TWI442012B - 垂直式熱處理爐結構 - Google Patents

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Description

垂直式熱處理爐結構
本發明係有關於一種熱處理爐結構，特別是有關於一種於高壓環境下執行熱處理的垂直式熱處理爐，使得垂直式熱處理爐具有氣體流動空間(chamber)及反應空間之雙空間設計，藉由對雙空間中的相對之密度或壓力進行控制，可使得垂直式熱處理爐反應空間中的反應氣體於高壓環境下反應時，反應氣體混合更為均勻，俾利加速完成反應，且生成薄膜膜質更佳，並提升操作安全性。
隨化合物薄膜太陽能電池製程技術的演進，已有愈來愈多的產品需要使用薄膜製程設備，在基板上成長一層薄膜或薄膜前驅物(Precursor)。然而，目前主要用來成長薄膜前驅物的方法有幾種，包括濺鍍法(Spattering)、共蒸鍍法(Co-evaporation)等。特別是在化合物薄膜太陽能光電相關產業中成功達成大型量產化者，大都使用濺鍍法(Spattering)技術來成長薄膜前驅物再進行化合反應形成薄膜。
此外，在薄膜前驅物再進行化合反應用以形成薄膜有機金屬化學氣相沈積的技術中，是以在熱處理爐中提供氣相化合物對薄膜前驅物進行化合反應最具量產性，這是因為，以氣相化合物方式來提供給薄膜前驅物必要之反應元素，具有準確控制前驅物內部濃度擴散的優點，使得以熱處理爐進行薄膜化合反應的相關技術及設備發展愈益蓬勃。舉一個實際例子來說明：當一個銅銦鎵硒化合物層(CIGS)太陽能電池要進行硒化製程時，即是經由濺鍍法(Spattering)沈積技術在鈉鈣玻璃(Soda Lime Glass)基板上所 形成的含銅、鎵及銦之合金或單體之多層前驅物(Precusors)薄膜堆疊的電池結構送至硒化爐(即一種熱處理爐)中，並將硒化氫(H2Se)氣體通入至硒化爐中，當硒化爐內的溫度被加熱到達400℃以上時，硒化氫(H2Se)氣體即開始與多層前驅物薄膜發生反應；然而，在CIGS太陽能電池的硒化製程中，還需要將多層薄膜堆疊的電池結構加熱後，才能夠與硒化氫氣體起良好反應，進而得到好的CIGS薄膜層。例如：於製作完成銅鎵合金/銅銦合金/銦三層交互堆疊之CuGa/CuIn/In結構後，即可獲得膜厚均勻的CuGa/Cu In/In前驅物堆疊膜層。隨後將此三層交互堆疊之CuGa/CuIn/In前驅物堆疊膜層取出，並立即移入硒化爐內，接著通入的硒化氫(H2Se)氣體，並以40℃/min升溫速度對CuGa/CuIn/In前驅物堆疊膜層加熱，當溫度到達400℃時，銅鎵銦合金層與硒元素反應並轉化成為銅銦鎵硒化合物層。接著再以15℃/min的升溫速度加熱銅鎵銦合金層至550℃，以達成銅銦鎵硒化合物的最佳結晶化結構。接著將硒化爐內的溫度降低後，即可完成銅銦鎵硒化合物層的製作。
由於硒化製程在一般情況下會加溫至520~590℃，但由於先前熱處理爐都使用巨型厚石英管作為內爐體，而外側邊直接與隔熱材料相緊密接觸，故於熱處理爐內部呈封閉態，再由於熱脹冷縮效應影響下，使得爐體內部較高溫反應氣體往上，較低溫反應氣體往下，造成硒化反應均勻度不佳，使得銅銦鎵硒化合物層在玻璃基板各處的薄膜厚度及膜質不同。再者，由於硒化製程所使用的氣體(例如：硒化氫H2Se氣體)，均為有毒，基於安全設計，其硒化爐內的壓力在整個硒化過程中，都僅能在於低壓(即必須要小於1atm)下反應，以避免硒化氫H2Se氣體外漏，造成工安問題。然而，於低壓環境下進行硒化反應時，易造成氣體分子總數量不 足，進而使得硒化爐內的溫度梯度差惡化，也再使得硒化爐內的分子濃度分布不均勻的情形更惡化，此種惡性循環的情況進而造成反應速率變差同時也使得形成薄膜的均勻度變差。很明顯地，目前之硒化爐在低壓及溫度不均的環境下，普遍會造成硒的濃度分布不均，也造成生成薄膜效果不佳，而致使CIGS太陽能電池的光電轉換率無法有效提升。
