TWI466192B - 保持用於熱處理的多個平面基板的方法和設備 - Google Patents

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Description

保持用於熱處理的多個平面基板的方法和設備
本發明總體涉及光電材料和製造方法。更具體地，本發明提供了用於薄膜熱處理的方法和設備。本發明的實施方式包括用於保持多個特大基板的方法和設備，用來在形成光電吸收材料的熱處理過程中實現基本一致的基板溫度，但是會認識到，本發明可以應用於其他薄膜處理應用。
從剛開始的時候，人類已經嘗試找到支配能量的方式。能源以這樣的形式出現，如石化、水電、原子能、風、生物量、太陽能，以及更原始的形式，如木材和煤炭。最近，環境清潔和可再生能源是一直想要的。清潔和可再生的能源也包括風、波浪、生物量等。其他類型的清潔能源還包括太陽能。
太陽能技術一般將來自太陽的電磁輻射轉換成其他形式的能量。這些其他形式的能量包括熱能和電力。對於電力應用，通常使用太陽能電池。雖然太陽能是環境清潔的並且一定程度上已經很成功，但是在它在世界各地廣泛應用之前仍有很多限制。例如，一種類型的太陽能電池使用晶體材料，其來自半導體材料錠。這些晶體材料可用於製造包括將電磁輻射轉換成電力的光電裝置和光電二極體裝置的光電子裝置。然而，晶體材料常常是昂貴的且很難大規模製造。此外，由這種晶體材料製成的裝置常常具有低能量轉換效率。其他類型的太陽能電池使用“薄膜”技術來形成用 於將電磁輻射轉換成電力的感光材料薄膜。製造太陽能電池中使用薄膜技術也存在類似的限制。也就是說，效率往往不佳。此外，膜可靠性往往不佳且不能用於傳統環境應用中的廣延時間週期。薄膜常常很難機械地相互結合在一起。這些傳統技術的這些和其他限制可以在整個本發明說明書中發現且更具體地在下文中發現。
為了努力改善薄膜太陽能電池技術，已經提出了在平面、管狀、圓柱形、圓形或其他形狀的一定大小的基板上製造基於先進的CIS和/或CIGS的光電薄膜疊式記憶體(photovoltaic film stack)的過程。在光電薄膜疊式記憶體的形成中有各種製造挑戰，如保持基板材料結構完整性、控制一個或多個的前體層中的成分的化學組成、在期望的氣體環境中進行所述一個或多個的前體層的適當反應性熱處理、確保反應性熱處理過程中薄膜材料的均勻度和細微性等。尤其是，當在大尺寸基板上製造基於薄膜的太陽能電池時，期望整個基板表面上的溫度均勻性。儘管在過去的傳統技術已經解決了其中的一些問題，但在各種情況下它們往往是不足夠的。因此，需要用於處理在平面或非平面形狀的、固定的或靈活的(flexible)基板上的薄膜光電裝置的改進的系統和方法。
本發明提供了保持具有用於熱處理的前體材料的大基板的方法和設備。該方法和設備在用於基於薄膜的光電裝置的製造的熱處理過程中提供了針對多個基板的改進的裝載配置。
本發明提供了用於具有第一端和第二端的管狀爐內的熱處理的保持多個平面基板的方法。該管狀爐由進行熱處理過程的加熱器圍繞。第一端具有門且第二端是絕緣的。該方法進一步包括提供了具有耦接至頂架的基架的舟夾具(boat fixture)。該基架包括兩個長度部分和第一寬度部分、 第二寬度部分、以及連接在兩個長度部分之間的一個或多個中間構件。帶槽棒分別安裝到第一寬度部分、第二寬度部分和一個或多個中間構件中的每一個中間構件上。基板放置於舟夾具內，以便這些槽通過期望距離支撐分隔開的平面基板。舟夾具通過托架夾具(rack fixture)裝載到用於熱處理過程的管狀爐中。
本方法包括基板裝置，其中每個基板單獨插入一個沒有前/後相配置(front/back phase configuration)的槽內，並且任何相鄰基板之間的最小間距至少等於期望值，例如1英寸。
在另一實施方式中，裝載配置包括基板裝置，其中每個基板單獨插入一個槽中，並且任何一個基板的前/後表面直接面向以期望間距插入到另一槽內的相鄰基板的另一前/後表面。
在又一實施方式中，裝載配置包括通過安裝到第一寬度部分、第二寬度部分、和一個或多個中間構件中的每一個中間構件上的第二帶槽棒來替換在基架上的每個第一帶槽棒。每個第二帶槽棒包括第二空間配置的第二多個槽。
在一替換實施方式中，本發明提供了用於保持用於熱處理的一個或多個基板的設備。該設備包括具有基本長方體形狀的框架夾具(frame fixture)，其包括基架、頂架、耦合到基架和頂架的一個或多個側連接杆。基架具有兩個寬度構件和連接在兩個長度構件之間的一個或多個中間接合構件。該設備進一步包括可拆卸地安裝到所述兩個寬度構件的每一個以及一個或多個中間接合構件的每一個上的第一帶槽棒。每個第一帶槽棒包括第一多個槽，其分別配置成支撐第一配置的多個平面基板。此外，該裝置包括可拆卸地安裝到頂架的兩個寬度構件的每一個上的第一帶槽棒。每個第一帶槽棒包括第二多個槽，其分別與所述第一多個槽對準，以引導多個 平面基板。該設備進一步包括托架結構，該托架結構配置為是處於爐內的裝載位置中的框架夾具的機械支撐，以使第一配置的多個平面基板經受一個或多個反應性熱處理過程。
在另一替換實施方式中，本發明提供了通過熱處理來處理基板的方法，其中基板溫差中的每一個至少在斜坡升溫(ramp up)或斜坡降溫(ramp down)階段之間的停歇階段期間被控制在15℃以內。此外，該爐提供了一封閉體積，其使至少包括覆蓋每個基板的一個表面的銅和銦物質的前體薄膜經歷氣態硒或硫物質，以製成用於太陽能電池的光電吸收器。
