本发明大体上涉及包括用于制造材料的方法和设备的技术。更 具体地，本方法和设备包括用于从散料(例如，硅锭)中解理自支 撑(free-standing)厚膜的温度控制。这种自支撑厚膜被用作诸如太 阳能电池的光电材料。然而，应当了解，根据本发明的实施例具有 更宽的应用范围，其还可以被应用于其他类型的应用，例如，用于 集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机电系 统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、制动器、集成电路、半导 体衬底制造、生物和生物医学器件等的三维封装。

从一开始，人类就依赖太阳来获得几乎所有可用形式的能量。 这种能量来自于石油、发光物、木材、和各种形式的热能。仅作为 实例，人类已非常依赖诸如煤和汽油的石油资源，用以满足他们的 大多数需要。不幸地，这种石油资源已耗尽并导致了其他问题。作 为替代品，建议使用部分太阳能，以减少我们对石油源的依赖。仅 作为实例，可以通过通常由硅制成的“太阳能电池”来获得太阳能。
硅太阳能电池当暴露于来自太阳的太阳辐射中时生成电能 (electrical power)。该辐射与硅的原子之间进行交互，以及形成移 动至硅衬底中的p掺杂区和n掺杂区并在掺杂区之间产生压差和电 流的电子和空穴。根据应用，太阳能电池与集中元件(concentrating element)集成以提高效率。作为实例，太阳辐射利用将这种辐射引 导至有源光电材料的一个或多个部分的集中元件来进行蓄能和聚 焦。虽然有效，但是这些太阳能电池仍然具有许多限制。
仅作为实例，太阳能电池依赖诸如硅的原材料。经常使用多晶 硅和/或单晶硅材料来制成这种硅。这些材料通常难以制造。多晶硅 电池通常通过制造多晶硅板来形成。虽然可以节约成本的方式形成 这些多晶硅板，但是它们不能在捕获太阳能和将所捕获的太阳能转 换为可用的电能的过程中展现出最大可能效率。相反地，单晶硅 (c-Si)展现了适于高级太阳能电池的性能。然而，这种单晶硅制 造成本高并很难以有效且节约成本的方式用于太阳能应用。具体地， 用于制造集成到太阳能电池的单晶硅衬底的技术涉及将单晶硅厚膜 从原始生长的单晶硅锭中分离出来。
根据以上，可以看出期望改进用于制造包括太阳能电池的集成 电路装置应用的自支撑厚膜的技术。

根据本发明的实施例总体上涉及包括用于在从诸如硅锭的散料 中解理自支撑厚膜期间进行温度控制的方法和设备的技术。这种自 支撑厚膜被用作诸如太阳能电池的光电材料。然而，应当了解，本 发明具有更宽的应用范围；其也可以应用于其他类型的应用，例如， 用于集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机 电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、制动器、集成电路、 半导体衬底制造、生物和生物医学器件等的三维封装。
可以在期望的表面温度下利用离子物种的注入使具有15μm或 以上厚度的半导体材料的自支撑厚膜从散料中解理。在一个实施例 中，解理涉及利用机械夹具(clamp device)在温控台上通过密封部 (seal)可去除地放置(hold)散料，然后在较低的第一温度下注入 诸如离子的粒子以产生解理区，接着在较高的第二温度下注入诸如 离子的粒子以提高解理区中的应力。在另一实施例中，温控台和散 料底部之间的密封产生了能够填充具有可调节气压的气体的薄腔。 在又一实施例中，通过调节薄腔中的气压，来控制从散料表面到散 料底部的热传递以及进一步控制用于进行注入的表面温度。在一些 实施例中，散料的底部(例如，利用导热粘合剂或导热环氧树脂) 被粘合至热的机械衬板，该衬板能够有助于散料的设置和处理。根 据特定实施例，衬板横截面的尺寸可以稍大于、稍小于、或等于散 料的尺寸。根据特定实施例，衬板可以在其他散料上重新使用。所 得到的解理后的诸如单晶硅的半导体材料的自支撑厚膜尤其适于聚 集太阳能。
在一个具体实施例中，本发明提供了一种用于对厚膜材料的制 造进行温度控制的设备。该设备包括台，其包括用于支撑将要注入 的散料的平面。散料包括表面区、侧面区、和底部区。侧面区、底 部区、和表面区均提供了具有限定在底部区和表面区之间的长度的 材料容量。该设备还包括机械夹具，用于将散料的底部区连接 (engage)至台的平面，以使散料与平面物理接触，从而在散料的 表面区基本上暴露的同时通过散料和台的平面之间的界面区来传递 热能。另外，该设备还包括传感器装置，被配置为测量表面区的温 度值。该传感器装置用于生成输入数据。此外，该设备包括注入装 置，被配置为通过散料表面区的一个或多个部分来执行多个粒子的 注入。此外，该设备包括控制器，被配置为接收输入数据，并处理 输入数据以至少通过在台的平面和散料的底部区之间的界面区来增 大和/或减小散料的表面区的温度值。
在另一具体实施例中，本发明提供了一种设置用于制造一个或 多个厚膜的散料的设备。该设备包括台，其包括用于支撑散料的平 面。散料包括平坦化的表面区、平坦化的末端区、和具有从表面区 到末端区的长度的侧面区。该设备还包括机械夹具，其用于将散料 的平坦化的末端区与台的平面连接起来，以使表面区和从表面区开 始的侧面区的至少70％长度基本上暴露并能够使其解理，以在没有 夹具干涉的情况下制造一个或多个厚膜。
在另一个具体实施例中。本发明提供了一种用于在从散料中解 理多个自支撑厚膜的处理期间进行温度控制的方法。该方法包括提 供用于进行解理的散料。该散料包括表面区、底部区、具有从表面 区到底部区的长度的侧面区。另外，该方法还包括利用机械夹具固 定散料，该机械夹具用于通过密封部将散料的底部区与台的平面连 接起来以形成具有底部区和平面之间的高度的腔。平面包括多个气 体通道，其允许将具有可调节气压的气体填充到腔中。该方法还包 括检测散料的状态以生成输入数据。该输入数据包括在表面区和底 部区处以及在表面区和底部区之间的散料的长度的温度信息。此外， 该方法包括通过至少处理输入数据，并执行利用离子轰击来加热表 面区、进行辐射以加热表面区、和在底部区和台之间进行气辅传导 (gas-assisted conduction)中的至少一个或多个的控制方案来维持表 面区温度。
在另一个具体实施例中，本发明提供了一种用于处理用于厚膜 传递的半导体材料的方法。该方法包括将散状半导体材料设置到台 的平面上。该散状半导体材料包括表面区、侧面区、和底部区。侧 面区、底部区、和表面区供了具有限定在底部区和表面区之间的长 度的材料容量。底部区连接至台的平面。另外，该方法包括利用机 械夹具来固定散料，该机械夹具用于将散料的底部表面连接至台的 平面，以使散料与平面物理接触，从而使得在散料的表面区基本上 暴露的同时热能在散料和台的平面之间传递。此外，该方法还包括 表面区基本上暴露并通过机械夹具被保持在台的平面上的同时对散 料的表面区进行处理。
在另一个实施例中，本发明提供了一种用于从散料中逐渐解理 自支撑厚膜的方法。该方法包括利用机械夹具将散料固定在台上。 该散料具有表面区、侧面区、和底部区。表面区与侧面区相连并定 位于从侧面区开始的约90度角处，以限定容量。机械夹具用于与散 料的底部区和/或侧面区相连接，从而底部区牢固地与台连接。另外， 该方法还包括表面区基本上不受来自表面区法向上的任何物理干扰 (physicai interference)。该方法还包括在表面区基本上不受来自表 面区处理的任何物理干扰的同时至少对表面区进行处理。此外，该 方法包括在表面区处理期间选择性地维持表面区的温度。
根据特定实施例，可以通过衬板或对接板热接触并机械接触与 表面区相对的散料的底部区。可以利用粘合剂或其他技术将散料固 定于这种衬板上，而该板的相反面放置在温控台上。衬板的特定实 施例也能够允许夹持安置。在这样的实施例中，利用夹持安置的衬 板排除了直接夹持散料的需要，并通过使将解理的散料更接近于底 部区来提高散料的利用率。
使用根据本发明实施例的衬板还可以期望地放宽对于散料平坦 化的公差，从而降低成本。例如，在特定条件下，锭的底部可以稍 微不平。然而，这种不平坦可以通过在衬板和基座之间的附件来弥 补。具体地，衬板可以具有引脚或底座以有助于锭与其对齐。
在具体实施例中，与散料接触的衬板一侧可以具有凹陷区，其 被配置为接收容纳密封元件的一部分。例如，这种密封元件可以是 由适合的材料(例如，由DuPont Performance Elastomers L.L.C.提供 的KalrezTM)制成的O型环，其布置在衬板的边缘区附近内。在具 体实施例中，可以在边缘区的内部区中涂敷粘合剂，同时O型环密 封并保持内部区中的粘合剂材料。
根据具体实施例，可以在衬板和散料之间提供导电性。底座引 脚(seating pin)或其他类型的连接装置可以在空间上布置在限定在 O型环内的内部区中或在缺少O型环的卡盘的具体实施例的内部区 中。这种底座引脚可以使散料电连接且机械连接至适配器。
