CN102816999A - 一种硒薄膜沉积方法及系统及其等离子头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硒薄膜沉积方法及系统及其等离子头，所述硒薄膜沉积方法包括以下步骤：首先，提供等离子头；接着，于常压下承载基板；之后，通过等离子头将固态硒源游离化，以沉积硒薄膜于基板上；其中等离子头包括等离子腔体、壳体以及固态硒源，等离子腔体产生等离子，而壳体包围等离子腔体，且承载固态硒源。
Description
技术领域
本发明是有关于一种硒薄膜沉积方法，特别是有关于一种利用等离子将固态硒源游离化以沉积硒薄膜的方法及系统及其等离子头。
背景技术
薄膜太阳能电池(thin-film solar cell)为次世代太阳能电池欲发展的方向；其中，CIGS(CuIn1-xGaxSe2，铜铟硒化镓)因具高能源转换效率而吸引产官学研的重视与投入。目前CIGS欲产业化所遇到的瓶颈在于吸收层的薄膜品质，例如，膜层成份比、结晶尺寸(grain size)、密度(dense)等等，当中又以硒化为其关键制程。
现行制备吸收层的方式非常多，其中以溅镀(sputter)制程以及共蒸镀(co-evaporation)补硒制程方式最常见，以下分别说明。
溅镀制程如美国专利公开公报第2009/0215224号(Coating methods andapparatus for making a CIGS solar cell)以及S.J.Ahn et al.于Current AppliedPhysics(2008)的第766页所提出的文章(名称为Cu(In，Ga)Se2 layers fromselenization of spray deposited nanoparticles)所述般，是在两腔室(chamber)中进行，且由于溅镀技术成熟度高，吸收层可应用二元或三元靶后再进行硒薄膜沉积，再进一步退火制程，且相较共蒸镀制程，可用于大面积处理。
共蒸镀补硒制程如美国专利公开公报第2008/0072962号(Method andapparatus for producing semiconductor films，photoelectric conversion devices andmethod for producing the devices)所述般，利用硒源直接参与镀膜反应，且为了提升吸收层薄膜品质，需第二道制程腔室进行补硒退火程序；又，相较于溅镀制程，硒源采用液化硒，并非采用危险性H2Se气体，在现行CIGS中，能源转换效率较高。
然而，不管上述何种方式，均须于昂贵的真空系统中进行，且硒易于高温制程中释出而改变吸收层的组成份；又，两种方式的硒源使用率均不高，例如，在共蒸镀制程中，因硒分子反应性不高，需通过高温(＞500℃)增加反应性，且大部分的硒沉积于腔室壁，造成污染，而影响制程的再现性。
发明内容
为有效解决上述问题，本发明提出一种应用等离子游离固态硒源以沉积硒薄膜的方法及系统及其等离子头。
在本发明其中一实施例中，硒薄膜沉积方法包括以下步骤：提供一等离子头；于常压下承载一基板；通过等离子头将固态硒源游离化，以沉积硒薄膜于基板上。
在本发明其中一实施例中，在沉积硒薄膜于基板上时，等离子头与基板是相对移动，而等离子头与基板之间的相对移动是通过移动等离子头来进行。
在本发明其中一实施例中，还包括以下步骤：在沉积硒薄膜于基板上时，在500℃以下加热基板。
在本发明其中一实施例中，当基板为非钠碱玻璃基板时，上述硒薄膜沉积方法还包括：在沉积硒薄膜于基板上后，于基板上进行补钠制程，其中补钠制程是通过导入氟化钠于等离子头中而进行。
在本发明其中一实施例中，还包括以下步骤：在沉积硒薄膜于基板上时，于基板的两相对侧进行抽气。
在本发明其中一实施例中，硒薄膜沉积系统包括一载台以及一等离子头，其中载台承载一基板，而等离子头以与载台可相对移动的方式被设置，且承载有一固态硒源，并通过将固态硒源游离化，以沉积硒薄膜于基板上。
在本发明其中一实施例中，载台包括一平台以及一加热装置，其中平台承载基板，而加热装置设置于平台，且用以于硒薄膜沉积时加热基板。
在本发明其中一实施例中，等离子头具有一导入口，而硒薄膜沉积系统还包括与导入口连通的一氟化钠源，其中基板为非钠碱玻璃基板，而氟化钠源的氟化钠是经由导入口被导入至等离子头中。
在本发明其中一实施例中，硒薄膜沉积系统还包括一传动机构，与等离子头连接，用以使等离子头相对于载台移动。
在本发明其中一实施例中，等离子头包括一等离子腔体以及一壳体，其中等离子腔体产生一等离子，壳体以包围等离子腔体的方式与等离子腔体连接，且承载固态硒源；又，等离子腔体具有一等离子出口，且固态硒源是位于等离子出口附近，而壳体具有一喷出口，与等离子出口相对设置，且为狭缝状。
