DE102012102210A1

DE102012102210A1 - Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle und Vakuumabscheidevorrichtung

Info

Publication number: DE102012102210A1
Application number: DE102012102210A
Authority: DE
Inventors: Johan Mathiasson; Martin Kessinger; Falk Krause; Timo Ahlgren; Stefan Steinberg
Original assignee: Solibro GmbH
Current assignee: Beijing Apollo Ding Rong Solar Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-19
Also published as: US20150000593A1; CN104302806B; KR20140111347A; JP2015515544A; KR101638269B1; EP2825684B1; EP2825684A1; WO2013135537A1; JP6461608B2; CN104302806A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle und eine Vakuumabscheidevorrichtung, welche ein derartiges Heizsystem aufweist. Das Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle ist an einer Vakuumabscheidevorrichtung anbringbar und umfasst: ein Heizelement (1), das zum Erhitzen einer Abscheidequelle ausgebildet ist, ein Stromversorgungselement (2), das zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Heizelement (1) mit dem Heizelement elektrisch verbunden ist; ein Verbindungsglied (3), welches das Stromversorgungselement (2) mit dem Heizelement elektrisch verbindet, wobei das Stromversorgungselement auf elastische Weise mechanisch an dem Verbindungsglied (3) angebracht ist und wobei das Verbindungsglied ein Federelement (31) umfasst, das aus einem elastischen Kohlenstoffmaterial hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle und eine Vakuumabscheidevorrichtung mit einem derartigen Heizsystem.
Die Vakuumabscheidung bedient sich des Erhitzens eines Quellmaterials, das bei einer spezifischen Verdampfungstemperatur verdampft und auf einem Substrat, das gemeinsam mit der Quelle in dem Vakuum angeordnet wird, kondensiert. Das Quellmaterial kann in einen Tiegel eingegeben werden, der durch einen Heizfaden erhitzt wird, oder der Heizfaden selbst kann als Behältnis ausgebildet sein, um das Quellmaterial aufzunehmen. Der Heizfaden ist für gewöhnlich aus einem hitzebeständigen leitfähigen Material hergestellt und mit einer Stromversorgung verbunden. Zum Erhitzen eines Quellmaterials können auch andere Bauformen verwendet werden. Allerdings wird in allen Fällen ein Heizelement durch ein Stromquellenelement, welches ein leitfähiger Draht oder eine andere starre Leitung sein kann, mit elektrischem Strom versorgt.
Das Problem, welches bei einem starren Kontakt zwischen dem Heizelement und dem Stromquellenelement regelmäßig auftritt, ist auf eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zurückzuführen. Für gewöhnlich ist das Stromquellenelement durch ein Isolationsglied bis in die Nähe des Kontaktpunkts oder bis hin zu dem Kontaktpunkt zum Heizelement ummantelt. Wenn allerdings der Kontakt selbst kälter als das Heizelement ist, kann das verdampfte Quellmaterial auch auf dem Kontakt oder dem Stromquellenelement kondensieren und einen Kurzschluss verursachen. Wenn der Kontakt hingegen auf einer hohen Temperatur gehalten wird, wird der Kontakt infolge von thermischer Ausdehnung unzuverlässig, was zu Lichtbogenüberschlägen führen kann.
Eine Lösung für derartige Probleme ist es, das Stromquellenelement zu schützen, durch ein Isolationsglied bis hin zu dem Kontakt mit dem Heizelement, wie oben angeführt wurde, und durch gleichzeitiges Erhitzen des Kontakts selbst, wo das Stromquellenelement freiliegt. Die Temperatur kann auf einem beliebigen Wert im Bereich von 700 bis 1500 Grad Celsius oder darüber gehalten werden. Darüber hinaus wird, um jedweden Kontaktverlust infolge von thermischer Ausdehnung zu vermeiden, der Kontakt zwischen dem Stromquellenelement und dem Heizelement durch eine Feder sichergestellt, welche einen Druck auf den Kontakt ausübt und somit jedwede temperaturbedingten Ausdehnungseffekte kompensiert.
