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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren jeweils gemäß den
Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Dünnschichtsolarzellen
mit Photoabsorbern der Verbindungsklasse der Chalkopyrite zeichnen sich
durch relativ hohe Wirkungsgrade aus. Die Halbleiterschicht dieser
Zellen ist rund 3 μm dick. Dadurch ist es auch möglich,
deutlich weniger Material zu verwenden und bei entsprechender Substratwahl
leichte Solarmodule herzustellen.
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Man
unterscheidet dabei insbesondere je nach den verwendeten Elementen
Solarzellen vom Typ CIS (Copper Indium Diselenide, Copper Indium Sulfide),
CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide) und CIGSSe (Copper Indium
Gallium Sulfide Diselenide). Bei allen diesen Verbindungen handelt
es sich um sogenannte I-III-VI-Halbleiter.
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Der
Photoabsorber der CIS-Solarzelle besteht beispielsweise aus der
Komponente Se und/oder S und aus der metallischen Komponente Cu
und/oder In und/oder Ga. Während ein Kathodenzerstäuben
von Cu, In, Ga einen etablierten Prozess darstellt, ist das Kathodenzerstäuben
von Se wegen dessen schlechter elektrischen Leitfähigkeit
und schlechten Wärmeleitfähigkeit nur mit sehr
geringen Raten möglich. Daher werden bei der Schichtherstellung
die Komponenten entweder vollständig durch Aufdampfen abgeschieden
oder die metallische Komponente Cu, In, Ga wird durch Kathodenzerstäubung
abgeschieden, und die zweite Komponente Se und/oder S wird aufgedampft
und in die frisch abgeschiedene metallische Schicht eindiffundiert
oder während der Kathodenzerstäubung der metallischen Komponente
durch reaktive Gasbeimengungen von H2Se und/oder H2S in das Inertgas
beim Abscheiden der metallischen Komponente einreagiert.
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Die
derzeit gebräuchlichen Herstellungsverfahren teilen sich
in zwei Hauptgruppen:
- – Sequentielles
Beschichten (Sputtern oder Verdampfen) und anschließendes
Legieren
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Hierbei
werden die Schichten Cu oder CuGa und In aufgesputtert oder aufgedampft
und anschließend in einem weiteren Prozess unter Zusatz
von Schwefel oder Selen, das elementar, z. B. durch vorheriges Bedampfen
oder als Se-Dampf während der Legierung, oder in Form der
Hydride H2S oder/und H2Se
zugefügt werden kann, legiert. Während des Legierungsprozesses,
der typischerweise ein Erhitzen auf ca. 520°C beinhaltet,
entsteht aus dem mehrlagigen Schichtsystem der eigentliche Chalkopyrit-Halbleiter.
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Nachteilig
beim Sputterverfahren ist die Anfertigung der Sputtertargets, die
aufwändig geformt und gebondet werden müssen,
wobei nur bestimmte Bereiche des Phasendiagramms der jeweiligen
Legierungssysteme genutzt werden können. Wegen der Targetausnutzung
von vielfach < 50%
muss außerdem das verbleibende Targetmaterial recycelt werden.
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Heisses Coverdampfen
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Auf
das Substrat werden die Elemente des Halbleiters gleichzeitig aufgedampft
(coverdampft), so dass unmittelbar der Chalkopyrit-Halbleiter entsteht.
Bei diesem Verfahren wird das Glassubstrat vorzugsweise vor oder
während dem Beschichten auf beispielsweise ca. 520°C
erhitzt.
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Beim
Coverdampfen werden in der derzeitigen Technologie eine Vielzahl
von Punktverdampfern oder Linienquellen eingesetzt, die jeweils
eines der notwendigen Elemente Cu, Ga, In, S und Se verdampfen.
Jedes Element benötigt mindestens eine eigene Verdampfungsquelle,
in den meisten Fällen sind mehrere Verdampfer je Material
notwendig, um eine ausreichende Gleichmäßigkeit
der Beschichtung über die gesamte Substratbreite zu gewährleisten.
Das Substrat besteht in den meisten Fällen aus Glas, es
können aber auch andere, flexible Substrate verwendet werden,
z. B. flexible Trägermaterialien wie Cu, Al, Stahl oder
Polyimid. Im Allgemeinen werden thermische Verdampfer verwendet,
deren Verdampfungsrate über die Temperatur des Reservoirs kontrolliert
wird. Ein Verdampfen der kompletten Legierung aus einer Quelle scheitert
daran, dass die Verdampfungstemperaturen der verschiedenen Materialien
sehr unterschiedlich sind und sich somit die Zusammensetzung des
auf dem Substrat niedergeschlagenen Materials gegenüber
der eingesetzten Legierung durch Destillation unkontrolliert verändern würde.
