DE102016124338A1

DE102016124338A1 - Lichtquelle und Behandlungsvorrichtung zur oberflächennahen thermischen Behandlung

Info

Publication number: DE102016124338A1
Application number: DE102016124338.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Norbert Panckow; Lucie Behnke; Jörg Weber
Original assignee: SOLAYER GmbH
Current assignee: SOLAYER GmbH
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Es wird eine Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtpulsen mittels Einzel- oder Mehrfach-Plasmaentladungen und zur Emission der Lichtpulse in Lichtaustrittsrichtung 7 zum Zweck der oberflächennahen thermischen Behandlung von Materialien und eine Behandlungsvorrichtung unter Verwendung einer solchen Lichtquelle angegeben, mit welchen der Anteil ausgewählter Spektralbereiche des emittierten Lichts gezielt erhöht werden kann, um die Absorption auf die gewünschte Materialtiefe zu beschränken. Eine solche Lichtquelle umfasst folgende Komponenten: eine Blitzröhre 1, deren Wandung 2 den gasgefüllten Plasmaentladungsraum 3 räumlich begrenzt, zumindest ein Elektrodenpaar zum Aufbau eines für die Plasmaentladung verwendbaren elektrischen Feldes und zumindest einen Bandfilter 10 als optisches Element, welcher durchlässig ist für einen zur thermischen Behandlung ausgewählten Ausschnitt des Spektrums des von der Blitzröhre 1 emittierten Lichts, wobei der Bandfilter 10 durch zumindest einen Bereich der Wandung 2 der Blitzröhre 1 gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur oberflächennahen thermischen Behandlung von Materialien, bei welcher mittels Einzel- oder Mehrfach-Plasmaentladungen in gasgefüllten Blitzröhren Lichtpulse erzeugt werden, welchen die zu behandelnde Materialoberfläche ausgesetzt wird. Sie betrifft sowohl eine Lichtquelle zur Emission der Lichtpulse als auch eine Behandlungsvorrichtung, welche die Lichtquelle verwendet.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen zur Erzeugung und Behandlung von dünnen Schichten, die in verschiedenen Anwendungen mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften benötigt werden, beispielsweise als Kontaktschichten in der Photovoltaik oder für Displays oder in anderen Gebieten der Elektronik, bei denen die elektrische Leitfähigkeit und mitunter auch die Transparenz der oberflächennahen Schichten von Bedeutung ist. Auch chemische und mechanische Eigenschaften der Materialoberflächen können mittels der thermischen oberflächennahen Behandlung modifiziert werden.
Um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, werden die Materialoberflächen dem Licht der Plasmaentladungen im Subsekundenbereich ausgesetzt, so dass deren oberflächennahen Bereiche oder Schichte durch die Absorption des Lichts Energie zugeführt und dadurch eine thermische Behandlung realisiert wird. Durch die Kurzzeitbelichtung erfolgt der Energieeintrag hauptsächlich oberflächennah. Darunter liegende Schichten bzw. Lagen des Materials oder das, mitunter temperaturempfindliche, Trägersubstrat werden nicht oder nicht in solchem Maß erwärmt, dass deren Eigenschaften maßgeblich verändert werden. Um den Energieeintrag in diese Bereich des Materials so gering wie möglich zu halten, wird die Dauer der Photonenabsorption in dem Abschnitt der Materialoberfläche, welcher zur Lichtquelle gerichtet ist, durch gepulste Lichtemission auf den Mikro- bis Millisekundenbereich begrenzt.
Die oberflächennahe thermische Behandlung gestattet zudem sehr steile Temperaturrampen sowohl bei der Erwärmung als auch bei der Abkühlung, was sich positiv unter anderem auf die Selektivität der thermischen Behandlung bis in den Nanometerbereich und auf den Prozessablauf auswirkt. So ist es möglich, die thermische Behandlung im Rahmen von Durchlaufprozessen zur Herstellung der Schichten oder Schichtstapel in einer Inline-Anlage auszuführen.
Bei den behandelten Materialien kann es sich um transparente Substrate z.B. aus Glas, Polymer, Halbleiter oder dünnschicht-elektronischen Halbzeugen handeln, die unbeschichtet oder mit Beschichtungen bedeckt sind.
Zu behandelnde Schichten sind beispielsweise TCO-(transparent conductive oxide) Schichten, die häufig nur Schichtdicken im Bereich deutlich unter 100 Nanometer aufweisen. Durch eine thermische Behandlung kann eine Modifikation der optischen und elektrischen Eigenschaften der TCO-Schicht erzielt werden, um diese auf die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalles einzustellen. Z.B. kann eine Verringerung der Absorption und/oder des elektrischen Widerstands erreicht werden.
Als Lichtquelle, die mit den gewünschten Pulszeiten betrieben werden kann, werden regelmäßig Blitzröhren verwendet. Das sind Gasentladungslampen, die anstelle mit kontinuierlicher mit gepulster Gasentladung betrieben werden. Diese können mit verschiedenen Gasen gefüllt sein, z. B. mit Xenon oder Krypton oder einem Gemisch von beidem oder mit einem anderen Edelgas. Durch Variation von Pulsdauer, Pulsform oder Stromdichte kann die Ausgangsleistung der Lichtquelle variiert werden, um den für die thermische Behandlung erforderlichen Energieeintrag zu realisieren.
Blitzröhren emittieren Licht mit einem breiten Spektralbereich. Xenon-Blitzröhren emittieren Licht im Wellenlängenbereich von 160 nm bis 1000 nm, mit hoher Intensität bei Wellenlängen oberhalb des UV-Bereichs (A > 380 nm) und insbesondere im Bereich von 450 nm bis 500 nm, so dass sie für zahlreiche Anwendungen geeignet ist. Das Licht wird von der Blitzröhre ausgehend über einen Rückseitenreflektor, der wegen des hohen Reflexionsvermögens häufig Aluminium verwendet, auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet, so dass eine homogene Ausleuchtung und ein möglichst paralleler Strahlengang erzielt werden.
