带有磁性支承的高吞吐量沉积设备的制作方法

专利名称：带有磁性支承的高吞吐量沉积设备的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于在多个基底上沉积多层材料结构的设备。 更具体地说，本发明涉及多层光伏器件的高吞吐量生产，光伏器件在 多个连续腹板上包括硅，连续腹板同时被输送穿过一个或多个等离子 体增强型化学气相沉积室。
背景技术：
光伏器件是一个已确立的研究与开发区域，并持续吸引着很大的 注意力。光伏器件的一个重要的应用是太阳能。能够有效地将太阳光 转换成电能的器件提供了利用无限且大部分尚未被利用的自然能源 以满足社会需要的前景。太阳能器件的成功普及将大大降低世界对化 石燃料的依赖，并改善相关联的全球变暖的负面后果。太阳能的实际 实现需要发展在效率和生产费用方面具备经济竟争性的光伏器件。
用于有效的太阳能器件所需的属性是对与太阳光i普相关联的全 波长范围的强吸收、来自所吸收的太阳光的携带电荷的物质的高效形 成、以及高的电导率。对全太阳光谱的吸收致使将最大的能量引入到 太阳能器件中。携带电荷的物质的高效形成意味着降低了所引入的太 阳能转变成热能以及其它无收益过程。高的电导率容许从器件中有效 地收集电荷载体，以用于驱动外部器件或执行外部功能的目的。
当前的太阳能器件根据各个所需的属性而执行到不同的程度。难以找到用于太阳能器件的经济的活性材料，这种材料可在合适的宽的 波长范围内同时高度地吸收太阳能，并且高传导且高效率地产生电荷 载体。通常，实现一种所需属性的优化就会损害另一所需属性，并且 在设计新的太阳能器件时必然要做出妥协。由于这些困难，实际的太 阳能器件通常是多层结构，这种结构由带有不同组分或杂质的几种材 料组成。这种结构中所使用的层的属性共同地进行优化，以便最大限 度地提高太阳光-电力效率。材料的优化和进一步改善一直是研究与开 发的主要目的。
一种用于太阳能器件以及其它光伏器件的常用的多层结构是
n-i-p结构。这种结构包括插入在n-型半导体层和p-型半导体层之间的 i-型(固有)半导体层。在典型的简单的器件中，透明的传导电极层接触 到p-型层上，并且金属电极接触到n-型层上。在这种器件中，入射的 太阳光穿过透明电极和p-型层，并被i-型层吸收。i-型层的吸收导致 电子从价电子带提升至传导带，并导致在i-型层中形成电子空穴对。 电子和空穴是产生电力所需的电荷载体。相邻的p-型和n-型层在i-型 层中建立起电势，该电势将电子和空穴分隔开。电子和空穴接下来被 引导至带相反电荷的收集电极上，并可用于驱动外部器件或执行外部 功能。
当前领先的太阳能器件大多数基于晶体硅、非晶硅、微晶硅或相 关材料，包括含锗的硅合金。还可使用其它材料例如GaAs、 CdS和 CuInSe2，但使用频率较低。非晶硅的用途非常多，其可用于形成n-型、i-型或p-型层。使用非晶硅作为i-型层的有利性来源于与其直接 带隙相关联的高的吸收率。在非晶硅中，直接带隙的存在是不正常的， 因为其众所周知的晶体类似物具有间接带隙，并且是弱吸收的。非晶 硅的高的吸收率是合乎需要的，因为其导致较薄器件中对太阳光的有 效吸收。较薄器件需要较少的材料，并且相应地更具成本效率。
这些年来，已经提出了对基本的n-i-p结构的若干种改进，以提高 基于非晶硅的太阳能器件的效率。这些改进包括使用微晶硅以形成p-型层，将两个或更多个n-i-p结构集成以形成串联器件，以及在结构中 包括背面反射器。例如美国专利No. 4,609,771公开了微晶硅p-型层在 太阳能电池中的使用。发明人在该发明中论证了微晶硅比非晶硅具有 更高的对太阳光的透明性。结果，微晶硅p-型层的使用容许更多的入 射太阳光到达i-型层，从而产生了更高的电荷载体浓度。
与串联器件相关联的策略是将多个n-i-p结构串联地联接起来，以 试图收获尽可能多的入射太阳光。虽然i-型非晶硅层的吸收效率高， 但是仍然远小于100%。第二 n-i-p结构直接放置于太阳光直接入射的 n-i-p结构的下面，这种放置提供了捕获没有被第一 n-i-p结构吸收的 光的机会。还描述了包括三个n-i-p结构堆叠以形成三层电池(triple cell) 的串if关结构。还"i仑^汪了额外的策略，例如/人一个n-i-p结构到下一 n-i-p 结构对i-层的带隙修整，以提高串联结构的光收获效率。
背面反射层是通常直接沉积在基底上的反射层。背面反射层的作 用是对穿过堆叠在串联器件中的所有n-i-p电池的任何光进行反射。通 过这种反射过程，最初没有被吸收的光被重定向至堆叠的n-i-p器件 上，以便第二次通过，并提高吸收效率。
与非晶硅相关联的一个重要的优势，是在大规模连续制造工艺中 制造它的能力。另一方面，晶体硅由于与其形成相关联的緩慢结晶过 程而只能在緩慢的、较小规模的工艺中制备。因此，在非晶硅的大规 模生产中已经做出了很大的努力。现代腹板滚轧工艺允许高速生产基 于非晶硅的单层和多层薄膜器件。之前已经在例如美国专利No. 4,485,125, No. 4,492,181和No. 4,423,701中描述了连续腹板上的非晶 硅的生产，这些专利的公开通过引用而结合在本文中。
虽然当前的腹板滚轧工艺大规模地提供了基于非晶硅的光伏器 件，但是为了使基于硅的光伏器件的产能量更有效地比拟基于石油的 燃料的产能量，还需要进一步提高生产吞吐量。薄膜沉积技术需要不 断的提高，以进一步降低基于非晶硅的光伏器件的单位器件成本。这 种提高必须服从于均为薄膜形式的各种各样基于非晶硅的材料(例如n-型、p-型、i-型)以及其它材料(例如背面反射材料，如铝；透明的 传导氧化物材料，如铟锡氧化物)的沉积。
通用的现有技术的连续腹板工艺包括输送水平定向的腹板基底， 使其穿过一 系列沉积室，各沉积室用于在多层器件的堆叠结构内沉积 特定组分的层。随着腹板基底从一室传到另一室，层沉积在该腹板基 底上。沉积在水平定向的腹板上的一个缺点是当该腹板定位在沉积室 的反应区或薄膜生长区下面时，碎屑和不需要的反应产物会累积在基 底上。真空或低压沉积工艺，例如等离子体增强型化学气相沉积、辉 光放电以及物理气相沉积最普遍地用于制备非晶硅的薄膜层。这些工 艺通常会产生不需要的副产物，当水平定向的腹板水平地穿过反应器 时，这些副产物可能沉淀于该腹板上。这些不需要的产物降低了单个 层的纯度以及器件整体的纯度，并且通常导致不能得到最优的最终器 件产品。虽然定位在反应区上方的水平定向的腹板上的薄膜生长消除 了碎屑累积的问题，但是这种解决方案对沉积工艺的吞吐量施加了很 大的限制，因为在其上可进行薄膜沉积的腹板或基底的数量受到严格 的限制。另外，碎屑和粒子可能在连续制造工艺的滚轧中被巻上，并 且可损伤沉积层。因此，需要确立减小碎屑和不需要的沉积产物的负 面影响，同时容许高呑吐量以及同时在大量腹板或基底上进行沉积的 方法。
发明概述
本申请公开的是一种用于生产多层薄膜结构的高吞吐量沉积设 备。该设备包括一系列的一个或多个沉积室，以用于生产不同组分和 厚度的薄膜层。通过将一个或多个不连续基底或连续腹板输送到这一 系列沉积室中以获得并行处理沉积能力来实现高吞吐量。在各个沉积 室中，材料层沉积在多个基底或腹板中的各基底或腹板上。各沉积室 中的条件对于该多个基底或腹板是基本相同的，从而各基底或腹板上 沉积有基本相同的层。
8本发明设想基底或腹板相对于沉积室可水平、垂直以及以其它定 向来进行输送。在一个优选的实施例中，沉积同时发生在非水平地定 向或垂直地定向的 一个或多个基底或腹板上，以降低或避免在基底或 腹板上进行沉积的过程中形成碎屑累积。在这个实施例中， 一个或多 个非水平地或垂直地定向的腹板在水平方向上输送穿过一 系列 一个 或多个沉积室。
本申请还公开了 一种^兹性支承系统，其促进非水平地或垂直地定 向的腹板或基底的输送。该磁性支承系统在沉积过程中使腹板或基底 的位置和形状稳定并精确地保持该位置和形状，以确保薄膜的一致沉 积。通过对腹板或基底的磁性定位和保持力而提供了薄膜厚度和组分 在腹板或基底的不同尺寸处的 一致性。磁性支承系统防止腹板或基底 的形状扰动，并在将腹板或基底输送穿过沉积设备时，确保该腹板或 基底的沉积表面的形状和位置的一致性。在一个实施例中，磁性支承 系统包括一个或多个磁性辊子，该辊子以接合的方式接触腹板或基 底。该磁性辊子施加磁力，在薄膜进行沉积时，该磁力用于在输送过 程中控制腹板或基底。腹板或基底的沉积表面保持平坦，并且避免了 腹板或基底的诸如折叠、翘曲或扭曲等后果。该特征使得能够同时在 多个非水平地和垂直地定向的腹板上进行一致的沉积，因而容许实现 高吞吐量的沉积，而没有碎屑累积问题。
