusätzlichen Zweck haben, die Laseroptik vor Ausstoß zu schützen.
Bei einem anderen Beispiel, bei dem auch ein Hilfsgas verwendet wird, kann Schutzgas 402 verwendet werden, um den Hilfsgasstrom zu enthalten oder die Wirkung des Hilfsgases zu mäßigen. Schutzgasauslässe sind so angeordnet, dass sie den Schnittbereich und den Hilfsgasstrom im Allgemeinen umgeben.
Das US Patent mit der Veröffentlichungsnummer 20100252541 A1 beschreibt ein koaxiales Laserdüsensystem, das Hilfsgas und Schutzgas injizieren kann, wobei Schutz und Eindämmung durch das Schutzgas in einer laminaren oder spiralförmigen Strömung bereitgestellt wird und auch eine Abgasströmung für Abfallentfernung bereitgestellt wird.
Hilfsgas 404 kann verwendet werden, um die Materialentfernung zu fördern. Wenn es vorwiegend zu diesem Zweck verwendet wird, wird es als Hilfsgas bezeichnet. Wo tiefe Schnitte durch ein Laserschneideverfahren gebildet werden, kann ein Hilfsgas verwendet werden, um das Schneiden zu erleichtern und zu beschleunigen. Die vorwiegende Aktion ist das Verflüssigen und Verdampfen von Silizium, was zu einem Ausstoß von weißglühendem Plasma aus der Kerbe führt. Hilfsgase können bei diesem Vorgang mehreren Zwecken dienen: a) Herstellen einer Oberflächenreaktion, die das Abtragen von Massematerial beschleunigt; b) Reagieren mit Plasma, um flüchtige Verbindungen zu erzeugen, wodurch das Entfernen von Abfall gefördert und das Umformen der Oberfläche reduziert wird; und c) Umwandeln von Plasma in transparentere Verbindungen, wodurch Plasmascreening reduziert wird. Potenzielle Hilfsgase weisen Wasserstoff und verschiedene Halogenverbindungen auf. Gewünschte Reaktionen hängen zum Beispiel von der Wellenlänge des Lasers, der verwendet wird, und von der Spektralabsorption von Reaktionsprodukten ab.
Hilfsgas kann verwendet werden, um den Schneidevorgang zu fördern. Dieses Hilfsgas wird typischerweise linear mit dem Laserstrahl injiziert, zum Beispiel mit koaxialen Düsen. Bei einem Beispiel kann das Gas auch mit Düsen, die seitlich zu dem Laserstrahl angeordnet sind, der in die Kerbe gerichtet wird, in die Kerbe injiziert werden. Hilfsgas, das koaxial mit der Optik des Laserstrahllieferungssystems injiziert wird, kann die zusätzliche Funktion haben, die Laseroptik vor Ausstoß zu schützen. Hilfsgas, insbesondere Hilfsgas zum Entfernen von Silizium, kann korrosiv und/oder toxisch sein. Chemisch widerstandsfähige Hardware kann bereitgestellt werden, um Hilfsgas zu injizieren und wiederzugewinnen.
Laserenergie, die die Beschädigungsschwelle überschreitet, kann im Material zu Wärmebelastung führen, was zu unkontrollierter Rissbildung führen kann. Eine Lösung ist, die Materialentfernungsgeschwindigkeit oder Schnitttiefe einfach zu verringern, wodurch der Schnitt in mehreren Durchgangen erzielt wird. Dieses Verfahren kann jedoch weniger Einfluss auf die Vorschubgeschwindigkeit haben. Es hat sich herausgestellt, dass das Bereitstellen von gleichmäßigem Druck der isostatischen Klemmung 408 auf beide Seiten des Schnitts thermisch induzierte Kompression des Massematerials und den Dampfdruck von Plasma überwindet, wodurch unerwünschte Rissbildung verhindert wird. Dieses Klemmen behält auch die Kerbbreite bei, so dass ein selbstgelenkter Laserschnitt gut gesteuert wird, wodurch ermöglicht wird, dass der Laserstrahl durch die Seitenwände zuverlässig auf die Wurzel des Schnitts gerichtet wird, und der Ausstoß von Plasma, der durch die Begrenzung von Druck durch die Seitenwände gesteuert wird, effektiv ist. Auch beim Klemmen kann ein sich etwas verjüngender Schnitt resultieren, wobei der Schnitt an der Eingangsseite breiter ist: Es wurde gezeigt, dass Schnitte von ca. 7 mm Tiefe mit einer Wurzel von weniger als 200 Mikrometer mit einem Eingang von 800 Mikrometer unter Verwendung eines Yttrium Aluminium Granat (YAG) Lasers zu einem durchschnittlichen Kerbverlust von ca. 500 Mikrometer führen. Es ist vorgesehen, dass dieser Verlust wesentlich kleiner ist, als beim Schneiden mit der Säge, und geringfügig größer, als beim Schneiden mit Draht. Kerbverlust kann durch Verwenden eines Lasers mit höherer Strahlenqualität, zum Beispiel einem Faserlaser, reduziert werden.
Ein Problem, insbesondere bei tiefen Schnitten, ist die Bildung von Plasma, welche den Schneidevorgang beeinträchtigt, insbesondere, wenn sich das Plasma auch entzündet. Ein Schutzgas kann verwendet werden 401, um ein Entzünden zu verhindern und/oder Plasma aus dem Strahlungsweg zu entfernen, wodurch Plasmascreening 406 reduziert wird und die Schnittgeschwindigkeit erhöht wird. Dies kann weiterhin zu ausreichender Tiefensteuerung führen, so dass der Vorgang durch Cracken vervollständigt werden kann, um Schlacke zu verhindern. Stickstoff kann als Schutzgas effektiv sein, obwohl schwerere Edelgase effektiver sein können und mit einem Kompromiss zwischen Kosten und Leistung verwendet werden können.
Während Material hauptsächlich durch Dampfdruck ausgestoßen wird, der an der Basis des Schnitts erzeugt wird, kann die Materialentfernung durch die Verwendung eines Hilfsgases 404 beschleunigt werden, das an der Oberfläche des Schnitts oder mit dem Plasma reagiert, wodurch der Zerfall von Material gesteigert und/oder der Dampfdruck erhöht und/oder die Transparenz des resultierenden Plasmas vergrößert wird. Unter Anbetracht der geführlichen und flüchtigen Natur möglicher Hilfsgase und ihrer Reaktionsprodukte wird dieser Vorgang bevorzugt in umschlossener oder eingeschränkter Umgebung durchgeführt, typischerweise einer Prozesskammer, die mit Schutzgasatmosphäre gefüllt ist. Es ist auch vorgesehen, dass Abfallentfernungssysteme korrosionsbeständig sind und aktive Extraktionssysteme aufweisen können.
