CN101512721A - 利用层转移工艺制造太阳能电池的方法和结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于层转移工艺的可重复使用的硅衬底装置。该装置具有可重复使用的衬底，其具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料。总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍。在一种特定的实施方式中，待去除的第一厚度的材料位于表面区域和解理区域之间，因而N是大于约10的整数。该装置还具有卡盘元件，适于将操作衬底元件保持在原位。该卡盘元件被设置为支持操作衬底，以便于将操作衬底结合至待去除的第一厚度的材料。在优选的实施方式中，该装置具有可操作地结合至卡盘元件的机械压紧装置。该机械压紧装置适于提供力，以使操作衬底结合至待去除的第一厚度的材料。
Description
相关申请交叉参考
本非临时专利申请要求2006年4月5日提交的美国临时专利申请第60/789,730号的优先权，其全部内容引入本文作为参考。
技术领域
根据本发明的实施方式一般主要涉及用于光伏应用的技术，包括用于使用层转移技术形成太阳能电池结构的方法和结构。然而将认识到，本发明具有更加广泛的应用范围；其还可应用于其他类型的应用中，例如三维封装集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微电子机械系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、驱动器、集成电路、生物学和生物医学装置等。
背景技术
从古至今，人类依赖“太阳”获得几乎所有可用形式的能源。这些能源来自石油、辐射、树木、以及不同形式的热能源。仅作为实例，人类大量依赖于诸如煤炭和煤气的石油资源以用于满足他们的许多需要。遗憾的是，这种石油资源正在减少并已经导致了其他问题。已经提出太阳能作为一种替代，部分地减少了我们对于石油资源的依赖。仅作为实例，太阳能可由通常由硅制成的“太阳能电池”来获得。
当硅太阳暴露于来自太阳的太阳辐射时会电池产生电能。辐射与硅原子相互作用并形成电子和空穴，它们迁移至硅体(siliconbody)中的p-掺杂区和n-掺杂区并在掺杂区之间形成电压差以及电流。取决于这种应用，太阳能电池已经与集中元件(聚光元件，concentrating element)结合以提高效率。例如，利用将辐射引向一个或多个部分的活性光伏材料的集中元件，将太阳辐射聚集并集中。这些太阳能电池虽然有效，但仍然具有许多的局限性。
仅作为实例，太阳能电池依赖于诸如硅的起始材料。这样的硅常常是使用多晶硅和/或单晶硅材料而制成的。这些材料常常难以制造。常常通过制造多晶硅板来形成多晶硅电池。尽管可有效地形成这些板，但它们不具有用于高效太阳能电池的最佳的性能。单晶硅具有用于高等级太阳能电池的适合的性能。然而，这样的单晶硅比较昂贵并且难以以有效和节约成本的方式用于太阳能应用。通常，薄膜太阳能电池由于使用较少的硅材料而比较便宜，但与由单晶硅衬底形成的更昂贵的体硅电池相比，其非晶或多晶结构是较为低效的。通过本说明书及以下更具体内容可以发现这些以及其他的限制。
由上所述，可以看出，一种用于制造大衬底的成本有效并且高效的技术是人们所期望的。
发明内容
根据本发明的实施方式，提供了涉及制造光伏材料的技术。更具体地，本发明提供了一种用于光伏应用的技术，包括用于使用层转移技术形成太阳能电池结构的方法和结构。然而，将认识到，本发明具有更加广泛的应用范围；其还可应用于其他类型的应用中，例如三维封装集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微电子机械系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、驱动器、集成电路、生物和生物医学装置等。
在一种特定的实施方式中，本发明提供了一种用于制造光伏电池(例如太阳能电池、太阳能电池板)的方法。该方法的实施方式包括，提供可重复使用的具有表面区域、解理区域(cleave region)、以及总厚度材料的衬底。在优选实施方式中，总厚度的材料比待去除的材料的第一厚度(在表面区域和解理区域之间)大至少N倍。该方法包括耦合(例如，氧化锡、氧化铟锡(ITO)、二氧化钛、氧化锌(ZnO)或其他介电堆积形成材料、旋涂玻璃(SOG)、或其他适合的材料)可重复使用的衬底的表面区域至具有第一表面区域和第二表面区域的光学透明衬底的第一表面区域。该方法包括在可重复使用的衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差(例如0.1伏特至约100伏特)从而导致解理区域的一个或多个部分能量增加以便于第一厚度的材料从可重复使用的衬底去除。取决于该实施方式，选择电压差以获得期望的结果。在一种实施方式中，表面区域保持与第一表面区域耦合，以形成与光学透明衬底的第一表面区域耦合的解理表面区域。
在一种可替代的特定实施方式中，本发明提供了一种可重复使用的硅衬底装置，用于层转移工艺(例如，受控的解理，称为SmartCutTM的工艺(Soitec，SA))。该装置包括具有表面区域、解理区域、以及总厚度材料的可重复使用的衬底，其优选比待去除的第一厚度的材料至少大N倍。被去除的第一厚度的材料位于表面区域和解理区域之间。在一种特定的实施方式中，N为大于约为10的整数，但也可以是其他数。在一种特定的实施方式中，与被转移的一厚度的材料相比，N可以是约1000倍或更多。该装置还具有耦合至可重复使用的衬底的第一区域的第一电极件以及耦合至可重复使用衬底的第二区域的第二电极件。该装置具有耦合于第一电极件和第二电极件之间电压源，以提供解理区域的第一区域与解理区域的第二区域之间的电压差，从而导致解理区域的一个或多个部分上能量增加，以便于从可重复使用衬底去除第一厚度的材料。
在一种可替代的特定实施方式中，本发明提供了一种群集工具(组合工具，cluster tool)装置，例如，多室的装置。该工具具有第一室，其具有随层转移过程使用的可重复使用的硅衬底装置(device)。该装置具有可重复使用的衬底，其具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，该总厚度材料比待去除的第一厚度材料至少大N倍。在一种特定的实施方式中，与被去除的厚度材料相比，N可以是大约1000倍或更多。在一种特定的实施方式中，被去除的第一厚度材料位于表面区域和解理区域之间，从而N是大于约为10的整数，但也可以是其他的数，例如一千。第一电极件耦合至可重复使用衬底的第一区域。第二电极件耦合至可重复使用衬底的第二区域。在一种特定的实施方式中，该装置具有耦合于第一电极件和第二电极件之间的电压源以提供第一区域和第二区域之间的电压差，从而导致在解理区域的一个或多个部分上能量增加以便于从可重复使用的衬底去除第一厚度的材料。在一种特定的实施方式中，群集工具具有结合于第一室的第二室。提供该第二室以进行一个或多个过程(process)。
在另一种可替代的实施方式中，本发明提供了一种与层转移工艺一起使用的可重复使用的硅衬底装置。该装置具有可重复使用的衬底，该衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料。该总厚度的材料比待去除的第一厚度材料大至少N倍。在一种特定的实施方式中，被去除的第一厚度材料位于表面区域和解理区域之间，从而N是大于约为10的整数。在一种特定的实施方式中，与被去除的厚度的材料相比，N可以是约1000倍或更大。该装置还具有适于将操作衬底元件(handle substrate member)保持在原位的卡盘元件(chuck member)。以保持操作衬底以便于将操作衬底结合于待去除的第一厚度材料的方式设置卡盘元件。在一种优选的实施方式中，该装置具有可操作地结合于卡盘元件的机械压紧装置。该机械压紧装置适于提供一个力使操作衬底结合于待去除的第一厚度材料。
此外，根据本发明的另外的实施方式，提供了一种制造一种或多种半导体衬底(例如玻璃基硅)的方法。该方法包括提供具有表面区域、解理区域、以及总厚度材料的可重复使用衬底。在一种特定的实施方式中，总厚度的材料比待去除的第一厚度材料(位于表面区域和解理区域之间)大至少N倍。该方法还包括在可重复使用衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差从而使在表面区域的一个或多个部分的能量增加，以促进表面区域与操作衬底的第一表面区域的结合。
在另一种实施方式中，本发明提供了一种制造一种或多种半导体衬底(例如玻璃基硅)的方法。该方法包括提供具有表面区域、解理区域、以及总厚度材料的可重复使用衬底。在一种特定的实施方式中，总厚度材料比待去除的第一厚度材料(位于表面区域和解理区域之间)大至少N倍。该方法包括在可重复使用衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差，使解理区域的一个或多个部分的能量增加，从而使解理区域的特性从第一特性改变为第二特性。在一种特定的实施方式中，该第二特性导致第一厚度材料从可重复使用的衬底去除。
使用本发明可获得许多优于现有技术的益处。具体而言，根据本发明的实施方式，使用受控能量和选择的条件来优先根据一种特定实施方式在玻璃衬底上解理光伏薄膜。在一种特定的实施方式中，本方法和装置在玻璃上提供了一种非常高质量的光伏材料，其可用作封装材料的一部分。在一种优选的实施方式中，为了利用光伏电池来提供有效的功率，本方法和结构由较大的可重复使用体衬底元件提供单晶硅。在其他的实施方式中，本发明方法和装置提供了一种用于大规模制造太阳能电池和/或电池板的有效的技术。取决于该实施方式，可以获得这些益处中的一种或多种。这些以及其他的益处可在说明书全文中及以下更具体内容中进行描述。
根据本发明的实施方式在已知工艺技术的情况下获得这些益处以及其他益处。然而，可通过参考本说明书的后面部分以及附图对本发明的特性和优势有进一步了解。
附图说明
图1至图14示出了根据本发明的一种实施方式的用于制造光伏器件的方法；
图15至图18示出了根据本发明的实施方式的太阳能电池构造的简图；
图19是根据本发明的一种实施方式的具有反射表面区域的太阳能电池的简图；
图20是根据本发明的一种实施方式的具有透镜或光重定向区域(light redirection region)的太阳能电池的简图；
图21是根据本发明的一种实施方式的太阳能电池的简图，太阳能电池具有耦合于在薄膜电池厚度内的波导陷光模的光重定向区域。
图22是示出了根据本发明的一种实施方式、使用施主衬底作为用于层转移的施主块(donor block)的方法的简图；
图23是根据本发明的一种实施方式使用集成的层转移工具的方法的简图；
图24是根据本发明的一种实施方式使用集成的层转移工具的方法的更详细的图；
图25是根据本发明的一种实施方式的用于层转移的组合工具的俯视图；
图26是示出了根据本发明的一种实施方式的使用施主衬底的可替代方法的简图；
