CN101663414A - 提供硫属元素的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在基板上，尤其是在用母体层制备并由任何期望材料组成的平面基板上，优选地在由浮法玻璃组成的基板上产生薄层形状的硫属元素的方法和装置。本发明旨在提供很快速、成本有效的用于在平面基板上涂布硫属元素的方法，特别是用于涂敷100nm－10μm范围薄层的硫属元素，或者这些材料的混合物，以及适于进行这样的方法的装置。这可以通过以下步骤实现：形成防氧关闭气相沉积头(11)中的运输通道(6)的进气侧和出气侧的气幕，向运输通道(6)中导入惰性气体用于置换空气中的氧，将要被涂层的一种或多种基板(3)-所述基板的温度被调节到预定的温度-导入到处理室(1)的运输通道(6)中，将硫属元素气/载气混合物从源引入到基板(3)上方的气相沉积头的运输通道(6)中，以预定的压力通过PVD方法在基板上形成硒层，经过预定的处理时间后移去基板(3)。

Description

提供硫属元素的方法和装置

技术领域

本发明涉及在基板上，尤其是在用母体层制备并由任何期望材料组成的平面基板上，优选地在由浮法玻璃组成的基板上产生薄层形状的硫属元素的方法和装置。

发明内容

本发明涉及一种新的源(装置组件)，其用于热蒸发硒、硫、碲和它们彼此之间的或与其他物质的化合物或它们的混合物，这些物质通常也称为硫属元素，以将它们沉积在大面积的基板上，这些基板先前已经提供有钼，在其上提供有由铜/镓或铟组成的金属母体层。这些金属层在进一步的工艺中在硫属元素的帮助下被随后转化为太阳能组件的化合物半导体层。所述基板具有用于光伏太阳能组件的常规尺寸，例如1.25×1.1m。

需要硫属元素作为工艺物质将金属母体层转化为化合物半导体层。典型的转化温度为500-600℃。在这种情况下，转化温度如此高，使得在大约20℃的室温下为固体物质状态的硫属元素在工艺装置内蒸发。在这种情况下，硫属元素再次从基板蒸发或另外地进料到处理室。在大气压力下即，在大约1000hpa下在金属基板上操作产生硫属元素层的源。

在利用高真空或大气条件下用其他方法，接着使用含氢气体，用硫属元素涂敷事先用母体层制备的基板的方法是已知的，如EP0318315A2所述。迄今为止，在涂敷硫属元素的研究或在工业应用中没有提供利用大气压力(大约1000hpa)的方法。用所述硫属元素进行涂敷在10^-6-10^-3之间的压力下实施，在这种情况下，硒或硫在高真空下热蒸发。

高真空工艺的缺陷是设备昂贵，该设备包括真空室、阀和真空泵。长的泵时间是此处的原则，以及同样需要长时间将基板导入锁和排出真空室。通常在用硒、硫或硒和硫的混合物涂敷的过程中，使用真空以避免元素氧。在氧存在时，硒反应生成有毒化合物(氧化硒)，其对进一步的工艺，如在硫属元素的帮助下将金属层转化为半导体层，即所谓的黄铜矿层具有破坏作用，或者削弱半导体层的功能并大大降低其功效。

高度真空工艺在工艺大规模生产中通常造成高的成本。泵时间和锁时间造成循环时间增加并由此总是造成生产率下降以及长的工艺时间。

一个解决方案是，一是同时使用许多机器，但是这会需要高的投资，或者加快工艺进行。

本发明所要获得的目标在于提供非常快且成本有效的硫属元素的涂敷方法，具体地用于将范围100nm-10μm内的硫属元素薄层或这些材料的混合物涂敷在平面基板上，以及适合进行该方法的装置。

在上面的介绍中所提及类型的方法的情况下，本发明的目标是通过以下步骤实现：形成防氧关闭气相沉积头中的运输通道的进气侧和出气侧的气幕，向运输通道导入惰性气体用于置换空气中的氧，将要被涂层的一种或多种基板-所述基板的温度被调节到预定的温度-导入到处理室的运输通道中，将硫属元素气/载气混合物从源引入到基板上方的气相沉积头的运输通道中，以预定的压力通过PVD方法在基板上形成硒层，经过预定的处理时间后移去基板。

