專利名稱：用于制備外延紋理厚膜的系統(tǒng)和方法
用于制備外延紋理厚膜的系統(tǒng)和方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35卷第119條(e)款要求以下申請(qǐng)的利益，這些申請(qǐng)的全 部?jī)?nèi)容通過引用被并入本文于2007 年 11 月 21 日提交的、標(biāo)題為"Methods and Systems forBackside Laser Induced Epitaxial Growth of Thick Film” 的第 60/989，729 號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)；以及于 2007 年 12 月 7 日提交的、標(biāo)題為 “Methods and Systems forBackside Laser Induced Epitaxial Growth of Thick Film” 的第 61/012，229 號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)。本文中引用的所有專利、專利申請(qǐng)和專利出版物通過引用被全部并入本文。本申請(qǐng)涉及與其在同一日期提交的并且標(biāo)題為“Systems andMethods for Preparing Epitaxially Textured Polycrystalline Films，，的共同擁有禾口共同未決的串 請(qǐng)，其內(nèi)容通過引用被全部并入本文。
背景技術(shù)：
本文中描述的主題涉及用于制備外延生長(zhǎng)紋理厚膜的系統(tǒng)和方法。厚膜在太陽能電池應(yīng)用中特別有用，因?yàn)檩^厚的膜可以吸收更多的光子，從而產(chǎn) 生更多的電。太陽能電池或光伏電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。當(dāng)材料暴露于光時(shí)，太 陽能或光伏電池在光吸收材料中產(chǎn)生電。當(dāng)光能照射到太陽能電池時(shí)，光伏效應(yīng)產(chǎn)生電。光吸收材料通常是半導(dǎo)體材料。當(dāng)前有用在太陽能電池中的多種不同的半導(dǎo)體材 料且常見材料是硅。硅的最有效的形式(例如，從入射光中捕獲最大量的能量)是作為單 晶硅。然而，單晶硅晶片是昂貴的。在很多光伏應(yīng)用中，所使用的硅是相對(duì)厚的多晶或非晶 硅膜。例如，可以使用具有大約1微米至高達(dá)20微米的厚度的膜。多晶硅或非晶硅可以用 在試圖降低制造成本中。然而，因而產(chǎn)生的電池不如使用單晶硅的電池有效?？梢酝ㄟ^化學(xué)氣相沉積(CVD)(例如等離子體增強(qiáng)(PE-CVD))從例如硅烷氣體和 氫氣制造硅薄膜。根據(jù)沉積參數(shù)，這可以產(chǎn)生非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)。從這些 材料制造的太陽能電池往往具有比體硅更低的能量轉(zhuǎn)換效率，但生產(chǎn)起來也更不昂貴，且 它們可以在大表面上產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
所公開的主題涉及薄膜的激光結(jié)晶的使用，以產(chǎn)生外延紋理結(jié)晶厚膜。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，用于制備厚結(jié)晶膜的方法包括提供用于在襯底上結(jié) 晶的膜，其中襯底的至少一部分對(duì)于激光照射實(shí)質(zhì)上是透明的，所述膜包括具有主表面結(jié) 晶取向的籽晶層以及在籽晶層之上布置的頂層；使用脈沖激光器從襯底的背面照射該膜， 以在與籽晶層的界面處熔化頂層的第一部分，同時(shí)頂層的第二部分保持固態(tài)；以及重新凝 固頂層的第一部分，以形成以籽晶層外延的結(jié)晶激光，從而釋放熱來熔化頂層的相鄰部分。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，籽晶層包括多晶硅。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層包括非晶硅。
在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層具有{111}取向的主表面結(jié)晶取向。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層具有{100}取向的主表面結(jié)晶取向。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層具有大于籽晶層的厚度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，使用從下列項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)來沉積籽晶層 區(qū)熔再結(jié)晶(ZMR)、固相再結(jié)晶、化學(xué)氣相沉積(CVD)、濺射、蒸發(fā)、表面能量驅(qū)動(dòng)的二次晶 粒生長(zhǎng)(SEDSGG)、混合相凝固和脈沖激光結(jié)晶法。