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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Substratträger zur Aufnahme wenigstens eines Substrates und zur Bearbeitung von Substraten in einer Durchlauf-Anlage, insbesondere einer PECVD-Beschichtungsanlage zur Beschichtung mehrerer in Zeilen und in Spalten auf dem Substratträger angeordneter Solarwafer, wobei die Durchlauf-Anlage mehrere Substratträger nacheinander durchlaufen, wobei der Substratträger einen im Wesentlichen zweidimensionalen Gitterrost aufweist, und wobei zwischen Profilen des Gitterostes jeweils ein teilweise offenes Substratnest zur Aufnahme eines Substrates ausgebildet ist.
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Solche Substratträger werden beispielsweise in Durchlaufanlagen zur Beschichtung von Solarzellen verwendet. Auf planaren, annähernd zweidimensionalen Substratträgern sind in verschiedenen Ausführungen beispielsweise 5 x 6 = 30 oder 6 x 7 = 42 Substrate in Form von Solarwafern platziert. Beim Betrieb der Durchlaufanlage zur Produktion beschichteter Substrate werden mehrere Substratträger in einer Reihe hintereinander durch die Durchlaufanlage durchgefahren. Verschiedener Abschnitte bzw. einzelner Kammern der Durchlaufanlage sind regelmäßig durch Kammerventile, die auch als Gate-Ventile bezeichnet werden, voneinander abtrennbar, wobei die Verwendung von Gate-Ventilen konstruktiv einen Abstand zwischen zwei Substratträgern erforderlich macht. In einer Bearbeitungskammer angeordnete Bearbeitungswerkzeuge, beispielsweise Mikrowellenplasmaquellen zur plasmagestützten Gasphasenabscheidung (PECVD), werden hingegen kontinuierlich betrieben. Bei Lücken zwischen zwei Substratträgern laufen die Bearbeitungswerkzeuge weiter.
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Die Ressourcen der Durchlaufanlage und der Bearbeitungsquelle werden zu einem Zeitpunkt nur dann optimal ausgenutzt, wenn gerade Substrate bearbeitet werden. Wenn jedoch gerade breite Ränder eines Substratträgers oder Lücken zwischen zwei Substratträgern an dem Bearbeitungswerkzeug vorbeifahren, erfolgt kurzzeitig keine unmittelbare Substratbearbeitung. Um trotz der Lücke zwischen zwei Substratträgen bei aktivem Bearbeitungswerkzeug die Bearbeitungswirkung des Bearbeitungswerkzeugs weitgehend auf den geplanten Bearbeitungsbereich, beispielsweise die Vorderseite eines Solarwafers, zu begrenzen, ist in der Regel eine gewisse Mindestbreite des Substratträgers an seinem vorderen und hinteren Rand erforderlich. Substratoberflächen, für die keine Bearbeitung durch das Bearbeitungswerkzeug vorgesehen ist, beispielsweise die Rückseiten von Solarwafern, sollen hingegen von dem Bearbeitungswerkzeug abgeschirmt werden. Bei zu schmalen Rändern kann es hingegen zu einem Umgriff der Bearbeitungswirkung auf die dem Bearbeitungswerkzeug abgewandte Seite des Substrates und einer davon verursachten Qualitätsminderung kommen. Praktisch wird teilweise ein Kompromiss zwischen einer hohen Anlagenauslastung bei schmalen Rändern des Substratträgers und einer hohen Qualität durch homogene Substratbearbeitung bei breiten Rändern des Substratträgers eingestellt, wobei ein höherer Durchsatz der Durchlaufanlage mit Qualitätseinbußen erkauft wird. Beispielsweise sind die vordere und die hintere Reihe von Solarwafern so inhomogen beschichtet, dass diese einen nachfolgenden Qualitätstest nicht bestehen und als minderwertige Produkte eingestuft werden müssen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Substratträger vorzuschlagen, der einen hohen Durchsatz der den Substratträger einsetzenden Durchlauf-Anlage bei gleichzeitig hoher Bearbeitungsqualität ermöglicht.
