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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Verwendung 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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Die
DE 10 2005 040 087 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Absorber-Schichten für Dünnschicht-Solarzellen, wobei alle schichtbildenden Elemente in einer Vakuumkammer koverdampft werden, in einer entstehenden Dampfphase vermischt werden und auf einem Substrat abgeschieden werden.
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Die
EP 1 408 135 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Vakuumbedampfung zum Metallisieren eines Substratstreifens, wobei eine Anzahl von Verdampferquellen, Mittel zum Transportieren des Substrates und Mittel zum Zuführen eines Metalldrahtes vorgesehen sind. Die Quellen zeichnen sich dadurch aus, dass jede der Quellen zwei Hohlräume hat, die in der Richtung, in welcher das Substrat transportiert wird, fluchten, und dass jeder der zwei Hohlräume durch einen entsprechenden Metalldraht beschickt wird, der durch die entsprechenden Zuführmittel zugeführt wird.
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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 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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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 Schichten-Stack (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. 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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Bevorzugt kann eine 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 sein und eine elektrischen Stellgröße der Verdampfereinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Welligkeit eingestellt werden.
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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 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 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 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 A1 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 auch Verdampferbänke mit einer Vielzahl von Verdampferschiffchen vorgesehen sein können. Ferner kann die Länge der Verdampferschiffchen unterschiedlich sein.
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Die Verdampferschiffchen bilden eine Menge A und eine Menge B, wobei die Elemente der Menge A eine Länge LA in einem Bereich zwischen 01 – δ A und 01 + δ A und die Elemente der Menge B eine Länge LB in einem Bereich zwischen 01 – δ B und 01 + δ B 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 2 L0 + δ A + δ B angeordnet. 2 entspricht der Situation mit δ A = δ B = 0.
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Die 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 die Verdampferschiffchen auch andere Konfigurationen, beispielsweise mit zueinander parallelen Verdampferschiffchen, aufweisen können.
