JP2016537507A - 真空反応器装置内のＳｅ蒸気を監視するための方法 - Google Patents

Abstract

真空反応器装置内の蒸気を監視するための方法及びシステムが開示される。システムは、（ａ）真空チャンバと、（ｂ）真空チャンバ内に格納された蒸気源であって、蒸気を発生させるように構成される、蒸気源と、（ｃ）真空チャンバ内に格納され、蒸気源に連結された反応容器であって、真空チャンバへの出口を有し、蒸気源からの蒸気を受容するように、及び受容された蒸気の一部を真空チャンバ内へ出口を通じて放出するように構成される、反応容器と、（ｄ）真空チャンバ内に格納された１つ以上のセンサであって、出口を通じて放出された蒸気を検出するように構成される、１つ以上のセンサと、を有する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に援用される、２０１３年１１月１６日に出願された米国仮出願第６１／９０５，１７５号に対する優先権を主張する。

本明細書に別段に指定されない限り、本節に説明される材料は、本出願の特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、本節に含むことによって先行技術であると認められるものでもない。

反応器チャンバ内の蒸気圧を監視するためのシステムは、例えば、薄膜太陽電池を作製するために、蒸気（例えば、セレン）を基材に適用する際に利用される。典型的な反応器チャンバは、真空チャンバ、蒸気源、及び反応容器を含む。いくつかの従来的なシステムは、蒸気源の温度を制御するために、蒸気源において蒸気を監視する。蒸気源の熱質量と反応するセレンの性質との組み合わせは、例えば、制御フィードバックに応答して温度を非常にゆっくりと変化させ得る。それに加えて、反応試料の差に起因する反応容器内の実際の反応の摂動または反応容器と真空チャンバとの間の漏出に起因する変動は、説明されない。さらに、現行のシステムは、高価であり、故障しやすく、必要な継続時間にわたってまたは製造環境で存在する高い動作温度において動作することができない。

例となる実施形態は、蒸気の流れを反応容器内の高圧域から真空チャンバ内のより低圧の域へ方向付け、センサによって蒸気を検出するように構成される、蒸気監視システム及び方法を提供する。この配置は、反応容器内の蒸気の量と相関があるフィードバックを有利に提供する。本システムはさらに、蒸気源から反応容器への蒸気の移動の速度を即座に制御して、反応容器内の一定量の蒸気を維持するための弁を有益に提供する。それに加えて、イオンゲージまたはセレン速度モニタを用いる実施形態では、センサは、他のセンサよりも温度に対して感受性が低いという利点を有し、蒸気材料で被覆されるのではなくイオンの存在を検出して重量を測定し、これにより、より少ない交換部品及び増加されたセンサの寿命をもたらす。

したがって、一態様では、（ａ）真空チャンバと、（ｂ）真空チャンバ内に格納された蒸気源であって、蒸気を発生させるように構成される、蒸気源と、（ｃ）真空チャンバ内に格納され、蒸気源に連結された反応容器であって、真空チャンバへの出口を有し、蒸気源からの蒸気を受容するように、及び受容された蒸気の一部を真空チャンバ内へ出口を通じて放出するように構成される、反応容器と、（ｄ）真空チャンバ内に格納された１つ以上のセンサであって、出口を通じて放出された蒸気を検出するように構成される、１つ以上のセンサと、を有するシステムが提供される。

別の態様では、（ａ）弁を通じて、蒸気を高圧域から中圧域へ移動させるステップと、（ｂ）出口を通じて、移動された蒸気の一部を中圧域から低圧域へ放出するステップと、（ｃ）低圧域内のセンサによって、出口を通じて放出された蒸気を検出するステップと、を含む方法が提供される。

これらの及び他の態様、利点、ならびに代替物は、添付の図面を適宜参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって、当業者に明らかになるであろう。