Eine andere Art, die Entfernung von Material zu beschleunigen, besteht in der Verwendung von Doppelschüssen. Bei dieser Annäherungsweise wird ein erster Laserimpuls verwendet, um Material zu verdampfen, während ein zweiter Impuls (oder Impulse) verwendet wird, um den Dampf weiter zu erregen, was zu einem schnelleren Ausstoß von Plasma führt. Dies kann durch einen Einzellaser mit geeigneter Impulssteuerung oder durch zwei aufeinander folgende Laser, die in schneller Abfolge aufeinander folgen, durchgeführt werden.
Beim Laserschneiden gibt es typischerweise Absonderungen oder Grate auf der Rückseite, weil der Plasmadruck weggenommen wird, wenn der Schnitt aufbricht. Diese Absonderungen oder Grate können mechanisch oder durch Ätzen entfernt werden. Vorzugsweise kann die Kerbe durch Cracken 412 fertiggestellt werden, wodurch Materialausstoß von der Rückseite reduziert oder minimiert wird. Cracken kann durch Aufbringen von mechanischer Belastung (zum Beispiel Biegen) durchgeführt werden, oder kann daraus bestehen, die laserinduzierte Wärmebelastung durch Wegnehmen oder Reduzieren der Klemmkraft für den letzten Durchgang des Schnitts zu verwenden; in diesem Fall wird die vorher gesteuerte Wärmebelastung weggenommen, was zu einem Riss führt, der den Schnitt 412 fertigstellt.
Anders als Crackvorgänge führt das Laserschneiden im Allgemeinen zu der Bildung feiner Partikel. Da Silizium und das Nebenprodukt der Siliziumabtragung, Staub, ein geführliches Material sein können, kann ein aktives Abfallentfernungssystem, das typischerweise aus einem Zwangsluftstrom oder -gasstrom mit einem Vakuumausstoß besteht, erforderlich sein, um Abfall zu entfernen 414. Diese Art von Entfernungssystem wird normalerweise als Zweirichtungs-Abfallentfernungssystem bezeichnet. Typischerweise wird das injizierte Gas, das auch teilweise als Schutzgas dienen kann, verwendet, um Plasma aus dem Schnitt zu deaktivieren und das Plasma in Richtung der Sammelstruktur zu tragen. Ausgestoßenes Material wird in einem Filter gefangen, welches ein mehrstufiges Filter sein kann und typischerweise Merkmale zur sicheren Entfernung und Beseitigung erfassten Materials aufweist.
Obwohl dieses Verfahren zur Umwandlung von Platten 112 in dünne Stäbe 106 hauptsächlich aufgrund der zusätzlichen Komplexität und des geringen Kerbverlusts weniger erwünscht sein kann, ist vorgesehen, dass es im Vergleich zum Schneiden mit der Säge von Vorteil ist und viel schneller als Schneiden mit Draht ist.
Zum Laserschneiden wird ein Laser verwendet, der zum Schneiden von Silizium optimiert ist. Außerdem sollte die Haltevorrichtung gesteuerte Kompressionskraft durch Klemmen bereitstellen, welche entlang der Gesamtlänge der Schnittlinie relativ gleichmäßige Kraft liefern. Wenn ein Schutzgas und/oder ein Hilfsgas verwendet wird, kann eine Gashandhabungsausrüstung bereitgestellt werden.
Platten werden in einer Haltevorrichtung gehalten, welche zum Beispiel ein Podest, eine Vakuum-Aufspannvorrichtung oder ein Klemmmechanismus sein kann. Die Aufnahmevorrichtung kann entlang der Schnittlinie mit Schlitzen versehen sein, um einen Auslass für Späne und/oder ein Behältnis für überschüssige Laserenergie vorzusehen. Alternativ kann eine Haltevorrichtung, bei der eine Platte in einem Schlitz ruht, wie in 7 gezeigt ist, verwendet werden, welche freien Zugang zu beiden Seiten der Platte während der Bearbeitung ermöglicht. In diesem Fall kann der Boden dieser Aufnahmevorrichtung beweglich sein, um die Platte von einer Schnittlinie zur nächsten zu indizieren.
Die Haltevorrichtung weist ein System zum Aufbringen einer im Wesentlichen gleichmäßigen Kompression über die Schnittlinie hinweg auf. Dies kann in Form eines oder mehrerer komprimierbarer Kissen oder aufblasbarer Kissen erfolgen, die mit Basissteuerungen nominell gleichmäßige und gesteuerte Kompressionskraft bereitstellen können. Zusätzlich kann eine programmierbare Kraftsteuerung von Vorteil sein, insbesondere die Fähigkeit, Kompression zum Ende eines Schnitts hin oder im letzten Durchgang wegzunehmen, so dass der Schnitt durch Cracken fertiggestellt wird, wodurch das Ausblasen von Schlacke an der Rückseite des Schnitts beseitigt wird. Die Fähigkeit, Wärmeausdehnung und seitlichem Druck, die durch Dampfdruck innerhalb der Kerbe erzeugt werden, zu widerstehen, verhindert, dass sich Schneiden zu unkontrollierter Rissbildung entwickelt, was zu einem Verlust durch Bruch der dünnen Stäbe während der Bildung der dünnen Stäbe führen kann. Alternativ kann das Material unter Verwendung wenigstens einer beweglichen Klemme mit servogesteuerter Klemmkraft geklemmt werden. Insbesondere wenn Schnitte durch die gesamte Dicke des Materials hindurch gemacht werden, kann eine Aussparung in der Aufnahmevorrichtung mit einer Vorkehrung zum Entfernung von Abfall bevorzugt sein.
