阅读说明：本技术 带遮挡的溅射沉积装置及方法 (Sputtering deposition device with shielding and method ) 是由 蒂莫西·内格尔 托马斯·黑克尔 于 2019-07-05 设计创作，主要内容包括：一种带遮挡的溅射沉积系统和方法,该系统包括一个工艺模块,该工艺模块包括一个配置为接收一个移动衬底的真空外壳,设置在该真空外壳中的多个溅射靶,每个溅射靶包括一种靶材,以及一个设置在该衬底和相邻溅射靶的间隙空间之间的外部遮蔽件。该外部遮蔽件可以构造为至少部分地阻挡溅射靶材间接沉积在该衬底上,并允许溅射靶材直接沉积在该衬底上。(A masked sputter deposition system and method includes a process module including a vacuum enclosure configured to receive a moving substrate, a plurality of sputter targets disposed in the vacuum enclosure, each sputter target including a target material, and an outer shield disposed between the substrate and a gap space of an adjacent sputter target. The outer shield can be configured to at least partially block indirect deposition of the sputtering target on the substrate and to allow direct deposition of the sputtering target on the substrate.)

带遮挡的溅射沉积装置及方法

背景技术

本披露总体上涉及一种带遮挡的溅射沉积装置和用于沉积一种溅射导 电材料的方法。

“薄膜”光伏材料是指在一个供应结构支撑的衬底上作为一个层来沉积 的多晶或非晶的光伏材料。薄膜光伏材料与单晶半导体材料的区别在于有着 较高的制造成本。一些提供高转换效率的薄膜光伏材料包括含硫族元素化合 物半导体材料，诸如铜铟镓硒(“CIGS”)。

薄膜光伏电池(也称为光伏电池)可以使用基于溅射、蒸发或化学气相 沉积(CVD)技术的卷对卷涂布系统来制造。薄箔衬底，诸如箔网衬底，由一 个卷以线性带状方式供给，穿过一系列单独的真空室或一个单个分开的真空 室(在这里薄箔衬底接收所需的层)以形成薄膜光伏电池。在这样的一种系统 中，可以在一个卷上供应一个具有有限长度的箔。新卷的末端可以偶联到前一 个卷的末端，以提供一个连续进给的箔层。

概要

根据不同的实施例，供了一种包括工艺模块的溅射沉积系统，该工艺 模块包括：一个设置为接收一个移动衬底的真空外壳；一个设置在该真空外 壳中的溅射靶，每个溅射靶包括一种靶材；以及一个设置在该衬底和相邻溅 射靶间隙空间之间的一个外部遮蔽件，该外部遮蔽件构造为至少部分阻挡该 溅射靶材间接沉积在该衬底上，并且允许该溅射靶材直接沉积在该衬底上。

根据不同的实施例，提供了一种溅射沉积方法，包括：用设置在一个 真空外壳中的溅射靶来溅射一种靶材；以及通过直接沉积在一个移动通过该 真空外壳的衬底上沉积该溅射靶材，同时用设置在该衬底和相邻溅射靶的间 隙空间之间的外部遮蔽件至少部分地阻挡溅射靶材在衬底上的间接沉积。

具体实施方式

图1为根据本披露一个实施方式的薄膜光伏电池的示意性垂直剖面图。

图2为根据本披露一个实施方式的可以用于制造图1中所展示的光伏 电池的第一示例性模块化沉积装置的示意性俯视图。

图3为根据本披露一个实施方式的可以用于制造图1中所展示的光伏 电池的第二示例性模块化沉积装置的示意性俯视图。

图4为根据本披露一个实施方式的示例性密封连接单元的示意性俯视 图。

图5A和5B是本披露不同实施例的包括一个遮蔽件的工艺模块的局部 透视图。

图6A和6B是本披露不同实施例的包括一个阻挡遮蔽件的工艺模块的 局部透视图。

图7是根据本披露不同实施方式的展示溅射沉积方法的框图。

详细说明

如上所讨论的，本披露是针对一种用于在一个网状衬底上形成光伏器 件的装置和方法。特别地，本披露涉及一种用于选择性地沉积n掺杂和/或透 明导电层以增加整体器件均匀性的装置和方法。该网状衬底典型具有的宽度 (即，对于一个垂直放置的网状衬底而言是该网状衬底的高度，其垂直于该网 状衬底的长度(即，移动方向))为至少10cm，并且宽度通常为约1米或更 宽，诸如1至5米。即使在一个大的沉积室中，按照一个大的网状衬底宽度 来沉积厚度和/或组成均匀的膜也是一个挑战。特别地，一种靶材的沉积比率 可能沿一个靶的长度而变化，这可能导致层的形成不均匀。在一个实施方式中， 不希望受特定理论的束缚，本发明人确定可以通过至少部分地阻挡该靶的中 央区域的直接沉积来补偿在一个靶的末端区域附近较低的沉积比率。

附图未按比例绘制。一个元件的多个实例可以在对该元件的单一实例 做出展示的地方进行重复，除非另外明确地描述或清楚地指出该元件的重复 不存在。诸如“第一”，“第二”和“第三”之类的序数词仅用于标识类似的 元件，并且在本披露的说明书和权利要求书中可能采用不同的序数词。如本文 所用的，位于一个第二元件“上”的一个第一元件可位于该第二元件表面的外 侧上或该第二元件的内侧上。如本文所用的，一个第一元件“直接”位于一 个第二元件“上”，如果在该第一元件的表面和第二元件的表面之间存在一个直接的物理接触的话。

