Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Substraten
Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsinnenkammer zur thermischen Bearbeitung eines Substrats nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , wie sie beispielsweise in der
gattungsbildenden US 6,703,589 B1 beschrieben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bearbeitungskammer mit einer Wärmebehandlungsinnenkammer, die innerhalb einer
Außenkammer angeordnet ist und sich zur thermischen Bearbeitung eines Substrats eignet, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
Bei der Oberflächenbehandlung von Substraten, z.B. durch Beschichten durch Kondensation von Metalldampf im Hochvakuum oder durch Sputterprozesse, sind oftmals Prozessschritte notwendig, in denen das Substrat (und die ggf. auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung) einer thermischen Vor- und/oder Nachbehandlung unterzogen wird. Hierzu wird das Substrat typischerweise mit Hilfe einer Wärmequelle auf die gewünschten Temperatur erwärmt und für eine vorgegebenen Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
Aus der DE 103 04 774 B3 ist ein Verfahren zur Temperaturbeaufschlagung von Werkstücken bekannt, bei dem das Werkstück in einem geschlossenen Behälter aufgenommen wird und die Temperierung des Substrats mittels Konvektion eines Gases erfolgt. Das Gas wird über einen Temperierkörper geleitet und umströmt anschließend das zu erhitzende Werkstück. Das Verfahren gestattet einen sehr gleichmäßigen Wärmeübertrag auf das Werkstück, erfordert jedoch die Anwesenheit einer Temperierströmung. Weiterhin kann bei großen flächenhaften Werkstücken eine schnelle Aufheizung (von > 1 °C/s) mit großer spezifischer Flächenleistung (von > 10 W/cm2) nur sehr schwer erreicht werden.
In der EP 662 247 B1 ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilmsolarzelle beschrieben, im Zuge dessen eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Zur Erzeugung einer Kupfer-lndium-Diselenid(CIS)-Halbleiterschicht auf einem Substrat werden zunächst die den Halbleiter konstituierenden Komponenten Cu, In und Se in elementarer Form auf das mit einer Mo-Elektrode versehene Substrat aufgebracht; anschließend wird dieser Schichtaufbau zusammen auf eine Prozesstemperatur von etwa 400°C aufgeheizt, wobei sich die CIS- Halbleiterschicht ausbildet. Die Wärmebehandlung des Schichtaufbaus erfolgt dabei in einer
BESTÄTIGUNGSKOPIE
solchen Weise, dass während des Temperprozesses ein gewünschter Partialdruck der konstituierenden Komponenten aufrechterhalten wird. Um dies zu gewährleisten, wird das Substrat mit dem Schichtaufbau unter Schutzgas in einem geschlossenen Behälter,
beispielsweise einer Graphitbox, eingeschlossen und in diesem Behälter unter Verwendung von Heizmitteln, beispielsweise von Halogenlampen, aufgeheizt. Der geschlossene Behälter gewährleistet, dass während des Temperprozesses keine der Komponenten entweichen kann und somit ein Chalkopyrit mit dem gewünschten stöchiometrischen Verhältnis der
Komponenten auf dem Substrat erzeugt wird. Graphit, weist ein hohes Emissionsvermögen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und kann daher die von der Halogenlampe abgegebenen Strahlung schnell und effizient aufnehmen und an den in der Graphitbox enthaltenen
Schichtaufbau abgeben. Alternativ wird vorgeschlagen, den Schichtaufbau mit Hilfe optischer Mittel aufzuheizen und dabei in ein Behältnis aus einem transparenten Material, z.B. Quarz, einzuschließen.
