DE10021530C1 - Verdampferquelle mit beheizbarem Dampfauslassrohr - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdampferquelle mit einem beheizbaren Dampfauslassrohr (1), in dessen Rohrmaterial (8) eine oder mehrere Dampfauslassöffnungen (2a bis 2d) eingebracht sind, und wenigstens einem Verdampfungsgutbehälter (3a, 3b). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Verdampfungsgutbehälter (3a, 3b) seitlich am Rohrmantel (8) des Dampfauslassrohres (1) angeordnet und steht mit dessen Rohrinnerem (7) über eine oder mehrere Dampfdurchtrittsöffnungen (5a, 5b) in Verbindung. DOLLAR A Verwendung z. B. in Aufdampfanlagen zum Aufdampfen der CIS-Absorberschicht von CIS-Dünnschichtsolarzellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdampferquelle für thermische Aufdampfprozesse mit einem beheizbaren Dampfaus­ lassrohr, das einen oder mehrere, in seinen Rohrmantel ein­ gebrachte Dampfauslassöffnungen beinhaltet, und mit wenigs­ tens einem beheizbaren Verdampfungsgutbehälter.

Eine derartige Verdampferquelle ist in der Patentschrift DE 44 22 697 C1 beschrieben. Bei der dortigen Verdampferquelle befindet sich der vorzugsweise als länglicher, bootartiger Tiegel gestaltete Verdampfungsgutbehälter im Inneren des als Reflektorrohrkörper gestalteten Dampfauslassrohres. Dieses umgibt den Verdampfungsgutbehälter derart, dass ein zur Bil­ dung eines Gleichgewichtsdampfdrucks geeigneter Dampfraum definiert ist, der gleichzeitig als Verdampferraum und Dampfverteilerraum fungiert. Der oder die Dampfauslassöff­ nungen sind von einem linienförmigen Auslassprofil gebildet, das aus einer einzigen, längsverlaufenden Schlitzöffnung o­ der einer Reihe von mehreren, axial beabstandeten Auslass­ öffnungen besteht. Dies führt zu einer linienförmigen Dampf­ austrittscharakteristik, weshalb derartige Verdampferquellen auch als linienförmige Verdampferquellen oder kurz Linien­ quellen bezeichnet werden.

Der erwähnte herkömmliche Verdampferquellentyp mit vom Dampfauslassrohr umgebenem Verdampfungsgutbehälter erfor­ dert wegen der begrenzten Zugänglichkeit des Verdampfungsgutbehälters eine entsprechende Zerlegung der Anordnung o­ der eine spezielle Nachfülleinrichtung, um Verdampfungsgut in den Verdampfungsgutbehälter nachzufüllen. Ein genereller Problempunkt von Verdampferquellen besteht darin, dass es durch Kondensatbildung zu unerwünschter Tröpfchenbildung auf einem bedampften Substrat kommen kann. Dies kann insbe­ sondere in Zeiträumen auftreten, in denen zur Aufdampfra­ tenerhöhung die Temperatur der Verdampferquelle erhöht wird, da dies zu Temperaturunterschieden innerhalb der Ver­ dampferquelle mit der Folge führen kann, dass an einer zu heißen Stelle Dampf kondensiert und als Tröpfchen auf das bedampfte Substrat gelangt. Eine solche Tröpfchenbildung kann die Qualität des bedampften Bauelementes, z. B. einer Dünnschichtsolarzelle, beeinträchtigen.

Aus der Auslegeschrift DE 12 81 772 ist eine Verdampferquel­ le für thermische Aufdampfprozesse bekannt, die einen rohr­ förmigen Verdampfungstiegel mit schlitzförmiger Verdamp­ fungsöffnung und ein koaxial zentrisch durch das Tiegelrohr hindurchgeführtes Heizrohr beinhaltet. Im Inneren des Heiz­ rohrs kann zusätzlich zu Heizelementen eine Nachbeschi­ ckungsleitung angeordnet sein, über die Schmelze von einem Vorratsbehälter und einem unter letzterem angeordneten, heizbaren Vorschmelzbehälter zur Mitte des Tiegels geleitet und nach oben in die dort vorliegende Schmelze nachgefüllt werden kann. Dabei sind der Vorratsbehälter und der Vor­ schmelzbehälter seitlich neben dem rohrförmigen Verdamp­ fungstiegel angeordnet.