参照图1，展示了一个光伏电池10的垂直剖面图。该光伏电池10包括 一个衬底，诸如一个导电衬底12，一个第一电极20，一个p掺杂半导体层30， 一个n掺杂半导体层40，一个第二电极50和一个可选的抗反射(AR)涂层 (未示出)。

该衬底12优选为一种柔性的导电材料，诸如一种金属箔，该金属箔被 送入具有一个或多个工艺模块的系统中，作为一个网用于在其上沉积多个附 加层。例如，该导电衬底12的金属箔可以是金属或金属合金片，诸如不锈钢， 铝或钛。如果该衬底12是导电的，则它可能包括电池10的背面(即，第一) 电极的一部分。因此，该电池10的第一(背面)电极可以被指定为(20,12)。 任选地，该导电衬底12可以是导电的或绝缘的聚合物箔。还任选地，该衬底 12可以是聚合物箔和金属箔的一个堆叠。在另一个实施方式中，该衬底12可 以是一个刚性玻璃衬底或一个柔性玻璃衬底。该衬底12的厚度可以在从100 微米至2毫米的范围内，但是也可以采用更小和更大的厚度。

该第一或背面电极20可以包括任何合适的导电层或层堆叠。例如，电 极20可以包括一个金属层，该金属层可以是例如钼。任选地，可以替代使用 钼和钠和/或氧掺杂钼的层的堆叠，如美国专利号8,134,069中所述的，将其通 过引用以其全文结合在此。在另一个实施方式中，该第一电极20可以包括掺 杂有K和/或Na的钼材料层，即，MoKx或Mo(Na,K)x，其中x可以在1.0× 10^-6至1.0x10^-2的范围内。该电极20具有的厚度可以是从500nm至1微米的范围内，但是也可以采用更小和更大的厚度。

该p掺杂半导体层30可以包括p型钠掺杂铜铟镓硒(CIGS)，其用作 半导体吸收层。该p掺杂半导体层30的厚度可以是在从1微米至5微米的范 围内，但是也可以采用更小和更大的厚度。

该n掺杂半导体层40包括一种n掺杂半导体材料，例如CdS，ZnS， ZnSe，或任选是金属硫化物或金属硒化物。该n掺杂半导体层40的厚度典型 是小于该p掺杂半导体层30的厚度，并且可以是在从30nm至100nm的范 围内，但是也可以采用更小和更大的厚度。在该p掺杂半导体层30和该n掺 杂半导体层40之间的结是p-n结。该n掺杂半导体层40可以是一种对于至 少部分的太阳辐射而言实质上是透明的材料。该n掺杂半导体层40也称为窗 口层或缓冲层。

该第二(例如，正面或顶部)电极50包括一个或多个透明导电层50。 该透明导电层50是导电的并且实质上是透明的。该透明导电层50可包括一 种或多种透明导电材料，诸如ZnO、氧化铟锡(ITO)、Al掺杂的ZnO(“AZO”)、 硼掺杂的ZnO(“BZO”)，或较高电阻率的AZO和较低电阻率的ZnO、ITO、 AZO和/或BZO层的组合或堆叠。该第二电极50和一个互连件的导电部分 (例如，金属线或迹线)相接触，诸如2014年12月16日发布的美国专利号 8,912,429中描述的一个互连件，将其通过引用以其全文结合在此，或者在光 伏板中使用的任何其他合适的互连件。

现在参照2，示出了用于形成图1中所展示的光伏电池10的一个装置 1000。该装置1000是第一示例性模块化沉积装置，其可用于制造图1中所展 示的光伏电池。该装置1000包括一个输入单元100，一个第一工艺模块200， 一个第二工艺模块300，一个第三工艺模块400，一个第四工艺模块500和一 个输出单元800，它们被顺序连接以适应该衬底12以一个网状箔衬底层的形 式连续流动通过该装置。这些模块(100，200，300，400，500)可以包括在2016年4月5日发布的美国专利号9,303,316中描述的模块，将其通过引用以 其全文结合在此，或者任何其他合适的模块。这些第一、第二、第三和第四工 艺模块(200，300，400，500)可分别通过第一、第二、第三和第四真空泵(280， 380，480，580)达到真空状态。这些第一、第二、第三和第四真空泵(280，380，480，580)可分别为这些第一、第二、第三和第四工艺模块(200，300， 400，500)每个提供一个适当水平的相应基础压力，该基础压力可以是在从1.0 ×10^-9托至1.0×10^-2托的范围内，并且优选在从1.0×10^-9托至1.0×10^-5托的 范围内。

每相邻对的工艺模块(200，300，400，500)使用一个真空连接单元99 来互连，该真空连接单元可包括一个真空管和一个可选的狭缝阀，该狭缝阀能 够在该衬底12不存在时起隔离作用。该输入单元100可以采用一个密封连接 单元97连接到该第一工艺模块200。最后一个工艺模块，诸如第四工艺模块 500，可以采用另一个密封连接单元97连接到该输出单元800。

该衬底12可以是一个金属或聚合物的网状箔，其被送入具有工艺模块 (200，300，400，500)的系统中，作为一个网用于在其上沉积多个材料层以 形成光伏电池10。该衬底12可以从一个入口侧(即，在该输入模块100处) 进给，在不停止的情况下连续地移动通过该装置1000，并且在一个出口侧(即， 在该输出模块800处)离开该装置1000。该衬底12可以，以一个网的形式， 设置于一个输入卷轴110上，该输入卷轴设于该输入模块100中。

