TW201819657A - 可量化固態物質蒸鍍量之裝置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種可量化固態物質蒸鍍量之裝置及其方法，係於與一反應腔室透過一管路連接之一加熱腔體內部，設置欲鍍固態物質、加熱源及荷重元，透過加熱源加熱欲鍍固態物質使之蒸發形成反應氣體而對反應腔室內之一基材進行鍍膜，且荷重元供以承載與偵測欲鍍固態物質之重量，並欲鍍固態物質於單位時間內減少之重量係與反應氣體之質量流量相等，因此可由重量即時了解反應氣體之狀態，且當欲鍍固態物質加熱至蒸發狀態而形成反應氣體時，係於加熱腔體達到大於反應腔室內一真空背景壓力之一飽和蒸氣壓力，使反應氣體可沿該管路持續穩定地流往反應腔室，進而製備具極佳成分均勻性之高品質薄膜。
Description
本發明係與蒸鍍領域相關，尤其是一種以固態物質作為蒸鍍材料時，可即時確認與控制蒸鍍氣體狀態以製備高品質薄膜之可量化固態物質蒸鍍量之裝置及其方法。
鍍膜製程可區分為兩種方式，其一為液體鍍膜法(Liquid forming)，另一為氣體鍍膜法(Vapor deposition)。氣體鍍膜法由其名稱可知係指將欲鍍氣體導入反應物腔室中，使欲鍍氣體與反應物結合而達成鍍膜功效。而應用氣體鍍膜法製作之薄膜，其品質與均勻度等係取決於氣體在製程時反應穩定與否。
氣體鍍膜法常應用於太陽能電池製程中，如由I-III-VI2族元素組成的銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池。CIGS太陽能電池鑒於其具有之極高吸收係數、極佳半導體性質以及可透過不同軟硬度之基材製作等特性，遂成為現今產業極具潛力與競爭力之太陽能電池種類。
其中，CIGS太陽能電池之吸收層係採用硒/硫化方式製備，目前以氣態H2Se或H2S等反應氣體為主流。氣態硒/硫化製程主要是在反應過程中，以氣體流量計通入H2Se或
H2S氣體至反應物腔室中，以提供定量之反應氣體，並當反應物腔室達一特定壓力後，藉由加熱反應物腔室之方式使反應物與反應氣體維持穩定之均一化合製程，以製備良好品質之CIGS或CIGSS吸收層。
然而，氣態H2Se或H2S在工業化使用面臨重要問題，首先因H2Se或H2S係屬於化學合成氣體，其取得必須藉由高溫500-700℃的環境下將氫氣通入被液化的硒元素中進行鼓泡，並且直接反應合成，再經由導管引出，將未摻與反應的H2與H2Se或H2S氣體導引至冷凝分離器分別進行純H2的分離與H2Se或H2S的冷凝收集並與低溫高壓之液氧化碳一起存放於氣體鋼瓶中，故其製造成本非常高。其次，因H2Se或H2S氣體本身具有毒、易燃與高腐蝕性特性，其與空氣混合後會形成爆炸性混合物之易燃有毒化學氣體，特別是硒(Se)化合物毒性最強，暴露限值為0.05ppm，是以生產線必需提高投入工安環境防護建置之成本，以及毒氣過濾回收成本。
除了前述缺失，使用氣態H2Se或H2S亦具有以下問題，其一為硒/硫化製程溫度約為500-600℃之間，而因H2Se或H2S具有高腐蝕，故易使反應物腔室內相關組件產生腐蝕反應，進而提高設備維護成本。其二為氣態H2Se或H2S成本非常高，以及考量反應氣體之特性與通入之流量與其對於反應物腔體內部壓力之變化影響，因此一般硒/硫化製程之反應氣體均採用混合惰性氣體之稀釋方式來進行化合製程。而H2Se或
