CN110106477A - 石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，包括：坩埚，用于盛放镀膜材料；石墨芯裂解器，其设置于所述坩埚内的中部，且位于所述镀膜材料的上方，其上设置有连通所述镀膜材料与所述坩埚外部环境的通道；加热单元，其环绕所述坩埚的侧壁设置，用于加热所述坩埚中的所述镀膜材料，使其蒸发并穿过所述石墨芯裂解器上的通道；隔热层，其环绕所述加热单元设置，用于隔绝所述加热单元与外界的能量交换。本公开提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源使用石墨芯裂解器。使用石墨芯，解决了坩埚口部镀膜材料的冷凝问题，避免了冷凝的颗粒被带到薄膜内部，提升了沉积薄膜的质量。

Description

石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源

技术领域

本公开涉及超高真空镀膜技术领域，尤其涉及一种石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源。

背景技术

铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳电池作为最有前景的薄膜太阳电池之一，具有很多优点。首先，电池转换效率高：实验室效率已经达到了23.35％，组件效率也达到了16％以上；其次，CIGS吸收层带隙可调：通过调节CIGS吸收层内Ga/In的比例，可以制备出比较理想的双梯度带隙结构，既可以提高电池的开路电压(Voc)和填充因子(FF)，也可以通过增加光吸收，提升短路电流密度(Jsc)，这是GaAs、Si等太阳电池所不能达到的。同时，其还具有弱光性能好，稳定性高等优点。CIGS薄膜太阳电池具有诸多的优点，其主要的原因在于其优良的吸收层结构。由美国可再生能源能源实验室(NREL)提出的三步共蒸发法，使其具有良好的双梯度结构以及较大尺寸的晶粒。目前，国内外多个研究机构使用蒸发法制备CIGS吸收层时，一般使用的是标准克努森源(K-nudsen cell)。这种克努森源一般具有双温区加热系统，分为上下两个加热区，上加热区也称保温区，目的是在蒸发的过程中，保持较高的温度，防止蒸发过程中，蒸发材料在坩埚口部液化冷凝。而下加热区也可以叫做蒸发区，加热，使坩埚内部材料蒸发，可实现材料的精确蒸发。

然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，现有技术中的双温区加热系统，存在造价高、操作复杂、难于维护等问题。为了降低成本、减少操作的复杂度，使蒸发源更易于维护，许多研究机构采用单温区的克努森源。然而，单温区克努森源虽然具有标准克努森源的相同的功能，但是单温区克努森源的加热系统仅保留了标准克努森源的下部蒸发区，并没有上部分的保温系统，这样会很容易使坩埚口部出现冷凝的镀膜颗粒。与此同时，冷凝的颗粒在蒸发的过程中，很容易被坩埚内部后续蒸发的镀膜材料蒸汽带到CIGS薄膜内部，使薄膜内部出现大量未充分扩散的镀膜材料，严重影响薄膜的结晶质量。此外，未充分扩散的金属(Cu、In、Ga)颗粒，会形成复合中心，严重影响CIGS太阳电池载流子的输运，降低其并联电阻，使CIGS电池的效率大幅度降低。

另外，单温区克努森源一般具有冷却水系统，以防止蒸发源高温时，对周围环境进行加热，易产生大量的杂质气体，影响成膜质量。此外，硒很容易与冷却水系统中的不锈钢等金属反应，长时间使用可能会使冷却系统遭受腐蚀，损坏蒸发源，甚至导致冷却水进入到真空腔室，污染腔室。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，以缓解现有技术中的单温区克努森源容易使坩埚口部出现蒸发材料的冷凝颗粒，影响薄膜的结晶质量的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，包括：坩埚，用于盛放镀膜材料；石墨芯裂解器，其设置于所述坩埚内的中部，且位于所述镀膜材料上方，其上设置有连通所述镀膜材料与所述坩埚外部环境的通道；加热单元，其环绕所述坩埚的侧壁设置，用于加热所述坩埚中的所述镀膜材料，使其蒸发并穿过所述石墨芯裂解器上的通道；隔热层，其环绕所述加热单元设置，用于隔绝所述加热单元与外界的能量交换。

