EP2537175A1 - Vorrichtung zur thermischen behandlung von substraten - Google Patents

Vorrichtung zur thermischen behandlung von substraten

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Publication number
EP2537175A1
EP2537175A1 EP11708696A EP11708696A EP2537175A1 EP 2537175 A1 EP2537175 A1 EP 2537175A1 EP 11708696 A EP11708696 A EP 11708696A EP 11708696 A EP11708696 A EP 11708696A EP 2537175 A1 EP2537175 A1 EP 2537175A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat treatment
inner chamber
treatment inner
substrate
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11708696A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Caspari
Stefan Henkel
Jutta Trube
Sven Stille
Martin Fürfanger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Buehler Alzenau GmbH
Saint Gobain Glass France SAS
Original Assignee
Leybold Optics GmbH
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Optics GmbH, Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Leybold Optics GmbH
Publication of EP2537175A1 publication Critical patent/EP2537175A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/12—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces with electromagnetic fields acting directly on the material being heated
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation

Definitions

  • the invention relates to a heat treatment inner chamber for the thermal processing of a substrate according to the preamble of claim 1, as shown for example in the
  • the invention further relates to a processing chamber with a heat treatment inner chamber, which within a
  • process steps are often necessary in which the substrate (and the coating possibly applied to the substrate) is subjected to a thermal pre- and / or post-treatment.
  • the substrate is typically heated by means of a heat source to the desired temperature and kept at this temperature for a predetermined time.
  • EP 662 247 B1 describes a two-stage process for producing a thin-film solar cell in the course of which a heat treatment is carried out.
  • a copper-indium diselenide (CIS) semiconductor layer on a substrate, first the components constituting the semiconductors Cu, In and Se are applied in elemental form to the substrate provided with a Mo electrode; Subsequently, this layer structure is heated together to a process temperature of about 400 ° C, wherein the CIS semiconductor layer is formed. The heat treatment of the layer structure takes place in one
  • CONFIRMATION COPY such that a desired partial pressure of the constituent components is maintained during the annealing process.
  • a graphite box enclosed and heated in this container using heating means, such as halogen lamps.
  • the closed container ensures that during the annealing process, none of the components can escape and thus a chalcopyrite with the desired stoichiometric ratio of
  • Graphite has a high emissivity and a high thermal conductivity and therefore can absorb the radiation emitted by the halogen lamp quickly and efficiently and to those contained in the graphite box
  • Deposit layer structure Alternatively, it is proposed to heat the layer structure by means of optical means, thereby placing it in a container made of a transparent material, e.g. Quartz, to include.
  • a transparent material e.g. Quartz
  • DE 199 36 081 A1 proposes to provide a plurality of energy sources for heating, with the aid of which the individual layers of the multilayer body can be heated individually. For this purpose is between the layer to be heated and its assigned
  • the tempering body may for example consist of a glass ceramic, which absorbs and transmits a large part of the heat radiation. In this way, the mechanical stresses occurring during the heat treatment should be kept as small as possible.
  • the multi-layer body can be arranged in a closed container whose walls facing the energy sources are formed by the transparent bodies.
  • the processing chamber comprises an outer chamber, in which a closed heat treatment inner chamber is arranged, in which the workpiece to be tempered is introduced.
  • the processing chamber further comprises heating means, by means of which the heat treatment inner chamber and the workpiece contained therein can be heated. From the abovementioned publications, different methods and devices for heat treatment of substrates are thus known.
  • the walls of the heat treatment inner chambers typically consist of a material that absorbs and transmits heat radiation (eg graphite or a glass ceramic). This has the consequence that a large part of the power introduced into the heat treatment inner chamber heats the walls of this chamber, which can lead to overheating of these walls with short cycle times.
  • Heat treatment chamber from another chamber, e.g. a vacuum chamber, because it undergoes heating, which can lead to damage to the vacuum container and the sensitive components contained therein.
