CN103222041A - 用于加热基板的加热装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理基板（2）的真空处理系统，其具有用于承载将在基板平面（4）中处理的所述基板（2）的壳体（1），所述壳体（1）包括第一反射装置（6）和加热装置（5），所述加热装置（5）具有第一平面（10）和相对的第二平面（11），所述加热装置（5）被构造为仅通过第一平面（10）和/或第二平面（11）辐射热能，所述第一反射装置（6）被构造为将由加热装置（5）辐射的热能反射到所述基板平面（4）上，并且所述加热装置（5）被设置成：使得所述第一平面（10）面对所述第一反射装置（6），并使得所述第二平面（11）面对所述基板平面（4）。

Description

用于加热基板的加热装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理基板的真空处理系统，其具有用于承载将在一基板平面中对所述基板进行处理的壳体。本发明还涉及一种用于操作所述真空处理系统的方法，其包括在所述壳体中提供具有大于等于1m2的表面尺寸的平面基板的步骤，以便在所述基板平面中提供所述基板。
背景技术
光伏器件、光电转换设备或太阳能电池是将光——特别是太阳光——转换为直流（DC）电能的装置。值得注意的是低成本的大规模生产薄膜太阳能电池，因为其允许使用玻璃、玻璃陶瓷或其他刚性或柔性基板作为基底材料，即基板，而不是使用晶硅或多晶硅。在薄层中沉积太阳能电池结构--即具有光伏效应的层序列。
在光伏电池的工业规模生产中，对制造序列中的程序特征进行最优化是至关重要的。可靠性、产量、和/或能源效率直接影响到所制造产品的价格。用于制造光伏电池的许多沉积处理发生在200℃或更高的工艺高温条件下。但是，对基板进行处理、输送和/或检测经常需要环境温度条件。因此，在制造工艺期间，基板可能需要经历几个加热/冷却周期。通常在降压/排气周期期间，在装载-闭锁装置（load lock）--即易抽真空的壳体--中执行这样的加热/冷却；其中，所述装载-闭锁装置可操作地连接到真空处理系统，并允许通过可密封的开口或门进出所述真空处理系统。
因而，对基板材料的快速加热和/或冷却，直接影响着整个系统的产量；由于所需的硬件昂贵，所述整个系统的产量对于制造商而言是重要的标准。从而，系统产量直接与所述装载-闭锁装置的热效率有关。热效率进一步取决于诸如灯的加热元件的加热速率和基板的均匀性，两者都影响着薄膜层的品质。
参照薄膜光伏电池的制造工艺，在诸如直接气相沉积（DVD）、化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、常压化学气相沉积（APCVD）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）的薄膜应用中，基底材料的负载锁定温度处理是沉积用于前电极和/或背电极的高品质氧化锌（ZnO）层的先决条件。目前采用各种温度处理方法来将基底材料从环境温度加热至处理温度。
在本领域中已知的加热技术使用带有由钨、碳、石墨等制造的灯丝的短波灯、中波灯和/或长波灯。每个灯组件包括容纳有灯丝的透射管。灯罩可防止灯座材料氧化并延长其寿命。灯罩是必需的，以保护所述灯丝免于例如在环境空气中氧化。另一方面，所述灯罩将所发射的辐射缩小为特定部分。此过滤效应直接影响热效率。从而，基于灯的加热系统的效率直接影响了所述产量，并对这样的系统的制造商来说导致减少了市场竞争力。
根据现有技术改进的透射力更好的灯罩有特定的热式质量(thermal mass)。一般来说，热式质量起到热储存器的作用，同时降低了加热系统可控性的系统动态性。减少温度可控性和/或稳定性意味着温度均匀性以特定值进行波动。进一步，为了抵消温度变化，需要安装冷却装置，这会导致投资额增加。除了在前面描述的过滤效应之外，为所述灯施加的电能不得不被增加到这样的程度，以便用于补偿发射光的光谱损失，而这又导致能源消耗增加，并且随后导致系统能源效率降低。另外，为了对二维延伸的基板进行加热，不得不并排设置几个管状的灯以形成加热元件阵列。但是，这一加热元件的模式在基板的热分布中将是可见的，即也有负面影响。
