TWI442013B - 熱處理爐結構 - Google Patents

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TWI442013B
TWI442013B TW100135880A TW100135880A TWI442013B TW I442013 B TWI442013 B TW I442013B TW 100135880 A TW100135880 A TW 100135880A TW 100135880 A TW100135880 A TW 100135880A TW I442013 B TWI442013 B TW I442013B
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Toshiaki Yoshimura
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    • F27D7/06—Forming or maintaining special atmospheres or vacuum within heating chambers

Description

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熱處理爐，使得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。舉一實際例子說明：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/CuIn/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圖所示的硒化爐進行硒化反應之溫度及壓力分布示意圖如第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不同。
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，但由於內爐體內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。此外，如第1a圖所示，硒化爐之氣體管路及信號傳輸管路設計皆位於閘門上，由於每次進行製程操作時，閘門均須開啟，使得管路容易鬆脫或破裂，增加工安危險性。本發明即試圖針對上述種種問題進行改善，並進一步提出一新式熱反應爐設計。
為了解決上述問題，本發明之一主要目的是設計一種熱處理爐結構，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於熱處理爐結構中，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於熱處理爐結構中，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，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。
本發明之再一主要目的是於熱處理爐結構中，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於熱處理爐結構中，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熱處理爐結構，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熱處理爐結構，由於為橫向兩側開孔設計，可以組合方式，將多個熱處理爐一併連接，有效節省設備成本，及運送成本，更可增加生產效益，提昇裝置可靠度。
本發明之再一主要目的是提供一熱處理爐結構，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，本發明提供一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一外爐體，具有第一側邊及第二側邊，且於第一側邊上裝設一個可開啟第一閘門，於第二側邊上裝設一個可開啟第二閘門；一內爐體，具有一外側壁及一內側壁，係間隔地固設於外爐體之內部，使得內爐體之外側壁與外爐體間形成一氣體流動空間，且於內爐體內側壁之中形成一反應空間，於第一閘門及第二閘門閉合時，使得氣體流動空間與反應空間各自形成獨立的氣密空間；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；及一供氣機構，配置於外爐體之外部，係經過多個氣體管路與外爐體一側邊及內爐體一側邊相連接，可控制地提供一第一氣體至該氣體流動空間與一第二氣體該反應空間中；一控制機構，用以控制供氣機構提供第一氣體及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第一壓力(P1)，而反應空間形成第二壓力(P2)；其中於熱處理爐結構進行氣體反應過程中，由控制機構控制氣體流動空間之第一壓力(P1)始終大於反應空間205之第二壓力(P2)。
