CN102505115B - 真空涂覆装置 - Google Patents

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Abstract

在真空中加工基片的内联式真空加工装置，包括至少一个装载-锁定腔(10)，用基本相同的涂覆参数组进行操作的至少两个连续沉积腔(4-7)以及至少一个卸载-锁定腔(10)，再加上用于传送、后加工和/或操纵基片通过并位于各个腔室内的装置。一种用于在这样的加工系统内的基片上沉积薄膜的方法，包括步骤：将第一基片引入装载-锁定腔内；降低所述腔室内的压力；将所述基片传送到第一沉积腔内；使用第一组涂覆参数将第一材料层沉积在所述第一基片上；将所述第一基片传送到所述内联式系统随后的第二沉积腔内而不破坏真空并使用基本相同的参数组将另一层所述第一材料层沉积在所述第一基片上。同时进行步骤f)在所述内联式真空系统内根据步骤d)处理第二基片。

Description

真空涂覆装置
本申请为分案申请，原申请的申请号为200880006905.2(国际申请号为PCT/CH2008/00008C)，申请日为2008年2月29日，发明名称为“真空涂覆装置”。
技术领域
本发明涉及一种用于真空加工基片特别是具有1m2或更大尺寸的大面积基片的遵循所谓内联概念的装置。在优选的实施例中，介绍了一种用于化学气相沉积(CVD)氧化锌(ZnO)层的系统，氧化锌层用于薄膜太阳能电池，例如在太阳能电池特别是在硅基太阳能电池例如薄膜太阳能电池领域中用于前接触层和后接触层。而且该系统可以被用于所有使用了化学气相沉积的大面积涂覆应用。
定义
系统、装置、加工设备、设备是在本公开中用于本发明至少一个实施例的可互换使用的术语。
“加工”在本发明的情况下包括作用在基片上的任何化学、物理或机械效应。
基片在本发明的情况下是要在所发明的真空加工装置内进行处理的部件、元件或工件。基片包括但不限于具有矩形、正方形或圆形形状的扁平的片形部件。在优选的实施例中，本发明主要涉及尺寸＞1m2的平面基片例如薄玻璃基片。
CVD化学气相沉积是一种允许在加热的基片上沉积涂层的公知技术。将常用的液态或气态前体材料送入加工系统，在此所述前体的热反应造成所述涂层的沉积。LPCVD是用于低压CVD的常用术语。
DEZ-二乙基锌是一种用于在真空加工设备中生产TCO层的前体材料。
TCO或TCO层是透明的导电层。
术语层、涂层、沉积层和薄膜在本公开中被可互换地使用，用于在真空加工设备内沉积的薄膜，可以是CVD，LPCVD，等离子体增强型CVD(PECVD)或PVD(物理气相沉积)。
太阳能电池或光伏电池是一种电子部件，能够利用光电效应将光(主要是太阳光)直接转化为电能。
背景技术
内联式真空加工系统在现有技术中是公知的。US4358472或EP0575055示出了这种类型的系统。通常这样的系统包括在真空环境内用于基片的狭长的传送路径。可以沿所述传送路径使用各种加工装置，例如加热、冷却、沉积(PVD，CVD，PECVD…)、蚀刻或控制装置-作用在所述基片上。如果必须要避免这种加工过程的交叉污染，那么有利地要使用阀或栅将某些分段与其他分段分隔开。这样的阀将允许基片通过以从其中一个所述分段到达另一分段并且在分段内的加工期间会被关闭。通常这样的分段被称为加工站或加工模块(PM)。如果使用的是离散的基片例如晶片、玻璃片、塑料基片，那么加工过程可以连续或非连续地进行。在第一种情况下，基片将在加工期间经过各种加工装置(例如灯、冷却剂、沉积源...)，在后一种情况下基片将在加工期间被保持在固定位置。可以用多种方式实现通过系统的传送，例如：辊、带传动或直线电机系统(例如US5170714)。基片的朝向可以是竖直或水平或倾斜一定角度。在很多应用中，在传送时将基片置于载体内是有利的。
