专利名称：用于光伏模块衬底上薄膜层的高速共溅射的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题一般地涉及用于衬底上的薄膜的沉积的系统和方法，且更特别地，涉及用于从多个靶标共溅射以在光伏模块衬底上形成薄膜层的高吞吐量系统。
背景技术：
薄膜光伏(PV)模块(也称为“太阳能电池板”或“太阳能模块”)，尤其是基于与硫化镉(CcK)配对的碲化镉(CdTe)的作为光反应器件的模块，在行业中正在赢得广泛的接受和兴趣。CdTe是具有特别适合于将太阳能(阳光)转换成电力的特性的半导体材料。例如， CdTe具有1.45eV的能带隙，这使得与历史上用在太阳能电池应用中的较低能带隙(1. IeV) 的半导体材料相比，其能够从太阳光谱转换更多的能量。并且，与较低能带隙的材料相比， CdTe在较低或漫射光条件下更有效地转换能量，并且因而与其它常规材料相比在白天期间或低光(例如多云)条件下具有更长的有效转换时间。典型地，CdTe PV模块包括在CdTe层的沉积之前沉积在玻璃衬底上的多个薄膜层。例如，透明导电氧化物(TCO)层首先沉积在玻璃衬底的表面上，并且然后电阻性透明缓冲物(RTB)层涂敷到TCO层上。RTB层可为锌锡氧化物(ZTO)层并且可称作“ΖΤ0层”。将硫化镉(CcK)层涂敷到RTB层上。这些不同的层可以以常规的溅射沉积工艺涂敷，该工艺包括从靶标(即，材料源)喷射材料，并将喷射的材料沉积在衬底上以形成薄膜。使用CdTe PV模块的太阳能系统通常被认为在所产生的功率的每瓦特成本方面是商业可获得系统中最具成本效益的。然而，尽管CdTe有多种优点，太阳能作为工业或民用电力的补充来源或主要来源的可持续商业开发和认可取决于大规模并以成本经济的方式生产高效PV模块的能力。与PV模块的生产相关的资本成本，特别是对于以上讨论的多个薄膜层的沉积所需的机械和时间，是主要的商业考虑。因此，在行业中对于改善的系统存在持续的需求，该系统用于PV模块特别是基于 CdTe的模块的经济上可行且有效的大规模生产。
发明内容
本发明的多个方面和优点将在以下描述中部分地陈述，或者可从该描述变得明显，或者可通过本发明的实践而获悉。根据本发明的多方面的实施例包括用于将薄膜层沉积在光伏(PV)模块衬底上的系统。该系统可包括构造成接纳衬底的溅射室，定位在该溅射室内的至少两个靶标，以及连接到各个靶标上的独立的电源。各靶标可在该溅射室内定位成面向衬底，使得靶标被同时溅射，从而将源材料供应给用于在衬底的表面上形成薄膜层的等离子体场。该多个靶标还可定位成使得从各靶标的中心垂直延伸的相向的轴线在衬底的表面上的点处会聚。总体上还提供了用于将多个薄膜层沉积在光伏(PV)模块衬底上的方法。在一个实施例中，该方法可包括将托架上的衬底输送通过溅射室并且当衬底移动通过溅射室时溅射至少两个靶标以在衬底上形成薄膜层。该至少两个靶标可在该溅射室内定位成面向衬底，使得靶标被同时溅射，从而将源材料供应给用于在衬底的表面上形成薄膜层的等离子体场。各靶标可定位成使得从各靶标的中心垂直延伸的相向的轴线在衬底的表面上的点处
会聚ο总体上还提供了制造碲化镉薄膜光伏装置的方法。该方法可包括同时从第一靶标 (例如，包括氧化镉)和第二靶标(例如，包括氧化锡)将透明导电氧化物层溅射到衬底上。 第一靶标和第二靶标可定位成使得从各靶标的中心垂直延伸的相向的轴线在衬底的表面上的点处会聚。相向的轴线可与垂直于衬底的表面的y轴线形成为大约30°到大约60° 的角度。在透明氧化物层上可沉积电阻性透明缓冲物层。在电阻性透明缓冲物层上可沉积硫化镉层。在硫化镉层上可沉积碲化镉层。参考以下描述及所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附示了本发明的实施例， 并与描述一起用于解释本发明的原理。
在本说明书中针对本领域技术人员陈述了本发明的完整的且能够实施的公开，包括其最佳模式，其参考了附图，其中图1是CdT光伏模块的横截面视图2显示了根据本发明的多个方面的一个示例性系统的顶部俯视图3显示了根据本发明的多个方面的一个备选系统的顶部俯视图4是衬底托架构造的一个实施例的透视图5是衬底托架构造的一个备选实施例的透视图6是用于衬底上的薄膜的沉积的溅射室的一个实施例的简图7是溅射室的一个备选实施例的简图；以及
图8显示了从两个靶标共溅射的一个示例性实施例的俯视图。
本说明书以及图形中参考标号的重复使用意在表示相同或类似的特征或元件。
零部件列表
角度Q1
角度θ2
CdTe模块10
衬底12
透明导电氧化物(TCO)层14
电阻性透明缓冲物(RTB)层16
硫化镉层18
碲化镉层20
后接触层22
系统100
第一加工侧102
箭头103
加工点104
入口点106
出口点108
第二加工侧110
方向箭头111
加工点112
人口 114
出口点116
第一转移点118
第二转移点120
自动转盘121
托架122
框架构件124
模块1
输送器U6
垂直沉积模块128
真空加载模块132
加载缓冲模块134
加工缓冲模块136
后加工缓冲模块138
出口缓冲模块140
出口模块142
外部缓冲144
冷却点148
卸载点150
加载点152
