專利名稱：光致電壓器件結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光致電壓器件領(lǐng)域，并且具體公開(kāi)了對(duì)激光器的改進(jìn)以及在太陽(yáng)能電池制造中的使用。還描述了一種新的抗反射涂層布置。
背景技術(shù)：
金屬接觸下局部化區(qū)域中硅的激光摻雜已經(jīng)提出了十多年，作為用于生產(chǎn)具有選擇性發(fā)射極的高性能太陽(yáng)能電池的低成本方法。迄今為止，盡管經(jīng)過(guò)了十多年的研究和問(wèn)題解決，結(jié)合抗反射涂層使用激光摻雜的器件由于激光摻雜工藝所引起的缺陷、結(jié)復(fù)合或分接，還不能實(shí)現(xiàn)它們預(yù)期的性能。具體地，由硅與覆蓋抗反射涂層(ARC)之間的失配所產(chǎn)生的鄰近熔化區(qū)域的缺陷、包括到熔化硅中的摻雜劑的不充分混合、以及摻雜硅的不期望燒蝕是促成使用金屬接觸下局部化區(qū)域的激光摻雜的器件的不良電性能的顯著問(wèn)題。此外，大多數(shù)太陽(yáng)能電池使用半導(dǎo)體表面上的抗反射涂層(ARC)來(lái)減少反射的光量。通常，選擇具有適當(dāng)折射率和厚度的ARC來(lái)將表面反射減小至最小。也可以使用雙層 ARC(DLARC)，從而選擇每個(gè)單獨(dú)層的折射率和厚度來(lái)將總反射減小至最小，其中DLARC的理論反射最小值低于單層ARC(SLARC)的理論最小值。因?yàn)槭褂肈LARC來(lái)獲得較小附加性能優(yōu)勢(shì)太復(fù)雜且昂貴，因此大多數(shù)商業(yè)制造的太陽(yáng)能電池使用SLARC。使用ARC產(chǎn)生的兩個(gè)問(wèn)題是首先，ARC使得很難鈍化其上沉積了該ARC的半導(dǎo)體表面，因此導(dǎo)致復(fù)合電流和器件暗飽和電流的增大；以及其次，許多潛在的ARC材料對(duì)于其上沉積了這些潛在ARC材料的半導(dǎo)體表面而言具有不同的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致對(duì)半導(dǎo)體表面施加應(yīng)力，其中，在溫度升高情況下在處理期間產(chǎn)生可能的相應(yīng)缺陷。為了克服上述第一點(diǎn)，已經(jīng)使用了表面處理，例如，在沉積更厚的ARC之前，生長(zhǎng)薄的熱生長(zhǎng)氧化層，以鈍化半導(dǎo)體表面。利用這種布置，薄的鈍化層不會(huì)顯著影響在其上沉積的ARL的操作。然而，迄今為止，還沒(méi)有提出在提供針對(duì)ARC的熱膨脹失配校正并鈍化半導(dǎo)體材料和表面的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好ARC特性的適合解決方案。實(shí)際上，商業(yè)上可行的高性能太陽(yáng)能電池技術(shù)需要能夠使用執(zhí)行全部三個(gè)功能并同時(shí)能夠以簡(jiǎn)單低成本工藝來(lái)沉積的ARC。

發(fā)明內(nèi)容
提出了一種用于在半導(dǎo)體器件制造期間在該半導(dǎo)體器件的表面上對(duì)半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域進(jìn)行摻雜的方法，半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域是利用介電材料表面層來(lái)涂覆的，以及在半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域上的一個(gè)或多個(gè)局部化區(qū)域中執(zhí)行所述摻雜，所述方法包括對(duì)待摻雜區(qū)中半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行局部加熱，以局部地熔化半導(dǎo)體材料，在存在摻雜劑源的情況下執(zhí)行所述熔化，從而來(lái)自摻雜劑源的摻雜劑被吸收到熔化的半導(dǎo)體中，其中以受控方式來(lái)執(zhí)行所述加熱，使得待摻雜區(qū)中的半導(dǎo)體材料的表面的區(qū)域在多于一微秒的時(shí)間段上保持在熔化狀態(tài)，而不會(huì)再凝結(jié)。表面層上的介電材料涂層可以執(zhí)行表面鈍化涂層、抗反射涂層或電鍍掩模的功能中的一個(gè)或多個(gè)。
優(yōu)選地，通過(guò)對(duì)待摻雜區(qū)內(nèi)的區(qū)域順序地進(jìn)行局部加熱來(lái)漸進(jìn)地?fù)诫s待摻雜區(qū)。 可以在半導(dǎo)體材料的表面上連續(xù)掃描加熱源，使得被加熱的區(qū)域在表面上連續(xù)移動(dòng)，創(chuàng)建移動(dòng)的熔化邊緣以及從再凝結(jié)的摻雜材料區(qū)域延伸的熔化尾部(tail)?？梢栽诎雽?dǎo)體材料的表面上連續(xù)掃描加熱源，使得當(dāng)前加熱的區(qū)域與先前加熱的區(qū)域交疊，從而對(duì)一個(gè)區(qū)域的加熱對(duì)鄰近的先前加熱區(qū)域貢獻(xiàn)熱，以降低先前加熱區(qū)域的冷卻速率，其中不再對(duì)該先前加熱區(qū)域應(yīng)用源。在一種這樣的方法中，加熱源可以具有恒定輸出。在另一方法中，對(duì)離散的區(qū)域應(yīng)用加熱，使得新近加熱區(qū)域熔化，并且也對(duì)鄰近的先前加熱區(qū)域貢獻(xiàn)熱，以降低先前加熱區(qū)域的冷卻速率，其中不再對(duì)該先前加熱區(qū)域應(yīng)用源。加熱的強(qiáng)度可以隨時(shí)間在用于初始熔化區(qū)域的較高級(jí)別與用于保持熔化狀態(tài)的較低級(jí)別之間變化。在熔化區(qū)域之后可以降低加熱的級(jí)別，直到被加熱的區(qū)域以小于預(yù)定百分比與已熔化區(qū)域交疊。還可以使區(qū)域經(jīng)歷再凝結(jié)和再熔化，以實(shí)現(xiàn)所需的摻雜級(jí)別。然而，理想地，再熔化的發(fā)生應(yīng)當(dāng)不超過(guò)三次，并且優(yōu)選地，不超過(guò)一次?？梢酝ㄟ^(guò)在半導(dǎo)體材料的表面上掃描一個(gè)或多個(gè)激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱，使得激光束所輻射的局部區(qū)域創(chuàng)建熔化區(qū)域，并且在表面上掃描激光漸進(jìn)地熔化表面材料的連續(xù)線。 可以使用連續(xù)波(CW)激光器或Q開(kāi)關(guān)激光器來(lái)加熱半導(dǎo)體材料的表面。也可以在半導(dǎo)體材料的表面上掃描激光束，使得激光束所輻射的局部區(qū)域創(chuàng)建熔化區(qū)域，并且在表面上掃描激光漸進(jìn)地熔化鄰近的這類區(qū)域，以形成與這類區(qū)域交疊的連續(xù)組。為了實(shí)現(xiàn)上述，可以脈沖化操作來(lái)操作單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器，在脈沖化操作中，該單個(gè)Q 開(kāi)關(guān)激光器發(fā)射各自均短于Q開(kāi)關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時(shí)間的多個(gè)脈沖，其中脈沖輻射半導(dǎo)體的交疊區(qū)域，以仿真CW激光器的效果。在這種布置中，脈沖的重復(fù)周期典型地小于0. 02 μ S。脈沖的重復(fù)周期可以是恒定的，以仿真恒定輻射CW激光器的輸出，或者可以是可變的，以仿真可變輻射CW激光器。在激光器被操作為具有在被加熱表面上提供實(shí)質(zhì)上恒定輻射級(jí)別的輸出、或者在以一定速率被脈沖化以仿真這種輸出的情況下，可以選擇掃描速度來(lái)熔化表面，并且在至少1微秒但不大于10微秒的時(shí)間段內(nèi)保持半導(dǎo)體材料的表面上的給定點(diǎn)在熔化狀態(tài)。在另一方法中，撞擊(impinging)在表面上以局部地加熱表面的一個(gè)或多個(gè)激光束的平均輻射級(jí)別可以隨時(shí)間在至少較高平均輻射級(jí)別與較低平均輻射級(jí)別之間變化，在預(yù)定時(shí)間段tl內(nèi)周期性地施加較高平均輻射級(jí)別以使半導(dǎo)體器件的表面上的未熔化的半導(dǎo)體材料熔化，在時(shí)間段tl之后的另一時(shí)間段t2內(nèi)施加較低平均輻射級(jí)別，較低平均輻射級(jí)別在時(shí)間段t2內(nèi)保持熔化的半導(dǎo)體材料在熔化狀態(tài)。利用CW激光器，也可以與掃描速度同步地循環(huán)地改變輻射級(jí)別，使得激光器的平均輻射級(jí)別在熔化時(shí)間段期間增加，然后減小，直到光束已經(jīng)充分地在表面上移動(dòng)了小于光束的預(yù)定百分比，從而仍暴露已熔化的半導(dǎo)體材料。循環(huán)功率變化的周期可以對(duì)應(yīng)于由光束寬度除以掃描速度，并且較高的輸出時(shí)間段可以是周期的50%或更少。期望在較低輻射時(shí)間段t2期間，熔化半導(dǎo)體材料的溫度在至少一微秒并且優(yōu)選地在2-10微秒內(nèi)保持在1414°C與3265°C之間。激光器的輻射級(jí)別可以通過(guò)以下操作來(lái)改變改變激光器的輸出功率；在較低輻射時(shí)間段t2期間改變激光束的焦點(diǎn)來(lái)展寬光束；或者在使用Q開(kāi)關(guān)激光器時(shí)，產(chǎn)生脈沖，其中輸出隨時(shí)間改變，使得每個(gè)脈沖具有較高輻射部分和較低輻射部分。當(dāng)使用Q開(kāi)關(guān)激光器(該激光器在脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生具有可變功率的輸出脈沖)提供可變輻射時(shí)，脈沖的第一時(shí)間段可以具有熔化被輻射的半導(dǎo)體材料的功率級(jí)，并且第二時(shí)間段可以具有保持被輻射和熔化的半導(dǎo)體材料在熔化狀態(tài)下的輸出功率。在第二時(shí)間段期間，激光器優(yōu)選地具有不會(huì)燒蝕(ablate)已熔化的半導(dǎo)體材料的輸出功率。在一種可能的方法中，使用以脈沖化操作進(jìn)行操作的單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器來(lái)提供可變平均輻射，在脈沖化操作中，單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器發(fā)射各自均短于Q開(kāi)關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時(shí)間的多個(gè)脈沖，其中，脈沖輻射半導(dǎo)體的交疊區(qū)域，脈沖的重復(fù)周期小于0. 02 μ s，并且重復(fù)周期是變化的，以仿真產(chǎn)生循環(huán)可變輸出的可變輸出CW激光器?？梢酝ㄟ^(guò)提供間距更小的脈沖來(lái)產(chǎn)生較高平均輻射級(jí)別，在每個(gè)周期的第一時(shí)間段期間，循環(huán)輸出具有在熔化被輻射的半導(dǎo)體材料的平均輻射級(jí)別，在每個(gè)周期的第二時(shí)間段期間，循環(huán)輸出具有保持被輻射和熔化的半導(dǎo)體材料在熔化狀態(tài)下的平均輻射級(jí)別。在第二時(shí)間段期間，激光器優(yōu)選地還具有在照射時(shí)間段期間不會(huì)燒蝕已熔化的半導(dǎo)體材料的平均輸出輻射級(jí)別。理想地，第二時(shí)間段期間的平均輸出輻射級(jí)別是，使得在不會(huì)燒蝕已熔化的半導(dǎo)體材料的情況下可以無(wú)限地施加該平均輸出輻射級(jí)別。也可以使用產(chǎn)生循環(huán)可變輸出的cw激光器來(lái)提供可變輻射，在每個(gè)周期的第一時(shí)間段期間，循環(huán)可變輸出熔化被輻射的半導(dǎo)體材料的功率級(jí)，以及在每個(gè)周期的第二時(shí)間段期間，循環(huán)可變輸出具有保持被輻射和熔化的半導(dǎo)體材料在熔化狀態(tài)下的功率級(jí)。同樣，在第二周期，激光器優(yōu)選地具有不會(huì)燒蝕已熔化的半導(dǎo)體材料的輸出功率?？梢允褂靡粋€(gè)以上激光器來(lái)加熱半導(dǎo)體表面，在這種情況下，一個(gè)激光器可以用于熔化表面，第二個(gè)激光器可以用于在足以允許摻雜劑被吸收和混合的時(shí)間段內(nèi)保持溫度。可以使用Q開(kāi)關(guān)激光器來(lái)加熱表面，或者使用第一 Q開(kāi)關(guān)激光器，按照脈沖速率和掃描速度來(lái)熔化半導(dǎo)體材料，其中脈沖速率和掃描速度被選擇為，對(duì)于連續(xù)脈沖，允許交疊暴露區(qū)。在這種布置中，Q開(kāi)關(guān)激光器的脈沖可以具有利用單個(gè)激光器脈沖來(lái)熔化半導(dǎo)體材料的強(qiáng)度，并且具有小于脈沖重復(fù)周期的10%的持續(xù)時(shí)間。每個(gè)激光脈沖可以與先前的脈沖交疊10-50%的脈沖暴露區(qū)域。在該布置中的第二激光器僅用于在所需時(shí)間段內(nèi)確保半導(dǎo)體材料在第一激光器的脈沖之間保持熔化，并且第二激光器可以是以恒定輸出操作的cw 激光器。然而，第二激光器也可以是Q開(kāi)關(guān)激光器，在這種情況下，第二激光器可以操作為在第一激光器的脈沖之間的時(shí)間段中以低于第一激光器的較低輻射產(chǎn)生輸出脈沖，以延長(zhǎng)由第一激光器熔化的半導(dǎo)體材料保持熔化的時(shí)間。