DE102011103788A1 - Device for surface treatment with a process steam - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Behandlung einer auf einer Oberfläche (21) eines Substrats (20) aufgetragenen Beschichtung (22) mit Hilfe eines dampfförmigen Partikelstroms (23). Die Vorrichtung (1) umfasst eine Reaktionskammer (2) zur Aufnahme des Substrats (20) während des Behandlungsprozesses und eine Dampfquelle (4) zur Erzeugung des Partikelstroms (23). Um ein schnelles und gründliches Abführen des Prozessdampfes (23) nach Abschluss der Behandlung sicherzustellen, ist die Vorrichtung (1) mit einem Dampfabscheider (7) mit einem Abscheidebehälter (9) versehen, mit dessen Hilfe die Dampfpartikel (23) aus der Reaktionskammer (2) entfernt werden können. Vorteilhafterweise umfasst der Abscheidebehälter (9) mehrere Abscheidestufen (11), die durch Leitbleche (12) voneinander getrennt sind.The invention relates to a device (1) for treating a coating (22) applied to a surface (21) of a substrate (20) with the aid of a vaporous particle stream (23). The device (1) comprises a reaction chamber (2) for receiving the substrate (20) during the treatment process and a steam source (4) for generating the particle stream (23). In order to ensure a quick and thorough removal of the process steam (23) after completion of the treatment, the device (1) is provided with a steam separator (7) with a separation container (9), with the aid of which the steam particles (23) from the reaction chamber (2 ) can be removed. The separating container (9) advantageously comprises a plurality of separating stages (11) which are separated from one another by guide plates (12).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer auf eine Substratoberfläche aufgetragenen Beschichtung mit einem dampfförmigen Partikelstrom.The invention relates to a device for treating a coating applied to a substrate surface with a vaporous particle flow.
Solarzellen enthalten in der Regel ein Substrat aus Glas oder Kunststoff, auf das eine aktive Schicht aufgebracht ist. Die aktive Schicht hat dabei die Aufgabe, Sonnenstrahlung zu absorbieren und in elektrischen Strom umzuwandeln. Der Hauptbestandteil der aktiven Schicht ist bei vielen Dünnschicht-Solarzellen ein I-III-VI2-Halbleiter, insbesondere Cu(In,Ga)Se2 oder CuInS2. Um einen hohen Wirkungsgrad dieser Dünnschicht-Solarzellen zu erzielen, muss bei der Herstellung der aktiven Schicht eine vorgegebene stöchiometrische Zusammensetzung mit möglichst homogener Verteilung erreicht werden. Hierzu wird auf dem Solarzellen-Substrat zunächst eine dünne Schicht aus Cu, In und Ga, einer sog. CIG-Legierung, erzeugt; dies kann z. B. mit Hilfe eines chemischen oder physikalischen Dampfabscheideverfahrens, durch Kathodenzerstäubung oder Sputtertechnologie erfolgen. Anschließend wird dieser CIG-Dünnfilm in einer Reaktionskammer bei erhöhter Temperatur einem Se-Dampf, einem Selenwasserstoffgas (SeH2-Gas) oder einem Schwefelwasserstoffgas (H2S-Gas) ausgesetzt, um den CIG-Dünnfilm zu selenisieren bzw. zu sulfurisieren und somit die CIGS-Schicht zu erzeugen.Solar cells usually contain a substrate made of glass or plastic, to which an active layer is applied. The active layer has the task to absorb solar radiation and convert it into electricity. The main constituent of the active layer in many thin-film solar cells is an I-III-VI 2 semiconductor, in particular Cu (In, Ga) Se 2 or CuInS 2 . In order to achieve a high efficiency of these thin-film solar cells, a predetermined stoichiometric composition with as homogeneous a distribution as possible must be achieved during the production of the active layer. For this purpose, a thin layer of Cu, In and Ga, a so-called. CIG alloy is first generated on the solar cell substrate; this can be z. Example by means of a chemical or physical Dampfabscheideverfahrens, by sputtering or sputtering technology. Subsequently, this CIG thin film is exposed in a reaction chamber at an elevated temperature to a Se vapor, a hydrogen selenide gas (SeH 2 gas) or a hydrogen sulfide gas (H 2 S gas) to selenise or sulfurize the CIG thin film and thus to create the CIGS layer.
