JP6050255B2 - 堆積装置および堆積装置用の坩堝を生産する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、薄層を堆積させるための堆積装置およびこの種の堆積装置用の坩堝を生産する方法に関する。
この種の堆積装置は、例えば、基材上に薄層太陽電池のいくつかのまたは全ての層を堆積させるために利用されてよい。特に、銅、インジウム、ガリウムおよびセレンの膜は、いわゆるＣＩＧＳ太陽電池を生産するために、基材上に堆積されてよい。この目的のために、堆積する材料は、堆積装置の坩堝内に置かれて、加熱される。その一方で、基材は、坩堝の開口の反対側に配置される。坩堝内部の材料の加熱は、蒸発して、基材をカバーするために開口を通って坩堝を去る材料へとつながる。
材料が坩堝内で加熱されるにつれて、それは、坩堝自体の材料と反応してよい。そして、時間とともに坩堝面の腐食およびそれに続く坩堝の変性（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）に至る。材料を蒸発させるために用いられるチタンでできた坩堝の例が、ある。この種の坩堝は、例えば、特許文献１および特許文献２に開示される。チタン製の坩堝内でセレンを蒸発させるときに、坩堝の効率の腐食およびそれに続く坩堝の変性の課題は、特に深刻である。この種の坩堝は、しばしば交換されることを必要とする。そして、高い生産コストおよび頻繁な故障時間に至る。
ある場合には、酸化チタンでできた坩堝が、堆積装置において用いられた。このような場合の１つは、リチウムイオンバッテリの製造のための、特許文献３にて説明したような、酸化チタン、タンタル酸化物、酸化ジルコニウムまたは酸化ケイ素でできた坩堝の使用である。坩堝全体のためのこの種の不活性材料の使用は、堆積材料との反応の課題を軽減する。しかしながら、この種のセラミック坩堝材料は、非常にもろくて、多くの配慮とともに扱われなければならない。適切に扱われないときに、または突然の温度変化にさらされるときに、それらは、容易に破損してもよい。そして、したがって、再び故障時間に至る。
材料の範囲の堆積のための信頼性が高い装置を示唆することは、本発明の目的である。そしてそれは、低い維持費を提供して、より長い稼働時間を有する力強い浸出（ｅｆｆｕｓｉｏｎ）プロセスに至る。
この目的は、請求項１の特徴を有する堆積装置および、請求項８の特徴によるこの種の装置用の坩堝を生産する方法を提供することによって、本発明により達成される。本発明の有利な実施形態は、下位請求項の対象である。
本発明は、金属でできた坩堝本体の利点と、その金属材料を堆積材料から分離するための、したがって坩堝を腐食から保護するための保護膜の利点との組み合わせに基づく。金属本体を有して、坩堝は、温度変化によりほとんど影響されない利点を提供する。さらに、坩堝の金属本体は、完全にセラミック材料でできた坩堝に比べて生産するのがより安価てもよい。
坩堝の内部だけが堆積材料と接触してよいので、坩堝本体の内側面の一部または全部を酸化チタン（ＴｉｘＯｙ）の保護膜で覆うだけで十分でありえる。他の実施態様では、しかしながら、坩堝本体の全体を保護膜で覆うことは有利かもしれない。そしてそれは、達成するのがより容易でさえあってよい。
坩堝の他に、堆積装置は、堆積材料を加熱するための加熱手段を必要とする。そして、堆積材料は、堆積のための必要な温度に坩堝内に置かれる例えばセレンでもよい。この種の加熱が堆積材料の直接加熱を通して実行されてよいにもかかわらず、堆積材料が結果として間接的に加熱されるように、坩堝を最初に加熱することは、有利でもよい。加熱手段は、したがって、坩堝に接触してまたは近くに配置される１または複数の抵抗性ヒータを含んでよい。直接または間接的に堆積／蒸発材料を加熱するための他の加熱手段は、誘導加熱手段、レーザ加熱手段、イオン加熱手段または他の適切な装置を含んでよい。
坩堝本体を保護膜で覆うステップは、新たな坩堝を使用中の堆積装置に入れる直前に実行されてよい。
保護膜は、物理的または化学的堆積のようなデポジション法によって（例えば金属面上に酸化チタンを電気メッキすることにより）、坩堝本体の表面上に生成されてよい。しかしながら、有利な実施形態では、保護膜の酸化チタン（ＴｉｘＯｙ）は、誘導された酸化被膜である。この場合、酸化チタンの保護膜は、坩堝本体の内側面の前記部分を酸化させることによって生成される。これが働くために、坩堝の少なくともこの表面部品は、特定の厚みのチタン系合金でできていなければならない。換言すれば、坩堝本体は、チタン系合金を含む表層または表層の一部を有する層をなした金属構造でできていてもよい。
