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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfereinrichtung für Beschichtungsanlagen gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 und Anspruch 4.
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Solche Verdampfereinrichtungen beruhen auf dem Prinzip des thermischen Verdampfens und nutzen damit ein sehr einfaches Verdampfungsverfahren für die Beschichtungstechnik. Beim thermischen Verdampfen wird im Unterschied zu alternativen Verfahren wie dem Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen oder Lichtbogenverdampfen das zu verdampfende Material auf Temperaturen oberhalb des Siedepunktes erhitzt. Das Erhitzen erfolgt mittels eines Heizelementes, wobei in der Regel Widerstandsheizer eingesetzt werden. Das verdampfte Material schlägt sich an einem in der Regel gekühlten Substrat nieder und bildet dort durch Kondensation eine dünne Schicht.
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Vor allem im Rahmen der APCVD (atmospheric pressure chemical vapor deposition) ist es schon bekannt, Gasverdampfereinrichtungen zu verwenden, bei denen in einer Gasführungsleitung zu verdampfendes Material in einem Gasstrom geführt und durch das Heizelement erhitzt wird. Der austretende Gasstrom kann dann sehr gezielt auf das Substrat gelenkt werden.
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Solche Gasverdampfereinrichtungen sind für sehr hohe Temperaturen auszulegen. Außerdem sind sehr hohe Gasflüsse notwendig, da bei APCVD unter Atmosphärendruck gearbeitet wird. Aus diesem Grund ist ein sehr großer Wärmetauscher notwendig, um die durch die Gasverdampfereinrichtung geführten großen Gasmengen auf die hohen Temperaturen erhitzen zu können, bevor sie aus der Gasverdampfereinrichtung austreten. Solche Gasverdampfereinrichtungen stellen also sehr große Bauteile dar.
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Üblicherweise bestehen solche Gasverdampfereinrichtungen aus einem Widerstandsheizer aus dotiertem Siliziumkarbid und die Gasführungsleitung ist in der Regel aus undotiertem Siliziumkarbid gefertigt.
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Die Gasverdampfereinrichtung wird dadurch betrieben, dass durch die Gasführungsleitung ein pulverförmiges, zu verdampfendes Material in einem Gasstrom, bevorzugt in einem Inertgas, wie z. B. Stickstoff, geführt wird und zugleich das Heizelement betrieben wird. Durch die von dem Heizelement ausgesandte elektromagnetische Strahlung wird durch Wärmestrahlung und Absorption in der beispielsweise aus undotiertem Siliziumkarbid gebildeten Gasführungsleitung eine Erhitzung der Gasführungsleitung hervorgerufen. Die Gasführungsleitung gibt dann über Konvektion Wärme an den Material-Gasstrom weiter, wodurch das pulverförmige Material erhitzt und bei Erreichen des Schmelzpunktes verdampft wird. Wenn Heizleistung, Länge der Gasführungsleitung und Menge des zu verdampfenden Materials geeignet aufeinander abgestimmt werden, dann wird das in die Gasverdampfereinrichtung eingebrachte Material vollständig und in den erforderlichen Mengen verdampft und steht für Beschichtungsprozesse zur Verfügung.
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Die hierfür notwendige Gasverdampfereinrichtung ist – wie gesagt – in der Regel sehr groß, nämlich beispielsweise ist sie zylinderförmig aufgebaut und weist einen Durchmesser von ca. 0,5 m bis 0,7 m und eine Länge von ca. 1,5 m bis 2 m auf. Damit die Gasführungsleitung dennoch eine ausreichende Länge aufweist, wird sie über die Länge der Gasverdampfereinrichtung mehrfach gefaltet geführt, d. h. sie wird in mehreren Abschnitten parallel zur Längserstreckung der Gasverdampfereinrichtung geführt und an den seitlichen Enden der Gasverdampfereinrichtung um 180 Grad umgelenkt. Es handelt sich also um ein Rohrbündel, das Verwendung findet.
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Üblicherweise werden durch eine solche Gasverdampfereinrichtung ca. 400 l/min kalter bzw. 1.200 bis 1.600 l/min heißer Gasstrom geleitet und die Temperaturen der Gasführungsleitung liegen in der Regel zwischen 1.000°C und 1.400°C.
