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Die Erfindung betrifft einen Tiegel für einen Elektronenstrahlverdampfer, ein Betriebsverfahren des Elektronenstrahlverdampfers sowie eine spezifische Verwendung des Tiegels.
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Stand der Technik und technologischer Hintergrund
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Dünnschichtsolarzellen, insbesondere auf Basis von Chalkogenid-Halbleiterschichten (z. B. CIGS-Solarzellen), stellen eine effiziente und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Technologien in der Photovoltaik dar. Mögliche Herstellungsverfahren für Chalkogenid-Halbleiterschichten umfassen unter anderem die Coverdampfung, Chalkogenisierung von Vorläuferschichten, Elektrodeposition oder Spraypyrolyse. In Bezug auf die Anwendung in Dünnschichtsolarzellen werden die höchsten Energieumwandlungswirkungsgrade mit Coverdampfungstechniken erreicht – allerdings nur bei einer entsprechend effizienten Prozesskontrolle. Dem Stand der Technik nach allgemein bekannt ist die Herstellung von polykristallinen Chalkogenid-Halbleiterschichten durch Abscheidung aus der Dampfphase (engl. „physical vapour deposition” – PVD). Die PVD ist eine Standardtechnik der Dünnfilmtechnologie. Wird mehr als ein Element gleichzeitig abgeschieden, so spricht man von „Coverdampfung”.
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Eine für die industrielle Fertigung von Dünnschichtsolarmodulen besonders vielversprechende Variante des PVD-Verfahrens sieht vor, dass die Verdampfung der Feststoffe unter Zuhilfenahme eines Elektronenstrahlers erfolgt (sogenanntes EB-PVD-Verfahren). Ein solcher Elektronenstrahlverdampfer fokussiert einen Elektronenstrahl auf die zu verdampfenden Feststoffe und ermöglicht es dadurch sehr hohe Energiedichten und Temperaturen zu erzielen. Das großflächige Aufdampfen mittels Elektronenstrahlverdampfern erfordert in transversaler Richtung, d. h. senkrecht zur Substrattransportrichtung, homogene Beschichtungsquellen; es werden dazu in der Regel große rechteckige Tiegel zur Aufnahme der zu verdampfenden Metalle verwendet. Tiegelgeometrien mit großem Breite-zu-Länge-Verhältnis werden auch als Lineartiegel bezeichnet und Elektronenstrahlverdampfer, in denen solche Tiegel Einsatz finden, sind auch als Linearverdampfer bekannt. Es ist ferner bekannt, den Tiegel zweistückig mit Außentiegel und Innentiegel auszuführen. Der Innentiegel besteht dabei aus einem Material, das keine Legierungen/Reaktionen mit dem geschmolzenen Material, insbesondere den flüssigen Metallen, eingeht.
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Der Außentiegel weist gemeinhin eine Wasserkühlung auf. Das Prinzip der Elektronenstrahlverdampfer erfordert, dass der gesamte Tiegel elektrisch leitend ist. Die beim Elektronenstrahlverdampfen in den Tiegel „geschossenen” Elektronen müssen nach Masse abfließen können, da sich ansonsten das Material elektrisch aufladen würde. Deshalb ist zwischen zu verdampfenden Material und Masse immer eine elektrisch leitfähige Verbindung erforderlich.
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Bei herkömmlichen Elektronenstrahlern mit hoher Beschleunigungsspannung (typischerweise 30 kV oder mehr) sind Aufladungseffekte im Tiegel weniger kritisch. Wird jedoch der Einsatz von Elektronenstrahlern mit einer Beschleunigungsspannung im Bereich von 6 kV bis 10 kV aus bestimmten technischen Erwägungen gewünscht, so werden bei gleicher benötigter Verdampferleistung deutlich höhere Emissionsströme benötigt. Dies kann zu Überschlägen und damit einer Beschädigung des Substrats führen. Eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit des Tiegels muss daher immer sichergestellt sein.
