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Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlverdampfer, insbesondere für die Herstellung von Dünnschichtsolarmodulen, sowie ein dazugehöriges Betriebsverfahren.
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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 Koverdampfung, Chalkogenisierung von Vorläuferschichten, Elektrodeposition oder Spraypyrolyse. In Bezug auf die Anwendung in Dünnschichtsolarzellen werden die höchsten Energieumwandlungswirkungsgrade mit Koverdampfungstechniken 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 „Koverdampfung”.
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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. Herkömmliche Elektronenstrahlverdampfer weisen ferner einen Elektronenstrahler – üblicherweise ausgelegt zum Betrieb mit einer Beschleunigungsspannung im Bereich von mehreren 10 kV – und eine entsprechend einem vorgebbaren Ablenkmuster steuerbar ausgelegte Ablenkeinheit für den Elektronenstrahl auf.
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Die
US 4 238 525 A1 offenbart einen Elektronenstrahlverdampfer, der zwei Elektronenstrahler aufweist, die jeweils einen Strahlerzeuger sowie eine Ablenkeinheit aufweisen, wobei die Ablenkeinheit entsprechend eines vorgebbaren Ablenkmusters steuerbar ist. Die mit den erzeugten Strahlen bestrahlbaren Bereiche können aneinander angrenzen oder auch überlappen.
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Die
DE 36 39 683 A1 offenbart eine Verdampferanordnung für die Beschichtung von in einem Flächenbereich angeordneten oder durch einen Flächenbereich hindurchgeführten Substraten, bestehend aus einem rechteckigen Verdampfertiegel mit einem Tiegelrand und einer längsten Tiegelachse, sowie mit einer Mehrzahl von Elektronenkanonen, die je ein X-Y-Ablenksystem aufweisen und auf einer Seite der Tiegelachse vom Tiegel getrennt angeordnet sind, derart, dass ihre Strahlachsen parallel zueinander verlaufen und auf eine durch die Tiegelachse gehende senkrechte Ebene ausgerichtet sind, wobei die Elektronenstrahlen durch eine weitere Ablenkeinrichtung auf die Oberfläche des Tiegelinhalts ablenkbar sind.
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Um das simultane Aufdampfen von aktiven Chalkogenid-Halbleiterschichten zu ermöglichen, ergeben sich verschiedene Anforderungen an den Verdampfungsprozess:
- a) In transversaler Richtung sollte die Aufdampfratenverteilung frei einstellbar sein. Die Aufdampfratenverteilung bezieht sich auf die Aufdampfrate auf einem Flächenelement des Substrats. Um dies zu erreichen muss die Temperaturverteilung im zu verdampfenden Metall einstellbar sein, was durch Vorgabe entsprechender Elektronenstrahlablenkmuster erreichbar ist. Das Ablenkmuster sollte dazu beispielsweise bezüglich Ablenkfunktion, Frequenz, Position, Amplitude und Verweilzeit variabel ausgelegt sein.
- b) Merkliche Änderungen der Aufdampfraten während des Beschichtungsprozesses sollten vermieden werden.
- c) Bei der Erhitzung des Materials sollten Spritzer und Überschläge vermieden werden.
- d) Eine Schädigung der Kristallstruktur und damit schlechte photoelektrische Eigenschaften durch hochenergetische Teilchen (hochenergetische Elektronen, Ionen oder Röntgenstrahlen) sollte vermieden werden.
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Herkömmliche Linearverdampfer arbeiten typischerweise mit einer einzigen hochenergetischen Elektronenstrahlquelle unter Beschleunigungsspannungen von mehreren 10 kV und unter Zuhilfenahme von elektrostatischen Strahlablenkeinrichtungen. Diese Verdampfer haben für eine Verwendung zur Herstellung von Chalkogenid-Halbleiterschichten, insbesondere bei der CIGS-Simultanverdampfung folgende Nachteile:
- a) Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung treten Überschläge auf, insbesondere bei nicht idealen Vakuumbedingungen wie beim Verdampfen in Selen-Atmosphäre.
- b) Da nur eine Strahlquelle zur Verfügung steht, muss der Elektronenstrahl dieser einen Quelle die gesamte Tiegelbreite überstreichen. Die Verweilzeit auf einem Flächenelement auf der Oberfläche des zu verdampfenden Metalls kann dabei nicht sehr fein variiert werden, da die Verweilzeit auf einem einzelnen Flächenelement hier bereits sehr kurz ist. Damit kann die transversale Beschichtungsratenhomogenität nicht im gewünschten Maße beeinflusst werden.
