DE102012000734A1

DE102012000734A1 - Vorrichtung und verfahren zur wärmebehandlung von dünnschichtvorrichtungen

Info

Publication number: DE102012000734A1
Application number: DE201210000734
Authority: DE
Inventors: Paul Alexander; Steven Aragon
Original assignee: CM Manufacturing Inc
Current assignee: CM Manufacturing Inc
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20120237885A1; CN103151260A; US8998606B2; TW201250851A; TWI549189B

Abstract

Eine Vorrichtung zur leichmäßigen reaktiven Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien umfasst eine Kammer, die einen röhrenförmigen Raum umschließt, der mit einem Arbeitsgas gefüllt ist, und Heizeinheiten, die außerhalb der Kammer angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Beladungsanordnung, um mehrere planare Substrate dem Arbeitsgas im röhrenförmigen Raum auszusetzen. Über und unter der Beladungsanordnung sind Leitelemente angeordnet.

Description

VERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/432,775, eingereicht am 14. Januar 2011 und gemeinsam übertragen, die hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke eingebunden ist.
HINTEGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein photovoltaische Materialien und Herstellungsverfahren. Spezieller stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für die gleichmäßige Wärmebehandlung von photovoltaischen Dünnschicht-Vorrichtungen bereit. Lediglich beispielhaft umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine erzwungene Konvektion verwenden, um für photovoltaisches Dünnschicht-Material eine effiziente Wärmebehandlung mit einer verbesserten Gleichmäßigkeit der Temperatur auszuführen, es ist jedoch erkennbar, dass die Erfindung andere Ausformungen haben kann.
Seit jeher ist es für die Menschheit eine Herausforderung Wege zu finden, wie Energie nutzbar gemacht werden kann. Energie kommt in verschiedenen Formen vor, wie etwa petrochemisch, hydroelektrisch, nuklear, Wind, Biomasse, solar und primitivere Formen wie etwa Holz und Kohle. Während des letzten Jahrhunderts war die moderne Zivilisation auf petrochemische Energie als eine wichtige Energiequelle gestützt. Petrochemische Energie umfasst Gas und Öl. Gas umfasst leichtere Formen, wie etwa Butan und Propan, die gemeinhin verwendet werden, um Wohnraum zu heizen und als Brennstoff für das Kochen zu dienen. Gas umfasst auch Ottokraftstoff, Diesel und Flugturbinenkraftstoff, die gemeinhin für Transportzwecke verwendet werden. In einigen Bereichen können auch schwerere Formen von petrochemischen Erzeugnissen zum Heizen von Wohnraum eingesetzt werden. Leider sind die Vorräte an petrochemischen Brennstoffen begrenzt und im Wesentlichen durch die auf dem Planeten Erde verfügbare Menge festgelegt. Da immer mehr Menschen Mineralölerzeugnisse in wachsenden Mengen einsetzen, werden diese zusätzlich schnell zu einer knappen Ressource, die mit der Zeit schließlich erschöpft sein wird.
In neuerer Zeit wurde Energie gefordert, die umweltfreundlich ist und aus erneuerbaren Quellen stammt. Ein Beispiel einer sauberen Energiequelle ist die hydroelektrische Energie. Hydroelektrische Energie wird aus elektrischen Generatoren gewonnen, die durch den Fluss von Wasser angetrieben werden, der wiederum durch Staudämme, wie etwa den Hoover-Damm in Nevada, erzeugt wird. Die dort erzeugte elektrische Energie wird dazu verwendet, einen großen Teil der Stadt Los Angeles in Kalifornien zu versorgen. Saubere und erneuerbare Energiequellen umfassen auch Wind, Wellen, Biomasse und desgleichen. Beispielsweise wandeln Windturbinen Windenergie in besser nutzbare Energieformen, wie etwa Elektrizität. Noch weitere Arten sauberer Energie umfassen die Sonnenenergie. Genauere Details der Sonnenenergie sind im gesamten vorliegenden Hintergrundkapitel dargestellt und noch spezieller im Nachfolgenden.
Solarenergie-Technologie wandelt allgemein von der Sonne kommende elektromagnetische Strahlung in andere nutzbare Energieformen. Diese anderen Energieformen umfassen Wärmeenergie und elektrische Energie. Bei Anwendungen für elektrische Energie werden oftmals Solarzellen eingesetzt. Obgleich Sonnenenergie in Bezug auf die Umwelt sauber und bis zu einem bestimmten Punkt erfolgreich ist, so verbleiben doch viele Einschränkungen, die noch zu beseitigen sind, bevor sie über die ganze Welt eine weite Verbreitung findet. Als ein Beispiel verwendet ein Typ von Solarzellen kristalline Materialien, die aus Rohblöcken von Halbleitermaterial gewonnen werden. Diese kristallinen Materialien können dazu verwendet werden, optoelektronische Vorrichtungen herzustellen, die photovoltaische Vorrichtungen und Photodioden umfassen, die elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandeln. Kristalline Materialien sind jedoch oftmals teuer und es ist schwierig, sie im großen Maßstab herzustellen. Außerdem haben Vorrichtungen, die aus solchen kristallinen Materialien hergestellt sind, oftmals einen niedrigen Wirkungsgrad für die Energiewandlung. Andere Typen von Solarzellen verwenden die „Dünnschicht”-Technologie, um eine dünne Schicht aus photosensitivem Material zu bilden, die dazu dient, elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie zu wandeln. Beim Einsatz der Dünnschicht-Technologie zur Herstellung von Solarzellen gibt es jedoch ähnliche Einschränkungen. So ist der Wirkungsgrad oftmals schlecht. Außerdem ist häufig die Betriebszuverlässigkeit schlecht und sie kann nicht über längere Zeiträume in üblichen Anwendungen mit Umwelteinflüssen eingesetzt werden. Oftmals ist es schwierig Dünnschichten mechanisch miteinander zu verbinden. Diese und weitere Einschränkungen dieser herkömmlichen Technologien sind in der ganzen vorliegenden Beschreibung und spezieller im Nachfolgenden dargestellt.
Als ein Ansatz zur Verbesserung der Dünnschicht-Solarzellentechnologie werden ein oder mehrere Prozesse zur Herstellung eines fortschrittlichen CIGS/CIS-basierten photovoltaischen Schichtstapels auf Substraten bestimmter Größe und mit planaren, röhrenförmigen, zylindrischen, kreisförmigen oder anderen Formen eingeführt. Beim Formen der photovoltaischen Schichtstapel gibt es verschiedene Herausforderungen in Bezug auf die Herstellung, wie etwa das Erhalten der Strukturintegrität von Substraten, die Steuerung der chemischen Zusammensetzung der Bestandteile in einer oder mehreren Vorgängerschichten, das Ausführen einer geeigneten reaktiven Wärmebehandlung der einen oder mehreren Vorgängerschichten innerhalb einer gewünschten gasgefüllten Umgebung, das Sicherstellen der Gleichmäßigkeit und Körnigkeit der Dünnschicht-Materialien während der reaktiven Wärmebehandlung, etc.. Speziell bei der Herstellung der dünnschichtbasierten Solarvorrichtung auf Substraten mit großen Abmessungen ist die Gleichmäßigkeit der Temperatur über die gesamte Substratoberfläche wichtig. Obwohl herkömmliche Techniken in der Vergangenheit sich mit einigen dieser Punkte befasst haben, sind sie in verschiedene Situationen oftmals nicht geeignet. Es ist daher wünschenswert über eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von dünnschichtbasierten photovoltaischen Vorrichtungen auf planar oder nicht-planar geformten, starren oder biegsamen Substraten zu verfügen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen dünnschichtbasierte photovoltaische Materialien und Herstellungsverfahren. Spezieller stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Wärmebehandlung von dünnschichtbasierten photovoltaischen Vorrichtungen bereit. Lediglich beispielhaft verwenden das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung eine erzwungene Konvektion, um ein Temperaturprofil mit einer kürzeren Laufzeit und verbesserter Temperaturgleichmäßigkeit zur Herstellung von dünnschichtbasierten photovoltaischen Vorrichtungen aufrecht zu erhalten, es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung andere Konfigurationen haben kann.