在本公开的一些实施例中，还包括：上盖板，其沿所述坩埚的杯口边缘设置，用于固定并支撑所述坩埚；以及下盖板，其与所述上盖板对应设置，并与所述坩埚的底部留有距离；所述上盖板和所述下盖板之间设置有所述隔热层；其中，所述下盖板上还设置有底部保温层。

在本公开的一些实施例中，所述上盖板的底部和所述下盖板的顶部分别相对设置有N阶阶梯型凸起；N层所述隔热层分别贴合N阶所述阶梯型凸起的侧面并嵌设在所述上盖板和所述下盖板之间，N≥1。

在本公开的一些实施例中，其中：N＝5；所述上盖板和所述下盖板之间设置有M根支撑杆件，M≥2；该支撑杆件设置于五层所述隔热层中任意两层之间，优选地，设置于由外至内的第二层所述隔热层和第三层所述隔热层之间。在本公开的一些实施例中，所述石墨芯裂解器为高纯石墨，所述高纯石墨的纯度不低于99.9％。

在本公开的一些实施例中，所述石墨芯裂解器的直径与所述坩埚的内径相等。

在本公开的一些实施例中，其中：所述石墨芯裂解器上的所述通道为螺旋形通孔；所述螺旋形通孔包括三个，三个所述螺旋形通孔沿所述石墨芯裂解器的周向均匀设置；所述螺旋形通孔的螺距介于30mm至50mm之间，高度介于30mm至50mm之间，倾斜角度介于40°至50°之间。

在本公开的一些实施例中，所述加热单元为电阻丝加热器，该电阻丝加热器中的电阻丝与所述坩埚之间间隔设置，其间距介于0.5cm至1cm之间；所述电阻丝由所述坩埚的顶部延伸至所述坩埚的底部，优选地，所述电阻丝延伸至所述坩埚的底部所在的平面以下。

在本公开的一些实施例中，还包括：绝缘片，其分别设置于所述坩埚的杯口处，所述坩埚的中部和所述坩埚的底部；陶瓷管支撑架，其设置于相邻的两片所述绝缘片之间，以及最下端的所述绝缘片的底部，用于撑起所述绝缘片；其中，所述绝缘片上设置有通孔，用于穿过所述电阻丝；所述坩埚底部的所述绝缘片的边缘超出所述坩埚的外侧面，该绝缘片的边缘超出所述坩埚的外侧面的距离介于0.5cm至1cm之间；所述电阻丝沿所述垫片的周向均匀排列。

在本公开的一些实施例中，其中：所述坩埚的材质包括：热解氮化硼；所述上盖板和所述下盖板的材质包括：热压氮化硼或其他绝缘耐高温的材料；所述电阻丝的材质包括：钼、钽、铌或其结合；所述隔热层的材质包括：钼或钽；所述支撑杆件的材质包括：钼或不锈钢；所述绝缘片的材质包括：热解氮化硼。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)本公开使用石墨芯裂解器，一方面，降低了坩埚内表面与真空腔室的接触面积，即降低了热交换，热量不容易扩散，并在石墨芯通道内积聚，同时，在石墨芯以下的空间内，单位体积内的分子数增多，气体分子在单位时间内与石墨芯单位壁碰撞的次数增多，石墨芯温度升高，并带动坩埚口部温度升高；另外一方面，加入石墨芯后，镀膜原子的蒸发通道变窄，为了使镀膜速率不变，则必然需要升高蒸发温度，根据理想气体的压强公式和状态方程可知，温度的升高必然带动着饱和蒸气压的升高，饱和蒸气压的升高，使得流速变快，那么单个原子与坩埚接触的时间降低，同时，由于吸附过程是放热反应，坩埚口部温度的升高，降低了吸附概率，因此，多方面原因的叠加，使用石墨芯，解决了坩埚口部冷凝的镀膜材料，避免了冷凝的颗粒被带到薄膜内部，提升了沉积薄膜质量；

