超声喷雾热分解化合物半导体薄膜制备系统技术方案

本发明专利技术涉及一种超声喷雾热分解化合物半导体薄膜制备系统，用于在平面基质上制备氧化物和硫化物半导体薄膜。该系统由雾化、沉积两大部分构成。其中雾化部分有载气源、储液罐、雾化室和相应电路构成，沉积部分由密封室、喷头、加热台、电动传动组件、温控仪、真空压力表和鼓泡池组成。其中储液罐、雾化室、喷头、密封室都采用了独特的设计。该发明专利技术具有成本低，运行稳定，成膜质量好等优点，可应用于氧化物和硫化物半导体薄膜的科学研究和工业生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化合物半导体薄膜制备领域，涉及一种新型超声喷雾热分解化合物薄膜制备系统。该系统可应用于低成本高质量的硫化物和氧化物半导体薄膜的制备。
技术介绍
化合物半导体薄膜在电子器件、太阳电池、功能材料、光电化学制氢等领域具有广泛的应用。而制备出低成本高质量的化合物半导体薄膜一直是制约相关科研工作和产业技术发展的难题。目前大多数半导体薄膜材料的制备方法一般是化学气相沉积(CVD)、磁控溅射、真空蒸镀等方法，这些方法设备昂贵使制备成本居高不下。而相对成本较低的溶胶凝胶法，化学浴沉积法制备的半导体薄膜性能较差。近年来发展起来的喷雾热分解薄膜制备技术具有成本低，薄膜性能较优良等特点，具有很好的发展前途。而常见的喷雾热分解技术的实现方式是通过高压气体在雾化喷嘴处将溶液雾化，并直接喷射在基质上形成薄膜，这种雾化方式的缺点是雾滴较大且不均匀，也不易控制，因此形成的薄膜表面粗糙度大，成膜不致密，而且一般会造成厚度不均匀、中心比四周厚等不良结果；由于采用持续喷射，容易造成液滴中的成分热分解不充分，对成膜材料的质量造成影响(参见M.Okuya et al.Solid State Ionics172(2004)527-531)。一些喷雾镀膜设备中，载气与雾滴的混合方式过于简单而混合不均，因而在镀膜过程中也容易造成薄膜厚度不均匀。(参见中国专利技术专利CN 1250823A)
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术不足，提供一个超声喷雾热分解化合物半导体薄膜制备系统，该系统能够制备出低成本、高质量、大面积、厚度得到准确控制的薄膜，从而为氧化物和硫化物半导体薄膜材料的研究提供有利支撑。本专利技术的技术方案是这样实现的该系统包括储液罐、雾化室、沉积室和鼓泡池，储液罐的出液口与雾化室的进液口相连接，储液罐的进气口与雾化室的液位线处在同一水平线上，雾化室的出气口与沉积室的气雾入口相连接，气雾入口与喷头相连接，沉积室的废气出口与鼓泡池连接。所述的储液罐是一圆柱形容器，顶端是密封的进液口，在罐体壁上有一进气口，进气口形状为“Δ”形，进气口外紧贴罐壁有一根竖直管，竖直管的底端比进气口低，管底封闭，管内空间通过进气口与罐内空间相连通，竖直管的上端伸至罐顶，储液罐底接有一带阀门的出液口。所述的雾化室中部为圆柱形空腔，上下部分分别为向上渐缩结构和向下渐缩结构空腔的容器，靠近底部有一进液口，底部安装有雾化片，在液面以上的壁面上有至少六个以上的气孔，以相等间隔排成一圈，雾化室内部空间通过气孔与套在容器外壁的环形导气管相通，进气口连通导气管，导气管通过气孔连通雾化室内部空腔，雾化室顶部为气雾出口。所述的喷头内部为一圆柱形空腔，进气口到内部空腔之间是一段渐扩管，喷头底部为一条缝隙。所述的沉积室为一密封室，沉积室顶部是一操作开口，侧壁有一维修开口，两个开口均为法兰结构，沉积室侧壁有一个雾气进口，沉积室底部中心有一个废气出口，雾气进口和废气出口在沉积室外均接有真空球阀，沉积室侧壁上还有两个带真空阀的抽气口和进气口，加热台、螺杆、喷头、接触开关和电动机均在沉积室内部，螺杆安装在加热台正上方，喷头安装在螺杆的滑块上，螺杆的两侧上端安装了接触开关，接触开关位置在沿螺杆轴向上可以调节。从雾化室到喷头之间的输送雾气的管路截面都为圆形，从雾化室内部空间到出气口之间有一段渐缩管，从出气口到喷头的进气口之间的管道内径保持恒定，从进气口到内部空腔有一段渐扩管。由于超声雾化过程中，底部换能片距液面的高度值对雾化强度有很大影响，故需要在雾化过程中保持液面高度值稳定，本专利技术设计了能保持液位稳定的储液罐，使雾化室中的液位能自动调整保持在稳定高度上。雾滴与载气混合的均匀程度对成膜的质量有很大影响，本专利技术设计了进气口，使雾化室能够稳定地输出浓度稳定、雾滴分布均匀的气雾。