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Außerdem
verlangt die Vielzahl der Verdampferquellen mit einzelnen Materialien
einen hohen Regelungsaufwand, um Stöchiometrie und Schichtdicke über
das gesamte Substrat mit hinreichender Genauigkeit zu gewährleisten.
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Da
die Schichtdicke des Chalkopyrit-Halbleiters mehrere μm
beträgt, müssen zudem erhebliche Mengen an Material
verdampft werden, was entweder ein großes Reservoir erhitzten
Materials oder eine Fördereinrichtung für das
Material notwendig macht.
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Zur
Metallbeschichtung von bandförmigen Substraten ist die
Verwendung von eine Verdampferbank bildenden Beschichtungsquellen
bekannt. Die Beschichtungsquellen haben häufig eine längliche Form
und werden dann als Verdampferschiffchen bezeichnet. Das verdampfende
Material, vorzugsweise Aluminium, bildet eine Dampfkeule mit einer
charakteristischen Intensitätsverteilung bzw. Emissionscharakteristik
des verdampften Materials über den einzelnen Verdampferschiffchen.
Bei typischen Vorrichtungen zur Bandbeschichtung wird das bandförmige Substrat
von einer Abwickelrolle abgewickelt und einer Aufwickelrolle zugeführt
und dabei in einem Bereich oberhalb der Verdampferbank bewegt, so
dass die nach unten gerichtete Seite des Substrats mit in den Verdampferschiffchen
verdampften Metall beschichtet wird.
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Eine
spezielle Vorrichtung zur laufenden Beschichtung von bandförmigen
Substraten ist auf der
DE
40 27 034 C1 sowie der
EP 0 474 964 B1 bekannt. Danach ist eine
Vielzahl von – eine Verdampferbank bildenden, längs
zur Banklaufrichtung und parallel in etwa gleichen Abständen
zueinander angeordneten Verdampferschiffchen etwa gleicher Größe
und Konfiguration vorgesehen. Die Verdampferschiffchen sind sämtlich
aus einer elektrisch leitenden Keramik gebildet und durch direkten
Stromdurchgang beheizbar. Ferner ist eine Vorrichtung für die
kontinuierliche Zuführung von zu verdampfendem Draht zu
den Verdampferschiffchen vorgesehen. Die einzelnen parallel zu einander
oder zur Bandlaufrichtung liegenden Verdampferschiffchen der Verdampferbank
sind jeweils versetzt zueinander angeordnet, wobei alle Verdampferschiffchen
gemeinsam eine schmale Beschichtungszone überdecken, die
sich quer zur Bandlaufrichtung erstreckt.
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Es
ist, unter anderem aus den Dokumenten
DE 40 27 034 C1 und
EP 0 474 964 B1 bekannt,
dass durch die Überlagerung der Dampfkeulen der Einzelquellen
eine ungleichmäßige Schichtverteilung auf dem
zu beschichtenden Band entsteht. Im Idealfall ist dies eine wellenförmige
Verteilung mit Maxima beziehungsweise Minima über beziehungsweise
zwischen den Verdampferschiffchen. Die bestenfalls erreichbare Schichtgleichmäßigkeit
wird bestimmt durch die Amplitude von Maxima und Minima, wobei die
Amplitude abhängig von der geometrischen Anordnung und
der Emissions-Charakteristik der einzelnen Verdampferschiffchen
sowie von der Wechselwirkung der Dampfkeulen der Verdampferschiffchen
untereinander ist. Zur Verbesserung der Schichtdickengleichmäßigkeit
bei parallel zueinander angeordneten einzelnen Verdampferschiffchen
der Verdampferbank wird in den genannten Dokumenten vorgeschlagen, die
Verdampferschiffchen zueinander versetzt anzuordnen, so dass diese
gemeinsam eine schmale Beschichtungszone abdecken. Dabei tritt allerdings
ein Wirkungsgradverlust bei der Beschichtung auf.
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Aus
der
DE 10 2006
056 984 A1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung eines
bandförmigen Substrats, welches in einer Laufrichtung gegenüber
einer Verdampferbank bewegbar ist, bekannt, bei der Verdampferschiffchen
alternierend nebeneinander angeordnet sind, so dass ein Verdampferschiffchen, dessen
Längsachse gegenüber der Laufrichtung entgegen
dem Uhrzeigersinn gedreht ist, sich neben einem Verdampferschiffchen
befindet, dessen Längsachse gegenüber der Laufrichtung
im Uhrzeigersinn gedreht ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst
einfache, gut zu kontrollierende und kostengünstige Möglichkeit
zur Abscheidung von CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Schichten zu schaffen,
bei der gleichzeitig eine hohe Beschichtungsqualität erreicht
wird.
