CN104919579B - 用于处理被覆层的基质的工艺盒、组件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理被覆层的基质的工艺盒，其带有以下特征：可气密地封闭的壳体，其形成空腔；该壳体包括至少一个壳体截段，其构造成使得基质通过射到该壳体截段上的电磁热辐射可热处理；该壳体具有可与用于其冷却的冷却装置联结的至少一个壳体截段和至少一个不可冷却的壳体截段；空腔被至少一个间隔壁划分成用于容纳基质的处理腔和中间腔，其中，间隔壁具有一个或多个开口且布置在基质与可调温的壳体截段之间；壳体设有通到空腔中的、可封闭的至少一个气体通引部用于排空和将过程气体引入空腔中。此外，其涉及用于处理被覆层的基质的组件和方法，在其中工艺盒的至少一个壳体截段在热处理期间和/或之后被冷却且通过设有一个或多个开口的间隔壁来阻碍在热处理期间所产生的气态物质扩散至被调温的壳体截段，间隔壁布置在被覆层的基质与被调温的壳体截段之间。

Description

用于处理被覆层的基质的工艺盒、组件和方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理被覆层的基质的工艺盒(Prozessbox)、组件和方法。其尤其涉及处理涂覆有用于制造用于薄层太阳能电池的由化合物半导体(Verbindungshalbleiter)构成的吸收器的前体层(Vorlaeuferschicht)的基质。
背景技术
用于将太阳光直接转换成电能的光伏层系统充分已知。其通常被称为“太阳能电池”，其中，术语“薄层太阳能电池”涉及带有仅几微米的较小厚度的层系统，其需要基质用于足够的机械强度。已知的基质包括无机玻璃、塑料(聚合物)或金属、尤其金属合金且可根据相应的层厚和特殊的材料特性被设计为刚性的板或柔韧的薄膜。
鉴于技术上的可操纵性和效率，带有由化合物半导体构成的吸收器的薄层太阳能电池证实为有利的。在专利文献中，已多次说明薄层太阳能电池。就此而言，仅示例性地参照文件DE 4324318 C1和EP 2200097 A1。
在薄层太阳能电池中，主要将由黄铜矿化合物、尤其铜-铟/镓-二硫/二硒(缩写为分子式Cu(In,Ga)(S,Se)2)或锌黄锡矿化合物、尤其铜-锌/锡-二硫/二硒(缩写为分子式Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4)构成的化合物半导体用作吸收器。制造化合物半导体的不同的可能性中近年来主要实施两个方法。这是将各个元素共蒸镀到热基质上以及将元素在单层(前体层或者说先质层)中连续施加到冷基质上，例如通过喷镀，结合快速热处理(RTP=RapidThermal Processing)，在其中实现前体层的真正的结晶和相变成化合物半导体。最后提及的两阶段的操作方式例如在J. Palm等的"CIS module pilot processing applyingconcurrent rapid selenization and sulfurization of large area thin filmprecursors", Thin Solid Films 431-432, 见414-522页(2003)中详细地来说明。
在薄层太阳能模块的大规模生产中，前体层的RTP热处理在在线设备(在其中被覆层的基质依次被输送给不同的处理腔)中实现。这样的方法例如由文件EP 0662247 B1已知。
前体层的RTP热处理是复杂的过程，其要求在几K/s的范围中的快速的加热速率、在基质上(横向)和在基质厚度上均匀的温度分布、在500°C之上的最大温度以及工艺环境的精确控制。尤其在制造黄铜矿化合物时要确保例如施加到基质上的容易挥发的硫族元素(Se和/或S)的足够高的、可控制的且可重现的分压和受控制的过程气体供给(例如H2、N2、Ar、H2S、H2Se、S气体、Se气体)。例如，金属的CuInGa-前体-层堆的在线硒化要求足够的Se量用于完全的硒化。明显的Se损失导致前体层至黄铜矿化合物的不完全转变且甚至较弱的硒损失造成制成的薄层太阳能模块的功率损失。
已知通过工艺盒限制围绕被覆层的基质的处理腔。该工艺盒使能够在热处理期间至少尽可能将容易挥发的硫族成分(如Se或S)的分压保持恒定。此外减少处理腔暴露以腐蚀性气体。这样的工艺盒例如由文件DE 102008022784 A1已知。
在被用于薄层太阳能模块的大规模生产的在线设备中，被覆层的基质或装载有其的工艺盒在索引运行(Indexbetrieb)中经过不同的处理腔，在其中它们被有节拍地输送到相应下一处理腔中。处理腔通常实施为可气密地封闭的(可排空的)腔室，因为整个处理段为了除去氧气和水必须被泵出或排空。虽然基质的处理通常在常压(或出于安全原因较小的负压)下实现，处理腔的气密性是必要的，以便避免氧气和水扩散到处理段中和有毒气体流出。仅输入和输出闸被循环地泵出。
