TWI412624B - 薄膜沉積裝置及其用以製備薄膜之方法 - Google Patents

Description

薄膜沉積裝置及其用以製備薄膜之方法

本發明係關於一種薄膜沉積裝置及其用以製備薄膜之方法，特別是一種利用混合式化學氣相沉積反應之薄膜沉積裝置及其用以製備薄膜之方法。

近年來以矽晶圓為主的太陽能電池市場快速成長，使得矽原料來源逐漸面臨短缺之問題，因此，多數業者更積極轉向於開發薄膜式太陽能電池，以極薄的光電轉換材料取代以往的矽晶圓，藉此降低矽原料的使用成本更提升太陽能電池之效能。

於薄膜太陽能電池中係以堆疊型的太陽能電池較非晶矽元件具有更佳的光電轉換效率，其中又以微晶矽薄膜為業者積極開發之重點。微晶矽薄膜的載子遷移率(carrier mobility)比一般非晶矽薄膜高出1~2個量級，因此，微晶矽薄膜係具有更佳的光波長吸收範圍，用以增加太陽能電池的光電轉換效率。

習知用以沉積薄膜之裝置係為電漿輔助化學沉積(plasma enhaced chemical vapor deposition,PECVD)裝置，該電漿輔助化學氣相沉積裝置係利用一電漿箱，於該電漿箱內設置有上、下二電極板，且於該上、下二電極板間係連接有一射頻電流(radio frequency,RF)，當矽烷通入該電漿箱時係以大量的氫氣對該矽烷進行稀釋以作為反應之混合氣體，接著通入射頻電流激發二電極間的電子產生震盪，而使電漿中之自由電子撞擊該混合氣體分子，使得該混合氣體產生離子化而解離為SiH₃ 、SiH₂ 、SiH、Si、H₂ 、H，其中活性成分較強之分子(例如：SiH₂ 、SiH、Si)通常會繼續與該矽烷與氫混合氣體進行二次反應以產生更多反應基，而未參與二次反應且較穩定之SiH₃ 係能夠於到達基板表面時失去部分動能而沉積為薄膜。

然而，由於上述反應過程係以矽烷為主要生成矽薄膜之成膜氣體，且矽烷氣體係具有毒性、腐蝕性及爆炸性，因此，基於安全性的考量必須加入其他氣體(例如：氫、氦…等)進行稀釋以作為反應之混合氣體，如此，該矽烷與其他氣體進行稀釋之過程需耗費額外時間，進而影響習知裝置中電子撞擊氣體分子之效率，導致整個矽晶薄膜的沉積速率明顯下降。

再者，為了於該電漿輔助化學氣相沉積裝置中增加該矽晶薄膜的沉積速率，往往利用較高之射頻電流激發二電極板間之電子，使得該電子產生強烈之震盪，進而猛力撞擊該混合氣體之分子而提高沉積速率，然而，較高的射頻電流係容易影響元件上的其他物質，且增加整個矽晶薄膜於沉積過程所需耗費之成本，甚至產生電漿轟炸之現象而提高使用危險性。

另外，習知用以沉積薄膜之裝置係可以選擇為熱絲化學氣相沉積(hot-wire chemical vapor deposition,HWCVD)裝置，該熱絲化學氣相沉積裝置係於一腔室內設置一熱絲元件及一進氣道，當矽烷經由該進氣道進入該腔室時，該熱絲元件係能夠以高溫將該矽烷分解成原子基(atomic radicals)型式產物，且於低壓狀態下於基板沉積為薄膜，由於該反應過程係無氣相產物形成之情形，而能夠縮短反應時間以提高沉積速率。

然而，由於該熱絲化學氣相沉積裝置必須使該矽烷通過該熱絲元件，才能夠分解該矽烷為原子型式產物，因此，受限於該熱絲元件之作用效率，往往產生矽烷氣體分解不完全之現象，而降低矽晶薄膜的沉積品質。

