CN101563477A - 透明导电薄膜的反应性溅射沉积方法 - Google Patents

透明导电薄膜的反应性溅射沉积方法 Download PDF

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Abstract

本发明是提供一种用于溅射沉积一透明导电氧化物(TCO)层的方法。透明导电氧化物层可以用作为光伏元件中的背反射板。在一实施例中，该方法包括：将一基板提供至一制程室中；通过一第一溅射沉积步骤而在基板上形成透明导电氧化物层的一第一部分；以及通过一第二溅射沉积步骤而形成透明导电氧化物层的一第二部分。

Description

透明导电薄膜的反应性溅射沉积方法
技术领域
本发明涉及一种用于沉积透明导电薄膜的方法及设备，特别是一种反应性溅射沉积透明导电薄膜的方法及设备，且此透明导电薄膜是用于光伏元件(photovoltaic device)。
背景技术
光伏(PV)元件或太阳能电池为将太阳光转变为直流(DC)电力的元件。PV或太阳能电池一般具有一或多个p-n接面(junction)。各个接面包括在半导体材料中的二个不同区域，其中一侧代表p型区域，另一侧代表n型区域。当PV元件的p-n接面暴露于太阳光(由来自光子的能量所组成)，太阳光透过PV效应而直接转换为电力。PV太阳能电池产生特定量的电力，且铺成足以输送期望量的系统电力的模块大小。通过将数个PV太阳能电池连接，并接着利用特定框架和连接器将其接合成面板而形成PV模块。
数种包括微晶硅薄膜(μc-Si)、非晶硅薄膜(a-Si)、多晶硅薄膜(poly-Si)等的PV元件类型是用于形成PV元件。透明导电薄膜或透明导电氧化物(TCO)薄膜通常是用作为设置在PV太阳能电池的顶部的顶表面电极(通常称之为背反射板；back reflector)。透明导电氧化物(TCO)薄膜必须对于可见或较高波长区域具有高光透射率，以促进太阳光透射进入太阳光电池中，而不会不利地吸收或反射光能。再者，透明导电氧化物(TCO)薄膜的低接触电阻及高导电力是所期望的，以提供高光电转换效率及电力收集。透明导电氧化物(TCO)层的纹理化或粗糙表面的某种程度也是所期望的，以通过促进光散射而协助太阳光捕捉。透明导电氧化物(TCO)薄膜的过高杂质或污染物通常会造成在TCO薄膜与邻近薄膜的界面处的高接触电阻，藉此，降低PV元件中的载子迁移率。再者，TCO薄膜的不足透明度可能会不利地将将光线反射回环境，而造成较少的太阳光进入PV元件中，并使得光电转换效率降低。
因此，对于沉积用于PV元件的透明导电氧化薄膜的改良方法是具有需求的。
发明内容
本发明提供用于溅射沉积一透明导电氧化物(TCO)层的方法，且该TCO层适用于PV元件中。此沉积方法提供具有高透明度的TCO层，而不会对总TCO层导电性造成不利影响。在一实施例中，一种用于溅射沉积的方法包括：将一基板提供至一制程室中；通过一第一溅射沉积步骤而在基板上形成一透明导电氧化物层的一第一部分；以及通过一第二溅射沉积步骤而形成透明导电氧化物层的一第二部分。
在另一实施例中，一种用于溅射沉积一透明导电氧化物层的方法包括：将一基板提供至一制程室中；供应一气体混合物至制程室中；溅射来自设置在制程室中的一靶材的一来源物质；在溅射期间调整供应至制程室的气体混合物的一流速；以及在基板上形成透明导电氧化物层。
在又一实施例中，一种用于溅射沉积一透明导电氧化物层的方法包括：将一基板提供至一制程室中；供应一第一气体混合物至制程室中；溅射来自设置在制程室中的一靶材的一来源物质；经溅射的来源物质与第一气体混合物反应，以在基板上形成一透明导电氧化物层的一第一部分；供应一第二气体混合物至制程室中，并与经溅射的来源物质反应；以及在基板上形成透明导电氧化物层的一第二部分。
附图说明
为让本发明的上述特征更明显易懂，可配合参考实施例说明，其部分乃绘示如附图。
图1示出根据本发明的一实施例的制程室的概要剖面视图；
图2示出根据本发明的一实施例的结晶硅系薄膜PV太阳能电池的示例剖面视图；
图3示出根据本发明的一实施例而用于沉积TCO层的制程流程图；
图4示出根据本发明的一实施例的串迭型PV太阳能电池的示例剖面视图；
图5示出根据本发明的一实施例的三接面PV太阳能电池的示例剖面视图。
为便于了解，图式中相同的元件符号表示相同的元件。某一实施例采用的元件当不需特别详述而可应用到其它实施例。
然而，须注意的是，虽然所附附图公开本发明特定实施例，但其并非用以限定本发明的精神与范围，任何熟习此技术人员，当可作各种地更动与润饰而得等效实施例。
具体实施方式
本发明提供一种用于溅射沉积一TCO层的方法，而此TCO层适用于太阳能电池的制造。在一实施例中，TCO层的溅射沉积是通过在溅射期间供应不同气体混合物及/或不同气体流速，藉此，调整薄膜性质以使其符合不同或特定的制程需求。在其它实施例中，通过在溅射期间提供不同氧气流速以将TCO层溅射沉积为太阳能电池单元中的背反射板，藉此，调整薄膜性质以使其符合不同或特定的制程需求。在又一实施例中，通过在期望温度下的第一及第二溅射期间提供不同氧气流速，以将TCO层溅射沉积为太阳能电池单元中的背反射板，藉此，调整薄膜性质以使其符合不同或特定的制程需求。
