TWI490922B - 形成多晶矽薄膜的方法及其形成的多晶矽薄膜 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種形成薄膜的方法,特別關於一種形成多晶矽薄膜的方法及其形成的多晶矽薄膜。
按,矽材料可經由適當的摻雜處理而調變其電性,使其成為N型或P型半導體。而太陽能電池的原理是利用N型與P型半導體製作出PN接面,當太陽能電池受到陽光照射時,接面空乏區會吸收太陽能量並產生電子電洞對,經由電極累積正負電荷並接上負載後,可因電位差而產生電流,藉此,可將太陽能轉換成電能輸出。
早期的矽太陽能電池主要係使用單晶矽材料。然而,由於單晶矽材料不易取得且成本昂貴,因此在材料上已朝向其他的替代方案發展,例如使用多晶矽材料。
目前製作低溫多晶矽薄膜太陽能電池主要可分為四種方法,其分別為直接沉積法、固相結晶法(Solid Crystallization,SPC)、準分子雷射退火法(Excimer Laser Annealing,ELA)以及金屬誘發結晶法(Metal Induced Crystallization,MIC)。其中,直接沈積法需於高溫製程下直接沉積多晶矽,而玻璃基板並不適用於高溫製程,而且製程時間也相當長。固相結晶法必須加熱到600℃以上,並且持溫至少20小時,因此,製程時間亦相當長。而雷射退火法使用之機台設備成本相當高,並且有加熱深度受限及鍍膜均勻性不佳等的問題。
相較於上述的製作方法,金屬誘發結晶法是將非晶矽薄膜與某些特定金屬薄膜接觸,並在較低溫(約600℃或以下)進行退火,以產生共晶或矽化物,並以此為晶核誘發非晶矽的再結晶化,以得到多晶矽薄膜。其中,可以促進金屬誘發結晶的金屬包括有鋁、銅、金、鉑、銦、銻和鎳金屬。其中,銅、金、鉑和鎳等金屬都是高捕捉電子、電洞的載子殺手,容易使電子、電洞在游離過程遭到覆合。而銦、銻是稀有元素,並不易取得。所以,相較於其它材料,使用鋁金屬較為適合,且能形成品質較佳的結晶矽材料。
然而,習知以鋁金屬誘發結晶法所形成的多晶矽薄膜之性質並不佳。例如於固定電場的作用下,載子(電洞)的移動速度太低。換言之,所形成的多晶矽薄膜之載子移動率(carrier mobility)太低。另外,多晶矽薄膜的載子濃度(carrier concentration,或稱金屬摻雜濃度)卻有太高的情況。
因此,如何提供一種形成多晶矽薄膜的方法及其形成的多晶矽薄膜,使多晶矽薄膜具有較高的載子移動率及較低的載子濃度,已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題,本發明之目的為提供一種使形成的多晶矽薄膜具有較高的載子移動率及較低的載子濃度之形成多晶矽薄膜的方法及其形成的多晶矽薄膜。
為達上述目的,依據本發明之一種形成多晶矽薄膜的方法包括以下步驟:於一基板上形成一第一非晶矽薄膜;於第一非晶矽薄膜上形成一金屬薄膜;於金屬薄膜上形成一第二非晶矽薄膜;以及以一溫度持溫一時間,使得第一非晶矽薄膜、金屬薄膜及第二非晶矽薄膜轉變成一多晶矽薄膜。
在一實施例中,形成多晶矽薄膜的方法更包括於基板上形成一阻隔層。
在一實施例中,第一非晶矽薄膜與第二非晶矽薄膜的厚度係分別介於150奈米至550奈米之間。
在一實施例中,金屬薄膜的厚度係介於30奈米至90奈米之間。
在一實施例中,金屬薄膜的材料係為鋁。
在一實施例中,溫度係介於攝氏350至650度之間。
在一實施例中,時間係介於10分鐘至20分鐘之間。
在一實施例中,形成多晶矽薄膜的方法更包括蝕刻多晶矽薄膜之表面。