接著，請參考第1a圖及第1b圖，其為美國公告專利號US7871502發明專利之實施例之先前技術示意圖。第1a圖所示，硒化爐之只有一個密閉的反應空間，用以提供銅銦鎵硒化合物層的硒化反應，且於硒化反應過程中，其反應空間中的壓力始終是小於一個大氣壓力；再如第1b圖所示，為硒化反應過程中的加熱曲線；而於第1a圖中所示的硒化爐進行硒化反應之溫度及壓力分布示意圖表示於第1c圖。如第1c圖所示，當硒化爐關閉後，需要經過多次的抽出內部空氣並送進氮氣至反應空間，以確保硒化爐內的反應空間全為氮氣；由於傳統硒化爐基於安全性考量，大都將反應空間中的壓力控制於低壓(即小於1atm)下操作，故在整個反應過程中，其反應空間中的壓力始終維持於0.8~0.9atm之間。於升高溫度至590℃時，由於反應空間中的氣體壓力變大，故必須進行數次洩氣來達到洩壓之目的，來使內部壓力維持目標值；然而，在這些洩氣過程中，會浪費能量與過剩氣體；當到達反應溫度時，即送入反應氣體至反應空間中；一般會使用10% H2Se+90% N2(carrier gas)來進行反應。由第1c圖中可看出，硒化反應時間小於100min即可完成反應。很明顯地，在這麼短的反應時間內，反應空間內的氣流無法對流且溫度分布不均，會造成硒化反應均勻度不佳，使得銅銦鎵硒化合物層在基板各處的薄膜厚度及膜質也不均勻。
於完成銅銦鎵硒化合物層的化合反應後，還需要將硒化爐內的溫度降低後才能取出CIGS太陽能電池基板，但由於內爐體中的反應空間完全為密閉空間，僅能以氮氣緩緩充入爐體並同時抽氣方式降溫，故要將硒化爐內的溫度降低至常溫時，往往需時甚久；如第1c圖所示，一般約需5~8hr，如基板尺寸放大時，甚至需時10小時以上，嚴重耗費人力與物力同時也形成製程上的瓶頸。
為了解決上述問題，本發明之一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，於內爐體與外爐體間增加一氣體流動空間，使得外爐體與內爐體之間維持一壓力差，而內爐體反應氣體分子密度或氣體壓力得以提高，增快薄膜化合反應時間，且提昇膜質均勻度。
本發明之另一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，於內爐體與外爐體間增加一氣體流動空間，使得冷卻用氮氣同時進入內爐體內反應空間，及內爐體及外爐體間氣體流動空間，且可加快氮氣流速，有效且增快降溫速率。
本發明之再一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，內爐體與外爐體間增加一氣體流動空間，使得冷卻用氮氣同時進入內爐體內反應空間，以及內爐體與外爐體間氣體流動空間，使得內爐體爐壁不會產生溫度梯度，有效保護內爐體邊壁避免龜裂或剝落。
本發明之還有一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，於內爐體與外爐體間多出一氣體流動空間，並充入氮氣使得氣體流動空間壓力(P1)略大於內爐體內反應空間氣體壓力(P2)， 且增設一安全閥，可有效保護操作人員安全，使得熱處理爐不因內部反應壓力失衡，而造成操作人員危險。
本發明之再一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，於內爐體與外爐體間多出一氣體流動空間，由於可有效提升操作安全性，可提升操作壓力不限於低壓(<1atm)環境下操作，進一步可於高壓(>1atm)環境下操作，更可有效提升反應速率及膜質均勻性，且避免反應氣體之浪費。
本發明之再一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，其中包含一感測器，使得於生成薄膜過程中，得以即時監測內爐體內反應空間壓力，氣體流動空間壓力，俾利於有效控制並調整進氣量，使得安全性提升且使得生成薄膜效果更佳。
本發明之再一主要目的是提供一種垂直式熱處理爐之結構，其控制方式可選擇以壓力計量測壓差方式或以密度計量測反應空間及氣體流動空間之氣體密度方式，將信號傳輸至控制設備後進行後續控制，更可增加生產效益，避免浪費多餘氣體。