图27是示出了根据本发明的一种实施方式的使用施主衬底的另一种可替代方法的简图；
图28是示出了根据本发明的一种实施方式的使用施主衬底的又一种可替代方法的简图；
图29是用于形成传统光伏电池的传统工艺；以及
图30是根据本发明的一种实施方式形成光伏电池的工艺的简图。
图31是根据本发明的一种实施方式的形成包括多个光伏电池的工艺的简图。
图32是根据本发明的一种可替代实施方式形成包括多个光伏电池模块的工艺的简化图。
图33是用于形成并入太阳能设备中的原料的传统工艺流程的简图。
图34是用于形成并入根据本发明的一种实施方式的太阳能设备中的原料的传统工艺流程的简图。
图35是用于在结合或层转移工艺过程中控制衬底温度的根据本发明的一种实施方式的装置的简图。
图35A是用于在从母体块材(parent bulk material)制成单晶膜过程中控制温度的根据本发明的一种实施方式的装置的简图。
图36示出了用于制造包括多个单独的光伏电池的太阳能模块的根据本发明的方法的一种实施方式的简化流程图。
具体实施方式
根据本发明的实施方式，提供了关于制造光伏材料的技术。更具体地，本发明的实施方式提供一种技术，该技术包括用于使用用于光伏应用的层转移技术而形成太阳能电池结构的方法和结构。然而将认识到，本发明具有更广泛的使用范围；其还可应用于其他类型的应用中，例如三维封装集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微电子机械系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、驱动器、集成电路、生物学和生物医学装置等。
下面简要概述了在半导体衬底上制备光伏层的方法。
1.提供半导体衬底，其具有表面区域、解理区域以及在表面区域和解理区域之间的待去除的第一厚度的材料；
2.将该半导体衬底对准光学透明衬底；
3.使用有机和/或无机膜(例如，玻璃基硅)将半导体衬底的表面区域结合于光学透明衬底的第一表面区域；
4.在部分的解理区域上开始进行受控的解理作用(cleavingaction)；
5.解理半导体衬底以将第一厚度的材料从半导体衬底去除，而表面区域仍与第一表面区域结合，从而导致解理的表面区域的形成；以及
6.可选地，形成覆盖解理表面区域的第二厚度的半导体材料，以形成所得厚度的半导体材料，其具有一个或多个光伏区域；
7.提供覆盖第二厚度半导体材料上的盖板玻璃材料(coverglass material)；以及
8.根据需要，进行其他步骤。
上述步骤的顺序提供了根据本发明的一种实施方式的方法。如所示，该技术包括使用用于光伏用途的层转移技术来形成太阳能电池结构的方法和结构。可在不背离权利要求的范围的情况下，还可提供其他的可替代方式，其中增加步骤，取消一个或多个步骤，或者以不同的顺序提供一个或多个步骤。可替代地，可采用其他用于形成该结构的方式。即，根据一种特定实施方式，最初可以在例如盖板玻璃和其他适合的材料的盖板(cover sheet)上形成序列(sequence)，随后形成其他层。层转移发生在盖板玻璃上，其用于形成太阳能电池装置的其余部分。其他的技术可以使用转移衬底，其将层转移材料转移至操作衬底上。本方法的更多细节可在本说明书全文中特别是在下文中找到。
如图1中所示，该方法提供了具有第一偏转特性、背面、以及正面的透明操作衬底。该透明操作衬底可以是玻璃、石英、聚合物、或其他复合物等。仅作为举例，该透明衬底具有厚度、背面、和正面。该透明衬底是玻璃，例如用于覆盖太阳能电池的那些等。取决于该实施方式，这种玻璃应有一些柔性且具有可经受支持板的刚性。当然，可以有其他的变化、修改、以及替代方式。
在可替代的实施方式中，操作衬底可以是任意的均质材料、分级材料或多层材料、或其任意结合。即，操作衬底可由几乎任何单晶、多晶、或甚至非晶类型的衬底制成。另外，该衬底可由III/V材料如砷化镓、氮化镓(GaN)等制成。另外，该衬底可以是碳化硅、锗、硅、玻璃或石英组合物、塑料、以及聚合物，其具有柔性特性。优选地，根据一种特定实施方式，操作衬底具有少许的柔性特性，其不适用于的层转移工艺。取决于特定的实施方式，衬底的不适合特性导致过度的粗糙、破裂、部分膜分离等。取决于特定的实施方式，还可使用材料的任何其他组合。
在一种实施方式中，本发明提供了一种支持衬底(backingsubstrate)以增加操作衬底结构的刚性，如图2中所示。优选地，支持衬底具有一厚度和这样的材料，其适合于提供多层结构的有效偏转特性，其中多层结构至少由支持衬底和操作衬底构成，以适合于厚度的含硅材料从施主衬底被转移到操作衬底的正面。
仅作为举例，支持衬底是用于石英操作衬底的硅晶片。这种支持衬底具有725微米+/-15微米的厚度并且由单晶硅制成，使用例如200毫米施主/操作/支持衬底结构而。这种衬底具有约130吉帕的杨氏模量(Young’s modulus)。可以使用其他类型的材料和一定厚度如塑料、金属、玻璃、石英、复合物等以向组合的支持和操作衬底结构提供刚性。当然，本领域中普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种可选的特定实施方式中，该方法在支持衬底和/或透明操作衬底面上进行清洗和/或活化过程(例如，等离子体活化过程)，如图3和图4所示。这样的等离子体活化过程可清洗和/或活化衬底的表面。在20℃-40℃温度下使用含氧或含氮的等离子体来进行等离子体活化过程。优选在由加利福尼亚州圣何塞的Silicon GenesisCorporation制造的双频率等离子体活化系统中进行该等离子体活化过程。在其他的实施方式中，可以没有任何支持材料。可替代地，在其他的实施方式中，本方法可以静电卡盘和/或多孔式卡盘等方式来使用支持材料。取决于特定的实施方式，本支持材料可以被设置在操作或施主衬底上或被设置在操作衬底和施主衬底上。当然，可存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
参照图5，本方法开始将支持衬底接合于经常在物理上与其他结构分离的透明操作衬底的背面。该方法优选临时支持衬底连接至透明操作衬底的背面，以便牢固地将支持衬底连接至透明操作衬底，从而形成多层结构。根据优选的实施方式，仅作为举例，硅晶片支持衬底牢固地连接于石英板而没有任何其他的修改和/或替代。这里，硅晶片具有非常薄的本征氧化物(native oxide)涂层，其粘结于石英板的表面，然而也可以存在没有这种本征氧化物的实施方式，如图6中所示。在其他的实施方式中，可使用静电方法或纤网固结(web bonding)，包括共价键合，以及这些中的任意组合等来进行结合。在其他的可替代实施方式中，还可使用旋涂玻璃、胶层(glue layer)、这些中任意组合等来进行粘结。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
如所示，该方法包括提供包括解理区域、正面、背面、以及在正面和解理区域之间的厚度硅支撑材料，如图7中所示。仅作为举例，施主衬底可以是硅晶片、锗晶片、硅锗材料、含碳化硅材料、III/V族化合物、以及这些的任意组合等。在一种优选的实施方式中，施主衬底使用光敏材料制成。当然可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
取决于实施方式，可以使用各种技术来形成解理区域。即，可以使用注入粒子(掺杂颗粒，implanted particle)、沉积层、扩散材料、图案化区域、及其他技术的任意适当的组合来形成解理区域。参照图6，该方法使用注入工艺引入某种高能粒子通过施主衬底的顶部表面至选定的深度，该深度限定了厚度的材料区域，称为材料“薄膜”。可以使用各种技术将高能粒子注入硅晶片中。这些技术包括使用例如由诸如Applied Materials，Inc.公司制造的束线离子注入设备的离子注入等。可替代地，可使用等离子体浸没离子注入(“PIII”)技术、离子簇射(ion shower)、以及其他非质量比技术(non-mass specific technique)进行注入。也可以使用这些技术的组合。当然，所使用的技术取决于应用。
取决于应用，根据一种优选的实施方式，通常选择较小质量的粒子以减少对材料区域损坏的可能性。即，较小质量的粒子易于穿过衬底材料抵达选定的深度而基本上不损伤粒子穿过的材料区域。例如，较小质量的粒子(高能粒子)几乎可以是带任意电荷的(例如，正电荷或负电荷)和/或为电中性原子或分子、或电子等。在一种特定的实施方式中，取决于实施方式，该粒子可以是中性的和/或带电的粒子，包括离子(例如氢及其同位素的离子)、稀有气体离子(例如氦及其同位素)、以及氖等。该粒子也可以来源于诸如气体(例如，氢气、水蒸汽、甲烷、以及氢化合物)的化合物和其他轻原子质量的粒子。可替代地，该粒子可以是上述粒子和/或离子和/或分子物质和/或原子物质的任意组合。该粒子通常具有足够的动能足以穿透表面抵达表面之下的选定深度。
例如，使用氢作为注入硅晶片中的物质，使用一系列特定的条件进行注入过程。注入剂量范围为约1×10e15至约1×10e18原子/cm2，该剂量优选为大于约1×10e16原子/cm2。注入能量范围为约1KeV至约1MeV，且通常为约50KeV。注入温度范围为约20至约600摄氏度，并优选为小于约400摄氏度以避免大量的氢离子扩散出注入的硅晶片以及使注入的损伤和应力退火的可能性。可以选择性地将氢离子以大约+/-0.03至+/-0.05微米的准确率引入硅晶片中至选定的深度。当然，使用的离子类型和工艺条件取决于应用。
有效地，注入粒子在所选定的深度沿着平行于衬底顶面的平面增加应力或减少断裂能。该能量部分地取决于注入物质和条件。这些粒子会在所选定的深度降低衬底的断裂能水平。这允许在所选定的深度沿着注入平面的受控解理。注入可以在这样的条件下发生，以致在所有内部位置的衬底的能态不足以在衬底材料中引发不可逆断裂(即，分离或解理)。然而，应当注意到，注入确实通常会在衬底中引起一定量的缺陷(例如，微缺陷)，其通常可以至少部分地通过其后的热处理，例如，加温退火或快速加温退火加以修复。所获得的已经受注入的衬底由图7的简图示出。
取决于实施方式，可存在其他的技术用于形成解理区域和/或解理层。仅作为举例，使用其他工艺，例如那些称为加利福尼亚州圣克拉拉Silicon Genesis Corporation的NanocleaveTM工艺、法国SoitecSA的SmartCutTM工艺、以及日本东京Canon Inc.的EltranTM工艺、任何类似的工艺、以及其他来形成这样的解理区域。当然，还存在其它的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，已与支持衬底和施主衬底耦合的透明操作衬底均进行等离子体活化过程，如在图8中部分示出的。这种等离子体活化可以过程清洁和/或活化衬底的表面。在20℃至40℃的温度下使用含氧或含氮的等离子体来提供等离子体活化过程。优选在由加利福尼亚州圣何塞的Silicon GenesisCorporation制造的双频率等离子体活化系统中进行等离子体活化过程。当然，可存在其他的变型、修改、以及可替代方式，其已在本文中以及本说明之外进行了描述。
