CN101921998A - 可提升薄膜太阳能电池均匀性的pecvd装置及方法 - Google Patents

可提升薄膜太阳能电池均匀性的pecvd装置及方法 Download PDF

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李家娴
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Abstract

本发明提供一种多匣式等离子加强化学汽相沉积装置及方法，所述装置包括：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；一基板旋转装置，以旋转基板并控制基板旋转角度，藉以提升薄膜均匀性；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，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一基板。本发明另提供一种利用所述多匣式等离子加强化学汽相沉积装置制备薄膜太阳能电池的方法。

Description

可提升薄膜太阳能电池均匀性的PECVD装置及方法
技术领域
本发明关于一种等离子加强化学汽相沉积装置及方法，特别是一种可大幅提升薄膜均匀性的多匣式等离子加强化学汽相沉积p-i-n镀膜装置。
背景技术
近年来，随着光电与半导体产业的蓬勃发展，在基板上以等离子处理的工艺方式来成长薄膜的技术，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，以等离子加强化学汽相沉积法(PECVD，plasma enhanced chemical 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元件。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、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。此一工艺使得一次所生产的单片薄膜品质上很不稳定，无法大量生成品质统一的薄膜，且工艺上仍然过于复杂，成本较高。
且传统利用PECVD装置制备薄膜太阳能电池，在PECVD工艺过程中，由于从上方通入的气体，会造成气体浓度于基板上分布不均情形，因此亦会造成薄膜厚度分布不均的情况，而此一情况容易影响成膜品质，进而导致太阳能薄膜光电转换效率不佳。
因此，期待发展出一种新的等离子加强化学汽相沉积装置，以克服传统装置与工艺上的缺失，简化工艺，降低成本，并进而提升太阳能薄膜的均匀性。
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加强化学汽相沉积(PECVD)装置。有别于传统的等离子加强化学汽相沉积装置，本发明的多匣式等离子加强化学汽相沉积采用多匣式(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。此外，本发明的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置进一步利用连接于腔体中心的基板旋转装置，通过轴承的连动，带动多匣式等离子加强化学汽相沉积装置的基板旋转，由基板旋转控制，改变通入气体于基板上的浓度分布，来提高薄膜的均匀度。且所属技术领域的人员皆可知悉，薄膜均匀性是直接影响薄膜太阳能电池的光电转换效率，通过改善薄膜太阳能电池膜厚不均的情况，可进而提高薄膜太阳能电池的光电转换效率。
为达上述目的，本发明所提供的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置包括：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；一基板旋转装置，以旋转基板并控制基板旋转角度，藉以提升薄膜均匀性；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，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一基板。
较佳地，所述等离子加强化学汽相沉积装置进一步包括一加热装置。所述加热装置为一快速退火热装置(RTA，rapid thermal annealing)、脉冲快速退火装置(PRTA，pulsed rapid thermal annealing)或电热阻丝。所述加热装置使工艺腔体内产生辐射加热。
较佳地，所述多个第一电极板及所述多个第二电极板全部垂直于工艺腔体。更佳地，所述多个第一电极板及所述多个第二电极板亦可全部平行于工艺腔体。
较佳地，所述基板旋转装置包括一轴承、一控制主机以及一控制介面。更佳地，所述轴承旋转角度范围可为0度至360度，所述轴承位置为工艺腔体中心位置。
较佳地，所述轴承与所述多个第一电极板及所述多个第二电极板分别垂直设置于所述工艺腔体中。
较佳地，所述第一电极板与所述第二电极板固定于一载盘上。
为达上述目的，本发明所提供的制备薄膜薄膜太阳能电池的方法是使用所述本发明多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，并且包括以下步骤：(a)提供至少一基板；(b)在所述基板上形成一p型薄膜层；(c)在所述p型薄膜层上形成一i型薄膜层；以及(d)在所述i型薄膜层上形成一n型薄膜层；其中所述(a)至(d)步骤是在同一工艺腔体内进行。
根据本发明提供的技术方案，能够改善传统装置与工艺上的缺失，简化工艺，降低成本，并进而提升太阳能薄膜的均匀性。
附图说明
图1显示一传统的等离子加强化学汽相沉积装置；
图2显示本发明的可大幅提升薄膜太阳能电池膜均匀性的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置；
图3显示一p-i-n薄膜太阳能电池结构；
图4显示一利用本发明的装置以制备p-i-n薄膜太阳能电池的方法流程图。
附图标号
100    工艺腔体          110        气体供应装置
120    真空泵            130        RF电极板
140    接地电极板        150        RF供应装置
160    基板              170        等离子
200    工艺腔体          210        真空泵
220    气体供应装置      230        第一电极板
240    第二电极板        250        基板
260    基板旋转装置      270        轴承
300    薄膜太阳能电池    310        基板
320p   型薄膜层          330        i型薄膜层
340n   型薄膜层          400～430   步骤
具体实施方式
本发明的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置与制备薄膜太阳能电池的方法已示于所述发明说明中。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100；一气体供应装置110，用以供应所需工艺气体；一真空泵120，用以抽出工艺腔体内的气体；一个RF(radiofrequency，射频)电极板130；一个接地电极板140。其中RF电极板130与接地电极板140水平且互相平行设置于工艺腔体100内，RF电极板130连接至一RF(radiofrequency)供应装置150，接地电极板140则接地。在接地电极板140上有一基板160，用以沉积化学汽相沉积薄膜。当工艺气体经由气体供应装置110引入时，而RF供应装置150施加功率于RF电极板130，等离子170便产生。
有鉴于此，本发明所述的“多匣式”是相对于传统的PECVD在一个汽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汽相沉积薄膜而言。本发明的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置是在一个汽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汽相沉积薄膜，以提高汽相沉积薄膜的产量。
此外，本发明的另一目的为改善薄膜太阳能电池的薄膜均匀性，本发明的装置是利用一基板旋转装置，通过基板的旋转，改变通入气体于基板上的浓度分布，以改善薄膜的厚度分布不均，进而提高薄膜太阳能电池的光电转换效率。
