KR20140004120A - 얇은 라미나를 형성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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로버트 클락-펠프스
조세프 디. 길스피
고팔 프라후
타카오 사카세
테어도어 에이치. 스믹
스티브 주니가
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Abstract

도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법은 도너 본체를 이온 도시지로 주입하는 단계 및 주입 동안 도너 본체를 주입 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 도너 본체는 서셉터 어셈블리와 분리가능하게 접촉되고, 도너 본체 및 서셉터 어셈블리는 직접 접촉된다. 라미나는 열적 프로파일을 도너 몸체에 적용함으로써 도너 본체로부터 박리된다. 주입 및 박리 조건들은 라미나의 무결함 영역을 최대화하기 위해 조정될 수 있다.

Description

얇은 라미나를 형성하기 위한 방법 및 장치{A METHOD AND APPARATUS FOR FORMING A THIN LAMINA}
본 출원은 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 이에 참조 문헌으로 포함되어 있는 2010년 12월 29일자로 출원된 Murali 등의 미국 특허 출원 제12/980,424호 "A Method to Form a Device by Constructing a Support Element on a Thin Semiconductor Lamina"에 대한 일부 계속 출원이다. 35 U.S.C. § 119(e)에 따라, 본 출원은 2011년 7월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/510,477호 "Detection Methods in Exfoliation of Lamina"; 2011년 7월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/510,476호 "Support Apparatus and Methods For Production of Silicon Lamina"; 2011년 7월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/510,478호 "Ion Implantation and Exfoliation Methods"; 및 2011년 7월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/510,475호 "Apparatus and Methods for Production of Silicon Lamina"의 출원일의 우선권을 주장하며; 그 명세서는 여기에 참조 문헌으로 포함되어 있다.
통상적인 종래 기술의 광전지(photovoltaic cell)는 p-n 다이오드를 포함하며; 예는 도 1에 도시되어 있다. 공핍 구역은 p-n 접합에 형성되어 전계를 생성한다. 입사 광자(입사광은 화살표로 표시됨)은 전자들을 가전자대로부터 전도대로 충돌시켜, 자유 전자-정공 쌍들을 생성할 것이다. p-n 접합에서의 전계 내에서, 전자들은 다이오드의 n 영역을 향해 이동하는 경향이 있는 한편, 정공들은 p 영역을 향해 이동하여 광전류라 불리는 전류로 귀착된다. 전형적으로, 일 영역의 도펀트 농도는 다른 영역의 것보다 더 높을 것이고, 따라서 접합은 p+/n- 접합(도 1에 도시된 바와 같이) 또는 n+/p- 접합이다. 더 저농도 도핑된 영역은 광전지의 베이스(base)로서 공지되어 있는 한편, 반대의 전도성 타입의 더 고농도 도핑된 영역은 이미터(emitter)로서 공지되어 있다. 대부분의 캐리어들은 베이스 내에 생성되고, 전형적으로 셀의 가장 두꺼운 부분이다. 베이스 및 이미터는 셀의 활성 영역을 함께 형성한다.
이온 주입은 광전지들에 사용되는 라미나(lamina)를 형성하기 위해 반도체 재료에 클리브 평면(cleave plane)을 형성하기 위한 공지된 방법이다. 이러한 방법들에서 이온 주입 및 박리 단계들은 제조된 라미나의 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 라미나를 제조하는 방법들 및 장치를 개선하는 것이 바람직하다.
도너 본체(donor body)로부터 라미나를 제조하는 방법은 도너 본체를 이온 도시지(ion dosage)로 주입하는 단계 및 주입 동안 도너 본체를 주입 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 도너 본체는 서셉터 어셈블리(susceptor assembly)와 분리가능하게 접촉되며, 도너 본체 및 서셉터 어셈블리는 직접 접촉한다. 라미나는 열적 프로파일(thermal profile)을 도너 본체에 적용함으로써 도너 본체로부터 박리된다. 주입 및 박리 조건들은 라미나의 무결점 영역을 최대화하기 위해 조정될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 본 발명의 측면들 및 실시예들 각각은 단독으로 또는 서로 조합해서 사용될 수 있다. 측면들 및 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조해서 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술의 광전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 Sivaram 등의 미국 특허 출원 제12/026,530호의 광전지 장치의 형성 시의 단계들을 도시하는 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 측면들에 따른 대표적인 방법의 단계들을 도시하는 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 라미나 형성의 단계들을 도시하는 단면도들이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예들에 따른 라미나 분리(lamina separation)를 도시하는 단면도들이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예들에 따른 라미나 분리를 도시하는 단면도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 구성된 금속 지지 요소를 갖는 광전지 장치의 형성 시의 단계들의 단면도들을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 대표적인 서셉터 어셈블리의 단면 사시도 및 평면 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 서셉터 플레이트들의 실시예들을 도시하는 평면도들이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예의 분리 척(separation chuck)을 도시하는 단면 사시도들이다.
지지 요소에 대한 접착제 또는 영구 본딩없이 독립형 라미나가 형성되고 도너 본체로부터 분리되는 방법들 및 장치가 설명되어 있다. 본 발명의 방법들 및 장치는 도너 본체의 제 1 표면을 이온 도시지(ion dosage)로 주입하는 단계 및 주입 동안 도너 본체를 주입 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 도너 본체의 제 1 표면은 서셉터 어셈블리의 제 1 표면과 분리가능하게 접촉되고, 라미나는 열적 프로파일을 도너 본체에 적용함으로써 도너 본체로부터 박리된다. 그 다음, 라미나는 도너 본체로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 분리 방법들은 변형력(deforming force)을 라미나 또는 도너 본체의 표면에 인가하는 단계를 포함한다. 주입 및 박리 조건들은 얇은 독립형 라미나의 무결점 영역을 최대화하기 위해 도너 본체의 재료에 따라 조정될 수 있다.
실리콘 본체들로부터 형성된 통상적인 광전지들은 공핍 구역이 도 1에 도시된 바와 같이 p-n 접합에서 형성되는 p-n 다이오드들을 포함한다. 광전지들을 형성하는데 사용되는 실리콘 도너 본체는 전형적으로 대략 200 내지 250 미크론(micron) 두께이다. 실리콘 도너 본체들로부터 형성된 더 얇은 라미나들은 도너 본체로부터의 분열(cleavage) 또는 분리(separation) 전에 본딩된 라미나가 발생하는 에피택셜 성장, 접착 재료 또는 다른 방법들을 통해 지지 요소들에 대한 라미나의 영구 고정에 의해 광전지들을 형성하는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 이 방식으로 형성되는 라미나는 지지 요소를 임의의 결과적인 광전지로 포함하거나, 지지 요소를 제거하는 디본딩(debonding) 단계에 관여해야 한다. 본 발명에서, 얇은 독립형 라미나가 지지 요소에 대한 접착제 또는 영구 본딩없이 그리고 광전지 제조 전에 디본딩 또는 클리닝(cleaning) 단계들 없이 도너 본체에 형성되고 분리될 수 있는 방법들 및 장치가 설명되어 있다. 본 발명에서, 도너 본체는 클리브 평면을 형성하기 위해 제 1 표면을 통해 주입된다. 그 다음, 도너 본체의 제 1 표면은 지지 요소에 인접하게 배치될 수 있다. 제 1 표면 도너 본체로부터 라미나를 박리하는 가열 단계가 수행되어, 제 2 표면을 생성한다. 이 프로세스는 라미나 상에 본딩된 지지 요소의 부재 시에 발생한다. 이온 주입 및 박리 조건들은 이 방법에 의해 제조된 라미나의 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있고, 독립형 라미나에 형성될 수 있는 물리적 결함들의 양을 감소시키기 위해 최적화될 수 있다. 박리된 얇은 독립형 라미나의 분리를 위한 방법들이 또한 설명되어 있다.
본 발명의 양수인에 의해 소유되고 이에 참조 문헌으로 포함되어 있는 2008년 2월 5일자로 출원된 Sivaram 등의 미국 특허 출원 제12/026,530호 "Method to Form a Photovoltaic Cell Comprising a Thin Lamina"는 비증착 반도체 재료로 형성된 얇은 반도체 라미나를 포함하는 광전지의 제조를 설명한다. 도 2a를 참조하면, Sivaram 등의 실시예들에 있어서, 반도체 도너 본체(20)는 일종 이상의 가스 이온들, 예를 들어 수소 및/또는 헬륨 이온들로 제 1 표면(10)을 통해 주입된다. 주입된 이온들은 반도체 도너 본체 내에서 클리브 평면(30)을 정의한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 도너 본체(20)는 제 1 표면(10)에서 수용기(receiver)(60)에 부착된다. 도 2c를 참조하면, 어닐링 단계는 라미나(40)로 하여금 클리브 평면(30)에서 도너 본체(20)로부터 클리빙하게 하여, 제 2 표면(62)을 생성한다. Sivaram 등의 실시예들에 있어서, 클리빙 단계 전 및 후의 추가 프로세스는, 명명 범위 내의 임의의 두께가 가능하지만, 대략 0.2 및 대략 100 미크론 두께 사이, 예를 들어 대략 0.2 및 대략 50 미크론 사이, 예를 들어 대략 1 및 대략 20 미크론 두께 사이, 일부 실시예들에 있어서 대략 1 및 대략 10 미크론 두께 사이, 또는 대략 4 및 대략 20 미크론 두께, 또는 대략 5 및 대략 15 미크론 두께 사이의 반도체 라미나(40)를 포함하는 광전지를 형성한다. 도 2d는 일부 실시예들에서 동작 동안 하단에 수용기(60)를 갖는 반전된 구조를 도시한다. 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 이에 참조 문헌으로 포함되어 있는 2008년 3월 27일자로 출원된 Herner의 미국 특허 출원 제12/057,265호 "Method to Form a Photovoltaic Cell Comprising a Thin Lamina Bonded to a Discrete Receiver Element"에 기재된 바와 같이, 수용기(60)는 도너 본체(10)의 폭보다 큰 단지 50 퍼센트의 최대 폭, 및 바람직하게 대략 동일한 폭을 갖는 이산 수용기 요소(discrete receiver element)일 수 있다. 대안적으로, 복수의 도너 본체들은 단일의 더 대형의 수용기에 부착될 수 있고, 라미나는 각 도너 본체로부터 클리빙될 수 있다.
Sivaram 등의 방법들을 사용하면, 광전지들은 슬라이스 웨이퍼들로부터 형성되기 보다는, 커프 로스(kerf loss)를 통해 또는 불필요하게 두꺼운 셀의 제조에 의해 실리콘을 낭비하지 않고 얇은 반도체 라미나들로 형성되어 비용을 감소시킨다. 동일한 도너 웨이퍼는 다수의 라미나들을 형성하기 위해 재사용될 수 있고, 또한 비용을 감소시킬 수 있고, 어떤 다른 사용을 위한 다수의 라미나들의 박리 후에 재판매될 수 있다.
