CN102312199B - 一种扫描镀膜装置及扫描镀膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体、LED、太阳能电池领域的镀膜装置及镀膜组件。一种扫描镀膜装置包括镀膜源、真空腔体室和基板传输模块，蒸镀源包括温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块和绝热模块，前四个模块均设置于蒸镀源本体中；真空腔体室包围蒸镀源；蒸镀源具有两个相背的蒸镀源工作面，蒸镀源工作面与水平面所成角度为65～115°。本发明的蒸镀源与基板的相互位置关系以及蒸镀源的结构实现了同时对两片基板进行连续的气相传输沉积镀膜，使得生产效率加倍；大幅提高源材料利用率；减少腔体壁上形成镀膜，装置外壁清洁；降低了生产成本；基板边缘镀膜均匀。扫描镀膜组件可同时对多基板进行气相传输沉积，使得生产效率提高若干倍。

Description

一种扫描镀膜装置及扫描镀膜组件

技术领域

本发明涉及一种用于半导体、LED、太阳能电池领域的镀膜装置及镀膜组件。

背景技术

在光伏装置的制造中，源材料被沉积在基板上。在基板上沉积源材料以形成镀膜的一种过程是：使源材料汽化并将汽化的源材料引向基板表面，使得汽化的源材料冷凝并沉积在基板上，从而形成固体半导体膜。

薄膜沉积方法有气相传输沉积(VTD)、近空间升华法(CSS或加热蒸发镀膜)、电化学沉积(ECD)、PVD(溅镀沉积)或CVD(化学气相沉积)等。与CSS相比，VTD沉积工艺沉积速度较快，每分钟可达20微米；源材料颗粒由传输气体带入，没有重新装填气相传输沉积装置即蒸镀源的问题。

然而现有的薄膜沉积设备通常只能进行单基板镀膜，例如First Solar公司的专利US6037241公开了一种沉积半导体材料的装置及方法，其中的玻璃基板水平传输，蒸镀源位于玻璃基板上方，蒸汽向下对玻璃基板表面沉积镀膜；或者蒸镀源位于玻璃基板下方，蒸汽向上对玻璃基板表面沉积镀膜。而实际上，蒸汽向上对玻璃基板表面沉积镀膜的方式是难以实现的，因为位于蒸镀源上方的玻璃基板必定受到重力影响，而且沉积镀膜中的玻璃基板的表面温度达400℃以上，因此难以使玻璃基板在行进过程中保持稳定。同时，该镀膜装置存在镀膜不均、温度控制不稳定、源材料利用率低的问题，并很难实现同时对两片或两片以上的基板进行连续沉积镀膜。

Optisolar公司的美国专利US2010/0151680(2010-6-17)公开了太阳能电池制备中能够加强温度均匀性的基板载体装置，通过在基板的一面安装背板、在基板的四周安装载体框、同时使用筋条及O型环等配件形成载体装置，使基板在沉积镀膜中通过加热器后再传过背板进行加热或冷却。该专利公开文件虽然提及将基板垂直放置，但其使用的镀膜源是非蒸发源。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可同时对两片基板连续进行气相传输沉积的、镀膜源外壁清洁、设计简单、生产成本低的扫描镀膜装置。

本发明的目的之二是提供一种可同时对多片基板进行气相传输沉积的扫描镀膜组件。

本发明所述的扫描是指基板的行进方式，可以单程扫描、往返扫描、连续扫描或分步扫描。

本发明的第一技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种扫描镀膜装置，包括镀膜源、真空腔体室和基板传输模块，而所述镀膜源为蒸镀源，所述蒸镀源包括温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块和绝热模块，所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块均设置于蒸镀源本体中；