第二激光器可以脈沖化操作進(jìn)行操作， 在脈沖化操作期間，該第二激光器發(fā)射各自均短于Q開(kāi)關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時(shí)間的多個(gè)脈沖，其中脈沖的重復(fù)周期小于0. 02 μ S，并且重復(fù)周期是恒定的，以至少在第一激光器的脈沖之間的時(shí)間段期間仿真恒定輸出CW激光器。待摻雜區(qū)可以包括半導(dǎo)體器件的整個(gè)表面，以創(chuàng)建表面發(fā)射極層。然而，更典型的，這種一般方法用于摻雜整個(gè)表面的一部分，在該部分處要在太陽(yáng)能電池的被照射表面上形成接觸。該方法典型地與硅材料一起使用，盡管該方法同樣可應(yīng)用于其他半導(dǎo)體材料。應(yīng)用上述方法時(shí)硅材料的表面可以保持在熔化狀態(tài)的時(shí)間段優(yōu)選地是允許實(shí)現(xiàn)整個(gè)熔化半導(dǎo)體材料中實(shí)質(zhì)上均勻的摻雜劑分布的時(shí)間段。備選地，可以保持硅材料的表面在熔化狀態(tài)下的時(shí)間段可以是允許所有熔化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相同的總摻雜劑極性的時(shí)間段。針對(duì)硅晶片的激光摻雜工藝包括在存在η型或ρ型摻雜劑的情況下熔化晶片的局部化表面區(qū)域，使得將摻雜劑包括到已熔化區(qū)域中。摻雜劑可以被包括在表面介電層內(nèi)，可以涂覆這些摻雜劑作為介電層之上或之下的涂層(同樣，潛在地作為抗反射涂層)，在未激活狀態(tài)下?lián)诫s劑可以存在于間隙位置處的硅中，從而當(dāng)硅在熔化和再凝結(jié)工藝中結(jié)晶時(shí)摻雜劑被吸收到硅結(jié)構(gòu)中(或者被激活)，或者在硅被熔化的同時(shí)也可以將摻雜劑以氣體或液體形式施加到區(qū)域中。提供了一種太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，所述太陽(yáng)能電池包括其中形成有結(jié)的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，抗反射涂層位于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上，并且包括熱膨脹失配校正材料的薄層以提供熱膨脹系數(shù)失配校正，該熱膨脹失配校正材料的熱膨脹系數(shù)小于或等于半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)；以及抗反射層，具有被選擇為與半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)匹配的折射率和厚度，以向太陽(yáng)能電池賦予良好的總抗反射特性。還提供了一種制造太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層的方法，其中，所述太陽(yáng)能電池包括其中形成有結(jié)的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，抗反射涂層在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上形成，并且所述方法包括形成熱膨脹失配校正材料的薄層以提供熱膨脹系數(shù)失配校正，該熱膨脹失配校正材料的熱膨脹系數(shù)小于或等于半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)；以及在熱膨脹失配校正材料下面或上面形成抗反射層，抗反射層被選擇為具有使抗反射層與半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)匹配的折射率和厚度，以向太陽(yáng)能電池賦予良好的總抗反射特性。優(yōu)選地，將所提出的多層抗反射涂層應(yīng)用于基于晶體(包括多晶)硅的器件，但是也可以應(yīng)用于基于其他半導(dǎo)體類型的器件，在這種情況下，選擇熱膨脹失配校正材料來(lái)匹配特定半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，在表面鈍化(如果應(yīng)用了表面鈍化)之后并且在抗反射層之前， 形成熱膨脹失配校正材料。然而，在另一提出的實(shí)施例中，在厚度類似或大于SLARC的厚度且具有與后續(xù)形成的密封層匹配的折射率的熱膨脹失配校正材料層之前，應(yīng)用傳統(tǒng)SLARC。優(yōu)選地，當(dāng)在抗反射層之前涂覆熱膨脹失配校正材料層時(shí)，該熱膨脹失配校正材料層至少與鈍化層(如果使用了鈍化層)一樣厚，但是與抗反射層不一樣厚。利用PECVD， 可以在具有分級(jí)組成和折射率方面適配該層，以進(jìn)一步幫助優(yōu)化。包括一些氮允許實(shí)現(xiàn)從低于1. 5到高于2的幾乎任何反射率的氮氧化硅。在抗反射層之后涂覆熱膨脹失配校正材料層時(shí)，優(yōu)選地，DLARC十分標(biāo)準(zhǔn)(以實(shí)現(xiàn)表面鈍化和良好的抗反射特性)，并形成熱膨脹系數(shù)小于硅但光學(xué)特性與密封劑(例如，大約1. 5的折射率)匹配的膨脹失配校正材料層，以便不會(huì)在封裝時(shí)劣化太陽(yáng)能電池的抗反射特性。這種附加層可以具有二氧化硅或氮氧化硅，并且要求非常厚(至少像氮化硅抗反射層一樣厚)，以提供充分的熱膨脹失配校正。半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的前表面區(qū)域可以通過(guò)其光接收表面的表面處理來(lái)鈍化。鈍化處理可以包括半導(dǎo)體材料的表面擴(kuò)散或者表面涂層(例如，非常薄的介電層)。鈍化還可以通過(guò)選擇具有鈍化品質(zhì)或被修改以具有鈍化品質(zhì)的熱膨脹失配校正材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于基于晶體硅的太陽(yáng)能電池，鈍化處理可以包括10-200埃厚度范圍內(nèi)的薄氮化硅層，熱膨脹失配校正層可以包括100-300埃厚度范圍內(nèi)的二氧化硅或氮氧化硅層，并且抗反射層可以包括300-800埃范圍內(nèi)的氮化硅層。
通過(guò)將摻雜劑包括到已經(jīng)用于提供一個(gè)或多個(gè)上述功能的層之一，多層涂層在前表面激光摻雜工藝期間也可以起到摻雜劑源的作用。備選地，可以形成折射率大約為1.5 的附加摻雜劑源層，從而可選地與模塊形成期間要用作太陽(yáng)能電池的密封劑的材料匹配。在SLARC上形成膨脹失配校正材料層的情況下，膨脹失配校正材料層同時(shí)還可以是用于摻雜接觸結(jié)構(gòu)的重度摻雜區(qū)域的摻雜劑源。在這種情況下，如果需要，可以在封裝之前，將附加的膨脹失配校正材料/摻雜劑源層去除。在這種情況下抗反射層可以是 300-800埃范圍內(nèi)的氮化硅層，并且熱膨脹失配校正層可以是300埃至1微米厚度、折射率在1.5-1. 6范圍內(nèi)的二氧化硅或氮氧化硅層。這種布置提供新選擇，其中在最上面添加附加材料，以特別用于高溫度處理(例如，激光摻雜)，從而提供熱膨脹失配校正，但是然后， 可以在電池完成之前可選地去除該附加材料，以便不干擾光學(xué)特性。諸如PECVD、濺射或蒸發(fā)之類的各種沉積方法可以用于涂覆鈍化/熱膨脹失配校正/抗反射層。層的數(shù)目及其尺寸和折射率的使用范圍也很廣。例如，出于提供熱膨脹失配校正的目的，可以應(yīng)用抗反射涂層的沉積的一部分，在這種情況下，出于對(duì)半導(dǎo)體表面和 /或體進(jìn)行鈍化的目的，可以涂覆一部分，同時(shí)沉積一部分來(lái)提供具有減少反射的期望光學(xué)特性的總抗反射涂層。所提出的多層熱膨脹失配校正層可以涂覆于非光接收表面，因此這消除了對(duì)交疊抗反射層的需要。所提出的多層抗反射涂層可以涂覆于表面，使得抗反射涂層也可以執(zhí)行附加功能，例如，起到電鍍掩?；驍U(kuò)散掩模的作用。在還需要執(zhí)行附加功能(例如，上述功能)的情況下，通?？尚械氖牵ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)馗淖儗拥幕瘜W(xué)性質(zhì)或其厚度，或者備選地通過(guò)合并一個(gè)或多個(gè)附加層以提供附加功能，將必要特性結(jié)合到現(xiàn)有層之一中。所提出的多層抗反射涂層可以與一系列表面結(jié)構(gòu)一起使用，這些表面結(jié)構(gòu)包括紋理化表面(textured surface)，由于熱膨脹失配而產(chǎn)生的缺陷的密度可以取決于該表面幾何形狀。然而，不管表面幾何形狀如何，可以應(yīng)用多層抗反射涂層，以在熱處理期間顯著降低缺陷的產(chǎn)生。


現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1示出了具有在對(duì)金屬接觸之下的重度摻雜區(qū)域進(jìn)行激光摻雜之后以自對(duì)準(zhǔn)方法形成的選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)和金屬接觸的太陽(yáng)能電池。這種太陽(yáng)能電池的制造也可以合并這里描述的改進(jìn)激光器操作方法；圖2示意性示出了光學(xué)泵浦的固態(tài)激光器振蕩器的主要組件；圖3是Quantronixtm系列IOONd: YAG激光器的光學(xué)腔的照片；圖4以圖表方式示出了 Q開(kāi)關(guān)激光器的腔損耗、增益以及激光能量輸出w. r. t時(shí)間；圖5以圖表方式示出了激光脈沖的激光束功率與時(shí)間曲線的示例，以改進(jìn)對(duì)硅的激光摻雜(時(shí)間未按比例示出)；圖6以圖表方式示出了硅上激光脈沖的加熱效應(yīng)；圖7以圖表方式示出了激光輸出的兩條功率與時(shí)間的曲線A和B，在t << 1微秒，并且傳遞給硅的累積能量在兩種情況下相同時(shí)，從硅的角度來(lái)看曲線A和B是等同的；圖8以圖表方式示出了功率與時(shí)間的曲線(曲線A)，在曲線B中，通過(guò)具有時(shí)間變化間隔的短高能量脈沖序列來(lái)等同地合成該曲線A ；圖9以圖表方式示出了緊接在激光器的光學(xué)腔中引入損耗以中斷激光器的穩(wěn)態(tài)連續(xù)波操作之后，在瞬變行為期間激發(fā)狀態(tài)N下電子密度的變化以及光子通量；圖10以圖表方式示出了結(jié)合掃描速度和光束直徑如何改變連續(xù)波激光器的激光輸出功率以在激光掃描過(guò)的點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)期望的入射功率曲線的一個(gè)示例；圖11示意性示出了使用所提出的激光器控制方法的掃描激光束下的硅表面的影響；圖12示意性示出了在用于處理目標(biāo)表面的激光器和液體射流的布置；以及圖13示意性示出了操作為在氣體環(huán)境下加熱目標(biāo)以處理目標(biāo)表面的激光器。
具體實(shí)施例方式使用受控加熱的制造通過(guò)示例并參照?qǐng)D1，用于形成硅太陽(yáng)能電池的適合制造過(guò)程如下1·ρ型晶片11的前表面(或光接收表面)的各向同性紋理化(isotropic texturing) 12 ；2. η型摻雜劑13的前表面擴(kuò)散；3.邊緣結(jié)隔離/psg去除；4.通過(guò)PECVD在前表面上的ARC沉積；a.專用于表面鈍化14的100埃富氫氮化硅；b. 600埃折射率為2. 0-2. 1的氮化硅16 ；c.摻雜劑包含層17 ；5.用于背接觸18的具有鋁的絲網(wǎng)印刷(screen-print)背面(非光接收表面)；6.將背面燒成到燒結(jié)背面接觸18，并通過(guò)形成鋁/硅合金以及液相外延來(lái)形成后表面場(chǎng)19 ；7.局部化區(qū)域中的激光摻雜，以形成用于形成自對(duì)準(zhǔn)前表面金屬接觸的重度摻雜 (η+)區(qū)域 22 ；8.在激光摻雜η+區(qū)域22上鍍鎳23層，以用于前表面接觸；9.鎳23的燒結(jié)；10.在鎳23上鍍銅M和錫25 (或銀)層；上述處理序列產(chǎn)生圖1的具有選擇性發(fā)射極的高性能太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其提供直接在金屬接觸下對(duì)硅的重度摻雜。本文所提出的受控激光加熱方法可以結(jié)合該制造過(guò)程來(lái)使用，以減少接觸區(qū)域中缺陷的形成。通過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)的激光器Q開(kāi)關(guān)布置，或者通過(guò)具有適當(dāng)功率級(jí)別的掃描連續(xù)波激光器，可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的加熱方法，以在便于摻雜劑混合的足夠持續(xù)時(shí)間內(nèi)熔化硅，同時(shí)避免不必要的熔化區(qū)域熱循環(huán)或者摻雜硅的燒蝕。Q開(kāi)關(guān)激光器系統(tǒng)或者以傳統(tǒng)方式操作的直接施加連續(xù)波激光器不能以所要求的方式加熱和熔化硅。圖2示出了光學(xué)泵浦的固態(tài)激光振蕩器31的主要組件。泵浦腔32包含激光棒33和泵浦燈；34。激光棒33是半導(dǎo)體材料，例如NeodiniunKYAG晶體，該半導(dǎo)體材料在被泵浦燈34照射時(shí)引起將大量電子N激發(fā)到高能級(jí)(反轉(zhuǎn))。通過(guò)燈34對(duì)激光棒33的連續(xù)照射使N增加，直到通過(guò)針對(duì)被激發(fā)電子的自發(fā)復(fù)合速率平衡了激發(fā)附加電子的產(chǎn)生速率為止，這主要通過(guò)Nd: YAG激光棒中在1. 