본 발명에 있어서, 독립형 라미나는 클리브 평면을 정의하기 위해 반도체 도너 본체를 이온들로 주입하고 클리브 평면에서 도너 본체로부터 반도체 라미나를 박리함으로써 형성된다. 라미나는 비본딩(non-bonded) 제 1 표면 및 제 1 표면과 대향하는 비본딩 제 2 표면을 갖는다. 박리 단계 후에, 라미나는 도너 본체로부터 분리되고, 라미나가 광전지의 베이스 영역을 포함하는 광전지로 제작된다. 라미나의 두께는 대략 4 미크론 및 대략 20 미크론 사이일 수 있다. 1개, 2개 이상의 층들은 라미나를 광전지로 포함하기 전에 라미나의 제 1 표면 상에 형성될 수 있다. 1개, 2개 이상의 층들은 독립형 라미나의 제 2 표면 상에 형성될 수 있다. 라미나의 두께는 클리브 평면의 깊이에 의해 결정된다. 많은 실시예들에서, 라미나의 두께는 대략 1 및 대략 10 미크론 사이, 예를 들어 대략 2 및 대략 5 미크론 사이, 예를 들어 대략 4.5 미크론이다. 다른 실시예들에서, 라미나의 두께는 대략 4 및 대략 20 미크론 사이, 예를 들어 대략 10 및 대략 15 미크론 사이, 예를 들어 대략 11 미크론이다. 제 2 표면은 클리빙에 의해 생성된다. 일반적으로, 상이한 흐름들이 가능하지만, 얇은 라미나는 지지 요소에 대한 영구적 또는 접착제 고정 없이 제공된다. 대부분의 실시예들에서, 그것은 웨이퍼 또는 부울(boule)과 같은 더 대형의 도너 본체로부터 박리되어 분리되었다.
본 발명의 방법들의 개요가 설명된 도 3을 참조하면, 먼저 도너 본체는 클리브 평면(도 3의 단계 1)을 형성하기 위해 제 1 표면을 통해 이온들로 주입된다. 주입 조건들은 최종 형성된 라미나에서의 외관 물리적 결함들(예를 들어, 찢김(tear)들, 크랙(crack)들, 립(rip)들, 파면 결함(wavefront defect)들, 방사 횡문(radial striation)들, 플레이킹(flaking), 또는 그 임의의 조합)의 출현을 완화하기 위해 조정될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 물리적 결함들은 크랙들을 포함하고, 본 발명의 방법들은 크랙들의 전체 길이가 100 ㎜ 미만인 독립형 라미나를 제공한다. 물리적 결함들은 완성된 셀들에서 션팅(shunting) 또는 감소된 성능을 야기할 수 있는 임의의 결함들을 포함한다. 물리적 결함을 포함하는 라미나의 영역은 광전지에서 사용 불가능하게 된 영역과 같을 수 있다. 클리빙된 라미나에서 실질적으로 결함들이 없는 영역을 최대화하기 위해 조정될 수 있는 주입 조건들은 주입 동안 도너 본체에 인가되는 온도 및/또는 압력을 포함한다. 일부 실시예들에서, 주입 온도는 100 및 200 ℃ 사이, 또는 120 및 180 ℃ 사이와 같이 25 및 300 ℃ 사이에서 유지될 수 있다. 본 발명의 일 측면은 주입 온도가 도너 본체의 재료 및 배향(orientation)에 따라 조정될 수 있는 것이다. 일부 실시예들에서, 재료는 {111} 배향 실리콘이고, 주입 온도는 150 및 200 ℃ 사이일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 재료는 {100} 배향 실리콘이고, 주입 온도는 25 및 150 ℃ 사이일 수 있다. 본 명세서에서 개시된 방법들은 {110} 배향 실리콘 또는 {001} 배향 실리콘과 같이 또한 반도체 도너 본체들의 임의의 다른 배향에 적용할 수 있다. 주입 온도는 임의의 실리콘 배향 및 주입 에너지에 대해 최적화될 수 있다. 조정될 수 있는 다른 주입 조건들은 주입 도즈(dose) 및 주입된 이온들의 비율(예를 들어, H:He 비율)과 같은 초기 프로세스 파라미터들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주입 조건들은 라미나에 존재하는 물리적 결함들이 실질적으로 없는 영역을 최대화하기 위해 박리 온도, 박리 서셉터 진공 레벨, 가열 속도 및/또는 박리 압력과 같은 박리 조건들과 조합하여 최적화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법들에 의해 제조된 라미나의 90 %보다 큰 표면적은 물리적 결함들이 없다.
클리브 평면을 형성하는 주입 후에, 도너 본체는 추가 처리를 위해 서셉터 어셈블리와 같은 일시적 지지 요소에 접촉될 수 있다(도 3, 단계 2). 전형적으로, 제조의 각종 단계들에서의 도너 본체들, 라미나, 또는 광전지들은 접착제를 사용하여 또는 화학적 본딩을 통해 일시적 캐리어들에 부착될 수 있다. 접착제가 사용될 때, 라미나의 디본딩을 개시하기 위해 및/또는 분리 후에 광전지 및 일시적 캐리어의 표면을 클리닝하기 위해 추가 단계들이 필요하다. 대안적으로, 지지 요소들은 분해되거나 그렇지 않으면 제거되어 추가 지지 단계들에 대해 사용할 수 없게 될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 있어서, 도너 본체는 박리 동안 라미나를 안정화하기 위해, 접착제 또는 영구 본딩 없이, 서셉터 어셈블리와 같은 지지 요소와 분리가능하게 접촉된다. 접촉은 도너 본체와 지지 요소 사이의 직접 접촉일 수 있고, 서셉터로부터 도너 본체 또는 라미나를 단지 리프팅하는 것 이상으로 접촉을 방해하기 위하여 화학적 또는 물리적 단계를 필요로 하는 어떤 접착제들 또는 본딩 단계들을 포함하지 않을 수 있다. 그 다음, 서셉터는 추가 처리 없이 지지 요소로서 재사용될 수 있다. 본 발명의 방법들의 일부 실시예들에서, 주입된 도너 본체는 서셉터 어셈블리와 같은 지지 요소와 분리가능하게 접촉될 수 있고, 박리 동안 도너 본체와 서셉터 사이의 상호작용 힘은 오로지 서셉터 상의 도너 본체의 중량 또는 오로지 도너 본체 상의 서셉터 어셈블리의 중량이다. 접촉이 오로지 도너 본체의 중량에 의해 수립되는 경우에, 도너 본체는 아래로 마주하는 주입된 면과 배향되고 서셉터와 접촉할 수 있다. 대안적으로, 도너 본체는 위로 마주하는 주입된 면과 배향되고 서셉터와 접촉하지 않을 수 있다. 이 경우에, 커버 플레이트는 박리 동안 및 박리 후에 라미나를 안정화하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 접촉은 서셉터와 도너 본체 사이에 진공력을 더 포함할 수 있다. 진공력은 접착제, 화학 반응들, 정전 압력 등의 사용 없이 도너 본체를 서셉터 어셈블리에 일시적으로 고정하기 위해 도너 본체에 인가될 수 있다.
본 발명에서와 같이, 박리 및 손상 어닐링의 단계들 동안 라미나를 비본딩 지지 요소에 접촉시키는 것은 몇몇 중요한 이점들을 제공한다. 박리 및 어닐링의 단계들은 비교적 높은 온도에서 발생한다. 미리 형성된 지지 요소가 이들 높은 온도 단계들 전에 도너 본체에 예를 들어 접착제 또는 화학 물질들로 부착되면, 그것은 임의의 개재 층(intervening layer)들과 같이, 라미나와 함께 높은 온도에 반드시 노출될 것이다. 많은 재료들은 높은 온도에서 쉽게 견딜될 수 없고, 지지 요소 및 라미나의 열팽창계수(CTE : coefficient of thermal expansion)들이 정합되지 않으면, 가열 및 냉각은 얇은 라미나를 손상시킬 수 있는 변형을 야기할 것이다. 따라서, 비본딩 지지 요소는 무결점 라미나의 형성을 잠재적으로 억제할 본딩 및 디본딩 프로토콜들에 관계없이 라미나 제조를 위한 최적화된 표면을 제공된다. 어닐링(annealing)은 라미나가 도너 본체로부터 분리되기 전 또는 후에 발생할 수 있다.
서셉터 어셈블리에 도너 본체의 접촉 후에, 열은 라미나를 클리브 평면에서 도너 본체로부터 클리빙하기 위해 도너 본체에 적용될 수 있다. 박리 조건들은 부착된 지지 요소의 부재시에 박리된 라미나에서 물리적 결함들을 최소화하기 위하여, 라미나를 도너 본체로부터 클리빙하도록(도 3, 단계 3) 최적화될 수 있다. 박리 파라미터들은 특정 도너 본체들에 대해 최적화될 수 있다. 박리는 주변 대기압에서 발생할 수 있다. 1개 또는 2개 이상의 열 램프(thermal ramp)들을 갖는 박리 열적 프로파일이 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 박리 조건들은 600 ℃보다 큰 피크 박리 온도로의 단일 고속 열 램프를 포함할 수 있다. 열 램프 속도는 100 ℃/분, 200 ℃/분 이상일 수 있다. 서셉터의 재료는 도너 본체의 용량보다 낮은 열용량을 가질 수 있고, 이 방법에 의해 박리를 용이하게 하기 위해 최종 박리 온도에서 열적 열화(thermal degradation)에 저항력이 있다. 다른 실시예들에서, 최종 박리 온도는 400 및 600 ℃ 사이일 수 있으며 램프 속도는 임의의 속도이지만, 온도는 라미나의 표면적에 걸쳐 실질적으로 균일하게 적용된다. 서셉터 어셈블리는 박리 동안 도너 본체의 표면적에 걸쳐 균일한 열적 프로파일을 용이하게 하기 위해 열적 이방성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도너 본체는 도너 본체의 열이 균일한 방식으로 본체의 일단부로부터 타단부로 진행하도록 더 높은 온도의 영역으로 수송될 수 있다. 일 실시예에서, 도너 본체는 더 낮은 온도 구역으로부터 더 높은 온도 구역(예를 들어, 벨트 퍼니스)으로 이동된다. 이동 속도는 60 ℃/분, 200 ℃/분 이상과 같은 도너의 온도에서 고속 변화들을 제공할 수 있다.
