CN208701194U - 一种新型制备薄膜的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种制备薄膜的装置。制备薄膜的装置包括：溅射室，用于生成金属前驱物；蒸发室，用于将蒸发的所述金属前驱物镀至基板上形成薄膜；以及基板承载装置，位于蒸发室中，用于承载所述基板；其中，所述溅射室与所述蒸发室相连通，所述基板承载装置朝向所述溅射室。本实用新型的新型制备薄膜的装置及方法，装置简单，操作方便，结合磁控溅射法和共蒸发法等多种方法的优势，既实现靶源成分比例控制，从而获得分布更均匀、具有更优Ga梯度的CIGS薄膜，提高电池转换效率，又减少单一共蒸发法中蒸发耗能，提高材料的利用率，同时可实现高速率沉积镀膜。

Description

一种新型制备薄膜的装置

技术领域

本实用新型涉及一种镀膜技术，特别地涉及一种新型制备薄膜的装置。

背景技术

太阳能电池作为绿色能源，已逐渐被广泛应用于各领域。太阳能电池可直接将太阳光转化为电能，实现这一过程的关键是由Cu(铜)、In(铟)、Ga(镓)、Se(硒)四种元素构成的黄铜矿结构。运用现有的镀膜技术将4种元素镀制到基板上，形成太阳能电池P-N结中的P型结构薄膜。

现有的镀膜技术有很多，可分为非真空法镀膜和真空法镀膜。现在研究最广泛、制备出电池效率比较高的是真空法镀膜，包括：磁控溅射法、共蒸发法等。磁控溅射法虽能制备出效率较高的太阳能电池，但是溅射过程中各元素分布的均匀性较差，易产生合金相和单相，如制作CIGS太阳能电池时，现有技术中应用的靶材多为混合靶材，如三元靶CuInGa,二元靶CuGa、CuIn、GaSe、InSe等，不易形成理想的Ga梯度，从而减小了禁带宽度。共蒸发法制备的太阳能电池转化效率相较磁控溅射转化效率更高，实验室通过三步共蒸发法制备的电池效率可达22.6％，但由于蒸发源成膜时需精确控制其成分，所以对设备要求极高，耗能较大，且比例成分不易控制，不易产业化。

实用新型内容

针对现有技术中存在的磁控溅射法镀膜时易产生合金相和单相，蒸发法镀膜时对各组分比例成分不易控制等问题，本实用新型提出了一种制备薄膜的装置，包括：溅射室，用于生成金属前驱物；蒸发室，用于将蒸发的所述金属前驱物镀至基板上形成薄膜；以及基板承载装置，位于蒸发室中，用于承载所述基板；其中，所述溅射室与所述蒸发室可相连通，所述基板承载装置朝向所述溅射室。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述溅射室和所述蒸发室之间还包括屏蔽层。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述屏蔽层包括开孔，所述基板承载装置朝向所述开孔。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述溅射室进一步包括溅射装置和发射源，其中所述溅射装置接收来自发射源的溅射。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述溅射装置为旋转装置。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述旋转装置进一步包括：旋转支架，其沿旋转轴旋转；衬底，其位于所述旋转支架上，并沿所述旋转轴旋转；以及局部加热装置，其靠近所述衬底；其中，所述局部加热装置不沿所述旋转轴旋转。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述旋转支架包括固定部分和旋转部分，其中所述局部加热装置安装在所述固定部分。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述蒸发室进一步包括：加热源，经配置以加热基板承载装置上的基板；以及热电偶，其经配置以监测基板的温度。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述加热源靠近所述基板承载装置，并与所述基板承载装置相间隔。