- c) Da die elektrostatischen Ablenkeinrichtungen bekannter Linearverdampfer am Ort des Strahlerzeugers oder kurz dahinter sitzen, muss der Strahlerzeuger in optischer Linie, d. h. Sichtverbindung zum Tiegel stehen. Damit wird diese aber auch von den Metallen, z. B. in Selen-Atmosphären unter Bildung von Metallseleniden, bedampft.
- d) Bei den verwendeten hohen Beschleunigungsspannungen tritt Röntgenbremsstrahlung auf. Dies macht den Personenschutz aufwendig und könnte Schäden im Substrat verursachen.
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CIGS-Simultanverdampfung wird alternativ auch mit thermischen Verdampfern, sogenannten Effusionszellen, durchgeführt. Mit diesen thermischen Verdampfern können verschiedene Nachteile der hochenergetischen Elektronenstrahlverdampfer vermieden werden, wie z. B. Überschläge, Schädigung durch hochenergetische Strahlung, erhöhter Personenschutz und Schwierigkeiten bei der Stabilisierung der Aufdampfrate und der Temperaturmessung. Allerdings leiden diese thermischen Verdampfer darunter, dass die Temperaturverteilung nicht frei während der Beschichtung eingestellt und nachgeregelt werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein oder mehrere der zuvor angesprochenen Probleme werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfers, insbesondere für die Herstellung von Dünnschichtsolarmodulen, gelöst oder zumindest gemindert. Der erfindungsgemäße Elektronenstrahlverdampfer umfasst zwei oder mehr Elektronenstrahler, die jeweils einen Strahlerzeuger und eine entsprechend einem vorgebbaren Ablenkmuster steuerbar ausgelegte Ablenkeinheit umfassen, wobei die Ablenkeinheit den Elektronenstrahl in einer Bestrahlungsebene sowohl in x-Richtung, als auch in y-Richtung ablenken kann. Erfindungsgemäß ist der Elektronenstrahlverdampfer derart ausgestaltet, dass die Bestrahlungsebenen der Elektronenstrahlen benachbarter Elektronenstrahler aneinandergrenzen oder sich überlappen.
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Die x- und die y-Richtung verlaufen dabei winklig zueinander, vorzugsweise rechtwinklig.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Strahl-Ablenkung realisierbar ist, die wenigstens bis unmittelbar an die Bestrahlungsebene mindestens eines benachbarten Elektronenstrahlers heranreicht, so dass mit den benachbarten Elektronenstrahlern übergangslos eine Erwärmung an einem zu bestrahlenden Material realisierbar ist.
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Vorzugsweise weist jede Ablenkeinheit eine x-Ablenkeinrichtung für den Elektronenstrahl in x-Richtung der Bestrahlungsebene und eine y-Ablenkeinrichtung für den Elektronenstrahl in y-Richtung der Bestrahlungsebene auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Elektronenstrahlers ist zwischen der x-Ablenkeinrichtung und der y-Ablenkeinrichtung einer jeweiligen Ablenkeinheit eine magnetische Abschirmung vorhanden.
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Im Strahlengang des Elektronenstrahls ist die y-Ablenkeinrichtung der x-Ablenkeinrichtung vorgeschaltet und die x-Ablenkeinrichtung räumlich von der y-Ablenkeinrichtung getrennt angeordnet.
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Dabei ist die räumliche Trennung derart realisiert, dass die x-Ablenkeinrichtung nicht unmittelbar an die y-Ablenkeinrichtung angrenzt oder mit dieser vereinigt ist. Der Strahl gelangt somit nach Austreten aus der y-Ablenkeinrichtung nicht unmittelbar in die x-Ablenkeinrichtung, sondern überbrückt einen Abstand zwischen beiden Ablenkeinrichtungen. Durch die räumliche Trennung wird eine bessere Strahlqualität gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektronenstrahlers umfasst die x-Ablenkeinrichtung ein in y-Richtung bewegliches Felderzeugungs- oder Feldverstärkungselement, so dass die Position der x-Ablenkeinrichtung in y-Richtung der Ablenkung des Elektronenstrahles in y-Richtung anpassbar ist.
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Dabei kann die x-Ablenkeinrichtung eine Mehrzahl koaxial in y-Richtung hintereinander angeordnete Spulen umfassen und das Feldverstärkungselement kann im Inneren der Spulen bewegbar sein.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das Feldverstärkungselement, welches insbesondere als Eisenkern ausgestaltet sein kann, bei Positionierung in einer bestromten Spule das von dieser Spule erzeugte Magnetfeld erheblich verstärkt. Dieses verstärkte Magnetfeld bewirkt zuverlässig die gewünschte Strahl-Umlenkung in x-Richtung.
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Das heißt, dass an der jeweiligen Position des Feldverstärkungselementes im Spulensystem ein verstärktes Magnetfeld erzeugbar ist, bevorzugt an genau der y-Position, zu der der Strahl abgelenkt wird.
