DE102008030679A1 - Device for the diffusion treatment of workpieces - Google Patents
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung von Werkstücken, die eine Außenkammer umfasst, wobei innerhalb der Außenkammer mindestens ein Reaktionsbereich mit Mitteln zur Evakuierung, Mitteln zur Gaszufuhr und Mitteln zur Beheizung des ersten Reaktionsbereichs angeordnet ist, wird vorgeschlagen, dass das Mittel zur Gaszufuhr flächig ausgebildet ist und mit geringem Abstand und parallel zur Substratebene angeordnet ist, so dass der Reaktionsbereich im Betrieb der Vorrichtung auf einer Seite durch das Mittel zur Gaszufuhr und auf der anderen Seite durch ein zu behandelndes Werkstück begrenzt ist.In a device for the diffusion treatment of workpieces, which comprises an outer chamber, wherein within the outer chamber at least one reaction region is arranged with means for evacuation, means for supplying gas and means for heating the first reaction region, it is proposed that the means for gas supply is formed flat and is arranged at a small distance and parallel to the substrate plane, so that the reaction region is limited in the operation of the device on one side by the means for gas supply and on the other side by a workpiece to be treated.
Description
Nachfolgend wird eine Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung von Werkstücken, beispielsweise bei der Herstellung einer Absorberschicht für photovoltaische Energiewandler, beschrieben.following is a device for the diffusion treatment of workpieces, for example in the production of an absorber layer for photovoltaic energy converters, described.
Die Implantation von Fremdatomen eines so genannten Dotanden in eine Schicht oder in das Grundmaterial eines elektronischen Bauteiles oder eines integrierten Schaltkreises wird vorgenommen, um die Eigenschaften dieser Schicht, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur, gezielt zu verändern. Es gibt hierfür verschiedene Verfahren, z. B. Diffusion, Resublimation aus der Gasphase, Co-Verdampfung, Co-Abscheidung oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen (Ionenimplantation). Beispielsweise werden Atome des Dotanden in so genannten Diffusionsöfen bei hohen Temperaturen in das Halbleitermaterial eingebracht, um dort gezielt die elektrische Leitfähigkeit oder mechanische Eigenschaften des Werkstoffs zu beeinflussen. Einige derartige Prozesse finden bei einem Druck statt, der geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen.The Implantation of foreign atoms of a so-called dopant in a Layer or in the base material of an electronic component or an integrated circuit is made to the properties this layer, mostly the conductivity or the crystal structure, to change specifically. There is this various methods, e.g. B. diffusion, resublimation from the gas phase, Co-evaporation, co-deposition or high-energy bombardment Particle guns (ion implantation). For example, atoms become atoms of the dopant in so-called diffusion furnaces at high temperatures introduced into the semiconductor material to selectively the electrical conductivity or to influence the mechanical properties of the material. Some Such processes take place at a pressure that is lower as the atmospheric pressure at normal conditions.
Photovoltaische Energiewandler, die auch als Solarzellen bezeichnet werden, sind elektronische Bauelemente, die die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie umwandeln. Nach ihrem Aufbau unterscheidet man Dickschicht- und Dünnschicht-Solarzellen. Dünnschicht-Solarzellen weisen häufig einen mehrschichtigen Aufbau auf, wobei die Energieumwandlung in der so genannten Absorberschicht stattfindet, die meist aus einem so genannten Verbindungshalbleiter gefertigt ist. Verbindungshalbleiter mit hohem Absorptionsvermögen wie die Chalkopyrite, eine Gruppe von I-III-VI Verbindungen, werden als Absorber in Dünnschicht-Photovoltaikmodulen mit Wirkungsgraden über 10% bereits industriell hergestellt. Als Halbleiter für die Photovoltaik werden neben CuInS2 vor allem CuInSe2 sowie deren Derivate Cu(In,Ga)S2 bzw. Cu(In,Ga)Se2 verwendet. Als einwertiges Element wird neben Kupfer auch Silber, als dreiwertige Elemente neben Indium und Gallium auch Aluminium und Eisen, und als sechswertige Elemente neben Schwefel auch Selen und Tellur verwendet. Durch Veränderung der Zusammensetzung können die Gitterkonstante und der Bandabstand des Halbleiters in gewissen Grenzen eingestellt werden.photovoltaic Energy converters, which are also referred to as solar cells, are electronic components that direct the energy of sunlight convert into electrical energy. After its construction differs thick-film and thin-film solar cells. Thin film solar cells point frequently a multilayer structure, wherein the energy conversion in the so-called absorber layer takes place, which usually consists of one so-called compound semiconductor is made. Compound semiconductor with high absorption capacity how the chalcopyrites, a group of I-III-VI compounds, become as absorber in thin-film photovoltaic modules with efficiencies over 10% already industrially produced. As a semiconductor for photovoltaics In addition to CuInS2, CuInSe2 and its derivatives Cu (In, Ga) S2 are predominantly CuInSe2 or Cu (In, Ga) Se2 used. As monovalent element is next Copper is also silver, as trivalent elements besides indium and gallium as well Aluminum and iron, and as hexavalent elements in addition to sulfur also used selenium and tellurium. By changing the composition, the Lattice constant and the band gap of the semiconductor in certain Limits are set.
Zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle werden auf einem Trägersubstrat, beispielsweise Flachglas, die benötigten Schichten nacheinander abgeschieden. Der Rückseiten kontakt kann beispielsweise durch eine erste Elektrode in Form einer Molybdänschicht von 500 bis 1000 nm Dicke gebildet sein, die in einem Sputterprozess direkt auf das Trägersubstrat aufgebracht wurde. Die Absorberschicht kann durch gleichzeitiges Sputtern von Kupfer mit Gallium oder/und Indium und anschließendes Dotieren mit Selen oder/und Schwefel hergestellt werden, wobei Selen oder/und Schwefel unter hoher Temperatur aus der Gasphase von H2Se bzw. H2S abgeschieden wird. Anschließend wird als zweite Elektrode eine transparente Frontkontaktschicht hergestellt. Zwischen den einzelnen hier genannten Schichten können weitere Schichten angeordnet sein, auf die an dieser Stelle nicht weiter eingegangen wird.to Production of a thin-film solar cell on a carrier substrate, For example, flat glass, the required layers sequentially deposited. The backsides Contact, for example, by a first electrode in the form of a molybdenum layer be formed from 500 to 1000 nm thickness, in a sputtering process directly on the carrier substrate was applied. The absorber layer can by simultaneous Sputtering of copper with gallium or / and indium and subsequent doping be prepared with selenium or / and sulfur, with selenium or / and High-temperature sulfur from the gas phase of H2Se or H2S is deposited. Subsequently becomes as a second electrode a transparent front contact layer produced. Between the individual layers mentioned here can be more Layers can be arranged on which no further at this point will be received.
Bei bekannten Diffusionsöfen findet der Diffusionsprozess in einer Diffusionskammer statt, die gleichzeitig mehrere Funktionen, nämlich die Bereitstellung eines gasdicht von der Atmosphäre getrennten Reaktionsbereichs, die Bereitstellung einer Prozessatmosphäre in der Reaktionszone, gegebenenfalls unter einem unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Prozessdruck, die Erzeugung der Prozesstemperatur im Reaktionsbereich sowie die Wärmedämmung des Reaktionsbereichs gegenüber der Atmosphäre zur Aufrechterhaltung der im Reaktionsbereich herrschenden Prozesstemperatur realisiert.at known diffusion furnaces The diffusion process takes place in a diffusion chamber, simultaneously several functions, namely the provision of a gas-tight separated from the atmosphere Reaction area, providing a process atmosphere in the Reaction zone, optionally below a lying below the atmospheric pressure Process pressure, the generation of the process temperature in the reaction area as well as the thermal insulation of the Reaction area opposite the atmosphere to maintain the process temperature prevailing in the reaction zone realized.
Bei einer Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung von Werkstücken, die eine Außenkammer umfasst, wobei innerhalb der Außenkammer mindestens ein Reaktionsbereich mit Mitteln zur Evakuierung, Mitteln zur Gaszufuhr und Mitteln zur Beheizung des ersten Reaktionsbereichs angeordnet ist, wird vorgeschlagen, dass das Mittel zur Gaszufuhr flächig ausgebildet ist und mit geringem Abstand und parallel zur Substratebene angeordnet ist, so dass der Reaktionsbereich im Betrieb der Vorrichtung auf einer Seite durch das Mittel zur Gaszufuhr und auf der anderen Seite durch ein zu behandelndes Werkstück begrenzt ist.at a device for the diffusion treatment of workpieces, the an outer chamber includes, being inside the outer chamber at least one reaction zone with evacuation means, means for gas supply and means for heating the first reaction area is arranged, it is proposed that the means for gas supply formed flat is and arranged at a small distance and parallel to the substrate plane is so that the reaction area in the operation of the device on a Side by the means for gas supply and on the other side by a workpiece to be treated is limited.
Das flächig ausgebildete Mittel zur Gaszufuhr sorgt dafür, dass im Bereich der zu behan delnden Oberfläche des Werkstücks, an dem der Diffusionsprozess durchgeführt werden soll, eine Prozessatmosphäre mit der benötigten Konzentration und Zusammensetzung vorhanden ist. Gleichzeitig kann eine Verunreinigung der im Reaktionsbereich herrschenden Prozessatmosphäre dadurch verhindert werden, dass die Druckverhältnisse im Reaktionsbereich im Verhältnis zum außerhalb des Reaktionsbereichs herrschenden Druck beeinflusst werden. Solange der Druck der Prozessatmosphäre oberhalb der Oberfläche des Substrats größer ist als der außerhalb des Reaktionsbereichs herrschenden Drucks, wird das Eindringen von Verunreinigungen wirksam verhindert.The flat The means of gas supply provided ensure that in the area of the treated surface of the workpiece, at which the diffusion process is to be carried out, a process atmosphere with the required Concentration and composition is present. At the same time contamination of the reaction atmosphere prevailing in the process atmosphere thereby prevents the pressure conditions in the reaction area in relation to to the outside the reaction area prevailing pressure can be influenced. So long the pressure of the process atmosphere above the surface of the substrate is larger as the outside the reaction area prevailing pressure, the penetration of Impurities effectively prevented.
