專利名稱：用于將復合半導體高速濺射到大面積基底上的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題主要涉及在基底上濺射薄膜的方法。更具體而言，本文所公開的主題涉及在大面積基底上高速濺射薄膜的方法。
背景技術(shù)：
薄膜光伏(PV)模塊(也稱為"太陽能面板"或"太陽能模塊")在行業(yè)中日益得到廣泛的認可和關(guān)注，尤其是基于與硫化鎘(CdS)配對的碲化鎘(CdTe)來作為光反應(yīng)構(gòu)件的模塊。CdTe是一種具有尤其適用于將太陽能(日光)轉(zhuǎn)換成電的特性的半導體材料。 例如，CdTe具有1. 45eV的能量帶隙，這使其能夠比過去用于太陽能電池應(yīng)用的較低帶隙 (1. IeV)的半導體材料從太陽光譜中轉(zhuǎn)換更多的能量。另外，相比于較低帶隙的材料，CdTe 在較少光照或散射光的條件下更高效地轉(zhuǎn)換能量，且因此相比于其它常規(guī)材料，在白天期間或低光照(例如，多云)條件下具有更長的有效轉(zhuǎn)換時間。通常，CdTe PV模塊包括在沉積CdTe層之前沉積在玻璃基底上的多個膜層。例如，透明的傳導(或?qū)щ?氧化物(TCO)層首先沉積在玻璃基底的表面上，且電阻透明緩沖 (RTB)層然后施加在TCO層上。RTB層可為氧化鋅錫(ZTO)層，且可稱為"ZTO層"。硫化鎘(CcK)層施加在RTB層上。這些不同的層以常規(guī)的濺射沉積工藝予以施加，該工藝涉及從靶材(即，材料源)噴射材料，以及將噴射的材料沉積到基底上以形成膜。使用CdTe PV模塊的太陽能系統(tǒng)根據(jù)每瓦功率產(chǎn)生的成本，通常認作是成本效益最為合算的市售系統(tǒng)。然而，CdTe不能耐受持續(xù)性商業(yè)使用和接受太陽能作為工業(yè)電力或住宅電力的輔助電源或主要電源，其優(yōu)點取決于以大規(guī)模和成本效益合算的方式制造有效的PV模塊的能力。與生產(chǎn)PV模塊相關(guān)的資金成本，尤其是沉積上述多個薄膜層所需的機器和時間，是主要的商業(yè)考慮因素。具體而言，從電阻性質(zhì)的半導電靶材(例如，硫化鎘)濺射可能難以高速和足夠均勻地大量生產(chǎn)PV裝置，尤其是當靶材具有相對較大的表面面積時。因此，在行業(yè)中持續(xù)需求一種改進的系統(tǒng)，其用于經(jīng)濟可行且高效地大規(guī)模生產(chǎn) PV模塊、尤其是基于CdTe的模塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點將在以下說明中部分地闡述，或可根據(jù)該說明而清楚，或可通過實施本發(fā)明而懂得。提供的是通常用于將薄膜濺射到單獨基底上的方法。單獨的基底可傳送到真空室中以抽取小于大約50毫托(mTorr)的濺射壓力。然后，單獨基底可傳送到濺射室中，且穿過平面磁控管由電離氣體以濺射壓力連續(xù)地濺射靶材，使得薄膜形成在單獨基底的表面上。該靶材經(jīng)受高頻功率，其在大于大約IkW的功率水平具有從大約400kHz至大約4MHz 的頻率。在一個特定實施例中，該方法可通常涉及將薄膜濺射到單獨基底上，該單獨基底
4限定表面面積為大約IOOOcm2至大約2500cm2的表面。例如，單獨基底可傳送到真空室中以抽取小于大約50mTorr的濺射壓力，且經(jīng)加熱達到大約50°C至大約200°C的濺射溫度。該單獨基底可傳送到濺射室中，且穿過平面磁控管由電離氣體以濺射壓力連續(xù)地濺射靶材， 使得薄膜形成在單獨基底的表面上。在濺射時，基底可以大致恒定的線傳送速率連續(xù)地傳送，使得形成在單獨基底表面上的薄膜具有大約50nm至大約250nm的平均厚度，而不均勻性為平均厚度的大約7%至大約15%。該靶材能經(jīng)受高頻功率，其在大于大約IkW的功率水平具有從大約400kHz至大約4MHz的頻率。參照以下說明和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點將會得到更好的理解。并入本說明書中且構(gòu)成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，且結(jié)合說明一起用于闡述本發(fā)明的原理。


在參照附圖的以下說明書中，針對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員闡述了本發(fā)明包括其最佳模式的完整和能夠?qū)嵤┑墓_內(nèi)容，在附圖中圖1為示例性CdTe光伏模塊的截面視圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的示例性系統(tǒng)的頂平面視圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的備選系統(tǒng)的頂平面視圖4為基底載體構(gòu)造的實施例的透視圖5為基底載體構(gòu)造的備選實施例的透視圖6為用于將薄膜沉積在基底上的濺射室的實施例的圖解視圖；以及
圖7為濺射室的備選實施例的圖解視圖。
本說明書和附圖中重復使用參考標號意在表示相同或相似的特征或元件。
零件清單
10PV模塊
12基底
14TCO層
16RTB/ZT0層
18CdS層
20CdTe 層
22接觸層
24封裝玻璃
100系統(tǒng)
102第一處理側(cè)
103方向箭頭
104處理站
