一种光电化学沉积装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种光电化学沉积装置，属于化学沉积技术领域。


背景技术：

2.在半导体工业中所出现的沉积槽多为传统型电沉积沉积槽，传统电沉积技术下的电化学沉积法的电导率过低，随着沉积过程的进行电势降低，将会导致原材料利用率过低。将传统型电沉积沉积槽用于光电化学沉积过程，对光能的利用率不高，沉积半导体的产量和质量难以提升。若能高效、低能耗地提取这类元素，将大大提高企业效益，并能使资源得到充分利用。
3.电化学沉积就是利用电化学方法，电解液离子在阳极发生氧化反应，在阴极表面发生还原反应，通过选择性调节电沉积参数(电极电位、电流密度、电沉积溶液的ph值等)，使电解液阳离子在阴极表面被还原而析出所需物质的一种方法。电极反应一般包括以下几个过程：(1)反应离子由溶体向双电层移动，并继续经双电层向电极表面靠近；(2)反应离子在电极表面进行电极反应前的转化过程；(3)电极上的电子传递；(4)反应产物在电极表面进行反应后的转化过程；(5)反应产物形成新相，或反应产物自电极表面向电解液传递。


技术实现要素：

4.本实用新型针对传统电解槽中电极板只能竖直悬挂的情况，提出一种光电化学沉积装置，本实用新型光电化学沉积装置可根据不同需求、不同沉积元素而改变阳极板和阴极板的距离，从而实现阳极板和阴极板间距的调节、生产效率的提高，人力成本的降低，经济效益的提升。
5.本实用新型的光电化学沉积是集光、电、化学为一体的沉积技术，是建立在半导体电化学基础上的一种材料制备手段。在光的照射下，光被金属或半导体电极材料吸收，或被电极附近溶液中的反应剂吸收，造成能量积累或促使电极反应发生，体现为光能和电能与化学能的转换。光照对电化学沉积金属半导体元素的作用类型分为光热效应和光电效应，并以光电效应为主。根据电势
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能级图，光照对阴极电化学沉积半导体元素的沉积过程有良好的强化作用，可降低空间电荷层电势差、降低欧姆压降并增大反应饱和电流，最终表现为提高沉积速率，增强成核与生长驱动力，并改善沉积薄膜的物化性质。这种强化作用与增加过电势不同，过电势的增加对沉积体系的影响随着沉积的进行而减弱，而光照对沉积体系的影响随着半导体沉积层的变厚而加强。半导体与电解质溶液接触界面处存在能带弯曲(空间电荷层)，若用能量大于半导体材料禁带宽度e
g
的光照射半导体/溶液界面，则空间电荷层中产生的电子
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空穴对将被电场分离。多子通过外电路输向对电极；少子则被扫向表面并与溶液中的电解质反应生成产物，实现光电化学电解(即光电化学沉积)。
6.本实用新型的光电化学沉积装置利用光电效应来影响光电化学沉积过程，第一，光电导效应，即能量大于半导体材料禁带宽度e
g
的光照射半导体表面，促使半导体载流子浓度的升高，从而提升了半导体的导电性；第二，光生伏特效应，能量大于半导体材料禁带
宽度e
g
的光照射至半导体/溶液界面时，半导体上产生的电子
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空穴对将被弯曲的能带分离，对电极/电解液界面电势产生影响，第一和第二对电化学沉积体系中的载流子浓度以及电极/电解液界面电势降产生巨大的影响，从而使得离子还原过电势降低、电极反应速率加快；第三，光热效应，即能量低的光子激发能力很弱，热量传递性强，其主要作用是进行热辐射，导致电解液温度上升，类似于对沉积体系进行加热，可有效增强沉积过程中电解液中各电解质离子的扩散运动，从而改变电化学沉积行为。
7.本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：
8.一种光电化学沉积装置，包括光源和沉积槽体11，光源设置在沉积槽体11的壁上，阳极板3和阴极板5分层交替设置在沉积槽体11的内侧壁，阳极板3和阴极板5均与沉积槽体11的内侧壁垂直，阳极板3和阴极板5均通过导电棒13外接电源；阳极板3位于阴极板5的上方；
9.所述沉积槽体11包括底壁、侧壁i6、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv，侧壁i6、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv依次无缝固定设置在底壁的上边缘，侧壁i6、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv的边缘依次固定无缝连接，侧壁ii和侧壁iv的内侧竖直方向均开设有若干层电极板滑槽4，侧壁i6的竖直方向开设有若干层与电极板滑槽4对应的电极插入槽，侧壁iii的内侧壁上开设有若干层与电极板滑槽4对应的电极板固定槽，阳极板3和阴极板5分层交替插设穿过电极插入槽并滑设在电极板滑槽4内，阳极板3和阴极板5通过电极板固定槽分层交替设置在侧壁iii的内侧壁上；
10.所述底壁、侧壁i(6)、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv一体成型形成沉积槽体11，沉积槽体11内装电解液；
11.所述电极插入槽的外侧设置有电极密封件12，导电棒13穿过电极密封件12外接电源；
12.进一步的，所述阳极板3的底端固定设置有阳极泥收集袋2；阳极泥收集袋2可收集沉积过程中产生的阳极泥，防止阳极泥沉降于阴极板上污染沉积产物；