Der Laser kann aus einem breiten Auswahlbereich ausgewählt werden. Primäre Erwägungen sind hohe Absorption im Material und hohe Spitzenleistung. Dies wird im Allgemeinen durch Verwendung einer kleinen Brennfleckgröße und kurzer Impulse erreicht und begünstigt Laser im Bereich von 200 bis 1020 nm. Es wird angemerkt, dass, weil diese Eigenschaften im Gegensatz zu denen stehen, die für laserinduziertes thermisches Cracken erforderlich sind, ein anderer Laser und eine andere Strahlenlieferung typischerweise notwendig sind. Einige gewöhnlich verfügbare Beispiele schließen Diodenlaser im Bereich von 800 bis 1000 nm, grüne Faserlaser, frequenzverdoppelte YAG Laser und im Allgemeinen alle Laser mit einer Strahlenqualität, die gepulste Operationen im Bereich von ca. 300 bis 1020 nm durchführen können, ein. Andere Laser können verwendet werden, insbesondere hat sich gezeigt, dass einige Hochleistungslaser bei ca. 1050 nm und sogar Laser bei 1064 nm ausreichende Spitzenimpulsleistung und Fluenz annehmen können. Laser im bevorzugten Bereich (200 bis 1020 nm) erzeugen jedoch mit geringerer Wahrscheinlichkeit unnötige Thermalisierungseffekte und benötigen weniger Energie, um zu arbeiten.
Ein herkömmliches Verfahren zum Verbessern der Geschwindigkeit und der Konstanz der Materialentfernung ist es, ein Feuerungsmuster zu verwenden mit dem Zweck, Material zu verdampfen und dann den Dampf weiter zu erregen, um einen raschen Ausstoß aus der Kerbe zu fördern. Dieses Verfahren kann mit einem Laser ermöglicht werden, der eine programmierbare Pulsformung und/oder Schussabfolge vorsieht.
Da dieses Verfahren eine beträchtliche Menge an Abfall produziert, Material, das aus der Kerbe entfernt wird, ist ein Abfallentfernungssystem erwünscht, um das Material zu erfassen und sicher zu beseitigen. Eine sekundäre Funktion des Abfallentfernungssystems kann sein, Ausstoß aus der Bahn des Lasers zu spülen, um Plasmascreening zu minimieren.
Die Abfallentfernung beginnt mit einem Vakuumausstoß, der ausgestoßenes Material sammelt. Typischerweise wird der Ausstoß durch ein Filtriersystem geleitet, das das Material aus dem Ausstoß-Luftstrom entfernt. Dieses Filtriersystem kann aus einem Kanistersystem oder einem mehrstufigen Filtersystem bestehen. Ein Zweirichtungs-Filtersystem kann zur sicheren Handhabung und Beseitigung bevorzugt sein. Alternativ kann Abfall in einer Nassfalle gefangen werden, die aus dem Abfallmaterial eine Schlacke bildet. Dieses Verfahren ist von Vorteil, da Kerbmaterial gewöhnlich in den Siliziumherstellungsprozess recycelt wird.
Abfallentfernung wird typischerweise durch einen positiven Luftstrom erleichtert. Dieser Luftstrom kann ein Strom aus Luft oder anderem Gas sein. Vorzugsweise wird ein nomineller laminarer Strom mit hoher Geschwindigkeit verwendet, um Ausstoß in Richtung von Vakuum-Auslassöffnungen zu treiben, um Plasmascreening und Umformung auf der Materialoberfläche zu minimieren. Schwerere Gase können als ein Weg des effektiven Transportierens von Ausstoß von der Schnittlinie weg bevorzugt sein. Diese Art von System wird gewöhnlich als Zweirichtungssystem bezeichnet.
Die Abfallentfernung kann einen Einschränkungsaspekt wie zum Beispiel eine Umhüllung aufweisen, die den Schnittbereich umgibt. Dieser Aspekt kann sich nahe an der Oberfläche des Materials befinden, auf der Oberfläche aufliegen, möglicherweise von einer flexiblen Randleiste umgeben, oder von einem Luftkissen gestützt werden, das aufgrund hohen positiven Drucks auch als Barriere dient. Zusätzliche Einschränkung kann durch Injizieren eines Hochdruck-Luftstroms in die Kerbe nahe dem Umfang der Einschränkung bereitgestellt werden.
Das Abfallentfernungssystem kann daher des Weiteren eine Anzahl pneumatischer Vorrichtungen enthalten, die gegebenenfalls Düsen und Strahle, Sammelrohre, Lufträume, Strömungs- und Drucksteuerungen, etc. aufweisen.
Ein anderes mögliches Verfahren, das demonstriert worden ist, ist das Schneiden mit einem fluidisierten Schleifmittel oder abrasives Strahlschneiden. Dieses Verfahren kann weniger präzise sein und kann eine etwas breitere Kerbe erzeugen, als die obigen Laserverfahren, kann jedoch zur Herstellung tiefer Schnitte verwendet werden und verwendet eine relativ niedrige Technik, die kostengünstig und kontaktlos ist. Bei diesem Verfahren tendiert die Kerbe dazu, sich etwas in Richtung der Rückseite des Schnitts zu weiten. Die Reduzierung der Kerbe ist im Vergleich zum Schneiden mit der Säge ein kleiner Vorteil. Es wurden jedoch Verbesserungen beim Werkzeugverschleiß und bei der Vorschubgeschwindigkeit gegenüber traditionellen Schnittverfahren gezeigt.
Ein Fluid, das verwendet werden kann, ist Luft oder ein anderes Gas. Die Ausdehnung des Luftstroms kann einen Außendruck erzeugen, der verursacht, dass sich die Kerbe in Richtung der Ausgangsseite ausdehnt, was die Tiefe des Schnitts, die innerhalb eines vorgegebenen Kerbverlustziels möglich ist, einschränken kann. Schnitte mit einer Eingangsseitenbreite von 100 Mikrometer und einer Entformungsschräge von unter 5 Grad sind möglich.
Ein anderes Fluid ist Wasser, das, da es nicht komprimierbar ist, eine konstantere Kerbe erzeugen kann. Eine Einschränkung dieses Verfahrens kann das Vorsehen von sehr sauberem Wasser sein, um während des Schneidens eine Verunreinigung des Materials zu vermeiden. Ein noch anderes Laserschneideverfahren, Laserwasserstrahlschneiden, besteht aus dem Führen des Lasers in das Material mittels eines dünnen Wasserstroms. Dies führt zu einer etwas besseren Steuerung der Kerbbreite und stellt die zusätzlichen Vorteile von Abfallentfernung und Reduzierung von Plasmascreening bereit. Kerbbreiten unter 100 Mikrometer können erzielt werden. Jedoch sind die Vorschubgeschwindigkeiten relativ gering, zum Beispiel weniger als ca. 1 mm/sec. Obwohl es langsamer ist als andere Laserverfahren, ist trotzdem vorgesehen, dass Laserwasserstrahlschneiden schneller ist, als herkömmliche Verfahren. Dieses Verfahren kann eine große Menge hochreinen Wassers und ein Wasserfiltriersystem erfordern. Da das Wasser sofortige Kühlung bereitstellt, kann ein Verlust durch Bruch aufgrund von Wärmebelastung vermieden werden und eine einfache Haltevorrichtung kann ausreichend sein.
