硅微球体制造制造技术

直径小于200um的小型硅球用于形成太阳能电池板是合意的。为制造此种小型球体，已在大面积玻璃衬底的表面中蚀刻了数以百万计的例如具有小于200um的直径的相同凹痕。接着将由含有经碾磨的硅的纳米颗粒的流体形成的硅油墨沉积在所述衬底上方以完全填充所述凹痕，且去除多余油墨。加热所述油墨以蒸发所述流体且熔化所述硅纳米颗粒。使用光子系统快速熔化所述硅。所述经熔化的硅通过表面张力在每个凹痕中形成球体。由于所述油墨中所述硅的密度及每个凹痕的体积经良好定义，因此每个球体的体积经良好定义。所述衬底可重复使用。使用所述工艺每分钟可生产数以亿计的球体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及形成材料的精确微球体，且特定来说，本专利技术涉及形成硅的微球体。
技术介绍
通过将硅球的阵列沉积在金属衬底上来形成太阳能电池板，接着处理硅球以形成将阳光转换为电的二极管是一种已知的技术，如第8,133,768号美国专利中所描述。第5,556,791号美国专利描述通过首先形成硅的精细粉末(例如通过研磨块状硅)来形成此类硅球的工艺。此干燥粉末是指原料。接下来，将具有穿过其形成的小孔的样板(模板)定位在传送带上。接着用原料完全填充所述孔。接着将样板提起以在传送带上形成原料的均匀堆。接着通过光学炉加热所述堆，所述光学炉熔化每一堆中的硅粉末，且经熔化的硅通过表面张力大体上形成球体。接着冷却所述球体。硅球接着经进一步处理且沉积在衬底上以形成太阳能电池板。硅球具有约30密耳(762um)的直径。通过将更小球体(例如小于200um)用作太阳能电池板中的单层，存在非常高的表面面积对体积比，从而使太阳能电池板更具成本效益。在处理期间使球体具有相同尺寸及电特性也是有益处的。使用上述工艺形成具有小于200um的直径的均匀硅球将是极其困难的。举例来说，将干燥硅粉末完全且均匀地填充在模板中的200um或更小的孔中将是非常困难的，这是归因于所涉及的摩擦力及颗粒之间的可变气隙。虽然用激光钻孔钻出小于200um的孔来形成模板是可能的，但创建具有足够大数量的紧密靠近的激光钻出孔(例如，超过一百万个)的模板从而使球体制造具成本效益将是不切实际的。用于形成直径小于200um的硅球的已知方法使用滤网来选择所要尺寸范围内的经碾磨的硅颗粒，且接着使用高温等离子体在还原气氛中熔化个别颗粒以使硅球体化(参见第6,780,219号美国专利)。此工艺浪费硅，等离子体的极端高温(>2000C)产生相对有缺陷的球体，产生作为副产物的二氧化硅，且所述工艺是高度能源密集型的。EP2182555A1中描述的另一已知方法形成用于太阳能电池的直径约1mm的硅球。此工艺需要粗略地筛选经成形的硅粉末以获得所要范围内的颗粒，使用粘合剂借助于滚
动造粒机来形成大体上为所要球体的尺寸及形状的较大的硅粒，且将每一个别细粒放置在加热衬底的其自身凹部中。接着使用常规加热炉(例如电阻或电感式炉)熔化每个细粒中的硅粉末，且所述细粒形成球体。此工艺为能源密集型的，需要时间来使石英衬底与熔融硅发生反应，需要将个别细粒放置在凹部中的耗时的过程，具有每衬底约20,000细粒的有限处理量，且减少衬底的使用寿命。所需要的是使用不损坏衬底的加热工艺形成具有小于200um的直径的精确硅球的具成本效益的方法。
技术实现思路
