CN102418079A - 一种改型磁控溅射靶材部件及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改型的平面靶材结构及其靶材利用率最大化，应用于薄膜太阳能电池低温沉积导电膜层，属于太阳能磁控溅射设备技术领域。其特征是将靶材划分多个溅射区域，在溅射区域的两头端部，其溅射轨道沟槽最深，中间直道靶材溅射轨道沟槽部分的靶材是拼接靶材组合件。本发明创造的实施有效提高了靶材的利用率，结构简单，安装更换方便。

Description

一种改型磁控溅射靶材部件及其方法

技术领域

本发明涉及一种改型的平面靶材结构及其靶材利用率最大化，应用于薄膜太阳能电池低温沉积导电膜层，属于太阳能磁控溅射设备技术领域。

背景技术

硅基薄膜太阳能电池应用物理气相沉积PVD（PHYSICAL  VAPOR DEPOSITION）技术，即磁控溅射镀膜技术，在基片上沉积硅基薄膜太阳能电池的背电极金属氧化物AZO导电薄膜层。常规的磁控溅射镀膜技术，通过在靶材背面放置磁极提供磁场，通过对靶材施加负高压，以靶材作为阴极，基片作为阳极，在靶材与基片之间形成电场。磁控溅射镀膜是利用磁场与电场交互作用，使电子在靶面上螺旋状运行，并不断撞击氩气产生离子，所产生的离子在电场作用下撞向靶面溅射出靶材，沉积在基片上获得所需的导电薄膜层。在使用矩形平面靶材做磁控溅射镀膜时，由于磁场产生的磁力线在靶面分布不均，在磁力线集中的地方，等离子体最强，对应的靶面上由于溅射形成“V”型沟道，此处靶材消耗最快、整个靶不能再使用，成了易损件，出现的问题靶材利用率不高。尤其受阴极端头效应影响，在阴极端头表面离子体的均匀性受等离子体电子跑道转弯处影响，在靶面对角线端部区域，等离子体强靶材消耗多，而在靶材直道区域，靶材消耗较少，这就形成了靶材端部区域和直道区域溅射沟道深度不均匀现象。特别对较昂贵的溅射金属靶材，利用率直接影响到产品成本上升。因此，提高靶材利用率成为需要解决的课题，目前解决办法主要有三种形式：一是采用旋转靶技术，旋转靶能在离子轰击靶材时均匀消的消耗靶材。问题是旋转靶材制造复杂，设备成本较高，并不是所有多材料都能制成旋转靶，使应用受限；二是采用移动靶或移动磁场技术，如中国专利申请号201110033285.3《一种高利用率的平面磁控溅射靶》公开了通过移动机构带动靶材移动，使溅射位置跟着变化，拉宽了靶溅射区域，但无法解决靶端头效应，靶材溅射沟道深度不均匀的问题；三是将靶材表面制成异形，在溅射损耗大的区域位置制成凸台，如中国专利申请号201020552221.7《一种长寿命溅射靶材》公开的是一个整体结构的靶材，不能拆卸，使用时需要不同的模具制造，仍然给靶材和靶的利用率留出待改进的空间。

发明内容

本发明针对目前存在的问题，发明一种提高利用率的组合式靶材结构实现靶材利用的最大化，提出了改进平面靶材的结构和方法，目的在于通过对靶材溅射消耗轨道的测试，确定溅射深度区域划分，改进直道靶材可以任意拼接和组合。

目的还在于解决贵重靶材的节约用材的途径。使得溅射消耗多的位置和溅射消耗少的位置的靶材利用最大化。

本发明采用的技术解决方案：通过对靶材溅射的消耗轨道测试数据确定靶材的安装位置，根据溅射深度划分区域，确定采用的靶材厚度，根据平面靶材设计需要，将靶材任意拼接组合形成一个完整溅射靶，且更换时只需更换消耗尽的靶材，实现靶材的最大利用率。

本发明的技术方案是：改型的磁控溅射靶材部件，包括两头端部靶材和中间直道靶材，金属衬底和背板，其特征在于：两头端部靶材包括溅射轨道沟槽最深的部分，中间直道靶材包括溅射轨道沟槽及其它部分，两头端部靶材和中间直道靶材通过斜面相连接，两头端部靶材的斜面压住中间直道靶材的斜面通过螺栓和背板一起固定在靶座上。

本发明改型靶材的技术解决方案是：磁控溅射靶材的两头端部，其靶材厚度大于等于中间直道靶材区域的靶材厚度。中间直道靶材可以是整块靶材，也可以是多块拼接。

本发明为了解决所说的磁控溅射靶材的两头端部的靶材厚度大于中间直道靶材的厚度，可以通过中间直道靶材的背部垫装金属板衬垫使其表面与两头端部靶材的表面平齐，或通过将背板中间与中间直道靶材接触面增高使其表面与两头端部靶材的表面平齐。

