CN101688290A

CN101688290A - 用于固态材料的真空蒸发设备

Info

Publication number: CN101688290A
Application number: CN200880023385A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·斯沙斐尔; 博尔德·迈耶尔
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-03-31
Also published as: KR20100044862A

Abstract

本发明涉及一种用于蒸发固态材料(例如硒)的设备，其中固态材料用于给衬底镀膜。固态材料通过馈送源进入第一坩埚。在该坩埚中，材料在优选地略微大于其熔点的温度下熔化。熔化的材料经由输送装置(例如为管道)流动到第二坩埚中，材料在第二坩埚中以大于其沸点的温度蒸发并且传输到衬底上。为了在非常短的时间(优选为一到两分钟)内停止蒸发，用于在熔点之上冷却材料的冷却装置布置在输送装置中。通过该冷却装置，在输送装置中的材料可以在其熔点之上在非常短的时间内冷却下来。

Description

用于固态材料的真空蒸发设备

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1所限定的用于固态材料的真空蒸发设备。

背景技术

现代能源研究的一个重要目的就是寻找只具有低成本的将阳光转换为电流的方法。薄膜太阳能电池有望相对于常规太阳能电池具有更低的成本。

可以通过例如溅镀工艺或者把固态材料蒸发到衬底上来制作这些薄膜。已经描述了用于金属的连续真空蒸发装置，其中被镀膜的衬底在真空室中移动(US 4,880,960)。颗粒形式的沉积材料储存在最下部由板封闭的储存器中。通过线缆将该板与关闭坩埚进口的阀门连接起来，该坩埚被加热到用于蒸发沉积材料的温度。使用了至少一个电磁铁的控制装置允许该板枢轴转动并由此来打开阀门。一定量的粉末掉入坩埚，之后该板和阀门返回关闭位置。具有尺寸小于坩埚中的沉积材料颗粒的网孔的挡板仅允许蒸汽通过并随后沉积在衬底上。

另外还描述了一种用于给衬底镀膜的设备，其中该设备包括蒸发源和用于将被蒸发的材料散布到衬底上的系统(DE 102 24 908 A1)。用于散布的系统还包括线状源，其中线状源和衬底可以彼此相对移动。

也描述了通过在真空中蒸发并将基础产物定量提供给N蒸发器而将半导体层沉积到衬底上的方法(FR 2 456 144)。产物的提供是周期的。每个N蒸发器依次加热到低于基础产物沸点的温度，并且被装载一个剂量的基础产物，该剂量是蒸发器的激活部分连续镀膜所必须的并且在下一次装填前的时间T内对于完成蒸发是足够的。然而，当产物被蒸发时所存在的一个问题是很难在几秒钟之内停止蒸发。这是因为材料必须冷却并且这需要一些时间。

因此，本发明一个目标是解决上面提到的问题。

发明内容

根据权利要求1所限定的特征解决了该问题。

因此，本发明涉及一种用于蒸发固态材料(例如硒)的设备，其中固态材料用于给衬底镀膜。固态材料通过馈送源进入第一坩埚。在该坩埚中，材料在优选地略微大于其熔点的温度下熔化。熔化的材料经由输送装置(例如为管道)流动到第二坩埚中，材料在第二坩埚中以大于其沸点的温度蒸发并且传输到衬底上。为了在非常短的时间(优选为一到两分钟)内停止蒸发，用于在熔点之上冷却材料的冷却装置布置在输送装置中。通过该冷却装置，在输送装置中的材料可以在其熔点之上在非常短的时间内冷却下来。

附图说明

本发明以图的形式展示出来，并且由以下的描述进行解释。

图1图示了带有待镀膜衬底的用于固态材料的真空蒸发设备的简要立体图。

图2图示了在没有衬底的状态下在根据图1的设备的A方向上的视图。

图3图示了根据图1的设备1的B-B切面。

图4根据图1的设备的另一个实施例的局部。

具体实施方式

图1图示了用于固态材料和衬底2的真空蒸发设备1的简要立体图。该衬底2(例如，玻璃板)分别在方向7或8上与设备1相对移动。设备1包括具有用于安全固定的支脚的壳体3。在图1中只能看到支脚4、5和6。

在壳体3的顶部设置了具有上部10、中部11和下部12的装料装置9。中部11真空密封并且提供装料阀14。在上部10的顶部，设置了可移除的盖子13。如果需要给上部10提供固态材料(诸如硒)，可以将这个盖子13移除。

