TWI464784B - 一種製作微晶矽薄膜的方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於微晶矽薄膜的製作技術。
現今人類們主要使用的能源為石化與煤炭，兩者快速消耗並產生大量的二氧化碳。尋找替代性能源以成為當前之首要的能源課題，例如：生質能、風力、地熱及太陽能。太陽能是現今科技與產業發展的趨勢，因為太陽能的能量轉換過程屬低污染性，且不消耗地球本身的能源。在薄膜太陽電池中，微晶矽(μc-Si:H)太陽電池相對於非晶矽(a-Si:H)太陽電池，其內有數十奈米大小的結晶顆粒與非晶結構混合，其結構較為緻密，使得光電轉換產生的帶電載子復合所造成的缺陷斷鍵現象降低，因而能改善光照衰退；此外，微晶矽太陽電池的光學能隙較低，對中或長波長光有較多吸收，因而能提高其短路電流。
矽薄膜太陽電池可應用於可撓式基板上，而具有軟性及可局部彎曲的特性，使得安裝困難性降低，重量輕而適於實現可攜式行動電力，並應用至捲揚式(Roll-to-Roll)製程系統，能大量製作及大幅降低製造成本。在傳統的製程中，利用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)技術，可在超高頻率、高壓力、高氫稀釋比、及高射頻功率等製作條件下，沉積出微晶矽薄膜，但卻有其製程缺點，例如，超高頻率使得大面積薄膜的沉積易發生駐波效應而致薄膜均勻度變差；高壓製程使得腔體內部電漿條件易不穩；以及高射頻功率將導致耗費大量電量，增加成本花費。此外，微晶矽薄膜在上述製程條件下，電漿條件容易發生飄移，使得薄膜製作的再現性不高，雖然這可以使用光學放射光譜儀(OES)進行電漿離子的即時監控及回授系統，以自動調整製程參數而能穩定電漿條件，但將使製程成本相對的提高。
對於微晶矽薄膜而言，減少其內部的氧含量是極為重要的，過高的氧含量將會影響微晶矽薄膜的光電特性，而使太陽電池整體效率下降；因此，在微晶矽薄膜的沉積製程中，必須盡可能地避免氧的汙染，例如：製程前腔體的背景真空須抽高，以抽離水氣與氧氣，但如此將會耗費更多的製程時間。再者，傳統微晶矽薄膜的沉積製程大多利用單一反應腔體或串接式的電漿輔助化學氣相沉積系統，其缺點在於生產速度慢而不適於快速的大量生產。
綜上所述對於微晶矽薄膜的製程限制，因此，有必要發展可降低製作成本、大量製作及客製化提供微晶矽薄膜的製作技術。
有鑑於此，本發明提供一種可降低製作成本、大量製作及客製化提供微晶矽薄膜的製作方法。
在本發明的一方面，一實施例提供一種製作微晶矽薄膜的方法，係於一基材的表面上進行，該方法包括下列步驟：(A)形成一I型非晶矽薄膜於該基材的表面上；(B)對於步驟(A)所得到的該基材，形成一氧化矽(SiO2
)層於該I型非晶矽薄膜上；(C)對於步驟(B)所得到的該基材，形成一鎳金屬層於該氧化矽層上；(D)對於步驟(C)所得到的該基材，將該鎳金屬層中的鎳原子經由該氧化矽層而擴散或驅入該I型非晶矽薄膜中，誘使該I型非晶矽薄膜中的非晶矽結晶而變成微晶矽；以及(E)控制步驟(D)所得到的該基材之溫度為至少500℃，使該鎳原子與該I型非晶矽薄膜中的矽原子反應而形成矽化鎳，且使該矽化鎳向下擴散並堆積於該基材的該表面上。
該基材可以是一可撓式基板，例如，該基材為一不鏽鋼基板，其厚度小於或等於300μm。此外，該不鏽鋼基板可包含一N型非晶矽或微晶矽薄膜形成於該不鏽鋼基板上。
上述的步驟(A)可以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)來實現，參與反應的氣體包含矽烷(SiH4
)及氫(H2
