TW201250017A - Method and apparatus for depositing selenium thin-film and plasma head thereof - Google Patents

Description

201250017 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種石西薄膜沉積方法’特別是有關於 一種利用電聚將固態石西源游離化以沉積石西薄膜之方法及系 統及其電漿頭。 【先前技術】 薄膜太陽能電池（thin-film solar cell)為次世代太陽能 電池欲發展之方向；其中，CIGS(CuInl-xGaxSe2 ’銅銦硒化 鎵）因具高能源轉換效率而吸引產官學研的重視與投入。目 前CIGS欲產業化所遇到的瓶頸在於吸收層的薄膜品質， 例如，膜層成份比、結晶尺寸（grain size)、密度（dense)等等， 當中又以硒化為其關鍵製程。 現行製備吸收層的方式非常多，其中以濺鍍（sputter) 製程以及共蒸鐘（co-evaporation)補砸製程方式最常見，以 下分別說明。 濺鍍製程如美國專利公開公報第2009/0215224號 (Coating methods and apparatus for making a CIGS solar cell) 以及 S. J. Ahn et al.於 Current Applied Physics (2008)之第 766頁所提出的文章（名稱為Cu(In,Ga)Se2 layers from selenization of spray deposited nanoparticles)所述般，係在 兩腔室（chamber)中進行，且由於濺鍍技術成熟度高，吸收 層可應用二元或三元靶後再進行硒薄膜沉積，再進一步退 火製程’且相較共蒸鍍製程，可用於大面積處理。 共蒸鍍補硒製程如美國專利公開公報第2008/0072962 4 201250017 號（Method and apparatus for producing semiconductor films, photoelectric conversion devices and method for producing the devices)所述般，利用硒源直接參與鍍膜反應，且為了 提升吸收層薄膜品質，需第二道製程腔室進行補硒退火程 序；又’相較於濺鍍製程，硒源採用液化硒，並非採用危 險性Hje氣體’在現行CIGS中，能源轉換效率較高。 然而，不管上述何種方式，均須於昂貴的真空系統中 進行，且硒易於高溫製程中釋出而改變吸收層之組成份； 又，兩種方式之硒源使用率均不高，例如，在共蒸鍍製程 中，因硒分子反應性不高，需藉由高溫(>5〇〇〇c)增加反應 性，且大部份的硒沉積於腔室壁，造成污染，而影響製程 之再現性。 【發明内容】 為有效解決上述問題，本發明提出—種應用電衆游離 固態石西源以沉獅薄膜的方法及系統及其電漿頭。 在本發明其中一實施柄φ # 丄二 步驟：提供一電衆頭·於二缚膜沉積方法包括以下 將^ 電水頭’於吊壓下承载-基板；藉由電漿頭 也石西源游離化’以沉積㈣膜於基板上。 在本發明其中一實输办，士 丄 時，電彳中，在沉積硒薄膜於基板上 對移動係藉由移動電漿頌來進行。H“板之間的相 在本發明其中一實祐 石西薄膜於基板上時，在5〇〇以二包：以下步驟:在沉積 在本發明其中-實施例中二力 =基 】中*基板為非鈉鹼玻璃基板 201250017 時，上述硒薄膜沉積方法更包括··在沉積硒薄膜於基板上 後，於基板上進行補鈉製程，其中補鈉製程係藉由導入氟 化鈉於電漿頭中而進行。 