DE102010003215B4

DE102010003215B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmeabsorption in Vakuumbeschichtungsanlagen

Info

Publication number: DE102010003215B4
Application number: DE102010003215A
Authority: DE
Inventors: Hubertus von der Waydbrink; Dr. Barthel Knut; Michael Hentschel; Steffen Lessmann; Marco Kenne; Damir MUCHAMEDJAROW; Reinhard Jaeger
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: DE102010003215A1; US20110120682A1

Abstract

Vorrichtung zur Wärmeabsorption in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Absorber (1), der ein Leitungssystem zur Führung eines Kühlmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem von einem zu der Vakuumkammer (4) hin dichten Mantel umhüllt ist und dass zwischen dem Leitungssystem und dem Mantel Strömungsräume angeordnet sind, die mit einer Quelle eines Wärmetauschermediums verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeabsorption in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Absorber, der ein Leitungssystem zur Führung eines Kühlmittels aufweist, sowie ein Verfahren zur Wärmeabsorption in Vakuumbeschichtungsanlagen, bei dem ein Kühlmittel durch ein Leitungssystem eine absorbierte Wärme ableitend geführt wird.
Es ist bekannt, zum Aufbringen von Schichten auf Substraten eine Beschichtung aus der Dampfphase oder über ein Sputtern mit oder ohne chemische Reaktion mit einem Reaktivgas durchzuführen.
Insbesondere bei einer Beschichtung aus der Dampfphase wird das Substrat nicht selten einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt. So wird nämlich die Verdampferquelle bis zur Verdampfungstemperatur des Verdampfungsmateriales erhitzt. Die Verdampferquelle stellt dann eine erhebliche Wärmequelle dar.
Bei der Herstellung von Photovoltaikschichten wird beispielsweise eine halbleitende Absorberschicht abgeschieden, indem ein vorbeschichtetes Glas unter einer Metall-Verdampferquelle, die mit einer Temperatur von über 1200°C thermisch strahlt, in einer Transportrichtung hindurch oder daran vorbei geführt wird. Dabei besteht die Gefahr, dass das Substrat überhitzt oder dass es einen zu hohen thermischen Gradienten während des Vorbeifahrens an der Verdampferquelle in Transportrichtung erfährt.
Aus diesem Grunde besteht zum einen die Notwendigkeit einer Substratkühlung, die mit einer Strahlungskühlung erreicht werden kann, bei der wärmeabsorbierende Flächen oder Körper in der Strahlungsnähe des Substrates angeordnet werden. Weiterhin ist es wichtig, die vom Substrat reflektierende Strahlung zu absorbieren, welche zur Aufheizung führen würde, wenn diese nicht absorbiert („vernichtet”) wird. Hierbei sind drei verschiedene Fälle zu unterscheiden:

1. Substrat hat ein hohes Absorptionsvermögen z. B. E = 1 auf der Oberseite (auf einer Seite): Damit wird die gesamte Strahlungsleistung, von der Verdampfungsquelle kommend, vom Substrat absorbiert und führt zur Erwärmung desselben. Das Substrat hat je nach Temperaturhöhe die Fähigkeit über Wärmestrahlung Wärme abzustrahlen, sofern sich in der Umgebung des abstrahlenden Substrats Flächen befinden, deren Temperatur unterhalb des Substrates liegen und diese Flächen ein Absorptionsvermögen aufweisen.
2. Substrat hat ein vernachlässigbar kleines Absorptionsvermögen: In diesem Fall absorbiert das Substrat vernachlässigbar kleine Beträge der von der Verdampfungsquelle ausgesandten Strahlung. Nahezu die gesamte auf das Substrat auffallende Strahlung wird reflektiert. Wenn die so reflektierende Strahlung nicht von der Umgebung absorbiert wird, läuft die Temperatur der Umgebung hoch und führt letztlich zur Aufheizung des Substrates, da nunmehr die Temperatur der Umgebung sehr hoch sein kann und selbst kleine Absorptionsvermögen des Substrates zur unerwünschten Aufheizung des Substrates führen können.
3. Substrat hat ein mittleres Absorptionsvermögen: Das ist quasi der praktische Fall. Sowohl Abführung der Strahlung vom Substrat als auch die Abführung der reflektierten Strahlung machen eine Absorption notwendig.

