TWI385261B - 蒸發機以及適用於蒸發機之液位控制裝置及方法 - Google Patents

Description

蒸發機以及適用於蒸發機之液位控制裝置及方法

本發明係關於一種蒸發機及液位控制裝置及方法，尤其關於一種有效控制坩鍋之液體之液位，並使液位維持在大致固定高度的蒸發機及液位控制裝置及方法。

在薄膜太陽能電池中CIGS(copper indium gallium(di)selenide)是屬於化合物半導體。CIGS屬於多晶薄膜的形式，它是由銅、銦、鎵以及硒所組成的一三五族化合物半導體材料。圖1A顯示CIGS薄膜太陽能電池製造過程之一步驟的示意圖。圖1B顯示CIGS薄膜太陽能電池製造過程之一步驟的示意圖。如圖1A所示，CIGS薄膜太陽能電池10包含一玻璃基板11。於玻璃基板11上依序沉積鉬金屬層12、銅鎵金屬層13、銦金屬層14及硒層15。如圖1B所示，對圖1A步驟的CIGS薄膜太陽能電池10，進行退火(annealing)處理後，銅鎵金屬層13、銦金屬層14及硒層15會形成一CIGSe金屬層16。

圖2A顯示一習知硒蒸發機之坩鍋及氣管間之結構的示意圖。如圖2A所示，硒蒸發機100包含至少一坩鍋110、至少一第一進氣管121、至少一第二進氣管122及一排氣管123。坩鍋110界定出一空間，該空間之下部中注入有已被融化的硒液體111，該空間之上部中充滿有已被蒸發的硒蒸氣112。且坩鍋110所界定的空間與第一進氣管121及第二進氣管122連通。於蒸鍍硒層的步驟中，將第一製程氣體(例如使用氮氣(N2))通入第一進氣管121之進氣端，第一製程氣體流入坩鍋110中，將硒蒸氣112排出後，使硒蒸氣112通入第二進氣管122。於第二進氣管122的進氣端通入第二製程氣體(例如亦使用氮氣(N2))，以帶動硒蒸氣112從第二進氣管122的出口流出。硒蒸氣112隨著第一及第二製程氣體從第二進氣管122的出氣端排出，接觸置於第二進氣管122的出氣端附近的玻璃基板11，使硒層15層積於玻璃基板11上。

圖2B顯示一習知硒蒸發機之坩鍋及進料(dosing)裝置間之結構的示意圖。硒蒸發機100更包含一進料裝置。進料裝置包含一裝載裝置131及一進料管132。裝載裝置131置入有固態的硒原料，硒原料通過進料管132進入坩鍋110中，被坩鍋110加熱後融化形成硒液體。

如何控制硒蒸發機100之硒液體的液位一直是未解決的問題。於習知技術中設計了2種液位偵測方法，一種是光學式，一種是探針式。依據探針式的偵測方法，如圖2B所示，硒蒸發機100更包含有液位感應器140，置於坩鍋110中用以控制硒液體的液位。然而由於坩鍋110是處於高溫狀態下，液位感應器140必須使用耐高溫的特殊材質，且硒對金屬的腐蝕性很強，液位感應器140的金屬在測試中很快會在硒液體中腐蝕，因此無法控制液位。另一方面依據光學式的偵測方法，光學式感應器必須使光透過坩鍋110的一視窗(window)以感測液位，但是石英視窗很快會附著硒而霧化，無法穿透光線，因而無法偵測液位。

若無法正確地偵測坩鍋110中硒液體的液位，則硒蒸發機100無法利用進料裝置自動地控制使硒原料進入坩鍋110的硒進料量，操作人員無法知道目前坩鍋110中硒液體的液位，直到硒液體蒸發完後，或硒蒸鍍的厚度減少，才得知坩鍋110已無硒液體，再以人工方式進料，因此產生大量不良品，且無法連續生產。

本發明一實施例之目的在於提供一種有效控制坩鍋之液體之液位，並使液位維持在大致固定高度的蒸發機及液位控制裝置。

依據本發明一實施例，提供一種液位控制裝置包含一第一坩鍋、一第二坩鍋及一氣管。第一坩鍋用以將一物質融解成液體，連通於其外部以使一製程氣體通入於第一坩鍋內，並帶走第一坩鍋內之物質的蒸氣。第二坩鍋用以將物質融解成液體，且連通於第一坩鍋，藉以使第二坩鍋的液體流入第一坩鍋。氣管包含一第一開口端及一第二開口端。第一開口端設置在第二坩鍋，第二開口端設於第一坩鍋，且當第一坩鍋內液體之液位低於氣管的第二開口端時，第二坩鍋內的空間透過氣管連通於第一坩鍋內的空間，當第一坩鍋內液體之液位高於氣管的第二開口端時，第二坩鍋內的空間形成密閉空間。

