專利名稱：使用厚層轉(zhuǎn)移工藝制造太陽能電池的方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
使用厚層轉(zhuǎn)移工藝制造太陽能電池的方法和結(jié)構(gòu)
相關(guān)申請的交叉參考
本非臨時申請要求于2006年9月8日提交的第60/825,095號 美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，并通過引證將其全部內(nèi)容結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
移才支術(shù)形成太陽能電池結(jié)構(gòu)的方法和結(jié)構(gòu)的#支術(shù)。4旦是應(yīng)該意識 到，本發(fā)明具有4艮寬的應(yīng)用范圍；其還可以應(yīng)用于其〗也類型的應(yīng)用， 例如，集成半導(dǎo)體器件、光子器件、壓電器件、平板顯示器、微電 子機(jī)械系統(tǒng)("MEMS")、納米技術(shù)結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器、集成 電路、生物及生物醫(yī)學(xué)器件等的三維封裝。
從最開始，人類就依靠"太陽，，來獲取幾乎所有形式的能量。 這樣的能量來自石油、發(fā)光物、木頭、以及各種形式的熱能。僅作 為一個實(shí)例，人類已經(jīng)嚴(yán)重依賴諸如煤和煤氣的石油資源來滿足人 們的許多需要。不幸的是，這種石油資源已經(jīng)衰竭并且已經(jīng)導(dǎo)致了 許多其他問題。已經(jīng)提出利用太陽能作為替代來在一定程度上減少 我們對石油資源的依賴。僅作為一個實(shí)例，可以從通常由硅制成的 "太陽能電池"獲得太陽能。
硅太陽能電池當(dāng)暴露于來自太陽的太陽射線時產(chǎn)生電能。射線 對硅原子有影響并形成遷移至硅本體中的p摻雜區(qū)和n摻雜區(qū)的電 子和空穴，并且在這些摻雜區(qū)之間產(chǎn)生電壓差和電流。4艮才居應(yīng)用，
ii已經(jīng)將太陽能電池與聚光(concentrating)元件集成在一起以-提高 效率。作為一個實(shí)例，使用將射線導(dǎo)向有源光伏材料的一個或多個 部分的聚光元件來累積和集中射線。盡管這樣很有效，但是這些太 陽能電池仍然有4艮多局限性。
僅作為一個實(shí)例，太陽能電池依賴于諸如硅的原材料。這種硅 通常使用多晶硅和/或單晶硅材料制成。這些材料通常難以制造。多 晶硅電池通常通過制造多晶硅板來制成。盡管可以有效地制成這些 板，但是它們并不具有高效太陽能電池的最佳性能。單晶硅具有高 等級太陽能電池的適當(dāng)性能。然而，這種單晶爿法昂貴并且也難以高 效且成本節(jié)約的方式用于太陽能應(yīng)用。通常，薄膜太陽能電池由于 使用了較少的硅材料而不是很昂貴，但是相比于由單晶硅襯底制成 的更昂貴的體硅電池，它們的非晶或多晶結(jié)構(gòu)效率較低。通過本說 明書以及以下更具體的描述可以發(fā)現(xiàn)這些以及其他的局限性。
從上述可以看出，期望得到用于制造大襯底的節(jié)約成本且更高 效的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了 一種用于制造光伏材料的技術(shù)。 更具體地，本發(fā)明提供了 一種包括用于使用用于光伏應(yīng)用的層轉(zhuǎn)移 技術(shù)制成太陽能電池結(jié)構(gòu)的方法和結(jié)構(gòu)的技術(shù)。但應(yīng)意識到，本發(fā)
明具有較寬的應(yīng)用范圍；該t支術(shù)還可以應(yīng)用于其他類型的應(yīng)用，諸 如用于集成半導(dǎo)體器件、光子器件、壓電器件、平板顯示器、微電 子機(jī)械系統(tǒng)("MEMS")、納米技術(shù)裝置、傳感器、執(zhí)行器、集成 電路、生物及生物醫(yī)學(xué)器件等的三維封裝。
在一個具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供了 一種用于制造光伏電池 (例如，太陽能電池，太陽能板)的方法。該方法包括提供半導(dǎo)體^H"底，該襯底包括表面區(qū)、解理區(qū)、以及位于表面區(qū)和解理區(qū)之 間且將被去除的第一厚度的材料。該方法包括將半導(dǎo)體襯底的表 面區(qū)耦合至光學(xué)透明襯底(例如，玻璃、石英、塑料)的第一表面 區(qū)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)透明襯底包括第一表面區(qū)和第二表 面區(qū)。該方法還包括對半導(dǎo)體襯底進(jìn)行解理以從半導(dǎo)體襯底去除第 一厚度的材料，而同時表面區(qū)保持耦合至第一表面區(qū)，以形成解理 表面區(qū)。例如，在光伏應(yīng)用中，如果第一厚度的材料具有足夠的厚 度，則可以將所轉(zhuǎn)移的第一厚度的材料用作吸收層。根據(jù)第一厚度 材料的厚度，第 一厚度材料可以足以用于有效的薄膜太陽能電池。 在一些實(shí)施例中，第一厚度材津+可以,辱到足以作為〗吏用傳統(tǒng)方法 (諸如切割和切片工藝)制成的厚襯底的具成本效益的替代物。更
地，該方法包括形成與解理后的表面區(qū)疊置的第二厚度的半導(dǎo)體材 料，以形成合成厚度的半導(dǎo)體材料。
在一個可替換的具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供了 一種光伏電池器
件，例如，太陽能電池、電池玲反。該器件具有包括第一表面和第二 表面的光學(xué)透明襯底。具有第一表面區(qū)和第二表面區(qū)的第一厚度材 料(例如，半導(dǎo)體材料、單晶材料)被包括在內(nèi)。在一個優(yōu)選實(shí)施 例中，表面區(qū)與光學(xué)透明襯底的第一表面疊置。該器件具有設(shè)置在 該厚度的材料的第 一表面區(qū)和光學(xué)透明材料的第 一表面之間的光
耦合材料(例如，氧化錫、氧化銦錫(ITO )、 二氧化4太、氧化鋅(ZnO )、 或其他電介質(zhì)堆疊形成的材料、旋涂式玻璃(SOG)、或其他適當(dāng) 的材料)。
在另一個可替換的具體實(shí)施例中，本發(fā)明4是供了一種多層 (multipass)方法和結(jié)構(gòu)。即，本結(jié)構(gòu)具有將光重新導(dǎo)回到一個或 多個光伏區(qū)中的有源區(qū)中的反射面。在一個具體實(shí)施例中，光穿過 玻璃襯底和將光轉(zhuǎn)換成電能的光伏區(qū)。然后，穿過光伏區(qū)的任何光都經(jīng)由反射面反射回至光伏區(qū)的一個或多個部分。當(dāng)然，還可以存 在其他變化、改進(jìn)、以及替換。
在才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另 一個替換中，該方法和結(jié)構(gòu)提供了 一
種或多種光俘獲(light trapping)結(jié)構(gòu)，例如，玻璃背面上的塑料 菲涅耳片，或會使光散射/重新導(dǎo)向至更多斜角并因此增加薄電池中 的收集效率的一些其他材料。當(dāng)然，還可以存在其他變化、改進(jìn)、 以及替換。
才艮據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法的其4也實(shí)施例的特4正可以在于在4吏 用解理材料制成的吸收體的 一 個或兩個表面上使用表面織構(gòu)化蝕
刻進(jìn)行光俘獲。具體的蝕刻才莫式(formulation) 4艮據(jù)所使用的具體 材料(即，晶體取向、單晶或多晶等)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最大化吸收體 /表面構(gòu)造的能力，乂人而在其能力范圍內(nèi)4妄近朗伯表面來吸收入射 光。例如，弱的晶面蝕刻(faceting etch)可以使(110)晶體取向 最優(yōu)化，而高度晶面蝕刻(例如，使用KOH)可以使(100)晶體 構(gòu)造最優(yōu)化。當(dāng)然，還可以存在其他變化、改進(jìn)、以及替換。
使用本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的多個優(yōu)點(diǎn)。具體地，本發(fā)明 使用受控能量和所選條件來根據(jù)具體實(shí)施例優(yōu)先將薄的光伏膜解 理到玻璃襯底上。在一個具體實(shí)施例中，該方法和器件在玻璃上才是 供了非常高質(zhì)量的光伏材料，其可以作為封裝材料的一部分。在一
個優(yōu)選實(shí)施例中，該方法和結(jié)構(gòu)4是供了使用光伏電池來才是供有效的 電能的單晶硅。在一個具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種厚的單晶 硅材料(其可用于制造光伏區(qū))的層轉(zhuǎn)移。根據(jù)實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)
這些優(yōu)點(diǎn)中的一個或多個。在本i兌明書和以下更具體的描述中來描 述這些和其^tM尤點(diǎn)。本發(fā)明在已知工藝技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)了這些優(yōu)點(diǎn)以及其他優(yōu) 點(diǎn)。然而，通過參考i兌明書的后半部分以及附圖可以實(shí)現(xiàn)對本發(fā)明 的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一 步理解。


圖1至圖15示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于制造光伏器 件的方法；
圖16至圖19是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的太陽能電池構(gòu)造的簡化示
圖20是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有反射表面區(qū)的太陽能電 池的簡化示圖21至圖22是舉例說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有包括透 鏡區(qū)的光學(xué)區(qū)的太陽能電池的簡化示圖23示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于使用轉(zhuǎn)移生長模板 形成太陽能電池的簡化工藝流程；
圖24示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于通過將隨后的硅吸 收體層加厚以及摻雜來使用轉(zhuǎn)移生長模板制成的太陽能電池的簡 化工藝流程；
圖25示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于使用將硅薄膜轉(zhuǎn)移 到可再用的襯底上以允許4吏用背面處理而制成太陽能電池的簡化 工藝流程；
圖25A示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于使用可再用的臨 時襯底制造薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)的簡化工藝流程；
15圖26示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于使用將硅薄膜轉(zhuǎn)移 到最終的襯底上而制成太陽能電池的簡化工藝流程。