In einer speziellen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für die gleichmäßige reaktive Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien bereit. Die Vorrichtung umfasst eine Kammer, die einen röhrenförmigen Raum umgibt, der sich horizontal in einer axialen Richtung von einem ersten Endbereich bis in die Nähe eines zweiten Endbereichs erstreckt. Der röhrenförmige Raum ist mit einem Arbeitsgas gefüllt. Die Vorrichtung umfasst eine oder mehrere Heizeinheiten, die an einer am Umfangsrand gelegenen Außenseite der Kammer angeordnet sind, um Wärmeenergie zum Heizen der Kammer bereitzustellen. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Beladungseinrichtung, um mehrere Substrate dem Arbeitsgas im röhrenförmigen Raum auszusetzen. Jedes der mehreren Substrate ist räumlich mit einem Abstand zu jedem Nachbar angeordnet. Außerdem umfasst die Vorrichtung ein erstes Leitelement, das über der Beladungseinrichtung angeordnet ist, und ein zweites Leitelement, das unter der Beladungseinrichtung angeordnet ist. Das zweite Leitelement befindet sich in einem Abstand unter dem ersten Leitelement. Außerdem umfasst die Vorrichtung ein drittes Leitelement, das in der Nähe des ersten Endbereichs vor der Beladungseinrichtung angeordnet ist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung ein Gebläse, das zwischen dem dritten Leitelement und der Beladungseinrichtung angeordnet ist. Das Gebläse ist in der axialen Richtung ausgerichtet und es hat eine radiale Abmessung, die im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem ersten Leitelement und dem zweiten Leitelement ist.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst jedes der mehreren Substrate ein Dünnschicht-Material, das Kupfer, Indium und/oder Gallium Atomsorten umfasst, die auf einem planar geformten Kalk-Soda-Glas angeordnet sind. Das Kalk-Soda-Glas-Substrat hat Abmessungen, die von 20 × 20 cm bis 65 × 165 cm reichen. Die mehreren Substrate werden in die Kammer gebracht, um so während einer reaktiven Wärmebehandlung, die einem vorgegebenen Temperaturprofil folgt, einem Arbeitsgas ausgesetzt zu sein, dass wenigstens Molekülsorten von Seleniden oder Sulfiden umfasst. In einer Ausführungsform ist das Temperaturprofil durch eine Rampenphase und eine Behandlungsphase der Temperatur gekennzeichnet. Durch die Verwendung einer durch das Gebläse erzeugten erzwungenen Konvektion wird über die mehreren Substrate hinweg die Behandlungsphase innerhalb eines Temperaturbereichs von nicht mehr als 20°C gehalten. Die Übergangszeit von der Rampenphase der Temperatur zur Behandlungsphase ist für die Behandlung von mehreren Substraten mit großen Abmessungen von 65 × 165 cm auf deutlich unter 0,75 Stunden verringert. In einer weiteren speziellen Ausführungsform umfasst das vorgegebene Temperaturprofil eine oder mehrere Abkühlungsphasen, wobei eine weitere Laufzeitspanne von der Behandlungsphase bis zu einer Abkühlungsphase, im Vergleich zu einer lediglich natürlichen Konvektion, durch die Verwendung der erzwungenen Konvektion erheblich verringert wird.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für eine gleichmäßige Behandlung von Dünnschicht-Vorrichtungen unter Verwendung einer erzwungenen Konvektion eines Arbeitsgases bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Ofens, der eine Röhrenform hat, die sich horizontal entlang einer axialen Richtung von einem ersten Endbereich bis zu einem zweiten Endbereich erstreckt. Das Verfahren umfasst außerdem das Einbringen mehrerer Substrate in den Ofen und das Anordnen eines ersten Leitelements oberhalb der mehreren Substrate und eines zweiten Leitelements unterhalb der mehreren Substrate. Zusätzlich umfasst das Verfahren das Anordnen eines dritten Leitelements in der Nähe des ersten Endbereichs vor den mehreren Substraten. Das Verfahren umfasst außerdem das Befüllen des Ofens mit einem Arbeitsgas und das Bereitstellen von Wärmeenergie zum Heizen des Arbeitsgases mittels einer oder mehrerer Heizeinheiten, die den Ofen umgebend angeordnet sind, um damit die mehreren Substrate zu behandeln. Außerdem umfasst das Verfahren das Betreiben eines Gebläses, das zwischen dem dritten Leitelement und den mehreren Substraten angeordnet ist, um einen erzwungenen Konvektionsfluss des Arbeitsgases zu erzeugen, der zwischen dem ersten Leitelement und dem zweiten Leitelement durch die mehreren Substrate fließt.
Mittels der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können viele Vorteile erreicht werden. Insbesondere stellt das Verfahren ein Verfahren zum Ausführen einer reaktiven Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten bereit, um damit einen photovoltaischen Absorber für eine dünnschichtbasierte PV-Vorrichtung zu bilden. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung bereit, die einen Ofen umfasst, der mit einem Arbeitsgas in einem beheizten röhrenförmigen Raum befüllt ist, um das Dünnschicht-Material auf den mehreren Substraten einer Wärmeenergie, die aus einer radialen Richtung angewendet wird, sowie einem erzwungenen Konvektionsfluss in axialer Richtung, der von einem Gebläse erzeugt wird, das vor (und/oder hinter) den geladenen Substraten angeordnet ist, auszusetzen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Behandlungsphase, die auf einem vorgegebenen Temperaturprofil für die mehreren Substrate basiert, ausgehend von einer Rampenphase in einer deutlich verringerten Laufzelt erreicht werden und sie kann mit einer verbesserten Temperaturgleichmäßigkeit aufrecht erhalten werden, die durch Temperaturschwankungen von deutlich weniger als 20°C über jedes der mehreren Substrate hinweg gekennzeichnet ist. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine erzwungene Konvektion im Ofen verwendet, kann das Temperaturprofil durch eine oder mehrere Abkühlungsphasen vervollständigt werden, und dies mit einer kürzeren Laufzeit, wobei dennoch eine im Wesentlichen gleichmäßige Substrattemperatur beibehalten wird. In einer speziellen Ausführungsform können die Vorrichtung und das Verfahren dazu angewendet werden, das Dünnschicht-Material auf den mehreren Substraten zu behandeln, die Abmessungen von bis zu 65 × 165 cm haben. In Abhängigkeit von der Ausführungsform können eine oder mehrere der Vorteile erreicht werden. Diese und weitere Vorteile werden detaillierter in der gesamten vorliegenden Beschreibung und insbesondere im Nachfolgenden beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 stellt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur gleichmäßigen Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten dar;
2 stellt eine Querschnittansicht von oben einer Vorrichtung dar, die eine beispielhafte erzwungene Konvektion für eine gleichmäßige Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten verwendet;
3 stellt eine Querschnitt-Seitenansicht einer Vorrichtung dar, die die beispielhafte erzwungene Konvektion für eine gleichmäßige Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten verwendet;
3A stellt eine Schemazeichnung eines Flussverstärkers zum Steigern der internen erzwungenen Konvektion dar;
Die 4A bis 4D stellen beispielhafte Momentaufnahmen von Temperaturverteilungen über ein Substrat hinweg dar; und
5 stellt ein beispielhaftes Temperaturprofil zum Ausführen einer Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen dünnschichtbasierte photovoltaische Materialien und Herstellungsverfahren. Spezieller stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die eine erzwungene Konvektion zur Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien mit einer kürzeren Laufzeit und einer verbesserten Gleichmäßigkeit der Temperatur verwendet. Lediglich beispielhaft werden das vorliegende Verfahren und der vorliegende Aufbau für die Herstellung eines auf Kupfer, Indium, Gallium, Diselenid basierten photovoltaischen Dünnschicht-Absorbers für Solarvorrichtungen auf geformten Substraten mit großen Abmessungen angewendet, es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung auch andere Ausformungen haben kann.