利用本发明的实施例，通过现有技术可以实现许多优点。具体 地，本发明的实施例使用节省成本的线性加速器装置和用于为层传 输技术提供高能量注入处理的方法。这种线性加速器装置可以包括 但不限于漂移管技术、射线四极(通常称为RFO)、或它们的结合 (例如，与漂移管直线加速器或RFI(RF聚焦交叉指型)线性加速 器相结合的RFO)、和其他适合的技术。线性加速器的实例可以在 通常所分配的第60/864584号美国临时申请中找到，其全部用途结 合于此作为参考。在优选实施例中，本方法和装置形成由施主衬底 (donor substrate)中的解理面(cleave plane)限定的可传热材料的 厚度。可以进一步处理可传热材料的厚度，以为诸如光电装置、3D MEMS或集成电路、IC组件、半导体装置、它们的结合等的应用提 供高质量的半导体材料。除此之外，在优选实施例中，本方法还提 供了用于高效光电池的单晶硅。在优选实施例中，本发明和结构使 用低初始剂量的高能粒子，从而节省了处理成本且高效。另外，本 方法和结构允许制造大面积衬底。可以发现，本发明可以应用于制 造期望的形状因数(例如，对于多晶硅板，面积尺寸从15cm×15cm 至1m×1m以上，厚度为50μm-200μm)的薄硅材料板。在可选 的优选实施例中，根据本发明的实施例可以提供种子层，其可以进 一步提供用于进行异质结构外延处理的层。除此之外，异质结构外 延处理还可用于形成薄多结光电池。仅作为实例，可以将GaAs和 GaInP层异质外延地沉积到锗种子层上，该锗种子层是利用根据本 发明实施例的注入处理形成的传递层。在具体实施例中，可以将本 方法顺序地应用于使多个薄片从单个锭(例如，硅晶锭)中解理。 即，可以根据具体实施例重复本方法，以顺序地解理薄片(类似于 从一块面包中切多片面包)。在优选实施例中，本发明提供了出于机 械和热量的目的夹持散状硅碇的夹持和/或保持装置。当然，还可以 存在其他改进、修改、和变化。
以下，可以通过本说明书更详细地描述这些或其他优点。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的用于对厚膜材料的制造进行温 度控制的设备的简图。
图1A示出了根据本发明实施例的包括在图1的设备中的控制 器的简图。
图1B示出了根据本发明实施例的包括在图1A的控制器中的计 算机系统中的子系统的更详细示图。
图2A示出了根据本发明实施例的通过机械夹具经由在侧面区 处的凹槽而保持在台上的散料的简化截面图。
图2B示出了根据本发明实施例的通过机械夹具夹持的具有环 形横截面形状的散料的简化俯视图。
图2C示出了根据本发明另一实施例的通过机械夹具夹持的具 有六边形横截面形状的散料的简化俯视图。
图2D示出了根据本发明另一实施例的通过机械夹具经由在底 部区处的锁定结构(1ock structure)夹持的散料的简化截面图。
图2E示出了根据本发明实施例的在没有凹槽的情况下通过直 接在侧面区处的机械夹具保持在台上的散料的简化截面图。
图2F示出了根据本发明实施例的在没有凹槽的情况下通过直 接在侧面区处的机械夹具夹持的图2E的散料的简化俯视图。
图3示出了根据本发明实施例的具有闭环凹槽(close-looped groove)的散料的底部区的简图。
图4示出了根据本发明实施例的利用在散料和台之间填充又气 体的密封腔，通过夹具而被保持在具有台上的散料的简化截面图。
图5示出了根据本发明实施例的在注入和解理处理期间进行温 度控制的方法的简化流程图。
图6-11是示出了根据本发明实施例的在温度控制下从散料中 解理自支撑膜的方法的简图。
图12示出了根据本发明实施例从散料中去除的多个自支撑厚 膜的简图。
图13A-E示出了本发明实施例采用的将散料固定在温控台的各 种方法。

本发明大体上涉及包括用于制造材料的方法和设备的技术。更 具体地，本方法和设备包括用于从散料(例如，硅锭)中解理出自 支撑厚膜的温度控制。这种自支撑厚膜被用作诸如太阳能电池(solar cell)的光电材料。然而，应当了解，根据本发明的实施例具有更宽 的应用范围；其也可以应用于其他类型的应用，例如，用于集成半 导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微型机电系统 (“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、制动器、集成电路、半导体 衬底制造、生物和生物医学器件等的三维封装。
如本文中所使用的，术语“散料”可以是指自支撑的单晶硅或 多晶硅材料的主同质(predominantly homogenous)片，例如，单晶 硅锭或其一部分。可选地，针对本专利申请，术语“散料”也可以 是指与一个或多个附加元件(例如，上述的各种衬板的实施例，以 及用于将这种衬板固定于主同质单晶或多晶硅材料的任何O型环或 其他元件)相结合的主同质单晶或多晶硅材料。
可以利用处于MeV能级的离子物种的注入使厚度为15μm或 以上的半导体材料的自支撑厚膜从散料中解理出来。在一个实施例 中，解理涉及在较低的第一温度下注入离子以产生解理区，然后在 较高第二的温度下注入离子以提高解理区中的应力。以这种方式解 理散料基本上减少了传统上由于刮板的切口或电线切割而损失的半 导体材料的量。所得到的诸如单晶硅的半导体材料解理出来的自支 撑厚膜尤其适于聚集太阳能。
为了以下的公开，“自支撑厚膜”被定义为可以保持其结构完整 性(即，没有破裂或断裂)，且不与诸如柄或传热衬底(transfer substrate)的支撑元件相接触和/或不需要来自支撑元件的机械支撑 的材料膜。通常，薄膜(例如，具有5-10μm以及更薄的厚度的硅 膜)不能被处理而不破裂。通常，利用支持结构来处理这种薄膜， 这也将需要首先产生薄膜。可以通过使用支撑来使对较厚的膜(例 如，具有15-50μm的厚度的硅膜)的处理更容易，但是这种支撑不 是必须的。因此，本发明的实施例涉及制造具有大于15μm的厚度 的硅的自支撑厚膜。
为了确保通过可控解理处理从通过离子注入产生的解理区中成 功地去除厚度不大于150μm的自支撑厚膜，根据具体实施例，很 好控制温度的散料将是可期望的。具体地，可以通过在注入和解理 处理期间平衡一个或多个热源和/或热功率的散热器(sink)来实现 最佳温度控制。以下，可以通过本说明书更具体地发现温度控制的 其他细节。
根据具体实施例，大多数所涉及的热功率管理是CW(稳态) 热功率。CW功率通量源(power flux source)和/或散热器可以是以 下中的一个或多个：(i)温控台，具有通过高导热背部接触与散料 适当地连接的平面，即，通过气体层界面区加热或冷却；(ii)通过 迫使电流流过散料容量的IR热源(例如，电磁感应热源)；(iii)用 于从上方对表面进行加热的泛光灯或其他适当的CW辐射源，以及 上述的任意结合。当然，本领域普通技术人员应当了解其他改变、 变更、和选择。
在具体实施例中，这些CW源或散热器的目的是尽可能精确且 快速地设定所期望的散料的处理区的范围，其被限定为解理区和覆 盖在解理区上的硅层。可以经由电子控制器，通过表面温度测量值 和块温度测量值来控制这些热源或散热器，以实现处理区的期望的 全部热特性。当然，本领域的普通技术人员应当了解其他改变、变 更、和选择。
根据具体实施例，附加热能源本身就是注入照射。传统的注入 装置可以将50-100kW的束功率传送到在照射下的表面。这是在通 过注入形成解理区期间的实际附加热源。解理区基本上包括在位于 所注入的高能量离子粒子的射程末端(EOR)附近的解理平面周围 的相对集中的缺陷网络(defect network)，其中，所注入的微粒的动 能被部分地转换为热能。该热源可以是扫描CW或脉冲热源，并且 可以通过调节注入装置的占空因数以及粒子束的扫描速率和空间特 性来部分地控制该热源。扩束可以通过快速电磁扫描而发生，但是 也可以通过在光束自然地扩展到期望的束径和期望的束流空间分布 的距离上偏移光束而发生。
如果功率通量非常低，则所扩展的光束可以发生慢扫描(甚至 是不扫描)，而不会造成表面过热。例如，通过诸如5cm的较小束 径(其用于生成在每片瓦(tile)内的图样化注入剂量特性)时，功 率通量可以高达5-10kw/cm2，并且可能需要磁性或静电快速扫描以 避免表面过热。根据具体实施例，注入辐射可以与其他形式的能量 相结合。
此外，在具体实施例中，还可以通过脉冲热功率通量来处理表 面。这里，脉冲功率被定义为根据特定材料和要解理的膜厚度在热 时间常数内传递的热脉冲。例如，对于典型的硅处理区，估计时间 常数为20-50μsec。较长的热脉冲是准CW，并且可以被组合为上 述CW源。脉冲的功率通量源可以包括具有在30-50μsec内沉积的 能量的闪光灯和脉冲激光源。通过这些源传递的热脉冲可以将处理 区瞬间加热到散料的熔点，并且如果期望加热到超过熔点。