박리된 라미나는 예컨대, 변형력을 새롭게 형성된 라미나의 반대 표면으로부터 떨어지도록 도너 본체의 제 1 표면에 인가함으로써 임의의 수단들에 의해 도너 본체로부터 분리될 수 있다(도 3, 단계 4). 일부 실시예들에서, 도너 본체는 박리된 라미나로부터 떨어지도록 변형될 수 있다. 다른 실시예들에서, 박리된 라미나는 도너 본체로부터 떨어지도록 변형될 수 있다. 박리 후에, 도너 본체의 제 1 표면이었던 독립형 라미나의 표면은 서셉터 어셈블리와 같은 지지 장치와 분리가능하게 접촉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 접촉력은 라미나와 서셉터 플레이트 사이의 진공력을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접촉력은 단지 라미나 상의 도너 본체의 중량일 수 있다. 척 플레이트는 라미나와 대향하는 표면 상의 도너 본체에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부착은 도너 본체에 다공성 척 플레이트를 통해 인가된 진공력일 수 있다. 진공 압력은 척 플레이트를 통해 인가될 수 있고, 따라서 도너 본체를 척 플레이트에 부착할 수 있다. 척 플레이트는 굽힘 아암(flexing arm) 또는 변형가능 플레이트 등과 같은 굽힘 장치에 결합될 수 있다. 굽힘 장치에 인가된 힘은 라미나로부터 떨어지도록 도너 본체를 변형할 수 있다. 힘은 라미나로부터 떨어지도록 에지(edge) 또는 다른 영역과 같은 도너 본체의 임의의 부분을 변형할 수 있다. 변형은 도너 본체를 라미나 표면의 일부로부터 떨어지도록 1㎜보다 큰 거리로 분리할 수 있어, 도너 본체로부터 라미나의 이후 완전한 분리를 위한 도너 본체의 에지를 자유롭게 할 수 있다. 분리된 라미나는 서셉터 플레이트 상에 남아있을 수 있거나, 추가 처리를 위해 상이한 일시적 또는 영구 지지 요소에 전달될 수 있다. 일부 실시예들에서, 영구 지지체는 독립형 라미나 상에 구성될 수 있다.
본 발명의 측면은 독립형 라미나로부터 광전지를 제작하는 프로세스를 포함하고, 적절한 반도체 재료의 도너 본체로 시작한다. 적절한 도너 본체는 임의의 실제 두께, 예를 들어 대략 200 내지 대략 1000 미크론 두께의 단결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 다른 배향들이 사용될 수 있지만, 전형적으로 웨이퍼는 {100} 또는 {111}의 밀러 지수(Miller index)를 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 도너 웨이퍼는 더 두꺼울 수 있으며; 최대 두께는 웨이퍼 핸들링(wafer handling)의 실현 가능성들에 의해서만 제한된다. 대안적으로, 다결정질 또는 다결정 실리콘이 사용될 수 있지만, 미정질 실리콘, 또는 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 또는 GaAs, InP 등과 같은 Ⅲ-V 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 화합물들을 포함하는 다른 반도체 재료들의 웨이퍼들 또는 잉곳들이 사용될 수 있다. SiC, LiNbO3, SrTi03, 사파이어 등과 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. 이 문맥에서, 다결정이라는 용어는 전형적으로 사이즈(size)가 대략 밀리미터 이상인 그레인(grain)들을 갖는 반도체 재료를 지칭하는 한편, 다결정질 반도체 재료는 대략 100 옹스트롬(angstrom)의 더 작은 그레인들을 갖는다. 미정질 반도체 재료의 그레인들은 매우 작으며, 예를 들어 100 옹스트롬 정도이다. 예를 들어, 미정질 실리콘은 완전한 결정질일 수 있거나, 비정질 매트릭스(amorphous matrix)인 이들 미세 결정(microcrystal)을 포함할 수 있다. 다결정 또는 다결정질 반도체들은 완전히 또는 실질적으로 결정질인 것으로 이해된다. 관례상 사용되는 바와 같은 "단결정 실리콘"이라는 용어는 도전성 강화 도펀트(conductivity-enhancing dopant)들과 같은 일시적 결함들 또는 불순물들을 갖는 실리콘을 제외하지 않을 것이라는 점이 당해 기술에서 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다.
단결정 실리콘을 형성하는 프로세스는 일반적으로 원형 웨이퍼들로 귀착되지만, 도너 본체는 또한 다른 형상들을 가질 수 있다. 광전지 응용들에 대해, 원통형 단결정 잉곳(ingot)들은 종종 웨이퍼들을 커팅(cutting)하기 전에 8각형 단면으로 종종 기계가공된다. 웨이퍼들은 정사각형과 같은 다른 형상일 수도 있다. 정사각형 웨이퍼들은 원형 또는 6각형 웨이퍼들과 다르게, 그것들 사이의 최소 미사용 갭들을 갖는 광전지 모듈 상에 에지-투-에지(edge-to-edge) 정렬될 수 있다는 장점을 갖는다. 웨이퍼의 직경 또는 폭은 임의의 표준 또는 통상 사이즈일 수 있다. 단순화를 위해, 본 명세서는 반도체 도너 본체와 같이 단결정 실리콘 웨이퍼의 사용을 기재할 것이지만, 다른 타입들 및 재료들의 도너 본체들이 사용될 수 있는 것이 이해될 것이다.
이온들, 바람직하게 수소 또는 수소 및 헬륨의 조합은 더 이전에 설명된 바와 같이, 클리브 평면을 정의하기 위해 제 1 표면을 통해 본체로 주입된다. 클리브 평면의 전체 깊이는 주입 에너지를 포함하는 몇몇 인자들에 의해 결정된다. 클리브 평면의 깊이는 제 1 표면으로부터 대략 0.2 및 대략 100 미크론 사이, 예를 들어 대략 0.5 및 대략 20 또는 대략 50 미크론 사이, 예를 들어 대략 1 및 대략 10 미크론 사이, 대략 1 또는 2 미크론 및 대략 5 또는 6 미크론 사이, 또는 대략 4 및 대략 8 미크론 사이일 수 있다. 대안적으로, 클리브 평면의 깊이는 대략 5 및 대략 15 미크론, 예를 들어 대략 11 또는 12 미크론 사이일 수 있다.
이온 주입의 온도 및 도시지는 실질적으로 물리적 결함들이 없는 독립형 라미나를 제공하기 위해 주입될 재료 및 클리브 평면의 원하는 깊이에 따라 조정될 수 있다. 이온 도시지는 1.0 x 1014 및 1.0 x 1018 H/㎠ 사이와 같은 임의의 도시지일 수 있다. 주입 온도는 140 ℃(예를 들면, 150 및 250 ℃ 사이)보다 큰 것과 같은 임의의 온도일 수 있다. 주입 조건들은 도너 본체의 밀러 지수 및 주입된 이온들의 에너지에 기초하여 조정될 수 있다. 예를 들어, {111}의 밀러 지수를 갖는 단결정 실리콘은 {100}의 밀러 지수를 갖는 나노 결정질 실리콘 도너 웨이퍼들과는 상이한 세트의 주입 조건들을 요구할 수 있다. 본 발명의 일 측면은 라미나에서 실질적으로 무결점인 영역을 최대화하기 위해 주입 조건들을 조정하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 주입 도즈(implant dose)는 80 ℃ 및 250 ℃ 사이와 같은 25 ℃보다 큰 주입 온도와 조합하여 1.3 x 1017 H/㎠ 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, {111}의 밀러 지수를 갖는 단결정 실리콘 도너 본체는 150 및 200 ℃ 사이의 온도에서 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, {100}의 밀러 지수를 갖는 단결정 실리콘 도너 본체는 100 및 150 ℃ 사이의 온도에서 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 높은 주입 온도들은 더 균일한 박리로 귀착될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 도너 본체(20)의 주입된 표면(10)은 서셉터 어셈블리(400)와 같은 지지 요소와 분리가능하게 접촉될 수 있다. 서셉터 어셈블리는 도너 본체에 언본딩된(unbonded) 상태로 유지하면서 도너 본체와 접촉할 수 있다. 박리 동안 도너 본체와 서셉터 어셈블리 사이의 접촉력은 오로지 도너 본체의 중량일 수 있다. 대안적으로, 전체 어셈블리 및 도너 본체는 반전될 수 있고, 접촉력은 도너 본체 상의 서셉터 어셈블리의 중량일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도너 본체와 서셉터 사이의 접촉력은 서셉터와 도너 본체 사이의 진공력에 의해 증가될 수 있다. 서셉터 어셈블리의 재료 특성들은 도너 본체로부터 실질적으로 무결점 라미나의 박리를 용이하게 할 수 있다. 서셉터 어셈블리(400)는 도 4a에서와 같이 편평한 단일 서셉터 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 서셉터 어셈블리의 표면은 넓은 범위의 온도들(예를 들어, 0 내지 1000 ℃)에 걸쳐 도너 본체와 같이 실질적으로 동일한 열팽창계수(CTE)를 갖는 재료를 포함할 수 있다. 서셉터 어셈블리는 400 ℃보다 큰 박리 온도로의 고속 열 램프를 지원하기 위해 도너 본체의 열용량과 실질적으로 동일한 또는 상기 열용량보다 낮은 열용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이 다른 실시예들에 있어서, 서셉터 어셈블리(401)는 도너 본체(20)로부터 라미나의 처리를 위한 적절한 조건들을 제공하기 위해 다수의 플레이트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 서셉터 어셈블리(401)와 도너 본체 사이의 접촉력은 (도 4b에 도시된 바와 같이) 서셉터 어셈블리의 다공성 서셉터 플레이트(405)에 진공 채널들(410)을 통해 인가되는 진공력일 수 있다. 진공력이 도너 본체를 유지하는데 사용될 때, 서셉터 플레이트(405)는 진공 압력에 대해 투과가능한 다공성 흑연(porous graphite) 또는 임의의 재료일 수 있다. 예를 들어, 다공성 플레이트(405)의 재료는 다공성 흑연, 다공성 질화 붕소, 다공성 실리콘, 다공성 탄화 실리콘, 레이저 드릴링된(laser-drilled) 실리콘, 레이저 드릴링된 탄화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 실리콘, 또는 그 임의의 조합을 포함할 수 있다. 대략 0 내지 대략 -100 psi 범위(예를 들어, 0 psi 및 -15 psi 사이)의 진공 압력들이 인가될 수 있다. 서셉터 어셈블리(401)는 도너 본체(20)의 열팽창계수와 유사한 또는 실질적으로 동일한 열팽창계수(CTE)를 갖는 제 1 플레이트(405)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 박리 동안 적용된 열적 프로파일은 독립형 라미나의 성공적인 박리를 용이하게 하기 위해 도너 본체의 표면에 걸쳐 실질적으로 균일해야 한다. 도너 본체의 표면에 걸쳐 균일한 열적 프로파일을 달성하기 위해, 서셉터 어셈블리는 도너 본체에 수직인 방향에 비해 도너 본체에 평행한 평면에서 우선적으로 더 높은 제 2 플레이트(415)의 열 전도도를 갖는 상태에서, 제 1 플레이트(405)에 인접한 제 2 플레이트(415)를 포함할 수 있다. 열분해 흑연(pyrolytic graphite)과 같은 열적 이방성 재료는 이 방식으로 도너 본체 상에 실질적으로 균일한 열적 프로파일의 적용을 용이하게 하는데 매우 적절할 수 있다. 서셉터 어셈블리는 동작 진공 매니폴드(vacuum manifold)와 같은 도너 본체를 잠재적인 냉각력들로부터 열적으로 격리함으로써 박리에 필요한 열적 프로파일의 유지를 용이하게 하기 위해 열적 이방성 플레이트(415) 아래에 배치된 석영 플레이트와 같은 열 절연 플레이트(425)를 선택적으로 포함할 수 있다.
