TWI470105B - Gas Reaction Continuous Cavity and Gas Reaction - Google Patents

Description

氣體反應連續腔及氣體反應方法

本發明係與用以進行氣體反應(例如硒化反應)之裝置有關，特別是關於一種氣體反應連續腔及氣體反應方法。

在半導體製程中，時常包含有進行氣體反應之步驟，例如CIGS(Copper Indium Gallium Selenide)太陽能電池中的銅銦鎵硒玻璃板，其玻璃基板濺鍍銅、銦、鎵、硒等材料後，需加熱至能使硒產生氣體反應(亦即硒化反應)之溫度，以於玻璃基板上合成出CIGS半導體薄膜。

習知進行氣體反應的方式，係將已鍍有反應材料之基板設置於一呈真空狀態或設有特定氣體(例如氮氣)之封閉腔室內，且該腔室內設有加熱器(例如紅外線加熱器)，然後，先將基板溫度從室溫升高到氣體反應所需之溫度(例如硒化反應需達攝氏500~550度)，且升溫速度不可過快以免基板破裂，氣體反應完成之後，需先將基板逐漸降溫到攝氏200度以下，才能將基板自該腔室取出，以避免基板因與室溫的溫差過大而破裂。

然而，前述之過程相當費時，而且，該腔室內必須依序完成加熱、反應及冷卻之步驟後，才能再對另一基板重複進行同樣的過程，因此其效率不佳而仍有待改進。

有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種氣體反應連續腔，以及一種使用該氣體反應連續腔之氣體反應方法，可對受反應物進行加熱、氣體反應及冷卻之步驟，且具有良好之效率。

為達成上述目的，本發明所提供之氣體反應連續腔包含有至少三腔室、至少四隔離裝置以及一位於該等腔室及該等隔離裝置內之輸送裝置，各該腔室係位於二該隔離裝置之間，藉以使該等腔室能呈氣密狀 態。該輸送裝置具有一前端、一後端以及能供該隔離裝置穿過之至少四空隙，該輸送裝置係用以設置一受反應物，並帶動該受反應物朝向該前端移動進而通過該等腔室。其中，該等腔室包含有依序排列之一預熱腔室、一反應腔室及一冷卻腔室，該預熱腔室、該反應腔室及該冷卻腔室分別設置一位於該輸送裝置上方之上加熱器，用以朝向該受反應物之一頂面作用而調整該受反應物之溫度，該反應腔室及該冷卻腔室分別具有一反應氣體輸入口。

本發明所提供之使用如前述之氣體反應連續腔的氣體反應方法包含有下列步驟：a)將一受反應物設置於該輸送裝置，該受反應物之頂面具有反應材料；b)在該預熱腔室內將該受反應物加熱至一第一溫度；c)使該受反應物進入該反應腔室，該反應腔室內設有反應氣體；d)將該受反應物加熱至一能使該反應材料產生氣體反應之第二溫度；e)使該受反應物進入該冷卻腔室，該冷卻腔室內設有反應氣體；以及f)將該受反應物冷卻至一第三溫度。

藉此，該受反應物係依序在預熱腔室、反應腔室及冷卻腔室分別進行加熱、氣體反應及冷卻之步驟，而且，完成氣體反應之受反應物通過反應腔室及冷卻腔室的過程中，該反應腔室及該冷卻腔室內的反應氣體可避免受反應物上仍為氣態之反應材料過度散逸。如此一來，該氣體反應連續腔及該氣體反應方法不但可使受反應物之氣體反應效果良好；而且，預熱腔室、反應腔室及冷卻腔室內的加熱器可分別維持在符合其功能之溫度，因而可較快速地將受反應物調節至各階段所需之溫度；再者，預熱腔室、反應腔室及冷卻腔室可同時分別供不同的受反應物進行不同之步驟，意即，不需等到一受反應物完成所有步驟才讓另一受反應物開始進行該等步驟，因此，本發明所提供之氣體反應連續腔及氣體反應方法具有較習用者更高之效率。

有關本發明所提供之氣體反應連續腔及氣體反應方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧氣體反應連續腔