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Die
genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Als
CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Schichten werden hier Schichten verstanden,
deren Bestandteile aus einer Menge ausgewählt sind, die
die Mitglieder der Gruppe Cu, In, Ga, S, Se sowie sämtliche Kombinationen
dieser Mitglieder der umfasst.
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Bei
den CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Schichten kann es sich sowohl um die
Vorläuferschichten von CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Halbleiterschichten
als auch um die bereits bei Abscheidung gebildete CIS-, CIGS- oder
CIGSSe-Halbleiterschichten handeln.
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Das
Material der Bestandteile des Drahtes ist ausgewählt aus
einer Menge, die die Mitglieder der Gruppe Cu, In, Ga, S, Se sowie
sämtliche Kombinationen der Mitglieder der Gruppe Cu, In,
Ga, S, Se umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung kann sowohl für das sequentielle
Beschichten als auch beim Coverdampfen eingesetzt werden. Die Verdampfung
mittels Verdampferschiffchen kann auch mit einer Verdampfung aus
anderen Verdampferquellen kombiniert werden, insbesondere bei der
Verwendung von Bestandteilen wie Schwefel oder Selen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung von bekannten
Vorrichtungen zur Drahtverdampfung, beispielsweise die aus der o.
g., aus den Dokumenten
DE
40 27 034 C1 ,
EP
074964 B1 ,
DE
10 2006 056 984 A1 oder
EP 1 408 135 A1 bekannten Vorrichtungen zum
Abscheiden von CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Schichten.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Verdampfung zumindest eines der Bestandteilse Cu, In, Ga oder CuIn,
CuGa, CuInGa, CuInS CuInGaSe oder der CuInGaSSe-Materialien mittels
vorzugsweise keramischer oder metallischer Verdampferschiffchen.
Die Verdampferschiffchen sind als Einrichtung zur Flashverdampfung
ausgebildet. Zur Flashverdampfung werden die Verdampferschiffchen
auf eine Temperatur deutlich oberhalb des Verdampfungspunktes der entsprechenden
Komponente erhitzt. Die Materialzufuhr erfolgt durch einen Draht,
der vorzugsweise der Mitte des Verdampferschiffchens kontrolliert,
z. B. über einen Schrittmotor-Antrieb, zugeführt
wird. Der jeweilige Draht enthält vorzugsweise einen oder mehrere
Bestandteile aus denen die abzuscheidenden CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Schichten
bestehen. Es ist auch möglich, alle einzelnen Bestandteile
einzeln hintereinander abzuscheiden. Die Verdampfung kann in einer
Kammer oder in verschiedenen Kammern, mit oder ohne Brechung des
Vakuums erfolgen.
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Schiffchenverdampfer
mit Drahtzufuhr zeichnen sich durch eine hohe Verdampfungsrate aus.
So können z. B. bis zu 10 g Kupfer/Minute aus einem Schiffchen
verdampft werden. Dies erlaubt für die Cu, In, Ga, oder
CuIn, CuGa, CuInGa, CuInGaSe-Materialien eine hohe Prozessgeschwindigkeit.
Die Beschichtungsrate erreicht ein Vielfaches der Rate von Sputterprozessen.
Eine Vielzahl von Schiffchenverdampfern kann so angeordnet werden,
dass bei kleiner Bauform eine hohe Schichtgleichmäßigkeit über das
Substrat erreicht wird. Dies wird durch eine Anordnung erzielt,
bei der die einzelnen Verdampfer möglichst wenig Wechselwirkung
miteinander haben. Aus der Folienbeschichtung mit Verdampferschiffchen
ist bekannt, dass man auf diese Weise eine Schichthomogenität über
die Substratbreite von <± 5%
erreichen kann. Bei traditionellen Punktquellen muss dagegen derzeit
ein großer Abstand zwischen Quelle und Substrat eingehalten
werden, um eine ausreichende Schichtgleichmäßigkeit
zu erhalten.
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Drahtverdampfer
sind durch die Drahtzufuhr nahezu trägheitsfrei in ihrer
Verdampfungsrate regelbar. Damit kann die Schichtdicke verzögerungsfrei geregelt
werden (z. B. in einem Closed Loop-Regelkreis).
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Durch
das schnelle Ein- und Ausschalten des Materialflusses kann auch
der Verbrauch an Beschichtungsmaterial minimiert werden. Es sind
keine langen Eindampfzeiten erforderlich, während derer die
Beschichtungskammer verschmutzt wird und kein Produkt hergestellt
werden kann. Durch die reduzierte Kammerbeschichtung wird die Standzeit
und die Wartungsfreundlichkeit der Anlage erhöht. Sehr
vorteilhaft ist, dass bei einem Drahtverdampfer ein erhöhter
Prozentsatz des zugeführten Materials zur Beschichtung
verdampft wird.