064微米波長(zhǎng)光(如果在倍頻模式下操作，為532nm 波長(zhǎng)光)下的輻射復(fù)合來(lái)發(fā)生。發(fā)射激光動(dòng)作的基礎(chǔ)是被稱作“受激發(fā)射”的過(guò)程，其中被激發(fā)電子的復(fù)合由入射光子來(lái)觸發(fā)。在該過(guò)程中，所發(fā)射的光子與觸發(fā)受激發(fā)射的入射光子是不可區(qū)分的。所發(fā)射的光子具有相同的1.064微米(或者在倍頻情況下，為532nm)波長(zhǎng)，沿著相同方向傳播，并且具有相同相位。該過(guò)程可以結(jié)合圖2所示反射鏡35和36來(lái)使用，以形成具有激光振蕩器的光學(xué)諧振器。反射鏡35、36彼此平行安裝，并且與激光棒33 的軸垂直，使得如果自發(fā)發(fā)射的光子偶然沿著激光棒33的軸傳播，則被相應(yīng)的反射鏡35或 36反射回到激光晶體中，提供受激發(fā)射以及產(chǎn)生波長(zhǎng)、相位和方向全部相同的多個(gè)光子的機(jī)會(huì)。如果增益大于單位1，則這提供了放大的可能性，帶來(lái)光學(xué)腔11內(nèi)光子數(shù)目的增加。 然后這些光子被另一反射鏡36或35沿著激光棒的軸17再次反射回，并反射回到激光晶體中。只要增益保持高于單位1，這些激光振蕩就繼續(xù)增加光子通量，其中增益由電子激發(fā)狀態(tài)(反轉(zhuǎn)狀態(tài))下電子的數(shù)目、受激發(fā)射過(guò)程以及激光棒體積來(lái)確定。穩(wěn)態(tài)連續(xù)波激光器操作在穩(wěn)態(tài)中，增益為單位1，激光晶體發(fā)射新光子的速率正好平衡來(lái)自光學(xué)腔的總光學(xué)損耗。來(lái)自該腔的主要光學(xué)損耗經(jīng)由反射鏡35在激光器的輸出端處，該輸出端設(shè)計(jì)為部分地透射，以允許激光束射出(escape)。這種激光器操作模式被稱作連續(xù)波，因?yàn)閺墓鈱W(xué)諧振器中連續(xù)傳遞激光束。對(duì)于給定的激光棒33、光學(xué)腔32和泵浦燈功率，激光器的這種穩(wěn)態(tài)操作對(duì)應(yīng)于電子激發(fā)態(tài)中電子的“閾值”粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度(population inversion density)Nth。對(duì)于N > Nth，增益會(huì)超過(guò)單位1，引起激光振蕩和光子通量的增加，這繼而引起受激發(fā)射的增加， 并且引起電子激發(fā)狀態(tài)下電子數(shù)目N的相應(yīng)減少。類似地，如果N < Nth，則增益低于單位 1，出現(xiàn)小于受激發(fā)射的穩(wěn)態(tài)值，導(dǎo)致由于泵浦燈引起的被激發(fā)電子的產(chǎn)生速率超過(guò)受激發(fā)射所確定的復(fù)合速率，從而N增大。Q開(kāi)關(guān)激光器操作Q開(kāi)關(guān)(Q-switching)是廣泛用于產(chǎn)生高功率脈沖的激光器操作的模式，使得更容易在激光摻雜工藝期間熔化硅。在激光晶體中，能量在一段時(shí)間內(nèi)被高效累加并存儲(chǔ)，然后用于形成在極短時(shí)間段中從激光器發(fā)射的極高能量激光脈沖，因此提供極高功率密度。 在激光晶體中，通過(guò)有意地在光學(xué)腔中產(chǎn)生光學(xué)損耗，以延遲受激發(fā)射并因此防止激光發(fā)射動(dòng)作，來(lái)累積和存儲(chǔ)能量。這允許被激發(fā)電子的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)超過(guò)復(fù)合速率，因此允許N遠(yuǎn)超過(guò)Nth。激光晶體的這種狀態(tài)被稱作“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。對(duì)來(lái)自光學(xué)腔的光學(xué)損耗的后續(xù)消除允許受激發(fā)射再次發(fā)生，并且光學(xué)腔中的光子通量以指數(shù)方式增加，直到N被減少到足以延遲顯著的進(jìn)一步輻射復(fù)合(radiative recombination)。這引起從激光器發(fā)射極高能量脈沖，之后少數(shù)電子保持在它們的激發(fā)狀態(tài)下，N降至遠(yuǎn)低于Nth，并且增益也降至遠(yuǎn)低于單位1。將光學(xué)損耗引入到光學(xué)諧振器中通常被稱作降低品質(zhì)因子Q，其中Q被定義為光學(xué)腔中存儲(chǔ)的能量與每循環(huán)能量損耗的比值。圖3示出了 Nd:YAG系列l(wèi)OOQuantronix 激光器41的光學(xué)腔的照片，示出了淹沒(méi)式(flooded)光學(xué)泵浦腔42，封閉了 Nd:YAG晶體組件 43和氪弧泵浦燈組件44。光束經(jīng)由安裝在軌道49上的束射管和波紋管(bellow)48從晶體組件傳遞到一個(gè)反射鏡組件46。反射鏡調(diào)整51提供光束軸與反射鏡46的對(duì)準(zhǔn)。在光學(xué)路徑的輸出端處，提供Q開(kāi)關(guān)布拉格角調(diào)整52、模式選擇器53和腔間安全快門M。在這種情況下，Q開(kāi)關(guān)陽(yáng)是激光束通過(guò)的棱鏡。安裝在棱鏡上的電極允許將高功率RF信號(hào)施加于棱鏡，引起激光束偏離并因此產(chǎn)生光學(xué)損耗。圖4示出了如何使用品質(zhì)因子的控制來(lái)產(chǎn)生高能量脈沖以及整個(gè)過(guò)程中N如何改變。當(dāng)考慮激光摻雜時(shí)，得到對(duì)Q開(kāi)關(guān)激光器的嚴(yán)格限制在于以下事實(shí)在產(chǎn)生每個(gè)高能量脈沖之后，由于來(lái)自光學(xué)腔中極高光子通量的受激發(fā)射，N下降低值(即，遠(yuǎn)低于Nth)，使得最小激光發(fā)射動(dòng)作是可行的，直到N返回到遠(yuǎn)超過(guò)Nth。從激光摻雜的角度來(lái)看，這花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間，這是因?yàn)樵谠摃r(shí)間段期間熔化的摻雜硅重新固化。激光摻雜工藝針對(duì)硅晶片的激光摻雜工藝包括在存在η型或ρ型摻雜劑的情況下熔化晶片的局部化表面區(qū)域，使得將摻雜劑包括到熔化區(qū)域中。參照?qǐng)D1，這便于形成選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)，該選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有與覆蓋金屬接觸23、24、25自對(duì)準(zhǔn)的重度摻雜區(qū)域22。摻雜劑可以被包括在表面介電層17內(nèi)，并且被涂覆為介電層(可能地，還有抗反射涂層16)上面或下面的涂層，摻雜劑可以未激活狀態(tài)存在于硅中，從而通過(guò)熔化或再凝結(jié)過(guò)程被吸收到硅結(jié)構(gòu)中(或者被激活)，或者可以在硅被熔化的同時(shí)將摻雜劑以氣體或液體形式施加至區(qū)域(以下參照?qǐng)D12和13進(jìn)行描述)。參照?qǐng)D1示例，如Wfenham和Green的美國(guó)專利 US6429037所教導(dǎo)的，為了與后續(xù)在重度摻雜激光熔化區(qū)域22上形成自對(duì)準(zhǔn)金屬接觸23、 24、25相結(jié)合地使用激光摻雜，將硅表面涂覆介電層17，介電層17保護(hù)未熔化區(qū)域不受后續(xù)金屬接觸形成過(guò)程的影響。激光摻雜工藝自動(dòng)破壞了激光摻雜區(qū)域中的覆蓋介電層，因此暴露硅表面，以用于可以自對(duì)準(zhǔn)工藝(例如，經(jīng)由金屬電鍍)進(jìn)行的后續(xù)金屬接觸形成。 介電層或多個(gè)介電層可以包括抗反射涂層16、表面鈍化層14、摻雜劑源17、針對(duì)表面和/或晶粒邊界和/或缺陷鈍化的氫源(未示出)、針對(duì)硅表面和/或電鍍掩模的保護(hù)層(也未示出)、或者可能相結(jié)合或單獨(dú)地執(zhí)行這些功能中的一個(gè)或多個(gè)的一個(gè)或多個(gè)層。也可以將摻雜劑源合并到硅本身內(nèi)，而并非是分離層或涂層。換言之，激光器可以用于局部地熔化已經(jīng)載有摻雜劑的硅，使得熔化或再凝結(jié)工藝使自由摻雜劑(通常被稱作填隙原子，填隙原子是未在硅晶格中正常鍵合的電不活躍摻雜劑，)被吸收到晶體硅結(jié)構(gòu) (晶格)中，并且從原始位置重新分布。例如，當(dāng)在發(fā)射極形成步驟中將η型摻雜劑熱擴(kuò)散到硅的表面中時(shí)，更多其他η型摻雜劑原子可以擴(kuò)散到硅中，而不是實(shí)際上變得電活躍。激光熔化可以用于允許這些額外摻雜劑原子重新分布它們自己，并且在硅中變得活躍，以形成更重度摻雜的接觸區(qū)域。在硅內(nèi)存在(例如，在擴(kuò)散η型發(fā)射極內(nèi)存在)的不活躍摻雜劑的數(shù)目由進(jìn)行擴(kuò)散的方式來(lái)確定。通常當(dāng)將摻雜劑擴(kuò)散到表面中時(shí)，可以以如下方式來(lái)進(jìn)行針對(duì)執(zhí)行處理的具體溫度，嘗試將摻雜劑(磷(P))的表面濃度保持低于硅中摻雜劑的固溶度，以免包括過(guò)多的不活躍摻雜劑。例如，避免硅中過(guò)度摻雜劑原子的一個(gè)方式是通過(guò)在二氧化硅層中的擴(kuò)散(最普通的方法)，盡管另一非常普通的方法是簡(jiǎn)單地降低摻雜劑源的濃度。通過(guò)有意允許表面摻雜劑濃度(例如，磷)超過(guò)硅中摻雜劑的固溶度，從而將大量不活躍摻雜劑合并到表面中，這些不活躍摻雜劑變成針對(duì)激光摻雜工藝的摻雜劑源。典型地，可以形成薄片電阻率為每平方80-200歐姆的發(fā)射極。通過(guò)合并大量不活躍摻雜劑，與未經(jīng)過(guò)激光處理的區(qū)相比，經(jīng)激光處理的區(qū)域中的薄片電阻率可以降低至少一半。例如，如果形成優(yōu)選發(fā)射極薄片電阻率為每平方100歐姆的發(fā)射極，則可以使激光熔化區(qū)中的薄片電阻率降低至大約每平方30-40歐姆。這種級(jí)別的薄片電阻率足以提供良好性能，但是對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化可以提供更好的結(jié)果。傳統(tǒng)Q開(kāi)關(guān)或連續(xù)波激光器的問(wèn)題由于穩(wěn)態(tài)下傳統(tǒng)Q開(kāi)關(guān)或連續(xù)波(cw)激光器所施加的限制，出現(xiàn)對(duì)上述工藝的特定挑戰(zhàn)。在穩(wěn)態(tài)下的連續(xù)波激光器中，很難熔化硅，并使硅在足夠持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持熔化，以確保摻雜劑的混合，然后在燒蝕到一些硅之前停止來(lái)自激光器的能量流。這通常是因?yàn)?，如果在光束中存在足夠能量以在合理時(shí)間段內(nèi)(在近似1400攝氏度下)熔化硅，則在后續(xù) 2-10微秒期間，硅需要保持熔化以用于摻雜劑混合，在該時(shí)間段期間從cw光束到熔化區(qū)域的激光器能量的恒定傳遞可能將硅加熱到超過(guò)其汽化溫度(如圖6所示的Tv)。在圖6中， 用虛曲線示出了不可接受的情況，其中，當(dāng)將穩(wěn)態(tài)下具有能量Ess的cw激光器施加于特定位置時(shí)，硅被加熱到遠(yuǎn)超過(guò)汽化溫度Tv。為了避免不可接受的硅燒蝕，必須充分的減小能量 Ess，使得硅達(dá)到的最高溫度Tu仍低于燒蝕溫度Tv，或者如圖6實(shí)曲線所示，在t2時(shí)刻必須停止對(duì)該位置施加激光束，使得在硅被允許冷卻之前僅加熱到溫度T2。很難利用穩(wěn)態(tài)下的 cw激光器來(lái)以這種方式保持施加并然后停止激光束的施加，這是因?yàn)槔缂す馄鬏敵龊图す馄鞑僮髦械乃沧冃?yīng)等問(wèn)題。即使能夠以這種方式應(yīng)用和停止cw激光器，能級(jí)和時(shí)序也必須是，使得、(硅熔化時(shí)刻)與、(激光束停止時(shí)刻)之間的時(shí)間段需要至少為2微秒，否則硅無(wú)法在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持熔化以適當(dāng)?shù)鼗旌蠐诫s劑。典型地在遠(yuǎn)超過(guò)IOMHz脈沖頻率下工作的偽連續(xù)波激光器存在相同的問(wèn)題，其中能量脈沖如此緊密地在一起，使得從硅的角度來(lái)看，其行為類似于cw激光器，因?yàn)楣柙诿}沖之間沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)顯著改變溫度。傳統(tǒng)Q開(kāi)關(guān)激光器也引起激光摻雜工藝的問(wèn)題。這是因?yàn)槊}沖太短且離得太遠(yuǎn)。 脈沖持續(xù)時(shí)間通常遠(yuǎn)低于1微秒，典型地，導(dǎo)致硅保持熔化不超過(guò)1微秒，這對(duì)于充分的摻雜劑混合而言是不足的。為了補(bǔ)償上述，因此在每個(gè)位置處典型地需要許多交疊脈沖，以熔化硅足夠多次，使得累積效應(yīng)提供熔化狀態(tài)的足夠時(shí)間，以用于充分的摻雜劑混合。然而， 這引入與熱循環(huán)有關(guān)的其他問(wèn)題。這些Q開(kāi)關(guān)激光器中脈沖之間的持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)(通常至少為幾個(gè)微秒)，以至于硅在脈沖之間重新固化。