DE102013206598B4

DE102013206598B4 - Vakuumbeschichtungsanlage

Info

Publication number: DE102013206598B4
Application number: DE102013206598.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Hentschel; Hubertus VON DER WAYDBRINK
Original assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2033-04-13
Also published as: DE102013206598A1

Abstract

Vakuumbeschichtungsanlage, umfassend eine Vakuumkammer (8), in der Vakuumkammer (8) mindestens eine Beschichtungseinrichtung sowie eine Transporteinrichtung (9) für den Transport zu beschichtender Substrate (10), wobei der Transport der Substrate (10) zumindest im Wirkungsbereich der mindestens einen Beschichtungseinrichtung in einer horizontalen Substrattransportebene erfolgt und die mindestens eine Beschichtungseinrichtung eine beheizbare Dampfquelle (1) zur Aufnahme und Verdampfung eines Beschichtungsmaterials sowie mindestens eine oberhalb der Substrattransportebene angeordnete Dampfaustrittsöffnung (2) umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie dem verdampften Beschichtungsmaterial eine mittlere Dampfaustrittsrichtung (3) verleiht, die ungleich der Gravitationsrichtung (4) ist, wobei die Dampfaustrittsöffnung (2) oder die Dampfaustrittsöffnungen (2) so gestaltet und angeordnet sind, dass das verdampfte Beschichtungsmaterial entlang einer Austrittslinie (6) austritt und unterhalb der mindestens einen Dampfaustrittsöffnung (2) ein Auffangmittel (5) für herabfallendes Kondensat angeordnet ist, das sich unterhalb der Austrittslinie (6) und parallel dazu erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumbeschichtungsanlage mit einer Beschichtungseinrichtung.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung einer Beschichtungseinrichtung zur thermischen Verdampfung von Beschichtungsmaterial, das zur Erzeugung dünner Schichten auf der Oberfläche von zu beschichtenden Substraten wie Glasscheiben, Folien, Metallbändern oder dergleichen abgeschieden werden soll, in einer Vakuumbeschichtungsanlage.
Bekannte Beschichtungseinrichtungen umfassen eine Dampfquelle, beispielsweise einen Tiegel, in dem das Beschichtungsmaterial geschmolzen und anschließend verdampft wird. Dazu kann der Tiegel beispielsweise direkt (durch Stromdurchgang durch den Tiegel) oder indirekt (durch zusätzliche Heizeinrichtungen, die Einwirkung eines Elektronenstrahls auf das im Tiegel befindliche Beschichtungsmaterial usw.) beheizbar sein. Der entstehende Teilchenstrom des verdampften Beschichtungsmaterials wird aus dem Tiegel so abgeleitet, dass er auf das Substrat trifft und dort auf der Oberfläche des Substrats kondensieren kann, wodurch sich eine dünne Schicht aus dem Beschichtungsmaterial bildet.
Bei Vakuumbeschichtungsanlagen, in denen das Substrat in horizontaler Ausrichtung, d.h. in einer horizontalen Substrattransportebene an der Beschichtungseinrichtung vorbeigeführt und dabei die Oberseite des Substrats beschichtet wird, sind bekannte Beschichtungseinrichtungen oberhalb der Substrattransportebene angeordnet, wobei der oder die Dampfauslässe üblicherweise vertikal ausgerichtet sind, so dass der Teilchenstrom im Mittel senkrecht auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrats trifft. Derartige Anordnungen sind beispielhaft in 1 dargestellt.
Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass ein Teil des Dampfes bereits an der oder den Auslassöffnungen 2 kondensiert. Wird an dieser Stelle eine bestimmte Schichtdicke erreicht, so besteht stets die Gefahr, dass Teile dieses Kondensats sich in Flocken 11 ablösen. Wenn dies geschieht, so fallen die abgelösten Flocken 11 auf das Substrat 10. Dies führt zu nicht hinnehmbaren Fehlern der erzeugten Schichten.
JP 2011-105962 A betrifft Beschichtungseinrichtungen, bei denen die Dampfquelle neben, über oder unter dem Substrat angeordnet sein kann. Die Ausgestaltung, bei der die Dampfquelle über dem Substrat angeordnet ist, spricht weder das Problem herabfallender Verunreinigungen an, noch wird eine Lösung für dieses Problem angeboten.
DE 10 2010 041 376 A1 betrifft ausschließlich Beschichtungseinrichtungen, bei denen die Dampfquelle unter dem Substrat angeordnet sein kann. Das Problem herabfallender Verunreinigungen stellt sich hier nicht.
