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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, und insbesondere auf die thermische Behandlung von großflächigen Dünnschichtsubstraten für die Photovoltaik.
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In der Halbleiterindustrie und auch der Photovoltaikindustrie ist es bekannt, dass Bauelemente während ihrer Herstellung eine Vielzahl von unterschiedlichen Prozessschritten durchlaufen. Ein solcher Prozessschritt ist das thermische Behandeln von Substraten, die später die Bauelemente bilden.
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In der Halbleitertechnik werden in der Regel für die thermische Behandlung von Substraten stationäre Vorrichtungen verwendet, bei denen das thermisch zu behandelnde Substrat relativ zu einer Heizeinheit örtlich stationär (wenn auch ggf. rotierend) gehalten wird. Eine Aufheizung der Substrate erfolgt häufig über stabförmige Lampenstrahler, wie zum Beispiel Wolfram-Halogenlampen. Um ein relativ gleichmäßiges Strahlungsprofil auf einer zu behandelnden Substratoberfläche zu erreichen, ist eine aufwendige Kammergeometrie notwendig, welche die ”linienförmige” Lampenstrahlung verteilt. Um über eine größere Fläche hinweg eine gleichmäßige Strahlung zu erreichen, ist darüber hinaus eine große Anzahl von Heizlampen notwendig, was zu hohen Kosten solcher Anlagen führt. Die Ansteuerung solcher Lampensysteme ist darüber heraus auch aufwändig, insbesondere, wenn zur Erhöhung der Temperaturhomogenität von Substraten eine individuelle Ansteuerung vorgesehen wird. Lampenstrahler des obigen Typs haben eine relativ kurze Lebensdauer zwischen beispielsweise 2000 bis 6000 Arbeitstunden, wodurch ein regelmäßiger Austausch derselben mit den damit assoziierten Kosten erforderlich ist.
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In der Photovoltaikindustrie, insbesondere im Gebiet der Dünnschichtsolarzellen, in denen beispielsweise Substrate mit Breiten zwischen 60 und 140 cm behandelt werden müssen, werden in der Regel Durchlauföfen eingesetzt. Diese besitzen in der Regel einen langgestreckten Heizraum, der an seinen entgegengesetzten Enden offen ist, sowie eine Transporteinheit zum Transport von Substraten durch den Heizraum. Auch bei solchen Durchlauföfen ist es bekannt, Lampenstrahler für die Aufheizung der Substrate einzusetzen. Diese erstrecken sich üblicherweise quer zur Förderrichtung der Substrate, um eine Temperaturhomogenität auf dem Substrat zu erreichen. Bei den erforderlichen Längen der Lampenstrahler müssen diese jedoch mit hohen Spannungen angesteuert werden, was insgesamt die Kosten für solche Durchlaufofen erhöht. Auch hier kommt die begrenzte Lebensdauer der Lampenstrahler als hoher Kostenpunkt zum Tragen. Darüber hinaus besitzen solche Lampenstrahler nicht die Möglichkeit über die Länge des Lampenstrahlers hinweg unterschiedliche Strahlungsprofile einzustellen, um ggf. Randeffekte kompensieren zu können.
