一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统及其镀膜方法与流程

1.本发明涉及磁控溅射真空镀膜领域，尤其涉及一种集成原子层沉积功能的 磁控溅射镀膜系统及其镀膜方法。


背景技术：

2.在硅基钙钛矿叠层电池当中，一般采用硅基异质结太阳能电池作为底电池， 钙钛矿电池作为顶电池。钙钛矿电池一般采用富勒烯c60作为电子传输层，之 后在富勒烯c60上表面沉积保护层，然后再沉积透明电极层。由于富勒烯c60 为有机物，镀膜轰击过程对c60有很大的损伤，因此需要尽量避免沉积透明电 极时损伤到c60电子传输层。
3.鉴于原子层沉积方式具有沉积损伤小、沉积均匀性佳、沉积速率低的特点， 以及磁控溅射、蒸镀、活性等离子沉积等物理气相沉积具有沉积速率高、沉积 损伤大的特点，保护层一般采用原子层沉积方式制备，透明电极一般采用物理 气相沉积方式制备。
4.目前，原子层沉积和物理气相沉积都是独立的设备，原子层沉积一般采用 管式炉生产，用花篮装载基材，工艺真空度一般在150pa左右。大规模生产过 程中，物理气相沉积一般采用线式磁控溅射镀膜，用载板装载基材，工艺真空 度一般在1pa左右。因此叠层电池中的顶电池镀膜流程一般为先采用原子层沉 积设备制作完成保护层，之后再转移到物理气相沉积设备制作完成透明电极。 原子层沉积设备与透明电极制作的设备都是真空设备，并且装载的工装治具、 气体环境、工艺真空度等不一样，因此需要两次抽空、破空过程，大规模生产 过程中还需要配备基材从花篮转移到载板的设备。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统，其 通过将原子层沉积设备和磁控溅射设备结合在一起，应用于原子层沉积-磁控溅 射镀膜连续进行的工艺中，可以大幅简化设备结构、缩短工艺流程，从而大幅 降低设备成本，提高生产效率与生产良率，更加适合于大规模生产。
6.本发明的目的通过如下技术方案实现：
7.一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统，它包括进片室、设于进片 室出料端且依次连接的一个以上原子层沉积室、设于原子层沉积室出料端的进 片隔离室、设于进片隔离室出料端的进片缓冲室、设于进片缓冲室出料端且依 次连接的一个以上工艺镀膜室、设于工艺镀膜室出料端的出片缓冲室、设于出 片缓冲室出料端的出片隔离室以及设于出片隔离室出料端的出片室。
8.一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜方法，其特征在于：它包括如下 步骤
9.s1、开启镀膜系统；
10.s2、载板进入进片室：进片室破空，打开进片室门阀，装载基材的载板传 动进入进片室，之后关闭进片室门阀，进行抽真空处理；
11.s3、原子层沉积：进片室真空度小于100pa后，打开进片室与原子层沉积 室之间的
门阀，载板传动进入原子层沉积室，之后关闭进片室与原子层沉积室 之间的门阀；载板按设定速度传送至最后一个原子沉积室；
12.s4、载板进入进片隔离室：进片隔离室提前通入惰性气体，待进片隔离室 真空度与原子层沉积室真空度相同后，打开原子层沉积室与进片隔离室之间的 门阀，载板传动进入进片隔离室，之后关闭原子层沉积室与进片隔离室之间的 门阀；
13.s5、载板进入缓冲室：对进片隔离室进行抽真空处理，待进片隔离室真空 度小于1pa后打开进片隔离室与进片缓冲室之间的门阀，载板传动进入进片缓 冲室，之后关闭进片隔离室与进片缓冲室之间的门阀；
14.s6、磁控溅射镀膜：打开进片缓冲室与工艺镀膜室之间的门阀，载板按设 定的速度传送至最后一个工艺镀膜室，并在载板基材表面镀上设定厚度的薄膜 后，载板传送至出片缓冲室；
15.s7、载板进入出片隔离室：打开出片缓冲室与出片隔离室之间的门阀，载 板传入出片隔离室，之后关闭出片缓冲室与出片隔离室之间的门阀；
16.s8、载板进入出片室：打开出片隔离室与出片室之间的门阀，载板传入出 片室，之后关闭出片隔离室与出片室之间的门阀；
17.s9、载板出出片室：关闭出片室真空闸板阀，打开出片室破空阀，出片室 破空，打开出片室门阀，载板传出出片室，之后关闭出片室破空阀、门阀，重 新抽真空。
18.较之现有技术而言，本发明的优点在于：
