一种改进型大尺寸样品硒化处理装置制造方法
【专利摘要】一种改进型大尺寸样品硒化处理装置，包括外壳，原料容器，原料加热装置，基片支撑台，基片加热器，原料加热装置热电偶，基片加热器热电偶和温度显示及控制装置；原料容器设置在外壳内；原料容器内具有原料加热装置，原料加热装置上设置原料加热装置热电偶；基片支撑台放置于外壳内，其上设置基片加热器，基片加热器上设置基片加热器热电偶，基片放置在基片加热器上；原料加热装置，基片加热器，原料加热装置热电偶和基片加热器热电偶分别与温度显示及控制装置连接。该装置将Se源加热装置和基片加热器采用独立控温设计，可以保证Se源蒸发时蒸汽压的可控性以及基片加热时制备温度与Se源蒸发温度分别控制，从而实现精确控制反应条件和反应进程。
【专利说明】—种改进型大尺寸样品砸化处理装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用硒化方法制备功能薄膜材料的装置。
【背景技术】
[0002]硒化物以及含有硫族(chacolgenide)、磷族(pnitide)元素的化合物材料具有丰富的功能，在先进电子、新能源电池、特种功能材料等方面具有广泛应用。含有Se等硫族化合物以及磷族元素化合物的薄膜材料是重要的功能材料。
[0003]多种硫族和磷族化合物的共同特点是在较低温度下可以产生元素的蒸汽，在一定的温度下具有较高的活性可与多种元素产生反应，从而可以采用此种方法制备化合物薄膜材料。
[0004]硒化物薄膜的典型材料体系包括=CuInGaSe太阳能薄膜电池、FeSe等铁硫族类超导薄膜材料、硒化物拓扑绝缘体材料等。在许多情况下，化合物薄膜的制备需要在大面积基体上制备，以满足低成本和高效制备的需要。在相关装置设计上，如美国Nebraska大学以及韩国的 Se 化装置[Sang Deok Kim etc., Solar EnergyMaterials&Solar Cells,62 (2000)，357-368]，均采用管式路内进行Se化装置设计。北京有色金属研究总院申请的专利《一种铜铟镓硒太阳能电池吸收层均匀硒化装置》(申请号:200820124582.4)内容涉及一种硒化处理装置，但上述装置的共同特点是:均采用整体加热的方式进行Se化处理前驱膜，此时Se蒸汽的温度与基底的温度相同，或者即使略有不同，无法对两个温度进行单独控制，从而获得最佳工艺条件。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的上述问题，本发明采用对基片加热器和原料加热装置分别控温的硒化装置，对基片表面的Se化温度进行精确控制。
[0006]为实现上述目的，本发明包括如下技术方案:
[0007]—种改进型大尺寸样品硒化处理装置，包括外壳1，原料容器2，原料加热装置3，基片支撑台4，基片加热器5，原料加热装置热电偶6，基片加热器热电偶7和温度显示及控制装置；
[0008]该外壳I为中空密闭容器；
[0009]该原料容器2设置在外壳I内，其中盛装原料硒；原料容器2内具有原料加热装置3，该原料加热装置3上设置原料加热装置热电偶6 ；
[0010]该基片支撑台4放置于外壳I内，其上设置基片加热器5，基片加热器5上设置基片加热器热电偶7，基片放置在该基片加热器5上；
[0011]该原料加热装置3，基片加热器5，原料加热装置热电偶6和基片加热器热电偶7分别与温度显示及控制装置连接。
[0012] 如上所述的装置，优选地，所述外壳I的侧壁上设置补偿加热装置8，该外壳I的内壁上设置补偿加热热电偶9，两者分别连接所述温度显示及控制装置。[0013]如上所述的装置，优选地，所述基片加热器5的外径为50~250cm。
[0014]如上所述的装置，优选地，所述外壳I为圆筒形，所述基片支撑台4为圆柱形，放置在该外壳I的底部；在外壳I的内壁和基片支撑台4的外侧壁之间形成环形槽作为原料容器2，该原料加热装置3环设在该环形槽底部，在原料加热装置3上对称设置至少一对原料加热装置热电偶6。
[0015]如上所述的装置，优选地，所述外壳I由不锈钢、石墨或石英材料制成。
[0016]如上所述的装置，优选地，所述基片为单晶氧化物基片、Si基片、陶瓷材料基片或半导体材料基片。
[0017]另一方面，本发明提供一种蒸汽法制备硫族、磷族元素化合物薄膜的装置，该装置采用如上所述的结构，其中，所述原料容器2中盛装砷、碲或锑原料。
[0018]再一方面，本发明提供如上所述的装置在制备CuInGaSe薄膜太阳能电池材料或FeSe超导材料中的应用。
[0019]本发明的有益效果在于:该装置将Se源加热装置和基片加热器采用独立控温设计，可以保证Se源蒸发时蒸汽压的可控性以及基片加热时制备温度与Se源蒸发温度分别控制，从而将Se蒸汽压与加热制备温度变为两个独立的可控变量，从而为优化薄膜制备工艺，提高工艺的可控性精度提供基础，能够制备高性能、低成本、大尺寸的硒化物薄膜。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为实施例1硒化装置的结构示意图。
[0021 ] 图2为实施例1硒化装置的俯视图。
[0022]图3为实施例2LaA103基片上硒化物薄膜的XRD图谱。
[0023]图4为实施例3LaA103基片上FeS为前驱膜的硒化物薄膜的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0024]下面通过实施例进一步描述本发明。这些实施例并非是对本发明的限制，任何等同替换或公知改变均属于本发明保护范围。
[0025]实施例1改进型大尺寸样品硒化处理装置