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Bei
einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine closed-loop-Regelung
der Zufuhr des Drahtes vorgesehen.
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Schiffchenverdampfer
bauen wesentlich kleiner als einzelne Punktquellen mit großen
Materialreservoirs. Die Verdampferschiffchen können in
einem Abstand von ca. 100 mm voneinander montiert werden, der Abstand
vom Substrat kann < 300
mm betragen. Durch den Einsatz dieser Technologie würden
Coverdampferanlagen für CIS, CIGS oder CIGSSe kompakter
zu bauen sein.
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Sequentielle Beschichtung:
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Als
sequentielle Verdampfung wird hier eine Verdampfung bezeichnet,
bei der zumindest ein zu verdampfender Bestandteil zu einem früheren
oder späteren Zeitpunkt auf dem Substrat abgeschieden wird
als zumindest ein weiterer zu verdampfender Bestandteil.
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Beim
sequentiellen Verdampfen werden die Bestandteile nacheinander aufgedampft,
aber nicht notwendigerweise in verschiedenen Kammern. Dabei werden
vorzugsweise mehrere Verdampfer bzw. -bänke eingesetzt.
Es entsteht hierbei ein Layer-Stack, der anschließend bei
erhöhter Temperatur des Substrats (beispielsweise bei Temperaturen
des Substrats von über 500°C), vorzugsweise einer
Halbleiterschicht legiert wird.
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Die
Vorteile der Erfindung gegenüber der herkömmlichen
sequentiellen Beschichtung durch Sputtern sind damit:
- – Höhere Beschichtungsrate
- – Bessere Materialausnutzung
- – Geringere Formkosten für Beschichtungsmaterial
- – Kein Recycling nötig; erhöhte Materialausnutzung
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Coverdampfung:
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Beim
Coverdampfen werden mehrere Bestandteile der Schicht oder sogar
die gesamte Schicht gleichzeitig aufgebracht. Dabei entsteht kein Stack,
sondern eine im Wesentlichen homogene Schicht. Diese wird zu einem
späteren Zeitpunkt noch getempert beziehungsweise legiert.
Das Tempern kann auch bereits während des Abscheidens stattfinden,
so dass unmittelbar der Chalkopyrit-Halbleiter entsteht.
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Coverdampfen
bezieht sich somit auf die Perspektive des Substrates, d. h., es
wird betrachtet, welche Bestandteile dort gleichzeitig ankommen,
und nicht auf die Verdampferquelle, d. h., welche Bestandteile dort
gleichzeitig verdampft werden. Es ist auch möglich, aus
mehreren Quellen cozuverdampfen.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Verdampfung von Cu, In, Ga, oder CuIn, CuGa, CuInGa, CIS, CIGS oder
CIGSSe-Materialien auch beim Coverdampfen durch Flashverdampfung
mittels vorzugsweise keramischer Verdampferschiffchen, jedoch gleichzeitig. Die
Materialzufuhr erfolgt durch einen Draht, der vorzugsweise der Mitte
des Verdampferschiffchens kontrolliert zugeführt wird.
Der Draht schmilzt an der Auftreffstelle ab und alle Materialien
des Drahtes werden gleichzeitig verdampft.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht
der Draht aus einem Gemisch aller für die abzuscheidende
Halbleiterschicht relevanten Bestandteile. Die Verdampferschiffchen
werden dabei auf eine Temperatur deutlich oberhalb des Verdampfungspunktes
der am höchsten siedenden Komponente (Kupfer) erhitzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann das Material aus zumindest
2 Verdampferschiffchen mit jeweils einem oder mehreren Bestandteilen
der Halbleiterschicht gefahren werden, um eine gewisse Prozessregelung
zu ermöglichen. Dies könnte nötig sein,
weil bestimmte Legierungsverhältnisse der einzelnen Komponenten
kein als Draht zu verarbeitendes Material ergeben.
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Die
Zusammensetzung des auf dem Substrat niedergeschlagenen Materials
wird durch die Zusammensetzung des Drahtes bestimmt. Ein Anreichern
einer Komponente kann nicht erfolgen, weil durch die Flashverdampfung
alles Material, welches das Schiffchen erreicht, sofort verdampft.
Die Menge an verdampftem Material pro Zeit (die Verdampfungsrate)
wird über die Zufuhr des Drahtes eingestellt. Damit ist
die Schichtdicke auf dem Substrat nahezu trägheitsfrei
regulierbar. Konventionelle Verdampfer haben eine hohe Masse und
sind daher nur sehr träge in ihrer Verdampfungsrate zu
regeln.