但是，在对上部10填充固态材料之前，必须将阀14关闭。之后经由在图1中未示出的管道将上部10充满诸如空气或氮气的气体。在上部10已经被充满之后，将盖子13移除并且对上部10填充固态材料。

然后将盖子13放回原处并固定，并且由图1中未示出的泵将上部10抽真空。现在可以将上部10作为固态材料的储存器。

通过装料阀14，可以调节来自上部10的固态材料的量，使得只有限定量的固态材料经过下部12并之后到达壳体3的内部。

壳体3通过导管或管道15与泵系统相连，使得可以在壳体3中产生真空。泵系统在图1中未示出。设备1还包括了第一和第二安装凸缘16、17。在壳体的壁的与设置管道15的位置相反的一侧上，可以看到另一个管道18。该管道用于运输冷却介质(例如水、导导热油、气体等)。

在安装凸缘17上，设置了第三安装凸缘19，其通过用于支持蒸汽管道20的支持装置21而支持蒸汽管道20。蒸汽管道20本身具有固定到安装凸缘19的支持装置21上的支持装置22。这两个支持装置组成了支持器23。尽管在图1中只示出了一个支持器23，蒸汽管道20可以由多个支持器23来固定到安装凸缘13上。但是，根据蒸汽管道20的重量，可以省略支持器23。

该蒸汽管道20设置在装置24上，在装置24中为了蒸发材料而设置了坩埚(在图1中看不到)。蒸汽管道20还具有与蒸汽管道20通过环26而连接的盖子25，其通过紧固件27(例如螺栓)而固定。

如图1所示，蒸汽管道20通过同样具有紧固件29的环28而固定到装置24上。蒸汽管道20也以使得管道20中的蒸汽只能通过蒸汽管道20的散布系统(在图1中未示出)离开的这种方式而设置在装置24上。

装置24通过管道32与装置31的突起部30相连，以支持设置在壳体3中的坩埚。

图2图示了在没有衬底2的状态下在根据图1的设备1的A方向上的视图。被设置到安装凸缘19上的蒸汽管道20与装置24相连并且通过环28和紧固件29与之固定。蒸汽管道20包括形成为线性散布系统39的孔33到38，蒸汽可以通过该系统离开蒸汽管道20并朝向衬底移动。之后，蒸汽凝结在该衬底上形成薄膜。

在图3中图示了根据图1的设备1的B-B切面。其中装料设备9安装到壳体3的壁40上。上部10用作固态材料(例如硒)的储存空间。在装料设备9下方，储存容器41设置在具有管道42的壳体3中，来自装料设备9中的材料可以通过该管道进入熔化坩埚43中。

在图3中，储存容器41具有漏斗的主体结构。此外，管道42和馈送器48设置在壳体3的内部。该馈送器48，例如螺旋输送机，作为向管道42提供来自储存容器41的固态材料的装置。

熔化坩埚43设置在用于支持坩埚43的装置31的内部。可以由保存在两个壁44、45之间的中间空间46中的导热油加热坩埚43。除了通过导热油加热坩埚43之外，也可以通过电阻加热器或感应线圈来加热坩埚43。在坩埚43顶部，设置了罩子47。但是当冷却步骤开始时，因为中间空间46用作冷却介质(例如水)的通路，所以它作为用于冷却的快速关闭装置。

图3还图示了具有内部管道49的管道32，内部管道49中优选地设置了电阻加热器。但是，该电阻加热器在图3中未示出。管道32将坩埚43与坩埚50相连。坩埚50容纳熔化的材料64。在坩埚50中设置了加热器，其优选地为电阻加热器。内部管道49、管道32以及坩埚50和43可以由适当的金属、陶瓷或石墨组成。快速关闭装置51以管道形式将内部管道49围绕，其中快速关闭装置51用于冷却管道49中的熔化的材料。但是，当加热步骤开始时，这些快速关闭装置起到用于诸如导导热油的加热介质的通路的作用。用于冷却管道49中的熔化的材料的关闭装置51设置在突起部30的每一侧。

另一个用于冷却的关闭装置52也以围绕在坩埚50的外部的管道的形式而设置。在支持坩埚50的装置24的顶部，设置蒸汽管道20。

该蒸汽管道20包括具有散布系统39的第一内部管道53，其示出为在衬底2穿过设备1的那一侧。内部管道53被至少一个一半的管道围绕。在图3中，内部管道53被两个一半的管道54，55围绕。这样的布置在例如DE 102 24 908A1的图7中示出。内部管道53通常具有一个高温加热装置(例如，电阻加热器)，以使得内部管道53的内部56中的蒸汽不会凝结。