在另 一实施例中，磁性支承系统还包括带切口或带槽的腹板支承 器，其定位在非水平地或垂直地定向的腹板或基底的下表面或下边缘 上。带切口的支承器通过在沉积设备中引导、跟踪和支承基底或连续 腹板，而不会损坏可能已经沉积在基底或连续腹板上的薄膜的沉积表 面或该薄膜的完整性，从而促进基底或连续腹板在本沉积设备中的输 送。在一个优选的实施例中，该腹板支承器促进垂直地定向的基底或 连续腹板的水平输送。在一个特别优选的实施例中，该腹板支承器包 括柔性移位装置，以补偿和抑制基底或连续腹^1的位置在其输送期间 的波动。在一个实施例中，该带切口的支承器包括^磁性材料。本发明还提供了各种各样的薄膜层组分经由各种沉积工艺而进 行的沉积。通过使多个基底或连续腹板输送穿过一 系列沉积室而获得 多层结构，其中，根据特定的沉积技术、在形成具有所需组分和厚度 的层所必需的条件下对各个沉积室彼此独立地进行操作。层完整性通 过以化学方式将沉积室彼此隔离开而得以保持。
在本文的 一个优选实施例中，可通过等离子体增强型化学气相沉 积工艺(例如辉光放电工艺)而在一 系列两个或更多个可操作地连接的 沉积室中制备多层半导体结构。在另一优选实施例中，本沉积设备中 包括了利用不同沉积技术的沉积室。利用等离子体增强型化学气相沉 积的沉积室，与利用溅射技术的沉积室相结合而组成本沉积设备的一 个优选实施例。某些优选结构包括非晶硅层、微晶硅层或多晶硅层，
它们是沉积在钢基底上的n-型、p-型或固有层。某些优选结构包括背
面反射的或透明的传导氧化物层，以及基底或连续腹板上的一个或多 个含硅层。布置在垂直地定位的阴极两边的两组多个相平行的连续腹 板的垂直定向是提高吞吐量的优选构造。基底或连续腹板可以是不锈 钢。通过独立的放出单元和收取单元可实现基底或腹板自沉积室的传 送和抽取。
附图简述


图1A是根据本发明的沉积设备的示意性描绘。
图1B是图1A中所描绘的设备的放出单元的顶视图。
图1C是图1A中所描绘的设备的侧视图。
图2A是腹板支承器，其具有中央切口和柔性移位装置。
图2B是图2A中所描绘的腹板支承器的端视图。
图3是腹板形状测量值，该测量值是腹板移动距离的函数。
详细描述
本发明提供了 一种能够生产多层薄膜结构的高吞吐量并行处理沉积设备。这种沉积设备包括用于提供一个或多个基底或连续腹板的 放出单元、在一个或多个沉积室中利用 一种或多种沉积技术将一个或 多个薄膜沉积在基底或连续腹板上的沉积单元、以及用于在沉积之后 接收基底或连续腹板的收取单元。如本申请中所用，用语"并行沉积，， 或"并行处理，，指在同时输送到沉积单元中并穿过沉积单元的多个基 底或连续腹板或其部分上进行的、基本上同时发生的沉积。通过将多 个基底或连续腹板传送至沉积单元，由此在所有基底或腹板上基本上 同时进行沉积，从而在本沉积设备中实现高吞吐量。沉积单元包括一 个沉积室或一系列可操作地连接的沉积室，其中，针对给定的腹板输 送速度而建立各个沉积室的条件，以用于沉积具有预期的组分和厚度 的薄膜层。本沉积单元中还可包括利用不同沉积技术的沉积室。通过 输送基底或连续腹板穿过一 系列沉积室，可在一个或多个基底或连续 腹板上同时获得包括具有可变组分和厚度的层的多层结构。
本发明的实施例包括连续输送一个或多个不连续基底或连续腹 4反，使其穿过一个或多个沉积室的实施例。在这些实施例中，该一个 或多个腹板或不连续基底在薄膜沉积过程中是运动的。在其它实施例 中，输送的腹板或不连续基底可在进行薄膜沉积时短暂地停下来，然 后输送至其它沉积室中。在这些实施例中， 一个或多个腹板或不连续 基底的输送是间歇的，并且包括连续运动，该连续运动在薄膜于一个 或多个沉积室中进行沉积的过程中可被中断或改变速度。
在本设备中可使用不连续的或连续的基底。连续的基底是在沉积 设备中、在输送方向上具有延伸的长度的腹板基底，在后文中将称之 为"连续腹板"、"腹板"、"连续的腹板基底"、"腹板基底"等。 在一个优选的实施例中，连续腹板在一个唯度上延伸至少一段距离， 该距离与本设备的放出单元和收取单元之间的距离相对应。在一个特 别优选的实施例中，连续腹板的长度远大于放出单元和收取单元之间 的距离。在另一优选的实施例中， 一个或多个连续腹板在一个或多个 薄膜层于其上沉积期间是连续运动的。不连续基底是不连续的基底。可以通过例如将连续的基底沿着其 最长的维度细分成一系列若干段来获得不连续的基底。在一个优选的 实施例中，不连续基底的长度可使基底整体地装在本设备的沉积室 中。在一个特别优选的实施例中，通过等离子体增强型化学气相沉积 方法来完成薄膜层沉积，该方法利用了阴极，并且不连续基底的尺寸 使得当基底固定地定位在阴极之前时，阴极能够将薄膜层沉积在基底 的大致整个沉积表面上。这个特别优选的实施例大体上意味着不连续 基底的沉积表面小于或约等于该阴极的活性表面的尺寸，其中，活性 表面是形成等离子体边界的阴极表面。多个不连续的基底可按这样的
方式导入进来即该多个不连续的基底中的各个基底独立地导入到本
设备中，或者将该多个基底中的 一个或多个基底共同地导入到本设备 中。不连续基底还可定位在连续的表面上，并在该表面上连续地或间
歇地输送穿过本设备。在本受让人的美国专利No. 4,423,701中已经构 思出导入不连续基底的各种方式，该发明的公开通过引用而结合在本 文中。
在通过等离子体增强型化学气相沉积工艺进行薄膜层沉积的实 施例中，本发明还设想这样来导入多个不连续基底，即其中，该多 个基底中的各个基底布置在阴极的同一侧。类似地，在通过等离子体 增强型化学气相沉积工艺而进行薄膜层沉积的实施例中，本发明设想 这样来导入多个连续的腹板基底，即其中，该多个基底中的各个部 件布置在阴极的同 一侧。这些实施例相对于现有技术提高了吞吐量。 这些实施例是可行的，因为本发明人已经发明了一种沉积设备，在该 设备中，可以以基本一致的方式在多个连续腹板或不连续基底的各个 腹板或基底上保持沉积条件。这样，本发明人已经解决了本领域中的 一个突出问题。 一致的沉积条件用于将组分和厚度基本一致的薄膜层 沉积在多个基底上，这些基底在沉积室中保持特定的时间量。如以下 所述，接触时间或穿过本沉积设备的输送速度可用于改变沉积的薄膜 层的组分和/或厚度。在其它实施例中，在等离子体增强型化学气相沉
12积工艺中，可将一个或多个不连续的或连续的腹板基底布置在阴极的 相对的各侧。
以下大量论述以连续腹板基底来描述本设备。然而，应该认识到 的是，这些论述仅在进行了显而意见的修改的情况下等同地适用于利 用不连续基底的实施例。
在一个优选的实施例中，由放出单元提供了共面的多个连续腹 板。此处所用的用语"共面的多个连续腹板"、"共面的多个腹板，，、 "共面腹板"等等都指两个或更多个腹板，这些腹板具有在输送穿过 沉积单元的过程中基本上处于公共平面中的沉积表面。在一个特别优
选的实施例中，共面的多个腹板中的腹板以这种方式相平行，即共 面的多个腹板是对齐的、在空间上间隔开的，但沿相同方向输送穿过 本沉积单元。类似的实施例适用于不连续基底。
在本文的某些实施例中，包括不止一组共面的多个连续腹^1。用 语"共面的多个连续腹板"、"共面的多个腹板"，"共面腹板组" 等等用于指使用不止一组共面的多个腹板的情形。例如，如果使用两 组共面的多个腹板，则各组多个腹板包括两个或更多个腹板，这些腹 板定位成使其沉积表面处于公共平面中，其中各组多个腹板处于不同 的平面中。这两个平面可以以任何方式相对于;f皮此进行定向。该描述 类似地扩展到使用不止两组共面的多个腹板的情形。 一组或多组共面 的多个腹板还可与单个腹板结合使用。类似的实施例适用于不连续基 底。
