-
Die Erfindung betrifft ein Abscheidesystem für Gase bei Hochvakuumeinrichtungen.
-
Zur Beschichtung von Produkten mit hochdünnen Schichten ist es bekannt, das zu beschichtende Produkt im Hochvakuum anzuordnen und das Beschichtungsmaterial zu verdampfen. Das verdampfte Beschichtungsmaterial resublimiert auf der Oberfläche des zu beschichtenden Produkts. Derartige Prozesse sind beispielsweise zur Beschichtung von Brillengläsern und in der CD-Herstellung bekannt.
-
Ein besonderer Einsatzbereich besteht bei der Herstellung von Solaranlagen, bei denen eine spektrale lichtempfindliche Schicht mit einem hohen Wirkungsgrad hergestellt wird, um sodann Sonnenstrahlung in elektrischen Strom umzuwandeln. Hierbei handelt es sich um sogenannte CIS oder CIGS-Prozesse. In diesen werden Bestandteile wie Kupfer (CO), Indium (Im), Gallium (Ga) und Selen (Se) verdampft und eine hauchdünne Schicht von ca. 2 Mikrometern hergestellt. Bei derartigen Beschichtungsprozessen besteht die Problematik, dass das verdampfte Material nicht nur an den entsprechenden Oberflächen der Produkte, sondern auch ggf. innerhalb der Vakuumpumpen resublimiert. Dies kann z. B. zur Beschädigung der Vakuumpumpen führen. Um das Eindringen von entsprechenden Gasen, die ggf. in der Vakuumpumpe resublimieren zu vermeiden, ist es bekannt, Abscheidesystem zwischen einer zu evakuierenden Kammer und einem Vakuumpumpensystem anzuordnen. In der zur evakuierenden Kammer ist das zu beschichtende Produkt angeordnet. Dabei wird in der zur evakuierenden Kammer das auf zu dampfende Produkt verdampft bzw. erhitzt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es ein Abscheidesystem zu schaffen, mit dem eine zuverlässige Abscheidung entsprechender Gase, insbesondere im CIS und/oder CIGS-Prozess eingesetzte Gase wie insbesondere Selen, realisiert ist.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Das erfindungsgemäße Abscheidesystem für Gase bei Hochvakuumeinrichtungen ist insbesondere in Verbindung mit Beschichtungsprozessen und besonders bevorzugt in Verbindung mit CIS und/oder CIGS-Prozessen geeignet.
-
Das Abscheidesystem weist ein Gehäuse mit einem Einlass auf, der mit einem Auslass einer zu evakuierenden Kammer bzw. einer Prozesskammer verbindbar ist. Ferner weist das Abscheidesystem einen Auslass auf, der mit einer Hochvakuumeinrichtung verbunden werden kann, die insbesondere eine oder mehrere Vakuumpumpen aufweist. In dem Gehäuse ist ein rohrförmiges Abscheideelement angeordnet. Das rohrförmige Abscheideelement weist vorzugsweise einen runden Querschnitt auf und ist insbesondere vorzugsweise kreiszylindrisch ausgestaltet. Das Abscheideelement weist eine gekühlte Oberfläche auf. An dieser lagert sich resublimiertes Gas ab. Ferner ist in dem Abscheideelement mindestens ein Strömungskanal angeordnet, durch den das Gas strömt bevor es durch den Auslass des Abscheidesystems in Richtung der Hochvakuumeinrichtung strömt. Gegebenenfalls kann auch an Wänden des Strömungskanals ein Ablagern von resublimiertem Gas erfolgen.
-
Vorzugsweise ist das rohrförmige Abscheideelement doppelwandig ausgebildet. Hierdurch entsteht ein Zwischenraum, der von Kühlmittel durchströmbar ist.
-
Insbesondere ist das doppelwandige Abscheideelement mit einem Zuführkanal sowie einem Abführkanal für Kühlmittel verbindbar, insbesondere verbunden.
-
Zur doppelwandigen Ausgestaltung des Abscheideelements weist dieses vorzugsweise ein äußeres Rohrelement und ein inneres Rohrelement auf. Vorzugsweise handelt es sich bei beiden Rohrelementen jeweils um kreiszylindrische Elemente, die derart angeordnet sind, dass sie dieselbe Mittelachse aufweisen. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass in dem Zwischenraum zwischen dem äußeren Rohrelement und dem inneren Rohrelement mindestens ein schraubenlinienförmiger Kühlkanal angeordnet ist. Hierdurch kann eine sehr gleichmäßige Kühlung der durch das äußere Rohrelement ausgebildeten Oberfläche des Abscheideelements realisiert werden. In besonders bevorzugter Weiterbildung sind mindestens zwei schraubenlinienförmige Kühlkanäle in dem Zwischenraum zwischen dem äußeren und inneren Rohrelement angeordnet. Diese verlaufen vorzugsweise parallel und werden besonders bevorzugt im Betrieb gegenläufig von Kühlmittel durchströmt. Hierdurch ist es möglich, sowohl die Zufuhr als auch die Abfuhr von Kühlmittel zu den beiden schraubenlinienförmigen Kühlkanälen auf derselben Seite des Abscheideelements vorzusehen.