Wird der in der EP 662 247 B1 beschriebene Behälter zur Wärmebehandlung von großflächigen Mehrschichtkörpern verwendet, so besteht - insbesondere bei einem schnellen Aufheizen - die Gefahr eines inhomogenen Wärmeeintrags in die Einzelschichten des Mehrschichtkörpers, was Risse oder Brüche der Schichten zur Folge haben kann. Um diese Problematik zu vermeiden, schlägt die DE 199 36 081 A1 vor, zur Erwärmung mehrere Energiequellen vorzusehen, mit deren Hilfe die einzelnen Schichten des Mehrschichtkörpers individuell aufgeheizt werden können. Hierzu ist zwischen der aufzuheizenden Schicht und der ihr zugeordneten
Energiequelle ein Transparenzkörper angeordnet, dessen Transmissions- und
Absorptionsverhalten der jeweiligen Schicht angepasst ist. Der Temperierkörper kann beispielsweise aus einer Glaskeramik bestehen, die einen großen Teil der Wärmestrahlung absorbiert und transmittiert. Auf diese Weise sollen die während der Wärmebehandlung auftretenden mechanischen Spannungen möglichst klein gehalten werden. Insbesondere kann der Mehrschichtkörper in einem geschlossenen Behälter angeordnet werden, dessen den Energiequellen zugewandte Wände durch die Transparenzkörper gebildet werden.
Aus der gattungsbildenden US 6,703,589 B1 ist eine Bearbeitungskammer zur
Wärmebehandlung von Werkstücken in einer toxischen und/oder korrosiven Gasatmosphäre beschrieben. Die Bearbeitungskammer umfasst eine Außenkammer, in der eine geschlossene Wärmebehandlungsinnenkammer angeordnet ist, in die das zu temperierende Werkstück eingebracht wird. Die Bearbeitungskammer umfasst weiterhin Heizmittel, mit deren Hilfe die Wärmebehandlungsinnenkammer und das darin enthaltene Werkstück aufgeheizt werden können.
Aus den oben genannten Schriften sind somit unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zur Wärmebehandlung von Substraten bekannt. Die Wände der Wärmebehandlungsinnenkammern bestehen dabei typischerweise aus einem Werkstoff, der Wärmestrahlung absorbiert und transmittiert (z.B. Graphit oder einer Glaskeramik). Dies hat zur Folge, dass ein großer Teil der in die Wärmebehandlungsinnenkammer eingebrachten Leistung die Wände dieser Kammer aufheizt, was bei kurzen Zykluszeiten zu einer Überhitzung dieser Wände führen kann.
Weiterhin wird ein Teil der Leistung durch die Wände der Wärmebehandlungsinnenkammer nach außen abgestrahlt. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn die
Wärmebehandlungsinnenkammer von einer weiteren Kammer, z.B. einer Vakuumkammer, umgeben ist, da diese eine Aufheizung erfährt, die zu einer Schädigung des Vakuumbehälters und der darin enthaltenen empfindlichen Komponenten führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmebehandlungsinnenkammer zur thermischen Bearbeitung von Substraten, insbesondere unter Einsatz von Selen
bereitzustellen, die es ermöglicht, eine hohe thermische Energie effizient und in sehr kurzer Zeit in ein Substrat einzubringen, ohne dass es zu Überhitzungen der
Wärmebehandlungsinnenkammer, insbesondere der Kammerwände, kommt. Weiterhin soll eine Bearbeitungskammer bereitgestellt werden, die eine thermische Bearbeitung von
Substraten unter einer Schutzgasatmosphäre und/oder im Vakuum ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach zeichnet sich die Wärmebehandlungsinnenkammer zur thermischen Bearbeitung eines Substrats
mit Wänden, die einen Innenraum der Wärmebehandlungsinnenkammer umgeben,
mit einer Lagerungseinrichtung zur Lagerung des Substrats während der thermischen
Bearbeitung und
mit einer Energiequelle zum Einbringen von Energie in den Innenraum der
Wärmebehandlungsinnenkammer, wobei zumindest ein Teil der Innenseiten der Wände zur Reflexion von durch die Energiequelle eingebrachter Leistung ausgebildet sind dadurch aus, dass der zumindest eine Teil der Innenseiten der Wände aus einem zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden Werkstoff besteht.
Durch die Ausbildung der Innenseite der Wände aus einem zumindest Infrarotstrahlung reflektierenden Werkstoff, wird vorteilhaft eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte sowie kostengünstigere Fertigung erreicht.