為達上述目的，本發明再提供一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一外爐體，具有一第一側邊及相對第一側邊之第二側邊，且於第一側邊上裝設一可開啟第一閘門，於第二側邊上裝設一可開啟第二閘門，且第一閘門之內側配置一第一氣密結構，而第二閘門之內側配置一第二氣密結構；一內爐體，具有一外側壁及一內側壁，係間隔地固設於外爐體之內部，使得內爐體之外側壁與外爐體間形成一氣體流動空間，且於內爐體內側壁之中形成一反應空間，內爐體具有一第三側邊及相對第三側邊之第四側邊，於第一閘門閉合時，第一氣密結構與第三側邊氣密地接合，而第二氣密結構 與第四側邊氣密地接合，使得氣體流動空間與反應空間各自形成獨立的氣密空間；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緊臨；及一供氣機構，配置於外爐體之外部，係經過多個氣體管路與外爐體一側邊及內爐體一側邊相連接，可控制地提供一第一氣體至氣體流動空間與一第二氣體至反應空間中；一控制機構，配置於外爐體之外部，用以控制供氣機構提供第一氣體及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205形成一第二壓力(P2)。
為達上述目的，本發明再提供一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一外爐體，具有一第一側邊及相對第一側邊之第二側邊，及與第一側邊及第二側邊相連接的一上側面與一下側面，以形成一容置空間，且第一側邊上配置一可開啟之閘門，而第二側邊為一封閉面，第一閘門之內側配置一第一氣密結構；一內爐體，係間隔地固設於外爐體之容置空間中，具有一外側壁及一內側壁，以及具有一第三側邊及相對第三側邊之第四側邊，並將第四側邊與封閉面連接，使得內爐體之外側壁與外爐體間形成一氣體流動空間，且於內爐體內側壁之中形成一反應空間，於第一閘門閉合時，第一氣密結構與第三側邊氣密地接合，使得氣體流動空間與反應空間各自形成獨立的氣密空間；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；及一供氣機構，配置於外爐體之外部，係經過多個氣體管路與外爐體之下側面及內爐體之外側壁相連接，可控制地提供一第一氣體至氣體流動空間與一第二氣體至反應空間中；一控制機構，配置於外爐體之外部，用以控制供氣機構提供第一氣體及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)。
為達上述目的，本發明接著再提供一種供氣體反應使用的多級熱處理爐，是由多個熱處理爐串接而形成，其中，每一個熱處理爐結構包括：一個外爐體，具有第一側邊及第二側邊，且於第一側邊上裝設一可開啟第一閘門，於第二側邊上裝設一可開啟第二閘門，且第一閘門之內側配置一第一氣密結構，而第二閘門之內側配置一第二氣密結構；一個內爐體，具有一外側壁及一內側壁，係間隔地固設於外爐體之內部，使得內爐體之外側壁與外爐體間形成一個氣體流動空間，且於內爐體內側壁之中形成一個反應空間，而內爐體具有一第三側邊及第四側邊，於第一閘門閉合時，第一氣密結構與第三側邊氣密地接合，而第二氣密結構與第四側邊氣密地接合，使得氣體流動空間與反應空間各自形成獨立的氣密空間；一個加熱機構，係固設於內爐體外側壁上，且與內爐體外側壁相接觸；一個供氣機構，配置於外爐體之外部，係經過多個氣體管路與外爐體一側邊及內爐體一側邊相連接，可控制地提供第一氣體至氣體流動空間4與第二氣體至反應空間中；以及一控制機構，配置於外爐體之外部，用以控制供氣機構提供第一氣體及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熱處理爐結構，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2圖，為本發明之一種熱處理爐結構之實施例示意圖。如第2圖所示，熱處理爐包括：一個外爐體10，具有第一側邊101及相對第一側邊101之第二側邊102，第一側邊101與該第二側邊102口徑相同，且於第一側邊101裝設一個可開啟的第一閘門1001，於第二側邊102裝設一個可開啟的第二閘門1002，且第一閘門1001之內側配置一個第一氣密結構10011，而第二閘門1002之內側亦可以選擇配置一個第二氣密結構10021；在本發明之實施例中，第一氣密結構10011及第二氣密結構10021包含一個鎖固件10012及一個阻尼器10013(damper)及一個氣密件10014，其中氣密件10014材質可以是橡膠；一個內爐體20，具有第三側邊201及相對第三側邊201之第四側邊202，第三側邊201與第四側邊202口徑相同，並且具有一個外側壁21及一個內側壁22，係間隔地固設於外爐體10之內側壁12之間，使得內爐體20之外側壁21與外爐體10之內側壁12之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；及一個供氣機構40，配置於外爐體10之外部，係經過多個氣體管路與外爐體10的一側邊及內 爐體20的一側邊相連接，故可提供氣體至氣體流動空間204及反應空間205中；一個控制機構50，配置於外爐體10之外部並與供氣機構40中的管路連接，用以提供氣體送至氣體流動空間204與反應空間205中的量，並能精確地控制氣體於流動空間204形成第一壓力(P1)，而於反應空間205形成第二壓力(P2)；或是使得氣體於流動空間204中具有第一密度，而反應空間205中具有第二密度之操作特性。
當第一閘門1001及第二閘門1002關閉時，藉由第一氣密結構10011及第二氣密結構10021將熱處理爐之第一側邊101及第二側邊102封閉；同時，第一氣密結構10011經由氣密件10014與內爐體20之第三側邊201氣密接合，而第二氣密結構10021也是經由氣密件10014與內爐體20之第四側邊202氣密接合，使得位於外爐體10內側壁12及內爐體20外側壁21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各自形成不相通的兩獨立空間。