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Ferner sind in der Photovoltaik auch Rohrheizkörper bekannt, die beispielsweise einen spiralförmigen Widerstandheizkörper aufweisen, durch den die zu behandelnden Substrate längs hindurchgeführt werden können. Auch solche Heizsysteme besitzen jedoch den Nachteil, dass sie hinsichtlich des abgegebenen Heizprofils starr sind und keine örtlichen Anpassungen ermöglichen. Darüber hinaus sind die Rohrheizsysteme aufgrund der Masse des Widerstandsheizkörpers üblicherweise hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens träge, so dass keine raschen Temperaturänderungen möglich sind.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten vorzusehen, die bzw. das wenigstens eines der oben genannten Probleme des Standes der Technik überwindet.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren nach Anspruch 15 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Insbesondere weist eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere von Dünnschichtsubstraten für die Photovoltaik wenigstens einen. Substratträger zum Tragen eines Substrats, einer Heizeinheit mit wenigstens einem Heizelement sowie wenigstens einen Heizelementträger zum Tragen des wenigstens einen Heizelements auf. Dabei ist der Heizelementträger so ausgebildet, dass er eine lokale Abstandsänderung zwischen Substratträger und Heizeinheit ermöglicht, d. h. eine bereichsweise Bewegung des wenigstens einen Heizelements relativ zum Substratträger. Hierdurch soll eine lokal unterschiedliche Einstellung des Strahlungsprofils der Heizelemente auf dem zu behandelnden Substrat erreicht werden. Hierbei ist wichtig, dass die Heizeinheit mit dem wenigstens einen Heizelement nicht als ganzes gleichmäßig bewegt wird, was optional zusätzlich vorgesehen sein kann, sondern lokale Änderungen vorgesehen werden.
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Hierdurch lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise das Strahlungsprofil der Heizelemente in gewünschter Weise anpassen. Insbesondere ist es möglich, Heizleistung im Randbereich der Substrate unterschiedlich zur Heizleistung im Mittelbereich der Substrate vorzusehen, um ggf. Randeffekte auszugleichen und eine verbesserte Temperaturhomogenität vorzusehen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der wenigstens eine Heizelementträger wenigstens ein flexibles Element, beispielsweise ein Metallblech auf, das verformbar und/oder bewegbar ist, um die lokale Abstandsänderung vorzusehen, wobei ferner Mittel zum Verformen und/oder Bewegen des flexiblen Elements vorgesehen sind. Ein solches flexibles Element beispielsweise in Form eines Metallblechs sieht eine einfache Möglichkeit vor, den Abstand zwischen der Heizeinheit und dem Substratträger bereichsweise zu verändern. Dabei können die Mittel zum Verformen und/oder Bewegen des flexiblen Elements beispielsweise eine Kammer benachbart zum flexiblen Element aufweisen, die mit Unterdruck und/oder Überdruck beaufschlagt werden kann, um das flexible Element zu verformen und/oder zu bewegen. Diese Kammer kann die eigentliche Heizkammer sein oder auch eine entsprechende Kammer auf der vom Heizraum abgewandten Seite des flexiblen Elements. Alternativ ist es auch möglich, dass die Mittel zum Verformen und/oder Bewegen des flexiblen Elements ein mit dem flexiblen Element in Kontakt stehendes, vorzugsweise verbundenes und bewegliches Element aufweist. Ein solches Element kann über seine eigene Bewegung lokal eine Verformung und/oder Bewegung des flexiblen Elements hervorrufen und hierdurch den Abstand zwischen der Heizeinheit und dem Substratträger bereichsweise verändern.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Heizelement flexibel, um hierdurch eine lokale Abstandsänderung vorsehen zu können. Durch das Vorsehen eines flexiblen Heizelements ergibt sich eine besonders gute Anpassbarkeit des hiervon ausgehenden Strahlungsprofils. Dabei ist es möglich, dass das Heizelement als ganzes flexibel ist, oder abschnittsweise durch unflexible und flexible Abschnitte gebildet wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizeinheit mit dem wenigstens einen Heizelement vorzugsweise als flächiger Strahler ausgebildet, der innerhalb seiner Ausmessungen eine im Wesentlichen zusammenhängende Abstrahloberfläche bildet. Als im Wesentlich zusammenhängend ist im Sinne der Anmeldung zu verstehen, dass Freiräume innerhalb des Umfangs der Abstrahloberfläche kleiner als 30% vorzugsweise kleiner als 10% sind. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Heizelement als ein Folienheizer ausgebildet, der eine Dicke im Millimeterbereich, beispielsweise zwischen 1 und 5 mm vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 mm aufweist. Solche Folienheizer können eine ausreichende mechanische Robustheit aufweisen, während sie gleichzeitig flexibel sind, um eine Verformung vorsehen zu können. Vorzugsweise besteht das wenigstens eine Heizelement wenigstens abschnittsweise aus einen der folgenden Materialen: Graphit, CFC, SIC oder einem ähnlichen Material, oder es weist zumindest eines dieser Materialien auf.
