CN100366788C - 一种利用强电场的真空热蒸镀成膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用强电场的真空热蒸镀成膜方法。它以传统的真空热蒸镀成膜方法为基础，引入强电场，使蒸发源里的材料粒子带上电荷，再通过加热蒸发，使这些带电的分子或粒子飞出，飞出的分子或粒子在电磁场的调控下精确飞向基板，最终成膜。与传统的热蒸发相比，本发明能够对蒸发出来的粒子的飞行方向和速度进行精确控制，从而提高所得到的光电子与磁器件的光电磁性能，并带来一系列其他领域的应用。

Description

一种利用强电场的真空热蒸镀成膜方法

技术领域

本发明属真空热蒸镀技术领域。具体而言，本发明涉及一种利用强电场的真空热蒸镀成膜方法。

技术背景

社会的飞速发展同微电子及微加工技术的巨大进步密不可分。随着超大规模集成电路技术在进二十年内的不断进步，我们在日常生活中已经越来越多地享受到现代光电子技术所带来的便利和快捷。虽然目前电子元件的尺寸已进入亚微米量级，然而提高集成度，进一步缩小元件尺寸的要求仍然十分迫切，材料智能化和薄膜化的问题就是在这样的历史条件下提上研究日程的。

真空镀膜技术作为薄膜制备的一种重要手段，在现代微电子技术和微器件制备中占有特殊重要的地位，这种技术指的是在真空环境下利用物理或化学手段将物质沉积在载体表面的一种工艺。一般将真空镀膜技术分为两大类：一类是物理气相沉积，称为PVD；另一类是化学气相沉积，称为CVD。其中“物理气相沉积”，是利用物理过程将物质沉积在某种载体的表面，方法有很多，其中最简单最常用的就是热蒸发，即利用物质受热后的蒸发或升华将其转化为气态再沉积在基片表面；另一种普遍使用的方法是溅射法，它是利用带电粒子经过电场加速后轰击到靶的物质上，将靶的物质表面的原子溅射出来并沿着一定的方向射向衬底，最终在衬底上沉积一层薄膜。现在IBM已经利用热蒸发技术，制作出20英寸的有机平板全彩色显示器件。但总的来说，物理气相沉积还存在很大的问题：蒸发出的材料不易控制飞行的方向和速度，这至少导致两点不足，首先，不能控制飞行方向，就会存在大量的材料浪费，只有很少量部分的材料飞向需要的位置；其次，要制作微小器件，就要用其它的各种手段，比如掩模板光刻等技术，所以制作的器件大小(如像素点)就很受限制，而且工艺复杂。分子飞向基板的速度对成膜的结构也起着至关重要的作用，对所制作的光电子器件的性能也有决定性的影响。

发明内容

本发明目的在于提出一种能够控制蒸发材料飞行方向和速度的真空热蒸发成膜方法。

本发明提出的真空热蒸镀成膜方法，是对传统真空热蒸镀膜技术的改进。它以传统真空热蒸镀成膜技术为基础，引入强电场，使蒸发源里的材料分子或粒子带上电荷，再通过加热蒸发，使这些带电分子或粒子飞出，并在电磁场控制下精确飞向基板，最终成膜。

本发明中，首先将传统的蒸发源改成金属微尖式蒸发源。所谓金属微尖式蒸发源，由里面的一金属微尖和外面的绝缘微尖套及待蒸发材料构成，其结构如图1所示。绝缘微尖套的顶部开有一个直径为0.1-3.0mm的微孔，作为材料蒸发口，待蒸发材料放置于金属微尖与微尖套之间。具体方式可采用两种：一是将待蒸发材料配制成溶液(溶液浓度较大)，涂在金属微尖的表面，烘干，再套上绝缘微尖套。二是先固定住金属微尖和微尖套，再用机械方法向内填充待蒸发材料。

在针尖上方0.1-10cm的位置处设置一个导电栅极，金属微尖和栅极之间施加一个10伏-100000伏之间的高电压，系统的真空度保持在10^-2到10^-6帕；在栅极后面加上电磁场控制电路，对飞出的粒子束进行筛选、聚焦、加速、减速，以及定向飞行的控制。