通常，处理腔的结构复杂且技术要求高，因为必需的真空密封性对所使用的材料和设备部件(如真空穿引部、尤其旋转穿引部、阀、运输滚子、气体对接站、冷却板和真空活门)提出最高要求。出于该原因，用于该过程步骤的投资耗费占太阳能工厂的整个投资耗费的显著份额。此外在实践中显示出，技术上复杂的且相对昂贵的部件(其设计用于处理腔的真空密封性)由于被覆层的基质或工艺盒的运输、到大于500°C的较高的最大温度上的加热以及由于腐蚀性的工艺环境遭受明显增加的磨损且可变得不密封。在失效的情况中，整个生产链被必需的维护工作中断。
US专利申请文件Nr. 2005/0238476 A1示出一种用于在受控制的环境中运输基质的装置，其带有壳体，该壳体包括用于基质的可排空的基质腔和副腔。基质腔和副腔通过带有纳米孔的间隔壁彼此分离，其中，间隔壁形成基于Knudsen原理(热渗透)的微型泵。基质腔具有冷却板(去污板)，其中，间隔壁不布置在基质与冷却板之间。而冷却板始终布置在与基质相对的位置中。此外，副腔通过可加热的间隔壁被与通过冷却板冷却的壳体截段或基质腔热去耦。对于泵机构需要加热。
发明内容
与此相对，本发明的目的在于提供一种可使被覆层的基质在技术上明显更简单的且更成本有利的设备中经受热处理的可能性。根据本发明的建议，该目的和另外的目的通过根据并列的权利要求所述的用于处理被覆层的基质的工艺盒、组件和方法来实现。本发明的优选的实施形式由从属权利要求的特征得出。
根据本发明示出一种用于处理被覆层的基质的工艺盒，其选择性地可被用作可运输的或静止的工艺盒。
在本发明的意义中，术语“基质”是指具有两个彼此对立的表面的面状体，其中，在这两个表面的中的一个上施加有典型地包含多个层的层结构。基质的另一表面通常未被覆层。例如涉及用于制造薄层太阳能模块的以化合物半导体(例如黄铜矿化合物或锌黄锡矿化合物)的先质层或前体层涂覆的基质，须使其经受RTP热处理。
根据本发明的工艺盒包括壳体，通过其来形成或者包围可气密地封闭的(可排空的)空腔。空腔的净高度优选地被测定成使得可在尽可能短的时间中泵出气体且满足在RTP热处理中关于氧含量和水分压的高要求。该壳体原则上可由任何适合于所意图的应用的材料(例如金属、玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷、碳纤维强化的碳材料或石墨)制成。
在此是重要的是，工艺盒的壳体具有一个或多个壳体截段，其分别构造成能够通过射到壳体截段上的电磁热辐射热处理。为了该目的，对于用于处理基质的电磁热辐射，用于热处理的壳体截段可以是透明的、部分透明的或不透明的。例如，用于热处理的壳体截段由玻璃陶瓷构成。用于热处理的壳体截段尤其也可包含材料(例如石墨)或由这样的材料构成，该材料适合于至少部分、尤其完全吸收热辐射器的电磁热辐射，以便本身被加热。被加热的壳体截段那么可用作用于加热基质的次级热源，这尤其可导致热量分布的均匀化。
此外，工艺盒的壳体包括一个或多个可调温的或可主动冷却的(第一)壳体截段，其温度可调节到可预设的温度值上。为了该目的，壳体截段分别与(外部的)调温或冷却装置在热技术上可联结或被联结。第一壳体截段例如(流体地)被联结或可联结到冷却装置处且因此可被冷却，而第二壳体截段不被联结到冷却装置处且因此不能被冷却。此外，壳体包括一个或多个不可调温或冷却的、也就是说不可与调温或冷却装置联结的或被联结的(第二)壳体截段，其尤其是使能够通过射到壳体截段上的电磁热辐射热处理的、即处在热辐射器的辐射场中的壳体截段。第一壳体截段不同于第二壳体截段。
可调温的或可冷却的(第一)壳体截段关于基质和使能够通过射到壳体截段上的电磁热辐射热处理的、即处在热辐射器的辐射场中的壳体截段的温度可主动冷却。工艺盒的可调温的或可冷却的壳体截段可在被覆层的基质的热处理之前、期间和/或之后被调温或主动冷却。
如此处和另外被使用的那样，术语“可冷却”是指将壳体截段调温(冷却)到比在热处理中基质的或使能够通过射到壳体截段上的电磁热辐射热处理的、即处在热辐射器的辐射场中的壳体截段的温度更低的温度上。例如，壳体截段被调温到在20°C至200°C的范围中的温度上。通过该调温(冷却)，在真空技术中常见的塑料密封件(弹性体、含氟弹性体)和其它相对成本有利的标准部件可被用于工艺盒的真空密封，然而其不能持久地经受住超过200°C的温度。
此外，工艺盒的壳体包括通到空腔中的(例如通过阀)可封闭的至少一个气体通引部(Gasdurchfuehrung)用于排空空腔和将过程气体引入空腔中。为了该目的，气体通引部尤其可通到中间腔中。过程气体例如可包含反应性气体(如H2S、H2Se、S蒸气、Se蒸气或H2)以及惰性气体(如N2、He或Ar)。
在根据本发明的工艺盒中，由壳体构造的空腔通过至少一个间隔壁被划分成用于容纳被覆层的基质的处理腔和中间腔，其中，间隔壁布置在被覆层的基质与被主动冷却的、也就是说与冷却装置可联结的或者被联结的(第一)壳体截段之间。处理腔仅由该至少一个间隔壁和工艺盒的一个或多个不可调温的、也就是说不与冷却装置相联结的(第二)壳体截段包围。
重要的是，间隔壁用作对于在热处理期间在处理腔与中间腔之间的气体交换的扩散障碍(蒸气障碍)，然而至少短暂地在热处理之前和之后使在处理腔与中间腔之间的气体交换成为可能，从而实现穿过间隔壁从处理腔泵出气态物质以及以过程气体填充。为了该目的，间隔壁具有一个或多个开口或穿孔，通过其处理腔和中间腔在流动技术上相互连接。通常，开口可具有任意形状、例如槽形或圆孔形且也可布置在边缘。