所述真空腔体室包围所述蒸镀源；

所述蒸镀源具有相背的两个蒸镀源工作面，所述蒸镀源工作面与水平面所成角度为65～115°。

本发明的蒸镀源工作面即该蒸镀源进行气相传输工作所在的平面，通常即蒸镀源上喷射口所在的平面。蒸镀源工作面与水平面所成角度为65～115°，蒸镀源工作面朝向基板的待涂膜面并与基板平行，该角度可以用来影响载流气体分布的调节并加强基板运行的稳定性，而基板传输模块可以是机械手或其他可使基板保持所述角度运行的装置；本发明的蒸镀源与基板的相互位置关系以及蒸镀源的结构使所述扫描镀膜装置实现了同时对两片无边框的基板进行气相传输沉积镀膜，使得生产效率加倍；大幅提高源材料利用率；减少所述扫描镀膜装置的腔体壁上形成镀膜，装置外壁清洁；降低了设备维护费用和生产成本；基板边缘镀膜均匀。

本发明的蒸镀源是使源材料挥发成气体沉积到基板上的源或直接将导入的源材料气体沉积到基板上的源，包括但不限于VTD(气相传输沉积)源或CSS(加热蒸发镀膜)源。本发明将组成镀膜设备的各功能模块整合在蒸镀源本体中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀源。

作为本发明技术方案的一种优选，所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块位于构成所述蒸镀源本体的材料的空腔中。

本发明的蒸镀源本体包括经过铸造或切割加工形成的整体结构和叠加块，所述的叠加块可以是左右叠加或垂直叠加。

本发明的蒸镀源本体尤其优选经过铸造或切割加工形成的整体结构，在该整体结构中具有多个空腔，所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块均被设置在各个空腔内，除了这些空腔以外，该整体结构由实心的均一的本体材料构成。

作为本发明技术方案的一种优选，所述蒸镀源本体的材料熔融温度大于400℃、热导性大于20w/mk。

本发明选择耐高温、导热性好的材料如金、银、铜、钼、钛、钨、不锈钢、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、玻璃陶瓷、石英陶瓷或石墨陶瓷作为蒸镀源本体材料，熔点高、导热性好。

作为本发明技术方案的一种优选，所述蒸镀源本体的材料为铝、铜、不锈钢、钨、碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、石墨或石墨陶瓷。

作为本发明技术方案的一种优选，所述温度控制模块包括加热器和热电偶。

本发明的热电偶用于测量蒸镀源本体的温度，所述热电偶和所述加热器之间连接有温度控制器，所述温度控制器位于所述蒸镀源本体之外，通过热电偶对温度的反馈实现温度控制模块对温度的控制，温度均匀易控、镀膜均匀性好、厚度可调节性高，从而可对较大尺寸的非柔性基板如玻璃基板、金属基板或有机基板镀膜。

进一步优选地，所述加热器为电阻加热器、红外加热器或紫外加热器。

进一步优选地，所述温度控制模块包括多个加热器和多个热电偶。

采用多组加热器和热电偶的配合可以产生多个温度控制区，实现多区域温度控制，进一步提高蒸镀源本体的温度均匀性。

作为本发明技术方案的一种优选，所述载流气体进气模块包括载流气体分布管和与之相连通的载流气体进气口，所述载流气体分布管的材料熔融温度大于400℃，所述载流气体分布管为中空管，所述载流气体分布管的侧壁上分布有多个第一小孔，所述上下相邻第一小孔的间距从进气口往下逐渐变小。

本发明通过对载流气体的结构、材料和第一小孔的间距的优化使载流气体分布更均匀，从而使源材料蒸汽运行速度更均匀，从而使源材料蒸汽均匀沉积到基板上，形成厚度均匀的镀膜。

进一步优选地，所述第一小孔的直径从进气口往下逐渐增大。

通过对小孔直径的优化可加强载流气体分布的均匀性。

作为本发明技术方案的一种优选，所述喂料模块包括两个以上的源材料室、与所述源材料室相通的两个以上的源材料蒸汽喷射口，面对所述载流气体模块的所述源材料室的第一侧面以及所述第一侧面的相对面分布有多个第二小孔。

