DE29819126U1 - Heatable crucible for holding an evaporation material for the large-scale evaporation of metallic and non-metallic layers - Google Patents
Heatable crucible for holding an evaporation material for the large-scale evaporation of metallic and non-metallic layersInfo
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51427 Bergisch-Gladbach 26. Oktober 199851427 Bergisch-Gladbach 26 October 1998
DatumDate
Heizbarer Tiegel zur Aufnahme eines Verdampfunqsquts
zur großflächigen Aufdamofung metallischer und nicht metallischer Schichten Heatable crucible for holding an evaporation vessel
for large-area evaporation of metallic and non-metallic layers
Die Erfindung betrifft einen heizbaren Tiegel zur Aufnahme des Verdampfungsguts zur großflächigen Aufdampfung metallischer und nicht metallischer Schichten, mit einem an seiner Oberseite mit einer rechteckigen Öffnung versehenen Tiegelbehälter, vorzugsweise aus Graphit, sowie mit Heizelementen zur Aufheizung des Tiegelbehälters auf mindestens Verdampfungstemperatur.The invention relates to a heatable crucible for receiving the evaporation material for the large-area evaporation of metallic and non-metallic layers, with a crucible container provided with a rectangular opening on its upper side, preferably made of graphite, and with heating elements for heating the crucible container to at least the evaporation temperature.
Zur Aufdampfung dünner Schichten, etwa im Rahmen der Herstellung von Solarzellen, ist es bekannt, den zu bedampfenden Träger über einem mit dem Verdampfungsgut versehenen, heizbaren Tiegel anzuordnen, so daß das in dem Tiegel verdampfende Material sich an der Unterseite des Trägers als dünne Schicht niederschlagen kann. Die Bedampfung kann dabei stationär erfolgen, d.h. bei oberhalb des Tiegels ruhendem Träger, oder kontinuierlich, indem der an seiner Unterseite zu beschichtende Träger langsam über den noch oben offenen Tiegel transportiert wird. In beiden Fällen hat sich als problematisch herausgestellt, daß der oberhalb des Tiegels gebildete Dampfnebel sich nicht gleichmäßig auf dem Träger niederschlägt, so daß die gebildete Beschichtung ungleichmäßig ist. In jenen Bereichen des Trägers, die sich während der Aufdampfung über der Mitte des Tiegels befinden, ist die Niederschlagsrate am höchsten, zum Rand des Tiegelbehälters hin fällt die Rate hingegen ab. Im Betrieb des Tiegels kann es ferner zu Dampfkondensationen an den Innenflächen des Tiegelbehälters selbst kommen. Die Kondensation ist besonders stark im Randbereich des Tiegelbehälters, d.h. nahe dessen Öffnung.For the vapor deposition of thin layers, for example in the production of solar cells, it is known to arrange the carrier to be vaporized over a heated crucible provided with the vaporizing material, so that the material vaporizing in the crucible can precipitate as a thin layer on the underside of the carrier. The vapor deposition can be carried out stationary, i.e. with the carrier resting above the crucible, or continuously, by slowly transporting the carrier to be coated on its underside over the crucible, which is still open at the top. In both cases, it has proven problematic that the vapor mist formed above the crucible does not precipitate evenly on the carrier, so that the coating formed is uneven. In those areas of the carrier that are above the middle of the crucible during vapor deposition, the deposition rate is highest, while the rate drops towards the edge of the crucible container. When the crucible is in operation, steam condensation can also occur on the inner surfaces of the crucible container itself. The condensation is particularly strong in the edge area of the crucible container, i.e. near its opening.
Telefon (0211) 572131 · Telex 8586429 pate d · Telefax (0211) 588225 ■ BHF-Bank, Düsseldorf (BLZ 30020500) 40113270Telephone (0211) 572131 · Telex 8586429 pate d · Telefax (0211) 588225 ■ BHF-Bank, Düsseldorf (bank code 30020500) 40113270
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen heizbaren Tiegel zur Aufnahme des Verdampfungsguts zu schaffen, mit dem sich eine gleichmäßige Abdampfrate über der Tiegelöffnung erzielen sowie die unerwünschte Kondensation bereits verdampften Materials an den Innenwänden des Tiegelbehälters vermeiden läßt.The invention is therefore based on the object of creating a heatable crucible for receiving the material to be evaporated, with which a uniform evaporation rate can be achieved over the crucible opening and the undesirable condensation of already evaporated material on the inner walls of the crucible container can be avoided.