图1绘示根据本发明的一实施例而适于溅射沉积材料的示范性的反应性溅射制程室100。可适用且可受益于本发明的制程室实例为购自加州圣克拉拉应用材料公司(Applied Materials，Inc.)的PVD制程室。但包括来自其它制造商的其它溅射制程室也可适用而实施本发明。
制程室100包括腔室主体108，其具有一界定于其中的处理容积(processing volume)118。腔室主体108具有侧壁110以及底部146。腔室主体108及制程室100的相关部件的尺寸并未受限，且通常成比例地大于待处理的基板114的尺寸。可处理任何适合的基板尺寸。适当的基板尺寸的实例包括具有表面积约2000cm2或更大的基板，例如4000cm2或更大，又例如约10000cm2或更大。在一实施例中，可处理具有约50000cm2或更大的表面积的基板。
腔室盖元件104是安装在腔室主体108的顶部。腔室主体108可以由铝或其它适合材料制成。基板入口130是穿设于腔室主体108的侧壁110，以有利于基板114(即，太阳能面板、平板显示器基板、半导体晶圆或其它工件)传送进出制程室100。入口130可耦接至传输室及/或基板处理系统的其它腔室。
气体源128是耦接至腔室主体108，以将制程气体供应至处理容积118。在一实施例中，制程气体可包括惰性气体、非反应性气体及反应性气体。气体源128所提供的制程气体的实例包括但不限于氩气(Ar)、氦气(He)、氮气(N2)、氧气(O2)及水(H2O)。
抽气口150是穿设于腔室主体108的底部146。抽气装置152是耦接至处理容积118，以进行排气并控制其中的压力。在一实施例中，制程室100的压力层级可维持在约1托(Torr)或更低。在另一实施例中，制程室100的压力层级可维持在约10-3托或更低。在又另一实施例中，制程室100的压力层级可维持在约10-5托～10-7托。在另一实施例，制程室100的压力层级可维持在约10-7托或更低。
盖元件104通常包括一靶材120以及与其耦接的接地屏蔽元件126。靶材120提供可在PVD制程期间溅射并沉积至基板114表面的材料来源。靶材120或靶材板可以由用于沉积物种的材料制成。高压功率源(例如功率源132)是连接至靶材120，以利于来自靶材120的材料的溅射。在一实施例中，靶材120可以由含有锌(Zn)金属的材料制成。在另一实施例中，靶材120是由包括金属锌(Zn)靶材、锌合金、锌铝合金、锌镓合金、含锌陶瓷氧化物靶材等的材料制成。
靶材120通常包括周围部分124以及中央部分116。周围部分124是设置于腔室的侧壁110上方。靶材120的中央部分116可具有弯曲表面，其略微朝向设置在基板支撑件138上的基板114表面延伸。靶材120与基板支撑件138之间的间隔是维持在约50mm～约150mm之间。应注意的是，可根据特定的制程或基板需求而改变靶材120的尺寸、形状、材料、配置及直径。在一实施例中，靶材120可更包括一背板，该背板具有一中央部分，而该中央部分是由期望溅射至基板表面的材料制成，及/或与此材料结合。靶材120也可包括聚集在一起而形成靶材的相邻靶砖或片段材料。
可选择地，盖元件104可更包括装设在靶材120上方的磁控管元件102，而磁控管元件102可增进处理期间来自靶材120的材料的有效溅射。磁控管元件的实例包括线形磁控管、蛇形磁控管、螺旋形磁控管、双指状磁控管、矩形螺旋形磁控管等。
盖元件104的接地屏蔽元件126包括接地框106及接地屏蔽112。接地屏蔽元件126也可包括其它腔室屏蔽构件、靶材屏蔽构件、暗区屏蔽、暗区屏蔽框。接地屏蔽112通过接地框106而耦接至周围部分124，且接地框106在处理容积118中而于靶材120中央部分的下方界定出一上方处理区域154。接地框106使接地屏蔽112与靶材120为电性绝缘，并提供一通过侧壁110而至制程室100的腔室主体108的接地路径。接地屏蔽112将处理过程中产生的等离子体限制在上方处理区域154中，并迫使靶材源材料自靶材120的中央部分116移出，藉此，允许移出的靶材源主要沉积在基板表面上而非腔室侧壁110上。在一实施例中，接地屏蔽112由一或多个工件片段及/或数个该些部件通过本技艺已知的制程将其结合而形成，例如通过焊接、粘接、高压压缩等。
轴杆140是延伸穿过腔室主体108的底部146并耦接至升举机构144。升举机构144是配置以将基材支撑件138于下方传输位置及上方处理位置之间移动。波纹管(bellow)142是围绕于轴杆140周围并耦接至基板支撑件138以在其间提供弹性密封，藉此维持腔室处理容积118的真空完整性。
