｜電漿光譜監控之微晶矽薄膜沉積研究

摘要：在高效率矽薄膜太陽電池的微晶矽薄膜沉積過程中，電漿中活性物種（例如SiHx, H）的濃度變化會影響製程之穩定性，本文以即時電漿調變技術控制活性物種濃度，探討應用電漿光譜分析儀（OES）於沉積微晶矽薄膜製程的穩定性研究。

從X光繞射干涉儀（X-Ray Diffraction, XRD）以及掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）分析後，顯示經由適當的調控活性物種電漿光譜比值（SiH*/Hα），可以控制微晶矽薄膜的組織微結構；而且應用在多次相同沉積製程時，從拉曼光譜儀（Raman Spectrometer）分析薄膜結晶率的結果顯示，微晶矽薄膜結晶率的變化率約5%左右；因此從本研究結果顯示應用即時電漿調變技術於大量生產微晶矽薄膜時，有助於獲得長時間的電漿鍍膜製程穩定性。

Abstract: The radical species concentrations (e.g. SiHx, H) variation during plasma deposition process affects the microcrystalline silicon (μc-Si) film growth for high efficiency silicon thin film solar cell. In this article, a real-time plasma modulation process was used to control the radical species concentrations with optical emission spectroscopy (OES) for depositing μc-Si films. The experimental results show that a real-time plasma modulation method applied to deposit μc-Si films would obtain similar micro-structure to a convention method (i.e. without real-time plasma modulation during process) from XRD (X-Ray Diffraction) and SEM (Scanning Electron Microscope) analysis and provided the good crystallinity stability around 5% between runs from Raman spectroscopy analysis. Furthermore, this research could demonstrate a feasible method for μc-Si film mass product with the real-time plasma modulation method to stabilize process during long time deposition.

關鍵詞：微晶矽薄膜、電漿調變、電漿放射光譜

Keywords：Microcrystalline silicon thin film, plasma modulation, optical emission spectroscopy

前言
微晶矽薄膜是高效率矽薄膜太陽電池的重要材料，最常見的堆疊式（Tandem）矽薄膜太陽電池即是以非晶矽薄膜太陽電池與微晶矽薄膜太陽電池堆疊而成，由於可以吸收更寬廣的太陽光譜（Solar spectrum）範圍，因而具有超過10%的光電轉換效率[1-4]。然而，微晶矽薄膜太陽電池的光吸收層（Absorber layer）厚度往往高達1-2μm，使得長時間鍍膜的製程穩定性變得非常重要。

近年來在電漿輔助沉積微晶矽薄膜製程中，已有導入電漿光譜放射儀（Optical Emission Spectroscopy, OES）的研究[7-12]，其中P. Torres [13]等人提出電漿中活性物種（即SiHx，H）間的電漿光譜比值（SiH*/Hα）變化，具有影響微晶矽薄膜的結晶率以及鍍膜速率的特性。C. C. Du [14]等人則應用OES分析技術發展閉迴路製程監控系統，在長時間微晶矽鍍膜製程中，利用即時電漿調變方式控制活性物種間的電漿光譜（SiH*/Hα）比值，以獲得長時間鍍膜的製程穩定性。

本文係進一步探討即時電漿調變技術應用於大量生產微晶矽薄膜沉積的製程穩定性，從實驗結果顯示應用OES即時電漿調變沉積方法不僅可以控制微晶矽薄膜的結構組織，而且在重複多次微晶矽薄膜沉積製程後，獲得微晶矽薄膜結晶率的變化率結果約在5%左右；因而，從研究結果顯示於大量生產微晶矽薄膜的沉積製程時，導入即時電漿調變技術的效益，可以維持長時間電漿鍍膜製程的穩定性。