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Die Erfindung betrifft einen Hitzeschild zur Verwendung in einer Bearbeitungskammer, in der Substrate einer thermischen Behandlung unterzogen werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hitzeschilds.
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Bei der Oberflächenbehandlung von Substraten, z. B. durch Beschichten durch Kondensation von Metalldampf im Hochvakuum oder durch Sputterprozesse, sind oftmals Prozessschritte notwendig, in denen das Substrat (und die ggf. auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung) einer thermischen Vor- und/oder Nachbehandlung unterzogen wird. Hierzu wird das Substrat typischerweise mit Hilfe einer Wärmequelle auf die gewünschten Temperatur erwärmt und für eine vorgegebenen Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
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Eine solche Bearbeitungskammer zur Wärmebehandlung von Substraten, insbesondere unter hoher Heizleistung und in einer toxischen und/oder korrosiven Gasatmosphäre, ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 008 084 A1 bekannt. Die dort beschriebene Bearbeitungskammer umfasst eine Innenkammer, in der das zu temperierende Substrat unter Verwendung von Heizmitteln aufgeheizt wird. Die Innenkammer ist von einem Hitzeschild umgeben, der die Innenkammer gegenüber einer Außenkammer, beispielsweise einer Vakuumkammer, thermisch abschirmt und dadurch sicherstellt, dass die Außenkammer nur eine minimale thermische Belastung erfährt. Um dies zu erreichen, ist der Hitzeschild mit einer aktiven Kühlung versehen, die insbesondere einen Kühlkreislauf umfassen kann, durch den ein flüssiges Kühlmedium durch Kühlkanäle im Inneren des Hitzeschildes gepumpt wird und dabei die in den Hitzeschild eingeleitete Heizenergie abführt.
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Der Hitzeschild, der in einer solchen Bearbeitungskammer eingesetzt wird, muss hohen Anforderungen in Bezug auf seine thermischen und mechanischen Eigenschaften genügen: Ein Großteil der mit Hilfe der Heizmittel in die Innenkammer eingebrachten Leistung wird nämlich über den Hitzeschild abgeleitet, was bei kurzen Zykluszeiten eine extrem hohe thermische Belastung des Hitzeschilds zur Folge hat; dabei kann der Hitzeschild spezifischen Flächenleistungen von bis zu 20 W/cm2 ausgesetzt sein. Der Hitzeschild soll weiterhin möglichst viel der Energie in die Innenkammer reflektieren und gleichzeitig eine möglichst wirkungsvolle Abschirmung der Innenkammer gegenüber der Umgebung – insbesondere der Außenkammer – sicherstellen. Außerdem soll der Hitzeschild aggressiven Umgebungen standhalten, da thermische Prozessschritte – beispielsweise bei der Solarzellen-Herstellung – oftmals unter einer hochkorrosiven Atmosphäre stattfinden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hitzeschild für eine thermische Bearbeitungskammer bereitzustellen, der einen Innenraum der Bearbeitungskammer prozesssicher und wirkungsvoll gegenüber der Umgebung abschirmt. Der Hitzeschild soll insbesondere aggressiven, korrosiven Umgebungsbedingungen standhalten. Weiterhin soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit dessen Hilfe ein solcher Hitzeschild hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Danach umfasst der Hitzeschild eine Frontplatte und eine Rückplatte, welche durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind. Die einander gegenüberliegenden Flächen der Frontplatte und der Rückplatte sind komplementär zueinander gestaltet, so dass die Deckfläche der Frontplatte und die Bodenfläche der Rückplatte vor dem Diffusionsschweißen flächig aneinander anliegen und durch das Diffusionsschweißen flächig miteinander verbunden werden. In die Deckfläche der Frontplatte und/oder die Bodenfläche der Rückplatte ist eine linienförmige Vertiefung eingelassen, die – nach dem Verbinden der Frontplatte mit der Rückplatte – einen internen Kühlkanal im Hitzeschild bildet, durch den zur Erreichung der gewünschten thermischen Abschirmung eine Kühlmittel zirkulieren kann. Ein solcher Hitzeschild kann – je nach Dimensionierung der Kühlkanäle – thermischen Beanspruchungen von bis zu 20 W/cm2 widerstehen.