遮蔽框122是设置在基板支撑件138的周围部分上，并配置以将由靶材120所溅射出的来源材料的沉积限制在基板表面的期望部位。腔室屏蔽136可设置在腔室主体108的内壁上，并具有一往内延伸至处理容积118的突唇156，而突唇156是配置以支撑遮蔽框122，而使其设置在基板支撑件138的周围。随着基板支撑件138升举至用于处理的上方位置时，设置在基板支撑件138的基板114的外部边缘与遮蔽框122接合，而遮蔽框122升高并且与腔室屏蔽136分隔开。当基板支撑件138下降至传输位置而邻近基板传输入口130时，遮蔽框112则回到腔室屏蔽136上方。升举销(图中未示)是选择性地移动穿过基板支撑件138，以将基板114举高于基板支撑件138之上，而有利于通过传输机械手臂或其它适合传输机构来取得基板114。
控制器148是耦接至制程室100。控制器148包括中央处理单元(CPU)160、内存158以及支持电路162。控制器148是用以控制制程顺序、调节来自气体源128至制程室100的气流以及控制靶材120的离子轰击。CPU 160可以为任何形式且可用于工业设定的通用计算机处理器。软件例程可储存在内存158中，例如随机存取内存、只读存储器、软盘机或硬盘机、或是其它的数字储存形式中。支持电路162是如已知地耦接至CPU 160，并可包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等。当由CPU 160执行软件例程时，软件例程会转换至控制制程室100的专用计算机(控制器)148，则制程会根据本发明而进行。软件例程也可通过第二控制器(图中未示)储存及/或执行，而此第二控制器是远离制程室100而设置。
在处理期间，材料是由靶材120溅射出，并沉积在基板114表面上。靶材120及基板支撑件138通过功率源132而相对于彼此偏压，以维持气体源128供应的制程气体所形成的等离子体。来自等离子体的离子是加速而朝向靶材120并攻击靶材120，因而造成靶材材料自靶材120中被逐出。所逐出的靶材材料及制程气体在基板114上形成具有期望组成的一层。
图2绘示根据本发明的一实施例的非晶硅系薄膜PV太阳能电池(amorphous silicon-based thin film PV solar cell)200的剖面视图。非晶硅系薄膜PV太阳能电池200包括一基板114。该基板114可以为金属、塑料、有机物质、硅、玻璃、石英的薄板、或聚合物或其它适合材料。基板114的表面积可以大于约1m2，例如大于约2m2。可选择地，薄膜PV太阳能电池200可以视需要而制造为结晶、微晶或其它形式的硅系薄膜。
TCO层202设置在基板114上，而光电转换单元214则形成在TCO层202上。光电转换单元214包括p型半导体层204、n型半导体层208，以及夹设在其间而作为光电转换层的本征型(i型)半导体层206。一选择性的介电层(图中未示)可设置在基板114及TCO层202之间。在一实施例中，选择性介电层可以为SiON或氧化硅(SiO2)层。
p型及n型半导体层204、208可以为硅系(silicon based)材料，其可掺杂一选自第III或V族的元素。掺杂有第III族元素的硅薄膜称之为p型硅薄膜，而掺杂有第V族元素的硅薄膜称之为n型硅薄膜。在一实施例中，n型半导体层208可以为磷掺杂硅薄膜，而p型半导体层204可以为硼掺杂硅薄膜。掺杂的硅薄膜(204、208)包括非晶硅薄膜(a-Si)、多晶硅薄膜(poly-Si)以及微晶硅薄膜(μc-Si)，且其厚度为5nm～约50nm。可选择地，p型及n型半导体层204、208中的掺杂元素是经选择以符合PV太阳能电池200的需求。p型及n型半导体层204、208可通过CVD制程或其它适合沉积制程来沉积。
i型半导体层206为一非掺杂形式的硅系薄膜。i型半导体层206是在受控以提供具有改进光电转换效力的薄膜特性的制程条件下进行沉积。在一实施例中，i型半导体层206可以由i型多晶硅(poly-Si)、i型微晶硅薄膜(μc-Si)、非晶硅(a-Si)或氢化非晶硅(a-Si)制成。
在光电转换单元214于TCO层202上形成之后，背反射板216则设置在光电转换单元214上。在一实施例中，背反射板216可以由堆栈薄膜形成，其包括穿透导电氧化物(TCO)层210以及导电层212。导电层212可以为Ti、Cr、Al、Ag、Au、Cu、Pt或其合金的至少其中之一者。TCO层210可以由类似于形成在基板114的TCO层202的材料制成。TCO层202、210可以由氧化锡(SnO2)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)或其组合所组成的群组制成。
在图2所示的实施例中，TCO层202、210的至少其中之一者是通过根据本发明的反应性溅射沉积所制成。TCO层202、210的溅射沉积制程是在制程室100中进行，如图1所述。
图3绘示用于在基板114上或光电转换单元214上沉积TCO层(例如：TCO层202、210)的溅射沉积制程300的一实施例的流程图。制程300可以如同指令而储存在内存158中，且当控制器148执行该些指令时，制程300则会在制程室100中执行。在图3所示的实施例中，制程300是在购自应用材料公司的Thin Film Solar PECVE系统中执行。