Nach Beendigung des Selenisierungs- bzw. Sulfurisierungsprozesses muss der Prozessdampf möglichst schnell und möglichst vollständig aus der Reaktionskammer entfernt werden, um das beschichtete Substrat der nächsten Prozessstufe zuführen zu können. Die Problematik der Abführung überschüssigen Selens nach der Selenierung von I-III-VI2-Dünnfilmschichten wird beispielsweise in der
In der
Die
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandung einer Substratbeschichtung, insbesondere zur Selenisierung bzw. Sulfurisierung einer CIG-Dünnschicht, in einer solchen Weise zu verbessern, dass die Prozessdämpfe nach erfolgter Behandlung schnell und möglichst vollständig aus der Reaktionskammer abgeführt können und der Wartungsaufwand, der durch Ablagerungen der Prozessdämpfe verursacht wird, reduziert werden kann.Based on this prior art, the present invention seeks to improve a device for surface treatment of a substrate coating, in particular for the selenization or sulfurization of a CIG thin film, in such a way that the process vapors after treatment quickly and completely as possible from the Reaction chamber can be removed and the maintenance, which is caused by deposits of process vapors, can be reduced.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Danach umfasst die Behandlungsvorrichtung eine Reaktionskammer und einen an diese Reaktionskammer anschließbaren Dampfabscheider, mit dessen Hilfe die Prozessdämpfe aus der Reaktionskammer abgeführt werden können. Der Dampfabscheider enthält einen Abscheidebehälter, der durch verschließbare Durchlässe mit der Reaktionskammer verbunden ist.Thereafter, the treatment apparatus comprises a reaction chamber and a vapor separator which can be connected to this reaction chamber and with the aid of which the process vapors can be removed from the reaction chamber. The vapor separator contains a separating vessel which is connected to the reaction chamber by closable passages.
Während der Dampfbehandlung der Substratbeschichtung erzeugt eine in der Reaktionskammer enthaltene Dampfquelle einen Partikelstrom von Prozessdampf, der auf die Substratbeschichtung einwirkt; während dieses Behandlungsprozesses sind die Durchlässe zwischen Reaktionskammer und Abscheidebehälter verschlossen. Nach Beendigung des Behandlungsprozesses werden die Durchlässe zum Abscheidebehälter geöffnet, der Prozessdampf dringt in den Abscheidebehälter ein und wird dort kondensiert. Auf diese Weise kann der Prozessdampf schnell und unaufwendig aus der Prozesskammer entfernt werden. Danach können die Durchlässe zum Abscheidebehälter wieder geschlossen werden, um einen Rücklauf der im Dampfabscheider aufgefangenen Prozessdämpfe in die Prozesskammer zu verhindern. In diesem Zustand kann die Prozesskammer (z. B. zur Entnahme des behandelten Substrats) belüftet und/oder geöffnet werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass Prozessdampf nach außen dringt.During vapor treatment of the substrate coating, a vapor source contained in the reaction chamber generates a flow of process vapor which acts on the substrate coating; During this treatment process, the passages between the reaction chamber and separation vessel are closed. After completion of the treatment process, the passages to the separation vessel are opened, the process steam penetrates into the separation vessel and is condensed there. In this way, the process steam can be quickly and inexpensively removed from the process chamber. After that, the Passages to the separation vessel are closed again to prevent a return of the collected in the vapor separator process vapors in the process chamber. In this state, the process chamber (for example, for removal of the treated substrate) can be vented and / or opened without the risk that process steam will escape to the outside.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Abscheidebehälter mehrere Abscheidestufen, die durch mindestens ein Leitblech voneinander getrennt sind. Auf diese Weise kann eine mehrstufige Abscheidung des Prozessdampfes erreicht werden, wobei die Leitbleche sicherstellen, dass die Dichte der Dampfpartikel von Stufe zu Stufe abnimmt, so dass ein Schutzgas, das nach Durchlaufen der letzten Abscheidestufe in die Reaktionskammer zurückgeführt wird, nur noch eine minimale Dichte von Dampfpartikeln enthält.In an advantageous embodiment, the separation vessel comprises a plurality of separation stages, which are separated from one another by at least one guide plate. In this way, a multi-stage deposition of the process steam can be achieved, wherein the baffles ensure that the density of the vapor particles decreases from stage to stage, so that a protective gas, which is returned after passing through the last separation stage in the reaction chamber, only a minimum density contains vapor particles.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung hat ist das Leitblech spiralförmig, hat also die Form einer Helix („Wendeltreppe”) mit einer geringen Ganghöhe. Der Prozessdampf legt dann beim Durchfließen des Abscheidebehälters einen langen Weg zurück, bei dem er an dem spiralförmig angeordneten Leitblech entlang streicht. Auf diese Weise wird die Abscheidungsrate der Dampfpartikel auf dem Leitblech erhöht.In a particularly advantageous embodiment, the baffle has a spiral shape, ie it has the shape of a helix ("spiral staircase") with a low pitch. The process steam then travels a long way as it flows through the separation vessel, where it sweeps along the spirally arranged baffle. In this way, the deposition rate of the vapor particles on the baffle is increased.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Abscheidebehälter mit einem Innenbehälter zu versehen, der mitsamt des evtl. im Abscheidebehälter angeordneten Leitblechs aus dem Abscheidebehälter herausgenommen werden kann. Der Innenbehälter und das Leitblech können dann einer Reinigung unterzogen werden, im Zuge derer das auf der Innenwandung des Innenbehälters und dem Leitblech abgeschiedene Prozessmaterial rückgewonnen und/oder entsorgt werden kann. Vorteilhafterweise ist das Leitblech in einer solchen Weise am Innenbehälter befestigt, dass es leicht vom Innenbehälter getrennt und separat gereinigt oder ersetzt werden kann.Furthermore, it is advantageous to provide the separation vessel with an inner container, which can be taken out of the separation vessel together with the possibly arranged in the separation vessel baffle. The inner container and the guide plate can then be subjected to a cleaning, in the course of which the deposited on the inner wall of the inner container and the baffle process material can be recovered and / or disposed of. Advantageously, the baffle is attached to the inner container in such a way that it can be easily separated from the inner container and cleaned or replaced separately.