真空锁紧阀154
马达156
控制器158
中心系统控制器160
真空泵162
真空泵164
涡轮分子泵165
溅射室166
功率源168
阴极170
阳极172
靶标源材料176
等离子体场174
第一靶标201
第二靶标202X 轴线 203Y 轴线 204中心点205相向的轴线211相向的轴线21具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，在图中图示了其一个或多个示例。各示例作为本发明的解释而不是本发明的限制提供。实际上，对本领域技术人员将会明显的是在本发明中可以做出多种改型和变型，而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用而产生又再一个实施例。因此，其意图在于本发明覆盖在所附权利要求书及其等价物的范围内的此类改型和变型。在本发明公开中，当层被描述为在另一层或衬底“之上”或“上方”时，应该懂得层可以彼此直接接触，或者有另一层或特征在层之间。因此，这些用语仅仅是描述层对于彼此的相对位置，而不一定意味着“在顶上”，因为在上方或下方的相对位置取决于该装置对于观看者的定向。此外，尽管本发明不限于任何特定的膜厚度，但描述光伏装置的任何膜层的用语“薄”通常指膜层具有小于大约10微米(“微米”或“ym”)的厚度。将会理解的是本文提及的范围和极限包括位于规定的极限内的所有范围(S卩，子范围)。例如，从大约100到大约200的范围还包括从110到150，170到190，153到162， 以及145. 3到149. 6的范围。此外，直至大约7的极限也包括直至大约5，直至3，以及直至大约4. 5的极限，以及在该极限内的范围，例如从大约1到大约5，以及从大约3. 2到大约 6. 5o总体上公开了用于从多个靶标将薄膜层共溅射到衬底上的方法和系统。从多个 (即，2个或更多)靶标共溅射可允许在溅射室中(特别是在溅射等离子体中)对元素种类更精确的控制。因而，所沉积的薄膜层的化学计量可以被更精确地控制。例如，当在光伏装置的生产中形成透明导电氧化物(TCO)层和/或电阻性透明缓冲物(RTB)层时，可以更精确地控制化学计量的化学组成，尤其是在大规模制造环境中的高速溅射工艺期间。可以从由陶瓷材料、金属材料和/或合金材料形成的两个或更多靶标实现共溅射。靶标的确切成分可根据要形成的薄膜层的期望成分而选择。在大多数实施例中，各靶标可具有不同的成分。因而，各靶标可向溅射等离子体、并最终向沉积的薄膜层供应不同的元素种类。此外，为了帮助确保该目标，各靶标可与其它靶标具有大致相同的尺寸和形状。此外，靶标的数目也可根据要形成的薄膜层的期望成分而选择。在一个实施例中， 可使用两个靶标实现共溅射。在其它实施例中，可使用三个或更多靶标。不管使用的靶标的数目如何，各靶标均可定位成面向衬底，以确保在特定的实施例中从各个靶标向衬底大致均勻地施加材料。在特定的实施例中，各靶标可定位成面向衬底的中心。相对于垂直于衬底的面的法向轴线，各靶标的角度可调整成控制从各靶标向衬底供应的元素种类的混合。还可调整各靶标之间的间隔以控制从各靶标供应给衬底的元素种类的混合。图8显示了用于从两个靶标201，202共溅射到俯视溅射室中的衬底10上的一个示例性构造。图8中所示的两个靶标201，202定位成面向衬底10的中心，使得各靶标的中心大致正切(即正交)于衬底12的表面上的中心点205，如分别从靶标201，202的中心垂直延伸的相向轴线211和212的会合点所示出的，相交于衬底12的表面上。分别从靶标201，202的中心垂直延伸的相向轴线211，212与y轴线204形成角度 θι; θ 2，y轴线204垂直于限定X轴线203的衬底12的表面。角度θ π θ 2可以进行调整以控制溅射期间分别从靶标201，202供应的元素种类。在一个特定的实施例中，角度θ 1可大致等于角度θ 2，以确保从各个靶标201，202 到等离子体场174大致均勻的元素种类贡献。例如，角度θ” θ 2的每一个可为大约30° 到大约60°，诸如大约40°到大约50°。在一个特定的实施例中，角度Θ” 92二者可为大约45°。在一个备选实施例中，角度θ” θ 2可以是不同的，使得一个靶标向衬底12的表面供应不成比例的数量的元素种类。调整各靶标的角度θ” θ 2可帮助控制从特定靶标溅射的速度，从而帮助控制该层的沉积时化学计量。此外，可将与第二靶标202不同量的功率供应给第一靶标201，以便单独控制来自各个靶标的溅射速度。在一个特定的实施例中，可利用多个靶标来将包括镉和锡的组合物(例如，镉锡酸盐)的TCO层沉积到衬底上。例如，包括镉锡酸盐的TCO层可从两个陶瓷靶标沉积(1) 镉氧化物靶标，以及( 锡氧化物靶标。这些靶标可比单个镉锡酸盐靶标便宜得多，这可帮助降低TCO层的制造成本。备选地，包括镉锡酸盐的TCO层可从在包括氧气的溅射气氛中溅射的两个金属靶标(例如，镉靶标和锡靶标)沉积。在一个特定的实施例中，衬底12可以以大致一致的速度连续地输送经过靶标 201,202。如所提及的，本系统和方法对于PV模块尤其是CdTe模块的制造中多个薄膜层的沉积具有特别的有用性。图1呈现了可以至少部分地根据本文所述的系统和方法实施例制造的示例性CdTe模块10。