制程300起始于步骤302，是将基板提供至溅射制程室中，以用于在基板上沉积一TCO层。在一实施例中，TCO层是沉积为基板114上的TCO层202。在另一实施例中，TCO层是沉积为光电转换单元214上的TCO层而作为背反射板216。
在步骤304中，进行第一溅射沉积步骤以溅射沉积一部分的TCO层。第一溅射沉积步骤可配置以沉积一部分的TCO层，而此部分与下方将进一步描述地利用第二溅射沉积步骤所沉积的TCO层的第二部分具有不同薄膜特性。根据太阳能电池200中所形成的不同层，故TCO层可能需要不同的薄膜特性需求，因此可通过改变溅射沉积参数以产生不同的化合物薄膜成分及质量。举例来说，底部TCO层202相较于上方TCO层210而需要例如较高纹理化(textured)表面、高透明度以及高导电性等的薄膜特性。高纹理化表面促进传送穿过基板114的入射光222于底部TCO层202被捕捉，藉此，使得光透射效率最大化。虽然上方TCO层210可能也需要高透明度，但是，其对表面纹理化的需求远小于底部TCO层202。在利用如制程300所述的溅射沉积制程而形成上方TCO层210以作为背反射板的实施例中，在其与光电转换单元214之间的界面是期望具有较低纹理化表面、高透明度及高导电性。
在第一溅射步骤中，可将气体混合物供应至制程室100中，以与溅射自靶材120的来源物质反应。在一实施例中，气体混合物包括反应性气体、非反应性气体、惰性气体等。反应性及非反应性气体的实例包括但不限于为O2、N2、N2O、NO2及NH3、H2O等。惰性气体的实例包括但不限于为Ar、He、Xe及Kr等。
在图2所示的实施例中，是利用由锌(Zn)及铝(Al)金属合金所制成的金属合金靶材来作为用于溅射制程的靶材120的来源物质。包括在锌及铝金属合金靶材120中的铝金属比率是控制在约0.5％～约5％之间(以重量计)。当将高压功率施加至金属锌靶材120时，金属锌来源物质是以锌离子(例如Zn+或Zn2+)的形式自靶材120溅射出。供应至靶材120与基板支撑件138之间的偏压功率是维持在制程室100中由气体混合物所形成的等离子体。主要来自惰性气体或等离子体中的气体混合物的离子是轰击并将靶材120的物质溅射出。反应性气体与生长溅射薄膜反应，以在基板114上形成具有期望组成的层。在溅射沉积制程期间，可改变气体混合物及/或其它制程参数，藉此，针对不同的薄膜质量需求而产生具有期望薄膜特性的变化率。
在一实施例中，供应至制程室100中的气体混合物包括氧气、氩气或其混合物。氧气的供应流速可介于约0sccm～约1000sccm，例如介于约10sccm～约200sccm，又例如介于约15sccm～约100sccm。可选择地，氧气流速可以被控制在以每腔室计的一流速，所述流速介于每腔室体积(公升)约0sccm～每腔室体积(公升)约29sccm，例如介于每腔室体积(公升)约0.28sccm～每腔室体积(公升)约6sccm，又例如介于每腔室体积(公升)约0.43sccm～每腔室体积(公升)约2.89sccm。氩气供应至制程室100的流速可介于约100sccm～约500sccm之间，例如介于约100sccm～约250sccm。可选择地，氩气流速可以被控制在以每腔室计的一流速，所述流速介于每腔室体积(公升)约2.89sccm～每腔室体积(公升)约14.46sccm，例如介于每腔室体积(公升)约2.89sccm～每腔室体积(公升)约7.23sccm。
由氧气气体混合物解离出的氧离子与自靶材溅射出的锌离子反应而形成氧化锌(ZnO)层，以作为基板114上的TCO层202的第一部分。在处理过程中，RF功率是供应至靶材120。在一实施例中，所供应的RF功率密度是介于约100毫瓦/平方厘米(milliWatts per centimeter square)～约10000毫瓦/平方厘米，例如为约500毫瓦/平方厘米～约5000毫瓦/平方厘米，又例如为约1000毫瓦/平方厘米～约4500毫瓦/平方厘米。可选择地，所供应的直流(DC)功率是介于约1000毫瓦/平方厘米～约30000毫瓦/平方厘米，例如为约500毫瓦/平方厘米～约1500毫瓦/平方厘米，又例如为约1000毫瓦/平方厘米～约4500毫瓦/平方厘米。
在步骤304中可调节数种制程参数。在一实施例中，制程室100中的气体混合物的压力是调节在约0毫托(mTorr)～约100毫托之间，例如介于约1毫托～约10毫托。基板温度可以维持在约25℃～约400℃之间，例如约150℃～约250℃。制程时间可以为预定的制程期间，或是直到基板上已沉积有期望厚度的层。在一实施例中，所进行的制程时间可以介于约15秒～约1200秒，例如约120秒～约400秒。在另一实施例中，所进行的制程时间为TCO层的第一部分的厚度达到才终止。在一实施例中，TCO层的第一部分的厚度是介于约50
Figure A20078004706400141
～约8000
Figure A20078004706400142
