CN104451551A - 一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置。该装置包括从上至下依次布置的一上料斗、一下料斗、一原材料转移机构以及一原材料输送机构；原材料转移机构包括一上下方向的通道、设于通道内的一旋转轴以及驱动旋转轴转动的驱动装置；旋转轴垂直于通道的长度方向穿设于通道内，旋转轴的直径与通道的宽度相匹配将通道封堵，旋转轴的周向上设有至少两个凹槽，这些凹槽容积相等，并以旋转轴的轴心为中心呈对称分布；并且，在通道内旋转轴的上方设有一贴着旋转轴表面的遮挡面，该遮挡面偏于通道内旋转轴径向上的一侧，使旋转轴上部径向上的一侧敞开作为落料口，另一侧被封挡。本实施例工作可靠，整体结构简单、实现成本不高。

Description

一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置

技术领域

本发明涉及一种为半导体薄膜真空气相沉积装置连续精确供应原材料的装置。

背景技术

真空气相沉积形成半导体薄膜是制备薄膜太阳能电池组件的关键技术，尤其在碲化镉薄膜太阳电池领域。在真空沉积装置中，加热碲化镉原材料，使之升华变成气相物质，然后沉积到已经预热到一定温度的基板玻璃上形成碲化镉薄膜。传统的近空间升华（CSS）技术能制备出高质量的碲化镉半导体薄膜，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。这一方面增加了生产线运行的复杂性，需要定期，例如每隔7天，终止生产，冷却坩埚，打开真空腔体，填加原材料，然后再启动；另一方面随着沉积的进行，基板玻璃表面与原材料表面之间的距离增加，影响成膜速度和薄膜的晶格结构，导致薄膜质量的不稳定性。因此，连续均匀地向位于真空沉积腔内薄膜沉积装置提供原材料，是实现半导体薄膜连续均匀沉积和确保薄膜质量的必要条件。

美国第一太阳能公司在专利 8677932中披露了在半导体薄膜真空气相沉积生产线中的进料装置，但其结构非常复杂、重复操作性差，因此，在大规模连续、高速、经济性地沉积碲化镉半导体薄膜，制备碲化镉薄膜太阳电池组件中，有必要提供一种更可靠、简单和经济的原材料进料装置，本发明就是为了达到这一目的。

发明内容

本发明目的是提供一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，以可靠、简单和经济的结构来实现连续及精确的进料。

为达到上述目的，本发明采用的方法技术方案是：一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，包括从上至下依次布置的一上料斗、一下料斗、一原材料转移机构以及一原材料输送机构；所述上料斗的下端口经一第一阀门与下料斗的上端口连通，而所述下料斗的下端口连通原材料转移机构的上端，所述原材料转移机构的下端与原材料输送机构的进口连通，该原材料输送机构的出口供接半导体薄膜真空气相沉积装置；并且，所述上料斗的上端设放料口，该放料口上设一盖板，上料斗上接有抽真空装置，上料斗还设一连通外部的放气口，该放气口上设有第二阀门，以此所述上料斗、下料斗、原材料转移机构以及原材料输送机构的内腔连通成为一真空腔；

所述原材料转移机构包括一上下方向的通道、设于通道内的一旋转轴以及驱动旋转轴转动的驱动装置；所述旋转轴垂直于通道的长度方向穿设于通道内，旋转轴的直径与通道的宽度相匹配将通道封堵，旋转轴的周向上设有至少两个凹槽，这些凹槽容积相等，并以旋转轴的轴心为中心呈对称分布；并且，在通道内旋转轴的上方设有一贴着旋转轴表面的遮挡面，该遮挡面偏于通道内旋转轴径向上的一侧，使旋转轴上部径向上的一侧敞开作为落料口，另一侧被封挡。

上述方案中，所述通道内在旋转轴的上方设一弹簧片，以该弹簧片形成所述遮挡面。

上述方案中，所述旋转轴上的凹槽的截面为长方形、正方形或三角形。

上述方案中，所述原材料输送机构为一螺旋给料机。

上述方案中，所述原材料输送机构为一振动输送机构，该振动输送机构包括一通道、设于通道内的输送槽以及带动输送槽振动的振动器，所述输送槽一端高一端低倾斜设置，其高端近通道的进口，其低端近通道的出口。