使用多个非共面的腹板的实施例也落在本发明的范围内。此处所 用的用语"多个非共面的腹板"、"非共面的腹板"等等指定位成使 其沉积表面并不处于公共平面中的两个或更多个腹板。例如，非共面 的腹板可具有相对于彼此而交错的、旋转的或以其它方式移位的沉积 表面。例如，在等离子体增强型化学气相沉积中，非共面的多个腹板 的一个示例是这样的情形，即两个腹板均平行于平面阴极，但定位 在离平面阴极的不同距离处或位于其不同侧。因为对阴极的接近度影响薄膜层的厚度、组分以及其它性质，所以非共面的腹板可提供不一 致的薄膜层的同时沉积。非共面的腹板还可以是平行的。平行的非共 面的腹板是其沉积表面与共同的基准面(例如平面阴极表面)相平行， 且其输送方向相同的非共面的腹板。包括非共面的腹板的实施例通常 是比较不优选的，因为其可能更难以保持一致的沉积条件。
现在参看图1A,其公开了沉积设备的一个优选实施例的示意性描
绘。设备100包括放出单元110、沉积单元120和收取单元140，沉 积单元120包括一系列一个或多个沉积室130。；故出单元从一个或多 个分送器150中分送出一个或多个连续的腹板基底。可例如通过将盘 绕的腹板基底材料带加载到放出辊子上，并使该辊子旋转以将腹板基 底传送至一系列一个或多个沉积室中，来完成腹板的分送。通过将两 个或更多个盘绕的腹板基底带加载和分送到单个放出辊子上，或者通 过为多个腹板中的每个腹板提供独立的放出辊子，来传送多个腹板。 通过使辊子或其它分送装置恰当定位，可提供共面的、非共面的一个 或多个腹板或者一组或多组多个腹板，以及一个或多个腹板或者一组 或多组多个腹板的平行组合。通过将与各组多个腹板相关联的放出辊 子或分送装置恰当地定位，可类似地传送两组或更多组多个腹板。在 等离子体增强型化学气相沉积中还可以将两组或更多组多个腹板分 送在阴极的不同侧，从而将阴极插入在该两组或更多组多个腹板中的 至少两个腹板之间。
在图1A的实施例中，放出单元提供了六个腹板(在图1B中标识 为171, 172, 173, 174, 175, 176)，并且各腹板由独立的分送器150来提 供。在此于图1B中显示了图1A的实施例中的放出单元的顶视图。各 分送器150包括腹板基底材料巻170和用于使该材料巻旋转、并且将 腹板基底传送至图1A的沉积单元120的一个或多个辊子180。在图 1A的实施例中，如以下进一步所述，分送器定位成以^便传送两组平 行的腹板，其中每组腹板包括在公共的垂直平面中对齐的三个腹板。 在图1C中所示的侧视图中描绘了图1A实施例的一组三个平行的腹板。放出单元110和收取单元140定位为如图所示。三个平行的腹板 显示为172， 174和176。第二组三个平行的腹板171， 173和175定位 在腹板172, 174和176的后面。在一个实施例中，第一组和第二组腹 板布置在本沉积设备的一个或多个等离子体增强型化学气相沉积室 中的阴极的相对的各侧。腹板171， 172， 173， 174, 175和176垂直地定 向，并水平地进行输送。图1A和1C中以敞开一见图显示了沉积室130， 以有助于观察腹板。以下将更全面地描述沉积室130。
除了高吞吐量之外，由本发明所提供的多个腹板基底允许在不同 类型或厚度的基底上同时进行沉积。例如，可在不同厚度的钢基底上， 或在钢基底和非钢(例如塑性或柔性)基底上完成并行沉积。当使用多 个放出辊子时，本发明还提供了腹板基底的、在可变的速度下的输送。 可布置独立的放出辊子以便以不同的速度来分送。可变的速度允许在 以固定的 一组沉积条件运转的沉积室中将不同厚度的薄膜层沉积在 不同的基底上。
图1A的实施例中所描绘的收取单元140在此接收来自沉积单元 的多个腹板，并将其存储起来，用于后沉积处理或传送。同放出单元 相比，收取单元优选在形式上与其相似而在功能上与其相反，因为收 取单元接收而非分送腹板。收取单元可包括用于在沉积结束时接收多 个腹板的一个或多个收取辊子。收取单元可包括适于接收多个腹板的 单个收取辊子，或者包括若干个收取辊子(其各接收单个腹板)，或者 包括单个收取辊子和若干收取辊子的组合。在一个优选实施例中，多
个腹板各由专用于该腹板的放出辊子分送出来，并由专用于该腹板的 收取辊子来接收，使腹板从放出辊子持续地延伸至收取辊子，并使放 出辊子与收取辊子同步以保持腹板的拉紧。
通过控制放出辊子和收取辊子的相对位置和定向，可以可变地确 定多个腹板中的各腹板的相对位置。例如，本发明可获得水平地或垂 直地布置的共面的腹板，在腹板之间具有可变的间距，或者具有可变 的输送方向。水平(垂直)的共面的多个腹板是具有处于或布置在公共水平面(垂直面)中的沉积表面的共面的多个腹板。定向还可用于指共 面的多个腹板的布置状态。水平地(垂直地)定向的共面的多个腹板是 其沉积表面布置在公共的水平面(垂直面)中的共面的多个腹板。非水 平的或非垂直的公共平面中的共面腹板还可按两组或更多组共面的 多个腹板的形式来实现，其沉积表面布置在两个或更多个平面中。如 以下所述，共面的腹板还可以是平行的。在本申请图1A的实施例中， 显示了两组共面的多个连续腹板，每组包括垂直地定向的三个平行腹
板。在图1A的实施例中，第一组多个三个平行的腹板布置在第一/> 共垂直平面中，并且第二组多个三个平行的腹板布置在第二公共垂直 平面中，总共六个腹板的吞吐量。在图1A的实施例中，可存在于沉 积单元120中的阴极插入在这两组多个腹板之间。
在从放出单元中分送出去时， 一个或多个腹板进入沉积单元，并 朝向收取单元而连续地或间歇地输送穿过其中。沉积单元包括一个或 一系列可操作地连接的沉积室，其中各个沉积室中各建立了针对给定 的腹板输送速度而用于沉积具有预期组分和厚度的薄膜层的条件。一 系列沉积室中的沉积室彼此隔离开以防止交叉污染，并可利用不同的 沉积技术。结果，利用本沉积设备可实现包括多种薄膜组分和厚度的 多层薄膜结构的形成。如上面所指，膜厚度还受到腹板输送速度的影 响，较低的速度通常提供较厚的膜。根据薄膜层形成的速率和与沉积 相关联的物理和/或化学工艺的动力学，层组分还可依赖于腹板输送速 度。
在本沉积设备中可使用各种薄膜沉积方法。化学气相沉积、物理 气相沉积、溅射和真空沉积的方法都属于本发明的范围内。在一个优 选实施例中，沉积通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)来完成。 PECVD沉积指的是一种等离子体辅助沉积工艺。辉光放电是等离子 体辅助沉积工艺的 一个示例。在PECVD沉积中，在沉积室中，等离 子体产生于接地的腹板或基底与定位成紧邻该腹板或基底的阴极之 间的等离子体区域中。等离子体区域代表等离子体在其中形成的空间区域。当利用多个腹板或基底时，等离子体区域优选延伸超过多个腹 板或基底的各腹板或基底。
在一个优选的实施例中，阴极表面基本上是平面的，并且在形状 上是矩形的。在一种典型的构造中，该阴极连接到电源上，电源提供 必要的电能或电磁能，以在该阴极与 一个或多个连续腹板或不连续基 底的沉积表面之间的等离子体区域中建立和保持等离子体。电源可以 是交流(AC)电源，其将射频或微波范围内的交流能量导入，且电源还
可以是直流(DC)电源。在一个优选的实施例中，使用运行于13.56 MHz 下的交流电源。VHF频率(例如70MHz)和孩t波频率(例如2.54GHz)也 属于本发明的范围内。
当电源运作时，或者当采用其它方式将电》兹能量导入等离子体区 域中时，等离子体可从进入阴极与腹板或基底之间的等离子体区域中 的工艺气体中产生。工艺气体包括沉积前体(precursor)、原料气体，其 发生反应或者以其它方式转变成在PECVD处理过程中使薄膜形成于 沉积表面上所需的反应物质。例如，当沉积非晶硅、微晶硅或多晶硅 时，可使用诸如硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2He)、 SiF4或(CH3)2SiCl2这些沉 积前体。锗烷也可用作沉积前体，以形成锗薄膜，或与硅沉积前体相 结合以形成硅-锗合金。沉积前体例如曱烷(CH4)和C02是碳源，可例 如结合硅沉积前体使用，以形成SiC或其它含碳膜。沉积前体还可包 括掺杂前体，例如用于n-型或p-型掺杂的磷化氩、乙硼烷、BF3。工 艺气体还可包括载气，例如惰性气体或稀释气体，包括氬气，其可包 括于或不包括于沉积的薄膜中。
