CN103122448B

CN103122448B - 垂直式热处理炉结构

Info

Publication number: CN103122448B
Application number: CN201110412421.1A
Authority: CN
Inventors: 萧盈诗; 吉村俊秋
Original assignee: Kern Energy Enterprise Co Ltd
Current assignee: Kern Energy Enterprise Co Ltd
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: US20130125797A1; EP2594882A1; TW201321698A; CN103122448A; TWI442012B; EP2594882B1

Abstract

一种垂直式热处理炉结构，包括：一外炉体、一内炉体、一加热机构、一供气机构，及一控制机构，通过控制机构控制进气量可有效使得，内炉体外侧流动空间中第一压力(P₁)，始终大于内炉体内侧反应空间中第二压力(P₂)。通过此设计可使得反应气体流速可加快，增快薄膜反应速率，且提升膜质均匀度，同时也可提升降温速率，增加操作安全性。

Description

垂直式热处理炉结构

技术领域

本发明是有关于一种热处理炉结构，特别是有关于一种于高压环境下执行热处理的垂直式热处理炉，使得垂直式热处理炉具有气体流动空间(chamber)及反应空间的双空间设计，通过对双空间中的相对的密度或压力进行控制，可使得垂直式热处理炉反应空间中的反应气体于高压环境下反应时，反应气体混合更为均匀，以利加速完成反应，且生成薄膜膜质更佳，并提升操作安全性。

背景技术

随化合物薄膜太阳能电池工艺技术的演进，已有越来越多的产品需要使用薄膜工艺设备，在基板上成长一层薄膜或薄膜前驱物(Precursor)。然而，目前主要用来成长薄膜前驱物的方法有几种，包括溅镀法(Spattering)、共蒸镀法(Co-evaporation)等。特别是在化合物薄膜太阳能光电相关产业中成功达成大型量产化，大都使用溅镀法(Spattering)技术来成长薄膜前驱物再进行化合反应形成薄膜。

此外，在薄膜前驱物再进行化合反应用以形成薄膜有机金属化学气相沉积的技术中，是以在热处理炉中提供气相化合物对薄膜前驱物进行化合反应最具量产性，这是因为，以气相化合物方式来提供给薄膜前驱物必要的反应元素，具有准确控制前驱物内部浓度扩散的优点，使得以热处理炉进行薄膜化合反应的相关技术及设备发展越益蓬勃。举一个实际例子来说明：当一个铜铟镓硒化合物层(CIGS)太阳能电池要进行硒化工艺时，即是经由溅镀法(Spattering)沉积技术在钠钙玻璃(SodaLimeGlass)基板上所形成的含铜、镓及铟的合金或单体的多层前驱物(Precusors)薄膜堆叠的电池结构送至硒化炉(即一种热处理炉)中，并将硒化氢(H₂Se)气体通入至硒化炉中，当硒化炉内的温度被加热到达400℃以上时，硒化氢(H₂Se)气体即开始与多层前驱物薄膜发生反应；然而，在CIGS太阳能电池的硒化工艺中，还需要将多层薄膜堆叠的电池结构加热后，才能够与硒化氢气体起良好反应，进而得到好的CIGS薄膜层。例如：于制作完成铜镓合金/铜铟合金/铟三层交互堆叠的CuGa/CuIn/In结构后，即可获得膜厚均匀的CuGa/CuIn/In前驱物堆叠膜层。随后将此三层交互堆叠的CuGa/CuIn/In前驱物堆叠膜层取出，并立即移入硒化炉内，接着通入的硒化氢(H₂Se)气体，并以40℃/min升温速度对CuGa/CuIn/In前驱物堆叠膜层加热，当温度到达400℃时，铜镓铟合金层与硒元素反应并转化成为铜铟镓硒化合物层。接着再以15℃/min的升温速度加热铜镓铟合金层至550℃，以达成铜铟镓硒化合物的最佳结晶化结构。接着将硒化炉内的温度降低后，即可完成铜铟镓硒化合物层的制作。