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Nachteilig an solchen bekannten Gasverdampfereinrichtungen ist es, dass diese nur eine relativ geringe Standzeit aufweisen, die in der Regel zwischen 12 Stunden und 10 Tagen liegt. Nach dieser Zeit muss die gesamte Gasverdampfereinrichtung ausgetauscht werden, da sie unbrauchbar wird. Damit ist zum einen ein hoher Material- aber auch ein hoher Wartungsaufwand verbunden, der sich in erhöhten Kosten des Beschichtungsverfahrens niederschlägt.
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Die
US 5 447 569 A betrifft ein MOCVD-System, wobei ein Quarzglasrohr zur Materialführung verwendet wird, das eigentliche Aufheizen des pulverförmigen Precurser-Materials jedoch in einem Verdampferrohr erfolgt, das aus Pyrex (Borsilikatglas) gefertigt ist. Zur Heizung sind zwei Quarz-Halogenlampen vorgesehen, die auf eine Temperatur von ca. 400 bis 500°C aufheizen.
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Die
US 6 521 047 B1 zeigt eine CVD-Verdampfereinrichtung, bei der flüssige Precurser oder Aerosole verdampft werden. Hierzu ist eine Edelstahlrohrführung vorgesehen. Weiterhin sind Heizelemente außerhalb der Gasführung vorgesehen.
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Die
DE 1 221 520 A offenbart eine Vorrichtung zum Metallplattieren, bei dem Metallverbindungen in einem Verdampfer- und Mischgefäß in einem Ölbad geheizt und verflüssigt werden, wodurch ein Dampfdruck entsteht, der dann auf ein zu plattierendes Objekt geleitet wird.
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Die
DE 697 07 735 T2 betrifft ebenfalls eine CVD-Verdampfereinrichtung zum Verdampfen einer Flüssigkeit, wobei Heizelemente in ein Metallgehäuse integriert sind und der Flüssigkeitsstrom schraubenförmig mit Hilfe einer Motor angetriebenen Transportschnecke transportiert wird.
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Die
DE 38 33 232 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Monomeren, bei dem ein Verdampfungsraum von einem Holzylinder aus Stahl umschlossen ist und dieser Holzylinder mittels einer Heizwicklung beheizt wird. Dabei ist die Heizwicklung aufgebaut aus einem zentralen Heizleiter und einer diesen umgebenden Isolierstoffhülle.
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Die
US 2003 0 221 617 A1 offenbart eine Gasheizungsvorrichtung für die CVD, bei der eine Quarzglasröhre zur Gasführung verwendet wird und weiterhin ein Heizer vorgesehen ist.
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Die
DE 38 01 147 A1 betrifft eine Vorrichtung für die CVD-Prozessierung, bei der ein Gas durch eine Pulverschüttung geleitet wird und anschließend das verdampfte Material mittels einer Heizung, die spiralförmig um eine Ableitung gelegt ist, geheizt wird. Außerdem wird die gesamte Vorrichtung auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Die Temperatur des zu verdampfenden Pulverstoffes beträgt ca. 400°C.
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In der
US 4 844 006 A ist ebenfalls ein Verdampfer für die CVD-Prozessierung gezeigt, wobei ein Behältnis, in dem ein Reaktant enthalten ist, durch eine Heizung geheizt wird.
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Die
EP 1 923 485 A1 zeigt ebenfalls eine CVD-Vorrichtung, bei der Flüssigkeiten verdampft werden, wobei Heizelemente in einem Gehäuse zum Heizen vorgesehen sind, die die Prozessierungsleitung ringförmig umgeben.
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Die
EP 1 445 244 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Keramik.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gasverdampfereinrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, die bei gleicher Verdampferleistung erhöhte Standzeiten ermöglicht, so dass der Material- und Wartungsaufwand reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit Verdampfereinrichtungen nach Anspruch 1 und Anspruch 4 sowie Verfahren zum Betrieb einer Verdampfereinrichtung nach Anspruch 13 und Anspruch 14.
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Der Erfindung liegt die für den Fachmann überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Ursache für die Limitierung der Standzeit der gebräuchlichen Gasverdampfereinrichtungen in einer Undichtheit der Gasführungsleitung vor allem gegenüber Materialdurchtritt begründet liegt. Dies liegt daran, dass Gasführungsleitungen hauptsächlich aus Siliziumkarbid hergestellt werden. Siliziumkarbid weist als Material aber selbst schon gewisse Leckagen auf, so dass Material aus der Gasführungsleitung austreten kann.