本发明中，金属微尖的材料要求具有比较高的熔点和良好的导电性能，如果是通过自身电阻的热效应来加热，还要求有比较好的热电阻效应，可以是钨、钽、钼、钛、锆、镍、石墨、钨钼合金等；如果是通过别的途径给它加热，则是需要有好的导电性和耐热性就可以了，如钨、钽、钼、钛、锆、镍、铜、铝、锰、铅、钡、钴、锑、铋、铬、镁、锡、石墨、钨钼合金、铸铁、碳素钢、青铜等。加热的途径可以是将附着材料的金属尖放在一个加热坩埚中，或加热的舟中，或用激光束照射，这里的坩埚可以陶瓷坩埚，或者是由钨、钽、钼、锆、镍、石墨、钨钼合金之一做的坩埚。其金属微尖的角度可以是0-70度之间，在其它条件不变的情况下，一般来说金属尖的角度越小，微尖处的电场越强。

本发明中，蒸镀的材料可以是无机半导体材料，也可以是有机半导体材料，但其加热蒸发的温度应在金属微尖的熔点或者升华温度以下。

本发明中，金属微尖和栅极之间的距离一般控制在0.1cm-10cm之间；其微尖和栅极之间的电压，一般控制在10伏到100000伏之间，而系统的真空度应该保持在10^-2到10^-6帕。其中栅极的材料要求是导电的、能经受一定高温的材料，比如钨、钽、钼、钛、锆、镍、铜、铝、锰、铅、钡、钴、锑、铋、铬、镁、锡、石墨、钨钼合金、铸铁、碳素钢、青铜、不锈钢等；其形状可以做成网格状，网格丝的直径在0.5-2.5mm，网眼的直径大小为0.1-3.0mm；也可以做成圆环状或者其他任何镂空的形状，其目的都是使它和金属尖之间形成强电场，而且要尽可能的不阻挡蒸发出来的分子和粒子。例如：可以制作一个钨丝金属坏，钨丝直径为2mm，环的直径为6mm，环心正对金属微尖。

本发明中，栅极后面加上的电磁场控制电路可以有各种形式，如果分子量在1000上下，所带电荷在一个单位电子电量左右，则调控电压应处于5伏到1000伏的范围。这些控制电路可以参考采用阴极射线管的控制电路形式。

本发明中，成膜基板可以和常规的一样。如果根据需要在上面加一层导电物质，则可以使其与控制电路结合起来。比如在做有机小分子显示器件时，基板是ITO玻璃，就可以使其加上和栅极同样性质的的电荷，从而通过静电场平衡所成薄膜的内电场。

其它的步骤都和通常的一样。

本发明中，使材料带电热蒸发出来，其主要作用如下：

1.分子的飞行可精确调控，包括分子飞向基板的速度，以及飞向的精确位置，从而可实现很小的像素点。而需要的其它技术已经很成熟方便，只要借用现有的阴极射线管的电子飞行调控电路；

2.若电极不均匀，电场较强处将吸引更多的带电粒子，最终该处将沉积更厚，以平衡电场，从而减少器件的微通道形成；

3.蒸发出的材料在电场调控下可定向飞向基板或像素点，大大节约材料；

4.对于阴阳离子型的物质，通过电路调控，可以使阴离子和阳离子一层一层地沉积上去，成为一种新的获得有序的膜的方法；

5.通过调控电路，可以对分子进行分子量上的筛选，可以准确地把带电的和不带电的、带电离子中不同分子量的，以及带不同电荷的离子给分开，从而制成更纯的膜，也可以应用在材料的纯化上；

6.带电粒子刚开始飞到基板上被吸附时，它要找到适当的位置释放掉它的电荷，也就是要找到放电子的最好的通道，因此它在基板上就会有个选择最佳落点以及弛豫的过程，这将有利于形成更有序、导电性能更好的薄膜；

7.对于带电的或者不带电的极性分子，都可以通过电磁场来控制它的飞行以及在基板上成膜时的分子的取向，得到各种有序的薄膜；

附图说明

图1为整个系统的模块图。

图2为实例1中的系统装置图。

图中标号：1.加热电源，2.栅极高压，3.调控电压，4.金属微尖，5.绝缘微尖套，6.镂空栅极，7.接收基板，8.材料出口，9.真空腔体，10.接线柱，11小电流信号测量仪，12.加热用钽皮，13.钽金属尖，14.Alq₃材料滴，15.铜丝金属网