  • the invention is based on the object, a heat treatment inner chamber for the thermal processing of substrates, in particular using selenium
  • Heat treatment inner chamber in particular the chamber walls comes. Furthermore, a processing chamber is to be provided, which is a thermal processing of
  • Embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the heat treatment inner chamber is characterized for the thermal processing of a substrate
  • Heat treatment inner chamber wherein at least a part of the inner sides of the walls are formed for reflecting power introduced by the power source by the fact that the at least a part of the inner sides of the walls consists of a high-reflection at least infrared radiation material.
  • a material with a reflectance of> 60%, preferably> 80%, particularly preferably> 90% is referred to as highly reflective.
  • Such values of reflectance are preferably provided in a wavelength range between 250 nm and 3000 nm, particularly preferably between 600 nm and 2000 nm.
  • the material is thermally stable up to 200 ° C, preferably up to 500 ° C, more preferably 900 ° C.
  • the material is inert to the substances used in the thermal treatment, such as selenium.
  • the heat treatment inner chamber in which the substrate is received during the heat treatment, comprises a cooling device with which the wall of the heat treatment inner chamber can be cooled.
  • the heat treatment inner chamber inside which high temperatures are generated during the heat treatment with the aid of an energy source, can be thermally shielded from the environment.
  • the cooling device performs the introduced into the chamber walls heating energy and thus prevents overheating of
  • the cooling device is preferably as a cooling circuit for a liquid or a
  • the walls of the heat treatment inner chamber are at least partially provided with cooling channels through which the cooling medium is passed.
  • all walls are the
  • Heat treatment inner chamber provided with cooling channels, so that the heat radiation of the heat treatment inner chamber in the direction of the outer chamber can be limited or reduced on all sides.
  • the cooling channels can meander in the walls of the
  • Cooling channels are preferably arranged in such a manner that the cold cooling medium is introduced into a wall region, which is heated most intensively during the heat treatment, and is forwarded from there into thermally less heavily stressed wall regions.
  • Heat treatment inner chamber and the components therein high thermal and corrosive stress; the materials selected for this purpose must therefore have a high temperature resistance and, in particular, must be resistant to corrosion in relation to selenium. Suitable materials for the walls of the heat treatment inner chamber are in particular
  • Heat treatment inner chamber circulating cooling medium can dissipate the heat efficiently and no large temperature gradients arise, it is advantageous to design the cooling channels with a rectangular cross-section.
  • Adjacent cooling channels are separated by webs whose width is preferably between 20% and 80% of the width of the cooling channels. With the relatively small web width is achieved to bring the radiated heat output on a short path with a relatively large cross section to the cooling medium, while sufficiently high mechanical stability can be achieved.
  • the height of the webs is set to drive as much cooling medium through the cooling channel, that the temperature difference in the cooling medium is kept sufficiently low. Preferably, the height of the webs between 20% and 80% of the width of the cooling channels.
  • the energy for heating the substrate in the heat treatment inner chamber is preferably supplied by means of a heating medium which emits electromagnetic radiation in the infrared range and is arranged in the heat treatment inner chamber.
  • Heating means may for example be formed by one or more heatable quartz rods, which protrude into the heat treatment inner chamber.
  • a plurality of quartz rods is provided, which are arranged parallel to each other and parallel to the substrate surface.
  • quartz rods can be arranged both above and below the substrate surface.
  • the heating energy can be generated for example by laser radiation in the infrared, visible or ultraviolet spectral range, which is introduced via suitable windows in the heat treatment inner chamber.
  • the heat treatment inner chamber is a closable container, so that during the thermal processing of the substrate, the interior of the
  • Heat treatment inner chamber is completely enclosed by the walls and the heating medium radiates its thermal energy only in the heat treatment inner chamber, but not located outside of the heat treatment inner chamber areas.
  • Feedthroughs (cables, etc.) for supplying energy to the heating means can be thermally insulated in order to minimize local inhomogeneities in the energy discharge from the heat treatment inner chamber. To ensure the fastest possible, effective heating of the interior of the
  • Heat treatment inner chamber reflectors may be arranged.