发明内容
因此，本发明的目的是，克服前面描述的现有技术的缺点，即，为用于薄膜光伏电池的基板提供一种加热系统，从而增加了系统产量，并且由此导致了生产成本的减少。
本发明的目的由独立权利要求来实现。有利的实施例在从属权利要求中进行详细描述。
特别地，所述目的由一种用于处理基板的真空处理系统解决，所述真空处理系统具有用于承载将在基板平面中处理的基板的壳体，所述壳体包括第一反射装置和加热装置，所述加热装置具有第一平面和相对的第二平面，所述加热装置被构造为仅通过所述第一平面和/或所述第二平面辐射热能，并被设置成将由所述加热装置辐射的热能反射到所述基板平面上，而且所述加热装置设置成：使得所述第一平面面对所述第一反射装置，并使得所述第二平面面对所述基板平面。
因而，本发明是基于如下的中心思想：提供一种"平面"加热装置，所述的"平面"加热装置不具有如前面在现有技术系统中所描述的分离的壳体。与具有例如石英壳体的散热器的现有技术相比，以这种方式显著地改进了能量转换工艺。与现有技术的系统相比，根据本发明的解决方案，对于假定的周期过程而言，既减少了所述加热装置的热式质量，也显著地增加了加热系统的可控性和稳定性。优选地，所提供的加热装置是平的条状电阻性加热器元件，例如平的表面加热器。优选地，所述壳体适宜于将所述基板插入所述壳体内部，以便当在所述壳体内提供所述基板时，在所述基板平面中提供所述基板，并且所述壳体还适宜于将所述基板从所述壳体中取出。
术语"处理"在本发明意义中包括对所述基板起作用的任何化学的、物理的和/或机械的效应。
术语"基板"在本发明意义中包括根据本发明的要用所述真空处理系统处理的部件、部分或工件。基板包括但不限于具有矩形、正方形或圆形的平的、板状的部分。优选地，所述基板可适用于制造薄膜太阳能电池，并且所述基板包括浮法玻璃、安全玻璃和/或石英玻璃。更优选地，所提供的所述基板是基本上、最优选地的具有尺寸大于等于1m2的平面的完全平的基板，例如薄玻璃板。
术语"真空处理"或"真空处理系统"在本发明意义中包括用于在低于周围的大气压的压力下处理基板的至少一个壳体。
在所述真空处理系统内提供真空时，在本发明意义中的术语"装载-闭锁装置"包括可操作地连接到所述真空处理系统的易抽真空的壳体，所述壳体允许通过密封的开口或门来出入所述真空处理系统。优选地，通过所述装载-闭锁装置，无需破坏所述处理系统内的真空即可出入所述真空处理系统壳体。
术语"CVD"，化学气相沉积，和它的特色，在本发明意义中包括著名的技术，所述技术允许在经过加热的基板上的层的沉积。在所述前体物的热反应导致层的沉积的条件下，供应通常液态或气态的前体物材料给处理系统。通常，二乙基锌（DEZ,diethylzinc）用作在真空处理系统中使用低压化学气相沉积（low pressure CVD,LPCVD）生产TCO层的前体物材料。术语"TCO"代表透明导电氧化物，即TCO层是透明的导电层，由此，在本发明之内可替换地使用术语——层、涂层、沉积物和膜——来说明在诸如化学气相沉积，低压化学气相沉积，等离子增强化学气相沉积（PECVD）或物理气相沉积（PVD）的真空工艺中沉积的膜。
术语"太阳能电池"或"光伏电池"、"PV电池"在本发明意义中包括一种通过光伏效应能够把光——基本上太阳光——直接转换为电能的电气部件。薄膜太阳能电池通常包括：第一电极或前电极、一个或多个半导体薄膜PIN结以及第二电极或背电极，上述部件连续地堆叠在基板上。每个PIN结或薄膜光电转换单元包括夹在P型层和N型层之间的I型层，由此，"p"代表正掺杂，"n"代表负掺杂。I型层，作为基本上的本征半导体层，占据了薄膜PIN结的最大部分厚度，由此，光伏转换主要发生在此I型层中。因而，优选地，所述基板是用于制造光伏薄膜电池的基板。
术语"平面"在本发明的意义中包括一种具有不粗糙表面、即没有凹槽等的装置。优选地，术语"平面"意味着相应表面的表面粗糙度小于等于N9。
