TWI588279B - Linear vapor deposition device that can improve the utilization rate of vapor deposition material - Google Patents
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Description
本發明係關於蒸鍍裝置領域，尤其是一種可有效提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置。
目前，有機發光二極體(OLED)及薄膜式太陽能電池等產業，常利用蒸鍍製程方式進行生產製作，一般之蒸鍍製程係應用於真空系統中，如將被鍍材置於一反應腔體內，並以一真空幫浦維持其內壓力，接著將蒸鍍材料放置於蒸鍍容器，並利用加熱器對蒸鍍材料進行加熱，使蒸鍍材料產生蒸鍍揮發，從而達到在被鍍材上形成薄膜之目的。
蒸鍍製程上為達量產，往往會採用線性蒸鍍之方式來進行以得到大面積之薄膜，如以下列舉用以製備銅銦鎵硒薄膜式太陽電池中吸收層之美國專利US7,194,197B1、US2008/0247738A1、US2008/0247737A1、US2008/0226270A1、US2010/0173440A1、US2010/0087016A1、US2009/0258476A1、US2009/0258444A1、US2009/0255469A1、US2009/0255467A1、US8,202,368B2、US2010/0159132A1及US2010/0285218A1等文獻，係揭露於製備薄膜時，為使所放置不同蒸鍍材料之線性蒸鍍源所產生之蒸氣有效混合，再與反應式蒸氣如硒蒸氣、
硫蒸氣或銻蒸氣其中之一或其混合蒸氣產生反應而獲得大面積且成分均勻之薄膜，製程中常將多組獨立線性蒸鍍源與反應式蒸鍍源分開，然而在蒸鍍製程中，蒸鍍材料有效使用率常面臨如以下所述之問題，其一為線性蒸鍍源之蒸發角度會隨其中心點所產生蒸鍍距離不同而呈現鍍區不均勻之現象，且往鍍區混蒸鍍過程中，會因為線性蒸鍍源之蒸發角度以及製程溫度不同而產生互相干涉，使製成之薄膜均勻性大幅降低，若為提升蒸鍍之均勻性，則必須將蒸鍍所產生不均勻之地方進行遮擋，以使鍍區有較好之均勻性，但此種方式會造成蒸鍍材料有效使用率降低；其二為一般常用之線性蒸鍍源如銅、銦或鎵等，其於製程中之溫度均超過1000℃以上，為了避免反應式蒸氣被具高溫之銅、銦或鎵等線性蒸鍍源產生的熱場影響，以及因多組獨立線性蒸鍍源與反應式氣體蒸鍍源擺放位置而產生結構上之阻擋影響，所導入之反應式蒸氣必須充滿整個反應腔體，才能使其與銅、銦或鎵等線性蒸鍍源所產生之混合蒸氣能與反應式蒸氣產生反應，然而，雖大量導入反應式蒸氣使之充滿該反應腔體，但實際上於鍍區真正參與反應之反應式蒸氣有限，因大部分的反應式蒸氣會凝結於較冷腔體壁處或是被真空幫浦抽走，使反應式蒸鍍材料之使用率大幅降低。
因此，為了改善上述問題，本發明係提出一種可有效提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置，使蒸鍍材料使用
率提高以降低生產成本。
本發明之一目的，旨在提供一種可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置，係應用於混合蒸鍍製程，可有效提升蒸鍍材料之使用率與降低生產成本，其係針對多種相異元素進行加熱，透過一混合腔體將個別材料蒸氣於密閉空間內依所需比例進行混合，再透過一高溫之絕熱密閉空間使導入之反應式蒸鍍材蒸氣產生裂解效應形成更小之分子團，依此提升製成薄膜之品質。
為達上述目的，本發明之可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置，係具有一反應腔體，供針對一基材進行鍍膜製程，其特徵在於：該反應腔體內具有至少一絕熱腔體，該絕熱腔體內具有一線性蒸鍍源，並透過一混合腔體均勻混合該線性蒸鍍源之蒸氣，且該絕熱腔體係導入一反應式蒸鍍材之蒸氣，使該線性蒸鍍源蒸氣自該混合腔體散出時，與該反應式蒸鍍材蒸氣進行反應並一併自該絕熱腔體噴出以於該基板進行鍍膜。
其中，該線性蒸鍍源包括複數個坩鍋及複數個鍍材加熱器，且該混合腔體係連通設於該等坩鍋之開口處，該等坩鍋係分別裝設有一鍍材，並透過對應之該等鍍材加熱器進行加熱以產生蒸氣，且該混合腔體連通該等坩鍋之側設有複數個限流孔，並於該混合腔體相對側具有一線性蒸鍍開口。
