容纳并加热材料的坩埚以及包括坩埚和加热器布置的系统的制作方法

本发明涉及用于容纳并加热待蒸发或升华的材料的坩埚，特别地涉及适合用于容纳且加热反应性材料的坩埚，以及用于蒸发或升华材料的系统，该系统包括该坩埚和用于加热该坩埚的加热器布置。该坩埚和该系统尤其适合用于太阳能电池制造，其中含硫或含硒的材料被蒸发或升华。

背景技术：

一种用于在衬底上沉积材料的技术是化学气相沉积，其中待沉积的材料的蒸气通过由于高温(高于材料的沸腾或升华温度的温度)而从材料源蒸发或升华材料而产生。汽化的材料颗粒朝向衬底移动且最终沉积在衬底的表面上。通常，容纳待沉积的材料(即，材料源)的坩埚借助于放置在坩埚的外部上或相对于坩埚以一定距离布置的加热灯、rf线圈或电阻加热器来加热。加热器或加热元件和坩埚通常热分离，且热能在大距离上经由辐射或经由气体对流来传递。举例来说，us6,444,043b1描述一种坩埚或容器，该坩埚或容器由一块石墨形成，且具有用于保持待蒸发或升华的材料的凹处或开口，其中该坩埚借助于在该坩埚的封闭侧周围且相对于该坩埚以一定距离放置的加热灯来加热。在us2014/0109829a1中，一种蒸发单元包括坩埚以及与该坩埚间隔开且被设置成围绕该坩埚的横向表面和底表面的加热器框架。在该加热器框架的面向该坩埚的内表面上，提供用于加热该坩埚的加热器。

如果布置加热器的空间不被密封以免受汽化的材料所散布的空间的影响，那么待沉积的材料也会到达加热器。除导致加热效率降低的材料在加热器的表面上的可能沉积之外，加热器的材料可受到待沉积的材料或待沉积的材料的组分的侵袭。举例来说，加热器可在含硫气氛中腐蚀。

此外，加热器相对于坩埚以一定距离设置。因此，热传递受加热器与坩埚之间的空间和该空间中的材料限制。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种坩埚以及一种包括该坩埚和加热器布置的系统，该加热器布置提供对加热器的良好保护，以使其免受周围的和可能侵蚀性的处理气氛影响，并且提供从加热器到坩埚的改进的热传递以及用于接合和分开系统的部件的简单方式。

为了实现此目的，本发明提供根据权利要求1的坩埚和根据权利要求6的用于蒸发或升华材料的系统。实施例被包括在从属权利要求中。

根据本发明的用于加热待蒸发或升华的材料的坩埚包括至少一个凹穴式凹处以及底部凹处和/或侧凹处。该凹穴式凹处适合用于接纳该待蒸发或升华的材料且形成在该坩埚的第一表面(也被称为顶表面)中。因此，该凹穴式凹处在该顶表面中形成该坩埚的开口。该底部凹处形成在该坩埚的第二表面中，其中该第二表面与该第一表面相反且也被称为底表面。该底部凹处在该坩埚的底表面中形成开口，且适合用于接纳或容纳用于加热该坩埚的底表面的底部加热器。该侧凹处形成在该坩埚的侧壁中，其中该侧壁从该第一表面延伸到该第二表面且连接该顶表面和该底表面。该侧凹处在该坩埚的侧壁中形成中空空间，且邻近于该坩埚的第二表面具有其开口。即，该侧凹处不在该坩埚的侧表面中形成开口，或换句话说，该侧壁不朝侧部敞开。该侧表面是该侧壁的与该侧壁的邻近于该凹穴式凹处和该底部凹处的表面相反的那一表面，而且它是坩埚本体的外表面中的一个外表面。该侧凹处适合用于接纳或容纳用于加热该坩埚的侧表面的侧加热器。