Weiter kann vorgesehen sein, dass der Reaktionsbereich von Wärmedämmelementen umschlossen ist, die so gestaltet sind, dass die Werkstücke in den von den Wärmedämmelementen umschlossenen Bereich hinein- und daraus heraustransportiert werden können. Derartige Wärmedämmelemente sind vorzugsweise aus Materialien gefertigt, die sehr hohen Temperaturen standhalten können und sich gegenüber Prozessgasen inert verhalten. Es kann sich dabei beispielsweise um Platten oder Formteile aus keramischen Materialien handeln. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, dass die Wärmedämmelemente so gasdicht miteinander verbunden sind, dass sie eine Reaktionskammer bilden. Es ist ausreichend, dass die Wärmedämmelemente so zusammenwirken, dass ein großer Teil der durch die Mittel zur Beheizung erzeugte Wärme im Reaktionsbereich verbleibt.It can further be provided that the reaction area is enclosed by heat-insulating elements which are designed in such a way that the workpieces enter and leave the area enclosed by the heat-insulating elements can be transported. Such thermal insulation elements are preferably made of materials that can withstand very high temperatures and inert to process gases. It may be, for example, plates or moldings made of ceramic materials. It is not absolutely necessary that the thermal insulation elements are connected to each other so gas-tight that they form a reaction chamber. It is sufficient that the heat-insulating elements cooperate so that a large part of the heat generated by the means for heating remains in the reaction area.
Die Wärmedämmelemente können weiterhin so gestaltet sein, dass ein Wärmedämmelement gleichzeitig ein Mittel zur Gaszufuhr ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Wärmedämmelement einen zentral angeordneten Gasauslass oder mehrere verteilte Gasauslässe aufweist, wenn die Anforderungen bezüglich einer homogenen Zuführung von Prozessgas nicht sehr hoch sind. Alternativ kann das betreffende Wärmedämmelement als Platte mit düsenförmigen Gasauslässen oder als flächenhaft verbundene Anordnung eines (beispielsweise mäanderförmigen) oder mehrerer Rohre mit düsenförmigen Gasauslässen ausgeführt sein, wobei die Rohre parallel zur Transportrichtung der Substrate oder quer dazu angeordnet sein können. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Wärmedämmelement aus gasdurchlässigem keramischem Material gefertigt ist.The thermal insulation panels can continue to be designed so that a thermal insulation element at the same time Means for gas supply is. This can be achieved, for example be that a thermal insulation element has a centrally located gas outlet or a plurality of distributed gas outlets, if the requirements regarding a homogeneous feed of process gas are not very high. Alternatively, the relevant thermal insulation element as a plate with nozzle-shaped gas outlets or as areal connected arrangement of one (for example, meandering) or more tubes be designed with nozzle-shaped gas outlets, wherein the tubes are parallel to the transport direction of the substrates or can be arranged transversely to it. In a further embodiment, it is provided that the thermal insulation element from gas permeable made of ceramic material.
Das Prozessgas strömt aus dem durch die Werkstückoberfläche und das flächenhaft ausgebildete Mittel zur Gaszufuhr über die Ränder des Werkstücks ab. Durch geeignete Ausgestaltung der geometrischen Verhältnisse, Bemessung des Gasvolumenstroms und des Drucks ist die Strömungsgeschwindigkeit in weiten Grenzen einstellbar. Den jeweiligen Erfordernissen entsprechend wird die Strömungsgeschwindigkeit so eingestellt, dass der Hinzutritt von Kontaminanten entgegen der Prozessgasströmung unterbunden wird.The Process gas flows from the through the workpiece surface and the areal trained means for supplying gas over the edges of the workpiece from. By suitable design of the geometric conditions, Dimensioning of the gas volume flow and the pressure is the flow velocity adjustable within wide limits. According to the respective requirements becomes the flow velocity adjusted so that the addition of contaminants against the Process gas flow is prevented.
Durch die Segmentierung der Mittel zur Gaszufuhr in Transportrichtung, beispielsweise bei einer Ausgestaltung als Anordnung mehrerer Rohre, ergibt sich die Möglichkeit, die Halbleiterschicht in Abhängigkeit vom Ort verschiedenen Prozessgaskonzentrationen (Verhältnis Dotiergas (Reaktivgas)/Trägergas (Inertgas)) auszusetzen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Halbleiterschicht einer optimierten Prozessgasatmosphäre und Temperatur auszusetzen, was das Prozessoptimierungspotential ganz wesentlich erweitert.By the segmentation of the means for gas supply in the transport direction, for example, in an embodiment as an arrangement of a plurality of tubes, results in the possibility the semiconductor layer in dependence from the location different process gas concentrations (ratio doping gas (Reactive gas) / carrier gas (Inert gas)). This results in the possibility of the semiconductor layer an optimized process gas atmosphere and temperature, which greatly extends the process optimization potential.