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Für einen besonders einfachen Aufbau der Vorrichtung ist das wenigstens eine Heizelement vorzugsweise mit dem wenigstens einen Heizelementträger wenigstens bereichsweise verklebt, gebondet, verschweißt und/oder keramisch fixiert. Hierdurch kann eine enge, temperaturbeständige Verbindung zwischen Heizelement und Heizelementträger vorgesehen werden, die eine gemeinsame Bewegung ermöglicht.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung als Durchlaufofen ausgebildet, der einen tunnelförmigen Heizraum mit Seitenwänden, einer Bodenwand und einer Deckenwand aufweist, wobei wenigstens eine der Wände, insbesondere die Deckenwand des Heizraums, den Heizelementträger bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist sowohl die Deckenwand als auch die Bodenwand des Ofens Heizelementträger mit daran angebrachten Heizelementen auf. Die Heizelemente werden dabei durch die Heizelementträger vorzugsweise einander gegenüberliegen gehalten. Insbesondere bei der Ausführungsform der Vorrichtung als Durchlaufofen kann der Substratträger als Teil einer Fördereinheit, insbesondere als ein Transportband, zum Transport des Substrats durch den Heizraum ausgebildet sein.
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Für ein gleichmäßiges Strahlungsprofil ist das wenigstens eine Heizelement vorzugsweise mäanderförmig aufgebaut. Dabei ist es möglich, dass das wenigstens eine Heizelement eine dem zu behandelnden Substrat entsprechende Umfangsform aufweist, um eine gleichmäßige Erwärmung aller Teilbereiche des Substrats vorzusehen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Heizeinheit so aufgebaut, dass sie individuell ansteuerbare Abschnitte aufweist. Dies kann durch eine Vielzahl von separaten Heizelementen, oder durch ein einheitliches Heizelement, das an unterschiedlichen Stellen mit Leistung beaufschlagbar ist, erreicht werden. Vorzugsweise ist die Heizeinheit ferner so aufgebaut, dass sie bereichsweise unterschiedliche Widerstände aufweist, Somit kann sie auch ohne Verformung, beispielsweise durch ihre Formgebung, lokal unterschiedliche Heizleistung vorsehen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine Verfahren zum thermischen Behandeln von Substraten, insbesondere von Dünnschichtsubstraten für die Photovoltaik gelöst, bei dem ein zu behandelndes Substrat auf einem Substratträger einer Heizeinheit gegenüberliegend gehalten wird. Das Substrat wird über entsprechende Ansteuerung der Heizeinheit thermisch behandelt und der Abstand zwischen wenigstens einem Heizelement der Heizeinheit und dem Substrat wird während der thermischen Behandlung verändert, um die schon oben genannten Vorteile zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Längsschnittansicht durch einen Durchlaufofen gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsansicht durch den Durchlaufofen;
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3 eine schematische Querschnittsansicht, durch den Durchlaufofen, gemäß 2, wobei eine Heizeinheit des Durchlaufofens in einer veränderten Position ist;
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4 eine schematische Querschnittsansicht ähnlich 2 durch den Durchlaufofen gemäß 1, wobei die Heizeinheit desselben in einer noch anderen Position ist;
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5 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Durchlaufofen gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Ansicht von unten auf eine Heizeinheit gemäß der Erfindung;
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7 eine schematische Ansicht von unten auf einer alternativen Heizeinheit der Erfindung;
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8 eine schematische Ansicht von unten auf eine weitere alternative Heizeinheit der Erfindung;
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9 eine schematische Ansicht von unten auf eine noch weitere alternative Heizeinheit der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Begriffe wie oben, unten, rechts, links beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht einschränkend zu sehen, obwohl sie eine bevorzugte Ausrichtung darstellen können.