本专利技术采用移动喷头来扫描静止基质的过程来进行镀膜。在沉积室内部使用柔性橡胶管将气雾入口与喷头连接，使喷头能够自由活动，并且能够对沉积室进行抽真空除气。由于废气可能对大气造成污染，故本专利技术利用装有化学溶液的鼓泡池对废气进行处理。本专利技术采用的恒定液位储液罐能保证雾化室内液位高度恒定，使雾化过程在稳定的条件下进行。本专利技术喷头结构能保证雾气以带状雾束喷出且不易凝聚，提高系统的稳定性和成膜质量。沉积室采用的抽真空除气形式，可以更加有效地去除空气的影响，提高成膜材料的纯度。附图说明图1(a)是本专利技术储液罐的进气口示意图；图1(b)是本专利技术储液罐结构示意图；图2(a)是本专利技术雾化室结构；图2(b)是本专利技术气体流向示意图；图3是本专利技术喷头结构示意图；图4是本专利技术整体组成结构示意图；下面结合附图对本专利技术的内容作进一步详细说明。具体实施例方式参照图1(a)、(b)所示，进气孔1左侧是开口向上的竖直进气管内部2，右侧是储液罐内部3。左侧的液面稍高于进气孔1的上端，当储液罐21内部气压降低时，液面就会下降，空气从进气孔1进入储液罐21，罐内气压上升，液面升高到稍高于进气孔1上端，阻止空气继续进入。储液罐21上端是进液口6，密封后不漏气，左端是竖直进气管5，进气管底部4通过进气孔1与储液罐21内部连通，右端底部有一出液口7，溶液由此补充到雾化室24中。储液罐21原理为由于储液罐21上部是密封的，罐内上部气压小于大气压，两者之差值等于雾化室24液面位置高度与罐内液面位置高度之差的水柱压强。雾化室24内的液面位置高度由储液罐21左侧竖直管底部进气孔1的位置高度确定(两个高度在同一水平线上)。当雾化室24内液面下降，储液罐21中的溶液就会流向雾化室24，储液罐21内部的液面就会下降，其上部的气体体积增大，气压就会低于大气压减去高度差的水柱压力后的值，因而在储液罐21的竖直进气管5内，大气压就会将竖直进气管5内的溶液压入储液罐21，当进气孔1露出液面时，空气就会从进气孔1处进入储液罐21，直到压力重新平衡，进气孔1重新被淹没在液面以下，空气不能再从进气孔1进入储液罐21。通过这个过程，就可以自动保持雾化室24内部的液面高度，使雾化条件稳定。而调节储液罐21的高度就能够调节雾化室24的液面高度。参照图2(a)、(b)所示，图(a)为雾化室24的结构图，左半部分为剖面图，右半部分为外观图。雾化室24中部套着一环形导气管11，载气由进气口10进入环形导气管11，环形导气管11与雾化室24内部空腔13通过环形等距排列的多个气孔12相通。雾化室24内部空腔13上下边分别为向上渐缩管9和向下渐缩管15。最顶端是气雾出口8，接近底部是一进液口14，补充溶液由此进来，底部为雾化片16。图(b)中箭头为气流方向。采用图2所示的结构，即用水平环形排列、间隔相等分布在雾化室24壁面上的多个气孔12(根据雾化室24尺寸确定气孔12个数，一般为六个以上)作为进气口10，能使载气均匀进入雾化室24并与雾滴充分而均匀地混合。气雾出口8设在雾化室24正上方，口径相对较大，使得均匀混合的雾气不至于因流速过大、扰动剧烈而使雾滴分布变得不均。整个雾化室24流场稳定，能稳定输出浓度均匀的气雾。雾化室24可使用普通玻璃、有机玻璃和聚四氟乙烯等化学性质稳定的材料制作。参照图3所示，雾气从入口17经过渐扩管18扩散后充满空腔19，并从缝隙20以带状雾束喷出。这种方式的优点是能够很好本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声喷雾热分解化合物半导体薄膜制备系统，该系统包括储液罐（２１）、雾化室（２４）、沉积室（４０）和鼓泡池（３９），其特征在于，储液罐（２１）的出液口（７）与雾化室（２４）的进液口（１４）相连接，储液罐（２１）的进气孔（１）与雾化室（２４）的液位线处在同一水平线上，雾化室（２４）的气雾出口（８）与沉积室（４０）的气雾入口（２７）相连接，气雾入口（２７）与喷头（３５）相连接，沉积室（４０）的废气出口（３８）与鼓泡池（３９）连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭烈锦，苏进展，李明涛，张西民，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]