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(多图) 新型MEMS技术用于下一代光伏

Paul Lindner?? Executive Technology Director?? EV Group?? St. Florian | Inn?? Austria?? www.evgroup.com?? 2009年05月15日 ?? 收藏0

  跨产业创新包括在彻底革新进程中的创造性模仿。本文将讨论从微机电系统(MEMS)产业转移到光伏产业的一例成功技术应用。

  MEMS产业的特点是可以针对不同种类的应用采用高度多样化、非标准化的工艺,而进入不同的市场。因此,成功进入市场的MEMS技术一定具有灵活多变的特点,因此也可用于其他跨产业的创新。MEMS技术已被用于微电子产业的其他分支,例如先进的封装和半导体器件中的3-D集成电路,事实证明采用MEMS技术可获得巨大的竞争优势。

  光伏技术非常不同于微机电系统(MEMS),但两个产业却年龄相仿,并且都处在将要进入批量生产的阶段。此外,新一代高效率太阳能电池需要有创新的制造技术,以大幅度降低每瓦的成本(cost per watt)。本文将描述这种跨产业创新进程的商业方法,并简要介绍使用的技术及其针对的应用。

  商业方法

  光伏产业必须折中处理各个要素。其中最关键的是能源转换效率和复杂光伏电池结构的生产成本。尽管全球的光伏产业在过去的8年中飞速增长——复合年增长率(CAGR)大约为4 0%——光伏模块的价格平均每年仅下降5%,这将难以推动该产业在短期内成为广泛应用的能源。获得具有成本效益的生产能力,以及高效率的创新战略是至关重要的。

  MEMS产业的供应商在过去的几年里经历了类似的挑战。今天MEMS增长的推动力是在消费行业中的应用。用于游戏的加速度计和陀螺仪,笔记本电脑和移动应用,用于移动电话的硅制麦克风和RF振荡器,以及用于家庭娱乐和投影应用的数字微镜器件,给这些供应商施加了压力,须要减少生产设备的总体拥有成本(CoO)。

  虽然这一事实迫使设备供应商为MEMS市场而拿出创新的方法来节约成本,它也引发了技术上的突破——包括用于实现双面光刻的背面对准;在具有挑战性的表面起伏条件下均匀地喷涂光刻胶;还有,用来永久或暂时连接两个或两个以上的晶圆衬底的晶圆键合。这些技术已经被成功地移植到先进的封装和3-D集成应用,以及化合物半导体产业中。

  与微机电系统(MEMS)一样,光伏产业正朝着大批量生产迈进,并保持了高度的垂直整合性。主要的衬底是硅和薄膜材料,器件的封装主要在工艺线完成。此外,由于缺乏标准化和制造过程中的大量专门知识,工艺和设备之间存在巨大的相互依赖。所以,尽管光伏是与MEMS和半导体产业非常不同的市场,但MEMS和PV这两个行业的特点却是惊人的相似。另外,光伏产业的价格弹性需求更高。这给能够大大降低总体拥有成本(TCO)的技术提供了一个良好的基础,从而最终有助于减少电池每瓦的成本。

  要建立一个包含所有设备和服务(图1)的TCO战略,不仅要注重像机器吞吐量、标准运行时间、占地面积、投资费用和工艺成品率这些确凿的事实,而且一些软事实也至关重要,例如对新问题调查的反应时间、于此相关的转换速度、用来提供投资保护的工具灵活性、在市场上的声誉、交货时间的可靠性,以及其他使公司区别于竞争对手的因素。当使用现有的技术面向新的市场时,只要公司通过各种战略营销渠道有效地表达这一创新战略,那么这些要素都会有助于减少风险。

图1MEMS设备的总拥有成本拼图

  但是,成功的跨产业创新不仅仅是对现有技术的市场分化。它还涵盖了在高级的抽象层次寻求来源和目标行业的相似之处,以及有针对性的修改适应。最理想的情况是,由于具有更大程度创新的可能性,跨产业创新从本行业以外的领域筛选技术和商业潜力,最终获得更有力的竞争优势。另一方面,与跨产业创新战略相关联的较高风险,要求有一个坚实的风险管理过程。图2显示的战略已被证实可以在跨产业的创新过程中减少经营风险。

  技术及应用:将MEMS技术推广至 PV

  实际上光伏产业的大部分制造技术是从半导体产业借来的。同样,MEMS制造技术和下一代半导体器件及封装之间,也存在着强烈的相关性。如:用于3-D互连和超薄晶圆处理的晶片键合,用于先进半导体封装的双面掩模对准和喷涂,以及用于晶圆级相机的纳米压印技术。

图2在跨产业创新过程中的风险管理战略

  这条MEMS-半导体-光伏产业链,提高了在MEMS和PV之间进行技术转移的成功率。另一方面,很明显的是,两个市场的特点差别越大,那么建立在技术转移基础上的跨产业战略则体现的创新程度就越高。如果从一个设备制造商的视角来比较MEMS和PV,那么在设备数量,衬底尺寸,每片衬底在制造过程中的附加费用,以及设备单位投资成本的吞吐量等方面存在着明显的差异。这些因素成为跨产业创新进程中的挑战,同时把目标市场主要定位在高效率电池和需要挑战性工艺和处理步骤的电池。