Die Anpassung des Emissionsspektrums auf das Absorptionsoptimum der zu behandelnden Materialoberfläche ist für verschiedene Blitzröhren durch Variation der Stromdichte oder des Gasdrucks der Blitzröhre möglich. Nachteilig ist hierbei, dass mit den Stromdichten die weiteren Leistungsparameter der Blitzröhren verknüpft sind, so dass deren Variationsbreite eingeschränkt wird. Beispielsweise wird die Eindringtiefe des Lichts über die Pulslänge eingestellt. Zur Aufrechterhaltung hoher Energiedichten bei gleichzeitiger Verringerung der Blitzpulsdauer wären spezielle Blitzröhren erforderlich, was in höheren Lampenkosten resultiert würde.
Dieser Nachteil zeigt sich z. B. bei der Behandlung von TCO-Beschichtungen. Hier nimmt die Absorption oberhalb des UV-Bereichs sehr stark ab, so dass das Licht in sehr dünnen, d. h. nur wenigen 10 Nanometern dicken, TCO-Beschichtungen nicht vollständig absorbiert wird und trotz kurzer Blitzzeiten in das Trägersubstrat gelangt. Das Blitzröhrenlicht, das die dem Lichteinfall zugewandt liegende TCO-Beschichtung durchdrungen hat, kann vom darunterliegenden Substratmaterial absorbiert werden und durch die Umwandlung in thermische Energie das Substrat schädigen. Um die gewünschten optischen und elektrischen Eigenschaften der TCO-Schicht zu erreichen, wären derart hohe Energiedichten erforderlich, dass trotz geringer Blitzpulsdauer im Submillisekundenbereich empfindliche Substrate thermisch geschädigt werden, d.h. zu viel Blitzlichtenergie im Substrat absorbiert wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtquelle und eine damit betriebene Behandlungsvorrichtung anzugeben, mit welchen unter Verwendung einer Blitzröhre für die oberflächennahe thermische Behandlung verschiedener Materialien der Anteil ausgewählter Spektralbereiche des emittierten Lichts gezielt erhöht werden kann, um die Absorption auf die gewünschte Materialtiefe zu beschränken.
Es ist beispielsweise gewünscht, den Anteil des Kaltlichts, d. h. Licht mit Wellenlängen im Bereich des nahen bis fernen UV- und des blauen Lichts (200 nm bis 500 nm), oder zumindest des nahen bis fernen UV-Lichts (200 nm bis 380 nm) zu erhöhen, in welchem beispielsweise TCO-Schichten effektiv behandelt werden können.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Erhaltung oder Erhöhung der Variabilität der Leistungsparameter der Lichtquelle bei gleichzeitiger Erhöhung der Variabilität der verwendbaren Spektralbereiche.
Weiter ist es gewünscht, den Aufbau kompakt und kosteneffektiv zu gestalten, auch um bessere Möglichkeiten der Nachrüstung bestehender Behandlungsanlagen zu erhalten.
Zur Erzeugung und Emission von Lichtpulsen für die oberflächennahe thermischen Behandlung von Materialien wird eine Lichtquelle vorgeschlagen, welche ein gasgefülltes Glasbehältnis, in welchem die Plasmaentladungen stattfinden, als Blitzröhre aufweist und ein Elektrodenpaar zum Aufbau eines für die Gasentladung verwendbaren elektrischen Feldes umfasst. Die Lichtquelle umfasst weiter zumindest ein optisches Element, welches den Strahlengang, die Intensität und das Spektrum des Lichts der Blitzröhre für die Behandlung der Materialoberfläche modifiziert. Erfindungsgemäß kann ein optisches Element ein Bandfilter sein, welcher durchlässig ist für einen zur thermischen Behandlung ausgewählten Ausschnitt des Spektrums des von der Blitzröhre emittierten Lichts. Ein alternatives oder ergänzendes optisches Element kann ein Reflektor sein, welcher zumindest den ausgewählten Ausschnitt reflektiert, wobei der Bandfilter und/oder der Reflektor durch zumindest einen Bereich der Wandung der Blitzröhre gebildet werden. Optional können auch mehr als ein Bandfilter und/oder mehr als ein Reflektor angeordnet sein.
Das Glasbehältnis der Blitzröhre kann verschiedene für die Plasmaentladung geeignete röhrenartige, auch bauchige Formen aufweisen, die das Gasvolumen vollständig umhüllen. Bekannt sind neben der Zylinderform verschiedene Kolbengeometrien und -größen. Alternativ sind auch freie Formen möglich, die beispielsweise keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Form des Glasgefäßes hat auf die Erfindung soweit Einfluss, dass sie für bestimmte Anwendungsfälle bevorzugt sein kann, mit bestimmten Leistungsparametern verbunden sein kann und mit ihr die Form der Bandfilter und Reflektoren eng verknüpft ist und diese, gegebenenfalls mit ergänzenden optischen Elementen, entsprechend der gewünschten Lichtaustrittsrichtung zu positionieren und zu begrenzen sind. Der Begriff der „Blitzröhre“ soll deshalb hier nicht auf die Zylinderform beschränkt verstanden sein. Ebenso kann auch die Anzahl der Blitzröhren an die erforderliche Energiedichte und die Größe der zu behandelnden Oberfläche angepasst werden.
Mit der Anwendung der Lichtquelle zur Behandlung von Oberflächen ist eine gewünschte Lichtaustrittsrichtung verbunden, die von der Gestalt der Oberfläche abhängen kann. Meist ist das eine Richtung, die bevorzugt senkrecht auf die im Behandlungsbereich angeordnete, beispielsweise ebene Materialoberfläche trifft. Alternativ kann die zu behandelnde Materialoberfläche teilweise oder vollständig die Lichtquelle umgeben, so dass mehr als eine Lichtaustrittsrichtung vorhanden ist. Der besseren Übersicht wegen wird die Erfindung nachfolgend anhand nur einer Blitzröhre und einer gewünschten Lichtaustrittsrichtung beschrieben. Die Übertragung auf mehrere von beiden kann anhand der Beschreibung erfolgen.
