CN101728247A - 具有载流子寿命的自支撑厚度的单晶材料和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有载流子寿命的自支撑厚度的单晶材料和方法。一种制造一定厚度的硅材料的方法包括：提供具有表面区域的硅锭材料；和将具有大约1-5MeV能量的多个粒子穿过表面区域引入到一深度处，以定义解理区域以及在解理区域和表面区域之间的可分离材料的厚度。另外，该方法包括：处理硅锭材料以在解理区域的附近释放该厚度的可解理材料；和使得形成自支撑厚度的材料，该自支撑厚度的材料特征在于大约10微秒的载流子寿命和具有小于大约百分之五的厚度变化的范围从大约20微米到大约150微米的厚度。另外，该方法包括使用热处理工艺处理该自支撑厚度的材料以将载流子寿命恢复到大于大约200微秒和更大。

Description

具有载流子寿命的自支撑厚度的单晶材料和方法
相关申请的交叉引用
该非临时专利申请要求于2009年8月29日提交的U.S.临时专利申请No.61/093,248的优先权，且为了所有目的将其整体作为参考合并在此。
背景技术
本发明通常涉及包括利用供光伏(photovoltaic)应用的层转移技术来形成太阳能电池结构的方法和结构的技术。然而将意识到，本发明具有更宽的应用范围；其还可以应用于其它类型的应用，例如用于集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物和生物医学器件等的三维封装。
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、木材以及各钟形式的热能。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。根据应用，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。
仅作为实例，太阳能电池依赖于初始材料，例如硅。这种硅通常利用多晶硅(有时称为多结晶硅)和/或者单晶硅材料制成。通常这些材料很难制造。多晶硅电池通常通过制造多晶硅板形成。虽然可以有效地形成这些板，但它们没有用于高效太阳能电池的优化特性。单晶硅具有适合高级太阳能电池的特性。然而，这种单晶硅昂贵，而且它也难以以有效率的和成本有效的方式用于太阳能应用。通常，由于利用较少的硅材料因此薄膜太阳能电池不那么昂贵，但是与由单晶硅衬底制成的更昂贵的体硅电池相比，它们的非晶(amorphous)或多晶结构效率较低。一些技术曾试图利用单晶硅薄膜，然而总的说来没有成功。即，这些技术通常利用机械设备，例如线锯、抛光器和研磨机，这些通常将缺陷引入到薄硅膜中。试图克服这些以及其他局限性中的所有或者一些，太阳能电池工业将希望拥有具有相对薄的厚度(10-150μm)和高载流子寿命的自支撑(free-standing)单晶硅材料的改善的制造技术，以制造效率超过20％的光伏电池。
由上述可以看出，用于制造成本有效且高效的大衬底的技术是期望的。
发明内容
根据本发明，提供了针对制造光伏材料的技术。尤其是，该发明提供了包括利用供光伏应用的层转移技术形成太阳能电池的方法和结构的技术。然而将认识到，该发明具有更宽的应用范围；它还可以应用于其它类型的应用，例如集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、MEMS、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物和生物医学器件等的三维封装。
在具体实施例中，本发明提供了制造一定厚度的硅材料的方法。该方法包括提供具有表面区域的硅锭(ingot)材料。该方法还包括穿过表面区域将具有大约1-5MeV和更大能量的多个粒子引入到一深度，以定义解理区域和在解理区域和表面区域之间的可分离材料的厚度。另外，该方法包括处理硅锭材料以在解理区域的附近处释放可解理材料的厚度。该方法还包括使形成以具有大约10微秒和更小的载流子寿命为特征的自支撑厚度的材料，第一厚度的范围从大约20微米到大约150微米且具有小于大约百分之一的厚度变化。另外，该方法包括利用蚀刻工艺处理自支撑厚度的材料。此外，该方法包括在自支撑厚度的材料上执行热处理工艺以使载流子寿命恢复到大于大约200微秒。
在另一具体实施例中，本发明提供了制造一定厚度的硅材料的方法，该硅材料具有小于大约5％的总厚度变化(厚度的变化/厚度)。该方法包括：提供具有表面区域的硅锭材料，和穿过表面区域将具有大约1-5MeV和更大能量的多个粒子引入到一深度，以定义解理区域和在解理区域和表面区域之间的可分离材料的厚度。另外，该方法包括处理硅锭材料以在解理区域的附近处释放可解理材料的厚度。该方法还包括使形成以具有大约10微秒和更小的载流子寿命为特征的自支撑厚度的材料，第一厚度基本上等于所述厚度的可解理材料的厚度，具有小于大约百分之一的第一厚度变化。另外，该方法包括利用蚀刻工艺处理自支撑厚度的材料和在自支撑厚度的材料上执行热处理工艺以使载流子寿命恢复到大于大约200微秒。此外，该方法包括制造断裂应力(有时称为“机械强度”)范围从大约1GPa和更大的断裂应力的自支撑厚度的材料。
在另一具体实施例中，该方法包括处理硅锭材料以用外部能量分离该材料，包括通过束(诸如，质子、激光、电子束)以及非束(包括超声换能器、感应加热、和机械手段)等传递能量。该方法包括关于从片材(tile)以20-150μm的厚度范围分离材料的理论进展。该方法还包括对高寿命恢复工艺的理论解释。该方法还包括薄层材料特性方法，该薄层材料特征方法包括表面粗糙度、弓度(bow)、总厚度变化(TTV)、机械强度。此外，该方法包括在所有工艺流程期间处理的薄材料。
在替换实施例中，本发明提供了具有小于大约5％的总厚度变化(厚度的变化/厚度)的硅材料厚度。另外，本发明提供了自支撑厚度的P型单晶硅材料，其具有从大约20微米到大约150微米的厚度范围。本发明还提供覆盖在自支撑厚度的单晶硅材料之上的第一表面区域和覆盖在自支撑厚度的单晶硅材料之上的第二表面区域。另外，自支撑厚度的单晶硅材料包括从自支撑厚度的单晶硅材料的第一边缘区域到自支撑厚度的单晶硅材料的第二边缘区域的小于大约百分之一的总厚度变化。此外，自支撑厚度的单晶硅材料包括大于约200微秒的载流子寿命和大约1GPa和更大断裂应力的强度。实现所期望的电阻率的材料掺杂浓度和类型是特定光伏电池设计的一个功能，且其可以是P型或者是N型。典型的电阻率范围从0.1ohm-cm到超过20ohm-cm。如果没有掺杂剂被引入到初始材料中，则认为电阻率是本征的而且它可以非常高。仅作为实例而不是作为限制，该发明中有时利用P型材料。
根据实施例，可以实现一个或者多个益处，包括提供了制造厚度小于150微米的一定厚度的单晶硅材料的方法，一致地制造厚度变化小于5％的多个该厚度的硅材料的方法，和制造少数载流子寿命约为200微秒和更大的该厚度的硅材料的方法。由本发明的某些实施例制成的自支撑厚度的硅材料提供了用于制造高效太阳能电池的基本材料。例如，利用总厚度变化小于约5％且载流子寿命大于200微秒的该厚度的硅材料可以实现20％或更高的能量转换率。可能贯穿本说明书和尤其是下文描述这些和其它的优势。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的形成自支撑厚度的材料的方法的简化流程图；
