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Nachfolgend
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung
von Werkstücken, beispielsweise bei der Herstellung einer
Absorberschicht für photovoltaische Energiewandler, beschrieben.
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Bei
bekannten Diffusionsöfen findet der Diffusionsprozess in
einer Diffusionskammer statt, die gleichzeitig mehrere Funktionen,
nämlich die Bereitstellung eines gasdicht von der Atmosphäre
getrennten Reaktionsbereichs, die Bereitstellung einer Prozessatmosphäre
in der Reaktionszone, gegebenenfalls unter einem unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden
Prozessdruck, die Erzeugung der Prozesstemperatur im Reaktionsbereich
sowie die Wärmedämmung des Reaktionsbereichs gegenüber
der Atmosphäre zur Aufrechterhaltung der im Reaktionsbereich
herrschenden Prozesstemperatur realisiert.
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In
der
deutschen Patentanmeldung
10 2008 019 429.8 wird bei einer Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung
von Werkstücken, die eine Außenkammer umfasst,
wobei innerhalb der Außenkammer mindestens ein Reaktionsbereich
mit Mitteln zur Evakuierung, Mitteln zur Gaszufuhr und Mitteln zur
Beheizung Reaktionsbereichs angeordnet ist, vorgeschlagen, dass
das Mittel zur Gaszufuhr flächig ausgebildet ist und mit
geringem Abstand und parallel zur Substratebene angeordnet ist,
so dass der Reaktionsbereich im Betrieb der Vorrichtung auf einer
Seite durch das Mittel zur Gaszufuhr und auf der anderen Seite durch
ein zu behandelndes Werkstück begrenzt ist. Das flächig
ausgebildete Mittel zur Gaszufuhr sorgt dafür, dass im
Bereich der zu behandelnden Oberfläche des Werkstücks,
an dem der Diffusionsprozess durchgeführt werden soll,
eine Prozessatmosphäre mit der benötigten Konzentration und
Zusammensetzung vorhanden ist. Gleichzeitig kann eine Verunreinigung
der im Reaktionsbereich herrschenden Prozessatmosphäre
dadurch verhindert werden, dass die Druckverhältnisse im
Reaktionsbereich im Verhältnis zum außer halb des
Reaktionsbereichs herrschenden Druck beeinflusst werden. Solange
der Druck der Prozessatmosphäre oberhalb der Oberfläche
des Substrats größer ist als der außerhalb
des Reaktionsbereichs herrschende Druck, werden zwei wichtige Ergebnisse
erzielt. Einerseits wird verhindert, dass aggressive Reaktivgase
aus dem Reaktionsbereich in die Außenkammer gelangen. Andererseits
wird verhindert, dass Verunreinigungen in den Reaktionsbereich gelangen.
In einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Reaktionsbereich
von Wärmedämmelementen umschlossen ist, die so
gestaltet sind, dass die Werkstücke in den von den Wärmedämmelementen
umschlossenen Bereich hinein und daraus heraustransportiert werden
können. Derartige Wärmedämmelemente sind
vorzugsweise aus Materialien gefertigt, die sehr hohen Temperaturen
standhalten können und sich gegenüber Prozessgasen
inert verhalten. Es kann sich dabei beispielsweise um Platten oder Formteile
aus keramischen Materialien handeln.
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Im
Hinblick auf die Beheizung des Reaktionsbereichs ist es nicht unbedingt
notwendig, dass die Wärmedämmelemente so gasdicht
miteinander verbunden sind, dass sie eine Reaktionskammer bilden.
Es ist ausreichend, dass die Wärmedämmelemente
so zusammenwirken, dass ein großer Teil der durch die Mittel
zur Beheizung erzeugte Wärme im Reaktionsbereich verbleibt.
Es ist technisch auch nur eingeschränkt möglich,
die Wärmeisolierung so dicht auszuführen, dass
eine Gasdichtigkeit gewährleistet werden kann. Eine Vielzahl
von Durchbrüchen im Isoliermantel für Transportbauteile,
Heizungsdurchführungen, Gasdurchführungen, Absaugöffnungen, Pyrometeröffnungen,
etc. sind mit technischen Mitteln nur unvollkommen abzudichten.
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Zur
Beheizung der Prozesszone werden üblicherweise Heizkörper
eingesetzt, die der Prozessgasatmosphäre widerstehen können,
wenn diese Heizkörper mit aggressiven Prozessgasen in Berührung
kommen. Beispielsweise können elektrische Widerstandheizer
mit Quarzmantel eingesetzt werden. Konventionelle Mantelrohrheizer
oder ähnliche Heizeinrichtungen können hingegen
nur eingesetzt werden, sofern diese vor aggressiven Prozessgasen geschützt
werden können.