该衬底12，如呈现为一个金属或聚合物网状箔，通过输入侧的多个卷 120、输出侧的多个卷820和这些工艺模块(200，300，400，500)中的多个 附加卷(未示出)、多个真空连接单元99，或多个密封连接单元97、或其他 设备，而移动通过该装置1000。可以使用多个附加的引导卷。一些(120，820) 可以是弯曲的以将该网(即，该衬底12)展开，一些可以移动以使网转向， 一些卷可以向多个伺服控制器提供网的张力反馈，并且其他可以是仅将网运行到理想的位置的惰卷。

该输入模块100可以配置为允许通过由焊接、钉合或其他合适手段毗 连的多个箔来连续进给该衬底12。衬底12的卷可以设置在多个输入卷轴110 上。可以提供一个连接装置130以将该衬底12的每个卷的一末端毗连到衬底 12的下一卷的开始端。在一个实施方式中，该连接装置130可以是电焊机或 订书机。可以采用一个累加器装置(未示出)来将该衬底12连续进给到该装 置1000中，同时该连接装置130将两卷衬底12进行毗连。

在一个实施方式中，该输入模块100可以执行多个预处理步骤。例如， 可以在该输入模块100中的衬底12上进行预清洁处理。在一个实施方式中， 该衬底12可以经过一个加热器阵列(未示出)，该加热器阵列配置为至少提 供足够的热量以去除吸附在该衬底12表面上的水。在一个实施方式中，该衬 底12可以经过一个构造为圆柱形旋转磁控管的辊。在这种情况下，当该衬底 12在该卷/磁控管的周围经过时，可以通过DC、AC或RF溅射来连续清洁该 衬底12的前表面。来自该衬底12的溅射材料可以捕获在一个一次性使用的 遮蔽件上。可选地，可以采用另一个辊/磁控管来清洁该衬底12的后表面。在 一个实施例中，可以用线性离子枪替代磁控管来进行该衬底12的前表面和/或 后表面的溅射清洁。任选地或可选地，可以在将该衬底12的卷载到该输入模 块100之前进行一个清洁处理。在一个实施方式中，可以在该输入模块100中 进行电晕辉光放电处理，而不引入电偏压。

该输出模块800可以包括一个输出卷轴810，该输出卷轴卷绕了体现为 光伏电池10的网。该光伏电池10是该衬底12和其上的这些沉积层(20，30， 40，50)的组合。

在一个实施方式中，该衬底12可以在该输入模块100和/或该输出模块 800中的一个方向上，并且可以在这些工艺模块(200，300，400，500)中的 一个不同方向上定向。例如，该衬底12可以总体上在该输入模块100和输出 模块800中水平地定向，并且总体上在这些工艺模块(200，300，400，500) 中垂直定向。可以诸如在该输入模块100和该第一工艺模块200之间提供一 个转向卷或转向杆(未示出)以改变衬底12的定向。在一个展示性实施例中， 该输入模块中的转向卷或转向杆可以被构造为将该网状衬底12从初始水平定 向转向至垂直定向。可以诸如在该最后一个的工艺模块(诸如，第四工艺模块 500)和该输出模块800之间提供另一个转向卷或转向杆(未示出)以改变该 衬底12的定向。在一个展示性的实施例中，该输入模块中的转向卷或转向杆 可以被构造成将该网状衬底12从这些工艺模块(200，300，400，500)的处 理过程中采用的垂直定向变成水平定向。

该输入卷轴110和可选的输出卷轴810可以通过反馈信号主动进行驱 动和控制，以使该衬底12在整个装置1000中保持恒定的张力。在一个实施 方式中，该输入模块100和该输出模块800可以始终维持在空气气氛中，同 时这些工艺模块(200，300，400，500)在层沉积的过程中维持在真空状态。

参照3，展示了一个第二示例性模块化沉积装置2000，其可用于制造 图1中所展示的光伏电池。该第二示例性模块化沉积装置2000包括一个任选 的输出模块800，该输出模块包括一个切割装置840，而非一个输出卷轴810。 包含这些光伏电池10的网可以被送入该输出模块800的切割装置840中，并 被切割成多个不连续的光伏电池10的片，而无需卷绕到输出卷轴810上。这 些不连续的光伏电池片然后使用互连件进行互连，以形成包含电输出的光伏 板(即，太阳能组件)。

参照4所示，展示了一个示例性密封连接单元97。该单元97可包括在 2016年4月5日发布的美国专利号9,303,316中描述的密封单元，将其通过引 用以其全文结合在此，或任何其他合适的密封单元。该密封连接单元97被构 造为允许该衬底12从一个在前单元(诸如该输入单元100或该最后一个过程 室，诸如第四工艺模块500)中通过并进入一个后续单元(诸如该第一工艺模 块200或该输出单元800)，同时阻止诸如大气气体或处理气等气体进入或离 开毗连至该密封连接单元97的单元。该密封连接单元97可包括多个隔离室 72。

这些分级的隔离室72可以构造成维持多个内部压力，这些内部压力从 该密封连接单元97的第一侧(例如输入模块100或输出模块800的侧面)上 的大气逐渐变成该密封连接单元97的与该第一侧对立的第二侧(诸如，该第 一工艺模块200或最后一个工艺模块500的侧面)上的高真空。可以采用多 个隔离室72以确保任一密封表面处的压力差总体上小于大气压力和工艺模块 内的高真空之间的压力差。

该衬底12进入两个外部轧卷74之间的密封单元97。该密封连接单元 97的隔离室72各自可以通过一个内部分隔器78分开，该内部分隔器78是这 些隔离室72之间的一个内壁。可以在该内部分隔器78附近在一些相邻的内 部隔离室72之间设置一对内部轧卷76，其功能和布置与这些外部卷74的相 似。这些内部卷76之间的通道总体上是通过这些内部卷76和该衬底12之间 的滚轧密封件来封闭的。这些内部分隔器78可以包括多个弯曲的套筒或轮廓， 这些套筒或轮廓构造为接收具有类似曲率半径的多个内部卷76。通过该内部 卷76和该分隔器78之间的一个简单的面对面接触，可以缩短从一个隔离室 72到一个相邻的低压内部隔离室72的气体通道。