在本发明其中一实施例中，硒薄膜沉积系统还包括一抽气装置，设置于载台周边，且对承载于载台上的基板的两相对侧进行抽气。
如上述，应用等离子提高硒分子反应活性，并通过在硒薄膜沉积时进行热处理，结合补硒装置于单一系统；又，硒源是以固态取代现行使用高危险性的液态(H2Se)；另外，通过本发明的等离子头于硒薄膜沉积时将氟化钠导入，而提供钠来源以增加薄膜品质，进而提高能源转换效率。
又，本发明的硒薄膜沉积方法及系统可在常压下进行，不需昂贵真空设备；等离子头的喷出口为狭缝式，有效增加材料使用率，且通过使等离子头于系统中可来回传动，而使装置模块化，可用于大面积处理，并可间接控制镀膜品质。
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举实施例并配合所附附图做详细说明。
附图说明
图1a是依据本发明的硒薄膜沉积系统的一实施例的俯视图；
图1b为沿着图1a中的A-A线所视的剖面图；
图1c为沿着图1a中的A-A线将系统部分切开后的立体图；
图1d为沿着图1a中的B-B线所视的剖面图；
图1e为沿着图1a中的B-B线将系统部分切开后的立体图；
图1f为沿着图1a中的C-C线所视的剖面图；
图1g为沿着图1a中的C-C线将系统部分切开后的立体图；
图2a为图1b中的部分D1的放大图；
图2b为图1c中的部分D2的放大图；
图3是依据本发明的硒薄膜沉积系统的一变形例的示意图；
图4a是依据本发明的硒薄膜沉积系统的另一变形例的俯视示意图；
图4b为图4a中的硒薄膜沉积系统的侧视示意图；以及
图4c为图4a中的硒薄膜沉积系统的另一俯视示意图，其中等离子头是位于基板上。
【主要组件符号说明】
1、1’、1”～硒薄膜沉积系统；
10、10’～系统本体；
11～抽气孔；
100～载台；
110～平台；
120～加热装置
200、200’～等离子头；
210～等离子腔体；
211～等离子出口；
220～壳体；
221～喷出口；
222～导入口；
230～固态硒源；
240～氟化钠源；
300～传动机构；
320～输送器；
330～转接头；
400～抽气装置；
S～基板。
具体实施方式
本发明是提供一种应用等离子方式游离化硒(Se)分子而进行硒薄膜制备的方法和系统，可应用于CIGS吸收层的补硒或硒层沉积。
以下请参阅图1a、图1b、图1c、图1d、图1e、图1f、图1g，说明本发明的硒薄膜沉积系统的一实施例，应了解的是在本实施例中，系统环境的压力为500～760托耳(Torr)。
在本实施例中，硒薄膜沉积系统1包括一系统本体10、一载台100、一等离子头200、以及一传动机构300，其中系统本体10是作为本实施例的硒薄膜沉积系统1的框架和基底，用以承载设置载台100、等离子头200、以及传动机构300于其中。
载台100设置于系统本体10中，且可承载一基板S(参考图4a、图4b)于其上，应了解的是在薄膜太阳能电池制程中，基板S一般为玻璃基板(钠[Na]碱玻璃)，但为发展软性太阳能电池，基板也可为非钠碱玻璃基板，例如，金属薄板(例如，不锈钢、钛箔[Ti-foil]等)或高分子基材(例如，聚酰亚胺[Polyimide、PI]等)。
如图1a所示般，载台100包括一平台110以及一加热装置120，其中平台110可承载基板S于其上，加热装置120是以线圈的形式埋设于平台110内，用以于硒薄膜沉积时或成膜后加热基板S；又，应了解的是虽然在本实施例中，加热装置120是以线圈的形式构成，但并不限于此，任何可对设置于平台110上的基板S进行加热的组件均可，例如，加热片或加热棒等；又，虽然在本实施例中，加热装置120是被埋设于平台110中，但并不限于此，也可独立于平台110之外。
等离子头200是以可相对于载台100移动的方式被设置于载台100上，如图2a、图2b所示般，等离子头200包括一等离子腔体210、一壳体220、以及一固态硒源230，其中等离子腔体210由未图示的电源供应器，使用惰性气体产生等离子，电源供应器可为直流(DC)、交流(AC)、或射频(RF)，而惰性气体可为氩(Ar)、氮(N2)、或氦(He)；又，等离子腔体210具有一等离子出口211。
壳体220以包围等离子腔体210的方式与等离子腔体210连接，且承载固态硒源230；又，壳体220具有一喷出口221，与等离子出口211相对设置，且为狭缝状，如图2b所示般。
固态硒源230以位于等离子出口211附近的方式被设置于壳体220中，通过来自等离子出口211的等离子将固态硒源230游离化，以沉积硒薄膜于基板S上；详而言之，等离子头200应用等离子中的带能量粒子(电子[e]、离子[ion]、激发态等等)对固态硒源230进行激发，使固态硒源230的大分子解离为具活性的小分子及自由基(radical)来增加反应性，有效增加材料使用率。