在全部情况下，该坩埚的外形不受限制，只要该坩埚具有顶表面、底表面和至少一个侧壁即可。即，该坩埚可例如为具有圆形或椭圆形顶表面和/或底表面的直柱体或斜柱体，或任何种类的直棱柱或斜棱柱(例如，长方体)或任何其它种类的形体。全部凹处可延伸以使得在全部点处保持坩埚材料的至少最小厚度，其中坩埚材料的最小厚度适合用于确保坩埚本体的物理稳定性。举例来说，将该凹穴式凹处与该底部凹处分开或将该凹穴式凹处与该侧凹处分开的壁中的坩埚材料的最小厚度针对作为坩埚的材料的石墨且针对坩埚本体的达1.5m的外部尺寸而言处于10mm到15mm的范围中，然而，不同凹处可具有不同长度和/或宽度。举例来说，该凹穴式凹处可在横向尺寸上小于该底部凹处。该凹穴式凹处的尺寸取决于应容纳在该凹穴式凹处中的待蒸发或升华的材料的容积来选择，而该底部凹处和该侧凹处的尺寸取决于相应加热器的尺寸来选择，且使得相应加热器可完全接纳在相应凹处中(除了向加热器供应能量所需的连接之外，如果适用的话)。因为该加热器(特别地，该侧加热器)完全接纳在该坩埚的相应凹处中，所以该加热器几乎完全与当在该凹穴式凹处中所容纳的材料被蒸发或升华时存在的处理气氛分开。因此，根据本发明的坩埚为该加热器提供极好的保护，以使其免受该处理气氛的侵蚀性或反应性组分的影响。此外，因为该加热器可被布置成极接近该坩埚，即，在坩埚本体“内”，例如，在该坩埚的侧壁内，所以从该加热器到待蒸发或升华且容纳在凹穴式凹处中的材料的热传递得以改进，从而导致较高的可实现的温度或实现特定温度所需的可能减少的能量。

此外，不止一个侧凹处(例如，两个或三个或更多个侧凹处)可形成在一个特定侧壁中，其中全部侧凹处邻近于该坩埚的第二表面具有开口。一个特定侧壁中的不同侧凹处被由侧壁材料形成的材料条彼此分开，其中该材料条形成相应侧凹处之间的中间壁，且可从该坩埚的第一表面到该第二表面且跨越该侧壁的整个厚度延伸。不止一个底部凹处也可形成在该坩埚的第二表面中，其中不同底部凹处被由该坩埚的材料形成的材料条彼此分开。

取决于该坩埚的外形，该坩埚可具有多个侧壁。举例来说，如果该坩埚是长方体，那么该坩埚具有四个侧壁。在此情况下，一个侧凹处可形成在这些侧壁中的一个侧壁中，或不止一个侧凹处可形成在这些侧壁中的不止一个侧壁中。换句话说：每一侧凹处形成在该坩埚的侧壁中的一个特定侧壁中。再次，不止一个侧凹处可形成在一个特定侧壁中、不止一个侧壁中或甚至全部侧壁中，如上面所述的那样。特定侧壁中所形成的侧凹处的数目可针对不同的侧壁而是不同的。在一个实施例中，在该坩埚的全部侧壁中，形成该侧凹处中的一个不同的侧凹处。即，所述侧凹处的数目等于该坩埚的侧壁的数目。在任何情况下，不同侧凹处的尺寸可不同。

在特定实施例中，该坩埚包括该侧凹处，且还包括绝热凹处，该绝热凹处邻近于该侧凹处在该坩埚的同一侧壁内形成。该绝热凹处形成在该侧凹处的不邻近于该坩埚的该凹穴式凹处的那一侧上。该侧凹处和该绝热凹处被该坩埚的材料彼此间隔开。该绝热凹处以与该侧凹处类似的尺寸形成，从该坩埚的第二表面延伸，且邻近于该坩埚的第二表面具有开口。该绝热凹处可被填充有空气或任何其它固态、液态或气态材料，或者如果该绝缘凹处的开口被盖子或任何其它适当装置闭合的话，那么该绝热凹处可被抽空。该绝热凹处充当减小到该侧壁的侧表面的热传递的隔热层或热屏障。因此，该热绝缘凹处进一步改进从侧加热器到待蒸发或升华且容纳在该凹穴式凹处中的材料的热传递。

优选地，该坩埚由具有高热导率且相对于该待蒸发或升华的材料或相对于环境气氛(例如，当该凹穴式凹处中所容纳的材料被蒸发或升华时存在的处理气氛)的组分惰性的并不扩散的材料制成。因此，该坩埚自身将不与该待蒸发或升华的材料或该环境气氛的组分反应。此外，该坩埚减少或防止反应性组分穿过该坩埚的壁扩散到加热器，以使得即使加热器由相对于该凹穴式凹处中所容纳的材料或相对于该环境气氛的组分非惰性的材料制成，该加热器也被防止恶化或损坏。因此，便宜的材料(例如，用于电阻加热器的不锈钢)可用于加热器。该坩埚的材料(例如)选自包括石墨、碳化硅和氧化物陶瓷材料(如，氧化铝)的材料组。