在一个实施例中，从处在流体(例如，丙酮、乙醇、乙醚、水、乙二醇、丙二醇或其它液体或液体的组合)中的高品质块状硅研磨非常精细的粉末以产生硅油墨。硅颗粒的平均尺寸可为从几十纳米到几百纳米或几微米，且所述颗粒可具有任何形状。所述流体可为任何合适蒸发或挥发性有机或无机化合物。归因于硅颗粒的精细度，颗粒保持悬浮在流体中达延长的时间段，保持均匀分散，且可具有高体积密度。可添加分散剂及/或表面活性剂(例如，含氟表面活性剂、无机盐或有机盐)以使分散在更长的时间段内稳定。如下制备石英衬底(例如，熔融硅石板)。掩模用于界定衬底中紧密间隔的凹痕。掩模中的每个开口可具有约10um到100um的直径。开口可为圆形、六边形或其它形状。所述衬底接着经受湿式蚀刻及干式蚀刻中的一者或其组合以在衬底中形成具有约200um或更小的直径的大量紧密间隔的凹痕。所述凹痕具有圆边，且每个凹痕的底部可为圆形的或平坦的。替代地，可使用激光钻孔产生所述凹痕。在此情况中，使用激光将凹痕烧蚀到石英中。紫外线或二氧化碳激光器可用于制造这些凹痕。一旦已形成凹痕，接着用排斥硅油墨的薄膜来涂布衬底的整个表面以防止硅油墨使所述衬底变湿。可偶尔重新施加此涂布或甚至在每次重新使用衬底时重新施加此涂布。接着将硅油墨涂布在衬底的表面上以填充凹痕。刮板可用于强制硅油墨进入凹痕并去除多余油墨。多余油墨被重复利用。每个凹痕中的硅的体积大体上为相同体积，这是因为油墨中的硅颗粒的密度大体上是均匀的。油墨经加热以蒸发流体。接着使用炉快速加热(例如，小于10ms)干燥硅颗粒以熔化硅颗粒从而通过表面张力形成精确硅球。优选使用光学炉，在此情况中，未由硅吸收的光主要透射通过透明衬底，因此硅相对于衬底而选择性地被加热。实现硅的优先加热使
得具有凹痕的衬底不与硅发生反应且可被重复使用。可使用若干方法增加熔化过程的效率从而优化此制造工艺的成本效益。可将反射性金属层(例如铝)添加到石英的背面以将光能反射回到硅中。可将保护性表面层(例如氮化硅)沉积在石英衬底上以限制在熔化期间与硅油墨发生反应及/或增加衬底的使用寿命。如第8,410,712号美国专利中描述的脉冲辐射热处理(一种类型的光学炉)也可用于最有效地熔化硅。借助于脉冲辐射热工艺，脉冲的功率、长度及频率可经调谐以实现有效熔化及冷却硅所需的精确加热概况。衬底也可以对流方式进行加热以减少由光学炉所需的峰值功率，这使工艺的总能源成本最小化。接着通过将光的应用及/或石英板从炉去除来快速地冷却球体。由于使用光刻界定凹痕(例如通过大型掩模或通过步进及重复曝光工艺)，因此经处理的石英衬底为廉价的且可较大，例如1平方米。因此，单个衬底在单个工艺期间可产生一亿个硅球。所述衬底可重复使用。除了极高的处理量，球体的品质可高于现有技术的较大球体。更高的品质包含归因于快速熔化的更大的结晶度、更少的晶粒边界及更低的杂质浓度。此外，由于球体非常小，表面张力导致更精确的球形，这是因为相对于球体的表面积的硅的较轻的重量不压缩球体的形状。球体可接着从凹痕去除，印刷为金属衬底上的单层且经进一步处理以形成太阳能电池板中的二极管。也可使用此工艺形成除硅以外的材料的球体。描述其它实施例。附图说明图1为涂布有通过物理或化学气相沉积而沉积的非晶硅的矩形石英衬底的横截面图。图2为在已形成光致抗蚀剂掩模之后横跨所述光致抗蚀剂掩模中的三个开口而切割的图1的衬底的小部分的横截面图，其中增加其间距以用于说明。图3为展示具有开口阵列的掩模的石英衬底的俯视图，其中所述开口被极大地放大。图4说明在RIE蚀刻期间图2的衬底，RIE蚀刻蚀刻通过非晶硅以暴露石英衬底。图5说明在用以在衬底中形成数以百万计的凹痕的湿式蚀刻期间的图4的衬底。图6说明在去除非晶硅掩模之后的图5的衬底。图7说明在用硅油墨填充凹痕之后的图6的衬底。图8说明在硅油墨经加热以蒸发流体且熔化硅粉末以形成直径低至20um的均匀硅球之后的图7的衬底。图9为在制造期间的太阳能电池板的部分的横截面图，其展示印刷在金属衬底上的图8的硅球的单层。用相同数字标识相同或类似元件。具体实施方式图1为衬底10的横截面图，其可为矩形且具有约一平方米(或任何其它合适尺寸)的表面积。衬底10可具有任何厚度，例如5mm到1cm。