12‧‧‧輸送裝置

122‧‧‧前端

124‧‧‧後端

126‧‧‧圓柱

128‧‧‧空隙

14‧‧‧第一隔離裝置

16‧‧‧預熱腔室

18‧‧‧第二隔離裝置

20‧‧‧反應腔室

202‧‧‧反應氣體輸入口

22‧‧‧第三隔離裝置

24‧‧‧冷卻腔室

242‧‧‧反應氣體輸入口

26‧‧‧第四隔離裝置

28‧‧‧受反應物

282‧‧‧頂面

284‧‧‧底面

30‧‧‧氣密閥門

32‧‧‧風刀單元

34‧‧‧上加熱器

36‧‧‧下加熱器

38‧‧‧遮蓋裝置

40‧‧‧頂高單元

42‧‧‧蓋體

44‧‧‧驅動器

46‧‧‧移動平台

48‧‧‧支撐桿

50‧‧‧反應空間

60‧‧‧氣體反應連續腔

62‧‧‧反應腔室

622‧‧‧反應氣體輸入口

64‧‧‧冷卻腔室

P1‧‧‧頂高位置

P2‧‧‧遮蓋位置

第1圖為本發明一第一較佳實施例所提供之氣體反應連續腔之示意圖，並顯示一受反應物位於該氣體反應連續腔之一預熱腔室，且該氣體反應連續腔之一遮蓋裝置的蓋體係位於一頂高位置；第2圖概為第1圖之局部放大圖，惟顯示該遮蓋裝置之蓋體位於一遮蓋位置，且該受反應物係受該蓋體遮蓋；第3圖至第6圖係類同於第1圖，惟分別顯示使用該氣體反應連續腔之氣體反應方法的不同步驟；以及第7圖為本發明一第二較佳實施例所提供之氣體反應連續腔之示意圖。

請先參閱第1圖，本發明一第一較佳實施例所提供之氣體反應連續腔10包含有一輸送裝置12，以及依序連接之一第一隔離裝置14、一預熱腔室16、一第二隔離裝置18、一反應腔室20、一第三隔離裝置22、一冷卻腔室24及一第四隔離裝置26，且該輸送裝置12係位於該等腔室16、20、24及該等隔離裝置14、18、22、26內。

該輸送裝置12具有一前端122及一後端124，該輸送裝置12係用以設置一受反應物28，且主要係用以帶動該受反應物28朝向該前端122移動進而通過該等腔室16、20、24；然而，該輸送裝置12亦可(但不限於)具有能帶動該受反應物28朝向該後端122移動之功能。

在本實施例中，該輸送裝置12包含有多數平行排列之圓柱126，該等圓柱126之材質可為(但不限於)能耐高溫之石英陶瓷，每兩相鄰圓柱126之間具有一空隙128，該等圓柱126朝順時針方向旋轉時能帶動該受反應物28朝向該前端122移動，該等圓柱126朝逆時針方向旋轉時能帶動該受反應物28朝向該後端124移動。

該第一隔離裝置14、該第二隔離裝置18、該第三隔離裝置22及該第四隔離裝置26分別包含有一氣密閥門30及一風刀單元32，各該氣密閥門30關閉時係穿過該輸送裝置12之空隙128，各該腔室16、18、24 在其二側之氣密閥門30皆關閉時係呈氣密狀態，各該氣密閥門30開啟時可供受反應物28通過，該等風刀單元32係用以使該等腔室16、20、24即使在氣密閥門30開啟時仍不相互連通且亦不與外部環境連通，以避免影響各該腔室16、20、24內的溫度及氣體濃度。該氣密閥門30及該風刀單元32皆具有能使腔室16、18、24呈氣密狀態之功能，因此各該隔離裝置14、18、22、26只要包含有該氣密閥門30及該風刀單元32二者至少其中之一即可。

該預熱腔室16、該反應腔室20及該冷卻腔室24原先係呈真空狀態，或者亦可充以氮氣。此外，該反應腔室20及該冷卻腔室24分別具有一反應氣體輸入口202、242，係用以供一反應氣體源(圖中未示)利用飽和蒸氣壓而將反應氣體(例如，欲進行硒化反應時，該反應氣體即為硒蒸氣)輸入至反應腔室20及冷卻腔室24。值得一提的是，在各該腔室16、20、24原先已充設氮氣的情況下，反應氣體需先與氮氣混合，以利用氮氣作為攜帶氣體(carrier gas)而一同與反應氣體自各該反應氣體輸入口202、242輸入至反應腔室20及冷卻腔室24。