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Daher
wird bei einem Verfahren zur Diffusionsbehandlung von Werkstücken
in einem von einer Außenkammer umgebenen evakuierbaren
Reaktionsbereich, in welchem ein Reaktionsgasstrom über die
beheizte Werkstückoberfläche geleitet wird, vorgeschlagen, über
die zur Beheizung des Werkstücks verwendete Heizeinrichtung
einen Inertgasstrom zu lenken. Wenn es sich bei der Heizeinrichtung
um einen Flächenheizer handelt, dessen Oberfläche
der zu beheizenden Oberfläche des Substrats entspricht, kann
der Inertgasstrom durch Düsen oder andere geeignete Mittel
möglichst gleichmäßig, beispielsweise als
laminare Strömung über die Oberfläche
geleitet werden. Es sind jedoch Ausgestaltungen möglich, bei
denen die Heizeinrichtung selbst als Strömungsleitelement
ausgebildet ist, beispielsweise als ein Hohlzylinder, der Wärme
erzeugt und durch den das Inertgas in den Reaktionsbereich geleitet
wird. In diesem Fall bewirkt die Heizeinrichtung, dass das Inertgas
aufgeheizt wird und so Wärme in den Reaktionsbereich einträgt.
Gleichzeitig bewirkt das Inertgas, dass die Oberfläche
der Heizeinrichtung von einem Inertgasstrom umspült wird
und so die Heizeinrichtung vor aggressiven Reaktivgasen geschützt
ist.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass zur Herstellung des Inertgasstroms Inertgas
in unmittelbarer Nähe der Heizeinrichtung eingelassen wird.
Auf diese Weise treten die geringsten Streuverluste auf und der
erzeugte Inertgasstrom kann die Heizeinrichtung ohne weitere Hilfsmittel
vollflächig umströmen. Alternativ oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass zur Herstellung des Inertgasstroms Inertgas
außerhalb einer die Heizeinrichtung zumindest teilweise
umgebenden Wandung eingelassen wird. Eine derartige Wandung kann
etwa die in der
deutschen
Patentanmeldung 10 2008 019 429.8 vorgeschlagene Umhüllung
des Reaktionsbereichs mit Wärmedämmelementen sein,
die, wie dort bereits beschrieben, selten vollständig gasdicht
ist. Insofern macht sich die Vorrichtung diese Undichtigkeit zunutze,
indem in den Raum zwischen der Behälterwand der Außenkammer
und dem durch die Wärmedämmelemente gebildeten
Heiztunnel ein Inertgas eingelassen wird, welches durch die konstruktiv
bedingten Öffnungen und Spalten in das Innere des Isoliermantels
gelangen und dort eine die Heizeinrichtung umspülende Inertgasströmung
erzeugen. Dadurch wird der Austritt von Prozessgas durch konstruktiv
bedingte Spalten aus dem Heiztunnel in den Raum zwischen Heiztunnel
und Behälterwand wirksam unterbunden. Dadurch wird auch
eine unerwünschte Verunreinigung der Bauteile außerhalb
des Heiztunnels unterbunden. Aufwendige Reinigungsarbeiten sowie
die Belastung des Personals mit Reaktions- und Zerfallsprodukten
wie z. B. Feinstaub bei Instandhaltungsarbeiten entfallen oder können
ganz erheblich reduziert werden.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass das Inertgas mittels Strömungsleitelementen
von den Mitteln zur Inertgaszufuhr zur Heizeinrichtung oder/und über
die Oberfläche der Heizeinrichtung gelenkt wird. In einer
weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Inertgasstrom räumlich
vom Reaktionsbereich abgeschirmt. Sind Strömungsleitelemente
vorhanden, um das Inertgas von den Mitteln zur Inertgaszufuhr zur
Heizeinrichtung oder/und über die Oberfläche der
Heizeinrichtung zu lenken, so kann die Abschirmung durch diese Strömungsleitelemente
realisiert sein. Anderenfalls sind weitere zusätzliche Blenden
oder andere geeignete Mittel zur Abschirmung vorzusehen. Um die
Prozessgasatmosphäre am Prozessort, d. h. im Reaktionsbereich,
kann die in den Heiztunnel einschießende Inertgasströmung
durch die Strömungsleitelemente so abgelenkt werden, dass
der Gasimpuls nicht mehr ausreicht, um in die Prozessgasatmosphäre
zwischen Halbleiterschicht und Gasdusche, d. h. den Reaktionsbereich über
der Oberfläche des Werkstücks, einzudringen.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die Evakuierung des Reaktionsbereichs
von der dem Reaktionsbereich abgewandten Seite der Heizeinrichtung
her erfolgt. Auf diese Weise werden Reste des Reaktivgases vom Reaktionsbereich
abgesaugt, ohne mit Bauteilen, die in der Umgebung des Reaktionsbereichs
angeordnet sind, in Berührung zu kommen. Wird das Inertgas
außerhalb einer den Reaktionsbereich zumindest teilweise
umgebenden Wandung eingelassen, so wird dieses ebenfalls aufgrund oben
beschriebenen Art der Absaugung zunächst über
die Heizeinrichtung geleitet und in der Folge direkt abgesaugt.