此外，該絕熱腔體由複數個絕熱側板、一頂部絕熱板及一底部絕熱板構成，且於該頂部絕熱板設有至少一蒸鍍口，以供該線性蒸鍍源蒸氣及該反應式蒸鍍材蒸氣一併噴出對該基板進行鍍膜製程，其中較佳者，該反應式蒸鍍源為硒、硫或銻其中之一或其混合者。
藉此，本發明係可有效提升各種相異蒸鍍材之使用率，避免因製備環境或是溫度等因素影響而導致材料耗損無法有效利用之情況產生，並於提升薄膜品質同時可降低製程材料成本。
1‧‧‧可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置
10‧‧‧反應腔體
11‧‧‧絕熱腔體
111‧‧‧絕熱側板
112‧‧‧頂部絕熱板
1121‧‧‧蒸鍍口
113‧‧‧底部絕熱板
114‧‧‧導入口
12‧‧‧混合腔體
121‧‧‧限流孔
122‧‧‧線性蒸鍍開口
13‧‧‧線性蒸鍍源
131‧‧‧坩鍋
132‧‧‧鍍材加熱器
133‧‧‧鍍材
14‧‧‧反應式蒸鍍材
2‧‧‧基板
第1圖，為本發明較佳實施例之結構剖面示意圖(一)。
第2圖，為本發明較佳實施例之結構剖面示意圖(二)。
第3圖，為透過本發明裝置所製成薄膜之結晶結構示意圖。
第4圖，為透過本發明裝置於另一製備條件下，製成薄膜之結晶結構示意圖。
第5圖，為透過本發明裝置於另一製備條件下製備之薄膜結晶結構，與以一般方式製備之薄膜結晶結構比較示意圖。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第1及2圖，其係為本發明較佳實施例之
各結構剖面示意圖。本發明之一種可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置1，係具有一反應腔體10，供針對一基材2進行鍍膜製程。
該可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置1之特徵在於，該反應腔體10內具有至少一絕熱腔體11，該絕熱腔體11內係具有一線性蒸鍍源13，並透過一混合腔體12均勻混合該線性蒸鍍源13之蒸氣，且每一該絕熱腔體11係導入一反應式蒸鍍材14之蒸氣，使該線性蒸鍍源13蒸氣自該混合腔體12散出時，與該反應式蒸鍍材14蒸氣進行反應並一併自該絕熱腔體11噴出以於該基板進行鍍膜，其中較佳者，該反應式蒸鍍材14係可為硒(Se)、硫(S)或銻(Sb)其中之一或其混合者，藉此使該反應式蒸鍍材14之蒸氣受限於該絕熱腔體11空間中，使該反應式蒸鍍材14之蒸氣與經該混合腔體12均勻混合後之該線性蒸鍍源13之蒸氣進行反應，有效地提升蒸鍍材料之使用率與降低生產成本。
其中，該線性蒸鍍源13係包括複數個坩鍋131及複數個鍍材加熱器132，且該混合腔體12係連通設於該等坩鍋131之開口處，該等坩鍋131分別裝設有一鍍材133，每一該鍍材加熱器132係對應套設於每一該坩鍋131外側，以對該等鍍材133進行加熱產生蒸氣，且該混合腔體12連通該等坩鍋131之側對應該等坩鍋131之開口設有複數個限流孔121，並於該混合腔體121相對側具有一線性蒸鍍開口122，
以供該等鍍材133之蒸氣於該混合腔體12內依所需比例均勻混合流出至該絕熱腔體11內部，並與該反應式蒸鍍材14之蒸氣進行反應，其中特別一提的是，由於鍍膜過程中，該絕熱腔體11內係為持續加熱狀態，因此透過該絕熱腔體11內的高溫環境使得導入之該反應式蒸鍍材14蒸氣產生裂解效應而形成更小的分子團，使成形之薄膜更為均勻以及獲得較高之緻密性等，藉此達到提升薄膜品質之功效。此外，較佳者，該絕熱腔體11係由複數個絕熱側板111、一頂部絕熱板112及一底部絕熱板113構成，且於該頂部絕熱板112設有至少一蒸鍍口1121，使透過該混合腔體12均勻混合之該線性蒸鍍源13蒸氣及該反應式蒸鍍材14蒸氣一併自該蒸鍍口1121噴出以對該基材2進行鍍膜動作。其中，該蒸鍍口1121亦可呈複數設置，至少一該蒸鍍口1121係供該線性蒸鍍源13之蒸氣流出，至少一該蒸鍍口1121係供該反應式蒸鍍材14之蒸氣流出，以一併自該絕熱腔體11流出並於該反應腔體10內對該基板2進行鍍膜動作，於本實施例中，係設有三個該蒸鍍口1121，且該等蒸鍍口1121係呈平行設置，其中之二該等蒸鍍口1121係供該反應式蒸鍍材14之蒸氣流出，另一該蒸鍍口1121係供經由該混合腔體12均勻混合之該等線性蒸鍍源13之蒸氣流出，由於該等蒸鍍口1121為平行設置，圖1所示係為自設於中央之該蒸鍍口1121處之剖面圖，故僅見有該線性蒸鍍源13之蒸氣，圖2即可明顯顯示該等蒸鍍口1121之設置