H2S於反應物腔室內的分布狀態在導入惰性氣體後則不易被控制，且受惰性氣體稀釋後之H2Se或H2S僅約佔反應物腔室總氣體含量10%左右，使化合製程需拉長至數十小時，才可製備出具良好品質之CIGS或CIGSS吸收層，反而嚴重降低整體生產量，若需提高產能須額外投入建置設備成本。其三為採用氣態H2Se或H2S化合製程，反應氣體在前述500-600℃製程溫度下，會裂解而形成許多種型態氣體分子，這些型態下之氣體分子因其特性而不具回收價值，亦造成製程成本提高。
因此，就製程設備維護與環境工程安全考量，使用H2Se或H2S氣態作為硒/硫化製備CIGS或CIGSS吸收層之氣體，實為具高成本、低回收性與缺乏綠色環保概念之製程方式。因此，如何製備穩定且成分分布均勻之薄膜，實為當前亟需克服之問題，特別在需使用具有腐蝕性及毒性等危險元素氣體下，更是需要更為安全與環保之製程方案。
本發明之一目的，旨在提供一種可量化固態物質蒸鍍量之裝置及其方法，係可即時了解以固態物質作為蒸鍍材料之製程中參與鍍膜之反應氣體狀態，以及保持反應氣體的穩定性，並可進一步因應製程需求調整反應氣體以製備具高均勻性與穩定性之高品質薄膜。
為達上述目的，本發明揭示一種可量化固態物質蒸鍍量之裝置，供以連接至一反應腔室並針對其內之一基材
進行鍍膜製程，且該反應腔室內具有一真空背景壓力，其包括：一加熱腔體，透過一管路與該反應腔室連接；一欲鍍固態物質，置於該加熱腔體內；一加熱源，設於該加熱腔體內並供以加熱該欲鍍固態物質，使其蒸發形成一反應氣體，並經由該管路流往該反應腔室；及一荷重元，置於該加熱腔體外部，供以承載並即時偵測該欲鍍固態物質之重量，其中該欲鍍固態物質於單位時間內減少之重量係與該反應氣體之質量流量相等；當該欲鍍固態物質加熱至蒸發狀態而形成該反應氣體時，係於該加熱腔體達到大於該真空背景壓力之一飽和蒸氣壓力，使該反應氣體沿該管路持續穩定地流往該反應腔室，以針對該基材進行蒸鍍，並透過該荷重元即時偵測該欲鍍固態物質的質量變化，以有效量化該欲鍍固態物質蒸發形成該反應氣體後之氣體質量流量，控制流入該反應腔室內之該反應氣體流量與鍍膜效果。藉此，係可即時掌握製程狀態，並使反應氣體保持穩定進行鍍膜製程，以防止製備薄膜具有成分分布不均等現象，以有效生產高品質薄膜。
本發明係提供一種可量化固態物質蒸鍍量之方法，係供以提供穩定反應氣體蒸氣予一反應腔室，並對該反應腔室內之一基材進行鍍膜製程，且該反應腔室具有一真空背景壓力，其步驟包括：提供一加熱腔體，該加熱腔體內設置一加熱器與一容置欲鍍固態物質之坩鍋，該加熱腔體外部設置一荷重元，且該荷重元透過一真空波紋管與該加熱腔體
內的該坩鍋連結、用以量測該坩鍋承載之欲鍍固態物質的質量，該加熱腔體係與該反應腔室透過一管路連接；該加熱器對該坩鍋進行加熱、使該欲鍍固態物質蒸發形成一反應氣體，當該加熱腔體內部達到大於該真空背景壓力之一飽和蒸氣壓力，該反應氣體沿該管路持續穩定地流往該反應腔室，以針對該基材進行蒸鍍，該荷重元持續量測該坩鍋容置之欲鍍固態物質的質量，以確保該反應氣體的生成速度與蒸鍍速度合乎需求。
為因應各種製程需求及條件，本發明更具有一比例調整閥，係設於該管路，供以調整通入該反應腔室之該反應氣體質量流量，並結合該荷重元即可由該欲鍍固態物質的減少重量即時呈現該反應氣體是否依據該比例調整閥設定之比例進入該反應氣體。
其中，為防止該加熱腔體受該加熱源影響而增溫，或是該加熱源的熱能過度傳導至該加熱腔體，影響對該欲鍍固態物質的加熱，係可於該加熱腔體內設有一絕熱層，以阻絕該加熱源之熱能傳導至該加熱腔體。
