微晶硅薄膜的沉积方法及等离子体辅助沉积的监控装置

具体实施方式

首先，从薄膜工程上来看微晶硅薄膜成长的机制，其包含SiH*活性物种，在基板上产生吸附、扩散形成聚集(cluster)成核、核成长、连续结晶膜层形成以及结晶膜层成长等阶段，Hα活性物种则提供必要的氢蚀刻作用，以获得需要的结晶率。于利用等离子体辅助气相沉积微晶硅沉积开回路制作工艺中，在等离子体场中解离后制作工艺气体的活性物种为SiH*以及Hα，其中SiH*为薄膜成长的来源，而Hα主要扮演氢蚀刻的作用，以获得需要的结晶率，然而过量的Hα则会造成过度稀释SiH*，抑制薄膜成长的速率。图1显示利用成分光谱分析仪(OES)侦测一般开回路未调变制作工艺参数中SiH*与Hα变化量的曲线图，请参照图1，经等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)制作工艺在沉积微晶硅薄膜时，Hα在长时间的微晶硅薄膜制作工艺中会增加22％以上，而SiH*相对Hα稳定，亦即在微晶硅薄膜沉积初期之后会因为过度增加的Hα而产生过度氢蚀刻的作用，进而降低微晶硅薄膜的沉积速率。 

本发明如图2所示，提供一种用于提升微晶硅薄膜沉积速率的等离子体辅助薄膜沉积方法，在微晶硅薄膜沉积的制作工艺初期(结晶沉积时间T内)以开回路不调变制作工艺参数方式沉积，以得到所需结晶品质的微晶硅薄膜，而在微晶硅薄膜沉积制作工艺初期(结晶沉积时间T)之后，以闭回路的调变制作工艺参数方式利用等离子体监控装置进行制作工艺调变，控制等离子体环境使维持等离子体在微晶硅薄膜沉积初期完成时的环境条件并保持稳定(亦即等离子体中SiH*和Hα成分浓度维持固定)，因此可以避免长时间的镀膜制作工艺，在等离子体环境中产生过多的Hα活性物种，所造成对制作工艺中的微晶硅薄膜成长受到抑制的现象，进而增进微晶硅薄膜沉积的速率。 

图3显示本发明实施例包括制作工艺调变系统的等离子体薄膜沉积装置，请参照图3，本实施例提供一个等离子体薄膜沉积装置，例如高频等离子体辅助化学气相沉积(VHF PECVD)等，包括一个真空腔体302、与高频脉冲电源连接的上电极304、下电极306(其亦是可对基板加热的加热器)、一组制作工艺气体管路，例如包括氢气(H₂)以及硅烷(Silane，SiH₄)管路，各气体 管路包括气体质量流量控制器(MFC)控制各气体的流量，例如第一气体质量流量控制器308控制氢气的流量，第二气体质量流量控制器310控制硅烷的流量。等离子体薄膜沉积装置通入高频脉冲电源后产生等离子体以解离氢气与硅烷(Silane)成为活性物种Hα以及SiH*，使于基板312表面进行微晶硅薄膜沉积制作工艺、等离子体薄膜沉积装置内残余气体与沉积反应所生成的气体，则由真空系统自真空腔体抽离。 

另外，本实施例另包括一个等离子体监控装置，其包括一个等离子体成分光谱分析仪(OES)314和以计算机为基础的制作工艺调变系统316，光谱分析仪314包括光感测头318和等离子体光谱计320，光谱分析仪314用于侦测在波长414nm属于SiH*的光谱强度，以及在波长656nm属于Hα的光谱强度，计算机为基础的制作工艺调变系统316读入SiH*以及Hα的光谱强度，并通过气体质量流量控制器310控制气体流量、通过功率产生器322调整功率以进行制作工艺参数的调变，使控制等离子体环境保持稳定(亦即等离子体中SiH*和Hα成分浓度比维持固定)。 