例となる実施形態による、真空反応器装置内の蒸気を監視するためのシステムの概略図である。 マイクロバランスセンサを利用して蒸気を監視するためのシステムの例となる実施形態の正面図である。 図２Ａの蒸気を監視するためのシステムの側面断面図である。 イオンゲージセンサまたはセレン速度モニタセンサ（「ＳＲＭ」）と、出口及び放出される蒸気流の経路からずらされた２つの追加的なマイクロバランスセンサとを利用する、蒸気を監視するためのシステムの例となる実施形態の正面図である。 図３Ａの蒸気を監視するためのシステムの側面断面図である。 ２つのイオンゲージまたはＳＲＭセンサを利用する、蒸気を監視するためのシステムの例となる実施形態の正面図である。 図４Ａの蒸気を監視するためのシステムの上面断面図である。 図４Ｃの蒸気を監視するためのシステムの側面断面図である。 例となる実施形態による、蒸気源から反応容器へのセレン蒸気の移動の速度に相対するマイクロバランスセンサの応答を示すグラフである。 例となる実施形態による、蒸気源から反応容器へのセレン蒸気の移動の速度に相対するイオンゲージの応答を示すグラフである。 例となる実施形態に従う方法である。

方法及びシステムの例が本明細書に説明される。本明細書に説明されるいずれの例となる実施形態または特徴も、他の実施形態または特徴よりも好ましいまたは有利であると必ずしも解釈されるものではない。本明細書に説明される例となる実施形態は、限定的であることを意図するものではない。開示されるシステム及び方法の特定の態様が多様な異なる構成で配置され、組み合わされ得ることは容易に理解され、それらのすべてが本明細書に企図される。

さらに、図に示される特定の配置は、限定的であるものとして見なされるべきではない。他の実施形態は、付与される図に示される各要素を多くまたは少なく含んでもよいことが理解されるべきである。さらに、例証される要素のいくつかは、組み合わされてもよく、または省略されてもよい。またさらに、例となる実施形態は、図に例証されていない要素を含んでもよい。

本実施形態は、高圧域から低圧域へ放出される蒸気を監視及び制御するためのシステムを有利に提供する。ここで図１〜２Ｂを参照すると、真空チャンバ５を有するシステムが示される。蒸気源１０は、真空チャンバ５内に格納される。蒸気源１０は、蒸気を発生させるように構成される。いくつかの実施形態では、蒸気源１０は、るつぼを備え、蒸気は、蒸気源１０の温度を増加させて、真空対応材料の蒸発を引き起こす１つ以上の加熱要素によって発生される。蒸気源１０の動作温度は、約２５０℃〜約４５０℃の範囲に維持され、好ましくは３００℃〜約３７０℃の範囲である。種々の実施形態では、有機及び無機真空対応材料が、例えば、堆積用途のための蒸気として使用され得る。好ましい実施形態では、蒸気は、セレンを含む。種々の他の実施形態では、蒸気は、例えば、硫黄、または他の蒸発性のセレンもしくは硫黄を含有する化合物を含んでもよい。

反応容器１５も、同様に真空チャンバ５内に格納され、導管１１を介して蒸気源１０に連結される。反応容器１５は、例えば、ロールツーロール加工のための、基材を格納することができるチャンバを画定する。種々の実施形態では、導管１１は、管または任意の他の通路を含む。反応容器１５及び導管１１は各々、上述の動作温度及びセレン蒸気に耐え得る任意の材料、例えば、ステンレス鋼などを含む。いくつかの実施形態では、反応容器１５及び導管１１は、独立して加熱されて、所望の動作温度を維持し得る。

