CN102644056A - 用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备及其控制系统，属于磁控溅射镀膜技术领域，解决所镀膜层的厚度一致性等技术问题。磁控溅射设备包括安装在真空腔室内的旋转靶，该旋转靶呈筒状，其上装有可移动的磁体，靶筒外壁上装有靶材，内部装磁体，靶轴贯穿靶筒，磁体的移动机构装在靶轴的一端，靶轴的另一端装有靶材旋转机构。旋转靶电源，其一端与真空腔体内的阴极连接，另一端连接工控机，该工控机与移动机构控制器及移动机构相互连接，形成闭环控制系统，由电脑程序控制磁体移动。积极效果是通过闭环控制系统调节靶电源以及磁铁和靶材之间距离，保证所镀膜层厚度的均匀性和致密度的一致性。

Description

用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备及其控制系统，属于磁控溅射镀膜技术领域。

背景技术

磁控溅射镀膜设备通过电场和磁场的作用，在等离子体真空腔体内对靶材进行溅射，沉积薄膜太阳能电池的背电极，如铝、掺铝氧化锌等膜层。而磁控溅射镀膜采用的靶结构基本可分为平面靶和旋转靶两种方式。平面靶结构简单，但靶材利用率相对较低，基本在15%-30%，随着技术的发展，可以通过增加磁铁移动装置提高平面靶的利用率，实现靶材轰击的均匀性，如中国专利201010121301.1《磁控溅射源及等离子体处理设备》是采用增加磁铁移动装置，调节磁场强度，以提高平面靶的利用率，但是其利用率仍然不高，需经特殊的技术处理后才能达到35%-40%。平面靶要求靶材厚度在6-14mm之间，若靶材太厚或太薄都会使利用率降低，导致靶材更换频繁，对于规模化生产会增加工序及不利于设备维护，影响产能。而旋转靶具有靶材利用率高，维护周期长，产能高的优点，避免了平面靶的这些缺点；但是旋转靶结构较复杂，制造要求高，靶材成本高，供货周期较长，对设备及工序的生产管控要求高。旋转靶的靶材利用高、消耗均匀，但在使用过程中，靶材会越来越薄，靶材溅射表面与靶筒内的磁铁之间的距离越来越小，使靶材溅射表面的磁场发生变化，所镀膜层越来越薄，无法达到膜层性能要求，使产品质量降低；因此在使用旋转靶生产时，随着靶材消耗、厚度减少，为了保证所镀膜层厚度，需采用频繁调整靶功率的方式，但靶起辉后靶材一直处于消耗状态，难以调整到合适的参数，导致所镀薄膜厚度不均匀，影响产品质量，尤其不适合对功率调整敏感的AZO等透明导电膜层，因为调整功率时会影响AZO膜层的致密程度，虽然膜层厚度一致，但是由于膜层疏松程度不一样，导致其电阻率变化较大，不能达到薄膜电池膜层的性能要求。基于上述问题，中国专利200910160063.3《真空溅镀设备的旋转靶装置》是通过旋转内部磁铁来保证镀膜厚度，但该技术需要多个相同的旋转靶才能实现，价格昂贵，成本高。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的目的是设计一种结构简单、成本低的用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备及其控制系统，解决磁控溅射镀制薄膜电池膜层的厚度一致性等技术问题。

为了实现以上任务，本发明采用的技术方案：设计一种用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，包括安装在真空腔室内的旋转靶，其特征在于所述旋转靶上装有可移动的磁体，该旋转靶呈筒状，其外壁上装有靶材，内部装磁体，靶轴贯穿靶筒，磁体的移动机构装在靶轴的一端，靶轴的另一端装有靶材旋转机构。

靶筒两端设有连接构件，该构件由端头、靶轴支承座和连接夹套组成，端头由连接夹套安装在靶筒的两端，且端头内装有靶轴支承座。

靶轴支承座内设有靶轴移动槽。

靶轴的两端设有平面台阶，该平面台阶插接在靶轴移动槽内。

磁体移动机构主要由电机、齿轮和齿条组成，电机的运动轴上装有齿轮，靶筒的端头装有齿条，齿轮与齿条啮合。

磁体包括固定块、封闭盒、靶靴和多组磁铁，磁铁安装在磁靴上，且置于封闭盒内，该封闭盒由固定块安装在靶轴上，磁体的封闭盒内装有冷却水。

本发明还提供一种用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备的控制系统，包括电脑、工控机、移动机构控制器，其主要技术特点是磁控溅射设备的靶电源，其一端与真空腔体内的阴极连接，另一端连接工控机，该工控机与移动机构控制器及移动机构相互连接，形成闭环控制系统，工控机从靶电源采集靶功率、靶电压及电流信号，反馈至电脑，由电脑程序控制磁体移动。