本發明之熱處理爐於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形成高均勻度的銅銦鎵硒化合物層；此外，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需維持氣封狀態，同時各自形成不相通的兩獨立空間。因此，本發明之熱處理爐的外爐體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的內側壁12上配置隔熱材質，使得進行加熱過程中，若不會傳遞至外爐體10的外側壁11；而此隔熱材質可以是石英磚或雲母磚等耐高溫材質。
接著，請參考第3圖，為本發明之熱處理爐結構之剖面示意圖。如第3圖所示，本發明之熱處理爐之加熱機構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。請再參照第3圖，由圖中可看出反應空間205及氣體流動空間204與內部反應基板之確切位置，基板為縱向排列方式進入，係配合內部氣流流動方向，使成膜反應結果更為均勻，圖中預留兩通孔60作為氣體管路通道及信號傳輸線路通道使用。此外，由於內爐體20需於高溫高壓下環境操作，且反應氣體(例如：硒化氫H2Se)可能具腐蝕性；所以內爐體20之內側壁22之材質可以是：石英或是二氧化矽(SiO2)，以進一步保護內爐體20不會被腐蝕。
再接著，請參考第4圖，係本發明之熱處理爐之閘門開啟方式之俯視示意圖。如第4圖所示，於第一閘門1001閉合時，第一氣密結構10011與內爐體20之第三側邊201氣密接合，而第二閘門1002閉合時，第二氣密結構10021與內爐體20之第四側邊202氣密接合；同時，當第一閘門1001及第二閘門1002閉合時，阻尼器10013及氣密件10014會藉由阻尼器10013之彈性，使得氣 密件10014能夠產生氣密狀態；於第一閘門1001及第二閘門1002閉合後，可使用鎖固件10012將第一閘門1001及第二閘門1002與外爐體10之第一側邊101及第二側邊102鎖固成一體時，可以使外爐體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維持氣密狀態。另外，在第一氣密結構10011與第三側邊201接觸之一側面上，及第二氣密結構10021之與第四側邊202接觸之一側面上，均可以塗布一二氧化矽(SiO2)層或可防止腐蝕之鍍層，做為保護閘門以免被反應氣體腐蝕使用。
再如第4圖所示，本發明之熱處理爐其在一般操作使用時，僅會開啟一個閘門(例如：第一閘門1001)，而另一側閘門(例如：第二閘門2001)則維持鎖固及封閉裝態。而當熱處理爐結構1需要維修時方才開啟另一側閘門。
再次強調，當氣密狀態形成時，本發明之氣體流動空間204與反應空間205，是各自形成獨立的氣密空間，兩空間氣體不會相流通。很明顯地，本發明之熱處理爐結構與先前技術不同處之一，在於本發明之熱處理爐不必於第一閘門1001上配置出氣體管路通道及信號傳輸線路通道，故本發明之熱處理爐於進料及出料過程中，第一閘門1001的開啟或關閉，均不會對影響供氣機構40的結構強度，故除了可以增加熱處理爐結構的可靠度外，還可以降低供氣機構40的氣體管路產生漏氣的工安疑慮，同時可使得熱反應爐結構製作時能更簡便。
請再參考第2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，壓差的控制是採兩空間(即氣體流動空間及反應空間)同時進氣方式進行。
再如第2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 力遠低於外爐管所耐壓值20atm，因此本發明之熱處理爐可以確保操作安全性。
現舉一個實施例來具體說明本發明之熱處理爐的安全性設計。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，本發明之熱處理爐結構1可於低壓環境及常壓、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，在本發明之熱處理爐的結構中，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；本發明之熱處理爐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於後述第6圖及第7圖中會詳細陳述之。若第一感測器103及第二感測器203，為密度計及壓力計組成時，使用者可選擇採用壓力控制或密度控制方式，對反應進行控制，本處並不加以限制實際採用控制狀況，而應以實際操作個案為準。
根據前述，本發明之供氣機構40，係配置於外爐體10之外部，經過多個氣體管路與外爐體10的一側邊及內爐體20的一側邊相連接，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。此外，本發明之控制機構50，是配置於外爐體10之外部並與供氣機構40中的管路連接，用以控制供氣機構40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)。特別要說明的是，本發明於熱處理爐結構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，亦即與熱處理爐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(圖未示)、毒性感測器(圖未示)，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。
