在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备的制作方法

专利名称：在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型所属领域为光电子材料领域，特别涉及的是在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备。
背景技术：
沉积导电膜或半导体材料常用的升华法，目前公开的多是以近空间蒸发法(主要为电阻蒸发)，蒸发源(常见为坩埚)以点源或条源的方式布置，采用半导体材料的蒸汽由下向上沉积在基片的下表面，经结晶成膜的方式。这种走片方式必然会造成传送基片行走机构(如辊轮)与蒸发源蒸汽上升沉积需要无干涉及无污染的尽量大面积的基片的矛盾。这种方式能满足实验室作样片或科研的要求，不能满足大面积基片规模化生产的要求。美国First Solar公司公开了“一种沉积半导体材料的装置和方法”(专利号U.S. Pat. No. 6，037，241)。其主要技术特征是一个具有渗透性的加热器(碳化硅+石墨烧结而成)，一或两套用载流气体输送半导体粉料入加热器内腔的螺杆或振动供料系统，半导体粉料由载流气体输送到加热器内腔中受热蒸发，形成的蒸汽和载流气体向外渗过加热器，在加热器的保温隔热外罩的约束引导下，蒸汽和载流气体流出外罩的狭缝开口，沉积到传送系统连续送进的基片表面上，沉积成半导体膜层。美国First Solar公司公开的专利，虽然用蒸汽由上向下沉积法解决了蒸汽由下向上沉积的上述问题，但由于载流气体和半导体粉料从加热器两端引入，且载流气体、固体粉料配比在轴向输送上分布因空气动力学原因肯定不均勻，致使在宽幅面基片的两边沿至中部的供料不均勻而产生的热蒸发的蒸汽不均勻，同时，由于送料(不管是振动送料还是螺杆送料)存在脉动现象，导致蒸发量在时间上存在脉动现象，导致沉积的膜层厚度在基片前进方向上前后不均勻，所以也没能解决大面积沉积导电膜或半导体材料的均勻性问题。同时，由于载流气体的存在，降低了半导体蒸汽的分压，存在降低半导体膜层的成膜速率和性能的问题。再则，蒸发气体在热基片沉积过程中，存在沉积——反沉积的现象，而美国FirstSolar公司公开技术没有报道“反沉积”现象和解决“反沉积”的方法或措施，没有保证晶体生长和稳定结晶的方法或措施，不能不说是该公开技术的一个缺陷。实用新型内容针对已有技术存在的问题，本实用新型的目的是为了提供一种能解决大面积沉积导电膜或半导体材料的均勻性问题的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备。本实用新型的目的是这样来实现的本实用新型在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，设备至少有一台热蒸发沉积装置，该装置有具有渗透性微孔的管状加热器，包容管状加热器且与管状加热管之间形成套管空间的管状保温隔热罩，在管状保温隔热罩上面对玻璃或金属基片处有轴向狭缝开口，导电膜材料或半导体材料置于管状加热器内，导电膜材料或半导体材料被管状加热器加热蒸发，产生的蒸汽在蒸汽压的作用下渗过管状加热器上的微孔、在管状保温隔热罩和管状加热器之间形成的套管空间引导下流出保温隔热罩轴向狭缝开口、沉积在传动装置连续传送到狭缝开口附近的玻璃或金属基片上，经结晶形成导电膜或半导体膜层。管状加热器的微孔可仅使半导体材料的蒸汽在气压作用下可以渗透，固体或液体不能渗透过管状加热器，置于管状加热器内的导电膜材料或半导体材料可呈固态的棒状，置于管状加热器内的导电膜材料或半导体材料可呈液态的液体状，置于管状加热器内的导电膜材料或半导体材料可呈固态的粉状，管状保温隔热罩可以是陶瓷烧结而成，管状加热器可以是碳化硅(SiC)加石墨烧结而成。