1 stellt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur gleichmäßigen Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in der Darstellung zu sehen ist, umfasst eine Vorrichtung 100 zur gleichmäßigen Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten ein Ofenrohr (eine Ofenkammer in Röhrenform) 110. In einer speziellen Ausführungsform kann das Ofenrohr 110 so ausgeführt sein, dass seine Röhrenachse 190 in horizontaler Richtung ausgerichtet ist, obgleich auch andere Richtungen möglich sind. Das Ofenrohr 110 umschließt ein Raumvolumen 115 in einem röhrenförmigen Gehäuse, das sich von einem ersten Endbereich 111 bis zu einem zweiten Endbereich 112 erstreckt. In einer Ausführungsform ist der erste Endbereich 111 mit einem Deckelelement oder einer Kammertür 120 verbunden, die für das Einbringen oder Entnehmen von Arbeitsmaterial in oder aus dem Ofenrohr 110 geöffnet wird und die zum Aufrechterhalten einer mit einem Arbeitsgas gefüllten, unter Druck stehenden, speziellen chemischen Umgebung im umschlossenen Raumvolumen 115 geschlossen wird. In einer Ausführungsform kann das Arbeitsgas (und etwaige Trägergase) über ein oder mehrere mit dem Ofenrohr 110 verbundene Gaszuführmodule (nicht dargestellt) eingelassen werden. Nachdem die Kammertür das Ofenrohr abgedichtet hat, kann das Arbeitsgas mit einem geeigneten Druckbereich und einem geeigneten Spielraum für die Zusammensetzung aufrecht erhalten werden, wobei diese für eine reaktive Wärmebehandlung der jeweils darin befindlichen beliebigen Arbeitsmaterialien ausgelegt sind.
In einer weiteren Ausführungsform, die beispielhaft in 1 dargestellt ist, sind die in der Vorrichtung 100 zu behandelnden Arbeitsmaterialien Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten 140, die durch die Kammertür 120 eingebracht werden. Die mehreren Substrate 140 haben, so wie dargestellt, eine rechteckige planare Form, obgleich sie auch viele andere Formen haben können, einschließlich zylindrischer Formen oder halb-sphärischer Röhrenformen oder sogar biegsam gekrümmter und anderer Formen. Ein bevorzugter Substrattyp zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen ist aus Kalk-Soda-Glas gefertigt, mit unterschiedlichen Abmessungen für verschiedene Anwendungen. Beispielsweise kann eines der mehreren Substrate 140 eine quadratische Form mit Abmessungen von 20 × 20 cm haben. In einem weiteren Beispiel hat das Substrat 140 Abmessungen von 20 × 50 cm. In bestimmten Ausführungsformen werden Substrate mit Abmessungen bis zu 65 × 165 cm für die Herstellung von dünnschichtbasierten Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarmodulen verwendet. In speziellen Ausführungsformen werden die mehreren Substrate 140 in einer Beladungsanordnung eingebracht, die räumlich mit einem Abstand 141 zwischen jedem benachbarten Paar ausgeführt ist, was es dem auf jedem Substrat aufgebrachten Dünnschicht-Material (nicht explizit dargestellt) gestattet, für eine entsprechende Wärmebehandlung dem Arbeitsgas innerhalb des Raumvolumens 115 ausgesetzt und für dieses zugänglich zu sein. Der Abstand 141 stellt ebenfalls einen räumlichen Kanal für den Durchgang eines Konvektionsflusses dar. Außer der Abstandsanordnung, die von der speziellen Form und den Abmessungen jedes Substrats abhängt, kann die Beladungsanordnung zusätzlich durch einen physischen Bereich beschrieben werden, der durch ein Längenmaß 145, ein Breitenmaß 146 (von dem in 1 nur eine Hälfte dargestellt ist) und ein Höhenmaß 147 definiert ist. In einem Beispiel mit den mehreren Substraten mit rechteckigen planaren Formen entspricht das Längenmaß 145 einer Länge jedes der Substrate, das Höhenmaß 147 entspricht einer Breite der Substrate und das Breitenmaß 146 entspricht einer räumlichen Ausbreitung der mehreren Substrate mit bestimmten Nachbarabständen. Hierbei ist angenommen, dass die physische Ausrichtung der mehreren Substrate 140 in einer vertikalen Richtung vorliegt. Die physische Ausrichtung ist beispielhaft in einer vertikalen Richtung dargestellt, damit die natürliche Konvektion des erhitzten Arbeitsgases innerhalb der Abstandsbereiche zu den Nachbarn erleichtert wird. Sobald eine erzwungene Konvektion durch jeden der Abstandsbereiche zu den Nachbarn der mehreren Substrate eingeleitet ist, ist die physische Ausrichtung der Beladungsanordnung nicht länger eine eingeschränkte Eigenschaft. Es können jedoch, wie weiter unten dargestellt ist, für mehrere planare Substrate, die in eine parallelen Anordnung gebracht wurden, zwei Leitplatten hinzugefügt werden, um (mit einem kleinen Freiraum) die Kantenbereiche abzudecken, um somit den Konvektionsfluss innerhalb des physischen Bereichs der Beladungsanordnung einzuschließen.
Wie in 1 dargestellt, gilt zusätzlich, dass die Vorrichtung 100 eine oder mehrere Heizeinheiten 150 umfasst, die um eine am Umfangsrand gelegene Außenseite des Ofenrohrs 110 herum angeordnet sind, um Wärmeenergie zum Heizen des röhrenförmigen Hauptteils bereitzustellen. In einer speziellen Ausführungsform ist das Ofenrohr 110 aus einem Material gefertigt, das im Wesentlichen wärmeleitend ist, so dass das röhrenförmige Gehäuse 110 schnell aufgeheizt werden kann, wobei dieses dann nachfolgend das Arbeitsgas und weitere Strukturelemente innerhalb des röhrenförmigen Gehäuses durch Wärmestrahlung aufheizt. Beispielsweise kann das Ofenrohr 110 vom ersten Endbereich 111 bis zum zweiten Endbereich 112 aus einem Quarzmaterial gefertigt sein, das ein guter Wärmeleiter und relativ undurchlässig für Strahlung im Infrarotbereich ist. Quarzmaterial ist auch ein gutes Material, das im Wesentlich chemisch inaktiv in Bezug auf das Arbeitsgas und bei hohen Temperaturen ist. In einer weiteren speziellen Ausführungsform sind die eine oder die mehreren Heizeinheiten 150 so eingerichtet, dass sie mehrere Heizelemente umfassen, die um das röhrenförmige Gehäuse 110 herum angeordnet sind, um eine oder mehrere Heizzonen auszubilden, die aufeinanderfolgend entlang der axialen Richtung 190 angeordnet sind. In einem Beispiel umfassen die eine oder mehreren Heizeinheiten mehrere elektrisch betriebene Heizbänder, die um das Ofenrohr 110 gewickelt sind. Die Stromversorgung für jedes Heizband kann unabhängig steuerbar sein, um die Wärmeenergie einzustellen, die an eine bestimmte Heizzone abgegeben wird, was während des Wärmebehandlungsvorgangs eine feinere Kontrolle der Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb des Ofenrohrs gestattet. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 auch ein oder mehrere Kühlelemente, die um das Ofenrohr 110 herum verteilt sind (in 1 nicht dargestellt), um das röhrenförmige Gehäuse abzukühlen und dadurch eine oder mehrere Abkühlungsphasen durchzuführen, die zum Wärmebehandlungsvorgang gehören. Wiederum können das eine oder die mehreren Abkühlungselemente so eingerichtet sein, dass sie eine Abkühlung von Zonen mit einer relativ unabhängigen Steuerung bereitstellen. Genauere Angaben über die Verwendung von in Zonen unterteiltem Heizen/Abkühlen für eine gleichmäßige Wärmebehandlung von Dünnschicht-Material sind in der US-Patentanmeldung Nr. 12/858,342, eingereicht am 17. August 2010 und in einer weiteren US-Patentanmeldung Nr. 61/367,208, eingereicht am 23. July 2010, zu finden, die beide gemeinsam auf die Stion Corporation, San Jose, übertragen wurden und die durch Verweis für alle Zwecke eingebunden sind.