Erfindungsgemäß erfolgt die spektrale Begrenzung des emittierten Lichts direkt durch die Ausführung der Blitzröhre und im Unterschied zu Stand der Technik nicht durch deren Betriebs- oder Leistungsparameter. Bandfilter oder Reflektor oder eine Kombination von beiden werden durch die Ausführung der Wandung der Blitzröhre realisiert, wobei diese in alternativen Ausgestaltungen ein, oder mehrschalig ausgebildet sein kann. Bei einer mehrschaligen Ausführung der Wandung umschließen zumindest die innere und die äußere Schale den Plasmaentladungsraum vollständig.
Während für den Bandfilter die gesamte Wandung der Blitzröhre nutzbar ist, ist der Reflektor offensichtlich nur abschnittsweise durch die Wandung zu bilden, um die Emission in Lichtaustrittsrichtung zu realisieren. Beispielsweise kann der Reflektor als Frontseitenreflektor oder als Rückseitenreflektor ausgebildet sein. Erster ist an der vorderen Wandungsfläche der Blitzröhre und letzterer an der hinteren angeordnet, jeweils auf die Lichtaustrittsrichtung bezogen. Die Dimensionierung und Anordnung von mehreren optischen Elementen, insbesondere von Reflektoren erfolgt unter Verwendung der bekannten Gesetzmäßigkeiten der Photometrie und geometrischen Optik unter Bezug auf die gewünschte Lichtaustrittsrichtung. So ist offensichtlich, dass die Reflexionsfläche eines Reflektors dem Ursprung der Lichtpulse, dem Plasmaentladungsraum, zugewendet ist. Werden mehrere Reflektoren miteinander kombiniert, kann ein weiterer Reflektor auch ersterem zugewendet sein. Weiter können eine teilweise Reflexion in den Entladungsbereich zurück oder ein Bandfilter, der nur in Teilbereichen der Wandung ausgebildet ist, eingeschlossen sein.
Die Unterscheidung in Bandfilter und Reflektor erfolgt anhand der überwiegend transparenten oder reflektierenden Eigenschaft des optischen Elements. Bekanntermaßen kann auch ein Reflektor als Filter dienen, indem er nur einen begrenzten Wellenlängenbereich reflektiert und ansonsten absorbiert oder durchlässig ist. Analog weist auch der Bandfilter reflektierende und absorbierende Anteile auf. Dementsprechend soll nachfolgend ein Material als Reflektor dienen, wenn sein Reflexionsgrad für den ausgewählten Abschnitt des Spektrums der Blitzröhre größer als 50% ist. Höhere Reflexionsgrade sind bevorzugt, beispielsweise größer als 70% oder größer als 80% oder größer als 85% oder größer als 90% oder größer als 95%. Der Transmissionsgrad eines Bandfilters ist in Analogie dazu für den ausgewählten Abschnitt des Spektrums der Blitzröhre größer als 50%. Höhere Transmissionsgrade sind bevorzugt, beispielsweise größer als 70% oder größer als 80% oder größer als 85% oder größer als 90% oder größer als 95%. Eine solche Definition berücksichtigt, dass eine Eigenschaft dominiert und dass die beiden jeweils verbleibenden spektralen Größen, im ersten Fall die Absorption und Transmission und im zweiten Fall die Reflexion und Absorption, stets kleiner sind als die kennzeichnende Größe Reflexion bzw. Transmission. Weiter ist berücksichtigt, dass für eine effektiv arbeitende Lichtquelle die Absorption aller optischen Elemente für einen ausgewählten Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts so gering wie möglich gehalten werden sollte. Unterschreitungen der dominierenden spektralen Größe sollen dann und in solchem Umfang eingeschlossen sein, wenn die Dominanz der einen spektralen Größe erhalten bleibt.
Erfindungsgemäß wirkt zumindest eines der optischen Elemente Bandfilter oder Reflektor selektiv, so dass im Wesentlichen nur ein ausgewählter Ausschnitt des Spektrums des von der Blitzröhre emittierten Lichts für die thermische Behandlung verwendet wird. Welcher Ausschnitt des Spektrums für die oberflächennahe thermische Behandlung verwendbar ist und mittels der optischen Elemente auf die Materialoberfläche gerichtet wird, hängt von der durchzuführenden Behandlung und dem Absorptions- und Reflexionsverhalten des zu behandelnden Materials ab. Letzteres kann eine oder mehrere Komponenten umfassen, so dass es auf eine oder mehrere der Komponenten ankommen kann. Wird beispielsweise ein beschichtetes Substrat behandelt, können die selektive Reflexion und Transmission auf die optischen Eigenschaften allein der Schicht, allein des Substrat oder beider Komponenten abgestimmt sein. Gleiches trifft auch auf ein Materialgemisch zu. Der für die Behandlung geeignete Wellenlängenbereich kann anhand bekannter optischer Eigenschaften bestimmt oder durch Versuche ermittelt werden.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Wandung der Blitzröhre unterstützen die Adaption der Blitzröhre an die Anforderungen hinsichtlich des ausgewählten Ausschnitts des Spektrums der Blitzröhre, der gewünschten Lichtaustrittsrichtung und damit zusammenhängend der Geometrie und Größe der thermisch zu behandelnden Materialoberfläche, der gewünschten Behandlungstiefe und Energiedichte, sowie weiterer Vorgaben der jeweiligen Anwendung. Die Variationsbreite der erfindungsgemäßen Lichtquelle gestattet insbesondere auch die Verwendung von Einfach- und Mehrfachlichtpulsen im Millisekundenbereich, bevorzugt im Bereich kleiner 5 Millisekunden, weiter bevorzugt kleiner einer Millisekunde, weiter bevorzugt kleiner als 1/10 Millisekunde. Die genannten Pulslängen beruhen auf der derzeit industriell verfügbaren Technologie. Mit fortschreitender Entwicklung können durchaus auch noch kürzere Pulslängen anwendbar sein.
