Auskleidungs- oder Reflektormaterial für

Hochtemperaturanwendungen

Beschreibung

Gebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft ein Auskleidungs- oder

Reflektormaterial für Hochtemperaturanwendungen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Auskleidungsmaterial für

Hochtemperaturanwendungen, welches einer chemisch

aggressiven Atmosphäre ausgesetzt ist.

Hintergrund der Erfindung:

Die Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. Modulen auf Verbundhalbleiter-Basis ist in ihrem Kernprozess, der Absorberherstellung, häufig mit Temperaturen von 400 bis 800 °C unter Selen- und/oder Schwefel-haltiger Atmosphäre verbunden. Die Beheizung derartiger Anlagen erfolgt in der Regel mittels keramischer Heizelemente. Insbesondere im Bereich dieser Heizelemente sind die Temperaturen der Anlage besonders hoch, so dass es hier verstärkt zu korrosiven Angriffen des Heizelementes selbst oder der Auskleidung, welche an das Heizelement angrenzt, kommen kann .

BEStÄTJGÜNGSKOPIE In der Praxis wird als Auskleidungsmaterial in der Regel Edelstahl oder Keramik verwendet. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialien im Zusammenspiel korrosiver Angriff und hoher Temperatur in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen und mithin als Verbrauchsmaterial zu sehen sind .

Es werden somit nicht nur hohe Kosten durch den

erforderlichen Austausch des Auskleidungsmaterials

verursacht, sondern es kann aufgrund des korrosiven

Angriffs und der damit einhergehenden Zersetzung des

Auskleidungsmaterials auch zu Verunreinigungen der

hergestellten Halbleiter-Bauelemente, wie beispielsweise Absorberschichten von Solarzellen kommen.

Aufgabe der Erfindung:

Der Erfindung liegt dem gegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Auskleidungs- oder Reflektormaterial bereitzustellen, bei dem die genannten Nachteile des Standes der Technik

reduziert sind.

Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein

Auskleidungs- oder Reflektormaterial bereitzustellen, welches die Eigenschaft aufweist, Infrarotstrahlung zu reflektieren, und welches gegenüber bekannten

Auskleidungsmaterialien eine erhöhte Beständigkeit

aufweist . Zusammenfassung der Erfindung:

Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch ein

Auskleidungs- oder Reflektormaterial für

Hochtemperaturanwendungen sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Auskleidungs- oder Reflektormaterials nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Besondere Ausführungsformen und Weiterbildungen der

Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung betrifft ein Auskleidungs- oder

Reflektormaterial für Hochtemperaturanwendungen, welches insbesondere für Öfen vorgesehen ist.

Unter Hochtemperaturanwendungen werden Einsatztemperaturen von über 200 °C, vorzugsweise von über 400 °C verstanden.

Das erfindungsgemäße Material ist sowohl als

Auskleidungsmaterial, beispielsweise in Form von Scheiben oder Kacheln, mit denen die Wand einer Anlage belegt wird, vorgesehen, als auch als Reflektormaterial, beispielsweise zur Auskleidung eines keramischen Heizstrahlers.

Es versteht sich, dass dieses Material sowohl in planer Ausführung, als auch in gebogener Form oder in Form eines beispielsweise parabolisch ausgebildeten Reflektors

bereitgestellt werden kann. Ebenso kann das Material auch Aussparungen aufweisen, wie beispielsweise Bohrlöcher, Durchführungen oder ähnliches. Das Material weist vorzugsweise eine Dicke von größer 1 mm auf, besonders bevorzugt eine Dicke von 1,5 bis 2 mm.

Das erfindungsgemäße Auskleidungs- oder Reflektormaterial umfasst ein Glaskeramiksubstrat. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Null-Ausdehnungsmaterial, welches zur Verwendung im Hochtemperaturbereich geeignet ist.

Beispielsweise kann eine Glaskeramik mit folgender

Zusammensetzung verwendet werden:

60 ^■ - 73,0 Gew . vorzugsweise 50 - 75 Gew.% Si0 ₂

15 ^■ - 25,0 Gew . A1 ₂ 0 ₃ ,

2,2 - 5,0 Gew .— 'S Li ₂ 0,

0 - 5,0 Gew. CaO + SrO + BaO,

0 - 5,0 Gew . Ti0 ₂ ,

0 - 5,0 Gew . 6 Zr0 ₂ ,

0 - 4,0 Gew . ZnO,

0 - 3,0 Gew . Sb ₂ 0 ₃ ,

0 - 3,0 Gew . MgO,

0 - 3,0 Gew. Sn0 ₂ ,

0 - 2,0 Gew . ^p ₂ o ₅ ,

0 - 1,5 Gew . As ₂ 0 ₃ ,

0 - 1,2 Gew . Na ₂ 0 + K ₂ 0, wobei die jeweiligen

Anteile innerhalb der nachfolgend

angegebenen Bereiche liegen:

0 - - ι,ο Gew . Na ₂ 0,

0 - - 0,5 Gew. ^— "5 K ₂ 0 und

0 - - 1,0 Gew. färbende Oxide,

optional Läutermittel wie Sb ₂ 0 ₃ , As ₂ 0 ₃ , Sn0 ₂ , Ce ₂ 0 ₃ , Fluor und/oder Brom. Auf dem Glaskeramiksubstrat ist eine die Infrarotstrahlung reflektierende Schicht aufgebracht. Diese Beschichtung ermöglicht es zum einen, das erfindungsgemäße Material als Reflektormaterial zur Auskleidung eines beispielweise keramischen Strahlers zu verwenden, zum anderen kann das erfindungsgemäße Material auch zur Auskleidung der gesamten Anlage, vorzugsweise eines Ofens, verwendet werden. Hier ist es von Vorteil, dass bei bestehenden Anlagen die

Heizleistung der Keramikstrahler durch die in den Innenraum reflektierte IR-Strahlung abgesenkt werden kann, ohne dass der Energieeintrag in die herzustellenden Bauelemente reduziert wird.

Aufgrund der somit verringerten Heizleistung weisen

Keramikstrahler eine signifikant erhöhte Lebensdauer auf.

Unter einer Infrarotstrahlung reflektierenden Schicht wird eine Schicht verstanden, deren Material die Eigenschaft hat, in einem Wellenlängenbereich von 1100 bis 2000 nm einen Reflektionsgrad von 50% oder mehr aufzuweisen.

Weiter ist auf der reflektierenden Schicht eine

Barriereschicht als Schutz gegenüber Oxidation oder

chemischem Angriff aufgebracht. Diese Barriereschicht schützt also die Infrarotstrahlung reflektierende Schicht und/oder das Substrat vor Oxidation und korrosivem Angriff.

Die Barriereschicht ist für Strahlung im Infrarotbereich im Wesentlichen durchlässig. So beträgt das Verhältnis des Reflektionsgrads der Infrarot-Stahlung reflektierenden Schicht zu der Barriereschicht im Wellenlängenbereich zwischen 800 und 2000 nm im Mittel mehr als 2, vorzugsweise mehr als 3 und besonders bevorzugt mehr als 5.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis des Reflektionsgrads der Infrarot-Stahlung reflektierenden Schicht zu der Barriereschicht im gesamtem Wellenlängenbereich zwischen 1100 und 2000 nm, bevorzugt zwischen 800 und 2000 nm, mehr als 2, vorzugsweise mehr als 3 und besonders bevorzugt mehr als 5.

Für die Barriereschicht können Materialien verwendet werden, welche im Infraroten zwar nur einen geringen

Reflexionsgrad aufweisen, gegenüber chemischen Angriffen bei hoher Temperatur aber eine gute Beständigkeit

aufweisen .

Das erfindungsgemäße Material ist inert und gibt

insbesondere keine Halbleitergifte in die Ofenatmosphäre ab. Dies gilt vorzugsweise ebenso für das die

Infrarotstrahlung reflektierende Material als auch für die darüber angeordnete Barriereschicht. Aufgrund der genannten Barriereschicht ist die Beständigkeit des erfindungsgemäßen Materials auch bei Hochtemperaturanwendungen in chemisch aggressiver Atmosphäre wesentlich erhöht, so dass dessen Einsatzzeit gegenüber herkömmlichen Materialien verlängert werden kann und die Abstände der Servicezeit, d.h. der Zeitspanne bis zum Austausch des Auskleidungsmaterials, deutlich erhöht werden können.

Vorzugsweise ist die Infrarotstrahlung reflektierende

Schicht direkt auf dem Keramiksubstrat und die

Barriereschicht direkt auf der die Infrarotstrahlung reflektierenden Schicht angeordnet. Es versteht sich aber, dass das erfindungsgemäße Material noch weitere Schichten umfassen kann, beispielsweise Zwischenschichten, welche der besseren Anhaftung der Schichten dienen.