通过该处理而预期的效果是将剪应力施加到结构下的解理区 上，以降低其解理能量(cleave energy，解理能)。更具体地，由于 在注入EOR内的导热率显著降低，所以在解理面上产生了温差。温 差引起了解理面上的材料之间的CTE(热膨胀系数)不匹配和相应 的剪应力。该剪应力增加到由于将散料保持在台上的方式而存在的 内部应力和诸如硅位移应力的其他应力。
应力是平面应力(沿解理面的X-Y表面)，并且如果加热解理 面，则应力是压缩平面应力。这些会依次产生在数量上以与平面应 力与泊松比(对于硅约为0.27)的乘积成比例的平面外拉伸应力。 该应力值可以通过以下关系式来量化：
σ＝EαΔT
其中，σ是在解理区上的应力，E是杨氏模量，α是热膨胀系数，以 及ΔT是在解理面上的温差。假定热功率通量密度是以Watts/cm2为 单位的Pa，则得到以下关系式：
Pa＝κcrΔT/tcr
其中，κcr是解理区的有效导热率，以及tcr是解理区的厚度。整个膜 上的应力可以进一步由以下等式表示：
σ＝(EαtcrPaβ)/κbulk
其中，β是解理区相对于散料的传导率换算因数。因此，应力值由 功率通量Pa决定，并根据取决于注入EOR损坏的量的因数β随着 导热率的降低而增大。例如，如果散料是硅碇，则β可以为达到100。
通过利用脉冲功率通量来增大剪应力的处理可以有效地降低为 了使解理处理容易并同时有助于退火整体辐照缺陷所需的注入剂 量。当然，还可以存在其他变化、修改、和替换。
图1示出了根据本发明实施例的用于制造厚膜材料的温度控制 的设备简图。该图仅为一个实例，其不应对权利要求书的范围造成 不当的限制。本领域的普通技术人员应当了解许多变化、替换、和 修改。如图1所示，用于进行温度控制的设备100包括台120、机 械夹具130、注入装置140、传感器装置150、和控制器120。具有 平面122的台120用于支撑将要解理的散料110。通过包括由解理 面115和未分离的硅材料的覆盖膜113构成的处理区的表面区112、 侧面区117、底部区118、从表面区112到底部区118所限定的长度 111来特征化将要注入和解理的散料110。下面，将更详细地描述关 于用于进行处理的散料。
如图1所示，在一个实施例中，利用机械夹具130使台120的 平面122与散料110的底部区118接合。以表面区112以及具有散 料的至少70％的长度111(从表面区开始)的侧面区117基本上被 露出并将被解理以制造一个或多个自支撑厚膜的方式，可去除地应 用通过机械夹具130执行的夹持。例如，图2A-2F中示出了根据特 定实施例的可选夹持机构。在一个实施例中，可以将台120和机械 夹具130安装在可沿与台的平面122平行的平面二维移动的底板 170上。在另一实施例中，台120用于对作为CW功率通量源或散 热器中的一个的散料进行温度控制。通过经由在散料的底部区和台 的平面之间的高导热率的气层界面区来加热或冷却散料的接合的底 部区，在解理处理期间，台120能够改变来自表面区112的热通量 148。可选地，可以通过迫使电流经由机械夹具130流过散料110 容量来在设备100中应用感应焦耳热源。
参照图1，注入装置140用于通过利用特定功率通量145将处 于MeV能级的离子粒子导入散料的表面区112来形成解理区115。 由于来自于表面区上的粒子轰击的功率通量145，注入装置140也 可以用于通过调节注入装置140的占空因数来调整粒子功率通量从 而进行温度控制。在一个实施例中，位于表面区之上的诸如泛光灯 的一个或多个CW热源141可用于提供附加可控辐射热通量146。 在另一个实施例中，一个或多个脉冲功率通量源142也可以用于向 表面区112或者特别地向(从侧面区开始的)解理区提供脉冲热通 量以增大剪应力，从而有助于解理。
传感器装置150包括多个传感器，其包括温度传感器、位置传 感器、压力传感器、和表面粗糙度探测器。在散料110被保持在台 120上的给定时间点处和注入处理期间，传感器装置150能够收集 与散料110在该时间点处的状态相关的所有传感器数据。通过传感 器装置记录的传感器数据被传送至控制器160，并被用作输入数据 用来执行反馈/前馈控制方案，以确定控制例程，从而将散料的温度 改变和维持到注入和随后的解理处理的配方值(recipe value)。
图1A是根据本发明实施例的用于检查和执行图1的设备100 的操作以及信息处理的控制器160的简图。该示图仅为一个实例， 其不应构成对本文中权利要求书的范围的不当限制。本领域的普通 技术人员能够了解许多其他修改、替换、和变化。如图所示，控制 器160包括链接计算机系统170的控制电子装置(electronics)162。
在具体实施例中，控制器160使用控制电子装置162来执行多 种控制功能。例如，控制电子装置162包括多个电子板或功能卡。 这些板中的每一个可以分别用于连接台120以执行温度控制功能， 用于连接机械夹具130以夹持或松开散料110，用于连接用于进行 注入处理的注入装置140，用于连接用于温度控制和助于解理处理 的外部热源(例如，CW源和脉冲源142)，以及用于连接传感器装 置150以接收与散料的当前状态相关的信息并生成用于计算机系统 170的输入数据包。
在另一个具体实施例中，计算机系统179可以是运行Microsoft Corporation的WindowsTM NT操作系统的基于PentiumTM级的计算 机。然而，在不背离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员 容易地将计算机系统用于其他操作系统和体系结构。图1B是根据 本发明实施例的图1A的计算机系统170中的硬件元件的更详细示 图。该示图仅为一个实例，其不应构成对本文中权利要求书的范围 的不当限定。如图所示，计算机系统170被配置为经由I/O控制器 171接收输入传感器数据，对在中央处理器173中运行的多个控制 码165、166、167中的数据进行处理，以及经由I/O控制器171将 输出控制命令/指令发送回控制电子装置。多个控制码中的每一个都 是针对设备100中的特定控制功能而特别设计的。例如，在计算机 系统170中运行的控制码165可以是用于控制注入装置以将特定高 能离子粒子束传送到散料的表面区的操作的程序。在另一实例中， 控制码166可以是用于生成将由机械夹具执行的采样处理过程或者 将由传感器装置执行的采样监控方案的程序。在又一实施例中，控 制码167可以是能够生成用于冷却台的输出命令、增加穿过夹具的 焦耳热、和/或通过外部热源来加热表面等的程序。当然，本领域的 普通技术人员会了解许多其他修改、替换、和变化。
在具体实施例中，计算机系统170的所有硬件元件或子系统通 过系统总线175互连。例如，示出了诸如打印机174、键盘178、硬 盘179、连接至显示适配器176A的监视器176等的子系统。可以通 过诸如串口177的在本领域中已知的多种装置将连接至I/O控制器 177的外围设备和输入/输出(I/O)装置连接至计算机系统。例如， 串口177可用于将计算机系统连接至诸如调制解调器的外部接口 180，该外部接口依次连接至诸如互联网的广域网、鼠标输入装置、 或扫描仪。经由系统总线175的互连使中央处理器173能够与每个 子系统进行通信，并使中央处理器173能够控制来自系统存储器172 或硬盘179的指令的执行、以及子系统之间信息的交换。本领域普 通技术人员已经可以实现子系统和互连的其他配置。系统存储器和 硬盘是用于存储计算机程序的有形介质(tangible media)的实例， 其他类型的有形介质包括软盘、移动硬盘、诸如CD-ROM和条码的 光学存储介质、以及诸如闪存、只读存储器(ROM)、和电池备份 储器的半导体存储器。
虽然根据特定的硬件特征示出了以上部分，但是应当了解，可 存在许多变化、替换、和修改。例如，可以进一步结合或分离任何 硬件特征。还可以通过软件或者硬件和软件的结合部分地实现这些 特征。可以根据应用进一步集成硬件和软件，或者不集成它们。以 下，根据附图描述了本发明的功能的细节。
图2A和图2B示出了根据本发明实施例的通过机械夹具经由在 侧面区处的凹槽将散料保持在台上的简图。这些仅为实例，其不应 构成对权利要求书的范围的不当限制。本领域普通技术人员应当了 解许多变化、替换、和修改。可以对块装材料110A进行预处理， 除了平坦化表面区以利于注入之外，还使其具有在被配置为容纳机 械夹具的侧面区上的一个或多个凹槽，从而散料可以牢固地保持在 台120A上。图2A示出了围绕在外围侧面区的凹槽和适用于这些凹 槽以夹持散料的机械夹具的两个夹臂(clamping arm)的简化侧面图。 图2B示出了被夹持的与图2A所示相同的散料的简化俯视图，其中， 假定散料具有环形截面形状。
根据本发明的实施例，可以制备具有从表面区到底部区的期望 长度的散料110A。如图2A所示，在具体实施例中，被机械夹具131 夹持的散料110A的位置处于(在侧面区上)底部区附近，使得包 括表面区和从表面区开始的至少70％长度的侧面区的散料的至少 70％部分基本上暴露，从而在没有机械夹具介入的情况下进行处理。 散料的长度取决于材料类型，其可以根据特定设备100处理热质量 和热传输的能力来预先确定。根据膜厚度，散料的长度也确定了可 以从解理散料中得到多少自支撑膜。