又，由于固态硒源230并非设置于等离子腔体210内，因此，可避免反应物沉积于等离子腔体210内的电极上。
应了解的是固态硒源230的形式并不特别限定，例如在图2a、图2b中，是将多个硒锭设置于壳体220的内壁上，但并不限于此，也可将固态硒以环状的形式设置、或是被涂布在壳体220的内壁上。
又，喷出口221与基板S之间的距离可视制程条件而调整。
另外，应了解的是在本实施例中，等离子头是用于CIGS吸收层的补硒或硒层沉积，因此，等离子头中是承载硒源，但等离子头中所承载的待镀源并不限于此，也可视所需的制程，承载非硒源，例如，在表面改质制程中，也可乘载碳源等。
又，对应于不同的制程条件，等离子头的构成也可适当变化，例如，当基板S为非钠碱玻璃基板时，等离子头200可在壳体220的侧边还具有一导入口222，其与一氟化钠(NaF)源240(参考图4b)连通，借此氟化钠源240的氟化钠是经由导入口222被导入至等离子头200中参与等离子反应，以增加基板S上的钠成份，借以进行补钠制程，增加吸收层的薄膜品质，进而提高能源转换效率。补钠制程可于硒沉积的制程中同时进行，或是硒沉积完成后再进行钠沉积的动作；应了解的是上述补钠制程的钠源并不限于氟化钠源，例如，钠源可为硒化钠(Na2Se)源。
请再次参阅图1a～1g，传动机构300是设置于系统本体10上，且与等离子头200连接，用以使等离子头200可相对于载台100移动；在本实施例中，传动机构300包括一输送器320、与等离子头200连接的一转接头330、以及未图示的马达，通过马达驱动输送器320运作，输送器320可带动设置于转接头330上的等离子头200来回移动，而达大面积化的处理制程。应了解的是输送器320的构成并未特别限定，只要是可带动等离子头来回移动的机构即可，例如，可利用皮带或齿轮等，在本实施例的图示中，是以导轨的形式构成。
另外，应了解的是虽然在本实施例中，是利用传动机构来带动等离子头相对于载台移动，但并不限于此，也可将载台设计为可移动式，以达到等离子头与载台相对移动的目的。
图3显示本发明的硒薄膜沉积系统1’的一变形例，在本变形例中，与图1a～1g中的硒薄膜沉积系统1的不同点在于：等离子头200’是以模块化的方式设置，详而言之，等离子头200’是以三个并列的方式设置于载台100上，搭配传动机构300以达大面积化的处理；又，由于等离子头200’是以多个的方式设置，其壳体的喷出口并不被限于狭缝状，可对应于等离子头设置个数，而以点至线型狭缝式设计。
图4a～4c显示本发明的硒薄膜沉积系统1”的一变形例，在本变形例中，与图1a～1g中的硒薄膜沉积系统1的不同点在于：硒薄膜沉积系统1”还包括一抽气装置400，设置于系统本体10和载台100周边，对于承载于载台100上的基板S的两相对侧进行抽气，以提升气流场均匀度；又，对应于抽气装置400的设置，系统本体10可于侧壁上设置多个抽气孔11，借此抽气装置400可经由抽气孔11对承载于载台100上的基板S的两相对侧进行抽气。
另外，应了解的是在上述各实施例的图示中，硒薄膜沉积系统是被开放于大气环境下，但并不限于此，也可将整个系统在密闭的环境中进行，而其系统环境的压力为500～760托耳(Torr)即可。
本发明的硒薄膜沉积系统是如上述般构成，以下说明利用上述硒薄膜沉积系统所进行的硒薄膜沉积方法，其包括以下步骤：首先，于常压下将一基板S利用机械手臂(未图示)承载于硒薄膜沉积系统1”的载台100上，如图4a所示般；接着，通过等离子头200的等离子腔体210所产生的等离子将固态硒源230游离化，使硒分子可如图4b的箭头D所示般朝基板S移动，在此同时将等离子头200朝图4a中的箭头M1方向移动，而使等离子头200与基板S相对移动，直到等离子头200到达如图4c所示的位置为止，借此可将硒薄膜沉积于基板S上。
应了解的是虽然上述方法是以沉积系统1”的图标进行说明，但并不限于此，也可利用沉积系统1、1’来进行；另外，虽然上述方法是以等离子头单方向移动一次进行说明，但并不限于此，也可视制程需要，通过等离子头来回一次来进行薄膜沉积，或是来回两次以上也可。
又，在沉积硒薄膜于基板S上时，加热装置120同时在500℃以下的条件下加热基板S，且抽气装置400也可同时于基板S的两相对侧进行抽气。
又，当基板S为非钠碱玻璃基板时，在沉积硒薄膜于基板S后，将氟化钠源240的氟化钠是经由等离子头200的导入口222被导入至等离子头200中，以进行补钠制程；应了解的是补钠制程可如上述硒薄膜沉积制程般，通过等离子头移动来完成，在此不再赘述。
如上述，本发明的硒薄膜沉积方法及系统可在常压下进行，不需昂贵真空设备，且通过使等离子头于系统中可来回传动，可用于大面积处理；又，硒源是以固态取代现行使用高危险性的液态，并通过在硒薄膜沉积时进行热处理，结合补硒装置于单一系统；另外，于硒薄膜沉积时可将氟化钠导入，而提供钠来源以增加薄膜品质。