  • At least the interior surfaces facing the heat treatment inner chamber preferably made of a material with high reflectance in the wavelength range from visible light to the far infrared with 2000nm or 3000nm.
  • infrared radiators e.g., quartz rods
  • a high reflection provided at least in the wavelength range of the infrared radiator.
  • a surface material or wall material e.g. Stainless steel, molybdenum, gold, nitrides such as titanium nitride, silicon nitride or a diffusely highly reflective thermoplastic (eg pressed PTFE with an effective spectral range of 250nm to 2500nm and a reflectance of 99% between 400nm and 1500nm and more than 95% between 250nm and 2500nm at thermal stability up to a temperature of 400% known as Spectralon from Labsphere) can be used.
  • the inner walls of the heat treatment inner chamber are provided with reflectors, which shield these walls against the thermal power fed into the interior.
  • intermediate reflector walls are at least for IR radiation
  • Wall surfaces of the heat treatment inner chamber are arranged provided.
  • the walls arranged behind the heat treatment inner chamber may have a lower reflectance, for example between 40% and 60%.
  • Heat treatment inner chamber may be arranged so that they focus the substrate heating electromagnetic radiation (eg infrared radiation) to the substrate.
  • electromagnetic radiation eg infrared radiation
  • additional movable (eg pivotable) reflector plates can be provided which locally influence the power radiated into the substrate. With the help of such reflector plates In particular, a homogenization of the temperature profile in the edge region of
  • Heat treatment inner chamber partially transparent intermediate reflectors (for example made of glass ceramic) may be arranged.
  • Substrate shape is adapted; in plants for processing flat substrates, the openings are formed slit-like. Furthermore, in the interior of the heat treatment inner chamber, a conveyor for holding and transporting the substrate in the
  • Storage device on which the substrate is stored during the thermal processing in the heat treatment inner chamber designed as a conveyor.
  • a processing chamber suitable for such a process comprises a heat treatment inner chamber with cooled walls, which is arranged in the interior of an outer chamber, in particular a vacuum chamber. Due to the cooled walls, the hot interior of the heat treatment inner chamber is thermally insulated from the vacuum chamber. In this way it is ensured that the components of the vacuum chamber, which are usually very sensitive to temperature, even when performing high-temperature heat treatments (especially at> 500 ° C) suffer no damage.
  • the arranged inside the outer chamber heat treatment inner chamber is supported on the walls of the outer chamber by means of spacers, which consist of a material having a low thermal conductivity. Used for cooling the
  • Heat treatment inner chamber - as described above - a coolant circuit used, it is appropriate for the supply and discharge of the cooling medium in the walls of the Heat treatment inner chamber to use lines that run inside the Abstandshaiter.
  • Heat treatment of substrates in which a high energy input can be introduced into the substrate within a short time, without causing it to overheat the outer chamber surrounding the heat chamber (vacuum chamber). Even when large specific surface powers of> 15 W / cm 2 are irradiated onto the substrate, the interior of the heat treatment inner chamber is effectively thermally shielded from the outer chamber.
  • Fig. 1 shows a processing chamber with an outer chamber and a
  • Fig. 2 is a detail view of the wall of the heat treatment inner chamber according to the
  • FIGS. 1 and 2 show perspective sectional representations of a processing chamber 1 for the thermal processing of substrates 20.
  • substrate is to be understood here as meaning any object to be processed, coated and / or already coated, ie both a (possibly pretreated) carrier material as such as well as a carrier material with single or multiple coatings
  • the substrates are planar workpieces whose area can be between a few square centimeters and a few square meters.
  • the substrate 20 can also be accommodated in a preferably semitransparent heat radiation substrate box, preferably with walls of glass ceramic and a
  • Graphite frame for holding the walls.
  • thermal processing is meant any process or process step that is associated with a heating of the substrate.
  • the processing chamber 1 comprises an evacuable vacuum chamber (outer chamber) 2, in the interior 22 of which a heat treatment inner chamber 3 is arranged.