此外，較佳者，該加熱源包括一坩鍋及一加熱器，該坩鍋供以容置該欲鍍固態物質，該加熱器設於該坩鍋外側，供以加熱該欲鍍固態物質以使其蒸發形成該反應氣體。
其中，較佳者，為確保該預鍍固態物質於加熱過程能獲得高穩定性加熱，該荷重元透過一真空波紋管與該加
熱腔體內的一坩鍋連結，藉此使該加熱腔體達成斷漏效果而可產生微負壓真空度。
為可隨時確認該飽和蒸氣壓力之大小，該裝置更具有一壓力計，設於該加熱腔體，供以偵側該飽和蒸氣壓力的大小，而可進一步即時回溯控制該反應氣體之蒸發狀態，使該飽和蒸氣壓力保持大於該真空背景壓力之狀態。
此外，為可隨時確認反應腔室之反應壓力大小，該反應腔室亦可設置一氣體壓力自動控制閥，藉此有效提供樣品於一固定真空背景壓力下進行反應。
本發明一實施例中，亦揭示一種可量化固態物質蒸鍍量之方法，係供以提供穩定蒸氣予一反應腔室，並對該反應腔室內之一基材進行鍍膜製程，且該反應腔室具有一真空背景壓力，其步驟特徵在於：設置內部具有一欲鍍固態物質、一加熱源及一加熱腔體，設置外部具有一荷重元，且該荷重元透過一真空波紋管與該加熱腔體內的一坩鍋連結，且該加熱腔體係與該反應腔室透過一管路連接；使該加熱源對該欲鍍固態物質進行加熱使其蒸發形成一反應氣體，該荷重元供以承載並即時偵測該欲鍍固態物質之重量，其中該欲鍍固態物質於單位時間內所減少之重量係與該反應氣體之質量流量相等；當該欲鍍固態物質蒸發形成該反應氣體時，係於該加熱腔體達到大於該真空背景壓力之一飽和蒸氣壓力，使該反應氣體沿該管路持續穩定地流往該反應腔室，以針對該
基材進行蒸鍍，並透過該荷重元有效量化該欲鍍固態物質蒸發形成該反應氣體後之氣體質量流量，及設於該管路之比例調整閥與反應腔室內之氣體壓力控制閥對反應氣體之質量和流量控制，確保該反應氣體穩定地流往該反應腔室。透過該方法，係可有效掌握蒸鍍製程中，以固態物質作為蒸鍍材料形成的反應氣體狀態，並使其保持穩定流往反應腔室中進行化合反應。
其中，該管路更設有一比例調整閥，供以調整通入該反應腔室之該反應氣體質量流量，以因應各種製程需求及條件進行調整，並結合該荷重元的即時量測功能，即可由該欲鍍固態物質的減少重量、即時呈現該反應氣體是否依據該比例調整閥設定之比例進入該反應氣體。
此外，該反應腔室更設有一氣體壓力控制閥，在通入惰性氣體如氮氣與反應氣體進行混合後，因應各種反應壓力需求進行自動調整，此外，該裝置在長時間操作下可確保反應腔室內之之真空背景壓力達恆定狀態。
同樣地，為防止該加熱腔體受該加熱源影響而增溫，或是該加熱源的熱能過度傳導至該加熱腔體，影響對該欲鍍固態物質的加熱，該加熱腔體內設有一絕熱層，以阻絕該加熱源之熱能傳導至該加熱腔體。
其中較佳者，該加熱源包括一坩鍋及一加熱器，該坩鍋供以容置該欲鍍固態物質，該加熱器設於該坩鍋外
側，供以加熱該欲鍍固態物質以使其蒸發形成該反應氣體。
此外，為可隨時確認該飽和蒸氣壓力之大小，該加熱腔體更具有一壓力計，供以偵側該飽和蒸汽壓力。
本發明之一實施例中，更包含一控制單元，用以偵測與控制該可量化固態物質蒸鍍量之裝置之運作。
綜上所述，本發明揭示之可量化固態物質蒸鍍量之裝置及其方法，係透過荷重元即時偵測欲鍍固態物質的重量變化，達到即時量化製程中反應氣體質量流量之功效，以準確掌握製備過程中該反應氣體的狀態，並利用飽和蒸氣壓力大於真空背景壓力之設定，以使該反應氣體自然流往該反應腔室，而可保持其穩定性，使製備而成的薄膜具有極佳成分均勻性與高品質。進一步結合該比例調整閥即可控制該反應氣體之質量流量，以因應製程需求調整所需反應氣體，並透過荷重元即時呈現該反應氣體是否依據該比例調整閥設定之比例進入該反應氣體，最後，結合該氣體壓力控制閥控制該反應腔室之真空背景壓力，以有效控管製程條件，確保鍍膜品質。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