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Die 1 bis 4 zeigen schematische Schnittansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Substraten 3, insbesondere von großflächigen Dünnschichtsubstraten für die Photovoltaikindustrie. Dabei ist die Vorrichtung als sogenannter Durchlaufofen aufgebaut, bei dem die Substrate während einer thermischen Behandlung durch einen Heizbereich der Vorrichtung 1 hindurch bewegt werden Die Erfindung kann aber für stationäre Ofen eingesetzt werden, bei denen Substrate während der thermischen Behandlung örtlich stationär gehalten werden, was eine Rotation der Substrate jedoch nicht ausschließt.
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Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Gehäuseeinheit 5, einer Vielzahl von Heizeinheiten 7, sowie einer Transporteinheit 9 für die Substrate 3.
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Die Gehäuseeinheit 5 besteht im Wesentlichen aus einem langgestreckten Gehäuse 13, das einen rechteckigen Querschnitt besitzt, wie in den 2 bis 4 dargestellt ist. Das Gehäuse 13 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Oberteil 15 sowie einem Unterteil 16, die über einen Schwenkmechanismus 18 relativ zueinander verschwenkt werden können. Insbesondere kann das Oberteil 15 gegenüber dem Unterteil 16 hoch geschwenkt werden, um einen Zugriff in das Innere des Gehäuses 13 zu ermöglichen. Natürlich ist es auch möglich, keine oder andere Öffnungs- und Schließmechanismen für das Gehäuse 13 vorzusehen.
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In den Endwänden (Längsrichtung) des Gehäuses 13 ist jeweils eine Öffnung 20 vorgesehen. Die jeweiligen Öffnungen 20 sind so bemessen, dass sich ein Transportband 22 der Transportvorrichtung mit darauf befindlichen Substraten 3 dort hindurch erstrecken kann. Hierdurch soll ein Transport der Substrate 3 durch den Innenraum des Gehäuses 13 ermöglicht werden, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Im Inneren des Gehäuses 13 wird ein tunnelförmiger Heizraum 24 gebildet. Die Gehäuseeinheit weist ferner eine Vielzahl von sich quer zur Längsrichtung des Gehäuses 13 erstreckenden Trennelementen 26 auf, welche den Heizraum 24 in eine Vielzahl von Heizbereiche 24a, 24b, 24c und 24d unterteilt. Dabei sind die Trennelemente 26 so angeordnet, dass die Heizbereiche 24a bis 24d jeweils im Wesentlichen die gleiche Größe besitzen. Darüber hinaus sind die Trennelemente 26 auch so angeordnet, dass zwischen den jeweiligen Heizbereichen 24a bis 24d jeweils Verbindungsöffnungen 28 beispielsweise in der Größe der Öffnungen 20 verbleiben. Diese Verbindungsöffnungen 28 sind auch mit den Öffnungen 20 in den Endwänden ausgerichtet, um einen geradlinigen Transport von Substraten 3 durch den Heizraum 24 mit seinen unterschiedlichen Heizbereiche 24a bis 24d zu ermöglichen.
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Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, dass das Gehäuse 13 in Längsrichtung einteilig ist, und einen zusammenhängenden Innenraum besitzt, der durch Trennelemente 26 unterteilt ist. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, eine Vielzahl von unmittelbar benachbarten Gehäusemodulen entsprechend den Heizbereichen 24a bis 24d vorzusehen. Die Gehäusemodule könnten direkt benachbart zueinander angeordnet sein, sodass sie einen quasi durchgängigen Heizraum bilden, der entsprechend der Module benachbarte Heizbereiche aufweist. Der Vorteil einer solchen Modulbauweise läge darin, dass die Vorrichtung 1 auf einfache Art und Weise, entsprechend den Anforderungen, eine größere oder kleinere Anzahl von Heizbereichen vorsehen kann. Die zuvor beschriebene Unterteilung des Heizraums 24 in unterschiedliche Heizbereiche 24a bis 24b ist dabei optional. Es ist auch möglich auf eine entsprechende Unterteilung zu verzichten und einen durchgängigen Heizraum vorzusehen, der in Längsrichtung über eine einzige oder aber auch eine Vielzahl von Heizeinheiten 7 beheizt wird. Im Deckenbereich des Gehäuses 13 ist eine Isolierung 29 vorgesehen, die natürlich auch an anderen Bereichen vorgesehen sein kann.