优选地，本发明的真空处理系统被构造为使得所述反射装置（例如第一反射装置）向基板反射由加热装置的背对所述基板的那一侧面辐射的热能。因而，为了多次反射所产生的热辐射，在壳体之内优选以这样的方式设置加热装置，即，所述基板优选由所述加热装置直接辐射，其次由从所述反射装置发生的反射来辐射所述基板，以使得由于基板的高吸收速率而进一步增加热效率。更优选地，反射装置的表面设置成与基板平面平行，即--将基板设置在壳体内的基板平面时，反射装置的表面与基板平行。最优选地，当在壳体内提供基板时，将基板在设置成反射的装置和加热装置之间的夹层状外观。
根据本发明的另一优选实施例，壳体包括第二反射装置，所述第二反射装置设置成将由所述加热装置辐射的热能反射到所述基板上，而且所述第二反射装置被设置成：使得所述加热装置的第二平面面对所述第二反射装置，并且使得所述基板平面设在所述加热装置和所述第二反射装置之间。当基板的吸收速率进一步增加时，可进一步增加热效率，这样，加热装置和基板平面都"夹"在第一反射装置和第二反射装置之间。
在另一优选实施例中，所述壳体包括用于冷却所述反射装置的冷却单元，所述反射装置包括第一侧面和相对的第二侧面，所述第一侧面面对所述加热装置，所述第二侧面背对所述加热装置，所述冷却单元设置在所述反射装置的第二侧面上并与其热接触。优选地，所述冷却单元包括循环诸如水等的冷却流体的管子。由于冷却单元增加了反射装置的反射系数，该实施例再次增加了热效率，并会导致基板热能的吸收速率增加。
通常，所述加热装置的第二平面设置成与所述基板平面距离任何距离，即——当在所述壳体内设置基板时，与所述基板距离任何距离。根据一个特别优选的实施例，所述加热装置的第二平面设置成与所述基板平面的距离小于等于50mm，优选地小于等于40mm，更优选地小于等于10mm。这样的实施例进一步增加了系统产量，降低了总成本。
在进一步优选的实施例中，所述加热装置包括二维平面尺寸，其表面积大于等于所述壳体内所承载的基板的表面积的5%，所述加热装置包括选自于由碳复合材料、碳增强的碳材料、碳纤维、碳化硅涂层纤维、石墨、石墨纤维和/或碳化硅组成的集合的材料，并且/或者所述加热装置包括不受改变地耐受大于等于600℃温度的耐火材料。因此，优选地，所述加热装置的尺寸覆盖所述基板的整个表面积，并包括此前所述的材料，当施加了电能时，所述加热装置从其表面辐射加热能量。因此，这样的一个实施例导致了具有平面、能够当在所述壳体内提供基板时非常有效地加热所述基板的平面加热装置。
在进一步优选的实施例中，所述壳体包括用于支撑所述加热装置和/或用于为所述加热装置提供电能的主栅线电极。所述主栅线电极可包括用于将加热元件保持在预定位置的夹具等装置。在进一步优选的实施例中，所述壳体包括用于承载将在所述基板平面内处理的基板的基板载台。所述基板载台可包括用于把基板移入壳体和把基板移出壳体的基板转移系统。
在特别优选的实施例中，所述加热装置包括多个矩形加热元件，每个所述加热元件具有长度、宽度和厚度，串联和/或并联地电连接所述加热元件，在平行于分别形成了所述加热装置的第一平面和第二平面的所述基板平面的平面上沿着加热元件的宽度和长度设置所述加热元件，每个所述加热元件包括大于等于相应加热元件的厚度的500倍的宽度，以及大于等于相应加热元件的厚度的3000倍的长度，并且/或者，所述加热元件设置成彼此相邻，其中，加热元件之间的距离大于等于相应加热元件的厚度的2倍，优选地彼此之间的距离大于等于4mm。特别优选地是，三个加热元件串联设置，并且然后，三组加热元件彼此并联，所述加热元件例如电气连接到三相100V电源。优选地，所述加热元件位于与将在所述真空处理系统中加热的所述基板平行的平面中，由此，如果加热元件的宽度小于等于加热元件的厚度的500倍并且加热元件的长度小于等于加热元件的厚度的3000倍，被证明对所述加热/冷却周期而言是特别成功的，即有效的。通过使用这些比值，可以对所述基板进行特别均匀和有效的加热，从而允许与现有技术系统相比显著提高所述真空处理系统的产量。在此关系中，特别优选地是，所述矩形加热元件的厚度小于等于0.5mm，优选地小于等于0.15mm。
通常地，所述反射装置可能是任何的从现有技术中获知的用于反射热能的装置。但是，特别优选地是，所述反射装置包括选自于由铜、铜涂层、镍、镍涂层、金、金涂层、银、银涂层、铝和/或铝涂层组成的集合的材料，并且/或者，所述反射装置包括具有小于等于N9的表面粗糙度的反射表面。