1‧‧‧可量化固態物質蒸鍍量之裝置
10‧‧‧加熱腔體
101‧‧‧絕熱層
11‧‧‧欲鍍固態物質
12‧‧‧加熱源
121‧‧‧坩鍋
122‧‧‧加熱器
13‧‧‧荷重元
14‧‧‧管路
15‧‧‧比例調整閥
16‧‧‧壓力計
2‧‧‧反應腔室
20‧‧‧基材
P1‧‧‧真空背景壓力
P2‧‧‧飽和蒸氣壓力
第1圖，為本發明較佳實施例之方塊流程示意圖。
第2圖，為本發明較佳實施例之裝置示意圖。
第3圖，為本發明較佳實施例之欲鍍固態物質於不同比例調整閥設定值下的減少重量與時間關係圖。
第4圖，為本發明較佳實施例製備而成之薄膜中，欲鍍固態物質之擴散深度與時間關係圖。
第5圖，為本發明較佳實施例製備而成之薄膜中，S/(Se+S)的比例再現性示意圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
如前述，過往在製備薄膜中，直接導入氣態材料進行鍍膜，係衍生諸多不易控制的變因，進而導致薄膜品質下降，尤在太陽能電池吸收層製程更可見一斑。因此為解決習知技術缺失，本發明之創作人遂構思透過加熱固態物質使其蒸發為氣體，再使其導入反應物腔室中而執行鍍膜製程之方式，以更符合綠色環保兼具高安全性之製程概念。然而，單純加熱固態物質並利用其蒸氣進行化合鍍膜，相較於傳統以氣體流量計將反應氣體導入反應物腔室之方式，固態物質無法利用氣體流量計有效控制單位時間內通入反應物腔室中
的蒸氣莫耳濃度，亦即無法準確得知進入反應物腔室的蒸氣狀態，尤在製程溫度高於固態物質氣化溫度時，該種情形更為明顯。因此在無法有效質量化固態物質材料之情況下，製程使用的反應蒸氣特性亦無法掌控，導致每次製備的薄膜成分分布皆相當不均勻，進而降低薄膜品質。並且隨製程溫度升高與時間增加，固態物質本身可能會逐漸轉回揮發相，無法因受熱而形成蒸氣，造成製備的薄膜內部縱深成分分布不均，甚至使某特定元素成分過於貧少。為可提升利用固態物質作為蒸鍍材料時，對於製程的掌握度，本發明遂提出一種可量化固態物質蒸鍍量之裝置及其方法，以使經由固態物質製備形成之薄膜具有穩定均勻的高品質表現。
請參閱第1、2、3、4及5圖，其係為本發明較佳實施例之方塊流程示意圖、裝置示意圖、欲鍍固態物質於不同比例調整閥設定值下的減少重量與時間關係圖、製備而成之薄膜中欲鍍固態物質之擴散深度與時間關係圖及製備而成之薄膜成分中S/(Se+S)的比例再現性示意圖。該實施例係揭露一種可量化固態物質蒸鍍量之裝置1，供以連接至一反應腔室2並針對其內之一基材20進行鍍膜製程，且該反應腔室2內具有一真空背景壓力P1。該裝置1包括一加熱腔體10、一欲鍍固態物質11、一加熱源12及一荷重元13。
該加熱腔體10係透過一管路14與該反應腔室2連接。該欲鍍固態物質11、該加熱源12係設置於該加熱腔體10