서셉터 어셈블리에 도너 본체의 접촉 후에, 클리브 평면(30)에서 도너 본체(20)로부터 클리빙되는 물리적 결함이 실질적으로 없는 독립형 라미나로 귀착되는 열 박리 프로토콜이 적용될 수 있다. 박리 프로토콜은 1, 2, 3, 4, 5, 또는 6분 미만과 같은 시간 기간 동안의 열 소크(thermal soak)들 전에, 1개 또는 2개 이상의 피크 박리 온도들로의 1개 또는 2개 이상의 열 램프들을 포함할 수 있다. 피크 박리 온도들은 350 및 500 ℃ 사이 또는 500 및 900 ℃ 사이와 같이, 350 및 900 ℃ 사이일 수 있다. 열 박리 프로파일들 동안의 램프 속도들이 최적화될 수도 있다. 열 램프 속도들은 예를 들어 0.1 ℃/초 내지 20 ℃/초의 범위일 수 있다. 박리 압력들은 주변 대기압 이상일 수 있다. 열 박리 프로파일은 물리적 결함들이 실질적으로 없는 독립형 라미나를 형성하기 위해 도너 본체의 재료 및 배향에 따라 최적화될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 단결정 실리콘 라미나는 600 ℃보다 큰 최종 박리 온도로 15 ℃/초보다 빠른 단일 열 램프 속도를 포함하는 박리 열적 프로파일을 적용함으로써 {111}에서 배향되는 도너 본체로부터 박리될 수 있다. 피크 박리 온도는 100, 50, 25 초 이하 동안 유지될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 열적 프로파일은 열 램프 속도가 라미나의 표면적에 걸쳐 실질적으로 동일한 400 및 600 ℃ 사이의 피크 박리 온도로의 0.1 및 5 ℃/초 사이의 램프 속도를 포함할 수 있다. 피크 박리 온도는 3분, 1분, 또는 30초 미만 동안 유지될 수 있다. 서셉터는 박리 동안 도너 본체의 표면에 걸쳐 균일한 열적 프로파일의 적용을 용이하게 하기 위해 도 4b의 제 2 플레이트(415)와 같은 열적 이방성 재료를 포함할 수 있다.
대안적으로, 박리는 더 제어된 박리 프로세스를 제공하기 위해 2개 이상의 열 램프들을 포함할 수 있다. 다수 열 램프들은 {111}, {100} 또는 다른 배향들의 밀러 지수를 갖는 도너 본체들을 수용할 수 있다. 예를 들어, 열적 프로파일은 350 및 500 ℃ 사이의 피크 온도로의 10 및 20 ℃/초 사이인 제 1 열 램프 속도, 그 다음에 600 및 800 ℃ 사이의 피크 온도로의 대략 5 및 20 ℃/초 사이의 제 2 열 램프 속도를 포함할 수 있다. 각 열 램프 후의 피크 박리 온도들은 60초 미만 동안 유지된 다음에, 박리된 라미나를 어닐링 또는 분리하기 위해 냉각 또는 추가 처리가 이어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 박리 프로토콜은 더 제어된 박리 프로세스를 제공하기 위해 열적 이방성 조건들 하에 2개 이상의 열 램프들을 포함할 수 있다. 다수 열 램프 속도들의 다른 예들은 350 및 450 ℃ 사이의 피크 온도로의 0.5 및 10 ℃/초 사이의 제 1 열 램프, 그 다음에 450 및 700 ℃ 사이의 피크 온도로의 대략 0.1 및 5 ℃/초 사이의 제 2 열 램프를 포함한다. 각 열 램프 후의 피크 박리 온도들은 10초 미만 동안 유지된 다음에, 박리된 라미나를 어닐링하기 위한 냉각 또는 추가 처리가 이어질 수 있다. 열적 프로파일들은 서셉터 어셈블리/클리빙된 도너 본체를 하나의 온도의 제 1 구역으로부터 상이한 온도의 제 2 구역으로 이동시킴으로써 적용될 수 있다. 제 1 온도는 제 2 온도보다 낮을 수 있다. 이 프로세스는 벨트 퍼니스 또는 다른 운반 장치를 통해 달성될 수 있다.
클리브 평면을 규정하는 주입의 단계가 단결정 도너 웨이퍼의 결정질 격자에 대해 손상을 야기할 수 있는 것으로 확인되었다. 이 손상은, 복구되지 않으면, 셀 효율을 저하시킨다. 본 명세서에 있어서, 어닐링은 박리된 라미나에서 잔존 물리적 결함들을 제거할 수 있다. 예를 들어, 800, 850, 900, 또는 950 ℃보다 큰 비교적 높은 온도의 어닐링은 라미나의 본체 내의 대부분의 주입 손상을 복구할 것이다. 박리 후에, 독립형 라미나는 도너 본체가 상단에 잔존한 상태에서, 서셉터에 접촉될 수 있다. 도너 본체는 라미나와 대향하는 도너 본체의 표면에 변형력을 인가함으로써 박리된 라미나로부터 떨어지도록 변형될 수 있다. 이 방법은 라미나를 손상하지 않고 50㎛ 두께보다 작은 라미나로부터 도너를 분리시키기 위해 충분히 적당한 힘을 인가할 수 있다. 그 다음, 진공 척 장치는 라미나와 대향하는 도너 본체의 표면과 접촉하기 위해 도너 본체의 상단에 배치된다. 진공 척 장치의 제 1 척 플레이트는 도 5(척 플레이트(515))에서와 같이 라미나와 대향하는 전체 표면 또는 도 6(척 플레이트(615))에서와 같이 라미나와 대향하는 표면의 일부를 커버할 수 있다. 제 1 척 플레이트는 다공성 플레이트(예를 들어, 다공성 흑연, 다공성 질화붕소, 다공성 실리콘, 다공성 탄화 실리콘, 레이저 드릴링된 실리콘, 레이저 드릴링된 탄화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 실리콘 또는 그 임의의 조합)이거나, 진공 채널을 포함할 수 있다. 진공은 제 1 척 플레이트를 통해 인가되고, 도너 본체를 척킹한다. 이어서, 제 1 척 플레이트가 편향된다. 압력은 굽힘 장치의 후면에 인가될 수 있는데, 이는 굽힘 장치의 약간의 편향을 야기하여, 플레이트 및 진공 척킹된 도너 본체와 접촉한다. 이들 진공 척 방법들의 측면은 도너 본체의 에지가 먼저 라미나로부터 움직이기 시작하여, 공기가 도너와 라미나 표면들 사이에서 돌진되는 것을 가능하게 하는 것이다. 이 작용은 물리적 결함들의 출현으로 귀착될 수 있는 라미나의 새롭게 형성된 표면에 걸쳐 흡입을 제거한다.
이제 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 일부 실시예들에서 도너 본체로부터 라미나의 분리는 굽힘 플레이트를 사용하여 라미나로부터 떨어지도록 하는 도너 본체의 변형에 의해 발생할 수 있다. 변형은 독립형 라미나에 형성되는 결함들을 최소화하는 방식으로 도너 본체를 독립형 라미나로부터 용이하게 분리할 수 있다. 도 5의 (a)는 이 방법의 실시예에서의 제 1 단계를 도시하며, 여기서 도너 본체(20)는 진공 척과 같은 분리 척(500)에 결합된다. 척(500)은 진공 채널들(525)을 통해 인가되는 진공 압력 또는 임의의 다른 접착력을 통해 라미나(40)와 대향하는 도너 본체(20)의 표면(520)에서 유지될 수 있는 제 1 척 플레이트(515)를 포함할 수 있다. 제 1 척 플레이트(515)는 컴플라이언트 아암(compliant arm), 굽힙 아암, 가요성 플레이트(535) 등과 같은 굽힘 장치에 결합될 수 있다. 굽힘 장치는 백킹 플레이트(545) 또는 지지 아암, 피벗점(pivot point) 등에 결합될 수 있다. 박리된 라미나(40)는 서셉터 어셈블리(402) 내의 서셉터 플레이트(405)에 분리가능하게 접촉될 수 있다. 추가 접촉력은 진공 채널들(410)을 통해 인가되는 진공 압력을 통해 서셉터 플레이트(405)에 인가될 수 있다. 분리는 라미나와 대향하는 도너 본체의 표면을 굽히는 굽힘 장치에 힘을 인가함으로써 달성된다. 이 분리의 실시예는 가요성 플레이트(535)의 굽힘 및 라미나(40)로부터 떨어지도록 한 도너 본체(20)의 결과적인 변형을 도시하는 도 5의 (b)에 도시된다. 이 실시예에서, 가요성 플레이트(535), 제 1 척 플레이트(515), 및 척킹된 도너 본체(20)의 미세 편향을 야기하는 정압(positive pressure)은 채널들(555)을 통해 가요성 플레이트(535)의 후면에 인가된다. 정압은 가요성 플레이트(535)와 백킹 플레이트(545) 사이의 가스 흐름과 같은 임의의 수단에 의해 인가될 수 있다. 도너 본체(20)의 일부는 라미나로부터 1 및 3mm 이상의 사이에서 변형되어 서셉터 플레이트(405) 상에서 정적으로 유지되는 클리브된 라미나(40)로부터 도너 본체의 분리를 개시할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 도너 본체는 서셉터 플레이트에 고정된 채로 유지될 수 있는 한편, 클리브된 라미나는 상술한 바와 같이 척 플레이트에 부착되고 도너 본체로부터 분리된다.