Als hochreflektierend wird im Folgenden ein Material mit einer Reflektanz > 60%, vorzugsweise >80%, besonders bevorzugt >90% bezeichnet. Derartige Werte der Reflektanz sind bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 250nm und 3000nm, besonders bevorzugt zwischen 600nm und 2000nm vorgesehen. Der Werkstoff ist thermisch stabil bis zu 200°C, vorzugsweise bis zu 500°C, besonders bevorzugt 900°C. Vorzugsweise ist der Werkstoff inert gegen die bei der thermischen Behandlung eingesetzten Substanzen, wie beispielsweise Selen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Wärmebehandlungsinnenkammer in der das Substrat während der Wärmebehandlung aufgenommen wird, eine Kühlvorrichtung, mit der die Wand der Wärmebehandlungsinnenkammer gekühlt werden kann. Mit Hilfe der Kühlvorrichtung kann die Wärmebehandlungsinnenkammer, in deren Innerem während der Wärmebehandlung mit Hilfe einer Energiequelle hohe Temperaturen erzeugt werden, thermisch gegenüber der Umgebung abgeschirmt werden. Weiterhin führt die Kühlvorrichtung die in die Kammerwände eingeleitete Heizenergie ab und verhindert so eine Überhitzung der
Wärmebehandlungsinnenkammer.
Die Kühlvorrichtung ist vorzugsweise als ein Kühlkreislauf für eine flüssiges oder ein
gasförmiges Kühlmedium mit hoher spezifischer Wärme, insbesondere ein Öl, ausgebildet, das durch die Wände der Wärmebehandlungsinnenkammer zirkuliert. Hierzu sind die Wände der Wärmebehandlungsinnenkammer zumindest abschnittsweise mit Kühlkanälen versehen, durch die das Kühlmedium geleitet wird. Zweckmäßigerweise sind alle Wände der
Wärmebehandlungsinnenkammer mit Kühlkanälen versehen, so dass die Wärmeabstrahlung der Wärmebehandlungsinnenkammer in Richtung der Außenkammer allseits begrenzt bzw. reduziert werden kann. Die Kühlkanäle können mäanderförmig in den Wänden der
Wärmebehandlungsinnenkammer verlaufen; dabei sind die Kühlkanäle vorzugsweise in einer solchen Weise angeordnet, dass das kalte Kühlmedium in einen Wandbereich eingeleitet wird, der während der Wärmebehandlung am intensivsten beheizt wird, und von dort in thermisch weniger stark beanspruchte Wandbereiche weitergeleitet wird.
Sollen im Inneren in der Wärmebehandlungsinnenkammer sehr hohe Temperaturen (> 500°C und bis zu 2 000°C und mehr) erzeugt werden, so unterliegt die
Wärmebehandlungsinnenkammer sowie die darin befindlichen Komponenten hoher thermischer
und korosiver Beanspruchung; die dafür ausgewählten Werkstoffe müssen daher eine hohe Temperaturfestigkeit haben und insbesondere gegenüber Selen korosionsfest sein. Geeignete Werkstoffe für die Wände der Wärmebehandlungsinnenkammer sind insbesondere
hochtemperaturfeste Stähle, die jedoch in der Regel eine vergleichsweise geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Bevorzugt ist austenitischer, rostfreier Stahl AISI 316L. Um
sicherzustellen, dass das durch die Kühlkanäle in den Wänden der
Wärmebehandlungsinnenkammer zirkulierende Kühlmedium die Wärme effizient abführen kann und keine großen Temperaturgradienten entstehen, ist es vorteilhaft, die Kühlkanäle mit einem rechteckigen Querschnitt auszugestalten. Benachbarte Kühlkanäle sind durch Stege getrennt, deren Breite vorzugsweise zwischen 20% und 80% der Breite der Kühlkanäle beträgt. Mit der relativ geringen Stegbreite wird erreicht, die eingestrahlte Wärmeleistung auf einem kurzen Weg mit einem relativem großen Querschnitt zum Kühlmedium zu bringen, wobei gleichzeitig ausreichend hohe mechanische Stabilität erreicht werden kann. Die Höhe der Stege wird festgelegt um soviel Kühlmedium durch den Kühlkanal zu treiben, dass die Temperaturdifferenz im Kühlmedium ausreichend gering gehalten wird. Bevorzugt beträgt die Höhe der Stege zwischen 20% und 80% der Breite der Kühlkanäle.