以及該線性蒸鍍源13與該反應式蒸鍍材14之蒸氣流向。又，該反應式蒸鍍材14係可自該絕熱腔體11之底部或側部導入，因此於該底部絕熱板113或其中之一該絕熱側板111係對應開設有一導入口114，於本實施例中，係以該反應式蒸鍍材14之蒸氣自該底部絕熱板113之該導入口114流入為例說明。如圖1及圖2所示，該反應式蒸鍍材14係自該導入口114流入該絕熱腔體11內，並自其中之二該蒸鍍口1121噴出，而該線性蒸鍍源13之蒸氣係透過該混合腔體12均勻混合後入該絕熱腔體11內，並自其中之一該蒸鍍口1121噴出，以與該反應式蒸鍍材14之蒸氣一併對該基板2進行鍍膜。
以下係為應用本發明進行鍍膜製程之說明及分析，並請一併參閱第3圖，其係為透過本發明裝置所製成薄膜之結晶結構示意圖。於本實施例中，該線性蒸鍍源13係包括二個該坩鍋131，並於該等坩鍋131分別放置銦(In)及鎵(Ga)之該鍍材133，該反應腔體10內係為真空狀態，其壓力控制於約1x10-6Torr，並令對應放置鎵之該坩鍋131之該限流孔121面積，與對應放置銦之該坩鍋131之該限流孔121面積之比值分別為2、2.1、2.2、2.3及2.4，且使對應上述面積比值所製成之薄膜編號依序為A、B、C、D及E。該蒸鍍口1121為一長為25cm，寬為2mm之開口，該等鍍材加熱器132溫度設定為1200℃，而該反應式蒸鍍材14係為硒，且其溫度為250℃~400℃，該基材2係為一厚3mm，面積為30cm*30cm之玻璃
板狀結構體，該線性蒸鍍源13與該基板之間距為30cm，且製程時間為10分鐘。進行蒸鍍製程時，該等鍍材加熱器132分別針對承載有銦之該坩鍋131與鎵之該坩鍋131進行加熱，並使產生之蒸氣藉對應之該限流孔121流入該混和腔體12內，待均勻混合後並自該線性蒸鍍開口122散出，此時與充滿於該絕熱腔體11內部之該反應式蒸鍍材14之蒸氣混合再一併自該蒸鍍口1121噴出以對該基材2進行鍍膜。於薄膜成形後，利用X光螢光光譜儀進行分析可知銦鎵硒薄膜層成分，如表一所示，藉由對應鎵材之該限流孔121面積，與對應銦材之該限流孔121面積之面積比值控制鎵/(銦+鎵)成分比例〔Ga/(In+Ga)〕為0.2~0.4，以一般蒸鍍硒得到之銦鎵硒化合物薄膜為多晶相結構，而透過上述條件所製備的銦鎵硒化合物薄膜經以X光繞射分析儀進行分析可知，如圖3所示，透過本發明製成之銦鎵硒化薄膜可得到(In,Ga)2Se3(006)的結晶結構，因此透過本發明製成之薄膜結構確實可得到較佳之結晶效果，其緻密性較高且膜面平坦並具有單一晶相之薄膜特性，運用上可藉薄膜之高穩定性而有效實施於CIGS之太陽能電池等各領域中。
以下為利用本發明之該可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置1於另一製備條件下進行鍍膜之說明與分析，並請一併參閱第4及5圖，其係分別為透過本發明裝置於另一製備條件下製成薄膜之結晶結構示意圖，以及透過本發明裝置於另一製備條件下製備之薄膜結晶結構，與以一般方式製備之薄膜結晶結構比較示意圖。於此實施例中，該線性蒸鍍源13包含三個該坩鍋131，並且分別放置銦、鎵與銅(Cu)等該鍍材133，該反應腔體10內為真空狀態且壓力控制於約1x10-6Torr，且令對應承載鎵及銦之該等坩鍋131之該等限流孔121面積比值固定為2.2，而對應承載銅之該坩鍋131的該限流孔12面積，與對應承載銦之該坩鍋131及鎵之該坩鍋131的該等限流孔121之面積總和亦具有一面積比值，其分別為5、7.5及10，並使對應面積比值之薄膜編號依序為F、G及H。該蒸鍍口1121同於上述之實施例亦為一長25cm，寬2mm之開口，該等鍍材加熱器132溫度設定為1200℃，該反應式蒸鍍材14為硒，且其溫度為250℃~400℃，該基材2並為為一厚3mm，面積為30cm*30cm之玻璃板狀結構體，該線性蒸
鍍源13與該基板之間距則為30cm，且製程時間為10分鐘。同於前一製程實施例，進行蒸鍍製程時，該等鍍材加熱器132分別對承載有該等鍍材133之該等坩鍋131進行加熱，產生之蒸氣分別自對應之該等限流孔121進入該混合腔體12內混合，混合均勻後之蒸氣則自該線性蒸鍍開口122散出，此時並與充滿於該絕熱腔體11內之該反應式蒸鍍材14之蒸氣混合，一併自該蒸鍍口1121噴出以對該基板2進行鍍膜。於薄膜成形後，利用X光螢光光譜儀進行分析可知銅銦鎵硒薄膜之成分，而如表二所示，藉由固定對應鎵材之該限流孔121面積與對應銦材之該限流孔121面積比值，改變對應銅材之該限流孔121面積相對對應銦材及對應鎵材之該等限流孔121面積總和之面積比值，控制〔Cu/(In+Ga)〕的比例介於0.8~0.9，所製備的銅銦鎵硒化合物薄膜經以X光繞射分析儀進行分析可知，如圖4所示，其係可得到Cu(In,Ga)Se2(220/204)的優選方向結晶結構。又如圖5所示，圖中所列之比較例線段代表以一般蒸鍍硒得到之銅銦鎵硒化合物薄膜晶體結構，其係為多晶(112)優選方向結晶結構，而實施例線段代表以本發明製備之銅銦鎵硒化合物薄膜，其為Cu(In,Ga)Se2(220/204)的優選方向結晶結構，因此透過本發明製成之薄膜結構確實具有較佳之結晶效果，運用上可藉其高穩定性與均勻度等優點有效實施於CIGS之太陽能電池等各領域中。