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Eine weitere, alternative Ausgestaltung wäre, dass das Feldverstärkungselement parallel zu den Spulen bewegbar ist.
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In einer Ausgestaltung zur zielgerichteten Positionierung des Feldverstärkungselementes umfasst die x-Ablenkeinrichtung des Elektronenstrahlverdampfers eine Gewindespindel, auf der das Feldverstärkungselement mit einem Innengewinde angeordnet ist, wobei das Feldverstärkungselement zumindest partiell aus einem ferromagnetischen Material besteht. Bei Drehung der Spindel um ihre Längsachse erfolgt eine Verschiebung des Feldverstärkungselementes, welches mit seinem Innengewinde auf die Spindel geschraubt ist. Damit ist das Feldverstärkungselement innerhalb kürzester Zeit zielgerichtet in der jeweiligen y-Position des Strahles positionierbar.
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In einer anderen konstruktiven Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Feldverstärkungselement in einem Rohr angeordnet ist, das mit einem flüssigen Medium befüllt ist.
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Das Rohr ist dabei vorzugsweise ebenfalls in dem Spulensystem angeordnet. Das heißt, das Feldverstärkungselement kann schwimmend gelagert zu der jeweiligen y-Position verschoben werden, an der sich der Strahl befindet, und dort zusammen mit der jeweiligen Spule ein Magnetfeld bewirken, welches die x-Ablenkung des Strahles realisieren kann.
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Dabei muss nicht zwingend ein hydraulischer Druck auf das Feldverstärkungselement ausgeübt werden, um dieses in die gewünschte Position zu verschieben, sondern das Feldverstärkungselement kann lediglich auf einem Flüssigkeitsfilm oder -polster gelagert sein, so dass es auf Grund der Anziehungskraft einer bestimmten Spule in diese gezogen wird. Zur Positionierung des Feldverstärkungselementes ist somit lediglich eine bestimmte Spule stärker zu bestromen als andere Spulen des Spulensystems, woraufhin sich das Feldverstärkungselement automatisch in diese Spule bewegt.
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Alternativ kann das Feldverstärkungselement statt in einem hydraulischen System auch auf einem mechanischen Linearsystem angeordnet sein, welches eine translatorische und reibungsminimierte Bewegung des Feldverstärkungselementes im Spulensystem ermöglicht. Auch in dieser Ausgestaltung wird das Feldverstärkungselement auf Grund der Anziehungskraft einer stärker bestromten Spule automatisch in diese hineingezogen.
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Bei Verwendung eines Felderzeugungselementes statt eines Feldverstärkungselementes kann das Felderzeugungselement ein Permanentmagnet sein. Alternativ ist jedoch auch eine Ausgestaltung des Felderzeugungselementes als Elektromagnet möglich. Das Felderzeugungselement als Permanentmagnet oder als Elektromagnet kann in den Spulen oder auch ohne Spulen ein Magnetfeld erzeugen, mit welchem die x-Ablenkung durchgeführt wird.
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Bei Anordnung des Felderzeugungselementes außerhalb der Spulen ist die Erfindung derart auszuführen, dass das Felderzeugungselement ein entsprechend starkes und zur x-Ablenkung ausreichendes Magnetfeld aufbauen kann.
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Vorzugsweise ist zwischen wenigstens zwei benachbarten x-Ablenkeinrichtungen keine magnetische Abschirmung angeordnet, so dass eine bestrahlungsbereichsüberlappende Bestrahlung durchführbar ist. Dagegen ist vorgesehen, dass der Elektronenstrahlverdampfer zwischen wenigstens zwei benachbarten y-Ablenkeinrichtungen eine Einrichtung zur magnetischen Abschirmung aufweist.
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Der Elektronenstrahlverdampfer kann außerdem einen als Lineartiegel ausgestalteten Tiegel zur Aufnahme eines zu verdampfenden Materials, insbesondere Metalls, umfassen.
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Die Elektronenstrahler sind so angeordnet, dass die Ablenkbereiche der Elektronenstrahlen benachbarter Elektronenstrahler aneinander grenzen oder sich überlappen und den gesamten für die Aufnahme des zu verdampfenden Materials vorgesehenen Bereich des Lineartiegels abdecken.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, den Elektronenstrahlverdampfer mit einer Mehrzahl von Elektronenstrahlern mit gegenüber herkömmlichen Verdampfern geringerer Beschleunigungsspannung auszustatten. Diese werden entlang des rechteckigen länglichen Tiegels mit vorgebbaren Abstand zueinander und zum Tiegel angeordnet. So kann beispielsweise ein Lineartiegel mit 120 cm Breite mit 6 Strahlerzeugern bestückt werden. Durch die niedrigere Beschleunigungsspannung können Schäden durch hochenergetische Teilchen vermieden werden und der Personenschutz lässt sich vereinfacht realisieren.
