TW201120942A - Method for depositing microcrystalline silicon and monitor device of a plasma enhanced deposition - Google Patents

Description

201120942 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種薄膜沉積技術，特別是有關於一 種微晶石夕薄膜沉積方法。 【先前技術】 串疊式（tandem)之矽薄膜型太陽電池一般係使用微 晶矽（pc-Si)薄膜，其具有提高薄膜太陽電池的光電轉換政 率(photoelectric conversion efficiency)的優點。微晶石夕薄膜 一般藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)技術製作’然而 過低的沉積速率（約2A/sec)常常造成應用上的重大瓶頸’ 尤其，薄膜太陽電池所需的微晶矽薄膜膜厚高達υμ111 ’ 鍍膜時間往往超過1個小時以上，特別是在大面積沉積製 程應用時，所使用的製程參數是以能獲得穩定的結晶品質 為優先考慮’因此也造成產量低、電池每瓦發電成本南專 不利影響，所以若能在獲得穩定的結晶率的製程條件下， 發展增進沉積速率的製程方法成為矽薄膜產業重要的研究 課題。 習知技術日本專利JP 2005183620號係於沉積製程初 始階段以能量較小的電漿，使微晶矽在低的沉積速率下形 成起始層，之後，再以能量較高的電漿，提高薄膜沉積速 率完成整層’最終獲得高沉積速率的微晶妙薄膜。專利JP 20030421313號雖然藉著選擇分段脈衝電漿作用，以達到 提高微晶矽薄膜沉積速率與結晶率的目的，然而，其採用 預設多階段的製程條件方式，對使用者而言，容易導致製 201120942 程操作複雜化以及製程調校困難。此外，專利JP 20030421313號之技術係為開迴路製程，在微晶矽薄膜製 程初期之後的沉積過程，由於無法即時對於電漿場中活性 物種變化偵測進行製程條件調變，致使沉積速率仍會受限 於過多的Ηα產生大量钱刻作用的疑慮。 【發明内容】 根據上述，本發明提供一種微晶矽薄膜之沉積方法， • 包括：以一開迴路且未調變製程參數的方式進行電漿辅助 沉積；在該開迴路沉積製程使薄膜結晶率達到穩定後，接 續以一閉迴路且調變製程參數的方式進行電漿輔助沉積， 其中該閉迴路方式係監控該電漿中的SiH*和Ηα活性物 種，並調整該電漿輔助沉積中的製程參數，使該電漿中的 SiH*和Ηα活性物種的成分濃度維持在一穩定範圍内，提 高鍍膜沉積速率。 本發明提供一種電漿輔助沉積之監控裝置，包括一電 • 漿輔助沉積裝置、一連接該電漿輔助沉積裝置之電漿成分 分析裝置、一製程調變系統，連接該電漿成分分析儀裝置 和該電聚輔助沉積裝置。 為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂， 下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 【實施方式】 201120942 首先，從薄膜工程上來看微晶矽薄膜成長的機制，其 包含SiH*活性物種，在基板上產生吸附、擴散形成聚集 (cluster)成核、核成長、連續結晶膜層形成以及結晶膜層成 長等階段，Ηα活性物種則提供必要的氫蝕刻作用，以獲 得需要的結晶率。於利用電漿輔助氣相沉積微晶矽沉積開 迴路製程中，在電漿場中解離後製程氣體的活性物種為 SiH*以及Ηα，其中SiH*為薄膜成長的來源，而Ηα主要 扮演氫#刻的作用，以獲得需要的結晶率，然而過量的Η α則會造成過度稀釋SiH*，抑制薄膜成長的速率。第1圖 顯示利用成分光譜分析儀（OES)偵測一般開迴路未調變製 程參數中SiH*與Ηα變化量的曲線圖，請參照第1圖，經 電漿輔助化學氣相沉積（PECVD)製程在沉積微晶矽薄膜 時，Ηα在長時間的微晶矽薄膜製程中會增加22%以上， 而SiH*相對Ηα穩定，亦即在微晶矽薄膜沉積初期之後會 因為過度增加的Ηα而產生過度氫蝕刻的作用，進而降低 微晶矽薄膜的沉積速率。 本發明如第2圖所示，係提供一種用於提升微晶矽薄 膜沉積速率之電漿輔助薄膜沉積方法，在微晶矽薄膜沉積 的製程初期（結晶沉積時間Τ内）以開迴路不調變製程參數 方式沉積，以得到所需結晶品質之微晶矽薄膜，而在微晶 矽薄膜沉積製程初期（結晶沉積時間Τ)之後，以閉迴路的調 變製程參數方式利用電漿監控裝置進行製程調變，控制電 漿環境使維持電漿在微晶矽薄膜沉積初期完成時的環境條 件並保持穩定（亦即電漿中SiH*和Ηα成分濃度維持固 定），因此可以避免長時間的鍍膜製程，於電漿環境中產生 201120942 過多的Ηα活性物種，所造成製程 受到抑制的現象，進而增進微晶矽薄膜沉積心：犋成長 “第3圖顯示本發明1施例包括製程調纪。 