由于硒化工艺在一般情况下会加温至520-590℃，但由于现有热处理炉都使用巨型厚石英管作为内炉体，而外侧边直接与隔热材料相紧密接触，故于热处理炉内部呈封闭态，再由于热胀冷缩效应影响下，使得炉体内部较高温反应气体往上，较低温反应气体往下，造成硒化反应均匀度不佳，使得铜铟镓硒化合物层在玻璃基板各处的薄膜厚度及膜质不同。再者，由于硒化工艺所使用的气体(例如：硒化氢H₂Se气体)，均为有毒，基于安全设计，其硒化炉内的压力在整个硒化过程中，都仅能在于低压(即必须要小于1atm)下反应，以避免硒化氢H₂Se气体外漏，造成工安问题。然而，于低压环境下进行硒化反应时，易造成气体分子总数量不足，进而使得硒化炉内的温度梯度差恶化，也再使得硒化炉内的分子浓度分布不均匀的情形更恶化，此种恶性循环的情况进而造成反应速率变差同时也使得形成薄膜的均匀度变差。很明显地，目前的硒化炉在低压及温度不均的环境下，普遍会造成硒的浓度分布不均，也造成生成薄膜效果不佳，而致使CIGS太阳能电池的光电转换率无法有效提升。

接着，请参考图1a及图1b，其为美国公告专利号US7871502发明专利的实施例的现有技术示意图。图1a所示，硒化炉的只有一个密闭的反应空间，用以提供铜铟镓硒化合物层的硒化反应，且于硒化反应过程中，其反应空间中的压力始终是小于一个大气压力；再如图1b所示，为硒化反应过程中的加热曲线；而于图1a中所示的硒化炉进行硒化反应的温度及压力分布示意图表示于图1c。如图1c所示，当硒化炉关闭后，需要经过多次的抽出内部空气并送进氮气至反应空间，以确保硒化炉内的反应空间全为氮气；由于传统硒化炉基于安全性考量，大都将反应空间中的压力控制于低压(即小于1atm)下操作，故在整个反应过程中，其反应空间中的压力始终维持于0.8-0.9atm之间。于升高温度至590℃时，由于反应空间中的气体压力变大，故必须进行多次泄气来达到泄压的目的，来使内部压力维持目标值；然而，在这些泄气过程中，会浪费能量与过剩气体；当到达反应温度时，即送入反应气体至反应空间中；一般会使用10％H₂Se+90％N₂(carriergas)来进行反应。由图1c中可看出，硒化反应时间小于100min即可完成反应。很明显地，在这么短的反应时间内，反应空间内的气流无法对流且温度分布不均，会造成硒化反应均匀度不佳，使得铜铟镓硒化合物层在基板各处的薄膜厚度及膜质也不均匀。

于完成铜铟镓硒化合物层的化合反应后，还需要将硒化炉内的温度降低后才能取出CIGS太阳能电池基板，但由于内炉体中的反应空间完全为密闭空间，仅能以氮气缓缓充入炉体并同时抽气方式降温，故要将硒化炉内的温度降低至常温时，往往需时甚久；如图1c所示，一般约需5-8hr，如基板尺寸放大时，甚至需时10小时以上，严重耗费人力与物力同时也形成工艺上的瓶颈。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，于内炉体与外炉体间增加一气体流动空间，使得外炉体与内炉体之间维持一压力差，而内炉体反应气体分子密度或气体压力得以提高，增快薄膜化合反应时间，且提升膜质均匀度。

本发明的另一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，于内炉体与外炉体间增加一气体流动空间，使得冷却用氮气同时进入内炉体内反应空间，及内炉体及外炉体间气体流动空间，且可加快氮气流速，有效且增快降温速率。

本发明的再一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，内炉体与外炉体间增加一气体流动空间，使得冷却用氮气同时进入内炉体内反应空间，以及内炉体与外炉体间气体流动空间，使得内炉体炉壁不会产生温度梯度，有效保护内炉体边壁避免龟裂或剥落。

本发明的还有一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，于内炉体与外炉体间多出一气体流动空间，并充入氮气使得气体流动空间压力(P₁)略大于内炉体内反应空间气体压力(P₂)，且增设一安全阀，可有效保护操作人员安全，使得热处理炉不因内部反应压力失衡，而造成操作人员危险。

本发明的再一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，于内炉体与外炉体间多出一气体流动空间，由于可有效提升操作安全性，可提升操作压力不限于低压(＜1atm)环境下操作，进一步可于高压(＞1atm)环境下操作，更可有效提升反应速率及膜质均匀性，且避免反应气体的浪费。

本发明的再一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，其中包含一传感器，使得于生成薄膜过程中，得以实时监测内炉体内反应空间压力，气体流动空间压力，以利于有效控制并调整进气量，使得安全性提升且使得生成薄膜效果更佳。

本发明的再一主要目的是提供一种垂直式热处理炉的结构，其控制方式可选择以压力计量测压差方式或以密度计量测反应空间及气体流动空间的气体密度方式，将信号传输至控制设备后进行后续控制，更可增加生产效益，避免浪费多余气体。

