DE102011000502A1 - Abscheidevorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Tiegels hierfür - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abscheidevorrichtung, aufweisend einen Tiegel (1) und Heizmittel (2), welche angeordnet sind, Verdampfungsmaterial (3) in dem Tiegel (1) aufzuwärmen, wobei der Tiegel (1) einen metallischen Körper (11) und einen Schutzschicht (13) aufweist, welche Titanoxid (TixOy) umfasst und zumindest einen Teil der Innenoberfläche (12) des metallischen Körpers (11) bedeckt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tiegels (1) für eine derartige Abscheidevorrichtung.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung dünner Schichten und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Tiegels für eine solche Abscheidevorrichtung.
  • Derartige Abscheidevorrichtungen können beispielsweise zur Abscheidung einiger oder aller Schichten einer Dünnschichtsolarzelle auf ein Substrat verwendet werden. Insbesondere können Kupfer-, Indien-, Gallium- und Selenfilme auf ein Substrat abgeschieden werden, um so genannte CIGS-Solarzellen herzustellen. Zu diesem Zwecke wird das abzuscheidende Material in einem Tiegel der Abscheidevorrichtungen angeordnet und erwärmt, während das Substrat gegenüber einer Öffnung des Tiegels angeordnet ist. Das Erwärmen des Materials in dem Tiegel führt dazu, dass das Material verdampft wird und den Tiegel durch die Öffnung verlässt, um das Substrat zu bedecken.
  • Während das Material in dem Tiegel erwärmt wird, kann es mit dem Material des Tiegels selbst reagieren, was dann im Laufe der Zeit zu einer Korrosion der Tiegeloberfläche und einer Verschlechterung des Tiegels führen kann. Es gibt Beispiele für aus Titan gebildete Tiegel, welche zur Verdampfung von Materialien verwendet werden. Derartige Tiegel werden beispielsweise in US2008173241A und US2006096542A offenbart. Das Problem der Korrosion und nachfolgenden Verminderung der Effizienz des Tiegels ist insbesondere akut bei der Verdampfung von Selen in einem Titantiegel. Derartige Tiegel müssen oft ersetzt werden, was zu hohen Produktionskosten und häufigen Ausfallzeiten führt.
  • In einigen Fällen wurden aus Titanoxid gebildete Tiegel in Abscheidevorrichtungen verwendet. Einen derartigen Fall stellt die in US2009061079A beschriebene Verwendung eines aus Titanoxid, Tantaloxid, Zirkonoxid oder Siliziumoxid hergestellten Tiegels zur Herstellung von Lithiumionenbatterien dar. Die Verwendung derartiger inerter Materialien für den ganzen Tiegel verringert das Problem der Reaktion mit dem Abscheidungsmaterial. Derartige keramische Tiegelmaterialien sind jedoch sehr zerbrechlich und müssen mit großer Sorgfalt behandelt werden. Sie können auch leicht brechen, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden oder wenn sie plötzlichen Temperaturänderungen ausgesetzt werden, was wiederum zu Ausfallzeiten führen kann.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verlässliche Vorrichtung für die Abscheidung einer Reihe von Materialien vorzuschlagen, welche niedrigere Instandhaltungskosten bietet, was zu einem robusteren Diffusionsprozess mit längeren Laufzeiten führt.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Abscheidevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tiegels für eine derartige Abscheidevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung basiert auf den kombinierten Vorteil eines aus Metall gebildeten Tiegelkörpers und einer Schutzschicht, welche dieses Metallmaterial vom Abscheidungsmaterial trennt und somit den Tiegel vor Korrosion schützt. Da er einen Metallkörper aufweist, hat der Tiegel den Vorteil, weniger empfindlich gegenüber Temperaturänderungen zu sein. Ferner kann der Metallkörper des Tiegels preiswerter in der Herstellung sein, als ein Tiegel, welches vollständig aus einem Keramikmaterial gebildet ist.
  • Da nur das Innere des Tiegels mit dem Abscheidungsmaterial in Kontakt kommen kann, kann es ausreichen, nur einen Teil der oder die gesamte Innenoberfläche des Tiegelkörpers mit der Titanoxid (TixOy) Schutzschicht zu bedecken. In anderen Ausführungsformen kann es jedoch von Vorteil sein, den gesamten Tiegelkörper mit der Schutzschicht zu bedecken, was sogar einfacher zu erreichen sein könnte.