溥膜沉積褽置，請參照第3 ®，本實施例提供二之電漿 膜沉積裝置，例如高頻電漿輔助化學氣相、、電漿薄 PECVD)等’包括一個真空腔體3〇2、一與高頻^ (VHF 接的上電極3G4、-下電極鳩(其亦是可料板，電源連 熱器)、-組製程氣體管路，例如包括氫氣之加 ⑼lane，SiH4)管路’錢體管路包括氣體質量$ 4及石夕垸 (MFC)控制各氣體之流量，例如第—氣體質量=控制器 308控制氫氣的流量，第二氣體質量流量控制器^控制器 石夕烧的流量。電衆_沉積裝置通人高頻脈衝10控制 生電漿以解離氫氣與矽烷（Silane)成為活性物種係產 ，’使於基板312表面進行微晶膜沉積=及 薄膜沉積裝置内殘餘氣體與沉積反應所生成的、電^ 真空系統自真空腔體抽離。 紅’則由 另外，本實施例另包括一個電聚監控冑置， 個電漿成分光譜分析儀(眺)314和—以電腦為基礎 =請’光譜分析儀314包括一光感測頭318和： 譜計320,光譜分析儀314係用於偵測在波長414麵 屬於咖的光譜強度，以及在波長⑽峨屬於^的光譜 強度，電腦為基礎的製程調變系統316係讀入8沮*以及Η α的光譜強度，並透過氣體質量流量控㈣3ΐ()控 =量、透過功率產生器322調整功率以進行製程參數的調 嫒’使控制電漿環境保持穩定（亦即電漿中SiH*和成分 201120942 濃度比維持固定）。 以下請參考第4圖，描述本發明一實施例微晶矽薄膜 之沉積方法，首先，於步驟S402開始微晶矽鍍膜程序，接 著進行步驟S404，設定鍍膜程序所需的時間t、微晶矽薄 膜製程初期的結晶沉積時間T、製程初始條件等，其中微 晶矽薄膜製程初期的結晶沉積時間T的獲得，請參考第五 圖之結晶率和鍍膜時間關係之曲線圖，係在開迴路且未調 變製程參數情形下，採用相同微晶矽薄膜沉積製程條件， 於不同沉積時間時，所量測獲得之微晶矽薄膜的結晶率， 由第5圖可以獲得微晶矽薄膜結晶率穩定所必需的結晶沉 積時間T值，因此在此一結晶沉積時間T以内，稱為微晶 矽薄膜沉積製程初期，而在此一結晶沉積時間T之後，則 稱為微晶矽薄膜沉積製程初期之後。接著，進行步驟S406, 進行沉積微晶矽薄膜，於步驟S408判斷是否已到達結晶沉 積時間T，若還沒到達結晶沉積時間T，則以未調變製程 參數的開迴路製程方式，反覆繼續進行步驟S406沉積微晶 矽薄膜；若已到達沉積時間T，則於步驟S410判斷沉積是 否已到達鍍膜程序時間t。若沉積鍍膜程序時間ΐ尚未結 束，即進入調變製程參數的閉迴路製程控制迴圈，且開始 於步驟S412偵測電漿中的SiH*和Ηα。接著，進行步驟 S414，判斷SiH*和Ηα目標值是否決定，當第一次進入閉 迴路製程控制迴圈時，由於控制目標值尚未決定，則將此 時電漿環境中的SiH*和Ηα電漿光譜值，設定為閉迴路的 控制目標值。接著於步驟S416判斷即時偵測的SiH*和Η α光譜強度值是否在控制目標值設定的允許範圍（例如 201120942 1%，但可依製程需求而改變）内，若SiH*和Ηα電漿光譜值 在設定控制目標的允許範圍内，則不需進行製程參數調變 並繼續進行微晶矽薄膜沉積S406,然若SiH*和Ηα電漿光 譜值不在控制目標的允許範圍内，則必須進行步驟S418製 程參數調變，例如調整氣體流量、功率、壓力和溫度，再 依調變後的製程條件，進行S406微晶矽薄膜沉積，並重覆 作上述閉迴路調變製程的微晶矽薄膜沉積，直到鍍膜程序 時間t結束，即鍍膜完成S422。值得注意的是，本實施例 φ 在微晶矽薄膜沉積的製程初期係以開迴路且未調變製程參 數方式沉積，以獲得所需的微晶矽薄膜的結晶品質，然在 微晶矽薄膜沉積製程初期之後，以閉迴路且調變製程參數 之方式，利用電漿光譜監控裝置偵測在當時（結晶沉積時間 T)電漿中活性物種SiH*以及Η α的光譜值，作為控制電漿 環境之基準以進行製程調變，使電漿成分保持穩定在微晶 矽薄膜沉積製程初期完成時的電漿環境（亦即電漿中SiH* 和Ηα成分濃度比維持固定），同時可以避免因為長時間的 • 鍍膜製程，於電漿環境中產生過多的Ηα活性物種，所造 成對製程中的微晶矽薄膜成長受到抑制的現象，進而增進 微晶矽薄膜沉積的速率。 除了利用電漿光譜監控裝置進行製程調變外，本發明 於另一實施例亦可以使用殘氣分析儀(RGA)或整合殘氣分 析儀與光譜分析儀（OES)，監控電漿環境，達到抑制Η α活 性物種濃度過量的目的。