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的用于使用轉(zhuǎn)移到可選臨
時襯底上的硅膜或直接;故轉(zhuǎn)移而成為獨(dú)立襯底的石圭膜來制成太陽
能電池的簡化工藝流程；
圖28A-C示出了制成包括具有表面定向(110)的一面的晶4t 的工藝的視圖，表面定向(110)的一面來自以具有(100)表面定 向的一個面而生長的剛玉(boule，晶纟奉或梨晶)；
圖29示出了才艮據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的應(yīng)用熱束(thermal beam ) 來執(zhí)行受控解理的簡化截面圖30示出了才艮據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的應(yīng)用熱束來^丸行受控 解理的簡化截面圖31示出了根據(jù)本發(fā)明再一個實(shí)施例的應(yīng)用熱束來執(zhí)行受控 解理的簡〗匕截面圖；以及
圖32示出了才艮據(jù)本發(fā)明又一個實(shí)施例的應(yīng)用激光沖擊強(qiáng)化來 執(zhí)行受控解理的簡化截面圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了 一種用于制造光伏材料的技術(shù)。 更具體地，本發(fā)明提供了 一種包括用于使用用于光伏應(yīng)用的層轉(zhuǎn)移 技術(shù)制成太陽能電池的方法和結(jié)構(gòu)的技術(shù)。但應(yīng)意識到，本發(fā)明具 有更寬的應(yīng)用范圍；該技術(shù)還可以應(yīng)用于其他類型的應(yīng)用，諸如用 于集成半導(dǎo)體器件、光子器件、壓電器件、平板顯示器、微電子機(jī)械系統(tǒng)("MEMS")、納米技術(shù)裝置、傳感器、執(zhí)行器、集成電路、 生物及生物醫(yī)學(xué)器件等的三維封裝。
1. 才是供半導(dǎo)體4于底，該4于底具有以瓦構(gòu)造(tile configuration ) 為特征的表面區(qū)、解理區(qū)、以及在表面區(qū)和解理區(qū)之間將被去除的 第一厚度的材料；
2. 將半導(dǎo)體襯底與光學(xué)透明襯底對準(zhǔn)；
3. 將半導(dǎo)體襯底的表面區(qū)耦合至光學(xué)透明襯底的第一表面
區(qū)；
4. 對解理區(qū)的一部分開始受控解理才乘作；
材料，同時使表面區(qū)保持耦合至第一表面區(qū)，以形成解理表面區(qū)； 以及
6. 可選地，形成與解理表面區(qū)疊置的第二厚度的半導(dǎo)體材 料，以形成具有一個或多個光伏區(qū)的合成厚度的半導(dǎo)體材料；
7. 由至少第 一厚度的材料以及光學(xué)透明材料制成太陽能電
池；以及
8. 根據(jù)需要，執(zhí)行其他步驟。
上述順序的步驟提供了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法。如所示，該 技術(shù)包括用于使用用于光伏應(yīng)用的層轉(zhuǎn)移技術(shù)來制成太陽能電池 結(jié)構(gòu)的方法和構(gòu)造。在不背離本文權(quán)利要求的范圍的情況下，可以提供其他的替換 實(shí)施例，其中，添加了步驟、去除了一個或多個步驟、或者以不同 的順序來才是供一個或多個步驟。例如，才艮據(jù)一個^,換的實(shí)施例，可 以以相反的順序來執(zhí)行上述步驟4和5，以首先進(jìn)行解理，然后去 除透明襯底上的解理膜。
可^^4灸地，還可以有其4也的方法來形成該結(jié)構(gòu)。即，才艮據(jù)一個 具體實(shí)施例，可以最初在諸如覆蓋玻璃的覆蓋片或其他適合的材料 上來按該順序執(zhí)行，然后形成其他層。在覆蓋玻璃上發(fā)生層轉(zhuǎn)移， 其中，覆蓋玻璃用于形成太陽能器件的其余部分。其他技術(shù)可以使
用將會將層轉(zhuǎn)移材并+轉(zhuǎn)移到才喿作襯底(handle substrate)上的轉(zhuǎn)移 襯底。通過本說明書以及以下更具體的描述可以發(fā)現(xiàn)該方法的其他細(xì)節(jié)。
如圖l所示，該方法4是供了具有第一偏轉(zhuǎn)特性的透明4喿作襯底 102、背面104、正面106。透明操作襯底可以是玻璃、石英、聚合 物(polymeric)或其他合成材料等。僅作為一個實(shí)例，該透明襯底 具有厚度、背面和正面。該透明襯底是玻璃，諸如用于覆蓋太陽能 電池等的玻璃。4艮據(jù)該實(shí)施例，該玻璃稍樣丈具有柔韌性并且將受到 背襯板擠壓而具有剛度。當(dāng)然，還可以有其他的變化、改進(jìn)和替換。
在可替換實(shí)施例中，操作襯底可以是任何同質(zhì)的、漸次變化的、 或多層的材料，或者是這些材料的任意組合。即，該才喿作襯底可以 由幾乎任何單晶體、多晶體、或甚至非晶型襯底制成。該襯底可以 由SiC制成。此外，該襯底可以由諸如砷化鎵、氮化稼(GaN)等 III/V族材料制成。此外，該襯底可以是由具有柔韌性特性的碳化硅、 鍺、硅、玻璃或石英組合物、塑料、以及聚合物。優(yōu)選地，根據(jù)本 發(fā)明的具體實(shí)施例，該才喿作襯底稍樣丈具有不適于進(jìn)行層轉(zhuǎn)移工藝的 柔韌性。襯底的這種不適宜的性質(zhì)會根據(jù)具體實(shí)施例而？ 1起過渡粗糙、破損、局部膜分離等。根據(jù)具體實(shí)施例，還可以使用這些材料 的任何其他組合。
如圖2所示，在一個優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供了背襯襯底202 來增加操作襯底結(jié)構(gòu)的剛度。優(yōu)選地，背襯襯底具有厚度204以及 適于提供多層結(jié)構(gòu)的有效偏轉(zhuǎn)特性的材料，其中，多層結(jié)構(gòu)至少由 背^于襯底和才喿作^"底組成，以適于將人人施主襯底(donor substrate ) 轉(zhuǎn)移到操作襯底的正面上的硅承載材料的厚度。
僅作為一個實(shí)例，背襯襯底是用于石英操作襯底的硅晶片。這 種背襯襯底具有725微米+ /- 15微米的厚度，并且使用例如200 毫米的施主/操作/背襯襯底結(jié)構(gòu)而由單晶硅制成。這種襯底在<100> 方向上具有約130千兆帕斯卡的楊式模量。諸如塑料、金屬、玻璃、 石英、化合物等的其他類型的材料和一定的厚度可以用于為所組合 的背襯襯底和操作襯底結(jié)構(gòu)提供剛度。當(dāng)然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員將會想到其他的變型、改進(jìn)、和替換。
如圖3和4所示，在一個可選的具體實(shí)施例中，該方法對背襯 襯底和/或透明操作襯底執(zhí)行清潔和/或活化工藝302(例如，等離子 體活化工藝)。這種等離子體活化工藝清潔和/或活化這些襯底的表 面。使用氧或氮承載等離子體在20。C-40。C溫度下提供等離子體活 4b工藝。等離子體;舌4匕工藝4尤選i也在由Silicon Genesis Corporation of San Jose， California制造的雙頻等離子體活化系統(tǒng)中執(zhí)行。在另一 個實(shí)施例中，可以沒有任何背襯材料?？蒦#換地，在其他實(shí)施例中， 本方法可以將背襯材料用作靜電卡盤和/或多孔卡盤等。根據(jù)具體實(shí) 施例，該背襯材料可以設(shè)置在操作或施主襯底上、或操作襯底和施 主村底兩者上。當(dāng)然，可以存在其他變型、改進(jìn)、以及替換。
參照圖5,該方法開始將背襯襯底4妄合502至通常與其他襯底 物理分離的透明，操作襯底的背面。優(yōu)選地，該方法臨時將背襯襯底附著至透明操作襯底的背面，以將背襯襯底牢固地接合至透明操作 襯底以形成多層構(gòu)造。4又作為一個實(shí)例，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí) 施例，石圭晶片背襯襯底牢固地附著至石英板，而不經(jīng)任何其他改進(jìn) 和/或改變。這里，硅晶片具有非常薄的自然氧化物涂層，其接合至 石英板的表面，盡管很多實(shí)施例可以不具有這樣的自然氧化物，如 圖6所示。在其他實(shí)施例中，可以使用靜電工藝或纖網(wǎng)接合(包括 共價鍵接合)、它們的任意組合等進(jìn)行接合。在其他的可替換實(shí)施 例中，還可以使用旋涂式玻璃、膠層、以及它們的任意組合等來進(jìn) 行接合。當(dāng)然，可以存在其他變型、改進(jìn)、以及替換。
如所示，該方法包括4是供包括解理區(qū)704、正面706、背面708、 以及正面和解理區(qū)之間的一定厚度的硅承載材料710的施主襯底 702，如圖7所示。僅作為一個實(shí)例，施主襯底可以是硅晶片、GaN、 鍺晶片、硅鍺材料、碳化硅承載材料、第m/v族化合物、以及它 們的任意組合等。在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，施主襯底可以是感光材 料。當(dāng)然，可以存在其他變型、改進(jìn)、以及替才奐。
其中，在施主襯底包括單晶,圭材料的情況下，表面的定向可以一皮選 擇為(100)、 (110)、或(lll)?？商鎿Q地，這些表面可以被認(rèn)為分 別具有<100>、 <110>、以及<111>方向中的表面方向的法線，其中， 除非特別另外描述，術(shù)語"方向"是指表面術(shù)語的法線。在諸如太 陽能電池行業(yè)的一些行業(yè)中，具有(100 )表面耳又向的單晶硅襯底 是更加普遍的生長耳又向，然而，該取向具有更易受到在解理工藝期 間延伸至一于底中的不需要的平面外裂纟丈(out of plane cracking)影 響的多個平面。
出于本申"i青的目的，平面外裂紋是指解理失效才幾理，其中，擴(kuò) 展的解理方向偏離理想的解理平面。 一種這樣的才幾理:故稱作"分支 (branching)",其中，解理平面變換至諸如(111 )的另 一主要晶
20體取向。另一解理失效機(jī)理是由剪應(yīng)力引起的擴(kuò)展解理的方向、粗 糙度或深度的改變。這些解理失效將會使用與適當(dāng)注入結(jié)合的適當(dāng) 原材料取向的選擇以及如本申請中教導(dǎo)的解理技術(shù)來避免。
與具有(100)表面取向的單晶硅襯底相比，具有(110)表面 取向的單晶硅襯底可以具有與注入粒子相互作用的不同的吸收點(diǎn)
(getter site,吸氣劑4立點(diǎn))牙口缺陷區(qū)。以氬氣4乍為'注入4玄素(implant specie)為例，(110)表面取向具有4交<氐的氬反4孚獲(detrapping， 去俘獲)和較高的解理層壓應(yīng)力4侖廓。然而，單晶硅(110)是以 比(100)更低的分支可能性擴(kuò)展的解理平面，并且在解理工藝期 間可以理想地導(dǎo)致較少的延伸到襯底中的平面外裂紋。
此外，如圖28A-C所示，通常利用具有(100)晶體耳又向的面 而生長的單晶硅剛玉可以容易地被轉(zhuǎn)換成具有包括(110)晶體取 向的面的單晶剛玉。
具體地，圖28A示出了用于生長或澆鑄單晶硅晶錠或剛玉、然 后修剪端部以露出具有(100)晶體取向的面的傳統(tǒng)工藝。接下來， 經(jīng)過 <務(wù)剪的剛玉成方形并j象石t似的，然后磨邊以產(chǎn)生包4舌具有
(100 )晶體耳又向的面禾口側(cè)面的晶4t。