Bei einigen Beschichtungsprozessen, ist nun die Bedingung einzuhalten, dass an den Flächen im Prozessraum eine Mindesttemperatur eingestellt sein muss, um den Dampfdruck von niedrig schmelzenden Materialien ausreichend hoch einstellen zu können. An kälteren Flächen kann nämlich eine Kondensation von Prozessmaterialen stattfinden. Diese führen zum einen dazu, dass dem Prozess verdampftes Material entzogen wird, das dann für die Abscheidung für die Bildung der gewünschten Stöchiometrie nicht zur Verfügung steht oder erheblich nachgespeist werden muss. Hier tritt ein erheblicher Verlust von Material ein, den es zu begrenzen gilt.
Zum anderen führt die Kondensation zu unerwünschten Verunreinigungen an diesen Kondensationsflächen, was auch mit Abplatzungen verbunden ist, die zu einer Kontamination der Schichten führen.
Üblicherweise wird als Kühlmedium Wasser eingesetzt, dass in geschlossenen Leitungssystemen geführt wird. Dabei stellen die wasserdurchflossenen Leitungssysteme innerhalb der Vakuumkammer den Absorber dar.
Lösungen zur Wärmetauschern, sind beispielsweise aus der WO 2005/088207 A1 oder der WO 01/07858 A1 bekannt. Auch wenn diese nicht für den Einsatz in Vakuumbeschichtungsanlagen konzipiert sind, zeigen sie grundsätzlich einen Aufbau, bei dem ein zu dem zu kühlenden Medium geschlossenes Rohr vorgesehen ist, das innen von einem Kühlmedium durchströmt wird.
Allerdings wird bei einer solchen Ausbildung eines Absorbers grundsätzlich die Bedingung der Mindesttemperatur verletzt.
Damit können entweder derartige Absorber nicht eingesetzt werden und es muss das Risiko der Substratüberhitzung in Kauf genommen werden oder diese Absorber sind gleichzeitig Kondensatoren für den Dampf der Verdampferquelle.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Strahlungskühlungssystem und ein Verfahren zur Strahlungskühlung von Vakuumbeschichtungsprozessen anzugeben, mit dem eine wirkungsvolle Kühlung erreicht und eine Kondensation vermieden wird.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 6 stellen günstige Ausführungsformen dar.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Die Ansprüche 8 bis 16 geben besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Absorber,
2 eine schematische Darstellung des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Absorbers in einer Vakuumkammer und
3 eine schematische Darstellung des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Absorbers auch auf der Verdampferseite.
Wie in 1 dargestellt, weist der erfindungsgemäße Absorber 1 ein Außenrohr 2 auf, das vakuumdicht durch eine Kammerwandung 3 in eine Vakuumkammer 4 eingebracht ist. Das Außenrohr 2 ist zur Vakuumkammer hin dicht verschlossen.
Im Innenraum 5 des Außenrohres 2 ist ein Innenrohr 6 angeordnet. Das Innenrohr 6 ist auf seiner einen Seite zu dem Innenraum 5 hin geöffnet. An seiner anderen Seite ist das Innenrohr 6 mit einer nicht näher dargestellten Kühlmittelquelle, wie der Druckseite einer Pumpe, verbunden. der Innenraum 5 ist mit einer ebenfalls nicht näher dargestellten Kühlmittelsenke, etwa der Saugseite einer Pumpe verbunden, so dass es zu dem mit den Pfeilen dargestellten Kühlmittelfluss kommt. Als Kühlmittel wird Wasser eingesetzt, so dass sich an der Außenseite des Außenrohres 2 eine deutlich unter der in diesem Beispiel bei 300°C liegende Minimaltemperatur liegende Temperatur einstellt.
Die Außenseite des Außenrohres 2 ist über Abstandshalter 7 mit einem Mantelrohr 8 versehen. Das Mantelrohr 8 ist ebenfalls zu der Vakuumkammer 4 hin vakuumdicht verschlossen.
Durch die Abstandshalter 7 wird ein Strömungsraum, nämlich ein schmaler Spalt 9 zwischen Außenseite des Außenrohres 2 und Mantelrohr 8 eingestellt. Dieser Spalt 9 ist mit einer Quelle für ein Wärmetauschermedium, in diesem Falle mit Helium, und mit einer Senke verbunden, so dass es zu einem Fluss des Wärmetauschermedium in dem Spalt 9 kommt. Helium kann wegen der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Wasserstoff ist als guter Wärmeleiter ebenfalls möglich. Prinzipiell können aber auch andere Gase, wenn mit fachmännischer Kenntnis deren Wärmeleitung für die konkrete Aufgabe ausreichend ist, eingesetzt werden.
Durch den Druck und/oder die Durchflussgeschwindigkeit und/oder die Gaszusammensetzung des Wärmetauschermediums kann der Wärmeübergangswiderstand und damit die Temperatur an der Außenseite des Mantelrohres 8 so eingestellt werden, dass sie eine Minimaltemperatur nicht unterschreitet.
Da die über den Absorber abtransportierte Wärme auch vom Druck des Gases im Spalt abhängt, kann man sich diesen Effekt auch zunutze machen, indem der Gasdruck so eingestellt wird, dass die gewünschte Wärmeerhöhung (unter Beibehaltung einer Temperatur von z. B. 300°C) als Absorber abgeführt wird.
In 1 ist der Fall skizziert, dass die Wärme über das Helium im Spalt abgeleitet wird, hier spielt nur die Wärmeleitung des Heliums eine Rolle. Mann kann das Absorberrohr 8 auch kühlen, indem man Helium oder ein anders Gas im Kreis pumpt und es entweder außen über Wärmetauscher führt oder das innen Wasserdurchflossene Rohr als Wärmetauscher oberfläche benutzt.
Wie in 2 dargestellt, werden die Absorber 1 quer zur Transportrichtung 10 der Substrate 11 angeordnet, wobei die Substrate 11 an einer Verdampferquelle 12 vorbei geführt. werden. Da die Verdampferquelle 12 eine sehr hohe Temperatur aufweist, würden die Substrate 11 einer erheblichen thermischen Belastung führen. Die Absorber 1 verhindern dies.
Zur Wärmekontrolle des Prozesses sind noch Heizer 13 vorgesehen. Die Kammerwandung 3 ist durch eine Wärmeisolierung 14 vor den heißen Prozessen geschützt.
Die Außentemperatur des Mantelrohres kann auch über einen Temperaturfühler 15 gemessen werden, so dass gewährleistet ist, dass die Minimaltemperatur nicht unterschritten wird.
Zur Verbesserung der Absorptionswirkung ist das Mantelrohr 8 mit oberflächenvergrößernden Elementen 16 versehen.
Wie in 3 dargestellt, werden zusätzliche erfindungsgemäße Absorber 17 quer zur Transportrichtung 10 auf der Seite der Substrate 11 angeordnet auf der sich die Verdampferquelle 12 befindet. Diese zusätzlichen Absorber 17 dienen dem Einfangen von Wärmestrahlung, die an der Beschichtungsseite der Substrate 11 reflektiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Absorber
2: Außenrohr
3: Kammerwandung
4: Vakuumkammer
5: Innenraum
6: Innenrohr
7: Abstandshalter
8: Mantelrohr
9: Spalt
10: Transportrichtung
11: Substrat
12: Verdampferquelle
13: Heizer
14: Wärmeisolierung
15: Temperaturfühler
16: oberflächenvergrößernde Elemente
17: zusätzlicher Absorber