如上所述的制备薄膜的装置，其中所述热电偶位于所述加热源上或者所述基板承载装置上。

本实用新型的新型制备薄膜的装置，装置简单，操作方便，结合磁控溅射法和共蒸发法等多种方法的优势，通过溅射法制备金属前驱物可将下一步蒸发所需靶材分离，进而使金属靶材可以被单独加热蒸发，既实现靶源成分比例控制，从而获得分布更均匀、具有更优Ga梯度的CIGS薄膜，提高电池转换效率，又减少单一共蒸发法中蒸发耗能，提高材料的利用率，同时可实现高速率沉积镀膜。

附图说明

下面，将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本实用新型的一个实施例的混合溅射-蒸发装置示意图；以及

图2是根据本实用新型的一个实施例的混合溅射-蒸发方法流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

本实用新型包括一种新型的制备薄膜的装置，其结合多种镀膜方法的优势，不限定靶材为纯金属、合金或化合物形式，也不限制靶材的相态，即固态、液态、气态均可。根据本实用新型优选的一个实施例，如图1所示，可将磁控溅射装置与共蒸发装置结合，在磁控溅射装置的基础上改装，引入真空蒸发装置，并结合两种装置镀膜方法，完成镀膜。

图1是根据本实用新型的一个实施例的混合溅射-蒸发装置示意图。如图所示，该装置100包括两个腔室，即溅射室110和蒸发室120。蒸发室120内包括基板承载装置(124)。基板承载装置124用于承载基板121并将基板121固持在蒸发室120一侧。如图所示，蒸发室与溅射室内部相连通。由此，溅射室内的金属蒸汽可以毫无阻碍地从溅射室110运动到蒸发室120，并在基板121上沉积，完成镀膜。

需要说明的是，此处命名的蒸发室120与溅射室110仅作为方便在示意图中区分本实用新型中装置特征，并不严格显示每一部分区室的功能。比如，溅射室110用于生成金属前驱物。在溅射室110中，既可以采用溅射方法生产金属前驱物，也可以采用共蒸发方法镀膜，生成金属前驱物。同样地，蒸发室120中可能也会使用溅射方法镀膜。

根据本实用新型的一个实施例，蒸发室120和溅射室110之间的壁140上可设置孔结构，用于抽取真空和填充气体。根据本实用新型的一个实施例，可以仅设置一个孔用于实现上述功能，也可以设置多个孔分别实现不同功能。根据本实用新型的一个实施例，用于填充气体的孔优选地设置在蒸发室120一侧。

根据本实用新型的一个实施例，溅射室110和蒸发室120之间可能包括屏蔽层130。屏蔽层130可以阻挡两侧腔室内气体的自由流动，进而减少交叉污染，提高溅射质量与效率。比如，蒸发室120内为气态硒，其可能自由扩散至溅射室110。屏蔽层130可以阻止气态硒扩散到溅射室110内与其中的金属发射源112发生作用，防止污染金属发射源112。根据本实用新型的一个实施例，屏蔽层130中间包括孔1301，可以连通溅射室110和蒸发室120，使溅射室120内的金属发射源112可以通过孔1301溅射到置于蒸发室120内的基板121上。同时，由于磁控溅射法和共蒸发法均需要在真空环境下完成镀膜，所以镀膜之前需要对两腔室进行抽真空处理。孔1301的设置可以同时对两个腔室进行抽真空处理。

根据本实用新型的一个实施例，屏蔽层130可以为可开合的门结构，根据镀膜过程需要，调整两腔室的分隔或连通。根据本实用新型的一个实施例，若控制溅射室110和蒸发室120内的气体浓度等条件，使两腔室内蒸汽的流动减小，也可以不设置屏蔽层130。

根据本实用新型的一个实施例，溅射室110中包括溅射装置和发射源。溅射装置用于接收来自发射源的溅射。根据本实用新型的一个实施例，溅射装置可以为旋转装置111。本领域技术人员应当理解，由于可以提高制备薄膜的效率，旋转装置是本实用新型的一个优选的实施例。在非旋转的情况下，同样可以实现本实用新型的技术方案。