為達上述目的,依據本發明之一種以金屬誘發結晶法形成之多晶矽薄膜包括一基板以及一多晶矽薄膜,多晶矽薄膜係設置於基板之上,其中多晶矽薄膜的載子濃度係低於2.6×1018
cm-3
。
在一實施例中,多晶矽薄膜的載子移動率至少為56cm2
/V‧s。
在一實施例中,多晶矽薄膜更包括一阻隔層,其係設置於基板與多晶矽薄膜之間。
承上所述,因本發明之形成多晶矽薄膜的方法係藉由於一基板上形成一第一非晶矽薄膜;於第一非晶矽薄膜上形成一金屬薄膜;於金屬薄膜上形成一第二非晶矽薄膜;以及以一溫度持溫一時間,使得第一非晶矽薄膜、金屬薄膜及第二非晶矽薄膜轉變成一多晶矽薄膜。藉由快速熱退火給予薄膜能量,使金屬薄膜之金屬原子向二側之非晶矽薄膜擴散,以誘發非晶矽薄膜之矽結晶化,進而形成多晶矽薄膜。藉此,使本發明所形成的多晶矽薄膜比習知具有較高的載子移動率及較低的載子濃度。其中,在本發明之實施例中,藉由本發明之金屬誘發結晶法所形成之多晶矽薄膜的載子移動率及載子濃度優於目前國內外文獻的最佳值。
以下將參照相關圖式,說明依本發明較佳實施例之一種形成多晶矽薄膜的方法及其形成的多晶矽薄膜,其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
以下,請參照圖1及相關圖示,以說明本發明較佳實施例之一種形成多晶矽薄膜的方法。其中,圖1為本發明之一種形成多晶矽薄膜方法的流程示意圖。
本發明之形成多晶矽薄膜的方法係包括於一基板上形成一第一非晶矽薄膜(P01);於第一非晶矽薄膜上形成一金屬薄膜(P02);於金屬薄膜上形成一第二非晶矽薄膜(P03);以及以一溫度持溫一時間,使得第一非晶矽薄膜、金屬薄膜及第二非晶矽薄膜轉變成一多晶矽薄膜(P04)等步驟。
於此先說明的是,上述於基板上形成第一非晶矽薄膜及第二非晶矽薄膜的方法係可包含濺鍍法(Sputter)、蒸鍍法(Evaporation)或化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)等;而形成金屬薄膜的方法係可包含濺鍍法或蒸鍍法。在本實施例中,第一非晶矽薄膜11、金屬薄膜12及第二非晶矽薄膜13的形成方法均使用超高真空離子束濺鍍法(Ultra-High Vacuum Ion Beam Sputtering,UHV-IBS)。當然,在其它的實施例中,使用者可依據其設備、製程,使用上述的其它的方法以形成該等薄膜。另外,在形成薄膜之製程中都是在真空下進行。換言之,以上述之任一方法在基板上形成第一非晶矽薄膜、第二非晶矽薄膜或金屬薄膜的過程中,機台設備之腔室都需保持高度真空,以防止薄膜於製程中被氧化。
如圖2A所示,於步驟P01中,係於一基板10上形成一第一非晶矽薄膜11。其中,基板10的材質係可包含玻璃、塑膠或半導體材質。在本實施例中,基板10係以玻璃基板為例。另外,第一非晶矽薄膜11的厚度係可介於150奈米(nm)至550奈米之間。於此,係以500奈米為例。
值得一提的是,由於基板10之表面容易殘留有機物、原生氧化層、微粒子或金屬殘留物等污染,所以形成第一非晶矽薄膜11之前必須先將基板10的表面清洗乾淨,以避免上述污染物影響薄膜的品質。
如圖2B所示,於步驟P02中,係於第一非晶矽薄膜11上形成一金屬薄膜12。其中,金屬薄膜12的材料係為鋁金屬。換言之,係於第一非晶矽薄膜11上形成一鋁金屬薄膜,並以鋁金屬誘發矽結晶。其中,金屬薄膜12的厚度係可介於30奈米至90奈米之間。於此,係以50奈米為例。