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Jede dem Strahlerzeuger zugeordnete Ablenkeinheit ermöglicht in Tiegelbreitenrichtung (y-Ablenkung) einen Ablenkbereich von vorzugsweise 20 cm oder mehr in y-Richtung auf der Tiegeloberfläche.
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Vorzugsweise ist der Strahlerzeuger unterhalb der Tiegelebene angeordnet, um das Aufdampfen von zum Beispiel Metallseleniden im Bereich der Strahlerzeuger zu vermeiden oder zumindest im erheblichen Umfange zu mindern. In diesem Falle umfasst jede Ablenkeinheit vorzugsweise eine sogenannte z-Ablenkeinrichtung für eine Umlenkung des aus dem Strahlerzeuger im Wesentlichen senkrecht emittierten Strahles in einem Winkel von 80° bis 135°. Eine x-Ablenkeinrichtung bewirkt wiederum die erneute z-Ablenkung, einhergehend mit einer Ablenkung des Strahles in einem Winkel von 45° bis 90° in Tiegellängsrichtung, um den Strahleinfallswinkel auf das zu verdampfende Material und den Strahleinfallsort in Tiegellängsrichtung (x-Richtung) gezielt einstellen zu können.
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Die einzelnen Strahlerzeuger werden mit kommerziell erhältlichen Hochspannungs- und Filamentversorgungen betrieben. Vorzugsweise sind die Elektronenstrahler zum Betrieb mit einer Beschleunigungsspannung im Bereich von 6 kV bis 10 kV ausgelegt.
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Die Elektronenstrahler können in Breitenrichtung des Lineartiegels mit einem Abstand von 5 bis 50 cm, insbesondere 10 bis 30 cm zueinander angeordnet werden. Der Lineartiegel hat vorzugsweise eine Breite von 50 bis 300 cm. Der Elektronenstrahlverdampfer weist vorzugsweise 2 bis 20 Elektronenstrahler auf.
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Zur Vorgabe von Ablenkmustern für alle Ablenkeinheiten der Elektronenstrahler weist der Elektronenstrahlverdampfer eine Steuereinheit auf.
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Die Steuereinheit ist dafür ausgelegt, das Ablenkmuster einer Ablenkeinheit unter Berücksichtigung des Einflusses der Ablenkmuster unmittelbar benachbarter Ablenkeinheiten zu berechnen. Hierdurch wird eine Synchronisierung der Strahlablenkungen der Vielzahl von Elektronenstrahlern erreicht, um einen möglichst homogenen Energieeintrag in das Material zu erreichen. Der Energieeintrag durch die Elektronenstrahlen der einzelnen Strahlerzeuger in die Schmelze sollte dabei möglichst so erfolgen, dass eine Wellenbildung und Strömungen in der Schmelze weitestgehend vermieden werden, denn diese Phänomene führen zu instabilen Aufdampfraten.
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Hier ist insbesondere zu beachten, dass sich durch die Mehrfachanordnung der Strahlerzeuger die Magnetfelder zur Ablenkung der Elektronenstrahlen benachbarter Elektronenstrahler überlagern und damit wechselseitig beeinflussen. Diese Überlagerung der Magnetfelder ist erforderlich, um die komplette gewünschte Überstreichung der Materialoberfläche realisieren zu können.
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Dadurch, dass die Ablenkmuster in einer gemeinsamen Steuereinheit berechnet werden, können die Magnetfelder benachbarter Strahlerzeuger als Störgrößen bei der Berechnung des individuellen Ablenkmusters eines Strahlerzeugers berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, die Ablenkmuster des Strahlerzeugers können individuell vorgegeben werden, berücksichtigen dabei jedoch auch die Einflüsse, die aus der Aktivität benachbarter Ablenkeinheiten resultieren. Das heißt, dass vorzugsweise mittels der Steuereinheit das Ablenkmuster jeder Ablenkeinheit unter Berücksichtigung des Einflusses der Ablenkmuster unmittelbar benachbarter Ablenkeinheiten berechnet wird. Ferner kann der Einfluss auf die lokale Temperatur der Schmelze im Überlappungsbereich bzw. Grenzbereich zwischen den Ablenkungsbereichen benachbarter Elektronenstrahlern berücksichtigt werden.