衬底10可为熔凝硅石或合成熔凝硅石(也被称为石英)或可经受用于工艺中的热量且可易于蚀刻的其它材料。衬底10大体上为透明的。硬掩模11(例如非晶硅)通过物理或化学气相沉积均匀地沉积在石英衬底10上。如图2中所展示，接着使用常规光刻技术于硬掩模11上图案化光致抗蚀剂掩模12或软掩模以形成开口14本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，其包括：提供具有凹痕的衬底，每个凹痕具有第一体积；提供含有悬浮于流体中的至少第一材料的颗粒的油墨；将所述油墨沉积在所述凹痕中以完全填充所述凹痕，其中所述油墨与所述衬底的顶表面大体上在同一平面上；加热所述油墨以蒸发所述流体且熔化所述第一材料，使得所述经熔化的第一材料大体上形成球体；冷却所述球体；以及将所述球体从所述衬底去除。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.10 US 14/101,5541.一种方法，其包括：提供具有凹痕的衬底，每个凹痕具有第一体积；提供含有悬浮于流体中的至少第一材料的颗粒的油墨；将所述油墨沉积在所述凹痕中以完全填充所述凹痕，其中所述油墨与所述衬底的顶表面大体上在同一平面上；加热所述油墨以蒸发所述流体且熔化所述第一材料，使得所述经熔化的第一材料大体上形成球体；冷却所述球体；以及将所述球体从所述衬底去除。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料包括硅。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述经熔化的第一材料通过表面张力形成球体。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体仅含有所述第一材料。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述球体具有在20um到200um之间的直径。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述凹痕具有圆边。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底包括透明玻璃。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料的所述颗粒包括具有小于1um的平均直径的所述第一材料的纳米颗粒。9.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述衬底的所述步骤包括：提供具有平坦表面的所述衬底；于所述平坦表面上图案化掩模层以在所述掩模层中形成孔；通过所述孔蚀刻所述衬底以形成所述凹痕；以及去除所述掩模层。10.根据权利要求9所述的方法，其中图案化所述掩模层包括：将非晶硅掩模层沉积在所述衬底上；将光致抗蚀剂掩模层沉积在所述非晶硅掩模层上；图案化所述光致抗蚀剂掩模层以在所述光致抗蚀剂层中形成开口以暴露所述下伏非晶硅掩模层；执行反应性离子蚀刻RIE以蚀刻所述暴露的非晶硅掩模层以形成所述孔；以及通过所述孔执行对所述衬底的湿式蚀刻以形成所述凹痕。11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述衬底上形成膜以排斥所述油墨中的所述流体。12.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·D·罗恩索，特里西娅·A·扬布尔，威廉·J·雷，
申请(专利权)人：尼斯迪格瑞科技环球公司，
类型：发明
国别省市：美国;US