該循環(huán)在硅上產(chǎn)生顯著應(yīng)力，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，特別是導(dǎo)致緊鄰熔化區(qū)的區(qū)域中的缺陷產(chǎn)生，硅與抗反射涂層(通常是氮化硅)之間的熱膨脹系數(shù)失配惡化了這種缺陷產(chǎn)生。每個(gè)位置處的每個(gè)附加脈沖將緊接熔化區(qū)域的固態(tài)硅重新加熱到接近硅的熔化溫度的溫度。在這些溫度下，氮化硅的較高熱膨脹系數(shù)(或者熱膨脹系數(shù)超過(guò)硅的熱膨脹系數(shù)的任何其他層)導(dǎo)致其將硅表面置于張力下。在這些條件下，硅特別弱并且易受缺陷產(chǎn)生的影響。硅保持的這些循環(huán)越多，缺陷產(chǎn)生明顯越惡劣。 因此對(duì)于這種類型的激光器，存在基本的弱點(diǎn)和折衷，從而每個(gè)位置處不足的脈沖導(dǎo)致不正確的摻雜劑混合，但是不會(huì)導(dǎo)致太多的缺陷，而附加脈沖促進(jìn)更好的摻雜劑混合，但增加了缺陷產(chǎn)生。近年來(lái)在多個(gè)機(jī)構(gòu)和/或公司中已經(jīng)進(jìn)行相當(dāng)多的研究，以解決這種與激光摻雜有關(guān)的問(wèn)題。不幸地，所發(fā)現(xiàn)的解決方案對(duì)于激光摻雜太陽(yáng)能電池的商業(yè)產(chǎn)生是不實(shí)際的。 一種解決方案已經(jīng)用二氧化硅層代替了氮化硅ARC，其中二氧化硅層具有比硅低的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)這樣的層被加熱到硅的熔化溫度附近時(shí)，使用這樣的層將硅表面置于壓縮下，因此避免缺陷產(chǎn)生。利用該方法制造的器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的電性能，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)80%的填充因子，這指示由于缺陷而引起的結(jié)復(fù)合已經(jīng)降低至不顯著的級(jí)別。然而，該方法對(duì)于商業(yè)器件是不實(shí)際的，首先因?yàn)檩^低質(zhì)量的商業(yè)級(jí)襯底很大程度上依賴于來(lái)自氮化硅層以鈍化缺陷和晶粒邊界的氫化作用，其次因?yàn)槎趸鑼拥恼凵渎侍鸵灾劣诓荒芟窨狗瓷渫繉右粯佑行В谌?，針?duì)這種氧化層的熱生長(zhǎng)工藝對(duì)于商業(yè)器件是不實(shí)際的。使用夾在硅表面與氮化硅ARC之間的薄界面氧化層的修改方法已經(jīng)解決了上述限制中的一些，同時(shí)有利于避免缺陷產(chǎn)生，并且因此實(shí)現(xiàn)了高填充因子。ARC組合的光學(xué)性能僅略微低于平直氮化硅ARC的光學(xué)性能，而工業(yè)上生長(zhǎng)薄氧化層(150-200埃)的可實(shí)用性極大地優(yōu)于必須生成ARC厚度(1100埃)的氧化層。然而，除了增加成本和必須生長(zhǎng)薄氧化層的復(fù)雜性以外，主要缺陷還在于如法通過(guò)這樣的氧化層來(lái)氫化(鈍化)缺陷和晶粒邊界。用于加熱和熔化硅的改進(jìn)方法為了改進(jìn)作為自對(duì)準(zhǔn)金屬接觸形成過(guò)程的一部分的激光摻雜工藝的質(zhì)量，需要以與先前利用傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)進(jìn)行的方式不同的方式來(lái)加熱硅。熔化之后為了將摻雜劑摻合到硅中，需要在時(shí)間、上將熱連續(xù)施加于熔化區(qū)域(見(jiàn)圖5)，以在至少一微秒內(nèi)且優(yōu)選地在2-10微秒內(nèi)保持溫度近似恒定。這允許有足夠時(shí)間使摻雜劑在整個(gè)熔化區(qū)域均勻地重新分布，同時(shí)保持熔化容量近似恒定(這在溫度變化的情況下是不可能的)。為了實(shí)現(xiàn)上述，在給定位置中從激光器接收到的功率需要隨時(shí)問(wèn)改變，如圖5所示，其中，要求持續(xù)時(shí)間、的脈沖的初始高功率區(qū)域快速熔化硅，而較低功率的尾部需要具有適當(dāng)?shù)某掷m(xù)時(shí)間t2 和功率級(jí)別，使得保持在所需持續(xù)時(shí)間上保持熔化區(qū)域在近似恒定溫度。特別重要的是，硅在高達(dá)2-10微秒上保持熔化，以確保將足夠量的摻雜劑摻合到熔化區(qū)域并且在熔化硅內(nèi)適當(dāng)?shù)鼗旌线@些摻雜劑。這種工藝同時(shí)通過(guò)破壞覆蓋介電層(通常氮化硅)，來(lái)暴露重度摻雜硅表面。這便于后續(xù)形成金屬接觸，例如，通過(guò)將金屬直接鍍到這些重度摻雜區(qū)域。因此， 該工藝帶來(lái)選擇性發(fā)射極的形成，從而經(jīng)由激光摻雜工藝形成的小面積金屬接觸自動(dòng)與圖 1所示的重度摻雜區(qū)域自對(duì)準(zhǔn)。針對(duì)硅的激光摻雜的解決方案是產(chǎn)生激光脈沖，激光脈沖的能量如圖5所示根據(jù)時(shí)間，能量的初始峰是用于在足夠持續(xù)時(shí)間、內(nèi)將硅加熱到其熔點(diǎn)，而脈沖的后續(xù)和更長(zhǎng)的部分在持續(xù)幾個(gè)微秒的更低能級(jí)上，并且在將熔化硅保持在近似恒定溫度的能量強(qiáng)度上。在脈沖結(jié)尾處，激光能量在時(shí)間段t3內(nèi)下降，允許冷卻和固化硅，直到下個(gè)激光脈沖到達(dá)。理想地，結(jié)合激光束的掃描速度vs_，選擇這些脈沖的頻率Fpul_，使得時(shí)間1/ (Fpulses) 中掃描束所傳播的距離在光束直徑的50-100%范圍內(nèi)。這確保激光摻雜形成連續(xù)線，但是防止鄰近脈沖之間的過(guò)度交疊，使得任何硅不會(huì)被熔化兩次以上，以免過(guò)度熱循環(huán)。例如， 如果lm/s，頻率是100kHz，則激光束在并置脈沖的開(kāi)始之間的時(shí)間內(nèi)相對(duì)于硅表面移動(dòng)10微米。這表示典型光束直徑的近似67% (近似15微米)。實(shí)現(xiàn)這種結(jié)果的一種方法是將兩個(gè)激光束疊加在彼此之上，從而以期望脈沖頻率下對(duì)一個(gè)激光束進(jìn)行Q開(kāi)關(guān)，其中每個(gè)脈沖的功率接近熔化硅所需的每個(gè)脈沖的功率，而第二激光器在連續(xù)波穩(wěn)態(tài)模式下操作，提供適合于保持熔化硅在近似恒定溫度的能級(jí)。 后一種激光功率太低，以至于在每個(gè)位置暴露于激光器下時(shí)不能熔化硅(或者，如果后一種激光器功率的確熔化硅，那么所花費(fèi)的時(shí)間也太長(zhǎng)，使得硅無(wú)法在足夠長(zhǎng)時(shí)間上保持熔化)。然而，疊加來(lái)自另一激光器(具有獨(dú)立光學(xué)腔)的Q開(kāi)關(guān)激光脈沖允許將硅快速地加熱到用于熔化的適當(dāng)溫度，其后，低功率cw激光器提供足夠能量來(lái)保持硅熔化。然而，在這種方法中，當(dāng)將光束掃描過(guò)晶片表面時(shí)，并置激光脈沖之間的重疊是必要的，以確保熔化且摻雜的區(qū)域的連續(xù)性。這會(huì)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橛捎诘凸β始す馄鞅３制錅囟群愣?，?lái)自一個(gè)脈沖的熔化硅在下個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)仍保持熔化，由于與下個(gè)Q開(kāi)關(guān)脈沖的后續(xù)交疊，因此危險(xiǎn)使已經(jīng)熔化的硅達(dá)到其氣化溫度。因此看起來(lái)利用該方法，少量的燒蝕是不可避免的， 盡管該方法與利用傳統(tǒng)Q開(kāi)關(guān)或連續(xù)波激光器進(jìn)行的激光摻雜相比仍具有顯著改進(jìn)。理想地，低功率cw激光器需要在緊接下個(gè)Q開(kāi)關(guān)脈沖到達(dá)之前降低或停止其功率，以允許硅在某種程度上冷卻。盡管激光器系統(tǒng)在理論上被配置為以這種方式進(jìn)行工作，但是實(shí)際上，對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)激光器很困難，使其在最好的情況下不可靠，且在最壞的情況下不可工作。另一種方法涉及控制Q開(kāi)關(guān)激光器的Q，這在理論上便于形成如圖5所示功率依據(jù)時(shí)間的激光脈沖。在正常Q開(kāi)關(guān)激光器中，這不是現(xiàn)有功能，因?yàn)橐氲焦鈱W(xué)腔中的損耗本質(zhì)上是二元的，僅具有兩個(gè)離散級(jí)別，一個(gè)級(jí)別使Q較高(低損耗)，從而激光器增益較高， 一個(gè)級(jí)別使Q較低(高損耗)，從而增益較低。根據(jù)利用無(wú)限可變Q值來(lái)控制腔的Q的特殊設(shè)計(jì)布置，在理論上能夠構(gòu)造如圖5所示能量脈沖的功率與時(shí)間曲線，其中初始高能量區(qū)域具有適當(dāng)?shù)姆逯倒β始?jí)和持續(xù)時(shí)間來(lái)熔化硅，尾部也具有適當(dāng)?shù)墓β始?jí)和持續(xù)時(shí)間，以保持在足以充分混合摻雜劑的時(shí)間內(nèi)將已熔化區(qū)域保持在近似恒定溫度，隨后是更低能級(jí)下的短暫時(shí)間段，這允許硅在下個(gè)激光脈沖到達(dá)之前充分冷卻。選擇脈沖的整體時(shí)序和頻率，以給出并置脈沖之間所需的交疊水平。用于實(shí)現(xiàn)上述方法的等同效果的另一種方法是利用小間距的脈沖序列(具有比正常Q開(kāi)關(guān)脈沖低得多的能量)來(lái)合成功率與時(shí)間曲線，間距小的脈沖序列在被“濾波”以去除最高次諧波時(shí)產(chǎn)生圖5的功率與時(shí)間曲線。這可以使用僅以二元形式在光學(xué)腔中僅引入損耗的更傳統(tǒng)的Q開(kāi)關(guān)布置來(lái)進(jìn)行，其中損耗級(jí)別僅是較高或較低，但是相對(duì)于施加損耗的時(shí)間長(zhǎng)度而言，可以以更受控的方式來(lái)施加損耗。當(dāng)要產(chǎn)生Q開(kāi)關(guān)脈沖時(shí)，去除對(duì)光學(xué)腔有意施加的損耗，因此實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射和高能量脈沖的產(chǎn)生。如果在脈沖產(chǎn)生的中途足夠快地重新施加損耗，則激發(fā)態(tài)下的電子數(shù)目N可以保持接近Nth或超過(guò)Nth，因此使得幾乎立即產(chǎn)生另一脈沖是可行的。因此，可以在更長(zhǎng)時(shí)間段上產(chǎn)生一系列更小脈沖，而不產(chǎn)生單個(gè)短高能量脈沖，在這之后N下降至可忽略值。當(dāng)對(duì)硅施加這樣的能量脈沖序列時(shí)，若脈沖之間的時(shí)間段足夠短(遠(yuǎn)低于納秒)，硅的有限熱傳導(dǎo)率意味著，僅僅是通過(guò)激光脈沖共同傳遞至硅的能量的量，而不是其所采用的實(shí)際形式(即，功率與時(shí)間關(guān)系)，這是重要的。例如，從正熔化的硅的角度來(lái)看，圖7中所示的兩種形式激光輸出是等同的，如果“t”遠(yuǎn)低于納秒。由于硅所執(zhí)行的該“濾波”功能，使得能夠根據(jù)在時(shí)間上間距小的多個(gè)小脈沖，虛擬地合成任何期望的激光輸出。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)上述每個(gè)小脈沖的大小的控制，可以使用與光學(xué)腔中的光子通量關(guān)聯(lián)的反饋，使得當(dāng)在形成Q開(kāi)關(guān)脈沖期間光子通量達(dá)到特定級(jí)別時(shí)，可以將損耗重新引入到光學(xué)腔中，以防止進(jìn)一步受激發(fā)射，并因此防止形成高能量脈沖的其余部分(否則就會(huì)發(fā)生)。參照?qǐng)D12，可以應(yīng)用這種反饋的一種方式是使用光學(xué)腔非輸出端上的微透射型反射鏡，利用諸如太陽(yáng)能電池之類的光敏器件測(cè)量通過(guò)反射鏡出射的光的強(qiáng)度，該光強(qiáng)度與光學(xué)腔中的光子通量成比例。對(duì)該光強(qiáng)度的測(cè)量可以用于確定應(yīng)當(dāng)將損耗重新施加于光學(xué)腔的時(shí)間。作為該方法的示例，可以通過(guò)圖8的曲線B所示的短脈沖序列等效地合成圖8的曲線A。合成圖5的功率與時(shí)間曲線的備選且創(chuàng)新的方法是利用這種類型激光器的瞬變行為來(lái)有意觸發(fā)一系列高頻小脈沖，每個(gè)峰值功率遠(yuǎn)超過(guò)激光器的穩(wěn)態(tài)連續(xù)波輸出，但是遠(yuǎn)低于Q開(kāi)關(guān)激光器的正常水平。這樣的瞬變響應(yīng)應(yīng)當(dāng)能夠在操作在穩(wěn)態(tài)CW模式下時(shí)通過(guò)在一微秒的若干分之一(長(zhǎng)到足以停息激光發(fā)射動(dòng)作與相應(yīng)的受激發(fā)射)內(nèi)將光損耗引入到光學(xué)諧振器來(lái)觸發(fā)，從而將光子通量降低至近似為零。在這種情況下，N應(yīng)當(dāng)保持近似等于Nph，但是逐漸增加到超過(guò)Nph，因?yàn)楸患ぐl(fā)電子的產(chǎn)生顯著超過(guò)它們的復(fù)合。這允許將能量存儲(chǔ)在激光棒中，由具對(duì)光學(xué)腔施加損耗的持續(xù)時(shí)間確定來(lái)存儲(chǔ)能量的量。