然后，还如图9所示，将这些衬底中的每一个粘结在一起。如图所示，已操作衬底粘合于施主晶片。优选使用EVG850结合工具(由Electronic Vision Group制造)或其他类似工艺来粘结衬底。还可使用其他类型的工具，例如由Karl Suss制造的那些。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。优选地，在透明操作衬底与施主衬底之间的粘合基本上是永久的并具有良好的可靠性。
因而在粘结之后，使粘结的结构经受烘烤处理。该烘烤处理将粘结结构在预定的温度下维持预定的时间。对于硅施主衬底和透明操作衬底，该温度范围可优选为约200或250摄氏度至约400摄氏度，并优选地为约350摄氏度，保持大约1小时。在一种特定的实施方式中，可借助于加热板和/或表面的传导加热方法来进行烘烤处理，其将直接来自加热板的热能直接耦合(结合，couple)至粘结的衬底。在其他的实施方式中，可以使用辐射、传导、对流、或这些技术的任何组合等来提供热能。取决于特定的应用，可存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，使用低温热步骤将衬底连接或熔合在一起。低温热处理通常可确保注入的粒子不会对材料区域施加过大的应力，那样可能会产生不受控的解理作用。与等离子体活化表面处理结合，此步骤的另一个考虑是使得粘结强度增加以在相同烘烤处理步骤中消除组件的分层，这种分层通常是由使用的不同材料的热膨胀系数失配引起的应力所导致的。在一种特定的实施方式中，低温粘结过程通过自粘结过程进行。尤其是，剥离一个晶片，以从中去除氧化(或者一个衬底未被氧化)。用清洗液处理晶片表面从而在晶片表面上形成O-H键。用于清洁晶片的溶液的实例是过氧化氢和硫酸的混合物、以及其他类似的溶液。用干燥器干燥晶片表面以从衬底表面去除任何残留的液体或颗粒。通过将清洗的衬底的表面放置在一起来进行自粘结。
可替代地，将粘合剂布置在衬底的任一个或两个表面上，粘合剂将一个衬底粘结于另一个衬底。在一种特定的实施方式中，粘合剂包括环氧树脂、聚酰亚胺型材料等。可以使用旋涂玻璃层将一个衬底表面粘结于另一个衬底的正面上。这些旋涂玻璃(“SOG”)材料包括，但不限于，硅氧烷或硅酸酯(硅酸盐)，其通常与醇基溶剂等混合。SOG可能是一种期望的材料，因为在其施加于晶片表面后，经常需要低温(例如，150至250℃)来固化SOG。
可替代地，可以使用各种其他的低温技术将施主晶片结合(连接)于操作衬底。例如，可以使用静电结合技术将两个衬底结合在一起。具体而言，使一个或两个衬底表面带电荷以吸引至其他的衬底表面。另外，可以使用各种其他的通常已知的技术，将施主衬底与操作晶片(处理晶片，handle wafer)熔合。在一种特定的实施方式中，将施主和操作衬底结合在一起的粘结方法可以使用原位等离子体活化结合方法、原位静电结合方法、这些方法的任意组合等。当然，该所使用的技术取决于应用。
在一种优选的实施方式中，该方法在两个衬底之间使用光耦合材料。该光耦合材料可以是具有约1.8至约2.2折射率的任意适合的材料，但也可以是其他的材料。该材料可以选自氧化锡、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛或其他介电堆叠形成材料等，包括这些的组合。取决于具体实施方式，该材料可包括一层或多层，以及其他构造。当然，可存在其他变型、修改、以及可替代方式。
如图10和11所示，该方法在粘结的衬底结构上进行受控的解理过程。受控的解理过程在施主衬底的一部分解理区域中提供选择的能量。仅作为举例，受控的解理过程已在题为受控的解理过程(Controlled Cleaving Process)的共同转让给加利福尼亚圣何塞Silicon Genesis Corporation的美国专利第6,013,563号中进行了描述，其披露的内容以引用方式结合于此作为参考。接着，该方法将该厚度材料从施主衬底脱离从而将该厚度材料从施主衬底完全去除，如图12所示。
在一种实施方式中，如图13所示，该方法将衬垫衬底从透明的操作衬底去除。在一种实施方式中，支持衬底和操作衬底之间的附着是暂时的并且可以用机械力将其去除而不损害任何一个衬底。在一种特定的实施方式中，可以使用分离工艺将支持衬底从操作衬底脱离。在一种特定的实施方式中，当已经使用静电、真空、或机械卡盘和/或附着装置提供了支持衬底元件时，也可以免除衬垫衬底。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
参照图14，该方法在该厚度的材料的表面上形成光伏器件。这样的器件还可以包括集成的半导体器件以及光伏器件。可以利用沉积、蚀刻、注入、感光掩蔽工艺(photo masking process)、喷墨印刷、丝网印刷、这些中的任意组合等来制成这样的器件。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，该方法还可使用沉积工艺来加厚转移材料的厚度。在一种特定的实施方式中，该方法使用固相外延工艺和/或其他形式的沉积工艺。根据一种特定的实施方式，该方法可形成适合的单晶硅或类似的材料。仅作为举例，该材料可以是非晶硅、多晶硅、锗以及硅锗合金。例如，非晶硅利用底层转移硅膜作为模板可有利地实现单晶硅的固相外延生长。可提高硅材料沉积的有效速率的另一种方法是用硅纳米颗粒(有利地为非晶硅)喷射或涂覆表面，该纳米颗粒可以被热处理以利用底层转移硅膜作为模板来产生单晶硅。其可以被干施加或利用液体来施加，其中液体将在随后的处理中被除去。使用适合的处理，例如激光退火、快速热处理(flash thermal treatment)等，多晶硅和其他材料也可允许实现单晶再生长。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，这种方法包括蚀刻和/或沉积过程(例如，等离子体辅助沉积)用于在形成光伏区域和/或形成加厚层的任意步骤之前使解理的表面区域变平滑。根据一种特定的实施方式，该方法可以利用平滑处理，该平滑处理包括使用含氢和氯化氢的环境对解理的膜进行热处理。可替代地，该蚀刻剂可以是化学浴(例如，KOH、TMAH)以将解理膜蚀刻至预定量。例如，该蚀刻过程可用于去除约300至约800埃的氢损伤的硅。在一种特定的实施方式中，还可在该氧化过程之前进行蚀刻过程，从而将氢损伤区域转化为氧化物，随后使用缓冲氧化物蚀刻和/或其他适合的蚀刻物质将其去除。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种优选的实施方式中，使用非晶硅层加厚转移材料。在一种优选的实施方式中，可将非晶硅层再结晶等。在一种特定的实施方式中，利用纳米颗粒的应用(例如，非晶硅、晶体硅、多晶硅、或这些的组合)来沉积非晶硅层，随后使其经受热处理以导致形成一片加厚的材料。可替代地，可在低温下根据一种特定的实施方式使用物理气相沉积或化学气相沉积(例如，等离子体增强)来形成非晶硅层。在一种优选的实施方式中，在这样的硅层的形成过程中，将已在玻璃材料上沉积的非晶硅层保持在小于500摄氏度的温度下。在一种特定的实施方式中，根据一种特定实施方式获得的膜可以是单晶和/或多晶结构。在一种优选的实施方式中，获得的膜是单晶的并且具有适合的电特性。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
取决于该实施方式，可使加厚的材料经受掺杂(impurity)以形成太阳能电池结构。在一种特定的实施方式中，可以使用离子束、等离子体浸渍注入、离子簇射、非质量分离注入、基本上或部分非质量分离(non-mass separated implantation)、或常规的注入技术来进行杂质的原位掺杂、扩散、和/或注入。根据一种特定的实施方式，这些太阳能电池结构可包括P-型和N-型杂质的杂质区域。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，该方法还可以形成覆盖加厚层的另一层以形成光伏器件。根据一种特定的实施方式，其他的层可以是半导体层，其可被用来增强用于完成的太阳能电池结构提供的光伏器件。在一种可替代的实施方式中，该其他层可以是锗、硅锗、II/IV、III/V、这些的任意组合等。该其他层可用来形成另一组光伏区域，其可耦合于其他的光伏器件，以增强总的光伏强度(光电强度，photovoltaic intensity)。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
取决于实施方式，可使用特定厚度的加厚层和/或层转移层与加厚层的组合来形成这种方法和结构。在一种特定的实施方式中，加厚层使用硅材料可以是约1微米和20微米。在另一种实施方式中，加厚层可小于1微米或大于20微米。在其他的实施方式中，加厚层可以小于约50微米。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图15至18示出了根据本发明的实施方式的太阳能电池构造的简图。这些图仅仅为示例而不应不适当地限制本文权利要求的范围。本领域中的普通技术人员应明了许多变型、修改、以及可替代方式。如图15中所示，夹在玻璃衬底和半导体层的第一表面之间形成第一接触层。在一种特定的实施方式中，该接触层可由适合的材料，例如透明导电材料如ITO等形成。也可使用其他材料。第一接触层耦合于用于光伏电池的第一电极结构，其常常包括一个p-n结或多个p-n结。仅作为举例，该半导体层可包括诸如适合的单晶硅等的材料。形成第二接触层，其覆盖半导体层的第二表面。第二接触层布置在平行于第一接触层的方向上。在一种特定的实施方式中，第二接触层被图案化以形成耦合于每个光伏区域的多个电极。取决于一种特定的实施方式，可以以并联和/或串联的方式来布置每个电极。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，如由图16的简图所示，可在第二接触层和半导体衬底之间形成另外的结以提高太阳能电池的效率。如图所示，根据一种特定的实施方式，另外的结被设置在覆盖该厚度单晶硅材料的增厚层上。该另外的结可以是与该厚度单晶硅中的光伏器件分离的。这些另外的结中的每一个可以以彼此并联和/或串联的方式加以构造并耦合于该厚度硅材料中的光伏器件。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图17示出了根据本发明的一种实施方式的太阳能电池构造的又一个实施例。如图所示，将玻璃衬底附着于半导体层的第一表面。在半导体层的第二表面上形成第一接触结构和第二接触结构。第一接触结构被构造为与第二接触结构完全平行。如图所示，每个光伏器件至少耦合于第一和第二接触结构，其覆盖该厚度的单晶硅材料。可替代地，如图17所示，另外的结可以形成在接触结构和半导体衬底之间以提高太阳能电池的效率。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图19是根据本发明的一种实施方式的具有反射表面区域的太阳能电池的简图。