KR20150023650A - 코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 상자, 조립체 및 방법 - Google Patents

코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 상자, 조립체 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 상자에 관한 것으로서, 이하의 특징을 가진다: 기밀(氣密)식으로 폐쇄될 수 있고 공동을 형성하는 하우징을 포함하고; 하우징은 적어도 하나의 하우징 섹션을 포함하고, 그러한 적어도 하나의 하우징 섹션은 하우징 섹션 상으로 입사하는 전자기적 열적 복사선에 의해서 기판이 열처리될 수 있게 하는 방식으로 설계되고; 하우징은, 그러한 하우징 섹션의 냉각을 위해서 냉각 장치에 커플링될 수 있는 적어도 하나의 하우징 섹션 및 냉각되지 않는 적어도 하나의 하우징 섹션을 가지고; 공동은 적어도 하나의 분리 벽에 의해서 기판을 수용하기 위한 가공 챔버 및 중간 챔버로 분할되고, 분리 벽은 하나 이상의 개구부를 가지고 기판과 온도-제어가능 하우징 섹션 사이에 배열되고; 하우징은, 공동의 배기를 위한 그리고 공정 가스를 공동 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 가스 피드-스루를 구비하고, 그러한 가스 피드-스루는 공동 내로 개방되고 폐쇄될 수 있다. 본 발명은 또한 코팅된 기판을 가공하기 위한 조립체 및 방법에 관한 것이고, 그러한 방법에서 가공 상자의 적어도 하나의 하우징 섹션이 열처리 중에 및/또는 이후에 냉각되고, 열처리 중에 생성된 기체 물질이 온도-제어형 하우징 섹션으로 확산하는 것이 분리 벽에 의해서 방지되고, 분리 벽은 하나 이상의 개구부를 구비하고, 코팅된 기판과 온도-제어형 하우징 섹션 사이에 배열된다.

Description

코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 상자, 조립체 및 방법{PROCESS BOX, ASSEMBLY AND METHOD FOR PROCESSING A COATED SUBSTRATE}
본 발명은 코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 상자, 조립체, 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 박막 태양 전지를 위한 화합물 반도체로 제조된 흡수재(absorber)를 생성하기 위한 전구체 층으로 코팅된 기판의 가공에 관한 것이다.
태양광을 전기 에너지로 직접적으로 변환하기 위한 광전지(photovoltaic) 층 시스템이 잘 알려져 있다. 그러한 시스템은 일반적으로 "태양 전지"로서 지칭되고, "박막 태양 전지"라는 용어는 적절한 기계적 안정성을 위해서 기판을 필요로 하는 단지 몇 미크론의 얇은 두께를 갖는 층 시스템을 지칭한다. 공지된 기판은 무기질 유리, 플라스틱(폴리머), 또는 금속, 특히 금속 합금을 포함하고, 각각의 층 두께 및 특정 재료 성질에 따라서, 강성 플레이트 또는 가요성 필름으로서 설계될 수 있다.
기술적인 취급 품질 및 효율의 측면에서, 화합물 반도체로 제조된 흡수재를 가지는 박막 태양 전지가 유리한 것으로 입증되었다. 특허 문헌에서, 박막 태양 전지는 이미 빈번히 소개되어 왔다. 단지 예로서, 간행된 공보 DE 4324318 C1 및 EP 2200097 A1를 참조한다.
박막 태양 전지에서 흡수재로서 주로 이용되는 것으로서, 칼코피라이트 화합물(chalcopyrite compound), 특히 Cu(In,Ga)(S,Se)2 로서 약칭되는 구리-인듐/갈륨-이황(disulfur)/디셀레나이드, 또는 케스터라이트(kesterite) 화합물, 특히 Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4 로서 약칭되는 구리-아연/주석-이황/디셀레나이드로 제조된 화합물 반도체가 있다. 화합물 반도체 생산을 위한 여러 가지 가능성 중에서, 최근에 2가지 방법이 본질적으로 우세하다. 이는, 고온 기판 상으로 개별적인 원소를 증기 공동-증착(vapor co-deposition)하는 것과, 예를 들어, 급속 열적 가공(RTP)과 조합된, 스퍼터링에 의해서, 저온 기판 상에 개별적인 층(전구체 층)으로 원소를 연속적으로 적용하는 것을 포함하고, 그러한 급속 열처리 가공 중에 실제의 결정 형성 및 전구체 층의 화합물 반도체로의 상 변환이 이루어진다. 이러한 후자의 2-스테이지 접근방식은, 예를 들어, J. Palm 등의 "CIS module pilot processing applying concurrent rapid selenization and sulfurization of large area thin film precursors", Thin Solid Films 431-432, pp. 414-522 (2003)에 구체적으로 기재되어 있다.
박막 태양 모듈의 산업적-규모의 생산에서, 전구체 층의 RTP 열적 가공이 직렬적(in-line) 시스템에서 이루어지고, 이러한 시스템에서는 코팅된 기판이 다양한 가공 챔버 내로 연속적으로 운송된다. 그러한 방법이, 예를 들어, EP 0662247 B1에서 공지되어 있다.
전구체 층의 RTP-열적 가공은, 몇 K/s 범위의 급속 가열율, 기판(측방향)에 걸친 그리고 기판 두께에 걸친 균질한 온도 분포, 500 ℃ 이상의 최대 온도, 그리고 가공용 대기(atmosphere)의 정밀한 제어를 필요로 하는 복잡한 가공이다. 특히, 칼코피라이트 화합물의 생산 중에, 예를 들어, 기판(Se 및/또는 S)에 적용된 용이하게 휘발될 수 있는 칼코겐 원소의 적절하게 높고, 제어가능한 그리고 재현가능한 부분압, 및 제어된 공정 가스 전달(예를 들어, H2, N2, Ar, H2S, H2Se, S-가스, Se-가스)이 보장되어야 한다. 예를 들어, 금속 CuInGa-전구체 층 적층체의 직렬식 셀렌화는 완전한 셀렌화를 위한 적절한 Se의 양을 필요로 한다. 상당한 Se 손실은 전구체 층이 칼코피라이트 화합물로 불완전하게 변환하는 결과를 초래하고, 심지어 약간의 Se 손실도 완성된 박막 태양 모듈의 성능 손상을 초래한다.
가공 상자에 의해서 코팅된 기판 주위의 가공 공간을 제한하는 것이 공지되어 있다. 가공 상자는 셀레늄 또는 황과 같이, 쉽게 휘발될 수 있는 칼코겐 원소의 부분압을, 열처리 동안에 적어도 대략적으로 일정하게, 유지할 수 있다. 또한,부식성 가스에 대한 가공 챔버의 노출이 감소된다. 그러한 가공 상자가, 예를 들어, DE 102008022784 A1으로부터 공지되어 있다.
박막 태양 모듈의 산업적인-규모의 생산에서 이용되는 직렬식 시스템에서, 코팅된 기판 또는 코팅된 기판이 적재된 가공 상자가 색인(index) 동작에서 여러 가공 챔버를 통과하고, 그러한 코팅된 기판 또는 가공 상자는 각각의 다음 가공 챔버로 사이클로 운송된다. 가공 챔버는 일반적으로 기밀식으로 밀봉가능한(배기가능한; evacuable) 챔버로서 일반적으로 디자인되는데, 이는 전체 가공 경로가 산소 및 물의 제거를 위해서 외부로 펌핑되거나 배기되어야 하기 때문이다. 기판의 가공이 정상 압력에서(또는, 안전을 이유로, 약간의 음압에서) 일반적으로 이루어지지만, 산소 및 물이 가공 라인 내로 확산되고 독성 가스가 외부로 유동하는 것을 방지하기 위해서, 가공 챔버의 가스 밀폐성(gas tightness)이 요구된다. 유입 및 배출 록(lock) 만이 주기적으로 외부로 펌핑된다.
일반적으로, 배기가능한 가공 챔버의 구성은 복잡하고 기술적으로 까다로운데, 이는 필요 진공 밀폐성이 진공 피드스루(feedthrough), 특히 회전식 피드스루, 밸브, 운송 롤러, 가스 도킹 스테이션, 냉각 플레이트, 및 진공 밀봉부와 같이 시스템 구성요소에서 이용되는 재료에 대해서 매우 높은 수준을 요구하기 때문이다. 이러한 이유로, 이러한 가공 단계를 위한 투자 비용이 태양광 공장(solar factory)의 전체적인 투자 비용에서 무시할 수 없는 부분을 차지한다. 또한, 가공 챔버의 진공 밀폐성을 위해서 설계된, 기술적으로 복잡하고 비교적 고가인 구성요소가 코팅된 기판 또는 가공 상자의 운송에 의한 상당한 마모, 500 ℃ 초과의 높은 최대 온도까지의 가열뿐만 아니라, 부식성 가공용 대기에 노출되고, 누설될 수 있다는 것이 실무상 확인되었다. 고장의 경우에, 필요한 유지보수 작업에 의해서 복잡한 생산 체인이 중단된다.
