[发明专利]一种采用近空间升华技术在衬底沉积形成半导体薄膜的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及到一种沉积半导体薄膜的技术，特别是涉及一种采用近空间升华技术在衬底沉积形成半导体薄膜的方法和装置。

发明背景

目前在硫化镉/碲化镉太阳能电池制造领域，一种在近空间内升华沉积得到高质量碲化镉的方法正引起人们的关注，应用这种方法得到的硫化镉/碲化镉太阳能电池的转化率高达16.8％，是目前世界最高的(参见X.Wu et al.，17th European Photovoltaic Solar EnergyConversion Conference，Munich，Germany，22-26 Oct.2001，II，995-1000)。近空间升华过程是气相沉积方法中的一种，形成碲化镉薄膜的材料(以下简称原材料)被放置到一个以石墨制成的坩埚内，原材料在石墨坩埚内近空间升华后沉积在玻璃衬底上形成薄膜，该玻璃衬底放置在坩埚的顶部，在传热性能良好的石墨坩埚和玻璃衬底之间用耐热绝缘垫片隔开，石墨坩埚内原材料表面与玻璃衬底之间的距离大约为0.5-5厘米，这样，原材料在一定的温度下经过升华后变成气相，然后沉积在玻璃衬底上形成一层半导体薄膜。但是，以前一般传统的做法是预先在常温下直接将原材料碲化镉填加到坩埚内，然后近空间升华沉积形成碲化镉薄膜，按照这种传统的做法，随着碲化镉在玻璃衬底上沉积形成薄膜，坩埚内的碲化镉的容量就随之减少，导致玻璃衬底和原材料之间距离的增大，这样一来，碲化镉薄膜的显微结构和光电性能也随时间发生改变。

根据美国4207119号，6444043号和7220321号专利的描述，在他们采用的近空间升华过程中，首先在沉积前将原材料填加到坩埚内，填加的量为坩埚可承受的最大容量，为了补充在薄膜沉积中消耗的原材料，就需要向坩埚内定期的重复填加原材料，然而如此操作存在安全隐患，因为受热的容器中含有有毒气体，在沉积过程中重复打开真空腔填加原材料，就会有有毒气体散发出来，因此就必须先冷却设备才能填加原材料，但是，这样一来，为了填加原材料到坩埚内，碲化镉薄膜在玻璃衬底上的沉积过程势必被打断，根据美国7220321号专利的记载，在实际操作中，因为形成碲化镉薄膜只需要少量的碲化镉，所以填加满一坩埚就足以为碲化镉沉积提供几天的原材料，尽管如此，随着碲化镉薄膜在玻璃衬底上的沉积，坩埚内剩下的碲化镉量也随时间减少，玻璃衬底和原材料之间的距离就增大了，导致多晶碲化镉薄膜的形态和光电性能发生变化。随着碲化镉薄膜的反复沉积，薄膜厚度和质量的重现性逐渐下降，因此，当使用大面积衬底时，由于同一坩埚内原材料的长时间重复使用，在同一衬底上所得到的薄膜的均匀度就无法控制了，另外，留在坩埚内的碲化镉微粒的显微结构和形态随着沉积时间的变化也会发生改变，这样就进一步增加了薄膜均匀度和质量的不确定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无需打开薄膜真空沉积腔而直接向薄膜真空沉积装置输送半导体材料的方法和装置，从而连续或间隙供应半导体材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种采用近空间升华技术在衬底沉积形成半导体薄膜的方法，包括：

1)将半导体材料填加到坩埚内：用运载气体携带半导体材料通过通道到达置于薄膜真空沉积腔内的坩埚；

2)加热坩埚使半导体材料受热升华成气相并沉积在衬底上。

提供一进料分配器，由运载气体携带的半导体材料通过该进料分配器均匀地分布在坩埚底部。

所述进料分配器是多孔歧管。

所述多孔歧管由不锈钢或石墨或碳化硅材料制成。

所述的运载气体是氮气、氩气、氦气中的一种或者两种以上的混合气体。

其中步骤2)进一步包括：升华成气相的半导体材料同运载气体一起穿过加热的多孔透气膜，然后沉积在表面温度比气相半导体温度低的衬底上，没有及时升华成气相的固相半导体材料在加热多孔透气膜内进一步升华成气相，固相半导体材料被多孔透气膜阻挡而不能沉积在玻璃衬底上。

所述透气膜加热至高于坩埚温度的2～5℃。

一种采用近空间升华技术在衬底沉积形成半导体薄膜的装置，包括一个半导体材料供应装置、一个真空沉积腔、置于真空沉积腔内的坩埚和位于坩埚上方的衬底，其特征在于：所述半导体材料供应装置和坩埚由管道连通，所述半导体材料供应装置提供半导体材料和运载气体，半导体材料由运载气体携带经管道进入坩埚内。

所述坩埚内设有进料分配器，由运载气体携带的半导体材料通过进料分配器均匀地分布在坩埚底部。

所述进料分配器是多孔歧管，管道连通多孔歧管。