用于处理衬底的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在处理箱中处理经涂层的衬底的设备和方法。
【背景技术】
[0002]用于直接将太阳光转换成电能的光伏层系统是充分已知的。这些光伏层系统一般被称为“太阳能电池”，其中术语“薄层太阳能电池”涉及具有仅几微米的小厚度的层系统，所述层系统为了足够的机械强度需要衬底。已知的衬底包括无机玻璃、塑料(聚合物)或金属、尤其是金属合金，并且可以根据各自的层厚和特定的材料特性被构成为刚性板或柔韧薄膜。
[0003]就工艺可操纵性和效率来说，具有由化合物半导体制成的吸收体的薄层太阳能电池已证明是有利的。在专利文献中已经多次描述过薄层太阳能电池。与此有关地仅仅示例性地参照出版物DE 4324318C1和EP 2200097A1。
[0004]在薄层太阳能电池中，作为吸收体主要采用由黄铜矿化合物、尤其是铜-铟/镓-二硫/ 二砸化物(通过公式Cu(In，Ga) (S，Se)2缩写)或者锌黄锡矿化合物、尤其是铜-锌/锡-二硫/ 二砸化物(通过公式Cu2 (Zn，Sn) (S，Se) 4缩写)制成的化合物半导体。在制造化合物半导体的不同可能性中，近年来基本上实施了两种方法。这是将单元件共蒸镀到热的衬底上以及逐渐将单层(先驱层或前驱层)中的元件施加到冷的衬底上，例如与快速热处理(RTP=gapid Thermal processing(快速热处理))相结合地通过派射进行，其中进行实际的晶体形成和先驱层至化合物半导体的相转换(Phasenumwandlung)。最后提及的两级方式例如在 J.Palm 等人的 “CIS module pilot processing applying concurrentrapid selenizat1n and sulfurizat1n of large area thin film precursors，，(ThinSolid Films 431-432，S.414-522 (2003))中详细地得以描述。
[0005]在薄层太阳能模块的大规模制造中，在顺序设备(In-Line-Anlage)中进行先驱层的RTP热处理，在所述顺序设备中经涂层的衬底依次被输送给不同的处理室。这样的方法例如由EP 0662247 BI已知。
[0006]先驱层的RTP热处理是复杂的过程，其需要在几K/s范围中的快速加热速率、在衬底上(横向地)以及在衬底厚度上均匀的温度分布、在500°C之上的最大温度以及处理气氛的精确控制。尤其是在制造黄铜矿化合物时可以保证在衬底上施加的易挥发的氧族元素(Se和/或S)的足够高的可控制的和可再生的分压力和受控制的处理气体输送(例如H2、N2、Ar、H2S, H2Se, S气体、Se气体)。例如，金属CuInGa先驱层堆叠的顺序砸化需要足够的Se量用于完全砸化。显著的Se损失导致先驱层不完全转换成黄铜矿化合物并且甚至弱的Se损失就导致制成的薄层太阳能模块的功率损耗。
[0007]已知的是，通过处理箱限制围绕经涂层的衬底的处理空间。处理箱能够在热处理期间将诸如砸或硫的容易挥发的氧族组分的分压力至少在最大程度上保持为恒定的。此夕卜，减少在腐蚀性气体情况下处理室的暴露。这样的处理箱例如由DE 102008022784 Al已知。
[0008]在用于大规模制造薄层太阳能模块所使用的顺序设备中经涂层的衬底或装载有衬底的处理箱在索引运行(Indexbetrieb)中经历不同的处理室，其中所述衬底或处理箱按时钟方式(taktweise)被运输到分别下一处理室中。处理室通常被实施为可抽真空的室，因为整个处理分段必须被抽吸用于移除氧气和水。虽然衬底的处理通常在正常压力下或小的欠压下进行，但是处理室的气密性是需要的，以便避免氧气和水扩散入处理分段中和有毒的气体流出。仅仅输入闸和输出闸循环地被抽吸。