在另一个特别优选的实施例中，所述壳体是包括密封开口的装载-闭锁装置，以便在真空处理系统内提供真空时，无需破坏所述真空即可出入所述壳体。
进一步地，所述目的由一种用于操作根据前述任意权利要求的真空处理系统的方法解决，其包括以下步骤：
a、在所述壳体内设置具有大于等于1m2的表面尺寸的平面基板，以便在所述基板平面中提供所述基板；
b、把所述壳体抽真空到小于等于8*10-2mbar并且大于等于1*10-5mbar；以及，
c、为所述加热装置提供大于等于26kW的电能，以加热所述基板。
这意味着：为了达到小于等于70s的周期时间，根据步骤a在所述壳体内提供基板平面（并根据步骤b把所述壳体抽真空后），可根据步骤c来加热（例如通过增加电能阶跃）。因此，与现有技术系统相比，由于使用了根据本发明的加热装置可更快地加热所述基板。以这种方式，优选地是，在步骤c期间提供的电能使得所述基板的加热速率大于等于2.5K/s。进一步优选地是，为了增加加热能量的均匀性，在步骤c期间在所述壳体内周期性地或线性地移动所述基板。
附图说明
参考下面描述的具体实施例，本发明的这些和其它方面将是明显的并被阐明。
在附图中：
图1的示意图示出了根据本发明的优选实施例的真空处理系统；
图2的顶视图示出了根据本发明的优选实施例的多个加热元件；
图3的侧视图示出了根据本发明的优选实施例的两个加热元件；
图4示出了帕邢（Paschen）曲线。
具体实施方式
本发明涉及一种真空处理系统，所述真空处理系统是装载-闭锁装置壳体的组成部分。如图1所示，真空处理系统包括壳体1，用于处理基板2（当该基板被设置在基板平面4中的基板载台3上时）。所述壳体包括加热装置5、第一反射装置6、第二反射装置7、冷却单元8以及主栅线电极9。所述加热装置包括第一平面10和相对的第二平面11。所述反射装置6、7包括面对所述加热装置5的第一侧面12，以及位于所述加热装置5另一面的相对的第二侧面13，由此，所述冷却单元8设置在所述反射装置6、7的所述第二侧面13上。
装载—闭锁装置的其他元件（附图中未示出）可包括用于降低壳体1中的压力的装置、用于控制装载—闭锁装置中的压力以及能量反馈的装置、用于直接或间接控制基板2和加热装置5的温度的装置、以及对冷却液体反馈的装置。本发明的加热装置5可工作在垂直、水平或倾斜位置。在水平设置中，所述系统可设置成使得加热装置5设置在基板2的下方、上方或者两侧。如图1所示，在优选实施例中基板2设置在加热装置5的下侧。
在一个实施例中，所述装载—闭锁装置包括作为加热装置5的多个没有单独壳体的类似灯的组件，即加热元件14。与利用具有例如石英壳体的散热器的现有技术相比，本发明的方式直接改进了能量转换过程。
本发明的实施例包括反射装置6、7（例如反射器），用于将加热装置5的背对所述基板2的侧面10辐射的热反射给基板2。这些反射器6、7与冷却单元8（例如循环有诸如水等的冷却流体的管子）热接触。反射器6、7设置在所述壳体1内，以便对产生的辐射进行多次反射——由于所述基板2的高吸收率而再次增加了热效率。至于所述水冷却，增加了所述反射器6、7的反射系数，另外，减少了所述系统的热式质量。对于假定的循环过程，较低的热式质量是所述加热系统具有可控性和稳定性的先决条件。
如图1所示，主栅线电极9设置在基板2上方的反射表面之下，并且/或者，其设置在下级反射表面上方的基板2下面，例如像容纳冷却单元8、反射器6、7以及大致在它们之间的加热装置5的侧面导轨一样，这给所述系统提供了夹层状外观。在可替代实施例中，主栅线电极9的载体结构可设置在加热装置5、反射器6、7和冷却单元8的后面。该基板2间隔特定距离设置在平面散热器5的下面。如图1所示，该基板2保持在第二反射装置7的另一反射表面上方，所述第二反射装置7面对所述基板2的背面侧，并且，该基板2可在加热处理期间周期性地移动，以改进加热的均匀性。