如图所示，旋转装置111进一步包括旋转支架(图中未示出)，其可沿其中心线的旋转轴旋转，旋转方向可为逆时针或顺时针方向。为便于描述，以其顺时针方向旋转描述其工作状态。根据本实用新型的一个实施例，可以在旋转支架的中心线位置可以包括转轴使其绕转轴旋转。根据本实用新型的另一个实施例，旋转支架的两端设置轨道，旋转装置111在轨道上沿其中心线原地旋转。以上两种旋转装置旋转的方式仅为本实用新型的两个实施例，本领域技术人员应当理解旋转装置旋转的方式不仅限于以上两种，其他类似可以固定旋转装置并使其原地旋转的方式均为本实用新型的保护范围。

根据本实用新型的一个实施例，旋转支架上覆有衬底(图中111表面一层即为衬底)，其作为接收来自金属发射源112溅射的溅射装置。根据本实用新型的一个实施例，衬底可以为石墨组成。根据本实用新型的一个实施例，衬底还可以为表面光滑的硅化物或混合物。衬底可以为连续的圆柱形基底，也可以为长方形石墨板，将其组装并拼接安装于旋转支架表面。根据本实用新型的一个实施例，衬底也可以为最终需要镀膜的基底。

如图所示，旋转装置111包括设置在靠近蒸发室120一侧的局部加热装置1111和热电偶(图中与局部加热装置位置重合，未示出)。热电偶被配置以监测被局部加热装置1111加热部分衬底的温度。根据本实用新型的一个实施例，可以局部加热装置1111可以为阻值合适的电阻。根据本实用新型的一个实施例，可以包括一个或多个局部加热装置1111，便于控制温度，同时使靠近蒸发室120一侧的衬底加热均匀。一个或多个局部加热装置1111均置于旋转装置111内部靠近基板121一侧。根据本实用新型的一个实施例，旋转装置111包括固定部分和旋转部分。局部加热装置1111被固定始终位于旋转装置111的固定部分，不随旋转装置111旋转。旋转装置111旋转至镀制某种发射源金属靶材置于局部加热装置1111前方时，局部加热装置1111仅对其前方的此种金属靶材加热，使其蒸发镀至基板121。旋转装置111旋转至镀制另一种发射源金属靶材置于局部加热装置1111前方时，局部加热装置1111又开始对此种金属靶材加热使其蒸发。此种设计可以使不同的靶材分别蒸发并镀至基板121，结合监测基板121温度的热电偶，进而可通过操控所要镀制膜层的厚度来得到含有适量某种物质的薄膜等。如制作CIGS太阳能电池时，可以通过控制镓的蒸发量形成理想的Ga梯度，从而增加禁带宽度，得到效率更高的太阳能电池。

根据本实用新型的一个实施例，其中旋转装置111的中心线、局部加热装置1111、孔1301和基板121的中心置于同一水平面上。

根据本实用新型的一个实施例，溅射室110内包括发射源1121-1123。根据本实用新型的一个实施例，根据需要镀制的膜层可以选择不同的发射源，可以为金属单质，可以为合金，也可以为金属化合物等。根据本实用新型的一个实施例，所有发射源均可使用纯金属靶材，以减小对样品的污染，提高完成品的质量。根据本实用新型的一个实施例，可以在相对于旋转装置111的不同位置分别设置多组发射源，如图中分别在旋转装置111的上方、右方和下方设置三组发射源1121-1123。需要说明的是，此处包含的上、下、左、右等方位用语仅互为相对概念，不用于限定本实用新型实物的方向及使用时方向。每组发射源1121-1123分别正对着旋转装置111。根据本实用新型的一个实施例，以上设计以便于将同时将不同的发射源溅射至衬底上。

根据本实用新型的一个实施例，可以每个发射源位置1121-1123位置均可以同时设置多组发射源，同时向旋转装置111上的衬底溅射镀膜，实现快速镀膜。根据本实用新型的一个实施例，可以不设置旋转装置111，而在发射源1122位置同时设置多组发射源，通过溅射镀膜方式直接向衬底镀膜。