该模块10包括作为衬底12的玻璃顶板，其可为高透射玻璃(例如，高透射硼硅酸盐玻璃)，低铁浮法玻璃，或其它高度透明的玻璃材料。玻璃通常足够厚以给后续的薄膜层提供支撑(例如，从大约0. 5mm到大约IOmm厚)，并且大体上平坦以提供用于形成后续薄膜层的良好表面。在图1中透明导电氧化物(TCO)层14显示在模块10的衬底12上。TCO层14允许光以最小的吸收通过，同时还允许由模块10产生的电流向一旁移向不透明的金属导体 (未示出)。TCO层14可具有在大约0. Iym和大约1 μ m之间的厚度，例如从大约0. 1 μ m 到大约0. 5 μ m，比如说从大约0. 25 μ m到大约0. 35 μ m。电阻性透明缓冲物(RTB)层16显示在TCO层14上。此层16通常比TCO层14更具有电阻性，且能够帮助在模块10的处理期间保护模块10免受TCO层14以及后续层之间的化学相互作用。在某些实施例中，RTB层16可具有大约0. 075 μ m到1 μ m之间，例如从大约0. 1 μ m到大约0. 5 μ m的厚度。在特定的实施例中，RTB层16可具有大约0. 08 μ m到 0. 2 μ m之间，例如从大约0. 1 μ m到大约0. 15 μ m的厚度。在特定的实施例中，RTB层16例如可包括氧化锌(aiO)和氧化锡(SnO2)的组合物，并被称作锌锡氧化物(“ΖΤ0")层16。ZTO层16可通过溅射、化学气相沉积、喷雾热裂解或任何其他合适的沉积方法形成。在特定的实施例中，ZTO层16通过在TCO层14上溅射(例如，DC溅射或RF溅射)而形成。例如，层16可使用DC溅射方法，在存在氧化气氛(例如，02气)的情况下，通过将DC 电流施加至金属源材料(例如，元素锌，元素锡或其混合物)并将金属源材料溅射到TCO层 14上而形成。CdS层18显示在图1的模块10的ZTO层16上。CdS层18是η型层，其通常包括硫化镉(CdS)，但也可包括其他材料，诸如硫化锌，硫化锌镉等及其混合物，以及掺杂剂和其他杂质。CdS层18可包括原子百分比多达大约25%，例如原子百分比从大约5%到大约20% 的氧。CdS层18可具有宽能带隙(例如，从大约2. 25eV到大约2. 5eV,诸如大约2. 4eV)，以便允许大部分辐射能量(例如，太阳辐射)通过。因而，硫化镉层18被认为是装置10上的透明层。CdS层18可通过溅射、化学气相沉积、化学浴沉积和任何其他合适的沉积方法形成。在一个特定实施例中，CdS层18通过溅射(例如，射频(RF)溅射)在RTB层16上形成，并且可具有小于大约0. 1 μ m的厚度。小于大约0. 1 μ m的此减小的厚度减小了由CdS 层18吸收的辐射能量，有效地增加了到达下面的CdTe层20的辐射能量的量。CdTe层20显示在图1的示例性模块10中的硫化镉层18上。层20是ρ型层，其通常包括碲化镉(CdTe)，但也可包括其它材料。作为模块10的ρ型层，CdTe层20是与CdS 层18 ( S卩，η型层)相互作用的光伏层，以通过由于其高吸收系数而吸收进入模块10的大部分辐射能量并产生电子空穴对从而从辐射能量的吸收产生电流。CdTe层20可具有被调整以适应吸收辐射能量的能带隙(例如，从大约1. 4eV到大约1. kV，例如大约1. 45eV)，从而在吸收辐射能量后产生具有最高电势(伏特)的最大数量的电子空穴对。电子可从P型侧(即，CdTe层20)穿过结合部到达η型侧(即，CdS层18)，且相反地，空穴可从η型侧转至P型侧。因此，形成在CdS层18和CdTe层20之间的p-η结形成二极管，其中电荷不平衡导致产生跨越该ρ-η结的电场。仅在一个方向上允许常规的电流流动并分离由光引起的电子空穴对。碲化镉层20可通过任何已知的工艺形成，诸如蒸汽转移沉积，化学气相沉积 (CVD)，喷雾热裂解，电解沉淀，溅射，近距离升华(CSQ等。在特定的实施例中，CdTe层20 可具有大约0. 1 μ m到大约10 μ m之间，例如从大约1 μ m到大约5 μ m的厚度。可对CdTe层20的暴露表面应用一系列后形成处理。这些处理可以调整CdTe层 20的功能性，并使其表面为后续粘结到后接触层22上做好准备。例如，碲化镉层20可在升高的温度下(例如，从350°C大约到大约500°C，比如说从大约375°C到大约424°C)退火足够的时间(例如，从大约1分钟到大约10分钟)以产生高质量的碲化镉ρ型层。在不希望束缚于理论的情况下，据信使碲化镉层20 (以及模块10)退火将通常轻微ρ型掺杂，或者甚至η型掺杂的CdTe层20转换成具有相对低电阻系数的更强的ρ型层。此外，CdTe层20 在退火期间可再结晶并经历晶粒生长。此外，可将铜添加至CdTe层20。与合适的蚀刻一起，将铜添加至CdTe层20可在 CdTe层20上形成碲化铜(CuxTe,此处1<χ<》的表面，以便获得碲化镉层20 (即，ρ型层)和后接触层22之间的低电阻电接触。后接触层22通常充当后电触点，与此相反的是，TCO层14充当前电触点。后接触层22可形成在CdTe层20上，并且在一个实施例中与CdTe层20直接接触。后接触层22 适当地由一种或多种高传导性材料形成，诸如元素镍、铬、铜、锡、铝、金、银、锝、钛或它们的合金或混合物。