Claims

Vorrichtung zur Wärmeabsorption in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Absorber (1), der ein Leitungssystem zur Führung eines Kühlmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem von einem zu der Vakuumkammer (4) hin dichten Mantel umhüllt ist und dass zwischen dem Leitungssystem und dem Mantel Strömungsräume angeordnet sind, die mit einer Quelle eines Wärmetauschermediums verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem aus einem geschlossenen Außenrohr (2) besteht, in dessen Innenraum (5) eine Kühlmittelführung angeordnet ist und dass das Außenrohr (2) mit einem über Abstandshalter (7) beabstandet angeordneten Mantelrohr (8) unter Bildung eines Strömungsraumes versehen ist, wobei der Strömungsraum mit der Quelle des Wärmetauschermediums verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Außenrohr (2) ein zu dem Innenraum (5) des Außenrohre hin offenes Innenrohr (6) angeordnet ist und dass das Innenrohr (6) mit einer Vakuumquelle oder -senke und der Innenraum (5) des Außenrohres (2) mit einer Vakuumsenke oder Vakuumquelle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (6) konzentrisch in dem Außenrohr (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (8) zu dem Außenrohr (2) konzentrisch angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Mantelrohres (8) mit oberflächenvergrößernden Elementen (16) versehen ist.
Verfahren zur Wärmeabsorption in Vakuumbeschichtungsanlagen, bei dem ein Kühlmittel durch ein Leitungssystem eine absorbierte Wärme ableitend geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem von einem Wärmetauschermedium zur Vakuumkammer (4) hin abgedichtet umströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel aus Wasser besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium aus einem Gas besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium Helium enthält.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium aus Helium besteht.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium Wasserstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium aus Wasserstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium Luft enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium aus Luft besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Wärmetauschermittel über den Druck, die Durchflussmenge und/oder die Gaszusammensetzung gesteuert wird.