Die Energie zur Beheizung des Substrats in der Wärmebehandlungsinnenkammer wird vorzugsweise mit Hilfe eines Heizmittels zugeführt, das elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich abgibt und in der Wärmebehandlungsinnenkammer angeordnet ist. Das
Heizmittel kann beispielsweise durch einen oder mehrere beheizbare Quarzstäbe gebildet sein, die in die Wärmebehandlungsinnenkammer hineinragen. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Quarzstäben vorgesehen, die parallel zueinander und parallel zur Substratoberfläche angeordnet sind. Um eine gleichmäßige Beheizung der Unter- und der Oberseite des Substrats zu erreichen, können Quarzstäbe sowohl oberhalb als auch unterhalb der Substratfläche angeordnet sein. Alternativ kann die Beheizungsenergie beispielsweise durch Laserstrahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich erzeugt, die über geeignete Fenster in die Wärmebehandlungsinnenkammer eingeleitet wird.
Zweckmäßigerweise ist die Wärmebehandlungsinnenkammer ein verschließbarer Behälter, so dass während der thermischen Bearbeitung des Substrats der Innenraum der
Wärmebehandlungsinnenkammer vollständig von den Wänden umschlossen ist und das Heizmittel seine thermische Energie nur in die Wärmebehandlungsinnenkammer, nicht jedoch in außerhalb der Wärmebehandlungsinnenkammer gelegene Bereiche abstrahlt.
Durchführungen (Kabel etc.) zur Energieversorgung des Heizmittels können thermisch isoliert sein, um lokale Inhomogenitäten im Energieabfluss aus der Wärmebehandlungsinnenkammer möglichst gering zu halten.
Um eine möglichst schnelle, effektive Aufheizung des Innenraums der
Wärmebehandlungsinnenkammer zu erreichen und um den Anteil der in die Kammerwände transmittierten Heizleistung möglichst gering zu halten, können im Innenraum der
Wärmebehandlungsinnenkammer Reflektoren angeordnet sein.
Vorzugsweise bestehen zumindest die dem Innenbereich zugewandten Wandflächen der Wärmebehandlungsinnenkammer vorzugsweise aus einem Material mit hohem Reflektanz im Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis zum fernen Infrarot mit 2000nm oder 3000nm. Wird die Energie mit Hilfe von Infrarotstrahlern (z.B. Quarzstäben) zugeführt, so ist
vorzugsweise eine hohe Reflektion zumindest im Wellenlängenbereich des Infrarotstrahlers vorgesehen. Als Oberflächenmaterial oder Wandmaterial können z.B. Edelstahl, Molybdän, Gold, Nitride , wie Titannitrid, Siliziumnitrid oder ein diffus-hochreflektierender Thermoplast (z.B. gepresstes PTFE mit einem effektiven Spektralbereich von 250nm bis 2500nm und einer Reflektanz von 99% zwischen 400nm und 1500nm und mehr als 95% zwischen 250nm und 2500nm bei thermischer Stabilität bis zu einer Temperatur von 400% bekannt als Spectralon der Firma Labsphere) eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise sind die Innenwände der Wärmebehandlungsinnenkammer mit Reflektoren versehen, die diese Wände gegenüber der in den Innenraum eingespeisten thermischen Leistung abschirmen.
Vorzugsweise sind Zwischenreflektorwände aus zumindest für IR-Strahlung
hochreflektierendem Material oder mit aus einem derartigen Material bestehenden und dem Innenbereich zugewandten Zwischenreflektorwandflächen vorgesehen, die vor und
vorzugsweise mit ihrer Rückseite beabstandet von den dem Innenbereich zugewandten
Wandflächen der Wärmebehandlungsinnenkammer angeordnet sind, vorgesehen. Falls
Zwischenreflektorwände eingesetzt sind, können die dahinter angeordneten Wände der Wärmebehandlungsinnenkammer eine geringere Reflektanz, beispielsweise zwischen 40% und 60% aufweisen.