此外，后接触层22可为单个层或可为多个层。在一个特定的实施例中，后接触层22可包括石墨，比方说沉积在ρ层上的一层碳，后面跟有一层或多层金属，比方说上述金属。后接触层22如果由一种或多种金属制成或包括一种或多种金属，则其通过诸如溅射或金属蒸发的技术而适当地涂敷。如果其由石墨及共聚混合物制成，或由碳膏制成，则该混合物或膏通过用于散布该混合物或膏的任何合适的方法涂敷到半导体装置上，比方说丝印、喷射或通过“刮粉”刀。在涂敷石墨混合物或碳膏之后，该装置可被加热以将该混合物或膏转化成传导性后接触层。如果使用了碳层，该碳层的厚度可从大约0. 1 μ m到大约10 μ m, 例如从大约1 μ m到大约5 μ m。如果对后接触层22使用金属的后接触层或作为后接触层 22的一部分，该金属的后接触层的厚度可从大约0. 1 μ m到大约1. 5 μ m。在图1的实施例中，在后接触层22上显示了封装层24。在示例性模块10中可包括其他部件(未示出)，比方说汇流条、外部布线、激光蚀刻等。模块10可分成多个单独的单元，它们比方说通过电气布线连接串联连接以便获得期望的电压。该系列连接的单元的每一端可附接到合适的导体(比方说导线或汇流条)上， 以将光伏产生的电流引向用于连接到使用所产生的电力的装置或其它系统上的常规位置。 用于获得该系列连接的单元的常规手段是对模块10进行激光刻划，从而将该装置分成通过互连连接的一系列单元。同样，可将电导线连接到PV模块10的正负端子上以提供导线来利用由PV模块10产生的电流。图2呈现了根据本发明的多个方面的示例性系统100，用于在通过该系统100输送的PV模块衬底12(图4)上沉积多个薄膜层。首先，应该注意系统100不限于任何特定类型的薄膜或薄膜沉积工艺，如本文更详细地所述。图示的系统100包括第一加工侧102，其中加载到托架122上的衬底沿着由箭头 103所示的第一方向被输送。第一加工侧102包括多个不同的加工点104，这些加工点104 被配置成用于当衬底沿第一加工侧102被输送时在衬底上沉积第一薄膜层。加工点104可包括连续布置的模块单元，这些模块单元被对齐以执行用于在衬底上沉积第一薄膜层所需的全部加工步骤。具有加载至其上的一个或多个衬底的托架122在入口点106处被引入第一加工侧102。托架122可被手动地加载到加载点152中，或者在一个备选实施例中，可使用自动化机械来将托架122引入加载点152。例如，机器人或其它自动化机械可用于此过程。托架122在相对的出口点108处从第一加工侧102去除，该出口点108可包括外部缓冲物144。再一次，托架122可手动卸载，或者由包括机器人机械等的自动化移动设备接收。系统100包括第二加工侧110，该第二加工侧110相对于第一加工侧102可操作地设置，以便通过第二加工侧110沿着由方向箭头111所示的第二方向输送离开第一加工侧 102的托架122 (以及由此承载的衬底)。第二加工侧110包括配置成且连续地布置以在第一薄膜层上沉积第二薄膜层的多个加工点112。和第一加工侧102 —样，沿着第二加工侧 110的加工模块112配置成用于当通过第二加工侧110输送托架122和衬底时执行用于沉积薄膜层所需的全部加工步骤。第一转移点118可操作地设置在第一加工侧102和第二加工侧110之间，以接收来自第一加工侧102的出口 108的衬底，并自动地将衬底移动至第二加工侧110的入口114。转移点118可包括用于实现托架122的转移的任何方式的自动化机械。例如，转移点 118可包括自动化转盘121，其配置成接收来自第一加工侧102的出口 108的托架122，逆时针旋转180°，并在第二加工侧110的入口 144处引入托架122。为此目的，该转盘121可包括任何方式的机器人化或其它自动化机械。在一个备选实施例中，转移点118可包括完成从第一加工侧102的出口 108到第二加工侧110的入口 144接收和输送托架122的任务的任何方式的输送器。应该容易理解的是为此目的可利用任何方式的转移和输送构造。在图示的实施例中，第一加工侧102和第二加工侧110大体上彼此平行，使得各个加工侧的输送方向103和111大体上平行并且方向相反。此布置从节省生产设施中的空间的立场而言是有益的。然而，应该容易理解的是，第二输送方向可相对于第一加工侧102的轴线以任何相对操作角度设置(包括成一直线或零角度)，并且本发明不限于图中所图示的构造。通过图2中图示的整体构造，应该容易理解的是托架122 (带有衬底)被连续地移动通过第一和第二加工侧102，110，用于在其上沉积多个薄膜层。图2的构造是开路型环状构造，其中托架122位于系统的外部，并在入口点106处被引入第一加工侧102。托架随后在第二加工侧110的出口点116处从该系统100去除。如以上所提及的，此加载和卸载过程可手动地或通过自动化机械完成。仍然参考图2，可通过垂直加工模块125限定各种加工点104，112，且各相邻对齐的模块125用于特定的加工功能，如以下更详细地所述。各模块125可包括独立驱动并控制的输送器126。衬底托架122搁置在输送器1 上，并因而以受控的方式移动通过各个模块125。在特定的实施例中，输送器1 可为辊子型输送器、带式输送器等。