CN104584239B - 用于加速外延剥离的应变控制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于外延剥离的薄膜装置，其包含柄和一个或多个配置在所述柄上的应变层，其中所述一个或多个应变层引起所述柄弯曲。本发明还公开了制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括在柄上沉积一个或多个应变层，其中所述一个或多个应变层在所述柄上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。本发明还公开了用于外延剥离的方法，其包括在配置于生长基底上的牺牲层上沉积外延层；在所述生长基底和所述柄中的至少一者上沉积一个或多个应变层；使所述柄结合于所述生长基底；以及蚀刻所述牺牲层。

Description

用于加速外延剥离的应变控制
相关申请的交叉参考
本申请要求2012年6月4日提交的美国临时专利申请号61/655,084的优先权，将所述美国临时专利申请的整体通过参考并入本文中。
关于联邦资助的研究的声明
本发明是在政府支持下依据由陆军研究办公室(Army Research Office)授予的W911nF-08-2-0004而做出。政府在本发明中具有一定权利。
联合研究协议
本申请的主题内容是代表、和/或连同参加共同大学-公司研究协议的以下各方的一方或多方而做出：密歇根大学和全球光子能公司。所述协议在做出本申请的主题内容之日及之前已生效，并且本申请的主题内容因在协议范围内进行的活动而做出。
技术领域
本公开通常涉及通过使用外延剥离(epitaxial lift off)(ELO)制造电活性、光学活性、太阳能、半导体和薄膜材料如光伏(PV)器件的方法。
背景技术
光敏性光电装置将电磁辐射转化成电。太阳能电池也称为PV器件，是一类具体地用于产生电力的光敏性光电器件。PV器件可以从除太阳光以外的光源产生电能，可用以驱动耗电负荷以提供例如照明、加热或为电子电路或装置如计算器、收音机、计算机或远距监控或通讯设备供电。
为了产生内生电场，常用的方法是并置两层材料，所述材料具有适当选择的传导性，特别是就其分子的量子能态分布方面进行适当选择的传导性。将这两种材料的界面称作光伏结。在传统的半导体理论中，已经将用于形成PV结的材料通常指定为n型或者p型。在此，n型表示多数载流子类型是电子。可将其视为具有许多在相对自由能态中的电子的材料。p型表示多数载流子类型是空穴。这些材料具有许多在相对自由能态的空穴。背景类型即非光生的多数载流子的浓度主要取决于由缺陷或杂质引起的无意掺杂。杂质的类型和浓度决定了在传导带最小能量和价带最大能量之间的能隙内的费米能量或水平。费米能量表征了分子量子能态的统计占据情况，所述分子量子能态由占据概率等于1/2的能量值表示。费米能量接近传导带最小能量表示电子是主要载流子。费米能量接近价带最大能量表示空穴是主要载流子。相应地，费米能量是传统半导体的主要表征性质，并且原型PV结传统上是p-n界面。
常规的无机半导体PV电池采用p-n结以建立内场。典型地在昂贵的单晶生长基底上制造高效的PV器件。这些生长基底可以包括单晶晶片，该单晶晶片可用于产生完整晶格及结构支撑用于又名“外延层”的活性层的外延生长。可以将这些外延层与其初始生长基材完整地集成到PV器件中。或者，可以将那些外延层移除并且与主体基底重组。
在一些情况下，可能期望将外延层转印到显示期望的光学、机械或热性质的主体基底上。例如，可以在硅(Si)基底上生长砷化镓(GaAs)外延层。然而，对于某些电子应用，所得材料的电子质量可能不足。因此，可能期望保持晶格匹配外延层的高的材料质量，同时允许将那些外延层集成到其它基底中。这可以通过称为外延剥离的方法实现。在外延剥离方法中，外延层可以被“剥离离开”生长层，与新的主体基底重新组合(例如结合或粘附)。