13.所述光电化学沉积装置的光源设置在沉积槽体11顶壁、侧壁、槽底壁的一处或多处；光源放置在槽内的电极板侧边与沉积槽壁之间，或光源平行于极板并依次放入阴、阳极板之间；可根据不同需要放入可发射不同波段光线的光源，光源产生的光线参与沉积反应过程，可提高目标元素的收得率、提高沉积效率、提升沉积物质量、增加产量、降低生产成本；
14.所述沉积槽体11的顶部设置有电解液入口1，沉积槽体11的底部设置有电解液出口7，电解液入口1与电解液出口7分别位于沉积槽体11的两个相对侧壁上，电解液出口7内设置有排液管，排液管的一端与沉积槽体11的内部连通，沉积槽体11的底端开设有排污孔10；
15.进一步的，所述排液管上设置有截止阀8；
16.所述阳极板3和阴极板5的工作区边缘均设置有绝缘边条14，阳极板3和阴极板5的两端头均设置有挂耳15，导电棒13与挂耳15电连接；
17.所述光电化学沉积装置还包括支撑底座9，沉积槽体11设置在支撑底座9上。
18.光源外包覆设置有透光密封体，透光密封体可避免光源受腐蚀；光源可根据不同需求置入可发射不同波段光线的光源，以满足不同生产需求；
19.进一步的，所述光源的形状包含但不限于板状、棒状、“u”型；光源选自氙灯、卤钨灯、金卤灯、白炽灯、日光灯、led灯、汞灯、紫外灯、激光、红外发射器及其他可发射不同波段光线的光源中的一种或多种，也可以使用自然光进行照射；照射光线的强度为1
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9000mw/cm2；
20.光电化学沉积装置的阳极板和阴极板间距调整方法：根据不同需求、不同沉积元素选择阳极板和阴极板的适宜间距，将阳极板和阴极板按照适宜间距依次分层交替插设穿过电极插入槽并滑设在电极板滑槽4内，并通过电极板固定槽分层交替设置在侧壁iii的内侧壁上。
21.本实用新型的有益效果：
22.(1)本实用新型光电化学沉积装置，实现光效应和电效应的协同作用，降低能耗，节能减排，减少人力成本，提升沉积层质量、提高生产效率，适应性较强；
23.(2)本实用新型人造光源及自然光源产生的光线参与沉积反应过程，可提高目标元素的收得率、提高沉积效率、提升沉积物质量、增加产量；在自然光参与沉积过程时，可减弱人造光源的照射强度，甚至关闭人造光源，充分利用清洁能源，降低生产成本，节能减排；
24.(3)本实用新型光源可采用几种不同放置方式，可使电极板得到较好光线照射，光效应的作用下使得半导体沉积的效果更好；
25.(4)本实用新型设备实现光效应和电效应的协同作用，克服单一光效应或电效应存在的缺点，并形成优势互补，提高目标元素的收得率、提升沉积效率、提高沉积物质量、增加产量、降低生产成本；半导体在受到频率大于其特征吸收限的光照时，会产生光电导效应和载流子的重新分布，光电化学沉积过程可大幅减小欧姆降，有助于解决电化学冶金无法提取低电导率半导体的问题；光作为一种能量传递的形式，可促进反应离子的迁移和扩散，从而促进电化学反应的进程；
26.(5)本实用新型的光电化学沉积装置根据不同需求、不同沉积元素选择阳极板和阴极板的适宜间距；
27.(6)本实用新型的光电化学沉积装置具有结构简单、拆卸方便、易维护、制造要求及制造成本低的优点。
附图说明
28.图1为光电化学沉积装置主视图(对称的右端为剖视图)；
29.图2为光电化学沉积装置侧视图(对称的右端为剖视图)；
30.图3为光电化学沉积装置俯视图(对称的右端为剖视图)；
31.图4为侧壁i、阳极板、阴极板和电极密封件的配合示意图；
32.图5为阳极板示意图；
33.图中，1
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电解液入口、2
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阳极泥收集袋、3
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阳极板、4
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电极板滑槽、5
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阴极板、6
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侧壁i、7
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电解液出口、8
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截止阀、9
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支撑底座、10
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排污孔、11
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沉积槽体、12
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电极密封件、13
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导电棒、14
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绝缘边条、15
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挂耳。