在其他实施方式中，可以为一些或所有的内部卷76提供一个密封件， 诸如一个刮擦密封件75，以进一步减少气体渗透到相邻的多个隔离室72中。 内部卷76可以是自由旋转的卷，或者可以是通电的以控制该衬底12通过该 密封连接单元97的通过速率。在其他隔离室72之间，相邻隔离室72之间的 气体通道可能受到多个平行板电导限制器79的限制。这些平行板电导限制器 79总体上是多个扁平的平行板，这些平行板被安排为平行于该衬底12的表 面，并且间隔开一个略大于衬底12的厚度的距离。这些平行板电导限制器79 允许该衬底在这些隔离室72之间通过，同时限制气体在多个腔室72之间通 过。

在一个实施方式中，该密封连接单元97还可以包括在进给起轧点处的 惰性气体净化。在一个实施方式中，该密封连接单元97还可以包括多个可选 的反向拱顶(reversecrown)或展开的卷。相邻室之间的压力差可能使这些内 部卷76变形，从而使它们向压力较低的室发生偏转或拱顶。放置这些反向拱 顶卷这样使得它们对真空引起的内部卷76的偏转进行校正。因此，除了被反 向拱顶卷校正的轻微变形之外，该密封连接单元97被设置为在不使网状衬底 12弯曲、转向或刮擦的情况下经过该网状衬底。

往回参照图2和图3，当该衬底12顺序通过这些第一、第二、第三和 第四工艺模块(200，300，400，500)时，这些第一、第二、第三和第四工艺 模块(200，300，400，500)中每个都可以沉积一个相应的材料层以形成光伏 电池10(图1中所示)。这些模块(100，200，300，400，500)可以包括第 一、第二、第三和第四加热器(270，370，470，570)，这些加热器配置成将 该衬底12加热到一个相应的合适的沉积温度。

可选地，可以在该输入模块100和该第一工艺模块200之间添加一个 或多个附加工艺模块(未示出)，以在该第一工艺模块200中沉积该第一电极 20之前在该衬底12的背面上溅射一个背面保护层。此外，在沉积该第一电极 20之前，可以在该衬底12的前表面上溅射一个或多个阻挡层。任选地或可选 地，可以在第一工艺模块200和第二工艺模块300之间添加一个或多个工艺 模块(未示出)，以在该第一电极20和包括含硫族元素化合物半导体材料 (chalcogen-containing compound semiconductor material)的p掺杂半导体层30之间溅射一个或多个粘附层。

该第一工艺模块200包括一个第一溅射靶210，其包括图1所展示的光 伏电池10中的第一电极20的材料。可以提供第一加热器270以将该网状衬 底12加热到沉积该第一电极20的一个最佳温度。在一个实施例中，可以在 该第一工艺模块200中使用多个第一溅射靶210和多个第一加热器270。在一 个实施例中，至少一个第一溅射靶210可以安装在双圆柱形旋转磁控管或平 面磁控溅射靶或RF溅射靶上。在一个实施例中，至少一个第一溅射靶210可 以包括：钼靶、钼-钠和/或钼-钠-氧靶，如美国专利号8,134,069中所述的，将 其通过引用以其全文结合在此。

将上面沉积有第一电极20的一部分衬底12移动到该第二工艺模块300 中。沉积一种p掺杂的含硫族元素化合物半导体材料以形成该p掺杂半导体 层30，诸如钠掺杂的CIGS吸收层。在一个实施方式中，可以使用反应*** 流(AC)磁控管溅射在一种溅射气氛中在一个减压下沉积该p掺杂的含硫族 元素化合物半导体材料，该溅射气氛包括氩和一种含硫族元素的气体。在一个 实施方式中，可以在该第二工艺模块300中提供多个金属组分靶310，这些金 属组分靶包括具有p掺杂的含硫族元素化合物半导体材料的金属组分。

如本文所用的，含硫族元素化合物半导体材料的“金属组分”是指含硫 族元素化合物半导体材料的非硫族化物组分。例如，在铜铟镓硒(CIGS)材 料中，这些金属组分包括：铜、铟和镓。这些金属组分靶310可以包括在该含 硫族元素化合物半导体材料中待沉积的所有非金属材料的合金。例如，如果该 含硫族元素化合物半导体材料是一种CIGS材料，则这些金属成分靶310可包 括铜、铟和镓的合金。可以使用两个以上的靶310。该第二加热器370可以是 将该网状衬底12的温度维持在沉积温度的一种辐射加热器，该沉积温度可以在从400℃至800℃的范围内，诸如从500℃至700℃的范围内，这对于CIGS 沉积而言是优选的。

在该第二工艺模块300上可以提供至少一个含硫族元素气体源320(诸 如，一个硒蒸发器)和至少一个气体分配歧管322，以向该第二工艺模块300 提供一种含硫族元素的气体。而图2和图3示意性地展示一个了第二工艺模 块300，其包括两个金属组分靶310，一个单一的含硫族元素气体源320，以 及一个单一的气体分配歧管322，在该第二工艺模块300中可以提供多个该含 硫族元素气体源320和/或该气体分布歧管322的实例。

