CN1291241A - 积淀半导体材料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用来在玻璃片衬底(G)上淀积半导体材料的装置(12、12a)和方法,它利用一分配器(22),此分配器包括被加热的渗透元件(24),载气和半导体材料通过它流过,以提供在被传送的玻璃片衬底上淀积成半导体层的蒸气。渗透元件(24)是管状的,并沿其长度施加电压以提供加热,而载气和粉末形式的半导体被引入管状渗透元件,以便以蒸气形式从中向外流动。围绕管状渗透元件(24)延伸的套筒(34)具有开口(36),蒸气通过它流动,以便淀积半导体层.在此装置(12)的一个实施例中,半导体层被淀积在玻璃片衬底(G)的向上的表面(56)上,而此装置(12a)的另一个实施例将半导体层淀积在衬底的向下的表面(54)上。

Description

淀积半导体材料的装置和方法
技术领域
本发明涉及到在玻璃片衬底上淀积半导体材料的一些装置和方法。
技术背景
其整个公开被此处列为参考的，被授予本发明代理人的Foote等人的美国专利5248349、5372646、5470397和5536333，公开了一种在玻璃片衬底上淀积碲化镉层半导体材料的连续工艺。Foote等人的专利公开了在被加热的加工室中装载碲化镉的源材料槽。在源材料槽下方传送玻璃片衬底，使得源材料从槽中升华而在以连续方式被传送的玻璃片的面朝上的表面上产生半导体材料的淀积。此结构要求源材料槽定期地被提供半导体材料的碲化镉添满。Foote等人的专利还公开了以来自元素镉和碲源或来自碲化镉源的蒸气的形式的源材料的引入。
发明内容
本发明的目的是提供用来在玻璃片衬底上淀积半导体材料的改进了的装置。
在实现上述目的的过程中，本发明的装置包括被加热的渗透元件，还包括用来供应流过被加热的渗透元件并以蒸气形式从中穿过的载气和半导体材料的材料供应源。装置的传送器将玻璃片衬底传送到靠近渗透元件，以便蒸气在衬底上淀积成半导体层。
优选的装置结构具有构造成管状形状的被加热的渗透元件，材料供应源将载气和半导体材料引入其中以蒸气的形式从中向外流动以便淀积在玻璃片衬底上生成半导体层。此管状渗透元件具有相对置的末端，电压被施加在二个末端上，以便对其进行加热。而且，此管状渗透元件由碳化硅制成。
优选的装置结构还包括容纳管状渗透元件的通常为管状形状的套筒。此套筒具有开口，蒸气从中通过以便在玻璃片衬底上淀积半导体层。套筒的开口最好是沿套筒的管状形状延伸的缝隙。此套筒可以具有相对置的末端，其间的缝隙具有变化的尺寸，以便控制蒸气在玻璃片衬底上的淀积的分布。而且，此套筒最好由公开为莫来石的陶瓷材料制成。
如所述，材料供应源将载气和半导体材料引入到管状渗透元件的一端，且此装置还包括将载气和半导体材料引入到管状渗透元件的另一端的另一种材料供应源。
装置的不同实施方案被提出如包括气体管道，半导体材料以与载气一起流动的粉末的形式被引入其中。材料供应源的某些实施方案包括旋转的螺旋装置以及旋转的螺旋装置将半导体材料引入其中的气体管道，这些实施方案中的一种具有绕水平轴旋转的螺旋装置，而这些实施方案中的另一种具有绕垂直轴旋转的螺旋装置。此装置的另外一种实施方案包括震动供料器和气体管道，震动供料器将半导体材料粉末引入该气体管道中，以便与载气一起流动。
此装置的各种公开的实施方案具有支撑玻璃片衬底沿水平方向延伸的传送器以便具有朝下和朝上的表面。此装置的一种实施方案具有位于传送器上方的被加热的渗透元件，以便在玻璃片衬底的朝上的表面上淀积半导体层。此外，此实施方案被公开为包括支撑玻璃片衬底的朝下的表面的滚筒。此装置的另一种实施方案具有构造成包括用来支撑沿基本上水平延伸方向的玻璃片衬底以便具有朝下和朝上的表面的气体床。此后一实施方案的被加热的渗透元件被公开为位于玻璃片衬底下方，以便在玻璃片衬底的朝下的表面上淀积半导体层。