本发明所述的改型组合式靶材结构适合平面固定靶或平面移动靶。溅射区域的靶材由可拆卸的组合件构成磁控溅射的阴极部件。

本发明创造的积极效果；由于对靶材进行了分区组合，因此只需更换消耗掉的靶材。杜绝了仅因靶材部分消耗殆尽就做整体靶材报废的浪费处理。节约并提高了靶材的利用率，同时对中间区域采用条块拼接还可进一步提高靶材的利用率，结构简单，安装更换方便。

附图说明

  以下结合附图和实施例进一步说明本发明创造的内容。

图1、是已有技术矩形平面靶材磁控溅射靶材沟道剖面消耗示意图。

图２、是本发明创造实施例1靶材的剖面示意图。

图3、是图2中A向视图。

图4：实施例一应用剖面示意图。

图5：实施例二组合靶材的剖视示意图。

图6：图4中B向视图。

图7：实施例二应用剖面示意图。

见图1，其中1常规靶材，表面消耗殆尽的示意图，L1、L2分别表示靶材两头区域端部和直道区域溅射沟槽，D1表示靶材端部区域溅射沟槽消耗深度较深, D2表示直道区域溅射沟槽消耗深度较浅且均匀。图２、图3端部靶材１０１，中间区域的直道靶材102，背板2，靶材的金属板衬垫3，固定靶材１与背板的衬底３的螺栓4。

图4-图7，真空腔体10、靶座5、维修门6、密封圈7、磁铁8、冷却水9、基片11、基片架12、偏心轮13、电机14。

具体实施方式

实施例1：

本实施例用于固定平面靶在固定磁场溅射薄膜太阳能电池的背电极AZO膜。

首先对原有采用整块靶材的耗尽靶材1进行测量，图1 所示为一般使用情况下矩形平面靶材磁控溅射靶材沟道剖面消耗示意图，其中：端部区域溅射沟槽消耗深度较深，记为D1，直道区域溅射沟槽消耗深度较浅且均匀，记为D2，两个端部消耗较深处区域长度分别记为L1，直道区域长度记为L2，直道区域靶材溅射沟道宽度记为W，溅射沟道内边缘间距记为W1，溅射沟道外边缘与靶边缘的间距记为W2，取一块尺寸为1600 mm×400 mm×10 mm的矩形AZO靶材做参考，经过连续多次靶周期的测量，其中D1=6 mm～9mm，D2= 5.5 mm～6.5mm，L1=120mm；W=110 mm，W1=50mm，W2=80mm，原有靶材结构，端头效应造成了靶材两个端部区域内溅射沟槽多消耗了3.5mm的深度，且靶材直道区域存在很大面积未参与溅射。

经过测量后，采用本实施例，将组合式靶材作成如下结构：

（1）直道靶材102厚度10mm不变，上表面长度1300mm，两个端部靶材101厚度13.5mm，上表面长度150mm，端部靶材101与直道靶材102制作成15度角拼接。

（2）直道靶材102分为5块，成条形平行相间排列，靶材宽度从左到右依次为45mm、120mm、70mm、120mm、45mm，其中120mm为溅射沟道宽度，为直道靶材102有效利用部分，在使用耗尽后可做更换，而两侧45mm及中间70mm宽度的三块直道靶材102实际不参与消耗，因此可重复使用。

（3）靶材1与水冷背板2接合时，直道靶材102与水冷背板2中间填加高度为3.5mm对应形状的金属板衬垫3，直道靶材102在金属板衬垫3上固定，拼接好的直道靶材102表面为一平面，为保证靶材水冷效果，金属板衬垫3的材料要求表面平整光滑，使金属板衬垫3与水冷背板2接触良好，并要求导热性能良好，能及时并充分利用水冷带走靶材1的热量。

使用时，将组合靶材通过螺栓4将端部靶材101、直道靶材102、金属板衬垫3和水冷背板2一起固定在靶座5上，组合靶材上的水冷背板2压紧在靶座5台阶上的密封圈7上，在下面装有永久磁铁8，当冷却时，通入循环冷却水9，通过水冷背板2给靶材1冷却，靶座5固定在真空腔体10上的维修门6上，当基片架12带着基片走过时，将靶材1溅射到基片10上。

采用本实施例获得组合式靶材后，当靶材1耗尽后测量，直道靶材102消耗由原来的5.5 mm～6.5mm 可提高利用到7.5 mm～8.5mm，且在更换靶材时，只需更换端部靶材101和直道靶材102的溅射区域，使用本方法可以将矩形平面靶材的利用率提高15%～20%。