Die Gewährleistung der Prozessgasreinheit auf der Substratunterseite ist nicht zwingend erforderlich, wenn durch die oben beschriebenen Maßnahmen die Prozessgasreinheit auf der Substratoberseite mit der empfindlichen Halbleiterschicht gewährleistet werden kann. Vorteilhaft gestaltet sich der Betrieb bei niedrigen Prozessdrücken, da gegenüber dem Betrieb bei hohen Prozessdrücken vergleichsweise geringe Gasflüsse ausreichend sind, um eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Eine viskose Strömung ist vorteilhaft, um den Hinzutritt von Kontaminanten zu unterbinden.The warranty the process gas purity on the underside of the substrate is not mandatory required if by the measures described above the process gas purity on the substrate top with the sensitive Semiconductor layer ensured can be. Advantageously, the operation is designed at low Process pressures, because of that Operation at high process pressures comparatively low gas flows are sufficient to allow a sufficient flow rate. A viscous flow is beneficial to prevent the ingress of contaminants.
Dadurch wird die Reinheit der Prozessgasatmosphäre am Prozessort ausschließlich durch die Reinheit des bevorrateten Prozessgases bestimmt.Thereby the purity of the process gas atmosphere at the process site is exclusively determined by determines the purity of the stored process gas.
Sofern der Einfluss von im Prozessgas enthaltenen Restgasen und Kontaminanten auf die Erzielung der gewünschten Halbleitereigenschaften vernachlässigbar ist, kommt ein Betrieb auch bei niedrigeren Drücken im Bereich der Molekularströmung in Frage. Der Trägergasdurchsatz kann reduziert werden. Die Möglichkeit, den Betrieb ohne Trägergas zu gewährleisten, kann nicht ausgeschlossen werden.Provided the influence of residual gases and contaminants contained in the process gas on achieving the desired Semiconductor properties negligible is operating even at lower pressures in the range of molecular flow in Question. The carrier gas flow rate can be reduced. The possibility, the operation without carrier gas to ensure, can not be excluded.
Es ergibt sich die Möglichkeit, außerhalb der eigentlichen oben beschriebenen Prozessgas-Atmosphäre über der Halbleiterschicht auch Werkstoffe einzusetzen, die bezüglich der Freisetzung von unerwünschten Kontaminanten oder Reaktionsprodukten als nicht unkritisch eingeschätzt werden müssen. Die Beständigkeit, insbesondere die Hochtemperaturbeständigkeit der Werkstoffe außerhalb der Prozesszone gegenüber den eingesetzten Prozessmedien ist zu gewährleisten.It results in the possibility outside the actual process gas atmosphere above the semiconductor layer also described above To use materials that are the release of unwanted Contaminants or reaction products are considered to be non-critical have to. The durability, in particular the high-temperature resistance of the materials outside the process zone opposite The process media used must be guaranteed.
Die Mittel zur Beheizung des Reaktionsbereichs sind zweckmäßig in dem von den Wärmedämmelementen umschlossenen Bereich angeordnet. Beispielsweise können die Mittel zur Beheizung des Reaktionsbereichs oberhalb der Substratebene angeordnet sein. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Mittel zur Beheizung gleichzeitig ein Mittel zur Gaszufuhr ist. Dies bedeutet, dass die Funktionen der Mittel zur Beheizung und der Mittel zur Gaszufuhr in einem Bauteil miteinander kombiniert sind. Dadurch ist es möglich, das in den Reaktionsbereich eintretende Prozessgas vorzuheizen, um auf diese Weise eine noch homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Reaktionsbereichs zu erzielen. In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Mittel zur Beheizung auf der dem Mittel zur Gaszufuhr gegenüberliegenden Seite der Substratebene angeordnet ist.The Means for heating the reaction region are useful in the from the thermal insulation elements arranged enclosed area. For example, the Means for heating the reaction area above the substrate plane be arranged. According to one Embodiment may be provided that a means for heating at the same time is a means for gas supply. This means that the Functions of means for heating and means for gas supply combined in one component. This makes it possible to do that preheat the process gas entering the reaction zone to this way an even more homogenous temperature distribution within of the reaction area. In a further embodiment can be provided that a means of heating on the means opposite to the gas supply Side of the substrate plane is arranged.
Zur Beheizung der Prozesszone werden Heizkörper eingesetzt, die der Prozessgasatmosphäre widerstehen können. Vorteilhaft können elektrische Widerstandheizer mit Quarzmantel eingesetzt werden. Konventionelle Mantelrohrheizer können eingesetzt werden, sofern diese vor aggressiven Prozessgasen geschützt werden können, z. B. durch Umspülung mit inerten Gasen. Zur Wärmeisolation können Strahlungsschirm-Pakete eingesetzt werden, sofern die eingesetzten Werkstoffe den korrosiven Prozessgasen widerstehen. Des Weiteren können hochporöse, wärmeisolierende Keramikwerkstoffe eingesetzt werden, die der Prozessgasatmosphäre widerstehen. Auch kommen Isolierpackungen, bestehend aus keramischen Faserwerkstoffen in Frage.To heat the process zone radiators are used, which can withstand the process gas atmosphere. Advantageously, electrical resistance heaters can be used with quartz sheath. Conventional jacket tube heaters can be used, provided that they are aggressive pro Zessgasen can be protected, z. B. by flushing with inert gases. Radiation shield packages can be used for thermal insulation provided that the materials used resist the corrosive process gases. Furthermore, highly porous, heat-insulating ceramic materials can be used, which withstand the process gas atmosphere. Also come insulating packages, consisting of ceramic fiber materials in question.