有鑑於此，該習知薄膜沉積裝置及其用以製備薄膜之方法確實仍有加以改善之必要。

本發明之主要目的乃改良上述缺點，以提供一種薄膜沉積裝置，其係能夠提供高溫的氣體解離環境，以增加成膜氣體的解離速率。

本發明之次一目的係提供一種製備薄膜之方法，其係能夠縮短成膜氣體解離之時間，以增加薄膜之沉積速率。

本發明之再一目的係提供一種製備薄膜之方法，係能夠增加成膜氣體的解離完整度，以提升薄膜之沉積品質。

本發明之又一目的係提供一種製備薄膜之方法，係能夠減少發生電漿轟炸之情形，以降低薄膜沉積過程之危險性。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術內容包含有：

一種薄膜沉積裝置，係包含：一腔體，係具有一容室及一進氣口，該進氣口係連通該容室；一電漿生成單元，係具有一電極組件及一供電元件，該電極組件係容置於該容室內且電性連接該供電元件，且該電極組件係包含一正極板及一負極板，該正極板及負極板之間係具有一電漿生成區；及一加熱組件，係容置於該容室內且用以加熱由該進氣口通入之成膜氣體。

再且，本發明之一種製備薄膜之方法，係利用一薄膜沉積裝置，經由：一電漿生成步驟，係於該腔體內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該電漿生成區產生解離而形成電漿態；一解離步驟，係於該腔體之容室內通入一成膜氣體，使該成膜氣體通過該加熱組件及電漿生成單元時產生離子化，而於該電漿生成區形成解離態之成膜氣體；及一成膜步驟，係使該解離態之成膜氣體沉積於該薄膜沉積裝置內之一基板而形成薄膜。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之薄膜沉積裝置係包含一腔體1、一電漿生成單元2及一加熱組件3，該電漿生成單元2係容置於該腔體1內，且該加熱組件3係容置於該腔體1內且用以加熱通入該腔體1之成膜氣體。

該腔體1係可以選擇為具有耐壓及耐熱特性之任意形狀之腔體，於本實施例中，該腔體1係具有一容室11及一進氣口12，該進氣口12係連通該容室11，用以供成膜氣體經由該進氣口12進入至該容室11，且該容室11係用以容置該電漿生成單元2及加熱組件3。

該電漿生成單元2係具有一電極組件21，該電極組件21係容置於該腔體1之容室11內，且該電極組件21係包含二平行之正極板21a及負極板21b，該正極板21a及負極板21b之間係形成有一電漿生成區211，該電漿生成區211係用以供電漿生成氣體進行解離反應，且該負極板21b另連接有一接地線212，用以將該正極板21a及負極板21b作用產生之多餘電子導出以避免產生干擾。其中，該電極組件21之材質較佳係可以選擇為鎳、金、銀、鈦、銅、鈀、不鏽鋼、鈹銅合金、鋁、披覆鋁、矽、石英、碳化矽、氮化矽、氮化鋁、藍寶石、聚醯亞胺或鐵氟龍，且該正極板21a及負極板21b係可以選擇為任意幾何形狀(例如：圓形、方形、六角形…等)。又，該電漿生成單元2另連接有至少一供電元件22，用以於該電漿生成區211提供該氣體進行反應所需之電場，於本實施例中，該供電元件22係以線路貫穿該腔體1且與正極板21a相互連接。其中，該供電元件22較佳係為射頻電流供應器，該射頻電流供應器係能夠提供一射頻(radio frequency,RF)電流，且該射頻電流之供電頻率係為具有脈衝信號調變之頻率(例如：13MHz 至150MHz之間)較為適當。再者，為了增加該氣體原子於薄膜沉積過程的表面移動率，該電漿生成單元2另連接有一升溫元件23，用以對欲沉積薄膜之表面進行加熱，於本實施例中，該升溫元件23係容置於該腔體1之容室11內且與該負極板21b相互連接，其中，該升溫元件23較佳係選擇為具有升溫功能之感應線圈。

