一种光电化学沉积槽的制作方法

1.本实用新型涉及一种光电化学沉积槽，属于化学沉积技术领域。


背景技术：

2.随着科技的进步和社会的发展，人类社会对半导体的质量和需求量将会不断上升。目前，在电积工业中所出现的电积槽多为传统型电沉积槽，其极板排布方式固定不变，只能以竖直悬挂的方式进行排布和沉积。如使用传统电沉积技术制备半导体，随着沉积过程的进行，电极的电导率逐渐降低，电极电势也降低，最终导致原材料沉积速率降低、电流效率降低。若将传统型电沉积槽用于半导体的光电化学沉积过程，则光能利用率不高，沉积半导体的效率、产量和质量难以提升。若能高效、低能耗地制备这类半导体，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。
4.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。
5.光电化学沉积技术主要是利用光电效应来影响光电化学沉积过程，首先是光电导效应，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；其次是光生伏特效应，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。上述两种现象会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。最后是光热效应，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。


技术实现要素：

6.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槽，本实用新型光电化学沉积槽可根据不同需求、不同沉积元素而改变极板的倾斜度，从而实现极板间距的快速调节、生产效率的提高，人力成本的降低，经济效益的提升。
7.本实用新型的光电化学沉积槽基于光效应和电效应，利用半导体在光照情况下受激发产生电子
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空穴对的特征，开发出一种便捷、高效、适应性广的制备半导体的光电化学
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，以解决多数半导体元素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。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元素的问题；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
‑
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。
8.本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：
9.一种光电化学沉积槽，包括光源、沉积槽体1和极板倾角调控装置4，光源设置在沉积槽体1的壁上，电极板7倾斜设置在沉积槽体1内且电极板7互相平行，极板倾角调控装置4包括电机、动力输入齿轮i3、动力输入齿轮ii、从动齿轮i、从动齿轮ii、传动链条i5、传动链条ii和电极板7，动力输入齿轮i3、动力输入齿轮ii、从动齿轮i、从动齿轮ii分别设置在沉积槽体1顶端的四角，动力输入齿轮i3的中心通过转动轴i与动力输入齿轮ii的中心固定连接，转动轴i与电极板7顶端平行，转动轴i固定设置在电机的输出端，动力输入齿轮i3与从动齿轮i通过传动链条i5传动连接，动力输入齿轮ii与从动齿轮ii通过传动链条ii传动连接，电极板7顶端两侧分别设置有挂耳i12和挂耳ii，挂耳i12的顶端和底端均设置有与传动链条i5啮合传动的齿形结构i，挂耳ii的顶端和底端均设置有与传动链条ii啮合传动的齿形结构ii；
10.所述极板倾角调控装置4还包括活动嵌块15，活动嵌块15设置在相邻电极板7之间的传动链条i5和传动链条ii内，活动嵌块15的顶端和底端均设置有与传动链条i5或传动链条ii啮合传动的齿形结构iii，相邻活动嵌块15的缝隙形成电极板卡槽8，电极板7顶端的挂耳i12和挂耳ii设置在电极板卡槽8内；
11.带动传动链条i5和传动链条ii同步转动时，活动嵌块15的顶端和底端朝不同方向位移，推动电极板7竖向角度发生改变，实现电极板的角度平稳调节；并且活动嵌块15可使电极板7的挂耳i12和挂耳ii更稳固的设置在传动链条i5和传动链条ii内；
12.活动嵌块15包括柔性嵌块主体和刚性齿体结构，刚性齿体结构固定设置在柔性嵌块主体的上下两端，刚性齿体结构与传动链条i5或传动链条ii啮合传动；
13.进一步的，所述电极板卡槽8内设置有与电极板7接触的导电嵌片11；
14.所述光电化学沉积槽的光源设置在沉积槽体1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；
15.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；
16.所述沉积槽体1的顶部设置有电解液入口2和电解液出口8，电解液入口2与电解液出口8分别位于沉积槽体1的两个相对侧壁上，电解液出口8内设置有排液管，排液管的底端延伸至沉积槽体1的底部，沉积槽体1的底端开设有阳极泥出口9；
17.所述电极板7的沉积工作区14边缘包覆设置有绝缘边条13；
18.所述光电化学沉积槽，还包括支撑底座10，沉积槽体1设置在支撑底座10上；
19.所述电机为步进电机、减速电机、低速电机或伺服电机；
20.传动链条i5和传动链条ii为相同类型的传动链条，包括但不限于滚子链、皮带链、板链、双导轮链条、齿形链；
21.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；
22.光电化学沉积槽的电极板角度调节方法：电机带动转动轴转动，同时带动动力输入齿轮i3和动力输入齿轮ii同步转动，从而带动传动链条i5和传动链条ii同步转动，由于电极板7顶端两侧分别设置有挂耳i12和挂耳ii，挂耳i12的顶端和底端均设置有与传动链条i5啮合传动的齿形结构i，挂耳ii的顶端和底端均设置有与传动链条ii啮合传动的齿形结构ii，从而带动挂耳i12和挂耳ii的顶端和底端朝不同方向位移，使电极板7竖向角度发生改变，实现电极板的角度调节。
23.本实用新型的有益效果：
24.(1)本实用新型克服了传统电解槽中极板只能竖直悬挂的情况，可根据不同需求、不同沉积物质而改变极板之间的倾斜度，从而实现极板间距的快速调节及光线的全极板照射，以此降低沉积槽的槽电压、能耗、人力成本，并提升沉积层质量、生产效率及工艺适应性；
25.(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、沉积效率、沉积物质量；在自然光参与沉积过程时，可减弱人造光源的照射强度，甚至可关闭人造光源，以达到充分利用清洁能源、降低生产成本，实现节能减排的目的；
26.(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；