請參考第5圖，為本發明之熱處理爐結構2的另一實施例示意圖。如第5圖所示，熱處理爐結構2包括：一個外爐體10，具有一個外壁11及一個內壁12，並具有第一側邊101及相對第一側邊101之第二側邊102，以及與第一側邊101及第二側邊102相連接的上側面與下側面，以形成一容置空間，且第一側邊101上配置一個可開啟之閘門1001，而第二側邊102為一封閉面，閘門1001 之內側配置一個氣密結構10011；一個內爐體20，係間隔地固設於外爐體10之容置空間中，具有一個外側壁21及一個內側壁22，以及具有第三側邊201及相對第三側邊201之第四側邊202，並將第四側邊202與封閉面連接，使得內爐體20之外側壁21與外爐體10之內壁12間形成一氣體流動空間204，且於內爐體20內側壁22之中形成一反應空間205；故於閘門1001閉合時，其氣密結構10011與第三側邊201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；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，配置於外爐體10之外部，係經過多個氣體管路與外爐體10之下側面及內爐體20之外側壁相連接，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中的管路連接，用以控制供氣機構40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)。
很明顯地，第5圖所示的熱處理爐結構2其只有一個可開啟之閘門1001是與前述第2圖所示的實施例(即熱處理爐結構1)不相同外，其餘的結構均與第2圖所示的熱處理爐結構1相同；其中，外爐體10之材質為由下列組成中選出：鋼(steel)、不銹鋼(SUS304、SUS316)；而內爐體20由於需於高溫高壓環境下，且反應氣體可能具腐蝕性，故使用材質為由下列組成中選出：石英，二氧化矽(SiO2)，且於其中第一氣密結構10011與第三側邊201氣密接觸之一側面上，同樣形成一二氧化矽(SiO2)層，供保護第一閘 門1001使用。此外，於本實施例之氣體流動空間204中，配置有至少一個第一感測器103，且每一第一感測器103與控制機構50連接，並於反應空間205中配置有至少一個第二感測器203，且每一第二感測器203與控制機構50連接；同樣地，若本實施例採用壓力控制下時，則第一感測器103及第二感測器203可是一種壓力計；而若本實施例採用密度控制時，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為密度計來對熱處理爐結構2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。同樣地，於本實施例中，在熱處理爐結構2進行氣體反應過程中，可以選擇由控制機構50來控制氣體流動空間204之第一壓力(P1)始終大於反應空間205之第二壓力(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。由於本實施例與第2圖所示的實施例(即熱處理爐結構1)在外爐體10及內爐體20間的配置方式是相同的，故前述之對熱處理爐結構1之實施例的各種安全設計，皆適用於本實施例，故在此不再贅述。
很明顯地，本發明之熱處理爐結構與先前技術不同處之一，在於本發明之熱處理爐不必於閘門1001上配置出氣體管路通道及信號傳輸線路通道，故本發明之熱處理爐於進料及出料過程中，閘門1001的開啟或關閉，均不會對影響供氣機構40的結構強度，故除了可以增加熱處理爐結構的可靠度外，還可以降低供氣機構40的氣體管路產生漏氣的工安疑慮，同時可使得熱反應爐結構製作時能更簡便。
接著，請參考第6圖，為本發明之熱反應爐之溫度與壓力分布示意圖。如第6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，熱處理爐結構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6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6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6圖所示，本發明之熱反應爐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6圖所示，本發明之熱反應爐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7圖，為本發明之熱反應爐之密度控制之溫度密度分布示意圖。如第7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1235lithers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7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6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7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7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6圖所示，本發明之熱反應 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2圖與第5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。
