CN202492570U - 用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，属于太阳能电池磁控溅射技术领域。磁控溅射镀膜装置，包括真空室及阴极靶，该阴极靶的靶座上装有靶材、背板及磁体，阴极靶的磁体由带励磁线圈的外环强磁体和中间弱磁体构成，磁体上的励磁线圈与控制电源连接，兼容平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射技术，产生可变磁场，适用于太阳能电池前电极、背电极和减反射膜层等多种沉积材料对磁场的要求，实现单一设备的多种功能。

Description

用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，属于太阳能电池磁控溅射技术领域。

背景技术

硅基薄膜太阳能电池一般采用磁控溅射镀膜技术，在非晶硅膜表面形成AZO、Ag、Al膜等复合背导电薄膜层。磁控溅射镀膜技术，对靶材施加负高压，以靶材作为阴极，基片作为阳极，在靶材与基片之间形成电场，并通过在靶材背面放置磁极提供磁场，利用磁场与电场交互作用，约束电子在靶表面附近螺旋状运行，不断撞击氩气产生离子，所产生的离子在电场作用下撞向靶面溅射出靶材原子，沉积在基片上获得所需的导电薄膜层。

由于平衡磁控溅射阴极产生的磁场的磁力线在靶表面闭合，将电子紧紧束缚在靶表面，使得靶表面附近等离子体密度高，具有基底升温低和溅射速率高的优点，且系统控制方便，工艺稳定，广泛应用于薄膜太阳能电池的前电极AZO膜层，以及背电极AZO、Ag、Al等膜层。而太阳能电池的减反膜层TiOx、Nb2O5等，通常采用反应磁控溅射，需要将氧与溅射出的金属原子进行电离活化反应后再沉积在基底上，由于非平衡磁控溅射阴极产生的磁场的磁力线在同一阴极靶面内不形成闭曲线，部分外环的磁力线延伸到基底表面，使部分电子能沿着磁力线逃逸到基底表面区域，与中性粒子碰撞使之电离，增加了离子浓度，使得化合物反应充分后沉积在基底上，扩展等离子体区域，溅射源同时作为离子源，保证膜层质量。

目前，磁控溅射技术存在非平衡磁控溅射阴极和平衡磁控溅射阴极不能通用的问题，设备兼容性差，这就大大增加了企业的设备投入，使得制造成本增加，如何实现一种具有可变磁场的磁控溅射阴极成为需要解决的技术问题。中国专利ZL201020186323.1公开了一种“具有交替电磁场的矩形平面磁控靶”，通过控制电磁铁上的线圈的电流的方向和大小来实现交替电磁场和不同磁场强度来满足不同产品的要求，但是由于其磁体为两组相互交叉设置的电磁铁，两组电磁铁不能同时通电产生磁场，使磁场结构复杂，磁场变化受限制。中国专利201010121301.1公开了一种“磁控溅射源及等离子体处理设备”，在靶材上方设置磁体移动装置，使磁体在靶材上运动，以改变磁力线的分布，进而实现靶材轰击的均匀性，但是其采用的移动装置结构复杂，设备成本高，而且仅仅通过移动装置改变磁力线的分布，仍然不能有效调节靶表面的磁场强度，亦不能保证沉积膜层的均匀性和一致性。

实用新型内容

针对以上现有技术的不足，本实用新型设计一种只需一组电磁铁能够实现可变磁场的多功能磁控溅射阴极靶，解决如何兼容平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射技术，产生可变磁场，以适用于多种材料的磁控溅射镀膜。

为了实现以上任务，本实用新型采用的技术方案：包括真空室及阴极靶，该阴极靶的靶座上装有靶材、背板及磁体，其主要技术特征是阴极靶的磁体由带励磁线圈的外环强磁体和中间弱磁体构成，且磁体上的励磁线圈与控制电源连接，产成可变磁场，实现均匀镀制不同材料膜层。

靶材安装在背板上，固定在靶座前端。阴极靶的外环强磁体由永磁铁阵列组成，中间弱磁体由电磁铁阵列构成，在外环磁体和中间磁体上都设有接入电源的励磁线圈，通过控制通入励磁线圈的电流产生可变磁场，来满足不同材料对磁场的要求。

阴极靶采用磁水分离结构，阴极靶的背板上设有靶材的冷却水槽。

外环强磁体与中间弱磁体固定在磁轭上。磁轭的底部装有推杆，该推杆带动磁轭和磁体在靶座内移动。磁轭底部的推杆连接气缸，由气缸带动推杆调节磁体与靶材之间的距离，调整靶材表面的磁场强度及分布。