106入口
108出口
110第二處理側(cè)
111方向箭頭
112處理站
114入口
116出口
118第一傳輸站
120第二傳輸站
121轉(zhuǎn)臺
122載體
124框架部件
125垂直處理模塊
126傳送器
128垂直沉積模塊
132裝載模塊
134裝載緩沖模塊
136過程緩沖模塊
138過程后緩沖件
140出口緩沖件
142出口模塊
144外部緩沖件
148冷卻站
150卸載站
152裝載站
154真空閥
156閥馬達/控制
158模塊控制器
160系統(tǒng)控制器
162粗真空泵
164細真空泵
165渦輪泵
166濺射室
168功率源
170陰極
172陽極
174等離子場
176靶材源材料
178加熱器元件
具體實施例方式
現(xiàn)將詳細地參照本發(fā)明的實施例，其中的一個或多個實例在附圖中示出。各實例均是通過闡述本發(fā)明來提供的，而并非限制本發(fā)明。實際上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中作出各種修改和變型。例如，示為或描述為一個實施例的一部分的特征可結(jié)合另一實施例來使用，以產(chǎn)生又一個實施例。因此， 期望的是，本發(fā)明涵蓋歸入所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的這些修改和變型。在本公開內(nèi)容中，當一層描述為在另一層或基底"上"或"上方"時，將應(yīng)理解的是這些層可直接地彼此接觸或在這些層之間具有另一個層或特征。因此，這些用語僅描述各層相對于彼此的位置，而并不必然地表示"一層在另一層之上"，因為在上方或在下方的相對位置取決于裝置相對于觀察者的定向。此外，盡管本發(fā)明不限于任何特定的膜厚， 但描述光伏裝置的任何膜層的用語"薄"通常表示具有小于大約10微米(“百萬分之一米〃或〃 ym〃 )厚度的膜層。將應(yīng)理解的是，本文所提到的范圍和極限包括處在預先規(guī)定的極限(即，子范圍) 內(nèi)的所有范圍。例如，從大約100至大約200的范圍還包括從110至150、170至190、153至 162，以及145. 3至149. 6的范圍。此外，直至大約7的極限也包括直至大約5、直至3和直至4. 5的極限，以及該極限內(nèi)的范圍，例如從大約1至大約5，以及從大約3. 2至大約6. 5。大體上提供的是將薄膜濺射到單獨基底上的方法。該方法尤其適用于從半導體材料(例如，硫化鎘)的靶材濺射到單獨基底上。該方法可將具有可接受的均勻度的薄膜層沉積到基底整個表面上，甚至在相對較大的基底上(例如，限定大于大約IOOOcm2的表面面積，如大約1500cm2至大約2500cm2)。因此，當前所公開的方法可適用于大規(guī)模制造過程。例如，形成在單獨基底的表面上的薄膜可具有小于平均厚度的大約20%的不均勻性(例如，平均厚度的大約至大約15% )。濺射層可具有大約50nm至大約250nm(例如，大約70nm至大約IOOnm)的平均厚度。薄膜層，尤其是當從半導電靶材濺射時，可在相對較低頻率的RF功率源處形成。 例如，在一個特定實施例中，施加到濺射室上的RF功率源的頻率可在大于大約IkW的功率水平下為大約400kHz至大約4MHz，例如，在從大約2kW至大約5kW的功率水平下為大約 IMHz至3MHz。在不希望由任何特定理論束縛的情況下，人們認為使用這些相對較低頻率的 RF功率源相比于除使用更高頻率的RF功率源(例如，大約IOkW至大約14kW)外的其它同樣的濺射方法，可形成更為均勻的薄膜層。如所提到的那樣，本系統(tǒng)和方法對于在制造PV模塊、尤其是碲化鎘薄膜PV模塊中沉積多個薄膜層，具有特定的有用性。圖1表示可至少部分地根據(jù)本文所述的系統(tǒng)和方法的實施例所制成的示例性的CdTe模塊10。模塊10包括作為基底12的頂部玻璃板，其可為高透射玻璃(例如，高透射硅酸硼玻璃)、低鐵浮法玻璃或其它高度透明的玻璃材料。玻璃通常足夠厚以提供對后續(xù)膜層的支承(例如，從大約0. 5mm至大約IOmm厚)，且大致是平的，以提供用于形成后續(xù)膜層的良好表面。在圖1中，透明傳導氧化物(TCO)層14示為在模塊10的基底12上。TCO層14容許光穿過而吸收最少，同時還容許由模塊10產(chǎn)生的電流側(cè)向地傳輸至不透明的金屬導體 (未示出)。TCO層14可具有大約0. Iym至大約1 μ m之間的厚度，例如從大約0. 1 μ m至大約0. 5 μ m，如從大約0. 25 μ m至大約0. 35 μ m。電阻透明緩沖(RTB)層16示為在TCO層14上。該層16相比于TCO層14通常電阻更大，且可有助于保護模塊10在模塊10處理期間免受TCO層14與后續(xù)層之間的化學相互作用。在有些實施例中，RTB層16可具有大約0.075μπι至大約Iym之間的厚度，例