表二：
惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
1‧‧‧可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置
10‧‧‧反應腔體
11‧‧‧絕熱腔體
111‧‧‧絕熱側板
112‧‧‧頂部絕熱板
1121‧‧‧蒸鍍口
113‧‧‧底部絕熱板
114‧‧‧導入口
12‧‧‧混合腔體
121‧‧‧限流孔
122‧‧‧線性蒸鍍開口
13‧‧‧線性蒸鍍源
131‧‧‧坩鍋
132‧‧‧鍍材加熱器
133‧‧‧鍍材
14‧‧‧反應式蒸鍍材
2‧‧‧基板
Claims (3)
- 一種可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置，係具有一反應腔體，供針對一基材進行鍍膜製程，其特徵在於：該反應腔體內具有至少一絕熱腔體，該絕熱腔體內具有一線性蒸鍍源，並透過一混合腔體均勻混合該線性蒸鍍源之蒸氣，且該絕熱腔體係導入一反應式蒸鍍材之蒸氣，使該線性蒸鍍源蒸氣自該混合腔體散出時，與該反應式蒸鍍材蒸氣進行反應並一併自該絕熱腔體噴出以於該基板進行鍍膜，其中，該線性蒸鍍源包括複數個坩鍋及複數個鍍材加熱器，且該混合腔體係連通設於該等坩鍋之開口處，該等坩鍋係分別裝設有一鍍材，並透過對應之該等鍍材加熱器進行加熱以產生蒸氣，該混合腔體連通該等坩鍋之側設有複數個限流孔，並於該混合腔體相對側具有一線性蒸鍍開口。
- 如申請專利範圍第1項所述之可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置，其中，該絕熱腔體由複數個絕熱側板、一頂部絕熱板及一底部絕熱板構成，且於該頂部絕熱板設有至少一蒸鍍口。
- 如申請專利範圍第1項所述之可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置，其中，該反應式蒸鍍材為硒、硫或銻其中之一或其混合者。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW103138648A TWI588279B (zh) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | Linear vapor deposition device that can improve the utilization rate of vapor deposition material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI588279B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWM507432U (zh) * | 2014-11-07 | 2015-08-21 | Nat Inst Chung Shan Science & Technology | 可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置 |
-
2014
- 2014-11-07 TW TW103138648A patent/TWI588279B/zh active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWM507432U (zh) * | 2014-11-07 | 2015-08-21 | Nat Inst Chung Shan Science & Technology | 可提升蒸鍍材料使用率之線性蒸鍍裝置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201617466A (zh) | 2016-05-16 |
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