对于各个相应的模块125，输送器1 可配备独立的驱动器(图中未图示)。在一个备选实施例中，驱动器可配置成用于通过任何方式的传动装置驱动不同模块125的多个输送器126。单个输送器1 可与多个模块125相关联。各种模块125被垂直地定向，因为托架122沿垂直定向通过加工侧102，110输送衬底。参考图4，示例性的托架122图示为由框架构件IM制成的框架型结构。框架构件 124限定用于衬底12的接纳位置，使得衬底12水平或垂直地接纳(相对于它们的纵向轴线)在托架122内。应该理解的是托架122可由任何方式的框架结构或构件限定，以便通过加工侧沿垂直定向承载一个或多个衬底12。在图4的实施例中，托架122构造成接纳在水平位置上的两个衬底12。应该易于理解的是也可设置多个衬底12，使得各个衬底的纵向轴线在垂直位置上。托架122内的衬底12的任何定向均预期处在本发明的范围和精神内。 框架构件IM可限定开口型框架，其中衬底12基本上接纳在由托架122限定的“窗口开口” 内。在一个备选实施例中，托架122可限定背板，衬底12抵靠该背板设置。图5中图示的托架122的实施例构造成用于接纳四个衬底112，其中衬底12的对呈背对背关系。例如，一对衬底12设置在托架112的上框架部分中，且第二对衬底12设置在托架112的下框架部分中。图5的构造可用于当四个或更多衬底12在系统100中被同时加工时，如以下相对于图7中图示的沉积装置更详细地所述。再次参考图2，第一加工侧108可特别配套限定真空溅射室的一个或多个垂直沉积模块128，用于在通过其中输送的衬底上沉积锌锡氧化物(ZTO)的RTB层。同样，第二加工侧110可包括限定真空溅射室的一个或多个垂直溅射模块128，真空溅射室特别配置用于在RTB层上沉积硫化镉(CcK)层。在一个特定实施例中，锌锡氧化物(ZTO)层可从多个靶标沉积，如图8中所示。例如，锌锡氧化物(ZTO)层可在存在氧气的情况下从锌靶标和锡靶标沉积。第一加工侧108还可特别配套一个或多个垂直沉积模块128，这些垂直沉积模块 128限定用于在衬底上沉积镉锡酸盐的TCO层、随后在第二加工侧110中后续沉积RTB层的真空溅射室。例如，如上所述，TCO层可从多个陶瓷靶标沉积，包括镉氧化物和锡氧化物。真空溅射室的操作对本领域技术人员是众所周知的，且不需要在本文详细描述。 基本上，溅射沉积通常涉及从靶标(其为材料源)喷射材料，并将喷射的材料以薄膜层的形式沉积到衬底上。直流溅射通常涉及将电压施加到位于室内衬底附近的金属靶标(即阴极)上以形成直流放电。溅射室可具有形成金属靶标和衬底之间的等离子体场的反应性气氛(例如氧气氛)。对于磁控溅射，反应性气氛的压力可在大约Imtorr和大约20mtorr之间。在施加电压后当金属原子从靶标释放时，金属原子与等离子体反应并沉积到衬底的表面上。例如，当气氛包含氧气时，金属原子从金属靶标释放在衬底上形成金属氧化物层。射频溅射是涉及通过在靶标源金属以及衬底之间施加交流(AC)或射频(RF)信号从而激发电容性放电的过程。溅射室可具有惰性气氛(例如，氩气氛)，该惰性气氛具有在大约Imtorr 和大约20mtorr之间的压力。图6显示了构造成射频或直流溅射室166的示例性垂直沉积模块1 的总体示意性横截面视图。功率源168配置成控制和供应到室166的直流或射频功率。在直流室166 的情况下，功率源168向阴极170施加电压以在阴极170和阳极172之间产生电压电势。 在图示的实施例中，阳极172由室壁限定。玻璃衬底12由托架122保持以便大致与阴极 170(其也是靶标源材料I76)相对。一旦溅射气氛被点燃即产生等离子体场174并响应于阴极170和充当阳极172的室壁之间的电压电势而被保持。电压电势导致等离子体场174 内的等离子体离子向阴极170加速，导致来自阴极170的原子被喷向衬底12的表面。因而， 阴极170是“靶标”并被用于在衬底12的表面上形成期望的特定类型薄膜的源材料限定。 例如，阴极170可为金属合金靶标，比方说元素锡、元素锌或不同金属合金的混合物。室166 中的氧气与喷射的靶标原子反应以在衬底12上形成氧化物层，比方说ZTO层。可通过在大体上惰性气氛中在陶瓷靶标源材料和衬底12之间施加交流(AC)或射频(RF)信号而在射频溅射室166(图6)中形成硫化镉(CcK)薄膜层。尽管在图6和图7中图示了单个的功率源，但通常可以理解的是可将多个功率源与相应的靶标源联接在一起，以在室166内产生期望的溅射条件。图6图示了室166内的加热器元件178。在室166内可配置任何方式或构造的加热器元件，以在室内保持期望的沉积温度和气氛。在图6的实施例中，配置了垂直的沉积模块128，用于在定向成朝向目标源材料 176的衬底12的侧面上沉积薄膜层。图7图示了一个实施例，其中室166包括用于将薄膜施加到紧固在托架122中的背对背衬底12的向外朝向表面上的双溅射系统，比如说以上相对于图5所图示并描述的托架122的构造。因此，利用图7中图示的垂直沉积模块128，同时处理四个衬底，以在其上沉积特定的薄膜层。尽管图6和图7由于所描绘的侧视图而显示具有单个靶标176，但对于本领域技术人员应该容易明白的是可如上所述并在图8的示例性实施例中所示使用多个靶标。