  • Heat treatment inner chamber 3 is designed as a closable container 23 with walls 10, which preferably surround the interior 24 of the heat treatment inner chamber 3 on all sides.
  • the heat treatment inner chamber 3 does not need to be gas-tight closable; rather, the interior space 24 of the heat treatment inner chamber 3 may be e.g. be flushed or evacuated with the help of the outer chamber 2.
  • the inner sides of the walls 10 are preferably made of a highly reflective at least infrared radiation metallic material. Furthermore, it is preferred if the walls 10, in particular the
  • Inner sides of the walls are made of a material with high temperature resistance, and in particular against selenium are korosionsfest.
  • Suitable materials for the walls 10 of the heat treatment inner chamber 3 are in particular high temperature resistant steels, such as austenitic stainless steel AISI 316L.
  • the processing chamber 1 is used for the thermal processing of substrates 20 in the course of a multi-stage production process. Accordingly, the outer chamber 2 has inlet and outlet locks 4, via which the substrates 20 are introduced from an upstream (not shown in the figures) process stage in the processing chamber 1 and from the processing chamber 1 in a further downstream (not shown in the figures)
  • Process stage can be transported on.
  • closable slot-shaped openings (not shown) are provided on two opposite end sides of the heat treatment inner chamber 3.
  • For storage and transport of the substrates 20 is the
  • the heat treatment inner chamber 3 has a
  • Energy source 11 with heating means 11 ' in the embodiment of Figures 1 and 2 by heated quartz rods 12 are formed, which are guided by recesses 13 in the wall 10 of the heat treatment inner chamber 3 in the interior 24.
  • quartz rod 12 For the sake of clarity, only a single quartz rod 12 is shown in FIGS. 1 and 2; However, the plurality of recesses 13 shown in the wall 10 above and below the substrate plane suggest that a plurality of parallel to the substrate plane
  • aligned quartz rods 12 are provided, by means of which the substrate 20 can be heated from below and from above.
  • the thermal energy for example, as (pulsed) electromagnetic radiation through windows in the
  • Heat treatment inner chamber 3 are introduced.
  • Heat treatment inner chamber 3 is provided with a cooling device 14, with which the output from the power source 11 to the chamber walls 10 amount of heat (at least to a large extent) can be dissipated.
  • the cooling device 14 thus shields the hot
  • the cooling device 14 comprises a cooling circuit 15 for a liquid cooling medium
  • Heat treatment inner chamber 3 circulates.
  • the cooling device 14 furthermore comprises a pump (not shown in the figures) and a heat exchanger with which the heated cooling medium flowing back from the cooling channels 16 can be cooled before it is again supplied to the cooling channels 16 of the heat treatment inner chamber 3.
  • the cooling channels 16 are meandering in the interior of the wall 10.
  • the walls 10 of the heat treatment inner chamber are made of a high temperature resistant steel.
  • Such a steel has a low thermal conductivity, which is why special measures must be taken to achieve a homogeneous heat profile of the walls:
  • the cooling channels 16 have a
  • Adjacent cooling channels 16 are separated by webs 18 whose width 19 is less than the width 17 of the cooling channels 16;
  • the web widths 19 are typically between 20% and 80% of the channel widths 17.
  • the small web width 19 effectively prevents local heating of the walls in the web regions 18 located between the cooling channels 16.
  • the land heights 18 a are selected in a range between 20% and 80% of the channel widths 17.
  • the walls 10 of the heat treatment inner chamber 3 are fixed by means of spacers 26 to the outer chamber 2, preferably in such a manner that each wall 10 via at least one spacer 26 is attached to the outer chamber 2. At least one of the walls 10 preferably has a single attachment by means of only one spacer 26.
  • the spacers 26 are made of a material of low thermal conductivity and are hollow inside; in the interior of the spacers are provided (not shown in the figures) inflows and outlets for supplying the cooling channels 16 with for cooling fluid.