(2)使用隔热层代替外部冷却水系统进行隔热，能够降低外部冷却水对蒸发源的腐蚀，同时隔热层的钼片之间没有直接接触，仅以热辐射的形式传递热量，大幅度提高隔热效果；

(3)使用单加热系统，大大的降低了双温区加热系统的成本，降低了操作的复杂度，提升了维护便利性；

(4)使用氮化硼上下盖，增强蒸发源的耐腐蚀性，同时，避免了镀膜材料在高温下与加热丝、隔热层之间产生合金化，腐蚀蒸发源。

附图说明

图1为本公开实施例提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源的结构示意图。

具体实施方式

本公开提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源使用石墨芯裂解器，解决了蒸发源坩埚口部液滴冷凝的现象，采用单加热温区，大大提升了组装与维护的便利性；氮化硼盖子与氮化硼坩埚的使用，提升了蒸发源的使用寿命与稳定性，这种结构的使用，可降低成本、减少操作的复杂度，使蒸发源更易于维护，对真空镀膜技术的提升有着重要的作用。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开实施例提供一种石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，包括：坩埚、石墨芯裂解器、加热单元以及隔热层；坩埚用于盛放镀膜材料；石墨芯裂解器设置于坩埚内的中部，且位于镀膜材料上方，其上设置有连通镀膜材料与坩埚外部空间的通道；加热单元环绕坩埚的侧壁设置，用于加热坩埚中的镀膜材料，使其蒸发并穿过石墨芯裂解器上的通道；隔热层环绕加热单元设置，用于隔绝加热单元与外界的能量交换，实际应用中，外部加热电路单元使加热单元升温，均匀分布在坩埚周围的加热单元产生大量热量，并辐射至坩埚，促使坩埚均匀快速升温，坩埚内的镀膜材料获得热量，液化，蒸发，穿过石墨芯裂解器并在坩埚杯口的衬底上形成均匀高质量的薄膜。

传统单温区蒸发源的镀膜材料直接与真空腔室连通，蒸发的镀膜材料带走一部分热量，热量扩散容易，同时坩埚内表面与真空腔室的接触面积大，热交换强烈，导致坩埚口部温度相对比较低，蒸发原子很容易气化，形成小液滴，并在坩埚口部出现凝结。使用石墨芯以后，一方面，降低了坩埚内表面与真空腔室的接触面积，即降低了热交换，热量不容易扩散，并在石墨芯通道内积聚，同时，在石墨芯以下的空间内，单位体积内的分子数增多、气体分子在单位时间内与石墨芯单位壁碰撞的次数越多，石墨芯温度升高，并带动坩埚口部温度升高；另外一方面，加入石墨芯后，镀膜原子的蒸发通道变窄，为了使镀膜速率不变，则必然需要升高蒸发温度。根据理想气体的压强公式和状态方程可知，温度的升高必然带动着饱和蒸气压的升高。饱和蒸气压的升高，使得流速变快，那么单个原子与坩埚接触的时间降低，同时，由于吸附过程是放热反应，坩埚口部温度的升高，降低了吸附概率。因此，多方面原因的叠加，使用石墨芯，解决了坩埚口部冷凝的镀膜材料，避免了冷凝的颗粒被带到薄膜内部，提升了沉积薄膜质量。

实际应用中，石墨芯裂解器底部和坩埚的底部之间设置有石墨杆，该石墨杆用于支撑石墨芯裂解器。

在本公开的一些实施例中，该石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源还包括：上盖板和下盖板；上盖板沿坩埚的杯口边缘设置，用于固定并支撑坩埚；下盖板与上盖板对应设置，并与坩埚的底部留有距离；上盖板和下盖板之间设置有隔热层；其中，下盖板上还设置有底部保温层，该底部保温层能够减少坩埚底部热量流失，避免使坩埚底部温度比较低，影响镀膜材料的蒸发速率。