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Für den Außentiegel wird oft Kupfer verwendet. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials bringt jedoch eine gute thermische Leitfähigkeit mit sich. Die Haltepunkte des Tiegels müssen deshalb gut gekühlt werden. In einem herkömmlichen Elektronenstrahlverdampfer wird ein Großteil der Energie, die über den Elektronenstrahl eingebracht wird, direkt über das Kühlwasser wieder abgeführt; üblicherweise geht > 90% der Elektronenstrahlverdampfer-Leistung in das Kühlwasser. Nur ein Bruchteil wird zur Erhitzung des Aufdampfmaterials am Auftreffpunkt des Elektronenstrahls verwendet. Es werden damit weit höhere Verdampfer-Leistungen benötigt, als zur eigentlichen Verdampfung der Metalle benötigt würden. Der Gesamtenergiebedarf einer Beschichtungsanlage zur zum Beispiel großtechnischen Herstellung PV-aktiver CIGS-Schichten sollte jedoch möglichst niedrig sein.
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Die Herstellung von insbesondere aktiven CIGS-Schichten mittels Simultanverdampfung erfordert weiterhin die genaue Einhaltung der einzelnen, ggf. räumlich und/oder zeitlich variierenden Aufdampfraten der beteiligten Metalle, um die gewünschte Stöchiometrie einzuhalten. Die Temperatur der Schmelze stellt die physikalische Größe dar, die unmittelbar mit der Rate verbunden ist. In konventionellen Tiegeln zeigt die Schmelze infolge der Kühlung des gesamten Tiegels jedoch eine sehr inhomogene Temperaturverteilung. Eine Temperaturmessung bei Elektronenstrahlverdampfersystemen konventioneller Bauart kann somit nicht präzise funktionieren, da hier große Temperaturgradienten im Tiegel zwischen der Fläche, von der gerade verdampft wird, und dem massiv wassergekühltem Tiegelrand bestehen.
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Bekannte alternative Verfahren zur (In-Situ) Ratemessung können insbesondere bei CIGS-Schichten jedoch nicht verwendet werden:
- a) Schwingquarzmessung funktioniert nicht oder zumindest nicht sehr lange bei Bedampfung der Quarze mit Metall-Seleniden. Außerdem müsste zur Regelung einer Metallquelle das Metall alleine (d. h. ohne Se-Rate) gemessen werden; da das Se aber nicht „quasioptisch” verdampft, misst man immer die Summe aus einer Metalldampfrate und einem Se-Anteil.
- b) Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) leidet an der Änderung der Transmission der Fenster durch Belegung mit Selen – trotz geheizter Fenster – und der nicht ausreichenden Langzeitstabilität der Intensitätsmessung.
- c) Quadrupol-Messsysteme arbeiten ebenfalls nicht zuverlässig in Se-Atmosphäre. Ein Problem ist z. B. die Kondensation von Se im Quadrupol und/oder der Cross-Beam-Quelle.
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Der Verdampfungsprozess darf ferner keine ”Spritzer” auf dem Substrat erzeugen; wenn Metalle verdampft werden, würde dies Kurzschlüsse auf dem Substrat bewirken. Häufig werden die Spritzer durch große thermische Gradienten und starke Strömungen („Kochen, Brodeln”) im flüssigen Material ausgelöst. Deshalb ist ein möglichst geringer thermischer Gradient in der Schmelze wünschenswert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein oder mehrere der zuvor angesprochenen Probleme werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Tiegels für einen Elektronenstrahlverdampfer gelöst oder zumindest gemindert.
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Der erfindungsgemäße Tiegel umfasst einen elektrisch leitfähigen Außentiegel und einen zur Aufnahme eines zu verdampfenden Materials ausgelegten und ebenfalls elektrisch leitfähigen Innentiegel. Der Tiegel ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Außentiegel und Innentiegel eine elektrisch leitfähige, jedoch thermisch isolierende Einlage angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, durch eine thermische Entkopplung von Innentiegel und Außentiegel, jedoch bei verbleibender elektrischer Verbindung derselben eine Vielzahl der zuvor angesprochenen Probleme vermieden oder zumindest gemindert werden kann. Hierzu befindet sich zwischen Innentiegel und Außentiegel eine elektrisch leitfähige Einlage, deren Wärmeleitfähigkeit jedoch in dem zur Anwendung relevanten Temperaturbereich gering ist. Die Einlage sorgt dafür, dass die Schmelze und der Innentiegel vom Rest der Aufdampfquelle thermisch entkoppelt werden, Strom zwischen dem Innentiegel und Außentiegel jedoch nach wie vor fließen kann. Dadurch erwärmen sich Schmelze und Innentiegel gleichmäßig. Der Außentiegel mit seinen Haltepunkten, d. h. die mechanische Verbindung zur Prozesskammer, bleibt dagegen gekühlt bzw. erwärmt sich nur moderat.