如上所述，根据本发明的坩埚可用于蒸发或升华材料的系统中。该系统还包含用于加热该坩埚的加热器布置，其中该加热器布置包括布置在该坩埚的底部凹处或侧凹处中的至少一个加热器。该至少一个加热器可为任何种类的加热器，其中感应加热器或电阻加热器是优选的。如果使用不止一个加热器(例如，布置在该底部凹处中的底部加热器和布置在该侧凹处中的侧加热器)，那么不同加热器可为不同种类和不同尺寸的加热器。如果全部加热器是相同种类的加热器，那么这些加热器可彼此连接或可彼此完全分开，以使得特定加热器所提供的热能可独立于其它特定加热器所提供的热能而进行控制。

如果该坩埚包括多个侧凹处，那么该加热器布置包括多个加热器，其中在侧凹处中的每一个中，布置加热器中的一个特定的加热器。因此，到该坩埚的热传递可从该凹穴式凹处的所有侧(除作为蒸发开口的顶表面之外)极好地受到控制，且因此，该凹穴式凹处中所容纳的材料的温度的高度均匀性可得以实现。

因为加热器布置在该坩埚的凹处中，所以该坩埚保护加热器(特别地说，侧加热器)，以使其免受由于环境气氛的反应性组分所致的损坏。因此，加热器可由相对于该待蒸发或升华的材料或相对于该环境气氛的组分非惰性的材料制成。结果，加热器可较长时间地使用，而不存在因损坏的加热器所致的发热或热传递的恶化。此外，额外气体可被应用到蒸发或升华过程，而不会在化学上侵袭该加热器。因此，本发明的系统提供以下优点：因加热器的必要替换所致的机器停机时间减少(即使在处理期间使用反应性或侵蚀性组分也是如此)；高度有效的热传递和经济的能量使用；以及系统的简单且紧凑的设置。

为了进一步保护该加热器，加热器可被涂布有具有高热导率且相对于该待蒸发或升华的材料或该环境气氛的组分惰性的并不扩散的材料。

在该系统安装或布置在处理室中以使得该坩埚被布置在该处理室内的安装板上或该处理室的室壁上的情况下，该底部凹处和/或该侧凹处的开口分别被闭合且被密封，以免受在凹处外存在的气氛(例如，处理气氛)的影响。当然，向在该相应凹处中所布置的加热器供应能量应例如借助于供该加热器的连接线可穿过的在安装板或室壁中的开口来确保，或借助于被布置在该安装板或该室壁内且提供在该凹处内的加热器与外部之间的连接的接口来确保。术语“密封”未必意味“气密”，而是意味侵蚀性组分到该凹处中的扩散被显著减少。结合该坩埚以及包括该坩埚和至少一个加热器的系统的上述构造，因侵蚀性环境气氛所致的加热器的降级可显著减少，同时提供系统的简单的构造设置和组装。

然而，该坩埚的底部凹处和/或侧凹处中的一个或更多个或全部可由一个或更多个罩盖或盖子闭合或密封。即，一个特定的罩盖可密封该底部凹处和全部侧凹处，以使其免受环境气氛的影响，或可仅密封该底部凹处，或仅密封一个侧凹处或选自该底部凹处和该侧凹处的多个凹处，而并非密封这些凹处中的全部。罩盖或盖子可安装到该坩埚或该系统或处理室的其它部件，且可由任何适当材料(例如，该坩埚的材料)形成。如上文关于该安装板或该室壁所述，向在该相应凹处中所布置的加热器供应能量应例如借助于供该加热器的连接线可穿过的在相应罩盖中的开口来确保，或借助于被布置在相应罩盖内且提供在该凹处内的加热器与外部之间的连接的接口来确保。这样的罩盖可尤其在如下情况中使用：该安装板或任何其它安装系统具有开口，以使得该底部凹处和/或该侧凹处不被该安装板或该安装系统密封。

附图说明

附图被包含在本文中，以利于进一步理解本发明的实施例，且并入本发明说明书中并构成本发明说明书的一部分。附图说明本发明的实施例且与本发明说明书一起用于解释原理。将容易了解本发明的其它实施例和许多预期优点，这是因为参照以下详细描述，这些实施例和预期优点将变得被更好地理解。附图的元件未必相对于彼此按比例缩放。类似附图标记表示对应的类似部分。