虽然其可提供期望的外延生长特性，但是典型的生长基底可为厚的并且产生过多重量，并且所得装置倾向于易碎并且需要庞大的支撑系统。外延剥离可为将外延层从其生长基底转印到更有效的、轻质、并且柔性的主体基底上的期望的方式。考虑到典型生长基底的相对稀缺性以及其赋予所得电池结构的所需特性，可能期望在后续外延生长中对生长基底进行循环和/或再利用。
ELO方法对于太阳能电池应用来说是有吸引力的，并且通过再使用本源晶片可能使III-V类器件的制造成本降低。对于光电器件如光伏电池和光检测器，与常规基底晶片基器件相比，通过制造具有背侧反射镜(back side reflector)的薄膜装置，需要约一半的活性区厚度以吸收等量的入射辐射。通过减少外延层的材料消耗和生长时间，较薄的活性层也可实现制造成本的降低。此外，背侧反射镜会防止通过发光所发射的光子寄生吸收到基底中并且允许“光子循环”增大，这是实现肖克利-奎塞尔限制(Shockley-Queisser Limit)的必要条件。这种光子循环允许剥离电池比基板电池具有增大的开路电压。
为了加速牺牲层的侧向刻蚀过程，通常对剥离薄膜和柔性的柄(handle)材料(例如塑料、蜡、金属箔、光阻剂等)施加曲度。这通过使用重量而弯曲远离晶片或弯曲所述柄以在晶片和外延层之间打开间隙来进行。然而，这种方法需要精确的外延层支撑设置(setup)或附加的转印步骤。此外，如果所述外延层支撑设置在外延层上引起过多的应变或过大的膜曲度，那么单晶薄膜中可能产生裂缝。
仍需要通过控制柄上的应变以及简化剥离设置以加速ELO方法。
发明内容
本公开的一个实施方式涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含柄和一个或多个配置在所述柄上的应变层，其中所述一个或多个应变层引起柄弯曲。
在另一实施方式中，本公开涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含生长基底、柄和一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层，其中使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于生长基底，并且其中所述一个或多个应变层在柄上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。
在另一实施方式中，本公开涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在生长基底上的外延层、柄和一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层，其中使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于生长基底，并且其中所述一个或多个应变层在柄和外延层中的至少一者上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在柄和外延层上引起至少一种应变。
在另一实施方式中，本公开涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在生长基底上的牺牲层和外延层、柄和一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层，其中使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于生长基底，并且其中所述一个或多个应变层在牺牲层、外延层和柄中的至少一者上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在牺牲层、外延层和柄上引起至少一种应变。
在另一实施方式中，本公开提供用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在柄上的至少一个牺牲层和至少一个应变层，其中所述应变层由至少一种选自金属、半导体、介电质和非金属的材料组成，并且其中所述应变层引起柄弯曲。