接下來，如圖28B所示，晶錠的(100)面被沿長軸切成兩半 以得到具有(110)長面的兩半。如圖28C所示，然后將長矩形切 割成兩個方形，其中，角目前老M立于底部上。然而，通過這種方法 會損失很少的可用材料，這是因?yàn)榍懈畈牧系倪@些下側(cè)有可能被用 于在處理期間夾住或保護(hù)剛玉。
才艮據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，可以4吏用具有(111)表面耳又向 的單晶硅施主襯底。這種構(gòu)造提供了較低的解理能量，以及能夠通過具有沿(100)或(110)定向的面的單晶硅展示出抗解理失效和 分支的特性。
單晶硅的其他特性也可以影響對施主襯底材^l"的選"^奪。例如，
一些應(yīng)用可以^吏用利用Czochralski(CZ)生長產(chǎn)生的單晶石圭施主襯 底。其他的應(yīng)用可以使用通過浮區(qū)(FZ)生長方法產(chǎn)生的單晶硅施
根據(jù)實(shí)施例，可以使用各種技術(shù)來形成解理區(qū)。即，可以使用 注入粒子、沉積層、擴(kuò)散材料、圖案區(qū)(patterned region )、以及其 他技術(shù)的任意適當(dāng)組合來形成解理區(qū)。參照圖7,該方法4吏用注入 工藝712通過施主襯底的頂面將一些高能粒子引入至所選擇的深 度，該深度限定稱作材料"薄膜，，的材料區(qū)厚度。可以使用多種技 術(shù)將高能粒子注入到硅晶片中。這些技術(shù)包括使用由諸如Applied Materials有限乂i^司等7>司制造的束流線沖立子注入(beam line ion implantation)設(shè)備的離子注入?？商鎿Q地，使用等離子體浸沒離子 注入("Pill") 4支術(shù)、離子'淋浴、以及其他質(zhì)量比(mass specific ) 和非質(zhì)量比(non-mass specific )技術(shù)。還可以使用這些技術(shù)的組合。 當(dāng)然，所4吏用的才支術(shù)耳又決于應(yīng)用。
根據(jù)應(yīng)用，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例通常選擇較小質(zhì)量的粒子以減少損 壞材料區(qū)的可能性。即，較小質(zhì)量的粒子容易穿過襯底材料至所選 深度，而基本上不會損壞粒子穿過的材料區(qū)。例如，較小質(zhì)量的粒 子(或高能粒子)基本上可以是任何帶電的(例如，正電或負(fù)電) 和或中性原子或分子、或電子等。在一個具體實(shí)施例中，粒子可以 是中性的和或包括諸如氫及其同位素的離子、諸如根據(jù)實(shí)施例的氦 及其同位素、氖等的稀有氣體離子的離子的帶電粒子。這些粒子還 可以從諸如例如氬氣、水蒸氣、曱烷、和氫化合物的氣體的化合物、 以及從其他輕原子質(zhì)量粒子中得到?？商鎿Q地，這些粒子可以是上 述泮:i子、,口或離子和或分子4t素(molecular species )禾口或原子一亥素(atomic species )的任意組合。這些粒子通常具有穿透表面而到達(dá) 表面下方的所選深度的足夠動能。
使用作為注入到硅晶片中的核素的氫作為實(shí)例，使用指定的一 組條件來^丸行注入工藝。注入劑量的范圍從約lxio。至約lxl018 個原子/cm2，并且優(yōu)選地，該劑量大于約lxl0"個原子/cm2。注入 能量的范圍乂人約1 KeV至幾MeV,并且對于形成用于半導(dǎo)體應(yīng)用 的薄膜，通常為約50KeV。注入溫度的范圍從約20至約600攝氏 度，并且優(yōu)選地小于約40(H菱氏度，以防止大量氫離子擴(kuò)散出被沖丸 行注入的娃晶片以及注入損傷退火(anealing)的可能性以及應(yīng)力。 氫離子可以被以約±0.03至±1.5微米的精度選擇性地引入至硅晶 片中達(dá)到所選深度。當(dāng)然，所使用的離子類型以及工藝條件取決于 應(yīng)用。
對于較高的注入能量，進(jìn)行相當(dāng)純的質(zhì)子注入(例如，帶有正 電或負(fù)電)以允許可再用的襯底內(nèi)的最大范圍的解理平面。使用石圭 作為一個實(shí)例，注入的能量范圍可以非常大，具體地說，跨度為從
用于光伏吸收器的模板形成(其中，需要隨后的外延生長以使吸收 效率最大化)的幾KeV到生產(chǎn)用作太陽能電池晶片原材料的測量出 厚度為幾百微米的襯底的許多MeV。作為注入能量函數(shù)的注入深度 的通常范圍可以使用例如SRIM 2003 ( Stopping Range In Matter )或 蒙特卡羅仿真禾呈序(http:〃www.srim.org/ )來進(jìn)4亍計(jì)算。在一個具體 實(shí)施例中，在使用質(zhì)子注入能量范圍從約10 keV至約300 keV的情 況下，硅膜厚度范圍從約13 nm至約3 um。這種硅模厚度可以適合 于用于隨后太陽能電池形成的外延加厚工藝(例如，同質(zhì)外延生長 工藝或異質(zhì)外延生長工藝)的模板。當(dāng)然，可以有其他的變型、改 進(jìn)、和4#換。
在一個具體實(shí)施例中，范圍從約1 um至約50 um的珪膜厚度 可以通過〗吏用范圍乂人約120keV至約2.1 MeV的質(zhì)子注入能量來獲得。在這種厚度范圍內(nèi)的硅膜可以被分離以提供足夠厚的單晶硅膜 厚度，從而以良好的效率直接形成薄膜太陽能電池。即，所形成的 單晶硅的厚度范圍不需要被進(jìn)一步加厚，以用作太陽能電池應(yīng)用中
的高效的吸收層。利用兩面使用制造和光散射層來在薄膜光吸收層 中捕獲更多光的、最大化薄膜硅太陽能電池效率的技術(shù)(諸如正面 /背面接觸形成)已經(jīng)被很好的開發(fā)，并且可以與該分離層結(jié)合來使
用。凈皮通過引證結(jié)合于本文中的"由RolfBrendel所著的Thin-Film Crystalline Silicon Solar Cells - Physics and Technology" ( 2003 Wiey-VCH Verlag GmbH&Co.，KGaA， Weinheim )完全覆蓋了這些才支 術(shù)。當(dāng)然，可以有其他的變型、改進(jìn)、和替換。
在一個具體實(shí)施例中，可以<吏用具有/人約2.1 MeV至約5 MeV 能量范圍的質(zhì)子注入形成范圍為乂人約50 um至約200 um的石圭月莫厚 度。該范圍的硅膜厚度允許分離其厚度等同于可以用作獨(dú)立硅襯底 的厚度的單晶硅襯底。厚度范圍為從50 um至200 um的單晶硅襯 底可以用于替換使用晶片切割、蝕刻和拋光工藝的方法。與當(dāng)前技 術(shù)中的約50 %的切損(切損被定義為在切割和切片操作期間所損耗 的材^1")相比，注入解理:技術(shù)幾乎沒有切損，乂人而節(jié)約了大量的成 本并提高了材料利用效率。高于5 MeV的能量可以用于制造半導(dǎo)體 處理可替換襯底材料，但是在太陽能電池制造中，200um是對用于 體硅(bulk silicon,塊狀硅)太陽能電池形成的理想的硅太陽能電 池材料厚度。因此，才艮據(jù)一個具體實(shí)施例，較厚的硅襯底對于制造 太陽能電池不具有特別的商業(yè)利益。
盡管上述實(shí)施例描述了一種其中粒子纟皮穿過襯底的整個表面 均勻地注入，這并不是本發(fā)明所必須的。4艮據(jù)本發(fā)明的可替換實(shí)施 例可以采用圖案;主入(patterned implantation )法，例長口 ，其中在沖于 底的邊緣注入4交高的劑量，以便于在邊纟彖處開始解理處理?？梢砸?專交j氐的劑量注入襯底的內(nèi)部區(qū)域，以支持已經(jīng)在邊緣處開始的解理的擴(kuò)展。根據(jù)一個具體實(shí)施例，所有的邊緣部分(不限于開始解理 的地方)都可以 一皮以舉交高的劑量進(jìn)行注入，以〗吏這些邊纟彖部分圍住 解理平面。
圖8示出了質(zhì)子注入中的石圭太陽能電池吸收器應(yīng)用的能量和等
級范圍。由Reutov等人已經(jīng)4皮露了 MeV范圍注入條件(V.F.Reutov and Sh.Sh.Ibragimov, "Method for Fabricating Thin Silicon Wafers", USSR's Inventors Certificate No. 1282757, December 30， 1983 )，其通 過引證結(jié)合于此。在V.F.ReutoV and Sh.Sh.Ibragimov中，4皮露了通 過在注入期間的可選加熱以及注入后可再用襯底加熱來使用高達(dá)7 MeV的質(zhì)子注入，以產(chǎn)生達(dá)到350 um的分離后的晶片厚度。 M.K.Weldon & al.的 "On the Mechanism of Hydrogen-Induced Exfoliation of Silicon", J.Vac.Sci.Technol., B 15(4) Jul/Aug 1997還才皮 露了使用1MeV氫注入的16微米硅膜的熱解理，其通過引證結(jié)合 于此。該上下文中的術(shù)語"分離"或"轉(zhuǎn)移硅厚度，，表示通過注入 離子范圍形成的硅膜厚度可以被釋放為獨(dú)立狀態(tài)，或被釋放為永久 性襯底或最終用作獨(dú)立襯底或最終安裝在永久性襯底上的臨時襯 底。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，硅材料足夠厚并獨(dú)立于作為支撐元件的 操作襯底。當(dāng)然，用于才喿作和處理膜的具體工藝將取決于具體處理 和應(yīng)用。
應(yīng)力或減少斷裂能量。這種能量部分地耳又決于注入核素和條件。這 些粒子在所選深度處減少了襯底的斷裂能量級。這允許在所選深度 處沿注入平面進(jìn)行受控解理。注入可以在一定條件下進(jìn)行，以使所 有內(nèi)部位置處的襯底能量狀態(tài)足以啟動襯底材料中的非可逆斷裂 (即，分離或解理)。然而，應(yīng)該注意，注入通常確實(shí)引起襯底中 的一定量的缺陷(例如，樣b現(xiàn)缺陷)，這些缺陷通常至少可以通過隨后的熱處理(例如，熱退火或快速熱退火)而部分地#皮>修復(fù)。圖 9的簡化視圖示出了已經(jīng)進(jìn)行了注入而得到的襯底。
在一個具體實(shí)施例中，利用等離子體浸沒離子注入或離子淋浴
才支術(shù)(尤其是非質(zhì)量選4奪;主入劑(non-mass selected implanter ))的 大面禾只-;主入劑(large-area implanter )的 <吏用會通過,圭表面共同；主入 不希望的污染物。例如，離子的注入可以大量降j氐最后所得到的石圭 吸收層的有效的少數(shù)載流子的壽命，并因而引起不希望地降低光轉(zhuǎn) 換效率。由于較大的氬注入范圍，可以設(shè)置屏蔽層來防止鐵進(jìn)入晶 體硅膜。屏蔽層的厚度將取決于注入能量、被屏蔽的污染物、以及 屏蔽材料。以使用二氧化硅作為屏蔽層以及使用鐵作為污染物為 例，300 keV的注入將需要約0.3 um的二氧化硅厚度，以完全制止 4失進(jìn)入娃襯底。5 MeV氫注入將需要厚度為3.5 um至4 um的二氧 化硅層。尤其，可以使用諸如HF剝離或拋光步驟的化學(xué)剝離來去 除氧化硅層。根據(jù)其他實(shí)施例，還可以在整個電池制造過程中保留 二氧化硅層。才艮據(jù)另一個實(shí)施例，屏蔽層可以4皮保留并以其完整的 形態(tài)結(jié)合到太陽能電池中。當(dāng)然，還有其他的變型、改進(jìn)、和替換。 例如，盡管上述實(shí)例將二氧化石圭描述為屏蔽層，"但這并不是本發(fā)明
可以替換地被用作屏蔽層。
才艮據(jù)實(shí)施例，還存在可以用于形成解理區(qū)和/或解理層的其他^支 術(shù)。^又作為實(shí)例，這種解理區(qū)4吏用其他工藝來形成，例如，稱作