Weitere Reflektoren können in einer solchen Weise geformt und in der
Wärmebehandlungsinnenkammer angeordnet sein, dass sie die das Substrat erwärmende elektromagnetische Strahlung (z.B. Infrarotstrahlung) auf das Substrat fokussieren. Weiterhin können (zusätzliche) bewegliche (z.B. verschwenkbare) Reflektorplatten vorgesehen sein, die die in das Substrat eingestrahlte Leistung lokal beeinflussen. Mit Hilfe solcher Reflektorplatten
kann insbesondere eine Homogenisierung des Temperaturprofils im Randbereich des
Substrates erreicht werden.
Um vorzugsweise eine weitere Homogenisierung der auf das Substrat eingestrahlten Energie zu erreichen, können zwischen Substrat und den gekühlten Wänden der
Wärmebehandlungsinnenkammer teiltransparente Zwischenreflektoren (z.B. aus Glaskeramik) angeordnet sein.
Zum Ein- und Ausführen des Substrats in bzw. aus der Wärmebehandlungsinnenkammer sind zweckmäßigerweise verschließbare Öffnungen vorgesehen, deren Querschnitt der
Substratform angepasst ist; in Anlagen zur Bearbeitung flacher Substrate sind die Öffnungen schlitzartig ausgebildet. Weiterhin kann im Inneren der Wärmebehandlungsinnenkammer eine Fördereinrichtung zur Halterung und zum Transport des Substrats in der
Wärmebehandlungsinnenkammer vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise ist die
Lagerungseinrichtung, auf der das Substrat während der thermischen Bearbeitung in der Wärmebehandlungsinnenkammer gelagert wird, als Fördereinrichtung ausgebildet.
Stellt die Wärmebehandlung einen Zwischenschritt zwischen zwei weiteren
Bearbeitungsschritten dar, die ein Vakuum oder die Verwendung unterschiedlicher
Prozessgase erfordern, so ist es prozesstechnisch oftmals vorteilhaft, die Wärmebehandlung im Inneren eines Vakuumbehälters durchzuführen, so dass kein Zusatzaufwand durch Evakuieren vor bzw. nach der Wärmebehandlung auftritt. Eine für einen solchen Prozess geeignete Bearbeitungskammer umfasst eine Wärmebehandlungsinnenkammer mit gekühlten Wänden, die im Innenraum einer Außenkammer, insbesondere einer Vakuumkammer, angeordnet ist. Durch die gekühlten Wände wird der heiße Innenraum der Wärmebehandlungsinnenkammer thermisch gegenüber der Vakuumkammer isoliert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Bestandteile der Vakuumkammer, die in der Regel sehr temperaturempfindlich sind, auch bei der Durchführung von Hochtemperatur-Wärmebehandlungen (insbesondere bei > 500°C) keine Schäden erleiden.
Die im Innenraum der Außenkammer angeordnete Wärmebehandlungsinnenkammer stützt sich an den Wänden der Außenkammer mit Hilfe von Abstandshaltern ab, die aus einem Werkstoff mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit bestehen. Wird zur Kühlung der
Wärmebehandlungsinnenkammer - wie oben beschrieben - ein Kühlmittelkreislauf verwendet, so ist es zweckmäßig, zur Zu- und Ableitung des Kühlmediums in die Wandungen der
Wärmebehandlungsinnenkammer Leitungen zu verwenden, die im Inneren der Abstandshaiter verlaufen.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Bearbeitungskammer gestattet eine effiziente
Wärmebehandlung von Substraten, bei der ein hoher Energieeintrag innerhalb kurzer Zeit in das Substrat eingebracht werden kann, ohne dass es zur Überhitzung der die Wärmekammer umgebenden Außenkammer (Vakuumkammer) kommt. Auch bei Einstrahlung großer spezifischer Flächenleistungen von > 15 W/cm2 auf das Substrat wird der Innenraum der Wärmebehandlungsinnenkammer wirksam thermisch gegenüber der Außenkammer abgeschirmt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Bearbeitungskammer mit einer Außenkammer und einer
Wärmebehandlungsinnenkammer zur thermischen Bearbeitung eines Substrats in einer perspektivischen Schnittdarstellung in Querrichtung;
Fig. 2 eine Detailansicht der Wand der Wärmebehandlungsinnenkammer gemäß dem
Ausschnitt in Fig. 1.