미국 특허출원 제 2005/0238476 A1호는, 기판을 위한 배기가능한(evacuable) 기판 공간 및 이차적인 공간을 포함하는 하우징을 가지는, 제어 대기에서 기판을 운송하기 위한 장치를 개시한다. 기판 공간 및 이차적인 공간은 나노기공을 가지는 분리 벽에 의해서 서로로부터 분리되고, 분리 벽은 크누센(Knudsen) 원리(열적 삼투; thermal osmosis)를 기초로 하는 마이크로펌프를 형성한다. 기판 공간은 냉각 플레이트(오염제거 플레이트)를 가지고, 분리 벽은 기판과 냉각 플레이트 사이에는 배열되지 않는다. 그 대신에, 냉각 플레이트는 항상 기판에 대향하는 위치에 배열된다. 또한, 이차적인 공간은 가열가능한 분리 벽에 의해서 냉각 플레이트에 의해서 냉각되는 하우징 섹션 또는 기판 공간으로부터 열적으로 분리된다. 펌핑 메커니즘을 위해서 가열이 필요하다.
대조적으로, 본 발명의 목적은 기술적으로 상당히 더 단순하고 보다 더 경제적인 시스템에서 코팅된 기판을 열처리할 수 있는 가능성을 제공하는 것이다. 이러한 목적 및 다른 목적은 협력적인 청구항에 따른 가공 상자, 조립체, 및 코팅된 기판을 가공하기 위한 방법에 의해서 발명의 제한에 따라 달성된다. 발명의 바람직한 실시예가 종속 청구항의 특징으로부터 나타난다.
발명에 따라서, 운송가능한 또는 정지해있는(stationary) 가공 상자에서 이용될 수 있는, 코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 상자가 제시된다.
발명에 관한 내용에서, "기판"이라는 용어는, 서로 대향하여 배치되는 2개의 표면을 가지는 편평한 물체를 지칭하고, 복수의 층을 포함하는 층 구조물이 2개의 표면 중 하나의 위에 전형적으로 적용된다. 기판의 다른 표면은 일반적으로 코팅되지 않는다. 예를 들어, 이는, RTP-열적 가공을 거쳐야 하는 화합물 반도체(예를 들어, 칼코피라이트 또는 케스터라이트 화합물)의 전구체 층으로 코팅된 박막 태양 모듈의 생산을 위한 기판이다.
발명에 따른 가공 상자는 하우징을 포함하고, 그러한 하우징에 의해서 기밀식으로 밀봉가능한(배기가능한) 중공형 공간이 형성되거나 둘러싸이게 된다. 가스가 가능한 한 짧은 시간에 외부로 펌핑될 수 있도록 그리고 RTP 열적 가공 중의 산소 함량 및 부분적인 수압과 관련한 엄격한 요구가 충족될 수 있도록, 중공형 공간의 비어있는 높이(clear height)가 바람직하게 치수결정된다. 원칙적으로, 하우징은 의도된 용도에 적합한 임의 재료, 예를 들어, 금속, 유리, 세라믹, 유리 세라믹, 탄소 섬유로 보강된 탄소 재료, 또는 그라파이트로 제조될 수 있다.
여기에서, 가공 상자의 하우징이 하나의 또는 복수의 하우징 섹션을 가지는 것이 필수적이고, 각각의 경우에 그러한 하우징 섹션은 하우징 섹션으로 입사하는 전자기적 열적 복사선에 의한 열처리를 가능하게 하도록 구현된다. 이러한 목적을 위해서, 열처리를 위해 기능하는 하우징 섹션이 기판을 가공하기 위한 전자기적 열적 복사선에 대해서 투과적이거나, 부분적으로 투과적이거나, 불투과적일 수 있다. 예를 들어, 열처리를 위해 기능하는 하우징 섹션이 유리 세라믹으로 제조된다. 특히, 열처리를 위해 기능하는 하우징 섹션은, 자체의 가열을 위해서 복사 히터의 전자기적 열적 복사선을 적어도 부분적으로, 특히 완전히, 흡수하기에 적합한 재료(예를 들어, 그라파이트)를 포함하거나 그러한 재료로 제조될 수 있다. 이어서, 가열된 하우징 섹션은 기판을 가열하기 위한 이차적인 열 공급원으로서의 역할을 할 수 있고, 특히, 열 분포의 균질화를 초래할 수 있다.
가공 상자의 하우징은 하나의 또는 복수의 온도-제어가능한 또는 능동적으로 냉각가능한 (제1) 하우징 섹션을 더 포함하고, 그 하우징 섹션의 온도는 미리-규정가능한 온도 값으로 셋팅될 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 하우징 섹션은 각각의 경우에 (외부의) 온도-제어 또는 냉각 장치에 열기술적으로(thermotechnically) 커플링가능하거나 커플링된다.
제1 하우징 섹션은, 예를 들어, 냉각 장치에 (유체적으로) 연결되거나 연결될 수 있고, 결과적으로 냉각될 수 있는 반면, 대조적으로, 제2 하우징 섹션은 냉각 장치에 연결되지 않고, 결과적으로 냉각될 수 없다. 또한, 하우징은, 하나의 또는 복수의 온도-제어가능하지 않은 또는 냉각가능하지 않은, 즉 온도-제어 또는 냉각 장치에 커플링될 수 없거나 커플링되지 않는 (제2) 하우징 섹션을 포함하고, 그러한 하우징 섹션은, 특히, 하우징 섹션으로 입사하는 전자기적 열적 복사선에 의한 열처리를 가능하게 하는, 다시 말해서, 예를 들어, 복사 히터의 복사선 필드(field) 내에 위치되는 하우징 섹션이다. 제1 하우징 섹션은 제2 하우징 섹션과 상이하다.
기판의 온도 그리고 입사하는 전자기적 열적 복사선에 의한 열처리를 가능하게 하고, 복사 히터의 복사선 필드 내에 위치되는 하우징 섹션의 온도에 대비하여, 온도-제어가능한 또는 냉각가능한 (제1) 하우징 섹션은 능동적으로 냉각가능하다. 가공 상자의 온도-제어가능한 또는 냉각가능한 하우징 섹션은 코팅된 기판의 열처리 이전에, 도중에, 및 이후에 온도 제어될 수 있거나 능동적으로 냉각될 수 있다.
여기에서 그리고 이하에서 사용된 바와 같이, "냉각가능한'이라는 용어는 열처리 중에 기판의 온도 보다 낮은 온도까지 하우징 섹션의, 또는 입사되는 전자기적 열적 복사선에 의한 열처리를 가능하게 하고 복사 히터의 복사선 필드 내에 위치되는 그러한 하우징 섹션의 온도를 제어하는 것(냉각시키는 것)을 지칭한다. 예를 들어, 하우징 섹션은 20 ℃ 내지 200 ℃ 범위의 온도로 온도 제어된다. 이러한 온도 제어(냉각)로 인해서, 200 ℃ 이상의 온도에서 장시간 견디지 못하는, 진공 기술에서 일반적인 플라스틱 밀봉부(탄성중합체, 불소탄성중합체(fluoroelastomer)) 및 비교적 경제적인 다른 표준형의 구성요소가 가공 상자의 진공 밀봉을 위해서 이용될 수 있다.
또한, 가공 상자의 하우징은, 중공형 공간을 배기하기 위해서 그리고 공정 가스를 중공형 공간 내로 도입하기 위해서, (예를 들어, 밸브에 의해서) 밀봉가능한 중공형 공간 내로 개방되는 적어도 하나의 가스 통로를 포함한다. 이러한 목적을 위해서, 가스 통로가, 특히 중간 공간 내로 개방될 수 있다. 공정 가스는, 예를 들어, H2S, H2Se, S 증기, Se 증기, 또는 H2 와 같은 반응성 가스뿐만 아니라 N2, He, 또는 Ar과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 가공 상자에서, 하우징에 의해서 형성된 중공형 공간은 적어도 하나의 분리 벽에 의해서 코팅된 기판을 수용하기 위한 가공 공간 및 중간 공간으로 분할되고, 분리 벽은 코팅된 기판과 능동적으로 냉각되는 즉, 냉각 장치에 커플링될 수 있거나 커플링되는 (제1) 하우징 섹션 사이에 배열된다. 가공 공간은 적어도 하나의 분리 벽 및 온도-제어되지 않는, 즉 냉각 장치에 커플링되지 않는 가공 상자의 하나의 또는 복수의 (제2) 하우징 섹션에 의해서만 둘러싸인다.