上述设备中，管状加热器上有内、外表面贯通的微孔，微孔的孔径为1 20μπι，上述的管状加热器上的微孔孔径为3 10 μ m。上述设备中，管状加热器至少一端有工艺或反应气体送入机构。上述设备中，套管空间有工艺或反应气体送入机构。上述设备中，热蒸发沉积装置之后设有稳定热量、蒸汽压或蒸汽分压、及对未沉积蒸汽起反射功能、与基片共同形成狭缝的辅助沉积结晶板，辅助沉积结晶板可由陶瓷烧结制成，有通电加热功能，辅助沉积结晶板优选的是由碳化硅(SiC)加石墨烧结而成，有通电加热功能。上述的设备中，辅助沉积结晶板与基片共同形成的狭缝间隙为3 15mm，沉积结晶板在基片移动方向的长度为300 1500mm，依不同沉积材料的结晶时间和送片速度可优先选取。上述设备中，管状保温隔热罩外有用不锈钢金属板包覆复合保温隔热纤维或保温隔热陶瓷组成的保温隔热层，不锈钢金属板外布置有通冷却介质的管路。上述设备中，传动装置传送的基片沉积膜面距气体流出轴向狭缝开口距离为0. 3 20mm，传动装置使基片呈水平方向运动，气体流出狭缝开口呈水平方向安装，对基片由上往下沉积或者由下向上沉积。上述设备中有进片室或放卷室、有加热段、沉积段、热处理段的沉积室和出片室或收卷室，热蒸发沉积装置位于沉积室中，进片室或放卷室、出片室或收卷室的两端设置密封门锁，将沉积室与大气隔绝，至少在沉积室中设置抽气系统和保护气体充气系统。本实用新型在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，在环境气氛可控、加热温度可控、基片传送速度可控的密闭的设备内腔中a.将需沉积的导电膜材料或半导体材料置于具有渗透性微孔的管状加热器内；b.管状加热器对导电膜材料或半导体材料进行加热，加热蒸发产生导电膜材料或半导体材料蒸汽，蒸汽在蒸汽压的作用下渗过管状加热器；c.具有渗透性的管状加热器置于管状保温隔热罩内且与保温隔热罩之间形成套管空间，渗过管状加热器的蒸发气体在套管空间引导下流出管状保温隔热罩的轴向狭缝开Π ；d.由轴向狭缝开口流出的导电膜材料或半导体材料蒸汽、沉积在传动装置连续传送到狭缝开口的玻璃或金属基片上，经结晶成为导电膜或半导体膜层。本实用新型解决了在大面积沉积导电膜或半导体材料的均勻性问题，质量高。


图1为在基片上沉积碲化镉的设备结构示意图。图2为图1中A— A剖视图。[0029]图3为图2中B— B剖视图。图4为在基片上沉积铜铟镓硒设备的结构示意图。图5为图4中C一C的剖视图。图6为在卷材上沉积铜铟镓硒设备结构示意图。图7为在基片上沉积二氧化锡设备结构示意图。图8为图7中的D— D剖视图。
具体实施方式
实施例1 图1 图3给出了本实施例1在基片上沉积碲化镉的设备图。本实施例1设备适用于在玻璃基片已有的透明导电膜层(TCO)和硫化镉膜层之上沉积太阳能吸收膜层一硫化镉膜层，基片规格为1200mX600mm，碲化镉膜层2 4 μ m，生产方式为连续式生产。设备如图1所示有进片室1、包括加热段2— 1、沉积段2—2、热处理段2— 3的沉积室2，出片室3和风冷室4。进片室和出片室的两端分别设置密封门锁1一1、1一2、3—1、3—2，将沉积室与大气隔绝。进片室、出片室和沉积室分别设置抽气系统7和保护气体充气系统9。上述的密封门锁、抽气和充气系统在现有真空设备制造中属于成熟技术，不再赘述。在沉积室3设置了一台碲化镉热蒸发沉积装置5。如图1、图2和图3所示，蒸发沉积装置5有一个具有渗透性微孔的管状加热器10，一个包容管状加热器的其上有轴向狭缝开口 14的管状保温隔热罩11，二者之间形成套管空间12。