传送路径可以是(单向)直线或(相同路线上往返的)双重直线或可选地具有单独的返回路径。所述往返路径的设置可以是彼此相邻或者是例如在US5658114中示出的一条路径在另一条路径上方的层叠式设置。
有利地为了装载和卸载以及为了进入/离开真空环境，可以提供单独的装载/卸载站(“装载锁”)。用这种方式即可实现进入/离开真空内的传送路径而不会影响加工腔内的真空状态。
在本文的基础说明中没有对更多的必要设备例如本领域普通技术人员能够想到的必要的泵、供电和供水、排放、供气、控制等设备进行介绍。
由于经济性的要求，涂覆大面积的基片是很重要的。这一点在太阳能和显示产业中特别重要。因此这样的内联式系统被用于在流水线中加工基片，从加工站到加工站顺序传送。在具有n个加工站的系统中能够同时处理/加工n块基片，其中最慢的站的加工时间(在加工时间方面)决定了整个系统的生产能力。
在PV(光伏)产业以及显示产业中，TCO层被用于太阳能电池和TFT(薄膜晶体管)应用中。ITO(氧化铟锡)或ZnO(氧化锌)被广泛应用。但是ZnO层作为用于太阳能电池应用的接触导电材料表现出了优良的性能。太阳能电池通常是基于半导体晶片生产的。但是对于硅晶片日益增长的需求也增加了对于所谓的基于玻璃、金属或塑料的薄膜太阳能电池的需求，其中薄硅层、p型掺杂或n型掺杂硅以及用于活性部分的TCO层被进行沉积。如上所述，只要能够获得一定均匀性的沉积层，就能够比晶片更为经济地生产大面积基片。已经在尺寸比较小的基片上大量进行了上述试验。为了允许个体单元的串联转接，适用于薄膜太阳能电池应用的ZnO层(和硅层)需要进行排列。这样的单元分离(被称为“切割”)通常是通过激光系统实现的。沿预定路线或排列将材料激光烧蚀到一定深度导致在涂覆基片的某些区域与其他部分电绝缘。容易理解在整个基片范围内可靠均匀的涂层性质对于薄膜太阳能电池的性能和效率是至关重要的。基片厚度或涂层厚度的改变将会导致未完全切割的线路或者切割到基片。
太阳能电池或显示屏商业化生产中的另一个因素是使用的加工设备的产量。基本上用于在系统内传送基片的时间必须被最小化以允许在给定沉积速率下的高产量。由于绝大多数应用中都需要在沉积之前加热基片，情况甚至会变得更加糟糕。在只包括一个用于装载/卸载、加热的腔室的系统设计中，绝大部分的反应器利用时间都被用于加热基片和传送。因此单个腔室的方法尽管简单和易于加工，但是仍然由于所述的经济上的缺点而不受青睐。
因此本发明的目的是提出一种内联式真空加工系统，避免了现有技术中已知的缺点并且允许在其中对基片进行经济的真空加工。
附图简要说明
图1示出了根据本发明的内联式真空加工系统的截面图。
图2示出了在发明的加工系统中使用的红外加热器组。
图3示出了根据本发明的反应器/加工模块PM的示意图。
图4更加详细地示出了加工模决的气体定量供给部分。
图5示出了具有边界元件51的热台面53。
图6示出了所述边界元件的变形。
根据本发明的解决方案
一种用于在根据本发明的内联式真空加工系统内的基片上沉积薄膜的方法包括以下步骤：a)将第一基片引入装载-锁定腔内；b)降低所述腔室内的压力；c)将所述第一基片传送到第一沉积腔内；d)使用第一组涂覆参数将第一材料层至少部分地沉积在所述第一基片上；e)将所述第一基片传送到所述内联式系统随后的第二沉积腔内而不破坏真空；f)使用基本相同的参数组将另一层所述第一材料层至少部分地沉积在所述第一基片上；g)将所述第一基片传送到装载锁定腔内；h)从所述系统中取出所述第一基片-其中同时进行步骤f)在所述内联式真空系统内根据步骤d)处理第二基片。