在一有利的设计方案中，间隔壁不伸至壳体壁，使得在间隔壁与壳体壁之间留有开口、尤其缝隙。
间隔壁尤其可由多孔材料或设有管(直的、斜的或弯曲的管)的材料构成或者包括这样的材料。
例如(然而非强制性地)，间隔壁的相应的开口的最小尺寸(例如半径或直径)大于在处理腔中的气体微粒的平均自由行程。
通常，通过间隔壁来形成用于处理被覆层的基质的处理腔，其通过间隔壁与中间腔近似气密地分离。不同于敞开的处理腔(其允许在处理腔与外部环境之间的自由的气体交换)，以及不同于在其中在处理腔与外部环境之间的这样的气体交换被完全阻止的气密的处理腔，在处理腔与中间腔之间的气体交换被间隔壁阻碍。该蒸气障碍基于自由行程的压力相关性：在接近常压(700-1000mbar)下，通过比较小的开口的扩散被阻碍。而如果将中间腔泵出到在预真空范围(10-1000μbar)中的压力上，自由行程明显提高而间隔壁仅还表现出对气体交换的较弱的扩散障碍。处理腔可通过间隔壁被泵出且过程气体在泵出之后通过到工艺盒中的入口还流入处理腔中。尤其可通过近似气密的间隔壁将在热处理期间在处理腔中易挥发的硫族成分(如硒或硫)的分压至少尽可能保持恒定。
通常，根据本发明的工艺盒构造成使得其为了以被覆层的基质装载且为了移除被处理的基质可被打开或封闭或者被组装而(无破坏地)又被拆解。
通过根据本发明的工艺盒可实现多个优点。由此，通过使空腔气密地构造有通到空腔中的可封闭的至少一个气体通引部可实现处理腔的排空(尤其为了泵出腐蚀性的过程气体以及降低氧含量和水分压)以及以惰性气体冲洗和以过程气体填充。因此，不需要将用于基质的热处理的闸和处理工位实施成气密的或可排空的，从而可使设备在技术上明显简化且可显著降低用于其制造和维护的成本。因为腐蚀性过程气体仅在工艺盒的空腔中存在，可避免设备的部件(如用于运输工艺盒的输送辊或用于被覆层的基质的热处理的热辐射器)的提高的磨损。此外可以以有利的方式取消在设备的可真空区域(工艺盒)中的运动零件。工艺盒的空腔的排空可快速且高效地来实现。这同样适用于以过程气体的填充，其中，过程气体可经济有效地以最小量使用。工艺盒的至少一个壳体截段的调温(主动冷却)使在热处理期间的工艺盒的尤其可真空的部件的磨损的减小和必要时在热处理之后被覆层的基质的主动冷却的支持成为可能。通过用作扩散或蒸气障碍的间隔壁可防止在热处理期间产生的挥发性成分(如硫族元素硫和硒)在被调温的(主动冷却的)壳体截段上冷凝，以便由此使在工艺环境中的挥发性成分的损失最小且将其在工艺环境中的分压至少尽可能保持恒定。因此，可使挥发性的硫族元素的消耗最小且改善所制造的化合物半导体的质量。此外通过间隔壁，相对工艺盒的空腔还可进一步减小处理腔。通过气密的工艺盒，被引入工艺盒中的基质被良好地保护免受环境影响。在制造设备中，被装载的工艺盒可在不同的处理工位之间来运输，而不须将被覆层的基质从工艺盒中移除。该工艺盒可自由选择地以一个或多个被覆层的基质来装载，其中，以多个基质装载对于提高生产能力可以是优选的。
如已实施的那样，通过间隔壁实现空腔近似气密地划分成处理腔和中间腔，其中，间隔壁为了该目的设有一个或多个开口。优选地，间隔壁构造成使得在热处理期间通过被覆层的基质的热处理所产生的气态物质从处理腔出来的质量损失小于在热处理期间所产生的气态物质的质量的50%、优选地小于20%、更优选地小于10%。有利地，间隔壁为了该目的构造成使得由该一个或多个开口的(总)开口面积除以处理腔的内部表面积(内表面积)所形成的面积比处在5x10-5至5x10-4的范围中。由此可以以有利的方式实现，间隔壁的该一个或多个开口的(总)开口面积一方面够大到足以使处理腔的顺利排空以及以过程气体的填充成为可能，另一方面足够小，使得间隔壁用作对于在热处理期间在处理腔中所产生的挥发性成分的有效的蒸发或扩散障碍。
在工艺盒的一特别有利的设计方案中间隔壁包含或由具有这样的热膨胀系数的金属构成，使得该一个或多个开口的(总)开口面积通过在热处理期间间隔壁的加热减小到初始值(在热处理之前的总开口面积)的最大50%、优选地最大30%、更优选地最大10%上。有利地，间隔壁为了该目的包含或由带有大于5x10-6 K-1的热膨胀系数的材料构成。以该方式提供一种温度受控的间隔壁，在其中一方面在较冷的状态中通过较大的(总)开口面积来实现处理腔的特别有效的泵出以及处理腔以过程气体的填充，另一方面在较热的状态中在热处理期间通过较小的(总)开口面积来实现特别有效地阻碍在热处理期间所产生的气态物质从处理腔扩散到中间腔中。间隔壁尤其可构造成使得在热处理期间(总)开口面积至少近似被减小到零，使得在热处理期间实际完全阻止在处理腔与中间腔之间的气体交换。
在根据本发明的工艺盒的一有利的设计方案中，工艺盒的壳体包括底部、盖以及将底部和盖相互连接的框架。底部和盖例如分别实施为板，其中，底部和/或盖由这样的材料(例如玻璃陶瓷)构成，使得被覆层的基质可通过在底部的下侧和/或盖的上侧处所供给的热辐射的辐射能量被热处理。可调温的(可主动冷却的)壳体截段由至少一个框架截段来形成。同样地，该框架可设有通到空腔中的、可封闭的该至少一个气体通引部以及设有至少一个气体接口，以便排空空腔且使处理腔在一定的过程步骤期间针对性地设有一定的气体环境。
