脉冲加热多匣式化学气相沉积p-i-n镀膜装置
技术领域
本发明是关于一种等离子体辅助化学气相沉积装置,特别是一种可同时制成多片化学气相沉积薄膜的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置,尤其是一种用于制备p-i-n镀膜的脉冲加热多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置。
背景技术
近年来,随着光电与半导体产业的发产,在基板上进行等离子体处理以成长薄膜的工艺方式已逐渐获得广泛的应用。另外,大面积基板的工艺技术在讲求产能的工业界,更是能否生存的关键。因此,以等离子体辅助化学气相沉积法(等离子体增强化学气相沉积法,PECVD,plasma enhancedchemical vapor deposition)在大面积基板上进行薄膜的成长,便成为迈向二十一世纪的光电与半导体工业中,最重要的技术之一。因此,无论是对于需要在大面积基板上沉积氮化物与氧化物的IC制造业或是需要在大面积基板上沉积薄膜的太阳能电池(solar cell)生产者,PECVD设备均是不可或缺的。
太阳能电池(或称为太阳能光电芯片)是直接将太阳能转换成电能的组件。随着太阳能电池的发展,如今太阳能电池具有多种类型,典型的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。而为了降低成本,现今主要以积极发展非晶硅薄膜太阳能电池为主。非晶硅薄膜太阳能电池一般采用p-i-n的结构。
传统的利用PECVD装置制备薄膜太阳能电池,一次仅能生成一片薄膜,且在薄膜上生成其它层时须使用不同的工艺腔体(制程腔体)。这一工艺使得一次所生产的单片薄膜质量上很不稳定,无法大量生成质量统一的薄膜,且工艺上仍然过于复杂,成本较高。
因此,我们期待发展出一种新的等离子体辅助化学气相沉积装置以及利用等离子体辅助化学气相沉积装置制备薄膜太阳能电池的方法,以克服传统装置与工艺上的缺失,简化工艺,降低成本。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种多匣式等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)装置。有别于传统的等离子体辅助化学气相沉积装置,本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积采用多匣式(或称多腔体式)的设计,使批式工艺的PECVD一次可生产多片薄膜,以提高PECVD的生产效率,并同时提高每一片薄膜的均匀度。此外,本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置进一步利用一加热装置,以促进非晶型半导体结构(amorphous)转变为微晶型(microcrystalline)或纳米晶型(nanocrystal)半导体结构,提高太阳能电池的各项电特性,提升光电转换效率。
本发明的另一目的在于提供一种制备薄膜太阳能电池的方法,其利用多匣式设计在同一个PECVD装置内设置多对电极,以在同一批次内制备多个薄膜太阳能电池。同时,本发明的制备薄膜太阳能电池的方法可在同一工艺腔体内进行多层薄膜的沉积,而无须使用多个腔体制备不同沉积薄膜层,以简化生产太阳能电池的工艺,降低设备成本。
为达上述目的,本发明所提供的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置包含:一工艺腔体;一真空泵,以抽出所述工艺腔体内的气体与控制压力;一气体供应装置,以供应工艺气体并控制其流量;以及多个第一电极板与对应的多个第二电极板,以交错排列且彼此平行的方式设置于所述工艺腔体内,以提供解离所述工艺气体所需的电场,产生等离子体,其中在所述多个第一电极板与所述多个第二电极板上设置有基板。
较佳地,所述等离子体辅助化学气相沉积装置进一步包含一加热装置。所述加热装置为快速退火热装置(RTA,rapid thermal annealing)、脉冲快速退火装置(PRTA,pulsed rapid thermal annealing)或电热阻丝。所述加热装置是使工艺腔体内产生辐射加热。所述加热装置的型态亦可为一设置于所述第一电极板或所述第二电极板上的加热器。更佳地,在所述加热器与所述第一电极板或所述第二电极板之间具有一绝缘装置。该绝缘装置例如但不限于玻璃板。