Zur Lösung wird bei einem heizbaren Tiegel mit den eingangs genannten Merkmalen vorgeschlagen, daß der Tiegelbehälters entlang zumindest zweier einander gegenüberliegender seiner oberen, die Öffnung begrenzenden Ränder mit zusätzlichen Heizelementen versehen ist.To solve this problem, it is proposed in a heatable crucible with the features mentioned above that the crucible container is provided with additional heating elements along at least two of its opposite upper edges that delimit the opening.
Mittels der zusätzlichen Heizelemente in den oberen Rändern des Tiegelbehälters läßt sich dort eine höhere Temperatur der Innenwand erzielen, wodurch die Kondensation an der Innenwand des Tiegelbehälters reduziert wird. Soweit eine Kondensation gleichwohl stattfindet, wird diese dann von einer erneuten Verdampfung unmittelbar von der Festkörperoberfläche des Tiegelbehälters gefolgt. Erreicht wird auf diese Weise eine gleichmäßigere Verdampfungsrate über den Querschnitt der Tiegelöffnung und damit eine ebenfalls gleichmäßigere Aufdampfungsrate auf dem zu beschichtenden Träger. Jedes dieser einzelnen Heizelemente ist individuell in der Temperatur regelbar und erzielt somit eine weitere Verbesserung für eine gleichmäßige Verdampfungsrate.By means of the additional heating elements in the upper edges of the crucible container, a higher temperature of the inner wall can be achieved, which reduces condensation on the inner wall of the crucible container. If condensation does occur, it is then followed by renewed evaporation directly from the solid surface of the crucible container. In this way, a more uniform evaporation rate is achieved across the cross-section of the crucible opening and thus a more uniform evaporation rate on the carrier to be coated. The temperature of each of these individual heating elements can be individually regulated, thus achieving a further improvement in terms of a uniform evaporation rate.
Eine besonders gleichmäßige Verdampfungsrate wird erzielt, wenn gemäß einer Ausgestaltung des Tiegels der Tiegelbehälter entlang aller vier oberen Ränder mit den zusätzlichen Heizelementen versehen ist.A particularly uniform evaporation rate is achieved if, according to a design of the crucible, the crucible container is provided with the additional heating elements along all four upper edges.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß sich die zusätzlichen Heizelemente jeweils über die gesamte Länge des Randes erstrecken. In a further embodiment of the invention, it is proposed that the additional heating elements each extend over the entire length of the edge.
Um Temperaturspitzen an den Innenflächen des Tiegelbehälters zu vermeiden, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgeschlagen, daß die Heizelemente in Nuten in der Außenseite des Tiegelbehälters angeordnet sind. Ferner können sich auch die Heizelemente für die Grundheizung des Tiegels inIn order to avoid temperature peaks on the inner surfaces of the crucible container, according to a preferred embodiment it is proposed that the heating elements are arranged in grooves in the outside of the crucible container. Furthermore, the heating elements for the basic heating of the crucible can also be located in
Nuten befinden, die in diesem Fall im Boden des Tiegelbehälters angeordnet sind.Grooves, which in this case are located in the bottom of the crucible container.
Um auch im Bereich der stets besonders kritischen Innenkanten des Tiegelbehälters eine gleichmäßige Temperaturverteilung der Innenfläche und damit eine gleichmäßige Verdampfungsrate zu erzielen, sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die entlang der beiden längeren Ränder des Tiegelbehälters angeordneten Heizelemente in einer Ebene oberhalb der entlang der beiden kürzeren Ränder des Tiegelbehälters angeordneten Heizelemente angeordnet, wobei sich die Enden der oberhalb angeordneten Heizelemente über den jeweiligen Enden der unterhalb angeordneten Heizelemente befinden.In order to achieve a uniform temperature distribution of the inner surface and thus a uniform evaporation rate even in the area of the always particularly critical inner edges of the crucible container, according to a further preferred embodiment, the heating elements arranged along the two longer edges of the crucible container are arranged in a plane above the heating elements arranged along the two shorter edges of the crucible container, with the ends of the heating elements arranged above being located above the respective ends of the heating elements arranged below.