In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Zeichnungen stellen ein schematisches Ausführungsbeispiel dar und geben keine spezifischen Parameter der Erfindung wieder. Weiterhin dienen die Zeichnungen lediglich zur Erläuterung einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und sollen nicht in einer solchen Weise interpretiert werden, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einengen.
Figuren 1 und 2 zeigen perspektivische Schnittdarstellungen einer Bearbeitungskammer 1 zur thermischen Bearbeitung von Substraten 20. Unter dem Begriff„Substrat" soll hierbei ein beliebiger zu bearbeitender, zu beschichtender und/oder bereits beschichteter Gegenstand verstanden werden, also sowohl ein (evtl. vorbehandeltes) Trägermaterial als solches an als auch ein Trägermaterial mit Einfach- oder Mehrfachbeschichtungen. In dem
Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 sind die Substrate flächenhafte Werkstücke, deren Fläche zwischen einigen Quadratzentimetern und einigen Quadratmetern liegen kann.
Das Substrat 20 kann auch in einer vorzugsweise für Wärmestrahlung semitransparenten Substratbox untergebracht sein, vorzugsweise mit Wänden aus Glaskeramik und einem
Graphitrahmen zur Halterung der Wände.
Unter„thermischer Bearbeitung" soll jeder Prozess bzw. Prozessschritt verstanden werden, der mit einer Erwärmung des Substrats einhergeht.
Die Bearbeitungskammerl umfasst eine evakuierbare Vakuumkammer (Außenkammer) 2, in deren Innenraum 22 eine Wärmebehandlungsinnenkammer 3 angeordnet ist. Die
Wärmebehandlungsinnenkammer 3 ist als verschließbarer Behälter 23 ausgestaltet mit Wänden 10, die den Innenraum 24 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 vorzugsweise allseitig umschließen. Allerdings braucht die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 nicht gasdicht verschließbar zu sein; vielmehr kann der Innenraum 24 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 z.B. mit Hilfe der Außenkammer 2 gespült bzw. evakuiert werden. Die Innenseiten der Wände 10 bestehen vorzugsweise aus einem zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden metallischen Werkstoff. Ferner ist bevorzugt, wenn die Wände 10, insbesondere die
Innenseiten der Wände aus einem Werkstoff mit hoher Temperaturfestigkeit bestehen, und insbesondere gegenüber Selen korosionsfest sind. Geeignete Werkstoff für die Wände 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 sind insbesondere hochtemperaturfeste Stähle, beispielsweise austenitischer, rostfreier Stahl AISI 316L.
Die Bearbeitungskammer 1 dient zur thermischen Bearbeitung von Substraten 20 im Zuge eines mehrstufigen Herstellungsprozesses. Entsprechend weist die Außenkammer 2 Eingangsund Ausgangsschleusen 4 auf, über die die Substrate 20 aus einer vorgelagerten (in den Figuren nicht gezeigten) Prozessstufe in die Bearbeitungskammer 1 eingeführt und aus der Bearbeitungskammer 1 in eine weitere nachgelagerte (in den Figuren nicht gezeigte)
Prozessstufe weitertransportiert werden können. Zum Ein- und Ausführen der Substrate 20 in die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 sind an zwei einander gegenüberliegenden Endseiten der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 verschließbare schlitzförmige Öffnungen (nicht dargestellt) vorgesehen. Zur Lagerung und zum Transport der Substrate 20 ist die
Wärmebehandiungsinnenkammer 3 mit gesteuert oder geregelt drehbaren Rollen 8 versehen, die in kreisförmigen Öffnungen 9 in der Wandung 10 der Wärmebehandiungsinnenkammer 3 gelagert sind.