Eine derartige Bauform ist in WO 2010/019218 A2 beschrieben. Das darin beschriebene System umfasst eine Heizvorrichtung, welche durch eine metallene Strombrücke mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Strombrücke ist zwischen eine Kontaktscheibe und eine leitfähige Scheibe eingeklemmt. Durch einen Druckstift werden die Strombrücke und die beiden Scheiben gemeinsam gegen die Heizvorrichtung gedrückt. Zum Ausüben eines zuverlässigen Kontaktdrucks ist der Druckstift mit einer Flachfeder belastet, die aus pyrolytischem Bornitrid hergestellt ist. Bei der in WO 2010/019218 A2 offenbarten Anordnung kann die Bornitridfeder nur als indirektes Druckelement zum Drücken der Strombrücke gegen den Kontakt der Heizvorrichtung verwendet werden. Da Bornitrid selbst kein leitfähiges Material ist, kann die Feder, die aus pyrolytischem Bornitrid hergestellt ist, selbst nicht zum Leiten von Strom verwendet werden. Dies hat eine geringere Flexibilität für die Konstruktion des Heizsystems zur Folge.
Es ist möglich, eine andere Bauform zu ersinnen, welche zwischen einer Stromleitung und einer Heizvorrichtung federunterstützte Kontakte mit Wolframfedern aufweist. Allerdings weist Wolfram den Nachteil auf, dass es kriecht, wenn es unter Druckbeaufschlagung über eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Daher verliert eine Wolframfeder bei hohen Temperaturen rasch ihre Federkraft oder Elastizität. In diesem Fall ist die Feder nicht mehr imstande, einen zuverlässigen Kontakt zwischen der Stromleitung und der Heizvorrichtung aufrechtzuerhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Quellenheizsystem für eine Vakuumabscheidequelle und eine Vakuumabscheidevorrichtung mit einem zuverlässigen Stromkontakt bei sehr hohen Temperaturen bereitzustellen und dabei eine flexible Konstruktion derselben zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und durch eine Vakuumabscheidevorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 11 realisiert. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die Erfindung beruht auf der Idee, das Federelement, welches für eine elastische Verbindung zwischen der Stromversorgung und dem Heizelement der Vakuumabscheidequelle verantwortlich ist, aus elastischem Kohlenstoffmaterial herzustellen. Das elastische Kohlenstoffmaterial liegt vorteilhafterweise in Form eines elastischen Graphitmaterials vor. Das Verbindungsglied ist jene Einheit, die aus einer Anzahl von Elementen bestehen kann und die für die elektrische Verbindung des Stromversorgungselements mit dem Heizelement verantwortlich ist. Das Federelement ist ein Teil des Verbindungsglieds und dafür verantwortlich zu ermöglichen, dass die mechanische Verbindung des Verbindungsglieds mit dem Stromversorgungselement elastisch ist. Ein Federelement, welches aus Kohlenstoffmaterial, beispielsweise aus Kohlenstofffasern, hergestellt ist, hält den Druck des elektrischen Kontakts bei hoher Temperatur gleichmäßig. Somit ist eine zuverlässige elektrische Verbindung hergestellt. Die Temperaturen, welchen das Federelement ausgesetzt wird, können im Bereich von 700 bis 1500 Grad Celsius oder darüber liegen.
Die Vakuumabscheidevorrichtung umfasst ein Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle mit mindestens einer derartigen elastischen Verbindung zwischen der Stromversorgung und dem Heizelement. Vorteilhafterweise werden jedoch für ein Heizelement zwei derartige Verbindungen hergestellt, je eine pro Anschlusspunkt der Stromversorgung. Vorteilhafterweise sind in einer Vakuumabscheidequelle zwei oder mehr Heizgeräte vorgesehen, wobei in diesem Fall ein oder alle Stromanschlusspunkte von einem oder allen Heizgeräten jeweils durch eine elastische Verbindung, welche ein Federelement umfasst, wie es oben und nachstehend beschrieben wird, mit einem entsprechenden Stromversorgungselement in Kontakt gebracht werden können.