In der Patentschrift US 5.776.254 sind CVD-Anlagen, d. h. An­ lagen zur chemischen Gasphasenabscheidung, beschrieben, bei denen ein flüssiges CVD-Quellenmaterial in einem Verdampfer verdampft und das dadurch gebildete CVD-Quellengas über eine zugehörige, beheizbare Zufuhrleitung in eine als Beschich­ tungskammer fungierende Reaktionskammer geleitet wird, der außerdem ein oxidierendes Reaktionsgas zugeführt wird und in der ein zu beschichtendes Substrat angeordnet wird.

Die Patentschrift EP 0 545 542 B1 offenbart eine CVD-Anlage, bei der ein zur Beschichtung verwendetes Reaktionsgas, das typischerweise Sauerstoff oder Wasserstoff und optional ein Inertgas und eine gasförmigen Kohlenstoff enthaltende Ver­ bindung, wie einen Kohlenwasserstoff oder Kohlenmonoxid, enthält, über mehrere perforierte Einlassrohre in eine Reak­ tionskammer geleitet wird, in der sich zu beschichtende Sub­ strate auf einer Trägerplatte befinden. Die Einlassrohre sind in einer Reihe quer zu ihrer Längsrichtung versetzt ne­ beneinander mit Abstand über der Trägerplatte angeordnet. Zwischen den Einlassrohren und der Trägerplatte befinden sich streifenförmige, gewundene Widerstandsheizelemente, an denen das Reaktionsgas zwecks Aufheizung vorbeigeleitet wird, bevor es die zu beschichtenden Substrate erreicht.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung einer Verdampferquelle der eingangs genannten Art mit vorzugsweise linienförmiger Dampfaustrittscharakteristik zugrunde, die eine vergleichsweise einfache Nachfüllung von Verdampfungsgut und eine weitgehend tröpfchenfreie Bedamp­ fung von Substraten ermöglicht.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Verdampferquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Verdampferquelle ist der Verdampfungsgutbehälter charakteristischerweise seitlich am Rohrmantel des Dampfaus­ lassrohres angeordnet und steht mit dem Rohrinneren über eine oder mehrere Dampfdurchtrittsöffnungen in Verbindung. Dadurch lässt sich der Verdampfungsgutbehälter und somit der von ihm definierte Verdampferraum relativ gut vom Inneren des Dampfauslassrohres, d. h. vom Dampfverteilerraum, thermisch entkoppeln. Für das Innere des Dampfauslassrohres kann so stets eine höhere Temperatur eingestellt werden als für das Innere des Verdampfungsgutbehälters, wodurch das erwähnte Problem der Kondensat- bzw. Tröpfchenbildung minimiert werden kann. Die weitgehende thermische Entkopplung ermöglicht selbst hohe Aufdampfraten ohne merkliche Tröpfchenbildung, da die Temperatur im Auslassrohr stets so hoch eingestellt wer­ den kann, dass sie an jeder Stelle höher als die Temperatur im Verdampfungsgutbehälter ist. Da der Verdampfungsgutbehäl­ ter seitlich am Dampfauslassrohrmantel angeordnet und nicht von diesem umgeben ist, kann er ohne größere Demontagemaßnah­ men z. B. über eine verschließbare Nachfüllöffnung außerhalb seines Kontaktbereichs mit dem Dampfauslassrohrmantel mit Verdampfungsgut nachgefüllt werden.

Eine nach Anspruch 2 weitergebildete Verdampferquelle bein­ haltet je einen Verdampfungsgutbehälter an jedem der beiden axialen Endbereiche des Dampfauslassrohrs. Dadurch kann das Dampfauslassrohr von beiden Seiten mit Dampfmaterial aus dem jeweiligen Verdampfungsgutbehälter beschickt werden, wobei es sich je nach Anwendungsfall um dasselbe oder um zwei unter­ schiedliche Verdampfungsmaterialien handeln kann, die ge­ mischt über dieselben Dampfauslassöffnungen oder separat über voneinander getrennte Gruppen von Dampfauslassöffnungen auf ein Substrat aufgedampft werden können.