為達上述目的，本發明提供一種垂直式熱處理爐之結構，包括：一外爐體，具有一外壁及一內壁所形成的第一容置空間，並具有一第一側邊1及相對第一側邊之第二側邊，且於第一側邊形成第一容置空間的開口，而第二側邊為一個封閉面；一個內爐體，係間隔地固設於外爐體之第一容置空間中，內爐體具有一外側壁及一內側壁所形成的第二容置空間，並具有一第三側邊及相對第三側邊之第四側邊，第一側邊及部份第三側邊由一個下封閉面連接，使得第三側邊形成一個第二容置空間的開口，而第四側邊為一個封閉面，其中，內爐體之外側壁與外爐體之內壁間形成一個氣體流動空間，且於內爐體之內側壁中形成一個反應空間；一閘門，具有外表面及內表面，藉由內表面與第三側邊之第二容置空 間的開口接觸後，使得氣體流動空間與反應空間各自形成獨立的空間。
本發明接著再提供一種垂直式熱處理爐之結構，包括：一外爐體，具有一外壁及一內壁所形成的第一容置空間，並具有一第一側邊及相對第一側邊之第二側邊，且於第一側邊形成第一容置空間的開口，而第二側邊為一個封閉面；一個內爐體，係間隔地固設於外爐體之第一容置空間中，內爐體具有一外側壁及一內側壁所形成的第二容置空間，並具有第三側邊及相對第三側邊之第四側邊，第一側邊及部份第三側邊由一個下封閉面連接，使得第三側邊形成一個第二容置空間的開口，而第四側邊為一個封閉面，其中，內爐體之外側壁與外爐體之內壁間形成一個氣體流動空間，且於內爐體之內側壁中形成一個反應空間；一加熱機構，係固設於內爐體外側壁上，且與內爐體外側壁相接觸；一閘門，具有外表面及內表面，藉由內表面與第三側邊之第二容置空間的開口接觸後，使得氣體流動空間與反應空間各自形成獨立的空間；一供氣機構，配置於外爐體之外部，是由複數個氣體管路所組成，複數個氣體管路通過閘門之外表面及內表面後，由下封閉面及第二容置空間的開口通入氣體至氣體流動空間與反應空間；一控制機構，配置於該外爐體之外部，用以控制供氣機構提供一第一氣體及一第二氣體至氣體流動空間與反應空間中的量，使得氣體於流動空間形成一第一壓力(P1)，而反應空間形成一第二壓力(P2)。
經由本發明所提供之垂直式熱處理爐之結構，其藉由於內爐體與外爐體間增加一氣體流動空間的設計，可有效保護操作人員安全，增快反應成膜速率及膜質均勻性，且更有效加快降溫速率，節省人力物力，並提供一高壓氣體之反應環境，俾利於使用者於 生成各式薄膜時使用。
由於本發明主要揭露一種關於熱處理爐結構的構造及功能，為便於說明，後續是以一種製作銅銦鎵硒化合物層(CIGS)之薄膜太陽能電池的熱處理爐結構來進行說明；其中，有關於製作銅銦鎵硒化合物層之薄膜太陽能電池的熱處理爐結構之構造及其作用，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，僅針對與本發明之熱處理爐結構之特徵處進行詳細說明。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之結構示意，故未依據實際尺寸繪製，合先敘明。
首先，請參考第2a圖，為本發明之垂直式熱處理爐1的實施例示意圖。如第2a圖所示，垂直式熱處理爐1之結構包括：一個外爐體10，為一個具有外壁11及內壁12所形成的第一容置空間，並具有第一側邊101及相對第一側邊101之第二側邊102，且於第一側邊101形成第一容置空間的開口，而第二側邊102為一個上封閉面13；例如：一種具有弧形的封閉面；一個內爐體20，係間隔地固設於外爐體10之第一容置空間中，內爐體20為一個具有外側壁21及內側壁22所形成的第二容置空間，並具有第三側邊201及相對第三側邊201之第四側邊202，將部份第三側邊201經由一個下封閉面14與第一側邊101連接，使得第三側邊201形成一個第二容置空間的開口，而第四側邊202也為一個封閉面，並使得內爐體20之外側壁21與外爐體10之內壁12間形成一個氣體流動空間204，且於內爐體20內側壁22之中形成一個反應空間205；一閘門1001，具有外表面1005及內表面1003，故於薄膜太陽能電池基板3已放置於閘門1001之內表面1003上 且關閉時，其位於閘門1001上的氣密結構(未顯示於圖中)即可與第三側邊201的第二容置空間的開口氣密地接合，使得氣體流動空間204與反應空間205各自形成獨立的氣密空間，而薄膜太陽能電池基板3則為於反應空間205中，如第2b圖所示。