분리 벽은 열처리 동안에 가공 공간과 중간 공간 사이의 가스 교환에 대한 확산 배리어(증기 배리어)로서의 역할을 하면서도, 열처리 이전에 그리고 이후에, 적어도 일시적으로, 분리 벽을 통해서 가공 공간으로부터 외부로 기체 물질을 펌핑하는 것, 그리고 공정 가스로 충진하는 것이 가능하도록, 가공 공간과 중간 공간 사이의 가스 교환을 가능하게 하는 것이 필수적이다. 이러한 목적을 위해서, 분리 벽은 하나의 또는 복수의 개구부 또는 파단부(break)를 가지고, 그러한 개구부 또는 단절부를 통해서 가공 공간과 중간 공간이 서로 유체적으로 연결된다. 일반적으로, 개구부는 임의 형상, 예를 들어, 슬롯 형상 또는 둥근 홀 형상을 가질 수 있고, 주변부에도 배열될 수 있다.
하나의 유리한 실시예에서, 분리 벽 전부가 하우징에 도달하지 않고, 그에 따라 개구부, 특히, 갭이 분리 벽과 하우징 벽 사이에서 유지된다.
특히, 분리 벽은 다공성 재료 또는 튜브(직선형, 경사형, 또는 각도형 튜브)를 가지는 재료로 제조될 수 있거나, 그러한 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 그러나 절대적으로 필수적이지는 않게, 하나의 가장 작은 치수, 예를 들어, 분리 벽의 각각의 개구부의 반경 또는 직경이 가공 공간 내의 가스 입자의 평균 자유 경로의 길이 보다 크다.
일반적으로, 코팅된 기판을 가공하기 위한 가공 공간은 분리 벽에 의해서 형성되고, 그러한 가공 공간은 분리 벽에 의해서 중간 공간으로부터 준-기밀식으로 분리된다. 가공 공간과 외부 환경 사이의 가스 교환이 완전히 억제되는 기밀식 가공 공간뿐만 아니라, 가공 공간과 외부 환경 사이의 자유로운 가스 교환을 허용하는 개방형 가공 공간과 대조적으로, 가공 공간과 중간 공간 사이의 가스 교환이 분리 벽에 의해서 방지된다. 이러한 증기 배리어는 자유 경로 길이의 압력 의존성을 기초로 하고: 대략적인 정상(normal) 압력(700-1000 mbar)에서, 비교적 작은 개구부를 통한 확산이 억제된다. 대조적으로, 중간 공간이 진공-전(pre-vacuum) 범위(10-1000 μbar)의 압력까지 배기된다면, 자유 경로 길이가 크게 증가되고 분리 벽은 가스 교환에 대해서 약한 확산 배리어만을 나타낸다. 가공 공간은 분리 벽을 통해서 외부로 펌핑될 수 있고, 가공 상자 내로의 유입구를 통한 외부로의 펌핑 후에, 공정 가스가 또한 가공 공간 내로 유동한다. 특히, 준-기밀식 분리 벽에 의해서, 셀레늄 또는 황과 같이 용이하게 휘발될 수 있는 칼코겐 성분의 부분압이 가공 공간 내에서의 열처리 중에 적어도 대략적으로 일정하게 유지될 수 있다.
일반적으로, 가공 상자가 개방되거나 폐쇄되거나 조립되도록, 그리고 코팅된 기판을 적재하고 가공된 기판을 제거하기 위해서, (비파괴적으로) 다시 분해될 수 있도록, 본 발명에 따른 가공 상자가 구현된다.
본 발명에 따른 가공 상자에 의해서 복수의 장점이 얻어질 수 있다. 따라서, 중공형 공간 내로 개방된 적어도 하나의 밀봉가능한 가스 통로를 가지는 중공형 공간을 기밀식으로 구현하는 것을 통해서, 특히 부식성 공정 가스의 외부로의 펌핑을 위해서 그리고 산소 함량 및 부분적 수압을 감소시키기 위해서뿐만 아니라, 불활성 가스로 퍼지하는 것 및 공정 가스로 충진하는 것을 위해서, 가공 공간의 배기가 가능하다. 결과적으로, 기판의 열처리를 위한 록 및 가공 스테이션을 기밀식으로 또는 배기가능하게 만들 필요가 없고, 그에 따라 기술적 관점에서 그리고 그 생산 비용에서 시스템이 크게 단순화될 수 있고, 유지보수가 상당히 감소될 수 있다. 부식성 공정 가스가 가공 상자의 중공형 공간 내에서만 존재하기 때문에, 가공 상자의 운송을 위한 운송 롤러 또는 코팅된 기판의 열처리를 위한 복사 히터와 같은 시스템의 구성요소의 마모 증가를 회피할 수 있다. 또한, 유리하게, 시스템의 진공-양립가능(compatible) 구역(가공 상자) 내에서 이동하는 부품을 배제할 수 있다. 가공 상자의 중공형 공간의 배기는 신속하고 효율적으로 달성될 수 있다. 이는 공정 가스로 충진하는 경우에도 동일하게 적용되고, 공정 가스는 최소량으로 비용-효과적으로 이용될 수 있다. 가공 상자의 적어도 하나의 하우징 섹션의 온도 제어(능동적 냉각)는, 특히 열처리 중에 가공 상자의 진공-양립가능 구성요소의 마모 감소를, 그리고 선택적으로 열처리 이후의 코팅된 기판의 능동적인 냉각의 지원을 가능하게 한다. 확산 배리어 또는 증기 배리어로서 작용하는 분리 벽에 의해서, 열처리 중에 발생되는 칼코겐 원소 황 및 셀레늄과 같은 휘발성 성분이 온도-제어되는(능동적으로 냉각되는) 하우징 섹션 상에 바람직하지 못하게 응축되는 것이 방지되어, 가공용 대기 중의 휘발성 성분의 손실을 최소화하고 가공용 대기 중의 그 성분의 부분압을 적어도 대략적으로 일정하게 유지한다. 그에 따라, 휘발성 칼코겐 원소의 소비가 최소화될 수 있고 그리고 생산되는 화합물 반도체의 품질이 개선될 수 있다. 또한, 분리 벽에 의해서, 가공 상자의 중공형 공간에 대비하여 가공 공간이 보다 더 감소될 수 있다. 기밀 가공 상자에 의해서, 가공 상자 내로 도입된 기판이 주변 영향으로부터 양호하게 보호된다. 생산 시스템에서, 코팅된 기판을 가공 상자로부터 이동시킬 필요가 없이, 적재된 가공 상자가 여러 가공 스테이션들 사이에서 운송될 수 있다. 가공 상자는 하나의 또는 복수의 코팅된 기판으로 선택적으로 적재될 수 있고, 그에 의해서 복수의 기판을 적재하는 것이 바람직하게 처리량(throughput)을 증가시킬 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 분리 벽에 의해서, 중공형 공간을 가공 공간과 중간 공간으로 준-기밀식으로 분할하는 것이 달성되고, 이러한 목적을 위해서 분리 벽이 하나의 또는 복수의 개구부를 구비한다. 바람직하게, 열처리 중에 코팅된 기판의 열처리에 의해서 발생되는 기체 물질의 질량(mass)의 가공 공간 외부로의 손실이, 열처리 중에 발생되는 기체 물질의 질량의 50% 미만, 바람직하게 20% 미만, 보다 바람직하게 10% 미만이 되도록, 분리 벽이 구현된다. 유리하게, 분리 공간의 내측 표면(내부 면적)으로 나눈 하나의 또는 복수의 개구부로 이루어진 (전체) 개방 면적으로부터 형성된 면적 비율(area ratio)이 5 x 10-5 내지 5 x 10-4 이 되도록, 분리 벽이 이러한 목적을 위해서 구현된다. 따라서, 한편으로, 가공 공간을 배기하는 것 및 공정 가스로 충진하는 것이 신속하게 이루어질 수 있게 할 정도로 적절히 크고, 다른 한편으로, 분리 벽이 열처리 중에 가공 공간 내에서 발생되는 휘발성 성분에 대한 효과적인 증기 배리어 또는 확산 배리어로서 역할할 수 있을 정도로 충분히 작은, 분리 벽의 하나의 또는 복수의 개구부의 (전체) 개방 면적이 유리하게 얻어질 수 있다.