Mit Bezug auf 1 umfasst die Vorrichtung außerdem ein erstes Leitelement 131 und ein zweites Leitelement 132, die jeweils innerhalb des Ofenrohres 110 angeordnet sind, um gezielt einen darin befindlichen Konvektionsfluss einzuschließen oder einzuschränken. In einer speziellen Ausführungsform besteht das erste Leitelement 131 und das zweite Leitelement 132 jeweils aus einer rechteckigen Platte, die oberhalb bzw. unterhalb der Beladungsanordnung für die mehreren Substrate 140 angeordnet sind. Die Platte 131 liegt in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene und parallel zur axialen Richtung 190 und sie hat einen kleinen Freiraum zu einem oberen Abschnitt des physischen Bereichs, der zur Beladungsanordnung für die Substrate gehört. Wie in 1 dargestellt, ist die Platte 131 in wenigstens einem Abstand über den oberen Kanten der mehreren Substrate 140 angeordnet, die parallel und vertikal eingebracht wurden. Analog liegt die Platte 132 in einer horizontalen Ebene und parallel zur axialen Richtung 190 und mit einem Freiraum unter den unteren Kanten der mehreren Substrate. Selbstverständlich befindet sich am unteren Abschnitt der Beladungsanordnung immer ein tragendes Gestellt (nicht dargestellt), wobei das zweite Leitelement 132 dafür eingerichtet sein kann, in den Raum zu passen, der von irgendeinem der speziellen tragenden Gestelle zum Einbringen der Substrate gelassen wird. Das zweite Leitelement 132 befindet sich in einem Abstand unterhalb des ersten Leitelements 131 und in einer bestimmten Ausführungsform sind beide im Wesentlichen parallel zueinander. Da die zwei Platten jeweils mit einem im Wesentlichen kleinen Freiraum zur Substrat-Beladungsanordnung angeordnet sind, ist der Abstand zwischen den beiden Leitelementen im Wesentlichen gleich oder ein wenig größer als das Höhenmaß 147 des physischen Bereichs, der zur Beladungsanordnung gehört. In funktioneller Hinsicht stellen die beiden Platten eine räumliche Anordnung bereit, um einen entlang der axialen Richtung 190 des Ofenrohrs 110 durch die mehreren Substrate 140 fließenden Konvektionsfluss wenigstens teilweise einzuschließen. Die erzwungene Konvektion mit räumlichem Einschluss hilft dabei, ein Geschwindigkeitsprofil des Flusses über jedes der mehreren Substrate hinweg festzulegen, was entsprechend mit einem Temperaturprofil verbunden ist, das zum Behandeln des Dünnschicht-Materials auf den Substraten aufrechterhalten wird. In einer weiteren speziellen Ausführungsform ist sowohl das erste Leitelement 131 wie auch das zweite Leitelement aus einem Material gefertigt, das gut wärmeleitend ist und das durch das beheizte röhrenförmige Gehäuse 110 über Wärmestrahlung schnell aufgeheizt werden kann. In einem Beispiel sind sowohl das erste Leitelement 131 wie auch das zweite Leitelement 132 aus einem Quarzmaterial gefertigt. Allerdings besteht die Hauptaufgabe des ersten und zweiten Leitelements darin, für eine wirksame Wärmebehandlung den Konvektionsfluss innerhalb der Substrat-Beladungsanordnung zu führen. Es sind jedoch zweifellos auch andere Materialtypen einsetzbar. Da die Ausrichtung der Substrat-Beladungsanordnung keine bevorzugte Richtung hat, wenn ein erzwungener Konvektionsfluss eingesetzt wird, wird der erzwungene Konvektionsfluss vorzugsweise von den beiden Leitelementen eingeschlossen, die nahe bei den Kanten der mehreren Substrate in der Beladungsanordnung angeordnet sind. Die zwei Substrate, die sich an der äußersten Position der Beladungsanordnung befinden, dienen in natürlicher Weise als Führungen für den erzwungenen Konvektionsfluss innerhalb des physischen Bereichs der Beladungsanordnung. Weitere Beschreibungsdetails über einen Konvektionsfluss durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Substraten sind in der gesamten Beschreibung und speziell im Folgenden zu finden.
Erneut mit Bezug auf 1 gilt, dass die Vorrichtung 100 ein drittes Leitelement 133 umfasst, das zwischen dem ersten Endbereich 111 und einem Seitenbereich des mit der Beladungsanordnung der mehreren Substrate 140 verbundenen physischen Bereichs angeordnet ist. Das dritte Leitelement 133 umfasst zwei oder mehr scheibenförmige Platten, die im Wesentlichen den größten Teil der inneren Querschnittfläche des röhrenförmigen Gehäuses 110 abdecken, mit Ausnahme einer kleinen am Umfangsrand befindlichen Lücke zu einer Innenwand des Ofenrohrs 110. Beispielsweise sind die zwei oder mehr scheibenförmigen Platten mit einem Gestell verbunden, das dazu verwendet wird, die mehreren Substrate 140 zu tragen und zu beladen. Wenn die Substrate durch die Kammertür 120 in die Beladungsanordnung im Raumvolumen 115 eingebracht sind, werden die scheibenförmigen Platten in ihre Positionen gebracht. Die Lücke am Umfangsrand dient einfach der freien Beweglichkeit der Platten, wenn sie dem angekoppelten Gestell folgen. Durch das Abdecken des wesentlichen Teils der Querschnittfläche kann das dritte Leitelement 133 das aufgeheizte Arbeitsgas wirksam daran hindern, die kalte Kammertür 120 zu erreichen. Die Kammertür 120 wird für gewöhnlich auf Raumtemperatur oder darunter kühl gehalten (gekühlt durch innere Wasserleitungen), um Reaktionen mit dem Arbeitsgas zu vermeiden und um sicherzustellen, dass kein wärmeverursachter Schaden am Vakuum-Dichtungsmaterial zwischen der Kammertür 120 und dem ersten Endbereich 111 des Ofenrohrs 110 entsteht. Das dritte Leitelement 133 ist ebenfalls aus einem Quarzmaterial gefertigt, das für Infrarotstrahlung undurchlässig ist und das als wirksamer Strahlungsblocker verwendet werden kann. In einem Beispiel mit einer Anzahl von n Scheibenplatten, die räumlich mit einem Zwischenraum von einer zur nächsten angeordnet sind, wird nur der 1/(n + 1)-te Teil der Wärmeenergie hindurchgehen. Zusätzlich begrenzt das dritte Leitelement die Konvektion im Wesentlichen auf den physischen Bereich der Substrat-Beladungsanordnung innerhalb des Raumvolumens 115, was hilft, die Gleichmäßigkeit der Temperatur zu verbessern. In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 auch ein halbmondförmiges Leitelement 134, um einen unteren Abschnitt der Lücke am Umfangsrand im unteren Abschnitt der Innenwand abzudecken. Das halbmondförmige Leitelement 134 blockiert einen Rückfluss von möglicherweise entwichenem Arbeitsgas, das von der Kammertür 120 gekühlt wurde, zurück in das Raumvolumen 115, da abgekühltes Gas entlang dem unteren Bereich des Ofenrohrs fließt. Weitere Details über die Funktion des halbmondförmigen Leitelements zum Verbessern der Temperaturgleichmäßigkeit im Behandlungsbereich sind in der US-Patentanmeldung Nr. 12/858,342 mit dem Titel „Method and Structure For Processing Thin Film PV Cells with Improved Temperature Uniformity”, eingereicht am 17. August 2010 und gemeinsam übertragen auf die Stion Corporation, San Jose, zu finden, die für alle Zwecke durch Verweis eingebunden ist.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 ein Gebläse 160, das zwischen dem dritten Leitelement 133 und dem physischen Bereich, der zur Beladungsanordnung der mehreren Substrate 140 gehört, angeordnet ist. Beispielsweise ist das Gebläse 160 ein motorgetriebener axialer Ventilator oder eine Kombination von mehreren axialen Ventilatoren, die alle in der axialen Richtung 190 ausgerichtet sind. Der eine oder die mehreren axialen Ventilatoren können dafür eingerichtet sein, die Ventilatorgeschwindigkeit einzustellen, um einen erzwungenen Konvektionsfluss mit gewünschten Flussgeschwindigkeiten in der axialen Richtung 190 zu erzeugen. Das Gebläse 160 ist außerdem so aufgebaut, dass es eine radiale Abmessung hat, die im Wesentlichen gleich dem Abstand (oder dem Höhenmaß 147) zwischen dem ersten Leitelement 131 und dem zweiten Leitelement 132 ist, so dass der erzwungene Konvektionsfluss innerhalb des physischen Bereichs eingeschlossen ist, der zur Beladungsanordnung gehört. Wenn sich die mehreren Substrate in der Beladungsanordnung befinden, ist der erzwungene Konvektionsfluss dazu fähig, durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Substraten zu strömen. Selbstverständlich können viele Variationen, Alternativen und Veränderungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann ein zweites Gebläse 160B in der Nähe des zweiten Endbereichs 112 montiert werden, um die Flussgeschwindigkeiten des Konvektionsflusses durch die Substrate zusätzlich zu verbessern. Weitere Beschreibungsdetails über das Erzeugen eines erzwungenen Konvektionsflusses und eines dazugehörigen Geschwindigkeitsprofils des Flusses sind in den nachfolgenden Abschnitten der Beschreibung zu finden.