接著，一個加熱機構30，係固設於內爐體20外側壁21上，且與內爐體20外側壁21相接觸；一個供氣機構40，是配置於外爐體10之外部，是將多個氣體管路41通過閘門1001之外表面1005及內表面1003後，由下封閉面14及第二容置空間的開口通入氣體至氣體流動空間204與反應空間205。供氣機構40可提供至少一種第一氣體(例如：氮氣N2、氬氣Ar)至氣體流動空間204，以及可提供至少一種第二氣體(例如：氫氣H2、氮氣N2、硒化氫H2Se、硫化氫H2S、氬氣Ar)至反應空間205中；以及一個控制機構50，配置於外爐體10之外部並與供氣機構40中的管路41連接(如圖2a中的虛線所示)，用以控制供氣機構40及提供第一氣體及第二氣體至氣體流動空間204與反應空間205中的量，使得氣體於流動空間204形成第一壓力(P1)，而反應空間205形成第二壓力(P2)。
請參考第2b圖，為本發明之垂直式熱處理爐關閉時之實施例示意圖。如第2b圖所示，當閘門1001關閉時，其位於閘門1001上的氣密結構(未顯示於圖中)與第三側邊201的第二容置空間的開口氣密地接合，使得氣體流動空間204與反應空間205各自形成獨立的氣密空間，而薄膜太陽能電池基板3則為於反應空間205中。接著，在將薄膜太陽能電池基板3放置於垂直式熱處理爐1中用以形成銅銦鎵硒化合物層之過程中，必需通入硒化氫(H2Se)氣體至內爐體20的反應空間205中，並且使用高溫及高壓製程才能在薄膜太陽能電池基板3上形成高均勻度的銅銦鎵硒化 合物層。由於，通入至反應空間205中硒化氫(H2Se)氣體會與空氣劇烈反應生成二氧化硒(SeO2)粉塵，此二氧化硒粉塵會污染銅銦鎵硒化合物層品質及內爐體20內側壁22的爐壁，且易於造成人員危險性，故於反應過程中，位於外爐體10及內爐體20之間的氣體流動空間204以及位於內爐體20內側壁22之間的反應空間205需維持密封狀態，同時各自形成不相通的兩獨立空間。因此，本發明之垂直式熱處理爐1的外爐體10之材質為由下列組成中選出：鋼(steel)或不銹鋼(例如：SUS304、SUS316)，使得本發明之外爐體10可耐壓至20atm；然而，本發明中並不限制外爐體10組成材質；此外，本發明還可以進一步於外爐體10的內壁12上配置隔熱材質，使得進行加熱過程中，熱不會傳遞至外爐體10的外壁11上，而此隔熱材質可以是石英磚或雲母磚等耐高溫材質。由於，內爐體20需要能夠在高溫高壓環境下操作以及內爐體20內的反應氣體可能具有腐蝕性等因素，故本發明之內爐體20所使用之材質可以是石英或二氧化矽(SiO2)，且可以在閘門1001之內表面1003與第三側邊201氣密接觸的側面上，同樣形成一層二氧化矽(SiO2)層，供保護第一閘門1001使用。
請再參考第2b圖，氣體流動空間204中配置有至少一個第一感測器103，且每一個第一感測器103與控制機構50連接；同時，於反應空間205中同樣配置有至少一個第二感測器203，且每一個第二感測器203也與控制機構50連接。當第一感測器103及第二感測器203，同為壓力計時，可分別將氣體流動空間204所量測到的壓力(P1)及反應空間205所量測到的壓力(P2)送至控制機構50中，再由控制機構50計算出壓差值(P1-P2)，並進行進一步控制。特別要強調的是，本發明藉由控制機構50計算出壓差值(P1-P2)之目的，是經由第一感測器103及第二感測器203對氣 體流動空間204及反應空間205兩者之間的壓差值(P1-P2)做精確地控制，特別是控制外部流動空間204的壓力略大於內部反應空間205的壓力。例如：在本發明之一實施例中，其原始設定壓力差值設定為1Kg/cm2，即當(P1-P2)的壓差值大於1Kg/cm2時，控制機構50即會調整並增加反應空間205進氣量，同時也會調整並減少流動空間204進氣量，使得氣體流動空間204及反應空間205兩者之間的壓差值(P1-P2)保持在一個設定的範圍間。而在一較佳之實施例中，外部流動空間204的壓力是大於一個大氣壓(1atm)。很明顯地，基於安全性考量，在本實施例中，壓差的控制是採用兩空間(即氣體流動空間及反應空間)同時進氣方式進行。另外，若本實施例是採用密度控制時，則第一感測器103及第二感測器203可是一種密度計。此外，本實施例也可以選擇第一感測器103為壓力計而及第二感測器203為密度計來對垂直式熱處理爐1進行控制，故可以提供使用者視實際操作氣體情況切換使用；對此，本發明並不加以限制。