如图所示，提供也一种太阳能电池。该太阳能电池包括附着于半导体层的第一表面的玻璃衬底。形成多个接触结构，覆盖半导体层的第二表面。如图所示，每个光伏器件至少耦合至接触结构，其覆盖该厚度的单晶硅材料。光横向穿过玻璃衬底和半导体层中的光伏器件并转化为电能。如图所示，提供了反射表面1901以反射穿过光伏区域的任何残留光从而进一步活化一个或多个光伏器件并转化为电能。可以使用诸如铝、银、金、或其他适合的反射材料来提供反射表面。可替代地，如果需要非导电反射器，则可以单独地或与导电反射器结合来设计介电堆叠反射器(dielectric stack reflector)。反射表面提供了用于在光伏器件中多路穿过光的方式并提高了太阳能电池的效率。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图20是根据本发明的一种实施方式的具有透镜区域的太阳能电池的简图。如图所示，提供了一种太阳能电池。该太阳能电池包括附着于半导体层的第一表面的玻璃衬底。形成多个接触结构，其覆盖半导体层的第二表面。如图所示，每个光伏器件至少耦合于接触结构，其位于单晶硅材料厚度的上方。光横向穿过玻璃衬底和半导体层中的光伏器件并转化为电能。在一种特定的实施方式中，使用耦合于玻璃衬底的光学元件2001使光改变方向和/或散射，从而以更大的倾斜角度来引导光并提高太阳能电池的收集效率。这样的光学元件的一个实例可以是菲涅耳透镜。菲涅耳透镜可由塑料材料或玻璃材料制成。可替代地，可以改进玻璃衬底以散射光或使光改变方向并像菲涅耳透镜一样发挥作用。通过改进光学元件2001的形状，可以发生陷光作用，其中通过硅薄膜内的波导效应或通过接近朗伯光源而提供的全内反射，从而增加薄膜电池的有效厚度。可以组合这些效应以改善电池的总的光转化效率甚至使其最佳化。
图21示出了一种特定的实施方式，其中选择光学元件使得大部分镜面光线以倾斜角度被引向薄膜光伏电池。此图仅作为一个实例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。在一种特定的实施方式中，选择该薄膜的厚度使得波导不仅可以俘获在玻璃衬底内以一定角度射入的光并且可以支持所关心的光波长范围在薄膜内的传播。因此，对于所关心的所有波长(例如，IR至近-UV，其构成最大的太阳能光谱波长分布)而言，设计的考虑因素是，在薄膜电池厚度内允许横向电场(TE)、横向磁场TM的传播，以及组合模式和高阶模式(high order mode)。实现这种设计目标的波导的适合的色散曲线将产生可允许的硅厚度范围以及选择将作为波导包层的光耦合层。为了在电池入射角度范围内正确操作系统，光在透明衬底内的入射角度也是设计要考虑的问题。一旦在薄膜内耦合，这种传播将被显著削弱，这是由于通过在薄膜内产生载波(carrier)以及吸收辐射而转化为电。与纵向PN结一致的光的纵向传播将有助于使光转化效率最大化。可以通过接触部(触点)1和2来收集获得的电功率。该结构还允许有光耦合层，其有助于降低反射，该反射可以降低薄膜太阳能电池有源区(active area)内的耦合光能。在一种特定的实施方式中，可以多模式或单模式来操作波导。另外，根据一种特定的实施方式，可以使用内部材料来产生波从而导致入射光的内部反射折射率的差异。在一种优选的实施方式中，可将硅锗薄层夹在硅结构内以改善甚至最佳化约束于一个或多个光伏区域的区域(例如，中间区域)的光。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图22是示出了根据本发明的一种实施方式的使用施主衬底作为用于层转移的施主块的方法的简图2200。该图仅为一个举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，这种方法包括提供具有表面区域2203、解理区域2204、以及总厚度的材料2208的可重复使用衬底2201。在一种特定的实施方式中，总厚度的材料比表面区域与解理区域之间的待去除的材料的第一厚度至少大N倍。
取决于该实施方式，该厚度的材料可由多种材料组成。作为举例，该材料可以是硅、硅锗、碳化硅、任何III/V族材料、II/VI族材料等。在一种优选的实施方式中，该厚度的材料是适用于太阳能电池应用的单晶硅。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，该方法使2213该厚度材料的表面区域朝向操作衬底元件2211。该操作衬底可以是任何适合的材料，例如玻璃、石英、塑料、任何复合物、或多层材料等。该方法包括将可重复使用的衬底的表面区域耦合至光学透明衬底的第一表面区域，该光学透明衬底具有将结合至该厚度材料的第一表面区域以及第二表面区域2209。在一种特定的实施方式中，第二表面区域常常被称为光伏电池或材料的孔径区域。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
如进一步示出的，根据一种特定的实施方式，该方法还包括在可重复使用衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差。在一种特定的实施方式中，该电压差引起解理区域的一个或多个部分的热和/或应变能增加从而便于第一厚度的材料从可重复使用衬底去除，而使该表面区域保持与第一表面区域的耦合。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，由于衬底结构的电阻率，通过电阻加热将产生热能。在一种特定的实施方式中，加热(thermal heating)提高了衬底结构的温度。在一种优选的实施方式中，该衬底是单晶硅并由12英寸硅梨晶(silicon boule)而成形。由起始的梨晶尺寸获得的衬底尺寸可以是约23厘米×18厘米×1.5厘米厚度。假定是p+掺杂的硅材料并且沿长边(23cm)接触，假定电阻率为约0.5欧姆-cm则计算得到大约0.5欧姆的电阻。根据一种特定的实施方式，作为举例，为了加热该可重复使用的衬底，约10-100安培的电流将产生50瓦特至5千瓦并可调整以得到期望的加热量并达到期望的衬底温度。在层转移工艺过程中，可以以各种方式使用该可调整的热元件。
例如，粘结前的准备可以使用热处理来固化施加的玻璃层化合物或根据在2000年12月19日以Henley，Francois J.和Cheung，Nathan W.名义公布的普通转让的美国专利第6,162,705号“受控的解理过程以及使用β退火获得的装置(Controlled Cleavage Processand Resulting Device Using Beta Annealing)”进行氢解理平面的β退火，其内容引入本文作为参考。在粘结过程中，热处理可增加粘结强度并进一步固化解理平面和/或使其最佳化。此外，热处理将必然会在垂直方向上产生热梯度并且这会产生也可促进解理过程应变能。根据本发明的一种优选实施方式，如果使用静电结合工艺，这些接触还将被用来设定可重复使用衬底的电位。在一种特定的实施方式中，在粘结过程中连续使用热处理会产生热诱导的解理过程(thermally-induced cleaving process)而不是受控的解理过程。在一种优选的实施方式中，发生受控的解理作用，从而通过利用该厚度材料的一个部分向该厚度材料的另一个部分的扩展的解理前沿(propagating cleave front)来去除该厚度材料。脱离的材料包括耦合至光学透明衬底的第一表面区域的解理表面区域。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。这种方法的更多细节可以在本说明书全文中，特别是在下文中找到。
在一种特定的实施方式中，本发明提供了一种与层转移工艺(例如受控的解理、称为Smart CutTM的工艺(Soitec，SA))一起使用的可重复使用的硅衬底装置2200。该装置包括具有表面区域、解理区域、以及总厚度材料的可重复使用衬底，其中总厚度的材料优选比待去除的材料的第一厚度大至少N倍。待去除的第一厚度的材料位于表面区域和解理区域之间。在一种特定的实施方式中，N是大于约为10的整数，但可以是其他的数。该装置还具有第一电极件2204，其耦合至可重复使用衬底的第一区域，以及第二电极件2203，其耦合至可重复使用衬底的第二区域。该装置具有耦合在第一电极件与第二电极件之间的电压源，以提供第一区域和第二区域之间的电位差，从而引起解理区域的一个或多个部分热和/或应变能增加以促进第一厚度材料从可重复使用衬底去除。当然，可以存在其他变型、修改、以及可替代方式。这种方法的更多细节可以在本说明书全文中，特别是在下文中找到。
在图22中的特定实施方式中，使用一个“厚”的施主块用于粘结和解理。根据一种实施方式，该粘结可以通过静电结合而形成，其中电压穿过该区块至玻璃(V1＝V2，V3处于高电位)。用于粘结处理的加热可用电压差V1<>V2而实现，使用电流加热硅片(tile)进行粘结处理(BT)。取决于该实施方式，可以在硅片的选定的空间部分上选择性地施加该电压或多个电压。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
如图22的实施方式中示出的厚片的这种使用使其赋予了许多可能的优势。一个优势是该片和卡盘的多次(500×或更多)再利用。这样的实施方式还实现了廉价的表面再形成(resurfacing)，并使用集成的层转移工具(Integrated Layer-Transfer Tool)(ILT2)的概念。取决于该实施方式，还可存在其他的优势。
下面简要列出一种在半导体衬底上制造光伏层的方法：
1.提供可重复使用的半导体衬底，其具有表面区域、解理区域以及在表面区域和解理区域之间待去除的第一厚度的材料；
2.使该可重复使用的半导体衬底对准光学透明衬底；
3.在将被粘结在可重复使用衬底和光学透明衬底上的一个表面或两个表面上形成光耦合材料(例如，玻璃基硅)和/或粘结促进材料(bond promotion material)；
4.在将被粘结在可重复使用衬底和光学透明衬底上的一个表面或两个表面上进行等离子体清洗过程；
5.将半导体衬底的表面区域结合至光学透明衬底的第一表面区域；
6.在部分解理区域上开始进行受控的解理作用；
7.解理半导体衬底以将第一厚度的材料从半导体衬底去除，而表面区域仍与第一表面区域的结合，以导致解理表面区域的形成；以及
8.可选地，形成覆盖解理表面区域的第二厚度的半导体材料，以形成所得厚度的半导体材料，其具有一个或多个光伏区域；
9.提供覆盖第二厚度的半导体材料的盖板玻璃片材料以形成第一光伏电池元件；
10.利用可重复使用的衬底重复一个或多个上述步骤，以形成第二光伏电池元件；
11.继续步骤(10)以形成多达N个电池元件，其中N是大于约10的整数；以及
12.根据需要，进行其他步骤。