较佳地,所述第一电极板与所述第二电极板是垂直设置于所述工艺腔体中。
较佳地,所述多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置具有1至8对所述第一电极板与所述第二电极板,更佳地为5对。
较佳地,所述多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置具有4至32片所述基板。
较佳地,所述第一电极板与所述第二电极板是固定于一载盘上。
为达上述目的,本发明所提供的制备薄膜太阳能电池的方法是使用本发明所述多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置,并且包含以下步骤:(a)在所述多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置的基板上形成一p型薄膜层;(b)在所述p型薄膜层上形成一i型薄膜层;以及(c)在所述i型薄膜层上形成一n型薄膜层;其中所述(a)至(c)步骤是在同一工艺腔体内进行。
较佳地,在步骤(a)~(c)中可使用加热装置以将工艺腔体内的温度加热至200℃至900℃。
较佳地,所述步骤(b)是在工艺腔体内通入硅化合物并混合氢气、氮气以形成所需的i型薄膜层。
较佳地,所述步骤(c)是先在工艺腔体内通入硅化合物以形成薄膜层;接着在高温下通入五族元素作为掺杂物以形成所需的n型薄膜层。
较佳地,在所述步骤(a)~(c)中可使用加热装置以将工艺腔体内的温度加热以助于在p型、i型及n型薄膜层中形成非晶型结构、微晶型结构、纳米晶型结构或其组合。
本发明所提供的制备薄膜太阳能电池的方法亦可形成并联的p-i-n结构,也就是多层重迭的p-i-n结构,例如p-i-n-p-i-n结构。
综上所述,本发明所提供的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置利用多匣式设计在同一工艺腔体内设置多对电极以同时形成多片化学沉积薄膜,配合加热装置的使用,可用于制备高产率、质量稳定、高光电转化效率的薄膜太阳能电池。且本发明的装置亦适用于在同一工艺腔体内依序沉积不同的化学气相沉积膜,以简化薄膜太阳能电池的工艺,并降低设备成本。
附图说明
图1显示一传统的等离子体辅助化学气相沉积装置。
图2显示本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置。
图3显示一具有加热装置的本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置。
图4显示另一具有加热装置的本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置。
图5显示一p-i-n薄膜太阳能电池结构。
具体实施方式
本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置与制备薄膜太阳能电池的方法已示于前述发明说明中。为了更突显本发明的特点,首先介绍传统的PECVD装置,如图1所示。
图1显示一传统的PECVD装置,其一般具有一工艺腔体;一气体导入口,用以通入工艺气体;一真空泵,用以抽出工艺腔体内的气体;一个RF(radiofrequency)电极板;一个接地电极板。其中RF电极板与接地电极板是水平且互相平行设置于工艺腔体内,RF电极板连接至一射频(radiofrequency)供应装置,接地电极板则接地。在接地电极板上有一基板,用以沉积化学气相沉积薄膜。
有鉴于此,本发明所述的「多匣式」是相对于传统的PECVD在一个气相沉积反应腔体内使用单一一对电极板(一个RF电极板及一个接地电极板)、一次反应仅能制造一片气相沉积薄膜而言。本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置是在一个气相沉积反应腔体内以平行的方式设置多对电极(多个RF电极板及与其对应的多个接地电极板,使在一次反应中能够同时产生多片气相沉积薄膜,以提高气相沉积薄膜的产量,提高批式制造过程中薄膜的均匀度。
