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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Absaugvorrichtung zum Absaugen eines Fluids von einem Substrat, auf ein System zum Abscheiden einer Halbleiterschicht, auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Absaugvorrichtung, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf ein entsprechendes Computerprogramm sowie auf ein entsprechendes Speichermedium.
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Es sind Durchlaufbeschichtungsanlagen bekannt, die ausgebildet sind, um ebene Substrate wie beispielsweise Leiterplatten zu beschichten. Hierzu werden die Substrate in der Regel horizontal durch Behandlungsbecken gefördert, etwa mittels Rollenbahnen. Eine Mindestmenge eingesetzter Prozesslösungen kann hierbei in dem Becken vorgelegt sein. Die vorgelegte Fluidmenge ist oftmals mit einem Vorratstank verbunden, der beispielsweise über eine Pumpe und eine Heizung verfügt, sodass bei einer geringen Fluidmenge ein definierter Stoffaustausch im Medium ermöglicht wird.
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Ferner ist bekannt, dass ebene kleine Substrate mittels Schleudern getrocknet werden können. Beispielsweise können Substrate in Horden in sogenannten Carriern geschleudert werden, sodass durch die Fliehkraftunterstützung nur geringe Spülwassermengen oder Trocknungsluftmengen benötigt werden.
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Die
DE 1947 484 A offenbart eine Taumeleinrichtung zur Beschichtung von Bildschirmen mit thixotropen Stoffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Absaugvorrichtung zum Absaugen eines Fluids von einem Substrat, ein System zum Abscheiden einer Halbleiterschicht, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Absaugvorrichtung, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein entsprechendes Computerprogramm sowie schließlich ein entsprechendes Speichermedium gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der vorliegende Ansatz schafft eine Absaugvorrichtung zum Absaugen eines Fluids von einem Substrat, wobei die Absaugvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Absaugdüse mit einer Einlassöffnung, die angrenzend an eine Substratoberfläche angeordnet oder anordenbar ist;
eine Bewegungseinheit, die ausgebildet ist, um die Absaugdüse entlang zumindest einer Achse der Substratoberfläche zu bewegen; und
zumindest eine mit der Absaugdüse verbundene oder verbindbare Leitung zum Anlegen eines Unterdrucks an der Einlassöffnung, um das Fluid von dem Substrat abzusaugen.
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Unter einem Fluid kann ein Reagenz, etwa in Form einer Lösung, zum Bewirken einer chemischen Reaktion verstanden werden. In dem Fluid kann beispielsweise Cadmiumsulfid, Zinksulfid oder Indiumsulfid gelöst sein. Beispielsweise können mittels des Fluids dünne Schichten aus Cadmiumsulfid, Zinksulfid bzw. Indiumsulfid auf dem Substrat abgeschieden werden. Unter einem Substrat kann beispielsweise ein Halbleitermaterial verstanden werden, auf dem mittels Abscheidung weitere Halbleiterschichten hergestellt werden können. Unter einer Absaugdüse kann ein röhrenförmiges Element verstanden werden, durch das ein Fluidstrom gelenkt werden kann. Unter einer Einlassöffnung kann eine Öffnung der Absaugdüse verstanden werden, durch die das Fluid in die Absaugdüse hineingesaugt wird, sofern ein Unterdruck an der Einlassöffnung anliegt. Eine Bewegungseinheit kann ausgebildet sein, um die Absaugdüse mit der Einlassöffnung entlang zumindest einer Achse der Substratoberfläche zu bewegen. Unter einer Achse kann beispielsweise eine Längs-, Quer- oder Hochachse des Substrats verstanden werden. Unter einer Bewegungseinheit kann beispielsweise eine sich entlang der Längsachse erstreckende Führungsschiene verstanden werden, die mit der Absaugdüse mechanisch gekoppelt ist, sodass die Absaugdüse entlang der Längsachse beweglich gelagert ist. Beispielsweise kann die Absaugdüse zusätzlich drehbar in der Führungsschiene gelagert sein, um eine Bewegung entlang der Hochachse des Substrats zu ermöglichen. An die Absaugdüse kann eine Leitung zum Anlegen eines Unterdrucks angeschlossen sein. Unter einer Leitung kann beispielsweise ein Schlauch oder ein Rohr verstanden werden. Unter einem Unterdruck kann ein Druck im Inneren der Absaugdüse verstanden werden, der niedriger ist als ein Druck einer Außenumgebung der Absaugdüse.