接著,如圖2C所示,於步驟P03中,係於金屬薄膜12上形成一第二非晶矽薄膜13。在本實施例中,第二非晶矽薄膜13的厚度係可介於150奈米(nm)至550奈米之間。於此,係以500奈米為例。
最後,如圖2D所示,於步驟P04中,係以一溫度持溫一時間,使得第一非晶矽薄膜11、金屬薄膜12及第二非晶矽薄膜13轉變成一多晶矽薄膜20。其中,是將上一步驟得到之具有第一非晶矽薄膜11、金屬薄膜12及第二非晶矽薄膜13之基板10放入快速熱退火(Rapid Thermal Annealing,RTA)的設備,並以每秒攝度10度升溫至100度,持溫5秒後,再以每秒攝度10度升溫至200℃,再持溫5秒等,反覆升溫至所需的退火溫度,並持溫一段時間後,最後再降至常溫。其中,上述步驟P04中之該溫度係可介於攝氏350至650度之間,而該時間係可介於10分鐘至20分鐘之間。在本實施例中,該溫度係以攝氏600度,該時間係以15分鐘為例。換言之,升溫至攝氏600度後,持溫時間為15分鐘。
承上,本發明係以鋁金屬誘發結晶法形成多晶矽薄膜,並藉由於基板10上形成第一非晶矽薄膜11、金屬薄膜12及第二非晶矽薄膜13之結構,再藉由快速熱退火給予薄膜能量,使金屬薄膜12之鋁金屬原子向二側之非晶矽薄膜11、13擴散,以誘發非晶矽薄膜11、13之矽結晶化,以形成P層(P-layer)微晶結構,進而形成多晶矽薄膜20。
另外,若鋁金屬原子向第二非晶矽薄膜13擴散,進而擴散至第二非晶矽薄膜13(即多晶矽薄膜20)的上表面時,為了去除多晶矽薄膜20上表面多餘的鋁金屬,請參照圖3所示,形成多晶矽薄膜的方法更可包括步驟P05:蝕刻多晶矽薄膜20之表面,以去除多晶矽薄膜20上表面多餘的鋁金屬。其中,蝕刻液的成分比可為磷酸:硝酸:醋酸等於7:2:1,加熱至55℃後浸泡5分鐘,即可去除多晶矽薄膜20表面多餘的鋁金屬。
值得一提的是,為了防止基板10(例如本實施例之玻璃)內含的少量金屬成分擴散至第一非晶矽薄膜11而影響薄膜的性質,可如圖4所示,於形成第一非晶矽薄膜11之前於基板10上先形成一阻隔層14。其中,阻隔層14的材料可包含二氧化矽。可以電漿輔助化學氣相沈積法(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)沉積厚度約1微米(μm)的二氧化矽層作為阻隔層14,以防止基板10內含的金屬成分擴散至第一非晶矽薄膜11。另外,再說明的是,上述圖2A~2D及圖4只是示意圖,各薄膜之厚度並沒有按照實際厚度的比例來繪製。
以下,請參照相關的圖示及照片,以說明本發明以金屬誘發結晶法形成之多晶矽薄膜20的性質。
在此再提醒的是,在本實施例中,第一非晶矽薄膜11、金屬薄膜12及第二非晶矽薄膜13的厚度分別為500奈米、50奈米及500奈米,其退火持溫度為600度,而其持溫時間為15分鐘。另外,本發明係以X光繞射分析儀進行結晶性分析,以確認矽的結晶存在與否。另外,以拉曼(Raman)光譜分析儀驗證多晶之存在,並以場發射式電子顯微鏡觀察其表面結構與剖面結構,最後是由霍爾量測(Hall Measurement)得到載子移動率與載子濃度(即金屬摻雜濃度),以此評估形成之多晶矽薄膜20的性質。其中,形成之多晶矽薄膜20係位於基板10之上。
請參照圖5A所示,其為本發明之多晶矽薄膜20的拉曼訊號示意圖。拉曼訊號圖主要是提供非晶矽薄膜是否形成結晶矽的依據。其中,橫軸座標代表波數(cm-1
)(Wave Number),波數為波長的倒數。波數的位置可決定薄膜為非晶矽膜(480 cm-1
),或為多晶矽膜(515~519 cm-1
),或為單晶矽膜(520 cm-1