上述方案中，所述上料斗上还接有运载气体气源。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明能够连续及精确的向半导体薄膜真空气相沉积装置供给半导体原料，并且工作可靠，整体结构简单、实现成本不高，非常适合作为大规模连续、高速地沉积半导体薄膜装置的配套设备。

附图说明

图1为本发明实施例结构主视示意图；

图2为本发明实施例中原材料转移机构的工作过程示意图一；

图3为本发明实施例中原材料转移机构的工作过程示意图二；

图4为本发明实施例中原材料转移机构的工作过程示意图三；

图5为本发明实施例原材料转移机构的另一种变化方案的结构示意图；

图6为本发明实施例原材料输送机构的另一种变化方案的结构示意图。

以上附图中：1、上料斗；2、下料斗；3、原材料转移机构；4、原材料输送机构；5、第一阀门；6、气体流量计；7、半导体薄膜真空气相沉积装置；8、盖板；9、抽真空装置；10、放气口；11、第二阀门；12、通道；13、旋转轴；14、凹槽；141、第一凹槽；142、第二凹槽；143、第三凹槽；144、第四凹槽；15、遮挡面；16、落料口；17、弹簧片；18、通道；19、输送槽；20、振动器；21、运载气体气源；22、横向通道；23、旋转螺杆；24、驱动器；25、颗粒物质流量计；26、观察窗；27、真空泵；28、真空计；29、第三阀门；30、 第四阀门；31、挡板；32、第五阀门。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见图1-6所示:

本实施例涉及一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，该装置包括从上至下依次布置的一上料斗1、一下料斗2、一原材料转移机构3以及一原材料输送机构4，见图1所示，所述上料斗1的下端口经一第一阀门5与下料斗2的上端口连通，而所述下料斗2的下端口连通原材料转移机构3的上端，所述原材料转移机构3的下端与原材料输送机构4的进口连通，该原材料输送机构4的出口供接半导体薄膜真空气相沉积装置7。并且，所述上料斗1的上端设放料口，该放料口上设一盖板8，上料斗1上接有抽真空装置9，上料斗1还设一连通外部的放气口10，该放气口10上设有第二阀门11，以此所述上料斗1、下料斗2、原材料转移机构3以及原材料输送机构4的内腔连通成为一真空腔。

具体如图2-4所示，所述原材料转移机构3包括一上下方向的通道12、设于通道12内的一旋转轴13以及驱动旋转轴13转动的驱动装置（图中未画出）。所述旋转轴13垂直于通道12的长度方向穿设于通道12内，旋转轴13的直径与通道12的宽度相匹配将通道封堵，旋转轴13的周向上设有至少两个凹槽14（如图2-4所示举例凹槽14的数量为四个，具体为第一凹槽141、第二凹槽142、第三凹槽143及第四凹槽144），这些凹槽14容积相等，并以旋转轴13的轴心为中心呈对称分布；并且，在通道12内旋转轴13的上方设有一贴着旋转轴13表面的遮挡面15，该遮挡面15偏于通道12内旋转轴13径向上的一侧，使旋转轴13上部径向上的一侧敞开作为落料口16，另一侧被封挡。

具体如图2-4所示，是在所述通道12内在旋转轴13的上方设一弹簧片17，该弹簧片17由一竖向段和竖向段下端连接的一与旋转轴13的表面贴合的弧形段组成，以该弹簧片17形成所述遮挡面15，采用弹簧片17的优点是具有弹性，能够更可靠地贴合于旋转轴表面，刮除露出凹槽口的原材料颗粒。具体，如图2-4所示，所述旋转轴13上的凹槽14的截面举例为正方形，实际中也可以是长方形、正方形或三角形，甚至是其他异形也可。并且，每个凹槽14只要容积相等即可，具体的形状是可以不同的，如一个凹槽14为方形，另一个为三角形，这也能达到相同的效果的。具体，通道12以正方或长方形为优选，旋转轴13是通过动密封同设置在通道12外面的驱动装置（图中没有显示）连接。

如图1所示，所述原材料输送机构4具体为一螺旋给料机，该螺旋给料机是由一横向的通道22、一穿置于横向通道22内的旋转螺杆23以及驱动旋转螺杆23转动的驱动器24组成，横向通道22的一端上部开设进口，该进口与原材料转移机构3的通道12的下端口连通，横向通道22的另一端作为出口供接半导体薄膜真空气相沉积装置7。

