TWM491673U

TWM491673U - 可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置

Info

Publication number: TWM491673U
Application number: TW103214289U
Authority: TW
Inventors: Shih-Chang Liang; Mao-Sen Hung; Wei-Chieh Huang; Chao-Nan Wei; Cuo-Yo Ni; Hui-Yun Bor
Original assignee: Nat Inst Chung Shan Science & Technology
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2014-12-11

Description

可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置

本創作係關於一種蒸鍍裝置，尤其是一種可有效提升蒸鍍薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置。

現行各項產業之能源需求，為避免能源供應短缺問題及確保永續經營之理念，因此各產業漸趨向利用再生能源，如太陽能電池即為目前熱門之再生能源之一。太陽能電池之種類除了矽基(Silicon)太陽能電池及砷化鎵(GaAs)太陽能電池外，由I-III-VI 2族元素組成的銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池係為另一種極具潛力之太陽能電池，藉高光學吸收係數、極佳半導體性質以及可透過不同軟硬度基材製作等特性，使銅銦鎵硒太陽能電池成為現今產業中極具競爭力之太陽能電池種類。

銅銦鎵硒太陽能電池之組成係於一基板上依序形成複數層各具不同功效之沉積薄膜，一般基板之材質主要選用含鈉鹼玻璃(SLG)，並以基板為基準由下而上依序為Mo背電極層(Back contact)、CIGS吸收層(Absorber)、CdS緩衝層(Buffer)、i-ZnO/AZO光窗層(Window)及Ni/Al上電極層(Front contact)。其中，Mo背電極層及i-ZnO/AZO光窗層係透過磁控濺鍍製程(Sputtering)形成，而CIGS吸收層則透過蒸鍍製程(evaporation)形成，最後再透過電子束蒸鍍法沉積Ni/Al上電極層以完成整個銅銦鎵硒太陽能電池。

CIGS吸收層採用之蒸鍍製程，一般係將蒸鍍材料置於容器內，並透過加熱器針對該些容器進行加熱，再使各材料以點狀蒸鍍方式於基板上形成CIGS薄膜。點狀蒸鍍於小面積下尚可達到均勻蒸鍍之功效，但針對連續且具大面積之基板，點狀蒸鍍方式則無法使形成之CIGS薄膜呈現均勻之厚度，蒸鍍點一般係位於基板之中心處，因此隨著距離增加，導致基板邊緣處之CIGS薄膜厚度遠小於基板中心處之厚度。此外，目前之蒸鍍設備，除了CIGS薄膜之厚度均勻性需進行改善外，對於蒸鍍材料之使用率、蒸鍍源之耐用性、蒸鍍製程之穩定性及蒸鍍速率等要件控制尚具有許多缺失。其一，當蒸鍍源裝置採用開放式設計時，蒸鍍材料蒸氣散發角度無法受限，而導致溢散情況發生降低了蒸鍍材料之使用率，且由於蒸鍍材料係分別為獨立進行加熱，因此在往基板進行混合蒸鍍過程中，彼此分子間會因碰撞而相互干涉，產生材料混合不均的情形，進而影響CIGS薄膜之披覆性及與PN介面接合特性；其二，蒸鍍材料隨製程進行而逐漸減少，材料之蒸發液面降低會產生蒸鍍鍍率變異情形，使製程及成份不易達到有效控制與量化。而為了製備大面積的CIGS薄膜，並提升其均勻性，係具有利用線性蒸鍍方式進行CIGS薄膜製程，線性蒸鍍係透過調整蒸鍍口面積與形狀，以求在大面積的蒸鍍製程中確保CIGS薄膜之均勻度，如中華人民共和國第CN203128644號所揭露之一種線性蒸鍍源噴嘴，係包括噴射罩及設置在噴射罩上的噴射板，該噴射板的縱長方向開設有一噴射口，並於該噴射口設置有遮擋片，該遮擋片將該噴射口分隔為兩段，使用時係將該噴射罩置於一線性蒸鍍源之上，但如前述揭露之線性蒸鍍源噴嘴，雖對於大面積蒸鍍製程而言，透過該線性蒸鍍源噴嘴成形之薄膜相較於點狀蒸鍍方式更為均勻，但其形成之薄膜厚度仍保有不均勻之情況，且針對多個蒸鍍材料進行混合蒸鍍製程時，針對材料混合之不均情形依然未見明確之改善。

