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【中文】一种制备阻挡膜层的方法和设备
【EN】Method and device for manufacturing barrier film layer

申请(专利)号:CN201510470406.0国省代码:福建 35
申请(专利权)人:【中文】福建铂阳精工设备有限公司【EN】Apollo Precision (Fujian) Limited
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摘要:
【中文】本发明公开一种制备阻挡膜层的方法和设备,其中,该方法包括:提供掺有金属的陶瓷材料作为靶材,所述金属元素及金属化合物的特性与阻挡膜层的特性相同;所述靶材设置在反应腔室中;将待镀膜的基片设置于所述反应腔室中;向所述反应腔室中通入反应气体和溅射气体;采用直流电源为所述靶材提供工作电压;当所述直流电源开启时,通过反应溅射方式在所述基片上沉积阻挡膜层。该方法采用直流电源可制备非金属的离子阻挡膜层,所以该方法可应用在实际的生产中,并且采用该方法制成的膜层面积大且温度较低,膜层沉积速率可调,且膜层的均匀性可控。【EN】Paragraph:The invention discloses a method and device for manufacturing a barrier film layer. The method includes the steps that a ceramic material doped with metal is provided as a target, wherein the characteristics of metallic elements and metallic compounds are the same as those of the barrier film layer; the target is arranged in a reaction cavity; a substrate to be plated with a film is arranged in the reaction cavity; reactant gas and sputtering gas are introduced into the reaction cavity; a direct-current power source is adopted for providing the working voltage for the target; and when the direct-current power source is turned on, the barrier film layer is deposited on the substrate in a reaction sputtering manner. By the adoption of the method, the direct-current power source can be adopted for manufacturing the non-metallic ion barrier film layer, the method can be applied to actual production, the film layer manufactured through the method is large in area, the temperature is low, the deposition speed of the film layer is adjustable, and the evenness of the film layer is controllable.

主权项:
【中文】一种制备阻挡膜层的方法,其特征在于,包括:提供掺有金属的陶瓷材料作为靶材,所述金属元素及金属化合物的特性与阻挡膜层的特性相同;所述靶材设置在反应腔室中;将待镀膜的基片设置于所述反应腔室中;向所述反应腔室中通入反应气体和溅射气体;采用直流电源为所述靶材提供工作电压;当所述直流电源开启时,通过反应溅射方式在所述基片上沉积阻挡膜层。【EN】1. prepare a method for barrier film, it is characterized in that, comprising: There is provided the stupalith being mixed with metal as target, the characteristic of described metallic element and metallic compound is identical with the characteristic of barrier film; Described target is arranged in reaction chamber; Substrate to be coated is arranged in described reaction chamber; Reactant gases and sputter gas is passed in described reaction chamber; Direct supply is adopted to provide operating voltage for described target; When described direct supply is opened, by reactive sputtering mode deposit barrier rete on the substrate.


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说明书

一种制备阻挡膜层的方法和设备

技术领域


本发明涉及太阳能电池技术领域,具体涉及一种制备阻挡膜层的方法和设


备。


背景技术


太阳能电池作为一种新能源电池越来越多的受到关注,而太阳能电池的输


出性能参数在一定程度上受制备工艺的影响。


例如,在太阳能电池的衬底上沉积膜层之后,在后续的工艺过程中由于温


度、湿度或者电场等的激发,导致衬底中含有的大量钠、铁、铬、氧等离子扩


散进入薄膜内部,从而影响到太阳能电池器件长期运行性能的稳定。因此,在


实际的薄膜电池生产过程中,在衬底和器件间一般采用非金属离子阻挡膜层用


于绝缘、钝化及扩散阻隔等。


目前常见的离子阻挡膜层的制备方法主要是等离子体增强化学气相沉积,


这种方法制备的膜层具有良好的性质,常被用作一些功能器件的表面钝化层和


晶硅太阳能电池的减反射层,但是,这种方法存在沉积速率慢,膜层均匀性不


易控制等问题。


此外,磁控溅射也可以用来制备离子阻挡膜层,但受到溅射电源和设备尺


寸的限制,很难实现对于非金属膜层的大面积均匀制备。


发明内容


本发明提供一种制备阻挡膜层的方法,以解决现有技术中存在的上述问题。


本发明另外提供一种制备阻挡膜层的设备。


本发明提供一种制备阻挡膜层的方法,包括:


提供掺有金属的陶瓷材料作为靶材,所述金属元素及金属化合物的特性与


阻挡膜层的特性相同;所述靶材设置在反应腔室中;