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Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Fluid, das zum Abscheiden einer Schicht auf einem Substrat verwendet wird, mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand entsorgt werden kann, indem das Fluid mittels einer Absaugdüse von dem Substrat abgesaugt wird. Hierbei kann die Absaugdüse in zumindest eine Richtung auf dem Substrat hin- und herbewegt werden. Dadurch kann eine besonders gründliche und effiziente Reinigung des Substrats von dem zu entsorgenden Fluid realisiert werden. Ferner kann dadurch eine Prozesszeit einer Behandlung des Substrats verkürzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die Einlassöffnung schlitzförmig ausgeführt sein. Insbesondere kann hierbei eine Breite der Einlassöffnung zumindest einem Hauptanteil einer Breite des Substrats entsprechen. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Großteil des Fluids bereits beim einmaligen Bewegen der Absaugdüse über das Substrat abgesaugt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann sich die Einlassöffnung entlang einer von der Achse der Substratoberfläche abweichenden Achse erstrecken. Beispielsweise kann sich die Einlassöffnung quer zu einer Längsachse der Substratoberfläche erstrecken, wobei die Bewegungseinheit ausgebildet sein kann, um die Absaugdüse entlang der Längsachse zu bewegen. Auch durch diese Ausführungsform lässt sich eine Effizienz eines Absaugvorgangs erhöhen.
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Ferner kann die Bewegungseinheit ausgebildet sein, um einen Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Einlassöffnung zu verändern. Somit kann die Absaugvorrichtung flexibel an unterschiedliche Substratdicken oder unterschiedliche Fluidfüllstände angepasst werden.
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Des Weiteren kann zumindest eine Sprühdüse vorgesehen sein, die angrenzend an die Absaugdüse angeordnet ist und ausgebildet ist, um das Fluid auf das Substrat aufzubringen. Mittels der Sprühdüse kann das Fluid effizient auf der Substratoberfläche verteilt werden.
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Die Absaugvorrichtung kann zumindest eine weitere Sprühdüse umfassen, die angrenzend an die Absaugdüse angeordnet ist und ausgebildet ist, um zumindest ein weiteres Fluid auf das Substrat aufzubringen. Beispielsweise kann es sich bei dem weiteren Fluid um eine Reinigungsflüssigkeit oder Druckluft handeln. Somit kann mittels des weiteren Fluids zeitgleich zum Aufbringen oder Absaugen des Fluids ein Reinigungsvorgang durchgeführt werden. Dadurch kann eine Prozessdauer deutlich verkürzt werden.
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Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Einlassöffnung der Absaugdüse zwischen einer Auslassöffnung der Sprühdüse und einer Auslassöffnung der weiteren Sprühdüse ausgebildet ist, um das Fluid und/oder das weitere Fluid abzusaugen. Durch eine solche Anordnung der Einlassöffnung zwischen den jeweiligen Auslassöffnungen der Sprühdüsen kann beispielsweise unmittelbar nach dem Absaugen des Fluids das weitere Fluid auf das Substrat aufgebracht werden. Auch durch diese Ausführungsform lässt sich eine Behandlungszeit des Substrats im Vergleich zu herkömmlichen Methoden verkürzen.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem ein System zum Abscheiden einer Halbleiterschicht, wobei das System folgende Merkmale aufweist:
eine Aufnahmeplatte zum Aufnehmen eines Substrats;
eine Haube, die ausgebildet ist, um die Aufnahmeplatte fluiddicht abzudecken, insbesondere um eine Reaktionskammer zum Abscheiden der Halbleiterschicht auf dem Substrat mittels eines Fluids zu bilden; und
eine Absaugvorrichtung gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Absaugvorrichtung zumindest teilweise in der Reaktionskammer angeordnet ist, um das Fluid auf das Substrat aufzubringen und/oder von dem Substrat abzusaugen.
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Unter einer Halbleiterschicht kann beispielsweise eine Dünnschicht zum Herstellen einer Dünnschichtsolarzelle verstanden werden. Unter einer Aufnahmeplatte kann eine Platte verstanden werden, auf der das Substrat fixiert werden kann, um das Fluid gleichmäßig auf der Oberfläche des Substrats zu verteilen. Unter einer Haube kann ein zu einer Seite hin geöffnetes Abdeckelement verstanden werden, das auf die Aufnahmeplatte aufgesetzt werden kann, um eine fluiddichte Reaktionskammer zu bilden. Unter einer Reaktionskammer kann ein Raum mit konstanten Reaktionsbedingungen zum kontrollierten Durchführen einer chemischen Badabscheidung mittels des Fluids und des Substrats verstanden werden.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungssystemen, bei denen eine eingesetzte Fluidmenge mindestens einer Füllhöhe eines Beckens, in der Regel aber einer Füllmenge eines Tanks, einer Pumpe und der Rohrleitungen entspricht, kann bei einem solchen System zum Beschichten insbesondere ebener Substrate, wie beispielsweise Solarzellen oder Leiterplatten, bereits eine sehr geringe Menge an Elektrolyt ausreichen, um eine chemische oder elektrochemische Abscheidung aus Fluiden durchzuführen.
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Eine solche Leiterplattenanlage bietet ferner den Vorteil, dass mit geringen Fluidmengen nachbehandelt, gereinigt und getrocknet werden kann. Somit lässt sich auch ein Aufwand hinsichtlich Behandlungszeit, Anlagenbau oder Medienmenge verringern.