[0026]图1和图2所示为本发明的一种优选实施方式，该装置包括外壳1，原料容器2，原料加热装置3，基片支撑台4，基片加热器5，原料加热装置热电偶6，基片加热器热电偶7和温度显示及控制装置(图中未显示)。
[0027]外壳I是由不锈钢、石墨或石英材料制成的圆筒形密闭容器。基片支撑台4为圆柱形，放置在外壳I的底部。在外壳I的内壁和基片支撑台4的外侧壁之间形成环形槽作为原料容器2。原料加热装置3环设在环形槽底部，在原料加热装置3上围绕中心轴对称设置至少一对原料加热装置热电偶6。基片支撑台4上设置基片加热器5，基片加热器5上设置基片加热器热电偶7，基片放置在基片加热器5上。基片加热器5的外径为200cm,可放置大尺寸基片。基片可以是例如单晶氧化物基片、Si基片、陶瓷材料基片或半导体材料基片。外壳I的外侧壁上环设补偿加热装置8，外壳I的内壁上在原料容器2的上部设置补偿加热热电偶9。
[0028]原料加热装置3、基片加热器5、原料加热装置热电偶6、基片加热器热电偶7、补偿加热装置8和补偿加热热电偶9分别与温度显示及控制装置连接。
[0029]该装置的工作原理是:工作状态时，原料加热装置热电偶6和基片加热器热电偶7实时监测基片温度及原料容器2中硒原料的温度，补偿加热热电偶9监测原料容器2中硒蒸汽的温度。由温度显示及控制装置分别控制基片上薄膜反应温度和蒸汽温度；并通过补偿加热装置8调整硒蒸汽的温度，由此控制蒸汽压。从而实现精确控制反应条件和反应进程。
[0030]该装置可用来制备CuInGaSe薄膜太阳能电池材料或FeSe超导材料。如果将原料容器2中的原料更换为砷、碲或锑，该装置还可用来制备其它硫族、磷族元素化合物薄膜。
[0031]实施例2
[0032]在单晶氧化物LaAlO3基片上，采用射频溅射的方法制备Fe膜。溅射气压0.1Pa,溅射功率为100W，制备Fe前驱膜的厚度为400nm。
[0033]将带有Fe前驱膜的LaAlO3基片放入该硒化装置的底部，并将整体硒化装置置于加热器上。
[0034]硒源加热至250°C，将基片加热至340°C，通入硒蒸汽进行硒化，蒸汽温度为250°C，硒化过程持续I小时，后停止硒源加热和基片加热。 [0035]获得样品的X射线衍射图谱如图3所示。可见经过Fe前驱膜Se化处理的FeSe膜，其XRD图谱体现出FeSe的典型特征，表明硒化过程有效，且前驱膜经硒化处理形成硒化物。
[0036]实施例3
[0037]在金属不锈钢基片上，采用射频反应溅射的方法制备FeS膜。溅射气体为Ar气，反应气体为H2S,溅射气压0.1Pa，溅射功率为100W，制备FeS前驱膜的厚度为400nm。
[0038]将带有FeS前驱膜的LaAlO3基片放入该硒化装置的底部，并将整体硒化装置置于加热器上。
[0039]硒源加热至250°C，将基片加热至450°C，通入硒蒸汽进行硒化，蒸汽温度为2500C，硒化过程持续I小时，后停止硒源加热和基片加热。所形成的硒化物为以beta-FeSe相为主相的铁硒化合物。
[0040]获得样品的X射线衍射图谱如图4所示。可见经过FeS前驱膜Se化处理的FeSe膜，其XRD图谱体现出FeSe的典型特征。表明硒化过程有效，且前驱膜经硒化处理形成硒化物。
【权利要求】
1.一种改进型大尺寸样品硒化处理装置，其特征在于，其包括外壳(I)，原料容器(2)，原料加热装置(3)，基片支撑台(4)，基片加热器(5)，原料加热装置热电偶(6)，基片加热器热电偶(7)和温度显示及控制装置； 该外壳(I)为中空密闭容器； 该原料容器(2)设置在外壳(I)内，其中盛装原料硒；原料容器(2)内具有原料加热装置(3)，该原料加热装置(3)上设置原料加热装置热电偶(6)； 该基片支撑台(4)放置于外壳(I)内，其上设置基片加热器(5)，基片加热器(5)上设置基片加热器热电偶(7)，基片放置在该基片加热器(5)上； 该原料加热装置(3)，基片加热器(5)，原料加热装置热电偶(6)和基片加热器热电偶(7)分别与温度显示及控制装置连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳(I)的侧壁上设置补偿加热装置(8)，该外壳(I)的内壁上设置补偿加热热电偶(9)，两者分别连接所述温度显示及控制装置。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述基片加热器(5)的外径为50~250cm。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述外壳(I)为圆筒形，所述基片支撑台 (4)为圆柱形，放置在该外壳(I)的底部；在外壳(I)的内壁和基片支撑台(4)的外侧壁之间形成环形槽作为原料容器(2)，该原料加热装置(3)环设在该环形槽底部，在原料加热装置(3)上对称设置至少一对原料加热装置热电偶(6)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述外壳(I)由不锈钢、石墨或石英材料制成。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基片为单晶氧化物基片、Si基片、陶瓷材料基片或半导体材料基片。
7.一种蒸汽法制备硫族、磷族元素化合物薄膜的装置，其特征在于，该装置采用权利要求1-6中任一项所述的结构，其中，所述原料容器(2)中盛装砷、碲或锑原料。
8.权利要求1-6中任一项所述的装置在制备CuInGaSe薄膜太阳能电池材料或FeSe超导材料中的应用。
【文档编号】H01L31/18GK103904154SQ201210581601
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】李弢, 华志强, 吴云翼, 郜健 申请人:北京有色金属研究总院