가공의 특히 유리한 실시예에서, 분리 벽은, 하나의 또는 복수의 개구부의 (전체) 개방 면적이, 열처리 중에 분리 벽을 가열하는 것에 의해서, 시작 값(열처리 이전의 전체 개방 면적)의 최대 50%, 바람직하게 최대 30%, 보다 바람직하게 최대 10%까지 감소되는 열팽창 계수를 가지는 재료로 제조되거나 그러한 재료를 포함한다. 이러한 목적을 위해서, 유리하게, 분리 벽은, 5 x 10-6 K-1 초과의 열팽창 계수를 가지는 재료를 포함하거나 그러한 재료로 제조된다. 이러한 방식에서, 온도-제어형 분리 벽이 생성되고, 그러한 분리 벽으로, 한편으로 가공 공간의 외부로의 특히 효과적으로 펌핑하는 것 및 공정 가스로 가공 공간을 충진하는 것이 저온 상태에서 보다 큰 (전체) 개방 면적을 통해서 달성되고; 다른 한편으로, 열처리 중에 생성되는 기체 물질이 가공 공간으로부터 중간 공간으로 확산하는 것을 특히 효과적으로 방지하는 것이 열처리 동안의 높은 온도 상태에서 열 팽창에 의해서 보다 작은 (전체) 개방 면적을 통해서 달성된다. 특히, 열처리 동안에 (전체) 개방 면적이 적어도 대략적으로 영으로 감소되어, 열처리 동안에 가공 공간과 중간 공간 사이의 가스 교환이 거의 완전히 억제되도록, 분리 벽이 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 가공 상자의 유리한 실시예에서, 가공 상자의 하우징이 베이스, 커버, 및 베이스와 커버를 서로에 대해서 연결하는 프레임을 포함한다. 베이스와 커버는, 예를 들어, 각각의 경우에 플레이트로서 구현되고, 베이스 및/또는 커버는, 코팅된 기판이 커버의 베이스의 하부 측부(side) 및/또는 커버의 상단 측부 상으로 공급되는 열적 복사선의 복사 에너지에 의해서 열처리될 수 있도록 하는 재료(예를 들어, 유리 세라믹)로 제조된다. 온도-제어가능한(능동적으로 냉각가능한) 하우징 섹션은 적어도 하나의 프레임 섹션에 의해서 형성된다. 또한, 프레임은, 특정 가공 단계 중에 중공형 공간을 배기하기 위해서 그리고 특정 가스 대기를 가공 공간으로 선택적으로 제공하기 위해서, 중공형 공간 내로 개방된 적어도 하나의 밀봉가능한 가스 통로를 구비할 수 있다.
가공 상자의 조립된 상태에서, 중공형 공간은 기밀식으로 구현되는 한편, 예를 들어, 단순한 방식으로, 가공 공간이 코팅된 기판으로 적재될 수 있도록 또는 가공된 기판이 제거될 수 있도록 커버가 프레임으로부터 제거가능하게 구현될 수 있다. 가공 상자의 특히 바람직한 실시예에서, 프레임은 베이스에 고정적으로 연결된 제1 프레임 부분 및 커버에 고정적으로 연결된 제2 프레임 부분을 포함하고, 2개의 프레임 부분은 서로에 대해서 기밀식으로 결합되어 중공형 공간을 형성한다.
이에 대한 대안적인 실시예에서, 가공 상자는, 바림직하게 온도-제어가능한(능동적으로 냉각가능한) 밀봉부에 의해서 예를 들어 측방향으로 밀봉될 수 있는, 하우징 개구부를 가지는 단일 부재의 하우징 섹션을 가지는 하우징을 포함한다. 분리 벽은 예로서 밀봉부에 평행하다.
발명의 다른 유리한 실시예에서, 냉각 장치에 커플링 가능한 하우징 섹션은, 적어도 하나의 기체 물질을 제거/공급(예를 들어, 공정 가스의 배기 및 도입)하기 위해서, (예를 들어, 밸브를 통해서) 중간 공간 내로 개방된 밀봉가능한 가스 통로를 가진다. 그러한 가스 통로는, 예를 들어, 가스 연결부, 특히 가스 유동을 제어하기 위한 밸브를 구비한다. 하우징 섹션의 냉각의 결과로서, 진공 기술에서 일반적인 플라스틱 밀봉부 또는 비교적 비용-효과적인 표준형 구성요소가 장치의 진공 밀봉을 위해서 이용될 수 있다. 특히, 가스 통로를 가지는 냉각된 하우징 섹션은 하우징 개구부를 밀봉하기 위한 밀봉부가 된다.
본 발명은 전술한 바와 같이 구현된 가공 상자, 열처리를 위해 기능하는 가공 상자의 적어도 하우징 섹션에 인접하여 배열되는 전자기적 열적 복사선을 생성하기 위한 하나의 또는 복수의 복사 히터, 및 온도 제어(능동 냉각)를 위해서 적어도 하나의 온도-제어가능한(능동적으로 냉각가능한) 하우징 섹션에 열기술적으로 커플링되는 온도 제어 또는 냉각 장치를 가지는, 코팅된 기판을 가공하기 위한 조립체로 추가적으로 확장된다.
상기 조립체에서, 중간 공간이 적어도 부분적으로, 특히 완전하게 복사 히터의 공통(common) 복사 필드 외부에 위치되도록, 복사 히터가 특히 유리하게 배열된다. 이는, 분리벽과 가공 상자의 온도를 제어하는(능동적으로 냉각되는) 하우징 섹션 사이의 온도 구배(온도 배리어)를 셋팅할 수 있게 한다. 바람직하게, 코팅된 기판의 열처리를 위한 미리-규정가능한 가공 온도가 분리 벽에 얻어지도록, 온도 구배가 형성된다. 이러한 목적을 위해서, 복사 히터가, 예를 들어, 가공 공간 위에만 및/또는 아래에만 배열될 수 있다.
또한, 본 발명은 운송가능한 또는 정지형의 가공 상자 내에서 코팅된 기판을 가공하기 위한 방법으로 확장되고, 그러한 방법은, 특히 다음과 같이 구현될 수 있다.
이 방법은:
- 가공 상자의 중공형 공간 내로 코팅된 기판을 도입하는 단계,
- 가공 상자의 중공형 공간을 기밀식으로 밀봉하는 단계,
- 전자기적 열적 복사선에 의해서 코팅된 기판을 열처리하는 단계로서, 전자기적 열적 복사선은 가공 상자 외부에 배열된 복사 히터에 의해서 생성되고 열처리를 위해 기능하는 가공 상자의 적어도 하나의 하우징 섹션 상으로 충돌하고, 열처리 동안에 적어도 하나의 기체 물질이 코팅된 기판에 의해서 생성되는, 열처리하는 단계,
- 열처리 중에 그리고 선택적으로 열처리 이후에 가공 상자의 적어도 하나의 하우징 섹션을 온도 제어 또는 냉각하는 단계,
- 열처리 중에 생성되는 기체 물질이 하나의 또는 복수의 개구부를 구비하는 분리 벽을 통해서 온도-제어되는 또는 냉각되는 하우징 섹션으로 확산하는 것을 방지하는 단계로서, 분리 벽은 코팅된 기판과 온도-제어되는 또는 냉각되는 하우징 섹션 사이에 배열되는, 확산을 방지하는 단계를 포함한다.
이 방법에서, 열적 복사선이 충돌하는, 열처리를 위해 기능하는 가공 상자의 적어도 하나의 섹션이 온도-제어되지 않거나 냉각되지 않는다.
이 방법의 유리한 실시예에서, 분리 벽과 온도-제어되는 또는 냉각되는 하우징 섹션 사이에 위치되는 중간 공간은 적어도 부분적으로, 특히 완전하게, 전자기적 열적 복사선에 의해서 조사(照射)되지 않는다.
이 방법의 다른 유리한 실시예에서, 분리 벽의 하나의 또는 복수의 개구부의 (전체) 개방 면적(opening area)은, 열처리 중의 분리 벽의 가열에 의해서 시작 값(열처리 전의 전체 개방 면적)의 최대 50%, 바람직하게 최대 30%, 보다 바람직하게 최대 10%까지 감소된다.
이 방법의 다른 유리한 실시예에서, 가공 상자의 중공형 공간이 코팅된 기판의 열처리 이전에 및/또는 이후에 배기되고 및/또는 (음압 또는 양압의) 공정 가스로 충진된다.
발명의 여러 실시예가 개별적으로 또는 임의 조합으로 실현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 특히, 전술한 그리고 이하에서 설명되는 특징은, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 표시된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로 또는 분리되어 이용될 수 있을 것이다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 도면은 실척이 아니라 단순화된 표상으로 도시한다.
도 1은 코팅된 기판을 가공하기 위한 본 발명에 따른 가공 상자의 대략적인 횡단면도이다.
도 2는 전방 밀봉부와 함께 도 1의 가공 상자를 도시한 사시도이다.
도 3a-3c는, 여러 도면을 이용하여, 가공 상자의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 2개의 결합가능한 프레임 부분을 가지는 도 3a-3c의 가공 상자의 변형예를 도시한다.
도 5a-5f는 가공 상자의 온도-제어형 분리 벽의 상이한 변형예를 도시한다.