請再參考第8圖，係本發明之一種具有多個熱處理爐串聯成的多級熱處理爐結構之實施例示意圖。如第8圖所示，由於本發明之多級熱處理爐結構3爐體為水平設計，使得多級熱處理爐結構3之具有兩端開口(即一個外爐體10，具有第一側邊101及相對第一側邊101之第二側邊102)；當將兩個熱處理爐1串聯接在一起時(即將第一個外爐體10的第一側邊101與第二個外爐體10的第二側邊102連接)，並經由氣密裝置80；例如：橡膠材料所形成之氣密環；使得兩個熱處理爐之間的第一側邊101及第二側邊102形成氣密接觸，故當兩個熱處理爐之內爐體20之一的第三側邊201與另一內爐體20之一的第四側邊202連接後，即可完成多 級熱處理爐結構3。在此要強調，多級熱處理爐結構3中的每一個熱處理爐之結構與第2圖之熱處理爐結構1相同，其詳細構造不再詳述。
當完成串聯的兩個熱處理爐以形成多級熱處理爐結構3後，進一步於多級熱處理爐結構3的兩端各配置一個可開啟的第一閘門1001及另一個可開啟的第二閘門1002；當第一閘門1001及第二閘門1002關閉時，藉由第一氣密結構10011及第二氣密結構10021將熱處理爐之第一側邊101及第二側邊102封閉；同時，第一氣密結構10011經由氣密件10014與內爐體20之第三側邊201氣密接合，而第二氣密結構10021也是經由氣密件10014與內爐體20之第四側邊202氣密接合，使得位於外爐體10內側壁12及內爐體20外側壁21之間的氣體流動空間204(即將兩個熱處理爐的氣體流動空間串接而成)，以及位於內爐體20內側壁22之間的反應空間205(即將兩個熱處理爐的反應空間串接而成)各自形成不相通的兩獨立空間。
此外，本發明還可以進一步於多級熱處理爐結構3之外爐體10的內側壁12上配置隔熱材質，使得進行加熱過程中，若不會傳遞至外爐體10的外側壁11；而此隔熱材質可以是石英磚或雲母磚等耐高溫材質。
此外，於多級熱處理爐結構3中配置有加熱機構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；同時，多級熱處理爐結構3還配置有供氣機構40，配置於外爐體10之外部，係經過多個氣體管路與外爐體10的一側邊及內爐體20的一側邊相連接，故可提供氣體至氣體流動空間204及反應空間205中；以及於多級熱處理爐結構3中再配置控制機構50，配置於外爐體10之外部並與供氣機構40中的管路連接，用以提供氣 體送至氣體流動空間204與反應空間205中的量，並能精確地控制氣體於流動空間204形成一第一壓力(P1)，而於反應空間205形成一第二壓力(P2)；或是使得氣體於流動空間204中具有第一密度，而反應空間205中具有第二密度之操作特性。同樣地，在本發明之多級熱處理爐結構中，於進行硒化反應的過程中，可以藉由控制機構50來控制氣體流動空間204之第一壓力(P1)始終大於反應空間205之第二壓力(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。由於本實施例與第2圖所示的實施例(即熱處理爐結構1)在外爐體10及內爐體20間的配置方式是相同的，故前述之對熱處理爐結構1之實施例的各種安全設計，皆適用於本實施例；例如：於多級熱處理爐結構3之氣體流動空間204及反應空間205兩者之間進一步配置至少一個安全閥70；在此不再贅述。
很明顯地，很明顯地，本發明之多級熱處理爐結構與先前技術不同處之一，在於本發明之熱處理爐不必於第一閘門1001上配置出氣體管路通道及信號傳輸線路通道，故本發明之熱處理爐於進料及出料過程中，第一閘門1001的開啟或關閉，均不會對影響供氣機構40的結構強度，故除了可以增加熱處理爐結構的可靠度外，還可以降低供氣機構40的氣體管路產生漏氣的工安疑慮，同時可使得熱反應爐結構製作時能更簡便。再者，經由多個熱處理爐組合而成的多級熱處理爐結構3，可以有效節省設備成本並更可增加生產效益。
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
2‧‧‧熱處理爐結構
3‧‧‧薄膜太陽能電池基板
10‧‧‧外爐體
101‧‧‧第一側邊
102‧‧‧第二側邊
1001‧‧‧第一閘門
10011‧‧‧第一氣密結構
10012‧‧‧鎖固件
10013‧‧‧阻尼器
10014‧‧‧氣密件
1002‧‧‧第二閘門
10021‧‧‧第二氣密結構
103‧‧‧第一感測器
20‧‧‧內爐體
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
50‧‧‧控制機構
60‧‧‧通孔
70‧‧‧安全閥
80‧‧‧氣密裝置
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2圖 為本發明之熱處理爐結構之一實施例之示意圖；第3圖 為本發明之熱處理爐結構之一實施例之剖面示意圖；第4圖 為本發明之熱處理爐結構之一實施例之閘門開啟方式之俯視示意圖；第5圖 為本發明之熱處理爐結構之另一實施例之示意圖；第6圖 為本發明之熱處理爐結構之壓力與溫度控制分布示意圖；第7圖 為本發明之熱處理爐結構之密度與溫度控制分布示意圖。