在一实施例中，第一溅射步骤304是用于沉积上方TCO层210的第一部分，而所沉积的上方TCO层210的第一部分的厚度是介于约100～约800
Figure A20078004706400144
在一实施例中，第一溅射步骤304是用于沉积底部TCO层202的第一部分，而所沉积的底部TCO层202的第一部分的厚度是介于约1000
Figure A20078004706400145
～约8000
Figure A20078004706400146
在待处理的基板具有不同尺寸的实施例中，具有不同尺寸的制程室中所配置的制程、压力及间隔不需根据基板及/或腔室尺寸的改变而有所变化。
可选择地，在第一溅射步骤中，于TCO层的沉积过程中，可改变供应至制程室100的气体混合物，以产生层中的特性梯度。也可改变供应至靶材120的溅射来源物质的功率。在一实施例中，供应至制程室100的气体混合物可于每秒约100sccm～约500sccm之间增加或降低，直到达到期望气体流速为止。相似的，供应至靶材120的功率也可在每秒约1000瓦～约10000瓦之间增加或降低，直到达到期望处理功率为止。
在溅射制程是用于沉积上方TCO层210以做为太阳能电池200的背反射板的实施例中，第一沉积步骤是配置以沉积具有高导电性、高透明度及较低纹理化表面的TCO层210的第一部分。举例来说，当TCO层210的第一部分直接与光电转换单元214接触时，TCO层210的界面层是期望具有高导电性(例如具有较高比例的金属元素)以降低接触电阻，藉此，呈现出一较高的电转换效率。在一实施例中，TCO层210的第一界面部分的接触电阻是小于约1×E-2Ohm-cm，例如介于约1×E-2Ohm-cm～1×E-4Ohm-cm之间。在期望界面层具有高导电性的实施例中，氧气气体混合物是以较少量供应(例如：以较低气体流速)，以产生具有较高金属锌比率(相对于氧)的溅射沉积薄膜。可选择地，可施加高压功率至靶材120，以溅射较大量的锌，而产生具有高锌比率(相对于氧元素)的期望薄膜。当上方TCO层210形成在光电转换单元214上时，用于溅射沉积上方TCO层210的制程温度是控制在较低温，例如，低于300℃，藉以预防晶粒结构伤害以及光电转换单元214的硅薄膜的其它相关热伤害。在一实施例中，用于溅射沉积上方TCO层210的制程温度是控制在约100℃～约300℃之间，例如小于约250℃。
相对的，针对沉积为底部TCO层202的TCO层，是期望具有较高纹理化的表面、高薄膜导电性以及高薄膜透明度。当底部TCO层202直接沉积在基板114上时，可采用较高的制程温度来溅射沉积底部TCO层202，只要基板114不受到热破坏。举例来说，当基板114的材料为具有高过约450℃的熔点的玻璃或陶瓷材料时，则可使用较高的制程温度范围，例如高于约300℃，低于约450℃，以产生具有高透明度的薄膜。在较高制程温度下沉积的TCO层可具有较高的块体薄膜导电性(bulk film conductivity)，而可在相对于上方TCO层210的较高制程温度下沉积的底部TCO层202，其相对于上方TCO层210具有较高的块体薄膜导电性。在一实施例中，底部TCO层202的导电性为约1E-4Ohm-cm，其高于上方TCO层210的导电性。
在步骤306中，进行第二溅射沉积步骤，以溅射沉积TCO层直到达到TCO层的第二部分的期望厚度或是TCO层的总厚度。在第二步骤306中的制程参数及供应至制程室100的气体混合物可不同于第一步骤304，藉此，所沉积的TCO层的第二部分的薄膜特性会与第一部分不同。
在步骤306的第二溅射沉积步骤中，于步骤304中所供应的第一气体混合物及第一气体混合物的流速可以平顺的过渡成为第二气体混合物及第二气体流速。气体混合物及/或气体流速的改变是提供反应过程中的不同的金属与氧的比率，藉此，使得TCO层的第二部分相对于第一部分而具有不同的锌金属与氧的比率。另外，在步骤304所供应的功率可不同于在步骤306所供应的功率，藉以调整制程期间的溅射金属量。
在利用第二溅射沉积步骤以沉积上方TCO层210的上方第二部分以作为背反射板的实施例中，供应至制程室的气体混合物为高含量及/或高流速，以造成TCO层210的第二部分具有较高的氧相对于金属锌的比率。举例来说，在第二溅射沉积制程中具有较高氧气流速的气体混合物(相对于步骤304的第一溅射沉积制程中的低氧气流速)可用于产生期望的上方TCO层210，其具有两层薄膜，且各具有不同的薄膜特性。较高的氧相对于金属锌的比率是允许TCO层210的上方部分具有高透明度，而不会对TCO层210的总导电性及接触电阻造成不利影响。在利用第二溅射沉积步骤以沉积底部TCO层202的上方第二部分的实施例中，是期望具有一致的高薄膜透明度，以使光透射效率最大化。因此，使用高气体流速是所期望的，以产生底部TCO层202的上方第二部分而使其具有氧相对于金属锌的高比率。在一实施例中，底部TCO层202及/或上方TCO层210的第二部分相对于底部TCO层202及/或上方TCO层210的第一部分而具有较高的功函数(working function)。举例来说，底部TCO层202及/或上方TCO层210的第二部分的功函数是较底部TCO层202及/或上方TCO层210的第二部分的功函数高约0.3eV。