7如從大約0. 1 μ m至大約0. 5 μ m。在特定實施例中，RTB層16可具有大約0. 08 μ m至大約 0.2μπι之間的厚度，例如，從大約0. Ιμπι至大約0. 15μπι。在特定實施例中，RTB層16例如可包括氧化鋅(SiO)和氧化錫(SnO2)的組合，且稱為氧化鋅錫(“ZTO")層16。ZTO層16可通過濺射、化學汽相沉積、噴霧熱解或任何其它適合的沉積方法而形成。在特定實施例中，ZTO層16通過濺射(例如，DC濺射或RF濺射)到TCO層14上而形成。例如，層16可使用DC濺射方法，通過將DC電流施加到金屬源材料(例如，元素鋅、元素錫，或其混合物)上且在存在氧化氣氛(例如，O2氣體)時將金屬源材料濺射到TCO層14 上而沉積。CdS層18在圖1中示為處在模塊10的ZTO層16上。CdS層18為η型層，其通常包括硫化鎘(CdS)，但還可包括其它材料，如硫化鋅、硫化鎘鋅等及其混合物，以及摻雜物和其它雜質(zhì)。CdS層18可包括直至大約25%的原子百分率的氧，例如從大約5%至大約20% 的原子百分率。CdS層18可具有寬的帶隙(例如，從大約2.25eV至大約23eV，如大約 2. ^V)，以便容許最多的輻射能量(例如，太陽輻射)通過。因此，硫化鎘層18認作是裝置 10上的透明層。CdS層18可通過濺射、化學汽相沉積、化學浴沉積以及其它適合的沉積方法而形成。在一個特定實施例中，CdS層18通過濺射(例如，射頻(RF)濺射)而形成到RTB層16 上，且可具有小于大約0. Ιμπι的厚度。小于大約0. Ιμπι的這種減小的厚度降低了通過CdS 層18對輻射能量的吸收，從而有效地增大了到達下方CdTe層20的輻射能量的總量。在圖1的示例性模塊10中，CdTe層20示為處在硫化鎘層18上。層20為ρ型層，其通常包括碲化鎘(CdTe)，但還可包括其它材料。作為模塊10的ρ型層，CdTe層20為光伏層，該光伏層與CdS層18( S卩，η型層)相互作用，以通過由于其高吸收系數(shù)和產(chǎn)生電子空穴對而吸收進入模塊10中的大多數(shù)輻射能量從而由吸收的輻射能量產(chǎn)生電流。CdTe 層20可具有設(shè)計成用以吸收輻射能量的帶隙(例如，從大約1. 4eV至大約1. 5eV,如大約 1.45eV)，以便在吸收輻射能量時利用最高電勢(電壓)產(chǎn)生最大數(shù)目的電子空穴對。電子可從P型側(cè)(即，CdTe層20)越過結(jié)點(或接合部)傳輸至η型側(cè)(即，CdS層18)，而相反的是，空穴可從η型側(cè)傳遞至ρ型側(cè)。因此，形成在CdS層18和CdTe層20之間的ρ_η 結(jié)點形成二極管，在其中，充電不平衡導致產(chǎn)生越過ρ-η結(jié)點的電場。常規(guī)電流容許僅沿一個方向流動，且使得由光引起的電子空穴對分離。碲化鎘層20可由任何公知的工藝形成，如汽相輸運沉積、化學汽相沉積(CVD)、噴霧熱解、電極沉積、濺射、封閉空間升華(CSQ等。在特定的實施例中，CdTe層20可具有大約0. 1 μ m至大約10 μ m之間的厚度，例如從大約1 μ m至大約5 μ m。一系列在成形后的處理可應(yīng)用于CdTe層20的暴露表面。這些處理可設(shè)計CdTe 層20的功能性，以及制備其表面以便隨后附接到后部接觸層22上。例如，碲化鎘層20可在升高的溫度(例如，從大約350°C至大約500°C，如從大約375°C至大約)下煅燒足夠的時間(例如，從大約1分鐘至大約10分鐘)，以便形成一定質(zhì)量的ρ型碲化鎘層。在不希望由理論束縛的情況下，人們認為煅燒碲化鎘層20 (和模塊10)會將正常較輕的ρ型摻雜或甚至η型摻雜的CdTe層20轉(zhuǎn)換成具有相對較低電阻的更堅固的ρ型層。此外，CdTe 層20可再結(jié)晶，且在煅燒期間經(jīng)歷晶粒生長。此外，銅可加至CdTe層20上。連同適當?shù)奈g刻一起，將銅加至CdTe層20可在CdTe層20上形成碲化銅(Cu2Te)表面，以便在碲化鎘層20 ( S卩，ρ型層)與后部接觸層22 之間獲得低電阻電接觸。后部接觸層22通常用于后部電接觸，相關(guān)的是，相對的TCO層14用于前部電接觸。后部接觸層22可形成在CdTe層20上，且在一個實施例中，與CdTe層20直接接觸。后部接觸層22適于由一種或多種較高傳導性的材料制成，如元素鎳、鉻、銅、錫、鋁、金、銀、锝或合金或它們的混合物。此外，后部接觸層22可為單層，或可為多層。在一個實施例中，后部接觸層22可包括石墨，如沉積在ρ層上的碳層，跟隨ρ層之后的是一個或多個金屬層，如上述金屬。后部接觸層22如果由一種或多種金屬制成或包括一種或多種金屬，則適于由諸如濺射或金屬蒸發(fā)的技術(shù)施加。如果其由石墨和聚合物的混合物，或碳膏劑(或稱為碳漿料)制成，該混合物或膏劑由用于使混合物或膏劑擴散的任何適合方法施加到半導體裝置上，例如絲網(wǎng)印刷、噴霧或通過"刮"刀。在施加石墨混合物或碳膏劑之后，該裝置可經(jīng)加熱以將混合物或膏劑轉(zhuǎn)變成傳導性后部接觸層。如果使用的話，碳層可為大約0. Iym至大約ΙΟμπι厚，例如，從大約Ιμπι至大約5μπι。后部接觸的金屬層如果用于或作為后部接觸層22的一部分時，可為大約0. Ιμπι至大約1. 5μπι厚。在圖1的實施例中，封裝玻璃M示為在后部接觸層22上。其它構(gòu)件(未示出)可包括在示例性模塊10中，如匯流條(或母線)、外部接線、 激光蝕刻劑等。模塊10可分成多個單獨的電池，這些電池串聯(lián)連接以實現(xiàn)期望的電壓，例如通過電接線連接。串聯(lián)連接的電池的各端均可附接到適合的導體上，如導線或匯流條，以將光伏產(chǎn)生的電流引導至方便的位置以便連接至使用所產(chǎn)生的電的裝置或其它系統(tǒng)上。用于實現(xiàn)串聯(lián)連接電池的常規(guī)方式是對模塊10進行激光劃線，以將裝置分成由互連件連接的一系列電池。另外，電導線可連接到PV模塊10的正端子和負端子上，以便提供引導導線來利用由PV模塊10產(chǎn)生的電流。