process, Soitec SA of France的SmartCutTM process,以及Canon Inc. of Tokyo, Japan的EltranTM process J壬^T相同的處理等。當(dāng)然，還可以 有其他的變型、改進(jìn)、以及替換。
在一個具體實(shí)施例中，對已經(jīng)耦合至背襯的透明操作襯底以及 施主襯底兩者都進(jìn)行等離子體活化處理，部分如圖9所示。這種等離子體活化處理清潔和/或活化襯底表面。在20。C至40。C溫度下 使用氧或氮承載等離子體來提供等離子體活化處理。優(yōu)選地，在由 力口利福利亞的圣4可塞的Silicon Genesis Corporation制造的只又頻等 離子體活化系統(tǒng)來寺丸4亍等離子體活化處理。當(dāng)然，還可以有本文中
已經(jīng)描述的、以及本說明書之外的其他變型、改進(jìn)、以及替換。
之后，這些襯底中的每一個都被接合到一起，如圖10所示。 如所示，操作襯底已經(jīng)被接合至施主晶片。優(yōu)選地使用由Electronic Vision Group生產(chǎn)的EVG 850 4妄合工具或其他類似處理來4妾合這些 襯底。還可以使用諸如由Karl Suss制造的工具的其他類型的工具。 當(dāng)然，還可以有其他的變型、改進(jìn)、以及替換。優(yōu)選地，透明操作
因此，在接合之后，對接合結(jié)構(gòu)進(jìn)行烘焙處理。烘焙處理將接 合襯底保持在預(yù)定溫度以及預(yù)定時間。優(yōu)選地，溫度范圍為從約200 或250攝氏度至約400攝氏度，優(yōu)選地，對硅施主襯底和透明操作 襯底保持在約350攝氏度下約1小時左右。在一個具體實(shí)施例中， 可以使用利用熱板和/或表面的傳導(dǎo)加熱處理(其直接將熱能從熱板 耦合至被接合的襯底)來進(jìn)行當(dāng)前的烘焙處理。在其他實(shí)施例中， 可以使用輻射、傳導(dǎo)、對流、或這些技術(shù)的任意組合等來提供熱能。 根據(jù)具體實(shí)施例，還可以有其他的變型、改進(jìn)、以及替換。
在一個具體實(shí)施例中，使用低溫?zé)岵襟E將這些襯底結(jié)合或熔合 在一起。低溫?zé)崽幚硗ǔ１ＷC注入的粒子不對材料區(qū)施加過大的應(yīng) 力，過大的應(yīng)力會產(chǎn)生不可控的解理作用。與等離子體活化表面處 理相結(jié)合的該步驟的另 一 種考慮是允許增加接合強(qiáng)度以消除在同 一烘焙處理步驟期間組件的分層，分層通常是由所使用的不同材料 的熱膨月長系凄t不匹配而導(dǎo)致的應(yīng)力引起的。在一個具體實(shí)施例中， 低溫接合處理通過自接合處理來完成。具體地，對一個晶片進(jìn)行剝 離以/人其去除氧化物(或者一個襯底未^皮氧化)。4吏用清潔卩容液處理晶片的表面以在晶片表面上形成O-H 4建。用于清潔晶片的溶液的 實(shí)例是過氧化氫與硫酸的混合物、或其他類似溶液。使用干燥器對 晶片表面進(jìn)^f于干燥以從襯底表面去除任何殘留液體或粒子。通過將 清潔后的襯底表面放在一起來進(jìn)行自接合。當(dāng)然，還可以有其他的 變型、改進(jìn)、以及替換。
可替換地，可以在這些襯底的任一或兩個表面上都放置粘合 劑，粘合劑將一個^)"底接合至另一個襯底。在一個具體實(shí)施例中， 粘合劑包括環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺類型材料等。旋涂式玻璃層可以用 于將一個襯底表面接合至另一襯底的一面。其中，這些旋涂式玻璃 ("SOG，，)材料還包括硅氧烯或硅酸鹽，它們通常與醇基溶劑等混
合。SOG可以是想要的材料，這是因?yàn)樵趯OG涂到晶片的表面 上以后通常需要低溫(例如，150至250攝氏度)使其硬化。
可替換地，可以使用各種其他低溫」汰術(shù)來將施主晶片結(jié)合至操 作襯底。例如，可以使用靜電接合技術(shù)來將兩個襯底接合在一起。 具體地， 一個或兩個襯底表面被充電以吸引其他襯底的表面。此外， 可以使用各種其他公知的技術(shù)將施主襯底熔合至操作晶片(handle wafer )。在一個具體實(shí)施例中，當(dāng)前的將施主與才喿作襯底結(jié)合到一 起的接合處理可以使用原位等離子體活化接合處理、原位靜電接合 處理、它們的4壬意組合等。當(dāng)然，才艮據(jù)應(yīng)用來4吏用該才支術(shù)。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該方法在兩個^"底之間4吏用光井禺合材 料。該光耦合材料是具有約為1.8至約2.2的折射率的任意適合材 料，但也可以是其他材料。該材料可以選自氧化錫、氧化銦錫(ITO )、 氧化鋅(ZnO)、 二氧化鈦、氮化硅、或其他抗反射或電介質(zhì)堆疊形 成材料等(包括它們的組合)。根據(jù)實(shí)施例，該材料可以包括一個 或多個層以及其他構(gòu)造。當(dāng)然，還可以有其他的變型、改進(jìn)、以及 替換。
28該方法在4妄合襯底結(jié)構(gòu)上^U于受控解理處理，如圖11和12所 示。受控解理處理在施主襯底的解理區(qū)的一部分內(nèi)提供可選能量。
4又作為一個實(shí)例，題為Controlled Cleaving Process的第6,013,563 號美國專利中已經(jīng)描述了受控解理處理，上述專利轉(zhuǎn)讓給了加利福 利亞的圣4可塞的Silicon Genesis Corporation，其通過引i正結(jié)合于it匕。
才艮據(jù)一些實(shí)施例，受控解理處理可以釆用熱能應(yīng)用。例如，在 圖29所示的具體實(shí)施例中，熱能束2卯0 (諸如激光束)可以施加 至襯底2904的表面2902,該襯底具有包括多個吸收點(diǎn)(gettering site)的平面下解理平面2906。沿^皮局部加熱的,圭與相鄰的較冷石圭 區(qū)之間的解理平面的方向的溫度梯度將斷裂應(yīng)力(其可以是張應(yīng)力 等)傳給硅。該斷裂應(yīng)力進(jìn)而沿解理平面的方向產(chǎn)生解理。隨著熱 束源、襯底、或它們兩者沿解理平面的方向平移(translate),斷裂 應(yīng)力的區(qū)域沿解理平面的方向平移。
對各種參數(shù)進(jìn)行控制可以使解理處理最優(yōu)化。這些參數(shù)的實(shí)例
包括但不限于熱束的強(qiáng)度和持續(xù)時間、束的空間尺寸和時間脈沖輪 廓、以及熱束的平移速度。該束可以為穿過部分或整個瓦(tile)的 點(diǎn)(2D)或線型(1D)。束的寬度可以對可以由該構(gòu)造產(chǎn)生的熱生 成的斷裂應(yīng)力場的幅度具有4艮強(qiáng)的影響。
盡管圖29所示的具體實(shí)施例示出了由熱束引起的解理，但這 并不是必須的。才艮據(jù)可替換實(shí)施例，熱能可以由另一種束給予解理 平面。例如，在一個實(shí)施例中，熱能可以由影響襯底的粒子(諸如 離子)束來給予。在一個具體實(shí)施例中，該束的粒子可以包括一皮注 入以產(chǎn)生解理平面的吸收點(diǎn)或缺陷區(qū)的相同粒子。
圖29所示的石圭的局部力口熱還產(chǎn)生在與解J里平面的方向正交的 垂直方向上的溫度梯度。而且，至少由于1)與解理平面疊置的較 少量的硅，以及2)熱束的方向源，該垂直溫度梯度是不對稱的，其在導(dǎo)向襯底表面的方向上最陡。除非該構(gòu)造^皮最優(yōu)化，否則這種 不對稱的溫度梯度會給產(chǎn)生的張力和產(chǎn)生的解理作用帶來不想要 的垂直方向性，例如，通過將束源充分定位在裂紋前面，在該裂紋 前，該熱，侖廓不對稱基本^皮消除。
因此，圖30示出了才艮據(jù)本發(fā)明的解理方法的一個可替換實(shí)施 例的簡化截面圖，其中，冷板3000凈皮定位于4妄近4妄收熱束3006的 襯底3004的表面3002。此處，冷板通過氦氣層與襯底表面分離。 冷板3000的存在用于平tf存在于解理平面的任意一側(cè)上的溫度梯 度的陡度，以Y吏在垂直方向上有4艮小或沒有可以用作可能改變解理 方向的剪切力的應(yīng)力梯度。缺乏剪切力減小了導(dǎo)致粗糙表面的延伸 到襯底的深度的裂紋、以及不均勻厚度的獨(dú)立膜的可能性。
盡管上述實(shí)施例設(shè)法避免在垂直方向上存在不對稱的熱梯度， 4旦才艮據(jù)本發(fā)明的可替換方法可以使用這種熱梯度來完成解理。圖31 示出了根據(jù)這種可替換實(shí)施例的解理方法的簡化截面圖，其中，將 熱能(此處為束3100形式)施加至襯底3102表面導(dǎo)致垂直溫度梯 度3104，其爿尋在解理平面3106處產(chǎn)生剪切力。在該情況中，該剪 切力將結(jié)合可以產(chǎn)生通過解理平面的解理作用的模式II(剪切模式) 應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)。這種源可以是例如快速熱處理系統(tǒng)或基于閃光燈的 光源。由于熱導(dǎo)致的應(yīng)力與熱梯度變化成比例，因此盡管快速熱退 火(RTA)系統(tǒng)也有效，但基于閃光燈的系統(tǒng)的微秒至毫秒級熱脈 沖特性會是有利的。
盡管圖31所示的本發(fā)明的實(shí)施例使用了局部施加的熱能束， 但這不是必須的。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，熱能可以被全局施加 于襯底的表面以產(chǎn)生通過整個產(chǎn)生受控解理的解理平面的垂直溫 度梯度以及剪切力。
30此外，盡管圖29至圖31示出的本發(fā)明的各實(shí)施例在進(jìn)行受控 解理處理中利用了熱能，-f旦這不是本發(fā)明必須的。才艮據(jù)可替換實(shí)施 例，除了熱能以外的能量的應(yīng)用也可以產(chǎn)生沿解理平面的解理。
例如，在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)中，將強(qiáng)激光束(例如，1-20納秒 的持續(xù)時間以及約1GW/cm2或更高的強(qiáng)度)施加至材料的表面。該 強(qiáng)激光引起表面材料的汽化以產(chǎn)生局部等離子體以及耦合至材料 的壓縮沖擊波。如果將表面浸沒在流體(最常用的為水)中，則水 也可以汽化以產(chǎn)生壓縮沖擊波并且凈皮高度強(qiáng)化(約為水中的3-4 倍)，其峰值應(yīng)力強(qiáng)度為1至3 GPa或更高。該強(qiáng)沖擊波可以作為 壓縮應(yīng)力波通過體材料(bulk material,塊狀材料)傳送，其當(dāng)從體 材料的末端反射時轉(zhuǎn)變成近似等幅的張應(yīng)力波。
圖32示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的使用激光沖擊強(qiáng)化來執(zhí) 行受控解理處理的實(shí)例的簡化截面圖。具體地，襯底3200具有之 前通過將氫或其他材^l"離子注入到第一表面3204中而形成的表面 下解理平面3202。該第一表面^皮支撐(例如，通過真空或^爭電力) 在卡盤3206上。
水膜3208形成在第二表面3205的表面上，于是，將激光束形 式的能量施加至第一表面。通過激光加熱水產(chǎn)生了局部等離子體 3209 ，然后其產(chǎn)生沖擊波和傳播通過襯底厚度的相應(yīng)的壓縮力 3210。
一旦到達(dá)由卡盤支撐的4于底的正面，沖擊波就4皮反射回來成為 張應(yīng)力波3212。當(dāng)該張應(yīng)力波到達(dá)包^^吸收點(diǎn)和缺陷區(qū)的解理平面 時，在此處張應(yīng)力引起受控解理作用。