例如，散料110A可以是单晶硅锭，其展示出5cm的原始长度 并具有15cm×15cm的横向尺寸(具有约3kg的重量)。在一个实 施例中，利用根据本发明实施例的技术使这种锭的大约70％的长度 解理，可以产生350个自支撑单晶硅膜，其中的每一个均具有100μm 的厚度。当1m2表示约45个具有15cm×15cm的面积的瓦片表面 时，可以从这种5cm厚的锭的70％中产生约7.8m2表面积的硅。 在另一个实施例中，解理这种锭的约70％的长度可以产生1750个 厚度为20μm自支撑单晶硅膜。在该实施例中，可以从5cm厚的 锭中产生约39m2的硅。没有被解理以形成单晶硅的剩余30％的锭 可以被重新熔化，作为高纯度原料来产生用于进行解理的新锭。
在具体实施例中，散料110可以是单晶硅锭、多晶硅铸片(cast wafer)、瓦片、或衬底、硅锗片、锗晶片、III/V族材料、II/VI族材 料、氮化镓、或碳化硅的衬底等。在具体实施例中，散料可以是感 光材料。根据诸如效率、成本、和诸如杂质吸除的后处理的因素之 间找到的折衷，单晶硅可以是来自太阳、半导体或金属等级纯度的。
可以将任何单晶材料切割成提供诸如容易解理、优选的装置操 作等优点的特定取向。例如，硅太阳能电池可以被切割为主要具有 (100)、(110)、或(111)表面取向，以得到这种类型的自支撑衬底。当 然，还可以制备具有从主晶体取向故意误切下来的取向面的原料。 当然，可存在其他变化、修改、和替换。
根据本发明的实施例，可以基于制造装备和材料类型来制备具 有多个截面形状的散料110。因此，可以改变或改进提供有可以在 没有机械夹具介入的情况下对散料的表面区和大部分侧面区进行处 理，并可以在特定解理处理结束之后将剩余的散料从夹具中放开的 夹持装备或机构。例如，图2B中示出了用于环形截面形状的，位 于相反侧上的两个弧形夹臂。在另一个实施例中，具有较长长度的 单个弧形夹臂可以用于可移除的夹持处理。在又一实施例中，具有 较短长度和可选位置的三个或多个弧形夹臂可以用于可移除的夹持 处理。图2C示出了通过在侧面区上用于凹槽103的三个矩形夹臂 132可移除地夹持的具有六边形截面形状的散料110B的简化俯视 图。图2D示出了通过机械夹具133经由来自底部区的锁紧结构104 保持在台120B上的散料110C的简化侧面图。夹臂133被用作类似 钥匙的结构。夹臂133可被插入到嵌入在散料110C的底部区中的 锁结构中，然后将其旋转一定角度至某一位置以牢固地保持或锁紧 散料110C。当然，可以存在其他变化、修改、和替换。
仍根据本发明的实施例，如图2E和图2F所示，可以通过两个 或多个C形状的机械夹具134将没有任何经过预处理的凹槽或凹口 的、处于其自然形状的诸如硅碇的散料110D夹住，并将其固定在 台120C的顶部上。夹持位置位于侧面区的下半部分(例如，在从 底部区开始测量的长度的至少30％以下)。在一个实施例中，夹持 位置允许散料110D的100％表面区暴露并可用于处理而不存在来自 夹具的物理干涉。具体地，100％利用用于从光电器件的硅锭中解理 厚膜的表面区是本发明提供的优点之一。另外，在另一实施例中， 夹固机构旨在允许解理处理可以逐渐地执行从散料的容量的大部分 (例如，至少70％)中逐一地去除厚膜。在又一实施例中，夹持机 构利用摩擦力来将散料110D保持在台120C上。机械夹具的热膨胀 系数可以大于散料的热膨胀系数，从而当在提高的温度下对散料进 行处理或使特定热通量通过夹具流向散料时，热膨胀使得夹持的更 加夹持。在又一实施例中，夹臂适用于匹配将夹持的散料的形状并 且在表面上具有不锋利的突起，从而使得与散料接合的夹具不会由 于所施加的强夹紧力而在侧部区上引起破裂。
根据本发明的实施例，可以对散料进行预处理，以使其具有注 入处理从此处开始的平坦化的表面区和台可以与其相接合的平滑底 部区。如图3所示，可以另外对散料进行处理，以使其具有位于平 滑底部区118中的闭环凹槽114。作为实例，假定散料具有正方形 截面形状。在一个实施例中，凹槽114也基本上是正方形的并位于 沿底部区118附近处。在另一实施例中，当散料110E的底部区118 与台的平坦表面接合(在机械夹具的辅助下)时凹槽能够容纳适合 的气密密封。在散料110E的底部区和台之间的气密密封和两个接 合的平坦表面产生了可以填充有气层的腔。依赖于气压，气层可以 极大地提高散料的底部区和台之间的导热率。在又一实施例中，一 旦将特定的供气组件安装到台上，这种气体辅助导热就会有效地将 用于通过接合其底部区来支撑散料的台变成温控台。
图4示出了根据本发明实施例的夹持在温控台上的散料的简化 截面图。该图仅为实例，其不应构成对权利要求书的范围的不当限 定。本领域的普通技术人员能够了解许多变化、替换、和修改。如 图4所示，通过将其底部区118保持在具有插入底部区118和台120 的表面121之间的气密密封122的台120的表面121上来夹住散料 110。用于底部区118中的第一凹槽114的气密密封122分别与作为 其顶部和底部边界的底部区118和台120的表面121一起产生腔 124。台120还包括在由气密密封122封闭的腔124内的表面121 上的多个气体通道126。多个气体通道126通过具有进气口128和 出气口129的供气组件(未示出)连接到在台120的主体内，从而 具有一定的气压的气体127可以填充到腔124中。
在一个实施例中，对于6英寸的硅晶片，气密密封122可以将 腔124中的高气压牢固地维持到20托；或者对于具有约3kg总量 的厚硅碇或瓦片，气密密封122可以将腔124中的高气压牢固地维 持到300托。在腔的外面，在约5×10-7托的气压下散料可以位于真 空系统中。在一个实例中，气密密封122可以是O型环。在另一个 实例中，气密密封122可以是由电介质材料或金属材料制成的凸缘 (flange)。气体127可以是低温气体、室温气体或热气体。在一个 实例中，气体127可以是氦气、氢气、氩气、或氮气中的至少一种 气体。
在一个实施例中，用于散料侧面区的第二凹槽116的机械夹具 130被应用于夹紧台120的表面121上的散料110。在另一实施例中， 夹具130可以包括具有设计强度的金属主体，以安全地支撑具有特 定重量的散料加上由于在具有真空环境的表面区和腔内反压下的底 部区之间的压力差而造成的向上力。例如，在腔124中使用200Torr 冷却气体反压力，而在真空环境中经过注入的散料将产生大约135 lbs的压力。从而，夹具130将必须支撑散料来对抗该向上力。
在特定实施例中，台120是包含嵌入有金属板电极的绝缘体的 静电卡盘。通过在金属板电极和散料110之间施加电压，可以产生 静电力，以将散料吸附到台120上。在一个实施例中，当在腔124 内测量到不大于大约25Torr的较小反压力时，如果使用这种静电卡 盘，则可去除或替换机械夹具130。可选地，可以使用夹具130和 具有静电卡盘的台。此外，机械夹具130和台120安装在底板基座 190上。底板基座本身能够在与平面121平行的X-Y平面上二维地 移动。当然，可以存在其它变更、修改和替换。
在另一实施例中，根据本发明的实施例，夹具130也可以用作 电接触装置，以将IR热添加到散料110。由于通过散料的电流I， 所以电源138产生焦耳热。加热等级等于I2R，其中，R是基于其电 阻率、材料尺寸和接触几何形状的材料的电阻。
调整穿过集成在台120中的气体供应组件(未示出)的气体127 的压力，可以导致在装置100中进行温度控制。气体分子在底部区 118和台的平面121之间反弹，从而在表面之间传递能量。对于特 定散料、台绝缘材料、和气体类型，气体表面调节系数基本上是固 定的。对于固定高度的腔124，气体压力越大，那么导热率越高或 者在表面118和121之间的能量传递越好。对于小于10微米的腔高 度，即使具有较高气压(例如，200Torr)，但气体平均自由路径通 常仍可以大于腔高度。因此，平均来说，气体分子可以在表面118 和121之间移动而没有碰撞，以使得能量没有返回到其来自的表面， 从而实现表面118和121之间最有效的热传递。在气压随控制的速 率降低时，热传递在控制下减弱，另外，可以通过控制来改变表面 区112上的温度。
此外，调整所供应气体的温度可以实现温度控制。在一个实例 中，气体127可被预冷却到较低温度以加速冷却，提供从散料的表 面区到底部区的向下热传递148。可选地，气体127可被预热，以 使冷却减慢，或者甚至形成从台到表面区的向上热流148。基本上， 包括气体层界面区的台120可被用作具有对散料的CW功率流控制 的稳态温控装置。可在注入处理和/或其它相似处理期间提供这种温 度控制。
在另一实施例中，通过表面调节系数限制气体辅助传导，该表 面调节系数取决于散料底部区和台表面的物理特性。当气体分子在 腔内具有完全的随机速率时，并且当在腔的边界之间分子弹性地弹 回而没有能量传递时，表面调节系数为1。在一个实例中，对于硅 表面和由绝缘材料制成的台表面，该系数的标准值为大约0.3。