为达上述目的，本发明提供一种垂直式热处理炉的结构，包括：一外炉体，具有一外壁及一内壁所形成的第一容置空间，并具有一第一侧边及相对第一侧边的第二侧边，且于第一侧边形成第一容置空间的开口，而第二侧边为一个封闭面；一个内炉体，是间隔地固设于外炉体的第一容置空间中，内炉体具有一外侧壁及一内侧壁所形成的第二容置空间，并具有一第三侧边及相对第三侧边的第四侧边，第一侧边及部分第三侧边由一个下封闭面连接，使得第三侧边形成一个第二容置空间的开口，而第四侧边为一个封闭面，其中，内炉体的外侧壁与外炉体的内壁间形成一个气体流动空间，且于内炉体的内侧壁中形成一个反应空间；一闸门，具有外表面及内表面，通过内表面与第三侧边的第二容置空间的开口接触后，使得气体流动空间与反应空间各自形成独立的空间。

本发明接着再提供一种垂直式热处理炉的结构，包括：一外炉体，具有一外壁及一内壁所形成的第一容置空间，并具有一第一侧边及相对第一侧边的第二侧边，且于第一侧边形成第一容置空间的开口，而第二侧边为一个封闭面；一个内炉体，是间隔地固设于外炉体的第一容置空间中，内炉体具有一外侧壁及一内侧壁所形成的第二容置空间，并具有第三侧边及相对第三侧边的第四侧边，第一侧边及部分第三侧边由一个下封闭面连接，使得第三侧边形成一个第二容置空间的开口，而第四侧边为一个封闭面，其中，内炉体的外侧壁与外炉体的内壁间形成一个气体流动空间，且于内炉体的内侧壁中形成一个反应空间；一加热机构，是固设于内炉体外侧壁上，且与内炉体外侧壁相接触；一闸门，具有外表面及内表面，通过内表面与第三侧边的第二容置空间的开口接触后，使得气体流动空间与反应空间各自形成独立的空间；一供气机构，配置于外炉体的外部，是由多个气体管路所组成，多个气体管路通过闸门的外表面及内表面后，由下封闭面及第二容置空间的开口通入气体至气体流动空间与反应空间；一控制机构，配置于该外炉体的外部，用以控制供气机构提供一第一气体及一第二气体至气体流动空间与反应空间中的量，使得气体于流动空间形成一第一压力(P₁)，而反应空间形成一第二压力(P₂)。

经由本发明所提供的垂直式热处理炉的结构，其通过于内炉体与外炉体间增加一气体流动空间的设计，可有效保护操作人员安全，增快反应成膜速率及膜质均匀性，且更有效加快降温速率，节省人力物力，并提供一高压气体的反应环境，以利于使用者于生成各式薄膜时使用。

附图说明

为使审查员对本发明的目的、特征及功效能够有更进一步的了解与认识，以下请配合附图详述如后，其中：

图1a为现有技术示意图；

图1b为现有技术示意图；

图1c为现有技术的温度及压力分布示意图；

图2a为本发明的垂直式热处理炉的一实施例的示意图；

图2b为本发明的垂直式热处理炉关闭的一实施例的示意图；

图3为本发明的垂直式热处理炉结构的一实施例的剖面示意图；

图4为本发明的垂直式热处理炉结构的压力与温度控制分布示意图；

图5为本发明的垂直式热处理炉结构的密度与温度控制分布示意图。

具体实施方式

由于本发明主要揭露一种关于热处理炉结构的构造及功能，为便于说明，后续是以一种制作铜铟镓硒化合物层(CIGS)的薄膜太阳能电池的热处理炉结构来进行说明；其中，有关于制作铜铟镓硒化合物层的薄膜太阳能电池的热处理炉结构的构造及其作用，已为相关技术领域具有通常知识者所能明了，故以下文中的说明，仅针对与本发明的热处理炉结构的特征处进行详细说明。同时，以下文中所对照的附图，是表达与本发明特征有关的结构示意，故未依据实际尺寸绘制，事先说明。