도 6의 (a) 및 (b)는 분리 프로세스의 일 실시예를 도시하며, 여기서 분리 척은 라미나(40)와 대향하는 도너 본체(20)의 표면의 일부에만 부착되고 강성 아암(635)인 굽힘 장치에 결합되는 제 1 척 플레이트(615)를 포함한다. 제 1 척 플레이트(615)와 도너 본체(20) 사이의 부착은 진공 채널(625)을 통해 전달되는 진공력을 사용할 수 있다. 제 1 척 플레이트(615)는 다공성일 수 있다. 강성 아암(635)은 도너 본체로부터 떨어지도록 강성 아암을 이동시키도록 설계되는 피벗점(645) 또는 임의의 장치에 결합될 수 있다. 라미나(40)는 서셉터 플레이트(405)에 고정되거나 이 플레이트와 단지 접촉할 수 있다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 라미나(40)로부터 떨어지도록 강성 아암(635)을 굽히는 것은 서셉터 플레이트(405) 상에서 정적으로 유지되는 라미나(40)로부터 떨어지도록 도너 본체(20)의 일부의 변형으로 귀착된다. 대안적인 실시예에서, 도너 본체는 서셉터 플레이트에 고정된 채로 유지될 수 있는 한편, 클리브된 라미나는 상술한 바와 같이 척 플레이트(615)에 부착되고 도너 본체로부터 분리된다. 주입, 박리 단계들 또는 분리 단계들 동안 라미나의 본체 전반에 걸쳐 결정 격자(crystal lattice)에 야기된 손상을 복구하기 위해, 독립형 라미나의 분리 이후와 같은, 프로세스에서의 임의의 단계에서 어닐링 단계가 수행될 수 있다. 어닐링은 라미나가 예를 들어 500 ℃보다 더 큰 온도들, 예를 들어 550, 600, 650, 700, 800, 850 ℃ 또는 더 큰 온도에서, 또는 대략 950 ℃ 또는 더 큰 온도들에서 임의의 시간량 동안 서셉터 어셈블리 상의 적소에(in place) 유지되는 동안에 수행될 수 있다. 구조는 예를 들어 대략 650 ℃에서 대략 45분 동안 또는 대략 800 ℃에서 대략 10분 동안, 또는 대략 950 ℃에서 120초 이하 동안 어닐링될 수 있다. 많은 실시예들에서 온도는 적어도 60초 동안 850 ℃를 초과한다. 일부 실시예들에서, 도너의 전자 특성들 및 구조가 주입-박리 프로세스의 후속 반복 동안 보존되도록 라미나를 700 ℃보다 높은 온도들로 어닐링하기 전에 도너 본체를 제거하는 것이 유리할 수 있다.
광전지 장치는 라미나가 어닐링된 후에 독립형의 얇은 라미나로부터 제조될 수 있다. 라미나는 2010년 12월 29일자로 출원되고 이에 참조 문헌으로 포함되어 있는 미국 특허 출원 제12/980,424호 "A Method to Form a Device by Constructing a Support Element on a Thin Semiconductor Lamina"에 기술되어 있는 바와 같이 이 목적을 위한 추가 처리를 위해 일시적 또는 영구적 지지체에 이송될 수 있다. 이것은 예를 들어 진공 패들(vacuum paddle)(도시되지 않음)을 사용하여 수행될 수 있다. 이 이송에 영향을 미치기 위해, 진공 패들은 제 2 표면 상에 배치될 수 있는 한편, 제 1 표면 상의 진공은 해제된다. 진공 패들로의 이송 이후에, 제 2 표면은 진공에 의해 유지되는 한편, 제 1 표면은 노출된다. 도 7a를 참조하면, 라미나(40)는 예를 들어 접착제를 사용하여 일시적 캐리어(50)에 부착될 수 있다. 이 접착제는 적절한 온도들(대략 200 ℃까지)을 견뎌야 하며 용이하게 방출가능해야만 한다. 적합한 접착제들은 예를 들어 탄화수소 용해성인, 말레산 무수물 및 로진(rosin)을 갖는 폴리에스테르; 또는 세제 용해성인, 폴리이소부틸렌 및 로진을 포함한다. 일시적 캐리어(50)는 임의의 적절한 재료, 예를 들어 유리, 금속, 폴리머, 실리콘 등일 수 있다. 이송 후에, 제 1 표면(10)은 접착제에 의해 일시적 캐리어(50)에 유지되는 한편, 제 2 표면(62)은 노출된다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 광전지 장치를 형성하는 추가 처리가 이어질 수 있다. 박리에 의해 야기되는 손상을 제거하는 에치 단계는 예를 들어 플루오르화수소산(hydrofluoric(HF) acid) 및 질산의 혼합물을 적용하거나, KOH를 사용함으로써 수행될 수 있다. 어닐링은 모든 또는 거의 모든 손상을 제거하는데 충분하고 이 에치 단계가 불필요하다는 것이 확인될 수 있다. 표면은 희석된 HF 용액, 예를 들어 10:1 HF를 2분 동안 사용함으로써 유기 재료들 및 잔여 산화물로 세정될 수 있다. 이 습식 프로세스 이후에, 비정질 실리콘 층(72)이 제 2 표면(62) 상에 증착된다. 이 층(72)은 고농도 도핑된 실리콘일 수 있고 예를 들어 대략 50 및 대략 350 옹스트롬 사이의 두께를 가질 수 있다. 도 7b는 제 2 표면(62) 및 도핑된 층(72) 사이에, 및 둘 다와 직접 접촉으로 진성(intrinsic) 또는 거의 진성인 비정질 실리콘 층(74)을 포함하는 실시예를 도시한다. 다른 실시예들에서, 층(74)은 생략될 수 있다. 이 예에서, 고농도 도핑된 실리콘 층(72)은 고농도 도핑된 n형이며, 저농도 도핑된 n형 라미나(40)와 동일한 전도도 형이다. 저농도 도핑된 n형 라미나(40)는 형성될 광전지의 베이스 영역을 포함하고, 고농도 도핑된 비정질 실리콘 층(72)은 전기적 접촉을 베이스 영역에 제공한다. 포함되는 경우, 층(74)은 라미나(40)와 고농도 도핑된 실리콘 층(72) 사이의 전기 접속을 방해하지 않을 만큼 충분히 얇다.
TCO(transparent conductive oxide) 층(110)은 비정질 실리콘 층(74) 상에 그리고 이 실리콘 층과 직접 접촉으로 형성된다. TCO(110)에 대한 적당한 재료들은 인듐 주석 산화물 및 알루미늄 도핑된 아연 산화물을 포함한다. 이 층은 예를 들어 대략 500 내지 대략 1500 옹스크롱의 두께 사이, 예를 들어 대략 750 옹스트롬의 두께일 수 있다. 이 두께는 증착되는 반사 층으로부터의 반사를 강화할 것이다. 일부 실시예들에서, 이 층은 실질적으로 더 얇은 수 있으며, 예를 들어 대략 100 내지 대략 200 옹스트롬일 수 있다. 비정질 실리콘 층(76)은 또한 라미나의 어닐링 후에 제 2 표면에 인가될 수 있다.
도 7c에 도시된 완성된 장치에서 확인되는 바와 같이, 입사 광은 제 1 표면(10)에서 라미나(40)에 진입할 것이다. 라미나(40)를 통과한 후에, 흡수되지 않았던 광은 제 2 표면(62)에서 라미나(40)를 탈출한 다음에, TCO 층(110)을 통과할 것이다. TCO 층(110) 상에 형성된 반사 층(12)은 흡수될 두번째 기회를 위해 이 광을 전지 내로 역으로 반사함으로써 효율을 개선할 것이다. 도전성의 반사 금속은 반사 층(12)을 위해 사용될 수 있다. 각종 층들 또는 스택(stack)들이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 반사 층(12)은 매우 얇은 크롬 층, 예를 들어 대략 30 또는 50 옹스트롬 내지 대략 100 옹스트롬의 크롬 층을 TCO 층(110) 상에 증착한 다음에 대략 1,000 내지 대략 3,000 옹스트롬의 은을 증착함으로써 형성된다. 도시되지 않은 대안적인 실시예에서, 반사 층(12)은 대략 1,000 내지 대략 3,000 옹스트롬의 두께를 갖는 알루미늄일 수 있다. 다음 단계에서, 층은 도금(plating)에 의해 형성될 것이다. 종래의 도금은 알루미늄 층 상으로 수행될 수 없고, 알루미늄이 반사 층(12)을 위해 사용되는 경우, 도금을 위한 시드 층(seed layer)을 제공하기 위해 추가 층 또는 층들이 추가되어야 한다. 일 실시예에서, 예를 들어 대략 200 및 대략 300 옹스트롬의 두께 사이의 예를 들어 티타늄 층과, 다음으로, 임의의 적절한 두께, 예를 들어 대략 500 옹스크롱을 가질 수 있는 예를 들어 코발트 시드 층이 이어진다.
금속 지지 요소(60)는 반사 층(12)(이 실시예에서는 크롬/은 스택) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 금속 지지 요소(60)는 전기 도금에 의해 형성된다. 일시적 캐리어(50) 및 라미나(40), 및 연관된 층들은 전해조(electrolyte bath)에 침지(immerse)된다. 전극이 반사 층(12)에 부착되고, 전류가 전해질을 통과하였다. 전해조로부터의 이온들은 반사 층(12) 상에 쌓여서 연속 금속 지지 요소(60)를 형성한다. 금속 지지 요소(60)는 예를 들어 니켈 및 철의 합금일 수 있다. 철은 값이 더 싼 반면, 니켈의 열팽창계수는 실리콘의 열팽창 계수에 더 양호하게 정합되므로, 이후의 단계들 동안 응력을 감소시킨다. 금속 지지 요소(60)의 두께는 원하는 대로 될 수 있다. 금속 지지 요소(60)는 형성될 광전지를 위해 구조적 지지를 제공하기에 충분한 두께이어야 한다. 더 두꺼운 지지 요소(60)는 더 적게 보잉(bowing)하는 경향이 있다. 대조적으로, 두께를 최소화하는 것은 비용을 감소시킨다. 당해 기술에서 통상의 기술자는 적절한 두께 및 이온:니켈 비를 선택하여 이 관심사의 균형을 잡을 것이다. 금속 지지 요소(60)의 두께는 예를 들어 대략 25 및 대략 100 미크론 사이, 예를 들어 대략 50 미크론일 수 있다. 일부 실시예들에서, 철-니켈 합금은 대략 55 및 대략 65 퍼센트의 사이의 철, 예를 들어 60퍼센트의 철일 수 있다.
저농도 도핑된 n형 라미나(40)는 광전지의 베이스를 포함하고, 고농도 도핑된 p형 비정질 실리콘 층(76)은 셀의 이미터 역할을 한다. 고농도 도핑된 n형 비정질 실리콘 층(72)은 양호한 전기적 접촉을 셀의 베이스 영역에 제공할 것이다. 전기적 접촉은 셀의 양면들에 대해 이루어져야 한다. 비정질 실리콘 층(76)으로의 접촉은 그리드라인(gridline)들(57)에 의해, TCO 층(112)을 통해 이루어진다. 금속 지지 요소(60)는 도전성이고, 도전 층(12) 및 TCO 층(110)에 의해 베이스 컨택(72)과 전기적 접촉된다.
도 7c는 광전지 및 금속 지지 요소(60)를 포함하는 완성된 광전지 어셈블리(80)를 도시한다. 대안적인 실시예들에서, 사용되는 도펀트들을 변경함으로써, 고농도 도핑된 비정질 실리콘 층(72)은 이미터 역할을 할 수 있는 한편, 고농도 도핑된 비정질 실리콘 층(76)은 베이스 영역으로의 컨택(contact) 역할을 한다. 비정질 실리콘 층들(72 및 76)은 독립형 라미나의 제1 및 제 2 표면들과 각각 직접 접촉될 수 있다. 입사 광(화살표들에 의해 표시됨)은 TCO(112) 상에 낙하되고, 고농도 도핑된 p형 비정질 실리콘 층(76)에서 셀에 진입하고, 제 1 표면(10)에서 라미나(40)에 진입하고, 라미나(40)를 통과하여 이동한다. 반사 층(12)은 일부 광을 셀 내로 역으로 반사하는 역할을 할 것이다. 이 실시예에서, 수용기 요소(60)는 기판 역할을 한다. 수용기 요소(60) 및 라미나(40), 및 연관된 층들은 광전지 어셈블리(80)를 형성한다. 다수의 광전지 어셈블리들(80)은 지지 기판(90)에, 또는 대안적으로 지지 덮개(superstrate)(도시되지 않음)에 형성되고 부착될 수 있다. 각각의 광전지 어셈블리(80)는 광전지를 포함한다. 모듈의 광전지들은 일반적으로 직렬로 전기 접속된다.