Zur Beheizung des Substrats 20 weist die Wärmebehandiungsinnenkammer 3 eine
Energiequelle 11 mit Heizmitteln 11' auf, die im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 durch
beheizbare Quarzstäbe 12 gebildet sind, die durch Aussparungen 13 in der Wandung 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 in den Innenraum 24 hineingeführt sind. Im Interesse der Übersichtlichkeit ist in Figuren 1 und 2 jeweils nur ein einziger Quarzstab 12 dargestellt; die Vielzahl der gezeigten Aussparungen 13 in der Wandung 10 oberhalb und unterhalb der Substratebene deuten jedoch an, dass eine Vielzahl von parallel zur Substratebene
ausgerichteten Quarzstäben 12 vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Substrat 20 von unten und von oben beheizt werden kann. Alternativ bzw. zusätzlich kann die thermische Energie beispielsweise als (gepulste) elektromagnetische Strahlung über Fenster in die
Wärmebehandlungsinnenkammer 3 eingebracht werden.
Um die thermische Belastung der Außenkammer 2 minimal zu halten, ist die
Wärmebehandlungsinnenkammer 3 mit einer Kühlvorrichtung 14 versehen, mit der die von der Energiequelle 11 an die Kammerwände 10 abgegebene Wärmemenge (zu mindest zu einem großen Teil) abgeführt werden kann. Die Kühlvorrichtung 14 schirmt somit den heißen
Innenraum der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 thermisch gegenüber der Außenkammer 2 ab. Die Kühlvorrichtung 14 umfasst einen Kühlkreislauf 15 für ein flüssiges Kühlmedium
(beispielsweise ein Öl), das durch Kühlkanäle 16 in den Wandungen 10 der
Wärmebehandlungsinnenkammer 3 zirkuliert. Die Kühlvorrichtung 14 umfasst weiterhin eine (in den Figuren nicht dargestellte) Pumpe sowie einen Wärmetauscher, mit dem das aus den Kühlkanälen 16 zurückfließende, erwärmte Kühlmedium abgekühlt werden kann, bevor es wieder den Kühlkanälen 16 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 zugeführt wird.
Die Kühlkanäle 16 verlaufen mäanderförmig im Inneren der Wand 10. Um Temperaturen von > 500°C standhalten zu können, sind die Wände 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl gefertigt. Ein solcher Stahl hat eine niedrige thermische Leitfähigkeit, weswegen besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um homogenes Wärmeprofil der Wände zu erreichen: Die Kühlkanäle 16 haben ein
näherungsweise rechteckiges Querschnittsprofil. Benachbarte Kühlkanäle 16 sind durch Stege 18 getrennt, deren Breite 19 geringer als die Breite 17 der Kühlkanäle 16 ist; die Stegbreiten 19 betragen typischerweise zwischen 20% und 80% der Kanalbreiten 17. Durch die geringe Stegbreite 19 wird ein lokales Aufheizen der Wände in den zwischen den Kühlkanälen 16 liegenden Stegbereichen 18 wirksam unterbunden. Ferner sind die Steghöhen 18a in einem Bereich zwischen 20% und 80% der Kanalbreiten 17 gewählt.
Die Wände 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 sind mit Hilfe von Abstandshaltern 26 an der Außenkammer 2 befestigt, vorzugsweise in einer solchen Weise, dass jede Wand 10 über
mindestens einen Abstandshalter 26 an der Außenkammer 2 befestigt ist. Bevorzugt weist zumindest eine der Wände 10 eine Einzelbefestigung durch lediglich einen Abstandshalter 26 auf. Die Abstandshalter 26 bestehen aus einem Werkstoff mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und sind innen hohl; im Innenbereich der Abstandhalter sind (in den Figuren nicht gezeigte) Zu- und Abführungen zur Versorgung der Kühlkanäle 16 mit für Kühlfluid vorgesehen.
