CN101280418B - 具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置 - Google Patents

Abstract

具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置，以及镀膜时衬底的操作模式。系统采用以镀膜真空室的中轴线为中心，在同一个水平面内，分两层或多层向外辐射的蒸发源分布方式，有效地排布更多的蒸发源，以满足多层器件结构中多源的要求；同时，将金属蒸发源位，置于近似垂直于蒸镀样品台的位置，以去除在金属蒸镀过程中产生的影子效应；配合蒸发过程中的衬底转动、样品基架中每个样品独立小挡板和掩膜板的使用，不但可实现大面积衬底均匀制膜，而且可实现多样品、多结构在同一次真空过程中的制备，提高效率和结果的可比性；更进一步，多层分布的源结构，可以更有效地利用空间，在相同数量蒸发位的情况下，大大缩小真空腔体积。

Description

具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置

技术领域

本发明属于有机光电薄膜应用领域，具体为真空蒸镀条件下制备有机光电薄膜时，真空蒸镀系统的结构设计。

背景技术

近年来，有机光电化合物由于其种类多样、性能易于通过结构设计来调制、制备合成工艺简单和可用于柔性电子器件等特点，而受到广泛的关注。在应用方面，有机光电材料是有机薄膜器件的基础，有机薄膜场效应晶体管(OFET)、有机电致发光器件(OLED)、有机薄膜太阳能电池(OPV)、有机薄膜传感器、有机激光器等的器件构造都离不开有机薄膜的制备。

在真空室内，通电加热被蒸镀材料，当温度达到一定时，被蒸镀材料便蒸发成蒸汽分子或原子，由于蒸汽分子的平均自由程大于从蒸发源到工件的直线距离，因此蒸汽分子或原子从蒸发源蒸发出来后，向各个方向直线射出，而很少受到其它分子的冲击和阻碍，这样被蒸发的分子或原子碰到待镀膜的基片或工件时，便凝结在上面形成膜层。这一工艺过程称为真空蒸发镀膜。在高真空环境中成膜，可以防止膜的污染和氧化，便于得到洁净、致密、符合预定要求的薄膜。因此，这种制膜方法目前得到了广泛的应用。

真空条件下，蒸镀有机光电薄膜，是制备小分子有机电致发光器件、有机小分子光伏器件、有机光电探测器、有机薄膜晶体管和有机存储器等有机光电器件的主要手段。该技术具有薄膜厚度控制方便、易实现多层器件结构的诸多优点。真空蒸镀系统的设计，工业应用系统和试验研究系统是有所不同的：工业应用强调的是大规模的批量生产、高的成品率，杜绝交叉污染，在设计上通常采用一个真空室放置一个蒸镀源的设计模式；实验研究体系一般比较简单，真空设计的目的强调简易、快捷、省材料、小规模，因此，一个真空室中通常放置多个蒸镀源。但在一个真空腔室内存在多个蒸发源时，此技术制备薄膜有如下的缺点：1)大面积薄膜的均匀性问题；2)在同一个真空腔室内，多个源的存在造成的腔室过大问题；3)由于源相对于衬底方位的大幅度倾斜，在使用掩膜板形成图案时，会导致影子效应；4)若存在金属电极源，金属的高温蒸镀会对同一个腔室内较低温度的有机源产生影响。

发明内容

技术问题：为了克服同一个真空腔室内多源分布时现有技术的不足，本发明提供一种具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置，在尽可能小的真空腔室内，依靠辐射分布排列的方式，有效地排布更多的蒸发源，以满足多层器件结构，所需要的真空腔体空间可以大大缩小，从而降低真空泵的规格，以及缩短真空腔室达到本底真空指标所需要的时间，降低成本、提高工作效率。

技术方案：本发明提供了一种具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置，具有如下的结构特征：

沿真空腔室内的纵向中心轴自上而下，有三个水平面结构，分别为样品基架水平面、蒸发源位置水平面和真空室底盘水平面；真空腔室前方为一个全开的门，在门上设有能够观查样品和蒸发源的观察窗；真空腔室的后下方设有高真空获得通道与真空泵相连；在真空腔室的正上方是控制样品基架的旋转动力装置，样品基架水平面连接在旋转动力装置的下方；真空室底盘水平面位于真空腔室内的底部，用来提供控制真空腔室的各种操作的接口，接口以法兰密封，通向外部。