Eine nach Anspruch 3 weitergebildete Verdampferquelle weist zur Beheizung des Dampfauslassrohres einen z. B. elektrisch betreibbaren Heizstab auf, der sich in Längsrichtung im Dampfauslassrohr erstreckt, und zwar wenigstens über denjeni­ gen Rohraxialbereich, in welchem sich der oder die Dampfaus­ lassöffnungen befinden, so dass dort eine ausreichend hohe, jegliche Kondensatbildung vermeidende bzw. wieder auflösende Temperatur eingestellt werden kann. In einer weiteren Ausge­ staltung dieser Maßnahme erstreckt sich nach Anspruch 4 der Heizstab zusätzlich auch über den jeweiligen axialen Bereich des Dampfauslassrohres, in welchem ein Verdampfungsgutbehäl­ ter angeordnet ist, so dass auch dieser mit dem Heizstab be­ heizt werden kann. Diese Beheizungsart gewährleistet gleich­ zeitig, dass die Temperatur im Dampfauslassrohr über der Tem­ peratur in dem oder den Verdampfungsgutbehältern liegt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Längsschnittansicht durch eine als Hantelquelle gestaltete Verdampferquelle.

Die gezeigte, linienförmige Verdampferquelle beinhaltet ein Dampfauslassrohr 1, das an seiner in der Figur unteren Seite einen Dampfauslassbereich mit vier Dampfauslassöffnungen 2a, 2b, 2c, 2d aufweist. Ein elektrischer Heizstab 3 durchquert das Dampfauslassrohr 1 entlang dessen Längsachse. An den bei­ den axialen Endbereichen 1a, 1b des Auslassrohres 1 seitlich von dessen Dampfauslassbereich ist je ein topfförmiger Ver­ dampfungsgutbehälter in Form eines Tiegels 3a, 3b angeordnet, der das zu verdampfende Material 4 enthält.

Jeder der beiden Tiegel 3a, 3b ist wie gezeigt an der in der Figur unteren Seite des zugehörigen axialen Endbereichs 1a, 1b des Dampfauslassrohres 1 angebracht, wobei dort in dessen Rohrmantel 8 je eine zugehörige Dampfdurchtrittsöffnung 5a, 5b eingebracht ist, über die das Innere des Tiegels 3a, 3b mit dem Rohrinnenraum 7 des Auslassrohres 1 in Verbindung steht.

Insgesamt ist dadurch eine hantelförmige Verdampferquelle, kurz Hantelquelle, gebildet, bei welcher der jeweilige Ver­ dampferraum, d. h. Tiegeldampfraum 6a, 6b, über die zugehörige Dampfdurchtrittsöffnung 5a, 5b mit dem als Dampfverteilerraum fungierenden Innenraum 7 des Auslassrohres 1 in Verbindung steht. Die Dampfauslassöffnungen 2a bis 2d sind in einer Rei­ he mit axialem Abstand voneinander in den Auslassrohrmantel 8 eingebracht, so dass die Hantelquelle eine linienförmige Dampfaustrittscharakteristik für den emittierten Dampf 9 des Verdampfungsgutes 4 aufweist. Letzteres wird in den Tiegeln 3a, 3b verdampft, von wo der Dampf 9 über die Dampfdurch­ trittsöffnungen 5a, 5b und den Auslassrohrinnenraum 7 zu den Dampfauslassöffnungen 2a bis 2d geleitet bzw. auf diese ver­ teilt wird.

Die Dampfauslassöffnungen 2a bis 2d sind in einer gewünschten Form gestaltet, z. B. als kreisrunde oder ovale oder als längsschlitz- oder querschlitzförmige Öffnungen. Statt der gezeigten vier ist je nach Anwendungsfall auch jede andere Anzahl von Dampfauslassöffnungen möglich. Diese können an je­ der beliebigen, gewünschten Stelle des Rohrmantels 8 des als Dampfverteiler fungierenden Dampfauslassrohres 1 angeordnet sein. Bei Bedarf brauchen die Dampfauslassöffnungen auch nicht sämtlich auf einer axialen Linie zu liegen, sondern können über einen vorgegebenen Umfangsbereich des Auslassroh­ res 1 verteilt angeordnet sein, wenn eine entsprechend modi­ fizierte Dampfaustrittscharakteristik gewünscht wird. Weiter alternativ kann statt mehreren, in einer Reihe liegenden Dampfauslassöffnungen ein durchgehender Dampfauslassschlitz vorgesehen sein, dessen umfangsseitige Breite bei Bedarf ent­ lang seiner axialen Länge variieren kann. Entsprechende Ges­ taltungen von Dampfauslassbereichen sind z. B. in der eingangs erwähnten DE 44 22 697 C1 beschrieben, worauf verwiesen wer­ den kann.