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In einer weiteren, vor allem in Hinblick auf die Herstellungskosten günstigen Ausführungsform der Erfindung, wird die Verbindung zwischen den Flächen mittels Elektronenstrahlschweißen hergestellt.
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Das Diffusionsschweißen, mit dessen Hilfe Basis- und Deckplatte miteinander verbunden sind, ist ein Fügeverfahren, bei dem einander gegenüberliegende Bauteil-Oberflächen bei erhöhter Temperatur (die bis knapp unterhalb der Solidustemperatur des zu verschweißenden Werkstoffs reichen kann) und einem hohen Druck (typischerweise knapp unterhalb der Fließgrenze) für einen bestimmten Zeitraum aufeinandergepresst werden. Das Verschweißen der beiden Oberflächen erfolgt dabei durch Diffusion von Atomen, wodurch im Verbindungsbereich eine zur Grundstruktur des Bauteil-Werkstoffs äquivalente Struktur gebildet wird. Im vorliegenden Fall werden die beiden Fügepartner des Hitzeschilds vorteilhafterweise in einem Ofen unter Vakuum (um das Bauteil oder/und im Bauteil) miteinander verpresst (z. B. mittels Presse oder einer Verspannungseinrichtung). Diese Vorrichtung erzeugt eine einachsige Kraft, die senkrecht zu den zu verbindenden Flächen wirkt (sogenanntes UDW uniaxial diffusion weld).
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Die zu verbindenden Flächen sind zweckmäßigerweise eben und sehr glatt (insbesondere poliert), wodurch das Diffusionsschweißen bei weit niedrigeren Temperaturen als der Solidustemperatur erfolgen kann. Um eine prozesssichere Verbindung der Flächen im Inneren des Hitzeschilds zu gewährleisten kann vor dem Diffusionsschweißen zwischen den zu verschweißenden Flächen eine Folie aus einem Hartlot, insbesondere aus Kupfer, eingelegt werden; alternativ kann eine der beiden zu verschweißenden Flächen mit einem Hartlot beschichtet werden. Um eine gute Korrosionsfestigkeit – beispielsweise gegenüber H2S und H2Se – zu erreichen, ist es weiterhin vorteilhaft, vor oder nach dem Diffusionsschweißen den Kontaktbereich der beiden Fügepartner randseitig mit einer Schweißnaht (z. B. durch Elektronenstrahlschweißen) zu versehen.
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Insbesondere werden die zu verbindenden Platten mittels Elektronenstrahl im Vakuum derart miteinander verschweißt, daß ein vakuumdichtes Volumen gebildet wird. Dieses Volumen wird nach dem Schweißen evakuiert. Das entstandene Gebilde kann in einen Ofen mit Atmosphäre gegeben werden, so dass man keinen evakuierbaren Ofen benötigt. Durch Erhöhen des Atmosphärendruckes innerhalb des Ofens kann nun eine erhöhte flächige Anpresskraft der beiden Platten für das Diffusionsschweißen erzeugt werden. Zudem können die beiden Platten mittels einer geeigneten Vorrichtung zusätzlich miteinander verpresst werden.
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Der Hitzeschild eignet sich insbesondere zum Einsatz in einer Bearbeitungskammer zur thermischen Bearbeitung von Substraten bei hohen Temperaturen. Die Bearbeitungskammer umfasst eine Lagerungseinrichtung zur Lagerung des Substrats während der thermischen Bearbeitung und eine Energiequelle zum Einbringen von Energie in den Innenraum der Bearbeitungskammer. Der Hitzeschild ist in einer solchen Weise in der Bearbeitungskammer angeordnet, dass die Innenwand der Frontplatte dem Innenraum der Bearbeitungskammer zugewandt ist. Die Innenwand der Frontplatte kann insbesondere mit einem zumindest Infrarotstrahlung reflektierenden metallischen Werkstoff beschichtet sein. Dadurch wird eine bessere Abschirmung der Wärmestrahlung erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann die dem Innenraum der Bearbeitungskammer zugewandte Innenwand der Frontplatte poliert sein, wodurch die Reflexionsfähigkeit weiter erhöht wird, oder mit einem zusätzlichen Strahlungsschild versehen sein.