如果損耗是幾乎立即去除的，則允許重新發(fā)起受激發(fā)射，但是由于遠(yuǎn)低于穩(wěn)態(tài)值的低光子通量，在比穩(wěn)態(tài)低的級(jí)別下重新發(fā)起。因此，這應(yīng)當(dāng)允許增益在N繼續(xù)增加到遠(yuǎn)超過(guò)Nph(如圖9所示)的時(shí)間段上保持低于1。增加的N和光子通量會(huì)最終引起增益超過(guò)1，觸發(fā)從激光輸出中產(chǎn)生小脈沖。這樣的脈沖引起N下降至遠(yuǎn)低于Nph，但是值仍遠(yuǎn)超過(guò)在正常高能量Q開(kāi)關(guān)脈沖之后存在的值。在這種情況下，增益自然下降至低于單位1，而無(wú)需將損耗引入到光學(xué)腔中，從而光子通量不會(huì)降低至這樣的低值。該過(guò)程自身重復(fù)，除了如圖9所示下個(gè)脈沖應(yīng)當(dāng)小一點(diǎn)以外，因?yàn)楣庾油坎恍枰獛缀鯊牧銟?gòu)建，因此可以更快地觸發(fā)。在其他若干個(gè)這種循環(huán)之后，其中如圖所示每個(gè)后續(xù)脈沖變小一點(diǎn)，激光輸出放松回到穩(wěn)態(tài)輸出。對(duì)于激光摻雜工藝重要的是，在欠阻尼響應(yīng)的瞬變時(shí)間段期間這些小脈沖的頻率足夠高，使得由于硅的有限熱傳導(dǎo)率，吸收能量的硅不會(huì)有機(jī)會(huì)在小脈沖之間明顯地改變溫度。因此類似于方法3中，硅有效地濾波圖9的波形。因此重要的是瞬變時(shí)間段期間傳遞至硅的平均能量，在瞬變時(shí)間段之后，可以使激光器在至少長(zhǎng)到熔化硅以便于充分摻雜劑混合所需的時(shí)間內(nèi)以連續(xù)波進(jìn)行操作。如果可以在需要時(shí)且在期望持續(xù)時(shí)間上將損耗引入到光學(xué)腔內(nèi)，這與將激光器功率設(shè)置在穩(wěn)態(tài)cw操作所需的級(jí)別下以保持熔化的硅在近似恒定溫度相結(jié)合，因此該方法在理論上也可以用于控制針對(duì)激光摻雜工藝的圖5的功率與時(shí)間曲線的所有重要方面。這包括總脈沖的持續(xù)時(shí)間(出于在所需時(shí)間段內(nèi)將硅保持在其熔化狀態(tài)下的目的)，控制脈沖的初始高能量瞬變部分的能量的量(通過(guò)控制將損耗引入到光學(xué)腔中的持續(xù)時(shí)間來(lái)熔化硅)，以及脈沖的穩(wěn)態(tài)cw時(shí)間段期間的功率級(jí)(在摻雜劑充分混合時(shí)將硅保持在恒定溫度下)。已知的現(xiàn)有激光器不具有這種功能，或者對(duì)于用戶而言不能獲得該功能。必須開(kāi)發(fā)用于控制Q開(kāi)關(guān)的新電路來(lái)將損耗引入到光學(xué)腔中，以實(shí)現(xiàn)這種靈活性和用戶的控制。另一種方法是在連續(xù)波模式下使用532nm波長(zhǎng)激光器，以避免惡化缺陷產(chǎn)生的熱循環(huán)，但是同時(shí)在加熱/熔化工藝期間移動(dòng)激光束，以控制傳遞至在特定位置處被摻雜的硅的能量的量，從而控制其達(dá)到的溫度。例如，通過(guò)將激光能量傳遞至鄰近位置并且使用硅的熱阻和遠(yuǎn)離該位置的距離，來(lái)控制將多少能量傳遞至被摻雜的位置，從而在某種程度上對(duì)激光摻雜的特定位置進(jìn)行加熱，而無(wú)需直接暴露于激光束下。例如，如果能夠?qū)⒓す馐鴱囊粋€(gè)位置立即移動(dòng)至另一位置，則使傳遞至正進(jìn)行激光摻雜的特定位置的功率采用圖5的形式，從而時(shí)間段^表示對(duì)正進(jìn)行激光摻雜的位置初始直接施加連續(xù)波(cw)激光，其后， 在時(shí)間t2內(nèi)重新定位到鄰近位置，在鄰近位置中硅的熱阻降低了傳遞至激光摻雜的位置的能量，如圖5所示，其后將激光束遠(yuǎn)遠(yuǎn)地移除，使得傳遞至激光摻雜的位置的能量降低至可忽略值。盡管在理論上這是可行的，但是實(shí)際上，激光器不能如此進(jìn)行操作，首先因?yàn)榧す馄鞑荒芰⒓锤淖兾恢?，其次，因?yàn)榧す馐词乖诒痪劢箷r(shí)也具有有限直徑，通常也大于10 微米，這使其不能在^期間將圖5形式的功率精確傳遞至直接暴露于硅光束下的硅的所有部分。然而，通過(guò)適當(dāng)控制cw激光器的穩(wěn)態(tài)功率Ess，然后以適當(dāng)速度向著要進(jìn)行激光摻雜的位置掃描激光束，然后以適當(dāng)速度再次從該位置移開(kāi)，傳遞至該特定位置的能量可以采用如圖10的頂部圖表所示的形式。如圖10的底部圖表所示，這便于在該位置中熔化硅， 同時(shí)還便于在至少2微秒上保持硅熔化，以實(shí)現(xiàn)充分摻雜劑混合，同時(shí)避免硅的燒蝕和重復(fù)的熱循環(huán)。然而，如果激光器的掃描速度過(guò)高，則硅在激光摻雜的位置處甚至不能到達(dá)熔化溫度，或者備選地，硅可以被熔化，但是不能保持熔化足夠長(zhǎng)時(shí)間使得摻雜劑充分混合。 在另一個(gè)極端情況下，如果對(duì)于給定激光功率Ess激光掃描速度太低，則會(huì)將太多能量傳遞至已熔化硅，并且超過(guò)溫度Tv，在溫度Tv下硅和摻雜劑被燒蝕。類似地，對(duì)于充分執(zhí)行激光摻雜工藝的來(lái)自激光器能量Ess，僅存在特定范圍的可接受功率級(jí)。Ess值太低將不能熔化硅，否則迫使激光器以低的掃描速度來(lái)實(shí)現(xiàn)熔化，致使該工藝不可行。在另一極端情況下，Ess值太高迫使高的激光掃描速度以避免硅燒蝕，傳遞至位置的能量太快速地降至太低值，致使無(wú)法在所需的2微秒或更長(zhǎng)時(shí)間上保持硅熔化。例如，使用13瓦532nm的cw激光器，其中連續(xù)波激光器的掃描速度為3m/sec，光束直徑為12微米，激光器直接照射每個(gè)點(diǎn)4微秒。如圖10所示當(dāng)激光器功率與掃描速度非常匹配時(shí)，需要激光器對(duì)硅進(jìn)行照射的時(shí)間為總直接照射時(shí)間的一半，以在t2時(shí)刻達(dá)到大約1400攝氏度的硅熔點(diǎn)。對(duì)于該示例，這意味著硅在給定點(diǎn)熔化之前激光束照射該給定點(diǎn)幾乎2微秒。到直接照射停止時(shí)(在這種情況下，、時(shí)刻處再2微秒之后)，熔化的硅已經(jīng)熔化了至少2微秒，同時(shí)被加熱到幾乎2000攝氏度，仍遠(yuǎn)低于硅的燒蝕溫度。對(duì)于下一個(gè) 1-2微秒，激光束盡管進(jìn)一步遠(yuǎn)離給定點(diǎn)，但仍向給定點(diǎn)傳遞熱，以允許其溫度繼續(xù)升高，之后非?？焖俚乩鋮s，在、時(shí)刻達(dá)到硅的凝結(jié)溫度1400攝氏度。因此，能夠利用該方法來(lái)避免硅的燒蝕，避免Q開(kāi)關(guān)操作的熱循環(huán)，仍在至少2微秒上保持硅熔化，同時(shí)仍使用適合于高產(chǎn)量商業(yè)生產(chǎn)的高激光掃描速度。使用來(lái)自13瓦激光器的相同Ess值，在硅燒蝕開(kāi)始之前可以使用低至2m/s的掃描速度，同時(shí)可以使用高至5m/s的掃描速度，同時(shí)在至少2微秒上保持硅熔化。不幸地，在沒(méi)有不可接受的低掃描速度的情況下，低于大約12瓦的激光器功率級(jí)變得無(wú)法熔化硅。盡管將功率級(jí)增加至14瓦允許使用高達(dá)10m/S的掃描速度。在這種情況下，在圖10中，從、至t2的時(shí)間段是大約1微秒，其后是略超過(guò)1微秒的進(jìn)一步直接激光照射，直到t3。硅溫度在t4時(shí)刻到達(dá)峰值，在此之后在硅熔化時(shí)的t2之后大約2毫秒處， 在、凝結(jié)。因此，對(duì)于硅的充分激光摻雜，滿足了這些條件。在該功率級(jí)，可接受的最低掃描速度是3-4m/s，低于3-4m/s在開(kāi)始發(fā)生硅燒蝕。調(diào)整激光掃描速度以適合給定激光器功率Ess (或反之)的一種方法是確保在激光束已經(jīng)近似通過(guò)了進(jìn)行激光摻雜的點(diǎn)的一半時(shí)激光熔化硅。這等同于圖10中的說(shuō)法，對(duì)于恒定激光掃描速度，、與t2之間的時(shí)間間隔近似與從t2至t3的時(shí)間間隔相同。圖11示出了表示上述的示意圖，其中激光束照射時(shí)間小于時(shí)間間隔(t2-ti)的未熔化硅仍具有表面棱錐，而直接激光束照射時(shí)間長(zhǎng)于(t2-ti)的表面的一部分已經(jīng)熔化，從而破壞了棱錐，并且提供更平坦且反射性更強(qiáng)的表面。在圖11中，點(diǎn)4還沒(méi)有被光束照射，而剛剛完成照射點(diǎn)3，光束已經(jīng)通過(guò)了點(diǎn)5并且點(diǎn)5冷卻。對(duì)于恒定掃描速度激光器，當(dāng)點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的距離與點(diǎn)2和點(diǎn)3之間的距離的比值在范圍1 3至3 1的范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果。對(duì)于比值低于1 3的實(shí)際激光速度，接近點(diǎn)3的硅已經(jīng)暴露于激光束下太長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)在熔化狀態(tài)下，使得硅的燒蝕開(kāi)始發(fā)生。在另一極端情況下，對(duì)于超過(guò)3 1的比值，在點(diǎn)5處重新固化和冷卻的硅有可能還未在超過(guò)1微秒時(shí)間上被熔化來(lái)便于摻雜劑的充分混合。這提供了相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)制來(lái)檢查激光掃描速度是否與激光功率適當(dāng)匹配，因?yàn)?，可以?duì)來(lái)自光束所照射表面的反射進(jìn)行測(cè)量以指示仍被棱錐覆蓋從而還沒(méi)有熔化的照射區(qū)的百分比， 這進(jìn)而指示比值是否在正確范圍內(nèi)。如果比值太小，則由于75%以上被光束照射的區(qū)域十分平坦且具有反射性，表面反射會(huì)太高，而如果比值太高，意味著使得表面遠(yuǎn)不具反射性的棱錐覆蓋了 75%以上被光束照射的區(qū)域。出于這些目的，可以使用各種技術(shù)來(lái)測(cè)量照射區(qū)的表面反射。例如，出于觀看進(jìn)行激光處理的區(qū)域的目的，通常使用來(lái)自照射區(qū)的反射光。 測(cè)量該反射光的強(qiáng)度(例如，利用光探測(cè)器或太陽(yáng)能電池)會(huì)給出所需的信息。可以將該信息反饋給激光控制器，以允許激光控制器自動(dòng)調(diào)整掃描速度或激光功率，從而確保比值始終保持在正確或期望范圍內(nèi)。再次參照?qǐng)D10，可以識(shí)別針對(duì)良好激光摻雜的若干條件，為此需要(彼此結(jié)合地) 選擇要滿足的適當(dāng)?shù)腅ss和掃描速度的值。首先，硅所達(dá)到的最大溫度Tu必須大于硅的熔化溫度Tm，并且低于氣化溫度Tv。其次，硅熔化的時(shí)間段t5-t2必須超過(guò)1微秒，并且優(yōu)選地超過(guò)2微秒。第三，出于與器件產(chǎn)量有關(guān)的實(shí)際目的，實(shí)現(xiàn)圖10結(jié)果時(shí)激光器的掃描速度需要至少為lm/s。第四，超過(guò)20m/s的掃描速度由于不能在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持硅熔化，因此是不適合的。第五，低于10瓦的532nm波長(zhǎng)cw激光器提供太低的Ess值，無(wú)法允許熔化硅并同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的足夠掃描速度。第六，在超過(guò)20瓦的功率級(jí)下操作的532nm波長(zhǎng)cw激光器提供太高的Ess值，使得激光器掃描速度過(guò)快，無(wú)法按要求允許熔化的硅在超過(guò)1微秒內(nèi)保持熔化。對(duì)于上述5種方法，通常使用線激光器來(lái)代替照射單個(gè)點(diǎn)的激光器。對(duì)于同時(shí)照射整條線而不是典型地15微米直徑小圓的線激光器而言，這些方法的所有相同原理實(shí)用， 但是其中在激光器從正進(jìn)行激光摻雜的一條線位置移動(dòng)到要進(jìn)行激光摻雜的下條線位置的時(shí)間段期間不產(chǎn)生Q開(kāi)關(guān)脈沖。然而，對(duì)于連續(xù)波激光器，將激光束從一條線位置移動(dòng)至下條線位置的掃描速度必須足夠快，使得其問(wèn)被照射的硅沒(méi)有時(shí)間達(dá)到熔點(diǎn)。在這種情況下，掃描速度是可變的，從而在接近用于激光摻雜的給定線的位置時(shí)降低掃描速度，并然后在離開(kāi)該位置移動(dòng)至要定位的下條線的位置時(shí)加速。這樣，改變掃描速度仍允許來(lái)自激光器的能量采用圖10給出的形式，從而在、時(shí)刻與t3時(shí)刻之間掃描速度較低。液體射流和氣體解決方案在一些實(shí)施例中，可以將激光包封在液體射流中，使得圍繞激光加熱點(diǎn)的襯底保持冷卻，并且液體可以用于將試劑傳遞至激光處理下的點(diǎn)。