Die Verwendung einer mehrschaligen Wandung der Blitzröhre stellt mehrere separate Oberflächen und Materialien der Schalen der Wandung sowie dazwischen liegende Hohlräume zur Verfügung, welche für einen oder mehrere Bandfilter und Reflektoren oder Kombinationen beider optischen Elemente genutzt werden können. Dabei kann auch die innerste Schale, welche die Gasfüllung umhüllt und damit den Plasmaentladungsraum begrenzt, für die optischen Elemente genutzt werden.
In einer Ausgestaltung, in der die Wandung drei oder mehr Schalen aufweist, kann eine mittlere Schale durch Segmente gebildet sein. Die Segmente können die innere Schale vollständig umgeben oder nur eine teilweise Schale bilden. Die Zahl der Segmente ist variabel wählbar. Die Verwendung von Segmenten unterstützt die Ausbildung von optischen Elementen, die sich nur über einen Teil des Umfangs der Blitzröhre erstrecken. Sie unterstützt auch die Variation des Teilumfangs durch die Anzahl und Größe der verwendeten Segmente sowie die Art des optischen Elements durch das entsprechend geeignete Material oder eine entsprechend geeignete Beschichtung der Segmente. Ein zu öffnender und wieder verschließbarer Hohlraum gestattet zudem den Wechsel der Segmente.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Reflektor durch eine teilweise oder vollständige Beschichtung zumindest einer Schale der Blitzröhre gebildet sein. Es sind verschiedenste Beschichtungsmaterialien bekannt, die in unterschiedlichen Bereichen des Spektrums gut reflektieren. Weiter können durch die Wahl der Lage und Anzahl der Schale oder der Schalen mit reflektierender Schicht sowie durch deren Grad der Beschichtung die Richtung und die Intensität des Lichtaustritts variiert werden.
Der Bandfilter kann ebenfalls durch eine teilweise oder vollständige Beschichtung zumindest einer Schale der Blitzröhre gebildet sein. Auch für den durch Beschichtung gebildeten Bandfilter sind vergleichbare Variationsmöglichkeiten gegeben. Alternativ oder ergänzend kann auch das Material der Schale für die Filterfunktion verwendet werden. Die Wandung besteht erfindungsgemäß aus Glas, da dieses eine hohe Transmission, thermische Stabilität und elektrisch isolierende Eigenschaft hat, die für eine Gasentladungslampe benötigt werden. Von den dem Fachmann bekannten verschiedenen Glasarten sind hinsichtlich der optischen Eigenschaften für die Schalen der Blitzröhre solche Gläser bevorzugt, die neben ausreichender Stabilität lange Zeit eine hohe Transmission gewährleisten und die gewünschten Filtereigenschaften aufweisen.
Die optischen Eigenschaften sowohl der für die Wandung als auch der für die optischen Elemente in Betracht kommenden Materialien sind allgemein gut bekannt. Bekannt ist ebenso, dass mittels bestimmter Schichtstapel Wellenlängenbereiche für Reflexion und Transmission gezielt ausgewählt werden können. Dementsprechend können die verwendeten optischen Elemente als massives Element, wie beispielsweise ein im ausgewählten Ausschnitt transparentes oder ein in dem Ausschnitt oder generell hochreflektierendes Metall oder ein spezielles Glas, oder mit einer Beschichtung auf einem Trägersubstrat ausgebildet sein. Es ist selbstverständlich, dass die Wandung zumindest abschnittsweise für den Wellenlängenbereich transparent sein muss, welcher für die Behandlung benötigt wird. Beispielsweise kann Quarzglas wegen seiner UV-Transparenz für Behandlungen mit UV-Licht verwendet werden.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung kann die Beschichtung mit Filtereigenschaften auch durch eine Partikelbeschichtung einer Schale der Blitzröhre gebildet sein, wobei die Partikel die Filtereigenschaften aufweisen. Auch diese können durch Beschichtung der Partikel oder deren Material erzielt werden. Die Partikelbeschichtung erweitert die verwendbaren Filtermaterialien und Filtereigenschaften auf solche, die auch durch Kleben der Partikel an der Schale verwendbar sind.
Alternativ können die Partikel in einen Hohlraum zwischen zwei Schalen gefüllt werden, wodurch eine Beeinflussung durch den Kleber vermieden wird. Weiter kann in einem Hohlraum vollständig oder teilweise anstelle der Partikel ein anderes Material angeordnet oder mit diesem gefüllt sein, welches die für den Anwendungsfall gewünschten Transmissionseigenschaften aufweist. Geeignet sind beispielsweise Gase oder Flüssigkeiten, Gel oder Schalensegmente wie oben beschrieben. Auch eine Kombination der Partikel mit z. B. einem dieser alternativen Materialien ist möglich.
Die Füllung eines Hohlraums mit einem Fluid gestattet die Kühlung der Lichtquelle und gleichzeitig auch der Filter. Dies kann bei hohen Energiedichten und/oder bei hoher Absorption erforderlich sein, um die Lichtquelle vor Beschädigungen oder Leistungsabfall zu schützen. Deshalb wird ein solcher Hohlraum bevorzugt mit Kühlfluid gefüllt, der an einen Bandfilter oder die innerste Schale grenzt. Entsprechend der Ausgestaltung der Wandung und dem Verschluss des Hohlraums kann der Hohlraum mit dem Kühlfluid permanent gefüllt sein oder ein fortlaufender oder wiederholter Austausch des Kühlfluids erfolgen. Als Kühlfluid sind Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl oder ein Gas verwendbar, wobei deren Filterwirkung bei der Konditionierung der Bandfilter und deren elektrische Leitfähigkeit in Bezug auf die Ausführung der für die Plasmaentladung benötigten Elektroden zu berücksichtigen ist.