优选地，在处理室中设定大约一个大气压±几个帕斯卡的偏差的压力。

为了保证均匀地涂敷硫属元素，在涂敷过程中，将基板相对于气相沉积头移动，基板以恒定的速度移动。

如果在运输到处理室的运输通道前将基板的温度调节到200℃以下，例如调节到20℃-50℃或室温下，会更加有利。

在本发明的形成过程中，通过在处理室的运输通道的进气侧和出气侧形成气幕排出氧形成涂敷工艺，所述气幕由惰性气体，例如稀有气体如氩气组成。

最后，硫属元素气/载气混合物被直接导到基板的表面上。

本发明的目标通过进行该方法的装置进一步实施：其中，处理室提供有运输通道，该运输通道被布置到运输平面基板的运输装置上，其中，运输通道提供有由进气侧和出气侧的惰性气体或稀有气体组成的防氧气幕，其中，运输通道装有在气幕之间的处理室中的载气，其中，气相沉积头直接布置在运输通道上方的基板上方，所述气相沉积头与用于硫属元素气/载气混合物的进料装置相连。

在本发明的第一个构造中，气相沉积头提供有槽-其横穿基板的运输方向布置，并指向后者-用于进料硫属元素气/载气混合物。

在蒸发室和槽之间的气相沉积头提供有多个压缩后接扩展区，它们一个接一个，分布在所述槽的整个宽度，使得硫属元素气/载气混合物在通向槽的过程中被多次压缩和扩展，由此均一地分布在槽的整个宽度上。

在本发明的一个特定的构造中，气相沉积头构造设计为类似喷头，并提供有多个流出口。

包括结合的连接元件的气相沉积头和蒸发源可以用合适的加热系统例如电热系统加热。

在本发明的形成过程中，能够与硫属元素气或硫属元素气/载气混合物接触的所有组件由耐受该混合物的材料如石墨组成。

另外，在处理室中的压力可以被设定为大气压力。

基板的温度可以在运输装置上被调节为-50℃-+100℃，或者室温。

在涂敷硫属元素过程中，也可能暂时增加处理压力使在处理中基板不与氧接触。

在所称谓氮幕的帮助下，排除氧是可能的。然而，迄今为止只使用真空泵除去氧来解决这个问题。

在涂敷过程中，必须绝对避免氧的进入，否则氧也会包含到硫属元素的涂层中。氧与硒和硫化学反应，在这种情况下，主要是硒和氧之间形成的化合物会对随后形成黄铜矿半导体的系统反应有害。

该方法的优点包括在工业工艺中，涂敷显著地更快、循环时间更短，并且由于较少的装置，因此在产生的资本支出方面成本较低，所以更加经济有效。

本发明涉及任何期望基板的新的工艺(方法)，在该方法中，在大气条件或在高真空和大气压力之间的压力下将薄硫属元素层涂敷到大面积的基板上，例如由浮法玻璃构成的基板上。

本发明的特定特征为不在高真空下工作，而是利用大气环境压力工作，由此所述装置工艺被大大简化。尤其当在大气条件下工作时，根本不需要真空泵和真空阀。

对于进一步的方法步骤，进行涂敷硫属元素需要完全排除氧。在现有技术中，这种氧的排除通过使用真空方法实现。

一种简便的多的方法是使用利用所称的氮气幕或惰性气幕工作的连续方法。在这种情况下，通过利用基板在通过实际的涂敷区域前先通过强氮气或惰性气流(例如稀有气体如氩气)形式的气幕，来避免或排除氧气进入工艺装置。在穿过气幕后，基板置于在几乎不含有氧气的空间中。在这种情况下，没有氧气表示在残余的气体中，残存的氧气含量低于5ppm氧气。在这些条件下，可以产生高质量的硫属元素涂层。

基于具体实施方式下面将更加具体的说明本发明。

附图说明

图1显示了进行硫属元素涂层，尤其是在大面积基板上涂敷这些材料薄层的方法的装置主视图。

图2显示了图1的装置的透视侧视图。

图3显示了具有连接的运输装置的气相沉积头的示意图，该运输装置运输大面积的基板通过气相沉积头中的运输通道。

附图标记清单

1.处理室

2.运输装置

3.大面积基板

4.进气侧锁

5.出气侧锁

6.运输通道

7.硫属元素的进料装置

8.槽

9.室

10.通道

11.气相沉积头

12.加热装置

13.容器

14.管道

15.计量和锁装置

16.阀

17.提取和处理装置

18.收集容器

19.硫属元素收集器

具体实施方式

图1显示了处理室1，其适于连续工作并具有运输装置2，该运输装置用于供给大面积基板3和用于将大面积基板3运输到另外的处理站，例如热处理炉(没有显示)。处理室1，其装备有气相沉积头11中的内部运输通道6，包括双层壁的高级钢腔。相反，由于小的热膨胀，具有穿透其中的运输通道6的气相沉积头11完全由石墨组成，石墨不与硒反应并具有良好的热稳定性，具有最适的温度分布。