图2-9是示出根据本发明实施例的形成总厚度变化小于5％和恢复的载流子寿命约200微秒的自支撑厚度的硅材料的方法100的简化视图；
图10A和10B是根据本发明实施例的在寿命恢复工艺之后自支撑厚度的硅材料的示范性载流子寿命测量结果；
图11示出了根据本发明实施例的自支撑厚度的材料的机械强度测试的简化视图；
图12示出了具有位于拐角处的激光标定的ID的自支撑晶片表面的实例；和
图13示出了根据本发明实施例的直接图案转移的示意图。
图14是根据本发明实施例的膜转移的简化视图。
图15示出了在伪方形片材上以两步顺序的受控传播。
图16示出了生产系统制造厂布图(layout)的实例。
图17示出了50μm厚的125mm晶片。
图18示出了根据本发明实施例形成的晶片对用常规线锯切工艺形成的晶片的AFM表面粗糙度比较。
图18A-B是示出根据本发明实施例形成的晶片对用常规线锯切工艺形成的晶片的表面粗糙度的截面SEM。
图18C-D是示出根据本发明实施例形成的晶片对用常规线锯切工艺形成的晶片的晶片边缘轮廓(profile)的截面SEM。
图19绘出了不同晶片的电流对电压曲线。
具体实施方式
本发明的实施例通常涉及包括利用供光伏应用的层转移技术形成太阳能电池结构的方法和结构的技术。然而将认识到，本发明具有更宽的适用范围；它还可以应用于其它类型的应用，例如集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、MEMS、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物和生物医学器件等的三维封装。
在图1示出的工艺流程100的具体实施例中，提供了一种制造总厚度变化(TTV)小于5％的自支撑厚度的材料的方法100如下：
1.提供(103)具有表面区域的体(bulk)材料；
2.使体材料的表面区域经受(105)多个高能粒子；
3.形成(107)限定可分离材料的厚度的解理区；
4.处理(109)体材料以在解理区的附近处释放该厚度的可分离材料；
5.通过转移可分离材料形成(111)自支撑厚度的材料；
6.执行(113)至少蚀刻工艺以处理该自支撑厚度的材料；
7.执行(115)热处理以处理该自支撑厚度的材料以便将载流子寿命增加到大于大约200微秒；和
8.执行(117)其它的工艺以处理该自支撑厚度的材料。
以上顺序的步骤提供了根据本发明实施例的形成总厚度变化小于5％和载流子寿命大于200μsec的自支撑厚度的材料的方法100。还可以提供其它替代方法，其中可以增加步骤，可以去除一个或更多个步骤，或者可以以不同的顺序提供一个或者更多个步骤，而不偏离在这里的权利要求的范围内。
根据本发明的实施例，利用高能注入以及随后的受控解理工艺从体材料一个接一个地分离出自支撑厚度的材料。在一个实施例中，可以从体硅锭解理出自支撑厚度的半导体材料(例如单晶硅)，其具有20μm或更大的厚度。在一个实施例中，将一种或更多种剂量的高能粒子，尤其是离子，经由表面区域注入到体硅锭的一定深度以形成解理区域。在一些实施方案中，利用在不同的温度的多种剂量以增强解理区域中的应力水平，从而有效地形成可从解理区域的附近分离的材料的厚度。在另一实施例中，受控解理工艺使硅材料的量大为减少，而在常规线锯切工艺中由于切口(kerf)而损失大量的硅材料。所得到的解理的厚度在20μm和150μm之间的自支撑单晶硅膜尤其可以适用于太阳能的收集。
为了使当前和以后的公开更清楚的目的，“自支撑膜”或“自支撑层”或“自支撑厚度的材料”被定义为能够维持其结构完整性(即，不会碎裂或者分碎)而无需接触支撑部件(例如，把手(handle)或者转移衬底)的材料膜。一般地，不能在不损伤的情况下对非常薄的膜(例如，比约5-10μm更薄的硅膜)进行处理。传统地，这种薄膜利用支撑结构操纵，也可能首先需要该支撑结构来生成该薄膜。通过利用支撑件，可以便于较厚膜(也就是，具有在20-150μm之间厚度的硅膜)的处理，但这种支撑件不是强制性的。因此，本发明的实施例涉及总厚度变化小于5％的厚度大于20μm的自支撑厚度的硅材料的制造。
在具体实施例中，本方法相继应用以从单个锭(例如硅晶锭(siliconboule))解理出多片自支撑层。即，根据具体的实施例，可以重复方法100以相继地解理出切片(类似于将烤面包切成面包片)。当然，也可以存在其它的变化、变更和替换。
图2-9是示出根据本发明实施例的形成总厚度变化小于5％和约200微秒的恢复的载流子寿命的自支撑厚度的硅材料的方法100的简化视图。这些图仅是示例，其不应不当地限制在这里引述的权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多的变化、变更和替换。
如所示，该方法从工艺(103)开始，其提供具有表面区域201、背侧203和厚度204的半导体体材料(bulk material)200。该厚度可以是锭整体或者由较大的锭切割成等。具体地，厚度204可以表示原始形状(例如，整个锭、晶锭、片材或者板)的体材料整体的厚度，或者可以表示事先由其原始形状分割的体材料的厚度(例如，通过对原始的锭、晶锭、片材或者板进行锯切或者切片)。在优选实施例中，半导体衬底或者体材料可以是光敏材料。在具体实施例中，半导体衬底或者体材料可以是单晶硅晶片或者锭，多晶硅铸晶片、片材或者衬底，硅锗晶片，锗晶片，III/V族材料、II/VI族材料、氮化镓的衬底等。在另一具体实施例中，单晶硅锭具有约为0.2到12欧姆厘米的电阻率。该硅锭包括沿某一结晶方向生长的基本圆形的轧材。另外，除了基本圆形截面外形之外，通过切割该锭的一个或者多个侧面得到硅锭的表面区域201以呈现。例如，提供的表面区域201是在{100}、{110}或{111}晶面具有小的错切角(miscut angle)的基本方形或矩形的。一些实施例指出，沿基本平行于{110}或者{111}晶面的平面更容易解理且所解理的表面更平滑。体材料的其它实例包括呈现出方形、矩形或者梯形外形的多晶硅板或者片材。当然，可以存在其它变化、变更和替换。作为实例，在2008年5月7日提交的标题为“METHOD AND DEVICE FOR SLICING A SHAPEDSILICON INGOT USING LAYER TRANSFER”的、共同受让给SiliconGenesis Corporation of San Jose，California的U.S.专利申请No.61/051,344中，已描述了选取基本上{110}或者{111}结面作为用于形成自支撑硅膜的表面区域，并且将其结合在此以用于所有目的。