磁控溅射设备的靶材为金属靶，由工控机自动控制靶功率和靶材厚度，均匀镀制金属膜层，靶功率和靶材厚度的关系式为：y=-4.8ln(x)+22.04，其中y是靶功率，x是靶材厚度。

磁控溅射设备的靶材为AZO靶，由工控机自动控制靶面与磁铁之间的间距以及靶材厚度，其函数关系式：y=0.834x+11.5，y为靶材厚度，x为靶面与磁铁之间的间距。

本发明产生的积极效果是：对薄膜太阳能电池的磁控溅射设备中的旋转靶进行改进，在旋转靶的靶轴的两端安装端头及靶轴支承座，靶轴支承座上设有靶轴移动槽，靶轴可在移动槽内滑动，靶轴的一端安装有齿条，通过控制系统控制电机带动齿轮齿条移动，使得靶轴上的磁体在端头支承座的移动槽内移动，调整溅射靶材表面的磁场。通过闭环控制系统自动调节靶电源以及旋转靶上的磁铁和靶材之间距离，调整靶材表面的磁场，保证所镀膜层厚度的均匀性和致密度的一致性。

附图说明

图1：本发明的结构示意图。

图2：图1中靶轴15的结构示意图。

图3：图1中A-A剖面示意图。

图4：图1中B-B剖面示意图。

图5：图1中C-C剖面示意图。

图6：图1中D-D剖面示意图。

图7：本发明用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备的控制系统的示意图。

图8：靶功率和靶材厚度的关系图。

图9：靶材厚度对应处的靶功率示意图。

图10：膜层厚度与靶材厚度的关系图。

图11：靶电压和靶材厚度的关系示意图。

图12：膜层厚度和靶材厚度的关系示意图。

图13：本发明采用闭环控制移动磁体时，靶电压和靶材厚度的关系示意图。

图14：本发明采用闭环控制移动磁体时，膜层厚度和靶材厚度的关系示意图。

图15：本发明采用闭环控制移动磁体时，齿条移动距离和靶材厚度的关系示意图。

图16：本发明采用闭环控制移动磁体时，靶面与磁铁之间的间距和靶材厚度的关系示意图。

图17：本发明采用闭环控制移动磁体时，电阻率和靶材厚度的关系示意图。

图1至图17中：1、真空腔体，2、基片，3、靶材转动主齿轮，4、靶材转动电机，5、右端头，6、靶材转动副齿轮，7、右靶轴支承座，8、连接夹套，9、靶材，10、固定块，11、靶筒，12、左端头，13、移动机构电机，14、移动机构齿轮，15、靶轴，16、移动机构齿条，17、左靶轴支承座，18、封闭盒，19、磁靴，20、磁铁。

具体实施方式

实施例1

用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备包括一个具有可移动磁体的旋转靶，其置于磁控溅射设备的真空腔体内，主要包括靶筒、端头、连接夹套、靶轴、磁体以及靶材，靶材焊接在靶筒外，磁体固定在靶轴上，并放置在靶筒内，端头通过连接夹套安装在靶筒两端，在靶轴的两端安装有靶轴支承座，靶轴支承座安装在端头内，靶轴两端加工有平面台阶，靶轴支承座加工有靶轴移动槽，靶轴平面台阶插入靶轴支承座的靶轴移动槽内。在靶轴的一端安装有移动机构。移动机构由电机、齿轮和齿条组成，电机安装在真空腔体上，齿轮安装在电机轴上，齿条固定安装在靶轴的平面台阶上，齿轮与齿条啮合。