本發明提供了用於保持在爐管內的覆蓋有光電前體層的多個平面基板的裝置。爐管具有以受控方式提供熱能的加熱器。該爐可以填滿包括硒和/或硫的期望氣體物質，以用於用來製造光電電池的前體層地的反應熱處理。尤其是，該設備利用具有托架夾具的石英舟夾具，所述托架夾具配置有多個槽以用於支撐大型平面(大多數情況下是矩形或正方形)玻璃基板。本發明的一些實施方式在舟夾具內提供了多個平面基板的裝載配置，這通過如下方式進行：豎直地對齊多個平面基板，為每個平面基板佈置具有合適尺寸的多個槽，在週期組內並且在多個平面基板彼此之間設置最佳間距，以及其他。在一些實施方式中，石英舟夾具內的基板的裝載配置允許平面基板之間有效的對流而在反應性熱處理過程中將熱能從每個基板的較熱區域傳遞到較冷區域。
在一個特定實施方式中，每個基板上的溫度保持基本均勻或至少溫差控制為小於一設定值。在另一特定實施方式中，一替換的裝載配置包括以背對背方式插入每個凹槽且各自的前體層暴露在前表面的兩個基板。裝載在第一凹槽內的兩個平面基板中的一個的前體層面向裝載在遠離一側預定距離的相鄰凹槽內的兩個平面基板中的一個的前體層，同時裝載在第 一凹槽內的兩個平面基板中的另一個的前體層面向裝載在遠離相對側預定距離的相鄰凹槽內的兩個平面基板中的一個的前體層。因此，與僅將一個基板裝載至一個凹槽相比，石英舟夾具內裝載的平面基板的數量增加，而不減少相鄰基板的處理表面(subjected surface)之間的間距。在一個特定實施方式中，相鄰基板之間的預定距離與爐管配置、基板尺寸、裝載的基板與爐管內壁之間的間隙距離、以及一個或多個熱處理過程相關。例如，爐製成管形以便促進其中的氣體對流。爐管由石英材料製成，該石英材料對於來自若干個分區加熱器的熱輻射是半透明的，所述分區加熱器圍繞管且具有對於不同區域的溫度控制。也可以增加冷卻器以便爐溫更容易地斜坡下降，如在熱處理過程的某些階段中所期望的。
100‧‧‧爐管
101‧‧‧管軸線
112‧‧‧第一端
114‧‧‧第二端
120‧‧‧蓋構件
130‧‧‧擋板
131‧‧‧擋板
140‧‧‧石英舟夾具
141‧‧‧機架構件
142‧‧‧托架夾具
145‧‧‧基架
1451‧‧‧第一寬度部分
1452‧‧‧第二寬度部分
1453、1454‧‧‧中間構件
1455、1456‧‧‧長度部分
146‧‧‧頂架
148‧‧‧帶槽棒
149‧‧‧帶槽杆
150‧‧‧基板
160‧‧‧加熱器
170‧‧‧體積空間
200‧‧‧管狀爐
211、212‧‧‧平面基板
215‧‧‧間距
240‧‧‧石英舟夾具
248‧‧‧帶槽棒
249‧‧‧帶槽杆
251、252‧‧‧凹槽
300‧‧‧爐管
311、312、313、314‧‧‧基板
315‧‧‧間距
340‧‧‧石英舟夾具
345、346‧‧‧托架夾具
348‧‧‧帶槽棒
349‧‧‧帶槽杆
351、353‧‧‧第一凹槽
352、354‧‧‧第二凹槽
400‧‧‧爐管
411、412‧‧‧基板
415‧‧‧間距
440‧‧‧石英舟夾具
445、446‧‧‧框架夾具
448‧‧‧帶槽棒
449‧‧‧帶槽杆
451‧‧‧凹槽
600‧‧‧模型爐
610‧‧‧基板
615‧‧‧間距
650‧‧‧對流
700‧‧‧爐管
710‧‧‧基板
715‧‧‧間距
750‧‧‧對流
圖1是沿著爐管軸線的側視圖，所述爐管包括裝載有用於光電電池製造的平面基板的石英舟夾具；圖2是用於裝載多個平面基板的石英舟夾具的透視圖；圖3是裝載有保持多個平面基板的石英舟夾具的爐管的封閉端的側視圖；圖4是裝載有保持多個平面基板的石英舟夾具的爐管的側視圖；圖5是裝載有保持多個平面基板的石英舟夾具的爐管的側視圖；圖6A和圖6B是根據本發明一個實施方式的對流的橫截面視圖；圖7A和圖7B是根據本發明另一實施方式的對流的橫截面視圖。
圖1是沿著根據本發明一個實施方式的爐管的軸線的側視圖，所述爐管包括裝載有用於光電電池製造的平面基板的石英舟夾具。如圖所示，爐管100的特徵在於：封閉一空間體積的一長度的管狀容器或腔室。在一個 實施方式中，爐管100具有第一端112和在相對側上的第二端114，第一端112配置成由蓋構件(或閘)120接合、覆蓋、和密封。爐管100的內壁是光滑表面以促進熱處理過程中的內部氣體對流。在另一實施方式中，爐管100設立在其管軸線101沿著水準(或地面)方向的方位中。第二端114也可以打開，且通常是熱絕緣的。氣體供應裝置和/或氣體監控器(未顯示)可以耦接到爐管100，以提供進行裝載在爐管100內的任何工作樣本的一個或多個反應性熱處理所需的可控氣體環境。多個加熱器160環繞在爐管周圍以提供熱處理所需的輻射熱。爐管100的體積空間170(取決於其直徑和長度)允許插入有基板的舟夾具140裝載到爐管100內且由托架夾具142支撐。
舟夾具140可以將用於熱處理的多個平面基板150保持在爐管100內。例如，40或更多數量的平面矩形基板可以一次性保持在舟夾具140內。每個平面基板可以具有幾十釐米的寬度和大於100釐米的長度的尺寸。65釐米×165釐米的矩形玻璃基板用於薄膜光電電池的製造。在某些應用中，尺寸為約20釐米×20釐米、或20釐米×50釐米、或其他形狀因數的較小大小的基板可以裝載舟夾具裝載配置的輕微修改。在熱處理過程期間，基板的溫度均勻性通常是關鍵工藝參數。作為溫度均勻性的簡單指標，基板上的溫差(也就是△T=T1-T2)可以被監控，其中，T1代表基板底部區域附近的溫度，T2代表基板頂部區域附近的溫度。當然，也可能需要整個表面上的更完整的溫度映射。