依據本發明一實施例，提供一種蒸發機適用於將一物質蒸鍍在一基板上。蒸發機包含一液位控制裝置、一第一進氣管及一排氣管。液位控制裝置包含一第一坩鍋、一第二坩鍋及一氣管。第一坩鍋用以將物質融解成液體，第二坩鍋用以將物質融解成液體，且連通於第一坩鍋，藉以使第二坩鍋的液體流入第一坩鍋。氣管包含一第一開口端設置在第二坩鍋、以及一第二開口端設於第一坩鍋。當第一坩鍋內液體之液位低於氣管的第二開口端時，第二坩鍋內的空間透過氣管連通於第一坩鍋內的空間，當第一坩鍋內液體之液位高於氣管的第二開口端時，第二坩鍋內的空間形成密閉空間。第一進氣管連通於第一坩鍋，以使一第一製程氣體通入第一進氣管，帶走第一坩鍋內之物質的蒸氣，使其接觸基板。排氣管適於將流出第一坩鍋的第一製程氣體及物質的蒸氣，排出蒸發機。

依據本發明一實施例，能夠有效控制第一坩鍋之液體之液位，並使液位維持在大致固定的高度，增加蒸鍍步驟的穩定，使蒸鍍後的膜厚度的差異較為均勻，且能夠達到自動控制，減少人工管控的成本。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖3顯示依本發明一實施例之適用於硒蒸發機的液位控制裝置。如圖3所示，適用於硒蒸發機的液位控制裝置200，其適合裝設於一硒蒸發機且用以控制硒蒸發機中硒液體的液位。適用於硒蒸發機的液位控制裝置200包含一第一坩鍋210、一第二坩鍋220及一氣管240。第二坩鍋220連通於第一坩鍋210，藉以使第二坩鍋220中的硒液體流入第一坩鍋210。氣管240連通於第二坩鍋220及第一坩鍋210之間，更具體而言，氣管240的第一開口端241設置在第二坩鍋220之高於硒液體之液位的部位，氣管240的第二開口端242設於第一坩鍋210內，當第一坩鍋210內之硒液體之液位L1低於氣管240的第二開口端242時，第二坩鍋220所界定的空間透過氣管240連通於第一坩鍋210內的空間。於本實施例中，使第二坩鍋220中之硒液體的液位高於第一坩鍋210中之硒液體的液位，並因重力作用第二坩鍋220中的硒液體流入第一坩鍋210，使第一坩鍋210內之硒液體之液位升高。

當第一坩鍋210內之硒液體之液位L2上升至高於氣管240的第二開口端242時，第二開口端242被堵住，第二坩鍋220所界定的空間無法再透過氣管240連通於外部的大氣，因此第二坩鍋220所界定的空間221形成密閉空間。此時，若第二坩鍋220中的硒液體繼續流入第一坩鍋210中時，第二坩鍋220內之空間221的氣壓會小於第二坩鍋220之外部的氣壓，因外部氣壓作用使得第二坩鍋220中的硒液體無法再流入第一坩鍋210中，藉以使第一坩鍋210的硒液體之液位大致維持在氣管240的第二開口端242的高度。

於蒸鍍硒層的步驟中，第一坩鍋210的硒液體會被蒸發成硒蒸氣(Se vapor)，硒蒸氣隨著製程氣體(例如使用氮氣(N2))排出第一坩鍋210，硒蒸氣排出後，第一坩鍋210之硒液體液位會下降，直到第一坩鍋210內之硒液體之液位L1低於氣管240的第二開口端242，第二坩鍋220所界定的空間再度能夠透過氣管240連通於第二坩鍋220外部的大氣，第二坩鍋220中的硒液體能夠再流入第一坩鍋210中，使第一坩鍋210內之硒液體之液位升高。藉此設計，適用於硒蒸發機的液位控制裝置200，能夠將第一坩鍋210的硒液體之液位大致維持在氣管240的第二開口端242的高度。另外，若因製程需求需要調整第一坩鍋210的硒液體之液位，只要調整第二開口端242的高度即可。