)。而縱軸座標代表光譜分析儀偵測到的光的強度(Intensity),其表示非晶矽或結晶矽的訊號強度。
由圖5A的拉曼訊號示意圖可知,所得到的矽薄膜是在波數接近520 cm-1
的地方,代表本發明之方法形成之多晶矽薄膜20確實為多晶矽的結構。
請參照圖5B所示,其為多晶矽薄膜20表面結構的照片。其中,若薄膜表面的孔洞尺寸大時,則不利載子在薄膜內部移動。由圖5B之照片所示,本發明形成之多晶矽薄膜20的表面無任何孔洞,因此,載子在薄膜內部移動可相當順利。
另外,請參照圖5C所示,其為多晶矽薄膜20縱深之原子濃度示意圖。換言之,圖5C為由多晶矽薄膜20之上表面往其內部分析不同深度之不同原子的濃度。其中,縱軸代表原子的濃度百分比,橫軸座標代表多晶矽薄膜20之深度(即縱深),而深度0處代表多晶矽薄膜20之上表面,而深度30處代表接近多晶矽薄膜20的下表面。
由圖5C可知,多晶矽薄膜20之上表面至下表面之間,鋁原子的濃度百分比的變化並不大,代表金屬薄膜12之鋁原子於退火期間可上下均勻地擴散至第一非晶矽薄膜11及第二非晶矽薄膜13。其中,鋁原子除可幫助誘發矽的結晶外,鋁原子也均勻地擴散於非晶矽薄膜中,可使薄膜之載子濃度下降,並可提高載子的移動率。
另外,請參照圖5D及圖5E所示,其分別為本發明多晶矽薄膜20的照片及其不同位置的晶格繞射照片。由圖5E可發現多晶矽薄膜20內部不同深度位置均存在著結晶矽(白點)。
接著,再觀察多晶矽薄膜20不同部位的微結構,如圖5F所示,其中,顏色較深者為鋁金屬含量較高的區域。由圖5F可發現,多晶矽薄膜20中不同部位具有不同的鋁金屬含量。另外,再針對其區域作大倍率的觀察,如圖5G及圖5H所示,圖5G為圖5F之區域1的放示照片,而圖5H為圖5F之區域2的放示照片。其中,顏色較深的部位為具有整齊排列條紋之奈米結晶鋁,如圖5G的左邊部分及圖5H的右邊部分,而奈米結晶鋁的周圍可發現奈米結晶矽的存在,如圖5G的右邊部分及圖5H的左邊部分。因此,本發明所形成之多晶矽薄膜20確實具有奈米結晶矽的存在。
最後,再以霍爾量測得到多晶矽薄膜20的載子移動率與載子濃度。量測到之多晶矽薄膜20的載子移動率為80.1cm2
/Vs,此數值係高於目前國內外文獻的最佳值:56cm2
/Vs。另外,多晶矽薄膜20的載子濃度為1.5×1018
cm-3
,此數值係低於目前國內外文獻的最佳值:2.6×1018
cm-3
。因此,本發明之形成多晶矽薄膜的方法確實可提高誘發後的多晶矽薄膜20的性質,而所形成的多晶矽薄膜20確實具有較高的載子移動率及較低的載子濃度。
此外,本發明之另一實施例仍是應用上述之金屬誘發結晶法形成另一多晶矽薄膜,其步驟不再贅述。其中,另一實施例之第一非晶矽薄膜、金屬薄膜及第二非晶矽薄膜的厚度分別為200奈米、50奈米及500奈米,其持溫溫度為400度,而其持溫時間為15分鐘。
利用上述之金屬誘發結晶法及其參數形成了另一多晶矽薄膜,並以霍爾量測得到其載子移動率與載子濃度分別為82.54cm2
/Vs及3.59×1017
cm-3
,亦優於國內外文獻的最佳值甚多。
綜上所述,因本發明之形成多晶矽薄膜的方法係藉由於一基板上形成一第一非晶矽薄膜;於第一非晶矽薄膜上形成一金屬薄膜;於金屬薄膜上形成一第二非晶矽薄膜;以及以一溫度持溫一時間,使得第一非晶矽薄膜、金屬薄膜及第二非晶矽薄膜轉變成一多晶矽薄膜。藉由快速熱退火給予薄膜能量,使金屬薄膜之金屬原子向二側之非晶矽薄膜擴散,以誘發非晶矽薄膜之矽結晶化,進而形成多晶矽薄膜。藉此,使本發明所形成的多晶矽薄膜比習知具有較高的載子移動率及較低的載子濃度。其中,在本發明之實施例中,藉由本發明之金屬誘發結晶法所形成之多晶矽薄膜的載子移動率及載子濃度優於目前國內外文獻的最佳值。