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括使用脈沖照射在背面照射籽晶層，以在籽 晶層的整個(gè)厚度中增加籽晶層的紋理。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，使用從低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)CVD、 物理氣相沉積技術(shù)和濺射沉積組成的組中選擇的方法來沉積頂層。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，該膜包括從金屬和半導(dǎo)體材料組成的組中選擇的材 料。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層具有在1微米到大約20微米的范圍內(nèi)的厚度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，籽晶層具有在50納米到大約1微米的范圍內(nèi)的厚度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，照射膜的步驟包括用連續(xù)波或準(zhǔn)分子激光器照射。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括從膜的上表面加熱膜。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，加熱包括從膜的正面共同照射。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，加熱包括與加熱的表面接觸。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，照射熔化整個(gè)頂層。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，用于制備厚結(jié)晶膜的方法包括提供用于在襯底上結(jié) 晶的膜，其中襯底的至少一部分對(duì)于激光照射是透明的，所述膜包括具有主表面結(jié)晶取向 的籽晶層、在籽晶層之上布置的頂層、以及在籽晶層之下布置的金屬層；使用在金屬可吸收 的波長(zhǎng)處的脈沖激光器來照射膜以加熱金屬層，所述熱被傳輸?shù)巾攲右栽谂c籽晶層的界面 處熔化頂層的第一部分，同時(shí)籽晶層的第二部分保持固態(tài)；重新凝固頂層的第一部分，以形 成以籽晶層外延的結(jié)晶層，從而釋放熱來熔化頂層的相鄰部分。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，照射步驟通過膜的正面進(jìn)行。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，光的一部分被膜吸收。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，照射步驟通過膜的背面進(jìn)行。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括在籽晶層和金屬膜之間提供緩沖層。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，制造太陽能電池的方法包括通過提供用于在襯底上 結(jié)晶的膜來制備結(jié)晶硅層，其中襯底的至少一部分對(duì)于激光照射是透明的，所述膜包括包 含具有表面紋理的晶粒的籽晶層以及在低缺陷密度籽晶層之上布置的頂層，所述頂層具有 大于籽晶層的厚度；使用脈沖激光器從襯底的背面照射膜，以在與籽晶層的界面處熔化低 質(zhì)層的一部分，其中晶體從籽晶層外延地生長(zhǎng)；以及在兩個(gè)電極之間布置多晶硅層。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層具有大于籽晶層的厚度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，用于制備厚結(jié)晶膜的系統(tǒng)包括襯底，其中襯底的至少 一部分對(duì)于激光照射是透明的，所述膜包括布置在襯底上用于結(jié)晶的膜，該膜包括包含具 有表面紋理的晶粒的籽晶層以及在籽晶層之上布置的頂層；用于使用脈沖激光器從襯底的 背面照射膜以在與籽晶層的界面處熔化頂層的第一部分同時(shí)頂層的第二部分保持固態(tài)的裝置；以及用于使結(jié)晶材料的第一部分生長(zhǎng)以在籽晶層上形成外延層從而釋放足以熔化頂 層的相鄰部分的熱的裝置。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，頂層具有大于籽晶層的厚度。