在又一个实施方式中，本公开提供用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在柄上的至少一个牺牲层和至少一个应变层，其中所述应变层由至少一种选自金属、半导体、介电质和非金属的材料组成，并且其中所述柄在来自应变层的拉伸或压缩应变下弯曲。
在另一实施方式中，本公开提供由金属组成的应变层。这种金属的合适的实例包括纯金属如金、镍、银、铜、钨、铂、钯、钽、钼或铬，或含有铱、金、银、铜、钨、铂、钯、钽、钼和/或铬的金属合金。
在本公开的一些实施方式中，应变层引起柄弯曲。在一些实施方式中，在蚀刻牺牲层时所述一个或多个应变层引起柄弯曲。在一些实施方式中，在与生长基底分开时所述一个或多个应变层引起柄弯曲。在一些实施方式中，柄向着生长基底弯曲。在一些实施方式中，应变层引起柄远离生长基底弯曲。在一些实施方式中，应变层将柄的弯曲最小化。
在一个实施方式中，本公开提供制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括在柄上沉积一个或多个应变层，其中所述一个或多个应变层在柄上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，所述方法能引起柄弯曲。
在另一实施方式中，本公开提供应变层，其引起拉伸应变以引起柄向着生长基底弯曲。
在一个实施方式中，本公开提供制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括提供生长基底和柄、在所述生长基底和所述柄中的至少一者上沉积一个或多个应变层，以及使其上任选配置有一个或多个应变层的柄结合于生长基底。
在又一个实施方式中，本公开提供外延剥离的方法，其包括在配置于生长基底上的牺牲层上沉积外延层；在所述生长基底和所述柄中的至少一者上沉积一个或多个应变层；使柄结合于生长基底；以及蚀刻所述牺牲层。
本公开的另外的实施方式涉及薄膜太阳能电池器件，其包含至少一个配置在结合于柄的生长基底上的层，其中所述柄足够柔性并且具有能加速外延剥离的曲度。本公开的另一实施方式涉及薄膜太阳能电池器件，其包含至少一个配置在结合于柄的生长基底上的层，其中晶片和柄之间的热膨胀系数差异用于使柄产生弯曲以加速外延剥离。
附图说明
图1描绘了用于外延剥离的薄膜装置的示例性实施方式，该装置包含生长基底和柄，例如卡普顿薄片，其中应变层引起柄弯曲。
图2描绘了溅射Ir与拉伸和压缩应变的各种组合，其在柄上方(a)具有单一压力源层，在柄底部(b)具有单一压力源层，或在柄上方具有不同应变的多层(c)，或在柄两侧都具有可变应变的层(d)。
图3描绘了在7毫托溅射室压力下具有3.5nm、10.5nm、21nm和42nm厚的溅射Ir的以及在8.5毫托溅射室压力下具有7nm和28nm的溅射Ir的50μm卡普顿薄片，以及没有Ir的对照薄片。
图4描绘了在受应变柄上冷焊结合和剥离的薄膜的照片。
具体实施方式
如此处使用的术语“层”是指光敏性装置的元件或组件，其主要维度为X-Y，即沿着其长度和宽度，并且通常与照射的入射面垂直。应了解，术语“层”未必限于材料的单一层或薄片。层可包含几个材料薄片的层压物或组合。另外，应了解，某些层的表面包括这些层与其它材料或层的界面可以不完整，其中所述表面呈现与其它材料或层互相贯通的缠结或卷曲的网络。类似地，还应了解，层可为不连续的，以使所述层沿着X-Y维度的连续性可能受到干扰或另外由其它层或材料中断。