外环强磁体与中间弱磁体上的励磁线圈反向缠绕，接入DC电源控制电流的大小。

外环强磁体与中间弱磁体上的励磁线圈可分别通电或不通电。

外环强磁体与中间弱磁体上的励磁线圈均通电时，其电流方向相反。

本实用新型产生的积极效果：

1.由于外环磁体为强磁的永磁铁，中间磁体为弱磁的电磁铁，而且都缠绕有励磁线圈，通过励磁线圈是否通电和通电电流大小，可以变换磁场形式，当都不通电时为非平衡式磁场，当外环磁体的励磁线圈不通电、内环磁体的励磁线圈通电时可形成平衡式磁场，当同时通电时，可通过分别调节电流大小，实现非平衡式磁场或平衡式磁场，因此适用于太阳能电池前电极、背电极和减反射膜层等多种沉积材料对磁场的要求，实现单一设备的多种功能。

2.由于易于控制通电电流，可以通过调整磁体的励磁线圈通电电流的大小，调节靶表面磁场的强度和分布。

3.由于磁体可移动，调节与靶材之间的距离，可以调节靶表面的磁场强度和分布，同时有利于靶材消耗过程中磁场的强度增强，保证各种沉积膜层的均匀性、一致性，提高太阳能电池产品质量。

附图说明

图1：本实用新型的剖面结构示意图。

图2：本实用新型的磁体布置结构示意图。

图3：本实用新型应用实例剖面结构示意图。

图4：实施例1的磁力线分布示意图。

图5和图6：实施例2的磁力线分布示意图。

图7和图8：实施例3的磁力线分布示意图。

图1至图8中：1、靶座，2、磁轭，3、外环磁体，4、中间磁体，5、靶材，6、水冷背板，7、外环励磁线圈，7’、中间励磁线圈，8、推杆，9、冷却水槽，10、维修门，11、基片，12、真空室，13、气缸，14、磁力线。

以下结合附图详细说明本实用新型的结构原理。

用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，包括真空室及阴极靶，且阴极靶主要由靶座1、磁轭2、外环磁体3、中间磁体4、靶材5、背板6、外环励磁线圈7、中间励磁线圈7’、推杆8和冷却水槽9组成，靶材5和背板6固定在靶座1前端，中间磁体4位于环状连接的外环磁体3内部，并一起固定在磁轭2上，外环励磁线圈7和中间励磁线圈7’分别缠绕在外环磁体3和中间磁体4外部，磁轭2底部安装有推杆8，磁轭2和外环磁体3及中间磁体4一起放置在靶材5和靶座1围住的内部，推杆8从靶座1的底部伸出到外部，靶材的冷却水槽9安装在背板6上和外环磁体3与中间磁体4中间间隙相对应的位置，保证磁体移动时不发生碰撞。使用时，将靶座1固定安装在真空室12的维修门10上，推杆8从维修门10伸出到真空室12外部，与气缸13相连接，气缸13推动推杆8向前运动，通过对外环励磁线圈7和中间励磁线圈7’的有无通电及通电电流大小，来改变和控制磁场，可根据不同的镀膜材料要求进行不同的励磁线圈的通电控制，来实现不同的磁场要求，保证镀膜的均匀性和一致性。

具体实施方式

实施例1：镀制薄膜太阳能电池的金属背电极Al膜层。

采用Al靶材，磁控溅射源设置成平衡磁控溅射模式。

如图4所示，分别对外环励磁线圈7和中间励磁线圈7’接通一定大小的直流电，使外环磁体3形成与中间磁体4相反的磁体，并使恒定磁场通过外环磁体3形成与中间磁体4的磁体端面的磁通量相等，磁力线14在靶表面闭合（如图4），于是在Al靶表面形成恒定磁场，对溅射靶通DC电源，在靶材5和基片11间形成一恒定电场，在靶面附近通入工作气体Ar气，在正交电磁场的作用下，Ar气产生辉光放电，二次电子被束缚在靶材5表面附近，不断与Ar原子碰撞电离，产生的Ar离子不断轰击Al靶，使Al以原子团形式在电池板上形成背电极Al膜。