蒸发室120内设置基板承载装置124，其固定在蒸发室120内，用于承载并固定基板121，使其朝向溅射室110。根据本实用新型的一个实施例，基板承载装置124可以为机械手，还可以为支架结构等。根据本实用新型的实施例，是要可以承载基板121并使其固定的装置，均可以作为基板承载装置124。

蒸发室120内除设置基板承载装置124外，还设置有加热源122。根据本实用新型的一个实施例，加热源122可以为阻值合适的电阻，通过电压、电流大小的改变进一步调节加热源122的温度。基板121设置在基板承载装置124上。基板121形成为最终所需成品，其需要镀膜的一面正对着孔旋转装置111和局部加热装置1111，便于使用局部加热装置蒸发其上金属前驱物至基板121。加热源122设置于基板121的另一侧，用于加热基板121，控制基板121的温度。在加热源122与基板121之间有热电偶1221，其与加热源122同时出现，用于监测基板121温度，通过基板121温度进一步可推测镀于其上的膜的量。

根据本实用新型的一个实施例，蒸发室120内充满气态元素，使共蒸发法镀膜在气氛下进行。根据不同镀膜的设置不同的气氛。根据本实用新型的一个实施例，蒸发室内充满气态Se(硒)123，使共蒸发法镀膜在硒气氛下进行。根据本实用新型的一个实施例，还可以设置蒸发室内为气态Na(钠)，或者气态Se与气态Na的混合气。以上仅为根据本实用新型的一个实施例的情况，根据不同的镀膜需要，蒸发室120内可以为任意气态物质。

图2是根据本实用新型的一个实施例的混合溅射-蒸发方法流程图。以镀制CIGS薄膜太阳能电池的吸收层为例，其基板上已经镀制背电极层。如图所示，在步骤201中，安装基板，使背电极层朝向旋转装置111方向；安装发射源。根据本实用新型的一个实施例，发射源使用三种纯金属靶材，即纯度为99.999％的Cu、In、Ga，分别置于旋转装置的上、右及下方。这里需要说明的是，本装置对发射源的使用并没有限定，原装置可使用的靶材均可以在本装置中使用。另外Cu、In和Ga并不仅限于本实施例中设定的位置，其位置及顺序可以随意设置，只要保证三种发射源朝向旋转装置的不同方向均可。根据本实用新型的一个实施例，可以在每个发射源位置均设置多种靶材。

在步骤202中，需要准备镀膜环境。对该制作薄膜装置抽取真空，并向蒸发室120内填充气态硒。根据本实用新型的一个实施例，本装置与抽取真空的装置相连，可直接对其抽取真空。其连接位置未在图中示出，可以为任意不影响溅射及蒸发发生的位置。根据本实用新型的一个实施例，与抽取真空装置相连的位置可以在加热源122的左侧。

在步骤203中，磁控溅射法制备金属前驱物。在溅射室中，通过磁控溅射法将金属发射源溅射至衬底上，形成金属前驱物。根据本实用新型的一个实施例，多组金属发射源可同一时间溅射，也可以逐个溅射。通过旋转装置，可根据下一步制备的需要调整金属发射源溅射的位置等。衬底也可以作为最终镀膜的基底。根据本实用新型的一个实施例，衬底为最终镀膜的基底时，每组发射源位置可以为多种金属靶材，同时溅射镀膜，节省镀膜时间。