Wie oben dargestellt, können die Filter- und Reflektorfunktion sowie die Lichtaustrittsrichtung auch durch die Positionierung der optischen Elemente relativ zueinander und zum Entladungsbereich variiert werden. Beispielsweise kann die innere Schale mit dem Entladungs- und Emissionsbereich aus dem Brennpunkt eines Reflektors gesetzt werden, wenn der Abstand zwischen innerer und einer äußerer Schale, für einen Querschnitt betrachtet, umlaufend nicht konstant ist. Der Abstand soll hier radial gemessen werden, bezogen auf die Achse der inneren Schale. Ein solcher umlaufend variierender Abstand kann beispielsweise durch exzentrisch zueinander angeordnete Schalen und/oder durch Kombination von Schalen mit voneinander abweichenden Querschnittsgeometrien erzielt werden. Die möglichen Geometrien hängen von der Geometrie des verwendeten Glasbehältnisses ab. Bei zylinder- bzw. röhrenförmigen Glasbehältnissen kann die äußere Schale beispielsweise einen eliptischen Querschnitt aufweisen. Auf diese Weise kann eine homogenere und intensivere Ausleuchtung der zu behandelnden Materialoberfläche erzielt werden. Zu diesem Zweck kann der Reflektor auf der Rückseite der äußeren Schale angeordnet sein. Die Rückseite wird, wie oben beschrieben, anhand der Lichtaustrittsrichtung definiert.
Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Bandfilter und/oder der Reflektor der Blitzröhre mit einem Rückseitenspiegel kombiniert, welcher zumindest den ausgewählten Ausschnitt des Spektrums des von der Blitzröhre emittierten Lichts reflektiert und welcher, relativ zur Lichtaustrittsrichtung betrachtet, hinter der Blitzröhre angeordnet ist, so dass dessen Reflexion im Wesentlichen in Lichtaustrittsrichtung erfolgt. Auch damit kann eine homogenere und zudem ausgedehntere Ausleuchtung der zu behandelnden Oberfläche erzielt werden.
Der Rückseitenspiegel ist derart ausgebildet, dass auch rückseitig aus der Blitzröhre tretendes Licht zur Behandlung beiträgt und eine Ausleuchtung des Behandlungsbereichs erfolgt. Solche Spiegel können gewölbt sein, beispielsweise mit einem parabolischen Querschnitt oder der Form eines Kugel- oder Zylinderausschnitts. Alternativ sind auch andere Spiegelformen und Spiegelgeometrien möglich sowie eine Anordnung aus mehreren planaren und/oder gebogenen Spiegeln sofern sie geeignet sind, einen für die Behandlung ausreichenden Anteil des Lichts in den Behandlungsbereich zu richten.
Lichtquellen der beschriebenen Ausgestaltungen können in den bekannten Typen von Substratbehandlungsanlagen verwendet werden, auch in Vakuumbehandlungsanlagen. Durch Anpassung der Form, Größe und Anzahl der Lichtquellen, gegebenenfalls auch in Verbindung mit Blenden, können verschiedene Geometrien von Behandlungsbereichen realisiert und eine Anpassung an diskontinuierliche oder kontinuierliche Behandlungsverfahren vorgenommen werden.
Als Behandlungsbereich ist jener Bereich der Oberfläche des zu behandelnden Materials zu verstehen, in welchem der Energieeintrag zur Modifizierung der Materialoberfläche erfolgt. Da über die spektrale Selektivität der optischen Elemente der Lichtquelle auch die Tiefe des Energieeintrags aktiv beeinflusst werden kann, wird in den Begriff des Behandlungsbereichs neben seiner lateralen Ausdehnung auf der Oberfläche auch die Ausdehnung in der Tiefe des Materials einbezogen.
Von der beschriebenen Lichtquelle fällt erfindungsgemäß nur Licht von der Blitzröhre auf die zu behandelnde Materialoberfläche, welches zuvor auf zumindest eines der selektiv reflektierenden oder selektiv durchlassenden optischen Elemente gefallen ist. Um dies zu gewährleisten werden der Bandfilter und/oder der Reflektor oder mehrere davon wie oben beschrieben konditioniert oder ausgebildet und in der Behandlungsvorrichtung entsprechend deren technologischen und baulichen Gegebenheiten positioniert. Das betrifft auch Auswahl oder Ausbildung der optischen Elemente hinsichtlich deren bekannten oder versuchsweise bzw. rechnerisch zu ermittelnden Reflexions- und/oder Absorptions- und/oder Transmissionsverhaltens.
Die Positionierung betrifft die Geometrie und die Lage des optischen Elements in Bezug auf die Blitzröhre und das andere optische Element. Sie erfolgt derart, dass kein direktes Licht von der Blitzröhre in den Bearbeitungsbereich und damit auf die Materialoberfläche fällt. Damit ist es möglich, jene Lichtintensitäten zu minimieren, die trotz geringer Blitzdauer tiefer als gewünscht in das Material eindringen und unerwünschte Änderungen der Materialeigenschaften oder Schädigungen hervorrufen. Bei beschichteten Materialien kann die Eindringtiefe auf die Schichtdicke beschränkt werden und dabei die gewünschte Schichteigenschaft erzeugt sowie das darunter liegende, eventuell temperaturempfindliche Substrat geschont werden.
In der Lichtquelle können beispielsweise die miteinander kombinierten optischen Elemente derart aufeinander abgestimmt sein, dass nur Kaltlicht mit Wellenlängen im Bereich des nahen bis fernen UV- und des blauen Lichts (200 nm bis 500 nm), oder UV-Licht (200 nm bis 380 nm) emittiert wird oder nur solches Licht in den Behandlungsbereich tritt.