此外,本发明的装置的一较佳实施态样更包含一加热装置。本发明的加热装置是用于促进非晶型结构(amorphous structure)转变成为微晶型结构(microcrystalline structure)或纳米晶型结构(nanocrystal structure)的过程,并减少缺陷(defect)的密度,以提高薄膜的各项电特性。关于这一过程的文献请参考Solar Energy Materials & Solar Cells 62(200)143-148以及Advancesin OptoElectronics,Volume 2007,Article ID 83657。
因此,本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置如图2所示,其包含:一工艺腔体100;一真空泵(未示于图中),用以抽出工艺腔体内的气体;一气体供应装置(未示于图中),以供应工艺气体并控制其流量;以及多个第一电极板110(RF电极板)与对应的多个第二电极板120(接地极板),其中在所述多个第一电极板110与第二电极板120的两面皆设置有一基板130用于沉积化学气相沉积薄膜。图2显示本发明的一较佳实施态样,其工艺腔体100内包含有5对第一电极板110与第二电极板120。
图3显示本发明的加热装置的一较佳实施态样。在图3中,第一电极板(RF电极板)210与第二电极板(接地极板)220是垂直设置于工艺腔体内,且互相平行。在第一电极板210与第二电极板220的两面上均设置有基板,其中第一电极板上的基板为空白玻璃基板(dummy glass)211与212,第二电极板上的玻璃基板是用于沉积薄膜用的基板221与222。在沉积薄膜用的玻璃基板221及222与第二电极220之间分别设置有加热器223与224。由于加热器223、224有AC或DC经过,将使接地极板丧失功能,因此加热器与第一电极板(RF电极)不可同时通电。另外一个解决方式是在加热器223或224与第二电极板之间设置一绝缘装置。该绝缘装置可为玻璃板。
图4显示本发明的加热装置的另一较佳实施态样。在图4中,第一电极板(RF电极板)310与第二电极板(接地极板)320是垂直设置于工艺腔体内,且互相平行。在第一电极板310的两面设置有加热器311与312,在第二电极板320的两面设置有基板321与322。同样地,由于加热器311、312有AC或DC经过,将使第一电极板310丧失功能,因此加热器与第一电极板(RF电极)不可同时通电。另外一个解决方式是在加热器311或312与第一电极板之间设置一绝缘装置。该绝缘装置可为玻璃板。
本发明的多匣式化学气相沉积装置可用于制造p-i-n型薄膜太阳能电池。图5显示一利用本发明的多匣式化学气相沉积装置所制备的p-i-n型硅薄膜太阳能电池400的截面示意图。该太阳能电池400具有一基板410、一p型薄膜层420、一i型薄膜层430以及一n型薄膜层440。
其中,所述基板通常以金属基板为主,其选用的材料如不锈钢、含铁、含钛或含其它金属的材料。以降低成本为目的,并以大面积高效率薄膜太阳能电池为目标,所述基板亦可采用低成本不透光的玻璃或高分子做为基板。
p型薄膜层是指在本征材质中加入的杂质(impurities)可产生多余的空穴,以空穴构成多数载流子(载子)的薄膜层。例如,若就硅为本征材质的薄膜层而言,掺入三族原子的杂质(如硼、铝、镓、铟、铊等)时,会形成多余的空穴。在工艺过程中,一般可通入硅化物,如硅烷(silane,SH4)及氢气等。而所掺入的三族元素较佳地可用气体扩散法将掺杂元素以气体送入高温的薄膜上,使掺杂元素扩散进入薄膜,形成一p型薄膜层。
i型薄膜层是形成于该p型薄膜层之上,其是用于提高太阳能电池的电特性。i型薄膜层为一本质层(intrinic layer)。i型薄膜层对于薄膜型太阳能电池的电特性影响最大,因为当电子与空穴在材料内部传导,如其距离过长,两者重合机率极高,为避免此现象发生,i层不宜过厚,但如太薄,又易造成吸光不足。i层一般仅以非晶硅质薄膜(a-Si:H)为主。但非晶硅质薄膜的缺点在于,在光照使用后短时间内性能会大幅衰退,也就是所谓的SW(Staebler-Wronski)效应。发生原因是因为材料中部分未饱和硅原子(Dangling Bond,DB),因光照射发生结构变化之故。微晶硅质薄膜的载流子迁移率比一般非晶硅质薄膜高出1~2个数量级,而暗电导值则介于10-5~10-7(S.em-1)之间,明显高出传统非晶硅质薄膜3~4个数量级,故使用微晶硅质薄膜可以提高太阳能电池的转换效率。在PECVD工艺中,通入的气体可选用硅化合物气体如硅烷并混合氢气、氮气或氨气等作为微晶硅薄膜的工艺气体。