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Eine
Regulierung der einzelnen Materialquellen, um die Stöchiometrie
der abgeschiedenen Schicht einzustellen, ist bei dieser Ausführungsform nicht
erforderlich. Die konstante Stöchiometrie ist bei diesem
Verfahren für den Produktionsprozess durch die Ausbildung
des den Verdampferschiffchen zugeführten Draht sichergestellt.
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Die
Vorteile der Erfindung gegenüber der herkömmlichen
Beschichtung durch Coverdampfen aus mehreren Verdampferquellen sind
damit:
- – Konstante Stöchiometrie
der Halbleiterschicht
- – Keine Notwendigkeit für eine Prozessregelung zur
Kontrolle der Stöchiometrie
- – Trägheitsfreie Regelung der Verdampferrate und
damit der Schichtdicke
- – Höhere Beschichtungsrate
- – Höhere Schichtdickenhomogenität über
die Substratbreite
- – Kompaktere Bauform des Verdampfers.
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Auch
eine Kombination von sequentiellem Verdampfen und Coverdampfen ist
von der Erfindung umfasst. Beispielsweise kann auf eine durch Coverdampfen
aufgebrachte Schicht ein weiterer Bestandteil aufgebracht werden – oder
umgekehrt.
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In
einer günstigen Ausführungsform wird die Temperatur
der Verdampfer geregelt.
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Würde
das drahtförmige Aufdampfmaterial in einen thermisch überhitzten
Verdampfer eingebracht, das an einem Auftreffpunkt im Verdampfer
an diesen anstößt, würde dieses vor dem
Auftreffen auf den Verdampfer, bzw. einen Tiegel des Verdampfers, schmelzen
und in den Verdampfer hineintropfen. Die Beschichtung des Substrats
würde ungleichmäßig erfolgen und wäre
schwer kontrollierbar. Würde die zugeführte Menge
des Aufdampfmaterials erhöht, könnten die Verhältnisse
zwar stabilisiert werden, gleichzeitig würde jedoch die
Beschichtungsrate schwer kontrollierbar ansteigen und eine Welligkeit der
Beschichtung auftreten. Vorteilhaft wird die Temperatur des Verdampfers,
etwa über eine Reduktion der elektrischen Leistung, verringert.
So kann günstigerweise bei ausreichend hoher Temperatur
eine hohe und gleichbleibende Abdampfrate erreicht und ein Substrat
unter reproduzierbaren Bedingungen beschichtet werden.
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Vorzugsweise
können zur Reduzieren einer Welligkeit folgende Schritte
ausgeführt werden:
- – Erfassen
einer durch das zugeführte Aufdampfmaterial hervorgerufenen
Welligkeit wenigstens eines elektrischen Parameters an dem einem oder
den mehreren Verdampfern und/oder wenigstens eines schichtbezogenen
Parameters an einer aus dem Aufdampfmaterial abgeschiedenen Schicht;
- – Bewerten der Welligkeit des wenigstens einen Parameters;
und
- – Einstellen wenigstens einer elektrischen Stellgröße
der Verdampfereinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten
Welligkeit.
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Das
Abtropfen des Aufdampfmaterials kann sich in der Welligkeit wenigstens
einer der Parameter Strom, Spannung elektrische Leistung, elektrischer Widerstand
des einen oder der mehreren Verdampfers, elektrische Spannung zwischen
dem jeweiligem Verdampfer und dem diesem zugeführtem Aufdampfmaterial,
Flächenwiderstand der abgeschiedenen Schicht, Schichtdicke
der abgeschiedenen Schicht, zeigen. Vorteilhaft kann daher wenigstens
eine der genannten Parameter erfasst und hinsichtlich der Stärke
der Welligkeit ausgewertet werden.
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Vorteilhaft
kann eine Standardabweichung wenigstens einer der Parameter über
einen gegebenen Zeitraum erfasst werden. Dabei ist zweckmäßig, wenn
bei Überschreiten einer zulässigen Standardabweichung
innerhalb des gegebenen Zeitraums die Stellgröße
verändert werden kann.
