CN101962751B

CN101962751B - 一种多步物理气相沉积设备

Info

Publication number: CN101962751B
Application number: CN2010105208347A
Authority: CN
Inventors: 王东; 李学耕; 于平荣
Original assignee: OPTONY SOLAR (HANGZHOU) CO Ltd
Current assignee: OPTONY SOLAR (HANGZHOU) CO Ltd
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN101962751A

Abstract

本发明公开了一种多步物理气相沉积设备，包括：用于装载-卸载衬底的装载-锁定腔，和与装载-锁定腔相连的沉积腔主体；沉积腔主体由钟形外罩、单室柱状真空腔体和中心旋转柱构成，单室柱状真空腔体的内部被若干带通孔的竖直隔离板分离为若干个扇形分区，依次为：装载/卸载区、预加热区、第一沉积区、第二沉积区、......、第N沉积区和降温区；每个扇形分区中各设有一与中心旋转柱相连的衬底固定件，其与各扇形分区的底面平行，相邻的两个衬底固定件之间通过从相邻扇形分区之间的竖直隔离板上的通孔穿过的水平隔板连接。本发明实现了多步物理气相在线沉积，增加产量并降低生产成本，产品质量可靠性高，而且不会增加设备成本和技术难度。

Description

一种多步物理气相沉积设备

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及采用多步物理气相沉积的衬底处理设备。

背景技术

在特定衬底上进行一层物质的沉积已经被广泛应用到一些领域，比如纳米材料制备以及半导体器件制造。要得到所需性能的薄膜材料，必须严格遵守沉积工序。一种技术要进行商业化推广并投入大批量生产，降低成本就成为关键。在工业生产中，为了降低生产成本，在高产出的在线设备中进行薄膜的沉积就更具优势。

但是，一些材料的沉积工序很难使用在线方法在单个沉积腔体中完成。一个例子就是在薄膜太阳电池中铜铟镓硒[Cu(In，Ga)Se₂，CIGS]合金的沉积。要制备高效光电转换效率器件，一个重要的前提就是制备高质量CIGS薄膜。目前为止，CIGS薄膜主要通过三步金属共蒸发法在玻璃/钼衬底上沉积得到(见专利号为US5441897的美国专利)。在蒸发过程中，需要有金属源，而且每步中每种金属的蒸发速率、衬底温度都不同。传统的在线工艺主要通过控制衬底的移动速度来得到合适的薄膜组分，这对于单室沉积CIGS显得不合适。传统的在线工艺示意图如图1所示，从源110处蒸发出来的蒸汽沉积在正往腔体内移动的衬底160上。挡板120能够旋转，如果有必要的话能够挡住一些源。衬底160可以是单片，如玻璃，或者是柔性连续衬底，如箔材。由于多步蒸发法在每一步都需要不同的源，因此，需要有多个沉积腔体设置每步中所需要的蒸发源和蒸发参数。这种情况下，真空及衬底控制、温度调节、多余的装载-锁定步骤都极具挑战，并且会显著增加生产成本，其商业化生产有很多困难。

虽然也有一些太阳能公司采用其它方法来制备CIGS吸收层，但与上述的三步法相比，其电池效率偏低，不适合大规模商业化应用。

发明内容

本发明提供了一种多步物理气相沉积设备，具有单室沉积腔体，可用于在线过程中完成多步物理气相沉积，使得一些涉及多步沉积的技术实现商业化，比如上面提到的三步沉积CIGS薄膜等。

一种多步物理气相沉积设备，包括：用于装载-卸载衬底的装载-锁定腔，和与所述的装载-锁定腔相连的沉积腔主体；

其中，所述的沉积腔主体由钟形外罩、单室柱状真空腔体和中心旋转柱构成，所述的中心旋转柱位于所述的单室柱状真空腔体的中心轴线上，所述的钟形外罩罩在所述的单室柱状真空腔体的外面；

所述的单室柱状真空腔体的内部被若干带通孔的竖直隔离板分离为若干个扇形分区，依次为：装载/卸载区、预加热区、第一沉积区、第二沉积区、......、第N沉积区和降温区；N为沉积区的数量，所述的沉积区的数量为在多步物理气相沉积过程中的沉积步骤的数量；