圖2表示根據(jù)本發(fā)明的方面的示例性系統(tǒng)100，其用于將多個薄膜層沉積到傳送穿過系統(tǒng)100的PV模塊基底12 (圖4)上。作為第一問題，如本文更為詳細描述的那樣，應(yīng)當注意的是，系統(tǒng)100不受任何特定類型的薄膜或薄膜沉積工藝所限制。所示的系統(tǒng)100包括第一處理側(cè)102，在其中，裝載在載體122上的基底沿由箭頭 103指示的第一方向傳送。第一處理側(cè)102包括多個不同的處理站104，這些處理站104構(gòu)造成用于在基底沿第一處理側(cè)102傳送時將第一薄膜層沉積到基底上。處理站104可包括串聯(lián)地布置的模塊單元，這些單元排列成用以執(zhí)行將第一膜層沉積到基底上所需的所有處理步驟。具有裝載在其上的一個或多個基底的載體122在入口位置106引入第一處理側(cè) 102中。載體122可人工地載入裝載站152中，或在備選實施例中，自動機器可用于將載體 122引入裝載站152中。例如，機器人或其它自動機器可用于該過程。載體122在相對的出口位置108從第一處理側(cè)102移除，該出口位置108可包括外部緩沖件144。另外，載體122可人工地卸載，或由包括機器人機械等的自動移動設(shè)備接收。系統(tǒng)100包括第二處理側(cè)110，該第二處理側(cè)110相對于第一處理側(cè)102可操作地設(shè)置成以便傳送載體122(和由此運載的基底)，該載體122退出第一處理側(cè)102沿方向箭頭111指示的第二方向穿過第二處理側(cè)110。第二處理側(cè)110包括多個處理站112，這些處理站112構(gòu)造和串聯(lián)地布置成用于將第二薄膜層沉積到第一薄膜層上。正如第一處理側(cè)102，沿第二處理側(cè)110的處理模塊112構(gòu)造成用于在載體122和基底傳送穿過第二處理側(cè) 110時執(zhí)行沉積薄膜層所需的所有處理步驟。第一傳輸站118可操作地設(shè)置在第一處理側(cè)102與第二處理側(cè)110之間，以便從第一處理側(cè)102的出口 108接收基底以及自動地將基底移動至通向第二處理側(cè)110的入口 114。傳輸站118可包括用于實現(xiàn)載體122傳輸?shù)娜魏畏绞降淖詣訖C器。例如，傳輸站118 可包括自動轉(zhuǎn)臺121，該自動轉(zhuǎn)臺121構(gòu)造成用以從第一處理側(cè)102的出口 108接收載體 122，反時針旋轉(zhuǎn)180°，以及用以在第二處理側(cè)110的入口 144處引導載體122。轉(zhuǎn)臺121 可包括用于此目的的任何方式的機器人或其它自動機器。在備選實施例中，傳輸站118可包括實現(xiàn)從第一處理側(cè)102的出口 108至第二處理側(cè)110的入口 144接收和傳送載體122 的作業(yè)的任何方式的傳送器。應(yīng)當容易認識到的是，任何方式的傳輸和傳送構(gòu)造都可用于此目的。在所示的實施例中，第一處理側(cè)102和第二處理側(cè)110基本上彼此平行，使得相應(yīng)處理側(cè)的傳送方向103和111基本上平行且方向相反。從節(jié)省生產(chǎn)設(shè)備空間的觀點來看， 這種布置會是有益的。然而，應(yīng)當容易認識到的是，第二傳送方向可相對于第一處理站102 的軸線以任何相關(guān)的操作角度(包括共線或零角)設(shè)置，且本發(fā)明不限于附圖所示的構(gòu)造。利用圖2中所示的總體構(gòu)造，應(yīng)當容易認識到的是，載體122(具有基底)連續(xù)地移動穿過第一處理側(cè)102和第二處理側(cè)110以便將多個薄膜層沉積于其上。圖2的構(gòu)造為端部敞開的回路構(gòu)造，在其中，載體122處在系統(tǒng)外部，且在入口位置106處引入第一處理側(cè)102中。載體隨后在第二處理側(cè)110的出口位置116處從系統(tǒng)100中移除。如上文所述， 該裝載和卸載過程可人工地或通過自動機器完成。仍參看圖2，如下文更為詳細描述的那樣，各種處理站104，112可由垂直處理模塊 125限定，而各相鄰排列的模塊125用于特定的處理功能。各模塊125均可包括單獨驅(qū)動和控制的傳送器126?；纵d體122擱置在傳送器1 上，且從而以受控的方式移動穿過相應(yīng)的模塊125。在特定的實施例中，傳送器1 可為輥型傳送器、帶式傳送器等。用于各相應(yīng)模塊125的傳送器1 可設(shè)有單獨的驅(qū)動件(附圖中未示出)。在備選實施例中，驅(qū)動件可構(gòu)造成用于通過任何方式的傳動布置驅(qū)動不同模塊125的多個傳送器126。單個的傳送器 1 可與多個模塊125相關(guān)聯(lián)。各種模塊125垂直地定向，因為載體122以垂直定向傳送基底穿過處理側(cè)102， 110。參看圖4，示例性載體122示為由框架部件IM制成的框架型結(jié)構(gòu)。框架部件124限定用于基底12的接收位置，使得基底12水平或垂直地(相對于其縱軸線)接收在載體122 內(nèi)。應(yīng)當認識到的是，載體122可由任何方式的框架結(jié)構(gòu)或部件限定，以便以垂直定向運載一個或多個基底12穿過處理側(cè)。在圖4的實施例中，載體122構(gòu)造成用于接收處于水平位置的兩個基底12。應(yīng)當容易認識到的是，多個基底12還可設(shè)置成使得相應(yīng)基底的縱軸線處于垂直位置?