反応容器１５は、真空チャンバ５への出口１６を有する。反応容器１５は、蒸気源１０からの蒸気を受容するように、及び受容された蒸気の一部１７を真空チャンバ５内へ出口１６を通じて放出するようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、出口１６は、反応容器１５のチャンバと直接連通する開口部を備える。代替的な実施形態では、反応容器１５は、図２Ｂ、３Ｂ、及び４Ｂに示される通り、反応容器１５のチャンバを出口１６に連結するトンネル１８をさらに備えてもよく、この場合、トンネル１８は、出口１６の直径よりも大きい直径を有する。これらの実施形態では、反応容器１５は、反応容器１５のチャンバ内に高温を維持する。反応容器１５は、例えば、熱伝対１２によって、チャンバの温度とは独立して制御される温度を有する領域１４を画定する筐体１３をさらに含む。これらの実施形態では、トンネル１８及び出口１６は、反応容器筐体１３の領域１４内に画定され、どちらも放射線シールド２４内に少なくとも部分的に含まれる。トンネル１８は、蒸気を反応容器１５のチャンバから出口１６へ方向付ける中間経路を提供する。いくつかの実施形態では、出口１６はそれ自体、基本の開口部の反対側に細長い導管１９を備えてもよい。

一実施形態では、蒸気源１０は、第１の圧力Ｐ１を有し、反応容器１５は、第２の圧力Ｐ２を有し、真空チャンバ５は、第３の圧力Ｐ３を有する。種々の実施形態では、第１の圧力Ｐ１は、第２の圧力Ｐ２よりも大きく、第２の圧力Ｐ２は、第３の圧力Ｐ３よりも大きい。第１の圧力は、約１０^＋１〜約１０^−２の範囲であってもよく、第２の圧力は、約１０^−２〜約１０^−４の範囲であってもよく、第３の圧力は、約１０^−４〜約１０^−６の範囲であってもよい。蒸気の性質により、蒸気は、蒸気源１０内の高圧域Ｐ１から反応容器１５内の中圧域Ｐ２、真空チャンバ５内の低圧域Ｐ３へと流れる。それぞれの圧力は、蒸気源１０、反応容器１５、及び真空チャンバ５の温度、ならびに所望の圧力Ｐ３を維持するために真空チャンバ５に直接適用される真空圧の因子である。

１つ以上のセンサ２０は、真空チャンバ５内に格納される。１つ以上のセンサ２０は、出口１６を通じて放出された蒸気１７を検出するように構成される。好ましい実施形態では、蒸気１７は、流れで放出され、センサ２０は、その流れの経路内に直接か、またはその流れの付近に位置付けられる。別の好ましい実施形態では、出口１６は、反応容器１５の上面上に位置付けられるが、出口は、同じ結果を達成するように反応容器１５の側面上に位置付けられてもよい。

種々の実施形態では、センサは、マイクロバランス（図２Ａ〜Ｂ及び３Ａ〜３Ｂ）、イオンゲージあるいは別称セレン速度モニタ（ＳＲＭ）（図３Ａ〜Ｂ、４Ａ〜Ｃ）、またはこれら２つの組み合わせ（図３Ａ〜Ｂ、４Ａ〜Ｃ）を含んでもよい。マイクロバランスは、非常に小さい質量、即ち、約１００万分の１グラムを有する凝縮粒子の重量を測定するように構成された計器である。マイクロバランスは、石英結晶の圧電特性に依存する高感度質量堆積センサである石英結晶マイクロバランス（「ＱＣＭ」）を含んでもよい。共振周波数は結晶質量の変化に高度に依存するため、ＱＣＭは、結晶の共振周波数を利用して、センサの表面上の質量を測定する。ＱＣＭは、０．１ナノグラムほどに小さい質量堆積を測定することができる。図５は、蒸気の流速が、弁２５（後述される）が開放するのに伴い増加すること、及びＱＣＭによって記録される蒸気密度も同様に増加することを示す。ＱＣＭは、石英結晶表面上に凝縮している材料の量、または重量を測定するためである。センサは、材料が均一に堆積しているという推定に基づいて動作して、量又は重量を薄膜の等価厚に変換し、Ａ／秒は、オングストロームまたは１０^−１０ｍの厚さを表す。