在圖1所述的另一替換實施方式中，本發明也提供了一種在爐內形成多個平面基板的靈活的裝載配置的方法。如圖所示，可拆卸地支撐到托架夾具142上的舟夾具140配置為沿著重力方向在豎直方向上裝載多個平面基板150。在特定實施方式中，舟夾具140由石英或其他既是良好熱導體也是電絕緣體的材料製成。在整個說明書中，舟夾具也直接稱為石英舟，但 是並不旨在限定舟夾具140材料的選擇。在另一特定實施方式中，舟夾具140可以通過第一端112載入和卸出。機架構件141可以用來在蓋構件120打開時將舟夾具140耦接到裝載器(未顯示)，以及將舟夾具從裝載器裝載或將舟夾具卸載回裝載器。
在一個特定實施方式中，舟夾具140具有基架145和頂架146，但是只有圖1所示的側視圖。舟夾具140包括可拆卸地安裝在基架145上的若干個帶槽棒148和可拆卸地安裝在頂架146上的兩個帶槽杆149。每個帶槽棒148包括空間對齊的多個凹槽或狹槽以用於分別支撐多個平面基板150。兩個帶槽杆149也有對應的多個凹槽以用於對裝載的基板150提供引導。在一個實施方式中，每個凹槽設置離開其相鄰凹槽的相等間距，並且每個凹槽具有適於支撐至少一個基板的大小。在另一實施方式中，每個帶槽棒148或每個帶槽杆149可以被另一組帶槽棒或帶槽杆替代，所述另一組帶槽棒或帶槽杆包括在替換配置中的、具有不同凹槽間距或不同凹槽間距和凹槽大小的組合的凹槽。例如，在一個配置中，凹槽可以與其左邊的相鄰凹槽具有第一間距同時與其右邊的相鄰凹槽具有第二間距。進一步，每個凹槽可能具有更大的凹槽大小以用於保持背對背配置的兩個平面基板。在另一替換實施方式中，倘若管軸線101沿著水準方向設置，則基本豎直定向並且如石英舟夾具140那樣相互平行的多個平面基板150中的每一個均裝載至爐管100內。當然，還有很多其他的變化、修改和替換。
此外，圖1也顯示了放置於第一端112(帶門)與經裝載的石英舟夾具140之間的一個或多個擋板(baffle)130和131。擋板用於控制對流並且保持加熱氣體基本在經裝載的基板所佔據的空間區域周圍流通，而非損失于相對冷的蓋構件120。進一步，新月形擋板131設置到爐管100的較低部分位置，以用於阻擋較寒冷的氣體返回到基板空間區域。新月形擋板131 由石英製成且具有高度和曲率與內壁基本類似的彎曲本體。在一個實施方式中，新月形擋板可以具有約為爐管內周長的一半或更少的弧長。在另一實施方式中，新月形擋板可以具有約為爐管內周長2/5或更少的弧長。在另一實施方式中，新月形擋板可以具有範圍從爐管100內周長的一半到約2/3的弧長。在一個實施方式中，高度和弧長是可調節的參數，以用來實現對經過的對流流動或氣流的調整。
如本文所使用的，“新月形的”意思是“當圓盤具有從其邊緣去除的一段另外的圓周時所產生的形狀，這樣所剩的是由在兩點處相交的不同直徑的兩個圓弧封閉成的形狀”，但是根據一個或多個實施方式，可以有變化、修改和替換。例如，一些描述或定義可以在公開資訊網站中找到，如http：//en.wikipedia.org/wiki/Crescent。例如，該術語可以包括一個或多個新月形構件，但是也可能是局部新月形構件。
如本文所使用的，“頂”、“底”、“打開”、“關閉”具有說明用於說明書的示例圖中的配置的普通含義並且不應視為主張的限制。類似地，根據一個或多個實施方式，術語“上”和/或“下”由普通含義解釋，沒有關於重力方向的任何具體參考。在一些實施方式中，術語上和/或下可以參照重力，但是可能有一些一般性的變化、修改和替換。
參考圖1，利用根據本發明實施方式的裝載配置，多個平面基板150可以裝載到爐管100內。在一個實施方式中，多個平面基板的每一個是玻璃面板。在一個實例中，基板可以是20釐米×20釐米的方形玻璃面板或20釐米×50釐米的矩形玻璃面板。在另一實例中，基板可以是65釐米×165釐米的矩形玻璃面板，但不排除其他任何形狀因數。尤其是，基板是廣泛用作用於薄膜太陽能電池組件的透明基板面板的鈉鈣矽酸鹽玻璃(soda lime glass)。在其他實施方式中，基板可以由包括熔融二氧化矽、石英和其他的其他透 明材料製成。在一些實施方式中，可以根據應用使用具有其他形狀的基板，包括平面矩形、方形、和圓盤、以及非平面圓柱形棒、管、半圓柱形瓦、或甚至柔性的箔。
在一個實施方式中，在多個平面基板的每一個上，通過一些薄膜工藝在前表面上形成一個或多個覆蓋層(over layer)。例如，可以採用濺射技術，在每個基板的前表面上形成包括銅物質、銦物質、和/或銦-鎵物質的前體層。然後將基板裝載到爐管內以使前體層經受隨後的熱處理。在一個實施方式中，前體層可以在爐管內的包括硒化物物質、或硫物質、和氮物質等的氣體環境中反應性地處理。當爐管溫度斜坡升高，基板被加熱，並且在爐管內的工作氣體也受熱。可圍繞隨後的內部對流流動的被加熱的氣態硒物質與覆蓋在基板上的前體層內的銅-銦-鎵物質反應。熱處理過程可以包括用於溫度斜坡升高、停歇、和斜坡下降的若干個步驟。由於該反應性過程，前體層轉化成包含銅銦(鎵)聯硒化物(CIGS)化合物的光電薄膜疊式記憶體，其可用作薄膜光電電池的吸收層。關於形成薄膜太陽能電池的CIGS光電薄膜疊式記憶體的熱處理過程的更加詳細的描述可以在由Robert Wieting於2009年5月14日提交的題為“Method and System for Selenization in Fabricating CIGS/CIS Solar Cells(用於製造CIGS/CIS太陽能電池中硒化法的方法和系統)”的美國專利申請第61/178,459號中找到，其被共同轉讓給San Jose的Stion公司，且以引證方式結合於此。