首先，请参考图2a，为本发明的垂直式热处理炉1的实施例示意图。如图2a所示，垂直式热处理炉1的结构包括：一个外炉体10，为一个具有外壁11及内壁12所形成的第一容置空间，并具有第一侧边101及相对第一侧边101的第二侧边102，且于第一侧边101形成第一容置空间的开口，而第二侧边102为一个上封闭面13；例如：一种具有弧形的封闭面；一个内炉体20，是间隔地固设于外炉体10的第一容置空间中，内炉体20为一个具有外侧壁21及内侧壁22所形成的第二容置空间，并具有第三侧边201及相对第三侧边201的第四侧边202，将部分第三侧边201经由一个下封闭面14与第一侧边101连接，使得第三侧边201形成一个第二容置空间的开口，而第四侧边202也为一个封闭面，并使得内炉体20的外侧壁21与外炉体10的内壁12间形成一个气体流动空间204，且于内炉体20内侧壁22的中形成一个反应空间205；一闸门1001，具有外表面1005及内表面1003，故于薄膜太阳能电池基板3已放置于闸门1001的内表面1003上且关闭时，其位于闸门1001上的气密结构(未显示于图中)即可与第三侧边201的第二容置空间的开口气密地接合，使得气体流动空间204与反应空间205各自形成独立的气密空间，而薄膜太阳能电池基板3则为于反应空间205中，如图2b所示。

接着，一个加热机构30，是固设于内炉体20外侧壁21上，且与内炉体20外侧壁21相接触；一个供气机构40，是配置于外炉体10的外部，是将多个气体管路41通过闸门1001的外表面1005及内表面1003后，由下封闭面14及第二容置空间的开口通入气体至气体流动空间204与反应空间205。供气机构40可提供至少一种第一气体(例如：氮气N₂、氩气Ar)至气体流动空间204，以及可提供至少一种第二气体(例如：氢气H₂、氮气N2、硒化氢H₂Se、硫化氢H₂S、氩气Ar)至反应空间205中；以及一个控制机构50，配置于外炉体10的外部并与供气机构40中的管路41连接(如图2a中的虚线所示)，用以控制供气机构40及提供第一气体及第二气体至气体流动空间204与反应空间205中的量，使得气体于流动空间204形成第一压力(P₁)，而反应空间205形成第二压力(P₂)。

请参考图2b，为本发明的垂直式热处理炉关闭时的实施例示意图。如图2b所示，当闸门1001关闭时，其位于闸门1001上的气密结构(未显示于图中)与第三侧边201的第二容置空间的开口气密地接合，使得气体流动空间204与反应空间205各自形成独立的气密空间，而薄膜太阳能电池基板3则为于反应空间205中。接着，在将薄膜太阳能电池基板3放置于垂直式热处理炉1中用以形成铜铟镓硒化合物层的过程中，必需通入硒化氢(H₂Se)气体至内炉体20的反应空间205中，并且使用高温及高压工艺才能在薄膜太阳能电池基板3上形成高均匀度的铜铟镓硒化合物层。由于，通入至反应空间205中硒化氢(H₂Se)气体会与空气剧烈反应生成二氧化硒(SeO₂)粉尘，此二氧化硒粉尘会污染铜铟镓硒化合物层品质及内炉体20内侧壁22的炉壁，且易于造成人员危险性，故于反应过程中，位于外炉体10及内炉体20之间的气体流动空间204以及位于内炉体20内侧壁22之间的反应空间205需维持密封状态，同时各自形成不相通的两独立空间。因此，本发明的垂直式热处理炉1的外炉体10的材质为由下列组成中选出：钢(steel)或不锈钢(例如：SUS304、SUS316)，使得本发明的外炉体10可耐压至20atm；然而，本发明中并不限制外炉体10组成材质；此外，本发明还可以进一步于外炉体10的内壁12上配置隔热材质，使得进行加热过程中，热不会传递至外炉体10的外壁11上，而此隔热材质可以是石英砖或云母砖等耐高温材质。由于，内炉体20需要能够在高温高压环境下操作以及内炉体20内的反应气体可能具有腐蚀性等因素，故本发明的内炉体20所使用的材质可以是石英或二氧化硅(SiO₂)，且可以在闸门1001的内表面1003与第三侧边201气密接触的侧面上，同样形成一层二氧化硅(SiO₂)层，供保护第一闸门1001使用。

请再参考图2b，气体流动空间204中配置有至少一个第一传感器103，且每一个第一传感器103与控制机构50连接；同时，于反应空间205中同样配置有至少一个第二传感器203，且每一个第二传感器203也与控制机构50连接。当第一传感器103及第二传感器203，同为压力计时，可分别将气体流动空间204所量测到的压力(P₁)及反应空间205所量测到的压力(P₂)送至控制机构50中，再由控制机构50计算出压差值(P₁-P₂)，并进行进一步控制。特别要强调的是，本发明通过控制机构50计算出压差值(P₁-P₂)的目的，是经由第一传感器103及第二传感器203对气体流动空间204及反应空间205两者之间的压差值(P₁-P₂)做精确地控制，特别是控制外部流动空间204的压力略大于内部反应空间205的压力。例如：在本发明的一实施例中，其原始设定压力差值设定为1Kg/cm²，即当(P₁-P₂)的压差值大于1Kg/cm²时，控制机构50即会调整并增加反应空间205进气量，同时也会调整并减少流动空间204进气量，使得气体流动空间204及反应空间205两者之间的压差值(P₁-P₂)保持在一个设定的范围间。而在一较佳的实施例中，外部流动空间204的压力是大于一个大气压(1atm)。很明显地，基于安全性考量，在本实施例中，压差的控制是采用两空间(即气体流动空间及反应空间)同时进气方式进行。另外，若本实施例是采用密度控制时，则第一传感器103及第二传感器203可是一种密度计。此外，本实施例也可以选择第一传感器103为压力计而及第二传感器203为密度计来对垂直式热处理炉1进行控制，故可以提供使用者视实际操作气体情况切换使用；对此，本发明并不加以限制。