激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生瞬時沖擊波，以在其傳遞期間產(chǎn)生與解理平 面相互作用的張應(yīng)力波。 一種可替換的沖支術(shù)是^吏用可在襯底內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)波(CW)或MHz和GHz的調(diào)制超聲波的超聲換能器，來引 起沿解理平面延伸的裂紋。例如，該換能器可以放置在襯底的底部 上，并且通過適當(dāng)?shù)鸟詈辖橘|(zhì)，可以將入射的超聲波有效耦合至石圭 材料中。除了張應(yīng)力和壓縮波兩者都由該技術(shù)產(chǎn)生之外，所產(chǎn)生的 波所起的作用非常像由激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)引起的急劇瞬變現(xiàn)象 (sharp transient )。
波可以直接與解理平面相互作用?；蛘撸?一從該表面反射，入射波 和表面反射的波就在解理平面附近形成駐波。
如果入射的超聲頻率選4奪為解理平面上的膜等于超聲頻率的 四分之一周期(或其多個半波)所經(jīng)歷的距離，則將會產(chǎn)生附加的 相長干涉效應(yīng)，其中，傳播的壓縮和張力分量和超聲波將在解理平 面的一定深度處累加。結(jié)果將是可以在每個張力半周期延伸裂紋平 面的更強(qiáng)的壓縮/拉力駐波。假設(shè)硅中的聲速約為2.5 km/秒，限定 膜厚度(tfllm )為50微米解理平面深度，基本超聲頻率(fundamental ultrasonic frequency )為Fultrasound = vsi/4* tfilm=12.5 MHz。其^也馬主;皮在 頻率上高Fultras。und = (n+l/2)*vsi/2* tfllm (n=0，l，2...)。超聲能量可以集 中到延長的解理正面(advancing cleave front)附近或者不集中。
在又一個實(shí)施例中，z使用上述駐波方法，沖交高頻率可以用于產(chǎn) 生更垂直局部^S的壓縮4立力-壓縮駐波。垂直方向上的大的壓力梯 度變化可以更有力地有利于延伸裂紋。
在一半個周期中，在解理平面將張應(yīng)力最大^f匕以在解理平面之 上和之下通過壓縮應(yīng)力分量引起裂紋延伸。這將有助于在受控垂直 維度上延伸裂紋。在另一半個周期期間，裂紋將會遇到將阻止裂紋 延伸的壓縮分量。所產(chǎn)生的效果是對拉力駐波分量中心內(nèi)的平面的 強(qiáng)導(dǎo)向。
32頻率調(diào)制可以用作垂直導(dǎo)向效用，其中，較高的頻率會產(chǎn)生趨 向表面的凈剪切力，而較低頻率會產(chǎn)生遠(yuǎn)離該表面的凈剪切力。理 論上，這可以在解理處理期間垂直引導(dǎo)裂紋。超聲能量可以集中到 延長的解理正面附近或不進(jìn)行集中。
如果解理平面在所選深度開始(例如，在邊纟彖附近或圖案注入 周界附近)，則該高頻超聲駐波導(dǎo)向可以通過頻率控制以及允許該 平面在所選深度內(nèi)延伸而沿所選深度延伸解理。 一旦解理平面^皮駐 波鎖定，就會需要較低的注入劑量(甚至在傳播區(qū)內(nèi)沒有)。于是， 該技術(shù)可以允許更好的產(chǎn)量和成本效益。當(dāng)然，超聲能量可以與本 專利申請中其他處描述的一種或多種解理技術(shù)(包括但不限于機(jī)械 分離應(yīng)力和掃描熱束)結(jié)合來使用以最優(yōu)化膜解理處理。
盡管以上的 一些描述涉及接合襯底結(jié)構(gòu)的解理，但并不是本發(fā) 明所必須的。4艮據(jù)可替換實(shí)施例，可以從單個襯底解理出材料的獨(dú)立膜。
對于以下公開內(nèi)容來說，"獨(dú)立膜"或"獨(dú)立層"被限定為可 以保持其結(jié)構(gòu)完整性(即，不破碎或分裂)的材料膜，而不與諸如 操作或轉(zhuǎn)移襯底的支撐元件接觸。通常，非常薄的膜(例如，薄于
約5-10 pm的硅膜)在不破裂的情況下不能被處理。傳統(tǒng)上，這種 薄膜使用支撐結(jié)構(gòu)來操作，還需要支撐結(jié)構(gòu)來在第 一位置中產(chǎn)生薄 膜。較厚的膜(即，具有介于20-50 (am之間厚度的硅膜)的處理可 以利用支撐而變得容易，但這種支撐不是強(qiáng)制性的。因此，本發(fā)明 的實(shí)施例涉及具有大于20 (am厚度的硅獨(dú)立膜的制造。
接下來，該方法乂人施主襯底清除該厚度的材料以乂人施主襯底完 全去除該厚度的材^h如圖13所示。4艮據(jù)實(shí)施例，分離膜的方法 是膜厚度、以及其被4喿作或處理而不纟皮臨時或永久附著至支撐襯底 的能力的功能。對于用于外延模板生長的非常薄的膜，例如，將膜轉(zhuǎn)移到臨時或永久襯底上是避免損壞膜所必須的。對于超過約50
um的材料膜厚度，可以以例如在制造太陽能電池過程中使用的獨(dú) 立方式處理這些力莫。用于晶體太陽能電池應(yīng)用的約3 um至50 um 膜的臨時支撐襯底將用于使用和處理分離的硅薄膜的兩側(cè)，以最優(yōu) 化所得到的光伏器件。將分離的硅薄膜永久接合以及轉(zhuǎn)移到永久襯 底上可以有利于簡化力莫處理工藝。在注入步艱《之前或之后對施主表 面的預(yù)處理(例如，使表面具有紋理、最大化表面反射特性、鈍化 接觸形成、以及表面摻雜)可以允許對該表面進(jìn)行處理以消除對臨 時支撐襯底的需要。當(dāng)然，支撐襯底和制造處理流程的選擇取決于 應(yīng)用和光Y犬電;也結(jié)構(gòu)。以圖17中示出的光Y犬電〉也i殳計(jì)舉例i兌明。 光伏電池結(jié)構(gòu)具有形成在頂表面區(qū)和背表面區(qū)上的4妄觸層。如所 示，在具體實(shí)施例中，光可以穿過玻璃襯底并耦合至使用光耦合層 的光吸收層的底部。這種光耦合層的實(shí)例可以包括具有適當(dāng)反射率 和厚度的氮化石圭或其他材料。優(yōu)選地，光耦合層的厚度提供了四分 之一波匹配層。光耦合層的其他實(shí)例可以包括具有合適厚度和折射 率的多個電介質(zhì)堆疊層，以通過使最大光傳輸波長范圍變寬來提高 光耦合效率。在一個具體實(shí)施例中，諸如^f吏用合適的紋理層或通過 使透明襯底具有紋理、或它們的組合的形成紋理的光4孚獲方案也可 以用于提高光吸收層的光傳輸效率。在一個可替換實(shí)施例中，還可 以4吏用適當(dāng)?shù)膶?其可以是光耦合層)來4吏光吸收層的底面4屯化。 薄的非晶硅層可以用作優(yōu)良的鈍化層，以限制表面載流子再組合速 率以及最大化載流子壽命。在透明襯底上分離膜并〗吏襯底上部鈍 化、形成紋理以及與吸收器和結(jié)點(diǎn)(例如，有可能是漫射、肖特基 金屬、或摻雜的非晶發(fā)射極(emmitter))交替接觸。為了最大化電 池效率，吸收器的頂表面可以形成紋理并且可以是高反射的，以使 光保持在吸收器中。吸收器接觸可以使用前交叉指型接觸形成。如 果使用底部接觸摻雜層，則這些都可以通過電池與過孔接觸連接。 該結(jié)構(gòu)將最大4匕光收集效率(#1測量為光未纟皮遮蔽(occlude)的光收集區(qū)域占整個光收集區(qū)域的份額)，這是因?yàn)檫@些接觸位于吸收 器的頂側(cè)上。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該方法從透明-燥作襯底去除了背襯襯 底，如圖14所示。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，背襯襯底和操作襯底之 間的附著是臨時的，并且可以利用機(jī)械力去除而不損壞任一個襯 底。在一個具體實(shí)施例中，可以使用分離處理來將背襯襯底與操作 襯底分離開。在一個具體實(shí)施例中，在已經(jīng)使用靜電、真空、或機(jī) 械卡盤和/或附著裝置設(shè)置了背襯村底元件時，也可以釋放背襯襯 底。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和*^|奐。
參照圖15,該方法在該厚度的材料的表面上形成光伏器件。這 些器件可以包括集成半導(dǎo)體器件和光伏器件。這些器件可以使用沉 積、蝕刻、注入、光4奄蔽處理、噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷、它們的任意 組合等來制造。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
在一個具體實(shí)施例中，該方法還〗吏用沉積工藝來4吏#皮轉(zhuǎn)移材泮+ 的厚度變厚。在一個具體實(shí)施例中，該方法^吏用固相外延工藝和/ 或其他形式的沉積工藝。才艮據(jù)一個具體實(shí)施例，該工藝可以形成合 適的單晶硅等材料。僅作為一個實(shí)例，該材料可以是非晶硅、多晶 硅、鍺和硅鍺合金。例如，非晶硅可以有利地允許使用下層轉(zhuǎn)移硅 膜作為模板來進(jìn)行單晶硅的固相外延生長。可以增加硅材料沉積實(shí)
際效率的另 一種方法是使用下層轉(zhuǎn)移硅膜作為模板、以硅納米粒子 (有利地為非晶硅)(可以對其進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生單晶硅)濺射或 涂覆該表面。這可以使用在隨后的處理期間將被消除的液體的干燥 來施加。多晶硅和其他材料也可以允許使用適當(dāng)?shù)奶幚?諸如激光
退火、閃光燈熱處理(flash thermal treatment)等)進(jìn)4亍單晶再生長。 當(dāng)然，還存在其他的變體型、改進(jìn)、和替換。
35在一個具體實(shí)施例中，該方法包4舌蝕刻禾口/或;;咒禾口、工藝(例^口， 等離子體輔助沉積/蝕刻)，用于在形成光伏區(qū)和/或形成加厚層的任
何步驟之前使解理表面區(qū)平滑。根據(jù)具體實(shí)施例，該方法可以使用 平滑處理，其包括使用包括外部環(huán)境在內(nèi)的氫和氯化氫對解理膜進(jìn)
行熱處理?？商鎿Q的，蝕刻劑可以是進(jìn)行蝕刻的化學(xué)浴(例如，KOH， TMAH),并且如果需要，使解理力莫形成預(yù)定數(shù)量的紋理。作為一 個實(shí)例，蝕刻工藝可以用于去除約300至約800埃的氫損壞石圭 (hydrogen damaged silicon )。在一個具體實(shí)施例中，還可以在々蟲刻 工藝之前進(jìn)行氧化工藝以將氫損壞區(qū)轉(zhuǎn)化為氧化物，該氧化物隨后 使用緩沖氧化物蝕刻和/或其他適合的蝕刻種類而被剝離。根據(jù)該表 面處理，可以通過一種或多種普遍已知的4支術(shù)(例如，氧化物、氮 化硅、或碳化硅膜形成、薄的非晶硅膜的氫化或沉積)來進(jìn)行表面 鈍化以控制載流子的表面再組合。4吏用表面再組合速率(以cm/sec 為單位的SRV)來測量鈍化表面的質(zhì)量。優(yōu)良的表面鈍化具有約 10-100 cm/sec的SRV值，而薄膜(5-10樣t米)晶體石圭電池的電池 效率劣化將由1000 cm/sec以上的SRV值的表面鈍化控制。對于用 于薄膜硅電池的電池效率的SRV影響在Brendel參考文獻(xiàn)以及在 Brendel的題為 "A Novel Process for Ultra-Thin Monocrystalline Silicon Solar Cells on Glass" ,14th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Spain, 30 June-4th July 1997,的沖目關(guān)i侖文中進(jìn) 行了闡述，該論文通過引證結(jié)合于此。當(dāng)然，還存在其他的變型、 改進(jìn)、和替換。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，使用非晶硅層來使轉(zhuǎn)移材料變厚。在一 個優(yōu)選實(shí)施例中，非晶硅層被晶體化等。在一個具體實(shí)施例中，使 用應(yīng)用納米粒子(例如，非晶硅、晶體硅、多晶硅、或它們的組合) 來沉積非晶硅層，隨后對這些納米粒子進(jìn)4于熱處理以形成加厚的材 料片?？商鎿Q地，才艮據(jù)一個具體實(shí)施例，可以在j氐溫下使用物理氣 相沉積或化學(xué)氣相沉積(例如，等離子體增強(qiáng))來形成非晶硅層。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，在形成這樣的v5圭層期間，將已^皮疊置3皮璃材 料而沉積的非晶硅層保持在小于500攝氏度的溫度下。在一個具體 實(shí)施例中，根據(jù)一個具體實(shí)施例所形成的膜可以是單晶和/或多晶結(jié) 構(gòu)。在優(yōu)選實(shí)施例中，所形成的膜為單晶并且具有適合的電特性。 當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
