费红财
（上海北玻光伏事业部，上海 201614）

摘要
本文研究了TCO镀膜玻璃生产线真空系统的设计和制造问题，利用SolidWorks软件计算了真空腔体的受力状况，对腔体薄弱处，采取焊接井字槽型筋的方法进行加固，达到了既节约整体板材又满足腔体强度刚性要求的目的。根据真空度和工艺要求的不同，将整条镀膜线真空腔体分别设计成不同功能模块，如进出口室、缓冲室、传送室、反应溅射室、过渡隔离室、直流溅射室、冷却室，从而提高了设备可靠性和真空度，并提高了工艺参数的控制水平，为保证产品质量创造了条件。
关键词：TCO、磁控溅射、计算模拟、薄膜电池、SolidWorks

一、前言
TCO（Transparent Conducting Oxide）玻璃是透明导电氧化物镀膜玻璃的缩略语，TCO玻璃有很多应用，主要用来制作薄膜太阳能电池的透明前电极基板，也可用来制造液晶显示板等。TCO玻璃有多种制备方法，本文研究的TCO玻璃是以氧化锌掺铝（AZO）薄膜作为透明导电氧化物薄膜材料，利用磁控溅射等方法在平板玻璃表面均匀镀上一层AZO薄膜而制成的。
由于磁控溅射法必须在一定的真空条件下进行，所以 TCO透明导电玻璃镀膜生产线的真空系统是该生产线的重要子系统，是直接影响该生产线成败的关键系统。真空系统质量不好会造成靶材打火、起弧困难、AZO薄膜杂质多等问题，导致成膜质量差、薄膜电阻高等问题，并会引起玻璃产量少、设备运营成本高等问题。
本文主要研究了TCO（AZO）透明导电薄膜玻璃镀膜生产线的真空系统的设计和制造问题。

二、真空系统的设计
真空系统的设计主要满足磁控溅射法镀制AZO氧化物薄膜所需真空度、溅射磁场、溅射气氛、工作温度、工艺控制等要求，主要包括真空腔体设计、真空系统设计计算、真空管道设计及真空密封系统等。
1、真空系统的设计要求如下：1）、根据生产线节拍120秒要求，进出口室必须在70秒内由大气压抽至所需真空度1mbar；2）、采用无油洁净抽气系统，粗抽时间为4h，腔体内真空度达到5×10-2 Pa； 3）、高真空溅射镀膜室要求在18小时左右抽至极限真空度5×10-4Pa，溅射真空度在2.4×10-2Pa左右；4）、TCO玻璃镀膜要求杂质气体少、洁净无污染及水汽少等特殊要求，故真空系统配泵时选用磁悬浮分子泵和低温泵为主泵，无油泵如螺杆泵、罗茨泵组合为前级泵； 5）、设计和配置了真空检漏系统、真空测量系统、残余气体分析系统，并采用了上位机实时监控系统；6）真空系统设计要求结合镀膜工艺需要，如TCO膜层含SiO2和AZO两种膜层，镀膜室分别设计成反应溅射室和直流溅射室，两种不同气氛间增加过渡隔离室以防串气污染膜层；7）真空系统设计考虑了影响TCO玻璃转换效率的重要参数如低电阻、高透过率、有一定的雾度、膜厚均匀性等。

2、真空系统的设计特点如下：
1）采用了SolidWorks等计算机辅助软件对系统的关键部分进行了模拟计算，分析了真空腔体的受力状况，计算了腔体中的阴极盖板、阴极挡板、传动装置、加热冷却装置及工艺气体装置等的重力作用对腔体应力分布的影响。在这些计算的基础上，对腔体薄弱处采取焊接井字槽型筋的方法进行加固，达到了既节约整体板材又满足腔体强度刚性要求的目的；
2）给定相应参数通过真空系统软件（Vacuum Technology Software）计算抽气时间和泵的配置，如进出口室低真空下腔体泄漏率、起始压力、最终压力、预计抽气时间及真空管道流道、腔体容积等参数进行抽气时间模拟，同时考虑几种泵的配比与抽气时间进行比较，根据整线节拍需求选出最经济、最优化的真空系统方案如图1所示。

图1 不同真空泵的配比与抽气时间关系的模拟计算

考虑高真空室参数如材料放气率、真空室内表面积、泄漏率、工作压力、工艺气体流量、阴极靶位数量、工作温度等的影响，进行了真空系统气压与抽气时间关系的模拟计算，其结果如图2所示。这对于确定选用分子泵数量、处理工艺气体流量等非常有帮助，可以进行直观比较，以选择最合理、最经济的真空系统配置方案。