再次参考图2中的系统100，控制与邻近设置的垂直沉积模块1 相关联的单独的输送器126，以便以受控的、恒定的线性速度输送托架122以及附接的衬底通过真空溅射室，从而确保将薄膜均勻地沉积在衬底的表面上。在另一方面，托架122和衬底以逐步的方式被引入和引出相应的加工侧102，110。在这点上，系统100包括入口和出口模块、相关输送器126、真空锁紧阀154以及相关控制器156的任何构造。此外，各个加工侧102，110可在其相应的入口和出口侧包括附加的非真空模块，用于将托架112载入并载出系统100，相对于转移点118缓冲托架122，以及在从系统100去除衬底之前冷却衬底和托架122。例如，参考图2，第一加工侧102包括多个相邻设置的垂直加工模块125。这些模块125中的第一个限定加载点152，托架122在其中被载入该系统。如上所提及的，这可手动或机器人化地完成。加载点152内的相应的输送器模块将托架122移向真空加载模块 132。此模块132包括入口真空阀154，其例如可为选通型滑阀或由相关马达156致动的旋转挡板阀。初始阀巧4是打开的且托架122从加载模块152输送到模块132中。然后关闭入口阀154。此时，“粗”真空泵162从气氛抽吸至毫托范围中的初始“粗”真空。粗真空泵 162例如可为带有罗茨鼓风机的爪式机械泵。在抽吸至限定的跨越压力之后，加载模块132 和邻近的加载缓冲模块134之间的阀巧4被开启，且托架122转移到加载缓冲模块134中。 模块132和134之间的阀巧4然后关闭，加载模块132被排空，且初始阀巧4被打开以将下一个托架122接纳到模块中。“高”或“细”真空阀164在加载缓冲模块134中抽出升高的真空，且模块134可用工艺气体回填以与下游处理室中的条件匹配。细真空泵164例如可为配置成用来将模块向下抽吸至大约小于或等于9X 10_5托的低温泵的组合。加工缓冲模块136位于加载缓冲模块134的下游，并且在加载缓冲模块134内的规定真空压力和条件下，这两个模块之间的阀巧4被开启，且托架122被输送到加工缓冲模块136中。然后模块134和136之间的阀巧4被关闭。加工缓冲模块136用于大体上将托架122的逐步输送转换成受控的线性输送，使得托架122的前缘处于距离前一个托架122 的后缘的狭窄、受限的间隔或距离(即，约20mm)内，以便托架122以受控、恒定的线性速度以各个托架122之间很小的间隔被输送通过下游沉积模块128。因而应该理解的是，在正常生产操作期间，加工缓冲模块136和第一垂直沉积模块1 之间的阀IM是打开的。同样， 相邻垂直沉积模块1 之间的阀IM也是打开的。位于第二垂直沉积模块128的出口处的阀1 也是打开的。以这种方式，通过相邻设置的垂直沉积模块128的托架122的连续流动被维持在恒定的加工速度。仍然参考图2，后加工缓冲模块138设置在最后的垂直沉积模块128的下游，且这些模块之间的阀1 在正常加工期间打开。当托架122以受控的恒定线性速度离开垂直沉积模块128时，它们进入该后处理缓冲模块138且然后以朝向紧下游的出口缓冲模块140 更大的速度进行处理。在此输送步骤之前，模块138和140之间的阀巧4被关闭且模块140 被细真空泵164抽低并用生产气体回填，以匹配加工区条件。一旦满足这些条件，室之间的阀1 被打开，且托架122以相对较高的速度被转移到出口缓冲模块140中。在模块140 和下游出口模块142之间预定的跨越压力下(其可通过粗真空泵162在模块142内获得)， 这些模块之间相应的阀巧4被打开且托架122被输送到出口模块142中。出口模块142然后可向大气排空。此时，在模块142的出口处的阀巧4是打开的，且托架122被输送到外部缓冲144中。
托架122从外部缓冲144移入转盘121，或配置在转移点118处的其它转移机构。 托架被旋转或以其它方式在转移点118处移动到用于进入位于第二加工侧110的进入点处的外部缓冲144的位置。加工缓冲模块136和后加工缓冲模块138可包括一个或多个相应的真空泵165， 比方说涡轮分子泵，其直接安装到模块的背部上，用于维持加工真空压力。类似地，垂直沉积模块1 也可包括任何形式的真空泵，比方说涡轮分子泵165，其直接安装到模块的背部上，位于与相应的模块相关的各阴极对之间。再次参考图2的系统100，转移到与第二加工侧110相关的外部缓冲144的托架 122随后以与以上关于第一加工侧102所讨论的大致相同的方式被输送通过各种垂直加工模块125。各种阀154、泵162，164，165以及相应的输送器126的操作和顺序在以上仅出于以逐步的方式将托架122移入加工模块的目的而进行描述，托架122在加工模块中随后被以恒定的线性速度输送通过垂直沉积模块128。第二加工侧110中的垂直沉积模块1 配置成用于在第一薄膜层上沉积第二薄膜层，例如如上所述的CdS层。在离开第二加工侧110的出口模块142后，托架122移入一个或多个冷却点148， 托架和附接的衬底在其中在从系统100去除前被允许冷却至期望的处理温度。去除过程可为手动或自动的，例如利用机器人化机械。如以上所讨论的，图2和3中的系统100由多个相互连接的模块限定，且各个模块用于特定的功能。