在本公开的一些实施例中，上盖板的底部和下盖板的顶部分别相对设置有N阶阶梯型凸起；N层隔热层分别贴合N阶阶梯型凸起的侧面并嵌设在所述上盖板和所述下盖板之间，N≥1。

在本公开的一些实施例中，其中：N＝5；上盖板和下盖板之间设置有M根支撑杆件，M≥2；该支撑杆件设置于五层隔热层中任意两层之间，优选地，设置于由外至内的第二层所述隔热层和第三层所述隔热层之间，从而在一定程度上降低支撑杆对热量的传导，该支撑杆与上盖板和下盖板之间螺纹连接。

在本公开的一些实施例中，石墨芯裂解器为高纯石墨，高纯石墨的纯度不低于99.9％。

在本公开的一些实施例中，石墨芯裂解器的直径与坩埚的内径相等。

在本公开的一些实施例中，其中：石墨芯裂解器上的通道为螺旋形通孔；该螺旋形通孔包括三个，三个螺旋形通孔沿石墨芯裂解器的周向均匀设置；螺旋形通孔的螺距介于30mm至50mm之间，高度介于30mm至50mm之间，倾斜角度介于40°至50°之间。

在本公开的一些实施例中，加热单元为电阻丝加热器，其包括电阻丝以及与电阻丝连接的外加热电路，该电阻丝加热器中的电阻丝与坩埚之间间隔设置，其间距介于0.5cm至1cm之间；电阻丝由坩埚的顶部延伸至坩埚的底部，优选地，电阻丝延伸至坩埚的底部所在的平面以下。

在本公开的一些实施例中，本公开实施例提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源还包括：绝缘片以及陶瓷管支撑架；绝缘片分别设置于坩埚的杯口处，坩埚的中部和坩埚的底部；陶瓷管支撑架设置于相邻的两片所述绝缘片之间，以及最下端的绝缘片的底部，用于撑起绝缘片，实际应用中，陶瓷管支撑架内设置有内杆(例如：金属钼杆)，内杆抵设于上盖板和下盖板之间，并依次穿过绝缘片，在相邻两个绝缘片之间的内杆外套设该陶瓷管支撑架，并在最下端的绝缘片和下盖板之间的内杆外套设该陶瓷管支撑架，利用陶瓷管支撑架撑起绝缘片，使其分别固定于坩埚的杯口、中部以及底部；其中，绝缘片上设置有通孔，该通孔用于穿过电阻丝；坩埚底部的绝缘片的边缘超出坩埚的外侧面，该绝缘片的边缘超出坩埚的外侧面的距离介于0.5cm至1cm之间；电阻丝沿垫片的周向均匀排列。

在本公开的一些实施例中，坩埚的材质包括：热解氮化硼，该种材料的熔点高，硬度高，粗糙度低，采用此种材料制成的坩埚表面光滑，不易形成冷凝，化学稳定性好，与绝大多数材料不反应。

在本公开的一些实施例中，上盖板和下盖板的材质包括：热压氮化硼，该种材料绝缘性良好，加热单元中的电阻丝接触到上盖板或下盖板时不容易形成回路，造成短路，导致电流过高，烧断加热丝；其次该种材料的化学稳定性好，能够承受住高温，而不容易发生质变，或者，上盖板和下盖板还可以采用其他绝缘且耐高温的材料。

在本公开的一些实施例中，加热单元中的电阻丝的材质包括：钼、钽、铌或其结合，这一类金属材料具有很高的电阻率，在长度足够的情况下，能够承受住比较高的加热功率；且该种材料的电阻率高，在相同加热功率条件下，电流较小，电阻丝的使用寿命相对较高；此外，该种材料的化学稳定性好。