此外於一實施例中，硒蒸發機的液位控制裝置200還可以更包含有進料裝置230，進料裝置230透過一閥門與第二坩鍋220連接，當要將硒原料投入第二坩鍋220中時，打開閥門，使硒原料進入第二坩鍋220中。當關閉閥門且第一坩鍋210內之硒液體之液位L2高於氣管240的第二開口端242時，第二坩鍋220所界定的空間依然形成密閉空間。

圖4顯示依本發明一實施例之硒蒸發機其液位控制裝置及氣管間之結構的示意圖。如圖4所示，依本發明一實施例，硒蒸發機300包含至少一液位控制裝置200、至少一第一進氣管121、至少一第二進氣管122及一排氣管123。液位控制裝置200包含一第一坩鍋210、一第二坩鍋220及一氣管240。第二坩鍋220連通於第一坩鍋210，藉以使第二坩鍋220中的硒液體流入第一坩鍋210。氣管240的第一開口端241設置在第二坩鍋220之高於硒液體之液位的部位，氣管240的第二開口端242設於第一坩鍋210內。第一坩鍋210所界定的空間與第一進氣管121及第二進氣管122連通。於蒸鍍硒層的步驟中，將第一製程氣體(例如使用氮氣(N2))通入第一進氣管121之進氣端，第一製程氣體流入第一坩鍋210中，將硒蒸氣排出後，使硒蒸氣通入第二進氣管122。於第二進氣管122的進氣端通入第二製程氣體(例如亦使用氮氣(N2))，以避免硒蒸氣從第二進氣管122的進氣端排出。硒蒸氣隨著第一及第二製程氣體從第二進氣管122的出氣端排出，接觸置於第二進氣管122的出氣端附近的玻璃基板11，使硒層15層積於玻璃基板11上。

於一實施例，第一坩鍋210可以開設有多個開口，而氣管240的第二開口端242透過多個閥243連接於該些開口，並且控制該些閥243的開及關，即可選擇性地使該些開口連通於氣管240的第二開口端242。藉此設計，即可透過控制該些閥243來控制第一坩鍋210之硒液體之液位。

依據本發明一實施例，提供一種控制硒液位的方法，包含以下步驟。

步驟S01：於第一坩鍋中融解硒，形成液態硒，其具有第一硒液位。

步驟S02：於第二坩鍋中融解硒，形成液態硒，其具有第二硒液位高於該第一硒液位。

步驟S03：以一連通管由第一坩鍋內連通至第二坩鍋內，使第二坩鍋中的液態硒得以流入第一坩鍋中。

步驟S04：以一氣管由該第一坩鍋的第一硒液位連接至該第二坩鍋的第二硒液位上方，並於該第二坩鍋的第二硒液位上方形成一密閉空間，使第一坩鍋中的第一硒液位上升到達氣管時，因大氣無法進入該第二硒液位上方而停止。

由於用於蒸鍍的蒸發機，通常是在極高溫的情況下，習知技術中，尚缺乏有效之控制金屬或非金屬融化於坩鍋中之液位的高度，尤其蒸鍍硒必須在大於300℃下進行，且硒對所有金屬的腐蝕性極強，因此習知技術無法控制其液位。依據本發明一實施例，能夠有效控制第一坩鍋210之金屬或非金屬液體之液位，並使液位維持在大致固定的高度，增加金屬或非金屬蒸鍍步驟的穩定，使蒸鍍後的膜厚度的差異較為均勻，提高產品之良率，且能夠達到自動控制，減少人工管控的成本。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10．．．CIGS薄膜太陽能電池