在PECVD处理过程中，反应物质沉积在腹板或基底上，以提供 用于形成层的材料。PECVD沉积和处理可利用单一处理气体或沉积 前体来进行，或者利用多种处理气体或沉积前体来进行，这依赖于沉 积的薄膜的预期的组分、厚度和/或生长机理。工艺气体可通过阀和连 接到沉积单元或沉积室的气体管线而导入，并且还可通过阴极中的开 口而导入。工艺气体的传送还可通过阴极进行，如转让给本受让人的名称为"Fountain Cathode for Large Area Plasma Deposition"的美国专利 申请No. 10/043010中所述的那样，该申请的公开通过引用而结合在本 文中。在一个实施例中，气体歧管用于提供工艺气体。例如可通过本 受让人的美国专利No. 5,374,313中所述的那样来实现沉积室的隔离 以减少交叉污染；上述专利公开也通过引用而结合在本文中。
在本受让人的美国专利No. 4,485,125和No. 4,423,701中描述了等 离子体辅助沉积到腹板基底上的示例，上述专利公开通过引用而结合
在本文中。美国专利No.4,485,125公开了一种多室设备，其利用等离 子体沉积方法而在腹板基底上持续生产出串联的非晶硅光伏电池。同 本设备相比，美国专利No. 4,485,125的设备描述了仅在单个连续腹板 上沉积薄膜层，而未能提供可在多个腹板或基底上进行同时沉积的沉 积设备。美国专利No. 4,423,701公开了一种多室辉光放电设备，其具 有非水平地布置的阴极，以用于将薄膜层沉积在不连续的板或连续的 腹板基底上。美国专利No. 4,423,701进一步公开了在两个连续的腹板 基底上的沉积，其中这两个腹板布置在阴极的相对的各侧。然而，同 本沉积设备相比，美国专利No. 4,423,701没有描述布置在阴极的同一 侧的共面的连续腹板或多个连续腹板。美国专利No. 4,423,701和No. 4,485,125也未能论证布置于阴极的同一侧的多个腹板或基底上的沉 积条件的一致性。前面的现有技术专利也未能提供本发明包括的磁性 支承系统，以下将对其进行描述。
在一个优选的实施例中，平行共面的多个腹板被输送穿过沉积单 元。在一个特别优选的实施例中，平行共面的多个腹板布置于其中的 公共平面与阴极表面平面相平行。在这个实施例中，等离子体在平行 的表面(阴极表面和平行共面的多个腹板的沉积表面)之间形成。这种 构造是合乎需要的，因为其有助于保持一致的沉积条件，并促进在多 个基底上形成基本一致且相同的薄膜层。因此，更容易实现可再生的 生长。
在另一特别优选的实施例中，PECVD沉积发生在两组平4亍共面的多个连续的腹板基底上，其中各组多个腹板布置在阴极的不同侧。 这种实施例中的阴极可插入在该两组平行共面的多个腹板之间。通过 将阴极插入在两组平行共面的多个腹板之间，在阴极的两侧进行沉积 成为可能，从而可提高吞吐量。例如， 一组平行的腹板可布置在平面 阴极的一侧，第二组平行的腹板布置在同一个平面阴极的相对侧。这 个实施例是特别优选的，因为其提供了更高的处理吞吐量，同时在大 量腹板上保持了基本一致的沉积条件。在这个实施例中，等离子体区 域形成于阴极与这两组相对布置的平行的腹板之间。例如，如果采用 矩形的阴极形状，那么两组多个平行共面的腹板可位于该阴极的相对 侧，从而形成阴极插入在这两组多个腹板之间的构造。在这种构造中， 等离子体区域可形成于该阴极的第 一矩形表面和第 一组平行的腹板 之间，以及形成于该阴极的第二矩形表面和第二组平行的腹板之间。 各组腹板包括多个连续的腹板基底。在图1A的实施例中，显示了两 组三个平行的腹板。
一组腹板定位在矩形阴极的一侧，而第二组腹板 定位在该矩形阴极的相对侧。这种构造的优势是通过形成从两个或更 多个阴极表面延伸的等离子体区域，可使用 一个阴极同时在不止一个 方向上沉积薄膜层。
如上所述，共面的多个腹;f反可水平地、垂直地、非水平地或非垂 直地定向。在使用PECVD沉积的一个优选实施例中，阴极和一组或 多组多个共面的腹板基本相同地进行定向。因而，如果采用垂直的阴 极，则各组多个腹板优选基本相同地进行定向。例如，如果结合垂直 阴极使用两组多个共面的腹板，则一组多个共面的腹板可垂直地定位 在该阴才及的左边，而另 一组多个共面的腹板可垂直地定位在该阴极的 右边。从而该阴极插入在这两组共面的多个腹板之间。类似地，如果 采用水平的阴极，那么一组多个腹板可水平地定位在该阴极的上方， 而另 一组多个腹板可水平地定位在该阴极的下方，从而该阴极插入在 这两组共面的多个腹板之间。还可将两组或更多组多个连续腹板布置 在阴极的同一侧，从而该阴极没有插入在它们之间。
19利用本沉积设备可获得具有各种组分、性质以及从几十埃至几千 埃范围内的厚度的薄膜层。在本沉积设备中包括利用不同沉积技术的 沉积室的能力，在控制沉积膜的组分和性质方面提供了极大的灵活 性。例如，在本发明的沉积单元中可形成传导性的、半传导性的和非
传导性的薄膜层。在一个优选的实施例中，利用PECVD沉积在沉积
室中形成了包括硅的薄膜层。在本沉积设备可形成硅的非晶、多晶和
微晶相态。还可形成硅的n-型、i-型(固有的)和p-型形式，也可形成硅 与锗的合金。还可形成SiC和SiO。
通过在一个或多个沉积室中利用沉积技术例如溅射，还可能形成 其它类型的薄膜层，例如背面反射层和透明的传导氧化层。以下展示 了背面反射层和透明的传导氧化层的示例。溅射是一种通过高能离子 的轰击而融化固体靶的工艺，固体靶包括或者以其它方式而能够形成 预期的薄膜组分，高能离子来自在气体中触发的低压等离子体。从靶 中喷出的材料(通常是电离原子或原子团的形式)传送至基底或连续腹 板上，在该基底或连续腹板上形成了靶材的、或者来源于靶材的溅射 膜。通常，溅射膜具有与靶材相匹配或相似的化学组分。例如，Ag 靶的濺射产生了 Ag溅射膜。等离子体可由化学惰性气体例如Ar，反 应气体例如02或H2或惰性气体和反应气体的混合物而形成。当使用 反应气体时，賊射膜可包括由耙材和反应气体的反应而形成的化合 物。例如，可通过在有02存在的情况下溅射Zn靶而形成ZnO。利用 溅射作为沉积技术的沉积室在后文中可称为溅射室。溅射室包括靶和 用于溅射该靶以在基底或连续腹板上形成溅射薄膜的装置。该溅射装 置包括用于在该靶和基底或腹板之间通过引入到溅射室中的化学惰 性气体或反应气体而形成等离子体的装置。可按照上述PECVD沉积 技术中所述的方式来实现等离子体的形成。
可通过控制本沉积设备的沉积室中的条件或通过控制腹板输送 的速度来控制由本沉积设备形成的薄膜层的厚度。有关的实验变量依 赖于所选择的沉积方法。例如，在PECVD薄膜形成过程中，在特定的腹板输送速度下，诸如工艺气体、沉积前体或掺杂前体的流速，沉 积温度，腹板或基底与阴极之间的距离以及等离子体强度等因素可能 影响薄膜形成的速率和最终得到的薄膜的厚度。对于特定的一组沉积 条件，腹板输送速度或基底曝光时间也会影响薄膜厚度。较慢的输送 速度意味着腹板在等离子体区域中停留较长的时间，并且这通常导致 较厚的膜。例如，在溅射工艺过程中，诸如所施加的电压、靶组分、 靶位置和沉积室压力这些因素都可影响薄膜形成的速率。利用本沉积 设备可获得具有从几十埃至几千埃范围内的厚度的薄膜。
通过在本沉积单元中包括可利用不同沉积技术的多个沉积室，可 形成多层薄膜结构，在该多层薄膜结构中，具有一定的组分和/或厚度 范围的多个薄膜层沉积在连续腹板或基底上。此处所用的用语"沉积 在腹板基底上的薄膜层"、"形成于连续腹板上的薄膜层"，"存在 于腹板上的薄膜"和其同义词以及用于不连续基底的同义词都指由腹 板或基底支承的薄膜层，并且可意味着或不意味着该膜与该腹板或该 基底处于物理接触。形成于沉积单元中的第一层与腹板或基底处于物 理接触。如果在沉积单元中包括多个沉积室，则可形成额外的层。这 些额外的层可直接形成于已经在之前的沉积室中形成的薄膜层上，并 可能没有与腹板或基底物理接触。但是，这种薄膜在这里也应被称为 在腹板或基底上，因为其由腹板或基底支承。例如，连续的多层结构 (这些层上升离开腹板或基底)的所有层在此都被称为处于腹板或基底 上，即便并非所有层都与腹板或基底处于物理接触。
利用本沉积设备可将多层结构，例如用于光伏器件、太阳能电池、