；?2在載體122內(nèi)的任何定向都構(gòu)思為在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)?？蚣懿考蘒M可限定敞開型框架，在其中，基底12基本上收容在由載體122限定的"窗口開口"內(nèi)。在備選實施例中，載體122可限定基底12抵靠其設(shè)置的后部面板。圖5中所示的載體122的實施例構(gòu)造成用于接收四個基底112，其中，成對的基底 12處于背靠背的關(guān)系。例如，一對基底12設(shè)置在載體112的上部框架部分中，而第二對基底12設(shè)置在載體112的下部框架部分中。如下文參照圖7中所示的沉積設(shè)備詳細描述的那樣，當在系統(tǒng)100中同時地處理四個或多個基底12時，可使用圖5中的構(gòu)造。再次參看圖2，第一處理側(cè)104可具體地構(gòu)造成具有一個或多個垂直沉積模塊 128，該模塊128限定用于將氧化鋅錫(ZTO)層沉積在經(jīng)由其傳送的基底上的真空濺射室。 同樣，第二處理側(cè)110可包括一個或多個垂直沉積模塊128，該模塊128限定具體構(gòu)造成用于將硫化鎘(CDQ層沉積到ZTO層上的真空濺射室。真空濺射室的操作是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的，且不需要在本文中詳細描述?；旧隙?，濺射沉積通常涉及從作為材料源的靶材噴射材料，以及將噴射的材料以薄膜層的形式沉積到基底上。DC濺射通常涉及將電壓施加到定位在室內(nèi)的基底附近的金屬靶材(即，陰極)上以形成直流放電。濺射室可具有活性氣氛(例如，氧氣氛)，其在金屬靶材與基底之間形成等離子場。活性氣氛的壓力可處在大約Imtorr至大約20mtorr之間以便進行磁控濺射。當金屬原子在施加電壓的情況下從靶材釋放時，該金屬原子與等離子反應(yīng)并沉積到基底的表面上。例如，當氣氛中含有氧時，從金屬靶材釋放的金屬原子在基底上形成金屬氧化物層。RF濺射是涉及通過在靶材源材料與基底之間施加交變電流(AC)或射頻(RF)信號來激勵電容放電的工藝。濺射室可具有惰性氣氛(例如，氬氣氛)，其具有大約Imtorr至大約20mtorr之間的壓力。圖6示出了構(gòu)造為RF或DC濺射室166的示例性垂直沉積模塊128的總體示意性截面視圖。功率源168構(gòu)造成用以控制和供送DC或RF功率至室166。在DC室166的情況下，功率源168將電壓施加到陰極170上以在陰極170與陽極172之間產(chǎn)生電壓電勢。在所示的實施例中，陽極172由室壁限定。玻璃基底12由載體122保持，以便與陰極170 (也為靶材源材料176)大致相對。一旦濺射氣氛發(fā)光且響應(yīng)于陰極170與用作陽極172的室壁之間的電壓電勢而維持，則形成等離子場174。電壓電勢導致在等離子場174內(nèi)產(chǎn)生等離子的離子，以便朝陰極170加速，從而使來自陰極170的原子朝基底12表面噴射。因此，陰極170為"靶材"，且由源材料限定，以便在基底12的表面上形成期望的特定類型的薄膜。 例如，陰極170可為金屬合金靶材，如元素錫、元素鋅或不同金屬合金的混合物。室166中的氧與噴射的靶材原子反應(yīng)，以便在基底12上形成氧化物層，如ZTO層。硫化鎘(CcK)薄膜層可通過在基本上為惰性的氣氛中在陶瓷靶材源材料與基底 12之間施加交變電流(AC)或射頻(RF)信號而形成在RF濺射室166 (圖6)中。盡管圖6和圖7中示出了單個功率源，但大體上理解的是，多個功率源可與相應(yīng)的靶材源聯(lián)接在一起，以便在室166內(nèi)產(chǎn)生所期望的濺射狀態(tài)。圖6示出了室166內(nèi)的加熱器元件178。任何方式或構(gòu)造的加熱器元件都可構(gòu)造在室166內(nèi)，以便在室內(nèi)保持期望的沉積溫度和氣氛。在圖6的實施例中，垂直沉積模塊1 構(gòu)造成用于將薄膜層沉積到定向為朝向靶材源材料176的基底12 —側(cè)上。圖7示出了一個實施例，在其中，室166包括雙濺射系統(tǒng)， 以便將薄膜施加到固定在載體122中的背靠背的基底12的向外面向的表面上，如圖5所示和上文參照圖5所述的載體122構(gòu)造。因此，利用圖7中所示的垂直沉積模塊128，四個基底同時進行處理以便將特定的薄膜層沉積到其上。再次參看圖2中的系統(tǒng)100，與相鄰設(shè)置的垂直沉積模塊1 相關(guān)聯(lián)的單獨傳送器1 受到控制，以便將載體122和附接的基底以受控的恒定線速度傳送穿過真空濺射室， 從而確保將薄膜均勻地沉積到基底的表面上。另一方面，載體122和基底以逐步的方式引入和引出相應(yīng)的處理側(cè)102，110。在此方面，系統(tǒng)100包括任何構(gòu)造的入口和出口模塊、相關(guān)的傳送器126，以及與控制器156相關(guān)聯(lián)的真空鎖定閥154。此外，相應(yīng)的處理側(cè)102， 110可包括在其相應(yīng)的入口和出口側(cè)處的附加非真空模塊，其用于將載體112載入和卸出系統(tǒng)100，相對于傳輸站118緩沖載體122，以及在從系統(tǒng)100移除基底之前冷卻基底和載體 122。例如，參看圖2，第一處理側(cè)102包括多個相鄰設(shè)置的垂直處理模塊125。