在另一實施方式中，多個平面基板的每一個在裝載配置中設置到石英舟夾具140內。可以利用安裝在石英舟夾具的框架結構上的一些帶槽棒或杆來定制裝載配置。圖2是根據本發明實施方式的用於裝載多個平面基板的石英舟夾具的透視圖。如圖所示，舟夾具140是具有基本長方體形狀的框架夾具，包括基架145和頂架146，基架145和頂架146通過若干個側連接棒 固定地耦接。基架145具有第一寬度部分1451、第二寬度部分1452、和連接在兩個長度部分1455與1456之間的一個或多個中間構件1453、1454。每個帶槽棒148安裝到基架145的第一寬度部分1451、第二寬度部分1452、和一個或多個中間構件1453、1454的每一個上。如圖所示，每個帶槽棒148包括可能面向上、沿著棒長度以一定配置設置的多個凹槽。尤其是，每個凹槽配置成支撐一件或多件玻璃基板。四個帶槽棒148對齊，以使來自每個帶槽棒的一個凹槽正好處於插入至少一個平面基板的位置中。在此實施中，每個裝載的平面基板安置在各個帶槽棒的四個凹槽中，各個帶槽棒平行於重力方向基本上豎直定向，並且所有裝載的平面基板基本上相互平行。此外，兩個帶槽杆149分別安放在頂架146的每個寬度構件處。每個帶槽杆149也包括具有與帶槽棒148上的那些凹槽基本相同的配置的多個凹槽，並且與帶槽棒148的對應凹槽對齊。帶槽杆使其飾面(facing)主要向內，以提供引導給裝載的平面基板。例如，設計為基本在垂直於重力方向的水準方位上裝載多個平面基板的石英舟夾具可以是替代的選擇，使用安裝在側連接杆上的帶槽棒或帶槽杆作為基板支撐和引導。
圖3是根據本發明實施方式的裝載有保持多個平面基板的石英舟夾具的爐管的簡化側視圖。如圖所示，以根據本發明實施方式的在石英舟夾具240內的特定配置，多個平面基板211、212等分別插入多個凹槽251、252等中。尤其是，多個凹槽對於每個相鄰凹槽設置有相等的間距。雖然每個凹槽具有支撐至少一個基板的大小，但是只有每隔一個的凹槽用於要以豎直方位裝載的一個基板，而留下它們之間的一個凹槽為空的。例如，凹槽251支撐基板211並且凹槽252是空的，同時下一個凹槽支撐下一個基板212等等。在某些實施方式中，空凹槽的數量可以大於一。隨著多個平面基板 211、212等以上述裝載配置插入到石英舟夾具240內，為每個相鄰基板提供了間距215。接著將石英舟夾具240裝載到管狀爐200內。
在一個實施方式中，本發明提供了以預定配置裝載平面基板的方法。首先，該方法提供了多個等間距的凹槽。其次，該方法提供了將平面基板插入凹槽中的方法，其中兩個相鄰平面基板之間具有增大的間距215，該增大的間距215由於故意跳過一個或多個凹槽因而超過兩個相鄰凹槽的間距。當該裝載配置中的多個平面基板在管狀爐200內部的氣體環境內經歷反應性熱處理時，在兩個相鄰基板之間具有相對寬的間距215的優點是具有用於豎直對流的足夠空間。在具有豎直定向的基板的特定實施方式中，爐管200內的較熱工作氣體被對流向上攜帶，同時較冷的氣體沿著基板表面向下流動。平面基板之間較寬的間距能促進合流(interflowing)，合流有助於提高每個裝載的基板的溫度均勻性，尤其是在快速的溫度斜坡升高或下降過程中。例如，當基板通過與爐管200相關的多個加熱器(未顯示)從相對低的溫度(其在斜坡升溫過程中升高)被加熱，基板之間的對流在熱傳遞中起到比輻射更加重要的作用。在較高的溫度，輻射將主宰對流，並且基板內的大部分熱傳遞不再高度依賴於基板間距。在另一實例中，較大的基板間距自然減少了爐管200的具有固定尺寸的可裝載基板的總數。因此，基板間距可能需要優化和預先確定。一旦基板之間的期望間距確定了，相應的凹槽樣式可以構造至恰好用於安裝到舟夾具來將基板裝載成期望配置的帶槽棒或帶槽杆中。
在替換實施方式中，影響熱傳遞效率以及隨之影響基板溫度均勻性的其他參數包括時間(或加熱器/冷卻器斜坡速率)以及熱品質(thermal mass)或裝載的基板的總數。這些參數也是互相關聯的。例如，當基板的總數增加以尋求更高的產量時，這實際上需要更寬的基板間距215以用於有 效對流，而有效對流最終減少了可裝載基板的總數。對於具有如65釐米×165釐米一樣大的尺寸的基板，高溫差(△T)可能導致基板的翹曲和破壞。對於薄膜加工的均勻性、前體反應、以及當然更好的裝置性能而言，均勻的溫度是理想的。例如，在熱處理過程的停歇階段期間△T小於15℃是理想的，而在斜坡上升/下降階段期間如果斜坡速率很高，則△T可以變成100℃那樣大。因此，本發明的一個或多個實施方式包括使用類比模型來確定改變裝載配置的趨勢以及其如何影響溫度均勻性。在一個實施方式中，通過使用較小的基板和爐大小將模型從實際系統按比例縮小，從而減少計算時間。該模型中的基板為20釐米×50釐米，以代替65釐米×165釐米的全尺寸。