EP 1 577 417 A1 und DE 10 2005 054 609 A1 offenbaren Beschichtungsanlagen, in denen die zu beschichtende Oberfläche des Substrats horizontal ausgerichtet ist und von unten her beschichtet wird.
DE 1 521 588 A befasst sich mit einer Beschichtungsanlage, bei der ein Verdampfungstiegel unterhalb eines horizontal ausgerichteten Bandsubstrats angeordnet ist und schlägt vor, seitlich vom Tiegel umlaufende Bänder anzuordnen, von denen unerwünschter Streudampf abgestreift wird.
In GB 1 280 973 A wird vorgeschlagen, die aus einer stillstehenden punktförmigen Dampfquelle emittierte Wärmestrahlung vom Dampfstrahl mittels eines rotierenden Blendensystems abzutrennen, das zwar den Dampf, nicht aber die Wärmestrahlung passieren lässt. Das Substrat steht dabei mit einem seitlichen Abstand zur Dampfquelle still.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, bekannte Beschichtungseinrichtungen und Vakuumbeschichtungsanlagen dahingehend zu verbessern, dass die Verunreinigung und die Beschädigung der erzeugten Schichten auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats verhindert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vakuumbeschichtungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Beispielhafte Ausgestaltungen einer solchen Beschichtungseinrichtung und einer solchen Vakuumbeschichtungsanlage sind in 2 dargestellt.
Bei einer Vakuumbeschichtungsanlage, die eine Vakuumkammer 8, in der Vakuumkammer 8 mindestens eine Beschichtungseinrichtung sowie eine Transporteinrichtung 9 für den Transport zu beschichtender Substrate 10 umfasst, wobei der Transport der Substrate 10 zumindest im Wirkungsbereich der mindestens einen Beschichtungseinrichtung in einer horizontalen Substrattransportebene erfolgt und die mindestens eine Beschichtungseinrichtung, die eine beheizbare Dampfquelle 1 zur Aufnahme und Verdampfung eines Beschichtungsmaterials sowie mindestens eine oberhalb der Substrattransportebene angeordnete Dampfaustrittsöffnung 2 umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie dem verdampften Beschichtungsmaterial eine mittlere Dampfaustrittsrichtung 3 verleiht, wird vorgeschlagen, dass die mittlere Dampfaustrittsrichtung 3 ungleich der Gravitationsrichtung 4 ist, die Dampfaustrittsöffnung 2 oder die Dampfaustrittsöffnungen 2 so gestaltet und angeordnet sind, dass das verdampfte Beschichtungsmaterial entlang einer Austrittslinie 6 austritt und unterhalb der mindestens einen Dampfaustrittsöffnung 2 ein Auffangmittel 5 für herabfallendes Kondensat angeordnet ist, das sich unterhalb der Austrittslinie 6 und parallel dazu erstreckt.
Dadurch wird es möglich, den Ort, an dem der Dampf auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 10 trifft, von der Stelle der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 10, auf die Flocken 11 von Beschichtungsmaterial fallen, wenn diese sich von der oder den Dampfaustrittsöffnungen 2 lösen, zu trennen. Das bedeutet, dass der Dampf weiterhin ungehindert auf das Substrat 10 trifft, gleichzeitig aber durch geeignete Mittel verhindert wird, dass die abfallenden Flocken 11 kondensierten Beschichtungsmaterials auf die frisch beschichtete Oberfläche des Substrats 10 treffen.
Um zu verhindern, dass herabfallende Flocken 11 kondensierten Beschichtungsmaterials auf das Substrat 10 treffen, ist unterhalb der mindestens einen Dampfaustrittsöffnung 2 ein Auffangmittel 5 für herabfallendes Kondensat angeordnet. Dieses Auffangmittel 5, das vorzugsweise als eine weit entfernt von der Austrittsöffnung 2, beispielsweise unmittelbar über dem Substrat 10, angeordnete Wanne oder ein quer zur Transportrichtung bewegbares Transportelement, wie in 3 dargestellt, ausgebildet ist, sorgt dafür, dass die Flocken 11 die auf dem Substrat 10 abgeschiedene Schicht von kondensiertem Beschichtungsmaterial weder beschädigen noch verunreinigen können.