19.本发明将原子层沉积与磁控溅射镀膜结合在一起，使原本独立的两台设备 融合成一台设备。原子层沉积腔室与磁控溅射镀膜室之间设置进片隔离室，进 片隔离室主要起到原子层沉积腔室与磁控溅射镀膜室之间不同工艺气体、不同 工艺压力的转换作用。系统开启后，原子层沉积室与磁控溅射镀膜室开始持续 镀膜，生产时只需要将基材装在载板上，载板经过进片室传入原子层沉积室沉 积，通过进片隔离室调整腔室压力及气体环境后进入磁控溅射镀膜室镀膜，之 后传出出片室，从而实现同一系统上使用同一套载板完成原子层沉积与磁控溅 射在线式镀膜。
附图说明
20.图1为本发明实施例一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统结构示 意图；
21.图2为本发明实施例一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统布满载 板后的结构示意图；
22.图3为本发明实施例一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统的载板 结构示意图；
23.图4为本发明实施例一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜方法工艺流 程图。
具体实施方式
24.一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统，它包括进片室、设于进片 室出料端且依次连接的一个以上原子层沉积室、设于原子层沉积室出料端的进 片隔离室、设于进片隔离室出料端的进片缓冲室、设于进片缓冲室出料端且依 次连接的一个以上工艺镀膜室、设于工艺镀膜室出料端的出片缓冲室、设于出 片缓冲室出料端的出片隔离室以及设于
出片隔离室出料端的出片室。
25.通过设置出片隔离室，防止出片室频繁破空引入的杂质气体影响其他腔室 的工作。另，因工艺镀膜室镀膜时的传输速度比较慢，而载板之间的间隙很小， 通过设置出片缓冲室，以便提高完成镀膜后的载板的传输速度，从而提高生产 效率。
26.所述原子层沉积室设有2至10个；每个原子层沉积室设有前驱体供应设备 及加热设备；所述前驱体供应设备用于与相应前驱体源连接，以沉积包括但不 限于al2o3、sno2、zno、sio2、hfo2、ga2o3、ta2o3、tiox、niox、moox、vox、wox、 in2o3:h、izo、zno:b或者in2o3:(al、sn或ga)等材料。
27.所述进片室与原子层沉积室之间可以根据需要设置缓冲隔离室。
28.所述工艺镀膜室设有1至6个；每个工艺镀膜室内设有若干个旋转靶座或 平面靶座及相应的电源、冷却水设备、气体控制设备；所述旋转靶座或平面靶 座用来安装包括但不限于ito、izo或iwo等材料的靶材以沉积相应材料的薄膜。
29.所述进片室、原子层沉积室、出片室及进片隔离室设有用于抽真空的组合 机械泵；所述进片缓冲室、工艺镀膜室、出片缓冲室及出片隔离室设有作为前 级泵的组合机械泵以及作为主泵的分子泵、钛升华泵或离子泵；所述进片室、 原子层沉积室、进片隔离室、进片缓冲室、工艺镀膜室、出片缓冲室、出片隔 离室以及出片室分别设有用来监测腔室内真空度的真空计。
30.所述进片室进片端、进片室与原子层沉积室之间、原子层沉积室与进片隔 离室之间、进片隔离室与进片缓冲室之间、出片缓冲室与出片隔离室之间、出 片隔离室与出片室之间以及出片室出料端分别设有门阀。
31.所述进片室、原子层沉积室、进片隔离室、进片缓冲室、工艺镀膜室、出 片缓冲室、出片隔离室、出片室分别设有能相互联动传输的传输机构；所述传 输机构可以实现相邻腔室联动传输。
32.所述进片隔离室与进片缓冲室设有加热器；所述加热器为红外加热器或电 阻丝加热器。
33.一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜方法，其特征在于：它包括如下 步骤
34.s1、开启镀膜系统；
35.s2、载板进入进片室：进片室破空，打开进片室门阀，装载基材的载板传 动进入进片室，之后关闭进片室门阀，进行抽真空处理；
36.s3、原子层沉积：进片室真空度小于100pa后，打开进片室与原子层沉积 室之间的门阀，载板传动进入原子层沉积室，之后关闭进片室与原子层沉积室 之间的门阀；载板按设定速度传送至最后一个原子沉积室；