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Die Aufgabe wird von einem Substratträger gelöst, bei dem der Gitterrost ein in einer Durchlaufrichtung des Substratträgers in der Durchlaufanlage betrachtet vorderes schmales Randprofil und/oder ein schmales hinteres Randprofil aufweist, wobei sich die Randprofile des zweidimensionalen Gitterrostes in der Durchlaufrichtung vor einer äußeren vorderen Substratkante und nach einer äußeren hinteren Substratkante erstrecken, und wobei der Substratträger wenigstens ein von dem zweidimensionalen Gitterrost insbesondere in eine dritte Dimension vorspringendes und sich lateral entlang des vorderen und/oder hinteren Randprofils erstreckendes Abschirmelement aufweist.
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Die Bezeichnungen vorderes Randprofil und hinteres Randprofil ergeben sich aus der Lage des Substratträgers bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung in einer Durchlaufanlage entlang der darin vorgenommenen Durchlaufrichtung. Der Substratträger, auf den sich die Erfindung bezieht, ist keine geschlossene Platte sondern ein durchbrochener Gitterrost, bei dem die Substratnester nicht geschlossen sind, sondern Öffnungen zwischen Profilen des Gitterrostes aufweisen, sodass mit dem Substratträger beide Seiten der scheibenförmigen Substrate bearbeitbar sind. Nur an kleinen Auflagepunkten oder Auflageflächen findet keine oder eine reduzierte Substratbearbeitung an der aufliegenden bzw. allgemeiner an der aufgenommenen Substratseite statt. Der Substratträger kann neben dem Gitterrost noch weitere Komponenten aufweisen, beispielsweise seitliche Laufschienen, die von Laufrollen der Durchlaufanlage abgestützt und angetrieben werden. Zwischen den einzelnen benachbarten Substratnestern können die Profile des Gitterrostes dünne Stäbe sein. Am Rand des Substratträgers haben die Profile hingegen größere Breiten, sodass die Randprofile des Gitterrostes auch als Flächenbereiche oder Randprofile des Gitterrostes bezeichnet werden können. Der Begriff Gitterrost umfasst auch den Fall, dass der Substratträger für nur ein einziges, sehr großes Substrat ausgebildet und eigentlich ein nur aus Randprofilen bestehender Rahmen ist. Das vordere Randprofil und das hintere Randprofil des erfindungsgemäßen Substratträgers sind in einer Draufsicht schmaler ausgebildet als bei herkömmlichen Substratträgen.
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Die schmaleren Randprofile bewirken einen größeren Anlagendurchsatz, weil das Verhältnis von bearbeiteten Substratoberflächen zu sonstigen Flächen neben den Substraten erhöht ist. Durch die schmaleren Ränder wird ein höherer Durchsatz realisiert, es können also mehr Substrate pro Zeiteinheit bearbeitet werden. Beispielsweise kann statt eines herkömmlichen 6x7 Substratträgers ein erfindungsgemäßer 7x7 Substratträger in der gleichen Durchlaufanlage und gleichen Transportparametern eingesetzt werden, wobei sich ein entsprechend vergrößerter Durchsatz ergibt.
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Die schmalen Randprofile würden bei herkömmlichen Substratträgen zu Qualitätseinbußen durch Randumgriffe führen. Beispielsweise würde eine auf der Vorderseite durchgeführte Siliziumnitridbeschichtung nicht nur die Vorderseite der Solarwafer beschichten, sondern auch die Rückseiten am vorderen Rand der Substrate in der vorderen Reihe auf dem Substratträger und auch die hinteren Ränder der Substrate in der hinteren Reihe auf dem Substratträger. Die geplante Bearbeitungsseite ist hier zur Veranschaulichung als Vorderseite bezeichnet, obwohl diese Bezeichnung unter anderen Aspekten unzutreffend sein mag. Entsprechendes gilt für den Begriff Rückseite. Die ungewollte Beschichtung von Teilflächen der Rückseiten der Substrate kann in verschiedenen Fällen zu funktionellen und/oder ästhetischen Qualitätseinbußen führen. Der erfindungsgemäße Substratträger weist wenigstens ein Abschirmelement an dem vorderen oder dem hinteren Randprofil auf und ermöglicht dadurch Substratbearbeitungen, die trotz schmaler Randprofile bestehenden Qualitätsspezifikationen genügen. Es können auch zwei Abschirmelemente vorhanden sein, beispielsweise eins an dem vorderen und eins an dem hinteren Randprofil, oder mehr als zwei Abschirmelemente.