2 stellt eine Querschnittansicht von oben einer Vorrichtung dar, die eine beispielhafte erzwungene Konvektion für eine gleichmäßige Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie dargestellt, umfasst ein Ofenrohr 110 eine Anzahl planarer Substrate 140, die im Wesentlichen parallel zu einer axialen Richtung 190 und einer vertikalen Richtung (aus dem Papier heraus) geladen sind, mit einem Zwischenraum 141 zwischen allen benachbarten Substraten. Die Beladungsanordnung ist lediglich ein Beispiel. Weitere Substratausrichtungen sind in jedem Fall auch anwendbar und andere Formen der Substrate können verwendet werden, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen. Im Beispiel ist ein axialer Ventilator oder ein axiales Gebläse 160 in der Nähe eines ersten Endbereichs 111 und vor den geladenen Substraten 140 angeordnet. Der axiale Ventilator 160 erzeugt einen erzwungenen Konvektionsfuss mit einem beispielhaften Geschwindigkeitsprofil des Flusses, das durch Pfeile dargestellt ist, die durch alle Zwischenräume 141 entlang einer axialen Richtung 190 hindurchlaufen. Insbesondere ist die Flussgeschwindigkeit innerhalb eines Bereichs 161 des Ventilators 160 so ausgeführt, dass sie im Wesentlichen gleichmäßig ist. Nachdem der Konvektionsfluss in die Zwischenräume 141 geflossen ist, wird die Flussgeschwindigkeit aufgrund von Abflüssen über die Kanten der Beladungsanordnung der Anzahl von Substraten 140 weniger gleichmäßig. Beispielsweise sind nahe am Eingangsbereich 162 der Substrat-Beladungsanordnung die Flussgeschwindigkeiten in der Nähe des mittleren Bereichs höher als diejenigen nahe an den zwei Kantenbereichen. Entlang der axialen Richtung vom Bereich 163, 164 in Richtung des Ausgangsbereichs 165 kann das Geschwindigkeitsprofil des Flusses sich allmählich verändern, mit einer geringeren Größe und erneut gleichmäßiger. Der Konvektionsfluss wird vom Endbereich 112 durch einen Raumbereich 166 zwischen der Innenwand des Ofenrohres 110 und den zwei Substraten, die sich an den zwei entgegengesetzten Seiten der Beladungsanordnung befinden, zurückgeführt. Wie dargestellt, sind mehrere Leitelemente 133, die vor dem Ventilator 160 angeordnet sind, so positioniert, dass sie den zurückgeführten Konvektionsfluss vom Bereich 166 im Wesentlichen ablenken und den Fluss zurück zum Ventilator 160 führen, Selbstverständlich sind viele Variationen, Alternativen und Veränderungen möglich. Beispielsweise kann der Ventilator 160 so eingerichtet sein, dass er innerhalb des Ventilatorbereichs 161 ein anfängliches, nicht-gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil des Flusses erzeugt und dann in den Bereichen 162, 163 oder 164 ein gleichmäßigeres Geschwindigkeitsprofil des Flusses erreicht. Die Größe der Flussgeschwindigkeit kann ebenfalls eingestellt werden, um eine optimierte Leistung in Bezug auf sowohl eine kürzere Laufzeit zum Erreichen einer stabilen Behandlungsphase als auch die Temperaturschwankungen innerhalb der Behandlungsphase zu erreichen. In einem weiteren Beispiel ist der Ventilator oder das Gebläse 160 allgemein eine Flussantriebsvorrichtung. In einem speziellen Beispiel ist der Ventilator 160 so konzipiert, dass er einen oder mehrere Flussverstärker bildet, die mit bewegungsfreien Teilen sowie aus einem chemisch inerten Material hergestellt sein können, das speziell für die reaktive und heiße Umgebung ausgelegt ist.
3 stellt eine Querschnitt-Seitenansicht der Vorrichtung dar, die eine beispielhafte erzwungene Konvektion für eine gleichmäßige Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie zu sehen, ist dasselbe Ofenrohr 110 wie in 2 in einer Seitansicht dargestellt, wobei die Substrate (in einem gestrichelten Rechteck dargestellt) in vertikaler Richtung 191 geladen sind. In 3 ist der Konvektionsfluss innerhalb des Zwischenraums der beiden Substrate nahe der Mitte der Beladungsanordnung dargestellt. In der Ansicht sind ebenfalls zwei Leitplatten 131 und 132 als zwei Linienabschnitte zu sehen, die jeweils mit einem kleinen Freiraum über einer oberen Kante bzw. unter einer unteren Kante des Substrats angeordnet sind. Die Pfeile werden auch verwendet, um die Flussgeschwindigkeiten in verschiedenen Bereichen 162, 163, 164 und 166 entlang einer axialen Richtung 190 über die Substrate hinweg darzustellen. Wiederum zeigt das Geschwindigkeitsprofil aufgrund von Abflüssen in den Kantenbereichen innerhalb des physischen Bereichs, der von den zwei Leitplatten 131 und 132 eingeschlossen wird, eine Art von Ungleichmäßigkeit. Nahe der Mittelachse ist die Geschwindigkeit relativ höher als in den Kantenbereichen.
Wie im letzten Absatz gezeigt, kann das Geschwindigkeitsprofil des Flusses angepasst werden, indem das Gebläse 160 derart ausgeführt wird, dass es eine Kombination von axialen Ventilatoren hat, deren Ventilator-Geschwindigkeitsbereiche jeweils gesteuert werden. Es gibt einige Abhängigkeiten zwischen dem Geschwindigkeitsprofil des Flusses und der Gleichmäßigkeit der Substrattemperatur, wobei dies kein kritischer Faktor für die Verringerung der Laufzeit von der Temperatur-Rampenphase bis zum Erreichen einer stabilen Behandlungsphase ist. Nachdem der Konvektionsfluss den eingeschlossenen Bereich zwischen den beiden Leitelementen verlassen hat, wird er in dieser Seitenansicht ebenfalls über den Raumbereich 167 zwischen der Innenwand des Ofenrohrs 110 und den zwei Leitelementen 131 und 132 zurückgeführt. Wenn der zurückgeführte Fluss nahe bei der Vorderseite des Gebläses 160 ankommt, wird er durch mehrere scheibenförmige Platten 133, die im ersten Endbereich 111 angeordnet sind, im Wesentlichen daran gehindert, nach außen zu einem Kammertürbereich 121 abzufließen. Die scheibenförmigen Platten 133 verringern auch den Übergang von Wärmestrahlung vom Raumvolumen 115 zum Kammertürbereich 121 erheblich. Beispielsweise wird bei der Verwendung von einer Zahl von n Scheibenplatten wahrscheinlich nur ein 1/(n + 1)-ter Teil der Wärmestrahlung durch sie hindurch übertragen. Dieser Aufbau hilft das aufgeheizte Arbeitsgas innerhalb des Raumvolumens 115 zurückzuhalten und er hält die Kammertüre kühl (was für die Sicherstellung einer guten Vakuumabdichtung erforderlich ist und als Absorptionsplatte für Verunreinigungen dient). Das scheibenförmige Leitelement zwingt den zurückgeführten Fluss auch vom Raumbereich 167 zurück in den Bereich 161 des Gebläses 160 zu fließen, um einen stabilen Konvektionsfluss auszubilden, ohne dass viel der in ihm transportierten Wärmeenergie verloren geht. Es ist auch zu bemerken, dass in einem tiefergelegenen Abschnitt der Innenwand auch ein viertes Leitelement 134 installiert ist, um eine kleine Menge an Arbeitsgas zu blockieren, das von der kühlen Kammertüre abgekühlt wurde und zurück in das Raumvolumen 115 fließt, obgleich es sich dabei aufgrund einer engen am Umfangsrand befindlichen Lücke zwischen den Scheibenplatten 133 und der Innenwand des Ofenrohres 110 um eine im Wesentlichen kleine Gasmenge handelt. Selbstverständlich sind viele Variationen, Alternativen und Veränderungen möglich. Beispielsweise kann ein weiteres Gebläse 160B nahe am zweiten Endbereich 112 montiert werden, um eine zusätzliche Einstellbarkeit des Geschwindigkeitsprofils des Flusses über den eingeschlossenen physischen Bereich von 162 bis 165 hinweg bereitzustellen und um somit eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Temperatur und auch eine verkürzte Laufzeit zu erreichen. In einem weiteren Beispiel ist das Gebläse 160 eine Flussantriebsvorrichtung, die so konzipiert ist, dass sie einen oder mehrere Flussverstärker bildet, die ohne bewegte Teilen sowie aus einem chemisch inerten Material hergestellt sein können, das speziell für die reaktive und heiße Umgebung ausgelegt ist.