所述的每个扇形分区中各设有一衬底固定件，与各扇形分区的底面平行，用于放置和固定所述的衬底；所述的每个衬底固定件均与所述的中心旋转柱相连，随着中心旋转柱的转动，所述的衬底固定件可以从一个扇形分区转到另一个扇形分区；相邻的两个衬底固定件之间通过水平隔板连接，以防止蒸汽干扰分区内的其它装置，例如温度控制装置等，所述的水平隔板从相邻扇形分区之间的竖直隔离板上的通孔穿过。

本发明设备中，所述的扇形分区的数量取决于在整个沉积过程中的沉积步骤的数量，有N道沉积步骤，就可以设置N个沉积区。

本发明设备中，所述的每个沉积区内分别设有相应的源和加热装置，每个沉积区内所述的源的种类和数量，根据沉积过程中每一步的沉积工艺要求来进行选择和设置，同时，还可通过对加热装置的参数设置来控制源的挥发速率达到预定的沉积要求值。

本发明设备中，所述的预加热区设有加热装置，所述的降温区设有降温装置。

可选地，本发明设备中，所述的钟形外罩带有升降机构，可以将所述的钟形外罩升起，以方便对所述的单室柱状真空腔体内的部件进行维护或更换。

可选地，本发明设备中，在所述的钟形外罩的外壁设有环绕一周的冷却装置，向所述的冷却装置通入冷却液后，冷却液流经外壁，可以防止在高温沉积过程中发生沉积腔体过热。

可选地，本发明设备中，在所述的每个沉积区中，所述的源和衬底固定件的位置可以根据需要设置和排列，以适应多步物理气相沉积的多种不同的具体情况。

一般采用将源放置在沉积区的底部，让衬底置于沉积区的顶部，进行向上沉积。即，在所述的沉积区中，所述的衬底固定件位于沉积区的顶部，所述的源置于沉积区的底部。

但考虑到衬底采用低熔点或低固化点的衬底如薄玻璃，塑料片及箔材时，衬底在高温下由于重力作用会发生变形，在这些情况下，更好的处理方式是：让衬底置于沉积区的底部而源置于沉积区的顶部，进行向下沉积。即，在所述的沉积区中，所述的衬底固定件位于沉积区的底部，所述的源置于沉积区的顶部。

此外，在每个沉积区中，所述的源的数目和形状、排布方式等都是可调的，根据具体的多步物理气相沉积工艺的要求进行具体设置。

进一步，在所述的沉积区中，在每个源的上方都配套设有可旋转的遮挡板，以便对相应的源进行遮挡，实现更加灵活的源的排布和组合。此外，当各沉积区需要的沉积时间不同时，需要将已完成沉积的沉积区中的源用可旋转的遮挡板遮挡住，使得该沉积区的源蒸汽不再沉积到衬底上。

本发明中，所述的源可以为蒸发源(对应于蒸发过程)，也可以是溅射源(对应于溅射过程)，也可以是其它物理气相沉积过程中所用到的任何可能的源。

采用本发明设备进行多步物理气相沉积时，先将在装载-锁定腔中的衬底送入到装载/卸载区内，并装载到位于该区内的衬底固定件上；一定时间间隔后，旋转所述的中心旋转柱，使得装载有衬底的衬底固定件转入预加热区，对衬底进行预加热；加热完成后，旋转所述的中心旋转柱，装载有衬底的衬底固定件依次转入第一沉积区、第二沉积区、......、第N沉积区，分步在衬底上进行薄膜的沉积；沉积完成后，旋转所述的中心旋转柱，将装载有已沉积衬底的衬底固定件传送至降温区，使得衬底及沉积的薄膜降温冷却；冷却完成后，旋转所述的中心旋转柱，装载有已沉积衬底的衬底固定件回到装载/卸载区内，已沉积衬底从衬底固定件上卸载，最后再送至装载-锁定腔，完成一个循环。