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Alternativ
oder zusätzlich kann ein Abstand zwischen einem minimalen
und einem maximalen Signal des jeweils erfassten Parameters erfasst
werden. Wird innerhalb eines gegebenen Zeitraums ein zulässiger
Abstand zwischen minimalem und maximalem Signal überschritten,
kann vorteilhaft die Stellgröße verändert
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verdampfereinrichtung mit Gleichstrom
betrieben werden. Es zeigt sich, dass die Abdampfrate dann proportional
zur elektrischen Leistung ist. Bei Verwendung von keramischen Tiegeln
für das Aufdampfmaterial zeigt sich weiterhin, dass bei
der Verwendung von Gleichstrom ein alterungsabhängiger Leistungsanstieg
zur Erzielung einer gleichen Beschichtungsrate, der bei Wechselstrombetrieb
beobachtet wird, praktisch nicht beobachtet wird. Wird die Welligkeit
des wenigstens einen Parameters, etwa des elektrischen Stroms, minimiert,
tropft das Aufdampfmaterial nicht mehr in den Verdampfer, und eine
günstige Benetzung des Verdampfers durch das Aufdampfmaterial
kann erreicht werden mit dem Ergebnis einer homogenen Abdampfrate.
Verglichen mit einem Wechselstrombetrieb zeigt sich, dass die Benetzung
bei Gleichstrom großflächiger und gleichmäßiger
erfolgt. Bezogen auf die eingestellte Verdampferleistung kann so
günstigerweise die Abdampfrate maximiert werden.
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Alternativ
kann die Verdampfereinrichtung mit Wechselstrom betrieben werden.
Dabei kann zweckmäßigerweise eine Oberwellenanalyse
durchgeführt werden und ein daraus abgeleiteter niederfrequenter
Anteil des erfassten elektrischen Parameters unterhalb von 20 Hz
erfasst werden, vorzugsweise zwischen 0,01 und 15 Hz, besonders
bevorzugt zwischen 0,1 und 10 Hz.
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Zweckmäßigerweise
kann ein alterungsbedingter Leistungsanstieg zur Aufrechterhaltung
einer Abdampfrate durch Erhöhung der Leistung nachgeführt
werden.
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Eine
günstige Betriebsweise ergibt sich, wenn die elektrische
Leistung des oder der Verdampfer auf einen innerhalb zulässiger
Werte beschränkten Wert geregelt werden kann. Bei einem
solchen Konstantleistungsbetrieb können, besonders in Kombination
mit einem Gleichstrombetrieb des Verdampfers, stabile Beschichtungsverhältnisse
erreicht werden. Bevorzugt wird dabei die Spannung am Verdampfer
konstant gehalten und der Strom nachgeregelt. Eine Einheit zur Einstellung
einer geeigneten Regelgröße des Verdampfers, etwa
eine Reglereinheit, kann schnell die gewünschte Stellgröße
anpassen.
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Eine
bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung eines Beschichtungsverfahrens
zur Abscheidung einer Schicht auf einem Substrat, wobei Aufdampfmaterial
aus einer Verdampfereinrichtung auf das Substrat gelangt, wobei
die Verdampfereinrichtung ein oder mehrere Verdampfer umfasst, die
zum Erhitzen des Aufdampfmaterials von elektrischem Strom durchflossen
sind und Aufdampfmaterial während des Stromflusses in die
Verdampfereinrichtung zuführbar ist, sieht vor, dass eine
oder mehrere Einrichtungen zur Erfassung einer durch das zugeführte Aufdampfmaterial
hervorgerufenen Welligkeit eines elektrischen und/oder schichtbezogenen
Parameters an dem einem oder den mehreren Verdampfern und/oder an
einer aus dem Aufdampfmaterial abgeschiedenen Schicht vorgesehen
sind und eine Einrichtung zur Einstellung einer elektrischen Stellgröße der
Verdampfereinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten
Welligkeit.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben, aus dem sich auch unabhängig
von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
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Es
zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine
Skizze einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens,
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2 rechteckförmige
Verdampferschiffchen, die einen Teil einer Verdampferbank bilden.
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Gleiche
Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugseichen bezeichnet.
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Zur
Erläuterung der Erfindung zeigt die 1 und 2 schematisch
eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
zum Abscheiden von CIS-, CIGS- oder CIGSSe-Halbleiterschichten auf
einem Substrat. Das nicht dargestellte Substrat ist oberhalb einer
Verdampfereinrichtung 20 in einem Vakuumrezipienten (nicht
dargestellt) angeordnet, wobei Aufdampfmaterial 28 auf
dem Substrat kondensiert und eine Schicht bildet.
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Die
Verdampfungseinrichtung 20 weist wenigstens einen Verdampfer 22 auf,
vorzugsweise einen keramischen oder metallischen Verdampfer. Der Verdampfer 22 ist
an Halterungen 24, 26 eingespannt. Beheizt wird
der Verdampfer 22 bzw. die Verdampfereinrichtung 20 durch
elektrischen Strom aus einer Stromversorgung 32, die mittels
einer Einrichtung 30, vorzugsweise einer Regeleinrichtung,
eingestellt wird. Die Einrichtung 30 ermöglicht
beispielsweise das Einstellen einer konstanten elektrischen Leistung.