根據(jù)實(shí)施例，可以對加厚的材料進(jìn)行摻雜以形成太陽能電池結(jié) 構(gòu)。在一個具體實(shí)施例中，摻雜可以是原位摻雜、擴(kuò)散、和/或使用
離子束、等離子體浸沒注入、離子淋浴、非質(zhì)量分離注入(non-mas separated implantation )、完全或部分非質(zhì)量分離、或4專統(tǒng)注入才支術(shù) 的注入。根據(jù)一個具體實(shí)施例，這些太陽能電池結(jié)構(gòu)可以包括P型 和N型雜質(zhì)的摻雜區(qū)。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
在一個具體實(shí)施例中，該方法還可以形成與加厚層疊置的另一 個層以形成光伏器件。根據(jù)一個具體實(shí)施例，該另一層可以是半導(dǎo) 體層，其可以用來增強(qiáng)被提供用于整個太陽能電池結(jié)構(gòu)的光伏器
件。在一個可替換實(shí)施例中，該另一層可以是鍺、硅鍺、n/iv族、
III/V族、SiC、 GaN、和它們的任意組合等。該另一層可以用于形
成另一組光伏區(qū)，其可以耦合至其他光伏器件，以增強(qiáng)整體光伏強(qiáng) 度。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和一,換。
才艮據(jù)實(shí)施例，該方法和結(jié)構(gòu)可以以具體厚度的加厚層和/或?qū)愚D(zhuǎn) 移層和加厚層的組合形成。在一個具體實(shí)施例中， -使用硅材料的加
厚層可以介于1 um和20 um之間。在其他實(shí)施例中，加厚層可以 小于1微米或大于20微米。在其他實(shí)施例中，加厚層可以小于約 50樣t米。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
根據(jù)實(shí)施例，應(yīng)該理解，材料的具體厚度可以使用后來被加厚 的第一轉(zhuǎn)移層形成，或可以:帔以足夠的厚度直接轉(zhuǎn)移，而不需要進(jìn) 一步的加厚步驟形成。諸如鈍化層、接觸層、擴(kuò)散層、紋理和其他
37光俘獲層、以及光反射或光耦合層的其他層在接合步驟前還可以被 添加至底部坤于底或施主，或在解理步驟后添加至轉(zhuǎn)移膜的頂部上。 在一個具體實(shí)施例中，使用硅材料的轉(zhuǎn)移層可以具有介于約1 um
和20um之間的厚度范圍。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
圖16至圖19示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的太陽能電池結(jié)構(gòu)的簡 化示圖。這些示圖^(又是示例并且不應(yīng)該過度限制本文中的權(quán)利要求 的范圍。本領(lǐng)域的普通4支術(shù)人員應(yīng)該意識到，會有4艮多變型、改進(jìn)、 和替換。如圖16所示，第一接觸層^皮形成為夾在玻璃襯底和半導(dǎo) 體層的第一表面之間。在一個具體實(shí)施例中，接觸層可以由諸如透 明導(dǎo)電材料(諸如ITO等)的合適材料制成。還可以使用其他材料。 第一接觸層耦合至光伏電池的第一電極結(jié)構(gòu)，其通常包括一個p-n 結(jié)或多個p-n結(jié)。僅作為一個實(shí)例，半導(dǎo)體層可以包括諸如合適的 單晶硅等材料等。第二接觸層與半導(dǎo)體層的第二表面疊置地被形 成。第二接觸層被沿平行于第一接觸層的方向布置。在一個具體實(shí) 施例中，第二接觸層被圖案化以形成多個電極，這些電極耦合至多 個光伏區(qū)中的每一個。根據(jù)具體實(shí)施例，每個電極都可以并聯(lián)和/ 或串4關(guān)配置。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
在一個具體實(shí)施例中，可以在第二接觸層和半導(dǎo)體襯底之間形 成其他結(jié)，以提高太陽能電池的效率，如圖17的筒化示圖所示。 如所示，4艮據(jù)一個具體實(shí)施例，這些附加的結(jié)一皮-沒置在與所述厚度 的單晶硅材料疊置的加厚層上。其他的結(jié)可以通過上述厚度的單晶 與光伏器件分離開。這些結(jié)中的每一個都可以4皮相互并耳關(guān)和/或串聯(lián): 配置，并通過該厚度的義圭材料耦合至光伏器件?？商鎿Q地，該結(jié)構(gòu) 可以使用直接轉(zhuǎn)移的硅材料的厚度來形成，而無需加厚步驟。當(dāng)然， 還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。圖18示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的太陽能電池構(gòu)造的另一個實(shí) 例。如所示，玻璃襯底附著至半導(dǎo)體層的第一表面。第一接觸和第 二接觸與半導(dǎo)體層的第二表面疊置地形成。第一接觸結(jié)構(gòu)被配置為 基本平行于第二接觸結(jié)構(gòu)。如所示，每一個光伏器件都至少耦合至 第 一和第二接觸結(jié)構(gòu)，這些接觸結(jié)構(gòu)與單晶上述厚度的硅材料疊 置?？商鎿Q地，可以在這些接觸結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體襯底之間形成其他的
結(jié)，以4是高太陽能電池的效率，如圖19所示。當(dāng)然，還存在其他
的變型、改進(jìn)、和替換。
圖20是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有反射表面區(qū)2002的太陽 能電池的簡化示圖。如所示，才是供了一個太陽能電池。該太陽能電 池包括附著至半導(dǎo)體層的第 一表面的玻璃襯底。多個4妄觸結(jié)構(gòu)與半 導(dǎo)體層的第二表面疊置地形成。如所示，每一個光伏器件都至少耦 合至一個與該厚度的單晶硅材料疊置的接觸結(jié)構(gòu)。光穿過玻璃襯底
和半導(dǎo)體層中的多個光伏器件并轉(zhuǎn)換成電能。如所示，設(shè)置反射表
面來反射通過光伏區(qū)的任何殘余光，以進(jìn)一 步激活這些光伏器件中 的一個或多個，并轉(zhuǎn)換成電能。可以使用諸如鋁、4艮、金、或其他 合適的反射材料的材料來提供該反射表面?？商鎿Q地，如果需要非 導(dǎo)電反射體，則可以單獨(dú)地或與導(dǎo)電反射體組合來i殳計(jì)電介質(zhì)堆疊 反射體。該反射表面提供了用于光伏器件中的多條光通道的手段以 及增加太陽能電池的效率。當(dāng)然，還存在其#>的變型、改進(jìn)、和替 換。
圖21是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有透鏡區(qū)2102的太陽能電 池的簡化示圖。如所示，提供了一個太陽能電池。該太陽能電池包 括附著至半導(dǎo)體層的第 一表面的玻璃襯底。多個接觸結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體 層的第二表面疊置地形成。如所示，每一個光伏器件都至少耦合至 與該厚度的單晶硅材料疊置的接觸結(jié)構(gòu)。光穿過玻璃襯底和半導(dǎo)體 層中的多個光伏器件并轉(zhuǎn)換成電能。在一個具體實(shí)施例中，使用耦合至玻璃襯底的光學(xué)元件2001將光改變方向和/或散射，以使光以 多個斜角改變方向，并提高太陽能電池的收集效率。這種光學(xué)元件 的 一個實(shí)例可以是菲涅耳透鏡。菲浬耳透4竟可以由塑沖牛材料或玻璃 材料制成?？商鎿Q地，玻璃襯底可以被改進(jìn)以使光散射或改變方向，
并起到類似菲涅耳透鏡的功能。通過修改光學(xué)元件2001的形狀，
光俘獲作用可以通過由石圭薄膜內(nèi)的波導(dǎo)效應(yīng)允許的全內(nèi)部反射來 達(dá)成，或通過接近朗伯源并因而增加薄膜電池的有效厚度來實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
圖22示出了一個具體實(shí)施例，其中，^沒置了光學(xué)元件以將大 部分反射光線(specular light ray )以斜角導(dǎo)向薄膜光伏電池。該示 圖僅是一個實(shí)例，其不應(yīng)該過度限制本文中的權(quán)利要求的范圍。本 領(lǐng)域的普通才支術(shù)人員應(yīng)該意識到其他變型、改進(jìn)、和替換。在一個 具體實(shí)施例中，選擇薄膜厚度以使波導(dǎo)不僅可以俘獲在玻璃襯底內(nèi) 以一定角度而反回(impinge)的光，而且對于涉及的光波長范圍可 以支持在薄膜內(nèi)的擴(kuò)展。因而，該設(shè)計(jì)考慮針對涉及的所有波長(例 如，構(gòu)成最大太陽能i普波長分布的IR至近UV)，以允許橫電(TE)、 橫磁(TM)、及組合模式的傳播，以及允許薄膜電池厚度內(nèi)的較高 級別才莫式進(jìn)行傳播。 一種完成該i殳計(jì)目標(biāo)而用于波導(dǎo)的合適的散射 曲線會產(chǎn)生可允許的硅厚度范圍，以及選才奪將用作波導(dǎo)覆層的光學(xué) 耦合層。光在透明襯底中的入射角還可以是對系統(tǒng)整個電池入射角 范圍的校正操作的設(shè)計(jì)考慮。 一旦在薄膜中被耦合，傳播就將會由 于吸收輻射以及通過在薄膜內(nèi)產(chǎn)生載流子而轉(zhuǎn)換為電力而大量衰 減。與縱向P-N結(jié) 一致的光的縱向傳播將有助于最大化光轉(zhuǎn)換效率。 所產(chǎn)生的電能將被^接觸1和2收集。該結(jié)構(gòu)還考慮了可以幫助降低 反射的光耦合層，其可以降低薄膜太陽能電池的有源區(qū)中所耦合的 光能。在一個具體實(shí)施例中，波導(dǎo)可以以多模或單模的方式進(jìn)行操 作。此外，根據(jù)一個具體實(shí)施例，可以使用內(nèi)部材料來形成波以在 入射光的內(nèi)部反射的折射率中產(chǎn)生差別。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，硅4者的薄層可以夾在^5圭結(jié)構(gòu)之間以*提高以及甚至優(yōu)〗匕 一 個或多個光 伏區(qū)中的一個區(qū)(例如，中央?yún)^(qū))的光限制。當(dāng)然，還存在其^^的 變型、改進(jìn)、和替換。