Alles in allem ist vorgesehen, dass diese Herangehensweise aufgrund des reduzierten Kerbverlusts eine Verbesserung der aktuellen Praxis darstellt, jedoch mit größeren leistungsabhängigen Kosten verbunden sein kann, als andere hier offenbarte Verfahren. Wenn hohe Geradlinigkeit/Planheit des Schnitts ein primäres Anliegen ist, kann dieses Verfahren bevorzugt sein, obwohl dies im Fall von dünnen Stäben nicht zwingend erforderlich ist.
Obwohl eine Vielzahl von Schleifkörnungen verwendet werden können, kann eine Körnung, die aus hochreinem Silizium selbst besteht, verwendet werden. Diese Körnung kann weiterhin durch Oberflächenbehandlung gehärtet werden, zum Beispiel durch Oxidieren, Nitrieren, Karbonitrieren, etc. Diese Herangehensweise kann Polysilizium-Abfall anstelle von gekauftem Material verwenden.
Wenn ein fluidisiertes Schleifmittel zum Schneiden verwendet wird, kann das Schleifmittel aus Abfallmaterial aus dem Produktionsstrom, das in Körnung verarbeitet worden ist, zusammengesetzt sein. Dieses kann durch Quetschen oder Fräsen von Abfallmaterial oder ein anderes Verfahren erzeugt werden, das aus dem Material Schleifscherben macht. Dieses Schleifmaterial kann weiterhin durch Bilden einer Oxid-, Nitrid- oder anderen dielektrischen Beschichtung gehärtet werden, welche, obwohl das Härten die Körnung verfälschen kann, keine Verunreinigungen einführt, welche für die Endbenutzung des Polysiliziums problematisch wären. Dies ist eine praktische Erwägung zur Herstellung von photovoltaischem Polysilizium, das einige Verunreinigungen (insbesondere mehrkristallines Blockgießen mit dem Vorteil vertikaler Schichtenbildung) toleriert.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es kontaktlos mit weniger Werkzeugabrieb als herkömmliches Schneiden mit der Säge ist. Dieses Verfahren hat gegenüber herkömmlichem Schneiden mit der Säge den weiteren Vorteil, dass die Vorschubgeschwindigkeit mit der Schnitttiefe variieren kann, während Schneiden mit der Säge durch die Oberflächengeschwindigkeit begrenzt ist, wodurch es weniger Gelegenheit gibt, die Vorschubgeschwindigkeit zu variieren oder zu optimieren.
Ein oder mehrere Werkzeuge können benötigt werden, um den Trennungsvorgang durchzuführen. Außerdem können Werkzeuge dupliziert werden, um den Durchsatz durch paralleles Durchführen desselben/derselben Verfahrensschritte(e) zu steigern. Mehrere Werkzeuge können angebracht werden, so dass sie nacheinander über dieselbe Schnittlinie laufen, und/oder so dass sie gleichzeitig oder nacheinander entlang benachbarter Schnittlinien laufen. Bevorzugte Werkzeuge sind im Betrieb kontaktlos, was bedeutet, dass sie das Material, das in Teile getrennt wird, nicht kontaktieren. Diese kontaktlosen Werkzeuge sind ein Vorteil der hier beschriebenen Verfahren und dazu vorgesehen, die Probleme des Werkzeugverschleißes und der Verunreinigung des Produkts zu minimieren. Zusätzlich zu Unterstützung, Bewegung und Führung benötigen Werkzeuge typischerweise Leistungen, welche Laserenergie aufweisen können, wenn nicht im Werkzeug erzeugt, Fluide und/oder Gase und Vakuumausstoß.
Werkzeuge können Schnittwerkzeuge, Schnitt-Hilfswerkzeuge, Reinigungswerkzeuge, Prozessüberwachungswerkzeuge und Ausrichtungs- und Installationswerkzeuge sowie Teilehandhabungswerkzeuge aufweisen.
Hilfswerkzeuge können Zeigervorrichtungen wie zum Beispiel einen Laserzeiger aufweisen. Hilfswerkzeuge können Kameras und Beleuchtung zur Ausrichtung und/oder Prüfung aufweisen. In einigen Fällen kann es gewünscht sein, Bilder in das oder durch das Material zu erhalten. In diesen Fällen kann ein Abbildungssystem im nahen Infrarotbereich (NIR) verwendet werden, das bei Wellenlängen abbildet, bei denen Polysilizium im Wesentlichen transparent ist, zum Beispiel im Bereich von 1100 bis 1650 nm.
Aufnahmevorrichtungen zum Halten der Platte während der Bearbeitung können verwendet werden. Verschiedene Halteverfahren können verwendet werden, einschließlich Schwerkraft, Vakuum und Klemmen. Für einige Vorgänge kann Rückseitenaussparung und/oder -zugang erforderlich sein. Im Allgemeinen muss die Platte fest gehalten werden, um gute Steuerung des Verfahrens und einen geraden Schnitt zu erzielen. In einigen Fällen kann ein Grad von Halten und/oder das Aufbringen von Kraft erforderlich sein, um den Schnitt zu stabilisieren, insbesondere wo während des Vorgangs Außenkräfte innerhalb der Schnittlinie erzeugt werden. In einigen Fällen ist eine gesteuerte und/oder variable Kraft erforderlich. Rückseitenaussparung kann erforderlich sein, um überschüssige Energie oder Fluide und/oder Abfall zu erfassen. Zugang zu einer oder beiden Seiten kann ebenso für einen Werkzeugzugang erforderlich sein. Aufnahmevorrichtungen können auch für Wärmehandhabung verwendet werden, typischerweise durch Bereitstellen einer Wärmesenke oder einer temperaturgesteuerten Oberfläche für das Material. Aufnahmevorrichtungen können auch Merkmale zum Einstellen der Position des Materials, wie zum Beispiel bewegliche Markierungen oder Klemmen, aufweisen. Aufnahmevorrichtungen können auch Merkmale aufweisen, um das Positionieren des Materials zu erleichtern, zum Beispiel Gurte, Walzen, Luftkissenoberflächen, etc.