根據上述，本發明可改善習知技術在進行微晶矽薄膜 沉積製程時，預設多階段的製程條件的設定方式，所造成[S 9 201120942 的製程複雜化問題，並可提供微晶矽薄膜沉積製程初期之 後長時間的電漿穩定性，具有抑制Ηα濃度增加所造成的 過度蝕刻效應，進一步地在良好的薄膜結晶率的電漿環境 下提高沉積的速率，適合大量生產及用於製作高效率的矽 薄膜太陽電池。 雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。

10 201120942 【圖式簡單說明】 第1圖顯示一般電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)製程 在沉積微晶矽薄膜之沉積時間與光譜強度的關係圖。 第2圖顯示本發明實施例製程在沉積微晶矽薄膜之沉 積時間與光譜強度的關係圖。 第3圖顯示本發明一實施例包括製程調變系統之電漿 薄膜沉積裝置的示意圖。 第4圖顯示本發明一實施例微晶矽薄膜之沉積方法的 • 流程圖。 第5圖顯示一結晶率和鍍膜時間關係之曲線圖。 【主要元件符號說明】 302〜真空腔體； 304〜上電極； 306〜下電極； φ 308〜第一氣體質量流量控制器； 310〜第二氣體質量流量控制器； 312〜基板； 314〜電漿成分光譜分析儀； 316〜製程調變系統； 318〜光感測頭； 320〜電漿光譜計； 322〜功率產生器。 11

Claims (1)

