CN108598218A - 一种外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外延层刚性‑柔性衬底无机键合转移方法，该方法包含：分别在外延片和柔性衬底的表面镀制键合金属层，并进行热压键合，得到柔性衬底‑外延片；在刚性支撑衬底和柔性衬底‑外延片的柔性衬底上分别镀制无机键合金属层，并进行热压可逆键合；将外延片制备成太阳电池器件；通过加热进行刚性支撑衬底剥离，完成外延层刚性‑柔性衬底转移。其中，外延片包含：生长衬底，以及在该生长衬底上生长的太阳电池材料；太阳电池器件的刚性支撑衬底的热剥离温度不低于键合金属层材料的熔点。本发明的方法在键合过程无有机污染，实现一步外延‑转移键合，转移的外延层厚度均匀一致，与现有太阳电池器件工艺兼容性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种外延层刚性-柔性衬底转移方法，具体涉及一种外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法。
背景技术
薄型砷化镓太阳电池因其具有较高的重量比功率及可挠性，非常适合对重量敏感或曲面贴装的空间或民用领域应用，但由于其薄型砷化镓外延材料自身机械强度较差、无自支撑能力，无法进行电池器件制程。因此，需要将减薄前的晶圆或半成品电池转移至刚性或机械强度高的支撑衬底上，待减薄或器件工艺制程完毕后，将支撑衬底去除，从而实现薄型太阳电池制作以及保证电池的可靠和高效研制或生产。
薄型砷化镓太阳电池的传统制程有两种：
(1)采用双面金属键合和多次衬底腐蚀或剥离的方式进行刚性-柔性转移，如扬州乾照光电公开的专利CN201610062060.5，高比功率GaAs多结柔性薄膜太阳电池及其制备方法，其缺点在于对支撑衬底要求高，工艺复杂、成本高等；
(2)采用有机粘结剂直接将支撑衬底与太阳电池绑定在一起，待电池器件工艺制作完成后，采用机械热滑移的方式将支撑衬底剥离，如中电第十八研究所公开的专利CN201610855761.4，一种将砷化镓外延层转移至有机柔性衬底的方法，该发明的仅适合衬底机械减薄或腐蚀减薄支撑，难以满足清洗、光刻、显影、有机剥离等半导体制程，同时过程中砷化镓电池难以进行热氮气离心干燥，与现有工艺兼容性差，且工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，该方法解决了现有技术中外延材料自身机械强度较差、无自支撑能力，难以适应电池器件工艺制程的问题，本发明的方法简单，键合过程无有机污染，可实现一步外延-转移键合，转移的外延层厚度均匀一致，与现有太阳电池器件工艺兼容性好、可靠性高，能够为薄型太阳电池的制备或生产提供刚-柔转移技术支持。
为了达到上述目的，本发明提供了一种外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，该方法包含：
(1)分别在外延片和柔性衬底的表面镀制键合金属层，并进行热压键合，得到柔性衬底-外延片；
(2)在刚性支撑衬底的待键合面和所述的柔性衬底-外延片的柔性衬底上分别镀制无机键合金属层，并进行热压可逆键合；
(3)将所述的外延片制备成太阳电池器件；
(4)通过加热进行刚性支撑衬底剥离，完成外延层刚性-柔性衬底转移。
其中，所述的外延片包含：生长衬底，以及在该生长衬底上生长的太阳电池材料。
其中，所述的太阳电池器件的刚性支撑衬底的热剥离温度不低于键合金属层材料的熔点。
所述的柔性衬底为金属衬底或镀有金属的聚合物衬底中的任意一种。
所述的金属衬底包含：铁镍合金。
所述的键合金属层为金-金键合层或共晶键合层。
所述的键合温度为150～360℃，键合压力为10～20kN。
所述的刚性支撑衬底包含：玻璃、硅、不锈钢、蓝宝石中的任意一种。
所述的无机键合金属层的材料包含：铟、锡和铟锡合金中的任意一种。
所述的键合温度为120～300℃，键合压力为3～30kg/cm2，真空度大于等于10- 2mBar。
所述的无机键合金属层的厚度为0.1μm～3μm。
所述的生长衬底包含：砷化镓或锗。
本发明的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，解决了现有技术中外延材料自身机械强度较差、无自支撑能力，难以适应电池器件工艺制程的问题，具有以下优点：
本发明的方法在键合过程无有机污染、可实现一步外延-转移键合、转移的外延层厚度均匀一致、与现有太阳电池器件工艺兼容性好、可靠性高等，非常适合薄型太阳电池的研制和生产制程中外延层刚-柔转移。
附图说明
图1为本发明实施例1的外延键合剖面结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的无机键合转移剖面结构示意图。
图3为本发明实施例1的带有刚性支撑衬底的薄型太阳电池剖面结构示意图。
图4为本发明实施例1的薄型太阳电池的剖面结构示意图。