如此处使用的术语“III-V材料”可以用于指含有周期表IIIA族和VA族元素的复晶。更具体地，术语III-V材料可以在本文中用以指化合物，其为镓(Ga)、铟(In)和铝(Al)的组合，以及砷(As)、磷(P)、氮(N)和锑(Sb)的组合。代表性材料可以包括GaAs、InP、InGaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAsP、InGaAsPN、GaN、InGaN、InGaP、GaSb、GaAlSb、InGaTeP和InSb以及所有相关的化合物。术语“IV族”包含诸如周期表IVA列中Si和Ge的半导体。II-VI族包含诸如CdS和CdTe的半导体，例如在周期表IIA和VIA族中存在的那些。
如此处使用的表述“配置在...上”允许被配置的材料和上面配置该材料的材料之间存在其它材料或层。同样地，表述“结合于”允许被结合的材料和结合于该材料的材料之间存在其它材料或层。
如此处使用，引起柄向着生长基底弯曲的应变层，是指从参照生长基底来看，应变层引起柄采取凹面形状。
如此处使用，引起柄远离生长基底弯曲的应变层，是指从参照生长基底来看，应变层引起柄采取凸面形状。
如此处使用，术语“应变”可就沉积层中的残余应变来定义。应变可为拉伸、压缩或近中性应变。拉伸应变将使柄向着应变层弯曲，压缩应变将使柄远离应变层弯曲，并且近中性应变将不会导致柄有任何显著的弯曲。在一个实施方式中，施加于柄材料的应变为加速柄向着晶片弯曲的拉伸应变。
此处所述的薄膜装置可为光敏性装置。在一些实施方式中，此处所述的薄膜装置是太阳能电池器件。
本公开还涉及采用配置在生长基底和至少一个外延层之间的保护层。美国专利号8,378,385和美国专利公布号2013/0043214公开了生长结构和材料，例如包含生长基底、保护层、牺牲层和外延层的生长结构，将其通过参考并入本文中。
本公开进一步涉及通过预清洁方法从ELO方法中除去保护层和污染物，所述预清洁方法用快速热退火(RTA)至少部分地分解保护层表面。在另一实施方式中，外延保护层和快速热分解的组合向新鲜晶片提供近乎相同的表面质量。
在本公开的一些实施方式中，用于外延剥离的薄膜装置包含柄和一个或多个配置在所述柄上的应变层，其中所述一个或多个应变层引起柄弯曲。例如，图2(a)和2(b)描绘了配置在柄例如卡普顿薄片上的应变层，例如Ir层，其中Ir层通过拉伸或压缩应变引起柄弯曲。
在本公开的一些实施方式中，薄膜装置包含生长基底、柄和一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层，其中使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于所述生长基底，并且其中所述一个或多个应变层在柄上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，柄上的至少一种应变引起柄弯曲。在一些实施方式中，将一个或多个应变层配置在生长基底和柄上。图1示出了用于外延剥离的薄膜装置的示例性实施方式，该装置包含生长基底和柄，例如卡普顿薄片，其中应变层引起柄弯曲。
在一些实施方式中，薄膜装置进一步包含配置在生长基底上的外延层，其中所述一个或多个应变层在柄和外延层中的至少一者上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在柄和外延层上引起至少一种应变。
在一些实施方式中，薄膜装置进一步包含牺牲层和配置在生长基底上的外延层，其中所述一个或多个应变层在牺牲层、外延层和柄中的至少一者上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，将外延层配置在牺牲层上。在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在牺牲层、外延层和柄上引起至少一种应变。
在一些实施方式中，将外延层配置在生长基底上。在一些实施方式中，外延层包含砷化镓(GaA)、掺杂物或合金和其组合。在一些实施方式中，将牺牲层配置在生长基底和外延层之间。在一个实施方式中，牺牲层包含铝砷化物、合金和其组合。牺牲层的厚度可以在约1nm至约200nm，如约2nm至约100nm、约3nm至约50nm、约5nm至约25nm，和约8nm至约15nm的范围内。
