[发明专利]利用受控传播的膜层转移

说明书

背景技术

有史以来，人类都是依赖于“太阳”来得到几乎所有有用形式的能量。这样的能量来自石油、辐射体、木材以及各种形式的热能。仅举一个例子，人类严重依赖于诸如煤和天然气这样的石油资源来满足各种需要。遗憾地是，石油资源已逐渐变得耗尽并且产生了一些其它问题。作为代替品，部分地，太阳能已经被提出用于减少对石油资源的依赖。仅举一个例子，太阳能可从通常由硅制成的“太阳能电池”得到。 

当硅太阳能电池暴露于来自太阳的太阳辐射时产生电力。辐射与硅原子相互作用并形成电子和空穴，它们迁移至硅本体中的p掺杂区和n掺杂区，并在掺杂区之间产生电压差和电流。太阳能电池已经集成有汇集元件来提高效率。举例来说，太阳辐射利用可引导此辐射到有源光伏材料的一个或更多个部分的汇集元件来积累和聚集。尽管有效，但是这些太阳能电池仍然有许多限制。 

仅举个例子，太阳能电池常常依赖于诸如硅的初始材料。这样的硅一般由多晶硅和/或单晶硅材料制成。根据单个晶粒的尺寸和结晶度，多晶硅材料也可称为多晶(multicrystalline)、微晶(microcrystalline)或者纳米晶(nanocrystalline)。这些材料此后将都被称为“多晶硅”，与不具有许多个随机晶向和许多个晶界的单晶(单晶体)材料相反。无定形硅不是通常用于晶片化的太阳能电池的硅形式，这是因为它的在小于几微米的厚度上的低的载流子寿命。 

太阳能电池材料通常难以制造。多晶硅电池常常通过制造多晶硅板形成。尽管这些板可以用成本有效的方式使用结晶炉形成，但是它们不具有优化用于高效太阳能电池的特性。尤其是，多晶硅板在捕获太阳能和将捕获的太阳能转换成可用的电能方面未表现出最高的可能效率。 

比较而言，单晶硅(c-Si)具有对于高等级太阳能电池合适的特性。然而，这样的单晶硅制造昂贵，并且也很难以高效率和成本有效的方式用于太阳能应用。 

此外，多晶硅和单晶硅材料在传统的制造单晶硅衬底过程中都会遇到材料损失，在该过程中使用锯切工艺来从原始生长的单晶硅锭物理分离薄单晶硅层。例如，内径(ID)锯切工艺或线锯切工艺从浇铸(cast)或生长的晶锭(boule)上消除了40％之多甚至达到60％的初始材料，并将材料单颗化(singulate)为晶片形式工件(factor)。这是高度无效率的制备供太阳能电池应用的薄的多晶硅或单晶硅板的方法。 

为了克服使用硅材料的这些缺点，已经提出了薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池通常由于使用较少的硅材料或者替代材料而不那么昂贵，但是它们的无定形或多晶结构没有更昂贵的由单晶硅衬底制造的体硅电池有效。 

从上述可以看出，非常需要以低成本高产率制造合适的高质量单晶硅片的技术。 

发明内容

可以通过提供具有表面区和位于表面区之下预定深度处的解理区(cleave region)的半导体衬底来形成材料膜。在从该衬底解理该膜的工艺过程中，解理区的剪切被严密地控制。根据某些实施例，面内剪切分量(in-plane shearcomponent)(KII)在一定的膜厚度处被保持在零附近，以使传播的解理面保持在期望的深度内。在一个实施例中，接近零的KII分量是通过经由暴露于电子束辐射来隔热加热硅而实现的，这能够给予热学地产生的力和力矩来实现期望的KII条件。根据其他实施例，利用能量控制方法通过注入和可选的外部能量来引导断裂(fracture)传播而有目的地将KII分量保持在高水平。在一个这样的实施例中，通过暴露于诸如激光或电子束的辐射来加热硅而实现高KII分量，其通过依赖于深度的解理能量控制给予热梯度以在硅中在精确定义的深度处实现受控传播。 

本发明实施例一般涉及用于形成厚膜的层转移技术。更具体地，本发明提供了用于太阳能电池的低注入或甚至无注入的厚膜的层转移的方法及器件。仅举例来说，其被应用来沿着单晶硅衬底的晶面解理厚膜。但是将认识到，本发明具有更广阔的应用范围。 

通过实现本发明可获得许多益处。在优选实施例中，可选择具有在{111}或{110}晶面中表面平面的单晶硅锭衬底。如此，用于生成解理区的离子注 入工艺大多数被消除或被限制，以利用部分周边区域形成解理发起区。这基本上简化了层转移工艺，减少了系统能量成本并增加了产率。