本发明的另一目的是提供一种改进了的在玻璃片衬底上淀积半导体材料的方法。
在实现上述目的的过程中，借助于对渗透元件进行加热，并使载气和半导体材料通过被加热的渗透元件以便加热提供蒸气，来执行淀积半导体材料的方法。玻璃片衬底被传送到靠近加热的渗透元件，以便蒸气在玻璃片衬底上淀积成半导体层。
在此方法的优选实施过程中，电压被施加在具有管状形状的渗透元件的相对置的末端上且载气和半导体材料被引入其中以便通过那里向外流动，作为蒸气淀积在玻璃片衬底上形成半导体层。
蒸气由套筒引导围绕在管状渗透元件的外部，并通过套筒中的开口向外流出，以便在玻璃片衬底上淀积半导体层。蒸气可以通过具有相对置的末端的缝隙状开口从套筒向外流出，在相对置的末端之间的开口具有变化的尺寸，以便控制蒸气在玻璃片衬底上淀积成半导体层的分布。而且，载气和半导体材料被公开为两者被引入管状渗透元件的相对置的末端。
此方法的不同实施为，将半导体材料以粉末形式引入载气，以便流到并通过被加热的渗透元件。在此方法的一种这样的实施中，半导体粉末旋转的螺旋装置引入载气，而此方法的另一种这样的实施利用震动供料器将半导体粉末引入载气。
如所公开的那样，执行此方法所用的载气为氦。
此方法的二种不同的实施都借助于沿水平延伸方向传送玻璃片衬底来完成，以便具有朝下和朝上的表面，在此方法的一种实施中，蒸气向下流动，使在被传送的玻璃片衬底的朝上的表面上淀积半导体层，而在此方法的另一种实施中，蒸气向上流动，使在被传送的玻璃片衬底的朝下的表面上淀积半导体层。
从结合附图对实施本发明的最佳模式进行的下列详细描述中，很容易明了本发明的目的、特点和优点。
附图简述
图1是示意立面图，示出了根据本发明的用于在玻璃片衬底上淀积半导体材料的装置。
图2是沿图1中2-2线方向通过装置的分配器的局部剖面图，示出了用于将载气和半导体材料引入管状渗透元件的相对置的末端的一对材料供应源。
图3是沿图2中3-3线方向通过分配器的剖面图。
图4是沿图2的4-4线方向的底平面图，示出了装置中套筒的尺寸变化的缝隙开口。
图5示出了材料供应源的变通实施例，它包括与图2所示绕水平轴旋转不同的绕垂直轴旋转的螺旋装置。
图6是材料供应源的又一实施例，它包括一个震动供料器。
图7示出了另一实施例，其中与图1所示的半导体材料被淀积在被传送的玻璃片衬底的朝上的表面上相反，半导体材料被淀积在被传送的玻璃片衬底的朝下的表面上。
实施本发明的最佳方式
参照附图中的图1，通常由10表示的玻璃片加工系统包括根据本发明构造的用于实施本发明的方法的装置12。为了便于理解本发明的不同情况，以下将以完整的方式更充分地描述根据本发明的加工玻璃片G的装置12和方法。
继续参照图1，系统10包括限定加工室16的外壳14，半导体材料在加工室中被淀积在玻璃片衬底G上。外壳14包括入口部分18和出口部分20。这些入口部分18和出口部分20可以构造成装料闭锁装置或缝隙密封装置，玻璃片衬底G通过它们进出加工室16。以诸如上述Foote等人的专利所公开的任何一种适当的方式对外壳14进行加热，使其加工室保持在500-700℃的温度下，并在加工过程中将玻璃片衬底加热到稍低的大约400-650℃的温度。
继续参照图1并另外参照图2和3，本发明的装置12包括具有加长结构的管状形状的导电渗透元件24的分配器22。如所公开的那样，利用其相对置的末端28处的电连接26，并沿元件的长度施加电压，来对管状渗透元件24进行加热。此电压使电流沿管状渗透元件24的长度流动，以便在加工过程中对其提供电加热。管状渗透元件24的这一加热是为了达到大约850-1150℃的温度。装置12的至少一个材料供应源30，被用来将载气和半导体材料引入管状渗透元件24中用来加热以便在加工过程中提供向外通过管状渗透元件的蒸气。装置的传送器32将玻璃片衬底G传送到靠近分配器22，以便蒸气在衬底上淀积成半导体层。