  • Neben dem Tiegel benötigt die Abscheidevorrichtung Heizmittel zum Erwärmen des Abscheidungsmaterials, beispielsweise des Selens, welches in dem Tiegel angeordnet ist, auf die zur Abscheidung notwendige Temperatur. Wenngleich eine derartige Erwärmung mittels unmittelbarer Erwärmung des Abscheidungsmaterials durchgeführt werden kann, kann es von Vorteil sein, zuerst den Tiegel so zu erwärmen, dass das Abscheidungsmaterial als Ergebnis indirekt erwärmt wird. Die Heizmittel können somit eine oder mehrere resistive Heizer aufweisen, welche in Kontakt mit oder nahe dem Tiegel angeordnet sind. Andere Heizmittel zur direkten oder indirekten Erwärmung des Abscheidungs-/Verdampfungsmaterials können induktive Heizmittel, Laser-Heizmittel, Ionen-Heizmittel oder andere geeignete Vorrichtungen umfassen.
  • Der Schritt des Bedeckens des Tiegelkörpers mit der Schutzschicht kann unmittelbar vor der Inbetriebnahme eines neuen Tiegels in der Abscheidevorrichtung durchgeführt werden.
  • Die Schutzschicht kann auf der Oberfläche des Tiegelkörpers mittels eines Abscheideverfahrens wie physikalische oder chemische Abscheidung erzeugt werden, beispielsweise mittels Galvanisierung des Titanoxids auf die Metalloberfläche. In vorteilhaften Ausführungsformen handelt es sich bei dem Titanoxid (TixOy) der Schutzschicht um eine induzierte Oxidschicht. In diesem Fall wird die Titanoxid-Schutzschicht mittels Oxidieren des besagten Teils der Innenoberfläche des Tiegelkörpers erzeugt. Damit dies funktioniert, muss dieser Oberflächenteil aus einer Titan-basierten Legierung mit einer bestimmten Dicke gebildet sein. Mit anderen Worten, kann der Tiegelkörper aus einer schichtförmigen Metallstruktur gebildet sein, bei der die oberste Schicht oder ein Teil der obersten Schicht eine Titan-basierte Legierung aufweist.
  • Wenn es sich beim Titanoxid der Schutzschicht um eine induzierte Oxidschicht handelt, kann es mittels Erwärmung des Tiegelkörpers in einer Sauerstoffatmosphäre oder in einer sauerstoffreichen Atmosphäre erzeugt werden, beispielsweise in einem Ofen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Körper des Tiegels aus einer Titan-basierten Legierung gebildet. Er kann sogar vollständig aus einer Titan-basierten Legierung gebildet sein, welche später entweder mit Titanoxid bedeckt wird, oder deren Oberfläche oxidiert werden kann, um die Schutzschicht aus Titanoxid zu bilden.
  • Eine Titan-basierte Legierung in dem vorliegenden Sinne kann jede metallische Legierung sein, dessen elementarer Hauptbestandteil Titan ist. In anderen Worten ist Titan das Element mit dem höchsten Anteil in einer Titan-basierten Legierung. Das Material sollte ausreichend Titan enthalten, um ein bedeckendes Titanoxid zu bilden. Vorzugsweise beträgt der Titangehalt einer derartigen Titan-basierten Legierung mindestens 50 Gewichtsprozent (wt%). Vorteilhafterweise liegt jedoch der Titananteil viel höher, beispielsweise über 60 wt%, über 70 wt%, über 80 wt%, über 90 wt%, oder über 95 wt%. Eine Titan-basierte Legierung im Sinne der Erfindung kann auch ein reines Titanmetall sein, oder ein Titanmetall, welches Kontaminationsstoffe oder Verunreinigungen aus einem anderen Material enthält.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Titan-basierte Legierung Palladium. Alternativ oder zusätzlich können andere Elemente zur Titan-basierten Legierung hinzugefügt werden, um ihre physikalischen oder chemischen Eigenschaften zu verbessern.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist der Körper des Tiegels aus Metallblech gebildet. Das Metallblech kann mittels eines Walzverfahrens gebildet sein. Der Tiegelkörper kann aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Teilen gebildet sein.