Vorzugsweise bildet die Barriereschicht die äußerste

Schicht einer Verbundkomponente, bestehend aus

Verbundmaterial und darauf aufgebrachten Schichten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Barriereschicht ein Nitrid, insbesondere besteht die Barriereschicht im Wesentlichen aus einem Nitrid.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass Nitridschichten eine besonders gute Barrierewirkung bei hohen Temperaturen und chemischen Angriffen, insbesondere durch Sauerstoff, Schwefel oder Selen haben. Als Barriereschichten werden in der Regel Schichten mit einem Porositätsgrad von weniger als 1% (errechnete Porosität) verwendet.

Üblicherweise bietet sich ein Oxid, insbesondere

Siliziumoxid als geeignetes Material für Barriereschichten bei den genannten korrosiven Materialien an. Die Erfinder haben aber herausgefunden, dass oxidische Schichten, insbesondere solche aus Siliziumoxid, dazu führen, dass das System insbesondere bei Temperaturen größer 700 °C

degradiert, wohingegen bei der Verwendung einer

Nitridschicht sich die Infrarotstrahlung reflektierenden Eigenschaften auch bei einer thermischen Belastung von 700°C und größer nur unwesentlich ändern. Insbesondere ist die Verwendung Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Aluminiumnitrid, Titanaluminiumnitrid und/oder Zirkonnitrid vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Infrarotstrahlung reflektierende Schicht Titannitrid verwendet .

Titannitrid ist ein inertes Material, welches

Schichtdicken-abhängig ab dem sichtbaren Spektralbereich, d.h. ab einer Wellenlänge von 500 nm, Strahlung

reflektieren kann. Im Infraroten kann der Reflektionsgrad 70 bis 80% erreichen. Die Infrarotstrahlung reflektierende Schicht weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Dicke zwischen 20 und 500 nm, vorzugsweise zwischen 50 und

200 nm, auf. Es hat sich gezeigt, dass bereits eine 100 nm dicke Schicht ausreicht, um einen Reflektionsgrad im Infraroten von etwa 70% zu erreichen.

Noch dickere Schichten, beispielsweise von 400 nm und mehr, führen zu einem nochmals verbesserten Reflektionsgrad von etwa 80%, sind aber naturgemäß in der Herstellung

wesentlich aufwendiger und mit höheren Kosten verbunden.

Die Barriereschicht kann eine Dicke zwischen 5 und 500 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 100 nm, aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass bereits relativ dünne Nitridschichten von beispielsweise 30 nm die darunter liegende Infrarotstrahlung reflektierende Schicht ausreichend vor korrosiven Angriffen schützen, ohne dabei die optischen Eigenschaften einer TiN-Schicht im Infraroten zu

beeinflussen .

Durch die Erfindung kann ein Auskleidungs- oder

Reflektormaterial bereitgestellt werden, welches auch nach einer Temperaturbelastung von mindestens 700 °C über 24 Stunden im Infrarot-Wellenlängenbereich, insbesondere ca. 1100 bis 2000 nm, einen Reflektionsgrad von über 50% aufweist .

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Auskleidungs- oder Reflektormaterial, insbesondere mit einem oder mehreren vorstehend beschriebenen Merkmalen, welches ein

Glaskeramiksubstrat umfasst, auf das eine Infrarotstrahlung reflektierende Schicht aus Titannitrid aufgebracht ist.

Erstaunlicherweise zeigte sich, dass durch die Verwendung eines Glaskeramiksubstrats mit einer Titannitridschicht sich ein Auskleidungsmaterial für

Hochtemperaturanwendungen, insbesondere bei der Produktion von Halbleiterbauelementen, bereitstellen lässt, durch das die Heizleistung, welche für den Betrieb einer derartigen Anlage erforderlich ist, reduziert werden kann.

Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines zuvor beschriebenen Auskleidungs- oder Reflektormaterials in einer korrosiven Atmosphäre von Temperaturen über 400°C, vorzugsweise über 550 °C. Insbesondere wird das Auskleidungs- oder Reflektormaterial in einer Chalcogen-haltigen, wie beispielsweise Schwefel und/oder Selen, Atmosphäre verwendet, wie sie

beispielsweise bei der Produktion von

Dünnschichtsolarzellen auf Verbundhalbleiter-Basis

verwendet wird.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur

Herstellung eines Auskleidungs- oder Reflektormaterials. Dabei wird zunächst ein Glaskeramiksubstrat bereitgestellt und auf dieses Glaskeramiksubstrat eine Infrarotstrahlung reflektierende Nitridschicht, insbesondere eine

Titannitridschicht , abgeschieden . Das Abscheiden erfolgt mittels eines PVD- oder CVD-

Verfahrens, vorzugsweise mittels eines Sputterverfahrens , besonders geeignet ist die Magnetron-Sputtertechnologie.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die

Nitridschicht in einem Vakuumprozess bei einer

Substrattemperatur von über 300 °C abgeschieden.