如附圖所示的，從以下更具體的描述中，本文中所述的實(shí)施方式的上述和其他特 征將明顯。圖1簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本文中所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的激光照射方法。圖2是根據(jù)本文中所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的背面照射過程的簡(jiǎn)要說明。圖3是根據(jù)本文中所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的具有位于襯底和籽晶層之間的 金屬膜的厚膜的橫截面。圖4a_4c是根據(jù)本文中所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的厚膜的正面照射過程的簡(jiǎn) 要說明，其中金屬膜位于襯底和籽晶層之間。
具體實(shí)施例方式按照慣例，使用在高溫執(zhí)行的化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝來進(jìn)行薄膜的外延生長(zhǎng)， 以確保籽晶層的晶格取向的高質(zhì)再現(xiàn)。然而，這樣的工藝需要使用可以經(jīng)受高溫的襯底。如 果還需要或期望襯底的透明度，如對(duì)于太陽能電池可能是這種情況，則襯底需要由石英或 專用高溫玻璃制造。這些襯底可能是昂貴的并且可能在大尺寸下不可得到。此外，經(jīng)由CVD 的外延可能具有非常低的沉積率。以前，通過在薄結(jié)晶籽晶層(C-Si)上沉積在此也被稱為“頂層”的厚的有缺陷的 層(例如，非晶硅(a-Si)層或多晶硅膜(P-Si)))并熔化a-Si層來制備外延膜，以使用熔 化介導(dǎo)外延從結(jié)晶籽晶層提供外延生長(zhǎng)層。為了使硅層外延地生長(zhǎng)，從正面(即，膜的非襯 底側(cè))照射膜以完全熔化a-Si層，而實(shí)質(zhì)上不熔化下面的C-Si層。因此，結(jié)晶層從籽晶層 和熔化物之間的液體-固體界面的界面生長(zhǎng)。然而，該過程可能難以控制。由于a-Si層的 期望厚度通常大于籽晶層的厚度，只熔化沉積的a-Si層很難。這個(gè)困難可起因于照射過程 中的非均勻性，包括從一個(gè)脈沖到另一脈沖的能量變化。需要相當(dāng)多的照料來避免籽晶層 連同a-Si層的不希望有的熔化。并且，可能需要多次執(zhí)行熔化和生長(zhǎng)過程。通常，a-Si層 的厚度范圍可以從20納米到80納米或更大(例如500納米)。因?yàn)樵趯?duì)熱有傳導(dǎo)性的結(jié) 晶Si籽晶層上沉積膜，與如果在傳導(dǎo)性較弱的襯底例如二氧化硅上沉積膜相比，可能需要 更高的能量密度輻射來完全熔化膜。沉積足夠的熱來完全熔化有缺陷的膜所需的高能量密 度可能例如通過蒸發(fā)或通過凝聚而導(dǎo)致表面的損壞。這限制了可以被完全熔化而不引起損 壞的有缺陷的層的最大厚度。然而，這是為什么需要多次沉積和輻射來達(dá)到光子吸收層的 令人滿意的厚度的另一原因。薄膜太陽能電池通常具有在大約1微米到大約20微米或更 大的數(shù)量級(jí)的硅層。因此，需要a-Si沉積和液相外延生長(zhǎng)的多次重復(fù)來獲得期望的厚度。 這個(gè)過程是耗時(shí)的、昂貴的以及低效的。如本文中所述，激光照射外延過程提供了優(yōu)質(zhì)外延并且與諸如低溫玻璃的低溫襯 底相容。該方法包括在膜中引起有限的熔化度以及觸發(fā)稱為爆炸結(jié)晶的自我維持過程。爆 炸結(jié)晶可能作為非晶和結(jié)晶材料的熔化溫度的不同的結(jié)果而發(fā)生。非晶硅具有比結(jié)晶硅更
6低的熔化溫度(Ta_Si <T。_Si)，這有助于抑制籽晶層的熔化并促進(jìn)非晶硅層的優(yōu)先熔化。進(jìn) 一步地，非晶硅處于亞穩(wěn)態(tài)中并具有較高的自由能量。(作為在結(jié)晶之后的熔化照射的結(jié) 果)諸如非晶硅的亞穩(wěn)材料到諸如結(jié)晶硅的更穩(wěn)定的材料的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致能量的凈減少，因此 在結(jié)晶時(shí)釋放潛能。在結(jié)晶過程中，這可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。因?yàn)榉蔷Р牧系慕Y(jié)晶導(dǎo)致能量的釋 放，使用釋放的能量來熔化相鄰非晶區(qū)域并產(chǎn)生進(jìn)一步的結(jié)晶是可能的。在很多情況中，結(jié) 晶過程可以是自我維持的，并且只需要對(duì)結(jié)晶發(fā)起以通過非晶體傳播。參照?qǐng)D1描述該方法的方面。為了解釋的清楚，參照硅膜描述該方法。然而，顯然， 該方法可以應(yīng)用于其它材料。例如，膜可以是金屬合金或半導(dǎo)體膜。金屬合金可以包括鎳 鈦。半導(dǎo)體膜可以包括傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺和硅鍺。在一些實(shí)施方式中，有缺陷 的材料是a-Si。第一步驟包括在襯底上設(shè)置籽晶層(圖1中的105)。