Das Heizelement kann einen Tiegel, Haltemittel für den Tiegel und leitfähige Leitungen zum Transportieren von elektrischem Strom von dem Stromversorgungselement zu dem Tiegel umfassen. Das Verbindungsglied kann zusätzlich zu dem Federelement Fixierelemente wie Schrauben, Klemmen, Befestigungsmittel usw. zum mechanischen Eingreifen mit dem Stromversorgungselement und zum Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Heizelement umfassen. Das Verbindungsglied kann auch die Halterung des Heizelements selbst umfassen.
Das Federelement des Verbindungsglieds kann die Form einer Stange oder einer Platte aufweisen. Es kann eine Längenabmessung von mindestens 20, 30, 40, 50 mm oder mehr aufweisen. Vorzugsweise weist es eine Längenabmessung zwischen 20 und 150 mm, vorteilhafterweise zwischen 40 und 120 mm auf. Es kann mit Elastizität hergestellt sein, derart, dass es sich über eine Länge von 40 bis 120 mm um mindestens 1 bis 3 mm biegen lässt.
Das Federelement kann gebogen werden, um eine elastische Kraft auszuüben. Wenn beispielsweise das Federelement die Form einer Stange oder einer rechteckigen Platte aufweist, kann es sich entlang einer länglichen Erstreckung biegen lassen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Federelement zusammengedrückt werden, um die elastische Kraft auszuüben. In letzterem Fall kann das Zusammendrücken entlang der kleinsten Abmessung, d. h. entlang der Dicke des Federelements, erfolgen. Um ein derartiges Zusammendrücken zu ermöglichen, kann das Federelement beispielsweise aus Kohlenstoffschaum oder Kohlenstofffilz hergestellt sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement aus Kohlenstofffasern/CFC (kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff) und/oder aus pyrolytischem Kohlenstoff hergestellt. Derartiger pyrolytischer Kohlenstoff kann beispielsweise durch einen Gasphasenabscheidungsprozess, beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), hergestellt werden.
Das Federelement gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist aus Kohlenstoffschaum oder Kohlenstofffilz hergestellt. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn die elastische Kraft durch das Federelement infolge von Biegen und nicht infolge von Zusammendrücken des Federelements, wie oben beschrieben wurde, ausgeübt wird.
Das Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement mindestens 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% Kohlenstoff enthält oder im Wesentlichen zur Gänze aus Kohlenstoff hergestellt ist. Der Begriff ”im Wesentlichen” bedeutet in diesem Fall, dass das Federelement zur Gänze aus Kohlenstoff hergestellt ist, abgesehen von unbeabsichtigten Verunreinigungen oder auf den Herstellungsprozess zurückzuführenden Verunreinigungen.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist das Stromversorgungselement über das Federelement mit dem Heizelement elektrisch verbunden. Bei einer derartigen Ausführungsform fließt der elektrische Strom durch das Federglied, um zu der Heizvorrichtung zu gelangen. Bei alternativen Ausführungsformen muss der Strom jedoch nicht durch das Federelement strömen.
Das Stromversorgungselement, welches mittels des Verbindungsglieds mit dem Heizelement elektrisch verbunden ist, ist zum Zuführen von elektrischem Strom von einer Stromquelle zu dem Heizelement ausgebildet. Das Stromversorgungselement kann eine leitfähige Leitung in Form eines Drahtes, eines Bandes, einer Leiste, einer Brücke, einer Stange oder von jedweder anderen geeigneten Form sein. Ferner kann das Stromversorgungselement entweder flexibel oder starr oder eine Kombination aus beidem sein, d. h es kann einen flexiblen Abschnitt und einen starren Abschnitt aufweisen.
Vorteilhafterweise weist das Stromversorgungselement eine längliche Gestalt auf. Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Stromversorgungselement die Gestalt einer Stange mit einem flachen, einem rechteckigen, einem quadratischen, einem ovalen oder einem kreisförmigen Querschnitt auf. Das Stromversorgungselement kann vorzugsweise aus Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit, hergestellt sein.