图5为本发明实施例1的薄型太阳电池的I-V测试曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，该方法包含：
(1)分别在外延片和柔性衬底的表面镀制键合金属层，并进行热压键合，得到柔性衬底-外延片；
(2)在刚性支撑衬底的待键合面和柔性衬底-外延片的柔性衬底上分别镀制无机键合金属层，并进行热压可逆键合；
(3)将外延片制备成太阳电池器件；
(4)通过加热进行刚性支撑衬底剥离，完成外延层刚性-柔性衬底转移。
其中，外延片包含：生长衬底，以及在该生长衬底上生长的太阳电池材料。
其中，所述太阳电池器件的刚性支撑衬底的热剥离温度不低于键合金属层材料的熔点，以使加热情况下无机键合金属层破坏，使得与支撑衬底分离。
本发明的方法，在整个衬底转移过程中不涉及到有机物，这个对于真空条件下高温制程尤为忌讳。本发明的方法通过一台设备即可完成，甚至通过一个制程就能完成外延键合及衬底转移。而且本发明涉及的无机键合金属层采用真空镀膜制备的，厚度非常均匀，外延层表面平整，无需进行边缘处理，从而保证后续光刻工艺的质量及合格率。
柔性衬底为金属衬底或镀有金属的聚合物衬底中的任意一种。聚合物镀有过渡层金属，从而与外延层结合牢固，其所镀金属根据具体采用的聚合物衬底材质、热力学性能而定。
金属衬底包含：铁镍合金。
键合金属层为金-金键合层或共晶键合层；该金-金键合层采用钛作为金与铁镍合金之间的过渡层，但不限于此，确保金层与金属衬底结合牢固。
键合温度为150～360℃，键合压力为10～20kN。
刚性支撑衬底包含：玻璃、硅、不锈钢、蓝宝石中的任意一种。
无机键合金属层的材料包含：铟、锡和铟锡合金中的任意一种。
键合温度为120～300℃，键合压力为3～30kg/cm2，真空度大于等于10-2mBar。
无机键合金属层的厚度为0.1μm～3μm。无机键合金属层的厚度的控制，具有以下优点：(1)实现良好的键合，键合金属层厚度不能太薄，不然无法键合；(2)键合金属层厚度如果太厚，即便键合上了，但金属之间的相互扩散，完全形成共晶合金后，不利于后续的衬底热剥离；(3)控制在此范围内能够很好的键合，而且成本也得到控制。
生长衬底包含：砷化镓或锗。
实施例1
一种砷化镓外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，以倒装砷化镓外延片制作薄膜砷化镓太阳电池为例，具体刚性-柔性衬底无机键合转移工艺具体如下：
1、外延层键合
(1)如图1所示，为本发明实施例1的外延键合剖面结构示意图，分别在砷化镓外延片1、20μm厚的铁镍合金2表面依次镀制钛(Ti)层31、金(Au)层32，厚度分别为100nm(钛层31)、10000nm(金层32)；其中，砷化镓外延片1包含：砷化镓生长衬底，以及在该砷化镓生长衬底上生长的太阳电池材料；
(2)进一步地，将砷化镓外延片1和铁镍合金2的金属镀膜面相对叠合、对齐，并进行热压键合，键合温度为360℃，键合压力为10kN、键合时间为30min，得到不锈钢衬底-砷化镓外延片。
2、衬底转移
(1)进一步地，如图2所，为本发明实施例1提供的无机键合转移剖面结构示意图，在玻璃衬底4和上述不锈钢衬底-砷化镓外延片的不锈钢衬底上分别镀制无机键合金属层5，该无机键合金属层5为铟层，其厚度为3μm。
(2)进一步地，将玻璃衬底4和不锈钢衬底-砷化镓外延片的不锈钢衬底上的铟层叠合、对齐，并进行热压可逆键合，键合温度140℃，键合压力为10kg/cm2，键合时间为15min，真空度优于10-2mBar，得到玻璃衬底-不锈钢衬底-砷化镓外延片。
上述热压可逆键合条件的选择，其温度范围与铟或锡或二者合金熔点有关，该温度条件可实现扩散键合，其压力能够保证键合金属与衬底界面充分地相互扩散，从而实现衬底转移，其真空度的选择避免了真空过低导致高温下金属氧化。
3、器件工艺制作
(1)进一步地，将上述刚性转移后的玻璃衬底-不锈钢衬底-砷化镓外延片浸入腐蚀溶液中，将太阳电池材料从砷化镓生长衬底上剥离下来或采用机械减薄将砷化镓生长衬底减薄至所需厚度；其中，腐蚀溶液为氨水/双氧水溶液或磷酸/双氧水溶液；
(2)进一步地，采用常规方法进行光刻、显影、清洗腐蚀、真空镀膜等制程，如图3所示，为本发明实施例1的带有刚性支撑衬底的薄型太阳电池剖面结构示意图，完成带有刚性支撑衬底的薄型太阳电池正面电极61、减反射膜62制作及切割，得到玻璃衬底-薄型砷化镓太阳电池。
4、刚性支撑衬底剥离
进一步地，将上述玻璃衬底-薄型砷化镓太阳电池加热至160℃以上，金属铟层熔化后玻璃衬底4与薄型砷化镓太阳电池分离，完成玻璃衬底4剥离。
5、合金与测试
进一步地，将刚性支撑衬底(玻璃衬底)剥离后的薄型砷化镓太阳电池按照常规工艺进行真空高温合金处理，然后在太阳模拟器下进行I-V性能测试进行评价，完成薄型砷化镓太阳电池制作，如图4所示，为本发明实施例1的薄型太阳电池的剖面结构示意图，如图5所示，为本发明实施例1的薄型太阳电池的I-V测试曲线(Isc代表短路电流，Voc代表开路电压)。