具体实施方式

下面通过具体实施进一步描述本发明。

实施例1：

按如下的步骤：如附图2，用钽制作成顶角接近0度角的椎体(针尖)，针杆的直径约为1mm，针长2cm，其中1cm夹在加热用的钽皮折痕中，剩下1cm露在上方。为了简单明了，只制作单层的Alq₃器件。

首先将Alq₃制成极浓的溶液(溶剂用氯仿)，将清洗干燥好的钽微尖浸入此浓溶液，然后将微尖提取上来，下沥一会儿再干燥，再浸入、取出、下沥和干燥，如此反复，直到微尖上最终得到所需大小的材料滴(直径约2mm)，然后把沾染在针杆上的材料擦去，在真空干燥箱中干燥1小时，取出针杆后将其夹在用于加热的钽皮折痕中，在它上面垂直距离2cm处固定ITO的基板，装一片ITO玻璃基板，ITO的尺寸是3cm*2cm，针尖和ITO导电玻璃都用铜丝金属网静电屏蔽起来，然后整个系统都放置在真空系统中，工作时真空度保持在2.0*10^-4帕左右。

加热时钽皮的电源调在20伏、6安培的位置，在ITO和钽皮间加5000伏的直流电压，ITO上接正极，微尖上的接负极。带电粒子出来所形成的电流大小用Keithly的小电流信号测量仪检测和控制。真空腔体上的电极接线柱要用陶瓷进行保护，避免高压下腔体上暴露在大气中的电极之间发生空气击穿。

Claims (5)

1.一种真空热蒸镀成膜方法，以传统的真空热蒸镀成膜技术为基础，其特征在于引入强电场，使蒸发源里的材料分子或粒子带上电荷，再通过加热蒸发，使这些带电分子或者粒子飞出，并在电磁场控制下精确飞向基板，最终成膜；其中：

所述蒸发源采用金属微尖式蒸发源，该蒸发源由里面的金属微尖和外面的绝缘微尖套及待蒸发材料构成，绝缘微尖套的顶部开有一个直径为0.1-3.0mm的微孔作为材料蒸发口，待蒸发材料设置于金属微尖与绝缘微尖套之间；

所述引入强电场是金属微尖上方0.1-10cm的位置处设置一个导电栅极，金属微尖和栅极之间施加5000伏-100000伏之间的高电压，系统的真空度保持10^-2到10^-6帕；在栅极后面加上电磁场控制电路，对飞出的粒子束进行筛选、聚焦、加速、减速，以及定向飞行的控制；其中：

如果是用金属微尖自身通电加热，所述金属微尖的材料采用钼、钛、锆、镍、石墨、钨钼合金之中一种；如果金属微尖是通过外部加热的，所述金属微尖材料采用钼、钛、锆、镍、铝、锰、铅、钡、钴、锑、铋、铬、镁、锡、石墨、钨钼合金、铸铁、碳素钢、青铜之中一种；金属微尖的角度为0-70度。

2.根据权利要求1所述的真空热蒸镀成膜方法，其特征在于金属微尖系统的外部加热方式是陶瓷坩埚加热，或者是钨、钽、铝、钛、锆、镍、石墨、钨钼合金之一做成的坩埚加热，或者是激光辐射加热。

3.根据权利要求1所述的真空热蒸镀成膜方法，其特征在于加热蒸发温度控制在所用金属微尖的材料的熔点或者升华温度以下。

4.根据权利要求1所述的真空热蒸镀成膜方法，其特征在于所述导电栅极材料采用钨、钽、钼、钛、锆、镍、铜、铝、锰、铅、钡、钴、锑、铋、铬、镁、锡、石墨、钨钼合金、铸铁、碳素钢、青铜、不锈钢，栅极形状为网格形状，或圆环形状。

5.根据权利要求1所述的真空热蒸镀成膜方法，其特征在于所述电磁场控制电路采用阴极射线管的控制电路形式。

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