在本發明其中一實施例中，更包括以下步驟：在沉積 石西薄膜於基板上時，於基板之兩相對側進行抽氣。 在本發明其中一實施例中，石西薄膜沉積系統包括一載 台以及一電漿頭，其中載台承載一基板，而電漿頭以與載 台可相對移動的方式被設置，且承載有一固態硒源，並藉 由將固態硒源游離化，以沉積硒薄膜於基板上。 在本發明其中一實施例中，載台包括一平台以及一加 熱裝置，其中平台承載基板，而加熱裝置設置於平台，且 用以於硒薄膜沉積時加熱基板。 在本發明其中一實施例中，電漿頭具有一導入口，而 硒薄膜沉積系統更包括與導入口連通的一氟化鈉源，其中 基板為非納驗玻璃基板’而鼠化納源之氣化納係經由導入 口被導入至電漿頭中。 在本發明其中一實施例中，石西薄膜沉積系統更包括一 傳動機構，與電漿頭連接，用以使電漿頭相對於載台移動。 在本發明其中一實施例中，電漿頭包括一電漿腔體以 及一殼體，其中電漿腔體產生一電漿，殼體以包圍電漿腔 體的方式與電漿腔體連接，且承載固態硒源；又，電漿腔 體具有一電漿出口，且固態硒源係位於電漿出口附近，而 殼體具有一喷出口，與電漿出口相對設置，且為狹縫狀。 在本發明其中一實施例中，石西薄膜沉積系統更包括一 抽氣裝置，設置於載台周邊，且對承載於载台上之基板之 6 201250017 兩相對侧進行抽氣。 如上述，應用電漿提高硒分子反應活性，並藉由在硒 薄膜沉積時進行熱處理，結合補硒裝置於單一系統；又， 硒源係以固態取代現行使用高危險性之液態（H2Se);另 外，藉由本發明之電漿頭於硒薄膜沉積時將氟化鈉導入， 而提供鈉來源以增加薄膜品質，進而提高能源轉換效率。 又，本發明之硒薄膜沉積方法及系統係可在常壓下進 行，不需昂貴真空設備；電漿頭之喷出口為狹缝式，有效 增加材料使用率，且藉由使電漿頭於系統中可來回傳動， 而使裝置模組化，可用於大面積處理，並可間接控制鍍膜 品質。 為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂， 下文特舉實施例並配合所附圖式做詳細說明。 【實施方式】 本發明係提供一種應用電漿方式游離化硒（S e)分子而 進行硒薄膜製備之方法和系統，可應用於CIGS吸收層之 補石西或砸層沉積。 以下請參閱第la、lb、lc、Id、le、If、lg圖，說明 本發明之硒薄膜沉積系統之一實施例，應瞭解的是在本實 施例中，系統環境之壓力為500〜760托耳（Torr)。 在本實施例中，硒薄膜沉積系統1包括一系統本體 10、一載台100、一電漿頭200、以及一傳動機構300，其 中系統本體10係作為本實施例之硒薄膜沉積系統1之框架 和基底，用以承載設置載台100、電漿頭200、以及傳動機 201250017 構300於其中。 載台100設置於系統本體10中，且可承載一基板s(參 考第4a、4b圖）於其上’應瞭解的是在薄膜太陽能電池製 程中，基板S —般為玻璃基板(鈉[Na]鹼玻璃），但為發展軟 性太陽能電池’基板也可為非鈉鹼玻璃基板，例如，金屬 薄板（例如，不鏽鋼、鈦箔[Ti_foil]等）或高分子基材（例如， 聚醯亞胺[Polyimide、PI]等）。 如第la圖所示般，載台1〇〇包括一平台no以及一加 熱裝置120，其中平台110可承載基板S於其上，加熱裝 置120係以線圈的形式埋設於平台11 〇内，用以於砸薄膜 沉積時或成膜後加熱基板S ;又，應瞭解的是雖然在本實 施例中，加熱裝置120係以線圈的形式構成，但並不限於 此，任何可對設置於平台110上的基板S進行加熱的元件 均可，例如，加熱片或加熱棒等；又，雖然在本實施例中， 加熱裝置120係被埋設於平台中，但並不限於此，也 可獨立於平台110之外。 