37.s4、载板进入进片隔离室：进片隔离室提前通入惰性气体，待进片隔离室 真空度与原子层沉积室真空度相同后，打开原子层沉积室与进片隔离室之间的 门阀，载板传动进入进片隔离室，之后关闭原子层沉积室与进片隔离室之间的 门阀；
38.s5、载板进入缓冲室：对进片隔离室进行抽真空处理，待进片隔离室真空 度小于1pa后打开进片隔离室与进片缓冲室之间的门阀，载板传动进入进片缓 冲室，之后关闭进片隔离室与进片缓冲室之间的门阀；
39.s6、磁控溅射镀膜：打开进片缓冲室与工艺镀膜室之间的门阀，载板按设 定的速
度传送至最后一个工艺镀膜室，并在载板基材表面镀上设定厚度的薄膜 后，载板传送至出片缓冲室；
40.s7、载板进入出片隔离室：打开出片缓冲室与出片隔离室之间的门阀，载 板传入出片隔离室，之后关闭出片缓冲室与出片隔离室之间的门阀；
41.s8、载板进入出片室：打开出片隔离室与出片室之间的门阀，载板传入出 片室，之后关闭出片隔离室与出片室之间的门阀；
42.s9、载板出出片室：关闭出片室真空闸板阀，打开出片室破空阀，出片室 破空，打开出片室门阀，载板传出出片室，之后关闭出片室破空阀、门阀，重 新开始抽真空。
43.所述步骤s1镀膜系统开启中，相应的组合机械泵、前级泵、主泵、传输机 构、冷却水设备、气源都正常开启，所述原子层沉积室设定加热温度为 150-200℃，前驱体源气体通入时间为30-1000ms，每两种驱体源气体通入之间 清洗腔室时间为2-60s；所述工艺镀膜室的氩气流量设定为400-800sccm，氧气 流量设定为10-50sccm，靶材功率设定为4-8kw；所述进片隔离室、进片缓冲室 设定基材加热温度为100-200℃；所述原子层沉积室工艺真空度为100-200pa； 所述工艺镀膜室工艺真空度为0.1-1pa。
44.所述步骤s3原子层沉积中设定速度可以为载板传动到最后一个原子层沉积 室后立即开启原子层沉积室与进片隔离室之间的门阀，也可以传动到最后一个 原子层沉积室，等待一段时间后再开启原子层沉积室与进片隔离室之间的门阀； 所述载板在原子层沉积室传动的过程中不影响基材表面原子层沉积。
45.下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：
46.实施例：
47.本实施例以镀sno2薄膜与ito薄膜为例。
48.如图1至图3所示，一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜系统，它包 括进片室201，所述进片室201侧面安装组合机械泵301，进片室201进片端安 装门阀101，进片室出片端安装门阀102；设于进片室201出料端的三个原子层 沉积室202、203、204，所述三个原子层沉积室202、203、204都配备了前驱体 供应设备及加热设备401，所述前驱体源为四(二甲氨基)锡和去离子水，加热设 备将温度设置为150-200℃，所述三个原子层沉积室202、203、204侧面安装组 合机械泵302，原子层沉积室204出片端安装门阀103；设于原子层沉积室204 出料端的进片隔离室205，所述进片隔离室205出片端安装门阀104，进片隔离 室205侧面安装组合机械泵303，进片隔离室205内安装了红外加热设备402， 所述红外加热设备402将基材温度控制在150-200℃之间；设于进片隔离室205 出料端的进片缓冲室206，所述进片缓冲室206内安装了红外加热设备402，所 述红外加热设备402温度控制在150-200℃之间；设于进片缓冲室206出料端的 工艺镀膜室207，所述工艺镀膜室207只有一个腔室，工艺镀膜室207内安装两 个旋转靶座403，所述旋转靶座403包含直流电源、冷却水设备、气体控制设备， 每个靶座403上安装两支ito旋转靶材；设于镀膜室207出料端的出片缓冲室 208，所述出片缓冲室208出片端安装门阀105；设于出片缓冲室208出料端的 出片隔离室209，所述出片隔离室209出片端安装门阀106；设于出片隔离室209 出料端的出片室210，所述出片室210侧面安装组合机械泵305，所述出片室210 出片端安装门阀107；