一种用于基片的内联式真空加工的装置包括至少一个装载-锁定腔，用基本相同的涂覆参数组进行操作的至少两个沉积腔；至少一个卸载-锁定腔以及用于传送、后加工和/或操纵基片通过并位于各个腔室内的装置。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施例，具有4个PM(加工模块)，不过具有至少两个PM的其他结构也是经济上可行的。基片，优选为玻璃基片，具有范围在3到4mm之间的厚度，被单独送入内联式系统的装载站1内。该站允许从例如操纵系统(机器人)到内联式系统例如载体内的安全移交。通过传送带系统(未示出)将基片从装载站1传送到装载锁2内，其中传送通过辊来实现。在装载锁2内利用真空泵(未示出)将压力降低到允许进一步传送基片的水平。同时通过一组红外加热器3对基片进行加热。一旦达到传送压力和所需的基片温度，基片就将等候在装载锁内，直到正在后续加工模块4-7内进行的加工过程完成为止。在净化(清理，通常是利用蚀刻气体进行)了加工模块并且随后泵下降以传输大约0.1mbar的压力之后，“装载锁入口”3和PM4之间的闸阀8以及PM7和“装载锁出口”10之间的闸阀9打开并通过辊传送基片通过系统直到它们到达其通过激光挡板指示的(下一)位置为止。PM7内的基片将进入装载锁出口10，先前在PM4内加工的基片将被置于PM5内，以此类推。
基片在PM4-7内被置于总是驻留在传送辊上的加热板/基片固定器11-14上方。基片固定器带有可竖直收回和伸出的销，延伸穿过加热板。所述销可以向上移动并将基片从传送辊系统中升起。传送辊36(参见图3)随后即可被从基片底部横向收回。然后就能够通过降低销而将基片分别放置在基片固定器11-14或35上。为了从PM中取出基片，可以按相反的顺序执行上述动作序列。
在本发明的一个实施例中，可以安装12-16个销以允许具有1100mm×1300mm尺寸基片的良好重量分布。销可以由具有6mm直径的不锈钢制成，在套管内被引导插入加热板/基片固定器11-14内。有利地销的末端可以设有塑料盖(例如Selasol)以避免损坏基片。所述销的数量和机械性质可以根据说明书进行调节。
在一个实施例中，销是通过公共的提升机构例如液压或气动气缸或者安装在热台面下方的PM底部中的各自的电机进行致动的。销驻留在板上，板例如由钢支撑并通过所述公共提升机构上下移动。为了避免销在套管中被阻塞，它们有利地并不是与所述板固定连接而仅仅是驻留在所述板上。不过为了在向下移动期间在所述销上施加额外的拉力，可以在与所述销互相作用的所述板内装入永磁体。后一种情况是用于由铁素体钢制成或表现出有铁插入的应用中。
上述被加热的基片固定器11-14可以被设计用于允许不同的加热条件(例如基片温度、加热时间和基片温度的均匀性)以用于在所述的加工模块4-7内进行各种加工。基片固定器/加热板11-14有利地可以允许基片接触在其整个表面上以允许良好的热传递。加热板进一步的优选实施例在图5中示出。加热板53具有用于在上面放置基片50的面积。所述支撑面积的边缘区域表现为包括边界元件51的肩部。该边界元件驻留在加热板53的凹口内。它被以使基片部分覆盖边界元件51这样的方式设计以允许热传递，但同时也具有不受基片50影响的区域。有利地在基片50和边界元件51之间设有0.5mm的小凹槽，以使得不存在直接接触。因此，边界元件51具有可以和基片的框架相比较的形状。边界元件进一步包括加热元件52，加热元件52可以是被装在袋内的电加热元件。所述边界元件的优点如下：
-单独的加热元件52允许单独控制基片边缘区域处的温度。这样就允许对边缘处增大的热传递(辐射损失)进行补偿。
-在沉积过程期间，不仅是基片50，而且边界元件51和加热板53也会被涂覆并需要进行清理。由于涂覆加工的性质决定了边界元件51将会比其他区域更容易受到影响。由于减小了尺寸，因此边界元件51与整块加热板53相比能够更容易地进行更换。