電漿頭200係以可相對於載台1〇〇移動的方式被設置 於載台100上’如第2a、2b圖所示般，電漿頭200包括〆 電漿腔體210、一殼體220、以及一固態硒源23()，其中電 槳腔體210由未圖示之電源供應器，使用惰性氣體產生電 漿’電源供應為可為直流(DC)、交流(AC)、或射頻（rf)， 而惰性氣體可為氬(Ar)、鼠(N2)、或氦(He);又，電漿腔體 210具有一電漿出口 211。 殼體220以包圍電漿腔體21〇的方式與電漿腔體21〇 連接’且承載固態;6西源230 ;又，殼體220具有一喷出口 8 201250017 221 ’與電渡出口 211相對設置，且為狹缝狀’如第2b圖 所示般。 固態砸源230以位於電漿出口 211附近的方式被設置 於殼體220中，藉由來自電漿出口 211之電漿將固態硒源 230游離化’以沉積石西薄膜於基板S ;詳而言之，電聚 頭200應用電毁中之帶能量粒子（電子[e]、離子[ion]、激發 態等等）對固態硒源230進行激發，使固態硒源230之大分 子解離為具活性之小分子及自由基（radical)來增加反應 性，有效增加材料使用率。 又’由於固態硒源230並非設置於電漿腔體210内， 因此’可避免反應物沉積於電漿腔體210内之電極上。 應瞭解的是固態硒源230的形式並不特別限定，例如 在第2a、2b圖中，係將複數個硒錠設置於殼體22〇之内壁 上’但並不限於此’也可將固態硒以環狀的形式設置、或 疋被塗佈在殼體220的内壁上。 又’嘴出口 221與基板S之間的距離係可視製程條 而調整。

另外’應瞭解的是在本實施例中，電漿頭係用於CIGS 吸收層之補硒或硒層沉積，因此，電漿頭中係承载硒源， 但電聚頭中所承載的待鍍源並不限於此，也可視所需的勢 程’承載非硒源’例如，在表面改質製程中，也可乘护 源等。 反 又’對應於不同的製程條件，電漿頭的構成也可適卷 變化’例如，當基板S為非鈉鹼玻璃基板時，電漿項 可在殼體220之側邊更具有一導入口 222，其與一氟化納 201250017 (NaF)源240(參考第4b圖）連通，藉此氟化鈉源240之氟化 鈉係經由導入口 222被導入至電漿頭200中參與電漿反 應，以增加基板S上之鈉成份，藉以進行補鈉製程，增加 吸收層之薄膜品質，進而提高能源轉換效率。補鈉製程可 於硒沉積之製程中同時進行，或是硒沉積完成後再進行鈉 沉積的動作；應瞭解的是上述補鈉製程之鈉源並不限於氟 化納源，例如，鈉源可為ί西化納（Na2Se)源。 請再次參閱第la〜lg圖，傳動機構300係設置於系統 本體10上，且與電漿頭200連接，用以使電漿頭200可相 對於載台1〇〇移動；在本實施例中，傳動機構300包括一 輸送器320、與電漿頭200連接的一轉接頭330、以及未圖 示之馬達，藉由馬達驅動輸送器320運作，輸送器320可 帶動設置於轉接頭330上的電漿頭200來回移動，而達大 面積化之處理製程。應暸解的是輸送器320之構成並未特 別限定，只要是可帶動電漿頭來回移動的機構即可，例如， 可利用皮帶或齒輪等，在本實施例之圖示中，係以導執之 形式構成。 另外，應瞭解的是雖然在本實施例中，係利用傳動機 構來帶動電漿頭相對於載台移動，但並不限於此，也可將 載台設計為可移動式，以達到電漿頭與載台相對移動的目 的。 第3圖顯示本發明之硒薄膜沉積系統1’之一變形例， 在本變形例中，與第1圖中之硒薄膜沉積系統1之不同點 在於：電漿頭200’係以模組化的方式設置，詳而言之，電 漿頭200’係以三個並列的方式設置於載台100上，搭配傳 201250017 動機構300以達大面積化之處理；又，由於電槳 以複數個的方式設置，其殼體之喷出口並不被限200係 狀，可對應於電漿頭設置個數，而以點至線型狹縫狹縫 第4a〜4c圖顯示本發明之硒薄膜沉積系統。 例，在本變形例中，與第！圖中之石西薄膜沉積系 變形 同點在於：硒薄膜沉積系統丨，，更包括一抽氣裝置4之不 置於糸統本體10和載台100周邊，對於承载於裁A 1 π 之基板S之兩相對側進行抽氣，以提升氣流場° 100上 對應於抽氣裝置400之設置，系統本體料辛又’又’ 複數個抽纽U，#此純裝置 &上设置 承載於載台⑽上之基板8之兩相對側進^錢μ 另外’應瞭解的是在上述各實施例