圖12示意性示出了在用于處理具備介電表面層的襯底時(shí)激光器和液體射流的布置。在這種情況下，表面層不需要提供摻雜劑源。如所示，使發(fā)射激光束61的激光器60通過(guò)噴嘴單元63中的被遮蓋的窗62(C0nvered window)凸出。通過(guò)噴嘴單元產(chǎn)生液體射流 64，液體射流64耦合了激光束61，使得通過(guò)全內(nèi)反射向著目標(biāo)引導(dǎo)激光束61。向噴嘴單元 63提供液體是通過(guò)端口 65來(lái)提供的，并且通過(guò)噴嘴孔66排出，噴嘴孔66向著目標(biāo)噴射液體。窗62定向?yàn)榻邮毡惠S向引導(dǎo)到液體射流64中的垂直激光束61。激光束61在通過(guò)窗 62進(jìn)入之前通過(guò)合適的透鏡7被聚焦。經(jīng)由液體提供端口 65，利用20至500巴之間的壓力將液體傳遞至噴嘴單元63。液體可以從儲(chǔ)液池72或其他適合的源提供，并且通過(guò)供給泵 73在壓力下被泵送至噴嘴單元63。液體也可以通過(guò)加熱器74來(lái)加熱，使得可以控制液體射流的溫度。所產(chǎn)生的液體射流64可以具有近似20至IOOym范圍內(nèi)的直徑。液體射流66和激光束61被視為引導(dǎo)至目標(biāo)，該目標(biāo)是具有30-80nm厚氮化硅層表面層69的250μπι硅襯底68。如傳統(tǒng)激光摻雜方法一樣，在表面層的區(qū)域上引導(dǎo)液體射流64和激光束61。通過(guò)將磷酸添加至液體射流，在氮化硅層和底層硅上發(fā)生強(qiáng)腐蝕作用， 其中，表面被激光束61加熱，使得表面層69非常干凈并被精確地?zé)g，而保留襯底68其他各處實(shí)質(zhì)上完好無(wú)損。將添加劑從一個(gè)或多個(gè)供給槽75添加至液體射流64，并且通過(guò)相應(yīng)的泵76注入到噴嘴單元63的入口 77中。然而，也可以通過(guò)用于清洗的磷酸，或者通過(guò)包括附加摻雜劑添加劑(例如，P0C13.PC13.PC15)或者它們的混合物，來(lái)利用氮去除同時(shí)執(zhí)行硅的表面區(qū)域71的η型摻雜。也可以通過(guò)選擇適合的摻雜劑(例如，硼)以類似的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)P型摻雜。液體射流64和激光束61也可以與包括在表面介電層17中的摻雜劑源、被涂覆成介電層上面或下面的涂層(也可以是抗反射涂層16)的源一起使用，或者摻雜劑原子可以以未激活狀態(tài)存在于硅中，從而它們通過(guò)熔化和凝結(jié)工藝被吸收到硅結(jié)構(gòu)中(或被激活)， 如上參照其他激光器系統(tǒng)所描述的。激光操作也可以在氣體環(huán)境下執(zhí)行，以不在液體射流中提供摻雜劑的情況下實(shí)現(xiàn)摻雜表面區(qū)域71。參照?qǐng)D13，在這種情況下，激光器60發(fā)射激光束61，激光束61被引導(dǎo)通過(guò)包含目標(biāo)襯底68的腔室81中的窗82。經(jīng)由控制閥84和端口 83將氣體形式的摻雜劑源從受壓存儲(chǔ)儲(chǔ)氣瓶(storage cylinder)85提供到腔室81。經(jīng)由排氣端口 86和排氣閥87 將氣體從腔室中排放到清除通道88。如前所述，在襯底68的表面上掃描激光，熔化抗反射涂層69和底層表面的一部分，從而將氣體摻雜劑吸收到熔化的硅表面材料中，以形成摻雜表面層71。盡管以上結(jié)合使用在液體射流內(nèi)投射的激光束描述了對(duì)氣體環(huán)境的使用，同樣也可以利用與液體射流不相關(guān)聯(lián)的上述任何其他激光器布置來(lái)采用氣體環(huán)境。也可以利用描述的任何激光器布置，而并非作為用于投射激光束的液體射流，來(lái)采用液體摻雜劑源。液體源可以在正進(jìn)行摻雜的表面上匯集或流動(dòng)，或者可以作為引導(dǎo)至激光加熱點(diǎn)處的射流來(lái)應(yīng)用。優(yōu)選的抗反射涂層以下描述多層ARC的實(shí)施例，可以在單次工藝中(使用單個(gè)設(shè)備)沉積多層ARC， 以實(shí)現(xiàn)針對(duì)高效率商用太陽(yáng)能電池的熱膨脹失配校正。所采用的方法是使用可以在單次直線PECVD、E光束或?yàn)R射沉積工藝中沉積的三層ARC。第一極薄層可以是氮化硅，并且僅需要厚到足以提供表面鈍化和針對(duì)后續(xù)硅鈍化的氫源，但是不需要太厚以免在熱循環(huán)期間給硅表面施加應(yīng)力。期望第二層是厚度為大約 100至300埃、熱膨脹系數(shù)小于正被處理的半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)的材料，以確保半導(dǎo)體表面在升高溫度下時(shí)置于壓縮而并非張力下。這避免了熱膨脹失配，否則熱膨脹失配會(huì)產(chǎn)生在ARC與半導(dǎo)體材料之間，并且導(dǎo)致由于半導(dǎo)體表面通過(guò)覆蓋的ARC被置于張力下而引起的升高溫度下的缺陷產(chǎn)生。重要的是，該第二層的厚度需要足夠薄，以免具有顯著的光學(xué)影響。第三且目前為止最厚的層是諸如以適當(dāng)厚度和折射率沉積的材料(例如，氮化硅)， 以為ARC提供所需的抗反射光學(xué)特性。作為示例，當(dāng)用于制造器件的半導(dǎo)體材料是晶體硅時(shí)，已知這種材料在表面處于張力下(具體地如果處于升高溫度下)時(shí)容易遭受缺陷。已知通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)而沉積的氮化硅在鈍化硅表面、體和晶粒邊界方面做得很好，主要是由于存在于沉積的氮化硅中的高濃度原子氫能夠系緊硅表面、缺陷或晶粒邊界處的懸空鍵。因此在半導(dǎo)體材料是晶體硅的情況下，10-200埃厚度范圍的薄層PECVD氮化硅是第一層的良好選擇。該示例中第二層的良好選擇是二氧化硅或氮氧化硅，因?yàn)樗鼈兙哂斜裙璧臒崤蛎浵禂?shù)小的熱膨脹系數(shù)，并且也可以通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖儦怏w及其流動(dòng)速率來(lái)由PECVD沉積。該層的厚度十分重要。如果太厚，則第二層過(guò)度劣化總的ARC光學(xué)特性，因?yàn)槠湔凵渎什⒉环浅＿m合于ARC的要求。如果太薄，則該層不能補(bǔ)償通過(guò)明顯更厚的ARC的覆蓋第三層在硅表面上產(chǎn)生的應(yīng)力。該第二層至少像第一層一樣厚，但是不能像第三層那么厚。利用PECVD 能夠在具有分級(jí)構(gòu)成和折射率方面調(diào)整該層，以進(jìn)一步幫助優(yōu)化。包括一些氮允許實(shí)現(xiàn)從低于1. 5到高于2的幾乎任何反射率的氮氧化硅。第三層的良好選擇是可以在與前兩個(gè)層相同的設(shè)備和工藝中沉積的PECVD氮化硅。第三層具有接近理想折射率的折射率，同時(shí)結(jié)合前兩個(gè)層的厚度來(lái)選擇厚度，以總體上給出最佳抗反射特性。三個(gè)層的典型厚度是對(duì)于折射率為2. 0的第一層是100埃，對(duì)于折射率為1. 5-1. 6的第二層是180埃，對(duì)于折射率為2. 0的第三層是400埃。該多層ARC的整體反射幾乎與理想SLARC相同，僅具有大約的反射增加。示例 1對(duì)多晶硅晶片應(yīng)用多層ARC已經(jīng)表明了，使用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)級(jí)ρ型多晶硅晶片的效率在17%附近。適合的制造過(guò)程的示例如下l.p型晶片11的前表面(或光接收表面)的各向同性紋理化12;2. η型摻雜劑13的前表面擴(kuò)散；3.邊緣結(jié)隔離/psg去除；4.通過(guò)PECVD在前表面上的四層ARC沉積；a. 100埃富氫氮化硅14 ；b. 180埃折射率為1. 5-1. 6的氮氧化硅15 ；c. 400埃折射率為2. 0-2. 1的氮化硅16 ；d.可選的附加摻雜劑包含層17 ；(如果摻雜劑還未包括在已經(jīng)沉積的層中并且后續(xù)不涂覆附加的分離的摻雜劑層，則可以使用該層)，其中折射率在光學(xué)上與在模塊形成期間要使用的密封劑匹配，以消除在激光摻雜工藝之后去除摻雜劑源層的需要
5.針對(duì)背接觸18，具有鋁的絲網(wǎng)印刷背面(非光接收表面)；6.通過(guò)鋁/硅合金形成以及液相外延，將背面燒成到燒結(jié)背接觸18并形成背表面場(chǎng)19 ；7.可選地(如果省略步驟4d)，對(duì)前表面施加η型摻雜劑源21 (液體磷，或者為了消除在激光摻雜工藝之后去除摻雜劑源層的需要，折射率在光學(xué)上與在模塊形成期間要使用的密封劑匹配的其他摻雜劑包含源)；8.局部化區(qū)域中硅的激光摻雜，以形成用于形成自對(duì)準(zhǔn)前表面金屬接觸的重度摻雜(η+)區(qū)域22 ；9.在針對(duì)前表面接觸的激光摻雜η+區(qū)域22上鍍鎳23層；10.鎳23的燒結(jié);11.在鎳23上鍍銅M和錫25 (或銀)層；上述處理過(guò)程產(chǎn)生圖1的具有選擇性發(fā)射極的高性能太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其提供直接在金屬接觸之下的重度硅摻雜。四層ARC(包括步驟4d摻雜源)在光學(xué)方面性能良好， 密封之后與單層ARC相比僅具有大約的反射增加，其中該單層包括具有與第三層相同的折射率以及最優(yōu)厚度的氮化硅。在缺陷產(chǎn)生方面，在激光摻雜期間，緊鄰已熔化區(qū)域的區(qū)域被加熱到幾乎1400攝氏度，但是遇到由于第二層(在步驟4b中沉積的)的較低熱膨脹而引起的最小缺陷產(chǎn)生，避免了施加于硅表面的顯著張力。第一層(在步驟如中沉積的) 包含大量原子氫，促進(jìn)沉積工藝期間以及鋁背接觸的燒成過(guò)程中短高溫度處理期間多晶硅的表面和晶粒邊界鈍化。先前具有選擇性發(fā)射極的多晶硅太陽(yáng)能電池的大量商業(yè)制造還是不可實(shí)現(xiàn)的。即使具有用于局部化硅摻雜的激光摻雜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，出于以下原因制作高性能選擇性發(fā)射極太陽(yáng)能電池的先前嘗試也是失敗的1. SLARC的使用導(dǎo)致在激光摻雜工藝期間由于ARC材料的高熱膨脹系數(shù)將硅表面置于張力下而引起與熔化區(qū)域并置的過(guò)度缺陷產(chǎn)生；2.代替氮化硅層而使用最優(yōu)厚度的Si02層能夠避免缺陷產(chǎn)生，但是由于其較低折射率導(dǎo)致不可接受的高水平表面反射，造成不良光學(xué)特性；3.在氮化硅沉積之前典型地180埃厚度的薄熱生長(zhǎng)Si02層已經(jīng)能夠克服與硅和氮化硅之間的熱膨脹失配有關(guān)的問(wèn)題，但是引入了三個(gè)其他問(wèn)題。首先，其包括不能在 PECVD系統(tǒng)中進(jìn)行的附加工藝，因?yàn)檫@種熱生長(zhǎng)氧化物需要超過(guò)900度的溫度。其次，Si02 生長(zhǎng)期間對(duì)這種高溫度的需求通常破壞多晶硅晶片。第三，Si02層用作針對(duì)原子氫的屏障， 防止原子氫從氮化硅層傳遞到需要進(jìn)行晶粒邊界鈍化的硅中。仍合并了傳統(tǒng)SLARC技術(shù)的方法包括如下修改上述示例過(guò)程的步驟4，以在傳統(tǒng) SLARC之后涂覆膨脹失配校正材料層4，.通過(guò)PECVD在前表面上的四層ARC沉積；a. 100埃富氫氮化硅(可選)；b. 600埃折射率為2. 0-2. 1的氮化硅；c. 1000埃折射率為1. 5-1. 6的二氧化硅或氮化硅。可選地，該層可以包括針對(duì)激光摻雜步驟(步驟8)的摻雜劑。折射率在光學(xué)上與模塊形成期間要使用的密封劑匹配，以消除在激光摻雜工藝之前去除摻雜劑源層的需要，或者可選地可以在完成熱處理之后去除該層。還應(yīng)注意到上述如和4b潛在地可以與該實(shí)施例相結(jié)合，以成為大約700埃厚度的
單層氮化硅。如果滿足特定條件，則可以使用促進(jìn)零厚度的第一(即，鈍化)層的當(dāng)前多層ARC 的變型，以消除對(duì)這種高質(zhì)量表面鈍化的需要。這些包括a)首先，器件僅需要實(shí)現(xiàn)低于650mV的相對(duì)低電壓，因此不需要相同質(zhì)量的表面鈍化；b)其次，具有擴(kuò)散表面的器件，擴(kuò)散表面減少對(duì)這種低表面復(fù)合速度的需要，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)器件的給定開(kāi)路電壓；c)第三，具有小于1微米深度的淺結(jié)的器件，使得與當(dāng)使用步驟如中的第一層相比較時(shí)低的表面復(fù)合速度對(duì)于從接近300-500nm的短光波長(zhǎng)產(chǎn)生的電荷載流子的收集概率不具有嚴(yán)重結(jié)果；以及d)第四，在將原子氫合并到步驟4b中沉積的層中且使得該層足夠薄，使得不用作太嚴(yán)格的屏障導(dǎo)致原子氫無(wú)法傳遞至硅中以鈍化晶粒邊界的情況下，將氮化硅層沉積到晶片的背面，以提供針對(duì)晶粒鈍化的氫源。多層ARC的潛在使用的另一示例是關(guān)于單晶硅材料，其中不需要晶粒邊界鈍化。 在這種情況下，在步驟如中沉積的第一層可以薄很多，因?yàn)樾枰俚枚嗟脑託洹Ｍㄟ^(guò)使該層更薄，同樣可接受的是，通過(guò)使該層富含硅使該層的折射率遠(yuǎn)超過(guò)氮化硅的折射率，而不必?fù)?dān)心對(duì)光的短波長(zhǎng)的過(guò)度吸收。更高折射率層提供具有更低界面缺陷密度的更好表面鈍化，這在利用更高質(zhì)量單晶硅晶片可行的高電壓器件中是重要的。在多層ARC的這種實(shí)現(xiàn)方式中，第二和第三層仍執(zhí)行上述示例中描述的功能，并且可以具有如前所述的沉積參數(shù)。在使用多層ARC的另一示例中，如果使用熱擴(kuò)散來(lái)代替激光摻雜，來(lái)產(chǎn)生金屬接觸下的重度摻雜區(qū)域，則ARC可以用作擴(kuò)散掩模。在這種情況下，ARC的第三層需要相當(dāng)厚， 因?yàn)閾诫s劑也擴(kuò)散到氮化硅層以及暴露的硅中，除非例如通過(guò)對(duì)摻雜劑的噴墨印刷選擇性地將摻雜劑沉積在局部化區(qū)域中。