在一实施例中，供应至制程室100中的气体混合物包括氧气、氩气或其混合物。氧气的供应流速可介于约0sccm～约1000sccm，例如介于约10sccm～约300sccm，又例如介于约30sccm～约200sccm，例如大于25sccm。可选择地，氧气流速可以被控制在以每腔室计的一流速，所述流速介于每腔室体积(公升)约0sccm～每腔室体积(公升)约28.9sccm，例如介于每腔室体积(公升)约0.289sccm～每腔室体积(公升)约8.68sccm，又例如介于每腔室体积(公升)约0.86sccm～每腔室体积(公升)约5.78sccm，例如大于每腔室体积(公升)0.723sccm。氩气供应至制程室100的流速可介于约100sccm～约500sccm之间，例如介于约100sccm～约250sccm。可选择地，氩气供应至制程室100的流速以每腔室计可介于每腔室体积(公升)约2.89sccm～每腔室体积(公升)约14.47sccm，例如介于每腔室体积(公升)约2.89sccm～每腔室体积(公升)约7.23sccm。
可选择地，在步骤306中用于溅射沉积TCO层的第二部分的氧气可以较高流速(相对于步骤304的用于TCO层的第一部分的流速)进行供应及调节。在一实施例中，供应而用于溅射沉积TCO层的第二部分的氧气流速可以是介于约10sccm～约50sccm，例如介于每腔室体积(公升)约0.289sccm～每腔室体积(公升)约1.45sccm，而此流速是高于用于溅射沉积TCO层的第一部分的氧气流速。在另一实施例中，供应而用于溅射沉积TCO层的第二部分的氧气流速是控制在介于约30sccm～约150sccm的较高气体流速，例如介于每腔室体积(公升)约0.868sccm～每腔室体积(公升)约4.34sccm；供应而用于溅射沉积TCO层的第一部分的氧气流速是控制在介于约5sccm～约80sccm的较低气体流速，例如介于每腔室体积(公升)约0.145sccm～每腔室体积(公升)约2.314sccm。由氧气气体混合物解离出的氧离子是与由靶材溅射出的锌离子反应，以形成氧化锌(ZnO)层，而作为基板114上的TCO层202或210。RF功率是施加至靶材120以激发制程气体。在一实施例中，所供应的RF功率密度是介于约100毫瓦/平方厘米～约10000毫瓦/平方厘米，例如为约500毫瓦/平方厘米～约5000毫瓦/平方厘米，又例如为约1000毫瓦/平方厘米～约毫瓦/平方厘米。可选择地，所供应的直流(DC)功率是介于约1000瓦～约30000瓦，例如为约500毫瓦/平方厘米～约1500毫瓦/平方厘米，又例如为约1000毫瓦/平方厘米～约4500毫瓦/平方厘米。
在步骤304中可调节数种制程参数。在一实施例中，制程室100中的气体混合物的压力是调节在约0毫托(mTorr)～约100毫托之间，例如介于约1毫托～约10毫托。基板温度可以维持在约25℃～约400℃之间，例如约150℃～约250℃。制程时间可以为预定的制程期间，或是直到基板上已沉积有期望厚度的层。在一实施例中，所进行的制程时间可以介于约15秒～约1200秒，例如约120秒～约300秒。在另一实施例中，所进行的制程时间是为TCO层的厚度达到约50
Figure A20078004706400171
～约4000才终止。在利用第二溅射步骤306以沉积上方TCO层210的第二部分的一实施例中，TCO层的第二部分的沉积厚度是介于约100～约500
Figure A20078004706400174
在利用第二溅射步骤306以沉积底部TCO层202的第二部分的一实施例中，所沉积的底部TCO层202的第二部分的厚度是介于约250
Figure A20078004706400175
～约5000
Figure A20078004706400176
例如包括在步骤304所沉积的第一部分以及在步骤306所沉积的第二部分的总厚度，可针对上方TCO层210而控制在约400
Figure A20078004706400177
～约1500
Figure A20078004706400178
之间，并针对底部TCO层202而控制在约6000
Figure A20078004706400179
～约1.3μm之间。
可选择地，在第二溅射步骤306中，可改变供应至制程室100的气体混合物，以溅射沉积具有特性梯度的TCO层的第二部分。也可改变供应至靶材120的溅射来源物质的功率。在一实施例中，供应至制程室100的气体混合物可于每秒约100sccm～约500sccm之间增加或降低，直到达到期望气体流速为止。相似的，供应至靶材120的功率也可在每秒约1000瓦～约10000瓦之间增加或降低，直到达到期望处理功率为止。
在一实施例中，根据本发明所描述的TCO层202、210的薄膜电阻(sheetresistance)介于约1500奥姆/平方单位(ohm per square)～约2500奥姆/平方单位，例如约2000奥姆/平方单位。以波长为约400nm～约1100nm的光所测量的TCO层的透明度是大于约85％，而TCO层的表面粗糙度是小于约100