根据前述，本发明的供气机构40是配置于外炉体10的外部，是将多个气体管路41通过闸门1001的内表面1003而与外炉体10的下侧面及内炉体20的外侧壁相连接；供气机构40的多个气体管路41与控制机构50连接后，可控制并提供至少一种第一气体(例如：氮气N₂、氩气Ar)至气体流动空间204；及控制并提供至少一种第二气体(例如：氢气H₂、氮气N₂、硒化氢H₂Se、硫化氢H2S、氩气Ar)至反应空间205中，以进行后续反应。特别要说明的是，本发明于垂直式热处理炉1进行气体反应过程中，由控制机构50控制气体流动空间204中的第一压力(P₁)是始终大于反应空间205中的第二压力(P₂)；或是控制气体流动空间204的第一密度始终大于反应空间205的第二密度。而在一实施例中，第一压力(P₁)可以被控制0.5-9.8atm的区间。此外，本发明的控制机构50除了控制进气量之外，亦同时可以侦测并进一步控制压力、温度、密度、毒性、时间、气体种类等，亦即与垂直式热处理炉1有关的所有控制皆是经由压力传感器、密度传感器、温度传感器、毒性传感器，量测后透过信号传输线路传输至控制机构50进行进一步处理。

再如图2b所示，本发明于气体流动空间204及反应空间205两者之间进一步配置一安全阀70，例如：将安全阀70配置于内炉体20外侧壁21及内侧壁22间(其中，内炉体20的外侧壁21及内侧壁22间的厚度为6-25mm之间)；当反应空间205压力(P₂)大于气体流动空间204压力(P₁)一设定值时，此时安全阀70会破裂，使得气体流动空间204与反应空间205气体流通；且由于流动空间204的压力略大于反应空间205的压力的缘故，使得流动空间204内的硒化氢气体会往反应空间205内挤压，故不会外泄至外界，且安全阀70的设计也使得热处理炉结构1不会有过高压力产生，而破坏内炉体20石英炉壁的现象发生。在本发明的实施例中，一般反应空间205工作压力会操作在5atm，而此工作压力远低于外炉管的耐压值20atm，因此本发明的热处理炉可以确保操作安全性。

请再参考图2a及图2b，在本发明的垂直式热处理炉1与闸门1001的关闭方式，是由外炉体10及内炉体20所形成的炉体由上方向下方移动，以使炉体的第三侧边201形成的气体流动空间204与闸门1001上的气密结构气密地接合；而当垂直式热处理炉1要取出薄膜太阳能电池基板3时，则可以将炉体向上方移动，以曝露出薄膜太阳能电池基板3；很明显地，在本发明的垂直式热处理炉1的本实施例中，闸门1001是固定不动的，故可以确保通过闸门1001的多个气体管路41间不会泄露气体。

接着，请参考图3，为本发明的垂直式热处理炉1的剖面示意图。如图3所示，本发明的垂直式热处理炉1的加热机构30是由多个加热器(heater)列于内炉体20外侧壁21上，且与内炉体20外侧壁21相紧临，其中，加热机构30为由下列组合中选出：石墨加热器(carbonheater)或是卤素灯，供加热内炉壁使反应温度升高至设定值使用，其中石墨加热器可以是以热电阻丝加热方式，而卤素灯为红外线加热方式，皆对内炉体20有均匀加温的功用。在一较佳实施例中，当反应气体为硒化氢H₂Se时，会加温至520-590oC进行反应。请如图2b所示，由图中可看出反应空间205及气体流动空间204与薄膜太阳能电池基板3间的确切位置；很明显地，薄膜太阳能电池基板3是以纵向排列方式位于反应空间205，是配合内部气流流动方向，使成膜反应结果更为均匀。