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Der Hitzeschild ist in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden. Hierzu ist die Rückplatte des Hitzeschilds an einer dem Innenraum der Bearbeitungskammer abgewandten Außenwand mit Zu- und Ableitungen für ein Kühlmittel versehen. Mit Hilfe des durch die Kühlkanäle zirkulierenden Kühlmittels kann die Bearbeitungskammer, in deren Innenraum während der Wärmebehandlung mit Hilfe einer Energiequelle hohe Heizleistungen eingeleitet werden, thermisch gegenüber der Umgebung abgeschirmt werden. Das Kühlmittel ist ein flüssiges oder ein gasförmiges Kühlmedium mit hoher spezifischer Wärme, beispielsweise ein Öl. Das Kühlmittel führt die in den Hitzeschild eingeleitete Heizenergie ab und verhindert so eine Überhitzung der Bearbeitungskammer. Zweckmäßigerweise ist der Innenraum der Bearbeitungskammer allseitig von Hitzeschilden mit Kühlkanälen umgeben, so dass die Wärmeabstrahlung der Bearbeitungskammer allseits begrenzt bzw. reduziert werden kann.
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Die den Kühlkanal bildende Vertiefung kann in der Frontplatte und/oder in der Rückplatte des Hitzeschilds vorgesehen sein. Um einen hohen Wärmeübertrag sicherzustellen, verläuft der Kühlkanal im Inneren des Hitzeschilds zweckmäßigerweise mäanderförmig; dabei sind die Abschnitte des Kühlkanals vorteilhafterweise in einer solchen Weise angeordnet, dass das kalte Kühlmedium in einen Bereich des Hitzeschilds eingeleitet wird, der während der Wärmebehandlung am intensivsten beheizt wird, und von dort in thermisch weniger stark beanspruchte Bereiche des Hitzeschilds weitergeleitet wird.
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Sollen in der Bearbeitungskammer sehr hohe Temperaturen erzeugt werden, so unterliegt der Hitzeschild einer hohen thermischen Beanspruchung; die dafür ausgewählten Werkstoffe müssen daher eine hohe Temperaturfestigkeit haben.
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In einer Ausführungsform ist als Material von Front- und/oder Rückplatte ein Edelstahl vorgesehen. Edelstahl ist im allgemeinen ein schlechter Wärmeleiter mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von ca. 15 W/mK. Als Werkstoff für die Frontplatte und die Rückplatte eignen sich insbesondere ferritisch-austenitische Duplex-Stähle, beispielsweise Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4462. Dieser Stahl hat eine hohe mechanische Festigkeit und weist zudem gute Korrosionsfestigkeit auf, hat jedoch eine vergleichsweise geringe thermische Leitfähigkeit. Um sicherzustellen, dass das durch den Kühlkanal des Hitzeschilds zirkulierende Kühlmedium die Wärme effizient abführen kann und keine großen Temperaturgradienten entstehen, ist es vorteilhaft, den Querschnitt des Kühlkanals rechteckig auszugestalten. Benachbarte Abschnitte des mäandernden Kühlkanals sind durch Stege getrennt, deren Breite vorzugsweise klein und der abzuführenden Leistung angepasst ist.
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Es versteht sich, dass als Werkstoff auch Stahl mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise 45 W/mK in Frage kommt.
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Der erfindungsgemäße Hitzeschild gestattet eine effiziente Abschirmung der Bearbeitungskammer, so dass ein hoher Energieeintrag innerhalb kurzer Zeit in das Substrat eingebracht werden kann, ohne dass es zur Überhitzung der Bearbeitungskammer (Vakuumkammer) kommt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Bearbeitungskammer zur thermischen Bearbeitung eines Substrats, mit Hitzeschilden, die einen Innenraum der Bearbeitungskammer allseits umgeben, in einer perspektivischen Schnittdarstellung;
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2 eine schematische Darstellung der Einzelschritte bei der Herstellung des Hitzeschild aus einer Front- und einer Rückplatte unter Verwendung des Diffusionsschweißens:
2a Front- und Rückplatte vor dem Verbinden mittels Diffusionsschweißen;
2b Front- und Rückplatte vor dem Verbinden mittels Diffusionsschweißen;
2c der Hitzeschild nach einem randseitigen Elektronenstrahlschweißen;
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3 eine schematische Aufsicht auf eine Deckfläche der Frontplatte des Hitzeschilds
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4 eine schematische Darstellung von Front- und Rückplatte, die mittels Elektronenstrahlschweißen verbunden oder verbindbar ist.