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Außerdem sind bei großtechnisch genutzten Gasverdampfereinrichtungen sehr große Längen für die Gasführungsleitung erforderlich, beispielsweise 10 bis 12 m wobei für die Erwärmung von 400 l/min Stickstoff in der Gasführungsleitung auf eine Temperatur von größer 1.000°C eine Strecke von ca. 4 m erforderlich ist. Dadurch bedingt treten innerhalb der Gasführungsleitung starke Wärmeunterschiede auf, die zu Spannungen führen. Diese Spannungen sorgen zum einen dafür, dass monolithisches Siliziumkarbid reißen kann. Andererseits bewirkt die Spannung ein Verkippen der Deckel der Gasverdampfereinrichtung, in der die 180°-Umlenkungen des Gasleitungsbündels vorgenommen werden, wodurch ebenfalls Bruchstellen auftreten und Leckagen erzeugt werden. Schließlich leidet unter den Verspannungen und dem Kippen auch der zum Verbinden einzelner monolithischer Siliziumkarbidteile verwendete Schlicker, keramische Kleber oder Zement, in dem Risse entstehen können, so dass weitere Leckagen entstehen.
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Die Erfinder haben nun erkannt, dass dieses austretende pulverförmige Material bzw. verdampftes Material die Standzeit der großtechnischen Gasverdampfereinrichtung dadurch begrenzt, dass sich Plasmen innerhalb der Gasverdampfereinrichtung ausbilden können. Dies kann zum einen innerhalb des Widerstandsheizers auftreten, der üblicherweise aus dotiertem Siliziumkarbid besteht, das in Form einer Doppelhelix geführt wird. An der Stelle, an der der Widerstandsheizer mit Strom versorgt wird, tritt aufgrund der Doppelhelixstruktur eine sehr hohe Potentialdifferenz auf. Durch dort eintretendes Material kann daher sehr leicht ein Plasma gezündet werden. Andererseits kann ein solches Plasma natürlich auch zwischen dem Widerstandsheizer und der Gasführungsleitung gezündet werden. Dies erfolgt deshalb, weil das für die Gasführungsleitung verwendete nicht dotierte Siliziumkarbid bei Temperaturen ab etwa 1.000°C ohmsch leitend wird. Hier kann also auch ein Kurzschluss durch Plasmaausbildung erfolgen.
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Unabhängig davon können natürlich auch systembedingte Schwingungen der Beschichtungsanlage zu Berührungen zwischen dem Strom führenden Heizer und der oberhalb 1.000°C leitenden Gas führungsleitung kommen.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Verdampfereinrichtung für Beschichtungsanlagen mit einem Heizelement und einer Gasführungsleitung, wobei die Gasführungsleitung einen Abschnitt aufweist, in dem zu verdampfendes Material in einem Gasstrom geführt und durch das Heizelement erhitzt wird, wobei zumindest zwischen dem in dem Abschnitt strömenden Gemisch aus Gas und Material und dem Heizelement ein zumindest gegenüber Durchtritt des Materials dichtes Abschirmungselement vorgesehen ist.
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Dadurch haben die Erfinder den nachteiligen Effekt des Materialaustritts aus dem Gasführungssystem und -übertritt in das Heizsystem bei herkömmlichen Gasverdampfereinrichtungen beseitigt, so dass die Standzeiten deutlich auf größer 12 Tage und mehr erhöht werden konnten. Dadurch ist der Beschichtungsprozess nicht mehr durch die Standzeit der Gasverdampfereinrichtung limitiert, sondern durch andere Bauteile, wodurch die Wartungs- und Materialkosten deutlich reduziert werden können.
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In einer ersten alternativen Ausgestaltung ist das Abschirmungselement zwischen dem Abschnitt und dem Heizelement vorgesehen und erstreckt sich insbesondere umschließend um das Heizelement in axialer Richtung der Gasverdampfungseinrichtung. Dadurch ist das Heizelement kondomartig umhüllt, so dass Plasmazündungen wirksam verhindert werden. Außerdem wird eine thermische Trennung und damit auch Homogenisierung zwischen den Bereichen Heizelement und Wärmetauscher (Gasführungsleitung) vorgenommen. Schließlich wird auch eine mechanische Trennung vorgenommen, die schwingungsbedingte Kurzschlüsse verhindert.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Abschirmungselement im Wesentlichen keine Wärmestrahlung absorbiert, dann kann das Heizelement bei gleicher Leistung betrieben werden, um den gleichen Wärmeeintrag in den Wärmetauscher zu erzielen. Allerdings kann alternativ auch vorgesehen sein, dass das Abschirmungselement Wärmestrahlung absorbiert. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn das Heizelement nicht ausreichend homogen gestaltet ist und beispielsweise durch Dotierungsinhomogenitäten so genannte „Hotspots” entstehen. Durch das absorbierende und damit auch wieder Wärmestrahlung emittierende Abschirmungselement wird die Wärmestrahlung dann homogenisiert, so wie es etwa ein Lampenschirm in Bezug auf eine Glühlampe tut.