置于管状加热器内的碲化镉棒状料13被管状加热器加热蒸发，产生的蒸汽在蒸汽压的作用下渗过管状加热器上的微孔，在保温隔热罩和管状加热器之间形成的套管空间12引导下、流出保温隔热罩轴向的狭缝开口 14，沉积在传动装置6连续传送到轴向狭缝开口的玻璃基片16的已有透明导电膜层(TCO)和硫化镉膜层之上，经结晶形成碲化镉膜层。管状加热器的微孔仅碲化镉蒸汽在蒸汽压作用下可以渗透，加热过程中的液态碲化镉不能渗透过管状加热器。加热器管状体是碳化硅(SiC)加石墨烧结而成，组织结构有内外表面贯通的微孔，微孔的孔径为5 10 μ m。管状保温隔热罩管状体是氧化硅铝陶瓷烧结而成。管状设备有固态棒状料送料机构，也可选配固态状粉料的送料机构。在真空设备制造技术中，在真空设备制造技术中，固态棒状料或粉状料的送料机构都是成熟技术，在此不作赘述。在热蒸发沉积装置之后设有辅助沉积结晶板8如图1所示，该板由碳化硅(SiC)加石墨烧结制成，有通电加热功能。管状保温隔热罩上的保温隔热层15由保温隔热纤维(或保温隔陶瓷)、包覆保温隔热纤维或保温隔热陶瓷的不锈钢金属板组成。不锈钢金属板外布置有管路，管路通冷却介质。在进片室，开密封门锁1一1，基片在大气状态下被送入，关密封门锁1一1，抽气至SxlO-2Pa,充保护气体使真空度至500士 10 (设定值与化合物或半导体材料沉积和结晶所需真空度相关，不同材料分别选取)。开密封门锁1一2，传送基片至加热段，关密封门锁1一2，充保护气体使室内气压略低于或等于大气压，等待下一张基片送入。上述为一个进片循环。在沉积室(加热段、沉积段、热处理段)，开始加热前，抽气至SxKT2Pii,再充保护气体使真空度至500Ρ !，再加热；正常工作时，抽气和充保护气体维持真空度稳定在500士10Pa。在出片室，抽气至8Χ10_2Ρει，充保护气体至室内真空度至500士 101 ，开密封门锁3— 1，基片被送入，抽气至SxKT2Pii,充保护气体至室内真空度等于或略低于大气压，开密封门锁3— 1，基片被送出，关密封门锁3— 2，抽气至SxKT2Pii,充保护气体至室内真空度500士 10 ，等待下一张基片送入。上述为一个出片循环。在风冷室，通入大量冷却气体(如氩气)对玻璃基片强制快速冷却，使玻璃产生钢化或半钢化效果。这种技术在玻璃加工中属成熟技术，不再赘述。该设备采用传动装置5使基片呈水平方向运动，气体流出狭缝开口呈水平方向安装，碲化镉蒸汽由上往下沉积在连续运动的已有透明导电膜层(TCO膜)和硫化镉膜层的玻璃基片上，经结晶形成碲化镉膜层。选用含铁量低于0. 012%的钠钙普通超白玻璃，不使用耐高温的高硼硅或高硼硅铝玻璃，大大节约基片成本。该设备可以以连续生产方式在规格达1200mmX600mm的玻璃基片已有的透明导电膜层(TCO)和硫化镉膜层之上，制出满足碲化镉太阳能电池技术要求的膜层厚度达2 4μπι的碲化镉多晶膜层。实施例2 图4、图5给出了本实施例2铜锢镓硒蒸发沉积设备。本实施例2铜铟镓硒蒸发沉积设备适用于在玻璃基片已有的导电膜层(Mo膜)之上沉积太阳能吸收膜层——铜铟镓硒膜层，玻璃基片规格为1200mmX600 mm，铜铟镓硒膜层厚度2 μ m。本实施例2设备结构基本与实施例1同。不同处是在沉积室内相间排列三段沉积段、三段热处段。三台热蒸发沉积装置5分别位于三段沉积段中。同时沉积室内引入了反应气体硒或硒化氢蒸汽送入机构17。如图4、图5所示，采用三台热蒸发沉积装置按膜层沉积顺序在玻璃基片已有的导电膜层(Mo膜)之上分别沉积富铟的铜铟镓硒、富铜的铜铟镓硒和富铟的铜铟镓硒膜层。