该含硫族元素气体提供了硫族元素原子，这些硫族元素原子被结合到 该沉积的含硫族元素化合物半导体材料中。例如，如果要沉积一种CIGS材料 用于p掺杂半导体层30的话，则可以，例如，从硒化氢(H₂Se)和硒蒸气中 选择含硫族元素气体。在该含硫族元素气体是硒化氢的情况下，该含硫族元素 气体源320可以是一个硒化氢圆柱体。在该含硫族元素气体是硒蒸气的情况 下，该含硫族元素气体源320可以是一个硒蒸发器，诸如一个可以被加热产 生硒蒸气的扩散室(effusion cell)。

在沉积该含硫族元素化合物半导体材料的过程中，硫族元素的结合决 定了p掺杂半导体层30中含硫族元素化合物半导体材料的特性和质量。当以 气相在升高的温度下供应该含硫族元素气体时，这些来自该含硫族元素气体 的硫族元素原子可以通过吸收和随后的体扩散而结合到该沉积的膜中。该过 程称为硫化(chalcogenization)，其中发生了复杂的相互作用从而形成了含硫 族化合物半导体材料。该p掺杂半导体层30中的p型掺杂是通过以下方式引 发的：控制自这些金属组分靶310沉积的硫族元素原子的量相对于非硫族元 素原子(诸如CIGS材料中的铜原子，铟原子和镓原子)的量的缺少程度。

在一个实施方式中，每个金属组分靶310可以与一个相应的磁控管(未 明确示出)一起使用，来沉积一种具有相应组成的含硫族元素化合物半导体材 料。在一个实施方式中，这些金属组分靶310的组成可以沿着该衬底12的路 径逐渐改变，使得在该第二工艺模块300中可以沉积一种分级的含硫族元素 化合物半导体材料。例如，如果将一种CIGS材料沉积为该p掺杂半导体层30 的含硫族化合物半导体材料，则，该沉积的CIGS材料的镓的原子百分比可以 随着该衬底12前行通过该第二工艺模块300而增加。在这种情况下，可以将该光伏电池10的p掺杂半导体层30中的p掺杂CIGS材料进行分级，使得p 掺杂CIGS材料的带隙随着距该第一电极20和该p掺杂半导体层30之间界 面的距离而增加。

在一个实施方式中，这些金属组分靶310的总数可以是在从3到20的 范围内。在一个展示性实施例中，可以将该沉积的含硫族元素化合物半导体材 料的组成(例如，p掺杂的CIGS材料吸收体30)进行分级，使得该p掺杂 CIGS材料的带隙随着距该第一电极20和该p掺杂半导体层30之间界面的距 离而变化(例如，逐渐地或逐步地增大或减小)。例如，在与该第一电极20 的界面处带隙可以是约1eV，并且在随后形成的n掺杂半导体层40的界面处 可以是约1.3eV。

该第二工艺模块300包括一个用于沉积含硫族化合物半导体材料(用 于形成该p掺杂半导体层30)的沉积系统。如上所讨论的，该沉积系统包括： 一个真空外壳，该真空外壳被附接到一个真空泵(诸如至少一个第二真空泵 380)的；和一个溅射系统，该溅射系统包括位于该真空外壳中的至少一个溅 射靶(诸如，至少一个金属组分靶310，像Cu-In-Ga靶)以及至少一个相应的 磁控管。该溅射系统配置为于该真空外壳中在该衬底12上沉积一种材料，该 材料包括一种含硫族元素化合物半导体材料中的至少一种组分(即，该含硫族元素化合物半导体材料中的非硫族元素金属组分)。换言之，该模块300是一 个反应性溅射模块，在该模块中来自多个气体分配歧管322的硫族元素气体 (例如，硒蒸气)与自这些金属组分靶310溅射的金属(例如，Cu-In-Ga)反 应以在该衬底12上形成该含硫族元素化合物半导体材料(例如，CIGS)层30。

在一个展示性实施例中，该含硫族元素化合物半导体材料可包含铜铟 镓硒，并且至少一个溅射靶(即，这些金属组分靶310)可包含选自铜、铟、 镓、及其合金(例如，Cu-In-Ga合金，CIG)的材料。在一个实施例中，该含 硫族元素气体源320可以配置为供应一种选自气相硒和硒化氢(H₂Se)的含 硫族元素的气体。在一个实施例中，含硫族元素的气体可以是气相硒，即蒸汽 相硒，其是从一个扩散室中的一个固体源蒸发得到的。

尽管本披露使用了在该第二工艺模块300中采用多个金属组分靶310 的一个实施例进行描述，但是在此明确设想了以下多个实施方式：每个或一组 金属组分靶310替换为一对两个溅射靶(诸如一个铜靶和一个铟镓合金靶)， 或者一组三个超靶(诸如，一个铜靶、一个铟靶和一个镓靶)。

总体上说，该含硫族元素化合物半导体材料可以通过以下方式进行沉 积：在与一个真空泵380附接的真空外壳中提供一个衬底12，提供包含位于 该真空外壳中的至少一个溅射靶310和位于一个圆柱形靶310内侧的或者在 一个平面靶后面的(未明确示出)至少一个相应的磁控管的溅射系统，并且提 供具有供给侧和分配侧的一个气体分配歧管322。该含硫族元素化合物半导体 可以通过以下方式进行沉积：将一种包括含硫族元素化合物半导体材料中的 至少一种组分(即，非硫族元素组分)的材料溅射到该衬底12上，同时使一种含硫族元素的气体(例如，Se蒸汽)通过该气体分配歧管322流动进入真 空室。