-边界元件51和基片50之间的小间隙避免了在边缘区域处形成连续涂层。
-在沉积期间，可以用剩余的沉积气体来引导涂覆加工。这些未使用的废气必须通过真空泵被抽空。废气可能会和排气系统内的各个区域以及泵自身发生反应，逐渐涂覆它们并因此导致需要进行维修。但是边界元件51未用于向基片50热传递的区域将会具有吸气效应(吸引这些未使用的气体)。由于边界元件51便于更换，因此可以允许降低整套系统的停机时间。
边界元件51的设计可以如图5中的截面图所示。图6示出了具有突起54的一种可选设计。有利地所述突起的高度被选择为与基片的厚度相同，但是如果有必要的话也可以有所改变。
本发明的加工可以通过将工作气体例如乙硼烷和DEZ经气体喷淋系统15-18定量供给到加工腔。加工腔4-7中的每一个都可以被装有单独的气体喷淋系统，但是部分或全部的气体喷淋器15-18可以由相同的气体定量供给和混合系统(图1中未示出)供气。
根据本发明如上所述用于在内联系统内加工基片的方法，沉积层通过将气相下的二乙基锌(DEZ)和水在0.3mbar到1.3mbar之间的压力范围内混合来实现。薄膜优选地在热表面上成形，其中生长速率是气体温度和利用率的函数。沉积ZnO层的一个目标是增强其电导率。乙硼烷(B2H6)被加入反应混合物以促进透明导电氧化物薄膜(TCO)层的掺杂。
由于本发明的内联系统的设计，涂层可以在n个步骤内以每个步骤1/n的涂层厚度沉积以使得在经过了相应数量的PM之后达到总厚度。这些具有可度量加工性质的PM(所有的气体喷淋器都通过相同的气体输送系统、相等或可度量的加工时间、可度量的压力和气体流量供气)的进一步的优点是由于横向污染不再是问题，因此不必要通过闸阀或类似装置将PM彼此分离。基本上它们形成了一连串具有单独加热板的沉积腔，其中在每个容器内都完成一部分沉积。
在完成了所有的沉积步骤之后，基片将通过辊系统上的闸阀9被传输至装载锁出口10。基片将在此被带入大气压力下同时进行(第一次)冷却。一旦装载锁出口10到达大气压力，基片就通过装载锁10内的辊系统和卸载单元19上的传送带系统被传送至卸载单元19。
然后基片通过卸载单元19内的提升设备20被传送至返回轨道的高度。返回轨道可以包括几个独立运行并将基片逐步传送至装载台面1的传送带单元21-26。可选地也可以使用单条传送带。上述的逐步动作允许将玻璃基片尽可能长时间地保留在系统的受保护环境中并允许将基片冷却至传送温度。该温度由用于存储和在设备之间来回传送基片的外部操作系统所允许的最大温度确定。装载站自身装有提升设备27，其允许将基片从返回轨道的高度带回到传送或沉积高度，基片在此通过外部装载系统(未示出)被最终取走。
在优选的实施例中使用了4个沉积腔(PM)。所有的加热板11-14几乎都处于160℃到200℃之间的相同的温度设定下。装载锁入口3内的加热器组将基片加热到略高于约175℃的所述目标沉积温度以补偿传送期间的热损失。装载锁系统内非均匀的加热也已经证明是有利的。玻璃的边缘区域被加热到比中心部分高出10℃的温度。但是，该温度梯度取决于玻璃到第一加热板11的传热速度。图2示出了在装载锁系统内使用的典型的红外加热器组。其被分为例如6组独立的加热器区域28-33(28-31为横向设置，32和33为纵向设置)，其中每一组的温度都通过测量基片温度的红外高温计进行控制。出于节约成本的原因，部分加热器组可以被打包并只使用一个控制高温计。例如区域29和区域30产生玻璃基片的中心温度而区域31和30产生一部分边缘区域的温度并且区域28和32产生另一部分边缘区域的温度。为了提高均匀性，在加热期间沿传送方向略微地来回移动基片也是有利的。尽管如此还是会达到上述的温度梯度。
为了允许通过高温计对玻璃温度进行正确控制，已经认识到冷却腔室壁部以使所有基片相邻区域的温度都低于基片温度，加热灯除外。