每台热蒸发沉积装置5中有一个具有渗透性的管状加热器10，管状加热器与反应气体硒或硒化氢蒸汽送入机构17相连，一个包容管状加热器的管状保温隔热罩11，管状加热器10与管状保温隔热罩11之间形成套管空间12，置于加热器内的铜铟镓棒状料20被加热器加热蒸发，产生的蒸汽与硒或硒化氢蒸汽反应形成铜铟镓硒混合气体，混合气体在蒸汽压的作用下渗过管状加热器的微孔，在套管空间12引导下，流出保温隔热罩轴向的狭缝状开口 14，沉积在传动装置6连续传送到狭缝开口的玻璃基片16已有的导电膜层(Mo膜)之上，再经热处理段进一步硒化处理后，结晶形成太阳能吸收层——铜铟镓硒膜层。管状加热器的微孔仅铜铟镓硒蒸汽在蒸汽压作用下可以渗透，加热过程中产生的铜或铟或镓液体不能渗透过管状加热器。加热器管状体是碳化硅(SiC)加石墨烧结而成，组织结构有内外表面贯通的微孔，微孔的孔径为5 10 μ m。保温隔热罩管状体是氧化硅铝陶瓷烧结而成，保温隔热罩外壁上有一条轴向的气5/6页
体流出的轴向狭缝开口 14，开口的平均宽度为8 10mm。在热蒸发沉积装置之后设有辅助沉积结晶板8，该板与实施例1的辅助沉积结晶板相似，不再赘述。保温隔热层15由保温隔热纤维(或保温隔热陶瓷)、包覆在保温隔热纤维(或保温隔热陶瓷)外的不锈钢金属板组成。不锈钢金属板外布置有管路，管路通冷却介质。传动装置6使基片呈水平方向运动，气体流出狭缝开口呈水平方向安装，铜铟镓硒蒸汽由上往下沉积在以lm/min速度连续运动的玻璃基片已有的导电膜层(Mo膜)之上。该设备可以以连续生产方式在规格达1200mmX600mm玻璃基片上，制出满足铜铟镓硒太阳能电池技术要求的膜层厚度达2 μ m的铜铟镓硒膜层。实施例3 图5、图6给出了本实施例3卷对卷铜铟镓硒蒸发沉积设备图。本实施例3卷对卷铜铟镓硒蒸发沉积设备适用于在已有导电膜层(Mo膜)的不锈钢基片上沉积太阳能吸收膜层——铜铟镓硒膜层。不锈钢基片规格为幅宽600 mm、铜铟镓硒膜层厚度2 μ m。本实施例3设备结构基本与实施例2同，不同处是采用放卷室18、收卷室19。三台热蒸发沉积装置5如图6所示，按膜层沉积顺序分别沉积富铟的铜铟镓硒、富铜的铜铟镓硒和富铟的铜铟镓硒膜层。每台热蒸发沉积装置5的结构与实施例2的热蒸发沉积装置相似，在此不再赘述。管状加热器的微孔仅铜铟镓硒蒸汽在蒸汽压作用下可以渗透，加热过程中产生的铜或铟或镓液体不能渗透过管状加热器。加热器管状体是碳化硅(SiC)加石墨烧结而成，组织结构有内外表面贯通的微孔，微孔的孔径为5 10 μ m。保温隔热罩管状体是氧化硅铝陶瓷烧结而成，保温隔热罩在外壁上有一条轴向的气体流出的狭缝开口，开口的平均宽度为8 10mm。在热蒸发沉积装置之后设有辅助沉积结晶板8。在放卷室，开密封门锁18—1，在大气状态下装入不锈钢卷材，第一次生产需穿不锈钢基片至收卷室，正常生产只将新换不锈钢卷材的头部与上一卷材的尾部焊接，关密封门锁18— 1，抽气至8χ10_2Ρει，充保护气体使真空度至500士 101 ，开密封门锁18 — 2，连续放送不锈钢基片至加热段，一卷不锈钢基片快放完时，停止放卷，关密封门锁18—2，充保护气体使室内气压略低于或等于大气压，更换新的一卷不锈钢卷材。上述为一卷不锈钢卷材放卷循环。在沉积室(加热段、沉积段、热处理段)，开始加热前，抽气至SxKT2Pii,再充保护气体使真空度至500Ρ !，再加热；正常工作时，抽气和充保护气体维持真空度稳定在500士10Pa。在收卷室，当改卷的不锈钢卷材达规定卷径时，开密封门锁19一1，充保护气体至室内真空度等于或略低于大气压，开密封门锁19一2，更换收卷辊，关密封门锁19一 1，抽气至8χ10_2!^，充保护气体至室内真空度至500士 10 ，开密封门锁19一2，继续收卷不锈钢基片。上述为一个收卷循环。传动装置使基片16在沉积段呈水平方向运动，气体流出狭缝开口呈水平方向安装，铜铟镓硒蒸汽由下往上沉积在连续运动的已有导电膜层(Mo膜)不锈钢基片上，经结晶