基板厚度和間距也相應成比例，並且總共僅有16個基板裝配在該模型中，且他們的基板間距設置在從0.5英寸到幾英寸的範圍。時間比例大幅減小，這樣斜坡速率可以比實際系統更快。該模型的這種行為趨勢密切遵循全尺寸系統的行為趨勢，但是基板上的溫度的絕對值可能會偏離實際系統的真實值。例如，該比例系統類比為這樣的管狀爐200，其裝載有石英舟240，該石英舟240包括具有選擇的間距的特定凹槽配置的帶槽棒248和帶槽杆249。這種類比模型可以用作實際系統實施的引導並最終幫助確定針對特定數量基板的最佳化裝載配置。在特定實施方式中，“電腦流體動力學(CFD)”軟體用於分析對流流體流動並基於比例結構參數來計算類比模型系統的熱傳遞回應。尤其是，Blue Ridge Numerics公司的名為CFdesignTM的市售程式可應用來調整系統的輸入參數、材料、邊界、和初始條件。當然，也可以使用其他的通用計算流體動力學類比軟體。
圖4是根據本發明替換實施方式的裝載有保持多個平面基板的石英舟夾具的爐管的簡化側視圖。該圖僅是實例且不應在此不恰當地限制權利要求。一個該技術領域的技術人員將會意識到其他變化、修改、和替換。 如圖所示，根據本發明的實施方式，以在石英舟夾具340內的特定配置，多個平面基板311、312等分別插入多個凹槽351、352等內。在一個實施中，裝載到爐管300內的石英舟夾具340與裝載到爐管200內的石英舟夾具240基本相同，除了用用於支撐基板的帶槽棒348和用於引導基板的帶槽杆349取代帶槽棒248和帶槽杆249之外。圖4中描述的實施方式也提供了以一替換配置裝載多個平面基板的方法。尤其是，該裝載配置可以通過增加基板總數來提供提高的產量，與此同時仍然保持足夠的基板間距以促進內部對流，且對爐管300的尺寸和石英舟340的托架夾具345、346沒有任何結構改變。
在一個特定實施方式中，多個凹槽以該替換的裝載配置佈置到一週期組中。每組包括至少第一凹槽和以距離第一凹槽的預定間距設置的第二凹槽。第一凹槽與第二凹槽之間的間距可以小於、等於或大於單個凹槽的大小。每個組設置成物理地緊鄰其相鄰組，以便該組的第一凹槽緊鄰在該組一側上的相鄰組的第二凹槽，並且該組的第二凹槽緊鄰在該組另一側上的相鄰組的第一凹槽。每個凹槽配置成讓一個基板插入。例如，基板311插入第一組的第一凹槽351，基板312插入該組的第二凹槽352且距離基板311一間距315。該間距315基本由第一凹槽351與第二凹槽352之間的間距確定。此外，緊接著的下一組的第一凹槽353設置成物理緊鄰第一組的第二凹槽。以週期方式佈置，該緊接著的下一組的第二凹槽354也設置在離開第一凹槽353所述間距處。相應地，該緊接著的下一組的每個凹槽可以插入基板313內(凹槽353內)或基板314內(凹槽354內)。
在另一特定實施方式中，圖4中描述的裝載配置包括用於插入凹槽的週期組的每一個的相應第一和第二凹槽中的每個平面基板的特定前/後相配置。在一個實施中，每個基板均是平面玻璃基板，其已經完成了一個或多個薄膜過程。平面玻璃基板具有被薄膜複合材料覆蓋的前表面，同時 其相應的後表面可以是裸露的玻璃。在一個實例中，該薄膜複合材料是光電前體膜，其包括至少銅物質、銦物質、和/或鎵物質、或銀物質。因此，本發明的一個實施方式包括將兩個這樣的平面基板分別插入每個組，且其在每個基板上的光電前體膜直接面向彼此。例如，基板311的表面1A包括面向形成在基板312的表面2A上的光電前體膜的光電前體膜。基板312的後表面面向插入相鄰組的第一凹槽353中的另一基板313的後表面。由於前體膜與爐300內部的環境工作氣體之間的化學反應將只發生在每個基板的前表面上，只有兩個平面基板的前表面之間的對流是要緊的，而後側之間的任何對流都不那麼重要。與該裝載配置相關的本發明的實施方式進一步包括確定插入每個組中的兩個基板之間的最小前表面間距。這也可以通過如下方式實現：使用基於尺寸按比例縮小的系統和基板的類比模型來確定隨著間距改變的溫度變化趨勢。通過使用基於比例系統結構和材料參數的名為CFdesignTM的一類軟體程式來執行該類比模型。通過模擬，可以確定期望間距值的範圍，以使相應的凹槽的樣式可以構建到帶槽棒348和帶槽杆349的每一個中。可以安裝帶槽棒和杆，以定制用於以該新裝載配置裝載多個基板的標準石英舟夾具340。該裝載配置的一個有益之處是，與簡單等間距插入基板相比，用於固定石英舟大小的可裝載基板的總數是增加的，而沒有前/背相配置。當然，可以有很多變化、替換、和修改。
圖5是根據本發明另一實施方式的裝載有保持多個平面基板的石英舟夾具的爐管的側視圖。如圖所示，根據本發明一個實施方式，以石英舟夾具440內的成對背對背配置，將多個平面基板411、412等插入多個凹槽451中。在一個實施中，裝載到爐管400內的石英舟夾具440與裝載到爐管200內的石英舟夾具240基本相同，除了用用於支撐基板的帶槽棒448和用於引導基板的帶槽杆449取代帶槽棒248和帶槽杆249。圖5所示的實施方式也提 供了以一替換配置裝載多個平面基板的方法。尤其是，該裝載配置提供了進一步提高的產量，這通過如下方式實現：增加基板總數，同時仍然保持足夠的基板間距以促進內部對流，並且對爐管400和石英舟440的框架夾具445、446沒有任何結構改變。