沉积的一个关键因素是基片的温度，因为它直接影响到涂层的薄膜厚度并因此影响到薄膜的均匀性。如上所述，基片被传送到已经被加热的第一沉积腔(PM)2。通常希望沉积开始时在基片上具有均匀的热量分布。但是对于太阳能应用来说已经证明在玻璃上具有非均匀的温度分布并因此具有非均匀的厚度分布可能是有利的。例如在边缘区域ZnO的较高厚度对于薄膜太阳能电池来说被视为优点。硼掺杂的ZnO层的降解通常在边缘区域内较高，因此薄膜接触区域的电导随着时间的推移而降低。因此这种增加的降解可以通过较高的边缘层厚度来补偿以使得长时间后ZnO接触层的整体电阻保持恒定并低于所需的15欧姆/平方的值。
如上所述，具有单独加热的边界元件51的加热板53也允许经过调节的、均匀的温度/涂覆分布以及非均匀的在基片的边缘区域具有增大的层厚度的涂覆分布。
在根据本发明的一个实施例中，选择了三种区域设置方法。两个区域被设置在加热板53的中心板上；由边界元件51代表的一个区域被从中心板分离并独立进行热力控制。中心区域的温度大约为175℃而边缘区域被设定为190℃。这种方式外边缘区域应该对从玻璃基片到周围区域中的热损失进行补偿或者甚至进行过补偿。
图3示出了反应器/加工模块的示意图，其中发生实际的反应。基片35被放置在加热器台面34(加热台)上。示出了(可收回的)传送辊36以及气体喷淋装置37，38。气体喷淋装置包括两部分，分别是气体定量供给部分37和气体分配部分38。
在图4中更详细地示出了气体定量供给部分，其包括气体管路，具有明确界定的孔，气体可以由此流入加工腔(PM)41内。保持PM41内大约0.5mbar的压力并使流过气体定量供给部分的气体流量大约为1-2标准升(1000-2000sccm)导致气体定量供给管路内的压力在5mbar到20mbar之间。气体定量供给管路被彼此并联设置，以均质方式给气体混合室42提供气体。这可以通过在气体定量供给管路39、40内等间距的孔来实现。
存在两组气体定量供给管路，一组用于水蒸气39而另一组用于DEZ和乙硼烷40。
气体分配部分38被设计作为气体喷淋板并用明确界定出的孔模式将气体分配到基片的特定区域。
发明内容
一种用于在内联式真空加工系统内的基片上沉积薄膜的方法，包括以下步骤：
a)将第一基片引入装载-锁定腔内；
b)降低所述腔室内的压力；
c)将所述第一基片传送到第一沉积腔内；
d)使用第一组涂覆参数将第一材料层至少部分地沉积在所述第一基片上；
e)将所述第一基片传送到所述内联式系统随后的第二沉积腔内而不破坏真空；
f)使用基本相同的参数组将另一层所述第一材料层至少部分地沉积在所述第一基片上；
g)将所述第一基片传送到装载锁定腔内；
h)从所述系统中取出所述第一基片并同时进行步骤f)在所述内联式真空系统内根据步骤d)处理第二基片。
所述方法的实施例应该或者可以包括：
-所述第一组沉积参数包括气体流量、化学成分和压力。
-所述涂层包括透明的导电氧化物薄膜。
-所述沉积包括CVD、PECVD、LPCVD、PVD或反应性PVD中的一种。
-步骤b)包括附加的基片加热步骤。
-所述部分涂覆是在所述沉积腔内沉积等于所需总厚度的1/n的部分。
-所述低压化学气相沉积是在0.3mbar到1.1mbar的压力范围内进行的。
-所述基片的材料是聚合物、金属或玻璃的一种。
-所述基片具有平板形状并在整个加工期间水平放置。
-所述平板形基片具有至少1m2的尺寸并且具有0.3mm到5cm之间优选地在2mm到5mm之间的厚度。
-所述基片上的所述TCO薄膜是用于太阳能电池的前接触电极。
-所述基片上的所述TCO薄膜是用于太阳能电池的后接触电极。
-所述TOC薄膜是氧化锌或氧化锡。