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Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann das System mit einer Haltevorrichtung zum Halten der Haube ausgeführt sein. Insbesondere kann hierbei die Haltevorrichtung ausgebildet sein, um die Haube auf die Aufnahmeplatte abzusenken und/oder von der Aufnahmeplatte hochzuheben. Unter einer Haltevorrichtung kann beispielsweise ein höhenverstellbarer Rahmen verstanden werden, an dem die Haube befestigt ist. Mittels der Haltevorrichtung wird ein schnelles und automatisiertes Abdecken der Substratoberfläche zum Bilden der Reaktionskammer ermöglicht.
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Ferner kann ein Vorbehandlungsbereich zum Vorbehandeln des Substrats vor dem Abscheiden der Halbleiterschicht und/oder ein Nachbehandlungsbereich zum Nachbehandeln des Substrats nach dem Abscheiden der Halbleiterschicht vorgesehen sein. Hierbei kann die Aufnahmeplatte angrenzend an den Vorbehandlungsbereich und/oder den Nachbehandlungsbereich angeordnet sein. Beispielsweise kann unter einem Vorbehandlungsbereich und einem Nachbehandlungsbereich je ein mit einem entsprechenden Reagenz gefülltes Becken verstanden werden, durch das das Substrat hindurchgezogen werden kann. Durch eine Anordnung der Aufnahmeplatte angrenzend an den Vor- und/oder Nachbehandlungsbereich kann eine lückenlose und zeitsparende Behandlung des Substrats realisiert werden.
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Hierbei kann das System mit einer Transportvorrichtung ausgestattet sein, die ausgebildet ist, um das Substrat von dem Vor- und/oder Nachbehandlungsbereich auf die Aufnahmeplatte zu transportieren und/oder von der Aufnahmeplatte in den Nachbehandlungsbereich und/oder den Vorbehandlungsbereich zu transportieren. Insbesondere kann sich hierbei die Transportvorrichtung flächig entlang einer Haupterstreckungsebene der Aufnahmeplatte erstrecken. Unter einer Transportvorrichtung kann beispielsweise eine Rollenbahn oder ein Förderband verstanden werden, auf der bzw. auf dem das Substrat aufliegt. Mithilfe der Transportvorrichtung kann eine automatische Taktung eines Vorbehandlungs-, Beschichtungs- und Nachbehandlungsprozesses des Substrats realisiert werden.
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Ferner schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Betreiben einer Absaugvorrichtung gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Anordnen der Einlassöffnung der Absaugdüse angrenzend an die Substratoberfläche;
Bewegen der Absaugdüse entlang zumindest einer Achse der Substratoberfläche; und
Anlegen eines Unterdrucks an der Einlassöffnung, um das Fluid von dem Substrat abzusaugen.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Schließlich schafft der vorliegende Ansatz ein maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1a, 1b schematische Querschnittsdarstellungen eines Systems zum Abscheiden einer Halbleiterschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Absaugvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3a, 3b schematische Querschnittsdarstellungen einer Randdichtung einer Reaktionskammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4a, 4b, 4c schematische Darstellungen eines Systems zum Abscheiden einer Halbleiterschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Absaugvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Absaugvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1a, 1b zeigen schematische Querschnittsdarstellungen eines Systems 100 zum Abscheiden einer Halbleiterschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das System 100 umfasst eine Absaugvorrichtung 105. Die Absaugvorrichtung 105 weist eine Absaugdüse 110 mit einer Einlassöffnung 115 auf. An eine der Einlassöffnung 115 gegenüberliegende Öffnung der Absaugdüse 110 ist ein Rohr 120 angeschlossen. Ein Endbereich des Rohrs 120 ist mit einer Bewegungseinheit 125 der Absaugvorrichtung 105 mechanisch gekoppelt. Das System 100 umfasst ferner einer Aufnahmeplatte 130 zum Aufnehmen eines Substrats 135. Bei dem Substrat 135 handelt es sich etwa um eine Halbleiterplatte, die auf die Aufnahmeplatte 130 geschoben werden kann. Die Aufnahmeplatte 130 kann ausgebildet sein, um das Substrat 135 zu fixieren. Die Einlassöffnung 115 ist in einem geringen Abstand zur Aufnahmeplatte 130 angeordnet. In 1a befindet sich das Substrat 135 nur teilweise auf der Aufnahmeplatte 130.
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Die Bewegungseinheit 125 ist beispielsweise als eine lineare Führungsstruktur realisiert, die sich entlang einer Längsachse der Aufnahmeplatte 130 erstreckt, wie nachfolgend anhand von 4b näher erläutert. Beispielsweise ist das Rohr 120 in die Bewegungseinheit 125 eingehängt. Somit wird eine lineare Bewegung der Absaugdüse 110 entlang der Längsachse ermöglicht. Optional ist die Bewegungseinheit 125 ausgebildet, um eine Drehbewegung der Absaugdüse 110 um eine Querachse der Aufnahmeplatte 130 zu ermöglichen. Dadurch kann die Absaugdüse 110 von der Aufnahmeplatte 130 weg- oder zur Aufnahmeplatte 130 hingeschwenkt werden.
