DE112012003152T5 - Ofensystem mit gehäuseintegriertem kühlsystem - Google Patents

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Abstract

Ein Infrarotbrennofen schließt ein gehäuseintegriertes Kühlsystem ein, um Hochleistungskühlung als einen ersten Schritt eines Kühlprozesses zu ermöglichen. Das Kühlsystem beinhaltet einen Kühlverteiler, welcher in das Gehäusematerial der benachbarten Brennzone integriert und daraus hergestellt ist. Das Kühlsystem ist derart positioniert, dass die Ebene seines Auslasses in einem bestimmten Abstandsniveau bezüglich des Produkts angeordnet ist, welches darunter hindurchfährt. Kühlluftströme hohen Drucks sind abwärts in Richtung der Produkte gerichtet, welche unter dem Kühlverteiler hindurchgeleitet werden, um die Temperatur der Produkte schnell von einer viel höheren Brenntemperatur zu verringern, und die Verweildauer des Produkts bei höherer Temperatur zu minimieren.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Solarzellen oder fotovoltaische Zellen werden durch Auftragen leitfähiger Tinten in gewünschten Mustern auf Oberseiten und Unterseiten eines Solarzell-Wafers hergestellt. Die Wafer werden thermisch in einem Ofensystem verarbeitet, um die leitfähige Tinte zu trocknen und um Binder und andere Materialien zu verbrennen. Danach werden die Materialien zur Ausbildung metallisierter Muster auf den Mantelflächen des Wafers gebrannt. Ofensysteme für diese Metallisierverfahren weisen typischerweise Infrarotheizlampen auf, um die erforderlichen Bedingungen für eine schnelle thermische Verarbeitung der Wafer bereit zu stellen.
  • Bekannte Brennofen für Wafer sind allgemein dadurch gekennzeichnet, dass diese drei Abschnitte aufweisen: eine Trocknerzone an einem Einlass, durch welchen die Wafer in den Ofen geladen werden, eine Abbrand-/Brennzone, üblicherweise als die mittlere Zone angesehen, und einen Kühlabschnitt, welcher am Ende angeordnet ist und einen Auslass aufweist, aus welchem die Wafer entnommen werden. In einigen Brennofen für Wafer wird ein Einzel-Förderband verwendet, um die Wafer durch die verschiedenen Abschnitte zu fördern. Deswegen durchlaufen die Wafer jeden der Abschnitte mit derselben Geschwindigkeit. Alternativ sind Mehrförderbandstrukturen bekannt, wobei ein separates Band durch jeden der Abschnitte geführt wird, wodurch Unterschiede in der Bandgeschwindigkeit abhängig von dem Abschnitt ermöglicht werden.
  • Es ist bekannt, dass der Wafer nach Erreichen seiner Maximaltemperatur schnell abgekühlt werden sollte, um einen Wafer höchster Qualität zu gewährleisten. Bekannte Ofen lassen aber aufgrund der Zeit, welche zur Überführung des Wafers aus der Abbrand-/Brennzone in die Kühlzone erforderlich ist, einen erhitzten Wafer bei dieser hohen Temperatur verweilen.
  • Benötigt wird ein Ofen zur Verarbeitung von Wafern, welcher minimale Verweildauer bei einer Temperatur und ein sehr schnelles Kühlprofil bereitstellt.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Infrarotbrennofen schließt, in einem ersten Schritt des Kühlvorgangs, ein gehäuseintegriertes Kühlsystem für Hochleistungskühlung ein. Das Kühlsystem schließt einen Kühlverteiler (manifold) ein, welcher in das Material der benachbarten Brennzone integriert und aus demselben Material hergestellt ist. Da das Kühlsystem aus demselben Material hergestellt ist wie der Rest des Gehäuses, ist es dazu geeignet, höheren Temperaturen ausgesetzt zu werden. Das Kühlsystem ist derart angeordnet, dass die Ebene seines Auslasses in einem bestimmten Abstandsniveau bezüglich des Produkts angeordnet ist, welches darunter durchgeleitet wird. Kühlluftströme hohen Drucks sind abwärts in Richtung der Produkte gerichtet, welche unter dem Kühlverteiler hindurchgeleitet werden, um die Temperatur der Produkte schnell von einer viel höheren Brenntemperatur zu verringern, und die Verweildauer des Produkts bei der höheren Temperatur zu minimieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, wobei die Figuren zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Infrarotbrennofens in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Ansicht im Teilschnitt auf den Infrarotbrennofen der 1;
  • 3 eine Explosionsdarstellung eines gehäuseintegrierten Kühlverteilers in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 4A–4C eine Explosionsdarstellung des leiterförmigen Verteilers in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 5A eine schematische Seitenansicht des gehäuseintegrierten Kühlverteilers;
  • 5B ein Kühlprofil des gehäuseintegrierten Kühlverteilers.