在图3中示出了通过棒69与坩埚43的壁44相连的分隔壁68。该分隔壁68防止掉入坩埚43内的液态材料65中的材料对内部管道49的区域中的液态材料的非受控冷却产生影响。棒69和分隔壁68可以由与坩埚43相同的材料组成，例如适当的金属、石墨或陶瓷。

为了控制设备1内的温度，可以应用温度测量装置，使得可以控制坩埚43和50以及管道49和管道20内部的材料的温度。因此可以使温度适应过程的每个阶段所需要的温度。

当镀膜过程开始时，装料装置9的上部10由用来给衬底2镀膜的材料所填满。如果材料是硒，其优选地具有颗粒的形式。

通过打开装料阀14，材料进入到储存容器41中，且不会破坏真空。装料阀14将会关闭并且材料将会被馈送器48输送到管道42，最终落进坩埚43中。在坩埚43中，材料被熔化，坩埚43具有高于固态材料的熔点的温度。就硒来说，温度只要略微高于其221℃的熔点。

可以由馈送器48控制掉入坩埚43的材料的量，这可以自动地运行，使得在坩埚43、50中的填充幅度的变化保持最小。在壳体3以及顶部具有盖子13的装料装置9中，在整个过程中都存在稳定的真空。

当加热过程开始时，导热油经过关闭装置46、51和52。因此将导热油作为加热介质。在坩埚43、50和管道49中的材料因此被导热油加热。

材料一进入坩埚43就熔化了，因此可以经过管道49并且可以到达坩埚50。在坩埚50中，为了将液态材料64转化为气态(例如，蒸汽)，温度会要高很多。该蒸汽上升到蒸汽管道20的内部56中，并且通过线性散布系统39离开该管道20。蒸汽之后以朝向衬底2的方向移动，以便于在衬底2经过设备1时产生这种材料的层。设置在内部管道53处的加热器阻碍蒸汽在内部管道53的表面处或者在散布系统39的孔内凝结。

当过程结束时，关闭加热器并且打开用于冷却的快速关闭装置51、52，使得冷却介质(例如水、导热油、气体等)经过这些用于冷却的关闭装置46、51、52，以使得材料的温度降低。对于快速冷却在坩埚50中的熔化的材料64来说，坩埚50不包含太多的熔化的材料64是很重要的。因此坩埚50的体积相比于坩埚43的体积来说保持得非常小。

将坩埚43、50内的材料冷却到高于熔点的温度是很重要的。在材料冷却下来之后，冷却介质从关闭装置51、52中移除，使得关闭装置51、52能够再次由与冷却介质相比具有低得多的热容的空气填满。

清洁设备也是不费力的，因为可以很容易地通过移除凸缘19而将蒸汽管道20移除。在这之后，可以将凸缘16、17移除而使得壳体3可以朝向两个侧面打开。

因此，因为所有的装置都包括用于快速连接的接合器，所以设备1的维护也很容易。因此，也可以很容易地更换装置9。在清洁完设备1之后，可以使用用于镀膜处理的新的、不同的材料来开始新的处理。

装料装置9可以包括星形馈送器，其例如具有4个部分。这些部分中的一个设置在阀14的正上方，并且这部分不包括材料。

通过关闭阀14并使上部10通风来开始装料步骤。之后将盖子13从装置9移除并且以固态材料填充上部10。此后将盖子13放回原处并且通过未在图3中示出的泵将上部10抽真空。在装置9的上部10与壳体3之间的压力再次平衡之后，可以打开阀14。

通过转动星形装料器，材料通过打开的阀14落下，使其可以经由储存容器41而进入坩埚43。以后阀14再次关闭。

装料装置9可以包含具有至少一个杯子的杯状装料器。这至少一个杯子可以被像坩埚一样倾斜。

在通过盖子13关闭装置9之后，将阀14关闭并且将上部10通风。再次将盖子13移除，并且至少一个杯子填充有材料。盖子再次放到装置9的上面，并且在将装置9抽空之后再次打开阀14。之后将至少一个杯子倾斜，材料通过阀14的开口落入壳体3的储存容器41中。从那里材料经过管道42最终到达坩埚43。