p-n结或n-i-p结构所需的那些多层结构，沉积在多个连续腹板或基底 上。例如，n-i-p结构可沉积在包括三个沉积室的沉积单元中，在该沉 积单元中，n-型薄膜层形成于第一沉积室中，i-型层形成于第二沉积室 中，p-型层形成于第三沉积室中。在本沉积单元中还可以很容易地形 成串联器件，例如三层电池。除了传导类型之外，包括不同相态下的 薄膜层的多层结构也属于本沉积设备的范围内。例如，在存在孩t晶或多晶薄膜层的条件下，利用本发明可沉积包括非晶硅薄膜层的多层结 构。还可形成包括背面反射器或透明的传导氧化层的薄膜结构。本发 明的一个重要方面是单层和多层结构都可以以均匀的、可再生的且一 致的方式而沉积在多个腹板上。
现在将描述可利用本沉积设备形成的多层结构的 一个示例。例
如，通过将n-型层沉积在不锈钢腹板上，然后使i-型层形成于n-型层 之上，最后使p-型层形成于i-型层上，即可形成n-i-p结构。例如，n-型层可以是掺有硼的非晶硅层，其具有200埃的厚度。例如，i-型层 可以是非晶硅或硅与锗的合金，其具有800埃的厚度。p-型层可以是 掺有磷的微晶硅，其具有250埃的厚度。类似地，可形成包括多个n-i-p 结构的串联器件，其中，如果需要，可改变各类型层的厚度和/或组分。 例如，可形成包括具有不同组分(例如硅与锗的不同的合金)和不同带 隙的i-型层的三层电池。类似地，微晶n-型层或非晶p-型层都是可以 形成的层。复合的层，例如包括非晶子层和微晶子层的n-型层也是可 行的。还可形成包括背面反射层或透明的传导氧化层的结构。典型的 背面反射'层材料包括但不局限于ZnO、 Ag、 Ag/ZnO组合物、Al以及 Al/ZnO组合物。典型的透明的传导氧化层材料包括但不局限于ZnO、 ITO(InSn02)和SnO。在一个优选的实施例中，背面反射器和透明的传 导氧化层沉积于本沉积单元中利用溅射工艺和合适的靶材的沉积室 中。
最好在连续地且一致地输送穿过沉积设备的连续腹板上实现薄 膜层的一致沉积。为了获得具有一致的厚度和组分的薄膜层，优选以 一致的速度不间断地进行腹板输送。多个腹板中的各腹板优选以一致 的速度进行输送，但多个腹板的其中一个腹板的输送速度可以与该多 个腹板中的其它腹板的输送速度相同，或者可以不同。输送中的间断 会导致输送速度的不希望有的变化，并且可导致层厚度或组分上的不 一致性。因此，当需要均匀的层时，间断通常是有害的。间断的示例 包括腹板输送中的停运、间歇、停顿或急动。腹板的输送方向是本沉积设备范围内的另 一考虑因素。输送方向 指当腹板穿过本沉积单元时该腹板的运动方向，并且是除腹板或多个 腹板的定向之外的又一考虑因素。例如，水平的腹板输送指腹板穿过 沉积单元的水平运动，并且可发生在水平地或垂直地定向的腹板上。 类似地，垂直的腹板输送指腹板穿过沉积单元的垂直运动，并且可发 生在水平地或垂直地定向的腹板上。例如，水平方向的输送可以被认 为是与地面平行的运动，而例如垂直方向的输送，可被认为是垂直于 地面的运动。
通常，与非水平地或垂直地定向的腹板的输送相比，水平地定向 的腹板的输送更容易实现一致的输送。腹板通常为几英寸宽，若干英 尺到几百或甚至数千英尺长，并且只有几分之一英寸厚。例如，本沉
积设备中可使用14英寸宽、1英里长且5密耳厚的腹板。如上所述， 水平地(垂直地)定向的腹板是其沉积表面布置在水平(垂直)平面中的 腹板。在水平地定向的腹板的输送过程中，腹板的大面积表面大体与 传送装置或传送机构(例如分布在沉积设备中的辊子)相接触。大的接 触表面积将腹板的重量分布在大的面积上且有助于实现一致的腹板 输送。垂直地定向的腹板的一致输送更难以实现，因为腹板可能位于 边缘上，使得该腹板的重量集中于小的表面积上。例如，当垂直地定 向的腹板沿水平方向进行输送时会发生这种情形。在垂直地定向的腹 板输送过程中，诸如挤缩等复杂化状况可能会变得有问题。延伸了长 距离的腹板的垂直定向也可能S1起下垂或弯曲的问题。结果更难以平 衡且一致地输送垂直地定向的腹板。
取得和保持一致条件的需求对于沉积具有一致性质的高品质薄 膜的目标是很关键的。化学组分的一致性需要在布置于等离子体增强 型化学气相沉积室的阴极之前的 一个或多个腹板或基底的表面上获 得一致的生长条件。等离子体强度必须在整个沉积表面上一致，并且 沉积前体的传送和反应在整个生长区必须一致，以保持化学组分的一 致性，并避免沉积膜中的组分或相态波动。 一致的生长条件和反应速率进一步促进了在腹板或基底上形成具有一致厚度的薄膜。除了生长 条件和反应速率之外， 一致的薄膜厚度还需要腹板或基底在薄膜生长 过程中有稳定的定位和形状。腹板或基底运动的间断或不规则性可导 致沉积膜的厚度或组分的不一致性。意外的腹板或基底运动，例如弯 曲、猛拉、下垂、扭动、摇动、滑动或振动都可能改变腹板相对于阴 极的位置，并且这可导致生长条件的变化或波动，这种变化和波动可 能导致沉积膜性质的不一致性。通过保持腹板或基底与阴极之间恒定 的或近乎恒定的距离，以及腹板或基底相对于该阴极恒定的或近乎恒 定的定向，可改进一致的薄膜性质。因为需要沉积具有微米级厚度的 薄膜，所以即使腹板或基底位置的很小的偏差都可造成薄膜性质的明 显不一致性。当腹板的沉积表面的形状不平时会出现类似的困难。腹 板沉积表面的轮廓、弯曲、起伏、起皱等等都会导致厚度的不一致性 和表面覆盖的间隙。
随着腹板的定向从水平变到非水平、垂直，在保持一致的腹板位 置和移动方向上的困难变得日益显著。水平定向的腹板可放平，并且 具有腹板重量支承于其上的大的表面积。用于输送和固定水平腹板位 置的传统装置是有效的。然而，当腹板变得较为垂直时，腹板的重量 集中于较小的承重表面上，并且在垂直腹板的极限情况下，腹板的全 部重量都集中于该腹板的下边缘上。结果就变得难以平衡腹板以保持 其相对于沉积室的生长区的定向，并且增加了薄膜不均匀的风险。此 外，当腹板由柔性材料(例如塑料、箔或薄的钢板)制成时，在垂直定 向时腹板将不能够支承其重量，并且当其垂直地或非水平地定向时， 腹板会有弯曲或折叠的倾向。因为在等离子体增强型化学气相沉积以 及其它沉积工艺中需要垂直和非水平的腹板定向来避免或减少腹板 上的石卒屑累积，因此需要开发一种系统，以用于在沉积设备中固定和 保持垂直地定向和非水平地定向的腹板的位置。
本发明还包括一种支承系统，其用于稳定腹板或基底位置，并在 本沉积设备中使移动中的腹板或基底保持一致的输送方向，且用于保持腹板具有所需形状(例如平的)沉积表面。该支承系统包括磁性导向 组件和边缘-稳定组件，它们用于在输送过程中以 一致且相同的方式引 导腹板或基底的移动，并且支承腹板或基底。该磁性导向组件包括一 个或多个-兹性构件，这些-兹性构件与基底或腹板以;兹性的方式相互作 用。许多常用的腹板或基底材料由磁性材料例如钢组成。-兹性导向组 件提供了,兹力，该一磁力用于减少或防止在输送穿过沉积单元时腹板位 置以及腹板沉积表面的形状上的波动。
在一个优选的实施例中，,兹性导向组件包括一个或多个;兹性辊 子，移动的腹板支承在辊子上。这些辊子可以驱动腹板运动，或者可 以不驱动腹板运动。在一个实施例中，腹板的运动由放出单元和收取 单元的其中一个或这两者来驱动，并且^ 兹性辊子提供了带有;兹力的接 触表面，该磁力吸引腹板以稳定其位置，提高腹板沉积表面的稳定性
动。例如，腹斧反可以垂直地定向，固定在放出单元和收取单元上，并 且在水平方向上输送穿过沉积设备。在这个实施例中，磁性辊子可以 垂直地定向，并且可在离阴极最远的腹板表面上与被输送的腹板相接 触。在这个实施例中，腹板的沉积表面直接暴露于阴极下，并且当该 腹板被输送穿过沉积设备时，反面与磁性辊子形成接触。磁性辊子可 自由地旋转，或者可提供补充的驱动力以促进基底的运动。通过提供 i兹力，辊子用以在输送方向的横向方向上或在该输送方向的正交方向 上固定、固着或稳定腹板的位置和沉积表面的形状。结果，腹板的运 动变得更为平滑，且更力口均衡，而且可消除或减少腹板沉积表面与阴 极之间的距离的波动，以及腹板横向位置的波动。通过发生于磁性辊 子和一个或多个连续腹板或不连续基底之间的》兹性相互作用，可避免 腹板或基底在除输送方向以外的方向上的运动中的诸如振动、滑动、 摆动、跳动、弯曲、走动、移位、扭曲以及其它扰动或干扰的影响， 从而可提高薄膜厚度以及其它性质的 一致性。