서셉터 장치
이제 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도 4a 및 도 4b에서 상술된 바와 같은 서셉터 어셈블리는 하나 이상의 서셉터 플레이트들을 포함할 수 있다. 서셉터 어셈블리(400)는 도 8b에 도시된 서셉터 챔버(800)의 하부 부분에 세팅되고 독립형 라미나를 박리, 어닐링, 또는 분리하기 위한 적절한 조건들을 지원하도록 구성될 수 있다. 도 8a에서, 제 1 플레이트(405)는 도너 본체의 제 1 표면과 접촉하는데 사용되고 박리, 분리, 어닐링 또는 그 임의의 조합 동안 라미나를 위해 분리가능한 지지를 제공할 수 있다. 제 1 서셉터 플레이트(405)는 라미나 제조 프로세스 전반에 걸쳐 사용될 수 있거나, 특정 단계들에 대해 최적화된 분리 특성들을 갖는 분리 플레이트들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도너 본체는 주입 중인 제 1 서셉터 플레이트 어셈블리와, 박리 중인 제 2 서셉터 플레이트와, 분리 중인 제 3 서셉터 플레이트와 접촉될 수 있다. 선택적 상부 표면(예를 들어 척, 도시되지 않음)은 도너 본체의 제 1 표면과 대향하는 제 2 표면과의 접촉을 위해 사용될 수 있다. 서셉터 어셈블리(400)는 박리 후에 얇은 라미나를 위해 물리적 지지를 제공하고 또한 사용되는 박리 및 어닐링 프로토콜들에 도움이 되는 열적 특성들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 서셉터 플레이트(405)는 흑연과 같은 비활성 고체일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 도너 본체 또는 라미나는 진공 투과가능한 서셉터 어셈블리에 분리가능하게 접촉된다. 다공성 재료는 진공 압력이 박리 동안 도너 본체 또는 라미나를 서셉터에 유지할 수 있도록 제 1 서셉터 플레이트(405)에 사용될 수 있다. 다공성 재료들은 다공성 흑연, 다공성 질화 붕소, 다공성 실리콘, 다공성 탄화 실리콘, 레이저 드릴링된 실리콘, 레이저 드릴링된 탄화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 실리콘, 또는 그 임의의 조합을 포함할 수 있다.
진공은 주변 환경(예를 들어, 공기 또는 질소) 내에 음의 게이지 압력(negative gauge pressure)을 인가함으로써 또는 직렬의 진공 채널들(410)을 통해 지향된 진공 압력에 의해 달성될 수 있다. 프로세스 플로우에 도움이 되는 다공성 서셉터 플레이트 재료의 선택은 박리 프로세스에 중요하다. 박리 프로세스에 도움이 되는 재료 특성들은 낮은 정지 마찰 계수(예를 들어 0.1 내지 0.5의 값들을 갖는 CSF), 낮은 강도(모어스 스케일(Mohs Scale) 경도에서 <10), 대략 15 마이크로미터(micrometer) 미만의 평균 포어 직경(average pore diameter), 기계 평탄화 능력(즉, 이 서셉터들에 종래의 기계 기술들/재료들을 사용할 수 있음), 낮은 거칠기(roughness)(<1 ㎛ 거칠기), 편평도(flatness)(본체에 걸쳐 <10 ㎛의 파상도(waviness)), 라미나와 서셉터 사이에서 정전기들의 발생을 방지하는 충분한 전기 전도도 등을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 서셉터 플레이트(405)는 도너 본체의 열팽창계수(CTE)와 실질적으로 동일한 CTE를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 서셉터 플레이트는 도너 본체의 열용량과 동일하거나 더 낮은 열용량을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 도너 본체는 단결정 실리콘이고 서셉터의 열용량은 실리콘의 열용량과 대략 동일하다(대략 19.8 J/mol-°K).
이들 제한들에 있어서, 제 1 서셉터 플레이트(405)를 위한 이 특성들을 제공하기 위해 많은 공업용 세라믹들 및 다른 재료들이 선택될 수 있다. 일 실시예에서, Ringsdorff™ 흑연 등급 R6340은 실리콘과 유사한 CTE를 가지므로 사용될 수 있다. 이것은 박리 또는 어닐링과 연관된 열 처리 중에 횡력이 도너 본체 또는 라미나에 인가되는 것을 방지하는데 중요하다. CTE가 실리콘의 CTE와 유사하지 않은 흑연의 경우, 이 온도 변화들은 라미나의 주름 또는 찢김을 야기할 수 있다. CTE 정합된 흑연의 경우, 라미나는 이 온도 변화들 동안 광 보존 진공 하에서 유지되거나 또는 무 진공 보존 하에 유지될 수 있다. 순도를 개선하기 위해 흑연에 벌크 에치(bulk etch)가 적용될 수 있다. 공통 벌크 에치 프로세스는 염소 가스가 도입되어 있는 진공 챔버 내에서 24시간의 고온 베이크-아웃(bake-out)으로 이루어진다.
박리 프로세스의 다른 실시예들에서, 신속하고 높은 온도 열적 프로파일이 적용된다. 이 실시예들에서, 800 또는 900 또는 1000 ℃와 같은 고온의 온도들에서의 열화 또는 가스 방출에 저항력이 있는 서셉터 플레이트가 바람직하다. 서셉터 재료는 재료의 열화를 겪지 않고 프로세스들의 온도들 및 대기 노출들을 견딜 수 있는 것과 같이 도너 본체의 오염을 방지하는 특성들을 가질 수 있다. 재료는 본질적으로 열화에 저항하거나 상승된 온도들에서 도너 본체 오염에 장벽 역할을 하는 재료로 코팅될 수 있다. 예를 들어 다공성 실리콘 카바이드는 - 강하고, 내구성이 있으며, 양호한 CTE 정합도를 가짐 - 부드럽고 저 CSF 및 고 순도를 갖는 질화 붕소로 코팅될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다공성/레이저 드릴링된 재료들을 최적화하는 것이 사용될 수 있다. 레이저 드릴링된 재료들은 척의 용적의 필요성(기공도(porosity), CTE, 편평도/절삭성)과 표면 재료의 필요성(낮은 CSF, 부드럽고 높은 순도 등) 사이의 구분을 가능하게 한다. 예를 들어, 상술한 바람직한 특성들을 인터페이스에 제공하는 재료는 베이스 벌크에 대해 바람직한 특성들을 갖는 스톡(stock) 재료 상에 코팅될 수 있다. 다른 실시예들에서, 금속 산화물들, 탄화물들, 질화물들, 세라믹스, 및 상술한 사양들을 만족하는 고온 합금들이 사용 후보들이다. 상술한 서셉터 재료의 특성들은 유익하게도 라미나의 기계적 특성들, 균일성, 및 순도를 포함하는, 생성된 라미나의 품질을 개선한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 박리 동안 도너 본체에 균일한 온도 프로파일이 적용될 수 있다. 도 8a에서, 열적으로 이방성인 제 2 서셉터 플레이트(415)는 균일한 열적 프로파일의 적용을 용이하게 하기 위해 도너 본체에 수직인 방향에 비해 도너 본체에 평행한 평면에서 우선적으로 더 높은 열 전도도를 제공하도록 제 1 플레이트(405)에 인접하여 배치될 수 있다. 박리 온도 프로파일의 균일성은 열분해 카본 - 클리브 평면에 수직인 것에 비해 클리브 평면을 가로질러 높은 전도성인 흑연 재료의 존재에 의해 증가되어, 이상적인 평면 열 전도체가 될 수 있다. 열적 이방성 제 2 플레이트는 제 1 서셉터 플레이트(405)의 하부 측으로의 진공 압력의 배분을 용이하게 하기 위해 진공 채널들(410)을 포함할 수 있다. 추가 특징부들은 진공 압력의 배분을 개선시키기 위해 서셉터 플레이트의 표면으로 기계가공되는 진공 채널들(455)을 포함할 수 있다. 도 9a에 도시된 실시예에서, 방사상 경로들에 의해 접속되는 동심 링들로서 도시되는 한 세트의 진공 채널들(955)을 구비하는 제 2 서셉터 플레이트(915)는 진공 압력을 분리된 다공성 서셉터 프레이트로 분배하는데 사용될 수 있다. 제 2 서셉터 플레이트(915)의 외주(925) 상의 진공 채널들은 하나의 서셉터 플레이트를 다른 장치 또는 플레이트에 고정시키기 위해 진공 압력을 서셉터 플레이트의 외주 둘레에 분배하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 예를 들어 서셉터 챔버 내에 가열 램프들을 내장함으로써, 서셉터 장치의 열원이 제공될 수 있다. 열원은 예를 들어 1000 ℃까지와 같이, 주입, 박리 또는 어닐링에 요구되는 온도를 제공할 수 있는 임의의 소스일 수 있다. 다른 실시예들에서, 열원은 서셉터 어셈블리 및/또는 도너 본체를 가열하기 위해 서셉터 챔버 내에 배치되는 석영 가열 또는 유도 가열 요소와 같이 서셉터 챔버와 분리 배치될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
추가 실시예에서, 차동 진공 채널들이 서셉터 플레이트들 상에서 사용될 수 있어서, 플레이트들(405 및 415)을 서로 고정시키는 진공은 도너 본체를 서셉터 어셈블리(400)에 유지하기 위하여 진공으로부터 분리된다. 도 8a는 차동 진공 채널들을 갖는 대표적인 서셉터 어셈블리를 도시한다. 유지력(holding force)들을 변경하기 위해, 서셉터를 통해 당기는 진공이 조절될 필요가 있을 수 있다. 다공성 재료(예를 들어 흑연)를 통해 라미나 상으로 당기는 효과 대 제 1 서셉터 플레이트 자체 상에 당기는 효과를 분리하기 위해, 이 둘에 대한 차동 진공 채널들이 사용될 수 있다. 채널들(410)의 제 1 세트는 중앙에 위치되고 이것들은 라미나 자체에 관한 흡입을 제어한다. 진공 채널들(460) 및 고리(annulus)(470)의 제 2 세트는 중심에 있는 도너 본체 상의 척킹(chucking)과 관계없이, 제 1 서셉터 및 제 1 서셉터를 적소에 유지하는 제 2 서셉터들의 에지 주위에 위치된다. 이 시스템을 사용함으로써 서셉터 어셈블리를 계속 함께 유지하면서 라미나를 제거하는 것이 가능하다.