在該實(shí)例中，105指的是圖 1的流程圖中的塊的標(biāo)志。籽晶層具有期望的結(jié)晶取向。低缺陷密度籽晶層提供了良好的襯底，從該襯底使低缺陷密度(外延)厚膜外延 地生長(zhǎng)。因此，可以產(chǎn)生具有低缺陷密度的大晶粒的結(jié)晶取向Si膜。低缺陷密度膜特征在 于少量的晶界和較少的晶間缺陷，例如顯著低于IO9缺陷/平方微米。籽晶層可以相對(duì)薄， 例如在大約50和1000納米之間或者在大約100和200納米之間。獲得前體紋理膜(其隨后可以被處理以形成大晶粒膜)的傳統(tǒng)方法包括 區(qū)熔再結(jié)晶(ZMR)、固相結(jié)晶、直接沉積技術(shù)(CVD、濺射、蒸發(fā))、表面能量驅(qū)動(dòng)的二 次晶粒生長(zhǎng)(SEDSGG)和脈沖激光結(jié)晶(多脈沖ELA)方法。如M. W. Geis等人的 "Zone-Meltingrecrystal1ization of Si films with a moveable-strip-heater oven" J. Electro-Chem. Soc. 129，2812 (1982)所述的，使用熱輻射源的區(qū)熔照射可以 產(chǎn)生具有{100}表面取向的硅膜。用于產(chǎn)生(100)紋理膜的其他方法包括CVD和低 B CVDo 見例如 J. Electrochem. Soc. Vol. 134，NO. 134，pp. 2541-2545 (October,1987)、 J. App 1. Phys.，Vol. 73，No. 12，pp. 8402-8411 (June, 1993)和 J. Matl. Sci. Lett.，Vol. 7， pp. 247-250(1988)；或?qū)τ阡X誘導(dǎo)結(jié)晶，見例如 0. Nast, Appl. Phys. Lett. 73，No22, pp. 3214-6 (November 1998)。可以設(shè)想，也可以以類似的方式采用其他紋理誘導(dǎo)方法來生 成紋理前體。之前在James Im于2004年11月18日提交的且標(biāo)題為“Systemand Methods for Creating Crystallographic Controlled OrientationControlled PolySilicon Films”的美國(guó)序列號(hào)10/994，205的申請(qǐng)中已經(jīng)描述了具有少量晶界例如大晶粒和用作 籽晶層的低缺陷密度的紋理膜的形成，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用被全部并入本文。在那個(gè) 過程中，膜被預(yù)處理以將期望的紋理引入膜中，然后使用連續(xù)側(cè)向結(jié)晶(SLS)激光照射被 結(jié)晶以形成SLS所特有的增強(qiáng)晶粒生長(zhǎng)。發(fā)布給Dr.James Im的于1981年11月18日 提交的標(biāo)題為 “Method and Tool forGenerating Countersunk Holes in Composite Material”的第6，322，625號(hào)美國(guó)專利、于2000年3月16日提交的標(biāo)題為“Method and Systemfor Providing a Continuous Motion Sequential Lateral Solidification，，的第 6，368，945號(hào)美國(guó)專利、于1999年9月3日提交的標(biāo)題為“Methodsfor Producing Uniform Large-Grained and Grain Boundary LocationManipulated Polycrystalline Thin Film Semiconductors UsingSequential Lateral Solidification，，的第 6，555，449 號(hào)美國(guó)專利、于 1999 年 9 月 3 日提交的標(biāo)題為 “Systems and Methods Using SequentialLateral Solidification for Producing Single or Polycrystalline SiliconThin Films at Low Temperatures”的第6，573，531號(hào)美國(guó)專利、以及于2008年11月5日提交的標(biāo)題為“Flash Light Annealing for ThinFilms”的第61/111，518號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)描述了這樣的SLS 系統(tǒng)和過程，這些專利的全部?jī)?nèi)容通過引用被并入本文，并且被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的共同受讓 人。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)處理膜的過程是混合相凝固(MPS)過程。