100．．．硒蒸發機

11．．．玻璃基板

110．．．坩鍋

111．．．硒液體

112．．．硒蒸氣

12．．．鉬金屬層

121．．．第一進氣管

122．．．第二進氣管

123．．．排氣管

13．．．銅鎵金屬層

131．．．裝載裝置

132．．．進料管

14．．．銦金屬層

140．．．液位感應器

15．．．硒層

16．．．CIGSe金屬層

200．．．液位控制裝置

210．．．第一坩鍋

220．．．第二坩鍋

221．．．空間

230．．．進料裝置

240．．．氣管

241．．．第一開口端

242．．．第二開口端

243．．．閥

300．．．硒蒸發機

圖1A顯示CIGS薄膜太陽能電池製造過程之一步驟的示意圖。

圖1B顯示CIGS薄膜太陽能電池製造過程之一步驟的示意圖。

圖2A顯示一習知硒蒸發機之坩鍋及氣管間之結構的示意圖。

圖2B顯示一習知硒蒸發機之坩鍋及進料(dosing)裝置間之結構的示意圖。

圖3顯示依本發明一實施例之適用於硒蒸發機的液位控制裝置。

圖4顯示依本發明一實施例之硒蒸發機其液位控制裝置及氣管間之結構的示意圖。

200．．．液位控制裝置

210．．．第一坩鍋

220．．．第二坩鍋

221．．．空間

230．．．進料裝置

240．．．氣管

241．．．第一開口端

242．．．第二開口端

Claims (10)

1. 一種蒸發機，適用於將一物質蒸鍍在一基板上，包含：一液位控制裝置，包含：一第一坩鍋，用以將該物質融解成液體；一第二坩鍋，用以將該物質融解成液體，且連通於該第一坩鍋，藉以使該第二坩鍋的液體流入該第一坩鍋；及一氣管，包含：一第一開口端設置在該第二坩鍋、以及一第二開口端設於該第一坩鍋，且當該第一坩鍋內液體之液位低於該氣管的該第二開口端時，該第二坩鍋內的空間透過該氣管連通於該第一坩鍋內的空間，當該第一坩鍋內液體之液位高於該氣管的該第二開口端時，該第二坩鍋內的空間形成密閉空間；一第一進氣管，連通於該第一坩鍋，以使一第一製程氣體通入該第一進氣管，帶走該第一坩鍋內之該物質的蒸氣，使其接觸該基板；及一排氣管，適於將流出該第一坩鍋的該第一製程氣體及該物質的蒸氣，排出該蒸發機。
2. 如申請專利範圍第1項所述之蒸發機，其中該氣管的該第一開口端設置在該第二坩鍋之高於液體之液位的部位。
3. 如申請專利範圍第1項所述之蒸發機，其中該第二坩鍋中之液體的液位高於該第一坩鍋中之液體的液位。
4. 如申請專利範圍第1項所述之蒸發機，其中該第一坩鍋設有多個開口，而該氣管的該第二開口端分別透過多個閥連接於該些開口。
5. 如申請專利範圍第1項所述之蒸發機更包含：一第二進氣管，連通於該第一進氣管且包含有：一進氣口，適於通入有一第二製程氣體；以及。一排氣口，該基板置於該排氣口附近。
6. 一種液位控制裝置，包含：一第一坩鍋，用以將該物質融解成液體，連通於其外部以使一製程氣體通入於該第一坩鍋內，並帶走該第一坩鍋內之該物質的蒸氣；一第二坩鍋，用以將該物質融解成液體，且連通於該第一坩鍋，藉以使該第二坩鍋的液體流入該第一坩鍋；及一氣管，包含：一第一開口端設置在該第二坩鍋、以及一第二開口端設於該第一坩鍋，且當該第一坩鍋內液體之液位低於該氣管的該第二開口端時，該第二坩鍋內的空間透過該氣管連通於該第一坩鍋內的空間，當該第一坩鍋內液體之液位高於該氣管的該第二開口端時，該第二坩鍋內的空間形成密閉空間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之液位控制裝置，其中該氣管的該第一開口端設置在該第二坩鍋之高於液體之液位的部位。
8. 如申請專利範圍第6項所述之蒸發機，其中該第二坩鍋中之液體的液位高於該第一坩鍋中之液體的液位。
9. 如申請專利範圍第6項所述之液位控制裝置，其中該第一坩鍋設有多個開口，而該氣管的該第二開口端分別透過多個閥連接於該些開口。
10. 一種控制硒液位的方法，包含：於第一坩鍋中融解硒，形成液態硒，其具有第一硒液位；於第二坩鍋中融解硒，形成液態硒，其具有第二硒液位高於該第一硒液位；以一連通管由該第一坩鍋內連通至該第二坩鍋內，使該第二坩鍋中的液態硒得以流入該第一坩鍋中；及以一氣管由該第一坩鍋的該第一硒液位連接至該第二坩鍋的該第二硒液位上方，並於該第二坩鍋的該第二硒液位上方形成一密閉空間，使該第一坩鍋中的該第一硒液位上升到達該氣管時，因大氣無法進入該第二硒液位上方而停止。