上述步骤的顺序提供了根据本发明的一种实施方式的方法。如所示，该技术包括使用用于光伏用途的层转移技术来形成太阳能电池结构的方法和结构。可在不背离权利要求的范围的情况下，还可提供其他的可替代方式，其中增加步骤，取消一个或多个步骤，或者以不同的顺序提供一个或多个步骤。可替代地，可采用其他用于形成该结构的方式。即，根据一种特定实施方式，最初可以在例如盖板玻璃和其他适合的材料的盖板上形成序列，随后形成其他层。层转移发生在盖板玻璃上，其用于形成太阳能电池装置的其余部分。其他的技术可以使用转移衬底，其将层转移材料转移至操作衬底上。本方法的更多细节可在本说明书全文中特别是在下文中找到。
图23是根据本发明的一种实施方式使用集成的层转移工具的方法2300的简图。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，该方法包括提供施主衬底和操作衬底。在一种特定的实施方式中，施主衬底包括解理平面，其通过注入、沉积、或其他技术来提供。在一种优选的实施方式中，施主衬底是可重复使用的并可经受多次层转移过程。
在一种特定的实施方式中，该方法包括使用集成的层转移工具进行多于一种的过程以形成光伏电池和/或区域。在一种特定的实施方式中，该工具被设置为群集工具，其具有用于输入和输出一个或多个衬底的机械手。如图所示，该群集工具具有集成室，其可进行等离子体清洗、等离子体活化结合(包括原位结合)，以及受控的解理工具。也可包括其他技术，如静电结合、固化(例如玻璃基硅)、或其他工艺。在一种特定的实施方式中，还可设置多于一个的室以实现这些以及其他功能。在一种特定的实施方式中，使保持在操作衬底上的解理衬底经受沉积过程。
在一种特定的实施方式中，仍然如上所述，可提供沉积过程以加厚转移材料的厚度。取决于该实施方式，该工艺可包括化学气相沉积、物理气相沉积、提供纳米颗粒并使其回流以形成外延硅，这些中的任意组合等。仍然如图所示，回收可重复使用的衬底并且再一次开始该方法从而形成另一个光伏区域。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。集成的层转移工具的更多细节可以在本说明书全文中，特别是在下文中找到。
使用上述集成层转移工具(ILT2)概念的实施方式可使其具有某些优势。ILT2的可能的优势是其允许对层转移工艺中的关键步骤进行组合(bundling)。具体地，过程模块概念可被应用于层转移。在其他的实施方式中，过程模块还可包括其他的工过程。
ILT2工艺的实施方式还可设置更低成本和更高产量的层转移。其可实现在控制良好的环境中发生关键的结合/解理步骤以消除缺陷相关的产量损失。与单一工具层转移制造相比，ILT2还可设置最低成本的解决方案。ILT2工艺的多种特征和优势在下文中进行更详细的讨论。
图24是使用根据本发明的一种实施方式的集成层转移工具的方法2400的更详细的图。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。在一种特定的实施方式中，施主衬底包括解理平面，其通过注入、沉积、或其他技术。在一种优选的实施方式中，该施主衬底是可重复使用的并可进行多次层转移工艺。在更优选的实施方式中，该可重复使用硅衬底装置(device)2401是同时进行多于一个的层转移过程来使用的。
在一种特定的实施方式中，可重复使用的装置具有施主衬底元件，其具有多个位置。该装置还具有多个分别排列在多个位置上的可重复使用衬底。在一种特定的实施方式中，每个可重复使用衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料。在一种优选的实施方式中，总厚度的材料比待去除的材料的第一厚度至少大N倍。待去除的第一厚度的材料位于表面区域和解理区域之间，其中N是大于约10的整数。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，该方法包括使用集成的层转移工具进行多于一种过程以形成光伏电池和/或区域。在一种特定的实施方式中，该工具被设置为群集工具，其具有用于输入和输出一个或多个衬底的机械手。如图所示，该群集工具具有集成室，其可在待结合的一个或两个表面上形成粘结促进层或调整层(利用类似SOG的有机或无机材料等)，等离子体活化和/或静电结合(包括原位结合)，以及受控的解理工具。在一种特定的实施方式中，还可提供多于一个的室以实施这些以及其他功能。在一种特定的实施方式中，使保持在操作衬底上的解理衬底经受沉积过程。
仍然如上所述，在一种特定的实施方式中，可以提供沉积过程以加厚转移材料的厚度。取决于该实施方式，该工艺可包括化学气相沉积、物理气相沉积、提供纳米颗粒并使其回流以形成外延硅，这些中的任意组合等。仍然如图所示，回收可重复使用的衬底并再次开始该方法以形成另一个光伏区域。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。集成的层转移工具的更多细节可以在本说明书全文中，特别是在下文中找到。
也可以结合上面讨论的粘结工具而采用其他的设备。例如，可以使用离子簇射系统(Gen4玻璃)以形成解理平面。还可以使用其他形式的注入，例如等离子体浸没离子注入、等离子体注入等。CMP工具可用于使施主变平滑并将其回收。也可以结合使用化学处理工具。离子束辅助沉积工具可用于加厚。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图25是用于根据本发明的一种实施方式的群集工具2500的俯视图。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，提供群聚工具设备，例如多室工具。该工具具有第一室(1)，其具有层转移过程中使用的可重复使用的硅衬底装置。该装置具有可重复使用的衬底，该衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，其中总厚度的材料比待去除材料的第一厚度大至少N倍。在一种特定的实施方式中，待去除的第一厚度的材料位于表面区域和解理区域之间，其中N是大于约10的整数。第一电极件耦合于可重复使用衬底的第一区域，例如解理区域、其他区域。第二电极件耦合于可重复使用衬底的第二区域，例如解理区域或其他区域。在一种特定的实施方式中，该装置具有耦合在第一区域和第二区域之间的电压源，以提供第一区域和第二区域之间的电压差，从而导致解理区域的一个或多个部分的热能和/或应变能增加，从而便于从可重复使用衬底去除第一厚度材料。
在一种特定的实施方式中，群聚工具具有结合于第一室的第二室(2)。提供第二室以进行一种或多种过程。取决于该实施方式，第二室可适于为粘结作准备，例如，形成提高粘结质量的层、热退火和/或蚀刻、平滑处理。另外，根据一种特定的实施方式，该第二室可适于进行等离子体活化和结合。可以提供其他的室进行结合处理、解理、注入、沉积、蚀刻、以及其他过程。取决于该实施方式，可以以并联和/或串联方式布置这些室。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在图25中示出的装置允许对关键的层转移过程进行组合(bundling)，实现了将过程模块概念应用于层转移。在群集工具上运行的过程模块可以包括，但不限于，(光学)粘结准备、集成的等离子体活化(PA)/结合、粘结处理、解理、以及快速热处理(RTP)。
图26是示出了根据本发明的一种实施方式的使用施主衬底的可替代方法的简图2600。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文的权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，提供了可在层转移过程中使用的可重复使用的硅衬底装置。该装置具有可重复使用的衬底2601，其具有表面区域2603、解理区域2605、以及总厚度材料2607。该总厚度的材料比待去除的材料的第一厚度大至少N倍。在一种特定的实施方式中，待去除的第一厚度材料位于表面区域和解理区域之间，其中N是大于约10的整数。在其他的实施方式中，N可以是其他整数。当然，可以存在其他变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，该装置还具有卡盘元件2609，其适于将操作衬底元件2611保持在适当的位置。在一种特定的实施方式中，操作衬底可由任何适合的材料(如本文中提到的那些，例如玻璃、石英、或塑料，包括其他的组合等)制成。该卡盘元件以支持操作衬底便于将操作衬底粘结于待去除的第一厚度材料的方式布置。在一种特定的实施方式中，卡盘元件可以是机械卡盘、静电卡盘、或真空卡盘。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，在可移动的头部装置(head device)上设置可重复使用的衬底。根据一种特定的实施方式，头部装置可适于在z方向上提供压力2602，从而导致将可重复使用的衬底的表面施加至操作衬底。根据一种特定的实施方式，该头部装置还可沿侧向的y和x方向移动。头部装置也适于能够相对于z方向倾斜以便于该厚度的材料的解理。可替代地，将卡盘装置(以下将进行更加详细的描述)设置为相对于z方向倾斜。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种优选的实施方式中，该装置具有可操作地结合于卡盘元件的机械压紧装置2613。机械压紧装置适于提供力2619以使操作衬底粘结于待去除的第一厚度材料。在一种特定的实施方式中，该卡盘元件是一个刚性的圆柱辊构件，其可绕轴旋转2617并侧向移动2615。还可以使用可替代的构件(例如其他环形构件、辊、以及任何其他适合的形状、大小、以及刚度)。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。在本说明书全文中、特别是在下文中可以找到根据本发明的实施方式的其他方法和系统的更多细节。
图27是示出了根据本发明的一种实施方式的使用施主衬底的可替代方法的简图2700。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，根据一种特定的实施方式，本发明提供了在较大的框架构件和/或支承构件2701上的多个可重复使用的衬底的应用。在一种特定的实施方式中，该结构和/或支承构件包括多个可重复使用的衬底2705。每个衬底包括解理区域、表面区域、以及待去除的厚度的材料。
在一种特定的实施方式中，多个可重复使用的衬底被粘结2707于由卡盘构件支持的操作衬底。取决于该实施方式，该粘结工艺可包括等离子体活化和/或静电结合工艺、连接工艺、粘结处理工艺等。在一种特定的实施方式中，连接的多个可重复使用的衬底经受解理过程。取决于特定的实施方式，解理过程可以是称为Silicon GenesisCorporation的受控的解理过程(Controlled Cleaving Process TM)的过程、称为Smart CutTM(Soitec，SA)的过程、或者其他。一旦发生解理，就将已经去除厚度材料的多个可重复使用衬底去除用于接下来序列的处理步骤。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在图27的特定实施方式中，片(tile)可以是1、2或更深。表面再形成可以通过化学机械平面化来实现。解理平面可以通过离子簇射等来形成。可选地粘结准备处理包括涂覆等。可以在类似盘的框架上实施该步骤，其使多个片被同时粘结和解理。根据其他的实施方式，脱离的部分可以使用普通的盘通过物理接触之外的方式(例如通过施加正气压)被固定在适当的位置上。粘结可以是通过等离子体、静电、涂覆增强、或这些工艺的组合来进行。可将粘结处理：热传导、电流加热等与续的静电结合处理结合来进行。解理可以通过CCP或基于热的方法来实现。该处理可以是连续的、在线的(串联式，in-line)板-板移动、或成批的。