在工艺盒的装配状态中，空腔气密地来构造，其中，例如盖可构造成可从框架取下，使得处理腔可以以简单的方式以被覆层的基质来装载或使被处理的基质卸载。在工艺盒的一特别有利的设计方案中，框架包括与底部固定地连接的第一框架件和与盖固定地连接的第二框架件，其中，这两个框架件为了形成空腔可相互气密地接合。
在一备选于此的设计方案中，工艺盒包括具有带有壳体开口的一件式的壳体截段的壳体，该壳体开口通过优选地可调温的(可主动冷却的)封闭件例如侧向气密地可封闭。间隔壁例如平行于封闭件。
在本发明的另一有利的设计方案中，可与冷却装置联结的壳体截段具有通到中间腔中的(例如通过阀)可封闭的气体通引部用于抽出/供给至少一个气态物质(例如排空和引入过程气体)。这样的气体通引部例如设有气体接口、尤其用于控制气流的阀。通过壳体截段的冷却，在真空技术中常见的塑料密封件和其它类似的成本有利的标准部件可被用于该装置的真空密封。带有气体通引部的被冷却的壳体截段尤其是用于封闭壳体开口的封闭件。
此外，本发明延伸到一种用于处理被覆层的基质的组件，其带有如上所述地构造的工艺盒、用于产生电磁热辐射的一个或多个热辐射器(其邻近于工艺盒的该至少一个用于热处理的壳体截段布置)以及调温或冷却装置，其与该至少一个可调温的(可主动冷却的)壳体截段为了其调温(主动冷却)在热技术上相联结。
在上述组件中，热辐射器以特别有利的方式布置成使得中间腔至少部分、尤其完全位于热辐射器的共同的辐射场之外。通过该措施可实现，在间隔壁与工艺盒的调温的(被主动冷却的)壳体截段之间建立温度梯度(温度障碍)。优选地，该温度梯度这样使得在间隔壁处达到用于被覆层的基质的热处理的可预设的处理温度。热辐射器为了该目的例如仅可布置在处理腔之上和/或之下。
此外，本发明延伸到一种用于在可运输的或静止的工艺盒中处理被覆层的基质的方法，该工艺盒尤其可如上所述地来构造。该方法包括以下步骤：
- 将被覆层的基质引入工艺盒的空腔中，
- 气密地封闭工艺盒的空腔，
- 通过电磁热辐射热处理被覆层的基质，该电磁热辐射由布置在工艺盒之外的热辐射器来产生且射到工艺盒的至少一个用于热处理的壳体截段上，其中，在热处理期间由被覆层的基质产生至少一个气态物质，
- 在热处理期间且必要时在其之后调温或冷却工艺盒的至少一个壳体截段，
- 通过设有一个或多个开口的间隔壁阻碍在热处理器期间所产生的气态物质扩散至被调温的或冷却的壳体截段，该间隔壁布置在被覆层的基质与被调温的或冷却的壳体截段之间。
在该方法中，工艺盒的该至少一个用于热处理的壳体截段(热辐射射到其上)不被调温或冷却。
在该方法的一有利的设计方案中，位于间隔壁与被调温的或冷却的壳体截段之间的中间腔至少部分、尤其完全不被电磁热辐射照射。
在该方法的另一有利的设计方案中，间隔壁的一个或多个开口的(总)开口面积在热处理期间通过间隔壁的加热被减小到初始值(在热处理之前的总开口面积)的最大50%、优选地最大30%、更优选地最大10%。
在该方法的另一有利的设计方案中，工艺盒的空腔在被覆层的基质的热处理之前和/或之后被排空并且/或者被填充以过程气体(带有负压或超压)。
应理解的是，本发明的不同设计方案可单独地或以任意组合来实现。前面所提及的和接下来待阐述的特征不尤其仅可以以所说明的组合、而且可以以其它组合或单独地应用，而不离开本发明的范围。
附图说明
现在来详细阐述本发明，其中，参考附图。在简化的、不按比例的图示中：
图1显示了用于处理被覆层的基质的根据本发明的工艺盒的普遍的横截面图示；
图2显示了带有端侧的封闭件的图1的工艺盒的透视图；
图3A-3C按照不同图示显示了根据本发明的工艺盒的一实施例；
图4显示了带有两个可接合的框架件的图3A-3C的工艺盒的一变体；
图5A-5F显示了根据本发明的工艺盒的温度受控的间隔壁的不同变体。
具体实施方式
在附图中说明水平地定位在典型的工作位置中的工艺盒。应理解的是，工艺盒也可不一样地定向而在接下来的说明中做出的位置和方向说明仅涉及在附图中工艺盒的图示，其中，本发明不应由此受限制。
首先观察图1和2，其中示出了用于处理被覆层的基质2的根据本发明的工艺盒1的普遍的剖示图(图1)以及带有端侧的封闭件9的这样的工艺盒1的透视性视图(图2)。工艺盒1用于处理被单侧覆层的基质2，例如用于热处理前体层以转化成化合物半导体、尤其黄铜矿化合物。虽然仅示出唯一的基质2，工艺盒1同样可被用于处理两个或多个基质2。
工艺盒1包括此处例如方形的壳体3，其带有壳体壁4，壳体壁4由底壁5、盖壁6和环绕的侧壁7组成。壳体壁4包围气密的或可排空的空腔11，其通过可取下的封闭件9可气密地封闭。如在图2中所示，壳体3例如可具有端侧的壳体开口8，其通过可门式安放的封闭件9(其形成侧壁7的一部分)可封闭。通常，壳体开口8和所属的封闭件9可自由选择地放置在壳体壁4的任意壁截段处。底壁5在中间的区域中用作用于基质2的支承面，其中，同样也可设置有相应的间隔垫片或支撑元件。