在一個特定實施方式中所述多個凹槽451中的每一個配置成能夠裝配背對背裝載配置的一對平面基板。在一個特定實施方式中，所述間距對於所有相鄰凹槽是單一常數，但是所述間距可沿著帶槽棒或杆從其末端到其中部變化。此外，在這種配置中，基板裝載以其前/後相配置執行。依據實施方式，每個基板411可以是用於製造光電電池的玻璃面板。在一個實施中，玻璃基板具有被若干個材料膜覆蓋且包括在頂部上形成的前體層的前表面，同時留下其後表面為裸露的玻璃。多個這些基板裝載到爐管夾具400內，以使前體層經過一個或多個反應性熱處理過程且形成光電吸收體。因此，只有每個平面基板的在頂部上具有前體層的前表面需要暴露于爐管內的環境反應性氣體，而相同基板的後側可以物理地接觸另一基板的另一後側，這兩個基板都可以插入單個凹槽中(具有放大的尺寸)。例如，基板411和基板412一起以背對背配置插入第一凹槽。第二凹槽離開第一凹槽一距離來設置。基板412的前側1A將面向背對背一起插入第二凹槽的兩個基板中的另一基板的前側2A。槽到槽間距配置地足夠大，以使基板間距415(即，1A-2A的間距)等於或大於預定值。因為熱過程涉及基板上固相膜材料(前體層)與爐管內填充的氣相材料之間的化學反應，這些豎直設置的基板之間的較大間距可以促進反應性熱處理過程中它們之間的對流。這種特定配置使後-後間距最小化(基本等於零)，以便提供更多的空間來增加設置在相鄰凹槽內的兩個基板之間的前-前間距415並且以這種配置裝載更多的基板。
在另一特定實施方式中，圖5中描述的裝載配置包括用於每個基板的特定前/後相配置和用於適合僅裝配兩個基板每個凹槽的附加特定尺寸配置。此外，與該裝載配置相關的本發明的實施方式包括進一步確定分別插入到兩個相鄰凹槽的兩個基板之間的最小前-前間距。這依然可以通過如下方式來完成：使用基於按比例縮小尺寸的系統和基板的類比模型來確定隨著前-前間距改變的溫度均勻性變化趨勢。通過使用基於比例系統參數的計算流體動力學軟體(例如，由Blue Ridge Numerics公司提供的名為CFdesignTM的程式)來執行該類比模型。通過模擬，可以確定期望間距值的範圍，以使相應的凹槽樣式可以構建到帶槽棒448和帶槽杆449的每一個中。隨後可以安裝這些帶槽棒448和杆449以定制標準石英舟夾具440，以便以相應裝載配置來裝載多個平面基板411和412。使前-前間距最小化的一個有益之處是使針對固定石英舟尺寸的可裝載基板的總數最大。一個實例是針對所有插入的基板將基板間距設置為一個單一值，但是該間距可以從石英舟的一側到另一側改變。當然，可以有很多變化、替換、和修改。
圖6A和圖6B是根據本發明實施方式的類比對流的示例性橫截面視圖。在一個特定實施方式中，本發明提供了一種使用類比模型來確定與管狀爐內部的基板裝載配置相關的至少溫度分佈的變化趨勢的方法。如圖所示，圖6A和圖6B的頂部(圖6A)是沿著模型化管狀爐600的軸線的橫截面視圖。模型化爐600基本類似于實際爐管100，但是其尺寸減少以利用可管理的計算時間來獲得結果。在一個實施中，在這些模擬中使用一類計算流體力學軟體。例如，Blue Ridge Numerics公司提供的名為CFdesignTM的程式應用基於按比例縮小的系統模型，其中尺寸和材料參數以及初始條件基本接近根據本發明實施方式改進的實際系統。此外如圖6A所示，尺寸同樣被減小的多個矩形平面基板610中的一個裝載到模型爐600內的中央位置 中。在一個或多個反應性熱處理過程中，受熱的氣體物質趨於向上移動而較冷的氣體物質向下流動，以形成模型爐600的體積內的對流流動。基於模擬的結果，圖6A所示的是沿著軸向橫截面平面的在爐內壁與基板610的邊緣之間的空間區域內移動的至少一部分對流流動650。
圖6B提供了類比模型中用到的相同系統設置的另一個橫截面視圖。如圖所示，在根據本發明的實施方式的配置16中，基板610以豎直定向一個接一個地以等間距615分開裝載。雖然沒有明確納入簡化的類比模型，這些基板可以由樣品保持件(sample holder)支撐。例如，說明書的圖1中描述的石英舟140包括安裝到其底部托架夾具上且對齊使至少一個基板插入每個凹槽的若干個帶槽棒。圖6B所示的是沿著垂直于管軸線的橫截面平面移動的對流650的至少一部分。基於CFdesignTM程式的類比結果表明加熱的氣體物質主要沿著爐內壁與基板610的邊緣之間的間距向上流動，然後沿著基板610之間的間距向下流動。
類比結果也包括系統的幾何形狀因數對每個基板610的溫度分佈的影響。雖然絕對值可能與實際系統不同，但是可以確定與包括爐尺寸/形狀、基板尺寸、裝載的基板(熱品質)的總數、相鄰基板之間的間距等的至少一些系統參數相關的變化趨勢。在一個特定實施方式中，可以獲得與圖6A和圖6B所示的特殊裝載配置的基板間距相關的變化趨勢。例如圖6B中，與管狀爐600相關的裝載配置具有總數為16的基板610，每個所述的基板610單獨設置並且與其相鄰的基板分開間距615。基於模擬的變化趨勢表明減少用於裝載超過16個基板610的間距615會限制上下對流從而導致較差的溫度均勻性。此外，基於模擬的變化趨勢表明增加間距615會進一步提高基板的溫度均勻性而同時會減少裝載的基板610的總數，這影響了產量。一定程度上進一步增加基板間距基本不會提高溫度均勻性(同時其他系統參 數可能會成為主要因素)。因此，可以為實際系統實際確定和推薦用於特定系統設置的最佳裝載配置。當然，可以有很多其他變化、替換和修改。
