專利名稱：用于在光伏模塊襯底上薄膜層的高速沉積的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本文公開的主題總體涉及用于在襯底上沉積薄膜層的系統(tǒng)和方法，且更特別地涉及用于在光伏模塊襯底上沉積多個薄膜層的高吞吐量系統(tǒng)。
背景技術：
薄膜光伏(PV)模塊(也稱為“太陽電池板”或“太陽能模塊”)在行業(yè)中正在獲得廣泛認可和注意，尤其是基于與硫化鎘(CdS)配對的碲化鎘(CdTe)作為光敏器件的模塊。CdTe是具有尤其適合于用來將太陽能(日光)轉換成電力的特性的半導體材料。例如，CdTe具有I. 45eV的能帶隙，這使得其與歷史上用于太陽能電池應用的較低能帶隙(I. IeV)的半導體材料相比能夠從太陽光譜轉換更多能量。此外，CdTe在弱光或擴散光條件下與較低能帶隙材料相比更有效地轉換能量，且因而與其它常規(guī)材料相比在白天或弱光(例如多云)條件下期間有更長的有效轉換時間。 典型地，CdTe PV模塊包括在CdTe層的沉積之前沉積在玻璃襯底上的多個薄膜層。例如，透明導電氧化物(TCO)層首先沉積在玻璃襯底的表面上，而電阻性透明緩沖物(RTB)層然后涂敷在TCO層上。RTB層可為鋅-錫氧化物(ZTO)層并且可稱為“ZT0層”。在RTB層上涂敷硫化鎘(CdS)層。這些不同的層可以在常規(guī)濺射沉積過程中涂敷，濺射沉積過程包括從靶標(即材料源)噴射材料，并將噴射的材料沉積在襯底上以形成薄膜。使用CdTe PV模塊的太陽能系統(tǒng)通常被認為是在所產生功率的每瓦成本方面最具成本效益的商業(yè)上可獲得的系統(tǒng)。然而，盡管CdTe有多種優(yōu)點，太陽能作為工業(yè)或民用動力的補充或主要來源的可持續(xù)商業(yè)開發(fā)和接受取決于大規(guī)模并以成本合算的方式生產高效PV模塊的能力。與模塊的生產相關的資本成本，尤其是用來沉積上述多個薄膜層所需的機械和時間，是主要的商業(yè)考慮。因此，在行業(yè)內對于用來經濟上可行且高效地大規(guī)模生產PV模塊尤其是基于CdTe的模塊的改善的系統(tǒng)存在持續(xù)的需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的多個方面和優(yōu)點將在以下描述中部分地陳述，或者可從該描述而明顯，或者可通過本發(fā)明的實踐而獲悉?？傮w上提供了一種裝置，用于將靶標源材料作為薄膜順序濺射沉積在光伏模塊襯底上。該裝置包括加載真空室、第一濺射沉積室以及第二濺射沉積室。加載真空室連接到配置成將加載真空室內的壓力降低到初始加載壓力的加載真空泵上。第一濺射沉積室包括第一靶標，其可以配置成在襯底上沉積第一薄膜層。第二濺射沉積室包括第二靶標，其可以配置成在襯底上沉積第二薄膜層。輸送機系統(tǒng)可操作地設置在該裝置內，并配置成以連續(xù)布置在受控的速度下將襯底運送進入并通過加載真空室，進入并通過第一濺射沉積室，且進入并通過第二濺射沉積室。第一濺射沉積室和第二濺射沉積室一體地連接，使得被運送通過該裝置的襯底被保持在小于大約760TOrr的系統(tǒng)壓力下。
還總體上提供了一種方法，用于制造薄膜碲化鎘薄膜光伏裝置。襯底被運送進入連接到加載真空泵上的加載真空室，且使用該加載真空泵在加載真空室中抽真空，直至在該加載真空室中達到初始加載壓力。然后將該襯底從加載真空室轉移到包括第一靶標源材料的第一濺射沉積室中，且該第一靶標源材料被濺射以在襯底上形成第一薄膜層。襯底然后被從第一濺射沉積室轉移到包括第二靶標源材料的第二濺射沉積室中，且第二靶標源材料被濺射以在第一薄膜層上形成第二薄膜層。襯底被運送通過處于小于大約760Torr的系統(tǒng)壓力下的第一濺射沉積室和第二濺射沉積室。參考以下描述和附圖，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。結合在此說明書中并構成此說明書的一部分的附示了本發(fā)明的實施例，并且與說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。



說明書中針對本領域技術人員陳述了參考附圖的本發(fā)明的完整且能夠實施的公開，包括其最佳模式，其中圖I是CdTe光伏模塊的橫截面視圖；圖2顯示了根據本發(fā)明的一個實施例的示例性系統(tǒng)的俯視平面圖；圖3是襯底承載器構造的一個實施例的透視圖；圖4是襯底承載器構造的一個備選實施例的透視圖；圖5是用于在襯底上沉積薄膜的濺射室的一個實施例的示意性視圖；以及圖6是濺射室的一個備選實施例的示意性視圖。本說明書和附圖中參考標號的反復使用意圖呈現(xiàn)相同或類似的特征或元件。零部件列表10 裝置12 襯底14tco 層16rtb 層18硫化鎘層20碲化鎘層22后接觸層24封裝玻璃100示例性綜合沉積系統(tǒng)101結合的室102 入口槽103入口真空閥106加載真空室108加載真空泵110鄰近細真空室111細真空泵112第一濺射沉積室