工艺盒1的壳体壁4可由相同的材料或彼此不同的材料构成。典型的材料是金属、玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷、碳纤维强化的碳材料或石墨。在此重要的是，盖壁6和底壁5分别构造成使得通过从外以电磁热辐射形式供给的热能可实现被覆层的基质2的热处理。该热能可在图1中示意性表示的组件10中通过在盖壁6之上以及在底壁5之下例如排状布置的热辐射器12来供给。例如，盖壁6和底壁5为了该目的由对于射入的电磁辐射透明的或至少部分透明的材料、例如玻璃陶瓷构成。盖壁6和底壁5也可仅逐段地由这样的材料构成。同样也可能盖壁6和底壁5由材料构成或包括这样的材料，其适合于至少部分地、尤其完全地吸收电磁辐射，以便本身被加热，例如石墨。在该情况中，盖壁6和底壁5用作被动被加热的次级热源。
如在图2中可辨识出的那样，壳体壁4、此处例如封闭件9设有两个冷却剂接口13、13'，其用作用于在未详细示出的、至少逐段地尤其完全地穿过环绕的侧壁7的冷却剂管路系统中的冷却剂的入口或出口。通过引入的冷却剂，环绕的侧壁7可至少逐段地被调温到可预设的温度上或关于在热处理中的基质温度被主动地冷却。为了该目的，这两个冷却剂接口13、13'可被与用于准备和冷却冷却剂的调温或冷却装置14在流动技术上相连接。通常，在工艺盒中仅来调温或冷却那些不用于通过从外以电磁热辐射的形式供给的热能热处理被覆层的基质2的壳体截段(此处例如环绕的侧壁7或至少其中的一截段)。在该示例中，仅封闭件9被调温或冷却。作为冷却剂例如可使用油或水。调温或主动冷却备选地也可通过由与冷却体(例如冷却板)的接触的接触冷却(热传导)、风扇(对流冷却)或无接触地通过相间隔的冷却体(辐射冷却)来实现。
此外，壳体3包括设有阀15的气体通引部16，其通到空腔11中。气体通引部16此处例如布置在端侧的封闭件9中。经由气体接口17，通过联结到泵出装置18(真空泵)处可将空腔11排空。此外，气体接口17可被联结到气体供给装置19处，以便通过引入惰性的扫气来冲洗空腔11或以带有负压或超压的反应性的过程气体来填充。通过阀15(例如多路阀)可自由选择地打开或气密地封闭气体通引部16。空腔11具有相对小的净高度，其例如处在7至12mm的范围中，以便使能够顺利排空和有效填充以过程气体。
空腔11通过条状的间隔壁20被近似气密地划分成处理腔21和中间腔22，其中，被覆层的基质2仅容纳在处理腔21中。气体通引部16通到中间腔22中。间隔壁20设有一个或者多个开口或穿孔，处理腔21通过其与中间腔22在流动技术上相连接。
如在图1的竖直剖示图中可辨识出的那样，间隔壁20(其在竖直方向上从底壁5向盖壁6的方向延伸)不完全伸到直至盖壁6，从而留有缝隙23作为间隔壁20的开口。在图2中示出一变体，在其中间隔壁20延伸直至盖壁6且设有多个大约在中间布置成排的水平槽24作为开口。通过缝隙23或槽24，处理腔21与中间腔22在流动技术上相连接，使得相互的气体交换是可能的、然而由于缝隙23或槽24的较小的竖直尺寸或高度被阻碍。间隔壁20因此用作在处理腔21与中间腔22之间的扩散或蒸发障碍。
间隔壁20用作扩散或蒸发障碍的特性基于自由行程的压力相关性。在几乎常压(700-1000mbar)下，扩散通过间隔壁20的(多个)比较小的开口被阻碍。而如果中间腔22被泵出到在预真空范围(10-1000μbar)中的压力上，自由行程明显提高而间隔壁20仅还表现出对于气体交换的较弱的扩散障碍。处理腔21因此可穿过间隔壁20被泵出而过程气体可在泵出之后通过进入中间腔22中还流动到处理腔21中。另一方面，通过间隔壁20可将在处理腔21中易挥发的硫族成分如硒或硫(其在热处理期间从被覆层的基质2扩散/蒸发出)的分压在基质的热处理期间至少尽可能保持恒定。间隔壁20因此在基质2的热处理中例如用作硒障碍。
通常，缝隙23或槽24的(共同的)开口面积25被测定成使得在基质2的热处理期间通过被覆层的基质2的热处理在处理腔21中所产生的气态物质从处理腔21出来的质量损失小于在处理腔21中所产生的气态物质的质量50%、优选地小于20%、更优选地小于10%。为了该目的，间隔壁20构造成使得由开口面积25除以处理腔21的内部的表面积或内表面积形成的面积比处在5x10-5至5x10-4的范围中。
例如，处理腔21的内表面积26具有大约1.2m2的尺寸。缝隙23的平均缝隙高度例如处在50至100μm的范围中，相应于在2至5cm2的范围中的开口面积25。间隔壁20例如具有9mm的高度。由这些值得出1.5x10-4的面积比。
通过用作蒸气或扩散障碍的间隔壁20可至少尽可能阻止在热处理期间在处理腔21中产生的挥发性成分扩散到中间腔22中，从而防止挥发性成分冷凝在被调温的(被主动冷却的)侧壁7(这里封闭件9)处。因此可将处理腔21中的工艺环境保持至少近似恒定。
如在图2中所示，中间腔22至少部分、尤其完全位于热辐射器12的(共同的)辐射场之外，从而在热处理期间构造在中间腔22中从间隔壁20至被调温的(被主动冷却的)侧壁7、此处特别是封闭件9的温度梯度。该温度梯度用作用于保护工艺盒1的可真空的部件免受较高的热载荷的“温度障碍”。为了该目的，热辐射器12仅在间隔壁20之前或直至间隔壁20布置在处理腔21之上或之下。热辐射器12分别在中间腔22或间隔壁20之前至少若干厘米终止。另一方面，热辐射器12布置成使得提升的温度梯度构造成使得在间隔壁20之前或至少在间隔壁20的高度上从侧壁7、特别是封闭件9出发直至间隔壁20达到用于被覆层的基质2的热处理的所期望的处理温度，以便保证基质2的前体层充分转化成化合物半导体。