图28是仍然示出了根据本发明的一个实施方式的使用施主衬底的可替代方法的简图2800。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他变型、修改、以及可替代方式。如图所示，根据一种特定的实施方式，仅出于示例目的而提供，该图包括多个设置为类似轨道(track-like)的可重复使用的衬底元件设置。根据一种特定的实施方式，每个衬底经受用于制造太阳能电池元件或其他衬底元件的序列。仅作为举例，根据一种特定的实施方式，提供衬底用于解理平面形成，其使用注入和/或其他技术。然后，根据一种特定的实施方式，该方法使用粘结准备处理过程，例如形成粘结增强层。根据一种特定的实施方式，该方法随后进行粘结、粘结处理、以及解理。根据一种特定实施方式，解理的可重复使用衬底进行表面再形成，其便于接下来的一系列步骤。
仍然如图所示，在操作衬底上设置多个衬底，该操作衬底保持在卡盘元件上。在一种特定的实施方式中，卡盘构件可以以连续方式沿着预定的方向移动以实现这种方法。当卡盘构件使操作衬底移动时，每个可重复使用的衬底以类似连续组装的方式施加于卡盘元件上。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在一种特定的实施方式中，可以选择性地设计用于层转移工艺的每个衬底元件。作为举例，该厚度材料的边缘可以这样形成和/或倾斜使得机械刀片和/或元件可设置在解理区域的附近从而开始该厚度材料从可重复使用衬底元件的剩余部分的解理。即，刀片可插入衬底的外部部分中的解理区域的附近区域内从而开始解理，并向一个或两个衬底提供能量以继续扩展的解理前沿(propagatingcleave front)并将该厚度材料从可重复使用衬底元件的剩余部分去除。在其他的实施方式中，解理区域可包括围绕在其外围的排除区域(exclusion region)以便于结合和解理。根据一种特定实施方式，当将粒子(例如氢)注入解理区域以形成解理区域时，这种排除区域可使用掩模和/或块体材料而形成。当然，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
在图28的特定实施方式中，片可以是1、2、或更深。平面再形成可以通过化学机械平面化来实现。解理平面可以通过离子簇射等来形成。可选的粘结准备处理包括涂覆等。这些步骤可在类似盘的框架上形成，其实现多个片被同时粘结和解理。粘结可以是通过等离子体、静电、涂覆增强、或这些工艺的组合。可将粘结处理：热传导、电流加热等与连续的静电结合处理结合来进行。解理可通过CCP或基于热的方法来实现。该处理可以是连续的、在线的板-板移动、或成批进行的。
图29是用于形成传统的光伏电池的传统工艺2900。如图所示，传统的工艺包括使用气态物质(例如，三氯硅烷)以形成多晶硅材料的过程。然后将多晶硅材料制成一个或多个块状(bulk)衬底元件。对这种块状衬底元件进行晶片处理，例如研磨、抛光、以及切割等。为了制成太阳能电池，该晶片经过形成光伏电池区域、施加盖板玻璃、以及其他过程。将最终的组件提供至模块(module)中，然后将其形成于待用的系统中。如图所示，传统的工艺很难实施、昂贵、并且易有缺陷。通过本发明的方法已经克服了这些和其他的限制，本发明方法的更多细节可以在本说明书全文中、特别是在下文中找到。
图30是根据本发明的一种实施方式形成光伏电池的工艺3000的简图。该图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，该方法开始于玻璃，对其进行层转移工艺。现在在玻璃上设置一层单晶硅。在层转移硅上设置外延生长的硅的第二加厚层。然后，对复合衬底结构进行光伏电池的形成。如图所示，将电池设置于模块中。取决于该实施方式，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
如前所述，集成的层转移工具(ILT2)概念的使用可实现将制造太阳能电池模块中的关键层转移步骤组合(bundle)在一起，从而提高产量并降低成本。图31示出了可使用根据本发明用于制造太阳能电池的工艺3100的第一种实施方式的ILT2而进行的多个步骤的简化的截面图。
在第一个步骤3102中，在顶面和底面分别具有残留层1a和1b(例如氧化物)的多个片1与处理卡盘或盘2接触。片1可利用多种力中的一种(例如通过静电吸引或通过真空抽吸)粘附于处理卡盘2。
在第二个步骤3104中，将片1暴露于蚀刻条件下以将残留表面层1a从其顶面去除。根据某些实施方式，该残留材料的去除可通过暴露于等离子体，例如氟基等离子体来实现。根据其他的实施方式，该残留层的去除可通过暴露于湿法蚀刻化学例如HF来实现。
在接下来的步骤3106中，在片的顶面连续形成层10、12和14的堆。第一层10包括钝化层，例如氮化硅，其作用为保护片的顶面。第二层12包括陷光层(光的随机化从而使吸收体集中更多的光)，例如蚀刻或多面膜表面或其他适合的材料和结构，其将发挥作用以导致穿过片回到片中的光被集中从而提高总的电池效率。第三层14包括光耦合层。
接着，在仍粘附于处理卡盘的同时，如在步骤3108中所示，将处理卡盘2倒置(“倒转”)，且片的光耦合层14与衬底18接触并与其粘合。根据本发明的一种特定实施方式，该衬底可以是透明的(例如玻璃板)以允许入射光进入该片。
片上的光耦合层与下层的衬底之间的粘附可以通过多种可能的方式实现。根据一种实施方式，如前所述，在片表面上的光耦合层可通过施加电压差，例如利用前述的静电结合技术而粘附于下层的衬底。
一种可替代方式是采用粘合剂16。粘合剂可包括具有良好光耦合能力的软质有机粘合剂(例如聚乙酸乙烯酯-PVA)。根据某些实施方式，可以在片连结之前在衬底上将粘合剂图案化。根据其他的实施方式，在片倒置并与衬底连结之前，可将粘合剂置于片的顶部上。
接着，如步骤3110中所示，通过暴露于等离子体或暴露于湿法蚀刻化学(特别是氟基的)中来去除先前残留在片底部的残留表面层1b。
然后，如步骤3112中所示，在片中形成对于从入射光中聚集能量十分重要的P/N结4。这些P/N结通常是通过引入掺杂剂，例如通过离子注入、扩散型过程、或非接触方法(如掺杂剂前体的喷墨印刷)而形成的。可进行某种热处理来形成P/N结。最后，如步骤3114中所示，钝化层6(例如氮化硅)在包含P/N结的片表面上方形成。
根据本发明用于形成太阳能电池的工艺并不限于在图31中所示出的特定实施方式。本领域中的技术人员应明了，可以使用不同的步骤、以及不同次序的步骤，且仍然可形成太阳能电池装置。例如，在图31中，可容易地将P/N结和钝化层的形成次序颠倒，其中P/N结通过已经在片表面上形成的钝化层进行离子的注入而形成。
此外，可在形成P/N结和钝化层之后进行某些处理步骤。例如，随后的处理可包括选择性去除钝化层以允许选择性地形成与P/N结的导电接触部(触点，contact)，从而将电能从片引出。根据特定的实施方式，可在片的同一侧形成与P-型和N-型区域的导电接触部(在这种情况下，背面更容易与模块接触)。然而，根据本发明的其他实施方式，P-型和N-型区域的导电接触部可位于片的相反侧以制造横向型电池。
图31的图仅为举例，其不应不适当地限制本文中权利要求的范围。本领域普通技术人员应明了其他的变型、修改、以及可替代方式。如图所示，该方法起始于玻璃，对其进行层转移工艺。现在在玻璃上设置一层单晶硅。在层转移硅上设置外延生长的硅的第二加厚层。然后，对复合衬底结构进行光伏电池的形成。如图所示，将电池设置于模块中。取决于该实施方式，可以存在其他的变型、修改、以及可替代方式。
图32示出了根据本发明的一种实施方式形成光伏电池的可替代过程3200的简图。在第一步骤3202中，在顶面和底面上分别具有残留层1a和1b(例如氧化物)的多个片与处理卡盘或盘2接触。片1可利用诸如通过静电吸引或通过真空抽吸的力粘附于处理卡盘2。
在第二个步骤3204中，将片1暴露于蚀刻条件下以将片顶面的残留材料去除。根据某些实施方式，该残留材料的去除可通过暴露于等离子体(例如氟基等离子体)来实现。根据其他的实施方式，该残留层的去除可通过暴露于湿蚀刻剂例如HF来实现。
在接下来的步骤3206中，在片中形成对于从入射光中聚集能量十分重要的P/N结4。这些P/N结通常是通过引入掺杂剂，例如通过离子注入、扩散型过程、或非接触方法(如掺杂剂前驱体的喷墨印刷)而形成的。可进行某种热处理来实现P/N结形成。在步骤3206中，随后在包含P/N结的片表面上方形成钝化层6(例如氮化硅)。如上结合图31的前述实施方式所述的，可容易地将P/N结和钝化层的形成次序颠倒，其中P/N结通过已经在片表面上形成的钝化层进行注入而形成。
接着，仍然连结片，在步骤3210中处理卡盘2被倒置(“倒转”)，且将片置于与第二处理卡盘8相接触。可使用不同的力，例如真空抽吸或静电力将片结合于第二吸盘8。然后从第一处理卡盘去除片。
接着，如步骤3212中所示，通过暴露于等离子体蚀刻环境或湿法蚀刻化学(特别是氟基的)中，将先前剩余在底部的残留表面层去除。
如在步骤3214中所示，在片的顶面连续形成层10、12和14的堆。第一层10包括起到保护片的顶面作用的钝化层(例如氮化硅)。第二层12包括陷光层(光的随机化从而使吸收体集中更多的光)，例如蚀刻或多面膜表面或其他适合的材料和结构，其将发挥作用以导致穿过片回到片中的光被集中从而提高总的电池效率。第三层14包括光耦合层。
接着，在仍粘附于第二处理卡盘8的同时，如在步骤3216中所示，将处理卡盘2倒置(“倒转”)，且片上的光耦合层与衬底18接触并与其粘合。根据本发明的特定实施方式，该衬底18可以是透明的(例如玻璃板)以允许入射光进入该片。
片上的光耦合层与下层的衬底之间的粘附可以通过多种可能的方式实现。根据一种实施方式，如前所述，在片表面上的光耦合层可通过施加电压差，例如利用静电结合技术而粘附于下层的衬底。
一种可替代方式是使用粘合剂16。粘合剂可包括具有良好光耦合能力的软质有机粘合剂(例如聚乙酸乙烯酯-PVA)。根据某些实施方式，可以在片连结之前在衬底上将粘合剂图案化。根据其他的实施方式，在片倒置并与衬底连结之前，可将粘合剂置于片的顶部上。
关于图31的前述实施方式，可进行某些另外的处理步骤以完成太阳能模块或电池。例如，随后的处理可包括选择性去除钝化层以允许选择性地形成与P/N结的导电接触部，从而将电能从片引出。根据特定的实施方式，可在片的同一侧形成与P-型和N-型区域的导电接触部(在这种情况下，背面更容易与模块接触)。然而，根据本发明的其他实施方式，P-型和N-型区域的导电接触部可位于片的相反侧以制造横向型电池。