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Die Ablenkmuster aller Strahlerzeuger werden in der Regel in einem als Steuereinheit dienenden PC in Echtzeit berechnet und auf einer schnellen Mehrkanal-Analog-Ausgangskarten mit jeweils mehreren Analogkanälen zur Ansteuerung der y-Ablenkspulen und der hiermit (über den y-Ort des jeweiligen Elektronenstrahls) zu synchronisierenden koaxialen x-Spulen pro Strahlerzeuger ausgegeben. Da alle Ablenkmuster vom selben Prozessor berechnet werden, erhält man hier nach Optimierung der Ablenkmuster der einzelnen Strahlerzeuger (jeweils frei wählbar bezüglich Funktion, Frequenz, Amplitude, Position und Verweilzeit) immer dieselben Summenmagnetfelder, da hier eine starre Phasenkopplung zwischen den einzelnen Ablenkmustern besteht und es immer die gleich Überlagerung der einzelnen Magnetfelder gibt. Die von der schnellen Analog-Ausgangskarte erzeugten Signale (in der Regel –10 bis +10 Volt) werden dann auf präzise Stromverstärker gegeben, die den Strom durch die jeweiligen magnetischen Ablenkspulen entsprechend regeln.
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Anzumerken ist, dass eine Elektronenstrahlablenkung im Wesentlichen auf zwei verschiedene Arten realisierbar ist. Der erste Typ basiert auf elektronischen Frequenzgeneratoren und ist einstellbar bezüglich Frequenz, Position, Amplitude und – zumindest teilweise – Verweilzeit des Elektronenstrahls. Das Ablenkmuster ist hier fest vorgegeben, typischerweise sinusförmig. Der zweite Typ basiert auf einem digitalen Signalprozessor oder einem Mikroprozessor und ist einstellbar bezüglich Ablenkmuster (z. B. Spirale oder Lissajous), Frequenz, Position, Amplitude und Verweilzeit des Elektronenstrahls. Um die freie Optimierbarkeit für mehrere Strahlerzeuger zu ermöglichen, sind hier in beiden Fällen mehrere, für jeden Strahlerzeuger eine, Ablenkeinrichtung erforderlich. Hierbei ist auch die Phase zwischen den einzelnen Ablenkeinheiten nicht starr gekoppelt. Dies führt bei Überlagerung der von den jeweiligen Ablenkeinheiten erzeugten Magnetfelder, insbesondere wenn ein geringer Abstand zwischen den Strahlerzeugern besteht oder wenn sich die Ablenkbereiche überlappen, je nach zufälliger Phasenlage zu unterschiedlichen Magnetfeldfunktionen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb des Elektronenstrahlverdampfers vorangehend beschriebener Ausführungsform und zur Herstellung von Gegenständen mit einer mittels Verdampfung aufgebrachten Materialschicht, insbesondere zur Herstellung von Dünnschicht-Solarmodulen.
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Das Verfahren umfasst die Schritte der Bereiststellung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfers, Bereitstellung eines zu bedampfenden Gegenstandes, Bereitstellung von zu bestrahlendem Material, Erzeugung mehrerer Elektronenstrahlen mittels des Elektronenstrahlverdampfers, sowie Bestrahlung des zu erwärmenden Materials durch Ablenkung der Strahlen in y-Richtung, wobei der Elektronenstrahl wenigstens eines ersten Elektronenstrahlers in y-Richtung derart abgelenkt wird, dass die mit diesem ersten Elektronstrahler erzeugte Bestrahlung an die Bestrahlungsebene eines benachbarten Elektronenstrahlers angrenzt oder diese überlappt.
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Das heißt, dass der Bestrahlungsbereich des ersten Elektronenstrahlers wenigstens bis unmittelbar an den Bestrahlungsbereich mindestens eines benachbarten Elektronenstrahlers heranreicht, so dass mit den benachbarten Elektronenstrahlern übergangslos eine Erwärmung am Material realisierbar ist.
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In einer ersten Verfahrensalternative ist vorgesehen, dass die Spulen der x-Ablenkeinrichtung des ersten Elektronenstrahlers unterschiedlich stark bestromt werden, wobei die Spule am stärksten bestromt wird, deren Position der y-Ablenkung des Elektronenstrahls entspricht, und dass das Feldverstärkungselement in die am stärksten bestromte Spule entweder auf Grund der Anziehungskraft der Spule, und/oder auf Grund einer mechanischen Krafteinwirkung bewegt wird.
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In einer zweiten Verfahrensalternative ist vorgesehen, dass das Feldverstärkungselement bei gleicher Bestromung aller Spulen des Spulensystems der x-Ablenkeinrichtung in eine bestimmte Spule bewegt wird.
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Vorzugweise werden die einzelnen Verfahrensschritte mittels der Steuereinheit gesteuert oder geregelt. Dabei wird mittels der Steuereinheit ein von einer jeden Emissionseinheit zu realisierendes Ablenkmuster unter Berücksichtigung der Elektronenstrahlbeeinflussung durch ein von wenigstens einer benachbarten Emissionseinheit zu realisierendes Ablenkmuster berechnet.