第8圖 為本發明之多級熱處理爐結構之實施例示意圖。
1‧‧‧熱處理爐結構
3‧‧‧薄膜太陽能電池基板
10‧‧‧外爐體
101‧‧‧第一側邊
102‧‧‧第二側邊
1001‧‧‧第一閘門
10011‧‧‧第一氣密結構
1002‧‧‧第二閘門
10013‧‧‧阻尼器
10014‧‧‧氣密件
1002‧‧‧第二閘門
10021‧‧‧第二氣密結構
103‧‧‧第一感測器
20‧‧‧內爐體
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
50‧‧‧控制機構

Claims (26)

  1. 一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一外爐體，具有一第一側邊及相對該第一側邊之第二側邊，該第一側邊與該第二側邊口徑相同，且於該第一側邊上裝設一可開啟第一閘門，於該第二側邊上裝設一可開啟第二閘門，且該第一閘門之內側配置一第一氣密結構，而該第二閘門之內側配置一第二氣密結構；一內爐體，具有一外側壁及一內側壁，係間隔地固設於該外爐體之內部，使得該內爐體之該外側壁與該外爐體間形成一氣體流動空間，且於該內爐體內側壁之中形成一反應空間，該內爐體具有一第三側邊及相對該第三側邊之第四側邊，該第三側邊與該第四側邊口徑相同，於該第一閘門閉合時，該第一氣密結構與該第三側邊氣密地接合，於該第二閘門閉合時，該第二氣密結構與該第四側邊氣密地接合，使得該氣體流動空間與該反應空間各自形成獨立的氣密空間；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；及一供氣機構，配置於該外爐體之外部，係經過多個氣體管路與該外爐體一側邊及該內爐體一側邊相連接，可控制地提供一第一氣體至該氣體流動空間與提供一第二氣體至該反應空間中；以及一控制機構，配置於該外爐體之外部，用以控制該供氣機構提供該第一氣體及該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，於該熱處理爐結構中進行氣體反應的過程中，由該控制機構控制該氣體流動空間第一壓力(P1)始終大於該反應空 間之第二壓力(P2)；其中，該第一氣密結構與該第三側邊氣密接觸之一側面上，及該第二氣密結構之與該第四側邊氣密接觸之一側面上，各自形成一二氧化矽(SiO2)層或可防止腐蝕之鍍層。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之熱處理爐結構，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)。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之熱處理爐結構，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)。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之熱處理爐結構，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。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之熱處理爐結構，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。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之熱處理爐結構，其中該第一感測器及該第二感測器為壓力計。
  7. 依據申請專利範圍第5項所述之熱處理爐結構，其中該第一感測器及該第二感測器為密度計。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之熱處理爐結構，其中該加熱機構為由下列組合中選出：石墨加熱器(carbon heater)、鹵素燈。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之熱處理爐結構，其中該第一壓力(P1)大於一大氣壓力。
  10. 一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一外爐體，具有一第一側邊及相對該第一側邊之第二側邊，該第一側邊與該第二側邊口徑相同，且於該第一側邊上裝設一可開啟第一閘門，於該第二側邊上裝設一可開啟第二閘門；一內爐體，具有一外側壁及一內側壁，係間隔地固設於該外爐體之內部，使得該內爐體之該外側壁與該外爐體間形成一氣體流動空間，且於該內爐體內側壁之中形成一反應空間，於該第一閘門及該第二閘門閉合時，使得該氣體流動空間與該反應空間各自形成獨立的氣密空間；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；一供氣機構，配置於該外爐體之外部，係經過多個氣體管路與該外爐體一側邊及該內爐體一側邊相連接，可控制地提供一第一氣體至該氣體流動空間與提供一第二氣體至該反應空間中；以及一控制機構，用以控制該供氣機構提供該第一氣體及該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，於該熱處理爐結構中進行氣體反應的過程中，由該控制機構控制該氣體流動空間第一壓力(P1)始終大於該反應空間之第二壓力(P2)；其中，該第一閘門與該內爐體接觸之一側面上，及該第二閘門與該內爐體接觸之一側面上，各自形成一二氧化矽(SiO2)層或可防止腐蝕之鍍層。