如图2所示，在优选实施例中，平的二维加热元件14可如图1所示那样被定位在上反射器6下面且与所述上反射器6紧密接触，并覆盖所述基板2上方的整个区域。在所述系统中优选地使用耐火材料作为加热元件14。类似于碳复合材料、碳增强的碳材料、碳纤维、碳化硅涂层纤维、石墨、石墨纤维、碳化硅板或者它们的任意组合的材料是耐火的，其可经受超过600℃的温度。与现有技术中已知的线性灯布置相比，向这些平的条状电阻性加热元件14施加电能，导致平面加热装置5具有加热表面。因而所述加热组件5、14本身可被认为是均匀的平的面加热器。
所述加热器的热效率与所述元件组件的总电阻有关。如图2所示，加热元件14可并联和串联地设置。所述总电阻随着并联和串联连接的加热元件14的数量而变化。另外，众所周知的是，电阻率与所使用的材料的厚度b成正比。
在本发明实施例中，三个加热元件14串联设置，并且然后，三组加热元件14彼此并联。由此，加热元件14的宽度a和厚度b比值（a:b）大于等于500:1，加热元件14的长度c和厚度b的比值（c:b）大于等于3000:1，被证明是成功的。
所述加热元件14均匀地分布在与于所述真空室中受热的基板2大致平行的平面中，在每一加热元件14之间保持距离d（优选4mm）。类似于主栅线电极9、夹具等的保持机构把散热器14保持在预定位置。所述保持机构进一步在整个系统的宽度和长度上为所述加热元件14均匀地提供电能。使用涡卷弹簧或类似的张紧装置在水平方向上对所述加热元件14进行定位被证明是成功的。在将电能施加到加热元件14的过程中的温度升高引起的热膨胀和/或收缩期间，所述张紧装置限定了平的加热器表面。
所述平的二维加热元件14可做成一个单独的区域，或者，可做成并排设置的矩形条。可将单个条14之间的距离d选择成远小于所述条14的宽度a，优选地，间距d和厚度b之间的比值大于等于2:1。可用单独的电源或者用优选地串联电源来分别电气操作这些加热元件条。
必须选择交流电（AC）和直流电（DC）中的一种作为电源。直流电源的优点是电压的可控性和可调性灵活。采用直流电源可避免根据帕邢定律导致电压击穿真空装置。
对于每千瓦（kW）的总系统成本，交流电源通常更有竞争力。然而具有400V供电电压的三相交流电源在特定真空条件下易于被击穿、产生电弧。为了避免由击穿电压导致的系统损坏，这里不得不采用经过调整的电源供应工艺。
当大量电能被注入真空室时，通常会产生电弧问题。本发明通过根据如图4所示的帕邢曲线允许特定的真空度和允许上述元件维持彼此的距离d来避免达到击穿电压。帕邢定律是众所周知的，并且帕邢定律确定了击穿电压U（单位为：伏特,Volts）是压力（单位为：托,Torr）和两个平行板之间的间距（单位为：厘米,cm）的函数。
在本发明的实施例中，由真空装置获得的压力导致了所述帕邢曲线的低压侧，在此条件下可使用高电压。因而，为了安全地使用大于等于26kW的高电能，所述加热处理压力在8x10-2至1x10-5mbar范围内。
因为残留的反应物分子（例如氧气）减少，所以在加热处理期间获得的低压对加热元件14的平均故障间隔时间（MTBF）有好处。如前所述，如果足够的残余反应物残留在装载—闭锁装置空腔内，高温将引起平的表面加热器上的氧化。
在本发明的实施例中，根据加热元件14的串联和/或并联等的设置，可以使用直流以及交流电源。使用诸如晶闸管控制器等的三相交流电源证明是成功的。进一步，以K/s为单位的所述基板2的加热速率与可用的电能及其周期时间成正比。
所述加热器，即，所述真空处理系统将所供应的能源直接转换为辐射，避免了现有技术系统中所使用的灯罩的过滤效应。此外，与本领域已知的方法相比，显著地增加了系统效率。从而，增加了基板2内的热吸收，并且缩短了热处理时间。因而，由于优化了周期时间，而减少了能源消耗。
所述工艺过程如下：将在室温下具有大于等于1m2尺寸的延展的平的基板2，从诸如输送机或叉车的供应系统，输送进诸如装载-闭锁装置或处理室的隔室。所述隔室是密封的和可抽真空的，并容纳平的支撑件--所述基板载台3。
传感器可预见以指示所述基板2何时到达预定位置。在把所述基板2放置于在所述基板平面4内的基板2的预定位置后，所述真空室被密封，且所述加热处理开始。部分加热处理是从大气压力下抽真空，直至将气压降低到8x10-2至1x10-5mbar的特定理想压力范围。压力测量工具（例如计量器）控制所述工艺压力。当到达预定工艺压力时，接通所述加热元件14。如前所述，降低的压力有助于避免带电的加热元件14对通常接地的壳体1的击穿电压。