114 陰極115屏蔽罩Il6功率源117 室壁118等離子場119 室119示例性豎直沉積室
·
120緩沖真空室121緩沖真空122承載器123緩沖真空泵124加熱室126加熱元件127加熱器元件128第二濺射室140出口緩沖真空室142第一出口鎖止室143第一出口鎖止壓力系統(tǒng)146 出口閥147 出口槽150后處理輸送機152加載模塊153自動機械154 出口閥155供應輸送機156致動器160返回輸送機152受控輸送機系統(tǒng)166控制器170框架構件171加載系統(tǒng)
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參照本發(fā)明的實施例，其一個或更多示例在圖中圖示。各示例作為本發(fā)明的解釋而非本發(fā)明的限制提供。實際上，對于本領域技術人員將會明顯的是可以在本發(fā)明中做出多種更改和變型而不背離本發(fā)明的范圍或精神。例如，作為一個實施例的一部分圖示或描述的特征可以與另一個實施例一起使用以產生又另一個實施例。因此，其意圖在于本發(fā)明覆蓋此類更改和變型，只要它們落入所附權利要求及其等價物的范圍內。在本公開中，當層被描述為在另一個層或襯底“上面”或“上方”時，除非另外明確指出，應理解這些層可以或者直接彼此接觸，或者在這些層之間有另一個層或特征。因此，這些用語只是用來描述這些層彼此的相對位置，而不一定意味著“在頂上”，因為上或下的相對位置取決于裝置對于觀察者的定向。此外，盡管本發(fā)明不限于任何特定的膜厚度，但描述光伏裝置的任何膜層的用語“薄”通常指具有小于大約10微米(“microns”或“ym”)的厚度的膜層。應該理解的是本文提及的范圍和極限包括位于所述極限內的所有范圍(即子集)。例如，從大約100到大約200的 范圍也包括從110到150、170到190、153到162以及145. 3到149. 6的范圍。此外，直至大約7的極限也包括直至大約5、直至3以及直至大約
4.5的極限，以及處于該極限內的范圍，諸如從大約I到大約5，以及從大約3. 2到大約6. 5。總體而言，當前公開的方法和系統(tǒng)用于增加在線生產碲化鎘薄膜光伏裝置的效率和/或一致性。具體而言，系統(tǒng)100中存在由至少一個緩沖真空室隔開的第一濺射沉積室和第二濺射沉積室。第一濺射沉積室、真空緩沖室以及第二濺射沉積室一體地相互連接，使得通過并位于這些室之間的襯底不暴露于外部大氣。例如，第一濺射沉積室和第二濺射沉積室可以一體地連接，使得被運送通過該裝置的襯底被保持在小于大約760Torr (例如，小于大約250mTorr,諸如大約ImTorr到大約IOOmTorr)的系統(tǒng)壓力下。在一個特定實施例中，總體上公開了用于在襯底上進行電阻性透明緩沖物(RTB)層和硫化鎘層薄膜沉積的整體系統(tǒng)和方法。例如，整體系統(tǒng)和方法可以用于首先將RTB層沉積在襯底上。例如，RTB層可以從RTB靶標(例如，包括鋅錫氧化物(ZTO)靶標)濺射到襯底上的導電性透明氧化物層上。襯底然后可以從第一濺射室運送到真空緩沖室以便在沉積后續(xù)層之前從襯底和/或室氣氛去除任何顆粒(例如，在第一濺射氣氛中的任何過量顆粒)。然后，可以諸如通過濺射包括硫化鎘的濺射靶標在RTB層上沉積硫化鎘層。如所提及的，本系統(tǒng)和方法對于在PV模塊尤其是CdTe模塊的制造中沉積多個薄膜層具有特別的有用性。圖I呈現(xiàn)了可以至少部分地根據本文所述的系統(tǒng)和方法實施例制造的示例性CdTe模塊10。模塊10包括作為襯底12的頂部玻璃薄板，其可為高透光性玻璃(例如，高透光性硼硅酸鹽玻璃)、低鐵浮法玻璃或其它高透明玻璃材料。該玻璃通常足夠厚以便給后續(xù)的薄膜層提供支撐(例如，從大約0. 5mm到大約IOmm厚)，并且是大體上平坦的以提供用于形成后續(xù)薄膜層的良好表面。圖I中在模塊10的襯底12上顯示了透明導電氧化物(TCO)層14。TCO層14允許光以最小的吸收通過，同時還允許由模塊10產生的電流從旁邊前行至不透明的金屬導體(未示出)。TCO層14可具有大約0. Iiim和大約I Pm之間的厚度，例如從大約0. Iiim到大約0. 5um,諸如從大約0. 25um到大約0. 35 u m。在TCO層14上顯示了電阻性透明緩沖物(RTB)層16。此RTB層16通常比TCO層14更具電阻性并且可以幫助保護模塊10免于在模塊10的處理期間TCO層14和后續(xù)沉積的附加層之間的化學反應。