所述源材料室的上方设有位于所述蒸镀源本体之外的喂料机和料仓，通过所述喂料机和料仓实现对所述源材料室的喂料。

进一步优选地，所述源材料室与所述源材料蒸汽喷射口之间还设有缓冲室。

载流气体从所述载流气体分布管的侧孔喷出后流经所述源材料室的小孔壁，将源材料蒸汽带到所述缓冲室，进一步进行对流和混合，将源材料蒸汽从所述喷射口更均匀地喷射到基板上。

进一步优选地，所述源材料室的第二小孔的孔径为0.001mm～5mm。

作为本发明技术方案的一种优选，所述排气模块包括废气排气口以及与所述废气排气口相连的排气管路。

所述蒸镀源外接有真空泵与所述排气管路相连，载流气体带着少量未被使用的源材料蒸汽进入所述废气排气口，经过所述排气管路被真空泵抽出。由于所述蒸镀源一体化设计的优越性，排气管道的温度与进气口管道温度相同，所以未被使用的源材料蒸气不会在所述蒸镀源内形成镀膜，保证了蒸镀源的内部清洁度和温度的稳定性。

作为本发明技术方案的一种优选，所述绝热模块由绝热板组成。

所述绝热模块的设置可以进一步提高蒸镀源内的温度均匀性，减少能量损失，降低对待镀膜的基板的温度影响。

作为本发明技术方案的一种优选，所述真空腔体室能承受1mtorr～1atm的气压。

本发明的第二技术目的是通过以下技术方案实现的：一种扫描镀膜组件，包括多个所述扫描镀膜装置。

本发明的扫描镀膜组件可同时对多基板进行气相传输沉积，使得生产效率提高若干倍。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的蒸镀源与基板的相互位置关系以及蒸镀源的结构使所述扫描镀膜装置实现了同时对两片无边框的基板连续进行气相传输沉积镀膜，使得生产效率加倍；大幅提高源材料利用率；减少所述扫描镀膜装置的腔体壁上形成镀膜，装置外壁清洁；降低了设备维护费用和生产成本；基板边缘镀膜均匀；

2、本发明将组成镀膜设备的各功能模块整合在蒸镀源本体中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀源。

3、本发明的扫描镀膜组件可同时对多基板进行气相传输沉积，使得生产效率提高若干倍。

附图说明

图1是本发明扫描镀膜装置中的一种实施例的蒸镀源的示意图；

图2是本发明扫描镀膜装置的示意图；

图3是本发明蒸镀源的温度控制模块和温度控制器的连接示意图；

图4是本发明的载流气体进气模块、喂料模块、排气模块的示意图；

图5是本发明蒸镀源的载流气体分布管的示意图；

图6A是传统镀膜装置的示意图；

图6B是传统镀膜装置的侧视图；

图7A是本发明扫描镀膜装置的示意图；

图7B是本发明扫描镀膜装置的侧视图；

图8是本发明扫描镀膜组件的侧视图；

图中，1-蒸镀源；2-蒸镀源本体；3-热电偶孔；4-加热器孔；5-加热器；6-温度控制器；7-热电偶；8-载流气体分布管；9-源材料室；10-缓冲室；11-喷射口；12-基板；13-废气排气口；14-排气管路；15-真空腔体室；16-第一小孔；17-载流气体进气口；18-喂料机；19-料仓；20-气体流量控制器；21-真空泵；22-蒸镀源工作面；23-绝热模块；24-传统镀膜源；25-边框。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图6A和6B所示，传统镀膜装置在基板的周围安装有边框25，基板与水平面垂直。传统镀膜装置的基板传动和运输结构复杂，只能进行单基板镀膜，生产效率低；并且，由于传统镀膜源24的结构为分体式，各功能模块特别是载流气体进气模块与排气模块分别独立存在，排气管道的温度与进气口管道温度相差较大，所以未被使用的源材料蒸气容易在传统传统镀膜源24的外壁形成镀膜，导致源材料利用率降低，设备维护费用增加。

