[发明专利]热处理炉结构

说明书

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热处理炉，使得热处理炉具有气体流动空间(chamber)及反应空间的双空间设计，由对双空间中的相对的密度或压力进行控制，可使得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，已有愈来愈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者，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愈益蓬勃。举一实际例子说明：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(Soda Lime Glass)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/Cu In/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℃，但由于公知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。