见图1至图7，旋转靶由靶材转动电机4、靶材转动主齿轮3、靶材转动副齿轮6、右端头5、左端头12、靶筒11、靶材9、连接夹套8、靶轴15、右靶轴支承座7、左靶轴支承座17、移动机构电机13、移动机构齿轮14、移动机构齿条16、固定块10、封闭盒18、磁靴19和磁铁20组成。靶材9安装在靶筒11外圆上，靶筒11两头通过连接夹套8与右端头5和左端头12相连接，右端头5和左端头12分别通过轴承安装在真空腔体1上，右端头5伸出到真空腔体1外部，在其上安装有靶材转动副齿轮6，靶材转动副齿轮6与靶材转动主齿轮3相啮合，靶材转动主齿轮3安装在靶材转动电机4的轴上。磁铁20安装在磁靴20上，一起放置在封闭盒18内，封闭盒18内充满冷却水，封闭盒18由固定块10安装在靶轴15上，装有磁体的封闭盒18放置在靶筒内，靶轴15两端的平面台阶分别插入右靶轴支承座7和左靶轴支承座17的靶轴移动槽内，右靶轴支承座7和左靶轴支承座17通过轴承分别安装在右端头5和左端头12上，右靶轴支承座7并从右端头5内伸出并固定在真空腔体1外，使得磁体面向基片2，靶轴15的左端的平面台阶伸出到左靶轴支承座17的外侧，在平面台阶上固定有移动机构齿条16，移动机构齿条16与移动机构齿轮14相啮合，移动机构齿轮14安装在固定在真空腔体1的外部的移动机构电机13的伸入到真空腔体1的内部的轴上。工作时，靶材转动电机4带动靶材转动主齿轮3转动，再带动靶材转动副齿轮6转动，再带动右端头5转动，再带动靶筒11和靶材9转动，由于右端头5、左端头12和右靶轴支承座7、左靶轴支承座17是通过轴承相连，并不会带动右靶轴支承座7和左靶轴支承座17转动。当靶材9消耗后，控制系统将信号传递给工控机，工控机再将信号传递给移动机构控制器，移动机构控制器给指令到移动机构电机13转动，带动移动机构齿轮14转动，再带动移动机构齿条16移动，再带动靶轴15移动，靶轴15带动磁体移动靠近靶材9内表面，补偿靶材9消耗带来的磁场变化，均匀镀制薄膜太阳能电池的背电极膜层。

实施例2

采用本发明设计的磁控溅射设备及控制系统，镀制薄膜太阳能电池的背电极金属膜层，如Ag或Al膜。磁控溅射设备的控制系统，包括电脑、工控机、移动机构控制器，磁控溅射设备的靶电源，其一端与真空腔体内的阴极连接，另一端连接工控机，该工控机与移动机构控制器及移动机构相互连接，形成闭环控制系统，工控机从靶电源采集靶功率、靶电压及电流信号，反馈至电脑，由电脑程序控制磁体移动。

本实施例中薄膜太阳能电池磁控溅射设备的靶材为Ag或Al金属靶，由工控机自动控制靶功率和靶材厚度，均匀镀制薄膜太阳能电池的背电极金属膜层，靶功率和靶材厚度的关系式为：y=-4.8ln(x)+22.04，其中y是靶功率，x是靶材厚度，所镀膜层厚度为69nm，见图8。根据上述靶材厚度和靶功率的曲线，随后可以通过电脑程序控制靶电源，实时调整相应的靶功率设置，保证所镀膜层厚度的一致性。

薄膜太阳能电池磁控溅射的控制过程为：

采集信号：工控机从靶电源采集靶功率、电压、电流等信号，将该信号反馈给电脑，同时输入靶材不同阶段的镀膜膜厚。

拟合靶功率和靶材厚度的关系式：电脑对工控机采集的信号进行数据分析，拟合出靶功率和靶材厚度相应的关系式，y=-4.8ln(x)+22.04（其中y：靶功率，x：靶材厚度），见图8，随着靶材厚度减小，靶功率是呈现指数方式的上升趋势。

输入到工控机，闭环控制，实时调整靶功率：将靶功率和靶材厚度相应的关系式输入到工控机中，自动控制调整靶电源功率，使镀膜过程中的靶功率尽可能地靠近计算值，如图9所示。

镀制厚度均匀的背电极膜层: 根据图8所示的靶功率和靶材厚度的关系式，实时调整靶功率，可实现膜层厚度的重现性，如图10所示，要求所镀薄膜太阳能电池背电极膜层的厚度为69nm，而通过实时调整镀膜过程中的靶功率，实际制备的背电极膜层厚度波动大小仅为3.12%，属于可控范围，保证了所镀背电极膜层厚度的一致性，满足作为背电极膜层的性能及质量要求。

实施例3

镀制薄膜太阳能电池AZO膜层。

AZO膜层对靶功率特别敏感，随着靶功率的变化，会影响AZO膜层的电阻率，所以不能采用调整靶功率的方法镀制AZO膜层。

本发明用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，采用闭环控制系统，且旋转靶上装有可以移动的磁体，通过移动磁铁，调整磁铁与靶面之间的距离，镀制厚度均匀的AZO膜层，同时解决AZO膜层的电阻率不稳定问题，这种磁控溅射设备的控制系统模式如下：

工控机采集并监控靶电压信号：工控机从靶电源采集靶电压信号，靶电源引出数据线到PLC（可编程逻辑控制器），通过PLC从靶电源处获得靶电压数据，实时监控靶电压的变化；

PLC将靶电源的电压值反馈给电脑；

当工控机监测到靶电压发生变化时，电脑给出磁体发出移动信号：电脑根据靶材厚度与靶面/磁铁间距的函数关系式：y=0.834x+11.5，其中y为靶材厚度，x为靶面与磁铁之间的间距，计算出磁铁需移动的距离，靶材厚度与靶面/磁铁间距的函数关系曲线见图16，由工控机自动控制靶面与磁铁之间的间距以及靶材厚度，以此来校正实际镀制膜层中，随着靶材厚度变化，调整磁铁和靶面之间距离；