如图7A和7B所示，本发明的扫描镀膜装置包括蒸镀源1、包围蒸镀源1的真空腔体室15和基板传输模块，蒸镀源工作面22与基板12平行，蒸镀源1具有相背的两个蒸镀源工作面22，蒸镀源工作面22与水平面所成角度为65～115°，基板传输模块可以是机械手或其他可使基板保持所述角度运行的装置。

如图1所示，本发明扫描镀膜装置的蒸镀源1为一体化结构，包括温度控制模块(见图3)、载流气体进气模块(见图4和图5)、喂料模块、排气模块和绝热模块23，各模块均位于一个蒸镀源本体2中，蒸镀源本体2为经过铸造或切割加工形成的整体结构。

在蒸镀源1中挖空一些位置如热电偶孔3、加热器孔4放置所需的模块或设备。如图3所示，温度控制模块包括加热器5和热电偶7，加热器5和热电偶7之间连接有位于蒸镀源本体2之外的温度控制器6。加热器5放置在加热器孔4中，热电偶7放置在热电偶孔3中。当然，蒸镀源1中其余模块的组成设备也是放在相应的孔中，在图中不一一列出相应的孔。

如图4所示，载流气体进气模块包括载流气体分布管8和与之相连通的载流气体进气口17，载流气体进气口17与外接的气体流量控制器20相连。排气模块包括废气排气口13以及与废气排气口13相连的排气管路14，排气管路14再依次与外接的阀门和真空泵21相连。

如图1和图4所示，喂料模块包括源材料室9和与源材料室9相通的源材料蒸汽喷射口11，源材料室的上方连接有位于蒸镀源本体2之外的喂料机18和料仓19。面对载流气体模块的源材料室的第一侧面以及第一侧面的相对面分布有多个第二小孔。

实施例一

蒸镀源本体的材料为碳化硅陶瓷，熔融温度为2700℃、热导性为360w/mk。选择耐高温、导热性好的材料作为蒸镀源本体2的材料，并将组成镀膜设备的各功能模块整合在一个单体结构即蒸镀源本体2中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀源1。

如图1所示，温度控制模块包括两对电阻加热器5和两个热电偶7，电阻加热器5和热电偶7之间连接有位于蒸镀源本体2之外的温度控制器6。载流气体进气模块包括两个载流气体分布管8和两个载流气体进气口17；喂料模块包括两个源材料室9和两个喷射口11；排气模块包括两个废气排气口13和两个排气管路14。源材料室9与源材料蒸汽喷射口11之间设有缓冲室10。喷射口11所在平面为蒸镀源工作面22，蒸镀源工作面22与水平面所成角度为115°。

载流气体分布管8的材料为钨，熔融温度为3400℃、热导性为180w/mk。

如图5所示，载流气体分布管8为中空管，载流气体的侧壁上分布有多个第一小孔16，上下相邻的第一小孔16的间距从进气口17往下逐渐变小，第一小孔16的直径从进气口往下逐渐增大。

面对载流气体模块的源材料室的第一侧面以及第一侧面的相对面分布的多个第二小孔的孔径为0.5mm。

蒸镀源本体2为立方体结构，绝热模块23由六块正方形绝热板组成，包围蒸镀源本体2的外表面。除了需要与外界连接的地方，如载流气体进气口17和废气排气口13等，蒸镀源本体2的所有表面都被绝热材料包围，这样进一步提高单体内的温度均匀性，减少能量损失，降低对基板温度的影响。

实施例二

如图2所示，扫描镀膜装置包括蒸镀源1、包围蒸镀源1的真空腔体室15和基板传输模块，蒸镀源工作面22与基板12平行，如图7B所示，蒸镀源工作面22与水平面所成角度为80°。