在某些實施例中，RTB層16可以具有大約0.075 iim和大約I Pm之間的厚度，例如從大約0. Iiim到大約0. 5 iim。在特定實施例中，RTB層16可以具有大約0. 08iim和大約0. 2iim之間的厚度，例如從大約0. Iiim到大約0. 15 Um0在特定實施例中，RTB層16可以包括例如氧化鋅(ZnO)和氧化錫(SnO2)的組合物，并且被稱為鋅-錫氧化物(“ZT0”)層16。CdS層18顯示在圖I的模塊10的ZTO層16上。CdS層18是n型層，其通常包括硫化鎘(CdS)但也可包括其他材料，諸如硫化鋅、硫化鋅鎘等以及它們的混合物，以及摻雜劑和其它雜質。CdS層18可包括按原子百分比直至大約25%的氧，例如按原子百分比從大約5%到大約20%。層18可具有寬能帶隙(例如從大約2. 25eV到大約2. 5eV，諸如大約
2.4eV)以便允許最多輻射能量(例如太陽輻射)通過。因而，硫化鎘層18被認為是裝置10上的透明層。CdTe層20顯示在圖I的示例性模塊10中的硫化鎘層18上。CdTe層20是p型層，其通常包括碲化鎘(CdTe)，但是也可包括其他材料。作為模塊10的p型層，CdTe層20是與CdS層18 (即n型層)反應的光伏層，以通過由于其高吸收系數吸收進入模塊10的大部分輻射能量并產生電子空穴對而從輻射能量的吸收產生電流。CdTe層20可具有定制為吸收輻射能量的能帶隙(例如從大約I. 4eV到大約I. 5eV，諸如大約I. 45eV)以在吸收輻射能量后產生具有最高電勢(伏特)的最大數量的電子空穴對。電子可從P型側(即CdTe層20)行進越過聯(lián)接部至n型側(即CdS層18)，且相反地，空穴可以從n型側傳至p型側。、因此，在CdS層18和CdTe層20之間形成的p_n結形成二極管，其中電荷失衡導致形成跨越該P_n結的電場。允許常規(guī)電流僅沿一個方向流動并分離光致電子空穴對。碲化鎘層20可通過任何已知方法形成，諸如蒸氣運輸沉積、化學蒸氣沉積(CVD)、噴霧熱分解、電子沉積、濺射、封閉空間升華(CSS)等。在特定實施例中，CdTe層20可以具有大約0. I ii m和大約10 ii m之間的厚度,例如從大約Ium到大約5 y m。對CdTe層20的暴露表面可以應用一系列后形成處理。這些處理可以調整CdTe層20的功能性，并使其表面為后續(xù)粘附到后接觸層22上做好準備。例如，碲化鎘層20可以在升高的溫度(例如，從大約350°C到大約500°C，諸如從大約375°C到大約424°C )下退火足夠的時間(例如，從大約I分鐘到大約10分鐘)以產生一定數量的p型碲化鎘層。在不希望受理論束縛的情況下，據信碲化鎘層20 (以及模塊10)的退火將通常輕微p型摻雜或者甚至n型摻雜的CdTe層20轉化成具有相對較低電阻系數的更強的p型層。此外，CdTe層20在退火期間可以再結晶并且經歷晶粒生長。此外，可以將銅添加至CdTe層20。與合適的蝕刻一起，向CdTe層20添加銅可以在CdTe層20上形成碲化銅(Cu2Te)表面，以便在碲化鎘層20 (即p型層)和后接觸層22之間形成低電阻性電接觸。后接觸層22通常用作與相對的用作前電觸點的TCO層14相關的后電觸點。后接觸層22可以形成在CdTe層20上，并且在一個實施例中與CdTe層20直接接觸。后接觸層22合適地由一種或更多高度導電性的材料制成，例如元素鎳、鉻、銅、錫、鋁、金、銀、锝或它們的合金或混合物。此外，后接觸層22可為單個層或者可為多個層。在一個特定實施例中，后接觸層22可包括石墨，諸如沉積在p層上的一層碳，后續(xù)一個或更多金屬層，諸如以上所述的金屬。后接觸層22如果由一種或更多金屬制成或構成，則其被合適地通過諸如濺射或金屬蒸發(fā)的技術涂敷。如果其由石墨或聚合物混合物，或者由碳膏制成，則該混合物或碳膏通過用于涂抹該混合物或膏的任何合適的方法涂敷到半導體裝置上，諸如絲印、噴霧或者通過“刮粉”刀。在涂敷了石墨混合物或碳膏后，該裝置可被加熱以便將混合物或膏轉換成導電性后接觸層。如果使用碳層，厚度可為從大約0. Iym到大約lOiim，例如從大約Iiim到大約5 Pm。如果使用金屬層的后觸點用于后接觸層22或作為后接觸層22的一部分，該金屬層厚度可從大約0. I ii m到大約I. 5 ii m。