內，該荷重元13透過一真空波紋管與該加熱腔體10內的一坩鍋121連結，該加熱源12供以加熱該欲鍍固態物質11，使其蒸發形成一反應氣體，並經由該管路14流往該反應腔室2。該荷重元13供以承載並即時偵測該欲鍍固態物質11之重量，其中該欲鍍固態物質11於單位時間內減少之重量係與該反應氣體之質量流量相等。當該欲鍍固態物質11加熱至蒸發狀態而形成該反應氣體時，係於該加熱腔體10達到大於該真空背景壓力P1之一飽和蒸氣壓力P2，使該反應氣體沿該管路14持續穩定地流往該反應腔室2，以針對該基材進行蒸鍍，並透過該荷重元13有效量化該欲鍍固態物質11蒸發形成該反應氣體後之質量流量，確保該反應氣體穩定地流往該反應腔室2。亦即，在蒸鍍過程中，該裝置1藉由該荷重元13偵測該欲鍍固態物質11單位時間內減少的重量，而可瞭解蒸鍍形成之薄膜狀態，並使該反應氣體保持穩定特性流往該反應腔室2，以提升製備薄膜之品質。其中，該加熱腔體10係可為具水冷效能之雙層腔體，防止該加熱腔體10溫度過高，並可於內部設置一絕熱層101，以有效阻絕該加熱源12之熱能傳導至該加熱腔體10。
較佳者，該可量化固態物質蒸鍍量之裝置1更具有一比例調整閥15，其係設於該管路14，供以調整該反應氣體通入該反應腔室2之質量流量，換言之即控制該欲鍍固態物質11的蒸發量。其中，該比例調整閥15非指直接針對該反應氣體之質量流量值進行控制，而是利用比例概念來調整該反
應氣體之質量流量，亦即該比例調整閥15係用以調整該反應氣體進入該反應腔室2之百分比為何，並非實際的質量流量值，該可量化固態物質蒸鍍量之裝置1於製程中可被量化之部分係落於該荷重元13所偵測之該欲鍍固態物質11單位時間內之減少重量。當調大或調小該比例調整閥15時，該欲鍍固態物質11單位時間內的減少重量即隨之上升或下降。是以因應鍍膜製程需求，透過調整該比例調整閥15之大小即可利用該欲鍍固態物質11於單位時間內減少的重量變化了解當前製程中該反應氣體狀態。例如在製程中可使該比例調整閥15之設定比例為10%、20%或30%等，並由於該欲鍍固態物質11於單位時間內減少之重量係與該反應氣體之質量流量相等，因此當設定比例上升(如由10%上升至30%)，則該欲鍍固態物質11於單位時間內的減少重量亦會隨之提升，反之則下降，才能滿足製程所需的反應氣體狀態。
此外，於本實施例中，該加熱源12係包括一坩鍋121及一加熱器122，該坩鍋121供以容置該欲鍍固態物質11，該加熱器122設於該坩鍋121外側，供以加熱該欲鍍固態物質11以使其蒸發形成該反應氣體。較佳者，該加熱器122係為線圈狀而環設於該坩鍋121外側，該荷重元13則設置於該坩鍋121底側以即時偵測該欲鍍固態物質11之重量，惟此僅為一較佳設置態樣，非用以限制本發明。
由於需使該飽和蒸氣壓力P2保持大於該真空背
景壓力P1之狀態，以讓該反應氣體藉由該管路14流往該反應腔室2，因此該可量化固態物質蒸鍍量之裝置1可於該加熱腔體10進一步設置一壓力計16，以偵測該飽和蒸氣壓力P2狀態，確保該反應氣體可持續流往該反應腔室2進行製程。
以下係以本發明應用於蒸鍍製備太陽能電池之吸收層之製程為例說明，此時該欲鍍固態物質11係可選用硫(S)或硒(Se)，以鍍設於該基材20而製備形成CIGS或CIGSS薄膜，以下並揭示以運用本發明之可量化固態物質蒸鍍量之裝置1進行CIGSS薄膜蒸鍍製程之測量結果。製程係將30000克重之該欲鍍固態物質11顆粒置於該坩鍋121內且該欲鍍固態物質11係為硫(S)，該加熱器122之溫度設定為300℃。而該基材10為一塗覆有厚度為500nm金屬前驅物，且面積為30cmX30cm，厚度為3mm之玻璃基板。該反應腔室2之該真空背景壓力P1係可透過一真空幫浦控制於1X10-6Torr，製程時間設定為10~1050分鐘。在製程時間內，透過該荷重元13即時偵測在不同之該比例調整閥15設定比例下，該欲鍍固態物質11於單位時間內減少之重量，其結果於如第3圖所示。由圖中可知，當該比例調整閥15之設定比例由10%增加至50%時，該欲鍍固態物質11於單位時間內的減少重量隨該比例調整閥15之設定比例增大而增加，且在單位時間內該欲鍍固態物質11的減少重量相當穩定，幾乎為固定值，不隨該欲鍍固態物質11於蒸發時液面下降而變化，進而維持等量損失狀態，證明