配套单独的模块的相应的输送器126以及阀IM和相关致动器156也针对各种功能适当地控制。出于控制目的，各个单独的模块可具有与其配套的相关控制器 158，以控制相应模块的单个功能。多个控制器158又可与中心系统控制器160通信。中心系统控制器160可监视并控制(经由独立的控制器158)任何其中一个模块的功能，以便当由托架122承载的衬底移动通过系统100时获得整体的期望输送速度以及加工。应该容易理解的是，尽管沉积模块1 在本文中在特定的实施例中描述为溅射沉积模块，但本发明并不限于此特定的沉积工艺。垂直沉积模块1 可构造成任何其它合适类型的加工室，比方说化学气相沉积室，热蒸发室，物理气相沉积室等。在本文所述的特定实施例中，第一加工侧可配置用于沉积ZTO层，且垂直沉积模块1 配置成反应性(使用氧气)直流真空溅射室。各模块1 可配套四个直流水冷磁电管。如以上所提及的，各模块 1 还可包括安装到各阴极对之间的后部室上的一个或多个真空泵。与第二加工侧110相关的垂直沉积模块1 可配置成射频真空溅射室，且各模块1 包括三个射频水冷磁电管， 用于沉积来自CdS陶瓷靶标材料的CdS层。这些模块1 也可包括安装在阴极对之间的一个或多个真空泵。图3图示了类似于图2的系统的备选系统100，但包括在第二加工侧110的出口和第一加工侧102的入口之间的第二转移点120。此特定的系统因而限定了连续的环，其中托架122在加工环中通过该系统连续地输送。托架122移出第二加工点110的出口模块142并通过冷却点148。托架122然后移入第二转移点120，其可如以上关于第一转移点 118所讨论的进行配置。托架然后从最后的冷却点148转移至与第一加工侧102对齐的卸载点150。当托架122移动通过卸载点150时，衬底从托架移除。再一次，此过程可为手动的或通过自动机器人化机械完成。空托架然后移入加载点152，在其中将新的衬底加载到托架122中。托架122和相关衬底然后通过第一和第二加工侧102，110进行处理，如以上关于图2所讨论的。图3中的系统100是唯一的，因为该过程以连续环的方式执行，其中托架 122不需要从该系统去除。利用图3的构造可极大地增加系统的效率和吞吐量。通过利用如图7中所描绘的垂直沉积模块128，可进一步提高图2和3中所描绘的系统100的吞吐量，其中模块1 大体上是以相向关系配置的两个单独的室的组合，以便在安装在托架122内的背对背衬底的表面上沉积薄膜层，如图5的托架构造中所绘。在图2和3的实施例系统100中，在相应的加工侧102，110中单独抽吸并维持加工真空。如以上所述，托架沿第一加工侧102从真空加工模块125去除，转移至第二加工侧110，并引入第二加工侧110的真空加工模块125。应该容易理解的是本发明还包括系统 100，其中在第一加工侧102和第二加工侧110之间维持总体的真空。在此类系统中，托架 122将被缓冲并在真空室内从一个加工侧转移至另一个加工侧。本发明还包括用于将多个薄膜层沉积在光伏(PV)模块衬底上的各种方法实施例。这些方法可用以上描述的各种系统实施例实践，或者通过合适的系统部件的任何其他构造实践。因而应该理解的是根据本发明的方法实施例不限于本文所描述的系统构造。在特定的实施例中，该方法包括将托架上的衬底沿第一方向输送通过第一加工侧，并当衬底移动通过该第一加工侧时在衬底上沉积第一薄膜层。托架接纳在第一加工侧的出口处，并且移动至第二加工侧的入口。托架和附接的衬底然后被输送通过第二加工侧， 以在第一薄膜层上沉积第二薄膜层。衬底在位于第二加工侧出口下游的卸载点处从托架去除，且新的衬底在位于第一加工侧入口的上游的加载点处放置在托架上。该方法可包括以逐步的方式将托架以及附接的衬底沿第一和第二加工侧移入真空室以及移出真空室，例如通过一系列真空锁，又在沉积过程期间以连续的线性速度将托架和附接的衬底输送通过真空室。在一个特定的实施例中，第一和第二加工侧通常是平行的，且托架以连续的环移动通过该第一和第二加工侧，且加载点和卸载点在该连续的环内是相邻的。在另一个实施例中，第一和第二加工侧通常是平行的，且托架在第一加工侧的入口处加载，并且在第二加工侧的出口处去除。在又另一个方法实施例中，薄膜层在沿第一和第二加工点限定的真空室内沉积， 且托架和附接的衬底被移动通过该系统，而无需中断第一和第二加工侧之间的真空。本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有无异于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质性区别的等价结构性元件，则此类其它示例意在处在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于在光伏(PV)模块(10)衬底上沉积薄膜层的系统，所述系统包括构造成接纳所述衬底(12)的溅射室(166)；至少两个靶标001，202)，其在所述溅射室(166)内定位成面向所述衬底(12)，使得所述靶标O01，202)同时溅射以向等离子体场(174)供应源材料，用于在所述衬底(12)的表面上形成薄膜，其中所述多个靶标(201,20 定位成使得从各靶标O01，202)的中心垂直延伸的相向的轴线011，212)在所述衬底(12)的所述表面上的点(205)处会聚；以及连接到各靶标上的独立的功率源。