1. 201120942 七、申請專利範圍： 1. 一種微晶矽薄膜之沉積方法，包括： 以一開迴路且未調變參數之製程進行電漿輔助沉積； 以及 當該開迴路且未調變參數之沉積製程達到一預設之薄 膜結晶率時，以一閉迴路且調變參數之製程進行電漿輔助 沉積，其中該閉迴路且調變參數之製程係監控該電漿中的 SiH*和Ηα活性物種，並調整該電漿輔助沉積中的製程參 數，使該電漿中的SiH*和Ηα活性物種的電漿光譜強度值 鲁 維持在一目標值及其允許範圍内，以提高鐘膜沉積速率。 2. 如申請專利範圍第1項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法，其中達到該預設之薄膜結晶率係藉由控制一結晶沉積 時間，該結晶沉積時間係由以下方法決定· 以該開迴路且未調變參數之製程進行電漿輔助沉積； 以及 量測不同沉積時間之微晶矽薄膜結晶率，以獲得微晶 矽薄膜結晶率穩定所必需的該結晶沉積時間。 籲 3. 如申請專利範圍第2項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法，其中該閉迴路且調變參數之製程係在該結晶沉積時間 後接續進行。 4. 如申請專利範圍第1項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法，其中該製程參數包括：氫氣流量、矽烷流量、功率、 壓力或溫度。 5. 如申請專利範圍第2項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法，其中該目標值係為該結晶沉積時間之時，其SiH*和Η 12 201120942 α活性物種的電漿光譜強度值。 6. 如申請專利範圍第1項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法’其中該允許範圍係為該結晶沉積時間之時，其SiH*和 Ηα活性物種的電漿光譜強度值的1〇/0。 7. 如申請專利範圍第1項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法，其中該監控該電漿中的SiH*和Η α活性物種的步驟係 採用一電漿成分光譜分析儀（Optical Emission Spectrometer，〇ES)，量測該SiH*以及Ηα活性物種的電

   漿光譜強度值。 8·如申請專利範圍第1項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法’其中該監控該電漿中的SiH*和Η α活性物種的步驟係 採用一殘氣分析儀（Residual Gas Analyzer，RGA)。 9.如申請專利範圍第1項所述之微晶矽薄膜之沉積方 法，其中該監控該電漿中的SiH1〇Ha活性物種的步驟禮 採用-電聚成分光譜分析儀和—殘氣分析儀。 ^利範圍第1項所述之微晶樓之沉積方 ί太二=積方法係運用於製作-_ 11. 如申請專利範圍第丨 法，苴中哕沉唄厅这之礅晶矽薄膜之沉積力 法其中t儿積方法係提高該微晶 12. -種電_助沉積之監控之此積速度。 一電漿辅助沉積裝置； 1，包括： 一電漿成分分析骏置， 一製程調變系統，連接該°號電漿輔助沉積裝置；及 漿輔助沉積裝置。 ^ 成分分析儀裝置和該, 13 201120942 13. 如申請專利範圍第12項所述之電漿輔助沉積之監 控裝置，其中該電漿輔助沉積裝置包括： 一真空腔體； 一上電極和一下電極位於該真空腔體中； 一功率產生器連接該上電極和該下電極； 一氫氣管路，連接該真空腔體； 一矽烷管路，連接該真空腔體； 一第一氣體質量流量控制器，連接該氫氣管路；及 一第二氣體質量流量控制器，連接該矽烷管路。 14. 如申請專利範圍第12項所述之電漿輔助沉積之監 控裝置，其中該電漿成分分析裝置係為一電漿成分光譜分 析儀。 15. 如申請專利範圍第12項所述之電漿輔助沉積之監 控裝置，其中該電漿成分分析裝置係為一殘氣分析儀。 16. 如申請專利範圍第12項所述之電漿輔助沉積之監 控裝置，其中該該電漿成分分析裝置包括電漿成分光譜分 析儀和殘氣分析儀。 Π.如申請專利範圍第12項所述之電漿輔助沉積之監 控裝置，其中該製程調變系統係為一電腦為基礎的系統， 用於接收和處理該電漿成分分析裝置所量測得之訊號後， 對該電漿輔助沉積裝置進行製程參數的調整。 18.如申請專利範圍第13項所述之電漿輔助沉積之監 控裝置，其中該製程調變系統係可調整該電漿輔助沉積裝 置之功率產生器和氣體質量流量控制器。