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Das Rohr 120 ist ausgebildet, um einen Unterdruck an der Einlassöffnung 115 anzulegen. Beispielsweise ist das Rohr 120 hierzu mit einer entsprechenden Pumpeinheit (nicht dargestellt) verbunden.
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Des Weiteren umfasst das System 100 eine Haube 140. Eine Öffnung der Haube 140 ist der Aufnahmeplatte 130 gegenüberliegend angeordnet. Hierbei wird die Haube 140 von einer Haltevorrichtung in Form eines Spannrahmens 145 gehalten. Der Spannrahmen 145 ist ausgebildet, um die Haube 140 auf die Aufnahmeplatte 130 abzusenken bzw. von der Aufnahmeplatte 130 hochzuheben. In 1a befindet sich die Haube 140 in einem nicht abgesenkten Zustand. Innerhalb der Haube 140 ist die Absaugvorrichtung 105 bewegbar angeordnet.
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In 1b befindet sich das Substrat 135 vollständig auf der Aufnahmeplatte 130. Die Haube 140 ist auf die Substratoberfläche abgesenkt. Durch die Substratoberfläche wird die Öffnung der Haube 140 fluiddicht verschlossen. Der so gebildete Hohlraum fungiert als Reaktionskammer 150 zum Durchführen einer chemischen Badabscheidung auf dem Substrat 135, beispielsweise um eine Halbleiterschicht auf dem Substrat 135 abzuscheiden. Hierzu kann ein entsprechendes Fluid 155 auf die Substratoberfläche aufgetragen werden.
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Die Absaugvorrichtung 105 ist ausgebildet, um das Fluid 155 von der Substratoberfläche abzusaugen, sofern der Unterdruck an der Einlassöffnung 115 anliegt. Hierbei wird die Einlassöffnung 115 mittels der Bewegungseinheit 125 entlang der Substratoberfläche hin- und herbewegt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Absaugvorrichtung 105 ausgebildet, um die Reaktionskammer 150 mit dem Fluid 155 zu befüllen, wie nachfolgend anhand von 2 beschrieben.
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Wird das ebene Substrat 135 mit der Haube 140 verschlossen, so ergibt sich vor allem aufgrund einer notwendigen Dichtung der Reaktionskammer 150 ein umlaufender Rand. Wird das Substrat 135 zusätzlich bewegt, sollte eine auf das Substrat 135 aufgebrachte Flüssigkeit 155 nicht herausschwappen. Der Rand ist somit entsprechend hoch ausgebildet.
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Üblicherweise wird das Substrat 135 zum Entleeren um über 90 Grad gekippt, um die Flüssigkeit 155 über den Rand auszukippen. Insbesondere im Bereich der Dünnschichtfotovoltaik kann es hinsichtlich einer Maschinentechnik und eines Bauraums sehr aufwendig sein, um große Solarzellen mit Abmessungen von beispielsweise 600 mm mal 1200 mm zu drehen.
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Die ablaufende Flüssigkeit 155 kann aufgefangen und einer Aufarbeitung, Recyclierung oder Wertstoffgewinnung zugeführt werden. Um ein undefiniertes Trocknen des in der Regel beheizten Substrats 135 in der Zwischenzeit zu verhindern, kann das Substrat 135 während des Kippvorgangs zum Entleeren der Prozessflüssigkeit 155 mit Nachbehandlungslösung angesprüht werden. Hierbei vermischt sich die Prozesslösung 155 in der Regel mit der Nachbehandlungslösung, die oftmals als Reaktionsstopp eingesetzt wird, sodass die Prozesslösung 155 für eine Recyclierung ungeeignet sein kann.
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Wenn durch das Schrägstellen des Substrats 135 die Reaktionslösung 155 abgelaufen ist, kann das Substrat 135 zurück in die Horizontale gedreht werden, sofern beispielsweise eine längere Nachbehandlung vorgesehen ist. Nach Ablauf der Nachbehandlungszeit wird das Substrat 135 erneut gekippt und abgesprüht. Durch die Kippzeiten können sich deutliche Taktzeitverlängerungen ergeben.
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Durch Abschließen des Substrats 135 mit der Haube 140 kann ein definiertes Trocknen des Substrats 135 erschwert werden.
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Eine Leiterplattenanlage benötigt deutlich mehr Prozesslösung 155 zur Beschichtung als eine Kippvorrichtung.
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Eine eingesetzte Menge an Nachbehandlungs- oder Reinigungslösung kann auf das Niveau einer Leiterplattenanlage reduziert werden.
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Ein Abschleudern von Flüssigkeit ist bei den im Bereich der Dünnschichtfotovoltaik üblichen Substratgrößen, insbesondere bei CIGS-Substraten, technisch schwer machbar.