Es ist technisch nur eingeschränkt möglich, die Wärmeisolierung so dicht auszuführen, dass eine Gasdichtigkeit gewährleistet werden kann. Eine Vielzahl von Durchbrüchen im Isoliermantel für Transportbauteile, Heizungsdurchführungen, Gasdurchführungen, Absaugöffnungen, Pyrometeröffnungen, etc. sind mit technischen Mitteln nur unvollkommen abzudichten.It is technically limited possible, the thermal insulation to execute so densely that ensures a gas-tightness can be. A large number of openings in the insulating jacket for transport components, Heating throughs, Gas connections, suction, Pyrometer openings, etc. are imperfectly sealed by technical means.
Durch den zusätzlichen Einlass von Inertgas in den Raum, der durch die Behälterwand der Außenkammer einerseits und den durch die Wärmedämmelemente gebildeten Heiztunnel andererseits gebildet wird, ist es möglich, eine Inertgasströmung über die konstruktiv bedingten Spalten zwischen Durchführungen und Durchbruchsöffnungen in das Innere des Isoliermantels aufrechtzuerhalten. Dadurch wird der Durchtritt von Prozessgas durch konstruktiv bedingte Spalten aus dem Heiztunnelraum in den Raum zwischen Heiztunnel und Behälterwand wirksam unterbunden. Damit wird gewährleistet, dass eine Verunreinigung der Bauteile außerhalb des Heiztunnels unterbunden wird. Aufwendige Reinigungsarbeiten sowie die Belastung des Personals mit Reaktions- und Zerfallsprodukten wie z. B. Feinstaub bei Instandhaltungsarbeiten entfallen oder können zumindest ganz erheblich reduziert werden.By the additional Inert gas enters the room through the tank wall the outer chamber on the one hand and through the thermal insulation elements formed heating tunnel on the other hand, it is possible, a Inert gas flow over the constructive conditional gaps between feedthroughs and breakthrough openings to maintain in the interior of the insulating jacket. This will the passage of process gas through design-related columns from the heating tunnel room into the space between heating tunnel and tank wall effectively prevented. This will ensure that an impurity the components outside the heating tunnel is prevented. Elaborate cleaning work as well as the burden of the staff with reaction and decomposition products such as As particulate matter during maintenance work accounts or at least be considerably reduced.
Um die Prozessgasatmosphäre am Prozessort durch die genannten Maßnahmen nicht zu stören, ist es notwendig, die in den Heiztunnel einschießende Inertgasströmung durch konstruktive Maßnahmen so abzulenken oder diffus zu gestalten, dass der Gasimpuls nicht mehr ausreicht, um in die Prozessgasatmosphäre zwischen Halbleiterschicht und Gasdusche (Mittel zur Gaszufuhr) einzudringen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, alle durch den Betrieb anfallenden Prozessgase, Restgase und Kontaminanten abzuführen. Ablagerungen von unerwünschten Reaktions- und Zerfallsprodukten im gesamten Raum innerhalb der Behälterwandungen der Außenkammer werden durch die genannten Maßnahmen weitestgehend unterbunden oder reduziert.Around the process gas atmosphere is not to disturb at the processor by the measures mentioned, is it is necessary to inject the inert gas flow which penetrates into the heating tunnel constructive measures so divert or diffuse that the gas pulse is not is more sufficient to enter the process gas atmosphere between the semiconductor layer and gas shower (gas supply means). This results the opportunity all process gases, residual gases and contaminants resulting from the operation dissipate. Deposits of unwanted Reaction and decay products throughout the room within the container walls the outer chamber become largely due to the measures mentioned prevented or reduced.
Zur Durchführung mehrerer verschiedener Diffusionsprozesse an den Werkstücken kann weiter vorgesehen sein, dass in der Außenkammer mindestens ein zweiter Reaktionsbereich, beispielsweise eine Reaktionskammer, mit Mitteln zur Evakuierung, Mitteln zur Gaszufuhr und Mitteln zur Beheizung des zweiten Reaktionsbereichs vorgesehen ist und dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reaktionsbereichen ein Transferbereich, beispielsweise eine Transferkammer, mit Mitteln zur Evakuierung und Mitteln zur Gaszufuhr angeordnet ist.to execution several different diffusion processes on the workpieces can be further provided that in the outer chamber at least a second Reaction area, for example a reaction chamber, with means for evacuation, means for gas supply and means for heating of the second reaction region is provided and that between two successive reaction areas a transfer area, for example a transfer chamber, with means for evacuation and means for Gas supply is arranged.
Wenn die Reaktionsbereiche durch Reaktionskammern realisiert sind, so können an den Ein- und Austrittsöffnungen der Reaktionskammern Mittel zum Verschließen derselben vorgesehen sein, jedoch kann es bei geeigneter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Atmosphärentrennung auch ausreichend sein, im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen der Reaktionskammern Mittel zur Evakuierung oder/und Gasduschen oder/und andere geeignete Mittel vorzusehen. Wenn an den Ein- und Austrittsöffnungen der Reaktionskammern Mittel zum Verschließen der Reaktionskammern vorgesehen sind, so können diese beispielsweise als Klappenventile ausgeführt sein.If the reaction areas are realized by reaction chambers, so can at the inlet and outlet openings the reaction chambers may be provided for closing the same, However, it may be in a suitable embodiment of the device for atmosphere separation also be sufficient in the area of the inlet and outlet openings the reaction chambers means for evacuation and / or gas showers and / or other appropriate means. If at the inputs and outlet openings the reaction chambers provided means for closing the reaction chambers are, so can these may be designed, for example, as flap valves.