In einer Vakuumbeschichtungsanlage für flächige, beispielsweise scheibenförmige Substrate 10 wie Glasscheiben oder dergleichen kann es sinnvoll sein, dass der Dampf von der Beschichtungseinrichtung in einer senkrecht zur Transportrichtung der Substrate 10 ausgerichteten Austrittslinie 6 abgegeben wird. Daher ist vorgesehen, dass die Dampfaustrittsöffnung 2 oder die Dampfaustrittsöffnungen 2 so gestaltet und angeordnet sind, dass das verdampfte Beschichtungsmaterial entlang einer Austrittslinie 6 austritt und das Auffangmittel 5 sich unterhalb der Austrittslinie 6 und parallel dazu erstreckt. Handelt es sich um eine einzelne Dampfaustrittsöffnung 2, so wird diese schlitzförmig gestaltet sein; eine Mehrzahl von Dampfaustrittsöffnungen 2 hingegen wird - bevorzugt mit kontantem Abstand zwischen jeweils benachbarten Dampfaustrittsöffnungen 2 - linear angeordnet sein, d.h. eine linienförmige Anordnung von Dampfaustrittsöffnungen 2 bilden.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mittlere Dampfaustrittsrichtung 3 mit der Gravitationsrichtung 4 einen Winkel zwischen 10° und 80°, insbesondere einen Winkel zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Winkel von 45°, einschließt. Die Dampfquelle kann jedoch auch nach oben drehbar sein.
Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass das Auffangmittel 5 ein Band, eine Rinne oder eine Gliederkette ist. Dieses Auffangmittel 5 kann zusätzlich parallel zur Austrittslinie 6 bewegbar sein. Dadurch wird es ermöglicht, die Auffangfläche des Auffangmittels 5 permanent zu erneuern. Beispielsweise kann ein Abschnitt eines Bandes oder einer Gliederkette über die gesamte Länge der Beschichtungseinrichtung, d.h. die Breite des zu beschichtenden Substrats 10, zwischen einem Aufwickel und einem Abwickel gespannt sein. Wird das Band oder die Gliederkette während der Beschichtung kontinuierlich vom Abwickel zum Aufwickel bewegt, so wird die Bildung einer kritischen Schichtdicke auf dem Band oder der Gliederkette verhindert, bei der das vom Band oder der Gliederkette aufgefangene Kondensat wieder in Flocken 11 abfällt und die Schichtqualität beeinträchtigt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine mit dem Auffangmittel 5 zusammenwirkende Reinigungseinrichtung zur Entfernung aufgefangenen Beschichtungsmaterials vorgesehen ist. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Schaber oder eine Bürste handeln, der bzw. die entweder ortsfest oder beweglich angeordnet ist, um das Auffangmittel 5 zu säubern.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Auffangmittel 5 näher am Substrat 10 als an der oder den Dampfaustrittsöffnungen 2 angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Transporteinrichtung 9 eine Anordnung horizontal ausgerichteter Transportwalzen zum Transport scheibenförmiger Substrate 10 umfasst und zur Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen eingerichtet ist. Dünnschicht-Photovoltaikmodule in diesem Sinne sind insbesondere solche, bei denen Funktionsschichten des CIGS-Typs die Wandlung von Licht in elektrische Energie bewirken.
Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass das von der oder den Dampfaustrittsöffnungen 2 in Flocken 11 abfallende Kondensat auf das darunter befindliche Auffangmittel 5 fällt und nicht auf das Substrat 10. Des Weiteren ist das Auffangmittel 5 so angeordnet, dass der Abscheidungsprozess des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 10 nicht negativ beeinflusst wird.
Da sich das Auffangmittel 5, das beispielsweise als Rinne oder Band ausgebildet sein kann, in einem Bereich mit hohen Prozesstemperaturen befindet, sollte ein hochtemperaturstabiles Material, vorzugsweise CFC oder dergleichen, verwendet werden.
Das Auffangmittel 5 ist vorzugsweise mit einem möglichst großen Abstand zur Beschichtungseinrichtung positioniert, denn alles, was sich in der Nähe der Beschichtungseinrichtung befindet, bildet einen Ablagerungsort für das Kondensat. Wenn dann dieses Kondensat zu viel wird, d.h. eine zu große Schichtdicke ausbildet, so wächst die Gefahr, dass dieses wiederum auf das Substrat 10 fällt. Daher sollte das Auffangmittel 5 vorzugsweise direkt mit geringem Abstand über dem Substrat 10 angeordnet sein, so dass das Auffangmittel 5 das herunterfallende Kondensat auffangen kann.
Bezugszeichenliste