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Ein erforderlicher Abblasprozess kann manuell mit einer Stickstoffblaspistole durchgeführt werden, sobald die Kammer 150 geöffnet ist. Bei geschlossener Kammer 150 kann bislang keine Abblasvorrichtung definiert verwendet werden. Ferner entsteht hierbei ein Überdruck. Wassertropfen, die über das Substrat 135 geblasen werden, können Spuren auf der Oberfläche hinterlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Integration einer Bewegungseinrichtung 125 zur Beschichtung flacher Substrate 135, wie etwa Dünnschichtsolarzellen, mit einer Durchlauf-Beschichtungsanlage 100.
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Hierbei erfolgt ein Aufgeben und Entfernen dünner Fluidfilme zur Abscheidung unter Verwendung eines umlaufenden Rahmens 145 oder unter Verwendung einer aufgesetzten Haube 140.
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Somit können Taktzeiten verkürzt werden und Nebenprozesse aus einem Beschichtungsprozess ausgelagert werden.
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Ferner ermöglicht das System 100 die Verwendung optischer Messtechnik in einem Beschichtungsbereich.
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Da ein Kippen entfällt, kann eine Reinigung nach einer Beschichtung ohne starke Verdünnung der Prozessflüssigkeit 155 und ohne Zeitverlust erfolgen. Somit verringert sich auch ein Aufwand bei der Entsorgung und Recyclierung.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren ermöglicht das System 100 eine Trocknung in der Beschichtungszone.
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Optional kann eine kompakte Kaskadensprühdüsentechnik mit Trocknung durch Luftschwerter aus der Leiterplattentechnik direkt angeschlossen werden, wie nachfolgend anhand von 4c beschrieben.
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Schließlich ermöglicht das System 100 eine Verwendung bewährter Prozess- und Anlagentechnik aus der Leiterplattenfertigung.
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Insbesondere bei Fällungsreaktionen wie einer Abscheidung eines n-Halbleiters für CIGS-Dünnschichtsolarzellen können Lösungen nach einer Beschichtung schwer wiederverwendet werden. Die Lösungen werden somit oftmals einer Entsorgung oder einem Recycling zugeführt. Bei einer solchen Abscheidung kann beispielsweise eine Cadmiumsulfidschicht oder Sulfide und Oxisulfide von Cadmium, Zink und Indium aus wässrigen Lösungen abgeschieden werden.
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Aus diesem Grund werden bei derartigen Fällungsreaktionen sowohl ein Volumen einer Beschichtungslösung als auch ein Volumen einer Nachbehandlungslösung so gering wie möglich gewählt.
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Bei einem Abscheidungsprozess können auf einem CuInGaSe-Absorbermaterial (CuInGaSe = Copper indium gallium selenide; „Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid“) als p-Halbleiter Cadmiumsulfidschichten (CdS) als n-Halbleiter gebildet werden. Diese Schichten sind üblicherweise 40 bis 80 Nanometer dick und werden beispielsweise in einem zehn Minuten dauernden CBD-Prozess (CBD = chemical bath deposition; „chemische Badabscheidung“) erzeugt. Diese Schicht kann auch als Pufferschicht bezeichnet werden.
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Hierbei kann eine bereits vorprozessierte Solarzelle als Substrat 135 auf eine Heizplatte gelegt und mit einer dicht schließenden Haube 140 abgedeckt werden. Die Haube 140 und eine Substratoberfläche bilden hierbei ein Prozessvolumen, auf das dünne Filme aus einer wässrigen Prozesslösung 155 aufgebracht werden.
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Beispielsweise kann durch intensive Bewegungsmuster eine Durchmischung der Prozesslösung 155 für einen Stoffaustausch einer chemischen Abscheidung ohne die Notwendigkeit einer Pumpvorlage mit Umwälzeinrichtung erreicht werden. Im Prozess wird beispielsweise Cadmiumsulfid auf die Substratoberfläche abgeschieden.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Absaugvorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Absaugvorrichtung 105 umfasst zusätzlich zur Absaugdüse 110 eine erste Sprühdüse 200 und zweite Sprühdüse 205. Die Absaugdüse 110, auch Saugdüse genannt, weist einen keilförmigen Querschnitt auf, wobei sich die Absaugdüse 110 zur Einlassöffnung 115 hin verjüngt. Die Sprühdüsen 200, 205 sind einander gegenüberliegend an der Absaugdüse 110 angebracht. Hierbei ist die Einlassöffnung 115 zwischen einer Auslassöffnung der ersten Sprühdüse 200 und einer Auslassöffnung der zweiten Sprühdüse 205 angeordnet.
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Die Sprühdüsen 200, 205 sind beispielsweise als Spüldüsen realisiert. Hierbei ist die erste Sprühdüse 200 auf einer einer Bewegungsrichtung der Absaugdüse 110 abgewandten Seite der Absaugdüse 110 und die zweite Sprühdüse 205 auf einer der Bewegungsrichtung zugewandten Seite der Absaugdüse 110 angeordnet. Die zweite Sprühdüse 205 ist ausgebildet, um während einer Bewegung der Absaugdüse 110 das Fluid 155 auf die Substratoberfläche aufzusprühen. Die Absaugdüse 110 ist ausgebildet, um während der Bewegung der Absaugdüse 110 das Fluid 155 von der Substratoberfläche abzusaugen. Die erste Sprühdüse 200 ist ausgebildet, um während der Bewegung der Absaugdüse 110 beispielsweise eine Reinigungsflüssigkeit oder Druckluft auf das vom Fluid 155 befreite Substrat 135 aufzubringen. Somit können die Vorgänge des Aufbringens, Absaugens und Reinigens gleichzeitig durchgeführt werden.