参考图3，该方法(100)包括使半导体衬底或者体材料200的表面区域201经受第一多个高能粒子301的工艺(105)。现在半导体衬底或者体材料200被支承在与线性加速器(没有直接示出)耦合的处理系统内的平台300上。根据具体的实施例，利用线性加速器产生高能粒子301。根据具体的实施例，取决于应用，通常选择较小质量的粒子，以减少对于到材料中期望深度的注入所需的能量，和根据优选实施例降低损伤材料区域的可能性。例如，根据该实施例，利用较小质量的粒子(或者高能粒子)，优选氢及其同位素的离子核素、稀有气体离子例如氦及其同位素以及氖、或者其它。粒子还可以得自化合物，例如气体，如氢气、水蒸汽、甲烷、和氢化合物，和其它轻原子质量粒子。可选地，该粒子可以是上述粒子、和或离子和或分子核素和或原子核素的任何组合。一般该粒子具有足够的动能以使其穿过表面进入到表面区域下的所选深度。
例如，作为一个实例利用氢作为注入到硅晶片的核素，利用特定的条件组实施该注入工艺。氢的注入剂量范围从大约1×1015到大约1×1016atoms/cm2，且优选注入氢的剂量小于大约8×1016atoms/cm2，且可以小于大约5×1016atoms/cm2。为了形成可用于光伏应用的厚膜，注入能量范围从大约1MeV和更大到大约2MeV或者甚至5MeV及更大。注入温度范围从大约-50摄氏度到大约+400摄氏度，并且在某些实施例中，其可以在大约100-250摄氏度之间。注入温度优选小于大约400摄氏度以防止氢离子扩散到注入硅晶片的外部的可能性。依据入射离子能量，可以以大约±0.03到±1.5微米的精确度将氢离子选择性地引入到硅晶片中至所选深度。当然，所使用的离子类型和工艺条件取决于应用。
在特定实施例中，在该方法100的工艺107处，粒子导致在解理区域401内形成多个吸收位点(gettering site)或者积聚区域，该解理区被设在表面区域下面以限定可分离材料405的厚度，如图4的简化视图所示。优选地，第一多个高能粒子提供具有在空间上设置于半导体体材料一深度内的基部(base)和峰值浓度的注入分布。优选地，该基部可以具有大约2Rp和更小的宽度，其中注入浓度分布的深度变化被称为纵向弥散(longitudinal straggle)(用Rp表示)。在将3.5MeV氢注入硅锭的一个实施方案中，注入深度大约是120μm，且Rp大约为3μm。
在具体实施例中，利用能量范围为大约1MeV到大约小于5MeV的质子注入可以形成厚度范围为从大约20μm到大约150μm的硅膜。这种硅膜厚度范围允许分离自支撑厚度的单晶硅材料。可以利用根据本发明实施例的处于大约20μm到大约150μm厚度范围的单晶硅膜或者自支撑厚度的硅材料，来代替利用晶片锯切、蚀刻、和/或抛光工艺的常规方法。与常规技术(例如多线浆料锯切)的大约50％的切口损失(切口损失定义为在切割和晶片化(wafering)处理期间材料损失的比率)相反，根据本发明实施例的注入解理技术实际上没有切口损失，从而节省了大量的成本并改善了材料利用效率。可以利用高于5MeV的能量来对可替代的衬底材料进行半导体处理，但是在太阳能电池的制造中，对于用于形成体硅太阳能电池的硅太阳能电池材料厚度，期望为200μm或者更小，优选在大约20μm至大约120μm之内或更厚。结果，根据具体实施例，对于制造太阳能电池，在商业上对于较厚的硅衬底不是特别有兴趣。
现在参考图5，根据本发明的实施例可以可选地对半导体体材料执行工艺503，以便在解理区域501内进一步形成所述多个吸收位点。在一个实例中，工艺503包括束或非束方法，例如激光束、电子束，热退火和/或淬火解理区域501，以便将所述多个第一粒子固定在适当位置。501还包括可能的氢化工艺。热处理提供缺陷的固定网络，这些缺陷在随后的注入或者粒子积聚/扩散工艺中可以充当用于吸收和积聚粒子的有效位点。在一种实施方案中，热处理工艺503与从200Deg C到600Deg C的第一温度范围相关联。在一个实施例中，工艺503是方法100的工艺109的一部分。
在特定实施例中，该方法包括将半导体体材料的表面区域经受第二多个高能粒子，该高能粒子可以利用线性加速器产生，如图6的简化图中所示。如所示，该方法包括引入到硅体材料的表面区域的第二多个高能粒子605。将第二多个粒子605引入到解理区域601中，由于第二多个高能粒子605，这使解理区域601的应力水平从第一应力水平增加到第二应力水平。在特定实施例中，第二应力水平适合于随后的解理工艺。在一种实施方案中，半导体体材料被保持在平均高于第一温度范围的第二温度范围。在一个实施例中，图6示出了作为方法100的工艺109的一部分的工艺。也可以采用温度的时间和空间变化来通过使所需的注入剂量最小化使解理功能优化。
可选地，根据本发明的方法的具体实施例包括在注入工艺之后的热处理工艺。根据特定的实施例，对于硅材料本方法利用范围从大约450到大约650摄氏度的热处理。在优选实施例中，可以利用传导、对流、辐射、或者这些技术的任何组合，包括束或非束方法(例如激光束、电子束)，进行热处理。高能粒子束还可以提供部分热能并能与外部的温度源结合以实现期望的注入温度。在某些实施例中，高能粒子束可以单独提供注入所需的全部热能。在优选实施例中，进行该处理工艺以将解理区域优化以用于随后的解理工艺。当然，可以存在其它变化、变更和替换。
根据本发明的方法的特定实施例包括利用解理工艺释放该厚度的可分离材料的工艺，此时可分离材料从上面的支撑组件等释放出来，如图7所示。如所示，将一厚度的可分离材料701从半导体体材料700的剩余部分移除。在一个实施例中，该工艺与方法100的工艺111基本相同。在特定实施例中，释放该厚度的可分离材料的工艺可以利用受控解理工艺进行。受控解理工艺提供从外部能量源到施体(donor)衬底的解理区域部分内的选定的能量传送，例如激光束、电子束、或者非束。仅作为示例，在2008年8月28日提交的标题为“CONTROLLED CLEAVINGPROCESS”的U.S.专利申请No.6,013,563中，以及在标题为“LAYERTRANSFER OF FILMS UTILIZING CONTROLLED PROPAGATION”的U.S.专利申请No.61/092,683中描述了可控解理工艺，这两个申请共同受让给Silicon Genesis Corporation，San Jose，California，并且将其合并在此以用于所有目的。作为可控解理工艺的具体实施例，可以控制该厚度的可分离材料的来自半导体体材料的面内剪切分量，以使其保持在零附近，以使得在解理区域的附近解理行为基本上受到限制。在标题为“LAYER TRANSFER OF FILMS UTILIZING CONTROLLED SHEARREGION”的，共同受让给Silicon Genesis Corporation，San Jose，California的U.S.专利申请No.61/051,307中，可以找到关于在可控解理工艺期间的剪切控制的更多细节，并且将其结合在此以用于所有目的。作为另一实例，在标题为“METHOD AND STRUCTURE FOR THICK LAYERTRANSFER USING A LINEAR ACCELERATOR”的、共同受让给SiliconGenesis Corporation，San Jose，California的U.S.专利申请No.11/935,197中，可以找到关于利用由线性加速器产生的高能粒子的注入工艺的形成自支撑厚度的材料的部分方法，并且将其结合在此以用于所有目的。如所示的，根据本发明实施例的方法从半导体块体材料释放出该厚度的可分离材料以形成自支撑厚度的材料。当然，可以存在其它变化、替换和变更。例如，所解理的自支撑厚度的材料可以具有总厚度变化(厚度变化对平均厚度)小于5％的从20μm到150μm的厚度范围，根据本发明可以将它存入允许附加处理它的前表面和背表面两者的特殊设计的盒子或支架中。在2007年12月13日提交的标题为“CARRIER APPARATUSAND METHOD FOR SHAPED SHEET MATERIALS”的、共同受让给Silicon Genesis Corporation，San Jose，California的U.S.专利申请No.11/956,319中，可以找到关于该特殊设计的盒子的其它信息，并且将其结合在此以用于全部目的。