該加熱組件3係容置於該容室11內且用以加熱由該進氣口12通入之成膜氣體，於本實施例中，該加熱組件3係包含一加熱元件31及至少一溫控元件32，該加熱元件31係位於該電漿生成區211與進氣口12之間，且該加熱元件31較佳係選擇為具有高熔點特性之材質(例如：鎢、鉬、鉭、石墨、錸、鋨…等)。該溫控元件32係可以選擇為任意具有加熱功用之物件(例如：加熱器、紅外線、感應線圈…等)，用以升高該加熱元件31之溫度，於本實施例中，該溫控元件32較佳係選擇以二加熱器分別連接於該加熱元件31之二端，且設於該腔體1之進氣口12的相鄰二側。

另外，為了確保本發明之薄膜沉積裝置不受外界氣體之干擾而影響薄膜之沉積品質，本發明係連接有一真空單元4，該真空單元4係較佳係選擇為一真空幫浦，且該真空單元4係連接有一連通件41，該連通件41係連通於該腔體1之容室11，藉此，係利用該真空單元4對該腔體1抽氣，進而調控該腔體1之容室11內壓力值。於本實施例中，係以該真空單元4調控該腔體1之壓力值較佳係位於10至760托耳(torr)之間，藉此維持該腔體1於較佳之真空環境以進行薄膜之沉積。

請參照第2圖所示，本發明之較佳實施例係以上述之薄膜沉積裝置用以製備薄膜之方法，係包含一電漿生成步驟S1、一解離步驟S2及一成膜步驟S3。

提供本發明之薄膜沉積裝置，且於該薄膜沉積裝置內設置有一基板5，該基板5係可以選擇為石英、玻璃、塑膠…等。更詳言之，係於該電漿生成單元2之陰極板21b上放置該基板5，以利用與該陰極板21b相連接之升溫元件23加熱該基板5，使得該基板5之溫度控制於攝氏200至250度之間，藉此增加該氣體原子於該基板5之表面移動率。於本實施例中，係以該升溫元件23控制該基板5之溫度較佳為攝式225度。

該電漿生成步驟S1係於該腔體1內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該電漿生成區211產生解離而形成電漿態，其中，該電漿生成氣體係可以選擇為氬氣、氮氣、氫氣…等。更詳言之，係先利用該真空單元4對該腔體1進行抽氣，使得該腔體1之容室11形成真空狀態，再由本發明之薄膜沉積裝置之進氣口12通入該電漿生成氣體於該電漿生成區211，且利用該供電元件22輸入射頻電流於該電極組件21，使得該電極組件21能夠於該電漿生成區211產生反應所需之電場，以利用該電漿生成區211之電子撞擊該電漿生成氣體，以破壞該電漿生成氣體原子或分子間之鍵結而形成電漿態。舉例而言，係以該真空單元4調整該腔體1之容室11內壓力值於10至760托耳之間，以確保該容室11內不存在有任何外界之氣體，本實施例係選擇調整該腔體1之容室11內壓力值為350托耳，再由該進氣口12通入氬氣至該電漿生成區211，且控制該氬氣之流量為10至25sccm(sccm：溫度0℃及壓力760托耳之標準狀態下，每分鐘之氣體流量為多少立方公分)，以維持較佳的電漿生成效率，於本實施例中，該氬氣之流量較佳係選擇為15sccm。再開啟該供電元件22以於該電極組件21間輸入頻率為13 MHz至150MHz之射頻電流，本實施例之射頻電流較佳係選擇為75MHz，如此，係能夠利用射頻電流於該電漿生成區211產生之電子撞擊該氬氣或氮氣，以破壞該氬氣或氮氣的分子鍵結而形成電漿態。