在装置12的优选构造中，管状渗透元件24由碳化硅制成，虽然也可以由可渗透的碳或任何其它最好是导电的、以便以所公开的方式提供加热的可渗透的材料制成。而且，分配器22最好包括通常为管状形状的最好如图3所示容纳管状渗透元件24的套筒34。套筒34引导蒸气围绕在管状渗透元件24的外部，并具有一个蒸气通过它流过以便在玻璃片衬底G上淀积半导体层的开口36。更具体地说，套筒34的优选构造具有构造成沿套筒的管状形状延伸的缝隙的开口34。图4所示的套筒34具有相对置的末端37，二个末端之间的缝隙状开口36具有变化的尺寸，它方便了蒸气的分布和半导体层的均匀淀积。更具体地说，如以下更充分地描述的那样，在靠近载气和半导体材料被引入的末端37处，缝隙状开口36具有比较小的尺寸，而在离引入处较远的中间处具有比较大的尺寸，以便提供均匀的淀积。为了提供半导体材料的良好分布，在管状渗透元件24的内部提供使蒸气沿管状渗透元件的长度然后沿套筒的缝隙状开口36的长度向外均匀通过的适当的分流器，可能是可取的。而且，套筒34优选由最好是莫来石的陶瓷材料制成。
套筒34还有利地降低了从热的管状渗透元件24到玻璃片衬底G的辐射热传输。更具体地说，由于其外表面温度低于热的管状渗透元件24的温度，所以减少了套筒34辐射到玻璃片衬底的能量。莫来石具有恰当地低的辐射率，比较坚固并容易制造。此外，应该承认，可以提供涂层来降低套筒34的外表面的辐射率诸如Al2O3或Y2O3。
还应该指出的是，可以选择套筒34的缝隙状开口36的长度，来控制玻璃片衬底上的淀积层的宽度范围。这样，可以将缝隙状开口36的长度选择成小于玻璃片衬底的宽度，以提供条形淀积层。这一控制还能够将蒸气的浪费减为最小。当要覆盖衬底的整个宽度时，可以理想地使缝隙状开口36的长度等于或稍许小于衬底的宽度，使得在淀积过程中基本上所有蒸气都被淀积到衬底上。
在提供有效的淀积的过程中，套筒34已经离开被传送的玻璃片衬底0．5-3．0cm的距离。虽然能够使用更大的距离，但这可能需要较低的系统压力，并可能由于喷溅而导致蒸气的浪费。此外，由于玻璃片衬底在传送过程中的热弯曲，比较小的间距可能引起问题。
如图2所示，材料供应源30将来自源38的载气和来自漏斗42的半导体材料粉末40引入到管状渗透元件24的一端28，还有另一个材料供应源30同样地将载气和半导体材料粉末引入到管状渗透元件24的另一端28。这样就沿管状渗透元件24的整个长度有了载气和被携带的半导体粉末的良好的分布。
继续参照图2，所示的每个材料供应源30包括旋转的螺旋装置44，它接收来自漏斗42的半导体粉末40，并由适当的传动装置46旋转驱动。管道48从载气源38延伸到多孔管状元件24的邻近末端28，与旋转的螺旋装置44连通。螺旋装置44以受到控制的速率旋转，将半导体粉末40引入到管道48中，以便被携带在其中流入管状渗透元件24中以便加热提供蒸气。
图2、5和6分别公开了材料供应源30、30’和30’’的不同实施例。更具体地说，图2所示的材料供应源30的实施例具有绕水平轴旋转的螺旋装置44用来将半导体粉末40引入载气管道48，而材料供应源30’的图5实施例具有绕垂直轴旋转的螺旋装置44用来将半导体粉末40从漏斗42引入载气管道48。借助材料供应源的这些螺旋装置实施例的每一个，被引入的半导体材料粉末的数量能够通过螺旋装置的旋转速率准确地控制。而且，材料供应源30’’的图6实施例包括震动供料器50，它具有从漏斗42向上延伸到载气管道48的倾斜的管道52。震动供料器50的工作引起半导体粉末40震动，使之沿倾斜的管道52向上运动到载气管道48，以被携带的粉末的形式流入管状渗透元件24。