以上结合图31和32描述的过程在某些方面有所不同。例如，图31的过程要求仅使用一个处理卡盘或盘，并且在将片粘结于衬底之前只采用一个颠倒步骤。然而，图31的过程的实施方式包括在片与衬底连结时在片中形成P/N结。这可能意味着衬底暴露于较高的温度下，要求使用更昂贵的能够耐高温的衬底材料。衬底暴露于高温中还可要求仔细考虑片粘结至衬底的方法，使得这种粘结不被随后的处理破坏。
相反，在图32的过程实施方式中，在将片粘结至衬底之前，使片经受高温步骤。然而，其优势体现在，在粘结至衬底前要求两种不同的处理卡盘以及颠倒步骤的更复杂的处理的花费上。
刚刚讨论的两种实施方式提供了这样的优势，即对在给出的太阳能模块中的所有片同时进行处理，从而将降低了制造模块的成本。此外，对在特定模块中所有成组的片的这种同时的成批处理与那些将完成层转移的片的同时处理也是一致的。
例如，图33示出了用于形成模块的独立元件的简化的传统工艺流程3300。在步骤3302中，基本呈现圆柱形的单晶硅晶块或梨晶是通过生长或铸造而产生的。在步骤3304中，通过切锯将晶块或梨晶的末端切除。在步骤3306中，切除的晶块或梨晶的形状通过削切侧边被转化为方形而不是圆形。在步骤3308中，将削切后的侧边的边缘磨光使其变光滑，结果获得具有方形截面的块(brick)形。
传统上，如步骤3310-12中所示，然后将块形晶块粘合至载体上然后将其暴露于多个切割过程中(例如线切踞)从而形成单独的晶片。如步骤3314和3316中所示，随后将这些晶片分离并单独进行清洗从而在多个单独的衬底中产生步骤3318。在图33中示出的常规方法的缺点是在处理过程中损失的可消耗(例如，粘合剂、线切踞、以及清洗液)且昂贵的单晶硅材料的消耗相对较高。
可将图33的传统工艺与图34进行对比，图34示出了用于制备根据本发明的一种实施方式模块元件的工艺的简图。具体而言，在图34中示出的工艺的实施方式与传统工艺共有晶块/梨晶生成、切除、成方形、以及边缘磨削的预备步骤3308-3308。
然而，如在图34的步骤3402中所示，本发明的实施方法将块形晶块分割为多个厚片(而不是将其切割为单独的模块元件(晶片))，然后将其表面平面化/抛光(步骤3406)。在步骤3408中，然后在每个片中形成凹口特征。
如步骤3410中所示，将模块的单个元件从片分离并分割(singulation)，例如通过离子注入，随后进行分离可能具有或可能不具有足以独立(free standing)的厚度的膜。如步骤3412中所示，分离以及分割产生了较大模块的单个元件。根据本发明的一种实施方式，这些单个元件可以代表侧向尺寸为125×125mm的基本上为正方形的单晶硅晶片。
根据本发明的实施方式，材料的膜的分离和分割的多个方面，已经在与本申请共同在审的其他美国专利申请中得到描述。例如，2007年1月26日提交的美国临时专利申请60/886,827和60/886,912(二者均以全文引入本文中以供参考)描述了在至少600keV的能量下通过离子注入到透明块状材料的表面中来从母体块材料切割薄膜。
由于避免了切锯和清洗每个独立晶片，从而避免了与传统工艺相关的单晶材料消耗的成本和损失。此外，对晶片的分离和切割的这种最后的步骤可以使用成批的晶块来进行，实现了组成模块的多个元件的同时制造。
图36示出了根据本发明的用于制造包括多个独立光伏电池的太阳能电池模块的方法3600的实施方式的简化流程图。在步骤3602中，提供了多个单晶硅片，其中每个单晶片具有能够形成多个独立的切片的厚度，并且每个单晶片具有表面区域。接着，在步骤3604中，将离子通过每个单晶硅片的表面区域注入。在步骤3606中，从每个单晶硅片分离至少一个切片以形成多个分离的切片。在步骤3608中，多个分离的切片支撑在常见的处理卡盘上。在步骤3610中，在多个支撑的分离切片的每一个上形成一个或多个光伏区域。在步骤3612中，将多个分离的切片中的每一个耦合至光学平板(optical plate)。在步骤3614中，在多个分离的切片中的每一个上形成耦合至光学平板一个或多个接触区域，以形成太阳能电池模块。
如上文所讨论的，尤其是结合图22，根据本发明的实施方式实现了利用在衬底之间施加的电压电位差而将衬底结合在一起。这种电压电位可沿着衬底之间的界面产生热并导致发生结合。此外，可依赖于准确温度控制的运用(例如在将离子注入块状材料表面中时)成功切割薄膜材料以形成构成模块的独立单元。
因此，图35代表根据本发明的装置的实施方式3500的简化截面图，在结合或层转移过程中用于控制沿衬底对之间的界面的温度。具体而言，衬底对3502和3504沿着界面3506接触。在衬底的不同区域存在多个与电压源3510电连通(electricalcommunication)的电接触部3508，从而产生对于结合具有最佳的强度和极性的电压差。
例如，第一电接触部3508a可置于支撑较低衬底的元件3512中。第二电接触部3508b可置于较高衬底的顶部。在接触部3508a和3508b中间施加电位差产生Z-方向上的电阻热梯度。取决于诸如各衬底的厚度、和其组合以及因此的电阻的变化，这种热梯度可是特定的(tailored)以在衬底界面产生特定值，从而产生特定类型的结合。
类似地，具有侧向部件的热梯度还可通过选择性地对沿X方向和Y方向布置的电接触部之间施加电位差而产生。例如，在大约为界面3506的高度，可将第三电接触部3508c置于第一衬底的一侧上，而将第四电接触器3508d置于第一衬底的相反一侧上。在这些接触部之间施加的电位差将沿着该界面在第一衬底中产生电阻热，再次产生特定特性的粘结。
当然，通过将大量电接触部选择性地置于不同的位置上，可以产生导致几乎任何变化的热梯度的电阻热，以适合于特定的结合特性。
此外，通过电阻热产生的热梯度的特性可通过外部能量源3514或散能源(energy sink)3516的存在而进一步变化。例如，顶部衬底3502、底部衬底、或二者都可暴露于另外的对流加热或传导加热(例如来自激光、灯、或加热的气流)导致在界面产生的热梯度的改变。可替代地，可使一个或两个衬底的一个部分与冷却元件接触，例如帕尔贴(Peltier)冷却器或冷却的气流，从而改变热梯度并因此改变在衬底界面发生的。
电位差的应用还可以起到其他的作用。例如，如在图35中的实施方式中所示，可通过机械夹紧结构3518(其被设置为与衬底基部中的凹口啮合)将电压电位施加于较低的衬底，例如以上结合单晶硅片已描述的。
根据本发明的实施方式的装置不限于沿着结合在一起的多个衬底之间的界面提供电阻热。例如，图33A示出了根据本发明的装置3550的可替代实施方式的简化截面图，其示出了多个连接电压电源3353并结合布置于载体3356上的块材料3354的导电接触部3352。块材料的表面3354a被设置为接受来自源3358的注入的离子，而接触部3352被设置为以在膜从块材料切割的预期深度的电阻热形式提供温度控制。源3358还可以是电容上耦连的电极结构，其将电热能耦连至片区域中。
尽管以上是特定实施方式的完整说明，然而可以使用多种变型、可替代的构造和等同替代。虽然以上已描述了使用选择次序的步骤，但是可以使用描述的步骤的任意元件的任意组合等。此外，取决于实施方式，可以进行合并和/或取消某些步骤。此外，根据可替代的实施方式，可以利用共注入氦和氢离子来代替氢粒子，以便于形成具有改善剂量和/或解理性能的解理平面。在某些实施方式中，可以将支持衬底施用于每个衬底，包括操作和施主衬底。在可替代的具体实施方式中，还可以在透明材料的表面或其他区域上提供涂层。因此，上述说明和解释不应用来限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求限定。
Claims (61)
1.一种用于制造光伏电池的方法，所述方法包括：
提供可重复使用的衬底，所述衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，其中所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间；
将所述可重复使用的衬底的所述表面区域耦合至光学透明衬底的第一表面区域，所述光学透明衬底包括所述第一表面区域和第二表面区域；以及
在所述可重复使用的衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差以引起所述解理区域的一个或多个部分的能量增加，从而便于从所述可重复使用的衬底去除所述第一厚度的材料，同时所述表面区域保持与所述第一表面区域耦合，以形成耦合至所述光学透明衬底的所述第一表面区域的解理表面区域。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，至少使用机械抛光或化学蚀刻工艺处理所述解理的表面区域，以从所述解理的表面区域去除氢损伤的层的一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在将所述表面区域耦合至所述第一表面区域之前，对所述表面区域和所述第一表面区域进行等离子体活化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述耦合包括在所述表面区域和所述第一表面区域之间的光耦合材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述光耦合材料包括氧化锡、氧化铟锡、氧化锌、或二氧化钛。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，至少利用固相外延工艺或气相外延工艺形成第二厚度的半导体材料，从而基本上形成单晶硅材料。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，至少利用形成非晶硅层来形成第二厚度的半导体材料。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括使所述非晶硅层结晶。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一厚度的半导体材料包括单晶硅材料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学透明材料包括玻璃衬底或石英衬底或塑料衬底。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学透明材料包括含氧化铟锡或氧化锡的导电材料。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述厚度的材料包括一个或多个光伏区域，所述一个或多个光伏区域包括第一电极和第二电极。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述解理包括受控的解理过程。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述解理包括起始过程和扩散过程，从而将所述第一厚度的材料从所述半导体衬底的剩余部分释放。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压差从约0.1伏特至约100伏特变化。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一电极和第二电极之间提供所述电压差，所述第一电极被耦合至所述第一区域且所述第二电极被耦合至所述第二区域。