7 zeigt eine vertikale Plattenhaltevorrichtung 500, die für eine laserbasierte Trennung der Platten 112 in dünne Stäbe 106 verwendet werden kann. Eine vertikale Aufnahmevorrichtung 500 hat den Vorteil, die Platte 112 zum Schneiden an einer mehr oder weniger konstanten Position bereitzustellen und/oder gleichen Zugang zu beiden Oberflächen bereitzustellen und/oder Wärmeverluste in die Aufnahmevorrichtung zu minimieren. Dies kann für jedes Verfahren zum Schneiden der Platte 112 in dünne Stäbe 106 von Vorteil sein. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Aufnahmevorrichtung eine Bewegungsachse zum Positionieren der Platte relativ zum Werkzeug bereitstellt. Ein Laserschneidesystem ist als Beispiel gezeigt. Andere Systeme wie zum Beispiel Lasercracken, Laseranreißen und -brechen, etc. könnten jedoch in einer ähnlichen Anordnung konstruiert werden. Diese Aufnahmevorrichtung 500 ist dazu ausgelegt, ebene Teile für die hier beschriebenen Verfahren des Trennens dünner Stäbe von Platten zu halten und stellt die Fähigkeit bereit, die Arbeit auf einer konstanten Höhe zu halten. Schwerkraft allein kann die Platte halten und markieren und/oder den abgetrennten Streifen an Ort und Stelle halten, obwohl zusätzliches Klemmen verwendet werden kann. Die Schnittlinie kann von beiden Seiten aus zugänglich sein, was Zugang für verschiedene Werkzeuge wie zum Beispiel einen zweiten Laser, Kühlung, etc. ermöglicht. Die Schnittlinie wird auf einer konstanten Höhe gehalten, was andere Werkzeuge, insbesondere Laserstrahllieferungssysteme, vereinfachen kann.
Die aus einem Stab oder Ziegel aus Polysilizium geschnittene Platte 112, aus welcher dünne Stäbe 106 geschnitten werden, ist in Bezug zu der Haltevorrichtung gezeigt. Die Haltevorrichtung 500 weist vertikale Aufspannplatten 502, 504 auf, die die Platte in eine im Allgemeinen vertikale Ausrichtung begrenzen. Die Platte kann zwischen zwei Aufspannplatten 502, 504 eingeschränkt werden, kann sich jedoch wenigstens zeitweilig bewegen, zum Beispiel durch selektives Aufbringen einer Klemmkraft. Die Aufspannplatten 502 und 504 bilden die Backen einer Haltevorrichtung, wo eine Platte auch auf einem beweglichen vertikalen Träger 506 aufliegt. Optional kann die Aufspannplatte 502 eine Vakuum-Aufspannvorrichtung sein, die verwendet werden kann, um das Teil während der Bearbeitung starr zu halten, wobei die Aufspannplatte 504 Halt liefert, wenn das Vakuum weggenommen wird. Alternativ könnte die Aufspannplatte 504 eine Bernoulli Vakuum-Aufspannvorrichtung sein, die das Teil von einer Seite hält, wodurch die zweite Aufspannplatte redundant wird oder nur vorsorglich gegen den Verlust von Luftzufuhr vorgesehen wird. Des Weiteren ermöglicht dies, dass sich die Platte in der Ebene der Aufspannplatte 502 frei bewegt, während sie in Querrichtung starr gehalten wird, während sie in vertikaler Richtung und in Längsrichtung durch den Träger 506 eingeschränkt wird, welcher von Vorteil ist, um das Teil während der Bearbeitung zu markieren und zu indizieren.
Die Haltevorrichtung weist eine horizontale Aufspannplatte 506 auf, welche die Platte von unten trägt und verwendet wird, um die Platte vertikal zu bewegen, um eine Position für den ersten Schnitt bereitzustellen und zwischen den Schnitten zu indizieren. Der Boden der Aufnahmevorrichtung oder die horizontale Aufspannplatte 506 trägt die Platte vertikal und wird verwendet, um sie vertikal zu positionieren. Dieser Träger 506 wird durch eine oder mehrere Bewegungsplattformen bewegt. Dieser Träger kann auch eine Rollenoberfläche, ein Gurt, eine sich bewegende Platte, etc. aufweisen, um den Vorschub der Platten 112 in die und aus der Aufnahmevorrichtung zu erleichtern. Optional kann die Haltevorrichtung 500 zu größerer Länge ausgefahren werden, so dass dieser Mechanismus verwendet werden kann, um die Platte horizontal an einem Laser vorbei zu bewegen. Das Teil wird an einer Spannvorrichtung gehalten, und dann wird die gesamte Aufnahmevorrichtung bewegt, um das Teil neu zu positionieren, oder alternativ wird die Laserdüse neu positioniert. Die zweite Aufspannplatte 504 kann eine einfache Halteeinrichtung zum Halten der Platte 112 sein, wenn die Platte 112 nicht von der ersten Aufspannplatte 502 fest gehalten wird. Andererseits kann die zweite Aufspannplatte 504 eine Einrichtung zum Drücken der Platte 112 bei Bedarf gegen die erste Aufspannplatte 502 vorsehen und eine mechanische Klemmaktion bereitstellen, wenn sie vorgeschoben wird.
Eine Laserdüse 508 ist ebenfalls in 7 enthalten. Vorzugsweise liefert die Laserdüse 508 einen annähernd gebündelten Strahl, der so ausgelegt ist, dass eine hohe Fluenz im Kern des Materials erzeugt wird, gegebenenfalls unterstützt durch Reflexionen von der Haltevorrichtung. Eine (nicht gezeigte) identische Laserdüse kann an der gegenüberliegenden Seite des Teils platziert werden, um die Herstellung eines symmetrischen thermischen Kompressionsprofils zu erleichtern. Mehrere (nicht gezeigte) verschiedene Laserdüsen können an jeder Seite für komplexere Vorgänge wie zum Beispiel ,Anreißen und Brechen' vorgesehen werden. Die optischen Elemente können anamorphotisch und sogar nicht-linear sein, um das gewünschte Strahlenprofil bereitzustellen. Ein Anschlag 510 kann auf der gegenüberliegenden Seite des Lasers angeordnet werden, um den Strahl zu blockieren und/oder zu reflektieren. Der Anschlag 510 stellt einen Platz bereit, an dem sich überschüssige Strahlung sammeln kann. Bei einem Beispiel kann dies auch ein Reflektor sein, der überschüssige Energie in das Teil zurück recycelt, und der auch den Strahl neu fokussieren könnte.