Während des Anfahrens und Beendens des Beschichtungsvorgangs kann es vorkommen, daß eine Verdampfung der Flüssigkeit in die umgebende Kammer hinein stattfindet. Um dies zu vermeiden, wird eine gesteuerte Verdampfung vorgeschlagen, wozu der Tiegel durch eine bewegliche Abdeckung gekennzeichnet ist, welche die Öffnung des Tiegelbehälters in einer ersten Stellung abdeckt und in einer zweiten Stellung freigibt. Gemäß einer Ausgestaltung wird als Abdeckung ein in horizontalen Führungsnuten geführter, plattenförmiger Schieber vorgeschlagen.During the start-up and end of the coating process, it can happen that the liquid evaporates into the surrounding chamber. To avoid this, controlled evaporation is proposed, for which purpose the crucible is characterized by a movable cover which covers the opening of the crucible container in a first position and uncovers it in a second position. According to one embodiment, a plate-shaped slide guided in horizontal guide grooves is proposed as the cover.
Ferner wird gemäß einer Ausgestaltung vorgeschlagen, daß sich die Führungsnuten für den Schieber entlang der beiden längeren Ränder des Tiegelbehälters erstrecken.Furthermore, according to one embodiment, it is proposed that the guide grooves for the slide extend along the two longer edges of the crucible container.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:Further details and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 einen heizbaren Tiegel in stark vereinfachter, perspektivischer Ansicht, wobei ein Schieber des Tiegels in teilweise geöffneter Stellung dargestellt ist;Fig. 1 shows a heatable crucible in a highly simplified perspective view, with a slide of the crucible shown in a partially open position;
Fig. 2 den Tiegel in einer Querschnittsdarstellung;Fig. 2 the crucible in a cross-sectional view;
Fig. 3 den Tiegel in einer Längsschnittdarstellung bei geschlossenem Schieber undFig. 3 the crucible in a longitudinal section with the slide closed and
Fig. 4 den Tiegel nach Fig. 3 in einer Draufsicht.Fig. 4 shows the crucible according to Fig. 3 in a plan view.
Der in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Tiegel ist Bestandteil einer umfangreicheren Beschichtungsanlage, in der beispielsweise mehrere solcher Tiegel in Reihe hintereinander angeordnet werden können, um auf diese Weise das über die Tiegel geführte Trägermaterial in mehreren Schichten bedampfen zu können. Der Tiegel besteht im wesentlichen aus einem quaderförmigen und nach oben hin offenen Tiegelbehälter 1 aus Graphit, in dem sich das zu verdampfende Material befindet. Mit geringem Abstand über der Öffnung 2 des Tiegelbehälters 1 wird der zu beschichtende, in den Zeichnungen jedoch nicht dargestellte Träger transportiert.The crucible shown in perspective in Fig. 1 is part of a larger coating system in which, for example, several such crucibles can be arranged in a row one behind the other in order to be able to vaporize the carrier material guided over the crucibles in several layers. The crucible essentially consists of a cuboid-shaped and upwardly open crucible container 1 made of graphite in which the material to be vaporized is located. The carrier to be coated, which is not shown in the drawings, is transported a short distance above the opening 2 of the crucible container 1.
Fig. 2 läßt erkennen, daß zum Transport des zu beschichtenden Trägers bzw. Substrates über den Tiegel hinweg dieser mit Transportrollen 3 versehen ist, auf denen der Träger bzw. das Substrat aufliegt. Durch Aufheizung des Tiegelbehälters verdampft das darin befindliche Material und schlägt sich auf der Unterseite des Trägers bzw. Substrates nieder und bildet dort die Beschichtung. Dies kann stationär erfolgen, d.h. bei stehendem Substrat, oder aber im Durchlaufverfahren, wobei das Substrat langsam über die Öffnung 2 des Tiegelbehälters 1 hinweggeführt wird. Die Transportrichtung des Substrates ist hierbei quer zur längeren Seite des in Draufsicht rechteckigen Tiegelbehälters.Fig. 2 shows that in order to transport the carrier or substrate to be coated over the crucible, the latter is provided with transport rollers 3 on which the carrier or substrate rests. By heating the crucible container, the material contained therein evaporates and settles on the underside of the carrier or substrate, where it forms the coating. This can be done stationary, i.e. with the substrate standing, or in a continuous process, whereby the substrate is slowly guided over the opening 2 of the crucible container 1. The transport direction of the substrate is transverse to the longer side of the crucible container, which is rectangular in plan view.
