低切損雷射切割鋸的製作方法

2023-06-01 14:27:36

低切損雷射切割鋸的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低切損雷射切割鋸，屬於半導體器件【技術領域】。解決了現有技術中矽錠的切割方法切損率高，切割晶圓直徑受限制，生產效率低的技術問題。本發明的切割鋸包括：雷射器組、耦合裝置、光纖組、箔帶、導軌、支架和驅動控制裝置，雷射器組發射多束雷射束，經耦合裝置匯聚至光纖組輸入端，光纖組並排對齊固定在箔帶上，箔帶兩端可以拉直固定在支架的兩端，雷射經光纖組輸入端傳輸至光纖組輸出端，在驅動控制裝置控制下實現雷射切割。本發明的切割鋸能夠顯著降低切損率，並且切割直徑不受限制，尤其適用於太陽能光伏矽錠加工，降低太陽能電池的生產成本。
【專利說明】低切損雷射切割鋸
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低切損雷射切割鋸，屬於半導體器件【技術領域】。
【背景技術】
[0002]太陽能電池由於具有效率高、質量輕，便於大規模生產等優點，成為人類的基本能源之一。世界太陽能電池銷售量保持每年20%的速度增長。由於太陽能電池產量呈較快上升趨勢，因此對生產太陽能電池的原材料的消耗量迅速增長。在太陽能電池中，矽太陽能電池的應用最廣泛。矽太陽能電池分為單晶矽太陽能電池和多晶矽薄膜太陽能電池，但是單晶矽和多晶矽的價格高，如何在製備過程中，降低矽片的損耗成為太陽能光伏技術節約成本和提聞廣量的關鍵。
[0003]現有技術中，矽錠切割方法主要有三種:第一種是採用內圓切片機切割，其切損為
0.3-0.35毫米，晶體矽切割損失較大；第二種是微水刀雷射切割，該方法雖然降低了矽切割損失，但是以對晶圓直徑的限制為基礎的，其切割上限是水流直徑的1000倍，也就是說，如果切損限制在80微米，則可加工晶圓直徑不會超過80mm ;第三種是線鋸切割晶圓技術，晶圓厚度可以達到150微米以下，最小切損122微米；最典型的瑞士多線切割機的生產能力為可同時加工4組125mmX125mmX520mm的矽錠，用時約3.15小時，可切片4160片，片子目前平均厚度為325微米。但是其最小切損仍限制了切損率的降低。以生產厚度為100微米的晶圓為例，切損率已經高達55%。另外，現有技術中還有從熔體中直接生長出矽帶，以減少切片的損失，但生長速度相對較慢，影響生產效率。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是解決現有技術中矽錠的切割方法切損率高，切割晶圓直徑受限制，生產效率低的技術問題，提供一種低切損雷射切割鋸。
[0005]本發明的低切損雷射切割鋸，包括:雷射器組、耦合裝置、光纖組、箔帶、導軌、支架和驅動控制裝置；所述雷射器組發射多束雷射束；所述耦合裝置由多個匯聚透鏡組成，每個匯聚透鏡將一束雷射束匯聚至一根光纖輸入端；所述光纖組由多根光纖組成，多根光纖輸出端並排對齊固定在箔帶上，光纖將光纖輸入端的雷射傳輸至光纖輸出端，至少一根光纖用於探測光纖輸出端距離切割點的高度，並反饋給驅動控制裝置，至少一根光纖用作切割光源；所述箔帶的兩端可以分別固定在支架的兩端且可以上下移動，箔帶處於拉直狀態；所述支架設在導軌上，且能夠在導軌內做直線往復運動；所述驅動控制裝置控制支架在導軌內做往復運動的速度並根據光纖的反饋調節箔帶距切割點的高度。
[0006]進一步的，還包括清洗裝置，清洗裝置能夠產生水流或者惰性氣體流，清除切割殘渣和碎屑。
[0007]進一步的，所述雷射器組發射的雷射束的波長為247-1550nm，更優選的為355nm。
[0008]進一步的，所述光纖為石英光纖。
[0009]進一步的，所述光纖的直徑為30-50微米。[0010]進一步的，所述驅動控制裝置包括步進電機。