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An dem vorderen oder dem hinteren Randprofil können auch zwei Abschirmelemente auf beiden Seiten des zweidimensionalen Gitterrostes montiert sein, beispielsweise bei einem horizontal verwendeten Substratträger auf seiner Oberseite und an seiner Unterseite. Der erfindungsgemäße Substratträger kann auch an seinem vorderen und hinteren Randprofil jeweils zwei einander gegenüberliegende Abschirmelemente an beiden Seiten des Gitterrostes also insgesamt vier Abschirmelemente aufweisen. Das Abschirmelement kann beispielsweise bei einer einseitigen Bearbeitung unter Verwendung des Substratträgers von oben auf der nichtbearbeiteten, unteren Seite montiert sein. Bei einer Anordnung des Abschirmelementes auf der eigentlich unbearbeiteten Seite des Substratträgers ist der Einfluss des Abschirmelements auf das Bearbeitungsergebnis auf der Bearbeitungsseite minimal. Zwei einander gegenüberliegende Abschirmelemente (beispielsweise oberhalb und unterhalb eines vorderen Randprofils) können zur Vermeidung von Randumgriffen bei zweiseitig wirkenden Bearbeitungsprozessen und/oder zur räumlichen Aufteilung des Abschirmeffektes bei begrenzten Durchfahrtsbreiten neben dem Substratträger angeordnet sein.
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Eine erste Reihe von Substratnestern des erfindungsgemäßen Substratträgers kann neben dem Abschirmelement von einem löchrigen Gewebe abgedeckt sein. Das Vorsehen des löchrigen Gewebes kann eine Maßnahme zur weiteren Reduzierung des Randumgriffs und zur weiteren Erhöhung der Qualität des Bearbeitungsprozesses neben dem vorderen und/oder hinteren Randprofil des Substratträgers sein. Das löchrige Gewebe schirmt einerseits schräg eintreffende Bearbeitungsteilchen bzw. Gasmolekühle und Gasionen ab. Im Falle von Ionen können elektrostatische Aufladungen und Abstoßungskräfte den Abschirmungseffekt noch verstärken. Andererseits ist das Gewebe im Wesentlichen transparent für quer zum Substratträger gerichtete Wärmestrahlung, sodass eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf dem Substratträger von dem Gewebe nicht beeinträchtigt wird. Die homogene Wärmeverteilung trägt zu einer gleichmäßigen Substratbearbeitung und einer hohen Substratqualität bei.
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Stücken des Gewebes können die gesamte vordere und die gesamte hintere Reihe von Substratnestern abdecken. Eine erste Reihe von Substratnestern neben dem Abschirmelement kann aber auch nur teilweise von einem löchrigen Gewebe abgedeckt sein. Die Breite der Gewebe-Abdeckung kann dabei an die Breite des Bearbeitungsumgriffes angepasst sein, wobei diese beispielsweise von mittleren freien Weglängen und Lebensdauern von Bearbeitungsteilchen abhängt. Bei einer nur teilweisen Abdeckung, wird einerseits der gewünschte Abschirmeffekt erreicht und andererseits der thermische Einfluss des Gewebes auf die Bearbeitung minimiert.