イオンゲージ及びセレン速度モニタ（「ＳＲＭ」）は各々、低圧（真空）環境で使用されるように構成される。イオンゲージ及びＳＲＭは、蒸気が電子衝撃を受けるときに生成される電気的イオンを測定することによって間接的に圧力を感知し、ここでより低密度の蒸気はより少ないイオンを生成する。２つの主要な種類のイオンゲージ、即ち、熱陰極及び冷陰極が存在する。動作中、熱陰極ゲージは、電子ビームを発生させるために使用される電気的に加熱されたフィラメントを含む。電子は、ゲージを通して移動し、周囲の蒸気分子をイオン化する。これらの結果として得られるイオンは次に、負極において収集される。発生される電流はイオンの数に対応し、このイオンの数が今度は、ゲージによって記録される蒸気圧に対応する。熱陰極ゲージは、約１０^−３Ｔｏｒｒ〜約１０^−１０Ｔｏｒｒで正確である。冷陰極ゲージは、同様の様式で動作し、違いは、電子が高圧放電を介して生成されるということである。冷陰極ゲージは、約１０^−２Ｔｏｒｒ〜約１０^−９Ｔｏｒｒで正確である。図６は、弁２５が開放するのに伴い、蒸気の流速が増加し、ＳＲＭによって記録される蒸気密度も同様に増加することを示しており、任意の単位は、１０^−４ｔｏｒｒで除した圧力を表す。

図２Ａ〜Ｂに示される一実施形態では、１つ以上のセンサ２０は、出口１６の上に直接位置付けられた単一のマイクロバランスを含む。この配置では、出口１６は、約０．１ｃｍ〜約０．５ｃｍの範囲であり得る内径を有する導管１９または管として構成され、また反応容器１５から約２ｃｍ〜約５ｃｍ延在し得る。マイクロバランスは、正確な測定値を得るために、出口１６から約０．５ｃｍ〜約１．５ｃｍ離れて位置付けられ得る。一実施形態では、冷却水線２５が、マイクロバランス２０に連結され得る。

図３Ａ〜Ｂ及び４Ａ〜Ｃに示される別の実施形態では、１つ以上のセンサは、真空チャンバ５内に各々格納された第１のセンサ及び第２のセンサを備える。図４Ａ〜Ｃに示される例となる一実施形態では、第１のセンサ２１及び第２のセンサ２２は各々、出口１６から、及び放出される蒸気流１７の直接的な経路からずらされる。出口１６の開口部は、反応容器内に実質的にくぼんだノズルの形態で構成される。出口ノズル１６は、円柱３０内へ流れを分散させ、これは例えば、第１及び第２のセンサ２１、２２と連通するチャネル３１を画定する。チャネル３１は、出口１６から放出される蒸気の大部分を含有するように構成される。チャネル３１は、１つ以上のイオンゲージによって読み取られる異なる圧力域を画定する。いくつかの実施形態では、真空ニップルは、イオンゲージを格納するのに十分な直径である。この配置では、第１及び第２のセンサ２１、２２は、チャネル３１の反対側に配置されたイオンゲージまたはセレン速度モニタである。第２のセンサ２２は、例えば、第１のセンサ２１の結果を確認するために使用されてもよい。

図３Ａ〜Ｂに示される別の例となる実施形態では、第３のセンサ２３が提供され、その結果、第１のセンサ２１は出口１６の上に直接位置付けられ、一方で第２のセンサ２２及び第３のセンサ２３は、出口１６からずらされる。この配置では、第１のセンサ２１は、イオンゲージまたはセレン速度モニタであり、第２及び第３のセンサ２２、２３は、マイクロバランスである。図４Ａ〜Ｃに示される実施形態と同様に、出口１６の開口部はここでも、蒸気の流れを円柱３０内に分散させるノズルの形態で構成され、これは例えば、第１のセンサ２１と連通するチャネル３１を画定する。第２及び第３のセンサ２２、２３は、円柱３０の反対側に配設され、蒸気は、円柱３０の片側に画定され、チャネル３１と連通する出口（図示せず）を介してマイクロバランス上に方向付けられる。これらの第２及び第３のセンサ２２、２３は、例えば、第１のセンサ２１の結果を確認するために使用されてもよい。