在本公开的一些实施例中，隔热层的材质包括：钼或钽，该种材料耐腐蚀；支撑杆件的材质包括：钼或不锈钢(例如不锈钢304)；绝缘片的材质包括：热解氮化硼。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源使用石墨芯裂解器，解决了坩埚口部冷凝的镀膜材料，避免了冷凝的颗粒被带到薄膜内部，提升了沉积薄膜质量。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，包括：

坩埚，用于盛放镀膜材料；

石墨芯裂解器，其设置于所述坩埚内的中部，且位于所述镀膜材料上方，其上设置有连通所述镀膜材料与所述坩埚外部环境的通道；

加热单元，其环绕所述坩埚的侧壁设置，用于加热所述坩埚中的所述镀膜材料，使其蒸发并穿过所述石墨芯裂解器上的通道；

隔热层，其环绕所述加热单元设置，用于隔绝所述加热单元与外界的能量交换。

2.根据权利要求1所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，还包括：

上盖板，其沿所述坩埚的杯口边缘设置，用于固定并支撑所述坩埚；以及

下盖板，其与所述上盖板对应设置，并与所述坩埚的底部留有距离；

所述上盖板和所述下盖板之间设置有所述隔热层；

其中，所述下盖板上还设置有底部保温层。

3.根据权利要求2所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，所述上盖板的底部和所述下盖板的顶部分别相对设置有N阶阶梯型凸起；

N层所述隔热层分别贴合N阶所述阶梯型凸起的侧面并嵌设在所述上盖板和所述下盖板之间，N≥1。

4.根据权利要求3所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，其中：

N＝5；

所述上盖板和所述下盖板之间设置有M根支撑杆件，M≥2；

该支撑杆件设置于五层所述隔热层中任意两层之间，优选地，设置于由外至内的第二层所述隔热层和第三层所述隔热层之间。

5.根据权利要求1所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，所述石墨芯裂解器为高纯石墨，所述高纯石墨的纯度不低于99.9％。

6.根据权利要求1所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，所述石墨芯裂解器的直径与所述坩埚的内径相等。

7.根据权利要求4所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，其中：

所述石墨芯裂解器上的所述通道为螺旋形通孔；

所述螺旋形通孔包括三个，三个所述螺旋形通孔沿所述石墨芯裂解器的周向均匀设置；

所述螺旋形通孔的螺距介于30mm至50mm之间，高度介于30mm至50mm之间，倾斜角度介于40°至50°之间。

8.根据权利要求7所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，所述加热单元为电阻丝加热器，该电阻丝加热器中的电阻丝与所述坩埚之间间隔设置，其间距介于0.5cmm至1cm之间；

所述电阻丝由所述坩埚的顶部延伸至所述坩埚的底部，优选地，所述电阻丝延伸至所述坩埚的底部所在的平面以下。

9.根据权利要求8所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，还包括：

绝缘片，其分别设置于所述坩埚的杯口处，所述坩埚的中部和所述坩埚的底部；

陶瓷管支撑架，其设置于相邻的两片所述绝缘片之间，以及最下端的所述绝缘片的底部，用于撑起所述绝缘片；

其中，所述绝缘片上设置有通孔，用于穿过所述电阻丝；

所述坩埚底部的所述绝缘片的边缘超出所述坩埚的外侧面，该绝缘片的边缘超出所述坩埚的外侧面的距离介于0.5cm至1cm之间；

所述电阻丝沿所述垫片的周向均匀排列。

10.根据权利要求8所述的石墨芯结构的高温裂解金属蒸发源，其中：

所述坩埚的材质包括：热解氮化硼；

所述上盖板和所述下盖板的材质包括：热压氮化硼或其他绝缘耐高温的材料；

所述电阻丝的材质包括：钼、钽、铌或其结合；

所述隔热层的材质包括：钼或钽；

所述支撑杆件的材质包括：钼或不锈钢；

所述绝缘片的材质包括：热解氮化硼。