在其它实施方式中，在蚀刻工艺期间，牺牲层可暴露于湿式蚀刻溶液。湿式蚀刻溶液可含有氢氟酸。湿式蚀刻溶液还可以含有至少一种表面活性剂、至少一种缓冲剂或其任何组合。在又一个实施方式中，牺牲层是含磷化物的化合物如InGaP、InAlP或InP。在一些实施方式中，通过在HCl基蚀刻剂中蚀刻以除去含有磷化物的材料。
在一些实施方式中，将应变施加于柄材料以促进薄膜剥离。在又一个实施方式中，所施加的应变使柄向着生长基底向内弯曲。
可将如本文所述的一个或多个应变层以任何取向即柄的背面、正面和侧面配置在柄材料上。在一些实施方式中，柄具有顶面和底面，将所述一个或多个应变层配置在柄顶面、柄底面或两处。
在一个实施方式中，应变层由至少一种选自金属、半导体、介电质和非金属的材料组成。在某些实施方式中，基于薄膜厚度，至少一种材料可以在约1nm至约10000nm，如约1nm至约500nm、约2nm至约250nm、约3nm至约100nm、约4nm至约100nm，和约5nm至约40nm的范围内的厚度存在。
可构成应变层的金属的合适实例包括选自铱、金、镍、银、铜、钨、铂、钯、钽、钼、铬和其合金的金属。在某些实施方式中，针对金属对所选ELO蚀刻剂(例如HF酸)的抗性而选择金属。在另外的实施方式中，可使用对HF具有抗性的金属以形成应变层。在另一实施方式中，将非抗HF金属与屏障层组合使用以引起柄弯曲。
应变层也可由选自例如多种氮化物、碳化物等的介电质；选自例如II-VI、III-V和IV族半导体的半导体；和/或选自例如聚合物、弹性体和蜡的非金属组成。例如，在一些实施方式中，至少一个应变层包含至少一个受应变半导体外延层。在一些实施方式中，至少一个应变层包含至少一种选自InAs、GaAs、AlAs、InP、GaP、AlP、InSb、GaSb、AlSb、InN、GaN和AIN的材料。
在另外的实施方式中，将Ir金属溅射在柄上以引起应变。通过控制Ar溅射气体压力和金属厚度将拉伸和压缩应变两者都施加于柄上。在又一个实施方式中，并且如图3中所示，施加7毫托的溅射压力，以当金属厚度大于10nm时作为提供拉伸应力的手段。在另一实施方式中，也如图3中所示，施加8.5毫托的溅射压力，以作为向柄提供压缩应力的手段。另外，可通过在柄例如柔性柄的背侧溅射或蒸发或电镀应变层以控制所施加的应变。
气体压力可随用于溅射的室而改变。在一个实施方式中，Ar溅射气体压力在约10-5托至约1托，如约0.1毫托至约500毫托、约1毫托至约50毫托，和约5毫托至约10毫托的范围内。
在又一个实施方式中，应变层的厚度在约0.1nm至约10000nm的范围内。
在又一个实施方式中，改变应变层沉积的实施温度和/或速率以引起不同应变。
在另一实施方式中，之前使用另一技术弯曲的柄引起应变。在这个实施方式中，可通过多种技术使柄弯曲，所述多种技术例如但不限于：在制造或递送期间引起弯曲(例如保持其形状的塑料轧制薄片)；围绕圆筒将柄弯曲并且加热以将柄再成形；围绕圆筒将柄弯曲并且弹性变形以促进弯曲；将柄弯曲并且在表面上沉积材料以维持曲度；使用多层柄，其中材料在弯曲的同时结合在一起；使用多层柄，其中在不同于实施蚀刻的温度下产生柄，蚀刻时因温度变化而产生曲度。
在另一实施方式中，柄和生长基底之间的热膨胀系数(CTE)差异可用以通过在不同于将柄和晶片结合在一起的温度下实施剥离蚀刻而在柄中产生应变。在这个实施方式中，一个实例为其中在低于实施外延剥离蚀刻的温度下实施柄的结合；在这种情况下，如果柄的CTE小于晶片的CTE，那么柄将远离晶片弯曲；或者如果柄的CTE大于晶片的CTE，那么柄将向着晶片弯曲。这个实施方式的第二个实例为其中在高于实施外延剥离蚀刻的温度下进行晶片结合；在这种情况下，如果柄的CTE小于晶片的CTE，那么柄将向着晶片弯曲，或者如果柄的CTE大于晶片的CTE，那么柄将远离晶片弯曲。