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Die Steuereinheit kann dabei als Eingangsgröße einen Messwert verwenden, der die gemessene Dicke einer mittels Verdampfung bereits aufgebrachten Materialschicht an einer oder mehreren bestimmten Positionen verkörpert. Die von der Steuereinheit generierte Ausgangsgröße kann eine bestimmte Funktion, Frequenz, Amplitude, Position und Verweilzeit des Elektronenstrahles definieren oder beeinflussen.
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Das heißt, dass die Steuereinheit gegebenenfalls auch als Regelung ausgeführt ist, wobei der Ist-Wert der Dicke der Materialschicht mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und die ermittelte Differenz von der Steuereinheit, die hier insbesondere ein PC sein kann, in entsprechende Steuergrößen umgesetzt wird, um an den Bereichen des zu erwärmenden Metalls eine Erhöhung des Energieeintrages und damit der Aufdampfratesrate vorzunehmen, die den Flächenbereichen unzureichender Dicke auf dem zu bedampfenden Substrat zugeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfers zur Herstellung von Dünnschichtsolarmodulen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen Elektronenstrahler in der Ansicht von der Seite,
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2. einen erfindungsgemäßen Elektronenstrahlverdampfer mit drei nebeneinander angeordneten Elektronenstrahlern in der Ansicht von oben.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Zur Erläuterung der Richtung des Elektronenstrahls 20 sowie seiner Ablenkungen ist in den Figuren jeweils ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, welches die Achsen x, y und z aufweist.
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Der in 1 dargestellte Elektronenstrahler umfasst einen Strahlerzeuger 11, von dessen Filament 12 aus im Wesentlichen senkrecht ein Elektronenstrahl 20 emittiert wird. Dieser Elektronenstrahl 20 wird durch die eine z-Ablenkeinrichtung 90 in einem Winkel im Wesentlichen von 90° abgelenkt. Die z-Ablenkeinrichtung 90 weist zu diesem Zweck bestrombare Spulen 91 auf, die bei Bestromung ein entsprechendes, zur Ablenkung des Elektronenstrahls 20 dienendes Magnetfeld aufbauen.
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Es ist ersichtlich, dass der Elektronenstrahl 20 nach seinem Austritt aus dem Strahlerzeuger 11 in der x-z-Ebene im Wesentlichen in z-Richtung 41 bewegt wird. Durch die z-Ablenkeinrichtung 90 erfährt er eine Ablenkung in der x-z-Ebene in die x-Richtung. Der Elektronenstrahl 20 tritt sodann in die y-Ablenkeinrichtung 80 ein, die eine Ablenkung des Elektronenstrahls 20 in der x-y-Ebene bewirkt, was unter Bezugnahme auf 2 weiter unten erläutert werden wird.
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Nach erfolgter Ablenkung durch die y-Ablenkeinrichtung 80 gelangt der Elektronenstrahl 20 in das Magnetfeld der x-Ablenkeinrichtung 30. Diese x-Ablenkeinrichtung 30 umfasst ein aus mehreren koaxial angeordneten Spulen 32 zusammengesetztes Spulensystem 31. In den Spulen 32 ist ein in Spulenlängsrichtung und somit in y-Richtung 40 verschiebbares Feldverstärkungselement 33 angeordnet. Das Feldverstärkungselement 33 verstärkt das Magnetfeld der Spule, in dem sich das Feldverstärkungselement 33 befindet. Durch die x-Ablenkeinrichtung 30 lässt sich eine Ablenkung des Elektronenstrahls 20 in der x-z-Ebene realisieren und der Elektronenstrahl somit in der x-Richtung 39 gezielt auf eine bestimmte x-Position am zu bestrahlenden Material 60 richten und gleichzeitig nach unten in z-Richtung 41 ablenken.
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Das zu erwärmende bzw. zu verdampfende Material 60 befindet sich in einem Tiegel 50, dessen Breitenerstreckungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Strahlachse zwischen Strahlerzeuger 11 und Tiegel 50 verläuft.
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Um den Elektronenstrahl von oben auf das in einem Tiegel 50 aufgenommene und zu erwärmende Material 60 richten zu können, kann wie in 1 dargestellt der Elektronenstrahl 20 der Anziehungskraft des Magnetfeldes einer zusätzlichen Ablenkeinrichtung 100 ausgesetzt sein. Diese zusätzliche Ablenkeinrichtung 100 weist mehrere Spulen 101 auf, die im Wesentlichen unterhalb des Tiegels 50 angeordnet sind. Die Verwendung der zusätzlichen Ablenkeinrichtung 100 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die x-Ablenkeinrichtung 30 sich defokussierend auf den Elektronenstrahl 20 auswirken sollte. In diesem Fall kann die Anziehungskraft einer oder mehrerer Spulen 101 der zusätzlichen Ablenkeinrichtung genutzt werden, um den Elektronenstrahl fokussierend in z-Richtung 41 abzulenken.