  • Die zumindest einen Teil der Innenoberfläche des Tiegels bedeckende Schutzschicht sollte vorzugsweise eine Dicke von mindesten 50 nm, mindestens 100 nm, mindestens 150 nm, mindestens 200 nm, mindestens 300 nm oder mindestens 500 nm aufweisen. Es ist von Vorteil für die Schutzschicht, eine gewisse Mindestdicke aufzuweisen, um das Metall des Tiegelkörpers zu schützen. Eine Dicke von wenigen Nanometern oder weniger könnte für diesen Zweck zu gering sein. Wenn andererseits die Schutzschicht zu dick ist, könnte sie aufgrund der spröden Struktur des Titanoxids abblättern. Die Oberfläche des Tiegels wäre dann freigelegt und anfällig dafür, mit dem Verdampfungsmaterial zu reagieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Abscheidevorrichtung sind Mittel zum Halten eines Solarzellensubstrates vorgesehen, um in dem Tiegel angeordnetes Verdampfungsmaterial auf eine Oberfläche des Solarzellensubstrates abzuscheiden. Eine derartige Abscheidevorrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, eine oder einige Schichten für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen abzuscheiden, beispielsweise von CIGS-Solarzellen. Insbesondere kann die Abscheidevorrichtung ausgebildet sein, ein Substrat mit Selen zu beschichten. Somit würden die Haltemittel vorteilhafterweise die Anordnung einer im Wesentlichen rechteckigen Glasplatte benachbart zu der Tiegelöffnung erlauben.
  • Der Tiegelkörper kann mittels jeden geeigneten Verfahrens hergestellt werden, bevor er vollständig oder teilweise mit der Schutzschicht bedeckt wird. Ein bevorzugtes Verfahren, welches zur Herstellung des metallischen Materials für den Körper des Tiegels eingesetzt werden kann, ist ein Walzverfahren, insbesondere ein Warmwalzen oder ein Kaltwalzen des Metalls. Das auf diese Weise hergestellte Metallblech kann dann zu dem Tiegelkörper geformt werden. Alternativ können ein oder alle Teile des Tiegelkörpers mittels Gießen aus einem geschmolzenen Metall oder mittels Metallbearbeitung aus einem Metallstück erhalten sein.
  • Einige Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf anliegende schematische Zeichnungen detaillierter beschrieben. Hierbei zeigen:
  • 1 eine Anordnung zum Abscheiden eines Materials aus einem Tiegel auf ein Substrat;
  • 2 und 3 unterschiedliche Ausführungsformen eines Tiegels einer Abscheidevorrichtung gemäß der Erfindung; und
  • 4a) bis c) ein Verfahren zu Herstellung eines Tiegels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abscheideanordnung mit einem Substrat 4, welches mittels eines Substrathalters 5 gehalten wird. Eine Oberfläche 41 des Substrats ist einem Tiegel 1 zugewendet, welcher mit einem Abscheidungsmaterial 3 gefüllt ist. Heizmittel 2 sind um den Tiegel 1 herum angeordnet, welche den Tiegel 1 und folglich das Abscheidungsmaterial 3 erwärmen können, welches deshalb verdampft und auf der mit dem Abscheidungsmaterial 3 zu beschichtenden Substratoberfläche 41 kondensiert. Der Rest der Abscheidevorrichtung umfassend den Tiegel 1 und das Substrat 5 ist in der 1 nicht dargestellt, beispielsweise eine Vakuumkammer, in welcher der Tiegel 1 angeordnet ist.
  • Wenn der Tiegel 1 vollständig aus Metall gebildet ist, besteht die Möglichkeit, dass das Abscheidungsmaterial (Verdampfungsmaterial) 3 mit der Innenoberfläche 12 des Tiegels 1 reagiert, wenn es auf eine ausreichende Temperatur erwärmt wird. Bei dem Tiegel 1 gemäß der Erfindung ist jedoch die Innenoberfläche 12 zumindest teilweise mit einer Schutzschicht 13 bedeckt. Bevorzugte Ausführungsformen eines derartigen Tiegels 1 sind in den 2 und 3 dargestellt.
  • Während der in 2 gezeigte Tiegel 1 zylindrische Seitenwände hat und eine quadratische, eine rechteckige, eine kreisförmige oder jede andere geeignete Form aufweist, hat der in 3 gezeigte Tiegel 1 eine konische Form. In beiden Fällen weist der Tiegel 1 einen Tiegelkörper 11 und eine Schutzschicht 13 auf, welche zumindest einen Teil der Innenoberfläche 12 bedeckt. In den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen ist die gesamte Innenoberfläche 12 des Tiegels 1 mit der Schutzschicht 13 bedeckt. In anderen bevorzugten Ausführungsformen kann der Tiegelkörper 11 vollständig mit der Schutzschicht 13 bedeckt sein.