虽然本发明已以诸项实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何其所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界的范围定为准。
Claims (21)
1.一种硒薄膜沉积方法，其特征在于，包括：
提供一等离子头；
于常压下承载一基板；以及
通过该等离子头将固态硒源游离化，以沉积硒薄膜于该基板上。
2.根据权利要求1所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，在沉积该硒薄膜于该基板上时，该等离子头与该基板是相对移动。
3.根据权利要求2所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，该等离子头与该基板之间的相对移动是通过移动该等离子头来进行。
4.根据权利要求1所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，还包括：
在沉积该硒薄膜于该基板上时，加热该基板。
5.根据权利要求4所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，该基板的加热范围是在500℃以下被加热。
6.根据权利要求1所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，当该基板为非钠碱玻璃基板时，上述硒薄膜沉积方法还包括：
在沉积该硒薄膜于该基板上后，于该基板上进行补钠制程。
7.根据权利要求6所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，该补钠制程是通过导入氟化钠于该等离子头中而进行。
8.根据权利要求1所述的硒薄膜沉积方法，其特征在于，还包括：
在沉积该硒薄膜于该基板上时，于该基板的两相对侧进行抽气。
9.一种硒薄膜沉积系统，其特征在于，包括：
一载台，承载一基板；以及
一等离子头，以与该载台可相对移动的方式被设置，且承载有一固态硒源，其中该等离子头通过将该固态硒源游离化，以沉积硒薄膜于该基板上。
10.根据权利要求9所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，该载台包括：
一平台，承载该基板；以及
一加热装置，设置于该平台，用以于该硒薄膜沉积时加热该基板。
11.根据权利要求9所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，该等离子头具有一导入口。
12.根据权利要求11所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，还包括与该导入口连通的一氟化钠源，其中该基板为非钠碱玻璃基板，而该氟化钠源的氟化钠是经由该导入口被导入至该等离子头中。
13.根据权利要求9所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，还包括一传动机构，与该等离子头连接，用以使该等离子头相对于该载台移动。
14.根据权利要求9所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，该等离子头包括：
一等离子腔体，产生一等离子；以及
一壳体，以包围该等离子腔体的方式与该等离子腔体连接，且承载该固态硒源。
15.根据权利要求14所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，该等离子腔体具有一等离子出口，且该固态硒源是位于该等离子出口附近。
16.根据权利要求15所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，该壳体具有一喷出口，与该等离子出口相对设置，且为狭缝状。
17.根据权利要求9所述的硒薄膜沉积系统，其特征在于，还包括一抽气装置，设置于该载台周边，且对承载于该载台上的该基板的两相对侧进行抽气。
18.一种等离子头，其特征在于，包括：
一等离子腔体，产生一等离子；
一壳体，以包围该等离子腔体的方式与该等离子腔体连接；以及
一固态硒源，设置于该壳体上。
19.根据权利要求18所述的等离子头，其特征在于，该等离子腔体具有一等离子出口，且该固态硒源是位于该等离子出口附近。
20.根据权利要求18所述的等离子头，其特征在于，该壳体具有一喷出口，与该等离子出口相对设置，且为狭缝状。
21.根据权利要求18所述的等离子头，其特征在于，该壳体具有一导入口。
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