[0011]進一步的，所述箔帶為不鏽鋼箔帶，厚度為10-50微米。
[0012]進一步的，所述箔帶為兩片，光纖組粘結固定在兩片箔帶之間。
[0013]進一步的，所述用於探測光纖輸出端距離切割點的高度的光纖最多為兩根。
[0014]本發明的有益效果:
[0015]本發明的低切損雷射切割鋸能夠顯著降低切損率，對切割直徑沒有限制，且生產效率高，便於大規模應用，尤其適用於太陽能光伏矽錠加工。以2012年為例，全球太陽能多晶矽產量為23.4萬噸，價格每公斤15美元，在這種情況下，每減少1%的切損，就可以節省資金數百萬美元，縮小市場缺口 2300噸。本發明的切割鋸使用超薄切縫的雷射切割矽錠，根據使用的切割光纖直徑，將從矽錠製備矽晶圓的過程中的切損率顯著降低，進而降低太陽能電池的生產成本。切割鋸的切損小於80 μ m，以最終上市晶圓厚度為IOOym計算，切損率為44%，比現有技術切損55%明顯降低，每年至少可以節省數千萬美元，縮小2800噸的市場缺口，如果使用30微米切割光纖輸出，則切割鋸的切損可控制在50微米，切損率只有33% ;並且該切割鋸切割矽錠的直徑不受限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明低切損雷射切割鋸的結構示意圖；
[0017]圖中，1、雷射器組，2、匯聚透鏡，3、光纖，4、箔帶，5、導軌，6、支架，7、驅動控制裝
置，8、清洗裝置。
【具體實施方式】
[0018]為了使本領域技術人員進一步理解本發明，下面結合附圖進一步說明本發明。
[0019]如圖1所示，低切損雷射切割鋸，包括:雷射器組1、耦合裝置2、光纖3、箔帶4、導軌5、支架6和驅動控制裝置7 ;雷射器組I可以為一個或多個雷射器，雷射器組I發射多束雷射束；耦合裝置由多個匯聚透鏡2組成，每個匯聚透鏡2將一束雷射束匯聚至一根光纖3輸入端；光纖組由多根光纖3組成，多根光纖3輸出端並排對齊固定在箔帶4上，光纖3將光纖3輸入端的雷射傳輸至光纖3輸出端,至少一根光纖3用於探測光纖3輸出端距離切割點的高度，並反饋給驅動控制裝置7，此類光纖3稱為探測光纖，至少一根光纖3用作切割光源，稱為切割光纖；箔帶4的兩端可以分別固定在支架6的兩端使箔帶4處於拉直狀態，並且箔帶4可以在支架6內上下移動，調節箔帶4相對於切割點的高度；支架6設在導軌5上，且能夠在導軌5內做直線往復運動；驅動控制裝置7控制支架6在導軌5內做往復運動的速度並根據探測光纖的反饋調節箔帶4距切割點的高度，進而控制完成了切割光纖的切割。
[0020]本實施方式中，低切損雷射切割鋸還包括清洗裝置8，雷射切割過程中會產生殘渣和碎屑，清洗裝置8能夠產生平行於切縫的橫向惰性氣體流來吹走殘渣和碎屑，或者產生水流，清洗殘渣和碎屑，並且清洗氣流或水流還可以起到冷卻的作用，帶走多餘熱量，保證切割精度。
[0021]本實施方式中，探測光纖只要有一根就能探測光纖3輸出端距離切割點的高度，一般情況下為兩根，位於光纖組的左右兩端，切割纖維的左右兩側；為增加切割速度，改善切割效果，光纖組中，一般有多根切割光纖，使切割最大輸出功率倍增，也可以根據需要，增減切割光纖數目來達到調節功率的目的。每一根切割光纖連接一束雷射束，切割光纖並排對齊粘結固定在箔帶4上，由於箔帶4處於拉直狀態，就形成了以切割光纖雷射輸出作為切削齒的光鋸，通過在矽錠上方直線往復運動來達到切割的目的，切割光纖輸出端出射雷射為工作點的雷射切割鋸。
[0022]本實施方式中，雷射器組I的雷射波長範圍一般可在247_1550nm，因為3_5W級的355nm雷射比較易於獲得，而多晶矽對355nm雷射的吸收比對1064nm雷射的吸收強兩個數量級，所以優選355nm雷射。例如可採用Nd:YAG的全固態雷射器，使用其三倍頻即355nm輸出3W的雷射作為雷射束。