具体实施方式
34.下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
35.实施例1：如图1
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3所示，一种光电化学沉积装置，包括光源和沉积槽体11，光源设置在沉积槽体11的壁上，阳极板3和阴极板5分层交替设置在沉积槽体11的内侧壁，阳极板3和阴极板5均与沉积槽体11的内侧壁垂直，阳极板3和阴极板5均通过导电棒13外接电源；阳极板3位于阴极板5的上方；
36.沉积槽体11包括底壁、侧壁i6、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv，侧壁i6、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv依次无缝固定设置在底壁的上边缘，侧壁i6、侧壁ii、侧壁iii和侧壁iv的边缘依次固定无缝连接，侧壁ii和侧壁iv的内侧竖直方向均开设有若干层电极板滑槽4，侧壁i6的竖直方向开设有若干层与电极板滑槽4对应的电极插入槽，侧壁iii的内侧壁上开设有若干层与电极板滑槽4对应的电极板固定槽，阳极板3和阴极板5分层交替插设穿过电极插入槽并滑设在电极板滑槽4内，阳极板3和阴极板5通过电极板固定槽分层交替设置在侧壁iii的内侧壁上；
37.光电化学沉积装置的阳极板和阴极板间距调整方法：根据不同需求、不同沉积元素选择阳极板和阴极板的适宜间距，将阳极板和阴极板按照适宜间距依次分层交替插设穿过电极插入槽并滑设在电极板滑槽4内，并通过电极板固定槽分层交替设置在侧壁iii的内侧壁上；
38.本实施例为基于光效应和电效应，利用半导体元素在光照情况下受激发产生电子
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空穴对的特征，提取半导体元素的光电化学沉积槽；光激发产生的电子
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空穴对一方面可以增强半导体的导电性，以解决多数半导体无法进行电化学沉积冶金提取的困境，另外一方面这些光生电子
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空穴对还可以被半导体/电解液界面的势垒所分离，并参与电极反应以强化沉积过程。这不仅能避免火法冶炼存在的设备复杂、成本高昂、产生废气废渣污染等不足，也能有效克服传统湿法流程酸碱交替使用导致的杂质含量增加、药剂消耗增加、废水废渣难处理等问题；
39.基于光电化学原理，半导体在受到频率大于其特征吸收限的光照时，会产生光电导效应和载流子的重新分布；光电导效应可大幅减小欧姆降，有助于解决电化学冶金无法提取低电导率半导体的问题；载流子的重新分布会在空间电荷层形成高浓度的载流子聚集区，从而改变半导体表面能量状态，促进电子
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空穴对的分离，最终强化电极过程；另外，光作为一种能量传递的形式，可促进反应离子的迁移和扩散，从而促进电化学反应的进程；当待沉积半导体元素以阳离子或单质的形式存在于电解液中时，半导体元素受到电场力的驱使，在阴极上被还原或被吸附，从而实现阴极沉积；当待沉积半导体元素以酸根或其他阴离子形式存在时，含半导体元素的离子受扩散作用的驱使(适当时候可以进行搅拌)在阴极完成沉积。
40.实施例2：本实施例光电化学沉积装置与实施例1的光电化学沉积装置基本相同，不同之处在于：见图4，电极插入槽的外侧设置有电极密封件12，导电棒13穿过电极密封件12外接电源；
41.阳极板3的底端固定设置有阳极泥收集袋2；阳极泥收集袋2可收集沉积过程中产生的阳极泥，防止阳极泥沉降于阴极板上污染沉积产物；
42.光电化学沉积装置的光源设置在沉积槽体11顶壁、侧壁、槽底壁的一处或多处；光源放置在槽内的电极板侧边与沉积槽壁之间，或光源平行于极板并依次放入阴、阳极板之间；可根据不同需要放入可发射不同波段光线的光源，光源产生的光线参与沉积反应过程，
可提高目标元素的收得率、提高沉积效率、提升沉积物质量、增加产量、降低生产成本；
43.沉积槽体11的顶部设置有电解液入口1，沉积槽体11的底部设置有电解液出口7，电解液入口1与电解液出口7分别位于沉积槽体11的两个相对侧壁上，电解液出口7内设置有排液管，排液管的一端与沉积槽体11的内部连通，沉积槽体11的底端开设有排污孔10；
44.排液管上设置有截止阀8；
45.阳极板3和阴极板5的工作区边缘均设置有绝缘边条14，阳极板3和阴极板5的两端头均设置有挂耳15，导电棒13与挂耳15电连接(见图5)；
46.光电化学沉积装置还包括支撑底座9，沉积槽体11设置在支撑底座9上；
47.光源外包覆设置有透光密封体，透光密封体可避免光源受腐蚀；光源可根据不同需求置入可发射不同波段光线的光源，以满足不同生产需求；
48.光源的形状包含但不限于板状、棒状、“u”型；光源选自氙灯、卤钨灯、金卤灯、白炽灯、日光灯、led灯、汞灯、紫外灯、激光、红外发射器及其他可发射不同波段光线的光源中的一种或多种，也可以使用自然光进行照射；照射光线的强度为1
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9000mw/cm2。
49.上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。