3A stellt eine Schemazeichnung eines Flussverstärkers zum Steigern der internen erzwungenen Konvektion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie dargestellt ist ein Flussverstärker 160A an der Position des Gebläses 160 in den 1–3 angeordnet, mit dem Ziel bewegte Teile, wie etwa Laufräder, zu beseitigen und dieselbe Funktion eines erzwungenen Konvektionsstroms 161 innerhalb des Ofens 110 zu bewirken. Der Flussverstärker 160A nutzt den Coanda-Effekt, bei dem eine kleine Menge von Hochgeschwindigkeitsfluid aus einer Düse verwendet wird, um eine Verstärkung des internen Konvektionsflusses zu erreichen. Der Flussverstärker 160A hat ein Tragflügelprofilgehäuse 11, das durch es hindurch einen inneren Flusskanal 12 definiert. Der Kanal 12 ist im Querschnitt kreisförmig und er umfasst einen Einlassabschnitt 12a, einen Auslassabschnitt 12b und einen mittleren Abschnitt 12c. Das Tragflügelprofilgehäuse 11 kann aus zwei getrennten Teilen, 11a nahe beim Auslass und 11b nahe beim Einlass, hergestellt sein, die durch Schrauben oder andere geeignete Mittel zusammengebaut sind, mit einer nicht-komprimierbaren Dichtung 14 in ihrem Verbindungsbereich. Die Dichtung 14 ist angebracht, um eine Breite der Lücke zwischen dem Teil 11a und dem Teil 11b einzustellen, die den Durchgang für die Düse 15 bildet. Der Düsendurchgang 15 ist mit einer Gaszufuhr 17 verbunden, die dafür eingerichtet ist, an eine externe Quelle für unter Druck stehendem Gas (beispielsweise reines Stickstoffgas) mit einem Druck zwischen 50 und 100 psig angeschlossen zu werden. Die verschiedenen Flusskanäle 12a, 12b und 12c sind jeweils dafür eingerichtet, bestimmte Krümmungen, Eckenstrukturen, Winkel und andere geometrische Eigenschaften aufzuweisen, um einen geeigneten Verstärkungseffekt der Flussgeschwindigkeit für den Konvektionsfluss durch den Hauptkanal zu erreichen, basierend auf dem Coanda-Effekt, indem ein Strahl von externem Gas mit hoher Geschwindigkeit von der Zufuhr 17 durch die Düse 15 eingeführt wird. Der Vorteil der Verwendung dieser oder ähnlicher Typen von Flussverstärkern ohne bewegte Teile liegt in der Verringerung von unerwünschten Beschichtungen oder reaktiven Schäden an den Komponenten im Ofen und der Minimierung der Möglichkeiten von Verunreinigungen durch diese Komponenten an den photovoltaischen Materialien, die der reaktiven Wärmebehandlung unterzogen sind. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Gebläse 160 Flussverstärker 160A, die derart angeordnet sind, dass sie eine wesentliche Querschnittfläche vor den Endbereichen der mehreren geladenen Substrate 140 abdecken.
Die 4A bis 4D stellen jeweils eine beispielhafte zeitliche Momentaufnahme einer Temperaturverteilung über ein Substrat hinweg dar, das aus einer Beladungsanordnung der mehreren Substrate gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewählt ist. Unter Verwendung der in den 1–3 beschriebenen Vorrichtung wird eine erzwungene Konvektion erzeugt, und dies durch ein Gebläse, das vor den mehreren planaren Substraten in einer Beladungsanordnung montiert ist, die, wie in den 1–3 dargestellt ist, im Wesentlichen parallel und mit einem Zwischenraum zu allen Nachbarn ausgeführt ist. Die Vorrichtung wird nach dem Abpumpen, Spülen und Befüllen mit dem Arbeitsgas in Betrieb genommen, indem die Temperatur-Rampenphase (ab Zeitpunkt 0) gestartet wird, wobei einem vorgegebenen Programm gefolgt wird, um einen Sollwert für eine Behandlungsphase zu erreichen. Die 4A–4D sind Bilder zu Momentaufnahmen, die zu einem Zeitpunkt (beispielsweise t₁ = 32 Minuten) aufgenommen sind, wenn der Sollwert (beispielsweise 425°C) erreicht ist und eine Übergangszeitspanne zum Erreichen einer Behandlungsphase gerade beginnt. Der Zeitpunkt ist als Beispiel ausgewählt, da er dazu tendiert ein Moment zu sein, in dem die Temperaturschwankungen fast ein maximales Delta-T über die mehreren Substrate hinweg erreichen. Das Gebläse ist dafür eingerichtet, den motorbetriebenen Ventilator mit einer Flussgeschwindigkeit von 10 m/s zu betreiben.
Genauer zeigt 4A eine Temperaturverteilung eines Substrats 441 (oder des ersten Substrats), das nahe des Rands des physischen Bereichs der Beladungsanordnung platziert ist. Wie dargestellt, hat die Oberflächenzone 410 eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur (bei 425°C). 4B zeigt eine Temperaturverteilung für ein weiteres Substrat 443 (Nr. 3 vom Rand), für das, wie in einer Konturkarte dargestellt, eine kleine Temperaturschwankung (Delta-T beträgt etwa 25°C) zwischen der Zone 413 und der Zone 423 vorhanden ist. Analog zeigt 4C eine Temperaturverteilung als Konturkarte für ein Substrat 445, das sich näher an der Mitte der Beladungsanordnung befindet, wobei auch hier ein Temperaturunterschied (Delta-T) über die Zone 415 und Zone 425 hinweg zu sehen ist. 4D stellt eine Temperatur-Konturkarte eines Substrats 448 dar, das sich in einer Mittenposition der weiter oben beschriebenen Beladungsanordnung befindet, wobei diese einen Temperaturunterschied (Delta-T) über die Zonen 418 und 428 hinweg zeigt. Wie dargestellt, schwanken Größe und Form der Oberflächenzone mit gleichmäßiger Temperatur natürlich von einem Substrat zum anderen, in Abhängigkeit von der Position und genauer vom vorbeistreichenden Konvektionsfluss (obgleich die Anordnung der Heizzonen und deren unabhängige Steuerung ebenfalls limitierende Faktoren sind). Beispielsweise liegt für ein Substrat in der Größe 20 × 50 cm und unter Verwendung einer Ventilatorgeschwindigkeit von 10 m/s ein maximales Delta-T bei etwa 25°C, so wie hier abgebildet. Wenn die Ventilatorgeschwindigkeit auf 3 m/s verringert wird, kann das maximale Delta-T bei etwa 100°C liegen. Wenn nur die natürliche Konvektion verwendet wird, kann das maximale Delta-T bis zu 200°C betragen. Somit ist die Auswirkung der erzwungenen Konvektion auf die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Substrattemperatur erheblich. Selbstverständlich sind viele Variationen, Alternativen und Veränderungen möglich. Beispielsweise wird die Vorrichtung nach diesem Zeitpunkt in einer Übergangsphase betrieben, um eine Behandlungsphase mit gleichmäßiger Temperatur zu erreichen, während der die erzwungene Konvektion die gesamte Gleichmäßigkeit der Substrattemperatur weiter erheblich verbessert und dabei hilft, eine Laufzeit bis zum Erreichen der stabilen Behandlungsphase zu verkürzen. In einer Implementierung für Substrate mit einer Größe von 20 × 50 cm ist die Laufzeit für das Überleiten auf eine gleichmäßige Behandlungstemperatur von 1 Stunde unter Verwendung der natürlicher Konvektion auf nur noch etwa 10 Minuten verkürzt, wenn die mit einer geeigneten Ventilatorgeschwindigkeit erzwungene Konvektion verwendet wird. Selbst für Substrate mit einer Größe von bis zu 65 × 165 cm kann die Laufzeit für das Überleiten auf eine gleichmäßige Behandlungstemperatur kürzer als 45 Minuten sein, wenn die erzwungene Konvektion geeignet eingesetzt wird. Zusätzlich gilt beim Einsatz der Vorrichtung und des Verfahrens, die die erzwungene Konvektion gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen verwenden, dass der Temperaturbereich aller Substrate während der Behandlungsphase ebenfalls von mehr als 25°C auf weniger als 10°C erheblich verringert werden kann.