然而，由于高能粒子注入和解理工艺，所解理的自支撑厚度的单晶硅材料带有某种程度的结构损伤，外部表面和内部缺陷网络两者。这些损伤影响用于制造高效太阳能电池的硅膜的光电特性。例如，平均表面粗糙度(RMS表面粗糙度)一般功大约100-300nm(在20微米方形面积内用AFM测量)。在与注入弥散Rp对应的表面层内的缺陷可导致光在表面层内吸收，使光电转换的总效率降低。内部缺陷网络中结构损伤了能改变复合中心的密度，导致少数载流子寿命的实质性减少。例如，在没有进一步处理的情况下所解理的硅膜的少数载流子的寿命可仅为大约20微秒或更小，这直接影响转换效率。因此，本发明的实施例还包括用于去除或修正损伤的某些处理工艺，包括至少使表面平滑和恢复自支撑厚度的硅材料的载流子寿命。
本发明包括具有厚度范围从大约20μm到150μm的自支撑硅材料的载流子寿命恢复工艺。在一个实施例中，自支撑硅材料经受RTA退火和湿化学清洗/蚀刻的工序，之后是表面钝化。然后进行利用光电导衰减(PCD)系统(例如，Sinton Consulting WCT-120寿命检测器)进行寿命测量。可以以任何顺序进行这些准备步骤，退火和清洗/蚀刻，以便优化对任何不希望的污染物的吸收作用。另外，结合特定的RTA退火温度和时间确定要经由清洗/蚀刻去除材料的量。在退火时，任何不希望的污染物(例如痕量金属)将扩散出或者被吸出到自支撑硅材料的表面，之后它们被清洗和蚀刻掉。
上述的退火-蚀刻或者蚀刻-退火吸收处理不仅可适用于自支撑单晶硅材料，而且还可适用于其它较低级的硅，例如冶金级硅(MGS)。在先于蚀刻的解理工艺和任何退火期间可以控制减少或消除污染物。蚀刻步骤之前过度的解理/退火温度和时间会导致将任何存在于材料表面上的污染物推进得甚至更深并使得寿命降低。根据污染物水平，可以以单步或者多步实行清洗/蚀刻和退火循环。在一个实施例中，单步足以将自支撑硅材料的寿命恢复到在1×1015cm-3的MCD(过剩少数载流子密度)下为约200μsec或更大。一旦已经退火和清洗/蚀刻了自支撑硅材料，则在寿命测量之前将其钝化以便允许更精确地测量体寿命。例如，利用化学钝化，将该材料置入透明塑料袋(即，Ziploc袋)中，并用碘(iodine)/甲醇溶液使其钝化。随后利用PCD系统测量有效寿命。
在一个实例中，清洗和蚀刻工艺包括，但不限制于，下列化学制品：Piranha(H2SO4/H2O2)、SC-1(NH4OH/H2O2/DI H2O)、SC-2(HCI/H2O2/H2O)、稀释的HF、和HNA(HF/HNO3/CH3COOH)。也可以利用其它硅蚀刻剂，例如KOH、TMAH等。
在另一实例中，为了最小化在自支撑硅材料的表面处的少数载流子的复合(这对太阳能电池的性能极其重要)，利用碘在甲醇中的溶液作表面钝化(即，在250ml的CH3OH中有3.25克I2)。然而，也可以利用其它钝化方法；例如，乙醇中的碘、氢氟酸、氮化硅、多孔硅、二氧化硅等。
在另一实例中，利用PCD系统，例如Sinton Consulting WCT-120寿命检测器，来测量自支撑硅材料的有效载流子寿命。也可以利用其它载流子寿命检测器，例如Semilab Microwave-PCD。
在本发明中，一个或者多个热处理能够容易且有效地提供氢化或者氢钝化所必要的加热环境。在一个实施方案中，氢原子热扩散自与解理厚度的自支撑厚度的硅材料相接触的氢源(例如上述碘/甲醇溶液)。在一个实施例中，该方法提供了如下的成本有效的方法，其以对自支撑硅材料的氢化厚度开始，从而可消除去商用太阳能电池制造中的附加氢化过程。在一个实施例中，即使对于常规的晶片锯切，也可以用上述的蚀刻-清洗-退火组合工艺代替相关的锯切损伤蚀刻和电池处理退火，以节约一些成本。
图8是示出根据本发明实施例的用以修整自支撑厚度的材料的外部表面的蚀刻工艺的简化视图。该图仅是实例，其不应不当地限制在此叙述的权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、变更、和替换。如所示，将自支撑厚度的材料800的前表面801和背表面803两个都没入蚀刻剂环境810中，以使其与一种或者多种蚀刻剂物质起反应。在一个实例中，所述一种或多种蚀刻剂是HF、硝酸、和醋酸的溶液的形式。由于自支撑厚度的材料800浸入到溶液中一段预定的时间，蚀刻剂物质与前表面801和背表面803的两个表面中的表面原子起反应，导致从前表面801和背表面803的两个表面分别会移除一定量的材料。在实施例中，可以布置多个自支撑厚度的材料800以便同时将它们浸入蚀刻剂环境810中。
对于各向同性蚀刻剂，这种浸入工艺的蚀刻反应在所有方向上相对均匀地进行，而各向异性蚀刻剂将趋向于形成结构和在表面上刻面(faceting)。例如，利用各向同性蚀刻剂，表面上的高频率的突起和其它结构特征经历更高的表面积暴露于蚀刻剂，有效地增加了蚀刻速率。结果，某些蚀刻工艺能够使由解理工艺得到表面划痕和粗糙的抛光缺陷平滑。在一个实施方案中，蚀刻工艺移除三到五微米的材料，以除去注入损伤层并使该表面平滑。一般的，所需的蚀刻将是注入弥散的函数并根据解理厚度而缩放。对于在1-5MeV注入能量范围的硅中的氢，Rp约是注入范围的2.5％。通常，所需的移除量大约是Rp的两到三倍，或者厚度的大约5％到7.5％。与必须在高切口损失锯切工艺本身之后进行的常规锯切工艺相比，这是低得多的蚀刻损失。在某些实施例中，蚀刻工艺在前表面或者背表面上形成以较高光俘获能力为特征的纹理结构(texture)。由蚀刻工艺形成的纹理结构为薄膜生成具有较低光反射系数和较高吸收的表面特性，以俘获更多的光能。另外，被平滑了的表面特征在于减小的RMS表面粗糙度。特别地，从自支撑厚度的硅材料的第一边缘区域到跨自支撑厚度的硅材料的面积的相对侧上的第二边缘区域，测量前表面和背表面中每一个的RMS表面粗糙度。在另一具体实施例中，在蚀刻工艺之后自支撑厚度的材料变得基本上没有表面损伤。
由于基本均匀的蚀刻，因而如果在蚀刻步骤期间非常注意保持均匀混合和温度控制，则自支撑厚度的材料的厚度变化基本不受影响。因此，在蚀刻工艺中的浸入之后，已处理的自支撑厚度的材料变得从每个表面(前或背)薄三到五微米，而膜厚度变化(即，跨整个表面的厚度对平均厚度的变化)基本上保持与蚀刻工艺之前的那样。在本发明的一个实施例中，自支撑厚度的材料可以具有总厚度变化小于5％的从大约20微米到150微米的起始厚度范围。如在一个特定实施中的，蚀刻工艺实际上是方法100的蚀刻-清洗-退火工艺113的一部分。在某些替换实施例中，为了修整边缘质量以及产率，自支撑厚度的材料也可以经受另外的侧面蚀刻(side etching)。