Diese erwünschten Effekte ergeben sich hinsichtlich des
Reaktionsgases aus dem Druckgefälle zwischen dem Reaktionsbereich,
d. h. dem Ort des Reaktionsgaseinlasses, und dem Ort der Evakuierung,
und hinsichtlich des Inertgases aus dem Druckgefälle zwischen
dem Ort des Inertgaseinlasses und dem Ort der Evakuierung. Damit
ergibt sich die Möglichkeit, alle durch den Betrieb anfallenden
Prozessgase, Restgase und Kontaminanten abzuführen. Ablagerungen
von unerwünschten Reaktions- und Zerfallsprodukten im gesamten
Raum innerhalb der Behälterwandungen werden durch die genannten
Maßnahmen unterbunden oder stark reduziert.
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Zur
Durchführung des Verfahrens wird bei einer Vorrichtung
zur Diffusionsbehandlung von Werkstücken, die eine Außenkammer
sowie innerhalb der Außenkammer mindestens einen Reaktionsbereich mit
Mitteln zur Evakuierung, Mitteln zur Zufuhr eines Reaktionsgases
und Mitteln zur Beheizung des Reaktionsbereichs umfasst, vorgeschlagen,
weiterhin Mittel zur Zufuhr eines Inertgases zur Erzeugung eines
Inertgasstroms über die Mittel zur Beheizung des Reaktionsbereichs
vorzusehen.
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Entsprechend
der beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens kann bei der Vorrichtung
vorgesehen sein, dass die Mittel zur Zufuhr eines Inertgases in
unmittelbarer Nähe der Mittel zur Beheizung des Reaktionsbereichs
angeordnet sind, oder/und dass weiterhin eine die Heizeinrichtung
zumindest teilweise umgebende Wandung vorgesehen ist und die Mittel
zur Zufuhr eines Inertgases außerhalb dieser Wandung angeordnet
sind.
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In
verschiedenen Ausgestaltungen der Vorrichtung kann weiter vorgesehen
sein, dass Strömungsleitelemente zum Lenken des Inertgases
zur Heizeinrichtung oder/und zum Lenken des Inertgases über
die Oberfläche der Heizeinrichtung vorgesehen sind. Diese
oder zusätzliche Strömungsleitelemente können
zwischen dem Inertgasstrom und dem Reaktionsbereich angeordnet sein.
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In
einer Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass auf
der dem Reaktionsbereich abgewandten Seite der Mittel zur Beheizung
des Reaktionsbereichs eine Saugöffnung für ein
Mittel zur Evakuierung des Reaktionsbereichs vorgesehen ist.
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Nachfolgend
wird die vorgeschlagene Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels
und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 einen
Längsschnitt durch eine Diffusionsvorrichtung, und
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2 einen
Querschnitt durch die Diffusionsvorrichtung aus 1.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und
einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
beispielhafte Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung
im Längsschnitt,
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2 die
Ausführungsform aus 1 im Querschnitt,
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3 eine
zweite Ausführungsform in einer Draufsicht,
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4 eine
dritte Ausführungsform in einer Draufsicht,
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5 eine
dritte Ausführungsform in einer Draufsicht.
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Die
Darstellung der verschiedenen Anlagenkomponenten ist in den Figuren
stark schematisiert und sollte in keiner Weise einschränkend
verstanden werden. Beispielsweise ist es dem Fachmann ohne weiteres
geläufig, wie die Mittel zur Beheizung der Reaktionsbereiche
gestaltet und angeordnet werden können, um eine möglichst
gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen.