磁铁移动：电脑将磁铁需移动的距离传送给PLC，PLC程序控制磁铁移动；

工控机再采集靶电压数据：在磁铁移动的同时，工控机从靶电源采集靶电压信号，并根据靶电压的稳定程度来进一步调整磁铁移动的距离，保证所镀膜层厚度的一致性。

在未采用闭环控制以及移动磁铁时，在一定的靶电源功率条件下，靶电压会随着靶材消耗呈现下降的趋势。如图11所示，在10KW的靶电源功率下，随着AZO靶材厚度的减小，相应的靶电源的电压降低，在这种情形下制备的AZO膜层厚度不均匀，具体如图12所示，AZO膜层厚度随着靶材的消耗呈线性变薄的趋势，不能满足膜层厚度均匀的要求。

本发明采用闭环控制以及移动磁铁的方式，使磁控溅射设备的旋转阴极靶得到提升。图13、图14和图15是实测得出的各种曲线图：其中图13所示的靶材厚度和靶电压的曲线关系，通过闭环控制和移动磁铁，靶电压不再随着靶材消耗而呈现下降趋势。图13靶电压在498V-502V之间波动，其波动性为0.4%，靶电压稳定。

图14为本发明采用闭环控制移动磁体时，膜层厚度和靶材厚度的关系示意图，由图可知，所镀AZO膜层的厚度均匀，其波动性为0.94%，其效果明显优于图10仅是闭环控制方式时膜层厚度的波动性。

图15为AZO靶材厚度与磁铁移动距离的曲线关系，从图中可以看出：随着靶材越薄，磁铁所需要移动距离随之变小。

    图17为采用本发明技术通过闭环系统控制靶电源以及磁铁移动获得的靶材厚度与所镀膜层厚度的电阻率的关系曲线，可以看出所镀AZO膜层的电阻率变化在4.46-4.81μΩ·cm之间，满足要求非晶硅薄膜电池的要求。

本发明可用于镀制金属膜层和/或金属氧化物膜层，不局限应用于太阳能电池领域，也可用于其他行业镀制所需膜层，更不局限于以上实施例及实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改变，这些变型和改变也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，包括安装在真空腔室内的旋转靶，其特征在于所述旋转靶上装有可移动的磁体，该旋转靶呈筒状，其外壁上装有靶材，内部装磁体，靶轴贯穿靶筒，磁体的移动机构装在靶轴的一端，靶轴的另一端装有靶材旋转机构。

2.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，其特征在于所述靶筒两端设有连接构件，该构件由端头、靶轴支承座和连接夹套组成，端头由连接夹套安装在靶筒的两端，且端头内装有靶轴支承座。

3.根据权利要求2所述的用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，其特征在于所述靶轴支承座内设有靶轴移动槽。

4.根据权利要求3所述的用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，其特征在于所述靶轴的两端设有平面台阶，该平面台阶插接在靶轴移动槽内。

5.根据权利要求1所述的带可移动磁体的旋转靶磁控溅射设备，其特征在于所述磁体移动机构主要由电机、齿轮和齿条组成，电机的运动轴上装有齿轮，靶筒的端头装有齿条，齿轮与齿条啮合。

6.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，其特征在于所述磁体包括固定块、封闭盒、靶靴和多组磁铁，磁铁安装在磁靴上，且置于封闭盒内，该封闭盒由固定块安装在靶轴上。

7.根据权利要求6所述的用于薄膜太阳能电池的磁控溅射设备，其特征在于所述磁体的封闭盒内装有冷却水。

8.一种用于权利要求1所述磁控溅射设备的控制系统，包括电脑、工控机、移动机构控制器，其特征在于所述磁控溅射设备的靶电源，其一端与真空腔体内的阴极连接，另一端连接工控机，该工控机与移动机构控制器及移动机构相互连接，形成闭环控制系统，工控机从靶电源采集靶功率、靶电压及电流信号，反馈至电脑，由电脑程序控制磁体移动。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于所述磁控溅射设备的靶材为金属靶，由工控机自动控制靶功率和靶材厚度，均匀镀制金属膜层，靶功率和靶材厚度的关系式为：y=-4.8ln(x)+22.04，其中y是靶功率，x是靶材厚度。

10.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于所述磁控溅射设备的靶材为AZO靶，由工控机自动控制靶面与磁铁之间的间距以及靶材厚度，其函数关系式：y=0.834x+11.5，y为靶材厚度，x为靶面与磁铁之间的间距。

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