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In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Zeichnungen stellen ein schematisches Ausführungsbeispiel dar und geben keine spezifischen Parameter der Erfindung wieder. Weiterhin dienen die Zeichnungen lediglich zur Erläuterung einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und sollen nicht in einer solchen Weise interpretiert werden, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einengen.
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1 zeigen perspektivische Schnittdarstellungen einer Bearbeitungskammer 1 zur thermischen Bearbeitung von Substraten 20. Unter dem Begriff „Substrat” soll hierbei ein beliebiger zu bearbeitender, zu beschichtender und/oder bereits beschichteter Gegenstand verstanden werden, also sowohl ein (evtl. vorbehandeltes) Trägermaterial als solches an als auch ein Trägermaterial mit Einfach- oder Mehrfachbeschichtungen. In dem in dem Ausführungsbeispiel der 1 sind die Substrate flächenhafte Werkstücke, deren Fläche zwischen einigen Quadratzentimetern und einigen Quadratmetern liegen kann.
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Das Substrat 20 kann auch in einer vorzugsweise für Wärmestrahlung semitransparenten Substratbox untergebracht sein, vorzugsweise mit Wänden aus Glaskeramik und einem Graphitrahmen zur Halterung der Wände.
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Unter „thermischer Bearbeitung” soll jeder Prozess bzw. Prozessschritt verstanden werden, der mit einer Erwärmung des Substrats einhergeht.
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Die Bearbeitungskammer 1 umfasst eine evakuierbare Vakuumkammer (Außenkammer) 2, in deren Innenraum 22 eine Wärmebehandlungsinnenkammer 3 angeordnet ist. Die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 ist als verschließbarer Behälter 23 ausgestaltet mit Wänden 10, die den Innenraum 24 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 allseitig umschließen. Allerdings braucht die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 nicht gasdicht verschließbar zu sein; vielmehr kann der Innenraum 24 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 z. B. mit Hilfe der Außenkammer 2 gespült bzw. evakuiert werden. Die Innenseiten der Wände 10 bestehen vorzugsweise aus einem zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden metallischen Werkstoff.
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Die Bearbeitungskammer 1 dient zur thermischen Bearbeitung von Substraten 20 im Zuge eines mehrstufigen Herstellungsprozesses. Entsprechend weist die Außenkammer 2 Eingangs- und Ausgangsschleusen 4 auf, über die die Substrate 20 aus einer vorgelagerten (in den Figuren nicht gezeigten) Prozessstufe in die Bearbeitungskammer 1 eingeführt und aus der Bearbeitungskammer 1 in eine weitere nachgelagerte (in den Figuren nicht gezeigte) Prozessstufe weitertransportiert werden können. Zum Ein- und Ausführen der Substrate 20 in die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 sind an zwei einander gegenüberliegenden Endseiten der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 verschließbare schlitzförmige Öffnungen (nicht dargestellt) vorgesehen. Zur Lagerung und zum Transport der Substrate 20 ist die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 mit gesteuert oder geregelt drehbaren Rollen 8 versehen, die in kreisförmigen Öffnungen 9 in der Wandung 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 gelagert sind.
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Zur Beheizung des Substrats 20 weist die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 eine Energiequelle 11 mit Heizmitteln 11' auf, die im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 durch beheizbare Quarzstäbe 12 gebildet sind, die durch Aussparungen 13 in der Wandung 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 in den Innenraum 24 hineingeführt sind. Im Interesse der Übersichtlichkeit ist in 1 und 2 jeweils nur ein einziger Quarzstab 12 dargestellt; die Vielzahl der gezeigten Aussparungen 13 in der Wandung 10 oberhalb und unterhalb der Substratebene deuten jedoch an, dass eine Vielzahl von parallel zur Substratebene ausgerichteten Quarzstäben 12 vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Substrat 20 von unten und von oben beheizt werden kann. Alternativ bzw. zusätzlich kann die thermische Energie beispielsweise als (gepulste) elektromagnetische Strahlung über Fenster in die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 eingebracht werden.