這是可以在結(jié) 晶結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生非常低的晶內(nèi)缺陷密度的過程。一旦提供了具有期望的晶內(nèi)缺陷密度和晶界密度的籽晶層，就在籽晶層(圖1中 的110)上沉積非晶或其他低質(zhì)結(jié)晶膜。在該實(shí)例中，110指的是圖1的流程圖中的塊的標(biāo) 志。使用傳統(tǒng)方法，例如低壓CVD、等離子體增強(qiáng)CVD、物理沉積技術(shù)如濺射沉積等來沉積膜。非晶層可以比籽晶層厚很多倍，并且可以是例如大約1微米到大約20微米厚或者 大約2-6微米厚或者高達(dá)10-20微米厚。非晶層可以與在最終產(chǎn)品例如太陽能電池板中希
望的一樣厚。雖然高缺陷或頂層通常將比籽晶層更厚，但是它不需要更厚，例如籽晶層可以非 常厚(大約1微米)，并且它可以在多個(gè)步驟中被處理以提供低缺陷密度膜。例如，1微米 的有缺陷的硅層(即，頂層)可以在背面照射之后被沉積在籽晶層上，以誘導(dǎo)膜中的外延。籽晶層和頂層被支撐在襯底上，襯底在其區(qū)域的至少一部分上對(duì)激光能量是透明 的。所謂“對(duì)激光能量是透明的”指的是本文中所述的用在膜的處理中的激光能量實(shí)質(zhì)上不 被襯底吸收。因此，由于膜的至少一部分的伴隨的加熱和熔化，膜選擇性地吸收激光能量。 從襯底背面的照射在非晶層的熔化的范圍內(nèi)提供控制。由于籽晶層的結(jié)晶材料在更高溫度 熔化，因此沉積足夠的能量來使熱通過籽晶層傳遞以引起有缺陷的層的熔化而不完全熔化 籽晶層是可能的。根據(jù)本文中公開的實(shí)施方式，經(jīng)由輻射加熱沉積在結(jié)晶籽晶層之上的非晶層的初 始區(qū)域。從與c Si接觸的a-Si的一側(cè)引起頂層的熔化，同時(shí)其余的a-Si保持固態(tài)。由于 籽晶層通常直接沉積或生長(zhǎng)在襯底上，因此照射通常從襯底側(cè)或膜的背面出現(xiàn)，如圖2所 示。因此，如圖1中的110所示，照射從襯底背面出現(xiàn)，使得只有最接近于照射源和與籽晶 層相鄰的區(qū)域被熔化。雖然籽晶層和有缺陷的厚膜都被照射，但是有缺陷的層的較低的熔 點(diǎn)使其在太多的結(jié)晶籽晶層被熔化(即，籽晶層幾乎完全熔化，使得它變得不連續(xù))之前或 者甚至在它完全熔化之前首先被熔化，或者至少開始熔化。輻射可被這兩個(gè)層吸收，主要被 有缺陷的層吸收或者主要被籽晶層吸收。輻射可以(主要)在C-Si膜中被吸收，以便a-Si 層被加熱以通過(主要)傳導(dǎo)熔化。當(dāng)非晶層的第一部分熔化并且改良為結(jié)晶硅時(shí)，從硅 中正被散逸為熱的能量產(chǎn)生散熱量，因?yàn)楣栊纬稍跓崃W(xué)上更穩(wěn)定的結(jié)晶形式。因?yàn)榉蔷?材料在存在結(jié)晶材料時(shí)熔化，但是液體的溫度仍在結(jié)晶材料的熔點(diǎn)之下，結(jié)晶材料將從籽 晶層外延地生長(zhǎng)。散熱量足以熔化相鄰的非晶硅，然后相鄰的非晶硅本身重新結(jié)晶為結(jié)晶 硅并釋放額外數(shù)量的能量。因此，散熱量作為波通過材料從最接近于襯底的區(qū)域傳播到上 表面。通常，爆炸結(jié)晶過程將繼續(xù)，直到淬火或直到所有非晶材料轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶材料。已知 淬火導(dǎo)致在生長(zhǎng)陣面處溫度的降低以及缺陷的形成和最終過程的停止。淬火通常是附近的傳導(dǎo)材料和/或附近的襯底的結(jié)果。然而，在當(dāng)前配置中，并不預(yù)期膜的重大淬火，因?yàn)樵?生長(zhǎng)陣面被釋放并“向上”擴(kuò)散到和進(jìn)入剩余的有缺陷的硅中的熱的小部分被捕獲在其中。 此外，有缺陷的硅通常具有低導(dǎo)熱性，使得熱不能在膜上快速擴(kuò)散，而是保留在熔化界面的 附近區(qū)域內(nèi)。當(dāng)籽晶層和有缺陷的頂層之間的初始界面可能像例如經(jīng)由MPS獲得的膜一樣粗 糙時(shí)，爆炸結(jié)晶過程被預(yù)期導(dǎo)致熔化和凝固界面的逐步平滑。對(duì)于籽晶層凸進(jìn)有缺陷的層 中的那些區(qū)域，爆炸結(jié)晶陣面(即，緊集間隔的熔化和凝固陣面)也將最初凸進(jìn)有缺陷的層 中并且將因此比陣面可能是平面的或者甚至是負(fù)曲面的其他地方更快地冷卻。作為結(jié)果， 預(yù)期陣面相對(duì)于其他區(qū)域慢下來并且預(yù)期整個(gè)陣面變平/變平滑。用于觸發(fā)熔化過程的激光源可以是發(fā)射光的任何脈沖或調(diào)制激光源，襯底對(duì)該光 實(shí)質(zhì)上是透明的，但該光可被膜堆棧吸收。例如，激光器可以是CW激光器或準(zhǔn)分子激光器。 此外，具有吸收深度大約為或大于前體膜的厚度的波長(zhǎng)的光可以用于促進(jìn)非晶層中的熱吸 收并減少籽晶層中吸收的熱。