-所述方法可以使用例如液体或气体形式的水、有机金属物质例如二乙基锌(dez)作为反应物并使用乙硼烷作为掺杂物。
一种用于基片的内联式真空加工的装置，包括：
-至少一个装载-锁定腔，
-用基本相同的涂覆参数组进行操作的至少两个沉积腔；
-至少一个卸载-锁定腔，和
-用于传送、后加工和/或操纵基片通过并位于各个腔室内的装置。
所述装置进一步的实施例应该或者可以包括：
-装载-锁定腔，包括加热装置、用于建立和保持真空状态的泵送装置、用于基片传送的装置以及用于引入气体例如惰性气体和/或工作气体和/或沉积气体的装置、包括红外射线模块的加热装置。
-装载-锁定腔包括用作基片传送装置的传送带；沉积腔，具有用于在沉积期间支撑基片的装置、用于传送基片的装置、用于引入必要的反应物用于沉积的装置、真空泵以及加热装置。
-用于在沉积腔内传送基片的装置是内部冷却的可收回滚轮或辊；用于支撑基片的装置是可竖直移动的销，适于将基片从辊升起。
-用于引入必要的反应物以进行根据喷头原理设计的沉积。
-装载-锁定腔包括用于传送和/或冷却和/或送出基片的装置。
-装载-锁定腔具有通过设有传送装置的装载站送料的基片入口，用于至少从工作人员、机器人或另一加工系统中接收基片。
-腔室以及装载和卸载站被沿直线顺序设置(类似于流水线)以使得在腔室下方能够设置后加工装置也就是分别沿与上方腔室沉积加工相反的方向移动的反向传送装置，为了进一步将经过加工的基片最终冷却到环境温度状态，在沉积加工线路的轨迹内包括有冷却装置。
-装载站，具有提升或升降机构用于将经过加工的基片从反向传送装置升起以在至少是工作人员或机器能够操作基片或将其装箱搬离的位置接收涂覆过的基片。

Claims (6)

1.一种用于在内联式真空加工系统内以低压CVD（LPCVD）加工在基片上沉积氧化锌薄膜的方法，包括以下步骤：
a)将第一基片引入装载-锁定腔(2)内；
b)降低所述腔室内的压力；
c)通过红外加热器（28-33）对所述基片进行加热；
d)将所述第一基片传送到第一沉积腔(4)内，并且将所述基片定位在第一被加热的基片固定器（11）上；
e)将包括至少水、乙硼烷以及二乙基锌的工作气体经气体喷淋系统（15）定量供给到所述第一沉积腔(4)；
f)沉积一层氧化锌；
g)将所述第一基片传送到所述内联式真空加工系统随后的第二沉积腔(5)内而不破坏真空，并且将所述基片定位在第二被加热的基片固定器（12）上；
h)将包括至少水、乙硼烷以及二乙基锌的工作气体经气体喷淋系统（16）定量供给到所述第二沉积腔(5)；
i)沉积另一层氧化锌；
j)将所述第一基片传送到卸载-锁定腔(10)内；
k)从所述系统中取出所述第一基片；
其中在步骤c）期间略微地来回移动所述基片。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述沉积腔（4，5）中，所述基片的边缘区域被加热到高于所述基片的中心区域的温度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中在定量供给步骤e)和h)期间建立1000-2000sccm的气流。
4.如权力要求1所述的方法，其中所述沉积步骤f)和i)在0.3mbar到1.1mbar之间的压力下进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中同时进行步骤i)时,在所述内联式真空加工系统内根据步骤f)完成第二基片的处理。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述层的总厚度通过n个步骤在所述沉积腔中的每个中沉积1/n的层厚形成。
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