  • Beide in den 2 und 3 dargestellten Tiegel 1 weisen Heizmittel 2 zum Erwärmen des Verdampfungsmaterials (in den 2 und 3 nicht dargestellt) auf, um dessen Verdampfung auf das Substrat 4 zu erlauben. Während sie hier schematisch als resistive Heizer dargestellt sind, können die Heizmittel 2 jede Art von Heizvorrichtungen zum Übertragen von Energie auf das Verdampfungsmaterial 3 in dem Tiegel 1 umfassen, um es Teilchen des Verdampfungsmaterials 3 zu erlauben, den Tiegel 3 zu verlassen und auf der Substratoberfläche 41 abgeschieden zu werden. Beispiele für derartige Vorrichtungen umfassen induktive Heizmittel, Laserheizmittel, Ionenheizmittel und dergleichen.
  • 4a), 4b), und 4c) stellen schematisch Verfahren für die Herstellung eines Tiegels 1 mit einer Schutzschicht 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dar. Zu diesem Zweck wird ein Tiegel 1 mit einem aus einem Metall gebildeten Tiegelkörper 11 wie in der 4a) gezeigt bereitgestellt. Der Tiegelkörper 11 kann beispielsweise aus Metallblech gebildet sein, welches mittels eines Walzprozesses erhalten wurde. Der für diesen Prozess verwendete Tiegelkörper 11 ist vorzugsweise aus einer Titan-basierten Legierung gebildet.
  • In einem späteren Schritt, wie in der 4b) dargestellt, wird der Tiegelkörper 11 in einem Ofen 6 angeordnet, um erwärmt zu werden. Mittels Erwärmen des Tiegels 1 in einer Sauerstoffatmosphäre wird die gesamte Oberfläche oder, im Falle einer eingeschränkten Sauerstoff-Aussetzung, Teil der Oberfläche des Tiegels 1 oxidiert, um die Schutzschicht 13 zu bilden, wie schematisch in der 4c) dargestellt ist. Die Schutzschicht 13 kann zusätzlich mittels eines Abscheideverfahrens wie physikalischer oder chemischer Abscheidung verstärkt werden. Alternativ können derartige Verfahren verwendet werden, um die gesamte Schutzschicht 13 zu erzeugen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Tiegel
    11
    Tiegelkörper
    12
    Innenoberfläche
    13
    Schutzschicht
    2
    Heizmittel
    3
    Verdampfungsmaterial (Abscheidungsmaterial)
    4
    Substrat
    41
    Substratoberfläche
    5
    Substrathalter
    6
    Ofen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2008173241 A [0003]
    • US 2006096542 A [0003]
    • US 2009061079 A [0004]

Claims (10)

  1. Abscheidevorrichtung, aufweisend einen Tiegel (1) und Heizmittel (2), welche angeordnet sind, Verdampfungsmaterial (3) in dem Tiegel (1) aufzuwärmen, wobei der Tiegel (1) einen metallischen Körper (11) und einen Schutzschicht (13) aufweist, welche Titanoxid (TixOy) umfasst und zumindest einen Teil der Innenoberfläche (12) des metallischen Körpers (11) bedeckt.
  2. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanoxid (TixOy) der Schutzschicht (13) eine induzierte Oxidschicht ist.
  3. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) des Tiegels (1) aus einer Titan-basierten Legierung gebildet ist.
  4. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-basierte Legierung Palladium umfasst.
  5. Abscheidevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (11) des Tiegels (1) aus Metallblech gebildet ist.
  6. Abscheidevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (13) eine Dicke von mindestens 50 nm, mindestens 100 nm, mindestens 150 nm, mindestens 200 nm, mindestens 300 nm oder mindestens 500 nm aufweist.
  7. Abscheidevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Halten eines Solarzellensubstrates zum Abscheiden des in dem Tiegel (1) angeordneten Verdampfungsmaterials (3) auf eine Oberfläche des Solarzellensubstrates.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Tiegels (1) für eine Abscheidevorrichtung, umfassend ein Bereitstellen eines aus einem metallischen Material gebildeten Tiegelkörpers (11) und ein Bedecken zumindest eines Teils der Innenoberfläche (12) des metallischen Körpers (11) mittels einer Schutzschicht (13) umfassend Titanoxid (TixOy).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanoxid-Schutzschicht (13) mittels Oxidation des Teils der Innenoberfläche (12) des Tiegelkörpers (11) hergestellt ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material des Körpers (11) des Tiegels (1) in einem Walzverfahren erzeugt wird.
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