27.(4)本实用新型设备用于半导体电积过程中有利于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、沉积效率、沉积物质量、生产经济效益；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；在光照下电沉积半导体将传统电化学沉积变为光电化学沉积，有助于解决电化学沉积无法提取低电导率半导体元素的问题；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，提升了反应效率。
28.(5)本实用新型的光电化学沉积槽具有结构简单、拆卸方便、易维护、制造要求及制造成本低的优点。
附图说明
29.图1为光电化学沉积槽主视图(对称的右端为剖视图)；
30.图2为光电化学沉积槽侧视图(对称的右端为剖视图)；
31.图3为光电化学沉积槽俯视图(对称的右端为剖视图)；
32.图4为实施例1极板倾角调控装置示意图；
33.图5为图4的a处放大图；
34.图6为实施例2极板倾角调控装置示意图；
35.图7为图6的a处放大图；
36.图8为电极板示意图；
37.图中，1
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沉积槽体、2
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电解液入口、3
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动力输入齿轮i、4
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极板倾角调控装置、5
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传动链条i、6
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电极板卡槽、7
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电极板、8
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电解液出口、9
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阳极泥出口、10
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支撑底座、11
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导电嵌片、12
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挂耳i、13
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绝缘边条、14
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沉积工作区、15
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活动嵌块。
具体实施方式
38.下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
39.实施例1：如图1
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5所示，一种光电化学沉积槽，包括光源、沉积槽体1和极板倾角调控装置4，光源设置在沉积槽体1的壁上，电极板7倾斜设置在沉积槽体1内且电极板7互相平行，极板倾角调控装置4包括电机、动力输入齿轮i3、动力输入齿轮ii、从动齿轮i、从动齿轮ii、传动链条i5、传动链条ii和电极板7，动力输入齿轮i3、动力输入齿轮ii、从动齿轮i、从动齿轮ii分别设置在沉积槽体1顶端的四角，动力输入齿轮i3的中心通过转动轴i与动力输入齿轮ii的中心固定连接，转动轴i与电极板7顶端平行，转动轴i固定设置在电机的输出端，动力输入齿轮i3与从动齿轮i通过传动链条i5传动连接，动力输入齿轮ii与从动齿轮ii通过传动链条ii传动连接，电极板7顶端两侧分别设置有挂耳i12和挂耳ii，挂耳i12的顶端和底端均设置有与传动链条i5啮合传动的齿形结构i，挂耳ii的顶端和底端均设置有与传动链条ii啮合传动的齿形结构ii；
40.光电化学沉积槽的电极板角度调节方法：电机带动转动轴转动，同时带动动力输入齿轮i3和动力输入齿轮ii同步转动，从而带动传动链条i5和传动链条ii同步转动，由于电极板7顶端两侧分别设置有挂耳i12和挂耳ii，挂耳i12的顶端和底端均设置有与传动链条i5啮合传动的齿形结构i，挂耳ii的顶端和底端均设置有与传动链条ii啮合传动的齿形结构ii，从而带动挂耳i12和挂耳ii的顶端和底端朝不同方向位移，使电极板7竖向角度发生改变，实现电极板的角度调节。
41.实施例2：本实施例光电化学沉积槽与实施例1的光电化学沉积槽基本相同，不同之处在于：如图6
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7所示，极板倾角调控装置4还包括活动嵌块15，活动嵌块15设置在相邻电极板7之间的传动链条i5和传动链条ii内，活动嵌块15的顶端和底端均设置有与传动链条i5或传动链条ii啮合传动的齿形结构iii，相邻活动嵌块15的缝隙形成电极板卡槽8，电极板7顶端的挂耳i12和挂耳ii设置在电极板卡槽8内；
42.带动传动链条i5和传动链条ii同步转动时，活动嵌块15的顶端和底端朝不同方向位移，推动电极板7竖向角度发生改变，实现电极板的角度平稳调节；并且活动嵌块15可使电极板7的挂耳i12和挂耳ii更稳固的设置在传动链条i5和传动链条ii内；
43.活动嵌块15包括柔性嵌块主体和刚性齿体结构，刚性齿体结构固定设置在柔性嵌块主体的上下两端，刚性齿体结构与传动链条i5或传动链条ii啮合传动。
44.实施例3：本实施例光电化学沉积槽与实施例2的光电化学沉积槽基本相同，不同之处在于：电极板卡槽8内设置有与电极板7接触的导电嵌片11；导电嵌片11可提高电极板7的导电性；
45.光电化学沉积槽的光源设置在沉积槽体1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；
46.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；
47.沉积槽体1的顶部设置有电解液入口2和电解液出口8，电解液入口2与电解液出口8分别位于沉积槽体1的两个相对侧壁上，电解液出口8内设置有排液管，排液管的底端延伸至沉积槽体1的底部，沉积槽体1的底端开设有阳极泥出口9；
48.电极板7的沉积工作区14边缘包覆设置有绝缘边条13；
49.光电化学沉积槽，还包括支撑底座10，沉积槽体1设置在支撑底座10上；
50.电机为步进电机、减速电机、低速电机或伺服电机；
51.传动链条i5和传动链条ii为相同类型的传动链条，包括但不限于滚子链、皮带链、板链、双导轮链条、齿形链；
52.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；
53.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、沉积效率、沉积物质量；在自然光参与沉积过程时，可减弱人造光源的照射强度，甚至可关闭人造光源，以达到充分利用清洁能源、降低生产成本，实现节能减排的目的。
54.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。