分离基材和加工元器件的方法和装置的制造方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明适用于电子元器件，光电元器件和微机电元器件的加工。方法特别适用于加工两面元器件，也就是需要包括基底材料正反面设计和制程的元器件。一类典型的两面元器件是晶硅太阳能电池。在晶硅太阳能电池里，不同的材料和结构被加工在硅基正反面。在日光照射下，正负电荷在硅基中产生，电流从加工在表面上的金属电极流出。两面元器件还包括几类半导体电力元器件，包括电力金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。电力MOSFET是最常用的低压(小于200伏)开关。它的应用包括电源、直流到直流转换器和低压马达控制器。IGBT在一个元器件里结合了金属氧化物半导体场效应晶体管简洁的门电路驱动特性和双极晶体管的大电流/低饱和电压的功能。它适用于中大功率的应用，从再生能源产业中的逆变器到电动汽车/火车和节能电器。电力MOSFET和IGBT均为三电极半导体元器件。一个独立的半导体场效应晶体管结构和两个电极被加工在硅片的正面，第三个电极在基底材料的背面。很多微机电系统(MEMS)元器件也是两面的。感应器/驱动器和其他结构经常通过在硅片两面的刻图和加工制程来构成。
[0002]两面元器件的制造流程可以比单面元器件更复杂，单面元器件特指只设计在基板一面的元器件。两面元器件加工中的一些挑战与双面制造工艺中基板两面之间的相互污染有关。很多制造工艺实际上都是双面的，也就是在基板的两面同时进行的工艺。这些双面工艺包括但不局限于清洗、薄膜沉积和离子扩散。但是，两面电子元器件的加工通常需要在基板正反面有不同的设计和工艺步骤。因此，一些双面制造工艺可能适用于或者必须用于两面元器件中基板的一面，但是可能不适用于或者必须避免用于基板的另一面。图1显示了两面元器件的一个基本制造流程。元器件的加工先在基板的一个表面进行。其中一些制造工艺是双面的，会污染基板的另一面。因此，基板的另一面需要在后续制造工艺前进行清洁或研磨。
[0003]这些清洁/研磨工艺可能比较繁琐并且昂贵。在某些情况下(例如晶硅太阳能电池的加工)，一些替代的制造流程避免了这样的清洗/研磨工艺，但也有元器件性能上的代价。图2显示了晶硅太阳能电池的一个基本制造流程。晶硅片I首先通过湿法清洗步骤去除表面的污染和损伤的硅再进行表面制绒2。下一道制造工艺是发射结的构成。在常规硼参杂(P-型)的硅基上，一个η-型发射结通常通过在炉管中的高温(800-900C)三氯氧磷(POCl3)扩散工艺3形成。在POClJf散工艺中同时形成了一层磷硅玻璃PSG。它在随后的以氢氟酸为基础的湿法清洗4中去除。工艺流程中的下一步是一道周边刻蚀绝缘步骤5以去除基板周边的磷掺杂物。硅片前表面然后被镀上一层减发射(AR)膜，例如氢化的氮化硅(SiNx:Η)层6。最终，在步骤7和9中，正面金属(银)电极和背面金属(铝/银)通过丝网印刷加工并随后在一道烧结工艺中固化。
[0004]图2所示的几步制造步骤是双面工艺，包括表面清洗和制绒步骤2，磷扩散步骤3和相关的PSG清洗步骤4。晶硅太阳能电池制造流程的设计顾及到了这些双面工艺步骤。硅片背面的磷(η-型)参杂污染在背面金属化铝(P-型)层沉积9时得到补偿。周边刻蚀绝缘步骤5防止了在最终机构中基板正面η-型发射极和背面P-型接收极之间的短路，对正常运作的太阳能电池至关重要。
[0005]本发明也涉及薄型基底材料的准备。在单晶硅基板的现有生产中，硅棒先从液态硅通过提拉法(Cz)或浮区法(Fz)获取。这些圆柱形的晶棒然后由线锯沿着晶棒轴垂直方向切割成片，生产出在普通电子和微机电元器件加工中使用的圆硅片。
[0006]直径150毫米硅片的标准厚度是?675微米，直径200毫米硅片的标准厚度是?725微米，直径300毫米硅片的标准厚度是?775微米。微处理器和内存等半导体元器件其实可以在一微米以下厚度的硅基上正常运作。一项绝缘体上硅薄膜(SOI)工艺已经被开发出来，可以将薄于一微米的高纯硅材料粘贴在绝缘基板(例如有一氧化硅顶层的硅片)上。已有报道加工在SOI基板上的集成电路可以有晶体管切换速度的进步和能耗的降低。