Erstaunlicherweise zeigte sich, dass so eine dichte, d.h. eine geringe Porosität aufweisende, Schichtstruktur

entsteht, in welche nur wenige Fremdstoffe, insbesondere Sauerstoff, eindiffundieren können. Die Nitridschicht hat vorzugsweise einen Porositätsgrad (errechnete Porosität) von weniger als 1%. Vorzugsweise erfolgt das Abscheiden bei hoher Ionenenergie, auf die Targetfläche des zu sputternden Materials bezogen, von größer als 5 W/cm ² , bevorzugt größer als 15 W/cm ² . Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird auf der

Nitridschicht eine Barriereschicht abgeschieden,

insbesondere eine Barriereschicht wie zuvor beschrieben.

Das Abscheiden der Barriereschicht erfolgt mittel PVD-, CVD- Verfahren oder, insbesondere im Falle einer Oxidenthaltenden Schicht, über die Flüssigphase, vorzugsweise ebenfalls mittels eines Sputterverfahrens und vorzugsweise bei einer Substrattemperatur von über 200 °C, besonders bevorzugt über 350 °C.

Als Barriereschicht wird vorzugsweise eine Nitridschicht verwendet. Es versteht sich, dass es sich dabei nicht um die gleiche Nitridschicht handelt, welche zur Reflektion von Infrarotstrahlung verwendet wird, wie beispielsweise Titannitrid, sondern dass es sich um eine in der Regel gegenüber Infrarotstrahlung transparentere Schicht aus einem Nitrid oder Oxinitrid handelt, d.h. mit einem im IR- Wellenlängenbereich signifikant niedrigerem

Reflektionsgrad, insbesondere mindestens 10% niedriger, besonders bevorzugt 40% niedriger als die die IR-Strahlung reflektierende Schicht. Die Barriereschicht umfasst ein weiteres, von der IR-reflektierenden Schicht verschiedenes Element.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen: Die Erfindung soll im Folgenden Bezug nehmend auf

schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 erläutert werden. Fig. 1 zeigt, schematisch dargestellt, ein Auskleidungsoder Reflektormaterial. Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, wie ein erfindungsgemäßes Reflektormaterial hergestellt wird.

Fig. 3 zeigt Reflexionskurven verschiedener

Auskleidungsmaterialien in einem Wellenlängenbereich zwischen 800 und 2000 nm.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt, schematisch dargestellt, ein Auskleidungs- oder Reflektormaterial 1.

Das Auskleidungs- oder Reflektormaterial 1 umfasst ein Glaskeramiksubstrat 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Glaskeramiksubstrat 2 als plane Scheibe ausgebildet und somit insbesondere zur Auskleidung einer Anlage vorgesehen. Auf dem Glaskeramiksubstrat 2 ist eine etwa 100 nm dicke Titannitridschicht abgeschieden, welche als

Infrarotstrahlung reflektierende Schicht dient. Zum Schutz der Titannitridschicht 3 ist auf die Titannitridschicht 3 eine etwa 30 nm dicke Barriereschicht 4 aus Siliziumnitrid abgeschieden .

Das so bereitgestellte Verbundmaterial gewährleistet so in einem Wellenlängenbereich zwischen 1100 und 2000 nm stets eine Reflektion von mindestens 50% und eignet sich auch zum Hochtemperatureinsatz bei Temperaturen von 400 °C und höher und zum Einsatz in chemisch korrosiver Atmosphäre. Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, wie das Auskleidungs- oder Reflektormaterial hergestellt wird. Zunächst wird ein Glaskeramiksubstrat, beispielsweise in Form einer Glaskeramikscheibe, bereitgestellt 5. Sodann wird, insbesondere mittels eines Magnetron- Sputterverfahrens, eine Titannitridschicht abgeschieden 6. Das Abscheiden der Titannitridschicht erfolgt im Vakuum bei Substrattemperaturen von über 350 °C. So wird erreicht, dass eine dichte, d.h. eine geringe Porosität aufweisende, Titannitridschicht entsteht. Dadurch wird die Eindiffusion von Fremdatomen beziehungsweise -ionen, insbesondere

Sauerstoff, in den nachfolgenden Prozessen, insbesondere bei Temperaturen über 400 °C, in diese Schicht stark reduziert. Die Eindiffusion von Sauerstoff in die

Titannitridschicht hätte die die Folge, dass sich

beispielsweise deren reflektierende Eigenschaften

signifikant verschlechtern würden.