  • Es ist im Folgenden zugrunde zu legen, dass für Einfachheit und Klarheit der Darstellung Elemente, welche in den Zeichnungen gezeigt sind, nicht unbedingt akkurat oder maßstabsgerecht gezeichnet sind. Beispielsweise können die Dimensionen einiger der Elemente bezüglich anderer Elemente aus Gründen der klaren Darstellung übertrieben sein, oder mehrere physikalische Bauteile können in einem Funktionsblock oder Element zusammengefasst sein. Weiterhin können dort, wo es geeignet scheint, Bezugszeichen innerhalb der Zeichnungen wiederholt sein, um auf zugehörige oder analoge Elemente hinzuweisen. Darüber hinaus können einige der in den Zeichnungen dargestellten Blöcke zu einer einzelnen Funktion kombiniert sein.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten für ein tiefergehendes Verständnis der verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung dargelegt. Fachleute werden verstehen, dass Ausführungen der vorliegenden Erfindung auch ohne einzelne dieser spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen können bekannte Methoden, Prozeduren, Bauteile und Strukturen nicht im Detail beschrieben sein, um Einzelheiten der Ausführungen der vorliegenden Erfindung nicht zu überdecken.
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird ein Ofen mit einem gehäuseintegrierten Kühlsystem bereitgestellt, um Hochleistungskühlung als einen ersten Schritt eines Kühlvorgangs zu ermöglichen. Das Kühlsystem beinhaltet einen Kühlverteiler, welcher in das Gehäusematerial der Brennzone integriert und daraus hergestellt ist, und benachbart zu der Brennzone angeordnet ist. Da der Kühlverteiler aus demselben Material hergestellt ist wie der Rest des Gehäuses, kann dieser höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Das Kühlsystem ist derart positioniert, dass die Ebene seines Auslasses in einem bestimmten Abstandsniveau bezüglich des Produkts angeordnet ist, welches darunter hindurchgeführt wird. Kühlluftströme hohen Drucks sind abwärts in Richtung der Produkte gerichtet, welche unter dem Kühlverteiler hindurchgeführt werden, um die Temperatur der Produkte schnell gegenüber der Brenntemperatur zu verringern, und dadurch die Verweildauer des Produkts bei höherer Temperatur zu minimieren. Das Gehäuse (des Ofens) kann aus isolierendem Ziegel oder anderen bekannten isolierenden Materialien hergestellt sein.
  • Mit Bezug auf 1 schließt ein Infrarotbrennofen 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung einen Trocknerabschnitt 102, einen Abbrand-/Brennabschnitt 104 und Kühlabschnitt 106 ein, welche üblicherweise nacheinander in Reihe angeordnet sind. Ein Hochleistungs-Konvektionskühlabschnitt (HPC) 108 ist nach dem Kühlabschnitt 106 angeordnet.
  • Während des Betriebs wird ein Werkstück, wie zum Beispiel ein Wafer oder anderes Objekt oder zu verarbeitendes Produkt in einer Öffnung 110 am Start des Trocknerabschnitts 102 platziert und, beispielsweise über ein Förderband oder dergleichen, von einem Abschnitt zum nächsten bewegt. Beispielsweise wird ein Wafer verschiedenen Gasen und Temperaturen ausgesetzt, abhängig vom Prozess, Technologie oder Typ des Wafers, was allgemein bekannt ist. Die Besonderheiten der Verarbeitung eines Wafers sind nicht relevant für den Betrieb oder die Beschreibung der Ausführungen der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend mit mehr Details beschrieben. Der Wafer wird vom Abschnitt 106 in den Konvektionskühlabschnitt 108 bewegt. Danach verlässt der bearbeitete Wafer den Konvektionskühlabschnitt 108 über eine Öffnung 112.