图1示出根据本发明的坩埚的示范性实施例的透视图。

图2是图1的坩埚的俯视图。

图3是图1的坩埚的仰视图。

图4是坩埚的另一实施例的仰视图。

图5是沿着图3所示的线a-a'通过图1的坩埚的横截面图。

图6示出作为根据本发明的用于蒸发或升华材料的系统的一部分的加热器布置的示范性实施例。

图7示出具有根据本发明的用于蒸发或升华材料的系统的示范性实施例的用于蒸发或升华的处理室的横截面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的坩埚10的示范性实施例。坩埚10是由石墨或任何其它适当材料制成的长方体且具有六个表面：第一表面110，其为顶表面；第二表面，其为底表面(在此图中无法看到)；以及四个侧表面，在此图中，仅可看到其中的两个侧表面133和134。凹穴式凹处11形成在第一表面110中，其中凹穴式凹处11适合用于容纳待蒸发或升华的材料。凹穴式凹处11在第一表面中具有其开口，且可具有任何适当形式和任何适当尺寸。此外，坩埚10可具有不止一个凹穴式凹处11。举例来说，坩埚可具有多个凹穴式凹处，其中凹穴式凹处中的每一个在第一表面中形成为柱形孔，且其中凹穴式凹处中的不同凹穴式凹处被坩埚的材料彼此分开。

图2是坩埚10的俯视图，且因此示出第一表面110，凹穴式凹处11形成在第一表面110中。坩埚10的材料形成坩埚10的侧壁141到144，侧壁141到144从凹穴式凹处11延伸到坩埚的相应侧表面131到134。侧壁141到144从第一表面110延伸到第二表面，即，在z方向上延伸，且连接坩埚10的顶部和底部。

图3是坩埚10的仰视图，且因此示出与第一表面110相反的第二表面120。底部凹处12形成在第二表面120中，其中，底部凹处12用于在坩埚用于蒸发或升华过程时接纳底部加热器。底部凹处12可具有任何适当形式和尺寸。此外，可在图3中看到侧凹处13a到13d的开口。侧凹处13a到13d中的每一个形成在侧壁141到144中的相应侧壁中，且在z方向上延伸，如关于图4将解释的那样。第二表面120中的侧凹处13a到13d的开口的横向尺寸以及侧凹处13a到13d的横向尺寸(全部横向尺寸都是在x方向或y方向上测量的)尽可能得小，只要能够将侧加热器插入侧凹处13a到13d中而不损坏，且在加热期间允许侧加热器在侧凹处13a到13d中热膨胀即可。此外，在每一侧壁141到144中，绝热凹处14a到14d形成在相应侧凹处13a到13d的背离凹穴式凹处且面向相应侧表面的那一侧上。每一绝热凹处14a到14d被相应侧壁141到144的材料围绕，且邻近于第二表面120具有开口。优选地，绝热凹处14a、14c在y方向上具有与相应侧凹处13a、13c的尺寸类似的尺寸，或比相应侧凹处13a、13c甚至更大的尺寸。

图4是另一坩埚10'的仰视图。坩埚10'与坩埚10的不同之处仅在于：三个侧凹处13aa到13ac和13ca到13cc分别形成在坩埚的侧壁141和142中的每一个中。此外，未示出在图3中示出的绝热凹处，以便使该图更清楚。侧壁141中的侧凹处13aa到13ac分别借助于材料条141a和141b而与侧凹处13aa到13ac中的一个邻近的侧凹处分开。材料条141a和141b是侧壁141的一部分，且形成相应侧凹处13aa到13ac中的相应侧凹处之间的中间壁。材料条141a和141b从第一表面110延伸到第二表面120。材料条141a到141b提高侧壁141的稳定性，且使得有可能将不同侧加热器插入到相应侧凹处13aa到13ac中，以使得坩埚10'的邻近于侧壁141的不同横向区可被独立加热，以进一步提高在凹穴式凹处中所容纳的材料的温度的均匀性。关于侧凹处13aa到13ac和侧壁141而描述的特征也适用于侧凹处13ca到13cc和侧壁143。

图5示出沿着图3的线a-a'通过坩埚10的横截面图。在横截面图中，可看到第一表面110中的凹穴式凹处11、第二表面120中的底部凹处12和侧壁141、143中的两个侧凹处13a、13c。侧凹处13a、13c沿着z方向在几乎坩埚10的整个尺寸上延伸，且邻近于第二表面120具有其开口。此外，在每一侧壁141、143中，绝热凹处14a、14c形成在相应侧凹处13a、13c的背离凹穴式凹处11且面向相应侧表面131、133的那一侧上。每一绝热凹处14a、14c邻近于第二表面120具有开口。举例来说，绝热凹处14a、14c可填充有空气。绝热凹处14a、14c在x方向上的尺寸仅受坩埚10的整体外部尺寸和坩埚自身的稳定性限制。在朝向第一表面110的z方向上，绝热凹处14a、14c优选延伸到与相应侧凹处13a、13c相同的值或更远。