在圖I的實施例中，在后接觸層22上顯示了封裝玻璃24。在示例性模塊10中可包括其他部件(未示出)，諸如匯流條、外部走線、激光蝕刻等。模塊10可分成多個單個的電池，其通常串聯(lián)連接以便獲得期望電壓，諸如通過電氣走線連接。該系列連接的電池的每一端都可以附接到合適的導體上，諸如導線或匯流條上，以便將光伏產生的電流引導至用于連接到使用所產生電力的裝置或其它系統(tǒng)上的常規(guī)位置。用于獲得該系列連接的電池的常規(guī)手段是對模塊10進行激光劃線以便將該裝置分成通過相互連接而連接起來的一系列電池。同樣，電氣走線也可連接到PV模塊10的正極端子和負極端子上以提供引出線來利用由PV模塊10產生的電流。圖2呈現(xiàn)了根據本發(fā)明的方面的用于在被輸送通過系統(tǒng)100的PV模塊襯底12 (圖3和4)上沉積多個薄膜層的示例性綜合沉積系統(tǒng)100的一個示例性實施例。應該指出的是該系統(tǒng)100不被如本文更詳細所述的任何特定類型的薄膜或薄膜沉積方法所限。在一個實施例中，該系統(tǒng)100可用于通過濺射沉積而連續(xù)地在TCO層14上沉積RTB層16且然后在RTB層16上沉積CdS層18。圖2中所示的綜合沉積系統(tǒng)100包括加載真空室106、第一濺射室112、真空緩沖 室120以及第二濺射室128。這些室的每一個都整體地彼此相互連接，使得通過該系統(tǒng)100的襯底12在集成的真空101內被保護免受外部環(huán)境影響。換言之，系統(tǒng)100的室112、120和128被直接集成在一起，使得離開一個室的襯底12立刻直接進入鄰近的區(qū)段，而不暴露于室內大氣下。因此，襯底12可以被保護免于外部污染物被引入薄膜，從而產生更加一致且有效的裝置。當然，在系統(tǒng)100內也可包括其他中間室，只要系統(tǒng)整體地保持相互連接到系統(tǒng)100的其它室上。通過將這些沉積室集成到單個系統(tǒng)中，當與分離的沉積系統(tǒng)相比時，在碲化鎘薄膜裝置的制造過程中，可以減少濺射層(例如RTB層和CdS層)的沉積所需的能耗。例如，一旦在加載真空室106中抽出加載真空，不需要存在附加的加載真空室，因為貫穿第一濺射室112、真空緩沖室120以及第二濺射室128該系統(tǒng)壓力都可以保持低于大氣壓力(即大約760Torr)。例如，在某些實施例中，該系統(tǒng)壓力可以保持低于250Tor，諸如大約3mTorr到大約lOOTorr。在一個特定的實施例中，該系統(tǒng)壓力可以保持低于初始加載真空壓力(例如，小于大約250mTorr)。例如，在一個實施例中，該系統(tǒng)壓力貫穿第一濺射室112、真空緩沖室120以及第二濺射室128 (以及位于之間的任何室)大致恒定。圖示的系統(tǒng)100包括加載系統(tǒng)171，其中襯底12被加載到承載器122上并隨后被輸送進加載真空室106。襯底12可被自動機械153從供應輸送機155加載進處于加載位152上的承載器122。例如，機器人或其它自動機械可用于此過程。在一個備選實施例中，襯底12可以手動地加載到承載器122上。如圖2中所示，單個襯底12首先通過入口槽102進入加載真空室106。第一入口槽102限定可以關閉以將加載真空室106內的內部氣氛與外部環(huán)境分離的活板103。加載真空室106被連接到配置成抽吸加載真空室106內的加載壓力的加載真空泵108上。具體地，加載真空泵108可以將加載真空室106內的壓力降低到大約ImTorr到大約250mTorr的初始加載壓力。襯底12然后可以從加載真空室106傳入連接到細真空泵111上的細真空室110，細真空泵111可以將壓力降低到增大的真空。例如，細真空室110可以將壓力降低到大約lxlO_7Torr至大約lxlO_4Torr，并且隨后在系統(tǒng)100內的后續(xù)室中(例如在濺射沉積室112內)用惰性氣體(例如IS氣)回填至沉積壓力(例如，大約IOmTorr到大約IOOmTorr)。在所示的實施例中，與鄰近設置的豎直襯底12相關聯(lián)的各個承載器122被控制以便以受控的、恒定的線性速度輸送襯底12通過系統(tǒng)，從而確保薄膜均勻地沉積在襯底12的表面上。另一方面，承載器122和襯底12以逐步的方式被引入并引出系統(tǒng)100。在這點上，加載真空室106和細真空室110配有真空鎖止閥154以及相關的控制器156。此外，在入口處還包括非真空模塊，用于將承載器122載入系統(tǒng)100，并相對于外部大氣緩沖承載器122。例如，參看圖2，系統(tǒng)100包括多個鄰近設置的豎直處理模塊。這些模塊的第一個(即加載真空室106)限定入口真空閥103，其例如可為由相關致動器156致動的選通型狹 縫閥或旋轉擋板閥。初始閥103打開且承載器122被從加載模塊152輸送到加載真空室106中。然后關閉入口閥103。在這點上，“粗”真空泵108從大氣泵吸至毫托范圍內的初始“粗”真空。粗真空泵162例如可為具有羅茨型鼓風機的爪式機械泵。在泵吸至限定的交叉壓力后，加載真空室106和鄰近細真空室110之間的閥154被打開，且承載器122被運送到細真空室110中。室106和110之間的閥154隨后關閉，加載真空室106被排空，且初始閥103被打開以接納進入該模塊的下一個承載器122?！案摺被颉凹殹闭婵毡?11在細真空室110中抽吸升高的真空，且細真空室110可用生產氣體回填以匹配下游處理室中的條件。