Um eine effiziente Abscheidung des Prozessdampfs im Abscheidebehälter zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Wände des Abscheidebehälters und/oder den Innenbehälter des Abscheidebehälters und/oder das Leitblech kühlbar zu machen. Durch eine (lokale) Reduktion der Oberflächentemperatur im Abscheidebehälter kann eine schnelle und effektive Abscheidung des Prozessdampfs in ausgewählten Bereichen des Abscheidebehälters erreicht werden. Zur schnellen Ableitung der Wärme, die durch abgeschiedene Prozesspartikel in die Wand des Abscheidebehälter, des Innenbehälters und/oder des Leitblechs eingebracht werden, ist es weiterhin zweckmäßig, diese Bauteile aus einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise einer Kupferlegierung, zu fertigen.In order to achieve an efficient separation of the process steam in the separation tank, it is expedient to make the walls of the separation tank and / or the inner container of the separation tank and / or the baffle coolable. By (local) reduction of the surface temperature in the separation tank, a fast and effective separation of the process steam in selected areas of the separation tank can be achieved. For rapid dissipation of the heat, which are introduced by deposited process particles in the wall of the separation vessel, the inner container and / or the baffle, it is also expedient to manufacture these components from a material with high thermal conductivity, such as a copper alloy.
Weiterhin sollte sichergestellt werden, dass die Prozessdämpfe sich in einem leicht zu reinigenden oder auszutauschenden Bereich des Abscheidebehälters niederschlagen; insbesondere sollte vermieden werden, dass sich die Prozessdämpfe bereits im Eintrittskanal des Abscheidebehälters und/oder im Bereich der Durchlässe zu der Reaktionskammer abscheiden, Hierzu sind diese Bereiche vorteilhafterweise mit einer Heizung versehen, mit der diese Bereiche auf eine Temperatur erwärmt werden können, die oberhalb der Kondensationstemperatur liegt.Furthermore, it should be ensured that the process vapors precipitate in an easily cleaned or exchanged area of the separation vessel; In particular, it should be avoided that the process vapors are already deposited in the inlet channel of the separation vessel and / or in the region of the passages to the reaction chamber. For this purpose, these areas are advantageously provided with a heater with which these areas can be heated to a temperature above that Condensation temperature is.
Die Oberflächen des Abscheidebehälters, des Innenbehälters und/oder des Leitblechs, die dem Prozessdampf ausgesetzt sind, bestehen vorteilhafterweise aus einem Werkstoff, der eine hohe chemische Stabilität gegenüber dem Prozessdampf aufweist. In einem Dampfabscheider, in dem ein selenhaltiger Dampf abgeschieden werden soll, ist es beispielsweise zweckmäßig, die dem Prozessdampf ausgesetzten Innenoberflächen mit Nickel zu beschichten, wobei es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, auf diese Innenoberflächen mit Hilfe eines galvanischen Verfahrens mehrere Nickelschichten aufzutragen.The surfaces of the separation vessel, the inner container and / or the baffle, which are exposed to the process steam, are advantageously made of a material having a high chemical stability to the process steam. In a vapor separator in which a selenium-containing vapor is to be separated, it is expedient, for example, to coat the inner surfaces exposed to the process steam with nickel, wherein it has proved to be particularly advantageous to apply a plurality of nickel layers to these inner surfaces by means of a galvanic process.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to two embodiments illustrated in the figures. Showing:
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.In the drawings, corresponding elements are denoted by the same reference numerals. The drawings illustrate a schematic embodiment and do not represent specific parameters of the invention. Furthermore, the drawings are merely illustrative of an advantageous embodiment of the invention and should not be interpreted in such a way as to limit the scope of the invention.
Die Vorrichtung
Das Substrat
Ist die Dampfbehandlung der Substratbeschichtung
Die Wände
Die Leitbleche
Um die Reinigung des Innenbehälters
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20141111 |