期望的导热系数取决于正被处理的散料的热容量或热质量。通 过相对重的散料以及在台与散料的底部区之间薄的腔高度，诸如He 或H2的高压轻气体可以是用于实现高导热率的最好选择。此外，调 整气压可能是控制两个固体表面之间热传递的非常有效的方法。例 如，对于大约5cm厚的硅锭，可以利用高为几微米且气压为不大于 300Torr的薄腔来实现不大于4×104Wm-2K-1的导热率。如果散料 具有对抗向上弯曲的足够机械刚性，则可以仅维持通过相对较高的 反压力实现的高导热率。对于在一些实施例中描述的5cm厚度的锭 材料(并且，即使在重复膜剥离之后其变薄到1.5cm的最终厚度)， 满足该要求。
在上述实例中，散料的底部也可通过永久或暂时固定到其上的 衬板(adapter plate)连接到温控面。如下面更详细地描述，衬板将 允许散料机械和热连接到传热板。当然，存在其它变更、修改、和 替换。
重新参照图1，设备100的另一组件是注入装置140。注入装 置140可以是能够产生具有高能量(例如，2MeV或更高)的离子 粒子的独立运行的线性加速器。线性加速器可以包括但不限于，多 个射频四极场(RFQ)元件和/或多个漂移管直线加速器(DTL)单 元和/或其组合。这些元件可以从微波ECR离子源中提取离子束， 然后将离子限制并加速到最终期望的能量级。离子物种可以包括氢、 氘、或氦类。粒子束电流可以上至20mA，并且束尺寸可通过安装 在注入装置140的出口孔处的扩束器(未示出)扩展到大约50cm。
当然，本领域任意技术人员可以理解注入装置配置的多种替换、 变更、和修改。例如，当前已通过使用来自诸如California，Pleasanton 的Accsys Technology Inc.的公司的可用射频四极场直线加速器 (RFQ-Linac)或漂移管直线加速器(DTL)，或者来自Linac System， LLC of Albuquerque，NM 87109的RF-Focused Interdigitated(RFI) 技术等，该注入装置已经最近可用。
重新参照图1，装置100利用注入装置140，以将MeV级的离 子粒子束引入到散料110的表面区112。根据本发明的实施例，将 离子粒子注入到散料中，将使解理处理能够形成自支撑膜。能量部 分地取决于注入物种和条件。对于特定能量级的粒子束有效地，粒 子可以下降到表面区112之下的特定径程末端(EOR)深度，并沿 着平面在大约EOR深度处增加压力或降低断裂能。这些粒子降低了 在EOR深度周围的散料的断裂能等级，以形成解理区115或解理平 面。这使得可以沿着形成的解理区进行受控解理，以从散料110中 去除覆盖膜113。
根据本发明的实施例，在使散料所有内部位置处的能量状态都 不足以在散料中开始非可逆断裂(即，分离或解理)的条件下，可 以发生离子注入。然而，应当注意，该注入通常在散料中产生特定 量的缺陷(例如，小缺点)，该缺陷通常可以通过随后热处理(例如， 热退火或快速热退火)至少部分地修补。
离子注入的相关结果可以是由于碰撞离子粒子的功率通量145 而造成的在表面区周围和其下的散料的温度增加。来自设备100的 注入装置140中的输出束可以是直径大约为几毫米。注入应用可以 要求将束径扩展到大约几百毫米或更大，以使轰击到目标表面上的 功率通量变得非常大，并可能过热或破损目标表面。对于具体的粒 子束特性(包括特定的射束流和射束大小)，也可以通过设置注入装 置140的适当占空因数(例如，0％是关闭、50％是半功率、并且 100％是全功率)来限制由于粒子功率通量145而导致的温度上升。 在另一实施例中，移动衬板170允许射束以特定速率扫面整个表面 区112，以便时间平均地通过通量145进行离子束加热。可选地， 单独地或者结合衬板移动的射束扫描将允许射束移动过目标表面的 整个表面，并且也允许射束通量的时间平均。
离子注入和相关的温度上升都可以限制的热处理速率，该热处 理可以用于在注入和原地注入退火处理期间的温度控制。例如，在 先描述的设备100将能够控制根据剂量和衬底温度上升而产生的离 子注入，以实现适于从散料中去除自支撑膜的期望解理平面。
重新参照图1，设备100使用传感器装置150，以收集与散料 的当前条件相关的数据。具体地，传感器装置150使用多个传感器 来测量或监测散料110的表面特性，其至少包括表面区112和底部 区118处的温度值以及表面区112的表面粗糙度。测量和监测可以 在注入处理期间连续且动态地进行。传感器装置150将能够动态地 生成对于任何特定处理时间点的一组输入数据。
传感器装置150可以包括至少五种不同类型的传感器。第一种 类型是温度传感器，其可以设置在表面区112和底部区118附近， 并且能够测量散料110的表面区和底部区处的温度。温度传感器可 被用作控制器160的直接输入数据，以执行编程的温控例程。附加 温度传感器可设置在气体入口128处，以测量供应气体127的温度。 在第二凹槽116处将需要多个温度传感器来测量温度，以提供用于 穿过夹具130导热和导电的输入。在一个实例中，温度传感器可以 包括诸如热电耦的接触类型。在另一实例中，可以使用诸如光学高 温计的非接触型温度传感器。
传感器的第二种类型是压力传感器，其可被设置在腔124内的 底部区118附近，以测量其中供应气体127的压力。压力传感器可 以感测利用气体辅助传导引导底部区118的温度改变的供应气体的 压力。诸如压力计的这种压力传感器应该对于大压力范围是可操作 的，或多个压力计可用于实现期望的压力测量范围。
第三种类型的传感器可以在每个厚膜已通过解理处理分离之 后，跟踪散料110的重量。散料的重量与特定热容量和热阻相对应， 其利用温控台120依次确定用于优化温度控制的热时间常数。在每 次前进的解理处理之后，可选地或与重量传感器一起，位置传感器 或“瓦计数器(tile-counter)”可以被使用，其监测散料的表面高度 改变或当前长度111，测量当前表面区112到底部区118。
第四种类型的传感器是表面粗糙度或缺陷检查传感器，其在每 次解理处理之后提供表面条件的信息。基于该输入数据，设备100 可以确定锭或瓦表面是否需要被重打磨、抛光或修复。在一个实施 例中，这种类型的传感器将可以测量由特定解理故障引起的平面差 或粒子刺突(particle spike)。该信息允许设备100对其继续全部生 产的能力进行自诊断，以保证产生的自支持厚膜的一般质量。
第五种类型传感器可以包括声传感器或光传感器，以获取处理 区的预解理信息，从而可以监测解理功率通量如何沿着解理平面诱 导微小裂纹开始传播。此外，通过传感器检测的声音发射，作为由 于局部应力消除而材料中产生瞬时弹性波，可以用于抑制在解理处 理期间激光脉冲能量的上升或下降。该声音传感器通常在100kHz 和1MHz范围内的超声波方式工作，但可以下降至1kHz或者上升 至100MHz。典型的声传感器包括基于电气、电子、机电、或电磁 机构的传感器。可选地，使用光学传感器可以在解理之前或在解理 期间感测解理平面的光学改变，以控制根据具体实施例的解理处理 的开始和传播。根据实施例，可以利用这些和其它技术的任意组合 来发生感测。
重新参照图1，设备100还包括控制器160，其可被配置为接 收和处理由传感器装置150生成的输入数据。控制器160还连接到 并命令注入装置140和温控台120，以动态控制在用于产生多个自 支撑厚膜的逐级注入处理期间散料110的温度。在一个实施例中， 控制器160被配置为执行动态反馈/前馈控制方案，以确定最佳操作 过程。在该控制方案中，处理与包括表面温度、底部温度、散料重 量(或长度)、表面粗糙度等的散料的当前条件相关的输入数据。基 于注入的预定配方、原地退火、和/或在任意具体时间点处的后续解 理，控制器计算最优的控制过程作为输出，其中，给出操作指令以 调整注入装置140的占空因数和/或通过调整腔124内供应气体127 的反压力和温度利用温控台120来改变底部温度。
此外，在一个实例中，控制器160也可以连接到表面区上的一 个或多个外部泛光灯热源141，以在处理的情况下向散料的处理区 提供额外的CW功率通量146。在另一实施例中，位于表面区上的 一个或多个脉冲热源142可进一步提供用于退火的功率通量147或 随着快速倾斜率增加表面温度。在一个实施例中，脉冲热源142可以 通过在处理区的热时间常数(对于100μm厚自支撑膜的生产过程 大约为50微妙)内局部引入能量脉冲来帮助生成有效的解理区115。 脉冲热源的一个实例是具有几毫微秒到几十毫微秒或更多的特征脉 冲宽度的、每cm2传递大约0.1-50焦耳能量的YAG激光脉冲系统。 基本的1.06μm YAG线将沉积应用所需的100μm内的大部分激光 热能。期望解理区有效地吸收到达那里的剩余红外(IR)辐射，为 此局部EOR破损增加了硅IR吸收系数。在整个较低导热率EOR区 上的瞬时温度差产生了剪应力，其能够进一步减少解理能或甚至启 动解理处理。