Die Öffnung 2 ist, ebenso wie der Tiegelbehälters 1 selbst, rechteckig. Sie ist durch eine Abdeckung 4 verschließbar, die als Schieber ausgebildet ist, welcher die Öffnung 2 des Tiegelbehälters 1 in seiner ersten Stellung vollständig abdeckt und in seiner zweiten Endstellung vollständig freigibt. In Fig. 1 ist die Abdeckung 4 in teilweise geöffnetem Zustand dargestellt. Ihr Antrieb erfolgt programmgesteuert mittels eines Elektromotors oder pneumatisch.The opening 2 is rectangular, just like the crucible container 1 itself. It can be closed by a cover 4, which is designed as a slide, which completely covers the opening 2 of the crucible container 1 in its first position and completely exposes it in its second end position. In Fig. 1, the cover 4 is shown in a partially open state. It is driven by a program using an electric motor or pneumatically.
Die Abdeckung 4 besteht aus Graphit oder Molybdän und ist, wie die Fig. 2 erkennen läßt, in horizontalen Führungsnuten 5 des Tiegels geführt. DieThe cover 4 is made of graphite or molybdenum and, as shown in Fig. 2, is guided in horizontal guide grooves 5 of the crucible. The
Führungsnuten 5 erstrecken sich entlang der beiden längeren Ränder 6 des rechteckigen Tiegelbehälters 1.Guide grooves 5 extend along the two longer edges 6 of the rectangular crucible container 1.
Auf den längeren Rändern 6 des Tiegelbehälters 1 befinden sich aufgeschraubte Abdeckleisten 7, die vorzugsweise ebenfalls aus Graphit bestehen. Entsprechende Abdeckleisten 8 bedecken auch die beiden kürzeren oberen Ränder 9 des Tiegelbehälters.On the longer edges 6 of the crucible container 1 there are screwed-on cover strips 7, which preferably also consist of graphite. Corresponding cover strips 8 also cover the two shorter upper edges 9 of the crucible container.
Die Grundheizung des Tiegelbehälters 1 besteht aus drei langgestreckten Heizelementen 10, die im Boden 11 des Tiegelbehälters 1 untergebracht sind. Die Heizelemente 10 sitzen in Nuten an der Unterseite des Tiegelbehälters 1, wodurch im Bereich des Bodens 11 eine gleichmäßige Temperaturverteilung erzielt wird.The basic heating of the crucible container 1 consists of three elongated heating elements 10, which are housed in the base 11 of the crucible container 1. The heating elements 10 are located in grooves on the underside of the crucible container 1, whereby a uniform temperature distribution is achieved in the area of the base 11.
Diese gleichmäßige Temperaturverteilung betrifft jedoch nur den Boden 11, nicht hingegen die seitlichen Innenwände des Tiegelbehälters 1 und insbesondere dessen obere Ränder 6, 9. Um Kondensationen des bereits verdampften Materials im Bereich gerade der längeren 6 und 9 oberen Ränder des Tiegelbehälters zu vermeiden und eine gleichmäßige Temperatur an den Tiegelrändern zu erzielen, befinden sich dort zusätzliche Heizelemente 12, 13. Die Heizelemente 12 erstrecken sich entlang der beiden längeren Ränder 6 des Tiegelbehälters 1, wohingegen sich die Heizelemente 13 entlang der beiden kürzeren Ränder 9 des Tiegelbehälters 1 erstrecken.However, this uniform temperature distribution only affects the bottom 11, but not the side inner walls of the crucible container 1 and in particular its upper edges 6, 9. In order to avoid condensation of the already evaporated material in the area of the longer 6 and 9 upper edges of the crucible container and to achieve a uniform temperature at the crucible edges, additional heating elements 12, 13 are located there. The heating elements 12 extend along the two longer edges 6 of the crucible container 1, whereas the heating elements 13 extend along the two shorter edges 9 of the crucible container 1.
Insbesondere Fig. 1 läßt erkennen, daß die Heizelemente 12 einerseits und die Heizelemente 13 andererseits in unterschiedlichen horizontalen Ebenen angeordnet sind. Die beiden entlang der längeren Ränder 6 angeordneten Heizelemente 12 liegen in einer Ebene oberhalb der entlang der beiden kürzeren Ränder 9 angeordneten Heizelemente 13. Hierbei befinden sich die Enden 14 der oberhalb angeordneten Heizelemente 12 über den jeweiligen Enden 15 der unterhalb angeordneten Heizelemente 13. Ferner überkreuzen sich diese Enden 14, 15 teilweise, wodurch eine gleichmäßige Erhitzung der Innenfläche des Tiegelbehälters bis in die Ecken hinein erzielt wird.In particular, Fig. 1 shows that the heating elements 12 on the one hand and the heating elements 13 on the other hand are arranged in different horizontal planes. The two heating elements 12 arranged along the longer edges 6 are in a plane above the heating elements 13 arranged along the two shorter edges 9. The ends 14 of the heating elements 12 arranged above are located above the respective ends 15 of the heating elements 13 arranged below. Furthermore, these ends 14, 15 partially cross each other, whereby uniform heating of the inner surface of the crucible container right into the corners is achieved.