49.所述进片缓冲室206、工艺镀膜室207、出片缓冲室208、出片隔离室209 分别安装两个分子泵306作为主泵，共同采用一个组合机械泵304作为前级泵； 所述进片室201、三个
原子层沉积室202/203/204、进片隔离室205、进片缓冲 室206、工艺镀膜室207、出片缓冲室208、出片隔离室209、出片室210内设 有相应的真空计404；所述进片室201、三个原子层沉积室202/203/204、进片 隔离室205、进片缓冲室206、工艺镀膜室207、出片缓冲室208、出片隔离室 209、出片室210内设有相应的传输机构405，所述传输机构405可以实现载板 100前后腔室联动传输；
50.如图3、图4所示，一种集成原子层沉积功能的磁控溅射镀膜方法，其步骤 包含：
51.s1、开启镀膜系统：所述镀膜系统开启，相应的组合机械泵 301/302/303/305、前级泵304、主泵306、传动机构405、冷却水设备、气体等 都正常开启，所述原子层沉积室202/203/204设定加热温度为150-200℃，驱体 源气体通入时间为30-1000ms，通入不同驱体源气体之前洗腔室时间为2-60s， 所述清洗腔室是在通入不同驱体源气体之前停止通气的时间，以把残留于腔室 中的前一种驱体源气体的大部分抽走；所述工艺镀膜室207氩气流量设定为 400-800sccm，氧气流量设定为10-50sccm，靶材功率设定为4-8kw；所述进片 隔离室205、进片缓冲室206设定基材加热温度为150-200℃；所述原子层沉积 202/203/204室工艺真空度为100-200pa，所述工艺镀膜室207工艺真空度为 0.1-1pa；
52.所述载板100从进片室201传送至进片缓冲室206之间、从出片缓冲室208 传送至出片室210之间的传送速度为50mm/s，所述载板100从进片缓冲室206 传送至出片缓冲室208之间的速度为25mm/s。
53.s2、载板100进入进片室201：进片室201破空，打开进片室门阀101，装 载基材的载板100传动进入进片室201，之后关闭进片室门阀101，开始抽真空；
54.s3、原子层沉积：进片室201真空度小于100pa后，打开进片室201与原 子层沉积室202之间的门阀102，载板100传动进入原子层沉积室202，之后关 闭进片室201与原子层沉积室202之间的门阀102，载板100按设定的速度传送 至原子沉积室204；
55.s4、载板100进入进片隔离室205：载板100上的基材沉积厚度达到10nm 后，打开原子层沉积室204与进片隔离室205之间的门阀103，载板100传动进 入进片隔离室205，之后关闭原子层沉积室204与进片隔离室205之间的门阀 103；
56.s5、载板100进入缓冲室206：进片隔离室205真空度小于1pa后打开进片 隔离室205与缓冲室206之间的门阀104，载板100传动进入进片缓冲室206， 之后关闭隔离室205与缓冲室206之间的门阀104；
57.s6、磁控溅射镀膜：载板100按设定的速度经过工艺镀膜室207，在载板 100基材表面镀上100nm厚度的ito薄膜，之后传送至出片缓冲室208；
58.s7、载板100进入出片隔离室209：打开出片缓冲室208与出片隔离室209 之间的门阀105，载板100传入出片隔离室209，之后关闭出片缓冲室208与出 片隔离室209之间的门阀105；
59.s8、载板100进入出片室210：打开出片隔离室209与出片室210之间的门 阀106，载板100传入出片室210，之后关闭出片隔离室209与出片室210之间 的门阀106；
60.s9、载板100出出片室210：关闭出片室组合机械泵的真空闸板阀，打开出 片室破空阀，出片室210破空，打开出片室门阀107，载板100传出出片室210， 之后关闭出片室门阀107、破空阀，重新打开出片室组合机械泵的真空闸板阀开 始抽真空。
61.本发明将原子层沉积与磁控溅射镀膜结合在一起，相当于将原来独立的两 台设
备变成一台设备，针对需要先原子层沉积之后再磁控溅射镀膜的工艺，可 以大幅简化设备结构、缩短工艺流程，从而大幅降低设备成本，提高生产效率 与生产良率，因此更加适合于大规模生产。
62.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。