-
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Zuführkanal und/oder der Abführkanal über den das Kühlmittel zu- bzw. abgeführt wird, durch einen Innenraum des Abscheideelements verläuft. Besonders bevorzugt ist es hierbei, dass der Zuführkanal und/oder der Abführkanal in einem zentralen Achselement angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Achselement bei einem kreiszylinderförmigen Abscheideelement derart angeordnet, dass es symmetrisch zur Mittellinie ist. Bevorzugt ist es hierbei, dass das Achselement doppelwandig ausgebildet ist, so dass zwei Kanäle ausgebildet sind, wobei einer der beiden Kanäle als Zuführkanal und der andere als Abführkanal genutzt werden kann.
-
Der mindestens eine insbesondere im Inneren des Abscheideelements vorgesehenen Strömungskanal ist in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung zumindest teilweise zu einer Hauptströmungsrichtung geneigt oder gekrümmt ausgebildet. Die Hauptströmungsrichtung ist hierbei insbesondere eine gerade Verbindungslinie zwischen dem Einlass und dem Auslass des entsprechenden Strömungskanals. Insbesondere verläuft die Hauptströmungsrichtung bei einem kreiszylindrisch ausgebildeten Abscheideelement parallel zur Mittellinie. Hierdurch ist insbesondere gewährleistet, dass abzuscheidende Gasatome oder Moleküle mit hoher Wahrscheinlichkeit gegen eine Wand des Achselements prallen und somit das Resublimieren des Gases positiv beeinflusst wird.
-
Besonders bevorzugt ist es, dass eine Auslassöffnung des mindestens einen Strömungskanals gegenüber einer Einlassöffnung des selben Strömungskanals in Hauptströmungsrichtung insbesondere vollständig versetzt ist. Das Strömungskanal ist somit in Hauptströmungsrichtung blickdicht. Hierdurch ist das Abscheideverhalten weiter verbessert.
-
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der mindestens eine Strömungskanal, insbesondere alle Strömungskanäle schraubenlinienförmig ausgebildet. Auf die Länge des Abscheideelements bezogen hat der Strömungskanal eine Winkelkrümmung von beispielsweise mindestens 120 Grad beim Vorsehen von drei Strömungskanälen. Hierdurch ist die Einlassöffnung gegenüber der Auslassöffnung vollständig versetzt. Andererseits sind die Strömungseigenschaften nicht nachteilig beeinflusst. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass insbesondere mindestens drei Strömungskanäle vorgesehen sind, die jeweils parallel zueinander verlaufen. Die entsprechenden Strömungskanäle grenzen unmittelbar aneinander an und sind vorzugsweise jeweils durch ein zwischen zwei benachbarten Strömungskanälen ausgebildetes Wandelement voneinander getrennt.
-
Ein derartiges oder auch alternativ ausgebildetes, den mindestens einen Strömungskanal begrenzendes Wandelement ist vorzugsweise derart angeordnet, dass es mit dem inneren Rohrelement des Abscheideelements und/oder dem Achselement verbunden ist. Da die Wandelemente in bevorzugter Ausführungsform aus thermisch leitfähigem Material hergestellt sind, ist insbesondere durch die Verbindung mit dem inneren Rohrelement und dem Achselement eine gute Kühlung der Wandelemente gewährleistet. Hierdurch wird das Resublimieren des Gases an dem Wandelement verbessert.
-
In einer besonders bevorzugter Ausführungsform ist das Abscheidesystem als Einheit bzw. als Cartridge oder Kartusche ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass das Abscheidesystem auf einfache Weise ausgetauscht werden kann. Dies ist insbesondere zur Reinigung erforderlich, wenn sich eine große Menge an Material abgesetzt hat. Die Abscheidung bzw. das Resublimieren erfolgt insbesondere an der gekühlten Oberfläche des Abscheideelements und auch an den Wandelementen der Strömungskanäle. Insofern ist es bevorzugt, dass das Abscheideelement insbesondere zusammen mit dem Achselement und den die Strömungskanäle ausbildenden Wandelementen eine Einheit bildet bzw. miteinander verbunden sind. Beispielsweise können diese Elemente über ein gemeinsames Deckelement miteinander verbunden sein. Mittels des Deckelements kann sodann die gesamte Einheit entsprechend einer Kartusche oder Cartridge aus dem Gehäuse entnommen bzw. herausgezogen werden.
-
Das erfindungsgemäße Abscheidesystem weist insbesondere den Vorteil auf, dass die entsprechenden Flächen wie die Oberfläche des Abscheideelements stark gekühlt werden können und insbesondere bis auf Temperaturen von bis zu -20 °C oder ggf. sogar auf tiefere Temperaturen heruntergekühlt werden können. Bei der bevorzugten Ausgestaltung, bei der die Hauptelemente mit dem inneren Rohrelement und dem Achselement verbunden sind, kann auch eine gute Kühlung dieser Elemente realisiert werden. Auch bei der bevorstehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung sind Strömungskonturen realisiert, die insbesondere auch beim Zuwachsen mit resublimiertem Material das Saugvermögen nur geringfügig verringern.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Abscheidesystems,
- 2 eine schematische Seitenansicht des in 1 dargestellten Abscheideelements ohne äußeres Rohrelement,
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Abscheideelements ohne äußeres und ohne inneres Rohrelement und
- 4 eine schematische perspektivische Ansicht des Abscheideelements mit Deckelelement.