因此，本发明的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置如图2所示，其包括：一工艺腔体200；一真空泵210，用以抽出工艺腔体200内的气体；一气体供应装置220，以供应工艺气体并控制其流量；多个第一电极板230(RF电极板)与对应的多个第二电极板240(接地极板)；以及一基板旋转装置260，其中在所述多个第一电极板230与多个第二电极板240的两面皆设置有一基板250用于沉积化学汽相沉积薄膜。其中基板旋转装置260是连接于工艺腔体200中心，通过轴承270的旋转，带动位于接地电极板240上的基板250旋转，通过控制轴承270旋转角度，改变由气体供应装置220通入的气体于基板250上的浓度分布，来提高薄膜的均匀度，其中轴承270旋转方向可为顺时针旋转，亦可为逆时针旋转；而所述多个第一电极板230及多个第二电极板240全数垂直于工艺腔体200(水平式)，亦可全数平行于工艺腔体200(直立式)；且图1中所示真空泵210及气体供应装置220的相对位置仅作为示例性，非用以限定真空泵210及气体供应装置220相对于工艺腔体200的实际位置。
此外，本发明的装置的一较佳实施态样更包括一加热装置。本发明的加热装置(图未示出)使工艺腔体200内产生辐射加热，用以促进无晶型结构(amorphous structure)转变成为微晶型结构(microcrystalline structure)的过程，并减少缺陷(defect)的密度，以提高薄膜的各项电特性。其中所述加热装置可为一快速退火热装置(RTA，rapid thermal annealing)、脉冲快速退火装置(PRTA，pulsed rapid thermal annealing)或电热阻丝。
本发明的多匣式化学汽相沉积装置可用于制造p-i-n型薄膜太阳能电池。图3显示一利用本发明的多匣式化学汽相沉积装置所制备的p-i-n型薄膜太阳能电池300的截面图。所述太阳能电池300具有一基板310、一p型薄膜层320、一i型薄膜层330以及一n型薄膜层340。
其中，所述基板310通常以金属基板为主，其选用的材料如不锈钢、含铁、含钛或含其他金属的材料。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310亦可采用低成本不透光的玻璃或高分子做为基板。
本发明中制备薄膜太阳能电池300的方法，如图4所示，其中包括下列步骤：(a)步骤400，提供至少一基板310；(b)步骤410，在所述基板310上形成一p型薄膜层320；(c)步骤420，在所述p型薄膜层320上形成一i型薄膜层330；(d)步骤430，在所述i型薄膜层330上形成一n型薄膜层340；其中所述步骤400、步骤410、步骤420及步骤430是在同一工艺腔体200内进行。
步骤400中提供至少一基板310以沉积薄膜太阳能电池；而步骤410中所述，在基板310上形成一p型薄膜层320，是指在本征材质中加入的杂质(impurities)可产生多余的电洞，以电洞构成多数载子的薄膜层。例如，若就硅或锗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，会形成多余的电洞。在工艺过程中，一般可通入硅化物或锗化物，如硅烷(silane，SH4)及氮气等。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320。
步骤420中所述，在p型薄膜层320上形成一i型薄膜层330，其用于提高太阳能电池的电特性。i型薄膜层330为一本质层(intrinic layer)。i型薄膜层330对于薄膜型太阳能电池的电特性影响最大，因为当电子与电洞在材料内部传导，如其距离过长，两者重合机率极高，为避免此现象发生，i型薄膜层330不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。i型薄膜层330一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.cm-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。较佳地，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。
步骤430中所述，在所述i型薄膜层330上形成一n型薄膜层340，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。以硅和锗为本征材质而言，掺入五族原子时(例如氮、磷、鍗)可形成一n型薄膜层340。在PECVD工艺中，可通入硅烷化合物作为工艺气体。而所掺杂的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，本领域的技术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，而非以用限制本发明的技术特征。
实施例：利用多匣式等离子加强化学汽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，其中每个电极板皆以平行方式固定于一载盘(图未示出)上。进行PECVD反应时，每对电极板中一个电极板做为RF电极板230、另一个电极板作为接地电极板240。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，也就是多对电极以同时长成多片沉积薄膜的设计。除了与基板旋转装置260的轴承270两端连接的所述电极板以外，其余电极板的两面皆设置有一玻璃基板250。本实施例的装置的其他各项元件，例如真空泵210、气体供应装置220、以及RF供应装置(图未式出)是属于已知技术，无须在此一一叙述，本领域的技术人员当可轻易完成，而本实施例所示的真空泵210及气体供应装置220于工艺腔体200的相对位置仅为示例性，非用以限定本权利要求。
此外，本实施例的多匣式PECVD在工艺腔体200中设置一基板旋转装置260，其中包括一轴承270、一控制主机(图未示出)及一控制介面(图未示出)，本实施例的基板旋转装置260是由轴承270连接腔体，由控制主机控制轴承270旋转角度，其中旋转角度范围可为0度至360度，而轴承270位置为工艺腔体200中心位置，且与本发明的多个第一电极板230及多个第二电极板240分别垂直，而控制介面连接至控制主机，以供操作人员依工艺条件，于控制介面直接调整轴承270旋转角度。其中旋转角度是相关于通入气体成分、腔体压力、气体流率、基板温度……等工艺条件。
在进行PECVD反应工艺薄膜时，以SiGe作为本征材料为例，形成沉积膜层所使用的工艺气体为SiH4、H2、CF4、N2、GeH4、CO2、CH4、Si-C-(CH3)6。形成p型薄膜层320时，掺杂元素可选用硼、铝、镓、铟或铊，掺杂时间可依据所需的浓度而定。接着利用真空泵210抽真空后，再通入SiH4、H2、CF4、N2、GeH4、CO2、CH4、Si-C-(CH3)6以形成i型薄膜层330，最后再改通入SiH4、GeH4与Si-C-(CH3)6做为工艺气体，以形成微晶晶型或无晶型的n型薄膜层340，所选用的掺杂元素可为氮、磷、鍗。
如前所述，本发明中制备薄膜太阳能电池300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加强化学汽相沉积装置，并且在同一工艺腔体200内利用真空泵210与气体供应装置220依序沉积所需的p-i-n结构，且利用基板旋转装置260，控制基板250旋转角度，以改善因通入气体于基板250上浓度分布不均，所造成的膜厚不均情形。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汽相沉积膜，以提高PECVD制造薄膜太阳能电池300的产率，获得品质稳定的沉积膜，并进而改善薄膜均匀度，提高光电转换效率来提升经济效益；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。其他相关的技术内容是属于已知技术，本领域的技术人员当可由实施例的例示轻易完成本发明。
其它实施态样：
所有揭露于本发明书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，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，其它实施态样亦包括于权利要求中。