在图1中所示的通常的实施形式中，间隔壁20、中间腔22和侧壁7的(多个)可调温的或可冷却的截段可侧向地在一方向上、在两个方向上或环绕地(框架)来设计。在图2的实施形式中，间隔壁20、中间腔22和侧壁7(封闭件9)的可调温的截段仅在一空间方向上来实施。
基质2例如由带有在1mm至4mm、尤其2mm至3mm的范围中的厚度的玻璃构成。基质2设有未详细示出的层结构，其例如由吸收器(例如黄铜矿化合物或锌黄锡矿化合物)的须经受RTP热处理的前体层构成。该层结构例如涉及氮化硅/钼/铜-铟-镓/硒的层顺序。例如，氮化硅层具有在50nm至300nm的范围中的厚度，钼层具有在200nm至700nm的范围中的厚度，铜-铟-镓层具有在300nm至1000nm的范围中的厚度而硒层具有在500nm至2000nm的范围中的厚度。
工艺盒1可以以简单的方式自动化地来装配且通过壳体开口8来装载或卸载。在此，分别在打开和关闭时须使间隔壁20移动成使得可将基底2带入。
参照图3A-3C，根据不同的图示来说明以通常的形式在图1中所示的工艺盒1的另一实施例。
相应地，工艺盒1包括底板27，在边缘区域中环绕地闭合的框架28松动地、但是可密封地安放到底板27上。可考虑将框架28与底板27固定地连接。如在图3A和3B的竖直剖示图中可良好地辨识出的那样，底板27在中间区域中用作对基质2的支承，其中，同样可设置有相应的间隔垫片或支撑元件。平面的盖板29松动地安放到框架28上。通过从框架28取下盖板29，工艺盒1可以以简单的方式以被覆层的基质2尤其自动化地来装载或被处理工的基质2被取出。图3A显示了带有取下的盖板29的敞开的工艺盒1，图3B显示了带有安放到框架28上的盖板29的闭合的工艺盒1。
在工艺盒1中，底板27、框架28和盖板29堆垛状地彼此相叠或上下布置且共同地包围气密的或可排空的空腔11。空腔11通过相应于框架28环绕地闭合地构造的条状的间隔壁20被近似气密地划分成(内部的)处理腔21和环绕的(外部的)中间腔22。中间腔22包围处理腔21。类似于图1，条状的间隔壁20在竖直方向上从底板27向盖板29的方向延伸，其中，在间隔壁20与盖板29之间留有狭窄的缝隙23。通过缝隙23，处理腔21与中间腔22在流动技术上相连接，从而可实现相互的气体交换，其中，间隔壁20然而用作扩散或蒸发障碍。参照图1的关于此的实施方案。
如在图3C中可见，设有阀15的气体通引部16通过框架28通到中间腔22中，以便排空空腔11、以惰性的扫气(例如N2)冲洗且以过程气体填充。通过气体通引部16引入的过程气体例如可包含反应性气体如H2S、H2Se、S蒸气、Se蒸气或H2以及惰性气体如N2、He或Ar。
此外如在图3C中可见，框架28设有两个冷却剂接口13、13'，其用作用于冷却剂到未详细示出的宽阔地穿过框架28的冷却剂系统中的入口或出口。通过被引入框架28中的冷却剂，框架28可在基质2的热处理期间而如果期望还在基质2的热处理之后被调温(主动冷却)。为了该目的，这两个冷却剂接口13、13'与用于准备和冷却冷却剂的冷却装置14在流动技术上相连接。框架28优选地由带有高导热性的材料、例如由金属材料、尤其不锈钢构成。
底板27和盖板29分别构造成使得通过在工艺盒1之上或之下以电磁热辐射的形式供给的热能实现被覆层的基质2的热处理。参照图1的关于此的实施方案。例如，底板27和盖板29为了该目的由玻璃陶瓷构成。
通过用作蒸发或扩散障碍的间隔壁20，可至少尽可能阻止在热处理期间在处理腔21中产生的挥发性成分扩散到中间腔22中，从而防止挥发性成分冷凝在被调温的(被主动冷却的)框架28处。因此可将处理腔21中的工艺环境保持至少近似恒定。
在图4中示出了图3A-3C的工艺盒1的一变体。为了避免不必要的重复仅示出与图3A-3C的区别而其它方面参照关于此的实施方案。相应地，工艺盒区别在于框架28由两个框架件30、31构成，其可气密地被相互接合。由此设置有下部的第一框架件30，其具有第一支承面32，靠向其通过第一夹持元件34将底板27夹紧成固定连接。相应地设置有上部的第二框架件31，其具有第二支承面33，靠向其通过第二夹持元件35将盖板29夹紧成固定连接。如通过双箭头所示，可将第二框架件31从第一框架件30取下，以便以基质2装载工艺盒1或取出被处理的基质2。另一方面，这两个框架件30、31可被气密地接合，其中，通过密封元件36保证所要求的气密性。工艺盒1特征在于特别简单的可自动化的装载性和卸载性。
现在参考图5A-5F，其中说明了工艺盒1的间隔壁20的不同变体。分别涉及温度受控的间隔壁20，其为了该目的由具有这样的热膨胀系数的材料构成，使得相应的开口或穿孔的总开口面积25通过在热处理期间间隔壁20的加热减小到初始值(在热处理之前的总开口面积25)的最大50%、优选地最大30%、更优选地最大10%上。为了该目的，间隔壁20由带有大于5x10-6 K-1的热膨胀系数的材料构成。对此的示例是带有9x10-6 K-1的热膨胀系数的一定的玻璃陶瓷、带有在6.5x10-6 K-1至9x10-6 K-1的范围中的热膨胀系数的氧化铝(Al2O3)、带有在10x10-6 K-1至13x10-6 K-1的热膨胀系数的氧化锆和氧化镁。此外，间隔壁20的材料必须耐高温和抗腐蚀。