样品基架水平面包含样品基架旋转盘、中心膜厚探头、多个分布于样品基架旋转盘上的第一待蒸镀样品位置、第二待蒸镀样品位置、第三待蒸镀样品位置、第四待蒸镀样品位置、第一样品独立小挡板、第二样品独立小挡板、第三样品独立小挡板、第四样品独立小挡板、第一掩膜板、第二掩膜板；中心膜厚探头置于样品基架旋转盘的中心，与其上方的旋转动力装置同轴心；多个待蒸镀样品位置均匀分布在样品基架旋转盘上，用以放置待蒸镀样品；样品独立小挡板分别置于每个样品的下方，为扇形，其中心位置提供挡板功能，而在其左右分别放置第一掩膜板和第二掩膜板；样品的大挡板置于样品基架旋转盘的下方，提供所有样品的共同开始蒸镀和共同结束蒸镀控制；样品基架旋转盘通过其上方的旋转动力装置与外部相联系，提供待蒸镀样品的转动。

在蒸发源位置水平面的位置是蒸发源的分布区域，以中心位置为圆心，在不同半径的外环和内环范围内排列多个电极：即外环第一电极、外环第二电极、外环第三电极、……、外环第m电极、内环第一电极、内环第二电极、内环第三电极、……、内环第i电极，其中m为不大于20的正整数，i为不大于10的整数；在外环和内环之间，是公共接地的圆环，其上设有第一夹具位、第二夹具位、第三夹具位、……、第k夹具位，其中k等于m和n中的较大的一个数值；在公共接地圆环的附近设有防止蒸发污染的纵向挡板；将蒸发舟连接在外环第m电极和第k夹具位之间，形成外层第m个蒸发源；将蒸发舟连接在内环第i电极和第k夹具位之间，形成内层第i蒸发源；通常地，金属蒸发源置于内层第i蒸发源上，使其与上方的样品基架基本保持垂直，以此杜绝影子效应的产生。

在真空室底盘水平面上设有第一电极位、第二电极位、第三电极位、第四电极位、……、第n电极位，其中n为不大于40的正整数；电极位的分布与蒸发源水平面内的蒸发源分布相匹配，电极的高度与蒸发源位水平面的高度相匹配。

在本发明中，蒸发源内的材料一般为在真空的条件下，高温稳定、可蒸镀的材

料。包括有机小分子、寡聚物、金属配合物、可真空蒸发的高分子与无机物(如LiF等)、金属及它们的合金(如金、银、镍、铝、钙、铯、镁、铟等)等。部分有机材料的结构式如下：

真空室的底盘用来提供控制真空腔室的各种操作的接口，例如，加热电极和接地电极的控制、各种挡板开与关的控制、膜厚探头数据的引出、以及温度耦合计数据的引出等。其中的各个接口都是以法兰密封和连接的。

有益效果：为了克服同一个真空腔室内多源分布时现有技术的不足，本发明提供一种具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置，在尽可能小的真空腔室内，依靠辐射分布排列的方式，有效地排布更多的蒸发源，以满足多层器件结构，例如有机电致发光器件中的白光结构、串联式器件等结构中的多源的要求；同时，蒸发源的多层辐射分布配合蒸发过程中的衬底的转动、样品基架中每个样品独立小挡板和掩膜板的使用，不但可实现大面积衬底均匀制膜，防止影子效应的产生；而且可实现多样品、多结构在同一次真空过程中的制备，提高效率和结果的可比性；更进一步，采用多层辐射分布模式的蒸发源，所需要的真空腔体空间可以大大缩小，从而降低真空泵的规格，以及缩短真空腔室达到本底真空指标所需要的时间，降低成本、提高工作效率。

附图说明

图1真空腔室的内部结构示意图，

图2样品基片架水平面的平面图，

图3真空腔室内蒸发源分布俯视图一，

图4真空腔室内蒸发源分布俯视图二，

图5真空腔室内蒸发源分布俯视图三，

图6真空腔室内蒸发源分布俯视图四。

具体实施方式

为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例和图例来进一步说明本发明的技术方案，但这些实施实例并不限制本发明，在发明本质范围内的其它应用以及变化和修饰也同样包括在本发明中。

所述的真空蒸镀系统100中，包含有：1)真空室前方为一个全开的门110，在门上设有观察窗111，能够观查样品和蒸发源，观察窗要内嵌可拆卸的保护玻璃，以便于清洗；2)真空室的后下方，设有高真空系统通道120，与真空泵相连。高真空的获得可通过分子泵或者扩散泵连接机械泵解决，并且在不停分子泵或者扩散泵的情况下，可以打开真空室，然后再抽真空；3)在真空室的正上方，是控制样品基架旋转的动力系统130；4)在真空腔室内，沿纵向中心轴，自上而下，有三个主要的水平面结构，分别为样品基架水平面140、蒸发源位置水平面160和真空室底盘170。