일부 실시예들에서, 진공력은 서셉터 어셈블리의 냉각에 기여할 수 있는 어닐링 또는 박리 프로세스 동안 라미나를 서셉터 어셈블리에 고정하기 위해 인가된다. 어닐링 프로세스 또는 박리 프로세스에 필요한 고온을 달성하기 위해, 서셉터 어셈블리는 도너 본체 및 하부 진공 매니폴드 사이에 단열을 제공하는 플레이트를 포함할 수 있다. 단열 역할을 하는 제 3 서셉터 플레이트(475)는 진공 매니폴드(도시되지 않음)와 제 1 서셉터 플레이트(405) 또는 제 2 서셉터 플레이트(415) 사이에서 도 8a의 서셉터 어셈블리(400)에 추가될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 제 1 또는 제 2 서셉터 플레이트는 진공 매니폴드와 라미나 사이에서 단열 역할을 할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 어닐링 및/또는 박리 시의 단열은 도 9b에 도시된 디스크(975)와 같은 석영 디스크들에 의해 달성될 수 있다. 디스크들의 수는 예를 들어 희망하는 균일성 및 온도 범위에 따라 하나 또는 둘일 수 있다. 석영 대신, 예를 들어 고온 세라믹과 같이, 어닐링 온도들을 견딜 수 있는 다른 열 절연 재료들이 사용될 수 있다. 석영 디스크들은 차동 진공 채널들의 내부 및 외부 고리들을 계속 분리하면서 진공이 그들을 통과할 수 있도록 기계가공된다. 이 단열 디스크는 수냉되는 서셉터 어셈블리 아래에서 진공 매니폴드를 사용할 때 중대할 수 있다. 단열은 제 1 서셉터 플레이트(405)로부터의 열 손실을 방지할 수 있으며, 이는 어닐링 및/또는 박리에 도달하는데 필요한 온도를 달성하는 것을 잠재적으로 용이하게 할 수 있다. 어닐링 프로세스를 용이하게 할 수 있는 단열 서셉터 플레이트(475)의 특성들은 저 함량의 고도의 확산 이물질들(20 PPM 미만의 불순물들), 실리콘과 유사한 열팽창계수(예를 들어, CTE의 20% 이내), 및 고온 친화성(예를 들어, 1,000 ℃) 및 낮은 전기 비저항(electrical resistivity)을 포함한다.
도 8a에 도시된 차동 채널들을 갖는 서셉터 어셈블리가 열적 스택과 함께 도시될지라도, 차동 채널(460/470) 및 열적 스택(475) 특징부들은 서로 독립적으로 사용될 수 있는 것에 주목한다. 유사하게, 열적 스택은 라미나를 지지하는 상단 표면이 단열 소자 아래의 구성요소들과 상이한 온도에서 동작하는 임의의 상황에서 사용될 수 있다. 게다가, 열적 스택(상이한 온도에서 하부 표면으로부터 상단 표면을 분리하는 단열로서의 석영)의 개별 요소들은 개별적으로, 상이한 순서로, 또는 상이한 구성으로 사용될 수 있다.
분리 장치
도 10의 (a) 및 (b)에서, 도 5의 (b)의 방법으로 도너 본체를 라미나로부터 분리하는 분리 척(100)의 일 실시예가 도시된다. 동작 시에, 라미나와 대향하는 도너 본체의 표면은 분리 척에 대고 배치될 것이며, 박리된(그러나 아직 분리되지 않은) 라미나 본체는 서셉터 어셈블리 상에 배치될 것이다. 대안적으로 도너 본체/라미나는 이 장치에서 반전될 수 있다. 도 10의 (a) 및 (b)의 분리 척(100)은 다공성 플레이트(115)(예를 들어 흑연), 가요성 플레이트(135)와 같은 굽힘 장치(예를 들어, 알루미늄 또는 PEEK), 및 강성 지지 플레이트(145)(알루미늄과 같음)를 포함하는 플레이트들의 스택(stack)을 포함한다. 다공성 플레이트(115)는 본 명세서에서 흑연으로 칭해질 것이지만, 다른 재료들은 또한 후술되는 바와 같이 가능하다. 강성 플레이트(145)는 가요성 플레이트(135)의 후면에 정압을 인가하기 위해 그것 내에 분배 채널들(150)을 가진다. 분배 채널들은 예를 들어 방사상(radial) 채널들에 의해 연결되는 동심 링들로서, 또는 선형 그리드(grid)로서 구성될 수 있다. 가요성 플레이트(135)는 그 원주 주위의 강성 플레이트(145)에 고정될 수 있다. 정압이 인가되면, 가요성 플레이트(135)의 중심 부분은 도 10의 (b)에서와 같이, 볼록(convex) 형상으로 편향되어, 다공성 플레이트(115)가 그 형상을 따르게 할 것이다. 가요성 플레이트는 예를 들어 대략 1 또는 2 이상의 밀리미터만큼 편향될 수 있다. 장치의 동작 압력은 임의의 압력, 예를 들어 0.1 내지 5 bar일 수 있다. 이 압력은 장치 내의 재료들의 두께에 의존한다. 가요성 플레이트의 세 요건들은 그것에 인가되는 압력을 취하는 기계적 강도, 탄력적 구부림(파손의 반대로서)에 대한 컴플라이언스(compliance), 및 가압 공기에 대한 불침투성이다. 일 실시예에서, 다공성 층(115)은 두께가 대략 3mm이고, 불침투 가요성 플레이트(135)는 두께가 대략 5mm이다. 가요성 층(135)에 대한 다른 재료 선택들은 알루미늄과 같은 유연한 금속들, 얇은 게이지 스틸, 또는 폴리머, 엘라스토머 또는 고무계 재료들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 도너 본체(도시되지 않음)는 가요성 플레이트와 다공성 플레이트 사이에 진공을 인가함으로써 다공성 플레이트(115)에 대해 유지될 수 있다. 흑연 플레이트가 다공성이므로, 진공은 진공 체적으로의 진공 입구를 통해 플레이트(115) 후방의 분배 채널들(160)로 인가되어 다공성 플레이트(115)를 통해 동등한 흡입을 제공한다.
예들
{111} 단결정 도너 웨이퍼로부터의 라미나 형성
프로세스는 {111}의 밀러 지수를 갖는 도너 웨이퍼에서 시작한다. 실질적으로 편평한 제 1 표면이 제공되지만, 제 1 표면은 어떤 기존의 텍스처를 가질 수 있다. 도너 본체에는 400keV에서 4.0 x 1016 H atoms/㎤의 총 이온 도시지(ion dosage)가 주입되었다. 주입 온도는 대략 ℃이었다. 주입의 결과로 도너 본체의 제 1 표면으로부터 클리브 평면 4.5 ㎛가 생성되었다. 도너 본체에는 붕소와 같은 n형 도펀트들이 1 및 3 ohm-cm 사이의 비저항으로 도핑되었다.
주입 후에 도너 웨이퍼의 주입된 표면은 서셉터 어셈블리와 접촉되었다. 서셉터 어셈블리는 다공성 흑연의 서셉터 플레이트를 포함하였다. 추가적으로, 다공성 흑연은 균일하게 편평하고 매끄러운 표면을 제공하기 위해 1500 그리트 샌드페이퍼(grit sandpaper)로 기계가공 평활화되었다. 진공 압력은 웨이퍼에 인가되지 않았다. 서셉터 어셈블리에 접촉되면, 2개의 열 램프들을 포함하는 열적 박리 프로파일이 적용되었다. 실온에서 시작해서 이하의 램프 시퀀스가 적용되었다: 15 ℃/s로 400 ℃까지 램핑되었고 400 ℃에서 60초 동안 유지된 다음에, 700 ℃로의 10 ℃/s 램프(ramp)가 이어졌다. 이때, 라미나는 도너 웨이퍼로부터 박리되었고 10 ℃/s에서 950 ℃로 램핑하고 1분 동안 유지함으로써 어닐링되었다. 그 후에 웨이퍼는 실온으로 냉각되도록 하였다.
도너 본체는 실온에서 라미나로부터 분리되는 한편, 라미나(이전에 도너 본체)의 제 1 표면은 서셉터 플레이트에 고정된 채로 유지되었다. -13psi의 진공력이 서셉터 어셈블리 내의 다공성 플레이트에 인가되어 라미나를 서셉터 어셈블리에 고정하였다. 제 1 표면과 대향하는 도너 본체의 제 2 표면의 일부는 진공 라인에 결합되었던 분리 척의 다공성 플레이트에 접촉되었다. 분리 척의 다공성 플레이트는 피벗점을 포함하는 강성 아암에 결합되었다. 진공이 분리 척의 다공성 플레이트에 인가되었을 때, 플레이트의 일부는 강성 아암이 피벗점 상에서 피벗되게 하는 도너 본체에 대해 압축되어, 라미나로부터 떨어지도록 도너 본체의 일부를 리프팅(lifting)시킨다. 라미나로부터의 초기 분리 이후에, 도너 본체는 라미나로부터 수동으로 리프팅되었고 프로세스 라인으로 복귀되었다. 라미나는 광전지 장치를 형성하기 위해 더 처리되었다. 분리 프로세스는 주변 온도 및 압력에서 발생하였다.
{100} 단결정 도너 웨이퍼로부터의 라미나
프로세스는 {100}의 밀러 지수를 갖는 도너 웨이퍼에서 시작한다. 실질적으로 편평한 제 1 표면이 제공되지만, 제 1 표면은 어떤 기존의 텍스처(texture)를 가질 수 있다. 도너 본체에는 400keV에서 8.0 x 1016 H atoms/㎤의 총 이온 도시지가 주입되었다. 주입 온도는 대략 160 ℃이었다. 주입의 결과로 도너 본체의 제 1 표면으로부터 클리브 평면 4.5 ㎛가 생성되었다.
주입 후에 도너 웨이퍼의 주입된 표면은 서셉터 어셈블리와 접촉되었다. 서셉터 어셈블리는 다공성 흑연의 서셉터 플레이트를 포함하였다. 다공성 흑연은 균일하게 편평한 매끄러운 표면을 제공하기 위해 1500 그리트 샌드페이퍼로 기계가공 평활화되었다. 서셉터 어셈블리는 열적 이방성인 제 2 서셉터 플레이트를 더 포함하였다. 제 2 서셉터 플레이트는 열분해성 흑연을 포함하였고 열적 이방성 재료를 제공하여 일정한 열 처리를 용이하게 하였다. 도너 본체는 -13psi 진공을 제 1 서셉터 플레이트에 인가함으로서 서셉터 어셈블리에 고정되었다.