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Die Temperatur der Schmelze an der Innentiegelwand liegt beim erfindungsgemäßen Tiegel nahe der Temperatur des aus dem Innern des Tiegels verdampfenden Materials. Die Temperatur des Innentiegels entspricht demnach etwa der Verdampfungstemperatur des Materials. Eine Steuerung der Aufdampfrate ist nun auch über eine Regelung der Innentiegeltemperatur möglich, so dann in bevorzugter Ausführungsform der Innentiegel ein Thermoelement zur Erfassung einer Temperatur des Innentiegels aufweist. Ein dazugehöriges Verfahren zum Betrieb des Elektronenstrahlverdampfers zeichnet sich somit dadurch aus, dass die Temperatur des Innentiegels zur Regelung einer Verdampfungstemperatur des zu verdampfenden Materials herangezogen wird.
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Die Einlage besteht vorzugsweise aus Graphitfilz. Graphitfilz ist elektrisch hinreichend leitfähig, um die notwendige Erdung des Tiegels und damit das Abfließen der Elektronen nach Masse zu gewährleisten. Das Material hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Im in der Verwendung interessierenden Temperaturbereich werden die Wärmeverluste in Innentiegel im Wesentlichen durch thermische Strahlung der Innentiegelwand bestimmt. Graphitfilz hat ferner einen sehr niedrigen Dampfdruck, der die Verwendung in Hochvakuumbeschichtungsanlagen ermöglicht. Vorzugsweise weist die Einlage eine Dicke von 1 bis 5 mm auf. Ferner ist bevorzugt, wenn der Außentiegel eine Kühlung, insbesondere Wasserkühlung, aufweist.
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Die erfindungsgemäßen Tiegel finden vorzugsweise zur Herstellung von Dünnschichtsolarmodulen, insbesondere mit CIGS-Schichten Verwendung.
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Kurzbeschreibung der Figur
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Tiegel für einen Elektronenstrahlverdampfer.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die einzige Figur illustriert in schematischer Weise eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Tiegel 10 für einen Elektronenstrahlverdampfer. Der Tiegel 10 umfasst einen elektrisch leitfähigen Außentiegel 12, zum Beispiel aus Kupfer. In den Außentiegel 12 kann eine Wasserkühlung 14 integriert sein. Weiterhin weist der Tiegel 10 einen Innentiegel 16 auf, der in den Außentiegel 12 eingesetzt wird und beispielweise aus Graphit besteht.
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Zwischen Außentiegel 12 und Innentiegel 16 befindet sich eine elektrisch leitfähig, jedoch thermisch isolierende Einlage 18. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel folgt die Einlage 18 der Kontur des Innentiegels 16. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Einlage 18 am Außentiegel 12 anliegt. Für die Zwecke der Erfindung ist es lediglich bedeutsam, dass ein direkter Kontakt zwischen Außentiegel 12 und Innentiegel 16 vermieden wird, jedoch dennoch eine elektrische Verbindung der beiden Komponenten erhalten bleibt.
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Die Einlage 18 besteht im vorliegenden Fall aus Graphitfilz und weist einen Dicke von 1 bis 5 mm auf.
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Zur Stabilisierung und Verbesserung der thermischen Isolierung zwischen Außentiegel 12 und Innentiegel 16 ist weiterhin eine keramische Wanne 20 vorgesehen, die die Einlage 18 und den Innentiegel 16 aufnimmt. Die damit als Hitzeschild agierende Molybdän-Wanne 20 wiederum ruht auf Keramikkugeln 22, so dass ein Hohlraum 24 zwischen Innentiegel 12 und Molybdän-Wanne 20 bzw. partiell der Einlage 18 verbleibt, der die thermische Isolierung des Innentiegels 16 gegenüber dem Außentiegel 12 weiter verbessert.
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Der Tiegel 10 weist ferner ein Thermoelement 26 auf, das eine Temperatur des Innentiegels 16 erfassen kann. Das Thermoelement 26 dient der Regelung der Verdampfungstemperatur des zu verdampfenden Materials, das sich im Innentiegel 16 befindet. Aufgrund der thermischen Isolierung des Innentiegels 16 gegenüber dem Außentiegel 12 kann hier näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die Temperatur des Innentiegel 16 der Temperatur der sich im Innentiegel 16 befindlichen Schmelze des zu verdampfenden Materials entspricht.