根據前述，本發明之供氣機構40是配置於外爐體10之外部，是將多個氣體管路41通過閘門1001之內表面1003而與外爐體10之下側面及內爐體20之外側壁相連接；供氣機構40之多個氣體管路41與控制機構50連接後，可控制並提供至少一種第一氣體(例如：氮氣N2、氬氣Ar)至氣體流動空間204；及控制並提供至少一種第二氣體(例如：氫氣H2、氮氣N2、硒化氫H2Se、硫化氫H2S、氬氣Ar)至反應空間205中，以進行後續反應。特別要說明的是，本發明於垂直式熱處理爐1進行氣體反應過程中，由控制機構50控制氣體流動空間204中的第一壓力(P1)是始終大於反應空間205中的第二壓力(P2)；或是控制氣體流動空間204之第一密度始終大於反應空間205之第二密度。而在一實施 例中，第一壓力(P1)可以被控制0.5~9.8atm的區間。此外，本發明之控制機構50除了控制進氣量之外，亦同時可以偵測並進一步控制壓力、溫度、密度、毒性、時間、氣體種類等，亦即與垂直式熱處理爐1有關之所有控制皆是經由壓力感測器、密度感測器、溫度感測器、毒性感測器，量測後透過信號傳輸線路傳輸至控制機構50進行進一步處理。
再如第2b圖所示，本發明於氣體流動空間204及反應空間205兩者之間進一步配置一安全閥70，例如：將安全閥70配置於內爐體20外側壁21及內側壁22間(其中，內爐體20的外側壁21及內側壁22間的厚度為6~25mm之間)；當反應空間205壓力(P2)大於氣體流動空間204壓力(P1)一設定值時，此時安全閥70會破裂，使得氣體流動空間204與反應空間205氣體流通；且由於流動空間204的壓力略大於反應空間205的壓力的緣故，使得流動空間204內之硒化氫氣體會往反應空間205內擠壓，故不會外洩至外界，且安全閥70之設計也使得熱處理爐結構1不會有過高壓力產生，而破壞內爐體20石英爐壁的現象發生。在本發明之實施例中，一般反應空間205工作壓力會操作在5atm，而此工作壓力遠低於外爐管之耐壓值20atm，因此本發明之熱處理爐可以確保操作安全性。
請再參考第2a圖及第2b圖，在本發明之垂直式熱處理爐1與閘門1001的關閉方式，是由外爐體10及內爐體20所形成之爐體由上方向下方移動，以使爐體的第三側邊201形成之氣體流動空間204與閘門1001上的氣密結構氣密地接合；而當垂直式熱處理爐1要取出薄膜太陽能電池基板3時，則可以將爐體向上方移動，以曝露出薄膜太陽能電池基板3；很明顯地，在本發明之垂直式熱處理爐1的本實施例中，閘門1001是固定不動的， 故可以確保通過閘門1001的多個氣體管路41間不會洩露氣體。
接著，請參考第3圖，為本發明之垂直式熱處理爐1之剖面示意圖。如第3圖所示，本發明之垂直式熱處理爐1之加熱機構30是由多個加熱器(heater)列於內爐體20外側壁21上，且與內爐體20外側壁21相緊臨，其中，加熱機構30為由下列組合中選出：石墨加熱器(carbon heater)或是鹵素燈，供加熱內爐壁使反應溫度升高至設定值使用，其中石墨加熱器可以是以熱電阻絲加熱方式，而鹵素燈為紅外線加熱方式，皆對內爐體20有均勻加溫之功用。在一較佳實施例中，當反應氣體為硒化氫H2Se時，會加溫至520~590℃進行反應。請如第2b圖所示，由圖中可看出反應空間205及氣體流動空間204與薄膜太陽能電池基板3間之確切位置；很明顯地，薄膜太陽能電池基板3是以縱向排列方式位於反應空間205，係配合內部氣流流動方向，使成膜反應結果更為均勻。
現舉一個實施例來具體說明本發明之垂直式熱處理爐1的安全性設計。當第一感測器103量測出流動空間204壓力為3atm，同時第二感測器203量測出反應空間205壓力為2atm，以及外界大氣壓力為1atm時，亦即流動空間204壓力同時大於反應空間205壓力及外界大氣壓力，故當發生氣體洩漏時，根據本發明之熱處理爐的設計，由於壓差緣故，其只會將流動空間204中之氣體(例如：氮氣)洩漏至外界，此時反應空間205壓力也會因流動空間204中壓力的下降，控制機構會將反應空間205壓力下將來維持其壓差，故對操作人員並不會產生安全上疑慮。由於安全性提升緣故，本發明之垂直式熱處理爐1之結構可應用於低壓環境及常壓、高壓環境都可操作，而其適當之工作壓力區間為0.5~9.8atm。然而，在本發明之垂直式熱處理爐1的結構中，如 果欲將流動空間204與反應空間205中的壓力都操作在1atm之下時；例如：流動空間204壓力為1atm，而反應空間205壓力為0.98atm；本發明之垂直式熱處理爐1是可以在此操作條件下執行。