以上所述僅為舉例性,而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇,而對其進行之等效修改或變更,均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、2‧‧‧區域
10‧‧‧基板
11‧‧‧第一非晶矽薄膜
12‧‧‧金屬薄膜
13‧‧‧第二非晶矽薄膜
14‧‧‧阻隔層
20‧‧‧多晶矽薄膜
P01~P04‧‧‧步驟
圖1為本發明之一種形成多晶矽薄膜方法的流程示意圖;
圖2A至圖2D分別為本發明之形成多晶矽薄膜的示意圖;圖3為本發明形成多晶矽薄膜方法的另一流程示意圖;圖4為本發明形成多晶矽薄膜的另一示意圖;圖5A為本發明之多晶矽薄膜的拉曼訊號示意圖;圖5B為本發明之多晶矽薄膜的表面結構照片;圖5C為本發明之多晶矽薄膜縱深之原子濃度示意圖;圖5D為本發明之多晶矽薄膜的照片;圖5E為圖5D中,多晶矽薄膜不同位置的晶格繞射照片;圖5F為本發明之多晶矽薄膜的另一照片;以及圖5G及圖5H分別為圖5F之多晶矽薄膜不同位置的放大照片。
P01~P04...步驟
Claims (11)
- 一種形成多晶矽薄膜的方法,包括以下步驟:於一基板上形成一第一非晶矽薄膜;於該第一非晶矽薄膜上形成一金屬薄膜;於該金屬薄膜上形成一第二非晶矽薄膜;以及以一溫度持溫一時間,使得該第一非晶矽薄膜、該金屬薄膜及該第二非晶矽薄膜轉變成一多晶矽薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,其中於該基板上形成該第一非晶矽薄膜之前,該形成多晶矽薄膜的方法更包括:於該基板上形成一阻隔層。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,其中該第一非晶矽薄膜與該第二非晶矽薄膜的厚度係分別介於150奈米至550奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,其中該金屬薄膜的厚度係介於30奈米至90奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,其中該金屬薄膜的材料係為鋁金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,其中該溫度係介於攝氏350至650度之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,其中該時間係介於10分鐘至20分鐘之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成多晶矽薄膜的方法,更包括: 蝕刻該多晶矽薄膜之表面。
- 一種以金屬誘發結晶法形成之多晶矽薄膜,包括:一基板;以及一多晶矽薄膜,係設置於該基板之上,其中該多晶矽薄膜係由形成於該基板上之一第一非晶矽薄膜、一金屬薄膜及一第二非晶矽薄膜經一溫度持溫一時間而得到,且該多晶矽薄膜的載子濃度係低於2.6×1018 cm-3 。
- 如申請專利範圍第9項所述之多晶矽薄膜,其中該多晶矽薄膜的載子移動率係高於56cm2 /Vs。
- 如申請專利範圍第9項所述之多晶矽薄膜,更包括:一阻隔層,係設置於該基板與該多晶矽薄膜之間。
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