請參照第3圖所示，該解離步驟S2係於該腔體1之容室11內通入一成膜氣體，使該成膜氣體通過該加熱組件3且進入該電漿生成單元2後產生離子化，而於該電漿生成區211形成解離態之成膜氣體，其中，該成膜氣體係可以選擇為矽氫化合物(例如：矽烷、乙矽烷、丙矽烷…等)、鍺氫化合物及碳氫化合物。更詳言之，先以該溫控元件32升高該加熱元件31之溫度，使得該加熱元件31之溫度係能夠達到將成膜氣體分解之高溫，再由該進氣口12通入該成膜氣體，當該成膜氣體進入該腔體1之容室11且通過該加熱元件31時，由於該加熱元件31係維持有足以將該成膜氣體解離之溫度，因此，該成膜氣體係經由該加熱元件31之高溫作用而形成解離態之成膜氣體以進入該電漿生成區211，藉此增加該成膜氣體的解離速率。又，請參照第4圖所示，經由該加熱元件31解離不完全之成膜氣體亦進入該電漿生成區211，且以該供電元件22提供射頻電流於該電極組件21，以利用該電極組件21之正極板21a及負極板21b間的電位差加速該電漿生成區211的電子，經過加速之高能電子經碰撞將能量轉移到該成膜氣體分子上，使該成膜氣體具有二次解離之機會。如此，經由二次解離之步驟係能夠提升該成膜氣體的解離完整度，以提高薄膜沉積之品質。舉例而言，請再參照第3及4圖所示，係以該溫控元件32升高該加熱元件31之溫度至攝氏1600度以上，再將矽烷氣體自該進氣口12通入，且控制該矽烷氣體之流量為50至80sccm，以維持較佳的矽烷氣體解離效率，本實施例之矽烷氣體流量較佳係選擇為65sccm，使得該矽烷氣體通過該溫度達1600度之加熱元件31，而產生離子化使矽烷氣體解離為SiH₃ 、SiH₂ 、SiH、Si、H₂ 、H。該等氣體分子伴隨有部分未經離子化的矽烷氣體共同進入該電漿生成區211，且藉由該供電元件22以頻率為75MHz之射頻電流輸入至該電極組件21，以利用該電極組件21於該電漿生成區211產生之電位差加速電子撞擊該矽烷氣體，使得高能電子將能量轉移到該矽烷氣體分子而形成解離狀態之矽烷氣體。如此，通入該薄膜沉積裝置之矽烷氣體係能夠具有較佳的解離完整度，以提升該薄膜沉積裝置的成膜品質。

請參照第5圖所示，該成膜步驟S3係使該解離態之成膜氣體沉積於該基板5而形成薄膜。更詳言之，經由上述解離步驟S2獲得該解離態之成膜氣體，且該成膜氣體係解離為其他氣體分子或原子，其中活性成份較強之氣體分子或原子係繼續進行二次反應以獲得更多反應自由基，而較穩定之氣體分子或原子係於到達該基板5前失去部分動能，而於該基板5之表面沉積為薄膜。舉例而言，經由上述解離步驟S2獲得之該解離態矽烷氣體係包含有SiH₃ 、SiH₂ 、SiH、Si、H₂ 、H，其中活性成分較強之分子(例如：SiH₂ 、SiH、Si)通常會繼續與該矽烷氣體進行二次反應以產生更多反應自由基，而未參與二次反應且較穩定之SiH₃ 係能夠於到達該基板5之表面時失去部分動能，而於該基板5之表面沉積為矽晶薄膜。

藉由上述薄膜沉積裝置及其用以製備薄膜之方法，係能夠將由該進氣口12通入之矽烷氣體，利用該加熱組件3對該矽烷氣體進行高溫作用，使得該矽烷氣體快速產生離子化而形成解離態之矽烷氣體進入該電漿生成區211，且經過該加熱組件3而未完整解離之矽烷氣體係能夠於進入該電漿生成區211後進行再次解離，此時，該電漿生成單元2之供電元件22係提供射頻電流於電極組件21，使該電極組件21的正極板21a及負極板21b間產生電位差，利用該電位差加速該電漿生成區211之電子，以快速且高能之電子撞擊該矽烷氣體而將能量轉移至該矽烷氣體以形成解離。如此，透過該加熱組件3之高溫以輔助該電漿生成單元2之電子撞擊先對該矽烷氣體進行解離，而省去氫氣與矽烷氣體混合所需耗費之時間。因此，本發明之薄膜沉積裝置係能夠加速該矽烷氣體於該電漿生成區211的沉積速率。再者，藉由該加熱組件3之高溫先對該矽烷氣體進行解離，係能夠減緩該電漿生成單元2的高速電子產生電漿轟炸之情形，進而降低使用過程之危險性。另外，透過該加熱組件3之高溫及該電漿生成單元2之電子撞擊，係能夠使通入該腔體1之容室11的矽烷氣體具有二次解離之機會，進而提升該矽烷氣體能夠達到較佳且完整之離子化而穩定該薄膜沉積的品質。