Figure A20078004706400181
于一示范性实施例中，在第一步骤304所供应的氧气气体流速是控制在约18sccm～约22sccm，例如介于每腔室体积(公升)约0.52sccm～每腔室体积(公升)约0.636sccm；在第二步骤306所供应的氧气气体流速是控制在大于约25sccm，例如每腔室体积(公升)约0.723sccm。所供应的RF功率密度为约1000毫瓦/平方厘米，腔室压力则维持在约4毫托。
于一示范性实施例中，在第一步骤304所供应的氧气气体流速是控制在约35sccm～约40sccm，例如介于每腔室体积(公升)约1.012sccm～每腔室体积(公升)约1.157sccm；在第二步骤306所供应的氧气气体流速是控制在大于约50sccm，例如每腔室体积(公升)约1.446sccm。所供应的RF功率密度为约2000毫瓦/平方厘米，腔室压力则维持在约6毫托。
于又一示范性实施例中，在第一步骤304所供应的氧气气体流速是控制在约80sccm～约90sccm，例如介于每腔室体积(公升)约2.315sccm～每腔室体积(公升)约2.6sccm；在第二步骤306所供应的氧气气体流速是控制在大于约100sccm，例如每腔室体积(公升)约2.89sccm。所供应的RF功率密度为约4000毫瓦/平方厘米，腔室压力则维持在约7毫托。
在操作中，由环境所提供的入射光222是供应至PV太阳能电池200。PV太阳能电池200中的光电转换单元214吸收光能，并通过光电转换单元214中形成的p-i-n接面的操作而将光能转换为电能，藉此产生电力或能量。可选择地，PV太阳能电池200可以利用反向顺序而制造或沉积。举例来说，基板114可沉积在背反射板216上方。
图4是绘示根据本发明的一实施例所制造的串迭型(tandem type)PV太阳能电池400的示例剖面视图。串迭型PV太阳能电池400的结构与PV太阳能电池200的结构相似，也包括形成于基板114上的底部TCO层402以及形成在TCO层402上的第一光电转换单元422。第一光电转换单元422可以为如同图2所述的光电转换单元214般而为微晶硅系、多晶硅系或非晶硅系的光电转换单元。中间层410可形成在第一光电转换单元422与第二光电转换单元424之间。中间层410可以为由上述的制程300所溅射沉积的TCO层。图4所示的第一光电转换单元422与第二光电转换单元424的组合可增加总光电转换效力。
第二光电转换单元424可以为微晶硅系、多晶硅系或非晶硅系，并且具有微晶硅系薄膜作为夹设在p型半导体层412与n型半导体层416之间的i型半导体层414。背反射板426设置在第二光电转换单元424上。背反射板426类似于参照图2所述的背反射板216。背反射板426可包括形成在上方TCO层418上的导电层420。导电层420与TCO层418的材料可以与参照图2所述的导电层212与TCO层210的材料相似。
中间TCO层410可以一方式沉积而具有预定薄膜特性。举例来说，中间TCO层410不论在与第二光电转换单元424的上方接触表面以及与第一光电转换单元422的下方接触表面都需要具有较为一均匀的表面、高透明度、高导电性及低接触电阻。在一实施例中，中间TCO层410可通过上述的二步骤溅射沉积制程来进行沉积。可通过在TCO层410的溅射沉积过程中调整气体混合物的流速及气体成分，以在薄膜中产生期望的金属与氧的比率。
可选择地，上方的第三光电转换单元510也可形成在第二光电转换单元424上，如图5所示。中间层502设置在第二光电转换单元424以及第三光电转换单元510之间。中间层502可以为一TCO层，其类似上方参照图4所描述的中间TCO层410。第三光电转换单元510可实质相似于第二光电转换单元424，包括设置在p型半导体层504与n型半导体层508之间的i型半导体层506。第三光电转换单元510可以为微晶硅型光电转换单元，其具有由一微晶硅薄膜所形成的i型半导体层506。可选择地，i型半导体层506可以由多晶硅或非晶硅层所形成。p型半导体层504与n型半导体层508可以为非晶硅层。应注意一或多个光电转换单元可选择性沉积在第三光电转换单元上，以用于促进光电转换效力。
虽然所描述的制程300是为二步骤溅射沉积制程，应注意也可采用多步骤溅射沉积步骤以执行本发明。在部分实施例中，所沉积的薄膜需要具有单一且一致的单一薄膜结构及组成，则第二溅射沉积步骤的制程条件及/或参数可实质相似于第一溅射沉积步骤所使用的制程条件及/或参数，而使得总薄膜特性近似于以单一步骤溅射制程所获得的薄膜特性。
因此，本发明提供用于溅射沉积TCO层的方法。此方法是有利地产生跨越其厚度而具有不同薄膜特性的TCO层。以此方式，相较于传统方法，TCO层有效地增进光电转换效力及PV太阳能电池的元件效能。
惟本发明虽以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，仍应属本发明的技术范畴。