保護膜の酸化チタンが誘導された酸化被膜である場合、それは、例えば炉の内部で、酸素雰囲気中のまたは酸素リッチ雰囲気中の坩堝本体を加熱することによって生成されてよい。
有利な実施形態において、坩堝の本体は、チタン系合金でできている。それは、完全にチタン系合金でできていてさえよい。そしてそれは、酸化チタンによって後でカバーされるか、または、酸化チタンの保護膜を造るためにその表面が酸化されてよい。
目下の感覚でのチタン系合金は、主構成元素がチタンであるいかなる金属合金であってもよい。換言すれば、チタンは、チタン系合金の中で最も高い割合を有する元素である。この材料は、覆う酸化チタンを形成するのに十分なチタンを含まなければならない。好ましくは、この種のチタン系合金のチタン含有量は、少なくとも５０重量パーセント（重量％）である。しかしながら、好都合には、チタン割合は、例えば６０重量％を超え、７０重量％を超え、８０重量％を超え、９０重量％を超え、または９５重量％を超え、非常に高い。本発明の意味におけるチタン系合金は、純粋なチタン地金または、異なる材質の混入物または不純物を有するチタン地金でもよい。
好ましい実施形態では、坩堝本体のチタン系合金は、パラジウムを含む。あるいはまたはさらに、その物理的または化学的特性を改良するために、チタン系合金に他の元素が加えられてよい。
有利な実施形態において、坩堝の本体は、シートメタルでできている。シートメタルは、圧延プロセスによって生成されてよい。坩堝本体は、結合される２つ以上の部分から造られてよい。
坩堝の内側面の少なくとも一部をカバーする保護膜は、少なくとも５０ナノメートルの、少なくとも１００ナノメートルの、少なくとも１５０ナノメートルの、少なくとも２００ナノメートルの、少なくとも３００ナノメートルのまたは少なくとも５００ナノメートルの厚みを好ましくは有しなければならない。保護膜が坩堝本体の金属を保護するために特定の最小厚みを有することは、有利である。２、３ナノメートル以下の厚みは、この目的のために薄すぎるかもしれない。一方で、保護膜が厚すぎる場合、酸化チタンのもろい構造のせいでそれは剥離するかもしれない。坩堝の表面は、次いで、露出して、蒸発材料と反応しやすい。
堆積装置の好ましい実施形態において、太陽電池基材の表面上への坩堝内に置かれる蒸発材料の堆積のために、太陽電池基材を保持するための手段は、提供される。この種の堆積装置は、例えば、薄膜太陽電池（好ましくはＣＩＧＳ太陽電池）の製造のための１つまたはいくつかの層を堆積させるために設計されてよい。特に、堆積装置は、基材をセレンでコーティングするように設計されてもよい。したがって、保持手段は、坩堝の開口に隣接する実質的に矩形のガラスパネルの配置を都合よく許容する。
保護膜で完全にまたは部分的にカバーそれる前に、坩堝本体は、任意の好適な方法によって製造されてよい。坩堝の本体のための金属材料の製造に利用可能な１つの好ましい方法は、圧延プロセス、すなわち金属の熱間または冷間圧延である。このようにして生成される金属シートは、次いで、坩堝本体へと成形されてよい。あるいは、坩堝本体の全部または一部は、溶融金属からの鋳造によって、または金属ピースからの機械加工によって、得られてよい。
本発明の実施形態のいくつかの例は、添付の概略図を参照して以下の記載においてさらに詳細に説明される。
図１は、基材ホルダ５によって保持される基材４を備える堆積準備の概略図を示す。基材４の表面４１は、堆積材料３で満たされる坩堝１に面している。加熱手段２は、坩堝１の周囲に配置される。そしてそれは、坩堝１およびそれに続く堆積材料３を加熱することができる。したがって、それは、蒸発して、堆積材料３で被覆されるべき基材表面４１上に凝縮する。坩堝１および基材ホルダ５を備える堆積装置の残余（例えば、坩堝１が内部に配置される真空チャンバ）は、図１に示されない。
坩堝１が完全に金属から製造される場合、充分な程度まで加熱されるときに、堆積材料（蒸発材料）３が坩堝２の内側面１２と反応する可能性がある。しかしながら、本発明による坩堝１は、保護膜１３によって少なくとも部分的にカバーされるその内側面１２を有する。この種の坩堝１の有利な実施形態は、図２および図３に示される。