在图5A和5B中，工艺盒1的构造为竖直的条的间隔壁20分别以竖直剖示图示出。相应地，间隔壁20不伸至盖壁6或盖板29，从而保留缝隙23作为用于处理腔21和中间腔22的流动技术连接的开口。在图5A中示出一情况，在其中侧壁7或框架28被调温到温度T=150ºC上，而间隔壁20具有温度T=50ºC。间隔壁20的材料比较冷，缝隙23敞开较宽。缝隙23的竖直尺寸或平均的缝隙高度(净宽度)对于大约10mm的间隔壁20的高度处在50至100μm的范围中。在加热时，间隔壁20的材料比较强地延展，其中，平均缝隙高度减小(图5B)。例如，在将间隔壁20加热到温度T=450ºC(温差400ºC)的情况下获得大约40μm的间隔壁20竖直尺寸的变化，使得缝隙23的平均缝隙高度减小到在10至50μm(即初始值的最大50%)的范围中的值上。
在图5C和5D中，根据对间隔壁20的视图示出一变体。为了避免不必要的重复，仅阐述与图5A和5B的区别而在其它方面参照那里的实施方案。相应地，条状的间隔壁20从底壁5或底板27延伸至盖壁6或盖板29，其中，一个或多个竖直的缝隙23以间隔壁20的穿孔形式来构造。在水平方向上测定的缝隙宽度处在50至100μm的范围中(图5C)。通过与10mm的高度相比更大的在两个缝隙23之间的间隔壁区域的尺寸，在将间隔壁20加热到例如T=450ºC的温度上时可达到比较大的行程，其例如可为数个100μm。在此，缝隙23的总开口面积尤其可被减小到初始值的例如最大50%。
在图5E和5F中，根据对间隔壁20的视图示出另一变体。为了避免不必要的重复，又仅阐述与图5A和5B的区别而在其它方面参照在那里的实施方案。相应地，代替缝隙23设置有多个圆孔37，其分别以间隔壁20的穿孔的形式来构造。由一情况(在其中间隔壁20的温度例如为T=150ºC(图5E))出发，可通过将间隔壁20加热到例如T=450ºC的温度上来实现圆孔37的开口直径的减小(图5F)。在此，圆孔37的总开口面积尤其可被减小到初始值的例如最大50%上。
根据本发明的工艺盒1使能够在一设备中处理基质2，在该设备中处理工位无须构造成可真空的腔室，从而显著减少投资耗费。此外可避免由于较高的温度和腐蚀性气体设备部件磨损增加。在工艺盒1中，可以以受控制的方式在RTP热处理期间实现前导体材料转化成吸收器。工艺盒1支持用于带有较高品质或质量要求的薄层太阳能模块的被覆层的基质2的制造。
附图标记清单
1 工艺盒
2 基质
3 壳体
4 壳体壁
5 底壁
6 盖壁
7 侧壁
8 壳体开口
9 封闭件
10 组件
11 空腔
12 热辐射器
13, 13' 冷却剂接口
14 冷却装置
15 阀
16 气体通引部
17 气体接口
18 泵出装置
19 气体供给装置
20 间隔壁
21 处理腔
22 中间腔
23 缝隙
24 槽
25 开口面积
26 内表面积
27 底板
28 框架
29 盖板
30 第一框架件
31 第二框架件
32 第一支承面
33 第二支承面
34 第一夹持元件
35 第二夹持元件
36 密封元件
37 圆孔。

Claims (22)

1.一种用于处理被覆层的基质(2)的工艺盒(1)，包括：
- 能够气密地封闭的壳体(3)，其具有包围空腔(11)的壳体壁(4)，
- 所述壳体壁(4)包括至少一个第一壳体壁截段，所述至少一个第一壳体壁截段能够与用于其冷却的冷却装置(14)联结，
- 所述壳体壁(4)包括至少一个第二壳体壁截段(5,6;27,29)，其构造成使得所述基质(2)通过射入的电磁热辐射能够热处理，其中所述第二壳体壁截段(5,6;27,29)不同于所述第一壳体壁截段，
- 所述空腔(11)通过至少一个间隔壁(20)被划分成用于容纳所述基质(2)的处理腔(21)和中间腔(22)，其中，所述间隔壁(20)具有一个或多个开口(23,24,37)且布置在所述基质(2)和能够与所述冷却装置(14)联结的所述第一壳体壁截段之间，其中所述间隔壁(20)构造成使得在热处理期间通过被覆层的所述基质(2)的热处理所产生的气态物质从所述处理腔(21)出来的质量损失小于50%，并且其中，所述间隔壁(20)构造成使得由一个或多个所述开口(23,24,37)的总开口面积(25)除以所述处理腔(21)的内表面积(26)所形成的面积比处于5x10-5至5x10-4的范围中，
- 所述壳体壁(4)设有通到所述空腔(11)中的、能够封闭的至少一个气体通引部(16)用于排空和将过程气体引入所述空腔(11)中。
2.根据权利要求1所述的工艺盒(1)，在其中所述间隔壁(20)构造成使得在热处理期间通过被覆层的所述基质(2)的热处理所产生的气态物质从所述处理腔(21)出来的质量损失小于20%。