)，反應溫度小於或等於250℃，反應氣壓小於1托(torr)，且該I型非晶矽薄膜的厚度介於1μm至2μm之間，其中的I型是表示未摻雜N型或P型的摻雜物。上述的步驟(B)可以濺鍍法或電漿輔助化學氣相沉積法來實現。上述的步驟(C)可以濺鍍法來實現，且該鎳金屬層的厚度小於或等於100nm。上述的步驟(D)可以溫度至少500℃的熱退火處理法來實現，且該形成之微晶矽基本上為上下線性排列的柱狀結晶。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後。為了說明上的便利和明確，圖式中各膜層的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各構成要素的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
圖1為根據本發明實施例之微晶矽薄膜製作方法的流程圖，用以說明本發明實施例在一基材上形成微晶矽薄膜，而製作成具有微晶矽薄膜的基板之方法流程步驟。請參照圖1，可選用該基材的兩個相對表面之其中一者作為其上表面，則該製作方法100包括下列步驟：
步驟110：形成一I型非晶矽薄膜於該基材的上表面上；
步驟120：對於步驟110所得到的該基材，形成一氧化矽(SiO2
)層於該I型非晶矽薄膜上；
步驟130：對於步驟120所得到的該基材，形成一鎳金屬層於該氧化矽層上；
步驟140：對於步驟130所得到的該基材，將該鎳金屬層中的鎳原子經由該氧化矽層而擴散或驅入該I型非晶矽薄膜中，誘使該I型非晶矽薄膜中的非晶矽結晶而變成微晶矽；以及
步驟150：控制步驟140所得到的該基材之溫度為至少500℃，使該鎳原子與該I型非晶矽薄膜中的矽原子反應而形成矽化鎳，且使該矽化鎳向下擴散並堆積於該基材的該表面上。
以下將詳述本製作方法100，並請同時參考圖2a至2f之該微晶矽薄膜相對應本製程的結構剖面圖。
一般而言，基材或基板具有上下兩個表面，而製程所沉積或處理的層狀結構通常是在上表面(或說是正面)上。本發明實施例是以製作太陽電池的製程所需的基材或基板為例，本例中所使用的基材為厚度約為300μm的不鏽鋼基板210，具有可撓性(flexibility)，以便於所製作的太陽電池能在不同形狀或曲面的載體(例如，建築物)表面上，展現出更多的應用；但不以此為限，該基材一可以是硬式的基板，或是其他厚度或其他材質，而適合於某預先設定的半導體元件於其表面上進行製程的基板。在本實施例中，可以由該不鏽鋼基板210的上下兩個表面之中，選用比較光滑而沒有刮痕或缺陷的表面作為其上表面，以進行後續的薄膜製程。
關於上述的步驟110，本實施例是以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)來實現該I型非晶矽薄膜220的形成；其中射頻(RF)為27.12MHz，參與反應的氣體可包含矽烷(SiH4
)及氫(H2
)，反應溫度可小於或等於250℃(例如，約200℃)，反應氣壓可介於0.1至1托(torr)之間，並且控制反應時間的多寡以使該I型非晶矽薄膜220的厚度介於1μm至2μm之間。但不以此為限，該I型非晶矽薄膜的厚度可依實際的需要而決定。此時，該微晶矽薄膜在本實施例製程中的結構剖面圖，如圖2a所示。
關於上述的步驟120，本實施例是以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)而形成該氧化矽層230於該I型非晶矽薄膜220之上，該氧化矽層的厚度可介於10nm至100nm之間，以作為阻絕層的功能，如同濾網的作用，避免在後續製程的鎳原子過度地擴散到該I型非晶矽薄膜中，影響矽薄膜的特性，此將詳述於後。本發明對此不加以限制，亦可以使用濺鍍法(sputtering)來形成該氧化矽層，或是其他依實際的需要而決定的厚度。此時，該微晶矽薄膜在本實施例製程中的結構剖面圖，如圖2b所示。
關於上述的步驟130，本實施例是以濺鍍法而形成該鎳金屬層240於該氧化矽層之上，該鎳金屬層240的厚度可小於或等於100nm(例如，約50nm)；但不以此為限，該鎳金屬層亦可以是其他依實際的需要而決定的厚度。此時，該微晶矽薄膜在本實施例製程中的結構剖面圖，如圖2c所示。