Ein Abfallentfernungssystem 512 kann enthalten sein und kann zum Laserschneiden besonders erwünscht sein. Das Abfallentfernungssystem 512 entfernt Abfall, während das Schneiden fortschreitet, und kann auch eine gesteuerte Umgebung für das Verfahren bereitstellen, gegebenenfalls einschließlich des Einführens von Schutz- und Hilfsgasen. Das Abfallentfernungssystem 512 kann eine koaxiale/schraubenförmige Laserdüse aufweisen.
Ein komprimierbarer Anschlag 514 kann über der Platte 112 und dem dünnen Stab 106 platziert werden, um während der Schneideoperation Kompression bereitzustellen. Der komprimierbare Anschlag 514 stellt über die Schnittlinie Kompression bereit und kann ein komprimierbares Kissen oder eine aufblasbare Blase oder ein anderer Mechanismus zum Aufbringen von quasi-isostatischem Druck sein. Eine variable oder programmierbare Kompression kann aufgebracht werden. Diese Kompression kann verwendet werden, um Kompressionscracken zu erleichtern und Verlust durch Bruch zu verhindern, insbesondere wenn ein dünner Streifen wie beim ersten oder letzten Schnitt entfernt wird. Er kann des Weiteren beweglich sein, um das Entladen von Stäben nach dem Schneiden zu erleichtern. Außerdem kann er Elemente wie zum Beispiel Vakuumöffnungen aufweisen, um Materialtransport durchzuführen. Bei einem Beispiel weist dies eine komprimierbare Oberfläche auf, die annähernd gleichmäßige Kraft bereitstellt, welche entlang der Länge der Platte 112 und des dünnen Stabs 106, der abgetrennt wird, wirkt. Für ein Schneideverfahren sollte der Erfüllungsbereich klein sein, um unnötige Belastung über der offenen Kerbe zu vermeiden. Für ein Crackverfahren ist ein größerer Erfüllungsbereich akzeptierbar. Der komprimierbare Anschlag 514 ist typischerweise beweglich, um das Laden der Platten 112 und/oder das Entfernen dünner Stäbe 106 zu erleichtern. Der Laser entfernt Material der Reihe nach, wodurch eine Nut erzeugt wird, die sich typischerweise etwas verjüngt und in einer Kerbe 516 resultiert.
Es ist selbstverständlich, dass das Laserschneidewerkzeug 508 durch ein Lasercrackwerkzeug oder ein Anreiß- und Brechwerkzeug ersetzt werden könnte. Es ist des Weiteren selbstverständlich, dass dieses Aufnahmevorrichtungsschema nicht ganz vertikal sein muss. Wenn es zum Beispiel in Richtung der Platte 502 geneigt ist, kann die Platte 504 redundant werden, ohne den Vorteil des Haltens durch Schwerkraft zu opfern, insbesondere wenn der Anschlag 514 ein Haltevakuum aufweist. Es ist des Weiteren selbstverständlich, dass Werkzeuge und andere Werkzeuge in einer Richtung senkrecht zu der gezeigten Ansicht repliziert werden können.
8 zeigt eine Plattenbearbeitungsvorrichtung 600, die ohne die vorgeschlagenen Verfahren verwendet werden könnte. Diese Aufnahmevorrichtung sieht das Halten und Indizieren von Platten mit Spiel für schwerkraftbasiertes Entfernen von Abfall und fertigen Teilen vor. Die Schnittlinie kann von beiden Seiten zugänglich sein, was Zugang für verschiedene Werkzeuge wie zum Beispiel einen zweiten Laser, Kühlung, etc. ermöglicht. Die Schnittlinie wird an einer konstanten Stelle gehalten, was das Anbringen und die Betätigung der Werkzeuge 602 vereinfachen kann.
Eine teilweise bearbeitete Platte 112 ist gezeigt, welche von einem Stab oder Ziegel aus Polysilizium geschnitten wurde, und von welcher dünne Stäbe 106 geschnitten werden. Die Haltevorrichtungsplatte 604 stellt einen Träger und eine Positionierung für die Platte bereit. Die Platte 112 kann durch Schwerkraft oder Vakuum oder ein anderes Klemmsystem an der Aufspannlatte 604 gehalten werden. Eine Bernoulli(Zweirichtungs)-Vakuumspannvorrichtung kann ein bevorzugtes Beispiel sein, weil das Bernoulli-Vakuum die Platte durch Vakuum festhält, während es der Platte 112 ermöglicht, sich in der Ebene der Aufspannplatte 604 frei zu bewegen. Optional kann die Strömung umgekehrt werden, um die Aufspannplatte 604 während einiger Operationen in einer Vakuumspannvorrichtung zu drehen.
Die Haltevorrichtung 600 weist einen Zuführmechanismus 606 auf, welcher angetriebene Walzen haben kann, die verwendet werden, um die Platte über die Vorrichtung zu bewegen. Alternativ könnte diese Aufnahmevorrichtung Gurte anstelle der oder zusätzlich zu den Walzen verwenden. Während eines Schneidevorgangs könnte dieser Zuführmechanismus 606 verwendet werden, um die Platte durch Reibung in Position zu halten. Zusätzlich könnte der Zuführmechanismus 606 verwendet werden, um eine gesteuerte Kraftmenge bereitzustellen, um bei Bedarf Kompression über die Schnittlinie zu erzeugen. In Kombination mit Vakuum, das von der Aufspannplatte 604 bereitgestellt wird, und/oder Schwerkraft stellt dieses Element 606 ein Maß an Klemmen für die Platte 112 bereit. Es kann auch Kompression oder Zug über die Schnittlinie bereitstellen, indem es die Platte 112 in Richtung eines Endanschlags 608 treibt. Zusätzlich zum Indizieren der Platte zwischen den Schnitten kann der Zuführmechanismus 606 verwendet werden, um die verbleibende Platte 112 aus dem Schnitt heraus zu bewegen, um das Entladen des dünnen Stabs 106, der abgetrennt worden ist, zu erleichtern.