Durch die Anordnung eines Transferbereichs zwischen zwei aufeinander folgenden Reaktionsbereichen ist es möglich, die Werkstücke von einem Reaktionsbereich in einen anschließenden Reaktionsbereich zu bewegen, ohne die Werkstücke zwischendurch der Umgebungsatmosphäre auszusetzen. Auf diese Weise werden Verunreinigungen der Werkstücke vermieden, die in den Werkstücken aus dem vorangehenden Diffusionsprozess gespeicherte Wärmeenergie wird für den anschließenden Diffusionsprozess größtenteils erhalten und die Durchführung mehrerer Diffusionsprozesse kann im Durchlaufverfahren und damit einfacher, schneller und kostengünstiger als bei bekannten Vorrichtungen zur Diffusionsbehandlung erfolgen.By the arrangement of a transfer area between two consecutive Reaction areas it is possible the workpieces from one reaction zone to a subsequent reaction zone move without the workpieces in between exposure to the ambient atmosphere. In this way Contamination of the workpieces is avoided in the workpieces the heat energy stored in the preceding diffusion process is for the subsequent Diffusion process mostly get and carry out several Diffusion processes can be done in a continuous process and thus easier faster and cheaper as in known devices for diffusion treatment.
In Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung ist vorgesehen, dass vor dem ersten Reaktionsbereich oder/und nach dem letzten Reaktionsbereich ein Transferbereich angeordnet ist. Der vor dem ersten Reaktionsbereich angeordnete Transferbereich ermöglicht es, Werkstücke so rechtzeitig bereitzustellen, dass diese ohne Störung der in dem jeweiligen Reaktionsbereich herrschenden Prozessatmosphäre in den Reaktionsbereich eingebracht werden können, sobald die zuvor darin behandelten Werkstücke aus dem Reaktionsbereich entfernt wurden. Der nach dem letzten Reaktionsbereich angeordnete Transferbereich stellt einen Pufferbereich für die Werkstücke dar, die alle Reaktionsbereiche durchlaufen haben, bevor diese aus der Vorrichtung entnommen werden.In Embodiments of the proposed device is provided that before the first reaction area and / or after the last reaction area a transfer area is arranged. The one before the first reaction area arranged transfer area allows it, workpieces to provide it in time so that it does not interfere with in the respective reaction region prevailing process atmosphere in the Reaction area can be introduced once the previously in it treated workpieces were removed from the reaction area. The arranged after the last reaction area Transfer area represents a buffer area for the workpieces, have passed through all the reaction areas before these from the Device are removed.
In Weiterbildung der beschriebenen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass eine alle Reaktionskammern einschließende Außenkammer mit einer Eintrittsschleuse und einer Austrittsschleuse und mit Mitteln zur Evakuierung vorgesehen ist, deren vor, hinter und zwischen den Reaktionskammern liegende Bereiche die Transferkammern bilden. Mit anderen Worten soll eine Außenkammer vorgesehen werden, in deren Innenraum alle Reaktionskammern beispielsweise nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind, dass die zwischen ihnen verbleibenden Freiräume als evakuierbare Transferkammern wirken. Dies kann bei entsprechender Gestaltung der Außenkammer im Verhältnis zur Anordnung der Reaktionskammern in ihrem Innern dazu führen, dass alle vor, zwischen und hinter den Reaktionskammern liegenden, als Transferkammern wirkenden Freiräume miteinander verbunden sind. In diesem Fall können beispielsweise die Mittel zur Evakuierung der Außenkammer zwischen zwei Transferkammern angeordnet werden, so dass diese Mittel zur Evakuierung die gleichzeitige Evakuierung der angrenzenden Transferkammern bewirken.In a further development of the device described, it is proposed that an outer chamber enclosing all reaction chambers is provided with an inlet lock and an outlet lock and with means for evacuation, before, behind and between the reaction chambers de areas forming the transfer chambers. In other words, an outer chamber is to be provided, in the interior of which all reaction chambers are arranged, for example, next to one another or one behind the other, that the free spaces remaining between them act as evacuatable transfer chambers. With a corresponding design of the outer chamber in relation to the arrangement of the reaction chambers in its interior, this can lead to all the free spaces which are located in front of, between and behind the reaction chambers, acting as transfer chambers. In this case, for example, the means for evacuating the outer chamber can be arranged between two transfer chambers, so that these means for evacuation effect the simultaneous evacuation of the adjacent transfer chambers.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Außenkammer Mittel zur Gaszufuhr aufweist. Dabei ist in einer Ausgestaltung der Vorrichtung vorgesehen, dass die Mittel zur Gaszufuhr in die Außenkammer so ausgebildet sind, dass im Bereich der Eintrittsöffnung oder/und Austrittsöffnung mindestens einer Reaktionskammer Gasauslässe vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, die Werkstücke vor dem ersten oder/und zwischen zwei aufeinanderfolgenden oder/und nach dem letzten Diffusionsprozess mit einem Spülgas zu spülen. In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Gasauslässe der Mittel zur Gaszufuhr in die Außenkammer getrennt steuerbar, so dass Spülgas jeweils nur an den Orten und zu den Zeitpunkten ausgegeben wird, an denen dort Werkstücke vorbeitransportiert werden.Further it can be provided that the outer chamber means for gas supply having. In one embodiment of the device, it is provided that the means for supplying gas into the outer chamber are formed that in the area of the inlet opening and / or outlet opening At least one reaction chamber gas outlets are provided. hereby Is it possible, the workpieces before the first or / and between two consecutive and / or to rinse with a purge gas after the last diffusion process. In a further embodiment of the Device are the gas outlets the means for supplying gas into the outer chamber separately controllable, so that purge gas is issued only at the places and at the times, where there are workpieces be transported past.