  • In Bezug auf 2 ist dort eine Schnittansicht des Ofens 100 gezeigt. Im Betrieb wird ein Werkstück 202, d. h. ein Objekt oder zu verarbeitendes Produkt, wie beispielsweise ein Solarzellen-Wafer, am Einlass 110 des Trocknerabschnitts 102 bereitgestellt und wird mit einem Förderband 204, welches eine Ebene des Ofens definiert, unter einem oder mehreren Heizern befördert, welche bei der vorliegenden Erfindung Elektrospulenheizer mit einer glaskeramischen Abdeckung sind. Die Heizer sind entlang der Länge des Trocknerabschnitts 102 oberhalb und unterhalb des Förderbands angeordnet, um sowohl die Oberseite als auch die Unterseite des Werkstücks 202 zu beheizen.
  • Am Ende des Trocknerabschnitts 102 wird das Werkstück 202 an den Abbrand-/Brennabschnitt 104 überführt, welcher manchmal auch als ”Brennprozess”-Abschnitt bezeichnet wird. Der Abbrand-/Brennabschnitt 104 schließt eine Anordnung von Infrarotheizlampen 206 ein, welche in jedem der oberen und unteren Abschnitte vorgesehen sind, und zwar zum Beheizen des Werkstücks 202, welches durch den Abbrand-/Brennabschnitt 104 befördert wird. Obwohl lediglich im Hinblick auf eine Zone gezeigt, kann der Abbrand-/Brennabschnitt 104 mehrere Zonen haben, wobei dann verschiedene Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen bereitgestellt werden, in welchen das Werkstück 202 mit einem Temperaturprofil, in Übereinstimmung mit dem gewünschten Prozess, beaufschlagt werden kann.
  • Wenn das Werkstück 202 das Ende des Abbrand-/Brennabschnitts 104 erreicht hat, wird es zum Kühlsystem 106 befördert. Die Temperatur des Werkstücks 202 wird im Kühlabschnitt 106 schnell auf etwa 600°C abgesenkt. Der Kühlabschnitt 106 weist einen Luftverteiler 209 (”air plenum”) auf, welcher nachfolgend näher dargestellt wird. Vorteilhaft wird das Werkstück 202 schnell abgekühlt, während es unter dem Luftverteiler 209 hindurchgeführt wird.
  • Der Konvektionskühler 108 schließt einen leiterförmigen Verteiler 216 ein, welcher Kühlluft mit hoher Geschwindigkeit abwärts in Richtung des Werkstücks 202 lenkt, während dieses auf einem Förderband 230 durch besagten Abschnitt geführt wird. Die abwärts gerichtete Luft dient sowohl zum Kühlen als auch zur Bereitstellung einer Niederhaltekraft, während Luft mit geringerer Geschwindigkeit nach oben durch das Förderband 230 strömt. Ein oberer Luftverteiler 218 sammelt die Luft und lenkt sie zu einem oberen Wärmetauscher 220, um der Luft weitere Wärme zu entnehmen. Der Wärmetauscher 220 entnimmt Wärme aus dem Ofen und gibt diese direkt nach draußen an die Umgebungsluft im Raum oder an ein Klimatisierungssystem. Ein unterer Luftverteiler 222 stellt Luft an einen unteren Wärmetauscher 224 zur Verfügung, um gleichmäßige Kühlluft mit großem Volumen, aber geringer Geschwindigkeit, zur Verfügung zu stellen, um das Band zu kühlen, welches durch den Konfektionskühler 108 verläuft. Der leiterförmige Verteiler 216 stellt gleichmäßig verteilte Luft zur Verfügung, und zwar abwärts auf das Werkstück 202.
  • Zwischen dem Abbrand-/Brennabschnitt 104 und dem Kühlabschnitt 106 sind eine Mehrzahl von Absaugarmen 208 vorgesehen, um eine Wechselwirkung des Kühlgases oder der Luft, welche durch den Luftverteiler 209 abwärts auf das Werkstücks 202 gerichtet ist, mit dem Prozessgas im Abbrand-/Brennabschnitt 104 zu vermeiden.
  • Unter Bezugnahme auf 3 weist der Luftverteiler 209 einen oberen Luftverteilerabschnitt 210 und einen unteren Luftverteilerabschnitt 212 auf. Zusammen bilden die unteren und die oberen Verteilerabschnitte 210, 212 einen Hohlraum 301 zur Zufuhr von Luft durch Öffnungen 302, 304, welche dann nach unten, durch eine Mehrzahl von Strahlöffnungen 214, auf das Werkstück 202 gerichtet wird. Die unteren und oberen Abschnitte 210, 212 sind aus demselben Material hergestellt wie der Rest des Gehäuses, beispielsweise aus isolierendem Ziegel, damit der Luftverteiler 209 die hohen Temperaturen bewältigen kann, welche mit der zu dem Abbrand-/Brennabschnitt 104 benachbarten Anordnung einhergehen. Alternativ kann nur eine Öffnung 302 vorgesehen sein, um dem Hohlraum 301 Luft zuzuführen.
