TWI485276B - 提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置 - Google Patents

Description

提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置

本發明係與蒸鍍裝置領域相關，特別是關於一種提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，用以改善蒸鍍後薄膜之穩定性與結晶品質。

隨著能源危機的問題日趨嚴重，太陽能電池被視為主要的綠色替代能源之一。而除了矽晶(single Si)太陽能電池、多晶矽(poly-crystalline Si)太陽能電池外，銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池被視為是另一具有潛力的太陽能電池而為各方積極研究開發。

CIGS吸收層薄膜(Cu(In,Ga)Se2,CIGS)其結構主要為黃銅礦結構(chalcopyrite structure)，亦被稱為I-III-VI族化合物半導體，另外，由於直接能隙的影響，其具備高穩定性、高光學吸收係數、低成本與可撓性等優點，目前利用蒸鍍製程主要採用三階段共蒸鍍製程製作銅銦鎵硒(CIGS)薄膜，先於基板共蒸鍍銦鎵硒(In_1-x Ga_x )₂ Se₃ ，其次於其上蒸鍍銅硒(Cu₂ Se)層，最後再次蒸鍍銦鎵硒膜使表面形成富銦(In-rich)的銅銦鎵硒薄膜。傳統的共蒸鍍方式是分別使用噴發蒸鍍源(Effusion Cell)產生銦、鎵、硒蒸氣而使蒸氣混合沉積於基板上進行共蒸鍍，但因硒元素極易形成分子團，因此在蒸鍍進行銦鎵硒三元素的共蒸鍍時，難以避免產生多晶向銦鎵硒化合物薄膜，造成後續 CIGS吸收層薄膜均一性成長不佳而影響元件特性。過去曾有人以用於成長半導體的分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy)系統中的裂解蒸鍍源製備銅銦鎵硒薄膜，雖可改善CIGS膜層產生多晶向銦鎵硒化合物薄膜，但設備昂貴、沉積速率緩慢、且硒分子易使裂解蒸鍍源的蒸氣控制針閥堵塞故障而不易發展量產化。為改善上述缺點，本發明提出以一種新的硒化物薄膜之蒸鍍裝置，藉以得到高品質的硒化合物薄膜。

鑑於上述問題，本創作之目的在於提供一種提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，用以避免在進行銦鎵硒三元素的共蒸鍍時，產生多晶向銦鎵硒化合物薄膜，造成後續CIGS吸收層薄膜結晶性不佳而影響元件特性。

為達上述目的，本創作係提出一種提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，供以於一基板上形成薄膜，包含：一坩鍋、至少一加熱裝置、一套環座、至少一第一隔板，以及至少一第二隔板。其中該坩鍋，具有一容置空間供以容置複數個蒸鍍源材料；該加熱裝置，環繞設置於該坩鍋外，供以加熱該等蒸鍍源材料；該套環座，靠抵於該坩鍋，且該套環座具有一開口而與該坩鍋之容置空間形成連通之狀態；該第一隔板，靠抵設置於該套環座內，該第一隔板具有至少一混流孔，且該混流孔係設於該第一隔板之中心處位置；以及該第二隔板，靠抵設置於該套環座內，該第二隔板具有複數個分流孔，且該等分流孔係設於該第二隔板非中心處位置；其中該第一隔板與該第二隔板之剖面係成ㄇ型，且該第一隔板與該第二隔板係相互靠抵而於該第一隔板與該第二隔板間形成一混合空間。

在一較佳實施例中，為了提升更加地均勻效果，其中該第二隔板可設置為二個，第一隔板設置為一個；且該等蒸鍍源材料係依序通過二個該第二隔板與一個該第一隔板而沉積至該基板。藉此，可進一步加強蒸鍍之混合效果。

在另一較佳實施例中，為針對蒸鍍後物理氣相沉積之效果微調整，其中，該混流孔形狀與分流孔形狀係選自圓形或多邊形其中之一者。且該第一隔板與該第二隔板之材質係可選自石墨、鈦、鉭、鎢其中之一者。