도면은 전형적인 동작 위치로 수평적으로 배향된 가공 상자를 예시하고 있다. 가공 상자가 또한 달리 배향될 수 있다는 것 그리고 이하의 설명의 위치 및 배향 표시가 도면에서의 가공 상자의 표현만을 지칭한 것이며, 이는 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 1 및 2를 먼저 참조하면, 코팅된 기판(2)(도 1)을 가공하기 위한 본 발명에 따른 가공 상자(1)의 대략적인 단면도, 및 전방 밀봉부(9)(도 2)와 함께 그러한 가공 상자(1)의 사시도가 도시되어 있다. 가공 상자(1)는, 예를 들어, 전구체 층을 열처리하여 화합물 반도체, 특히, 칼코피라이트 화합물로 변화시키기 위해서, 하나의 측부 상에 코팅된 기판(2)을 가공하는 역할을 한다. 비록, 하나의 기판(2)만이 도시되어 있지만, 가공 상자(1)는 둘 이상의 기판(2)을 가공하기 위해서 유사하게 이용될 수 있다.
여기에서, 가공 상자(1)는, 예를 들어, 하단 벽(5), 상단 벽(6), 및 둘레 측벽(7)으로 이루어진, 하우징 벽(4)을 가지는 직육면체 형상의 하우징(3)을 포함한다. 하우징 벽(4)은, 제거가능한 밀봉부(9)에 의해서 기밀식으로 밀봉가능한, 기밀형 또는 배기가능한 중공 공간(11)을 둘러싼다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(3)은, 예를 들어, 측벽(7)의 일부를 형성하는, 도어와 같이 장착가능한 밀봉부(9)에 의해서 밀봉가능한 전방 하우징 개구부(8)를 가질 수 있다. 개략적으로 설명하면, 하우징 개구부(8) 및 연관된 밀봉부(9)가 하우징 벽(4)의 임의의 벽 섹션 상에 선택적으로 배치될 수 있다. 하단 벽(5)은 중앙 지역 내에서 기판(2)을 위한 지지 표면으로서의 역할을 하고, 유사하게, 이는 상응하는 이격부재 또는 지지 요소를 제공할 수 있다.
가공 상자(1)의 하우징 벽(4)이 동일한 재료로 또는 서로 상이한 재료로 제조될 수 있다. 전형적인 재료로서, 금속, 유리, 세라믹, 유리 세라믹, 탄소 섬유 보강형 탄소 재료, 또는 그라파이트가 있다. 여기에서, 전자기적 열적 복사선의 형태로 외부로부터 공급되는 열 에너지에 의한 코팅된 기판(2)의 열처리가 가능하도록, 상단 벽(6) 및 하단 벽(5)이 각각의 경우에 구현되는 것이 필수적이다. 열 에너지는, 도 1에서 개략적으로 표시된 조립체(10)에서, 예를 들어, 상단 벽(6) 위에서 그리고 하단 벽(5) 아래에서 행(row)으로 배열된 복사 히터(12)에 의해서 공급될 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 예를 들어, 상단 벽(6) 및 하단 벽(5)은 복사되는 전자기적 복사선에 대해서 투과적인 또는 적어도 부분적으로 투과적인 재료, 예를 들어, 유리 세라믹으로 제조된다. 상단 벽(6) 및 하단 벽(5)은 또한 섹션 내에서만 그러한 재료로 제조될 수 있다. 또한 마찬가지로, 상단 벽(6) 및 하단 벽(5)이, 자체적으로 가열될 수 있도록 전자기적 복사선을 적어도 부분적으로, 특히 완전히 흡수하기에 적합한 재료, 예를 들어 그라파이트, 로 제조될 수 있다. 이러한 경우에, 상단 벽(6) 및 하단 벽(5)은 수동적으로 가열되는, 이차적인 열 공급원으로서의 역할을 한다.
도 2에서 식별할 수 있는 바와 같이, 하우징 벽(4), 여기에서 예를 들어, 밀봉부(9)는, 둘레 측벽(7)을 통해서 적어도 섹션 내에서 특히 전체적으로(completely) 연장하는 냉각제 라인 시스템(구체적으로 도시하지 않음) 내의 냉각제를 위한 유입구 또는 배출구로서의 역할을 하는 2개의 냉각제 연결부(13, 13')를 구비한다. 도입되는 냉각제에 의해서, 측벽(7)이 적어도 섹션내에서 미리-규정가능한 온도로 온도제어될 수 있거나 열처리 중에 기판 온도에 대해서 능동적으로 냉각될 수 있다. 이러한 목적을 위해서 2개의 냉각제 연결부(13, 13')가 냉각제의 준비 및 냉각을 위한 온도 제어 장치 또는 냉각 장치(14)에 유체적으로 연결될 수 있다. 일반적으로, 가공 상자(1)에서, 코팅된 기판(2)을 열처리하기 위한 역할을 하지 않는 그러한 하우징 섹션만이, 여기에서, 예를 들어, 둘레 측벽(7) 또는 적어도 그 섹션만이 전자기적 열적 복사선의 형태로 외부로부터 공급되는 열 에너지에 의해서 온도제어되거나 능동적으로 냉각된다. 본 예에서, 밀봉부(9) 만이 온도 제어되거나 냉각된다. 예를 들어, 오일 또는 물이 냉각제로서 사용될 수 있다. 또한 대안적으로, 히트 싱크(예를 들어, 냉각 플레이트)와의 접촉을 통한 접촉 냉각(열 전도), 송풍기(대류 냉각), 또는 접촉이 없는 이격된 히트 싱크(복사 냉각)를 통해서, 온도 제어 또는 능동적 냉각이 이루어질 수 있다.
하우징(3)은 중공 공간(11) 내로 개방되는 밸브(15)를 구비한 가스 통로(16)를 더 포함한다. 여기에서, 가스 통로(16)는, 예를 들어, 전방 밀봉부(9) 내에 배열된다. 중공 공간(11)은 펌핑 장치(18)(예를 들어, 진공 펌프)에 대한 연결에 의해서 가스 연결부(17)를 통해서 배기될 수 있다. 또한, 불활성 퍼지 가스의 도입에 의해서 중공 공간(11)을 퍼지하기 위해서 및/또는 음압 또는 양압의 반응성 공정 가스로 중공 공간을 충진하기 위해서, 가스 연결부(17)가 가스 공급 장치(19)에 연결될 수 있다. 밸브(15)(예를 들어, 복수 경로 밸브)에 의해서, 가스 통로(16)가 선택적으로 개방되거나 기밀식으로 밀봉될 수 있다. 신속한 배기 및 효과적인 공정 가스 충진을 가능하게 하기 위해서, 중공 공간(11)이, 예를 들어 7 mm 내지 12 mm 범위의 비교적 낮은 빈 높이를 가진다.
중공 공간(11)은 스트립-형상의 분리 벽(20)에 의해서 가공 공간(21)과 중간 공간(22)으로 준-기밀식으로 분할되며, 코팅된 기판(2)은 가공 공간(21) 내에서만 수용된다. 가스 통로(16)는 중간 공간(22)으로 개방된다. 분리 벽(20)이 하나의 또는 복수의 개구부 또는 단절부를 구비하고, 그러한 개구부 또는 단절부에 의해서 가공 공간(21)이 중간 공간(22)과 유체적으로 연결된다.
도 1의 수직 단면도에서 식별할 수 있는 바와 같이, 하단 벽(5)으로부터 상단 벽(6)의 방향으로 수직으로 연장하는 분리 벽(20)이 상단 벽(6)(의 내측 측부)까지 전부 도달하지는 않으며, 그에 따라 갭(23)이 분리 벽(20)의 개구부로서 남게 된다. 도 2는, 분리 벽(20)이 상단 벽(6)까지 전부(all the way) 연장하고 그리고 행에서 대략적으로 중심에 배열된 복수의 수평 슬롯(24)을 가지는 변형예를 도시한다. 갭(23) 또는 슬롯(24)을 통해서, 가공 공간(21)이 중간 공간(22)에 유체적으로 연결되고, 그에 따라 상호 가스 교환이 가능하기는 하지만, 갭(23) 또는 슬롯(24)의 작은 수직 치수 또는 높이로 인해서 억제된다. 그에 따라, 분리 벽(20)은 가공 공간(21)과 중간 공간(22) 사이의 확산 배리어 또는 증기 배리어로서 작용한다.
확산 배리어 또는 증기 배리어로서 작용하는 분리 벽(20)의 성질은 자유 경로 길이의 압력 의존성을 기초로 하고: 거의 정상 압력(700-1000 mbar)에서, 분리 벽(20)의 비교적 작은 개구부(들)에 의해 확산이 억제된다. 대조적으로, 중간 공간(22)이 진공-전 범위(10-1000 μbar)의 압력까지 배기된다면, 자유 경로 길이가 크게 증가되고 분리 벽(20)은 가스 교환에 대해서 약한 확산 배리어만을 나타낸다. 그에 따라, 가공 공간(21)은 분리 벽(20)을 통해서 외부로 펌핑될 수 있고, 펌핑 이후에, 공정 가스가 또한 중간 공간(22) 내로의 유입구를 통해서 가공 공간(21) 내로 유동할 수 있다. 다른 한편으로, 분리 벽(20)에 의해서, 열처리 중에 코팅된 기판(2)의 외부로 확산/증발되는, 셀레늄 또는 황과 같은, 용이하게 휘발될 수 있는 칼코겐 성분의 분압이, 기판(2)의 열처리 중에, 가공 공간(21) 내에서 적어도 대략적으로 일정하게 유지될 수 있다. 그에 따라, 분리 벽(20)은, 예를 들어, 기판(2)의 열처리 중에 셀레늄 배리어로서 작용한다.
