｜雷射輔助低溫成長微晶矽基薄膜技術

摘要：增強式電漿化學氣相沉積（PECVD）常用於工業界薄膜成長製程，以反應氣體矽甲烷（SiH₄）成長之非晶矽薄膜具有高吸收係數，特別適合做為太陽能電池材料，但非晶矽薄膜在長時間照光下，薄膜品質易產生光劣化現象（Staebler-wronski Effect），乃因薄膜中SiH₂比例過高所致，因此國內已有研究單位針對矽薄膜成長品質來做改善。基於提高解離矽甲烷（SiH₄）之速率，提出二氧化碳雷射輔助解離化學氣相沉積技術（Laser-assisted plasma enhanced chemical vapor deposition system, LAPECVD），利用矽甲烷對二氧化碳雷射波長10.6μm具有高吸收效率，在低溫成長環境下經由雷射輔助促使矽甲烷解離成矽氫鍵（Si-H）進而成長具高緻密性及低缺陷品質的微晶矽薄膜，以拉曼光譜作分析，其峰值訊號往520cm^-1方向做偏移，顯示隨著雷射功率增加，薄膜型態逐漸由非晶形態轉換到結晶形態，且其微結構參數（microstructure parameter）也隨雷射功率增加而下降，表示雷射輔助有助於形成緻密性較佳的薄膜，將雷射輔助低溫成長微晶矽基薄膜製程應用於成長矽薄膜太陽能電池，所成長元件之光電轉換效率由原來無雷射輔助之6.04%有效提升至有雷射輔助之7.01%。

Abstract: Recently, amorphous silicon (Si) thin film fabricated using plasma-enhanced chemical vapor deposition is suitable to be used as the solar cell active material owing to its high absorptance. Unfortunately, a-Si:H suffers from a light-induced degradation (Staebler-wronski Effect). This phenomenon may due to the high ratio of SiH₂. In this work, we used a laser-assisted plasma-enhanced chemical vapor deposition (LAPECVD) method to grow high quality Si-based thin films at a low temperature without post thermal annealing. In this deposition system, SiH₄ was decomposed by RF power and formed the Si-H bonding by the assistance of CO₂ laser. The laser assistance leads to low-temperature plasma-grown micro-crystalline Si and poly-crystalline films due to the high absorptive material property in the laser wavelength of 10.6μm. The Raman spectrum of the laser-assisted Si film was shifted to a higher wave number of 520 cm^-1 indicating the increase of the crystalline property. Also, the density of the Si film increase with the microstructure parameter decrease. Furthermore, the conversion efficiency of the Si-based solar cells was improved from the 6.04% to 7.01% using the LAPECVD technique.

關鍵詞：雷射輔助、微晶矽、微拉曼系統、增強式電漿化學氣相沉積

Keywords：Laser-Assisted. Micro-Crystal Si, Micro-Raman system, PECVD

前言
微晶矽薄膜是近年來研究熱門材料之一，由於材料成本低廉，且可與矽晶圓之用途有所區別，介於非晶與結晶矽之間，無論在材料吸收能力、成本考量與元件效益均較高，相較於矽晶型太陽能電池，雖其效率較高，但半導體生產技術和設備大抵上已相當成熟，並且近年上游矽晶圓材料缺乏，導致整體產業鏈價格飛漲，因而矽晶型太陽能電池所面臨的最大問題—原料成本太高也隨之突顯，使得太陽電池的發展大受侷限。而使用矽薄膜太陽能電池（thin films solar cell） 形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數μm（厚度可低於矽晶圓太陽能電池90%以上），能夠大幅節省材料，不需大量使用矽晶圓，可克服目前上游原料不足的困擾且可使用自動化、連續及整合的製程，並具有低製造成本之優勢，以目前傳統矽晶業者的成本結構來看，短期內很難達成每瓦發電成本1美元（與傳統發電成本抗衡之目標），如表一所示[1]，而薄膜太陽能電池有機會在短時間內就能達到每瓦發電成本1美元的境界，因此深具市場競爭力，圖一為各種太陽能電池市佔率之比較，可發現薄膜太陽能電池在未來成長幅度仍有很大空間。

在矽薄膜製造方面，目前已有多種沉積微晶矽薄膜技術，而以電漿輔助化學氣相沉積是常用於工業界生產的方式。目前歐、美、日等國針對電漿輔助化學氣相沉積製程設備廠商爭相投入發展，而國內廠商以生產a-Si太陽能電池為主，穩定效率為6%~7%，且技術皆來自國外大多以整廠輸入技術（turn-key solution）為主，關鍵技術仍掌握在國外廠商中，此外國內研究單位所研究之小面積串疊式太陽能電池效率約為8%~9%尚未達到國際水準，相較下國外以日、歐廠商為主要領導廠商，目前發展出大面積穩定效率約為10%之串疊式a-Si/µc-Si薄膜太陽能電池，所以國內技術仍有待提升。因µc-Si層需要較厚之厚度才有足夠之光吸收而使生產速度受到限制，因此目前以發展能降低膜厚度之材料與快速鍍膜之設備為主流，而在國內設備生產由於受限於國外專利封鎖，以及無法有效配合國內相關產業進行製程技術開發，使得設備技術之自主性及製程創新受到限制，再者國內缺乏較佳之鍍膜技術與設備系統廠整合能力，使得研發力量無法彰顯。

為突破現況，工研院南分院雷射應用科技中心與國內學術研究單位進行合作，圖二為創新設計之具多腔體二氧化碳雷射輔助電漿增強式化學氣相沉積系統可用來沉積微晶矽及微晶矽鍺薄膜，其已成功利用電漿增強式化學氣相沉積系統於室溫中沉積結晶矽於氮化矽及氧化矽中[2-6]，故藉由和成功大學合作，透過學研聯合研發計畫與成大微電子所李清庭教授、光電系李欣縈教授結合本中心設備技術開發經驗，合作研發微晶矽薄膜材料，本文接下來將針對二氧化碳雷射輔助低溫成長微晶矽基薄膜技術之機制作介紹並探討以此系統製作之薄膜成長特性與薄膜太陽能電池元件之光電特性。