這可以增加過程窗，其中在非晶層中產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上連續(xù)的液態(tài) 膜，同時(shí)實(shí)質(zhì)上連續(xù)的固態(tài)膜保持在結(jié)晶前體中。這樣的波長(zhǎng)可以是例如大約500納米或 更長(zhǎng)，如由例如倍頻Nd:YV04或Nd:YAG激光器(532納米)發(fā)射的，或者甚至更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。 在一些實(shí)施方式中，在單激光脈沖中，激光能量和脈沖持續(xù)時(shí)間足以熔化與籽晶層相鄰的 非晶層的一部分。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，激光脈沖熔化非晶層的一部分并且包括爆炸結(jié)晶，以 只在單個(gè)激光脈沖中將厚Si層轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪Y(jié)晶特性的層。本文中公開的實(shí)施方式優(yōu)選地 使用洪水照射。由于用于洪水照射的光束，膜的邊緣區(qū)域可能具有較差的質(zhì)量，因?yàn)槟抢镆?存在側(cè)向爆炸結(jié)晶。爆炸陣面的側(cè)向部分由于溫度剖面的兩維特性將更快得淬火。因此， 將有缺陷形成和缺陷生長(zhǎng)。當(dāng)與第二輻射脈沖重疊時(shí)，已經(jīng)結(jié)晶(盡管有缺陷)的這個(gè)有 缺陷的區(qū)域?qū)⒉辉俅稳刍?。因此，具有短的少?shù)載流子壽命的有缺陷的晶體區(qū)域?qū)⒈Ａ簟榱司徑膺@些問題中的一些，使用具有尖銳邊緣和實(shí)質(zhì)上均勻的能量密度的洪水 照射光束?？梢允褂肧LS設(shè)備或線光束ELA設(shè)備獲得這樣的光束。對(duì)于脈沖小于膜面積的 那些實(shí)施方式，有缺陷的區(qū)域可以位于膜以后被移除的區(qū)域中，以在一個(gè)電池的前觸點(diǎn)和 相鄰電池的后觸點(diǎn)之間產(chǎn)生通道。通道可以用于產(chǎn)生串聯(lián)的電池。一些實(shí)施方式使用洪水 照射，輻射區(qū)域與電池板(或者其主要部分)例如閃光燈或激光二極管陣列一樣大。當(dāng)長(zhǎng) 波長(zhǎng)不能被Si膜充分吸收時(shí)，可以使用在籽晶層下方或襯底之上的金屬層，如以下更詳細(xì) 地描述的。進(jìn)一步地，這些金屬層可以用于從膜的頂部執(zhí)行長(zhǎng)波長(zhǎng)洪水照射。在一些實(shí)施方式中，膜可以在背面輻射時(shí)完全融化。實(shí)驗(yàn)工作表明，對(duì)于薄a-Si 膜(即，經(jīng)由MPS獲得的100納米籽晶層上的200納米)，當(dāng)在背面輻射時(shí)，a-Si被完全熔 化，而籽晶層至少部分保持未受影響。由于觀察到非常小的缺陷形成，紋理再現(xiàn)是良好的。 可以為對(duì)制造太陽能電池足夠厚的a-Si膜引起a-Si的完全熔化。這可以是當(dāng)使用較長(zhǎng)的 波長(zhǎng)輻射時(shí)的情況，使得吸收長(zhǎng)度超過籽晶層的厚度。此外，預(yù)熱可以引起完全熔化。并且， 大部分被位于籽晶層和襯底(且以下將更詳細(xì)地描述)之間的金屬層吸收的適度吸收的光 的頂側(cè)輻射可以引起完全熔化。如上所述，用于照射膜的能量的量小于用在傳統(tǒng)的熔化介導(dǎo)外延過程中的能量， 因?yàn)橹挥斜^(qū)域并且不是整個(gè)厚膜被熔化。因此，可以使用各種各樣的襯底，包括低溫玻璃等等。例如，本文中公開的方法可以用于例如玻璃襯底，還可以用于非透明襯底，例如金屬 箔，例如不銹鋼或者陶瓷襯底。在其他實(shí)施方式中，添加額外的熱以維持該過程?？梢酝ㄟ^襯底預(yù)熱或從前面共 同照射來完成加熱?？梢酝ㄟ^例如照射、爐預(yù)熱、熱板或任何其他傳統(tǒng)的源將熱引到頂層。 加熱可以減少照射所需的能量的量并且減少襯底對(duì)熱的損壞水平的暴露。它還可以用于修 改或控制通過非晶頂層傳輸?shù)囊后w的速率。例如，加熱該膜可以降低結(jié)晶速度。圖2是根據(jù)所公開的主題的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的背面照射和結(jié)晶的簡(jiǎn)要說明。 膜(圖中只示出了該膜的一部分)包括襯底230，其上沉積薄結(jié)晶籽晶層220和厚非晶硅層 200。通常，關(guān)于共同未決的申請(qǐng)中的薄膜描述了背面照射，該申請(qǐng)與本文在同一日期提交， 標(biāo)題為"Systems and Methods for Preparing Epitaxially TexturedPolycrystalline Films”，其全部公開通過引用被并入。薄膜的背面照射的方法包括生成紋理前體膜以及通 過膜的背面，即，通過膜的襯底照射膜，以改善在整個(gè)膜厚度的紋理。背面照射可以是SLS 照射，SLS照射可以同時(shí)產(chǎn)生均勻的紋理和微結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，背面照射可以是洪 水照射。