• « - D - ■♦ · <• « - D - ■♦ · <
Auch die zusätzlichen Heizelemente 12, 13 befinden sich in Nuten, jedoch sind diese Nuten von außen in die Seitenwände des Tiegelbehälters 1 aus Graphit eingefräst.The additional heating elements 12, 13 are also located in grooves, but these grooves are milled from the outside into the side walls of the graphite crucible container 1.
Sämtliche Heizelemente 10, 12, 13 können Widerstandsheizer oder Infrarot-Quarzlampen sein. In beiden Fällen erstrecken sich die Heizelemente vorzugsweise ohne Unterbrechung über die gesamte Länge der betreffenden Wand des Tiegelbehälters.All heating elements 10, 12, 13 can be resistance heaters or infrared quartz lamps. In both cases, the heating elements preferably extend without interruption over the entire length of the relevant wall of the crucible container.
Unterhalb der schieberförmigen Abdeckung 4 kann die Öffnung 2 des Tiegelbehälters 1 mit einem Lochblech 16 versehen werden. Umgeben ist der Tiegelbehälter 1 von einer Wärmedämmung 17. Zur Vermeidung einer Wärmeableitung in das Fundament stützt sich der Tiegelbehälter 1 auf Graphitstäben 18 ab. Zwischen den Graphitstäben 18 und dem Tiegelbehälter 1 befinden sich kleine Keramikisolierungen 19. Schließlich ist der gesamte Tiegelbehälter 1 einschließlich seiner Stützkonstruktion mit einer Verkleidung 20 aus Molybdän versehen.Below the slide-shaped cover 4, the opening 2 of the crucible container 1 can be provided with a perforated plate 16. The crucible container 1 is surrounded by thermal insulation 17. To prevent heat dissipation into the foundation, the crucible container 1 is supported on graphite rods 18. Small ceramic insulations 19 are located between the graphite rods 18 and the crucible container 1. Finally, the entire crucible container 1, including its support structure, is provided with a cladding 20 made of molybdenum.
Die Regelung der Heizelemente erfolgt einzeln über Temperaturmeßfühler, die in entsprechenden Bohrungen der Seiten- und Bodenwände des Tiegelbehälters eingeführt sind.The heating elements are controlled individually via temperature sensors that are inserted into corresponding holes in the side and bottom walls of the crucible container.
Um zu vermeiden, daß sich bereits verdampfte Materialpartikel, die sich an der Unterseite der beweglichen Abdeckung 4 anlagern, die Öffnung des Tiegels blockieren, ist der Tiegelbehälter 1 an seiner Auszugseite mit einer Aussparung 21 versehen. Diese schafft genügend Platz, damit unter der Abdeckung anhaftende Schichten nicht stören. Damit aber die vollständige Schließung des Tiegels an dieser Stelle auch gewährleistet ist, wird an der Schiebestange, mittels der die Abdeckung 4 betätigt wird, ein Graphitriegel 22 befestigt, der die bei geschlossenem Tiegel verbliebene Öffnung abdeckt. Sofern die Abdeckung 4 aus Molybdän besteht, kann der Riegel auch durch eine Abkantung des Molybdänbleches gebildet werden.In order to prevent particles of material that have already evaporated and accumulate on the underside of the movable cover 4 from blocking the opening of the crucible, the crucible container 1 is provided with a recess 21 on its pull-out side. This creates enough space so that layers adhering under the cover do not cause interference. However, in order to ensure that the crucible is completely closed at this point, a graphite bar 22 is attached to the push rod used to operate the cover 4, which covers the opening that remains when the crucible is closed. If the cover 4 is made of molybdenum, the bar can also be formed by bending the molybdenum sheet.
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1998
- 1998-10-27 DE DE29819126U patent/DE29819126U1/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19990304 |
|
| R156 | Lapse of ip right after 3 years |
Effective date: 20020702 |