第三章、 文獻回顧分析( SiN x 氮化矽沉積薄膜特性)
5.2 In-line PECVD 沉積機制實驗影響
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978.9 nm 減少為 820.2 nm。也就是說，沉積速率由 10.88 nm/sec 下降至 9.11 nm/sec。這是因為當反應氣體濃度多到一定程度時會增提高各種異相反應機 會與提高氣相反應機率，導致沉積速率降低。[56]
但對於沉積的均勻性方面，則因為反應壓力增大，氣體分子間的 平均自由徑減少情況下，所以並沒有明顯的改善成效如圖 5-4。至於對於薄 膜的折射率來說，如圖 5-5 反應腔體壓力對抗反射層薄膜厚度與光學特性反 射率之影響所示，反射率同樣地會隨著反應壓力增加的變化微幅上升，整 體變化 n = 2.0234~2.092。
圖 5-4 反應腔體壓力對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響
圖 5-5 反應腔體壓力對抗反射層薄膜厚度與光學特性反射率之影響
5.2.2 反應氣體總體流量
反應氣體總流量測試方面，需確保避免因反應過程中的氣體反應消耗 而導致反應後段的沉積速率降低，因此通常會建議採取較大的反應氣體總 流量。反應氣體總流量分別為 1800、2000、2200、2400、2500 sccm。其它 反應參數如表 5-2。
實驗结果如圖 5-6 反應氣體總流量對抗反射層薄膜厚度與均勻性所 示。總氣體流量增加時，會同時提升反應物濃度情況下，讓更大量的離子 化氣體參與沉積反應，增加沉積速率。所以薄膜厚度會呈現上升趨勢。同
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樣地，因為總氣體流量增加也增加氣體擾流的機會，反而造成沉積薄膜均 勻性更差。[11]
另外在實驗中的 NH4: SiH4比率 3.5 固定下，總氣體流量增加時，讓 SiH4 的含量增加了，使得更多 Si 的自由基參與沉積反應，而增加了沉積膜中的 Si 比例。如此一來，反而提高薄膜的折射率。因此提高整體的反應氣體流 量條件下，並沒有達成沉積薄膜均勻性的改善但提升了折射率甚至於高達 2.139。這樣的反射率變動嚴然已太大超出建議值[5,19]。
圖 5-6 反應氣體總流量對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響
圖 5-7 反應氣體總流量對抗反射層薄膜厚度與光學特性反射率之影響
5.2.3 反應射頻功率
為確保工業量產的重現性與穩定性，很少會針對使用中的反應功率來 做變化。此實驗反應功率分別為 2400 / 2600 / 2800 / 3000/ 3200 W，其它反 應參數如表 5-2。
圖 5-8 反應功率對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響中可以明顯看出 沉積薄膜的厚度與功率的關係，當射頻功率越高時同樣增加沉積薄膜厚 度，換句話說，加速提升了薄膜沉積速率。當功率偏低時，由於反應製程 氣體電漿離子化不足，造成薄膜的生長速度緩慢且形成的抗反射薄膜較稀 疏、抗腐蝕性低。但隨著功率的提升增強下，增加了氣體離子化與自由基
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的數量，會讓薄膜生成速率變快。但當功率持續升高至 3000 W 因為在 SiH4 含量有限情況下，被消耗殆盡而導致此時的沉積薄膜厚度並沒有明顯增 加，此外功率太高下，離子轟擊作用能力也會跟著提升，反而讓薄膜結構 更為鬆散，抗腐蝕性能力也變差。如果功率過大，也會影響到氮化矽薄膜 層的鈍化效果、降低鈍化性能，最後會致使開路電壓 Voc與光電轉換效率
η
下降。[19]因此對功率進行變動並非明智之舉。圖 5-8 反應功率對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響
圖 5-9 反應功率對抗反射層薄膜厚度與光學特性反射率之影響
5.2.4 反應氣體流量比例
氣體流量比對於沉積速率與薄膜薄膜組成及性質均有重大的影響。其 反應氣體總量比例分別為 2.5、3.0、3.5、4.0 與 4.5 其餘的製程參數如表 5-2。
由圖 5-10 反應氣體流量比例對沉積薄膜厚度與均勻性 中可以明顯看 出，沉積薄膜厚度隨著氣體比例(NH3:SiH4)增加時，其薄膜厚度越薄達 771.4 nm，這現象也再次說明了沉積速率反應受 SiH4的限制；逐漸增加氣體比例 (NH3 : SiH4)情況下，反應氣體的 SiH4濃度則伴隨下降，基材表面上的 SiH4 分子就降低，導致沉積速率的下滑。至於氣體比例在沉積薄膜的均勻性方 面並沒有觀察到明顯的趨勢存在。同樣，對於折射率的影響而言，因為增