[0023]本實施方式中，光纖3米用進芯徑30-50微米的裸露石英光纖,光纖3作為雷射的傳輸介質和輸出端，以近場雷射輸出對多晶娃娃錠進行切割。
[0024]本發明中，箔帶4的厚度一般為10-50微米，本實施方式採用兩條10微米厚的不鏽鋼箔帶，金屬箔承受拉力在5-100牛頓，如果光纖3直徑不超過50微米，則鋸身總厚度不超過80微米，可以控制切損的厚度為80微米，如果光纖3直徑為30微米，鋸身總厚度則不超過50微米,可以控制切損的厚度為50微米。
[0025]本實施方式中，驅動控制裝置7包括步進電機，可根據雷射輸出功率和實際切割效果，對支架6的往復運動的速度進行調整，並根據探測光纖探測的高度，調整箔帶4距離切割點的高度，進而帶動固定在箔帶4上的切割光纖來切割所需矽晶圓。
【權利要求】
1.低切損雷射切割鋸，其特徵在於，包括:雷射器組(I)、耦合裝置、光纖組、箔帶(4)、導軌(5)、支架(6)和驅動控制裝置(7)； 所述雷射器組(I)發射多束雷射束； 所述耦合裝置由多個匯聚透鏡(2)組成，每個匯聚透鏡(2)將一束雷射束匯聚至一根光纖⑶輸入端； 所述光纖組由多根光纖⑶組成，多根光纖⑶輸出端並排對齊固定在箔帶⑷上，光纖(3)將光纖(3)輸入端的雷射傳輸至光纖(3)輸出端，至少一根光纖(3)用於探測光纖(3)輸出端距離切割點的高度，並反饋給驅動控制裝置(7)，至少一根光纖(3)用作切割光源； 所述箔帶(4)的兩端可以分別固定在支架(6)的兩端且可以上下移動，箔帶(4)處於拉直狀態； 所述支架(6)設在導軌(5)上，且能夠在導軌(5)內做直線往復運動； 所述驅動控制裝置(7)控制支架(6)在導軌 (5)內做往復運動的速度並根據光纖(3)的反饋調節箔帶(4)距切割點的高度。
2.根據權利要求1所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，還包括清洗裝置(8)，清洗裝置(8)能夠產生水流或者惰性氣體流，清除切割殘渣和碎屑。
3.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述雷射器組(I)發射的雷射束的波長為247-1550nm。
4.根據權利要求3所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述雷射器組(I)發射的雷射束的波長為355nm。
5.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述光纖(3)為石英光纖。
6.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述光纖(3)的直徑為30-50微米。
7.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述驅動控制裝置(7)包括步進電機。
8.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述箔帶(4)為不鏽鋼箔帶，厚度為10-50微米。
9.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述箔帶(4)為兩片，光纖組粘結固定在兩片箔帶之間。
10.根據權利要求1或2所述的低切損雷射切割鋸，其特徵在於，所述用於探測光纖(3)輸出端距離切割點的高度的光纖(3)最多為兩根。
【文檔編號】B23K26/14GK103706954SQ201410012279
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月10日 優先權日:2014年1月10日
【發明者】張振中, 王雙鵬, 姜明明, 李炳輝, 申德振 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所