[0007]在普通集成电路电子元件IC的生产中，多个元器件被加工在同一晶片上，称为芯片。在制作流程结束后，晶片由X-和Y-轴方向进行切割分离出每个芯片，随后将每个功能正常的芯片以合适的密封和输入/输出(I/O)连接口进行封装。通常在晶片切割步骤前会将晶片从背面进行减薄。减低的基板厚度可以达到更低的最终封装轮廓。薄的芯片并可以进行叠加以增加功能或者进一步压缩最终封装尺寸。此外，薄于100微米的硅基元器件可以是柔软的，适合于一些新兴应用如弯曲的新型消费者电子产品等。
[0008]在晶硅太阳能电池生产中，硅块先从圆柱形的晶棒制备，然后被切割成正方形或类似正方形(I56mmX 156mm或者125mmX 125mm)的晶片。低于200微米厚的太阳能娃基板现在很普通，同时使用先进的线锯系统现在可以得到150微米的基板厚度。采用合适的基板表面制绒、前表面减反射膜(ARC)沉积和背表面上反射层沉积，现在可以在大于150微米厚度的单晶硅基上生产出18-24%转换率的太阳能电池。
[0009]硅基板成本经常在单晶硅太阳能电池制造总成本中逾50-60%。因此降低硅基厚度有着显著的经济效益。采用一些先进的吸光技术，可以想像在100微米或更薄的硅基上保持高的太阳能电池转换率。但是，现有硅基生产技术存在着它们的局限性。线锯切割硬的材料(如硅)伴随着可观的损耗品成本(切割线和浆等)和显著的截口损失，也就是切割线去除的材料量。虽然线锯技术不断进步，生产出低于100微米厚度硅片并且截口损失少于100微米依然十分困难。
[0010]其他一些技术被提出用于准备晶硅太阳能电池生产的薄硅基板。在一个方法中，低于20微米厚度的超薄硅片通过将高能氢离子注入硅基板附加高温或机械剥离进行生产。这个想法和已在先进集成电路IC生产中商业化的绝缘体上硅薄膜(SOI)基底材料技术相似。在另一个方法中，在硅基表面沉积一层薄金属(如镍)层再加低温烧结形成一个薄金属硅化物界面层。一个薄的硅片然后可以从基板上用一个机械锲子剥离出来。这两种硅剥离方法都可以在一个起始基板上进行重复，生产出多量超薄(10-20微米)晶硅片，并几乎没有截口损失。
[0011]虽然这些提出的硅剥离技术可以降低硅材料损耗，它们在太阳能电池大规模生产上的应用存在着明显的障碍。与线锯切割一根晶棒上可以同时生产出大量硅片不同，硅片只能从基板上一次一层地剥离出来。并且，必须对基板表面做周期性的再处理。制造周期和在制品(WIP)库存量的增加提高了制造成本。超薄硅基板还需要对太阳能电池生产工艺做重大修改。超薄硅基片需要更高效的吸光以保持高的太阳能电池转换率，但是在硅(111)表面上很难进行合适的表面制绒，虽然硅(111)是硅剥离技术的优先表面取向。此外，需要开发替代的金属化技术与易碎的超薄硅基板相匹配。最后，可靠地操作低于50微米厚度的超薄基板在生产中非常困难。
[0012]本发明描述的基材加工的方法和装置包含在基材上的激光照射。激光技术在电子元器件加工中有多种现有应用。例如，通过一道直接材料烧蚀工艺，激光刻图已经被应用于集成电路IC封装及太阳能电池生产中。类似的材料烧蚀工艺还可用于将晶片激光切割成独立的芯片。一种替代的激光切割方法涉及将一束高强度的激光聚焦在基材内部。在所谓的隐性切割工艺中，基底材料在基本波长的激光照射下是透明的，但是可以通过一个多光子吸收过程在材料内部的激光聚焦处发生变化。在激光沿切割线的扫描完成后，晶片被粘在一个支持胶带上。当支持胶带被拉伸时，芯片可以被分开并没有截口损失。
[0013]其他一些基于激光的工艺涉及基底材料的融化或亚融化。应用包括先进集成电路IC晶体管加工中硅基上的离子激活，和玻璃基板上非晶硅膜的结晶化以作为高分辨率平板显示的底板。通过仔细设计薄膜叠层和合适的激光波长/功率，激光照射还可以选择性地融化一个粘结层并将薄膜/材料从基材上剥离。应用包括从基板(蓝宝石、硅等)上激光剥离LED芯片，和将柔性显示从临时载体上分开。
[0014]本发明还涉及电子元器件生产中的基板操作。可以利用静电吸附力或基板两面的压力差将例如半导体晶片或大尺寸玻璃板等基板贴附在基板吸盘上。有些基板吸盘和基板有直接物理接触。在另外有些情况下，基板吸盘与基板距离很近但是没有直接的接触。这些非接触型基板吸盘通常采用一个流体力学设计并像弹簧一样运作，基板吸盘和基板之间的工作距离和吸盘“弹簧”系数可以被优化。可以将基板在固定的非接触型基板吸盘表面上进