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述溅射室内包括两个靶标001，202)。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，从各靶标O01，202)的中心垂直延伸的所述相向的轴线(211，212)与垂直于所述衬底(12)的所述表面的y轴线(204)形成角度， 其中由各靶标001，202)形成的所述角度为约30°到约60°，优选为约45°。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，由各靶标(201，202)形成的所述角度是大致相同的。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，由各靶标(201，202)形成的所述角度是不同的。
6.如任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，将不同数量的功率供应给各靶标 (201,20 ，以便单独控制来自各靶标(201,202)的溅射速度。
7.如任何前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统配置成使得所述衬底(12) 被连续地承载通过由各靶标(201,20 的所述相向的轴线011，212)的会聚所限定的所述点(205)。
8.一种用于在光伏(PV)模块衬底(1 上沉积多个薄膜层的方法，所述方法包括将托架上的所述衬底(1 输送通过溅射室(166)；且当所述衬底(1 移动通过所述溅射室(166)时溅射至少两个靶标001，202)，以在所述衬底上形成薄膜，其中至少两个靶标(201,20 在所述溅射室(166)内定位成面向所述衬底(12)，使得所述靶标(201,20 同时溅射以向等离子体场(174)提供源材料，用于在所述衬底(1 的表面上形成薄膜层，且其中所述至少两个靶标(201,20 定位成使得从各靶标O01，202)的中心垂直延伸的相向的轴线(211，212)在所述衬底(12)的所述表面上的点处会聚。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，各靶标包括不同于其它靶标O01，202)的源材料的源材料。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述溅射室(166)中定位两个靶标。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，定位在所述溅射室中的所述两个靶标 (201,202)为包括镉氧化物的第一靶标和包括锡氧化物的第二靶标。
12.如权利要求8到11的任一项所述的方法，其特征在于，从各靶标O01，202)的中心垂直延伸的所述相向的轴线(211，212)与垂直于所述衬底(12)的所述表面的y轴线(204) 形成角度，其中由各靶标O01，202)形成的所述角度为约30°到约60°，优选为约45°。
13.如权利要求8到12的任一项所述的方法，其特征在于，由各靶标形成的所述角度是大致相同的。
14.如权利要求8到13的任一项所述的方法，其特征在于，各衬底以大致恒定的线性速度被连续承载通过由各靶标的所述相向的轴线的会聚限定的所述点。
15. 一种制造碲化镉薄膜光伏装置的方法，所述方法包括根据权利要求8到14的任一项所述的方法同时从第一靶标和第二靶标将透明导电氧化物层溅射到衬底上，其中所述第一靶标包括镉，而第二靶标包括锡，且其中所述第一靶标和第二靶标定位成使得从各靶标的中心垂直延伸的相向的轴线在所述衬底的表面上的点处会聚，所述相向的轴线与垂直于所述衬底的所述表面的y轴线形成为约30°到约60°的角度；在所述透明导电氧化物层上沉积电阻性透明缓冲物层； 在所述电阻性透明缓冲物层上沉积硫化镉层；以及在所述硫化镉层上沉积碲化镉层。
全文摘要
本发明涉及用于光伏模块衬底上薄膜层的高速共溅射的系统和方法，具体而言，总体上提供了用于在光伏(PV)模块衬底(12)上沉积薄膜层的系统和方法。该系统可包括构造成接纳衬底(12)的溅射室(166)，定位在该溅射室(166)内的至少两个靶标(201，202)，以及连接到各个靶标(201，202)上的独立的电源(168)。各靶标(201，202)可在该溅射室(166)内定位成面向所述衬底(12)，使得靶标(201，202)同时溅射以向等离子体场(174)供应源材料，用于在衬底(12)的表面上形成薄膜。该多个靶标(201，202)还可定位成使得从各靶标(201，202)的中心垂直延伸的相向的轴线(211，212)在衬底(12)的表面上的点(205)处会聚。
文档编号H01L31/18GK102234774SQ201110116278
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者J·A·德雷顿, R·D·戈斯曼 申请人:初星太阳能公司