以下请参考图4，描述本发明实施例微晶硅薄膜的沉积方法，首先，在步骤S402开始微晶硅镀膜程序，接着进行步骤S404，设定镀膜程序所需的时间t、微晶硅薄膜制作工艺初期的结晶沉积时间T、制作工艺初始条件等，其中微晶硅薄膜制作工艺初期的结晶沉积时间T的获得，请参考图5的结晶率和镀膜时间关系的曲线图，是在开回路且未调变制作工艺参数情形下，采用相同微晶硅薄膜沉积制作工艺条件，在不同沉积时间时，所量测获得的微晶硅薄膜的结晶率，由图5可以获得微晶硅薄膜结晶率稳定所必需的结晶沉积时间T值，因此在此结晶沉积时间T以内，称为微晶硅薄膜沉积制作工艺初期，而在此结晶沉积时间T之后，则称为微晶硅薄膜沉积制作工艺初期之后。接着，进行步骤S406，进行沉积微晶硅薄膜，在步骤S408判断是否已到达结晶沉积时间T，若还没到达结晶沉积时间T，则以未调变制作工艺参数的开回路制作工艺方式，反复继续进行步骤S406沉积微晶硅薄膜；若已到达沉积时间T，则于步骤S410判断沉积是否已到达镀膜程序时间t。若沉积镀膜程序时间t尚未结束，即进入调变制作工艺参数的闭回路制作工艺控制循环，且开始于步骤S412侦测等离子体中的SiH*和Hα。接着，进行步骤S414，判断SiH*和Hα目标值是否决定，当第一次进入闭回路制作工艺控制循环时，由于控制目标值尚未决定，则将此时等离子体环境中的SiH* 和Hα等离子体光谱值，设定为闭回路的控制目标值。接着于步骤S416判断实时侦测的SiH*和Hα光谱强度值是否在控制目标值设定的允许范围(例如1％，但可依制作工艺需求而改变)内，若SiH*和Hα等离子体光谱值在设定控制目标的允许范围内，则不需进行制作工艺参数调变并继续进行微晶硅薄膜沉积S406，然若SiH*和Hα等离子体光谱值不在控制目标的允许范围内，则必须进行步骤S418制作工艺参数调变，例如调整气体流量、功率、压力和温度，再依调变后的制作工艺条件，进行S406微晶硅薄膜沉积，并重复作上述闭回路调变制作工艺的微晶硅薄膜沉积，直到镀膜程序时间t结束，即镀膜完成S422。值得注意的是，本实施例在微晶硅薄膜沉积的制作工艺初期是以开回路且未调变制作工艺参数方式沉积，以获得所需的微晶硅薄膜的结晶品质，然在微晶硅薄膜沉积制作工艺初期之后，以闭回路且调变制作工艺参数的方式，利用等离子体光谱监控装置侦测在当时(结晶沉积时间T)等离子体中活性物种SiH*以及Hα的光谱值，作为控制等离子体环境的基准以进行制作工艺调变，使等离子体成分保持稳定在微晶硅薄膜沉积制作工艺初期完成时的等离子体环境(亦即等离子体中SiH*和Hα成分浓度比维持固定)，同时可以避免因为长时间的镀膜制作工艺，在等离子体环境中产生过多的Hα活性物种，所造成对制作工艺中的微晶硅薄膜成长受到抑制的现象，进而增进微晶硅薄膜沉积的速率。 

除了利用等离子体光谱监控装置进行制作工艺调变外，本发明于另一实施例亦可以使用残气分析仪(RGA)或整合残气分析仪与光谱分析仪(OES)，监控等离子体环境，达到抑制Hα活性物种浓度过量的目的。 

根据上述，本发明可改善已知技术在进行微晶硅薄膜沉积制作工艺时，预设多阶段的制作工艺条件的设定方式，所造成的制作工艺复杂化问题，并可提供微晶硅薄膜沉积制作工艺初期之后长时间的等离子体稳定性，具有抑制Hα浓度增加所造成的过度蚀刻效应，进一步地在良好的薄膜结晶率的等离子体环境下提高沉积的速率，适合大量生产及用于制作高效率的硅薄膜太阳电池。 

虽然本发明以上已披露优选实施例，然而其并非用以限定本发明，任何本领域一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定为准。