該反應氣體係以相當穩定之質量流量與狀態進入該反應腔室2進行蒸鍍製程，使經由該可量化固態物質蒸鍍量之裝置1所製備之薄膜具有均勻且穩定的品質。例如該比例調整閥15之設定比例落於10%時，該欲鍍固態物質11經該荷重元13偵測而得知其於單位時間內之減少重量幾乎皆為6g，而當該比例調整閥15之設定比例落於50%時，則該欲鍍固態物質11經該荷重元13偵測而得知其於單位時間內之減少重量幾乎皆為25g，並大於該比例調整閥15之設定比例為10%時該欲鍍固態物質11的減少重量，因此無論在何種設定比例下，該欲鍍固態物質11於單位時間內的減少重量接趨近於定值而相當穩定。其中，應用該裝置1製備太陽能電池吸收層時，其他蒸鍍材料如銅(Cu)、銦(In)、鎵(Ga)等可以習知方式進行蒸鍍或共蒸鍍，惟此非為本發明之技術重點於此即不贅述，而如硫(S)或硒(Se)等材料則可利用該裝置1進行蒸鍍製備薄膜，並本發明圖式僅用以簡單示意本發明之技術特徵。
此外，在前述製程條件針對不同時間下該欲鍍固態物質11於CIGSS薄膜中的縱深分布狀態進行量測，其結果如第4圖所示，由圖中可知，透過氣體壓力控制閥取得相同之真空背景壓力，並隨製程時間增加，該欲鍍固態物質11的擴散深度隨該比例調整閥15設定比例增大而逐漸往CIGSS薄膜內部穩定擴散，進一步地，為驗證此製程方式能有效提高太陽電池其轉換效率，當比例調整閥15設定為10-30%，製程時間
為5-30分鐘，由此條件所取得之CIGSS太陽電池其轉換效率可由10%提高至14%，由此係可證明透過該裝置1製備之薄膜，係可透過該比例調整閥15有效控制該欲鍍固態物質11相對薄膜的擴散深度，且可使其以穩定的狀態朝向薄膜內部擴散，以讓製備後的薄膜具有均勻的極佳品質。在鍍膜製程中，該反應氣體的狀態對於後續製備之薄膜品質具有極大影響，由上述實驗結果可知，透過本發明之可量化固態物質蒸鍍量之裝置1，該欲鍍固態物質11之重量減少速率相當穩定，亦即其對應形成的該反應氣體即具有穩定的質量流量，進而使該欲鍍固態物質11的擴散深度亦相對穩定，提升薄膜內部的縱深成分分布均勻度，是以本發明實可讓參與製程之該反應氣體具有穩定性質，進而取得具高成分均勻度之薄膜。
進一步地，為了驗證經由本發明之可量化固態物質蒸鍍量之裝置蒸鍍成型之薄膜確實可具有穩定的產出品質，於此係以另組實驗進行反覆測試與量測以證明其再現性。該製程係於該坩鍋121中設置10000克重之該欲鍍固態物質11，且該欲鍍固態物質11為硫(S)，該加熱器122之溫度係設定為300℃，而該基材20係為一塗覆有厚度為1500nmCIGS薄膜，且面積為30cmX30cm，厚度為3mm之玻璃基板，該反應腔室2之該真空背景壓力P1係控制於1X10-6Torr。於本實驗中該比例調整閥15之比例設定為10%，當該加熱源12對該欲鍍固態物質11進行加熱使之蒸發形成該反應氣體時，由於該加熱