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Die Aufnahmeplatte 130 ist optional mit Vakuumkanälen 210 zur Substratfixierung ausgebildet. Die Vakuumkanäle 210 sind ausgebildet, um das Substrat 135 mittels eines Unterdrucks gegen die Aufnahmeplatte 130 zu saugen.
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Zwischen einer Kammerwandung der Reaktionskammer 150 und einem äußeren Randbereich der Aufnahmeplatte 130 ist eine umlaufende Randdichtung 215 realisiert. Die Randdichtung 215 ist ausgebildet, um eine fluiddichte Verbindung zwischen der Kammerwandung und der Aufnahmeplatte 130 herzustellen, wie auch in den 3a und 3b gezeigt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Absaugvorrichtung 105 über dem Substrat 135 positioniert. Die Saugdüse 110 erstreckt sich in eine Richtung über nahezu eine gesamte Substratbreite. Die Absaugvorrichtung 105 ist in einem einstellbaren Abstand zum Substrat 135 angeordnet. Ferner ist die Absaugvorrichtung 105 ausgebildet, um über die Substratoberfläche, beispielsweise quer zur Substratbreite, bewegt zu werden.
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Beispielsweise kann die Saugdüse 110 am Ende einer Beschichtungszeit an die Substratoberfläche an einer Seite des Substrats 135 herangefahren werden. An die Saugdüse 110 wird ein Unterdruck angelegt, durch den die Flüssigkeit 155 von der Oberfläche abgesaugt wird. Gleichzeitig wird die Saugdüse 110 parallel zur Substratoberfläche über die Platte 130 bewegt. 2 zeigt die Saugdüse 110 beispielhaft in einer mittleren Fahrposition über der Platte 130. Am Ende der Substratoberfläche wird die Saugdüse 110 abgeschaltet und optional aus dem Bereich der Substratoberfläche ausgeschwenkt oder ausgefahren. Die Saugdüse 110 kann auch in eine Ausgangsposition mit oder ohne Saugwirkung zurückgefahren werden.
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Beispielsweise beträgt ein Mindestabstand der Saugdüse 110 zum Substrat 135 zwischen 0,1 mm und 20 mm, insbesondere 5 mm. Ein Abstand zum Seitenrand des Substrats 135 bzw. zu einer Kammerwand der Reaktionskammer 150 beträgt beispielsweise ebenfalls zwischen 0,1 mm und 20 mm, insbesondere 5 mm. Eine Düsenmündung 115 der Saugdüse 110 ist hierbei als Schlitz mit einer Breite von beispielsweise 0,1 mm bis 20 mm, insbesondere 4 mm, ausgebildet. Die Düsenmündung 115 kann auch als Einlassöffnung 115 bezeichnet werden. Im Inneren der Düse 110 können Unterteilungen oder Strömungsleitelemente ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise sind in einem Bereich vor und/oder hinter der Saugdüse 110 zusätzliche Sprühdüsen 200, 205 angeordnet. So kann eine chemisch aktive Lösung 155 abgesaugt werden und beispielsweise auf einer der Bewegungsrichtung der Absaugdüse 110 entgegengesetzten Seite ein Spülmedium, vollentsalztes Wasser oder eine die Reaktion stoppende Komponente aufgebracht werden.
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Ferner kann somit ein Spülmedium unmittelbar nach dem Absaugen der Reaktionslösung 155 aufgebracht werden und zum Einwirken eine gewisse Zeit auf dem Substrat 135 verbleiben. Am Ende der Einwirkzeit kann das Spülmedium durch die Absaugdüsenmündung 115 oder eine weitere Düsenmündung der Absaugdüse 110 abgesaugt werden. Ebenso kann ein Trocknungsschritt durchgeführt werden, indem eine leichtflüchtige Komponente wie beispielsweise Ethanol aufgebracht und wieder abgesaugt wird oder die Oberfläche mit Druckluft oder Stickstoff abgeblasen wird und die von der abgeblasenen Oberfläche abgenommenen Feuchtigkeitsanteile direkt abgesaugt werden.
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Am Ende der Reinigung bzw. Vorreinigung kann das Substrat 135 weitergetaktet werden, beispielsweise in eine Durchlaufsprühdüsenkaskade, wie nachfolgend anhand von 4c gezeigt.