일반적으로, 기판(2)의 열처리 중에, 코팅된 기판(2)의 열처리에 의해서 생성된 기체 물질이 가공 공간(21)의 외부로 손실되는 질량 손실이 열처리 중에 가공 공간(21) 내에서 생성되는 기체 물질의 질량의 50% 미만, 바람직하게 20% 미만, 보다 바람직하게 10% 미만이 되도록, 갭(23) 또는 슬롯(24)의 (공통) 개방 면적(25)이 치수결정된다. 이러한 목적을 위해서, 가공 공간(21)의 내측 표면 또는 내부 표면(26)으로 나눈 개방 면적(25)으로부터 얻어진, 면적 비율이 5 x 10-5 내지 5 x 10-4 이 되도록, 분리 벽(20)이 구현된다.
예를 들어, 가공 공간(21)의 내부 표면(26)이 약 1.2 m2 의 크기를 갖는다. 갭(23)의 평균 갭 높이는, 예를 들어, 2 내지 5 cm2 범위의 개방 면적(25)에 상응하는, 50 내지 100 ㎛이다. 분리 벽(20)은, 예를 들어, 9 mm의 높이를 가진다. 이러한 값은 1.5 x 10-4 의 면적 비율을 산출한다.
증기 배리어 또는 확산 배리어로서 역할하는 분리 벽(20)에 의해서, 열처리 중에 가공 공간(21) 내에서 생성되는 휘발성 성분이 중간 공간(22) 내로 확산하는 것이 적어도 대략적으로 억제되고, 그에 따라 온도-제어되는(능동적으로 냉각되는) 측벽(7) 상에, 여기에서 구체적으로 밀봉부(9) 상에 휘발성 성분이 응축되는 것이 방지된다. 그에 따라, 가공 공간(21) 내의 가공용 대기가 적어도 부분적으로 대략적으로 일정하게 유지될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중간 공간(22)이 적어도 부분적으로, 특히 완전하게, 복사 히터(12)의 (공통) 복사선 필드 외부에 위치되고, 그에 따라 열처리 중에, 온도 구배가 분리 벽(20)으로부터 온도-제어되는(능동 제어되는) 측벽(7), 여기에서 구체적으로 밀봉부(9)까지 중간 공간(22) 내에서 형성된다. 이러한 온도 구배는 큰 열적 응력에 대해서 가공 상자(1)의 진공-양립가능 성분의 보호를 위한 "온도 배리어"로서의 역할을 한다. 이러한 목적을 위해서, 복사 히터(12)는 분리 벽(20)의 전방에서 또는 분리 벽(20)까지 가공 공간(21)의 위에 또는 아래에 전적으로 배열된다. 각각의 경우에, 복사 히터(12)는 중간 공간(22) 또는 분리 벽(20) 전방의 적어도 몇 센티미터에서 종료된다. 다른 한편으로, 기판(2)의 전구체 층이 화합물 반도체로 적절히 변환되는 것을 보장하기 위해서, 상승하는 온도 구배가 형성되어 코팅된 기판(2)을 열적으로 가공하기 위한 희망 가공 온도가 측벽(7), 구체적으로 밀봉부(9)로부터 시작하여 분리 벽(20)의 전방에서 또는 적어도 분리 벽(20)의 레벨에서 분리 벽(20)까지 얻어지도록, 복사 히터(12)가 배열된다.
도 1에 도시된 일반적인 실시예에서, 분리 벽(20), 중간 공간(22), 및 측벽(7)의 온도-제어가능 또는 냉각가능 섹션(들)이 측방향으로 하나의 방향을 따라서, 두 방향을 따라서, 또는 주변 둘레로(프레임) 설계될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 분리 벽(20), 중간 공간(22), 및 측벽(7)의 온도-제어가능 섹션(밀봉부(9))이 하나의 공간적 방향을 따라서만 구현된다.
기판(2)은, 예를 들어, 1 mm 내지 4 mm, 특히 2 mm 내지 3 mm 범위의 두께를 가지는 유리로 제조된다. 기판(2)은, 예를 들어, RTP 열적 가공을 반드시 거쳐야 하는, 흡수재(예를 들어, 칼코피라이트 화합물 또는 케스터라이트 화합물)의 전구체 층으로 이루어진 층 구조물(구체적으로 도시되지 않음)을 구비한다. 예를 들어, 층 구조물은 실리콘 질화물/몰리브덴/구리-인듐-갈륨/셀레늄 층의 시퀀스(sequence)이다. 예를 들어, 실리콘 질화물 층은 50 nm 내지 300 nm 범위의 두께를 가지고; 몰리브덴 층은 200 nm 내지 700 nm 범위의 두께를 가지고; 구리-인듐-갈륨 층은 300 nm 내지 1000 nm 범위의 두께를 가지며; 셀레늄 층은 500 nm 내지 2000 nm 범위의 두께를 가진다.
가공 상자(1)는 자동화를 이용하여 단순하게 조립될 수 있고 하우징 개구부(8)를 통해서 적재 또는 적재해제될 수 있다. 기판(2)이 내부로 도입될 수 있도록 각각의 개방 및 폐쇄 중에 분리 벽(20)이 이동되어야 한다.
도 3a-3c를 참조하면, 도 1에 개략적으로 도시된 가공 상자(1)의 다른 예시적인 실시예가 여러 가지 도면을 참조하여 설명되어 있다.
따라서, 가공 상자(1)는 베이스 플레이트(27)를 포함하고, 베이스 플레이트(27) 상에는, 엣지 영역 내에서, 둘레를 폐쇄하는 프레임(28)이 유리상태로(loosely), 그러나 밀봉가능하게 배치된다. 프레임(28)을 베이스 플레이트(27)에 고정적으로 연결하는 것을 고려할 수 있을 것이다. 도 3a 및 3b의 수직 단면도에서 용이하게 식별할 수 있는 바와 같이, 베이스 플레이트(27)는 중앙 구역에서 기판(2)을 위한 지지부로서의 역할을 하고, 이는 상응하는 이격부재 또는 지지 요소를 마찬가지로 제공할 수 있다. 편평한 커버 플레이트(29)가 프레임(28) 상에 느슨하게 배치된다. 커버 플레이트(29)를 프레임(28)으로부터 제거하는 것에 의해서, 가공 상자(1)가 단순한 방식으로, 특히 자동화를 이용하여 적재될 수 있고, 코팅된 기판(2) 또는 가공된 기판(2)이 제거될 수 있다. 도 3a는 커버 플레이트(29)가 상승된 상태로 개방된 가공 상자(1) 도시하고; 도 3b는 커버 플레이트(29)가 프레임(28) 상의 위치에 있는 상태에서 폐쇄된 가공 상자(1)를 도시한다.
가공 상자(1)에서, 베이스 플레이트(27), 프레임(28), 및 커버 플레이트(29)가 적층체 형태로 서로 상하로 배열되고 기밀식의 또는 배기가능한 중공 공간(11)을 함께 둘러싼다. 중공 공간(11)은 프레임(28)에 상응하여 둘레방향으로 폐쇄되어 구현된 스트립-형상의 분리 벽(20)에 의해서 (내측) 가공 공간(21)과 둘레의 (외측) 중간 공간(22)으로 준-기밀식으로 분할된다. 중간 공간(22)은 가공 공간(21)을 둘러싼다. 도 1과 유사하게, 스트립-형상의 분리 벽(20)이 베이스 플레이트(27)로부터 커버 플레이트(29)를 향하는 방향으로 수직으로 연장하고, 분리 벽(20)과 커버 플레이트(29) 사이에는 좁은 갭(23)이 남아 있게 된다. 갭(23)에 의해서, 가공 공간(21)이 중간 공간(22)으로 유체적으로 연결되고, 그에 따라, 상호 가스 교환이 가능해지나, 분리 벽(20)이 확산 배리어 또는 증기 배리어로서 작용한다. 이와 관련한 도 1에 대한 설명을 참조한다.