Hierzu können beispielsweise die Mittel zur Beheizung flächig
ausgebildet sein. In analoger Weise ist es eine Routinearbeit für den
Fachmann, die Form und Anordnung der anderen Komponenten, wie der
Mittel zur Evakuierung, Mittel zur Gaszufuhr, Transporteinrichtung
usw. so zu gestalten, dass das gewünschte Ergebnis erzielt wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung
von Werkstücken, wie es in 1 und 2 dargestellt
ist, ist in einer Außenkammer 1 mit einer Eintrittsschleuse 13 und
einer Austrittsschleuse 14 ein Reaktionsbereich 2 zur Durchführung
eines Diffusionsprozesses angeordnet.
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Vor
und hinter dem Reaktionsbereich 2 sind Transferbereiche 16 gebildet.
Sie werden durch die jeweiligen vor und hinter dem Reaktionsbereich 2 liegenden
Abschnitte der Außenkammer 1 repräsentiert,
da die Außenkammer 1 selbst evakuiert ist.
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Zu
diesem Zweck sind in den Bereichen der Außenkammer 1,
die die Transferbereiche 16 bilden, Mittel zur Evakuierung 11 angeordnet.
Weiterhin sind in der Außenkammer 1 unmittelbar
vor und hinter dem Reaktionsbereich 2 Mittel zur Gaszufuhr 12 vorgesehen,
die so ausgebildet sind, dass im Bereich der Eintrittsöffnung
und Austrittsöffnung des Reaktionsbereichs 2 Gasauslässe
vorgesehen sind. Dadurch werden die Werkstücke vor und
nach dem Diffusionsprozess mit einem Spülgas gespült.
Die Mittel zur Evakuierung 11 und die Mittel zur Gaszufuhr 12 der
Außenkammer 1 sind getrennt und unabhängig voneinander
steuerbar. Die Verunreinigung der im Reaktionsbereich 2 gebildeten
Prozessatmosphäre wird dadurch verhindert, dass der in
dem Reaktionsbereich 2 erzeugte Druck größer
ist als der in den Transferbereichen 16 herrschende Druck.
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Der
Reaktionsbereich 2 ist von einem oberen Wärmedämmelement 4 und
einem unteren Wärmedämmelement 4 so umschlossen,
dass die Werkstücke in den von ihnen umschlossenen Bereich
hinein und daraus heraustransportiert werden können. Der darin
gebildete Reaktionsbereich 2 weist getrennt und unabhängig
voneinander steuerbare Mittel zur Evakuierung 21 und Mittel
zur Gaszufuhr 22 auf. Innerhalb des von den Wärmedämmelementen 4 umschlossenen
Bereichs sind weiterhin Mittel zur Beheizung 23 des Reaktionsbereichs 2 angeordnet. Über die
zur Beheizung des Werkstücks 5 verwendete Heizeinrichtung 23 wird
mittels eines weiteren Mittels zur Gaszufuhr 24 ein Inertgasstrom
gelenkt. Der Inertgasstrom wird dabei durch Düsen gleichmäßig
als laminare Strömung über die Oberfläche
der Heizeinrichtung 23 geleitet. Das Inertgas, das die
Oberfläche der Heizeinrichtung 23 umspült,
schützt die Heizeinrichtung vor aggressiven Reaktivgasen.
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Der
Reaktionsbereich 2 bildet sich zwischen der Oberfläche
des zu behandelnden Werkstücks 5 und dem oder
den darüber angeordneten, flächig ausgebildeten
Mitteln zur Gaszufuhr 22 aus. Das zu behandelnden Werkstück 5 wird
auf einer Substratebene durch die Vorrichtung bewegt. Unterhalb
dieser Substratebene sind Mittel zur Beheizung 23 angeordnet,
die im Ausführungsbeispiel als Flächenstrahler ausgeführt
sind. Weiterhin sind, ebenfalls unterhalb der Substratebene, Mittel
zur Evakuierung 21 angeordnet, die die aus dem Reaktionsbereich 2 über
die Ränder des Werkstücks 5 strömenden
Gase absaugen. Der von den Mitteln zur Gaszufuhr 22 und
der Oberfläche des Werkstücks 5 gebildete
Reaktionsbereich 2 sowie die Mittel zur Beheizung 23 sind
insgesamt von mehreren plattenförmigen, aus einem keramischen
Material gebildeten Wärmedämmelementen 4 umschlossen,
die auf diese Weise einen Heiztunnel bilden, der den Verlust der
Wärme, die durch die Mittel zur Beheizung erzeugt werden,
vermindert. Diese Wärmedämmelemente 4 sind
jedoch nicht so zueinander angeordnet, dass dadurch eine gasdichte
Reaktionskammer gebildet wird.