具体的，在下料斗2的上端口与第一阀门5之间还串有颗粒物质流量计25，下料斗2的下端口与原材料转移机构3之间还串有观察窗26，原材料转移机构3的下端与原材料输送机构4之间串有颗粒物质流量计25。并且，所述下料斗2上也没有一放气口10，该放气口10设有第三阀门29，此下料斗2的放气口10的第三阀门29是在需要整体打开检修时才开启的，是为了破下料斗2的真空。

所述抽真空装置9如图1所示，是由真空泵27、真空计28以及一第四阀门30组成，真空泵27经真空计28和第四阀门30接上料斗1。

上料斗1和下料斗2中均设有挡板31，以助于防止原材料在料斗内集合结块。并且，上料斗1上经一气体流量计6也接运载气体气源21。

本实施例使用状态，如图1所示，半导体薄膜真空气相沉积装置7的坩锅经一管道接通一运载气体气源21，而本实施例进料装置的原材料输送机构4的出口也接于该管道上，该管道上设置一第五阀门32，供进料装置检修时同第三阀门29配合使用。本实施例进料装置提供颗粒或粉末状的原材料，而运载气体气源21提供运载气体，工作时是由运载气体携带颗粒或粉末状的原材料送入半导体薄膜真空气相沉积装置7坩锅内，原材料在坩埚内受热、升华变成气相物质，然后沉积在在基板衬底表面，形成半导体薄膜。

参见图1-4所示，本实施例进料装置的使用过程如下：

工作人员先关闭第一阀门5，打开设置在上料斗1的第二阀门11破上料斗1的真空，打开盖板8，向上料斗1内装入一定数量而且颗粒大小一致的原材料，合上盖板8，关闭第二阀门11，然后相继打开真空泵27和第四阀门30，当真空计28显示1Pa以下时，关闭第四阀门30，关闭真空泵27，完成从大气向一级上料斗20加料的过程。

加料完成后，将第一阀门5打开，同时运载气体气源21通过气体流量计6向真空腔内注入惰性气体，降低上料斗1内的真空度，使上料斗1内的气体压力高于半导体薄膜真空气相沉积装置7的真空沉积室的气体压力5-10Pa，上料斗1中的原材料通过已经处于打开状态的第一阀门5在重力作用下漏入下料斗2，漏入速度通过调节第一阀门5和颗粒物质流量计25来实现，实现进料速度的初步控制，进入下料斗2的原材料直接进入原材料转移机构3中，观察窗26可以用于观察下料斗2内的原材料情况，通过原材料转移机构3将原材料精确地从下料斗2转移进入原材料输送机构4，再由原材料输送机构4将原材料连续、均匀地送出，最后同运载气体气源21出来的运载气体一起进入半导体薄膜真空气相沉积装置7坩锅内。在这过程中，原材料转移机构3的结构是核心，它起到了对原材料精确定量的作用，而原材料输送机构4作用是将原材料转移机构3送来的原材料进一步进行均匀分配，实现供料的连续性。

所述原材料转移机构3的工作过程，见图2-4所示，详细介绍如下：原材料下落于落料口16（如图中所示落料口16位于左侧），旋转轴13沿顺时针旋转，在旋转过程中，弹簧片17清理旋转轴13外表面上的原材料颗粒物，阻挡在旋转轴13表面上的原材料颗粒物进入旋转轴13和通道12右壁之间的空间里，进而保证旋转轴13的旋转速度恒定，确保进料速度不变，当旋转轴13处于图2位置时，位于落料口16处（即顶部的）的第一凹槽141已经被原材料填满，随着旋转轴13继续旋转，旋转轴13表面离轴心半径以外的原材料被弹簧片17阻挡，当旋转轴13旋转到图3位置时，第一凹槽141中的原材料开始脱离进入下面的原材料输送机构4，此时位于落料口16处（即顶部的）的第二凹槽142已经被原材料填满，当旋转轴13旋转到图4位置时，第一凹槽141已位于旋转轴13的下部，其中的原材料全部进入原材料输送机构4，第二凹槽142中的原材料开始脱离，而位于落料口16处（即顶部的）第三凹槽143已经被原材料填满，第四凹槽144也开始填入原材料，依次重复。原材料的转移速度同凹槽14的尺寸大小、凹槽在旋转轴13上的数量和旋转轴13的旋转速度有关。

如图1所示，当上料斗1中的原材料全部进入下料斗2时，关闭位于上料斗1和下料斗2之间的第一阀门5，在上料斗1中加入新的原材料，确保下料斗2中始终都有原材料存在，进而保证连续供料。