处理室1的运输通道6配备有进气侧和出气侧的锁4、5，在每个锁中，包括由基板3的运输通道6中的氮气或惰性气体组成的多级气幕(图3)，使得当气相沉积头11和运输通道6中的内部充有载气时，位于其中的大气中的氧被排出(图3)。氩气也能够用作惰性气体。锁4、5每个的多级气幕包括两个相邻的氮气幕，两个气幕气流方向相反，从顶部流向底部，由此在锁区中间产生小的余压，另外在两个氮气幕之间的顶部和底部的提取系统也是如此。

为此，气流口和提取嘴(未显示)位于运输通道6的顶壁的上部和进气侧和出气侧的底部。

应该指出的是，在一侧开口并提供有气幕的运输通道6也可以配备有并在本发明的气相沉积头11中工作，但是在这种情况下工作是间歇式的而不是连续的。

位于两个锁4、5之间的无氧区域的是用于硫属元素例如硒的进料装置7，进料借助载气通过处理室1的运输通道6顶部的槽8进行。所述槽8与运输通道6上方的液体和气体硒的气相沉积头11中的室9通过通道10相连，并提供有加热装置12(在图3中示意性地指出)。硒气的产生主要是温度依赖性的，气体的产生在350℃和550℃之间大大增加，使得所需的加热系统应配备温度调节装置。

室9是穿过气相沉积头11的简易水平洞，其两端关闭。一个水平传感器(没有显示)可以布置在室9中。为了弥补作为气体随载气离开室9的硒，将所述室与漏斗形状的硒容器13通过管道14连接(图1)。在室温下硒以固体状态呈小球形状贮存在容器13中，并且以该状态供给室9并在此处蒸发。

为了避免当室9被填充时硒气会通过管道14和容器13逃逸，将一个计量和锁装置16置于容器13和室9之间(图1)。

所述计量和锁装置16，其没有具体说明，其包括具有中心固定的旋转部分的圆柱箱体。所述箱体具有两个洞，准确地说，一个在上部，一个在下部，每个洞都在同一节圆直径上，但是偏角为180°。同样旋转部分具有在同一节圆直径上的两个洞，偏角为180°。如果在箱体中的上部的洞在上面与旋转部分的洞之一对齐，那么硒球能够从容器13落入洞中。如果旋转部分随后旋转180°，硒球能够从旋转部分的洞穿过箱体中的较低的洞通过管道14，进入室9。同时，将旋转部分的另一个洞再次装满来自所述容器的硒球。

另外包括具有完全开口的球阀的阀16置于计量和锁装置与室9之间，所述开口只在计量所述计量和锁装置15中的硒球期间短暂打开。

通过这种方式，首先一个精确的符合要求的计量成为可能，而且其次，也保证了没有硒气能够逃逸。

为了实现在槽8的整个宽度上硒气/载气混合物的均一分布，多个压缩和扩展一个接一个沿着通道10排列在气相沉积头11中，使得硒气在通往槽8的路径中可以被积累并随后在扩展区中再次扩展。该过程被重复几次，使得硒气在期望的宽度上分布并接着离开气相沉积头11通过槽8进入运输通道6。

不言而喻，必须通过加热系统12将气相沉积头11恒定地保持在硒的蒸发温度以上。

除了以一个或多个槽8形状的进料装置，将基板3上的运输通道中的一个或多个硫属元素(如硒)涂布头(没有显示)布置在两个锁4、5之间的运输通道6中的无氧空间也是可能的。

所述涂布头构造与淋浴器喷头类似。因此涂布头是具有许多硒气流出口的平板元件。

作为替代物，涂布头也可以表现为含有多个开口的简易管，通过开口排出硫属元素。

硫属元素源，即室9和气相沉积头11中的槽8的供给管温度必须高于硫属元素的蒸发温度，使得气相硫属元素从槽8中冒出，并且所述蒸气能够沉积在基板3上。这防止硫属元素无目的地沉积在并阻塞槽8。