Die Haltevorrichtung weist eine Gleitvorrichtung 610 auf, die Halt für den dünnen Stab 106 bereitstellt, der von der Platte 112 abgetrennt wird. Die Gleitvorrichtung 610 kann auch als Tor fungieren, um abgeschnittenes Material nach Beendigung eines Schnitts freizugeben. Dies kann eine einfache Gleitfläche sein, ist jedoch bevorzugt eine kleine Vakuumspannvorrichtung, die das Material, das von der Platte abgetrennt wird, greift. Vorzugsweise liegt sie in Form einer Bernoulli Spannvorrichtung vor. Die Gleitvorrichtung 610 kann als Tor arbeiten, das ermöglicht, dass abgeschnittenes Material durch Schwerkraftvorschub entladen wird. Während Indizier- und/oder Entladungsoperationen kann diese Spannvorrichtung einen Luftkisseneffekt bereitstellen, um die Materialbewegung zu erleichtern.
Der Endanschlag 608 ist vorgesehen, um das abgeschnittene Stück zu halten. Der Endanschlag 608 kann auch verwendet werden, um bei der Bereitstellung gleichmäßiger Kompression entlang der Länge der Schnittlinie zu unterstützen. Der Endanschlag 608 stellt Kompression über die Schnittlinie bereit. Er kann ein komprimierbares Kissen oder eine aufblasbare Blase oder ein anderer Mechanismus zum Aufbringen quasi-isostatischen Drucks aufweisen. Variable oder programmierbare Kompression kann aufgebracht werden. Diese Kompression kann verwendet werden, um Kompressionscracken zu erleichtern und Verlust durch Bruch zu verhindern, insbesondere wenn ein dünner Streifen wie beim ersten oder letzten Schnitt entfernt wird. Der Endanschlag 608 kann des Weiteren beweglich sein, um das Entladen von Stäben nach dem Schneiden zu erleichtern. Der Endanschlag 608 kann zum Beispiel schnell mit Druck beaufschlagt und dann freigegeben werden, um zu veranlassen, dass das Abgeschnittene freigegeben wird.
8 gibt die Position des Schneidwerkzeugs 602 an, welches eines der vorgeschlagenen Elemente sein kann, einschließlich einer Laserdüse zum Lasercracken, zwei Laserdüsen zum Anreißen und Cracken, Laserdüsen zum Schneiden, eine wassergeführte Laserdüse oder eine fluidisierte Schleifmitteldüse. Die Anordnung der Haltevorrichtung ist vielseitig, insbesondere als sie Unterseitenspiel zum Entladen und möglichen Erfassen von Material unter Verwendung der Schwerkraft aufweist.
Ein bewegliches Gestell 612 ist vorgesehen, um fertiggestellte Arbeiten durch Schwerkraftvorschub aufzufangen. Wenn es zurückgezogen wird, stellt das Gestell 612 ein Tor zum Schützen der fertiggestellten Arbeiten vor weiterem Abfall dar und kann verwendet werden, um fertige Teile abzuladen. Das Gestell 612 stellt eine Haltevorrichtung für fertige Teile bereit. Während des Schneidens wird das Gestell 612 zurückgezogen und kann ein Tor darstellen, um eventuellen Abfall vom Schneiden in die Abfallverwertung zu leiten. Wenn das Gestell 612 ausgefahren ist, können fertige Teile mittels Schwerkraft in das Gestell zugeführt werden. Dann zieht sich das Gestell zurück, um das fertige Teil einzuziehen und es an eine Übergabestelle weiterzuleiten. Wenn die Enden zurechtgeschnitten werden, kann das Gestell 612 auch als Haltevorrichtung für diese Operation dienen, so dass dieses Zurechtschneiden parallel zum Abtrennen von Streifen von der Platte stattfinden kann.
9 ist ein Diagramm, das Siliziumspektralabsorption zeigt, wobei verschiedene Laserwellenlängen angegeben sind. Je nach durchgeführter Funktion können einige Laserwellenlängen erwünschter sein als andere. Eine vertikale Achse 700 gibt den Prozentsatz absorbierter Energie in einer vorgegebenen Dicke von Silizium an. Eine horizontale Achse 702 gibt die Wellenlänge in Mikrometern an. Eine durchgezogene Linie 704 gibt die Spektralabsorption durch ¾ der Dicke eines typischen dünnen Stabs an. Diese Tiefe ist als Referenz gezeigt. Die bevorzugten Laser werden aus denjenigen ausgewählt, die durch die gesamte Dicke der Platte, jedoch nicht zu nahe an der Oberfläche, wesentliche Spektralabsorption haben.
Eine dünne durchgezogene Linie 706 gibt die Spektralabsorption durch ¼ der Dicke eines typischen dünnen Stabs an. Diese Tiefe ist als Referenz als ca. ¼ der Dicke einer Platte gezeigt. Wellenlängen, bei denen dies viel weniger ist, als die Absorption bei ¾ der Dicke 704 zeigen Wellenlängen an, bei denen der interne thermische Druck leichter erzeugt wird. Eine gestrichelte Linie 708 gibt Spektralabsorption bei einer Tiefe von 100 Mikrometern an und ist als Referenz gezeigt. Laserwellenlängen, bei denen Absorption an der Oberfläche hoch ist, wie durch die Linie 708 angegeben, werden zum Anreißen, Nuten oder Schneiden bevorzugt.
Der Bereich 710 gibt einen Bereich von Wellenlängen an, die zum Lasercracken bevorzugt sind, wobei die Absorption moderat ist, wodurch ermöglicht wird, dass hohe interne Wärmebelastung durch Absorption erzeugt wird. CO2 Laser sind effektiv, da sie in diesem Wellenlängenbereich arbeiten, typischerweise bei Wellenlängen um 9,4 und 10,6 Mikrometer. Es ist vorgesehen, dass dieser Bereich erwünscht ist, weil die Spektralabsorption weitgehend konstant ist und die Wärmeverschiebung bei der Absorption keinen nennenswerten Effekt auf das Verfahren hat, weil das Erwärmen des Materials Teil des Verfahrens ist. Die Verwendung von CO2 Laser liefert relativ kostengünstige Photonen.