這些模塊125中的第一個限定裝載站152，在其中，載體122載入該系統(tǒng)中。如所提到的那樣，這可人工地或自動地完成。裝載站152模塊內(nèi)的相應(yīng)傳送器使載體122移動至真空裝載模塊132。該模塊132包括入口真空閥154，該入口真空閥巧4例如可為由相關(guān)馬達156促動的閘門型狹縫閥或旋轉(zhuǎn)擋板閥。初始閥巧4開啟，且載體122從裝載模塊152傳送至模塊 132。入口閥IM然后關(guān)閉。在這里，“粗"真空泵162從大氣壓抽空至毫托范圍內(nèi)的初始"粗"真空。粗真空泵162例如可為具有羅茨型鼓風機的爪型機械泵。當抽空至限定的交叉壓力(crossover pressure)時，位于裝載模塊132與相鄰的裝載緩沖模塊134之間的閥154開啟，且載體122傳輸至裝載緩沖模塊134中。位于模塊132和134之間的閥巧4 然后關(guān)閉，裝載模塊132通風，且初始閥IM開啟以將下一載體122接收到模塊中?！案? 或"細"真空泵164在裝載緩沖模塊134中抽取增大的真空，且模塊134可回填過程氣體以匹配下游處理室中的狀態(tài)。例如，細真空泵164可為構(gòu)造成用于將模塊抽空至大約小于或等于9X 10_5torr的低溫泵的組合。過程緩沖模塊136位于裝載緩沖模塊134的下游，且在裝載緩沖模塊134內(nèi)的預定真空壓力和狀態(tài)下，這兩個模塊之間的閥巧4開啟，且載體122傳送到過程緩沖模塊136 中。模塊134和136之間的閥IM然后關(guān)閉。過程緩沖模塊136用于將載體122的逐步傳送基本上轉(zhuǎn)換成受控的線性傳送，使得載體122的前緣距前一載體122的后緣處在窄的、限定的空間或距離(即，大約20mm)內(nèi)，以便載體122以受控的恒定線速度傳送穿過下游沉積模塊128，且相應(yīng)載體122之間的空間很小。因此，應(yīng)當認識到的是，在正常生產(chǎn)操作期間， 過程緩沖模塊136與第一垂直沉積模塊1 之間的閥IM開啟。同樣，相鄰的垂直沉積模塊1 之間的閥1 也是開啟的。處于第二垂直沉積模塊1 出口處的閥IM也是開啟的。 以此方式，保持了載體122以恒定處理速度連續(xù)地流動穿過相鄰設(shè)置的垂直沉積模塊128。仍參看圖2，過程后緩沖模塊138設(shè)置在最末垂直沉積模塊128的下游，且這些模塊之間的閥1 在正常處理期間是開啟的。當載體122以受控的恒定線速度離開垂直沉積模塊128時，它們進入過程后緩沖模塊138，且然后以更大的速度朝向直接位于下游的出口緩沖模塊140行進。在該傳送步驟之前，模塊138和140之間的閥巧4關(guān)閉，且模塊140通過細真空泵164進行抽吸，且由過程氣體回填以匹配處理區(qū)的狀態(tài)。一旦滿足這些條件，則各室之間的閥巧4便開啟，且載體122以相對較高的速度傳輸?shù)匠隹诰彌_模塊140中。在模塊140與下游出口模塊142之間的預定交叉壓力(其可通過粗真空泵162在模塊142內(nèi)實現(xiàn))下，這些模塊之間的相應(yīng)的閥巧4開啟，且載體122傳送到出口模塊142中。出口模塊142然后可與大氣通風。這里，模塊142出口處的閥巧4開啟，且載體122傳送到外部緩沖件144中。從外部緩沖件144，載體122移動到轉(zhuǎn)臺121或構(gòu)造在傳輸站118處的其它傳輸機構(gòu)中。載體在傳輸站118處旋轉(zhuǎn)或以另外的方式移動至一定位置，以便在第二處理側(cè)110 的入口點處進入外部緩沖件144中。
過程緩沖模塊136和過程后緩沖模塊138可包括一個或多個相應(yīng)的真空泵165，如渦輪分子泵，其直接地安裝在模塊后部以便保持處理真空壓力。同樣，垂直沉積模塊1 還可包括任何方式的真空泵，如渦輪分子泵165，其直接安裝在與相應(yīng)模塊相關(guān)的各陰極對之間的模塊的后部上。再次參看圖2的系統(tǒng)100，傳輸至與第二處理側(cè)110相關(guān)的外部緩沖件144的載體 122隨后以基本上與上文相對于第一處理側(cè)102論述的相同方式傳送穿過各個垂直處理模塊125。如上文所述，各個閥154、泵162，164，165和相應(yīng)傳送器126的操作和順序是為了以逐步的方式將載體122步進到處理模塊中的目的，在其中，載體122然后以恒定的線速度傳送穿過垂直沉積模塊128。在第二處理側(cè)110中的垂直沉積模塊1 構(gòu)造成用于將第二薄膜層沉積到第一薄膜層上，如上文所述，例如CdS層。在離開第二處理側(cè)110的出口模塊142之后，載體122移動到一個或多個冷卻站 148中，在其中，容許載體和附接的基底在從系統(tǒng)100移除之前冷卻至期望的操縱溫度。移除過程可為人工或自動的，例如，利用機器人機器。圖2和圖3中的系統(tǒng)100由多個互連模塊限定，如上文所述，各個模塊均用于特定的功能。構(gòu)造成具有單獨模塊的相應(yīng)傳送器1 對于各種功能還適當?shù)厥艿娇刂?，如同閥 IM和相關(guān)的促動器156 —樣。出于控制目的，各單獨模塊均可具有構(gòu)造成與其結(jié)合的相關(guān)的控制器158，以便控制相應(yīng)模塊的單獨功能。多個控制器158繼而又可與中央系統(tǒng)控制器160通信。中央系統(tǒng)控制器160可監(jiān)測和控制(通過單獨的控制器158)任何一個模塊的功能，以便實現(xiàn)總體期望的傳送速率，以及在它們移動穿過系統(tǒng)100時處理由載體122運載的基底。