圖23至26示出了才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于形成太陽能電池的
工藝流程。如所示，這些工藝流程可以由三個主要能量范圍來啟動
以形成膜的厚度。圖23-24涉及較低能量、注入后轉(zhuǎn)移膜的生長模 板的使用。圖23示出了臨時的、可釋放襯底的使用，其將使處理 流程使用將變?yōu)橛糜趯訐诫s、鈍化和互連處理的太陽能電池的背面 的襯底。應(yīng)該注意，該臨時的、可釋放襯底可以4吏用i者如可4匕學(xué)釋 放襯底(例如，熱、機(jī)械或化學(xué)可釋放帶或剛性襯底)、真空卡盤、 或靜電卡盤的多種方法來實(shí)現(xiàn)。圖24是更簡單、直接轉(zhuǎn)移和生長 工藝流程，但是對于優(yōu)化太陽能電池性能及其光轉(zhuǎn)換效率很少使用 背面。當(dāng)然，還存在其^f也的變型、改進(jìn)、和^齊換。
圖25和圖26示出了使用臨時襯底以及直接接合使用注入工藝 形成的1 um至50 um膜的工藝流程。這些工藝流^i與圖23和24 相比的主要區(qū)別在于沒有生長或加厚步驟。圖25示出了將允許使 用將變?yōu)橛糜趯訐诫s、鈍化和互連處理的太陽能電池的背面的襯底 的工藝流程的臨時的、可釋放的襯底。應(yīng)該注意，該臨時的、可釋 放襯底可以使用諸如可化學(xué)釋方文的襯底(例如，熱、才幾械或4匕學(xué)可 釋放帶或剛性襯底)、真空卡盤、或靜電卡盤的多種方法來實(shí)現(xiàn)。 圖25A示出了圖23所描述的工藝流程的具體實(shí)例，其使用非晶硅 接觸和發(fā)射極結(jié)構(gòu)。該非晶(a-Si)薄表面層已經(jīng)被示為優(yōu)化吸收 體鈍化以及允許更好的接觸。由于圖25的薄硅工藝?yán)昧伺R時襯 底，因此對于在解理步驟后的a-Si接觸形成和鈍4匕，背面4吏用是可 能的。根據(jù)該實(shí)例，具有P至P-摻雜的被釋放的硅膜被沉積有非常 薄的非晶本征層(通常為10-30埃)，非常薄的非晶本征層不^f又允許 進(jìn)4亍良好的表面4屯化而且還可以允"i午電 流流 經(jīng)隨道效應(yīng)(tunneling )。 a-Si層然后凈皮摻雜P+以用4乍背面4妄觸。該層然后4皮 接合到最終形成的襯底上。才艮據(jù)具體實(shí)施例，該背面4妻觸可以如所 示—皮4妻觸或可以是連續(xù)透明或不透明的導(dǎo)電膜。然后，用非常薄的 本征a-Si膜對正面進(jìn)行鈍化，于是，N+摻雜的a-Si的發(fā)射才及用作 至電池的第二接觸。該電池將很好起到高效電池的作用。由a-Si制 成的串疊型電池還可以;兄積在該結(jié)構(gòu)上以進(jìn)一步才是高步文率。當(dāng)然，
摻雜和發(fā)射極表面選擇可以根據(jù)具體實(shí)施例而顛倒。圖23是更簡 單、直接轉(zhuǎn)移工藝流程，1'旦是其背面使用1'義在接合至永久襯底的步 驟之前是可用的。因此，對于優(yōu)化太陽能電池性能及其光轉(zhuǎn)換效率， 使用背面的可能性很小。該工藝流程的選擇還可以受在高溫和低溫 最終襯底之間的成本差異的影響，這是因?yàn)樵谧罱K襯底上而不是在 臨時襯底上進(jìn)行的高溫電池處理步驟的可能需要會需要更昂貴、具 高溫能力的最終襯底。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、和替換。
圖27示出了使用能夠作為獨(dú)立襯底凈皮處理的厚硅膜的工藝流 程。通過利用上述一種或多種受控解理技術(shù)，可以-使用單純的熱處 理(其可以是恒溫的)來j吏具有約50 um至250 um的厚度的該厚 月莫分離。對于處理附著至該臨時4于底的一面，該分離可以直沖妄作為 獨(dú)立襯底來進(jìn)行，或者轉(zhuǎn)移至臨時的、可釋方文的襯底以及最終一皮釋 放。應(yīng)該注意，臨時的、可釋放的襯底可以使用諸如可化學(xué)釋放的 襯底(例如，熱、機(jī)械或化學(xué)可釋放帶或剛性襯底)、真空卡盤、 或靜電卡盤的多種方法來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，還存在其他的變型、改進(jìn)、 和替換。
在沒有包括可釋》欠襯底的接合或放置的上述實(shí)例中，可以在解 理工藝期間使用適當(dāng)硬度的板，以限制膜背離其原始形狀的任何彎 曲，否則，該彎曲可能施加可以引起不需要的解理平面分支、膜破 裂或方向改變的剪應(yīng)力。該斥反可以與膜4妾觸，而無需粘合劑或其他 形式的附著。可替換地，該板可以與膜接近，如限定為被解理的膜厚度的一'j、部分。因而，該膜被包括以在經(jīng)過解理工藝也還基本保 持其原始形狀。
如果解理工藝包括使用激光束(例如，需要正面使用)的熱束 工藝。在這種情況中，該板可以由透明材料(石英、蘭寶石等)制 成?？蛇x地，如果具有,爭電或真空能力，該+反還可以成為可以用作 解理膜載體的表面。
根據(jù)本發(fā)明的各方法和工藝的任何一個實(shí)施例(包括圖23-27 具體示出的那些)可以以連續(xù)的方式來進(jìn)行。具體地， 一個或一批 塊狀晶4定或剛玉形式的 一個或多個可再用4十底會經(jīng)歷注入、4妾合 (如果適合)、以及解理步驟的重復(fù)循環(huán)，以產(chǎn)生獨(dú)立或接合材泮十。 其中，才艮據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的方法和工藝是以這種連續(xù)方式?jīng)_丸行 的，所得到的高生產(chǎn)量可以顯著減少制造太陽能模塊的成本。這種 連續(xù)處理(包括披露適于執(zhí)行這些處理的設(shè)備)的進(jìn)一步討論可以 在于2007年4月5日^是交的11/784,524號同時4寺審美國非臨時專 利申請中找到，其全部內(nèi)容通過引證接合于此。
盡管上述是具體實(shí)施例的全部描述，^旦是還可以使用各種改 進(jìn)、替換結(jié)構(gòu)。盡管以上內(nèi)容已使用所選步驟序列來描述，但是可
據(jù)實(shí)施例可以組合和/或刪除一些步驟。此外，根據(jù)替換實(shí)施例，可 以使用同時注入氦離子和氫離子來代替氫粒子，以允許利用改進(jìn)的 劑量和/或解理特性來形成解理平面。在一些實(shí)施例中，背襯襯底可 以應(yīng)用于每個襯底，包括操作襯底和施主襯底。在可替換實(shí)施例中， 在這些表面或透明材并十的其他區(qū)上i殳置涂層。因此，以上描述和示 例不應(yīng)該被看作是限制由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于使用大規(guī)模注入工藝制造光伏電池的方法，所述方法包括提供瓦型半導(dǎo)體襯底，所述瓦型半導(dǎo)體襯底具有表面區(qū)、解理區(qū)和位于所述表面區(qū)和所述解理區(qū)之間且將被去除的第一厚度的材料；使用高能量注入工藝、通過所述表面區(qū)將基本上可以以質(zhì)子模式操作的多個氫粒子引入所述解理區(qū)的附近；將所述瓦型半導(dǎo)體襯底的所述表面區(qū)耦合至襯底的第一表面區(qū)，所述襯底包括所述第一表面區(qū)和第二表面區(qū)；對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行解理以從所述瓦型半導(dǎo)體襯底去除所述第一厚度的材料；以及至少由與所述襯底疊置的以瓦型為特征的所述第一厚度的材料形成太陽能電池。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括等離子體，用于在將 所述表面區(qū)耦合至所述第一表面區(qū)之前活化所述表面區(qū)和所 述第一表面區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述耦合包括所述表面區(qū) 和所述第一表面區(qū)之間的光學(xué)耦合材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光學(xué)耦合材料包括氮 化硅、碳化硅、氧化錫、氧化錮錫、或二氧化鈥。
5. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光學(xué)耦合材料包括電 介質(zhì)堆疊。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括形成第二厚度的半導(dǎo)體材料，與所述第 一厚度材料疊置的所述第二厚度的半導(dǎo)體材 料包括固相環(huán)氧樹脂工藝。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括形成第二厚度的半導(dǎo) 體材料，其包括與所述第一厚度材料疊置地形成非晶硅層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括晶體化所述非晶硅 層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括與所述第一厚度材料 疊置地形成包括外延生長工藝的第二厚度的半導(dǎo)體材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述外延生長工藝選自熱 絲法CVD、等離子體增強(qiáng)CVD、離子束輔助沉積、以及熱 CVD夕卜延生長。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一厚度的半導(dǎo)體材 料包括單晶硅材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一厚度半導(dǎo)體材料 包括多晶硅材料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底包括玻璃襯底或 石英4于底。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底包括包含氧化錫 和氧4匕銦錫的導(dǎo)電材泮+ 。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一厚度材料包括一 個或多個光伏區(qū)，所述一個或多個光伏區(qū)包^^第一電才及和第二 電極。
16. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述解理包括受控解理工
17. 才艮據(jù)斗又利要求1所述的方法，其中，所述解理包括熱解理工藝。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述瓦型半導(dǎo)體襯底處 在介于約200至850才聶氏度或300至600才聶氏度之間的溫度范 圍內(nèi)時，進(jìn)行氫粒子引入。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述解理包括初始處理以 及擴(kuò)展處理，以將所述第一厚度的材并+從所述瓦型半導(dǎo)體襯底 的剩余部分去除。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述表面區(qū)基本是瓦型半 導(dǎo)體^于底的一面。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述表面區(qū)的特征在于與 掩模層疊置。