도 3c에서 식별가능한 바와 같이, 중공 공간(11)을 배기하기 위해서, 중공 공간을 불활성 퍼지 가스(예를 들어, N2)로 퍼지하기 위해서, 그리고 중공 공간을 공정 가스로 충진하기 위해서, 밸브(15)를 가지는 가스 통로(16)가 프레임(28)을 통해서 중간 공간(22) 내로 개방된다. 가스 통로(16)를 통해서 도입되는 공정 가스는, 예를 들어, H2S, H2Se, S 증기, Se 증기, 또는 H2 와 같은 반응성 가스뿐만 아니라 N2, He, 또는 Ar과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다.
도 3c에서 추가적으로 식별할 수 있는 바와 같이, 프레임(28)은 2개의 냉각제 연결부(13, 13')를 구비하고, 그러한 2개의 냉각제 연결부는 프레임(28)을 통해서 광범위하게 연장하는 냉각제 라인 시스템(구체적으로 도시하지 않음) 내의 냉각제를 위한 유입구 또는 배출구로서의 역할을 한다. 프레임(28) 내로 도입되는 냉각제에 의해서, 프레임(28)이 기판(2)의 열처리 동안에, 그리고, 희망하는 경우에, 열처리 이후에 온도 제어될 수 있다(능동적으로 냉각될 수 있다). 이러한 목적을 위해서, 2개의 냉각제 연결부(13, 13')가 냉각제의 준비 및 냉각을 위해서 냉각 장치(14)에 유체적으로 연결된다. 바람직하게, 프레임(28)은 높은 열전도도를 가지는 재료, 예를 들어 금속 재료, 특히 스테인리스 스틸로 제조된다.
전자기적 열적 복사선 형태로 가공 상자(1) 위에서 또는 아래에서 공급되는 열적 에너지에 의한 코팅된 기판(2)의 열처리가 가능하도록, 베이스 플레이트(27) 및 커버 플레이트(29)가 각각 구현된다. 도 1에 대한 이와 관련한 설명을 참조한다. 이러한 목적을 위해서, 베이스 플레이트(27) 및 커버 플레이트(29)가, 예를 들어, 유리 세라믹으로 제조된다.
증기 배리어 또는 확산 배리어로서의 역할을 하는 분리 벽(20)을 통해서, 열처리 중에 가공 공간(21) 내에서 발생되는 휘발성 성분의 확산이 적어도 부분적으로 억제될 수 있고, 그에 따라 온도-제어되는(능동적으로 냉각되는) 프레임(28) 상에 휘발성 성분이 응축되는 것이 방지된다. 그에 따라, 가공 공간(21) 내의 가공용 대기가 적어도 대략적으로 일정하게 유지될 수 있다.
도 4는 도 3a-3c의 가공 상자(1)의 변형예를 도시한다. 불필요한 반복을 피하기 위해서, 도 3a-3c에 대한 차이만을 도시하였고, 다른 경우에, 이와 관련한 설명을 참조한다. 따라서, 가공 상자(1)는, 서로에 대해서 기밀식으로 결합될 수 있는 2개의 프레임 부분(30, 31)으로 프레임(28)이 이루어진다는 점에서 상이하다. 그에 따라, 제1 베어링 표면(32)을 가지는 하부의, 제1 프레임 부분(30)이 제공되고, 제1 베어링 표면에 대해서는, 고정된 연결을 위해서, 제1 클램핑 부재(34)에 의해서, 베이스 플레이트(27)가 클램핑된다. 유사하게, 제2 베어링 표면(33)을 가지는 상부의, 제2 프레임 부분(31)이 제공되고, 제2 베어링 표면(33)에 대해서는, 고정된 연결을 위해서, 제2 클램핑 부재(35)에 의해서 커버 플레이트(29)가 클램핑된다. 이중 화살표로 표시된 바와 같이, 가공 상자(1)로 기판(2)을 적재하기 위해서 또는 가공된 기판(2)을 제거하기 위해서, 제2 프레임 부분(31)이 제1 프레임 부분(30)으로부터 상승될 수 있다. 다른 한편으로, 필요한 가스 밀봉성이 밀봉 부재(36)에 의해서 보장되는 상태에서, 2개의 프레임 부분(30, 31)이 기밀식으로 결합될 수 있다. 가공 상자(1)는 특히 단순한 자동화 가능한 적재 가능성 및 적재해제 가능성에 의해서 구분된다.
이제, 가공 상자(1)의 분리 벽(20)의 상이한 변형예가 도시된 도 5a-5f를 참조한다. 이는, 각각의 경우에, 온도-제어되는 분리 벽(20)이고, 그러한 분리 벽은, 이러한 목적을 위해서, 열처리 중에 분리 벽(20)을 가열하는 것에 의해서 각각의 개구부 또는 단절부의 전체 개방 면적(25)이 시작 값(열처리 이전의 전체 개방 면적(25))의 최대 50% 미만, 바람직하게 최대 30% 미만, 보다 바람직하게 최대 10% 미만으로 감소되도록 하는 열팽창 계수를 가지는 재료로 제조된다. 이러한 목적을 위해서, 분리 벽(20)은 5 x 10-6 K-1 초과의 열팽창 계수를 가지는 재료로 제조된다. 이러한 것에 대한 예로서, 열팽창 계수가 9 x 10-6 K-1 인 특정 유리 세라믹, 열팽창 계수가 6.5 x 10-6 K-1 내지 9 x 10-6 K-1 범위인 알루미늄 산화물(Al2O3), 열팽창 계수가 10 x 10-6 K-1 내지 13 x 10-6 K-1 범위인 지르코늄 산화물 및 마그네슘 산화물이 있다. 또한, 분리 벽(20)의 재료는 내온성 및 내식성을 가져야 한다.
도 5a 및 5b는 수직 스트립으로서 구현된 가공 상자(1)의 분리 벽(20)을 각각 수직 단면도로 도시한다. 따라서, 분리 벽(20)은 상단 벽(6) 또는 커버 플레이트(29)까지 전체가 연장하지 않으며, 그에 따라 가공 공간(21)과 중간 공간(22)의 유체적 연결을 위한 개구부로서 갭(23)이 남게 된다. 도 5a는 측벽(7) 또는 프레임(28)이 T = 150 ℃의 온도로 온도 제어되는 반면, 분리 벽(20)이 T = 50 ℃의 온도를 가지는 상황을 도시한다. 분리 벽(20)의 재료는 비교적 저온이고; 갭(23)이 넓게 개방되어 있다. 갭(23)의 수직 치수 또는 평균 갭 높이(비어 있는 폭)는 50 내지 100 ㎛ 범위이고 분리 벽(20)의 높이는 약 10 mm이다. 가열 중에, 분리 벽(20)의 재료가 비교적 급격하게 팽창되고, 평균 갭 높이가 감소된다(도 5b). 예를 들어, 분리 벽(20)을 T = 450 ℃(온도차 400 ℃)로 가열할 때, 약 40 ㎛의 분리 벽(20)의 수직 치수의 변화가 얻어지고, 그에 따라 갭(23)의 평균 갭 높이가 10 내지 50 ㎛의 범위까지, 즉 시작 값의 최대 50% 까지 감소된다.
도 5c 및 5d는 분리 벽(20)의 도면을 참조한 변형예를 도시한다. 불필요한 반복을 피하기 위해서, 도 5a 및 5b에 대비하여 상이한 것만을 설명하였고, 다른 것은 그에 대한 설명을 참조한다. 따라서, 스트립-형상의 분리 벽(20)이 하단 벽(5) 또는 베이스 플레이트(27)로부터 상단 벽(6) 또는 커버 플레이트(29)로 연장하고, 하나의 또는 복수의 수직 갭(23)이 분리 벽(20)의 단절부의 형태로 구현된다. 수직 방향으로 측정된 갭 폭이 50 내지 100 ㎛(도 5c) 범위이다. 10 m의 높이 보다 더 큰 2개의 갭(23)들 사이의 분리 벽 영역의 치수에 의해서, 예를 들어 T = 450 ℃의 온도까지 분리 벽(20)을 가열하는 것으로, 예를 들어, 몇백 ㎛의 크기일 수 있는 비교적 긴 이동이 얻어질 수 있다. 특히, 갭(23)의 전체 개방 면적이, 예를 들어, 시작 값의 최대 50%까지 감소될 수 있다.
도 5e 및 5f는 분리 벽(20)의 도면을 참조한 다른 변형예를 도시한다. 불필요한 반복을 피하기 위해서, 도 5a 및 5b에 대비하여 상이한 것만을 설명하였고, 다른 것은 그에 대한 설명을 참조한다. 따라서, 복수의 둥근 홀(37)이 갭(23) 대신에 제공되고, 그러한 둥근 홀은, 각각의 경우에, 분리 벽(20)의 천공부 형태로 구현된다. 분리 벽(20)의 온도가, 예를 들어, T = 150 ℃(도 5e)인 상황에서 시작하여, 둥근 홀(37)의 개구부의 직경의 감소가, 분리 벽(20)을 예를 들어 T = 450 ℃(도 5f)의 온도까지 가열하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 특히, 둥근 홀(37)의 전체 개방 면적이, 예를 들어, 시작 값의 최대 50%까지 감소될 수 있다.