1: Dampfquelle
2: Dampfaustrittsöffnung
3: mittlere Dampfaustrittsrichtung
4: Gravitationsrichtung
5: Auffangmittel
6: Austrittslinie
8: Vakuumkammer
9: Transporteinrichtung
10: Substrat
11: Flocken

Claims

Vakuumbeschichtungsanlage, umfassend eine Vakuumkammer (8), in der Vakuumkammer (8) mindestens eine Beschichtungseinrichtung sowie eine Transporteinrichtung (9) für den Transport zu beschichtender Substrate (10), wobei der Transport der Substrate (10) zumindest im Wirkungsbereich der mindestens einen Beschichtungseinrichtung in einer horizontalen Substrattransportebene erfolgt und die mindestens eine Beschichtungseinrichtung eine beheizbare Dampfquelle (1) zur Aufnahme und Verdampfung eines Beschichtungsmaterials sowie mindestens eine oberhalb der Substrattransportebene angeordnete Dampfaustrittsöffnung (2) umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie dem verdampften Beschichtungsmaterial eine mittlere Dampfaustrittsrichtung (3) verleiht, die ungleich der Gravitationsrichtung (4) ist, wobei die Dampfaustrittsöffnung (2) oder die Dampfaustrittsöffnungen (2) so gestaltet und angeordnet sind, dass das verdampfte Beschichtungsmaterial entlang einer Austrittslinie (6) austritt und unterhalb der mindestens einen Dampfaustrittsöffnung (2) ein Auffangmittel (5) für herabfallendes Kondensat angeordnet ist, das sich unterhalb der Austrittslinie (6) und parallel dazu erstreckt.
Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dampfaustrittsrichtung (3) mit der Gravitationsrichtung (4) einen Winkel zwischen 10° und 80°, insbesondere einen Winkel zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Winkel von 45°, einschließt.
Vakuumbeschichtungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangmittel (5) ein Band, eine Rinne oder eine Gliederkette ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangmittel (5) parallel zur Austrittslinie (6) bewegbar ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Auffangmittel (5) zusammenwirkende Reinigungseinrichtung zur Entfernung aufgefangenen Beschichtungsmaterials vorgesehen ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangmittel (5) näher am Substrat (10) als an der oder den Dampfaustrittsöffnungen (2) angeordnet ist.
Vakuumbeschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (9) eine Anordnung horizontal ausgerichteter Transportwalzen zum Transport scheibenförmiger Substrate (10) umfasst und zur Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen eingerichtet ist.