腔體10內的飽和蒸氣壓力P2大於該真空背景壓力P1，因此該反應氣體遂經由該管路14流往該反應腔室2內，該反應氣體通入該反應腔室2時係維持其內一穩定工作壓力於400mTorr，並再輔以通入N2氣體使該反應腔室之總工作壓力達到650mTorr，該反應腔室2之溫度係設定於550℃，並使該次製程時間為20分鐘。重複進行前述實驗與量測1~30次，並針對製備後的CIGSS薄膜進行成分分析驗證，其成分分析中S/(Se+S)之比例結果如第5圖所示。由圖中可知，在相同製程條件下，薄膜中之S/(Se+S)比例相當穩定，係可證明本實驗的再現性極佳，亦即透過該裝置1製備之薄膜，該欲鍍固態物質11於製成薄膜中的成分比例相當穩定，亦即薄膜之成分均勻度極佳，換言之，其原因在於原先導入該反應腔室2之該反應氣體具有極佳穩定性，才可使該欲鍍固態物質11在製成薄膜中佔有穩定比例進而獲得具極佳成分均勻度之薄膜，防止薄膜特定元素成分過於貧少，係可佐證本發明之該裝置1確實可提供穩定之該反應氣體而鍍設形成高品質薄膜。
請復參閱第1~5圖，本發明亦揭示一種可量化固態物質蒸鍍量之方法，係供以提供穩定蒸氣予一反應腔室2，並對該反應腔室2內之一基材20進行鍍膜製程，且該反應腔室2具有一真空背景壓力P1。該方法之步驟特徵在於設置內部具有一欲鍍固態物質11、一加熱源12及一加熱腔體10，設置外部具有一荷重元13，且該荷重元透過一真空波紋管與該加熱
腔體10內的一坩鍋連結，且該加熱腔體10係與該反應腔室2透過一管路14連接；使該加熱源12對該欲鍍固態物質11進行加熱使其蒸發形成一反應氣體，該荷重元13供以承載並即時偵測該欲鍍固態物質11之重量，其中該欲鍍固態物質11於單位時間內所減少之重量係與該反應氣體之質量流量相等；當該欲鍍固態物質11蒸發形成該反應氣體時，係於該加熱腔體10達到大於該真空背景壓力P1之一飽和蒸氣壓力P2，使該反應氣體沿該管路14持續穩定地流往該反應腔室2，以針對該基材20進行蒸鍍，並透過該荷重元13有效量化該欲鍍固態物質11蒸發形成該反應氣體後之氣體質量流量，確保該反應氣體穩定地流往該反應腔室2。
同樣地，為可因應製程需求，該管路14更設有一比例調整閥15，供以調整該反應氣體之質量流量，亦即藉由該比例調整閥15係可改變該欲鍍固態物質11於單位時間內的減少重量。而該加熱源12包括一坩鍋121及一加熱器122，該坩鍋121供以容置該欲鍍固態物質11，該加熱器122設於該坩鍋121外側，供以加熱該欲鍍固態物質11以使其蒸發形成該反應氣體。並為即時確認該飽和蒸氣壓力P2大於該真空背景壓力P1，以使該反應氣體持續流往該反應腔室2中，該加熱腔體10更具有一壓力計16，供以偵側該飽和蒸汽壓力P2。其餘細部特徵請參閱前述內容，於此不再重述。而透過該方法製備的薄膜，實具有極佳與穩定的成分均勻度，而具備高品質，
其製程條件與各量測結果則請參閱第3~5圖所示。
綜上所述，本發明揭示之可量化固態物質蒸鍍量之裝置與方法，係透過該荷重元即時偵測該欲鍍固態物質的蒸發狀態，達到量化製程中反應氣體質量流量之功效，以準確掌握製備過程中該反應氣體的狀態，並該加熱腔體內的飽和蒸氣壓力大於該反應腔室的真空背景壓力，以使該反應氣體自然流往該反應腔室，而可保持其穩定性，使製備而成的薄膜具有極佳成分均勻性與高品質。本發明進一步透過該比例調整閥即可控制該反應氣體之質量流量，結合該荷重元則可利用該欲鍍固態物質的減少重量，即時反應該反應氣體是否依據該比例調整閥所設定之大小流往該反應腔室，以有效控管製程。並透過實驗證明，透過本發明之可量化固態物質蒸鍍量之裝置與方法製備之薄膜，確實具備高成分均勻性之極佳品質，且有效解決無法確認與控制以固態物質作為蒸鍍材料之缺失。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