上述的沉积过程开始之前，需要先在装载-锁定腔体内装入衬底，并将装载-锁定腔体抽真空至与沉积腔气压相同。

上述的沉积过程结束之后，在装载-锁定腔体中充入惰性气体，将已完成沉积的衬底拿出置于大气下，并重装新的衬底。所述的惰性气体可以为氮气。

上述过程中，通过衬底在不同区域的顺序移动来实现不同阶段的沉积，在每一时刻，腔体内均有多片衬底并处于不同区域，即处在沉积的不同阶段，配合衬底的及时装载/卸载，可实现在线连续生产。因此，采用本发明设备，可以实现多步物理气相在线沉积。

由于本发明设备的单室沉积腔中的每个沉积区内源是各自独立的，因此每个沉积区基本上作为独立腔体独立运行；每个沉积区内部的源、加热装置及源挥发速率均可根据每一步的沉积条件来进行区别设置；而且沉积区的数量和参数(如衬底在每个沉积区停留的时间)也可根据实际应用中沉积工艺不同而进行设置，所以，本发明设备适合于所有的多步物理气相沉积过程。

本发明中，所述的衬底不仅可以指作为衬底的材料，也可以指装配有框架或掩模板的衬底材料；在沉积完成后，则为沉积有薄膜的衬底。只要衬底固定件有足够的物理强度，对衬底的形状及尺寸没有限制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

将多步物理气相沉积过程中传统的多个腔体分步沉积工艺改变为多区域单腔体在线工艺，可以用来完成在线多步沉积，增加产量并降低单位产品的制作成本；同时不会增加额外的设备成本和技术难度；此外，由于在线沉积中每步沉积工艺稳定，因此，最终得到的沉积薄膜的组分及质量相同，产品质量可靠性高。

附图说明

图1为的传统的多步物理气相在线沉积的过程示意图。

图2是本发明的用于三步法物理气相沉积CIGS薄膜的沉积设备的俯视图。

图3为本发明的用于三步法物理气相沉积CIGS薄膜的沉积设备的第一种实施方式中两个沉积区的结构示意图。

图4为本发明的用于三步法物理气相沉积CIGS薄膜的沉积设备的第一种实施方式中一沉积区、装载/卸载区和装载-锁定腔的结构示意图。

图5为本发明的用于三步法物理气相沉积CIGS薄膜的沉积设备的第二种实施方式中两个沉积区的结构示意图。

图6为本发明的用于三步法物理气相沉积CIGS薄膜的沉积设备的第二种实施方式中一沉积区、装载/卸载区和装载-锁定腔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

为方便起见，以下将以专利号为US 5441897的美国专利所公开的三步法沉积CIGS薄膜为例，来详细说明本发明设备。

US 5441897公开的三步法沉积CIGS薄膜工艺为：第一步沉积(In，Ga)_x(Se，S)_y来制备贫铜的薄膜，沉积过程中衬底温度在600℃以下(260℃)；之后沉积Cu_x(Se，S)，形成富铜结构，沉积温度在350-1200℃范围(约565℃)，第三步再沉积贫铜的(In，Ga)_x(Se，S)_y薄膜；

如图2所示的一种用于三步法物理气相沉积CIGS薄膜的沉积设备，包括：用于装载-卸载衬底的装载-锁定腔250，和装载-锁定腔250相连的沉积腔主体。

其中，沉积腔主体由钟形外罩210、单室柱状真空腔体和中心旋转柱240构成，中心旋转柱240位于所述的单室柱状真空腔体的中心轴线上，钟形外罩210罩在所述的单室柱状真空腔体的外面。

钟形外罩210带有升降机构(图中未示出)，可以将钟形外罩210升起，以方便对所述的单室柱状真空腔体内的部件进行维护或更换。钟形外罩210的外壁设有环绕一周的冷却装置，向冷却装置通入冷却水后，冷却水流经外壁，可以防止在高温沉积过程中发生沉积腔体过热。

所述的单室柱状真空腔体的内部被若干带通孔的竖直隔离板220～225分离为若干个扇形分区，按顺时针方向依次为：装载/卸载区610、预加热区620、第一沉积区630、第二沉积区640、第三沉积区650和降温区660。