3.根据权利要求2所述的工艺盒(1)，在其中所述间隔壁(20)构造成使得在热处理期间通过被覆层的所述基质(2)的热处理所产生的气态物质从所述处理腔(21)出来的质量损失小于10%。
4.根据权利要求1或2所述的工艺盒(1)，在其中所述间隔壁(20)包含具有这样的热膨胀系数的材料，使得一个或多个所述开口(23,24,37)的总开口面积(25)通过在热处理期间所述间隔壁(20)的加热减小到在热处理之前的总开口面积(25)的最大50%。
5.根据权利要求4所述的工艺盒(1)，在其中所述间隔壁(20)包含具有这样的热膨胀系数的材料，使得一个或多个所述开口(23,24,37)的总开口面积(25)通过在热处理期间所述间隔壁(20)的加热减小到在热处理之前的总开口面积(25)的30%。
6.根据权利要求4所述的工艺盒(1)，在其中所述间隔壁(20)包含具有这样的热膨胀系数的材料，使得一个或多个所述开口(23,24,37)的总开口面积(25)通过在热处理期间所述间隔壁(20)的加热减小到在热处理之前的总开口面积(25)的10%。
7.根据权利要求1或2所述的工艺盒(1)，在其中所述间隔壁(20)包含带有大于5x10-6K-1的热膨胀系数的材料。
8.根据权利要求1或2所述的工艺盒(1)，在其中所述壳体(3)包括底部(27)、盖(29)以及将底部(27)和盖(29)相互连接的框架(28)，其中，能够与冷却装置(14)联结的所述壳体截段由至少一个框架截段形成。
9.根据权利要求8所述的工艺盒(1)，在其中所述框架(28)包括与所述底部(27)固定地连接的第一框架件(30)和与所述盖(29)固定地连接的第二框架件(31)，其中，这两个框架件(30,31)为了形成所述空腔(11)能够气密地相互接合。
10.根据权利要求1或2所述的工艺盒(1)，在其中所述壳体壁(4)包括：
- 包围所述空腔(11)的一件式的壳体壁截段(5-7)，其带有壳体开口，
- 用于气密地封闭所述壳体开口的封闭件(9)。
11.根据权利要求10所述的工艺盒(1)，在其中能够与冷却装置(14)联结的所述第一壳体壁截段包含所述封闭件(9)。
12.一种用于处理被覆层的基质(2)的组件(10)，其包括：
- 根据权利要求1或2所述的工艺盒(1)，
- 用于产生电磁热辐射的一个或多个热辐射器(12)，其邻近于所述工艺盒(1)的至少一个用于热处理的第二壳体壁截段(5,6;27,29)来布置，
- 冷却装置(14)，其与所述至少一个第一壳体壁截段为了所述至少一个壳体截段的冷却相联结。
13.根据权利要求12所述的组件(10)，在其中所述热辐射器(12)布置成使得中间腔(22)至少部分地位于所述热辐射器(12)的共同的辐射场之外。
14.根据权利要求12所述的组件(10)，在其中所述热辐射器(12)布置成使得中间腔(22)完全地位于所述热辐射器(12)的共同的辐射场之外。
15.根据权利要求13或14所述的组件(10)，在其中所述热辐射器(12)仅布置在处理腔(21)之上和/或之下。
16.一种用于在可运输的或静止的根据权利要求1或2所述的工艺盒(1)中处理被覆层的基质(2)的方法，其包括以下步骤：
- 将被覆层的所述基质(2)引入所述工艺盒(1)的空腔(11)中，
- 气密地封闭所述工艺盒(1)的空腔(11)，
- 通过电磁热辐射热处理被覆层的所述基质(2)，所述电磁热辐射由布置在所述工艺盒(1)之外的热辐射器(12)产生且射到所述工艺盒(1)的用于热处理的至少一个第二壳体壁截段(5,6;27,29)上，其中，在热处理期间至少一种气态物质由被覆层的所述基质(2)产生，
- 在热处理期间冷却所述工艺盒(1)的至少一个第一壳体壁截段，
- 通过设有一个或多个开口(23,24,37)的间隔壁(20)阻碍在热处理期间所产生的气态物质扩散至被冷却的所述第一壳体壁截段，所述间隔壁(20)布置在被覆层的所述基质(2)与被冷却的所述第一壳体壁截段之间。
17.根据权利要求16所述的方法，在其中位于所述间隔壁(20)与被冷却的所述第一壳体壁截段之间的中间腔(22)至少部分不被电磁热辐射照射。
18.根据权利要求16所述的方法，在其中位于所述间隔壁(20)与被冷却的所述第一壳体壁截段之间的中间腔(22)完全不被电磁热辐射照射。
19.根据权利要求16或17所述的方法，在其中所述间隔壁(20)的一个或多个开口(23,24,37)的总开口面积(25)在热处理期间通过所述间隔壁的加热被减小到在热处理之前的初始值的最大50%。
20.根据权利要求16或17所述的方法，在其中所述间隔壁(20)的一个或多个开口(23,24,37)的总开口面积(25)在热处理期间通过所述间隔壁的加热被减小到在热处理之前的初始值的最大30%。
21.根据权利要求16或17所述的方法，在其中所述间隔壁(20)的一个或多个开口(23,24,37)的总开口面积(25)在热处理期间通过所述间隔壁的加热被减小到在热处理之前的初始值的最大10%。
22.根据权利要求16或17所述的方法，在其中所述工艺盒(1)的空腔(11)在被覆层的所述基质(2)的热处理之前和/或之后被排空，并且以过程气体来填充。
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