在样品基架水平面位置140，设有可以旋转的样品基架，用来放置多块待蒸镀的样品和它们的掩膜板。在基片架的下面还安装了一个基片共用大挡板150，以方便控制镀膜的起始和终止。在样品基架的中心，即多块待蒸镀样品的中心，设有膜厚监测探头146。每一个待蒸镀的样品，有自己独立的基片小挡板和两种掩膜板(通常为有机和金属两种图案)；每一个基片小挡板可以独立地控制所属待蒸镀样品；两块掩膜板分别置于所属待蒸镀样品的左右，例如，有机掩膜板在左侧，金属掩膜板在右侧，通过机械设计，可实现全部左侧或全部右侧的掩膜板位于待蒸镀样品的正下方，提供蒸镀图案。基片架与小挡板都安装在上法兰上，用磁力传动轴控制。

在蒸发源位的水平面的位置160，是蒸发源的分布区域，本部分的设计是本发明的关键之一。一般地，同样规格和品质的真空泵对不同体积的真空腔室进行工作时，腔室的体积越大，达到本底真空所需要的时间就越长。但是，在另一方面，小的真空腔所能容纳的蒸发源位置就少，限制了薄膜结构的多样性。例如有机电致发光的白光结构和串联式发光器件就需要相对多的蒸发源位，传统的解决办法是增大真空腔室的跨度，但是这会增大获得本底真空的难度。本发明采用多层辐射式的蒸发源位排列方式，有效地解决了这一矛盾。即，在蒸发源位的水平面的位置，以中心位置为圆心，在不同半径的圆周范围内排列电极，而在圆周外环161和内环163之间的圆周上设置有公共公共接地圆环162。将蒸发舟连接在外环161上的电极与公共接地152之间，或者内环163上的电极和公共接地162之间，便形成了蒸发源。同一半径的蒸发源为一组，可摆放相互之间无交叉污染或交叉污染较小的蒸发源组。在不同半径的电极之间，可设置易清洁隔板，来防止交叉污染。特别地，在有机电致发光器件中，如果金属蒸发源的位置与待蒸镀样品位置之间存在很大的倾角，金属会从掩膜板的缝隙沉积在图案的周边，在器件工作时，就会在预定的发光范围之外有附加的发光，这就是影子效应。影子效应使器件的表征数据相对真实值产生偏离。本发明将金属源放置在半径最小的圆周上，使其与上方的样品基架基本保持垂直，杜绝了影子效应的产生。

实施例1、是简单描述本专利的多蒸发源系统的一个例子。在图1所示的真空腔室100内部是圆柱结构，内径为360mm、高度为560mm、前开门110的规格为200mm×350mm。在垂直于纵向真空室中心轴的水平面上，由上至下，分布有样品基架水平面140和蒸发源位置水平面160，样品基架水平面140和蒸发源位置水平面160的垂直距离为300mm。蒸发源的位置是以真空室的中心轴为中心，在蒸发源位置水平面160内，分内环163外环161两层辐射式分布。外环161蒸发源位置分布在直径为270mm的圆形范围内；内环163蒸发源位置分布在直径为110mm的圆形范围内；公共接地圆环162的直径为130mm。设计时，保证样品基架旋转盘145的直径不大于内环163金属蒸发源位置的水平面直径，使金属蒸发源的位置基本保持在样品基架旋转盘145的正下方，防止金属蒸发时，影子效应的产生。本实例实现了在内径为360mm的真空腔室内，分布14个蒸发源位置的布局。本实例所指仅仅是阐明本发明的体现而没有限制在本发明专利权请求所列举的范围。在图中可以包括尺寸、相对位置等的变化、改变和演化。

实施例2、是实际系统中样品基片架水平面的平面图。如图2所示，真空腔室100的内径360mm；第一样品独立小挡板141、第二样品独立小挡板142、第三样品独立小挡板143、第四样品独立小挡板144的形状为扇形，半径为75mm，它们的轴心分布位置在直径为220mm的圆上；在它们上面，按照顺时针方向，依次分布有第一掩膜板147和第二掩膜板148，尺寸为28mm×28mm，其中心与扇形的中心线成±45°角。当样品小挡板顺时针转动时，在三个固定的位置，分别提供金属掩膜板、样品挡板和有机掩膜板的功能。第一待蒸镀样品位置1、第二待蒸镀样品位置2、第三待蒸镀样品位置3、第四待蒸镀样品位置4的中心分布在直径为110mm的样品基架旋转盘上145；待蒸镀样品共有四块，尺寸为28mm×28mm；中心膜厚探头146的位置在直径为40mm的圆上；本实例的样品基片架可以通过其上端的动力系统来控制样品基片架的转动；在样品基片架的下方，还安装了一个共用的样品大挡板150，以方便控制镀膜的起始和终止。