现举一个实施例来具体说明本发明的垂直式热处理炉1的安全性设计。当第一传感器103量测出流动空间204压力为3atm，同时第二传感器203量测出反应空间205压力为2atm，以及外界大气压力为1atm时，亦即流动空间204压力同时大于反应空间205压力及外界大气压力，故当发生气体泄漏时，根据本发明的热处理炉的设计，由于压差缘故，其只会将流动空间204中的气体(例如：氮气)泄漏至外界，此时反应空间205压力也会因流动空间204中压力的下降，控制机构会将反应空间205压力下将来维持其压差，故对操作人员并不会产生安全上疑虑。由于安全性提升缘故，本发明的垂直式热处理炉1的结构可应用于低压环境及常压、高压环境都可操作，而其适当的工作压力区间为0.5-9.8atm。然而，在本发明的垂直式热处理炉1的结构中，如果欲将流动空间204与反应空间205中的压力都操作在1atm之下时；例如：流动空间204压力为1atm，而反应空间205压力为0.98atm；本发明的垂直式热处理炉1是可以在此操作条件下执行。

另外，若当第一传感器103及第二传感器203，同为密度计时可采用量测气体密度方式予以控制反应，控制方式是采用波以耳方程式原理：PaVa/Ta＝PbVb/Tb(其中Pa、Va、及Ta分别为a点下的压力、体积，及温度；Pb、Vb、及Tb分别为b点下的压力、体积，及温度)，有关于详细控制方式，将于图4及图5中会详细陈述的。

接着，请参考图4，为本发明的垂直式热反应炉的温度与压力分布示意图。如图4所示，于闸门1001及闸门1002关闭后，会由控制机构50控制供气机构40对气体流动空间204与反应空间205进行多次的抽气与通气(例如：通入氮气)过程，以确认炉体反应空间205内已无水气存在；于此同时，垂直式热处理炉1开始缓升温度并加入反应气体；于本实施例中，加入至反应空间205中的气体为：10％H₂Se+90％N₂(carriergas)。由图4可看出，于升温过程中，在时间进行至50min后即到达一个转折点(例如：加热至300℃)，即不再加入反应气体，而仅升高温度。这是根据波以耳方程式原理：PaVa/Ta＝PbVb/Tb(其中Pa、Va、及Ta分别为a点下的压力、体积，及温度；Pb、Vb、及Tb分别为b点下的压力、体积，及温度)，可于开始操作热处理炉的前，即已计算出需提供至反应空间205中的反应气体量，故于反应气体加至计算出的量后，即不再继续加入反应气体，而仅继续升高温度。

随着温度的快速升高，将会使得反应空间205中的压力也会快速地升高，例如：当温度升高至反应温度590℃后，反应空间205中的压力也会到达5atm附近；接着，反应气体即会在温度为590℃及压力为5atm下进行反应；很明显地，此时控制机构50会将气体流动空间204中的压力控制在5.1atm；如图4所示，本实施例的反应时间约为20min即可完成；再接着，随即进行快速降温工艺，此时，控制机构50会将反应空间205中未反应的气体抽离后，随即再将冷却的氮气同时送到气体流动空间204及反应空间205中进行降温；由于本发明的实施例是于内炉体20炉壁两侧同时降温，使得在相同氮气流量下，降温速率至少为原始降温速率两倍，且由于无内炉体20炉壁龟裂或剥落的疑虑，更可加快进气速率及进气量，有效提升降温速率，缩短降温时间；再如图4所示，本发明的垂直式热反应炉1仅需120分钟，即可将反应空间205中的温度从590℃降至设定温度为50-60℃，故可打开闸门1001，将完成硒化反应的铜铟镓硒化合物层(CIGS)的薄膜太阳能电池基板3取出。

如上所述的过程，由于本发明可采压力量测方式对反应进行控制，经由第一传感器103及第二传感器203先行量测反应空间205及量测气体流动空间204内的压力后，再将量测值透过信号传输线传至控制机构50，由控制机构50根据反应空间205及气体流动空间204内的压力差值进行控制(即控制气体流动空间204内的压力值略大于反应空间205的压力值)，使反应空间205中的反应顺利进行。故本发明的垂直式热反应炉1在快速升温的过程中，不需要进行泄压动作，且由于本发明的热反应炉结构可于高压下进行硒化反应；例：5atm；故可有效加速反应进行，使反应时间缩短；例如，于本实施例中反应时间约为20min；此外，本发明的另一优点在于降温过程，约仅需120min即降至设定温度为50-60℃。很明显地，根据图4所示，本发明的垂直式热反应炉1除了可以缩短硒化反应的时间外，还可以大幅度地缩短降温的时间，故可加速垂直式热反应炉1的使用率，进而明显降低制造的成本。