關於上述的步驟140，本實施例是以溫度至少500℃的熱退火處理法，來實現該鎳金屬層240中的鎳原子242之擴散或驅入該I型非晶矽薄膜220中，並誘使該I型非晶矽薄膜220中的非晶矽結晶而變成微晶矽222，且此時的微晶矽基本上為上下線性排列的柱狀結晶。經過上述的高溫熱退火處理，該鎳金屬層240中的的鎳原子242會穿過該氧化矽層230而擴散到該I型非晶矽薄膜220，誘使該I型非晶矽薄膜220中的非晶矽產生柱狀結晶，而逐漸轉變成微晶矽222，以增加太陽電池主動層或光電轉換層對光的補捉效應，而產生更多的電子電洞對。此時，該微晶矽薄膜在本實施例製程中的結構剖面圖，如圖2d所示。
關於上述的步驟150，本實施例是利用加熱而將該基材的溫度控制在至少500℃，進一步使步驟140中向下擴散的該鎳原子242與位於該I型非晶矽薄膜220中的矽原子反應而形成矽化鎳255，且在足夠的溫度下，使該矽化鎳255向下擴散並堆積於該不鏽鋼基板210的上表面之上，而形成一矽化鎳層250。該矽化鎳層250將有助於該I型非晶矽薄膜220與該不鏽鋼基板210之間形成良好的歐姆接觸，以降低太陽電池的串聯電阻。此外，該矽化鎳層250可具有取代太陽電池的光電轉換層中的N型矽薄膜之作用，而作為N型半導體層。此時，該微晶矽薄膜在本實施例製程中的結構剖面圖，如圖2e所示。
經過步驟150之後，本實施例的微晶矽薄膜以可藉由製作方法100而完成，但此時仍會有部分的鎳金屬層240殘留於該氧化矽層上；因此，本實施例可進一步增加下列步驟：以蝕刻法移除步驟150所得到的該不鏽鋼基板210上的該鎳金屬層240，使得該微晶矽薄膜基材可直接賣出或進行後續的太陽電池製程。此鎳金屬層的移除可利用濕式氫氟酸蝕刻法來實現，但不以此為限。此時，該微晶矽薄膜成品的結構剖面圖如圖2f所示。
在另一實施例中，該不鏽鋼基板可進一步包含一N型非晶矽或微晶矽薄膜260，該N型非晶矽或微晶矽薄膜260形成於該不鏽鋼基板210的上表面之上。本實施例除了該不鏽鋼基板表面上的該N型矽薄膜260之外，其製作流程皆同於前述實施例的製作方法100，且其微晶矽薄膜在本實施例製程中的結構剖面圖，相對應於步驟110至150或圖2a至2f，可分別圖示於圖3a至3f。此外，該N型矽薄膜260亦可結合於本實施例的製作方法之中，而直接在該不鏽鋼基板上藉由電漿輔助化學氣相沉積法來形成；其中射頻為27.12MHz，參與反應的氣體可包含矽烷(SiH4
)、氫(H2
)及磷化氫(PH3
)，反應溫度可小於或等於250℃(例如，約200℃)，反應氣壓可介於0.1至1托(torr)之間，並且控制反應時間的多寡以使該N型矽薄膜的厚度介於10nm至100nm之間。但不以此為限，該N型矽薄膜的厚度可依實際的需要而決定。
本發明亦種適用於捲揚式製程系統製作微晶矽薄膜，可應用於微晶矽或疊層矽薄膜太陽電池結構上。利用本發明實施例的製作方法製備微晶矽薄膜，不僅能穩定地及大面積地沉積均勻的微晶矽薄膜，提升其產出良率，還可使鎳原子因加熱處理而與矽反應，形成矽化鎳而向下擴散至不鏽鋼基板上，使該I型非晶矽薄膜與該不鏽鋼基板之間形成良好的歐姆接觸，降低太陽電池串聯電阻，使得捲揚式製程系統能達到大量生產及降低成本花費。
綜上所述，本發明實施例的製作方法至少具有下列特性：
1. 利用金屬鎳誘導結晶方式使非晶矽薄膜轉變成柱狀微晶矽薄膜，可增加對光的補捉效應，產生更多電子電洞對。因此，只須要沉積非晶矽薄膜，而不須受到傳統微晶矽薄膜製程之電漿條件不穩的限制，並可提升微晶矽薄膜品質之再現性。
2. 採用金屬鎳誘發不鏽鋼基板上非晶矽結晶產生，可使鎳與矽反應產生矽化鎳，其向下擴散至不鏽鋼基板上，使得矽薄膜與不鏽鋼基板之間形成良好的歐姆接觸，以降低太陽電池的串聯電阻。
3. 矽化鎳層有取代N型矽薄膜之作用，能作為N型半導體而應用於太陽電池的元件結構中。