故為了改善上述缺點，本創作係提出一種可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置，以提升蒸鍍製程之薄膜厚度與材料比例均勻度，並且有效地解決其他缺失。

本創作之一目的，旨在提供一種可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置，係用於進行混合蒸鍍製程，其可將多種相異元素進行加熱，並透過一混合腔體將個別材料於密閉空間內依據所需比例進行混合，以有效提蒸鍍材料之使用率，再自一線源蒸鍍開口流出進行鍍膜製程，同時透過該線源蒸鍍開口可防止蒸鍍材於長時間下因材料黏滯性影響薄膜之厚度，以達到提升薄膜成分與厚度均勻度之功效。

為達上述目的，本創作之可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置，具有一絕熱腔體、複數個坩鍋、複數個鍍材加熱器及一混合腔體；該等坩鍋、該等鍍材加熱器及該混合腔體係皆設於該絕熱腔體中，且該等鍍材加熱器係分別套設於該等坩鍋外供以加熱，該混合腔體則連通設於該等坩鍋之開口處，其特徵在於：該混合腔體內相距該等坩鍋由近至遠依序設有一限流調整層、一流道調整件、一混合層及一線性蒸鍍層；其中該限流調整層係為矩形片狀體，並對應各該坩鍋位置分設有複數個限流孔；該流道調整件係為連通結構，且具有至少一流入口及至少一流出口，該流入口係對應部分該等限流孔位置設置；該混合層係為略呈I字型之片狀體結構；該線性蒸鍍層係為矩形片狀體，並開設有由兩端至中間位置呈漸縮態樣之一線源蒸鍍開口。

其中，該坩鍋數量為三個時，該限流調整層於兩端及中間位置係各分設有二個該等限流孔，且該流道調整件係為略呈十字態樣之連通結構，由二水平件與一垂直件所構成，該二水平件係與該垂直件連通並分設於該垂直件兩側，且兩側之該水平件各設有該流入口，該垂直件兩端各設有該流出口；其中兩側之該水平件之該流入口係分別對應該限流調整層於中間位置之二該限流孔位置設置，該垂直件係置於非該等限流孔位置處，而將該等限流孔於該垂直件兩側區分為二個區域位置，且該二流出口位置係分別置於該限流調整層於兩端分設之二個該等限流孔之間。

此外，該線源蒸鍍開口由兩端至中間位置呈線性漸縮態樣或非線性漸縮態樣，以保持蒸鍍製程之薄膜厚度均勻性。

本創作更包含一混合腔加熱器及一坩鍋支撐體，該混合腔加熱器係覆設於該混合腔體外圍；該坩鍋支撐體具有一坩鍋容置件與一固定件，其中該坩鍋容置件係供以容置該等坩鍋；該固定件係由複數個固定片所構成並環設於該坩鍋容置件外側供以固定之。

