[发明专利]用于制造光电池和微电子器件的半导体衬底的双面可重复使用的模板

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年2月12日提交的美国临时专利申请序列号61/304340的优先权，其全文通过引用并入到本文中。其它具有共同发明人和/或所有权的相关申请在整个说明书中也被提到，其全文也通过引用并入到本文中。

技术领域

本发明大体上涉及光伏和微电子领域，更具体地涉及薄膜(或薄箔)晶体(单晶、多晶)半导体衬底的制造工艺和制造设备，在一些实施例中，薄膜或薄箔的厚度范围在大约1微米到100微米之间。本发明提供了这种低成本和高产出的生产。

背景技术

目前，晶体硅在光伏(PV)产业的市场份额最大，占整个PV市场的80%以上。尽管制造更薄的晶体硅太阳能电池长期以来被认为是降低PV成本最有效的方法之一(因为太阳能电池中使用的晶体硅片相对较高的材料成本占了PV模块总成本的一部分)，但是由于衬底尺寸较大较薄，以及薄结构中一定程度上的光捕获问题（由于硅是一种间接带隙的半导体材料)，这使得使用较薄的晶体的过程中存在很多机械破损问题。要实现成本效益，PV制造工厂的产量必须要很高，因此高机械产量和降低晶片破损率的要求更加困难。对于无支撑的独立式晶体硅太阳能电池而言，比当前的厚度范围140μm-250μm再稍微降低一点也会在制造过程中严重危害到机械产量。因此，任何处理非常薄的太阳能电池结构的方案必须是在整个电池工艺中电池完全由主载体支撑，或者是采用新颖的自支撑、独立、利用具有结构创新的衬底。

使用薄膜半导体衬底(TFSS)作为活性材料以低成本制造太阳能电池的创新制造工艺已在相关申请中公开。在一些实施例中，TFSS包括晶体半导体(更具体地，在一些实施例中为硅)。这种技术平台使用可重复使用的半导体模板制造太阳能电池。在某些实施例中，模板表面具有周期性排列的预结构化的三维(3-D)结构。基于太阳能电池的3-D TFSS的例子包括，但不局限于，棱形蜂巢和倒金字塔型空腔，其在具有共同发明人和/或所有权的早期申请中已描述过。以下是相关申请的例子。  美国专利US2008/0157283Al、US2008/0289684Al、US2010/0148318Al、US2010/0300518；序列号为13/057104的美国专利申请；序列号为PCT/US 10/60591，PCT/US 10/62614的PCT申请。

如以上文件公开的那样，外延衬底在可重复使用的模板的顶部生长，之后被移除。在一个实施例中，模板和衬底都包括单晶硅。之后，可重复使用的模板可被重复使用几次，重整或不重整均可，以生长更多外延衬底。可重复使用的模板具有平坦的顶部表面或具有预先形成的3-D微结构，比如六角形的蜂巢空腔或倒金字塔型空腔的顶部表面。3-D TFSS的分离通过使用中间牺牲层来实现。牺牲层应满足两个重要的标准。第一，其需将来自可重复使用模板的有关结晶性的信息传递到外延层。第二，与衬底和可重复使用的模板相比，其应能够被选择性地去除。牺牲层的一个具体例子是多孔硅，其孔隙率可被调整以便获得上述两个重要功能。

如以上文件所公开的那样，制造平面或3-D的TFSS并将其从一面，即可重复使用的模板的顶部表面，分离。换句话说，在每一个重复使用周期利用可重复使用的模板制造一个太阳能衬底。在那些发明中，模板和衬底的制造设备、多孔硅的形成和外延硅增长设备只能在硅模板的一个面上进行处理。该设备可以批量处理的方式一次处理多个晶片，但是每个模板只有一面可用。

与半导体工艺相比，制造太阳能电池需要更高的生产力而成本却低得多。因此，开发制造工艺以及能够同时在可重复使用模板的两面制造薄半导体衬底的设备是有利的。

发明内容

为了降低薄膜晶体半导体(比如硅)衬底的制造成本并提高生产量，本发明提供用于在可重复使用的半导体模板的两面制造TFSS(或薄半导体，比如硅箔片)的制造方法和设备，从而有效地增加衬底的制造产量并减低制造成本。对于给定的模板重复使用的次数而言，这种方法也将每一个制造出的衬底(TFSS)的分摊的起始模板成本降低了大约一半。