应该承认，也可以利用其它类型的材料供应源来供应半导体粉末，包括市售的液化床供料器和转盘供料器。粉末供应速率和玻璃片衬底的传送速度直接控制着薄膜的厚度，致使载气流速、粉末供应速率和玻璃片传送速度都必须受到控制。粉末供应的开始和停止也能够被用来开始和结束玻璃片衬底上的半导体层的淀积。
图1和7分别示出了装置12和12a的二个不同的实施例，二者都沿水平延伸方向支撑玻璃片衬底G，以便具有朝下和朝上的表面54和56。
在图1的实施例中，分配器22位于传送器32上方，以便在玻璃片衬底G的朝上的表面56上淀积半导体层。而且，装置的这一实施例公开了滚筒型传送器32，它包括在工艺过程中支撑玻璃片衬底的朝下表面54对其进行传送的滚筒58。
在图7的实施例中，装置12a具有构造成气体床的用来支撑玻璃片衬底G进行传送的传送器32a。更具体地说，气体床传送器32a包括被加热的加压气体的压力通风系统62上方的难熔床60。床60中的孔64用于被加压加热的气体的向上流动，以便以浮动方式支撑玻璃片衬底G。根据常规构造的床60还可以包括排气开口，气体通过它向下穿过床返回到未示出的适当的返回室。在传送器32a的这种气体床构造中，分配器22位于玻璃片衬底G下方，以便在其向下的表面54上淀积半导体层。于是，与缝隙开口36位于套筒下端的图1的实施例不同，在此实施例中，套筒34中的缝隙提供的开口36位于分配器22的上端。
还应该承认，能够利用具有位于被传送的玻璃片衬底上方的分配器的气体床传送器，来提供如图1实施例的在其上表面上的淀积，而不像图7实施例提供在下表面上的淀积。
在执行淀积的过程中，用碲化镉和硫化镉作为半导体材料已经得到了成功的结果。但应该承认的是，也可以利用其它半导体材料包括ⅡB族和ⅥA族元素，以及包括这些元素的诸如硒化锌之类的化合物的，以及在进一步加工时变成半导体的其它材料。而且，可以用掺杂剂来增强淀积。
已经在加工室16中抽真空至约为1-50乇的情况下，利用了执行本发明的方法的装置。在图1所示的连接中，加工系统10包括适当的排气泵66，用来在开始时和之后连续地对外壳14的加工室16进行抽气以清除载气。
从源38供应的载气优选是氦气，已经发现它能提高玻璃温度范围和压力范围，这提供了诸如致密淀积和良好接合的良好的半导体特性。载气也能够是另一种气体诸如氮、氖、氩或氪，或这些气体的组合。载气也有可能包括一种反应气体诸如能够有利地影响半导体材料的生长性质的氧。已经确定每分钟0．3-10标准升的载气流速足以为分配器22提供用来淀积的半导体材料流。
虽然已经详细地描述了实施本发明的最佳模式，但熟悉与本发明相关的技术的人员可以理解执行下列权利要求确定的本发明的其它方法。

Claims (31)

1．在玻璃片衬底上淀积半导体材料的装置，包含：
被加热的渗透元件；
用于供应流过被加热的渗透元件并以蒸气形式从中穿过的载气和半导体材料的材料供应源；以及
用于将玻璃片衬底传送到靠近被加热的渗透元件，以便蒸气在衬底上淀积成半导体层的传送器。
2．按权利要求1的用于淀积半导体材料的装置，其中被加热的渗透元件具有管状形状，材料供应源将载气和半导体材料引入其中以便以蒸气的形式从中向外流动，使得蒸气作为半导体层淀积在玻璃片衬底上。
3．按权利要求2的用于淀积半导体材料的装置，其中管状渗透元件具有相对置的末端，电压被施加在二个末端上对其进行加热。
4．按权利要求3的用于淀积半导体材料的装置，其中的管状渗透元件由碳化硅制成。
5．按权利要求2、3或4的用于淀积半导体材料的装置，还包括容纳管状渗透元件的通常为管状的套筒，并且此套筒具有开口，蒸气从中通过，以便在玻璃片衬底上淀积形成半导体层。
6．按权利要求5的用于淀积半导体材料的装置，其中套筒的开口是沿套筒的管状形状延伸的缝隙。
7．按权利要求6的用于淀积半导体材料的装置，其中套筒具有相对置的末端，缝隙在二个末端之间具有变化的尺寸。