实施例2
一种锗基外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，以倒装锗外延片制作薄膜锗太阳电池为例，具体刚性-柔性衬底无机键合转移工艺具体如下：
1、外延层键合
(1)分别在锗基外延片1、20μm厚的铁镍合金2表面依次镀制钛(Ti)层31、金(Au)层32，厚度分别为100nm(钛层31)、10000nm(金层32)；其中，锗基外延片1包含：锗生长衬底，以及在该锗生长衬底上生长的太阳电池材料；
(2)进一步地，将锗基外延片1和铁镍合金2的金属镀膜面相对叠合、对齐，并进行热压键合，键合温度为360℃，键合压力为10kN、键合时间为30min，得到不锈钢衬底-锗基外延片。
2、衬底转移
(1)进一步地，在玻璃衬底4和上述不锈钢衬底-锗基外延片的不锈钢衬底上分别镀制无机键合金属层5，该无机键合金属层5为铟层，其厚度为3μm。
(2)进一步地，将玻璃衬底4和不锈钢衬底-锗基外延片的不锈钢衬底上的铟层叠合、对齐，并进行热压可逆键合，键合温度140℃，键合压力为10kg/cm2，键合时间为15min，真空度优于10-2mBar，得到玻璃衬底-不锈钢衬底-锗外延片。
一种锗太阳电池的制备方法，采用上述衬底转移工艺方法，后续的制备方法具体如下：
1、器件工艺制作
(1)进一步地，将上述刚性转移后的玻璃衬底-不锈钢衬底-锗基外延片浸入腐蚀溶液中，将太阳电池材料从砷化镓生长衬底上剥离下来或采用机械减薄将锗生长衬底减薄至所需厚度；其中，腐蚀溶液为可溶解锗的腐蚀溶液；
(2)进一步地，采用常规方法进行光刻、显影、清洗腐蚀、真空镀膜等制程，完成带有刚性支撑衬底的薄型太阳电池正面电极61、减反射膜62制作及切割，得到玻璃衬底-薄型锗太阳电池。
2、刚性支撑衬底剥离
进一步地，将上述玻璃衬底-薄型锗基太阳电池加热至160℃以上，金属铟层熔化后玻璃衬底4与薄型锗太阳电池分离，完成玻璃衬底4剥离。
3、合金与测试
进一步地，将刚性支撑衬底(玻璃衬底)剥离后的薄型锗基太阳电池进行真空高温合金处理，然后在太阳模拟器下进行I-V性能测试，完成薄型锗基太阳电池制作。
综上所述，本发明的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法在键合过程无有机污染，实现一步外延-转移键合，转移的外延层厚度均匀一致，与现有太阳电池器件工艺兼容性好。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，该方法包含：
(1)分别在外延片和柔性衬底的表面镀制键合金属层，并进行热压键合，得到柔性衬底-外延片；
(2)在刚性支撑衬底的待键合面和所述的柔性衬底-外延片的柔性衬底上分别镀制无机键合金属层，并进行热压可逆键合；
(3)将所述的外延片制备成太阳电池器件；
(4)通过加热进行刚性支撑衬底剥离，完成外延层刚性-柔性衬底转移；
其中，所述的外延片包含：生长衬底，以及在该生长衬底上生长的太阳电池材料；
所述的太阳电池器件的刚性支撑衬底的热剥离温度不低于键合金属层材料的熔点。
2.根据权利要求1所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的柔性衬底为金属衬底或镀有金属的聚合物衬底中的任意一种；
所述的金属衬底包含：铁镍合金。
3.根据权利要求1所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的键合金属层为金-金键合层或共晶键合层。
4.根据权利要求3所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的键合温度为150～360℃，键合压力为10～20kN。
5.根据权利要求1所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的刚性支撑衬底包含：玻璃、硅、不锈钢、蓝宝石中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的无机键合金属层的材料包含：铟、锡和铟锡合金中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的键合温度为120～300℃，键合压力为3～30kg/cm2，真空度不低于10-2mBar。
8.根据权利要求7所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的无机键合金属层的厚度为0.1μm～3μm。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的外延层刚性-柔性衬底无机键合转移方法，其特征在于，所述的生长衬底包含：砷化镓或锗。
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