  • Wie in den 4A–4C gezeigt, beinhaltet der leiterförmige Verteiler 216 eine Mehrzahl von Verteilersprossen 402, von denen jede eine Mehrzahl von Sprossendüsen (”rung jets”) 404 einschließt, um Luft abwärts zum Werkstück 202 zu richten. Jede der Sprossen 402 hat wenigstens einen Einlass 406, durch welchen Luft bereitgestellt wird, um durch die Sprossendüsen 404 abwärts zum Werkstück 202 gerichtet zu werden. Eines oder mehrere Gebläse stoßen Luft durch Kanäle (nicht gezeigt), welche fluidleitend mit jeder Seite des leiterförmigen Verteilers 216 gekoppelt sind, um Luft über die Einlässe 406 bereitzustellen. Die Verteilersprossen 402 sind voneinander beanstandet, um zurückkehrende Luft, beispielsweise Luft, welche von dem warmen Werkstück 202 reflektiert worden ist, aufwärts durch die Sprossen 402 in Richtung des oberen Luftverteilers 218 und dem oberen Wärmetauscher 220 durchzulassen. Die Räume zwischen den Verteilersprossen 402 gestatten ungehinderte Strömung mit geringer Geschwindigkeit. Diese offene leiterförmige Konstruktion minimiert Wirbel, welche eine Bewegung des Werkstücks 202 auf dem Förderband 230 verursachen können.
  • Mit Bezug auf die 5A und 5B gibt ein Graph 502 die Temperatur des Werkstücks 202 wieder, während diese schnell von einer Brenntemperatur TBRENN auf eine gewünschte Kühltemperatur TKÜHL fällt, während dieses unter dem Luftverteiler 209 hindurchgeführt wird. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung hat der Luftverteiler 209 eine Breite (W) von 126 mm. Vorteilhaft verweilt das Werkstück nicht länger als nötig bei seiner Brenntemperatur TBRENN, bevor es an den Konvektionskühlabschnitt 108 überführt wird.
  • Es ist wesentlich, festzuhalten, dass Ausführungen der vorliegenden Erfindung nicht auf einen Brennofen zur Verarbeitung von Wafern begrenzt sind, sondern auch auf andere Typen von Ofen zur Verarbeitung anderer Typen von Produkten angewendet werden können.
  • Gewisse Merkmale der Erfindung, welche aus Gründen der Klarheit im Zusammenhang mit separaten Ausführungen beschrieben wurden, können auch, in Kombination, in einer einzelnen Ausführung vorgesehen sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, welche zur Kürze nur im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführung beschrieben sind, auch voneinander getrennt oder in irgendeiner geeigneten Unterkombination vorgesehen sein.
  • Die vorliegende Beschreibung ist so verstehen, dass die Anwendung verschiedener Ausführungen der vorliegend diskutierten Verfahren und Vorrichtungen nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und Anordnung von Bauteilen oder Schritten, welche in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, begrenzt ist. Das Verfahren und die Vorrichtung sind geeignet zur Verwirklichung durch andere Ausführungen, welche auf verschiedene Arten betrieben oder ausgeübt werden. Beispiele spezifischer Verwirklichungen oder Ausführungen sind vorliegend lediglich zu erläuternden Zwecken vorgesehen, nicht aber als Beschränkung beabsichtigt. Insbesondere Handlungen, Elemente und Merkmale, welche im Zusammenhang mit irgendeiner der Ausführungen diskutiert sind, sollten nicht von einer ähnlichen Funktion in anderen Ausführungen ausgeschlossen sein. Weiter dient die vorliegend verwendete Ausdrucksweise und Terminologie zur Beschreibung und soll nicht als beschränkend beachtet werden. Der vorliegende Gebrauch von ”einschließen”, ”aufweisen”, ”haben”, ”beinhalten”, ”einbeziehen”, und deren Varianten, beinhaltet sowohl das Umfassen der nachfolgend aufgeführten Gegenstände oder deren Äquivalente, ebenso wie zusätzliche Gegenstände.