17.一种用于层转移工艺的可重复使用的硅衬底装置，所述装置包括：
可重复使用的衬底，所述衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，其中所述总厚度材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间，而N为大于约10的整数；
第一电极件，耦合至所述可重复使用衬底的第一区域；
第二电极件，耦合至所述可重复使用衬底的第二区域；以及
电压源，耦合在所述第一电极件和所述第二电极件之间，以提供所述第一区域和所述第二区域之间的电压差，从而引起所述解理区域的一个或多个部分的能量增加，以便于从所述可重复使用的衬底去除所述第一厚度的材料。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述总厚度的材料包括单晶硅材料。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述总厚度的材料包括硅材料。
20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述厚度的材料是通过解理过程来提供的。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述解理过程包括起始过程和扩散过程，从而将所述第一厚度的材料从所述半导体衬底的剩余部分释放。
22.根据权利要求17所述的装置，其中，所述解理区域包括多个氢粒子。
23.根据权利要求17所述的装置，进一步包括适于将操作衬底件保持在适当位置的卡盘件，所述卡盘件在所述第一厚度的材料和所述操作衬底之间经受第二电压差，提供所述第二电压差以促进所述第一厚度的材料与所述操作衬底的结合。
24.一种群集工具设备，包括：
第一室，所述第一室包括用于层转移过程的可重复使用的硅衬底装置，所述装置包括：
可重复使用的衬底，具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间，而N是大于约10的整数；
第一电极件，耦合至所述可重复使用衬底的第一区域；
第二电极件，耦合至所述可重复使用衬底的第二区域；以及
电压源，耦合在所述第一电极件和所述第二电极件之间，以在所述第一区域和所述第二区域之间提供电压差，从而引起所述解理区域的一个或多个部分的能量增加，以便于从所述可重复使用的衬底去除所述第一厚度的材料；
第二室，耦合至所述第一室，所述第二室被设置为进行一种或多种过程。
25.根据权利要求24所述的设备，进一步包括第三室，所述第三室中包括一个或多个向其中提供热能的元件。
26.根据权利要求24所述的设备，进一步包括输入/输出室，所述输入/输出室被连接至所述第一室。
27.一种用于层转移工艺的可重复使用的硅衬底装置，所述装置包括：
可重复使用的衬底，所述衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间，而N是大于约10的整数；
卡盘件，其适于将操作衬底件保持在适当的位置，所述卡盘件被构造成以这样的方式保持所述操作衬底，以便于将所述操作衬底结合至待去除的所述第一厚度的材料；以及
机械压紧装置，其可操作地耦合至所述卡盘件，所述机械压紧装置适于提供力，以使所述操作衬底结合至待去除的所述第一厚度的材料。
28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述机械压紧装置是圆柱形辊装置，所述圆柱形辊装置适于以空间的方式从所述卡盘装置的第一部分向所述卡盘装置的第二部分提供压力。
29.一种用于多于一个层转移过程的可重复使用的硅衬底装置，所述装置包括：
施主衬底件，所述施主衬底件具有多个位置；以及多个可重复使用的衬底，其各自排列在所述多个位置上，所述可重复使用的衬底中的每一个具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间，而N是大于约10的整数。
30.一种制造一个或多个半导体衬底的方法，所述方法包括：
提供可重复使用的衬底，所述衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间；以及
在所述可重复使用的衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差以引起所述表面区域的一个或多个部分的能量增加，从而便于将所述表面区域结合至操作衬底的第一表面区域。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述能量增加导致所述表面区域的温度从第一温度升高至第二温度。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述能量增加导致温度从第一温度升高至第二温度，所述第二温度大于约200摄氏度。
33.一种制造一个或多个半导体衬底的方法，所述方法包括：
提供可重复使用的衬底，所述衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间；以及
在所述可重复使用的衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差，以引起所述解理区域的一个或多个部分的能量增加，从而将所述解理区域的特性从第一特性改变为第二特性，所述第二特性导致所述第一厚度材料从所述可重复使用的衬底去除。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述电压差增加所述表面区域的一个或多个部分的温度，以固化设置在所述表面区域的所述一个或多个部分上的粘结层。
35.一种制造包括多个独立的光伏电池的模块的方法，所述方法包括：
提供多个单晶硅片；
将离子注入所述单晶硅片的表面中；
将处理卡盘粘附于所述单晶硅片的所述注入表面；
从所述单晶硅片分离粘附于所述处理卡盘的多个单晶硅膜；以及
成批处理粘附于所述处理卡盘的所述分离的单晶硅膜。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述成批处理包括从所述单晶硅膜的顶面去除残留层。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述成批处理包括形成P/N结。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，所述成批处理包括形成钝化层。
39.根据权利要求35所述的方法，其中，所述成批处理包括将所述膜和存在于其上的任何层放置为与共同的衬底接触。
40.根据权利要求35所述的方法，其中，所述成批处理包括将所述膜和存在于其上的任何层放置为与共同的衬底接触。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述膜和存在于其上的任何层通过粘合剂粘结至所述共同的衬底。
42.根据权利要求35所述的方法，其中，所述膜和存在于其上的任何层通过施加电压差被结合至所述共有的粘合剂。
43.根据权利要求35所述的方法，其中，所述成批处理包括将所述膜和存在于其上的任何层放置为与第二处理卡盘接触。
44.根据权利要求35所述的方法，其中，所述处理卡盘利用真空或静电力粘附于所述注入表面。
45.根据权利要求35所述的方法，其中，所述离子以600keV或更多的能量注入。
46.根据权利要求35所述的方法，其中，所述片具有约125mm×125mm的侧向尺寸。
47.一种设备，包括：
衬底支承件；
电压源；
第一导电接触部，与所述电压源电连通；以及
第二导电接触部，与所述电压源电连通，在所述第一和第二接触部之间施加电位差，使得在支持于所述衬底支承件上的衬底中产生热梯度。
48.根据权利要求47所述的设备，其中，所述第一导电接触部和所述第二导电接触部被构造为在所述衬底和第二衬底之间的界面产生所述热梯度。
49.根据权利要求47所述的设备，其中，所述第一导电接触部和所述第二导电接触部被构造为在将离子注入所述衬底的过程中产生所述热梯度。
50.根据权利要求47所述的设备，进一步包括与所述衬底热连通的散能源或源。
51.根据权利要求47所述的设备，其中，所述第一接触部和所述第二接触部被置于相对于所述衬底相同的高度。
52.根据权利要求47所述的设备，其中，所述第一接触部和所述第二接触部被置于相对于所述衬底不同的高度。
53.一种制造包括多个单独的光伏电池的太阳能模块的方法，所述方法包括：
提供多个单晶硅片，所述单晶硅片中的每一个具有能够形成多个独立的切片的厚度，所述单晶硅片中的每一个具有表面区域；
通过每个所述单晶硅片的所述表面区域注入离子；
将至少一个所述切片从每个所述单晶硅片分离以形成多个分离的切片；
将所述多个分离的切片支持在处理卡盘上；
在所述多个分离的切片的每一个上形成一个或多个光伏区域；
将所述多个分离的切片中的每一个耦合至光学平板；以及
在所述耦合于所述光学平板的多个分离的切片中的每一个上形成一个或多个接触区域，从而形成太阳能模块。
54.一种制造一个或多个半导体衬底的方法，所述方法包括：
提供可重复使用的衬底，所述衬底具有表面区域、解理区域、以及总厚度的材料，所述总厚度的材料比待去除的第一厚度的材料大至少N倍，待去除的所述第一厚度的材料位于所述表面区域和所述解理区域之间；以及
在所述可重复使用的衬底的第一区域和第二区域之间施加电压差以引起所述表面区域的一个或多个部分的能量增加。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，所述能量增加便于将所述表面区域结合至操作衬底的第一表面区域。
56.根据权利要求54所述的方法，其中，所述能量增加导致所述表面区域的温度从第一温度升高至第二温度。
57.根据权利要求54所述的方法，其中，所述能量增加导致温度从第一温度升高至第二温度，所述第二温度大于约200摄氏度。
58.一种制造包括多个独立的光伏电池的模块的方法，所述方法包括：
提供多个单晶硅片；
将离子注入所述单晶硅片的表面中；
将粘附于处理卡盘的多个单晶硅膜从所述单晶硅片分离；以及
对应于模块成批处理所述分离的单晶硅膜。
59.根据权利要求58所述的方法，其中，所述多个单晶硅膜通过粘附于共同的处理卡盘而被分离。
60.根据权利要求58所述的方法，其中，在所述分离后，所述多个单晶硅膜与所述片保持接触一段时间。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述多个单晶硅膜通过正压力保持与所述片接触。
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