圖7A和圖7B所示的是根據本發明另一實施方式的對流的示例性橫截面視圖。如圖所示，在本發明的另一實施方式中，為模型化系統繪製了類比的對流流型750，該模型化系統具有以背對背的成對配置設置在管狀爐700內的多個平面基板710。圖7A所示的是對流750沿著軸平面以及位於爐700的內壁與基板710的邊緣之間的至少一部分。圖7B所示的是對流750沿著垂直于爐管700的軸線的橫截面平面的至少另一部分。爐700與基於實際管狀爐100的模型爐600基本相同。圖7B示出，通過將基板配對，使每對之間的基板間距715加倍且同時基板710的總數可以保持不變。
該裝載配置利用只有單側表面經過反應性熱處理的基板樣品。根據本發明的實施方式，基板710是玻璃基板，前表面用若干薄膜材料(包括底部電極膜和覆蓋在該電極膜上的暴露前體薄膜)預塗覆，相對的後表面可以只是裸露玻璃。在反應性熱處理過程中，只有前體膜需要暴露於填充在爐700的容積內的工作氣體。因此，把一平面基板的後表面靠在另一平面基板的另一後表面上當然不會影響前表面上的前體膜的預期處理，同時允許用以調節包括前體膜的前表面之間的間距的更大餘地。在另一實施方式中，這種裝載配置允許增加裝載的基板的總數而不減少相鄰的一對基板的前表面上的前體膜之間的間距。結果，該裝載配置有助於提高系統成量，因為可以在一次安裝中裝載更多的基板來處理，但是仍然允許足夠的空間以便氣體物質在經處理的前體膜表面之間流動，並且導致對基板溫度均勻性有益的有效熱對流。同樣地，這使用具有減少的尺寸或減少的裝載基板總數的系統來模型化。雖然關於裝載配置的絕對值和造成的每個基板上的溫差可能不匹配於實際系統，但是根據一個或多個實施方式，可以確定變 化趨勢而且這種變化趨勢可以為優化實際系統的處理參數的提供指導。當然，可以有很多變化、替換和修改。
雖然已經使用具體實施方式描述了本發明，但是應理解的是，本發明中使用的方法可以在不背離所附權利要求中限定的本發明的精神和範圍的情況下產生各種變化、修改和變更。例如，管狀爐作為實例描述。此外，除了將最佳化裝載配置用於多個基板，精心優化的加熱/冷卻供應系統和加熱器/冷卻器配置也可以顯著地提高用於薄膜光電裝置的如大約2英寸×5英寸那麼大或更大的基板傷的溫度均勻性。此外，雖然以上描述的實施方式已經應用於反應性熱處理以在基板上形成CIS和/或CIGS光電薄膜疊式記憶體，其他基於薄膜的反應性熱處理過程當然也可以從這些實施方式中受益，而不背離本文權利要求所描述的本發明。根據實施方式，本發明的方法也可以應用於基於矽的光電裝置。
100‧‧‧爐管
101‧‧‧管軸線
112‧‧‧第一端
114‧‧‧第二端
120‧‧‧蓋構件
130‧‧‧擋板
131‧‧‧擋板
140‧‧‧石英舟夾具
141‧‧‧機架構件
142‧‧‧托架夾具
145‧‧‧基架
146‧‧‧頂架
148‧‧‧帶槽棒
149‧‧‧帶槽杆
150‧‧‧基板
160‧‧‧加熱器
170‧‧‧體積空間

Claims (25)

  1. 一種保持用於熱處理的多個平面基板的方法，包括：提供具有第一端和第二端的管狀爐，所述管狀爐被用於進行熱處理過程的多個加熱器圍繞，所述第一端具有門；提供具有耦接至頂架的基架的舟夾具，所述基架包括兩個長度部分以及第一寬度部分、第二寬度部分、和連接在所述兩個長度部分之間的至少一個中間構件；在所述第一寬度部分、所述第二寬度部分和所述至少一個中間構件上安裝帶槽構件，每個帶槽構件具有多個凹槽；將多個平面基板插入所述舟夾具中，以使在所述第一寬度部分、所述第二寬度部分、和所述至少一個中間構件上的帶槽構件以使每個基板與毗鄰基板分開一期望距離的方式支撐所述平面基板的每一個；從所述第一端將所述舟夾具裝載到所述管狀爐內；以及使所述多個平面基板經受所述熱處理過程。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述管狀爐包含石英材料並且在所述熱處理過程中包圍具有至少硒或硫的一定體積的氣體環境。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，將所述多個平面基板插入所述舟夾具中的步驟包括以豎直定向將每個平面基板裝載到所述凹槽中。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中，將所述多個平面基板插入所述舟夾具中的步驟包括將每個平面基板基本相互平行地配置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，進一步包括：將另外的帶槽構件安裝至所述頂架以將所述多個平面基板引導至所述舟夾具內。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的方法，所述基板隔開，其中基板之間具有一期望間距。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，進一步包括：用分別在所述第一寬度部分、所述第二寬度部分、和所述至少一個中間構件的每一個上的第二帶槽構件來代替所述基架上的每個第一帶槽構件，每個第二帶槽棒具有採用第二空間配置的第二多個凹槽。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，所述第二空間配置包括所述多個平面基板的這樣的佈置，其中，插入的每個平面基板在插入後均具有直接面向插入相鄰凹槽內的另一平面基板的後表面的前表面，前-前表面間距至少等於或大於所述期望距離，且後-後表面間距基本小於所述前-前表面間距。