作为另一个实例，如果激光主要被吸收到解理区中的EOR破损 内(其中，光可以沿散料的外围侧部区的所有角度轰击解理区)，则 在辐射之后直到对周围材料的热弛豫时，激光脉冲能量都将产生较 高等级的应力。解理区的弛豫时间常数将根据注入能量(其确定解 理区厚度)和解理区的有效导热率为大约25毫微秒到20毫微秒， 或更多。根据本发明的特定实施例，加热表面区包括加热EOR解理 区、加热将解理的重叠膜、或者加热这两者。
在另一实例中，可以通过在台120的底部附加水冷系统(未示 出)和通过将独立的散热片附加到机械夹具130来构成额外冷却， 以增强传导。将在以下段说明书中了解，在用于从散料中去除自支 撑厚膜的解理处理期间的温控方法的更详细描述。
图5示出了根据本发明实施例的在用于从散料中逐步去除自支 撑厚膜的解理处理期间的温控方法的简化流程图。该附图仅是一个 实例，其不应构成对权利要求范围的不当限制。本领域的任何技术 人员都将理解各种替换、变更、和修改。方法200包括下述过程：
1.过程210，用于准备散料；
2.过程220，用于收集关于散料的当前状态的传感器数据；
3.过程230，用于处理传感器数据以确定控制例程和温度设定 点；
4.过程240，用于执行控制例程以达到设定点；
5.过程250，用于在设定点处执行注入和原地退火过程；
6.过程260，用于执行解理处理(如果在系统100内)；
7.过程270，用于检查剩余散料的长度，如果小于30％，则结 束过程；否则，进入下一过程；以及
8.过程280，用于检查散料的表面粗糙度；如果满足标准，则 返回过程220并继续；否则，返回过程210并继续。
上述一系列过程提供了根据本发明实施例的方法。也可以提供 其他选择，其中，在没有背离本发明的范围的情况下，添加过程， 去除一个或多个过程，或者以不同的顺序设置一个或多个过程。贯 穿本说明书可以找到本发明的详细内容，在下文中可以得到更具体 地说。
参照图5，方法200首先包括步骤210，用于为产生自支撑膜 的解理准备散料。根据特定实施例，散料可以包括诸如单晶硅的半 导体材料，所示出的是以散状锭的形式的生长的材料。在另一实施 例中，散料可以是大片的多晶硅。在具体实施例中，锭材料和/或多 晶硅瓦可以是具有长度和基本圆形或多边形截面形状的预处理体。 可以预先确定散料的长度，以方便对解理进行温度控制。对于具有 均匀密度的散料，长度与其重量相当。例如，对于单晶硅锭，优选 的长度为大约5cm，具有大约3kg的重量。
在另一具体实施例中，准备用于解理的散料包括使用各种平坦 化处理，以使用于产生质量装置准备膜的表面区和用于保持在台上 的底部区平滑。在又一具体实施例中，准备散料包括使用更改的大 剂量能量离子粒子注入处理(例如，通过设备100中的注入装置140 产生的高能粒子)，以使表面粗糙度降低到较低水平。在特定实施例 中，准备散料也包括轻微蚀刻表面和/或沉积薄平滑层，以降低表面 粗糙度。在其他特定实施例中，准备散料还包括在解理过程之前结 合装置制造过程以在表面区上沉积覆盖层/膜(例如，光耦合层、透 明导电氧化物、和光阱层)。对于随后的解理，每当膜散料中去除时， 都将重新检查表面状况，以确定表面是否需要处理，这将导致下一 个过程步骤的不同选择。
用于准备散料的方法210的第一处理步骤还包括在散料的底部 区形成第一凹槽。在具体实施例中，第一凹槽可以是位于多边形底 部的边缘附近的一个闭环凹槽。第一凹槽被设计为在散料的平滑的 底部区接合台的平坦表面时适于产生气体层界面的气密密封。另外， 在一个实施例中，处理210还包括在散料的外侧区上的在预定位置 处形成第二凹槽。第二凹槽的位置通常可被设置在从底部测得的散 料长度的30％以下，使得在下一步骤中，适于凹槽的机械夹具可以 适当地从侧部区夹持散料，而不妨碍从表面区到散料的不大于70％ 处逐布执行的注入或解理处理。在一个实例中，第二凹槽可以是围 绕在外围侧的单个凹槽。在另一实例中，可以存在位于散料周围的 不同位置处的凹槽组。在另一实例中，处理210可以包括在底部区 形成锁紧结构，用于在下一步骤中使具有锁紧结构的机械夹具从底 部区将散料牢固地锁定在台上。
用于准备散料的方法200的第一处理步骤210还包括通过机械 夹具使用作为夹持凹槽的第二凹槽来夹持散料。在一个可选实施例 中，可以通过机械夹具从底部区经由锁紧结构牢固地保持散料110。 在具体实施例中，如图4所示，散料110通过机械夹具130夹持， 并且利用仅独立地通过气密密封122接合到台的平坦表面121的底 部区118将其保持在台120上。气密密封122被配置为与第一凹槽 114相匹配，以连接底部区118和台表面121，同时在其间产生薄腔 124，其中，散料的底部区118和台的平坦表面121分别是顶部和底 部边界。与机械夹具相关的气密密封121足够安全来保持由其形成 的薄腔124内/外的高压差。在具体实施例中，台120的平坦表面121 包含多个气体通道126，以允许填充在腔124内气体127具有适当 的压力。气体通常是由集成在台120中的具有入口128和出口129 的组件供应的氢气或氦气。气体127可以处于低温或室温。可选地， 可以加热气体。
重新参照图5，一旦散料被准备并被保持到台表面上，就执行 方法的处理步骤220。在该步骤中，通过由传感器装置操作的一个 或多个传感器收集与散料的当前状态相关的数据。例如，图1中示 出了作为传感器装置150的传感器装置。
在一个实施例中，由传感器装置操作的一个或多个传感器包括 用于测量表面区的温度Ts和底部区的温度Tb的温度传感器。在另 一个实施例中，一个或多个传感器也包括位置传感器，用于在解理 处理期间通过检测散料的表面区位置跟踪散料历史记录，其依次提 供散料的当前长度或重量信息。在又一实施例中，一个或多个传感 器包括压力传感器，用于指示在散料底部区和台表面之间的腔内的 压力。一旦在步骤210准备了散料，则在任意给定时间点执行收集 传感器数据或执行特定测量，直到最后的解理处理结束(除非特定 解理处理标准不满足处理流程停止)。可通过链接的控制器发送并处 理收集的传感器数据。例如，控制器160被包括在如图1所示的设 备100内。
方法200的处理步骤230是使用控制器来处理这些传感器数 据，作为温度反馈/前馈控制方案的输入，以基于处理配方将散料的 表面温度改变到期望的处理(注入和/或解理)温度。在任意具体时 间点处，配方确定表面区处(更具体地，在处理区内)散料的期望 处理温度Tp的设定点。然后，在反馈/前馈控制方案中通过控制器 接收并处理在该时间点处来自传感器数据的输入数据，以确定最佳 例程，来将表面区处的当前温度Ts改变为目标设定点Tp，和/或如 期望那样保持该温度。对控制例程进行编程，以保持控制回路稳定 地实现最快或至少预定的加热/冷却速率，来以最有效的方式达到处 理温度。
然后，执行方法200的处理步骤240，以执行所选的控制例程 来从给定给定时间点达到设定点。在一个实施例中，用于改变温度 的控制例程包括利用多个辐射、对流、和导热传递路径进行加热和 冷却操作。例如，如果当前温度Ts低于设定点Tp，则需要加热。在 具体实施例中，如图6的简图所示，诸如泛光灯的一个或多个外部 辐射源302可以用于利用CS功率通量326从上部加热散料300的 表面区301。控制器可通过反馈回路连接到这些外部辐射源以控制 灯电流、开/关频率、以及空间属性，来以期望的斜率和均匀性来加 热表面。外部照射源也可以包括用于退火的诸如激光脉冲源的脉冲 热源303，并且通过脉冲的功率通量327增强对解理区的处理。
在另一实施例中，解理处理的一部分包括利用由注入装置产生 的高能粒子进行离子注入处理。轰击到表面区301上的高能粒子的 功率通量305有助于加热表面区。控制器可被连接到注入装置(例 如，设备100中的注入装置140)，以控制占空因数、操作的开/关频 率、以及射束大小和粒子束的扫描速率，从而控制注入期间的加热。
在又一实施例中，热流306也可以通过热传导从底部区309到 达表面区301。支撑台310可用于通过改变底部温度来驱动或控制 热传递。在一个实例中，可以通过用于在特定剥离的表面温度处进 行后离子注入退火处理的这个路径提供热。
在又一实施例中，热流306也可以来自焦耳热、感应热等。一 个实例是使电流通过散料来加热散料的I2R。在一个实例中，可以 通过在特定剥离的表面温度处进行后离子注入退火处理的这个路径 提供热。
在本发明的另一具体实施例中，台可以主要用于通过降低底部 温度进行冷却，从而可以补偿在注入或解理处理期间表面区的加热。 换句话说，通过与图6的简图中所示的路径相同的路径，热流307 现在从表面区301流到底部区309。为了有效地降低底部温度Tb， 低温气体可被供应到由气密密封313密封的在底部区和冷却的台表 面311之间的腔315内。通过薄腔(例如，几微米)内高达300Torr 的压力，与两个表面相撞的快速移动的气体分子可以有效地将热能 从底部区309传递到冷的台表面311。通过调整气压，气体分子平 均自由路径可以相对于腔高度而改变，以优化热传递。