[0009]一般而言，可抽真空的处理室的构造是复杂的并且在技术上是要求高的，因为所需要的真空密封性对所使用的材料和诸如真空套管、尤其是回转接头、阀、运输辊、气体对接装置、冷却板和真空活门的设备组件提出最高要求。出于该原因，用于该处理步骤的投入成本占据太阳能工厂的总投入成本的并非不重要的份额。此外，在实践中已经表明，这些在技术上耗费的和比较昂贵的组件由于运输经涂层的衬底或处理箱、加热到超过500°C的高最大温度以及由于腐蚀性处理气氛而遭受明显提高的磨损并且可能变得不密封。在故障情况下，完整的流水线通过所需要的维护工作而中断。
[0010]US专利申请号2005/0238476A1示出一种具有外壳的用于在受控制的气氛中运输衬底的设备，所述外壳包括用于衬底的可抽真空的衬底空间和辅助空间。衬底空间和辅助空间通过具有纳米孔的分离壁彼此分开，其中分离壁构成基于克努森原理(热渗透)的微泵。衬底空间具有冷却板(净化板)，其中分离壁不布置在衬底和冷却板之间。相反地，冷却板总是布置在与衬底相对的位置中。此外，辅助空间通过可加热的分离壁与通过冷却板冷却的外壳片段或衬底空间热退耦。对于泵浦机制需要加热。
【发明内容】
[0011]与此相对地，本发明的任务在于，实现在技术上显著更简单的和成本更低的设备中对经涂层的衬底进行热处理的可能性。该任务和其他任务按照本发明的建议通过根据并列权利要求所述的用于处理经涂层的衬底的设备和方法来解决。本发明的优选的实施方式由从属权利要求的特征得知。
[0012]根据本发明，示出用于对经涂层的衬底进行处理的设备，所述设备包括一个或多个处理箱。处理箱分别被设置用于容纳至少一个衬底并且包括气密地可封闭的(可抽真空的)外壳，所述外壳形成空腔。外壳包括至少一个外壳片段，该外壳片段被构造为使得衬底可以通过射到外壳片段上的电磁热辐射被热处理。此外，该外壳配备有至少一个通向空腔的、可封闭的用于抽真空和将气体引入到空腔中的气体套管。
[0013]该设备此外包括至少一个用于给处理箱装载衬底和/或从处理箱中取出衬底的装载/卸载单元，至少一个用于对处理箱中的衬底进行加热(热处理)的加热单元，至少一个用于对处理箱中的衬底进行冷却的冷却单元，以及至少一个用于对处理箱的空腔进行抽吸的至少一个抽吸装置和至少一个用于给处理箱的空腔馈送至少一种气体、尤其是冲洗气体和/或处理气体的气体供应装置。
[0014]此外，该设备包括至少一个运输机械装置，所述运输机械装置被构造用于实施在一方处理箱和另一方加热单元、冷却单元和装载/卸载单元之间的相对运动。在此情况下，运输机械装置可以被构造用于使可运输的处理箱相对于位置固定的加热单元、冷却单元和装载/卸载单元运动。可替换地，处理箱是位置固定的并且运输机械装置被构造用于使加热单元和/或冷却单元和/或装载/卸载单元相对于位置固定的处理箱运动。在此情况下，可以使加热单元、冷却单元和装载/卸载单元分别单独地、与分别另外的单元无关地运动。但是也可能的是，使加热单元、冷却单元和装载/卸载单元共同地(同步地)运动。
[0015]在根据本发明的设备中，因此不需要将加热单元、冷却单元和装载/卸载单元构造为可抽真空的处理室，其中该设备在技术上可以非常简单地被构造，使得投入成本和维护成本比较低。此外，单元遭受比较小的磨损，因为通过气密地可封闭的处理箱可以避免负载腐蚀性物质。
[0016]与此相应地，在本发明设备的一种有利构型中，装载/卸载单元、加热单元和冷却单元分别被构造为不能抽真空的单元。不与此冲突的是，加热单元、冷却单元和装载/卸载单元可以由共同的壳体或分别单独的壳体包围，其尤其是可以连接到排气抽风装置上，其中但是壳体不被构造为可抽真空的室。
[0017]在本发明设备的有利的构型中，抽吸装置和气体供应装置集成到装载/卸载单元中，这对于衬底的热处理在处理技术上可以是有利的。
[0018]本发明设备的另一有利构型包括一个或多个处理箱，其中外壳具有至少一个与用于对其调温或主动冷却的调温或冷却装置(在热力技术上)可耦合的或耦合的(第一)外壳片段和尤其是至少一个不能调温的或不能冷却的、也即不与冷却装置热耦合的(第二)外壳片段。第一外壳片段例如(在流动技术上)连接到或者可连接到冷却装置并且因此可以被冷却，而第二外壳片段不连接到冷却装置并且因此不能被冷却。第一外壳片段与第二外壳片段不同。不能冷却的第二外壳片段尤其是以下外壳片段，该外壳片段被构造为使得可以通过射到该外壳片段上的电磁热辐射对衬底进行热处理。通过对第一外壳片段进行调温或冷却，可以避免处理箱的有真空能力的组成部分的提高的磨损。