在任一情況下，同樣需要低熱膨脹系數(shù)的第二層，以防止在熱擴(kuò)散工藝期間硅表面被置于張力下。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不背離廣義描述的本發(fā)明范圍的前提下，可以對(duì)特定實(shí)施例中所示的本發(fā)明進(jìn)行各種變型和/或修改。因此這些實(shí)施例在所有方面應(yīng)視為示意性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體器件制造期間在該半導(dǎo)體器件的表面上對(duì)半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域進(jìn)行摻雜的方法，其中，所述半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域是利用介電材料表面層來(lái)涂覆的，并且在一個(gè)或多個(gè)局部化區(qū)域中執(zhí)行所述摻雜，所述方法包括對(duì)待摻雜區(qū)中的半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行局部加熱，以局部地熔化半導(dǎo)體材料，其中在存在摻雜劑源的情況下執(zhí)行所述熔化， 從而來(lái)自摻雜劑源的摻雜劑被吸收到熔化的半導(dǎo)體中，其中以受控方式來(lái)執(zhí)行所述加熱， 使得待摻雜區(qū)中的半導(dǎo)體材料的表面的區(qū)域在多于一微秒的時(shí)間段上保持在熔化狀態(tài)，而不會(huì)再凝結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供介電材料表面層以執(zhí)行表面鈍化涂層、抗反射涂層或電鍍掩模的功能中的一個(gè)或多個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，通過(guò)對(duì)待摻雜區(qū)內(nèi)的區(qū)域順序地進(jìn)行局部加熱，來(lái)漸進(jìn)地?fù)诫s待摻雜區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在半導(dǎo)體材料的表面上連續(xù)掃描加熱源，使得被加熱的區(qū)域在表面上連續(xù)移動(dòng)，創(chuàng)建移動(dòng)的熔化邊緣以及從再凝結(jié)的摻雜材料區(qū)域延伸的熔化尾部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，在半導(dǎo)體材料的表面上連續(xù)掃描加熱源，使得當(dāng)前加熱的區(qū)域與先前加熱的區(qū)域交疊，從而對(duì)一個(gè)區(qū)域的加熱對(duì)鄰近的先前加熱區(qū)域貢獻(xiàn)熱，從而降低先前加熱區(qū)域的冷卻速率，其中不再對(duì)該先前加熱區(qū)域應(yīng)用源。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，對(duì)離散的區(qū)域施加熱，使得新近加熱區(qū)域熔化，并且也對(duì)鄰近的先前加熱區(qū)域貢獻(xiàn)熱，從而降低先前加熱區(qū)域的冷卻速率，其中不再對(duì)該先前加熱區(qū)域應(yīng)用源。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，加熱源具有恒定輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其中，加熱的強(qiáng)度隨時(shí)間在用于初始熔化區(qū)域的較高級(jí)別與用于保持熔化狀態(tài)的較低級(jí)別之間變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在熔化區(qū)域之后降低加熱的級(jí)別，直到被加熱的區(qū)域以小于預(yù)定百分比與已熔化區(qū)域交疊。
10.根據(jù)權(quán)利要求6、8或9所述的方法，其中，使區(qū)域經(jīng)歷再凝結(jié)和再熔化，以實(shí)現(xiàn)所需的摻雜級(jí)別。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，再熔化發(fā)生不超過(guò)三次。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，再熔化發(fā)生不超過(guò)一次。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)在半導(dǎo)體材料的表面上掃描一個(gè)或多個(gè)激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱，使得激光束所輻射的局部區(qū)域產(chǎn)生熔化區(qū)域，并且在表面上掃描激光漸進(jìn)地熔化表面材料的連續(xù)線。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，連續(xù)波(cw)激光器用于加熱半導(dǎo)體材料的表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至6或7至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)在半導(dǎo)體材料的表面上掃描一個(gè)或多個(gè)激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱，使得激光束所輻射的局部區(qū)域產(chǎn)生熔化區(qū)域，并且在表面上掃描激光漸進(jìn)地熔化鄰近的這類區(qū)域，以形成與這類區(qū)域交疊的連續(xù)組。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器以脈沖化操作來(lái)操作，在脈沖化操作中，該單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器發(fā)射多個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖均短于Q開(kāi)關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時(shí)間，其中脈沖輻射半導(dǎo)體的交疊區(qū)域，以仿真cw激光器的效果。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，脈沖的重復(fù)周期小于0.02 μ S。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，脈沖的重復(fù)周期是恒定的，以仿真恒定輻射cw 激光器的輸出。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，在被加熱表面上以實(shí)質(zhì)上恒定的輻射級(jí)別來(lái)操作激光器的掃描光束，選擇掃描速度以熔化表面，并且在至少1微秒但不大于10微秒的時(shí)間段內(nèi)保持半導(dǎo)體材料的表面上的給定點(diǎn)在熔化狀態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，撞擊在表面上以局部地加熱表面的一個(gè)或多個(gè)激光束的平均輻射級(jí)別隨時(shí)間在至少較高平均輻射級(jí)別與較低平均輻射級(jí)別之間變化， 其中在預(yù)定時(shí)間段tl內(nèi)周期性地施加較高平均輻射級(jí)別，以使半導(dǎo)體器件的表面上的未熔化的半導(dǎo)體材料在所述時(shí)間段tl內(nèi)熔化，在時(shí)間段tl之后的另一時(shí)間段t2內(nèi)施加較低平均輻射級(jí)別，較低平均輻射級(jí)別在時(shí)間段t2內(nèi)保持熔化的半導(dǎo)體材料在熔化狀態(tài)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，cw激光器輻射級(jí)別與掃描速度同步地循環(huán)地改變，使得激光器的平均輻射級(jí)別在熔化時(shí)間段期間增加，然后減小，直到光束已經(jīng)充分地在表面上移動(dòng)了小于光束的預(yù)定百分比，從而仍暴露熔化半導(dǎo)體材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，循環(huán)功率變化的周期對(duì)應(yīng)于由光束寬度除以掃描速度，并且較高輸出的時(shí)間段是周期的50%或更少。
23.根據(jù)權(quán)利要求20、21或22所述的方法，其中，在較低輻射時(shí)間段t2期間，已熔化的半導(dǎo)體材料的溫度在至少一微秒內(nèi)保持在1414°C與3265°C之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，在較低輻射時(shí)間段t2期間，熔化半導(dǎo)體材料的溫度在2至10微秒內(nèi)保持在1414°C與3265°C之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求20、21、22、23或?qū)λ龅姆椒?，其中，通過(guò)改變激光器的輸出功率來(lái)改變輻射級(jí)別。
26.根據(jù)權(quán)利要求20、21、22、23或M所述的方法，其中，通過(guò)在較低輻射時(shí)間段t2期間改變激光束的焦點(diǎn)以展寬光束，來(lái)改變輻射級(jí)別。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或沈所述的方法，其中，Q開(kāi)關(guān)激光器用于產(chǎn)生脈沖，其中輸出隨時(shí)間改變，使得每個(gè)脈沖具有較高輻射部分和較低輻射部分。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，使用產(chǎn)生輸出脈沖的Q開(kāi)關(guān)激光器提供可變的輻射，其中輸出脈沖在脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有可變功率，脈沖的第一時(shí)間段具有熔化被輻射的半導(dǎo)體材料的功率級(jí)別，第二時(shí)間段具有將被輻射和熔化的半導(dǎo)體材料保持在熔化狀態(tài)的輸出功率。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中，第二時(shí)間段具有不會(huì)燒蝕已熔化的半導(dǎo)體材料的輸出功率。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，使用以脈沖化操作進(jìn)行操作的單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器來(lái)提供可變平均輻射，在脈沖化操作中，該單個(gè)Q開(kāi)關(guān)激光器發(fā)射多個(gè)脈沖，其中每個(gè)脈沖均短于Q開(kāi)關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時(shí)間，其中，脈沖輻射半導(dǎo)體的交疊區(qū)域，脈沖的重復(fù)周期小于0. 02 μ S，并且重復(fù)周期是變化的，以仿真產(chǎn)生循環(huán)可變輸出的可變輸出CW激光器，通過(guò)提供間距更小的脈沖來(lái)產(chǎn)生較高平均輻射級(jí)別，在每個(gè)周期的第一時(shí)間段期間， 循環(huán)輸出具有熔化被輻射的半導(dǎo)體材料的平均輻射級(jí)別，以及在每個(gè)周期的第二時(shí)間段期間，循環(huán)輸出具有將被輻射和熔化的半導(dǎo)體材料保持在熔化狀態(tài)的平均輻射級(jí)別。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，第二時(shí)間段具有不會(huì)燒蝕已熔化的半導(dǎo)體材料的平均輸出輻射級(jí)別，而不管暴露時(shí)間段如何。
32.根據(jù)權(quán)利要求25或沈所述的方法，其中，使用產(chǎn)生循環(huán)可變輸出的cw激光器來(lái)提供可變輻射，在每個(gè)周期的第一時(shí)間段期間，循環(huán)可變輸出具有熔化被輻射的半導(dǎo)體材料的功率級(jí)別，以及在每個(gè)周期的第二時(shí)間段期間，循環(huán)可變輸出具有將被輻射和熔化的半導(dǎo)體材料保持在熔化狀態(tài)的功率級(jí)別。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，第二時(shí)間段具有不會(huì)燒蝕已熔化的半導(dǎo)體材料的輸出功率。
34.根據(jù)權(quán)利要求20至沈中任一項(xiàng)所述的方法，其中，一個(gè)以上激光器用于加熱半導(dǎo)體的表面。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，一個(gè)激光器用于熔化表面，第二個(gè)激光器用于在足以允許摻雜劑被吸收的時(shí)間段內(nèi)保持溫度。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，Q開(kāi)關(guān)激光器用于加熱表面。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，第一Q開(kāi)關(guān)激光器用于以脈沖速率和掃描速度來(lái)熔化半導(dǎo)體材料，所述脈沖速率和所述掃描速度被選擇為對(duì)于連續(xù)脈沖允許暴露區(qū)的交疊。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中，Q開(kāi)關(guān)激光器的脈沖具有利用單個(gè)激光脈沖來(lái)熔化半導(dǎo)體材料的強(qiáng)度，并且具有小于脈沖重復(fù)周期的10%的持續(xù)時(shí)間。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中，每個(gè)激光脈沖與先前的脈沖以10至50%的脈沖暴露區(qū)域而交疊。