一実施形態では、システム１は、反応容器１５によって受容される蒸気源１０からの蒸気の量を制御するように構成された弁２５を含む。種々の実施形態では、弁２５は、蒸気源１０と反応容器１５との間に、好ましくは導管１１に沿った場所に配設される。別法として、弁は、蒸気源１０の上の蒸気出口に、または反応容器１５の上の蒸気入口に位置付けられてもよい。弁２５は、開放及び／または閉鎖動作を通じて、状況に応じて部分的にかまたは完全にかのいずれかで蒸気の量を制御する。さらなる実施形態では、弁２５は、１つ以上の制御信号２６に応答して蒸気の量を制御するように構成される。これらの制御信号２６は、１つ以上のセンサ２０及び弁２５と通信する制御装置によって発生されてもよい。制御装置は、１つ以上のセンサ２０からの制御信号またはフィードバック２６を分析し、弁２５においてなされるべき調節を、それが存在する場合に、決定するためのプロセッサ及びメモリを含んでもよい。種々の実施形態では、制御装置は、複数のセンサ２１、２２、及び／または２３からのフィードバックまたは制御信号２６を処理し、センサが較正または交換される必要があるかを決定することができる。いくつかの実施形態では、システムの操作者は、コントロールパネル、キーボード、または他の入力機器を介して、制御装置に手動オーバーライド命令を提供することが可能であってもよい。

図７は、弁２５を通じて、蒸気を高圧域Ｐ１から中圧域Ｐ２へ移動させるステップ７０５を含む、提供される方法７００のフローチャートである。方法７００は、出口１６を通じて、移動された蒸気の一部１７を中圧域Ｐ２から真空チャンバ５内の低圧域Ｐ３へ放出するステップ７１０をさらに含む。方法７００はまた、低圧域Ｐ１内のセンサ２０、２１によって、出口１６を通じて放出された蒸気１７を検出するステップ７１５も含む。種々の他の実施形態では、本方法は、低圧域Ｐ３内の第２のセンサ２２によって、出口１６を通じて放出された蒸気を検出するステップと、低圧域Ｐ３内の第３のセンサ２３によって、出口１６を通じて放出された蒸気を検出するステップとをさらに含んでもよい。

いくつかの実施形態では、方法７００は、センサ２０によって検出された蒸気１７に基づいて、制御信号を生じさせるステップと、制御信号２６に基づいて弁２５を制御するステップとをさらに含む。種々の実施形態では、制御信号２６に基づいて弁２５を制御することは、高圧域Ｐ１から中圧域Ｐ２への蒸気の移動の速度を制御することを含む。さらなる他の実施形態では、方法７００はまた、概して蒸気源１０内に位置する、高圧域Ｐ１内で蒸気を発生させるステップと、概して反応容器１５内に位置する、中圧域Ｐ２内で蒸気を反応させるステップとをも含む。本方法は、上記に説明されるシステムの実施形態のいずれかを使用して実施されてもよい。

上記の発明を実施するための形態は、添付の図を参照しながら、開示されるシステム及び方法の種々の特徴及び機能を説明している。種々の態様及び実施形態が本明細書に開示されているが、他の態様及び実施形態は当業者には明らかであろう。本明細書に開示される種々の態様及び実施形態は、例証の目的のためのものであり、限定的であることを意図するものではなく、真の範囲及び趣旨は以下の特許請求の範囲によって示される。