Ein alternativer Bereich 712 gibt einen Wellenlängenbereich an, der für Lasercracken bevorzugt ist, und wo die Absorption moderat ist, was ermöglicht, dass hohe interne Wärmebelastung durch Absorption erzeugt wird. Bestimmte Faserlaser, wie zum Beispiel Neodym:Yttrium-Aluminum-Granat (Nd:YAG) und Nd:SGG Laser, die bei ca. 1070 nm arbeiten können, und bestimmte Faserlaser und Diodenlaser, die bei ca. 1080 nm arbeiten können, sind Beispiele geeigneter Laser. Dieser Bereich kann etwas weniger erwünscht sein als der Hauptbereich 710. Jedoch trägt die Stabilität von Faserlasern und von Diodenlasern dazu bei, dies zu einem nützlichen Bereich zu machen. Faserlaser und Diodenlaser stellen auch eine wirtschaftliche Lösung mit dem zusätzlichen Vorteil guter Impulssteuerung bereit.
Das Diagramm gibt des Weiteren einen Wellenlängenbereich 714 an, der für Laserbearbeitung bevorzugt ist, wobei die Absorption hoch ist. Anreißen, Nuten oder Schneiden erfordert im Allgemeinen einen Bereich, in dem Oberflächenmaterial effektiv erwärmt wird, so dass eine Oberflächenschicht effizient entfernt oder verdampft wird. Laser, die bei Wellenlängen unter 950 nm arbeiten, sind bevorzugt, obwohl Laser, die bei Wellenlängen näher an 1064 mit arbeiten, ausreichende Leistung haben können und sich zum Anreißen als effektiv erwiesen haben, indem sie fähig sind, niedrige Absorption durch hohe Spitzenpulsleistung auszugleichen. Laseranreißen oder -nuten bei einer Wellenlänge in Kombination mit Lasercracken bei einer zweiten Wellenlänge kann bevorzugt sein, und die vorliegend beschriebenen Systeme können optimiert werden, indem für jeden Aspekt des Verfahrens ein geeigneter Laser ausgewählt wird. Laser von ca. 1064 nm und ca. 1050 nm sind mit hoher Leistung und guter Strahlenqualität gewöhnlich verfügbar. Obwohl diese Wellenlängen weniger ideal sein können, können diese Laser aufgrund der Kosten und der Verfügbarkeit verwendet werden. Andere Alternativen schließen fasergekoppelte Diodenlaser und intrinsisch grüne Faserlaser ein, welche in zunehmendem Maße verfügbar werden.
In der vorstehenden Beschreibung wurden zu Erläuterungszwecken zahlreiche Details angeführt, um ein profundes Verständnis der Ausführungsformen bereitzustellen. Es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, dass diese spezifischen Details nicht erforderlich sind. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen in Form von Blockdiagrammen gezeigt, um das Verständnis nicht zu erschweren. Beispielsweise sind keine spezifischen Details dahingehend angegeben, ob Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsformen als Softwareroutine, Hardwareschaltung, Firmware oder eine Kombination davon implementiert sind.
Es ist beabsichtigt, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nur Beispiele sind. Änderungen, Modifizierungen und Varianten können an den besonderen Ausführungsformen von Fachleuten vorgenommen werden, ohne vom Umfang abzuweichen, welcher allein durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Anfertigen dünner Polysiliziumstäbe, wobei das Verfahren umfasst: Platzieren eines Stücks aus Polysilizium auf einer Aufnahmevorrichtung; Aufbringen eines vorgegebenen Laserstrahls auf das Stück aus Polysilizium; und Abtrennen eines dünnen Polysiliziumstabs von dem Stück aus Polysilizium.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Laserstrahl eine Vielzahl von Laserstrahlen aufweisen kann.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Laserstrahl dazu konfiguriert ist, das Stück aus Polysilizium zu schneiden.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 3, wobei der vorgegebene Laserstrahl basierend auf der Dicke des Stücks aus Silizium entlang der Schnittlinie und der Schnitttiefe konfiguriert ist.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Laserstrahl dazu konfiguriert ist, das Stück aus Polysilizium zu cracken.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Laserstrahl so konfiguriert ist, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Verfahrens und die Laserleistung durch Messen einer Crackspitzenposition relativ zu dem Laserstrahl gesteuert werden.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: Aufbringen eines Hilfsgases während des Aufbringens des vorgegebenen Laserstrahls.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: Aufbringen von Kompression auf das Stück aus Polysilizium.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: Strukturieren wenigstens eines Teils einer Oberfläche des Stücks aus Polysilizium vor dem Aufbringen des vorgegebenen Laserstrahls.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: Kühlen des Stücks aus Polysilizium nach dem oder während des Aufbringens des vorgegebenen Laserstrahls.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: Anreißen des Stücks aus Polysilizium vor dem Aufbringen des vorgegebenen Laserstrahls.
System zum Anfertigen dünner Polysiliziumstäbe, wobei das System aufweist: eine Aufnahmevorrichtung zum Halten eines Stücks aus Polysilizium; und wenigstens einen Laser, der dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Laserstrahl auf das Stück aus Polysilizium zu richten, um wenigstens einen dünnen Polysiliziumstab von dem Stück aus Polysilizium abzutrennen.
System zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 11, wobei das Stück aus Polysilizium eine flache Platte ist, deren Dicke annähernd gleich der Dicke des dünnen Polysiliziumstabs ist.
System zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 11, wobei der vorgegebene Laserstrahl dazu konfiguriert ist, das Stück aus Polysilizium zu schneiden.
System zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 11, wobei der vorgegebene Laserstrahl dazu konfiguriert ist, das Stück aus Polysilizium zu cracken.
System zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 11, das des Weiteren ein Kühlsystem aufweist, das dazu ausgelegt ist, wenigstens eine Oberfläche des Stücks aus Polysilizium zu kühlen.
System zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 11, wobei die Aufnahmevorrichtung eine vertikale Haltevorrichtung ist.
System zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 11, das des Weiteren ein Gestell aufweist, das dazu ausgelegt ist, den dünnen Polysiliziumstab zu erfassen und den dünnen Polysiliziumstab vor Verunreinigung zu schützen.
Verfahren zum Anfertigen von dünnen Polysiliziumstäben, wobei das Verfahren umfasst: Platzieren eines Stücks aus Polysilizium auf einer Aufnahmevorrichtung; Aufbringen eines vorgegebenen Abrasivstrahls auf das Stück aus Polysilizium; und Abtrennen eines dünnen Polysiliziumstabs von dem Stück aus Polysilizium.
Verfahren zum Anfertigen von Polysilizium nach Anspruch 18, wobei der Abrasivstrahl ein Wasserstrahl ist.