[发明专利]以预合金靶进行一次溅镀方式制作半导体化合物薄膜层方法

说明书

所属技术领域

本发明系有关一种薄膜层的制造方法，特别是关于一种IB-IIB-IVA形成预合金靶材，利用此预合金靶材，以一次溅镀方式即可镀制出具有完整IB-IIB-IVA-VIA元素组成的薄膜制造方法。 

背景技术

由于目前人类的各项活动对能源的需求是不可或缺且与日俱增的，因此如何提供一种长久且安全使用的能源便能为目前最迫切的议题，在各种替代性的能源当中，以太阳能电池研发最为受到瞩目。截至目前为止，已商品化之薄膜太阳电池有碲化镉(CdTe)、铜铟二硒(CIS)/铜铟镓硒(CIGS)及非晶硅(a-Si)等不同材料，各有其发展之优缺点。 

其中CIS/CIGS薄膜太阳能电池吸光范围很广，虽其制程窗口非常窄造成量产不易，然而其稳定性及光电转换效率为各类型薄膜太阳电池中最高者，且被认为是短期内最有可能达到硅芯片型太阳电池效能之薄膜太阳电池。近期在追求量产技术发展迅速下，CIGS太阳电池在标准测试条件下，最佳电池之光电转换效率可达19.9％(美国国家可再生能源实验室；NREL)，并且在设备商的积极投入与开发，使传统真空制程技术(例如：溅镀与蒸镀)可望加速改善其一直无法有效突破的量产及大面积化问题。因此将有机会带动此类产品产能之迅速成长，即使CIGS及CIS有接近硅芯片型太阳电池之光能转换效率及比硅薄膜太阳电池还要低成本之优势，但(1)高效率太阳电池制程复杂且投资成本只比硅薄膜太阳电池便宜些许；(2)缓冲层材料CdS潜在毒害风险及处理成本；(3)关键原料铟元素的供应短缺等问题；以上这些因素是铜铟二硒/铜铟镓硒等薄膜太阳能电池发展之隐忧。因此发展I-II-IV-VI半导体化合物材料取代I-III-VI太阳电池材料，其具备材料成本低廉及可避免材料短缺问题等优势，例如：铜锌锡硫与铜锌锡硒，两者一般分别表示为CZTS与CZTSe，近几年已成为半导体装置被受瞩目之研究议题。由于化合物的硫与硒元素可以互相取代，故此类化合物亦可表示为CZTSSe，所以CZTSSe此表示法包含硫与硒所有比例可能之组合。此外，这些装置依其组成元素族群，亦称为I-II-IV-VI装置。 

发明内容

本发明的目的，本发明目标为半导体化合物I-II-IV-VI太阳电池，既具有与铜铟二硒(CIS)可比拟的光电学特性，又因不包含地球资源匮乏的贵金属铟且铜、锌、锡、硫等元素存量丰富、对环境无污染且造价低廉，很有希望成为新一代低成本高效率薄膜太阳电池的理想吸收层材料 

具体实施方式

本发明系提出一种I-II-IV预合金靶材，并以一次溅镀方式制备，制造具有I-II-IV-VI元素组成之半导体化合物薄膜的制造方法，而此I-II-IV预合金靶材元素组成为IB-IIB-IVA；其中， 

IB系至少选自于一种以下之群组：Cu及Ag； 

IIB系至少选自于一种以下之群组：Zn及Cd； 

IVA系至少选自于一种以下之群组：Si、Ge及Sn； 

以下介绍二种制备此半导体化合物薄膜之实施例。 

实例1、二铜锌锡四硒(硫)化合物(CZTSe(S)、Cu₂ZnSnSe(S)₄)薄膜制备： 

将基板升温至400～575℃，并以一次反应性溅镀方式沉积，溅镀功率：0.1kW～2kW、氩气分压：2～18mTorr，当溅镀Cu₂ZnSn薄膜时，同时利用众所周知的硒化或硫化反应，例如：通入硒化氢(H₂Se)或硫化氢(H₂S)气体直接反应形成Cu₂ZnSnSe(S)₄半导体化合物薄膜。 

实例2、二铜锌锡四硒(硫)化合物(CZTSe(S)，Cu₂ZnSnSe(S)₄)薄膜制备： 

将基板升温至400～575℃，一次溅镀方式沉积，溅镀功率：0.1kW～2kW、氩气分压：2～18mTorr，在溅镀Cu₂ZnSn薄膜后，利用众所周知的硒化(硫化)处理，将温度上升至225～575℃通入硒(硫)蒸气，经5～60分中反应后，形成Cu₂ZnSnSe(S)₄半导体化合物薄膜。 

综上所述，本发明的靶材具有完整IB-IIB-IVA元素组成，因此利用此单一预合金靶材，只需经一次溅镀方式制作具完整IB-IIB-IVA-VIA元素组成的薄膜，可直接应用于太阳电池中，如此大幅地简化制程与降低制造成本。