可如图2(c)和2(d)中所示，通过沉积多个应变层实现压缩和拉伸应变的组合。例如，可使用具有受控的厚度的多层金属堆叠和不同的应变条件实现应变组合。例如，通过控制金属沉积条件，可采用拉伸应变层上方有压缩应变层，或者压缩应变层上方有拉伸应变层。通过使用多层金属堆叠，可分别控制体积应变和近表面应变。另外，可用各种组合和程度的拉伸和压缩应变在柔性柄的两侧都溅射应变层。
在一些实施方式中，将一个或多个应变层配置在生长基底上以在ELO期间控制应变。可将一个或多个应变层直接沉积在生长基底上；在生长基底和外延层之间；和/或在外延层上方，即比外延层更远离生长基底。
在一些实施方式中，将一个或多个应变层沉积在生长基底和柄上。
可通过改变柄层厚度实现附加的应变控制，即对于沉积的金属中给定的应变条件，较薄的卡普顿柄将弯曲得更多。
在另一实施方式中，柄由塑料材料、聚合材料或低聚材料制成。柄的厚度可在约10μm至约250μm，如约15μm至约200μm，和约25μm至约125μm的范围内。
构成柄的材料的合适实例包括材料如聚酰亚胺例如聚乙烯、聚乙二醇(PEG)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-g)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)例如聚偏二氟乙烯和其它各种部分氟化的聚合物、尼龙、聚氯乙烯、氯磺化聚乙烯(CSPE)例如和聚(对苯硫醚)。
构成柄的材料的合适实例还包括金属箔如不锈钢、铜、钼、钽、镍和镍合金例如青铜、金、贵金属涂布的箔，和聚合物涂布的箔。
在一些实施方式中，在ELO过程期间，柄材料具有柔性、无限制并且可自由变形和弯曲。
生长基底可包含任何数目的材料，包括单晶晶片材料。在一些实施方式中，生长基底可选自包括但不限于以下的材料：Ge、Si、GaAs、InP、GaN、AIN、GaSb、InSb、InAs、SiC、CdTe、蓝宝石和其组合。在一些实施方式中，生长基底包含GaAs。在一些实施方式中，生长基底包含InP。在一些实施方式中，可掺杂构成生长基底的材料。合适的掺杂物可以包括但不限于锌(Zn)、Mg(和其它IIA族化合物)、Zn、Cd、Hg、C、Si、Ge、Sn、O、S、Se、Te、Fe和Cr。例如，生长基底可以包含用Zn和/或S掺杂的InP。
在又一个实施方式中，可将其上配置有一个或多个应变层的柄结合于生长基底。在某些实施方式中，使用冷焊技术或对于常规ELO用胶粘层如蜡结合柄。然后可在例如稀HF(DHF)中蚀刻含有活性外延层的生长基底和受应变柄的样品。
在另一实施方式中，为了进一步加速ELO，可在热板上加热DHF或可增大HF的浓度。
在又一个实施方式中，本公开提供制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括在柄上沉积一个或多个应变层，其中所述一个或多个应变层引起拉伸、压缩或近中性应变以加速柄的弯曲。
在一些实施方式中，柄上的至少一种应变引起柄弯曲。在一些实施方式中，柄上的至少一种应变引起柄向着生长基底弯曲。在一些实施方式中，柄上的至少一种应变引起柄远离生长基底弯曲。在一些实施方式中，沉积时的拉伸应变会加速柄向着生长基底向内弯曲。
在一个实施方式中，柄上的应变会改变蚀刻剂向牺牲层的流动。在一个实施方式中，柄上的应变例如通过打开蚀刻前端而改进蚀刻溶液向蚀刻前端的流动。
在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在牺牲层中引起应变。引起的应变可为拉伸、压缩或近中性应变。在一些实施方式中，牺牲层中的应变会加速牺牲层的蚀刻速率。在一些实施方式中，这一加速与蚀刻剂向蚀刻前端的改进的输送所引起的任何加速无关。