如果實(shí)現(xiàn)非SLS背面照射方法，則所需的微結(jié)構(gòu)可以由背面產(chǎn)生，即，通過結(jié)晶膜 的上表面，在背面照射之后的SLS已經(jīng)被執(zhí)行。薄膜的背面照射原理可以應(yīng)用于本文中公 開的薄膜。a-Si層200可以由低壓CVD制成。然后，從背面照射膜，如箭頭240所示，導(dǎo)致 在籽晶層220和非晶硅200之間的界面處少量的液態(tài)硅210的形成。液相210在沿著箭頭 250通過非晶硅層200的方向上在爆炸過程中結(jié)晶并傳播。這種照射方法具有將熱限制在膜中的額外的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)結(jié)晶在膜中向上繼續(xù)進(jìn)行 時(shí)，膜的向上釋放的熱被限制在縮小的體積中，因而溫度將升高。溫度升高將導(dǎo)致更平緩的 爆炸結(jié)晶發(fā)生(例如結(jié)晶速度降低)，且這將抑制缺陷的形成。還可以例如從膜的上表面通 過引入額外的熱來進(jìn)一步降低結(jié)晶速度，如以上所述的。在一些實(shí)施方式中，薄金屬膜可以沉積在硅籽晶層下方。圖3是厚膜300的橫截 面圖，厚膜300包括襯底302、金屬膜304、可選的緩沖層306、籽晶層308和厚頂層310。薄 金屬膜可以由例如鉬組成。緩沖層可以由例如二氧化硅組成。在一些實(shí)施方式中，金屬吸 收出現(xiàn)在諸如金屬箔的金屬襯底中。在一些實(shí)施方式中，沒有使用緩沖層，且金屬層直接接 觸a-Si膜并且可以用作太陽能電池組中的背面接觸。在具有薄金屬膜層的實(shí)施方式中，可以從膜的頂部部分照射硅膜，如圖4a_c所 示。在圖4a中，輻射400照射頂層310的頂部部分并穿過膜的厚度到金屬層。輻射具有一 種類型，使得頂層310中的硅和籽晶層308只吸收入射光的一部分，而光的大部分被薄金屬 膜吸收，如405所示。如圖4b中所示，這種吸收加熱金屬薄膜304，因而從與籽晶層相鄰的 頂層的底部為硅膜提供熱并熔化頂層410的這部分。如以上所述，加熱和熔化的步驟通過 爆炸結(jié)晶在整個(gè)頂層傳播，如圖4c所示，其中先前熔化的層420正在結(jié)晶并加熱頂層420 的下一部分。因此，該方法向硅膜提供了與背面輻射實(shí)施方式相類似的加熱。光源可以是 激光器，例如二極管激光器。例如，二極管激光器可以是808納米激光器。雖然已經(jīng)示出并描述了所公開的主題的實(shí)例，但是對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易明 顯，可在其中進(jìn)行各種改變和修改，而不偏離所附權(quán)利要求限定的所公開的主題的范圍。因 此，所公開的主題僅由以下權(quán)利要求及其等效形式限制。
權(quán)利要求
一種用于制備厚結(jié)晶膜的方法，包括提供用于在襯底上結(jié)晶的膜，其中所述襯底的至少一部分對(duì)于激光照射實(shí)質(zhì)上是透明的，所述膜包括(a)籽晶層，其具有主表面結(jié)晶取向；以及(b)頂層，其布置在所述籽晶層之上；使用脈沖激光器從所述襯底的背面照射所述膜，以在與所述籽晶層的界面處熔化所述頂層的第一部分，同時(shí)所述頂層的第二部分保持固態(tài)；以及重新凝固所述頂層的所述第一部分，以形成以所述籽晶層外延的晶體激光，從而釋放熱以熔化所述頂層的相鄰部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述籽晶層包括多晶硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述頂層包括非晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述頂層具有{111}取向的主表面結(jié)晶取向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述頂層具有{100}取向的主表面結(jié)晶取向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述頂層具有大于所述籽晶層的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用從下列項(xiàng)組成的組中選擇的技術(shù)來沉積所述 籽晶層區(qū)熔再結(jié)晶(ZMR)、固相再結(jié)晶、化學(xué)氣相沉積(CVD)、濺射、蒸發(fā)、表面能量驅(qū)動(dòng)的 二次晶粒成長(zhǎng)(SEDSGG)、混合相凝固和脈沖激光結(jié)晶法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括使用脈沖照射在背面照射所述籽晶層以在所述 籽晶層的整個(gè)厚度中增加所述籽晶層的紋理。