서셉터 어셈블리를 도너 본체에 접촉시킨 후에, 60초 동안 유지되었던 440 ℃의 제 1 박리 온도까지의 2.3 ℃/s의 열 램프 속도를, 그 후에 500초 동안 유지되었던 490 ℃까지의 0.2 ℃/s의 열 램프 속도를 포함하는 열적 박리 프로파일이 적용되었다. 박리 후에, 도너 본체의 제 1 표면이었던 제 1 표면 및 제 1 표면과 대향하는 제 2 표면을 포함하는 얇은 독립형 라미나가 950 ℃에서 3분 동안 어닐링되었다. 웨이퍼는 실온에서 냉각되도록 하였다.
도너 본체는 실온에서 라미나와 분리된 한편 라미나(이전에 도너 본체)의 제 1 표면은 인가된 -13 psi의 진공력으로 서셉터 플레이트에 고정된 채로 유지되었다. 라미나의 제 1 표면과 대향하는 도너 본체의 제 2 표면의 일부는 진공 라인에 결합되었던 분리 척의 다공성 플레이트에 접촉되었다. 다공성 플레이트는 또한 피벗점을 포함하는 강성 아암에 결합되었다. 진공이 다공성 플레이트에 인가되었을 때, 다공성 플레이트의 일부는 강성 아암이 피벗점 상에서 피벗되게 하는 도너 본체에 대해 압축되어, 라미나로부터 떨어지도록 도너 본체의 일부를 리프팅시킨다. 도너 본체는 도너 본체로부터 수동으로 리프팅되었고 프로세스 라인으로 복귀되었다. 라미나는 광전지 장치를 형성하기 위해 더 처리되었다.
명확성 및 완전성을 위해 다양한 실시예들이 제공되었다. 명백하게 모든 가능한 실시예들을 기재하는 것은 비현실적이다. 본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서에 의해 숙지될 때 당해 기술에서 통상의 기술자에게 분명할 것이다. 상세한 제조 방법들이 본 명세서에서 기술되었지만, 동일한 구조들을 형성하는 임의의 다른 방법들이 사용될지라도 결과들은 본 발명의 범위 내에 있다. 전술의 상세한 설명은 본 발명이 취할 수 있는 많은 형태들 중 몇개만을 기술하였다. 이 이유로 인해, 이 상세한 설명은 예시로서 의도되며, 제한으로서 의도되지 않는다. 모든 등가물들을 포함하는 다음의 청구항들만이 본 발명의 범위를 규정하도록 의도된다.

Claims (29)

  1. 도너 본체(donor body)로부터 라미나(lamina)를 제조하는 방법에 있어서,
    a. 클리브 평면(cleave plane)을 형성하기 위해 도너 본체의 제 1 표면을 이온 도시지(ion dosage)로 주입하는 단계;
    b. 주입 동안 상기 도너 본체를 주입 온도로 가열하는 단계;
    c. 상기 도너 본체의 제 1 표면을 서셉터 어셈블리의 제 1 표면에 분리가능하게 접촉시키는 단계로서, 상기 도너 본체의 제 1 표면 및 상기 서셉터 어셈블리의 제 1 표면은 직접 접촉되는 상기 단계;
    d. 상기 클리브 평면에서 상기 도너 본체로부터 라미나를 박리하기 위해 상기 도너 본체에 박리 온도를 인가하는 단계로서, 상기 도너 본체의 제 1 표면은 상기 라미나의 제 1 표면을 포함하는 상기 단계;
    e. 상기 도너 본체로부터 상기 라미나를 분리하는 단계; 및
    f. 상기 라미나 내에 실질적으로 물리적 결함들이 없는 영역을 최대화하기 위해 도시지(dosage), 주입 온도, 박리 온도 및 박리 압력의 조합을 조정하는 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 서셉터 어셈블리는 상기 도너 본체 아래에 위치되고, 상기 서셉터 어셈블리의 제 1 표면으로의 상기 도너 본체의 제 1 표면의 분리가능 접촉은 상기 도너 본체의 중량에 의해 제공되는 힘을 오로지 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 서셉터 어셈블리의 제 1 표면으로의 상기 도너 본체의 제 1 표면의 분리가능 접촉은 진공력을 상기 서셉터에 인가하는 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    박리 온도 프로파일은 상기 도너 본체의 제 1 표면에 걸쳐 실질적으로 균일한, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    박리 온도 프로파일은 초당 적어도 1 ℃ 의 비율로 600 및 1000 ℃ 사이에 있는 피크 온도로 램핑(ramping)하는 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 박리 온도를 인가하는 단계는 상기 도너 본체를 제 1 온도의 구역으로부터 제 2 온도의 구역으로 이동시키는 단계를 포함하고, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도보다 더 높은, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 물리적 결함들은 파면 결함(wavefront defect)들, 방사 횡문(radial striation)들, 플레이킹(flaking), 찢김(tear)들, 홀(hole)들, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 주입 온도는 80 및 250 ℃ 사이에 있는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 라미나의 두께는 대략 1 및 20 미크론(micron) 사이에 있는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 라미나의 상기 제 1 표면의 90 %보다 큰 표면적은 상기 물리적 결함들이 없으며, 상기 라미나의 표면적은 상기 도너 본체의 제 1 표면의 표면적과 실질적으로 동일한, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 박리는 주변 대기압에서 발생하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 도너 본체로부터 상기 라미나를 분리하는 단계 이후에 상기 서셉터를 재사용하는 단계를 더 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 서셉터 어셈블리의 제 1 표면은 상기 도너 본체와 접촉할 수 있는 제 1 플레이트를 포함하고, 상기 제 1 플레이트는 진공 압력이 투과될 수 있는 다공성 재료를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는 다공성 흑연, 다공성 질화 붕소, 다공성 실리콘, 다공성 탄화 실리콘, 레이저 드릴링된(laser-drilled) 실리콘, 레이저 드릴링된 탄화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 또는 질화 실리콘 또는 그 임의의 조합을 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는 제 1 열팽창계수를 갖고 상기 도너 본체는 제 2 열팽창계수를 가지며, 상기 제 1 및 제 2 열팽창계수들은 실질적으로 동일한, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 서셉터 어셈블리는 상기 제 1 플리에트에 인접하는 제 2 플레이트를 더 포함하고, 상기 제 2 플레이트는 열적 이방성(anisotropic)인, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는 열분해 흑연(pyrolytic graphite)을 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는 상기 도너 본체의 열용량보다 더 낮은 열용량을 갖는 재료를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 도너 본체로부터 상기 라미나를 분리하는 단계는 힘을 상기 도너 본체의 제 2 표면의 일부에 인가하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 표면은 상기 라미나의 제 1 표면과 대향하고, 상기 도너 본체는 상기 라미나로부터 떨어지도록 변형되는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 도너 본체로부터 상기 라미나를 분리하는 단계는 힘을 상기 라미나의 제 1 표면의 일부에 인가하는 단계를 포함하고, 상기 라미나는 상기 도너 본체로부터 떨어지도록 변형되는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  21. 청구항 1에 있어서,
    a. 상기 라미나를 상기 서셉터 어셈블리로부터 분리하는 단계; 및
    b. 광전지를 제작하는 단계로서, 상기 광전지는 상기 라미나의 제 1 표면에 직접 접촉되는 제 1 비정질 실리콘 층 및 상기 라미나의 제 2 표면과 직접 접촉되는 제 2 비정질 실리콘 층을 갖는 상기 단계를 더 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  22. 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법에 있어서,
    a. 클리브 평면을 형성하기 위해 도너 본체의 제 1 표면을 이온 도시지로 주입하는 단계;
    b. 상기 도너 본체를 서셉터 어셈블리의 제 1 표면에 분리가능하게 접촉시키는 단계로서, 상기 도너 본체 및 상기 서셉터 어셈블리의 제 1 표면은 직접 접촉되는 상기 단계;
    c. 상기 클리브 평면에서 상기 도너 본체로부터 라미나를 박리하는 단계로서, 상기 도너 본체의 제 1 표면은 상기 라미나의 제 1 표면을 포함하는 상기 단계; 및
    d. 변형력을 상기 라미나의 제 1 표면 및 상기 도너 본체의 제 2 표면에 인가함으로써, 상기 도너 본체로부터 상기 라미나를 분리하기 위해 상기 도너 본체의 제 2 표면 또는 상기 라미나의 제 1 표면을 변형하는 단계로서, 상기 도너 본체의 제 2 표면은 상기 도너 본체의 제 1 표면과 대향하는 상기 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 도너 본체의 제 2 표면을 변형하는 단계는,
    a. 상기 도너 본체의 제 2 표면에 제 1 척 플레이트를 결합하는 단계로서, 상기 척 플레이트는 굽힘 장치에 결합되는 상기 단계; 및
    b. 상기 변형력을 상기 굽힘 장치에 인가하는 단계로서, 상기 변형력은 상기 굽힘 장치 및 상기 제 1 척 플레이트 및 상기 도너 본체를 상기 라미나로부터 떨어지도록 변형시키는 상기 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  24. 청구항 22에 있어서,
    상기 라미나의 제 1 표면을 변형하는 단계는,
    a. 상기 라미나의 제 1 표면에 제 1 척 플레이트를 결합하는 단계로서, 상기 척 플레이트는 굽힘 장치에 결합되는 상기 단계; 및
    b. 상기 변형력을 상기 굽힘 장치에 인가하는 단계로서, 상기 변형력은 상기 굽힘 장치 및 상기 제 1 척 플레이트 및 상기 라미나를 상기 도너 본체로부터 떨어지도록 변형시키는 상기 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  25. 청구항 23 및 청구항 24에 있어서,
    상기 제 1 척 플레이트는 진공 압력이 투과될 수 있는 다공성 재료를 포함하고, 상기 방법은 상기 제 1 척 플레이트 및 상기 도너 본체 사이에 진공 압력을 인가하는 단계를 더 포함하고, 상기 진공 압력은 상기 제 1 척 플레이트로의 상기 도너 본체의 결합을 가능하게 하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 다공성 재료는 다공성 흑연, 다공성 질화 붕소, 다공성 실리콘, 다공성 탄화 실리콘, 레이저 드릴링된 실리콘, 레이저 드릴링된 탄화 실리콘, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 및 질화 실리콘으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  27. 청구항 23 및 청구항 24에 있어서,
    상기 굽힘 장치의 외주에 부착되는 백킹 플레이트를 더 포함하고, 상기 변형력을 인가하는 단계는 상기 굽힘 장치 및 상기 백킹 플레이트 사이에 압력 체적을 형성하는 단계를 더 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  28. 청구항 22에 있어서,
    상기 도너 본체를 변형하는 단계는 상기 도너 본체의 일부를 상기 라미나의 제 1 표면으로부터 1 및 3 mm 사이에 배치하는 단계를 포함하는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
  29. 청구항 22에 있어서,
    상기 라미나를 상기 서셉터 어셈블리로부터 이송 척으로 이송시키는 단계를 더 포함하고, 상기 이송 척은 진공 압력이 투과될 수 있는 다공성 이송 플레이트를 포함하고, 상기 라미나의 제 2 표면은 상기 다공성 이송 플레이트의 제 1 표면과 분리가능하게 접촉되는, 도너 본체로부터 라미나를 제조하는 방법.
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