22. 4艮據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述掩模層圍繞所述表 面區(qū)的外周。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氫粒子以H+模式提供。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氫粒子以H"模式和 /或rf+模式來提供。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述高能量注入工藝在從 約300 keV至2.1 MeV的能量范圍內(nèi)使用完全非質(zhì)量選擇的 H+。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述高能量完全非質(zhì)量 選4奪注入處理4是供適于范圍/人約3 um至約50 um的所述第一 厚度硅材料。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述高能量注入工藝在從 約2.1 MeV至5 MeV的能量范圍內(nèi)<吏用H+。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述高能量注入工藝提 供范圍從約50 um至約220 um的所述第一厚度的硅材料。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述第一厚度的半導(dǎo)體 材料被設(shè)置為獨(dú)立于操作襯底。
30. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述瓦型半導(dǎo)體襯底包括 用于防止同時注入污染物的疊置電介質(zhì)層，所述疊置電介質(zhì)層 用估文屏蔽層。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述疊置電介質(zhì)層是二 氧化硅。
32. 4艮據(jù)—又利要求30所述的方法，其中，在所述注入處理后去除 所述疊置電介質(zhì)層。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，在所述注入處理后不去 除所述疊置電介質(zhì)層。
34. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一厚度的材料的所 述表面區(qū)附著至背襯襯底，從而露出所述第 一厚度的材料的背 面表面區(qū)。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述背襯襯底臨時附至 所述第一厚度的材料。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述背襯襯底使用真空 或靜電手段臨時附至所述第一厚度的材料。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述背襯襯底使用可釋 放粘合劑臨時附至所述第 一厚度的材料。
38. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述背襯襯底永久附至 所述第一厚度的材料。
39. —種制造太陽能電池的方法，所述方法包括才是供具有垂直于主表面的晶才各取向、以及通過注入氫而 在表面下解理平面中形成的多個吸收點(diǎn)或多個缺陷區(qū)的半導(dǎo) 體襯底；以及施加來自束的能量以在所述解理平面上給予斷裂應(yīng)力， 并才丸行受控解理工藝以釋放獨(dú)立膜。
40. 才艮據(jù)4又利要求39的方法，其中，垂直于凈皮注入的所述半導(dǎo)體 襯底表面的晶格方向是< 100> 。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中，如果垂直于被注入的所 述半導(dǎo)體襯底表面的晶格方向?yàn)?lt;110>，以降低了的解理失效 可能性執(zhí)行所述受控解理處理。
42. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，垂直于被注入的所述半 導(dǎo)體襯底表面的晶才各方向?yàn)?lt; 110〉。
43. 才艮據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，相比于如果垂直于被注 入的所述半導(dǎo)體襯底表面的晶格方向?yàn)?lt;110>,要求較低注入 劑量的注入氫來產(chǎn)生缺陷區(qū)的多個吸收點(diǎn)。
44. 才艮據(jù)4又利要求39的方法，其中，施加至所述半導(dǎo)體4十底的來 自離子束的熱量給予所述斷裂應(yīng)力。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述離子束包括其注入 產(chǎn)生所述多個。及收點(diǎn)或多個缺陷區(qū)的所述氫。
46. 根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中，施加熱能束以將所述斷裂應(yīng) 力給予所述半導(dǎo)體襯底。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，所述熱能束包括激光束。
48. 根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中，來自所述熱能束的熱量產(chǎn)生 沿纟合予所述斷裂應(yīng)力的所述解理平面方向的熱 一弟度。
49. 才艮據(jù);K利要求48所述的方法，其中，所述熱束在沿所述解理 平面的方向上一皮掃描。
50. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，進(jìn)一步包括施加冷板以最小化 垂直于所述解理平面方向中的熱梯度的不對稱。
51. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，來自所述熱能束的熱量 在垂直于所述解理面的方向上產(chǎn)生熱梯度和相應(yīng)的剪切力，所 述剪切力給予所述斷裂應(yīng)力。
52. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，所述熱束被施加至承載 液體層的所述半導(dǎo)體4于底的表面，以4吏由通過所述熱束撞擊產(chǎn) 生的等離子的沖擊波由水進(jìn)行限制并被導(dǎo)向所述解理平面以 4專遞張力應(yīng)變。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述液體層包括水。
54. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中，所述表面包括所述第二
55. —種制造太陽能電池的方法，所述方法包括提供具有形成在表面下解理平面中的多個吸收點(diǎn)或多個 缺陷區(qū)的半導(dǎo)體襯底；以及將來自熱束的能量施加至所述半導(dǎo)體襯底以在沿所述解 理平面的方向上給予斷裂應(yīng)力，并且纟丸行受控解理工藝以釋放 獨(dú)立月莫。
56. 根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法，進(jìn)一步包括在沿所述解理平面 向前延伸解理的方向上掃描所述熱束。
57. —種制造太陽能電池的方法，所述方法包括提供具有形成在表面下解理平面中的多個吸收點(diǎn)或多個 缺陷區(qū)的半導(dǎo)體襯底；以及將來自熱束的能量施加至所述半導(dǎo)體襯底以沿垂直于所 述解理平面的方向給予熱梯度和剪力，并且4丸行受控解理工藝 以釋力文獨(dú)立膜。
58. —種制造太陽電池的方法，所述方法包括向半導(dǎo)體^)"底施加離子束以形成具有多個吸收點(diǎn)或多個 缺陷區(qū)的表面下解理平面，其中，來自所述離子的熱能產(chǎn)生熱 梯度和斷裂應(yīng)力，以執(zhí)行受控解理工藝來釋放獨(dú)立膜。
59. —種制造太陽能電池的方法，所述方法包括才是供具有表面水層和在表面下解理平面中形成的多個吸 收點(diǎn)或多個缺陷區(qū)的半導(dǎo)體襯底；以及將激光能施加至所述半導(dǎo)體襯底以產(chǎn)生由所述水層限制 的等離子體，以使來自所述等離子體的沖擊波在所述解理平面?zhèn)鬟f斷裂應(yīng)力以扭^于受控解理工藝以釋》文獨(dú)立月莫。
60. —種組件，包括半導(dǎo)體材料的塊狀晶錠或剛玉形式的可再用施主襯底， 所述可再用施主4于底具有一個表面和多個表面下吸收點(diǎn)和多 個缺陷區(qū)，所述可再用施主襯底的所述表面接合至最終襯底。
61. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的組件，進(jìn)一步包括接合至公共最終襯 底的多個可再用施主4于底。
62. 4艮據(jù)權(quán)利要求60所述的組件，其中，所述最終襯底對入射光 透明。
63. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的組件，其中，所述最終襯底對入射光 透明。
64. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的組件，其中，垂直于所述表面的所述 半導(dǎo)體材料的晶格方向是<100>。
65. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的組件，其中，垂直于所述表面的所述 半導(dǎo)體材料的晶格方向是<110>。
66. —種系鄉(xiāng)克，包4舌離子源，與塊狀半導(dǎo)體材料的晶錠或剛玉形式的可再用 施主襯底真空連接，所述離子源被配置為將氫離子注入所述表 面中，以產(chǎn)生多個表面下^及收點(diǎn)或多個缺陷區(qū)。
67. 4艮據(jù)—又利要求66所述的系統(tǒng)，其中，垂直于所述表面的所述 塊狀半導(dǎo)體材料的晶格方向是< 100>。
68. 才艮據(jù)^又利要求66所述的系統(tǒng)，其中，垂直于所述表面的所述 快狀半導(dǎo)體材料的晶格方向是< 110 > 。
69. 根據(jù)權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括屏蔽層，與所述表 面疊置，并被配置為阻止來自所述離子源的任何污染物。
70. 根據(jù)權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括剛性板，與所述表面^t妾觸，并^皮配置為限制獨(dú)立層通過所述注入,人所述塊狀半導(dǎo) 體材^+釋放。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種諸如太陽能電池、太陽板的光伏電池器件及其制造方法。該器件具有光學(xué)透明襯底，該襯底包括第一表面和第二表面。包括具有第一表面區(qū)和第二表面區(qū)的第一厚度的材料(例如，半導(dǎo)體材料、單晶材料)。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，該表面區(qū)與所述光學(xué)透明襯底的第一表面疊置。該器件具有設(shè)置在該厚度的材料的第一表面區(qū)和光學(xué)透明材料的第一表面之間的光學(xué)耦合材料。
文檔編號H01L31/00GK101473446SQ200780022933
公開日2009年7月1日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月8日
發(fā)明者弗蘭喬斯·J·亨利 申請人:硅源公司