7形成铜铟镓硒膜层。沉积时，不锈钢基片以一定间隙靠近狭缝开口，该间隙依基片宽度而定。间隙最优为基片宽度小于300mm，间隙为1 3mm ；基片宽度小于630mm，间隙为2 4mm。不锈钢基片靠近狭缝开口前，被加热，不锈钢基片温度达到450 500°C。不锈钢基片送到狭缝状开口沉积膜层之后，对沉积膜层设有一段稳定结晶的热处理段——硒化段，硒化段的不锈钢基片温度最优在500 590°C。该设备可以以连续生产方式在在幅宽600 mm不锈钢卷材上，制出满足铜铟镓硒太阳能电池技术要求的膜层厚度达2 μ m的铜铟镓硒膜层。实施例4图7、图8给出了本实施例4 二氧化锡膜层蒸发沉积设备结构示意图。本实施例4设备基本与实施例2同，不同处在于只采用了一台热蒸发沉积装置5，且蒸发材料二氧化锡为粉状。该设备适用于在玻璃基片上沉积二氧化锡膜层作为透明导电膜层(TF0)，基片规格为1200mx600mm，二氧化锡膜层厚度250nm，面电阻10 Ω / □，光透过率约为80%，生产方式为连续式生产。热蒸发沉积装置5有一个管状加热器10，管状加热器与工艺气体氟化氢(HF)或三氟醋酸(TFA)蒸汽送入机构21相连，一个包容管状加热器的管状保温隔热罩11，管状加热器10与管状保温隔热罩11之间形成套管空间12，置于加热器内的二氧化锡粉料23被加热器加热蒸发，产生的蒸汽与氟化氢(HF)或三氟醋酸(TFA)蒸汽形成混合气体，混合气体在蒸汽压的作用下渗过管状加热器的微孔，在套管空间12引导下，流出保温隔热罩轴向的狭缝状开口 14，沉积在传动装置5连续传送到狭缝开口的玻璃基片16上，结晶形成掺氟二氧化锡透明导电膜层(TFO :F)。上述设备中如图7所示，在热蒸发沉积装置之后，设有稳定热量、蒸汽压或蒸汽分压、对未沉积蒸汽起反射功能、与基片共同形成狭缝的辅助沉积结晶板8。辅助沉积结构板由陶瓷烧结制成，优选的是由碳化硅(SiC)加石墨烧结而成，有通电加热功能。管状加热器是碳化硅(SiC)加石墨烧结而成，其上有内、外表面贯通的微缝和/或微孔，微缝小于20 μ m,微孔平均应小于10 μ m。保温隔热外罩管状体是氧化硅铝陶瓷烧结而成。该设备如图7所示按本实用新型所述分为进片室、沉积室(加热段、沉积段、热处理段)、出片室，进片室和出片室的两端设置密封门锁，将沉积室与大气隔绝。进片室、出片室和沉积室分别设置抽气系统和保护气体充气系统。上述的密封门锁、抽气和充气系统在现有真空设备制造中属于成熟技术，不再赘述。传动装置使基片呈水平方向运动，气体流出狭缝开口呈水平方向安装，二氧化锡蒸汽由上往下沉积在以lm/min速度连续运动的玻璃基片上，结晶形成二氧化锡膜层。选用含铁量低于0. 012%的钠钙普通超白玻璃。该设备可以以连续生产的方式在规格达1200mmX600mm的玻璃基片的上，制备的二氧化锡膜层厚度250nm，面电阻10 Ω / □，光透过率约为80%。上述实施例是对本实用新型的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