在大多数情况下，由于散料的较大热质量，通过台传导的冷却 控制时间常数小于通过辐射源或轰击到表面区上的粒子的加热的常 数，这是因为根据注入和特定解理平面形成退火，EOR区域将发展 成具有逐渐降低的导热率，因此该层将更易受到表面加热的影响。 随着解理处理的逐步进行，散料长度减少，其冷却时间常数也缩短 了。通过利用跟踪改变长度的位置传感器数据，如果有必要，控制 器将能够更新时间常数并调整其它控制路径。因此，可以产生用于 将进行的解理处理的更新的最佳控制例程。
在一个实施例中，随着散料变薄，腔内的气压将被降低以降低 导热率来使冷却慢下来。在另一实施例中，控制方案被设计为提供 所有速度过程，以保持控制回路稳定地实现最快或至少预定加热/ 冷却速率，从而以最有效的方式到达期望的处理温度。例如，在注 入之前，如果目标散料被冷却但配方却要求300℃，则高于300℃的 设置将用于通过更早降低到设置点的台使注入散料的表面较快达到 300℃，过度改变温度使得加热/冷却循环尽可能的快。
重新参照图5，一旦表面温度Ts达到设置的处理温度Tp特定执 行方法200的处理步骤250，以开始注入处理。根据本发明的具体 实施例，如在图7的简图中所示，处理250包括使散料400的表面 区01经受多个第一高能粒子405。根据具体实施例，可以利用可能 包括线性加速器的注入装置来生成高能粒子405。也可以进行与在 注入子步骤和后注入退火之间设定值温度处理子处理相结合的原地 退火。如同图5中的所有其它步骤一样，步骤220和230可以在随 后步骤250和260中多次重新应用。因此，图5仅是第一设定值处 理的实例，且不应认为构成对其的限制。当然，也可以存在其它修 改、变更、和替换。
在具体实施例中，如在图8的简图中所示的，产生注入高能粒 子505导致在解理区503内形成多个吸杂位置或聚积区。该解理区 503可设置在表面区501之下，以限定将被分离为自支撑层的散料 500的厚度510。优选地，多个第一高能粒子提供具有峰浓度的注入 粒子特性，并且基底空间上设置在散料的深度中。当然，可以存在 其它修改、变更、和替换。
在一个实施例中，在注入期间，解理区保持在可以直接或间接 设置的第一温度，例如在大约-100℃到250℃的范围内。在一个实 施例中，可以通过设备100控制温度。在另一实施例中，可以通过 执行处理步骤220、230、和240来控制温度。当然，可以存在其它 修改、变更、和改变。
根据应用，根据具体实施例，通常选择较小质量的粒子，以降 低注入到材料中的期望深度所需的能量并减小对材料区的可能破 坏。即，质量粒子越小，就越容易穿过衬底材料达到所选的深度， 而基本上不破坏粒子穿过的材料区。例如，较小的质量粒子(或能 量粒子)几乎可充以任意电荷(例如，正或负)和或中性原子或分 子、或电子等。在具体实施例中，粒子可以是中性的或充电的粒子， 其包括诸如氢及其同位素的离子物种、诸如氦及其同位素的稀有气 体离子、和氖、或根据实施例的其它粒子。可选地，粒子可以是上 述粒子、和或离子和或分子物种、和或原子物种的任意组合。粒子 可以来自于诸如气体(例如，氢气、水蒸汽、甲烷、和氢化物)的 混合物、和其它轻原子质量的粒子。粒子通常具有足够的动能，以 穿过表面到达表面之下所选的深度。
例如，利用氢作为注入物种，使用一组特定条件来执行注入处 理。注入氢的剂量可以在大约1×1015到大约1×1016原子/cm2的范 围内，且优选注入氢的剂量小于大约8×1016原子/cm2。氢注入的能 量可以在大约0.5MeV到大约5MeV或更大的范围内，以形成用于 光电应用的厚膜。注入温度在大约-100℃到250℃的范围内，且优 选小于大约400℃，以避免氢离子扩散到注入的硅解理区之外的可 能性。氢离子以大约±0.03到±3微米的精度被可选地引入到硅晶 片内的所选厚度。当然，使用的离子类型和处理调节取决于应用。
在具体实施例中，可以使用具有大约1MeV到大约5MeV能 量范围的质子注入形成从大约15μm到大约200μm的硅膜厚度 范围。该厚度范围使可用作自支撑硅层的单晶硅厚度的分离。根据 本发明的实施例的具有15-200μm厚度范围的自支撑硅层可以用 于替换传统的晶片切割、蚀刻、或抛光处理。因此，传统的分离技 术将期望产生大约50％的切损(kerf loss)(切损被定义为在切割并 切片操作中的材料损失)，根据本发明实施例的技术几乎不产生切 损，从而节约了基本成本并改进了材料利用的有效性。
根据特定实施例，可以使用高于5MeV的注入能量。在半导体 装置的制造中，这种高能量的注入可用于制造作为半导体装置中衬 底的可选材料的自支撑层。然而，在太阳能电池的制造，通常期望 自支撑材料的厚度为200μm或更小。
现在参照图9，根据本发明的方法200的实施例可以可选地在 散料600上执行热处理过程，以在解理区603内进一步形成多个吸 杂位置。即，热处理过程对解理区603进行退火和/或淬火，以将适 当的多个第一粒子固定在缺陷网络。热处理提供了可以作为在随后 和/或当前的注入处理中用于吸杂并累积粒子的有效位置的固定的 缺陷网络。在具体实施例中，该过程可以利用来自表面区601上的 CW和/或脉冲辐射热605和来自底部的热传递607来补偿用于实现 期望的热处理温度。也可以利用焦耳或感应的热流608。例如，通 过设备100执行温度控制。
在具体实施例中，方法200的处理260还包括使散料的表面区 经受多个第二高能粒子，如图9的简图所示出的。可以利用注入装 置(例如，设备100中的可以包括线性加速器的注入装置140)产 生多个第二高能粒子705。如图所示，该方法包括提供到散料700 中的多个第二高能粒子705。多个第二高能粒子705被引入到解理 区703，使得解理区的应力级从第一应力级变为第二应力级。在具 体实施例中，第二应力级适合于随后的解理处理。在具体实施例中， 散料被维持在高于第一温度的第二温度，例如在大约20℃到500℃ 之间的范围内。例如，通过设备100并通过执行处理220、230、和 240来控制第二温度。当然，使用的离子类型和处理条件取决于应 用。
作为实例在第二注入步骤中使用注入到散状单晶硅材料中的氢 物种，利用一组特定条件执行注入处理。注入剂量在5×1015到大约 5×1016原子/cm2的范围内，并且优选地剂量小于大约1-5×1017原 子/cm2。注入能量在大约1MeV或更大到大于5MeV或更大的范围 内，以形成对光电应用有用的厚膜。注入剂量速率可以被设置在大 约500微安到大约50微安内，且可通过积分在扩展射束面积上的注 入速率来计算总剂量速率。注入温度在大约250摄氏度到大约550 摄氏温度的范围内，并且优选大于大约400摄氏度。氢离子以大约 ±0.03到±3微米的精度可选地被引入到硅晶片中的所选厚度。在 具体实施例中，选择温度和剂量以在解理区内将单原子氢有效地转 换为分子氢，同时存在一些单原子氢的扩散。当然，所使用的离子 类型和处理条件取决于应用。
本方法的具体实施例可以使用所选质量的高能注入方法，其具 有适当的射束强度。为了节省成本，注入射束电流应该约等于几十 毫安的H+或H-离子束电流。如果系统可以主要注入高能量，则H2+ 离子也可以有利地用于实现较高剂量速率。最近已经通过使用射频 四极场线性加速器(RFQ-Linac)或漂移管直线加速器(DTL)或 RF聚焦交叉指型(RFI)技术使得这种离子注入设备是可用的。其 可以从诸如Pleasanton的Accsys Technology Inc.，Linace Systems， LLC of Albuquerque，NM 87109等公司得到。
可选地，在注入处理之后，根据本发明的方法200的过程250 的具体实施例还包括热处理过程。一个具体实施例对于硅材料使用 了范围从大约450摄氏度到大约600摄氏度的热处理。在优选实施 例中，可以通过至少部分执行方法200的温控过程220、230、和240 来执行热处理。当然，也存在其它改变、变更、和替换。
重新参照图5，在系统100内可以发生解理处理，其中，一旦 表面温度Ts达到设定的处理温度Tp，就执行方法200的处理步骤 260，以开始解理处理。当然，也存在其它改变、变更、和修改。
如图11所示，根据本发明的方法的具体实施例包括使用解理处 理分离自支撑层的步骤，同时从永久重叠的支撑部件等中分离自支 撑层。如图所示，从剩余的散料800中去除自支撑层810。在具体 实施例中，可以使用受控的解理处理来执行分离步骤。受控的解理 处理将所选的能量提供到部分解理区中。仅作为实例，已经在题为 Controlled Cleaving Process的美国专利第6,013,563号中描述了该受 控的解理处理，其被普通转让给Silicon Genesis Corporation of San Jose，California，其内容结合于此作为参考。如图所示，根据本发 明实施例的方法从散料中分离出自支撑厚度的层，以完全去除自支 撑层。当然，也存在其它变更、替换、和修改。