발명에 따른 가공 상자(1)는 시스템 내에서 기판(2)의 가공을 가능하게 하고, 가공 스테이션은 진공-양립가능 챔버로서 구현될 필요가 없고, 그에 따라 투자 비용이 상당히 감소된다. 또한, 고온 및 부식성 가스로 인한 시스템 구성요소의 증가된 마모가 방지될 수 있다. 가공 상자(1)에서, RTP 열적 가공 중에, 전구체 재료가 흡수재로 변환되는 것이 제어되는 방식으로 이루어질 수 있다. 가공 상자(1)는 고품질 요건을 가지는 박막 태양 모듈을 위한 코팅된 기판(2)의 생산을 지원한다.
1 가공 상자
2 기판
3 하우징
4 하우징 벽
5 하단 벽
6 상단 벽
7 측벽
8 하우징 개구부
9 밀봉부
10 조립체
11 중공형 공간
12 복사 히터
13, 13' 냉각제 연결부
14 냉각 장치
15 밸브
16 가스 통로
17 가스 연결부
18 펌핑-아웃 장치
19 가스 공급 장치
20 분리 벽
21 가공 공간
22 중간 공간
23 갭
24 슬롯
25 개방 면적
26 내측 표면
27 베이스 플레이트
28 프레임
29 커버 플레이트
30 제1 프레임 부분
31 제2 프레임 부분
32 제1 베어링 표면
33 제2 베어링 표면
34 제1 클램핑 부재
35 제2 클램핑 부재
36 밀봉 부재
37 둥근 홀

Claims (15)

  1. 코팅된 기판(2)을 가공하기 위한 가공 상자(1)이며:
    - 중공형 공간(11)을 둘러싸는, 기밀식으로 밀봉가능한 하우징(3)을 가지고,
    - 하우징(3)은 적어도 하나의 하우징 섹션(5, 6; 27, 29)을 포함하고, 적어도 하나의 하우징 섹션은 입사하는 전자기적 열적 복사선에 의해서 기판(2)이 열처리 가능하도록 구현되고,
    - 하우징(3)은, 냉각을 위해서 냉각 장치(14)에 커플링될 수 있는 적어도 하나의 하우징 섹션(7, 9; 28)을 가지고,
    - 중공형 공간(11)은 적어도 하나의 분리 벽(20)에 의해서 기판(2)을 수용하기 위한 가공 공간(21) 및 중간 공간(22)으로 분할되고, 분리 벽(20)은 하나의 또는 복수의 개구부(23, 24, 37)를 가지고, 기판(2)과 냉각 장치(14)에 커플링될 수 있는 하우징 섹션(7, 9; 28) 사이에 배열되며,
    - 하우징(3)은, 배기를 위해서 그리고 공정 가스를 중공형 공간(11) 내로 도입하기 위해서 중공형 공간(11) 내로 개방되는 적어도 하나의 밀봉가능한 가스 통로(16)를 구비하는, 가공 상자(1).
  2. 제1항에 있어서,
    분리 벽(20)은, 열처리 중에, 코팅된 기판(2)의 열처리에 의해서 생성된 기체 물질의 가공 공간(21) 외부로의 질량 손실이 50% 미만, 바람직하게 20% 미만, 보다 바람직하게 10% 미만이 되도록 구현되고,
    가공 공간(21)의 내부 표면(26)으로 나눈 하나의 또는 복수의 개구부(23, 24, 37)의 전체 개방 면적(25)으로부터 형성된 면적 비율이 5 x 10-5 내지 5 x 10-4 범위가 되도록 분리 벽(20)이 구현되는, 가공 상자(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    분리 벽(20)은, 열처리 중에 분리 벽(20)을 가열하는 것에 의해서 하나 또는 복수의 개구부(23, 24, 37)의 전체 개방 면적(25)이 열처리 이전의 전체 개방 면적(25)의 최대 50%, 바람직하게 최대 30% 미만, 보다 바람직하게 최대 10%까지 감소되도록 하는 열팽창 계수를 가지는 재료를 포함하는, 가공 상자(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    분리 벽(20)은, 열팽창 계수가 5 x 10-6 K-1 보다 큰 재료를 포함하는, 가공 상자(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    하우징(3)은 하단부(27), 커버(29), 및 하단부(27)와 커버(29)를 서로에 대해서 연결하는 프레임(28)을 포함하고,
    냉각 장치(14)에 커플링 가능한 하우징 섹션이 적어도 하나의 프레임 섹션(28)에 의해서 형성되는, 가공 상자(1).
  6. 제5항에 있어서,
    프레임(28)이 하단부(27)에 고정적으로 연결되는 제1 프레임 부분(30) 및 커버(29)에 고정적으로 연결되는 제2 프레임 부분(31)을 포함하고,
    2개의 프레임 부분(30, 31)이 서로에 대해서 기밀식으로 결합하여 중공형 공간(11)을 형성할 수 있는, 가공 상자(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하우징(3)은:
    - 하우징 개구부(6)를 가지는, 중공형 공간(11)을 둘러싸는, 단일 부재의 하우징 섹션(5-7),
    - 하우징 개구부(6)의 기밀식 밀봉을 위한 밀봉부(9)를 포함하는, 가공 상자(1).
  8. 제7항에 있어서,
    냉각 장치(14)에 커플링 가능한 하우징 섹션이 밀봉부(9)를 포함하는, 가공 상자(1).
  9. 코팅된 기판(2)을 가공하기 위한 조립체(10)이며:
    - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 가공 상자(1),
    - 전자기적 열적 복사선을 생성하기 위한 하나의 또는 복수의 복사 히터(12)로서, 열처리를 위해 기능하는 가공 상자(1)의 적어도 하나의 하우징 섹션(5, 6; 27, 29)에 인접하여 배치되는, 복사 히터(12),
    - 냉각을 위해서 적어도 하나의 하우징 섹션(7, 9; 28)에 커플링되는 냉각 장치(14)를 포함하는, 조립체(10).
  10. 제9항에 있어서,
    중간 공간이 적어도 부분적으로, 특히 완전하게 복사 히터(12)의 공통 복사 필드 외부에 위치되도록, 복사 히터(12)가 배열되는, 조립체(10).
  11. 제10항에 있어서,
    복사 히터(12)가 가공 공간(21) 위에만 및/또는 아래에만 배열되는, 조립체(10).
  12. 운송가능한 또는 정지형의 가공 상자(1) 내에서 코팅된 기판(2)을 가공하기 위한 방법이며:
    - 가공 상자(1)의 중공형 공간(11) 내로 코팅된 기판(2)을 도입하는 단계,
    - 가공 상자(1)의 중공형 공간(11)을 기밀식으로 밀봉하는 단계,
    - 전자기적 열적 복사선에 의해서 코팅된 기판(2)을 열처리하는 단계로서, 전자기적 열적 복사선은 가공 상자(1) 외부에 배열된 복사 히터(12)에 의해서 생성되고 열처리를 위해 기능하는 가공 상자(1)의 적어도 하나의 하우징 섹션(5, 6; 27, 29) 상으로 충돌하고, 열처리 동안에 적어도 하나의 기체 물질이 코팅된 기판(2)에 의해서 생성되는, 열처리하는 단계,
    - 열처리 중에 그리고 선택적으로 열처리 이후에 가공 상자(1)의 적어도 하나의 하우징 섹션(7, 9; 28)을 냉각하는 단계,
    - 열처리 중에 생성되는 기체 물질이 하나의 또는 복수의 개구부(23, 24, 37)를 구비하는 분리 벽(20)을 통해서 냉각되는 하우징 섹션(7, 9; 28)으로 확산하는 것을 방지하는 단계로서, 분리 벽은 코팅된 기판(2)과 냉각되는 하우징 섹션(7, 9; 28) 사이에 배열되는, 확산을 방지하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    분리 벽(20)과 온도-제어되는 또는 냉각되는 하우징 섹션(7, 9; 28) 사이에 위치되는 중간 공간(22)이 적어도 부분적으로, 특히 완전하게, 전자기적 열적 복사선에 의해서 조사되지 않는, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    분리 벽(20)의 하나의 또는 복수의 개구부(23, 24, 37)의 전체 개방 면적(25)은, 열처리 중의 분리 벽의 가열에 의해서, 열처리 이전의 시작 값의 최대 50%, 바람직하게 최대 30%, 보다 바람직하게 최대 10%까지 감소되는, 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    가공 상자(1)의 중공형 공간(11)이 코팅된 기판(2)의 열처리 이전에 및/또는 이후에 배기되고 및/또는 공정 가스로 충진되는, 방법.
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