Bei einer besonders zuverlässigen Ausführungsform ist das Stromversorgungselement mindestens teilweise mit einer Isolationsabdeckung aus elektrisch isolierendem Material ummantelt. Die Isolationsabdeckung ist bei einer bevorzugten Ausführungsform aus Aluminiumoxid, beispielsweise aus dichtem Aluminiumoxid mit einer Dichte von mindestens 3,50 g/cm³ oder darüber, hergestellt. Insbesondere kann jener Teil des Stromversorgungselements, der mittels des Verbindungselements mechanisch mit dem Heizelement verbunden ist oder der mit dem Verbindungselement selbst mechanisch verbunden ist, vorzugsweise freiliegen, während der Rest des Stromversorgungselements mit der Isolationsabdeckung ummantelt ist. Das Stromversorgungselement kann selbst mit einem Stromversorgungsglied elektrisch verbunden oder Teil eines solchen sein, welches elektrische Verbindungen mit einer Stromquelle umfasst.
In der Folge wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Figuren unter Zugrundelegung von beispielhaften Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 eine Explosionsansicht der Verbindung zwischen einem Heizelement und einem Stromversorgungselement mittels eines Verbindungsglieds gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und
2 eine Explosionsansicht der Verbindung zwischen einem Heizelement und einem Stromversorgungselement mittels eines Verbindungsglieds gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt eine Explosionsansicht der Verbindung zwischen einem Heizelement 1 und einem Stromversorgungselement 2. Das Heizelement 1 ist derart dargestellt, dass es die Form eines Zylinders aufweist, in welchem verschiedene Teile zum Erhitzen eines Tiegels, der mit dem Quellmaterial gefüllt ist, oder zum direkten Erhitzen des Quellmaterials auf andere Weise angeordnet sind.
Das Stromversorgungselement 2 führt elektrischen Strom zum Betreiben des Heizelements 1. Sowohl die elektrische als auch die mechanische Verbindung zwischen dem Heizelement 1 und dem Stromversorgungselement 2 wird durch ein zwischen diesen angeordnetes Verbindungsglied 3 hergestellt. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Verbindungsglied 3 auch teilweise auf der in Bezug auf das Heizelement 1 fernen Seite des Stromversorgungselements 2 angeordnet sein, beispielsweise kann das Stromversorgungselement 2 teilweise oder zur Gänze durch das Verbindungsglied 3 umgeben oder umhüllt sein.
Das Verbindungsglied 3 in 1 umfasst wie in der Folge beschrieben drei Teile. Der mittlere Teil des Verbindungsglieds 3 ist ein Federelement 31, das aus einem elastischen Kohlenstoffmaterial hergestellt ist und für die mechanische Elastizität in der Verbindung zwischen dem Heizelement 1 und dem Stromversorgungselement 2 verantwortlich ist. Ferner umfasst das Verbindungsglied 3 ein Halteelement 32 für das Federelement 31 und einen Adapter 33 zur Befestigung an dem Stromversorgungselement 2. Das Halteelement 32 weist die Form einer Klammer auf, welche die beiden außenliegenden Kanten des plattenförmigen Federelements 31 abstützt und ermöglicht, dass sich das Federelement 31 in dem mittleren Bereich zwischen diesen beiden außenliegenden Kanten biegen kann. Das Halteelement 32 selbst ist an einer leitfähigen Scheibe 4 befestigt, die an dem Heizelement 1 befestigt ist.
Der Adapter 33 ist an dem Biegebereich des Federelements 31 befestigt und trägt das Stromversorgungselement 2. Der Adapter 33 ist zum gleichmäßigeren Verteilen der Druckkraft des Stromversorgungselements 2 auf das Federelement 31 vorgesehen. Das Stromversorgungselement 2 selbst weist die Form einer Stange auf und ist starr. Abgesehen von seiner Spitze, welche freiliegt, um das Herstellen eines Kontakts mit dem Adapter 33 zu ermöglichen, ist es mit einer Isolationsabdeckung 21 ummantelt. Die Isolationsabdeckung 21 kann aus Aluminiumoxid hergestellt sein, um der Hitze standzuhalten und isolierend zu bleiben.