在步骤204中，金属前驱物通过共蒸发法镀制到基板上。此处基板做为最终镀膜的基底。通过旋转旋转装置，将对应的金属前驱物置于局部加热装置与基板之间。加热局部加热装置至合适温度分别蒸发衬底上已经溅射的不同的金属前驱物，使其镀制于基板121表面。根据本实用新型的一个实施例，通过三步共蒸法实现此蒸发镀膜。镀膜过程中，加热源对基板进行加热，控制基板温度，使其低于蒸发的衬底温度，但温度相差不至于很大。在第一步中，分别将有In和Ga的前驱物的一面旋转至局部加热装置前，将其加热至温度T₁，约300-400℃，蒸发In和Ga。此处需要说明的是，不对蒸发In和Ga的顺序进行限定，也可以同时蒸发两种前驱物，使其与蒸发室内的Se同时镀至基板表面。也可以通过调整蒸发温度和时间制备含有不同比例的各种金属靶材的膜。在第二步中，将旋转装置中含有Cu的前驱物的一面旋转至局部加热装置，并朝向基板，将其加热至温度T₂，约450-600℃，蒸发Cu蒸汽镀Cu。根据本实用新型的一个实施例，通过热电偶1221检测基板121的温度，确定所镀Cu的量，控制膜为富铜态。在此步骤中，Se也会与气态Cu一起镀制于基板表面。在第三步中，重复第一步工作，即分别将有In和Ga的前驱物的一面旋转至局部加热装置前，将其加热至温度T₃，约400-600℃，蒸发In和Ga。通过监测基板121的温度，控制膜为贫铜态。根据本实用新型的一个实施例，具有贫铜态CIGS膜的太阳能电池具有更高的转化效率。这里所说的富铜态和贫铜态是指膜中Cu含量与Ga和In总量的比值。定义其比值大于1时为富铜态，小于1为贫铜态。

根据本实用新型的一个实施例，进行步骤204时，可以同时进行203。这样可以极大的节省镀膜时间，提高设备的利用率。同时，根据不同地区所需具有不同CIGS层的太阳能电池，可以调整预设参数快速制作不同的CIGS层。

以上仅是本实用新型装置的一种实施例，用于镀制CIGS太阳能电池的CIGS层。根据本实用新型的一个实施例，还可以利用本实用新型的装置及方法应用于其他膜层的镀制，如天阳能电池其他层的镀制。根据本实用新型的一个实施例，本实用新型的装置及方法不仅限于镀制CIGS薄膜太阳能电池。

上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。

Claims (10)

1.一种制备薄膜的装置，其特征在于，包括：

溅射室，用于生成金属前驱物；

蒸发室，用于将蒸发的所述金属前驱物镀至基板上形成薄膜；以及

基板承载装置，位于蒸发室中，用于承载所述基板；

其中，所述溅射室与所述蒸发室可相连通，所述基板承载装置朝向所述溅射室。

2.根据权利要求1所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述溅射室和所述蒸发室之间还包括屏蔽层。

3.根据权利要求2所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述屏蔽层包括开孔，所述基板承载装置朝向所述开孔。

4.根据权利要求1所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述溅射室进一步包括溅射装置和发射源，其中所述溅射装置接收来自发射源的溅射，所述发射源包括位于不同位置的不同发射源。

5.根据权利要求4所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述溅射装置为旋转装置。

6.根据权利要求5所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述旋转装置进一步包括：

旋转支架，其沿旋转轴旋转；

衬底，其位于所述旋转支架上，并沿所述旋转轴旋转；以及

局部加热装置，其靠近所述衬底；

其中，所述局部加热装置不沿所述旋转轴旋转。

7.根据权利要求6所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述旋转支架包括固定部分和旋转部分，其中所述局部加热装置安装在所述固定部分。

8.根据权利要求1所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述蒸发室进一步包括：

加热源，经配置以加热基板承载装置上的基板；以及

热电偶，其经配置以监测基板的温度。

9.根据权利要求8所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述加热源靠近所述基板承载装置，并与所述基板承载装置相间隔。

10.根据权利要求9所述的制备薄膜的装置，其特征在于，其中所述热电偶位于所述加热源上或者所述基板承载装置上。