另外，若當第一感測器103及第二感測器203，同為密度計時可採用量測氣體密度方式予以控制反應，控制方式是採用波以耳方程式原理：PaVa/Ta=PbVb/Tb(其中Pa,Va，及Ta分別為a點下之壓力、體積，及溫度；Pb,Vb，及Tb分別為b點下之壓力、體積，及溫度)，有關於詳細控制方式，將於第4圖及第5圖中會詳細陳述之。
接著，請參考第4圖，為本發明之垂直式熱反應爐之溫度與壓力分布示意圖。如第4圖所示，於閘門1001及閘門1002關閉後，會由控制機構50控制供氣機構40對氣體流動空間204與反應空間205進行數次的抽氣與通氣(例如：通入氮氣)過程，以確認爐體反應空間205內已無水氣存在；於此同時，垂直式熱處理爐1開始緩升溫度並加入反應氣體；於本實施例中，加入至反應空間205中的氣體為：10% H2Se+90% N2(carrier gas)。由第4圖可看出，於升溫過程中，在時間進行至50min後即到達一個轉折點(例如：加熱至300℃)，即不再加入反應氣體，而僅升高溫度。這是根據波以耳方程式原理：PaVa/Ta=PbVb/Tb(其中Pa,Va，及Ta分別為a點下之壓力、體積，及溫度；Pb,Vb，及Tb分別為b點下之壓力、體積，及溫度)，可於開始操作熱處理爐之前，即已計算出需提供至反應空間205中的反應氣體量，故於反應氣體加至計算出的量後，即不再繼續加入反應氣體，而僅繼續升高溫度。
隨著溫度的快速升高，將會使得反應空間205中的壓力也會 快速地升高，例如：當溫度升高至反應溫度590℃後，反應空間205中的壓力也會到達5atm附近；接著，反應氣體即會在溫度為590℃及壓力為5atm下進行反應；很明顯地，此時控制機構50會將氣體流動空間204中的壓力控制在5.1atm；如第4圖所示，本實施例的反應時間約為20min即可完成；再接著，隨即進行快速降溫製程，此時，控制機構50會將反應空間205中未反應的氣體抽離後，隨即再將冷卻之氮氣同時送到氣體流動空間204及反應空間205中進行降溫；由於本發明之實施例是於內爐體20爐壁兩側同時降溫，使得在相同氮氣流量下，降溫速率至少為原始降溫速率兩倍，且由於無內爐體20爐壁龜裂或剝落之疑慮，更可加快進氣速率及進氣量，有效提升降溫速率，縮短降溫時間；再如第4圖所示，本發明之垂直式熱反應爐1僅需120分鐘，即可將反應空間205中的溫度從590℃降至設定溫度為50~60℃，故可打開閘門1001，將完成硒化反應的銅銦鎵硒化合物層(CIGS)之薄膜太陽能電池基板3取出。
如上所述之過程，由於本發明可採壓力量測方式對反應進行控制，經由第一感測器103及第二感測器203先行量測反應空間205及量測氣體流動空間204內之壓力後，再將量測值透過信號傳輸線傳至控制機構50，由控制機構50根據反應空間205及氣體流動空間204內之壓力差值進行控制(即控制氣體流動空間204內之壓力值略大於反應空間205之壓力值)，使反應空間205中的反應順利進行。故本發明之垂直式熱反應爐1在快速升溫的過程中，不需要進行洩壓動作，且由於本發明之熱反應爐結構可於高壓下進行硒化反應；例：5atm；故可有效加速反應進行，使反應時間縮短；例如，於本實施例中反應時間約為20min；此外，本發明之另一優點在於降溫過程，約僅需120min即降至設定溫度為 50~60℃。很明顯地，根據第4圖所示，本發明之垂直式熱反應爐1除了可以縮短硒化反應的時間外，還可以大幅度地縮短降溫的時間，故可加速垂直式熱反應爐1的使用率，進而明顯降低製造之成本。