It被開放於大氣環境下，但並不限於此，IS 王個糸統在密閉的環境中進行 也了將 則〜760托耳(㈣即可。 而”系騎^之壓力為 利用ΪΪ:㈣膜沉積系統係如上述般構成，以下說明 括以下ίΓ膜:積系，行之則膜沉積方法，其包 圖示）承載於於以下將—基板S利用機械手臂（未 所示般接寻膜沉積系統Γ，之載台_上，如第如圖 電聚將固t =裝頭之電衆腔請所產生之 D所示般;基:： 中之箭夕在此同時將電漿頭200朝第4a圖 動，直到電將=向移動’而使電默頭200與基板S相對移 可將達如第4c圖所示之位置為止，藉此 〆寻聘，几積於基板s上。 201250017 應瞭解的是雖然上述方法係以沉積系統之圖示進行 說明，但並不限於此，也可利用沉積系統1、γ來進行；另 外，雖然上述方法係以電漿頭單方向移動一次進行說明， 但並不限於此，也可視製程需要，藉由電漿頭來回一次來 進行薄膜沉積，或是來回兩次以上也可。 又，在沉積硒薄膜於基板S上時，加熱裝置120同時 在500°C以下的條件下加熱基板S，且抽氣裝置400也可同 時於基板S之兩相對側進行抽氣。 又，當基板S為非鈉鹼玻璃基板時，在沉積硒薄膜於 基板S後，將氟化鈉源240之氟化鈉係經由電漿頭200之 導入口 222被導入至電漿頭200中，以進行補鈉製程；應 瞭解的是補鈉製程可如上述硒薄膜沉積製程般，藉由電漿 頭移動來完成，在此不再贅述。 如上述，本發明之硒薄膜沉積方法及系統係可在常壓 下進行，不需昂貴真空設備，且藉由使電漿頭於系統中可 來回傳動，可用於大面積處理；又，硒源係以固態取代現 行使用高危險性之液態，並藉由在硒薄膜沉積時進行熱處 理，結合補硒裝置於單一系統；另外，於硒薄膜沉積時可 將敗化納導入，而提供納來源以增加薄膜品質。 雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何其所屬技術領域中具有通常知識者，在 不脫離本發明之精神和範圍内，當可作任意之更動與潤 飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。 12 201250017 【圖式簡單說明】 俯視=la圖係依據本發明之碼薄膜沉積系統之一實施例之 L :係為化著第1a圖中的A-A線所視的剖面圖； 第lc圖係為沿著第 , 後的立體圖； ·中的A-A線將糸統部份切開 Ϊ 為沿考第1&圖中的B_B線所視的剖面圖； 弟le圖係為沿著篦 u 後的立體圖； ® &圖中的B-B線將系統部份切開 ί係為沿t第1a圖中的c-c線所視的剖面圖； g圖係為沿著第1 a圖中 後的立體圖； 中的C-C線將糸統部份切開 f 2&圖係為第lb圖中之部分D1之放大圖； =2b圖係為第lc圖中之部分Μ之放大圖； 示意圖；3圖係依據本發明之㈣膜沉積系統之一變形例之 第乜圖係依據本發明之石西薄膜 之俯視示意圖； 價糸統之另一變形例 第4b圖係為第4a圖中之砸薄 圖；以及 L積系統之匈視示意 _立第4e圖係為第4a圖中之_薄膜沉積系 不意圖，其中電漿頭係位於基板上。'、、另—俯視 【主要元件符號說明】 】、Γ、〗’’〜硒薄膜沉積系統； 13 201250017 10、10’〜系統本體； Π〜抽氣孔； 100〜載台； 110〜平台； 120〜加熱裝置 200、200’〜電漿頭； 210〜電漿腔體； 211〜電漿出口； 220〜殼體； 221〜喷出口； 222〜導入口； 230〜固態硒源； 240〜氟化納源； 300〜傳動機構； 320〜輸送器； 330〜轉接頭； 400〜抽氣裝置； S〜基板。