40.根據(jù)權(quán)利要求37、38或39所述的方法，其中，第二激光器用于確保半導(dǎo)體材料在第一激光器的脈沖之間保持熔化。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中，第二激光器是以恒定輸出操作的cw激光器。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中，第二激光器是Q開(kāi)關(guān)激光器。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，第二激光器操作為在第一激光器的脈沖之間的時(shí)間段中，以低于第一激光器的較低輻射產(chǎn)生輸出脈沖，以延長(zhǎng)第一激光器所熔化的半導(dǎo)體材料保持熔化的時(shí)間。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，第二激光器以脈沖化操作進(jìn)行操作，在脈沖化操作期間，該第二激光器發(fā)射多個(gè)脈沖，其中每個(gè)脈沖均短于Q開(kāi)關(guān)激光器的最大脈沖持續(xù)時(shí)間，其中脈沖的重復(fù)周期小于0. 02 μ s，并且重復(fù)周期是恒定的，以至少在第一激光器的脈沖之間的時(shí)間段期間仿真恒定輸出cw激光器。
45.根據(jù)權(quán)利要求1至44中任一項(xiàng)所述的方法，其中，待摻雜區(qū)包括整個(gè)表面，以創(chuàng)建表面發(fā)射極層。
46.根據(jù)權(quán)利要求1至45中任一項(xiàng)所述的方法，其中，待摻雜區(qū)包括整個(gè)表面的一部分，在所述一部分處要在太陽(yáng)能電池的被照射表面上形成接觸。
47.根據(jù)權(quán)利要求1至45中任一項(xiàng)所述的方法，其中，半導(dǎo)體材料是硅。
48.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，介電層承載摻雜劑原子以作為摻雜劑源。
49.根據(jù)權(quán)利要求1至47中任一項(xiàng)所述的方法，其中，摻雜劑源是位于介電層上面或下面且承載摻雜劑原子的涂層。
50.根據(jù)權(quán)利要求1至47中任一項(xiàng)所述的方法，其中，摻雜劑原子在硅中存在于未激活狀態(tài)下，以作為摻雜劑源，從而當(dāng)熔化的硅結(jié)晶時(shí)摻雜劑原子被吸收到硅結(jié)構(gòu)中。
51.根據(jù)權(quán)利要求1至47中任一項(xiàng)所述的方法，其中，摻雜劑源在氣體狀態(tài)下，并且所述加熱在包含氣體摻雜劑源的環(huán)境下執(zhí)行。
52.根據(jù)權(quán)利要求1至47中任一項(xiàng)所述的方法，其中，摻雜劑源在液體狀態(tài)下，并且所述加熱在將液體摻雜劑源施加于被加熱的表面時(shí)執(zhí)行。
53.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在允許摻雜劑在整個(gè)熔化的半導(dǎo)體材料中實(shí)質(zhì)上均勻分布的時(shí)間段內(nèi)，將硅材料的表面保持在熔化狀態(tài)。
54.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在允許所有熔化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相同的整體摻雜劑極性的時(shí)間段內(nèi)，將硅材料的表面保持在熔化狀態(tài)。
55.一種太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，所述太陽(yáng)能電池包括其中形成有結(jié)的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，抗反射涂層位于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上，并且包括熱膨脹失配校正材料的薄層以提供熱膨脹系數(shù)失配校正，該熱膨脹失配校正材料的熱膨脹系數(shù)小于或等于半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)；以及抗反射層，具有被選擇為與半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)相匹配的折射率和厚度，以向太陽(yáng)能電池賦予良好的總抗反射特性。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)基于晶體硅半導(dǎo)體材料。
57.根據(jù)權(quán)利要求M或55所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，熱膨脹失配校正材料位于抗反射層下面。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，在形成熱膨脹失配校正層之前，通過(guò)在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上涂覆介電層表面，來(lái)鈍化半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的前表面區(qū)域。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，前表面鈍化層包括 10到200埃厚度范圍內(nèi)的薄氮化硅層，熱膨脹失配校正層位于鈍化層之上并且包括100到 300埃厚度范圍內(nèi)的二氧化硅或氮氧化硅層，并且抗反射層位于熱膨脹失配校正層之上并且包括300到800埃范圍內(nèi)的氮化硅層。
60.根據(jù)權(quán)利要求57、58或59所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，附加摻雜劑源層位于抗反射層之上。
61.根據(jù)權(quán)利要求60所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，附加摻雜劑源層具有近似1. 5的折射率，以在光學(xué)上與后續(xù)施加的密封劑材料相匹配。
62.根據(jù)權(quán)利要求60或56所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，熱膨脹失配校正材料層位于抗反射層之上。
63.根據(jù)權(quán)利要求62所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，抗反射層包括300到 800埃范圍內(nèi)的氮化硅層，并且熱膨脹失配校正層包括300埃至1微米厚度、折射率在1. 5 到1. 6范圍內(nèi)的二氧化硅或氮氧化硅層。
64.根據(jù)權(quán)利要求62或63所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，熱膨脹失配校正層包括摻雜劑，并且在前表面激光摻雜工藝期間用作摻雜劑源。
65.根據(jù)權(quán)利要求62、63或64所述的太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層，其中，熱膨脹失配校正層具有近似1. 5的折射率，以在光學(xué)上與施加于太陽(yáng)能電池的密封劑材料相匹配。
66.一種制造太陽(yáng)能電池的多層抗反射涂層的方法，其中，所述太陽(yáng)能電池包括其中形成有結(jié)的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，抗反射涂層在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上形成，并且所述方法包括形成熱膨脹失配校正材料的薄層以提供熱膨脹系數(shù)失配校正，該熱膨脹失配校正材料的熱膨脹系數(shù)小于或等于半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)；以及在熱膨脹失配校正材料下面或上面形成抗反射層，抗反射層被選擇為具有使抗反射層與半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)相匹配的折射率和厚度，以向太陽(yáng)能電池賦予良好的總抗反射特性。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，其中，半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)基于晶體硅半導(dǎo)體材料。
68.根據(jù)權(quán)利要求66或67所述的方法，其中，熱膨脹失配校正材料在抗反射層之前形成。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的方法，其中，在形成熱膨脹失配校正層之前，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面的表面處理，來(lái)鈍化半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的前表面區(qū)域，該鈍化處理包括介電層表面涂覆。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中，前表面鈍化處理包括在形成熱膨脹失配校正層和抗反射層之前，形成10到200埃厚度范圍內(nèi)的薄氮化硅層，熱膨脹失配校正層包括100 到300埃厚度范圍內(nèi)的二氧化硅或氮氧化硅層，并且抗反射層包括300到800埃范圍內(nèi)的氮化硅層。
71.根據(jù)權(quán)利要求68、69或70所述的方法，其中，在抗反射層之上涂覆附加摻雜劑源層。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的方法，其中，形成折射率近似1.5的附加摻雜劑源層，以在光學(xué)上與后續(xù)施加的密封劑材料相匹配。
73.根據(jù)權(quán)利要求72所述的方法，其中，在使用摻雜劑源層的摻雜劑形成摻雜的表面區(qū)域之后，去除所述附加摻雜劑源層。
74.根據(jù)權(quán)利要求66或67所述的方法，其中，在抗反射層之后形成熱膨脹失配校正材料層。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的方法，其中，抗反射層包括300到800埃范圍內(nèi)的氮化硅層，并且熱膨脹失配校正層包括300埃至1微米厚度、折射率在1. 5到1. 6范圍內(nèi)的二氧化硅或氮氧化硅層。
76.根據(jù)權(quán)利要求74或75所述的方法，其中，熱膨脹失配校正層包括摻雜劑，并且在前表面激光摻雜工藝期間用作摻雜劑源。
77.根據(jù)權(quán)利要求74、75或76所述的方法，其中，熱膨脹失配校正層具有近似1.5的折射率，以在光學(xué)上與后續(xù)施加的密封劑材料相匹配。
全文摘要
通過(guò)以下方式在半導(dǎo)體器件制造期間在該半導(dǎo)體器件的表面上摻雜半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域利用介電材料表面層來(lái)涂覆半導(dǎo)體材料的表面區(qū)域，以及對(duì)待摻雜區(qū)中半導(dǎo)體材料的表面進(jìn)行局部加熱，以局部地熔化半導(dǎo)體材料，在存在摻雜劑源的情況下執(zhí)行所述熔化。以受控方式來(lái)執(zhí)行所述加熱，使得待摻雜區(qū)中的半導(dǎo)體材料的表面的區(qū)域在多于一微秒的時(shí)間段上保持在熔化狀態(tài)，而不會(huì)再凝結(jié)。來(lái)自摻雜劑源的摻雜劑被吸收到熔化的半導(dǎo)體中。半導(dǎo)體器件包括其中形成結(jié)的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，并且包括多層抗反射涂層?？狗瓷渫繉游挥诎雽?dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的光接收表面上，并且包括熱膨脹失配校正材料的薄層以提供熱膨脹系數(shù)失配校正，該熱膨脹失配校正材料的熱膨脹系數(shù)小于或等于半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)。提供具有被選擇為與半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)匹配的折射率和厚度的抗反射層，以向太陽(yáng)能電池賦予良好的總抗反射特性。
文檔編號(hào)H01L31/00GK102484051SQ201080007291
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者利·梅, 季靜佳, 布迪·賈約諾, 斯圖爾特·羅斯·韋納姆, 施正榮, 艾莉森·瑪里·韋納姆, 齊夫·漢梅里 申請(qǐng)人:尚德國(guó)際有限責(zé)任公司, 新南創(chuàng)新私人有限公司