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Die Anordnung der z-Ablenkeinrichtung sowie der zusätzlichen Ablenkeinrichtung 100 ist insbesondere dafür vorteilhaft, dass der Strahlerzeuger 11 unter dem Höhenniveau des Tiegels 50 angeordnet werden kann, um nicht den entstehenden Dämpfen ausgesetzt zu werden.
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Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf die Anordnung der zusätzlichen Ablenkeinrichtung 100 eingeschränkt, sondern sie kann auch ohne die zusätzliche Ablenkeinrichtung 100 ausgeführt werden, insofern die x-Ablenkeinrichtung derart ausgestaltet ist und ansteuerbar ist, dass alleine mit ihr eine ausreichende Ablenkung des Elektronenstrahles 20 in x-Richtung 39 realisierbar ist, die automatisch mit einer Ablenkung in z-Richtung einhergeht.
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Ein wichtiger Punkt der Erfindung ist jedoch die Anordnung und Verwendung der x-Ablenkeinrichtung 30, wie sie insbesondere der 2 entnehmbar ist.
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Dabei wird zunächst die Funktionsweise der x-Ablenkeinrichtung 30 an dem links dargestellten Elektronenstrahler 10 beschrieben.
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Der Elektronenstrahl 20 wird vom Filament 12 des Strahlerzeugers 11 entsandt und in bereits beschriebener Weise durch die z-Ablenkeinrichtung 90 im Wesentlichen in der x-z-Ebene abgelenkt. Der Elektronenstrahl 20 tritt dann in die y-Ablenkeinrichtung 80 ein, deren Spulen 81 eine Ablenkung des Elektronenstrahls in der x-y-Ebene bewirken. Diese Ablenkung kann ein Lateralversatz des Strahles und/oder in Bezug zum vorherigen Strahlverlauf eine winklige Ablenkung (gestrichelt dargestellt) sein. Durch den Lateralversatz und/oder die winklige Ablenkung lässt sich mit dem Elektronenstrahl 20 die gesamte Breite des dem jeweiligen Elektronenstrahler 10 zugeordnetem Bestrahlungsbereiches 70 in y-Richtung 40 abdecken.
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Es ist aus 2 ersichtlich, dass sich die jeweiligen Bestrahlungsbereiche 70 in ihren Randzonen einander überdecken können. Dadurch wird die übergangslose Bestrahlung des gesamten zu erwärmenden Materials 60 im Tiegel 50 ermöglicht, ohne dass Abschnitte mit geringerer Verdampfung und demzufolge Bereiche mit geringerer Schichtdicke am zu bedampfenden Gegenstand erzeugt werden.
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Zur zielgerichteten Bestrahlung des Materials 60 in x-Richtung 39 sowie in z-Richtung 41 ist der Strahl nach erfolgter y-Ablenkung in x- und z-Richtung abzulenken.
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Da der Elektronenstrahl 20 jedoch ständig zu unterschiedlichen y-Positionen abgelenkt wird, ist zu den jeweiligen Zeitpunkten an den jeweiligen y-Positionen die x- bzw. die z-Ablenkung notwendig.
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Die Ablenkung alleine nur mit einer dem jeweiligen Bestrahlungsbereich 70 oder gar allen Elektronenstrahlern zugeordneten Spule zu realisieren wäre ungünstig, da eine solche Spule über ihre gesamte Länge kein ausreichend homogenes Magnetfeld aufbaut und keine ausreichende Feldstärke gewährleistet. Das heißt, es könnte eine ausreichend steuerbare Ablenkung des Elektronenstrahles 20 in x-Richtung und z-Richtung nicht gewährleistet werden. Dieser Nachteil tritt auch bei einer Mehrzahl von einem Bestrahlungsbereich zugeordneten Spulen auf.
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Einzelspulen weisen dagegen den Nachteil auf, dass mit ihnen kein homogenes Magnetfeld über den gesamten Evaporationsbereich des Tiegels 50 aufgebaut werden kann, da durch die Trennung der Spulen einzelne lediglich in sich selbst homogene Feldbereiche erzeugt werden würden. Das heißt, die dadurch erzeugten Feldlinien könnten ebenfalls nicht zur zielgerichteten Ablenkung der Elektronenstrahlen verwendet werden, so dass keine homogene Verdampfung erzeugbar wäre.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist das Feldverstärkungselement 33 translatorisch beweglich ausgestaltet, so dass es in der y-Position positioniert werden kann, zu der der Elektronenstrahl 20 durch die y-Ablenkeinrichtung 80 abgelenkt wird.