基板3穿过一个或多个在具有辊子的运输装置2上的槽8的下面，所述辊子在传送带或气垫上。基板3被冷却，或者处于大约20℃的室温下，或者被加热。基板3优选处于室温下，其可以通过气相沉积头加热。加热对于该方法相对不重要。基板3涂敷硫属元素后，被送到热处理炉(没有显示)中，在此处接着通过硫属元素介导的方式按要求将金属层转变为化合物半导体层。

通过一个提取和处理装置17将多余的硫属元素/载气混合物从处理室1中除去，并且在处理过程中获得的固体硫属元素如硒被收集在收集容器18中。为此，硫属元素气/载气混合物穿过所称的硫属元素捕获器19传导，在该捕获器中，硫属元素转变为固态物并从此处导入收集容器18。

根据本发明的装置和方法不仅可以使硫属元素沉积在任何期望的基板上例如玻璃或硅基板成为可能，而且也能够毫无疑问地用于任何其他涂敷目的以及其他可蒸发的物质。

Claims (22)

1.在基板上，尤其是在用母体层制备并由任何期望材料组成的平面基板上，优选在由浮法玻璃组成的基板上，提供薄层硫属元素的方法，其特征在于

-形成防氧关闭气相沉积头(11)中的运输通道(6)的进气侧和出气侧的气幕，

-向运输通道(6)导入惰性气体用于置换空气中的氧，

-将要被涂层的一种或多种基板(3)导入到处理室(1)的运输通道(6)中，其中所述基板的温度被调节到预定的温度，

-将硫属元素气/载气混合物从源导入到基板(3)上方的气相沉积头的运输通道(6)中，以预定的压力通过PVD方法在基板上形成硒层，和，

-经过预定的处理时间后移去基板(3)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于在运输通道(6)中设定为一个大气压。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于在运输通道(6)中设定大气压。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于在涂敷过程中基板(3)相对于气相沉积头(11)移动。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于基板(3)以恒定速度移动。

6.根据权利要求1-5任一项的方法，其特征在于基板(3)在被运输到处理室(1)的运输通道(6)前，被调节到200℃以下的温度。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于基板(3)被调节到20℃-50℃的温度。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于基板(3)被调节到室温。

9.根据权利要求1的涂布方法，其特征在于通过用在处理室(1)中的运输通道(6)的进气侧和出气侧上形成的气幕排出氧气形成所述涂布方法。

10.根据权利要求9的涂布方法，其特征在于所述气幕由惰性气体形成。

11.根据权利要求10的涂布方法，其特征在于惰性气体使用稀有气体。

12.根据权利要求10的涂布方法，其特征在于稀有气体使用氩气。

13.根据权利要求1-12任一项所述的涂布方法，其特征在于硫属元素气/载气混合物从气相沉积头(11)直接导入基板(3)的表面。

14.用于进行权利要求1-8的方法的装置，其特征在于处理室(1)提供有运输通道(6)，该运输通道被布置到运输平面基板(3)的运输装置(2)上，其中，运输通道(6)在进气侧和出气侧提供有由惰性气体或稀有气体组成的防氧气幕(4，5)，其中，运输通道(6)装有在气幕之间的处理室(1)中的载气，并且其中，气相沉积头(11)直接布置在运输通道中的基板(3)上方，所述气相沉积头与用于硫属元素气/载气混合物的进料装置(7)相连。

15.根据权利要求14的装置，其特征在于气相沉积头(11)提供有槽-其横穿基板(3)的运输方向布置，并指向后者-用于运输通道(6)进料硫属元素气/载气混合物。

16.根据权利要求15的装置，其特征在于在气相沉积头(11)中在蒸发室(9)和槽(8)之间的通道(10)中布置一个接一个的多个压缩后接扩展区，分布在所述槽的整个宽度，使得硒气/载气混合物在通向槽(8)的过程中被多次压缩和扩展。

17.根据权利要求14的装置，其特征在于在气相沉积头(11)构造设计为类似喷头，并提供有多个流出口。

18.根据权利要求14-17任一项的装置，其特征在于包括结合连接元件的气相沉积头(11)和室(9)能够被加热。

19.根据权利要求14-18任一项的装置，其特征在于能够接触硫属元素气或硫属元素气/载气混合物的所有组件由耐受该混合物的材料如石墨组成。

20.根据权利要求14-19任一项的装置，其特征在于处理室(1)和运输通道(6)中的压力可以被调整到高真空和大气压力之间。

21.根据权利要求14-20任一项的装置，其特征在于基板(3)可以在运输装置(2)上被调节到-50℃-+100℃的温度。

22.根据权利要求21的装置，其特征在于基板(3)可以被调节到室温。

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