  晶圆键合是MEMS领域的一项成熟技术,在20世纪90年代初提出。这项技术在强力和高温(高达600°C)的帮助下,在真空室中使两片衬底键合在一起。当需要光学对准晶圆键合或层转移时,这两个晶圆先被分别对准。之后,才将事先对准并被钳住的晶圆转移到工作腔。今天的键合对准技术与非紫外线和非红外线透明晶圆配合使用,可以获得±0.5μm(3σ)的键合后对准精度。基于热和压力传递概念改良的晶圆键合机(图3),对薄层转移过程进行了优化,并顺带给生产薄膜太阳能电池(如CIGS)、多结叠层电池和多波段光伏电池的客户提供了附加值。晶圆键合机经改良,采用更高的键合力(多达60 kN),可以解决衬底尺寸较大的问题;应用新的集群处理概念,可突破大气压下处理的限制;应用快速加热的概念,可以完成薄层转移特有的内在物理反应。

图3用于晶圆键合及层转移工艺的Gemini全自动键合机组合已经针对薄膜太阳能电池进行了优化

  III-V族聚光电池在某些工艺阶段需要光刻精微结构,这引出MEMS设备供应商可以显著降低总拥有成本的另一个领域。目前的丝网印刷技术无法用于这种图形尺寸,因为其有限的分辨率引起有源层的阴影遮挡效应。当前的光刻机(图4)能够以近距离曝光模式实现最低限度的分辨率,小到1μm,并且吞吐量可以轻松地超过喷墨打印或紫外光步进技术。

图4用于正面和双面光刻的Hercules光刻涂布系统可以对加工多晶硅太阳能电池进行优化

  光刻机还可以应用在像多晶硅太阳能电池这样的新概念上。通过增加活性硅表面来优化使用硅衬底。创新的制造概念,例如Origin Energy和澳大利亚国立大学(ANU)的Sliver技术(该技术采用了双面湿蚀刻工艺,做出薄硅片条,因此在衬底的两侧需要一个由光刻形成的刻蚀掩膜),应用掩膜对准技术以形成刻蚀掩膜。
喷涂可提供一种创新的解决方案,将悬浮在高分子基质中的金属粒子沉积为薄膜,这一技术对超薄晶体和有机聚合物太阳能电池来说特别重要。这项技术已经成功地从MEMS转移到柔性显示器和包含穿透硅通孔(TSV)电互连的下一代晶圆级封装半导体器件(图5 )。

图5应用于光伏产业

  喷涂不同于传统的聚合物为基础的光刻胶材料旋涂工艺。旋转涂膜法将光刻胶施放于晶圆中央,高速旋转甩出聚合物,在一个平面衬底上形成一层均匀的光刻胶。与之不同,喷涂采用了一个低压超声喷雾器,在固定不动的晶圆表面上喷洒细小的光刻胶液滴,因此能够在大的表面形貌上分配一层极其均匀的光刻胶,并保持与旋转涂膜法相当的吞吐量。此外,它还可以比旋转涂膜节省多达80%的光刻胶,而且能生成高度均匀且厚度低于100纳米的光刻胶薄膜。该EVG100系列还可以被扩展,可用于大到780 × 650 mm的衬底,并通过使用高速喷嘴来优化吞吐量和涂层的均匀性。

  被用于形成亚100 nm结构和用于超薄衬底处理过程中的临时键合、解键合的纳米压印技术,也已经成功地从MEMS转移到其他行业。这些技术也可能以最小的风险直接应用于光伏产业。纳米压印技术对制造含有多个垂直pn结的有机太阳能电池来说,具有很好的前景。

图6超薄基板为光伏产业提供了所需的成本优势但它们同时也伴随着处理上的挑战图中展示的是100

  在早期光伏产业中就可以发现薄晶圆处理概念的量产应用。要降低硅太阳能电池每瓦的成本,其中最重要的因素就是要减少硅片材料的厚度。根据衬底的大小不同,采用标准化设备的传输和工艺概念,最小可处理的硅片厚度范围是100-150 μm(图6)。对于脆性非硅材料,这个值要更高。一些领先的硅电池制造商将在未来的1-3年达到这一厚度限制。一项经过生产验证的超薄晶圆处理的技术是在刚性载体上处理晶圆(称为临时键合、解键合),被认为是未来的行业标准。薄晶圆通过有专门释放机制的特殊中间层,暂时与可重复使用的刚性载体键合。这些中间层可以是多层干膜,旋涂上的聚合物或者特殊的蜡。因此,处理超薄晶圆的整个工艺过程可以跟一个标准的晶片一样,而且没有必要为改造适应设备兼容薄晶圆而进行额外的投资。在制造过程的最后,通过激活相应的释放机制(通常利用温度或紫外线辐射),成品超薄晶圆可以从其载体上脱离下来(解键合)。

  结论

  在技术水平上,MEMS和光伏产业间的跨产业创新已被证明是成功的。对于具有高价格弹性需求特征的光伏产业来说,只有能够大幅度降低电池制造总拥有成本的技术,才能够被成功的转移应用。用于薄层转移工艺的永久晶圆键合,用于超薄基板处理的临时键合,用于定义微米级结构的光刻工艺,以及用于形成超薄导电材料层的喷涂技术,这些都是MEMS和光伏产业间的跨产业创新成功的例子。


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