Claims (26)

1、一种用于溅射沉积一透明导电氧化物层的方法，包括：
将一基板提供至一制程室中；
通过一第一溅射沉积步骤而在该基板上形成一透明导电氧化物层的一第一部分；以及
通过一第二溅射沉积步骤而形成该透明导电氧化物层的一第二部分。
2、根据权利要求1所述的方法，其中上述的形成该透明导电氧化物层的该第一部分的步骤可更包括：
供应一第一气体混合物至该制程室中；
溅射来自设置在该制程室中的一靶材的一来源物质；以及
经溅射的该来源物质与该第一气体混合物产生反应。
3、根据权利要求1所述的方法，其中上述的形成该透明导电氧化物层的该第二部分的步骤可更包括：
供应一第二气体混合物至该制程室中；
溅射来自该靶材的该来源物质；以及
经溅射的该来源物质与该第二气体混合物产生反应。
4、根据权利要求2所述的方法，其中上述的供应该第一气体混合物的步骤更包括：
供应选自由O2、N2O、N2、Ar、He及H2O所组成的群组的该第一气体混合物。
5、根据权利要求2所述的方法，其中该第一气体混合物包括O2及Ar。
6、根据权利要求2所述的方法，其中该靶材是由下列至少其中之一者制成：锌、锌合金、锌铝合金、锌镓合金及陶瓷氧化锌。
7、根据权利要求2所述的方法，其中上述的供应该第一气体混合物的步骤更包括：
在溅射期间调整该第一气体混合物的一流速。
8、根据权利要求2所述的方法，其中上述的溅射来自该靶材的该来源物质的步骤更包括：
施加一第一功率至该靶材。
9、根据权利要求8所述的方法，其中上述的施加该第一功率的步骤更包括：
在该第一溅射沉积步骤期间调整施加至该靶材的该第一功率。
10、根据权利要求3所述的方法，其中上述的形成该透明导电氧化物层的该第二部分的步骤更包括：
供应选自由O2、N2O、N2、Ar、He及H2O所组成的群组的该第二气体混合物。
11、根据权利要求3所述的方法，其中该第二气体混合物包括O2及Ar。
12、根据权利要求3所述的方法，其中上述的供应该第二气体混合物的步骤更包括：
在溅射期间调整该第二气体混合物的一流速。
13、根据权利要求3所述的方法，其中上述的溅射来自该靶材的该来源物质的步骤更包括：
施加一第二功率至该靶材。
14、根据权利要求13所述的方法，其中上述的施加该第二功率的步骤更包括：
在该第二溅射沉积步骤期间调整施加至该靶材的该第二功率。
15、根据权利要求1所述的方法，其中该透明导电氧化物层是用作为一光伏元件中的一背反射板。
16、一种用于溅射沉积一透明导电氧化物层的方法，包括：
将一基板提供至一制程室中；
供应一气体混合物至该制程室中；
溅射来自设置在该制程室中的一靶材的一来源物质而沉积一透明导电氧化物层的一第一部分；
在溅射期间调整供应至该制程室的该气体混合物的一流速；以及
在该基板上形成该透明导电氧化物层的一第二部分。
17、根据权利要求16所述的方法，其中上述的溅射来自该靶材的该来源物质的步骤更包括：
在溅射期间调整施加至该靶材的一功率。
18、根据权利要求16所述的方法，其中该透明导电氧化物层为氧化锌层。
19、根据权利要求16所述的方法，其中该气体混合物是选自由O2、N2O、N2、Ar、He及H2O所组成的群组。
20、根据权利要求16所述的方法，其中该靶材是由下列至少其中之一者制成：锌、锌合金、锌铝合金、锌镓合金及陶瓷氧化锌。
21、一种用于溅射沉积一透明导电氧化物层的方法，包括：
将一基板提供至一制程室中；
供应一第一气体混合物至该制程室中；
溅射来自设置在该制程室中的一含锌靶材的一来源物质；
经溅射的该来源物质与该第一气体混合物反应，以在该基板上形成一透明导电氧化物层的一第一部分；
供应一第二气体混合物至该制程室中，并与经溅射的该来源物质反应；以及
在该基板上形成该透明导电氧化物层的一第二部分。
22、根据权利要求21所述的方法，其更包括：
在溅射期间调整该第一气体混合物及该第二气体混合物的气体流速。
23、一种用于溅射沉积一透明导电氧化物层的方法，包括：
将一基板提供至一制程室中；
供应一含有氧气的第一气体混合物至该制程室中；
溅射来自设置在该制程室中的一含锌靶材的一来源物质；
经溅射的该来源物质与该第一气体混合物反应，以在该基板上形成一透明导电氧化物层的一第一部分；
供应一含有氧气的第二气体混合物至该制程室中，并与经溅射的该来源物质反应，其中该第二气体混合物中的氧气流速大于该第一气体混合物中的氧气流速；以及
在该基板上形成该透明导电氧化物层的一第二部分。
24、根据权利要求23所述的方法，其中该透明导电氧化物层的该第二部分的透射率大于该透明导电氧化物层的该第一部分的透射率。
25、根据权利要求23所述的方法，其中上述的溅射该来源物质的步骤更包括：
调整供应至该靶材的一功率。
26、根据权利要求25所述的方法，其中在该第一气体混合物中供应至该靶材的该功率低于在该第二气体混合物中供应的该功率。
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