Damit ist entsprechend einer Ausgestaltung der Behandlungsvorrichtung beispielsweise die Behandlung einer TCO-Schicht möglich, zur Einstellung deren optischen und elektrischen Eigenschaften wie Transmission und Flächenwiderstand. Bei entsprechendem Abgleich des Energieeintrags in die Materialoberfläche mit der in der Schicht erfolgenden Absorption kann die Beeinflussung oder Schädigung des unter der TCO-Schicht liegenden Materials verhindert oder zumindest im gewünschten Maß vermindert werden.
Zur oberflächennahen thermischen Behandlung wird das zu behandelnde Material derart zunächst angeordnet, dass dessen Oberfläche, welche zu behandeln ist, in einem Behandlungsbereich liegt. Die Positionierung des Materials erfolgt in Abhängigkeit von Art und Form des Materials mit einer geeigneten Positionierungsvorrichtung, die gleichzeitig auch Transportvorrichtung sein kann. Dem Fachmann sind die verschiedensten Vorrichtungen für stückige oder bandförmige Materialien mit ebener Oberfläche oder beliebiger Form oder für komplexere Einzelteile bekannt. Die Behandlung kann bei ruhendem oder bewegtem Material erfolgen. Die Prozessart kann als Chargenprozess in eine Batch-Anlage oder als kontinuierlicher Prozess in einer Durchlaufanlage realisiert sein.
Als Energiequelle dient im Behandlungsverfahren zumindest eine Lichtquelle mit einer Blitzröhre oder mehreren davon. Die Blitzröhre ist mit einem Gas gefüllt ist, in welchem Einzel- oder Mehrfach-Plasmaentladungen gezündet werden zur Erzeugung von Lichtpulsen. Die Zahl der Lichtquellen und/oder der Blitzröhren hängt beispielsweise von der Größe des Behandlungsbereichs ab, von der in die Materialoberfläche einzubringenden Energie und Energiedichte und anderen Prozessparametern.
Die von der Blitzröhre emittierten Lichtpulse werden mittels zumindest eines der oben beschriebenen, durch die Wandung der Lichtquelle bereitgestellten und gegebenenfalls ergänzenden optischen Elemente gefiltert und in den Behandlungsbereich auf die zu behandelnde Materialoberfläche gerichtet, wo infolge des kurzzeitigen und selektiv auf die Absorptionseigenschaften des zu behandelnden Materials abgestimmten Energieeintrags die Absorption maßgeblich in den oberflächennahen, zu behandelnden Lagen erfolgt und diese soweit erwärmt werden, dass deren optische und elektrische Eigenschaften in der gewünschten Weise geändert werden. In tiefer liegende Lagen oder in das unter der behandelten Schicht liegende Trägersubstrat gelangt keine geeignete Strahlung, um dort das Material zu erwärmen oder nicht in dem Umfang, dass eine Schädigung eintritt. Die beschriebene Lichtquelle gestattet Behandlungen mit einer Tiefe von beispielsweise nur 10 nm.
Der Fachmann würde die zuvor in den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung realisierten Merkmale in weiteren Ausführungsformen kombinieren soweit es ihm zweckdienlich und sinnvoll erscheint.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

1A bis 1E verschiedene Ausgestaltungen der Lichtquelle mit verschieden kombinierten und ausgeführten optischen Elemente in Schnittdarstellung und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung.

Die nachfolgend beschriebenen Figuren stellen lediglich schematisch das Prinzip anhand der grundlegenden Komponenten der Vorrichtung dar. Die Darstellungen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Maßstäblichkeit. Beispielsweise ist das Elektrodenpaar zur Erzeugung der Plasmaentladung dargestellt. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, die er für die hier beschriebenen Lichtquellen verwenden kann. Ebenso sind die dargestellten Querschnitte der Wandung und deren Schalen lediglich beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen. Alternativ sind, wie oben dargelegt, auch andere Formen und Querschnitte verwendbar und bei mehrschaliger Ausführung der Wandung auch andere Querschnitte miteinander kombinierbar, wenn damit eine effektivere Beleuchtung der Materialoberfläche erzielt wird.
1 A zeigt eine Lichtquelle, deren Glasbehältnis, welches den Plasmaentladungsraum 3 umschließt, eine einschalige Wandung 2 aufweist. Glasbehältnis und Plasmaentladungsraum 3 bilden die Blitzröhre 1. Die Lichtquelle ist über dem oberflächennah thermisch zu behandelndem Material, welches beispielhaft ein plattenförmiges Substrat 5 ist, angeordnet und kann sich beispielsweise über die gesamte Ausdehnung des Substrats 5 in Blickrichtung erstrecken oder durch eine Folge von mehreren Einzelquellen gebildet sein.
Die Lichtaustrittsrichtung 7 schließt jede Richtung von der Blitzröhre 1 zum Substrat 5 hin ein. Hinter der Blitzröhre 1, d. h. auf deren dem Substrat 5 abgewandten Seite, ist optional ein Absorber 9 angeordnet, um den unbeabsichtigten Einfall von Streulicht auf das Substrat 5 und Schädigungen oder Einflüsse auf die Umgebung zu vermeiden. Optional kann das auch mit anderem Mitteln erzielt werden. Üblich ist beispielsweise die Anordnung vom Blenden.
Die Wandung 2 der Blitzröhre 1 weist im Bereich der Lichtaustrittsrichtung 7 einen Bandfilter 10 (dargestellt durch gestrichelte Linie) auf. Dieser ist durch eine Beschichtung auf der dem Substrat 5 zugewandten Seite der Wandung 2, deren Vorderseite, ausgebildet. Alternativ kann die Wandung 2 einen vollumfänglich als Bandfilter 10 ausgebildet sein. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn eine Kühlung des Bandfilters 10 durch den Absorber 9 erfolgt.