本發明之功效在於提供一種提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，藉此可改善硒化合物薄膜共蒸鍍製程所產生結晶性不佳之缺失。且透過本發明成長之硒化合物薄膜，其緻密性高且膜面平坦並具有單一晶向之薄膜特性與結構，運用上更可藉其穩定性而有效實施於CIGS之太陽能電池。

本概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

1‧‧‧蒸鍍裝置

10‧‧‧坩鍋

100‧‧‧容置空間

12‧‧‧加熱裝置

14‧‧‧套環座

140‧‧‧開口

16‧‧‧第一隔板

160‧‧‧混流孔

18‧‧‧第二隔板

180‧‧‧分流孔

190‧‧‧混合空間

2‧‧‧蒸鍍源材料

3‧‧‧基板

4‧‧‧銦鎵硒膜層

5‧‧‧蒸鍍源底座

第1圖，係為本發明較佳實施例之硒化物薄膜製程裝置示意圖。

第2圖，係為本發明較佳實施例之第一隔板結構示意圖。

第3圖，係為本發明較佳實施例之第二隔板結構示意圖。

第4圖，係為本發明較佳實施例之膜層結構示意圖。

第5圖，係為本發明較佳實施例之(Se-R)與傳統硒蒸鍍源(Se-E)製備銦鎵硒薄膜之X光繞射比較圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。

請參考第1圖、第2圖及第3圖，係分別為本發明較佳實施例之硒化物薄膜製程裝置示意圖、第一隔板結構示意圖及第二隔板結構示意圖，由圖觀之，本發明係提供一種提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置1，供以於一基板3上形成薄膜，包含：一坩鍋10、至少一加熱裝置12、一套環座14、至少一第一隔板16，以及至少一第二隔板18，其中該坩鍋10，可置放於一蒸鍍源底座內5，且該坩鍋10具有一容置空間100藉此供以容置複數個蒸鍍源材料2。例如於本實施例中，該等蒸鍍源材料2可為待蒸鍍之硒材質，藉此利用環繞設置於該坩鍋10外之加熱裝置12，供以加熱該等蒸鍍源材料2而產生硒蒸氣，該蒸鍍源材料係依序通過二個該第二隔板與一個該第一隔板而沉積至該基板，續以進一步於該基板3上形成膜層之沉積。

在本實施例中，為減少蒸鍍所生成之硒蒸氣於沉積前形成分子團，進而導致降低硒化合物薄膜之品質，因此本實施例中係設有該第一隔板16與該第二隔板18使硒蒸氣沉積前能夠均勻混合。而該第一隔板16側邊係靠抵設置於該套環座14內，該套環座14，則係靠抵於該坩鍋10，且該套環座14具有一開口140而與該坩鍋10之容置空間100形成連通之狀態，如此才可使硒蒸氣於坩鍋10內生成後通過該套環座14以及該第一隔板16與該第二隔 板18。其中該第一隔板16具有至少一混流孔160，且該混流孔160係設於該第一隔板16之中心處位置。該第二隔板18側邊亦靠抵設置於該套環座14內，且該第二隔板18具有複數個分流孔180，該等分流孔180係設於該第二隔板18非中心處位置，該混流孔形狀與分流孔形狀係選自圓形、四邊形、六邊形、三角形、橢圓形或多邊形其中之一者。其中該第一隔板16與該第二隔板18之剖面係成ㄇ型，且該第一隔板16與該第二隔板18係相互靠抵而於該第一隔板16與該第二隔板18間形成一混合空間190，該第一隔板與該第二隔板之材質係可選自石墨、鈦、鉭、鎢其中之一者，其第一隔板與該第二隔板中係包括一加熱裝置。因此，可清楚知悉由該坩鍋10下方所生成之蒸氣將會通過該第二隔板18與該第一隔板16並於該混合空間190中進行均勻混合後才會沉積至該基板3，且對於該第二隔板18與該第一隔板16之數量與相互堆疊方式可依製程需求予以調整。例如本實施例第1圖，該等蒸鍍源材料2係依序通過二個該第二隔板18與一個該第一隔板16而沉積至該基板3。至於為針對蒸鍍後物理氣相沉積效果微調者，其中該混流孔160形狀與分流孔180形狀係可選自圓形或多邊形其中之一，且該第一隔板16與該第二隔板18之材質係可選自石墨、鈦、鉭、鎢其中之一。特別說明者，該加熱裝置12係可分設於該坩鍋10鄰側與該第一隔板16及第二隔板18鄰側而分別予以加熱，併予說明。