n型薄膜层是形成于i型薄膜层上。n型薄膜层是指在本征材质中加入的杂质可产生多余的电子,以电子构成多数载体的薄膜层。以硅为本征材质而言,掺入五族原子时(例如氮、磷、鍗)可形成一n型薄膜层。在PECVD工艺中,可通入硅烷化合物作为工艺气体。而所掺杂的五族元素杂质可利用气体扩散法,在高温下将掺杂元素以气体送至薄膜层上,使掺杂元素扩散进入薄膜。
接下来将以实施例的方式阐述本发明的技术特征与优点。当理解的是,本发明的技术特征已详述于发明说明中,本领域熟知该技术的人员当可轻易实施本发明。以下实施例所使用的各项条件仅用于例示,而非于用限制本发明的技术特征。
实施例:利用多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置制备薄膜太阳能电池
本实施例所使用的多匣式PECVD装置如图2所示,其包含有5对电极板,每个电极板的两面皆设置有一玻璃基板,总共有20片玻璃基板;其中每个电极板皆以垂直方式固定于一载盘上。进行PECVD反应时,每对电极板中一个电极板做为RF电极、另一个电极板做为接地电极板。当理解的是,本实施例的装置所欲凸显的技术特征在于多匣式设计,亦即多对电极以同时长成多片沉积薄膜的设计。本实施例的装置的其它各项组件,例如真空泵、气体供应装置、以及radiofrequency供应装置属于现有传统技术,无须在此一一叙述,本领域熟知该技术的人员当可轻易完成。
此外,本实施例的多匣式PECVD在接地电极板与接地电极板上的基板之间设置有一加热器,如图3所示。由于加热器有AC或DC通过,若加热器与RF电极板同时通电,将使接地电极板丧失作用。因此,加热器与RF电极板不可同时通电。或者,另一解决方式可在加热器与接地电极板之间加装绝缘装置,例如玻璃板。
在进行PECVD反应工艺时,形成沉积膜层所使用的工艺气体例如SiH4、H2等,加热器加热温度为200~900℃(如前所述,若欲同时开启加热器与RF电极,则需要在加热器与电极板的板之间加装绝缘装置;或者,选择不同时通电加热器或RF电极)。本发明的制作过程属于现有技术,须强调的是本发明在PECVD中采用加热器的设计,其加热功能有利于将非晶型的Si结构(a-Si:H)形成为微晶型的Si结构(μc-Si:H)以及纳米晶型Si结构(nano-Si:H)。其中需特别强调的是,本发明的加热装置可在i型薄膜层中形成μc-Si:H或nano-Si:H结构,以提高太阳能电池的各种电特性。
如前所述,本发明中制备薄膜太阳能电池的方法所欲强调的技术特征在于使用本发明的多匣式等离子体辅助化学气相沉积装置,并且在同一腔体内利用真空泵与气体流量控制装置依序沉积所需的p-i-n结构。本发明的装置与方法的优点在于同一批次内可同时制造多片化学气相沉积膜,以提高PECVD制造薄膜太阳能电池的产率,获得质量稳定的沉积膜;而在同一腔体内依序生成不同层的沉积膜可以简化装置的复杂度,降低设备成本。此外,本发明利用在PECVD装置中加入加热器的设计,以促进非晶型Si(a-Si:H)转变为微晶型Si(μc-Si:H)以及纳米晶型Si(nano-Si:H),尤其是在i型薄膜层中。此一设计可提高太阳能电池各项电特性,以提高太阳能电池的光电转换效率。其它相关的技术内容属于现有技术,本领域熟知该技术的人员当可由实施例的例示轻易完成本发明。
其它实施态样
所有揭露于本发明的特征可使用任何方式结合。本说明书所揭露的特征可使用相同、相等或相似目的的特征取代。因此,除了特别陈述强调处之外,本说明书所揭露的特征为一系列相等或相似特征中的一个实施例。
此外,依据本说明书揭露的内容,熟悉本领域的技术人员可轻易依据本发明的基本特征,在不脱离本发明的精神与范围内,针对不同使用方法与情况作适当改变与修饰,因此,其它实施态样亦包含于请求保护范围中。