8．按权利要求5的用于淀积半导体材料的装置，其中套筒由陶瓷材料制成。
9．按权利要求8的用于淀积半导体材料的装置，其中陶瓷材料是莫来石。
10．按权利要求2的用于淀积半导体材料的装置，其中材料供应源将载气和半导体材料引入到管状渗透元件的一端。
11．按权利要求10的用于淀积半导体材料的装置，还包括另一个材料供应源将载气和半导体材料引入到管状渗透元件的另一端。
12．按权利要求1的用于淀积半导体材料的装置，其中材料供应源包括一旋转的螺旋装置以及一气体管道，旋转的螺旋装置将半导体材料粉末引入其中以便与载气一起流动。
13．按权利要求12的用于淀积半导体材料的装置，其中旋转的螺旋装置绕水平轴旋转。
14．按权利要求12的用于淀积半导体材料的装置，其中旋转的螺旋装置绕垂直轴旋转。
15．按权利要求1的用于淀积半导体材料的装置，其中材料供应源包括一震动供料器以及一气体管道，震动供料器将半导体材料粉末引入其中以便与载气一起流动。
16．按权利要求1或3的用于淀积半导体材料的装置，其中传送器沿水平延伸方向支撑玻璃片衬底，以便具有朝下和朝上的表面，而被加热的渗透元件位于传送器上方，以便在玻璃片衬底的朝上的表面上淀积半导体层。
17．按权利要求16的用于淀积半导体材料的装置，其中传送器包括支撑玻璃片衬底的朝下的表面的滚筒。
18．按权利要求1或3的用于淀积半导体材料的装置，其中传送器包括一气体床用于沿通常为水平延伸方向支撑并传送玻璃片衬底以便具有朝下和朝上的表面。
19．按权利要求18的用于淀积半导体材料的装置，其中被加热的渗透元件位于玻璃片衬底下方，以便在被气体床传送的玻璃片衬底的朝下的表面上淀积半导体层。
20．在玻璃片衬底上淀积半导体材料的方法，包含：
对渗透元件进行加热；
使载气和半导体材料通过被加热的渗透元件以便加热提供蒸气；以及
将玻璃片衬底传送到靠近被加热的渗透元件，以便蒸气在玻璃片衬底上淀积成半导体层。
21．按权利要求20的用于淀积半导体材料的方法，其中电压被施加在具有管状形状的渗透元件的相对置的末端上，载气和半导体材料被引入其中以便以蒸气的形式从中向外流动使得蒸气作为半导体层淀积在玻璃片衬底上。
22．按权利要求21的用于淀积半导体材料的方法，其中蒸气被套筒引导围绕管状渗透元件的外部，并向外通过套筒中的开口用来在玻璃片衬底上淀积半导体层。
23．按权利要求22的用于淀积半导体材料的方法，其中蒸气从套筒向外通过具有相对置的末端的缝隙状开口流出，在相对置的末端之间，开口具有变化的尺寸。
24．按权利要求22的用于淀积半导体材料的方法，其中载气和半导体材料二者都被引入管状渗透元件的相对置的末端。
25．按权利要求20的用于淀积半导体材料的方法，其中半导体材料以粉末形式被引入载气以便流向并通过被加热的渗透元件。
26．按权利要求25的用于淀积半导体材料的方法，其中半导体粉末被旋转的螺旋装置引入载气。
27．按权利要求25的用于淀积半导体材料的方法，其中半导体粉末被震动供料器引入载气。
28．按权利要求20、21、22、23或24的用于淀积半导体材料的方法，其中载气是氦。
29．按权利要求20、21、22或23的用于淀积半导体材料的方法，其中玻璃片衬底沿水平延伸方向被传送，以便具有朝下和朝上的表面。
30．按权利要求30的用于淀积半导体材料的方法，其中蒸气向下流动，以便在被传送的玻璃片衬底的朝上的表面上淀积半导体层。
31．按权利要求20、21、22、23或24的用于淀积半导体材料的方法，其中玻璃片衬底沿通常为水平延伸的方向被气体床传送，以便具有朝上和朝下延伸的表面，并且向上流动的蒸气用于在被传送的玻璃片衬底的朝下的表面上淀积半导体层。
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