实施例3、真空腔室底蒸发源水平面的描述。如图3、4、5、6所示，为蒸发源的多层辐射式分布，蒸发源的总数量和内层蒸发源的数量分别为16、15、14、13，和4、3、2、1。外环161上的电极分布在直径为270mm的圆上，通过与直径为130mm的公共接地圆环162相连，可形成12个中心在直径为200mm的外层第一蒸发源S-1、外层第二蒸发源S-2、……、外层第十二蒸发源S-12；内环163上的电极分布在直径为110mm的圆上，通过与公共接地圆环162相连，可形成4个(图3)、3个(图4)、2个(图5)、1个(图6)内层蒸发源，即：内层第一蒸发源SS-1、内层第二蒸发源SS-2、……、内层第四蒸发源SS-4；内层蒸发源的排列，依据均匀分布的原则，根据不同的数量，可采用图3、4、5、6的分布模式，也可以采取其他的模式。

Claims (1)

1.一种具有多层辐射式蒸发源分布结构的多源真空蒸镀装置，其特征在于沿真空腔室(100)内的纵向中心轴自上而下，有三个水平面结构，分别为样品基架水平面(140)、蒸发源位置水平面(160)和真空室底盘水平面(170)；真空腔室(100)前方为一个全开的门(110)，在门上设有能够观查样品和蒸发源的观察窗(111)；真空腔室(100)的后下方设有高真空获得通道(120)与真空泵相连；在真空腔室(100)的正上方是控制样品基架的旋转动力装置(130)，样品基架水平面(140)连接在旋转动力装置(130)的下方；真空室底盘水平面(170)位于真空腔室(100)内的底部，用来提供控制真空腔室(100)的各种操作的接口，接口以法兰密封，通向外部；

样品基架水平面(140)包含样品基架旋转盘(145)、中心膜厚探头(146)、分布于样品基架旋转盘上的第一待蒸镀样品位置(1)、第二待蒸镀样品位置(2)、第三待蒸镀样品位置(3)、第四待蒸镀样品位置(4)、第一样品独立小挡板(141)、第二样品独立小挡板(142)、第三样品独立小挡板(143)、第四样品独立小挡板(144)、第一掩膜板(147)、第二掩膜板(148)；中心膜厚探头(146)置于样品基架旋转盘(145)的中心，与其上方的旋转动力装置(130)同轴心；多个待蒸镀样品位置均匀分布在样品基架旋转盘(145)上，用以放置待蒸镀样品；样品独立小挡板分别置于每个样品的下方，为扇形，其中心位置提供挡板功能，而在其左右分别放置第一掩膜板(147)和第二掩膜板(148)；样品的大挡板(150)置于样品基架旋转盘(145)的下方，提供所有样品的共同开始蒸镀和共同结束蒸镀控制；样品基架旋转盘(145)通过其上方的旋转动力装置(130)与外部相联系，提供待蒸镀样品的转动；

在蒸发源位置水平面(160)的位置是蒸发源的分布区域，以中心位置为圆心，在不同半径的外环(161)和内环(163)范围内排列多个电极：即外环第一电极(161-1)、外环第二电极(161-2)、外环第三电极(161-3)、至外环第m电极(161-m)、内环第一电极(163-1)、内环第二电极(163-2)、内环第三电极(163-3)、至内环第i电极(163-i)，其中m为不大于20的正整数，i为不大于10的整数；在外环(161)和内环(163)之间，是公共接地圆环(162)，其上设有第一夹具位(162-1)、第二夹具位(162-2)、第三夹具位(162-3)、至第k夹具位(162-k)，发污染的纵向挡板；其中k等于m和n中的较大的一个数值；在公共接地圆环(162)的附近设有防止蒸发污染的纵向挡板；将蒸发舟连接在外环第m电极(161-m)和第k夹具位(162-k)之间，形成外层第m个蒸发源(S-m)；将蒸发舟连接在内环第i电极(163-i)和第k夹具位(162-k)之间，形成内层第i蒸发源(SS-i)；金属蒸发源置于内层第i蒸发源(SS-i)上，使其与上方的样品基架基本保持垂直，以此杜绝影子效应的产生；

在真空室底盘水平面(170)上设有第一电极位(17-1)、第二电极位(17-2)、第三电极位(17-3)、第四电极位(17-4)、至第n电极位(17-n)，其中n为不大于40的正整数；电极位的分布与蒸发源水平面(160)内的蒸发源分布相匹配，电极的高度与蒸发源位水平面(160)的高度相匹配。

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