Claims (1)

1. 201250017 七、申請專利範圍： 1. 一種砸薄膜沉積方法，包括： 提供一電漿頭； 於常壓下承載一基板；以及 藉由該電漿頭將固態硒源游離化，以沉積硒薄膜於該 基板上。 2. 如申請專利範圍第1項所述之硒薄膜沉積方法，其中 在沉積該硒薄膜於該基板上時，該電漿頭與該基板係相對 移動。 3. 如申請專利範圍第2項所述之硒薄膜沉積方法，其中 該電漿頭與該基板之間的相對移動係藉由移動該電漿頭來 進行。 4. 如申請專利範圍第1項所述之硒薄膜沉積方法，更包 括： 在沉積該砸薄膜於該基板上時，加熱該基板。 5. 如申請專利範圍第4項所述之硒薄膜沉積方法，其中 該基板的加熱範圍係在500°C以下被加熱。 6. 如申請專利範圍第1項所述之硒薄膜沉積方法，其中 當該基板為非鈉鹼玻璃基板時，上述硒薄膜沉積方法更包 括： 在沉積該硒薄膜於該基板上後，於該基板上進行補鈉 製程。 7. 如申請專利範圍第6項所述之硒薄膜沉積方法，其中 該補鈉製程係藉由導入氟化鈉於該電漿頭中而進行。 8. 如申請專利範圍第1項所述之硒薄膜沉積方法，更包 35 201250017 括： 在沉積該石西薄膜於該基板上時，於該基板之兩相對側 進行抽氣。 9· 一種硒薄膜沉積系統，包括： 一載台，承載一基板；以及 、-電聚頭’以與該載台可相對移動的方式被設置，且 承載有m態石西源，其中該電毁頭藉由將該固態石西源游離 化，以沉積硒薄膜於該基板上。 ίο.如申請專利範圍第9項所述之石西薄膜沉積系統，並 中該載台包括： ” 一平台，承載該基板；以及 :加熱裝置，設置於該平台，用以於綱薄膜沉積時 加熱邊基板。 、 11. 如申請專利範圍第9項所述之硒薄膜沉積系統，盆 中該電漿頭具有一導入口。 12. 如申凊專利圍帛u項所述之㈣膜沉積系 導入口連通的一氣化納源’其中該基板為非納驗 玻璃基板，而該氟化_之氟化_經由該導人 至該電漿頭中。 做等入 13. 如申請專利範圍第9項所述之㈣膜沉積系统 包括-傳動機構’與該電_連接，用以使 於該載台移動。 “相對 14. 如申請專利範圍第9項所述之石西薄膜 中該電漿頭包括： 心統，其 一電漿腔體，產生一電漿；以及 16 201250017 一殼體，以包圍該電漿腔體的方式與該電漿腔體連 接’且承载該固態石西源。 15. 如申請專利範圍第14項所述之硒薄臈沉積系統，其 中該電聚腔體具有-電漿出口，且該固態石西源係位於該電 漿出口附近。 16. 如申請專利範圍第15項所述之硒薄膜沉積系統，其 中該殼體具有一喷出口，與該電漿出口相對設置，且為狹 縫狀。 17. 如申請專利範圍第9項所述之硒薄膜沉積系統，更 包括一抽氣裝置，設置於該載台周邊，且對承载於該载台 上之該基板之兩相對側進行抽氣。 18. —種電漿頭，包括： 一電漿腔體，產生一電漿； 一殼體，以包圍該電漿腔體的方式與該電漿腔體連 接，以及 一固態硒源，設置於該殼體上。 19. 如申請專利範圍第18項所述之電漿頭，其中該電漿 腔體具有一電漿出口，且該固態硒源係位於該電漿出口附 近。 20. 如申請專利範圍第19項所述之電漿頭，其中該殼體 具有-喷出口’與該電聚出口相對設置，且為狹縫狀。肢 21. 如申讀專利範圍第18項所述之電襞頭， :， 具有一導入口。 歧 17