該預熱腔室16、該反應腔室20及該冷卻腔室24分別設置複數位於輸送裝置12上方之上加熱器34，以及複數位於輸送裝置12下方之下加熱器36。該等上加熱器34可為(但不限於)紅外線加熱器，係用以朝向受反應物28之頂面282作用而調整受反應物28之溫度。該等下加熱器36可為(但不限於)紅外線加熱器，係用以透過輸送裝置12之空隙128而朝向受反應物28之底面284作用而調整受反應物28之溫度。

值得一提的是，各該腔室16、20、24內之上、下加熱器34、36的數量並無限制而可依需求設置，而且，各該腔室16、20、24內亦可不設置下加熱器36，該輸送裝置12亦不限為如本實施例所提供之由很多圓柱126構成而形成有很多空隙128之形式，只要具有至少四空隙以供隔離裝置14、18、22、26穿過即可。惟，設有下加熱器36之實施態樣可使受反應物28之溫度更快速地被調節至各階段需求之溫度。

該反應腔室20更設置一遮蓋裝置38，該遮蓋裝置38包含有一頂高單元40及一蓋體42，該頂高單元40包含有一驅動器44、一受該驅動器44驅動而上下移動之移動平台46，以及固設於該移動平台46上之四支撐桿48，該蓋體42係可分離地設置於該等支撐桿48上。藉此，該蓋 體42能受該頂高單元40帶動而於一頂高位置P1(如第1圖所示)與一遮蓋位置P2(如第2圖所示)之間移動，該蓋體42位於頂高位置P1時係與輸送裝置12相隔可供受反應物28通過之距離，該蓋體42位於遮蓋位置P2時係蓋設於受反應物28之頂面282，且該蓋體42與受反應物28之頂面282之間形成一反應空間50。

使用如前述之氣體反應連續腔10的氣體反應方法包含有下列步驟：

a)將受反應物28設置於輸送裝置12，該受反應物28之頂面282具有反應材料。

舉例而言，該受反應物28可為鍍有銅、銦、鎵、硒等材料之玻璃基板，其中硒係位於最上層而顯露於頂面282且即為該反應材料，下述之步驟可使原本的固態硒產生氣體反應(亦即硒化反應)，進而在玻璃基板上合成出CIGS半導體薄膜。

b)在該預熱腔室16內將受反應物28加熱至一第一溫度。

延續前述例子，欲進行硒化反應之受反應物28可在此步驟中加熱至大約攝氏210度，亦即接近硒的熔點。值得一提的是，為了避免受反應物28因升溫速度過快而造成其玻璃基板破裂，該輸送裝置12可在步驟a)與步驟b)之間先反覆前後移動，以帶動受反應物28反覆通過第一隔離裝置14進而反覆進出預熱腔室16，藉以使受反應物28在一開始先緩慢升溫。

c)如第3圖所示，使受反應物28進入反應腔室20，該反應腔室20內設有反應氣體。延續前述例子，該反應氣體即為硒蒸氣。

在本實施例中，此時可如第2圖所示地將該遮蓋裝置38之蓋體42蓋設於受反應物28之頂面282。請參閱第4圖，該頂高單元40在將蓋體42帶動至如第2圖所示之遮蓋位置P2之後，該移動平台46可再向下移動一段距離，以帶動該等支撐桿48向下移動並與蓋體42分離，然後，該受反應物28再連同蓋體42一起移動至反應腔室20內的上、下加熱器34、36之間(如第5圖所示)，以進行下述e)之加熱步驟。然而，該遮蓋裝置38並不限為蓋體42能隨受反應物28一起移動之設計；例如，該遮蓋裝置38可設置於一上加熱器34下方，則受反應物28被蓋體42遮蓋後不需移動即 可進行加熱。

值得一提的是，由於上加熱器34係透過蓋體42而對受反應物28之頂面282進行加熱，因此，該蓋體42之較佳材質為石英玻璃，藉由其可透光之特性，上加熱器34之輻射熱可直接對受反應物28之頂面282作用；然而，該蓋體42亦可為不透光但導熱性佳之材質，例如石墨，使得上加熱器34之輻射熱透過蓋體42傳導而間接對受反應物28加熱。

d)將受反應物28加熱至一能使該反應材料產生氣體反應之第二溫度。延續前述例子，該第二溫度大約為攝氏500~550度，以使受反應物上的固態硒產生硒化反應。

在此步驟中，由於該蓋體42係蓋設於受反應物28之頂面282，因此受反應物28上的反應材料加熱後產生之蒸氣會被限制於該反應空間50，使得該反應空間50很快達到飽和蒸氣壓，因此該反應材料會很快地產生氣體反應。