表1中给出了坩埚10和坩埚10的不同元件的示范性尺寸。如清楚理解的，坩埚10'可具有类似尺寸，其中侧凹处13aa到13ac和13ca到13cc在y方向上较小。

表1

图6示出用于加热在图1到图3所示的坩埚10的示范性加热器布置20。加热器布置20包含两个底部加热器21a和21b、用于坩埚的每一长侧的两个角落加热器和两个中间加热器以及用于坩埚的每一短侧的一个侧加热器。在图6中，仅示出用于坩埚的短侧的一个侧加热器223b以及用于坩埚的一个长侧的角落加热器2211a和2212a与中间加热器2221a和2222a以及两个底部加热器21a和21b，以便使该图更清楚。用于坩埚的长侧的加热器2211a、2212a、2221a和2222a中的每一个可被插入到相应侧壁中的同一个侧凹处中或可被插入到在相应侧壁中所形成的不同侧凹处中。加热器是形成为导电回路的电阻加热器。加热器的导线的材料为钼，但可为任何其它适当材料。

图7是通过用于蒸发或升华的处理室200的横截面图。在处理室200内，根据本发明的用于蒸发或升华材料的系统210被布置在安装板220上或直接安装在室壁230上。系统210包括如上所述的坩埚10和加热器布置20。凹穴式凹处11容纳待蒸发或升华的材料30，待蒸发或升华的材料30由上述加热器布置的加热器加热。如关于图5所描述的那样，加热器被布置在底部凹处和侧凹处中，然而，在图7中，未示出底部凹处和侧凹处，以便使该图更清楚。此外，出于相同原因，在图7中也未示出关于图5所述的绝热凹处。在图7的横截面图中，仅示出底部加热器21a和两个角落加热器2211a和2211c，然而，更多的加热器可被提供在如上文关于图6所述的加热器布置中。此外，图7中示出用于向底部加热器21a供应能量的能量供应连接241a和241b以及用于分别向角落加热器2211a和2211c供应能量的能量供应连接242a和242c。能量供应连接241a、241b、242a、242b引导到处理室200的外部，其中能量供应连接241a、241b、242a、242b连接到一个或更多个发电机。由于由加热器布置的加热器所产生的热，材料30蒸发或升华且朝向衬底250移动，如虚线箭头所示。衬底250借助于传送辊260在系统210上方保持和移动。衬底250(衬底250也可为布置在衬底保持器中的多个衬底)在实线箭头所示的方向上在处理室200内移动。然而，材料30的静态沉积(即，材料到不移动的衬底250上的沉积)也是可能的。

如本领域的技术人员清楚地理解的，加热器布置的加热器无论如何相对于坩埚10和处理室200是固定的。同样情况适用于坩埚10自身。即，加热器布置的加热器可固定在相应凹处(底部凹处和/或侧凹处)内，或可固定在安装板220上或室壁230上或一个或更多个罩盖上，该一个或更多个罩盖安装到坩埚10的底表面且密封相应凹处。因此，即使凹处未被系统的任何部件密封，加热器也可不从坩埚的凹处掉出。为了将加热器布置的加热器布置在坩埚10的相应凹处内，加热器可被插入固定坩埚的凹处中，或坩埚10可从顶部在固定加热器上滑动。然而，两个部件(坩埚和加热器)可移动，以使得加热器被插入坩埚的相应凹处中。

因为加热器布置的加热器被布置在坩埚10内，所以从加热器到材料30的热传递被优化。此外，布置了加热器的坩埚10的凹处被安装板220密封，以使得加热器被有效地防止以免受处理室200内的环境气氛的影响，其中该环境气氛可包括相对于加热器的材料具有侵蚀性的组分。此外，坩埚10可通过简单地将坩埚10提起远离安装板220而与加热器分开。因此，如果第一坩埚10必须被清洁或另一材料30必须蒸发或升华，那么第一坩埚10可被替换为第二坩埚10，而不需要也拆除加热器布置。

前文描述中所述的本发明的实施例是以说明方式给出的实例，且本发明不限于此。实施例的任何修改、变化和等同布置以及组合应被视为包含在本发明的范围内。

附图标记

10坩埚

110第一表面

120第二表面

131到134侧表面

141到144侧壁

141a、141b、143a、143b侧壁中的材料条

11凹穴式凹处

12底部凹处

13a到13d侧凹处

14a、14c绝热凹处

20加热器布置

21a、21b底部加热器

2211a、2212a角落加热器

2221a、2222a中间加热器

223侧加热器

200处理室

210用于蒸发或升华的系统

220安装板

230室壁

241a、241b用于底部加热器的能量供应连接

242a、242c用于侧加热器的能量供应连接

250衬底

260传送辊