應(yīng)當容易認識到的是，盡管本文在特定實施例中將沉積模塊1 描述為濺射沉積模塊，但本發(fā)明不限于該種特定的沉積工藝。垂直沉積模塊1 可構(gòu)造為任何其它適合類型的處理室，如化學汽相沉積室、熱蒸發(fā)室、物理汽相沉積室等。在本文所述的特定實施例中，第一處理側(cè)可構(gòu)造成用于沉積ZTO層，而垂直沉積模塊1 構(gòu)造為活性(使用氧)DC真空濺射室。各模塊1 均可構(gòu)造成具有四個DC水冷式磁控管。如上文所述，各模塊1 還可包括安裝在各陰極對之間的后部室上的一個或多個真空泵。與第二處理側(cè)110相關(guān)的垂直沉積模塊1 可構(gòu)造為RF真空濺射室，而各模塊1 均包括三個RF水冷式磁控管以便由CdS陶瓷靶材料沉積CdS層。這些模塊1 還可包括安裝在陰極對之間的一個或多個真空泵。圖3示出了備選系統(tǒng)100，其類似于圖2中的系統(tǒng)，但包括位于第二處理側(cè)110的出口與第一處理側(cè)102的入口之間的第二傳輸站120。因此，該特定系統(tǒng)限定了連續(xù)回路， 在其中，載體122在處理回路中連續(xù)地傳送穿過系統(tǒng)。載體122移出第二處理站110的出口模塊142，且穿過冷卻站148。載體122然后移動到第二傳輸站120中，該第二傳輸站120 可如上文相對于第一傳輸站118所述那樣構(gòu)造。載體從最末冷卻站148傳輸至與第一處理側(cè)102對準的卸載站150。當載體122移動穿過卸載站150時，基底便從載體上移除。再次的是，該過程可為人工的，或通過自動機器人機器實現(xiàn)?？盏妮d體然后移動到裝載站152 中，在其中，新的基底載入載體122中。如上文參照圖2所述，載體122和相關(guān)的基底然后通過第一處理側(cè)102和第二處理側(cè)110進行處理。圖3中的系統(tǒng)100是獨特的，因為該過程以連續(xù)回路方式執(zhí)行，在其中載體122不必從系統(tǒng)移除。系統(tǒng)的效率和生產(chǎn)量利用圖3的構(gòu)造可顯著地提高。圖2和圖3中所描繪的系統(tǒng)100的生產(chǎn)量可通過利用如圖7所示的垂直沉積模塊 128來進一步提高，其中，模塊1 基本上為以面對關(guān)系構(gòu)造的兩個單獨室的組合，以便將薄膜層沉積到安裝在載體122內(nèi)的背靠背基底的表面上，如圖5的載體構(gòu)造所示。在圖2和圖3的系統(tǒng)100實施例中，處理真空單獨地抽取且在相應(yīng)的處理側(cè)102， 110中保持。載體沿第一處理側(cè)102從真空處理模塊125移除，傳輸至第二處理側(cè)110，且引入如上文所述的第二處理側(cè)110的真空處理模塊125中。應(yīng)當容易認識到的是，本發(fā)明還包含系統(tǒng)100，在其中，整個真空在第一處理側(cè)102與第二處理側(cè)110之間保持。在此種系統(tǒng)中，載體122將被緩沖且從一個處理側(cè)傳輸至真空室內(nèi)的另一側(cè)。本發(fā)明還包含用于將多個薄膜層沉積到光伏(PV)模塊基底上的各種處理實施例。該處理可利用上述各種系統(tǒng)實施例，或通過適合的系統(tǒng)構(gòu)件的任何其它構(gòu)造來實施。因此，應(yīng)當認識到的是，根據(jù)本發(fā)明的處理實施例不限于本文所述的系統(tǒng)構(gòu)造。在特定的實施例中，該過程包括將載體上的基底沿第一方向傳送穿過第一處理側(cè)，以及在它們移動穿過第一處理側(cè)時將第一薄膜層沉積到基底上。載體在第一處理側(cè)的出口處接收，且移動到第二處理側(cè)的入口。載體和附接的基底然后傳送穿過第二處理側(cè)以將第二薄膜層沉積到第一薄膜層上?；自诘诙幚韨?cè)出口下游的卸載站處從載體移除， 且新的基底在第一處理側(cè)入口上游的裝載站處放置到載體上。該過程可包括使載體和附接的基底沿第一處理側(cè)和第二處理側(cè)以逐步的方式移入和移出真空室，例如，穿過一系列真空鎖(或真空閘)，但在沉積過程期間以連續(xù)的線速度傳送載體和附接的基底穿過真空室。在特定的實施例中，第一處理側(cè)和第二處理側(cè)大致平行，且載體沿連續(xù)回路移動穿過第一處理側(cè)和第二處理側(cè)，而卸載站和裝載站在連續(xù)回路內(nèi)相鄰。在另一實施例中，第一處理側(cè)和第二處理側(cè)大致平行，且載體在通向第一處理側(cè)的入口處裝載，而在第二處理側(cè)的出口處移除。在又一處理實施例中，薄膜層沉積在沿第一處理站和第二處理站限定的真空室內(nèi)，且載體和附接的基底移動穿過系統(tǒng)，而不會破壞第一處理側(cè)與第二處理側(cè)之間的真空。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，且還使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所構(gòu)思出的其它實例。