5 stellt ein beispielhaftes Temperaturprofil zum Ausführen einer Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien auf mehreren Substraten gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Als ein Beispiel wird das Temperaturprofil 500 auf die Behandlung eines Kupfer-Indium-Gallium Dünnschichtstapels, der auf einem glasbasierten Substrat aufgetragen ist, in einer Umgebung angewendet, die gasförmige Selen/Schwefel-Moleküle enthält (beispielsweise Selenwasserstoffgas, das als Arbeitsgas verwendet wird), gemischt mit reinem Stickstoffgas und einer kleinen Menge an Wasserstoffgas (als Trägergas). Die Substrate, die eine Größe von bis zu 65 × 165 cm haben, werden auf einem Gestell, das aus einem Quarzmaterial hergestellt ist, in ein Ofenrohr geladen. Um das Ofenrohr herum werden elektrisch betriebene Heizeinheiten angeordnet, um den Ofen und die Gase im Ofen aufzuheizen. Vor den Substraten wird ein Gebläse mit einem Ventilator bei 10 m/s betrieben, um einen erzwungenen Konvektionsstrom zu erzeugen (in etwa 848 CFM), der in axialer Richtung durch die Substrate fließt.
Wie dargestellt, beginnen die Heizeinheiten den Ofen wie auch die Substrate beim Zeitpunkt t = 0 aufzuheizen, worauf eine vorgegebene Temperatur-Rampenphase R1 folgt, die so programmiert ist, dass sie einen Sollwert T_s anstrebt, bevor eine erste Behandlungsphase erreicht wird (mit einer vorgegebenen Behandlungstemperatur T_p = 425°C). Zum Zeitpunkt t₁ werden die Heizeinheiten so gesteuert, dass sie auf die gleichmäßige Behandlungsphase P1 überleiten und der Temperaturunterschied der Substrate kann bei etwa 30°C liegen. Nach einer Laufzeit t_r zum Zeitpunkt t₂ wird die Behandlungsphase P1 mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur bei T_p erreicht, wobei der Dünnschichtstapel aus Kupfer-Indium-Gallium auf jedem der Substrate innerhalb der Selengas-Umgebung reaktiv getempert und mit den gasförmigen Selenid-Molekülen in Reaktion gebracht wird, um ein CIGS-Dünnschicht photovoltaisches Absorbermaterial zu bilden. Wie im Beispiel dargestellt, beträgt die Laufzeit t_r = t₂ – t₁ lediglich in etwa 45 Minuten. Der Schwankungsbereich von T_p ist über die Behandlungsphase P1 hinweg (in etwa 30–80 Minuten) auf 10°C begrenzt. Während der Behandlungsphase P1 ist die Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb des Substrats sogar besser, mit einem Delta-T von weniger als 5°C.
5 zeigt auch, dass das Temperaturprofil 500 damit fortfahren kann, eine weitere Temperatur-Rampenphase R2 zu starten, um eine zweite Behandlungsphase P2 zu erreichen. Das Verfahren der erzwungenen Konvektion und die entsprechende Vorrichtung können auch dafür noch eine erhebliche Verbesserung bei der Verringerung der Laufzeit des Übergangs zur gleichmäßigen Behandlungstemperatur und den Temperaturschwankungen innerhalb der zweiten Behandlungsphase P2 bereitstellen. Das Temperaturprofil 500 umfasst auch eine oder mehrere Abkühlungsphasen, die in 5 nicht dargestellt sind, um die Substrate zurück zu einer Temperatur von etwa 140°C oder darunter zu bringen. Die in einer oder mehreren Ausführungsformen beschriebene Vorrichtung, beispielsweise Vorrichtung 100 aus 1, umfasst auch ein oder mehrere Kühlungselemente, die räumlich um das röhrenförmige Gehäuse herum angeordnet sind, um eine räumlich gesteuerte Kühlungsleistung zur Verringerung der Temperatur des Ofens und der darin befindlichen Substrate bereitzustellen. Die erzwungene Konvektion, die durch das vor (oder nach) den mehreren Substraten in der Beladungsanordnung angeordnete Gebläse erzeugt wird, kann auch dabei helfen, die Abkühlungszeit erheblich zu verringern. In einer ersten Abkühlungsphase kann die Abkühlungszeit beispielsweise um 10% gekürzt werden und in einer zweiten Abkühlungsphase (nachdem die Temperatur unter einen Glas-Strainpunkt abgefallen ist) kann die Abkühlungszeit sogar um 50% und mehr verkürzt werden. Gleichzeitig wird die Temperatur-Gleichmäßigkeit über alle Substrate hinweg gut unter 50°C gehalten. Wiederum würde der Fachmann Variationen, Veränderungen und Alternativen erkennen.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Verwendung spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Variationen des in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Verfahrens ausgeführt werden können, ohne den Geist und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, zu verlassen. Beispielsweise ist der röhrenförmige Ofen als ein Beispiel angeführt. Andere geformte Ofenbauweisen, die dafür eingerichtet sind, eine Wärmebehandlung von mehreren geformten und in verschiedenen Ausrichtungen geladenen Substraten auszuführen, können von der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Entsprechend können auch die Leitelementbauweisen in der Form und der Position verändert werden, um den Konvektionsfluss zu steuern. Analog können das Gebläse oder die mehreren Gebläse für entsprechende Substrat-Beladungsanordnungen angepasst werden, um eine geeignete erzwungene Konvektion mit dem gewünschten Geschwindigkeitsprofil des Flusses zu erzeugen. Zusätzlich gilt, dass obgleich die obenstehend beschriebenen Ausführungsformen auf eine reaktive Wärmebehandlung eines Cu-In-Ga Dünnschicht-Materials angewendet wurden, um auf den glasbasierten Substraten Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und/oder KupferIndium-Gallium-Diselenid (CIGS) photovoltaische Absorber auszubilden, selbstverständlich auch andere dünnschicht-basierten Wärmebehandlungen von der einen oder den mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung profitieren können, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. In Abhängigkeit von der Ausführungsform, kann das vorliegende Verfahren auch auf siliziumbasierte photovoltaische Vorrichtungen angewendet werden.