为了在本发明实施例中进一步控制温度处理工艺，利用诸如比例积分微分（PID）控制器是有利地。因而，可建立相互依赖的柔性温度调整与注入电能。
注入的电量决定了以K/s为单位的加热速率及其处理时间。为了减少将平的基板2从室温加热到200℃的周期时间，可步进式和/或柔性地增加电能。
为了达到小于等于70s的周期时间，这里采用大于等于26kW的功率。把尺寸约为1.4m2的平的基板2从室温加热至处理温度的周期时间依赖于热效率。本实施例内的部件的设置在此扮演重要的角色。所述周期过程中的系统稳定性是加热器（即反射装置6、7、冷却单元8、主栅线电极9、加热元件14、壳体1和基板载台3）的环境条件的总和。
反射装置6、7不得不履行双重功能。通过对加热元件14发出的例如红外线（IR）的辐射进行多次反射，平面加热元件14的温度可极快地到达大于等于900℃的处理温度。从而，缩短了基板2的温度处理时间，并且可降低总的注入电能，例如每个基板2小于等于2kWh。总的来说，与现有技术系统的总效率相比，本发明的系统效率可增加大于等于40%。
进一步，整个基板2上的温度均匀性和反射辐射量取决于反射装置6、7的表面光洁度和/或表面处理等级。作为用于反射来自平面加热元件14发射的辐射的反射装置6、7，可采用不同的材料，例如铜、铜涂层、镍、镍涂层、金、金涂层、银、银涂层、铝、铝涂层或其任何组合。众所周知的是，具有等级小于等于N9的抛光表面能增加反射辐射并减少热处理时间。
在本发明的优选实施例中，可采用在垂直、水平或倾斜位置具有抛光表面的铝制反射装置6、7。如图1所示，在水平设置中，系统被安装成使得反射器设置在加热器和/或基板2的下方、上方或两侧。
对于系统稳定性和工艺品质来说，周期处理时间、可重复的工艺条件、温度等是必不可少的。正如所讨论的，对平的基板2进行热处理的方法可根据处理温度来确定周期时间。进一步，为了保证从一个基板2至另一个基板2的工艺条件相等，反射装置6、7、主栅线电极9、加热元件14、壳体1和基板载台3的热储存能力、热式质量，对周期时间及其工艺品质具有直接的显著重要性。
为了在关断电能之后将处理温度从上述大于等于900℃减少到小于等于450℃，可主动或被动地使用各种冷却装置8。常用的技术手段是：将诸如水、油等冷却液与反射装置6、7、主栅线电极9、加热元件14、壳体1和基板载台3进行热接触，并将残余热负荷引导到所述热处理室之外。所述系统的设计应首先着眼于减少热处理室的热式质量。
根据一个实施例，在基板2的热处理期间，可以产生大于等于2.5K/s的加热速率。进一步，在到达基板2的处理温度以后，大于等于5K/s的热冷却速率将导致具有所需温度过冲效应的动态、可控的加热系统。这里，厚度小于0.5mm（优选地小于0.15mm）的加热元件14能减少热式质量，并以此积极地影响冷却速率。最小厚度由最小电阻和/或机械稳定性确定。此外，可完成精确的温度控制，这会改进随后进行的涂覆工艺。
根据本发明的一个实施例，在大气压下，未处理的基板2被输送到所述装载-闭锁装置的处理室时，快速的冷却速率是降低诸如氧气等的外部残余反应物分子对反射装置6、7、主栅线电极9、加热元件14、壳体1和基板载台3的影响的先决条件。此外，通过避免例如由在大气压下的温度升高导致的氧化，可增加加热器装置的平均故障间隔时间。在此，本发明实施例的核心部分是通过减少灯罩而把所述平的加热元件14的热式质量降低到最小，即零。
此外，总的温度均匀性--其是随后进行的工艺的必要先决条件--可在整个基板2上显著地增加到小于等于+/-10K的程度。现有技术系统的灯罩的热式质量是不可控制的热源，并且，因为延长了实现了热稳定性的处理时间，总的均匀性更糟了。
另外，还可以预见诸如热电偶和/或辐射温度计的用于测量基板2的温度的装置。当到达最终温度时，停止所述加热处理，启动输送程序，以便将经过加热的基板2输送到诸如随后将进行抽真空处理的隔室之外。而且，特定的“保持”电能可施加到加热组件，以便维持独立于时间的精确调整的温度。因而，所述加热组件在未产生温度过冲的情况下是完全可控的。