接着，请参考图5，为本发明的垂直式热反应炉的密度控制的温度密度分布示意图。如图5所示，本实施例中操作条件为：当内炉体20直径为1.1m，长为2m，而内炉体20的反应空间205中实际气体所占体积约为1235lithers时；当关上闸门1001后，由于纵轴为密度，故当关上阀门1001并充入氮气后，初期因空气的密度大于氮气密度的因素，故氮气的密度较低，经多次抽气及充入氮气过程后，确认内部已无水气后，随即通入反应气体10％H₂Se+90％N₂(carriergas)，同时开始升温，与前述图4热处理炉压力控制温度压力分布示意图相同，在时间进行至50min后(例如：加热至300℃)，即不再通入反应气体至反应空间205中；此时，由于反应气体量在反应空间205维持恒定。以图4为对比时，其相关数值如下：于反应空间205中的压力为5atm且温度为590℃时，本实施例中的热处理炉内相关气体密度为：平均气体密度为2.35kg/m³，氮(N₂)气体密度为1.78kg/m³，硒化氢(H₂Se)气体密度为0.57kg/m³。

再如图5所示，由于是在平均气体密度为2.35kg/m³下进行反应，此时控制机构50会将气体流动空间204中的压力控制在大于平均气体密度为2.35kg/m³的情状下操作。在高气体密度下，也可以使得反应速率较传统热处理炉快。由图5中可看出，在反应空间205中完成硒化反应的时间仅需约20分钟；同样地，其降温过程也是同时于内炉体20内的反应空间205及炉体外壁的气体流动空间204通入冷却的氮气，且内炉体20炉壁不会有温度梯度疑虑，能加大进气量，同样不到2hr时间，即以完成降温动作；当开启阀门时，由于反应空间205与大气相接触，故密度会提升至25℃下一般空气密度为1.184kg/m³。

由于本发明可采气体密度量测方式对反应进行控制，经由第一传感器103及第二传感器203先行量测反应空间205及量测气体流动空间204内的气体密度后，再将量测值透过信号传输线传至控制机构50，由控制机构50根据反应空间205及气体流动空间204内的气体密度差值进行控制(即控制控制气体流动空间204内的气体密度值略大于反应空间205的气体密度值)，使反应空间205中的反应顺利进行。故本发明的垂直式热反应炉1在快速升温的过程中，不需要进行泄压动作，且由于本发明的热反应炉结构可于高气体密度下进行硒化反应；例：2.35kg/m³；故可有效加速反应进行，使反应时间缩短；例如，于本实施例中反应时间约为20min；此外，本发明的另一优点在于降温过程，约仅需120min即降至设定温度为50-60℃。很明显地，根据图4所示，本发明的垂直式热反应炉1除了可以缩短硒化反应的时间外，还可以大幅度地缩短降温的时间，故可加速垂直式热反应炉1的使用率，进而明显降低制造的成本。

同样地，也可以将配置于图2a的气体流动空间204中的第一传感器103选择为一压力计，及将配置于反应空间205中的第二传感器203选择为一密度计；同样也可以经由密度计或压力计量测得值，同样经由信号输送线路传送至控制机构50后，能针对气体流动空间204及反应空间205的进气量作适当调配，故本发明的热反应炉，可视实际操作情况来决定是以压力控制或是密度控制进行控制。

以上的详细说明，均是以完成硒化反应的铜铟镓硒化合物层(CIGS)的薄膜太阳能电池基板3为例；然而，本发明的垂直式热处理炉结构还可以使用在其它工艺，另举一例说明：若要制造铜锌锡硫(CZTS)的薄膜太阳能电池时，同样可加入硫化氢(H₂S)气体与铜(Cu)、锌(Zn)、Sn(锡)于本发明的热处理炉中进行反应，并生成铜锌锡硫薄膜太阳能电池。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围中。

Claims

1.一种垂直式热处理炉结构，包括：

一外炉体，具有一外壁及一内壁所形成的第一容置空间，并具有一第一侧边及相对该第一侧边的一第二侧边，且于该第一侧边形成该第一容置空间的开口，而该第二侧边为一个封闭面；

一个内炉体，是间隔地固设于该外炉体的第一容置空间中，该内炉体有一外侧壁及一内侧壁所形成的第二容置空间，并具有一第三侧边及相对该第三侧边的一第四侧边，部分该第三侧边由一个下封闭面与该第一侧边连接，使得第三侧边形成一个第二容置空间的开口，而该第四侧边为一个封闭面，其中，该内炉体的外侧壁与该外炉体的内壁间形成一个气体流动空间，且于该内炉体的内侧壁中形成一个反应空间；