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3a, 3b zeigen schematische Querschnittsdarstellungen einer Randdichtung 215 einer Reaktionskammer 150 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Fixieren eines flachen Substrats 135 wie beispielsweise einer Leiterplatte oder eines Dünnschicht-CIGS-Solarmoduls erfolgt optional auf einer beheizbaren und bewegbaren Unterlage 130. In den 3a und 3b ist ein Bereich gezeigt, in dem eine Flüssigkeit 155 steht, aus der eine Abscheidung auf die Oberseite des Substrats 135 erfolgt. Üblicherweise wird die Flüssigkeit 155 über eine Dichtungskante hinweg entfernt, indem das Substrat 135 gekippt wird, sodass die Flüssigkeit 155 wenigstens über eine obere Dichtungskante gelangt. Hierbei kann in eine Seitenwand der Reaktionskammer 150 ein Auslassventil in Form der Randdichtung 215 eingebracht sein.
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Die Randdichtung 215 umfasst beispielsweise zwei gegenüberliegend angeordnete Gummilippen 300, wobei eine erste Gummilippe 300 an einem Rahmen der Reaktionskammer 150, wie etwa einer Wandung der Haube 140, und eine zweite Gummilippe 300 in einem Randbereich der Aufnahmeplatte 130 befestigt ist. Beim Absenken der Haube 140 auf die Aufnahmeplatte 130 werden die Gummilippen 300 aufeinandergedrückt. Somit wird ein Füllbereich der Reaktionskammer 150 fluiddicht verschlossen.
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4a, 4b, 4c zeigen schematische Darstellungen eines Systems 100 zum Abscheiden einer Halbleiterschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem in den vorangegangenen Figuren gezeigten System 100 umfasst das in den 4a und 4b dargestellte System 100 ein Vorbehandlungsbecken 400 sowie ein Nachbehandlungsbecken 405, zwischen denen eine Beschichtungssektion 407 angeordnet ist. Die Beschichtungssektion 407 umfasst die Absaugvorrichtung 105, wobei die Aufnahmeplatte 130 als Brücke zwischen dem Vorbehandlungsbecken 400 und dem Nachbehandlungsbecken 405 dient. Auf der Aufnahmeplatte 130 ist das Substrat 135 fixiert. Die Becken 400, 405 sind beispielsweise je mit einer entsprechenden Flüssigkeit zum Vorbehandeln bzw. Nachbehandeln des Substrats 135 gefüllt. In die Becken 400, 405 ist je eine Rollenbahn 410 integriert. Die Rollenbahnen 410 sind beispielsweise ausgebildet, um das Substrat 135 von dem Vorbehandlungsbecken 400 auf die Aufnahmeplatte 130 oder von der Aufnahmeplatte 130 in das Nachbehandlungsbecken 405 oder von dem Nachbehandlungsbecken 405 in einen weiteren, in den 4a bis 4c nicht gezeigten Bereich des Systems 100 zu befördern. Eine Bewegungsrichtung des Substrats 135 ist in 4a beispielhaft mit einem Pfeil gekennzeichnet.
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In 4b ist das System 100 mit einer Schutzumhausung 415 gezeigt. Die Schutzumhausung 415 ist an dem Spannrahmen 145 der Absaugvorrichtung 105 aufgehängt. Der Spannrahmen 145 ist beispielhaft mit vier Sockeln 420 ausgeführt, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Aufnahmeplatte 130 verlaufen. Die Sockel 420 sind paarweise in einander gegenüberliegenden Randbereichen der Beschichtungssektion 407 angeordnet. Ferner sind die Sockel 420 je über eine Kolbenstange 425 mit einem Antriebselement 430 wie etwa einem Pneumatik- oder Hydraulikzylinder verbunden. Die Antriebselemente 430 sind ausgebildet, um eine Höhe des Spannrahmens 145 zu verstellen, und damit eine Höhe der Schutzumhausung 415 sowie der innerhalb der Schutzumhausung 415 angeordneten Haube, die ebenfalls mit dem Spannrahmen 145 verbunden ist.
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In einer der Aufnahmeplatte gegenüberliegenden Decke der Schutzumhausung 415 ist ein länglicher Führungsschlitz 435 ausgebildet, der sich parallel zur Bewegungsrichtung des Substrats 135 erstreckt. In den Führungsschlitz 435 ist das Absaugrohr 120 etwa mittels eines Stifts oder Bolzens eingehängt, um eine lineare Bewegung der Absaugdüse entlang der Bewegungsrichtung oder auch eine Schwenkbewegung der Absaugdüse zu ermöglichen.