Die Blitzröhre in 1B unterscheidet sich von der in 1A durch eine zweischalige Wandung 2. Deren innere Schale 14 ist vollständig als Bandfilter 10 ausgebildet, beispielsweise durch die Verwendung von selektiv transparentem Glasmaterial. Selektive Transparenz kann beispielsweise durch Einfärbung des Glases oder durch Beschichtung des Glases erfolgen. Quarzglas ist hingegen für seine Transparenz über einen großen Wellenlängenbereich bekannt, insbesondere im UV-Bereich. Alternative Ausführungen des Bandfilters gemäß obiger Beschreibung sind ebenso geeignet, auch für andere ausgewählte Ausschnitte des Spektrums der Blitzröhre.
Auf der Rückseite der äußeren Schale 16, deren dem Substrat 5 abgewandten Seite, ist ein Reflektor 12 ausgebildet, der nicht selektiv reflektiert. Alternativ kann auch dieser selektiv wirken, im Wesentlichen im selben Spektralbereich, wie der Bandfilter 10. Alternativ oder ergänzend kann die äußere Schale 16 als Filter 10 ausgebildet sein.
Der Hohlraum 20 zwischen der inneren und äußeren Schale 14, 16 wird von einem Kühlfluid durchströmt, so dass beide Schalen und insbesondere der Bandfilter 10, welcher sich aufgrund seiner Absorption erwärmt, gekühlt wird. Als Kühlfluid kommen in Abhängigkeit vom Anwendungsfall der Lichtquelle, von der Erwärmung der beiden Schalen, der Konstruktion der Wandung 2 und der Filterwirkung des Kühlfluids die oben beschriebenen Gase oder Flüssigkeiten in Betracht.
In 1C ist eine dreischalige Wandung 2 dargestellt. Bei dieser ist die mittlere Schale 18 in Form von Schalen-Segmenten gebildet, die sich aneinander angrenzend nur über die Rückseite der Wandung 2 erstrecken. Die Schalen-Segmente können Formen aufweisen, welche den Lichtaustritt fördern, beispielsweise gemeinsam eine Parabelform (nicht dargestellt) bilden. Auch in dieser Ausführungsform können die innere Schale 14 und/oder die äußere Schale 16 als Bandfilter 10 ausgebildet sein. Dargestellt ist letztere Variante. Auch eine Kühlung wie zu 1B beschrieben ist möglich, wobei in dieser Ausführung auch die mittlere Schale 18 beidseitig kühlbar wäre.
In den Ausführungen der 1B und 1C kann auch die Kühlfluide im Hohlraum 20 selbst als Bandfilter 10 ausgebildet sein.
Die Ausführung in 1D weist eine zweischalige Wandung 2 auf, deren Hohlraum 20 durch radial verlaufende Zwischenwände 22 in Abschnitte unterteilt ist. In den Abschnitten 24 auf der Vorderseite der Wandung 2 kann Partikelmaterial, beispielsweise beschichtete oder unbeschichtete, durch das Material als Filter geeignete, Glaskugeln, zu Ausbildung des Bandfilters 10 eingefüllt und damit definiert positioniert sein. Alternativ kann auf die Zwischenwände verzichtet und das Partikelmaterial mit Klebstoff auf der inneren und/oder der äußeren Schale 14, 16 oder auf Segmenten einer mittleren Schale 18 (nicht dargestellt) fixiert werden. Das auf der Rückseite der Blitzröhre 1 austretende Licht wird beispielhaft mittels eines Rückseitenreflektors 26 zum Substrat 5 reflektiert. Der Rückseitenreflektor 26 hat einen parabolischen Querschnitt und ist mit einem Abstand zur Wandung 2 der Blitzröhre 1 hinter dieser angeordnet. Er reflektiert selektiv im selben Ausschnitt des Spektrums der Blitzröhre, in welchem der Bandfilter 10 das Licht der Blitzröhre 1 passieren lässt.
1E zeigt eine doppelschalige Blitzröhre 1, in welcher der radiale Abstand beider Schalen 14, 16 umlaufend unterschiedlich ist, da beide Schalen 14, 16 exzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Verwendung und Anordnung der optischen Elemente entspricht der Ausführung von 1B, so dass auf die dortigen Darlegungen verwiesen werden kann. Auch eine Kühlung (nicht dargestellt) der inneren Schale 14 mit geeigneten Maßnahmen kann erfolgen.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen optischen Elemente, die auf der Vorder- oder Rückseite der Wandung bzw. einer Schale ausgebildet sind, erstrecken sich über solch einen Teil der Wandung bzw. Schale, dass ein definierter und reproduzierbarer Energieeintrag in die Materialoberfläche gewährleistet ist und unerwünschte Sekundärstrahlung vermieden wird. Lediglich beispielhaft und zur schematischen Darstellung erstrecken sich die optischen Elemente in den Figuren über die Hälfte der Wandung bzw. Schale, d. h. vollständig über deren Vorder- oder Rückseite. Zweckmäßige Abweichungen davon sind eingeschlossen. Weiter können die beschriebenen Beschichtungen der Schalen, soweit nichts anderes beschrieben, auf deren inneren oder äußeren Mantelfläche ausgebildet sein und ist primär durch eine effektive Herstellungsmethode bestimmt.
2 stellt eine Behandlungsvorrichtung dar, welche in einer Vakuumkammer 30 eine Lichtquelle, beispielsweise mit einer Blitzröhre 1 wie zu 1B beschrieben, zur oberflächennahen thermischen Behandlung der Schicht eines beschichteten Substrats 5 verwendet.
Das Substrat wird mittels einer Substrathaltevorrichtung 32 in einer Substrattransportrichtung 34 an der Lichtquelle vorbeitransportiert. Mittels Blenden 36 wird ein Behandlungsbereich 38 begrenzt, in welchem das Licht der Lichtquelle nahezu senkrecht und homogen auf die Substratoberfläche trifft.
