第二章 矽薄膜 太陽電池工作原理與製程
2.2 使用設備簡介
2.2.1 電漿增長化學氣相沉積
電漿輔助化學氣相沈積（PECVD）系統，是使用電漿為輔助能量，使得沈積 反應的度得以降低。在 PECVD 中由於電漿的作用，會有光線的放射出來，因此又 稱為『輝光放射』(Glow Discharge)系統。沈積室通常是由上下的兩片鋁板，以 及鋁或玻璃的腔壁所構成的。腔體內有上下兩塊鋁製電極，晶片則是放置於下面 的電極基板之上。電極基板則是由電阻絲加熱至 200℃的溫度範圍。當在二個電 極板間外加一個 80MHz 的『射頻』(Radio Frequency，縮寫 RF)電壓時，在二個 電極之間會有輝光放射的現象。工作氣體則是由沈積室外緣處導入，並且作徑向 流動通過輝光放射區域，而在沈積室中央處由真空幫浦加以排出。
PECVD 沈積原理與一般 CVD 之間，並沒有太大的差異。電漿中的反應物，
是化學活性較高的離子或自由基，而且基板表面受到離子的撞擊，也會使得化學 活性提高。這兩項因素都可促進基板表面的化學反應速率，因此 PECVD 在較低的 溫度即可沈積薄膜。在積體電路製程中，PECVD 通常是用來沈積 SiO2 與 Si3N4 等 介電質薄膜。PECVD 的主要優點，是具有較低的沈積溫度；而 PECVD 的缺點，則 是產量低，容易會有微粒的污染，而且薄膜中常含有大量的氫原子。
在本實驗中藉由通入之甲烷(SiH4)與氫(H)進行化學反應，如圖 2-1 所示，
當生成之 SiHx(x≦3)前軀物(中性及離子性)，擴散到達基板上發生各種反應(吸 附、脫離、拉出、插入及表面擴散等過程)後形成矽薄膜，在此過程中前軀物與 母材(SiH4)起衝突反應，但 SiH3 對此衝擊相當安定，故 SiH4 Plasma 之壽命，
比起其他反應種之壽命較長，又因 SiH3 反應性低，故薄膜表面若沒有懸鍵 (Dangling Bond)則會單獨存在，不會加入 Network 中。
實際在 100℃~300℃之基板溫度上，成長膜表面大致都會被氫氣所覆蓋，到 達表面之 SiH3 一面擴散，一面尋找氫氣被拉出後之空位，此種擴散相當活潑，
在能量安定的空位上，Si 原子被安置，故緩和度高(即緻密)之非晶質構造可以 形成。[2]
圖 2-2 電漿增長化學氣相沉積系統
(照片來源:工業技術研究院 太陽光電科技中心)
圖 2-3 輝光放射(Glow Discharge)狀態 (照片來源:工業技術研究院 太陽光電科技中心)
2.2.2 電子槍（E-Gun）蒸鍍設備
蒸鍍(Evaporation)原理：
蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料，利用電阻或電子束加熱達到熔 化溫度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。在蒸鍍過程中，
基板溫度對蒸鍍薄膜的性質，會有很重要的影響。通常基板也須要適當加熱，使 得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此才能形成均勻的薄 膜。基板加熱至 150℃以上時，可以使沈積膜與基板間，形成良好的鍵結而不致 剝落。
圖 2-4 電子槍（E-gun）蒸鍍設備
2.2.3 中央群聚式薄膜沉積系統(Cluster System)
矽薄膜太陽能電池製造過程中 Physical Vapor Deposition(PVD)與 Chemical Vapor Deposition(CVD)，如圖 2-5 為最主要之真空設備，其中 PVD 主要用以濺 鍍Metal layer 與透明導電薄膜(TCO)；而 CVD 則用以成長含結晶矽，或非晶矽 的半導體薄膜。
圖2-5 中央群聚式薄膜沉積系統
(照片來源:工業技術研究院 太陽光電科技中心)
2.2.4 表面形狀測定器- 全自動量測系統（ET-4000）
薄膜量測原理：
本設備是利用微型觸針如圖 2-6，檢測物體表面形狀、平坦度、波紋度、粗 度及膜厚。其觸針變位的檢出，是採用線性可變差動變壓器，利用此機構來保持 觸針穩定度，而觸針上之彈簧係拉引觸針於尖端位置上，設置於被測定面上，使 觸針的重量不會加於被測面上，接著，往上至被測定面，測定面承受相當彈簧的 力牽引，觸針沿著待測物掃描追隨特性，檢驗物體表面輪廓。此設備主要是量測 ITO 等層之膜厚。
圖 2-6 表面形狀測定器- 全自動量測系統（ET-4000）
2.2.5 可控溫烤箱（Oven）
本設備如圖2-7，主要是由加熱爐，及 PID 回饋控制器兩個單元所組成。設 定溫度，調整PID 回饋控制器的相關參數，將待測物樣品放入高溫爐中央，可由 溫度顯示器觀察溫度的變化。烤箱上方連接抽氣管，可將待燒結物體的廢棄物抽 去。本研究中使用烤箱，烘烤透明導電薄膜，以達到回火作用，並針對不同透明 導電薄膜，與不同厚度等條件，進行回火後之電性檢測。
2.2.6 電性量測儀 (KEITHLEY 4200)
本設備如圖2-8，具有簡單設計，完成 I-V 特性量測，可加裝 2~8 組 SMU，
最大 1A 電流，具 0.1fA 電流解析能力，可量測 Pre-Amp，或由無到 100fA。
本實驗當中，利用此設備進行各薄膜沉積層之電性狀態分析。
圖2-8 Keithley 4200 電性量測儀。
圖 2-9 片電阻量測儀。
圖 2-11 光-暗導量測裝置-1
(照片來源:工業技術研究院 太陽光電科技中心)
圖 2-12 光-暗導量測裝置-2
2.2.7 高倍工具顯微鏡
主要應用於薄膜沉積後，觀察其表面晶粒狀況等。
圖2-13 高倍工具顯微鏡
2.2.8 α-Step 薄膜粗糙度量測系統
如 圖 2-14，其工作原理以鑽石頭沿著薄 膜表面劃過，鑽石頭會隨薄 膜 的 表 面 輪 廓 而 高 低 起 伏 ， 可 量 測 薄 膜 之 粗 糙 度 。
圖 2-14 α-Step 輪廓量測儀
(照片來源:工業技術研究院 太陽光電科技中心)
2.2.9 分光光譜儀
如圖2-15，為紫外線/可見光分光光譜儀(UV/VIS/NIR Spectrometers)，它 是一種分析材料透光率及反射率的儀器，本實驗中用以量測矽薄膜材料，對不同 波長之光穿透率。
圖 2-15 分光光譜儀
(照片來源:工業技術研究院 太陽光電科技中心)
2.2.10 表面增強拉曼散射光譜（Surface Enhanced Raman Scattering）
在光譜技術中，分子振動光譜，是利用電磁輻射的電場分量，與分子體系間 的交互作用，導致分子電荷分布改變的光譜技術。其中拉曼散射光譜如圖 2-16 是以頻率為 n°，能量為 hn°的入射光子，與分子進行非彈性碰撞，處於振動基態 的分子，從光子處接受能量，被激發到較高的振動態，而入射輻射則變成具有能 量 h(n°-nv)的散射效應。具有拉曼活性的分子，是指分子振動時，通過振動平 衡位置前後，有無誘導偶級矩（mi）產生變化的分子，當外加電場強度固定時，
分子極化率與電子雲形狀差異有關。一般而言，拉曼散射光強度僅有入射光的 10-6。