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Um die thermische Belastung der Außenkammer 2 minimal zu halten, ist die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 mit einem Hitzeschild als Kühlvorrichtung 14 versehen, mit der die von der Energiequelle 11 an die Kammerwände 10 abgegebene Wärmemenge (zumindest zu einem großen Teil) abgeführt werden kann. Der Hitzeschild 14 schirmt somit den heißen Innenraum der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 thermisch gegenüber der Außenkammer 2 ab. Der Hitzeschild 14 umfasst einen Kühlkreislauf 15 für ein flüssiges Kühlmedium (beispielsweise ein Öl), das durch Kühlkanäle 16 in den Wandungen 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 zirkuliert. Der Hitzeschild 14 umfasst weiterhin eine (in den Figuren nicht dargestellte) Pumpe sowie einen Wärmetauscher, mit dem das aus den Kühlkanälen 16 zurückfließende, erwärmte Kühlmedium abgekühlt werden kann, bevor es wieder den Kühlkanälen 16 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 zugeführt wird.
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Die Kühlkanäle 16 verlaufen mäanderförmig im Inneren der Wand 10. Um den hohen Leistungen bzw. Temperaturen standhalten zu können, sind die Wände 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl gefertigt. Ein solcher Stahl hat eine niedrige thermische Leitfähigkeit, weswegen besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um homogenes Wärmeprofil der Wände zu erreichen: Die Kühlkanäle 16 haben ein näherungsweise rechteckiges Querschnittsprofil. Benachbarte Kühlkanäle 16 sind durch Stege 18 getrennt, deren Breite 19 geringer als die Breite 17 der Kühlkanäle 16 ist; die Stegbreiten 19 betragen typischerweise zwischen 20% und 50% der Kanalbreiten 17. Durch die geringe Stegbreite 19 wird ein lokales Aufheizen der Wände in den zwischen den Kühlkanälen 16 liegenden Stegbereichen 18 wirksam unterbunden.
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Die Wände 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 sind mit Hilfe von Abstandshaltern 26 an der Außenkammer 2 befestigt, vorzugsweise in einer solchen Weise, dass jede Wand 10 über mindestens einen Abstandshalter 26 an der Außenkammer 2 befestigt ist. Bevorzugt weist zumindest eine der Wände 10 eine Einzelbefestigung durch lediglich einen Abstandshalter 26 auf. Die Abstandshalter 26 bestehen aus einem Werkstoff mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und sind innen hohl; im Innenbereich der Abstandhalter sind (in den Figuren nicht gezeigte) Zu- und Abführungen zur Versorgung der Kühlkanäle 16 mit für Kühlfluid vorgesehen.
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Um den Anteil der in die Kammerwände 10 transmittierten Heizleistung möglichst gering zu halten, sind im Innenraum 24 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 optional Zwischenreflektorwände 28 vorgesehen, vorzugsweise sind diese von den Wänden 10 beabstandet.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Innenseiten 29 der Wände 10 mit einem Werkstoff beschichtet, der ein hohes Reflektionsvermögen (Reflektanz) im Wellenlängenbereich der Heizmittel 11' (hier: im Infrarotbereich, in dem die Quarzstäbe 12 abstrahlen) hat und somit ebenfalls als Reflektor wirkt. Die Beschichtung besteht beispielsweise aus Spectralon, einem diffus-hochreflektierenden Thermoplasten. Zusätzlich können – wie in 1 beispielhaft angedeutet – in ausgewählten Bereichen des Innenraums 24, z. B. in den Ecken, weitere Reflektoren 30 vorgesehen sein, die eine Abschirmung dieser Bereiche gegenüber der Strahlung der Heizmittel 11' und/oder eine Fokussierung der erwärmenden Infrarotstrahlung auf das Substrat 20 bewirken. Zwischen den Wänden 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 und dem Substrat 20 kann zudem ein teiltransparenter Zwischenreflektor (z. B. aus Quarzkeramik) vorgesehen sein, der eine hohe Wärmestabilität besitzt und eine räumliche Homogenisierung der Erhitzung bewirkt.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt der Wärmeübertrag von den Heizmitteln 11 (Quarzstäben 12) auf das Substrat 20 vorwiegend über Wärmestrahlung. Alternativ kann über (in der Figur nicht gezeigte) Zu- und Abführungen ein Schutzgas, insbesondere ein Inertgas, in die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 eingeleitet werden, um einen erhöhten Wärmeübertrag mit Hilfe von Konvektion zu erreichen.