在本實施例中，在進行下述之步驟e)之前需先使該遮蓋裝置38之蓋體42離開受反應物28之頂面282，此步驟可先使受反應物28連同蓋體42一起移動至如第4圖所示之位置，再利用該頂高裝置40將該蓋體42帶動至該頂高位置P1(如第3圖所示)。

e)如第6圖所示，使受反應物28進入冷卻腔室24，該冷卻腔室24內設有反應氣體。延續前述例子，該反應氣體即為硒蒸氣。

值得一提的是，該受反應物28上的反應材料在產生氣體反應之後仍為氣態，因此，該受反應物28在不受蓋體42遮蓋之下從第3圖所示之位置移動至冷卻腔室24的過程中，需藉由反應腔室20內的反應氣體而防止受反應物28上的氣態反應材料散逸；同樣地，該受反應物28位於冷卻腔室24內且溫度仍高的情況下，亦需藉由反應腔室24內的反應氣體而防止受反應物28上的氣態反應材料散逸。

本發明所提供之氣體反應連續腔亦可不包含有該遮蓋裝置38，則該氣體反應方法即無如前述之關於遮蓋裝置的步驟。然而，該遮蓋裝置38能使該受反應物28產生氣體反應之效率高且效果良好，並能減少反應材料及反應氣體的使用量。

f)將受反應物28冷卻至一第三溫度。延續前述例子，該第 二溫度為攝氏200度以下，藉此，受反應物28離開冷卻腔室24而進入外部環境時，受反應物28之玻璃基板可避免因與室溫之溫差過大而破裂。

藉由前述內容可得知，該受反應物28係依序在預熱腔室16、反應腔室20及冷卻腔室24分別進行加熱、氣體反應及冷卻之步驟，因此，該預熱腔室16、該反應腔室20及該冷卻腔室24內的上、下加熱器34、36可分別維持在符合其功能之溫度，而不需如習用者配合不同步驟而大幅改變其溫度；藉此，本發明可較快速地將受反應物28調節至各階段所需之溫度。而且，該預熱腔室16、該反應腔室20及該冷卻腔室24可同時分別供不同的受反應物28進行不同之步驟，意即，不需等到一受反應物完成所有步驟才讓另一受反應物開始進行該等步驟，因此，本發明所提供之氣體反應連續腔及氣體反應方法具有較習用者更高之效率。

值得一提的是，本發明所提供之氣體反應連續腔並不限於僅有前述之三腔室16、20、24，而能具有三個以上的腔室，且各該腔室係位於二隔離裝置之間(亦即有四個以上的隔離裝置)而能達到氣密狀態，例如下述之本發明一第二較佳實施例所提供者。

請參閱第7圖，本發明之第二較佳實施例所提供的氣體反應連續腔60中，該反應腔室20及該冷卻腔室24之間更有另一反應腔室62，該反應腔室62之功用係類同於該反應腔室20，惟該反應腔室62之反應氣體輸入口622係用以供與該反應腔室20內不同的反應氣體進入該反應腔室62，使得同一受反應物28在該反應腔室20內完成一種氣體反應之後能再接續著在該反應腔室62內進行另一種氣體反應。

此外，該等反應腔室20、62及該冷卻腔室24之間可更有另一冷卻腔室64，該冷卻腔室64之功用係類同於該冷卻腔室24，惟該冷卻腔室64係用以使完成氣體反應而溫度相當高之受反應物28先初步降溫後，再到該冷卻腔室24內進一步降溫；延續前述該第一較佳實施例中所舉之例子，該受反應物28能在該冷卻腔室64內先由大約攝氏500~550度降溫至大約攝氏400~450度，再進入該冷卻腔室24而降溫至攝氏200度以下；如此一來，各該冷卻腔室64、24內的加熱器溫度變化幅度會較小，因此可提高降溫效率。不論氣體反應連續腔僅具有單一反應腔室，或者具有複數反應腔室，都可利用複數冷卻腔室而達到多階段式降溫，以提高降溫效率。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧氣體反應連續腔