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Bei der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform ist in jedem der Heizbereiche 24a bis 24d eine entsprechende Heizeinheit 7 vorgesehen. Diese können jeweils denselben, nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau besitzen, es können aber in den Heizbereichen 24a bis 24b auch unterschiedliche Heizeinheiten vorgesehen sein. In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Heizeinheiten 7 jeweils denselben Aufbau besitzen, sodass nur eine näher beschrieben wird.
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Die Heizeinheit 7 wird jeweils durch eine Heizelementträgereinheit 30, ein einzelnes Heizelement 32 oder eine Vielzahl von Heizelementen 32, sowie eine Positionssteuereinheit 34 gebildet.
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Die Heizelementträgereinheit 30 besteht im Wesentlichen aus einem flexiblen Tragelement 36, wie beispielsweise einem Metallblech. Das Tragelement 36 ist im Wesentlichen parallel und beabstandet zu einer Deckenwand des Gehäuses 30 angeordnet. Es überspannt den Heizraum 24 in Querrichtung vollständig. In Längsrichtung des Heizraums 24 sind im Bereich der Enden des flexiblen Tragelements 36 jeweils entsprechende Wandelemente vorgesehen, so dass zwischen der Deckenwand des Gehäuses 13 und dem Tragelement 36 ein im Wesentlichen geschlossener Raum 38 gebildet wird. Dieser Raum 38 kann über die Positionssteuereinheit 34 mit Unterdruck oder Überdruck beaufschlagt werden, um das Tragelement 36 zu verformen, wie in den 3 und 4 angedeutet ist. Das Material des Tragelements 36 ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass bei gleichem Druck in der Kammer 38 und dem Heizraum 24 das Tragelement eine ebene Konfiguration aufweist, wie in 2 angedeutet ist. D. h. es besitzt eine ausreichende Stabilität, um sich selbst und ein daran befestigtes Heizelement eben zu halten. Wenn jedoch in dem Raum 38 ein ausreichend kleinerer Druck als im Heizraum 24 herrscht, dann biegt sich das Tragelement 36 nach oben durch, wie in 3 dargestellt ist. In umgekehrter Weise biegt sich das Tragelement 36 nach unten durch, wenn der Druck im Raum 38 ausreichend größer ist als im Heizraum 24, wie in 4 dargestellt ist. Dabei ist das Tragelement 36 bei der dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung als Durchlaufofen so gewählt, dass eine Durchbiegung des Tragelements 36 im Wesentlichen quer zur Längsrichtung verläuft, während eine Durchbiegung in Längsrichtung nicht auftritt. Hierdurch ergibt sich eine Zylindersymmetrische Verbiegung. Dies kann beispielsweise durch entsprechende in Längsrichtung verlaufende Verstärkungselemente (nicht dargestellt) erfolgen.
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Das Heizelement 32/die Vielzahl von Heizelementen 32 ist an der Unterseite des Trägerelements 36 derart fixiert, dass es/sie einer entsprechende Bewegung des Trägerelements 36 folgt/folgen. Dies kann beispielsweise durch Verkleben, Bonden, keramisches Fixieren, Schweißen, Verschrauben oder in sonstigen geeigneter Weise erfolgen. Das Heizelement 32 ist insbesondere derart aufgebaut, dass es selbst flexibel ist, um durch eigenes Verbiegen der Verbiegung des Tragelements 36 folgen zu können. Hierzu kann insbesondere ein Folienheizelement aus Graphit, CFC, SIC oder ähnlichem Material mit einer Dicke zwischen 1 und 5 mm insbesondere in einem Bereich von 1,5 bis 2,5 mm eingesetzt werden, welches natürlich falls erforderlich elektrisch isoliert gegenüber dem Trägerelement auf selbigen fixiert sein muss. Solche Folienheizer haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie selbst massearm sind, und somit eine rasche Erwärmung und Abkühlung erlauben, was insbesondere bei stationären Systemen von Vorteil ist.