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加氣體比例(NH3 : SiH4)情況使得生成的 SiNx薄膜中的 Si / N 降低了，造成 薄膜折射率也跟著降低。這一點可以說明圖 5-11 中的氣體比例與折射率關 係。[5]除此外 Gas ratio 的變化同時，因為也會對於 Voc和 Isc有影響。[19]
故為兼顧太陽能電池效能表現時，並不建議對 Gas ratio 這一參數做變動。
另外一個特別的現象，稍早在 6.2.2 章節中提到關於在固定的氣體比例 3.5 情況下，增加氣體總量的作法，同樣是藉由增加 SiH4 含量，使得更多 Si 自由基參與沉積反應，而對折射率的產生上升的變化。當總氣體流量由 1800 sccm 增加至 2500 sccm 情況下，其折射率會由 2.02 攀升至 2.15。由此 可見 Si / N 比例對於折射率的影響力。
圖 5-10 反應氣體流量比率對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響
圖 5-11 反應氣體流量比率反射層薄膜厚度與光學特性反射率之影響
5.2.5 反應溫度
為了使薄膜反應生成物在到達基材表面後仍具有一定的表面遷移能 力，最後在位能最低時可以生成聚集在基材上，所以對基材進行加溫提供 反應能量。從圖 5-12 反應溫度對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響中可以 明顯看出隨著反應溫度的增加，確實能夠增加氮化矽薄膜厚度，但溫度超 過 420℃後，薄膜厚度便有反轉變化趨勢。而且折射率方面變化不大介於 n
= 2.06 至 n = 2.08 之間。這一點可從圖 5-13 中看出。
主要的原因是由於以 PECVD 法生長時，主要反應來自於受離子化的反 應氣體，而氣體離子化程度主要是受射頻功率影響，沉積環境溫度對於氣
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體離子化程度影響則相當有限。此次實驗溫度上升能夠提高表面原子的活 性與原子的遷移率，增強載具表面反應，降低 Si / N 比例與薄膜氫含量，提 升了薄膜的緻密性[57]，進一步使得薄膜厚度的減少，折射率增加。[58]至 於均勻性上並沒有發現明顯的關聯性。
圖 5-12 反應溫度對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響
圖 5-13 反應溫度對抗反射層薄膜厚度與光學特性反射率之影響
5.2.6 載具方式對沉積薄膜厚度、均勻度與反射率變化
經過前述幾項實驗結果與文獻參考資料獲知，皆會對沉積膜厚特性及 電池片電性產生影響變化。所以基於以上實驗結果與實際的電池片邊緣顏 色分布現象，在此特別針對，唯一與電池片有直接接觸的載具來討論與進 行實驗。因為傳動軸承部分在此高達 400℃反應環境溫度，所以機台使用設 計上需要有額外降溫功能來提供降溫保護機制，避免高溫環境下真空軸承 受損，影響傳送機構功能。而載具則是直接與滾軸接觸利用磨擦力的作用 下來達成傳送目的。也就是說，載具會因此而存在著所謂的熱損失的 可能性。再者，配合自動化機構，載具採挖空設計，利用電池片四邊直接
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置於載具上，下方呈裸空與載具沒有接觸(見圖 5-14)。因此我們懷疑載具與 帶有冷卻保護系統滾軸的接觸方式，會造成反應溫度與載具溫度上些微差 異。此現象亦或許形成電池片四邊緣溫度相對有差異存在，與實際的電池 片邊緣發生呈現有顏色差異與沉積後度偏低相符合。
所以，接下來實驗先以支架架空電池片避免與載具接觸減少溫度差異 的可能性(如圖 5-15)，其實驗進行製程參數皆同為 Standard (表 5-2)，實驗 對照組分別為架空 Bin 1 與架空 Bin 2。藉此實驗觀察對於整體的電池片薄 膜厚度、均勻度與反射率的影響。
圖 5-14 原載具設計示意
圖 5-15 實驗組:架空電池片載具示意
從圖 5-16 與圖 5-17 實驗結果中可看出載具方式薄膜厚度與沉積薄膜光 學特性的反射率並沒有明顯變化，不過在薄膜均勻性方面卻從 4.57 %大大 降低至 2.75 %。主要原因在這次實驗過程中，薄膜沉積條件並沒有改變，
僅就載具與矽基材接觸方式給予架空處理變化。
基於前面的實驗條件結果經驗下，我們可以確信同樣的工業生產 PECVD 反應條件下，生成的薄膜特性如沉積薄膜緻密性、抗腐蝕性、薄膜 表面的鈍化效果與鈍化能力以及薄膜光學特性折射率不至於有太大的變 化。至於改善沉積薄膜均勻性原因最大的成效，在於電池片邊緣膜厚與電 池片中心膜厚差異縮小，相信在圖 5-18 載具方式對應各位置(如圖 4-17)薄 膜沉積厚度變化與均勻性之表現中會有更清楚更完善的說明。
圖 5-16 載具方式對抗反射層薄膜厚度與均勻性之影響
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圖 5-17 載具方式對反射層薄膜厚度與光學特性反射率之影響
圖 5-18 載具方式對應各位置薄膜沉積厚度變化與均勻性之表現