使其上沉积有该第一电极20和该p掺杂半导体层30的衬底12的一部 分随后进入该第三工艺模块400。在该第三工艺模块400中沉积一种n掺杂半 导体材料，以形成图1的光伏电池10中所展示的n掺杂半导体层40。该第三 工艺模块400可以包括例如一个第三溅射靶410(如，CdS靶)和磁控管(未 明确示出)。该第三溅射靶410可包括例如旋转AC磁控管、RF磁控管或平 面磁控管。

在其上沉积有该第一电极20、该p掺杂半导体层30和该n掺杂半导体 层40的衬底12的一部分随后进入该第四工艺模块500。在该第四工艺模块 500中沉积一种透明导电氧化物材料以形成第二电极，该第二电极包括图1的 光伏电池10中所展示的透明导电层50。该第四工艺模块500可以包括例如一 个第四溅射靶510和一个磁控管(未明确示出)。该第四溅射靶510可以包 括例如一个ZnO、AZO或ITO靶和一个旋转AC磁控管、一个RF磁控管或一个平面磁控管。在包括p-n结的材料堆叠(30,40)上沉积一个透明导电氧 化物层50。在一个实施例中，该透明导电氧化物层50可以包括一种选自锡掺 杂的氧化铟料、铝掺杂的氧化锌和氧化锌的材料。在一个实施例中，该透明导 电氧化物层50具有的厚度可以在从60nm至1,800nm的范围内。

随后，该网状衬底12进入该输出模块800。该衬底12可以卷绕在图2 所展示的输出卷轴810(其可以是一个卷带轴)上，或者可以使用如图3中所 展示的切割装置840切割成多个光伏电池。

沉积控制

靶的沉积分布可能在一个衬底上变化。例如，溅射靶的边缘区域可能产 生比其中央区域更少的溅射靶材。相应地，衬底的边缘区域经受的沉积比率可 以低于其中央区域的。这种沉积变化可导致层和/或器件厚度变化，这可能会 对已制成的薄膜器件(如光伏电池)造成不利影响。例如厚度变化可能导致光 伏器件的颜色变化和/或性能降低。

减少这种厚度变化的常规方法可包括，采用一个直接设置在一个靶和 一个衬底之间的遮蔽件试图阻挡在靶的中央区域上的沉积，并且因此相应增 加在该衬底的边缘区域处的沉积。而为了实现一个均匀的沉积分布，这些沉积 方法可能需要使用多个带阻挡的靶和多个无阻挡的靶，这些靶以高功率运行 以便维持一个所需的层厚度。因此，这样的系统可能会经历多个温度尖峰，这 可能会使敏感的溅射材料(例如透明的金属氧化物层)退化。另外，以高功率 水平运行溅射靶也可能导致靶材从下面的陶瓷材料处开裂和/或脱粘，从而减 少靶寿命。

此外，大量昂贵的靶材会由于沉积在靶遮蔽件上而可能损失，导致成本 增加。此外，溅射靶材在阻挡遮蔽件上的累积可能导致靶材剥落，这可能导致 靶材电弧放电和/或短路。

鉴于常规沉积系统的上述和/或其他缺点，本披露的不同实施例提供了 多种沉积系统，这些沉积系统通过控制间接靶材沉积来使沉积均匀性得到改 进。例如，在诸如溅射的物理气相沉积工艺期间，溅射靶材可以直接和/或间 接地沉积在一个沉积衬底上。

相应地，术语“直接沉积”可以指一种工艺，通过这种工艺，一个靶材 的原子从一个靶射出(例如，溅射)并在沉积到一个沉积衬底上之前沿着一条 实质上是直线的法线或实质上是法线(例如，在法线的1到20度之内)行进 到该衬底表面。作为对比，术语“间接沉积”可以指一种工艺，通过这种工艺， 一个靶材的原子从一个靶射出沿着不是法线或者不是实质上法线的一条直线 到达该衬底表面(例如，在该衬底上的入射角更多是低于70度的一条对角线)， 或者通过这种工艺，从该靶射出的靶材原子不会沿着一条直线从该靶延伸到 一个沉积衬底，这样使得这些原子在沉积到该衬底上之前必须一次或多次改 变方向。

为了提供改进的沉积控制，多个实施例可包括一个或多个具有外部带 遮挡的溅射靶的工艺模块。如本文所用，术语“外部带遮挡的”靶可以指与一 个或多个遮蔽件相邻设置的一个靶，这些遮蔽件构造为至少部分地阻挡溅射 靶材间接沉积到一个衬底上，同时允许来自靶的溅射靶材实质上全部直接沉 积在该衬底上。例如，外部带遮挡的靶的一个外部遮蔽件可以阻挡全部或者实 质上全部到衬底的某些区域上的间接沉积，同时允许直接沉积。

在一些实施例中，工艺模块中包括的所有靶可以在外部进行遮挡。而在 一些实施方式中，单个工艺模块可以包括外部带遮挡的靶和无遮挡的靶，或者 可以使用包括外部带遮挡的靶和无遮挡的靶的多个单独模块。

例如，图2所示的第四工艺模块500可以包括一个或多个外部带遮挡 的靶，这个或这些靶构造为在该衬底12上均匀沉积一个相应的层或膜。而在 一些实施方式中，在形成光伏器件的任何层时，可以使用多个外部遮蔽件。特 别地，如图1所示的，在该衬底12上形成该吸收层30后，可以采用外部带 遮挡的沉积。

图5A是根据本披露不同实施例的包括一个外部遮蔽件的工艺模块501 的局部透视图，该外部遮蔽件包括多个单独的遮蔽件600(即，遮蔽构件)。 图5B是示出了根据本披露不同实施例的可任选地包括在工艺模块501中的示 例性遮蔽件的局部透视图。该工艺模块501可以类似于如工艺模块400和/或 500。因此，将仅详细讨论它们之间的差异。