在一个实施方式中，本公开提供制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括提供生长基底和柄，在所述生长基底和所述柄中的至少一者上沉积一个或多个应变层，以及使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于所述生长基底。在一些实施方式中，将一个或多个应变层沉积在生长基底和柄上。在一些实施方式中，生长基底具有配置于其上的外延层。在一些实施方式中，生长基底具有配置于其上的牺牲层和外延层。在一些实施方式中，将外延层配置在牺牲层上。
在又一个实施方式中，本公开提供外延剥离的方法，其包括在配置于生长基底上的牺牲层上沉积外延层；在所述生长基底和所述柄中的至少一者上沉积一个或多个应变层；使柄结合于晶片；以及蚀刻所述牺牲层。在一些实施方式中，将一个或多个应变层沉积在生长基底和柄上。在某些实施方式中，可用氟化氢蚀刻牺牲层。
在一些实施方式中，通过冷焊方法使柄结合于生长基底。
可以根据在本领域中已知的技术沉积材料和层。
实施例
现将通过以下非限制性实施例更详细地描述本公开。应了解，熟练技术人员将想到与此处提供的公开相一致的其他实施方式。
实施例1
在这个实施例中，通过在Zn掺杂(100)p-GaAs基底上的气体来源分子束外延(GSMBE)来生长外延层结构。用0.2μm厚的GaAs缓冲层开始生长。然后，生长0.1μm晶格匹配的In0.49Ga0.51P蚀刻停止层，接着生长0.1μm厚的GaAs保护层。随后，生长0.01μm厚的AlAs牺牲层。然后，按如下所述生长反向GaAs太阳能电池活性区：0.2μm厚的5×1018cm-3 Si掺杂的GaAs接触层，0.025μm厚的2×1018cm-3 Si掺杂的In0.49Ga0.51P窗口层，0.15μm厚的1×1018cm-3 Si掺杂的n-GaAs发射极层，3.5μm厚的2×1017cm-3 Be掺杂的p-GaAs基极层，0.075μm厚的4×1017cm-3 Be掺杂的In0.49Ga0.51P背面场(BSF)层和0.2μm厚的2×1018cm-3 Be掺杂的p-GaAs接触层。
在生长之后，通过电子束蒸发将Ir()/Au()接触层沉积到50μm厚的薄片上并且将Au()层沉积在GaAs外延层上。将基底和塑料薄片通过冷焊结合并然后浸渍到HF:H2O(1:10)溶液中以实施ELO。在ELO方法之后立即通过用BCl3和Ar气体进行等离子体蚀刻而清洁薄膜。然后，将其切成四分之一的晶片工件以用于太阳能电池的制造。
从用于网格图案化的光刻开始制造太阳能电池，并且通过电子束蒸发沉积Ni(50nm)/Ge(320nm)/Au(650nm)/Ti(200nm)/Au(9000nm)制造太阳能电池。将薄膜电池在热板上在240℃下退火1小时以形成欧姆接触。随后，由化学蚀刻界定台面，并且除去暴露的高度掺杂的GaAs层。最后，通过电子束蒸发沉积ZnS(43nm)/MgF2(102nm)双层防反射涂层以制造太阳能电池。
在100mW/cm2强度的模拟AM1.5G照射下，测量ELO加工的GaAs光伏电池的电流密度-电压(J-V)特性。短路电流密度为23.1mA/cm2，并且开路电压为0.92V，填充系数为75.6％，产生16.1％的光电转换效率。外量子效率的峰值在85％。
如上所述，采用双层保护方案，其包含蚀刻停止层(0.1μm厚的InGaP)和保护层(0.1μm厚的GaAs)以在ELO方法期间保护本源GaAs晶片表面。通过用RTA工具进行热处理以分解GaAs保护层表面。在对表面热处理之后，除去了大部分大规模污染。在RTA之后，通过分别使用H3PO4:H2O2:H2O(3:1:25)和H3PO4:HCl(1:1)进行湿式蚀刻以除去保护层和蚀刻停止层。除去保护后的表面粗糙度(均方根(RM)粗糙度为0.71nm)与新鲜晶片(RM粗糙度为0.62nm)的表面粗糙度相当。
为了比较初始外延层和后续外延层的生长质量，通过将具有保护层的晶片暴露于7.5％HF:H2O的稀溶液48小时来模拟外延剥离方法。在RTA处理和除去外延保护层之后，将基底放回GSMBE室中并且脱气。然后在初始本源基底上生长层结构，其具有与参考结构相同的结构。对初始晶片和再使用晶片两者上的GaAs外延层的GaAs太阳能电池、霍尔效应、光致发光、扫描透射电子显微镜术(STEM)和反射高能电子衍射(RHEED)的测量表明外延膜的电和光学质量近乎相同。