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In einem ganz konkreten Ausführungsbeispiel ist eine erste Reihe von Substratnestern neben dem Abschirmelement mit einem Viertel Ihrer Breite von dem Gewebe abgedeckt. Die Breite von einem Viertel ist dabei das Ergebnis einer Optimierung, bei dem die konträren Ziele einer gleichmäßigen Substraterwärmung und einer guten Abschirmung ausgewogen berücksichtigt sind. Das Gewebe kann ein Geflecht aus Edelstahldraht sein. Edelstahl ist ein kostengünstiges, haltbares und chemisch gut beständiges Material. Es können auch andere Materialien eingesetzt werden, die bestehende prozesstechnische, mechanische und chemische Anforderungen erfüllen, beispielsweise andere Metalle oder Kohlenstoff-Faser-Materialien (CFK).
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Eine erste Reihe von Substratnestern kann neben dem Abschirmelement zumindest teilweise von einer Platte abgedeckt sein. Die vollständige oder teilweise Abdeckung von Substratnestern mit einer Platte ist eine Alternative zur Abdeckung mit einem Gewebe. Vorteilhafte Eigenschaften der Platte sind eine vollständige Vermeidung eines Gasdurchgangs durch die Platte und eine gute mechanische Stabilität. Bei geeigneter Materialauswahl und Dimensionierung der Platte wird auch trotz der Platte eine hinreichend homogene Erwärmung des Substratträgers erreicht. In einem Ausführungsbeispiel ist die Platte eine 0,5 mm dicke Blende aus einem Kohlenstofffaserverbund (CFK). CFK ist ein stabiles Material, das auch Wärmestrahlung gut weiterleitet.
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Das Verstärkungselement kann eine Leiste mit dreieckigem Querschnitt und mit in Richtung des Substrates abnehmender Dicke sein. Das Verstärkungselement kann auch als Spoiler bezeichnet werden. Mit der einfachen dreieckigen Querschnittsform ist das Verstärkungselement einfach herstellbar und gut an die bestehenden Aufgaben angepasst. In Substratnähe ist die Dicke des Abschirmelementes klein, so dass dort die Substratbearbeitung kaum gestört wird. An Rand des Substratträgers ist die Dicke größer, sodass entsprechend auch der Abschirmeffekt am Rand des Substratträgers groß ist. Ein solches Verstärkungselement ist in einigen Ausführungsbeispielen 5 mm hoch (in der dritten Dimension) und zwischen 5 mm und 10 mm breit. Das schmale Randprofil des erfindungsgemäßen Substratträgers kann 2 cm schmal sein. Beide Randprofile, das vordere und das hintere, können die gleiche Breite haben. In einigen Ausführungsbeispielen, beispielsweise bei schräg vom Bearbeitungswerkzeug einfallenden Teilchen können aber auch unterschiedliche optimierte Breiten vorn und hinten vorhanden sein.
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Das Abschirmelement kann an dem Gitterrost auch bewegbar montiert sein. Mit einer mit dem bewegbaren Abschirmelement zusammenwirkenden Antriebsmechanik kann das Abschirmelement beispielsweise neben einem Kammerventil in eine entlang der Durchlaufrichtung nicht überstehende Position und in Bearbeitungspositionen in eine überstehende oder anderweitig besser abschirmende Position gebracht werden. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Abschirmelement an dem Gitterrost klappbar und/oder verschiebbar montiert.
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Die verschiedenen beschriebenen Optionen der Erfindung können im Ermessen eines Fachmanns miteinander kombiniert werden, ohne dabei die Grenzen der Offenbarung zu verlassen. Zufällig nacheinander beschriebene Optionen dürfen nicht als zwingende Merkmalskombination fehlinterpretiert werden.
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Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren weiter erläutert werden; es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Substratträger in Draufsicht;
- 2 einen erfindungsgemäßen Substratträger in einer Querschnittsansicht;
- 3 einen erfindungsgemäßen Substratträger mit Gewebe-Abdeckungen und
- 4 einen erfindungsgemäßen Substratträger mit Platten-Abdeckungen von Teilen von Substratnestern.