Claims (12)

1.一种多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述装置包括：
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；
一基板旋转装置，以旋转基板并控制基板旋转角度；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，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一基板。
2.如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述装置进一步包括一加热装置。
3.如权利要求2所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述加热装置为一快速退火热装置、脉冲快速退火装置或电热阻丝。
4.如权利要求2所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述加热装置使所述工艺腔体内产生辐射加热。
5.如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述多个第一电极板及所述多个第二电极板全部垂直于工艺腔体。
6.如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述多个第一电极板及所述多个第二电极板全部平行于工艺腔体。
7.如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述基板旋转装置包括一轴承、一控制主机以及一控制介面。
8.如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述基板旋转装置的旋转角度范围为0度至360度。
9.如权利要求7所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，轴承位置为工艺腔体中心位置。
10.如权利要求7所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述轴承与所述多个第一电极板及所述多个第二电极板分别垂直设置于所述工艺腔体中。
11.如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置，其特征在于，所述多个第一电极板与所述多个第二电极板固定于一载盘上。
12.一种将如权利要求1所述的多匣式等离子加强化学汽相沉积装置用于制备薄膜太阳能电池的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供至少一基板；
(b)在所述基板上形成一p型薄膜层；
(c)在所述p型薄膜层上形成一i型薄膜层；以及
(d)在所述i型薄膜层上形成一n型薄膜层；
其中所述(a)至(d)步骤是在同一工艺腔体内进行。
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