图9是示出根据本发明实施例的用于恢复自支撑厚度的材料的载流子寿命的热处理的简化视图。该图仅是实例，其不应不当地限制在此叙述的权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、变更、和替换。如所示，自支撑厚度的材料900经受与处理温度相关的热处理901。在一个腔室等中可以同时处理一个或多个这种自支撑厚度的材料。可以使处理温度快速地倾斜向上(ramp up)到预定的温度范围，例如，在大约400摄氏度和大约800摄氏度之间。在一个实施例中，热处理901与方法100的工艺115基本相同。在一实施方案中，使用快速热处理器来对对多个独立样品执行热处理。由于传送到每个自支撑厚度的材料900的内部部分的热功率，使其缺陷网络被退火，在此期间，多个俘获的注入粒子(例如，氢离子)被从各个硅晶格缺陷结构释放。俘获的氢的移除以及由注入工艺产生的空位和填隙复合体的分解，否则它们可能充当用于光生载流子的附加复合中心，其被有效地减少。对应地，与热处理901之前的材料相比，所得到的少数载流子寿命应当基本上较高。在一个实施方案中，这导致将少数载流子寿命从之前的10μsec或者更小恢复到后来的大约200μsec或者更大。
半导体中的载流子寿命是表征材料或者器件纯度的非常有效的参数。测量的寿命通常称为有效寿命。在许多实际实例中，可能存在若干的在样品中的复合(例如通过体晶片中的杂质或者缺陷的复合)或者表面处的复合的源。有效寿命表示所有这些竞争的复合通道的综合效果。下面列出了一些有助于体寿命的复合机制：
(1)俄歇(Auger)复合(τAuger)取决于掺杂类型和浓度、注入等级(injection level)或者过剩载流子浓度；
(2)辐射复合(τrad)取决于掺杂类型和浓度、注入级或者过剩载流子浓度，但比(τAuger)大得多；
(3)肖克利-里德-霍尔(Shockley-Read-HaH)复合(τSRH)是通过晶片体中的杂质和缺陷的复合；
测量的硅的总的体寿命将用下式表示：
1/τ体＝1/τAuger+1/τSHR+1/τRad    (式.1)
对于根据本发明的一些实施例的自支撑厚度的薄硅晶片，在没有对表面复合速度的修正的情况下测量的有效寿命可以是300μsec或者更高。认识到连续的切片工艺将生产类似的表面，假设两个表面的表面复合速度相同(S前＝S背)。测量的寿命可以用下式表示：
1/τ测量的＝1/τ体+2S前/W    (式.2)
其中S定义为表面复合速度单位是cm/s，它表征表面处的表面损伤和其它复合中心(例如杂质和缺陷)的电效应。通过“厚度变化”实验可以将表面和体对寿命的贡献有力地分开。
仅作为实例，能够将载流子寿命从对于刚解理的自支撑厚度的材料的10μsec恢复到在恢复工艺之后的300μsec。如果假定60cm/s的值作为表面复合速度，则与典型的初始硅片材/锭/晶锭寿命相比，恢复的体寿命估计超过1msec。
图10A和10B是根据本发明的实施例的对在热处理之后的自支撑厚度的硅材料的示范性载流子寿命测量结果。这些图仅是实例，其不应不当地限制在此叙述的权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、变更、和替换。如所示，图10A顶部上的图示出了光强度对时间的曲线，其中对于用一个自支撑厚度的Si材料制造的参考太阳能电池，记录了太阳光强度和PC信号两者，且分析的第一点被标记为菱形。图10A底部上的图示出了测量的少数载流子寿命的倒数对少数载流子密度的曲线。所使用的材料由掺杂硼的P型材料(硼杂质密度为1.4×1015cm-3)制成。在指定的1.0×1015cm-3的少数载流子密度下，载流子寿命主要由与杂质/缺陷相关的复合起贡献，而俄歇复合贡献较小。如上面的测量所示的，还可以对俄歇项进行修正。利用在指定的载流子密度点处的切线拟合，可以得到载流子寿命的倒数。对于指定的载流子密度，所得到的载流子寿命大约是330μsec。
类似地，图10B示出了对于具有相对高的载流子密度的相同参考材料进行的载流子寿命测量结果。在修正了复合速率测量结果中的俄歇项之后，该结果表明，在指定的5.0×1015cm-3的过剩少数载流子密度下，载流子寿命近乎是200μsec。这两种总的光的光电导率操作范畴(regime)称为“低等级注入”和“高等级注入”状态。一般这些级定义为其中过剩少数载流子密度在掺杂剂浓度以下(低等级注入)或者以上(高等级注入)。两者示出了：利用根据本发明实施例的方法制造的自支撑厚度的材料的少数载流子寿命被有效地恢复到200μsec水平。根据一些研究，对于少数载流子寿命约200μsec或者更高的、厚度范围为20-150μm的单晶硅膜，太阳能电池转换效率(假定无限-迁移-限制)可以是大约20％或者更小。因此，本发明的实施例提供了用于制造高效率成本有效的光伏电池或者器件的有效方法和结构。
在替换实施例中，该热处理(或者清洗和退火的组合)就与所解理的样品的机械强度相比加强了被处理的样品的机械强度而言，还有助于修复一些内部损伤。换句话说，热退火的益处不仅在于改善材料的电特性还在于改善它的机械特性。例如，根据该发明的实施例形成的自支撑厚度的材料经受一个或者多个机械强度测试或者用于处理或表征该自支撑厚度的材料的其它工艺。晶向、样品厚度和几何特征、驻留应力(residential stress)、边缘损伤、表面损伤等都影响单晶硅的机械强度。由于在20μm×20μm的AFM检测下，所解理的自支撑硅样品具有约100-300nm的表面粗糙度。该良好的表面将使得该材料与其它的如锯切的晶片相比更强。利用根据该发明实施例的方法制造的自支撑厚度的材料特征在于断裂应力方面大约1Gpa和更大的强度。在一些实例中，自支撑厚度的材料在断裂应力方面具有5-10Gpa和更高的强度。在一些其它实例中，还可以应用一个或者多个附加值工艺，例如纹理结构化(texturization)、表面蚀刻、退火或者切片后膜沉积物。
图11示出了示例根据本发明实施例的自支撑厚度的材料的机械强度测试的简化视图。如所示，使用“环上环”(ring-on-ring)测试方法来测量作为自支撑厚度的材料的代表性的机械强度特性的断裂应力。晶片机械强度由在破裂时最大施加应力决定。如图11所示，将晶片放在同心的环上环结构上。负载环经由恒定垂直平移对样品施加单轴力，直到晶片破裂，同时记录负载和位移。之后利用如下关系式将最大位移和负载转换成双轴应力：
σ = 3 4 π [ 2 ( 1 + v ) lv a b + ( 1 - v ) ( a 2 - b 2 ) R 2 ] [ F t 2 ] (式.3)
其中，F是施加的力，t是晶片厚度，v是泊松比，a和b是支撑环和负载环的直径，R是等效晶片直径。作为实例，在膜测量中使用的并且极薄衬底兼容的的环的尺寸被选择为：对于负载环为4mm，对于支撑环为9mm。为了消除悬垂效应(over-hanging effect)的影响，将所解理的自支撑厚度的结晶硅样品切成10.5mm的方形。测量结果表示了在几GPa范围中的机械强度且具有良好再现性。