Die Lichtquelle erstreckt sich in Betrachtungsrichtung über die gesamte Breite des Substrats 5, so dass es im Durchlaufverfahren im Behandlungsbereich den Lichtpulsen der Blitzröhre 1 aussetzbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Blitzröhre
2: Wandung
3: Plasmaentladungsraum
5: Substrat
7: Lichtaustrittsrichtung
9: Absorber
10: Bandfilter
12: Reflektor
14: innere Schale
16: äußere Schale
18: mittlere Schale
20: Hohlraum
22: Zwischenwände
24: Abschnitte
26: Rückseitenreflektor
30: Vakuumkammer
32: Substrathaltevorrichtung
34: Substrattransportrichtung
36: Blenden
38: Behandlungsbereich

Claims

Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtpulsen mittels Einzel- oder Mehrfach-Plasmaentladungen und zur Emission der Lichtpulse in Lichtaustrittsrichtung (7) zum Zweck der oberflächennahen thermischen Behandlung von Materialien, wobei die Lichtquelle folgende Komponenten umfasst: - ein Glasbehältnis, dessen Wandung (2) den gasgefüllten Plasmaentladungsraum räumlich begrenzt, nachfolgend als Blitzröhre (1) bezeichnet, - zumindest ein Elektrodenpaar zum Aufbau eines für die Plasmaentladung verwendbaren elektrischen Feldes, - zumindest einen Bandfilter (10) als optisches Element, welcher durchlässig ist für einen zur thermischen Behandlung ausgewählten Ausschnitt des Spektrums des von der Blitzröhre (1) emittierten Lichts, - wobei der Bandfilter (10) durch zumindest einen Bereich der Wandung (2) der Blitzröhre (1) gebildet ist.
Lichtquelle nach Anspruch 1, weiter zumindest einen Reflektor (12) als weiteres optisches Element umfassend, welcher zumindest den ausgewählten Ausschnitt reflektiert und durch zumindest einen Bereich der Wandung (2) der Blitzröhre (1) gebildet ist.
Lichtquelle zur Erzeugung von Lichtpulsen mittels Einzel- oder Mehrfach-Plasmaentladungen und zur Emission der Lichtpulse in Lichtaustrittsrichtung zum Zweck der oberflächennahen thermischen Behandlung von Materialien, wobei die Lichtquelle folgende Komponenten umfasst: - ein Glasbehältnis, dessen Wandung (2) den gasgefüllten Plasmaentladungsraum räumlich begrenzt, nachfolgend als Blitzröhre (1) bezeichnet, - zumindest ein Elektrodenpaar zum Aufbau eines für die Plasmaentladung verwendbaren elektrischen Feldes, - zumindest einen Reflektor (12) als optisches Element, welcher zumindest den ausgewählten Ausschnitt reflektiert, - wobei der Reflektor (12) durch zumindest einen Bereich der Wandung (2) der Blitzröhre (1) gebildet ist.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wandung (2) der Blitzröhre (1) mehrschalig und zumindest ein Hohlraum (20) zwischen zwei benachbarten Schalen (14, 16, 18) ausgebildet ist, und wobei die innere Schale (14) die Gasfüllung ummantelt.
Lichtquelle nach Anspruch 4, wobei die Wandung (2) zumindest dreischalig ausgebildet ist und eine mittlere Schale (18) durch Segmente gebildet ist, welche eine zumindest teilweise Schale bilden und ein optisches Element aufweisen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Reflektor (12) durch eine zumindest teilweise Beschichtung einer Schale (14, 16, 18) der Blitzröhre (1) gebildet ist.
Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bandfilter (10) durch das Material einer Schale (14, 16, 18) der Blitzröhre (1) oder durch eine zumindest teilweise Beschichtung einer Schale (14, 16, 18) der Blitzröhre (1) gebildet ist.
Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei der Bandfilter (10) durch eine Partikelbeschichtung einer Schale (14, 16, 18) der Blitzröhre (1) gebildet ist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Bandfilter (10) durch ein Material gebildet ist, welches zumindest abschnittsweise in zumindest einem Hohlraum (20) angeordnet ist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei in zumindest einen Hohlraum (20) ein Kühlfluid eingeleitet oder einleitbar ist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei in einem Querschnitt betrachtet der Abstand zwischen innerer Schale (14) und einer weiter außen liegenden Schale (16, 18), der radial bezogen auf die Achse der inneren Schale (14) gemessen wird, umlaufend nicht konstant ist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, einen Rückseitenreflektor (26) als weiteres optisches Element umfassend, welcher zumindest den ausgewählten Ausschnitt reflektiert und welcher, relativ zur Lichtaustrittsrichtung (7) betrachtet, hinter der Blitzröhre (1) angeordnet ist, so dass dessen Reflexion im Wesentlichen in Lichtaustrittsrichtung (7) erfolgt.
Behandlungsvorrichtung zur oberflächennahen thermischen Behandlung von Materialien mittels einem oder mehreren Lichtpulsen, welche in einer Lichtaustrittsrichtung (7) aus einer Lichtquelle austreten, und mit einem Behandlungsbereich (38), in welchem eine Oberfläche eines zu behandelnden Materials mittels einer Substrathaltevorrichtung (32) positionierbar ist, so dass das aus der Lichtquelle austretende Licht auf eine Materialoberfläche fällt, wobei - die Lichtquelle nach einem vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist und - die jeweils verwendeten optischen Elemente der Lichtquelle derart dimensioniert und angeordnet sind, dass nur Licht von der Blitzröhre (1) in den Behandlungsbereich (38) fällt, welches zuvor zumindest eines der optischen Elemente der Lichtquelle passiert hat.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Substrathaltevorrichtung (32) ein Substrat (5) mit einer TCO-Schicht als oberflächennah zu behandelndes Material umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Behandlungsvorrichtung in einer Vakuumdurchlaufanlage angeordnet ist.