-
In einem in 1 schematisch dargestellten Gehäuse 10 ist das erfindungsgemäße Abscheidesystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform angeordnet. Das Gehäuse 10 weist einen Einlass 12 auf, der mit einer zu evakuierenden Kammer bzw. einer Prozesskammer verbunden ist. Ein Auslass 11 des Gehäuses 10 ist mit einer Hochvakuumpumpeneinrichtung bzw. einer oder mehrerer Vakuumpumpen verbunden.
-
Das Abscheidesystem weist ein rohrförmiges Abscheideelement 14 auf. Das insbesondere kreiszylindrisch ausgebildete Abscheideelement 14 weist eine gekühlte Oberfläche 16 auf. Ein durch den Einlass 12 des Gehäuses 10 in Richtung eines Pfeils 18 einströmendes Gas, schlägt sich somit an der gekühlten Oberfläche 16 ab und resublimiert zumindest teilweise. Das Gas strömt sodann durch einen insbesondere umlaufenden Einlass 20 in einem Innenbereich 22 des Abscheideelements 14. In diesem Bereich strömt das Gas durch mehrere Strömungskanäle 24 (3) in 1 nach links und tritt sodann wie durch einen Pfeil 26 angedeutet aus dem Abscheideelement 14 aus zu dem nicht dargestellten Auslass des Gehäuses 10.
-
Das Abscheidesystem weist innerhalb des Abscheideelements 14 ein Achselement 28 auf. Das Achselement 28 ist als doppelwandiges rohrförmiges Element ausgebildet, wobei eine Mittelachse 30 des Achselements 28 symmetrisch zur Mittelachse des rohrförmigen Abscheideelements 14 ist. Das Achselement 28 ist mit einem Verbindungselement 32 zur Fixierung in dem Gehäuse 10 verbunden. Das Verbindungselement 32 weist zwei Anschlüsse 34, 36 zur Zufuhr bzw. Abfuhr von Kühlmittel auf. Beispielsweise wird das Kühlmittel über den Anschluss 34 dem Achselement zugeführt und sodann über den Anschluss 36 wieder abgeführt. Mit dem Kühlmittelanschluss 34 ist somit ein innenliegender Zuführkanal 35 und mit dem Anschluss 36 ein Abführkanal 37 verbunden. Der Abführkanal 37 ist kreisringförmig ausgebildet und umgibt den Zuführkanal 35.
-
Das Kühlmittel dient zur Kühlung des rohrförmigen Abscheideelements 14. Dieses ist im dargestellten Ausführungsbeispiels ebenfalls doppelwandig ausgebildet und weist ein äußeres Rohrelement 38 sowie ein inneres Rohrelement 40 auf. In dem zwischen den beiden Rohrelementen 38, 40 ausgebildeten Zwischenraum sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei schraubenlinienförmige Kühlkanäle 42, 44 (2) ausgebildet. Die beiden Kühlkanäle sind schraubenlinienförmig und verlaufen parallel zueinander. Beispielsweise ist der Kühlkanal 42 mit dem Kühlmittelzulauf 34 verbunden und der Kühlkanal 44 mit dem Kühlmittelrücklauf. Das Kühlmittel strömt somit in den zueinander parallelen Kühlkanälen 42, 44 in einander entgegengesetzte Richtung.
-
Im Innenraum 22 des Abscheideelements 14 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel drei ebenfalls schraubenlinienförmig ausgebildete Strömungskanäle 24 angeordnet (3). Diese weisen jeweils eine Einlass- und eine Auslassöffnung auf und sind um einen Winkel von ca. 120 Grad gedreht. Hierdurch sind die Einlassöffnungen 46, den Auslassöffnungen 48 derart gegenüberliegend angeordnet, dass sich diese in Hauptströmungsrichtung 50 nicht überdecken. Die Strömungskanäle 24 sind durch Wandelemente 52 voneinander getrennt. Die drei Wandelemente 52 sind sowohl mit dem Achselement 28 als auch mit dem inneren Rohrelement 40 verbunden. Da die Wandelemente 52 vorzugsweise aus temperaturleitfähigem Material hergestellt sind, sind auch diese Elemente über das Kühlmittel gekühlt.
-
Das Deckelelement 54 ist in eingebautem Zustand bzw. bezogen auf das Gehäuse 10 in 1 auf der rechten Seite angeordnet. Es ist somit auf einfache Weise möglich, über die Anschlüsse 34, 36 die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels zu realisieren. Auch ist ein besonders einfacher Austausch des gesamten Abscheideelements 14 zusammen mit dem Deckelelement 54 möglich. Hierzu sind Griffe 56 am Deckelelement 54 angeordnet.