12‧‧‧輸送裝置

122‧‧‧前端

124‧‧‧後端

126‧‧‧圓柱

128‧‧‧空隙

14‧‧‧第一隔離裝置

16‧‧‧預熱腔室

18‧‧‧第二隔離裝置

20‧‧‧反應腔室

202‧‧‧反應氣體輸入口

22‧‧‧第三隔離裝置

24‧‧‧冷卻腔室

242‧‧‧反應氣體輸入口

26‧‧‧第四隔離裝置

28‧‧‧受反應物

282‧‧‧頂面

284‧‧‧底面

30‧‧‧氣密閥門

32‧‧‧風刀單元

34‧‧‧上加熱器

36‧‧‧下加熱器

38‧‧‧遮蓋裝置

40‧‧‧頂高單元

42‧‧‧蓋體

44‧‧‧驅動器

46‧‧‧移動平台

48‧‧‧支撐桿

P1‧‧‧頂高位置

Claims (14)

1. 一種氣體反應連續腔，包含有：至少三腔室及至少四隔離裝置，各該腔室係位於二該隔離裝置之間，藉以使該等腔室能呈氣密狀態；以及一輸送裝置，係位於該等腔室及該等隔離裝置內，該輸送裝置具有一前端、一後端以及能供該隔離裝置穿過之至少四空隙，該輸送裝置係用以設置一受反應物，並帶動該受反應物朝向該前端移動進而通過該等腔室；其中，該等腔室包含有依序排列之一預熱腔室、一反應腔室及一冷卻腔室，該預熱腔室、該反應腔室及該冷卻腔室分別設置一位於該輸送裝置上方之上加熱器，用以朝向該受反應物之一頂面作用而調整該受反應物之溫度，該反應腔室及該冷卻腔室分別具有一反應氣體輸入口。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中該反應腔室更設置一遮蓋裝置，該遮蓋裝置包含有一頂高單元以及一設於該頂高單元之蓋體，該蓋體能受該頂高單元帶動而於一頂高位置與一遮蓋位置之間移動，該蓋體位於該頂高位置時係與該輸送裝置相隔可供該受反應物通過之距離，該蓋體位於該遮蓋位置時係蓋設於該受反應物之頂面，且該蓋體與該受反應物之頂面之間形成一反應空間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之氣體反應連續腔，其中該遮蓋裝置的蓋體之材質為石英玻璃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中各該隔離裝置包含有一氣密閥門及一風刀單元二者至少其中之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中該輸送裝置包含有複數平行排列且能旋轉之圓柱。
6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體反應連續腔，其中該等圓柱之材質為石英陶瓷。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中該預熱腔室、該反應腔室及該冷卻腔室更分別設置一位於該輸送裝置下方之下加熱器，各該下加熱器透過該輸送裝置之空隙而朝向該受反應物之一底面作用而調整該受反應物之溫度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中該輸送裝置亦能帶動該受反應物朝向該後端移動。
9. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中該反應腔室及該冷卻腔室之間更有另一反應腔室。
10. 如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔，其中該反應腔室及該冷卻腔室之間更有另一冷卻腔室。
11. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之氣體反應連續腔的氣體反應方法，包含有下列步驟：a)將一受反應物設置於該輸送裝置，該受反應物之頂面具有反應材料；b)在該預熱腔室內將該受反應物加熱至一第一溫度；c)使該受反應物進入該反應腔室，該反應腔室內設有反應氣體； d)將該受反應物加熱至一能使該反應材料產生氣體反應之第二溫度；e)使該受反應物進入該冷卻腔室，該冷卻腔室內設有反應氣體；以及f)將該受反應物冷卻至一第三溫度。
12. 如申請專利範圍第11項所述之氣體反應方法，其中該冷卻腔室內的反應氣體濃度係小於該反應腔室內的反應氣體濃度。
13. 如申請專利範圍第11項所述之氣體反應方法，其中該受反應物在該步驟a)與該步驟b)之間受該輸送裝置帶動而反覆通過位於該氣體反應連續腔之外部與該預熱腔室之間的隔離裝置，藉以反覆進出該預熱腔室。
14. 如申請專利範圍第11項所述之氣體反應方法，其中該步驟c)與該步驟d)之間更包含有一步驟，係將一遮蓋裝置之蓋體蓋設於該受反應物之頂面；該步驟d)與該步驟e)之間更包含有一步驟，係使該遮蓋裝置之蓋體離開該受反應物之頂面。