  • Indem mehrere Merkmale wenigstens einer Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist zu verstehen, dass verschiedene Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen dem Fachmann ohne weiteres in den Sinn kommen. Solche Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen sollen Teil dieser Offenbarung und innerhalb des Umfangs der Erfindung sein. Demzufolge sind die vorhergehende Beschreibung und die Zeichnungen lediglich exemplarisch zu verstehen und der Umfang der Erfindung sollte durch eine geeignete Auslegung der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente bestimmt werden.

Claims (14)

  1. Ein Infrarot-(IR)-Brennofen aufweisend: ein Ofengehäuse mit wenigstens einem Heizabschnitt und einem benachbarten Kühlabschnitt; und ein Kühlsystem innerhalb des Kühlabschnitts des Ofengehäuses, wobei das Kühlsystem in das Material des Ofengehäuses integriert und aus demselben Material hergestellt ist.
  2. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 1, wobei das Material des Ofengehäuses isolierender Ziegel ist.
  3. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 1, wobei das Kühlsystem aufweist: ein erstes Reservoir oder Raum, welches/welcher innerhalb des Kühlsystems definiert ist; und eine erste Anzahl Öffnungen, welche innerhalb des Kühlsystems definiert sind und fluidleitend mit dem ersten Reservoir oder Raum gekoppelt sind, wobei eine Achse jeder der Öffnungen im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene des Ofens ist, welche sich durch den wenigstens einen Heizabschnitt und den Kühlabschnitt erstreckt.
  4. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 3, wobei eine zweite Anzahl Öffnungen in dem Kühlsystem definiert sind, und entlang eines Teils der Breite der Ebene des Ofens angeordnet ist.
  5. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 4, wobei die zweite Anzahl Öffnungen linear angeordnet ist.
  6. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 3, wobei die Ebene des Ofens durch ein Förderband definiert ist, welches in Längsrichtung durch das Ofengehäuse geführt ist.
  7. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Konvektionskühlabschnitt, welcher benachbart zu dem Kühlabschnitt angeordnet ist, um daraus ein Werkstück aufzunehmen, wobei der Konvektionskühlabschnitt ausgestaltet ist, Kühlluft von oberhalb und unterhalb des Werkstücks bereitzustellen.
  8. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 7, wobei der Konvektionskühlabschnitt aufweist: ein Förderband, auf welchem das Werkstück angeordnet ist; und einen leiterförmigen Verteiler, welcher oberhalb des Förderbands angeordnet ist, und ausgestaltet ist, Kühlluft bereitzustellen, welche abwärts auf eine obere Mantelfläche des Werkstücks gerichtet ist.
  9. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 8, wobei der Konvektionskühlabschnitt weiter aufweist: einen unteren Luftverteiler, welcher unterhalb des Förderbands angeordnet ist und ausgestaltet ist, für einen unteren Abschnitt des Förderbands Kühlluft bereitzustellen, wobei eine Geschwindigkeit der Luft aus dem leiterförmigen Verteiler größer ist als eine Geschwindigkeit der Luft aus dem unteren Luftverteiler.
  10. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 9, wobei: das Förderband ein Gewebematerial aufweist, und wobei die Geschwindigkeit der Luft aus dem leiterförmigen Verteiler größer ist, als die Geschwindigkeit der Luft von dem unteren Verteiler, so dass das Werkstück nicht vom Förderband abgehoben wird.
  11. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 8, wobei der leiterförmige Verteiler aufweist: eine Mehrzahl von Verteilersprossen, welche jeweils eine Mehrzahl von Sprossendüsen (rung jets) aufweisen, um die Kühlluft in Richtung der oberen Mantelfläche des Werkstücks zu richten.
  12. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 11, wobei jede Sprossendüse eine Mehrzahl von Löchern aufweist, welche fluidleitend mit einem inneren Abschnitt der zugehörigen Verteilersprosse verbunden sind.
  13. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 11, wobei die Verteilersprossen untereinander beanstandet sind, um zurückkehrende Luft hindurch zu lassen.
  14. Der Infrarotbrennofen gemäß Anspruch 13, wobei der Abstand zwischen benachbarten Verteilersprossen groß genug ist, um Luftwirbel zu vermeiden, welche eine Bewegung des Werkstücks auf dem Förderband verursachen könnten.
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