Zum Transport der Werkstücke durch die Vorrichtung kann eine Transporteinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise zwei oder mehr unabhängig voneinander steuerbare Abschnitte aufweisen kann. Dadurch können mehrere Werkstücke oder mehrere Chargen von Werkstücken, die sich gleichzeitig innerhalb der Vorrichtung befinden, unabhängig voneinander zwischen zwei Abschnitten der Vorrichtung, beispielsweise einer Reaktionskammer und einer Transferkammer, hin und her bewegt oder bedarfsweise in einem solchen Abschnitt gehalten werden, um sie einer Diffusionsbehandlung auszusetzen oder vor dem ersten oder nach dem letzten Diffusionsprozess oder zwischen zwei Diffusionsprozessen zwischen zu lagern.To the Transport of workpieces a transport device can be provided by the device be, for example, two or more independently controllable Sections may have. This allows multiple workpieces or several batches of workpieces, which are at the same time inside the device, independently of each other between two sections of the device, for example one Reaction chamber and a transfer chamber, moved back and forth or if necessary, be kept in such a section to them to suspend a diffusion treatment or before the first or after the last diffusion process or between two diffusion processes to store between.
Zum Transport der Werkstücke durch die Reaktionsbereiche (Prozesszonen) können aus Gründen der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Prozessmedien vorteilhaft Rollen oder zylindrische Walzen aus einem keramischen Werkstoff zum Einsatz kommen.To the Transport of workpieces Through the reaction areas (process zones) can be used for reasons of temperature and corrosion resistance over the Process media advantageous rolls or cylindrical rollers from a ceramic material are used.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass alle Reaktionskammern einen in der Transportrichtung der Werkstücke durch die Reaktionskammer gesehen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Einerseits sind dadurch größere Querschnitte darstellbar als bei den üblichen, aus einem Quarzrohr gebildeten Reaktionskammern, so dass auch die zu behandelnden Werkstücke wesentlich größer sein können als bei Verwendung bekannter Diffusionsöfen. Dadurch werden das zu evakuierende Volumen der Reaktionskammer sowie das benötigte Volumen an Reaktivgas, bezogen auf die behandelbare Werkstoffoberfläche pro Charge, deutlich verringert.It can further be provided that all reaction chambers in a the transport direction of the workpieces Having seen through the reaction chamber have rectangular cross-section. On the one hand, this means larger cross sections representable as the usual, formed from a quartz tube reaction chambers, so that the to be treated workpieces be much larger can than when using known diffusion furnaces. This will become that evacuating volume of the reaction chamber and the required volume to reactive gas, based on the treatable material surface per Batch, significantly reduced.
Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass die Reaktionskammern von ebenen Quarz- oder Keramikplatten begrenzt sind. Für den Fall, dass die Transferkammern zwischen den Reaktionskammern angeordnet sind, müssen die Quarzplatten an ihren zur Atmosphäre weisenden Außenflächen durch Stützstrukturen, beispielsweise die Quarzplatten einhüllende Stahlplatten, umhüllt sein, damit die Quarzplatten dem Druckunterschied zwischen der Atmosphäre und dem in der Reaktionskammer herrschenden Druck widerstehen können, falls dieser wesentlich geringer ist als der Atmosphärendruck. Wenn jedoch eine Außenkammer vorgesehen ist, die die Reaktionskammern vollständig einschließt und die ihrerseits evakuierbar ist, so ist es nicht nötig, derartige Stützstrukturen vorzusehen, da in diesem Fall sowohl innerhalb wie auch außerhalb der Reaktionskammer der gleiche Druck herrscht und dadurch auch ebene Quarzplatten der Einwirkung einer möglicherweise verbleibenden Druckdifferenz standhalten können.there can be further provided that the reaction chambers of even Quartz or ceramic plates are limited. In the event that the transfer chambers are arranged between the reaction chambers, the quartz plates must at their for the atmosphere facing outer surfaces by supporting structures, for example, the quartz plates enclosing steel plates, be wrapped so that the quartz plates the pressure difference between the atmosphere and the can withstand pressure prevailing in the reaction chamber, if this is much lower than the atmospheric pressure. If, however, one outer chamber is provided, which completely encloses the reaction chambers and the For its part, it can be evacuated, so it is not necessary, such support structures in this case, both inside and outside the reaction chamber of the same pressure prevails and thereby flat quartz plates of the influence of a possibly remaining Can withstand pressure difference.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung ist vorgesehen, dass alle Reaktionskammern durch die Mittel zur Evakuierung der Außenkammer evakuierbar sind. Der bauliche Aufwand für die Vorrichtung verringert sich dadurch deutlich, weil keine dedizierten Vakuumpumpen für jede einzelne Reaktionskammer benötigt werden. Falls jedoch Reaktionskammern über eigene Vakuumpumpen verfügen, so kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Evakuierung jeder Reaktionskammer getrennt steuerbar sind, wodurch es möglich ist, die Vakuumbedingungen innerhalb der einzelnen Reaktionskammer unterschiedlich zu gestalten, beispielsweise um sie an den in der jeweiligen Reaktionskammer stattfindenden Diffusionsprozess anzupassen.In a further embodiment of the proposed device provided that all the reaction chambers through the means of evacuation the outer chamber are evacuated. The structural complexity of the device is reduced This is clear because no dedicated vacuum pumps for each one Reaction chamber needed become. However, if reaction chambers have their own vacuum pumps, so it can be provided that the means for evacuating each reaction chamber separately are controllable, making it possible is the vacuum conditions within each reaction chamber different, for example, to the in the to adapt to the respective reaction chamber diffusion process.
Zur besseren Anpassung der Prozessbedingungen an den in der jeweiligen Reaktionskammer stattfindenden Diffusionsprozess kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Mittel zur Gaszufuhr jeder Reaktionskammer oder/und die Mittel zur Beheizung jeder Reaktionskammer getrennt steuerbar sind. Außerdem kann die beschriebene Vorrichtung so gestaltet sein, dass die Mittel zur Beheizung mindestens einer Reaktionskammer an der Außenseite der Reaktionskammer angeordnet sind.to Better adaptation of the process conditions to those in the respective Reaction chamber occurring diffusion process can continue be provided that the means for gas supply to each reaction chamber and / or the means for heating each reaction chamber separately are controllable. Furthermore For example, the device described may be designed such that the means for heating at least one reaction chamber on the outside the reaction chamber are arranged.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigenfollowing the invention with reference to an embodiment and an accompanying drawing explained in more detail. there demonstrate
Die Darstellung der verschiedenen Anlagenkomponenten ist in den Figuren stark schematisiert und sollte in keiner Weise einschränkend verstanden werden. Beispielsweise ist es dem Fachmann ohne weiteres geläufig, wie die Mittel zur Beheizung der Reaktionsbereiche gestaltet und angeordnet werden können, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen. Hierzu können beispielsweise die Mittel zur Beheizung flächig ausgebildet sein. In analoger Weise ist es eine Routinearbeit für den Fachmann, die Form und Anordnung der anderen Komponenten, wie der Mittel zur Evakuierung, Mittel zur Gaszufuhr, Transporteinrichtung usw. so zu gestalten, dass das gewünschte Ergebnis erzielt wird.The Illustration of the different plant components is in the figures highly schematized and should not be understood in any way limiting. For example, it is readily apparent to those skilled in the art, such as designed and arranged the means for heating the reaction areas can be one as possible uniform temperature distribution to achieve. You can do this For example, the means for heating be formed flat. In analog Way it is a routine job for the professional, the form and Arrangement of other components, such as the means of evacuation, means to make the gas supply, transport device, etc. so that the desired Result is achieved.
In
dem Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung von Werkstücken, wie es
in
Vor
und hinter dem Reaktionsbereich
Zu
diesem Zweck sind in den Bereichen der Außenkammer
Der
Reaktionsbereich
Der
Reaktionsbereich
Weiterhin
ist eine Transporteinrichtung
Bei
der Draufsicht auf die Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung in den
In
Der
modulare Aufbau ermöglicht
eine flexible Konfiguration der Vorrichtung, wobei selbstverständlich auch
Vorrichtungen mit nur einer oder mehr als zwei Reaktionsbereichen
Bei
dem Ausführungsbeispiel
in
In ähnlicher
Weise sind bei dem Ausführungsbeispiel
in
- 11
- Außenkammerouter chamber
- 1111
- Mittel zur Evakuierungmedium for evacuation
- 1212
- Mittel zur Gaszufuhrmedium for gas supply
- 1313
- Eingangsschleuseentry lock
- 1414
- Ausgangsschleuseexit lock
- 1515
- Transporteinrichtungtransport means
- 1616
- Transferbereich/TransferkammerTransfer Section / transfer chamber
- 22
- Reaktionsbereich/ReaktionskammerReaction zone / reaction chamber
- 2121
- Mittel zur Evakuierungmedium for evacuation
- 2222
- Mittel zur Gaszufuhrmedium for gas supply
- 2323
- Mittel zur Beheizungmedium for heating
- 33
- separate Transferkammerseparate transfer chamber
- 44
- Wärmedämmelementthermal insulation element
- 55
- Werkstückworkpiece
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