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Die 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Ansichten von unten auf das Tragelement 36 mit daran befestigen Heizelement(en) 32. Bei der Darstellung gemäß 6, ist das Heizelement 32 beispielsweise ein CFC-Folienheizelement, das mäanderförmig geschnitten ist. Dabei können die Abstände zwischen benachbarten Mäanderbahnen klein gewählt werden, so dass sich ein im Wesentlichen durchgängiger, flächiger Strahler ergibt. An den entgegengesetzten Enden des Mäanders ist jeweils eine Kontaktelektrode 40 schematisch dargestellt, über die das Heizelement 32 mit Leistung versorgt werden kann. Entsprechende Zuleitungen zu den Kontaktelektroden 40 können beispielsweise über den Raum 38 durch das Tragelement 36 hindurch vorgesehen werden.
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Die Umfangsform des Heizelements 32 ist an die Form der zu behandelnden Substrate (hier rechteckige Dünnschichtsubstrate) angepasst. Wenn Substrate mit anderen Umfangsformen beispielsweise runde Substrate behandelt werden sollen, kann auch ohne weiteres ein runder Mäander oder eine Spiralform für das Heizelement vorgesehen werden.
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Bei der Darstellung gemäß der 6 sind die Mäanderbahnen jeweils von einer gleichmäßigen Dicke, so dass über die jeweiligen Mäanderbänder eine im Wesentlichen gleichmäßige Heizleistung abgegeben wird.
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Die 7 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Heizelements 32, das wiederum beispielsweise als CFC-Folienheizer ausgebildet ist, der mäanderförmig zugeschnitten ist. Hierbei besitzen die äußeren Mäanderbänder jedoch eine größere Breite als die innen liegenden, so dass sich in Querrichtung unterschiedliche Heizprofile ergeben. Alternativ könnten die äußeren Mäanderbänder jedoch auch eine andere Dicke aufweisen als die inneren, oder entlang ihrer Strompfade unterschiedliche Breiten und/oder Dicken aufweisen. Darüber hinaus sind bei der Darstellung gemäß 7 mehrere Kontaktelektroden 40 vorgesehen, die eine abschnittsweise Beaufschlagung des Mäanders mit Leistung ermöglicht. Natürlich kann eine entsprechende Vielzahl von Kontaktelektroden 40 auch bei der Ausführung gemäß der 6 vorgesehen sein, um in Querrichtung unterschiedliche Heizprofile einstellen zu können.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform für das Heizelement bei dem jeweils streifenförmige Heizelemente 32 beispielsweise wiederum als Folienheizelemente vorgesehen sind, die an ihren entgegengesetzten Enden jeweils über eine Kontaktelektrode 40 mit Leistung beaufschlagt werden können. Die einzelnen Heizelemente 32 können bei dieser Ausführungsform jeweils individuell, oder auch gruppenweise mit Leistung beaufschlagt werden.
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9 zeigt eine zu 8 abgewandelte Ausführungsform, bei der wiederum eine Vielzahl von streifenförmigen Heizelementen 32 vorgesehen ist. Die streifenförmigen Heizelemente sind jeweils an einem Ende über ein flexibles Kontaktelement kurzgeschlossen und liegen beispielsweise auf Masse. An den entgegengesetzten Enden sind jeweils Kontaktelektroden 40 vorgesehen, welche wiederum eine individuelle, gruppenweise oder gemeinsame Ansteuerung ermöglichen. Wie der Fachmann erkennen kann, ergeben sich für den Aufbau des Heizelements bzw. der Vielzahl von Heizelementen unterschiedlichste Möglichkeiten (beispielsweise die Ausbildung eines Mäanders durch beabstandete streifenförmige Heizelemente, die jeweils paarweise an entgegengesetzten Enden miteinander verbunden werden.