装置9还可以包括一个具有旋转提升机构和具有填充篮的提升机构的容器填充器。

当填充过程开始时，将阀14关闭并且将装置9通风。装置9之后提升并枢轴旋转到一侧。装料篮被降低，使得篮子可以改变为由材料装满的篮子。之后通过提升装置将这个篮子拉到装置9内。装置9枢轴旋转到阀14上方，之后倾倒到阀14上。之后将该装置抽真空并且打开阀，使得材料能够进入坩埚43。

在这个实施例中，材料可以是具有颗粒形式的硒。

图4图示了以较大比例绘制的根据图3的设备1的实施例的局部。图示了由设置在装置24中的管道57、58、59和60所包围的坩埚50，其中管道57、58、59和60形成用于冷却的关闭装置52。在具有坩埚50的装置24的顶部设置了蒸汽管道20。该管道20包括具有开口61、62和63的线性散布系统39，蒸汽通过开口61、62和63离开蒸汽管道20。坩埚50通过由外部管道32包围的内部管道49连接到坩埚43。正如图4所示，管道49反复由关闭冷却装置51环绕。与坩埚50通过管道49隔开的坩埚43由与管道49和坩埚50相同的材料制成。然而，管道49和坩埚50、43可以由不同的材料制成。管道49和坩埚50、43优选地由石墨、陶瓷或者适当的金属组成。

如图3所示，可以看到通过棒69与坩埚43相连的分隔壁68。分隔壁68和棒69可能由与坩埚43相同的材料组成。

由于可以经由电脑通过阀14(在图4中未示出)和馈送器48(在图4中也未示出)而自动控制固态材料的量的情况，所以在两个坩埚50、43中的液态材料70、65(例如硒)具有近似相同的高度。但是，坩埚50的体积相比于坩埚43要小很多。

代替快速关闭装置46、51和52，可以在坩埚50上方设置一个挡板来防止蒸汽离开蒸汽管道20。然而，特别的在使用硒作为材料的情况下，因为硒的蒸汽压力很高，所以很难防止它穿过挡板。这样的一个布置在结构上会很复杂。因此，关闭装置46、51、52是优选的。

Claims

1.一种真空蒸发设备(1)，其用于固态材料，所述设备包括用来蒸发至少一种材料的坩埚(50)并且包括用于将至少一种蒸发的材料散布到衬底(2)上的散布系统(39)，所述设备(1)包括在熔点之上冷却所述至少一种材料的至少一个机构(46，52，51)，其特征在于

所述装料装置(9)设置在所述设备(1)内，使得可以向所述坩埚(43)提供所述至少一种固态材料。

2.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述设备(1)包括用来熔化所述至少一种材料的第一坩埚(43)和用来蒸发所述至少一种材料的第二坩埚(50)。

3.根据权利要求2所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述第一坩埚(43)经由输送装置(49)与所述第二坩埚(50)相连接。

4.根据权利要求1或2所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述第一坩埚(43)设置到用于冷却所述至少一种材料的所述至少一个机构(46)上。

5.根据权利要求1或2所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述第二坩埚(50)设置到用于冷却所述至少一种材料的所述至少一个机构(51)上。

6.根据权利要求1到3中任意一项所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述输送装置(49)设置到用于冷却所述至少一种材料的所述至少一个机构(52)上。

7.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，输送系统(41，42)设置在所述坩埚(43)与所述装料装置(9)之间。

8.根据权利要求7所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述输送系统(41，42)包括馈送器(48)。

9.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述装料装置(9)包括装料阀(14)。

10.根据权利要求2所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述坩埚(50)包括加热器。

11.根据权利要求2所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述坩埚(43)包括加热器。

12.根据权利要求3所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述输送装置(49)包括加热器。

13.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述用于冷却所述至少一种材料的所述机构(51，52)包括至少一个管道(57，58，59，60)。

14.根据权利要求13所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述用于冷却所述至少一种材料的所述机构(51，52)是管道系统。

15.根据权利要求8或9所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述馈送器(48)和所述阀(14)构造了用于将所述坩埚(43，50)中的填充幅度的变化保持到最小的控制系统。

16.根据权利要求10、11或12所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述加热器是电阻加热器。

17.根据权利要求11所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述加热器是电感器。

18.根据权利要求11所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述坩埚(43)是由导热油加热的。

19.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，所述至少一种材料是硒。

20.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，用于冷却所述至少一种材料的所述至少一个机构(46，52，51)也同样用于加热所述至少一种材料。

21.根据权利要求1所述的真空蒸发设备(1)，其特征在于，用于冷却的所述机构(46，52，51)是快速关闭装置。