細真空泵111例如可為構造成用來將模塊泵吸至大約小于或等于9X10_5torr的低溫泵或渦輪分子泵的組合。最后，細真空室110和集成室101之間的閥154被打開，且承載器122被運送到集成室101 (例如,可選的加熱室124或第一濺射室119)的第一模塊中。襯底12然后從加載真空室106和細真空室110輸送至第一濺射沉積室112和第二濺射室128。在第一濺射沉積室112和第二濺射室128之間是緩沖真空室120，其連接到構造成從通過其中的氣氛和/或襯底12除去任何沉積顆粒的緩沖真空泵123上。因而，緩沖真空室120可以抑制第一濺射沉積室112和第二濺射室128之間的交叉污染。在一個實施例中，構造成提供達蒸汽沉積溫度的惰性氣體的回填氣體端口可以包括在真空緩沖泵122內。在一個特定的實施例中，緩沖真空室120可以在其入口狹縫和/或其出口狹縫上包括狹縫閥，以進一步抑制第一濺射沉積室112和第二濺射沉積室128之間的交叉污染。濺射沉積通常包括從靶標噴射材料，靶標為材料源，并將噴射的材料沉積到襯底上以形成膜。DC濺射通常包括對在濺射室內定位在襯底(即陽極)附近的金屬靶標(即陰極)施加直流電以形成直流放電。濺射室可以有反應性氣氛(例如，除了氧、氮等之外還包括硫)，其形成金屬靶標和襯底之間的等離子場。也可存在其他的惰性氣體(例如氬等)。對于磁控濺射該反應性氣氛的壓力可在大約ImTorr和大約20mTorr之間。該壓力對于二極管派射可以甚至更高(例如從大約25mTorr到大約IOOmTorr)。當應用電壓后金屬原子從靶標釋放時，金屬原子沉積在襯底的表面上。例如，當該氣氛包含氧時，從金屬靶標釋放的金屬原子可以在襯底上形成金屬氧化物層。應用在原材料上的電流可以根據源材料的尺寸、濺射室的尺寸、襯底的表面面積的數量以及其它變量而變化。在一些實施例中，施加的電流可從大約2amps到大約20amps。相反,RF派射包括通過在祀標(例如陶瓷性源材料)和襯底之間施加交流(AC)或射頻(RF)信號而激發(fā)電容性放電。濺射室可以具有惰性氣氛(例如氬氣氛)，其可包含或者可不包含具有在大約ImTorr到大約20mTorr之間的壓力的反應性物類(例如，氧、氮等)以便進行磁控濺射。同樣，該壓力對于二極管濺射可以甚至更高(例如從大約25mTorr到大約IOOmTorr)。如圖所示，第一濺射沉積室112和第二濺射沉積室128的每一個通常都包括經由導線117連接到電源116 (例如，DC或RF功率源)上的靶標114。功率源116配置成控制并向濺射沉積室112供應功率(例如，DC, RF或脈沖DC功率)。如圖5和6中所示，功率源116對靶標114(充當陰極)施加電壓以在靶標114和由屏蔽罩115以及室壁117形成的陽極之間形成電壓勢，使得襯底12處于形成在其間的磁場內。盡管對于每個靶標114僅示出了單個功率源116，但電壓勢可通過使用聯(lián)接在一起的多個功率源而實現(xiàn)。襯底12通常定位在濺射沉積室112內，使得在面向靶標114的襯底12的表面上形成薄膜層(例如，RTB層或CdS層)。一旦點燃濺射氣氛，即形成等離子場118，并且其響應于靶標114和充當陽極的室壁110之間的電壓勢而維持。電壓勢導致等離子場118內的等離子體離子向著靶標114加速，從而導致來自靶標114的原子向著該表面噴射到襯底12上。因而，靶標114(同樣也可稱為陰極)充當用于在面向靶標114的襯底12的表面上形 成薄膜層的源材料。濺射氣氛控制系統(tǒng)119可以控制濺射沉積室112內的濺射氣氛，諸如降低至濺射壓力(例如大約10到大約25mTorr)。通常,濺射氣氛控制系統(tǒng)119可以向濺射沉積室112提供惰性氣體(例如氬氣)。可選地，濺射氣氛還可以包括氧，從而允許等離子場118的氧微粒與噴射的靶標原子反應以形成包括氧的薄膜層。還可以包括濺射真空121以控制濺射室112內的壓力。例如，可利用濺射沉積室112來在襯底上形成硫化鎘層。在此實施例中，靶標114可為陶瓷靶標，諸如硫化鎘的陶瓷靶標。此外，在一些實施例中，可利用多個靶標114。多個靶標114對于形成包括若干類型材料的層(例如共濺)會尤其有用?？蛇x地，襯底12可運送進入并通過定位在第一濺射沉積室112和第二濺射室128的任一個之前的加熱室124，如圖I中所示。加熱室124可包括加熱元件126，加熱元件126配置成在襯底進入濺射室112和/或128之前將襯底12加熱至濺射溫度，諸如大約50°C到大約250°C，其取決于濺射沉積的參數。在一個備選實施例中，濺射室112和/或128可以可選地包括加熱器127，加熱器127配置成替代加熱室124內的襯底12或作為加熱室124內的襯底12的附加而加熱濺射室112和/或128內的襯底12 (如圖5中所示)。