Die Beheizung der Tiegel 3a, 3b zur Verdampfung des darin eingebrachten Verdampfungsgutes 4 erfolgt durch den Heizstab 10 zum einen aufgrund der direkt von ihm über die jeweilige Dampfdurchtrittsöffnung 5a, 5b in den betreffenden Tiegel 3a, 3b abgestrahlten Wärme und zum anderen durch Festkörperwärme­ leitung über die aufgeheizten Auslassrohrendbereiche 5a, 5b und die damit verbundenen Tiegelwände. Der Heizstab 10 wird hierzu auf eine vom Verdampfungsgut 4 abhängige, ausreichende Temperatur gebracht.

Da sich der Heizstab 10 durch das gesamte Auslassrohr 1 hin­ durch erstreckt und das Innere der Tiegel 3a, 3b konstrukti­ onsbedingt weiter vom Heizstab 10 entfernt ist als der vom Rohrinneren des Auslassrohres 1 gebildete Dampfverteilerraum 7, wird durch diese Art der Beheizung der Hantelquelle der Dampfverteilerraum 7 an jeder Stelle auf einer höheren oder jedenfalls mindestens so hohen Temperatur gehalten wie sie an jeder Stelle im Inneren der Tiegel 3a, 3b und damit auch in deren Dampfraum 6a, 6b herrscht. Diese wünschenswerte Tempe­ raturverteilung hat den Vorteil, dass jegliche Kondensatbil­ dung des Dampfes 9 und damit jegliche Tröpfchenbildung auf einem damit bedampften, nicht gezeigten Substrat minimiert wird. Selbst wenn die Beheizungstemperatur zwecks Verdamp­ fungsratenerhöhung gesteigert wird, bleibt die Temperatur im Dampfverteilerraum 7 überall oberhalb der Tiegeltemperatur, so dass auch in diesem, bei herkömmlichen Verdampferquellen kritischen Fall keine Gefahr der Dampfkondensation besteht.

Damit ermöglicht die Hantelquelle Aufdampfvorgänge hoher Qua­ lität und eignet sich für die verschiedensten Aufdampfanwen­ dungen. Insbesondere können mit ihr auch Aufdampfvorgänge im Durchlaufbetrieb zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen durchgeführt werden, z. B. durch Einsatz in einer der Auf­ dampfanlagen, wie sie in der erwähnten DE 44 22 697 C1 be­ schrieben sind, statt der dortigen Verdampferquellen.

Statt der gemeinsamen Beheizung des Auslassrohres 1, speziell dessen Dampfverteilerraums 7, und der Tiegel 3a, 3b durch den Heizstab 10 kann alternativ je eine eigene Heizeinrichtung für den Dampfverteilerraum 7 und den jeweiligen Tiegel 3a, 3b vorgesehen sein. Durch diese thermisch entkoppelte Beheizung des Dampfverteilerraums 7 einerseits und des jeweiligen Tie­ gelraums andererseits lässt sich wiederum problemlos die Tem­ peratur im Dampfverteilerraum 7 an jeder Stelle um ein ge­ wünschtes Maß höher halten als die Temperatur im jeweiligen Tiegel 3a, 3b, so dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Kondensat- bzw. Tröpfchenbildung minimiert ist.

Statt des gezeigten, längsmittigen Heizstabs 10 kann die Be­ heizung des Verdampferrohrs 1 auch auf eine beliebige andere, herkömmliche Weise erfolgen, z. B. durch eine innenseitige, außenseitige oder in die Rohrwand integrierte Wandbeheizung des Rohrmantels mittels elektrischer Heizschleifen oder einer anderen Heizquelle. In gleicher Weise kann die gegebenenfalls vorgesehene, separate Tiegelbeheizung in beliebiger herkömm­ licher Weise erfolgen.

Die Anbringung der Tiegel 3a, 3b seitlich im jeweiligen Rohr­ endbereich 5a, 5b des Dampfauslassrohres 1 ermöglicht ein re­ lativ einfaches Nachfüllen der Tiegel 3a, 3b mit dem Verdamp­ fungsgut 4. Dazu ist in nicht gezeigter Weise an der Obersei­ te des jeweiligen Tiegels 3a, 3b an geeigneter Stelle neben oder über dem Kontaktbereich mit dem Auslassrohr 1 ein Tie­ geldeckel vorgesehen, der zur Nachfüllung von Verdampfungsgut 4 angehoben werden kann. Eine Demontage von Teilen der Han­ telquelle ist zum Nachfüllen daher nicht erforderlich.