如图1所示，原材料输送机构4的工作原理是：旋转螺杆23在驱动器24带动下以一定的速度匀速旋转，进入横向通道22的原材料颗粒在一直旋转的旋转螺杆23的作用下沿着横向通道22传送，使得在横向通道22的出口处的原材料颗粒连续不断、均匀地落入运载气体的气流中，达到原材料颗粒在运载气体中均匀分布的目的。

图5是本实施例原材料转移机构3的另一变化方案，凹槽14的截面为三角形，数量为八个，同样以轴心为中心呈对称分布，其工作原理相同，同样是随着旋转轴13的旋转，从下料斗2落入凹槽14中的原材料依次进入原材料输送机构4中。

图6是本实施例原材料输送机构4的另一变化方案，具体为一振动输送机构，该振动输送机构包括一通道18、设于通道18内的输送槽19以及带动输送槽19振动的振动器20，所述输送槽19一端高一端低倾斜设置（具体输送槽19与水平面成1-20度倾斜角，较优为5-15度倾斜角，最佳为10度倾斜角），其高端近通道18的进口，其低端近通道18的出口。工作时，输送槽19在振动器20带动下以一定频率振动，原材料从通道18的进口落入输送槽19的高端中，原材料沿着输送槽19在振动器20的作用下匀速送至输送槽19的低端，再经通道18的出口输出。调节振动器20的振动频率，确保原材料颗粒物均匀、连续地排出。

本实施例能够连续及精确的向半导体薄膜真空气相沉积装置7供给半导体原料，并且工作可靠，整体结构简单、实现成本不高，非常适合作为大规模连续、高速地沉积半导体薄膜装置的配套设备。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，其特征在于：包括从上至下依次布置的一上料斗（1）、一下料斗（2）、一原材料转移机构（3）以及一原材料输送机构（4）；所述上料斗（1）的下端口经一第一阀门（5）与下料斗（2）的上端口连通，而所述下料斗（2）的下端口连通原材料转移机构（3）的上端，所述原材料转移机构（3）的下端与原材料输送机构（4）的进口连通，该原材料输送机构（4）的出口供接半导体薄膜真空气相沉积装置（7）；并且，所述上料斗（1）的上端设放料口，该放料口上设一盖板（8），上料斗（1）上接有抽真空装置（9），上料斗（1）还设一连通外部的放气口（10），该放气口（10）上设有第二阀门（11），以此所述上料斗（1）、下料斗（2）、原材料转移机构（3）以及原材料输送机构（4）的内腔连通成为一真空腔；

所述原材料转移机构（3）包括一上下方向的通道（12）、设于通道（12）内的一旋转轴（13）以及驱动旋转轴（13）转动的驱动装置；所述旋转轴（13）垂直于通道（12）的长度方向穿设于通道（12）内，旋转轴（13）的直径与通道（12）的宽度相匹配将通道封堵，旋转轴（13）的周向上设有至少两个凹槽（14），这些凹槽（14）容积相等，并以旋转轴（13）的轴心为中心呈对称分布；并且，在通道（12）内旋转轴（13）的上方设有一贴着旋转轴（13）表面的遮挡面（15），该遮挡面（15）偏于通道（12）内旋转轴（13）径向上的一侧，使旋转轴（13）上部径向上的一侧敞开作为落料口（16），另一侧被封挡。

2.根据权利要求1所述半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，其特征在于：所述通道（12）内在旋转轴（13）的上方设一弹簧片（17），以该弹簧片（17）形成所述遮挡面（15）。

3.根据权利要求1所述半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，其特征在于：所述旋转轴（13）上的凹槽（14）的截面为长方形、正方形或三角形。

4.根据权利要求1所述半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，其特征在于：所述原材料输送机构（4）为一螺旋给料机。

5.根据权利要求1所述半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，其特征在于：所述原材料输送机构（4）为一振动输送机构，该振动输送机构包括一通道（18）、设于通道（18）内的输送槽（19）以及带动输送槽（19）振动的振动器（20），所述输送槽（19）一端高一端低倾斜设置，其高端近通道（18）的进口，其低端近通道（18）的出口。

6.根据权利要求1所述半导体薄膜真空气相沉积的连续自动进料装置，其特征在于：所述上料斗（1）上还接有运载气体气源（21）。