腹板沉积表面在输送方向的横向方向或输送方向的正交方向上的移位得以消除或减少，从而可使腹板在沉积室的生长区域中保持更 加接近恒定或一致的形状或位置。^磁性辊子提供的有益效果之一是为 沉积室的生长环境提供了平的沉积表面。在水平方向上输送的过程 中，减小了或显著抑制了垂直地定向的腹板折叠、折皱、下垂或飘动 的倾向。另外，因为磁性辊子仅接触腹板的一侧并固定该腹板的位置， 所以沉积表面不会被定位硬件遮挡或阻挡，并可得到完全利用，以使 沉积面积最大。另外，因为没有^f兹性辊子部分与沉积表面相接触，所 以所沉积的薄膜品质不会受到用于支承和固定腹板的机构的损害。从 而可避免沉积膜的例如刮伤、削伤和擦伤等后果。这提供了本发明超 越现有技术腹板稳定系统，例如夹辊的优势，夹辊必须与腹板的两面 都接触。
这种磁性导向组件的磁性相互作用的强度由 一些因素来确定，这 些因素包括腹板或基底的材料组分、其厚度和重量以及辊子所提供的 磁场强度等。辊子可由任何石兹性材料组成，并且可通过辊子的尺寸、 位置、重量、数量或其它特征来控制辊子的磁场强度。磁性辊子优选 是圓柱形的，并且可以是空心的或填有填料的。》兹性辊子可由固定到 沉积设备上的轴来支承，其中一个或多个^f兹性辊子附连到各个轴上。 在一个实施例中，在各轴上可包括一个磁性辊子，以用于同时输送各 腹板，使其穿过沉积设备。例如，在图1A所描绘的设备中，在阴极 的各侧同时输送三个垂直地定向的腹板，并且可在固定轴上为这三个 腹板的各个腹板提供独立的磁性辊子。磁性辊子可安装在轴上，其贯 穿输送方向的长度而周期性地定位，以确保腹板穿过沉积设备的平滑 运动。i兹性辊子可只由;兹性材料组成，或者由i兹性和非/磁性材料的组 合来组成。
除了磁性导向组件之外，这种腹板支承系统还可包括边缘稳定组 件。这种边缘稳定组件在腹板或基底输送穿过沉积设备时与该腹板或 基底的边缘以接合的方式相接触，以提供支承，并限制边缘在输送方 向之外的方向上的运动。例如，该边缘稳定组件可抑制边缘在输送方向的正交方向上或输送方向的纟黄向方向上的运动或移位，并且可进一 步提供对垂直地和非水平地定向的腹板的下层机械支承。该边缘稳定 组件可包括磁性或非磁性材料。在一个实施例中，边缘稳定组件包括 腹板支承器，以促进腹板在连续沉积设备中的均匀输送。
在一个优选的实施例中，该腹板支承器用于促进垂直地定向的腹
板的一致的水平输送。图2A中以标号200示意性地显示了这种腹板 支承器的一个实施例以及典型的安装硬件。支承器202通常是圆形的， 并且具有中央切口 201的特征，当该支承器安装在沉积设备中时，中 央切口 201与腹板输送的方向对齐。图2A的实施例中所显示的安装 硬件包括第二支承器203，该支承器203具有与支承器202相对地布 置的中央切口 204。腹板支承器202和203可用于支承空间隔开的基 本平行的腹板。在一个优选的实施例中，阴极定位在由腹板支承器202 和203支承的腹板所限定的平面之间的中间平面中，从而在由腹板支 承器202和203所支承的腹板上可同时进行薄膜沉积。可包括轴承组 件205以促进腹板支承器202围绕轴206的旋转。
图2B显示了沿着腹板输送方向看去的腹板支承器202。中央切口 201包括凹陷区域(基底或连续腹板可插入在该区域中)，并有助于稳定 基底或腹板的运动。中央切口 201包括下支承面207,内切口面208 和外切口面209。腹板的边缘可插入到切口中，以便在输送穿过沉积 设备过程中稳定其运动和位置。插入到中央切口中的腹板优选主要由 下支承面207支承。腹板的插入垂直于图2B的平面，使得腹板的边 缘与下支承面207相接触。通常，腹板的沉积表面面向内切口面208。
对于基底或腹板在沉积设备中输送的一个重要的要求是防止对 沉积在腹板的沉积表面上的薄膜层的刮伤、擦伤或其它损伤。防止损 伤就要求消除薄膜与腹板支承器或其它输送装置发生物理接触的可 能性。在本腹板支承器中，通过形成使得腹板的位置偏离内切口面和 外切口面之一、或者偏离这两者的中央切口，即可排除腹板的薄膜侧 与腹板支承器的物理接触。
27在本文图2B的实施例中示出了下支承面的一个示例，该下支承 面使插入的腹板的位置偏离内切口面和外切口面。在该图2B的实施 例中，中央切口 201的下支承面207是带倾角的，使得插入的腹板偏 离内切口面208和外切口面209。在该图2B的实施例中，如果切口比 腹板的厚度更宽，则由带倾角的下支承面207所引起的偏压就产生了 腹板的某种定位，在这种定位中，在腹板表面和内外切口面208和209 之间存在间隙。内切口面208的倾斜进一步促进了间隙在腹板一侧的 形成。该间隙排除了腹板沉积表面与沉积在其上面的任何薄膜以及反 面的腹板表面与本腹板支承器的物理接触。因此避免了对沉积薄膜的 损伤，以及反面的腹板表面的损伤。避免物理接触也是平滑的腹板输 送所需要的。
虽然图2B的实施例描绘了属于本发明范围内的切口的一个示例， 但是明显可看出能够在腹板支承器的表面和所插入的腹板的表面之 间产生间隙的任何切口形状，都可用于防止本腹板支承器和腹板表面 之间的物理接触。可以设想到限定切口的表面的各种形状和构造。图 2B的实施例中所描绘的切口可看作是非对称的V形切口。其它对称 的和非对称的V形切口都包括在本发明的范围内。比腹板厚度更宽的 V形切口通常可用于支承腹板，同时防止腹板表面与腹板支承器的物 理接触。在V形切口的实施例中，可在腹板的两个表面(发生沉积的 表面和与该表面相对的表面)和腹板支承器之间形成间隙。还可使用U 形的下支承面。因而，显而易见的是，对称和非对称的切口形状都可 用于实现腹板的输送，而不会损坏沉积的薄膜。
在意图沉积到沿水平方向输送的垂直地定向的腹板之上的沉积 设备中，可水平地(也就是说沿着腹板输送的方向)在放出单元和收取 单元之间安装一系列的腹板支承器。因而可使用多个腹板支承器，以 便在腹板被输送穿过一系列沉积室时支承腹板。腹板支承器的数量与 其之间的间距是可变的，并且可取决于例如输送速度、腹板的重量以 及放出单元和收取单元之间的距离等因素。在平行的多个腹板中的各个腹板优选穿过单独的一系列支承器。在一个实施例中，腹板支承器 设于包括于沉积设备中的各沉积室的入口和出口附近。在沉积过程 中，可从放出单元中分送垂直地定向的腹板，并将其供给到一系列水 平地放置的腹板支承器中，这些腹板支承器使其中央切口沿着输送方 向对齐。在接收腹板时，支承器与其相接合。通过接合腹板，本支承 器通过借助中央切口来引导或跟踪腹板在输送方向上的运动而促进 其运动。本腹板支承器还可提供对腹板重量的支承。垂直地定向的腹 板的底边定位在本支承器的切口中。切口用于在垂直定向的腹板沿水 平的输送方向穿过沉积设备时？ 1导该腹板。存在于一 系列水平地对齐 的腹板支承器中的一系列的中央切口，形成了当腹板水平地输送穿过 沉积设备时供垂直的腹板穿过的通道。中央切口提供了垂直腹板的大 体单向的输送，并且用于跟踪腹板。中央切口减小了在输送方向的横 向方向上的运动颤动，并且使垂直腹板的输送稳定，以提供整个沉积 设备上的输送一致性。当需要沿着边缘支承或引导一个或多个腹板 时，中央切口还可有益于非水平方向的输送。
当腹板在支承器上穿过时，本支承器通过在腹板输送方向上的旋 转而进一步促进腹板输送，从而当腹板穿过沉积设备时，支承器可旋 转地接合连续腹板。支承器以优选方式进行安装，以便当其与移动的
腹板接合时自由旋转。例如，旋转可围绕诸如图2A中的标号206所 示的轴而进行，该轴安装成垂直于腹板输送的方向。旋转运动是有益 的，因为其抑制了对腹板运动的摩擦阻力。因此降低了复杂性，例如 输送过程中腹板的粘滞或聚缩，因为是通过滚动机构而非滑动机构来 促进腹板的输送。