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In einer zweiten alternativen Ausgestaltung bildet das Abschirmungselement zumindest in dem Abschnitt die Gasführungsleitung und ist ausgelegt, zumindest teilweise elektromagnetische Strahlung zu absorbieren. Dadurch wird das bisher gebräuchliche undotierte Siliziumkarbid durch ein für das Beschichtungsmaterial undurchlässiges Abschirmungselement ersetzt, wodurch auch die Ausbildung von Plasmen verhindert wird. Insbesondere, wenn das Abschirmungselement dann aus einem auch bei hohen Temperaturen isolierenden Material, beispielsweise Quarzglas, besteht, werden wiederum auch sehr wirksam Kurzschlüsse aufgrund mechanischer Belastung vermieden.
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Natürlich kann der Ersatz der Gasführungsleitung in dem Abschnitt durch das Abschirmungselement auch verbunden werden mit einem zusätzlich vorzusehenden Abschirmungselement, dass zwischen dem Heizelement und der Gasführungsleitung angeordnet ist und das Heizelement axial umhüllend, kondomartig umgibt.
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Außerdem ist die Gasführungsleitung zumindest in dem Abschnitt um die Längsausrichtung der Verdampfereinrichtung spiralförmig ausgebildet und das Heizelement im Inneren der Spirale angeordnet ist. Dadurch kann die Nusselt-Zahl verringert werden, so dass die Wärmeübertragung in den Gasstrom durch Konvektion aufgrund einer verringerten Grenzschicht verbessert wird. Das liegt wahrscheinlich daran, dass gegenüber der laminaren Gasführung in der üblichen geraden Gasführung in den Rohrbündeln nun aufgrund auftretender Zentrifugalkräfte in der spiralförmigen Gasführung turbulente Strömungen auftreten, die die Wärmekonvektion erhöhen.
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Weiterhin ist die Spirale nur an zwei Punkten fest mit Durchführungen mit dem Gehäuse der Gasverdampfungseinrichtung verbunden, während das Rohrbündel üblicher Gasverdampfungseinrichtungen an der Vielzahl von Umlenkpunkten feste Durchführungen in den Gehäusedeckeln aufweist. Dadurch werden erfindungsgemäß thermisch bedingte Spannungen in der Gasverdampfereinrichtung minimiert, so dass keine spannungsbedingten Leckagen auftreten. Außerdem lässt sich eine beispielsweise Glasspirale besonders einfach und kostengünstig monolithisch aufbauen, was auch die Leckage-Gefahr beseitigt, da es keine Fügestellen mit Schlicker oder dgl. gibt.
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Zweckmäßig ist das Abschirmungselement mit einer Kühlung versehen, so dass die thermische Belastung des Abschirmungselements klein gehalten werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Abschirmungselement aus Quarzglas besteht, was bei hohen Temperaturen weich wird. Außerdem vollzieht sich im Quarzglas bei Temperaturen von ca. 1200°C eine Umwandlung in eine polykristalline Phase, wodurch Absorption auftritt. Eine Kühlung verhindert diese Umwandlung, so dass das Quarzglas absorptionsfrei bleibt.
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Insbesondere wenn das Abschirmungselement bei hohen Temperaturen instabil wird, ist es vorteilhaft, dass die Verdampfereinrichtung ein Gehäuse aufweist und zwischen Abschirmungselement und Gehäuse eine insbesondere thermisch isolierende Stützstruktur angeordnet ist zum Halten des Abschirmungselements, wobei die Stützstruktur bevorzugt einen ausgehärteten Schlicker umfasst. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Gasführungsleitung selbst als ein Abschirmungselement ausgebildet ist und insbesondere aus Quarzglas gebildet ist.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Abschirmungselement auch gegenüber Durchtritt des Gases dicht ausgebildet ist, dann werden gasbedingte Korrosionen, insbesondere bei Verwendung von nicht-inerten Gasen, verhindert. Andererseits sind APCVD-Gasverdampfungseinrichtungen ausgelegt für den Betrieb in Sauerstoffatmosphäre. Hier ist ein Eintrag von beispielsweise Stickstoff aus dem Gasstrom in das Heizelement nachteilig und verkürzt die Standzeit, so dass sich auch bei Inertgasen Vorteile dieser gasdichten Abschirmung ergeben.