Je nach Anwendungsfall und Bedarf kann in den beiden Tiegeln 3a, 3b dasselbe oder unterschiedliches Verdampfungsgutmateri­ al eingebracht sein. In letzterem Fall kann vorgesehen sein, dass sich die beiden verschiedenen Materialdämpfe im Dampf­ verteilerraum 7 mischen, eventuell mit einem gewünschten Gra­ dienten der Materialanteile längs des Dampfaustrittsberei­ ches. Als Alternative kann der Dampfverteilerraum 7 durch ei­ ne in das Auslassrohr 1 eingebrachte Quertrennwand unterteilt sein, so dass in einem Teil des Dampfauslassbereichs das eine Verdampfungsgutmaterial und im übrigen Teil des Dampfauslass­ bereichs das andere Verdampfungsgutmaterial austritt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist nur an einem axialen Endbereich des Dampfauslassrohres ein Verdampfungs­ gutbehälter angeordnet. Bei einer weiteren Alternative können zusätzlich oder anstelle des einen oder der beiden rohrend­ seitigen Verdampfergutbehälter ein oder mehrere Verdampfungs­ gutbehälter an beliebiger, für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneter Stelle am Auslassrohrmantel außerhalb des Bereichs der einen oder mehreren Dampfauslassöffnungen angeordnet sein.

In allen Fällen lässt sich gewährleisten, dass bei der erfin­ dungsgemäßen Verdampferquelle die Temperatur im Dampfauslass­ rohr mindestens so hoch gehalten werden kann wie in dem oder den Verdampfungsgutbehältern, und im allgemeinen ist auch die Nachfüllung der Verdampfungsgutbehälter sehr einfach.

Die Hantelquelle oder eine andere Realisierung der erfin­ dungsgemäßen Verdampferquelle kann z. B. dazu verwendet wer­ den, die CIS-Absorberschicht einer CIS-Dünnschichtsolarzelle durch thermische Coverdampfung der beteiligten Elemente, wie Kupfer, Indium, Gallium und Selen, aufzubringen, wozu diese Elemente in seriell hintereinanderliegenden Verdampferquellen einer im Durchlaufverfahren betriebenen Aufdampfanlage gleichzeitig im richtigen Verhältnis auf das relativ zu den Verdampferquellen bewegte, geheizte Substrat gedampft werden, so dass sich auf dem Substrat die photovoltaisch wirksame Ab­ sorberschicht aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid bildet. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Verdampferquelle, die ein sehr homogenes, lineares Aufdampfratenprofil und eine wei­ testgehend tröpfchenfreie Aufdampfschicht hoher Qualität be­ reitstellt, ermöglicht eine gute Homogenität und eine hohe Rate der Beschichtung. Die Verdampferquelle kann z. B. aus elektronenstrahlgeschweißtem Tantal oder in CFC hergestellt werden.

Claims (5)

1. Verdampferquelle für thermische Aufdampfprozesse mit

• - einem beheizbaren Dampfauslassrohr (1), das einen oder mehrere, in seinen Rohrmantel (8) eingebrachte Dampfauslass­ öffnungen (2a bis 2d) aufweist, und
• - wenigstens einem beheizbaren Verdampfungsgutbehälter (3a, 3b),

dadurch gekennzeichnet, dass

• - der Verdampfungsgutbehälter (3a, 3b) seitlich am Rohr­ mantel (8) des Dampfauslassrohres (1) angeordnet ist und mit dem Rohrinneren (7) über eine oder mehrere Dampfdurchtritts­ öffnungen (5a, 5b) in Verbindung steht.

2. Verdampferquelle nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, dass je ein Verdampfungsgutbehälter (3a, 3b) in ei­ nem axialen Endbereich (1a, 1b) des Dampfauslassrohres (1) angeordnet ist.

3. Verdampferquelle nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekenn­ zeichnet durch einen sich in Längsrichtung im Dampfauslass­ rohr (1) wenigstens über denjenigen Axialbereich hinweg erstreckenden Heizstab (10), innerhalb dem sich die eine oder mehreren Dampfauslassöffnungen (2a bis 2d) befinden.

4. Verdampferquelle nach Anspruch 3, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich der Heizstab (10) auch über denjenigen Axialbereich erstreckt, in welchem ein jeweiliger Verdamp­ fungsgutbehälter (3a, 3b) angeordnet ist.

5. Verdampferquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wei­ ter dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dampfauslassrohrman­ tel (8) mindestens eine Reihe von mehreren, axial beabstande­ ten, kreis- oder schlitzförmigen Dampfauslassöffnungen oder ein einziger, sich durchgehend über eine vorgegebene axiale Länge erstreckender Dampfauslasslängsschlitz eingebracht sind.