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Das Feldverstärkungselement 33 verstärkt maßgeblich das magnetische Feld der Spule 32, in der es sich befindet. Dabei wird ein ausreichend homogenes Magnetfeld (durch ein in Größe und Homogenität geeignetes Feldverstärkungselement) derart aufgebaut, dass der Elektronenstrahl 20 auf eine bestimmte x-Position auf das Material 60 gerichtet wird und außerdem in z-Richtung abgelenkt wird.
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Das Feldverstärkungselement 33 befindet sich dabei an der y-Position, zu der der Elektronenstrahl 20 mittels der y-Ablenkeinrichtung abgelenkt wird.
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Bevorzugt weist das Feldverstärkungselement 33 eine hohe magnetische Permeabilität auf.
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Die Stärke des Magnetfeldes der Spule 32, in der sich das Feldverstärkungselement 33 befindet, ist natürlich neben der Anwesenheit des Feldverstärkungselementes und dessen Materialeigenschaften außerdem von der Stromstärke in dieser Spule 32 abhängig.
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Bei Verwendung eines Felderzeugungselementes statt eines Feldverstärkungselementes ist das Felderzeugungselement in y-Richtung derart verschiebbar, so dass seine y-Position der jeweiligen y-Ablenkung des Elektronenstrahles angepasst werden kann.
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In 2 ist in der linken Emissionseinheit 10 angedeutet, wie der Elektronenstrahl 20 durch die y-Ablenkeinrichtung lateral versetzt und gleichzeitig winklig abgelenkt wird, so dass er bis an die Grenze 71 des diesem Elektronenstrahler 10 zugeordneten Evaporations- bzw. Bestrahlungsbereiches 70 heranreicht. Es ist ersichtlich, dass bei weiterer Ablenkung in y-Richtung 40 der Elektronenstrahl 20 auch über die Grenze 71 hinaus bewegt werden kann. Das Feldverstärkungselement 33 ist derart verschiebbar, dass es dem Elektronenstrahl auch bis über die Grenze des Evaporations- bzw. Bestrahlungsbereiches 70 hinaus folgen kann.
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Es lässt sich somit eine ausreichende Ablenkung des Elektronenstrahles 20 in x- und z-Richtung Elektronenstrahler-übergreifend am zu erwärmenden Material 60 gewährleisten, wobei durch die flexible Positionierbarkeit des Feldverstärkungselementes 33 an der y-Position des Elektronenstrahles 20 ein homogenes Magnetfeld zur Ablenkung in x- und z-Richtung garantiert ist.
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Die Kraft zur Verschiebung des Feldverstärkungselementes 33 in die jeweilige gewünschte Spule kann eine Anziehungskraft dieser bestromten Spule sein und/oder eine externe Kraft sein, die z. B. von einem mechanischen Antriebssystem bewirkt wird, welches das Feldverstärkungselement 33 in die gewünschte Spule verschiebt.
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Durch die erfindungsgemäße parallele Anordnung mehrerer Elektronenstrahler 10 an einem gemeinsamen Tiegel 50 zur Aufnahme des zu erwärmenden Materials 60 lassen sich somit durch die einzelnen Elektronenstrahlen 20 der jeweiligen Elektronenstrahler 10 Bestrahlungsbereiche 70 bestrahlen, die einander überlappen. Dadurch werden inhomogene Verdampfungsbereiche an den Übergängen der Bestrahlungsbereiche, die den jeweiligen Emissionseinheiten 10 zugeordnet sind, vermieden. Das heißt, der komplette Evaporationsbereich im Tiegel 50 lässt sich somit mehreren Bestrahlungen aussetzen und eine homogene Bedampfung realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektronenstrahler, Emissionseinheit
- 11
- Strahlerzeuger
- 12
- Filament
- 20
- Elektronenstrahl
- 30
- x-Ablenkeinrichtung
- 31
- Spulensystem
- 32
- Spule der x-Ablenkeinrichtung
- 33
- Feldverstärkungselement
- 39
- x-Richtung
- 40
- y-Richtung
- 41
- z-Richtung
- 50
- Tiegel
- 60
- zu erwärmendes Material
- 70
- Bestrahlungsbereich
- 71
- Grenze des Evaporationsbereiches
- 80
- y-Ablenkeinrichtung
- 81
- Spule der y-Ablenkeinrichtung
- 90
- z-Ablenkeinrichtung
- 91
- Spule der z-Ablenkeinrichtung
- 100
- zusätzliche Ablenkeinrichtung
- 101
- Spule der zusätzliche Ablenkeinrichtung