Sodann wird auf die Titannitridschicht eine

Siliziumnitridschicht abgeschieden 7, welche als

Barriereschicht vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt die Reflektion verschiedener Auskleidungsoder Reflektormaterialien, wobei die Wellenlänge in nm (x- Achse 8) gegen den Reflektionsgrad in % (y-Achse 9)

aufgetragen ist.

Kurve 10 zeigt den Reflektionsverlauf des zuvor

beschriebenen Auskleidungs- oder Reflektormaterials mit einer Titannitridschicht, auf der sich als Barriereschicht eine Siliziumnitridschicht befindet.

Die Kurve 10 zeigt den Reflektionsverlauf dieses Materials im Ausgangszustand, wohingegen die Kurve 11 den

Reflektionsverlauf des Materials zeigt, welches über 24 Stunden einer Temperatur von über 700 °C ausgesetzt wurde.

Zu erkennen ist, dass der Reflektionsgrad bei einer

Wellenlänge von 1100 nm bei über 50% liegt und bis 2000 nm kontinuierlich auf etwa 70% ansteigt.

Des Weiteren ist zu erkennen, dass sich der Reflektionsgrad der temperaturbehandelten Schicht 11 sogar noch gegenüber . dem Ausgangszustand leicht verbessert hat. Die Bandkante des Materials verschiebt sich durch eine solche

Temperaturbehandlung nicht, d.h. die

Reflektionseigenschaften des Materials bleiben - abgesehen von der oben erwähnten leichten Verbesserung durch eine Verdichtung der Schicht - auch bei hohen Temperaturen erhalten, was für dieses Material eine notwendige Bedingung für eine Anwendung als Auskleidungsmaterial ist und es dafür prädestiniert. Der hier gezeigte Verlauf wurde nach thermischer Behandlung des Materials bei Atmosphäre (Luft) aufgenommen, das erfindungsgemäße Material ist insbesondere auch zum Einsatz in chemisch aggressiven Atmosphären geeignet. Kurve 12 zeigt den Reflektionsverlauf eines Auskleidungsoder Reflektormaterials, welches lediglich mit einer

Titannitridschicht versehen ist. Zu erkennen ist, dass der Reflektionsgrad gegenüber den Kurven 10 und 11 etwas höher liegt, bereits bei 800 nm mehr als 70% erreicht und bis zu 2000 nm stets über 70% liegt.

Kurve 13 zeigt den Reflektionsverlauf dieses Materials, nachdem es über 14 Stunden einer Temperatur von 500 °C bei Atmosphäre ausgesetzt wurde. Zu erkennen ist, dass die Schicht aufgrund der fehlenden Barriereschicht deutlich degradiert ist und der

Reflektionsgrad bei einer Wellenlänge von 1100 nm bei lediglich 30%liegt. Dieses Material ohne Barriereschicht eignet sich somit weniger für Hochtemperaturanwendungen in korrosiver

Atmosphäre .

Kurve 14 zeigt den Reflektionsverlauf eines

Auskleidungsmaterials mit einer Titannitridschicht als

Infrarotstrahlung reflektierende Schicht, auf welcher eine Siliziumoxidschicht aufgebracht wurde, nach einer

Temperaturbelastung von 700 °C über 24 Stunden. Zu erkennen ist, dass das System keine hinreichende Wirkung mehr zeigt. Der Reflektionsgrad liegt im gesamten

Wellenlängebereich zwischen 800 und 2000 nm lediglich bei etwa 10%. Siliziumoxid ist somit als Barriereschicht für Hochtemperaturanwendungen auf Titannitrid, insbesondere bei korrosiver Atmosphäre ungeeignet. Durch die Erfindung kann ein hochtemperaturfestes

Auskleidungs- oder Reflektormaterial bereitgestellt werden, welches auch in chemisch aggressiver Atmosphäre beständig ist .

Bezugszeichenliste :

1 Auskleidungs- oder Reflektormaterial

2 Glaskeramiksubstrat

3 Titannitridschicht

4 Barriereschicht

5 Glaskeramiksubstrat bereitstellen

6 Titannitridschicht abscheiden

7 Siliziumnitridschicht abscheiden 8 x-Achse

9 y-Achse

10-14 Reflektionsverläufe