在加热处理期间，可通过可移动基板载台3的相应装置来周期性地线性或环形移动基板2。可选地，可稳固地放置基板2。由此可根据均匀性要求而调整温度分布。已经证明摆动运动改进了平的基板2上的总的温度分布。另外，在摆动期间，加热元件14和基板2（他们是基本上平行的平面）之间的间隔保持为小于50mm（优选地小于40mm）。在技术上限定了最小距离，但是该最小距离很少低于10mm。
为了进一步改进热分布，对反射装置6、7进行最优化证明是成功的。在此，不同的表面图案（其改变了反射率）可提高总体均匀性。在本发明实施例中，不同的表面特性——例如不同的反射涂层和/或磨光表面——显示了改变的温度分布，并且在随后的工艺可改进层的特性。
进一步，根据空腔效应，加热元件14之间的间距d可对温度分布产生影响。在本发明的实施例中，间距d和厚度b之间的比值（d:b）大于等于2:1，所述比值对温度均匀性有影响。由此，主栅线电极装置9可确保加热元件14之间的恒定定位。此外，空腔效应可被最小化，并最优化温度分布。
为了补偿由于表面积增加引起的边际损失，平的加热元件14组件与基板2表面积的重叠区域至少大于等于5%宽度b和长度（例如9倍宽度a与8倍距离d的和）。
根据本发明的加热系统或加热元件14组件不局限于作为装载-闭锁装置加热系统的应用。通常可使用其来加热诸如板、片等的延伸二维基板2。基板2的材料可以包括玻璃、玻璃状材料、金属或其他刚性材料。与现有技术的有管状罩子的灯装置相比，当前加热元件14的设计总系统效率提高了200%。此外，周期时间更快，从而具有更高的产出量，这会再次优化所述真空处理系统所有者的总成本。热效率的增加导致了优化的能量输入和利用。因而，与传统的加热系统相比，可减少媒质消耗。
除非被壳体保护起来，由碳复合材料、碳增强的碳材料、碳纤维、碳化硅涂层纤维、石墨、石墨纤维、碳化硅板或者它们的任意组合制造的加热元件14在环境空气中进行操作期间易于受到氧化。由于维持了特定真空（接近于不含氧气的空气），本发明可预防氧化。可采用牺牲电极来防止对加热元件14的损害。例如在从处理环境或装载—闭锁装置中抽出残余氧气期间，所述牺牲电极吸附或移除氧气，并由此保证在实施操作时主要加热元件14系统不受损害。与使用由钨、碳或例如石英壳体的任何其他耐火材料制造的加热器的传统方法相比，通过在加热元件14周围放置保护性壳体可以显著地缩短热处理时间。
所利用的加热材料相当大程度地（即大于等于300%）减少了加热器成本。由于加热元件14材料的厚度b，平面加热元件14的热式质量被最小化，这会导致温度控制的改进，避免了使用任何控制装置。
附图标记列表
1    壳体
2    基板
3    基板载台
4    基板平面
5    加热元件
6    第一反射装置
7    第二反射装置
8    冷却单元
9    主栅线电极
10   第一平面
11   第二平面
12   第一侧面
13   第二侧面
14   加热元件

Claims (14)

1.一种用于处理基板（2）的真空处理系统，其具有用于承载将在基板平面（4）中处理的基板（2）的壳体（1），所述壳体（1）包括第一反射装置（6）和加热装置（5），所述加热装置（5）具有第一平面（10）和相对的第二平面（11），所述加热装置（5）被构造为仅通过所述第一平面（10）和/或所述第二平面（11）来辐射热能，所述第一反射装置（6）被构造为将由所述加热装置（5）辐射的热能反射到所述基板平面（4）上，并且所述加热装置（5）被设置成：使得所述第一平面（10）面对所述第一反射装置（6），并使得所述第二平面（11）面对所述基板平面（4）。
2.根据前述权利要求所述的真空处理系统，所述壳体（1）包括第二反射装置（7），所述第二反射装置（7）被构造为将由所述加热装置（5）辐射的热能反射到所述基板（2）上，并设置所述第二反射装置（7），使得所述加热装置（5）的所述第二平面（11）面对所述第二反射装置（7），还使得所述基板平面（4）设置在所述加热装置（5）和所述第二反射装置（7）之间。