其中，装载/卸载区610的内部结构如图4和图2所示，装载/卸载区610内设有一衬底固定件230。衬底固定件230与装载/卸载区610的底面(也是单室柱状真空腔体的底面)平行，同时也和中心旋转柱240相连，用于放置和固定衬底(包括：待沉积的衬底和已完成沉积的衬底)。装载/卸载区610与装载-锁定腔250相连，是衬底260从/到装载-锁定腔250的装载/卸载区域。

其中，预加热区620内设有加热装置，用于对衬底进行预加热。加热装置可以是红外灯或电加热板。同样，预加热区620内也设有一衬底固定件231，与预加热区620的底面(也是单室柱状真空腔体的底面)平行，同时和中心旋转柱240相连，用于放置和固定衬底。预加热区620与装载/卸载区610相连，提供衬底的预加热。

其中，第一沉积区630的内部结构如图3和图2所示，第一沉积区630内设有三个源310、311和312，其材质分别为铟、镓和硒，在每个源的上方均配套设有可旋转的遮挡板320；第一沉积区630内还设有一衬底固定件232，与第一沉积区630的底面(也是单室柱状真空腔体的底面)平行，并位于源310、311和312的上方，同时衬底固定件232还和中心旋转柱240相连，用于放置和固定衬底；第一沉积区630内还设有加热装置340，位于衬底固定件232的上方(即衬底固定件232的背面)，以便于对衬底进行加热。在第一沉积区630进行第一步沉积时，衬底加热至440℃。加热装置340可以有多种形式，如红外灯或电加热板。第一沉积区630内还设有晶振仪330，用于对源的蒸发速率进行校准。在使用晶振仪330对某个源的蒸发速率进行校准时，可以转动可旋转的遮挡板320遮挡住其它金属源，以排除其它源蒸汽的干扰。第一沉积区630用于第一步沉积(In，Ga)_xSe_y来制备贫铜的薄膜。

其中，第二沉积区640、第三沉积区650的内部结构与第一沉积区630相似，其区别仅在于源的设置不同。

其中，第二沉积区640的内部结构如图4和图2所示，第二沉积区640内设有三个源410、411和412，在每个源的上方均配套设有可旋转的遮挡板420，其中，源410和411的材质分别为铜和硒，源412被遮挡板420遮挡；第二沉积区640内还设有一衬底固定件233，与第二沉积区640的底面平行，并位于源410、411和412的上方，同时衬底固定件233还和中心旋转柱240相连，用于放置和固定衬底；第二沉积区640内还设有加热装置440位于衬底固定件233的上方，以便于对衬底进行加热。在第二沉积区640进行第二步沉积时，衬底加热至565℃。加热装置440可以有多种形式，如红外灯或电加热板。第二沉积区640还设有晶振仪430，用于对源的蒸发速率进行校准。在使用晶振仪430对某个源的蒸发速率进行校准时，可以转动可旋转的遮挡板420遮挡住其它金属源，以排除其它源蒸汽的干扰。第二沉积区640用于第二步沉积Cu_xSe形成富铜结构。

其中，第三沉积区650的内部结构如图3和图2所示，第三沉积区650内设有三个源510、511和512，其材质分别为铟、镓和硒，在每个源的上方均配套设有可旋转的遮挡板520；第三沉积区650内还设有一衬底固定件234，与第三沉积区650的底面平行，并位于源510、511和512的上方，同时衬底固定件234还和中心旋转柱240相连，用于放置和固定衬底；第三沉积区650内还设有加热装置540，位于衬底固定件234的上方，以便于对衬底进行加热。第三沉积区650内进行第三步沉积时，衬底加热至450℃。加热装置540可以有多种形式，如红外灯或电加热板。第三沉积区650内还设有晶振仪530，用于对源的蒸发速率进行校准。在使用晶振仪530对某个源的蒸发速率进行校准时，可以转动可旋转的遮挡板520遮挡住其它金属源，以排除其它源蒸汽的干扰。第三沉积区650用于第三步沉积贫铜的(In，Ga)_xSe_y薄膜。