Wird dabei die Spannung konstant gehalten, wird jeweils der Strom
entsprechend nachgeführt. Ebenso kann ein Konstantstrombetrieb
oder ein Konstantspannungsbetrieb vorgesehen sein. Bei einer Gleichstromversorgung
ist die Abdampfrate des Aufdampfmaterials 28 aus dem Verdampfer 22 nahezu
linear von der Leistung abhängig und zeigt auch bei Alterung
kaum eine Veränderung. Im Gegensatz dazu muss bei einer
Wechselstromversorgung während der üblichen Lebensdauer
eines Verdampfers 22 mit einer Leistungszunahme um etwa 10%
gerechnet werden, um eine konstante Abdampfrate zu gewährleisten.
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Der
durch die Verdampfereinrichtung 20 fließende elektrische
Strom I kann mit einem Amperemeter 34 gemessen werden,
ein zwischen Aufdampfmaterial und Verdampfer 22 liegendes
Potential U mit einem Voltmeter 36.
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Die
Einrichtung 30 kann Eingangssignale von einem oder mehreren
Parametern der der Verdampfereinrichtung 20 erhalten, etwa
Strom I, elektrisches Potential V, Spannung über den Verdampfer 22,
elektrischer Widerstand, ebenso können zusätzlich
oder alternativ schichtbezogene Parameter wie ein Flächenwiderstand
der aufwachsenden Schicht und/oder eine Schichtdicke der aufwachsenden Schicht
als Eingangsgrößen dienen. Die Schichtdicke kann
während der Beschichtung an geeigneter Stelle gemessen
werden, etwa, vom Substratrand aus gemessen, an der gleichen Position
wie der Verdampfer 22. Anhand des oder der Parameter kann die
Einrichtung 30 eine Stellgröße, wie etwa
Strom, Spannung, Leistung, Widerstand der Verdampfereinrichtung 20 berechnen,
die über die Stromversorgung 32 umgesetzt wird.
Grundsätzlich kann auch die Zufuhr des Aufdampfmaterials,
etwa dessen Vorschubgeschwindigkeit, angepasst werden, es ergibt sich
jedoch eine besonders einfache Regelung, wenn die Zufuhr des Aufdampfmaterials
konstant bleibt.
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In
den Verdampfer 22 wird während der Beschichtung
kontinuierlich Verdampfungsmaterial nachgeführt, hier als
Draht 28 aus Cu, In, Ga, oder CuIn, CuGa, CuInGa, CIS,
CIGS oder CIGSSe-Materialien. Die Zuführrichtung zu dem
Verdampfer 22 ist mit einem Pfeil angedeutet. Das Aufdampfmaterial schmilzt
am Auftreffpunkt im Verdampfer 22, wobei eine entsprechende
Menge durch seinen hohen Dampfdruck den Verdampfer 22 verlässt
und an Bereichen des Vakuumrezipienten kondensiert, beispielsweise
am Substrat.
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Ist
der Verdampfer 22 zu heiß, tropft das Aufdampfmaterial
in den Verdampfer 22, so dass eine Welligkeit des Stroms
durch den Verdampfer 22 beobachtet wird. Wird die von der
Stromversorgung 32 ausgegebene Spannung durch die Einheit 30 entsprechend
nachgeregelt, dass die Welligkeit minimal wird bzw. innerhalb einer
Toleranz gehalten wird, tropft das Aufdampfmaterial nicht mehr und
eine Maximierung der Abdampfrate bezogen auf die Verdampferleistung
kann erreicht werden, wobei sich bei Gleichstrombetrieb dabei eine
größere und homogenere Benetzungsfläche
des Verdampfers 22 einstellen kann als bei entsprechenden
Parametern bei Wechselstrombetrieb. Es versteht sich, dass auch eine
Vorrichtung ohne Nachregelung der Welligkeit von der Erfindung umfasst
wird.
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Durch
eine schnelle Messung der Welligkeit des Gleichstromsignals sowie
eine entsprechende Anpassung der Verdampferleistung automatisch über
die Einheit 30 oder auch manuell kann eine Minimierung
der Welligkeit erreicht werden. Dazu kann eine geeignete Software
vorgesehen sein, die eine automatische Regleranpassung der Einheit 30 ermöglicht,
so dass die Verdampferleistung über den gesamten Beschichtungszeitraum
unter homogenen Bedingungen mit gut reproduzierbaren Ergebnissen ablaufen
kann. Entsprechende Regleranpassungen durch Bedienpersonal kann
auf ein Minimum beschränkt werden. Das Beschichtungsergebnis
hängt dann hinsichtlich der Gleichmäßigkeit
im Wesentlichen nur noch von der Verdampfergeometrie ab, und die
Verdampferregelung wird erheblich vereinfacht.