与实施例一不同的是，蒸镀源1中的温度控制模块包括三对电阻加热器5、与电阻加热器5相连的三个温度控制器6以及与温度控制器6相连的三个热电偶7。蒸镀源本体材料为石墨陶瓷，熔融温度为3500℃、热导性为150w/mk。载流气体分布管8的材料为氮化铝，熔融温度为3000℃、热导性为285w/mk。源材料室的第二小孔的孔径为0.001mm。

该扫描镀膜装置特别适用于源材料为金属材料和其他化合物半导体如CdS，CdTe，CIGS的镀膜。

实施例三

扫描镀膜装置同实施例二，蒸镀源工作面22与水平面所成角度为95°。蒸镀源本体材料为不锈钢，熔融温度为1400℃、热导性为70w/mk。载流气体分布管8的材料为碳化硅，熔融温度为2700℃、热导性为360w/mk。源材料室的第二小孔的孔径为5mm。蒸镀源本体2为锥柱结构，绝热模块23由弧形绝热板组成，包围蒸镀源本体2的外表面。

实施例四

如图8所示，扫描镀膜组件包括4个扫描镀膜装置，同时对8片基板进行气相沉积扫描镀膜，生产效率比单基板镀膜提高了7倍。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (16)

1. 一种扫描镀膜装置，包括镀膜源、真空腔体室（15）和基板传输模块，其特征在于：所述镀膜源为蒸镀源（1），所述蒸镀源（1）包括温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块和绝热模块（23），所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块模块均设置于蒸镀源本体（2）中；

所述真空腔体室（15）包围所述蒸镀源（1）；

所述蒸镀源具有两个相背的蒸镀源工作面（22），所述蒸镀源工作面（22）与水平面所成角度为65～115°。

2. 根据权利要求1所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块均位于构成所述蒸镀源本体（2）的材料的空腔中。

3. 根据权利要求2所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述蒸镀源本体（2）的材料熔融温度大于400℃、热导性大于20W/(m·K)。

4. 根据权利要求3所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述蒸镀源本体（2）的材料为铝、铜、不锈钢、钨、碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷或石墨陶瓷。

5. 根据权利要求1～4任一项所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述温度控制模块包括加热器（5）和热电偶（7）。

6. 根据权利要求5所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述加热器（5）为电阻加热器、红外加热器或紫外加热器。

7. 根据权利要求5所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述温度控制模块包括多个加热器（5）和多个热电偶（7）。

8. 根据权利要求1～4任一项所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述载流气体进气模块包括载流气体分布管（8）和与之相连通的载流气体进气口（17），所述载流气体分布管（8）的材料熔融温度大于400℃，所述载流气体分布管（8）为中空管，所述载流气体分布管（8）的侧壁上分布有多个第一小孔（16），所述上下相邻第一小孔（16）的间距从进气口往下逐渐变小。

9. 根据权利要求8所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述第一小孔（16）的直径从所述载流气体进气口（17）往下逐渐增大。

10. 根据权利要求1～4任一项所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述喂料模块包括两个以上的源材料室（9）、与所述源材料室（9）相通的两个以上的源材料蒸汽喷射口（11），面对所述载流气体模块的所述源材料室（9）的第一侧面以及所述第一侧面的相对面分布有多个第二小孔。

11. 根据权利要求10所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述源材料室（9）与所述源材料蒸汽喷射口（11）之间还设有缓冲室（10）。

12. 根据权利要求10所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述源材料室（9）的第二小孔的孔径为0.001mm～5mm。

13. 根据权利要求1～4任一项所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述排气模块包括废气排气口（13）以及与所述废气排气口（13）相连的排气管路（14）。

14. 根据权利要求1～4任一项所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述绝热模块（23）由绝热板组成。

15. 根据权利要求1～4任一项所述的一种扫描镀膜装置，其特征在于：所述真空腔体室（15）能承受1mtorr～1atm的气压。

16. 一种扫描镀膜组件，其特征在于：包括多个如权利要求1～4任一项所述的扫描镀膜装置。

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