本發明之薄膜沉積裝置，係能夠提供高溫的氣體解離環境，達到增加成膜氣體的解離速率之功效。

本發明之製備薄膜之方法，其係能夠縮短成膜氣體解離之時間，達到增加薄膜沉積速率之功效。

本發明之製備薄膜之方法，係能夠增加成膜氣體的解離完整度，達到提升薄膜沉積品質之功效。

本發明之製備薄膜之方法，係能夠減少發生電漿轟炸之情形，以降低薄膜沉積過程之危險性。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。

[本發明]

1．．．腔體

11．．．容室

12．．．進氣口

2．．．電漿生成單元

21．．．電極組件

21a．．．正極板

21b．．．負極板

211．．．電漿生成區

212．．．接地線

22．．．供電元件

23．．．升溫元件

3．．．加熱組件

31．．．加熱元件

32．．．溫控元件

4．．．真空單元

41．．．連通件

5．．．基板

第1圖：本發明之薄膜沉積裝置之裝置示意圖。

第2圖：本發明之薄膜沉積裝置用以製備薄膜之流程圖。

第3圖：本發明之薄膜沉積裝置用以製備薄膜之作動示意圖一。

第4圖：本發明之薄膜沉積裝置用以製備薄膜之作動示意圖二。

第5圖：本發明之薄膜沉積裝置用以製備薄膜之作動示意圖三。

1．．．腔體

11．．．容室

12．．．進氣口

2．．．電漿生成單元

21．．．電極組件

21a．．．正極板

21b．．．負極板

211．．．電漿生成區

212．．．接地線

22．．．供電元件

23．．．升溫元件

3．．．加熱組件

31．．．加熱元件

32．．．溫控元件

4．．．真空單元

41．．．連通件

Claims (11)

1. 一種薄膜沉積裝置，係包含：一腔體，係具有一容室及一進氣口，該進氣口係連通該容室；一電漿生成單元，係具有一電極組件及一供電元件，該電極組件係容置於該容室內且電性連接該供電元件，且該電極組件係包含一正極板及一負極板，該正極板及負極板之間係具有一電漿生成區；及一加熱組件，係容置於該容室內且用以加熱由該進氣口通入之成膜氣體。
2. 依申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該加熱組件係包含一加熱元件及至少一溫控元件，該加熱元件係位於該電漿生成區與進氣口之間，且該溫控元件係連接於該加熱元件並位於該進氣口之鄰側。
3. 依申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該電漿生成單元另連接有一升溫元件，該升溫元件係設置於該腔體且與該負極板相互連接。
4. 依申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中另具有一真空單元，且該真空單元連通該腔體之容室，用以調控該腔體之容室內壓力。
5. 依申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置，其中該供電元件係為射頻電流供應器。
6. 一種製備薄膜之方法，以如申請專利範圍第1項所述之薄膜沉積裝置執行下述之步驟，係包含：一電漿生成步驟，係於該腔體內通入一電漿生成氣體，使該電漿生成氣體於該電漿生成區產生解離而形成電漿態；一解離步驟，係於該腔體之容室內通入一成膜氣體，使該成膜氣體通過該加熱組件及電漿生成單元時產生離子化，而於該電漿生成區形成解離態之成膜氣體；及一成膜步驟，係使該解離態之成膜氣體沉積於該薄膜沉積裝置內之一基板而形成薄膜。
7. 依申請專利範圍第6項所述之製備薄膜之方法，其中該腔體內之壓力值係位於10至760托耳之間。
8. 依申請專利範圍第6項所述之製備薄膜之方法，其中該加熱組件之溫度係為攝氏1600度以上。
9. 依申請專利範圍第6項所述之製備薄膜之方法，其中該電漿生成氣體之流量係為10至25sccm。
10. 依申請專利範圍第6項所述之製備薄膜之方法，其中該成膜氣體之流量係為50至80sccm。
11. 依申請專利範圍第6項所述之製備薄膜之方法，其中另於該電漿生成步驟中對該基板進行加熱。