图2 真空系统气压与抽气时间关系的模拟计算结果

3)真空系统设计根据工艺要求采取相应的措施，如根据真空度和加热温度高低及两种不同工艺气氛将整条镀膜线真空腔体分别设计成不同的功能模块，如进出口室、缓冲室、传送室、反应溅射室、过渡隔离室、直流溅射室、冷却室，其中有加热、冷却室和高、低真空室等不同工艺要求腔体，从而提高了设备可靠性和真空度，并提高了工艺参数的控制水平，为保证了产品质量创造条件。
4）针对TCO玻璃主要技术指标如低电阻、高透光率、膜厚均匀等，采取了相应的设计措施：包括腔体内表面抛光和选用表面放气率小的材质等，以提高腔体本底真空度；通过对焊缝、密封面检漏和升压率测试等控制腔体漏气率；以上设计保证了真空镀膜室内的气体纯度，减少了杂质气体，达到了降低电阻率和提高透光率的目的。分子泵围绕阴极的对称配置和适当的气流导向布置优化了工艺气体的流量分布，使TCO薄膜的膜厚更加均匀。
5）对真空系统的关键部分的材料选择进行了反复研究，如真空腔体主材选用16MnR，主要原因是考虑到⑴有足够的机械强度和刚度来保证腔体能承受住一个大气压力，并且在高温加热时不发生变形；⑵气密性好。要保持一个完好的真空环境，器壁材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其他缺陷；⑶热稳定性好，在系统的工作温度范围内，保持良好的真空性能和力学性能；⑷有较好的延展性、机械加工性能和焊接性能及投资成本低等；加热室选用硅橡胶密封圈、陶瓷辊道及链条传动等都是基于耐高温考虑，否则会发生变形或高温失效。
6）为减少进出口室泵配置数量，同时又能满足整线节拍要求，将进出口室容积减少，即在辊道间填充检漏合格的方管，盖板设计成沉降结构，以尽量实现泵配少且又能满足抽气时间要求。

三、真空系统的制造
真空系统的制造包括真空腔体、真空管道及真空附件等焊接、机加、检漏及装配等环节，每个环节都有相应控制点，满足设计各项要求，并按设计技术要求处理并验收。1、焊接：真空腔体焊接除保证真空密封外还有强度、刚度要求，同时焊接中为防止焊接变形采取退火消除应力、焊接辅助钢板矫形及错开焊接等设计技术要求；2、机加：由于真空腔体里集成了如阴极盖板、传动等总成，需要加工基准面、密封面及各种大小的安装孔和连接孔，设计各加工孔标记、加工模板及各基准面和密封面加工要求等；3、检漏：真空腔体和管道等焊接完需检漏确认焊缝是否密封可靠，将漏率限制在允许的范围之内以达到最少的泵配置在规定时间抽至最高真空度，分别通过着色渗透剂和氦检漏仪检漏，按升压率标准验收；4、装配：需要将加工好真空腔体和管道按设计要求组装成符合工艺要求的真空系统，经工艺测试是否达到要求如抽气时间、极限真空度、工作真空度、阴极磁场和工艺气氛均匀性等重要性能指标。
真空系统的制造质量不仅影响外观而且对性能好坏起决定作用，如腔体密封面光洁度达不到设计要求，则密封圈不能有效密封影响抽真空；焊缝微漏或存在难抽空的“死”空间或焊接变形导致密封不可靠都会直接影响升压率，造成真空腔体里杂质气体多，靶材难起弧、膜层附着力差、玻璃表面泛黄、电阻率高、透光率低等缺陷。

四、真空系统的应用情况
制造成功的真空系统经客户现场安装、检漏及整线运行测试，其每个真空室在规定工作压力下的实际抽气时间与理论模拟计算时间基本一致，真空泵的配置合理、紧凑，运行平稳可靠。溅射镀膜室极限真空度、工作真空度、规定抽气时间及升压率等主要验收参数都达到设计要求，真空室和关键密封件材料选用都能承受压差和耐高温的要求。经过现场一段时间的调试验和检测，批量生产的TCO镀膜玻璃主要技术指标都符合要求，例如电阻率数值在16欧姆左右、透光率≥82%、膜厚均匀性偏差≤±5%、光散射能力Ha≥25%，证明该系统生产的TCO透明导电玻璃可应用于薄膜太阳能电池组件中的前电极玻璃，经生产试验可替代进口FTO玻璃。应用这种TCO镀膜玻璃制作的太阳电池组件平均转换效率可达到10%左右，基本上与进口FTO玻璃平均转换效率相当。上述结果说明该真空系统设计达到预期效果，系统性能优良，确保了整条TCO镀膜线的正常运行。

五、结论
TCO玻璃作为薄膜电池的透明电极，其质量的好坏对薄膜电池的性能起着非常重要的作用，直接影响太阳电池的光电转换效率，所以采用磁控溅射镀膜技术在高温玻璃基片上镀上SiO2和AZO两种膜层实现透明导电性能，对真空系统设计提出了很高的要求：⑴提高镀膜室内的纯净度，避免其他有害物沉积在玻璃表面；⑵提高分子平均自由程，保证膜层附着力；⑶稳定的抽气系统，提高工艺气体流量的分布均衡性，保证阴极磁场均匀，确保大面积玻璃镀膜膜厚均匀性；⑷镀膜设备模块化设计，产能调整方便。
真空系统是整个TCO透明导电玻璃镀膜线的基础，是磁控溅射的前提条件，也是阴极系统、玻璃传动系统、加热冷却系统及工艺气氛系统安装载体，既要能安装以上关键系统组件，同时又要求结构紧凑、安装维修方便、安全可靠。真空系统设计需综合考虑、精确计算、合理配置，需要将机械部件、电气设备及工艺条件相互结合进行考虑。

参考文献
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