实施例2：镀制太阳能电池板表面的减反膜层TiOx、SiO2。

采用Ti靶材，反应溅射TiOx膜层时，磁控溅射源设置成非平衡磁控溅射模式。如图5所示，外环励磁线圈7和中间励磁线圈7’均不通电，由于外环磁体3由永磁铁组成，中间磁体4不通电，于是形成外磁场强于内磁场的磁场结构，则通过外环磁体3和中间磁体4的磁体端面的磁通量不相等，磁力线在靶面内不形成闭曲线，部分外环的磁力线14延伸到基片11表面（如图5），对溅射靶通DC电源，在靶材5和基片11间形成一恒定电场，并在Ti靶表面附近通入工作气体氧气，氧气产生辉光放电，电离出二次电子，一部分二次电子在靶面与N原子碰撞，产生氧离子撞击Ti靶，Ti以原子团的形式飞向基片11，另一部分二次电子能沿着磁力线逃逸到基片11表面区域，同时再与氧原子发生碰撞使之电离，扩展了等离子体区域，飞向基片11的 Ti原子团在等离子体中被离化，加速与氧原子的反应在基片11形成TiOx膜层，且溅射源同时作为离子源，在基底表面形成大量离子轰击。

如图6所示，由于外环励磁线圈7和中间励磁线圈7’不施加电流，因外环磁体3的磁场相对较弱，较多磁力线14消耗在保持自身的封闭性，而延伸到基片11表面的磁力线14分布较少，产生的效果是虽溅射速率较高，但金属原子离化率较低，基片11表面离子轰击较弱，不利于基片11上膜层的生长，为了获得高质量的膜层，对外环励磁线圈7施加适当大小的电流，磁体的磁场增强，更多的磁力线14延伸到基片11的表面，产生的效果是溅射速率放缓，金属原子离化率升高，基片11表面离子轰击增强，通过控制外环励磁线圈7电流大小，达到调节阴极表面磁场强度和分布的目的。

实施例3：镀制薄膜太阳能电池的金属背电极AZO膜层。

通过可移动的推杆结构，缩短靶材与基片之间的距离，并通过提高磁极励磁线圈的电流，增强靶表面的磁场强度。5为Al掺杂（质量百分比为2%）的Zn（纯度99.99%）合金靶材，溅射过程中通入一定氧分压的氩氧混合气体，合金靶材引入中频电源，采用反应平衡磁控溅射镀制薄膜太阳能电池的金属背电极AZO膜层。

如图7所示，在反应磁控溅射镀膜过程中，因氧的通入，形成大量活化的氧负离子与Zn、Al离子反应成膜，但氧负离子在高溅射电压的作用下，会在以一定的能量轰击电池片，引起膜层缺陷，造成AZO电阻率升高。为了尽量减少氧负离子的轰击作用，可通过增强靶表面磁场强度的方式来降低溅射电压。如图8所示，适当增大外环励磁线圈7和中间励磁线圈7’的电流，并利用推杆8使得外环磁体3和中间磁体4向前运动靠近靶材5，适量缩短磁体与靶材5的距离，有效地增大了靶材5表面的磁场强度，因磁场的增强，电压降低，一定程度上解决了氧负离子轰击电池片致使电阻率上升的问题。

经试验证实，采用本实用新型所述的磁控溅射阴极靶镀制薄膜太阳能电池的金属背电极AZO膜层，提升了太阳能电池的短路电流，并可实现减薄I层以增强电场强度，从而增强载流子的吸收的目的，可有效增加0.5%~1%的光电转化效率。

Claims (9)

1.一种用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，包括真空室及阴极靶，该阴极靶的靶座上装有靶材、背板及磁体，其特征在于阴极靶的磁体由带励磁线圈的外环强磁体和中间弱磁体构成，磁体上的励磁线圈与控制电源连接。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述阴极靶的外环强磁体由永磁铁阵列组成，中间弱磁体由电磁铁阵列构成。

3.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述阴极靶为磁水分离结构，阴极靶的背板上设有靶材的冷却水槽。

4.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述阴极靶的靶座上装有磁轭，外环强磁体与中间弱磁体固定在磁轭上。

5.根据权利要求4所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述磁轭的底部装有推杆，该推杆带动磁轭和磁体在靶座内移动。

6.根据权利要求5所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述磁轭底部的推杆连接气缸，由气缸带动推杆调节磁体与靶材之间的距离，调整靶材表面的磁场强度及分布。

7.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述外环强磁体与中间弱磁体上的励磁线圈反向缠绕，接入DC电源控制电流的大小。

8.根据权利要求7所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述外环强磁体与中间弱磁体上的励磁线圈分别通电或不通电。

9.根据权利要求7所述的用于太阳能电池的磁控溅射镀膜装置，其特征在于所述外环强磁体与中间弱磁体上的励磁线圈均通电，其电流方向相反。

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