接著，請參考第5圖，為本發明之垂直式熱反應爐之密度控制之溫度密度分布示意圖。如第5圖所示，本實施例中操作條件為：當內爐體20直徑為1.1m，長為2m，而內爐體20之反應空間205中實際氣體所占體積約為1235 lithers時；當關上閘門1001後，由於縱軸為密度，故當關上閥門1001並充入氮氣後，初期因空氣之密度大於氮氣密度之因素，故氮氣之密度較低，經數次抽氣及充入氮氣過程後，確認內部已無水氣後，隨即通入反應氣體10% H2Se+90% N2(carrier gas)，同時開始升溫，與前述第4圖熱處理爐壓力控制溫度壓力分布示意圖相同，在時間進行至50min後(例如：加熱至300℃)，即不再通入反應氣體至反應空間205中；此時，由於反應氣體量在反應空間205維持恆定。以第4圖為對比時，其相關數值如下：於反應空間205中的壓力為5atm且溫度為590℃時，本實施例中的熱處理爐內相關氣體密度為：平均氣體密度為2.35kg/m3，氮(N2)氣體密度為1.78kg/m3，硒化氫(H2Se)氣體密度為0.57kg/m3。
再如第5圖所示，由於是在平均氣體密度為2.35kg/m3下進行反應，此時控制機構50會將氣體流動空間204中的壓力控制在大於平均氣體密度為2.35kg/m3之情狀下操作。在高氣體密度下，也可以使得反應速率較傳統熱處理爐快。由第5圖中可看出，在反應空間205中完成硒化反應的時間僅需約20分鐘；同樣地，其降溫過程也是同時於內爐體20內之反應空間205及爐體外壁之氣體流動空間204通入冷卻之氮氣，且內爐體20爐壁不會有溫度 梯度疑慮，能加大進氣量，同樣不到2hr時間，即以完成降溫動作；當開啟閥門時，由於反應空間205與大氣相接觸，故密度會提升至25℃下一般空氣密度為1.184kg/m3。
由於本發明可採氣體密度量測方式對反應進行控制，經由第一感測器103及第二感測器203先行量測反應空間205及量測氣體流動空間204內之氣體密度後，再將量測值透過信號傳輸線傳至控制機構50，由控制機構50根據反應空間205及氣體流動空間204內之氣體密度差值進行控制(即控制控制氣體流動空間204內之氣體密度值略大於反應空間205之氣體密度值)，使反應空間205中的反應順利進行。故本發明之垂直式熱反應爐1在快速升溫的過程中，不需要進行洩壓動作，且由於本發明之熱反應爐結構可於高氣體密度下進行硒化反應；例：2.35kg/m3；故可有效加速反應進行，使反應時間縮短；例如，於本實施例中反應時間約為20min；此外，本發明之另一優點在於降溫過程，約僅需120min即降至設定溫度為50~60℃。很明顯地，根據第4圖所示，本發明之垂直式熱反應爐1除了可以縮短硒化反應的時間外，還可以大幅度地縮短降溫的時間，故可加速垂直式熱反應爐1的使用率，進而明顯降低製造之成本。
同樣地，也可以將配置於第2a圖的氣體流動空間204中之第一感測器103選擇為一壓力計，及將配置於反應空間205中之第二感測器203選擇為一密度計；同樣也可以經由密度計或壓力計量測得值，同樣經由信號輸送線路傳送至控制機構50後，能針對氣體流動空間204及反應空間205之進氣量作適當調配，故本發明之熱反應爐，可視實際操作情況來決定是以壓力控制或是密度控制進行控制。
以上之詳細說明，均是以完成硒化反應的銅銦鎵硒化合物層 (CIGS)之薄膜太陽能電池基板3為例；然而，本發明之垂直式熱處理爐結構還可以使用在其他製程，另舉一例說明：若要製造銅鋅錫硫(CZTS)之薄膜太陽能電池時，同樣可加入硫化氫(H2S)氣體與銅(Cu)、鋅(Zn)、Sn(錫)於本發明之熱處理爐中進行反應，並生成銅鋅錫硫薄膜太陽能電池。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利權利；同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。
1‧‧‧熱處理爐結構
11‧‧‧外壁
12‧‧‧內壁
13‧‧‧上封閉面
14‧‧‧下封閉面
3‧‧‧薄膜太陽能電池基板
10‧‧‧外爐體
101‧‧‧第一側邊
102‧‧‧第二側邊
103‧‧‧第一感測器
1001‧‧‧閘門
1003‧‧‧內表面
1005‧‧‧外表面
20‧‧‧內爐體
21‧‧‧外側壁
22‧‧‧內側壁
201‧‧‧第三側邊
202‧‧‧第四側邊
203‧‧‧第二感測器
204‧‧‧流動空間
205‧‧‧反應空間
30‧‧‧加熱機構
40‧‧‧供氣機構