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用從低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng) CVD、物理氣相沉積技術(shù)和濺射沉積組成的組中選擇的方法來沉積所述頂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜包括從金屬和半導(dǎo)體材料組成的組中選 擇的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述頂層具有在1微米到大約20微米的范圍內(nèi)的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述籽晶層具有在50納米到大約1微米的范圍 內(nèi)的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中照射膜的所述步驟包括用連續(xù)波或準(zhǔn)分子激光 器照射。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括從所述膜的上表面加熱所述膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中加熱包括從膜的正面共同照射。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中加熱包括與加熱的表面接觸。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述照射熔化所述整個(gè)頂層。
18.一種用于制備厚結(jié)晶膜的方法，包括提供用于在襯底上結(jié)晶的膜，其中所述襯底的至少一部分對(duì)于激光照射是透明的，所 述膜包括(a)籽晶層，其具有主表面結(jié)晶取向；(b)頂層，其布置在所述籽晶層之上；以及(c)金屬層，其布置在所述籽晶層之下；使用在金屬可吸收的波長(zhǎng)處的脈沖激光器照射所述膜以加熱所述金屬層，所述熱被傳 輸?shù)剿鲰攲右栽谂c所述籽晶層的界面處熔化所述頂層的第一部分，同時(shí)所述頂層的第二 部分保持固態(tài)；以及重新凝固所述頂層的所述第一部分，以形成以所述籽晶層外延的晶體層，從而釋放熱 以熔化所述頂層的相鄰部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述照射步驟通過所述膜的正面進(jìn)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中光的一部分被所述膜吸收。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述照射步驟通過所述膜的背面進(jìn)行。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在所述籽晶層和金屬膜之間提供緩沖層。
23.一種制造太陽能電池的方法，包括通過下列操作制備結(jié)晶硅提供用于在襯底上結(jié)晶的膜，其中所述襯底的至少一部分對(duì)于激光照射是透明的，所 述膜包括(a)籽晶層，其包括具有表面紋理的晶粒；以及(b)頂層，其布置在低缺陷密度籽晶層之上，所述頂層具有大于所述籽晶層的厚度；使用脈沖激光器從所述襯底的背面照射所述膜，以在與所述籽晶層的界面處熔化低質(zhì) 層的一部分，其中晶體從所述籽晶層外延地生長(zhǎng)；以及在兩個(gè)電極之間布置多晶硅層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述頂層具有大于所述籽晶層的厚度。
25.一種用于制備厚結(jié)晶膜的系統(tǒng)，包括襯底，其中所述襯底的至少一部分對(duì)于激光照射是透明的，所述膜包括布置在所述襯底上用于結(jié)晶的膜，所述膜包括(a)籽晶層，其包括具有表面紋理的晶粒；以及(b)頂層，其布置在所述籽晶層之上；用于使用脈沖激光器從所述襯底的背面照射所述膜以在與所述籽晶層的界面處熔化 所述頂層的第一部分同時(shí)所述頂層的第二部分保持固態(tài)的裝置；以及用于使晶體材料的所述第一部分生長(zhǎng)以在所述籽晶層上生成外延層從而釋放足以熔 化所述頂層的相鄰部分的熱的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述頂層具有大于所述籽晶層的厚度。
全文摘要
所公開的主題涉及薄膜的激光結(jié)晶的使用，以產(chǎn)生外延紋理結(jié)晶厚膜。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，用于制備厚結(jié)晶膜的方法包括提供用于在襯底上結(jié)晶的膜，其中襯底的至少一部分對(duì)于激光照射實(shí)質(zhì)上是透明的，所述膜包括具有主表面結(jié)晶取向的籽晶層以及在籽晶層之上布置的頂層；使用脈沖激光器從襯底的背面照射該膜，以在與籽晶層的界面處熔化頂層的第一部分同時(shí)籽晶層的第二部分保持固態(tài)；以及重新凝固頂層的第一部分，以形成以籽晶層外延的結(jié)晶激光，從而釋放熱來熔化頂層的相鄰部分。
文檔編號(hào)H01L29/00GK101919058SQ200880117243
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者J·S·伊姆 申請(qǐng)人:紐約市哥倫比亞大學(xué)理事會(huì)