｜ZnO薄膜沉積之前驅物氣化與擴散模組技術

摘要：本文主要是介紹薄膜太陽電池ZnO薄膜製程之氣體擴散模組（showerhead）及前驅物氣化裝置之設計與模擬，探討結構設計對氣體流場分佈情形之影響。而模擬分析所得數據結果不僅可以作為氣體擴散裝置及前驅物氣化設計的參考，亦可提供將來製程實驗結果之佐證依據，以及作為後續設備調整修正或改良的可行方向，以擴展氣體供應系統的實用性及產品化後之商用價值。

Abstract: This article is mainly to introduce gas diffusion module (or showerhead) that used for coating ZnO film of thin film solar cells. It discussed precursor design, simulation of vaporizer and structure design on effects of gas flow distribution. Results of information and simulation analysis can provide not only as a reference for gas diffusion device and precursor design of vaporizer, but also provide experimental evidence based on the results. As well as, it can provide feasible direction of subsequent device adjustments or improving in order to extend the usefulness of gas supply systems and products of commercial value.

關鍵詞：透明導電玻璃、氣體流場分佈、氣化裝置、氣體擴散模組、低壓化學氣相沉積

Keywords：Transparent conductive glass, Gas flow distribution device, Vaporizer, Gas diffusion module, Low pressure chemical vapor deposition

前言

透明導電氧化物（TCO）玻璃是薄膜太陽電池生產的重要製程，目前工業上的方法是通過物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD）來製備TCO。TCO已廣泛應用於矽薄膜太陽電池製造中，以作為電池之電極，氧化鋅（ZnO）為TCO家族中重要系列之一，氧化鋅[1]薄膜除了具有摻錫氧化銦（ITO， Indium Tin Oxide）[2]薄膜的基本光電特性，對可見光（λ= 380 ~ 780 nm）透光率高、導電率（3 ~ 10 Ω）高，且製造成本低於ITO、無毒、在含氫之電漿環境下其化學穩定性也比ITO薄膜來得優異[3]。常見的ZnO薄膜製程方法主要有磁控濺鍍（Sputtering）、化學氣相沉積（CVD，Chemical Vapour Deposition）以及溶膠凝膠法（Sol-gel process）等[4]。其中CVD製程方法可藉由調整氣體比例以及其他製程條件的控制，免去後續蝕刻（post-etching）製程而達到所沉積之ZnO薄膜表面粗糙化（texture）的結構性效果[5]。低壓化學氣相沉積由於其製程溫度較低，更適合用於玻璃基板製程，在玻璃基板上形成具有結構性之ZnO:B、ZnO:Al或ZnO:Ga導電薄膜，就ZnO:B而言，製程使用的前驅物原料主要為二乙基鋅（DEZn；Diethyl zinc）、B₂H₆氣體和水，於1 Torr左右真空度進行化學氣相沉積反應，反應後生成ZnO膜層和乙烷等氣體。但二乙基鋅和水兩種反應物一旦混合即刻便發生反應。應用時，需避免在玻璃基板以外的地方產生沉積，因一來會浪費氣體、二來將造成腔體污染或進氣孔的堵塞而導致氣體供應不均勻，因此在擴散裝置（showerhead）的設計考量上，須分別將DEZn以及H₂O透過各自的氣體通道送進製程反應腔體內，使其在玻璃基板表面均勻混合再發生反應而沉積ZnO薄膜材料，目前市場上主要的設備供應商主要是瑞士Oerlikon和韓國Jusung等公司，以整線型式之低壓化學氣相沉積設備作量產。

依材料特性來看，二乙基鋅是一種液態化學品，沸點約120 ℃，密度約1.2 g/cm³，具有自燃性、毒性、遇水反應等危害，而且化學穩定性低，受熱後容易分解成鋅、乙烷、乙烯和氫氣等，過熱會導致容器爆炸，且對生物有毒性，因此設計上必須從系統工程規劃、操作維護和緊急應變等方面採取相關措施，來提昇整個輸送系統之可靠性，也需進行的整個系統保壓測試和氦檢漏，來確保管路與元件接點之密閉性與真空度。

液態二乙基鋅或水之輸送供氣系統，主要由供液模組、輸送管路、分流箱（Valve Manifold Box /VMB）、真空設備及排除過濾設備（Scrubber）等部分組成，二乙基鋅供氣系統組成為圖1所示。供液模組主要包含自動供液模組、煙霧感測器、火焰感測器、逸散濃度感測器、排氣風閥、防爆櫃、控制箱等部分，主要是將原料鋼瓶內的液態二乙基鋅可以於密封條件下連續輸送到TCO製程設備，自動供液模組透過調壓控制、排氣控制、載流控制、供應二乙基鋅EP級之不鏽鋼管路，將二乙基鋅輸送到製程使用；分流箱之功能主要將單一來源之二乙基鋅，分為多組分流，以進入複數組製程腔中使用；而當中相關真空閥組採用VCR或對焊連接，並進行相關的保壓測試和氦檢漏；真空設備及排除過濾設備，負責清潔管路及將前驅物尾氣分解收集，維持整個系統之潔淨度。而於目前輸送系統當中，為是要提高ZnO系列透明導電膜的鍍率，需要高流量供氣模組，於輸送系統需增加一微霧化或氣化模組（Vaporizer），具有微霧化及快速熱交換功能，來增加整個系統單位時間氣化量，但另一方面，高氣化量傳輸載流氣體與前驅物霧化蒸汽於管路中之濃度高，於管路彎角處可能局部造成流速低及前驅物沉積之現象，而造成管路阻塞，另外，當液態轉變成氣態時體積將大幅增加，也可能使管路內之壓力突然暴增，需於設計中一併考量。透過直接加熱氣化及載氣攜帶，製程腔體得以獲得高濃度、氣化後的前驅物體，而且氣化的前驅物體經過前驅物體擴散模組的X軸向、Y軸向二道擴散後，便能均勻地灑佈於玻璃基板上而得到均勻的薄膜品質，同時有利於鍍膜反應，使得鍍膜過程的鍍率大幅提高。