如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)差別的同等結(jié)構(gòu)元件，則認為這些其它實例落在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種將薄膜濺射到單獨基底(1 上的方法，所述方法包括將單獨基底(12)傳送到真空室中以抽取小于大約50mTorr的濺射壓力；以及，將所述單獨基底傳送到濺射室(166)中且穿過平面磁控管，從而由電離氣體以所述濺射壓力連續(xù)地濺射靶材(170)，使得薄膜形成在所述單獨基底(1 的表面上，以及其中，所述靶材經(jīng)受高頻功率，所述高頻功率在大于大約IkW的功率水平下具有大約400kHz至大約 4MHz的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述濺射壓力為大約ImTorr至大約 25mTorr。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在濺射時，所述基底(12)以大致恒定的線傳送速率傳送。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述靶材(170)經(jīng)受高頻功率，所述高頻功率在大約2kW至大約5kW的功率水平下具有大約IMHz至大約3MHz的頻率。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述高頻功率經(jīng)由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)供送。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述靶材(170)為平面靶材，所述平面靶材具有大于大約IOOOcm2的表面面積，優(yōu)選為具有大約1500cm2至大約2500cm2的表面面積。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，形成在所述單獨基底(1 的表面上的所述薄膜具有大約50nm至大約250nm的平均厚度，優(yōu)選為大約70nm至大約lOOnm。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，形成在所述單獨基底(1 的表面上的所述薄膜具有小于所述平均厚度的大約20%的不均勻性，優(yōu)選為所述平均厚度的大約 7%至大約15%。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述薄膜以快于15ηπι·πι7分鐘的速率形成在所述單獨基底(1 的表面上。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述頻率選擇為使得在濺射期間形成的磁場線不會在所述基底的第一表面的前方閉合。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述電離氣體包括氬，且優(yōu)選為基本上由氬構(gòu)成。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述濺射溫度為大約20°C至大約 25 0C ο
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將所述單獨基底(1 加熱至濺射溫度。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述濺射溫度為大約20°C至大約200°C，優(yōu)選為大約50°C至大約150°C。
15.一種將薄膜濺射到單獨基底(1 上的方法，所述單獨基底限定具有大約IOOOcm2 至大約2500cm2的表面面積的表面，所述方法包括將單獨基底(12)傳送到真空室中以抽取小于大約50mTorr的濺射壓力；將所述單獨基底(1 加熱至大約50°C至大約200°C的濺射溫度；以及傳送所述單獨基底進入濺射室(166)，且穿過平面磁控管，從而由電離氣體以所述濺射壓力連續(xù)地濺射平面靶材(170)，以便薄膜形成在所述單獨基底(1 的表面上，所述平面靶材(170)限定大約IOOOcm2至大約2500cm2的表面面積，其中，在濺射時，所述基底以大致恒定的線傳送速率連續(xù)地傳送，以便形成在所述單獨基底(1 的表面上的所述薄膜具有大約50nm至大約250nm的平均厚度，而不均勻性為所述平均厚度的大約7%至大約15%， 以及其中，所述靶材(170)經(jīng)受高頻功率，所述高頻功率在大于大約IkW的功率水平下具有 400kHz至大約4MHz的頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于將復合半導體高速濺射到大面積基底上的方法。具體而言，該方法主要提供成用于將薄膜濺射到單獨基底(12)上。單獨基底(12)可傳送到真空室中以抽取小于大約50mTorr的濺射壓力。然后，單獨基底(12)可傳送到濺射室(166)中，且穿過平面磁控管由電離氣體以濺射壓力連續(xù)地濺射靶材(170)，使得薄膜形成在單獨基底的表面上。該靶材(170)經(jīng)受高頻功率，該高頻功率在大于大約1kW的功率水平下具有從大約400kHz至大約4MHz的頻率。在一個特定實施例中，該方法可主要針對將薄膜濺射到單獨基底(12)上，該單獨基底限定具有大約1000cm2至大約2500cm2的表面面積的表面。
文檔編號C23C14/06GK102234779SQ20111011291
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者R·D·戈斯曼, R·W·布萊克, S·T·哈羅蘭 申請人:初星太陽能公司