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Für beide Alternativen ist vorgesehen, dass das Abschirmungselement ein Glas, insbesondere ein Quarzglas, oder eine Glaskeramik aufweist, da dieses Glas elektrisch isolierend wirkt.
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Außerdem ist Glas besonders kostengünstig gegenüber Siliziumkarbid. Wenn das Glas als Abschirmungselement in dem Abschnitt die Gasführungsleitung selbst bildet, dann ist es bevorzugt für Wärmestrahlung absorbierend auszubilden, um die Wärmeabgabe durch Konvektion an den Gasstrom zu ermöglichen. Zweckmäßig ist das Glas beispielsweise opak auszubilden. Im Fall, dass das Glas-Abschirmungselement die Gasführungsleitung selbst bildet, wird auch vorteilhaft jegliche Kontaminationsgefahr beseitigt, die bei Siliziumkarbid besteht und zu Verunreinigungen im Beschichtungsmaterial führt.
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Zweckmäßig ist das Abschirmungselement rohrförmig ausgebildet.
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Bevorzugt ist das Heizelement ein Widerstandsheizer und weist vorteilhaft dotiertes Siliziumkarbid auf.
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Vorteilhaft soll es sich um eine APCVD-Gasverdampfereinrichtung handeln, also eine Verdampfereinrichtung die ausgelegt ist, in einer Sauerstoffatmosphäre reaktionsfrei angeordnet zu werden und mit Stickstoff als Gas und bevorzugt mit einem der Stoffe der II., VI. Hauptgruppe oder II. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder deren Mischung betrieben zu werden.
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Unabhängiger Schutz wird beansprucht für ein erstes bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung, wobei das Abschirmungselement gekühlt wird, um einen phasenumwandlungsbedingten Anstieg der Wärmestrahlungsabsorption zu verhindern und/oder das die Leistung des Heizelements so angepasst wird, dass ein Wärmetransmissionsverlust durch das Abschirmungselement kompensiert wird. Es soll also zum einen verhindert werden, dass das das Heizelement kondomartig umgebende Abschirmungselement Wärmestrahlung absorbiert und zum anderen sollen ggf. auftretende Absorptionen dadurch kompensiert werden, dass die Heizleistung erhöht wird, so dass der Wärmeeintrag in den Gasstrom den notwendigen Wert erreicht, um die erforderliche Materialmenge zu verdampfen.
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Zusätzlich wird unabhängiger Schutz beansprucht für ein zweites bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der erfindungemäßen Verdampfereinrichtung, wobei nach dem erstmaligen Betrieb der Verdampfereinrichtung eine Abkühlung des Abschirmungselements unter eine Phasenumwandlungstemperatur verhindert wird. Dadurch wird insbesondere bei Abschirmungselementen aus Glas verhindert, dass diese nach Umwandlung in die polykristalline Phase durch Abkühlung wieder eine Phasenumwandlung durchmachen, die Spannungen hervorruft und zum Zerreißen des Abschirmungselements führen können, wobei diese untere Temperatur bei ca. 300°C liegt. Dieses Verfahren kann natürlich auch in Kombination mit dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
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Die Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung sowie weitere Vorteile werden im Folgenden durch die Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren deutlich werden. Dabei zeigen:
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1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung und
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2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung.
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In 1 ist eine erste bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung 1 rein schematisch im Schnitt dargestellt. Die Verdampfereinrichtung 1 weist ein Heizelement 2 auf und eine Gaszuführungsleitung 3. Weiterhin ist zwischen dem Abschnitt 4 der Gasführungsleitung 3, in dem der durch die Gasführungsleitung 3 geführte Gas-Matrialstrom mittels des Heizelements 2 erhitzt wird, und dem Heizelement ein Abschirmungselement 5 angeordnet.
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Das Gehäuse 6 der Verdampfereinrichtung 1 weist einen hohlzylindrischen Abschnitt 7 auf und zwei diesen verschließende Deckel 8a, 8b. Das Gehäuse 6 wird durchdrungen von den Abschnitten 9 und 10 der Gasführungsleitung 3 und dem Anschluss 11 des Heizelementes 2. Der Anschluss 11 wiederum weist einen elektrischen Versorgungsanschluss 12 auf.