在某些实施例中，本发明还包括用于自支撑厚度的晶片材料的激光划线(scribing)标识(ID)的工艺。在半导体和光伏制造两者中，晶片ID被广泛地用于产品跟踪、分类、贮存、故障分析和质量控制中。ID数据可以是唯一的系列的编码，如点、条、数字、字母等或者它们的组合，其表示初始硅锭、片材号、特定的负载位置(如盘(tray)ID)、工艺数据等。就在分离之后利用激光划线系统在每个自支撑材料的表面上生成ID编码。激光划线是非接触方法，它产生具有平滑边缘的清晰图案。对于薄的材料，为了避免发生裂缝，平滑边缘是非常重要的。图12给出了具有激光标示ID的自支撑晶片表面的实例，该激光标示ID在自支撑晶片表面的一个拐角附近。
除了激光划线之外，在本发明中描述的制造自支撑厚度的硅材料的技术给出了晶片ID编码的另一选择。在一个实施例中，可以多次地将初始体材料上的表面图案(如，激光划线标记)准确地转移到分离厚度的自支撑材料。这称为“直接图案转移”。在工艺105期间，当使体材料的表面区域经受多个高能粒子时，粒子从表面行进一定深度，形成由初始表面外形限定的横向分布形(profile)。图13示出了根据本发明实施例的直接图案转移的示意图。如所示，硅锭的截面被激光刻印了图案(A)。在粒子辐射之后，在表面之下的一厚度处形成解理区域或层。因此，在解理层形成与图案(A)基本相似的另一图案(B)。在分离了该厚度的自支撑材料之后，将激光图案(C)以基本相同的形状、尺度(横向尺寸和深度)和位置复制到它的表面上。一般地，可转换的图案具有在深度约为10～30μm、直径为50μm或者更大的量级上的尺度。根据初始图案的尺寸和驱入的高能粒子的能量，转换(transformation)的次数可以重复多次，直到图案变得模糊。“直接图案转移”方法可以用于将激光ID转移到随后分离的自支撑硅材料。在这种情况下，可以消除许多对单独晶片的激光划线步骤，节省这些步骤的能量和时间，使激光ID工艺更加成本有效。
下面详细描述了具有接近零切口损失的束诱导大面积结晶硅PV晶片化工艺的实施例。在批量(high-volumn)制造中，可以用直接膜转移(DFT)工艺切割薄(50-150μm)PV晶片。还概述了当利用这种新工艺来使单晶硅锭晶片化时诸如寿命、机械强度和TTV的材料特性，而且这些特性与传统的多线浆料锯(MWSS)的切片方法相比表现出了极好的效果。
在晶片化的硅PV系统中，主要的成本方面在于使用相对厚的硅切片，高切口损失和相对少的硅吸收材料。改善硅利用效率的一个方法是薄膜沉积，然而实际上的方法遇到实质上降低转换效率的问题。通过将先进的层转移解理方法与高效、高能离子加速器技术相结合，提出了另一种方法。这两种技术的结合允许利用具有零切口损失和具有低的总工艺成本的高能光离子束，直接分离由CZ硅锭制成的一定厚度的硅。该工艺称为直接膜转移(DFT)，并在图14中概念性地示出。通过商标名PolyMaxTM来代称利用DFT工艺的设备和晶片。
DFT工艺消除了许多晶片化工艺步骤，同时允许实现实质性更薄和小切口的硅厚度。结果是降低了成本和制造的复杂性。与锯切工艺相比，由于以下原因，DFT工艺对环境的压力也较小：(i)由于消除了富浆料的锯切/晶片化工艺，因而消耗较少的总能量，(ii)实质性地减少了CZ硅和多晶硅原料的使用(能量密集地步骤本身)，和(iii)不使用或者不产生浆料、锯切线(saw wire)和切口损失材料。
利用由俄国研究人员首次证明的氢辅助解理原理的要素(V.F.Reutov和Sh.Sh.Ibragimov，Method for fabricating thin silicon wafter(用于制造薄硅晶片的方法)，USSR发明人证书(inventor’s Certificate)No.1282757，1983年12月30日；和B.N.Mukashev等人，HydrogenImplantation into Silicon(氢注入到硅)，phys.stat.sol.(a)91，509(1985)；通过引用将这两者整体合并在此)，DFT工艺是2步的(注入-解理)、干法切片技术，其操作来将厚度约为5-10cm成方形的“砖似的(bricked)”单晶硅锭或者片材转变为PV晶片。第一步是利用高能氢(质子)束辐射在片材面下的期望厚度处形成解理面。入射的单能质子在它们横穿硅厚度时损失它们的能量，形成应力的射程末端(End-Of-Range，EOR)层。在硅中，需要2-4MeV的质子能量以在期望的50-150μm晶片化厚度处形成解理层。
由于技术发展和市场驱动，例如质子癌症治疗、放射性同位素的制造和国土安全，质子加速器技术已更加商业化和有效。例如，利用紧凑型RF四极(RFQ)技术的加速器现在正进入商业用途。
另外，近来通过利用DC静电粒子加速器，例如可从Ion BeamApplications SA，Belgium获得的DYNAMITORN质子加速器，已可以获得对于本发明实施例有用的替代离子注入设备。可以利用的DC静电加速器的其它形式包括Van de Graaff或者Tandem Van de Graaff加速器类型。
根据本发明的实施例适用的粒子加速器的其它形式可以包括射频(RF)粒子加速器，例如回旋加速器或者RF线性加速器(RF直线加速器)。可能的粒子加速器类型的实例包括射频四极线性加速器(RFQ-直线加速器)或者漂移管(Drift-Tube)线性加速器(DTL)、或者RF(射频)聚焦叉指(RF(radio)-Focused Interdigitated，RFI)技术。这些可从多家公司获得，例如Accsys Technology Inc.，Pleasanton，Californi、Linac Systems，LLC，Albuquerque，NM 87109等。
一个考量是需要有效地管理由注入工艺产生的大量热。为了避免使片材表面过热和实现实际制造的吞吐速率，连同快速电磁扫描一起采用以阵列装配多个片材的片材盘。在一实施例中，盘的面积约为1m×1m，对于156mm晶片具有6×6的阵列大小，而对于125mm的晶片具有8×8的阵列大小。盘以灵活的工厂材料流程方法在注入和解理子系统之间循环。在F.Henley等人所作的“Kerf-Free Silicon Wafering EquipmentConfigurations Using Beam-induced Cleave Technology”(23rdEuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference视觉演示2DV.1.68(2008))中，呈现了制造系统结构和设计的更多细节，并且通过引用将其整体合并在此以用于各种目的。盘结构和快速扫描固有地提供了形成跨每个片材的热分布形和图案化剂量的手段，其是高产率解理工艺的关键要素。