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Figur 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Substratträger 1, von dem in dieser Ansicht nur der Gitterrost 2 sichtbar ist. Profile 3 des Gitterrosts 2 definieren Substratnester 4, in denen Substrate aufnehmbar sind, sodass ein mit Substraten beladener Substratträger 1 in der Durchlauf-Anlage als eine Einheit bearbeitet werden kann. Zwischen zwei benachbarten Substratnestern 4 sind die Profile 3 dünner als die Randprofile 5, 6 am Rand des Substratträgers 1. Für eine hohe Produktivität sollen möglichst viele Substrate 9 auf dem Substratträger 1 Platz finden. Bei dem erfindungsgemäßen Substratträger sind das entlang der Durchlaufrichtung 7 vordere Randprofil 5 und das hintere Randprofil 6 schmaler als bei vergleichbaren herkömmlichen, nicht dargestellten Substratträgern 1. Dadurch können letztlich mehr Substrate pro Zeiteinheit bearbeitet werden bzw. der Durchsatz der Durchlaufanlage ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Substratträger größer als bei herkömmlichen Substratträgern.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in verschiedenen Figuren gleiche oder ähnliche Gegenstände. Beschreibungen einer Figur sind auch bei den Beschreibungen der anderen Figuren zu deren Verständnis zu berücksichtigen.
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In 2 ist der Substratträger 1 in einer nicht maßstäblichen Skizze eines Querschnittes entlang der Durchlaufrichtung 7 dargestellt. Wie im Vergleich mit 1 deutlich wird, sind in 2 die einzelnen Profile 3 und die Randprofile 5, 6 in Relation zur der Breite der Substrate nicht-maßstäblich, sondern zu breit skizziert, um die Auflagen der Substrate in den Substratnestern 4 besser zu zeigen. Bei dem dargestellten Substratträger 1 handelt es sich um einen zur horizontalen Verwendung vorgesehenen Substratträger 1, bei dem die einzelnen Substrate 9 auf dem Gitterrost 2 aufliegen und durch die Schwerkraft in den vertieften Substrattaschen liegen. Details verschiedener möglicher Substratauflagen in den Substratnestern sind kein Gegenstand der vorliegenden Erfindung und werden deshalb nicht weiter im beschrieben. In nichtdargestellten anderen Varianten sind die Substratträger für vertikale oder andere nicht-horizontale Orientierungen ausgebildet und mit geeigneten Substrathalterungen ausgestattet. Im Querschnitt von 2 sind die in 1 verdeckten Abschirmelemente 8 sichtbar. Der Gitterrost 2 ist ein näherungsweise zweidimensionaler Körper, weil seine in 2 sichtbare Dicke viel kleiner ist, als es die in 1 sichtbaren anderen Abmessungen sind. Die Abschirmelemente 8 befinden sich nicht in der Ebene des Gitterrostes 2, sondern sie erstrecken sich aus dieser Ebene heraus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist unterhalb des vorderen Randprofils 5 und unterhalb des hinteren Randprofils 6 jeweils ein Abschirmelement 8 befestigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Substratträger 1 ein metallischer Substratträger 1, nämlich ein aus einem Edelstahl bestehender. Die ebenfalls aus einem Edelstahl bestehenden Abschirmelemente 8 sind angeschweißt. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Abschirmelemente 8 integral als Bestandteile des Gitterrostes 2 gefertigt. Die Hauptaufgabe der Abschirmelemente 8 besteht darin, den Umgriff eines Bearbeitungsmediums von einer Seite des Substratträgers 1 auf die andere Seite desselben zu reduzieren, also einen Umgriff des Bearbeitungswerkzeuges von oben nach unten oder von unten nach oben zu reduzieren. Die gewünschte Wirkung wird einerseits durch den längeren Weg, den die Bearbeitungsteilchen um das Abschirmelement 8 herum zurücklegen müssen, erreicht. Andererseits wird die Wirkung auch durch eine veränderte Strömung infolge der Abschirmelemente 8 unterstützt. Wegen ihres Einflusses auf Strömungen in einer Bearbeitungskammer einer Durchlaufanlage werden die Abschirmelemente 8 teilweise auch als Spoiler bezeichnet.