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Der Abschnitt 4 der Gasführungsleitung 3 im Inneren des Gehäuses 6 weist entlang der Längserstreckung L der Verdampfereinrichtung 1 gerade Abschnitte 13 auf und Umlenkungen 14 um 180°, wobei die Umlenkungen 14 die bevorzugt in einheitlichen Platten 15, 16 angeordnet sind. Das Heizelement 2 ist als Doppelhelix ausgeführt und besteht aus dotiertem Siliziumkarbid, während das Gehäuse 6 aus Stahl, Edelstahl oder dgl. und die Gasführungsleitung 3 aus undotiertem Siliziumkarbid bestehen. Zwischen Gehäuse 6 und Gasführungsleitungen 3 ist eine Wärmedämmung 17 aus Aluminiumoxid vorgesehen. Das Abschirmungselement 5 erstreckt sich dabei kondomartig ausgehend vom oberen Deckel 8a und umschließt das Heizelement 2 sowohl in Bezug auf den Umfang entlang der Längserstreckung L als auch radial im Bereich des unteren Deckels 8b.
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Im Betrieb der Verdampfereinrichtung 1 wird ein inerter Gasstrom, beispielsweise Stickstoff, durch den Abschnitt 9 in die Verdampfereinrichtung eingebracht und in dem Gasstrom befindet sich zu verdampfendes Material, das bevorzugt pulverförmig in dem Gasstrom mitgeführt wird. Das Material umfasst bevorzugt ein oder mehrere Elemente oder deren Mischung aus Stoffen der II., VI. Hauptgruppe oder II. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, beispielsweise CdTe.
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Der kalte Gasstrom von etwa 400 l/min wird durch Abschnitt 9 eingebracht und anschließend durch den Abschnitt 4 der Gasführungsleitung 3 mehrfach im Inneren des Gehäuses 6 entlang des Heizelementes 2 vorbeigeführt und sukzessive entlang des Abschnittes 4 dadurch erwärmt, dass die vom Heizelement 2 abgegebene Wärmestrahlung von dem undotiertem Siliziumkarbid im Abschnitt 4 absorbiert wird und über Wärmekonvektion an den Gas-Materialstrom übertragen wird. Der Abschnitt 4 bildet also einen Wärmetauscher. Nach etwa 4 Metern Länge des Abschnittes 4 erreicht das Gas-Materialgemisch eine Temperatur oberhalb 1.000°C, wodurch das Material verdampft und dann in dem Abschnitt 9 der Gasführungsleitung 3 aus der Verdampfereinrichtung 1 einem Beschichtungsprozess gezielt zur Verfügung gestellt werden kann. Der Gasstrom im erhitzten Zustand beträgt etwa 1.200 bis 1.600 l/min.
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Der Abschnitt 4 der Gasführungsleitung 3 im Inneren des Gehäuses 6 der Verdampfereinrichtung 1 ist als Rohrbündel ausgebildet, das aus monolithischen geraden Abschnitten 13 besteht und in den Platten 15, 16 angeordneten Umlenkabschnitten 14. Die Abschnitte 13 und 14 sind dabei durch Schlicker, einen keramischen Kleber oder Zement zusammengefügt. Aufgrund des erst allmählichen Wärmeeintrages in den Gas-Materialstrom baut sich entlang des Abschnittes 4 ein Temperaturgradient auf. Dieser führt zum einen dazu, dass durch Spannungen Leckagen in den durch Schlicker, keramischen Kleber oder Zement gebildeten Fügestellen zwischen den Abschnitten 13 und 14 entstehen und weiterhin auch durch Hebelwirkung auf die Deckel 8a, 8b Verwerfungen und damit Risse und Leckagen zusätzlich entstehen können. Im Übrigen ist auch das Siliziumkarbid der Gasführungsleitung 3 selbst nicht gegenüber Durchtritt des im Gasstrom mitgeführten Materials und des Gases absolut dicht.
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Den Übertritt solchen Material aus dem Abschnitt 4 in den Bereich des Heizelementes 2 verhindert aber wirksam das Abschirmungselement 5. Dadurch kann es innerhalb des Heizelementes nicht zu Plasmazündungen und damit Kurzschlüssen kommen und außerdem werden auch Plasmazündungen zwischen dem Abschnitt 4 und dem Heizelement verhindert, da ansonsten das undotierte Siliziumkarbid des Abschnittes 4 bei Temperaturen um ca. 1.000°C leitend wird und dort ebenfalls Plasmen auftreten können.