41‧‧‧氣體管路
50‧‧‧控制機構
70‧‧‧安全閥
第1a圖 為先前技術示意圖；第1b圖 為先前技術示意圖；第1c圖 為先前技術之溫度及壓力分布示意圖；第2a圖 為本發明之垂直式熱處理爐之一實施例之示意圖；第2b圖 為本發明之垂直式熱處理爐關閉之一實施例之示意圖；第3圖 為本發明之垂直式熱處理爐結構之一實施例之剖面示意圖；第4圖 為本發明之垂直式熱處理爐結構之壓力與溫度控制分布示意圖；第5圖 為本發明之垂直式熱處理爐結構之密度與溫度控制分布示意圖。
1‧‧‧熱處理爐結構
11‧‧‧外壁
12‧‧‧內壁
13‧‧‧上封閉面
14‧‧‧下封閉面
3‧‧‧薄膜太陽能電池基板
10‧‧‧外爐體
101‧‧‧第一側邊
102‧‧‧第二側邊
103‧‧‧第一感測器
1001‧‧‧閘門
1003‧‧‧內表面
1005‧‧‧外表面
20‧‧‧內爐體
21‧‧‧外側壁
22‧‧‧內側壁
201‧‧‧第三側邊
202‧‧‧第四側邊
203‧‧‧第二感測器
204‧‧‧流動空間
205‧‧‧反應空間
30‧‧‧加熱機構
40‧‧‧供氣機構
41‧‧‧氣體管路
50‧‧‧控制機構
70‧‧‧安全閥

Claims (8)

  1. 一種垂直式熱處理爐之結構，包括：一外爐體，具有一外壁及一內壁所形成的第一容置空間，並具有一第一側邊及相對該第一側邊之一第二側邊，且於該第一側邊形成該第一容置空間的開口，而該第二側邊為一個封閉面；一個內爐體，係間隔地固設於該外爐體之第一容置空間中，該內爐體具有一外側壁及一內側壁所形成的第二容置空間，並具有一第三側邊及相對該第三側邊之一第四側邊，部份該第三側邊由一個下封閉面與該第一側邊連接，使得第三側邊形成一個第二容置空間的開口，而該第四側邊為一個封閉面，其中，該內爐體之外側壁與該外爐體之內壁間形成一個氣體流動空間，且於該內爐體之內側壁中形成一個反應空間；一加熱機構，係固設於該內爐體外側壁上，且與該內爐體外側壁相接觸；一閘門，具有外表面及內表面，藉由該內表面與該第三側邊之該第二容置空間的開口接觸後，使得該氣體流動空間與該反應空間各自形成獨立的空間；一供氣機構，配置於該外爐體之外部，是由複數個氣體管路所組成，該複數個氣體管路通過該閘門之外表面及內表面後，由該下封閉面及該第二容置空間的開口通入氣體至該氣體流動空間與該反應空間；一控制機構，配置於該外爐體之外部，用以控制該供氣機構提供一第一氣體及一第二氣體至該氣體流動空間與該反應空間中的量，使得該氣體於流動空間形成一第一壓力(P1)，而反應空間形成一第二壓力(P2)； 其中，進行一硒化反應過程時，該第一壓力(P1)始終大於該第二壓力(P2)。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直式熱處理爐，其中該氣體流動空間中配置有至少一第一感測器，且每一該第一感測器與該控制機構連接。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之垂直式熱處理爐，其中該反應空間中配置有至少一第二感測器，且每一該第二感測器與該控制機構連接。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之垂直式熱處理爐，其中該第一感測器及該第二感測器為壓力計。
  5. 依據申請專利範圍第3項所述之垂直式熱處理爐，其中該第一感測器及該第二感測器為密度計。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直式熱處理爐，其中該第一壓力(P1)大於一大氣壓力。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直式熱處理爐，其中該外爐體之材質為由下列組成中選出：鋼(steel)、不銹鋼(SUS304、SUS316)。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直式熱處理爐，其中該內爐體之材質為由下列組成中選出：石英，二氧化矽(SiO2)。
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