為了離開系統(tǒng)100，襯底12可以被通過連接到緩沖真空121的可選的出口緩沖真空室140。襯底12然后可以通過由獨立電機156控制的一系列出口閥154以離開系統(tǒng)100，同時保持集成室101內的真空。因而，承載器122和襯底12可以通過出口緩沖真空室140之間的閥154并進入連接到第一出口鎖止壓力系統(tǒng)143上的第一出口鎖止室142。閥154然后可以被關閉，且第一出口鎖止室142排空至“粗”出口壓力。然后，第一出口鎖止室142和第二出口鎖止室144之間的閥154可以被打開且襯底12被輸送通過其中。第一出口鎖止室142和第二出口鎖止室144之間的閥154然后可以關閉，并且第二出口鎖止室144被排空至大氣壓力。出口閥146然后可以被打開，且通過出口槽147從系統(tǒng)100去除承載器122。襯底12可以從承載器122去除，并放置在后處理輸送機150上以通過機械臂153進一步處理。承載器122然后可以經由返回輸送機160返回至系統(tǒng)100的起點。承載器122可均具有加載在其上被引入系統(tǒng)100的一個或更多襯底。在圖2和6中所示的實施例中，承載器122可配置成用于同時沉積定位成背靠背的襯底12。
各個室均可包括獨立驅動且控制的輸送機系統(tǒng)162，用于以受控的方式將襯底承載器122移動通過相應的室。在特定的實施例中,輸送機162可為棍子型輸送機、帶式輸送機等。用于各相應室的輸送機162可設有獨立的驅動器(圖中未圖示)。各種襯底12可以豎直定向以便承載器122以豎直定向將襯底12輸送通過系統(tǒng)100。參看圖4，示例性的承載器122圖示為由框架構件170制成的框式結構?？蚣軜嫾?70限定對于襯底12的接納位置，使得襯底12水平或者豎直地接納(相對于它們的縱軸線)在承載器122內。應該理解的是承載器122可由任何方式的框架結構或構件限定，以便以豎直的定向承載一個或更多襯底12通過加工側。在圖4的實施例中，承載器122配置成用于接納水平位置上的兩個襯底12。應該容易理解的是也可設置多個襯底12，使得相應襯底的縱軸線處于豎直位置上。承載器122內的襯底12的任何定向均設想為在本發(fā)明的范圍和精神內?？蚣軜嫾?24可限定開口型框架，其中襯底12大體上接納在由承載器122限定的“窗戶開口”內。在一個備選實施例中，承載器122可限定背板，襯底12抵靠其設置。圖5中所示的承載器122的實施例配置成用于接納四個襯底112，其中襯底12的 對成背靠背關系。例如，一對襯底12設置在承載器112的上框架部分中，而第二對襯底12設置在承載器112的下框架部分中。當四個或更多襯底12在系統(tǒng)100中被同時處理時，可使用圖5的構造，如以下相對于圖7中所示的沉積裝置更詳細描述的那樣。再次參看圖2，系統(tǒng)100可特別配套至少兩個豎直濺射室，用于在輸送通過其中的襯底上后續(xù)沉積鋅-錫氧化物(ZTO)層且然后在ZTO層上沉積硫化鎘(CDS)層。真空濺射室的操作對于本領域技術人員是公知的并且不需要在本文詳細描述。圖5顯示了示例性豎直沉積室119的總體示意性橫截面視圖。功率源116配置成控制并供應到室119的DC或RF功率。在DC室119的情況下，功率源116對陰極114施加電壓從而在陰極114和陽極之間產生電壓勢。在圖示的實施例中，陽極由屏蔽罩115以及室壁117限定。玻璃襯底12由承載器122保持成大致與陰極114相對(其也是靶標源材料)。一旦點燃濺射氣氛，即形成等離子場118，并且其響應于陰極114和陽極之間的電壓勢而維持。電壓勢導致等離子場118內的等離子體離子向著陰極114加速，從而導致來自陰極114的原子向著襯底12的表面噴射。因而，陰極114是“靶標”且由用于期望在襯底12的表面上形成特定類型的薄膜的源材料限定。例如，陰極114可為金屬合金靶標，諸如元素錫、元素鋅或不同金屬合金的混合物。室166中的氧與噴射的靶標原子反應以在襯底12上形成氧化物層，諸如ZTO層?？稍赗F濺射室119中(圖5)通過在基本惰性氣氛中在陶瓷靶標源材料和襯底12之間施加交流(AC)或射頻(RF)信號形成硫化鎘(CdS)薄膜層。盡管在圖5和6中圖示了單個功率源，但通?？梢岳斫獾氖强蓪⒍鄠€功率源與相應的靶標源聯(lián)接在一起以在室166內生成期望的濺射條件。圖5圖示了室119內的加熱器元件127。在室119內可配置任何方式或構造的加熱器元件，以在室內維持期望的沉積溫度和氣氛。在圖5的實施例中，豎直沉積模塊128配置成用于在朝向靶標源材料114定向的襯底12的側面上沉積薄膜層。圖6圖示了一個實施例，其中室119包括用于將薄膜涂敷到固定到承載器122中的背靠背的襯底12的向外面向表面上的雙濺射系統(tǒng)，承載器諸如以上關于圖4圖示并描述的承載器122構造。因而，通過圖6中圖示的豎直沉積模塊119，四個襯底被同時處理以在其上沉積特定的薄膜層。