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Das Abschirmungselement 5 besteht aus einem Quarzglas, das an der Halterung 18 gasdicht mit dem Deckel 8a des Gehäuses 6 verbunden ist. Die Halterung kann eine Auflage aus Aluminiumoxid beinhalten, die sowohl zur Abdichtung als auch mechanischen Dämpfung dient. Das Quarzglas selbst ist sowohl gegen Material- als auch Gasdurchtritt dicht und weiterhin auch elektrisch isolierend, so dass auch mechanisch bedingte Kurzschlüsse verhindert und eine Gas bedingte Korrosion des Heizelementes 2 unterbunden wird.
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Bevorzugt ist das Abschirmungselement 5 für Wärmestrahlung transparent ausgebildet und gekühlt (nicht gezeigt), so dass der Umwandlungspunkt zur Polykristallinphase bei ca. 1.200°C auch bei intensiver Heizleistung nicht erreicht wird. Damit bleibt das Abschirmungselement 5 auch bei hohen Heizleistungen transparent und es wird keine Anpassung der Heizleistung an die Strahlungsverluste durch das Abschirmungselement erforderlich. Außerdem wird dadurch bei Abkühlung des Abschirmungselementes 5 nach Abschalten des Heizelementes 2 eine erneute Phasenumwandlung verhindert, die ansonsten durch Spannungen zu einem Zerreißen des Abschirmungselementes 5 führen können.
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Alternativ kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das Abschirmungselement 5 gezielt für Wärmestrahlung absorbierend ausgelegt wird. Dadurch wird eine Homogenisierung der Wärmestrahlung des Heizelementes 2 ähnlich einem Lampenschirm bewirkt und dadurch durch inhomogene Dotierung des Siliziumkarbid-Heizelementes 2 bewirkte Hotspots ausgeglichen. Die Wärmeadsorption des Abschirmungselementes 5 kann dabei entweder dadurch gezielt eingestellt werden, dass beispielsweise das Abschirmungselement 5 aus einem opaken Quarzglas besteht oder das Abschirmungselement 5 wird nicht gekühlt, so dass in dem Quarzglas eine Phasenumwandlung zur Polykristallinstruktur erfolgt, die Wärme absorbierend wirkt. In diesem Fall sollte allerdings bevorzugt vorgesehen werden, dass das Abschirmungselement 5 nicht mehr unter eine untere Phasenumwandlungstemperatur von ca. 300°C abkühlt, bei der die Struktur des Quarzglases sich von polykristallin in amorph verändert, denn dadurch würden wiederum Spannungen eingetragen werden, die zu einem Zerreißen des Abschirmungselementes 5 führen würden, wodurch die Standzeit der Verdampferreinrichtung 1 wiederum stärker limitiert wäre.
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In 2 ist eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung 20 rein schematisch im Schnitt dargestellt. Die Verdampfereinrichtung 20 weist wiederum das in 1 dargestellte Heizelement auf, das hier jedoch der Übersicht halber nicht gezeigt ist. Weiterhin weist die Verdampfereinrichtung 20 eine Gasführungsleitung 21 auf, die einen Abschnitt 22 im Inneren des Gehäuses 24 umfasst, der durch das Abschirmungselement 23 selbst gebildet wird, und zwei Durchführungsabschnitte 25 und 26. Das Gehäuse 24 besteht aus einem Hohlzylinderabschnitt 27 und zwei Deckelabschnitten 28a, 28b, wobei durch den ersten Deckelabschnitt 28a der zuführende Abschnitt 25 der Gasführungsleitung 21 und der Anschluss des Heizelementes geführt sind und durch den zweiten Deckelabschnitt 28b nur der Austritt 26 der Gasführungsleitung 21 geführt ist. Zwischen Gehäuse 24 und Gasführungsleitung 21 ist wiederum eine Wärmeisolierung 29 aus Aluminiumoxid oder dgl. vorgesehen.