3.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述壳体（1）包括用于冷却所述反射装置（6，7）的冷却单元（8），所述反射装置（6，7）包括第一侧面（12）和相对的第二侧面（13），所述第一侧面（12）面对所述加热装置（5），所述第二侧面（13）背对所述加热装置（5），所述冷却单元（8）设置在所述反射装置（6，7）的第二侧面（13）上并与所述反射装置（6，7）热接触。
4.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述加热装置（5）的第二平面设置成与所述基板平面（4）的距离小于等于50mm，优选地小于等于40mm，更优选地小于等于10mm。
5.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述加热装置（5）具有二维平面尺寸，其表面积大于等于在所述壳体（1）内可承载的所述基板（2）的表面积的5％，所述加热装置（5）包括选自由碳复合材料、碳增强的碳材料、碳纤维、碳化硅涂层纤维、石墨、石墨纤维和/或碳化硅组成的组的材料，并且/或者所述加热装置（5）包括能不受改变地耐受大于等于600℃温度的耐火材料。
6.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述壳体（1）包括用于支撑所述加热装置（5）和/或用于向所述加热装置（5）提供电能的主栅线电极（9）。
7.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述壳体（1）包括用于承载将在所述基板平面（4）内处理的所述基板（2）的基板载台（3）。
8.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述加热装置（5）包括多个矩形加热元件（14），其中每一个所述加热元件（14）具有长度（c）、宽度（a）和厚度（b），并且所述加热元件（14）串联和/或并联地电连接，在平行于分别形成了所述加热装置（5）的第一平面（10）和第二平面（11）的所述基板平面（4）的平面中沿着所述加热元件（14）的宽度（a）和长度（c）设置所述加热元件（14），每一个所述加热元件（14）的宽度（a）大于等于相应加热元件（14）的厚度（b）的500倍，长度（c）大于等于相应加热元件（14）的厚度（b）的3000倍，并且/或者，所述加热元件（14）被设置成彼此相邻，且间距距离（d）大于等于相应加热元件（14）的厚度的2倍，优选地彼此之间的距离（d）大于等于4mm。
9.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述矩形加热元件（14）的厚度（b）小于等于0.5mm，优选地小于等于0.15mm。
10.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述反射装置（6，7）包括选自由铜、铜涂层、镍、镍涂层、金、金涂层、银、银涂层、铝和/或铝涂层组成的组的材料，并且/或者，所述反射装置（6，7）包括具有小于等于N9的表面粗糙度的反射表面。
11.根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统，所述壳体（1）是包括密封开口的装载-闭锁装置，以便在所述真空处理系统内提供真空时，无需破坏所述真空即可出入所述壳体（1）。
12.一种用于操作根据前述任意一项权利要求所述的真空处理系统的方法，其包括以下步骤：
a、在所述壳体（1）内提供表面尺寸大于等于1m2的平面基板（2），以便在所述基板平面（4）中提供所述基板（2）；
b、把所述壳体（1）抽真空到小于等于8*10-2mbar并且大于等于1*10-5mbar；以及，
c、为所述加热装置（5）提供大于等于26kW的电能，以加热所述基板（2）。
13.根据前述权利要求所述的方法，在步骤c期间提供电能，以使得所述基板（2）的加热速率大于等于2.5K/s。
14.根据前述任意一项权利要求所述的方法，在步骤c期间，在所述壳体（1）内周期性地或线性地移动所述基板（2）。
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