圖2中的系統(tǒng)100由多個相互連接的室限定，如以上所述，且各個室用于特定的功能。配套單個模塊的相應的輸送機以及閥154和相關的致動器156也適當地控制用于各種功能。出于控制目的，單個室的每一個均可具有與其配套的相關的控制器166，以控制相應模塊的單個功能。應該容易理解的是，盡管本文在特定實施例中將沉積室119描述為濺射沉積模塊，但本發(fā)明不限于此特定的沉積方法。豎直沉積室119可配置為任何其它合適類型的加工室，諸如化學蒸氣沉積室，熱沉積室，物理蒸氣沉積室等。在本文所述的特定實施例中，第一沉積室可配置用于沉積ZTO層而第二沉積室可配置用于在ZTO層上沉積CdS層。各室119可配套有四個DC水冷磁電管。如上所述，各室119還可包括安裝在各個陰極對之間的后室上的真空泵。
本發(fā)明還包括用于在光伏(PV)模塊襯底上沉積多個薄膜層的各種方法實施例。這些方法可用上述各種系統(tǒng)實施例或通過合適系統(tǒng)部件的任何其它構造來實施。因而應該理解的是根據本發(fā)明的方法實施例不限于本文所述的系統(tǒng)構造。在一個特定實施例中，該方法包括將襯底運送進入連接到加載真空泵上的加載真空室，以使用該加載真空泵在加載真空室中抽真空，直至在該加載真空室中達到初始加載壓力?？蛇x地，襯底可以運送進入并通過以上相對于圖2所述的緩沖真空室和/或加熱室。襯底然后可從加載真空室運送進入包括第一靶標源材料(例如，包括鋅和錫或鋅/錫氧化物)的第一濺射沉積室，在此處第一靶標源材料可以被濺射以在襯底上形成第一薄膜層(例如，電阻性透明緩沖層)。襯底然后可以被從第一濺射沉積室轉移到包括第二靶標源材料(例如硫化鎘)的第二濺射沉積室中，在此處第二靶標源材料可以被濺射以在第一薄膜層上形成第二薄膜層(例如，CdS層)。襯底被運送通過處于小于大約760TOrr的系統(tǒng)壓力下的加載真空室、第一濺射沉積室和第二濺射沉積室。可選地，襯底可以運送進入并通過以上相對于圖2所述的緩沖真空室。該方法可包括在沉積過程期間使承載器以及附接的襯底以逐步方式移入和移出真空室，例如通過一系列真空鎖，而以連續(xù)的線性速度將承載器和附接的襯底輸送通過真空室。此書面說明書使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領域技術人員能夠實踐本發(fā)明，包括制造并使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結合的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例包括無異于權利要求的字面語言的結構性元件，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質性差異的等同結構元件，則它們意在處于權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于將靶標源材料(114)作為薄膜順序濺射沉積在光伏模塊襯底(12)上的裝置(100)，所述裝置(100)包括 加載真空室(106)，其連接到配置成將所述加載真空室(106)內的壓力降低到初始加載壓力的加載真空泵(108)上； 第一濺射沉積室(112)，其包括第一靶標(114)； 第二濺射沉積室(128)，其包括第二靶標(114);以及 輸送機系統(tǒng)(162)，其可操作地設置在所述裝置(100)內，并配置成用于按串聯(lián)布置以受控的速度運送襯底(12)進入并通過加載真空室(106)、進入并通過所述第一濺射沉積室(112)、以及進入并通過所述第二濺射沉積室(128)，其中所述第一濺射沉積室(112)和所述第二濺射沉積室(128) —體地連接，使得被運送通過所述裝置(100)的所述襯底(12)被保持在小于大約760Torr的系統(tǒng)壓力下。
2.如權利要求I所述的裝置(100)，其特征在于，所述裝置還包括 定位在所述加載真空室(106)和所述第一濺射沉積室(112)之間的加熱室(124)，其中所述加熱室(124)配置成在所述襯底(12)進入所述第一濺射沉積室(112)之前將所述襯底(12)加熱至第一濺射沉積溫度。
3.如權利要求I所述的裝置(100)，其特征在于，所述裝置還包括 定位在所述加載真空室(106)和所述第一濺射沉積室(112)之間的多個加熱室(124)，其中所述多個加熱室(124)配置成在所述襯底(12)進入所述第一濺射沉積室(112)之前將所述襯底(12)加熱至濺射溫度。
4.如權利要求I所述的裝置(100)，其特征在于，所述裝置還包括 定位在所述第一濺射沉積室(112)和所述第二濺射沉積室(128)之間的真空緩沖室(120)，其中所述真空緩沖室(120)連接到配置成將所述真空緩沖室(120)內的壓力降低到緩沖壓力的緩沖真空泵(123)上。