还可将柔性移位装置附连在本腹板支承器上，使其可一艮据所支承 的重量来单独地且独立地调整其位置。作为举例说明，可考虑沿水平 方向进行输送的垂直地定向的腹板的示例。这种垂直腹板的重量最好 沿着其输送方向而均匀分布在所有腹板支承器上。在这种最佳的情况 下， 一系列腹板支承器中的各腹板支承器可处于相同的垂直位置，以保持腹板的水平输送。然而，如果输送腹板的过程引起了使腹板的重 量非均匀地分布的瞬时干扰或其它运动干扰，那么就需要一种响应于 变化着的腹板重量分布并对抗这种分布变化的支承机构，以促进腹板 更一致的输送。对单个腹板支承器所支承的重量重新分布的需求，还 可能由于腹板材料的缺陷而变得必要。在一种典型的沉积工艺中，腹 板可以是具有几百英尺长度的连续腹板。超长腹板的制造可能不会在 整个腹板的长度上提供一致的尺寸。厚度或横向尺寸可能在长度方向 上呈现细小的变化。例如，在垂直地定向的腹^1的情况下，腹;fel的高 度可能沿该腹板长度而变化。例如，当垂直地定向的腹板的顶边和底 边不是完全平行时，就可能出现这种高度上的变化。需要腹板支承器 对腹板尺寸变化作出响应，以防止在沉积过程中输送腹板时腹板表面 发生扭曲或折叠。这种响应性可通过将用于支承垂直地定向的腹板的 腹板支承器进行柔性安装而实现。柔性安装可通过将柔性移位装置附 连到该腹板支承器上而实现，以促进所支承的重量的重新分布和均 衡。
例如，弹簧安装机构可用作柔性移位装置，该弹簧安装机构允许
本腹板支承器响应于重量分布的变化而上下调整其垂直位置。图2A 中包括了柔性移位装置的一个示例。在图2A的实施例中，腹板支承 器202进行旋转所围绕的轴206安装在可移动的臂208上，臂208通 过弹簧装置209而柔性地连接到固定的支承板210上。弹簧装置209 允许腹板支承器202响应于插入到中央切口 201中的腹板的移位或运 动干扰而运动。如果腹板支承器发现需要其支承的重量在增加，那么 根据图2A实施例的包括柔性移位装置的腹板支承器可通过这种方式 来作出响应，即通过弹簧装置209的收缩来降低其垂直位置。垂直位 置的降低程度可与增加的重量量级相当。增加的重量量级越大，意味 着受影响的腹板支承器向下垂直下降得越多。
通过柔性移位装置垂直降低腹板支承器位置的这种机构的净效 应是通过将重量重新分布到邻近的腹板支承器上来对抗对腹板的运动干扰。这是因为受重量重新分布最严重地影响的腹板支承器(由于运 动干扰而造成其位置垂直降低)可比受到不太严重影响的腹板支承器 降低至更大的程度。当腹板支承器通过柔性移位装置，例如图2A实 施例中所描绘的弹簧装置的作用而收缩到比其邻近的腹板支承器更 低的位置时，即可减少其上面的负载，而等量的负载可由其邻近的腹 板支承器来承担。类似地，如果在腹板输送过程中由于运动干扰而使 得需要由腹板支承器支承的重量减少，则包括柔性移位装置的腹板支 承器可以通过增加其垂直高度来作出响应，从而由于该柔性移位装置
的作用而承担更大的相对负载。例如可通过图2A实施例中所描绘的 弹簧装置209的扩展来实现垂直高度的增加。
包括柔性移位装置的腹板支承器通过抑制由于运动干扰而引起 的重量分布上的波动而使得垂直定向的腹板的水平输送稳定。腹板的 干扰例如掀斜、浮动、扭转等等，或者腹板的放出或收取的不规则都 可能在沉积设备的长度上产生腹板重量分布的波动。通过伴随本腹板 支承器的柔性上下运动而引起的重量的重新分布可对抗并平抑这些 波动。结果，垂直腹板的水平输送可更均匀且更一致地进行，而较少 发生粘滞和停顿。
虽然本腹板支承器优选用于促进垂直地定向的连续腹板的水平 输送，但其还可用于辅助非水平的腹板输送和非垂直地定向的腹板的 输送。本腹板支承器提供两种一般功能。首先，其可在连续腹板输送 穿过沉积室时支承其重量。其次，其可在连续腹板输送穿过沉积室时 引导或跟踪该连续腹板的运动。在包括非垂直地定向的腹板或非水平 地输送的腹板的实施例中，腹板支承器的这两个功能还可适用于不同 的关联程度。例如，在水平地定向的连续腹板的水平输送中，本腹板 支承器可能不用于主要支承腹板的重量，但仍可用于腹板的边缘处以 跟踪或引导该腹板。在这样一个实施例中，腹板支承器可以水平方式 进行定向，这样就使得中央切口配合在腹板的边缘上。腹板支承器还 可旋转，以提高腹板运动的简易性。本腹板支承器可类似地用于引导或跟踪垂直地定向的腹板的运动，该腹板沿垂直方向进行输送。在包 括非垂直、非水平的腹板或输送方向的实施例中，腹板支承器可为腹 板提供一定量的支承，以及引导或跟踪功能。
根据本发明，可采用本领域中己知的各种柔性移位装置。柔性移
器位置的能力。弹簧、盘绕件、可伸长的材料、可压缩的材料、以及 在移位时由于张紧或压缩而至少部分地返回其初始形状或位置的材 料、可调整的隔离物等等，都是柔性移位装置的示例。
上述腹板支承器的实施例包括圆环形的中央切口 ，其具有连续的 内外切口面。包括不连续的支承面的其它实施例也落在本发明的范围 内。考虑齿轮的示例。齿轮的外径部分包括由间隙间隔开的多个嵌齿， 以形成可被称为齿状结构的事物。接下了考虑在嵌齿中切出槽时所得 到的结构，其中，切割方向处于齿轮的中央平面中。在这种结构中， 各个嵌齿具有独立的切口 ，其中所有这组切口都在齿轮旋转方向上对 齐。这种结构还可用作根据本发明的腹板支承器，其中，这组单个的 切口起到类似于上述连续中央切口的作用。因为这种结构中的单个切 口在空间上是分隔开的，因此不存在连续的内外切口面。取而代之， 这种结构可被看作是具有不连续的内外切口面的中央切口 。因为带槽 的嵌齿的数量和嵌齿的尺寸在这种结构中可能变化，所以显而易见的 是，可设想出具有不连续的内外切口面的腹板支承器的许多实施例。
示例
在以下 一 系列试验中论证了根据本发明的腹板位置的 一 致性的 改善。本文构造了一种用于测量腹板的位置和形状的测试系统。该测
试系统复制了用于例如图1A、 1B和1C中所描绘的生产沉积机器的
腹板输送系统。其不包括沉积室，以便在腹板输送过程中可直接接触
到腹^1，以达到测量其位置的目的。测试系统包括用于分送14英寸 宽的不锈钢连续腹板基底的放出单元和用于接收腹板并巻绕腹板的收取单元。腹板垂直地定向，并沿水平方向进行输送。设备的放出单 元和收取单元之间的距离超过了 60英尺。实验是使用三种构造来完 成的。在一种参考构造中，没有使用磁性导向组件或边缘稳定组件， 并且腹板仅在放出单元和收取单元处锚定。在另一种构造中，ll个磁 性辊子在放出单元和收取单元之间以大致相等的间距而间隔开。在第
三种构造中，结合图2A中所示类型的一系列带切口的腹板支承器而 使用了 11个》兹性辊子。
该实验包括起初在贯穿测试系统的、从放出单元至收取单元的长 度上定位腹板。在初始位置，腹板的顶边相对于水平基准线保持在恒 定的高度上。在初始定位之后，接通输送机构，并容许该腹板移动10 英尺，这时停止输送，并在沿着该腹板长度的若干点上重新测量腹板 顶边相对于水平基准线的高度。记录测量值。该实验通过容许腹板以 IO英尺增量进行移动而继续进行。在每次增量移动之后，在沿着测试 设备长度的相同位置处重新测量该腹板顶边的高度。
实验的结果可总结如下在没有使用磁性辊子或边缘稳定组件的 参考构造中，腹板呈现出极大的下垂，该下垂在测试系统的中心附近 最为显著。当IO英尺增量移动的数量增加时，下垂变得越来越严重。 在移动40英尺(四个10英尺增量输送)之后，腹板的顶边相对于用于 测量高度的基准线已经降低了大约6cm。高度上的降低是由于在放出 辊子和收取辊子之间的相当大的距离上因重力而引起的垂直向下的 滑移，以及造成腹板沉积表面的形状变形的腹板掀斜或折叠的组合效 应而引发的。腹板的顶边处于压缩状态，而底边处于张紧状态。
在使用11个磁性辊子的构造中，腹板顶边相对于基准线的高度 变化减少了至少一半。图3中总结了其结果，图3显示了腹^1顶边的 高度是随腹板的位置以及10英尺增量移动的次数的函数。垂直轴显 示了腹板顶边相对于基准线的高度，水平轴显示了沿着腹板在水平位 置上自放出单元起测量到的位置。图表中所标出的特定的点与测试系 统中的磁性辊子的位置相对应。顶部曲线显示了腹板顶边相对于基准
33线的初始位置，并且显示该顶边最初是水平的。 一系列额外的曲线显
示了在腹板分别移动10英尺、20英尺、30英尺和40英尺的距离之 后腹板顶边高度的测量值。图中可看出顶边相对于初始位置有所下 垂，其中这种下垂随着腹板移动的英尺数量的增加，以及自放出单元 朝着测试设备中心的距离的增加而变得越来越显著。在离放出单元较 远的距离处，可看出下垂在减小。这是由于收取单元对腹板顶边的高 度的作用而引起的。收取单元处于与放出单元相同的高度，从而当腹 板移动离开放出单元时，腹板下降并逐渐下垂。然而，当腹板接近收 取单元时，顶边高度朝向其初始位置而拉回。因此，顶边高度的整体 降幅在设备中心部分的某处达到最大值。图3中值得注意的特征是腹 板顶边高度的最大降幅少于3cm,并因而小于没有-兹性辊子时所发生 的降幅的一半。腹板的沉积表面变形也较小，并且相对于没有使用不兹 性辊子的参考构造更接近是平的。