本发明的某些实施例可以使用一个或多个图样化的区域，以方 便解理动作的开始。这种方法可以包括使半导体衬底的表面区经受 由线性加速器产生的多个第一高能粒子，以在解理区中形成多个吸 杂位置的图样化区域。在根据本发明的方法的一个实施例中，解理 区被设置在表面区之下，以限定将剥离材料的厚度。半导体衬底保 持在第一温度。该方法也包括使半导体衬底经受处理过程(例如， 热处理)。该方法还包括使半导体衬底的表面区经受多个第二高能粒 子，其被提供以将解理区的应力级从第一应力级变为第二应力级。 该方法包括在图样化区域的所选区域处开始解理动作以使用解理处 理剥离可分离材料的厚度的一部分，并利用解理处理分离可分离材 料的厚度。
该图样化的注入过程使表面遭受剂量变化，其中，通常使用较 高剂量和/或热预算过程处理开始区域。可以通过以下步骤发生解理 动作的传播以完成解理动作：(i)附加剂量的区域以引导向前传播 解理，(ii)应力控制以引导解理的深度，和/或(iii)自然结晶的解 理平面。根据所使用的具体解理技术，可以较少剂量注入(或者根 本不注入)一些或大多数区域。该降低剂量的区域可以通过降低从 衬底分离每个膜所需的总剂量来帮助提高注入系统的总生产率。
根据具体实施例，可以通过使用注入射束本身来帮助产生较高 剂量的开始区，以同步增加区域剂量，同时加热并准备用于局部化 膜分离的区域。在注入射束处理期间，或在使用单独的热处理步骤 进行注入之后，可以在原地完成注入。使用传感器测量和反馈开始 区的状态，可以有助于在解理发生之后立即精确且可控的局部化膜 分离，并避免过热或破坏该层。
本发明的具体实施例可以执行其它过程。例如，该方法可以更 换与支撑部件接触的被稍后处理的自支撑层。此外或可选地，在表 面区经受多个第一高能粒子之前，根据本发明实施例的方法对散料 执行一个或多个处理。根据具体实施例，处理可以用于形成光电池、 集成电路、光学装置、及其组合等。当然，也存在其它改变、变更、 和修改。
根据本发明的实施例，自支撑材料的厚度可以从15微米或更小 到200微米。例如，利用技术解理硅锭厚度的大约70％可以产生350 个自支撑单晶硅膜，其中的每一个都具有100um的厚度。因为1m2 表示大约具有15cm×15cm面积的45个瓦片表面，所以可以从5 cm厚锭的70％中产生出总共大约7.8m2的硅表面积。进一步处理 自支撑材料的厚度，以为诸如光电装置、3D MEMS或集成电路、IC 封装、半导体衬底制造、半导体装置、及其组合等的应用提供高质 量的半导体材料。本方法的一个实施例提供了用于高效光电池中的 单晶硅。特定实施例使用较低初始剂量的能量粒子，其使节约处理 成本且有效。
重新参照图5，在从散料中分离出每个自支撑膜之后，可以执 行方法200的处理270，特别针对于以生产模式来产生一个或多个 自支撑膜。该过程包括读取位置传感器数据，以确定剩余散料是否 少于原始散料的30％。也可被转化为检测剩余散料的长度，并将其 与存储的原始长度相比较。一旦传感器读数表示剩余散料的长度小 于30％。控制器就可以发送信号，以命令结束处理，随后为去除剩 余散料。未解理的剩余的30％散料可被融化为高纯度的原材料，以 制成用于解理的新的散料。如果位置传感器读数表示剩余散料长度 大于30％，则方法200导致对于剩余散料的下一处理步骤。在另一 具体实施例中，位置传感器可以部分地提供与剩余散料的热容量相 关的新的输入数据。可以处理该新的输入数据，以确定用于下一处 理步骤的更新的控制例程。
方法200的下一处理步骤280包括检查与剩余散料相关的多个 传感器数据，其与以生产模式制造一个或多个自支撑膜的方法应用 相关。在该处理步骤中，检查剩余散料的表面区的表面粗糙度。过 程280包括利用一个或多个原地探针来测量剩余散料的表面粗糙 度。测得的表面粗糙度参数(或者是包括表面缺陷的其它特性)可 以与预定标准相比较。在一个实施例中，在过程280处，可以满足 该标准，其也表示解理的膜的质量是可接受的，且剩余散料能够应 用于新的解理处理周期。方法200的处理流程可被设置为退回处理 步骤220，随后再次执行处理230、240、250、和260。
在另一实施例中，在处理280中，可能不满足该标准，其也表 示解理之后的表面将需要被修复或者需要重新准备散料。因此，现 在处理流程至少部分地可以被设置为返回到处理步骤210，其中， 剩余散料的表面处理将被应用。在一个实例中，表面执行重堆叠和/ 或重抛光处理，即，处理流程完全重置到处理210，这可能相对成 本较高。在另一实例中，可以执行诸如使用增加剂量的离子束，或 对表面执行蚀刻，或通过旋转涂布沉积添加薄平滑层等成本较低的 处理，以破坏表面粗糙度直到满足标准。
图12示出了根据本发明的一个实施例的从一个散料中形成出 多个自支撑膜的简化示意图。单晶硅锭900展示出5cm的原始厚度 并具有15cm×15cm的横向尺寸。因为单晶硅的密度是大约2.32 gm/cm3，所以该散状单晶硅材料的重量是15×15×5×2.32＝2.61 Kg。因此，根据本发明实施例使用的技术解理该锭900大约70％的 厚度产生了350个自支撑单晶硅膜910，其中，每个膜都具有100μ m的厚度。因为1m2表示大约具有45个具有15cm×15cm面积的 瓦片表面，所以可以从5cm厚锭的70％中产生大约7.8m2的总的 硅表面积。未被解理以形成单晶硅的剩余30％的锭，可回收以将其 熔解为高纯原材料，从而产生用于解理的新锭。
根据本发明的可选实施例，种子层还可以提供对于异质结构外 延处理的分层。异质结构外延处理可以用于在其中形成薄多结点光 电池。仅作为实例，GaAs和GaInP层可被异质外延沉积到锗种子 层上，该种子层是利用根据本发明实施例的注入处理形成的自支撑 层。
虽然以上是具体实施例的全部描述，但可以使用各种修改、可 变构造、以及等效替换。例如，虽然上面的前述实施例示出了散料 直接与温控台接触，但其对于本发明不是必须的。根据可选实施例， 散料的底部可被固定到介于散料和温控台之间的衬板或连接板。
图13A-E示出了通过本发明的实施例采用的将散料固定到温 控台的各种方法。图13A的实施例与前述实施例类似，其中，利用 与散料侧部凹口相接合的夹具，使散料的底部与温控卡盘的O形环 直接接触来进行固定。
相反，图13B的实施例利用衬板1320，该衬板1320利用瓦保 持胶1326来固定瓦(散料)1322的下表面1322a。在该特定实施例 中，衬板稍微小于瓦底部的表面积，但这不是必须的。在可选实施 例中，衬板可与瓦底部表面的尺寸相同或者甚至大于其底部表面的 尺寸。
图13B的特定实施例也示出了具有凹口1328的衬板。这也不 是必须的，并且衬板无需具有这种凹口。
图13C示出了图13B的固定到温控卡盘的瓦衬板的布置。具体 地，与瓦接触的衬板表面相对的表面，依靠位于温控卡盘的凹槽处 设置的O形环密封。温控卡盘被配置为将衬板背面暴露于冷却气体， 从而控制其温度和与其接触的瓦的温度。
根据衬板的环境，可以使用不同的衬板夹具。例如，大气应用 可以使用真空卡盘。在图13C的特定实施例中，因为没有示出夹具 与衬板的夹具凹槽接合衬板，所以仅通过排气泵保持与卡盘接触。 然而，在其他实施例中，夹具可以与衬板的夹具凹槽接合，以保证 衬板和温控台之间的牢固接触。根据其他实施例，利用应用的真空 或静电力，衬板可被固定到温控卡盘。
图13D示出了根据本发明的又一种配置的简化截面图，其中， 衬板1330面向瓦1324的表面1330a包括配置为接收O形环1334 的凹口1332。凹口1332位于边缘区1334内部，并且密封内部区 1336。在该实施例中，凹口1332不仅用于适当地固定O形环，而 且用于在瓦和衬板连接到一起时限制在内部区1336中的瓦保持胶 的任何扩散。
图13E示出了图13D的固定到温控卡盘的瓦衬板配置。具体地， 与瓦接触的衬板表面相对的表面依靠位于温控卡盘的凹口处的O形 环密封。温控卡盘被配置为使衬板背面暴露于冷却气体，从而控制 其温度以及与衬板接触的瓦的温度。
在图13E的具体实施例中，利用被配置为与位于衬板侧部的夹 具凹槽接合的夹具来保持衬板与卡盘接触。然而，这对于本发明不 是必须的，然而在可选实施例中，利用其他方法(例如，应用的真 空或静电力)，将衬板固定到温控卡盘。
尽管上面已经利用所选的步骤顺序进行了描述，但可以使用所 述步骤的任何元素的组合以及其他。此外，根据实施例可以特定步 骤可以被组合和/或去除。此外，根据可选实施例，可以利用氦和氢 离子的共同注入来代替氢粒子，以形成具有修改的剂量和/或解理特 性的解理平面。共同注入的另一种形式涉及在一个或多个注入子步 骤中由氘来代替氢。以1-10MeV注入到硅中的氘产生大约3倍或 更多的原子位移，因此在图9的解理区603内更有效地形成多个吸 杂位置。当然，可以存在其他修改、变更、和改变。例如，可由氢 或氘步骤代替第二累积注入，其中，通过扩散过程发生由氢或氘累 积的吸杂区。因此，上述描述和说明不应该理解为限制本发明的范 围，其由所附权利要求限定。
还应当理解，在文中描述的例子和实施例仅出于示例性的目的， 本领域技术人员建议的各种修改或改变应当包括在该申请的精神和 范围以及所附权利要求的范围内。