如图5A所示，该工艺模块501可包括设置在一个真空外壳503中的多 个溅射靶510。该真空外壳503可包括多个隔离壁505，这些隔离壁构造为将 这些靶510进行分离和/或将该真空外壳503分隔成多个单独的室。然而，在 一些实施方式中，多个靶可以设置在一个单室或外壳中。这些靶510可包括 相同的靶材。例如，这些靶510可以包括多种透明导电氧化物，诸如ZnO和 /或Al掺杂的ZnO等。而在其他实施方式中，可以使用不同的靶材。

该工艺模块501可以包括含多个单独遮蔽构件600的一个外部遮蔽件。 这些遮蔽构件600可以附接到这些隔离壁505上。在其他实施方式中，这些 遮蔽构件600可以附接到该真空外壳503的门上，悬挂在其中，或者可以通 过任何其他合适的方法或结构进行固定。这些遮蔽构件600可以构造为外部 遮挡每个靶510。然而在一些实施方式中，可以省略一个或多个遮蔽构件600 这样使得一个或多个靶510不受遮挡。

这些遮蔽构件600可以由一种导电材料制成，例如金属。在一些实施 方式中，这些遮蔽构件600可以是电浮置的或接地的，或者可以具有一个施 加的电偏压，该电偏压与施加到这些靶510的电偏压相反。例如，当电偏置 时，在这些靶510溅射的过程中，这些遮蔽构件600可以作为阳极，其中这 些靶510中每个的磁控管作为阴极。

这些遮蔽构件600可以设置为使一个衬底12沿移动方向D1移动通过 工艺模块时是直接暴露给这些靶510的。换言之，这些遮蔽构件600可以设 置在相邻靶510之间的一个间隙位置处，或者可以相对于一单个靶510横向 设置并且可以是直接处于该靶510和该衬底12之间的一条线。因此，这些遮 蔽构件600可以构造为阻挡溅射靶材的间接沉积，同时允许溅射靶材的直接 沉积(例如，靶材直接从一个靶510移动到该衬底12)。

这些遮蔽构件600可以具有相同的形状，例如图5A中所示的这些矩形 遮蔽构件600。而在一些实施方式中，这些遮蔽构件600中的一个或多个可以 具有一个不同的形状。特别地，在一些实施方式中，可以将一个或多个遮蔽构 件的形状进行修改以控制靶材在衬底12上的沉积。例如，这些遮蔽构件600 可以构造为在该衬底12的多个边缘区域(如顶部边缘区域和底部边缘区域 12T、12B)提供相比于该衬底12中心区域12C而言更高的沉积比率。特别 地，这些遮蔽构件600可以构造为阻挡在该衬底12中央区域12C上的全部或 实质上全部(例如，至少95％)的间接沉积。。

例如，如图5B所示，该工艺模块501可以包括一个外部遮蔽件，该外 部遮蔽件包括一个或多个椭圆形遮蔽构件600A、菱形遮蔽构件600B、五边形 遮蔽构件600C、圆角矩形遮蔽构件600C、梯形遮蔽构件600E、以及它们的 组合等。然而，本披露不限于任何特定的遮蔽构件形状，并且这些遮蔽构件可 以进行修改以提供不同的沉积图案。例如，在一些实施方式中，一个沙漏形遮 蔽构件可用于在该衬底12的中心区域12C处提供比在顶部区域和底部区域 12T、12B处相对更高的沉积比率。因此，一个外部遮蔽件可以包括多个遮蔽 构件，这些遮蔽构件构造为对层沉积比率的控制进行改进。例如，一个外部遮 蔽件可以构造为增加衬底上的沉积比率均匀性和/或整个器件的厚度均匀性。

图6A是根据本披露不同实施例的工艺模块601的局部透视图，该工艺 模块包括含多个沉积孔612的一个外部遮蔽件610。图6B是根据本披露不同 实施例的可任选地包括在工艺模块601的外部遮蔽件610中的多个示例性孔 的局部透视图。该工艺模块601可以类似于工艺模块501。因此，将仅详细讨 论它们之间的差异。

参照6A，该工艺模块601可以包括设置在一个真空外壳503中的多个 溅射靶510。该真空外壳503可包括多个隔离壁505，这些隔离壁构造为将这 些靶510进行分离和/或将该真空外壳503分隔成多个分离的室。然而，在一 些实施方式中，多个靶510可以设置在一单个室或外壳中。这些靶510可包 括相同的靶材。例如，这些靶510可以包括多种透明导电氧化物，诸如ZnO 和/或Al掺杂的ZnO等。而在其他实施方式中，可以使用不同的靶材。

该外部遮蔽件600可以设置在该真空室503和一个衬底12之间。例如， 该遮蔽件600可以设置在该衬底12和和相邻溅射靶510的间隙空间之间。该 遮蔽件610可以附接到这些隔离壁505上。在另外一些实施方式中，该遮蔽 件610可以附接到该真空外壳503的门上，悬挂在其中，或者可以通过任何 其他合适的方法或结构进行固定。该外部遮蔽件610可以设置在如图6A中所 示的每个或这些靶510的前面。在其他实施方式中，该外部遮蔽件610可以 构造为使这些靶510中的一个或多个是无遮挡的。

该外部遮蔽件610可以由一种导电材料制成，例如金属。在一些实施 方式中，该外部遮蔽件610可以是电接地的或电浮置的，或者可以具有一个 施加的电偏压，该电偏压与施加到这些靶510的电偏压相反。例如，当电偏置 时，在这些靶510的溅射过程中，该外部遮蔽件610可以作为一个阳极来操 作，其中这些靶510每个中的磁控管作为一个阴极来操作。