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In
2 sind
in Obenansicht rechteckförmige Verdampferschiffchen
9,
9' und
10,
10' dargestellt, die
einen Teil einer Verdampferbank zum Verdampfen von CIS-, CIGS- oder
CIGSSe-Materialien bilden. Die Verdampferschiffchen
9,
9',
10,
10' sind
mittels Befestigungsteilen
16,
16',
17,
17' in
vorgegebenen Positionen gegenüber der Laufrichtung X sowie
der senkrecht auf der Richtung X stehenden Richtung Y angeordnet.
Die Verdampferschiffchen
9,
9' und
10,
10' in
2 weisen
sämtlich die gleiche Länge 01 auf. Die Verdampferschiffchen
9 und
9' sind
jeweils mit einem Winkel α beziehungsweise α'
in einem Bereich zwischen –1° und –89° zur
Richtung X angeordnet. Die Verdampferschiffchen
10 und
10' sind
mit einem Winkel β beziehungsweise β' in einem
Bereich zwischen 1° und 89° zur Richtung X angeordnet.
Anschaulich gesprochen, bilden die Verdampferschiffchen in
2 ein
Fischgrätenmuster. Eine derartige Vorrichtung und ein entsprechendes
Verfahren zur Verdampfung sind aus der
DE 10 2006 056 984 bekannt, deren
Offenbarungsgehalt in vollem Umfang durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt
der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
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Während
in der Darstellung der 2 lediglich vier Verdampferschiffchen
gezeigt sind, versteht es sich, dass die Erfindung Verdampferbänke
mit einer Vielzahl von Verdampferschiffchen umfasst. Ferner kann
die Länge der Verdampferschiffchen unterschiedlich sein.
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Erfindungsgemäß bilden
die Verdampferschiffchen eine Menge A und eine Menge B, wobei die
Elemente der Menge A eine Länge LA in einem Bereich zwischen
01 – δA und 01 + δA und die Elemente
der Menge B eine Länge LB in einem Bereich zwischen 01 – δB
und 01 + δB liegen. Die Schiffchen der Menge A weisen gegenüber
der Y Richtung einen Winkel α in einem Bereich zwischen –1° und –89°,
die Verdampferschiffchen der Menge B einen Winkel β in einem
Bereich zwischen 1° und 89° auf. Die Verdampferschiffchen
der Menge A und B sind in einem Bereich mit einer maximalen Breite
von 2L0 + δA + δB angeordnet. 2 entspricht
der Situation mit δA = δB = 0.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung der Verdampferschiffchen
in einem Fischgrätenmuster erlaubt es die Schichtdickenschwankung
(Dmax – Dmin):(Dmax + Dmin) gegenüber bekannten
Anordnungen von Verdampferschiffchen zu reduzieren, wobei Dmax die
maximale und Dmin die minimale Schichtdicke eines beschichteten
Substrats bezeichnet.
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In
einer weiteren Ausbildungsform der Anordnung sind die Verdampferschiffchen
der Menge A in einem Streifen SA und/oder die Verdampferschiffchen
der Menge B in einem Streifen SB angeordnet wobei die Streifen SA
und SB eine Überlappzone Z aufweisen. Die Verdampferschiffchen
der Menge A und/oder der Menge B werden damit geometrisch zusammengefasst,
wodurch die Wahl geeigneter Werte für die Winkel α und β erleichtert
wird. Die Streifen SA und SB können jeweils konstante Breite
BA und BB aufweisen. Günstigerweise können die
Streifen SA und SB gleiche Breite aufweisen. Besonders günstig ist
es, wenn die Streifen SA und SB jeweils parallel zur Richtung Y,
also senkrecht zur Laufrichtung X angeordnet sind.
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Die Überlappzone
Z kann kleiner oder gleich der Breite des schmalsten der Streifen
SA und SB sein. Bevorzugt ist eine Überlappzone Z mit einer Breite
BZ in einem Bereich zwischen 0.1B und 0.95B, besonders bevorzugt
zwischen 0.6B und 0.8B. Hiermit kann eine weitere Reduktion der
Schichtdickenschwankung erreicht werden.
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Es
versteht sich, dass auch andere Konfigurationen der Verdampferschiffchen,
beispielsweise mit zueinander parallelen Verdampferschiffchen, von der
Erfindung umfasst sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4027034
C1 [0013, 0014, 0022]
- - EP 0474964 B1 [0013, 0014]
- - DE 102006056984 A1 [0015, 0022]
- - EP 074964 B1 [0022]
- - EP 1408135 A1 [0022]
- - DE 102006056984 [0064]