図２に示す坩堝１は、円筒形の側壁を有して、そして、正方形、矩形、円形または他の任意の適切な形状を有してよい一方、図３に示す坩堝１は、円錐形状を有する。いずれの場合も、坩堝１は、坩堝本体１１および保護膜１３を備える。そしてそれは、内側面１２の少なくとも一部をカバーする。図２および図３に示す実施形態において、坩堝１の全ての内側面１２は、保護膜１３によってカバーされる。他の好ましい実施形態では、坩堝本体１１は、保護膜１３によって完全にカバーされてよい。
図２および図３に示す坩堝は、各々、基材４上へのその蒸発を促進するために蒸発材料（図２および図３に示されない）を加熱するための加熱手段２を備える。ここではそれらが抵抗性ヒータとして図式的に示されるとはいえ、加熱手段２は、蒸発材料３の粒子が坩堝１を逃れて基材表面４１上に堆積するのを許容するために、坩堝１の内側の蒸発材料３へとエネルギーを転送するためのいかなる種類の加熱装置も含んでよい。この種の装置の例は、誘導加熱手段、レーザ加熱手段、イオン加熱手段などを含む。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、好ましい実施形態による保護膜１２を有する坩堝１の製造のための方法を図式的に示す。この手順のために、図４（ａ）に示すように、金属でできた坩堝本体１１を有する坩堝１は、提供される。坩堝本体１１は、例えば、圧延プロセスを通して得られるシートメタルでできていてもよい。このプロセスのために用いる坩堝本体１２は、好ましくはチタン系合金で構成される。
その後のステップでは、図４（ｂ）に示すように、坩堝本体１２は、加熱される炉６内に置かれる。酸素雰囲気中で坩堝を加熱することによって、坩堝の表面の全表面または、限られた酸素暴露の場合にはその一部は、保護膜を形成するために酸化される。図４（ｃ）に図式的に示す。保護膜は、デポジション法（例えば物理的または化学的堆積）によってより強くなってもよい。この種の方法は、完全に保護膜を生じるために代わりに利用してもよい。
１…坩堝
１１…基材本体
１２…内側面
２…加熱手段
３…蒸発材料（堆積材料）
４…基材
４１…基材表面
５…基材ホルダ
６…炉
１１…基材本体
１２…内側面
２…加熱手段
３…蒸発材料（堆積材料）
４…基材
４１…基材表面
５…基材ホルダ
６…炉
Claims (7)
- 坩堝（１）および前記坩堝（１）内の蒸発材料（３）を加熱するために配置された加熱手段（２）を備える堆積装置であって、前記坩堝（１）は、金属的な本体（１１）および、少なくとも５０ナノメートルの厚みを有し、かつ酸化チタン（ＴｉｘＯｙ）を含む保護膜（１３）を備え、前記保護膜（１３）は、前記金属的な本体（１１）の内側面（１２）の少なくとも一部をカバーし、前記坩堝（１）の前記本体（１１）は、チタンまたはチタン系合金でできており、前記保護膜（１２）の前記酸化チタン（ＴｉｘＯｙ）は、前記坩堝本体の前記内側面の一部が酸化された酸化被膜である、堆積装置。
- 前記チタン系合金は、パラジウムを含む、請求項１に記載の堆積装置。
- 前記坩堝の前記本体は、シートメタルでできている、請求項１又は２のいずれか１項に記載の堆積装置。
- 前記保護膜は、少なくとも５０ナノメートルの、少なくとも１００ナノメートルの、少なくとも１５０ナノメートルの、少なくとも２００ナノメートルの、少なくとも３００ナノメートルのまたは少なくとも５００ナノメートルの厚みを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の堆積装置。
- 太陽電池基材の表面上への前記坩堝（１）内に位置する蒸発材料（３）の堆積のための前記太陽電池基材を保持する手段を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の堆積装置。
- 堆積装置用の坩堝（１）を生産する方法であって、金属的材料でできた坩堝本体（１１）を提供するステップ、および少なくとも５０ナノメートルの厚みを有し、かつ酸化チタン（ＴｉｘＯｙ）を含む保護膜（１３）によって前記金属的な本体（１１）の内側面（１２）の少なくとも一部をカバーするステップを含み、前記坩堝（１）の前記本体（１１）は、チタンまたはチタン系合金でできており、前記酸化チタンを含む保護膜は、前記坩堝本体の前記内側面の一部を酸化させることによって生成される、方法。
- 前記坩堝の前記本体のための前記金属的材料は、圧延プロセスにおいて生成される、請求項６に記載の方法。
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