一闸门，具有外表面及内表面，通过该内表面与该第三侧边的该第二容置空间的开口接触后，使得该气体流动空间与该反应空间各自形成独立的空间；以及

一安全阀，配置于该气体流动空间及该反应空间之间，当在该反应空间的压力大于该气体流动空间的压力时，该安全阀会破裂，使得该气体流动空间与该反应空间的气体流通，且该流动空间内的气体会往该反应空间内挤压而不会外泄至外界。

2.依据权利要求1所述的垂直式热处理炉结构，其中该外炉体的材质由下列组成中选出：钢或不锈钢。

3.依据权利要求1所述的垂直式热处理炉结构，其中该内炉体的材质为由下列组成中选出：石英或二氧化硅。

4.依据权利要求1所述的垂直式热处理炉结构，其进一步包括一加热机构，固设于该内炉体外侧壁上，且与该内炉体外侧壁相接触。

5.依据权利要求4所述的垂直式热处理炉结构，其中该加热机构由下列组合中选出：石墨加热器或卤素灯。

6.依据权利要求1所述的垂直式热处理炉结构，其进一步包括一供气机构，由多个气体管路所组成，该多个气体管路通过该闸门的外表面及内表面后，由该下封闭面及该第二容置空间的开口通入气体至该气体流动空间与该反应空间。

7.依据权利要求1所述的垂直式热处理炉结构，其进一步包括一控制机构，配置于该外炉体的外部，用以控制一供气机构提供一第一气体及一第二气体至该气体流动空间与该反应空间中的量，使得该气体于流动空间形成一第一压力，而反应空间形成一第二压力。

8.依据权利要求7所述的垂直式热处理炉结构，其中该气体流动空间中配置有至少一第一传感器，且每一该第一传感器与该控制机构连接。

9.依据权利要求8所述的垂直式热处理炉结构，其中该第一传感器压力计或密度计。

10.依据权利要求7所述的垂直式热处理炉结构，其中该反应空间中配置有至少一第二传感器，且每一该第二传感器与该控制机构连接。

11.依据权利要求10所述的垂直式热处理炉结构，其中该第二传感器为压力计或密度计。

12.依据权利要求7所述的垂直式热处理炉结构，其中该第一压力大于一大气压力。

13.一种垂直式热处理炉结构，包括：

一个内炉体，间隔地固设于该外炉体的第一容置空间中，该内炉体具有一外侧壁及一内侧壁所形成的第二容置空间，并具有一第三侧边及相对该第三侧边的一第四侧边，部分该第三侧边由一个下封闭面与该第一侧边连接，使得第三侧边形成一个第二容置空间的开口，而该第四侧边为一个封闭面，其中，该内炉体的外侧壁与该外炉体的内壁间形成一个气体流动空间，且于该内炉体的内侧壁中形成一个反应空间；

一加热机构，固设于该内炉体外侧壁上，且与该内炉体外侧壁相接触；

一闸门，具有外表面及内表面，通过该内表面与该第三侧边的该第二容置空间的开口接触后，使得该气体流动空间与该反应空间各自形成独立的空间；

一供气机构，配置于该外炉体的外部，由多个气体管路所组成，该多个气体管路通过该闸门的外表面及内表面后，由该下封闭面及该第二容置空间的开口通入气体至该气体流动空间与该反应空间；

一控制机构，配置于该外炉体的外部，用以控制该供气机构提供一第一气体及一第二气体至该气体流动空间与该反应空间中的量，使得该气体于流动空间形成一第一压力，而反应空间形成一第二压力，其中该第一压力大于该一大气压力，且该第一压力大于该第二压力；以及

14.依据权利要求13所述的垂直式热处理炉结构，其中该气体流动空间中配置有至少一第一传感器，且每一该第一传感器与该控制机构连接。

15.依据权利要求14所述的垂直式热处理炉结构，其中该第一传感器为压力计或密度计。

16.依据权利要求13所述的垂直式热处理炉结构，其中该反应空间中配置有至少一第二传感器，且每一该第二传感器与该控制机构连接。

17.依据权利要求16所述的垂直式热处理炉结构，其中该第二传感器为压力计或密度计。

18.依据权利要求13所述的垂直式热处理炉结构，其中该外炉体的材质为由下列组成中选出：钢或不锈钢。

19.依据权利要求13所述的垂直式热处理炉结构，其中该内炉体的材质为由下列组成中选出：石英或二氧化硅。