Um eine möglichst schnelle, effektive Aufheizung des Innenraums 24 der
Wärmebehandlungsinnenkammer 3 zu erreichen und um den Anteil der in die Kammerwände 10 transmittierten Heizleistung möglichst gering zu halten, sind im Innenraum 24 der
Wärmebehandlungsinnenkammer 3 Zwischenreflektorwände 28 vorgesehen, vorzugsweise sind diese von den Wänden 10 beabstandet.
Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 sind die Innenseiten 29 der Wände 10 mit einem Werkstoff beschichtet, der ein hohes Reflektionsvermögen (Reflektanz) im Wellenlängenbereich der Heizmittel 11 ' (hier: im Infrarotbereich, in dem die Quarzstäbe 12 abstrahlen) hat und somit ebenfalls als Reflektor wirkt. Die Beschichtung besteht beispielsweise aus Spectralon, einem diffus-hochreflektierenden Thermoplasten. Zusätzlich können - wie in Figur 1 beispielhaft angedeutet - in ausgewählten Bereichen des Innenraums 24, z.B. in den Ecken, weitere Reflektoren 30 vorgesehen sein, die eine Abschirmung dieser Bereiche gegenüber der
Strahlung der Heizmittel 11 ' und/oder eine Fokussierung der erwärmenden Infrarotstrahlung auf das Substrat 20 bewirken. Zwischen den Wänden 10 der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 und dem Substrat 20 kann zudem ein teiltransparenter Zwischenreflektor (z.B. aus
Quarzkeramik) vorgesehen sein, der eine hohe Wärmestabilität besitzt und eine räumliche Homogenisierung der Erhitzung bewirkt.
Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 erfolgt der Wärmeübertrag von den Heizmitteln 1 1 (Quarzstäben 12) auf das Substrat 20 vorwiegend über Wärmestrahlung. Alternativ kann über (in der Figur nicht gezeigte) Zu- und Abführungen ein Schutzgas, insbesondere ein Inertgas, in die Wärmebehandlungsinnenkammer 3 eingeleitet werden, um einen erhöhten Wärmeübertrag mit Hilfe von Konvektion zu erreichen.
In der Wärmebehandlungsinnenkammer 3 können (in den Figuren nicht gezeigte) Mittel zur Temperaturmessung vorgesehen sein, z.B. auf das Substrat 20 gerichtete Pyrometer, die die vom Substrat 20 ausgesendete Wärmestrahlung detektieren. Weiterhin kann durch
Temperaturmessungen im Zulauf und im Rücklauf des Kühlmittelkreislaufs 15 die über die Kühlmittel aus den Wänden 10 abgeführte Energie ermittelt und mit der eingestrahlten Energie
verglichen werden; dies gestattet eine kontinuierliche Überwachung des Wärmehaushalts der Wärmebehandlungsinnenkammer 3, um eine Überhitzung zu detektieren bzw. zu verhindern.
Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Dünnfilmsolarzellen bzw.
Dünnfilmsolarmodulen mit einer Trägerschicht aus einem Glas bzw. Quarz, auf die eine Mo- Schicht als Elektrode und eine funktionelle Schicht aus einem Kupfer-lndium-Diselenid(CIS)- Halbleiter oder einem Kupfer-lndium-Gallium-Sulfo-Selenid(CIGSSe)-Halbleiter aufgetragen wird.
Bezugszeichenliste
Bearbeitungskammer
Außenkammer (Vakuumkammer)
Wärmebehandlungskammer
Rolle
Öffnung in Wandung der Wärmebehandlungskammer Wandung der Wärmebehandlungskammer
Energiequelle
Beheizbarer Quarzstab
Aussparung in Wandung (für Quarzstab)
Kühlvorrichtung
Kühlkreislauf
Kühlkanal
Breite Kühlkanal
Steg
a Steghöhe
Breite Steg
Substrat
Innenraum der Außenkammer
Behälter = Wärmebehandlungskammer
Innenraum der Wärmebehandlungskammer
Abstandshalter
Zwischenreflektor
Innenseite Wand
Randbereich Reflektor