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Obwohl die Verwendung von flexiblen Folienheizern bevorzugt wird, können auch andere Heizelemente eingesetzt werden, die selbst nicht flexibel sein müssen, wenn sie beispielsweise wie in 8 oder 9 angeordnet sind. Bei einer entsprechenden Anordnung könnten die einzelnen Heizelemente selbst im Wesentlichen starr sein, wenn eine Durchbiegung des Trägerelements 36 nur in Querrichtung erfolgt. Bevorzugt werden jedoch auf Kohlenstoff basierende Folienheizer, welche eine entsprechende Flexibilität aufweisen, um einer Wölbung des Trägerelements 36 vollständig folgen zu können. Solche Heizelemente sollten bei Prozesstemperaturen oberhalb von 600°C nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommen. Wenn im Heizraum 24 jedoch thermische Behandlungen unter Sauerstoffeinfluss stattfinden, wäre es denkbar zwischen dem Heizelementen 32 und dem zum behandelnden Substrat ein Trennelement, wie beispielsweise eine Quarzplatte vorzusehen, die den eigentlichen Prozessraum mit den Prozessgasen von den Heizelementen trennt. Zwischen der Quarzplatte und den Heizelementen könnte dann ein entsprechendes Schutzgas wie beispielsweise ein Stickstoffgas eingesetzt werden. Dies könnte auch für die Verformung des Trägerelements eingesetzt werden.
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Bei der Darstellung gemäß den 1 bis 4 wird jeweils ein Druckunterschied zwischen den Raum 38 und dem Heizraum 24 dazu verwendet, um eine Durchbiegung des Trägerelements 36 zu erreichen. Darüber hinaus erfolgt der Transport der Substrate 3 durch den Heizraum 24 über ein Transportband.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Substraten 3, die sich in diesen Punkten unterscheidet. Bei dieser Ausführungsform werden dieselben Bezugszeichen verwendet, sofern ähnliche oder gleiche Teile beschrieben werden.
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Die Vorrichtung gleicht im Wesentlichen der zuvor beschriebenen, unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der Transporteinheit 9 sowie der Positioniereinheit 34. Die Transporteinheit 9 weist bei dieser Ausführungsform kein Transportband auf, sondern eine Vielzahl von Rollen, die durch entsprechende Rollenlager 52 an ihren Enden getragen werden. Die Rollen 50 und Lager 52 können je nach Bedarf aus Metall, Quarz oder Keramik für Hochtemperaturanwendungen ausgebildet sein. Die Rollen 50 können über einen entsprechenden Mechanismus angetrieben werden, um einen aktiven Transport für die Substrate 3 vorzusehen. Alternativ können die Rollen 50 jedoch auch frei drehbar gelagert sein, und die Substrate 3 können über einen Schubmechanismus durch den Heizraum 24 gefördert werden.
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Die Positioniereinheit 34 besteht bei der Ausführungsform gemäß 5 aus einem auf und ab bewegbaren Stempelelement 54, das an einer Rückseite des Trägerelements 36 befestigt ist. Wie der Fachmann erkennt, kann ein solches Stempelelement 54 durch Auf- und Abbewegung eine entsprechende Verbiegung wie sie in den 3 und 4 dargestellt ist, hervorrufen.
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Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung 1 unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei von der Ausführungsform gemäß den 1 bis 4 ausgegangen wird. Substrate 3 werden jeweils mit einem Abstand dazwischen auf dem Transportband 22 platziert, das umlaufend durch den Heizraum 24 der Vorrichtung 1 hindurchbewegt wird. Bei der Darstellung gemäß der 1 wird für die folgende Beschreibung davon ausgegangen, dass das Transportband 22 von links nach rechts durch den Heizraum 24 hindurch bewegt wird. Die Substrate 3 durchlaufen daher bei ihrem Transport sequentiell die Heizbereiche 24a, 24b, 24c und 24d.