5.如權利要求I所述的裝置(100)，其特征在于，所述裝置還包括 連接到細真空泵(111)上的細真空室(110)，其中所述細真空室(110)定位在所述加載真空室(106)和所述第一濺射沉積室(112)之間，以便在沉積期間改善所述第一濺射沉積室(112)內的壓力。
6.如權利要求I所述的裝置(100)，其特征在于，所述第一靶標(114)包括鋅和錫。
7.如權利要求I所述的裝置(100)，其特征在于，所述第二靶標(114)包括硫化鎘。
8.—種制造薄膜碲化鎘薄膜光伏裝置(10)的方法，所述方法包括 運送襯底(12)進入連接到加載真空泵(108)上的加載真空室(106)； 使用所述加載真空泵(108)在所述加載真空室(106)中抽吸真空，直至在所述加載真空室(106)中達到初始加載壓力； 從所述加載真空室(106)將所述襯底(12)運送進入第一濺射沉積室(112)，其中所述第一濺射沉積室(112)包括第一靶標源材料(114)； 濺射所述第一靶標源材料(114)以在所述襯底上形成第一薄膜層； 從所述第一濺射沉積室(112)將所述靶標(12)運送進入第二濺射沉積室(128)，其中所述第二濺射沉積室(128)包括第二靶標源材料(114);以及 濺射所述第二靶標源材料(114)以在所述第一薄膜層上形成第二薄膜層；其中所述襯底(12)被運送通過所述第一濺射沉積室(112)和所述第二濺射沉積室(128)，同時保持在小于大約760Torr的系統(tǒng)壓力下。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一靶標源材料(114)包括被濺射以在所述襯底(12)上形成電阻性透明緩沖物層(16)，且其中所述第二靶標源材料(114)被濺射以在所述電阻性透明緩沖物層(16)上形成硫化鎘層(18)。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一靶標源材料(114)包括鋅和錫。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二靶標源材料(114)包括硫化鎘。
12.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 從所述加載真空室(106)將所述襯底(12)運送進入定位在所述加載真空室(106)和所述第一濺射沉積室(106)之間的加熱室(124);以及 在所述襯底(12)進入所述第一濺射沉積室(106)之前在所述加熱室(124)內將所述襯底(12)加熱至第一濺射沉積溫度。
13.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 從所述加載真空室(106)將所述襯底(12)運送進入并通過順序地定位在所述加載真空室(106)和所述第一濺射沉積室(112)之間的一系列加熱室(124);以及 在所述襯底(12)進入所述第一濺射沉積室(112)之前在多個所述加熱室(124)內將所述襯底(12)加熱至濺射沉積溫度。
14.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 運送所述襯底(12)進入并通過定位在所述第一濺射沉積室(112)和所述第二濺射沉積室(128)之間的真空緩沖室(120)，其中所述真空緩沖室(120)連接到配置成將所述真空緩沖室(120)內的壓力降低到緩沖壓力的緩沖真空泵(121)上。
15.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述初始加載壓力為大約ImTorr到大約IOOmTorr0
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在光伏模塊襯底上薄膜層的高速沉積的系統(tǒng)和方法，具體而言，提供了用于將靶標源材料作為薄膜順序濺射沉積在光伏模塊襯底上的裝置和方法。該裝置包括第一濺射沉積室和第二濺射沉積室，它們一體地連接，使得被運送通過該裝置的襯底被保持在小于大約760Torr的系統(tǒng)壓力下。加載真空室連接到配置成將加載真空室內的壓力降低到初始加載壓力的加載真空泵上。第一濺射沉積室包括第一靶標，而第二濺射沉積室包括第二靶標。輸送機系統(tǒng)可操作地設置在該裝置內，并配置成以連續(xù)布置在受控的速度下將襯底運送進入并通過加載真空室，進入并通過第一濺射沉積室，且進入并通過第二濺射沉積室。
文檔編號C23C14/06GK102677004SQ20121008155
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權日2011年3月14日
發(fā)明者R·W·布萊克 申請人:初星太陽能公司