  • the inner sides 29 of the walls 10 are coated with a material which has a high reflectivity in the wavelength range of the heating means 11 '(here: in the infrared range in which the quartz rods radiate 12) and thus also as Reflector works.
  • the coating consists, for example, of Spectralon, a diffusely highly reflective thermoplastic.
  • a semi-transparent intermediate reflector e.g.
  • Quartz ceramic which has a high thermal stability and causes a spatial homogenization of the heating.
  • the heat transfer from the heating means 1 1 (quartz rods 12) on the substrate 20 takes place mainly via thermal radiation.
  • a protective gas in particular an inert gas, can be introduced into the heat treatment inner chamber 3 via inlets and outlets (not shown in the figure) in order to achieve increased heat transfer by means of convection.
  • temperature measuring means may be provided, e.g. directed to the substrate 20 pyrometer, which detect the radiation emitted from the substrate 20 heat radiation.
  • Temperature measurements in the inlet and in the return of the coolant circuit 15 determines the dissipated via the coolant from the walls 10 energy and the radiated energy be compared; this allows a continuous monitoring of the heat balance of the heat treatment inner chamber 3 in order to detect or prevent overheating.
  • the device is particularly suitable for the production of thin-film solar cells or
  • Thin-film solar modules with a carrier layer of a glass or quartz, onto which a Mo layer as electrode and a functional layer of a copper-indium-diselenide (CIS) semiconductor or a copper-indium-gallium-sulfo-selenide (CIGSSe) - Semiconductor is applied.
  • CIS copper-indium-diselenide
  • CGSSe copper-indium-gallium-sulfo-selenide

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsinnenkammer (3) zur thermischen Bearbeitung eines Substrats (20) mit Wänden (10), die einen Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) umgeben, mit einer Lagerungseinrichtung (8) zur Lagerung des Substrats (20) während der thermischen Bearbeitung und mit einer Energiequelle (11) zum Einbringen von Energie in den Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3), wobei zumindest ein Teil der Innenseiten der Wände (10) zur Reflexion von durch die Energiequelle (11) eingebrachter Leistung ausgebildet sind, wobei vorgesehen ist, dass der zumindest eine Teil der Innenseiten der Wände (10) aus einem zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden Werkstoff besteht. Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmebehandlungsinnenkammer (3) zur thermischen Bearbeitung eines Substrats (20) mit Wänden (10), die einen Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) umgeben, mit einer Lagerungseinrichtung (8) zur Lagerung des Substrats (20) während der thermischen Bearbeitung und mit einer Energiequelle (11) zum Einbringen von Energie in den Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer, bei der eine Kühlvorrichtung (14) zur Kühlung der Wände (10) vorgesehen ist.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) zur thermischen Bearbeitung eines Substrats (20) mit Wänden (10), die einen Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) umgeben,
mit einer Lagerungseinrichtung (8) zur Lagerung des Substrats (20) während der thermischen Bearbeitung und mit einer Energiequelle (11 ) zum Einbringen von Energie in den Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3),
wobei zumindest ein Teil der Innenseiten der Wände (10) zur Reflexion von durch die
Energiequelle (1 1 ) eingebrachter Leistung ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zumindest eine Teil der Innenseiten der Wände (10) aus einem zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden Werkstoff besteht.
2. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) zur thermischen Bearbeitung eines Substrats (20), insbesondere nach Anspruch 1 ,
mit Wänden (10), die einen Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) umgeben,
mit einer Lagerungseinrichtung (8) zur Lagerung des Substrats (20) während der thermischen Bearbeitung und
mit einer Energiequelle (1 1 ) zum Einbringen von Energie in den Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Kühlvorrichtung (14) zur Kühlung von zumindest einem Teil der Wände (10) vorgesehen ist.
3. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (10) den Innenraum (24) der
Wärmebehandlungsinnenkammer (3), mehrseitig, vorzugsweise allseitig umschließen.
4. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (14) einen Kreislauf (15) für ein flüssiges Kühlmedium, insbesondere ein Öl, umfasst.
5. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wand (10) der
Wärmebehandlungsinnenkammer (3) mit Kühlkanälen (16) versehen ist.
6. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 80% der Wandfläche und/oder alle Wände (10) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) mit Kühlkanälen (16) versehen sind.
7. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (16) mäanderförmig in der Wandung (10) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) verlaufen.
8. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (16) einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen.
9. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kühlkanäle (16) durch Stege (18) getrennt sind, deren Breite (19) und/oder Höhe (18a) zwischen 20% und 80% der Breite (17) der Kühlkanäle (16) beträgt.
10. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (1 1 ) ein Heizmittel (11 ') zur Abgabe thermischer Energie umfasst, welches in der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) angeordnet ist.
1 1. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel (11') durch Vielzahl, vorzugsweise parallel zur Substratfläche (20) verlaufender Quarzstäbe (12) gebildet ist.
12. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzstäbe (12) beidseitig der Substratfläche (20) angeordnet sind.
13. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) eine
Zwischenreflektorwand (28) und/oder ein Randreflektor (30) zur Reflexion der durch die Energiequelle (1 1 ) eingestrahlten Leistung vorgesehen ist.
14. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wandung (10) und/oder zumindest die Innenseiten (29) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) zumindest abschnittsweise aus einem hochtermperaturfesten und/oder selenfesten und/oder zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden Werkstoff, vorzugsweise Edelstahl, Molybdän, Gold, Nitride,
Titannitrid, Siliziumnitrid oder ein diffus-hochreflektierender Thermoplast bestehen oder einen solchen Werkstoff umfassen.
15. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenreflektorwand (28) und/oder der Randreflektor (30) in einer solchen Weise geformt ist, dass er die von der Energiequelle (11 ) abgestrahlte Leistung auf das Substrat (20) fokussiert.
16. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der gekühlten Wand (10) der
Wärmebehandlungsinnenkammer (3) und dem Substrat (20) zumindest ein
Zwischenreflektor (20") zur Temperaturhomogenisierung angeordnet ist.
17. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsinnenkammer (3) verschließbare Öffnungen (6) zum Ein- und Ausführen des Substrats (20) umfasst.
18. Wärmebehandlungsinnenkammer (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsinnenkammer (3) mit einer
Fördereinrichtung (8) zum Transport des Substrats (20) verbunden und/oder dass das Substrat (20) in einer Substratbox untergebracht ist.
19. Bearbeitungskammer (1 ) zur thermischen Bearbeitung eines Substrats (20)
mit einer Außenkammer (2) zur Abschirmung des Substrats (20) gegenüber der
Umgebung,
mit einer in der Außenkammer (2) angeordneten Wärmebehandlungsinnenkammer (3) zur Aufnahme des Substrats (20) während der thermischen Bearbeitung, mit einer Energiequelle (1 1 ) zum Einbringen von Energie in einen Innenraum (24) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3),
dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungskammer (1 ) eine Kühlvorrichtung (14) zur Kühlung von zumindest einem Teil der Wände (10) der Wärmebehandlungsinnenkammer (3) umfasst und/ oder dass die Wärmebehandlungsinnenkammer (3) Wände (10) umfasst, bei denen zumindest ein Teil der Innenseiten der Wände (10) zur Reflexion von durch die Energiequelle (1 1 ) eingebrachter Leistung aus einem zumindest Infrarotstrahlung hochreflektierenden Werkstoff bestehen.
20. Bearbeitungskammer ( 1 ) nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsinnenkammer (3) mit Hilfe von Abstandshaltern (26) an der Außenkammer (2) befestigt ist.
21. Bearbeitungskammer (1 ) nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlvorrichtung (14) einen Kreislauf (15) für ein flüssiges Kühlmedium, insbesondere ein Öl, umfasst, und
dass die Abstandshalter (26) Hohlräume (27) zur Zu- und Ableitung von Kühlmedium aufweisen.
22. Bearbeitungskammer (1 ) nach einem der Ansprüche 19 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkammer (2) eine Vakuumkammer ist.
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