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Die Bearbeitungskammer ist beispielsweise eine PECVD-Abscheidekammer für dielektrische, halbleitende oder leitfähige Schichten. Die Bearbeitungskammer kann aber auch eine sonstige Kammer zur Schichterzeugung, zur Oberflächenbehandlung oder zum Schichtabtragen sein. Die Bewegung von Bearbeitungsteilchen in der Bearbeitungskammer hängt von verschiedenen Faktoren ab. Eine wichtige Größe ist der verwendete Bearbeitungsdruck, denn je kleiner der Gasdruck in einem Vakuum ist, desto geringer ist Zahl von Teilchen pro Volumeneinheit und desto größer sind die mittleren freien Weglängen, die Teilchen zurücklegen können, bevor sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Andere wichtige Größen sind eingestellte Strömungsgeschwindigkeiten, Strömungsrichtungen, chemische Reaktivitäten, Richtcharakteristiken von Plasmaquellen und andere anlagenspezifische Größen.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Substratträger 1', bei dem die vordere, parallel zum vorderen Randprofil 5 verlaufende Reihe von Substratnestern 4 und die hintere, parallel zum hinteren Randprofil 6 verlaufende Reihe von Substratnestern 4 jeweils auf der Unterseite durch ein löchriges Gewebe 10 abgedeckt ist. Das löchrige Gewebe ist ausschnittsweise zusätzlich zum Querschnitt auch in einer Draufsicht dargestellt. Wenn in einem Ausführungsbeispiel die Substratvorderseiten von oben per PECVD mit einer SiNx-Schicht beschichtet und von unten durch Strahlungsheizer beheizt werden, dann wird ein Umgriff des Beschichtungsplasmas auf die Unterseite des Substratträgers schon durch die Abschirmelemente 8 reduziert. Der vordere und der hintere Streifen der Rückseite des Substratträgers 1', auf denen in den Bereichen der vorderen und der hinteren Reihe von Substratnestern 4 durch den Umgriff des Beschichtungsplasmas in der Beschichtungskammer auch eine Rückseitenbeschichtung stattfindet, sind hier durch die Streifen löchriger Gewebe 10 zusätzlich abgeschirmt, so dass die Rückseitenbeschichtung der Substrate 9 noch weiter reduziert ist. Da die Gewebe kaum eine Barriere für von unten kommende Wärmestrahlung darstellen, werden auch die Substrate in der vorderen und der hinteren Reihe ausreichend gleichmäßig erwärmt. Im Resultat erfolgt weitgehend eine einseitige Beschichtung von oben mit guter Homogenität und nahezu keine Beschichtung von unten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel decken die Streifen löchriger Gewebe 10 jeweils eine ganze Substratbreite ab. In anderen Ausführungsbeispielen ist das Gewebe 10 schmaler, z.B. eine viertel Substratbreite schmal, oder breiter als die Substratbreite. Das Gewebe 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Edelstahl-Drahtgeflecht, das an einen Edelstahl-Gitterrost angeschweißt ist. In anderen Ausgestaltungen kommen andere Materialien und andere Befestigungsverfahren, beispielsweise Schrauben, Nieten oder Kleben zum Einsatz.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßer Substratträger 1" in einer Draufsicht dargestellt, bei dem an der Unterseite des Gitterrostes 3 streifenförmige Platten 11 eine zusätzliche Abschirmung bewirken, ähnlich wie die Gewebestreifen in 3. Die Platten sind im dargestellten Ausführungsbeispiel 0,5 mm dicke, ein Viertel der Substratbreite breite CFK-Platten, die an einen CFK Substratträger angeklebt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1"
- Substratträger
- 2
- Gitterrost
- 3
- Profile des Gitterostes
- 4
- Substratnest
- 5
- vorderes Randprofil
- 6
- hinteres Randprofil
- 7
- Durchlaufrichtung
- 8
- Abschirmelement
- 9
- Substrat
- 10
- löchriges Gewebe
- 11
- Platte