[发明专利]薄膜的区段熔融重结晶

说明书

优先权

本申请是2011年1月20日提交的U.S.13/010,700的部分继续申请并且要求来自2010年1月20日提交的美国临时申请61/296,799的优先权，所述申请都通过引用并入。

相关申请的交叉引用

本申请与美国申请12/074,651、12/720,153、12/749,160、12/789,357、12/860,048、12/860,088、12/950,725、13/010,700、13/019,965、13/073,884、13/077,870、13/214,158和U.S.7,789,331部分有关；所有这些申请为相同受让人所拥有并且通过引用全文并入。在引用的材料中引证附加技术说明和背景。

技术领域

本技术通常涉及一种用于实现薄膜中的大晶粒生长的工艺，具体应用于制备用于在光伏器件中使用的硅层。

背景技术

已经在许多如下应用中讨论和实施区段熔融重结晶（ZMR），这些应用要求在已经生产出具有标准结晶性质的材料之后形成高质量、低故障晶格。这一应用的示例是在太阳电池制作或者平板显示器件中的薄膜沉积。在这两种情况下，如果沉积为非晶的，则需要重结晶表面以实现器件所需的电性质。

ZMR的基本要求是生成足够的局部热以便熔融沉积的材料的部分并且在离开区段的材料固化并且根据充当种子的在熔融区段后面的材料的晶态结构重结晶时继续熔融进入区段的新材料。在文献中记录好的常见方法使用聚焦于经历ZMR的表面的高功率卤素灯或者碳条加热元件，所述碳条通过让高电流通过条来加热，依赖于碳的电阻生成热。这两个应用都能够ZMR，但是需要有效控制并且在制造环境中不易实施。此外，卤素灯和碳条加热元件需要大量基部加热器以升高处理的器件的总温度至大约1000-1200℃，ZMR在这一点能够有效重结晶几微米厚度的层，通常为2至5μm。

另一常见应用基于受激准分子激光器并且用于在薄膜晶体管（TFT）平板显示器（FPD）中使用。用于TFT FPD的沉积是沉积与在太阳能应用中的近似30微米的最优层厚度比较的通常以nm为单位测量的非晶硅层。如对于TFT应用而进行的受激准分子激光器重结晶产生近似0.1微米的晶体域。为了实现必需电子性质而在太阳能应用中需要的晶体域是mm到cm级。对于ZMR的太阳能应用，能量必须传播入硅层中。换而言之，在太阳能应用中的ZMR实现方式是容量过程（volume process），显著区别于现有的基于受激准分子激光器的ZMR。

K.Yamamoto在Thin film crystalline silicon solar cells,JSAP International,No.7,January2003中指出用于多晶、薄膜太阳电池的合乎需要的材料特性。对于在500mV以上的断路电压Voc，必须优化晶粒大小和载体寿命；例如在约0.1微米的晶粒大小下，在晶界的重组速率必须小于1,000cm/s。Yamamoto指出对于实现这些性质有益的若干处理参数、即晶粒的氢钝化、低氧含量和<110>取向或者至少优选<110>取向。通过引用将Yamamoto全文并入并且附带于此。

U.S.7,645,337公开一种用于提供具有受控微结构的多晶膜的复杂方法；用复杂光学装置和精确激光图案实现薄硅膜的优选取向。在现有技术中发现如图1、2和3中所示的示例熔融区段。图1来自Fraunhoffer ISE,Eyer,A;Haas,F;Kieliba,T;A Zone Melting Recrystallisation(ZMR)Processor for400mm Wide Samples,19^thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conference,7-11June,2004。Eyer等人聚焦于薄的5μm层，在其上外沿生长更厚的层。熔融机制基于很集中的线熔融，该线熔融产生高的热梯度。在线熔融以外，重结晶工艺立即开始；Eyer报告如图1中所示1-1.5mm的熔融区段。图2是来自这一实验室的示例，该示例利用小于1mm的熔融线宽以实现近似1mm宽的窄熔融。在所有情况下，重结晶表面看似图2。我们发现了沿熔融区段传播方向的伸长晶体的截然不同的重结晶图案，其对于证明的所有方法都是典型的，无论它是石墨带、激光ZMR或者卤素ZMR。图3来自设备制造商TCZ——Cymer的子公司。受激准分子激光器用来生成薄膜硅重结晶，该薄膜硅重结晶能够生成近似10微米长的晶体，示出的所有三种情况是对于具有迅速重结晶的约1mm宽的“薄”熔融区段。