  11. 依據申請專利範圍第10項所述之熱處理爐結構，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)。
  12. 依據申請專利範圍第10項所述之熱處理爐結構，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)。
  13. 依據申請專利範圍第10項所述之熱處理爐結構，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。
  14. 依據申請專利範圍第13項所述之熱處理爐結構，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。
  15. 依據申請專利範圍第14項所述之熱處理爐結構，其中該第一感測器及該第二感測器為壓力計。
  16. 依據申請專利範圍第14項所述之熱處理爐結構，其中該第一感測器及該第二感測器為密度計。
  17. 依據申請專利範圍第10項所述之熱處理爐結構，其中該加熱機構為由下列組合中選出：石墨加熱器(carbon heater)、鹵素燈。
  18. 一種供氣體反應使用的多級熱處理爐，是由多個熱處理爐串接而形成，其中，每一個熱處理爐結構包括：一外爐體，具有一第一側邊及相對該第一側邊之第二側邊，且於該第一側邊上裝設一可開啟第一閘門，於該第二側邊上裝設一可開啟第二閘門，且該第一閘門之內側配置一第一氣密結構，而該第二閘門之內側配置一第二氣密結構； 一內爐體，具有一外側壁及一內側壁，係間隔地固設於該外爐體之內部，使得該內爐體之該外側壁與該外爐體間形成一氣體流動空間，且於該內爐體內側壁之中形成一反應空間，該內爐體具有一第三側邊及相對該第三側邊之第四側邊，於該第一閘門閉合時，該第一氣密結構與該第三側邊氣密地接合，而第二氣密結構與該第四側邊氣密地接合，使得該氣體流動空間與該反應空間自形成獨立的氣密空間；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；一供氣機構，配置於該外爐體之外部，係經過多個氣體管路與該外爐體一側邊及該內爐體一側邊相連接，可控制地提供一第一氣體至該氣體流動空間與提供一第二氣體至該反應空間中；以及一控制機構，配置於該外爐體之外部，用以控制該供氣機構提供該第一氣體及該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)。
  19. 依據申請專利範圍第18項所述之熱處理爐結構，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)。
  20. 依據申請專利範圍第18項所述之熱處理爐結構，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)。
  21. 依據申請專利範圍第18項所述之熱處理爐結構，其中該第一氣密結構與該第三側邊氣密接觸之一側面上，形成一二氧化矽(SiO2)層。
  22. 依據申請專利範圍第18項所述之熱處理爐結構，其中該氣體流動空間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。
  23. 依據申請專利範圍第22項所述之熱處理爐結構，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。
  24. 依據申請專利範圍第18項所述之熱處理爐結構，其中於該熱處理爐結構進行氣體反應過程中，由該控制機構控制該氣體流動空間第一壓力(P1)始終大於該反應空間之第二壓力(P2)。
  25. 依據申請專利範圍第18項所述之熱處理爐結構，其中該加熱機構為由下列組合中選出：石墨加熱器(carbon heater)、鹵素燈。
  26. 一種供氣體反應使用的熱處理爐結構，包括：一外爐體，具有一第一側邊及相對該第一側邊之第二側邊，及與該第一側邊及該第二側邊相連接的一上側面與一下側面，以形成一容置空間，且該第一側邊上配置一可開啟之第一閘門，而該第二側邊為一封閉面，該第一閘門之內側配置一第一氣密結構；一內爐體，係間隔地固設於該外爐體之容置空間中，具有一外側壁及一內側壁，以及具有一第三側邊及相對該第三側邊之第四側邊，並將該第四側邊與該封閉面連接，使得該內爐體之該外側壁與該外爐體間形成一氣體流動空間，且於該內爐體內側壁之中形成一反應空間，於該第一閘門閉合時，該第一氣密結構與該第三側邊氣密地接合，使得該氣體流動空間與該反應空間各自形成獨立的氣密空間；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；一供氣機構，配置於該外爐體之外部，係經過多個氣體管路與該外爐體之該下側面及該內爐體之該外側壁相連接，可控制地提供一第一氣體至該氣體流動空間與提供一第二氣體至該反應空間中；以及一控制機構，配置於該外爐體之外部，用以控制該供氣機構提供該第一氣體及該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，於該熱處理爐結構中進行氣體反應的過程中，由該控制機構控制該氣體流動空間第一壓力(P1)始終大於該反應空間之第二壓力(P2)。
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