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In 4c ist ein Übergangsbereich zwischen der Aufnahmeplatte 130 und dem Nachbehandlungsbecken 405 dargestellt. Mittels der Rollenbahn 410 wird das Substrat 135 von der Beschichtungszone 407 in eine Nachbehandlungszone weitergetaktet. In 4c befindet sich bereits eine Teilfläche des Substrats 135 in dem Nachbehandlungsbecken 405. Die Saugdüse 110 mit Spüleinrichtung ist in einem dem Nachbehandlungsbecken 405 zugewandten Randbereich der Aufnahmeplatte 130 angeordnet. Zwischen der Aufnahmeplatte 130 und dem Nachbehandlungsbecken 405 sind zwei zusätzliche Sprühdüsen 440 ausgebildet. Das Substrat 135 wird zwischen den zusätzlichen Sprühdüsen 440 hindurchgeführt. Die zusätzlichen Sprühdüsen 440 sind ausgebildet, um eine Ober- und Unterseite des Substrats 135 mit einer Flüssigkeit zu spülen. Zwischen den zusätzlichen Sprühdüsen 440 und dem Nachbehandlungsbecken 405 ist ferner ein Luftschwert 445 zur Trocknung des Substrats 135 ausgebildet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das System 100 als Durchlaufminimalgalvanik zum Abscheiden aus geringen Fluidmengen realisiert. Hierbei umfasst das System 100 eine Saugvorrichtung 105 zum Absaugen von Flüssigkeit 155 über einem ebenen Substrat 135, wobei die Saugvorrichtung 105 wenigstens eine Düsenmündung 115 aufweist, die als Längsschlitz ausgebildet ist. Die Saugvorrichtung 105 ist hierbei in wenigstens einer Richtung beweglich ausgebildet. Ferner umfasst die Absaugvorrichtung 105 eine Sprüh-, Spül- und/oder Abblasvorrichtung. Die Saugvorrichtung 105 kann an wenigstens einem Ende eines Verfahrwegs aus einem Beschichtungsbereich 407 ausgefahren oder ausgeschwenkt werden. Zudem ist die Einrichtung 105 mit Mitteln zum Beheizen oder Kühlen ausgeführt. Die Saugvorrichtung 105 kann in eine Beschichtungskammer 150 eingebaut sein. Zusätzlich kann die Saugvorrichtung 105 als Komponente einer Beschichtungsstrecke, beispielsweise für Leiterplatten, realisiert sein. Die Beschichtungskammer 150 kann eine temperierte Substrataufnahme 130 umfassen. Die Wände oder die Decke einer Abdeckhaube 140 können beheizbar sein, um Kondensation oder Wärmeverlust zu vermeiden. Die Absaugvorrichtung 105 ist ausgebildet, um Prozessmedien gezielt abzusaugen, ohne diese zu verdünnen, und damit einer Entsorgung oder Kreislaufführung zuzuführen. Schließlich kann das System 100 eine Reinigungseinrichtung in Form von Düsen oder Düsenstöcken 440, 445 aufweisen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer Absaugvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 505 des Anordnens der Einlassöffnung der Absaugdüse angrenzend an die Substratoberfläche. In einem weiteren Schritt 510 erfolgt das Bewegen der Absaugdüse entlang zumindest einer Achse der Substratoberfläche. Schließlich umfasst das Verfahren 500 einen Schritt 515 des Anlegens eines Unterdrucks an der Einlassöffnung, um das Fluid von dem Substrat abzusaugen.
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Gemäß einem in den 1a, 1b, 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in eine Beschichtungssektion des Systems 100 das Substrat 135 eingefahren. Beispielsweise wird das Substrat 135 aus einer Vorbehandlungsstation 400 ohne Verzögerung in die Beschichtungssektion 407 vorgetaktet. An dem Spannrahmen 145 ist eine Schutzumhausung 415 als Spritzschutz angebracht. Die Schutzumhausung 415 sowie eine Beschichtungskammer 150 sind etwas nach oben gefahren. Über den Spannrahmen 145 kann die Beschichtungskammer 150 gegen das Substrat 135 abgesenkt werden, sodass sich eine abgedichtete Beschichtungskammer 150 ergibt.
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Zur Fixierung kann das Substrat 135 durch Anlegen eines Unterdrucks an die Unterlage 130 gesaugt werden. Zusätzlich kann das Substrat 135 beheizt werden, etwa von unten mittels einer Heizplatte oder von oben mittels Strahlungswärme von einem Infrarotstrahler oder von einer in einem definierten Abstand angebrachten temperierten Deckelplatte.
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In der geschlossenen Beschichtungskammer 150 kann nun ein Flüssigkeitsfilm mit sehr geringer Dicke, beispielsweise im Bereich einiger Millimeter, auf das Substrat 135 aufgegeben werden. Benötigt eine Reaktion einen erhöhten Stoffaustausch, so kann das Substrat 135 zusätzlich entlang mehrerer Achsen bewegt werden, beispielsweise mechanisch oder mittels Ultraschall.
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6 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 600 zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Absaugvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 600 umfasst eine Einheit 605, die ausgebildet ist, um die Einlassöffnung der Absaugdüse angrenzend an die Substratoberfläche anzuordnen. Mit der Einheit 605 ist eine Einheit 610 verbunden, die ausgebildet ist, um die Absaugdüse entlang zumindest einer Achse der Substratoberfläche zu bewegen. Schließlich ist mit der Einheit 610 eine Einheit 615 verbunden, die ausgebildet ist, um einen Unterdruck an der Einlassöffnung anzulegen, um das Fluid von dem Substrat abzusaugen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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