其中，該絕熱腔體係由複數個絕熱板側板、一頂部絕熱板及一底部絕熱板所構成，且該頂部絕熱板係設有一蒸鍍口。

1‧‧‧可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置

10‧‧‧絕熱腔體

101‧‧‧絕熱板側板

102‧‧‧頂部絕熱板

1021‧‧‧蒸鍍口

103‧‧‧底部絕熱板

11‧‧‧坩鍋

12‧‧‧鍍材加熱器

13‧‧‧混合腔體

130‧‧‧限流調整層

1301‧‧‧限流孔

132‧‧‧流道調整件

1321‧‧‧水平件

1321A‧‧‧流入口

1322‧‧‧垂直件

1322B‧‧‧流出口

134‧‧‧混合層

136‧‧‧線性蒸鍍層

1361‧‧‧線源蒸鍍開口

14‧‧‧混合腔加熱器

15‧‧‧坩鍋支撐體

150‧‧‧坩鍋容置件

152‧‧‧固定件

1520‧‧‧固定片

第1圖，為本創作較佳實施例之立體局部分解示意圖。

第2圖，為本創作較佳實施例之混合腔體分解示意圖。

第3圖，為本創作較佳實施例之混合腔體組裝示意圖。

第4圖，為本創作較佳實施例之各蒸鍍材氣體於混合腔體內之流向示意圖。

為使貴審查委員能清楚了解本創作之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱第1、2、3及4圖，其係為本創作較佳實施例之立體局部分解示意圖、混合腔體分解示意圖、混合腔體組裝示意圖及各蒸鍍材氣體於混合腔體內之流向示意圖。本創作之可提升薄膜均勻度之線性蒸鍍裝置1，係具有一絕熱腔體10、複數個坩鍋11、複數個鍍材加熱器12及一混合腔體13，而該等坩鍋11、該等鍍材加熱器12及該混合腔體13係皆設於該絕熱腔體10中，且該等鍍材加熱器12係分別套設於該等坩鍋11外供以加熱，該混合腔體13則連通設於該等坩鍋11之開口處。

該線性蒸鍍裝置1之特徵在於，該混合腔體13內相距該等坩鍋11由近至遠係依序設有一限流調整層130、一流道調整件132、一混合層134及一線性蒸鍍層136。該限流調整層130係為矩形片狀體，並且對應各該坩鍋11位置分設有複數個限流孔1301，藉以調整各該坩鍋11內之一蒸鍍材(圖中未顯示)進入該混合腔體13之蒸氣量；該流道調整件132係為連通結構，並且具有至少一流入口1321A及至少一流出口1322B，該流入口1321A係對應部分之該等限流孔1301位置設置；該混合層134係為略呈I字型之片狀體結構；該線性蒸鍍層136係為矩形片狀體，並開設有由兩端至中間位置呈漸縮態樣之一線源蒸鍍開口1361，藉該限流調整層130、該流道調整件132、該混合層134及該線性蒸鍍層1361，使各該坩鍋11內之該蒸鍍材於該混合腔體13內依據需求進行材料混合。

其中，於本實施例，該等坩鍋11之數量係為三個，然本創作並不侷限於此。當該等坩鍋11為三個時，該限流調整層130係於兩端及中間位置，各分設有二個該等限流孔1301，使各該坩鍋11內之各該蒸鍍材之蒸氣可藉該等限流孔1301流入該混合腔體13內部。

該流道調整件132較佳者係為略呈十字態樣之連通結構，由二水平件1321及一垂直件1322所構成，該二水平件1321係與該垂直件1322連通並分設於該垂直件1322兩側，且兩側之該水平件1321各設有該流入口1321A，該垂直件1322兩端各設有該流出口1322B。其中，兩側之該水平件1321之該流入口1321A係分別對應該限流調整層130於中間位置之二該限流孔1301位置設置，使兩側之該水平件1321係分別罩設於二該限流孔1301之上，供以導引由二該限流孔1301流入該混合腔體13內之蒸氣，該垂直件1322係置於非該等限流孔1301位置處，而將該等限流孔1301於該垂直件1322兩側區分為二個區域位置，且二該流出口1322B位置係分別置於該限流調整層於兩端分設之二個該等限流孔1301之間，由於二該水平件1321與該垂直件1322係為連通結構，因此由該限流調整層130位於中間位置之二該限流孔1301進入該混合腔體13之該蒸鍍材蒸氣係先行受二該水平件1321導引並且流入該垂直件1322內，再經由二該流出口1322B流出。

該線源蒸鍍開口1361係由兩端至中間位置呈線性漸縮態樣如沙漏狀，或非線性漸縮態樣如二相對之水滴或啞鈴般之態樣，於本實施例中，該線源蒸鍍開口1361係以非線性漸縮態樣為例說明，且係如啞鈴般使該線源蒸鍍開口1361之兩端開口面積大於中間位置之開口面積，有效改善使該等蒸鍍材自該線源蒸鍍開口1361流出時，兩端受材料黏滯性影響現象降低，藉此保持於蒸鍍製程薄膜成品之厚薄均勻度。

