[发明专利]半导体材料的激光切割

说明书

本发明是在美国主合同No.DE-AC36-83CH10093的一个子合同No.ZAX-8-17647-10下作出。

发明领域

本发明涉及使用激光切割半导体材料，具体涉及激光切割EFG生成材料。

发明背景

从熔液中生成成形晶体材料的形状可控晶体生长(EFG)方法是公知的，例如美国专利4937053、5102494和5558712所述。在太阳能电池的制造中使用EFG材料也是公知的，例如美国专利4751191、5698451、5106763和5151377所述。在实践中，EFG法已被用来生成掺杂半导体材料的中空多面体(如掺磷硅八面体)，然后用激光将这些多面体切割成用来制造太阳能电池的矩形晶片或白片。最近的努力目标是生成大直径薄壁硅管，例如是直径约50cm、壁厚为100-700μm(微米)的圆管。

材料的激光切割包括材料吸收激光能量，导致局部温度升高，材料的熔化和汽化以及将熔化和汽化的材料从切割物体上去除。由于需要最大化切割速度，因而推动了现行的、从EFG生成的中空硅体上获取切片技术的发展，这就导致了寻求具有最大可用平均能量的激光。到目前为止，将中空硅体切片的切割过程是利用传统工业激光(如平均能量水平约为100-500瓦(W)的传统Nd：YAG和CO₂激光)在空气中完成的。这些激光在切割动作上的相似之处是它们分别都使用约为300和500微秒(μs)的较长的脉冲宽度，并且切割主要是以熔化机理进行。对于300μm厚的硅来说，这些现有的激光切割硅体技术的切割速度约为25-50mm/s。另外，用与现有方法同样的激光切割方法切割脆性的EFG生成硅体时，还会在硅片边缘出现激光感应损害。

被加热的地方出现材料物理性质的改变造成了硅片的激光感应边缘损伤。在材料中能探测到这种变化的材料深度称为热影响区(HAZ)。HAZ的缺陷有两种：微裂纹和残留物的堆积(残渣)。微裂纹通常有数条，开始一般是朝垂直于切割边缘方向发展，然后转大约90度，沿平行于切割边缘方向延伸。举例解释这个问题，当用脉冲宽度0.5毫秒(msec)、脉冲能量500毫焦(mJ)、高斯点光束直径约150-200μm的Nd：YAG激光在空气中切割厚度为300μm的硅时，微裂纹可能延伸至距离切割边缘50μm远的地方。由于微裂纹可造成激光切割晶片的机械性弱点，因此是绝对不希望有的。残渣主要包括从熔化和汽化状态重新固化后的硅和SiO₂(当切割区域存在氧时)。堆积的残渣使切片的边缘软化。

在切片被用于制造太阳能电池之前，损伤的边缘材料要用化学蚀刻来去除。HAZ越深，在切片边缘就要去除越多的材料。糟糕的是，出现边缘损伤会造成可用于制造太阳能电池的切片区域的减少，而且，由于在将切片制作成太阳能电池或其他设备所需的几个工序前，需要从切片上去除边缘损伤材料，因此，成本将会提高。

影响激光束与结晶硅相互作用以及HAZ范围的主要激光特性是激光功率和吸收系数相对于波宽、温度、峰值激光功率和气体成分的变化。这些因素对切割速度极限、传热机理、随后的HAZ形成和边缘损伤的产生会产生影响。然而，由于向激光切口附近的材料引入的热量决定了HAZ的范围和微裂纹的产生及长度，因此为减少边缘损伤，加大激光功率以提高切割速度的基本要求还必须与限制向硅材料的热量输入相联系。为使硅晶体材料加热到约600℃度以上使硅熔化，根据激光束的波长，需要足够的脉冲长度以保证初始有足够的能量保留在硅晶材料中。激光脉冲能量必须维持在熔化阈值附近以最小化HAZ。

利用激光能量无损、高速地切割硅仍然是很难但必须达到的目标，以努力在将硅切片转换器成太阳能电池或其它半导体器件的各个阶段上达到高收益并能降低制造成本。

发明目的及概述

本发明的主要目的是提供一种新的和改进的用激光切割结晶材料的方法。

本发明的另一个目的是提供一种新的和改进的用激光切割半导体块，从而生产出用来制造太阳能电池或其他固态半导体器件的晶片的方法。

本发明的再一个目的是提供一种新的和改进的用激光切割结晶材料、以减少边缘损伤的方法。

提高激光切割结晶材料(如硅)的速度仍然是本发明的一个目的。

一个更具体的目的是提供一种改进的用激光高速切割薄硅体、同时最小化在切割材料边缘产生的微裂纹或其他损伤的方法。