实施例2：

本实施例用于使用移动磁场技术溅射薄膜太阳能电池的背电极Ag膜。

如实施例1，首先对原有采用整靶的耗尽靶材１进行测量，取一块尺寸为1600 mm×400 mm×10mm的矩形Ag靶材做参考，经过连续多次靶周期的测量，其中D1=6 mm～9mm，D2= 5.5 mm～6.5mm，L1=120mm，原有靶材结构，端头效应造成了靶材两个端部120mm区域内溅射沟槽多消耗了3.5mm的深度，由于采用了移动磁场技术，使得直道区域内的靶材消耗增大，消除了直道区域靶材中间的未溅射区域。

经过测量后，采用本实施例，将组合式靶材作成如下结构：

（1）直道靶材102厚度10mm不变，上表面长度1300mm，两个端部靶材101厚度13.5mm，上表面长度150mm，端部靶材101与直道靶材102制作成15度角拼接。

（2）直道靶材102分为3块，成条形平行相间排列，靶材宽度从左到右依次为45mm、310mm、45mm，其中310mm为溅射沟道宽度，为直道靶材102有效利用部分，在使用耗尽后可做更换，而两侧45mm宽度的直道靶材102不参与消耗，因此可重复使用。

（3）靶材1与水冷背板2的接合时，将水冷背板2做异形处理，对应端部靶材101的背板2厚度不变，对应直道靶材102背板加厚3.5mm，对应靶材边缘接合处的斜角。直道区域靶材在加厚背板上固定。

使用时，将组合靶材通过螺栓4将端部靶材101、直道靶材102和水冷背板2一起固定在靶座5上，组合靶材上的水冷背板2压紧在靶座5台阶上的密封圈7上，在下面装有永久磁铁8，当冷却时，通入循环冷却水9，通过水冷背板2给靶材1冷却，靶座5上安装有偏心轮13，通过电机14带动偏心轮14转动，偏心轮14再带动靶座5做圆周移动，实现靶移动，当基片架12带着基片走过时，将靶材1溅射到基片10上。

采用本实施例方法获得组合式靶材后，当靶材耗尽后测量，直道靶材102消耗由原来的5.5mm～6.5mm提高到7.8mm～8.8mm，使用本方法可以将矩形平面靶材的利用率提高5%～10%。

Claims (15)

1.一种改型磁控溅射靶材部件，由两头端部靶材和中间直道靶材构成，包括金属板衬垫和背板、靶座，其特征在于将靶材划分多个溅射区域，还包括靶材两头端头区域，中间直道区域由拼接靶材组合件构成。

2.根据权利要1所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的两头端部靶材和中间直道靶材相互衔接的面是个斜面。

3.根据权利要2所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的两头端部靶材的斜面压住中间直道靶材的斜面通过螺栓和背板一起固定在靶座上。

4.根据权利要求2所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的靶材的两头端部，其靶材厚度大于或等于中间直道区域其靶材厚度。

5.根据权利要求1所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的金属板衬垫直道区域，其靶材至少是一块可以拆卸的靶材或由多块拼接而成。

6.根据权利要求5所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的金属板衬垫的中间直道靶材，将其直道靶材的金属板衬垫的背板加厚，使其直道靶材的表面与两头端部靶材的表面平齐。

7.根据权利要求6所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的直道靶材的金属板衬垫的背板加厚是指中间区域的直道靶材所对应的中间区域的背板与中间直道靶材的接触面加厚增高。

8.根据权利要求7所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的中间直道靶材表面与两头端部靶材的表面平齐。

9.根据权利要求1所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说溅射区域的直道靶材为3~5块，成条形平行相间排列。

10.根据权利要求1所述的一种改型磁控溅射靶材部件，其特征在于所说的溅射区域的靶材由可拆卸的组合件构成磁控溅射的阴极部件。

11.一种改型磁控溅射靶材部件的方法，包括靶材两头端部和中间直道靶材，其特征在于测量靶材溅射轨道并分区，中间直道区域的溅射轨道呈V字形沟槽，将靶材的两头端部和中间直道靶材按照溅射轨道的分布，将靶材拼接成改型的磁控溅射靶材组合件。

12. 根据权利要求11所述的一种改型磁控溅射靶材部件的方法，其特征在于靶材的两头端部，其靶材厚度大于等于中间直道靶材区域的靶材厚度，可以通过中间直道靶材的背部衬垫加厚使其表面与两头端部靶材的表面平齐。

13.根据权利要求11所述的一种改型磁控溅射靶材部件的方法，其特征在于两头端部靶材和中间直道靶材通过斜面相连接，两头端部靶材的斜面压住中间直道靶材的斜面通过螺栓和背板一起固定在靶座上。

14.根据权利要求12所述的一种改型磁控溅射靶材部件的方法，其特征在于直道靶材的金属板衬垫的背板加厚是指中间区域的直道靶材所对应的中间区域的背板与中间直道靶材的接触面加厚增高。

15.根据权利要求11所述的一种改型磁控溅射靶材部件的方法，其特征在于溅射区域的靶材由可拆卸的组合件构成磁控溅射的阴极部件。

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