其中，本創作係更包含一混合腔加熱器14及一坩鍋支撐體15，該混合腔加熱器14係覆設於該混合腔體13外圍，以使該等坩鍋11之該等蒸鍍材蒸氣於混合時保持所需溫度，避免影響混合效率。該坩鍋支撐體15係具有一坩鍋容置件150及一固定件152，該坩鍋容置件150係供以容置該等坩鍋11，該固定件152係由複數個固定片1520所構成並環設於該坩鍋容置件150外側，使該等坩鍋11及該坩鍋容置件150可固設於該絕熱腔體10內部。

此外，該絕熱腔體10係由複數個絕熱側板101、一頂部絕熱板102及一底部絕熱板103所構成，且該頂部絕熱板102係設有一蒸鍍口1021，該蒸鍍口1021係對應該線性蒸鍍層136之該線源蒸鍍開口1361設置，以供經由該混合腔體13混合完畢之該等蒸鍍材之蒸氣進行蒸鍍製程，並且達到絕熱效果。

應用時，該等坩鍋11內之該等蒸鍍材蒸氣，係先由該等坩鍋11之開口向上藉該等限流孔1301流入該混合腔體13，流經該限流調整層130中間位置之該二限流孔1301之該蒸鍍材蒸氣，係藉該二水平件1321之該流入口1321A導引進入該流道調整部132內，並沿連通結構自該垂直件1322之該等流出口1322B往該混合層134流動，而經由該限流調整層130兩端之該等限流孔1301流入之該蒸鍍材蒸氣，則自該垂直件1322兩側之區域位置往該混合層134流動，至此，由於該混合層134係為略呈I字型，因此該等蒸鍍材之蒸氣再由該混合層134之開口處往該線性蒸鍍層136流動，最後由該線源蒸鍍開口1361向外流出進行蒸鍍製程或其他相關製程。而圖 4中係以左側與右側之該等坩鍋11放置相同之該蒸鍍材，而中間之該坩鍋11係放置另一該蒸鍍材為例說明之。

以下以本創作應用於銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池製程為例說明。該線性蒸鍍裝置1係供以製作CIGS太陽能電池之CIGS薄膜，其中，該等坩鍋11係依序分別放置鎵(Ga)、銦(In)及鎵(Ga)之該蒸鍍材，使鎵置於左右兩端之該等坩鍋11，而銦置於中間之該坩鍋11內，該等坩鍋11係保持於攝氏1040度~1120度來控制銦鎵之蒸發速率，且該限流調整層130之兩端之該等限流孔1301面積總和相對中間位置之該等限流孔1301面積係具有一比值，藉調整該比值以及溫度以改變CIGS薄膜之厚度與成分比例。進行CIGS薄膜蒸鍍製程時，係將鎵及銦元素透過該線性蒸鍍裝置1進行混合，銦及鎵元素之蒸氣係如上述之方式於該混合腔體13內進行混合，並於該線源蒸鍍開口1361流出再與銅(Cu)及硒(Se)元素進行再次混合，最後再鍍於一基板上以完成CIGS薄膜蒸鍍製程，其中，銅元素之蒸鍍亦可利用該線性蒸鍍裝置1，其方式與銦及鎵元素皆相同，惟該等坩鍋11內之該等蒸鍍材改為皆放置銅元素。

如以下表格所示，其係為銦鎵硒三元素於不同溫度及面積比值針對玻璃基板進行蒸鍍之分析結果，表一所列為銦鎵硒層厚度分析，表二所列為銦鎵硒層成分比例值分析，其中表二內銦鎵硒層之成分比例值為Ga/In+Ga(GGI)。

將於上述條件下製成之各銦鎵硒薄膜層利用X光螢光光譜儀進行分析可知，若以該限流調整層130之兩端之該等限流孔1301面積總和相對中間位置之該等限流孔1301面積之該比值為2.1、2.2及2.3時，作為該比值為2時之改善，可分別在1040℃~1120℃得到最佳鎵含量(GGI=0.3)之銦鎵硒化合物薄膜。故透過該線性蒸鍍裝置1，可經由調整溫度與該等限流孔1301面積比，使製成之銦鎵硒薄膜獲得最佳的鎵元素含量，並且同時確保製成薄膜之成分與厚度均勻性。

以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用以限定本創作實施之範圍；故在不脫離本創作之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本創作之專利範圍內。