Claims

Vorrichtung zur gleichmäßigen reaktiven Wärmebehandlung von Dünnschicht-Materialien, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Kammer, die einen röhrenförmigen Raum umschließt, der sich horizontal in einer axialen Richtung von einem ersten Endbereich bis in die Nähe eines zweiten Endbereichs erstreckt, wobei der röhrenförmige Raum mit einem Arbeitsgas gefüllt ist; wenigstens eine Heizeinheit, die an einer am Umfangsrand gelegenen Außenseite der Kammer angeordnet ist, um Wärmeenergie zum Aufheizen der Kammer bereitzustellen; eine Beladungsanordnung, um mehrere Substrate dem Arbeitsgas im röhrenförmigen Raum auszusetzen, wobei jedes der mehreren Substrate räumlich mit einem Abstand zu jedem Nachbarn angeordnet ist; ein erstes Leitelement, das über der Beladungsanordnung angeordnet ist; ein zweites Leitelement, das unter der Beladungsanordnung angeordnet ist, wobei das zweite Leitelement sich in einem Abstand unter dem ersten Leitelement befindet; ein drittes Leitelement, das in der Nähe des ersten Endbereichs vor der Beladungsanordnung angeordnet ist; und ein Gebläse, das zwischen dem dritten Leitelement und der Beladungsanordnung angeordnet ist, wobei das Gebläse in der axialen Richtung ausgerichtet ist und eine radiale Abmessung hat, die im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem ersten Leitelement und dem zweiten Leitelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kammer ein Quarzmaterial umfasst, das im Wesentlichen leitend für die Wärmeenergie ist, die von der wenigstens einen Heizeinheit bereitgestellt wird, und das chemisch inert gegenüber dem Arbeitsgas ist, wobei dies wenigstens eine gasförmige Selenid-Molekülart einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes der mehreren Substrate in der Beladungsanordnung ein Dünnschicht-Material umfasst, das wenigstens Kupfer, Indium oder Gallium Atomsorten umfasst, die auf einem Kalk-Soda-Glassubstrat aufgebracht sind, wobei das Dünnschicht-Material einer Reaktion mit den gasförmigen Selenid-Molekülen ausgesetzt wird, um ein photovoltaisches Absorbermaterial zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Kalk-Soda-Glassubstrat eine planare Form hat, mit Abmessungen, die unter den Folgenden ausgewählt sind: 20 × 20 cm, 20 × 50 cm oder 65 × 165 cm.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Leitelement und das zweite Leitelement eine rechteckige Platte umfassen, die jeweils parallel zur axialen Richtung und mit einem Freiraum über bzw. unter der Beladungsanordnung der mehreren Substrate angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das dritte Leitelement zwei oder mehr scheibenförmige Platten umfasst, die senkrecht zur axialen Richtung angeordnet sind und die einen Querschnitt der Kammer im Wesentlichen versperren, mit Ausnahme einer am Umfangsrand befindlichen Lücke zu einer Kammerinnenwand.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die außerdem ein viertes Leitelement in Halbmondform umfasst, das mit wenigstens einer der zwei oder mehr scheibenförmigen Platten in Kontakt ist, um einen Querschnitt der am Umfangsrand befindlichen Lücke zu einem unteren Abschnitt der Kammerinnenwand abzudecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gebläse einen oder mehrere motorangetriebene Ventilatoren umfasst, um einen erzwungenen Konvektionsfluss des Arbeitsgases zu erzeugen, der entlang der axialen Richtung durch jeden der Zwischenräume der mehreren Substrate fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Gebläse einen oder mehrere Flussverstärker umfasst, die aus einem chemisch inerten Material und ohne bewegte Teile hergestellt sind, und die derart angeordnet sind, dass sie eine im Wesentlichen querliegende Schnittfläche vor den Endbereichen der mehreren Substrate abdecken.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zu dem erzwungenen Konvektionsfluss ein Geschwindigkeitsprofil des Flusses über jedes der mehreren Substrate hinweg gehört, wodurch eine Laufzeit bis zum Erreichen einer Behandlungsphase festgelegt wird, wobei dies auf einem vorgegebenen Temperaturprofil mit einer maximalen Temperaturschwankung von deutlich unter 20°C über jedes der mehreren Substrate hinweg basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die außerdem ein zweites Gebläse umfasst, das in der Nähe des zweiten Endbereichs hinter der Beladungsanordnung angeordnet ist, wobei das zweite Gebläse in axialer Richtung ausgerichtet ist, um das mit dem erzwungenen Konvektionsfluss verbundene Geschwindigkeitsflussprofil über jedes der mehreren Substrate hinweg anzupassen.
Verfahren zur gleichmäßigen Behandlung von Dünnschicht-Vorrichtungen, die eine erzwungene Konvektion eines Arbeitsgases einsetzen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstehen eines Ofens in Röhrenform, der sich horizontal entlang einer axialen Richtung von einem ersten Endbereich bis zu einem zweiten Endbereich erstreckt; Laden mehrerer Substrate in den Ofen; Anbringen eines ersten Leitelements über den mehreren Substraten und eines zweiten Leitelements unter den mehreren Substraten; Anbringen eines dritten Leitelements in der Nähe des ersten Endbereichs vor den mehreren Substraten; Befüllen der Vorrichtung mit einem Arbeitsgas; Bereitstellen von Wärmeenergie zum Aufheizen des Ofens und des Arbeitsgases durch eine oder mehrere Heizeinheiten, die um den Ofen herum angeordnet sind; und Betreiben einer Flussantriebsvorrichtung, die zwischen dem dritten Leitelement und den mehreren Substraten angeordnet ist, um einen erzwungenen Konvektionsfluss des Arbeitsgases zu erzeugen, der zwischen dem ersten Leitelement und dem zweiten Leitelement durch die mehreren Substrate fließt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Ofen, das erste Leitelement und das zweite Leitelement alle aus einem Quarzmaterial hergestellt sind, das wenigstens wärmeleitfähig und gegenüber dem Arbeitsgas chemisch inert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Laden der mehreren Substrate das Anbringen jedes der mehreren Substrate in einer Anordnung umfasst, die zwischen allen Nachbarn einen Zwischenraum hat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Anordnung eine räumliche Konfiguration der mehreren Substrate umfasst, wobei die räumliche Konfiguration Folgendes aufweist: eine Länge, die im Wesentlichen gleich einer Länge eines der mehreren Substrate ist, die im Bereich von 20 cm bis 165 cm liegt, eine Höhe, die im Wesentlichen gleich einer Breite eines der mehreren Substrate ist, die im Bereich von 20 cm bis 65 cm liegt, und einer Breite, die durch die Gesamtzahl der mehreren Substrate und dem Zwischenraum zwischen allen Nachbarn festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei sowohl das erste Leitelement als auch das zweite Leitelement eine rechteckförmige Platte umfassen, die aus einem Material hergestellt ist, das im Wesentlichen leitend für die Wärmeenergie und chemisch inert gegenüber dem Arbeitsgas ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Anbringen des ersten Leitelements und des zweiten Leitelements das Einschließen der mehreren Substrate zwischen den beiden rechteckförmigen Platten mit einem im Wesentlichen kleinen Freiraum umfasst, um den erzwungenen Konvektionsfluss des Arbeitsgases zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen von Wärmeenergie durch eine oder mehrere Heizeinheiten, die um den Ofen herum angeordnet sind, das Beheizen einer oder mehrere Zonen umfasst, die das Ofengehäuse entlang der axialen Richtung umgeben.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Anbringen des dritten Leitelements das Anbringen von zwei oder mehr scheibenförmigen Platten umfasst, die räumlich mit einem Abstand zur jeweils nächsten angeordnet sind, um einen wesentlichen Teil einer Querschnittfläche abzudecken und damit das aufgeheizte Arbeitsgas im Wesentlichen daran zu hindern, in den ersten Endbereich auszutreten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Betreiben der Flussantriebsvorrichtung das Festlegen eines Geschwindigkeitsflussprofils des erzwungenen Konvektionsflusses durch jeden der Zwischenräume der mehreren Substrate umfasst, um ein vorgegebenes Temperaturprofil zur Behandlung der mehreren Substrate mit Abmessungen von 20 × 20 cm bis 65 × 165 cm aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Betreiben der Flussantriebsvorrichtung außerdem den Einbau eines oder mehrerer Flussverstärker in einer querliegenden Schnittfläche vor den Endbereichen der mehreren Substrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das vorgegebene Temperaturprofil durch eine Temperatur-Rampenphase, gefolgt von einer Behandlungsphase mit einem Temperaturbereich für die Behandlung von deutlich unter 20°C über jedes der mehreren Substrate hinweg, und eine Übergangszeit von der Temperatur-Rampenphase zur Behandlungsphase von 0,75 Stunden oder deutlich darunter gekennzeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, das außerdem das Betreiben einer zweiten Flussantriebsvorrichtung umfasst, die in der Nähe des zweiten Endbereichs angeordnet ist, um das Geschwindigkeitsflussprofil des erzwungenen Konvektionsflusses durch jeden der Zwischenräume der mehreren Substrate anzupassen.