4. 將此金屬鎳誘導結晶技術應用於捲揚式製程系統，以捲軸方式進行鍍膜結晶，可大幅減少設備空間及降低製作成本，並能大量生產，提供一個穩定的微晶矽薄膜輸出平台，專門生產微晶矽薄膜基材，後續可應用於微晶矽或疊層矽薄膜太陽電池上。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
100．．．製作方法
110/120/130/140/150．．．步驟
210．．．不鏽鋼基板
220．．．I型非晶矽薄膜
222．．．微晶矽
230．．．氧化矽層
240．．．鎳金屬層
242．．．鎳原子
250．．．矽化鎳層
255．．．矽化鎳
260．．．N型矽薄膜
圖1為根據本發明實施例之微晶矽薄膜基材製作方法的流程圖。
圖2a至2f分別為對應於本發明一實施例之微晶矽薄膜製程的結構剖面圖。
圖3a至3f分別為對應於本發明另一實施例之微晶矽薄膜製程的結構剖面圖。
100．．．製作方法
110/120/130/140/150．．．步驟
Claims (9)
- 一種在一基材上製作微晶矽薄膜的方法，該基材具有一表面，該方法包括下列步驟：(A)形成一I型非晶矽薄膜於該基材的該表面上；(B)對於步驟(A)所得到的該基材，形成一氧化矽(SiO2 )層於該I型非晶矽薄膜上；(C)對於步驟(B)所得到的該基材，形成一鎳金屬層於該氧化矽層上；(D)對於步驟(C)所得到的該基材，將該鎳金屬層中的鎳原子經由該氧化矽層而擴散或驅入該I型非晶矽薄膜中，誘使該I型非晶矽薄膜中的非晶矽結晶而變成微晶矽，其中，微晶矽係為上下線性排列的柱狀結晶；以及(E)控制步驟(D)所得到的該基材之溫度為至少500℃，使該鎳原子與該I型非晶矽薄膜中的矽原子反應而形成矽化鎳，且使該矽化鎳向下擴散並堆積於該基材的該表面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中，該基材係為一可撓式基板。
- 如申請專利範圍第2項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中，該基材包含一不鏽鋼基板，其厚度小於或等於300μm。
- 如申請專利範圍第3項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中，該不鏽鋼基板包含一N型非晶矽或微晶矽薄膜，該N型非晶矽或微晶矽薄膜形成於該不鏽鋼基板上。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中的步驟(A)係以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)來實現，參與反應的氣體包含矽烷(SiH4 )及氫(H2 )，反應溫度小於或等於250℃，反應氣壓小於1托(torr)，且該I型非晶矽薄膜的厚度介於1μm至2μm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中的步驟(B)係以濺鍍法(sputtering)或電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)來實現。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中的步驟(C)係以濺鍍法來實現，且該鎳金屬層的厚度小於或等於100nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作微晶矽薄膜的方法，其中的步驟(D)係以溫度至少500℃的熱退火處理法來實現。
- 如申請專利範圍第1項所述之製作微晶矽薄膜的方法，進一步包括下列步驟：(E1)以酸蝕刻法移除步驟(E)所得到的該基材上的該鎳金屬層。
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