在ELO模拟之后还研究了新鲜生长和再生长界面的质量。横截面STEM图像证实新鲜外延膜和再生长外延膜两者的晶体生长近乎完美。RHEED图案还表明那些晶片的表面质量相同。此外，通过能量分散光谱法(EDS)和x射线光电子光谱法(XPS)研究的表面化学没有示出初始晶片和再使用晶片之间有显著差异。
实施例2
通过气体来源分子束外延在GaAs层上生长外延层。使AlAs层(10nm)生长以作为在晶片和活性外延层之间的牺牲ELO层。在生长之后立即将Ir溅射到50μm厚的卡普顿薄片上。接着，在GaAs外延层上，通过电子束蒸发沉积0.8μm Au并且通过电子束蒸发沉积的Au。为了试验柄应变的效果，在不同Ar气体压力下溅射多种Ir厚度。在金属沉积之后，通过将晶片的Au侧向下放到塑料薄片上以将晶片冷焊到柄上并且通过施加压力进行冷焊结合。然后，将结合于卡普顿薄片的GaAs晶片浸渍到达到约50℃的HF:H2O(1:10)蚀刻溶液中以选择性蚀刻所述AlAs层。
与平的柄相比，受压缩和拉伸压力的柄都会加速ELO过程。当采用10nm厚的AlAs牺牲层，并且用卡普顿胶带将柔性柄固定于铁氟龙基台上时，要耗费约十天以防止柄弯曲。然而，在利用ELO方法并且使用受拉伸应变柄的情况下，耗费约24小时。利用压缩应变实现了最快的蚀刻速率，其耗费不到8小时(图4)。

Claims (15)

1.一种用于外延剥离的薄膜装置，其包含：
生长基底；
至少一个牺牲层；
柄；和
一个或多个配置在所述柄上的应变层，
其中所述一个或多个应变层在所述柄上引起至少一种应变，并且
其中至少在蚀刻所述牺牲层牺，在所述柄上的所述至少一种应变引起所述柄弯曲。
2.权利要求1的装置，其中在蚀刻所述牺牲层牺，在所述柄上的所述至少一种应变引起所述柄向着所述生长基底弯曲。
3.权利要求1的装置，其中在蚀刻所述牺牲层牺，在所述柄上的所述至少一种应变引起所述柄远离所述生长基底弯曲。
4.权利要求1的装置，其中所述一个或多个应变层由至少一种选自金属和非金属的材料组成。
5.权利要求1的装置，其中所述一个或多个应变层由至少一种选自铱、金、镍、银、铜、钨、铂、钯、钽、钼、铬和含有任何上述金属的合金的金属组成。
6.一种用于外延剥离的薄膜装置，其包含：
生长基底，
柄，
一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层，和
配置在所述生长基底上的牺牲层和外延层，
其中将其上任选配置有一个或多个应变层的柄结合于所述生长基底，
其中所述一个或多个应变层在所述柄上引起至少一种应变，并且
其中至少在蚀刻所述牺牲层牺，在所述柄上的所述至少一种应变引起所述柄弯曲。
7.权利要求6的装置，其中在蚀刻所述牺牲层牺，在所述柄上的所述至少一种应变引起所述柄向着所述生长基底弯曲。
8.权利要求6的装置，其中在蚀刻所述牺牲层牺，在所述柄上的所述至少一种应变引起所述柄远离所述生长基底弯曲。
9.权利要求6的装置，其中将所述一个或多个应变层配置在所述生长基底和所述柄上。
10.权利要求6的装置，其中所述一个或多个应变层由至少一种选自铱、金、镍、银、铜、钨、铂、钯、钽、钼、铬和含有任何上述金属的合金的金属组成。
11.权利要求1或6的装置，其中所述薄膜装置是太阳能电池器件。
12.权利要求1或6的装置，其中所述至少一个牺牲层包含砷化铝、砷化铝合金、或其组合。
13.权利要求1或6的装置，其中所述至少一个牺牲层的厚度在1nm至200nm的范围内。
14.权利要求1或6的装置，其中所述至少一个应变层的厚度在0.1nm至10000nm的范围内。
15.权利要求1的装置，其中所述一个或多个应变层由至少一种选自半导体和介电质的材料组成。
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