図２Ａ〜Ｂに示される一実施形態では、１つ以上のセンサ２０は、出口１６の上に直接位置付けられた単一のマイクロバランスを含む。この配置では、出口１６は、約０．１ｃｍ〜約０．５ｃｍの範囲であり得る内径を有する導管１９または管として構成され、また反応容器１５から約２ｃｍ〜約５ｃｍ延在し得る。マイクロバランスは、正確な測定値を得るために、出口１６から約０．５ｃｍ〜約１．５ｃｍ離れて位置付けられ得る。一実施形態では、冷却水線３５が、マイクロバランス２０に連結され得る。

Claims (20)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に格納された蒸気源であって、蒸気を発生させるように構成される、蒸気源と、
   前記真空チャンバ内に格納され、前記蒸気源に連結された反応容器であって、前記真空チャンバへの出口を有し、前記蒸気源からの前記蒸気を受容するように、及び前記受容された蒸気の一部を前記真空チャンバ内へ前記出口を通じて放出するように構成される、反応容器と、
   前記真空チャンバ内に格納された１つ以上のセンサであって、前記出口を通じて放出された前記蒸気を検出するように構成される、１つ以上のセンサと、を備える、システム。
2. 前記反応容器によって受容される前記蒸気源からの前記蒸気の量を制御するように構成された弁をさらに備える、請求項１に記載の前記システム。
3. 前記弁は、１つ以上の制御信号に応答して前記蒸気の前記量を制御するように構成される、請求項２に記載の前記システム。
4. 前記蒸気は、セレンを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記システム。
5. 前記センサは、マイクロバランス、イオンゲージ、またはセレン速度モニタを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の前記システム。
6. 前記蒸気源は、第１の圧力を有し、前記反応容器は、第２の圧力を有し、前記真空チャンバは、第３の圧力を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の前記システム。
7. 前記第１の圧力は、前記第２の圧力よりも大きく、前記第２の圧力は、前記第３の圧力よりも大きい、請求項６に記載の前記システム。
8. 前記第１の圧力は、約１０^＋１〜約１０^−２の範囲であり、前記第２の圧力は、約１０^−２〜約１０^−４の範囲であり、前記第３の圧力は、約１０^−４〜約１０^−６の範囲である、請求項６または７に記載の前記システム。
9. 前記１つ以上のセンサは、前記真空チャンバ内に各々格納された第１のセンサ及び第２のセンサを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の前記システム。
10. 前記第１のセンサは、前記出口の上に直接位置付けられ、前記第２のセンサは、前記出口からずらされる、請求項９に記載の前記システム。
11. 第３のセンサをさらに備え、前記第３のセンサは、前記出口からずらされる、請求項９または１０に記載の前記システム。
12. 前記第１のセンサ及び前記第２のセンサは各々、前記出口からずらされる、請求項９に記載の前記システム。
13. 弁を通じて、蒸気を高圧域から中圧域へ移動させることと、
    出口を通じて、前記移動された蒸気の一部を前記中圧域から低圧域へ放出することと、
    前記低圧域内のセンサによって、前記出口を通じて放出された前記蒸気を検出することと、を含む、方法。
14. 前記センサによって検出された前記蒸気に基づいて制御信号を生じさせることと、
    前記制御信号に基づいて前記弁を制御することと、をさらに含む、請求項１３に記載の前記方法。
15. 前記制御信号に基づいて前記弁を制御することは、前記高圧域から前記中圧域への前記蒸気の移動の速度を制御することを含む、請求項１３に記載の前記方法。
16. 前記蒸気は、セレンを含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の前記方法。
17. 前記センサは、マイクロバランス、イオンゲージ、またはセレン速度モニタを含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の前記方法。
18. 前記高圧域内で前記蒸気を発生させることと、
    前記中圧域内で前記蒸気を反応させることと、をさらに含む、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の前記方法。
19. 前記低圧域内の第２のセンサによって、前記出口を通じて放出された前記蒸気を検出することと、
    前記低圧域内の第３のセンサによって、前記出口を通じて放出された前記蒸気を検出することと、をさらに含む、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の前記方法。
20. 前記方法が、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の前記システムを使用して実施される、請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の前記方法。

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