其中，降温区660内设有降温装置，用于对衬底进行降温。降温方式可以是循环液冷或风冷或其它。同样，降温区660内也设有一衬底固定件235，与降温区660的底面(也是单室柱状真空腔体的底面)平行，同时和中心旋转柱240相连，用于放置和固定衬底。用于在将已完成沉积的衬底传送至装载-锁定腔250前进行降温冷却。

上述的六个分区中，相邻的两个分区内的衬底固定件之间通过水平隔板连接，所述的水平隔板从相邻扇形分区之间的竖直隔离板上的通孔穿过。具体为：

衬底固定件230和衬底固定件231通过水平隔板272连接，水平隔板272从竖直隔离板222上的通孔穿过；

衬底固定件231和衬底固定件232通过水平隔板273连接，水平隔板273从竖直隔离板223上的通孔穿过；

衬底固定件232和衬底固定件233通过水平隔板274连接，水平隔板274从竖直隔离板224上的通孔穿过；

衬底固定件233和衬底固定件234通过水平隔板275连接，水平隔板275从竖直隔离板225上的通孔穿过；

衬底固定件234和衬底固定件235通过水平隔板270连接，水平隔板270从竖直隔离板220上的通孔穿过；

衬底固定件235和衬底固定件230通过水平隔板271连接，水平隔板271从竖直隔离板221上的通孔穿过。

因此，由水平隔板270～275连接起来的各衬底固定件230～235，每个衬底固定件上均水平放置有一衬底，在沉积过程中随着中心旋转柱240的转动，可以带着衬底从一个扇形分区转到另一个扇形分区；同时，中心旋转柱240停下来各区内进行沉积时，水平隔板可以防止蒸汽干扰分区内的其它装置，例如温度控制装置等。

其中，装载-锁定腔250的内部结构如图4和图2所示，装载-锁定腔250内设有装载锁252、机械臂254和256，装载锁252控制机械臂254和256进出装载-锁定腔250取送衬底260；装载-锁定腔250还设有氮气通入口A和抽真空口B。装载-锁定腔250用于装载-卸载样品。

在衬底进入沉积腔主体之前，通过抽真空口B将装载-锁定腔250抽真空至与所述的单室柱状真空腔体内气压相同，一装载有待沉积衬底的机械臂256进入装载/卸载区610，将待沉积衬底送到衬底固定件230上，机械臂256退出到装载-卸载腔250，关闭装载锁252。衬底固定件230在单室沉积腔内部的各分区内运转，转一周后，镀膜完成的样品回到装载/卸载区610，装载锁252打开，机械臂254进入装载/卸载区610取出衬底并运至装载-锁定腔250，关闭装载锁252，向装载-锁定腔250通入氮气，取出沉积好的样品，镀膜过程完成。

采用上述的沉积设备进行多相物理气相沉积的在线工艺过程如下：

在时间0点，在装载/卸载区610，已完成薄膜沉积的衬底在装载-锁定腔250中从衬底固定件230卸载，随后衬底260装入衬底固定件230；在15min时，中心旋转柱240顺时针旋转60度，使得衬底260及衬底固定件230转入预加热区620，在这里衬底260被预热至440℃；在30min，中心旋转柱240顺时针转动60度，衬底260及衬底固定件230转入第一沉积区630，在这里沉积(In，Ga)_xSe_y；在45min，中心旋转柱240顺时针旋转60度，衬底260及衬底固定件230转入第二沉积区640，在这里沉积Cu_xSe；在60min，中心旋转柱240顺时针旋转60度，衬底260及衬底固定件230转入第三沉积区650，在这里沉积(In，Ga)_xSe_y；在75分钟，中心旋转柱240顺时针旋转60度，衬底260及衬底固定件230转入降温区660，在这里冷却至200℃；在时间90min，中心旋转柱240顺时针旋转60度，衬底260及衬底固定件230回到装载/卸载区610，在这里衬底260卸载到装载-锁定腔250。