将待镀膜的基片设置于所述反应腔室中;


向所述反应腔室中通入反应气体和溅射气体;


采用直流电源为所述靶材提供工作电压;


当所述直流电源开启时,通过反应溅射方式在所述基片上沉积阻挡膜层。


可选地,所述靶材中掺杂的金属元素为铝。


可选地,所述靶材中掺杂铝的浓度范围是大于0,且小于等于10%。


可选地,所述陶瓷材料采用高纯度硅单质。


可选地,所述靶材设置在反应腔室中具体是,将所述靶材设置在反应腔室


的上端。


可选地,所述将所述靶材设置在反应腔室的上端步骤中,采用如下方式设


置:


设置一个靶材,将所述靶材设置在所述反应腔室上端的水平方向的中间位


置;或者;


设置两个或者两个以上靶材,将所述靶材以反应腔室水平方向的中间位置


为中心对称设置在所述反应腔室的上端。


可选地,所述靶材采用平面靶的方式设置。


可选地,所述向所述反应腔室中通入反应气体和溅射气体具体是,将预设


体积分数比的反应气体和溅射气体通入所述反应腔室,所述预设体积分数比的


比例范围是大于等于1:8,且小于等于2:1。


可选地,所述反应气体为氮气。


可选地,所述溅射气体为氩气。


可选地,所述将待镀膜的基片设置于所述反应腔室中,具体是,


在所述反应腔室的下端设置传动轮;


将所述基片设置在所述传动轮上。


可选地,所述传动轮的传动速度为匀速传动。


可选地,所述传动轮的传动速率范围是大于等于5mm/s,且小于等于


30mm/s。


可选地,所述直流电源的功率范围是大于等于6kW,且小于等于10kW。


本发明还提供一种制备阻挡膜层的设备,包括:直流电源、反应腔室、混


合气体、靶材和基片,所述混合气体被通入至所述反应腔室中,所述靶材和基


片设置在所述反应腔室中,所述直流电源为所述反应腔室的溅射反应提供动力。


可选地,还包括传动轮,所述传动轮设置在所述反应腔室的下端,所述基


片设置在所述传动轮上;所述靶材设置在所述反应腔室的上端。


与现有技术相比,本发明具有以下优点:


本发明提供一种制备阻挡膜层的方法,包括:提供掺有金属的陶瓷材料作


为靶材,所述金属元素及金属化合物的特性与阻挡膜层的特性相同;所述靶材


设置在反应腔室中;将待镀膜的基片设置于所述反应腔室中;向所述反应腔室


中通入反应气体和溅射气体;采用直流电源为所述靶材提供工作电压;当所述


直流电源开启时,通过反应溅射方式在所述基片上沉积阻挡膜层。该方法采用


直流电源可制备非金属的离子阻挡膜层,所以该方法可应用在实际的生产中,


并且采用该方法制成的膜层面积大且温度较低,膜层沉积速率可调,且膜层的


均匀性可控。


附图说明


图1是本发明实施例提供的一种制备阻挡膜层的方法的流程图;


图2是本发明实施例中反应气体和溅射气体的总流量与氮化硅阻挡膜层厚


度及折射率的关系图;


图3是本发明实施例中反应气体和溅射气体体积分数的变化对氮化硅阻挡


膜层厚度及折射率的关系图;


图4是本发明实施例提供的一种制备阻挡膜层的设备的结构示意图。


具体实施方式


本发明提供一种制备阻挡膜层的方法,该方法主要应用于薄膜太阳能电池


的制备过程中。由于薄膜太阳能电池一般是在衬底上生长不同的薄膜膜层,而


衬底中可能含有钠、铁、氧等离子,这些离子可能会在后续的薄膜制备工艺中


扩散至薄膜内部,因此,该方法可应用于在衬底上制备阻挡膜层的工艺中。


在薄膜太阳能电池制备工艺中,可采用溅射法或者化学气相沉积法等制备


薄膜膜层,例如,采用直流溅射法可制备金属膜层等。但是,直流溅射法要求


靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传递给与其紧密接触的阴极,从而


该方法只能溅射导体材料,不适于绝缘材料,因为轰击绝缘靶材时表面的离子


电荷无法中和,这将导致靶面电位升高,外加直流电压几乎都加在靶上,两极


间的离子加速与电离的机会将变小,甚至不能电离,最终导致不能连续放电甚


至放电停止,溅射停止,所以,对于绝缘靶材或导电性很差的非金属陶瓷靶材,


采用直流溅射法是不合理的。


然而,本发明实施例提供的方法是应用在普遍的生产中的,而生产中常用


到直流电源,而需要制备的阻挡膜层一般为氮化硅,其为非金属化合物膜层,


因此,这些阻挡膜层的制备不可以简单的采用直流电源作为工作电压进行制备,


而需要在对该直流溅射方法做进一步的改进,本发明实施例提供的方法即可采


用直流电源制备非金属膜层或者非金属化合物膜层。


图1是本发明实施例提供的一种制备阻挡膜层的方法的流程图,请参照图1,


该方法包括以下步骤:


步骤S101,提供掺有金属的陶瓷材料作为靶材,所述金属元素及金属化合


物的特性与阻挡膜层的特性相同;所述靶材设置在反应腔室中。


所述靶材的主要材料为高纯度的非金属陶瓷材料,如单质硅,所述非金属


陶瓷材料的特性是,在常态下,其导电性能介于导体与绝缘体之间,具有导电


特性,但是导电性能却低于导体。因此,在所述陶瓷材料中掺杂一定浓度的金


属,金属的导电性好,通过在陶瓷材料中掺入一定量的金属作为靶材以提高所


述靶材的导电性能。


由于在陶瓷材料中掺杂了一定浓度的金属材料,以提高靶材的导电能力,


在靶材溅射过程中,从离子轰击中得到的正电荷传递给阴极,因此,不会出现


直流溅射法中存在的靶材电位升高导致溅射停止的问题。


所述非金属陶瓷材料一般选用单质硅,该单质硅可与氮气反应生成氮化硅,


将所述氮化硅作为离子阻挡膜层效果较好,并且硅单质在薄膜太阳能电池制备


中是常用材料,因此,可选用单质硅为靶材的主要材料。


对于在所述陶瓷材料中掺杂的金属材料的选用,由于氮化铝膜层在一定程


度上也可以具有阻挡离子扩散的功能,其与阻挡膜层的特性一致或相同,因此,


掺杂的金属材料可以选用铝,即在陶瓷材料中掺杂一定浓度的铝作为靶材。


由于该阻挡膜层的主要成分为硅的化合物,因此,在硅中掺杂的铝的浓度


不能太高,但是,如果掺杂浓度太低,又不能使靶材的导电率达到预定程度,


因此,在硅单质中铝的掺杂浓度需要进行精密的计算获得。


当铝的掺杂浓度低于10%时,该靶材的导电率足以达到高溅射率的效果,


并且,掺杂的铝也不会影响阻挡膜层的特性。


在步骤S101中,将所述靶材设置在反应腔室中具体在本实施例中可将所述


靶材设置在所述反应腔室的上端,虽然将靶材设置在反应腔室中的任何一处均


可实现该方案,但是,将所述靶材设置在反应腔室的上端,并且将待镀膜的基


片设置在所述反应腔室的下端,采用上述方法设置可使在基片上镀制的膜层更


均匀。


在本发明实施例中,可以选择在所述反应腔室的上端设置一个靶材,但是,


为了使得制备的阻挡膜层的厚度具有可控性,可在所述反应腔室的上端设置多


个靶材,所述靶材的设置方式如下:


当设置一个靶材时,将所述靶材设置在所述反应腔室上端的水平方向的中


间位置。


当设置多个(两个或者两个以上)靶材时,可将所述靶材以反应腔室水平


方向的中间位置为中心对称设置在所述反应腔室的上端。并且,可以根据设置


靶材的数量的多少控制制备的阻挡膜层的厚度。当待镀膜基片以相同速度在反


应腔室水平移动时,靶材数量越多,则在所述待镀膜的基片上形成的阻挡膜层


的厚度越大,反之,阻挡膜层的厚度越小。


上述设置的靶材为一个或者多个时,其均可采用平面靶的方式设置在所述


反应腔室的上端。


步骤S102,将待镀膜的基片设置于所述反应腔室中。


由于步骤S101中介绍靶材设置在反应腔室的上端,因此,在本步骤中,需


要将带镀膜的基片设置在所述反应腔室的下端。


在实际应用中,所述基片可采用固定方式设置在所述反应腔室中,即在所


述反应腔室的下端固定位置上设置所述基片。


除上述方式设置基片外,还可以采用传动的方式设置所述基片。首先在所


述反应腔室的下端设置可以传动的传动轮,在所述传动轮上设置所述基片,当


所述传动轮开启进行传动时,所述基片可随着传动轮的传动在反应腔室中水平


移动。


由于采用传动轮的方式在实际应用中更广泛,因此本实施例主要描述采用


传动方式设置所述基片的情况。


当需要制备的膜层为均匀膜层时,一般阻挡膜层的均匀性越好其阻挡离子


的性能越稳定,所以,在本实施例中,将所述传动轮设置为匀速转动的情况。


由于传动轮的传动速率影响膜层的厚度和制备的速率等,因此,需要设置


一个传动速率的范围来控制制备的阻挡膜层的质量,一般所述传动速率的范围


取大于等于5mm/s,且小于等于30mm/s。


步骤S103,向所述反应腔室中通入反应气体和溅射气体。


在所述反应腔室为真空的状态下,向所述反应腔室中通入反应气体和溅射


气体的混合气体。


所述反应气体是需要与溅射出的靶材原子进行反应的气体,所述溅射气体


是不与所述靶材原子进行反应的气体。


混合气体的总流量也会影响制备的膜层的厚度和折射率,图2是本发明实


施例中反应气体和溅射气体的总流量与氮化硅阻挡膜层厚度及折射率的关系


图,请参照图2,图2说明,当混合的气体总流量越大时,在该条件下制备的阻


挡膜层的厚度和折射率均会下降。


上述混合气体中,反应气体体积分数越大,其与靶材原子结合的化学计量


比越大,则制备的膜层的折射率也将随之降低,在接近2.0附近趋于平缓,图3


是本发明实施例中反应气体和溅射气体体积分数的变化对氮化硅阻挡膜层厚度


及折射率的关系图。请参照图3,为了调控制备膜层的折射率,可通过调控所述


混合气体中反应气体和溅射气体的体积分数比进行调控制备的膜层的折射率。


将所述反应气体和溅射气体预设体积分数比进行混合,并将混合的气体通


入所述反应腔室,所述预设体积分数比的比例范围是大于等于1:8,且小于等于


2:1。


在该混合气体的反应下,获得的膜层(以氮化硅为例)的折射率约在2.0-3.0


之间。折射率体现的是膜层中单质硅和反应气体的化学计量比,折射率越大说


明其中的硅越多,反之,折射率越小说明氮化硅中氮的含量越多,因此,本发


明实施例提供的方法可以很容易在特定范围内控制氮化硅薄膜的折射率,并且


膜层的折射率可调。


另外,在本发明实施例中提供的反应气体为氮气,所述溅射气体可以为氩


气。


步骤S104,采用直流电源为所述靶材提供工作电压。


在实际应用中,所述直流电源的功率范围是大于等于6kW,且小于等于


10kW。


在该方法中,所述直流电源为阴极,连接所述靶材。


相应的,所述基片为阳极。阴极与阳极之间可以形成电场。


步骤S105,当所述直流电源开启时,通过反应溅射方式在所述基片上沉积


阻挡膜层。


当靶材、基片设置在反应腔室中,且向反应腔室中通入一定量的反应气体


和溅射气体,之后接通直流电源,由于阴极靶材与阳极基片之间已经形成电场,


充入到反应腔室中的溅射气体便会开始辉光放电,当辉光放电开始时,正离子


就会轰击靶材,使靶材表面的原子逸出,并且该原子可与反应气体发生反应,


形成非金属化合物沉积在所述基片上,因此,基片上可形成阻挡膜层。


由于靶材中还掺杂一定浓度的铝,当正离子轰击靶材时,也可能轰击铝,


形成铝原子,同样铝也可以与反应气体反应形成氧化铝或者氮化铝,由于氧化


铝和氮化铝也可以作为阻挡膜层,因此不会影响制备的阻挡膜层的特性。


采用本发明实施例提供的方法可以在1240×635mm的基片上获得的氮化


硅薄膜厚度和折射率的均匀性分别为±4.7%和±0.5%。


本发明实施例还提供一种制备阻挡膜层的设备,图4是本发明实施例提供


的一种制备阻挡膜层的设备的结构示意图,请参照图4,该设备包括直流电源


401、反应腔室405、混合气体(图未示)、靶材402和基片403,所述混合气体


被通入至所述反应腔室405中,所述靶材402和基片403设置在所述反应腔室


405中,所述直流电源401为所述反应腔室405的溅射反应提供动力。


该装置还包括传动轮404,所述传动轮404设置在所述反应腔室405的下端,


所述基片403设置在所述传动轮404上;所述靶材402设置在所述反应腔室405


的上端。


由于上述设备是与所述制备阻挡膜层的方...

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图1
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