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Im Ausführungsbeispiel der 2a–2c sind – entsprechend der in 3 gezeigten Gestaltung der Frontplatte 113 mit zwei Kühlkanälen 117 – zwei Zuleitungen 121 und zwei Ableitungen 121' vorgesehen.
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Der Hitzeschild 14 wird insbesondere mit Hilfe des Diffusionsschweißens aus einer Frontplatte 113 und einer Rückplatte 115 hergestellt (siehe 2a).
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Die Frontplatte 113 ist derjenige Teil des Hitzeschilds 14, der im Betrieb dem Innenraum der Bearbeitungskammer 1 zugewandt ist. Diese Frontplatte 113 weist eine ebene Deckfläche 114 auf, die mit nutenförmigen Vertiefungen 117 versehen ist, welche im fertig gefügten Hitzeschild 14 die Kühlkanäle 12, 112 bilden.
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Die Rückplatte 115 ist derjenige Teil des Hitzeschilds 14, der im Betrieb dem Innenraum der Bearbeitungskammer 1 abgewandt ist. Die Rückplatte 115 weist eine ebene Bodenfläche 116 auf, in deren Bereich die Rückplatte 115 mit der Deckfläche 114 der Frontplatte 113 verbunden wird, um den Hitzeschild herzustellen. Die Rückplatte 115 ist mit einer oder mehreren Zuleitungen 121 und einer oder mehreren Ableitungen 121 für Kühlmittel versehen. Um den im Innenraum herrschenden hohen Temperaturen und Heizleistungen standhalten zu können, bestehen die beiden Platten 113, 115 des Hitzeschilds aus einem hochtemperaturbeständigen und korrosionsfesten Stahl, beispielsweise dem ferritisch-austenitischen Duplex-Stahl 1.4462. Platten aus diesem Werkstoff können gut diffusionsgeschweißt werden.
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Die Einzelschritte zur Herstellung des Hitzeschilds 14 sind schematisch in den Schnittdarstellungen der 2a–2c dargestellt:
Zunächst werden die Frontplatte 113 und die Rückplatte 115 so aufeinandergelegt, dass die Deck- und die Bodenfläche 114, 116 einander gegenüberliegen (2a). Die zu verschweißenden Flächen 114, 116 sollten gereinigt und möglichst glatt (vorzugsweise poliert) sein. Um sicherzustellen, dass alle Stege 118 der Bodenfläche mit den gegenüberliegenden Bereichen der Deckfläche verbunden werden, kann zwischen die beiden Flächen 114, 116 ein Hartlot, z. B. Kupfer, in Form einer Folie 123 eingelegt werden; alternativ kann beispielsweise die Deckfläche 116 der Rückplatte 115 oder auch die Frontplatte mit einem Hartlot beschichtet sein.
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Sind die beiden Flächen 114, 116 in der gewünschten Weise zueinander ausgerichtet, dann werden die beiden Platten 113, 115 bei erhöhter Temperatur (von mindestens 400°C) und unter Vakuum (oder einer Schutzgasatmosphäre) aufeinandergepresst, wodurch eine Diffusionsverschweißung der einander gegenüberliegenden Deck- und Bodenflächen 114, 116 erfolgt (siehe 2b). Um die erhöhte Temperatur zu erreichen, können die Fügepartner 113, 115 als Ganzes erhitzt werden; alternativ können die Platten 113, 115 auch nur im Bereich der zu verschweißenden Flächen 114, 116 erwärmt werden. Die Diffusionsverschweißung erfolgt vorzugsweise durch unidirektionale Druckausübung senkrecht zu den zu verbindenden Flächen 114, 116, beispielsweise in einer Presse. Die Druckrichtung ist in 2b durch Pfeile 125 angedeutet. Durch die Diffusionsverschweißung werden zwischen der Vertiefungen 117 in der Bodenfläche 114 und der Deckfläche 116 geschlossene Kühlkanäle 112 erzeugt, durch die – mit Hilfe der Zu- und Ableitungen 121, 121' – im Betrieb des Hitzeschilds 14 ein Kühlmedium geleitet wird. Weiterhin werden durch die Diffusionsschweißung die Ränder der beiden Platten 113, 115 mechanisch und thermisch fest miteinander verbunden. Um eine zusätzliche Sicherung gegen Leckage zu erreichen und um eine erhöhte Korrosionsfestigkeit der Fügestellen zu erreichen, können die beiden Platten 113, 115 in den aneinandergrenzenden Randbereichen mit zum Beispiel einer Elektronenschweißnaht 126 gesichert werden. Auf diese Weise wird auch sichergestellt, dass das zwischen den Fügeflächen 114, 116 eingelegte Hartlot 123 im Betrieb der Bearbeitungskammer 1 nicht nach außen dringen kann.