[0019]此外，处理箱的空腔通过至少一个分离壁被划分成用于容纳衬底的处理空间和中间空间，其中分离壁拥有一个或多个开口，并且布置在衬底和通过冷却装置可调温的第一外壳片段之间。通过分离壁可以避免在热处理期间在处理空间中形成的气态物质在第一外壳片段处冷凝。
[0020]本发明设备此外包括用于对处理箱的第一外壳片段进行调温或主动冷却的这样的调温或冷却装置。
[0021]在本发明设备的有利构型中，装载/卸载单元、加热单元和冷却单元沿着用于处理箱的环绕的运输分段分别位置固定地布置，而且以这种方式布置，使得运输分段可以单向地由处理箱经过，以便对衬底进行处理。运输机械装置在该情况下被构造用于单向地运输处理箱。
[0022]本发明设备的另一有利的构型包括位置固定的单元的行列状布置，其由一个加热单元、位于该加热单元两侧的两个冷却单元和两个用于对处理箱进行装载和/或卸载的装载/卸载单元组成，另外的单元位于其之间，其中处理箱是可运输的并且运输机械装置被构造用于双向地运输处理箱。可替换地，设备的该构型的布置的所述单元是可运输的并且处理箱是位置固定的，其中运输机械装置被构造用于双向地运输单元。
[0023]本发明设备的另一有利构型包括位置固定的单元组的行列状布置，其中这些组分别由一个冷却单元、一个加热单元、一个冷却单元以及一个装载/卸载单元组成，尤其是按该顺序组成，其中处理箱是可运输的并且运输机械装置被构造用于双向运输处理箱。可替换于此，单元分别是可运输的并且处理箱是位置固定的，其中运输机械装置被构造用于双向地运输单元。
[0024]本发明设备的另一有利构型包括位置固定的单元组的行列状布置，其中这些组分别由一个冷却单元、一个加热单元和一个装载/卸载单元组成，尤其是按该顺序组成，其中处理箱是可运输的并且运输机械装置被构造用于双向运输处理箱。可替换于此，单元分别是可运输的并且处理箱是位置固定的，其中运输机械装置被构造用于双向地运输单元。
[0025]在本发明设备的另一有利构型中，抽吸装置和/或气体供应装置和/或调温或冷却装置当在一方处理箱和另一方加热单元、冷却单元和装载/卸载单元之间相对运动期间永久地耦合到处理箱上。
[0026]本发明此外涉及用于对经涂层的衬底进行处理的方法，所述方法包括以下步骤: -给可抽真空的处理箱的空腔装载至少一个经涂层的衬底，
-气密地封闭处理箱的空腔，
-对处理箱的空腔进行抽吸，
-给处理箱的空腔填充至少一种气体，尤其是用于用至少一种惰性气体冲洗空腔和/或用于给空腔填充至少一种处理气体，其中空腔能以欠压或过压被填充，
-通过电磁热辐射对衬底进行热处理，所述电磁热辐射由布置在处理箱外部的热辐射器产生并且射到处理箱的至少一个用于热处理的外壳片段上，
-对热的衬底进行冷却，
-从处理箱中取出衬底。
[0027]在本发明方法的一种有利构型中，其中处理箱沿着闭合的运输分段单向地环绕，处理箱相继地被运输到用于给处理箱装载衬底的装载单元、至少一个用于对衬底进行热处理的加热单元、至少一个用于对衬底进行冷却的冷却单元以及用于从处理箱中取出衬底的卸载单元中。
[0028]本发明方法的另一有利构型包括以下步骤:
-通过位置固定的装载/卸载单元给可运输的处理箱装载衬底，
-尤其是在一个方向上将处理箱运输到位置固定的加热单元并且对衬底进行热处理，
-尤其是在一个方向或相反的方向上将处理箱运输到位置固定的冷却单元并且对衬底进行冷却，
-尤其是在相反的方向上将处理箱运输到装载/卸载单元并且取出衬底。
[0029]本发明方法的可替换的构型包括以下步骤:
-通过可运输的装载/卸载单元给位置固定的处理箱装载衬底，
-尤其是在一个方向上从处理箱移除装载/卸载单元，
-尤其是在一个方向上将加热单元运输到处理箱并且对衬底进行热处理，
-尤其是在另一方向上从处理箱移除加热单元，
-尤其是在