权利要求1.在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于设备至少有一台热蒸发沉积装置，该装置有具有渗透性微孔的管状加热器，包容管状加热器且与管状加热管之间形成套管空间的管状保温隔热罩，在管状保温隔热罩上面对玻璃或金属基片处有轴向狭缝开口，导电膜材料或半导体材料置于管状加热器内，导电膜材料或半导体材料被管状加热器加热蒸发，产生的蒸汽在蒸汽压的作用下渗过管状加热器上的微孔、在管状保温隔热罩和管状加热器之间形成的套管空间引导下流出管状保温隔热罩轴向狭缝开口、沉积在传动装置连续传送到狭缝开口附近的玻璃或金属基片上，经结晶形成导电膜或半导体膜层。
2.如权利要求1所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于管状加热器中有内、外表面贯通的微孔，微孔的孔径为1 20μπι。
3.如权利要求2所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于微孔孔径为3 10 μ m。
4.如权利要求1 3之一所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于管状加热器至少一端有反应气体送入机构。
5.如权利要求1 3之一所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于套管空间有反应气体送入机构。
6.如权利要求1 3之一所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于设备中热蒸发沉积装置之后设有稳定热量、蒸汽压或蒸汽分压、及对未沉积蒸汽起反射功能、与基片共同形成狭缝的辅助沉积结晶板。
7.如权利要求6所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于辅助沉积结晶板与基片共同形成的狭缝间隙为3 15mm，辅助沉积结晶板在基片移动方向的长度为300 1500mm。
8.如权利要求1 3之一所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于管状保温隔热罩外有用不锈钢金属板包覆复合保温隔热纤维或保温隔热陶瓷组成的保温隔热层，不锈钢金属板外布置有通冷却介质的管路。
9.如权利要求1 3之一所述的在玻璃或金属基片沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于传动装置传送的基片沉积膜面距气体流出轴向狭缝开口距离为0. 3 20mm。
10.如权利要求1 3之一所述的在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，其特征在于设备中有进片室或放卷室、有加热段、沉积段、热处理段的沉积室和出片室或收卷室，热蒸发沉积装置位于沉积室中，进片室或放卷室、出片室或收卷室的两端设置密封门锁，将沉积室与大气隔绝，至少在沉积室中设置抽气系统和保护气体充气系统。
专利摘要本实用新型在玻璃或金属基片上沉积导电膜或半导体材料的设备，设备至少有一台热蒸发沉积装置，该装置有具有渗透性微孔的管状加热器，包容管状加热器且与管状加热器之间形成套管空间的管状保温隔热罩，导电膜材料或半导体材料置于管状加热器内，导电膜材料或半导体材料被管状加热器加热蒸发，产生的蒸汽渗过管状加热器上的微孔，在管状保温隔热罩和管状加热器之间形成的套管空间引导下流出管状保温隔热罩轴向的狭缝开口，沉积在传动装置连续传送到狭缝开口附近的玻璃或金属基片上，经结晶形成导电膜或半导体膜层。本实用新型解决了大面积沉积导电膜或半导体材料的均匀性问题。
文档编号C23C14/24GK202322984SQ201120473518
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者甘国工 申请人:甘国工