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Während im Ausführungsbeispiel der 2a–2c die miteinander zu verschweißenden Flächen 114, 116 als ebene Flächen gezeigt und beschrieben wurden, können diese Flächen im Allgemeinen eine beliebige Form haben, solange die Deckfläche der Frontplatte komplementär zur Bodenfläche der Rückplatte ausgestaltet ist, so dass die miteinander zu verschweißenden Flächen einen flächenhaften Kontakt zueinander haben.
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3 zeigt eine Aufsicht auf die Deckfläche 114 der Frontplatte 113. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben diese Vertiefungen 117 einen mäanderförmigen Verlauf. Da der hochfeste Werkstoff der Platten 113, 115 eine niedrige thermische Leitfähigkeit hat, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um ein homogenes Wärmeprofil des Hitzeschilds 14 zu erreichen: Die Vertiefungen 117 haben daher ein näherungsweise rechteckiges Querschnittsprofil. Benachbarte Vertiefungen 117 sind durch Stege 118 getrennt; Die Stegbreiten 119 vorzugsweise klein und der abzuführenden Leistung angepasst. Durch die geringe Stegbreite 119 wird ein lokales Aufheizen der Wände in den zwischen den Kühlkanälen 112 liegenden Stegbereichen 118 wirksam unterbunden. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums in den Vertiefungen 117 ist in 3 durch Pfeile 122 angedeutet.
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Ist das Hitzeschild geometrisch nicht zu groß und/oder ist die abzuführende Leistung nicht so hoch, kann die Verbindung auch kostengünstig wie unten beschrieben gefertigt werden.
- a In der Frontplatte 113 werden die Kühlkanäle, z. B. 40 mm breit und 26 mm tief mäanderförmig eingefräst.
- b Dann wird im Bereich der Kühlkanäle eine zweite Ausfräsung vorgenommen, z. B. 42 mm breit und 6 mm tief, mit der eine Auflageschulter 130 gebildet wird.
- c Es werden im Randbereich 132 der zweiten Ausfräsung Entlastungsnuten 135 gefräst.
- d Formstücke, beispielsweise gefräst, z. B. 6 mm dick, die in die zweite Ausfräsung b hineinpassen werden ausgewählt
- e Die Formstücke werden als Rückseite 115 mittels Elektronenstrahlschweißen im Vakuum mit der Frontplatte 113 verbunden.
- f Damit ist ein Kühlkanal gebildet, im vorliegenden Beispiel 40 × 20 mm2.
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Eine Eigenspannung der Schweißnähte und damit resultierende Verformung wird durch die Entlastungsnuten 135 reduziert oder verhindert.
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Um einen möglichst großen Teil der auf den Hitzeschild treffenden Heizlast zu reflektieren und somit eine gute Hitzeabschirmung zu erreichen, ist die dem Innenraum der Bearbeitungskammer 1 zugewandte Innenwand 24 des Hitzeschilds 14 als Reflektor ausgeführt. Alternativ kann diese Innenseite mit einem Werkstoff beschichtet sein der die Strahlung gut reflektiert. Alternativ oder zusätzlich kann die Innenwand 124 des Hitzeschilds 14 zur Erhöhung des Reflektionsvermögens poliert sein.
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Der erfindungsgemäße Hitzeschild 14 weist eine hohe Hitze- und Korrosionsbeständigkeit auf. Der Hitzeschild 14 eignet sich daher insbesondere zur Verwendung in Bearbeitungskammern 1, in denen Dünnfilmsolarzellen bzw. Dünnfilmsolarmodulen mit einer Trägerschicht aus einem Glas bzw. Quarz hergestellt werden sollen, auf die eine Mo-Schicht als Elektrode und eine funktionelle Schicht aus einem Kupfer-Indium-Diselenid(CIS)-Halbleiter oder einem Kupfer-Indium-Sulfo-Selenid(CIGSSe)-Halbleiter aufgetragen wird.