该外部遮蔽件610可以包括多个沉积孔612，这些沉积孔构造为直接将 这些靶510直接暴露给该衬底12。例如，从每个靶510射出的靶材可以按一 条实质直的线通过穿过一个相应的孔612到达该衬底12。因此该遮蔽件610 可以构造为使该衬底12在移动方向D1上移动通过该工艺模块601，该衬底 12的多个部分直接暴露给这些靶510，使得可以发生溅射靶材的直接沉积。 换言之，该遮蔽件600可以构造为覆盖在相邻靶510之间的多个间隙位置， 并且可以相对于单个靶510横向设置并且可以是直接处该于靶510和该衬底 12之间的一条线。因此，该外部遮蔽件610可以构造为至少阻挡溅射靶材的 一些间接沉积，同时允许溅射靶材的全部或实质上全部直接沉积。

这些孔612可以具有任意合适的形状。例如，如图5A中所示这些孔 612可以都是矩形的。然而，在一些实施方式中，这些孔612中的一个或多个 可以具有不同的形状。特别地，在一些实施方式中，可以将一个或多个孔612 的形状进行修改以在该衬底12上提供一个所需的沉积分布。在一些实施方式 中，这些孔612可以构造为在该衬底12的多个边缘区域(如顶部边缘区域和 底部边缘区域12T、12B)提供相比于该衬底12中心区域12C而言更高的沉积比率。

例如，如图5B中所示，该工艺模块601可以包括一个外部遮蔽件610， 该外部遮蔽件具有一个或多个沙漏孔612A、圆形沙漏孔612B、抛物线孔612C、 圆角矩形孔612D，以及它们的组合等。然而，本披露不限于任何特定的孔的 形状，并且这些孔可以进行修改以提供不同的沉积图案。例如，多个孔如孔 612A、612B和612C可用于在中心区域12C处提供相比于该衬底12的顶部 区域和底部区域12T、12B处相对更低的沉积比率，同时多个孔如孔612C等孔可以用于在衬底12的中心区域12C处提供比在顶部区域和底部区域12T、 12B处相对更高的沉积比率。因此，这些孔612可以构造为改进层和/或整个 器件的厚度均匀性。

图7是本披露不同实施例的展示溅射沉积方法的框图。该方法可以涉 及使用如以上关于图2和图3讨论的一种沉积系统，其中该沉积系统包括至 少一个含有如以上关于图5A、5B、6A和6B讨论的外部带遮挡的靶的工艺模 块。

参照图2、3、5A、5B和7，在步骤700中，该方法可以包括在一个衬 底上形成一个第一或背面电极。例如，在该衬底移动通过该第一工艺模块200 时，可以在该衬底上沉积该第一电极。

在步骤710中，可以在该第一电极上形成一个吸收层(即，p掺杂半导 体层)。例如，在该衬底移动通过该第二工艺模块300时，可以在该衬底上沉 积该吸收层。

在步骤720中，可以在该吸收层上形成一个n掺杂半导体层。例如，在 该衬底移动通过该第三工艺模块400时，可以在该衬底上沉积该n掺杂半导 体层。

在步骤730中，可以在一个n掺杂半导体层上形成一个第二电极。例 如，在该衬底移动通过该第四工艺模块500时，可以在该衬底上沉积该第二 电极。

步骤720和/或730可以包括使用含如上所述的外部带遮挡的靶的多个 工艺模块。例如，该第二电极可以通过以下方式形成：使用多个外部带遮挡的 靶在该衬底上选择性形成多个靶材层，这样使得这些材料层具有改进的均匀 性。特别地，可以使用这些外部带遮挡的靶通过选择性阻挡到该衬底的中央区 域上的间接沉积来减少膜厚度的变化，这些变化可能在其他方面因为无遮挡 的靶而产生的沉积比率变化而发生。

可任选地，该方法可以包括步骤740，其中可在该衬底上形成多个附加 层。例如，可选步骤740可以包括在该衬底上形成一个抗反射层和/或一个保 护层。

根据本披露的不同实施例，提供了多种可调的系统和方法，包括外部带 遮挡的沉积靶，这些沉积靶可以配置为在制造薄膜器件的过程中(如光伏器 件)，与使用无遮挡的靶形成的层相比，使层沉积均匀性增加。特别地，本披 露提供了具有外部带遮挡的靶的沉积模块，这些沉积模块使得层沉积高度均 匀，而不会遭受靶的沉积比率降低，而靶的沉积比率降低可能是在使用一个阻 挡遮蔽件直接阻挡一个靶时发生的。此外，与常规带阻挡的靶系统相比，本披 露的外部带遮挡的靶可以在一个较低的电压下运行，从而降低靶脱粘和/或破 裂的风险，并延长靶寿命。

另外，与传统的阻挡遮蔽件相比，多种实施方式提供了经历靶材沉积减 少的多个外部遮蔽件。因此，多种实施方式提供了较低的电弧放电和/或短路 的风险。

虽然把溅射描述为将所有层沉积到衬底上的优选方法，但是也可以通 过MBE、CVD、蒸发、电镀等来沉积一些层。

应理解，本发明不限于以上描述和在此展示的这个或这些实施方式和 这个或这些实施例，而是包括任何和所有落入所附权利要求范围内的变体。例 如，从权利要求和说明书中明显看出，并非所有方法步骤都需要以所展示或要 求保护的精确顺序来进行，而是以允许适当形成本发明的光伏电池的任何顺 序来进行。