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Weiterhin
ist eine Transporteinrichtung 15 zum Transport der Werkstücke
durch die Vorrichtung vorgesehen, die eine Anordnung hintereinander
liegender Transportwalzen aus einem keramischen Material umfasst,
deren oberste Mantellinien die Substratebene definieren. Die Transporteinrichtung 15 erstreckt
sich durch die gesamte Außenkammer 1 und durch
den Reaktionsbereich 2, wobei die im Reaktionsbereich 2 liegenden
Transportwalzen der Transporteinrichtung 15 den von den
Wärmedämmelementen umschlossenen Raum durchdringen,
so dass auf ihnen die zu behandelnden Werkstücke durch
den Reaktionsbereich 2 transportiert werden können.
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Bei
der Draufsicht auf die Ausführungsbeispiele der Vorrichtung
in den 3 bis 5 wurde aus Übersichtlichkeitsgründen
auf die Darstellung einiger Komponenten der Vorrichtung verzichtet,
um den prinzipiellen Aufbau der Reaktionsbereiche 2 innerhalb
der Außenkammer 1 zu verdeutlichen.
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In 4 ist
eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Diffusionsbehandlung
von Werkstücken gezeigt, bei der, ähnlich wie
bei der Vorrichtung aus den 1 und 2,
zwei Reaktionsbereiche 2 linear hintereinander angeordnet
sind. Allerdings ist diese Vorrichtung modular aufgebaut. Jeder
Reaktionsbereich 2 ist in einer eigenen Außenkammer 1 angeordnet.
Jede Außenkammer 1 verfügt vor dem jeweiligen
Reaktionsbereich 2 über einen Bereich, der im Betrieb
der Vorrichtung als Transferbereich 16 wirkt. Die Außenkammern 1 sind
so miteinander verbunden, dass sie gemeinsam einen Vakuumbehälter
bilden, zu dem weiterhin ein an die zweite Außenkammer 1 anschließender,
separater Transferbereich 3 gehört. Die Eingangsschleuse 13 der
Vorrichtung ist am vorderen Ende der ersten Außenkammer 1 angebracht,
während die Ausgangsschleuse 14 am Ende des separaten
Trans ferbereichs 3 angebracht ist.
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Der
modulare Aufbau ermöglicht eine flexible Konfiguration
der Vorrichtung, wobei selbstverständlich auch Vorrichtungen
mit nur einer oder mehr als zwei Reaktionsbereichen 2 möglich
sind. In gleicher Weise kann die Anordnung der Transferbereiche 3, 16 variiert
werden oder einzelne Transferbereiche 3, 16 vergrößert
oder weggelassen werden. Die Transferbereiche 16 können
auch ausschließlich als separate Transferkammern 3 ausgeführt
sein, so dass jede Außenkammer 1 nur unwesentlich
größer ist als der darin angeordnete Reaktionsbereich 2.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel in 3 handelt
es sich wiederum um die Anordnung zweier Reaktionsbereiche 2 innerhalb
einer gemeinsamen Außenkammer 1, wobei jedoch
die Reaktionsbereiche 2 nebeneinander angeordnet sind,
so dass zwischen den Reaktionsbereichen 2 ein Wechsel der
Transportrichtung der Substrate erfolgt. Dadurch sind die Eingangsschleuse 13 und
die Ausgangsschleuse 14 der Vorrichtung nebeneinander auf
derselben Seite der Außenkammer 1 angeordnet.
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In ähnlicher
Weise sind bei dem Ausführungsbeispiel in 5 drei
Reaktionsbereiche 2 innerhalb einer gemeinsamen Außenkammer 1 nebeneinander
angeordnet, so dass zwischen dem ersten und zweiten Reaktionsbereich 2 und
zwischen der zweiten und dritten Reaktionsbereich 2 ein
Wechsel der Transportrichtung der Substrate erfolgt. Dadurch sind
bei diesem Ausführungsbeispiel die Eingangsschleuse 13 und
die Ausgangsschleuse 14 der Vorrichtung an gegenüberliegenden
Seiten der Außenkammer 1 angeordnet.
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- 1
- Außenkammer
- 11
- Mittel
zur Evakuierung
- 12
- Mittel
zur Gaszufuhr
- 13
- Eingangsschleuse
- 14
- Ausgangsschleuse
- 15
- Transporteinrichtung
- 16
- Transferbereich/Transferkammer
- 2
- Reaktionsbereich/Reaktionskammer
- 21
- Mittel
zur Evakuierung
- 22
- Mittel
zur Gaszufuhr
- 23
- Mittel
zur Beheizung
- 24
- Mittel
zur Gaszufuhr
- 3
- separate
Transferkammer
- 4
- Wärmedämmelement
- 5
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008019429 [0003, 0007]