一旦形成了解理面，就将盘移到利用2步式发起-传播工序的解理子系统，以便从每个片材解理晶片。小(mm2到cm2)面积具有被热脉冲处理的较高剂量，以发起初始裂缝。该裂缝发生在解理面的边缘区域，并被设计来避免产生解理产物(artifact)。使用第二扫描能源来使解理前端从该发起区域贯穿片材传播，以使该膜完全分离。图15示出了利用角部发起区域的发起-传播解理工序。实现高吞吐量的一种技术是开发和应用先进的受控传播以限制解理平面的剂量需要。由于与利用双悬臂梁几何结构的接合层转移结构相比，厚的片材施体上的薄膜释放能产生基本面内剪切应力强度分量(KII)，因此力学结构将是挑战性的。可以使用外部能量来控制传播和防止膜从解理面分支出去。虽然已经实验验证了所有主要晶向，但(111)取向由于其较低表面能而可以是用于DFT用途的优选材料。
图16示出了在工厂环境内进行2步式晶片化工艺的具有加速器/终端站(end-station)注入(Accel-ES)和受控解理模块(CCM)的设备概念。
评估PolyMaxTM晶片化硅的机械、电和功能特性。已经将DFT工艺试验性地用于生产跨度从薄膜到自支撑晶片替代品的膜。生产了17μm、50μm和120μm厚的大面积CZ硅膜。一个实例是50μm、125mm的伪方形晶片，如图17所示。第一PolyMaxTM设备组规划了50-150μm晶片化范围。
有关利用该技术的表面粗糙度、TTV、边缘、和机械强度的初步数据是很有希望的。
解理膜的粗糙度一般远小于1μm且与解理厚度成比例。图18示出了与240μm线锯参考晶片相比的50μm PolyMaxTM膜的AFM。该工艺的极好表面粗糙度是很明显的。
总厚度变化(TTV)小于1-2％，且SEM微型照片示出了极好的边缘质量(图18A-B)。PolyMaxTM侧面和边缘外形与常规线锯处理的晶片的比较证明了其实质性地更好的尺寸控制和边缘质量。值得注意的是，假定对于线锯的晶片的切口损失是160μm，则总的线锯晶片节距是400μm，相对于PolyMaxTM的50μm，在多晶硅给料利用方面效率提高达整整8x。
DFT工序的一个未料到的优点是：所得到的晶片的测量的机械强度出乎意外地高。这被认为是注入-解理切片方法的较低缺陷产生率的结果。
表格I示出了利用环上环的与240μm相比较的对50μm PolyMaxTM样品的环上环断裂应力力学测试的结果。
表格I
断裂应力机械强度测试(环上环，9mm/4mm环尺寸，由125mm晶片切成的10.5mm方形样品)
  所切片的   蚀刻后的(Δ～14μm)
  PolyMaxTM 50μm   1500Mpa   2400Mpa
  所切片的   蚀刻后的(Δ～14μm)
  240μm线锯参考   98Mpa   310Mpa
每侧面蚀刻7μm将表面破裂应力从已经令人印象深刻的1.5Gpa提高到2.4Gpa。有趣的是，许多(111)三角形样品示出了超过10和甚至20Gpa的断裂应力。相反，由于在锯切工艺期间裂缝的注入，线锯参考样品一致生产实质性低的强度。例如，参看K.Wasmer等人所作的“Effect of Strngth Test Methods on Silicon Wafter StrengthMeasurements”(Proceeding of the 22rd European Photovoltaic SolarEnergy Conference，2CV.3.20(2007))；和A.Bidiville等人所作的“Towardsthe Correlation of Mechanical Properties and Sawing Parameters ofSilicon Wafters”(Proceeding of the 22rd European Photovoltaic SolarEnergy Conference，2CV.3.19(2007))，通过引用将此二者结合在此以用于所有目的。图18A-B的SEM显微照片示出了更清楚的和较少缺陷的工艺结果。
已证实该工艺能够从片材重复地分离出膜而在连续的分离之间没有表面准备。这些膜继续具有类似的粗糙度和TTV而没有任何中间的抛光或者其它表面改变步骤。这说明，该工艺可以以最小表面重调节(reconditioning)缩放用于对批量、低成本的制造。
现在将描述一些实施例的寿命恢复和测量。由于太阳能电池在空间应用中的重要性，高能质子辐射所导致的少数载流子寿命降级是公知且研究了的现象。例如，参见M.Yamaguchi等人所作的“High-energy andhigh-fluence proton irradtion effects in silicon solar cells”(J.Appl.Phys.80(9)，4916(1996))，和A.Hallen等人所作的“Lifetime in proton irradiatedsilicon”(J.Appl.Phys.79(8)，3906(1996))，通过引用将其整体合并在此以用于所有目的。因此，联系形成DFT工艺的主要要素来说明少数载流子寿命恢复。还关注例如污染物共同注入的影响，然而，精心的注入系统设计可以减轻该问题。
开发了辐射损伤产生和消灭模型，并且该模型表明特定的DFT注入工序能消除延展的缺陷生产。利用注入温度控制来限制损伤密度，并认识到仅射程末端层必须作为损伤层移除，发现解理后的“蚀刻/退火恢复”在恢复高的体少数载流子寿命方面工作良好。发现利用这些工序，大部分的寿命降级受限于双空位(V-V)辐射损伤生产，而利用解理后退火可以容易地对其进行修正。通常的电池工艺处理将足够满足进行所需的寿命退火，因此认为该步骤是电池工艺的固有部分。射程末端层蚀刻可以在太阳能电池工艺内的“锯切损伤蚀刻”步骤进行。
因此，能够简单地通过使晶片经过包括表面蚀刻和退火/驱进的通常的电池工序，恢复PolyMaxTM晶片的全寿命。
用光电导测试仪测量50μm PolyMaxTM晶片上少数载流子寿命，并显示利用单步蚀刻/退火恢复工艺在MCD 1E+15cm-3处超过300μsec的寿命。表格II还示出了如何用增加表面蚀刻改善寿命。还测量了50μm抛光的CZ参考晶片。
表格II：
具有“蚀刻/退火恢复”的PolyMaxTM晶片的Sinton Consulting WCT-120有效寿命测量结果。退火是单一的850C/3分钟处理。
  厚度(μm) 寿命(μsec)＊(MCD＝1×1015cm-3)
  所解理的   47   ＜10
  蚀刻#1   39   100
  蚀刻#2   37   160
  单步骤恢复   35   350
  抛光的CZ参考   50   250
注意，这些测量结果未对表面复合速度进行修正。结果，体寿命实际上可以比报告的更高。
现在描述光伏电池制造和测量。为了示出终端产品功能，与GeorgiaInstitute of Technology’s Center of Excellence for Photovoltaics合作制造了PV测试电池。利用稍微修改了的电池工艺在p型50μm、6Ω-cm的PolyMaxTM和275μm、3Ω-cm的CZ参考晶片上制造4cm2PV电池。两者具有至少为100μsec的寿命。利用a～78nm氮化硅覆盖的前面以及n+0.5-1μm厚、35ohm/□的发射极(emitter)，制造电池。被表面是CVD沉积的～1μm厚的Al膜。该工艺不是优化用于薄衬底的，但示出了基本功能。