在最后的实验中，为包括11个磁性辊子的构造增加了边缘稳定 组件。如上所述，边缘稳定组件用以支承腹板的重量，并且防止腹板 的下边缘摇摆。如之前的实验中那样，腹板放置在初始位置，其中腹 板顶边的高度高于基准线大约6cm。初始位置与图3的顶部曲线所描 绘的位置紧密地对应。当利用边缘稳定组件进行实验时，随着容许腹 板以10英尺增量进行移动时，基本上没有观测到腹板顶边的高度变 化。在腹板输送10英尺、20英尺、30英尺和40英尺之后，对腹板 顶边的测量值形成了非常相似的曲线，并且对应于腹板顶边的初始位 置处的曲线基本上是重叠的。另外，没有观测到腹板的沉积表面在输 送方向之外的方向上的弯曲或移位。沉积表面保持平直且未受扰动。 这个结果论证了本腹板支承系统提供腹板的沉积表面的一致定位与 形状的能力。这个优点构成了提高由本沉积设备所生产的薄膜的一致 性和质量的基础。
前述附图、论述和描述并不意图表示对本发明实践的限制，而是 其举例说明。前面实施例的许多等效物和变体都是可行的且属于本发明的范围内。所附的权利要求(包括所有等效物)限定了本发明的范围。
权利要求
1. 一种用于沉积薄膜层的设备，其包括放出单元，所述放出单元提供了一个或多个非水平地定向的连续腹板或不连续基底；沉积单元，所述沉积单元包括一个或多个沉积室，所述沉积室在所述腹板或基底上形成了一个或多个薄膜层，所述沉积室包括腹板或基底支承系统，所述支承系统接收来自所述放出单元的所述腹板或基底，并引导所述腹板或基底在输送方向上输送穿过所述沉积单元，所述支承系统包括磁性导向组件，所述磁性组件与所述腹板或基底以磁性的方式相互作用，所述磁性相互作用足以抑制所述腹板或基底在正交于所述输送方向的方向上的运动；和收取单元，所述收取单元接收来自所述沉积单元的所述腹板或基底。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述放出单元同 时提供两个或更多个所述腹板或基底。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述两个或更多 个腹板或基底是共面的。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述腹板或基底 垂直;也定向。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或多个 沉积室包括阴极；位于所述阴极和所述腹板或基底之间的等离子体 区域；用于将电磁能引入到所述等离子体区域中的装置；用于将工艺 气体引入到所述等离子体区域中的装置，所述工艺气体包括一种或多 种沉积前体， 一引入所述电-兹能，所述一种或多种沉积前体就在所述 等离子体区域中形成反应物质，所述反应物质在所述腹板或基底上形 成薄膜层。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述腹板或基底包括布置在所述阴极相对的各侧的腹板或基底，所述沉积室包括位于 所述阴极和所述相对地布置的腹板或基底之间的等离子体区域，所述 用于引入工艺气体的装置为所述相对地布置的等离子体区域提供工 艺气体，所述工艺气体包括一种或多种沉积前体， 一引入所述电萄t能， 所述一种或多种沉积前体就在所述相对地布置的等离子体区域中形 成反应物质，所述反应物质在所述相对地布置的腹板或基底上形成薄 膜层。
7. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述电^t能是交 流能量，其具有处于射频或微波波段内的频率。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输送方向是 水平的。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述腹板或基底 在所述薄膜层形成期间是运动的。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述沉积单元在 所述腹板或基底上形成两个或更多个薄膜层，所述两个或更多个薄膜 包括两种或更多种组分。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁性导向组 件包括磁性辊子，当所述腹板或基底被输送穿过所述沉积单元时，所 述》兹性辊子与所述腹板或基底相接触。
12. 根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述磁性导向 组件在各个所述沉积室中包括用于各个所述腹板或基底的一个或多 个磁性辊子。
13. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支承系统包 括边缘稳定组件，所述边缘稳定组件与所述一个或多个腹板或基底的 边缘相接触，并抑制所述边缘在正交于所述输送方向的方向上的运 动。
14. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述边缘稳定 组件包括腹板支承器，所述腹板支承器在所述腹板或基底的输送方向上旋转，所述腹板支承器包括具有下支承面和内表面的中央切口，所 述中央切口与所述输送方向对齐，所述中央切口可旋转地接合所述腹 板，所述腹板的边缘插入在所述中央切口中。
15. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述腹板或基 底的、在其上进行沉积的表面没有与所述支承器物理接触。
16. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述下支承面 相对于所述支承器的中心截面平面是非对称的。
17. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备还包 括附连到所述腹板支承器上的柔性移位装置，所述移位装置响应于所 述腹板运动中的干扰而调整所述腹板支承器的位置，所述调整用于对 抗所述运动干扰，从而促进所述腹板更均匀的输送。
18. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述边缘稳定 组件包括多个所述腹板支承器，所述多个腹板支承器沿着所述设备的 长度在所述输送方向上进行分布，所述腹板或基底的重量均勾地分布 在所述多个腹板支承器上。
19. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或多个 沉积前体包括选自硅烷、乙硅烷、锗烷、曱烷、二氧化碳和(CH3)2SiCl2 中的复合物。
20. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或多个 薄膜层包括半导体。
21. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁性相互作 用足以保持所述腹板或基底的沉积表面的平直度。
全文摘要
本发明提供了一种用于在一个或多个连续腹板或不连续基底上沉积一个或多个薄膜层的设备。该设备包括用于分送一个或多个腹板的放出单元、将一系列一个或多个薄膜层沉积在腹板上的沉积单元、以及在沉积之后接收并存储腹板的收取单元。本沉积设备包括支承系统，其用于使一个或多个腹板或基底的输送进行引导并使之稳定而穿过沉积室。该支承系统包括磁性导向组件和边缘稳定组件，其用以抑制腹板或基底在除了穿过设备的方向之外的方向上的运动干扰。
文档编号C23C14/56GK101443898SQ200780017381
公开日2009年5月27日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月16日
发明者H·C·奥夫辛斯基, J·基, J·德勒, K·霍夫曼, M·伊祖, M·利塞特, S·R·奥夫辛斯基 申请人:能源变换设备有限公司