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Die Heizeinheiten 7 werden in den jeweiligen Heizbereichen 24a bis 24d jeweils entsprechend angesteuert, um in Längsrichtung des Heizraums 24 ein vorbestimmtes Heizprofil vorzusehen. Dabei kann gegebenenfalls in jedem Heizbereich 24a bis 24b individuell das Strahlungsprofil des Heizelements 32 durch eine entsprechende Durchbiegung des Trägerelements 36 eingestellt. Insbesondere kann eine Fokussierung der Heizleistung auf einen Mittelbereich vorsehen werden, wenn eine Durchbiegung wie in 3 dargestellt ist, vorgesehen ist. Auch eine Fokussierung in die Randbereiche bei einer Durchbiegung wie sie in 4 dargestellt ist, kann je nach Bedarf erreicht werden. Darüber hinaus kann das Strahlungsprofil innerhalb der jeweiligen Heizbereiche auch noch über eine entsprechende Ansteuerung/Ausgestaltung des/der Heizelemente eingestellt sein.
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Eine entsprechende Fokussierung auf die Längsmitte der Substrate 3 ist beispielsweise insbesondere während einer Aufheizung der Substrate vorteilhaft. Während einer Temperaturhaltephase kann eine gleichmäßige Strahlungsverteilung vorteilhaft sein und während einer kontrollierten Abkühlphase beispielsweise eine Fokussierung auf die Randbereiche. Beispielsweise bilden die Heizbereiche 24a und 24b bei einer Anwendung Aufheizbereiche, der Heizbereich 24c einen Temperaturhaltebereich und der Heizbereich 24d einen Abkühlbereich für die Substrate 3 während ihrer Bewegung durch den Durchlaufofen. In anderen Anwendungen kann die Verteilung der Aufgaben wiederum anders ausgestaltet sein. Die jeweiligen Tragelemente 36 können jedoch unter Berücksichtigung der Funktion des jeweiligen Heizbereichs entsprechend eingestellt werden, wie oben beschrieben.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf einen Durchlaufofen beschrieben wurde, können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung welche eine lokale Abstandseinstellung zwischen einem zu behandelnden Substrat und wenigstens einem Heizelement vorsehen, auch vorteilhaft bei stationären Ofensystemen eingesetzt werden. Bei diesen wäre in gleicher Weise durch eine entsprechende Verformung eines Trägerelements eine lokale Einstellung möglich. Hierbei würde üblicherweise statt der zylindersymmetrischen Verformung des Trägerelements 36 eine kreissymmetrische Verformung vorgesehen. Auch würde hierbei eine entsprechende Verformung während eines Heizzyklus vorgenommen, da in stationären Systemen die Aufheizung eines Substrats, das Halten der Temperatur und das kontrollierte Abkühlen in der Regel über eine einzige Heizeinheit erfolgt.
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Darüber hinaus wurde die Erfindung auch unter Bezugnahme auf ein flexibles Tragelement 36 beschrieben. Statt eines solchen flexiblen Tragelements wäre es aber auch möglich, eine Vielzahl von relativ zueinander bewegbaren Tragelementen vorzusehen, die entweder jeweils einzeln ein entsprechendes Heizelement tragen, oder die an unterschiedlichen Punkten mit einem einzigen Heizelement verbunden sind. Durch individuelle Positionssteuerung der Tragelemente könnte wiederum eine lokale Abstandseinstellung zwischen Heizelement und Substrat erreicht werden.
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Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, sei bemerkt dass sie nicht auf die konkret dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Darüber hinaus sei bemerkt, dass unterschiedliche Aspekte der unterschiedlichen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden können, sofern entsprechende Kompatibilität vorliegt.