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Der Abschnitt 22 der Gasführungsleitung 21 im Inneren des Gehäuses 24 ist entlang der Längserstreckung L' der Verdampfereinrichtung 20 um diese Längserstreckung L' und damit auch um das Heizelement spiralförmig angeordnet und besteht aus einem Wärmestrahlung absorbierenden Quarzglas, das bevorzugt opak ausgebildet ist. Dieser Abschnitt 22 ist zur Stabilisierung des Wärmetauschers 22 mit einem Schlicker (bspw. Siliziumoxid oder Aluminiumoxid) oder dgl. als Stützstruktur 30 über die Wärmeisolierung 29 mit dem Gehäuse 24 verbunden, so dass eine gegebenenfalls auftretende temperaturbedingte Abweichung des Quarzglases durch die Stützstruktur 30 aufgefangen wird. Aufgrund der Spiralstruktur des Abschnittes 22 können keine Verspannungen in Längserstreckung L' auftreten, so dass hieraus keine Leckagen herrühren können. Zusätzlich verhindert das Quarzglas, das im Abschnitt 22 die Gasführungsleitung 21 selbst bildet, jeglichen Gas- und Materialaustritt aus der Gasführungsleitung 21 in den Bereich des Heizelementes. Daher können keine Plasma bedingten Kurzschlüsse in der Verdampfungseinrichtung 20 auftreten. Außerdem ist das Quarzglas selbst elektrisch isolierend, so dass auch keine mechanisch bedingten Kurzschlüsse auftreten. Die Standzeit dieser erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung 20 ist also ebenfalls gegenüber der üblicher Verdampfereinrichtungen wesentlich erhöht.
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Quarzglas selbst ist gegenüber Siliziumkarbid ein schlechterer Wärmeleiter. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abschnittes 22 als Spiralform wird jedoch die Nusselt-Zahl wesentlich verringert, so dass die Wärmekonvektion erhöht wird. Dies führt zu einer Kompensation der schlechteren Wärmeleitung, wodurch bei der Verdampfereinrichtung 20 keine höheren Heizleistungen erforderlich sind, um eine gleiche Menge Beschichtungsmaterial zu verdampfen. Zusätzlich kann die Verdampferleistung noch dadurch erhöht werden, dass die Spirale des Abschnittes 22 sehr eng geführt wird. Dies ist bei der herkömmlichen bündelförmigen Führung gemäß 1 nicht ohne Weiteres möglich und dadurch wird die Wärmestrahlung des Heizelementes wesentlich effektiver verwertet und außerdem wird die Länge des Abschnittes 22 auf ca. 15 m vergrößert, so dass insgesamt mehr Material verdampft werden kann. Alternativ kann natürlich bei Beibehalt der zu verdampfenden Materialmenge die Dimensionierung der Verdampfereinrichtung 20 gegenüber der Dimensionierung der Verdampfereinrichtung 1 reduziert werden.
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Da opakes Glas in der Regel mit einem Durchmesser von ca. 2 cm erhältlich ist anstelle des gebräuchlichen Durchmessers von ca. 2,5 cm für Siliziumkarbid, ist die Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher 22 der 2 höher als beim Wärmetauscher 4 der 1. Dadurch wird die Strömung ebenfalls turbulenter und die Grenzschicht kleiner, was die Nusselt-Zahl weiter verringert. Ein geringerer Durchmesser des Wärmetauschers 22 erhöht also die Wärmekonvektion, allerdings wird auch die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, so dass die Länge des Wärmetauschers 22 vergrößert werden muss, damit am Ende des Wärmetauschers die gleiche Temperatur das Gas-Materialgemisches anliegt und die gleiche Menge Material verdampft ist.
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In der Verdampfereinrichtung 20 muss kein zusätzliches Abschirmungselement zwischen dem Abschnitt 22 und dem Heizelement vorgesehen werden, jedoch kann dies vorteilhaft dann erfolgen, wenn eine thermische Homogenisierung durch ein solches zusätzliches Wärmestrahlung absorbierendes Abschirmungselement erwünscht ist.
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Damit ist klar, dass einzelne oder mehrere Merkmale der erfindungsgemäßen Verdampfereinrichtung allein oder auch vorteilhaft in Kombination miteinander verwendet werden können. Die erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung wiederum leiten einen zusätzlichen Beitrag, um die Standzeiten solcher Verdampfereinrichtungen zu erhöhen.
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Aus dem Vorstehenden ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung Prozesse unter Gasverdampfung wesentlich effizienter durchgeführt werden können, da bei gleicher Verdampferleistung höhere Standzeiten der Verdampfereinrichtungen 1, 20 gegenüber herkömmlichen Verdampfereinrichtungen ermöglicht werden, so dass im Prozess Material- und Wartungsaufwand und damit dessen Kosten reduziert werden.