图8示出了分别产生13.2％和14.6％的转换效率的4cm2电池的I-V曲线。通过利用PC-1D和仅改变电阻率和厚度，在该参考和PolyMaxTM电池之间建立(bridge)效率差。因此，认为1.4％的效率差完全是由于PolyMaxTM材料的较高电阻率和40μm的厚度。在计划中，在更先进的电池没计上应用纹理结构化(texturization)。
现在将描述用于该工艺实施例的设备吞吐量和效率。设备组目前正在设计中以在批量制造中执行PolyMaxTM工艺。预期该设备每年生产相当于约5-7MW的晶片(150μm晶片厚度)，产生约0.6kW-hr/Wp的能量成本。如果包括浆料和附属系统例如清洗/烘干和单颗化系统，则这与多线浆料锯(MWSS)系统相比是有利的。如果还包括切口损失的节约，则该系统可以变成优于现有锯切方法的净能量节约步骤。
总之，提出并描述了新型的无切口、干法晶片化工艺。该工艺利用2步注入-解理方法，其中高能光离子辐射首先形成解理面，随后通过先进的受控解理发起并使断裂平面沿解理面受控地传播，以将大面积晶片从成形的晶锭释放。
该工艺已用于生产测试样品以示出材料质量、特性，并证明可缩放到批量制造。表面粗糙度、边缘质量、机械强度、寿命、和试验电池效率结果确认了该方法作为低多晶硅原料使用的具有极好转换效率的PV晶片化技术的生命力。
具有高材料质量的实用的无切口PV晶片化工艺的经济影响和应用性是巨大的。该工艺可以用于制造50μm到150μm的自支撑衬底用于替换的和高级的晶片PV制造。该工艺还显示出了制造高质量、20-50μm厚的超薄膜的潜力。
这种宽的厚度范围允许该工艺参与“薄”和“厚”硅PV市场。对于厚的“自支撑”衬底制造工艺，该工艺允许在相同效率下的不昂贵的吸收体。对于薄吸收体，该工艺的生产可能安装在大的机械支撑材料上的20-50μm厚的高效硅吸收膜的能力，满足对行业提出挑战要实现的新的形态因子。该技术最终可以提供对当前薄膜技术的高寿命和效率的替代品。
尽管以上是具体实施例的全面描述，然而也可以使用各种变更、替换构造和等价物。虽然利用选择的步骤顺序描述了上文，但也可以使用所描述的步骤的任意要素以及其它的要素的任意组合。另外，根据实施例可以合并和/或消除某些步骤。因此，以上描述和示例说明不应被认为是限制本发明的的范围，而本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (26)

1.一种制造一定厚度的硅材料的方法，该方法包括：
提供具有表面区域的硅锭材料；
将具有大约1-5MeV和更大能量的多个粒子穿过表面区域引入到一深度，以定义解理区域和在解理区域和表面区域之间的可分离材料的厚度；
处理硅锭材料以在解理区域的附近释放该厚度的可分离材料；
使形成以大约10微秒和更小的载流子寿命为特征的自支撑厚度的材料，第一厚度范围从大约20微米到大约150微米且总厚度变化小于大约百分之五；
至少利用蚀刻工艺处理自支撑厚度的材料；和
对自支撑厚度的材料执行热/钝化处理以将载流子寿命恢复到大于大约200微秒。
2.如权利要求1的方法，其中在该蚀刻工艺之后该自支撑厚度的材料基本上没有表面损伤。
3.如权利要求1的方法，其中在该热处理工艺之后该自支撑厚度的材料基本上没有亚表面损伤。
4.如权利要求1的方法，其中该蚀刻工艺从自支撑厚度的材料的前表面和从自支撑厚度的材料的背表面移除材料厚度的约5-10％，以具有范围从大约16微米到大约120微米的第二厚度。
5.如权利要求4的方法，其中在该蚀刻工艺之后自支撑厚度的材料保持与蚀刻工艺之前基本相同的厚度变化。
6.如权利要求4的方法，其中该蚀刻工艺导致在大约100-300nm之间的RMS表面粗糙度。
7.如权利要求4的方法，其中该蚀刻工艺在前表面或背表面上形成以较高光俘获能力为特征的纹理结构。
8.如权利要求1的方法，其中该热/钝化处理的特征在于大约400摄氏度到大约800摄氏度的温度和使用碘/甲醇溶液。
9.如权利要求1的方法，其中该自支撑厚度的材料的特征在于具有通过环上环测量的大约1-5GPa的断裂应力的强度。
10.如权利要求1的方法，其中该蚀刻工艺包括将自支撑厚度的材料以预定的速度浸入HF、硝酸和醋酸溶液中预定的时间。
11.一种制造具有小于大约5％的总厚度变化(厚度变化/厚度)的一定厚度的硅材料的方法，该方法包括：
提供具有表面区域的硅锭材料；
将具有大约1-5MeV能量的多个粒子穿过表面区域引入到一深度处，以定义解理区域和在解理区域和表面区域之间的可分离材料的厚度；
处理硅锭材料以在解理区域的附近释放该厚度的可解理材料；
使形成以大约10微秒和更小的载流子寿命为特征的自支撑厚度的材料，第一厚度基本上等于可分离材料的厚度；
至少使用蚀刻工艺处理自支撑厚度的材料；
对自支撑厚度的材料执行热/钝化处理以将载流子寿命恢复到大于大约200微秒；和
其中该自支撑厚度的材料在断裂应力方面具有大约1GPa和更大的强度。
12.如权利要求11的方法，其中在该蚀刻工艺之后该自支撑厚度的材料基本上没有表面损伤。
13.如权利要求11的方法，其中在该热处理工艺之后该自支撑厚度的材料基本上没有亚表面损伤。
14.如权利要求11的方法，其中该蚀刻工艺移除自支撑厚度的材料的第一厚度的大约5-10％，以提供具有总厚度变化的第二厚度。
15.如权利要求14的方法，其中
第一厚度范围从大约20微米到大约150微米；
第二厚度范围从大约16微米到大约120微米；
总厚度变化小于5％。
16.如权利要求15的方法，其中该蚀刻工艺导致用原子力显微镜(AFM)测量的RMS表面粗糙度为大约1000nm和更小。
17.如权利要求11的方法，其中该热/钝化处理的特征在于大约400摄氏度到大约800摄氏度的退火温度和使用碘/甲醇溶液。
18.如权利要求11的方法，其中该自支撑厚度的材料的特征在于通过环上环测试测量的在断裂应力方面大约1GPa和更大的强度。
19.如权利要求11的方法，其中该自支撑厚度的材料的特征在于通过环上环测试测量的在断裂应力方面大约5GPa和更大的强度。
20.如权利要求11的方法，其中该硅锭是P型，特征在于大约0.2到12欧姆厘米的电阻率。
21.如权利要求11的方法，其中该蚀刻工艺包括将自支撑厚度的材料浸入HF、硝酸和醋酸溶液中。
22.一种具有小于大约5％的总厚度变化(厚度变化/厚度)的硅晶片，包括：
自支撑厚度的硅材料，其具有范围为从大约20微米到大约150微米的厚度；
第一表面区域，其覆盖在自支撑厚度的硅材料上面；
第二表面区域，其覆盖在自支撑厚度的硅材料上面；
从自支撑厚度的硅材料的第一表面区域到自支撑厚度的硅材料的第二表面区域的、小于大约百分之五的总厚度变化；
大于约200微秒的载流子寿命；和
在断裂应力方面大约1GPa和更大的强度。
23.如权利要求22的硅晶片，其中第一表面区域具有大约为1000纳米的RMS表面粗糙度。
24.如权利要求22的硅晶片，其中第二表面区域具有大约为1000纳米和更小的RMS表面粗糙度。
25.如权利要求22的硅晶片，还包括大约0.2到12欧姆厘米的电阻率。
26.如权利要求22的硅晶片，其中自支撑厚度的硅材料包括单晶硅、多晶硅或冶金硅。
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