Claims (12)
- 一種可量化固態物質蒸鍍量之裝置，供以連接至一反應腔室並針對其內之一基材進行鍍膜製程，且該反應腔室內具有一真空背景壓力，該可量化固態物質蒸鍍量之裝置係包括：一加熱腔體，透過一管路與該反應腔室連接；一欲鍍固態物質，置於該加熱腔體內；一加熱源，設於該加熱腔體內並供以加熱該欲鍍固態物質，使其蒸發形成一反應氣體，並經由該管路流往該反應腔室；及一荷重元，設於該加熱腔體外，供以承載並即時偵測該欲鍍固態物質之重量，其中該欲鍍固態物質於單位時間內減少之重量係與該反應氣體之質量流量相等；其中當該欲鍍固態物質加熱至蒸發狀態而形成該反應氣體時，該加熱腔體內達到大於該真空背景壓力之一飽和蒸氣壓力，使該反應氣體沿該管路持續穩定地流往該反應腔室，以針對該基材進行蒸鍍，並透過該荷重元即時偵測該欲鍍固態物質的質量變化，以有效量化該欲鍍固態物質蒸發形成該反應氣體後之氣體質量流量，控制流入該反應腔室內之該反應氣體流量與鍍膜效果。
- 如請求項1所述之可量化固態物質蒸鍍量之裝置，更具有一比例調整閥，設於該管路，供以調整通入該反應腔室之該反應氣體質量流量。
- 如請求項1所述之可量化固態物質蒸鍍量之裝置，其中，該加熱腔體內設有一絕熱層。
- 如請求項1所述之可量化固態物質蒸鍍量之裝置，其中，該加熱源包括一坩鍋及一加熱器。
- 如請求項1所述之可量化固態物質蒸鍍量之裝置，更具有一壓力計，設於該加熱腔體，供以偵側該飽和蒸氣壓力之大小。
- 如請求項1所述之可量化固態物質蒸鍍量之裝置，更具有一氣體壓力控制閥，設於該反應腔室，供以調整反應腔室之真空背景壓力。
- 一種可量化固態物質蒸鍍量之方法，係供以提供穩定反應氣體蒸氣予一反應腔室，並對該反應腔室內之一基材進行鍍膜製程，且該反應腔室具有一真空背景壓力，其步驟包括：提供一加熱腔體，該加熱腔體內設置一加熱器與一承載欲鍍固態物質之坩鍋，該加熱腔體外部設置一荷重元，且該荷重元透過一真空波紋管與該加熱腔體內的該坩鍋連結、用以量測該坩鍋容置之欲鍍固態物質的質量，該加熱腔體係與該反應腔室透過一管路連接； 該加熱器對該坩鍋進行加熱、使該欲鍍固態物質蒸發形成一反應氣體，當該加熱腔體內部達到大於該真空背景壓力之一飽和蒸氣壓力，該反應氣體沿該管路持續穩定地流往該反應腔室，以針對該基材進行蒸鍍，該荷重元持續量測該坩鍋容置之欲鍍固態物質的質量，以確保該反應氣體的生成速度與蒸鍍速度合乎需求。
- 如請求項7所述之可量化固態物質蒸鍍量之方法，其中，該管路更設有一比例調整閥，供以調整通入該反應腔室之該反應氣體質量流量。
- 如請求項7所述之可量化固態物質蒸鍍量之方法，其中，該加熱腔體內設有一絕熱層，以阻絕該加熱源之熱能傳導至該加熱腔體。
- 如請求項7所述之可量化固態物質蒸鍍量之方法，其中，該加熱源包括一坩鍋及一加熱器，該坩鍋供以容置該欲鍍固態物質，該加熱器設於該坩鍋外側，供以加熱該欲鍍固態物質以使其蒸發形成該反應氣體。
- 如請求項7項所述之可量化固態物質蒸鍍量之方法，其中，該反應腔室更具有一氣體壓力控制閥，供以調整反應腔室之真空背景壓力。
- 如請求項7所述之可量化固態物質蒸鍍量之方法，其中，該加熱腔體更具有一壓力計，供以偵側該飽和蒸汽壓力。
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