上述过程中，每15min在衬底上沉积一层CIGS薄膜。选用15min的时间间隔是严格遵守美国专利US544197，因为其每步沉积时间为15min。

上述过程中，通过衬底在不同区域的顺序移动来实现不同阶段的沉积，在每一时刻，腔体内均有多片衬底并处于不同区域，即处在沉积的不同阶段，配合衬底的及时装载/卸载，可实现在线连续生产。

实施例2

其实施例1相同，不同的是，各扇形分区中衬底固定件的位置不同，并且各沉积区中源的位置不同。衬底固定件位于各扇形分区的底部，各沉积区中源位于各扇形分区的顶部，加热装置位于衬底固定件的下方(即，位于衬底固定件的背面)。第一沉积区630、第二沉积区640、第三沉积区650、装载/卸载区610和装载-锁定腔250的内部结构如图5、图6和图2所示。该实施例特别适合于低熔点或低固化点的衬底，如薄玻璃，塑料片及箔材，这些衬底在高温下由于重力作用会发生变形，而将衬底置于底部，可减小变形程度。

实际应用中，本发明设备中扇形分区的数量可以任意设置，取决于在整个沉积过程中的沉积步骤的数量，有N道沉积步骤，就可以设置N个沉积区。同样，本发明设备中各沉积区内的源的种类、数量和材质也可以任意设置，取决于各沉积步骤要沉积的薄膜的成分，源可以为蒸发源(对应于蒸发过程)，也可以是溅射源(对应于溅射过程)，也可以是其它物理气相沉积过程中所用到的任何可能的源；此外，本发明设备中各沉积区内的加热装置的参数也可以任意设置，取决于各沉积步骤的沉积速率等工艺参数；而在各沉积区停留时间(时间间隔或沉积时间)取决于预期达到的沉积薄膜的最终厚度，也可以根据需要缩短或延长；此外，在各沉积区的沉积时间不同时，可以通过采取在较短沉积时间的沉积区内的源上设置可旋转的遮挡板，并在沉积完成后启用遮挡板遮挡源，使得该区内源蒸汽不再沉积到衬底上，直到相邻的下一沉积区也完成沉积后再进入下一沉积步骤，因此本发明设备可用于具有不同沉积时间的多步物理气相沉积过程；因此，本发明设备适用于所有多步物理气相沉积(如溅射等)的在线工艺，并不仅限于上述实施例给出的三步蒸发沉积工艺，更不仅限于上述实施例给出的三步法沉积CIGS薄膜的工艺。

以上所述仅为本发明的若干个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。例如：根据本发明的启示，对沉积区内的源和衬底固定件的位置进行任意的设置和排布，或者，根据本发明的启示，通过可旋转的遮挡板的遮挡作用，来改变源的位置设置和排布等等，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多步物理气相沉积设备，其特征在于，包括：用于装载-卸载衬底的装载-锁定腔，和与所述的装载-锁定腔相连的沉积腔主体；

所述的每个扇形分区中各设有一衬底固定件，与各扇形分区的底面平行，用于放置和固定所述的衬底；所述的每个衬底固定件均与所述的中心旋转柱相连，相邻的两个衬底固定件之间通过水平隔板连接，所述的水平隔板从相邻扇形分区之间的竖直隔离板上的通孔穿过。

2.如权利要求1所述的多步物理气相沉积设备，其特征在于，所述的每个沉积区内分别设有相应的源和加热装置。

3.如权利要求1所述的多步物理气相沉积设备，其特征在于，所述的钟形外罩带有升降机构。

4.如权利要求1所述的多步物理气相沉积设备，其特征在于，在所述的钟形外罩的外壁设有环绕一周的冷却装置。

5.如权利要求2所述的多步物理气相沉积设备，其特征在于，在所述的沉积区中，所述的衬底固定件位于沉积区的顶部，所述的源置于沉积区的底部。

6.如权利要求2所述的多步物理气相沉积设备，其特征在于，在所述的沉积区中，所述的衬底固定件位于沉积区的底部，所述的源置于沉积区的顶部。

7.如权利要求2所述的多步物理气相沉积设备，其特征在于，在所述的沉积区中，在每个源的上方都配套设有可旋转的遮挡板。