Bei der in 1 dargestellten Anordnung fließt der Strom, der durch das Stromversorgungselement 2 fließt, auch in weiterer Folge durch den Adapter 33, durch das Federglied 31 und durch das klammerförmige Halteelement 32, ehe er die leitfähige Scheibe 4 und schließlich das Heizelement 1 erreicht. Anstatt in dem Stromweg angeordnet zu sein, kann das Federelement 31 auch auf der von dem Heizelement 1 aus gesehen anderen Seite (der fernen Seite) des Stromversorgungselements 2 angeordnet sein. In diesem Fall drückt das Federelement 1 auf das Stromversorgungselement 2 und führt den Strom nicht von diesem weg.
2 zeigt in einer Explosionsansicht eine andere Ausführungsform des Verbindungsglieds 3 zum Herstellen des elektrischen und mechanischen Kontakts zwischen dem Heizelement 1 und dem Stromversorgungselement 2. Hier weist das Federelement 31 die Form eines kurzen Zylinders oder einer Tablette auf. Bei dieser Form kann das Federelement 31 aus Kohlenstoffschaum oder Kohlenstofffilz hergestellt werden, um zusammendrückbar zu sein. Somit ist die Federkraft oder Elastizität des Federelements 31 bei dieser Ausführungsform auf seine Zusammendrückbarkeit zurückzuführen.
Das Halteelement 32 und der Adapter 33 weisen bei dieser Ausführungsform die Form einer Tablettendose auf, welche das Federelement 31 umschließt. Allerdings ist das Federelement 31 entlang seiner Längsachse hoch genug, derart, dass eine ziemlich lange Kompression erfolgt, ehe der Adapter 33 auf dem Halteelement 32 aufliegt. Wie bei der Ausführungsform nach 1 fließt auch hier der Strom, der von dem Stromversorgungselement 2 zu dem Heizelement 1 fließt, durch das Federelement 31.
Bezugszeichenliste

1: Heizelement
2: Stromversorgungselement
21: Isolationsabdeckung
3: Verbindungsglied
31: Federelement
32: Halteelement (Klammer)
33: Adapter
4: leitfähige Scheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/019218 A2 [0005]

Claims

Heizsystem für Vakuumabscheidequelle, das an einer Vakuumabscheidevorrichtung anbringbar ist und umfasst: – ein Heizelement (1), das zum Erhitzen einer Abscheidequelle ausgebildet ist, – ein Stromversorgungselement (2), das zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Heizelement (1) elektrisch mit dem Heizelement verbunden ist, – ein Verbindungsglied (3), welches das Stromversorgungselement (2) mit dem Heizelement elektrisch verbindet, wobei das Stromversorgungselement auf elastische Weise an dem Verbindungsglied (3) mechanisch angebracht ist und wobei das Verbindungsglied ein Federelement (31) umfasst, das aus einem elastischen Kohlenstoffmaterial hergestellt ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus Kohlenstofffasern/CFC (kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff) und/oder aus pyrolytischem Kohlenstoff hergestellt ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus Kohlenstoffschaum oder Kohlenstofffilz hergestellt ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement mindestens 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% Kohlenstoff enthält oder im Wesentlichen zur Gänze aus Kohlenstoff hergestellt ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungselement (2) über das Federelement mit dem Heizelement (1) elektrisch verbunden ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungselement (2) eine längliche Gestalt aufweist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungselement (2) die Form einer Stange mit einem flachen, einem rechteckigen, einem quadratischen, einem ovalen oder einem kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungselement (2) aus Kohlenstoff hergestellt ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromversorgungselement (2) mindestens teilweise mit einer Isolationsabdeckung (21) aus elektrisch isolierendem Material ummantelt ist.
Heizsystem für Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsabdeckung (21) aus Aluminiumoxid hergestellt ist.
Vakuumabscheidevorrichtung, die ein Heizsystem für eine Vakuumabscheidequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.