請續以參照第4圖及第5圖，係分別為本發明較佳實施例之膜層結構示意圖及本發明較佳實施例之(Se-R)與傳統硒蒸鍍源(Se-E)製備銦鎵硒薄膜之X光繞射比較圖。

將本發明之硒蒸鍍源及銦、鎵噴發蒸鍍源安裝 於一真空系統中，並使真空壓力控制於1×10^-5 ~1×10^-6 Torr，銦蒸鍍源溫度設定在900~1000℃；鎵蒸鍍源溫度設定在950~1150℃；硒蒸鍍源溫度設定250~400℃，製程時間為10分鐘，所製備之銦鎵硒化合物薄膜樣為Se-R。由第4圖觀之，即利用本發明進行共蒸鍍後所得之膜層結構示意圖。其中該基板3上係沉積有銦鎵硒膜層4，且該基板3係選擇玻璃基板為實驗條件。

本比較例為在玻璃基板上以共蒸鍍製程製備銦鎵硒薄膜。將傳統之硒、銦、鎵噴發蒸鍍源安裝於一真空系統中，並使真空壓力控制於1×10^-5 ~1×10^-6 Torr，銦蒸鍍源溫度設定在900~1000℃；鎵蒸鍍源溫度設定在950~1150℃；硒蒸鍍源溫度設定250~400℃，製程時間為10分鐘，所製備之銦鎵硒化合物薄膜樣為Se-E。

由第5圖觀之，實施例與比較例所製備的銦鎵硒化合物薄膜樣品經以X光繞射分析儀進行分析可知，以一般蒸鍍硒得到之銦鎵硒化合物薄膜為多晶向結構，而以本發明裂解硒蒸鍍源製備的銦鎵硒化合物薄膜可得到(In,Ga)₂ Se₃ (006)的結晶結構。因此透過本發明所生成之膜層結構確實可得到較佳之結晶效果，故其緻密性較高且膜面平坦並具有單一晶向之薄膜特性，運用上將可藉其高穩定性而有效實施於CIGS之太陽能電池等各領域中。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，故此等熟習此技術所作出等效或輕易的變化者，在不 脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

1‧‧‧蒸鍍裝置

10‧‧‧坩鍋

100‧‧‧容置空間

12‧‧‧加熱裝置

14‧‧‧套環座

140‧‧‧開口

16‧‧‧第一隔板

160‧‧‧混流孔

18‧‧‧第二隔板

180‧‧‧分流孔

190‧‧‧混合空間

2‧‧‧蒸鍍源材料

5‧‧‧蒸鍍源底座

Claims (4)

1. 一種提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，供以於一基板上形成薄膜，包含：一坩鍋，具有一容置空間供以容置複數個蒸鍍源材料；至少一加熱裝置，環繞設置於該坩鍋外，供以加熱該等蒸鍍源材料；一套環座，靠抵於該坩鍋，且該套環座具有一開口而與該坩鍋之容置空間形成連通之狀態；至少一第一隔板，靠抵設置於該套環座內，該第一隔板具有至少一混流孔，且該混流孔係設於該第一隔板之中心處位置；及至少一第二隔板，靠抵設置於該套環座內，該第二隔板具有複數個分流孔，且該等分流孔係設於該第二隔板非中心處位置；其中該第一隔板與該第二隔板之剖面係成ㄇ型，且該第一隔板與該第二隔板係相互靠抵而於該第一隔板與該第二隔板間形成一混合空間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，其中，該蒸鍍源材料係依序通過二個該第二隔板與一個該第一隔板而沉積至該基板。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，其中，該混流孔形狀與分流孔形狀係選自圓形、四邊形、六邊形、三角形、橢圓形或多邊形其中之一者。
4. 如申請專利範圍第3項所述之提升硒化物薄膜成長品質之蒸鍍裝置，其中，該第一隔板與該第二隔板之材質係可選自石墨、鈦、鉭、鎢其中之一者。