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，所述第二空間配置包括所述多個平面基板的這樣的裝置，其中，所述後-後表面間距基本為零。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，每個基板的前表面包括光電前體膜，該光電前體膜包括至少銅物質、銦物質、和鎵物質。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述多個平面基板的每一個包括具有至少從65釐米×165釐米的矩形、20釐米×50釐米的矩形、20釐米×20釐米的正方形的形狀因數選擇的玻璃。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述期望距離用於維持兩個相鄰平面基板之間的對流，以使每個平面基板內的溫差能至少在所述熱處理過程的停歇階段期間小於15℃。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，所述期望距離部分地由過程參數來確定，所述過程參數包括插入所述舟夾具的多個平面基板 的總數、每個平面基板的尺寸、所述管狀爐的空間尺寸、以及所述管狀爐內的所述舟夾具的結構配置。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，所述期望距離由與所述管狀爐相關的所述多個加熱器的設置來進一步確定，所述多個加熱器的設置包括位置配置和溫度斜坡速率。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，所述期望距離通過使用基於具有基板的縮小比例的物理尺寸和數量的類比系統的計算模型來進一步確定。
  16. 一種保持用於熱處理的基板的設備，包括：框架夾具，具有基本直角棱柱的形狀，所述框架夾具包括基架、頂架、耦接所述基架和所述頂架的側連接杆，所述基架具有兩個寬度構件和連接在兩個長度構件之間的中間接合構件；第一帶槽棒，可拆卸地安裝於所述兩個寬度構件的每一個和所述中間接合構件的每一個上，每個第一帶槽棒包括用於支撐平面基板的第一多個凹槽；第一帶槽杆，可拆卸地安裝在所述頂架的兩個寬度構件的每一個上，每個第一帶槽杆包括與所述第一多個凹槽對齊的第二多個凹槽以用於將所述多個平面基板引導至所述設備內；以及托架結構，配置作為在爐內部的裝載位置中的所述框架夾具的機械支撐，以使處於所述第一配置中的所述多個平面基板經受一個或多個反應性熱處理過程。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的設備，其中，所述框架夾具和所述第一帶槽棒以及所述第一帶槽杆包括石英。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的設備，其中，所述多個平面基板的每一個包括鈉鈣矽酸鹽玻璃，這塊鈉鈣矽酸鹽玻璃具有至少從65釐米×165釐米的矩形、20釐米×50釐米的矩形、20釐米×20釐米的正方形選擇的形狀因數。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的設備，其中，所述第一配置包括所述多個平面基板的這樣的佈置，其中，所述多個平面基板基本豎直定向並且以等於或大於與至少所述爐和所述一個或多個熱處理過程相關的預定值的距離平行於相鄰平面基板。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的設備，其中，所述預定值包括用於維持充足對流的最小間距，以使每個平面基板上的溫差至少在所述熱處理過程的停歇階段期間小於15℃。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的設備，進一步包括用於代替所述第一帶槽棒以安裝在所述兩個寬度構件的每一個和所述一個或多個中間接合構件的每一個上的第二帶槽棒，每個第二帶槽棒包括各自配置成支撐多個平面基板的採用第二配置的第二多個凹槽，每個凹槽支撐至少一個平面基板。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的設備，其中，所述第二配置包括基本相互平行的所述多個平面基板的這樣的佈置，其中，一個平面基板的前/後表面面對以第一/第二距離離開的相鄰平面基板的另一個前/後表面，所述第一距離等於或大於所述預定值，所述第二距離基本小於所述第一距離。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的設備，其中，每個平面基板的前表面包括經受所述一個或多個熱處理過程的前體層。
  24. 如申請專利範圍第22項所述的設備，其中，所述第二距離基本為零，並且每個凹槽配置成支撐背對背配置的兩個平面基板。
  25. 如申請專利範圍第16所述的設備項，其中，所述爐由石英材料製成，用於包圍配置成在所述一個或多個熱處理過程期間形成包括至少硒物質或硫物質的氣體環境的體積。
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